JP2001338906A - ガラス状炭素製チャンバーライナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマによりチャンバーライナーが消耗す
る際に、チャンバーライナー自身からの金属汚染、パー
ティクルの発生等を防止し、ガラス状炭素製チャンバー
ライナーに要求される機能を確保すると共に、比較的容
易に高い真円度を有する円筒形状のものを得ることが可
能なガラス状炭素製チャンバーライナーを提供する。 【解決手段】 プラズマエッチング装置に用いられるチ
ャンバー内壁保護部材（以下チャンバーライナーとす
る）において、プラズマに曝される部位がガラス状炭素
単体、チャンバー内壁に接する部位が無機導電性フィラ
ーを添加したガラス状炭素複合体からなるガラス状炭素
製チャンバーライナー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマエッチン
グ装置に用いられるチャンバー内壁保護部材（以下チャ
ンバーライナーとする）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス状炭素は耐熱性、耐食性等に優
れ、かつ低発塵であることから、半導体デバイスをはじ
めとするエレクトロニクス産業の製造装置部材として広
範な用途に使用されている。ガラス状炭素は熱硬化性樹
脂を原料とし、これを硬化した後、不活性雰囲気中又は
真空中で焼成炭素化して得られる。成形から必要に応じ
て行う黒鉛化までの製造工程においては終始固相のまま
で反応するため、気体又は液体に対して不透過性であ
る。

【０００３】このため、熱硬化性樹脂の硬化過程におい
ては、原料モノマーや分解ガス、縮重合反応によって生
成する縮合水が拡散されにくく、成形体中に閉気孔が生
成したり、成形体が発泡する等の問題が生じていた。従
来の技術では、このような問題を防止し、健全な成形体
を得るために樹脂の硬化を長時間かけて行うなどの対策
が取られていた。

【０００４】また、焼成過程においても、樹脂の熱分解
に伴って発生する分解ガスやタール成分の拡散が不十分
になると成形体中に閉気孔を生じ、さらに拡散が著しく
不十分な場合には、成形体に発泡や亀裂が発生し、目的
とする形状のガラス状炭素が得られなくなる。

【０００５】焼成過程で発生する分解ガスとは、一酸化
炭素、二酸化炭素、水素、メタン、エタン等常温常圧下
において気体である低分子量物質を指し、タール成分と
は樹脂が熱分解して生成する雑多な物質で、常温常圧下
において液体である中分子量物質を指す。

【０００６】また、熱硬化性樹脂からガラス状炭素へ転
化させる焼成の工程においては、上記の分解ガスやター
ル成分の拡散と共に、樹脂の骨格を形成する炭素原子が
黒鉛構造へと再配列し、これに伴い成形体の収縮が起こ
る。成形体表面と内部とでは熱の伝播速度が異なるた
め、成形体表面と内部との収縮速度に差が生じ、成形体
が割れる現象が生じ易い。特に肉厚のガラス状炭素を歩
留まり良く製造するには、硬化時間を大幅に長くし、か
つ焼成過程で発生する分解ガスの拡散を穏やかにするな
どの対策が必要となる。

【０００７】また、本発明になるチャンバーライナー
は、プラズマエッチング装置のチャンバー内壁を保護す
る目的でチャンバー内に挿入するものであり、高純度、
低発塵性等の材料への要求特性の他に、チャンバー内壁
との密着性が要求される部材である。チャンバー内壁と
チャンバーライナーとの密着性が低いと、プラズマエッ
チング装置稼働中に、生成したプラズマが特定の箇所に
集中し、チャンバーライナーの一部分を選択的に消耗さ
せ、パーティクルの異常発生が避けられなくなる。

【０００８】さらに、チャンバー内壁とチャンバーライ
ナーとの間に生じた隙間で放電が起こり、チャンバーの
内壁部分が消耗し、消耗によりチャンバーよりスパッタ
されたチャンバー含有の重金属がチャンバー内に放出さ
れる。放出された重金属が半導体デバイス製造中のウェ
ハ上に付着すると、半導体デバイスの動作不良などを起
こす。

【０００９】チャンバーライナーとチャンバー内壁との
密着性を向上させるには、チャンバーライナーの真円度
を高めることが重要である。しかし、ガラス状炭素は、
その製造工程で歪みを生じやすく、チャンバーライナー
のような高い真円度を要求される円筒形状を得ることが
困難である。特に焼成の際に、成形体表面と内部との収
縮速度の差によって真円度が悪化するという現象が生じ
やすい。

【００１０】真円度を向上させるには、適当な治具を円
筒内部に挿入する方法や焼成時の昇温速度を極力小さく
し、成形体に均一に熱が伝播するような対策が必要とな
るが、適当な治具を円筒内部に挿入する方法では、成形
体の収縮が予想以上に大きい場合、治具が成形体の収縮
を拘束し、成形体が割れる原因となる。逆に成形体の収
縮が予想以上に小さく、挿入した治具まで到達しなかっ
た場合、真円度の向上が図れない。

