专利名称：陶瓷及陶瓷制造方法
技术领域：
本发明涉及这样的陶瓷，其适合用作用来固定FPD(平板显示器)玻璃衬底的精密卡盘，例如真空卡盘或者静电卡盘，以及一种陶瓷制造方法。
背景技术：
在FDP制造设备和半导体制造设备中，用各种类型的精密卡盘或者支撑平台来固定玻璃衬底或者半导体晶片。这些器件通常不希望有不必要的反射或者透射光。
日本专利公开No.8-262090公开了一种支撑平台，其上安放LCD(液晶显示器)的玻璃衬底，其经过了防蚀钝化铝处理和黑化。光在这种黑化的支撑平台表面上随机反射和吸收，这意味着防止了所不希望的会引起光反射的晕光。
日本专利公开No.8-139168公开了一种由低反射率的薄膜层制成的陶瓷真空卡盘。近来，由于已经能够提供较大的FPD衬底和晶片，已经提高了对具有高比刚度(扬氏模量/比重)的陶瓷卡盘的需求。与比刚度为28GPα·cm3/g的铝相比，氧化铝陶瓷或者AlN陶瓷的比刚度为80-95GPα·cm3/g或者90-95GPα·cm3/g。
日本专利公开Nos.2001-019540和10-095673分别公开了以堇青石为基底的黑化陶瓷和以AlN为基底的黑化陶瓷。这些黑化陶瓷和FPD衬底一样是绝缘体。如果由绝缘陶瓷制成的卡盘与FPD衬底相接触，在衬底内部会发生静电极化。结果，产生火花放电，衬底被破坏。
日本专利公开No.11-245133描述了例如当制造磁头的一个滑动触头时，由产生的静电极化引起的问题。多个滑动触头是通过切割一种其上有多个薄膜元件的滑动触头棒得到的。如果该滑动触头棒与一个绝缘夹具相连，在薄膜元件的金属层内部会发生电荷极化。该文献指出用一种半导体陶瓷夹具来解决由静电极化所引起的这一问题。所公开夹具的表面电阻率在从大于或者等于1×106欧姆每平方到小于1×1012欧姆每平方的范围内。
从日本专利公开No.62-094953中，知道有这样的半导体陶瓷，其基底是氧化铝(Al2O3)，加入了0.5-2wt％的TiO2。这种氧化铝陶瓷经过了在还原气氛中的煅烧。
日本专利公开No.11-189458中公开了体电阻率为104-1012Ω·cm，击穿电压为10kV/mm或者更大的半导体陶瓷。这种半导体陶瓷包含40-85％体积比的氧化铝晶粒和MnNb2O6，Mn2AlO4和MnFe2O4中的一种或多种。相对廉价的氧化铝通常在普通氛围下煅烧，这意味着可以大规模的来制造半导体陶瓷。
本发明的目的是提供一种具有高比刚度的氧化铝陶瓷，其中以高的比率包含氧化铝做主要组分。
本发明的另一个目的是提供能够满足低反射率和半导电性需要，而又不用过分降低氧化铝比率的陶瓷。
发明内容
本发明的陶瓷包含80wt％或者更多的氧化铝，含有Mn，Ti，Fe，Si，Ca和Mg，所述陶瓷经煅烧生成Mn-Al尖晶石(MnO·Al2O3)晶体和钙长石晶体(CaO·Al2O3·2SiO2)，其体电阻率为1×1011Ω·cm或者更小。
优选的，该陶瓷以氧化物计含有总量为2-11wt％或者更多的Mn，Ti和Fe，Mn以二氧化锰(MnO2)计为0.5wt％或者更多，Ti以氧化钛(TiO2)计为0.5wt％或者更多，Fe以氧化铁(Fe2O3)计为0.5wt％或者更多。
而且，优选的，该陶瓷以氧化物计含有总量为6-9wt％或者更多的Si，Ca和Mg，Si以氧化硅(SiO2)计为4wt％或者更多，Ca以氧化钙(CaO)计为0.4wt％或者更多，以及Mg以氧化镁(MgO)计为0.4wt％或者更多。
