JP2006137650A - 軽量高剛性セラミック部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量高剛性セラミック部材を提供する。
【解決手段】セラミック部材１０は、隔壁１１により仕切られた多数の柱状空隙部１２を有するハニカム構造部材１３と、ハニカム構造部材１３の開口面に設けられる板部材１４とが接合された構造を有する。セラミック部材１０の空隙率を５０％以上とする。また、ハニカム構造部材１３の高さ（ｈ）を隔壁１１の厚さ（ｔ）で除した値（ｈ／ｔ）を１０超１５０以下とし、そのヤング率を２２０ＧＰａ以上とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、半導体製造装置に装備される可動ステージ等に好適に用いられる軽量高剛性セラミック部材に関する。

例えば、半導体装置の製造過程においては、フォトリソグラフィ技術によって半導体ウエハに所定のパターンを形成しており、このフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置において半導体ウエハを保持し移動させるステージには、近時の半導体装置における回路パターンの微細化と高集積化に対応した高精度の位置決め機能と、経済的に露光処理を行うための高速移動機能が求められている。

しかしながら、ステージを高速で移動させると必然的に振動が発生し、位置決め精度を低下させることとなる。特に、露光装置の可動部は移動と静止とを繰り返しており、静止時には慣性力による振動が発生する。このような振動は露光精度に影響するため、その大きさが許容レベル以下に減衰するまで待機する必要があり、それがスループット向上の阻害要因となってしまう。

ステージを一定の駆動力のもとで高速で動かすためには可動部全体の軽量化が必要であり、ステージの移動と停止に伴う振動による露光精度の低下を抑制するためには、ステージは荷重変形が小さい構造であることが好ましい。したがって、ステージの高速化と高位置決め精度を両立させるためには、軽量かつ荷重変形が小さい構造および材料が必要となる。ここで、慣性力による振動の大きさは部材の比剛性と相関関係があり、部材比剛性が大きいほど振動の大きさが小さくなるから、荷重変形を小さくすることは、比剛性を大きくすることと等価である。

このような状況において、特許文献１には、リブ構造を持つ部材の、リブ構造部分の内部構造がリブ構造である露光装置用部材が提案されている。この技術では、ステージ等の露光装置用部材を通常のリブ構造の場合よりも軽量化することができる。しかし、比剛性はリブ部分の空隙率が高い分だけ低くなり、またその構造上局所的な荷重変形量を考慮してリブの配置を設計しなければならず、また通常のリブ構造の荷重変形量以下の変形量とすることは困難である。
特開２００３−１０９８９２号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、半導体製造装置等において高速で移動させる部材に適した、軽量高剛性セラミック部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明者らは、セラミックス製ハニカム構造部材にセラミックス製板部材を接合してなる軽量高剛性セラミック部材について検討しており、その軽量化効果を追及する過程で、ハニカム構造部材の高さが比剛性に大きな影響を与えることがわかってきた。すなわち、ハニカム構造部材の高さが高いほど、その空隙率を高くすることができ、軽量化効果がより顕著に発揮されることを見いだした。ここでさらにハニカム構造部材の隔壁の厚さが薄いほど、空隙率を高めることができるが、隔壁の厚さを薄くし過ぎると高さの高いハニカム構造部材の作製は困難となるという新たな問題が生ずる。

本発明はこのような新たな問題をも解決するものであり、本発明によれば、所定のセラミックス系材料からなり、隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有するハニカム構造部材と、所定のセラミックス系材料からなり、前記ハニカム構造部材の少なくとも一方の、前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面に取り付けられる板部材と、を有し、その空隙率が５０％以上である軽量高剛性セラミック部材であって、前記ハニカム構造部材は、その高さ（ｈ）を前記隔壁の厚さ（ｔ）で除した値（ｈ／ｔ）が１０超１５０以下であり、そのヤング率が２２０ＧＰａ以上であることを特徴とする軽量高剛性セラミック部材、が提供される。

この軽量高剛性セラミック部材において、ハニカム構造部材にはＳｉＣまたはＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を用いることが好ましい。また、ハニカム構造部材に、ＳｉＣの充填率が４０体積％以上であるＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を用いることも好ましい。このようなセラミックス系材料を用いると、要求特性を備えたハニカム構造部材を生産性よく製造することができる。

