JP6649741B2

JP6649741B2 - 高平面度構造体

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Publication number: JP6649741B2
Application number: JP2015208239A
Authority: JP
Inventors: 裕士玉木
Original assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: JP2017080899A

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック部材にセラミックス部材を接合し、セラミックス部材の表面を高い平面度に加工した、即ち、高精度の鏡面に形成した高精度鏡面材として、例えば、ＬＳＩ等の製造装置における縮小投影型露光装置、ウエハ欠陥検査装置におけるシリコンウエハを保持し移動させるステージ、バーミラー、などとして使用される高平面度構造体に関するものである。

例えば、ＬＳＩ等の製造装置にて、例えば、縮小投影型露光装置、即ち、ステッパー、又は、ウエハ欠陥検査装置における、シリコンウエハを保持しつつ所望の位置にウエハを移動させるステージは、正確な位置決めするためその構成部材に高い平面度が要求される。また、高精度の位置決めを短時間で行うために剛性（ヤング率）が高く且つ軽量であること、即ち、比剛性（剛性／比重）が高いことが必要とされる。更に、温度変化により寸法変形を起こさないことが必要であり、熱膨張係数の小さいことが要求される。

そこで、特許文献１は、熱膨張係数及び密度が小さく、且つ、比剛性が高い材料として炭素繊維強化プラスチック使用し、この炭素繊維強化プラスチック部材にセラミックス部材を接合した構造体であり、未硬化状態の接着力を使用するために、所謂、プリプレグ状態の炭素繊維強化プラスチック部材に対してセラミックス部材を接合し、その後、セラミックス部材の炭素繊維強化プラスチック部材との接合面でない面を研磨加工して、平面度が５μｍ以下とされた構造体を記載している。

特許第５１１７９１１号公報

上記特許文献１に記載の構造体は、表面の平面度に優れ、熱膨張が小さく、高い比剛性を有し、且つ軽量であるという特性を有している。

しかしながら、本発明者は、特許文献１に記載の構造体の平面度の経年変化について３年以上にわたり調査研究を行った結果、平板状とされた構造体の中央部は、比較的経年変化の影響を受けなかったが、周辺部は中央に比べて経年変化の影響が大きく、徐々に厚みが増加し、凹面状に変形すること、及び、平面度が経年変化により劣化することが分かった。

特許文献１には、構造体の、特に炭素繊維強化プラスチック部材における吸湿による膨潤変形及び他の部材との接触による発塵防止のために、炭素繊維強化プラスチック部材に対して、セラミックスや金属を溶射する方法、スパッタリングする方法、無電解メッキを施す方法にてコーティングを施すことを記載している。

しかしながら、本発明者の研究実験の結果によると、
（１）溶射方法は、構造体における炭素繊維強化プラスチック部材のセラミックス部材が接合されていない極く限定された外周辺領域にセラミックスや金属を精度よく溶射することは困難であり、加工コストを大とし、また、場合によっては、溶射熱により炭素繊維強化プラスチック部材自体を劣化させ強度低下をきたす恐れがある。
（２）スパッタリング方法も又、上記溶射方法と同様の問題を有しており、更には、厚膜ができないといった問題がある。
（３）無電解メッキ方法は、メッキ厚は、５〜１００μｍ程度とされ、１００μｍを超えるとクラックが発生することが知られている。また、５〜１００μｍ程度の厚さでは、炭素繊維強化プラスチック部材の周辺部における、吸湿による膨潤変形のみならず端部の応力解放などに起因した経年変化による厚みの増加を阻止するには強度的に不十分である。

本発明者は、上記従来の問題点（１）〜（３）について多くの研究実験を行った結果、炭素繊維強化プラスチック部材の周辺部分における変形が、材料の吸湿による膨潤変形のみに起因するものでなく、更に、炭素繊維強化プラスチック部材の周辺部分の応力解放などに起因して、中央部分に比べて経年変化の影響が大きく徐々に厚みが増加することが分かった。このような経年変化による変形を防止し、経年変化による平面度の低下を年１００ｎｍ（０．１μｍ）以下に抑え、安定した特性の材料を得るためには、炭素繊維強化プラスチック部材の周辺部分を所定の厚さを有し、所定の剛性及び強度を備え、かつ、吸湿性のない金属又はセラミックスにより被覆して押さえ込み、炭素繊維強化プラスチック部材周辺部分の拡がりを制御することが必要であることを見出した。特に、金属としては、軽量性、加工性の点をも考慮すると薄板状のアルミニウム、アルミニウム合金（以下、単に「アルミニウム」という。）が最適であることが分かった。

本発明は、斯かる本発明者による新規な知見に基づくものである。

本発明の目的は、表面の平面度が５μｍ以下とされる平面度に優れ、熱膨張が小さく、高い比剛性を有し、且つ軽量であり、特に、経年変化による平面度の低下を著しく抑えることのできる安定した特性を有した高平面度構造体を提供することである。

上記目的は本発明に係る高平面度構造体にて達成される。要約すれば、本発明は、板状の炭素繊維強化プラスチック部材に板状のセラミックス部材を接合し、前記セラミックス部材の表面の平面度が５μｍ以下とされる平板状の構造体本体を備え、
前記構造体本体の、少なくとも、前記セラミックス部材にて被覆されていない前記炭素繊維強化プラスチック部材の露出した外周辺領域に、アルミニウムを所定形状に成形した、厚みが０．２〜１ｍｍの被覆枠体を接着剤にて接着して設置したことを特徴とする高平面度構造体である。

