JP4417189B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックスからなる板部材とハニカム部材とを接合してなるハニカム構造体に関し、例えば、半導体製造装置や半導体検査機器に用いられるハニカム構造体に関する。

半導体デバイスの製造プロセスの１つである露光処理では、静電チャックや位置測定用ミラー等を備えたステージが用いられている。これら静電チャックや位置測定用ミラー等の半導体製造装置用部材には、高い精度が要求されることから、剛性が高く、かつ、熱膨張係数の小さいアルミナや窒化珪素等のセラミックスが使用されている。

しかし、近年、半導体デバイスの回路構造の精細化、高集積化が飛躍的に進んでいるために、窒化珪素等では、その熱膨張係数に依存して、所要の測定精度を得ることができなくなってきている。そこで、コーディエライトを主体とする低熱膨張セラミックスを用いた位置測定用ミラー等の半導体製造装置用部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような低熱膨張セラミックスでは、高い剛性を確保しながら、熱膨張係数を安定して１×１０^−６／℃以下とすることができるために、従来よりも優れたミラー特性等を得ることができるとされている。

しかしながら、近時、シリコンウエハやマスクの大型化が進み、これに伴って露光ステージや位置測定用ミラーを大型化する必要があるために、露光装置の構成上、その重量増加が新たな問題となってきている。例えば、位置測定用ミラーは長尺状であってその長さが５００〜１２００ｍｍあるために、移動しているステージを停止させたときに、この位置測定用ミラーの重量に起因する慣性力によって、位置決め精度が低下する問題がある。
特開平１１−２０９１７１号公報

発明者らはこのような事情に鑑み、先に特願２００４−４４８５６号において、熱膨張係数の小さい材料からなり、軽量で高い剛性を有する位置測定用ミラーに適したハニカム構造体について開示した。このハニカム構造体の代表的な構造としては、セラミックスからなるハニカム部材を、セラミックスからなる２枚の板部材で挟み込んで接合した構造が挙げられる。

ここで、ハニカム部材は、隔壁厚が薄く、開口径も小さいために、生加工によって成形することは困難であり、このため押出成形法を用いて製造される。しかし、押出成形法では、押出成形体の開口面積は金型（口金）の寸法によって定まるために、板部材の面積の広いハニカム構造体を製造する場合には、複数のハニカム部材を全開口面積が広くなるように並べる必要がある。

押出成形法により製造されたハニカム部材の外周壁は、通常、平坦な面となっているため、図６に示すハニカム構造体９０のように、セラミックス製の板部材９８の一面に、直方体形状を有する複数のハニカム部材９９を並べて取り付けると、隣接するハニカム部材９９の外周壁間に直線的な隙間９５が形成される。このように、ハニカム部材全体を見たときに、その内部構造に不連続な部分が生じてしまうと、ハニカム構造体９０の剛性が低下するという問題が生ずる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、板部材にハニカム部材が接合されてなり、その剛性が高められたハニカム構造体を提供することを目的とする。

本発明によれば、隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有する複数のハニカム部材と、前記ハニカム部材における前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面の少なくとも一方に所定の接合材により接合された板部材と、を有するハニカム構造体であって、
前記複数のハニカム部材において、少なくとも互いに別のハニカム部材と対面している外周壁部は、前記隔壁の一部であって前記柱状空隙部を形成することなく外側に向けて突出している突出壁を備え、
１つのハニカム部材の突出壁の先端が、別のハニカム部材の突出壁の先端よりも前記別のハニカム部材側に入り込んでいることを特徴とするハニカム構造体、が提供される。

このハニカム構造体においては、１つのハニカム部材の突出壁は、別のハニカム部材の突出壁および隔壁と離間していることが好ましい。

本発明によれば、ハニカム部材と板部材とを接合してなるハニカム構造体の剛性を高めることができる。

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に本発明に係るハニカム構造体１０の概略側面図を示し、図２に図１中のＡＡ断面図を示し、図３に図２中に示す領域Ｓの拡大図を示す。
ハニカム構造体１０は、板部材１１ａ・１１ｂと、板部材１１ａ・１１ｂ間に挟まれた複数のハニカム部材１２と、板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２とを接合する接合部１３ａ・１３ｂと、を有している。本明細書においては、「ハニカム部材」は「ハニカム構造を有する単体物」を指し、「ハニカム構造体」は「ハニカム部材を用いて構成される複合物」を指すものとする。

