JP2008007343A - アルミナ被覆材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】腐食性流体に対する耐食性や耐プラズマ性に優れ、かつ、密着性の高いアルミナ膜を最表層に有するアルミナ被覆材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミナ被覆材10Bは、シリカガラスからなる基材12と、基材12の表面に設けられたダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜18と、DLC膜18の表面に設けられたY−Si酸化物層22およびY−Si酸化物層22の表面に設けられたイットリア(Y2O3)層24およびY2O3層24の表面に設けられたYAG層26からなる中間膜14と、YAGの表面に設けられたα−コランダム型アルミナ(α−Al2O3)膜16を有し、基材12からα−Al2O3膜16へ向かって熱膨張係数が段階的または連続的に変化する構成とした。
【選択図】図3
【解決手段】アルミナ被覆材10Bは、シリカガラスからなる基材12と、基材12の表面に設けられたダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜18と、DLC膜18の表面に設けられたY−Si酸化物層22およびY−Si酸化物層22の表面に設けられたイットリア(Y2O3)層24およびY2O3層24の表面に設けられたYAG層26からなる中間膜14と、YAGの表面に設けられたα−コランダム型アルミナ(α−Al2O3)膜16を有し、基材12からα−Al2O3膜16へ向かって熱膨張係数が段階的または連続的に変化する構成とした。
【選択図】図3
Description
本発明はアルミナ膜で被覆された材料に関し、特にフッ素含有ガスに対する優れた耐食性と優れた耐プラズマ性を有し、半導体製造装置用部材として好適に用いられるアルミナ被覆材およびその製造方法に関する。
半導体デバイスの製造工程には、エッチング処理やアッシング処理、洗浄処理等のように、腐食性流体環境下やプラズマ環境下で行われる処理があり、このような処理を行うための処理装置には、石英ガラスや高純度アルミナ等の耐食性に優れたセラミックスが広く用いられている。ところが、石英ガラスはフッ化水素やフッ素ガスに弱く、またプラズマ雰囲気に曝されると容易にエッチングされてしまうという問題がある。
そこで、石英ガラスの表面に溶射法によりアルミナ膜を成膜した材料が検討されている(例えば、特許文献1参照)。石英ガラスとアルミナとでは熱膨張係数に大きな差があるために、この特許文献1に開示された技術では、石英ガラスの表面をブラスト処理等することにより一定の表面粗さとした後に溶射法によりアルミナ膜を成膜することで、アンカー効果によってアルミナ膜の剥離を抑制している。
しかしながら、溶射法により成膜されるアルミナ膜は気孔を多く含むために、例えばCVD法により成膜されるアルミナ膜と対比すると、耐食性に劣るという欠点がある。また、原料粉末の純度を上げることが困難であり、アルミナ膜がエッチングされたときに生じるパーティクルが製品を汚染するおそれがある。
特開2003−212598号公報(段落[0012]〜[0019]等)
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、腐食性流体に対する耐食性や耐プラズマ性に優れ、かつ、密着性の高いアルミナ膜を最表層に有する長寿命なアルミナ被覆材およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の観点に係るアルミナ被覆材は、シリカガラスからなる基材と、前記基材の表面に設けられたY−Si酸化物層および前記Y−Si酸化物層の表面に設けられたイットリア層および前記イットリア層の表面に設けられたYAG層からなる中間膜と、前記YAG層の表面に設けられたα−コランダム型アルミナ膜とを有する構造となっている。
このアルミナ被覆材は、シリカガラスからなる基材の表面に、Y−Si酸化物層前駆体とイットリア層前駆体とYAG層前駆体を逐次形成し、これらの前駆体を一体焼成して、Y−Si酸化物層とイットリア層とYAG層とからなる中間膜を成膜する工程と、前記YAG層の表面にα−コランダム型アルミナ膜をCVD法またはPVD法により成膜する工程とを経ることで製造することができる。