本発明の一実施態様によると、前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される、上片、下片及び前記上片、下片を連結する縦片を有し、「コ」字状とされ、内周側が開口しており、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域と、前記外周辺外側端面領域から前記炭素繊維強化プラスチック部材の中央部領域へと３〜１０ｍｍの領域とされる前記構造体本体の上面及び下面の外周辺平面領域と、に適合して、前記内周側が開口した断面コ字状とされる環状の前記被覆枠体を一体に嵌め込み、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止する。

本発明の他の実施態様によると、前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される、下片と、前記下片と連結する垂直片を有し、「Ｌ」字状とされ、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域と、前記外周辺外側端面領域から前記炭素繊維強化プラスチック部材の中央部領域へと３〜１０ｍｍの領域とされる前記構造体本体の下面の外周辺平面領域と、に適合して、断面Ｌ字状とされる前記被覆枠体を一体に嵌め込み、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止する。

本発明の他の実施態様によると、前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される縦片であって「Ｉ」字状とされ、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域に適合して、断面Ｉ字状とされる垂直片からなる前記被覆枠体を一体に貼り付け、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止する。
本発明の他の実施態様によると、前記高平面度構造体は、半導体素子製造装置用部材として使用する。

本発明の高平面度構造体によれば、表面の平面度が５μｍ以下とされる平面度に優れ、熱膨張が小さく、高い比剛性を有し、且つ軽量であり、特に、経年変化による平面度の低下を、年１００ｎｍ（０．１μｍ）以下に抑えることができる。

図１（ａ）は、本発明の高平面度構造体の一実施例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ａ−Ａに取った横断面図である。図２（ａ）は、本発明の高平面度構造体の構造体本体の一実施例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ａ−Ａに取った横断面図である。本発明に使用する被覆枠体の一実施例を示す一部破断して断面を示す斜視図である。図４（ａ）は、本発明の高平面度構造体の他の実施例を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印Ａ−Ａに取った横断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）と同様の本発明の高平面度構造体の他の実施例を示す横断面図である。図５（ａ）は、本発明の高平面度構造体の他の実施例を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢印Ａ−Ａに取った横断面図である。図６（ａ）は、本発明の高平面度構造体の他の実施例を示す斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の矢印Ａ−Ａに取った横断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）と同様の本発明の高平面度構造体の他の実施例を示す横断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、試験体表面の平面度測定方法を説明する試験体の表面及び裏面の平面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、本発明に従った構成の試験体の表面の平面度の結果を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、本発明に従った構成の試験体の裏面の平面度の結果を示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、比較例の試験体の表面の平面度の結果を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）は、比較例の試験体の裏面の平面度の結果を示す図である。

以下、本発明に係る高平面度構造体を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
本発明の高平面度構造体は、基本的には、上記特許文献１に記載の構造体を改良したものであり、上記特許文献１に記載の構造体と同様の構成とされ、表面の平面度に優れ、熱膨張が小さく、高い比剛性を有し、且つ軽量であるという特性を有している。更に、本発明の高平面度構造体は、平面度の経年変化を著しく低下させた構造とされる。

図１（ａ）、（ｂ）、及び、図２（ａ）、（ｂ）に、本発明に係る高平面度構造体１の一実施例を示す。本実施例によると、高平面度構造体１は、板状に成形された炭素繊維強化プラスチック部材２と、板状に成形されたセラミックス部材３とを備え、炭素繊維強化プラスチック部材２の天面（図面上で上面）２ａにセラミックス部材３が一体に接合されて形成された構造体本体１Ａを有している。通常、セラミックス部材３は未硬化のプリプレグ状態の炭素繊維強化プラスチック部材２に接着され、その後、プリプレグが硬化される。炭素繊維強化プラスチック部材２は、一般に、ヤング率が１４０〜２００ＧＰａであり、密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ^３とされる。

更に、構造体本体１Ａは、セラミックス部材３にて被覆されておらず、外気に露出した炭素繊維強化プラスチック部材２の露出領域Ｓｃ（Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃ）に、アルミニウム又はセラミックスを所定形状に成形した被覆枠体１０が設置され、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出領域Ｓｃの全領域、或いは、露出領域Ｓｃの一部の領域を被覆している。斯かる本発明の特徴をなす被覆枠体１０については、後で更に詳しく説明する。

本発明の高平面度構造体１にて、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３は、接合面に平行な方向（図２でＸ−Ｙ方向）の１０〜４０℃における熱膨張係数がそれぞれ−１．１５×１０^−６／℃以上、１．１５×１０^−６／℃以下であることが好ましい。

なお、炭素繊維強化プラスチック部材２は、等方性でないため、接合面に平行な方向の熱膨張係数を微視的に見た場合、炭素繊維強化プラスチック部材２の厚み方向（図１でＺ方向）において均一でないことがあるが、炭素繊維強化プラスチック部材２全体として平行方向の熱膨張係数の平均値が上記値の範囲にあればよい。

