CN111996486A

CN111996486A - 成膜装置用部件及具备成膜装置用部件的成膜装置

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Publication number: CN111996486A
Application number: CN202010447387.0A
Authority: CN
Inventors: 门脇豊; 吉田敏伸; 赤瀬仁荣; 高山孝信
Original assignee: Ulvac Techno Ltd
Current assignee: Ulvac Techno Ltd
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: KR20200136309A; JP2020193356A; JP7417367B2; KR20220165676A; CN111996486B

Abstract

本发明涉及成膜装置用部件及具备成膜装置用部件的成膜装置。本发明的成膜装置用部件具有：暴露于成膜气氛的表面；和喷涂膜，形成于所述表面，且由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成。所述喷涂膜的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。

Description

成膜装置用部件及具备成膜装置用部件的成膜装置

技术领域

本发明涉及所附着的膜的密合性及剥离应力缓解效果优异的成膜装置用部件及具备该成膜装置用部件的成膜装置。

背景技术

近年来，通过在成为减压气氛的成膜室内，使用各种被膜形成方法(例如，溅射法或CVD法等)，在被处理体(例如，Si基板等)上形成各种被膜，从而制造半导体产品。此时，形成在作为目标的被处理体上的被膜无法避免在成膜室内成膜时存在于被处理体周围的各种成膜装置部件上也附着该被膜的现象。

成膜次数(批次)越增加则这种现象越显著。即，通常，在每一次成膜操作之后更换被处理体，但在每次成膜操作之后不更换存在于被处理体周围的各种成膜装置用部件。由此，随着反复进行成膜操作，与成膜次数(批次)相应地，成为在成膜装置用部件上重叠有所附着的被膜的状态，即堆积有厚膜的状态。因此，如果附着在成膜装置用部件上的被膜超过密合性的临界点，则该被膜剥离并脱落，并且成为微粒或尘埃等颗粒，该颗粒在成膜室内漂浮，污染成膜室内。如果这种颗粒被引入半导体产品中，则有可能会大幅降低半导体产品的产率。

为了解决该问题，在现有的成膜装置中，作为配置在成膜室内的成膜装置用部件，已知有在部件的表面设置有各种喷涂膜的成膜装置用部件(专利文献1)。

与实施喷砂(blast)处理的表面相比，喷涂膜的表面粗糙度一般较大。因此，已知喷涂膜容易获得附着在喷涂膜上的被膜(以下，称为附着膜)的锚固效果。另外，由于喷涂膜与附着膜的接触面积变大，因此具有附着膜难以从喷涂膜剥离的倾向。此外，喷涂膜具有某种程度的空穴率，并且因该空穴的存在而容易稍微变形，根据其变形程度缓解附着膜的剥离应力，这也是公知的。

然而，在作为通过溅射形成有附着膜的溅射膜的情况下，由于溅射膜具有较高的内部应力，因此并不一定能满意地得到上述效果。即，如前述，在通过反复进行成膜操作而堆积溅射膜的情况下，形成具有较大厚度的溅射膜。在该状态下，如下问题变得显著：即，附着在成膜装置用部件上的溅射膜容易超过密合性的临界点，该溅射膜剥离并脱落，发生微粒或尘埃等颗粒，该颗粒在成膜室内漂浮，污染成膜室内。

因此，期待开发对于内部应力高的附着膜难以引起剥离及脱落的发生的成膜装置用部件及具备该成膜装置用部件的成膜装置。

专利文献1：日本专利第4382532号公报

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供一种成膜装置用部件及具备该成膜装置用部件的成膜装置，该成膜装置用部件对于内部应力高的附着膜不易引起剥离及脱落的发生。

本发明的一方式所涉及的成膜装置用部件具有：暴露于成膜气氛的表面；和喷涂膜，形成在所述表面，并且由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，所述喷涂膜的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置用部件中，所述喷涂膜的密合力[kg/m²]可以是6以上。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置用部件中，所述Al合金的添加元素可以是Si或Ti。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置用部件中，所述Cu合金的添加元素可以是Al。

