JP2004211122A - 高耐電圧性部材 - Google Patents

Abstract

【解決手段】原子番号６４〜７１の希土類元素を含有する酸化物の溶射皮膜からなる高耐電圧溶射皮膜を基材に形成してなることを特徴とする高耐電圧性部材。
【効果】本発明によれば、耐電圧が高い部材を提供することができ、このため誘導体ロール、加熱基板、半導体製造装置の静電チャック、サセプターなどとして好適に用いられるものである。
【選択図】 な し

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い耐電圧が要求される溶射部材、例えば、絶縁被覆部材、溶射被覆ヒーター、半導体製造用サセプター、静電チャック部材等として好適に用いられる高耐電圧溶射皮膜を有する部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶射法を使ったセラミックス絶縁被覆部材としては、コロナ放電処理用誘電体ロール、加熱基板、半導体製造装置用静電チャックなどがある。
【０００３】
例えば、コロナ放電処理用誘電体ロールでは、耐電圧としては、誘電体ロールについてはセラミックス皮膜厚みが３００μｍ以上の場合、５ｋＶ以上が要求されている。現状、アルミナ溶射皮膜では、１０ｋＶ／ｍｍ程度の耐電圧があるが、その条件をクリアーするためにセラミックス皮膜の厚みを５００μｍ〜３ｍｍと厚くしているが、セラミックス皮膜厚みを厚くしているため、ひびが入りやすい、剥離しやすくなるなどの問題があった（特開平１１−２７９３０２号公報）。
【０００４】
更に、加熱基板でもアルミナ溶射皮膜部材が使用されているが、１００μｍ以下では耐電圧が維持できず、５００μｍ以上では、クラックが発生する恐れがあった。そのため、１００〜５００μｍの範囲の皮膜厚みが望ましいが、より高い耐電圧を得るためには、溶射によってできた気孔を封口する必要があった（特開２００２−２８９３２９号公報）。
【０００５】
また、半導体ウエハーやフラットパネルディスプレー基板等の製造工程において、エッチング加工、成膜加工、あるいは露光工程などの基板加工工程において、その処理装置に静電チャック、ヒーター、サセプターが使用されている。これらの工程には、被処理物をハロゲン系の腐食性ガスを使用してプラズマ処理する工程がある。このような環境下では、構成されている処理部材が腐食されやすく、セラミックス製のものや、金属材料の上にセラミック溶射した部材が使われている。特に最近では、ウエハーサイズが大型化している点、ヒーターなどの金属部材との複合体を比較的容易に形成できる点、低コスト化の点から、セラミックス溶射部材が使用される傾向がある。
【０００６】
セラミックス溶射部材の代表的なものはアルミナ溶射部材である。アルミナ溶射部材は静電チャックなどに使用されている。しかしながら、アルミナ溶射部材は、その性質から高い耐電圧を持たせるためには封口処理が必要であった。封口処理材としては、有機物が使われたりしており、ハロゲンプラズマ環境ではその部分がエッチングされやすく、パーティクルの原因となっていた。
【０００７】
また、最近のハロゲンプラズマプロセスでは、選択性が高く、エッチングの溝を狭く深く掘るために高密度プラズマ化しているため、上記アルミナ溶射部材でもハロゲンプラズマ耐性が低い問題が出てきている。
【０００８】
そこで、近年ハロゲンプラズマ環境での耐エロージョン性を向上させる材料として、ＩＩＩａ族化合物が注目されてきた。その中でも特にイットリウムを含有した酸化物、フッ化物がハロゲンプラズマエロージョン耐性に優れていることが知られてきており、それらを溶射した部材も提案されてきている（特開２００１−１６４３５４号公報、特開２００１−２２６７７３号公報）。しかしながら、従来、アルミナやイットリアの溶射皮膜では耐電圧が十分でなく、膜厚を厚くつけたり、封口処理する必要があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２７９３０２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８９３２９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１６４３５４号公報
【特許文献４】
特開２００１−２２６７７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、ハロゲンプラズマ耐性がありながら、なおかつ耐電圧特性が向上した溶射皮膜を有する高耐電圧性部材を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、原子番号６４〜７１の希土類元素を含有する酸化物の溶射皮膜を基材に形成してなる部材が、溶射皮膜を封口処理しなくても高い耐電圧を有し、しかもハロゲンプラズマ耐性を有することを知見し、本発明をなすに至った。