また、本発明の高平面度構造体１にて、セラミックス部材３は、炭素繊維強化プラスチック部材２と接合された面３ｂとは反対側の表面（図面上で上面）３ａの平面度が５μｍ以下、好ましくは、１μｍ以下、更に好ましくは、０．５μｍ以下とされる。平面度とは、ものの表面の平らさを表す指標である。平面度はＪＩＳＢ６１９１−１９９９の５．３２５に基づき３次元座標測定機を用いて測定されることが好ましく、具体的には、ＪＩＳＢ６１９１−１９９９の５．３１の定義に基づき、被測定体の基準平面を解析プログラムによって求め、この基準平面に対する偏差を算出し平面度とする。

次に、本発明の高平面度構造体１を構成する炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３について更に説明する。

炭素繊維強化プラスチック部材２は、強化繊維としての炭素繊維にマトリクス樹脂を含浸させて硬化した炭素繊維強化プラスチックシート（ＣＦＲＰ）であり、炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などを好適に使用し得る。また、炭素繊維は、連続繊維（長繊維）を長手方向に一方向に引き揃えた一方向炭素繊維シートの形態とされるか、或いは、繊維を二方向、三方向、あるいはそれ以上の方向に織り込んだ炭素繊維クロスの形態とし、これら一方向繊維シート状或いはクロス状とされた炭素繊維に樹脂を含浸させたものとすることができる。更には、長繊維を切断した短繊維を樹脂で混練したコンパウンドをシート状に成形したものでもよい。

マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂であるか、又は、メチルメタクリ―レート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂等の熱可塑性樹脂とすることができる。中でも、炭素繊維強化プラスチック部材２を成形する際の成形性に優れるため熱硬化性樹脂が好ましく、特に、エポキシ樹脂が好適に使用される。

炭素繊維強化プラスチック部材２における炭素繊維含有量は、４０〜７０体積％とされる。また、炭素繊維強化プラスチック部材２は、本発明の高平面度構造体１の構造体本体１Ａにおける構造体基台となるものであり、詳しくは後述するように、使用される高平面度構造体１の用途、並びに、寸法、形状等にもよるが、所定の剛性、強度を提供するために、通常、厚さ（Ｔ２）は、５〜１０ｍｍ程度とされる。また、板の形状は、セラミックス部材３を接合するに十分な寸法形状とされる。限定されるものではないが、本実施例では、後述するセラミックス部材３の形状と同様に四角形とされ、縦、横の各辺の幅（Ｗ２１、Ｗ２２）は、各々、５０〜１０００ｍｍの四角形とされ、セラミックス部材３の形状、寸法に対応して適宜選定される。縦、横の各辺の幅（Ｗ２１、Ｗ２２）は同じでも良く、異なっていてもよい。

セラミックス部材３は、セラミックスを成形して得られる。セラミックスとは、成形、焼成等の工程を経て得られる非金属性無機材料である。研削、ラッピング等により表面の平面度を向上させることができる。

セラミックスとしては、例えば、２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２等のコーディライト系セラミックス；石英；β―スポジューメン（ＬｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２）；チタン酸アルミナ（ＴｉＯ_２・Ａｌ_２Ｏ_３）；結晶化ガラス；ペタライト（Ｌｉ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・８ＳｉＯ_２）；Ｌｉ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等のユークリプタイト系セラミックス；酸化チタン含有石英ガラス（ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２）が含まれる。これらは必要に応じて他の元素を含んでいてもよい。本発明では、コーディライト系セラミックスが好ましく、更に比剛性が高く、熱膨張係数が０／℃に近く、密度の低いセラミックスが好ましい。

なお、セラミックス部材３の使用量が少ないほど構造体の比剛性は高くなるため、セラミックス部材３は薄い板状であることが好ましい。具体的には、厚み（Ｔ３）は３ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以下であることがより好ましく、０．６ｍｍ以下であることが更に好ましい。厚み（Ｔ３）が厚いと、接合面の残留応力が大きくなり、セラミックス部材３に研削や研磨等の加工を施した際に加工中に残留応力の解放が生じた部材に反りなどの変形が発生する。また、セラミックス部材３が薄いと構造体を軽量化できるという利点がある。また、板の形状は限定されないが、縦、横の各辺の幅（Ｗ３１、Ｗ３２）が５０〜１０００ｍｍの四角形であることが好ましく、通常、各辺は２００〜６００ｍｍの四角形とされる。縦、横の各辺の幅（Ｗ３１、Ｗ３２）は同じでも良く、異なっていてもよい。

上述のように、本発明の高平面度構造体１、即ち、構造体本体１Ａは、基本的には、上記特許文献１に記載の構造体と同様の構成とされ、表面の平面度に優れ、熱膨張が小さく、高い比剛性を有し、且つ軽量であるという特性を有している。

一般に、上記構成の構造体のように異種材料が接合されている構造体は、一般に熱膨張係数の差から残留応力が発生し易い。残留応力が存在すると構造体の常温時の反りが大きくなり寸法精度が損なわれる。更に構造体の反りが大きいと、セラミックス部材３に研削や研磨等の加工を施した場合に、セラミックス部材表面の平面度を高めることができない。これに対して、本発明では、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３のこれらの接合面に平行な方向の熱膨張係数を、それぞれ−１．１５×１０^−６／℃以上、１．１５×１０^−６／℃以下とすることにより、接合後の構造体の反りを小さくする構成とされている。また、前記残留応力を低減させるためには接合する部分のセラミックス部材３の厚み（Ｔ３）は厚すぎないことが好ましく、上述したように、具体的には、３ｍｍ以下とされる。厚みが厚いと、接合面の残留応力が大きくなり、セラミックス部材に研削や研磨等の加工を施した際に、加工中に残留応力の解放が生じ部材に反りなどの変形が発生するからである。

