JP2001058867A - 構造部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低熱膨張特性と高剛性とを兼備し、半導体製
造装置、計測機器、精密機器などに好適な構造部品を提
供すること。 【解決手段】 第１の材料と第２の材料からなる緻密質
の複合セラミックスで構成された構造部品であって、第
１の材料の重量割合をＷ_１％、密度をρ_１、室温近傍の
熱膨張係数をα_１、ヤング率をＥ_１とし、第２の材料の
重量割合をＷ_２％、密度をρ_２、室温近傍の熱膨張係数
をα_２、ヤング率をＥ_２とした場合に、室温近傍の熱膨
張係数α（１／℃）およびヤング率Ｅ（ＧＰａ）がそれ
ぞれ以下の式で表され、かつ−１×１０^−６≦α≦１×
１０^−６、Ｅ≧１５０の範囲である。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ
_１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２/ρ_２)]＋Ａ Ｅ=Ｂ×[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ
_１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)] ただし、Ａ＝−０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、
Ｂ＝０．８〜１．２

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複合セラミックス
からなる構造部品に関し、特に半導体製造装置、精密機
器、計測機器などの各種産業装置に用いる構造部品に関
する。このような構造部品としては、エアスライド、定
盤、真空装置構造体、サセプタ、静電チャック、ステー
ジなどを挙げることができる。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置用、精密機器用、計測機
器用などの部品として、近年、セラミックスが広く使用
されるようになってきている。例えば、計測機器や半導
体製造プロセスでは窒化ケイ素からなるエアスライド、
また半導体製造プロセスのシリコンウエハに配線を形成
する工程においては、ウエハを支持または保持するサセ
プタ、静電チャック、絶縁リング具などや露光装置のＸ
Ｙテーブル等として、アルミナや窒化ケイ素が広く用い
られている。

【０００３】このように上記用途にセラミックスが使用
されるに至った理由は、熱膨張係数が小さいことと剛性
が高いことに起因するところが大である。すなわち、こ
れまで使用されてきた金属からなる部品の場合、熱膨張
係数が極めて大きいため、僅かな温度差による製品の膨
張収縮が、製品の精度に決定的な影響を及ぼすため使用
することが困難となり、代ってセラミックスからなる部
品が使用されるに至っている。

【０００４】しかしながら、近年、この高精密化の流れ
はさらに加速しており、半導体製造プロセスなどにおい
ては、ＬＳＩなどにおける高集積化に伴い、回路の微細
化が急速に進められ、その線幅もサブミクロンオーダー
のレベルまで高精密化しつつある。例えばシリコンウエ
ハに高精密回路を形成するための露光装置においては、
露光装置のステージ用部材に１００ｎｍ（０．１μｍ）
以下の位置決め精度が要求され、露光の位置合わせ誤差
が製品の品質向上や歩留まり向上に大きな影響を及ぼし
ているのが現状である。

【０００５】半導体製造装置用部材として一般に用いら
れてきたアルミナ、窒化ケイ素などのセラミックスは、
確かに金属よりは熱膨張係数が小さいものの、それぞれ
５×１０^-6／℃、１．５×１０^-6／℃程度であり、雰囲
気温度が０．１℃変化すると数１００ｎｍ（０．１μ
ｍ）の変形が発生することになる。露光等の精密な工程
ではこの変化が大きな問題となってきており、従来のセ
ラミックスでは精度が十分とはいえず、生産性の低下を
もたらしている。

【０００６】これに対して、リチウムアルミノシリケー
ト系の焼結体やマグネシウムアルミノシリケート系焼結
体など、所謂低熱膨張係数で知られている素材の場合、
例えばリチウムアルミノシリケート系の焼結体などの場
合はゼロ膨張に近い低熱膨張性を示すため、アルミナや
窒化ケイ素に比較して、例えば上述したような露光精度
に対する問題はある程度解決される。

【０００７】しかし、例えば露光装置のステージのよう
に、Ｓｉウエハを載置した支持体が露光処理を施す位置
まで高速移動を伴うような場合には、移動後の支持体自
体が所定位置に停止後も振動しており、そのために、そ
の振動した状態で露光処理を施すと露光精度が低下する
という問題があった。これは、露光によって形成する配
線幅が細くなるほど顕著であり、高微細な配線回路を形
成する上では致命的な問題となっていた。

【０００８】また、このような問題はエアスライドなど
においても同様であり、いかに熱膨張係数が小さくて
も、剛性が小さくては基本的構造が梁構造であるため自
重変形による撓みが生じ、計測機器としての精度低下を
もたらす原因となる。 このような振動や撓みは、部材
自体の剛性が低いことによって引き起こされるものであ
り、これらの部材に対しては高い剛性が要求されてい
る。

【０００９】また、この他に比重に対する部材の剛性の
割合、比剛性（剛性／比重）が小さいものは、仮に剛性
が高くても振動の原因となったり、撓みの原因となるた
め好ましくない。金属材料が用いられないのは、熱膨張
係数が大きいことも原因しているが、その外に比重が８
前後と大きいため剛性が大きい割には比剛性が小さいた
め、自重で撓んだり、高速移動の反転時などに慣性力が
大きく振動が生じるため好ましくないためである。

