JP7329619B2 - 耐プラズマ性部材、プラズマ処理装置用部品およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本開示は、プラズマに曝される環境下で使用される、耐プラズマ性部材、プラズマ処理装置用部品およびプラズマ処理装置に関する。
従来、半導体製造工程などで、プラズマを用いて対象物に薄膜を成膜したり、あるいは対象物にエッチング処理をする装置が用いられている。プラズマ成膜装置では、原料ガスをプラズマ化して化学反応させることによって、対象物上に薄膜を形成する。プラズマエッチング装置では、エッチングガスをプラズマ化して、対象物の表面をプラズマと化学反応させて気化させることによって、対象物をエッチングする。
これらプラズマ処理装置の反応室には、ガスノズル、窓、基板載置用部品などの各種プラズマ処理装置用部品が使用されている。これらプラズマ処理装置用部品の材質として、イットリア、イットリア・アルミニウム・ガーネット(YAG)、アルミナなどのセラミック焼結体が用いられる(特許文献1)。
プラズマ処理装置用部品の表面が、反応性の高いガス、またはプラズマと反応すると、表面からパーティクルが発生することがある。パーティクルが対象物に付着すると、不良の原因となり得るので、プラズマ処理装置用部品には耐プラズマ性が求められる。イットリア、およびYAGは、アルミナと比較して、耐プラズマ性が高いことが知られている(特許文献1、2)。
パーティクルが原因の不良を低減するため、さらに耐プラズマ性に優れた、耐プラズマ性部材が求められている。
本開示は、プラズマに曝される面が{100}面の単結晶イットリア・アルミニウム・ガーネット(YAG)から構成された耐プラズマ性部材、ならびに、該耐プラズマ性部材を使用した、プラズマ処理装置用部品、およびプラズマ処理装置である。
本開示は、プラズマに曝される面を複数有し、少なくとも最も耐プラズマ性の要求される面が{100}面の単結晶YAGから構成された耐プラズマ性部材、ならびに、該耐プラズマ性部材を使用した、プラズマ処理装置用部品、およびプラズマ処理装置である。
以下、本開示の一実施形態について図を参照しながら説明する。本開示は、耐プラズマ性に優れ、パーティクルの発生が少ない、耐プラズマ性部材、プラズマ処理装置用部品、プラズマ処理装置を提供する。
本明細書において、耐プラズマ性部材とは、ハロゲン系ガスなどのプラズマに対して耐食性を有する(エッチングされにくい)部品のことである。
耐プラズマ性部材は、プラズマ成膜装置やプラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置において、インジェクタ、ガスノズル、シャワーヘッドなどのガス供給部品、窓などの内部監察用部品、静電チャック、キャリアプレートなどの基板保持部品、熱電対の保護管などの保護部品等に使用される。
図1は、本開示の耐プラズマ性部材を用いたプラズマ処理装置の概略断面図である。プラズマ処理装置1は、半導体ウェハ、ガラス基板等の対象物5に薄膜を形成したり、エッチング処理したり、対象物5の表面の改質処理をする装置である。
プラズマ処理装置1は、対象物5を処理するための反応室2を備える。反応室2の内部には、反応室2内にガスを供給するガスノズル4と、内部電極7を備えた静電チャック等の保持部6とを備える。反応室2の外部には、ガスノズル4に原料ガスを供給するガス供給管3と、プラズマを生成するための電力を供給するコイル9と電源10と、内部電極7に接続されるバイアス電源8とを備える。また、反応室2は、その内部を観察するための窓12を備えている。
保持部6に対象物5が載置され、ガスノズル4を介して反応室2内にガスが供給され、コイル9および電源10から供給された電力による放電によってプラズマ化し、対象物5上が処理される。
例えば、対象物5上に酸化ケイ素(SiO2)からなる薄膜を形成するときは、シラン(SiH4)、酸素(O2)等の原料ガスが供給され、対象物5をエッチング処理するときは、SF6、CF4、CHF3、ClF3、NF3、C3F8、C4F8、HF、Cl2、HCl、BCl3、CCl4等のハロゲン系ガス等のエッチングガスが供給される。
