JP2000086344A - 高密度フッ化物焼結体およびその製造方法並びにそれを用いた半導体製造装置用部材 - Google Patents
高密度フッ化物焼結体およびその製造方法並びにそれを用いた半導体製造装置用部材Info
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Abstract
ーティクルの発生を抑制しうる高密度フッ化物焼結体お
よびその製造方法並びにそれを用いた半導体製造装置用
部材を提供する。 【解決手段】Mg、Ca、SrおよびBaの群から選ば
れる少なくとも1種のアルカリ土類金属の高密度フッ化
物焼結体であって、前記アルカリ土類金属以外の金属元
素の総量が金属換算で100ppm以下、平均粒径が3
0μm以下、かつ相対密度95%以上とする。
Description
塩素系腐食性ガス或いはフッ素系・塩素系プラズマに対
して高い耐食性を有し、パーティクルやコンタミネーシ
ョンの発生が少ない、プラズマ処理装置などの半導体製
造用装置の内壁部材や被処理物を支持する支持体などの
治具等としての使用に好適な高密度フッ化物焼結体およ
びその製造方法、並びにそれを用いた半導体製造装置用
部材に関するものである。
に使用されるドライプロセスやプラズマコーティング等
プラズマの利用が近年急速に進んでいる。半導体におけ
るプラズマプロセスとしては、フッ素系等のハロゲン系
腐食ガスがその反応性の高さから、気相成長、エッチン
グやクリーニングに利用されている。
耐食性が要求され、従来から被処理物以外のこれらプラ
ズマに接触する部材は、一般にガラスや石英などのSi
O2を主成分とする材料やステンレス、モネル等の金属
が多用されている。
持固定するサセプタ材としてアルミナ質焼結体、サファ
イア、AlN質焼結体、窒化珪素等の珪素質焼結体また
はこれらをCVD法等により表面被覆したものが耐食性
に優れるとして使用されている。また、グラファイト、
窒化硼素をコーティングしたヒータ等も使用されてい
る。
は、腐食性ガスに接触する部材として、アルミニウム系
材料のプラズマとの生成物であるAlF3 の焼結体を使
用することにより耐プラズマ性が向上することが開示さ
れている。
られているガラスや石英ではプラズマ中の耐食性が不充
分で消耗が激しく、特にフッ素あるいは塩素プラズマに
接すると接触面がエッチングされ、表面性状が変化して
エッチングに影響する等の問題が生じていた。
材でも耐食性が不充分なため、腐食によって特に半導体
製造においては不良品発生の原因となっていた。アルミ
ナ、窒化アルミニウム、窒化珪素質焼結体やコーティン
グ材は、上記の材料に比較してフッ素系ガスに対して耐
食性に優れるものの、高温でプラズマと接すると腐食が
徐々に進行して焼結体の表面から結晶粒子の脱粒が生じ
たり、プラズマとの反応生成物が析出・剥離してパーテ
ィクル発生の原因になるという問題が起きていた。
の高集積化、プロセスのさらなるクリーン化が図られる
中、イオン衝撃や、気相反応で生成したごく微細なパー
ティクルによってメタル配線の断線、パターンの欠陥等
による素子特性の劣化や歩留まりの低下等の不具合を発
生する恐れが生じている。
に、腐食性ガスに接触する部材として、AlF3 の焼結
体を使用した場合、AlF3 は、比較的低温から昇華す
るため高温領域では不安定となることから、アルミナ、
窒化アルミニウム、窒化珪素質焼結体に比べ耐食性が向
上するものの、実用的には充分でなかった。さらに、A
lF3 (融点1040℃)は、比較的低温で昇華するこ
とから、特に常圧焼成やホットプレス焼成等の雰囲気焼
成においては、昇華を抑制しつつ焼成する必要があり、
緻密な焼結体を得ることが難しいものであった。
ため、先にフッ素・塩素系プラズマと接触する表面をプ
ラズマに対して安定なハロゲン化物を形成しうる周期律
表第2A、3A族元素を含有する酸化物、窒化物、炭化
物の焼結体により形成し、プラズマにより焼結体表面に
CaF2 等の周期律表第2A、3A族元素を含有するハ
ロゲン化物を形成することを提案した。
素を主成分とする材料は、フッ素・塩素系のプラズマに
対しては安定ではあっても、室温における熱膨張係数
が、例えば、酸化マグネシウム14×10-6/℃、フッ