板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２は低熱膨張セラミックスからなる。また、接合部１３ａ・１３ｂは、後述するハニカム構造体１０の製造プロセスを容易とし、ハニカム構造体１０の熱膨張破壊を防止する等の観点から、板部材１１ａ・１１ｂおよびハニカム部材１２を構成する低熱膨張セラミックス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が好ましい。なお、図１では説明のために接合部１３ａ・１３ｂを明確に示しているが、実際のハニカム構造体１０における接合部１３ａ・１３ｂの厚さは、所定の接合強度が得られる限りにおいて薄いことが好ましく、通常、数μｍ〜数十μｍ程度である。

板部材１１ａ・１１ｂおよびハニカム部材１２ならびに接合部１３ａ・１３ｂを形成する低熱膨張セラミックスとしてそれぞれ好適な材料としては、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウム、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、窒化珪素、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、炭化ホウ素から選ばれる１種以上の第２の材料を複合してなる複合材料が挙げられる。

ハニカム構造体１０では、板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２の２０℃〜３０℃における平均の熱膨張係数は、−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃の範囲にあることが好ましい。これにより、ハニカム構造体１０の使用環境下における形状精度を維持することができる。また、板部材１１ａ・１１ｂおよびハニカム部材１２の２０℃〜３０℃における平均の熱膨張係数と、接合部１３ａ・１３ｂの２０℃〜３０℃における平均の熱膨張係数との差は、±０．１×１０^−６／℃の範囲内であることが好ましい。これにより、ハニカム構造体１０における熱膨張歪みの発生を抑制することができる。板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２には同じ材料を用いることが好ましいが、熱膨張係数がこのような条件を満足する限りにおいて、異種材料を用いることもできる。

ハニカム部材１２は、隔壁１８により仕切られた多数の柱状空隙部１７を有している。なお、図１〜図３においては隔壁１８を実線で略記している。ハニカム部材１２は、その開口面（つまり、柱状空隙部１７の長手方向に垂直な面）が板部材１１ａ・１１ｂによって塞がれるように、接合部１３ａ・１３ｂを介して板部材１１ａ・１１ｂと接合されている。

図２および図３に示されるように、複数のハニカム部材１２において、少なくとも相互に別のハニカム部材と対面している外周壁部では、隔壁１８が外側に突出している。以下、このように、隔壁１８の一部であって柱状空隙部１７を形成することなく外側に向けて突出している部分を突出壁と呼ぶこととし、図２および図３において符号１９で示すこととする。

ハニカム部材１２は、上記セラミックス材料を用いて押出成形法を用いて好適に製造され、突出壁１９は製造されたハニカム部材を切断するかまたはハニカム部材の外壁を切削除去することにより形成される。つまり、図５の概略平面図に示すハニカム部材１２′のように、最初は外周壁が平坦な形態で製造し、その後にハニカム部材１２′を切断分割し、または切削加工もしくは研削加工によって外周壁とその近傍を除去することで、突出壁１９を形成することができる。

なお、最初に図５に示すハニカム部材１２′を製造するのは、最初から突出壁１９となる部分を有するハニカム成形体を押出成形しようとすると、押出成形体におけるこの突出壁部分の強度が弱いために、押出成形体のハンドリング性が悪く、また押出成形体を乾燥させるための載置が困難であること、さらに押出時に波打ち等の形状崩れが発生しやすいこと等の理由による。

ハニカム構造体１０では、図３に示されるように、突出壁１９どうしが互いに接触することなく、１つのハニカム部材（符号「１２ａ」で示す）の突出壁（符号「１９ａ」で示す）の先端が、別のハニカム部材（符号「１２ｂ」で示す）の突出壁（符号「１９ｂ」で示す）の先端よりも別のハニカム部材１２ｂ側に入り込んでいる。逆に言えば、ハニカム部材１２ｂの突出壁１９ｂの先端は、ハニカム部材１２ａの突出壁１９ａの先端よりもハニカム部材１２ａ側に入り込んでいる。

突出壁１９ａの先端の突出壁１９ｂの先端からハニカム部材１２ｂ側への進入長をｔとすると、この進入長ｔは０ｍｍを超えていればよいが、突出壁１９ａの先端が対面するハニカム部材１２ｂの隔壁１８には接触しないようにすることが好ましい。また、ハニカム部材１２ａ・１２ｂの突出壁１９ａ・１９ｂどうしも接触しないようにすることが好ましい。これにより、例えば、ハニカム部材１２と板部材１１ａ・１１ｂとを接合し、その後に仕上げ加工を行い、さらに得られた加工体を洗浄する場合には、洗浄水の通り道が塞がれることが防止される。また、洗浄水が突出壁１９によって形成されるジグザグの通路を流れるために、洗浄液の流れが複雑となって通路の細部に行き渡り、洗浄効率が高められる。

