(57)【要約】【課題】耐プラズマエロージョン性に優れるプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材を提供する。【解決手段】基材の表面に直接、または金属溶射皮膜からなるアンダーコートを介し、Ａｒガスの気圧が５０〜２００ｈＰａの減圧下での溶射によって、純度：９５ａｍｓｓ％以上のＹ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜を被覆形成してなるプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材と、この部材の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面が、５０〜２００ｈＰａの減圧下の溶射雰囲気中での溶射によって、形成された純度：９５ｍａｓｓ％以上の高純度Ｙ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜によって、被覆されていることを特徴とする、プラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材。
【請求項２】
前記溶射雰囲気が、Ａｒガス雰囲気であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材。
【請求項３】
基材とこの基材の表面に形成されるＹ２Ｏ３減圧プラズマ溶射皮膜との間に、アンダーコートとして、金属溶射皮膜を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材。
【請求項４】
基材の表面に、５０〜２００ｈＰａである減圧下の溶射雰囲気中でＹ２Ｏ３をプラズマ溶射することにより、純度が９５ｍａｓｓ％以上の高純度のＹ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜を形成することを特徴とする、プラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項５】
前記溶射雰囲気が、Ａｒガス雰囲気であることを特徴とする、請求項４に記載のプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項６】
前記減圧プラズマ溶射皮膜下の基材表面に、アンダーコートとして、金属溶射皮膜を形成することを特徴とする、請求項４または５に記載のプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐プラズマエロージョン性に優れるプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材とその製造方法に関するものである。
とくに本発明は、ハロゲン元素を含む処理ガスのプラズマ雰囲気において、プラズマ処理が行われる、例えば、デポシールド、バッフルプレート、フォーカスリング、インシュレータリング、シールドリング、ベローズカバー、電極などに適用できる技術についての提案である。
なお、本発明はまた、単に半導体製造装置の分野のみに限られるものではなく、例えば、液晶デバイスなどのプラズマ処理容器内部品に対しても適用が可能である。以下、主に半導体製造技術の例で説明する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体および液晶デバイスなどの製造プロセスでは、処理容器内でＢＦ３やＮＦ３のようなふっ化物、ＢＣｌ３やＳｎＣｌ4などの塩化物、ＨＢｒの如き臭化物をはじめとする処理ガス類を使用するため、処理容器内部材が著しく腐食損耗するという問題があった。
【０００３】
例えば、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を構成する材料としては、ＡｌおよびＡｌ合金などの金属材料、その表面に被覆したＡｌの陽極酸化膜、あるいはボロンカーバイドなどの溶射皮膜、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が知られている。これらの材料は、腐食性の強いハロゲンイオンに接すると、化学的損傷を受けたり、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの微粒子、および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。
【０００４】
とくに、ハロゲン化合物を用いるプロセスでは、反応のより一層の活性化を図るため、しばしばプラズマが用いられる。しかし、このようなプラズマ使用環境下では、ハロゲン化合物は解離して非常に腐食性の強い原子状のＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉなどを発生すると同時に、その環境中にＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４、Ｓｉ、Ｗなどの微粉末状固形物が存在すると、プラズマ処理容器内に用いられている部材が化学的腐食とともに、微粒子によるエロージョン損傷の両方の作用を強く受けることになる。
