JP2004083960A

JP2004083960A - 真空成膜装置用部品とそれを用いた真空成膜装置

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Publication number: JP2004083960A
Application number: JP2002244391A
Authority: JP
Inventors: Takashi Watanabe; 渡辺　高志; Takashi Nakamura; 中村　隆; Michio Sato; 佐藤　道雄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】真空成膜装置で高ストレス膜などを成膜する場合においても、成膜工程中に付着する成膜材料の剥離を再現性よく防止する。
【解決手段】真空成膜装置用部品１は、装置部品本体２と、この部品本体２の表面に形成されていると共に、２０質量％以下のＡｌを含有し、残部が実質的にＣｕからなるＣｕ合金溶射膜とを具備する。Ｃｕ合金溶射膜３は表面側に酸素含有領域Ｘが形成されており、かつＣｕ合金溶射膜３の厚さＴｍに対する酸素含有領域Ｘの深さＴｏの比（Ｔｏ／Ｔｍ）が０．０５〜０．４の範囲に制御されている。スパッタリング装置などの真空成膜装置は、このような部品１を被成膜試料保持部、成膜源保持部、防着部品などとして具備する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置やＣＶＤ装置などの真空成膜装置に用いられる真空成膜装置用部品とそれを用いた真空成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体部品や液晶表示部品などにおいては、スパッタリング法やＣＶＤ法などの成膜方法を利用して各種配線や電極などを形成している。具体的には、半導体基板やガラス基板などの被成膜基板上にスパッタリング法やＣＶＤ法などを適用して、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ−Ｗ合金などの導電性金属やＷＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２などの導電性金属化合物の薄膜を形成している。これら各薄膜は配線層、電極層、バリア層、下地層（ライナー材）などとして利用される。
【０００３】
ところで、上述した金属薄膜や金属化合物薄膜の形成に使用されるスパッタリング装置やＣＶＤ装置などの真空成膜装置においては、成膜工程中に成膜装置内に配置されている各種部品（装置構成部品）にも成膜材料が付着、堆積することが避けられない。このような部品上に付着、堆積した成膜材料（付着物）は、成膜工程中に部品から剥離することによりパーティクルの発生原因となる。このようなパーティクルが被成膜基板（被成膜試料）上に成膜中の薄膜に混入すると、配線形成後にショートやオープンなどの配線不良を引き起こし、製品歩留りの低下を招くことになる。
【０００４】
このようなことから、従来のスパッタリング装置などにおいては、防着板やターゲット固定部品などの装置構成部品の表面に、ターゲット材もしくはそれと熱膨張率が近い材料の被膜を形成することが行われている。また、部品表面への被膜の形成方法に関しても種々の提案がなされており、特に部品本体との密着性や成膜材料の付着性などに優れる溶射法が適用されている（例えば特開昭６１−５６２７７号公報、特開平９−２７２９６５号公報など参照）。このような部品表面に形成した被膜（溶射膜など）によって、装置構成部品上に付着、堆積した成膜材料（付着物）の剥離、脱落を防止している。
【０００５】
上記したような従来の付着物の剥離防止策によっても、ある程度の効果が得られているが、Ｗ、Ｔａおよびそれらの窒化物に代表される高ストレス膜を成膜する場合には、その内部応力に起因して装置構成部品上に付着、堆積した成膜材料（付着物）の剥離が生じやすいという問題がある。上記したＷ、Ｔａおよびそれらの窒化物などの薄膜はＣｕ配線の実用化に伴って、バリア層やコンタクト層などとして利用されるようになってきている。そこで、Ｗ、Ｔａおよびそれらの窒化物に代表される高ストレス膜の成膜装置においては、付着物の剥離を抑制するために、部品表面に形成する被膜に高ストレス膜の応力を緩和する効果を持たせることが強く求められている。
【０００６】
また、最近の半導体素子においては、２５６Ｍ、１Ｇというような高集積度を達成するために、配線幅の狭小化（狭ピッチ化／例えば０．１８μｍ、さらには０．１μｍ以下）が進められている。このように狭小化された配線やそれを有する素子においては、例えば直径０．２μｍ程度の極微小粒子（微小パーティクル）が混入しても、配線不良や素子不良などを引起こすことになるため、装置構成部品に起因する微細なパーティクルの発生を抑制することが強く望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の真空成膜装置の構成部品における付着物の剥離防止対策では、Ｗ、Ｔａおよびそれらの窒化物などに代表される高ストレス膜を成膜する際に、部品表面に付着した成膜材料（付着物）の剥離を十分に抑制することができず、比較的短期間で容易に付着物の剥離が生じてしまう。このため、付着物が剥離するまでの部品寿命が短く、１部品あたりのウェハー処理数が低下して、結果的に成膜部品（半導体素子など）の生産性が低下したり、また成膜コストが上昇するなどの問題を招いている。