ハニカム構造体１０のように、ハニカム部材１２の柱状空隙部１７の開口形状が正方形であり、複数のハニカム部材１２において少なくとも相互に別のハニカム部材と対面している突出壁１９の長さが実質的に等しい場合に、複数のハニカム部材１２の配置が容易となり、好ましい。一方、複数のハニカム部材１２において別のハニカム部材とは対面していない外周壁に形成されている突出壁の長さは、別のハニカム部材と対面している突出壁１９の長さと異なっていてもよい。柱状空隙部の開口形状が長方形のハニカム部材を用いる場合には、ハニカム部材の短辺どうしが対向し、またはその長辺どうしが対向するように、複数のハニカム部材を並べればよい。

ハニカム構造体１０の製造方法としては、板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２をそれぞれ別に製造し、これらを所定の方法で接合する方法が好適に用いられる。板部材１１ａ・１１ｂは、一般的なセラミックス焼結体の製造方法、例えば、粉末調製、プレス成形、焼成、切削・研削加工という工程を経ることによって製造される。また、ハニカム部材１２は、前述したように、粉体混練、押出成形、生加工（切断）、焼成、突出壁形成のための切断加工または研削加工という工程を経ることによって製造される。

板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２の接合は、例えば、板部材１１ａ・１１ｂのそれぞれの裏面とハニカム部材１２の開口面にセラミックスペーストを塗布し、これらの塗布面を合わせて荷重を掛けた状態で昇温し、セラミックスペーストを溶融させることによって行うことができる。その後、ハニカム構造体１０の用途に応じて、例えば、板部材１１ａの表面に鏡面研磨加工等が施される。なお、上述したセラミックスペーストを用いる方法に代えて、接合材粉末を水や溶剤で刷毛塗りする方法や、接合材粉末をシート状にして板部材１１ａ・１１ｂとハニカム部材１２の間に挟む方法を用いることもできる。

上述した構造を有するハニカム構造体１０は、ハニカム部材全体で内部構造が連続的となるために、剛性が高められる。また、ハニカム部材１２間の切削屑等の除去を容易に行うことができるという利点もある。さらに、ハニカム構造体１０は、全体が低熱膨張セラミックスから構成されているために熱膨張歪みが小さく、耐久性に優れ、しかも軽量である。

本発明に係るハニカム構造体の別の形態としては、図４に図２と同様の断面図で示すハニカム構造体２０を構成する複数のハニカム部材２２・２３のように、別のハニカム部材と対面していない外周壁は平坦となっているものを用いてもよい。また、本発明に係るハニカム構造体を構成する複数のハニカム部材は、全てが同一の外寸を有する必要もない。図４でもハニカム部材２２・２３の隔壁を実線で示している。

（実施例１・２および比較例１の試料作製）
所定量のβ−ユークリプタイト粉末と炭化珪素粉末を重量比で７５：２５の比率でポットミル混合した後に乾燥させて、原料粉末を作製した。この原料粉末を１２０ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形（ＣＩＰ）し、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×７ｍｍの成形体を作製し、これを５００℃で脱脂した後、窒素雰囲気において１３７０℃で焼成し、β−ユークリプタイトと炭化珪素とが複合されたセラミックス焼結体を得た。得られた焼結体に機械仕上げ加工を施して、外形状が２００ｍｍ×２００ｍｍ×５ｍｍの板部材を得た。

また、上記原料粉末にメチルセルロース系バインダを１０重量部混合し、ニーダによって混練した後、押出成形機を用いて、隔壁厚が２ｍｍ、空隙部の開口径が１０ｍｍ（空隙部の開口断面の形状が正方形で、この正方形の一辺の長さが１０ｍｍ）、外寸が１１０ｍｍ×１１０ｍｍ、厚さ（押出方向の長さ）が４０ｍｍのハニカム構造の押出成形体を得た。この成形体を５００℃で脱脂した後、窒素雰囲気下、１３７０℃で焼成し、β−ユークリプタイトと炭化珪素とが複合されたハニカム焼結体を得た。得られたハニカム焼結体を、その厚さが３０ｍｍとなるように研削加工し、さらに最外周の隔壁を切断加工によって除去し、突出壁を有するハニカム部材を得た。

さらに、所定量のβ−ユークリプタイトと窒化珪素を重量比で６５：３５の比率でポットミル混合した後に乾燥させて、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含有量が１５％の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、セラミックスペーストを作製した。

