JP2020193356A - 成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品を提供する。【解決手段】本発明は、成膜雰囲気に晒される表面に、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる溶射膜が形成された成膜装置用部品であって、前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内である。密着力［ｋｇ／ｍ２］は、６以上であることが好ましい。【選択図】図２

Description

本発明は、付着した膜の密着性や剥離応力緩和効果に優れた成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置に関する。

近年、半導体製品は、減圧雰囲気とされた成膜室内において、各種の被膜形成方法（たとえば、スパッタリング法やＣＶＤ法など）を用い、被処理体（たとえば、Ｓｉ基板など）上に各種の被膜を形成することにより製造される。その際、目的とする被処理体に形成される被膜は、成膜室内において、成膜時に被処理体の周りに存在する、各種の成膜装置用部品にも、当該被膜が付着することは避けられない。

このような現象は、成膜の回数（バッチ数）が増えるほど顕在化する。すなわち、被処理体は通常、１つの成膜操作ごとに交換されるのに対して、被処理体の周りに存在する各種の成膜装置用部品は、成膜操作ごとに交換されない。これにより、成膜操作を繰り返すにつれて、成膜装置用部品上には、成膜の回数（バッチ数）分だけ、付着した被膜が重なった状態、すなわち厚膜が堆積された状態となる。そのため、成膜装置用部品に付着した被膜は、密着性の臨界点を超えると、剥離、脱落し、微粒子、塵埃などのパーティクルと称されるものになり、これが成膜室内に浮遊し、成膜室内を汚染する。このようなパーティクルが半導体製品の中に取り込まれると、半導体製品の歩留まりを大きく低下させる虞があった。

この問題を解消するため、従来の成膜装置では、成膜室内に配置される成膜装置用部品の表面に、各種の溶射膜を設けた仕様のものが用いられている（特許文献１）。
溶射膜は一般に、ブラスト（Blast）処理表面に比べてその表面粗さが大きいので、溶射膜上に付着した被膜（以下、付着膜と呼ぶ）はアンカー効果を得やすいことが知られている。また、溶射膜は付着膜との接触面積が大になることから剥離し難くなる傾向がある。さらに、溶射膜はある程度の空孔率を有しており、その空孔の存在によってやや変形し易く、その度合いに応じて付着膜の剥離応力が緩和されることも公知である。

しかしながら、付着膜が内部応力の高いスパッタ膜に対しては、必ずしも満足な効果が得られていなかった。すなわち、前述したように、スパッタ膜が繰り返し堆積され厚膜化されたが状態になると、成膜装置用部品に付着したスパッタ膜は、密着性の臨界点を超え易くなり、剥離、脱落し、微粒子、塵埃などのパーティクルが発生し、これが成膜室内に浮遊し、成膜室内を汚染する問題が顕在化する。
このため、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置の開発が期待されていた。

特許第４３８２５３２号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、成膜雰囲気に晒される表面に、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる溶射膜が形成された成膜装置用部品であって、前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記溶射膜の密着力［ｋｇ／ｍ^２］が６以上であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記Ａｌ合金の添加元素がＳｉまたはＴｉであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記Ｃｕ合金の添加元素がＡｌであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、成膜室と、前記成膜室内に配置され、表面に溶射膜が形成された成膜装置用部品とを備えた成膜装置であって、前記溶射膜は、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなり、前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記溶射膜の密着力［ｋｇ／ｍ^２］が６以上であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５において、前記Ａｌ合金の添加元素がＳｉまたはＴｉであることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項５において、前記Ｃｕ合金の添加元素がＡｌであることを特徴とする。

請求項１に記載の成膜装置用部品は、成膜雰囲気に晒される表面に、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる溶射膜が形成されており、前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内である。これにより、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品が得られる。

請求項５に記載の成膜装置は、成膜室内に配置される成膜装置用部品が、表面に溶射膜が形成されおり、前記溶射膜は、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなり、前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内とした。これにより、成膜装置用部品の表面に設けた溶射膜は、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落が生じにくくなるので、パーティクルの発生が抑制される。本発明は、特に付着膜が内部応力の高いスパッタ膜に対しても、この効果が得られる成膜装置の提供に貢献する。