【００１０】以上、詳述したように、リチウムアルミノ
シリケート、コーディエライトなどに代表されるような
熱膨張係数の小さなセラミックスではヤング率が小さ
く、また一方、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素など
はヤング率は十分に大きいものの熱膨張係数もまた大き
いといったように、十分に低熱膨張でかつ剛性の高いセ
ラミックスは存在しない。したがって、このような特性
を得るためには複数のセラミックスを複合化して構造部
材を得ることが考えられるが、所望の特性を有する構造
部材は未だ得られていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、低熱膨張特性と高剛性と
を兼備し、半導体製造装置、計測機器、精密機器などに
好適な構造部材を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、２つのセラミック
スを所定の式に従って複合化した緻密質セラミックスを
用いることにより、低熱膨張および高剛性を兼備した構
造部品が得られることを見出した。また、この所定の式
を用いることにより、種々の材料の組合せにおいて統一
的に低熱膨張で高剛性の構造部品が得られることを見出
した。

【００１３】従来は、複合化により材料の熱膨張係数を
調整しようとする試みは為されており、ムライトとコー
ディエライトの組合せにより熱膨張係数をシリコンと同
一にするなどの技術は提案されているが、上述のような
観点からの複合材料は提案されておらず、さらには低熱
膨張で高剛性の特性を得るための統一的な手法も得られ
ていなかったが、上記の知見に基づきこのようなことが
可能になった。

【００１４】すなわち、本発明は、以下の（１）〜
（７）を提供するものである。 （１）第１の材料と第２の材料からなる緻密質の複合セ
ラミックスで構成された構造部品であって、第１の材料
の重量割合をＷ_１％、密度をρ_１、室温近傍の熱膨張係
数をα_１、ヤング率をＥ_１とし、第２の材料の重量割合
をＷ_２％、密度をρ_２、室温近傍の熱膨張係数をα_２、
ヤング率をＥ_２とした場合に、室温近傍の熱膨張係数α
（１／℃）およびヤング率Ｅ（ＧＰａ）がそれぞれ以下
の式で表され、かつ−１×１０^−６≦α≦１×１
０^−６、Ｅ≧１５０の範囲であることを特徴とする構造
部品。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ
_１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２/ρ_２)]＋Ａ Ｅ=Ｂ×[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ
_１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)] ただし、Ａ＝−０．５×１０^−６〜１．５×１０^−６、
Ｂ＝０．８〜１．２

【００１５】（２） 上記（１）において、比剛性が５
０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする構造
部品。

【００１６】（３） 上記（１）または（２）におい
て、前記第１の材料が低熱膨張係数材料からなり、前記
第２の材料が高ヤング率材料からなることを特徴とする
構造部品。

【００１７】（４） 上記（３）において、前記第１の
材料の熱膨張係数α_１が１．０×１０^-6／℃以下、前記
第２の材料のヤング率Ｅ_２が１５０ＧＰａ以上であるこ
とを特徴とする構造部品。

【００１８】（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに
おいて、前記第１の材料がリチウムアルミノシリケー
ト、コーディエライト、アルミナスキータイト、チタン
酸アルミニウム、りん酸ジルコニルから選択された材料
であり、前記第２の材料が炭化ケイ素、窒化ケイ素、サ
イアロン、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウムか
ら選択された材料であることを特徴とする構造部品。

【００１９】（６） 上記（５）において、前記リチウ
ムアルミノシリケートがユークリプタイトまたはスポジ
ューメンであることを特徴とする構造部品。

【００２０】（７） 上記（１）〜（６）のいずれかに
おいて、前記第１の材料の添加重量％Ｗ_１の添加重量％
が以下の式で表されることを特徴とする構造部品。 ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)＋ρ
_２Ｅ_１(α_１＋１＋Ａ)］≦ Ｗ_１≦ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α
_２)/[ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)−ρ_２Ｅ_１(１−Ａ−
α_１)］

【００２１】本発明の構造部品を、例えば半導体製造装
置、計測機器、精密機器などに適用することによって、
製品精度を高め、量産性を高めることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】第１の材料と第２の材料２からな
る複合材料の熱膨張係数αを記述する式として広く知ら
れているものに以下の(1)式のTurnerの理論式がある
（P.S.Turner, J.Res.NBS, 37, 239 (1946)）。 α＝(α_１Ｋ_１Ｗ_１/ρ_１＋α_２Ｋ_２Ｗ_２/ρ_２)/ (Ｋ_１Ｗ_１/ρ_１＋Ｋ_２Ｗ_２/ρ _２ )・・・(1) ここで、記号の意味はそれぞれ以下の通りである。 Ｋ：体積弾性率（＝Ｅ／３（１―２ν）、ただしＥ：ヤ
ング率、 ν：ポアソン比）、Ｗ：重量分率、ρ：密度 また、各記号に付されている添字１は第１の材料のも
の、添字２は第２の材料のものを示す。

【００２３】一般にセラミックスのポアソン比νは０．
２〜０．３程度であり、材料によって多少の差はあるも
のの、一定値とみなしても上記(1)式から得られるαに
及ぼす誤差は微少である。

