JP4714816B2 - Ceramic structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック構造体及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、液晶パネルや半導体製造に使用されるＸＹステージや定盤等の、高い剛性を有し、軽量で大型、かつ高精度のセラミック構造体に関するものである。 The present invention relates to a ceramic structure and a method for manufacturing the same, and more specifically, has a high rigidity, such as an XY stage and a surface plate used for manufacturing a liquid crystal panel and a semiconductor, and is lightweight, large, and highly accurate. The present invention relates to a ceramic structure.
従来、分割した一次セラミック体を作製し、それらを組み立てあるいは接合して、２次成形体を作製することを骨子とするセラミック成形体の製造方法に関して、以下の公知例がある。
（１）一体化成形が困難な形状を有する粉末焼結体の製造時、寸法精度の悪化、適用粉末の限定、生産性の低下、及び生産コストの上昇という課題を解決するために、粉末と熱可塑性バインダーで形成するコンパウンドを用い、複数個に分割成形体を作製し、接合面にバインダー薄膜層を形成後、各分割成形体を組み立てて、脱脂、焼結を行う方法が提案されている（特許文献１）。
Conventionally, there are the following publicly known examples of a method for producing a ceramic molded body, which mainly includes producing divided primary ceramic bodies and assembling or joining them to produce a secondary molded body.
(1) At the time of manufacturing a powder sintered body having a shape that is difficult to be integrally formed, in order to solve the problems of deterioration in dimensional accuracy, limitation of applicable powder, reduction in productivity, and increase in production cost, A method has been proposed in which a compound formed with a thermoplastic binder is used to produce a plurality of divided molded bodies, a binder thin film layer is formed on the joint surface, and then each divided molded body is assembled to be degreased and sintered. (Patent Document 1).
（２）組み立てを必要としないで複合構造の焼結体を製造することができる成形体の製造方法を提供することを目的として、金属粉末又はセラミックス粉末と有機バインダーとの混合物を射出成形して小ユニットを成形し、この小ユニットの表面を酸化あるいは窒化した後、金属粉末又はセラミックス粉末と有機バインダーとの混合物を前記小ユニットと連結するように射出成形し、その後、脱脂、焼結することを特徴とする方法が提案されている（特許文献２）。 (2) For the purpose of providing a method for producing a molded body capable of producing a sintered body having a composite structure without requiring assembly, a mixture of metal powder or ceramic powder and an organic binder is injection molded. After molding a small unit and oxidizing or nitriding the surface of the small unit, injection molding is performed so that a mixture of metal powder or ceramic powder and an organic binder is connected to the small unit, and then degreasing and sintering. Has been proposed (Patent Document 2).
（３）金属粉末成形体を接合する方法であって、中空あるいはアンダーカットの形状を有する焼結体の作製を容易にするために、簡便に作製できる成形体を組み合わせて、中空あるいはアンダーカット等の複雑な形状の焼結体を得て、成形体の接合面に炭素源ないしほう素源を与えて密着させて焼結することで、焼結温度程度で成形体界面に液相を生じさせ、簡単に十分な強度で接合する方法が提案されている（特許文献３）。 (3) A method of joining metal powder compacts, in order to facilitate the production of a sintered body having a hollow or undercut shape, by combining the compacts that can be easily produced, hollow or undercut, etc. A sintered body with a complex shape is obtained, and a carbon source or a boron source is applied to the joint surface of the molded body so that the sintered body is in close contact with each other. A method of easily joining with sufficient strength has been proposed (Patent Document 3).
また、大型セラミック体の製造方法としては、以下のような公知例がある。
（４）アルミナ粉末を添加混合した粘土粉末に超高温用セラミックファイバー短繊維を混合して型付けした後、乾燥・焼成することにより、苛酷な自然条件下での使用に適した建築用セラミック板を製造する方法が提案されている（特許文献４）。
Moreover, as a manufacturing method of a large-sized ceramic body, there are known examples as follows.
(4) After mixing ceramic powder short fibers for ultra-high temperature with clay powder added and mixed with alumina powder, and molding and then drying and firing, a ceramic ceramic board suitable for use under severe natural conditions is obtained. A manufacturing method has been proposed (Patent Document 4).
（５）大型薄肉のセラミック板体の成形方法及び成形型として、練土状の可塑性セラミック組成物を出発原料とし、この出発原料を真空押出し成形機あるいは真空土練機により、角柱状、円柱状あるいはその他の形状に押出し成形した成形体をプレス機により加圧成形することにより、内部歪みを除去し、かつ密度の均一な加圧成形体に成形する方法が提案されている（特許文献５）。 (5) As a forming method and a mold for a large thin ceramic plate, a clay-like plastic ceramic composition is used as a starting material, and this starting material is formed into a prismatic shape or a cylindrical shape by a vacuum extrusion molding machine or a vacuum kneading machine. Alternatively, a method has been proposed in which a molded body extruded into another shape is subjected to pressure molding with a press to remove internal distortion and to be molded into a pressure molded body having a uniform density (Patent Document 5). .
（６）大型（例；５００×５００×４ｍｍ程度）であっても移動、運搬に耐えるだけのグリーン強度、たわみ性を有している大型製品を製造する方法として、（Ａ）可塑性のないセラミックスはい土１００部と（Ｂ）有機質繊維（例；古紙の解砕物）及び／又は無機質繊維（例；ムライト繊維）２〜２０部とを、（Ｃ）水で混練してスラリー（固形分含有量；５〜２５％）とし、次に、上記スラリーに、それぞれ０．１〜１％のアニオン系分散剤とカチオン系凝集剤とを添加し、撹拌した後、ウエットマシーン等を用いて脱水し、生成されたフロックを積層させてウエットマット（グリーンシート）を作製し、乾燥、焼成する方法が提案されている（特許文献６）。 (6) As a method for producing a large product having green strength and flexibility enough to withstand movement and transportation even in a large size (eg, about 500 × 500 × 4 mm), (A) Ceramics without plasticity (C) Kneaded with 100 parts of soil and 2-20 parts of (B) organic fiber (e.g. waste paper crushed material) and / or inorganic fiber (e.g. mullite fiber) with slurry (solid content) 5 to 25%), and then 0.1 to 1% of an anionic dispersant and a cationic flocculant are added to the slurry and stirred, followed by dehydration using a wet machine or the like. There has been proposed a method in which the produced floc is laminated to produce a wet mat (green sheet), and then dried and fired (Patent Document 6).
（７）セラミック生成形体の製造装置として、一対の無端ベルトコンベアを適当な空間をおいて、搬送面が地面と垂直になるように設置し、搬送面においては原材料である硬化あるいはゲル化するバインダーを含んだセラミックスラリーを加熱する手段を有し、セラミックスラリーの供給装置と併せて、セラミック生成形体を連続生産する方法が提案されている（特許文献７）。 (7) As an apparatus for producing a ceramic shaped body, a pair of endless belt conveyors are installed with an appropriate space so that the transport surface is perpendicular to the ground surface, and a binder that hardens or gels as a raw material on the transport surface There has been proposed a method for continuously producing a ceramic production form in combination with a ceramic slurry supply device (Patent Document 7).
