JP5117085B2 - 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するもので、特に詳しくは、例えば半導体製造装置、精密機器、計測機器等に用いられる低い熱膨張係数を有する金属−セラミックス複合材料及びその製造方法に関するものである。

半導体などの製造工程におけるシリコンウェハを処理する工程において、ウェハ支持治具等の部材には、従来はアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックが広く用いられていた。（たとえば、特許文献１参照。）
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。

このため、コージェライトやβ−ユークリプタイトなどの低い熱膨張係数を有するセラミックが使われるようになってきた。（たとえば、特許文献２参照）
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。

また低熱膨張材料としては、３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ合金（所謂、スーパーインバー）が知られており、この合金に鋳造性を付与する目的で、Ｃ，Ｓｉを２％程度添加した材料が知られている。しかし、このような合金材料は比重が８程度と重いため、自重によって撓みやすく、微少寸法の管理を重視する観点からは、使用し難い材料である。また、このような高比重の材料を用いることによって、これを保持する等の関連部材に大きな機械的強度が要求されることになる等の問題点も生じる。

そこで、このような合金材料に代わる材料として、金属マトリックスとセラミックス強化材とからなる金属−セラミックス複合材料が注目されている。この複合材料は、大型品の製造が容易であり、軽量であるとともに、セラミックス強化材が有する剛性や耐摩耗性と、金属マトリックスが有する延性や靭性とを併せ持っているため、種々の精密機械部品に用いられるようになってきている（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５３−９６７６２号公報 特開平１１−７４３３４号公報 特開平１０−８１６４号公報

しかしながら、従来の金属−セラミックス複合材料の−５０℃〜１００℃の温度範囲における線膨張係数の値は、４×１０^-6／℃以上であり、その絶対値は十分に小さいものではなかった。そのため、微少寸法管理の観点から許容される使用温度範囲が狭いという問題点があった。
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。

上記した本発明の目的は、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によって達成する。
また、軽金属または軽金属合金が、金属マグネシウムまたはマグネシウム合金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℃で溶融させた前記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。

本発明によれば、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／℃と低いため、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金属−セラミックス複合材料を得ることができる。

本発明では、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を提案している。

ここで、金属−セラミックス複合材料（以下「複合材料」ともいう。）のセラミックス材料として、β−ユークリプタイトを選定した理由は、線膨張係数が−２．５×１０^-6／℃と低いβ−ユークリプタイトを用いて、軽金属または軽金属合金からなるマトリックス中に複合化させることにより、複合材料の２０〜３０℃における平均の線膨張係数を−２×１０^-6〜３×１０^-6／℃の範囲に制御できるのではないかとの着想による。

すなわち、β−ユークリプタイトが負の線膨張係数を示すため、軽金属または軽金属合金と複合化させた場合、周囲温度が上昇した時には、軽金属または軽金属合金の体積増加をβ−ユークリプタイトの体積減少により相殺でき、周囲温度が低下した時には、軽金属または軽金属合金の体積減少をβ−ユークリプタイトの体積増加により相殺させることが可能となる作用がある。
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。

本発明では、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を提案している。
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。

次に、本発明では、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を提案している。

本発明の充填体とは容器に充填された状態にあるものをいう。
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。

また、本発明の成形体とは、プレス成形等のセラミックス粉末の成形方法として一般的に用いられている方法により作製される成形体はもちろんのこと、その成形体の仮焼体および焼結体を含む。
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。

このようにして作製した充填体または成形体に、軽金属または軽金属合金の溶湯を加圧浸透させることにより、両者を複合化させることにより、本発明の金属−セラミックス複合材料を製造することができる。
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。

このような浸透処理が終了したら、鋳造用金型から固形物を取り出す。この固形物の周囲には軽金属または軽金属合金のみからなる層が形成されているために、この部分を機械加工により除去し、本発明の複合材料を得ることができる。

以下に、本発明の実施例と比較例により詳細に説明する。
（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。

（２）複合材料の製造
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。

（３）線膨張係数の測定
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。

アルミニウム合金に対するβ−ユークリプタイトの体積比が５３％の複合材料では、２０〜３０℃における平均の線膨張係数が６．８×１０^-6／℃と大きかったが（比較例１）、アルミニウム合金に対するβ−ユークリプタイトの体積比が７４％、７７％、８２％では、複合材料の２０〜３０℃における平均の線膨張係数が３×１０^-6／℃以下となり、本発明の範囲内であった（実施例１、２、３）。

（４）マグネシウム合金との複合材料の評価
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。

マグネシウム合金に対するβ−ユークリプタイトの体積比が５３％の複合材料では、２０〜３０℃における平均の線膨張係数が６．８×１０^-6／℃と大きかったが（比較例２）、マグネシウム合金に対するβ−ユークリプタイトの体積比が７４％、７７％、８２％の複合材料では２０〜３０℃における平均の線膨張係数が３×１０^-6／℃以下とりなり、本発明の範囲内であった（実施例４、５、６）。

以上より、本発明によれば、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３×１０^-6／℃以下とりなり、従来にない、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材料が得られることが分かった。

Claims (2)

1. 金属マグネシウムまたはマグネシウム合金である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。
2. 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℃で溶融させた前記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に記載の金属−セラミックス複合材料の製造方法。