JP2004179353A

JP2004179353A - ステージ部材

Info

Publication number: JP2004179353A
Application number: JP2002343132A
Authority: JP
Inventors: Masako Kataoka; 昌子片岡; Mamoru Ishii; 守石井; Masahito Iguchi; 真仁井口; Motohiro Umetsu; 基宏梅津; Hiroaki Nakamura; 中村　　浩章
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP4489344B2

Abstract

【課題】熱膨張係数が低く、接合部に内部応力が残留せず、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、接合強度が高い低熱膨張セラミックスからなる軽量なステージ部材を提供する。
【解決手段】β−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％からなる低熱膨張セラミックス底板材１と箱蓋構造を有する同材質の上板材２とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してステージ部材を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、検査機器等に用いられるステージ部材に関するもので、さらに詳しくは、低熱膨張セラミックスからなる軽量なステージ部材に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体回路は益々精細化する傾向にあり、例えば、ステージ部材を搭載した半導体露光装置では、極めて高精度な位置決めが要求されるため、各部材の構成に種々の工夫が鋭意検討されている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００３】
このような状況下で、周囲の温度変化による熱膨張によるわずかな変形でも製品歩留まりの低下を招くことから、半導体製造装置の構成部材としてコージエライトを主成分とする低熱膨張材料が用いられるようになってきた。（たとえば、特許文献２参照）
【０００４】
また、半導体製造装置の大型化、高速移動化にともない、このような構成部材の軽量化が要求されており、軽量化の手段として、部材を中空構造にすることが検討されている。具体的には、内部をくり抜いたセラミックス同士を接合することで内部空間を確保し、これにより大幅な重量減少を図ろうとしている。
このように低熱膨張セラミックス同士を接合する技術が求められており、このような場合には、従来、接合材としてガラスが多用されていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８０５０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０９１７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から接合材として用いられているガラスは低熱膨張材でないため、接合部にガラスの溶融温度から室温まで冷却する間に応力が残留するという問題がある。また、ガラスは剛性が低いため、接合後の部材全体の剛性が低下し、半導体製造において精細な描画が困難となる。さらには、接着強度が弱いという欠点も抱えている。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、熱膨張係数が低く、接合部に内部応力が残留せず、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、接合強度が高い低熱膨張セラミックスからなる軽量なステージ部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の（１）〜（５）によって達成される。
（１）少なくとも一方が箱蓋構造を有する低熱膨張セラミックス底板材と同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなることを特徴とするステージ部材。
（２）低熱膨張セラミックス底板材と一端から一端まで連通する溝部を有する同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなることを特徴とするステージ部材。
（３）上記（１）、（２）において、板材および接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であることを特徴とするステージ部材。
（４）上記（３）において、板材および接合材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、リン酸ジルコニウムカリウムから選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、窒化珪素、炭化ホウ素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料とからなることを特徴とするステージ部材。
（５）上記（３）または（４）において、板材と接合材との間の、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数の差が±０．１×１０^−６／℃以内であることを特徴とするステージ部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係るステージ部材は、低熱膨張セラミックスからなる板材を、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなる。
【００１０】
このように接合材として板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスを用いることにより、接合に際して接合材の溶融温度よりも高く、板材の溶融温度よりも低い温度で加熱することにより、接合材のみが溶融して複数の母材同士を接合することができる。この場合に、接合材が低熱膨張セラミックスであるから、接合部に残留する応力が小さく、接合部の剛性が高いため材料全体の剛性が高く、かつ接合部自体の強度がガラスより大きいから接合強度が大きい。
【００１１】
ここで、前記板材および前記接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であることが好ましい。この範囲であれば、半導体製造装置部材として用いられた場合に、半導体回路の精細化に適合可能である。また、板材と接合材との間の、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数の差が±０．１×１０^−６／℃以内であることが好ましい。熱膨張係数の差がこの範囲を超えると、接合のための熱処理後、冷却過程で内部応力がたまり、強度低下を招くおそれがある。
【００１２】
