JP2007070175A - 耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基材の表面に形成したAl2O3、Y2O3またはAl2O3−Y2O3複酸化物などからなる溶射皮膜の表面を、電子ビーム照射処理によって、パーティクル等の付着、堆積特性に優れ、その再飛散を有効に防止できる耐プラズマエロージョン性に優れた部材とその製造方法。
【選択図】 図1
Description
本発明に係る溶射皮膜被覆部材は、耐プラズマエロージョン性に優れる他、優れたパーティクルの付着、堆積機能および再飛散防止機能が求められる半導体加工処理装置用部材の他、半導体の精密加工部材あるいはこれらの装置の構造部材(加工室の壁面)などの分野での利用が可能である。
これらの装置によって薄膜を形成する場合、上記装置に用いられている各種の治具や部材の表面にも、薄膜材料が付着する。治具や装置部材への薄膜材料の付着は、その量が少ない場合には問題となることが少ない。しかし、最近、薄膜形成処理時間が長くなるに従って、治具や部材表面へのパーティクルの付着量が増加する一方、操業時の温度変化や治具や部材に対する機械的負荷が変動することが多くなってきた。その結果、薄膜形成処理中に治具や部材表面に付着していた薄膜を主成分とするパーティクルの一部が、剥離して飛散し、それが半導体ウエハに付着して製品の品質を悪くするという問題がある。
例えば、特許文献2および3では、治具や部材の表面をサンドブラストし、ホーニングやニッティングなどを行って表面を粗面化し、このことによって、有効表面積を増加させて、付着した薄膜粒子が剥離飛散しないようにする技術が開示されている。
(1)薄膜成形プロセスにおける課題
(a)薄膜形成プロセスにおける治具や装置部材に対する薄膜粒子の付着とその飛散現象を防止のための特許文献1〜8に開示された技術、すなわち、薄膜粒子の付着面積を各種の手段によって拡大する方法は、薄膜形成作業の長時間操業と、それによる生産効率の向上に一定の効果は認められるものの、最終的には付着堆積した薄膜粒子が再飛散するので、根本的な解決策にはなり得ない。
(b)多量の薄膜粒子が付着堆積した治具や装置部材の表面に形成または処理されている表面処理膜は、金属質の膜であるため、酸やアルカリによって薄膜粒子を除去する際に、同時に溶解し、そのため再生して使用できる回数が少なく、製品のコストアップ原因となっている。
(c)従来技術における薄膜粒子の付着堆積面積の拡大策は、単に面積の拡大のみを目的としており、付着堆積した薄膜粒子の飛散を防止する方法についての提案でない。
プラズマエッチングプロセスで使用される治具や装置部材における対策技術は、特許文献9に開示されているように、石英基材の表面にAl2O3、TiO2の溶射皮膜を形成するとともに、その溶射皮膜の表面粗さをRsk(粗さ曲線のスキューネス)の0.1未満の負の値に制御することによって、スパッタリング現象によって発生する微細なパーティクルを、この粗さ曲線を有する皮膜表面で受けとめることを提案している。しかし、この技術が開示しているTiO2は、ハロゲンガスを含むプラズマエッチング加工環境では、自らが腐食されたりエッチングされて、却って汚染源となってパーティクルを多量に発生する。一方、Al2O3の溶射皮膜は、TiO2皮膜に比較すると、耐食性、耐プラズマエッチング性に優れているものの、寿命が短く、また、Rsk:0.1未満の負の値を示す表面形状は、環境汚染物質の付着・堆積量が少なく、短時間内に飽和するため、その残りがパーティクルの発生源となる欠点がある。また、この表面形状の凸部は、面積が大きく、凸部に多量のパーティクルが堆積しやすいうえ、再飛散しやすい幾何学的形状を呈している問題がある。
本発明の他の目的は、ハロゲンガスを含む腐食環境における半導体加工精度を高めると共に、長期に亘って安定して加工ができる他、半導体製品の品質の向上とコスト低減に効果のある溶射皮膜被覆部材とその製造方法を提案するところにある。
(1)即ち、本発明は、基材の表面を覆うセラミック溶射皮膜部の最表層部が、電子ビーム照射層であることを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材である。
