(57)【要約】【課題】低熱膨張性を有するとともに、比剛性に優れたセラミックス焼結体を提供すること。【解決手段】セラミックス焼結体は、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）を３０〜９５体積％、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）を５〜７０体積％、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）を０．５〜１０体積％の範囲で含んでいる。このセラミックス焼結体は、２０〜２５℃における熱膨張係数の絶対値が、１．５ｐｐｍ／Ｋ以下であり、熱による寸法や形状の変化が極めて少ない低熱膨張性を有している。また、その比剛性が、６０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上と高く、優れた比剛性を有しており、その点からも、寸法変化や形状変化が少ないという特徴がある。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーディエライトを３０〜９５体積％、炭化ホウ素を５〜７０体積％、ムライトを０．５〜１０体積％の範囲で含むことを特徴とするセラミックス焼結体。
【請求項２】
前記ムライトを、２〜７体積％の範囲で含むことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックス焼結体。
【請求項３】
比剛性が、６０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミックス焼結体。
【請求項４】
２０〜２５℃における熱膨張係数の絶対値が、１．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【請求項５】
半導体製造装置用の部材であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【請求項６】
真空チャック用の部材であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【請求項７】
静電チャック用の部材であることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高比剛性と低熱膨張性を兼ね備えたセラミックス焼結体に関し、特に高比剛性、低熱膨張性が必要な精密機械部品や光学機器部品、または高い熱衝撃抵抗が要求される部品などに好適な高比剛性低熱膨張セラミックス焼結体に関する。
【０００２】
従って、本発明の適用用途としては、例えば半導体製造装置用セラミックス部品、精密制御機器用セラミッックス部品、光学機器用セラミックス部品などが挙げられる。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、低熱膨張セラミックス焼結体として、石英ガラス、β−スポジューメンやβークリプタイ等のリチウムアルミノシリケート（ＬＡＳ）、コーディエライト、チタン酸アルミニウムなどが知られている。
【０００４】
これらの低熱膨張セラミックス焼結体は、１ｐｐｍ／Ｋ台又はそれ以下の熱膨張係数を有しているので、熱による変形が殆ど無く、高い寸法精度が得られる。また、熱による寸法変化や形状変化を抑えるためには、熱変形を抑制するとともに、剛性が高くする必要がある。このため、ＬＡＳ（スポジューメン、ユークリプタイト）やコーディエライトに、ヤング率の高い窒化ケイ素や炭化ケイ素を分散させた比剛性に優れた各種の低熱膨張セラミックス焼結体が提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
更に、これとは別に、ＬＡＳやコーディエライトに、炭化ホウ素を２〜４０体積％添加した低熱膨張セラミックス焼結体も開示されている（特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２１９５７２号公報  （第２頁）
【特許文献２】
特開平１１−７９８３０号公報  （第２頁）
【特許文献３】
特開平１１−１００２７５号公報  （第２頁）
【特許文献４】
特開２０００−１７９４５９号公報  （第２頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、必ずしも十分ではない。
例えば特許文献１〜３の技術では、窒化ケイ素や炭化ケイ素は、ヤング率は高いものの密度も大きいため、比剛性の向上という観点からは十分とは言えない。
【０００８】
また、コーディエライト生成領域は非常に狭く、わずかな組成ずれによって他相が析出するので、特許文献４の技術では、安定してコーディエライトと炭化ホウ素のみからなる複合材料を作製することは困難である。