化マグネシウム10×10-6/℃と差があるために、熱
サイクルにより焼結体表面に形成された周期律表第2
A、3A族元素を含有するハロゲン化物が剥離しやす
く、材料表面に形成されたハロゲン化物の脱落によって
パーティクルが発生してしまうという問題があった。
るため、表面層等が振動や衝撃等により容易に剥離し、
多量のパーティクルの発生の要因となっていた。
及び塩素系腐食ガス或いはプラズマに対して、高い耐食
性を有し、パーティクルの発生を抑制できる材料につい
て検討を重ねた結果、アルカリ土類金属のフッ化物焼結
体の結晶粒径、不純物量および密度を特定の範囲に制御
することにより、フッ素・塩素系腐食ガスあるいはプラ
ズマに対して高い耐食性を示し、パーティクルの発生を
抑制して半導体素子の汚染を抑制した半導体製造装置用
部材が得られることを見いだした。
は、Mg、Ca、SrおよびBaの群から選ばれる少な
くとも1種のアルカリ土類金属のフッ化物からなり、前
記アルカリ土類金属以外の金属元素の総量が金属換算で
100ppm以下、前記フッ化物の結晶粒子の平均粒径
が30μm以下であり、かつ相対密度95%以上である
ことを特徴とするものである。
以下のMg、Ca、SrおよびBaの群から選ばれる少
なくとも1種のアルカリ土類金属のフッ化物粉末あるい
はその成形体を、非酸化雰囲気中700〜1300℃で
焼成してなるものである。
は、少なくともハロゲン系腐食ガスあるいはそのプラズ
マと直接接触する表面を具備し、前記高密度フッ化物焼
結体からなることを特徴とするものである。
は、Mg、Ca、SrおよびBaの群から選ばれる少な
くとも1種のアルカリ土類金属のフッ化物からなるもの
で、ハロゲン系プラズマ、特にフッ素プラズマに対する
耐食性の観点から、前記アルカリ土類金属以外の金属元
素の総量を金属換算で100ppm以下、望ましくは9
0ppm以下、特に50ppm以下、さらには10pp
m以下に制御することが重要である。すなわち、前記ア
ルカリ土類金属以外の金属元素の総量が金属換算で10
0ppmより多いと、プラズマ接触面でアルカリ土類金
属以外の金属がプラズマと反応し、これによりエッチン
グが進行するとともに、その反応物がパーティクルの原
因となるためである。
では、融点の高い材料が望ましく、CaF2 、Mg
F2 、BaF2 、SrF2 (それぞれの融点1360
℃、1265℃、1280℃、1190℃)の順で好ま
しい。
上では、焼結体の相対密度は95%以上、特に98%以
上であることが必要がある。これは、焼結体の相対密度
が95%より小さいと、プラズマとの接触面積が増加す
るために耐食性が低下し、またプラズマ接触面に存在す
る気孔からエッチングが進行してしまうためである。
は、30μm以下、望ましくは25μm以下、特に10
μm以下、さらには5μm以下であることが望ましい。
すなわち、この平均粒径が30μmより大きいと、脱粒
等が発生した場合、半導体製造装置内に及ぼす影響が大
きくなるためである。
食性を有する高密度フッ化物焼結体を作製する方法とし
ては、アルカリ土類金属以外の金属元素の総量を金属換
算で100ppm以下、望ましくは90ppm以下、特
に50ppm以下、さらには10ppm以下であり、か
つ平均粒径が30μm以下、望ましくは20μm以下、
特に10μm以下、さらには3μm以下のフッ化物原料
粉末を準備する。原料粉末の粒径が30μmよりも大き
い場合は、所望の粉砕方法、例えば、ボールミル、振動
ミル、アトライタミル、ジェットミル等により粉砕して
用いればよく、また、メッシュパス等により粗粒を除去
しておくほうが望ましい。
手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押し出
し成形等により任意の形状に成形する。この時の成形体
は、相対密度55%以上であることが望ましく、成形体
密度が55%よりも低いと、その後の焼結過程で相対密
度95%以上の緻密体を作製することが困難である。
相対密度95%以上、特に98%以上に焼成する。相対
密度95%以上に緻密化するには、上記の組成からなる
成形体を非酸化性雰囲気中、加圧あるいは常圧下(非酸
化性ガス圧1atm以上)で700〜1300℃の温度