【００２４】したがって、ν_１＝ν_２と見なすと、熱膨
張係数αは以下の(2)式となる。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ_１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２ /ρ_２)]・・・(2)

【００２５】また一方、複合材料のヤング率は体積％Ｖ
により以下の(3)式の混合則で与えられる。 Ｅ＝Ｅ_１Ｖ_１＋Ｅ_２Ｖ_２ ・・・・・・・・・・・・・(3) ここで、Ｖ_１＝(Ｗ_１/ρ_１)／[(Ｗ_１/ρ_１)+(Ｗ_２/
ρ_２)]、Ｖ_２＝１−Ｖ_１であるから、以下の(4)式が成
り立つ。 Ｅ＝[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ_１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)]・・・(4) 以上のように、(2)および(4)式に基づいて、複合材料の
熱膨張係数αおよびヤング率Ｅは一意的に表すことが可
能となる。

【００２６】以上のような関係が得られるためには、第
１の材料と第２の材料が互いに化学的に安定な状態で複
合材料中に存在することが不可欠であり、化学的に反応
して反応生成物を形成し、全く別異の材料になるような
場合は上記関係は成立しない。

【００２７】本発明は、低熱膨張で高ヤング率の複合材
料を得る観点から、上式が成立する材料の組合せ、さら
にその結果得られる熱膨張係数、ヤング率が実際にどの
程度上式に合致するかを種々検討した結果、第１の材料
の重量割合をＷ_１％、密度をρ_１、室温近傍の熱膨張係
数をα_１、ヤング率をＥ_１とし、第２の材料の重量割合
をＷ_２％、密度をρ_２、室温近傍の熱膨張係数をα_２、
ヤング率をＥ_２とした場合に、室温近傍の熱膨張係数α
（１／℃）およびヤング率Ｅ（ＧＰａ）がそれぞれ以下
の（５）式および（６）式で表され、かつ−１×１０
^−６≦α≦１×１０^−６、Ｅ≧１５０の範囲であればよ
いことを見出し完成されたものである。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ_１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２ /ρ_２)]＋Ａ・・・・・・・・・・・・・(5) Ｅ=Ｂ×[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ_１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)]・・・・・・(6) ただし、Ａ＝−０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、
Ｂ＝０．８〜１．２

【００２８】ここで、ＡおよびＢは、種々の材料系を勘
案した場合の（１）式および（３）式のマージンを与え
るものである。元来、上記（１）式および（３）式は基
礎的な理論式であり、この式のみで種々の材料をカバー
することは困難である。すなわち、材料系によっては大
略化学的に安定であっても、わずかな反応生成物の形成
が起こる場合や、粒界にガラス相を形成する場合もあ
り、これらを全て考慮して、上記Ａ、Ｂの範囲を導出し
たものである。

【００２９】本発明の構造部材の熱膨張係数が−１×１
０^-6〜１×１０^-6／℃の範囲を超えたり、ヤング率が１
５０ＧＰａであると、上述の要件の何れかを満たすこと
ができず、本発明の用途に用いることはできない。すな
わち、熱膨張係数αが−１×１０^-6〜１×１０^-6／℃の
範囲内でも、ヤング率Ｅが１５０ＧＰａ未満であると、
上述の振動の問題を回避することができない。逆にヤン
グ率Ｅが１５０ＧＰａ以上であっても熱膨張係数αが上
記範囲を外れた場合、高精度の部品に適用することがで
きない。

【００３０】それぞれの好ましい範囲は、熱膨張係数α
が−０．５×１０^−６〜０．５×１０^−６／℃、ヤング
率Ｅが２００ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは熱膨
張係数αが−０．２×１０^−６〜０．２×１０^−６／
℃、ヤング率Ｅが２３０ＧＰａ以上である。

【００３１】本発明の構造部品は、比剛性が５０ＧＰａ
／ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。比剛性がこの
値未満であると、振動を有効に防止することが困難とな
る。

【００３２】低熱膨張で高ヤング率の観点から見た場
合、第１の材料を熱膨張係数材料で構成し、第２の材料
を高ヤング率材料で構成する。この場合に第１の材料の
熱膨張係数は１．０×１０^-6／℃以下、第２の材料のヤ
ング率は１５０ＧＰａ以上であることが望ましい。第１
の材料の熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃を超えると熱
膨張係数の低減効果が少なくなるため、また第２の材料
のヤング率が１５０ＧＰａ未満になるとヤング率の増大
効果が少なくなるため好ましくない。第１の材料の熱膨
張係数はより好ましくは０．５×１０^−６／℃以下、さ
らに好ましくは０．１×１０^−６／℃以下であり、第２
の材料のヤング率はより好ましくは２００ＧＰａ以上で
あり、さらに好ましくは２５０ＧＰａ以上である。

【００３３】また、上記第１の材料としてはユークリプ
タイト、スポジューメン、ペタライト、β石英固溶体等
のリチウムアルミノシリケート、コーディエライト、ア
ルミナスキータイト、チタン酸アルミニウム、りん酸ジ
ルコニル等が望ましい。低熱膨張の観点からはリチウム
アルミノシリケートのうちユークリプタイトやスポジュ
ーメンが好ましい。また、低熱膨張係数の材料でより好
ましいのはマイナスの熱膨張を示すものであり、このよ
うな材料として例えばユークリプタイトなどを挙げるこ
とができる。これらの材料を用いることで僅かな量で複
合セラミックス全体の熱膨張係数を低下させることが可
能となり、したがって、ヤング率の低下を招かずに熱膨
張係数の低下を図ることができる。