本発明の第2の観点に係るアルミナ被覆材は、シリカガラスからなる基材と、前記基材の表面に設けられたダイヤモンドライクカーボン膜と、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の表面に設けられたY−Si酸化物層および前記Y−Si酸化物層の表面に設けられたイットリア層および前記イットリア層の表面に設けられたYAG層からなる中間膜と、前記YAG層の表面に設けられたα−コランダム型アルミナ膜とを有する構造となっている。
このアルミナ被覆材は、シリカガラスからなる基材の表面に、CVD法によりダイヤモンドライクカーボン膜を成膜する工程と、前記ダイヤモンドライクカーボン膜の表面に、Y−Si酸化物層前駆体とイットリア層前駆体とYAG層前駆体を逐次形成し、これらの前駆体を一体焼成して、Y−Si酸化物層とイットリア層とYAG層とからなる中間膜を成膜する工程と、前記YAG層の表面にα−コランダム型アルミナ膜をCVD法またはPVD法により成膜する工程とを経ることで製造することができる。
本発明に係るアルミナ被覆材は、最表層に緻密で高純度のアルミナ膜を備えており、かつ、最表層と基材との間に熱応力緩和効果を有する中間膜が設けられているために、腐食性流体に対する耐食性や耐プラズマ性に優れ、かつ、密着性にも優れて長寿命である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1に本発明の第1の実施形態に係るアルミナ被覆材(以下「被覆材」という)の概略構造を表す断面図を示す。この被覆材10Aは、シリカガラス(石英ガラス;SiO2)からなる基材12と、基材12の表面に設けられた中間膜14と、中間膜14の表面に最表面膜として設けられたα−コランダム型アルミナ膜16(以下「α−Al2O3膜16」と記す)とを備えた構造を有しており、中間膜14は基材12側からα−Al2O3膜16側に向かって順に、Y−Si酸化物層22,イットリア(Y2O3)層24(以下「Y2O3層24」と記す)、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG;Y3Al5O12)層26(以下「YAG層26」と記す)とが積層されてなる多層構造を有している。
基材12に用いられるシリカガラスは加工性に優れているので、複雑な形状の被覆材10Aを容易に製造することができる。基材12の表面粗さがRaで1μm以下であっても、後述するように化学溶液堆積法(MOD法;Meta1-Organic Deposition)を用いて中間膜14を設けることにより、中間膜14を基材12に対して強く密着させることができる。
中間膜14の構成要素であるY−Si酸化物層22は、好ましくは、Y2SiO5またはY2Si2O7またはこれらの混晶またはこれらの積層体からなる。中間膜14は、SiO2からなる基材12から最表面膜であるα−Al2O3膜16に向かって、その組成がY2SiO5またはY2Si2O7からY2O3へさらにY3Al5O12へと、Si,Y,Alが組成傾斜(成分傾斜)した構造となっているので、基材12であるSiO2とY−Si酸化物層22との間、中間膜14を構成する各層との間およびYAG層26とα−Al2O3膜16との間の界面での密着性を高めることができる。
Y−Si酸化物の熱膨張係数は約3×10−6/℃〜8×10−6/℃であり、Y2O3の熱膨張係数は約7×10−6/℃〜10×10−6/℃であり、YAGの熱膨張係数は約7×10−6/℃〜10×10−6/℃であるので、中間膜14を構成する各物質の熱膨張係数はほぼ等しい。また、SiO2の熱膨張係数は0.4×10−6/℃〜0.5×10−6/℃であり、α−Al2O3の熱膨張係数は8×10−6/℃〜13×10−6/℃であることから、中間膜14の平均的な熱膨張係数はSiO2の熱膨張係数とα−Al2O3の熱膨張係数の中間にある。
すなわち、被覆材10Aでは、基材12からα−Al2O3膜16へ向かって熱膨張係数が段階的に変化する構成となっており、これにより、例えば、被覆材10Aをプラズマエッチング装置等の熱サイクルがかかる環境下で用いた場合でも、基材12とα−Al2O3膜16の熱膨張係数差に起因して被覆材10Aに生じる熱応力を中間膜14で緩和することができる。こうして、基材12からのα−Al2O3膜16の剥離が抑制される。
中間膜14の厚さは20nm以上500nm以下であることが好ましい。中間膜14の厚さが20nm未満の場合には、膜厚の均一性を確保することが困難であり、また十分な熱応力緩和効果を得ることができず、一方、500nm超の場合には、成膜のために後述する一体焼成プロセスを用いた場合には剥離が生じやすくなり、多段焼成プロセスを用いた場合には焼成回数が多くなってしまい、生産性が低下するという問題がある。
