JP2008231543A - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】β−ユークリプタイトからなる充填体または成形体を形成し、前記充填体または成形体に600℃〜1000℃で溶融させた軽金属または軽金属合金の溶湯を加圧浸透させ、得られた固形物の表面の合金層を除去して、金属−セラミックス複合材料を製造する。得られた複合材料の20〜30℃における平均の線膨張係数は、3×10-6/℃以下と低熱膨張であり、例えば半導体製造工程で使用される露光装置等の各種装置、部品及び治具の材料として最適なものである。
【選択図】 なし
Description
ところが、近年、デバイスの微細化に伴い、その微細化を達成するために高い精度が求められ、例えば、半導体の露光装置においては、ステージの位置決めに10nm未満の精度が要求されている。したがって、位置合わせ誤差の低減が、今後の製品の品質向上や歩留まり向上の大きな要素技術として捉えられるようになってきた。しかしながら、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを用いた部材では、熱膨張係数が大きく温度の影響を受けやすいため、このような極めて微小な位置決めはできないという問題点があった。
しかしながら、セラミックスの場合、1mを超える大型品の製造が困難である場合が多い。また、緻密化させるための焼成においては、1000℃以上の高温による長時間焼成を必要とし、生産性に問題があった。
本発明は上記事情を鑑みて完成されたものであり、その目的は、例えば半導体製造工程で使用される露光装置等の各種装置、部品及び治具の材料として最適なものであって、低い熱膨張係数を有する金属−セラミックス複合材料とその製造方法を提供することである。
また、軽金属または軽金属合金が、金属アルミニウム、アルミニウム合金、金属マグネシウム、マグネシウム合金から選ばれるいずれか1種であることを特徴とする前記の金属−セラミックス複合材料によって達成される。
また、β−ユークリプタイトからなる充填体または成形体を形成する工程と、前記充填体または成形体に600℃〜1000℃で溶融させた軽金属または軽金属合金の溶湯を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする前記の金属−セラミックス複合材料の製造方法によって達成される。
したがって、β−ユークリプタイトと軽金属または軽金属合金とを所定の割合で複合させることにより、複合材料の線膨張係数を小さくすることかができる。また、β−ユークリプタイトと軽金属または軽金属合金の体積比を精密に制御することにより、線膨張係数αの絶対値を、極めて小さい値に設定することも可能となる。
その理由は、金属アルミニウム(比重:2.7)も金属マグネシウム(比重:1.7)も軽量であり、かつ、延性や靭性に優れた素材であるからである。
しかし、これらの軽金属または軽金属合金の線膨張係数αは、種々の製造装置の一般的な使用環境においては、例えばアルミニウム合金では、20×10-6/℃程度と正の大きな値を示している。
したがって、上記したように複合材料の線熱膨張係数αを、所望の範囲に収まるようにするためには、β−ユークリプタイトとの複合化が必要となる。
より具体的には、β−ユークリプタイト粉末を鉄またはカーボン等の容器に充填し、β−ユークリプタイト粉末に圧力を加えるか、または容器に振動を加えることによって、β−ユークリプタイト粉末の充填体を形成することができる。
より具体的には、β−ユークリプタイトに無機バインダあるいは有機バインダを添加してプレス成形する方法や、β−ユークリプタイトと溶媒と無機バインダとを混合し、フィルタープレス等の方法によって、β−ユークリプタイト粉末の成形体を成形することができる。
またβ−ユークリプタイトの成形体の密度を高めるために、成形体を加熱処理により仮焼しても良く、また、一部焼結を進行させてもよい。
ここで、充填体または成形体に溶湯を加圧浸透させる前工程として、充填体または成形体を500℃〜1000℃に予熱(加熱)してから、これを鋳造用金型内にセットしている。次に、軽金属または軽金属合金をその融点以上の温度で溶融し、その溶融金属(溶湯ともいう。)を鋳造用金型に注入して所定の圧力を加えることにより、溶融金属を充填体または成形体内の空孔に浸透させることができる。
ここで、この場合の溶湯温度は600〜1000℃であることが好ましい。600℃未満では浸透不良が生じ易く、1000℃を超える温度以上では溶湯が酸化され酸化物が混入しやすく、酸化物の影響で線膨張係数αが大きくなるため好ましくない。
また、マグネシウムあるいはマグネシウム合金を溶湯とする場合には、発火を防止するため、CO2,窒素ガス,アルゴンガス,アルゴンガスと窒素ガスの混合ガス、減圧(1気圧以下)窒素ガス等のガスを、溶解炉および鋳造用金型内に導入することが好ましい。
(1)成形体の形成
所定量のβ−ユークリプタイト粉末に、その100重量部に対して、5重量部のコロイダルシリカと、バインダとしてポリビニルブチラール(PVB)を5重量部の配合割合で、それぞれを添加して均一に混合した粉末を金型に投入し、プレス成形法により、150mm×100mm×50mmのプレス成形体を形成した。
ここで、成形体におけるβ−ユークリプタイト粉末の充填率は、成形金型へのβ−ユークリプタイト粉末の粒度とプレス成形時の成形圧力を調整するとともに、加熱処理によって一部焼結を進行させて所望の値に制御した。
電気炉を用いてこの成形体を700℃で予熱してアルミニウム鋳造用金型内にセットした。アルミニウム合金(JIS AC8A)を850℃に加熱して溶融させ、この溶湯を鋳造用金型に注入し、60MPaで10分間加圧し、溶湯を成形体内の空孔に浸透させた。 鋳造用金型の温度を室温まで下げた後に、鋳造用金型内の固形物を取り出し、さらにその固形物の表面のアルミニウム合金層を除去して、アルミニウム合金からなるマトリックス中にβ−ユークリプタイトが複合された金属−セラミックス複合材料を得た。
このようにして得られた複合材料から、4mm×4mm×15mmの試験片を切り出し、リガク社製の熱膨張計(ThermoPlus2 TMA8310)を使用して、室温から2℃/分の昇温速度で線膨張係数を測定した。20〜30℃における平均の線膨張係数の測定結果を複合材料の組成とともに表1にまとめて示した。
上記した方法と同様にしてβ−ユークリプタイトからなる成形体を得た。得られた成形体を電気炉を用いて700℃で予熱してマグネシウム鋳造用金型内にセットした。マグネシウム合金を850℃に加熱して溶融させ、この溶湯を先の鋳造用金型に注入し、60MPaで10分間加圧し、溶湯を成形体内の空孔に浸透させた。鋳造用金型の温度を室温まで下げた後に、鋳造用金型内の固形物を取り出し、さらにその固形物の表面の合金層を除去して、β−ユークリプタイトとマグネシウム合金とからなる複合材料を得た。
得られた複合材料を上記した方法と同様にして、室温から2℃/分の昇温速度で線膨張係数を測定した。20〜30℃における平均の線膨張係数の測定結果を複合材料の組成とともに表2にまとめて示した。
Claims (3)
- 軽金属または軽金属合金からなるマトリックス中にβ−ユークリプタイトが複合された金属−セラミックス複合材料であって、前記金属−セラミックス複合材料の20〜30℃における平均の線膨張係数が−2×10-6〜3×10-6/℃であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料。
- 軽金属または軽金属合金が、金属アルミニウム、アルミニウム合金、金属マグネシウム、マグネシウム合金から選ばれるいずれか1種であることを特徴とする請求項1に記載の金属−セラミックス複合材料。
- β−ユークリプタイトからなる充填体または成形体を形成する工程と、前記充填体または成形体に600℃〜1000℃で溶融させた軽金属または軽金属合金の溶湯を加圧浸透させる工程と、を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。
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