(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラス相と、前記石英ガラス相に複合化された、炭化珪素、窒化珪素、珪素、窒化チタンおよび炭化チタンからなる群より選ばれた一種以上の化合物からなる複合相とを主体とし、開気孔率が１５％以下であることを特徴とする、複合材料。
【請求項２】
前記石英ガラス相の重量比が１０−９５重量％であることを特徴とする、請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
前記石英ガラス相の重量比が８０−９５重量％であることを特徴とする、請求項２記載の複合材料。
【請求項４】
前記化合物が、炭化珪素、窒化珪素および珪素からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の複合材料。
【請求項５】
前記化合物が、炭化珪素、珪素、窒化チタンおよび炭化チタンからなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の複合材料。
【請求項６】
前記石英ガラスおよび前記化合物を構成する元素およびハロゲン以外の不純物の含有量が０．１重量％以下であり、開気孔率が５％以下であることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工性の良い複合材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石英ガラスは、耐熱衝撃性が高いので、熱にさらされる構造部材として広く使用されている。また、石英ガラスは、純度の非常に高い原料が容易に入手可能である。このため、高純度の、珪素以外の金属元素をほとんど含有しない石英ガラスを低コストで製造できる。こうした利点のため、石英ガラスは、金属元素によるコンタミネーションを嫌う用途、特に、半導体製造装置内の構造部品として使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
石英ガラスからなる各種の構造部材を製造するためには、石英ガラスからなる原材料を切削加工し、所定の形状とする必要がある。しかし、切削加工時に、石英ガラスの表面領域にチッピングやマイクロクラックが発生しやすい。この結果、構造部材の表面に微細なパーティクルが発生し、付着し、残留する傾向がある。特にパーティクルによる汚染を嫌う半導体製造用途においては、こうしたパーティクルを除去する必要がある。しかし、このためには煩雑な洗浄工程が必要であるし、また構造部材の表面の形態が複雑である場合には、洗浄後にもパーティクルが残留しやすい。
【０００４】
また、半導体製造装置内では、ハロゲン系腐食性ガスやそのプラズマに対して構造部材が曝露されることが多い。このとき、石英ガラスの表面に微細なクラックやチッピング跡が残留していると、こうした部分から腐食が進行し、パーティクル発生の原因となるかもしれない。これを防止するためには、やはり煩雑な後処理工程によって、微細なクラックやチッピング跡を消去することが必要である。
【０００５】
本発明の課題は、機械加工後におけるマイクロクラック、チッピングやパーティクルの発生を防止できるような、耐熱性の、石英ガラスを代替し得るような材料を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、石英ガラス相と、前記石英ガラス相に複合化された、炭化珪素、窒化珪素、珪素、窒化チタンおよび炭化チタンからなる群より選ばれた一種以上の化合物からなる複合相とを主体とし、開気孔率が１５％以下であることを特徴とする、複合材料に係るものである。
【０００７】
こうした複合材料は、耐熱性や耐熱衝撃性の高さという石英ガラスの特徴を有するのに加えて、切削加工等の機械加工を行ったときにマイクロクラック、チッピングが発生しにくく、加工後の表面にパーティクルも残留しにくい。
【０００８】
前述のように、複合材料の加工後のパーティクル発生を防止できることから、本複合材料は、半導体製造装置用途に対して特に好ましい。
【０００９】
前記化合物を、炭化珪素、窒化珪素または珪素とすることによって、複合材料の主要構成成分から珪素以外の金属元素が排除されるので、特にシリコン半導体製造装置用途に好ましい。
【００１０】
石英ガラス相の割合は、１０重量％以上とすることが好ましく、これによって複合材料の耐熱性、耐熱衝撃性を高く保持できる。この観点からは、石英ガラスの割合を５０重量％以上とすることが更に好ましい。
【００１１】
