(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コージェライト粉末６９〜９７重量％に、ＭｇＯが０．５〜１０重量％およびＡｌ2Ｏ3 が１〜１５重量％の割合となるように添加混合した成形体を、１０００〜１２００℃の温度で１〜１０時間保持して、前記ＭｇＯおよび前記Ａｌ2Ｏ3をコージェライト結晶中に固溶させた後、１２００〜１５００℃の温度で焼成して緻密化することを特徴とするセラミック焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記成形体中に、希土類元素酸化物を２０重量％以下の割合で含有する請求項１記載のセラミック焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記成形体中に、窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から選ばれる少なくとも１種を３０重量％以下の割合で含有する請求項１記載のセラミック焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空装置構造体、サセプタ、静電チャック、真空チャックまたはステッパーなどの半導体製造プロセスにおける製造装置用部材に適したコージェライトを主体とするセラミック焼結体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、コージェライト系焼結体は、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、特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号等に記載されるように、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、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 粉末を配合して、これに焼結助剤として、希土類元素酸化物や、ＳｉＯ2 、ＣａＯ、ＭｇＯなどを添加し、所定形状に成形後、１０００℃〜１４００℃の温度で焼結することによって作製されている。
【０００３】
一方、ＬＳＩなどの半導体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、シリコンウエハへの回路形成のための露光装置のＸＹテーブル、あるいはその他の各種半導体製造装置用の治具として、これまでに主にアルミナや窒化珪素などのセラミックスが比較的に安価で、化学的にも安定であるため広く用いられている。
【０００４】
また最近では、コージェライトの低熱膨張性を利用し、コージェライト系焼結体を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。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板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。
【０００５】
【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ともない、回路の微細化が急速に進められ、その回路の線幅もサブミクロンオーダーのレベルまで高集積化しつつある。そして、シリコン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、例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。
【０００６】
半導体製造装置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は小さいものの、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。
【０００７】
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。
【０００８】
ところが、露光装置用ステージのように、シリコン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が細くなるほど顕著であり、高精密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。
【０００９】
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。
【００１０】
従って、本発明は、低熱膨張性とともに高ヤング率を有するセラミック焼結体の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
また、本発明は、高集積回路素子などの半導体素子を製造するための装置に適用され、精密な配線回路を精度よく製造することのできる半導体製造装置用部材に適したセラミック焼結体の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題点に対し、鋭意研究を重ねた結果、コージェライト結晶相を主体とするセラミック焼結体中において、コージェライト結晶中に、コージェライトの化学量論組成（２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）で表される組成よりもＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 を過剰に固溶させることにより、低熱膨張率化とともにヤング率を高めることができることを知見し、本発明に至った。
【００１５】
即ち、本発明のセラミック焼結体を製造する方法として、コージェライト粉末６９〜９７重量％に、ＭｇＯが０．５〜１０重量％およびＡｌ2Ｏ3が１〜１５重量％の割合となるように添加混合した成形体を、１０００〜１２００℃の温度で１〜１０時間保持して、前記ＭｇＯおよび前記Ａｌ2Ｏ3をコージェライト結晶中に固溶させた後、１２００〜１５００℃の温度で焼成して緻密化することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の製造方法によれば、コージェライト結晶相を主相とし、その主相中に、化学量論組成（２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）よりも過剰のＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 を固溶させることにより、焼結性を改善できる上、高ヤング率、低熱膨張性を有するセラミック焼結体を得ることができる。