【０００８】
すなわち、高ストレス膜を成膜するための真空成膜装置においては、従来の付着物の剥離防止対策が十分に機能せず、生産性の低下や成膜コストの増加などを招いている。さらに、高ストレス膜は被成膜基板に対する付着力も弱いため、成膜時に基板温度を高く設定する場合が多く、このような際には部品温度も例えば５００℃前後まで上昇する。このようなことから、装置構成部品の表面に形成する被膜（溶射膜など）には、高温環境下での使用に耐え得ると共に、高ストレス膜の応力を緩和して付着物の剥離を抑制することが強く求められている。
【０００９】
このような点に対して、特開２００１−２４７９５７号公報には低硬度の溶射膜（例えばＨｖ１００以下のＣｕ系溶射膜）を部品表面に形成した真空成膜装置用部品が記載されている。低硬度のＣｕ系溶射膜は高ストレス膜などの応力緩和効果や耐高温特性などに優れているものの、例えば溶射膜にＣｕ単体を適用した場合には、Ｃｕ溶射膜が容易に酸化して付着物の密着性などが劣化しやすい。このため、パーティクルの発生量が経時的に増加しやすいという傾向を有する。また、Ｃｕ溶射膜自体の密着強度も必ずしも高いとは言えない。
【００１０】
また、上記公報にはＣｕ溶射膜と他の金属溶射膜との積層膜やＣｕ合金（例えばＣｕ−Ａｌ合金）の溶射膜などを適用し得ることが記載されている。例えば、Ｃｕ合金はその合金組成に基づいてＣｕ単体より耐食性を高めることができるものの、単にＣｕ合金の溶射膜を形成しただけでは、溶射膜の酸化の進行を確実にかつ再現性よく防ぐことができない場合があり、付着物の剥離抑制効果のばらつきが大きい。これは装置構成部品によってはパーティクルの発生量が増加することを意味することから、Ｃｕ系溶射膜による付着物の剥離抑制効果を再現性よく高めることが望まれている。
【００１１】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、高ストレス膜を成膜するような場合においても、成膜工程中に付着する成膜材料の剥離を有効にかつ再現性よく防止することによって、生産性の低下や成膜コストの増加を抑制することを可能にした真空成膜装置用部品、さらに成膜した膜中へのパーティクルの混入を再現性よく抑制し、高集積化された半導体素子などへの対応を図ると共に、成膜コストの低減などを図ることを可能にした真空成膜装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空成膜装置用部品は、請求項１に記載したように、装置部品本体と、前記装置部品本体の表面に形成されていると共に、２０質量％以下のＡｌを含有し、残部が実質的にＣｕからなるＣｕ合金溶射膜とを具備する真空成膜装置用部品であって、前記Ｃｕ合金溶射膜は表面側に酸素含有領域が形成されており、かつ前記Ｃｕ合金溶射膜の厚さＴｍに対する前記酸素含有領域の深さＴｏの比（Ｔｏ／Ｔｍ）が０．０５〜０．４の範囲であることを特徴としている。
【００１３】
本発明の真空成膜装置用部品において、Ｃｕ合金溶射膜は請求項３に記載したようにＣｕを８５〜９５質量％の範囲で含むことが好ましい。また、Ｃｕ合金溶射膜は請求項４に記載したように、ビッカース硬さでＨｖ３００以下の硬度を有することが好ましい。このようなＣｕ合金溶射膜を得る上で、Ｃｕ合金溶射膜は請求項５に記載したように３５０℃以上の温度で真空加熱処理が施されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の真空成膜装置用部品においては、請求項６に記載したように、Ｃｕ合金溶射膜の膜厚が５０〜５００μｍの範囲で、かつＣｕ合金溶射膜の表面粗さが算術平均粗さＲａで１５〜４０μｍの範囲であることが好ましい。さらに、請求項７に記載したように、Ｃｕ合金溶射膜は装置部品本体との熱膨張率の差が２０×１０^−６／℃以下であることが好ましい。
【００１５】
本発明の真空成膜装置用部品においては、装置部品本体の表面に２０質量％以下（例えば１〜２０質量％の範囲）のＡｌを含有するＣｕ合金溶射膜を形成している。このようなＣｕ合金溶射膜は装置部品本体との熱膨張差が小さく、溶射膜自体の密着性に優れることに加えて、容易に低硬度化（例えばビッカース硬さでＨｖ３００以下）を図ることが可能であることから、例えば前述したような高ストレス膜に対して優れた応力緩和効果を示す。すなわち、Ｃｕ合金溶射膜はその上に付着した成膜材料（付着物）の内部応力を良好に緩和する機能を有することから、高ストレス膜を成膜する場合においても部品上に堆積した付着物の剥離を安定かつ有効に抑制することができる。
【００１６】
さらに、適量のＡｌを含むＣｕ合金溶射膜においては、ＡｌがＣｕに比べて酸化しやすいという性質を利用することによって、溶射膜の表面側に適切な範囲で酸素含有領域（酸素侵入領域）、言い換えると酸化領域を溶射時に形成することができるため、その後のＣｕ合金溶射膜の内部酸化を防止することが可能となる。すなわち、Ｃｕ合金溶射膜の厚さＴｍに対する酸素含有領域の深さＴｏの比（Ｔｏ／Ｔｍ）が０．０５〜０．４の範囲となるように、Ｃｕ合金溶射膜の表面側に酸素含有領域を形成することによって、その後の内部酸化を有効かつ確実に防ぐことができる。従って、Ｃｕ合金溶射膜の内部酸化の進行に伴う膜質や膜特性の経時的な劣化が抑制され、その結果としてパーティクルの発生を長期間にわたって安定に抑制することが可能となる。
