JP2006083429A - 複合構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 エアロゾルデポジション法により構造物が形成された板状基板は、構造物の持つ圧縮残留応力のため、板状基板が凸状に反ってしまう。
【解決手段】 板状基材表面に、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第１の構造物が形成された複合構造物であって、前記第１の構造物は多結晶であり、前記第１の構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記第１の構造物の厚みは１〜１００μｍであり、前記第１の構造物の緻密度は７０％以上である複合構造物であって、かつ前記板状基板裏面には、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第２の構造物が形成された複合構造物であって、前記第２の構造物の厚みは前記第１の構造物より厚く、前記第２の構造物の緻密度は前記第１の構造物の緻密度より低い第２の構造物が形成されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、基材表面にセラミックスや半金属などの脆性材料からなる構造物が形成された複合構造物に関する。

前記複合構造物を形成させる手段として、エアロゾルデポジション法がある。エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。

また使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。

この手法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないという特徴がある。

この方法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。

この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズをX線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい値を示す。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３４８１５４号

これら構造物の品質を上げる発明がなされる一方、緻密質で強固であり、密着性の良好な構造物を形成すると、構造物内に圧縮残留応力が発生し、それゆえ基材が構造物を上にして凸状に反る変形を起こすという問題がある。これは微粒子を衝突させるというこの手法の特徴ゆえに、構造物形成時に常に構造物は圧縮性衝撃力の印加にさらされ、内部に応力が蓄積されるとともに、構造物が鍛造されて押し広げられるためと考えられる。従ってこの手法にて形成される複合構造物の用途として、例えばシリコンウェハやガラスを平面度よく吸着させる静電チャックなどを考えたとき、板状の基材を用い、その要求特性に従って板の表面を研削・研磨して必要とされる平面度を確保して準備を進めた場合において、その表面に緻密で高強度の脆性材料の構造物を形成させるためにこの手法を採用すると、もとから確保していた平面度を劣化させ、凸状に反った板状複合構造物として、要求品質を満たさないものが得られるという結果となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、板状基板表面にエアロゾルデポジション法を用いて構造物を形成し変形した板状基板裏面にも構造物を形成することにより、板状基材の変形を制御し、要求される表面形状の設計を容易にする複合構造物についての提案である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、板状基材表面に、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第１の構造物が形成された複合構造物であって、前記第１の構造物は多結晶であり、前記第１の構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記第１の構造物の厚みは１〜１００μｍであり、前記第１の構造物の緻密度は７０％以上であることを特徴とする複合構造物であって、かつ前記板状基板裏面には、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第２の構造物が形成された複合構造物であって、前記第２の構造物の厚みは前記第１の構造物より厚く、前記第２の構造物の緻密度は前記第１の構造物の緻密度より低いことを特徴とする第２の構造物が形成されていることを特徴とする複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項２記載の発明は、板状基材表面に、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第１の構造物が形成された複合構造物であって、前記第１の構造物は多結晶であり、前記第１の構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記第１の構造物の厚みは１〜１００μｍであり、前記第１の構造物の緻密度は７０％以上であることを特徴とする複合構造物であって、かつ前記板状基板裏面には、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第２の構造物が形成された複合構造物であって、前記第２の構造物は多結晶であり、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が存在し、前記第２の構造物の厚みは前記第１の構造物より厚く、前記第２の構造物の緻密度は前記第１の構造物の緻密度より低いことを特徴とする第２の構造物が形成されていることを特徴とする複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項３記載の発明は、前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、平均結晶子径が５００ｎｍ以下の多結晶体から成る構造物が形成されていることを特徴とする請求項１から２に記載の複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項４記載の発明は、前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、研削研磨加工されていることを特徴とする請求項１から３に記載の複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項５記載の発明は、前記板状基材裏面に形成された第２の構造物は、研削研磨加工されていることを特徴とする請求項１から４に記載の複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項６記載の発明は、前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、エアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴とする請求項１から５に記載の複合構造物である。

上記目的を達成するために請求項７記載の発明は、前記板状基材裏面に形成された第２の構造物は、溶射法により形成されていることを特徴とする請求項１から６に記載の複合構造物である。

本発明によれば、板状基板表面にエアロゾルデポジション法を用いて構造物を形成し変形した板状基板裏面にも構造物を形成することにより、板状基材の変形を制御し、要求される表面形状の設計を容易にする複合構造物を作製することが可能になる。

