JP2000007428A - リン酸ジルコニル系複合材料及びそれを用いた精密機器 - Google Patents

リン酸ジルコニル系複合材料及びそれを用いた精密機器

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JP2000007428A
JP2000007428A JP10198025A JP19802598A JP2000007428A JP 2000007428 A JP2000007428 A JP 2000007428A JP 10198025 A JP10198025 A JP 10198025A JP 19802598 A JP19802598 A JP 19802598A JP 2000007428 A JP2000007428 A JP 2000007428A
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Noriaki Tateno
範昭 建野
Takahiro Tanaka
貴広 田中
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比重が小さくヤング率の高い、さらに経時
変化しない、低熱膨張・高剛性セラミック材料を提供す
る。 【解決手段】 主たる結晶相としてリン酸ジルコニ
ル、第二結晶相として常温における熱膨張率がプラスで
ヤング率が150GPa以上のセラミックを1種以上含
むセラミック複合材料を作製し、第二結晶相の添加量を
常温における熱膨張率が、±0.5×10-6/℃以下に
なるように添加したリン酸ジルコニル系複合材料を用い
ると、経時変化が無く、ヤング率が高いため温度変化や
部材の大型化による寸法変化が少ないため、ステッパー
等の半導体及び液晶製造装置などの精密機器の精度を高
めることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密機器用部材の
材質に係り、特に半導体及び液晶製造用装置の部材とし
て好適な低熱膨張・高ヤング率セラミック材料に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体及び液晶製造装置特に露光
装置には、低熱膨張ガラスやインバー合金が、常温にお
ける熱膨張率が低いため多く使用されてきた。一方、低
熱膨張のセラミックに関しては特開昭54−4914号
に見られるように、セラミックの特性を生かした耐熱性
の優れる材料として用いられる場合が多く、この場合は
ヒートショックに耐えるために高温で熱膨張率が低い材
料が求められた。また、リン酸ジルコニルを用いた特開
平6−4510号に見られるように耐熱性を上げるため
に、融点が高いことが求められていた。
【0003】特開昭54−4914号に見られるものを
詳述すると、以下の通りである。強度の弱い多孔質の低
熱膨張セラミック(例えば、リチウム・アルミニウム・
シリケート、コーデイエライト、アルミニウム・チタネ
ート)に希土類元素の酸化物を添加することにより、緻
密な焼結体を得るという内容である。この場合は、高温
(1000℃)での熱膨張率を測定している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の低熱膨張ガラス
を例えばステッパー用部材としていた場合では、部材が
大型化した場合や露光の光源として波長の短いKrFエ
キシマレーザー等を使用した場合は、ヤング゛率が低い
(100GPa以下)ため変形し、露光パターンの精度
を悪くする場合がある。インバー等の金属系の低熱膨張
素材は、ヤング率は150GPa程度で、比較的高い
が、比重が大きい(約8g/cc程度)、経時変化をす
るという問題がある。
【0005】以上をまとめると、ステッパー等の精密機
器用の部材では、精度を高めるため、常温において低熱
膨張でヤング率の高い、比重の低い材料が強く求められ
ているが、従来用いられていた低熱膨張ガラスやインバ
ー合金では、対応できないレベルになっている。
【0006】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、本発明の目的は、比重が小さくヤング率の
高い、さらに経時変化しない、低熱膨張・高剛性セラミ
ック材料を提供することにある。更に、ノンポア化され
た材料に関しては、ガラス材料の代わりに高剛性なミラ
ー材料として使用可能である。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
になされた本発明は、主たる結晶相としてリン酸ジルコ
ニル、第二結晶相として常温における熱膨張率がプラス
でヤング率が150GPa以上のセラミックを1種以上
含むセラミック複合材料を作製し、第二結晶相の添加量
を常温における熱膨張率が、±0.5×10-6/℃以下
になるように添加することを特徴としたリン酸ジルコニ
ル系複合材料とした。上記リン酸ジルコニル系複合材料
を用いると、経時変化が無く、ヤング率が高いため温度
変化や部材の大型化による寸法変化が少ないため、ステ
ッパー等の半導体及び液晶製造装置などの精密機器の精
度を高めることが出来る。
【0008】さらに、ホットプレス、HIP(熱間静水
圧圧縮成形)といった加圧焼結法を用いると、さらに低
