JP5254309B2 - 表面清浄性を有する機能性部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置等に使用される表面清浄性を有する機能性部材に関する。

半導体製造装置には、薬液等を用いて、半導体ウェハ（以下、単に「ウェハ」という。）を処理するものがある。このような装置の構成部材には、耐薬液性を有するものを使用する必要があり、現在、このような部材には、耐薬液性に優れたフッ素樹脂が使用されている。

しかし、フッ素樹脂は、比較的機械的強度が弱いため、半導体製造装置の部材として用いる場合には、フッ素樹脂の厚みを増加し、または金属により補強する等の対策を講じる必要がある。また、フッ素樹脂は、熱膨張率が大きいため、高温で使用する場合には、熱膨張を考慮しなければならないということがある。

ここで、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に炭素粉末を含有させる技術が知られている。この技術を利用すれば、これらのフッ素樹脂に含有された炭素粉末により、熱膨張を抑えることができる。

また、ＰＴＦＥに炭素繊維を含有させる技術が開示されている（例えば、特開２００３−４１０８３号公報参照）。この技術を利用すれば、フッ素樹脂に含有された炭素繊維により、熱膨張を抑えることができるほか、機械的強度を向上させることができる。

しかし、これらの技術においては、ＰＦＡおよびＰＴＦＥの表面に炭素粉末等が露出しているので、このような炭素粉末等を含有したフッ素樹脂から形成された部材を半導体製造装置に使用すると、炭素粉末等が薬液等に曝されてしまう。その結果、炭素粉末等が薬液等内に溶出して、ウェハを汚染してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、炭素材料を含有するフッ素樹脂製の部材が本質的に有する機能的強度を保持したままで、その表面部の清浄性を向上させた機能性部材およびその製造方法を提供することを目的とする。また、半導体基板の汚染を抑制することができる半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、炭素材料を含有するフッ素樹脂からなる機能性部材であって、前記機能性部材の表面部における前記炭素材料の含有率が、前記機能性部材の内部における前記炭素材料の含有率より有意に小さいことを特徴とする、表面清浄性を有する機能性部材が提供される。

本発明の他の態様によれば、炭素材料を含有するフッ素樹脂によって形成された、所定形状を有する部材を用意し、前記部材を、酸化性ガスに曝して、前記部材の表面部に存在する前記炭素材料を除去することを特徴とする、表面清浄性を有する機能性部材の製造方法が提供される。

本発明の他の態様によれば、本発明の上記機能性部材を具備することを特徴とする、半導体製造装置が提供される。

本発明の一の態様の機能性部材によれば、機能性部材の表面部における炭素材料の含有率が、機能性部材の内部における炭素材料の含有率より有意に小さいので、炭素材料を含有したフッ素樹脂が本質的に有する機械的強度を保持したままで、表面部の清浄性を向上させた機能性部材を提供することができる。

本発明の他の態様の機能性部材の製造方法によれば、炭素材料を含有するフッ素樹脂によって形成された部材を酸化性ガスに曝すことにより、部材の表面部における炭素材料を除去することができるので、炭素材料を含有したフッ素樹脂が本質的に有する機械的強度を保持したままで、表面部の清浄性を向上させた機能性部材を提供することができる。

本発明の他の態様の半導体製造装置によれば、表面部の清浄性を向上させた機能性部材を備えているので、炭素材料による半導体基板の汚染を抑制することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は第１の実施の形態に係る部材の平面図および縦断面図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は第１の実施の形態に係る機能性部材の平面図および縦断面図である。 図３は実施例に係る実験前の試料の写真である。 図４は実施例に係る試料を処理するための実験装置の模式的な構成図である。 図５は実施例に係る実験後の試料の写真である。 図６は図５のＡ−Ａ断面写真である。 図７は図６のＢ部を拡大した顕微鏡写真である。 図８は図６のＣ部を拡大した顕微鏡写真である。 図９は図６のＤ部を拡大した顕微鏡写真である。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施の形態について説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は本実施の形態に係る部材の平面図および縦断面図であり、図２（ａ）および図２（ｂ）は本実施の形態に係る機能性部材の平面図および縦断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、まず、所定の形状を有し、次に説明する炭素材料２が除去されていない処理前の部材１を用意する。部材１は、炭素材料２を含有したフッ素樹脂３から構成されている。炭素材料２としては、例えば、炭素繊維、炭素粉末、およびこれらの混合物等が挙げられる。

フッ素樹脂３としては、例えば、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＥＰＥ）、またはテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が挙げられる。