(2)また、本発明は、基材の表面に、金属質アンダーコートが形成され、その上に、セラミック溶射皮膜のトップコートが形成され、かつそのトップコートの最表層部が電子ビーム照射層であることを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材を提案する。
ビーム照射処理することにより、該皮膜の最表層部に、この部分を溶融−凝固させて電子ビーム照射層を形成することを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法を提案する。
基材の表面に直接、または該基材表面に形成した金属質アンダーコートの上にトップコートとして、Al2O3、Y2O3あるいはAl2O3−Y2O3複酸化物からなる酸化物セラミックスの溶射皮膜を、50〜2000μmの厚さに形成する。この溶射皮膜の膜厚が50μmより薄いと、トップコートとしての寿命が短くなり、一方、2000μmより厚いと、溶射成膜時に発生する熱収縮に起因する残留応力が大きくなって、皮膜の耐衝撃性や基材との密着力が低下する。
本発明において、基材表面に直接、または金属質アンダーコートを施工した上に形成される前記酸化物セラミック溶射皮膜は、その表面形状、即ち、表面粗さ、とくに高さ方向の粗さ曲線を、以下に述べるようにする。
一般に、半導体装置、例えば、プラズマ処理装置に用いられる治具や部材等は、表面積の大きいものが用いられる。その理由は、薄膜粒子やプラズマエッチングによって処理雰囲気内に発生するパーティクルなどの環境汚染物質を、なるべく多く、この部材表面に付着(吸着)させると同時に、その堆積状態を永く維持させるためであり、そして、この付着、堆積した環境汚染物質が基材表面から再飛散することを防止するためである。
このスキューネス値は、図1に示すように、山(凸部)に対して谷(凹部)の部分が、広い粗さ曲線では、確率密度関数が谷の方へ偏った分布となる。この場合のスキューネス値Rskは正の値を示す。Rskが正側に大きいほど確率密度関数が谷側に片寄り、例えば、環境汚染物質が谷に付着しやすく、堆積しやすいものとなる。
一方、このスキューネス値が負の値を示す場合、図1に示すように、谷の部分が著しく狭い粗さ曲線となり、パーティクルなどの環境汚染物質が谷の部分に付着しにくく、堆積量も少ないものになる。
なお、このRskは、基準長(lr)における高さ(Z(x))の三乗平均を二乗平均率方根の三乗(Rq3)で割ったものと定義されている。
照射雰囲気 : 10〜0.005PaのArガス
照射出力 : 10〜10KeV
照射速度 : 1〜20m/s
上記照射条件以外の照射条件を採用する他の方法として、電子銃によって電子ビームを発生させたり、また、照射雰囲気を減圧中や減圧された不活性ガス中で行うことによっても、照射層の微調整が可能である。
a.酸化物セラミック溶射皮膜であれば、Al2O3、Y2O3あるいはAl2O3−Y2O3複酸化物のようなこれらの複酸化物に限らず、例えば、3Al2O3・2SiO2、ZrO2、Cr2O3などの全てのセラミック溶射皮膜にも適用が可能であるので、その用途は頗る広い。
b.溶射皮膜表面の高さ方向の粗さ曲線(スキューネス値)の形状に関係なく、それぞれの粗さ曲線の凸部の部分に、電子ビーム照射処理を行うので、皮膜全体の物理、化学的性質に影響を与えることがない。
c.電子ビーム照射された溶射皮膜表面の凸部では、局部的な溶融−凝固反応によって、鋭利な形状の針状凸部が丸味を帯びた台形状の凸部形状に変化するので、プラズマエッチング作用を受け難くなるとともに、その結晶構造もより安定なものに変化するため、結晶構造レベルから改質かつ長寿命化させることができる。
d.電子ビーム照射部分が溶射皮膜表面最表層の凸部のみに限定されているので、粗さ曲線の中心線以下の凹部の形状の特徴、具体的には、Rsk>0で表示される粗さ曲線の凹部形状のような環境汚染パーティクルを多量に堆積できる形状、その特性をそのまま維持することができる。
e.電子ビーム照射された溶射皮膜表面の凸部は、溶融−凝固反応に伴う結晶構造変化などの効果によって、耐プラズマエロージョン性が向上し、自らが環境汚染原因となるパーティクルの発生源とはならないので、高度を環境清浄度を維持して、半導体の精密加工作業を円滑に行うことができる。