一方、本発明者が上記構成の構造体の平面度の経年変化について３年以上にわたり調査研究を行った結果、平板状とされた構造体の中央部は、比較的経年変化の影響を受けなかったが、周辺部は中央に比べて経年変化の影響が大きく、材料の吸湿や端部の応力解放等で拡がり、徐々に厚みが増加し、凹面状に変形することが分かった。また、平面度が経年変化により劣化することが分かった。

また、特許文献１に記載する方法、即ち、構造体の、特に炭素繊維強化プラスチック部材における吸湿による膨潤変形及び他の部材との接触による発塵防止のために炭素繊維強化プラスチック部材に対して、セラミックスや金属を溶射する方法、スパッタリングする方法、無電解メッキを施す方法にてコーティングを施すことでは、経年変化に伴う構造体の変形防止に対しては、十分満足し得る結果を達成し得ないことが分かった。

つまり、本発明者は、上記従来の方法の問題点について多くの研究実験を行った結果、上述したように、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出領域Ｓｃの周辺部分における変形は、材料の吸湿による膨潤変形のみに起因するものではなく、更に、炭素繊維強化プラスチック部材の周辺部分の応力解放などに起因して、中央部分に比べて経年変化の影響が大きく徐々に厚みが増加することが分かった。このような経年変化による変形を防止するためには、炭素繊維強化プラスチック部材２の周辺部分を、所定の厚さを有し、所定の剛性、強度を備え、かつ、吸湿性のない金属又はセラミックスにより被覆して押さえ込むことが必要であることが分かった。特に、金属は、軽量性、加工性の点で、アルミニウムが好適である。

本実施例の構造体本体１Ａによれば、図１（ａ）、（ｂ）、及び、図２（ａ）、（ｂ）にて理解されるように、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出領域Ｓｃは、炭素繊維強化プラスチック部材２の上面２ａのセラミックス部材３で被覆されていない四角形環状の外周辺領域Ｓｃａ、炭素繊維強化プラスチック部材２の外周面の端面領域Ｓｃｃ、及び、炭素繊維強化プラスチック部材２の下面２ｂの全領域Ｓｃｂが外雰囲気に露出している。

そこで、本実施例では、炭素繊維強化プラスチック部材２のセラミックス部材３で被覆されていない領域Ｓｃ（Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃ）を剛性が高く、且つ、吸水性の低い材料、最も好ましくは、アルミニウム又はセラミックスにて形成された被覆枠体１０で被覆する構成とされる。

このとき、本発明者の実験研究の結果によると、特に、炭素繊維強化プラスチック部材２の上面２ａの四角形環状の外周辺領域Ｓｃａ、及び、炭素繊維強化プラスチック部材２の下面２ｂの領域Ｓｃｂは、全ての領域において被覆するのが好ましいが、炭素繊維強化プラスチック部材２の形状が、上述したような、縦、横の各辺の幅（Ｗ２１、Ｗ２２）が５０〜１０００ｍｍの四角形とされる場合には、炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺端面２ｃから所定の距離、即ち、幅Ｗｃａ、Ｗｃｂの領域（図２（ｂ）参照）を被覆することで所期の目的を達成し得ることが分かった。幅Ｗｃａの領域は、外周辺領域Ｓｃａの幅と同じであってもよく（Ｗｃａ＝Ｓｃａ）、異なっていても、即ち、小さくてもよい（Ｗｃａ＜Ｓｃａ）。幅Ｗｃｂの領域は、端面２ｃからの所定幅の下面領域Ｓｃｂとされ、下面領域Ｓｃｂ全面である必要はない。具体的には、この所定距離、即ち、幅（Ｗｃａ、Ｗｃｂ）は、３ｍｍ以上、好ましくは、５ｍｍ以上とされる。つまり、被覆枠体１０は、炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺領域の外側端面部Ｓｃｃ、及び、前記端面部２ｃから構造体の内方（中央部領域）へと延在する平面領域Ｓｃａ、Ｓｃｂの所定距離（幅Ｗｃａ、Ｗｃｂ）の領域を被覆するものとされる。この構成によって、炭素繊維強化プラスチック部材の端部における吸湿を防止し、且つ、端部における応力解放に伴う炭素繊維強化プラスチック部材の拡がりを抑え込むことができる。そのための所定の強度及び剛性を得るには、幅（Ｗｃａ、Ｗｃｂ）は、３ｍｍ以上が必要とされ、通常、５〜１０ｍｍ程度とされる。幅Ｗｃａと幅Ｗｃｂは、同じであってもよく、異なっていてもよい。幅（Ｗｃａ、Ｗｃｂ）を３ｍｍ未満とし所定の効果を得るために、後述する被覆枠体１０の厚み（ｔ）を増やすことが考えられるが、枠体１０の加工が困難となり、好ましくない。また、幅（Ｗｃａ、Ｗｃｂ）が１０ｍｍを超えるのは、構造体自体の重量が増し、好ましくない。

