KR20220151610A - 신규한 텅스텐계 용사 피막 및 그것을 얻기 위한 용사용 재료 - Google Patents
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Abstract
할로겐 가스를 사용한 플라즈마 에칭 장치용 부재 등으로서 적합한 신규한 텅스텐계 용사 피막 및 그 용사 피막을 얻기 위한 용사 재료의 제공.
텅스텐을 매트릭스상으로서 함유하고, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물을 분산상하여 함유하는 것을 특징으로 하는 용사 피막, 및 그 용사 피막을 갖는 플라즈마 에칭 장치용 부재. 실리콘을 1 ∼ 7 중량％, 붕소를 0.5 ∼ 3 중량％, 및 잔부로서 텅스텐 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사용 재료. 그 용사용 재료를 용사하여 용사 피막을 제조하는 방법.
텅스텐을 매트릭스상으로서 함유하고, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물을 분산상하여 함유하는 것을 특징으로 하는 용사 피막, 및 그 용사 피막을 갖는 플라즈마 에칭 장치용 부재. 실리콘을 1 ∼ 7 중량％, 붕소를 0.5 ∼ 3 중량％, 및 잔부로서 텅스텐 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사용 재료. 그 용사용 재료를 용사하여 용사 피막을 제조하는 방법.
Description
본 발명은, 할로겐 가스를 사용한 플라즈마 에칭 장치용 부재 등으로서 적합한 신규한 텅스텐계 용사 피막, 및 그 용사 피막을 얻기 위한 용사 재료 등에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서의 플라즈마 에칭은, 웨이퍼에 회로를 제작하는 스텝에서 채용되고 있다. 플라즈마 에칭을 개시하기 전에, 웨이퍼는 포토레지스트 혹은 하드 마스크 (통상적으로, 산화물 혹은 질화물) 로 코팅되고, 포토리소그래피 사이에 회로 패턴으로 노광된다. 플라즈마 에칭은 패턴의 트레이스 후의 재료만 제거하고, 이 패터닝과 에칭의 시퀸스는 반도체 칩 제조 프로세스에 있어서, 복수회 반복된다. 플라즈마 에칭은, 물리적인 스퍼터 효과뿐만 아니라, 불소계나 염소계 등의 할로겐계 가스를 사용한 플라즈마를 웨이퍼에 끼얹어, 화학적 스퍼터의 효과도 함께 재료를 제거하고 있다.
플라즈마 에칭에서는, 최근의 고집적도의 반도체 회로를 형성하기 위해서, 거의 수직인 프로파일을 제작할 필요가 있고, 플라즈마에서는 고에너지의 이온이나 라디칼이 고밀도로 방출된다. 이 때문에, 에칭 대상인 웨이퍼뿐만 아니라 에칭이 실시되는 챔버의 내면을 구성하는 재료도 플라즈마 조사의 영향을 받아 소모된다. 이 때문에, 이렇게 해서 발생한 생성물이 웨이퍼의 회로 상에 부착되어, 반도체 칩 제조에 있어서의 수율을 저하시키는 한 요인이 되고 있다.
상기 플라즈마 에칭을 실시하는 챔버를 구성하는 재료는, 통상적으로, 알루미늄 합금 등의 금속 재료이고, 할로겐계 가스 플라즈마의 노출에 대한 내성은 높지 않다. 이에 반해, 금속 산화물 등의 세라믹스 재료는 결정 구조가 복잡하고, 화학적인 안정성도 높기 때문에, 플라즈마의 노출에 대해 양호한 내구성을 나타내는 것을 기대할 수 있다. 특허문헌 1 에는, 플라즈마를 사용한 CVD 장치에 있어서의 반응조의 석영제 엿보기창의 내면에, 산화알루미늄의 박막을 스퍼터법에 의해 성막하여 손상을 억제하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2 에는, 플라즈마 에칭 챔버의 내벽에 산화알루미늄이나 산화이트륨의 피막을 용사법 등에 의해 성막하고, 손모 (損耗) 에 의한 발진을 억제하여 플라즈마 에칭 공정에서의 반도체 칩 제조에 있어서의 수율을 향상시키는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3 에는, 동일한 목적으로, 용사에 있어서의 성막 재료를 각종 란타노이드 금속이나 이리듐 등의 화합물로부터 선정하는 것이 제안되어 있다. 또, 많은 경우, 플라즈마 가스로서 산소나 불소를 주된 화학 반응원으로 하는 가스가 사용되는 점에서, 특허문헌 4 및 특허문헌 5 에는, 보호 피막으로서 이트륨 등의 희토류 금속의 옥시 불화물이 효과적인 것이 개시되어 있다.
