WO2009123283A1 - 炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料 - Google Patents

炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料 Download PDF

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正吾 島田
彰夫 松本
正美 安藤
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Toto株式会社
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Definitions

  • aspects of the present invention generally relate to a composite material mainly composed of boron carbide, silicon carbide, and silicon.
  • Boron carbide which has particularly high strength and specific rigidity, is excellent in grindability, and can be reduced in weight as a structural material.
  • -It relates to a silicon carbide-silicon composite material.
  • members that constitute a moving stage or the like used in an industrial machine such as a semiconductor manufacturing apparatus are required to have high strength because there is a demand for light weight and high rigidity, and reduction in thickness and weight of the constituent members.
  • Specific examples thereof include a three-dimensional measuring instrument, a linearity measuring instrument, and an exposure machine for forming a pattern of a planar object, which are mobile devices that require a highly accurate positioning function.
  • a moving body such as a hydrostatic pressure fluid bearing apparatus on which a workpiece or reticle to be exposed is mounted at a high speed.
  • the thickness and weight of the stage constituent member it is necessary to reduce the thickness and weight of the stage constituent member, increase the rigidity, reduce the inertial force of the stage constituent member, and improve the braking performance. If the thickness can be reduced, the degree of freedom in stage design can be increased.
  • metal materials such as steel have been used in the past, but recently alumina in ceramics with a higher specific modulus than metal materials is used. It is becoming. However, when a higher specific rigidity is required, it is necessary to use non-oxide ceramics instead of oxide ceramics such as alumina among ceramics. Among them, a boron carbide-based material having the highest specific rigidity and high bending strength as an industrial material is expected.
  • the most specific boron carbide-based material that is expected to have a high specific rigidity is a substantially pure boron carbide sintered body, but boron carbide is known as a hardly sintered material.
  • Conventional boron carbide sintered bodies have been manufactured by hot pressing. However, in the hot press sintering method, it is difficult to manufacture a large complex shape product, and since the cost of a hot press apparatus and a graphite mold for applying high temperature and high pressure is large, a structural member is realistically used. It is not a manufacturing method.
  • Patent Document 1 Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, Patent Document 6
  • Patent Document 2 Patent Document 3
  • Patent Document 4 Patent Document 5
  • the fired body is difficult to grind
  • the atmospheric pressure sintering temperature is 2200.
  • the firing cost increases because the temperature is considerably higher than °C.
  • Patent Document 7 a material in which boron carbide powder is dispersed as a filler in the metal matrix phase instead of sintering boron carbide is also disclosed (for example, see Patent Document 7).
  • This material is a material in which boron carbide is dispersed in aluminum, but because the wettability of boron carbide and aluminum is poor, it is manufactured by hot pressing a mixture of boron carbide and aluminum. Can not be manufactured and the manufacturing cost is high, it cannot be said that it is a method of manufacturing a structural member realistically.
  • composite materials in which silicon having relatively good wettability with boron carbide is used as a metal and a boron carbide molded body is impregnated with molten silicon are also disclosed (for example, Patent Document 8, Patent Document 9, Patent).
  • Reference 10 includes materials that can serve as a small amount of carbon source as raw materials.
  • this method is a composite material that is highly impregnated with boron carbide although it is impregnated with silicon, so the grindability is slightly improved compared to that of boron carbide alone, but difficult to grind. It remains the same.
  • the boron carbide particles include particles having a particle size of 100 ⁇ m or more, the particles become a starting point of fracture, and there is a concern that the bending strength is lowered.
  • a composite material in which a material containing silicon carbide in addition to boron carbide is used as a raw material of a molded body, and this molded body is impregnated with molten silicon see, for example, Patent Document 11.
  • the raw material contains a material that can be a small amount of carbon source.
  • this method also results in a composite material that is highly filled with boron carbide / silicon carbide, so the grindability is slightly improved compared to that filled with boron carbide alone, but it is still difficult to grind. Will not change.
  • the boron carbide particles include particles having a particle size of 100 ⁇ m or more, the particles become a starting point of fracture, and there is a concern that the bending strength is lowered.
  • the aspect of the present invention has been made based on the recognition of such a problem, and has excellent grindability and high bending strength while having high specific rigidity of boron carbide, and can reduce the thickness and weight of structural members.
  • a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material is provided.
  • the composite material is mainly composed of boron carbide, silicon carbide, and silicon, and the average particle size of the boron carbide particles of the composite material is 10 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material is provided.
  • the optical microscope image of the reaction sintered compact in one Embodiment of this invention is shown with the comparative example. It is the result of carrying out the line analysis of the boron carbide particle in one Embodiment of this invention by EDX (energy dispersive X-ray fluorescence analyzer).
  • EDX energy dispersive X-ray fluorescence analyzer
  • One embodiment of the present invention is a composite material mainly composed of boron carbide, silicon carbide, and silicon, and the average particle size of boron carbide particles of the composite material is 10 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • Boron carbide / silicon carbide / silicon composite material This boron carbide / silicon carbide / silicon composite material has high strength and specific rigidity, is excellent in grindability, and can be reduced in weight as a structural material.
  • Another embodiment of the present invention is a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material in which the maximum particle size of boron carbide particles is less than 100 ⁇ m.
  • Another embodiment of the present invention is a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material in which the maximum particle size of boron carbide particles is less than 65 ⁇ m.
  • another embodiment of the present invention is a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material, wherein an average value of three-point bending strength of the composite material is 350 MPa or more.
  • Another embodiment of the present invention is a composite material mainly composed of boron carbide, silicon carbide, and silicon, wherein the boron carbide particles include silicon. ⁇ Silicon composite material.
  • Specific rigidity is a value obtained by dividing Young's modulus by specific gravity. Since specific gravity is a density ratio to water and has no unit, the unit of specific rigidity is the same as the unit of Young's modulus. Young's modulus is measured by the resonance method, and specific gravity is measured by the Archimedes method.
  • the average particle size of the particles in the composite material wraps the cut surface of the composite material, observes 20 or more fields of view with a size of 0.01 mm 2 or more with an electron microscope, and measures 200 or more particles. It is the average value of the major axis of the particle size.
  • the maximum particle size of the particles in the composite material wraps the cut surface of the composite material, observes 20 or more fields with a size of 0.01 mm 2 or more with an electron microscope, and measures 200 or more particles. It is the maximum value of the major axis of the particle size.
  • F3 This refers to the solid content filling rate in the manufacturing process of the composite material in the present invention, and is measured by the Archimedes method.
  • F3 ' Volatile components are removed from the solid content filling rate in the composite material manufacturing process of the present invention, and the volatilized components are calculated from the blending ratio.
  • EDX energy dispersive X-ray fluorescence analyzer
  • EMAX7000 manufactured by Horiba Ltd.
  • SEM electrospray microscope
  • the silicon strength in the line analysis graph of FIG. 2 is greater than or equal to half the sum of the silicon strength at the boron carbide particle surface and the lowest strength near the center in the boron carbide particle. Calculated from the thickness of the layer from the surface of the boron carbide particles.
  • the composite material according to an embodiment of the present invention has a structure in which silicon is filled in a gap between powders mainly composed of boron carbide / silicon carbide.
  • Boron carbide forming the composite material is added as a main component of the raw material as a boron carbide powder from the molding process.
  • Silicon carbide is added as a main component of the raw material as silicon carbide powder from the molding process (hereinafter referred to as initially charged silicon carbide), and silicon carbide produced by the reaction of the carbon source and silicon in the molded body (hereinafter referred to as silicon carbide). , Called reaction-generated silicon carbide).
  • a composite material manufacturing method includes impregnating molten silicon into a molded body mainly composed of boron carbide, initially charged silicon carbide, and a carbon source, and reacting the carbon source with silicon to generate a reaction carbonized product.
  • a reactive sintering step is performed in which silicon is produced and silicon is impregnated in the gaps between boron carbide, initially charged silicon carbide, and reaction produced silicon carbide.
