JP4907791B2

JP4907791B2 - 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4907791B2
Application number: JP2001234669A
Authority: JP
Inventors: 守石井; 真仁井口; 昌子片岡; 真哉菊地
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2003048771A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張セラミックスおよびその製造方法に関するもので、さらに詳しくは、低熱膨張でかつ高剛性であり半導体製造工程等に好適に用いられる低熱膨張セラミックスおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置、精密機器、計測機器等の部品として、セラミックスが広く使用されてきている。例えば、半導体ウエハを指示するサセプタ、真空チャック、絶縁リング等には、従来アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスが用いられていた。最近ではＬＳＩなどの高度集積化の要求により、製造現場での温度変化の影響を受けにくいユークリプタイトやコージエライトなどの熱膨張の小さいセラミックスが用いられるようになってきている。
【０００３】
しかし、これらのセラミックスは、熱膨張係数は小さいものの、剛性は十分でなく外的な応力により歪むため、例えば露光装置のテーブル部材として使用する場合、振動等によるのテーブルの変形により精密な位置決めができないという問題点があった。
したがって、本出願人は、熱膨張係数が負の値を有するユークリプタイト５０〜９５体積％と熱膨張係数が正であり高剛性を有するα−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＷＣ、ＴｉＣ、ＺｒＮから選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％とを複合させることによって低熱膨張でかつ高剛性なセラミックスが得られることに着目して既に出願を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本出願人が提案した低熱膨張セラミックスは、相対密度を９８％以上に高密度化することが難しく、高密度化するためには相対密度９０％以上となるように常圧焼結した後に、１００気圧以上で高圧焼結する必要があった。これは、本出願人が提案した低熱膨張セラミックスの緻密化温度と溶融温度が近接しているため、常圧焼結のみにより相対密度を９８％以上に高密度化しようとすると緻密化が完了する前に一部が溶融してしまうという課題があったためである。したがって、焼結工程と緻密化工程の２工程が必要となり、量産効率が悪いという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本出願人は前記した問題点を解決するために鋭意検討した結果、セラミックス中に含まれるＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下となるように各製造工程を制御することにより常圧焼結のみでも相対密度９８％以上と高密度化できることに着目して本発明を完成したものである。すなわち、本発明の目的は、常圧焼結のみでも相対密度９８％以上と高密度化できる低熱膨張セラミックスおよびその製造方法に係わる技術を提供することを目的としている。
【０００６】
上記した本発明の目的は、ユークリプタイト５０〜９５体積％と、α−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄ から選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％とを含有する低熱膨張セラミックスであって、前記セラミックス中に含まれるＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下であり、
前記セラミックスの比透磁率が１．０００以下、相対密度が９８％以上、室温でのヤング率が１２０ＧＰａ以上、かつ、１０〜４０℃における熱膨張係数が−１〜１×１０ ^-6 ／℃であることを特徴とする低熱膨張セラミックスによって達成される。さらに本発明の目的は、セラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下となるように各製造工程を制御しながら、ユークリプタイト５０〜９５体積％と、α−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄ から選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％とからなる成形体を真空または不活性ガス雰囲気中で１１００〜１５５０℃の温度で焼結させることを特徴とする前記低熱膨張セラミックスの製造方法によって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックスでは、ユークリプタイト５０〜９５体積％、並びにα−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＷＣ、ＴｉＣ、ＺｒＮから選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％を含有する低熱膨張である。その理由は、ユークリプタイトが５０体積％未満では熱膨張率が高くなり、９５体積％を越えるとヤング率が低くなり（剛性が小さくなり）好ましくないからである。
【０００８】
また本発明では、セラミックスの相対密度が９８％以上、室温でのヤング率が１２０ＧＰａ以上、１０〜４０℃における熱膨張係数が−１〜１×１０^-6／℃以下であることを特徴とする低熱膨セラミックスを提案している。その理由は、密度が緻密化していないと強度が低下したり、耐食性が劣るからであり、ヤング率が低いと剛性が小さいため歪みやすくなるからであり、また、熱膨張係数が低くないと製造現場の温度変化を受けて高集積化した半導体装置の製造には好ましくなくなるからである。
【０００９】
また、本発明ではセラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下となるように各製造工程を制御している。
これは、Ｆｅ₂Ｏ₃が本発明のセラミックスの融点を他の不純物にも増して低下させ緻密化温度と溶融温度を近接させる作用があり、したがって、緻密化を効率的に行うためにはＦｅ₂Ｏ₃の含有量を制御することが重要となるからである。
ここで、セラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量を０．０５重量％以下とした理由は、これにより融点温度をＦｅ₂Ｏ₃の含有量制御前の１３５０℃から１３９０℃まで高めることができ、１３７０℃の常圧焼結のみでも相対密度９８％以上の緻密なセラミックスを得ることができるからである。
【００１０】
次に、セラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下となるように制御するに際しては、原料粉末調整工程、成形工程、焼成工程、加工工程の各製造工程において、Ｆｅ₂Ｏ₃の含有量が限定した値を越えないように抑制することが重要であり、このうち、原料粉末調整工程の制御には他の工程より特別の注意を払う必要がある。
すなわち、高純度の原料粉末を準備するのと同時に原料粉末の混練時にＦｅ₂Ｏ₃の混入を避けるように特別な配慮をすることが好ましい。
【００１１】
さらに、本出願人が提案したセラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量を０．０５重量％以下とすると、セラミックスの比透磁率を１．０００以下とすることが可能となり、磁性を帯びた材料を使用できない電子線描画装置用の材料としては好適に使用できるようになるという効果もある。
なぜなら、電子線描画装置のマスクホルダー等に使用する場合、比透磁率が１．０００を越えて大きい材料を使用すると、電子線が磁性により影響を受けて描画精度を低下させて好ましくないという課題があったからである。
【００１２】
以下に、本発明を実施例と比較例により詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（１）複合セラミックスの製造方法
平均粒径４μｍ以下の市販の高純度のユークリプタイト粉末、および、表１に示したα−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＢ₂、ＺｒＢ₂、ＷＣ、ＴｉＣ、ＺｒＮ粉末を出発原料として種々の割合に配合し、配合原料を作成した。この配合原料粉末１００重量部に有機系結合剤２重量部を加えて、2４時間混合粉砕した。得られた粉末を５０×５０×１０ｍｍの大きさに１０ＭＰａで予備成形した後、１００ＭＰａで冷間静水圧プレスで成形を行った。この成形体を、窒素雰囲気において５００℃で脱脂した後、アルゴン雰囲気中で１３７０℃で焼成し、複合セラミックスを得た。
比較例として高純度でない市販のユークリプタイト粉末を用いて実施例と同様の条件で得られた成形体についてもアルゴン雰囲気中で１３４０℃と１３７０℃で焼結を行った。
【００１３】
【表１】

