JP4338994B2

JP4338994B2 - 高剛性低熱膨張セラミックス部材

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Publication number: JP4338994B2
Application number: JP2003058132A
Authority: JP
Inventors: 基宏梅津; 真仁井口; 昌子片岡; 中村　　浩章; 守石井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004269272A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、検査機器等に用いられる高剛性低熱膨張セラミックス部材に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体製造工程においてシリコンウエハ等を処理する半導体製造装置、例えば露光装置では、ウエハ支持治具等の部材として、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スが広く用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。これは、これらセラミックスが金属に比較して熱膨張係数が小さく剛性が高く軽量であることによる。
【０００３】
ところが、近年、半導体デバイスの微細化にともない、半導体製造装置には極めて高い精度が要求され、例えば、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おり、上記アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等では、熱膨張係数が高すぎて十分な精度が得られなくなってきている。
【０００４】
このため、この種の半導体製造装置用部材としてコーディエライト等の低熱膨張セラミックス焼結体が検討されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５３−９６７６２号公報
【特許文献２】
特開平１１−７４３３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コーディエライト等の低熱膨張セラミックスは、熱膨張係数は小さいものの剛性が十分とはいえず、たわみによる変形が問題になることがある。特に、半導体製造装置のステージや露光装置のミラー、真空チャック等は高速移動時や中空構造の内部を減圧する際に、特定方向のたわみ変形が致命的な精度低下の要因となる。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、十分に小さい熱膨張係数を維持しつつ、所望の方向の剛性を高くすることができ、半導体製造装置用部材等として好適な高剛性低熱膨張セラミックス部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスとを複合化した複数の母材層の間に、カーボン繊維または高剛性金属メッシュを介在させて積層することにより、低熱膨張特性を確保しつつ積層面に平行な方向の剛性を十分高いものとできることを見出した。
【０００９】
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（２）を提供する。
（１）リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の低熱膨張セラミックスと、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウム、Ｂ _４Ｃから選ばれる１種以上の高ヤング率セラミックスとの複合材料からなる複数の母材層の間に、カーボン繊維からなる１層または複数層の剛性層が介在された積層構造をなし、前記低熱膨張セラミックスの粉末と前記高ヤング率セラミックスの粉末の混合粉末を型中に装入するとともに、前記剛性層を前記混合粉末中に配置し、ホットプレスしてなることを特徴とする高剛性低熱膨張セラミックス部材。
（２）上記（１）において、前記複合材料は、低熱膨張セラミックスとして、β−ユークリプタイトを用い、高ヤング率材料として炭化珪素または窒化珪素を用いることを特徴とする高剛性低熱膨張セラミックス部材。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
本発明の実施形態に係る高剛性低熱膨張セラミックス部材は、低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスとの複合材料からなる複数の母材層と、これら母材層の間に介在されたカーボン繊維からなる１層または複数層の剛性層とを有する。
【００１１】
このように、母材層を低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスとを複合材料で構成しかつ複数の母材層の間に１層または複数層の剛性層を介在させることにより、所望の低熱膨張を維持しつつ母材層および剛性層の積層面に平行な方向の剛性を極めて高い値とすることができる。露光装置のステージやミラー、真空チャック等の用途を考慮した場合、低熱膨張であることに加え、このように一方向の剛性が高いことにより撓み等に対する抵抗を高く維持することができ、精度低下を防止することができる。
【００１２】
上記複合材料は、２０〜３０℃における熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であることが好ましい。熱膨張係数が１×１０^-6／℃よりも大きい、あるいは−１×１０^-6／℃よりも小さいと、僅かな雰囲気温度の変化で１００ｎｍ以上の変形が生じ、露光装置のミラー部材等に要求される高い精度を達成し難い。