実際に、前記特許文献１で開示されたコーディエライト/炭化ホウ素複合材料では、熱膨張係数が大きくなっており、焼結体中に熱膨張係数の大きい物質が析出している可能性が示唆されている。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、高い比剛性と低熱膨張性とを備えたセラミックス焼結体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明（セラミックス焼結体）は、コーディエライトを３０〜９５体積％、炭化ホウ素を５〜７０体積％、ムライトを０．５〜１０体積％の範囲で含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、コーディエライト含有量は３０〜９５体積％（vol％）とする。これよりも少ないと、熱膨張係数が大きくなってしまう。また、これよりも多いと、比剛性が低下してしまい、目的とする高い比剛性を有する焼結体が得られない。尚、コーディエライト含有量は、好ましくは３５〜９０体積％、より好ましくは４５〜７０体積％である。
【００１２】
また、炭化ホウ素含有量は５〜７０体積％とする。これよりも少ないと、比剛性が低下してしまう。また、これよりも多いと、焼結性が悪くなる（緻密な焼結体が得られない）ばかりでなく、熱膨張係数が増大し、目的とする低熱膨張性を有する焼結体が得られない。尚、炭化ホウ素含有量は、好ましくは１０〜６０体積％、より好ましくは２０〜５０体積％である。
【００１３】
更に、ムライト含有量は０．５〜１０体積％とする。これよりも少ないと、熱膨張係数の大きなスピネル相やヤング率の低いクリストバライト相等が析出するため、ヤング率が高く熱膨張係数の低い焼結体が得られない。これよりも多いと、ヤング率は向上するが熱膨張係数も大きくなってしまい、目的とする低熱膨張性を有する焼結体が得られない。
【００１４】
従って、上述したセラミックス焼結体を用いることにより、温度変化に伴う寸法変化や形状変化が少なく、且つ高い比剛性を有するセラミックス部品、例えば半導体製造装置、精密制御機械、光学機器等に好適に用いることができるセラミック部品を得ることができる。
【００１５】
また、本発明では、コーディエライト焼結体にコーディエライトと密度が同等でヤング率の高い炭化ホウ素を分散させることにより、（コーディエライトよりも密度の高い窒化ケイ素や炭化ケイ素を分散せさるよりも）高比剛性で、かつ低熱膨張性を有するセラミックスを得ることができる。例えば、図１の三成分系状態図に例示する様に、コーディエライト焼結体の組成をわずかにムライト生成側にずらすことにより、熱膨張係数が低くヤング率の高い（従って比剛性の高い）セラミックス焼結体が得られる。
【００１６】
つまり、コーディエライト生成領域は非常に狭く、わずかな組成ずれによって第二相が析出することとなる。特にムライトは、ヤング率２４０ＧＰａと高く熱膨張係数が低いため析出相として好適であるので、コーディエライト焼結体の組成を若干ムライト生成側にずらすことにより、弾性率が低く熱膨張係数の大きな相が析出することが抑制され、熱膨張係数が低くヤング率の高い焼結体を安定して作製することが可能となる。
【００１７】
尚、コーディエライトと炭化ホウ素のみで焼結体を作製しようとしても、熱膨張係数の大きなスピネル相やヤング率の低いガラス相等が生成してしまい、安定にコーディエライト／炭化ホウ素複合材料を得ることができず、目標とする高ヤング率や低熱膨張係数が得られなくなってしまう。
【００１８】
また、焼結体中のコーディエライトの平均粒径は２μｍ以下が好ましい。つまり、コーディエライトの結晶のａ軸とｃ軸との熱膨張係数が異なるため、これよりも粒径が大きくなると、この熱膨張差から焼成工程中に焼結体中にマイクロクラックが生じ易くなり、目的とする比剛性が得られにくくなる。
【００１９】
（２）請求項２の発明では、前記ムライトを、２〜７体積％の範囲で含むことを特徴とする。
本発明は、ムライト含有量のより好ましい範囲を例示したものである。
この範囲であれば、より熱膨張係数が小さく（従って低熱膨張性に優れ）且つヤング率（従って比剛性）が高いので好適である。
【００２０】
（３）請求項３の発明では、比剛性が、６０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上であることを特徴とする。
本発明は、好ましい比剛性の範囲を例示したものである。
ここでは、比剛性（ヤング率／密度）が６０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上と高いので、高い剛性を有し、この点からも、寸法変化や形状変化を抑制できるという効果がある。
【００２１】
（４）請求項４の発明では、２０〜２５℃における熱膨張係数の絶対値が、１．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする。
本発明は、好ましい熱膨張係数の範囲を例示したものである。