【００３４】また、化学的に反応しなければ第１の材料
の中から複数の材料を組合せて用いることも可能であ
る。例えば、ユークリプタイトとコーディエライトを組
合せて使用することができる。コーディエライトはユー
クリプタイトに比し熱膨張係数は大きいもののヤング率
がユークリプタイトよりは大きいため、ヤング率が優先
される場合に好ましく使用することができる。

【００３５】一方、第２の材料としては炭化ケイ素、窒
化ケイ素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、窒化ア
ルミニウムなどが好ましく、特に高ヤング率の観点から
炭化ケイ素、アルミナが、ヤング率が比較的大きく熱膨
張係数が小さいという観点で窒化ケイ素、サイアロンが
それぞれ好ましい。

【００３６】以上の複合セラミックス中には、第１の材
料および第２の材料の他、不可避的不純物が５重量％程
度まで含有されていても構わないが、５重量％を超えて
含有されると諸特性、特に熱膨張係数が大きくなるため
好ましくない。

【００３７】ここで、所定の性能の熱膨張係数を有する
材料を得るには、第１の材料の添加重量％Ｗ_１の添加重
量％は以下の（７）式を満たすことが好ましい。 ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)＋ρ_２Ｅ_１(α_１＋１＋Ａ)］ ≦Ｗ_１≦ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)−ρ_２Ｅ_１(１−Ａ −α_１)］・・・・(7) この場合に、不純物が０と仮定すると、第２の材料の添
加重量Ｗ_２は、Ｗ_２=１−Ｗ_１と表すことができる。 Ｗ
_１が上記の範囲を外れる場合、ヤング率１５０ＧＰａ以
上は満たすが、熱膨張係数は−１×１０^−６〜１×１０
^−６／℃の範囲を外れるおそれが高く好ましくない。

【００３８】なお、所定の性能のヤング率を得るための
条件もあるが、この条件は熱膨張係数の条件を満たすＷ
_１の範囲に大略含まれるため、実質的には熱膨張係数の
上記条件を満たすものが本発明の条件を満たすものにな
ると考えて差し支えない。

【００３９】以上のような構造部品は、ユークリプタイ
ト、スポジューメン等のリチウムアルミノシリケート、
コーディエライト、アルミナスキータイト、チタン酸ア
ルミニウム、りん酸ジルコニルなどから選択される原料
粉末と、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、アルミ
ナ、ジルコニア、窒化アルミニウムなどから選択される
原料粉末を混合し、成形して、その成形体を、真空もし
くは不活性ガス雰囲気中、および／または大気中で１２
００〜１５００℃の温度で焼成することによって得るこ
とができる。

【００４０】上記のような焼結体を作製するには、平均
粒径が１０μｍ以下程度の粉末を用いることが好まし
い。第１の材料と第２の材料を配合後、ボールミルなど
により十分に混合し、所定形状に所望の成形手段、例え
ば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等によ
り任意の形状に成形後、焼成する。

【００４１】焼成は、第１の材料および第２の材料のい
ずれかに非酸化物を用いる場合、大気などの酸化性雰囲
気で焼成すると酸化されてしまうため、真空またはＡ
ｒ、Ｎ _２などの不活性ガス雰囲気中で焼成しないとヤン
グ率を高める効果が発揮されない。第１の材料および第
２の材料が共に酸化物である場合は、真空またはＡｒ、
Ｎ_２などの不活性ガス雰囲気中でも大気などの酸化性雰
囲気でもどちらでも構わない。

【００４２】焼成は１２００〜１５００℃の温度範囲で
数時間程度焼結する。温度が１２００℃よりも低いと緻
密化することが困難であり、１５００℃を超えると溶融
してしまい、いずれも健全な緻密質のセラミックス焼結
体を得ることは困難である。

【００４３】

【実施例】第１の材料として市販のユークリプタイト粉
末（丸ス釉薬）を用い、第２の材料を混合せずに成形
し、１３８０℃で焼成することで直径５０ｍｍ、板厚４
ｍｍのセラミックス焼結体を得た。

【００４４】このセラミックス焼結体から３×４×１５
ｍｍの試料を取り出し、０〜１００℃の範囲で熱膨張係
数を測定した（リガク社ＴＡＳ１００：示差型熱膨脹
計）。測定精度上、測定治具は全て石英を使用した。表
１に示すように、この試料の室温近傍である３０℃にお
ける熱膨張係数は−２．５×１０^−６／℃であった。ま
た、その結晶相はβユークリプタイトであった。さら
に、超音波パルス法により、室温でのヤング率を測定し
たところ、表１に示すように、ヤング率は１００ＧＰａ
と低剛性であった（試料Ｎｏ．１）。