（８）室温から高温度迄の広い使用温度範囲において優れた構造強度、耐食性、耐久性等を有し、小型で複雑形状を有する構造体であっても高い寸法精度で容易かつ効率的に製造可能な反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法を提供するものとして、炭化ケイ素粉末と炭素粉末とバインダーとを混合して成る原料混合体を成形して溝付きの板状成形体を複数個作製し、これらの複数の板状成形体を接着剤で仮接合することにより溝を細孔として内部に備えた積層体を形成し、得られた積層体について脱バインダー処理を実施して脱脂体とした後に、この脱脂体を加熱し、溶融シリコンを含浸して反応焼結させて一体の焼結体とする反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法が提案されている（特許文献８）。 (8) Excellent structural strength, corrosion resistance, durability, etc. in a wide operating temperature range from room temperature to high temperature. Even small and complex structures can be manufactured easily and efficiently with high dimensional accuracy. Producing a reaction-sintered silicon carbide structure that can be produced by forming a raw material mixture consisting of silicon carbide powder, carbon powder and a binder to produce a plurality of grooved plate-shaped molded bodies Then, by temporarily joining the plurality of plate-shaped molded bodies with an adhesive, a laminated body provided with grooves as pores therein is formed, and the resulting laminated body is subjected to a debinding treatment to obtain a degreased body and After that, a method of manufacturing a reaction sintered silicon carbide structure in which the degreased body is heated, impregnated with molten silicon and subjected to reaction sintering to form an integral sintered body has been proposed (Patent Document 8).
（９）接合層は平均結晶粒径が特定範囲にある炭化ケイ素結晶粒と、その結晶粒の間にネットワーク状に連続して存在するシリコン相とから主として成ることにより、強度などの機械的特性を再現性よく高める炭化ケイ素基接合部品とその製造方法が提案されている（特許文献９）。この方法では、接合層は反応焼結により生成したＳｉＣ結晶粒とこれら結晶粒の隙間に存在するＳｉ相とで構成され、ＳｉＣ結晶粒の微構造については、平均結晶粒径が０．１〜３０μｍの範囲となるように粒子形状が制御される。 (9) The bonding layer is mainly composed of silicon carbide crystal grains having an average crystal grain size in a specific range and a silicon phase continuously present in the form of a network between the crystal grains. There has been proposed a silicon carbide-based bonded part that increases the reproducibility with good reproducibility and a manufacturing method thereof (Patent Document 9). In this method, the bonding layer is composed of SiC crystal grains generated by reactive sintering and Si phases existing in the gaps between these crystal grains, and the average crystal grain size of the microstructure of the SiC crystal grains is 0.1 to 0.1. The particle shape is controlled to be in the range of 30 μm.
このように、従来、セラミック体の製造方法として、種々の方法が提案されているが、これまで、ステージやテーブルは、原料を使って鋳込み成形やＣＩＰにより大型の素材を作製し、その後、生加工により、底部からの加工により凹み部分を形成し、軽量化する手法が採られてきた。 As described above, various methods have been conventionally proposed as a method for producing a ceramic body. Until now, a stage and a table have been prepared by using a raw material to produce a large material by casting or CIP. By processing, a method of forming a recessed portion by processing from the bottom and reducing the weight has been adopted.
一方、ＩＴを支える超ＬＳＩの線幅のナノ微細化、液晶ディスプレイの巨大化、及びスループットの向上といったニーズに応えるため、半導体・液晶のマザーマシンとなる露光装置のステージやテーブルの軽量化・高剛性化、そして大型化への要求は非常に高い。軽量化によりアクチュエータの負荷を低減し、ＬＳＩのナノ微細配線化に弊害となる発熱を抑えることができ、また、液晶の大型化への対応と、軽量化のもたらすステージ移動の高速化は生産のスループットを高めることは明らかであり、いずれもＩＴ産業に与えるインパクトは極めて大きい。 On the other hand, in order to meet the needs of ultra-fine line width of VLSI supporting IT, enlargement of liquid crystal display, and improvement of throughput, the stage and table of the exposure apparatus, which is a mother machine for semiconductor and liquid crystal, are made lighter and higher. The demand for increased rigidity and size is very high. The weight reduction reduces the load on the actuator and suppresses the heat generation that adversely affects the nano-fine wiring of LSIs. It is clear that the throughput is increased, and both have a great impact on the IT industry.
しかし、上記公知例に記された方法では、例えば、２０００ｍｍを超えるような大型部材の製造は困難である。また、大型部材は、鋳込み成形により、石膏型内にスラリーを注入し吸水固化させる方法が一般的であるが、サイズの大型化や比剛性率（ヤング率／密度の比）の向上といった要求に応えるには限界がある。更に、大型部材を一体で作製する場合、製造過程で欠陥が検出された場合、全てを作製しなおすこととなり、そのコストは甚大となり、製造リスクは高い。非破壊検査方法を使った工程管理も困難である。 However, it is difficult to manufacture a large-sized member exceeding 2000 mm, for example, by the method described in the above known example. In addition, for large members, a method of injecting slurry into a gypsum mold and solidifying with water absorption by casting is generally used, but there is a demand for an increase in size and an improvement in specific rigidity (ratio of Young's modulus / density). There are limits to responding. Furthermore, when a large member is manufactured integrally, if defects are detected in the manufacturing process, all of them are manufactured again, the cost is enormous, and the manufacturing risk is high. Process management using nondestructive inspection methods is also difficult.
また、通常、ステージ等の製造は、成形後、生加工により、凹み部分を設け軽量化する手法が採られているが、強度がほとんど無い、また、大型成形体のハンドリングを考え、リブの厚みは２０ｍｍ程度と厚くせざるを得ないという問題がある。また、底面を形成することは、変形を押さえる上で有効であるが、従来材では、製法上、底の面を設けることは困難となっている。 In addition, the production of stages and the like is usually performed by forming a dent part and reducing the weight by raw processing after molding, but there is almost no strength, and considering the handling of large molded products, the thickness of the ribs Has a problem of having to be as thick as about 20 mm. In addition, forming the bottom surface is effective in suppressing deformation, but it is difficult to provide the bottom surface in the conventional material because of the manufacturing method.