【００１７】
また、かかる焼結体中に、希土類元素化合物を上記の比率で添加含有せしめることにより、焼結性を改善し、さらに高ヤング率の窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素を添加含有せしめることにより、さらなる低熱膨張性を損なうことなく、高ヤング率化を達成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法により得られるセラミック焼結体は、基本的に、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3
、ＳｉＯ2を構成成分とするコージェライト結晶相を主体とするものであるが、このコージェライト結晶相中には、コージェライトの化学量論組成比である２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2よりも、ＭｇＯおよびＡｌ2Ｏ3が過剰に存在することが大きな特徴である。ＭｇＯおよびＡｌ2Ｏ3が過剰に存在するとは、コージェライト結晶中のＭｇＯ：Ａｌ2Ｏ3：ＳｉＯ2比が２＋α：２＋β：５の組成（α＞０、β＞０）の意である。このように、コージェライト結晶中に、ＭｇＯおよびＡｌ2Ｏ3が過剰に存在することによって、焼結体の低熱膨張化と同時にヤング率を向上させることができる。
【００１９】
この理由は定かではないが、ＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 の固溶によって、結晶内に格子欠陥が形成され、それによって結晶粒子内に圧縮応力が発生しているためと推察される。なお、このコージェライト結晶相は、平均粒径が１〜１０μｍの結晶粒子として存在することが望ましい。
【００２０】
また、上記コージェライト結晶相中へのＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 の固溶に伴い、焼結体全体組成において、焼結体中の全ＳｉＯ2 がすべてコージェライト結晶相を構成することを前提として、過剰のＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 を、ＭｇＯとして０．５〜１０重量％、特に２〜７重量％、Ａｌ2 Ｏ3 として１〜１５重量％、特に５〜１０重量％の割合で含有する。
【００２１】
これら過剰のＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 は、焼成時には焼結性を高める作用をなし、最終的には、すべてコージェライト結晶相中に固溶してもよいが、結晶中への固溶限界を超える量で存在する場合には、その余剰分は、コージェライト結晶の粒界にガラス相あるいは結晶相として存在する。特に、ヤング率を高める観点から、上記の余剰のＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 は、スピネル結晶相として存在させることが望ましい。
【００２２】
過剰のＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 量を上記の範囲に限定したのは、ＭｇＯ量およびＡｌ2 Ｏ3 量が上記範囲よりも少ないと、焼結性の改善、高ヤング率、低熱膨張化の効果が期待できず、また上記範囲よりも多いと、熱膨張率が大きくなりすぎ、本発明の目的に適さないためである。
【００２３】
コージェライト結晶中へのＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 の固溶量α、βは、過剰に添加するＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 量や、焼成条件によっても変化するが、望ましくは、α≧０．０５、β≧０．０５であることがヤング率を高める上で望ましい。なお、固溶量の上限は、特に定める必要はなく、その焼成条件等によって決定される最大固溶限界まで固溶させてよい。
【００２４】
また、この焼結体中には、焼結性の改善のために、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｌｕ、Ｓｍ、Ｃｅ、Ｄｙ等の希土類元素の酸化物を含有することが望ましい。希土類元素は、酸化物換算で２０重量％以下、特に１〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。この希土類元素は、焼結体中のコージェライト結晶粒子の粒界にガラス相もしくは結晶相として存在し、特にシリケート結晶相として存在することがヤング率を高める上で望ましい。
【００２５】
さらに、この焼結体中には、窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から選ばれる少なくとも１種の結晶相を３０重量％以下、特に５〜２０重量％の割合で分散せしめることによりヤング率をさらに向上させることができる。これらの中でも窒化珪素が最も効果的である。なお、酸窒化珪素とは、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ系化合物であり、例えばＳｉ2 Ｎ2 Ｏである。これらの成分が３０重量％を超えると、焼結体の熱膨張率が高くなりすぎてしまう。
【００２６】
本発明の製造方法により得られるセラミック焼結体は、上記のような構成に基づき、室温での熱膨張率が０．５×１０-6／℃以下、特に０．３×１０-6／℃以下、ヤング率が１３０ＧＰａ以上、特に１５０ＧＰａ以上の特性を具備することが大きな特徴であり、このような特性を得る上で、焼結体の相対密度が９５％以上、相対密度が９５％以上、特に９７％以上の高緻密体からなることも必要であり、相対密度が９５％よりも低いと、前記コージェライト結晶中にＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3が過剰に固溶しても上記のような低熱膨張性と高ヤング率を達成することができない。
