JP2005217349A - 耐プラズマ性を有する半導体製造装置用部材およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐プラズマ性部材からの脱粒の発生を抑制・低減する必要がある。そのためにはポアや粒界層が存在せず、仮に脱粒が発生したとしても、半導体デバイスや半導体製造装置内の部材などへ悪影響を与えない、脱粒の大きさが非常に小さな耐プラズマ性部材を提供する。
【解決手段】 本発明では、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物を構成するイットリア多結晶体の平均結晶粒径を７０ｎｍ未満とすることにより、プラズマ雰囲気に曝されても脱粒を抑制・低減でき、仮に脱粒が発生したとしても脱粒の大きさを小さくできることを可能とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐プラズマ性を有する半導体製造装置用部材およびその作製方法に係り、特にハロゲン系腐食性ガス雰囲気下で、好適な耐プラズマ性を有する半導体製造装置用部材およびその作製方法に関する発明である。

従来の耐プラズマ性が必要とされる半導体製造装置用部材は、高純度アルミナ焼結体やイットリア溶射膜が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、焼結体や溶射膜には数〜数１０ミクロン以上のポアや粒界層が存在し、プラズマ雰囲気に曝されるとポアや粒界層を起点に腐食が進行し、ポアの大きさが大きくなり、また表面に亀裂が発生する。これらの腐食の進行に伴う脱粒が半導体製造装置内を飛散し、半導体デバイスを汚染し半導体の性能や信頼性を損ねたり、耐プラズマ性部材自身の表面を削りとってしまい更なる脱粒を引き起こしてしまうという問題があった。

特開２００２−２５２２０９号公報（第２頁）

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、耐プラズマ性部材からの脱粒の発生を抑制・低減する必要がある。そのためにはポアや粒界層が存在せず、仮に脱粒が発生したとしても、半導体デバイスや半導体製造装置内の部材などへ悪影響を与えない、脱粒の大きさが非常に小さな耐プラズマ性部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物を構成するイットリア多結晶体の平均結晶粒径を７０ｎｍ未満とすることにより、プラズマ雰囲気に曝されても脱粒を抑制・低減でき、仮に脱粒が発生したとしても脱粒の大きさを小さくできることを可能とした。

また、請求項２記載の発明によれば、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物を構成するイットリア多結晶体の平均結晶粒径を５０ｎｍ未満とすることにより、プラズマ雰囲気に曝されても脱粒を抑制・低減でき、仮に脱粒が発生したとしても脱粒の大きさを小さくできることを可能とした。

また、請求項３記載の発明によれば、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物を構成するイットリア多結晶体の平均結晶粒径を３０ｎｍ未満とすることにより、プラズマ雰囲気に曝されても脱粒を抑制・低減でき、仮に脱粒が発生したとしても脱粒の大きさを小さくできることを可能とした。

また、請求項４記載の発明によれば、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物を構成しているイットリア多結晶体はガラス質からなる粒界層が実質的に存在しないことにより、プラズマ雰囲気に曝されても粒界層を起点にした腐食が進行することなく、また、それに伴う脱粒を抑制・低減できることを可能とした。

また、請求項５記載の発明によれば、半導体製造装置用部材のプラズマに曝される面側に形成する層状構造物において、その層状構造物表面のポア占有率を０．１面積％未満にすることにより、プラズマ雰囲気に曝されてもポアを起点にした腐食が進行することなく、また、それに伴う脱粒を抑制・低減できることを可能とした。

また、請求項６に記載の発明によれば、基材表面と層状構造物を構成しているイットリア多結晶体の一部がアンカー部を形成して直接接合されていることにより、基材とイットリア多結晶体から成る層状構造物との密着強度が大きくなり、プラズマ雰囲気に曝されても脱粒を抑制・低減できることを可能とした。

