JPH11100275A

JPH11100275A - 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH11100275A
Application number: JP9262398A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sato; 政宏佐藤; Hirohisa Sechi; 啓久瀬知
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】低熱膨張を有するとともに高剛性を有する低熱
膨張セラミックスとその製造方法を提供する。【解決手段】コージェライトを１０〜５０重量％、希土
類元素酸化物を０．５〜１０重量％の割合で含み、残部
がα型含有率が８０％以上の窒化珪素からなる成形体
を、不活性ガス雰囲気中で１３００〜１７００℃の温度
で焼成することによって、窒化珪素の８０％以上がα型
窒化珪素からなり、相対密度９５％以上、室温でのヤン
グ率が２００ＧＰａ以上、１０〜４０℃の熱膨張率が１
×１０^-6以下の低熱膨張、高ヤング率のセラミックスを
得る。また、この低熱膨張セラミックスを露光装置用ス
テージなどの半導体製造用部品に応用することにより、
高微細回路形成の精度を高め品質、量産性を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空装置構造体、
サセプタ、静電チャックあるいはステージや半導体製造
プロセスにおける治具などに適した窒化珪素−コージェ
ライトを主体とする低熱膨張セラミックスとその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来技術】コージェライト系焼結体は、従来から低熱
膨張のセラミックスとして知られており、フィルター、
ハニカム、耐火物などに応用されている。このコージェ
ライト系焼結体は、コージェライト粉末、あるいはコー
ジェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂末
を配合して、これに焼結助剤として、希土類元素酸化物
や、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯなどの添加し、所定形状
に成形後、１０００〜１４００℃の温度で焼成すること
によって製造される（特公昭５７−３６２９号、特開平
２−２２９７６０号）。

【０００３】一方、ＬＳＩなどの半導体装置の製造工程
において、シリコンウエハに配線を形成する工程におい
て、ウエハを支持または保持するためのサセプタ、静電
チャックや絶縁リングとしてあるいはその他の治具等と
して、これまでアルミナや窒化珪素が比較的に安価で、
化学的にも安定であるため広く用いられている。また、
露光装置のＸＹテーブル等として従来よりアルミナや窒
化珪素などのセラミックスも用いられている。

【０００４】また、最近では、コージェライトの低熱膨
張性を利用し、半導体製造装置部品として応用すること
が、特開平１−１９１４２２号や特公平６−９７６７５
号にて提案されている。特開平１−１９１４２２号によ
れば、Ｘ線マスクにおけるマスク基板に接着する補強リ
ングとして、ＳｉＯ₂、インバーなどに加え、コージェ
ライトによって形成し、メンブレンの応力を制御するこ
とが提案されている。

【０００５】また、特公平６−９７６７５号では、ウエ
ハを載置する静電チャック用基盤としてアルミナやコー
ジェライト系焼結体を使用することが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、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。そしてＳｉウエハに高精密回路を形成する
ための露光装置に対して高い精度が要求され、たとえば
露光装置のステージ用部材においては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。

【０００７】半導体製造用として一般に用いられてきた
アルミナ、窒化珪素などのセラミックスは、金属に比べ
て熱膨張率が小さいものの、１０〜４０℃の熱膨張率は
それぞれ５．２×１０^-6／℃、１．５×１０^-6／℃であ
り、雰囲気温度が０．１℃変化すると数１００ｎｍ
（０．１μｍ）の変形が発生することになり、露光等の
精密な工程ではこの変化が大きな問題となり、従来のセ
ラミックスでは精度が低く生産性の低下をもたらしてい
る。

【０００８】これに対して、コージェライト系焼結体
は、熱膨張率が０．２×１０^-6／℃程度と、アルミナや
窒化珪素に比較して熱膨張率が低く、上記のような露光
精度に対する問題はある程度解決される。

【０００９】ところが、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。

【００１０】このような振動は、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ることから、これ
らの部材に対しては高い剛性、即ち高ヤング率が要求さ
れている。

【００１１】従って、本発明は、それ自体低熱膨張を有
するとともに、高剛性を有する低熱膨張セラミックスと
その製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、ステージなどの高速駆動される場合に
おいても振動が生じにくい半導体製造用部品を提供する
ことを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対し鋭意研究を重ねた結果、コージェライトにヤング
率の高い、窒化珪素特にα窒化珪素粒子を所定の比率で
複合化することにより低熱膨張特性を阻害することなく
ヤング率を大幅に高めることができることを見いだし、
本発明に至った。

