JP4822711B2

JP4822711B2 - 軽量高剛性セラミックス系部材およびその製造方法

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Publication number: JP4822711B2
Application number: JP2005008753A
Authority: JP
Inventors: 友幸引田; 達也塩貝; 宏之津戸; 一郎青木
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006193390A

Description

本発明は、例えば、半導体デバイスの製造工程における半導体ウエハの露光処理に用いられる露光装置のステージ等の高精度の位置決め機能が必要とされる移動体装置に使用される軽量高剛性セラミックス系部材、およびその製造方法に関する。

例えば、半導体デバイスの製造過程においては、フォトリソグラフィ技術によって半導体ウエハに所定の回路パターンを形成している。このフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置において半導体ウエハを保持し移動させるステージには、近時の半導体装置における回路パターンの微細化と高集積化に対応した高精度の位置決め機能と、経済的に露光処理を行うための高速移動機能が求められている。

しかしながら、ステージを高速で移動させると必然的に振動が発生し、位置決め精度を低下させることとなる。特に、露光装置のステージは、移動と静止とを繰り返しており、静止時には慣性力による振動が発生する。このような振動は露光精度に影響するため、その大きさが許容レベル以下に減衰するまで待機する必要があり、それがスループット向上の阻害要因となってしまう。

このようなステージを一定の駆動力のもとで高速に動かすためには、可動部全体の軽量化が必要である。また、ステージの移動と停止に伴う振動による露光精度の低下を抑制するためには、ステージ自体を荷重変形が小さい構造とすることが好ましい。つまり、ステージ移動の高速化とステージの位置決め精度の高精度化とを両立させるためには軽量で荷重変形の小さい部材が必要であり、例えば、特許文献１には、リブ構造を形成するリブの内部がさらにリブ構造となっている露光装置用部材が提案されている。この特許文献１に開示された露光装置用部材では、通常のリブ構造を有する露光装置用部材よりも軽量化が可能である。

ここで、慣性力による振動の大きさは部材の比剛性（比弾性率（弾性率（剛性）を単位体積にかかる重量で除した値））と相関関係があり、比剛性が大きいほど振動の大きさが小さくなるから、荷重変形を小さくすることは、比剛性を大きくすることと等価である。このため、特許文献１に開示された露光装置用部材では、従来の一般的なリブ構造を有する露光装置用部材と比較すると、リブの空隙率が高い分だけ軽量化は可能となるが、比剛性が低くなるために荷重変形量を従来よりも小さくすることは困難である。また、局所的な荷重変形量を考慮してリブの配置を設計しなければならないという煩わしさがある。
特開２００３−１０９８９２号公報

かかる事情に鑑みて、発明者らは、セラミックス系材料からなるハニカム構造部材にセラミックス系材料からなる板部材を接合してなる軽量高剛性セラミックス系部材について検討している（例えば、特願２００４−７８０４）。セラミックス製のハニカム構造部材の製造にあたっては、押出成形法を用いることで高い生産性が得られるが、押出面積の大きい大型のハニカム構造部材の製造については、押出成形装置が大型で高価なものになるというデメリットおよび製造技術の点でも高度さが要求されるという難点があり、押出長さの長いものの製造については押出後の自重変形や乾燥むらによる変形の発生が起こりやすいという問題がある。このため、大型の軽量高剛性セラミックス系部材を作製するためには、生産性の良好な一定形状のハニカム構造部材を複数並べた構造としなければならず、その場合には、軽量高剛性セラミックス系部材全体の比剛性の分布にばらつきが生じ、比剛性の弱い部分で荷重変形が発生するおそれがある。

