JP6146413B2 - 組み合わせ体、プラズマ処理装置用部材、プラズマ処理装置およびフォーカスリングの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、組み合わせ体、プラズマ処理装置用部材、プラズマ処理装置およびフォーカスリングの製造方法に関する。

従来から、半導体製造装置用の耐プラズマ部材として、複数の部材から構成されるフォーカスリングが知られている（たとえば特許文献１、２）。

日本国特開２００９−２９００８７号公報 日本国特開２０１１−３７３０号公報

しかしながら、複数の部材を接合する際に用いられる接着剤やバンド部材が汚染源となるという問題がある。

本発明の第１の態様によると、複数の部分部材を圧着して構成された組み合わせ体であって、部分部材は、ＣａＦ _２ 原料粉末が成形、焼結された多結晶体からなり、前記部分部材の結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上である。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の組み合わせ体において、部分部材の相対密度が９４．０％以上であることが好ましい。
本発明の第３の態様によると、プラズマ処理装置用部材は、第１または２の組み合わせ体からなる。
本発明の第４の態様によると、第３の態様のプラズマ処理装置用部材はフォーカスリングである。
本発明の第５の態様によると、プラズマ処理装置は、第３または４の態様のプラズマ処理装置用部材を備える。
本発明の第６の態様によると、フォーカスリングの製造方法は、多結晶ＣａＦ_２からなり、結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上である複数の部分部材を用意することと、複数の部分部材同士を圧着し、一つの多結晶ＣａＦ_２部材を形成することとを有する。
本発明の第７の態様によると、第６の態様のフォーカスリングの製造方法において、複数の部分部材同士を圧着する際の保持温度は、１０００度以上１２００度以下であることが好ましい。
本発明の第８の態様によると、第７の態様のフォーカスリングの製造方法において、複数の部分部材同士を圧着する際の加圧力は、０．９Ｍｐａ以上１．８Ｍｐａ以下であることが好ましい。
本発明の第９の態様によると、第８の態様のフォーカスリングの製造方法において、複数の部分部材のそれぞれは、圧着の際に他の部分部材と接合する接合面を有し、接合面の面粗さは１．０μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、複数の多結晶体の接合面が圧着により接合された組み合わせ体からなる多結晶ＣａＦ_２部材が得られるので、接着剤やバンド部材に起因する汚染のないフォーカスリングが提供できる。

本発明の実施の形態によるフォーカスリングの外観を示す図 フォーカスリングを備えるプラズマ処理装置の模式図 面粗さと、保持温度と、加圧力とを異ならせた場合の試料の圧着結果を示す図

図面を参照しながら、本発明の実施の形態による多結晶ＣａＦ_２（フッ化カルシウム）部材の一例であるフォーカスリングについて説明する。本実施の形態のフォーカスリングは、プラズマ処理装置に用いられる部材であり、多結晶ＣａＦ_２から製造された複数の部分部材が圧着により接合されることにより製造される。なお、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。

図１に実施の形態によるフォーカスリング１の構成を示す。図１（ａ）に示すように、フォーカスリング１は、３つの部分部材２を接合してなる組み合わせ体であり、環状に形成されている。フォーカスリング１を構成する１つの部分部材２は、図１（ｂ）に示す形状を有する。部分部材２は、他の部分部材２と接合される接合面２１と、段差部２２とを有し、３つの部分部材２が接合面２１を介して接合されることでフォーカスリング１が形成される。フォーカスリング１は、被処理物をプラズマ処理装置でプラズマエッチングする際、非均一なプラズマ分布によって起こる被処理物のエッチング速度の非均一性を低減させるために、被処理物の周囲に設けられる部材である。また、段差部２２で被処理物を支持することができるので、被処理物を移動させる際やハンドリングの際の支持具としても用いられる。被処理物がドライエッチング工程においてプラズマに暴露される際には、フォーカスリング１も同様にプラズマに暴露されエッチングされる。そのため、フォーカスリング１には高い耐エッチング性が要求される。