【００４５】第２の材料として炭化ケイ素（スタルク製
ＵＦ−１０）、窒化ケイ素（宇部興産製ＳＮ−Ｅ１
０）、アルミナ（昭和電工製ＡＬ１６０−ＳＧ１）のそ
れぞれの粉末を用い、第１の材料を混合せずに各粉末を
成形した成形体を表１の条件で焼成しセラミックス焼結
体を得た。表１に示すように、いずれの試料もヤング率
は大きいものの、熱膨張係数もまた大きいものであった
（試料Ｎｏ．２〜４）。

【００４６】以上の試料Ｎｏ．１〜４は、熱膨張係数お
よびヤング率のいずれかに問題を有し、エアスライド、
定盤等の本発明が意図する用途に用いることができなか
った。

【００４７】次に、試料Ｎｏ．１のユークリプタイト粉
末に試料Ｎｏ．２〜４の炭化ケイ素、窒化ケイ素、アル
ミナの粉末を表１に示す割合で添加し、ボールミルで２
４時間混合した後、１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で金型成形
した。そして、その成形体を表１の条件で焼成し試料と
した（試料Ｎｏ．５〜７）。

【００４８】これらの試料について、３０℃での熱膨張
係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１に示すよ
うに、ユークリプタイト焼結体である試料Ｎｏ．１に比
し、ヤング率は何れも大幅に増大し、かつ熱膨張係数も
試料Ｎｏ．２〜４に比し十分に小さかった。したがっ
て、本発明が意図するエアスライド、定盤等の用途に好
適に使用することができた。なお、この際の前記
（５）、（６）式中におけるＡ値、Ｂ値はそれぞれ−
０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、０．８〜1．２
の範囲内にあった。

【００４９】次に、第１の材料として天然のαスポジュ
ーメンを用い第２の材料を用いずに成形し、焼成して試
料を得た（試料Ｎｏ．８）。この試料は、熱膨張係数は
０．０５×１０^−６／℃と小さいもののヤング率も１１
０ＧＰａと小さかった。

【００５０】試料Ｎｏ．９はこのスポジューメンと第２
の材料としての炭化ケイ素を混合して焼成したものであ
る。また、試料Ｎｏ．１０はスポジューメンと試料Ｎ
ｏ．１のユークリプタイトをそれぞれ５０重量％ずつ混
合した粉を第１の材料とし、第２の材料として炭化ケイ
素を用いてこれらを混合し、焼成したものである。

【００５１】試料Ｎｏ．９、１０について、３０℃での
熱膨張係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１に
示すように、αスポジューメン焼結体である試料Ｎｏ．
８に比し、ヤング率は何れも大幅に増大し、かつ熱膨張
係数も低い値を維持していた。したがって、本発明が意
図するエアスライド、定盤等の用途に好適に使用するこ
とができた。なお、この際の上記(5)、(6)式中における
Ａ値、Ｂ値はそれぞれ−０．５×１０^−６〜１．０×１
０^−６、０．８〜1．２の範囲内にあった。

【００５２】試料Ｎｏ．１１は第１の材料としてコーデ
ィエライト粉末を用い第２の材料を用いずに成形し、焼
成した場合である。この試料は熱膨張係数は０．１×１
０^{− ６}／℃と小さいもののヤング率も１２０ＧＰａと小
さかった。

【００５３】試料Ｎｏ．１２はこのコーディエライトと
第２の材料としての炭化ケイ素とを混合し、成形し、焼
成したものである。また、試料Ｎｏ．１３はコーディエ
ライトと試料Ｎｏ．８のスポジューメンとをそれぞれ５
０重量％ずつ混合したものを第１の材料とし、これと第
２の材料としての窒化ケイ素とを混合し、成形し、焼成
したものである。

【００５４】試料Ｎｏ．１２、１３について、３０℃で
の熱膨張係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１
に示すように、コーディエライト焼結体である試料Ｎ
ｏ．１１に比し、ヤング率は何れも大幅に増大し、かつ
熱膨張係数も低い値を維持していた。したがって、本発
明が意図するエアスライド、定盤等の用途に好適に使用
することができた。なお、この際の前記(5)、(6)式中に
おけるＡ値、Ｂ値はそれぞれ−０．５×１０^−６〜１．
０×１０^−６、０．８〜1．２の範囲内にあった。

【００５５】試料Ｎｏ．１４、１５は、それぞれ焼成温
度が１１５０℃、１５５０℃と本発明の適切な焼結条件
を外れる場合である。１２００℃よりも低い試料Ｎｏ．
１４では、緻密化することができず、１５００℃よりも
高い試料Ｎｏ．１５では、成形体の溶融が見られ、熱膨
張係数、ヤング率の測定を行えなかった。すなわち健全
な焼結体が得られなかった。

【００５６】試料Ｎｏ．１６、１７は、第１の材料とし
てユークリプタイトを用い、第２の材料として炭化ケイ
素を用いた場合に、第１の材料の添加量が上記範囲を外
れる結果、熱膨張係数αが本発明の範囲外となった。