また、アルミニウム又はセラミックスで形成される被覆枠体１０の厚さ（ｔ）は、上述したように、炭素繊維強化プラスチック部材２が、厚さ（Ｔ２）が３〜１０ｍｍ、縦、横の各辺の幅（Ｗ２１、Ｗ２２）が５０〜１０００ｍｍの四角形とされる場合には、０．２〜１ｍｍとされる。厚さ（ｔ）が、０．２ｍｍ未満では、強度が不足し、端部での応力解放を抑え込むには十分でない。厚み（ｔ）が１ｍｍを超えると重量が増大し、好ましくない。

本発明の一実施例によると、被覆枠体１０は、図１（ａ）、（ｂ）、図３に示すように、４つの枠体部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを有している。各枠体部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは、各枠体部材の長手方向に直交して取った断面にて、上片１０ａ、下片１０ｂ、及び、上下片１０ａと１０ｂを連結する縦片１０ｃを有し、断面が略「コ」字状に成形される。上片１０ａと下片１０ｂの長さＷ１０ａとＷ１０ｂは同じであってもよく、異なる寸法とすることもできる。各枠体部材の上片１０ａ、下片１０ｂ、縦片１０ｃの厚さｔａ、ｔｂ、ｔｃは、同じであってもよく、必要に応じて異ならせることもできる。また、各枠体部材１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄの両端面は、斜め形状１０Ｓに形成されて互いに密着接合可能とされる。

従って、本実施例では、上片１０ａ、下片１０ｂの内側寸法Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂは、それぞれ、炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺露出領域の幅Ｗｃａ、Ｗｃｂと同じか又は大とされる。従って、枠体１０の「コ」字状とされた凹部１０ｖに、炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺露出領域Ｓｃが適合して突入され、一体に設置される。これにより、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出した外周辺領域Ｓｃの端面部の全領域、及び、上下平面部の少なくとも端面部から所定の幅（Ｗｃａ、Ｗｃｂ）の領域が被覆枠体１０にて被覆される。

上述したように、図１（ａ）、（ｂ）、及び、図３に示す本実施例では、被覆枠体１０は、断面「コ」字状の四角形枠体、所謂、額縁形状とされ、この枠体１０の「コ」字状内部凹部１０ｖに炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺露出領域Ｓｃを嵌め込んだ形状とされる。

つまり、被覆枠体１０は、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出した外周辺領域Ｓｃの外側端面部２ｃである幅Ｗ１０ｃの領域Ｓｃｃ、及び、前記端面部２ｃから構造体の内方（中央部領域）へと延在する所定距離Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂの平面領域Ｓｃａ、Ｓｃｂを被覆する。これにより、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出した外周辺領域Ｓｃにおける吸湿を防止し、且つ、外周端部領域Ｓｃにおける応力解放に伴う炭素繊維強化プラスチック部材の拡がりを抑え込むことができる。

図１に示す本実施例の構造体本体１Ａでは、板状の四角形とされる炭素繊維強化プラスチック部材２の天面２ａに、炭素繊維強化プラスチック部材２より小さい寸法形状の板状の四角形とされるセラミックス部材３が接合されており、炭素繊維強化プラスチック部材２の天面２ａには、セラミックス部材３の外側周辺に四角形の環状の帯状とされる外側周辺領域Ｓｃａが形成されている。そのため、本実施例では、この外側周辺領域Ｓｃａの幅Ｗｃａを３ｍｍ以上被覆するようにして、被覆枠体１０が設置される。また、上述したように、下面２ｂは露出領域Ｓｃｂを全領域被覆する構成としても良いが、少なくとも３ｍｍ以上被覆することにより、経年変化を著しく低下させ得ることが分かった。

つまり、被覆領域は、好ましくは、露出外周辺領域の全領域とされるが、少なくとも炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺領域の端面部近傍を被覆することにより、経年変化を著しく低下させ得ることが分かった。

被覆枠体１０と炭素繊維強化プラスチック部材３の外周辺露出領域Ｓｃとは接着剤２０にて一体に接着するのが好ましく、接着剤２０としては、炭素繊維強化プラスチック部材２に使用されたマトリクス樹脂と同じものが好適であるが、これに限定されるものではない。本実施例では、炭素繊維強化プラスチック部材２のマトリクス樹脂及び接着剤にエポキシ樹脂を使用して好結果を得ることができた。

図１（ａ）、（ｂ）、及び、図２（ａ）、（ｂ）に示す上記実施例では、本発明の構造体本体１Ａは、板状の四角形とされる炭素繊維強化プラスチック部材２の天面２ａに、炭素繊維強化プラスチック部材２より小さい外形寸法の板状の四角形とされるセラミックス部材３が接合されていた。しかし、本発明の高平面度構造体１は、上記構成に限定されるものではなく、以下に説明する種々の変更実施態様が可能である。

変更実施例１
本発明の変更実施例１では、即ち、図４（ａ）に示す変更実施態様では、構造体本体１Ａは、板状の四角形とされる炭素繊維強化プラスチック部材２の天面（図面上で上面）２ａに、炭素繊維強化プラスチック部材２と同じ寸法形状の板状の四角形とされるセラミックス部材３が接合されている。