  • the average particle size of the boron carbide particles is 10 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, preferably the maximum particle size of the boron carbide particles is less than 100 ⁇ m, more preferably the boron carbide particles.
  • the maximum particle size is less than 65 ⁇ m.
  • the maximum particle size of boron carbide particles is less than 100 ⁇ m means that particles of 100 ⁇ m or more are substantially not included. If the particles are not substantially included, an electron microscope image is observed by the above method. As a result, it means that the existence probability of particles of 100 ⁇ m or more is 1 or less per 0.1 mm 2. The same applies when the maximum particle size is less than 65 ⁇ m.
  • the average value of the three-point bending strength of the composite material in one embodiment of the present invention is preferably 350 MPa or more, and more preferably 400 GPa or more. In a thinned structure or a manufacturing process thereof, the structure may be damaged if the bending strength is less than 350 MPa.
  • the specific rigidity of the composite material in one embodiment of the present invention is preferably 100 GPa or more, and more preferably 130 GPa or more.
  • the specific rigidity is less than 100 GPa, the influence of the deflection of the structure becomes large, and the required accuracy cannot be obtained.
  • a composite material according to an embodiment of the present invention is a composite material mainly composed of boron carbide, silicon carbide, and silicon, and boron carbide / silicon carbide containing silicon in the boron carbide particles. ⁇ Silicon composite material. By containing silicon in the boron carbide particles, high specific rigidity and easy grindability can be expressed.
  • the composition ratio of boron carbide, silicon carbide, and silicon in the composite material according to an embodiment of the present invention is such that the entire composite material is 100 parts by volume, and boron carbide X volume part, silicon carbide Y volume part, and silicon Z volume part are main components. And 10 ⁇ X ⁇ 60, 20 ⁇ Y ⁇ 70, and 5 ⁇ z ⁇ 30 are preferable.
  • the amount of boron carbide is 10 parts by volume or less, the composite material cannot obtain a sufficient specific rigidity, and when it is 60 parts by volume or more, the grindability of the composite material is deteriorated. Further, if importance is attached to grindability, it is more preferable that 10 ⁇ X ⁇ 50.
  • the amount of silicon carbide is 20 parts by volume or less, the composite material cannot obtain a sufficient specific rigidity, and when it is 70 parts by volume or more, the grindability of the composite material is deteriorated. Further, if importance is attached to the specific rigidity, 30 ⁇ Y ⁇ 70 is more preferable, and if importance is given to grindability, 20 ⁇ Y ⁇ 65 is more preferable.
  • composite materials with an amount of silicon of 5 parts by volume or less are prone to defects such as cracks or non-impregnated pores in the reaction sintering process. The rate drops.
  • the composite material in one embodiment of the present invention is suitably applied to a product that requires high bending strength and high specific rigidity as a structural material.
  • the average particle size of boron carbide particles of the composite material is 10 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the maximum particle size of the boron carbide particles is preferably less than 100 ⁇ m, more preferably less than 65 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the raw material is measured by laser diffraction.
  • the average particle diameter refers to the volume average diameter.
  • the average particle size of the boron carbide particles exceeds 30 ⁇ m, the boron carbide particles are liable to crack and cause a decrease in bending strength.
  • the maximum particle size of the boron carbide particles exceeds 100 ⁇ m, the boron carbide particles are cracked, the bending strength is lowered, and the grindability is also poor.
  • the particle size of the boron carbide powder used as a raw material and the particle size of the boron carbide powder in the composite material are almost the same. However, it seems that boron carbide reacts with the surface of the impregnated silicon and the surface is covered with the reaction product, and the surface of the boron carbide powder observed by SEM is covered with a layer with a slightly different contrast. ing.
  • the boron carbide particles of the composite material in the present invention and the particle size thereof are defined including the surface layer made of this reactive organism. The reason why cracks occur during reaction sintering when the fine boron carbide powder is used is that the ratio of the reaction product layer on the surface is so large that it cannot be ignored relative to the entire boron carbide powder. It is estimated that it will be.
  • the boron carbide particles contain silicon.
  • the characteristic X-rays of silicon are detected in the boron carbide particles, and the surface of the boron carbide particles. It is defined that the thickness of the silicon-containing layer is from 1% to less than 40% of the particle diameter.
  • the thickness of the layer containing silicon of the boron carbide particles be 1% or more and less than 40% of the particle size, and preferably 5% or more of the particle size of the boron carbide particles. It is less than 40%, more preferably 20% or more and less than 40% of the particle size of the boron carbide particles. If the thickness of the layer containing silicon is 40% or more of the particle size of the boron carbide particles, defects such as cracks may occur in the fired body. If it is less than 1%, the grinding resistance increases and the grindability deteriorates.
  • a preferable average particle diameter of silicon carbide which is a raw material for producing the composite material in one embodiment of the present invention, is 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m. Further, the maximum particle size of the silicon carbide particles is preferably less than 100 ⁇ m, more preferably less than 65 ⁇ m. However, unlike boron carbide, silicon carbide particles do not react or crack when silicon is impregnated into a molded body, and therefore do not affect the strength as much as the maximum particle size of boron carbide particles.
  • Preferred as a carbon source that is a raw material for producing a composite material in one embodiment of the present invention is carbon powder, and the particle size of reaction-generated silicon carbide formed by the reaction of the carbon and silicon is substantially all. Is preferably less than 10 ⁇ m.
  • the carbon powder anything from a crystal having a very low crystallinity to a graphite having a very high crystallinity can be used, but generally a carbon black having a very low crystallinity is easily available.
  • the preferred average particle size of the carbon powder is 10 nm to 1 ⁇ m.
  • organic substances in addition to carbon powder as a carbon source.
  • an organic substance is used as the carbon source, it is necessary to select an organic substance having a high residual carbon ratio in the sintering step in a non-oxidizing atmosphere, and particularly suitable organic substances include phenol resins and furan resins.
  • phenol resins and furan resins include phenol resins and furan resins.
  • such an organic substance is used as a carbon source, it can be expected to serve as a binder, a plasticizer, or a solvent for dispersing powder in the molding process.
  • silicon which is a raw material for producing a composite material in one embodiment of the present invention, is melt impregnated, it is impregnated into a molded body regardless of the shape such as powder, granule, or plate. A shape that can be easily arranged may be used.
  • silicon may contain substances other than silicon as impurities, but the amount of silicon in the composite material in the present invention is defined as a silicon matrix layer containing the impurities.
  • impurities in silicon are prevented from reacting with boron carbide on the surface of boron carbide because the melting point of silicon is lowered to lower the temperature of the reaction sintering process. Therefore, in order to prevent the silicon from blowing out from the reaction sintered body when the temperature is lowered after the reaction sintering, to control the thermal expansion coefficient of silicon, to intentionally add B to the composite material, etc. Impurities such as C, Al, Ca, Mg, Cu, Ba, Sr, Sn, Ge, Pb, Ni, Co, Zn, Ag, Au, Ti, Y, Zr, V, Cr, Mn, and Mo are added. You can also.
  • a method for producing a composite material according to an embodiment of the present invention includes: a molding step of molding a raw material mainly composed of boron carbide, initially charged silicon carbide, and a carbon source; and a molded body impregnated with silicon.
  • the reaction sintering step of converting carbon into silicon carbide and filling the voids with silicon is thus provided.
  • work aiming at dry press molding, wet press molding, CIP molding, cast molding, injection molding, extrusion molding, plastic molding, vibration molding, etc. And can be selected according to production volume.
  • casting molding is particularly suitable for manufacturing large-sized complex products.
  • an organic solvent or water may be used as a solvent, but water is used in consideration of simplification of the process and influence on the global environment.
  • a solvent is preferred.
  • a raw material boron carbide powder, initially charged silicon carbide powder, and a slurry in which a carbon source and water are mixed are first manufactured.
  • Additives such as dispersants / peptizers, binders, and plasticizers for production can also be added.