フォーカスリング１を形成する部分部材２の個数は、上記の３個のものに限定されるものではなく、フォーカスリング１の大きさ等に応じて最適な個数の部分部材２により形成されればよい。なお、フォーカスリング１の製造方法についての詳細は、説明を後述する。

部分部材２は、上述したように多結晶ＣａＦ_２から製造され、優れた加工性および耐腐食性を有している。部分部材２が優れた加工性を有するようにするために、部分部材２を形成する多結晶ＣａＦ_２の相対密度は９４．０％以上に設定される。より好ましい態様としては、多結晶ＣａＦ_２の相対密度を９９．０％以上とすることができる。また、部分部材２が耐腐食性を有するために、部分部材２を形成する多結晶ＣａＦ_２の結晶粒子の平均粒子径は２００μｍ以上とすることが好ましい。

なお、本願における多結晶ＣａＦ_２の相対密度は、多結晶ＣａＦ_２の密度をアルキメデス法を用いて測定し、当該多結晶ＣａＦ_２の密度の単結晶ＣａＦ_２の密度に対する比をパーセンテージで示したものとして求めることができる。また、多結晶ＣａＦ_２の平均粒子径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で１試料の任意の３視野を観察し、ＪＩＳＲ１６７０「ファインセラミックスのグレインサイズ測定方法」に準じて、それぞれの視野内の結晶粒子の長軸と短軸とを計測し、その平均をとることで求められる。

以下、ＣａＦ_２、単結晶ＣａＦ_２および多結晶ＣａＦ_２が有する性質について説明する。ＣａＦ_２は、フッ化物であるＭｇＦ_２、ＢａＦ_２と比較して、潮解性が低い安定したフッ化物である。また、ＣａＦ_２は、耐フッ素プラズマ性、耐ＨＦ（フッ化水素）性、耐薬品性、耐熱性に優れているので、耐プラズマ部材、るつぼ部材として有効である。単結晶ＣａＦ_２は、高い紫外域から赤外域に渡って高い透過率特性を有しているので、レンズ材として用いられる。しかし、単結晶ＣａＦ_２は、へき開性を有するため、振動や衝撃により割れ易い性質を有している。これに対して、多結晶ＣａＦ_２は、微小な結晶が結合して構成されているため、バルクとしてはへき開性を有していない点で単結晶ＣａＦ_２よりも割れにくい。

次に、多結晶ＣａＦ_２の結晶粒子の平均粒子径と耐腐食性との関係について説明する。多結晶ＣａＦ_２の結晶粒子の耐腐食性として、特に、エッチングへの耐性（耐エッチング性）について説明する。本実施の形態の部分部材２の製造に用いられる多結晶ＣａＦ_２の結晶粒子の平均粒子径は２００μｍ以上である。本発明者の研究により、多結晶ＣａＦ_２では、結晶粒子径が増大するにつれて耐腐食性が高くなり、結晶粒子径が２００μｍ以上となると耐腐食性が飽和することが明らかとなっている。エッチングは結晶界面から進行するので、結晶粒子径が増大することにより結晶界面が減少すればエッチングされやすい界面が減少する。このため、多結晶ＣａＦ_２の結晶粒子径が増大するにつれて耐腐食性が高くなる。本実施の形態で用いられる多結晶ＣａＦ_２は、結晶粒子の平均粒子径を２００μｍ以上とすることによって、その耐腐食性が単結晶ＣａＦ_２の有する耐腐食性に近づいたものとなっていると推定される。したがって、実施の形態で用いる多結晶ＣａＦ_２は、へき開性を有しないという多結晶体が有する利点に加えて、耐腐食性に優れているという単結晶体が有する利点を兼ね備えることになる。

上述した特性を有する多結晶ＣａＦ_２からなる部分部材２の製造方法は以下の通りである。まず、相対密度が９４．０％以上であり、かつ結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上となる多結晶ＣａＦ_２を次のようにして得る。
ＣａＦ_２の粉末原料の粒径（メジアン径）は、好ましくは３μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以下である。ＣａＦ_２の粉末原料の粒径が大きい場合には、ボールミル等により予め粉砕してから用いるのが好ましい。

