JP3659435B2

JP3659435B2 - 耐食性部材、プラズマ処理装置、半導体製造装置、液晶製造装置及び放電容器。

Info

Publication number: JP3659435B2
Application number: JP13655396A
Authority: JP
Inventors: 比呂史会田; 裕見子伊東; 三郎永野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: JPH09295863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はハロゲン系腐食性ガスまたはそのプラズマに対する耐食性部材に関するものであり、プラズマ処理装置、半導体・液晶などの製造装置用部材、ハロゲンガスまたはプラズマを封止した容器壁等に使用される耐食性部材とこれを用いたプラズマ処理装置、半導体製造装置、液晶製造装置及び放電容器用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造のドライプロセスやプラズマコーティング、放電管、プラズマディスプレイなど、プラズマの利用は近年急速に進んでいる。例えば、半導体製造プロセスでは、プラズマプロセスにおいて、特にデポジション、エッチング用やクリーニング用として、塩素系やフッ素系等のハロゲン系腐食ガスがその反応性の高さから多用されている。
【０００３】
また、装置内の内壁等の上記ガスやプラズマに接触する部分では、ガスやプラズマによる腐食を防止するために、従来からガラスや石英などのＳｉＯ2 を主成分とする材料やステンレス、モネル等の耐食性金属が利用されている。
【０００４】
さらに、半導体製造装置において、Ｓｉウエハ等を保持するサセプタ材も腐食性ガスやプラズマと接触するために、従来より耐食性に優れたアルミナ焼結体やサファイア、ＡｌＮの焼結体又はこれらを基体表面にＣＶＤコーティングしたものが使用されている。また、装置内のヒータとしても、グラファイトや、窒化硼素をコーティングしたヒータ等が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来より用いられているガラスや石英ではプラズマ中の耐食性が不充分で消耗が激しく、例えばフッ素に接すると接触面がエッチングされ、表面性状が変化したり、光透過性が必要とされる部材では表面が次第に白く曇って透光性が低下する等の問題が生じていた。
【０００６】
また、ステンレスなどの金属を使用した部材でも耐食性が不充分なため、腐食速度が速くまた不純物として製造物中に混入する不良品発生の原因となる。また、ハロゲン系ガスに対して耐食性に優れるとして利用の進んでいるアルミナ、ＡｌＮ焼結体も高温でプラズマと接すると腐食が進行して焼結体の表面からの結晶粒子の脱粒が生じ、やはりコンタミネーションの原因となる。
【０００７】
そこで、本発明者らは、ハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマに対して優れた耐食性を有する材料の検討を行った結果、まず、ハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマとの反応が進行すると表面にハロゲン化物が生成されること、およびそのハロゲン化物の安定性が耐食性に大きく影響を及ぼしていること、またハロゲン化物としては、周期律表第２ａ族元素を含むハロゲン化物は融点が高く、高温において安定であることから耐食性部材として周期律表第２ａ族元素含有物が好適であることを先に提案した。
【０００８】
ところが、周期律表第２ａ族元素含有化合物が単一金属化合物である場合には、その化合物を耐食性部材として適用するには、単味の緻密体を作製することが難しく、粉末体や薄膜体としてしか適用できず、場合によっては多孔質化してしまうために、耐食性にムラが生じるなどの問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らはさらに検討を重ねた結果、また、周期律表第２ａ族元素と、周期律表第３ｂ族元素、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉの群から選ばれる少なくとも１種とを含む複合酸化物の粉末を、単体または他の金属酸化物と組み合わせて所望の形状に成形して焼成することにより、任意の形状の高密度の焼結体が得られることから、耐食性部材としてあらゆる形状に適用できるとともに、緻密体を作製できることからその耐久性を高めることができることを知見した。
【００１０】