【００２７】
次に、本発明における上記セラミック焼結体を作製する方法について説明すると、まず、平均粒径が１０μｍ以下のコージェライト粉末に対して、ＭｇＯを０．５〜１０重量％、特に２〜７重量％、Ａｌ2 Ｏ3 を１〜１５重量％、特に５〜１０重量％の割合で添加混合する。また、場合によっては、希土類元素酸化物を２０重量％以下、特に１０重量％以下、さらには、平均粒径が１０μｍ以下の窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素粉末を３０重量％以下の割合で添加混合する。
【００２８】
前記ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、希土類元素酸化物等は、酸化物の他に、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などのように焼成によって酸化物を形成し得る化合物の形態で添加することも可能である。
【００２９】
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。
【００３０】
焼成は、まず、成形体を１０００〜１２００℃の温度範囲で１〜１０時間保持して前処理した後、昇温して１２００〜１５００℃、特に１３００〜１４００℃の温度範囲で１〜１０時間本焼成して相対密度９５％以上に緻密化を図る。なお、本焼成時の温度が１２００℃よりも低いと相対密度９５％以上に緻密化することが難しく、１５００℃を越えると、成形体が溶融してしまうためである。
【００３１】
上記のように、本焼成に先立って、本焼成時の温度よりも低い温度で一旦保持することによって、ＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 の主結晶相への固溶を促進することができる。なお、ＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 量が固溶限界量を超えて含有される場合、余剰のＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 は、スピネル相として粒界相に析出させることによって、非晶質相として残存するよりもヤング率が向上する点で望ましい。スピネル相としての析出を促進するために、焼成後の８００℃までの冷却速度を１００℃／ｈｒ以下とすることが望ましい。
【００３２】
焼成時の雰囲気は、大気などの酸化性雰囲気、真空もしくはＡｒ、Ｎ2 などの不活性ガス雰囲気等のいずれでもよいが、成形体中に窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素等を含む場合は、酸化性雰囲気中で焼成するとこれらの成分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くなるために、真空もしくはＡｒ、Ｎ2 などの不活性ガス雰囲気中で焼成することが必要である。
【００３３】
また、本発明の製造方法により得られるセラミック焼結体は、低熱膨張特性と高ヤング率を有することから、各種産業機械部品として用いることができるが、特に、ＩＣ素子などの半導体素子を製造するための装置、具体的には、真空装置を形成する構造部材、真空装置内にて半導体ウエハを固定支持するサセプタ、静電チャック、真空チャックなど、さらには回路形成のための露光装置における光学系の各種支持部材あるいは装置の構造部材や、ウエハを支持するＸＹステージのステッパーなどに適用することにより、半導体素子製造時の上記部材の熱膨張による精度の低下、あるいは外的、あるいは内的な要因による装置や部材の振動を低減することができる結果、高精度で歩留りの高い半導体素子の製造を実現することができる。
【００３４】
【実施例】
ＢＥＴ比表面積が３ｍ2 ／ｇのコージェライト粉末に対して、平均粒径が１μｍ以下のＭｇ（ＯＨ）2 、Ａｌ2 Ｏ3 粉末、平均粒径が１μｍの窒化珪素粉末、炭化珪素粉末、酸窒化珪素（Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ，表中ではＳＮＯと記載した。）、さらに、焼結助剤成分として、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、Ｅｒ2 Ｏ3 、ＣｅＯ2 の各粉末を表１乃至表２に示す割合で調合後、ボールミルで２４時間混合した後、１ｔ／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、表２の条件で前焼成、本焼成を行なった。
【００３５】
得られた焼結体を研磨し、３×４×１５ｍｍの大きさに研削加工し、この試料の相対密度をアルキメデス法に従って算出した。また、１０〜４０℃までの熱膨張係数、および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、焼結体のＸ線回折測定によって焼結体を構成する結晶相を同定した。結果は、表１乃至表２に示した。
【００３６】
【表１】
0004261631.tif 000002
【００３７】
【表２】
0004261631.tif 000003
【００３８】
表１、表２の結果から明らかなように、前焼成を施さない試料Ｎo.７，９，１４では、ＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 を固溶させないもしくは固溶量の少ないＮｏ．１〜４はヤング率が低い。また、ＭｇＯおよび／またはＡｌ2 Ｏ3 を固溶量が多い試料Ｎo.１２、希土類酸化物量の多い試料Ｎo.２０、窒化珪素量の多い試料Ｎo.２７は熱膨張率が高い。
【００３９】
焼成温度が本発明の範囲外である試料Ｎo.２８、３１は溶解したり、緻密体が得られない。これらの比較例に対して、その他の本発明に基づく試料は、いずれも熱膨張率が０．５×１０-6／℃以下、ヤング率が１３０ＧＰａ以上と優れた特性を有していた。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、コージェライト結晶中にＭｇＯおよびＡｌ2 Ｏ3 を固溶させることにより、低熱膨張化とともに、高ヤング率化を図ることができる結果、かかる焼結体を半導体素子製造装置用部品として用いることにより、高精度で歩留りのよい半導体素子の製造を実現することができる。