JP2003238237A - 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大気中で焼結することが可能であり、しかも
低熱膨張で鏡面研磨加工が容易なセラミックス材料であ
って、半導体露光装置用材料として好適な低熱膨張セラ
ミックスを提供する。 【解決手段】 ユークリプタイト５５〜８０ｖｏｌ％と
酸化アルミニウム２０〜４５ｖｏｌ％を混合した粉末を
成形後、常圧焼結した後に熱間静水圧加圧処理をして、
室温における熱膨張係数が０．７×１０^-6／℃〜３．０
×１０^-6／℃であり、ヤング率が１３０ＧＰａ以上の低
熱膨張セラミックスを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステッパ等の半導
体製造装置に用いられる低熱膨張セラミックスに関し、
特に、室温における熱膨張係数を０．７×１０^-6／℃〜
３．０×１０^-6／℃、ヤング率を１３０ＧＰａ以上とし
た低熱膨張セラミックスおよびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ステッパ（半導体露光装置）では、ステ
ージの上にミラーが固定された構造をしており、ミラー
にレーザーを照射してステージの移動距離を測定する。
したがって、ステージとミラーとの位置関係がずれる
と、半導体製品の歩留まり低下を招く原因となってい
る。そこで、従来一般には、ステージとミラーには同じ
材質が用いられ、剛性および緻密性とさらに低熱膨張性
が要求されるため窒化珪素や炭化珪素が多く用いられて
いた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、ミラーには高
い反射率が要求されるため、反射面を鏡面研磨加工する
必要があるが、しかし、窒化珪素や炭化珪素は硬度が非
常に高く、研磨が困難であるという課題があった。ま
た、これらの材料は大気中での焼成が不可能であり、窒
素やアルゴン等の不活性ガスの存在下で焼成するため、
工程が煩雑となるという課題もあった。

【０００４】本発明は、これらの課題を解決するために
鋭意検討して完成したもので、その目的は、大気中で焼
結することが可能であり、しかも低熱膨張で鏡面研磨加
工が容易なセラミックス材料であって、半導体露光装置
用材料として好適な低熱膨張セラミックスを提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的
は、ユークリプタイト５５〜８０体積％と酸化アルミニ
ウム２０〜４５体積％とからなる低熱膨張セラミックス
によって達成される。また、前記低熱膨張セラミックス
の最大気孔径が３μｍ未満である低熱膨張セラミックス
によって達成される。また、前記低熱膨張セラミックス
の室温における熱膨張係数が０．７×１０^-6／℃〜３．
０×１０^-6／℃であり、ヤング率が１３０ＧＰａ以上で
ある低熱膨張セラミックスによって達成される。

【０００６】また、本発明の目的は、ユークリプタイト
５５〜８０体積％と酸化アルミニウム２０〜４５体積％
を混合した粉末を成形後、常圧焼結した後に熱間静水圧
加圧処理をすることを特徴とする低熱膨張セラミックス
の製造方法によって達成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明に関わるミラー用材料とし
ては、室温における熱膨張係数が窒化珪素や炭化珪素と
略同等であり、かつ、硬度の低い材料が適している。し
かもミラーには、露光中のぶれを防止するためにも、剛
性の高い材料が求められる。そこで、本発明者らは、大
気中で焼成可能な酸化物から負の熱膨張係数を持ち硬度
の低い材料と、正の熱膨張係数を持ち剛性の高い材料と
を複合させる方法を試みた。鋭意研究を重ねた結果、負
の熱膨張係数を持ち硬度の低い材料としてはユークリプ
タイトを、正の熱膨張係数を持ち剛性の高い材料として
は酸化アルミニウムを用いることで、上記目的を達成で
きることを見出した。

【０００８】すなわち本発明は、ユークリプタイト５５
〜８０体積％と酸化アルミニウム２０〜４５体積％を複
合することで室温における熱膨張係数を０．７×１０^-6
／℃〜３．０×１０^-6／℃、ヤング率を１３０ＧＰａ以
上に制御した低熱膨張セラミックスである。

【０００９】ここで室温における熱膨張係数を窒化珪素
や炭化珪素と略同等とするためには、さらに望ましく
は、ユークリプタイト６０〜７５体積％と酸化アルミニ
ウム２５〜４０体積％を複合することで室温における熱
膨張係数を１．２×１０^-6／℃〜２．５×１０^-6／℃、
ヤング率を１５０ＧＰａ以上に制御した低熱膨張セラミ
ックスが好ましい。

【００１０】ここで、酸化アルミニウムの含有率を前記
した数値に限定した理由は、それぞれの下限値より酸化
アルミニウムの含有率が少ないと熱膨張係数とヤング率
が所望の値より小さくなるからであり、それぞれの上限
値より酸化アルミニウムの含有率が多いと熱膨張係数が
所望の値より大きくなり好ましくないからである。

【００１１】次に、本発明では、前記低熱膨張セラミッ
クスの最大気孔径が３μｍ未満であることを提案してい
る。ここで、本発明で定義している最大気孔径とは、焼
結して得られたセラミックス表面を鏡面研磨した後に、
その研磨面中の１０箇所について走査型電子顕微鏡にて
観察したときの最大気孔径を言う。

【００１２】本発明で、前記低熱膨張セラミックスの最
大気孔径が３μｍ未満であることを提案している理由
は、本セラミックスをミラー材料として使用する場合、
ミラーでは鏡面研磨した面を反射面とするが、内部に気
孔（ポア）が残存していると反射率が低下し、半導体製
品の歩留まり低下を招くからである。