【００５７】次に、以下の手順により低熱膨張係数のユ
ークリプタイトを以下の手順で合成した。まず、酸化物
に換算してＬｉ_２Ｏ：１１．３６重量％、ＳｉＯ_２：４
５．４５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：３８．６４重量％、Ｔｉ
Ｏ_２：４．５５重量％になるように、炭酸リチウム（試
薬１級）、無水珪酸（同前）、酸化チタン（同前）、ア
ルミナ（住友アルミニウム精錬Ａ−ＨＰＳ３０）を用い
調合原料を作製し、これを白金坩堝に入れて１６００℃
で１００分溶融した。次いで、溶融液を水中に入れて急
冷し、乾燥後、ポットミルで粉砕し、この粉末に結合剤
として５重量％のパラフィンを加え、型に入れ１トン／
ｃｍ^２で成形した。得られた成形体を室温から７５０℃
まで１２．５℃／ｍｉｎで加熱し、２時間保持後、８５
０℃まで１０℃／ｍｉｎで加熱し２時間保持し、その後
室温まで炉冷し直径５０ｍｍ、板厚４ｍｍのセラミック
スを得た。

【００５８】このセラミックスから３×４×１５ｍｍの
サンプルを取り出し、０〜１００℃の範囲で熱膨張係数
を測定した（リガク社ＴＡＳ１００：示差型熱膨脹
計）。測定精度上、測定治具は全て石英を使用した。こ
の試料の室温近傍である３０℃における熱膨張係数は−
１０×１０^−６／℃であった。またその結晶相はβユー
クリプタイトであった。さらに、ヤング率は１００ＧＰ
ａと低剛性であった（試料Ｎｏ．１８）。

【００５９】次に、試料Ｎｏ．１８のユークリプタイト
粉末に試料２〜４の炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ
の粉末を表１に示す割合で添加し、ボールミルで２４時
間混合した後、１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で金型成形し
た。そして、その成形体を表１の条件で焼成し試料とし
た（試料Ｎｏ．１９〜２１）。

【００６０】これらの試料について、３０℃での熱膨張
係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１に示すよ
うに、ユークリプタイト焼結体である試料Ｎｏ．１８に
比し、ヤング率は何れも大幅に増大し、かつ熱膨張係数
も十分に小さい値となった。特に、試料Ｎｏ．２０，２
１は、熱膨張係数αが０に近くなり特に好ましい特性を
有していた。したがって、本発明が意図するエアスライ
ド、定盤等の用途に好適に使用することができた。

【００６１】以上のように、本発明の範囲内のＮｏ．
５，６，７，９，１０，１２，１３，１９，２０，２１
は、いずれも低熱膨張特性と高剛性とを兼備しているこ
とが確認された。また、これらは、比剛性が５０ＧＰａ
／ｇ／ｃｍ^３以上であり、比剛性も高いことが確認され
た。

【００６２】

【表１】

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２つのセラミックスを上記特定の式に従って複合化して
緻密質セラミックスとすることにより、低熱膨張および
高剛性を兼備した構造部品を得ることができる。また、
上記特定の式を用いることにより、種々の材料の組合せ
において統一的に低熱膨張で高剛性の特性を得ることが
できる。このため、本発明の構造部品は、雰囲気の温度
変化に対しても寸法の変化が少なく、かつ撓みや振動が
少ないため、半導体製造用部品、精密機器部品、計測機
器部品などに適用した場合に、優れた精度の製品が得ら
れるとともに、品質と量産性を高めることができる。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月２７日（２０００．７．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項３】 前記第１の材料の熱膨張係数α_１が１．
０×１０^−６／℃以下、前記第２の材料のヤング率Ｅ_２
が１５０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の構造部品。

【請求項４】 前記リチウムアルミノシリケートがユー
クリプタイトまたはスポジューメンであることを特徴と
する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の構造
部品。

【請求項５】 第１の材料の添加重量％Ｗ_１の添加重量
％が以下の式で表されることを特徴とする請求項１ない
し請求項４のいずれか１項に記載の構造部品。 ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)＋ρ
_２Ｅ_１(α_１＋１＋Ａ)］≦ Ｗ_１≦ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α
_２)/[ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)−ρ_２Ｅ_１(１−Ａ−
α_１)］

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】すなわち、本発明は、以下の（１）〜
（５）を提供するものである。 （１）第１の材料と第２の材料からなる緻密質の複合セ
ラミックスで構成された構造部品であって、第１の材料
の重量割合をＷ_１％、密度をρ_１、熱膨張係数をα_１、
ヤング率をＥ_１とし、第２の材料の重量割合をＷ_２％、
密度をρ_２、熱膨張係数をα_２、ヤング率をＥ_２とした
場合に、室温近傍の熱膨張係数α（１／℃）およびヤン
グ率Ｅ（ＧＰａ）がそれぞれ以下の式で表され、かつ−
１×１０^−６≦α≦１×１０^−６、Ｅ≧１５０の範囲で
あり、前記第１の材料がリチウムアルミノシリケート、
コーディエライト、アルミナスキータイト、チタン酸ア
ルミニウムから選択された原料であり、前記第２の材料
が炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ、ジ
ルコニア、窒化アルミニウムから選択された材料である
（コーディエライトと窒化ケイ素および炭化ケイ素の少
なくとも１種との組み合わせを除く）ことを特徴とする
構造部品。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ
_１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２/ρ_２)]＋Ａ Ｅ=Ｂ×[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ
_１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)] ただし、Ａ＝−０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、
Ｂ＝０．８〜１．２