また、軽量高剛性セラミックス系部材においては、板部材とハニカム構造部材とを積層する方向での比剛性が高いことが好ましいが、一般的に押出成形法によって得られるハニカム構造部材は均質な微構造を有しているために、軽量高剛性セラミックス系部材において、このような特定の方向における比剛性を高めることは困難である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、大型のセラミックハニカム構造部材を用いてなる、比剛性の分布の均一な軽量高剛性セラミックス系部材を提供することを目的とする。また、本発明は、ハニカム構造部材の微構造に異方性を持たせることにより比剛性が高められた軽量高剛性セラミックス系部材を提供することを目的とする。さらに本発明は、軽量高剛性セラミックス系部材の構成部品である大型のセラミックハニカム構造部材を安価に高い歩留で製造することができるという利点を有する軽量高剛性セラミックス系部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、カーボンと樹脂とからなる複数のシートを格子状に組み合わせてなるハニカム構造部材の前駆体に金属Ｓｉを含浸させてなり、実質的にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる隔壁および該隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有するハニカム構造部材と、
セラミックス系材料からなり、前記ハニカム構造部材の少なくとも一方の前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面に取り付けられる板部材と、
を有する軽量高剛性セラミックス系部材であって、
前記隔壁はその厚み方向にＳｉＣとＳｉとが層構造をなした微構造を有しており、
前記板部材は、ＳｉＣ粉末とカーボンからなる板状のプリフォームに金属Ｓｉを含浸させた、実質的にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるものであり、
前記ハニカム構造部材および前記板部材は、前記前駆体および前記プリフォームに同時に金属Ｓｉが含浸されることにより、同時にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化され、かつ互いに接合されてなることを特徴とする軽量高剛性セラミックス系部材、が提供される。

ハニカム構造部材におけるＳｉＣの含有率は、６０〜９５体積％とすることが好ましい。板部材についても同様である。

また、本発明によれば、カーボンと樹脂からなる複数のシートにそれぞれ所定幅のスリットを所定間隔で形成する工程と、
前記複数のシートを、各シートに形成されたスリットどうしを噛み合わせることによって、複数のシートを格子状に組み合わせてハニカム構造部材の前駆体を形成する工程と、
前記前駆体を金属Ｓｉと共に加熱して、前記前駆体を構成するカーボン成分と溶融した金属Ｓｉとを反応させることにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるハニカム構造部材に変化させる工程と、
前記前駆体を、ＳｉＣ粉末とカーボンからなる板状のプリフォーム上に載置する工程と、
を具備し、
前記前駆体をＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるハニカム構造部材に変化させる工程の際に、前記前駆体および前記プリフォームを同時に金属Ｓｉとともに加熱することにより、前記前駆体および前記プリフォームを構成するカーボン成分と溶融した金属Ｓｉとを反応させ、前記前駆体および前記プリフォームを同時にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化させて、ハニカム構造部材および板部材とするとともに、両者を接合することを特徴とする軽量高剛性セラミックス系部材の製造方法、が提供される。

この製造方法は、ハニカム構造部材として、押出成形法による作製が困難な形状、具体的には、高さ（柱状空隙部の長さ方向）が５０ｍｍ以上、長さ（柱状空隙部の長さ方向に直交する一辺の長さ）が１５０ｍｍ以上のものの製造に特に好適である。

本発明によれば、軽量で高い剛性を有する大型のセラミックス系部材を、生産性よく製造することができる。また、本発明によれば、板部材とハニカム構造部材とを積層する方向での比剛性が高い軽量高剛性セラミックス系部材を作製することができる。本発明の軽量高剛性セラミックス系部材を、例えば半導体装置の製造に用いられる露光装置や検査装置の可動ステージ等として用いた場合には、高いスループットと高い位置決め精度を得ることができる。さらに、板部材を、ＳｉＣ粉末とカーボンからなる板状のプリフォームに金属Ｓｉを含浸させた、実質的にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるものとし、ハニカム構造部材および板部材を、前駆体およびプリフォームに同時に金属Ｓｉが含浸されることにより、同時にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化され、かつ互いに接合されてなるものとするので、両者間に高い接合強度が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る軽量高剛性セラミックス系部材（以下単に「セラミックス系部材」という）１０の概略構造を示す斜視図を、図２にセラミックス系部材１０を構成するハニカム構造部材１３の一部を拡大して示す斜視図を、それぞれ示す。

このセラミックス系部材１０は、実質的にＳｉＣと金属Ｓｉとからなる（以下「ＳｉＣ／Ｓｉ」と記す）複合材料からなる隔壁１１により仕切られた多数の柱状空隙部１２を有するハニカム構造部材１３と、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなり、ハニカム構造部材１３の柱状空隙部１２の長手方向に垂直な面（以下「開口面」という）の少なくとも一方に設けられる板部材１４（図１ではハニカム構造部材１３の下側に示している）と、を有している。