即ち、本発明の耐食性部材は、上記の知見に基づき完成されたものであり、ハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマに曝される部位が、少なくとも周期律表第２ａ族元素と、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉおよび周期律表第３ｂ族元素の群から選ばれる１種以上とを含む複合酸化物相（但し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を除く）を３体積％以上含む金属酸化物からなることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明によれば、上記複合酸化物相が、ＡＢ₂Ｏ₄（式中、Ａは周期律表第２ａ族元素、Ｂは周期律表第３ｂ族元素）型結晶またはコージェライト結晶を主体とするものであり、前記周期律表第２ａ族元素がＣａ、Ｓｒ、ＢａおよびＭｇの群から選ばれる少なくとも１種、前記周期律表第３ｂ族元素がＡｌ、ＢおよびＧａの群から選ばれる少なくとも１種であることが望ましく、さらには、前記部材は、相対密度９８％以上の焼結体からなることが望ましい。
【００１２】
ハロゲン雰囲気に曝される部位では、表面はハロゲン化物になって蒸発し、消耗が進んでいく。本発明によれば、ハロゲン系ガスまたはそのプラズマに曝される部材を少なくとも周期律表第２ａ族元素と周期律表第３ｂ族元素とを含む複合酸化物相を３体積％以上含有する金属酸化物により構成する。
【００１３】
周期律表第２ａ族元素酸化物は、それ単味で緻密な焼結体を作製することができないが、周期律表第２ａ族元素と、周期律表第３ｂ族元素酸化物や、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉの群から選ばれる少なくとも１種との複合酸化物とすることにより焼成により相対密度９８％以上の焼結体を作製することができ、また、この複合酸化物相を３体積％以上含有する金属酸化物においては、高温のハロゲン系腐食雰囲気においても長時間の耐久性を有する材料を得ることができる。
【００１４】
なお、周期律表第３ｂ族元素、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉ等の元素のハロゲン化物は、周期律表第２ａ族元素のハロゲン化物より安定性に欠けるが、周期律表第２ａ族元素が共存すると、初期において前記第３ａ族、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉの元素がエッチングされても、複合酸化物相中の周期律表第２ａ族元素がフッ素との反応によって安定なハロゲン化物層を生成し、幅広い温度範囲で過酷なハロゲン系腐食雰囲気での耐久性の向上が達成される。
【００１５】
また、同時に一般の酸化物はハロゲン化物として化学的又は物理的に除去されるが、周期律表第２ａ族元素のハロゲン化物は再析出して表面に保護層を形成し、材料の耐食性が大幅に向上する。周期律表第３ａ族元素などの他の元素がそれ単体で耐食性が悪くとも周期律表第２ａ族元素と複合酸化物にすることによって耐食性が向上し、寿命を延ばすことができる。
【００１６】
特に、該耐食性部材の複合酸化物相は、ＡＢ₂Ｏ₄型結晶やコージェライト結晶を主体とするものであることが望ましく、耐食性部材のハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマに曝される部位にこれらの結晶相が３体積％以上含有すれば、アルミナや窒化アルミニウム単体に比べて耐食性を向上させることができ、特に上記ＡＢ₂Ｏ₄型結晶やコージェライト結晶の複合酸化物相を２０体積％以上含有すると、アルミナや窒化アルミニウム単体に比較して３倍以上の耐食性を得ることができる。
【００１７】
また、種々の形状に適応できる焼結体として作製することができるために、周期律表第２ａ族元素含有化合物のハロゲン化ガスに対する優れた耐食性を半導体製造装置等のあらゆる耐食性部材に対して容易に利用することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の耐食性部材は、ハロゲン化ガスやハロゲンを含むプラズマに曝される部材であり、ハロゲン化ガスとしては、ＳＦ₆、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣｌＦ₃、ＨＦ等のフッ素系ガス、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＣｌ₄等の塩素系ガス、Ｂｒ₂、ＨＢｒ、ＣＢｒ₄等の臭素系ガス、ヨウ素系ガス等のガスであり、これらのガスが導入された雰囲気にマイクロ波や高周波等を導入するとこれらのガスがプラズマ化される。
【００１９】
本発明によれば、このようなハロゲン化ガスあるいはそのプラズマに曝される部位を、少なくとも周期律表第２ａ族元素と、周期律表第３ｂ族元素、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉの群から選ばれる少なくとも１種とを含む複合酸化物相（但し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を除く）を３体積％以上含有する金属酸化物から構成するものである。ここで、複合酸化物相を構成する周期律表第２ａ族元素としては、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＭｇの群から選ばれる少なくとも１種、周期律表第３ｂ族元素としては、Ａｌ、Ｂ、Ｇａの群から選ばれる少なくとも１種である。
【００２０】