ここでは、熱膨張係数（絶対値）が１．５ｐｐｍ／Ｋ以下と極めて低いので、温度変化に伴う寸法変化や形状変化が非常に少ないという利点がある。
【００２２】
（５）請求項５の発明では、（セラミックス焼結体が）半導体製造装置用の部材であることを特徴とする。
本発明は、セラミックス焼結体の用途を例示したものである。
従って、本発明のセラミックス焼結体を、例えば半導体ウェハの製造に用いる半導体製造装置用の部材として採用することにより、熱等による装置の変形を抑制することができるので、寸法精度に優れた半導体ウェハを得ることができる。
【００２３】
（６）請求項６の発明では、（セラミックス焼結体が）真空チャック用の部材であることを特徴とする。
本発明は、セラミックス焼結体の用途を例示したものである。
従って、本発明のセラミックス焼結体を、例えば半導体ウェハの製造に用いられる真空チャック用の部材として採用することにより、熱等による部材の変形を抑制できるので、寸法精度に優れた例えば半導体ウェハを得ることができる。
【００２４】
（７）請求項７の発明では、（セラミックス焼結体が）静電チャック用の部材であることを特徴とする。
上述したセラミックス焼結体は、例えば半導体露光装置に用いられる静電チャックにも適用可能である。（例えばクーロン力を使って半導体ウェハを保持する場合など）
従って、本発明のセラミックス焼結体を、例えば半導体ウェハの製造に用いられる静電チャック用の部材として利用することにより、熱による部材の変形を抑制できるので、寸法精度に優れた例えば半導体ウェハを得ることができる。
【００２５】
ここで、本発明のセラミックス焼結体の製造方法例について説明する。
本発明のセラミックス焼結体は、例えばＡｒやＮ2などの非酸化性ガス雰囲気中又は真空中において、ＨＰ（ホットプレス）等の加圧焼結により製造することができる。または、非酸化性ガス中における常圧焼成、或いは非加圧における真空焼成により製造することも可能である。更に、より緻密な焼結体を得るために、常圧焼結後ＨＩＰ処理をすることも可能である。
【００２６】
尚、本発明では、前記セラミックス焼結体の材料として、上述した成分を含む原料粉末を用いることができる。例えば「Ｍｇ酸化物粉末、Ａｌ酸化物粉末、Ｓｉ酸化物粉末、前記希土類酸化物粉末、及びＴｉ酸化物粉末」、又は、「加熱により各酸化物となる化合物粉末（例えば各金属の炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物、及び硝酸塩等の粉末）」、或いは、「上記金属の複合酸化物粉末（コーディエライト、ムライト、アルミノシリケート等の粉末）」などを用いることができる。
【００２７】
また、これらの粉末の平均粒径は、高い比剛性を得るためには、好ましくは２．０μｍ以下、より好ましくは１．９μｍ以下、更に好ましくは１．８μｍ以下である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミックス焼結体の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
ａ）まず、本実施例の高比剛性低熱膨張セラミックス焼結体（以下単にセラミックス焼結体と記す）の構成について説明する。
【００２９】
本実施例のセラミックス焼結体は、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）を３０〜９５体積％、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）を５〜７０体積％、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）を０．５〜１０体積％の範囲で含んでいる。このセラミックス焼結体は、２０〜２５℃における熱膨張係数の絶対値が、１．５ｐｐｍ／Ｋ以下であり、熱による寸法や形状の変化が極めて少ない低熱膨張性を有している。また、その比剛性が、６０ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上と高く、優れた比剛性を有しており、その点からも、寸法変化や形状変化が少ないという特徴がある。
【００３０】
ｂ）次に、本実施例のセラミックス焼結体の製造方法について説明する。
本実施例においては、前記図１に示す様に、コーディエライトに若干のムライトを析出させる方法として、下記に示す様に、原料の成分の調整を行うものである。
【００３１】
まず、市販のコーディエライト粉末（粒径３μｍ）に、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）粉末（粒径２．５μｍ）、マグネシア粉末（０．０５μｍ）、シリカ粉末（０．０５μｍ）、アルミナ粉末（０．２μｍ）およびムライト粉末（０．８μｍ）を所定量量り取り、下記表１に示す重量比に配合した。
【００３２】