【００１３】即ち、本発明の低熱膨張セラミックスは、
コージェライトを１０〜５０重量％、希土類元素酸化物
を０．５〜１０重量％の割合で含み、残部がα型含有率
が窒化珪素からなり、相対密度が９５％以上であること
を特徴とするものであり、室温でのヤング率が２００Ｇ
Ｐａ以上でかつ、１０〜４０℃における熱膨張率が１×
１０^-6／℃以下の低い熱膨張率を有している。かかるセ
ラミックスはコージェライトを１０〜５０重量％、希土
類元素酸化物を０．５〜１０重量％の割合で含み、残部
がα型含有率が８０％以上の窒化珪素からなる成形体
を、不活性ガス雰囲気中で１３００〜１７００℃の温度
で焼成することによって製造されるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の低熱膨張セラミックス
は、コージェライトは、２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５Ｓ
ｉＯ₂で表される複合酸化物と窒化珪素を主体とするも
のであり、コージェライトおよび窒化珪素はいずれも平
均粒径が１〜１０μｍの結晶粒子として存在する。この
コージェライトは、焼結体中に、１０〜５０重量％、好
ましくは２０〜４０重量％の割合で存在する。また、こ
の焼結体中には、副成分として希土類元素酸化物の中か
ら選ばれる少なくとも１種を０．５〜１０重量％、特に
２〜６重量％の割合で含有するものである。また、この
焼結体の上記コージエライトおよび希土類元素酸化物の
残部は窒化珪素からなり、焼結体中に５０〜８９．５重
量％、特に６０〜８０重量％の割合で存在することが望
ましい。

【００１５】コージェライトは、焼結体を低熱膨張化す
るための重要な成分であり、コージェライトの量が１０
重量％より少ないと熱膨張率が高くなり、コージェライ
トが５０重量％より多いとヤング率が低くなる。

【００１６】また、窒化珪素は、その窒化珪素全量中８
０％以上、特に９０％以上がα型であることが重要であ
る。α型窒化珪素を残存させることにより低い熱膨張率
を有したまま、ヤング率をβ型窒化珪素の場合より向上
できるのである。従って、α型窒化珪素の含有率が８０
％よりも少ないと、所望の高いヤング率が得られない。

【００１７】さらに、希土類元素酸化物は、コージェラ
イトの一部と反応し、焼結助剤として働き、低温での焼
結を可能とすることができるために、α型の窒化珪素が
β型窒化珪素に転移するのを防ぐことができるのであ
る。従って、希土類元素酸化物量が０．５重量％よりも
少ないと、緻密化が阻害され、焼結温度を高くする必要
があり、窒化珪素のα−β転移を促進させる結果、焼結
体のヤング率が低くなってしまう。希土類元素酸化物量
が１０重量％よりも大きいと、焼結体の熱膨張率が大き
くなり、コージェライトの優れた低熱膨張特性が発揮さ
れないためである。なお、希土類元素酸化物は、コージ
ェライトや窒化珪素の結晶粒子の粒界にガラス相または
結晶相として存在する。

【００１８】なお、本発明の低熱膨張セラミックスは、
相対密度が９５％以上、特に９７％以上であり、１０〜
４０℃における熱膨張率が１×１０^-6／℃以下、特に
０．７×１０^-6／℃以下の特性を有するとともに、室温
でのヤング率が２００ＧＰａ以上、特に２２０ＧＰａ以
上の優れた特性を有するものである。

【００１９】上記のような焼結体を作製するには、平均
粒径が１０μｍ以下のコージェライト粉末を１０〜５０
重量％、特に２０〜４０重量％、希土類元素酸化物粉末
を０．５〜１０重量％、特に２〜６重量％の割合で含
み、残部をα型含有率が８０％以上の窒化珪素粉末とな
るように秤量混合する。上記の比率で各成分を配合した
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。

【００２０】焼成は、真空もしくはＡｒ、Ｎ₂などの不
活性ガス雰囲気中で１３００〜１７００℃、好ましくは
１４００〜１６００℃の温度範囲で１〜１０時間程度焼
結することにより相対密度９５％以上、特に９７重量％
以上に緻密化することができる。このときの温度が１３
００℃よりも低いと緻密化できず、１７００℃を越える
と、成形体が溶融したり、α−β転移が促進してしま
う。また、大気などの酸化性雰囲気で焼成すると、副成
分として配合した窒化珪素が酸化されてしまい、ヤング
率を高める効果が発揮されない。

