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JP2012507630A - 半導体用途用の熱スプレーコーティング - Google Patents

半導体用途用の熱スプレーコーティング Download PDF

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Abstract

本発明は、金属又は非金属基材における熱スプレーコーティングに関する。熱スプレーコーティングは、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含み、基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有する。本発明はまた、熱スプレーコーティングを適用することによって、金属又は非金属基材を保護する方法にも関する。コーティングは、例えば、集積回路製造装置や内部チャンバ構成要素の保護、及び静電チャックの製造に有用である。

Description

本発明は、厳しい条件での使用のための熱スプレーコーティング、例えば、半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理容器などの厳しい環境での浸食性及び腐食性バリアの保護を提供するコーティングに関する。本発明は、特に、厳格な条件下で、プラズマ処理容器構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、例えば半導体デバイスの製造に用いられる構成要素、の耐用年数を延長させるのに有用なコーティングに関する。本発明は、例えば、集積回路製造装置、内部チャンバ構成要素、及び静電チャック製品の保護に有用である。
熱スプレーコーティングは、浸食性及び腐食性環境において用いられる装置及び構成要素の保護に用いられ得る。半導体ウェハの製造操作においては、プロセシングチャンバの内側が、（プロセス反応から生成されるラジカル又は副生成物を含めて）腐食性ガス又は他の反応性種から生じ得る様々な浸食性（ｅｒｒｏｓｉｖｅ）及び腐食性（ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ）の環境又は反応性の環境に曝露される。例えば、ハロゲン化合物、例えば、塩化物、フッ化物又は臭化物は、半導体の製造において処理ガスとして典型的に用いられる。ハロゲン化合物は、半導体デバイスの製造において用いられるプラズマ処理容器において塩素、フッ素又は臭素原子に解離され得るため、プラズマ処理容器が腐食性環境に付される。
さらに、半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理容器では、プラズマは、微細に分割された固体粒子の形成及びさらにはイオン衝撃にも寄与し、これらのいずれもが、プロセスチャンバ及び構成要素部品の浸食損傷をもたらす可能性がある。
また、エッチングオペレータが、「汚染源となる（ｄｉｒｔｙ）」さらなるプロセスを実施するため、これが、プロセスチャンバ及び構成要素部品に要求される洗浄プロセスの厳格さを増大させる。プラズマ処理チャンバ操作から生成される副生成物、例えば、塩化物、フッ化物及び臭化物は、プロセスチャンバ及び構成要素部品の洗浄サイクルの際にウェット洗浄溶液に曝露されると、反応して、ＨＣｌ及びＨＦなどの腐食性種を形成する可能性がある。
プロセス性能並びにプロセスチャンバ及び構成要素部品の耐久性を確保するには、耐浸食性及び耐腐食性の方策が必要とされる。当技術分野においては、改善された耐浸食性及び耐腐食性コーティング、特に、セラミック酸化物、例えば、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化イットリウム（イットリア）及び酸化アルミニウム（アルミナ）のコーティングを提供して、プロセス試薬による腐食性攻撃のレベルを低減することが必要とされている。特に、当技術分野においては、コーティング特性を改善することで、半導体デバイスの製造において用いられるプラズマ処理容器における、熱スプレーされてコーティングされた装置及び構成要素の耐腐食性及び耐浸食性を提供することが必要とされている。
本発明は、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む、金属又は非金属基材上の熱スプレーコーティングであって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有するコーティングに関する。
本発明はまた、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングを金属又は非金属基材に適用することを含む、前記金属又は非金属基材を保護するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法にも関する。
本発明は、さらに、金属又はセラミック基材及びその表面に、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む熱スプレーコーティングを含む、プラズマ処理容器のための内部部材であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する内部部材に関する。
本発明は、さらには、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングを内部部材に適用することを含む、プラズマ処理容器のための前記内部部材を製造するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記内部部材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法にも関する。