  • Suitable additives include ammonium polycarboxylate, sodium polycarboxylate, sodium alginate, ammonium alginate, triethanolamine alginate, styrene / maleic acid copolymer, dibutalftal, carboxymethylcellulose, sodium carboxymethylcellulose, carboxymethylcellulose ammonium, methylcellulose, Sodium methylcellulose, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, sodium polyacrylate, oligomers of acrylic acid or its ammonium salt, various amines such as monoethylamine, pyridine, piperidine, tetramethylammonium hydroxide, dextrin, peptone, water-soluble starch, acrylic Various resin emulsions such as emulsions, resorches Etc. can be mentioned various water-soluble resins, various non-water-soluble resin, water glass, such as novolac type phenol resins such as type phenolic resin.
  • the additive when adding a water-insoluble additive, it is preferable to form an emulsion or coat the powder surface, and when the slurry production process includes a grinding process, the additive is decomposed by grinding. Is preferably added after the grinding step.
  • both gypsum casting using a gypsum-type capillary suction force and pressure casting that directly applies pressure to the slurry can be used.
  • an appropriate pressure is 0.1 MPa to 5 MPa.
  • the filling rate of the molded body is preferably 60 to 80%, more preferably 65 to 75%.
  • the lower limit of the preferable filling rate is to reduce the silicon content of the reaction sintered body as described above, but the upper limit of the preferable filling rate is that the molded body with an excessively high filling rate is silicon. This is because it is difficult to impregnate. However, in practice, it is difficult to industrially produce a molded body having such a high filling rate, so only the lower limit needs to be considered.
  • the filling rate of the above-mentioned compact is the filling rate of each powder of boron carbide, silicon carbide, and carbon, and excludes components such as additives that volatilize in the firing process. Therefore, in the case of using an additive having a residual carbon content such as a phenol resin, the residual carbon content is added as a filling rate.
  • the filling rate of the molded body measured by the Archimedes method is indicated as F3
  • the filling rate excluding the volatilized content is indicated as F3 ′. It shall refer to the value of F3 ′.
  • This calcining process may not be necessary if the compact has a small size and simple shape. However, if the compact has a large complex shape, it will prevent damage during handling and cracking during reactive sintering. Therefore, it is preferable to provide a calcination step.
  • the preferable temperature for the calcination is 1000 to 2000 ° C. If the temperature is lower than 1000 ° C., the effect of the calcination cannot be expected. If the temperature is higher than 2000 ° C., the sintering starts and the workpiece shrinks. There is a possibility that the advantage as a near net shape manufacturing process in which the firing shrinkage, which is a characteristic of the manufacturing process, is almost zero may be impaired. Moreover, the preferable baking atmosphere in a calcination process is a non-oxidizing atmosphere.
  • this calcining process is normally performed also as a degreasing process of a molded object, when there is a concern about the contamination of the furnace, a degreasing process may be separately provided before the calcining process.
  • a degreasing temperature necessary for decomposing and removing the binder may be adopted.
  • the preferable reaction sintering temperature in the silicon impregnation reaction sintering step is 1800 ° C. from the melting point of silicon.
  • the reaction sintering temperature is as low as possible and the maximum temperature keeping time is short as long as silicon is completely impregnated and pores are eliminated.
  • the melting point of silicon is 1414 ° C.
  • a reaction sintering temperature of 1430 ° C. or higher is usually necessary.
  • the reaction sintering temperature is lowered to about 1350 ° C. It is also possible.
  • the composite material according to one embodiment of the present invention has a molded body in which the carbon content in the molded body reacts with silicon to expand into silicon carbide, and silicon fills the voids.
  • the composition ratio of the reaction sintered body is clarified by measuring the blending ratio of the raw materials and the filling factor F3 ′ of the compact.
  • the gray part of FIG. 1 which is a photograph of the microstructure described later is a particle of boron carbide or silicon carbide, and the white part is silicon, it is easy to distinguish the particle from silicon.
  • silicon carbide and boron carbide can be easily identified by SEM / EPMA analysis.
  • the composition ratio of the raw materials for realizing the composition ratio of the composite material in one embodiment of the present invention can be calculated from the composition ratio of the target composite material and the filling ratio of the molded body.
  • a preferable mixing ratio of each raw material is 0 to 50 parts by weight of the carbon source with respect to 100 parts by weight in total of 10 to 90 parts by weight of boron carbide and 90 to 10 parts by weight of initially charged silicon carbide.
  • the carbon source here means parts by weight in terms of carbon.
  • carbon powder it is the blended weight itself, and when an additive with a residual carbon content is used, the residual carbon is added to the blended weight. It is the value multiplied by the rate.
  • Carbon may be 0 part by weight, but in this case, since the reaction of carbon reacting with silicon and expanding is not available, it becomes difficult to completely fill the voids of the molded body with silicon, and pores remain. Probability is high. Moreover, when there is too much carbon content, there exists a possibility that a crack may generate
  • a more preferable mixing ratio of the carbon source is 10 to 40 parts by weight with respect to a total of 100 parts by weight of boron carbide and initially charged silicon carbide.
  • the preferable amount of silicon necessary for the reactive sintering is 105 to 200%, more preferably 110 to 150% of the amount of silicon necessary for converting the carbon content into silicon carbide and filling the voids. Adjust according to the shape.
  • the preferable bending strength of the composite material in one embodiment of the present invention is 350 MPa or more, and more preferably 400 MPa or more.
  • the preferred specific rigidity of the composite material in one embodiment of the present invention is 100 GPa or more, more preferably 130 GPa or more.
  • the specific rigidity Although there is no preferred upper limit for the specific rigidity, it is practically difficult to make a composite material having a specific rigidity of 200 GPa or more, and in order to achieve high specific rigidity while maintaining excellent grindability
  • the upper limit is about 170 GPa.
  • the composite material according to an embodiment of the present invention is preferably applied to a product that requires high strength and high specific rigidity, requires precise grinding, and has a large grinding cost due to a large complex shape.
  • a particularly suitable product application is a semiconductor / liquid crystal manufacturing apparatus member.
  • an application example to a particularly suitable product is a member for an exposure apparatus. By using it as a wafer support member such as a susceptor stage and an optical system support member such as a reticle stage, the positioning accuracy of the exposure apparatus is improved. The throughput of the apparatus can be improved by shortening the positioning time.
  • Table 1 shows a list of examples and comparative examples shown below.
  • the surface-finished one was placed on a dynamometer (model number 9256C2 manufactured by Kistler), and rotated at a rotational speed of 100 m / min (3200 rpm) with a ⁇ 10 mm core drill (# 60, manufactured by Asahi Diamond Industrial Co., Ltd.). A hole with a depth of 4 mm was drilled at a step amount of 0.2 mm, and the resistance of the machining was measured and the state of chipping around the hole was confirmed.
  • the maximum value of the machining resistance was 2000 N or more was evaluated as x, the case where it was 1500 to 2000 N, and the case where it was less than 1500 N was evaluated as o.
  • the maximum resistance value was ⁇ or ⁇
  • the machining resistance decreased in a short time, and those that were stable at a low value were evaluated at the low value.
  • the machining resistance was ⁇ or ⁇
  • the case where cracks presumed to be caused by machining during machining and the case where tool breakage occurred were rated as x.
  • the evaluation of the chipping state was evaluated as “ ⁇ ” when the outer peripheral chip of the hole was less than 0.3 mm, “ ⁇ ” when 0.3 mm or more to less than 0.5 mm, and “x” when 0.5 mm or more.
  • the microstructure was observed by cutting the fired body into an appropriate size, lapping the surface with 1 ⁇ m abrasive grains, and setting it to 2800 times with an optical microscope.
  • FIG. 1 (a) shows an optical microscope image of the microstructure of the reaction sintered body of Example 1 and FIG. As described above, it was easy to distinguish between particles of 10 ⁇ m or more and particles of 10 ⁇ m or less. It can also be confirmed that the boron carbide particles of Comparative Example 1 are cracked. This causes a decrease in strength.
  • FIG. 2 shows the result of line analysis of boron carbide particles by EDX (energy dispersive X-ray fluorescence analyzer). It can be confirmed that silicon is contained from the surface of boron carbide particles having a particle size of about 11 ⁇ m to a portion of about 2.5 ⁇ m.