範囲で焼成することにより得られる。
異なり、例えば、MgF2 およびBaF2 については7
00〜1200℃、好ましくは800〜1100℃、さ
らには900〜1000℃が望ましく、CaF2 につい
ては、800〜1300℃、好ましくは900〜120
0℃、さらには1000〜1100℃が望ましく、Sr
F2 については、800〜1100℃、好ましくは85
0〜1050℃、さらには900〜1000℃が望まし
い。なお、AlF3 については、融点が1040℃であ
り、かつ昇華しやすいため、焼成温度を1040℃以上
に上げることができないため焼成により緻密化させるこ
とが難しい。
させるためには50kgf/cm2以上の加圧下でホッ
トプレス焼成することが望ましく、さらに、得られた焼
結体に対して熱間静水圧焼成を行ってもよい。
ルドによって焼結体中にわずかにカーボンが混入する場
合があるが、その量は0.5重量%以下であれば特に問
題ない。
特に98%以上の焼結体を得る。なお、上記焼結体が低
密度で多量の気孔を有する場合は、それだけガスやプラ
ズマとの接触面積が増加し消耗が早くなるため、開気孔
率0.2%以下であることが望ましい。得られた焼結体
に対し、適宜研削加工を施し、所定の寸法の製品形状に
仕上げる。この時、耐食性を高める上では、前記腐食性
ガスあるいはそのプラズマと接触する焼結体表面の表面
粗さ(Ra)が、1μm以下、特に0.5μm以下、さ
らには0.1μm以下であることが望ましい。
半導体素子を製造する際に用いられ、フッ素系または塩
素系等のハロゲン系の腐食ガスまたはプラズマと表面が
直接接触する部位に好適に用いられる。フッ素系ガスと
しては、SF6 、NF3 、CF4 、CHF3 、Cl
F3 、HF等が、また塩素系ガスとしては、Cl2 、B
Cl3 、HCl等が挙げられ、これらのガスが導入され
た雰囲気にマイクロ波や高周波等を導入するとこれらの
ガスがプラズマ化される。
腐食ガスあるいはそのプラズマに直接接触する表面を、
フッ化物焼結体から構成するものである。フッ化物焼結
体は、フッ素、塩素との反応性が低いために、優れた耐
食性を示す。
い、製造装置や構成部品自体も大型化することから、強
度および耐熱衝撃性を高める必要があり、また、塩素系
ガス及びそのプラズマを使用する場合は、熱サイクルに
よる部品の劣化が問題視されてくることから耐熱信頼性
を高める上でも、焼結体の相対密度は95%以上が必要
である。
土類金属以外の金属含有量(不純物量と記す)のフッ化
物原料粉末を用い、これをカーボン製モールドに充填
し、真空中、200kgf/cm2 の加圧下、表1に示
す焼成温度にて2時間ホットプレス焼成を行った。
aF2 の溶融体(試料No.32)を準備した。また、
SiO2 、Al2 O3 、AlN、AlF3 について、表
1に示す温度で焼成し同様に溶融体あるいは焼結体を作
製した(試料No.28〜31)。
ス法により焼結体の密度を測定し、理論密度に対する比
率である相対密度(%)を算出した。結果は表1に示し
た。
表面を表面粗さ(Ra)が0.1μm以下となるように
鏡面加工した直径22cmの円盤を作製し、RIEプラ
ズマエッチング装置にて、CF4 (60sccm)+ A
r(60sccm)のフッ素系プラズマに室温で曝し、
エッチングレートとパーティクルの有無を調査した。エ
ッチング条件は圧力10Pa、RF出力1KW、プラズ
マ照射時間3時間とした。エッチングレートはテスト前
後の重量変化を基に算出した。パーティクルの有無は、
プラズマ照射後の円盤上に8インチのSiウェハを載せ
たのち、ウェハの接触面の凹凸をレーザー散乱によって
検出し、パーティクルカウンタにて0.3μm以上のパ
ーティクル個数を計測した。結果を表1に示す。
は、焼成温度が低く、相対密度を95%以上に緻密化で
きないために、耐食性が低下するとともに脱粒によって
30個以上のパーティクルが発生し、使用に耐えない。
また、試料No.23は、焼成温度が高く溶融してしま
った。さらに、原料粉末の粒径が30μmを越える試料
No.6、14、22、27では、緻密化できず、耐食
性が低下した。また、アルカリ土類金属以外の金属元素
の総量が金属換算で100ppmより多い試料No.