【００２１】

【実施例】平均粒径が３μｍのコージェライト粉末に対
して、平均粒径が１μｍの窒化珪素粉末を表１に示す割
合で添加し、さらに、焼結助剤成分として、Ｙ₂Ｏ₃、
Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂の各粉末を表１に示
す割合で調合後、ボールミルで２４時間混合した後、１
ｔ／ｃｍ²の圧力で金型成形した。そして、その成形体
を炭化珪素質の匣鉢に入れて表１の条件で焼成した。

【００２２】得られた焼結体を研磨し、３×４×１５ｍ
ｍの大きさに研削加工し、この試料の１０〜４０℃まで
の熱膨張係数を測定した。また、超音波パルス法によ
り、室温でのヤング率を測定した。また、アルキメデス
法により相対密度を算出した。

【００２３】結果は、表１に示した。

【００２４】なお、焼結体中のα型窒化珪素の含有率
（α／α＋β）は、Ｘ線回折測定から、α−Ｓｉ₃Ｎ₄
の（１０２）と（２１０）との合計ピーク強度を２で割
った値をピーク強度Ｘ₁とし、β−Ｓｉ₃Ｎ₄の（１０
１）と（２１０）との合計ピーク強度を２で割った値を
ピーク強度Ｘ₂とし、その強度比｛Ｘ₁／（Ｘ₁＋
Ｘ₂）｝×１００（％）で算出した。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１の結果から明らかなように、コージェ
ライトに希土類元素酸化物を添加した従来のコージェラ
イト焼結体である試料Ｎo.２５では、熱膨張率が０．２
×１０^-6／℃と非常に低熱膨張であるが、ヤング率が１
２０ＧＰａと低い。

【００２７】これに対して、本発明に基づき、コージェ
ライト、窒化珪素、希土類元素酸化物を所定比率で添加
することによりヤング率を２００ＧＰａ以上に高めるこ
とができるとともに、１０〜４０℃の熱膨張率を１×１
０^-6／℃以下に低減することができる。

【００２８】しかし、コージェライトの含有量が１０重
量％よりも少ない試料Ｎo.１では、熱膨張率が高く、５
０重量％よりも多い試料Ｎo.７ではヤング率が低くなっ
た。

【００２９】また、希土類元素酸化物量が０．５重量％
よりも少ない試料Ｎo.２０では、ヤング率が低く、１０
重量％よりも多い試料Ｎo.２４では熱膨張率が高くなっ
た。さらに、窒化珪素におけるα型含有率が８０％より
も少ない試料Ｎo.８ではヤング率が低いものであった。

【００３０】また、焼成温度について、１３００℃より
も低い試料Ｎo.１２では、緻密化することができず、１
７００℃よりも高い試料Ｎo.１６では、α−Ｓｉ₃Ｎ₄
からβ−Ｓｉ₃Ｎ₄への転移が進み、α−Ｓｉ₃Ｎ₄量
が少なくなり、ヤング率が低くなった。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の低熱膨張セ
ラミックスは、コージェライトの優れた低熱膨張特性を
維持しつつ、剛性、即ち、ヤング率を高めることができ
る。その結果、この低熱膨張セラミックスを高微細な回
路を形成するためのウエハに露光処理を行うなどの半導
体製造用部品、例えば、露光装置用ステージなどとして
用いることにより、雰囲気の温度変化に対しても寸法の
変化がなく、優れた精度が得られるとともに、振動に伴
う精度の低下をも防止することができ、半導体素子製造
の品質と量産性を高めることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コージェライトを１０〜５０重量％、希土
類元素酸化物を０．５〜１０重量％の割合で含み、残部
がα型含有率が８０％以上の窒化珪素からなり、且つ相
対密度が９５％以上であることを特徴とする低熱膨張セ
ラミックス。
【請求項２】室温でのヤング率が２００ＧＰａ以上、１
０〜４０℃における熱膨張率が１×１０^-6以下であるこ
と特徴とする請求項１記載の低熱膨張セラミックス。
【請求項３】コージェライトを１０〜５０重量％、希土
類元素酸化物を０．５〜１０重量％の割合で含み、残部
がα型含有率が８０％以上の窒化珪素からなる成形体
を、不活性ガス雰囲気中で１３００〜１７００℃の温度
で焼成することを特徴とする低熱膨張セラミックスの製
造方法。