JP5168543B2 - Inside the plasma processing vessel - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理容器内部材に関し、特にハロゲン元素を含むプロセスガスのプラズマ雰囲気が形成されたプラズマ処理容器内で用いられる、たとえば、デポシールド、排気プレート、フォーカスリング、電極板、静電チャック、処理容器内壁材などのプラズマ処理容器内部材に関する。 The present invention relates to an inner member of a plasma processing container, and particularly used in a plasma processing container in which a plasma atmosphere of a process gas containing a halogen element is formed, for example, a deposition shield, an exhaust plate, a focus ring, an electrode plate, and an electrostatic chuck The present invention relates to a plasma processing container inner member such as a processing container inner wall material.
半導体製造装置のプラズマ処理容器内で使われている各種の部材は、その表面をアルミニウムのアノード酸化膜で覆ったり、ボロンカーバイドなどの溶射膜、Al2O3やSi3N4などの焼結体皮膜、さらにはふっ素樹脂やエポキシ樹脂などの高分子皮膜で覆うことが行われている。 Various members used in the plasma processing container of a semiconductor manufacturing apparatus are covered with an anodic oxide film of aluminum, a sprayed film such as boron carbide, or sintered with Al 2 O 3 or Si 3 N 4. Covering with a body film, and also with a polymer film such as a fluorine resin or an epoxy resin.
しかし、これらの材料は、処理容器内でC4F8やNF3のような弗化物、BCl3やSnCl4などの塩化物、HBrの如き臭化物をはじめとするハロゲン元素を含むガスを使用するため、プラズマによって励起されたイオンによってエロージョン損傷を受けることが知られている。 However, these materials use a gas containing a halogen element such as a fluoride such as C 4 F 8 or NF 3 , a chloride such as BCl 3 or SnCl 4, or a bromide such as HBr in a processing container. Therefore, it is known that erosion damage is caused by ions excited by plasma.
また、プラズマが発生している環境は、Arガスのように腐食性のない気体でもイオン化し、これが固体面に強く衝突するので、上記容器内に配設されている各種部材はより一層強い損傷を受ける。 The environment in which the plasma is generated is ionized even by a non-corrosive gas such as Ar gas, which strongly collides with the solid surface. Receive.
したがって、たとえば、デポシールド、排気プレート、フォーカスリング、電極板、静電チャック、処理容器内壁材などのプラズマ処理容器内部材には、耐プラズマエロージョン性が強く要求される。 Therefore, for example, plasma erosion resistance is strongly required for plasma processing container inner members such as deposition shields, exhaust plates, focus rings, electrode plates, electrostatic chucks, and processing container inner wall materials.
耐プラズマエロージョン性を上げるために、従来は、処理容器内の部材の表面にアルマイト処理(Al2O3膜)がされていた。 In order to increase the plasma erosion resistance, conventionally, an alumite treatment (Al 2 O 3 film) has been applied to the surface of a member in the processing vessel.
しかし、アルマイト処理では、ハロゲンガスを含む雰囲気中でプラズマエロージョンを受けると寿命が短いという問題がある。また、アルミニウムを含む皮膜なので、AlF3のパーティクルが発生し、製造する半導体製品に付着するという問題がある。 However, alumite treatment has a problem that its life is short when it is subjected to plasma erosion in an atmosphere containing a halogen gas. Further, since the film contains aluminum, there is a problem that AlF 3 particles are generated and adhere to the semiconductor product to be manufactured.
この問題を解決するものとして、特許文献1(特開平7−176524)では、プラズマ処理容器内部材の表面に、アルミナを溶射して溶射膜を形成することを提案している。 In order to solve this problem, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-176524) proposes to form a sprayed film by spraying alumina on the surface of the inner member of the plasma processing container.
しかし、アルミナを溶射したものは、耐プラズマエロージョン性はアルマイトよりは向上したが、十分ではなかった。一方、Y2O3は、酸素との化学的結合力が強いため、ハロゲンガスを含む雰囲気中でプラズマエロージョン作用を受けても、安定した状態を維持できる、という性質がある。そこで、特許文献2(特許3510993号)では、気孔率5〜10%のY2O3溶射膜で被覆したプラズマ処理容器内部材を提案している。 However, the plasma sprayed alumina was improved in plasma erosion resistance than anodized, but was not sufficient. On the other hand, since Y 2 O 3 has a strong chemical bonding force with oxygen, it has a property that it can maintain a stable state even if it is subjected to a plasma erosion action in an atmosphere containing a halogen gas. Therefore, Patent Document 2 (Japanese Patent No. 3510993) proposes an inner member of a plasma processing container covered with a Y 2 O 3 sprayed film having a porosity of 5 to 10%.