【００１７】
本発明の真空成膜装置は、請求項８に記載したように、真空容器と、前記真空容器内に配置される被成膜試料保持部と、前記真空容器内に前記被成膜試料保持部と対向して配置される成膜源と、前記成膜源を保持する成膜源保持部と、前記被成膜試料保持部または前記成膜源保持部の周囲に配置された防着部品とを具備し、前記被成膜試料保持部、前記成膜源保持部および前記防着部品から選ばれる少なくとも１つが、上記した本発明の真空成膜装置用部品からなることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態による真空成膜装置用部品の要部構成を示す断面図である。同図に示す真空成膜装置用部品１は、装置部品本体（基材）２の表面に設けられたＣｕ合金溶射膜３を有している。なお、装置部品本体２の構成材料は特に限定されるものではないが、例えば装置部品の構成材料として一般的なステンレス鋼などが用いられる。装置部品本体２の被膜形成面はアンカー効果が得られるように、予めブラスト処理などで粗らしておくことが好ましい。
【００２０】
Ｃｕ合金溶射膜３の形成材料には、Ａｌを２０質量％以下の範囲で含有し、残部が不可避的不純物を除いて実質的にＣｕからなるＣｕ基合金が用いられる。Ｃｕ合金溶射膜３のＡｌ含有量が２０質量％を超えると、ステンレス鋼などからなる装置部品本体２との熱膨張差が大きくなりすぎて、成膜時の熱収縮差により付着物が剥離しやすくなる。ここで、Ｃｕ合金溶射膜３と装置部品本体２との熱膨張率の差は１０×１０^−６／℃以下であることが好ましい。さらに、あまり多量のＡｌを含有するとＣｕ合金溶射膜３の低硬度化が困難になり、高ストレス膜を成膜する際に、部品１上に付着した成膜材料（付着物）の応力緩和効果、すなわち剥離抑制効果が得られなくなる。Ｃｕ合金溶射膜３のＡｌ含有量は、耐食性（具体的には後述する酸素含有領域に基づく内部酸化の抑制など）や装置部品本体２への密着性などを考慮して１質量％以上、さらには５質量％以上とすることが好ましい。
【００２１】
特に、付着物の応力緩和効果や耐食性の改善効果などを十分に得る上で、Ｃｕ合金溶射膜３はＣｕの含有比率が８５〜９５質量％の範囲のＣｕ基合金で構成することが好ましい。このようなＣｕ合金を適用することによって、Ｃｕ合金溶射膜３の硬度を例えばビッカース硬さでＨｖ３００以下とすることができると共に、Ｃｕ合金溶射膜３の表面側に形成される酸素含有領域に基づく内部酸化の抑制効果を再現性よく得ることが可能となる。なお、Ｃｕ合金溶射膜３はその低硬度特性に加えて、溶射膜内に微小な気孔が存在する内部構造によって、付着物の応力緩和機能を発揮するものである。
【００２２】
上述したようなＣｕ合金溶射膜３は、アーク溶射法、プラズマ溶射法、超高速フレーム溶射法などにより装置部品本体２の表面に形成される。特に、Ｃｕ合金溶射膜３は大気のような酸素含有雰囲気中で溶射して形成することが好ましい。例えば、大気中でのアーク溶射によりＣｕ合金溶射膜３を形成した場合、Ｃｕに比べてＡｌが酸化しやすいことなどに基づいて、酸素含有雰囲気（大気など）の影響を受けやすい表面側に、Ａｌの酸化物を含む酸素含有領域（酸素侵入領域）Ｘ、言い換えると酸化領域が形成される。このような酸素含有領域Ｘの幅（表面からの深さ）を適切な範囲に制御することによって、その後のＣｕ合金溶射膜３の内部酸化を防止することが可能となる。
【００２３】
すなわち、Ｃｕ合金溶射膜３の膜厚をＴｍ、溶射時に形成される酸素含有領域Ｘの表面からの深さをＴｏとしたとき、これらの比（Ｔｏ／Ｔｍ比）を０．０５〜０．４の範囲に制御することによって、その後のＣｕ合金溶射膜３の内部酸化を有効にかつ確実に防ぐことができる。Ｃｕ合金溶射膜３のＴｏ／Ｔｍ比が０．０５未満であると、酸素含有領域（酸化領域）Ｘによる酸素のトラップ効果が十分に得られず、真空成膜装置に適用した際にＣｕ合金溶射膜３の内部酸化が進行してしまう。言い換えると、Ｃｕ合金溶射膜３の表面側に形成された酸素含有領域Ｘで、Ｃｕ合金溶射膜３への酸素の侵入を食い止めることができなくなる。
【００２４】
Ｃｕ合金溶射膜３の内部酸化が進行すると、それに伴ってＣｕ合金溶射膜３の膜質や膜特性が変化することで付着物の剥離抑制効果が低下し、成膜時に真空成膜装置用部品１に起因するパーティクルの発生を安定して抑制することができなくなる。なお、Ｃｕ合金溶射膜３の最表面に一様な酸化膜を形成したような状態では、その後の内部酸化を抑制することができても、Ｃｕ合金溶射膜３による付着物の剥離抑制効果自体も低下してしまうため、やはりパーティクルの発生を安定して抑制することはできない。
【００２５】
一方、Ｃｕ合金溶射膜３のＴｏ／Ｔｍ比が０．４を超えると、酸素含有領域Ｘが多すぎることに起因して、Ｃｕ合金溶射膜３本来の付着物の剥離抑制効果を十分に得ることができなくなる。すなわち、Ｃｕ合金溶射膜３による付着物の応力緩和効果が低下してしまう。このような場合にも成膜時におけるパーティクルの発生を安定して抑制することができない。Ｃｕ合金溶射膜３のＴｏ／Ｔｍ比は特に０．１〜０．４の範囲とすることが好ましい。このような厚さ比を有する酸素含有領域ＸをＣｕ合金溶射膜３に予め形成しておくことによって、経時的な内部酸化を有効に抑制した上で、Ｃｕ合金溶射膜３本来の付着物の剥離抑制効果を十分にかつ再現性よく得ることが可能となる。