この場合には、炭素繊維強化プラスチック部材２の天面２ａには、セラミックス部材３の外側周辺に四角形の環状の帯状とされる、外気に露出した外側周辺領域Ｓｃａが形成されることはない。従って、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、図３に示す断面が「コ」字状の被覆枠体１０は、セラミックス部材３の図面上で天面（図面上で上面）３ａにおける、端面３ｃから距離（即ち、幅Ｗ１０ａ）の外周辺領域Ｓｃａと、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３の外周辺端面２ｃ、３ｃの領域Ｓｃｃと、炭素繊維強化プラスチック部材２のセラミックス部材３が接合されていない、図面上で下面２ｂの領域Ｓｃｂの幅Ｗ１０ｂの領域と、に位置するようにして設置される。

図４（ａ）に示す実施例の構造体本体１Ａにあっては、場合によっては、被覆枠体１０は、図４（ｃ）に示すように、断面が「Ｌ」字形とされ、即ち、図４（ｂ）の「コ」字状枠体においては上片１０ａが切除され、下片１０ｂと垂直片１０ｃとにて形成される構成とすることができる。従って、この被覆枠体１０は、セラミックス部材３の、図面上で天面（図面上で上面）３ａには枠体は存在せず、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３の外周辺端面２ｃ、３ｃの領域Ｓｃｃと、炭素繊維強化プラスチック部材２の、図面上で下面領域Ｓｃｂの所定距離領Ｗ１０ｂと、に位置するようにして、接着剤２０にて一体に設置される。

変更実施例２
本発明の変更実施例２では、即ち、図５（ａ）に示す変更実施態様では、構造体本体１Ａは、板状の四角形とされる炭素繊維強化プラスチック部材２の上下両面２ａ、２ｂに、炭素繊維強化プラスチック部材２より小さい寸法形状の板状の四角形とされるセラミックス部材３（３Ａ、３Ｂ）が接合されている。

そこで、本変更実施例２によれば、図５（ａ）、（ｂ）に記載するように、構造体本体１Ａにて、炭素繊維強化プラスチック部材２の、図面上で上面２ａ及び下面２ｂの外周辺に、それぞれ、セラミックス部材３Ａ、３Ｂにて被覆されていない露出領域Ｓｃとして、四角形環状の外周辺領域Ｓｃａ、Ｓｃｂ、及び、外周辺端面領域Ｓｃｃが形成されている。

そこで、上記実施例において説明した図１（ａ）、（ｂ）、図３に示す、断面が「コ」字状に成形された一体の成形体とされる被覆枠体１０を使用し、該枠体の「コ」字状とされた凹部１０ｖに、図５（ｂ）に示すように、炭素繊維強化プラスチック部材２のセラミックス部材３Ａ、３Ｂにて被覆されていない外周辺領域Ｓｃａ、Ｓｃｂの幅Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂの領域が適合して突入され、一体に設置される。これにより、炭素繊維強化プラスチック部材２の露出した外周辺領域の端面部の領域Ｓｃｃ、及び、上下平面部２ａ、２ｂの露出した四角形環状の外周辺領域Ｓｃａ、Ｓｃｂの少なくとも端面２ｃから所定の幅（Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂ）の領域、好ましくは、Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂが３ｍｍ以上とされる領域を被覆する。被覆領域幅Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂは、外周辺領域Ｓｃａ、Ｓｃｂと同じであってもよく、小さくてもよい。

被覆枠体１０と炭素繊維強化プラスチック部材２の外周辺領域とは、上記各実施例と同様に、接着剤２０にて一体に接着する。接着剤としては、炭素繊維強化プラスチック部材２に使用されたマトリクス樹脂と同じものが好適であるが、これに限定されるものではない。

変更実施例３
本発明の他の変更実施例３では、図６示すように、板状の四角形とされる炭素繊維強化プラスチック部材２の上下両面２ａ、２ｂに、炭素繊維強化プラスチック部材２と同じ外形寸法とされる板状の四角形のセラミックス部材３が接合されている。

この場合には、変更実施例２と異なり、炭素繊維強化プラスチック部材２の、図面上で上面２ａ及び下面２ｂには、セラミックス部材３の外側周辺に四角形の環状の帯状とされる、露出した外側周辺領域Ｓｃａ、Ｓｃｂが形成されることはない。従って、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、図３に示す断面が「コ」字状とされる被覆枠体１０は、セラミックス部材３Ａの、端面３ｃからの距離（即ち、幅Ｗ１０ａ）の外周辺領域Ｓｃａと、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３の外周辺領域端面２ｃ、３ｃの領域Ｓｃｃと、セラミックス部材３Ｂの、端面３ｃからの距離（即ち、幅Ｗ１０ｂ）の外周辺領域Ｓｃｂと、に位置するようにして設置される。

図６（ａ）に示す実施例の構造体本体１Ａにあっては、場合によっては、被覆枠体１０は、図６（ｃ）に示すように、断面が「Ｉ」字形とされ、即ち、図６（ｂ）の「コ」字状枠体においては上片１０ａ及び下片１０ｂが切除された垂直片１０ｃのみにて形成される構成とすることができる。従って、この被覆枠体１０は、セラミックス部材３Ａ、３Ｂの、図面上で上面及び下面には枠体は存在せず、炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３の外周辺領域端面２ｃ、３ｃの領域Ｓｃｃに位置するようにして接着剤２０にて一体に設置される。