この特許文献2では、気孔率の上限を10%とした理由として、10%を越えると耐プラズマエロージョン性が劣るからであるとしている。すなわち、気孔率が小さい方が、耐プラズマエロージョン性が向上する。しかし、大気プラズマ溶射法では、気孔率5%未満は、製造が困難であった。
In
図5は、従来の一般的なプラズマ溶射装置の構造を示す図である。プラズマ溶射装置10は、ノズル状のアノード11とその中心に配置されたカソード12の1対の電極を有する。プラズマは、ガス導入部13からアノード・カソード間のドーナツ状の間隙にアルゴン、窒素、などの不活性ガスを流し、直流アーク放電によりガスを電離することにより発生させられる。プラズマは、ノズル状のアノード11からプラズマ溶射装置の外部にプラズマジェット15となって噴出する。水管16から17へ流れる冷却水によりアノード11近傍を冷却する。
FIG. 5 is a diagram showing the structure of a conventional general plasma spraying apparatus. The plasma spraying apparatus 10 has a pair of electrodes of a nozzle-
粉末原料は、ノズル状のアノード11の出口近傍に接続された粉末投入パイプ18を通して、搬送ガスに載せられ、一般的には、プラズマジェットにほぼ垂直に投入される。これにより、粉末原料はプラズマ中で溶融され液滴となってノズル状のアノード11から噴出し、基材20の表面に溶射膜21を形成する。
The powder raw material is put on the carrier gas through a
このとき、粉末投入の速度は粉末の粒子径に大きく影響される。そこで、溶射原料粉末には分級により粒子径を揃えたものが使用されるが、ある程度のばらつきは不可避である。そのため投入される粉末の速度はばらついたものにならざるをえない。粉末の粒子にばらつきがあり、粉末をプラズマジェットに垂直に投入するため、全ての粉末をプラズマ中心部の最も温度の高い領域に集中して正確に投入することが困難で、溶融しない粒子が発生する。大気圧なので、溶融粒子の表面に酸化膜が形成される。などの問題があり、気孔率を小さくすることが困難であった。 At this time, the speed of powder injection is greatly influenced by the particle diameter of the powder. Thus, powders having a uniform particle diameter by classification are used as the thermal spray raw material powder, but some variation is unavoidable. For this reason, the speed of the charged powder must be varied. Because the powder particles vary and the powder is injected perpendicularly to the plasma jet, it is difficult to concentrate all the powder in the hottest region of the plasma center and generate particles that do not melt. To do. Since it is atmospheric pressure, an oxide film is formed on the surface of the molten particles. It was difficult to reduce the porosity.
減圧プラズマ溶射法を使用すると、真空に近いので、溶融粒子の速度が落ちずに高速で基材に衝突する。また、熱損失が少ないので基材に達したときの溶融粒子の温度が高い。真空なので、溶融粒子に酸化膜ができず、緻密な溶射膜になる。このような理由から、減圧プラズマ溶射によれば、気孔率が5%未満の溶射膜を形成することが可能である。 When the low-pressure plasma spraying method is used, since it is close to a vacuum, the molten particles collide with the substrate at high speed without decreasing. Moreover, since the heat loss is small, the temperature of the molten particles when reaching the substrate is high. Since the vacuum is applied, an oxide film cannot be formed on the molten particles, resulting in a dense sprayed film. For these reasons, it is possible to form a sprayed film having a porosity of less than 5% by low pressure plasma spraying.
しかし、減圧プラズマ溶射法は、数十Pa程度の高真空の減圧室が必要であり、設備コストがかかる。また、プラズマジェットを噴射しつつ高真空を保つ必要があることから、真空ポンプの運転などのランニングコストも高くなる。また、減圧室内で溶射をするので、連続処理ができず、バッチ処理となり効率が悪い。これらの理由から、減圧プラズマ溶射法は量産には適していない。
本発明は、上記の実情から考えられたもので、気孔率の小さいY2O3の溶射膜を備え、安価に製造できるプラズマ処理容器内部材と、その製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been conceived from the above circumstances, and an object thereof is to provide an inner member of a plasma processing vessel that is provided with a low-porosity Y 2 O 3 sprayed film and can be manufactured at low cost, and a method for manufacturing the same. .
上記の目的を達成するために本発明のプラズマ処理容器内部材は基材の表面が、大気プラズマ溶射によるY2O3溶射皮膜によって被覆され、前記Y2O3溶射皮膜の気孔率が、5%未満であることを特徴としている。前記Y2O3の溶射膜と前記基材表面との間に、中間層を形成する構成としてもよい。 In order to achieve the above object, the surface of the substrate of the inner member of the plasma processing container of the present invention is coated with a Y 2 O 3 sprayed coating by atmospheric plasma spraying, and the Y 2 O 3 sprayed coating has a porosity of 5 It is characterized by being less than%. An intermediate layer may be formed between the Y 2 O 3 sprayed film and the substrate surface.