本発明の実施形態に係る成膜装置の一例を示す概略構成図。 本発明の実施形態に係る成膜装置用部品の一例を示す要部拡大断面図。 アーク溶射法を説明する模式図。

図１は、本実施形態に係る成膜装置１０の一例としてスパッタリング装置を示す概略構成図である。真空槽１は全体としてステンレス（たとえば、ＳＵＳ３０４）にて作製されており、真空槽１の内部空間が成膜室２０を構成している。成膜室２０には、プロセスガス供給手段（不図示）に繋がるプロセスガスの導入管８と、これに対向する位置に真空排気手段（不図示）に繋がる排気管９が接続されている。真空槽１の内部空間である成膜室２０は、排気管９を通じて排気手段（不図示）によって真空排気される。

成膜室２０には、高周波電源２に電気的に接続されカソードとして機能するターゲットＴと、アノードとして機能する基板ホルダ４とが平行に対向して配置される。ターゲットＴの背後には、中央部に円柱状の磁石６が、外周部には円環状の磁石６’が、互いに極性が逆になるように配置され、磁力線の一部がターゲットＴの表面上に漏洩し、当該表面と平行をなしている。基板ホルダ４には基板Ｗが載置され、バイアス電源（不図示）が電気的に接続されている。基板ホルダ４の背後には、基板Ｗを所定の温度に制御する温度制御手段５が配置されている。

基板ＷとターゲットＴとの間には、基板Ｗと水平をなす面内において回転可能とされ、基板Ｗに対する成膜が可能な位置と、成膜を遮蔽する位置とに、その位置を変更するように、シャッター板７が配置されている。シャッター板７はステンレス（たとえば、ＳＵＳ３４０）にて作製されている。

シャッター板７は、本実施形態に係る成膜装置用部品の一つである。図２はシャッター板７の要部拡大断面図である。シャッター板７は、成膜室２０において成膜雰囲気に晒される表面に、ＡｌまたはＡｌ合金からなる溶射膜３が形成されている。そして、その溶射膜３の表面粗さＲａ［μｍ］は５０〜７０の範囲内とされている。

溶射膜３がＡｌ合金の場合は、添加元素がＳｉまたはＴｉが好ましい。溶射膜３がＣｕ合金の場合、添加元素はＡｌが好ましい。

溶射法としては、アーク溶射法や、フレーム溶射法、プラズマ溶射法などを用いることができるが、本発明を実現するためにはアーク溶射法が好ましい。アーク溶射法によれば、表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内であり、かつ、密着力［ｋｇ／ｍ^２］が６以上である、溶射膜３が形成できる。これにより、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品が得られる。

図３は、アーク溶射法を説明する模式図である。
アーク溶射とは、矢印の方向に連続的に送給される２本の溶射材料（Spray coating wire）の先端で直流アーク放電を発生させるために、当該２本の溶射材料の間に、所定の電圧／電流を印加することにより、当該２本の溶射材料の先端近傍にアーキング（Arcing）を発生させる。同時に、吹き付けガス（Compressor Air）を用い、アーキングによって溶融した金属を噴霧化（Atomizing）する。この噴霧化された粒子（Arc spray particles）を、エアーキャップ（Air Cap）に設けた開口部を通して、対象基材（不図示）に吹き付けることにより、対象基材（不図示）上に堆積させて、所望の溶射膜３が形成される。吹き付けガスとしては、たとえば、空気や窒素ガス、アルゴンガスなどが好適に用いられる。

本発明者らは、エアーキャップに設けた開口部の穴径については、次の傾向があることを見出し、本発明の好適な条件を選定した。
エアーキャップに設けた開口部の穴径は、小さければ小さいほど、エアーキャップ内の圧力が上昇し、微細な噴霧化が可能となる。これにより、対象基材上に形成された溶射膜３は、表面粗さが小さく、密着力が高い傾向となる。
これに対して、エアーキャップに設けた開口部の穴径を大きくすると、エアーキャップ内の圧力が下がり、噴霧化が進まなくなる。このため、対象基材上に形成された溶射膜３は、表面粗さが大きく、密着力が低下する傾向となる。