【００１４】
（２）評価
次に、得られた焼結体から試験片を切り出し、相対密度はアルキメデス法により、熱膨張係数はレーザ熱膨張計により、ヤング率はＪＩＳＲ１６０２に規定された方法により、比透磁率は磁気天秤法により、体積抵抗率はＪＩＳＣ２１４１に規定された方法により測定した。また、各焼結体に含まれるＦｅ₂Ｏ₃の含有量についても公知の分析方法により測定した。
得られた評価結果を表２にまとめて示した。（ここで、Ｎｏ．１〜１０は本発明の実施例で比１と比２は比較例である。）
【００１５】
【表２】

【００１６】
表２の結果から明らかなように、本発明によるものは相対密度が９８％以上と高密度であり、しかも、室温でのヤング率が１２０ＧＰａ以上、１０〜４０℃における熱膨張係数が−１〜１×１０^-6／℃以下となった。さらには、比透磁率を１．０００以下とすることが可能となり、磁性を帯びた材料を使用できない電子線描画装置用の材料として好適に使用できることを確認した。
一方、比較例２では溶融し、緻密な焼結体を得ることができなかった。また、焼成温度を下げて焼結した比較例１では、密度が低く、しかも比透磁率は１．０００を越えた値となった。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高剛性を有する低熱膨張セラミックスを常圧焼結のみでも相対密度９８％以上に高密度化できるという効果がある。

Claims

ユークリプタイト５０〜９５体積％と、α−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄ から選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％とを含有する低熱膨張セラミックスであって、前記セラミックス中に含まれるＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下であり、
前記セラミックスの比透磁率が１．０００以下、相対密度が９８％以上、室温でのヤング率が１２０ＧＰａ以上、かつ、１０〜４０℃における熱膨張係数が−１〜１×１０ ^-6 ／℃であることを特徴とする低熱膨張セラミックス。
セラミックス中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％以下となるように各製造工程を制御しながら、ユークリプタイト５０〜９５体積％と、α−ＳｉＣ、β−ＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄ から選ばれる１種以上の化合物５〜５０体積％とからなる成形体を真空または不活性ガス雰囲気中で１１００〜１５５０℃の温度で焼結させることを特徴とする請求項１記載の低熱膨張セラミックスの製造方法。