【００２６】
ここで、本発明におけるＣｕ合金溶射膜３の表面側に形成される酸素含有領域Ｘの深さＴｏは、Ｃｕ合金溶射膜３の表面からアルゴンイオンなどでエッチングしながら深さ方向の酸素濃度分布（通常は表面から深さ方向に対して濃度傾斜している）を測定し、この測定した酸素濃度の最大値（通常は最表面）の半量の値となる深さを示すものとする。酸素濃度の深さ方向の分布は、例えばオージェ電子分光装置（日本電子製ＪＡＭＰ−１０Ｓ）を用い、加速電圧５ｋＶ、試料電流５．０×１０^−７Ａ、ビーム径φ３０μｍ、Ａｒ^＋イオンエッチングレート６ｎｍ／ｍｉｎで測定するものとする。酸素含有領域Ｘの深さＴｏは、このような測定を３箇所以上について実施し、その平均値で示すことが好ましい。
【００２７】
上述したように、Ｃｕ合金溶射膜３の表面側にＴｏ／Ｔｍ比が０．０５〜０．４の範囲の酸素含有領域（酸化領域）Ｘを形成しておくことによって、溶射膜内部の経時的な酸化をより安定的にかつ再現性よく防ぐことが可能となる。従って、Ｃｕ合金溶射膜３本来の付着物の剥離抑制効果を十分にかつ長期間にわたって安定して得ることできるため、そのようなＣｕ合金溶射膜３を有する真空成膜装置用部品１を適用することによって、例えばＷ、Ｔａおよびそれらの窒化物に代表される高ストレス膜を成膜する場合においても、部品１上に付着、堆積した成膜材料（付着物）の剥離を再現性よく抑制することが可能となる。これはパーティクルの防止、言い換えると成膜部品（半導体素子など）の歩留りの向上に大きく寄与するものである。また、パーティクルの発生を長期間にわたって抑制することで、成膜部品の生産性の向上や成膜コストの低下などを図ることができる。
【００２８】
上記したＴｏ／Ｔｍ比が０．０５〜０．４の範囲の酸素含有領域（酸化領域）Ｘを有するＣｕ合金溶射膜３を形成するためには、大気などの酸素含有雰囲気中で溶射を行うことに加えて、適度な量の酸素を含有する溶射材（例えばＣｕ合金の線材や粉末など）を用いることも重要である。具体的には、酸素含有量が１〜１０質量％の範囲の溶射材を用いて大気溶射などを行うことによって、酸素含有領域（酸化領域）Ｘの深さを適切な範囲に制御することが可能となる。溶射材の酸素含有量が少なすぎると、大気溶射を適用しても酸素含有領域Ｘを十分に形成することができないおそれがある。一方、溶射材の酸素含有量が多すぎると、酸素含有領域Ｘの形成範囲が深くなりすぎるおそれがある。
【００２９】
なお、Ｃｕ合金溶射膜３を形成する際には、電流、電圧、ガス流量、圧力、溶射距離、ノズル径、材料供給量などの溶射条件をコントロールすることによって、Ｃｕ合金溶射膜３の膜厚や表面粗さなどを制御する。Ｃｕ合金溶射膜３を成膜した部品１には、後に詳述するように膜の軟化や脱ガスなどを目的として真空加熱処理を施すことが好ましい。
【００３０】
Ｃｕ合金溶射膜３の硬度はビッカース硬さでＨｖ３００以下とすることが好ましい。ビッカース硬さがＨｖ３００以下のＣｕ合金溶射膜３は、その上部に堆積する付着物の内部応力を緩和する効果に優れるだけでなく、それ自体の内部応力も十分に緩和されていることから、Ｃｕ合金溶射膜３自体の剥離も有効に防ぐことができる。すなわち、Ｃｕ合金溶射膜３の内部応力を十分に緩和することによって、成膜工程時に外部応力（例えば熱応力）が負荷された際に、Ｃｕ合金溶射膜３の内部からの破壊の進行を有効に抑制することができる。これによって、Ｃｕ合金溶射膜３自体の剥離をより一層有効に防ぐことが可能となる。Ｃｕ合金溶射膜３の硬度はＨｖ２００以下とすることがより好ましい。
【００３１】
ここで、本発明で規定するＣｕ合金溶射膜３のビッカース硬さは、以下のようにして測定した値を示すものとする。すなわち、まずＣｕ合金溶射膜３の表面を研磨して平坦化する。次いで、平坦化した面に荷重２００ｇでダイヤモンド圧子を３０秒間押し付ける。これにより生じた圧痕の長さをＸおよびＹ方向に測定し、その平均長さからビッカース硬さ値に変換する。このような測定を５回行い、その平均値を本発明のビッカース硬さとする。
【００３２】
Ｃｕ合金溶射膜３は、さらに５０〜５００μｍの範囲の膜厚を有することが好ましい。すなわち、膜厚が５０μｍ以上のＣｕ合金溶射膜３は優れた応力緩和効果を示すことから、高ストレス膜を成膜する場合においても、部品１上に堆積した付着物の剥離、脱落をより確実に抑制することができる。一方、Ｃｕ合金溶射膜３の膜厚が５００μｍを超えると、Ｃｕ合金溶射膜３の緻密性が低下して装置部品本体２から脱落しやすくなる。
【００３３】
また、Ｃｕ合金溶射膜３の表面粗さはＪＩＳ　Ｂ　０６０１−１９９４で規定する算術平均粗さＲａで１５〜４０μｍの範囲であることが好ましい。Ｃｕ合金溶射膜３はその形成過程に基づいて複雑な表面形態を有することから、付着物に対して良好な密着性を示すが、その表面粗さがあまり小さいと成膜材料（付着物）の密着性（アンカー効果）が低下して剥離、脱落が生じやすくなる。特に、成膜材料の堆積量が増加した際に、その内部応力などにより剥離、脱落が生じやすくなる。一方、Ｃｕ合金溶射膜３の表面粗さがあまり大きくなりすぎると、成膜材料の付着形態が不安定となって、成膜中のプラズマ放電や熱変化で付着物の脱落が逆に生じやすくなるおそれがある。