α−Al2O3膜16の厚さは0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。α−Al2O3膜16の厚さが0.1μm未満の場合には耐久性が不十分となり、一方、20μm超の場合には、成膜時間が長くなって生産性が低下する問題や、被覆材10Aに発生する熱応力が大きくなってα−Al2O3膜16の剥離が生じやすくなるという問題がある。
上述の通りの構造を有する被覆材10Aの製造は、MOD法により基材12の表面に中間膜14を成膜し、その後に中間膜14の表面にCVD法またはPVD法でα−Al2O3膜16を成膜する方法によって行うことができる。
MOD法は、基材に金属アルコラートや金属アルコキシド等の有機金属溶液を塗布し、これを乾燥してゲル化させることでセラミックス膜前駆体を形成した後、これを焼成(焼結)して結晶化させる成膜方法の一つである。溶液塗布の方法としては、膜厚均一性に優れるスピンコート法やディップコート法が好適に用いられる。
MOD法による中間膜14の成膜プロセスには一体焼成プロセスと多段焼成プロセスとがあり、そのいずれかの方法を用いてもよい。一体焼成プロセスでは、最初に基材12の表面に、Y−Si酸化物層22としてY2SiO5からなる膜を成膜する場合にはモル比でSi:Y=1:2に調製された金属アルコキシド溶液を、Y2Si2O7からなる膜を成膜する場合にはモル比でSi:Y=1:1に調製された金属アルコキシド溶液を、これらの混晶からなる膜を成膜する場合にはモル比でSi:Y=1:x(1<x<2)に調製された金属アルコキシド溶液を塗布し、その塗布膜を乾燥させて、Y−Si酸化物前駆体を形成する。このY−Si酸化物前駆体を形成するためには、複数回の塗布,乾燥を行ってもよく、以下のY2O3前駆体とYAG前駆体の形成においても同様である。
続いて、Y−Si酸化物前駆体の表面にY2O3層24を形成するための金属アルコキシド溶液を塗布し、その塗布膜を乾燥させてY2O3前駆体を形成する。さらにY2O3前駆体の表面にYAG層26を形成するための金属アルコキシド溶液を塗布し、その塗布膜を乾燥させてYAG前駆体を形成する。こうして3層の前駆体が形成されたものを、所定温度で焼成する。
この一体焼成プロセスでは、加熱回数が1回で済むために生産性がよいという利点がある。また、焼結時にY−Si酸化物前駆体から基材12へのY成分の拡散、Y−Si酸化物前駆体とY2O3前駆体との間でのYとSiの拡散、Y2O3前駆体とYAG前駆体との間でのYとAlの拡散が生じやすい。そのため各層の界面近傍での組成変化を連続性のあるものとすることができるので、各層間の密着性を高めることができ、また各層間の熱膨張係数変化も連続的となるので、熱応力緩和能力を高めることができる。
多段焼成プロセスは、Y−Si酸化物前駆体を形成したらその後に焼成処理を行ってY−Si酸化物層22を成膜し、同様にしてY2O3層24,YAG層26を逐次形成することで中間膜14を成膜する方法である。この多段焼成プロセスの場合でも、各層間での成分拡散は、前述の一体焼成プロセスを用いた場合よりは起こり難いが、生じないというわけではない。また、中間膜14を厚くしたい場合には、一体焼成プロセスよりも、多段焼成プロセスの方が、膜剥離や亀裂発生を抑制することができる点で有利である。
中間膜14の成膜プロセスにおいては、Y−Si酸化物層22,Y2O3層24およびYAG層26はそれぞれ、X線回折法により各結晶相を同定することができる程度に結晶化させることが好ましい。図2にSiO2からなる基材12の表面に、Y2Si2O7,Y2SiO5,Y2O3,YAGの4層からなる中間膜のX線回折チャートを示す。
なお、これらの各層はMOD法による逐次焼成により形成した。すなわち、Y2Si2O7層は、Y2O3のMOD剤とSiO2のMOD剤をY:Si=1:1となるように混合調製してこれをスピンコート成膜し、乾燥後に1200℃で焼成して形成した。続いて、Y2SiO5層は、Y2O3のMOD剤とSiO2のMOD剤をY:Si=2:1となるように混合調製してこれをスピンコート成膜し、乾燥後に1200℃で焼成して形成した。次いで、Y2O3層は、Y2O3のMOD剤をスピンコート成膜し、乾燥後に1200℃で焼成して形成した。YAG層は、YAGのMOD剤をスピンコート成膜し、乾燥後に1200℃で焼成して形成した。各層の膜厚は40〜200nmとした。ここでは焼成温度は全ての層について1200℃としたが、結晶化層を形成することができる限りにおいて焼成温度に制限はなく、例えば、900℃〜1500℃で焼成することができる。焼成温度は、通常は、後の焼成温度が先の焼成温度と同じかそれよりも低い温度に設定する。
図2に示されるように、結晶化された中間膜14では、結晶化によって緻密化が進んで密度が大きくなり、耐プラズマ性(耐エッチング性)が向上する。