い温度で焼成可能であり、ポアのない微粒なヤング率の
高い焼結体を得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】この発明はリン酸ジルコニルを主
体とし、常温における熱膨張率の小さい、ヤング率の高
いセラミック材料に関するものである。リン酸ジルコニ
ルは低熱膨張であることは、公知である。従来、リン酸
ジルコニルは、低熱膨張をいかした耐熱衝撃性の優れた
耐熱材料としての用途しか考えられてこなかった。ま
た、耐熱衝撃性をあげるためには、ヤング率の低い方が
有利であることや、原料代が他の低熱膨張セラミックと
比較して高価なため、十分に研究されてこなかった。
【0010】本特許の目的である常温において低熱膨張
でヤング率の高いセラミックを得るため、詳細に調査し
た結果、リン酸ジルコニルは、一般に言われている低熱
膨張セラミックの中では比較的強度が高く、常温で熱膨
張率がマイナスであるため、熱膨張率がプラスの材料と
組み合わせることで、熱膨張率をゼロに出来ると同時
に、ヤング率の高い材料との組み合わせにより、常温に
おける熱膨張率±0.5×10-6/℃の範囲内で、高ヤ
ング率の部材を得ることが出来る。
【0011】耐熱性を高めるには高温で焼成する必要が
あるが、本特許の目的である高ヤング率や常温での低熱
膨張率を達成するには、焼成温度を下げる方が好まし
い。リン酸ジルコニルの場合、粒径が7μmを越えると
マイクロクラックが入り、これは、ヤング率を下げると
同時に熱膨張率を不安定にする。粒成長を防止するに
は、焼結温度が低い方が有利である。また、焼成温度が
高くなると、結晶相から、液相への溶解量が増加し、結
晶相の分解が進むと同時に、粒界のガラス相が増加す
る。このことは、ヤング率の低下及び熱膨張率の増加を
もたらす。そのため、緻密な焼結体が得られる範囲で、
焼成温度を下げる必要がある。
【0012】従来の焼成条件は、1400℃以上である
が、本発明では、原料の性状や組成の適正化や、加圧焼
結により、1300℃以下で緻密に焼結でき、それは本
発明の目的達成のためには有効と思われる。また、本発
明の用途である精密装置部材は、大型のものを製造する
必要があり、大物製造のためにも焼成温度が低いことは
好ましい。
【0013】
【実施例】<実施例1>原料は、オキシ塩化ジルコニウ
ムとリン酸を2ZrO2・P25組成比で各々水溶液と
し徐々に混合して、共沈させた後、仮焼・粉砕により得
た。得られた粉末の性状は、純度99%以上、90%以
上がα(ZrO)227で、平均粒径は、1.1μm
最大粒径は約5μであった。これに第2結晶相として、
酸化物としては、平均粒径1μm前後のジルコンや平均
粒径0.3μmのジルコニアその他アルミナ、ムライト
等が考えられ、この場合は、大気中で焼成出来るため大
型品を比較的安く作ることが出来る。そのほか、第2結
晶相としては、SiC・TiC等の炭化物セラミック、
及び、窒化珪素・サイアロン・TiN等の窒化物セラミ
ックを複合化することも有効と思われる。ただし、炭化
物、窒化物を第2結晶相とする場合は、酸化のため大気
中焼成が出来ないので、真空焼成等の焼成方法を工夫す
る必要がある。これらの主原料に、焼結助剤、粒成長抑
制剤として、粒径1μm前後のZnO,MgO,Nb2
5等及びSiO2粉末等をそれぞれ添加して、ボールミ
ルで十分混合した。また、ケイ酸ジルコニウム等のケイ
酸塩を第2結晶相として採用した場合は、必ずしも、S
iO2粉末の添加は必要ない。第2結晶相としては表1
に示す調合物の混合物100重量部に10%のPVA水
溶液を5重量部添加して十分に混合し、10×60×1
0mmの金型にて100kg/cm2の圧力でプレス成
形後、1ton/cm2にてラバープレスを行い成形体
を作った。
【0014】
【表1】
【0015】この成形体を電気炉にて100℃/hrで
昇温し、焼成温度で3時間保持後炉冷し、焼結体を得
た。この焼結体を加工し、粒成長に伴うマイクロクラッ
クのある焼結体に関しては、加工時にカケやワレが発生
し評価できなかったが、クラックの無いものに関して
は、それぞれの評価項目にあった試験片を作製し、3点
曲げ強度、比重、ヤング率、常温における熱膨張率を測
定した。評価結果は、表1の通りである。尚、表1中の
マイクロクラックの有無でNGは、加工中のカケ・ワレ
により評価サンプルが出来なかったため、特性値の評価
ができなかったことを示し、OKは加工が問題なく出来
たことを示す。
【0016】表1中のリン酸ジルコニル自体の常温にお
ける熱膨張率は、−0.7×10-6/℃である。第2結
晶相のヤング率は、ZrSiO4は、210GPa以上
で、SiO2は、80GPa、ZrO2は、210GPa
である。リン酸ジルコニル自体は常温における熱膨張率
が−0.5×10-6/℃より小さいが、常温における熱
膨張率がプラスでヤング率が150GPa以上で適切な
第2結晶相と複合化することにより、狙った熱膨張率
(±0.5×10-6/℃以下)が得られる。また、ヤン
グ率の低い材料と複合化すると、ヤング率は下がるが、
ヤング率が高い材料と複合化することで、ヤング率の高
い複合材料が得られる。
【0017】<実施例2>実施例1で得られた焼結体の
一部に関してHIPを実施した。HIPは、圧力100