炭素材料２は、フッ素樹脂３内にほぼ均一に含有されている。すなわち、部材１の表面部１ａおよび内部１ｂの両方に炭素材料２が存在している。

このような部材１は、様々な方法で作製することができる。具体的には、例えばフッ素樹脂３がＰＦＡの場合にはＰＦＡ材料に炭素材料２を混合して、斜出成形することにより、炭素材料２が含有されたＰＦＡからなる部材１を作製することができる。また、フッ素樹脂がＰＴＦＥの場合にはＰＴＦＥ粉末に炭素材料２を混合して、焼結させることにより、炭素材料２が含有されたＰＴＦＥからなる部材１を作製することができる。

次いで、部材１を、オゾンおよび水蒸気を含む酸化性ガスに曝す。これにより、炭素材料２がオゾンおよび水蒸気により酸化され、二酸化炭素となってフッ素樹脂３から離脱し、炭素材料２がフッ素樹脂３から除去される。なお、酸化性ガスはオゾンのみから構成してもよい。

ここで、オゾンおよび水蒸気の酸化により炭素材料２のＣ−Ｃ結合は切断されるが、オゾンの酸化力ではフッ素樹脂３内のＣ−Ｃ結合やＣ−Ｆ結合は切断されないので、オゾンおよび水蒸気にフッ素樹脂３を曝しても、炭素材料２が除去されるだけで、フッ素樹脂３の組成には何ら影響がないと考えられる。

この炭素材料２の除去は、部材１の表面部１ａに存在する炭素材料２のみを除去するように行われる。すなわち、炭素材料２の除去は、酸化性ガスに曝す時間に依存するので、この時間により制御することにより、炭素材料２の除去する深さを制御することができる。したがって、酸化性ガスに曝す時間を制御することによって、部材１の表面部１ａに存在する炭素材料２のみを除去して、部材１の内部１ｂに存在する炭素材料２を残存させることができる。

これにより、図２（ａ）および図２（ｂ）に示される機能性部材４が作製される。機能性部材４は、表面部４ａの炭素材料２が除去されているので、炭素材料２の含有率は機能性部材４の内部４ｂよりも機能性部材４の表面部４ａの方が有意に小さくなっている。

ここで、「含有率」とは、炭素材料２が例えば炭素繊維単体または炭素粉末単体から構成されている場合には炭素繊維または炭素粉末の含有率、炭素材料２が炭素繊維と炭素粉末の混合物から構成されている場合には炭素繊維と炭素粉末の合計量に対する含有率を意味する。

機能部材４の表面部４ａにおける炭素材料２は実質的に除去されている。ここで、「実質的」とは、表面部４ａにおける炭素材料２が全て除去されていることのみならず、表面部４ａにおける炭素材料２が僅かに残存している場合も含まれることを意味する。

炭素材料２が除去されると、炭素材料２が存在していた箇所に孔４ｃが形成されるので、表面部４ａは多孔質となる。

本実施の形態によれば、炭素材料２を含有するフッ素樹脂３によって形成された部材１を酸化性ガスに曝して、部材１の表面部１ａにおける炭素材料２を除去しているので、炭素材料２を含有したフッ素樹脂３が本質的に有する機械的強度および熱膨張率を保持したままで、表面部４ａの清浄性を向上させた機能性部材４を提供することができる。

また、この機能性部材４を半導体製造装置（図示せず）に使用した場合には、表面部４ａから炭素材料２が薬液等により溶出し難い。この結果、半導体基板であるウェハ（図示せず）の汚染を抑制することができる。

本実施の形態によれば、酸化性ガスとしてオゾンと水蒸気を使用しているので、オゾン単独で使用するよりも、炭素材料２の除去速度を上昇させることができる。すなわち、オゾン単独で使用する場合には酸素ラジカルのみが作用するが、オゾンと水蒸気を使用する場合には、酸素ラジカルの他に、強力な酸化力を有するヒドロキシルラジカルが作用する。これにより、炭素材料２の除去速度を上昇させることができる。

本実施の形態によれば、部材１を所定の形状に加工した場合であっても、部材１の表面部１ａ全体の炭素材料２を除去することができる。すなわち、フッ素樹脂３の周囲を炭素材料２が含有されていないフッ素樹脂でコーティングやラッピング等することも考えられるが、コーティングやラッピングした後にフッ素樹脂３を加工した場合には、加工した部分はフッ素樹脂３の表面が露出し、炭素材料が露出してしまう。なお、この部分の表面をさらにコーティングやラッピングすることは困難である。これに対し、本実施の形態によれば、部材１を所定の形状に加工した場合であっても、その後に酸化性ガスに曝すことにより、部材１の表面部１ａ全体の炭素材料２を除去することができる。

（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、上記第１の実施の形態と重複する内容については、説明を省略する。