中間膜14を成膜した後に、中間膜14の表面にα−Al2O3膜16を成膜する。α−Al2O3膜16の成膜方法に限定はないが、緻密質で厚さが一定な膜を形成することができるという観点から、PVD法またはCVD法が好適であり、特に成膜速度の速いCVD法が好適である。
次に、本発明の第2の実施形態に係る被覆材について説明する。図3にその被覆材10Bの概略断面図を示す。この被覆材10Bが先に説明した被覆材10Aと比較して異なる点は、基材12と中間膜14との間にダイヤモンドライクカーボン膜18(以下「DLC膜18」と記す)が設けられている点である。そこで、以下、このDLC膜18について説明する。
DLC膜18は、炭素原子から構成されたアモルファス(非晶質)構造を有する薄膜であり、炭素原子の結合状態はタイヤモンド構造(sp3混成軌道による共有結合)とグラファイト構造(sp2混成軌道による共有結合)の両方を有する。そのため、DLC膜18の熱膨張係数や比抵抗等の物性は、ダイヤモンドとグラファイトとの中間的な特性を示す。なお、DLC膜18は、CVD法によって非常に平滑性に優れた性状のものを成膜することができ、摩擦係数も小さいという特性も有している。
DLC膜18の熱膨張係数は1×10−6/℃〜4×10−6/℃であり、基材12と中間膜14の各熱膨張係数の中間値を示す。そのため、DLC膜18を設けることによって、被覆材10Bに熱サイクルが掛かった場合に、基材12とα−Al2O3膜16の熱膨張係数差によって発生する熱応力を中間膜14とともに緩和することができ、これによりα−Al2O3膜16と中間膜14の剥離を抑制することができる。
DLC膜18の厚さは10nm以上200nm以下であることが好ましい。DLC膜の厚さが10nm未満の場合は、十分な熱応力緩和効果を得ることができず、また平滑で厚みが一定の膜の成膜が困難である。一方、200nm超の場合には、DLC膜18が剥離しやすくなり、また、成膜時間が長くなって生産性が低下するという問題がある。
DLC膜18の成膜は、成膜面積が広く、基材12の表面に短時間で成膜することができ量産性に優れるという特徴を有するプラズマCVD法により行うことが好ましい。具体的には、真空チャンバ内に、例えば、原料ガスとしてベンゼンガス,メタンガス,アセチレンガス等の炭化水素ガスと水素ガスを導入し、直流アーク放電プラズマを発生させて、炭化水素イオンや励起されたラジカルを生成させるとともに基材12を直流負電圧にバイアスすることにより、生成したイオン等をバイアス電圧に応じたエネルギーで基材12に衝突させて固体化させる。こうして、基材12の表面にDLC膜18が成膜される。
なお、DLC膜18の成膜は、イオンプレーティング法等のPVD法等によって行うこともできるが、PVD法では基材12の表面温度の的確な制御が必要である等の成膜操作上の煩雑さがある。
DLC膜18を構成する炭素原子の結合状態は、先に説明した通り、ダイヤモンド構造とグラファイト構造の両方を含んでおり、成膜条件を制御して各結合の存在割合を変化させることによって、DLC膜18中で熱膨張係数に傾斜を設けることができる。ダイヤモンド構造を多く含む場合よりもグラファイト構造を多く含む場合の方が熱膨張係数は大きくなる。また、被覆材10Bの場合、基材12の熱膨張係数は中間膜14の熱膨張係数よりも小さい。そこで、DLC膜18を、基材12側ではダイヤモンド構造が多く、中間膜14に近づくにしたがってグラファイト構造が多くなるような、熱膨張係数傾斜構造とすることが好ましい。これにより、DLC膜18による熱応力緩和効果をさらに高めることができ、中間膜14およびα−Al2O3膜16の剥離を抑制することができる。
プラズマCVD法によるDLC膜の成膜工程においては、低温で成膜するほどダイヤモンド構造よりもグラファイト構造が多いアモルファス構造となり、逆に高温で成膜するほどグラファイト構造よりもダイヤモンド構造が多いアモルファス構造となるので、上記のような熱膨張係数傾斜構造を有するDLC膜は、250℃以上800℃以下の温度から200℃以上400℃以下の温度へ降温させながら成膜させることが好ましい。なお、DLC膜におけるsp2混成軌道による共有結合およびsp3混成軌道による共有結合の定量は、電子エネルギー損失分光法(Electron Energy-Loss Spectroscopy;EELS)による結合スペクトル解析及びラマン分光法によるスペクトル解析により確認することができる。
本発明のアルミナ被覆材は、プラズマエッチング装置等の腐食性環境下において用いられる耐食性材料として好適である。