上記のＣａＦ_２粉末原料を用いて、たとえばＣＩＰ法（冷間静水等方圧プレス）、鋳込み法を用いて成形を行う。ＣＩＰ法は、ＣａＦ_２粉末原料を金型プレスにより仮成形し、仮成形体を真空パックにした後、ＣＩＰ装置にセットして、例えば１００ＭＰａにて１分間の圧力保持を行うことにより、成形体を作成する方法である。鋳込み法は、ＣａＦ_２粉末原料と水とを混合して作成したスラリーを石膏型に入れ、例えば室温にて４８時間以上静置させて成形体を得た後、この成形体を石膏型から取り出して８０℃にて４８時間、乾燥炉で乾燥させる方法である。

上述のようにして得られた成形体を真空焼結炉に導入して、真空雰囲気で焼結させる。焼結工程時の真空度は、緻密化およびＣａＦ_２の酸化防止の目的から、１０Ｐａ以下であることが望ましい。焼結工程では、成形体は、１４００℃以下で６時間以上焼結させる。なお、１４００℃は、ＣａＦ_２の融点以下の温度である。この結果、相対密度が９４．０％以上であり、かつ結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上となる多結晶ＣａＦ_２の成形体が得られる。

次に、多結晶ＣａＦ_２の成形体を所望の形状に加工する。そして、フォーカスリング１を形成する際の接合面（図１の符合２１）の表面粗さＲａを１．０μｍ以下となるように機械加工により研磨する。その結果、部分部材２が製造される。

上記のようにして製造された一の部分部材２の接合面２１と他の部分部材２の接合面２１とを接触させ、真空雰囲気もしくは不活性ガス雰囲気中で所定の温度に加熱し、接合面２１の接触面に１ＭＰａ以上の荷重がかかるように各部分部材２を加圧する。その結果、図１に示すフォーカスリング１が製造される。フォーカスリング１は、本実施の形態の多結晶ＣａＦ_２を用いて製造された部分部材２を接合することにより、耐腐食性、加工性に優れ、かつ容易に大型化することができる。

図１（ｃ）はフォーカスリング１の変形例である。図１（ｃ）に示すフォーカスリング１００は、３つの部分部材２００と３つの部分部材３００の合計６つの部分部材を接合してなる組み合わせ体である。部分部材２００及び部分部材３００は、図１（ｄ）に示す形状を有している。フォーカスリング１００の径方向における部分部材２００の幅Ｌ１と部分部材３００の幅Ｌ２とは異なる長さに設定されており、幅Ｌ１よりも幅Ｌ２の長さの方が長くなっている。部分部材２００同士は接合面２０１を介して接合され、部分部材３００同士は接合面３０１を介して接合される。また、部分部材２００と部分部材３００とは、接合面２０２と接合面３０２とを介して接合される。なお、部分部材３００の幅Ｌ２が部分部材２００の幅Ｌ１よりも長く設定されていることにより、部分部材３００の接合面３０２と同一平面上に、部分部材２００が接合されない面３０３を設けることができる。この部分部材２００が接合されない面３０３はフォーカスリング１００の段差部として機能する。

フォーカスリング１００を形成するには、６つの部分部材をフォーカスリング形状に組み立て、当該６つの部分部材を同時に圧着するようにしてもよいし、部分部材２００同士からなる環状部材と部分部材３００同士からなる環状部材を形成し、当該環状部材同士を上下に組み合わせて圧着するようにしてもよい。なお、フォーカスリング１００を形成する部分部材２００および３００の個数は、上記の６つのものに限定されるものではなく、フォーカスリング１００の大きさ等に応じて最適な個数の部分部材２００及び３００により形成されればよい。

図２は、上記のフォーカスリング１を備えるプラズマ処理装置の模式図である。図２のプラズマ処理装置１０は、ガス供給口６およびガス排出口７を有するチャンバー５内に、上部電極８および下部電極９が設けられている。下部電極９の上面には、被処理物３を支持するための静電チャック１１とフォーカスリング１とが備えられている。静電チャック１１はフォーカスリング１で囲まれるように配置されており、静電チャック１１上に被処理物３を配置することで、被処理物３の周囲がフォーカスリング１に囲まれる。