しかも、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現象（イオンボンバードメント）が発生するので、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ことも知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した半導体製造装置のように、化学的腐食やエロージョン損傷の激しい分野で用いられる下記の従来部材については、次のような問題点があった。
（１）ＡｌおよびＡｌ合金を陽極酸化して耐食性を有する
Ａｌ２Ｏ３膜（アルマイト）を生成させた材料については、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、Ａｌを含む皮膜なので、ＡｌＦ３のパーティクルが発生し、製造する半導体の製品不良を招く。
（２）部材表面に、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によって、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｄｙなどの周期律表第３ａ族元素の酸化物、炭化物、窒化物、ふっ化物などの緻密な皮膜を形成したり、Ｙ２Ｏ３の単結晶を適用する技術がある（特許文献１）。しかし、この技術は、成膜速度が遅く生産性に劣るほか、複数の皮膜部材を同時に形成（複合皮膜）できないという欠点がある。
【特許文献１】特開平１０−４０８３号公報
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ハロゲンガスが含まれるような環境による化学的腐食による損傷ならびにプラズマエロージョンによる損傷に対する抵抗力の大きいプラズマ処理容器内部品等に供される高純度溶射皮膜被覆部材と、それの有利な製造方法とを提案するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来技術が抱えている上述した問題ならびに欠点を、以下に要約して述べる解決手段の採用によって克服したものである。すなわち、本発明を整理すると、次の通りである。
【０００８】
（１）本発明は、基材の表面が、５０〜２００ｈＰａの減圧下の溶射雰囲気中での溶射によって、形成された純度：９５ｍａｓｓ％以上の高純度Ｙ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜によって、被覆されたプラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材である。
【０００９】
（２）本発明において、前記溶射雰囲気は、Ａｒガス雰囲気とすることが好ましい。
【００１０】
（３）本発明においては、基材とこの基材の表面に形成されるＹ２Ｏ３の減圧プラズマ溶射皮膜との間に、アンダーコートとして、ニッケルまたはニッケル合金等の金属溶射皮膜を有することが好ましい。
【００１１】
（４）また、本発明は、基材の表面に、５０〜２００ｈＰａである減圧下の溶射雰囲気中でＹ２Ｏ３をプラズマ溶射することにより、純度：９５ｍａｓｓ％以上の高純度Ｙ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜を形成することを特徴とする、プラズマ処理容器内用高純度溶射皮膜被覆部材の製造方法を提案する。
【００１２】
（５）上記の製造方法において、前記溶射雰囲気は、Ａｒガス雰囲気であることが好ましい。
【００１３】
（６）本発明においては、前記減圧プラズマ溶射皮膜下の基材の表面に、アンダーコートとして、溶射法によりニッケルまたはニッケル合金等の金属溶射皮膜を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明にかかる部材は、金属質基材または非金属質基材の上に、高純度のＹ２Ｏ３溶射皮膜を直接形成するか、金属によるのアンダーコートを施工した上で、そのアンダーコートの表面に高純度のＹ２Ｏ３溶射皮膜を形成している部材では、ハロゲン化合物を含むガス雰囲気下でプラズマエロージョン作用を受ける環境下で使用しても、優れた抵抗性を示す。このため、プラズマエッチング作業を長時間にわたって続けても、チャンバー内はパーティクルによる汚染が少なく、また、高品質の部材を効率よく生産することができる。また、チャンバー内のパーティクルによる汚染速度が遅くなるため、清浄化作業の間隔が長くなり、半導体製品等の生産性の向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明者らの研究によると、従来技術が抱えている上述した課題について鋭意研究した結果、プラズマ処理容器内部材の損傷は、ハロゲンガスによる化学的腐食による損傷と、プラズマエロージョンによる損傷とが考えられる。特に、この部材がプラズマによって励起されたハロゲンを含む雰囲気中で使用される場合、耐プラズマエロージョン性を起因とする損傷を防ぐことこそが重要であり、そうすれば化学的腐食防止に対しても有効に作用するとの知見を得た。そこで、本発明では主として、耐プラズマエロージョン性に対して有効な皮膜の形成について研究した。その結果として、上掲の本発明にかかる上記の部材とその製造方法とを開発した。