本発明によれば、プラズマ雰囲気に曝される半導体製造装置用部材において、脱粒の発生を抑制・低減できるという効果がある。

本件で使用する語句の説明を以下に行う。
（平均結晶粒径）
本発明において平均結晶粒径とは、Ｘ線回折法におけるＳｃｈｅｒｒｅｒの方法によって算出される結晶子のサイズを言い、マックサイエンス社製ＭＸＰ−１８を使用して
測定・算出する。
（多結晶）
本発明において多結晶とは、結晶子が接合・集積してなる構造体を言う。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成し、その径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（界面）
本発明において界面とは、結晶子同士の境界を構成する領域を言う。
（粒界層）
本発明において粒界層とは、界面あるいは焼結体で言う粒界に位置する厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層を言い、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
（ポア占有率）
本発明においてポア占有率とは、試料表面を走査型電子顕微鏡（日立製作所製／Ｓ４１００）により観察し画像をデジタル化し、画像処理ソフト（Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製／Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ ＰＬＵＳ）を用いて、観察視野の一定面積におけるポア占有面積を測定・算出し面積百分率で示した値を言う。
（アンカー部）
本発明においてアンカー部とは、基材と脆性材料構造物の界面に形成された凹凸を言い、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、脆性材料の構造物を形成させる時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸を言う。
（微粒子）
本発明において微粒子とは、一次粒子が緻密質粒子である場合は、粒度分布測定や走査型電子顕微鏡で同定される平均粒径が５ミクロン以下であるものを言う。また一次粒子が衝撃によって破砕されやすい多孔質粒子である場合は、平均粒径が５０ミクロン以下であるものを言う。粉体とは上述の微粒子が自然凝集した状態を言う。
（エアロゾル）
本発明においてエアロゾルとは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらの混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させたものであり、一次粒子が分散している状態が望ましいが、通常はこの一次粒子が凝集した凝集粒を含む。
（常温）
本発明において常温とは、イットリアの焼結温度に対して著しく低い温度で、実質的には０℃〜１００℃の室温環境を言う。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面により説明する。まず、基材上に形成させるイットリア多結晶体から成る層状構造物の作製方法について図７を用いて説明する。図７において、作成装置７０はガスボンベ７０１がガス配管７０２を介して、平均粒径が０．０１〜５μｍのイットリア微粒子を内蔵するエアロゾル発生器７０３に接続し、エアロゾル搬送管７０４を介して形成室７０５内に設置された、縦０．４ｍｍ横２０ｍｍの開口を持つノズル７０６に接続されている。ノズル７０６の先にはＸＹステージ７０７に設置された基材７０８が配置される。形成室７０５は真空ポンプ７０９に接続されている。

以上の構成からなる作製装置７０による作製手順を述べる。ガスボンベ７０１を開栓し、ガスを搬送管７０２を通じてエアロゾル発生器７０３に導入させ、イットリア微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管７０４を通じてノズル７０６へと送られ、ノズル７０６の開口より高速で噴射される。この時真空ポンプ７０９の作動により、形成室７０５内は数ｋＰａの減圧環境下におかれている。

ノズル７０６の開口の先に配置された基材にイットリア微粒子が高速で衝突し、微粒子は粉砕・変形などを起こして粒子や断片がお互いに接合し、基材上にイットリア多結晶体から成る層状構造物が形成される。基材７０８はＸＹステージ７０７により揺動されており、所望の形状・面積にイットリア多結晶体から成る層状構造物が形成される。以上の操作は常温環境下で行われる。

次に、基材上に形成させるイットリア多結晶体から成る層状構造物のより好ましい作製方法について説明する。

ガスボンベ７０１に封入するガスは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらの混合ガスを用いることができるが、ヘリウムもしくは窒素を用いることがより好ましい作製方法である。

また、エアロゾル発生器７０３に内蔵するイットリア微粒子は、平均粒径が０．１〜５μｍのイットリア微粒子を用いることがより好ましい作製方法である。

上述の作製装置７０を用いて作製したイットリア多結晶体から成る層状構造物は、チャンバー、ベルジャー、サセプター、クランプリング、フォーカスリング、シャドーリング、絶縁リング、ダミーウエハー、高周波プラズマを発生させるためのチューブ、高周波プラズマを発生させるためのドーム、高周波透過窓、赤外線透過窓、監視窓、半導体ウエハーを支持するためのリフトピン、シャワー板、バッフル板、ベローズカバー、上部電極、下部電極などのプラズマ雰囲気に曝される半導体製造装置用部材に利用することができ、半導体製造装置用部材の基材は、金属、セラミックス、半導体、ガラス、石英、樹脂などが挙げられる。さらに、本発明のイットリア多結晶体から成る層状構造物は、半導体ウエハーに微細な加工を施すエッチング装置などの静電チャックに利用することが可能である。

以下に、本発明の実施の形態につき、実施例を用いて説明する。

上述の作製装置７０のエアロゾル発生器７０３に、平均粒径０．４μｍのイットリア微粒子を装填して、搬送ガスとして高純度窒素ガス、流量７Ｌ／ｍｉｎを用いて、Ａｌ基材上に形成高さ４０μｍ、形成面積２０×２０ｍｍのイットリア多結晶体から成る層状構造物を形成させた。

作製したイットリア多結晶体の平均結晶粒径を、Ｘ線回折（マックサイエンス製／ＭＸＰ−１８、ＸＰＲＥＳＳ）を用いて、Ｓｃｈｅｒｒｅｒ法により測定・算出した。比較のためイットリア溶射膜とイットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の平均結晶粒径を併せて測定した。

その結果を表１に示す。本発明により作製したイットリア多結晶体の平均結晶粒径は１９．２ｎｍで、イットリア溶射膜やイットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の平均結晶粒径よりも小さく、非常に小さな結晶から構成されていた。

上述の作製装置７０のエアロゾル発生器７０３に、平均粒径０．４μｍのイットリア微粒子を装填して、搬送ガスとしてヘリウムガス、流量７Ｌ／ｍｉｎを用いて、Ａｌ基材上に形成高さ２０μｍ、形成面積２０×２０ｍｍのイットリア多結晶体から成る層状構造物を形成させた。