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】（３） 上記（１）または（２）におい
て、前記第１の材料の熱膨張係数α_１が１．０×１０
^−６／℃以下、前記第２の材料のヤング率Ｅ_２が１５０
ＧＰａ以上であることを特徴とする構造部品。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】削除

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】（４） 上記（１）〜（３）のいずれかに
おいて、前記リチウムアルミノシリケートがユークリプ
タイトまたはスポジューメンであることを特徴とする構
造部品。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに
おいて、第１の材料の添加重量％Ｗ _１の添加重量％が以
下の式で表されることを特徴とする構造部品。 ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)＋ρ
_２Ｅ_１(α_１＋１＋Ａ)］≦ Ｗ_１≦ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α
_２)/[ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)−ρ_２Ｅ_１(１−Ａ−
α_１)］

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】上記第１の材料としてはユークリプタイ
ト、スポジューメン、ペタライト、β石英固溶体等のリ
チウムアルミノシリケート、コーディエライト、アルミ
ナスキータイト、チタン酸アルミニウムから選択された
材料を用い、第２の材料としては炭化ケイ素、窒化ケイ
素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミか
ら選択された材料を用いる（コーディエライトと窒化ケ
イ素および炭化ケイ素の少なくとも１種との組み合わせ
を除く）。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】第１の材料として用いる上記材料のうち、
低熱膨張の観点からはリチウムアルミノシリケートのう
ちユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。ま
た、低熱膨張係数の材料でより好ましいのはマイナスの
熱膨張を示すものであり、このような材料として例えば
ユークリプタイトなどを挙げることができる。これらの
材料を用いることで僅かな量で複合セラミックス全体の
熱膨張係数を低下させることが可能となり、したがっ
て、ヤング率の低下を招かずに熱膨張係数の低下を図る
ことができる。また、化学的に反応しなければ第１の材
料の中から複数の材料を組合せて用いることも可能であ
る。例えば、ユークリプタイトとコーディエライトを組
合せて使用することができる。コーディエライトはユー
クリプタイトに比し熱膨張係数は大きいもののヤング率
がユークリプタイトよりは大きいため、ヤング率が優先
される場合に好ましく使用することができる。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】第２の材料として用いる上記材料の中で
は、特に高ヤング率の観点から炭化ケイ素、アルミナ
が、ヤング率が比較的大きく熱膨張係数が小さいという
観点で窒化ケイ素、サイアロンがそれぞれ好ましい。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】以上のような構造部品は、ユークリプタイ
ト、スポジューメン等のリチウムアルミノシリケート、
コーディエライト、アルミナスキータイト、チタン酸ア
ルミニウムなどから選択される原料粉末と、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、
窒化アルミニウムなどから選択される原料粉末（コーデ
ィエライトと窒化ケイ素および炭化ケイ素の少なくとも
１種との組み合わせを除く）を混合し、成形して、その
成形体を、真空もしくは不活性ガス雰囲気中、および／
または大気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成する
ことによって得ることができる。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５３】試料Ｎｏ．１２はコーディエライトと試料
Ｎｏ．８のスポジューメンとをそれぞれ５０重量％ずつ
混合したものを第１の材料とし、これと第２の材料とし
ての窒化ケイ素とを混合し、成形し、焼成したものであ
る。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５４】試料Ｎｏ．１２について、３０℃での熱膨
張係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１に示す
ように、コーディエライト焼結体である試料Ｎｏ．１１
に比し、ヤング率は大幅に増大し、かつ熱膨張係数も低
い値を維持していた。したがって、本発明が意図するエ
アスライド、定盤等の用途に好適に使用することができ
た。なお、この際の上記(5)、(6)式中におけるＡ値、Ｂ
値はそれぞれ−０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、
０．８〜１．２の範囲内にあった。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５５】試料Ｎｏ．１３、１４は、それぞれ焼成温
度が１１５０℃、１５５０℃と本発明の適切な焼結条件
を外れる場合である。１２００℃よりも低い試料Ｎｏ．
１３では、緻密化することができず、１５００℃よりも
高い試料Ｎｏ．１４では、成形体の溶融が見られ、熱膨
張係数、ヤング率の測定を行えなかった。すなわち健全
な焼結体が得られなかった。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】試料Ｎｏ．１５、１６は、第１の材料とし
てユークリプタイトを用い、第２の材料として炭化ケイ
素を用いた場合に、第１の材料の添加量が上記範囲を外
れる結果、熱膨張係数αが本発明の範囲外となった。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５７】次に、以下の手順により低熱膨張係数のユ
ークリプタイトを合成した。まず、酸化物に換算してＬ
ｉ_２Ｏ：１１．３６重量％、ＳｉＯ_２：４５．４５重量
％、Ａｌ_２Ｏ_３：３８．６４重量％、ＴｉＯ_２：４．５
５重量％になるように、炭酸リチウム（試薬１級）、無
水珪酸（同前）、酸化チタン（同前）、アルミナ（住友
アルミニウム精錬Ａ−ＨＰＳ３０）を用い調合原料を作
製し、これを白金坩堝に入れて１６００℃で１００分溶
融した。次いで、溶融液を水中に入れて急冷し、乾燥
後、ポットミルで粉砕し、この粉末に結合剤として５重
量％のパラフィンを加え、型に入れ１トン／ｃｍ^２で成
形した。得られた成形体を室温から７５０℃まで１２．
５℃／ｍｉｎで加熱し、２時間保持後、８５０℃まで１
０℃／ｍｉｎで加熱し２時間保持し、その後室温まで炉
冷し直径５０ｍｍ、板厚４ｍｍのセラミックスを得た。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】このセラミックスから３×４×１５ｍｍの
サンプルを取り出し、０〜１００℃の範囲で熱膨張係数
を測定した（リガク社ＴＡＳ１００：示差型熱膨脹
計）。測定精度上、測定治具は全て石英を使用した。こ
の試料の室温近傍である３０℃における熱膨張係数は−
１０×１０^−６／℃であった。またその結晶相はβユー
クリプタイトであった。さらに、ヤング率は１００ＧＰ
ａと低剛性であった（試料Ｎｏ．１７）。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５９】次に、試料Ｎｏ．１７のユークリプタイト
粉末に試料２〜４の炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ
の粉末を表１に示す割合で添加し、ボールミルで２４時
間混合した後、１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で金型成形し
た。そして、その成形体を表１の条件で焼成し試料とし
た（試料Ｎｏ．１８〜２０）。