セラミックス系部材１０では、柱状空隙部１２の開口形状（目開き）を長さＬの正方形としているが、これに限定されるものではなく、後述するセラミックス系部材１０の製造方法から明らかなように、その開口形状を長方形とすることもできる。また、柱状空隙部１２の対角線方向に隔壁を設けること（つまり、三角柱状の柱状空隙部を形成すること）もできる。さらに、隔壁１１の厚さは、Ｘ方向に延在する隔壁部とＹ方向に延在する隔壁部とで同じ厚さｔとしているが、Ｘ方向に平行な隔壁部とＹ方向に平行な隔壁部とで差を設けることもできる。

図３（ａ）に隔壁１１の断面（Ｘ−Ｙ断面）の写真を示す。この図３（ａ）中の白く見える部分が金属Ｓｉであり、その他の部分が実質的にＳｉＣであり、隔壁１１は、その厚み方向にＳｉＣとＳｉとが層構造をなした微構造を有していることがわかる。これと比較するために、図３（ｂ）に、Ｓｉ粉末とカーボン粉末の混練土を押出成形してハニカム形状のプリフォームを形成し、このプリフォームを金属Ｓｉと共に加熱して溶融した金属Ｓｉをプリフォームに含浸させ、カーボン粉末をＳｉＣに変化させたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料の断面写真を示す。図３（ｂ）中の白く見えるマトリックス部分が金属Ｓｉであり、その中に分散している黒く見える粒子がＳｉＣである。押出成形法によるハニカム構造部材の隔壁は、金属Ｓｉ中に球状のＳｉＣが分散した微構造を有していることがわかる。

図３（ｂ）に示すＳｉ中にＳｉＣ粒子が分散した複合材料からなるハニカム構造部材と比較して、図３（ａ）に示す層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる隔壁１１で構成されたハニカム構造部材１３では、層方向の比剛性（つまり、比弾性率）を高めることができる。

このことは、一般的に知られた簡単な複合則のモデルによれば、下記（１）式に示される層状の強化材が縦に並んだ並列モデル（つまり、層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料）の方が、下記（２）式に示される球形粒子分散材によるランダム配向モデル（つまり、Ｓｉ中にＳｉＣ粒子が分散した複合材料）よりも、層方向の比剛性が高くなること、からも裏付けられる。なお、後にＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）を用いたシミュレーションによる比剛性の計算結果と、実際に作製した試料の比剛性について述べる。
層状強化材：Pc＝Vf×Pf＋（1−Vf）Pm ・・・（１）
球状粒子分散材：lnPc＝Vf×lnPf＋（1−Vf）lnPm ・・・（２）
但し、Pc：複合材料弾性率
Pf：強化材弾性率
Pm：マトリックス弾性率
Vf：強化材充填率

この層方向とは、隔壁１１の高さ方向（Ｚ方向）に垂直な方向であるから、この方向の比剛性を高めることにより、セラミックス系部材１０を高速移動／静止させた際の振動の発生を抑制することができる。換言すれば、ハニカム構造部材１３の比剛性を高めることによってセラミックス系部材１０の比剛性が高められ、セラミックス系部材１０を高速移動／静止させた際の振動の発生が抑制される。

ハニカム構造部材１３においては、強化材であるＳｉＣの含有率（充填率）が６０〜９５体積％であることが好ましい。これはＳｉＣの含有率が６０体積％より少ない場合には、ハニカム構造部材１３全体の比剛性が低くなり、荷重変形が起こりやすくなるからである。一方、ＳｉＣの含有率を９５体積％以上とすることは、後述する製造方法上、困難であり、またＳｉＣ含有率が９５体積％超とした場合には緻密化が困難であり、これによって逆に比剛性が低下してしまうからである。

板部材１４は、ハニカム構造部材１３と同様に、その厚み方向にＳｉＣと金属Ｓｉとが層構造をなしたＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなることが好ましく、また、ハニカム構造部材１３と一体的に接合されていることが好ましい。このような接合形態は、後述する製造方法により、容易に得ることができる。通常、板部材１４の厚さは、ハニカム構造部材１３の隔壁の厚さよりも厚くする。

