JP2009127079A

JP2009127079A - プラズマ処理容器内部材及びその製造方法

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Publication number: JP2009127079A
Application number: JP2007302417A
Authority: JP
Inventors: Iwao Sumimoya; 岩夫住母家
Original assignee: DENSHO ENGINEERING CO Ltd
Current assignee: DENSHO ENGINEERING CO Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP5168543B2

Abstract

【課題】本発明は、大気プラズマ溶射法で、気孔率が５％未満のＹ_２Ｏ_３の溶射膜を備えたプラズマ処理容器内部材と、その製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ処理容器内部材の製造方法は、複数組のアノード１０１とカソード１０２を溶射方向に延びる中心軸ａの周囲に配置し、各アノード１０１とカソード１０２間に発生するプラズマ流を収束器１１０で合流させて前記中心軸上の先端に開口する１のノズル１２０から大気中に放射するプラズマ溶射装置１００を用い、該プラズマ溶射装置１００の前記中心軸ａ上で粉末投入パイプ１１５からＹ_２Ｏ_３の粉末状素材を供給する。複数のアノードとカソードにより高温のプラズマを生成し、中心軸後方からＹ_２Ｏ_３の粉末状素材を供給するため、高温で低粘性の溶融粒子となり、基材の表面に気孔率５％未満の溶射皮膜を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理容器内部材に関し、特にハロゲン元素を含むプロセスガスのプラズマ雰囲気が形成されたプラズマ処理容器内で用いられる、たとえば、デポシールド、排気プレート、フォーカスリング、電極板、静電チャック、処理容器内壁材などのプラズマ処理容器内部材に関する。

半導体製造装置のプラズマ処理容器内で使われている各種の部材は、その表面をアルミニウムのアノード酸化膜で覆ったり、ボロンカーバイドなどの溶射膜、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉ_３Ｎ_４などの焼結体皮膜、さらにはふっ素樹脂やエポキシ樹脂などの高分子皮膜で覆うことが行われている。

しかし、これらの材料は、処理容器内でＣ_４Ｆ_８やＮＦ_３のような弗化物、ＢＣｌ_３やＳｎＣｌ_４などの塩化物、ＨＢｒの如き臭化物をはじめとするハロゲン元素を含むガスを使用するため、プラズマによって励起されたイオンによってエロージョン損傷を受けることが知られている。

また、プラズマが発生している環境は、Ａｒガスのように腐食性のない気体でもイオン化し、これが固体面に強く衝突するので、上記容器内に配設されている各種部材はより一層強い損傷を受ける。

したがって、たとえば、デポシールド、排気プレート、フォーカスリング、電極板、静電チャック、処理容器内壁材などのプラズマ処理容器内部材には、耐プラズマエロージョン性が強く要求される。

耐プラズマエロージョン性を上げるために、従来は、処理容器内の部材の表面にアルマイト処理（Ａｌ_２Ｏ_３膜）がされていた。

しかし、アルマイト処理では、ハロゲンガスを含む雰囲気中でプラズマエロージョンを受けると寿命が短いという問題がある。また、アルミニウムを含む皮膜なので、ＡｌＦ_３のパーティクルが発生し、製造する半導体製品に付着するという問題がある。

この問題を解決するものとして、特許文献１（特開平７−１７６５２４）では、プラズマ処理容器内部材の表面に、アルミナを溶射して溶射膜を形成することを提案している。

しかし、アルミナを溶射したものは、耐プラズマエロージョン性はアルマイトよりは向上したが、十分ではなかった。一方、Ｙ_２Ｏ_３は、酸素との化学的結合力が強いため、ハロゲンガスを含む雰囲気中でプラズマエロージョン作用を受けても、安定した状態を維持できる、という性質がある。そこで、特許文献２（特許３５１０９９３号）では、気孔率５〜１０％のＹ_２Ｏ_３溶射膜で被覆したプラズマ処理容器内部材を提案している。

この特許文献２では、気孔率の上限を１０％とした理由として、１０％を越えると耐プラズマエロージョン性が劣るからであるとしている。すなわち、気孔率が小さい方が、耐プラズマエロージョン性が向上する。しかし、大気プラズマ溶射法では、気孔率５％未満は、製造が困難であった。

図５は、従来の一般的なプラズマ溶射装置の構造を示す図である。プラズマ溶射装置１０は、ノズル状のアノード１１とその中心に配置されたカソード１２の１対の電極を有する。プラズマは、ガス導入部１３からアノード・カソード間のドーナツ状の間隙にアルゴン、窒素、などの不活性ガスを流し、直流アーク放電によりガスを電離することにより発生させられる。プラズマは、ノズル状のアノード１１からプラズマ溶射装置の外部にプラズマジェット１５となって噴出する。水管１６から１７へ流れる冷却水によりアノード１１近傍を冷却する。