【００１２】
従って、本発明は、原子番号６４〜７１の希土類元素を含有する酸化物の溶射皮膜からなる高耐電圧溶射皮膜を基材に形成してなることを特徴とする高耐電圧性部材を提供する。
【００１３】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の高耐電圧性部材は、基材に原子番号６４〜７１の希土類元素を含有する酸化物の溶射皮膜を高耐電圧溶射皮膜として形成したものであり、この場合、この溶射皮膜は封口処理をしないでも高い耐電圧を有するものである。
【００１４】
この場合、基材としては、特に限定されないが、用途等に応じてセラミックス、金属、またはそれらの複合体を用いることができる。セラミックスとしては、石英、アルミナ、マグネシア、イットリアを主成分とする成形体及びそれらの複合酸化物や、窒化珪素、窒化アルミ、窒化ホウ素などを主成分とする成形体、又は炭化珪素、炭化ホウ素を主成分とする成形体などが挙げられる。炭素材料としては、炭素繊維や炭素焼結体などが挙げられる。金属としては、鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅、シリコン、ニッケルを主成分とする金属やその合金、例えば、ステンレス合金、アルミニウム合金、陽極酸化アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、単結晶シリコンなどが挙げられる。上記の複合体としては、上記金属材料にセラミック皮膜を施したもの、アルミ合金に陽極酸化処理を施したものやメッキなどの表面処理を施したものでも構わない。
【００１５】
また、溶射皮膜は、原子番号６４〜７１の希土類元素の酸化物を含むもので、この場合、溶射皮膜が該希土類元素酸化物のみから形成されていることが最も好ましいが、該希土類元素酸化物を４５重量％以上、特に５０重量％以上含有していることが、本発明の効果を有効に達成する点から好ましい。なお、上記希土類元素酸化物以外の酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃や上記以外の希土類元素酸化物が挙げられる。
【００１６】
溶射には、フレーム溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、爆発溶射、プラズマ溶射、水安定化プラズマ溶射、インダクション（ＲＦ）プラズマ溶射、電磁加速プラズマ溶射、コールドスプレー、レーザー溶射などがあり、溶射方法については特に限定しないが、溶射出力が高いプラズマ溶射が好ましい。
【００１７】
また、溶射にはその施工雰囲気によって大気圧溶射、減圧もしくは真空に保ったチャンバー内で施工する減圧溶射法や真空溶射法などがあるが、より緻密な皮膜を形成するためには内部気孔を減少させたほうがよく、減圧溶射法が使われる場合がある。しかし、減圧溶射法や真空溶射法は施工を施すために、減圧もしくは真空チャンバーが必要であり、施工上、空間的あるいは時間的制約が生じる。そのため、本発明では、特別な圧力容器を使用せずに施工できる大気圧溶射法を用いることが好ましい。
【００１８】
プラズマ溶射機は、主に水冷されたプラズマガン、電源、粉体供給機、ガスコントローラから構成されている。プラズマ出力はプラズマガンに供給する電力と、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、ヘリウムガスなどの供給量で決定される。また、粉体供給量は粉体供給機でコントロールされる。
【００１９】
プラズマ溶射法は、プラズマガンにてプラズマを発生させ、そのプラズマ中に粉体を送り込むことによって粉末を溶融させ、瞬時に基材に衝突させることにより成膜する方法である。従って、良好な皮膜を得るためには、溶射用粉末が十分に溶融し、かつ飛行速度が速いことが条件であるが、粉末が溶融するためにはプラズマ中になるべく長い時間滞留することがよく、このことは限られた空間においては、速度が遅いことと等価になり、速度が速いことの条件に反することになる。ガンに対する入力量の増加は、プラズマジェットの温度、流速を共に高めることになるが、粉末の溶融は、材料の溶解潜熱、粒径、比重、ガス温度で決まり、飛行速度は、粒径、比重、ジェット流の速度によって決まるため、粉末材料の種類により入力パワーを最適にする必要があるといわれている。
【００２０】