なお、板部材１４としては、所望の特性が得られる限りにおいて、ＳｉＣ粒子分散型のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるものを用いてもよく、その場合も、後述する実施例に示すように、ハニカム構造部材１３と一体的に接合させることができる。さらに、板部材１４としては、別の材料系からなる板部材を用いてもよい。その場合には、後に図５に示して説明するセラミックス系部材１０′のように、ハニカム構造部材１３と金属ロウ等で接合すればよい。

次に、セラミックス系部材１０の製造方法について説明する。図４にセラミックス系部材１０の製造工程を模式的に示す。ハニカム構造部材１３を形成するための素材として、図４（ａ）の平面図に示すような、カーボンと樹脂からなる複数のシート（以下「カーボンシート」という）２１ａ，２１ｂを準備する。ここで、カーボンシート２１ａはＹ方向に配列するためのものであり、カーボンシート２１ｂはＸ方向に配列するためのものであり、それぞれ紙面に垂直な方向に厚みを有する。カーボンシート２１ａ，２１ｂを構成する「カーボン」は、短繊維や長繊維といった柱状や繊維状等の一方向に長い形態を有するカーボン、または燐片状のカーボン粒子、または層状構造を有するグラファイト（黒鉛）、を主成分とするものである。

カーボンシート２１ａ，２１ｂにはそれぞれ幅がｔ′で、高さがｈ／２のスリット２２が一定の間隔Ｌ′で形成されている。後述するように、カーボンシート２１ａ，２１ｂに形成されたスリット２２どうしを噛み合わせることによりハニカム構造部材１３の前駆体２３を作製するため、カーボンシート２１ａ，２１ｂに形成するスリット２２の幅ｔ′はカーボンシート２１ａ，２１ｂの厚さと同等とすることが好ましく、スリット２２の高さはカーボンシート２１ａ，２１ｂの高さｈの半分とすることが好ましい。なお、カーボンシート２１ａ，２１ｂの厚さは、最終的に形成されるハニカム構造部材１３の隔壁１１の厚さｔとほぼ等しい。スリット２２の間隔Ｌ′は、図１および図２に示す目開きＬとほぼ等しくなるように設定する。

具体的に、カーボンシート２１ａ，２１ｂとしては、膨張黒鉛シートを用いることが好ましい。膨張黒鉛は、黒鉛を硫酸と酸化剤で処理して得た黒鉛層間化合物を６００〜１０００℃の高温に急速加熱し、黒鉛構造のＣ軸方向（炭素層に垂直な方向）に２０倍以上に膨張した軽量の柱状黒鉛である。この膨張黒鉛を加圧して得た膨張黒鉛成形体に、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させ、該樹脂を硬化させることで、膨張黒鉛シートが得られる。膨張黒鉛シートは、その製造方法に起因する積層構造（厚さ方向に垂直な方向と柱状黒鉛の長さ方向とがほぼ一致する構造）を有しており、後述するようにこれに溶融した金属Ｓｉを含浸させると、図３（ａ）に示す層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる隔壁１１により構成されるハニカム構造部材１３を得ることができる。

なお、膨張黒鉛シートには熱硬化性樹脂が含浸されているため、任意の形状に切断加工することができ、したがってスリット２２の形成も容易である。また、柱状黒鉛の大部分が後に金属Ｓｉと反応してＳｉＣに変化することを考慮すれば、ハニカム構造部材１３におけるＳｉＣ含有量の調整は、膨張黒鉛シートにおける柱状黒鉛の含有量を調整することにより、行うことができる。従来の押出成形法によって製造できるハニカム構造部材では、ＳｉＣ含有量を６０％以上とすることは困難であるが、例えば、膨張黒鉛シートとして、かさ密度が０．９〜１．０５ｇ／ｃｍ^３のものを用いると、ＳｉＣの含有率が６０〜９５体積％のＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を容易に得ることができる。

カーボンシート２１ａ，２１ｂの厚さはハニカム構造部材１３の隔壁１１の厚さを決めるものであり、スリット２２どうしの間隔Ｌ′は柱状空隙部１２の開口形状およびハニカム構造部材１３の空隙率を決めるものであるから、これらはセラミックス系部材１０に要求される機械的特性を考慮して、適宜、設定される。