プラズマ処理装置１０を用いて被処理物３をプラズマエッチングするためには、まず、チャンバー５内を真空排気した状態で、ガス供給口６からエッチングガスを供給する。このとき、上部電極８および下部電極９に高周波電圧を印加する。上部電極８および下部電極９の間に形成された高周波電界は、エッチングガスをプラズマ化して、プラズマを生成する。このプラズマにより被処理物３のエッチングが行われる。

以上のように被処理物３のプラズマエッチングが行われる間、フォーカスリング１も被処理物３と同様にプラズマに曝される。そのため、フォーカスリング１の材料として、耐腐食性に優れた本実施の形態による多結晶ＣａＦ_２が好適に用いることができる。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［試料の作製］
メジアン径が３２．７μｍのＣａＦ_２粉末原料を準備し、ボールミルにて粉砕処理することにより、メジアン径が３μｍ以下の原料を調整した。この原料を用いて、上述した鋳込み法を用いて成形を行った。すなわち、ＣａＦ_２原料を水と混合して作製したスラリーを石膏型に入れ、室温にて４８時間以上静置させた後、石膏型から取り出して乾燥炉内で８０℃にて４８時間乾燥させて成形体を作製した。

得られた成形体を真空中にて１２５０℃で６時間加熱して焼結させる。焼結後に取り出された成形体を切断および研削加工により、試料サイズ３ｍｍ×４ｍｍ×５ｍｍの試料を切り出した。その後、試料の両面を鏡面研磨して、接合面の表面粗さＲａを０．１６〜１．６４μｍとした。

（実施例１〜８、比較例１〜４）
試料は真空炉に導入されて、接合面を接触させた状態で荷重を加え、炉内雰囲気を１０ＭＰａ以下とした。その後、６時間かけて所望の温度まで昇温を行い、目的温度で保持することにより試料の圧着を行った。この目的温度を保持温度と呼ぶ。保持温度での保持は６時間行い、その後、冷却して試料を取り出した。保持温度と、加圧力と、試料の面粗さＲａとを異ならせた種々の条件下において、試料が圧着するか否かを確認した。

保持温度の下限は５００℃である。保持温度が８００℃を超えると試料が圧着しやすくなる。また、１４００℃を超えると試料が溶解するので、保持温度は１４００℃以下とするが、１２５０℃を超えると試料の素材が有する物性に影響が生じるので、保持温度は１２５０℃を超えないことが好ましい。したがって、試料を圧着させる際の保持温度を８００℃〜１２００℃とした。

試料に加わる加圧力は高いほど試料は圧着する。しかし、加圧力が高過ぎる場合、試料が割れやすくなるとともに、製造装置のコストが高くなるので、加圧力は低い方が好ましい。したがって、試料を圧着させる際の加圧力は０．９〜１．８ＭＰａとした。

図３に、面粗さＲａと、保持温度と、加圧力とを異ならせた実施例１〜８、比較例１〜４の圧着結果を示す。図３に示すように、実施例１〜３は、保持温度を１２００℃、加圧力を１．８ＭＰａにて、試料の面粗さＲａを異ならせた場合の圧着結果を示している。実施例４〜６は、保持温度を１２００℃、加圧力を０．９ＭＰａにて、試料の面粗さＲａを異ならせた場合の圧着結果を示している。実施例７，８および比較例１は、保持温度を１０００℃、加圧力を０．９ＭＰａにて、試料の面粗さＲａを異ならせた場合の圧着結果を示している。比較例２〜４は、保持温度を８００℃、加圧力を０．９ＭＰａにて、試料の表面粗さＲａを異ならせた場合の圧着結果を示している。図３では、○は試料が圧着したことを示し、×は試料が圧着しなかったことを示す。すなわち、実施例１〜８の試料は圧着し、比較例１〜４は圧着していないことを示している。