上記実施例１、変更実施例１〜３を参照して説明した本発明の特徴ある構成を有することにより、本発明の高平面度構造体は、時間の経過と共に発生する、炭素繊維強化プラスチック部材の露出した外周辺領域における炭素繊維強化プラスチック部材の特に、樹脂における吸湿、更には、端部の応力解放等に起因した変形の原因を被覆枠体の剛性と強度により強制的に押え付け、炭素繊維強化プラスチック部材の端部の拡がりを制御し、端部の厚みの増加により、製作当初は平面状だった製品が時間経過により周辺部の厚みが増加し、その結果凹面状の製品に変化するのを著しく低下させることができ、特に、平面度の経年変化による低下を年１００ｎｍ（０．１μｍ）以下に抑えることができる。

従って、上記特徴ある構成を有した本発明の高平面度構造体は、半導体素子製造装置用部材として好適である。中でも、ステッパーや検査装置において、精密位置決め用に用いるステージ部材として好適である。あるいは、位置計測用ミラー、ウエハチャック、位置調整部材、精密測定治具に用いることもできる。

次に、本発明の高平面度構造体の作用効果を立証するために行った実験例及び比較例について説明する。

（試験体）
本実験例及び比較例にて使用した試験体の構造体本体１Ａにおける炭素繊維強化プラスチック部材２及びセラミックス部材３は、次の構成とした。

つまり、炭素繊維強化プラスチック部材２は、ピッチ系炭素繊維（日本グラファイトファイバー株式会社製：商品名「ＸＮ８０」）を一方向に配列して作製した炭素繊維シートに、エポキシ樹脂を含浸させて（炭素繊維含有量４３体積％）、厚さ０．２〜０．２２ｍｍのプリプレグを作製し、このプリプレグを積層して作製した。

セラミックス部材３は、３ｍｍ厚のコーディライト系セラミックス（新日鉄住金マテリアルズ株式会社製：商品名「ＮＥＸＣＥＲＡＮ１１３Ｂ」）を使用して、上記未硬化のプリプレグ積層体に接合した。プリプレグ硬化後の炭素繊維強化プラスチック部材２の厚さ（Ｔ２）は８ｍｍ、縦、横幅（Ｗ２１、Ｗ２２）は１００ｍｍの正方形とされた。接合されたセラミックス部材３は、その後、厚さ（Ｔ３）が２ｍｍ、平面度が２３℃にて０．３μｍとなるように平面研削にて仕上げた。

なお、本発明の構成とされる実験例の試験体では、図５（ａ）、（ｂ）に示す上記変更実施例２と同様の形状の構造体本体１Ａを作製するべく、セラミックス部材３は、炭素繊維強化プラスチック部材２の両面に接合され、縦、横幅（Ｗ３１、Ｗ３２）が９０ｍｍの正方形とされた。

本実験で使用した上記構成の構造体本体１Ａの物性値は、熱膨張係数は、ＣＴＥ＝５．７×１０^−７／℃、剛性（ヤング率）は、Ｅｘ＝１９６ＧＰａ、Ｅｙ＝１８５ＧＰａであった。

また、本実験例としては、上記構造体本体１Ａの外周面露出領域Ｓｃ（Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃ）に、図３、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、厚さ（ｔ＝ｔａ、ｔｂ、ｔｃ）が０．５ｍｍの断面「コ」字状のアルミニウム製の額縁形状とされる四角形の被覆枠体１０を適合した試験体を使用した。枠体１０は、構造体本体１Ａの外周面露出領域Ｓｃに接着剤２０にて接着され、接着剤としては、エポキシ樹脂を使用し、接着剤厚は、０．１〜０．３ｍｍであった。なお、被覆枠体１０の上片１０ａ、下片１０ｂの長さ、つまり、内側寸法Ｗ１０ａ、Ｗ１０ｂは、３．５ｍｍとし、また、端面１０ｃの内側寸法Ｗ１０は、略８ｍｍ（８ｍｍ+接着剤厚さ）とした。

一方、比較例としては、被覆枠体１０を適合することなく上記構造体本体１Ａを試験体とした。

（平面度測定方法）
平面度は、セラミックス部材３の表面の凹凸をレーザー干渉式平面度測定器（ＺＹＧＯ社製「ＧＰＩ−ＸＰＯ」）で測定した。光学系は横型なので、試験体は、光源に対して立てた状態で設置した。今回の実験では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ラベルの付いた面を表面、反対を裏面とした。試験体は正方形なので、ラベルが付いた辺が下に来る状態で測定した。

プロファイルは対角線上で測定したＡ方向、Ｂ方向とした。測定範囲は、各々９０＊√２≒１２７ｍｍの長さである。この範囲を試験体の中央点を中心に（−６０、６０）の範囲と見做して、中央点の高さの値を０として整理した。第１回目の測定結果を基準に対角線の中央値を定め、それ以降の測定値は、即ち、本実験では第１回目の測定の後３ヶ月後の第２回目の測定値は、第１回目のプロファイルを基準に極大、極小等を一致させて偏差を見た。平面度の経年変化はプロファイルの変化で判断した。