なお、カーボンシート２１ａ，２１ｂとして、膨張黒鉛シートに代えて、炭素繊維織物やＣＦＲＰの炭化させたシート、Ｃ／Ｃコンポジットシート、積層構造を有する黒鉛を配向させたシート等、カーボン成分が積層構造を有しているシートを使用しても、膨張黒鉛シートと同様の効果を得ることができる。

このようなカーボンシート２１ａ，２１ｂを、次いで、図４（ｂ）に示すように、カーボンシート２１ａ，２１ｂにそれぞれ形成されたスリット２２どうしが噛み合うように格子状に組み合わせて、ハニカム構造部材の前駆体２３を作製する。このような前駆体２３の作製方法を用いれば、任意の高さ（つまり、Ｚ方向の寸法）、長さ（Ｘ方向またはＹ方向の少なくとも一方の寸法）、空隙率の前駆体を作製することができ、ひいてはその形状に由来するハニカム構造部材１３を得ることができる。例えば、厚さが１．２ｍｍのカーボンシート２１ａ，２１ｂにスリット間隔Ｌが２０ｍｍとなるようにスリット２２を形成すると、空隙率が９０％のハニカム構造部材を得ることができる。

続いて図４（ｃ）に示すように、この前駆体２３を、ＳｉＣ粉末とカーボンとからなる板状のプリフォーム２４の上に載置し、これらを金属Ｓｉと共に真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で加熱することにより、溶融した金属Ｓｉを前駆体２３および板状のプリフォーム２４のカーボン成分と反応させる。なお、このような板状のプリフォーム２４に代えて、カーボンシート２１ａ，２１ｂと同じシート状のものを１枚または複数枚重ねて用いてもよい。

このとき、前述したように、カーボンシート２１ａ，２１ｂでは、カーボンが厚み方向とほぼ直交する方向に配向しているので、その形態に由来して、生成するＳｉＣとＳｉＣ間に含浸した金属Ｓｉとが層構造を形成する。また、前駆体２３および板状カーボン部材２４はＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化する際に接合される。必要に応じて、端部を切断することにより、図１に示すような、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるセラミックス系部材１０が得られる。

なお、カーボンが層構造を有しているカーボンシート２１ａ，２１ｂを用いてなる前駆体２３に溶融金属Ｓｉを含浸させる工程では、押出成形により作製されたハニカム成形体に比べて、溶融金属Ｓｉの含浸時間を短縮することができるという利点がある。これは、押出成形により作製されたハニカム成形体では隔壁内の空隙部分が細分化しているのに対し、前駆体２３ではカーボンシート２１ａ，２１ｂが有する空隙部分が連続的に一方向につながっているために、溶融金属Ｓｉの含浸速度が速くなることによるものと考えられる。例えば、高さが５０ｍｍの前駆体２３では、同じ高さの押出成形により作製されたハニカム成形体に比べて、必要な含浸時間は約１／１０になる。このような含浸時間の短縮によって、高さ１００ｍｍ以上の前駆体にも溶融金属Ｓｉを含浸させて、ハニカム構造部材を作製することもできるようになる。

上述の通り、カーボンシート２１ａ，２１ｂを用いれば、押出成形では作製が困難な大型のハニカム構造部材１３を容易に作製することができる。例えば、カーボンシート２１ａ，２１ｂとして好適に用いられる膨張黒鉛シートとしては、幅１ｍ×長さ５０ｍ以上のものが市販されているので、これを用いれば、高さが５０ｍｍ以上、長さが１５０ｍｍ以上の継ぎ目のない大型のハニカム構造部材を容易に作製することができる。

ハニカム構造部材の作製を押出成形法によって行ったのでは、セラミックス系部材が一定の大きさを超えて大型になると、複数のハニカム構造部材を高さ方向と長さ方向に並べなければならなくなる。その場合、ハニカム構造部材の継ぎ目に応力が集中して破壊が起こりやすくなり、またこのような継ぎ目に起因して比剛性の分布が不均一になり、比剛性の弱い部分で荷重変形が起こるおそれがある。

