(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２で表されるコーディエライト９６〜９９．９重量％及び窒化珪素０．１〜４重量％を含有し、かつ気孔率が５％以下である緻密コーディエライト質セラミックス。
【請求項２】
２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１で、かつヤング率が１３０ＧＰａ以上である請求項１記載の緻密コーディエライト質セラミックス。
【請求項３】
一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２で表されるコーディエライト粉末９６〜９９．９重量％及び窒化珪素粉末０．１〜４重量％を混合、成形した後、１２７０〜１４４０℃の温度で焼成して気孔率が５％以下にしたことを特徴とする緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法。
【請求項４】
２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１で、かつヤング率が１３０ＧＰａ以上である請求項３記載の緻密コーディエライト質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、露光装置に代表されるような半導体製造装置などに使用されるステージ、ウェハ吸着チャック及びこれらの構成部品に適した、比較的剛性が高くかつ熱膨張係数の絶対値が小さな緻密コーディエライト質セラミックス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置の部品には、価格や化学的安定性の面からアルミナセラミックス、ＳｉＣセラミックス等が多く使用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、電子回路の高集積化が進むにつれて、これらの部材により高い位置決め精度が要求されるようなり、特に製造装置の温度変化に対する精度の低下が問題となってきている。即ち、加工精度及び歩留まり向上のためには、室温付近（２０〜３０℃）での熱膨張係数が小さく、かつ剛性の高い材料が要求されてきている。
【０００４】
また、ウェハチャックやスライダーに代表されるような可動部材では、その軽量性も重視される。即ち、比重が大きくなると高い剛性を有していても始動及び静止に大きな駆動力と時間が必要となるため、生産スピード及び歩留まりの低下をもたらすことになる。
【０００５】
近年、半導体製造装置の部品に使用される低熱膨張セラミックスとして、窒化珪素セラミックス、コーディエライト系セラミックス、リチウムアルミノシリケート系セラミックス等が提案されている。
【０００６】
例えば、特公平６−９７６７５号公報には、真空中でＳｉウェハを保持及び搬送する静電チャック用基板材料としてコーディエライト系セラミックスを使用することが記載されている。
【０００７】
しかし、コーディエライト系セラミックスは融点と焼結開始温度が非常に近く、焼結温度範囲が約１０℃程度に限定される。この温度より低い場合は緻密な焼結体が得られず、逆に高ければ焼成による変形が生じたり溶融してしまうという問題点がある。即ち、緻密なコーディエライト系セラミックスを得ることは非常に困難であった。
【０００８】
この問題点を改善するために、特公昭６２−３４２０５公報には、コーディエライトにＹ２Ｏ３成分を０．３〜８重量％含有させることにより、コーディエライトの特質を損なうことなく緻密化でき、１．６〜２．８ｐｐｍ・Ｋ−１の熱膨張係数が得られることが記載されている。
【０００９】
また、特開２００１−３９７６４公報には、コーディエライトを８０〜９２重量％及び希土類元素の酸化物を２〜２０重量％の割合で含有することにより、ヤング率が１２０ＧＰａ以上で且つ熱膨張係数が±０．２５ｐｐｍ・Ｋ−１であるコーディエライト質セラミックスが記載されている。
【００１０】
同じく低熱膨張セラミックスとして知られているリチウムアルミノシリケート（一般式Ｌｉ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・ｎＳｉＯ２）系セラミックス、特にβ−スポデューメンについては、天然材料を使用して作製されることが特開昭５６−１６４０７０号公報に示されている。また、β−ユークリプタイトについては、ＭｇＯを含むことにより緻密化できることが特開２０００−２１９５７２号公報に示されている。
【００１１】
さらに、特開２０００−２８１４５４号公報には、露光装置の部品などに適した低熱膨張高剛性セラミックスとして、負の熱膨張特性を有するＬｉＡｌＳｉＯ４と、正の熱膨張特性及び高剛性特性を有するＳｉ３Ｎ４又はＳｉＣと、ＭｇＯの３成分で構成されるセラミックスが記載されている。
【００１２】
ところが最近は、コンピュータに搭載されている記憶チップに代表されるような半導体ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の高集積化がさらに進み、それに伴いサブミクロンオーダの超微細な回路形成が必須となってきている。従って、超微細回路をＳｉウェハ上に形成する露光装置には高い精度、例えば位置決めでは０．０５μｍ以下の精度が要求されている。
【００１３】
しかしながら従来の窒化珪素セラミックスは、剛性はヤング率が約３００ＧＰａ（＝×１０６Ｐａ）と高いが、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が１．３１ｐｐｍ・Ｋ−１（＝×１０−６／Ｋ）であり、このことは長さ１ｍの露光装置部材の温度が０．０５℃変化するだけで０．０６μｍ（＝×１０−６ｍ）程度の寸法変化が生じることを意味しており、精密回路を形成する上での品質及び歩留まりの低下をもたらしている。