【００１３】
このような複合材料においては、低熱膨張セラミックスとして、リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上を用い、高ヤング率セラミックスとして、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウム、Ｂ_４Ｃから選ばれる１種以上を用いることが好ましい。これらの組み合わせにより、−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃の低熱膨張係数が得られ、部材の特定方向の弾性係数（ヤング率）を１５０ＧＰａを超える高い値とすることができる。これら材料の組み合わせは相互反応が少なく、各材料の独立性を保っているから熱膨張係数およびヤング率に混合則が成り立つ。
【００１４】
上記低熱膨張セラミックスとしては、リチウムアルミノシリケートであるβ−ユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。また、その中でもβ−ユークリプタイトはマイナスの熱膨張を示すので、プラスの熱膨張を示す高ヤング率セラミックスと組み合わせることにより、０に近い極めて低い熱膨張係数を得ることが可能である。また、配合を調節することにより熱膨張係数をマイナスからプラスの広い範囲で調節することが可能となる。なお、β−ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケートは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｋ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｎ等の他の成分と固溶体を形成するが、本発明ではこのような固溶体も適用可能である。
【００１５】
複合材料として具体的には、βーユークリプタイトと炭化珪素または窒化珪素とからなるものが好ましい。上述したようにβ−ユークリプタイトは負の熱膨張係数を有しており、炭化珪素および窒化珪素は正の熱膨張係数を有することから、極めて低熱膨張を実現することができる。また、炭化珪素および窒化珪素は高い剛性を示す。したがって、これらの複合材料は所望の低熱膨張と高ヤング率とを兼備したものとなる。また、これらの配合比を変えることで、マイナス膨張からプラス膨張まで、任意に熱膨張係数を変化させることが可能である。
【００１６】
なお、複合材料において、実質的な化学的反応が生じなければ、低熱膨張セラミックスとして複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。また、高ヤング率セラミックスも同様に、実質的な化学的反応が生じなければ、複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。
【００１７】
剛性層を構成するカーボン繊維は、引張弾性率が５００〜７００ＧＰａであって剛性が極めて高く、部材の積層面に平行な方向の剛性を上昇させる機能を有する。また、カーボン繊維の熱膨張係数は−１．０×１０^−６／℃程度とマイナス熱膨張であるので、その層の数等を調整することにより、部材全体の熱膨張を所望の低熱膨張に調整することができ、−０．１〜０．０×１０^−６／℃という極低膨張を実現することができる。カーボン繊維の繊維径はφ１〜２μｍ程度であることが好ましく、繊維密度は１０００〜２０００本／束であることが好ましい。また、積層厚さは０．１〜０．２ｍｍであることが好ましい。カーボン繊維は引張に対してのみ高い弾性率を有するので、繊維径が大きすぎるとまた厚さが厚すぎると部材の高剛性化（高弾性率化）の効果が小さくなってしまう。また、１束当たりの繊維数が多すぎると剛性層を挟んで隣接する母材層同士の結合が阻害され、積層強度が低下してしまう。
【００１９】
本発明に係る部材の剛性の評価はヤング率を測定することにより行うが、本発明の部材は、複数層の母材層の間に１層または複数層の剛性層を介在させることにより積層面に平行な方向に対する剛性を高めるものであるから、部材の全方位の弾性を考慮する共振法でヤング率を測定しても剛性層の有無によるヤング率の差はほとんどなく、本発明の効果を把握することができない。これに対し、ひずみ法（ＪＩＳＲ１６１８）は一方向のひずみによりヤング率を測定するものであり、積層方向（積層面に垂直な方向）のひずみを測定することにより積層面に平行な方向のヤング率を求めることができ、本発明の部材のように積層面に平行な方向の剛性を高めた場合のヤング率測定方法として適している。このようにひずみ法で本発明の部材の積層面に平行な方向のヤング率を測定した場合、母材層のみの場合に比較してより高い値を得ることができ、１７０〜２５０ＧＰａといった極めて高いヤング率を得ることが可能である。
【００２０】
上記剛性層は、本発明の部材のたわみに対して抵抗を与えるものであり、その配置位置によってヤング率上昇効果が異なる。例えば、母材のみで構成した部材に対して上方から応力を加えて部材をたわませた場合のひずみ法によるヤング率が１５０ＧＰａであったのが、例えば図１の（ａ）のように、５．５ｍｍ厚の部材において、カーボン繊維からなる２層の剛性層２を均等に配置した場合、つまり３つの母材層１が同じ厚さを有している場合には１６４ＧＰａであるのに対し、図１の（ｂ）のように、２層の剛性層２の間隔を５ｍｍとして剛性層をより部材端部側に配置した場合には２０５ＧＰａとなり、均等配置の場合よりも高いヤング率を示す。これは、図２に示すように、部材に上部から応力が与えられた場合に最も大きな引張応力がかかる下部表面の近くに引張弾性率が高い剛性層２が存在することにより、剛性層２を均等配置する場合よりも剛性層２の効果が高まるからである。このことを考慮すると、剛性層２は上下対称に配置する必要はなく、引張応力がかかる部分に剛性層を多く配置してもよい。剛性層はその数が多いほどヤング率は向上するが、熱膨張係数とのバランス等を考慮してその層の数および配置位置を決定すればよい。
