JP5011609B2 - 緻密コーディエライト質セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置に代表されるような半導体製造装置などに使用されるステージ、ウェハ吸着チャック及びこれらの構成部品に適した、比較的剛性が高くかつ熱膨張係数の絶対値が小さな緻密コーディエライト質セラミックス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置の部品には、価格や化学的安定性の面からアルミナセラミックス、SiCセラミックス等が多く使用されてきた。
【0003】
しかし、近年、電子回路の高集積化が進むにつれて、これらの部材により高い位置決め精度が要求されるようなり、特に製造装置の温度変化に対する精度の低下が問題となってきている。即ち、加工精度及び歩留まり向上のためには、室温付近(20〜30℃)での熱膨張係数が小さく、かつ剛性の高い材料が要求されてきている。
【0004】
また、ウェハチャックやスライダーに代表されるような可動部材では、その軽量性も重視される。即ち、比重が大きくなると高い剛性を有していても始動及び静止に大きな駆動力と時間が必要となるため、生産スピード及び歩留まりの低下をもたらすことになる。
【0005】
近年、半導体製造装置の部品に使用される低熱膨張セラミックスとして、窒化珪素セラミックス、コーディエライト系セラミックス、リチウムアルミノシリケート系セラミックス等が提案されている。
【0006】
例えば、特公平6−97675号公報には、真空中でSiウェハを保持及び搬送する静電チャック用基板材料としてコーディエライト系セラミックスを使用することが記載されている。
【0007】
しかし、コーディエライト系セラミックスは融点と焼結開始温度が非常に近く、焼結温度範囲が約10℃程度に限定される。この温度より低い場合は緻密な焼結体が得られず、逆に高ければ焼成による変形が生じたり溶融してしまうという問題点がある。即ち、緻密なコーディエライト系セラミックスを得ることは非常に困難であった。
【0008】
この問題点を改善するために、特公昭62−34205公報には、コーディエライトにY2O3成分を0.3〜8重量%含有させることにより、コーディエライトの特質を損なうことなく緻密化でき、1.6〜2.8ppm・K−1の熱膨張係数が得られることが記載されている。
【0009】
また、特開2001−39764公報には、コーディエライトを80〜92重量%及び希土類元素の酸化物を2〜20重量%の割合で含有することにより、ヤング率が120GPa以上で且つ熱膨張係数が±0.25ppm・K−1であるコーディエライト質セラミックスが記載されている。
【0010】
同じく低熱膨張セラミックスとして知られているリチウムアルミノシリケート(一般式Li2O・Al2O3・nSiO2)系セラミックス、特にβ−スポデューメンについては、天然材料を使用して作製されることが特開昭56−164070号公報に示されている。また、β−ユークリプタイトについては、MgOを含むことにより緻密化できることが特開2000−219572号公報に示されている。
【0011】
さらに、特開2000−281454号公報には、露光装置の部品などに適した低熱膨張高剛性セラミックスとして、負の熱膨張特性を有するLiAlSiO4と、正の熱膨張特性及び高剛性特性を有するSi3N4又はSiCと、MgOの3成分で構成されるセラミックスが記載されている。
【0012】
ところが最近は、コンピュータに搭載されている記憶チップに代表されるような半導体LSI、VLSI等の高集積化がさらに進み、それに伴いサブミクロンオーダの超微細な回路形成が必須となってきている。従って、超微細回路をSiウェハ上に形成する露光装置には高い精度、例えば位置決めでは0.05μm以下の精度が要求されている。
【0013】
しかしながら従来の窒化珪素セラミックスは、剛性はヤング率が約300GPa(=×106Pa)と高いが、20〜30℃のときの熱膨張係数が1.31ppm・K−1(=×10−6/K)であり、このことは長さ1mの露光装置部材の温度が0.05℃変化するだけで0.06μm(=×10−6m)程度の寸法変化が生じることを意味しており、精密回路を形成する上での品質及び歩留まりの低下をもたらしている。
【0014】
これに対し、コーディエライト系セラミックスは、20〜30℃のときの熱膨張係数は0.2ppm・K−1程度と小さく、温度変化に対する寸法変化を低減させることができている。しかし剛性の点ではヤング率が約100〜120GPaと低く、外部応力に対して寸法変化が生じ易いという欠点がある。
【0015】