従って、
（１）第１回目の測定値の位置情報の最小値Ｘｍｉｎと最大値Ｘｍａｘより、第１回目の測定値の各位置情報は、
Ｘ＝Ｘ０−（Ｘｍｉｎ＋Ｘｍａｘ）／２
Ｘ＝０の点の高さ情報Ｙｍｉｎより
Ｙ＝Ｙ０−Ｙｍｉｎ
である。
（２）第１回目以降の第２回目に測定されたデータＸａ、Ｙａは、第１回目のプロファイルと比較して、２本の曲線を特徴点（何処かの極大、極小が第１回目と一致した点）で一致させ、それをマスターカーブとして上記（１）と同様の操作をした。特徴点の座標を各々（Ｘ（第１回目）、Ｙ（第１回目））、（Ｘａ１、Ｙａ１）とすると、
△Ｘ＝Ｘａ１−Ｘ（第１回目）
△Ｙ＝Ｙａ１−Ｙ（第１回目）
を用いて、マスターカーブ（Ｘｍ、Ｙｍ）は、
Ｘｍ＝Ｘａ−△Ｘ
Ｙｍ＝Ｙａ−△Ｙ
となる。この曲線を上記（１）と同様の操作で処理する。

（結果）
本実験例における本発明に従った構成の試験体の平面度の結果を図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）に示す。縦軸は基準面（位置情報の中央値を０とする。）からの高さ（ｎｍ）、横軸は位置情報（ｍｍ）である。

第１回目と第２回目のプロファイルは非常に類似であることから、３ヶ月間の経時変化は小さく、中央点から±４０ｍｍの範囲では、同一位置情報での高さの変化は絶対値で５００ｎｍ（０．５μｍ）以下であった。１年経過後においてもそれ以上の目立った経年変化は見られず、平面度の低下を１００ｎｍ（０．１μｍ）以下に抑えることができた。

これに対して、比較例における試験体の平面度の結果を図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）に示す。比較例に関しては、第１回目の測定から３ヵ月後の第２回目、及び、６ヶ月後の第３回目の測定結果をも示す。３ヶ月後の第２回目の測定結果は、３ヶ月間にてプロファイルは端部で大きく変化しており、プロファイル自体の形状も類似とは判断しがたい。３ヵ月後の第２回目の測定結果では、６００ｎｍ以上、６ヶ月後の第３回目の測定結果では、８００ｎｍ以上の変化が観察される。比較例の試験体の経年変化が小さい範囲（３ヶ月間で５０ｎｍ以下の変化の範囲）は中央点から±１０ｍｍ程度であり、１年経過後における平面度の経年変化を１００ｎｍ（０．１μｍ）以下に抑えることはできなかった。

（結論）
上記実験結果から分かるように、比較例の試験体に対して被覆枠体を設けた本実験例の試験体は、平面度の経年変化を防止する上で有効であることが分かった。

１高平面度構造体
１Ａ構造体本体
２炭素繊維強化プラスチック部材
３セラミックス部材
１０被覆枠体
１０Ａ〜１０Ｄ枠体部材
２０接着剤

Claims

板状の炭素繊維強化プラスチック部材に板状のセラミックス部材を接合し、前記セラミックス部材の表面の平面度が５μｍ以下とされる平板状の構造体本体を備え、
前記構造体本体の、少なくとも、前記セラミックス部材にて被覆されていない前記炭素繊維強化プラスチック部材の露出した外周辺領域に、アルミニウムを所定形状に成形した、厚みが０．２〜１ｍｍの被覆枠体を接着剤にて接着して設置したことを特徴とする高平面度構造体。
前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される、上片、下片及び前記上片、下片を連結する縦片を有し、「コ」字状とされ、内周側が開口しており、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域と、前記外周辺外側端面領域から前記炭素繊維強化プラスチック部材の中央部領域へと３〜１０ｍｍの領域とされる前記構造体本体の上面及び下面の外周辺平面領域と、に適合して、前記内周側が開口した断面コ字状とされる環状の前記被覆枠体を一体に嵌め込み、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止することを特徴とする請求項１に記載の高平面度構造体。
前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される、下片と、前記下片と連結する垂直片を有し、「Ｌ」字状とされ、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域と、前記外周辺外側端面領域から前記炭素繊維強化プラスチック部材の中央部領域へと３〜１０ｍｍの領域とされる前記構造体本体の下面の外周辺平面領域と、に適合して、断面Ｌ字状とされる前記被覆枠体を一体に嵌め込み、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止することを特徴とする請求項１に記載の高平面度構造体。
前記高平面度構造体本体の外周辺領域に一体に接着して設置した被覆枠体が、複数の枠体部材を環状に接合して形成され、
前記各枠体部材は、枠体の長手方向に直交して取った断面にて、厚みが０．２〜１ｍｍとされる薄板状のアルミニウムにて作製される縦片であって「Ｉ」字状とされ、
前記構造体本体の前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面領域に適合して、断面Ｉ字状とされる垂直片からなる前記被覆枠体を一体に貼り付け、接着剤にて前記構造体本体の外周辺領域に固着し、前記炭素繊維強化プラスチック部材が露出した外周辺外側端面部への吸湿を防止すると共に、前記炭素繊維強化プラスチック部材の外周辺部分の応力解放による厚みの増加を防止することを特徴とする請求項１に記載の高平面度構造体。
前記高平面度構造体は、半導体素子製造装置用部材として使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高平面度構造体。