【００１６】
すなわち、その課題解決の手段として採用した本発明は、金属、セラミックス、炭素材料などの基材表面に、Ａｒガスの５０〜２００ｈＰａという減圧下の溶射によって、９５ｍａｓｓ％以上という高純度のＹ２Ｏ３からなる減圧プラズマ溶射皮膜を形成することを特徴とするものである。そして、こうした部材が使用される腐食性が強い環境の場合にはさらに、前記Ｙ２Ｏ３溶射皮膜の下に、耐ハロゲンガス腐食性の強い金属の層を設けて複合化させる。以下、まず本発明にかかる部材の構成について詳しく説明する。
【００１７】
（１）基材について、上記溶射皮膜の施工対象となる基材としては、ステンレス鋼を含む各種の鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、タングステンおよびタングステン合金、チタンおよびチタン合金、モリブデンおよびモリブデン合金および炭素ならびに酸化物系, 非酸化物系セラミックス焼結体、あるいは炭素質材料などが好適である。
なお、銅および銅合金は、プラズマエロージョンやハロゲン化合物による腐食作用によって放出され、環境汚染の原因となるので好ましくない。従って、もし装置の構成上、銅および銅合金の使用が必要な場合は、電気めっき、化学めっき、蒸着などの手段でＣｒ、Ｎｉなどで被覆しておく必要がある。
【００１８】
（２）皮膜構成について、上記基材表面への皮膜の形成は、基材をブラスト処理した後、その基材表面に直接、高純度のＹ２Ｏ３溶射材料を減圧溶射して直接成膜するか、または、ブラスト処理後の基材表面にまず、アンダーコートとして、耐ハロゲンガス腐食性の強い金属材料からなる皮膜を溶射処理して形成し、そのアンダーコートの上に、高純度のＹ２Ｏ３粉末をトップコートとして溶射して複合層を形成する。この場合において、前記金属アンダーコート（溶射皮膜等）は、膜厚は５０〜５００μｍの範囲内とする。アンダーコートが５０μｍより薄いとアンダーコートとしての作用効果が弱く、一方、５００μｍを超える厚さでは効果が飽和するので、メリットが少ないからである。かかるアンダーコート用金属材料としては、ニッケルおよびニッケル合金の他、タングステンおよびタングステン合金、モリブデンおよびモリブデン合金、チタンおよびチタン合金などを用いてもよい。
【００１９】
一方、トップコートとなる高純度のＹ２Ｏ３溶射皮膜は、基材表面に直接施工したものであれ、また、前記アンダーコートの上に溶射して複合層にしたものであれ、いずれにしても５０〜２０００μｍの厚さに施工することが好ましい。その理由は、５０μｍより薄い層ではプラズマエロージョンによる損傷の防止に対して効果が乏しく、一方、２０００μｍより厚くしても効果が飽和して経済的でないからである。
【００２０】
なお、トップコートのＹ２Ｏ３溶射皮膜の気孔率は、０．２〜４％の範囲がよい。０．２％以下の皮膜は溶射法では製造が困難であり、また、４％以上の気孔率の皮膜では耐食性、耐プラズマエロージョン性に劣るからである。
【００２１】
（３）部材最表面層のＹ２Ｏ３溶射皮膜について本発明の最も特徴とする構成は、ハロゲンガスを含む雰囲気中で耐プラズマエロージョン性を示す材料として、基材の最表層を、高純度Ｙ２Ｏ３溶射層として被覆形成したところにある。即ち、発明者らの研究によると、高純度のＹ２Ｏ３は、比重が４．８４、融点が２４１０℃で、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うけても、安定した状態を維持できることがわかった。従って、本発明において、この高純度のＹ２Ｏ３は、純度が９５ｍａｓｓ％以上のものを用いることが必要であり、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、耐エロージョン性が低下するので好ましくない。９８ｍａｓｓ％以上の純度のものがより好ましい。
【００２２】
(４)被覆方法
本発明においては、最表層となるトップコートとしては、高純度のＹ２Ｏ３からなる溶射皮膜が形成される。そして、好ましくはこのトップコート溶射皮膜下にはこの皮膜をさらに強化する意味で、全体の皮膜構成を次のような多層構造にすることが好ましい。即ち、基材の表面に、金属溶射皮膜のアンダーコートを施工する。このような皮膜構成とすることが好ましい理由は、溶射皮膜を多層構造化し、皮膜の貫通気孔を少なくして耐食性、耐エロージョン性を向上させることができるからである。
【００２３】
本発明において、アンダーコートの金属溶射皮膜を形成するには、実質的に空気を含まないＡｒガス雰囲気中での減圧プラズマ溶射法が好適である。
【００２４】
（５）本発明にかかる部材の使用環境について
本発明にかかる部材表面に被覆した高純度のＹ２Ｏ３の溶射皮膜は、ハロゲン化合物を含む雰囲気下において発生するプラズマ環境下で使用する場合に特に有用である。