本发明的一方式所涉及的成膜装置具备：成膜室；和成膜装置用部件，配置在所示成膜室内，并且在表面形成有喷涂膜，所述喷涂膜由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，所述喷涂膜的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置中，所述喷涂膜的密合力[kg/m²]可以是6以上。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置中，所述Al合金的添加元素可以是Si或Ti。

在本发明的一方式所涉及的成膜装置中，所述Cu合金的添加元素可以是Al。

本发明的一方式所涉及的成膜装置用部件具有：暴露于成膜气氛的表面；和喷涂膜，形成在所述表面，并且由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，所述喷涂膜的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。由此，能够得到对内部应力高的附着膜难以引起剥离及脱落发生的成膜装置用部件。

本发明的一方式所涉及的成膜装置具备：成膜室；和成膜装置用部件，配置在所示成膜室内，并且在表面形成有喷涂膜，所述喷涂膜由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，所述喷涂膜的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。由此，设置在成膜装置用部件的表面的喷涂膜对于内部应力高的附着膜不易产生剥离及脱落，因此能够抑制颗粒的产生。本发明有助于提供尤其附着膜对内部应力高的溅射膜也能够得到该效果的成膜装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的成膜装置的一例的概略结构图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的成膜装置用部件的一例的主要部分放大剖视图。

图3是用于说明电弧喷涂法的示意图。

具体实施方式

图1是作为本实施方式所涉及的成膜装置10的一例表示溅射装置的概略结构图。真空槽1整体由不锈钢(例如，SUS304)制作，真空槽1的内部空间构成为成膜室20。在成膜室20中连接有：工艺气体的导入管8，与工艺气体供给装置(工艺气体供给机构，未图示)相连；和排气管9，在与导入管8相对的位置上与真空排气装置(真空排气机构、未图示)相连。经由排气管9通过排气装置(排气机构，未图示)将作为真空槽1的内部空间的成膜室20进行真空排气。

在成膜室20中，作为与高频电源2电连接的阴极电极发挥功能的靶T和作为阳极发挥功能的基板保持架4平行相对配置。在靶T的背后，中央部的圆柱状磁铁6和外周部的圆柱状磁铁6'被配置为极性彼此相反。一部分磁力线泄漏到靶T的表面上，并且与该表面平行。在基板保持架4上载置有基板W，并且电连接有脉冲电源(未图示)。在基板保持架4的背后配置有温度控制装置5(温度控制机构)，该温度控制装置5用于将基板W控制在规定的温度。

在基板W与靶T之间设置有挡板7，该挡板7在与基板W呈水平的面内能够旋转，从而将该挡板7的位置变更为能够对基板W成膜的位置和遮蔽成膜的位置。挡板7由不锈钢(例如，SUS340)制作。

挡板7为本实施方式所涉及的一种成膜装置用部件。图2是挡板7的主要部分放大剖视图。挡板7在成膜室20中暴露于成膜气氛的表面形成有由Al或Al合金构成的喷涂膜3。并且，该喷涂膜3的表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内。

在喷涂膜3为Al合金的情况下，优选添加元素为Si或Ti。在喷涂膜3为Cu合金的情况下，添加元素优选为Al。

作为喷涂法，可使用电弧喷涂法、火焰喷涂法或等离子体喷涂法等，但为了实现本发明，优选电弧喷涂法。根据电弧喷涂法，可形成表面粗糙度Ra[μm]在50～70的范围内且密合力[kg/m²]为6以上的喷涂膜3。由此，能够得到对内部应力高的附着膜不易引起剥离或脱落发生的成膜装置用部件。

图3是用于说明电弧喷涂法的示意图。

通过在沿图3所示的箭头方向连续进给的两根喷涂材料(Spray coating wire)的前端发生直流电弧放电而进行电弧喷涂。

具体而言，通过在该两根喷涂材料之间施加规定的电压/电流，从而在该两根喷涂材料的前端附近的区域发生电弧(Arcing)。同时，使用吹风气(Compressor Air)，对通过电弧熔化的金属进行喷雾化(Atomizing)。经由设置于气帽(Air Cap)的开口部向对象基材(未图示)喷射该经喷雾化的粒子(Arc spray particles)。由此，粒子堆积在作为实施电弧喷涂的对象物的基材(未图示，以下称为对象基材)上，形成期望的喷涂膜3。作为吹风气，例如可适当使用空气、氮气或氩气等。