ここで、市販のコーディエライト粉末については、組成比が完全に２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2となっていないので、若干の組成ずれがある。そこで、化学分析（ＩＣＰ発光分析）を行った上で、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2の組成比を決定し、下記表１の組成となるように、マグネシア粉末、シリカ粉末、アルミナ粉末、さらに必要に応じてムライト粉末を加えた。
【００３３】
次に、高純度アルミナ球石（純度９９．９％以上）を用いて、エタノールを溶媒として湿式粉砕を行った。
得られたスラリーを乾燥した後、ホットプレスを、下記表２に示した所定の温度で１時間、３０ＭＰａの圧力で処理を行った。このときホットプレスは、すべての試料においてＡｒ雰囲気中で行った。
【００３４】
上述した方法により作製したセラミックス焼結体の組成および特性を、下記表２に示す。つまり、表２に、各試料のコーディエライト量、炭化ホウ素量、ムライト量、焼成温度、密度、ヤング率、比剛性、及び熱膨張係数の各値を示す。
また、図２に、Ｃｕターゲットを用いて測定した試料Ｎo.７のＸ線回折チャートを示す。
【００３５】
【表１】
2004196590.tif 000002
【００３６】
【表２】
2004196590.tif 000003
【００３７】
ｃ）次に、前記表２に示す物性等の評価方法について説明する。
▲１▼焼結体密度；
焼結体密度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６３４で規定するアルキメデス法により評価を行い、数値はＪＩＳ  Ｚ  ８４０１によって小数点以下２桁にまるめた。
【００３８】
▲２▼ヤング率；
ヤング率は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０２で規定する超音波パルス法により室温で測定を行った。
▲３▼比剛性；
比剛性は、ヤング率の値を密度で除して算出した。
【００３９】
▲４▼熱膨張係数；
熱膨張係数は、ＪＩＳ  Ｒ  ３２５１に規定するレーザー干渉法を用いて評価を行い、２０〜２５℃の平均熱膨張係数として算出した。
▲５▼コーディエライト量、炭化ホウ素量、ムライト量；
焼結体中のコーディエライト、ムライト、炭化ホウ素の体積分率は、Ｘ線回折法によって測定したピーク強度比より下記手法を用いて決定した。
【００４０】
体積分率でコーディエライト：ムライト：炭化ホウ素＝１：１：１組成の混合粉を作製してＸ線回折測定を行い、コーディエライト（２１１）ピーク強度を１としたときのムライト（２２０）の相対ピーク強度ｍ、炭化ホウ素（０２１）の相対ピーク強度ｂを求める。次に、求める焼結体のＸ線回折測定を行い、コーディエライト（２１１）ピーク強度Ｃ、ムライト（２２０）ピーク強度Ｍ、炭化ホウ素（０２１）ピーク強度Ｂを求める。これらの数値から以下の式（１）〜（３）で体積分率を算出する。
【００４１】
尚、ピーク強度値は、Ｘ線回折チャートからバックグラウンドを除去した上で算出した。
コーディエライト体積分率（％）＝｛C/(C＋M/m＋B/b )｝× 100・・(１)
ムライト体積分率（％）＝｛(M/m)/(C＋M/m＋B/b )｝×100     ・・(２)
炭化ホウ素体積分率（％）＝｛(B/b)/(C＋M/m＋B/b)｝×100    ・・(３)
ｄ）次に、前記実施例の効果について説明する。
【００４２】
表２及び図１に示すように、本発明（請求項１）の範囲の実施例（試料Ｎo.１〜１１）のセラミックス焼結体は、コーディエライト量が３１〜９２体積％、炭化ホウ素量が５〜５４体積％、ムライト量が１〜９体積％である。
従って、熱膨張係数が１．４８ｐｐｍ／Ｋ以下と低く十分な低熱膨張性を有していることが分かる。更に、ヤング率が１５５ＧＰａ以上、比剛性が６０．８ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3以上と高く、高い比剛性を有していることが分かる。
【００４３】
これに対して、本発明の範囲外である比較例の試料Ｎo.１２では、コーディエライト量が９７体積％と多く、炭化ホウ素量が０体積％と少ないので、比剛性が５６．９ＧＰａ／ｇ／ｃｍ3と小さく好ましくない。また、比較例の試料Ｎo.１３では、ムライト量が１２体積％と多いので、熱膨張係数が１．９０ｐｐｍ／Ｋと大きく好ましくない。更に、比較例の試料Ｎo.１４では、コーディエライト量が２３体積％と少なく、炭化ホウ素量が７２体積％と多いので、熱膨張係数が１．９０ｐｐｍ／Ｋと大きく好ましくない。
【００４４】
この様に、本実施例のセラミックス焼結体は、コーディエライトを３０〜９５体積％、炭化ホウ素を５〜７０体積％、ムライトを０．５〜１０体積％の範囲で含んでいるので、熱による寸法や形状の変化が極めて少なく、しかも高い比剛性を有している。