部材１の表面部１ａから炭素材料２を除去した後、機能性部材４をフッ素樹脂３の軟化温度付近まで加熱する。この加熱により、機能性部材４の表面部４ａの孔４ｃが塞がる。

本実施の形態によれば、炭素材料２を除去した後、フッ素樹脂３の軟化温度付近まで加熱して、孔４ｃを塞ぐので、機能性部材４の内部４ｂに残存している炭素材料２の薬液等による溶出をさらに抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。上記実施の形態では、機能性部材４を半導体製造装置に使用する例について説明したが、用途は半導体製造装置に使用される部材に限られない。すなわち、機能性部材４は様々な機械構造物に使用することができる。

以下、実施例について説明する。本実施例においては、炭素繊維を含有したＰＦＡを作製して、上記実施の形態で説明したようにＰＦＡの表面部の炭素繊維を除去できるか否か実験した。図３は実施例に係る実験前の試料の写真であり、図４は本実施例に係る試料を処理するための実験装置の模式的な構成図であり、図５は本実施例に係る実験後の試料の写真であり、図６は図５のＡ−Ａ断面写真であり、図７は図６のＢ部を拡大した顕微鏡写真であり、図８は図６のＣ部を拡大した顕微鏡写真であり、図９は図６のＤ部を拡大した顕微鏡写真である。

（１）試料について
まず、ＰＦＡに炭素繊維を含有させた試料を用意した。通常、ＰＦＡは半透明であるが、ＰＦＡ全体に炭素繊維が含有されているため、試料は図３に示されるように黒色となっていた。この試料を個片化して実験に使用した。

（２）実験装置について
実験には、図４に示される実験装置１０を使用した。実験装置１０は、主に、試料Ｓを処理するためのチャンバー１１、オゾンを発生させるためのオゾン発生器１２、水蒸気を発生させるための水蒸気発生器１３、オゾン発生器１２および水蒸気発生器１３で発生したオゾンおよび蒸気の流量を調節するためのバルブ１４、チャンバー１１内の圧力を調節するためのバルブ１５、チャンバー１１から排気されたオゾンを分解するためのオゾン分解器１６、および排気系１７等から構成されている。

（３）実験条件について
チャンバー１１内に試料Ｓを入れて、温度１０５℃、圧力７５ＫＰａに維持した。また、オゾン発生器１２でオゾンを発生させるとともに水蒸気発生器１３で水蒸気を発生させ、オゾン９％ｖｏｌおよび水蒸気４．５ｃｃ／ｍｉｎとなるようにバルブ１４で調節して、これらをチャンバー１１に供給した。なお、オゾンおよび水蒸気を供給した時間は３０時間であった。

（４）実験結果について
図５および図６に示されるように試料の表面部は、白濁色となっていた。これは、試料の表面部の炭素繊維が除去されたためであると考えられる。一方、図５に示されるように試料の内部は、黒色のままであった。これは、試料の内部の炭素繊維が残存しているためであると考えられる。

また、図７に示されるように試料の内部（Ｂ部）には、炭素繊維が残存していることが確認され、図８および図９に示されるように試料の表面部（Ｃ部およびＤ部）には、炭素繊維が除去されていることが確認された。

これらの結果から、オゾンおよび水蒸気により試料の表面部のみの炭素繊維を除去することができるということが確認された。

Claims (10)

1. 炭素材料を含有するフッ素樹脂からなる機能性部材であって、
   炭素材料を含有するフッ素樹脂によって形成された、所定形状を有する部材を用意し、前記所定形状を有する部材を、酸化性ガスに曝して、前記所定形状を有する部材の表面部に存在する前記炭素材料を除去することによって得られ、かつ
   前記機能性部材の表面部における前記炭素材料の含有率が、前記機能性部材の内部における前記炭素材料の含有率より有意に小さいことを特徴とする、表面清浄性を有する機能性部材。
2. 前記炭素材料が前記機能性部材の表面部から実質的に除去されている、請求項１に記載の機能性部材。
3. 前記フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体またはポリテトラフルオロエチレンである、請求項１に記載の機能性部材。
4. 炭素材料を含有するフッ素樹脂によって形成された、所定形状を有する部材を用意し、
   前記部材を、酸化性ガスに曝して、前記部材の表面部に存在する前記炭素材料を除去することを特徴とする、表面清浄性を有する機能性部材の製造方法。
5. 前記部材の表面部に存在する前記炭素材料を除去した後、前記部材を加熱する、請求項４に記載の機能性部材の製造方法。
6. 前記炭素材料が炭素繊維および炭素粉末の少なくともいずれかである、請求項４に記載の機能性部材の製造方法。
7. 前記フッ素樹脂がテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体またはポリテトラフルオロエチレンである、請求項４に記載の機能性部材の製造方法。
8. 前記酸化性ガスがオゾンを含んでいる、請求項４に記載の機能性部材の製造方法。
9. 前記酸化性ガスが水蒸気を含んでいる、請求項８に記載の機能性部材の製造方法。
10. 請求項１に記載の機能性部材を具備することを特徴とする、半導体製造装置。