この実施例では、SUS304基材(寸法:幅40mm×長さ50mm×厚さ7mm)の表面に直接、プラズマ溶射法によって、Al2O3、Y2O3あるいはAl2O3−Y2O3複酸化物の皮膜を、120μmの厚さに形成した後、その表面を、((株)東京精密製SURFCOM1400D−13の粗さ測定器を用いて、皮膜表面の高さ方向の粗さ曲線のスキューネス値を測定することによって、Rsk>0とRsk<0の皮膜を分別し、それぞれ電子ビーム照射したものと、無照射の試験片を準備した。
これらの試験片をプラズマ照射出力80Wの反応性プラズマエッチング装置によって、次に示す項目について調査した。
プラズマエッチング装置内にCF4ガス(60ml/min)とO2ガス(2ml/min)の混合ガスを流しつつ、供試溶射皮膜の表面を800分間エッチングし、その後、皮膜表面を電子顕微鏡により観察して、耐プラズマエッチング性を評価した。
環境汚染パーティクルの発生源として、プラズマエッチングされ易いSiO2溶射皮膜を別途準備し、この皮膜をプラズマエッチングすることによって、環境汚染パーティクルと見做し、プラズマエッチング装置内に取付けた。供試溶射皮膜表面へのパーティクルの付着堆積状況を電子顕微鏡によって観察評価した。
(2)の評価試験片を用い、不活性ガス(Ar)の雰囲気中で、試験片を300℃×15分加熱した後、室温に冷却する操作を1サイクルとし、これを10サイクル繰返した後の溶射皮膜表面を電子顕微鏡を用いて観察し、付着していたパーティクルの残存状態を調査することによって実施した。
次に、パーティクルの堆積状況を見ると、粗さ曲線の凸部形状が鋭く、凹部容量の大きいRsk>0皮膜が、皮膜材料の種類に関係なく、多量のパーティクルの堆積が認められ、皮膜表面の形状効果が最も大きな要因であることが窺がえる。しかし、電子ビーム照射しても(No.1、3、5、7、9、11)パーティクルの堆積拡大効果が認められるので、試験片の表面に付着堆積したパーティクルの再飛散の程度を、環境温度の変化に伴う基材金属および酸化物セラミック皮膜の膨張・収縮挙動によって調査した結果、電子ビーム照射の有無に関係なく、皮膜表面の粗さ曲線のスキューネス値がRsk>0の皮膜では再飛散が少なく、Rsk<0の皮膜では再飛散の傾向が大きいことが判明した。Rsk>0の皮膜を電子ビーム照射(No.1、5、9)しても、パーティクルの再飛散効果が低下しないのは、粗さ曲線の凸部のみが照射され、パーティクルの堆積容量の大きい凹部形状には影響を与えないことに起因するものと思われる。
この実施例では、Al基材(寸法:幅30mm×長さ50mm×厚さ5mm)の表面に、アンダーコートとして80mass%Ni−20mass%Crを80μm、その上にトップコートとしてAl2O3、Y2O3またはAl3O3−Y2O3複酸化物の皮膜を250μm、それぞれプラズマ溶射法によって形成した。その後、この溶射皮膜の表面を、前記粗さ計を用いて、粗さ曲面のRsk値を測定し、Rsk>0、Rsk<0に区別し、それぞれ電子ビーム照射処理を行った。
(1)雰囲気ガス条件
CHF380:O2100:Ar160(数字は1分間当りの流量cm3)
(2)プラズマ照射出力
高周波電力:1300W
圧力 :4Pa
温度 :60℃
この実験では、比較例として、電子ビーム照射のない皮膜のほか、TiO2および8mass%Y2O3−92mass%ZrO2の酸化物セラミック皮膜を同じ条件で試験した。
以上の結果から、電子ビーム照射処理は、溶射皮膜の状態(as Spayed)で、ある程度の耐プラズマエロージョン性を有している皮膜に対し、特に有効であり、また、皮膜表面の粗さ曲線の形状(Rsk<0、Rsk>0)にも大きな影響を受けず効果的な処理方法であることがみとめられた。
この実施例では、実施例2の耐プラズマエロ−ジョン試験に提供した全試験片について、熱衝撃試験を実施した。即ち、実施例2の試験に提供した溶射皮膜試験片は、ハロゲンガスを含む腐食性の環境中でプラズマエロージョン試験を受けており、この期間中に、トップコートの気孔を通して腐食性のハロゲンガスが皮膜内部へ侵入し、アンダーコート腐食し、トップコートが剥離しやすくなっている可能性を有するものである。
