JP2005119915A

JP2005119915A - 半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品

Info

Publication number: JP2005119915A
Application number: JP2003357919A
Authority: JP
Inventors: Takashi Morita; 敬司森田; Yoshiyuki Naito; 良之内藤; Hitoshi Sasaki; 均佐々木
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】比較的純度が低い９９．５重量％程度のアルミナ原料を焼結することにより得られ、半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用する際のダストの発生を抑制することが可能な半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を提供する。
【解決手段】純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼結される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品に関し、詳しくはフッ素系ガス、塩素系ガスなどの腐食性ガスのプラズマによるエッチング処理装置、プラズマＣＶＤ装置のような半導体プラズマ処理装置に用いられる多結晶アルミナセラミックス部品に係わる。

従来、この種の半導体プラズマ処理装置の部品（例えばサセプタのようなウェハの支持部品）は、純度９９．５重量％のアルミナ原料およびマグネシウムのような焼結助剤を混合、成形、焼結することにより得られた多結晶アルミナセラミックスから作られている。

しかしながら、前記多結晶アルミナセラミックスからなる部品を備えた半導体プラズマ処理装置、例えばプラズマエッチング処理装置内にシリコンウェハをセットし、フッ素系ガスを導入してプラズマを発生させて前記シリコンウェハをエッチングする際、前記部品からダストが発生し、処理すべきシリコンウェハ表面に付着してパーティクル汚染を生じる問題があった。

このようなことから、純度９９．９重量％以上の高純度アルミナ原料およびマグネシウムのような焼結助剤を混合、成形、焼結することにより得られた多結晶アルミナセラミックスから半導体プラズマ処理装置用部品を作ることが試みられている。

前記半導体プラズマ処理装置用部品は、例えば腐食性ガスプラズマの雰囲気下に曝されてもダスト発生を抑制できる。しかしながら、この多結晶アルミナセラミックス部品は高コストの高純度アルミナを用いること、製造条件も高純度化を図るための厳格な管理が必要になることから、コスト高になる問題があった。

本発明は、比較的純度が低い９９．５重量％程度のアルミナ原料を焼結することにより得られ、半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用する際のダストの発生を抑制することが可能な半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明によると純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼結される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有することを特徴とする半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品が提供される。

本発明は、半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用する際のダストの発生を抑制して半導体のパーティクル汚染を防止した半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品は、純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼結される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有する。

ここで、前記半導体プラズマ処理装置とはハロゲン系ガスのような腐食性ガスをプラズマ化して半導体をエッチングする平行平板型プラズマエッチング装置、ヘリカル型（誘導結合型）エッチング装置、ヘリコン波エッチング装置のようなプラズマエッチング処理装置、半導体上に各種膜を成膜するプラズマＣＶＤ処理装置、プラズマ酸化処理装置を挙げることができる。ここで用いる半導体としては、例えばシリコンウェハ（ベアウェハ）、または各種の絶縁膜、金属膜が形成されたシリコンウェハを挙げることができる。

前記部品としては、例えば前記半導体プラズマ処理装置のチャンバ、チャンバの窓、またはこのチャンバ内に搬送される半導体を支持するベルジャー、ドーム、サセプタ、リング等を挙げることができる。

前記Ｄ１０およびＤ９０とは、次のような方法および計算により得られた値を意味する。すなわち、多結晶アルミナセラミックス部品（アルミナ焼結体）の表面を研磨、エッチングして結晶粒径を観察し易い表面状態にする。このアルミナ焼結体の表面の例えば２００個の結晶粒を例えばマイクロスコープで観察し、各結晶粒の大きさを測定する。この時、結晶粒の最大長さと最小長さの平均値を結晶粒の寸法（単位結晶粒径）とする。求められた２００個の単位結晶粒径を小さい順から並べ、小さい方から２０個目（２００個を基準にすると１０個目）の結晶粒径をＤ１０、１８０個目（２００個を基準にすると９０個目）の結晶粒径をＤ９０と規定する。

したがって、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下とは、多結晶アルミナセラミックス部品の最小結晶粒径が概ね５μｍ前後の値、最大結晶粒径が概ね３５μｍ前後の値を有し、かつ最大と最小の結晶粒径差が最大で概ね３０μｍ前後と結晶粒径が揃っていることを意味する。

前記Ｄ１０およびＤ９０の値が前記範囲を逸脱すると、多結晶アルミナセラミックス部品の結晶粒径が小さく、かつ不揃いになって、前記半導体プラズマ処理装置（例えばエッチング装置）に組み込んで、半導体をエッチングする際にその部品からダストが発生し易くなる虞がある。より好ましいＤ１０は、８μｍ以上、Ｄ９０は３０μｍ以下である。

本発明に係る多結晶アルミナセラミックス部品は、嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましい。このような部品は、残留気泡が極めて少ないため、前記半導体プラズマ処理装置（例えばエッチング装置）に組み込んで、半導体をエッチングする際にその部品の前記残留気泡に起因する結晶粒界からのエッチングを抑制して部品からのダスト発生をより効果的に抑制することが可能になる。