また、リチウムアルミノシリケート系セラミックスは、その組成により、20〜30℃のときの熱膨張係数が−8〜−2ppm・K−1程度のものが得られているが、やはり剛性が低く、ヤング率は60〜90GPa程度であり、コーディエライト系セラミックスと同じく外部応力に対して寸法変化が生じ易いという欠点がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が5%以下の緻密コーディエライト質セラミックスを提供することにある。また、本発明の他の目的は、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が5%以下の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、一般式2MgO・2Al2O3・5SiO2で表されるコーディエライト96〜99.9重量%及び窒化珪素0.1〜4重量%を含有し、かつ気孔率が5%以下であることを特徴としている。また、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、20〜30℃のときの熱膨張係数が−0.5〜+0.5ppm・K−1で、かつヤング率が130GPa以上であることを特徴としている。
【0018】
また、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法は、一般式2MgO・2Al2O3・5SiO2で表されるコーディエライト粉末96〜99.9重量%及び窒化珪素粉末0.1〜4重量%を混合、成形した後、1270〜1440℃の温度で焼成して気孔率が5%以下にしたことを特徴としている。さらに、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法は、20〜30℃のときの熱膨張係数が−0.5〜+0.5ppm・K−1で、かつヤング率が130GPa以上であることを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるコーディエライト粉末は、一般式として2MgO・2Al2O3・5SiO2で表される複合酸化物であるが、このMgOとAl2O3とSiO2の比は本発明における特性の範囲を脱しなければ、正確にモル比で2:2:5とする必要はない。ただし、焼結助剤などを添加せずにその粉末のみを成形、焼成して得られる焼結体の20〜30℃における熱膨張係数が−2.0〜+1.0ppm・K−1程度のコーディエライト粉末を用いることが好ましい。
【0020】
このコーディエライト粉末は、例えば純度が99%以上のMgO、Al2O3及びSiO2の粉末を、モル比で約2:2:5となるように秤量し、ボールミルなどを用いて湿式混合、乾燥、造粒後、大気中で1000〜1400℃の温度で10時間程度仮焼きし、その後平均粒径を0.5〜30μm程度に粉砕して用いることができる。
また、天然に産出するコーディエライト鉱石を粉砕して用いることもできる。
【0021】
一方、窒化珪素粉末(Si 3 N 4 )は、一般に市販されている粉末を用いることができる。窒化珪素粉末の粒径は、価格の点で平均粒径が0.1μm以上が好ましく、0.5μm以上がより好ましく、0.6〜10μmの範囲がさらに好ましい。
【0022】
コーディエライト粉末及び窒化珪素粉末の平均粒径は、レーザー式粒度分布測定器(MALVERN社製のマスターサイザー)で測定して求めることができる。
【0023】
なお、窒化珪素粉末は、20〜30℃のときの熱膨張係数が0.5〜1.5ppm・K−1で、ヤング率が200GPa以上である窒化珪素の粉末を用いることが好ましく、20〜30℃のときの熱膨張係数が0.8〜1.3ppm・K−1で、ヤング率が250〜300GPaの範囲の窒化珪素の粉末を用いることがさらに好ましい。
【0024】
本発明において、コーディエライト粉末と窒化珪素粉末との配合割合は、コーディエライト粉末93〜99.99重量%に対して窒化珪素粉末が0.01〜7重量%の範囲が好ましく、コーディエライト粉末96〜99.9重量%に対して窒化珪素粉末が0.1〜4重量%の範囲がさらに好ましい。コーディエライト粉末が93重量%未満で窒化珪素粉末が7重量%を超えると、焼成時に試料内部から発泡が起こり、緻密コーディエライト質セラミックスが得られない。一方、コーディエライト粉末が99.99重量%を超え窒化珪素粉末が0.01体積%未満であると、130GPa以上のヤング率を有する緻密コーディエライト質セラミックスが得られず、外部応力に対して寸法変化が生じ易くなる。
【0025】
本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスの気孔率は、5%以下、好ましくは4%以下、さらに好ましくは3%以下で、0であることがもっとも好ましい。気孔率が5%を超えると、経時変化及び遊離ガスの発生を抑制することができず、さらには気孔率の増加に伴いヤング率が低下する。
気孔率は、アルキメデス法で測定して求めることができる。
【0026】
また、本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスの20〜30℃のときの熱膨張係数は、−0.5〜+0.5ppm・K−1の範囲が好ましく、−0.4〜+0.3ppm・K−1の範囲がより好ましく、−0.2〜+0.2ppm・K−1の範囲がさらに好ましい。−0.5〜+0.5ppm・K−1の範囲から外れると少しの温度変化に対して寸法変化が生じる傾向がある。
熱膨張係数は、全膨張型熱膨張計で測定して求めることができる。
【0027】
さらに、本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスのヤング率は、130GPa以上が好ましく、135GPa以上がより好ましく、140GPa以上がさらに好ましく、上限については特に制限はない。130GPa未満であると外部応力に対して寸法変化が生じる傾向がある。