図2A、図2Bは、本開示の耐プラズマ性部材を用いたガスノズルの概略図である。図2Aは斜視図であり、図2Bは図2AのA1-A1線における断面図である。ガスノズル4は、例えば、円柱、角柱などの柱状に形成されており、ガスを案内する供給孔11が、ガスノズル4の軸心に沿って複数(図2Aに示す例では4本)設けられる。ガスノズル4の端面4a、外周面4bおよび内周面4cが、プラズマに曝される。
図3は、本開示の耐プラズマ性部材を用いた窓の概略図である。窓12は、対向する第1面12aと第2面とを有し、第1面12aがプラズマに曝される。
単結晶イットリア・アルミニウム・ガーネット(YAG)は、立方晶系の結晶構造を有し、{100}面、{111}面などの結晶方位を有する。YAGは、高い耐プラズマ性を有する材料であるが、特に、{100}面が耐プラズマ性に優れていることを、本発明者は以下のような実験で明らかにした。
各種部材の耐プラズマ性を評価するため、リアクティブイオンエッチング装置(RIE装置)を用いて、試料にCF4のプラズマを照射し、エッチング深さ(エッチングレート)を比較した。アルミナセラミックス、(100)単結晶YAG、(111)単結晶YAG、イットリアセラミックスのエッチング深さは、それぞれ、0.61μm、0.16μm、0.20μm、0.13μmであり、単結晶YAGの耐プラズマ性は、アルミナセラミックを上回り、イットリアセラミックに匹敵すること、中でも、{100}面が単結晶YAGが耐プラズマ性に優れていることがわかった。
また、単結晶YAGはイットリアセラミックよりも強度が高いため、本開示の耐プラズマ性部材は、強度および耐食性をともに高いものとすることができる。
本開示の耐プラズマ性部材は、プラズマに曝される面が{100}面の単結晶YAGから構成される。
本開示の耐プラズマ性部材が、窓12に使用される場合は、少なくとも、プラズマに曝される第1面12aが{100}面の単結晶YAGから構成される。
また、ガスノズル4のように、プラズマに曝される面が複数(ガスノズル4では、端面4a、外周面4bおよび内周面4c)ある部品では、プラズマに曝される面のうち、少なくとも最も耐プラズマ腐食性の要求される面が{100}面の単結晶YAGから構成されている。例えば、図2A、2Bに示す例では、ガスノズル4の端面4aを{100}面としている。さらに、図2Aのように、供給孔11の断面形状を矩形状として、内周面4cも{100}面としてもよい。また、ガスノズル4の断面外形状を矩形状として、外周面4bを{100}面としてもよい。
本開示の耐プラズマ性部材は、プラズマに曝される面が、単結晶YAGで構成されている。先行文献に記載の通り、部材の気孔率および表面粗さを小さくすることで、耐食性が向上する。単結晶は、セラミック(多結晶)と比較して、気孔が小さく、少ない(または気孔そのものがない)ので、耐食性が高い。また、多結晶では、結晶粒界は、結晶の粒内と比べて、結晶性が悪くエッチングされやすいが、単結晶には結晶粒界がないので、耐食性が高くなる。また、結晶粒界がなく、気孔も小さい(少ない)ため、表面粗さを小さくしやすい。また、結晶粒界がなく、気孔が小さく、少ない(またはない)ので、パーティクルが発生しにくい。上記理由により、単結晶YAGは、耐食性に優れ、パーティクルの発生が少ない耐プラズマ性部材となる。
なお、本開示の耐プラズマ性部材に使用されるYAGの結晶面は、{100}面から±10°以下、特に好ましくは±5°以下のオフセット角を有していてもよい。オフセット角が10°以下であれば、{100}面と遜色ない耐プラズマ性が期待できる。
YAGの結晶構造は立方晶系であるため、{100}面は4回対称であり、面に垂直な軸を中心として90°回転させると等価な面が現れる。したがって、ガスノズルなどの柱状または筒状の部材において、軸方向が<100>方向であるとともにプラズマに最も曝される面となる端面4aが{100}面であり、図2Aの例あるいは図4Aの例のように、部材の内周面(例えば、ガスノズル4の供給孔11の内周面、ガスノズル24の内周面21)または外周面の少なくともいずれかの、軸に垂直な断面の形状が、矩形状、特に好ましくは正方形状であってもよい。このような構成であれば、各内周面または各外周面が等価な面となって、各面の耐食性および各種物性が等しくなるので、耐食性部材として好適である。例えば、熱膨張率の異方性による変形が生じにくい。