依据本发明，一种陶瓷制造方法包括用含氧化铝做主要组分以及二氧化锰(MnO2)，氧化钛(TiO2)，氧化铁(Fe2O3)和硅石或者粘土，方解石，白云石与菱镁矿的混和粉末制成致密体，然后将该致密体在LPG炉或者电炉中于1300-1450℃下煅烧生成Mn-Al尖晶石晶体和钙长石晶体。
参照下面的描述，将清楚其它的新特征。
附图简述
图1是陶瓷的体电阻率与其中的Mn，Ti和Fe的总重量比之间的函数关系图。
图2是样品No.5的X射线衍射图。
图3是样品No.6的X射线衍射图。
图4是样品No.7的X射线衍射图。
图5是用EPMA得到的样品No.5的分子分布图。
图6是用EPMA得到的样品No.7的分子分布图。
图7是样品No.1的累积反射率。
图8是样品No.5的累积反射率。
图9是样品No.6的累积反射率。
图10是样品No.7的累积反射率。
图11是样品No.1的正反射率。
图12是样品No.5的正反射率。
图13是样品No.6的正反射率。
图14是样品No.7的正反射率。
优选实施方案详述首先，在称重之后，将二氧化锰(MnO2)粉末，氧化钛(TiO2)粉末，氧化铁(Fe2O3)粉末，粉状硅石或者粘土，粉状白云石，粉状方解石和粉状菱镁矿与作为主要组分的氧化铝(Al2O3)粉末相混和。接下来，通过将该混和粉末湿磨得到浆料。然后，将这种浆料用喷雾干燥法干燥，得到坯料粉末，然后将这种坯料粉末压制成型，并在电炉中于1300-1650℃下煅烧。这样，得到了含有氧化铝基体的陶瓷烧结体样品(样品Nos.1-8)。样品Nos.4-7中的陶瓷是优选方案，而样品Nos.1-3中的陶瓷是对比例。表1中给出了每个样品的组成，煅烧温度，物理性能，体电阻率，晶相，累积反射率和正反射率。
表1
在表1中，每种组分的重量比是以氧化物计。Al，Ti，Fe和Mn的重量比分别转化为Al2O3，TiO2，Fe2O3和MnO。Si，Ca和Mg分别转化为SiO2，CaO和MgO。样品No.1代表的陶瓷含有特别高比率的氧化铝做主要组分。样品Nos.1-3的陶瓷中不含MnO。
对于表1中的比重，准备的是厚20mm的大约30mm的方形样品，测量采用的是Archimedes法。扬氏模量测量采用的是JIS(日本工业标准)R1602提供的一种声学测试法，所备样品为100mm×20mm×2mm。用扬氏模量除以比重计算比刚度。为了还能够与大的精密卡盘或者支撑平台一起使用，优选的，这些陶瓷具有的比刚度为65GPα·cm3/g或者更高。样品No.1的高纯陶瓷具有的比刚度为94.9GPα·cm3/g。而样品No.8的陶瓷的比刚度为59.5GPα·cm3/g，低于样品No.1的比刚度的70％。样品No.8的陶瓷的比刚度是不利的，这些陶瓷需要包含80wt％或者更多的氧化铝。
用粒度140的金刚石砂轮研磨厚度为20mm的100mm的方形样品的上下表面，直到其厚度达到6mm。在样品的两端涂上电极，用绝缘欧姆计测量电阻值r。体电阻率R由下面的公式得到R＝r×S/tS是欧姆计电极的表面积，t是样品的厚度。