前記板材および前記接合材を構成する複合材料としては、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、リン酸ジルコニウムカリウムから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、窒化珪素、炭化ホウ素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の第２の材料とからなるものが好適である。これら構成材料のうち第１の材料は熱膨張が極めて小さく、第２の材料は熱膨張係数は第１の材料よりも大きいがヤング率が高く、これらを複合化することにより、所望の低熱膨張および高剛性を兼備した材料とすることができる。
【００１３】
上記第１の材料としては、リチウムアルミノシリケートであるβ−ユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。また、その中でもβ−ユークリプタイトはマイナスの熱膨張を示すので、プラスの熱膨張を示す第２の材料と組み合わせることにより、極めて低い熱膨張係数を得ることが可能であるし、また、配合を調節することにより熱膨張係数をマイナスからプラスの広い範囲で調節することが可能となる。なお、β−ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケートは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｋ、Ｔｉ、Ｚｎ等の他の成分と固溶体を形成するが、本発明ではこのような固溶体も適用可能である。
【００１４】
一方、接合材における第２の材料の選択は、接合材の溶融温度が板材の溶融温度よりも低くなるように上記材料の中から適宜選択される。
【００１５】
なお、接合材および板材を構成する複合材料において、実質的な化学的反応が生じなければ、第１の材料として複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。また、第２の材料も同様に、実質的な化学的反応が生じなければ、複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。
【００１６】
ここで、板材を構成する複合材料の構成材料のうち１種以上が、接合材を構成する複合材料の構成材料と共通であることが好ましい。これにより、共通の構成材料が拡散しやすく強固に接合することができるとともに、接合面がきれいである。
【００１７】
この場合に、板材の組成としてはβ−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％であり、接合材の組成としてはβ−ユークリプタイト４０〜８５質量％と窒化珪素１５〜６０質量％であることが好ましい。
【００１８】
次に、本発明のステージ部材の製造方法について説明する。
本発明のステージ部材は、軽量化を目的として、基本的には板材に中空構造を有している。
より具体的には、少なくとも一方が箱蓋構造（いわゆる弁当箱の箱蓋形状の構造）を有する低熱膨張セラミックス底板材と同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してステージ部材を製造する。ここで、底板材と上板材は両方とも外形寸法が略同一の箱蓋構造を有していても良いし（箱蓋と箱蓋が接合面でお互いに対象となり、内部に中空構造を形成するように側板同士を接合する。）、いずれか一方が箱蓋構造を有し、他方が平板であっても良い（平板に箱蓋をかぶせて内部に中空構造を形成するように接合する。）ことは勿論である。
また本発明のステージ部材は、低熱膨張セラミックス底板材と一端から一端まで連通する溝部を有する同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合して製造しても良い。ここで、一端から一端まで連通する溝部とは、一端から他の一端まで連通する溝部であっても良いし、一端から蛇行して同一の一端まで戻って連通する溝部であっても良い。このような溝部を形成した場合、この溝部に水や空気を冷却媒体として流せば、ステージの冷却をすることも可能となる。
【００１９】
つぎに板材同士の接合は、接合材粉末を適宜のバインダーとともに混練して粘糊性のあるペーストとし、このペーストを板材の接合面に塗布し、脱脂した後に接合面同士を密着させ、接合材は溶融するけれども板材は溶融しない温度で熱処理することによる。これにより、接合材が溶融し、一部は板材に拡散して板材同士を接合できる。
この際の熱処理雰囲気は、材料が全て酸化物系のものであれば、大気雰囲気を用いることができるが、非酸化物系の材料が含まれている場合には、非酸化雰囲気を用いることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例Ａ）
まず、β−ユークリプタイト粉末と炭化珪素粉末とを表１の割合でポットミル混合して乾燥させ、板材セラミックスの原料混合粉末を作製した。この混合粉末を一軸加圧成形して、３００ｍｍ×１５０ｍｍ×厚み１０ｍｍの板状成形体を作製し、１５０ＭＰａでＣＩＰ処理した。窒素雰囲気において、表１に示す温度で焼成し、底板材となる低熱膨張セラミックス焼結体を得た。同様にして、３００ｍｍ×１５０ｍｍ×６０ｍｍ（肉厚：１０ｍｍ）の箱蓋構造を有する上板成形体を作製し、同様に焼成して上板材を得た。
ここで、焼成して得られた板材から試験片を切り出し、レーザー干渉式熱膨張測定装置（アルバック理工社製ＬＩＸ−１）を用いて熱膨張係数を求めた。また、共振法にてこれら板材のヤング率を測定した。これらの評価結果についても表１にまとめて示した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
次に、β−ユークリプタイトと窒化珪素を表２に示す割合でポットミル混合して乾燥させ、接合材用の混合粉末を作製した。この混合粉末を無機分が３０ｖｏｌ％となるようにエチルセルロースの１５％α−テルピネオール溶液と混合し、三本ロールを用いてペースト状にした。なお、この接合材について同じ組成の焼結体を作製して板材と同様にして熱膨張係数を求めた。その結果についても表２にまとめて示した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
次に、上記底板材と上板材の接合する面に、上記接合材ペーストをスクリーンマスクを用いて厚さ３０μｍに印刷し５００℃で脱脂した後、印刷面同士を密着して０．５ｇ／ｍｍ^２の荷重をかけた。引き続き、窒素雰囲気で、表２に示した温度で熱処理し、接合材を溶融させて底板材と上板材を接合してステージ部材を得た。
【００２５】
図１に本実施例で得られたステージ部材の模式的な斜視図（ａ）とその横断面図（ｂ）を示した。ここで、１は低熱膨張セラミックスからなる底板材で、２は、箱蓋構造を有する底板材と同材質の上板材であり、３は、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で底板材と上板材を接合した接合部である。
【００２６】
次に、以上のようにして得られたステージ部材から接合部を含む試験片を切り出して曲げ強度とヤング率を評価した結果を表３に示した。
本発明のステージ部材は、全体の熱膨張係数が小さく、また、板材と接合材との熱膨張差が著しく小さいため接合部に内部応力がほとんど残留せず、また、表３に示したように、接合部は板材の剛性を維持し、しかも板材の強度からの大幅な低下を招かない程度の大きな曲げ強度を有していることが確認された。
【００２７】
【表３】