한편, 최근, 선단 기술 분야에 제공되는 반도체는, 점점 집적화되어, 칩에 형성되는 회로의 선폭은 가속적으로 가늘어지고 있다. 이 때문에, 에칭 공정에 있어서의 더스트가 허용되는 크기도 수십 ㎚ 레벨 이하가 되고 있고, 나아가서는, 허용되는 더스트의 개수도 최대한 줄일 것이 요구되고 있다. 이에 대하여, 전술한 바와 같은 희토류 금속의 옥시 불화물 등을 포함하는 세라믹스 피막은 플라즈마 노출에 의해 일정 정도 소모되기 때문에, 이러한 요구를 충분히 만족하는 것으로는 되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 6, 7 에는, 챔버 구성재의 표면 개질재로서, 불소를 함유하는 가스 플라즈마에 노출되면 실온역에서 가스화되는 불화물이 생성되고, 이 불화물을 배기에 의해 챔버 밖으로 배출할 수 있는 웨이퍼재와 동일한 실리콘 재료가 제안되어 있다. 그러나, 실리콘 재료의 소모 속도는 빨라, 빈번한 재피복 작업이 필요해지는 등 실용상의 과제가 많이 남아 있다.
본 발명은, 상기한 사정을 감안하여, 상기한 반도체 제조 공정의 불소 가스 등의 할로겐 가스를 사용한 플라즈마 에칭을 실시하는 챔버를 구성하는 기기 재료가 플라즈마에 노출되었을 때에 발생하는 물리 스퍼터나 불화 반응 등에서 기인하는 더스트의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 재료로서 적합한 신규한 용사 피막, 이러한 용사 피막을 얻기 위한 용사 재료, 및 이러한 용사 재료로부터의 용사 피막의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 연구를 진행시킨 결과, 이것을 해결할 수 있는 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명자는, 상기 목적의 용사 재료로서, 실리콘 재료와 마찬가지로, 실온역에서 불소 가스 플라즈마와 반응해도, 그 불화물이 가스화되어 용이하게 배출되는 재료로서, 텅스텐에 주목하였다. 텅스텐은 매우 밀도가 큰 금속인 점에서, 물리 스퍼터에 의한 소모 속도도 낮아지는 것이라고 생각하였다. 그러나, C.Moreau et.al, "Thermal diffusivity of plasma-sprayed tungsten coating", Surface and Coating technology, 61 (1993), 67-71 페이지에는, 텅스텐 원료를 사용하여 대기 중에서 용사를 실시하면, 피막에는 기판과의 계면과 평행하게 개구된 크랙이 불가피적으로 다수 발생하여, 용사 피막의 열확산율이 벌크체에 비해 훨씬 작아지는 것이 밝혀져 있다.
또, H.K.Kang, "Thermal properties of plasma-sprayed tungsten deposits", J. of Nuclear Mate.. 335(2004), 1-4 페이지에는, 텅스텐의 융점이 매우 높은 점이나 내산화성이 부족한 점에서, 용사시에 산화물이 용이하게 형성되는 것이 크랙 발생의 원인인 것이 밝혀져 있다. 텅스텐의 산화물의 안정성은 부족하고, 비교적 저온에 있어서 승화하는 것이나 그 취약함으로부터, 이것을 포함하는 용사 피막은 기계적 특성이 낮은 매우 무른 피막이 되기 때문에, 플라즈마에 노출되었을 때의 표면 온도 변화 등에 의해, 박층의 박리 등이 발생하기 쉬운 것으로 생각된다.
본 발명자는, 용사 재료가, 텅스텐뿐만 아니라, 텅스텐과 함께, 붕소 및 실리콘을 포함하는 경우에는, 얻어지는 용사 피막이 불소나 산소를 포함하는 플라즈마 가스에 노출되어도, 잔류물이 되는 반응 생성물이 잘 발생하지 않는 것을 알아내었다.
즉, 용사 재료에 포함되는 붕소 및 실리콘은 텅스텐에 비해 산화되기 쉽지만, 텅스텐의 산화물과 달리, 용융 입자 내면에 대한 산소의 침입을 방해하는 보호막을 형성할 수 있다. 특히 붕소는 산화 개시 온도가 낮고, 생성된 산화붕소는 500 ℃ 이하에서 용융되어 텅스텐을 주체로 하는 입자의 산화 보호막이 된다. 구체적으로는, 텅스텐과 함께 붕소 및 실리콘을 포함하는 재료를 대기 중에서 용사하면, 붕소의 산화에 계속해서 실리콘이 산화되어 산화규소가 생성된다. 그리고, 산화규소는 용이하게 산화붕소와 결합되어, 유리 상태를 유지한 채로 융점을 끌어올려, 산화 보호막이 입자의 비행 중에 비산하는 것을 방지하는 것으로 생각된다.
이렇게 해서 제작된 용사 피막은, 텅스텐을 매트릭스상으로서 갖고, 또한 붕소와 실리콘을 포함하는 산화물이 분산된 조직이 된다. 붕소와 실리콘을 포함하는 산화물은 텅스텐에 대한 젖음이 양호한 연화점이 낮은 유리상을 형성하는 점에서, 응고 중에 매트릭스에 크랙을 발생시키는 경우도 거의 없다.
이렇게 해서, 본 발명은, 하기의 양태를 갖는 것이다.
(1) 텅스텐을 매트릭스상으로서 함유하고, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물을 분산상으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 용사 피막.
(2) 상기 분산상의 체적비가, 매트릭스상과 분산상의 합계량에 대해 2 ∼ 6 ％ 인 상기 (1) 에 기재된 용사 피막.