【００１１】このため、円筒形状のガラス状炭素につい
て目的の真円度を得るには、一般的に焼成又は必要に応
じて黒鉛化処理した後に、機械加工によって真円度を向
上させる手段がとられる。しかし、前述のようにガラス
状炭素は肉厚品の製造が著しく困難で、かつガラス状炭
素は脆性材料のため高度な機械加工技術が必要とされ
る。そのため、高い真円度を有する円筒形状のガラス状
炭素を効率よく得るための開発が要望されていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】請求項１記載の発明
は、プラズマによりチャンバーライナーが消耗する際
に、チャンバーライナー自身からの金属汚染、パーティ
クルの発生等を防止し、ガラス状炭素製チャンバーライ
ナーに要求される機能を確保すると共に、比較的容易に
高い真円度を有する円筒形状のものを得ることが可能な
ガラス状炭素製チャンバーライナーを提供するものであ
る。請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に加え
て、さらに高純度のガラス状炭素製チャンバーライナー
を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマエッ
チング装置に用いられるチャンバーライナーにおいて、
プラズマに曝される部位がガラス状炭素単体、チャンバ
ー内壁に接する部位が無機導電性フィラーを添加したガ
ラス状炭素複合体からなるガラス状炭素製チャンバーラ
イナーに関する。また、本発明は、無機導電性フィラー
が炭素材料であるガラス状炭素製チャンバーライナーに
関する。

【００１４】

【発明の実施の形態】ガラス状炭素となる原料の熱硬化
性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジビニ
ルベンゼン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド
樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、
ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂等を挙げ
ることが出来る。またこれら樹脂の混合物を用いること
も出来る。これらの中で、フィラー添加の容易さ、揮発
成分の放出速度、炭素化収率等を考慮すると、フェノー
ル樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂又はこれらの混合
物を用いることが好ましく、特にフラン樹脂を用いるこ
とが好ましい。

【００１５】前記、フラン樹脂の種類としては、フルフ
ラール樹脂、フルフラールフェノール樹脂、フルフラー
ルケトン樹脂、フルフリルアルコール樹脂等の樹脂の初
期縮合物が好ましいものとして挙げられる。

【００１６】本発明に使用される原料の熱硬化性樹脂の
形態としては液状、粉状、フィルム状等特に制限するも
のではなく、成形方法は遠心成形法、熱プレス法、多重
塗布法、注型法等の既知の手法を用いることが可能であ
る。成形方法の選択に当たっては、原料の熱硬化性樹脂
の形態とともに、フィラーとする無機導電性フィラーの
形状や比重、耐熱性等を考慮することが望ましい。

【００１７】また、前記熱硬化性樹脂には、必要に応じ
て溶媒を添加することも可能であり、溶媒の種類として
は、常温常圧で液体の有機溶媒であれば特に制限はな
く、前記熱硬化性樹脂のモノマー用いることも可能であ
る。溶媒として好ましいものは、各種アルコール類で、
例えばエタノール、プロパノール、ブタノール等が挙げ
られる。

【００１８】前記、熱硬化性樹脂には、必要に応じて前
記樹脂の硬化剤を用いることができ、その例としては酸
又はアルカリが挙げられる。酸としては硫酸、塩酸、硝
酸、りん酸等の無機酸、フェノールスルホン酸、トルエ
ンスルホン酸、メタンスルホン酸等の有機スルホン酸
類、酢酸、トリクロロ酢酸等の有機カルボン酸類がより
好ましく、フェノールスルホン酸及びトルエン酸がさら
に好ましい。アルカリとしてはアンモニア、アミン類、
水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が好ましい。

【００１９】硬化剤の使用量は、原料とする熱硬化性樹
脂及び溶媒の添加量などにより変動するが、少なすぎる
と硬化が遅く、かつ不十分となり、多すぎると急激に硬
化反応が起こり、発泡又は発火するおそれがあり、きれ
いな成形体を製造することが困難になる傾向がある。従
って熱硬化性樹脂に対して０．０１〜１５重量％の範囲
とすることがより好ましく、０．０５〜１０重量％とす
ることがさらに好ましい。

【００２０】硬化剤はそのまま又は適宜溶媒に溶解して
熱硬化性樹脂に添加する。ここで用いる溶媒としては、
例えばメタノール、エタノール等の低級アルコール類、
アセトン、トルエン等の有機溶媒等が挙げられる。