本发明人发现设置于气帽的开口部的孔径具有以下倾向，并且选择出适合本发明的条件。

设置于气帽的开口部的孔径越小，则气帽内的压力越上升，能够实现微细的喷雾化。由此，形成在对象基材上的喷涂膜3处于表面粗糙度小且密合力高的倾向。

与此相对地，如果加大设置于气帽的开口部的直径，则气帽内的压力下降，无法进行喷雾化。因此，形成在对象基材上的喷涂膜3处于表面粗糙度大且密合力下降的倾向。

本发明人研究了二律背反条件，即制作处于表面粗糙度大且密合力高的倾向的喷涂膜3的喷涂条件。

作为用于制作由具备这种范围的表面粗糙度Ra及密合力的Al构成的喷涂膜3的喷涂条件，气帽的孔径优选较大。电压在能够形成稳定的电弧的范围内优选为较小。气压在不会发生喷涂膜3的密合力下降的范围内优选为较低。具体而言，分别优选电压[V]为30～33、电流[A]为150～200、气体种类为空气、氩或氮，气体压力[bar]为28～35。气帽的空气[mm]为

作为通过上述电弧喷涂法形成由Al或Al合金构成的喷涂膜3时使用的基材(对象基材)，例如可列举SUS、Al、Ti或各种陶瓷等。基材的表面粗糙度Ra[μm]优选在3～8的范围内。

在以上述方式构造的成膜装置10中，将成膜室20内保持在例如10^-3～10^-1Pa程度的氩气氛。通过高频电源2对靶T施加高频电力，从而在靶T上方的电界与磁界正交的部分，有效地发生辉光放电，发生圆弧状的等离子体。由于该等离子体中的Ar⁺离子在作为阴极的靶T附近的区域被加速并与靶T表面碰撞，将靶原子进行溅射，从而溅射出的粒子附着在作为阳极的基板保持架4的基板W上，形成作为目标的薄膜。

在开始溅射时刻，挡板7关闭靶T与基板W之间，在挡板7上附着溅射出的粒子的膜。在溅射达到恒定状态的情况下，通过使挡板7旋转以将靶T与基板W之间的空间设为打开状态，从而在基板W的面开始成膜。此时，还对处于基板W附近的挡板7进行同样的成膜。

在对基板W形成具有规定膜厚的膜的情况下，更换已成膜基板(已处理基板)和成膜前基板(处理前基板、下一个基板)。在进行该更换处理之后，继续对下一个基板进行溅射。由于继续直接使用挡板7，因此如果反复进行溅射，则附着在挡板7上的膜逐渐变厚。然而，在本实施方式中，由于如上述在挡板7的表面形成有由Al构成的喷涂膜3，因此能够提高附着膜与该喷涂膜3的密合性，并且缓解剥离应力，难以剥离附着膜。其结果，能够抑制因附着膜的剥离而产生的颗粒污染成膜室20内。上述结构的喷涂膜3对成为剥离原因的内部应力比较大的、Ta膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜、W膜、WN膜、WSi膜、SiN膜及这些层压膜的附着特别有效。

此外，即使上述构成的喷涂膜3置于大气中也难以氧化且能够长期维持上述特性。其结果，能够实现成膜装置的维护周期的长期化，并且能够提高成膜装置的运转率且提高生产率。

此外，在研究上述电弧喷涂法之前，本发明人为了比较而还调查了火焰喷涂法和等离子体喷涂法。其结果，确认具有以下倾向。

由于火焰喷涂法为熔解线材的同时喷射的方法，因此难以任意调节熔化量。因此，形成在对象基材上的喷涂膜3为表面粗糙度小且表面轮廓完整的膜。

等离子体喷涂法使用所使用的材料为几十～几百微米左右的粒子，通过利用等离子体(plasma)火焰使该粒子熔化并喷射，并且堆积在对象基材上，从而形成喷涂膜3。此时，粒子具有由等离子的高热量完全熔化的高热量。因此，在堆积在对象基材上时，粒子形成大而扁平、表面粗糙度小且表面轮廓完整的喷涂膜3。