同様の理由で、部材の軸方向が<100>方向であるとともにプラズマに最も曝される面となる端面4aが{100}面であり、図4Bのように、部材(ガスノズル34)の、軸に垂直な断面の形状(外形状、内形状、貫通穴31の配置)が、4回対称であれば、断面における各種物性が比較的等方的になるので、耐食性部材として好適である。
本開示のプラズマ処理装置用部品およびプラズマ処理装置は、上記構成の耐プラズマ性部材を用いている。
単結晶YAGのインゴットは、例えば、CZ(チョクラルスキー)法を用いて製造することができる。高純度(例えば4N以上)のイットリア粉末とアルミナ粉末とを混合した原料、または前記原料を仮焼して得られる多結晶YAGを、イリジウムなどの高融点金属製の坩堝に充填し、加熱して溶融させ、種結晶を融液に浸した後、所定の引上げ速度と回転速度で引き上げることで、円筒状の直胴部を有する単結晶を育成できる。種結晶の結晶方位を適宜選択することで、所望の結晶方位の高純度(例えば、4N以上)な単結晶を製造できる。
棒状、筒状、板状の単結晶YAGは、例えば、EFG(Edge-defined Film-fed Growth)法を用いて製造することができる。高純度(例えば4N以上)のイットリア粉末とアルミナ粉末とを混合した原料、または前記原料を仮焼して得られる多結晶YAGを、スリットを有する金型を配置したイリジウムなどの高融点金属製の坩堝に充填し、加熱して溶融させ、スリットを介して金型の上面まで供給された融液に種結晶を浸した後、所定の引上げ速度で引き上げることで、棒状、筒状、板状の単結晶を育成できる。種結晶の結晶方位を適宜選択することで、所望の結晶方位の高純度(例えば、4N以上)な単結晶を製造できる。
育成されたインゴットをワイヤソー、外周刃切断機などの各種切断機を用いて所望の長さ(厚さ)に切断し、マシニングセンター、研磨装置などの各種加工装置を用いて所望の形状および表面粗さに加工することで、ガスノズルなどの製品を製造することができる。
1 :プラズマ処理装置
2 :反応室
3 :ガス導入管
4 :ガスノズル
4a:端面
4b:外周面
4c:内周面
5 :対象物
6 :保持部
7 :内部電極
8 :バイアス電源
9 :コイル
10:電源
11:供給孔
12:窓
12a:第1面
2 :反応室
3 :ガス導入管
4 :ガスノズル
4a:端面
4b:外周面
4c:内周面
5 :対象物
6 :保持部
7 :内部電極
8 :バイアス電源
9 :コイル
10:電源
11:供給孔
12:窓
12a:第1面
Claims (8)
- プラズマに曝される面が{100}面の単結晶YAGから構成された、耐プラズマ性部材。
- プラズマに曝される面を複数有し、少なくとも最も耐プラズマ性の要求される面が{100}面の単結晶YAGから構成された、耐プラズマ性部材。
- 板状の耐プラズマ性部材であって、主面が{100}面の単結晶YAGから構成された、請求項1または2に記載の耐プラズマ性部材。
- 柱状または筒状の耐プラズマ性部材であって、端面、外周面、内周面の少なくともいずれかが、{100}面の単結晶YAGから構成された、請求項1または2に記載の耐プラズマ性部材。
- 軸方向が<100>方向であり、内周面または外周面の少なくともいずれかの、軸に垂直な断面の形状が矩形状である、請求項4に記載の耐プラズマ性部材。
- 軸方向が<100>方向であり、軸に垂直な断面の形状が4回対称である、請求項4に記載の耐プラズマ性部材。
- 請求項1から6のいずれかに記載の耐プラズマ性部材を用いたプラズマ処理装置用部品。
- 請求項1から6のいずれかに記載の耐プラズマ性部材を用いたプラズマ処理装置。
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