更に、従来材は、どの部分も均一な組織をもつ材料で構成されていることを前提としており、また、支持構造によって各部で応力は異なるが、同じ構造をとっていた。これらは、やはり均一材料を使って、上記製造方法で作製する限り、軽量化を図る上で避けることはできなかった。こうした理由により、従来材では、高い剛性を維持しつつ軽量化をはかるには限界があった。また、通常、ステージやテーブルの表面は、ミクロン以下の平滑な面が要求されることから、長時間をかけて平滑化するための研磨が行われており、作製に長期の時間と多くの労力が必要とされているのが実情であった。 Furthermore, the conventional material is based on the premise that every part is made of a material having a uniform structure, and the stress varies depending on the support structure, but has the same structure. These could not be avoided in order to reduce the weight as long as they were produced by the above manufacturing method using a uniform material. For these reasons, the conventional material has a limit in achieving weight reduction while maintaining high rigidity. In addition, since the surface of the stage or table is usually required to have a smooth surface of less than a micron, polishing is performed for smoothing over a long period of time. It was the actual situation that was needed.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、半導体や液晶の露光装置に必要なステージやテーブル等について、大型化に対応できる新しい製造技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、精密加工した剛節架構構造を持つユニットを組み合せて一体化する方法を採用することで所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、半導体や液晶の露光装置に必要なステージやテーブル等について、剛性が高く、軽量で、平滑な面を持ち、大型化に対応できるセラミック構造体及び該セラミック構造体を低コストで製造する方法を提供することを目的とするものである。 Under such circumstances, the present inventors have aimed to develop a new manufacturing technology that can cope with an increase in the size of stages and tables necessary for semiconductor and liquid crystal exposure apparatuses in view of the above-described conventional technology. As a result of intensive research, we have found that the intended purpose can be achieved by adopting a method that combines and integrates units with a precision-structured rigid joint frame structure, and the present invention has been completed. . The present invention provides a ceramic structure that can be used for semiconductors and liquid crystal exposure apparatuses, such as stages and tables, having high rigidity, light weight, a smooth surface, and capable of accommodating upsizing at low cost. It is an object to provide a method for doing this.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）被処理物を乗せた状態で加工処理を行うための架台として用いられるセラミック構造体であって、
１）該架台は、剛節架構構造を有する複数のユニットが結合・一体化された構造を有している、２）上記架台の表面は、緻密な膜で被覆されている、３）上記架台として用いられるセラミック構造体を構成する固体部分は、反応焼結窒化ケイ素又は反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料で構成されている、４）上記架台の部分の応力の大きさに応じて異なる気孔率を有するユニットが配設されている、５）上記固体部分の基材が、ケイ素が４０〜６５重量％で、アルミナ又はムライトを含有する、６）上記緻密な膜が、ＣＶＤ、グレージング、ゾルゲル、又は有機ケイ素ポリマーの熱分解により生成された無機系の平滑な被膜であるか、あるいは、焼結後の熱処理による酸化あるいは基材中に含有されていた成分の一部が表面に染み出すことによって形成されたものである、ことを特徴とするセラミック構造体。
（２）上記架台の裏面には、被処理物を配した時に生じる撓みを小さくできるよう、架台に設けられた空間部分に底面が配されている前記（１）記載のセラミック構造体。
（３）上記剛節架構構造及び固体部分が、多孔質であり、その微細構造は、架台の支持構造できまる応力に応じ、高い応力の生じる部分は気孔率が小さく、応力の小さい部分は気孔率が大きく、その構造が、応力の大きさに応じて異なる前記（１）記載のセラミック構造体。
（４）上記架台を構成する固体部分の密度が、２．５ｇ／ｃｍ３〜３．４ｇ／ｃｍ３の範囲にある前記（１）記載のセラミック構造体。
（５）上記架台を構成する固体部分の基材と強固に結合した緻密な膜を有する前記（１）記載のセラミック構造体。
（６）ユニット間の空隙の一部あるいは全部が、焼成過程で生成したケイ素を含む化合物で充填されて、全体が一体化されている前記（１）記載のセラミック構造体。
（７）上記グレージングにより表面に形成された緻密な膜が、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏを含む熱膨張係数が５×１０−６／Ｋ以下の緻密かつ平滑な被膜である前記（１）記載のセラミック構造体。
(８)上記架台を構成する固体部分の基材が、ケイ素が４０〜６５重量部、アルミナが１〜５重量部、ムライトが５〜１５重量部、イットリアが０．１〜３重量部、セリアが０．１〜８重量部で、残部の骨材が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は炭化ホウ素である前記（１）記載のセラミック構造体。
（９）上記反応焼結窒化ケイ素あるいは反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料に、剛性を向上させるために母相よりヤング率の大きい粒子が分散されている前記（１）記載のセラミック構造体。
（１０）上記セラミック構造体が、半導体露光装置用ステージ、液晶露光用テーブル、又は定盤である前記（１）から（９）のいずれかに記載のセラミックス構造体。
（１１）前記（１）記載のセラミック構造体を製造する方法であって、
ケイ素を含む原料を押し出し、プレス、又は鋳込み成形後の生加工で、最終構造体を分割した形状で、かつユニット同士の結合部分をはめ合い構造にした多孔質ユニット体を作製し、該ユニット体を配置、連結して組み立て、反応焼成して一体化すること、上記ユニット間の接合には、最終焼成前にスラリーを塗布し、焼成することでユニット同士を強固に結合し、一体化すること、上記原料を使って所定の形状に成形後、組み立て、脱脂し、窒素雰囲気中での焼成後、表面を加工研磨し、更に、大気中１１００〜１３５０℃で熱処理することにより、ガラス成分を染み出させ、固化させるか、あるいは、ＣＶＤ、グレージング、ゾルゲル、又は有機ケイ素ポリマーの熱分解の手法により非晶質の被膜を生成させることで、表面に緻密な膜を形成すること、を特徴とするセラミック構造体の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A ceramic structure used as a gantry for performing processing with a workpiece placed thereon ,
1) The gantry has a structure in which a plurality of units having a rigid joint frame structure are combined and integrated. 2) The surface of the gantry is covered with a dense film. 3) The gantry The solid part that constitutes the ceramic structure used as a material is composed of a material mainly composed of reaction sintered silicon nitride or reaction sintered silicon carbide. 4) Depending on the magnitude of the stress of the pedestal part Units having different porosities are disposed. 5) The substrate of the solid part is 40 to 65% by weight of silicon and contains alumina or mullite. 6) The dense film is formed by CVD or glazing. It is an inorganic smooth coating formed by thermal decomposition of sol-gel or organosilicon polymer, or it is oxidized by heat treatment after sintering or a part of the component contained in the substrate is stained on the surface. Take out A ceramic structure characterized in that it is formed by:
(2) The ceramic structure according to (1), wherein a bottom surface is disposed on a space portion provided on the gantry so as to reduce the bending generated when the workpiece is disposed on the back surface of the gantry.
(3) The rigid joint frame structure and the solid portion are porous, and the fine structure has a low porosity in a portion where high stress is generated, and a portion in which the stress is small is a pore according to the stress generated by the support structure of the gantry. The ceramic structure according to (1), wherein the rate is large and the structure varies depending on the magnitude of stress.
(4) Density of solid part constituting the cradle, the in the range of 2.5g / cm 3 ~3.4g / cm 3 (1) ceramic structure according.
(5) The ceramic structure according to (1), wherein the ceramic structure has a dense film that is firmly bonded to the base material of the solid portion constituting the mount.
(6) The ceramic structure according to (1), wherein a part or all of the gaps between the units are filled with a silicon-containing compound generated in the firing process and integrated as a whole.
( 7 ) The dense film formed on the surface by the glazing is a dense and smooth film having a thermal expansion coefficient of 5 × 10 −6 / K or less containing at least Si, Al, Mg, and O. ( 1 ) The ceramic structure described.
( 8 ) The base material of the solid part constituting the mount is 40 to 65 parts by weight of silicon, 1 to 5 parts by weight of alumina, 5 to 15 parts by weight of mullite, 0.1 to 3 parts by weight of yttria, and ceria. 0.1 to 8 parts by weight, and the remaining aggregate is silicon nitride, silicon carbide, or boron carbide.
( 9 ) The ceramic structure according to (1), wherein particles having a larger Young's modulus than the parent phase are dispersed in the material containing the reaction sintered silicon nitride or the reaction sintered silicon carbide as a main component in order to improve rigidity. body.
( 10 ) The ceramic structure according to any one of (1) to ( 9 ), wherein the ceramic structure is a stage for a semiconductor exposure apparatus, a liquid crystal exposure table, or a surface plate.
( 11 ) A method for producing the ceramic structure according to (1) ,
A raw material containing silicon is extruded, and a porous unit body having a shape in which the final structure is divided by a raw process after pressing or casting is formed and a connecting portion between the units is fitted, and the unit body is manufactured. The units are connected, assembled, integrated by reaction firing, and the units are joined together by applying slurry before final firing and firing, to firmly bond the units together. After forming into a predetermined shape using the above raw materials, assembling, degreasing, firing in a nitrogen atmosphere, processing and polishing the surface, and further heat-treating in the atmosphere at 1100 to 1350 ° C. to stain the glass component Create a dense film on the surface by letting out, solidifying, or forming an amorphous film by CVD, glazing, sol-gel, or pyrolysis of organosilicon polymer Method for manufacturing a ceramic structure, characterized in that, the formed.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、基板等の被処理物を乗せた状態で加工処理を行うための架台として用いられるセラミック構造体であって、該架台は、剛節架構構造を有する複数のユニットが結合・一体化された構造を有していること、上記架台の表面は、緻密な膜で被覆されていること、上記架台を構成する固体部分は、反応焼結窒化ケイ素又は反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料で構成されていること、上記架台の部分の応力の大きさに応じて異なる気孔率を有するユニットが配設されていること、を特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a ceramic structure used as a gantry for performing processing with a workpiece such as a substrate placed thereon, and the gantry is formed by combining and integrating a plurality of units having a rigid joint frame structure. The surface of the pedestal is covered with a dense film, and the solid portion constituting the pedestal is composed of reaction sintered silicon nitride or reaction sintered silicon carbide as a main component. And a unit having a different porosity depending on the magnitude of the stress of the pedestal portion is provided.