  • EDX energy dispersive X-ray fluorescence analyzer
  • Example 1 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 70 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 13 ⁇ m, and 15 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm are obtained by silicon carbide powder, boron carbide powder, carbon Disperse in pure water with 0.1 to 1 part by weight of dispersant added to black powder, adjust pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia, etc. to produce low viscosity slurry of less than 500 CP did.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • a slurry having a low viscosity of less than 500 CP by adding and dispersing in pure water to which 0.1 to 1 part by weight of a dispersant is added to the carbon black powder and adjusting the pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia or the like.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • the amount of carbon black powder added is 20 and 15 parts by weight, respectively.
  • Examples 4 to 5 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 70 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 23 ⁇ m, 15 or 20 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm, silicon carbide powder, boron carbide powder A slurry having a low viscosity of less than 500 CP by adding and dispersing in pure water to which 0.1 to 1 part by weight of a dispersant is added to the carbon black powder and adjusting the pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia or the like. was made.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • the amount of carbon black powder added is 20 and 15 parts by weight, respectively.
  • Example 6 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 70 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 23 ⁇ m, and 20 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm are mixed with silicon carbide powder, boron carbide powder, carbon Disperse in pure water with 0.1 to 1 part by weight of dispersant added to black powder, adjust pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia, etc. to produce low viscosity slurry of less than 500 CP did.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 70 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 28 ⁇ m, and 20 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm are obtained by silicon carbide powder, boron carbide powder, carbon Disperse in pure water with 0.1 to 1 part by weight of dispersant added to black powder, adjust pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia, etc. to produce low viscosity slurry of less than 500 CP did.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • Comparative Example 1 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 70 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 50 ⁇ m, and 20 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm are mixed with silicon carbide powder, boron carbide powder, carbon Disperse in pure water with 0.1 to 1 part by weight of dispersant added to black powder, and adjust pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia, etc.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • Comparative Example 2 20 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 30 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 65 ⁇ m, 50 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 50 ⁇ m, and carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm 30 parts by weight are placed in and dispersed in pure water to which 0.1 to 1 part by weight of a dispersant is added to silicon carbide powder, boron carbide powder, and carbon black powder, and the pH is adjusted to 8 to 9.5 with ammonia water or the like. A low-viscosity slurry of less than 500 cp was prepared.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • (Comparative Example 3) 25 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle size of 0.6 ⁇ m, 25 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle size of 65 ⁇ m, 20 parts by weight of boron carbide powder having an average particle size of 50 ⁇ m, and carbon black powder having an average particle size of 55 nm 10 parts by weight is dispersed in pure water to which 0.1 to 1 part by weight of a dispersant is added with respect to silicon carbide powder, boron carbide powder and carbon black powder, and the pH is adjusted to 8 to 9.5 with ammonia water or the like.
  • a low-viscosity slurry of less than 500 cp was prepared. After mixing this slurry with a pot mill for several hours, add 1-2 parts by weight of binder to silicon carbide powder, boron carbide powder, and carbon black powder, and then defoaming and then an acrylic pipe with an inner diameter of 80 mm on the gypsum plate. And a slurry was cast to prepare a molded body having a thickness of about 10 mm. The molded body is naturally dried, dried at 100 to 150 ° C., degreased by holding at a temperature of 600 ° C. for 2 hours under a reduced pressure of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 to 1 ⁇ 10 ⁇ 3 torr, and held at a temperature of 1700 ° C.
  • a low-viscosity slurry of less than 500 cp was prepared. After mixing this slurry with a pot mill for several hours, add 1-2 parts by weight of binder to silicon carbide powder, boron carbide powder, and carbon black powder, and then defoaming and then an acrylic pipe with an inner diameter of 80 mm on the gypsum plate. And a slurry was cast to prepare a molded body having a thickness of about 10 mm. The molded body is naturally dried, dried at 100 to 150 ° C., degreased by holding at a temperature of 600 ° C. for 2 hours under a reduced pressure of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 to 1 ⁇ 10 ⁇ 3 torr, and held at a temperature of 1700 ° C.
  • the reaction sintered body was manufactured by heating to a temperature of 1470 ° C. and holding for 30 minutes, and impregnating molten silicon into the molded body.
  • Comparative Example 6 80 parts by weight of silicon carbide powder having an average particle diameter of 0.6 ⁇ m, 20 parts by weight of boron carbide powder having an average particle diameter of 4 ⁇ m, and 50 parts by weight of carbon black powder having an average particle diameter of 55 nm are obtained by silicon carbide powder, boron carbide powder, carbon Disperse in pure water with 0.1 to 1 part by weight of dispersant added to black powder, and adjust pH to 8 to 9.5 with aqueous ammonia, etc. to produce a low viscosity slurry of less than 500 cp. did.
  • Comparative Examples 1 to 5 the specific rigidity was 130 GPa or more, but the bending strength was less than 350 MPa. In Comparative Examples 2 to 5, the grinding resistance is large.
  • Comparative Example 6 fine cracks were generated in the composite material, the bending strength and specific rigidity decreased, and chipping was likely to occur during grinding.
  • the surface of each reaction sintered body was lapped, and line analysis of boron carbide particles was performed by EDX, and the thickness of the layer containing silicon (hereinafter referred to as silicon-containing layer) was measured.
  • the n number is 5. Evaluation is that the silicon-containing layer has a particle size of boron carbide of 20% to less than 40% A, 5% to less than 20% B, 1% to less than 5% C, less than 1% D, 40 % Is E.
  • the present invention it is possible to provide a boron carbide / silicon carbide / silicon composite material having high strength and high specific rigidity and excellent grindability. Therefore, it can meet the high specific rigidity, high dimensional accuracy, and thinning required in the field of manufacturing devices such as semiconductor devices and liquid crystal display devices, and can be applied to large and complicated members. Become.