因此，可知在火焰喷涂法和等离子体喷涂法中，无法得到本发明的上述二律背反条件，即，制作处于表面粗糙度大且密合力高的倾向的喷涂膜3的喷涂条件。具体而言，火焰喷涂法和等离子体喷涂法只能得到表面粗糙度Ra为8～20μm的喷涂膜3。确认到为了喷涂膜3的粗面化，本发明的电弧喷涂法是必不可少的。

<实施例1>

在实施例1中，使用平面尺寸为80mm×100mm且厚度为2mm的SUS304制基材，在其表面使用电弧喷涂法形成由Al单体构成的喷涂膜3(厚度为350μm)。为了得到锚固效果，在形成喷涂膜之前，在SUS304制基材的表面预先进行干式喷砂处理，使表面粗糙。作为喷涂法，进行电弧喷涂法。制作后述的表1所示的条件的四个不同样品(Al-1、Al-2、Al-3、Al-4)。

另外，与上述样品不同地，还制作由添加元素为Si或Ti的Al合金构成的喷涂膜。此时，Si含有率在4.81～11.6at％(原子％)的范围内，Ti含有率在1.1～2.9at％的范围内。

<比较例1>

在比较例1中，在与实施例1相同的基材的表面，通过火焰喷涂法以成为同样的厚度(厚度为350μm)的方式形成由Al单体构成的喷涂膜。制作后述的表1所示的一个样品(Ref.Flame Al)。

<实施例2>

在实施例2中，使用与实施例1相同的基材，在其表面使用电弧喷涂法形成由Cu-Al合金构成的喷涂膜3(膜厚为350μm)。Cu-Al合金的组成为Cu-7.9质量％Al。与实施例1同样，为了得到锚固效果，在形成喷涂膜之前，在基材的表面进行干式喷砂处理。由此，使基材的表面粗糙。作为喷涂法，进行电弧喷涂法。制作后述的表1所示的喷涂条件的两个不同的样品(Cu-Al-1、Cu-Al-2)。

另外，与上述样品不同地，还制作不包含添加元素的Cu膜(由Cu单体构成的喷涂膜)和由Cu-Al构成的喷涂膜。此时，关于由Cu-Al合金构成的喷涂膜，将Al含有率设在6.7～11.1质量％的范围内。

以下所示的表1为在实施例1、比较例1及实施例2中制作的各样品的制作条件和形成的喷涂膜的评价。使用触针式表面粗糙度测量仪(东京精密公司制造、型号：SURFCOMTOUCH50)，在由JISB0601(1994)规定的条件下进行表面粗糙度Ra的评价。使用拉拔式附着力试验机(ELCOMETER公司制造、型号：510)，在由JISK5600-7-5规定的条件下进行密合力的评价。

[表1]