粉末原料は、ノズル状のアノード１１の出口近傍に接続された粉末投入パイプ１８を通して、搬送ガスに載せられ、一般的には、プラズマジェットにほぼ垂直に投入される。これにより、粉末原料はプラズマ中で溶融され液滴となってノズル状のアノード１１から噴出し、基材２０の表面に溶射膜２１を形成する。

このとき、粉末投入の速度は粉末の粒子径に大きく影響される。そこで、溶射原料粉末には分級により粒子径を揃えたものが使用されるが、ある程度のばらつきは不可避である。そのため投入される粉末の速度はばらついたものにならざるをえない。粉末の粒子にばらつきがあり、粉末をプラズマジェットに垂直に投入するため、全ての粉末をプラズマ中心部の最も温度の高い領域に集中して正確に投入することが困難で、溶融しない粒子が発生する。大気圧なので、溶融粒子の表面に酸化膜が形成される。などの問題があり、気孔率を小さくすることが困難であった。

減圧プラズマ溶射法を使用すると、真空に近いので、溶融粒子の速度が落ちずに高速で基材に衝突する。また、熱損失が少ないので基材に達したときの溶融粒子の温度が高い。真空なので、溶融粒子に酸化膜ができず、緻密な溶射膜になる。このような理由から、減圧プラズマ溶射によれば、気孔率が５％未満の溶射膜を形成することが可能である。

しかし、減圧プラズマ溶射法は、数十Ｐａ程度の高真空の減圧室が必要であり、設備コストがかかる。また、プラズマジェットを噴射しつつ高真空を保つ必要があることから、真空ポンプの運転などのランニングコストも高くなる。また、減圧室内で溶射をするので、連続処理ができず、バッチ処理となり効率が悪い。これらの理由から、減圧プラズマ溶射法は量産には適していない。
特開平７−１７６５２４特許３５１０９９３号

本発明は、上記の実情から考えられたもので、気孔率の小さいＹ_２Ｏ_３の溶射膜を備え、安価に製造できるプラズマ処理容器内部材と、その製造方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明のプラズマ処理容器内部材は基材の表面が、大気プラズマ溶射によるＹ_２Ｏ_３溶射皮膜によって被覆され、前記Ｙ_２Ｏ_３溶射皮膜の気孔率が、５％未満であることを特徴としている。前記Ｙ_２Ｏ_３の溶射膜と前記基材表面との間に、中間層を形成する構成としてもよい。

上記の目的を達成するために本発明のプラズマ処理容器内部材の製造方法は、複数組のアノードとカソードを溶射方向に延びる中心軸の周囲に配置し、各アノードとカソード間に発生するプラズマ流を収束器で合流させて前記中心軸上の先端に開口する１のノズルから大気中に放射するプラズマ溶射装置を用い、該プラズマ溶射装置の前記中心軸上で前記ノズルの後方からＹ_２Ｏ_３の粉末状素材を供給し、基材の表面に気孔率５％未満の溶射皮膜を形成することを特徴としている。

本発明のプラズマ処理容器内部材の製造方法によれば、複数のアノードとカソードからのプラズマ流が収束器によって中心軸上で合流し、高温のプラズマ流が形成される。ここに中心軸後方からＹ_２Ｏ_３の粉末を供給すると、Ｙ_２Ｏ_３の粉末は、粒子の大小に拘わらず、全ての粒子が中心軸上を移動するので、プラズマの最高温度領域に到達して溶融することができる。こうしてできた溶融粒子は高温であり、粘性も低い。この溶融粒子がノズルからプラズマジェットに乗って飛翔し、基材に衝突することで、気孔率が５％未満のＹ_２Ｏ_３の溶射膜を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の溶射方法を実施するプラズマ溶射装置の構成を模式的に示す図である。このプラズマ溶射装置１００は、３組のアノード１０１とカソード１０２を中心線ａの周囲に配置している。図示は省略するが、各アノード１０１とカソード１０２の組には、図５のプラズマ溶射装置１０と同様にガス導入部１３や冷却溶の水管１６、１７が設けられている。

各アノード１０１から噴出されるプラズマ流は、収束器１１０によって中心線ａ上に纏められ、ノズル１２０から１つのプラズマジェットとなって外部に噴射される。アノード１０１とカソード１０２との組数は、この実施例では３組であり、中心軸ａを中心とした同一の円上に等間隔で配置されている。ただし、３組に限定されるものではなく、中心軸ａの回りに複数組配置されていればよい。

図２は収束器１１０をカソード１０２側から見た拡大斜視図である。図３はノズルを収束器側から見た拡大斜視図である。収束器１１０のカソード１０２側には各アノード１０１に対向する３つの孔１１２がある。これらの孔１１２は斜めに形成されていて、収束器１１０のノズル側では１つになりノズル１２０の孔１２１に接続している。