(3) 상기 매트릭스상이, 실리콘 및/또는 붕소를 함유하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 용사 피막.
(4) 상기 분산상이, 텅스텐을 함유하는 상기 (1) ∼ (3) 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막.
(5) 두께가 50 ∼ 1000 ㎛ 인 상기 (1) ∼ (4) 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막.
(6) 상기 (1) ∼ (5) 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 갖는 플라즈마 에칭 장치용 부재.
(7) 상기 플라즈마 에칭 장치가, 불소를 함유하는 가스 플라즈마에 의한 드라이 에칭 장치인 상기 (6) 에 기재된 플라즈마 에칭 장치용 부재.
(8) 실리콘을 1 ∼ 7 중량％, 붕소를 0.5 ∼ 3 중량％, 및 잔부로서 텅스텐 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사용 재료.
(9) 실리콘을 2 ∼ 5 중량％ 및 붕소를 1.5 ∼ 3 중량％ 함유하는 상기 (8) 에 기재된 용사용 재료.
(10) 텅스텐, 실리콘 및 붕소를, W5SixBy (단, x 는 0.8 ∼ 1.7 이고, y 는 1.3 ∼ 2.2 이다) 로 나타내는, 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물을 주체로서 함유하는 상기 (8) 또는 (9) 에 기재된 용사용 재료.
(11) 상기 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물이, W5SiB2 및/또는 W5Si1.5B1.5 로 나타내는 화합물인 상기 (10) 에 기재된 용사용 재료.
(12) 상기 (1) ∼ (5) 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 제조하기 위한 상기 (8) ∼ (11) 중 어느 한 항에 기재된 용사용 재료.
(13) 상기 (8) ∼ (12) 중어느 한 항에 기재된 용사용 재료를 용사하여 용사 피막을 제조하는 방법.
(14) 상기 용사용 재료를 대기 플라즈마 용사로 용사하는 상기 (13) 에 기재된 용사 피막을 제조하는 방법.
(15) 상기 (1) ∼ (5) 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 제조하는 상기 (13) 또는 (14) 에 기재된 용사 피막을 제조하는 방법.
본 발명에 의하면, 불소를 함유하는 가스 플라즈마에 의한 드라이 에칭에 제공되는 챔버 등에 형성하는 데에 적합한, 프로세스 중에 발생하는 먼지를 억제할 수 있는 용사 피막이 제공된다. 또, 본 발명에 의하면, 상기 용사 피막을 특히 대기 플라즈마 용사에 의해 얻기 위한 용사 재료가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 불소를 함유하는 가스 플라즈마에 의한 드라이 에칭에 제공되는 챔버 등의 플라즈마 에칭 장치용 부재로서 적합한 재료가 제공된다.
도 1a 는, 실시예 1 의 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (a, b, c, d) 을 나타낸다.
도 1b 는, 비교예 1 의 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (e, f, g, h) 을 나타낸다.
도 1c 는, 비교예 2 의 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (i, j, k, l) 을 나타낸다.
도 2 는, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막에 대한 스가 마모 시험의 결과를 나타낸다.
도 3 은, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막의 플라즈마 노출 시험에 제공한 평행 평판형의 드라이 에칭 장치의 개략을 나타낸다.
도 4 는, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막의 플라즈마 노출 시험의 결과를 나타낸다.
도 1b 는, 비교예 1 의 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (e, f, g, h) 을 나타낸다.
도 1c 는, 비교예 2 의 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (i, j, k, l) 을 나타낸다.
도 2 는, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막에 대한 스가 마모 시험의 결과를 나타낸다.
도 3 은, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막의 플라즈마 노출 시험에 제공한 평행 평판형의 드라이 에칭 장치의 개략을 나타낸다.
도 4 는, 실시예 1, 비교예 1, 2 의 용사 피막의 플라즈마 노출 시험의 결과를 나타낸다.
(용사 피막)
본 발명의 용사 피막은, 텅스텐을 매트릭스상 (이하, 간단히, 매트릭스라고도 한다) 으로서 함유하고, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물을 분산상으로서 함유한다.
본 발명의 용사 피막의 주된 구성상인 매트릭스를 형성하는 텅스텐은 비중이 크고, 또 가장 큰 원자 결합 에너지를 갖는 금속으로서 알려져 있고, 물리 스퍼터에 대한 내성은 매우 높다. 또한, 텅스텐과 불소의 화합물인 육불화텅스텐의 비점은 17.5 ℃ 이고, 반도체의 드라이 에칭이 실시되는 온도에서는 가스화된다.
용사 피막 중의 매트릭스인 텅스텐에는 실리콘 및/또는 붕소를 함유할 수 있다. 이 경우, 실리콘 및/또는 붕소는 텅스텐에 고용해도 되고, 미세한 텅스텐 규화물이나 텅스텐 편화물로서 분산될 수도 있다. 실리콘은 텅스텐과 마찬가지로 불소와의 반응 생성물이 실온 이하에서 기화되는 성분이고, 붕소도 가스화되기 쉬운 성분인 점에서, 텅스텐의 내플라즈마 보호 피막 재료로서의 특징을 방해하는 경우는 없다.