本発明者らは、二律背反する条件、すなわち、表面粗さが大きく、密着力が高い傾向となる溶射膜３を作製する溶射条件を検討した。
このような範囲の表面粗さＲａや密着力を備えたＡｌからなる溶射膜３を作製するための溶射条件としては、Ａｉｒ ｃａｐの穴径は大きい方が好ましい。電圧は安定したアーキングできる範囲で小さい方が好ましい。ガス圧は溶射膜３の密着力の低下が生じない範囲で低い方が望ましい。具体的には、電圧［Ｖ］は３０〜３３、電流［Ａ］は１５０〜２００、ガス種は空気、アルゴンあるいは窒素、ガス圧［ｂａｒ］は２８〜３５、Ａｉｒ ｃａｐの穴径［ｍｍ］はφ１２〜１４、が各々好適である。

上述したアーク溶射法によりＡｌまたはＡｌ合金からなる溶射膜３を形成する際に用いる基材としては、たとえば、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｔｉ、各種セラミクスが挙げられる。基材の表面粗さＲａ［μｍ］は３〜８の範囲内が好ましい。

以上のように構成された成膜装置１０において、成膜室２０内を例えば１０^−３〜１０^−１Ｐａ程度のアルゴン雰囲気に保ち、高周波電源２によってターゲットＴに高周波電力を印加することにより、ターゲットＴの上方の電界と磁界が直交している部分で効果的にグロー放電が生起され円環状にプラズマが発生する。このプラズマ中のＡｒ^＋イオンがカソードであるターゲットＴの近傍で加速されてターゲットＴの表面に衝突し、ターゲット原子をスパッタするので、スパッタされた粒子はアノードである基板ホルダ４の基板Ｗ上に付着して目的とする薄膜を形成させる。

シャッター板７は、スパッタリングの開始時点ではターゲットＴと基板Ｗとの間を閉じており、シャッター板７にはスパッタされた粒子の膜が付着する。スパッタリングが定常状態に達するとシャッター板７を回転させてターゲットＴと基板Ｗとの間を開とすることにより、基板Ｗの面に成膜が開始される。このときにも、基板Ｗの近傍にあるシャッター板７に同様な成膜がされる。

基板Ｗは所定の膜厚に形成されると、次の基板に交換してスパッタリングは継続される。シャッター板７はそのまま継続して使用されるためにスパッタリングが繰り返されていくとシャッター板７に付着した膜は徐々に厚くなっていくが、本実施形態では、上述したようにシャッター板７の表面に、Ａｌからなる溶射膜３が形成されているので、その溶射膜３に対する付着膜の密着性を高め、さらに剥離応力を緩和することができ、付着膜を剥離しにくくできる。この結果、付着膜の剥離に起因して生じるパーティクルによる成膜室２０内の汚染を抑制できる。上記構成の溶射膜３は、特に、剥離の原因となる内部応力が比較的大きな、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｗ膜、ＷＮ膜、ＷＳｉ膜、ＳｉＮ膜、およびそれらの積層膜の付着に対して有効である。

さらに、上記構成の溶射膜３は大気中に置かれても酸化しにくく上述の特性を長期間維持できる。この結果、成膜装置のメンテナンス周期の長期化が図れ、成膜装置の稼働率を向上でき生産性を高められる。

なお、上述したアーク溶射法を検討するに前に、本発明者らは、比較のために、フレーム溶射法とプラズマ溶射法についても調査した。その結果、以下の傾向があることが確認された。
フレーム溶射法は、ワイヤーを溶かしながら吹き付ける方法のため、任意に溶融量を調節することが困難である。このため、対象基材上に形成された溶射膜３は、表面粗さが小さく、表面プロファイルが整ったものとなる。
プラズマ溶射法は、使用する材料が数十〜百μｍ程度の粒子を用い、プラズマ（plasma）の炎で溶融させて吹き付け、対象基材上に堆積して溶射膜３を形成する。その際、粒子はプラズマの高い熱量で完全に溶融し高い熱量を持っている。このため、対象基材上に堆積する際には、粒子は大きく扁平し、表面粗さが小さく、表面プロファイルが整った溶射膜３が形成される。