こうして作製した２枚の板部材のそれぞれの片面とハニカム部材の両方の開口面の所定位置に、前記セラミックスペーストを、スクリーンマスクを用いて厚さ３０μｍで印刷した。次いで、これら板部材とハニカム部材を５００℃に昇温してこれらに塗布されたセラミックスペーストを脱脂した後、板部材の全面にハニカム部材が配設されるように、複数のハニカム部材を並べ、セラミックスペーストの印刷面どうしを接着して１．５ｇ／ｍｍ^２の荷重をかけた。

このときの複数のハニカム部材の並べ方は、先に示した図２と同様とし、進入長ｔ（図３参照）を表１に併記するように、種々に変えた。進入長ｔが「＋」の符号となっている状態は、１つのハニカム部材の突出壁の先端が対向する別のハニカム部材の突出壁の先端よりも別のハニカム部材側へ進入している状態である。一方、進入長ｔが「−」の符号となっている状態は、１つのハニカム部材の突出壁の先端が対向する別のハニカム部材の突出壁の先端よりも別のハニカム部材側へ進入しておらず、ハニカム部材間に直線的な隙間が形成されている状態を指している。

引き続き、この接着体を窒素雰囲気下、１３３０℃で熱処理してセラミックスペーストを溶融させ、板部材とハニカム部材との間にセラミックスペーストが溶融して形成された接合部が介在した接合体を得た。ハニカム部材において上下の板部材からはみ出している部分を切断加工により除去した。

（比較例２・３の試料作製）
上記実施例１等と同様にして、実施例１のハニカム部材と同組成のセラミックス材料からなり、かつ、実施例１のハニカム部材と同じセル形状を有する、厚さが３０ｍｍの複数のハニカム部材を作製し、これらのハニカム部材の最外周の隔壁を切断加工することなく（つまり、突出壁を形成することなく）、複数のハニカム部材間に、比較例２では幅２ｍｍの、比較例３では幅５ｍｍの隙間が形成されるように、２枚の板部材間に複数のハニカム部材が配置されたハニカム構造体をそれぞれ作製した。

（剛性の評価）
作製した各種ハニカム構造体の剛性の評価は、衝撃振動試験により、一次共振周波数を求めることによって行った。これは、セラミックス構造部材の剛性はヤング率を代用特性として評価されることが一般的であり、ヤング率は試験片の曲げ共振の一次共鳴振動数（所謂、共振周波数）を用いて算出されるので、共振周波数を求めることによりハニカム構造体の剛性を比較することができるためである。その算出方法は、例えば、ＪＩＳ Ｔ１６０２に記載されている通りであり、共振周波数が高いほど剛性が高いと判断することができる。

（試験結果）
試験結果を表１に併記する。表１に示されるように、進入長ｔが「＋」の実施例では、共振周波数が２８００Ｈｚを超え、高い剛性を有することが確認された。これに対して、進入長ｔが「−」の比較例１および突出壁を有しない比較例２・３では、共振周波数が２８００Ｈｚ未満であり、実施例よりも剛性が低いことが確認された。

本発明のハニカム構造体は、露光装置等の半導体製造装置や、半導体評価装置に好適である。

本発明に係るハニカム構造体の一実施形態を示す概略側面図。 図１に示すハニカム構造体の概略断面図。 図２の部分拡大図。 本発明に係るハニカム構造体の別の実施形態を示す概略断面図。 本発明に係るハニカム構造体を構成するハニカム部材を得るために最初に作製されるハニカム部材の平面図。 板部材とハニカム部材とからなるさらに別のハニカム構造体の概略平面図。

符号の説明

１０・２０；ハニカム構造体
１１ａ・１１ｂ；板部材
１２・２２・２３；ハニカム部材
１２′；ハニカム部材
１３ａ・１３ｂ；接合部
１７；柱状空隙部
１８；隔壁
１９；突出壁
９０；ハニカム構造体
９５；隙間
９８；板部材
９９；ハニカム部材

Claims (2)

1. 隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有する複数のハニカム部材と、前記ハニカム部材における前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面の少なくとも一方に所定の接合材により接合された板部材と、を有するハニカム構造体であって、
   前記複数のハニカム部材において、少なくとも互いに別のハニカム部材と対面している外周壁部は、前記隔壁の一部であって前記柱状空隙部を形成することなく外側に向けて突出している突出壁を備え、
   １つのハニカム部材の突出壁の先端が、別のハニカム部材の突出壁の先端よりも前記別のハニカム部材側に入り込んでいることを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記１つのハニカム部材の突出壁は、前記別のハニカム部材の突出壁および隔壁と離間していることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。

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