상기 매트릭스가, 실리콘을 포함하는 경우, 실리콘의 함유량은, 매트릭스의 총량에 대해, 0.2 원자％ 이상이 바람직하고, 한편, 15 원자％ 이하가 바람직하고, 10 원자％ 이하가 보다 바람직하다.
또, 상기 매트릭스가, 붕소를 함유하는 경우, 붕소의 함유량은, 매트릭스의 총량에 대해, 0.5 원자％ 이상이 바람직하고, 한편, 20 원자％ 이하가 바람직하고, 15 원자％ 이하가 보다 바람직하다. 텅스텐에 실리콘, 및/또는 붕소를 함유하는 것에 의해 피막의 경도 등의 기계적 특성이 향상되지만, 상기의 범위를 초과하면 플라즈마에 대한 소모 속도가 상승된다.
텅스텐만으로 이루어지는 용사 원료로 형성된 용사 피막에서는, 통상적으로, 용융된 용사 원료 비말이 기재에 적층될 때까지 동안, 통상적으로, 그 일부가 산화되어, 매우 불안정한 텅스텐 산화물이 생성된다. 이 텅스텐 산화물은 취약하기 때문에, 피막 내에는 냉각시에 발생하는 열응력 등에 의해 기판 계면과 평행한 대규모 크랙이 발생한다. 크랙이 발생하면, 용사 피막에 열적, 혹은 기계적 응력이 발생하여, 피막에 내부 크랙이 진전하거나, 피막의 표면 부위가 결락되거나 한다.
한편, 텅스텐과 함께 실리콘 및 붕소를 함유하는 용사 원료로 형성된 용사 피막에서는, 상기한 취약한 산화 텅스텐은 소량이며, 입자 사이즈도 작게 되어 있다. 이 결과, 얻어진 용사 피막은 열적, 기계적 응력이 발생해도 용이하게 대규모 크랙의 진전이나 부분적인 결락이 발생하는 경우가 없어진다.
본 발명의 용사 피막에 있어서의 분산상으로서 포함되는 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물은, 공정화되기 쉽고, 용사 성막시의 큰 냉각 속도에 있어서 유리상을 형성하고 있고, 그리고, 많은 경우, 평균 입자경이 100 ㎛ 이하인 부정형인 입자로서 존재하고 있다. 매트릭스인 텅스텐과 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물로 이루어지는 유리상의 접합은 양호하고, 계면에 크랙이나 기공이 발생하는 경우는 없다. 또, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물로 이루어지는 유리상의 연화 온도는 비교적 낮아, 용사에 의한 성막시나 플라즈마 노출 등에 의해 피막 표면 온도가 상승되어 열응력이 부가된 경우에는, 연화되어 응력을 완화시킬 수 있다.
본 발명의 용사 피막에 있어서의 분산상의 함유량은, 매트릭스 및 분산상의 합계량에 대해 체적비로 2 ％ 이상, 8 ％ 이하인 것이 바람직하다. 분산상의 체적비가 2 ％ 미만이면, 잔존하는 텅스텐 산화물이 증대됨과 함께, 응력 완화상으로서의 기능을 발휘하는 것이 곤란하다. 한편, 분산상의 체적비가 8 ％ 를 초과하면, 피막 전체의 내물리 스퍼터성이 대폭 저하된다. 그 중에서도, 분산상의 함유량은, 체적비로, 3 ％ 이상이 보다 바람직하고, 6 ％ 이하가 보다 바람직하다.
상기 분산상은 실리콘 및 붕소의 산화물로 이루어지는 2 원계인 것이 바람직하지만, 텅스텐 및/또는 희토류 원소의 산화물을 함유하고 있어도 된다. 여기에 있어서의 희토류 원소로는, 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨, 네오듐, 사마륨, 가돌리늄, 에르븀, 이테르븀, 루테튬 등을 들 수 있다.
분산상에 텅스텐이 함유되는 경우, 텅스텐의 함유량은, 분산상의 총량에 대해, 3 원자％ 이상이 바람직하고, 한편, 30 원자％ 이하가 바람직하고, 25 원자％ 이하가 보다 바람직하다. 또, 희토류 원소의 함유량은, 분산상의 총량에 대해, 1 ∼ 6 원자％ 가 바람직하고, 2 ∼ 4 원자％ 가 보다 바람직하다. 분산상에 텅스텐이나 희토류 원소를 적당량 첨가함으로써, 그 유리 온도나 연화 온도를 조정할 수 있다.
본 발명의 용사 피막은, 두께가 바람직하게는 50 ∼ 1000 ㎛, 보다 바람직하게는 100 ∼ 500 ㎛ 이다. 본 발명에서는, 이러한 범위의 두께의 용사 피막을 용이하게 얻을 수 있지만, 이 두께를 갖는 용사 피막은, 반도체의 불소를 함유하는 플라즈마 드라이 에칭에 제공되는 챔버용 부재를 덮는 보호 피막으로서 적합하다. 이것은, 플라즈마에 의한 노출을 피할 수 없는 보호 피막에는 물리 스퍼터와 화학 스퍼터의 쌍방에 대한 내성이 요구되기 때문이다. 플라즈마에 의한 보호 피막의 손상은 반도체 제품의 미소 결점의 요인이 되기 때문에, 반도체 집적도의 상승에 수반하여 보호 피막에 대한 여러 요구는 현격히 고도의 것으로 되어 있다. 이 요구를 만족하는 피막 중 하나는 물리 스퍼터에 대한 내성이 높아, 비록 물리 스퍼터에 의한 소모가 발생해도, 그 소모물이 할로겐 성분과 반응하여 용이하게 배출되는 가스가 되는 피막이다. 본 발명의 용사 피막은, 상기 요구를 충분히 만족할 수 있다.