5、13は、多量のパーティクルの発生が認められた。
SiO2 、Al2 O3 、AlN、AlF3 の焼結体およ
びCaF2 の溶融体については、緻密な焼結体が得られ
るものの、耐食性は不十分であった。
4、7〜8、10〜12、15〜21、24〜26は、
相対密度95%以上、かつエッチングレート25Å/m
in.以下、特に15Å/min.以下、パーティクル
発生量15個/8インチウエハ、特に10個/8インチ
ウエハの良好な耐食性を示した。
におけるアルカリ土類金属以外の金属元素含有量(不純
物量)83ppmのCaF2 粉末を用い、3ton/c
m2 の圧力でCIP処理を行った後、Ar雰囲気中、焼
成温度1100℃にて雰囲気焼成(PLS)を行った。
得られた試料について、実施例1と同様の評価を行った
ところ、相対密度95%、結晶の平均粒径13μm、エ
ッチングレート22Å/min.、パーティクル発生量
15個/8インチウエハの良好な耐食性を示した。
フッ素系及び塩素系腐食性ガス或いはプラズマに曝され
る部材としてMg、Ca、SrおよびBaの群から選ば
れる少なくとも1種のアルカリ土類金属のフッ化物から
なり、前記アルカリ土類金属以外の金属元素の総量が金
属換算で100ppm以下であり、平均粒径が30μm
以下、かつ相対密度95%以上の焼結体を使用すること
により、高温・高密度のフッ素系及び塩素系腐食雰囲気
に長時間の耐久性を有し、且つコンタミネーションやパ
ーティクルを発生しないこと、大型部品としての機械的
強度を保持することから、半導体製造用装置、とりわけ
プラズマ処理装置の内壁部材や被処理物を支持する支持
体などの治具等の部材として使用することにより、半導
体製造の歩留り向上とともに高品質の半導体素子を作製
することができる。
Claims (3)
- 【請求項1】Mg、Ca、SrおよびBaの群から選ば
れる少なくとも1種のアルカリ土類金属のフッ化物から
なり、前記アルカリ土類金属以外の金属元素の総量が金
属換算で100ppm以下、前記フッ化物の結晶粒子の
平均粒径が30μm以下であり、かつ相対密度が95%
以上であることを特徴とする高密度フッ化物焼結体。 - 【請求項2】平均粒径30μm以下のMg、Ca、Sr
およびBaの群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ
土類金属のフッ化物粉末あるいはその成形体を、非酸化
性雰囲気中で700〜1300℃で焼成して相対密度9
5%以上に緻密化することを特徴とする高密度フッ化物
焼結体の製造方法。 - 【請求項3】少なくともハロゲン系腐食ガスあるいはそ
のプラズマと直接接触する表面を具備し、Mg、Ca、
SrおよびBaの群から選ばれる少なくとも1種のアル
カリ土類金属のフッ化物からなり、前記アルカリ土類金
属以外の金属元素の総量が金属換算で100ppm以
下、前記フッ化物の結晶粒子の平均粒径が30μm以下
であり、かつ相対密度が95%以上の高密度フッ化物焼
結体からなることを特徴とする半導体製造装置用部材。
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