(57)【要約】【課題】β−ユークリプタイトと炭化珪素を含み、２０〜３０℃における熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃と小さい低熱膨張セラミックスを常圧焼成でも緻密化することが可能な製造方法を提供する。【解決手段】β−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなる原料粉末を配合し粉砕する粉砕工程と、該粉砕工程で得られた粉末を加圧成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を常圧還元雰囲気下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする低熱膨張セラミックスの製造方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０〜３０℃における熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲内であり、かつ、相対密度が９８％以上である低熱膨張セラミックスであって、該低熱膨張セラミックスを構成する材料組成がβ−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなることを特徴とする低熱膨張セラミックス。
【請求項２】
前記低熱膨張セラミックスが常圧還元雰囲気下での焼結により得られることを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張セラミックス。
【請求項３】
β−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなる原料粉末を配合し粉砕する粉砕工程と、該粉砕工程で得られた粉末を加圧成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を常圧還元雰囲気下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低熱膨張セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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低熱膨張セラミックス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体などの製造工程におけるシリコンウェハを処理する工程において、ウェハ支持治具等の部材には、従来はアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックが広く用いられていた。（たとえば、特許文献１参照。）
ところが、近年、デバイスの微細化に伴い、その微細化を達成するために高い精度が求められ、例えば、半導体の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いる。したがって、位置合わせ誤差の低減が、今後の製品の品質向上や歩留まり向上の大きな要素技術として捉えられるようになってきている。しかしながら、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを用いた部材では、熱膨張係数が高いために温度の影響を受けやすく、このような極めて微小な位置決めはできないという問題点があった。
【０００３】
このため、負の熱膨張係数を示すβ−ユークリプタイトに、正の熱膨張係数を示す炭化珪素を複合化させて熱膨張係数を制御した低熱膨張セラミックスを得て、これを微小な位置決めが要求される半導体製造装置用材料として適用することが検討されるようになってきた。（たとえば、特許文献２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５３−９６７６２号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０２３３８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したβ−ユークリプタイト（理論化学組成式：ＬｉＡｌＳｉＯ４）と炭化珪素の複合セラミックスは緻密化するのが困難で、高密度に焼結するためには熱間性水圧プレス処理（ＨＩＰ処理とも言う。）する必要があり、しかも、１３５０℃以上の高温を必要とする。したがって、大型な焼結体が得られないという課題を有している。
【０００６】
本発明は、これらの課題を解決するために鋭意検討して完成したもので、その目的は、常圧焼成でも緻密化することが可能なβ−ユークリプタイトと炭化珪素を含む低熱膨張セラミックスとその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、２０〜３０℃における熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲内であり、かつ、相対密度が９８％以上である低熱膨張セラミックスであって、該低熱膨張セラミックスを構成する材料組成がβ−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからな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する。
また本発明の目的は、前記低熱膨張セラミックスが常圧還元雰囲気下での焼結により得られ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。
また本発明の目的は、前記低熱膨張セラミックスを構成するβ−ユークリプタイトの格子定数ａが５．２５〜５．２６、格子定数ｃが１１．０８〜１１．１２
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。
【０００８】
また、本発明の目的は、β−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなる原料粉末を配合し粉砕する粉砕工程と、該粉砕工程で得られた粉末を加圧成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を常圧還元雰囲気下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする低熱膨張セラミックスの製造方法によっても達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、たとえば、半導体製造装置、精密機器、計測機器等に用いられる材料として、種々の材料からなる低熱膨張セラミックスを提案している。
ここで特に、β−ユークリプタイトは負の熱膨張係数を示すので、正の熱膨張係数を示す第２の材料と組み合わせることにより、極めて低い熱膨張係数を得ることが可能である。このため、第２の材料として炭化珪素及びまたは窒化珪素を組み合わせた複合材料からなる低熱膨張セラミックスについても鋭意検討を行ってきた。
【００１０】