(용사 재료)
본 발명의 용사 피막은, 텅스텐, 실리콘 및 붕소를 함유하는 용사 재료의 용사에 의해 제조된다. 용사 재료는, 분말 내지 입자상인 것이 바람직하다. 용사 재료는, 단일 화합물, 복수의 원소로 이루어지는 화합물, 또는 금속 분말의 어느 것도 사용할 수 있고, 이것들의 복수의 조합을 선택할 수도 있다.
용사 피막을 성막하기 위한 용사 재료로는, 얻어지는 용사 피막에 있어서의 함유량이 되도록 배합한 텅스텐, 실리콘 및 붕소의 개개의 분말을 혼합한 것을 사용할 수 있다. 용사 재료는, 혼합 분말에 한정되지 않고, 실리콘원으로는, 이규화실리콘, 붕소원으로는, 붕화 텅스텐의 이원계 화합물 분말을 사용할 수 있다. 나아가서는, 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물 분말을 사용할 수도 있다. 또, 이들 화합물끼리, 및/또는 단원소 분말의 혼합물을 사용할 수도 있다.
본 발명에 있어서의 용사 재료로는, 텅스텐을 주체로 하여 실리콘 및 붕소를 함유한다. 그 중에서도, 얻어지는 용사 피막에 있어서의, 실리콘과 붕소의 산화물을 포함하는 유리상의 체적비가, 매트릭스와 유리상의 합계에 대해 2 ∼ 8 ％ 로 하기 위해서, 용사 재료 중의 실리콘의 함유율은 바람직하게는 1 ∼ 7 중량％, 보다 바람직하게는 2 ∼ 5 중량％ 로 하고, 또, 붕소의 함유율은 바람직하게는 0.5 ∼ 3 중량％ 로, 보다 바람직하게는 1.5 ∼ 3 중량％ 로 하는 것이 바람직하다.
실리콘의 함유율이 1 중량％ 이하이면, 용사 성막 후의 피막 중에 분산되는 유리상이 적어져, 그 효과를 발휘하기 어려워진다. 한편, 실리콘의 함유율이 7 중량％ 를 초과하면, 용사 성막 후의 피막 내에 취약한 텅스텐 규화물이 다량으로 석출되어, 피막의 균열이나 박 박리가 발생하기 쉬워진다. 한편, 붕소의 함유율이 3 중량％ 를 초과하면, 용사 성막 후의 피막 내에 취약한 텅스텐 붕화물이 다량으로 석출되어, 피막의 균열이나 박 박리가 발생하기 쉬워진다. 또, 붕소의 함유율이 0.5 중량％ 이하이면, 용사 성막 후의 피막 중에 분산되는 유리상이 적어져서, 그 효과를 발휘할 수 없게 된다.
본 발명에 있어서의 용사 재료로는, 용사 피막의 매크로적인 균일성을 얻기 위해서, 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물의 분말이 바람직하다. 그 중에서도, 삼원계 화합물로는, W5SixBy 의 조성을 갖는 것이 바람직하다. 단, x 는 0.8 ∼ 1.7 이 바람직하고, 0.9 ∼ 1.6 이 보다 바람직하고, y 는, 1.3 ∼ 2.2 가 바람직하고, 1.4 ∼ 2.1 이 보다 바람직하다. 특히, W5Si1.5B1.5, 또는 W5SiB2 가 바람직하다.
(용사 피막의 제조 방법)
본 발명의 용사 피막은, 상기한 용사 재료를 사용하여 이미 알려진 용사법에 의해 제조할 수 있지만, 바람직하게는, 이하의 순서에 의해 제조할 수 있다.
용사 피막이 상기한 용사 재료인 화합물 분말, 및/또는 금속 분말 등을 각각 칭량하고, 회전 볼 밀이나 진동 볼 밀 등을 사용하여, 알코올 등의 유기 용매 중에서 혼합 분쇄한다. 이들 원료 분말은 가능한 한 순도가 높아, 미세한 쪽이 우수한 특성의 용사 피막을 얻기 위해서 바람직하다. 특히, 얻어지는 용사 피막의 균질성을 확보하기 위해서, 화합물 분말의 평균 입경 (D50) 이 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 5 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 그 중에서도, 1 ∼ 3 ㎛ 가 바람직하다.
회전 볼 밀이나 진동 볼 밀 등으로 분쇄 혼합한 원료 분말은, 그 자체로 용사 재료여도 되는데, 바람직하게는 유기 바인더를 사용하여, 비산화성 분위기 중에서 스프레이 드라이어 등을 사용하여 조립 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 유기 바인더로는, 소결시에 제거되기 쉬운 것을 선택하는 것이 바람직하고, 아크릴 수지, 폴리에틸렌글리콜 등을 사용할 수 있다.