【００１４】
これに対し、コーディエライト系セラミックスは、２０〜３０℃のときの熱膨張係数は０．２ｐｐｍ・Ｋ−１程度と小さく、温度変化に対する寸法変化を低減させることができている。しかし剛性の点ではヤング率が約１００〜１２０ＧＰａと低く、外部応力に対して寸法変化が生じ易いという欠点がある。
【００１５】
また、リチウムアルミノシリケート系セラミックスは、その組成により、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−８〜−２ｐｐｍ・Ｋ−１程度のものが得られているが、やはり剛性が低く、ヤング率は６０〜９０ＧＰａ程度であり、コーディエライト系セラミックスと同じく外部応力に対して寸法変化が生じ易いという欠点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が５％以下の緻密コーディエライト質セラミックスを提供することにある。また、本発明の他の目的は、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が５％以下の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２で表されるコーディエライト９６〜９９．９重量％及び窒化珪素０．１〜４重量％を含有し、かつ気孔率が５％以下であることを特徴としている。また、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１で、かつヤング率が１３０ＧＰａ以上であることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法は、一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２で表されるコーディエライト粉末９６〜９９．９重量％及び窒化珪素粉末０．１〜４重量％を混合、成形した後、１２７０〜１４４０℃の温度で焼成して気孔率が５％以下にしたことを特徴としている。さらに、本発明の緻密コーディエライト質セラミックスの製造方法は、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１で、かつヤング率が１３０ＧＰａ以上であることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるコーディエライト粉末は、一般式として２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２で表される複合酸化物であるが、このＭｇＯとＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の比は本発明における特性の範囲を脱しなければ、正確にモル比で２：２：５とする必要はない。ただし、焼結助剤などを添加せずにその粉末のみを成形、焼成して得られる焼結体の２０〜３０℃における熱膨張係数が−２．０〜＋１．０ｐｐｍ・Ｋ−１程度のコーディエライト粉末を用いることが好ましい。
【００２０】
このコーディエライト粉末は、例えば純度が９９％以上のＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２の粉末を、モル比で約２：２：５となるように秤量し、ボールミルなどを用いて湿式混合、乾燥、造粒後、大気中で１０００〜１４００℃の温度で１０時間程度仮焼きし、その後平均粒径を０．５〜３０μｍ程度に粉砕して用いることができる。
また、天然に産出するコーディエライト鉱石を粉砕して用いることもできる。
【００２１】
一方、窒化珪素粉末（Ｓｉ３Ｎ４）は、一般に市販されている粉末を用いることができる。窒化珪素粉末の粒径は、価格の点で平均粒径が０．１μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上がより好ましく、０．６〜１０μｍの範囲がさらに好ましい。
【００２２】
コーディエライト粉末及び窒化珪素粉末の平均粒径は、レーザー式粒度分布測定器（ＭＡＬＶＥＲＮ社製のマスターサイザー）で測定して求めることができる。
【００２３】
なお、窒化珪素粉末は、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が０．５〜１．５ｐｐｍ・Ｋ−１で、ヤング率が２００ＧＰａ以上である窒化珪素の粉末を用いることが好ましく、２０〜３０℃のときの熱膨張係数が０．８〜１．３ｐｐｍ・Ｋ−１で、ヤング率が２５０〜３００ＧＰａの範囲の窒化珪素の粉末を用いることがさらに好ましい。
【００２４】
本発明において、コーディエライト粉末と窒化珪素粉末との配合割合は、コーディエライト粉末９３〜９９．９９重量％に対して窒化珪素粉末が０．０１〜７重量％の範囲が好ましく、コーディエライト粉末９６〜９９．９重量％に対して窒化珪素粉末が０．１〜４重量％の範囲がさらに好ましい。コーディエライト粉末が９３重量％未満で窒化珪素粉末が７重量％を超えると、焼成時に試料内部から発泡が起こり、緻密コーディエライト質セラミックスが得られない。一方、コーディエライト粉末が９９．９９重量％を超え窒化珪素粉末が０．０１体積％未満であると、１３０ＧＰａ以上のヤング率を有する緻密コーディエライト質セラミックスが得られず、外部応力に対して寸法変化が生じ易くなる。
【００２５】