如果用于精密卡盘的陶瓷的体电阻率为1×1011Ω·cm或者更小，就可以可靠的防止因静电极化而引起的FPD衬底的破坏。样品Nos.4-8的陶瓷满足这么低的体电阻率。参照样品Nos.1-3，在不含Mn的陶瓷中不会产生导电性。样品No.3的陶瓷中含有1.1wt％的Ti和0.1wt％的Fe，但不是半导电性的。样品No.4的陶瓷中含0.7wt％的Mn。所以，为了呈现出半导电性，优选的，陶瓷中要包含0.5wt％或者更多的Mn。样品Nos.4-8的陶瓷中除了含Mn外，还包含0.5wt％的Ti和0.5wt％的Fe。而且，样品Nos.4-8的陶瓷中包含总量为6-9wt％的SiO2，CaO和MgO。参照图1中的曲线图，就会明白如果TiO2，Fe2O3和MnO的总重量比变大，体电阻率就会降低。参照样品2-3，在含有的TiO2，Fe2O3和MnO总量少于2wt％的陶瓷中不会呈现出导电性。所以，优选的，氧化铝陶瓷中含有总量为2wt％或者更多的TiO2，Fe2O3和MnO，以呈现出半导电性。
用研钵将每个样品的裂片压碎，并用X射线衍射仪进行晶相分析。基于X射线衍射强度得到的晶相的量如表1中所示。图2，图3和图4分别是样品Nos.5，6和7的陶瓷的X射线衍射图。判断表明，样品Nos.4-8的陶瓷主要由氧化铝(Al2O3)，Mn-Al尖晶石(MnO·Al2O3)和钙长石(CaO·Al2O3·2SiO2)晶体组成。在样品Nos.4-6的陶瓷中，有微量的晶体由Ti或者Fe组成。在样品Nos.7-8中不含由Ti或者Fe形成的晶体。所以可以判断，大量的Ti和Fe都溶解在了Mn-Al尖晶石晶体中。结果，在生成的非化学计量比的化合物中，通过晶格缺陷有效引入了导电性。
在晶体间隙中缺少氧的状态称为缺氧的晶格缺陷。在晶体间隙中含有太多氧的状态称为多氧的或者缺金属的晶格缺陷。两种类型的晶格缺陷都来自于TiO2，其是一种3d过渡金属氧化物。TiO2有宽范围的非化学计量比。Fe是一种3d过渡金属，在Fe的氧化物中会产生缺氧的和多氧晶格缺陷的结合。Ti和Fe的氧化物容易形成非化学计量比的化合物，由此可以被用以呈现出大量的晶格缺陷，而不需要过分降低氧化铝的比率。
将样品Nos.5和7的裂片用金刚石磨料打磨。用EPMA(电子探针X射线微分析仪)分析这些裂片中的每种元素Mg，Ca，Al，Fe，Si，Mn和Ti。图4和图5分别是样品No.5和样品No.7的元素分布图。Mn的分布是不均匀的。Mn的分布范围在生成Mn-Al尖晶石晶体的地方，并与Fe或者Ti的分布范围相重叠。Ca的分布也不均匀。Ca的分布范围在生成钙长石晶体的地方，并与Mn，Ti和Fe的分布范围十分接近。估计是通过冷却工艺将每种组分分开，形成Mn-Al尖晶石晶体和钙长石晶体，可供选择的，还估计是通过高温煅烧的方法在熔融玻璃界面上形成Mn-Al尖晶石晶体。在任何一种情况下，钙长石晶体长生都导致Mn，Ti和Fe的重叠分布。
用与测量体电阻率所用的相同的100mm的方形样品来测量光反射性。将波长在220-800nm的光激射到样品表面。通过检测漫反射的光得到累积反射率，通过检测0度处的反射光得到正反射率。样品的表面粗糙度为0.6μRa。现在，假设碳酸钡粉末的压实的致密体的累积反射率为100％。经过了镜面抛光的铝材料的正反射率是100％。图7，图8，图9和图10给出了样品Nos.1，5，6和7在220-800nm波长范围内的累积反射率。图11，图12，图13和图14分别给出了相同样品的正反射率。累积反射率对于220-350nm的波长为10.3-15.0％，对于400-550nm的波长为11.9-16.5％，对于600-800nm的波长为13.8-21.7％。正反射率对于220-350nm的波长为0.6-0.9％，对于400-550nm的波长为0.8-1.0％， 对于600-800nm的-波长为0.9-1.7％。