石英ガラスの割合を９５重量％以下とすることによって、加工性を一層向上させることができる。また、石英ガラスの割合を８５重量％以下とすることによって、複合材料の強度を一層高くすることができる。
【００１２】
また、前記化合物を、炭化珪素、珪素、窒化チタンまたは炭化チタンとすることができる。これらは、石英ガラスよりも高い導電性（低い体積抵抗率）を有する材質であるので、一般にこれらの材料を添加することによって、複合材料の導電性の制御が可能である。
【００１３】
ただし、これらの材料を添加した場合であっても、特に石英ガラス相の重量比が８０−９５重量％である場合には、複合材料の体積抵抗率が、石英ガラスの体積抵抗率よりも高くなることがある。前記化合物の体積抵抗率が石英ガラスの体積抵抗率よりも低いことを考慮すると、この結果は驚くべきことである。この原因は明らかではない。
【００１４】
石英ガラスの重量比が７８重量％以下である場合には、石英ガラスよりも低い体積抵抗率が得られる。複合材料の体積抵抗率を一層低下させるためには、石英ガラスの割合は７５重量％以下が好ましく、７０重量％以下が更に好ましい。こうした体積抵抗率の低い複合材料は、従来石英ガラスが使用できなかった導電性や半導性の求められる用途に好適に使用できる。
【００１５】
また、本発明の複合材料は、比較的緻密質である場合には、石英ガラスよりも高い強度やヤング率を実現できるものである。石英ガラスの強度およびヤング率は、アルミナ等のセラミックスよりも低いため、構造部材の厚さを大きくする必要があった。本発明の複合材料は、こうした点でも石英ガラスよりも有利な材料である。
【００１６】
ただし、本発明の複合材料は、後述するように粉末焼結法によって製造されるので、多孔質となる場合と緻密質になる場合とがある。複合材料を構造部材として使用する場合には、所定の強度とヤング率とが必要である。
【００１７】
また、特に半導体製造用途等の汚染を嫌う用途においては、石英ガラスおよび前記化合物を構成する元素およびハロゲン以外の不純物の含有量は、０．１重量％以下とすることが好ましく、開気孔率を５％以下とすることが好ましい。
【００１８】
こうした不純物金属の制御という観点からも、本発明の複合材料は有利である。例えばアルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス原料は、高純度である場合にはコストが高く、焼結が困難である。これに対して、本発明の複合材料の主成分である石英ガラスは、高純度原材料が低コストで容易に得られる。
【００１９】
本発明の複合材料は、腐食性ガスに対して曝露される、半導体製造装置や液晶ディスプレイ製造装置内の部材やチャンバーに対して好適に使用できる。こうした部材としては、発熱体、静電チャック用電極、高周波発生用電極が埋設されているサセプター、このサセプターに対して接合されているシャフトや裏板、シャワー板、ドーム、ルーフおよびリング類などを例示できる。
【００２０】
また、石英ガラスの割合が８０−９５重量％である場合には、複合材料の体積抵抗率が大きいので、マイクロ波透過窓などの絶縁性が必要な部材として使用できる。
【００２１】
本発明の複合材料は、石英ガラス粉末と、前記化合物の粉末との混合粉末を成形して成形体を得、石英ガラスの融点以下および化合物の融点以下の温度で成形体を焼結させることによって得られる。
【００２２】
前記化合物の粉末の純度は、金属元素による汚染を嫌う用途においては、９９．９％以上とすることが好ましい。炭化珪素および窒化珪素は、α型でもβ型でもよい。前記化合物粉末の平均粒径は１０μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下が更に好ましい。
【００２３】
石英ガラスの粉末の純度は、９９．９％以上であることが好ましい。この粉末の製法は限定されず、例えば粉砕法、化学的気相成長法、溶解噴霧法を例示できる。石英ガラス粉末の平均粒径は１０μｍ以下が好ましく、３μｍ以下が特に好ましい。
【００２４】
混合粉末の成形時には、有機バインダーを使用することもできる。また、噴霧乾燥法による造粒粉末を成形することもできる。
【００２５】
焼成時の雰囲気は、真空、アルゴン、大気、窒素雰囲気のいずれでもよい。ただし、複合材料の開気孔率を減少させるためには、真空雰囲気が好ましく、１．０Ｔｏｒｒ以下とすることが更に好ましい。
【００２６】
焼成時に若干の結晶相（クリストバライト相）が生成する場合がある。これを避けるためには、焼成時の最高温度を１５５０℃以下とすることが好ましく、１５００℃以下とすることが更に好ましく、１４５０℃以下とすることが最も好ましい。また、焼結を進行させる上で、焼成時の最高温度を１３００℃以上とすることが好ましい。