本発明では、上記架台の裏面には、被処理物を配した時に生じる撓みを小さくできるように、底面を配設することができる。また、本発明は、上記剛節架構構造及び固体部分が、多孔質であり、その微細構造は、架台の支持構造で決まる応力に応じ、高い応力の生じる部分は気孔率が小さく、応力の小さい部分は気孔率が大きく、その構造が、応力の大きさに応じて異なっている。また、上記架台を構成する固体部分の密度は、２．５ｇ／ｃｍ３から３．４ｇ／ｃｍ３の範囲にあることが好適である。また、上記セラミック構造体は、上記架台を構成する固体部分の基材と強固に結合した緻密な膜を有している。 In the present invention, a bottom surface can be disposed on the back surface of the gantry so as to reduce the bending that occurs when the workpiece is disposed. Further, according to the present invention, the rigid joint frame structure and the solid part are porous, and the fine structure has a low porosity and a low stress in a part where high stress occurs according to the stress determined by the support structure of the gantry. The portion has a high porosity, and its structure varies depending on the magnitude of the stress. The density of the solid portion constituting the cradle, it is preferred that from 2.5 g / cm 3 in the range of 3.4 g / cm 3. In addition, the ceramic structure has a dense film that is firmly bonded to the base material of the solid portion constituting the gantry.
また、本発明では、上記ユニット間の空隙の一部あるいは全部が、焼成過程で生成したケイ素を含む化合物で充填されて、全体が一体化されている。上記緻密な膜は、好適には、例えば、ＣＶＤ、グレージング、ゾルゲル、有機ケイ素ポリマーの熱分解により生成された無機系の平滑な被膜から構成される。また、上記グレージングにより表面に形成された緻密な膜は、好適には、例えば、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏを含む熱膨張係数が５×１０−６／Ｋ以下の緻密かつ平滑な被膜から構成される。上記緻密な膜は、焼結後の熱処理による酸化あるいは基材中に含有されていた成分の一部が表面に染み出すことによって形成される。 In the present invention, part or all of the gaps between the units are filled with a silicon-containing compound produced in the firing process, and the whole is integrated. The dense film is preferably composed of, for example, an inorganic smooth film formed by, for example, CVD, glazing, sol-gel, or thermal decomposition of an organosilicon polymer. The dense film formed on the surface by glazing is preferably a dense and smooth film having a thermal expansion coefficient of 5 × 10 −6 / K or less including at least Si, Al, Mg, and O, for example. Composed. The dense film is formed by oxidation by heat treatment after sintering or a part of the component contained in the base material oozes out to the surface.
また、本発明では、例えば、上記架台を構成する固体部分の基材は、ケイ素が４０〜６５重量部、アルミナが１〜５重量部、ムライトが５〜１５重量部、イットリアが０．１〜３重量部、セリアが０．１〜８重量部で、残部の骨材が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は炭化ホウ素であることが好適である。また、上記反応焼結窒化ケイ素あるいは反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料に、剛性を向上させるために、母相よりヤング率の大きい粒子が分散されていることが好適である。 In the present invention, for example, the base material of the solid part constituting the gantry is 40 to 65 parts by weight of silicon, 1 to 5 parts by weight of alumina, 5 to 15 parts by weight of mullite, and 0.1 to 9 of yttria. It is preferable that 3 parts by weight, ceria is 0.1 to 8 parts by weight, and the remaining aggregate is silicon nitride, silicon carbide, or boron carbide. Further, in order to improve the rigidity, it is preferable that particles having a Young's modulus greater than that of the parent phase are dispersed in the above-described material containing the reaction-sintered silicon nitride or the reaction-sintered silicon carbide.
また、本発明は、上記セラミック構造体を製造する方法であって、ケイ素を含む原料を押し出し、プレス、又は鋳込み成形後の生加工で、最終構造体を分割した形状で、かつユニット同士の結合部分をはめ合い構造にした多孔質ユニット体を配置、連結して組み立て、反応焼成して一体化することを特徴とするものである。本発明では、ケイ素を含む原料を押し出し、プレス、又は鋳込み成形及び生加工により、上記原料を成形し、適宜の形状及び構造の精密なユニット体を作製する。上記原料に成形助剤として、メチルセルロース、グリセリン等を適宜配合することができる。本発明の方法では、上記ユニット間の接合には、最終焼成前にスラリーを塗布し、焼成することでユニット同士を強固に結合し、一体化する方法が例示される。 Further, the present invention is a method for producing the above ceramic structure, in which a raw material containing silicon is extruded, pressed, or in a raw process after casting, the final structure is divided, and the units are joined together A porous unit body having a part-fitting structure is arranged, connected and assembled, and reacted and fired to be integrated. In the present invention, a raw material containing silicon is extruded, and the raw material is formed by pressing, casting, or raw processing, and a precise unit body having an appropriate shape and structure is manufactured. Methyl cellulose, glycerin and the like can be appropriately blended with the above raw materials as molding aids. In the method of the present invention, examples of the joining between the units include a method in which the units are firmly bonded and integrated by applying slurry and firing before the final firing.
更に、本発明では、上記原料を使って所定の形状に成形後、組み立て、脱脂し、窒素雰囲気中での焼成後、表面を加工研磨し、更に、大気中１１００℃から１３５０℃で、５時間から３０時間の範囲で熱処理することにより、ガラス成分を染み出させ、固化させ、表面に緻密な膜を形成する。本発明のセラミック構造体は、好適には、例えば、半導体露光装置用ステージ、液晶用テーブル、又は定盤として使用することができるが、これらに制限されるものではない。本発明において、上記ユニットの形状、構造、それらの分割形態、組み合せ方式は、特に制限されるものではなく、その使用目的等に応じて任意に設計することができる。 Furthermore, in the present invention, the raw material is molded into a predetermined shape, assembled, degreased, fired in a nitrogen atmosphere, the surface is processed and polished, and further in the atmosphere at 1100 ° C. to 1350 ° C. for 5 hours. To 30 hours, the glass component is exuded and solidified to form a dense film on the surface. The ceramic structure of the present invention can be suitably used as, for example, a stage for a semiconductor exposure apparatus, a liquid crystal table, or a surface plate, but is not limited thereto. In the present invention, the shape and structure of the units, their division form, and the combination method are not particularly limited, and can be arbitrarily designed according to the purpose of use and the like.
本発明では、原料は、上述のように、ケイ素が４０〜６５重量部、アルミナが１〜５重量部、ムライトが５〜１５重量部、イットリアが０．１〜３重量部、セリアが０．１〜８重量部で、残部が、骨材として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は炭化ホウ素であることが好ましいが、これに制限されるものではなく、主成分としてケイ素を含み、反応焼結できるものであれば同様に使用することができる。これらの原料配合については、作製するセラミック構造体の大きさ、種類、使用目的等に応じて、適宜設計することができる。 In the present invention, the raw materials are 40 to 65 parts by weight of silicon, 1 to 5 parts by weight of alumina, 5 to 15 parts by weight of mullite, 0.1 to 3 parts by weight of yttria, and 0.1 to 3 parts by weight of ceria, as described above. 1 to 8 parts by weight, and the balance is preferably silicon nitride, silicon carbide, or boron carbide as an aggregate, but is not limited to this, and can contain silicon as a main component and can be reactively sintered. Anything can be used as well. About these raw material mixing | blending, it can design suitably according to the magnitude | size, kind, intended purpose, etc. of the ceramic structure to produce.