【００２８】
さらに、本発明のステージ部材は、中空構造を有しているために、中空構造でない場合と比較して約４０％だけ軽量化できた。
【００２９】
（実施例Ｂ）
実施例Ａに示した方法と同様にして５１０ｍｍ×３００ｍｍ×厚み１０ｍｍの底板状成形体と一端から反対の他の一端まで連通する５個の溝部（溝形状：９０ｍｍ×３００ｍｍ×溝深さ５０ｍｍ）を有する同材質の上板成形体（外形寸法：５１０ｍｍ×３００ｍｍ×６０ｍｍ、肉厚：１０ｍｍ）とを作製し、１５０ＭＰａでＣＩＰ処理した。次に、窒素雰囲気において、実施例Ａと同じ温度で焼成した。
【００３０】
次に、上記底板材と上板材の接合する面に、実施例Ａと同様にして接合材ペーストを塗布し脱脂した後、印刷面同士を密着して０．５ｇ／ｍｍ^２の荷重をかけた。引き続き、窒素雰囲気で実施例Ａと同じ温度で熱処理し、接合材を溶融させて底板材と上板材を接合してステージ部材を得た。
【００３１】
図２に実施例Ｂで得られたステージ部材の模式的な横断面を示した。ここで、１は低熱膨張セラミックスからなる底板材で、４は、上板材の一端から反対の他の一端まで連通する溝部であり、５は溝部を有する上板材であり、３は、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合した接合部である。
【００３２】
得られたステージ部材を実施例Ａと同様にして評価した結果、ステージ部材の熱膨張係数は十分に低く、かつ、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、接合部の曲げ強度が高いことが確認できた。さらに、本実施例のステージ部材は、上板材の一端から反対の他端まで連通した溝部を有しているために、溝部を有しない場合と比較して約６０％だけ軽量化できた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低い熱膨張係数を維持しつつ、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、接合部の曲げ強度が高いステージ部材を得ることができる。
さらには、本発明のステージ部材は、中空構造または一端から反対の他の一端まで連通した溝部を有しているために、そうでない場合と比較して大幅に軽量化できる効果がある。
また、一端から一端まで連通した溝部を有しているため、この溝部に水や空気を冷却媒体として流せば、ステージを冷却できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を模式的に示した斜視図と断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１底板材
２箱蓋構造を有する上板材
３接合材で接合した接合部
４溝部
５溝部を有する上板材

Claims

少なくとも一方が箱蓋構造を有する低熱膨張セラミックス底板材と同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなることを特徴とするステージ部材。
低熱膨張セラミックス底板材と一端から一端まで連通する溝部を有する同材質の上板材とを、該板材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなることを特徴とするステージ部材。
前記板材および前記接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１または２に記載のステージ部材。
前記板材および前記接合材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、リン酸ジルコニウムカリウムから選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、窒化珪素、炭化ホウ素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料とからなることを特徴とする請求項３に記載のステージ部材。
前記板材と前記接合材との間の、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数の差が±０．１×１０^−６／℃以内であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のステージ部材。