【００３４】
真空成膜装置用部品１に適用するＣｕ合金溶射膜３には、装置部品本体２の表面に形成した後に、膜の軟化や脱ガスなどを目的として真空加熱処理（ＶＴ処理）を施すことが好ましい。真空加熱処理は例えば４×１０^−２Ｐａ以下の真空中にて３５０℃以上の温度で実施することが好ましい。真空加熱処理温度が３５０℃未満であると、Ｃｕ合金溶射膜３の軟化効果や脱ガス効果を十分に得ることができない。なお、真空加熱処理温度が高すぎると、例えば装置部品本体２に熱変形が生じたり、またＣｕ合金溶射膜３に剥がれが生じるおそれがあるため、真空加熱処理温度は５００℃以下とすることが好ましい。
【００３５】
上述したＣｕ合金溶射膜３は、付着物の内部応力を吸収する応力緩和効果やそれ自体の安定性（経時的な内部酸化の抑制能など）に優れることから、高ストレス膜を成膜する場合においても、部品１上に堆積した付着物の剥離を長期間にわたって安定かつ有効に抑制することができる。さらに、Ｃｕ合金溶射膜３はそれ自体の密着性にも優れ、Ｃｕ合金溶射膜３自体の剥離も安定かつ有効に抑制することができる。
【００３６】
従って、真空成膜装置用部品１上に堆積する付着物の剥離や被膜（溶射膜）自体の剥離などによるパーティクルの発生を抑えることができ、装置クリーニングや部品交換の回数を大幅に減らすことが可能となる。言い換えると、成膜装置用部品１の寿命を大幅に延ばすことができる。このように、成膜装置用部品１を長寿命化することによって、成膜装置の稼働率の向上（生産性の向上）、ひいては成膜コストの削減を実現することができる。さらに、真空成膜装置で形成する各種の膜（高ストレス膜など）、それを用いた素子や部品などの歩留りを高めることが可能となる。
【００３７】
本発明の真空成膜装置用部品１は、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＣｏから選ばれる金属元素の単体、もしくはこれら金属元素を含む合金または化合物（例えば窒化物）の薄膜、すなわち内部応力が大きい高ストレス膜を成膜する真空成膜装置に好適に用いられるものである。具体的には、スパッタリング装置やＣＶＤ装置などの真空成膜装置の構成部品として用いられ、特にスパッタリング装置に好適である。また、真空成膜装置用部品１は成膜工程中に成膜材料が付着する部品であれば種々の部品に対して適用可能である。
【００３８】
次に、本発明の真空成膜装置の実施形態について説明する。図２は本発明の真空成膜装置をスパッタリング装置に適用した一実施形態の要部構成を示す図である。同図において、１１はバッキングプレート１２に固定されたスパッタリングターゲットである。スパッタリングターゲット１１には各種の金属材料や化合物材料などが用いられ、例えば上述したような高ストレス膜を成膜するための材料（ＷやＴａなど）が適用される。
【００３９】
成膜源としてのスパッタリングターゲット１１の外周部下方には、アースシールド１３が設けられている。アースシールド１３の下方には、さらに上部防着板１４および下部防着板１５が配置されている。被成膜試料である基板１６は、スパッタリングターゲット１１と対向配置するように、被成膜試料保持部としてのプラテンリング１７により保持されている。これらは図示を省略した真空容器内に配置されている。真空容器には、スパッタガスを導入するためのガス供給系（図示せず）と真空容器内を所定の真空状態まで排気する排気系（図示せず）とが接続されている。
【００４０】
この実施形態のスパッタリング装置においては、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７を、上述した本発明の真空成膜装置用部品１で構成している。真空成膜装置用部品１の具体的な構成は前述した通りである。なお、Ｃｕ合金溶射膜３はいずれもスパッタリングターゲット１１からスパッタされた粒子が付着する面に形成されている。
【００４１】
上述したスパッタリング装置においては、成膜工程中にアースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５、プラテンリング１７などの表面にスパッタされた成膜材料（ターゲット１１の構成材料や反応性スパッタによる化合物など）が付着するが、この付着物の剥離は部品表面のＣｕ合金溶射膜３により安定かつ有効に防止される。また、Ｃｕ合金溶射膜３自体も安定で長寿命である。これらによって、パーティクルの発生量、さらには基板１６に形成される膜中への混入量を大幅に抑制することができる。従って、２５６Ｍ、１Ｇというような高集積度の半導体素子や液晶表示素子などの製造歩留りを大幅に高めることが可能となる。
【００４２】
さらに、付着物やＣｕ合金溶射膜３自体の剥離を安定かつ有効に抑制することが可能であることから、装置クリーニングや部品交換の回数を大幅に減らすことができる。この装置クリーニングや部品交換回数の低減に基づいて、スパッタリング装置の稼働率の向上（生産性の向上）を図ることができる。すなわち、スパッタリング装置のランニングコストを低減することができ、ひいては各種薄膜の成膜コストを削減することが可能となる。
【００４３】