【００２１】本発明において、無機導電性フィラーと
は、銅、アルミニウム、鉄等の金属系材料や炭素材料、
炭化けい素系セラミックス材料等を指す。前記における
炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、等方性黒鉛、
カーボンブラック、パイロカーボン、フラーレン類、カ
ーボンナノチューブ類、炭素繊維、膨張黒鉛、ガラス状
炭素等を指し、特に制限はないが、金属汚染を防止する
観点から、炭素含有率が９０重量％以上である炭素材料
が好ましく、９５重量％以上である炭素材料がより好ま
しい。

【００２２】無機導電性フィラーの形態としては、粉
状、繊維状、フィルム状、クロス状等が挙げられるが、
ガラス状炭素と複合化が可能な形態であれば特に制限は
ない。また、炭素繊維はその原料によってピッチ系炭素
繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等の種類があるが、本発明にお
ける炭素繊維はその原料や特性によって使用の可否が区
別されるものではない。

【００２３】本発明においては、得られたガラス状炭素
製チャンバーライナーをワイヤーカット、放電加工、超
音波加工等を用いて最終形状へと加工することが出来
る。本発明のチャンバーライナーは、目的の真円度を得
るためにチャンバー内壁に接触する部位を加工すること
が好ましいが、焼成時の歪みが小さいなどの理由で、加
工せずに目的の真円度が得られる場合は、特に加工を行
わなくてもよい。もし真円度の加工を行う場合、その加
工方法については特に制限はない。

【００２４】プラズマに曝される部位がガラス状炭素単
体、チャンバー内壁に接する部位が無機導電性フィラー
を添加したガラス状炭素複合体は、例えば無機導電性フ
ィラーを添加したガラス状炭素原料の熱硬化性樹脂を円
筒形状に加熱硬化し、次いで円筒形状の硬化体の円周面
上に前記のガラス状炭素原料の熱硬化性樹脂を塗布して
加熱硬化することにより得られる。

【００２５】なお、チャンバーライナーの使用時又は装
置へ設置する際に、加工により添加したフィラーが露出
し、脱落してパーティクルとなることを防止する目的
で、加工面を前述のガラス状炭素の原料となる液体熱硬
化性樹脂を塗布した後、焼成してガラス状炭素のコーテ
ィングを行ってもよい。ガラス状炭素のコーティング
は、必要であればより高温での黒鉛化処理を行うことも
可能である。あるいは、チャンバーとの電気的導通を特
に必要としない場合は、ポリイミド、テフロン（登録商
標）等の耐熱性樹脂で加工面をコーティングすることも
可能である。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。

【００２７】実施例１ 熱硬化性樹脂としてフラン樹脂（日立化成工業(株)製、
商品名ＶＦ３０２）を用い、このフラン樹脂１００重量
部に対し、硬化剤としてトリクロロ酢酸１０重量部を滴
下して混合した後、無機導電性フィラーとして膨張黒鉛
（日立化成工業(株)製）を５重量部添加して攪拌混合
し、この混合物を遠心成形機に投入して７０℃で１２時
間加熱硬化してフィラー入りフラン樹脂硬化体を得た。

【００２８】次いで前記と同量のフラン樹脂（日立化成
工業(株)製、商品名ＶＦ３０２）に、硬化剤としてトリ
クロロ酢酸１０重量部を滴下して混合した後、前記で得
たフィラー入りフラン樹脂硬化体の内周面上に塗布され
るように遠心成形機に投入し、７０℃で１２時間加熱硬
化してフラン樹脂成形体を得た。

【００２９】遠心成形機で得られたフラン樹脂成形体を
取り出し、１５０℃で５時間硬化処理を行い、内周側が
フラン樹脂単体及び外周側がフラン樹脂と膨張黒鉛の複
合体からなる外径が４５０mmの円筒形状の樹脂成形体を
得た。

【００３０】この樹脂成形体を窒素雰囲気中で５℃／時
間の昇温速度で１０００℃まで焼成した後、さらに１０
℃／時間の昇温速度で２８００℃まで処理して円筒形状
のガラス状炭素を得た。なお２８００℃までの熱処理を
通じて、内部に直径が３４８mmの黒鉛製円柱を治具とし
て挿入し、熱処理時の変形を極力抑制した。最終熱処理
時の円筒形状のガラス状炭素は、外径が３５０mm及び真
円度が５．３mmであった。

【００３１】次に、円筒形状のガラス状炭素をＮＣマシ
ニングにより外周加工を行い、真円度を０．５mmとし
た。この円筒形状からなるガラス状炭素の加工面にスプ
レーを用いて液体フラン樹脂を厚さが０．１mmになるよ
うに均一に塗布した後、１５０℃で２時間硬化させ、窒
素雰囲気中で３０℃／時間の昇温速度で１０００℃まで
焼成してガラス状炭素製チャンバーライナーを得た。得
られたガラス状炭素製チャンバーライナーをプラズマエ
ッチング装置のチャンバー内に設置し、パーティクル数
及び金属汚染の有無を確認した。その結果を表１に示
す。