本件で使用する語句の説明を以下に行う。
（板状基材Ａ面）
板状基板において、エアロゾルデポジション法で構造物を形成する、もしくは形成した面
（板状基材Ｂ面）
板状基板において、溶射法で構造物を形成する、もしくは形成した面。前記板状基板のＡ面の反対の面を指す。
（多結晶）
本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（結晶配向性）
本件では多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指し、配向性があるかないかは、一般には実質的に配向性のないと考えられる粉末Ｘ線回折などによって標準データとされたＪＣＰＤＳ（ＡＳＴＭ）データを指標として判断する。本件では、主要なピークのずれが３０％以内に収まっている場合を実質的に配向性がないと称する。
（界面）
本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。
（粒界層）
界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
（緻密度）
文献値、理論計算値による真比重と、構造物の重量および体積値から求めた嵩比重を用い、嵩比重÷真比重×１００％の式から算出する。
（平均結晶子径）
Ｘ線回折法におけるＳｃｈｅｒｒｅの方法によって算出される結晶子のサイズであり、本件ではマックサイエンス社製ＭＸＰ−１８を使用して測定・算出した。
（凸状）
板状基材が構造物を上にして、中央部が外周部に対して、ドーム状あるいはテント状に出っ張っている状態を指す。凸状に１０μｍとは、中央部が外周部に対して１０μｍ出っ張ったいる状態を指す。
（凹状）
板状基材が構造物を上にして、中央部が外周部に対して、ドーム状あるいはテント状にへこんでいる状態を指す。凹状に１０μｍとは、中央部が外周部に対して１０μｍへこんでいる状態を指す。

本発明にかかる実施例１は、図１に示す直径２４０ｍｍ、厚み２５ｍｍのアルミ合金（Ａ５０５２合金）製板状基板２００のＡ面の平面度を評価したところ、凸状に１０μｍであった。次に図２に示すように板状基板２００のＡ面にエアロゾルデポジション法により酸化イットリウムの構造物２２０を１９μｍ形成した後、板状基板２００のＡ面の平面度を評価したところ、凸状に３２μｍであった。つまり、板状基板Ａ面にエアロゾルデポジション法により酸化イットリウムの構造物２００を形成することにより、板状基板Ａ面の平面度は凸状に２２μｍ変形したことになる。

本発明にかかる実施例２は、図３に示す直径２４０ｍｍ、厚み２５ｍｍのアルミ合金（Ａ５０５２合金）製板状基板２００のＡ面の平面度を評価したところ、凸状に５μｍであった。次に図４に示すように板状基板２００のＢ面に溶射法により酸化イットリウムの構造物２３０を１５０μｍ形成した後、板状基板２００のＡ面の平面度を評価したところ、凹状に１６μｍであった。つまり、板状基板２００のＢ面に溶射法により酸化イットリウムの構造物２３０を形成することにより、板状基板２００のＡ面の平面度は凹状に２１μｍ変形したことになる。

よって、図５に示すように、実施例２の板状基材２００のＢ面への溶射法による構造物２３０の形成と、実施例３の板状基板２００のＡ面へのエアロゾルデポジション法による構造物２２０の形成を組み合わせることにより、板状基板２００のＡ面の平面度は、凸状に１μｍ程度になる。この場合、板状基板２００のＡ面へのエアロゾルデポジション法による構造物２２０の形成と板状基材２００のＢ面への溶射法による構造物２３０の形成順番はとくにどちらが先でもかまわない。

また、予め板状基板Ａ面にエアロゾルデポジション法により所定厚みの構造物を形成し、板状基板Ａ面の変形量をモニタリングしながら、板状基板Ｂ面に溶射法で形成する構造物の厚みを調整することにより、板状基板の変形量を微調整することも可能である。

エアロゾルデポジション法や溶射法で構造物が形成された板状基板は、構造物の残留圧縮応力により凸状に変形する。この変形量は、形成された構造物の厚みと正の相関があり、形成された構造物の厚みを研削研磨加工により調整することにより、板状基板の変形を微調整することが出来る。

実施の形態で説明したように、同じ板状基材に構造物を形成した場合、エアロゾルデポジション法で１９μｍ厚みの構造物を形成した場合、板状基板は２２μｍ変形したのに対し、溶射法では１５０μｍもの厚みの構造物を形成したにも関わらず、板状基板は２１μｍしか変形していない。これは、溶射法により形成する構造物は、エアロゾルデポジション法により形成する構造物と比較してポーラスであるためと推測される。
つまり構造物の単位厚み当たりに対する板状基板の変形量を単純計算すると、エアロゾルデポジション法による構造物の場合、変形量２２μｍ÷構造物厚み１９μｍ＝１．１６となり、溶射法による構造物の場合、変形量２１μｍ÷構造物厚み１５０μｍ＝０．１４となる。
つまりエアロゾルデポジション法による構造物の厚みを研削研磨加工により１μｍ薄くすると、板状基板は１．１６μｍ変形するのに対し、溶射法により構造物の厚みを研削研磨加工により１μｍ薄くしても、板状基板は０．１４μｍしか変形しない。
よって、溶射法により形成する構造物は、構造物厚みの変化に対する板状基板の変形量が少ないので、比較的ラフな研削研磨加工でも板状基板の変形量を制御することが出来る。別の見方をすれば、板状基板の変形量を高精度に制御することが可能である。
また溶射法は、構造物を安価で高速に形成することが可能な技術であり、結果として板状基板の変形量を制御した複合構造物を安価に製作することが出来る。