本発明では、上記原料を押し出し、プレス又は鋳込み成形により成形し、その後、生加工で、最終構造体を任意の割合で分割した形状構造のユニットを作製し、該ユニット同士の結合部分をはめ合い構造にした多孔質ユニット体を組み立て、これを反応焼成して一体化する。該焼成工程では、約７００℃前後で脱脂した後、０．１〜１０ＭＰａの窒素雰囲気中、好適には、最高１４００℃まで加熱し、反応焼結を行うことが好適である。 In the present invention, the raw material is extruded, molded by pressing or cast molding, and then a unit having a shape structure in which the final structure is divided at an arbitrary ratio is formed by raw processing, and the connecting portion between the units is fitted. A porous unit body having a structure is assembled, and this is integrated by reaction firing. In the firing step, after degreasing at around 700 ° C., it is preferable to perform reaction sintering by heating to a maximum of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere of 0.1 to 10 MPa.
上記反応焼結を行った後、更に、１１００℃から１３５０℃の範囲で、５時間から３０時間の範囲で熱処理を行い、該熱処理で表面に酸化物層が染み出すことで、基材と強固に結合した緻密な膜が形成される。熱処理条件は、好適には、例えば、温度は１１００℃から１３００℃、時間は５時間から２０時間の範囲である。本発明のセラミック構造体は、４点曲げ強度が、平均で２９０ＭＰａ、ワイブル係数は１２であった。 After performing the reactive sintering, heat treatment is further performed in the range of 1100 ° C. to 1350 ° C. for 5 hours to 30 hours. A dense film bonded to is formed. The heat treatment conditions are preferably in the range of, for example, a temperature of 1100 ° C. to 1300 ° C. and a time of 5 hours to 20 hours. The ceramic structure of the present invention had an average four-point bending strength of 290 MPa and a Weibull coefficient of 12.
本発明では、架台の部分の応力に応じて、ユニット体の気孔率を変化させて該ユニット体を配設することができる。即ち、架台の支持構造との関係で定まる応力に応じて、高い応力の生じる部分は気孔率を小さく、応力の小さい部分は気孔率が大きくなるように、その構造を応力の大きさに応じて任意に設計することができ、それにより、架台の強度と軽量化のバランスをとることで、軽量化を達成することができる。 In the present invention, the unit body can be disposed by changing the porosity of the unit body in accordance with the stress of the pedestal portion. That is, depending on the stress determined by the relationship with the support structure of the gantry, the structure is adjusted according to the magnitude of the stress so that the portion where the high stress occurs has a low porosity and the portion where the stress is low increases the porosity. It is possible to design arbitrarily, and by doing so, weight reduction can be achieved by balancing the strength and weight reduction of the gantry.
上記ユニット体の気孔率は、例えば、０〜３０％とすることが例示される。上記セラミック構造体の固体部分の密度は２．５ｇ／ｃｍ３から３．４ｇ／ｃｍ３の範囲が例示される。このように、上記ユニット体の気孔率は、該ユニット体を配設する部位に応じて任意に設計することができる。本発明において、上記ユニット体の大きさ、形状及び構造、該ユニット体から構成されるセラミック体の大きさ、形状及び構造については、それらの使用目的等に応じて任意に設計することができる。 Examples of the porosity of the unit body include 0 to 30%. The density of the solid part of the ceramic structure is exemplified in the range of 2.5 g / cm 3 to 3.4 g / cm 3 . Thus, the porosity of the unit body can be arbitrarily designed according to the site where the unit body is disposed. In the present invention, the size, shape and structure of the unit body, and the size, shape and structure of the ceramic body formed from the unit body can be arbitrarily designed according to their intended use.
本発明では、基本ユニットの気孔率とその配設部位を適宜変えることが可能であり、精密加工した剛節架構構造を持つユニットを任意に組み合わせて一体化する方法により、例えば、従来材のアルミナ製品と比較して、４０％から５０％の軽量化が可能であり、それにより、剛性が高く、軽量で、平滑な面を持つ大型のセラミック構造体を低コストで作製し、提供することが実現できる。 In the present invention, the porosity of the basic unit and its location can be changed as appropriate, and the unit having a precisely processed rigid joint frame structure can be arbitrarily combined and integrated. Compared with products, it is possible to reduce the weight by 40% to 50%, thereby making it possible to produce and provide a large-sized ceramic structure with high rigidity, light weight and smooth surface at low cost. realizable.
本発明では、上記セラミック構造体を構成するユニット体を、反応焼結窒化ケイ素又は反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料で構成することで、焼結時に変形がほとんど生じることなく、多孔質である反応焼結セラミックスを使い、押し出しあるいは生加工等の成形方法により、底面を含めて剛節架構構造を持つユニットを作製し、該ユニットを組み立てて、焼結過程で一体化する。また、本発明では、小型のユニットを組み合わせるため、数ｍｍ程度に薄肉化したリブを形成することができ、また、使用時の応力に応じて、セラミック体の各部位毎に材料の気孔率を好適に設計し、気孔や空間を最大限導入し、軽量で剛性の高い大型部材を得ることが可能である。また、セラミック体の表面を平滑化するために、ある程度加工した後、表面に熱処理あるいはグレージング等の手法により、非晶質の緻密な膜を形成することができる。 In the present invention, the unit body constituting the ceramic structure is made of a material mainly composed of reaction-sintered silicon nitride or reaction-sintered silicon carbide. Using the reaction-sintered ceramic, a unit having a rigid frame structure including the bottom surface is produced by a molding method such as extrusion or raw processing, and the unit is assembled and integrated in the sintering process. Further, in the present invention, since a small unit is combined, a rib thinned to about several millimeters can be formed, and the porosity of the material for each part of the ceramic body can be increased depending on the stress during use. It is possible to suitably design, introduce pores and spaces to the maximum, and obtain a lightweight and highly rigid large member. Further, in order to smooth the surface of the ceramic body, an amorphous dense film can be formed on the surface by a technique such as heat treatment or glazing after being processed to some extent.
大型部材は、成形後（焼結前）には、生強度が小さく、搬送できないため、ユニットの組み立てが、焼成セッター上で行われ、組み立て後、そのまま炉内で焼成されることが望ましい。また、本発明では、上記部材の焼結後における骨格部分をなす材料の平均ヤング率（単位はＧＰａ）に対する、部材全体の重量を体積で割った値（見かけ密度、単位は：ｇ／ｃｍ３））の比は、１００以上であることが望ましく、また、使用状況に応じて、部材各部の骨格部の気孔率を調整することで部材全体の軽量化を図ることも適宜可能である。 Since the large member has a low green strength after molding (before sintering) and cannot be transported, it is desirable that the unit is assembled on a firing setter and fired in the furnace as it is after assembly. In the present invention, the value of the weight of the entire member divided by the volume (apparent density, unit: g / cm 3 ) with respect to the average Young's modulus (unit is GPa) of the material constituting the skeleton after sintering of the member. The ratio of)) is desirably 100 or more, and the weight of the entire member can be appropriately reduced by adjusting the porosity of the skeleton portion of each part of the member according to the use situation.
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）剛節架構構造を有する複数のユニットを反応焼結により結合、一体化することで、剛性が高く、軽量で、大型化に対応できるセラミック構造体を作製し、提供することができる。
（２）上記セラミック構造体を利用することで、半導体や液晶の露光装置に必要なステージ、テーブル又は定盤等の大型部材を提供することができる。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) By combining and integrating a plurality of units having a rigid joint frame structure by reactive sintering, it is possible to produce and provide a ceramic structure that has high rigidity, is light in weight, and can accommodate upsizing.