上記した実施形態においては、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５、プラテンリング１７を本発明の部品で構成した例について説明したが、これら以外にバッキングプレート１２、ターゲット外周押え（図示せず）、シャッタ（図示せず）などを本発明の真空成膜装置用部品で構成することも有効である。さらに、これら以外の部品についても、成膜工程中に成膜材料の付着が避けられない部品であれば、本発明の真空成膜装置用部品は有効に機能する。
【００４４】
なお、上記実施形態では本発明の真空成膜装置をスパッタリング装置に適用した例について説明したが、これ以外に真空蒸着装置（イオンプレーティングやレーザーアブレーションなどを含む）、ＣＶＤ装置などに対しても本発明の真空成膜装置は適用可能であり、上述したスパッタリング装置と同様な効果を得ることができる。
【００４５】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００４６】
実施例１
まず、図２に示したスパッタリング装置のアースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の部品基材（部品基材は全てＳＵＳ　３０４）について、ブラストによる下地処理を施した後、基材表面にアーク溶射法でＣｕ合金溶射膜を成膜した。Ｃｕ合金溶射膜はＣｕを９０質量％含有するＣｕ−Ａｌ合金により形成した。９０質量％Ｃｕ−Ａｌ合金の熱膨張率は１７．２×１０^−６／℃であり、部品基材（ＳＵＳ　３０４／熱膨張率＝１５×１０^−６／℃）との熱膨張率の差は２．２×１０^−６／℃である。
【００４７】
Ｃｕ合金溶射膜は、溶射材として９０質量％Ｃｕ−Ａｌ合金を線径１．６ｍｍの線材に加工したものを使用し、これを大気中でアーク溶射することにより形成した。溶射材としてのＣｕ−Ａｌ合金の酸素含有量は２．３質量％であった。アーク溶射の条件は電流１００Ａ、電圧３０Ｖ、空気圧８０ＰＳＩ、溶射距離１５０ｍｍとした。このようにして、各部品の表面に膜厚が２５０μｍ、表面粗さがＲａで２８μｍのＣｕ合金溶射膜を形成した。膜厚は膜厚計測器（ａｌｐｈａ−ｓｔｅｐ　２０００）を用いて測定し、また表面粗さは粗さ測定器（Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ社製）を用いて測定した。
【００４８】
次に、上記した各部品の溶射面（溶射膜表面）をクリーニング処理した後、アニールおよび脱ガス処理として真空加熱処理を施した。真空加熱処理は各部品を真空炉に入れ、３〜４×１０^−２Ｐａの真空雰囲気中にて６００℃で２時間保持した後、１００℃まで降温して炉内をＡｒガスで常温まで戻し、この状態で１時間保持した。さらに、Ａｒガスで炉内を完全に置換した後、３０℃前後まで降温してから各部品を炉内から取り出した。このような各装置部品を後述する特性評価に供した。各装置部品は炉内から取り出した後に、防湿袋により真空密閉しておくことが好ましい。
【００４９】
上述した真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度はビッカース硬さでＨｖ９８であった。溶射膜のビッカース硬さは前述した方法に基づいて測定した値である。さらに、前述した方法にしたがってＣｕ合金溶射膜の表面から深さ方向への酸素濃度分布を測定し、酸素濃度の測定値が最大値の半量になるまでの深さに基づいて酸素含有領域の深さＴｏを求めたところ、このＴｏの値は２５μｍであった。この実施例１のＣｕ合金溶射膜の厚さＴｍは２５０μｍであるため、Ｔｏ／Ｔｍ比は０．１であった。さらに、上記した部品を大気中に１週間放置した後に、同様にして酸素含有領域の深さＴｏを求めたところ、Ｔｏの値は２５μｍと変化しておらず、Ｔｏ／Ｔｍ比も放置前と同様に０．１であった。
【００５０】
実施例２〜４
表１に示す各溶射材（Ｃｕ−Ａｌ合金の線材）を用いる以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜をそれぞれ形成した。各Ｃｕ合金溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。各装置部品は炉内から取り出した後に防湿袋により真空密閉しておくことが好ましい。真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５１】
比較例１
溶射材にＣｕ単体を用いる以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ溶射膜を形成した。各Ｃｕ溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＣｕ溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５２】
比較例２〜３
表１に示す各溶射材（Ａｌ含有量が２０質量％を超えるＣｕ−Ａｌ合金線材）を用いる以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜をそれぞれ形成した。各Ｃｕ合金溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５３】
比較例４〜５