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Abstract

　本発明による炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料は、炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とした複合材料であって、前記複合材料の炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上、３０μｍ以下であることを特徴とする。この様な炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料とすることで、炭化硼素の有する高い比剛性率を持ちながら、研削性に優れ、高い曲げ強度を持ち、構造部材の薄肉軽量化を可能とする複合材料を提供できる。

Description

炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料
　本発明の態様は、一般に、炭化硼素・炭化珪素・シリコンを主成分とする複合材料に係り、特に高い強度、比剛性率を持ち、研削性に優れ、構造材料として軽量化が可能な炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料に関する。
　近年、半導体製造装置等の産業機械に使用する移動ステージ等を構成する部材には、軽量かつ剛性が高く、また構成部材の薄肉軽量化の要望があり高い強度が要望されている。
　その詳細な例としては高精度の位置決め機能が必要な移動体装置である３次元測定器、直線度測定器、平面状物体のパターンを形成するための露光機などがあげられる。特に露光機においては半導体ウェハーや液晶パネルなどを製造するにあたり、近年デバイス等のパターンが微細化している要求に対応したさらに高精度の位置決め機能が求められるとともに、経済的にパターンを転写するために高速で被露光ワークやレチクルなどが搭載された静水圧流体軸受け装置などの移動体を高速で動かして、装置のスループットを向上させることが求められている。
　しかしながら、上記のような要求を満たすためには、ステージ構成部材を薄肉軽量化、また剛性を上げステージ構成部材が持つ慣性力を小さくし、制動性を高める必要がある。また、薄肉化が可能であれば、ステージデザインの自由度を増すこともできる。
　このような特性が要求される構造部材としては、従来は鉄鋼等の金属系素材が用いられてきたが、最近では金属系素材よりも高比剛性率を持つセラミックスの中のアルミナが用いられるようになってきている。しかしながら、さらなる高比剛性率が要求される場合においてはセラミックの中でもアルミナのような酸化物セラミックスではなく非酸化物セラミックスを用いる必要がある。その中でも工業材料としては最高の比剛性率を持ち、曲げ強度も高い炭化硼素系の材料が期待されている。
　炭化硼素系素材として最も高比剛性が期待されるのは、ほぼ純粋な炭化硼素焼結体であるが、炭化硼素は難焼結材として知られている。従来の炭化硼素焼結体はホットプレスにより製造されていた。しかしながら、ホットプレス焼結法においては、大型複雑形状品は製造することが困難であり、また高温・高圧を付与するためのホットプレス装置や黒鉛型のコストが大きいために現実的に構造部材を製造する方法とはいえない。
　この問題を解決するために炭化硼素の鋳込成形・常圧焼結の手法が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６参照。）。しかしながら、この方法においては、焼成体が難研削性であるため、半導体・液晶製造装置のような高寸法精度が要求される用途においては研削コストが大きくなることと、常圧焼結温度が２２００℃以上とかなり高いため焼成コストが大きくなるという問題点がある。
　そこで炭化硼素を焼結させるのではなく、金属マトリックス相内に炭化硼素粉をフィラーとして分散させた材料も開示されている（例えば、特許文献７参照。）。この材料はアルミニウム中に炭化硼素を分散させたものであるが、炭化硼素とアルミニウムの濡れ性が悪いため炭化硼素とアルミニウムの混合物をホットプレスして製造しており、ホットプレスでは大型複雑形状品を作製できないし製造コストも大きいために、現実的に構造部材を製造する方法とはいえない。
　そこで炭化硼素との濡れ性が比較的優れているシリコンを金属として用い、炭化硼素成形体に溶融したシリコンを含浸させた複合材料も開示されており（例えば、特許文献８、特許文献９、特許文献１０参照。）、その中には原材料として少量の炭素源となりうる素材を含む例もある。しかしながら、この方法においては、シリコンが含浸されているとはいうものの炭化硼素が高充填されている複合材料となるので、炭化硼素単独のものよりやや研削性は改良されているものの、難研削性であることに変わりはない。また、炭化硼素粒子の粒径が１００μm以上のものを含むことから、その粒子が破壊起点となり曲げ強度の低下が懸念される。
　また、成形体の原料として炭化硼素に加えて炭化珪素をも含む材料を用い、この成形体に溶融したシリコンを含浸させた複合材料も開示されており（例えば特許文献１１参照。）、その中には原材料として少量の炭素源となりうる素材を含む例もある。しかしながら、この方法においてもやはり炭化硼素・炭化珪素が高充填された複合材料となるので、炭化硼素単独で充填されているものよりやや研削性は改良されているものの、やはり難研削性であることには変わらない。また、炭化硼素粒子の粒径が１００μm以上のものを含むことから、その粒子が破壊起点となり曲げ強度の低下が懸念される。
国際公開第ＷＯ０１／７２６５９Ａ１号パンフレット（第１５－１６頁） 特開２００１－３４２０６９号公報（第３－４頁） 特開２００２－１６０９７５号公報（第４－６頁） 特開２００２－１６７２７８号公報（第４－６頁） 特開２００３－１０９８９２号公報（第３－５頁） 特開２００３－２０１１７８号公報（第４－９頁） 米国特許第４１０４０６２号明細書（ｃｏｌ２－５） 米国特許第３７２５０１５号明細書（ｃｏｌ２－６） 米国特許第３７９６５６４号明細書（ｃｏｌ２－１３） 米国特許第３８５７７４４号明細書（ｃｏｌ１－３） 特表２００７－５１３８４号公報（第２０－２２頁）
　本発明の態様は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、炭化硼素の有する高い比剛性率を持ちながら、研削性に優れ、高い曲げ強度を持ち、構造部材の薄肉軽量化を可能とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料を提供する。
　本発明の一態様によれば、炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とした複合材料であって、前記複合材料の炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上、３０μｍ以下であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料が提供される。
　本発明の態様によれば、炭化硼素の持つ高い比剛性を持つ複合材料でありながら、易研削性、高い曲げ強度を持ち構造部材の薄肉軽量化を可能とする複合材料を提供することが可能となる。　
本発明の一実施形態における反応焼結体の光学顕微鏡像を比較例と共に示したものである。 本発明の一実施形態における炭化硼素粒子をEDX（エネルギー分散型蛍光X線分析装置）により線分析した結果である。
　本発明の一実施形態は、炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とした複合材料であって、前記複合材料の炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上、３０μｍ以下であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。　　
　この炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料によれば、高い強度、比剛性率を持ち、研削性に優れ、構造材料として軽量化が可能となる。
　本発明の他の実施形態は、炭化硼素粒子の最大粒径が１００μm未満であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。
　本発明の他の実施形態は、、炭化硼素粒子の最大粒径が６５μm未満であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。
　また、本発明の他の実施形態は、前記複合材料の３点曲げ強度の平均値が３５０ＭＰａ以上であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。
　また、本発明の他の実施形態は、炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とする複合材料であって、前記炭化硼素の粒子にシリコンを含んでいることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。
　以下に本明細書で使用する語句の説明を行う。
　（比剛性率）
　比剛性とはヤング率を比重で割った値であり、比重は水に対する密度比で単位はないので、比剛性率の単位はヤング率の単位と同じである。ヤング率は共振法にて測定し、比重はアルキメデス法により測定する。
　（平均粒径）
　複合材料中の粒子の平均粒径とは複合材料の切断面をラップし、電子顕微鏡で０．０１ｍｍ２以上の大きさの視野を２０視野以上観察し、２００個以上の粒子を計測したときの粒径の長軸の平均値である。
　（最大粒径）
　複合材料中の粒子の最大粒径とは複合材料の切断面をラップし、電子顕微鏡で０．０１ｍｍ２以上の大きさの視野を２０視野以上観察し、２００個以上の粒子を計測したときの粒径の長軸の最大値である。　　
　（Ｆ３）