この複合酸化物相においては、耐食性は周期律表第２ａ族元素量に大きく影響され、周期律表第２ａ族元素は、複合酸化物相中の全金属元素中、１０原子％以上、特に２０原子％以上存在することが望ましい。これは、周期律表第２ａ族元素量が１０原子％より少ないと、ハロゲン化ガスやそのプラズマ中での初期の腐食が激しく次第に表面に保護層が形成されるものの、長時間を要するために実用的ではない。
【００２１】
また、複合酸化物相としては、上記の少なくとも２種の金属元素を含むガラス質であってもよいが、望ましくは、結晶質を主体とすることがよく、特にＡＢ２Ｏ４（Ａは周期律表第２ａ族元素、Ｂは周期律表第３ｂ族元素）やコージェライト結晶を主体とするものが優れた耐食性を有する点で望ましい。具体的なＡＢ _２Ｏ _４型結晶としては、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＣａＡｌ_２Ｏ_４、ＢａＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４、ＣａＢ_２Ｏ_４、ＳｒＢ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＣａＧａ_２Ｏ_４等が挙げられる。これらの中でも、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＣａＡｌ_２Ｏ_４が焼結性と製造コストが安価である点で最も望ましい。
【００２２】
上記複合酸化物相は、部材中に３体積％以上含有すれば耐食性の効果を有し、特に２０体積％以上、さらには５０体積％以上含有されるのが望ましい。複合酸化物相以外の相としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどの金属酸化物相からなり、この酸化物相は、結晶相であってもガラス相であってもよい。
【００２３】
これらの複合酸化物相以外の酸化物を加えることによりその焼結性を高めることができ、緻密な焼結体を容易に作製することができる。
【００２４】
特に、耐食性部材自体、相対密度が９８％以上、特に９９％以上の緻密質からな
ることが望ましい。これは、ボイドが多く存在するほど耐食性が低下するためであ
る。このような緻密質は、例えば、粉末を成形し焼成した焼結体や、周知のゾルゲル法により液相を塗布し焼成した薄膜や、周知のＣＶＤ法やＰＶＤ法等の気相法により形成された薄膜であってもよい。これらの中では、粉末を成形し焼成した焼結体であることが、あらゆる部材への適用性に優れることから最も望ましい。
【００２５】
具体的に、焼結体を作製するには、前述した周期律表第２ａ族元素酸化物粉末と、周期律表第３ｂ族元素、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、ＣｒおよびＴｉの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物粉末とを所望の比率、例えば、上記ＡＢ₂Ｏ₄型結晶やコージェライト結晶を形成し得る比率で混合した後、これを所望により仮焼処理してＡＢ₂Ｏ₄粉末やコージェライト粉末を合成した後、これを所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形、シート状成形等により任意の形状に成形後、緻密化に十分な焼成温度で焼成して相対密度９８％以上の焼結体を得ることができる。焼成温度としてはＡＢ₂Ｏ₄型結晶を主体とする焼結体を作製する場合には、１３００〜１８００℃、コージェライト結晶を主体とする焼結体を作製する場合には、１３００〜１６００℃であるのがよい。
【００２６】
また、他の方法としては、上記のようにして合成したＡＢ₂Ｏ₄粉末やコージェライト粉末などの複合酸化物粉末に、ＳｉＯ₂粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末等を添加して混合しこれを上記と同様な方法で成形し、１３００〜１８００℃で焼成すればよい。例えば、ＳｉＯ₂が主成分とする時は、１３００〜１６００℃、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする時は１５００〜１６００℃で焼成するのが望ましい。
【００２７】
また、焼結性をさらに促進させるために、ＮａＦ、ＬｉＦ、希土酸化物等を焼結助剤として添加することもできる。
【００２８】
なお、これら複合酸化物相を含有する金属酸化物は、ハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマに曝される部位に形成されるものであるが、かかる金属酸化物は、少なくともその厚みが１０μｍ以上であることが、優れた耐食性を付与する上で望ましい。つまり、その厚みが１０μｍより薄いと優れた耐食効果が期待できないためである。
【００２９】
また、複合酸化物相を含有する金属酸化物は、上記の手法によって得られた焼結体自体を部品の構造部材として用いることができる他、部材を構成する所定の構造部材の表面に焼結体を接合したり、所定の構造部材の表面にゾルゲル法、気相法等により薄膜として
形成することも可能である。
【００３０】
【実施例】