表１に示す各溶射材（比較例４：酸素含有量が１０質量％を超えるＣｕ−Ａｌ合金線材、比較例５：酸素含有量が１質量％未満のＣｕ−Ａｌ合金線材）を用いる以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜をそれぞれ形成した。各Ｃｕ合金溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５４】
比較例６
表１に示す溶射材（酸素含有量が１０質量％を超えるＣｕ−Ａｌ合金線材）を用いる以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜を形成した。Ｃｕ合金溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。これら各部品を真空加熱処理することなく、後述する特性評価に供した。Ｃｕ合金溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５５】
比較例７〜８
溶射材にＡｌ単体を用いて、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＡｌ溶射膜をそれぞれ形成した。なお、アーク溶射の条件は電流８０Ａ、電圧２５Ｖ、空気圧８０ＰＳＩ、溶射距離１５０ｍｍとした。各Ａｌ溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＡｌ溶射膜の硬度は表２に示す通りである。
【００５６】
比較例９
実施例１と同様なアースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材表面にブラスト処理のみを施して、後述する特性評価に供した。なお、各部品には表２に示す温度で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施した。部品表面（ブラスト面）の表面粗さＲａは表１に示す通りである。
【００５７】
参考例１
実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜を形成した。Ｃｕ合金溶射膜の膜厚および表面粗さＲａは表１に示す通りである。次に、各部品の溶射面をクリーニング処理した後、３００℃で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度はＨｖ４００と高かったものの、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示すように実施例１と同等であった。
【００５８】
参考例２
溶射方法をプラズマ溶射に変更する以外は、実施例１と同様にして、アースシールド１３、上部防着板１４、下部防着板１５およびプラテンリング１７の各基材上にＣｕ合金溶射膜を形成した。Ｃｕ合金溶射膜の表面粗さはＲａで１０μｍと低かった。次に、各部品の溶射面をクリーニングした後、３００℃で真空加熱処理（温度条件以外は実施例１と同一条件）を施して、後述する特性評価に供した。真空加熱処理後のＣｕ合金溶射膜の硬度、Ｔｏ／Ｔｍ比（作製直後および１週間放置後）はそれぞれ表２に示す通りである。
【００５９】
なお、上記した実施例、比較例、参考例における各溶射膜のＣｕとＡｌの比率は、溶射材料と実質的に同一であった。
【００６０】
【表１】

【００６１】
【表２】

【００６２】
上述した実施例１〜４、比較例１〜９、および参考例１〜２による各部品を用いて、それぞれマグネトロンスパッタリング装置を組立てた。これら各マグネトロンスパッタリング装置に表３にターゲットをセットしてマグネトロンスパッタリングを行い、６インチのＳｉ基板上に表３に示す薄膜をそれぞれ成膜した。スパッタ条件は、ＴａＮ薄膜についてはスパッタ圧３×１０^−５Ｐａ、Ａｒ流量１５ｓｃｃｍ、Ｎ_２流量３０ｓｃｃｍ、ＷＮ薄膜についてはスパッタ圧３×１０^−５Ｐａ、Ａｒ流量２０ｓｃｃｍ、Ｎ_２流量３０ｓｃｃｍとし、Ｔａ薄膜およびＷ薄膜についてはスパッタ圧３×１０^−５Ｐａ、Ａｒ流量３０ｓｃｃｍとした。
【００６３】
上述した各スパッタリング装置の１ライフの投入電力量を１２０ｋＷｈとし、各薄膜上の直径０．２μｍ以上のパーティクル数（個数／１ウェハ）をパーティクルカウンタ（ＷＭ−３）で測定した。パーティクル数の測定結果は、初期１０ロット（成膜初期）の平均値と１ライフの平均値とに分けてそれぞれ表３に示す。
【００６４】
【表３】

【００６５】
表２および表３から明らかなように、実施例１〜４による装置部品はいずれも１週間放置後においてもＴｏ／Ｔｍ比の変化量が少なく、Ｃｕ合金溶射膜の内部酸化が安定して抑制されていることが分かる。このような装置部品を用いたスパッタリング装置によれば、成膜初期および１ライフ平均共にパーティクルの発生数が少なく、成膜部品の歩留りの向上や成膜コストの低減などを図ることができる。
【００６６】
一方、Ｃｕ溶射膜を適用した比較例１の装置部品は１週間放置後のＴｏ／Ｔｍ比が大きく、Ｃｕ溶射膜の内部酸化が確実に進行していることが分かる。従って、このような装置部品を用いたスパッタリング装置では、成膜初期および１ライフ平均共にパーティクルの発生数が多い。Ａｌ含有量が多いＣｕ合金溶射膜を適用した比較例２、３の装置部品は、部品基材（部品本体）との熱膨張差が大きく、また比較例２は膜厚も厚すぎるために、そのような装置部品を用いたスパッタリング装置では使用していくにしたがってパーティクル数が増加していくことが分かる。比較例３の装置部品は、さらにＣｕ合金溶射膜が硬いことから、成膜初期の段階からパーティクルの発生数が多いことが分かる。