ここで、本発明において、低熱膨張セラミックスを構成する材料組成がβ−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とする理由は、この範囲で構成することにより、２０〜３０℃における熱膨張係数を−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲とすることができ、さらには、剛性も高めることができるため半導体回路の精細化に適合可能な半導体製造装置部材として好適となるからである。
【００１１】
ここで、低熱膨張セラミックスを構成する材料組成で、窒化珪素が０．１〜５．０質量％であることが、低熱膨張セラミックスを常圧還元雰囲気下で、かつ、１３５０℃より低温焼成でも相対密度が９８％以上に緻密化でき、しかも相対密度が９８％以上に緻密化するのに適した焼成帯域を広くすることができることから好ましい。
また、このように相対密度を９８％以上に緻密化することが、半導体製造装置部材として好適に用いるために必要である。
【００１２】
ここで、窒化珪素は、その他の構成材料より溶融温度が低いため、焼成時に焼結助剤としての効果を示す作用がある。
すなわち、窒化珪素を添加することにより、β−ユークリプタイトに窒素が固溶して格子定数が伸縮することで、融点が低下し液相が形成されることからβ−ユークリプタイトと炭化珪素を含む低熱膨張セラミックスの緻密化が促進される。
ここで、β−ユークリプタイトに窒素が固溶することにより、低熱膨張セラミックスを構成するβ−ユークリプタイトの格子定数ａは５．２４Ａから延びて５．２５〜５．２６Ａとなり、格子定数ｃは１１．１６Ａから縮んで１１．０８〜１１．１２Ａとなる。
以上より、窒化珪素が０．１質量％より少ないと常圧還元雰囲気下で、かつ、１３５０℃より低温焼成では相対密度が９８％以上に緻密化できない。逆に、窒化珪素が５．０質量％より多いと液相生成量が多くなり保形性が低下する。
【００１３】
次に、本発明においては、β−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなる原料粉末を配合し粉砕する粉砕工程と、該粉砕工程で得られた粉末を加圧成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を常圧還元雰囲気下で焼成する焼成工程と、を含むことを特徴とする低熱膨張セラミックスの製造方法を提案している。
【００１４】
ここで、β−ユークリプタイト７２．７〜７６．１質量％と、炭化珪素２７．２〜１８．９質量％と、窒化珪素０．１〜５．０質量％とからなる原料粉末を配合原料とする理由は、前記したように２０〜３０℃における熱膨張係数を−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲とすることができ、さらには、剛性も高めることができるため半導体回路の精細化に適合可能な半導体製造装置部材として好適となるからである。
ここで特に、原料粉末の配合において、窒化珪素を０．１〜５．０質量％の範囲とすることで、常圧還元雰囲気下で、かつ、１３５０℃より低温焼成でも相対密度を９８％以上に緻密化できる。この範囲をはずれて、窒化珪素が０．１質量％より少ない場合は、焼結体の緻密化が不十分となり、窒化珪素が５．０質量％より多い場合は、液相生成量が多くなり保形性が低下するため好ましくない。
【００１５】
次に、本発明における粉砕工程としては、公知のボールミル粉砕以外にも、乳鉢による粉砕や、遊星型ボールミルによる粉砕等が適用できる。
また、成形工程では、一軸加圧成形や静水圧加圧成形等が適用できる。
次に、焼成工程では、常圧下で窒素やアルゴン等の還元雰囲気下での焼成が適用できる。
【００１６】
次に、本発明を具体的な実施例と比較例により説明する。
（１）原料粉末の配合と粉砕
原料粉末としては、市販のβ−ユークリプタイト粉末と炭化珪素粉末と窒化珪素粉末を用いた。ここで、焼結体の２０〜３０℃における熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲内と小さくなるように予め計算して、β−ユークリプタイト粉末と炭化珪素粉末と窒化珪素粉末の配合量を表１のように決定した。
次に、表１に示した配合割合の原料粉末をエタノール溶媒とアルミナボールと共にボールミル内に投入し、１６時間湿式にて混合粉砕を行った。このようにして得られた混合粉砕粉末を乾燥し、解砕した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
（２）焼結体の作製と相対密度の測定
上記のようにして得られた混合粉砕粉末を一軸加圧成形（１００ｋｇ／ｃｍ２で１分間）した後、冷間静水圧成形（１２００ｋｇ／ｃｍ２で１分間）することにより、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み８ｍｍの成形体を作製した。次に、この成形体を常圧、窒素雰囲気中で１３００〜１３８０℃の温度で、焼成を行い焼結体を
作製した。
【００１９】
以上のようにして得られた焼結体をアルキメデス法により相対密度を測定し、それらの測定結果を表２にまとめて示した。表２中で、試験Ｎｏ．５は溶融して保形できなかった。
また、表２の測定結果を図１に示した。ここで、図１では、焼結体の焼成温度（横軸）と相対密度（縦軸）との関係で整理して図示している。図内のＳＮに続く数字は、原料粉末における窒化珪素（図中では、ＳＮと略記。）の配合量（質量％）を示している。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
表２の結果から、本発明の実施例である試験Ｎｏ．１，２，３は、低熱膨張セラミックスを構成する材料組成で、窒化珪素が本発明の範囲内であることから得られた焼結体は、常圧還元雰囲気下の焼成でも相対密度９８％以上に緻密化することが可能であり、しかも緻密化に適した焼成帯域を広くできることが分かった。
【００２２】
一方、本発明の比較例である試験Ｎｏ．４では、１３８０℃まで焼成温度を高くしても相対密度で９８％以上に緻密化できなかった。
（３）熱膨張率の測定
表２中の焼結体について、相対密度で９８％以上に緻密化した焼結体について、別途同様にして試験体を作成し、これらの試験体をＪＩＳ  Ｒ３２５１「低膨張ガラスのレーザ干渉計による線膨張率の測定方法」に規定されている方法により２０〜３０℃における熱膨張係数を測定した。その結果、全ての試験体が、−１×１０−６〜１×１０−６／℃の範囲内に収まる低熱膨張セラミックスであることを確認した。
特に、本発明の実施例である試験Ｎｏ．１，２，３の２０〜３０℃における熱膨張係数は、それぞれ、−０．０４×１０−６／℃，０．０５×１０−６／℃，０．０４×１０−６／℃と極めてゼロ膨張に近い値であった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、常圧焼成でも相対密度９８％以上に緻密化することが可能なβ−ユークリプタイトと炭化珪素を含む低熱膨張セラミックスを提供することが可能であり、しかも緻密化に適した焼成帯域を広くすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼結体の焼成温度と相対密度との関係を示した図である。
【図１】
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