조립 처리를 실시한 분말은, 일반적으로 구형으로, 유동성은 좋지만, 가압 가스 등에 의한 반송에 견디는 강도를 갖게 하기 위해서, 이 조립 분말을, 아르곤 등의 비산화성 분위기 중에 있어서 바람직하게는 1000 ∼ 1800 ℃ 보다 바람직하게는 1200 ∼ 1600 ℃ 에서 하소하는 것이 바람직하다. 이로써, 유기 바인더가 제거됨과 함께, 구형을 유지한 채로 조립 분말 내의 1 차 입자끼리를 소결할 수 있다. 이어서, 이것을 해쇄하면 대체로 구상이 되어, 가압 가스에 의한 반송을 실시해도 용이하게 무너지지 않게 된다.
얻어진 소결 조립 분말은, 원하는 입경이 되도록 바람직하게는 분급한 후, 용사 원료로서 사용된다. 용사 원료 분말의 평균 입경 (D50) 은 10 ∼ 100 ㎛ 가 바람직하고, 15 ∼ 75 ㎛ 가 보다 바람직하다. 플라즈마의 작동 가스로는, 아르곤, 질소, 헬륨, 수소 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 각각의 가스의 특성을 살려 아르곤-수소, 질소-수소 등의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 작동 전압과 작동 전류의 곱으로 정의되는 용사 출력은 20 ∼ 100 kW 정도의 범위에서, 용사 재료나 기재의 재종이나 크기에 맞추어 선정할 수 있다. 또, 플라즈마관과 용사 대상 사이의 거리인 용사 거리는, 용사 재료나 용사 조건 등에 맞추어, 50 ㎜ 정도부터 200 ㎜ 정도 사이에서 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 이용하는 용사법은, 대기 플라즈마 용사법, 또는 감압 플라즈마 용사법 등의 플라즈마를 사용한 용사법이 바람직하고, 특히, 대기 플라즈마 용사법이 바람직하다.
실시예
이하에 본 발명의 실시예를 들어, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은, 이들 실시예에 한정하여 해석되지 않는다.
또한, 하기의 실시예 및 비교예에 있어서 사용한 대기 플라즈마 용사 장치 및 용사 조건은 이하와 같다.
용사 장치 : 스루더메테코사 제조, 9 MB
작동 전압 : 65 V
작동 전류 : 700 A
1 차 가스 (Ar) 유량 : 60 NL/min
2 차 가스 (H2) 유량 : 5 NL/min
용사 거리 : 140 ㎜
(실시예 1)
텅스텐 분말 (니혼 신금속사 제조, 입도 : 1.5 ∼ 2.0 ㎛), 붕화 텅스텐 분말 (니혼 신금속사 제조, 입도 : 3 ∼ 6 ㎛) 및 규화 텅스텐 분말 (니혼 신금속사 제조, 입도 : 2 ∼ 5 ㎛) 을, 각각, 하기하는 소정의 함유량이 되도록 칭량하고, 에탄올을 용매로서 회전 볼 밀을 사용하여 혼합·분쇄하여 슬러리를 제작하였다. 이 슬러리를 원료로 하여 스프레이 드라이어를 사용하여 조립 처리하고, 아르곤 가스 중에서 1600 ℃ 로 가열하여, 실리콘을 3.5 중량％, 붕소를 2.2 중량％ 및 불가피 불순물을 함유하는 다공질 구상 분말을 제작하였다. 이 구상 분말의 입도는 15 ∼ 75 ㎛ 였다.
상기에서 조제한 구상 분말을 용사 재료로서 사용하고, 모두, 알루미늄 합금 (A5052) 제의 하기하는 2 개의 기판 X, Y 의 샌드 블라스트에 의해 조면화한 편측 표면 (표면 조도 Ra : 2 ∼ 5 ㎛) 상에, 상기한 대기 플라즈마 용사 장치에 의해, 상기 용사 조건에서 대기 플라즈마 용사함으로써, 두께가 약 0.2 ㎜ 인 용사 피막을 형성하였다. 또한, 상기 X 및 Y 의 2 개의 기판은, 각각, [세로 50 ㎜, 가로 50 ㎜, 두께 3 ㎜], 및 [세로 20 ㎜, 가로 20 ㎜, 두께 5 ㎜] 의 정방형판이었다.
상기 기판 X (용사 시료) 에 제막한 용사 피막의 단면 관찰과 성분 분석을 실시하였다. 크로스세션포릿샤 (니혼 전자사 제조 SM-09010) 를 사용하여 단면을 노출시켜, 전계 방출형 주사 전자 현미경 (니혼 전자사 제조 JSM-7200F) 을 사용하여 단면의 관찰을 실시함과 함께, 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDX) 에 의해 성분의 분석을 실시하였다.