(2) By using the ceramic structure, it is possible to provide a large member such as a stage, a table or a surface plate required for a semiconductor or liquid crystal exposure apparatus.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
本実施例では、押し出し成形及び反応焼結によりセラミック構造体を作製した。図１（上）に、使用した原料の配合を示す。各粉末総重量に対して、１４０ｗｔ％の水を配合し、ボールミルにより混合した。その後、乾燥させ、水分を除去した。該混合粉末１００％に、成形助剤として外掛で１２％のメチルセルロース、１．５％のグリセリン及び１５％の水を加えて、加圧ニーダーを使って、約１時間混練して、成形組成物を作製した。得られた組成物を、押し出し成形機を使って、断面が１０ｍｍ□の成形体を得た。これを７００℃で脱脂後、０．９３ＭＰａの窒素雰囲気中、最高１４００℃まで加熱し、反応焼成して焼結体を得た。 In this example, a ceramic structure was produced by extrusion molding and reaction sintering. FIG. 1 (top) shows the composition of the raw materials used. 140 wt% of water was blended with respect to the total weight of each powder and mixed by a ball mill. Then, it was made to dry and the water | moisture content was removed. To 100% of the mixed powder, 12% methylcellulose, 1.5% glycerin and 15% water are added as molding aids, and kneaded for about 1 hour using a pressure kneader. Was made. Using the obtained composition, a molded body having a cross section of 10 mm □ was obtained using an extrusion molding machine. This was degreased at 700 ° C., heated to a maximum of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere of 0.93 MPa, and subjected to reaction firing to obtain a sintered body.
更に、得られた焼結体に対して、１１００℃から１３５０℃の範囲で、５時間から３０時間の範囲で熱処理を行い、炉冷後、取り出し、その表面を観察した。また、４点曲げの強度試験を行った。図１（上）に、その結果も併せて示す。以上の工程を経て、ケイ素が窒化ケイ素に転化し、また、熱処理後の焼結体の表面には、成分中の酸化物が溶融し、毛管現象にて表面に染み出し、固化し、被膜が形成されていることが判った（図１（下））。その評価結果から、上記原料は、ケイ素が４０〜６５重量部、アルミナが１〜５重量部、ムライトが５〜１５重量部、イットリアが０．１〜３重量部、セリアが０．１〜８重量部で、残部が、骨材として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は炭化ホウ素であることが望ましいことがわかった。 Furthermore, the obtained sintered body was heat-treated in the range of 1100 ° C. to 1350 ° C. for 5 hours to 30 hours, taken out after furnace cooling, and the surface thereof was observed. In addition, a four-point bending strength test was performed. The results are also shown in FIG. Through the above steps, silicon is converted into silicon nitride, and the oxide in the component melts on the surface of the sintered body after the heat treatment, oozes out on the surface by capillary action, solidifies, and the film is formed. It was found that it was formed (FIG. 1 (bottom)). From the evaluation results, the raw materials are 40 to 65 parts by weight of silicon, 1 to 5 parts by weight of alumina, 5 to 15 parts by weight of mullite, 0.1 to 3 parts by weight of yttria, and 0.1 to 8 of ceria. It was found that by weight, the balance is preferably silicon nitride, silicon carbide, or boron carbide as an aggregate.
本実施例では、図１に示した組成のうち、ＴＰコードで１６を使用し、実施例１と同じ工程で、押し出し成形により、種々の断面を有する成形体を作製した。図２に、その結果を示す。いずれも、長さは９００ｍｍ、断面はその一辺の長さが１００ｍｍとした。これをユニットと呼ぶこととする。押し出し成形したユニットを横方向に配置し、はめ合いを利用して、焼結後において、縦横がそれぞれ１０００ｍｍ×９００ｍｍとなるように、該ユニットを配置、連結した。このとき、ユニット間の接合面には、同じ組成でなるスラリーをあらかじめ介在させておき、組み合わせたときに自重で隣り合う２つのユニットが密着するようにした。完全にユニットが乾燥しない状態で組み合わせ、密着させることにより、良好な結合状態を得ることができた（図３）。 In this example, 16 of the composition shown in FIG. 1 was used as the TP code, and molded bodies having various cross sections were produced by extrusion molding in the same process as in Example 1. FIG. 2 shows the result. In all cases, the length was 900 mm, and the cross section had a side length of 100 mm. This is called a unit. The extruded units were arranged in the horizontal direction, and the units were arranged and connected so that the vertical and horizontal directions would be 1000 mm × 900 mm after sintering using fitting. At this time, slurry having the same composition was intervened in the joint surface between the units in advance, and two units adjacent to each other were brought into close contact with each other when combined. By combining and bringing the units into close contact with each other without drying completely, it was possible to obtain a good bonded state (FIG. 3).
また、従来のステージが、製造上の制約から、裏面が開放となっていたのに対して（図４；比較例）、本発明では、底面にも梁を設けることができることがわかった。更に、リブ自体の厚みは３ｍｍ程度と薄く、中央部の応力の高い部分には、密なユニット、支持部には疎のユニットとすることで、剛性を維持しつつ、軽量化することが可能であることがわかった。組み立ては、焼成炉セッター上で行い、自然乾燥した後、７００℃で脱脂後、焼成炉内で０．９３ＭＰａの窒素雰囲気中、最高１４００℃まで加熱し、反応焼成した。炉冷後、外観検査を行い、接合面も含めて一体化されていることを確認した。 Further, the conventional stage has an open back surface due to manufacturing restrictions (FIG. 4; comparative example), but in the present invention, it was found that a beam can also be provided on the bottom surface. Furthermore, the thickness of the rib itself is as thin as about 3 mm, and it is possible to reduce the weight while maintaining rigidity by using a dense unit in the high stress part in the center and a sparse unit in the support part. I found out that The assembly was carried out on a firing furnace setter, air-dried, degreased at 700 ° C., then heated in a firing furnace to a maximum of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere of 0.93 MPa and subjected to reaction firing. After the furnace was cooled, an appearance inspection was performed, and it was confirmed that it was integrated including the joint surface.
このようにして作製した、押し出しユニットで構成されたテーブルを切断し、ユニット間の界面（接合面）を観察したところ、完全に一体化されており、欠陥は全く見られなかった。更に、得られた焼結体に対して大気中１３００℃で１０時間、熱処理を施した。この熱処理により、焼結体の表面に酸化物層が染み出し、緻密な膜が形成されることが確認された。被膜の断面を観察した結果、基材と強固に結合していることがわかった。 When the table composed of the extrusion unit thus prepared was cut and the interface (bonding surface) between the units was observed, it was completely integrated and no defects were found. Further, the obtained sintered body was heat-treated at 1300 ° C. for 10 hours in the atmosphere. By this heat treatment, it was confirmed that the oxide layer oozes out on the surface of the sintered body and a dense film is formed. As a result of observing the cross section of the film, it was found that the film was firmly bonded to the substrate.
本実施例では、熱処理条件と表面に形成される被膜の関係を調査した。その結果、熱処理の温度は１１００℃から１３００℃、時間は５時間から２０時間の範囲にあることが望ましいことがわかった。 In this example, the relationship between the heat treatment conditions and the film formed on the surface was investigated. As a result, it was found that the heat treatment temperature is desirably 1100 ° C. to 1300 ° C., and the time is desirably in the range of 5 hours to 20 hours.
上記実施例２で得られた部材について、接合面を含むようにして得られた焼結体から、曲げ試験片を切り出し、４点曲げ強度の測定を行った。その結果、平均で２９０ＭＰａ、ワイブル係数は１２と、ユニット部分と同等の値が得られた。 About the member obtained in the said Example 2, the bending test piece was cut out from the sintered compact obtained by including a joining surface, and the 4-point bending strength was measured. As a result, the average value was 290 MPa and the Weibull coefficient was 12, which was the same value as the unit part.