したがって、フレーム溶射法とプラズマ溶射法においては、上述した本発明の二律背反する条件、すなわち、表面粗さが大きく、密着力が高い傾向となる溶射膜３を作製する溶射条件が得られないことが分かった。具体的には、フレーム溶射法とプラズマ溶射法では、表面粗さＲａが８〜２０μｍ程度の溶射膜３しか得られない。溶射膜３の粗面化には、本発明のアーク溶射法が必須であることが確認された。

＜実施例１＞
実施例１は、平面寸法８０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ２ｍｍのＳＵＳ３０４製基材を用い、その表面に、アーク溶射法を用いてＡｌ単体からなる溶射膜３（厚さ３５０μｍ）を形成した。ＳＵＳ３０４製基材の表面には、溶射膜の形成前に、予め、アンカー効果が得られるようにドライブラスト処理を行い、表面を荒らした。溶射法はアーク溶射法にて行った。後述する表１に示す溶射条件の異なる４つの試料（Ａｌ−１、Ａｌ−２、Ａｌ−３、Ａｌ−４）を作製した。
また、これらとは別に、添加元素がＳｉまたはＴｉのＡｌ合金からなる溶射膜も作製した。その際、Ｓｉの含有率は４．８１〜１１．６ａｔ％、Ｔｉの含有率は１．１〜２．９ａｔ％の範囲内とした。

＜比較例１＞
比較例１は、実施例１と同基材の表面にＡｌ単体からなる溶射膜を、フレーム溶射法により同様の厚さ（厚さ３５０μｍ）となるように形成した。後述する表１に示す１つの試料（Ｒｅｆ．Ｆｌａｍｅ Ａｌ）を作製した。

＜実施例２＞
実施例２は、実施例１と同じ基材を用い、その表面に、アーク溶射法を用いてＣｕ−Ａｌ合金からなる溶射膜３（厚さ３５０μｍ）を形成した。Ｃｕ−Ａｌ合金の組成は、Ｃｕ−７．９ａｔ％Ａｌとした。基材の表面には、実施例１と同様に、溶射膜の形成前に、予め、アンカー効果が得られるようにドライブラスト処理を行い表面を荒らした。溶射法はアーク溶射法にて行った。後述する表１に示す溶射条件の異なる２つの試料（Ｃｕ−Ａｌ−１、Ｃｕ−Ａｌ−２）を作製した。
また、これらとは別に、添加元素を含まないＣｕ膜（Ｃｕ単体からなる溶射膜）とＣｕ−Ａｌ合金からなる溶射膜も作製した。その際、Ｃｕ−Ａｌ合金からなる溶射膜は、Ａｌの含有率を６．７〜１１．１ａｔ％の範囲内とした。

以下に示す表１は、実施例１、比較例１、実施例２において作製した各試料の作製条件と形成した溶射膜の評価である。表面粗さＲａの評価は、触針式表面粗さ測定機（東京精密社製、型番：SURFCOM TOUCH50）を用い、ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）に規定される条件で行った。密着力の評価は、プルオフ式付着性試験機（ELCOMETER社製、型番：510）を用い、ＪＩＳＫ５６００−７−５に規定される条件にて行った。

形成した溶射膜の評価より、以下の点が明らかとなった。
（ａ１）アーク溶射法を用いることにより、フレーム溶射法で作製された試料より、Ｒａが大きく、かつ、密着力の大きな溶射膜を形成することができる（試料番号１と試料番号２の比較）。
（ａ２）Ａｌ単体からなる溶射膜では、表面粗さ［μｍ］が１５〜７０の範囲内であり、かつ、密着力［ｋｇ／ｍ^２］が６．５１〜７．１１の範囲内となる（試料番号２〜５）。
（ａ３）Ｃｕ−Ａｌ合金からなる溶射膜では、表面粗さ［μｍ］が２０〜６０の範囲内であり、かつ、密着力［ｋｇ／ｍ^２］が６．０８〜８．８２の範囲内となる（試料番号６〜７）。
（ａ４）溶射膜の表面粗さが、上記範囲を超えた場合には、溶射膜の強度が低下し、溶射粒子の脱落が起こるようになり、パーティクルの発生量が増加することが分かった。
（ａ５）溶射膜の膜厚は、３００〜６００μｍなければ、所望の表面粗さが確保できない（試料番号２と試料番号３〜５の比較）。
（ａ６）密着力の評価結果より、溶射膜の膜厚を増やすことで、応力吸収量が増加する（強度の高い溶射膜が得られる）ことが分かった。