도 1a 중에 용사 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (a, b, c, d) 을 나타냈다. 단면은 매트릭스 조직에 분산 입자를 배치한 조직으로 되어 있고, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 (분석 지점 a, b) 의 조성 (단위 : 원자％, 이하에서도 동일하다) 은 텅스텐이 87 ∼ 89 ％, 붕소가 3 ∼ 8 ％ 및 산소가 5 ∼ 8 ％ 이고, 분산상 (분석 지점 c, d) 은 텅스텐이 4 ∼ 20 ％, 실리콘이 12 ∼ 21 ％, 붕소가 15 ∼ 16 ％ 및 산소가 53 ∼ 59 ％ 였다.
한편, 상기 기판 Y (용사 시료) 에 대해서는, 순수 중에서 초음파 세정을 실시하여, 85 ℃ 로 유지한 항온조 내에서 건조시킨 후, 스가 마모 시험법에 의해, 다음과 같이 하여 기계적 응력에 의한 피막으로부터의 입자의 탈락하기 쉬움을 평가하였다. 또한, 본 시험에 제공한 용사 시료의 표면은 연마 등을 실시하지 않은 용사한 채인 상태로 하였다.
스가 마모 시험에서는 연마지를 부착한 원판의 외주면에, 평판 시료의 용사면이 일정 하중으로 가압되면서 왕복 슬라이딩한다. 연마지의 지립이 용사면을 긁기 때문에, 개구된 크랙 등이 존재하면, 용사 피막의 감소가 현저해진다. 시험은 ＃180 의 SiC 지립으로 이루어지는 연마지를 사용하고, 가압력은 15 N 으로 하여 실시했다. 도 2 에 시험 결과를 나타내고 있고, 실시예 1 의 피막의 슬라이딩 횟수에 대한 손모량의 증가는 매우 완만하고, 후기하는 비교예 1 및 2 의 시료에 비해 마모량은 현격히 적은 것을 알 수 있다.
또, 상기 기판 Y (용사 시료) 의 용사면을 ＃800 의 습식 에메리지로 연마하고, 순수 중에서 초음파 세정하고, 이어서, 항온조에서의 85 ℃ 건조를 실시한 후, 플라즈마 노출 시험에 제공하였다. 시험에는 도 3 에 개략을 나타낸 평행 평판형의 드라이 에칭 장치를 사용하여 캐소드측에 배치한 실리콘 웨이퍼의 위에, 용사면을 애노드에 대향하도록 용사 시료를 정치 (靜置) 하고, 플라즈마에 노출하였다. 플라즈마 생성의 조건은, 화학 스퍼터에 대한 내성을 평가할 수 있는 A 와, 물리 스퍼터에 대한 내성을 평가할 수 있는 B 의 2 조건으로 하고, 각각의 조건은 이하와 같다.
조건 A :
플라즈마 가스종과 유량 :
CF4··50 sccm, O2···10 sccm,
Ar···50 sccm
RF 출력··800 W, 바이어스··600 W
조건 B :
플라즈마 가스종과 유량 :
O2···10 sccm, Ar···100 sccm
RF 출력··1000 W, 바이어스··1000 W
플라즈마 노출 시험의 결과는 도 4 에 있어서, 후기하는 비교예 1 의 손모 속도를 100 으로 하여 나타낸다. 조건 A, B 중 어느 플라즈마 조건에 대해서도 실시예 1 의 소모 속도는 작고, 특히, 물리 스퍼터에 의한 소모가 주가 되는 조건에 있어서 그 우위성은 현저하다.
(비교예 1, 2)
비교예 1 에서는, 용사 재료로서, 분말 (텅스텐 : 99.8 질량％ 및 불가피 불순물, 입도 : 10 ∼ 40 ㎛, 니혼 신금속사 제조, W-L) 을 사용하였다. 비교예 2 에서는, 분말 (텅스텐 : 91.6 질량％ 및 실리콘 : 8.4 질량％, W5Si3 화합물 (평균 입경 (D50) : 12.5 ㎛, 니혼 신금속사 제조) 을 사용하였다. 그리고, 실시예 1 과 동일 조건의 대기 플라즈마 용사법에 의해, 각각, 실시예 1 과 동일한 형상을 갖는 2 개의 기판 X, Y 의 샌드 블라스트에 의해 조면화한 표면 상에 용사 피막을 형성하였다.
상기 기판 X (용사 시료) 에 제막한, 비교예 1, 2 의 용사 피막의 단면 관찰과 성분 분석을 실시예 1 과 동일하게 실시하였다. 도 1b 는 비교예 1 의 용사 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (e, f, g, h) 을 나타내고, 도 1c 는 비교예 2 의 용사 피막의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점 (i, j, k, l) 을 나타낸다.
비교예 1 의 용사 단면은, 도 1b 에 나타내는 바와 같이, 거의 균일한 조직에 많은 조대한 크랙이 존재하는 조직으로 되어 있었다. 또, 표 2 에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 (분석 지점 e, f) 의 조성은 텅스텐이 92 ∼ 95 ％ 및 산소가 5 ∼ 8 ％ 이고, 크랙 내면의 박층부 (분석 지점 g, h) 는 텅스텐이 17 ∼ 22 ％ 및 산소가 78 ∼ 83 ％ 였다.