上記実施例２に示す成分により、図５、６に示す構造のユニットを作製するために、加圧成形＋生加工、また、ゲルキャスト成形でも成形を行い、同様の工程により一体化を行い、図３の部材を得た。このとき、リブの厚さは３ｍｍ程度と従来材に比べて薄肉化した。大型一体品の場合、リブを薄肉化すると、搬送、ハンドリング時に生じる変形でリブが破損する。これに対して、小ユニットを組み上げる本発明では、精密な薄肉リブの形成が可能で、かつユニット自体が軽量でハンドリングも容易なため、薄肉化した部分が破損することはないことがわかった。 In order to produce a unit having the structure shown in FIGS. 5 and 6 with the components shown in Example 2 above, molding is also performed by pressure molding + raw processing or gel cast molding, and integration is performed by the same process. The member of FIG. 3 was obtained. At this time, the thickness of the rib was about 3 mm, which was thinner than the conventional material. In the case of a large-sized integrated product, if the rib is thinned, the rib is damaged due to deformation that occurs during conveyance and handling. On the other hand, in the present invention in which a small unit is assembled, it has been found that a thin thin rib can be formed, and the unit itself is lightweight and easy to handle, so that the thinned portion is not damaged.
本実施例では、支持構造を有するステージを作製した。応力計算の結果、ステージを構成した際に、下方よりガイドで支持されている箇所は、空間量を多くしても、たわみには影響のないことがわかった。そこで、その部分には、気孔率を多くしたユニットを使用した。得られた部材の構造を図７に示す。また、図８には、支持部からなる支持構造の構成を示す。下方から支持されている箇所は、疎なユニットを使用しても変形は少ないことがわかった。 In this example, a stage having a support structure was produced. As a result of the stress calculation, when the stage was constructed, it was found that the portion supported by the guide from below does not affect the deflection even if the space amount is increased. Therefore, a unit with increased porosity was used for that part. The structure of the obtained member is shown in FIG. FIG. 8 shows a structure of a support structure including a support portion. It was found that the portion supported from below is less deformed even when a sparse unit is used.
上記実施例２に示す組成の原料を使用し、振動プレスにより、図５に示す成形体からなるユニットを作製した。次いで、密度の異なるユニットを、縦横がそれぞれ２５００ｍｍ×１５００ｍｍとなるように、配置、連結した。組み立ては、焼成炉セッター上で行い、自然乾燥した後、７００℃で脱脂後、焼成炉内で０．９３ＭＰａの窒素雰囲気中、最高１４００℃まで加熱し、反応焼成して焼結体とした。得られた焼結体の骨格部の密度は、最も低いところで２．５ｇ／ｃｍ３、高いところで３．４ｇ／ｃｍ３であり、得られたステージ上に、約１０ｋｇのガラス板を配して、たわみを測定したところ、１ミクロン以下と良好な結果が得られた。 Using the raw material having the composition shown in Example 2 above, a unit comprising the molded body shown in FIG. 5 was produced by a vibration press. Next, the units having different densities were arranged and connected so that the vertical and horizontal directions were 2500 mm × 1500 mm, respectively. The assembly was performed on a firing furnace setter, air-dried, degreased at 700 ° C., heated in a firing furnace to a maximum of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere of 0.93 MPa, and fired to obtain a sintered body. The density of the skeleton part of the obtained sintered body is 2.5 g / cm 3 at the lowest and 3.4 g / cm 3 at the highest, and an approximately 10 kg glass plate is arranged on the obtained stage. When the deflection was measured, a good result of 1 micron or less was obtained.
平均粒径が１ミクロン程度の炭化ケイ素粉末及びアルミナ、カーボンを、それぞれ９２：５：３となるように秤量し、粉末総重量に対して、１４０ｗｔ％の水を配合し、ボールミルにより混合した。更に、これらにアクリル系バインダーを添加し、更に、３０分間混合した。次いで、スプレードライヤー処理を行い、造粒粉末を得た。振動プレスと生加工により、図５に示す構造のユニットを得た。このとき、リブの厚さは３ｍｍ程度と、従来材に比べて薄肉化した。 Silicon carbide powder having an average particle size of about 1 micron, alumina, and carbon were weighed so as to be 92: 5: 3, respectively, and 140 wt% of water was blended with respect to the total weight of the powder, and mixed by a ball mill. Further, an acrylic binder was added to these and further mixed for 30 minutes. Subsequently, the spray dryer process was performed and the granulated powder was obtained. A unit having the structure shown in FIG. 5 was obtained by vibration pressing and raw processing. At this time, the thickness of the rib was about 3 mm, which was thinner than the conventional material.
得られたユニットを組み合わせ、図３の構造を得た。更に、表面にケイ素粉末を配し、その状態でアルゴン雰囲気中、１４５０℃まで加熱して、反応焼結処理を行った。本工程により、ケイ素は、溶融し、炭素、炭化ケイ素で構成される成形体の隙間に毛管現象で入り込むとともに、炭素とケイ素が反応し、炭化ケイ素を形成した。一連の工程で、寸法変化はほぼ０であり、ばらつきもほとんど生じていなかった。焼成後において、見かけ上一体化した構造体を得ることができた。 The obtained units were combined to obtain the structure of FIG. Furthermore, silicon powder was arranged on the surface, and in this state, the reaction sintering treatment was performed by heating to 1450 ° C. in an argon atmosphere. Through this process, silicon melted and entered into the gap between the molded bodies composed of carbon and silicon carbide by capillarity, and carbon and silicon reacted to form silicon carbide. In a series of steps, the dimensional change was almost zero and almost no variation occurred. After firing, an apparently integrated structure could be obtained.
比較例１
アルミナを用いて、鋳込み成形後に生加工し、空隙を形成した。搬送時にたわみが生じるため、リブは、厚肉で１５ｍｍ程度が限界であった。工程上、底面は開放とせざるを得ないため、変形に対する抵抗が小さくなり、また、使用時の応力は、各部で異なるが、均一な組織とせざるを得なかった。これらは、軽量化をはかる上での制約事項となるものであった。
Comparative Example 1
Alumina was used for raw processing after casting to form voids. Since the deflection occurs at the time of conveyance, the rib is thick and has a limit of about 15 mm. In the process, the bottom face has to be opened, so that the resistance to deformation is reduced, and the stress during use is different in each part, but has to be a uniform structure. These are restrictions on weight reduction.
上記実施例２−８、及び比較例１で得られた部材表面を、平滑となるよう研磨し、その上面に、縦横のサイズは同じで、厚さ約５ｍｍのガラス板を置いた。その状態で、たわみ量を測定したところ、ほぼ同じであった。一方、部材の重量を測定したところ、本発明で得た部材の重量は、従来のアルミナ製品に比較して、４０％から５０％軽減されていることがわかった。すなわち、精密剛節架構構造を持つユニットを組合わせ、一体化する方法では、リブの薄肉化が可能で、底面を配することができ、また、表面が緻密で内部が多孔質の非酸化物セラミックを使用することで、比重を小さくすることができることがわかった。 The member surfaces obtained in Examples 2-8 and Comparative Example 1 were polished to be smooth, and a glass plate having the same vertical and horizontal sizes and a thickness of about 5 mm was placed on the upper surface. When the amount of deflection was measured in this state, it was almost the same. On the other hand, when the weight of the member was measured, it was found that the weight of the member obtained in the present invention was reduced by 40% to 50% compared to the conventional alumina product. In other words, in the method of combining and integrating units with a precision rigid joint frame structure, the rib can be thinned, the bottom surface can be arranged, and the surface is dense and the inside is a non-oxide. It was found that the specific gravity can be reduced by using ceramic.