基于所形成的喷涂膜的评价可以明确以下问题。

(a1)由于使用电弧喷涂法，因此能够通过由火焰喷涂法制作的样品形成Ra大且密合力大的喷涂膜(样品编号1和样品编号2的比较)。

(a2)在由Al单体构成的喷涂膜中，表面粗糙度[μm]在15～70的范围内，并且密合力[kg/m²]在6.51～7.11的范围内(样品编号2～5)。

(a3)在由Cu-Al合金构成的喷涂膜中，表面粗糙度[μm]在20～60的范围内，并且密合力[kg/m²]在6.08～8.82的范围内(样品编号6～7)。

(a4)可知在喷涂膜的表面粗糙度大于上述范围的情况下，喷涂膜的强度降低，引起喷涂粒子的脱落，并且颗粒产生量增加。

(a5)如果喷涂膜的膜厚不满足300～600μm，则无法确保规定的表面粗糙度(样品编号2和样品编号3～5的比较)。

(a6)由密合力的评价结果可知，通过增加喷涂膜的膜厚，增加应力吸收量(得到强度高的喷涂膜)。

虽然表1未示出，但在Ra为大于70μm的粗糙度的情况下，确认到难以确保喷涂粒子间的密合性。

另外，虽然表1未示出，但在由添加元素为Si或Ti的Al合金构成的喷涂膜中，也能够得到与由Al单体构成的上述喷涂膜(样品编号2～5)同样的结果。另外，在由Cu单体构成的喷涂膜中，也能够得到与由Cu-Al合金构成的上述喷涂膜(样品编号6～7)同样的结果。

根据以上评价结果，可知使用电弧喷涂法形成的本发明所涉及的由Al单体或Al合金构成的喷涂膜与通过现有的火焰喷涂法形成且由Al单体构成的喷涂膜相比较，表面粗糙度较大，并且密合力较强。由此，通过具备本发明所涉及的由Al单体或Al合金构成的喷涂膜，从而能够长期稳定地得到与附着膜的高密合性及高剥离应力缓解效果。

另外，关于使用电弧喷涂法形成的本发明所涉及的由Cu单体或Cu合金构成的喷涂膜，也确认到与由Al单体或Al合金构成的喷涂膜同样的作用效果。

因此，本发明有助于提供一种成膜装置用部件及具备该成膜装置用部件的成膜装置，该成膜装置用部件对于内部应力高的附着膜不易引起剥离及脱落发生。

通过使用本实施方式的喷涂膜，由此能够改善直至生成如在溅射装置中使成膜室内污染的颗粒为止的累计功率。具体而言，以往Ti/W层压膜中的累计功率为75kWh，W/WN层压膜中的累计功率为300kWh。与此相对地，由于使用本实施方式的喷涂膜，因此Ti/W层压膜中的累计功率为150kWh，W/WN层压膜中的累计功率为600kWh。通过使用本实施方式的喷涂膜，与以往相比较能够延长累计功率。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明当然不限定于此，可以基于本发明的技术思想进行各种变形。

本发明不限于溅射装置，还能够应用到CVD装置、蒸镀装置等其他成膜装置中。另外，成膜时的气氛不限于减压下，也可以是大气压下。

作为本发明所涉及的成膜装置用部件，不限于挡板，可列举簇射板、防着板、掩模、接地屏蔽(Earth shield)或基板保持架等。

产业上的可利用性

本发明能够广泛应用到对于内部应力高的附着膜不易引起剥离及脱落发生的成膜装置用部件及具备该成膜装置用部件的成膜装置中。

附图标记说明

1真空槽；3喷涂膜；7成膜装置用部件(挡板)；10成膜装置；20成膜室；T靶；W基板。

Claims

1.一种成膜装置用部件，具有：

暴露于成膜气氛的表面；和

喷涂膜，形成在所述表面，并且由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，

所述喷涂膜的表面粗糙度Ra在50μm～70μm的范围内。

2.根据权利要求1所述的成膜装置用部件，其中，

所述喷涂膜的密合力为6kg/m²以上。

3.根据权利要求1所述的成膜装置用部件，其中，

所述Al合金的添加元素为Si或Ti。

4.根据权利要求1所述的成膜装置用部件，其中，

所述Cu合金的添加元素为Al。

5.一种成膜装置，具备：

成膜室；和

成膜装置用部件，配置在所述成膜室内，并且在表面形成有喷涂膜，

所述喷涂膜由Al或Al合金或者Cu或Cu合金构成，

所述喷涂膜的表面粗糙度Ra在50μm～70μm的范围内。

6.根据权利要求5所述的成膜装置，其中，

所述喷涂膜的密合力为6kg/m²以上。

7.根据权利要求5所述的成膜装置，其中，

所述Al合金的添加元素为Si或Ti。

8.根据权利要求5所述的成膜装置，其中，

所述Cu合金的添加元素为Al。