비교예 2 의 용사 단면도, 도 1c 에 나타나는 바와 같이, 거의 균일한 조직에 많은 조대한 크랙이 존재하는 조직으로 되어 있었다. 또, 표 2 에 나타내는 바와 같이 매트릭스 (분석 지점 i, j) 의 조성은 텅스텐이 93 ∼ 96 ％ 및 산소가 4 ∼ 7 ％ 이고, 크랙 내면의 박층부 (분석 지점 k, l) 는 텅스텐이 12 ∼ 20 ％, 산소가 65 ∼ 73 ％, 및 실리콘이 7 ∼ 23 ％ 였다.
표 2 의 결과는, 비교예 1, 2 의 용사 피막이 텅스텐과 텅스텐 산화물로 구성되고, 텅스텐 산화물을 기점으로 하여 조대 크랙이 발생하고 있는 것을 나타내고 있다.
비교예 1, 2 의 용사 피막을 갖는 기판 Y (용사 시료) 에 대해서도, 실시예 1 의 용사 피막과 동일 조건의 스가 마모 시험법에 의해, 기계적 응력에 의한 피막으로부터의 입자의 탈락하기 쉬움을 평가하였다. 도 2 에 시험 결과를 나타내고 있고, 비교예 피막의 마모량은 실시예와 비교해서 5 ∼ 6 배로 되어 있는 것을 알 수 있었다.
또, 비교예 1, 2 의 용사 피막을 갖는 기판 X (용사 시료) 를 실시예 1 과 동일한 플라즈마 노출 시험에 제공하였다. 플라즈마 노출 시험의 결과는, 도 4 에, 비교예 1 의 손모 속도를 100 으로 하여 나타내었다. 상기 A, B 중 어느 쪽의 플라즈마 조건에 있어서도, 기판 X 의 소모 속도는 실시예 1 에 비해 커지고, 특히 물리 스퍼터에 의한 소모가 주가 되는 조건 B 에 있어서 그 차이는 현저하다.
본 발명의 용사 피막은, 반도체 제조 공정에 있어서의 불소 가스 등의 할로겐 가스를 사용하는 플라즈마 드라이 에칭 챔버용 부재 등을 비롯한 넓은 범위에 있어서 유효하다.
또한, 2020년 3월 6일에 출원된 일본 특허출원 2020-38841호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면, 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 명세서의 개시로서 도입하는 것이다.
1 : 애노드
2 : 캐소드
3 : 전원
4 : 웨이퍼
5 : 용사 시료
6 : 플라즈마 가스
7 : 플라즈마
8 : 배기
a, b, c, d : 실시예 1 의 용사 피막 (도 1a) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
e, f, g, h : 비교예 1 의 용사 피막 (도 1b) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
i, j, k, l : 비교예 2 의 용사 피막 (도 1c) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
2 : 캐소드
3 : 전원
4 : 웨이퍼
5 : 용사 시료
6 : 플라즈마 가스
7 : 플라즈마
8 : 배기
a, b, c, d : 실시예 1 의 용사 피막 (도 1a) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
e, f, g, h : 비교예 1 의 용사 피막 (도 1b) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
i, j, k, l : 비교예 2 의 용사 피막 (도 1c) 의 단면 조직과 성분 분석을 실시한 지점
Claims (15)
- 텅스텐을 매트릭스상으로서 함유하고, 실리콘 및 붕소를 함유하는 산화물을 분산상으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 용사 피막.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분산상의 체적비가, 매트릭스상과 분산상의 합계량에 대해 2 ∼ 6 ％ 인 용사 피막. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 매트릭스상이, 실리콘 및/또는 붕소를 함유하는 용사 피막. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분산상이, 텅스텐을 함유하는 용사 피막. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
두께가 50 ∼ 1000 ㎛ 인 용사 피막. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 갖는 플라즈마 에칭 장치용 부재.
- 제 6 항에 있어서,
상기 플라즈마 에칭 장치가, 불소를 함유하는 가스 플라즈마에 의한 드라이 에칭 장치인 플라즈마 에칭 장치용 부재. - 실리콘을 1 ∼ 7 중량％, 붕소를 0.5 ∼ 3 중량％, 및 잔부로서 텅스텐 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사용 재료.
- 제 8 항에 있어서,
실리콘을 2 ∼ 5 중량％ 및 붕소를 1.5 ∼ 3 중량％ 함유하는 용사용 재료. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
텅스텐, 실리콘 및 붕소를, W5SixBy (단, x 는 0.8 ∼ 1.7 이고, y 는 1.3 ∼ 2.2 이다.) 로 나타내는, 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물을 주체로서 함유하는 용사용 재료. - 제 10 항에 있어서,
상기 텅스텐-실리콘-붕소의 삼원계 화합물이, W5SiB2 및/또는 W5Si1.5B1.5 로 나타내는 화합물인 용사용 재료. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 제조하기 위한 용사용 재료.
- 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 용사용 재료를 용사하여 용사 피막을 제조하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 용사용 재료를 대기 플라즈마 용사로 용사하는 용사 피막을 제조하는 방법. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 용사 피막을 제조하는 용사 피막을 제조하는 방법.
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