【００１３】そこで、本発明のセラミックスは、組織を
緻密化してミラーに適した材質とする必要があり、その
製造方法として、ユークリプタイト５５〜８０体積％と
酸化アルミニウム２０〜４５体積％を混合した粉末を成
形後、常圧焼結した後に熱間静水圧加圧処理をすること
を提案している。

【００１４】以下に本発明を更に詳細に説明する。 （１）評価用試料の作製 平均粒径４μｍの市販のユークリプタイト粉末、および
平均粒径１μｍの酸化アルミニウム粉末を体積％で８
５：１５〜５０：５０の割合で配合した。各々の粉末を
ボールミルで粉砕・混合し、バインダを混入してスプレ
ードライヤにて造粒した。一軸成形後１５０ＭＰａでＣ
ＩＰし、大気中において１３００℃で常圧焼結した。得
られた焼結体を２等分に切断し、１つは熱間静水圧加圧
（ＨＩＰ）処理を行った。ＨＩＰ処理は、アルゴンガス
を媒体として、温度１２５０℃、圧力１５００ｋｇ／ｃ
ｍ²の条件で３ｈ行った。

【００１５】（２）評価 ＨＩＰ処理して得られたＨＩＰ処理品から各種評価用試
験片を切り出し、熱膨張係数とヤング率を測定した。熱
膨張係数はレーザー熱膨張計を用いて室温（２５℃）に
おける値を測定し、ヤング率は共振法（ＪＩＳ Ｒ１６
０２「ファインセラミックスの弾性率試験方法」）を用
いて測定した。それらの結果を表１にまとめて示した。
（ここで、表中の配合量とは酸化アルミニウムの配合量
を体積％で示したものであり、残部は、ユークリプタイ
トである。）

【００１６】

【表１】

【００１７】表１の結果より、酸化アルミニウムを２０
〜４５体積％（残部は、ユークリプタイト５５〜８０体
積％である）とすることで室温における熱膨張係数を
０．７×１０^-6／℃〜３．０×１０^-6／℃、ヤング率を
１３０ＧＰａ以上に制御した低熱膨張セラミックスが得
られることが確認できた。さらに好ましくは、酸化アル
ミニウムを２５〜４０体積％（残部は、ユークリプタイ
ト６０〜７５体積％である）とすることで室温における
熱膨張係数を１．２×１０^-6／℃〜２．５×１０^-6／
℃、ヤング率を１５０ＧＰａ以上に制御した低熱膨張セ
ラミックスが得られることが確認できた。このようにす
れば、室温における熱膨張係数を窒化珪素（１．４×１
０^-6／℃）や炭化珪素（２．３×１０ ^-6／℃）と略同等
とすることが可能である。

【００１８】次に、酸化アルミニウムが３５体積％（残
部は、ユークリプタイト６５体積％である）の常圧焼結
体（比較例）とＨＩＰ処理品（実施例）の各々から１０
ｍｍ×２０ｍｍの試験片を切り出し、鏡面研磨を行っ
た。その研磨面中の任意の１０箇所について走査型電子
顕微鏡にて３０００倍の倍率で観察したときの最大気孔
径を求めた。また、研磨面を光学顕微鏡で観察し、視野
１ｍｍ²内の３μｍ以上の気孔数を５箇所について観察
しその個数の平均値を求めた。その結果を表２に示し
た。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２の結果より明らかなように、本発明に
よる低熱膨張セラミックスは、最大気孔径が３μｍ未満
と小さくなり、３μｍ以上の気孔が皆無であることが確
認できた。

【００２１】次に、従来のセラミックスおよび本発明に
よるセラミックスを鏡面研磨するのに要する時間を比較
した。単位面積あたりの荷重を一定にし、１μｍのダイ
ヤモンド砥粒を用いて表面粗さＲａが０．５μｍから
０．０２μｍとなるまでの研磨に要する時間を測定し
た。その結果、窒化珪素は１ｈ、炭化珪素が１ｈ以上必
要であったのに対し、本発明の実施例であるＨＩＰ処理
品（ユークリプタイト６５体積％と酸化アルミニウム３
５体積％からなる低熱膨張セラミックス）では３０分
と、非常に短い時間で研磨処理することが可能であっ
た。

【００２２】以上説明したように、本発明によれば大気
中で焼結することが可能であり、低熱膨張で研磨加工が
容易な半導体露光装置用材料として好適な低熱膨張セラ
ミックスが得られることが分かった。

【００２３】

【発明の効果】従来の窒化珪素や炭化珪素をステージと
したステッパにおいて、熱膨張係数を窒化珪素や炭化珪
素と略同等として、かつ鏡面研磨が容易なミラー用材料
を提供できる効果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 真哉 千葉県佐倉市大作２−４−２ 太平洋セメ ント株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 4G030 AA02 AA36 AA37 BA18 BA24 CA01 GA03 GA04 GA05 GA14 GA22 GA25 GA27 GA29 GA33 HA25

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ユークリプタイト５５〜８０体積％と酸
   化アルミニウム２０〜４５体積％とからなることを特徴
   とする低熱膨張セラミックス。
2. 【請求項２】 前記低熱膨張セラミックスの最大気孔径
   が３μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の低
   熱膨張セラミックス。
3. 【請求項３】 前記低熱膨張セラミックスの室温におけ
   る熱膨張係数が０．７×１０^-6／℃〜３．０×１０^-6／
   ℃であり、ヤング率が１３０ＧＰａ以上であることを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の低熱膨張セラミ
   ックス。
4. 【請求項４】 ユークリプタイト５５〜８０体積％と酸
   化アルミニウム２０〜４５体積％を混合した粉末を成形
   後、常圧焼結した後に熱間静水圧加圧処理をすることを
   特徴とする請求項１〜３に記載の低熱膨張セラミックス
   の製造方法。