上記の目的を達成するために本発明のプラズマ処理容器内部材の製造方法は、複数組のアノードとカソードを溶射方向に延びる中心軸の周囲に配置し、各アノードとカソード間に発生するプラズマ流を収束器で合流させて前記中心軸上の先端に開口する1のノズルから大気中に放射するプラズマ溶射装置を用い、該プラズマ溶射装置の前記中心軸上で前記ノズルの後方からY2O3の粉末状素材を供給し、基材の表面に気孔率5%未満の溶射皮膜を形成することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a method for producing an inner member of a plasma processing container according to the present invention comprises arranging a plurality of sets of anodes and cathodes around a central axis extending in the spraying direction, and generating a plasma flow generated between each anode and cathode. Are joined by a converging device and radiated into the atmosphere from one nozzle opening at the tip on the central axis, and Y 2 O 3 from the rear of the nozzle on the central axis of the plasma spraying apparatus. The powdery material is supplied, and a sprayed coating having a porosity of less than 5% is formed on the surface of the substrate.
本発明のプラズマ処理容器内部材の製造方法によれば、複数のアノードとカソードからのプラズマ流が収束器によって中心軸上で合流し、高温のプラズマ流が形成される。ここに中心軸後方からY2O3の粉末を供給すると、Y2O3の粉末は、粒子の大小に拘わらず、全ての粒子が中心軸上を移動するので、プラズマの最高温度領域に到達して溶融することができる。こうしてできた溶融粒子は高温であり、粘性も低い。この溶融粒子がノズルからプラズマジェットに乗って飛翔し、基材に衝突することで、気孔率が5%未満のY2O3の溶射膜を形成することができる。 According to the method for manufacturing an inner member of a plasma processing container of the present invention, plasma flows from a plurality of anodes and cathodes are merged on the central axis by a converging device to form a high-temperature plasma flow. When Y 2 O 3 powder is supplied from the rear of the central axis, all particles move on the central axis regardless of the size of the Y 2 O 3 powder, so that it reaches the maximum temperature region of the plasma. And can be melted. The resulting molten particles are hot and have a low viscosity. The molten particles fly on the plasma jet from the nozzle and collide with the base material, whereby a sprayed film of Y 2 O 3 having a porosity of less than 5% can be formed.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の溶射方法を実施するプラズマ溶射装置の構成を模式的に示す図である。このプラズマ溶射装置100は、3組のアノード101とカソード102を中心線aの周囲に配置している。図示は省略するが、各アノード101とカソード102の組には、図5のプラズマ溶射装置10と同様にガス導入部13や冷却溶の水管16、17が設けられている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a plasma spraying apparatus that performs the thermal spraying method of the present invention. In this
各アノード101から噴出されるプラズマ流は、収束器110によって中心線a上に纏められ、ノズル120から1つのプラズマジェットとなって外部に噴射される。アノード101とカソード102との組数は、この実施例では3組であり、中心軸aを中心とした同一の円上に等間隔で配置されている。ただし、3組に限定されるものではなく、中心軸aの回りに複数組配置されていればよい。
The plasma flow ejected from each
図2は収束器110をカソード102側から見た拡大斜視図である。図3はノズルを収束器側から見た拡大斜視図である。収束器110のカソード102側には各アノード101に対向する3つの孔112がある。これらの孔112は斜めに形成されていて、収束器110のノズル側では1つになりノズル120の孔121に接続している。
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the
粉末投入パイプ115は、中心軸a上にあって、プラズマジェットの噴射方向後方から収束器110における3つのアノード101からのプラズマ流の合流点の上流側にY2O3の粉末を供給する。粉末投入パイプ115は、中心軸a上に延びており、供給されるY2O3の粉末は、全てが中心軸a上を進んで合流点を通過する。合流点は3つのアノード101からのプラズマ流が合流しているので、最も温度が高くなっている。そのため、供給されるY2O3の粉末は、すべて溶融し、高温で低粘度の液滴、すなわち、溶融粒子となっている。
The
このようなY2O3の溶融粒子が、ノズル120からプラズマジェットに乗って噴射され、基材としてのプラズマ処理容器内部材の表面に付着し、気孔率が5%未満の溶射膜が形成される。
Such molten particles of Y 2 O 3 are sprayed from the
プラズマ処理容器内部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金製で、溶射膜との密着力を上げるために、サンドブラスト処理などによって、予め粗面化されている。 The inner member of the plasma processing container is made of aluminum or an aluminum alloy, and is roughened in advance by sandblasting or the like in order to increase the adhesion with the sprayed film.