本発明では、上記の溶射条件から、より高い耐電圧を有する部材を製造するためには、より比重の高い材料を皮膜として用いることが重要である。即ち、従来、耐電圧溶射部材に使用されてきたアルミナに比べ、比重の高い酸化物を溶射皮膜として形成することで、アルミナに比べ、より高い耐電圧を有する溶射部材を得ることができるものである。一般に番号の大きい元素の化合物はその比重も高い場合が多い。その中でも、希土類元素の化合物は、ハロゲンプラズマ耐性を有することが知られている。しかし、耐電圧が高いことは知られていないものであったが、本発明では、その中でも原子番号６４〜７１の元素の酸化物の溶射皮膜において耐電圧も高いことを見出したことに特徴をもっている。
【００２１】
なお、本発明において、上記溶射皮膜の膜厚は特に制限されるものではないが、１００〜５００μｍ未満、更には１００〜４５０μｍ、特には１００〜４００μｍであることが好ましい。皮膜が薄すぎると、その膜厚での耐電圧が小さいので絶縁破壊を起こしてしまう恐れがある。皮膜が厚すぎると、皮膜にひびが入りやすくなり、また皮膜剥離しやすくなる恐れがある。
【００２２】
さらに、本発明において、上記溶射皮膜の耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）は、特に制限されるものではないが、下限としては、耐電圧が１５ｋＶ／ｍｍ以上、更には１７ｋＶ／ｍｍ以上が好ましく、上限としては、耐電圧が５０ｋＶ／ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
ここで、本発明において、耐電圧の測定は、例えば、金属基板の上に酸化物をプラズマ溶射した測定基板を用い、ＪＩＳ Ｃ２１１０に準じて測定することができる。溶射膜厚としては、１００〜５００μｍ程度でよい。より具体的には、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム基板を用い、溶射前に片側表面をブラスト処理し、原子番号６４〜７１の元素を含有する酸化物をプラズマ溶射し、溶射皮膜を２００μｍ程度形成する。その基板をＪＩＳ Ｃ２１１０に準じた電極で挟み込み、昇圧レート２００Ｖ／ｓｅｃで昇圧し、絶縁破壊を起こす電圧をその皮膜の絶縁破壊電圧とする。
【００２４】
その絶縁破壊電圧より０．５ｋＶ低い電圧を設定電圧とし、設定電圧まで２００Ｖ／ｓｅｃで昇圧し、設定電圧で２０ｓｅｃ間維持しても絶縁破壊を起こさずに保持できる電圧を溶射皮膜全体の耐電圧（ｋＶ）として測定する。この測定された溶射皮膜全体の耐電圧（ｋＶ）を溶射皮膜の膜厚１ｍｍあたりの電圧として規格化したものを耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）で表記する。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００２６】
［実施例１〜７］
原子番号６４〜７１の希土類元素の酸化物溶射粉を用いて、プラズマ出力３５ｋＷ、アルゴンガス量４０Ｌ／ｍｉｎ、水素ガス量５Ｌ／ｍｉｎの溶射条件にて、パウダーフィード量を２０ｇ／ｍｉｎに調整し、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム基板上に２００μｍの溶射皮膜を形成した。その溶射皮膜を封口処理することなく耐電圧試験を行った。
【００２７】
耐電圧試験は、ＪＩＳ Ｃ２１１０に準じて行った。昇圧レートは２００Ｖ／ｓｅｃで実施し、昇圧し、まず絶縁破壊を起こす電圧を測定した。この絶縁破壊電圧より０．５ｋＶ低い電圧を設定電圧とし、設定電圧まで２００Ｖ／ｓｅｃで昇圧し、設定電圧に達した後、２０ｓｅｃ間、その設定電圧に維持しても絶縁破壊を起こさずに保持できる電圧を溶射皮膜全体の耐電圧（ｋＶ）として測定した。この溶射皮膜全体の耐電圧（ｋＶ）を溶射皮膜の膜厚（２００μｍ）で除した値を耐電圧（ｋＶ／ｍｍ）とした。結果を表１に示す。
【００２８】
［比較例１］
平均粒子径が３５μｍのＹ₂Ｏ₃を実施例１と同様の方法で溶射し、耐電圧試験を行った。
【００２９】
［比較例２］
平均粒子径が３０μｍのＡｌ₂Ｏ₃を実施例１と同様の方法で溶射し、耐電圧試験を行った。
これらの結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、耐電圧が高い部材を提供することができ、このため誘導体ロール、加熱基板、半導体製造装置の静電チャック、サセプターなどとして好適に用いられるものである。

Claims (2)

1. 原子番号６４〜７１の希土類元素を含有する酸化物の溶射皮膜からなる高耐電圧溶射皮膜を基材に形成してなることを特徴とする高耐電圧性部材。
2. 前記溶射皮膜が封口処理をしていないものである請求項１記載の高耐電圧性部材。