次に、本発明に係る多結晶アルミナセラミックス部品を得るための製造方法の一例を説明する。

まず、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｉのような不純物が均一な量で含まれる純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料粒子（一次粒子が多数集合した二次粒子）を作る。このアルミナ原料粒子は、出発原料である水酸化アルミニウムとして粒子径ができるだけ小さい（アルミナ原料粒子の一次粒子より小さい）ものを用い、この水酸化アルミニウム微粒子を１０００℃以上の温度で熱処理することにより作る。これは、水酸化アルミニウムに不純物が含まれ、その不純物量にバラツキがあっても、水酸化アルミニウム微粒子を用いることによってアルミナの一次粒子が生成される過程で不純物の分散化が図られ、さらにこの一次粒子が二次粒子として集合される過程でも不純物の分散化が図られ、結果的に不純物が均一な量で含まれるアルミナ原料粒子（一次粒子が多数集合した二次粒子）を作られるものと推定される。

次いで、前記アルミナ原料粒子にバインダ成分およびＭｇＯのような焼結助剤を添加し、造粒した後、成形して成形体とする。つづいて、この成形体を脱脂し、１７００〜１８００℃で焼成して焼結体とし、その後所定に部品形状に加工する。この時、大気中、前記温度で焼成を行うと、炉内物質（耐火物などの炉内構造材）からのＳｉ汚染が増大し、成形体の個々のアルミナ原料粒子に含まれるＳｉ濃度にバラツキ、焼成時の結晶の粒成長（結晶粒径のサイズ）にバラツキを生じる。このため、前記焼成をＳｉ汚染の防止を図るもくてきで、還元性雰囲気、例えば水素雰囲気（炉内を１００％水素ガスとする）で焼成したり、製造すべき焼結体を同材質の粉体（詰め粉）に前記成形体を埋没させて大気圧下、還元性雰囲気で焼成したりする方法を採用する。

このような方法によりＤ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有する半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品が得られる。

以上説明したように本発明によれば、純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼成される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有することによって、比較的純度が低いアルミナ原料から得られ、半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用する際のダストの発生を抑制して半導体のパーティクル汚染を防止した半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を得ることができる。

すなわち、多結晶アルミナセラミックス部品は、結晶粒界にＳｉのような不純物が偏析し易く、腐食性ガスのプラズマ、または通常のプラズマの雰囲気下に曝されると、粒界の腐食が生じ易くなる。小さい結晶粒で構成された多結晶アルミナセラミックス部品は、粒界が多く存在し、その粒界が侵食されると、その小さな結晶粒が脱落してダストの原因になる。従来の純度が９９．５重量％のアルミナ原料粒子を用いて作られる多結晶アルミナセラミックス部品は、個々の結晶粒間でのバラツキが大ききく、大きな結晶粒と小さな結晶粒とが混在する。これは、アルミナ原料粒子の不純物の偏析が特に問題で、市販されているアルミナ原料粒子、例えば住友化学社製商品名ＡＥＳ−１１や昭和電工社製商品名ＡＬ−１６０ＳＧにはＮａ，Ｃａ，Ｓｉ等のアルミナの融点を下げる不純物が数百ｐｐｍ含まれているため、焼成時にその不純物が偏析することにより融点の低いアルミナ粒子は大きな結晶粒に成長し、融点の高いアルミナ粒子は成長が遅く小さな結晶粒になる。その結果、このような多結晶アルミナセラミクスからなる部品を半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用すると、例えば腐食性ガスのプラズマにより多結晶アルミナセラミクスの結晶粒界の腐食が生じ、小さい結晶粒が脱落してダストを発生する。

このようなことから、本発明は純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼成される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有する、つまり結晶粒が比較的大きく、結晶粒界が少なく、かつそのバラツキの小さい結晶組織にすることによって、半導体プラズマ処理装置に組み込んで使用する際の例えば腐食性ガスのプラズマによる結晶粒界の腐食（侵食）頻度を抑え、かつ結晶粒界が腐食されても脱落を抑制できる。その結果、脱落によるダスト発生に伴う半導体のパーティクル汚染を防止することが可能な半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を提供できる。

なお、本発明の多結晶アルミナセラミックス部品は腐食性ガスのプラズマのみならず、通常のプラズマ雰囲気下での結晶粒界の侵食に起因する結晶粒の脱落、ダスト発生を抑制できる。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
まず、平均粒径が０．１μｍ以下の水酸化アルミニウム微粒子を大気雰囲気下、１１００℃の温度で熱処理することにより不純物が均一な量で含まれる純度９９．５重量％のアルミナ原料粒子（一次粒子が多数集合した二次粒子）を作った。

次いで、前記アルミナ原料粒子に２重量％のバインダ成分および７００ｐｐｍのＭｇＯを添加し、スプレー造粒した後、冷間静水圧プレスにて１５００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で成形した。つづいて、この成形体を１０００℃で脱脂した後、水素雰囲気中、１７８０℃で焼成することにより多結晶アルミナ焼結体を製造した。