本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスの気孔率は、５％以下、好ましくは４％以下、さらに好ましくは３％以下で、０であることがもっとも好ましい。気孔率が５％を超えると、経時変化及び遊離ガスの発生を抑制することができず、さらには気孔率の増加に伴いヤング率が低下する。
気孔率は、アルキメデス法で測定して求めることができる。
【００２６】
また、本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスの２０〜３０℃のときの熱膨張係数は、−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１の範囲が好ましく、−０．４〜＋０．３ｐｐｍ・Ｋ−１の範囲がより好ましく、−０．２〜＋０．２ｐｐｍ・Ｋ−１の範囲がさらに好ましい。−０．５〜＋０．５ｐｐｍ・Ｋ−１の範囲から外れると少しの温度変化に対して寸法変化が生じる傾向がある。
熱膨張係数は、全膨張型熱膨張計で測定して求めることができる。
【００２７】
さらに、本発明によって得られる緻密コーディエライト質セラミックスのヤング率は、１３０ＧＰａ以上が好ましく、１３５ＧＰａ以上がより好ましく、１４０ＧＰａ以上がさらに好ましく、上限については特に制限はない。１３０ＧＰａ未満であると外部応力に対して寸法変化が生じる傾向がある。
ヤング率は、超音波パルス法で測定して求めることができる。
【００２８】
コーディエライト粉末と窒化珪素粉末との混合法については特に制限はなく、例えばボールミル、乳鉢等を用いて粉砕、混合することができる。
成形法についても制限はなく、金型プレス成形、射出成形、等方加圧成形等の方法で成形することができる。なお成形圧力は、各々成形方法により異なるため特に制限はない。
【００２９】
また、焼成は、高いヤング率を得る点で窒素（Ｎ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス雰囲気中又は真空中で焼成することが好ましい。
焼成温度は、１２７０〜１４４０℃、好ましくは１２８０〜１４３０℃、さらに好ましくは１３００〜１４００℃の範囲とされ、１２７０℃未満であると得られるセラミックスが緻密化せず、１４４０℃を超えると成形体が溶融するという問題点が生じる。
【００３０】
以下、本発明を実施例により説明する。
【実施例】
純度９９％以上の水酸化マグネシウムを１０００℃で１時間仮焼きして得た酸化マグネシウム原料と、それぞれ純度９９％以上のＡｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２の粉末をモル比で２：２：５となるように配合し、ボールミルで２４時間湿式混合した後、乾燥、造粒し、次いで大気中で１４００℃の温度で１０時間仮焼きしてコーディエライト粉末を得た。得られたコーディエライト粉末をＸ線回折装置で測定した結果、ほぼ単相のコーディエライト粉末が得られていた。
【００３１】
このコーディエライト粉末を乳鉢にて粉砕後、等方加圧成形し、窒素雰囲気中で１３５０℃の温度で焼成した試料の特性を表１の試料Ｎｏ．１に示す。その結果、気孔率は３％及び２０〜３０℃のときの熱膨張係数は−０．２ｐｐｍ・Ｋ−１であったが、ヤング率は１１８ＧＰａと低い値であった。
【００３２】
次に、上記コーディエライト粉末に対して、焼結助剤として２０〜３０℃のときの熱膨張係数が１．１ｐｐｍ・Ｋ−１及びヤング率が３５０ＧＰａで平均粒径が０．６μｍの窒化珪素粉末を表１に示す割合で添加し、ボールミルで２４時間粉砕、混合し、乾燥後６０メッシュの篩いを通して造粒した。その後２０ＭＰａの圧力で一軸加圧成形し、直径が２５ｍｍ及び厚さが約１０ｍｍのペレット状に成形した後、１２０ＭＰａの圧力で等方加圧成形して成形体を得た。次いで得られた成形体を表１に示す条件で焼成して焼結体（緻密コーディエライト質セラミックス）を得た。なお試料Ｎｏ．１８のみ混合及び粉砕は全て乳鉢を用いて行った。
【００３３】
得られた焼結体について、気孔率、ヤング率及び熱膨張係数を求めた。その結果を表１に示す。なお気孔率はアルキメデス法で測定して求め、ヤング率は超音波パルス法で測定して求め、また熱膨張係数は全膨張型熱膨張計で測定して求めた。なお熱膨張係数は２０〜３０℃での値を示した。
【００３４】
【表１】
0005011609.tif 000002
【００３５】
表１に示されるように、本発明になる焼結体（緻密コーディエライト質セラミックス）は、気孔率が５％以下、ヤング率が１３０ＧＰａ以上及び２０〜３０℃のときの熱膨張係数が−０．５〜０．５ｐｐｍ・Ｋ−１の範囲で全ての特性に優れていることが明らかである。
【００３６】
これに対し、本発明に含まれない試料Ｎｏ．６の焼結体は、焼成温度が低いため気孔率が１６％と高く、緻密な焼結体を得ることができず、ヤング率も１３０ＭＰａに達しておらず、熱膨張係数も本発明の範囲から外れていた。
また、試料Ｎｏ．１１の焼結体は焼成温度が高いため、試料が溶融してしまった。
さらに、試料ＮＯ．１４及び１７の試料は、焼成中に試料内部から発泡が起こり、緻密な焼結体を得ることはできなかった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の緻密コーディエライト質セラミックスは、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が５％以下にすることができる。また、本発明の製造方法によれば、金属に比べ剛性が高く、かつ熱膨張係数が小さく、気孔率が５％以下の緻密コーディエライト質セラミックスを製造することができる。