　本発明における複合材料の製造工程における成形体の固形分の充填率をさすものでアルキメデス法により測定する。
　（Ｆ３’）
　本発明における複合材料の製造工程における成形体の固形分の充填率から揮散分を除いたものであり、揮散分は調合比から計算する。
　（EDX）
　EDX（エネルギー分散型蛍光X線分析装置）には、堀場製作所製EMAX７０００を使用した。SEM（電子顕微鏡）で取得した画像の炭化硼素粒子を線状に１０から２０回スキャンし組成分析を行った。１回のスキャンは１０ｓであり、分析した線幅は０．５μｍである。また、加速電圧は15ｋVとした。
　シリコンを含んでいる層とは、図２の線分析グラフのシリコン強度が、炭化硼素粒子表面におけるシリコン強度と炭化硼素粒子内中心付近の最も低い強度の和の１／２を超える強度以上である部分とし、その層の炭化硼素粒子の表面からの厚みより算出する。
　本発明の一実施形態における複合材料は炭化硼素・炭化珪素を主成分とする粉体の隙間にシリコンが充填された構造をとる。本複合材料を形成する炭化硼素は成形工程から炭化硼素粉体として原材料の主成分として加えられる。また、炭化珪素は成形工程から炭化珪素粉体として原材料の主成分として加えられるもの（以後初期投入炭化珪素と呼ぶ）と、成形体中の炭素源とシリコンが反応して生成した炭化珪素（以後、反応生成炭化珪素と呼ぶ）の両方からなる。
　本発明の一実施形態における複合材料の製造方法は、炭化硼素、初期投入炭化珪素、及び炭素源を主成分とする成形体に熔融シリコンを含浸させ、炭素源とシリコンを反応させて反応生成炭化珪素を生成させ、また炭化硼素、初期投入炭化珪素、反応生成炭化珪素の隙間にシリコンを含浸させる反応焼結工程をとる。
　また、本発明の一実施形態における複合材料は、炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上３０μｍ以下であり、好ましくは炭化硼素粒子の最大粒径が１００μm未満であること、さらに好ましくは炭化硼素粒子の最大粒径が６５μｍ未満を特徴としており、このような構造をとることにより、高い曲げ強度、高比剛性率、易研削性を発現させることができる。
　なお、炭化硼素粒子の最大粒径が１００μm未満であることというのは、実質的に１００μｍ以上の粒子を含まないということであり、実質的に含まないとは前記の方法により電子顕微鏡像を観察した結果１００μｍ以上の粒子の存在確率が０．１ｍｍ２に１個以下であることを意味するものとする。最大粒径が６５μｍ未満の場合も同様である。
　本発明の一実施形態における複合材料の３点曲げ強度の平均値が３５０ＭＰａ以上であることが好ましく、さらに好ましくは４００ＧＰａ以上である。薄肉化した構造体やその作製工程において、曲げ強度が３５０ＭＰａ未満であると構造体が破損する可能性がある。
　また、本発明の一実施形態における複合材料の比剛性率が１００ＧＰａ以上あることが好ましく、さらに好ましくは１３０ＧＰａ以上である。比剛性率が１００ＧＰａ未満では、構造体のたわみの影響等が大きくなり、必要な精度が得られない。
　また、本発明の一実施形態における複合材料は、炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とする複合材料であり、その炭化硼素粒子にシリコンを含んでいることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料である。炭化硼素粒子にシリコンを含んでいることで、高比剛性率、易研削性を発現させることができる。
　本発明の一実施形態における複合材料の炭化硼素、炭化珪素、シリコンの構成割合は、複合材料全体を１００体積部として、炭化硼素Ｘ体積部、炭化珪素Ｙ体積部、シリコンＺ体積部を主成分とし、１０＜Ｘ＜６０、２０＜Ｙ＜７０、５＜ｚ＜３０が好ましい。炭化硼素の量が１０体積部以下になると複合材料は十分な比剛性率を得られなくなり、６０体積部以上になると複合材料の研削性が低下する。また、研削性を重視すれば１０＜Ｘ＜５０である方がさらに好ましい。また、炭化珪素の量が２０体積部以下になると、複合材料は十分な比剛性率を得られなくなり、また７０体積部以上になると複合材料の研削性が低下する。また、比剛性率を重視すれば３０＜Ｙ＜７０である方がさらに好ましく、研削性を重視すれば２０＜Ｙ＜６５である方がさらに好ましい。またシリコンの量が５体積部以下の複合材料は反応焼結工程においてクラックが発生したりシリコンが未含浸のポアが発生する欠点が生じやすくなり、また３０体積部以上になると複合材料の比剛性率が低下する。また、厚肉大型製品などクラック発生に特に注意しなければならない製品では１０＜Ｚ＜３０である方がさらに好ましい。
　したがって、本発明の一実施形態における複合材料は、構造材料として高い曲げ強度、高比剛性率が必要とされる製品に好適に応用される。
　以下に本発明の一実施形態における、材料及び工程の詳細について説明する。
　本発明の一実施形態における炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とした複合材料は、その複合材料の炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上３０μｍ以下である。また、好ましくは炭化硼素粒子の最大粒径が１００μm未満、さらに好ましくは６５μｍ未満である。なお、原料の平均粒径は、レーザー回折により測定する。平均粒径は体積平均径を指している。炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm未満では、シリコンを成形体に含浸したときに反応しやすく焼成体にクラックや線状の遊離シリコン相の形成等の欠陥をもたらす。その結果、曲げ強度や比剛性率が低下する。炭化硼素粒子の平均粒径が３０μmを超えると炭化硼素粒子にクラックが入りやすく曲げ強度の低下を引き起こす。また、炭化硼素粒子の最大粒径が１００μmを超えると炭化硼素粒子にクラックが入り曲げ強度が低下し、研削性も劣る。
　なお、原料として用いられる炭化硼素粉体の粒径と、複合材料中の炭化硼素粉体の粒径については、ほぼ一致している。ただし、炭化硼素は含浸されたシリコンと表面が反応して表面にはその反応生成物で覆われていると思われ、SEMで観察した炭化硼素粉体の表面はややコントラストが異なる層で覆われている。本発明における複合材料の炭化硼素粒子やその粒径に関してはこの反応性生物からなる表面層も含めて定義するものとする。なお、前述の微粒の炭化硼素粉体を用いると反応焼結時にクラックが発生するという理由はこの表面の反応生成物からなる層の割合が炭化硼素粉体全体に対して無視できないほど大きくなったためであろうと推定される。
　なお本発明の一実施形態において炭化硼素粒子がシリコンを含んでいるということは、炭化硼素粒子をEDXにより組成分析したときに炭化硼素粒子内にシリコンの特性X線が検出され、炭化硼素粒子表面からのシリコンを含む層の厚みが粒径の１％以上４０％未満存在することと定義する。
　優れた研削性が発現するには炭化硼素粒子のシリコンを含む層の厚みが粒径の１％以上４０％未満存在することが必要であり、好ましくは、炭化硼素粒子の粒径の５％以上４０％未満、さらに好ましくは、炭化硼素粒子の粒径の２０％以上４０％未満である。シリコンを含む層の厚みが炭化硼素粒子の粒径の４０％以上となると焼成体にクラック等の欠陥が発生する可能性があり、１％未満では、研削抵抗が増大し研削性が悪くなる。
　本発明の一実施形態における複合材料を製造するための原料である炭化珪素の好ましい平均粒径は、０．１μｍから３０μｍである。また、好ましくは炭化珪素粒子の最大粒径１００μm未満、さらに好ましくは６５μｍ未満である。ただし、炭化珪素粒子は炭化硼素と異なり、シリコンを成形体に含浸したときに反応することやクラックが入らないため、炭化硼素粒子の最大粒径ほど強度に影響を及ぼさない。　
　本発明の一実施形態における複合材料を製造するための原料である炭素源として好ましいのはカーボン粉末であり、そのカーボンとシリコンが反応してできた反応生成炭化珪素の粒径は実質的に全部が１０μｍ未満であることが好ましい。
　カーボン粉末としては結晶度が非常に低いものから結晶度が非常に高い黒鉛まで何でも用いることができるが、一般にカーボンブラックと呼ばれる結晶度がそれほど高くないものが入手しやすい。カーボン粉末の好ましい平均粒径は１０ｎｍから１μｍである。
　なお、このようなカーボン粉末は反応焼結工程において実質的にその全量がシリコンとの反応により反応生成炭化珪素に転換したものと推定され、複合材料の観察の結果では未反応と思われるカーボン粉末は観察されなかった。
　また、炭素源としてカーボン粉末に加えて有機物を用いることも可能である。カーボン源として有機物を用いる場合には非酸化性雰囲気における焼結工程において残炭率が高い有機物を選定する必要があり、特に好適な有機物としてはフェノール樹脂やフラン樹脂をあげることができる。なおこのような有機物を炭素源として用いる場合においては成形工程におけるバインダーとしての役割や可塑性付与剤としての役割や粉体を分散させるための溶媒としての役割を期待することもできる。
　本発明の一実施形態における複合材料を製造するための原料であるシリコンは、熔融含浸されるものであるため、粉体状、顆粒状、板状など特に形状は問わず、成形体に含浸しやすいように配置できるような形状のものを使用すればよい。
　また、シリコンは不純物としてシリコン以外の物質を含む場合もあるが、その不純物も含んだシリコンマトリックス層として本発明における複合材料中のシリコンの量は定義される。
　なお、シリコン中の不純物としてはシリコンの製造工程上不可避的に含まれるもの以外にも、シリコンの融点を下げて反応焼結工程の温度を下げるため、炭化硼素表面における炭化硼素との反応を防止するため、反応焼結後の降温時にシリコンの反応焼結体からの吹き出しを防止するため、またシリコンの熱膨張係数をコントロールするため、複合材料に導電性を付与するためなどに意図的にＢ、Ｃ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏなどの不純物を加えることもできる。