【００４５】
従って、上述したセラミックス焼結体を用いることにより、温度変化に伴う寸法変化や形状変化が少なく、且つ高い比剛性を有するセラミックス部品、例えば半導体製造装置、精密制御機械、光学機器等に好適に用いることができるセラミック部品を得ることができるという顕著な効果を奏する。
【００４６】
ｅ）次に、上述したセラミックス焼結体からなるセラミック部材の用途について説明する。
▲１▼ここでは、前記実施例の構成を有するセラミックス焼結体を用いた真空チャックと、その真空チャックを用いた半導体製造装置を示す。
【００４７】
図３に示す様に、真空チャック１は、減圧による吸引力によって、半導体ウェハ３を吸着して保持する円盤状の吸着プレートである。
この真空チャック１は、円盤状の基板５と、基板５を板厚方向に貫く（減圧のための）吸着孔７と、基板５の吸着面Ｋ側（半導体ウェハ３側）に突出する多数の突起部９と、突起部９の周囲を環状に囲む様に突出するシール部１１とを備えている。
【００４８】
上述した真空チャック１は、図示しないが、半導体製造装置の一部を構成する周知のポリッシングマシンに装着して用いられる。このポリッシングマシンは、半導体ウェハ３に対して、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行うＣＭＰ装置であり、主として、回転可能に配置されたプラテンと、その上面側に配置された真空吸引装置である研磨ヘッドとから構成されている。
【００４９】
前記ポリッシングマシンでは、研磨ヘッドに真空チャック１を取り付け、真空ポンプを作動させて、研磨ヘッド内の減圧空間の気圧を下げ、これにより、真空チャック１の吸着孔７の内外に気圧差を発生させて、真空チャック１の吸着面Ｋに半導体ウェハ３を吸着させる。
【００５０】
そして、プラテンの研磨パッドと真空チャック１との間に半導体ウェハ３を配置した状態で、研磨パッドの表面にＣＭＰ用のスラリーを供給し、プラテン及び研磨ヘッドを回転させて、半導体ウェハ３の表面の研磨を行う。
この様に、前記真空チャック１は、上述した性質を有するセラミックス焼結体からなり、低熱膨張性及び高比剛性を有しているので、温度変化に対する寸法変化や形状変化が少なく、寸法精度の高い半導体ウェハ３を製造することができる。
【００５１】
▲２▼次に、他の適用例として、前記実施例の構成を有するセラミックス焼結体を用いた静電チャックについて説明する。
図４に示す様に、静電チャック２１は、上述したセラミックス焼結体からなる円盤状の部材を基体２３としており、静電チャック２１の一方の面（同図下方の裏面）には、接合層２５を介して金属製の円盤状のベース板２７が接合されている。尚、静電チャック２１にベース板２７が接合されたものを静電チャック装置２９と称する。
【００５２】
前記静電チャック２１の内部（従って基体２３の内部）には、一対の内部電極３１、３３が埋設されており、静電チャック２１の他方の面（同図上方の表面）は、例えば半導体ウェハ３５を吸着固定する吸着面（チャック面）３７とされている。
【００５３】
尚、静電チャック２１及びベース板２７を図１の上下方向に貫いて、貫通孔（図示せず）を設け、この貫通孔を介して、チャック面３７側に冷却用のＨｅガスを供給してもよい。
上述した構成の静電チャック２１を使用する場合には、両内部電極３１、３３間に、例えば±３０００Ｖ程度の直流電圧を印加し、これにより、半導体ウェハ３５を吸着する静電引力（吸着力）を発生させ、この吸着力を用いて半導体ウェハ３５を吸着して固定する。
【００５４】
尚、直流電圧ではなく、１０００Ｈｚ以下（例えば５０Ｈｚ）の１０００Ｖの交流電圧を印加することも可能である。
この様に、前記静電チャック２１は、上述した性質を有するセラミックス焼結体からなるので、ゴミが真空チャック２１や半導体ウェハ３５などに付着し難く、しかも温度変化に対する寸法変化や形状変化が少ないので、寸法精度の高い半導体ウェハ３５を製造することができる。
【００５５】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックス焼結体の三成分の状態を示す説明図である。
【図２】実施例の試料Ｎo.７のセラミックス焼結体のＸ線回折のチャートである。
【図３】半導体ウェハとセラミックス焼結体からなる真空チャックとを一部破断して示す斜視図である。
【図４】静電チャックとベース板とからなる静電チャック装置を一部破断して示す斜視図である。
【符号の説明】
１…真空チャック（吸着プレート）
３、３５…半導体ウェハ
５…基板
７…吸着孔
９…突起部
１１…シール部
２１…静電チャック
２７…ベース板
３１、３３…内部電極
２９…静電チャック装置
【図１】
2004196590.tif 000004
【図２】
2004196590.tif 000005
【図３】
2004196590.tif 000006
【図４】
2004196590.tif 000007