10A,10B…アルミナ膜被覆材(被覆材)、12…基材、14…中間膜、16…α−コランダム型アルミナ膜(α−Al2O3膜)、18…ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜、22…Si−Y酸化物層、24…イットリア(Y2O3)層、26…イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)層。
Claims (13)
- シリカガラスからなる基材と、
前記基材の表面に設けられたY−Si酸化物層および前記Y−Si酸化物層の表面に設けられたイットリア層および前記イットリア層の表面に設けられたYAG層からなる中間膜と、
前記YAG層の表面に設けられたα−コランダム型アルミナ膜とを有することを特徴とするアルミナ被覆材。 - シリカガラスからなる基材と、
前記基材の表面に設けられたダイヤモンドライクカーボン膜と、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜の表面に設けられたY−Si酸化物層および前記Y−Si酸化物層の表面に設けられたイットリア層および前記イットリア層の表面に設けられたYAG層からなる中間膜と、
前記YAG層の表面に設けられたα−コランダム型アルミナ膜とを有することを特徴とするアルミナ被覆材。 - 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さは10nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項2に記載のアルミナ被覆材。
- 前記Y−Si酸化物は、Y2SiO5またはY2Si2O7またはこれらの混晶またはこれらの積層体であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材。
- 前記α−コランダム型アルミナ膜の厚さは0.1μm以上20μm以下であり、前記中間膜の厚さは20nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材。
- 前記中間膜において、前記Y−Si酸化物層とイットリア層との間および前記イットリア層とYAG層との間のそれぞれの境界には、元素拡散により連続的に組成が変化する傾斜層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材。
- 前記中間膜を構成するY−Si酸化物,イットリアおよびYAGはそれぞれ、X線回折法により各結晶相を同定することができる結晶化度を有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材。
- シリカガラスからなる基材の表面に、Y−Si酸化物層前駆体とイットリア層前駆体とYAG層前駆体を逐次形成し、これらの前駆体を一体焼成して、Y−Si酸化物層とイットリア層とYAG層とからなる中間膜を成膜する工程と、
前記YAG層の表面にα−コランダム型アルミナ膜をCVD法またはPVD法により成膜する工程とを有するアルミナ被覆材の製造方法。 - シリカガラスからなる基材の表面に、CVD法によりダイヤモンドライクカーボン膜を成膜する工程と、
前記ダイヤモンドライクカーボン膜の表面に、Y−Si酸化物層前駆体とイットリア層前駆体とYAG層前駆体を逐次形成し、これらの前駆体を一体焼成して、Y−Si酸化物層とイットリア層とYAG層とからなる中間膜を成膜する工程と、
前記YAG層の表面にα−コランダム型アルミナ膜をCVD法またはPVD法により成膜する工程とを有するアルミナ被覆材の製造方法。 - 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚さを10nm以上200nm以下とすることを特徴とする請求項9に記載のアルミナ被覆材の製造方法。
- 前記Y−Si酸化物は、Y2SiO5またはY2Si2O7またはこれらの混晶またはこれらの積層体であることを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材の製造方法。
- 前記α−コランダム型アルミナ膜の厚さを0.1μm以上20μm以下とし、前記中間膜の厚さを20nm以上500nm以下とすることを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材の製造方法。
- 前記中間膜を構成するY−Si酸化物,イットリアおよびYAGはそれぞれ、X線回折法により各結晶相を同定することができる結晶化度を有するように熱処理することを特徴とする請求項8から請求項12のいずれか1項に記載のアルミナ被覆材の製造方法。
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