　本発明の一実施形態における複合材料の製造方法は、炭化硼素、初期投入炭化珪素、炭素源を主成分とする原料を成形して成形体を製造する成形工程と、その成形体にシリコンを含浸させることにより炭素を炭化珪素に転換させて空隙にシリコンを埋めていく反応焼結工程を備えている。
　本発明の一実施形態における成形方法としては特に制限はなく、乾式プレス成形、湿式プレス成形、ＣＩＰ成形、鋳込成形、射出成形、押し出し成形、可塑性成形、振動成形などを目標とするワークの形状や生産量により選定することができる。
　その中でも特に大型複雑形状品の製造に適しているのは鋳込成形である。
　本発明の一実施形態における成形方法として鋳込成形を採用する場合、溶媒としては有機溶媒を用いても水を用いてもよいが、工程の簡略化や地球環境への影響を考えると水を溶媒とするのが好ましい。
　水を溶媒とした鋳込成形の場合には、原料である炭化硼素粉体、初期投入炭化珪素粉体、炭素源と水を混合したスラリーをまず製造するが、その際に高濃度のスラリーを製造するための分散剤・解膠剤、バインダー、可塑性付与剤などの添加剤を加えることもできる。
　好適な添加剤としてはポリカルボン酸アンモニウム、ポリカルボン酸ナトリウム、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸アンモニウム、アルギン酸トリエタノールアミン、スチレン・マレイン酸共重合体、ジブタルフタール、カルボキシルメチルセルロース、カルボキシルメチルセルロースナトリウム、カルボキシルメチルセルロースアンモニウム、メチルセルロース、メチルセルロースナトリウム、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸ナトリウム塩、アクリル酸またはそのアンモニウム塩のオリゴマー、モノエチルアミンなどの各種アミン、ピリジン、ピペリジン、水酸化テトラメチルアンモニウム、デキストリン、ペプトン、水溶性デンプン、アクリルエマルジョンなどの各種樹脂エマルジョン、レゾルシン型フェノール樹脂などの各種水溶性樹脂、ノボラック型フェノール樹脂などの各種非水溶性樹脂、水ガラスなどをあげることができる。
　なお、非水溶性の添加物を加える場合にはエマルジョンにしたり、また粉体表面にコーティングしたりするのが好適であり、またスラリー製造工程として粉砕工程を含む場合には粉砕により分解する添加剤は粉砕工程後に加えるのが好適である。
　また、鋳込成形は石膏型の毛管吸引力を利用した石膏鋳込成形と、スラリーに直接圧力をかける加圧鋳込成形のどちらも利用可能である。加圧鋳込成形の場合は適切な加圧力は０．１ＭＰａから５ＭＰaである。
　成形工程においては高い充填率の成形体を製造することが重要である。これは成形体の空隙から炭素がシリコンと化合して炭化珪素に転換することによる体積膨張分を除いた部分にシリコンが埋められていくためである。即ち高充填の成形体から製造される反応焼結体はシリコンの含有量が小さいことになり、シリコンの含有量が小さい反応焼結体は高い比剛性率を期待することができる。
　好ましい成形体の充填率は６０～８０％であり、さらに好ましくは６５～７５％である。
　なお、好ましい充填率に下限があるのは前述のように反応焼結体のシリコン含有量を小さくするためであるが、好ましい充填率に上限があるのはあまりにも高充填率の成形体はシリコンの含浸が難しいためである。ただし、実際的にはそのような高充填率の成形体を工業的に製造することは難しいので下限のみを考慮すればよい。
　なお、上記の成形体の充填率とは、炭化硼素・炭化珪素・カーボンの各粉体の充填率であり、焼成工程により揮散する添加剤などの成分は除くものとする。したがってフェノール樹脂などの残炭分がある添加剤を用いる場合においてはその残炭分を充填率として加えることになる。具体的な測定・表示方法については、アルキメデス法により測定した成形体の充填率をＦ３とし、これから揮散分を除いた充填率をＦ３’として表示するものとし、好ましい成形体の充填率とはこのＦ３’の値を指すものとする。
　なお本発明の一実施形態における複合材料の成形工程と反応焼結工程の間に、仮焼工程を設けることも可能である。
　成形体が小型・単純形状である場合、この仮焼工程は必要でない場合もあるが、成形体が大型複雑形状になると成形体のハンドリング時の破損や反応焼結時のクラックの発生を防止するため、仮焼工程を設けることが好ましい。
　仮焼温度として好ましい温度は１０００～２０００℃であり、１０００℃より低温だと仮焼の効果が期待できず、２０００℃より高温にすると焼結がはじまることによりワークが収縮し、本複合材料の製造工程の特徴である焼成収縮がほぼ０であるニアネットシェイプ製造プロセスとしての利点が損なわれる恐れがある。また、仮焼工程における好ましい焼成雰囲気は非酸化性雰囲気である。
　なお、この仮焼工程について通常は成形体の脱脂工程を兼ねて行われるが、炉の汚染が懸念される場合においては仮焼工程の前に脱脂工程を別に設けてもよい。
　また、仮焼工程なしで脱脂工程のみを設けてもよい。その場合にはバインダー分が分解・除去されるのに必要な脱脂温度を採用すればよい。
　シリコン含浸反応焼結工程での好ましい反応焼結温度はシリコンの融点から１８００℃である。ワークが大きく複雑形状になるほどシリコンの含浸が難しくなるため反応焼結温度は高く、また最高温度にキープする時間は長くする必要があるが、炭素が炭化珪素に転換する反応焼結が完全に進行しシリコンが完全に含浸してポアがなくなる範囲内で、なるべく反応焼結温度は低く、最高温度キープ時間も短いことが好ましい。
　なお、シリコンの融点は１４１４℃であるので１４３０℃以上の反応焼結温度が通常は必要であるが、シリコンに不純物を加えて融点を下げれば、１３５０℃程度までは反応焼結温度を低下させることも可能である。
　以上述べたように、本発明の一実施形態における複合材料は、成形体中の炭素分がシリコンと反応して炭化珪素となって膨張し、またその空隙をシリコンが埋めていくため、成形体の原料の調合比と成形体の充填率Ｆ３’の測定により、反応焼結体の組成比は明らかになる。
　なお、後述する微構造の写真である図１の灰色部分が炭化硼素または炭化珪素の粒子、白い部分がシリコンであるため、粒子とシリコンの識別は容易である。また、炭化珪素と炭化硼素の識別においてはSEM・EPMA分析により容易に識別することが可能である。
　以上のように、本発明の一実施形態における複合材料の構成比を実現するための原料の構成比については目的とする複合材料の構成比と成形体の充填率から自明に計算可能であるが、好ましい各原料の調合比は炭化硼素１０～９０重量部、初期投入炭化珪素９０～１０重量部の計１００重量部に対して炭素源を０～５０重量部である。
　なお、ここでいう炭素源は炭素に換算しての重量部であり、カーボン粉末を用いる場合は調合重量そのものであり、残炭分がある添加剤を利用する場合には調合重量にその残炭率を乗じた値である。
　炭化硼素・炭化珪素の各成分が、好ましい組成範囲から外れた場合に生じる不具合については、前述の複合材料の構成成分である炭化硼素・炭化珪素の各成分が好ましい範囲から外れた場合に生じる不具合と同様である。
　炭素は０重量部でもかまわないが、その場合には炭素がシリコンと反応して膨張する反応を利用できなくなるため、成形体の空隙を完全にシリコンで埋めることが困難になり、ポアが残存する可能性が高い。また、炭素分があまりにも多すぎるとその膨張反応によって反応焼結体にクラックが発生する可能性がある。
　そのため、さらに好ましい炭素源の調合割合は、炭化硼素と初期投入炭化珪素の合計１００重量部に対して１０～４０重量部である。また反応焼結に必要な好ましいシリコン量は炭素分を炭化珪素に転換させさらに空隙を埋め尽くすのに必要なシリコン量の１０５～２００％、さらに好ましくは１１０～１５０％であり、成形体の大きさ形状により適宜調整する。
　本発明の一実施形態における複合材料の好ましい曲げ強度は３５０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは４００ＭＰａ以上である。
　本発明の一実施形態における複合材料の好ましい比剛性率は１００ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは１３０ＧＰａ以上である。
　比剛性率に関して好ましい上限はないが、現実的には２００ＧＰａ以上の比剛性率を持つ複合材料を作ることは困難であり、また優れた研削性を維持しながら高比剛性を達成するためには１７０ＧＰａ程度がその上限となる。
　強度に関して好ましい上限はないが、比剛性率等の他物性値の向上を優先すれば、１２００ＭＰａ以上の曲げ強度は得ることが困難な場合もある。
　本発明の一実施形態における複合材料は高強度、高比剛性が要求され、また精密な研削が必要とされる製品や大型複雑形状のため研削コストが大きい製品に好適に応用される。特に好適な製品への応用例は半導体・液晶製造装置部材である。その中でも特に好適な製品への応用例は露光装置用部材であり、サセプタ・ステージなどのウェハー支持部材、レチクルステージなどの光学系支持部材として用いることにより、露光装置の位置決め精度を向上させまた、位置決め時間を短縮することにより装置のスループットを向上させることができる。
（実施例）
　以下、本発明の実施の形態について表、図を参照して説明する。
　表1に、以下に示す実施例及び比較例の一覧を示す。
　それぞれの反応焼結体は、表面の余剰シリコンを除去した後にテストピースを切り出し、表面を研磨した後に、アルキメデス法により比重、共振法によりヤング率を測定し比剛性を算出した。また、曲げ強度はJIS R1601に準拠し３点曲げ試験により測定した。N数は、比重、ヤング率、曲げ強度、それぞれ５、５、１０である。
　また、表面加工を施したものを動力計（キスラー社製　型番９２５６Ｃ２）の上に設置しφ１０ｍｍのコアドリル（♯６０、旭ダイヤモンド工業製）にて回転数１００ｍ／ｍｉｎ（３２００ｒｐｍ）、送り速度２ｍｍ／ｍｉｎ、ステップ量０．２ｍｍにて深さ４ｍｍの孔加工を行い、加工抵抗力の測定、孔周りのチッピングの状態を確認した。被削性の評価は、加工抵抗の最大値が２０００Ｎ以上の場合を×、１５００～２０００Ｎの場合を△、１５００Ｎ未満のものを○として評価した。
