JP2005243758A - 耐プラズマ性部材 - Google Patents

Abstract

【課題】基材と耐プラズマ性に優れた表面層とを有する耐プラズマ性部材において、基材と表面層との間に緩衝層を設けることなく表面層の剥離やクラックを防止すること。
【解決手段】プラズマ環境下で用いられる耐プラズマ性部材であって、前記部材は、基材と、基材の表面に垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐プラズマ性部材に関し、特に、ハロゲンを含む腐食性ガスのプラズマ雰囲気中で、優れた耐プラズマ性を示す耐プラズマ性部材に関する。

半導体の製造工程においては、半導体ウエハに微細加工をするためのエッチング装置やスパッタ装置、あるいは半導体ウエハ上に成膜するための化学気相析出装置などが使用されている。これらの装置は、処理時間の高速化や素子の高集積化のためにプラズマ発生装置を備え、高密度プラズマを発生させてこのプラズマをエッチングや成膜に利用している。

エッチング装置では、エッチングガスとして塩化ホウ素などの塩素系ガスや四フッ化炭素などのフッ素系ガスが使用されている。また、化学気相析出装置においても、成膜に先立って行われる基板のクリーニング過程において窒化フッ素などのフッ素系ガスが使用される。

これら塩素系ガスやフッ素系ガスは腐食性ガスであるため、これらの装置の構成部材のうち、腐食性ガス雰囲気下でプラズマに曝露される部材には、耐プラズマ性を持つことが要求される。このため、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウムなどのセラミックス焼結体が用いられている。

しかしながら、上記セラミックス焼結体で構成される部材は、塩素系ガスやフッ素系ガスなどの腐食性ガス雰囲気中でプラズマに曝露すると徐々に腐食が進行し、表面からセラミックス粒子が離脱するなど表面性状が変化するという問題点がある。離脱したセラミックス粒子が半導体ウエハその他に付着すると、エッチング精度が低下したり、不純物として混入したりして、半導体の性能が損なわれるという問題が生じる。

このような腐食性の問題に対し、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）焼結体を用いる耐プラズマ製部材などが提案されている（例えば特許文献１、２など）。しかし、このＹＡＧ焼結体は、破壊靱性や曲げ強度などの機械的強度に劣るという問題点がある。

耐プラズマ性に優れたセラミックス焼結体として酸化イットリウムも注目されている（例えば特許文献３）。これは、酸化イットリウムがフッ素を含むガスに曝されるとフッ化イットリウムを生成し、このフッ化イットリウムは融点・沸点が高い（融点：１１５２℃、沸点：２２３０℃）ため揮発しにくく、しかもフッ素プラズマに対しても化学的に安定であるためである。

しかし、イットリウムをはじめとする希土類元素は一般に産出量が少なく高価であるため、例えば酸化イットリウム焼結体を部材として使用するのはコスト的に問題がある。

優れた機械的強度を持つ耐プラズマ部材として、アルミナ系基材表面に周期表３族元素（イットリウムを含む）の酸化物を被覆し、アルミナ系基材の優れた機械的特性と３族元素酸化物の優れた耐プラズマ性を同時に利用する方法がある。この場合、アルミナ基材と３族元素酸化物には熱膨張率に差異があり、特に３％以上の熱膨張差があるとクラックなどが発生し、３族元素酸化物層の剥離や剥離後のアルミナ系基材の腐食が進行する。このような問題を解決する手段の一つとして、アルミナ基材と３族酸化物焼結体の間に緩衝層となる適切な中間層を介在させたり、３族元素酸化物に気孔を導入したりして、熱膨張差を緩和してクラックの発生を阻止する方法がある（特許文献４）。

しかしながら前記の方法では、緩衝層を導入するために製造工程が複雑になることや、気孔を導入することによって３族元素酸化物層の機械的強度が低下するなどの問題点がある。
特開平１０−４５４６１号公報 特開平１０−２３６８７１号公報 特開２００２−６８８３８号公報 特開２００２−３５６３８７号公報

本発明が解決しようとする課題は、基材と耐プラズマ性に優れた表面層とを有する耐プラズマ性部材において、基材と表面層との間に緩衝層を設けることなく表面層の剥離やクラックを防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、プラズマ環境下で用いられる耐プラズマ性部材であって、前記部材は、基材と、基材の表面に垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜とを有することを特徴とする耐プラズマ性部材を提供する。

前記酸化イットリウム膜を構成する柱状組織は、アスペクト比が少なくとも１．５であることが好ましい。また、前記基材としては、金属、セラミックス、もしくはガラス、またはこれらの複合体からなるものを用いることができる。

本発明によれば、基材の少なくともプラズマ環境下に置かれる部分の表面に、基材に対して垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜を直接形成するので、基材と表面層との間に緩衝層を設けることなく熱膨張差に起因する表面層の剥離やクラックを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
本発明の耐プラズマ性部材は、プラズマ環境下で用いられるものであり、基材と、基材の表面に垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜とを有する。このような部材としては、ベルジャー、ドーム、サセプター、クランプリング、フォーカスリング等を挙げることができる。

基材としては、適用される部材としての強度を保持することができる限り特に制限はないが、アルミニウム等の金属やアルミナ等のセラミックス、もしくはガラス、またはこれらの複合体を好適に用いることができる。

基材の表面には、基材に対して垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜が形成されている。酸化イットリウムは本質的に耐プラズマ性が高く、また、基材に対して垂直に配列された柱状組織を形成することにより、緩衝層が存在せずとも熱膨張差に起因する表面層の剥離やクラックを防止することができ、プラズマ環境下で優れた耐性を有する。