表１には示さないが、Ｒａが７０μｍより大きい粗さになると、溶射粒子間の密着性を確保することが難しくなることが確認された。
また、表１には示さないが、添加元素がＳｉまたはＴｉのＡｌ合金からなる溶射膜においても、上述したＡｌ単体からなる溶射膜（試料番号２〜５）と同様の結果が得られた。また、Ｃｕ単体からなる溶射膜においても、上述したＣｕ−Ａｌ合金からなる溶射膜（試料番号６〜７）と同様の結果が得られた。

以上の評価結果より、アーク溶射法を用いて形成された本発明に係るＡｌ単体またはＡｌ合金からなる溶射膜は、従来のフレーム溶射法により形成されたＡｌ単体からなる溶射膜に比べて、表面粗さが大きく、かつ、密着力が大きいことが分かった。これにより、本発明に係るＡｌ単体またはＡｌ合金からなる溶射膜を備えることにより、長期間にわたって、付着膜との高い密着性及び高い剥離応力緩和効果を安定して得られる。
また、アーク溶射法を用いて形成された本発明に係るＣｕ単体またはＣｕ合金からなる溶射膜についても、Ａｌ単体またはＡｌ合金からなる溶射膜と同様の作用・効果が確認された。
ゆえに、本発明は、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置の提供に貢献する。

本実施形態の溶射膜を用いることで、スパッタリング装置において成膜室内を汚染させるようなパーティクルを生じさせるまでの積算電力が従来はＴｉ／Ｗ積層膜において７５ｋＷｈ、Ｗ／ＷＮ積層膜において３００ｋＷｈだったものを、Ｔｉ／Ｗ積層膜において１５０ｋＷｈ、Ｗ／ＷＮ積層膜において６００ｋＷｈまで延ばすことを可能になった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることな
く、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

本発明はスパッタリング装置に限らず、ＣＶＤ装置、蒸着装置などその他の成膜装置にも適用可能である。また、成膜時の雰囲気は減圧下に限らず、大気圧下であってもよい。

本発明に係る成膜装置用部品としては、シャッター板に限らず、シャワープレート、防着板、マスク、アースシールド、基板ホルダなどが挙げられる。

本発明は、内部応力の高い付着膜に対して、剥離や脱落の発生が起こりにくい成膜装置用部品及びこれを備えた成膜装置に、広く適用することができる。

１ 真空槽、３ 溶射膜、７ 成膜装置用部品（シャッター板）、１０ 成膜装置、２０ 成膜室、Ｔ ターゲット、Ｗ 基板。

Claims (8)

1. 成膜雰囲気に晒される表面に、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる溶射膜が形成された成膜装置用部品であって、
   前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内であることを特徴とする。
2. 前記溶射膜の密着力［ｋｇ／ｍ^２］が、６以上であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置用部品。
3. 前記Ａｌ合金の添加元素がＳｉまたはＴｉであることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置用部品。
4. 前記Ｃｕ合金の添加元素がＡｌであることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置用部品。
5. 成膜室と、前記成膜室内に配置され、表面に溶射膜が形成された成膜装置用部品とを備えた成膜装置であって、
   前記溶射膜は、Ａｌ若しくはＡｌ合金、又は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなり、
   前記溶射膜の表面粗さＲａ［μｍ］が５０〜７０の範囲内であることを特徴とする成膜装置。
6. 前記溶射膜の密着力［ｋｇ／ｍ^２］が、６以上であることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
7. 前記Ａｌ合金の添加元素がＳｉまたはＴｉであることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
8. 前記Ｃｕ合金の添加元素がＡｌであることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。

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