【手続補正１９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６０】これらの試料について、３０℃での熱膨張
係数、室温でのヤング率を測定した結果、表１に示すよ
うに、ユークリプタイト焼結体である試料Ｎｏ．１７に
比し、ヤング率は何れも大幅に増大し、かつ熱膨張係数
も十分に小さい値となった。特に、試料Ｎｏ．１９，２
０は、熱膨張係数αが０に近くなり特に好ましい特性を
有していた。したがって、本発明が意図するエアスライ
ド、定盤等の用途に好適に使用することができた。

【手続補正２０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６１】以上のように、本発明の範囲内のＮｏ．
５，６，７，９，１０，１２，１８，１９，２０は、い
ずれも低熱膨張特性と高剛性とを兼備していることが確
認された。また、これらは、比剛性が５０ＧＰａ／ｇ／
ｃｍ^３以上であり、比剛性も高いことが確認された。

【手続補正２１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６２】

【表１】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の材料と第２の材料からなる緻密質
   の複合セラミックスで構成された構造部品であって、第
   １の材料の重量割合をＷ_１％、密度をρ_１、室温近傍の
   熱膨張係数をα_１、ヤング率をＥ_１とし、第２の材料の
   重量割合をＷ _２％、密度をρ_２、室温近傍の熱膨張係数
   をα_２、ヤング率をＥ_２とした場合に、室温近傍の熱膨
   張係数α（１／℃）およびヤング率Ｅ（ＧＰａ）がそれ
   ぞれ以下の式で表され、かつ−１×１０^−６≦α≦１×
   １０^−６、Ｅ≧１５０の範囲であることを特徴とする構
   造部品。 α=[(Ｗ_１Ｅ_１α_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２α_２/ρ_２)]／[(Ｗ
   _１Ｅ_１/ρ_１)+(Ｗ_２Ｅ_２/ρ_２)]＋Ａ Ｅ=Ｂ×[(Ｗ_１Ｅ_１ρ_２)+(Ｗ_２Ｅ_２ρ_１)]／[(Ｗ
   _１ρ_２)+(Ｗ_２ρ_１)] ただし、Ａ＝−０．５×１０^−６〜１．０×１０^−６、
   Ｂ＝０．８〜１．２
2. 【請求項２】 比剛性が５０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ^３以上で
   あることを特徴とする請求項１に記載の構造部品。
3. 【請求項３】 前記第１の材料が低熱膨張係数材料から
   なり、前記第２の材料が高ヤング率材料からなることを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造部品。
4. 【請求項４】 前記第１の材料の熱膨張係数α_１が１．
   ０×１０^-6／℃以下、前記第２の材料のヤング率Ｅ_２が
   １５０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項３に記
   載の構造部品。
5. 【請求項５】 前記第１の材料がリチウムアルミノシリ
   ケート、コーディエライト、アルミナスキータイト、チ
   タン酸アルミニウム、りん酸ジルコニルから選択された
   材料であり、前記第２の材料が炭化ケイ素、窒化ケイ
   素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニ
   ウムから選択された材料であることを特徴とする請求項
   １ないし請求項４のいずれか１項に記載の構造部品。
6. 【請求項６】 前記リチウムアルミノシリケートがユー
   クリプタイトまたはスポジューメンであることを特徴と
   する請求項５に記載の構造部品。
7. 【請求項７】 第１の材料の添加重量％Ｗ_１の添加重量
   ％が以下の式で表されることを特徴とする請求項１ない
   し請求項６のいずれか１項に記載の構造部品。 ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)/[ρ_１Ｅ_２(１＋Ａ＋α_２)＋ρ
   _２Ｅ_１(α_１＋１＋Ａ)］≦ Ｗ_１≦ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α
   _２)/[ρ_１Ｅ_２(１−Ａ−α_２)−ρ_２Ｅ_１(１−Ａ−
   α_１)］