【００６７】
また、比較例４の装置部品は当初のＴｏ／Ｔｍ比が０．４を超えており、Ｃｕ合金溶射膜本来の特性が維持されていないことから、そのような装置部品を用いたスパッタリング装置では実施例に比べてパーティクルの発生数が多いことが分かる。比較例５の装置部品は当初のＴｏ／Ｔｍ比が０．０５未満であることから、１週間放置後にはＴｏ／Ｔｍ比が増加している。従って、このような装置部品を用いたスパッタリンスパッタリング装置では使用していくにしたがってパーティクル数が増加していくことが分かる。
【００６８】
比較例６の装置部品は当初のＴｏ／Ｔｍ比が０．４を超えていることに加えて、Ｃｕ合金溶射膜の硬度が大きいことから、そのような装置部品を用いたスパッタリング装置では成膜初期の段階からパーティクルの発生数が多いことが分かる。Ａｌ溶射膜を適用した比較例７、８の装置部品は、Ｃｕ合金溶射膜に比べて部品基材（部品本体）との熱膨張差が大きいことから、そのような装置部品を用いたスパッタリング装置ではパーティクルの発生数が多いことが分かる。また、ブラスト処理のみとした比較例９の装置部品では、パーティクルの発生数を抑制することができないことが分かる。
【００６９】
なお、Ｃｕ合金溶射膜の硬度が大きい参考例１の部品では、その上に付着した成膜材料（付着物）の応力を十分に緩和することができず、これによって成膜初期段階のパーティクル数が多いことが分かる。Ｃｕ合金溶射膜の膜表面粗さが小さい参考例２の部品では、その上に付着した成膜材料（付着物）の密着性が低いことから、１ライフとしてのパーティクル数が増加してしまうことが分かる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の真空成膜装置用部品によれば、剥離防止用の溶射膜自体の安定性などに優れることから、成膜工程中に付着する成膜材料の剥離を長期間にわたって有効にかつ再現性よく防止することが可能となる。また、このような真空成膜装置用部品を有する本発明の真空成膜装置によれば、配線膜や素子の不良発生原因となる膜中へのパーティクルの混入を抑制することができると共に、生産性の向上並びに成膜コストの低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による真空成膜装置用部品の要部構造を示す断面図である。
【図２】本発明の真空成膜装置を適用したスパッタリング装置の一実施形態の要部構造を示す図である。
【符号の説明】
１……真空成膜装置用部品，２……部品本体，３……Ｃｕ合金溶射膜，１１……スパッタリングターゲット，１２……バッキングプレート，１３……アースシールド，１４、１５……防着板，１６……被成膜基板

Claims

装置部品本体と、前記装置部品本体の表面に形成されていると共に、２０質量％以下のＡｌを含有し、残部が実質的にＣｕからなるＣｕ合金溶射膜とを具備する真空成膜装置用部品であって、
前記Ｃｕ合金溶射膜は表面側に酸素含有領域が形成されており、かつ前記Ｃｕ合金溶射膜の厚さＴｍに対する前記酸素含有領域の深さＴｏの比（Ｔｏ／Ｔｍ）が０．０５〜０．４の範囲であることを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｔｏ／Ｔｍ比が０．１〜０．４の範囲であることを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｃｕ合金溶射膜はＣｕを８５〜９５質量％の範囲で含むことを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｃｕ合金溶射膜はビッカース硬さでＨｖ３００以下の硬度を有することを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｃｕ合金溶射膜には３５０℃以上の温度で真空加熱処理が施されていることを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｃｕ合金溶射膜は５０〜５００μｍの範囲の膜厚を有し、かつ前記Ｃｕ合金溶射膜の表面粗さが算術平均粗さＲａで１５〜４０μｍの範囲であることを特徴とする真空成膜装置用部品。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の真空成膜装置用部品において、
前記Ｃｕ合金溶射膜は前記装置部品本体との熱膨張率の差が１０×１０^−６／℃以下であることを特徴とする真空成膜装置用部品。
真空容器と、
前記真空容器内に配置される被成膜試料保持部と、
前記真空容器内に前記被成膜試料保持部と対向して配置される成膜源と、
前記成膜源を保持する成膜源保持部と、
前記被成膜試料保持部または前記成膜源保持部の周囲に配置された防着部品とを具備し、
前記被成膜試料保持部、前記成膜源保持部および前記防着部品から選ばれる少なくとも１つが、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の真空成膜装置用部品からなることを特徴とする真空成膜装置。
請求項８記載の真空成膜装置において、
前記成膜装置はスパッタリング装置であることを特徴とする真空成膜装置。