各種酸化物粉末を用いて、表１〜表３に記載の各種の材料を作製した。各材料について形態が焼結体からなるものは、その焼成温度を記載した。また、表１の各材料について、材料が複合系からなるものは、各種の複合酸化物を１０００〜１３５０℃の大気中で合成したものに、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂、ＭｇＯと混合したものを成形し、大気中で表１の焼成温度で焼成したものである。
【００３１】
表１の種々の材料をＲＩＥプラズマエッチング装置内に設置し、ＣＦ₄とＯ₂との混合ガス（ＣＦ₄：Ｏ₂＝９：１）、ＳＦ₆、ＡｒとＳＦ₆との混合ガス（Ａｒ：ＳＦ₆＝２：３）、Ｂｒのいずれかを導入するとともに、マイクロ波を導入してプラズマを発生させた。このプラズマ中で最高３時間保持して、処理前後の材料の重量減少を測定し、その値から、１分あたりのエッチングされる厚み（エッチングレート）を算出した。
【００３２】
Ｎｏ．１は石英（ガラス）、Ｎｏ．２〜１６はいずれも焼結体であって、Ｎｏ．２は、Ａｌ_２Ｏ_３にＭｇＯを０．１重量％添加した後、成形して１７００℃で焼成したもの、Ｎｏ．３は、ＡｌＮ粉末を成形して１９００℃の窒素中で焼成したもの、Ｎｏ．４〜１６は、材料を構成する金属元素の酸化物粉末を出発原料として、各化合物割合の混合粉末を１０００〜１３５０℃の酸化性雰囲気中で仮焼して複合酸化物粉末を作製した後、これらの複合酸化物を用いて、プレス成形した後、１８００〜１８５０℃で焼成したもの、Ｎｏ．２６は、表１の組成からなるガラス粉末を成形して１０００℃で焼成したものである。
【００３３】
また、Ｎｏ．１７〜２３は、スパッタ法で合成したもので、表１の化合物粉末を上記と同様にして作製した後、この粉末をターゲットとしてカーボンからなる基板の表面に２０μｍの厚みで形成した。
【００３４】
さらに、Ｎｏ．２４〜２５は、ゾルゲル法により合成したもので、材料を構成する金属のアルコキシド粉末をバインダー、助剤を添加混合した後、加水分解してＨＣｌを添加してゲル液を調製し、それをアルミナからなる基体の表面に塗布して１６００℃で焼成したものである。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
【表３】

【００３８】
表１、２、３の結果によれば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ単体は、エッチングレートが１００Å／ｍｉｎ以上と大きい。また、周期律表第２ａ族元素を含む複合酸化物を含有するもののその比率が３体積％より少ない試料Ｎｏ．２８でもエッチングレ―トは１００Å／ｍｉｎを越えるものであった。
【００３９】
これに対して、本発明品は、いずれもエッチングレートは１００Å／ｍｉｎ以下と消耗が小さく耐食性が向上していることが判る。また、焼結体がガラス質からなるＮｏ．２６でも良好な耐食性を示したが、スピネル型結晶やコージェライト結晶が析出したものに比較すると劣るものであった。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の耐食性部材は、ハロゲン系腐食性ガス及びそのプラズマに曝される部材として高い耐食性を有しており、具体的にはプラズマ処理装置や液晶製造装置用部材、ウエハ固定用のクランプリングやエッチング装置の上部電極周りのシールドリングなどの半導体製造装置用部材、一般放電管やハロゲン化金属を封入し放電発光させるメタルハライドランプの発光管用部材などの放電容器用部材などに使用することによって長寿命化を図ることができる。

Claims

ハロゲン系腐食ガスまたはそのプラズマに曝される部位が、少なくとも周期律表第２ａ族元素と、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔｉおよび周期律表第３ｂ族元素の群から選ばれる１種以上とを含む複合酸化物相（但し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４を除く）を３体積％以上含む金属酸化物からなることを特徴とする耐食性部材。
前記複合酸化物が、ＡＢ_２Ｏ_４（式中、Ａは周期律表第２ａ族元素、Ｂは周期律表第３ｂ族元素）型結晶またはコージェライト型結晶を主体とするものである請求項１記載の耐食性部材。
前記周期律表第２ａ族元素がＣａ、Ｓｒ、ＢａおよびＭｇの群から選ばれる少なくとも１種、前記周期律表第３ｂ族元素がＡｌ、ＢおよびＧａの群から選ばれる少なくとも１種である請求項１または請求項２記載の耐食性部材。
相対密度９８％以上の緻密体からなる請求項１乃至３のいずれかに記載の耐食性部材。
前記複合酸化物相以外にＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯから選ばれる少なくとも１種の酸化物を含む請求項１乃至４のいずれかに記載の耐食性部材。
装置内に請求項１〜５の耐食性部材を設けてなることを特徴とするプラズマ処理装置。
装置内に請求項１〜５の耐食性部材を設けてなることを特徴とする半導体製造装置。
装置内に請求項１〜５の耐食性部材を設けてなることを特徴とする液晶製造装置。
容器内に請求項１〜５の耐食性部材を設けてなることを特徴とする放電容器。