表2给出了样品No.1的反射率是100％情况下的样品Nos.5-8的反射比率。从表2中得到，样品Nos.5-8的累积反射率是样品No.1的累积反射率的18-62％。样品Nos.5-8的正反射率是样品No.1的正反射率的28-67％。
表2
用LPG炉代替电炉将与样品Nos.6和7相同的粉末致密体烧成陶瓷。表3是这些陶瓷的性能，它们全具有足够高的刚度，低的体电阻率和低的反射率。
表3
近年来，随着FPD衬底尺寸的提高，已经增大了对大尺寸精密卡盘或支撑平台的需求。基底大到以“米”为单位的精密卡盘也以产生。本发明的陶瓷同样可以应用到FPD制造器件和半导体制造器件中的大尺寸精密卡盘或者支撑平台上。而且，本发明的陶瓷制造方法不需要特殊的气氛。
权利要求
1.一种陶瓷，其包含80wt％或者更多的氧化铝，其中含有Mn，Ti，Fe，Si，Ca和Mg，所述陶瓷经煅烧生成Mn-Al尖晶石(MnO·Al2O3)晶体和钙长石晶体(CaO·Al2O3·2SiO2)，所述陶瓷的体电阻率为1×1011Ω·cm或者更小。
2.权利要求1中的陶瓷，含有的Mn，Ti和Fe的总量以氧化物计为2-11wt％或者更多。
3.权利要求1中的陶瓷，含有的Mn以氧化物(MnO)计为0.5wt％或者更多。
4.权利要求1中的陶瓷，含有的Ti以氧化物(TiO2)计为0.5wt％或者更多，且含有的Fe以氧化物(Fe2O3)计为0.5wt％或者更多。
5.权利要求1中的陶瓷，其具有的比刚度为65GPa·cm3/g或者更高。
6.权利要求1中的陶瓷，其中，当光照射到研磨后的陶瓷的表面上时，累积反射率对于220-350nm的波长为10.3-15.0％，对于400-550nm的波长为11.9-16.5％，对于600-800nm的波长为13.8-21.7％。
7.权利要求1中的陶瓷，其中，当光照射到表面粗糙度为0.6μRa的陶瓷表面上时，0度下的正反射率对于220-350nm的波长为0.6-0.9％，对于400-550nm的波长为0.8-1.0％，对于600-800nm的-波长为0.9-1.7％。
8.权利要求1中的陶瓷，其中含有的Si，Ca和Mg的总量以氧化物计为6-9wt％或者更多。
9.权利要求1中的陶瓷，其中含有的Si以氧化物(SiO2)计为4wt％或者更多，Ca以氧化物(CaO)计为0.4wt％或者更多，Mg以氧化物(MgO)计为0.4wt％或者更多。
10.一种陶瓷制造方法，其中，将含有氧化铝(Al2O3)做主要组分，以及二氧化锰(MnO2)，氧化钛(TiO2)，氧化铁(Fe2O3)，硅石或者粘土，白云石，方解石和菱镁矿的混和粉末制备成致密体，然后在LPG炉或者电炉中，于1300-1450℃下将该致密体煅烧，形成Mn-Al尖晶石晶体和钙长石晶体(CaO·Al2O3·2SiO2)。
全文摘要
一种陶瓷，其包含80wt％或者更多的氧化铝(Al
文档编号C04B35/195GK1622924SQ0380272
公开日2005年6月1日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月12日
发明者冲山义治, 山口亮 申请人:沙迪克株式会社