本発明によれば、軽量で高い剛性を有するセラミック部材を、生産性よく製造することができる。本発明の軽量高剛性セラミック部材を、例えば半導体装置の製造に用いられる露光装置や検査装置の可動ステージ等として用いた場合には、高いスループットと高い位置決め精度を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る軽量高剛性セラミック部材（以下単に「セラミック部材」という）１０の概略構造を示す斜視図であり、図２は図１に示す矢視ＡＡの断面図、図３は軽量高剛性セラミック部材１０の内部の一部を拡大して示す斜視図である。

セラミック部材１０は、所定のセラミックス系材料からなり、隔壁１１により仕切られた多数の柱状空隙部１２を有するハニカム構造部材１３と、所定のセラミックス系材料からなり、ハニカム構造部材１３の少なくとも一方の、柱状空隙部１２の長手方向に垂直な面（以下「開口面」という）に設けられる板部材１４とを有している。ハニカム構造部材１３と板部材１４とは、後述するように、所定の接合剤（図１に示さず）により接合されている。

セラミック部材１０の空隙率、つまりハニカム構造部材１３と板部材１４を合わせた空隙率（ハニカム構造部材１３と板部材１４をそれぞれ構成するセラミックス系材料の気孔率を指すものではない）は、セラミック部材１０全体を軽量化する観点から、５０％以上とする。この空隙率が５０％未満では、セラミック部材１０を、例えば、露光装置のステージ部材として用いた場合等、実使用時において、軽量化による十分な効果を得ることができない。

図３に示されるように、ハニカム構造部材１３の高さをｈ、隔壁１１の厚さをｔとすると、ハニカム構造部材１３の高さ（ｈ）を隔壁１１の厚さ（ｔ）で除した比（ｈ／ｔ）を１０＜ｈ／ｔ≦１５０とする。

ｈ／ｔ＞１５０の場合には比剛性が低下し、後述する実施例に示すように、一定の荷重による撓みが大きくなるという問題が生ずる。またハニカム構造部材１３は後述するように押出成形法を用いて好適に作製されるが、ｈ／ｔの値が大きいということは、薄い隔壁を長い距離にわたって均一に押出成形しなければならないことを意味するので、その作製が困難になるという問題も生ずる。ｈ／ｔ≦１３０とすると、ハニカム構造部材１３の作製において、不良品に発生確率を著しく低下させることができ、高い生産性が実現される。ｈ／ｔ≦１０の場合には、ハニカム構造部材１３の空隙率を５０％以上としようとすると、柱状空隙部１２の開口面積を大きくする必要があり、そのような構造では比剛性が低下し、比剛性を上げようとすると軽量化できなくなる問題が生ずる。

ハニカム構造部材１３のヤング率、つまりハニカム構造部材１３を構成するセラミックス系材料のヤング率は、２２０ＧＰａ以上とする。ハニカム構造部材１３のヤング率が２２０ＧＰａ未満の場合には、板部材１４の撓みが大きくなるために好ましくない。

ハニカム構造部材１３に用いられるセラミックス系材料としては、ＳｉＣまたはＳｉＣ−Ｓｉ複合材料が好適に用いられる。ここで、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を用いる場合には、ＳｉＣ充填率は４０体積％以上であることが好ましい。これは、ＳｉＣ充填率が４０体積％未満のＳｉＣ−Ｓｉ複合材料では、ヤング率が低下するからである。板部材１４には、ハニカム構造部材１３と同じセラミックス系材料が好適に用いられる。

板部材１４の製造方法としては、セラミックス原料粉末にバインダ等の成形助剤を添加して造粒処理し、これをプレス成形法等により板状に成形した後、脱脂、焼成して板状焼結体を得て、これを切削，研削，研磨加工する方法が挙げられる。また、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を用いる場合には、最初にプレス成形法等によりＳｉ粉末とカーボン粉末を混合、成形してプリフォームを作製し、このプリフォームと金属Ｓｉとを不活性雰囲気において１６００℃程度に加熱して金属Ｓｉを溶融させ、溶融Ｓｉをプリフォームに含浸させることにより、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を得ることができる。