また、Y2O3は、純度が95%以上のものであることが必要である。Fe、Mg、Cr、Al、Ni、Siなどの不純物が酸化物として含まれていると耐プラズマエロージョン性が低下するからである。 Y 2 O 3 needs to have a purity of 95% or more. This is because the plasma erosion resistance is lowered when impurities such as Fe, Mg, Cr, Al, Ni and Si are contained as oxides.
また、基材としてのプラズマ処理容器内部材に直接Y2O3の溶射膜を形成してもよいが、前工程として、Al2O3などの溶射膜を中間層として形成してもよい。Al2O3は、化学的に安定であり、大気プラズマ溶射においても変化が少なく、Y2O3の耐プラズマエロージョン性を補償することができる。 Moreover, although a sprayed film of Y 2 O 3 may be directly formed on the inner member of the plasma processing vessel as a base material, a sprayed film of Al 2 O 3 or the like may be formed as an intermediate layer as a pre-process. Al 2 O 3 is chemically stable, has little change even in atmospheric plasma spraying, and can compensate for the plasma erosion resistance of Y 2 O 3 .
以下に、図1に示すプラズマ溶射装置で形成した溶射膜の実施例と、その気孔率の例を示す。以下の実施例は、全てY2O3の溶射膜である。また、作動ガスとしては、アルゴンを80%、ヘリウム15%、水素5%とした。作動ガス量及び出力は3組のアノードとカソードのトータルである。
〔実施例1〕
Below, the Example of the sprayed film formed with the plasma spraying apparatus shown in FIG. 1 and the example of the porosity are shown. The following examples are all Y 2 O 3 sprayed films. The working gas was 80% argon, 15% helium, and 5% hydrogen. The working gas amount and output are the total of the three sets of anode and cathode.
[Example 1]
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 100KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 220μm
気孔率 1.0%
〔実施例2〕
Working gas flow rate 180 liters per
Powder supply 38g / min
Thermal sprayed film thickness 220μm
Porosity 1.0%
[Example 2]
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 98KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 200μm
気孔率 1.2%
〔実施例3〕
Working gas flow rate 180 liters per minute Output 98KW / h
Powder supply 38g / min
Sprayed film thickness 200μm
Porosity 1.2%
Example 3
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 94KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 200μm
気孔率 1.8%
〔実施例4〕
Working gas flow rate 180 liters per minute Output 94KW / h
Powder supply 38g / min
Sprayed film thickness 200μm
Porosity 1.8%
Example 4
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 85KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 200μm
気孔率 4.5%
〔実施例5〕
Working gas flow rate 180 liters per minute Output 85KW / h
Powder supply 38g / min
Sprayed film thickness 200μm
Porosity 4.5%
Example 5
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 90KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 200μm
気孔率 2.9%
〔実施例6〕
Working gas flow rate 180 liters per minute Output 90KW / h
Powder supply 38g / min
Sprayed film thickness 200μm
Porosity 2.9%
Example 6
作動ガス流量 毎分180リットル
出力 86KW/h
粉末供給量 毎分38g
溶射膜厚 200μm
気孔率 4.5%
Working gas flow rate 180 liters per minute Output 86KW / h
Powder supply 38g / min
Sprayed film thickness 200μm
Porosity 4.5%
以上の実施例から、本発明の方法によれば、気孔率5%未満のY2O3の溶射膜を形成することができることが分かる。 From the above examples, it can be seen that according to the method of the present invention, a Y 2 O 3 sprayed film having a porosity of less than 5% can be formed.
次に、本発明における気孔率の測定方法を説明する。
図4は、実施例1における溶射膜の断面図を、模式的に示した図である。基材150の表面は、前述したようにサンドブラストなどによって粗面化されている。また、溶射膜160は、溶融粒子が付着して固化するため、表面が平面にならず、凹凸に富んだ形状となっている。図4は、溶射膜160を基材(プラズマ処理容器内部材)150の表面に垂直な面で切断した断面を示している。
Next, the method for measuring porosity in the present invention will be described.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross-sectional view of the sprayed film in the first embodiment. The surface of the
実際には、溶射膜160を基材150の表面に垂直な面で切断したテストピースを作成し、これを樹脂に埋め込み、表面を研磨して断面を顕微鏡で拡大し、デジタルカメラに撮影する。こうして得たデジタル画像を、画像処理により二値化処理をすることで、図4に模式的に示すものと同様のものを得ることができる。
In practice, a test piece is prepared by cutting the
この図4に示す気孔162の面積の総計Sを求め、測定対象域の溶射膜160の断面積Aで割った数字に100%を乗じた数字、すなわち、次式により求めた数値
The total number S of the
(S/A)×100%
を本発明における溶射膜の気孔率とした。
(S / A) x 100%
Was the porosity of the sprayed film in the present invention.
101 アノード
102 カソード
110 収束器
120 ノズル
150 基材
160 Y2O3の溶射膜
a 中心軸
101 sprayed film a central axis of the
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