これに対して、上述の通りにカーボンシート２１ａ，２１ｂを用いれば、押出成形法では作製の困難な大型のものを作製することができるために、１個のハニカム構造部材を用いてセラミックス系部材を作製することができる。この場合、ハニカム構造部材どうしの継ぎ目がなくなるので、比剛性の分布を均一にすることができ、応力集中による破壊や比剛性の弱い部分での荷重変形の発生を抑えることができる。

上述したカーボンシートを用いたセラミックス系部材の製造方法を用いれば、Ｘ方向に並べるシートとＹ方向に並べるシートとで、厚さの異なるものを用いることができ、その場合には、Ｘ方向に並べるシートにはＹ方向に並べるシートの厚さと同等の幅のスリットを形成し、逆にＹ方向に並べるシートにはＸ方向に並べるシートの厚さと同等の幅のスリットを形成すればよい。また、Ｘ方向に並べるシートに形成するスリットの間隔と、Ｙ方向に並べるシートに形成するスリットの間隔とを異ならしめることにより、柱状空隙部１２の開口形状を長方形とすることができる。

図５にセラミックス系部材１０の変形例であるセラミックス系部材１０′の概略斜視図を示す。このセラミックス系部材１０′は、図１に示したセラミックス系部材１０におけるハニカム構造部材１３の開口面に板部材１５を取り付けたもの、つまり、２枚の板部材１４，１５でハニカム構造部材１３を挟んだサンドイッチパネル構造を有する。

ハニカム構造部材１３と板部材１４，１５に同時に溶融金属Ｓｉを含浸させてセラミックス系部材１０′を製造することは困難である。そこで、セラミックス系部材１０′の製造方法としては、上述したように最初にハニカム構造部材１３と板部材１４が一体的に接合された構造を有するセラミックス系部材１０を作製し、次に、金属ロウ材（Ａｕロウ、Ａｇロウ、Ａｌ合金ロウ、Ｓｉ合金ロウ等）によるロウ付け、ガラスペーストやセラミックスペーストを溶融させることによる接合方法等を用いて、セラミックス系部材１０と板部材１５を接合する方法が好適に用いられる。セラミックス系部材１０，１０′では、板部材１４（または１５）に必要に応じて穴部やネジ切り溝を形成し、このような穴部等を利用してステージ等を作製することができる。

次に、セラミックス系部材１０の機械的特性について説明するが、セラミックス系部材１０の歪みを実測することは困難であるために、ここではＦＥＭを用いてシミュレーションを行った結果について述べることとする。最初に、ハニカム構造部材１３の隔壁の厚み方向における剛性を、ＳｉＣとＳｉとが層構造を有する複合材料と、ＳｉＣ粒子が金属Ｓｉ中に分散している複合材料とで比較した。

すなわち、図６（ａ）に示すように、ＳｉＣ含有率が７０体積％でＳｉＣとＳｉとが層構造を有する複合材料の５ｍｍ×５ｍｍ×４０ｍｍのモデルＡと、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＣ粒子が７０体積％の含有率で均等分散している複合材料の５ｍｍ×５ｍｍ×４０ｍｍのモデルＢを、ＦＥＭモデル作製ソフトＩ−ｄｅａｓＶｅｒ．９（株式会社電通国際情報サービス）を用いて作製した。そして、ＦＥＭ解析ソフトＭａｒｃＭｅｎｔａｔＶｅｒ．２００３ｒ２（日本エムエスシー株式会社）を用いて、図７に示すように、作製したモデルに三点曲げ荷重（５ｋｇの線加重）を加えた時の撓み量を解析し、その撓み量の差を弾性率（つまり、剛性）に換算した。その結果、モデルＡの撓み量はモデルＢの撓み量よりも３．８％小さくなることがわかった。この差を弾性率に換算すると１２ＧＰａの差に相当する。

なお、先に説明した通り、モデルＢの構造を有する複合材料からなるハニカム構造部材を実際に作製することは困難であり、実際にはＳｉＣの含有率は高々６０体積％である。モデルＢにおいてＳｉＣ含有率を下げれば、さらに撓み量は大きくなるので、カーボンシートを用いたハニカム構造部材の製造方法を用いてモデルＡの構造を実現することには、高い比剛性を有するセラミックス系部材を作製することができるという利点のあることがわかる。