　ただし、最大抵抗値が△または×であっても、加工抵抗が短時間で低下し、その低い値で安定したものはその低い値で評価した。また、加工抵抗が○または△であっても、加工時に加工が原因であると推測されるクラックが発生するものと、工具破損が発生するものは×とした。
　また、チッピングの状態の評価は孔の外周の欠けが０．３ｍｍ未満で○、０．３ｍｍ以上～０．５ｍｍ未満で△、０．５ｍｍ以上で×とした。また微構造の観察は、焼成体を適当な大きさに切り出し表面を１μｍの砥粒にてラップ加工を行い、光学顕微鏡にて2800倍に設定し観察した。
　図１(ａ)に実施例１、図１（ｂ）に比較例１の反応焼結体微構造の光学顕微鏡像を示す。前述のように１０μｍ以上の粒子と１０μｍ以下の粒子の識別は容易であった。また、比較例１の炭化硼素粒子に亀裂が入っていることが確認できる。これが強度の低下の原因となる。
　実施例、比較例ともに電子顕微鏡像２０枚以上から２００個以上炭化硼素粒子の粒径を計測し、平均粒径、最大粒径を求めた。実施例の計測した画像の中には１００μｍを超える粒径を持つ炭化硼素粒子は観察されなかった。
　図２に炭化硼素粒子をEDX（エネルギー分散型蛍光X線分析装置）により線分析した結果を示す。粒径が約１１μｍの炭化硼素粒子の表面から約２．５μｍの部分までシリコンを含んでいるのが確認できる。
（実施例１）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が１３μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末１５重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ＣＰ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（実施例２～３）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が１３μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末１５もしくは２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ＣＰ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。なお、実施例２～３はカーボンブラック粉末の添加量がそれぞれ２０、１５重量部の場合である。
（実施例４～５）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が２３μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末１５もしくは２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ＣＰ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。なお、実施例４～５はカーボンブラック粉末の添加量がそれぞれ２０、１５重量部の場合である。
（実施例６）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が２３μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ＣＰ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（実施例７）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が２８μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ＣＰ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例１）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が５０μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例２）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末２０重量部と平均粒径が６５μmの炭化珪素粉末３０重量部、平均粒径が５０μｍの炭化硼素粉末５０重量部と平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末３０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例３）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末２５重量部と平均粒径が６５μmの炭化珪素粉末２５重量部、平均粒径が５０μｍの炭化硼素粉末２０重量部と平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末１０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例４）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末２５重量部と平均粒径が６５μmの炭化珪素粉末２５重量部、平均粒径が５０μｍの炭化硼素粉末５０重量部と平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例５）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末３０重量部と平均粒径が３４μｍの炭化硼素粉末７０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末２０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
（比較例６）
　平均粒径が０．６μｍの炭化珪素粉末８０重量部と平均粒径が４μｍの炭化硼素粉末２０重量部、平均粒径が５５ｎｍのカーボンブラック粉末５０重量部を炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して０．１～１重量部の分散剤を添加した純水中に入れ分散させ、アンモニア水等でｐＨを８～９．５に調整して５００ｃｐ未満の低粘度のスラリーを作製した。このスラリーをポットミル等で数時間混合した後バインダーを炭化珪素粉末、炭化硼素粉末、カーボンブラック粉末に対して１～２重量部添加し混合、その後脱泡し石膏板の上に内径８０ｍｍのアクリルパイプを置きスラリーを鋳込み、厚み１０ｍｍ程度の成形体を作製した。成形体は自然乾燥、１００～１５０℃の乾燥の後、１×１０－４～１×１０－３ｔｏｒｒの減圧下において温度６００℃で２ｈ保持し脱脂を行い、温度１７００℃で１ｈ保持することで仮焼を行う。仮焼を行った後、温度１４７０℃に加熱し３０ｍｉｎ保持し、成形体中に溶融したシリコンを含浸させることにより反応焼結体を製造した。
　実施例１～７においては、曲げ強度が３５０MPa以上かつ比剛性率が１３０ＧＰa以上であり、研削抵抗が小さくチッピングも生じにくいために研削加工性に優れた複合材料を製造することができた。
　比較例１～５においては、比剛性が１３０ＧＰa以上であるが、曲げ強度が３５０MPa未満であった。比較例２～５では研削抵抗が大きい。
　比較例６においては、複合材料に細かなクラックが発生し曲げ強度、比剛性率が低下すると共に研削時にチッピングが発生しやすかった。
　またそれぞれの反応焼結体を、表面をラップ加工しEDXにより炭化硼素粒子の線分析を行い、シリコンを含んでいる層の厚み（以下、シリコン含有層）の測定を行った。ｎ数は５である。評価は、シリコン含有層が炭化硼素の粒径に対して、２０％以上４０％未満をＡ、５％以上２０％未満をＢ、１％以上５％未満をＣ、１％未満をＤ、４０％以上をＥとした。
　その結果は実施例１・２についてはＡであり、実施例３・４・５・６についてはＢであり、実施例７についてはＣであり、比較例１・２・３・４・５についてはＤであり、比較例６についてはＥであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明によれば、高強度、高比剛性にして研削性に優れた炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料を提供することができる。そのため、半導体装置や液晶表示装置などの製造装置の分野などにおいて求められる高比剛性、高寸法精度、薄肉化を満たすことができるので、大型で複雑な形状を有する部材に応用することが可能となる。

Claims (5)

  1. 　炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とした複合材料であって、前記複合材料の炭化硼素粒子の平均粒径が１０μm以上、３０μｍ以下であることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料。
  2. 　前記炭化硼素粒子の最大粒径が１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料。
  3. 　前記炭化硼素粒子の最大粒径が６５μｍ未満であることを特徴とする請求項２記載の炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料。
  4. 　前記複合材料の３点曲げ強度の平均値が３５０MPa以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料。
  5. 　炭化硼素、炭化珪素、シリコンを主成分とする複合材料であって、前記炭化硼素の粒子にシリコンを含んでいることを特徴とする炭化硼素・炭化珪素・シリコン複合材料。
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