0気圧、最高温度での保持時間は1hr、昇温速度は1
00℃/hrで実施した。調合組成及び評価結果を表2
に示す。
【0018】
【表2】
【0019】表2中のリン酸ジルコニル自体の常温にお
ける熱膨張率は、−0.7×10-6/℃である。第2結
晶相のヤング率は、ZrSiO4は、210GPa以上
で、ZrO2は、210GPaである表2から、同じ組
成でもHIPすることにより、実施例1より比重、及
び、ヤング率が増大することが分かる。これは、HIP
によりポアが無くなり、緻密化することによると考えら
れる。
【0020】<実施例3>原料粉末及びその混合に関し
ては、実施例1と同様に実施した。得られた混合粉末を
50×50mmのカーボン型内に高さ20mmに充填
し、100℃/hrで昇温しながら、加圧力0.5kg/
cm2で、最高温度で1hr保持し、ホットプレスを実
施した。調合組成は表3の通りである。加工及び評価内
容は、実施例1と同様で、評価結果は表3に示す。
【0021】
【表3】
【0022】表3中のリン酸ジルコニル自体の常温にお
ける熱膨張率は、−0.7×10-6/℃である。第2結
晶相のヤング率は、ZrSiO4は、210GPa以上
で、SiCは、44GPa、ZrO2は、210GPa
である表3より、ホットプレスにより、低温で緻密な焼
結体が得られることが分かる。
【0023】<実施例4>原料粉末及びその混合に関し
ては、実施例1と同様に実施した。得られた混合粉末を
鉄製の内径40mm高さ100mm容器(厚み3mm)
に封入して、シールHIPを行った。通常のセラミック
でシールHIPを行う場合は、ガラスを溶融してシール
を行うため、非常に手間がかかる。しかし、本発明の材
料では、1300℃以下で焼結可能なものもあり、この
場合は、上記の通り鉄製の容器に詰めれば良いため、シ
ールHIPも容易に実施できる。加工及び評価内容は、
実施例1と同様で、評価結果は表3に示す。
【0024】
【表4】
【0025】表4中のリン酸ジルコニル自体の常温にお
ける熱膨張率は、−0.7×10-6/℃である。第2結
晶相のヤング率は、ZrSiO4は、210GPa以上
で、Si34は、310GPaである表4より、シール
HIPにより、低温で緻密な焼結体が得られることが分
かる。
【0026】
【発明の効果】本発明は以上のように、リン酸ジルコニ
ルをベースに適切な複合材料とすることで、低熱膨張・
高ヤング率の素材が得られ、低熱膨張ガラスに対して
は、ヤング率が大幅に優れ、インバー合金に対しては、
経時変化が無く、比重が低い、ヤング率が高いという特
徴のある精密装置用部材、特に半導体及び液晶製造用装
置の部材として好適な部材を得ることが出来る。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主たる結晶相としてリン酸ジルコニル、
    第二結晶相として常温における熱膨張率がプラスでヤン
    グ率が150GPa以上のセラミック相を1種以上含
    み、リン酸ジルコニルと第2結晶相の比率を調整し、常
    温における熱膨張率が、±0.5×10-6/℃以下であ
    ることを特徴とするリン酸ジルコニル系複合材料。
  2. 【請求項2】 主たる結晶相としてリン酸ジルコニル、
    第二結晶相として常温における熱膨張率がプラスでヤン
    グ率が150GP以上のセラミックを1種以上、焼結助
    剤としてZnO、MgOを0.2%以上、粒成長抑制剤
    としてシリカを0.2%以上含み、リン酸ジルコニルと
    第2結晶相の比率を調整し、常温における熱膨張率が、
    ±0.5×10-6/℃以下であることを特徴とするリン
    酸ジルコニル系複合材料。
  3. 【請求項3】 上記第二結晶相がケイ酸ジルコニウムを
    5〜60wt%であることを特徴とする請求項1、2い
    ずれか記載のリン酸ジルコニル系複合材料。
  4. 【請求項4】 上記リン酸ジルコニル系複合材料を13
    00℃以下で焼結したことを特徴とする請求項1〜3い
    ずれか記載のリン酸ジルコニル系複合材料。
  5. 【請求項5】 上記リン酸ジルコニル系複合材料を13
    00℃以下で焼結した後、HIP、又は、1300℃以
    下でシールHIP、もしくは、ホット・プレスをするこ
    とを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のリン酸ジル
    コニル系複合材料
  6. 【請求項6】 請求項1〜5いずれか記載のリン酸ジル
    コニル系複合材料を精密機器部材に用いたことを特徴と
    する精密機器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001058867A (ja) * 1999-08-23 2001-03-06 Taiheiyo Cement Corp 構造部品
KR20150129416A (ko) * 2014-05-12 2015-11-20 목포대학교산학협력단 저열팽창성 (ZrO)2P2O7 분말 제조방법

Cited By (3)

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