実際に、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１．２ｍｍの形状を有する市販のカーボンシート（日立化成社製、かさ密度；０．９９ｇ／ｃｍ^３）を、金属Ｓｉとともにアルゴン雰囲気中、１６００℃で６時間保持し、溶融した金属Ｓｉとカーボン成分とを反応させてＳｉＣを生成させると同時に、カーボン成分の隙間に溶融した金属Ｓｉを含浸させることにより、ＳｉＣ含有率が約８０体積％の層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を作製した。この試料を１ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの形状に加工してＪＩＳ規格（ファインセラミックスの弾性率測定方法Ｒ１６０２）にしたがって弾性率を測定したところ、３５８ＧＰａと高い値を示した。

これに対して、カーボン粉末を１００重量部、メチルセルロースを１５重量部、水を２５重量部として、これらを混練し、押出成形して、ハニカム成形体（目開き１０ｍｍ正方形、壁厚さ１．２ｍｍ、１００ｍｍ×１００ｍｍ×３００ｍｍ）を得て、上記方法と同様にしてハニカム成形体に溶融した金属Ｓｉを含浸させ、ＳｉＣ粒子が金属Ｓｉ中に分散したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料を得たが、ＳｉＣ含有率は約６０体積％に留まった。作製した試料から弾性率を測定するための試験片を切り出して測定したところ３００ＧＰａであり、上記の層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料よりも約１７％近く低かった。

次に、ＳｉＣとＳｉとが層構造を有するＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるハニカム構造部材のモデルを作製し、三点曲げ荷重を加えたときの撓み量をＦＥＭ解析することにより、その剛性を調べた。図８に作製したモデルの概略構造を示す。図８（ａ）は１個のハニカム構造部材を用いて構成されるモデルＣであり、図８（ｂ）は２個のハニカム構造部材を並べて構成されるモデルＤである。

モデルＣ，Ｄの外形はともに４３．６ｍｍ×１９２ｍｍ×８０ｍｍ（上下板厚は２．５ｍｍ）で、モデルＣでは９×２列のハニカム構造部材が１個用いられ、モデルＤでは４×２列のハニカム構造部材が２個用いられている。また、各ハニカム構造部材の隔壁の厚さを１．２ｍｍ、目開きを２０ｍｍ□（＝２０ｍｍ×２０ｍｍの四角形状）とした。なお、ハニカム構造部材を並べて配置した場合に形成される継ぎ目が剛性に与える影響について検討するために、各ハニカム構造部材は大きさが異なるだけで物性値（例えば、弾性率；３４０ＧＰａ、ポアソン比；０．２、密度；３．０ｇ／ｃｍ^３）は同じとした。

モデルＣ，Ｄの撓み量は、図８に併記するように、モデルＣ，Ｄにおける天板部分の継ぎ目部分に５ｋｇの線荷重をかけた時に、天板がどの程度撓むかを解析することにより求めた。その結果、モデルＣではモデルＤよりも撓み量が２５％小さくなった。

市販のカーボンシート（日立化成社製、かさ密度；０．９６ｇ／ｃｍ^３）を組み合わせて、３００ｍｍ□×高さ７５ｍｍのハニカム構造部材前駆体を作製した。一方、市販のＳｉＣ粉末（信濃電気精錬社製、平均粒径；１０μｍ）が１００重量部、有機バインダーとしてのフェノール樹脂が１０重量部（炭素換算にして３重量部）となるようにこれらを混合し、１５０℃で熱プレスして板状の成形体を得た。これを３００ｍｍ□×厚さ１０ｍｍに加工し、窒素雰囲気中、１０００℃で３時間加熱処理することにより、フェノール樹脂を炭化させてＳｉＣ充填率が７０体積％のプリフォーム（セラミックス系部材を構成する板部材の前駆体）を得た。作製したプリフォームの上にハニカム構造部材の前駆体を載せて、金属Ｓｉとともにアルゴン雰囲気中、１６００℃で所定時間保持した。こうして、図１に示すような、隔壁は厚さが１．２ｍｍでＳｉＣと金属Ｓｉとが層構造を有し、目開きが２００ｍｍ□の正方形であり、ハニカム構造部材の空隙率が９０％であるハニカム構造部材と、その片側に板部材が一体的に接合されたセラミックス系部材を得た。