本発明により作製したイットリア多結晶体、イットリア溶射膜、イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の表面のポア占有率を測定した。ポア占有率の測定方法は、試料表面を走査型電子顕微鏡（日立製作所製／Ｓ４１００）により観察し画像をデジタル化し、画像処理ソフト（Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製／Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ ＰＬＵＳ）にて試料表面のポア占有率を算出した。ポア占有率の測定視野の大きさは３１８μｍ×４６８μｍとした。その結果を表２に示す。本発明により作製したイットリア多結晶体表面のポア占有率は、イットリア溶射膜およびＨＩＰ処理を施しポアを軽減させたイットリア焼結体と比較して非常に小さかった。

さらに、耐プラズマ性を評価するために、本発明により作製したイットリア多結晶体、イットリア溶射膜、イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）をＲＩＥ型エッチャー装置（日電アネルバ社製／ＤＥＡ−５０６）を用いて、腐食性ガスとしてＣＦ４＋Ｏ２、マイクロ波出力１ｋＷ、照射時間１８０分間にてプラズマ雰囲気に曝した。この時、試料の一部をシリコンウエハーでマスクした。

試料をプラズマ雰囲気に曝露した後、試料のマスクを施した部位とマスクを施していない部位の段差を、触針式表面形状測定器（日本真空技術社製／Ｄｅｃｔａｋ３０３０）を用いて測定し、その段差から耐プラズマ性を評価した。

その結果を表３に示す。本発明により作製したイットリア多結晶体の浸食深さは２６１ｎｍ、イットリア溶射膜の浸食深さは４４３ｎｍ、イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の浸食深さは３３９ｎｍで、本発明により作製したイットリア多結晶体は耐プラズマ性に優れていた。

さらに、本発明により作製したイットリア多結晶体、イットリア溶射膜、イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の各々について、プラズマ曝露前後の表面観察を走査型電子顕微鏡（日立製作所製／Ｓ４１００）により行った。

その結果、プラズマ曝露前において、本発明により作製したイットリア多結晶体の表面（図１）は、イットリア溶射膜の表面（図３）やイットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の表面（図５）に見られるような数μｍのポアは観察されず、図２に示すようにプラズマ曝露後においてもその表面状態は変化していなかった。

一方、プラズマ曝露後のイットリア溶射膜の表面は、図４に示すように表面に亀裂が入った状態に変化した。また、プラズマ曝露後のイットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）の表面は、図６に示すように、プラズマ曝露前に存在していたポアの周辺が浸食され、ポアの大きさが大きくなっていた。

本発明により作製したイットリア多結晶体から成る層状構造物表面のプラズマ曝露前の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明により作製したイットリア多結晶体から成る層状構造物表面のプラズマ曝露後の走査型電子顕微鏡写真である。 イットリア溶射膜表面のプラズマ曝露前の走査型電子顕微鏡写真である。 イットリア溶射膜表面のプラズマ曝露後の走査型電子顕微鏡写真である。 イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）表面のプラズマ曝露前の走査型電子顕微鏡写真である。 イットリア焼結体（ＨＩＰ処理品）表面のプラズマ曝露後の走査型電子顕微鏡写真である。 本発明のイットリア多結晶体から成る層状構造物を作製する装置の概略図である。

符号の説明

７０…作製装置
７０１…ガスボンベ
７０２…ガス搬送管
７０３…エアロゾル発生器
７０４…エアロゾル搬送管
７０５…形成室
７０６…ノズル
７０７…ＸＹステージ
７０８…基材
７０９…真空ポンプ

Claims (8)

1. 耐プラズマ性が必要とされる半導体製造装置用部材において、少なくともプラズマに曝される面側に、平均結晶粒径が７０ｎｍ未満のイットリア多結晶体から成る層状構造物が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
2. 耐プラズマ性が必要とされる半導体製造装置用部材において、少なくともプラズマに曝される面側に、平均結晶粒径が５０ｎｍ未満のイットリア多結晶体から成る層状構造物が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
3. 耐プラズマ性が必要とされる半導体製造装置用部材において、少なくともプラズマに曝される面側に、平均結晶粒径が３０ｎｍ未満のイットリア多結晶体から成る層状構造物が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
4. 請求項１乃至３に記載のイットリア多結晶体から成る層状構造物において、イットリア多結晶体を構成する結晶同士の界面には、ガラス質からなる粒界層が実質的に存在しないことを特徴とする半導体製造装置用部材。
5. 請求項１乃至４に記載のイットリア多結晶体から成る層状構造物において、層状構造物表面のポア占有率が０．１面積％未満であることを特徴とする半導体製造装置用部材。
6. 請求項１乃至５に記載の半導体製造装置用部材において、基材表面に前記層状構造物を構成しているイットリア多結晶体の一部が食い込むアンカー部が形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
7. イットリア微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けてノズルより噴射し、前記エアロゾルを前記基材表面に衝突させ、この衝突の衝撃により前記イットリア微粒子を破砕・変形させて接合させ、イットリア多結晶体から成る層状構造物を前記基材上に形成させる工程からなる半導体製造装置用部材の作製方法。
8. 請求項７に記載の半導体製造装置用部材の作製方法において、前記イットリア多結晶体から成る層状構造物を形成する工程が、常温環境下で行われることを特徴とする半導体製造装置用部材の作製方法。

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