【００３２】実施例２ 無機導電フィラーとしてピッチ系炭素繊維を用い、その
他は実施例１と同様の工程を経て外径が４５０mmの円筒
形状の樹脂成形体を得た。次いで実施例１と同様の工程
を経て外径が３５０mm及び真円度が３．２mmの円筒形状
のガラス状炭素を得た。

【００３３】次に、円筒形状のガラス状炭素をＮＣマシ
ニングにより外周加工を行い、真円度を０．４mmとし
た。この円筒形状のガラス状炭素の加工面にスプレーを
用いて液体フラン樹脂を厚さが０．１mmになるように均
一に塗布した後、１５０℃で２時間硬化させ、窒素雰囲
気中で３０℃／時間の昇温速度で１０００℃まで焼成し
てガラス状炭素製チャンバーライナーを得た。得られた
ガラス状炭素製チャンバーライナーをプラズマエッチン
グ装置のチャンバー内に設置し、パーティクル数及び金
属汚染の有無を確認した。その結果を表１に示す。

【００３４】比較例１ 熱硬化性樹脂としてフラン樹脂（日立化成工業(株)製、
商品名ＶＦ３０２）を用い、このフラン樹脂１００重量
部に対し、硬化剤としてトリクロロ酢酸１０重量部を滴
下して混合した後、この混合物を遠心成形機に投入して
７０℃で１２時間加熱硬化した。

【００３５】遠心成形機で得られたフラン樹脂成形体を
取り出し、１５０℃で５時間硬化処理を行い、フラン樹
脂単体からなる外径が４５０mmの円筒形状の樹脂成形体
を得た。この樹脂成形体を窒素雰囲気中で１℃／時間の
昇温速度で１０００℃まで焼成したところ、発泡により
所望の形状のガラス状炭素は得られなかった。

【００３６】比較例２ 比較例１と同様の原料を使用し、比較例１と同様の工程
を経てフラン樹脂単体からなる外径が４５０mmの円筒形
状からなる樹脂成形体を得た。この樹脂成形体を窒素雰
囲気中で０．３℃／時間の昇温速度で１０００℃まで焼
成し、次いで０．５℃／時間の昇温速度で２８００℃ま
で処理して円筒形状のガラス状炭素を得た。

【００３７】なお２８００℃までの熱処理を通じて、内
部に直径が３４８mmの黒鉛製円柱を治具として挿入し、
熱処理時の変形を極力抑制した。最終熱処理時の円筒形
状のガラス状炭素は、外径が３５０mm及び真円度は６．
６mmであった。これをＮＣマシニングにより外周加工を
行い、真円度を０．５mmとしたガラス状炭素製チャンバ
ーライナーを得た。得られたガラス状炭素製チャンバー
ライナーをプラズマエッチング装置のチャンバー内に設
置し、パーティクル数及び金属汚染の有無を確認した。
その結果を表１に示す。

【００３８】比較例３ 比較例２と同様の原料を使用し、比較例２と同様の工程
を経て外径が３５０mm及び真円度が５．０mmの円筒形状
のガラス状炭素製チャンバーライナーを得た。得られた
円筒形状のガラス状炭素チャンバーライナーについて外
周加工を行わずに、プラズマエッチング装置のチャンバ
ー内に設置し、パーティクル数及び金属汚染の有無を確
認した。その結果を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に示されるように、本発明の実施例に
なるガラス状炭素製チャンバーライナーは、パーティク
ル数が少なく、金属汚染がなく良好であることがわか
る。これに対し比較例１は発泡によりガラス状炭素製チ
ャンバーライナーが得られず、比較例２のガラス状炭素
製チャンバーライナーは、焼成速度を遅くしなければな
らず製造に長時間を要し、さらに比較例３のガラス状炭
素製チャンバーライナーは、パーティクル数が多いこと
がわかる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１におけるガラス状炭素製チャン
バーライナーは、プラズマによりチャンバーライナーが
消耗する際に、チャンバーライナー自身からの金属汚
染、パーティクルの発生等を防止し、ガラス状炭素製チ
ャンバーライナーに要求される機能を確保すると共に、
比較的容易に高い真円度を有する円筒形状のものが得ら
れ工業的に極めて好適である。請求項２におけるガラス
状炭素製チャンバーライナーは、請求項１記載の効果に
加えて、さらに高純度のガラス状炭素製チャンバーライ
ナーを得ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマエッチング装置に用いられるチ
   ャンバー内壁保護部材（以下チャンバーライナーとす
   る）において、プラズマに曝される部位がガラス状炭素
   単体、チャンバー内壁に接する部位が無機導電性フィラ
   ーを添加したガラス状炭素複合体からなるガラス状炭素
   製チャンバーライナー。
2. 【請求項２】 無機導電性フィラーが炭素材料である請
   求項１記載のガラス状炭素製チャンバーライナー。