熱衝撃試験は、300℃の電気炉に15分間放置して加熱後、これを24℃の空気中で20分間冷却する操作を1サイクルとして、10サイクル繰返した後、トップコートの変化を目視観察した。この結果、表2記載の全溶射試験片のトップコートには割れや皮膜の剥離はなく、良好な耐熱衝撃性を保持していることが確認された。
ビーム照射処理することにより、該皮膜の最表層部に、この部分を溶融−凝固させて電子ビーム照射層を形成することを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法を提案する。
Claims (12)
- 基材の表面を覆うセラミック溶射皮膜の最表層部が、電子ビーム照射層であることを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 基材の表面に、金属質アンダーコートが形成され、その上に、セラミック溶射皮膜のトップコートが形成され、かつそのトップコートの最表層部が電子ビーム照射層であることを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 前記電子ビーム照射層は、皮膜表面の高さ方向の粗さ曲線の中心線より上部に位置する針状凸部のみが電子ビーム照射に伴う溶融−凝固によって、台形状凸部に変化した構造であることを特徴とする請求項1または2に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 前記セラミック溶射皮膜は、高さ方向の粗さ曲線のスキューネス値(Rsk)が主として正の値を示す表面形状を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 前記セラミック溶射皮膜は、Al2O3、Y2O3あるいはAl2O3−Y2O3複酸化物からなる酸化物セラミック溶射皮膜であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 前記セラミック溶射皮膜は、50〜2000μmの厚さであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 前記電子ビーム照射層は、溶射皮膜のセラミック粒子の結晶構造が変化した層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材。
- 基材の表面に直接、または該基材の表面にまず金属質アンダーコートを施した後、その上にトップコートとして、粒径50〜80μmのセラミックからなる溶射粉末材料を溶射してセラミック溶射皮膜を形成し、その溶射皮膜の表面を電子ビーム照射処理することにより、該皮膜の最表層部に、この部分を溶融−凝固させて電子ビーム照射層を形成することを特徴とする耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法。
- 前記電子ビーム照射層は、皮膜表面の高さ方向の粗さ曲線の中心線より上部に位置する針状凸部のみが電子ビーム照射に伴う溶融−凝固によって、台形状凸部に変化した構造であることを特徴とする請求項8に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法。
- 前記セラミック溶射皮膜は、高さ方向の粗さ曲線のスキューネス値(Rsk)が主として正の値を示す表面形状を有することを特徴とする請求項8または9に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法。
- 前記セラミック溶射皮膜は、Al2O3、Y2O3あるいはAl2O3−Y2O3複酸化物からなる酸化物セラミック溶射皮膜であることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法。
- 前記酸化物セラミック溶射皮膜は、50〜2000μmの厚さであることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の耐プラズマエロージョン性に優れる溶射皮膜被覆部材の製造方法。
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