さらに、こうして作製したセラミックス系部材においてハニカム構造部材の開口面に、前記プリフォームを用いて上記同様に作製したＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる３００ｍｍ□×厚さ１０ｍｍの板部材をＡｌロウ材で接合し、先に図５に示したサンドイッチパネル構造を有する、外形が３００ｍｍ□×高さ９５ｍｍのセラミックス系部材を得た。

本発明の軽量高剛性セラミックス系部材は、例えば、露光装置用ステージや検査装置用ステージ等に好適である。

本発明に係るセラミックス系部材の一実施形態を示す斜視図。図１に示すセラミックス系部材を構成するハニカム構造部材の一部を拡大して示す斜視図。（ａ）は本発明に係るハニカム構造部材の微構造写真、（ｂ）は従来のハニカム構造部材の微構造写真。本発明に係るセラミックス系部材の製造方法を示す模式図。本発明に係る別のセラミックス系部材の概略構造を示す斜視図。（ａ）はＳｉＣと金属Ｓｉとが層構造を有する複合材料のモデル、（ｂ）はＳｉＣ粒子が金属Ｓｉに均等分散している複合材料のモデル。図６に示す各モデルの荷重試験の形態を模式的示す図。（ａ）は１個のハニカム構造部材を用いて構成されるセラミックス系部材のモデル、（ｂ）は２個のハニカム構造部材を並べて構成されるセラミックス系部材のモデル。

符号の説明

１０・１０′；セラミックス系部材
１１；隔壁
１２；柱状空隙部
１３；ハニカム構造部材
１４；板部材
１５；板部材
２１ａ・２１ｂ；カーボンシート
２２；スリット
２３；（ハニカム構造部材の）前駆体
２４；プリフォーム

Claims

カーボンと樹脂とからなる複数のシートを格子状に組み合わせてなるハニカム構造部材の前駆体に金属Ｓｉを含浸させてなり、実質的にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなる隔壁および該隔壁により仕切られた多数の柱状空隙部を有するハニカム構造部材と、
セラミックス系材料からなり、前記ハニカム構造部材の少なくとも一方の前記柱状空隙部の長手方向に垂直な面に取り付けられる板部材と、
を有する軽量高剛性セラミックス系部材であって、
前記隔壁はその厚み方向にＳｉＣとＳｉとが層構造をなした微構造を有しており、
前記板部材は、ＳｉＣ粉末とカーボンからなる板状のプリフォームに金属Ｓｉを含浸させた、実質的にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるものであり、
前記ハニカム構造部材および前記板部材は、前記前駆体および前記プリフォームに同時に金属Ｓｉが含浸されることにより、同時にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化され、かつ互いに接合されてなることを特徴とする軽量高剛性セラミックス系部材。
前記隔壁におけるＳｉＣの含有率が６０〜９５体積％であることを特徴とする請求項１に記載の軽量高剛性セラミックス系部材。
カーボンと樹脂からなる複数のシートにそれぞれ所定幅のスリットを所定間隔で形成する工程と、
前記複数のシートを、各シートに形成されたスリットどうしを噛み合わせることによって、複数のシートを格子状に組み合わせてハニカム構造部材の前駆体を形成する工程と、
前記前駆体を金属Ｓｉと共に加熱して、前記前駆体を構成するカーボン成分と溶融した金属Ｓｉとを反応させることにより、ＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるハニカム構造部材に変化させる工程と、
前記前駆体を、ＳｉＣ粉末とカーボンからなる板状のプリフォーム上に載置する工程と、
を具備し、
前記前駆体をＳｉＣ／Ｓｉ複合材料からなるハニカム構造部材に変化させる工程の際に、前記前駆体および前記プリフォームを同時に金属Ｓｉとともに加熱することにより、前記前駆体および前記プリフォームを構成するカーボン成分と溶融した金属Ｓｉとを反応させ、前記前駆体および前記プリフォームを同時にＳｉＣ／Ｓｉ複合材料に変化させて、ハニカム構造部材および板部材とするとともに、両者を接合することを特徴とする軽量高剛性セラミックス系部材の製造方法。