ここで、基材に垂直な方向に配列された柱状組織を持つ酸化イットリウムが熱膨張の差に起因する剥離を抑制できるのは、基材上の表面層を構成する各柱状晶間には強い結合はなく、基板が熱膨張すると、柱状晶間の空隙が大きくなることによって熱膨張差が緩和され、酸化イットリウム層には大きな熱応力はかからないからである。そして、柱状晶間に生じる空隙は、フッ素ガスを含むプラズマが浸入するには小さいため、空隙を通じて基板表面にプラズマが到達することはないから、この酸化イットリウム膜は耐プラズマ層として十分に機能する。なお、酸化イットリウム膜を構成する柱状組織は、アスペクト比が少なくとも１．５であることが好ましい。アスペクト比が少なくとも１．５あれば、上記効果を有効に発揮することができる。

このような柱状組織を持つ酸化イットリウム膜は、例えばＣＶＤで形成することができる。

図１は、柱状組織を持つ酸化イットリウム層を形成するためのＣＶＤ装置の一例を示す模式図である。このＣＶＤ装置１は、膜形成室２と、膜形成室２内で基材１０を載置するための基材設置用台３と、イットリウム源を気化する気化装置４と、気化装置４内にイットリウム源を配置し、イットリウム源を供給するイットリウム源供給源４ａと、気化装置４内で気化したイットリウム源を搬送するための気体を供給する気体供給源５と、気化装置４で気化した原料成分を膜形成室２に供給するための原料成分供給配管６と、原料成分供給配管６を加熱するための加熱装置６ａと、原料成分供給配管６の先端に設けられた原料成分供給口７と、膜形成室２内を排気する排気装置８と、膜形成室２内に酸素ガスを供給するための酸素ガス供給装置９とを有している。上記膜形成室２の内部は排気装置８によって減圧可能である。

イットリウム源供給源４ａから供給される膜形成のためのイットリウム源は気化装置４により気化されるとともに、気体供給源５からのガスによって搬送され原料成分供給口７を介して膜形成室２の中に導入される。この場合に、基材１０は膜形成室２の中の基材設置用台３上に水平に配置され、ガスは基材１０に向けて供給される。ここで、イットリウム源は特に限定されるものではないが、ジスピバロイルメタネートイットリウム（Ｙ（ｄｐｍ）_３）を好適に用いることができる。また、キャリアガスとしては例えばＡｒガスが用いられる。また、基材設置用台３はヒーターを備え、設置された基材１０を加熱することができる。

このように構成されるＣＶＤ装置１においては、基材設置用台３上に基材１０を載置し、その中のヒーターにより基材１０を加熱する。一方、基材１０上には、イットリウム源、例えばＹ（ｄｐｍ）_３を気化した状態で供給すると同時に、酸素ガス供給装置９から酸素ガスを供給する。したがって、基材１０上において、熱エネルギーによってイットリウム源、例えばＹ（ｄｐｍ）_３と、酸素ガスとから、酸化イットリウムの生成反応が進行する。

このような成膜処理を継続することにより、基材１０上に酸化イットリウムが柱状に成長し、結果として基材１０に垂直な方向に配列された柱状組織の酸化イットリウム層が形成される。

以下、本発明の実施例について説明する。
図１に示す装置を用い、酸化イットリウム源としてＹ（ｄｐｍ）_３を用い、原料気化温度２４０℃、全圧１０Ｔｏｒｒ、基板加熱温度７００℃の条件でＣＶＤ処理を行い、アルミナ基材上にＹ_２Ｏ_３膜を厚さ１００μｍ形成した。形成されたＹ_２Ｏ_３膜の断面走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。この図から明らかなように、Ｙ_２Ｏ_３膜は、柱状晶が基板表面に対して垂直に配列した構造を持つことがわかる。

このように、Ｙ_２Ｏ_３膜を形成した部材を、ＣＦ_４＋２０％Ｏ_２のプラズマ中に置き、エッチングレートを測定し、耐プラズマ性に優れているＹ_２Ｏ_３焼結体についても同様の条件で試験を行ったところ、エッチングレートはいずれも１．７ｎｍ／ｍｉｎ程度であった。すなわち、本発明の耐プラズマ部材は、Ｙ_２Ｏ_３焼結体と同等の高い耐プラズマ性を示すことが確認された。

本発明の耐プラズマ性部材は、耐プラズマ性に優れていることから、プラズマ環境下で用いられる半導体製造装置用部材、例えば、ベルジャー、ドーム、サセプター、クランプリング、フォーカスリング等に好適である。

表面層である柱状組織の酸化イットリウム層を形成するためのＣＶＤ装置の一例を示す模式図。 表面層である柱状組織の酸化イットリウム層を示す顕微鏡写真。

符号の説明

１；ＣＶＤ装置
２；膜形成室
３；基材設置用台
４；気化装置
４ａ；イットリウム源供給源
５；気体供給源
６；原料成分供給配管
６ａ；加熱装置
７；原料成分供給口
８；排気装置
９；酸素ガス供給装置
１０；基材

Claims (3)

1. プラズマ環境下で用いられる耐プラズマ性部材であって、前記部材は、基材と、基材の表面に垂直に配列された柱状組織からなる酸化イットリウム膜とを有することを特徴とする耐プラズマ性部材。
2. 前記酸化イットリウム膜を構成する柱状組織は、アスペクト比が少なくとも１．５であることを特徴とする請求項１に記載の耐プラズマ性部材。
3. 前記基材が、金属、セラミックス、もしくはガラス、またはこれらの複合体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐プラズマ性部材。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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