【００２１】
本実施形態の部材の製造には、ホットプレス法を適用することが好ましい。この場合には、低熱膨張セラミックス粉末と高剛性セラミックス粉末とをミル混合し、これらの混合粉末を作製する。所定の形状の型の中にこの粉末を装入するとともに、カーボン繊維からなる所定数の剛性層を所定間隔で配置する。その後ホットプレス焼成して母材層間に剛性層が介在された本発明の高剛性低熱膨張セラミックス部材が得られる。例えば、低熱膨張セラミックスとしてβ−ユークリプタイトを用い、高剛性セラミックスとして炭化珪素を用いて、剛性層とともに型に装入した後、不活性雰囲気（Ａｒ、窒素、真空中）で、６０〜１２０ｋｇ／ｃｍ^２、１３００〜１３５０℃の条件でホットプレス焼成する。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスとを表１に示すようにセラミックス原料粉末をポットミル混合して乾燥させ、混合粉末を作製した。母材層を構成する混合粉末と剛性層を構成するカーボン繊維とを交互にカーボンさや（型）に装入し、窒素雰囲気中、圧力：６０ｋｇ／ｃｍ^２、温度：１３５０℃で３時間ホットプレス焼成して、φ１５０ｍｍ×１０ｍｍの積層焼結体を得、これら焼結体から加工して幅１０ｍｍ、厚さ５．５ｍｍ、長さ１１０ｍｍの形状のセラミックス部材を得た（実施例１〜８）。比較のため剛性層を介在させない同寸法のセラミックス部材も作製した（比較例１，２）。
【００３３】
実施例１〜８では剛性層としてのカーボン繊維を１〜４層配置した。また、母材層としては、実施例１〜５ではリチウムアルミニウムシリケートであるβ−ユークリプタイト７５質量部、炭化珪素２５質量部を配合したものを用い、実施例６ではβ−ユークリプタイト７０質量部、炭化珪素３０質量部を配合したものを用い、実施例７ではコーディエライト７５質量部、窒化珪素２５質量部を配合したものを用い、実施例８ではコーディエライト７５質量部、サイアロン２５質量部を配合したものを用いた。また、比較例１ではβ−ユークリプタイト７５質量部、炭化珪素２５質量部を配合したセラミックスのみ、比較例２ではコーディエライト７５質量部、窒化珪素２５質量部を配合したセラミックスのみとした。剛性層の配置は、剛性層が２層のもののうち実施例４，７については剛性層の間隔を５ｍｍとし、実施例３については剛性層の間隔を３ｍｍとし、他の実施例は全て剛性層を均等配置とした。なお、剛性層の厚さは０．１ｍｍとした。
【００３４】
これらセラミックス部材についてヤング率と熱膨張係数を測定した。その結果を表１に併記する。ヤング率はＪＩＳＲ１６１８に準拠してひずみ法で測定した。また、比較のために共振法（日本テクノプラス社製、ＪＥ−ＲＴ３）によって測定した結果も示した。また、熱膨張係数は、レーザー干渉式熱膨張測定装置（アルバック理工社製）を用いて２０〜３０℃の熱膨張係数を測定した。
【００３５】
表１に示すように、共振法で測定したヤング率はいずれも１５０ＧＰａ前後で実施例と比較例とで差は見られなかったが、ひずみ法で測定したヤング率の値は、比較例１，２よりも実施例１〜８のほうが高くなり、本発明により一方向に対する剛性が高い部材が得られることが確認された。また、剛性層の効果は層の数が多いほど高く、カーボン繊維を４層介在させたものではひずみ法でのヤング率が２５１ＧＰａと極めて高い値を示した。また、剛性層の配置については実施例２〜４を比較すると、より部材端部に近い位置に剛性層が配置されている剛性層の間隔５ｍｍの実施例４においてひずみ法でのヤング率が２０５ＧＰａと均等配置の１６４ＧＰａよりも著しく高い値を示した。実施例５，６では、カーボン繊維の４層配置により、低い熱膨張を維持しつつ、極めて高いヤング率を示すことが確認された。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の低熱膨張セラミックスと、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウム、Ｂ _４Ｃから選ばれる１種以上の高ヤング率セラミックスとの複合材料からなる複数の母材層の間に、剛性の高いカーボン繊維からなる１層または複数層の剛性層が介在された積層構造とし、前記低熱膨張セラミックスの粉末と前記高ヤング率セラミックスの粉末の混合粉末を型中に装入するとともに、前記剛性層を前記混合粉末中に配置し、ホットプレスしてなるセラミック部材としたので、低熱膨張特性を確保しつつ積層面と平行な方向の剛性を十分高いものとできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】剛性層の配置によるヤング率の相違を説明するための模式的断面図。
【図２】剛性層の配置が部材のたわみに影響を与えることを説明するための模式的断面図。
【符号の説明】
１；母材層
２；剛性層

Claims

リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の低熱膨張セラミックスと、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウム、Ｂ _４Ｃから選ばれる１種以上の高ヤング率セラミックスとの複合材料からなる複数の母材層の間に、カーボン繊維からなる１層または複数層の剛性層が介在された積層構造をなし、前記低熱膨張セラミックスの粉末と前記高ヤング率セラミックスの粉末の混合粉末を型中に装入するとともに、前記剛性層を前記混合粉末中に配置し、ホットプレスしてなることを特徴とする高剛性低熱膨張セラミックス部材。
前記複合材料は、低熱膨張セラミックスとして、β−ユークリプタイトを用い、高ヤング率材料として炭化珪素または窒化珪素を用いることを特徴とする請求項１に記載の高剛性低熱膨張セラミックス部材。