平均粒径が１．５μｍのケイ素粉末、同２０ミクロンの炭化ケイ素粉末を、重量比で６０：４０となるように秤量した。粉末総重量に対して、１４０ｗｔ％の水を配合し、ボールミルにより混合した。更に、これらにアクリル系バインダーを添加し、更に、３０分間混合した。次いで、スプレードライヤー処理を行い、造粒粉末を得た。振動プレスと生加工により、図５に示す構造のユニットを得た。このとき、リブの厚さは３ｍｍ程度と従来材に比べて薄肉化した。 A silicon powder having an average particle diameter of 1.5 μm and a silicon carbide powder having the same particle size of 20 μm were weighed so as to have a weight ratio of 60:40. 140 wt% of water was blended with respect to the total weight of the powder and mixed by a ball mill. Further, an acrylic binder was added to these and further mixed for 30 minutes. Subsequently, the spray dryer process was performed and the granulated powder was obtained. A unit having the structure shown in FIG. 5 was obtained by vibration pressing and raw processing. At this time, the thickness of the rib was about 3 mm, which was thinner than the conventional material.
縦横１５個のユニットを組み合わせ、隙間に同成分のスラリーを介在させ、７００℃で脱脂後、焼成炉内で、０．９３ＭＰａの窒素雰囲気中、最高１４００℃まで加熱し、反応焼成して焼結体を得た。なお、個々のユニットを反応焼結し、ユニット間にガラスあるいはスラリーを介在させ、組み合わせた状態で再焼結しても、同様の製品を得ることができた。 Combining 15 vertical and horizontal units, interposing a slurry of the same component in the gap, degreasing at 700 ° C., heating in a firing furnace to a maximum of 1400 ° C. in a nitrogen atmosphere of 0.93 MPa, reactive firing and sintering Got the body. Similar products could be obtained by reacting and sintering individual units, interposing glass or slurry between the units, and re-sintering in the combined state.
得られた部材の表面を研磨し、Ｓｉ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｏでなる、ガラス成分を含有したスラリーを塗布し、乾燥後、大気炉内で、最高１１００℃まで加熱して溶融し、表面をグレージングした。その結果、表面に緻密な膜を形成することができた。なお、ＣＶＤあるいはポリカルボシランといった有機ケイ素ポリマーを塗布するといった方法でも、膜を得ることができた。 The surface of the obtained member is polished, a slurry containing Si-Al-Mg-O and containing a glass component is applied, dried, and then heated to 1100 ° C. in an atmospheric furnace to be melted. Glazed. As a result, a dense film could be formed on the surface. A film could also be obtained by a method of applying an organosilicon polymer such as CVD or polycarbosilane.
以上詳述したように、本発明は、セラミック構造体及びその製造方法に係るものであり、本発明により、半導体や液晶の露光装置に必要なステージやテーブル等について、剛性が高く、軽量で、低コストで、平滑な面を持ち、大型化に対応できる新しいセラミック構造体及びその製造方法を提供することができる。本発明は、焼結時に変形がほとんど生じることなく、多孔質である反応焼結セラミックスを使い、押し出しあるいは生加工等の成形方法により、底面を含めて剛節架構構造を持つユニットを高精度で作製し、該ユニットを組み立てて、焼結過程で一体化することで、軽量で剛性の高い大型部材を得ることが可能である。また、ある程度加工した後、表面に熱処理あるいはグレージング等の手法により、非晶質の緻密な膜を形成することで、平滑化した架台を作製し、提供することができる。 As described above in detail, the present invention relates to a ceramic structure and a manufacturing method thereof, and according to the present invention, a stage and a table required for a semiconductor or liquid crystal exposure apparatus have high rigidity and light weight. It is possible to provide a new ceramic structure and a method for manufacturing the same that are low-cost, have a smooth surface, and can cope with an increase in size. In the present invention, a unit having a rigid joint structure including the bottom surface is formed with high accuracy by using a porous sintered sintered ceramic, which is hardly deformed during sintering, and by a molding method such as extrusion or raw processing. By fabricating, assembling the unit, and integrating them in the sintering process, it is possible to obtain a large-sized member that is lightweight and highly rigid. Further, after processing to some extent, an amorphous dense film is formed on the surface by a method such as heat treatment or glazing, whereby a smoothed gantry can be manufactured and provided.
Claims (11)
（１）該架台は、剛節架構構造を有する複数のユニットが結合・一体化された構造を有している、（２）上記架台の表面は、緻密な膜で被覆されている、（３）上記架台として用いられるセラミック構造体を構成する固体部分は、反応焼結窒化ケイ素又は反応焼結炭化ケイ素を主成分とする材料で構成されている、（４）上記架台の部分の応力の大きさに応じて異なる気孔率を有するユニットが配設されている、（５）上記固体部分の基材が、ケイ素が４０〜６５重量％で、アルミナ又はムライトを含有する、（６）上記緻密な膜が、ＣＶＤ、グレージング、ゾルゲル、又は有機ケイ素ポリマーの熱分解により生成された無機系の平滑な被膜であるか、あるいは、焼結後の熱処理による酸化あるいは基材中に含有されていた成分の一部が表面に染み出すことによって形成されたものである、ことを特徴とするセラミック構造体。 A ceramic structure used as a gantry for performing processing with a workpiece placed thereon ,
(1) The gantry has a structure in which a plurality of units having a rigid joint frame structure are combined and integrated. (2) The surface of the gantry is covered with a dense film. (3 ) The solid part constituting the ceramic structure used as the gantry is made of a material mainly composed of reaction sintered silicon nitride or reaction sintered silicon carbide. (4) The stress of the gantry part is large. (5) The solid portion base material is 40 to 65% by weight of silicon and contains alumina or mullite. (6) The dense part The film is an inorganic smooth coating produced by thermal decomposition of CVD, glazing, sol-gel, or organosilicon polymer, or it is oxidized by heat treatment after sintering or of components contained in the substrate. Some surface A ceramic structure characterized in that it is formed by oozing into a ceramic structure.
ケイ素を含む原料を押し出し、プレス、又は鋳込み成形後の生加工で、最終構造体を分割した形状で、かつユニット同士の結合部分をはめ合い構造にした多孔質ユニット体を作製し、該ユニット体を配置、連結して組み立て、反応焼成して一体化すること、上記ユニット間の接合には、最終焼成前にスラリーを塗布し、焼成することでユニット同士を強固に結合し、一体化すること、上記原料を使って所定の形状に成形後、組み立て、脱脂し、窒素雰囲気中での焼成後、表面を加工研磨し、更に、大気中１１００〜１３５０℃で熱処理することにより、ガラス成分を染み出させ、固化させるか、あるいは、ＣＶＤ、グレージング、ゾルゲル、又は有機ケイ素ポリマーの熱分解の手法により非晶質の被膜を生成させることで、表面に緻密な膜を形成すること、を特徴とするセラミック構造体の製造方法。 A method for producing a ceramic structure according to claim 1 , comprising:
A raw material containing silicon is extruded, and a porous unit body having a shape in which the final structure is divided by a raw process after pressing or casting is formed and a connecting portion between the units is fitted, and the unit body is manufactured. The units are connected, assembled, integrated by reaction firing, and the units are joined together by applying slurry before final firing and firing, to firmly bond the units together. After forming into a predetermined shape using the above raw materials, assembling, degreasing, firing in a nitrogen atmosphere, processing and polishing the surface, and further heat-treating in the atmosphere at 1100 to 1350 ° C. to stain the glass component Create a dense film on the surface by letting out, solidifying, or forming an amorphous film by CVD, glazing, sol-gel, or pyrolysis of organosilicon polymer Method for manufacturing a ceramic structure, characterized in that, the formed.
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