実施例４、７および比較例２において、それぞれの試料の面粗さＲａは０．１６μｍ、０．１９μｍ、０．１７μｍであり、実質的に等しい面粗さＲａと見なせる。この場合、図３に示すように、比較例２の試料、すなわち保持温度を８００℃とした場合には、試料は圧着しなかった。この結果、保持温度は１０００℃以上が望ましいといえることがわかる。

実施例７，８および比較例１において、保持温度が１０００℃、加圧力が０．９ＭＰａで圧着処理を行う場合、表面粗さＲａが１．６７μｍである比較例１の試料は圧着しなかった。この結果、圧着処理のためには、面粗さＲａが低いほど好ましいことがわかる。保持温度が１０００℃以上の実施例１〜８において、面粗さＲａが最も低い試料は、実施例６の試料であり、その面粗さＲａは１．０μｍである。したがって、試料を圧着させるためには、接合面の面粗さＲａは１．０μｍ以下であることが望ましい。

上記の実施例１〜８、比較例１〜４の結果に基づいて、部分部材２を圧着してフォーカスリング１を製造する場合、保持温度を１０００℃以上、部分部材２の接合面２１の面粗さＲａを１．０μｍ以下にすることが好ましい。

多結晶ＣａＦ_２からなる複数の部分部材２を用いて、図３に示す結果に基づいて、部分部材２の接合面２１同士を圧着により接合してフォーカスリング１を製造することができる。その結果、接着剤やバンド部材等の被処理物３への汚染源となる材料を用いることなくフォーカスリング１を製造することができる。

プラズマ処理装置用のフォーカスリングに代表される耐プラズマ部材は、シリコンウエハの大口径化にともない大型化する傾向にある。ＣａＦ_２から大型のフォーカスリングを製造する場合、環状に形成するために焼結した材料の中心部を抜き取る必要があるので、材料歩留りや製造歩留りが低くなり、コストが増大するという問題があった。これに対して、複数の部分部材２を接合することにより、材料歩留りや製造歩留りの低下を防ぎ、コストの増加を抑制してフォーカスリング１の大型化が可能となる

さらに、部分部材２は、相対密度が９４．０％以上、結晶粒子の平均粒子径を２００μｍ以上とする多結晶ＣａＦ_２からなる。したがって、これらの部分部材２を接合することにより、加工性および耐腐食性に優れたフォーカスリング１を提供することができる。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１２年第１５１３６７号（２０１２年７月５日出願）

１、１００…フォーカスリング、 ２、２００、３００…部分部材、
１０…プラズマ処理装置

Claims (9)

1. 複数の部分部材を圧着して構成された組み合わせ体であって、
   前記部分部材は、ＣａＦ _２ 原料粉末が成形、焼結された多結晶体からなり、前記部分部材の結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上である組み合わせ体。
2. 請求項１に記載の組み合わせ体において、
   前記部分部材の相対密度が９４．０％以上である組み合わせ体。
3. 請求項１または２に記載の組み合わせ体からなるプラズマ処理装置用部材。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置用部材はフォーカスリングであるプラズマ処理装置用部材。
5. 請求項３または４に記載のプラズマ処理装置用部材を備えるプラズマ処理装置。
6. 多結晶ＣａＦ_２からなり、結晶粒子の平均粒子径が２００μｍ以上である複数の部分部材を用意することと、
   前記複数の部分部材同士を圧着し、一つの多結晶ＣａＦ_２部材を形成することとを有するフォーカスリングの製造方法。
7. 請求項６に記載のフォーカスリングの製造方法において、
   前記複数の部分部材同士を圧着する際の保持温度は、１０００度以上１２００度以下であるフォーカスリングの製造方法。
8. 請求項７に記載のフォーカスリングの製造方法において、
   前記複数の部分部材同士を圧着する際の加圧力は、０．９Ｍｐａ以上１．８Ｍｐａ以下であるフォーカスリングの製造方法。
9. 請求項８に記載のフォーカスリングの製造方法において、
   前記複数の部分部材のそれぞれは、前記圧着の際に他の部分部材と接合する接合面を有し、前記接合面の面粗さは１．０μｍ以下であるフォーカスリングの製造方法。

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