板状基板の材質は、セラミックス、ガラス、樹脂、半金属、金属などが利用できる。

溶射法により形成する構造物の厚みは、エアロゾルデポジション法により形成する構造物の厚みに対し２倍以上、好ましくは５倍以上、更に好ましくは１０倍以上にする。例えば、エアロゾルデポジション法により形成する構造物の厚みが１〜１００μｍの場合、溶射法により形成する構造物の厚みは、２〜２００μｍ、好ましくは５〜５００μｍ、更に好ましくは１０〜１０００μｍにする。

溶射法により形成する構造物の緻密度は、エアロゾルデポジション法により形成する構造物の緻密度に対しマイナス０．１ポイント以下、好ましくはマイナス１ポイント以下、更に好ましくはマイナス１０ポイント以下にする。例えば、エアロゾルデポジション法により形成する構造物の緻密度が９９％の場合、溶射法により形成する構造物の緻密度は、９９％−０．１ポイント＝９８．９％以下、好ましくは９９％−１ポイント＝９８％以下、更に好ましくは９９％−１０ポイント＝９０％以下にする。

図６にエアロゾルデポジション法を用いた構造物作製装置の一般的な概要を示す。構造物１９０を作製される基板１８０は、前後左右（ＸＹ）に制動できるＸＹステージ１７０に固定され、真空チャンバー１１０内に設置される。ガスボンベ１３０から搬送管を介して送られた搬送ガスは、エアロゾル発生器１４０を通過し、ノズル１５０からエアロゾルビーム１６０として噴射され、基板１８０上に構造物１９０を作製する。

本発明は、半導体製造プロセスで使用される平面精度の要求されるウエハステージ、やフラットパネルディスプレー製造プロセスで使用される平面精度の要求されるガラス保持装置などに関するものに利用できる。

本発明にかかる実施例１の板状基材の側面図 本発明にかかる実施例１のエアロゾルデポジション法により構造物を形成した板状基板の側面図 本発明にかかる実施例２の板状基板の側面図 本発明にかかる実施例２の溶射法により構造物を形成した板状基板の側面図 本発明にかかる実施例１と実施例２を組み合わせた板状基板の側面図 エアロゾルデポジション法を用いた構造物作製装置の概略図

符号の説明

１１０…真空チャンバー
１２０…真空ポンプ
１３０…ガスボンベ
１４０…エアロゾル発生器
１５０…ノズル
１６０…エアロゾルビーム
１７０…ＸＹステージ
１８０…基板
１９０…構造物
２００…板状基板
２２０…エアロゾルデポジション法により形成された構造物
２３０…溶射法により形成された構造物

Claims (7)

1. 板状基材表面に、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第１の構造物が形成された複合構造物であって、前記第１の構造物は多結晶であり、前記第１の構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記第１の構造物の厚みは１〜１００μｍであり、前記第１の構造物の緻密度は７０％以上であることを特徴とする複合構造物であって、かつ前記板状基板裏面には、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第２の構造物が形成された複合構造物であって、前記第２の構造物の厚みは前記第１の構造物より厚く、前記第２の構造物の緻密度は前記第１の構造物の緻密度より低いことを特徴とする第２の構造物が形成されていることを特徴とする複合構造物
2. 板状基材表面に、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第１の構造物が形成された複合構造物であって、前記第１の構造物は多結晶であり、前記第１の構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、前記第１の構造物の厚みは１〜１００μｍであり、前記第１の構造物の緻密度は７０％以上であることを特徴とする複合構造物であって、かつ前記板状基板裏面には、セラミックスや半金属などの脆性材料からなる第２の構造物が形成された複合構造物であって、前記第２の構造物は多結晶であり、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が存在し、前記第２の構造物の厚みは前記第１の構造物より厚く、前記第２の構造物の緻密度は前記第１の構造物の緻密度より低いことを特徴とする第２の構造物が形成されていることを特徴とする複合構造物
3. 前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、平均結晶子径が５００ｎｍ以下の多結晶体から成る構造物が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の複合構造物
4. 前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、研削研磨加工されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の複合構造物
5. 前記板状基材裏面に形成された第２の構造物は、研削研磨加工されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の複合構造物
6. 前記板状基材表面に形成された第１の構造物は、エアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の複合構造物
7. 前記板状基材裏面に形成された第２の構造物は、溶射法により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の複合構造物
   

Images