【００２５】
もちろん、ハロゲン元素またはハロゲン化合物を含まないＮ２、Ｈ２などの雰囲気下におけるプラズマエロージョン作用に対しても本発明は有効であり、この場合はとくにハロゲンを含む雰囲気に比較して、エロージョン損傷が緩やかであるので、本発明にかかる皮膜被覆部材は長期間にわたって安定した性能を発揮する。
【実施例】
【００２６】
実施例１
この実施例では、アルミニウム製試験片（寸法：幅５０ｍｍ×長５０ｍｍ×厚５ｍｍ）の片面をブラスト処理によって粗面化した後、Ｙ２Ｏ３溶射材料を用いて、Ａｒガスで雰囲気圧力を５０〜２００ｈＰａに制御した減圧プラズマ溶射法によって、それぞれ膜厚３００μｍのＹ２Ｏ３溶射皮膜を形成した。
その後、これらの試験片表面に形成されているＹ２Ｏ３溶射皮膜の気孔率、密着強さ、および熱衝撃試験（５００℃に維持されている電気炉中で２０分加熱した後、炉外にて空冷の操作を１サイクルとして１０サイクル繰り返す試験）を行った。なお、比較例として、Ａｌ２Ｏ３の溶射皮膜についても同じ条件、同じ工程で施工したものを供試した。
【００２７】
表１は、このときの試験結果をまとめたものである。本発明に適合する皮膜は、試験片の表面にＹ２Ｏ３皮膜を直接被覆したもの（Ｎｏ．１）をはじめ、アンダーコートを施した上にＹ２Ｏ３皮膜を形成したもの（Ｎｏ．２）を含む皮膜が良好な密着性と耐熱衝撃性を示し、Ａｌ２Ｏ３皮膜（Ｎｏ．３、４）に比較しても全く遜色がなかった。とくに、減圧プラズマ溶射法で形成されたＹ２Ｏ３皮膜は、大気溶射法の皮膜に比較して気孔率が少ないので、良好な耐食性も期待できる。
【００２８】
【表１】
2007119924.tif 000002
【００２９】
試験１
この試験は、参考例として、大気プラズマ溶射した場合の、高純度（９９．５〜９９．９ｍａｓｓ％）のＹ２Ｏ３減圧プラズマ溶射皮膜の効果について明らかにするものである。即ち、５０ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍ厚のアルミニウム製基材を用いて、表２に示すような表面処理を施した後、それぞれの基材から寸法２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの試験片を切り出し、さらに表面処理面が１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲が露出するように他の部分をマスクし、下記条件にて２０時間照射して、プラズマエロージョンによる損傷量を減肉厚さとして求めた。
（１）ガス雰囲気と流量条件
ＣＦ４、Ａｒ、Ｏ２の混合ガスを下記条件の雰囲気とした。
ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２＝１００／１０００／１０（１分間当たりの流量ｃｍ３）
（２）プラズマ照射出力
高周波電力：１３００Ｗ
圧力      ：１３３．３Ｐａ
【００３０】
その試験結果を表２に示した。この表２に示す結果から明らかなように、現行技術による陽極酸化皮膜（Ｎｏ．８）をはじめ、Ｂ４Ｃ溶射皮膜（Ｎｏ．１０）は、いずれもプラズマエロージョンによる損傷量が大きく、実用的でないことがうかがえる。ただ、Ａｌ２Ｏ３溶射皮膜（Ｎｏ．９）は比較的良好な耐プラズマエロージョン性を示した。
これに対し、高純度のＹ２Ｏ３溶射皮膜は、極めて優れた耐プラズマエロージョン性を発揮し、ハロゲン化合物を含む雰囲気下においても良好な性能を維持することが認められた。
【００３１】
【表２】
2007119924.tif 000003
【００３２】
試験２
この試験では、アルミニウム製基材を陽極酸化 (アルマイト処理) した試験片と、基材上にアンダーコートとして８０％Ｎｉ−２０％Ａｌの合金皮膜を１００μｍ厚に被覆し、その上にトップコートとしてＹ２Ｏ３皮膜を２５０μｍの厚みにプラズマ溶射法によって形成した試験片を用いた。これらの試験片を、下記条件でプラズマエッチングを行った。なお、エッチングによって削られて飛散するパーティクル粒子の数は同じチャンバー内に静置した直径８インチのシリコンウエハーの表面に付着する粒子数によって比較した。また、付着する粒子数は、表面検査装置によって調査し、概ね粒径０．２μｍ以上の粒子を対象にして行った。
（１）ガス雰囲気と流量条件
ＣＨＦ３、Ｏ２、Ａｒをそれぞれ下記のような混合比で流通した。
ＣＨＦ３／Ｏ２／Ａｒ＝８０／１００／１６０（１分間当たりの流量ｃｍ３)
(２)プラズマ照射出力
高周波電力：１３００Ｗ
圧力      ：４Ｐａ
温度      ：６０℃
【００３３】
この試験の結果、陽極酸化 (アルマイト膜)した試験片では、プラズマ照射１７．５時間後、一般的なチャンバー内のパーティクル管理値の３０個を超え２５時間後では１５０個以上となった。このパーティクルの組成は、Ａｌ、Ｆからなるものであった。
これに対し、Ｙ２Ｏ３溶射皮膜を形成した試験片は、７０時間照射後になって、やっと管理限界値を超える程度にとどまり、優れた耐プラズマエロージョン性を示した。