【００２７】
また、クリストバライト相の生成を抑制するという観点からは、１１００℃と焼成時の最高温度との間の昇温速度、降温速度を２００℃／時間以上、１０００℃／時間以下とすることが好ましい。
【００２８】
焼成時に成形体に対して圧力を負荷することは、複合材料の緻密性を向上させ、クリストバライト相の生成を抑制するという観点から好ましい。圧力負荷方法は、ホットプレス法やホットアイソスタティックプレス法を例示できる。負荷される軸圧力は、１０ＭＰａ以上が好ましい。軸圧力の上限は特になく、設備の限界によってのみ制限を受ける。
【００２９】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。
平均粒径２．１μｍのベータ型炭化珪素の粉末を使用した。この粉末中の珪素および炭素以外の不純物成分の合計割合は１００ｐｐｍ未満である。また、平均粒径０．６μｍグレードの石英ガラス粉末を使用した。両方の粉末を秤量し、有機バインダーを添加することなく混合した。混合比率は、表１−表３に示す。混合粉末を一軸プレス機で成形し、厚さ５ｍｍ、直径１００ｍｍの円盤形状の成形体を得た。この成形体をホットプレス装置内に収容し、ホットプレスした。このホットプレス機は、カーボンからなる炉材と、拡散ポンプからなる排気装置とを備えていた。１１００℃と最高温度との間の昇温速度、降温速度は４００℃／時間とし、最高温度でそれぞれ３０分間保持した。各最高温度、焼成時雰囲気およびプレス圧力は、表１−表３に示す。
【００３０】
各例の生成物の表面を、♯８００の砥石で研削加工し、加工面を目視および顕微鏡によって観察し、チッピングまたはマイクロクラックが認められた場合は「不良」と表記し、認められない場合には「良好」と表記した。また、開気孔率をアルキメデス法によって測定し、体積抵抗率を三端子法によって測定した。さらに、曲げ強度はＪＩＳのＲ１６０１に定められる室温４点曲げ法により求めた。
【００３１】
また、炭化珪素以外の珪素（Ｓｉ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）および炭化チタン（ＴｉＣ）等の化合物を使用した焼結体を上述した方法に従って製造し、焼結体の各特性を上述した方法と同様の方法で測定した。結果を表４に示す。ここで、実施例１６及び１７では、平均粒子径が０．９μｍで純度９９．９９％のＳｉ粉末を使用した。実施例１８及び１９では、スプレードライ後の造粒粉の平均粒子径が４５μｍ（１次粒として０．５μｍ）でＳｉ及びＮ以外の不純物が１００ｐｐｍ未満のＳｉ３Ｎ４粉末を使用した。
【００３２】
【表１】
0004458692.tif 000002
【００３３】
【表２】
0004458692.tif 000003
【００３４】
【表３】
0004458692.tif 000004
【００３５】
【表４】
0004458692.tif 000005
【００３６】
実施例１−３においては、焼成時の最高温度を１３００℃とした。石英ガラスからなる比較例１、２と比べて、加工性が良いだけでなく、室温および２００℃における各体積抵抗率が低下していた。また，開気孔率が１３％である実施例の複合材料は、曲げ強度が石英ガラスに比べて著しく向上していた。
【００３７】
実施例４−７では、最高温度を１５００℃とし、プレス圧力を４０ＭＰａとした。この結果、開気孔率が０−４％となった。この場合には、全体として曲げ強度が比較例１、２よりも著しく向上していた。更に、実施例５、６、７では、炭化珪素相の作用によって、体積抵抗率が低下している。ただし、実施例４においては、かえって体積抵抗率が上昇していた。
【００３８】
実施例８−１５では、焼成時の最高温度を１４００℃とし、石英ガラスの割合を種々変更した。実施例８、９においては、体積抵抗率の高い複合材料が得られた。実施例１０−１５においては、体積抵抗率は低下していた。また、実施例８−１５では、いずれも開気孔率が低く、曲げ強度も比較的に大きい。
【００３９】
比較例３では、炭化珪素のみを使用しており、１６００℃で熱処理しているが、粉末が焼結しなかった。比較例４では、石英ガラス粉末と炭化珪素粉末との混合物を１６５０℃でプレス圧力なしで熱処理したが、この条件では充分に焼結が進行しなかった。
【００４０】
炭化珪素以外の各種類の化合物を使用した実施例１６−２３では、実施例１−１５とほぼ同様の優秀な特性を得ることができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、機械加工後におけるマイクロクラック、チッピングやパーティクルの発生を防止できるような、石英ガラスの代替材料を提供できる。