ヤング率は、超音波パルス法で測定して求めることができる。
【0028】
コーディエライト粉末と窒化珪素粉末との混合法については特に制限はなく、例えばボールミル、乳鉢等を用いて粉砕、混合することができる。
成形法についても制限はなく、金型プレス成形、射出成形、等方加圧成形等の方法で成形することができる。なお成形圧力は、各々成形方法により異なるため特に制限はない。
【0029】
また、焼成は、高いヤング率を得る点で窒素(N2)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガス雰囲気中又は真空中で焼成することが好ましい。
焼成温度は、1270〜1440℃、好ましくは1280〜1430℃、さらに好ましくは1300〜1400℃の範囲とされ、1270℃未満であると得られるセラミックスが緻密化せず、1440℃を超えると成形体が溶融するという問題点が生じる。
【0030】
以下、本発明を実施例により説明する。
【実施例】
純度99%以上の水酸化マグネシウムを1000℃で1時間仮焼きして得た酸化マグネシウム原料と、それぞれ純度99%以上のAl2O3及びSiO2の粉末をモル比で2:2:5となるように配合し、ボールミルで24時間湿式混合した後、乾燥、造粒し、次いで大気中で1400℃の温度で10時間仮焼きしてコーディエライト粉末を得た。得られたコーディエライト粉末をX線回折装置で測定した結果、ほぼ単相のコーディエライト粉末が得られていた。
【0031】
このコーディエライト粉末を乳鉢にて粉砕後、等方加圧成形し、窒素雰囲気中で1350℃の温度で焼成した試料の特性を表1の試料No.1に示す。その結果、気孔率は3%及び20〜30℃のときの熱膨張係数は−0.2ppm・K−1であったが、ヤング率は118GPaと低い値であった。
【0032】
次に、上記コーディエライト粉末に対して、焼結助剤として20〜30℃のときの熱膨張係数が1.1ppm・K−1及びヤング率が350GPaで平均粒径が0.6μmの窒化珪素粉末を表1に示す割合で添加し、ボールミルで24時間粉砕、混合し、乾燥後60メッシュの篩いを通して造粒した。その後20MPaの圧力で一軸加圧成形し、直径が25mm及び厚さが約10mmのペレット状に成形した後、120MPaの圧力で等方加圧成形して成形体を得た。次いで得られた成形体を表1に示す条件で焼成して焼結体(緻密コーディエライト質セラミックス)を得た。なお試料No.18のみ混合及び粉砕は全て乳鉢を用いて行った。
【0033】
得られた焼結体について、気孔率、ヤング率及び熱膨張係数を求めた。その結果を表1に示す。なお気孔率はアルキメデス法で測定して求め、ヤング率は超音波パルス法で測定して求め、また熱膨張係数は全膨張型熱膨張計で測定して求めた。なお熱膨張係数は20〜30℃での値を示した。
【0034】
【表1】
【0035】
表1に示されるように、本発明になる焼結体(緻密コーディエライト質セラミックス)は、気孔率が5%以下、ヤング率が130GPa以上及び20〜30℃のときの熱膨張係数が−0.5〜0.5ppm・K−1の範囲で全ての特性に優れていることが明らかである。
【0036】
これに対し、本発明に含まれない試料No.6の焼結体は、焼成温度が低いため気孔率が16%と高く、緻密な焼結体を得ることができず、ヤング率も130MPaに達しておらず、熱膨張係数も本発明の範囲から外れていた。
また、試料No.11の焼結体は焼成温度が高いため、試料が溶融してしまった。
さらに、試料NO.14及び17の試料は、焼成中に試料内部から発泡が起こり、緻密な焼結体を得ることはできなかった。
【0037】
【発明の効果】
本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が5%以下にすることができる。また、本発明の製造方法によれば、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が5%以下の緻密コーディエライト質セラミックスを製造することができる。
Claims (4)
- 一般式2MgO・2Al2O3・5SiO2で表されるコーディエライト96〜99.9重量%及び窒化珪素0.1〜4重量%を含有し、かつ気孔率が5%以下である緻密コーディエライト質セラミックス。
- 20〜30℃のときの熱膨張係数が−0.5〜+0.5ppm・K−1で、かつヤング率が130GPa以上である請求項1記載の緻密コーディエライト質セラミックス。
- 一般式2MgO・2Al2O3・5SiO2で表されるコーディエライト粉末96〜99.9重量%及び窒化珪素粉末0.1〜4重量%を混合、成形した後、1270〜1440℃の温度で焼成して気孔率が5%以下にしたことを特徴とする緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法。
- 20〜30℃のときの熱膨張係数が−0.5〜+0.5ppm・K−1で、かつヤング率が130GPa以上である請求項3記載の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法。
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