粉末投入パイプ１１５は、中心軸ａ上にあって、プラズマジェットの噴射方向後方から収束器１１０における３つのアノード１０１からのプラズマ流の合流点の上流側にＹ_２Ｏ_３の粉末を供給する。粉末投入パイプ１１５は、中心軸ａ上に延びており、供給されるＹ_２Ｏ_３の粉末は、全てが中心軸ａ上を進んで合流点を通過する。合流点は３つのアノード１０１からのプラズマ流が合流しているので、最も温度が高くなっている。そのため、供給されるＹ_２Ｏ_３の粉末は、すべて溶融し、高温で低粘度の液滴、すなわち、溶融粒子となっている。

このようなＹ_２Ｏ_３の溶融粒子が、ノズル１２０からプラズマジェットに乗って噴射され、基材としてのプラズマ処理容器内部材の表面に付着し、気孔率が５％未満の溶射膜が形成される。

プラズマ処理容器内部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金製で、溶射膜との密着力を上げるために、サンドブラスト処理などによって、予め粗面化されている。

また、Ｙ_２Ｏ_３は、純度が９５％以上のものであることが必要である。Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉなどの不純物が酸化物として含まれていると耐プラズマエロージョン性が低下するからである。

また、基材としてのプラズマ処理容器内部材に直接Ｙ_２Ｏ_３の溶射膜を形成してもよいが、前工程として、Ａｌ_２Ｏ_３などの溶射膜を中間層として形成してもよい。Ａｌ_２Ｏ_３は、化学的に安定であり、大気プラズマ溶射においても変化が少なく、Ｙ_２Ｏ_３の耐プラズマエロージョン性を補償することができる。

以下に、図１に示すプラズマ溶射装置で形成した溶射膜の実施例と、その気孔率の例を示す。以下の実施例は、全てＹ_２Ｏ_３の溶射膜である。また、作動ガスとしては、アルゴンを８０％、ヘリウム１５％、水素５％とした。作動ガス量及び出力は３組のアノードとカソードのトータルである。
〔実施例１〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力１００ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２２０μｍ
気孔率１．０％
〔実施例２〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力９８ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２００μｍ
気孔率１．２％
〔実施例３〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力９４ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２００μｍ
気孔率１．８％
〔実施例４〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力８５ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２００μｍ
気孔率４．５％
〔実施例５〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力９０ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２００μｍ
気孔率２．９％
〔実施例６〕

作動ガス流量毎分１８０リットル
出力８６ＫＷ／ｈ
粉末供給量毎分３８ｇ
溶射膜厚２００μｍ
気孔率４．５％

以上の実施例から、本発明の方法によれば、気孔率５％未満のＹ_２Ｏ_３の溶射膜を形成することができることが分かる。

次に、本発明における気孔率の測定方法を説明する。
図４は、実施例１における溶射膜の断面図を、模式的に示した図である。基材１５０の表面は、前述したようにサンドブラストなどによって粗面化されている。また、溶射膜１６０は、溶融粒子が付着して固化するため、表面が平面にならず、凹凸に富んだ形状となっている。図４は、溶射膜１６０を基材（プラズマ処理容器内部材）１５０の表面に垂直な面で切断した断面を示している。

実際には、溶射膜１６０を基材１５０の表面に垂直な面で切断したテストピースを作成し、これを樹脂に埋め込み、表面を研磨して断面を顕微鏡で拡大し、デジタルカメラに撮影する。こうして得たデジタル画像を、画像処理により二値化処理をすることで、図４に模式的に示すものと同様のものを得ることができる。

この図４に示す気孔１６２の面積の総計Ｓを求め、測定対象域の溶射膜１６０の断面積Ａで割った数字に１００％を乗じた数字、すなわち、次式により求めた数値

（Ｓ／Ａ）×１００％
を本発明における溶射膜の気孔率とした。

本発明の溶射方法を実施するプラズマ溶射装置の構成を模式的に示す図である。収束器をカソード側から見た拡大斜視図である。ノズルを収束器側から見た拡大斜視図である。実施例１における溶射膜の断面図を、模式的に示した図である。従来の一般的なプラズマ溶射装置の構造を示す図である。

符号の説明

１０１アノード
１０２カソード
１１０収束器
１２０ノズル
１５０基材
１６０Ｙ_２Ｏ_３の溶射膜
ａ中心軸

Claims

基材の表面が、大気プラズマ溶射によるＹ_２Ｏ_３溶射皮膜によって被覆され、前記Ｙ_２Ｏ_３溶射皮膜の気孔率が、５％未満であることを特徴とするプラズマ処理容器内部材。
前記Ｙ_２Ｏ_３の溶射膜と前記基材表面との間に、中間層を形成したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理容器内部材。
複数組のアノードとカソードを溶射方向に延びる中心軸の周囲に配置し、各アノードとカソード間に発生するプラズマ流を収束器で合流させて前記中心軸上の先端に開口する１のノズルから大気中に放射するプラズマ溶射装置を用い、該プラズマ溶射装置の前記中心軸上で前記ノズルの後方からＹ_２Ｏ_３の粉末状素材を供給し、基材の表面に気孔率５％未満の溶射皮膜を形成することを特徴とするプラズマ処理容器内部材の製造方法。