ハニカム構造部材１３の製造方法としては、押出成形法が好適に用いられる。すなわち、セラミックス原料粉末にバインダー等の成形助剤等を添加して混練し、得られた混練土を押出成形法によりハニカム形状に成形し、脱脂、焼成する方法が好適に用いられる。また、例えば、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料の場合には、Ｓｉ粉末とカーボン粉末の混練土を押出成形して、ハニカム形状のプリフォームを形成し、前記含浸法によりＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を得る方法を採用することができる。

ハニカム構造部材１３と板部材１４との接合方法としては、慣用の方法、例えば、金属ろう材（Ａｕろう、Ａｇろう、Ａｌ合金ろう、Ｓｉ合金ろう等）によるろう付け、ガラスペーストやセラミックスペーストを溶融させることによる接合方法等が用いられる。

本発明に係るセラミック部材は、上述したセラミック部材１０のように、ハニカム構造部材１３の一方の開口面に板部材１４が設けられた構成に限定されるものではなく、図４の斜視図に示すセラミック部材２０のように、ハニカム構造部材１３の両方の開口面にそれぞれ板部材１４・１５を設けたサンドイッチパネル状の構造としてもよい。セラミック部材１０・２０では、板部材１４（または１５）に必要に応じて穴部やネジ切り溝を形成し、このような穴部等を利用してステージ等を作製することができる。

セラミック部材１０においては、１個のハニカム構造部材１３と１枚の板部材１４とが接合されているが、このような形態に限定されず、１枚の板部材に複数のハニカム構造部材が取り付けられた構造としてもよい。また、セラミック部材を構成するハニカム構造部材の柱状空隙部の開口形状は正多角形に限定されるものではなく、柱状空隙部の開口形状は長方形、円形であっても差し支えない。さらに、セラミック部材の外形は図１に示すような直方体に限定されるものではなく、円柱状であってもよい。

Ｓｉ粉末１００質量部に対して、Ｃ（カーボン）粉末を４０質量部、メチルセルロースを１５質量部、純水を２５質量部添加して混練し、得られた混練土を押出成形して、ハニカム形状に成形した。この成形体を、アルゴンガス雰囲気中、Ｓｉとともに２０００℃で焼成し、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料ハニカム構造部材を得た。このハニカム構造部材の高さは６０ｍｍ、隔壁厚さは１ｍｍ、外寸は１０６ｍｍ×１０６ｍｍであり、ｈ／ｔ＝６０（つまり、ｔ＝１ｍｍ）となっている。また、このハニカム構造部材のヤング率は、共振法による測定の結果、２６０ＧＰａであった。

また、Ｓｉ粉末とＣ粉末を前記比率で配合し、これに所定量のバインダを添加して造粒し、得られた造粒粉をプレス成形し、ハニカム構造部材と同じ条件で焼成して板部材を得た。この板部材の外寸は、１０６ｍｍ×１０６ｍｍ×６ｍｍである。こうして作製したハニカム構造部材と板部材をＳｉ合金ろうを用いて接合して、セラミック部材を作製した。なお、このセラミック部材の軽量性を検討するために、その比重を重量とその外形寸法（体積）とから計算した結果、０．６７であり、十分な軽量性が得られていることが確認された。

このセラミック部材の中央部の２２ｍｍ×２２ｍｍの領域に５ｋｇの荷重を負荷し、負荷した面の歪みを歪ゲージ（東京測器製）で測定した。その結果、８．１×１０^-７であった。この結果を受けて、上記と同形状のセラミック部材の歪みおよび撓みを、ＦＥＭを用いて解析した結果、歪みは８．０５×１０^-７、撓みは２３９ｎｍという解析値が得られ、歪みについて、上述した実施例の試料の歪みの実測値とよい一致を示した。このことから、ＦＥＭ解析によって得られる撓みの値についても、高い信頼性があると判断することができる。

また、一般に歪みと撓みはともに元の形状からの変形量を示す値であるので、歪みが大きいほど撓みは大きくなる。一例としてセラミック部材１０を構成するハニカム構造体１３においてｈ／ｔを変化させた場合の歪みと撓みの関係を図５に示す。この図５に示されるように歪みと撓みには正の相関がある。よって、以下の説明においては、ステージ部材などにおいて重視される変形量である‘撓み’を、良否判断の数値として用いることとする。