得られた多結晶アルミナ焼結体表面を研磨、エッチングして表面を平滑にし、その表面の２００個の結晶粒をマイクロスコープで観察し、各結晶粒の大きさを測定する。この時、結晶粒の最大長さと最小長さの平均値を結晶粒の寸法（単位結晶粒径）とした。２００個の単位結晶粒径から前述した定義に基づくＤ１０，Ｄ９０を求めた。その結果を下記表１に示す。また、この多結晶アルミナ焼結体の粒径分布（Ｄ５，Ｄ１０，Ｄ１５，Ｄ２０、Ｄ２５、Ｄ３０、Ｄ３５，Ｄ４０、Ｄ４５、Ｄ５０、Ｄ５５，Ｄ６０、Ｄ６５，Ｄ７０，Ｄ７５，Ｄ８０，Ｄ８５，Ｄ９０、Ｄ９５およびＤ１００）を下記表２に示す。

その後、前記多結晶アルミナ焼結体を加工してウェハの周囲に配置する部品であるフォーカスリングを作製した。

（比較例１）
アルミナ原料粒子として住友化学社製商品名ＡＥＳ−１１を用い、かつ焼成条件を大気雰囲気中、１６００℃にした以外、実施例１と同様な方法により多結晶アルミナ焼結体を製造した。

得られた多結晶アルミナ焼結体について実施例１と同様な方法でＤ１０，Ｄ９０を求めた。その結果を下記表１に示す。また、この多結晶アルミナ焼結体の粒径分布を下記表２に示す。

その後、前記多結晶アルミナ焼結体を加工してフォーカスリングを作製した。

（比較例２）
アルミナ原料粒子として住友化学社製商品名ＡＥＳ−１１を用い、かつ焼成条件を大気雰囲気中、１７００℃にした以外、実施例１と同様な方法により多結晶アルミナ焼結体を製造した。

（比較例３）
アルミナ原料粒子として住友化学社製商品名ＡＥＳ−１１を用い、かつ焼成条件を水素雰囲気中、１７８０℃にした以外、実施例１と同様な方法により多結晶アルミナ焼結体を製造した。

（比較例４）
純度９９．９９重量％のアルミナ原料粒子を用い、かつ焼成条件を水素雰囲気中、１８００℃にした以外、実施例１と同様な方法により多結晶アルミナ焼結体を製造した。

得られた実施例１および比較例１〜４のフォーカスリングに８インチシリコンウェハを水平にしてそれぞれ載置し、これらフォーカスリングをヘリコン波エッチング装置のチャンバ内にそれぞれ水平になるように設置した。つづいて、前記各チャンバ内を真空排気し、エッチングガスをガス導入管を通して流量３００ｓｃｃｍ（Ｃ₃Ｆ₈：２２５ｓｃｃｍ、Ｏ₂：７５ｓｃｃｍ）で各チャンバ内に供給して３ｍＴｏｒｒとした後、前記チャンバの上部外周に配置した電極に１３．５６ｋＨｚの高周波電力（１．５ｋＷ）を印加してチャンバ内にプラズマを生成することによりシリコンウェハのエッチングを行った。

前記エッチング処理後の８インチシリコンウェハ表面に付着された寸法０．２μｍ以上のダストを計測した。また、９枚の８インチシリコンウェハについて同様なエッチング処理を行い、表面に付着された寸法０．２μｍ以上のダストを計測し、１０枚の８インチシリコンウェハの平均値（個／ウェハ）を求めた。その結果を下記表１に示す。なお、表１には製造条件、焼結体の純度および密度を併記する。

前記表１および表２から明らかなように純度９９．５重量％のアルミナ原料を用いて焼成される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有する本実施例１の多結晶アルミナ製フォーカスリングは、ヘリコン波エッチング装置での８インチシリコンウェハのエッチングにおいて純度９９．５重量％のアルミナ原料を用いて焼成される焼結体で、Ｄ１０の結晶粒が５μｍより小さい比較例１〜３の多結晶アルミナ製フォーカスリングに比べてダストの発生数を著しく低減できることがわかる。

特に、原料のアルミナ純度および焼成条件が同じの実施例１および比較例３の対比から、実施例１では比較的安価な原料からダスト発生を効果的に抑制できることがわかる。

また、本実施例１の多結晶アルミナ製フォーカスリングは、ヘリコン波エッチング装置での８インチシリコンウェハのエッチングにおいて９９．９９％と高純度アルミナ原料を用いて焼成される焼結体からなる比較例４の多結晶アルミナ製フォーカスリングと遜色のないダスト発生の抑制効果的を有することがわかる。

以上詳述したように、本発明によればプラズマエッチング処理装置、プラズマＣＶＤ処理装置、プラズマ酸化処理装置のような半導体プラズマ処理装置への適用においてダスト発生を抑制して処理すべき半導体のパーティクル汚染を防止して高品質の半導体装置を製造することが可能な半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品を提供できる。

Claims

純度９９．５〜９９．８重量％のアルミナ原料を用いて焼成される焼結体で、Ｄ１０が５μｍ以上、Ｄ９０が３５μｍ以下の結晶粒径の分布を有することを特徴とする半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品。
嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体プラズマ処理装置用多結晶アルミナセラミックス部品。