この解析モデルを実施例１とし、これと同様に、表１に示す複数のモデルを設定し、ＦＥＭ解析した。各例における部材比重（セラミック部材全体の比重）は、上記実際に作製したセラミック部材の比重から材料密度を計算し、その材料密度を解析モデルの形状に適用することにより求めた。その結果を表１に併記する。各例では、撓みが３００ｎｍ以下で、部材比重が１．３以下のものを、実使用上の問題がないものと判断した。

実施例２はｈ／ｔ＝１５０に設定した解析モデルで、実施例１と比較するとｈ／ｔの値が大きいが、空隙率は同じとなっている。これは、隔壁の厚さが実施例２で実施例１よりも薄いが、柱状空隙部１カ所あたりの開口面積は実施例２で実施例１よりも狭く設定されているためで、これは実際にハニカム構造部材を作製することができる条件を考慮したものであり、またハニカム構造部材に剛性を持たせることも目的としている。実施例２の解析モデルでは、その撓みは２９０ｎｍと小さく、部材比重も０．６７と小さくなった。実施例３はｈ／ｔ＝１３０に設定した解析モデルで、ここでも、２７０ｎｍという小さな撓みに抑えられた。

比較例１はｈ／ｔ＝１５５に設定した解析モデルで、撓みは３１６ｎｍとなり、基準とした３００ｎｍよりも大きくなった。これはハニカム構造部材の比剛性の低下によるものと考えられる。また、比較例２はｈ／ｔ＝６０（実施例１と同じ）に設定した解析モデルであり、空隙率も実施例１と同等に設定されているが、ハニカム構造部材のヤング率が２００ＧＰａと小さく設定されている。この場合には撓みが３１２ｎｍとなり、基準の３００ｎｍよりも大きくなった。この結果から、セラミック部材の作製にあたっては、セラミックス系材料のヤング率が、所定の機械的特性を得るための重要な因子であることがわかる。

比較例３はｈ／ｔ＝６０（実施例１と同じ）であるが、空隙率を４０％という小さい値に設定した解析モデルで、この場合には部材比重が１．６５という大きな値となり、軽量化が十分でないと判断された。比較例４は空隙率を４８％に、ｈ／ｔ＝１０にそれぞれ設定したモデルであるが、その部材比重は１．４３となり、比較例３と同様に軽量化が十分ではないと判断された。このため、比較例３，４については撓み量のＦＥＭ解析は行っておらず、そのために表１のヤング率の欄が空欄となっている。

本発明の軽量高剛性セラミック部材は、例えば、露光装置用ステージや検査装置用ステージ等に好適である。

軽量高剛性セラミック部材の一実施形態を示す斜視図。 図１の矢視ＡＡ断面図 図１に示すセラミック部材の一部を拡大して示す斜視図。 本発明に係る軽量高剛性セラミック部材の別の実施形態を示す斜視図。 歪みと撓みの関係を示すグラフ。

符号の説明

１０；セラミック部材
１１；隔壁
１２；柱状空隙部
１３；ハニカム構造部材
１４；板部材
１５；板部材
２０；セラミック部材

Claims (3)

1. 所定のセラミックス系材料からなり、隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有するハニカム構造部材と、
   所定のセラミックス系材料からなり、前記ハニカム構造部材の少なくとも一方の、前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面に取り付けられる板部材と、
   を有し、その空隙率が５０％以上である軽量高剛性セラミック部材であって、
   前記ハニカム構造部材は、その高さ（ｈ）を前記隔壁の厚さ（ｔ）で除した値（ｈ／ｔ）が１０超１５０以下であり、そのヤング率が２２０ＧＰａ以上であることを特徴とする軽量高剛性セラミック部材。
2. 前記ハニカム構造部材に用いられるセラミックス系材料はＳｉＣまたはＳｉＣ−Ｓｉ複合材料であることを特徴とする請求項１に記載の軽量高剛性セラミック部材。
3. 前記ハニカム構造部材に用いられるセラミックス系材料は、ＳｉＣの充填率が４０体積％以上のＳｉＣ−Ｓｉ複合材料であることを特徴とする請求項１に記載の軽量高剛性セラミック部材。

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