本発明はまた、（ｉ）基材に適用された、金属酸化物を含む熱スプレーアンダーコート層、及び（ｉｉ）前記アンダーコート層に適用された、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む熱スプレートップコート層を含む、金属又は非金属基材のための熱スプレーコーティングであって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有するコーティングにも関する。アンダーコート層は、適切な誘電特性及び熱機械特性を付与することができ、トップコートは、適切な耐腐食特性及び耐浸食特性、並びに半導体の構成要素の用途に望ましい低い伝導率を付与することができる。
本発明は、なおさらに、（ｉ）金属酸化物を含む、熱スプレーされたコーティングアンダーコート層を、金属又は非金属基材に適用すること、及び（ｉｉ）部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングトップコート層を、前記アンダーコート層に適用することを含む、金属又は非金属基材を保護するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法に関する。
本発明は、なおさらには、金属又はセラミック基材及びその表面上の熱スプレーコーティングを含む、プラズマ処理容器のための内部部材であって、前記熱スプレーコーティングが、（ｉ）前記基材に適用された、金属酸化物を含む熱スプレーアンダーコート層、及び（ｉｉ）前記アンダーコート層に適用された、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む熱スプレートップコート層を含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する内部部材にも関する。
本発明はまた、プラズマ処理容器のための内部部材を製造するための方法であって、（ｉ）金属酸化物を含む熱スプレーされたコーティングアンダーコート層を、前記内部部材に適用すること、及び（ｉｉ）部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティング、例えば、イットリア安定化ジルコニアコーティングを含む熱スプレーされたコーティングトップコート層を、前記アンダーコート層に適用することを含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記内部部材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記方法にも関する。
本発明は、さらに、約０〜約０．１５重量％の不純物酸化物、約０〜約２重量％のハフニア、約５〜約３１重量％のイットリア、及び残部のジルコニアを含んでなる高純度イットリア安定化ジルコニア粉末であって、前記高純度イットリア安定化ジルコニア粉末が、前記粉末から熱スプレーされるコーティングに耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記コーティングが、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記粉末に関する。
本発明は、プロセス試薬による浸食性及び腐食性攻撃のレベルを低減するための、耐浸食性及び耐腐食性が改善されたコーティング、特に、セラミック酸化物、例えば、ジルコニア、イットリア及びアルミナ、のコーティングを提供する。特に、本発明は、半導体デバイスの製造、例えば、金属及び誘電エッチングプロセスに用いられるプラズマ処理容器における熱スプレーされてコーティングされた装置及び構成要素に耐腐食性及び耐浸食性を付与する。該コーティングはまた、低い粒子生成、低い金属汚染、並びに望ましい熱的特性、電気的特性及び接着特性も示す。
本発明は、プラズマ処理容器の内部部材が被る損傷に対する解決策を提供する。本発明は、内部部材の構成要素において用いられる強力な洗浄手法、例えば、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄手法、から生じる損傷を最小にすることができる。エッチングオペレータは、より多くの「汚染源となる」プロセスを実施する様にになってきているので、半導体用途に好適なプロセスチャンバ及び構成要素部品を提供するためには、洗浄プロセスの苛酷さを増大させることが要求される。例えば、プロセスチャンバ及び構成要素部品の洗浄サイクルの際にウェット洗浄液に曝露されると、プラズマ処理チャンバ操作から生成される副生成物、例えば、塩化物、フッ化物及び臭化物、は、反応してＨＣｌ及びＨＦなどの腐食性種を形成する可能性がある。本発明は、苛酷な洗浄プロセスから生じる腐食に起因する損傷を最小にすることができる。本発明のコーティングされた内部部材の構成要素は、これらのより攻撃的な洗浄手法に耐えることができる。
本発明はまた、ハロゲンガスによる化学的腐食に起因する損傷及びさらにはプラズマ浸食に起因する損傷を最小にすることもできる。内部部材の構成要素が、プラズマによって励起されるハロゲンを含有する環境において用いられるとき、イオン衝撃によって引き起こされるプラズマ浸食損傷を防止することが重要であり、ひいては、ハロゲン種によって引き起こされる化学的腐食を防止するために効果的でもある。プロセス反応から生成される副生成物として、ハロゲン化合物、例えば、塩化物、フッ化物及び臭化物が挙げられる。副生成物は、洗浄サイクルの際に大気又はウェット洗浄液に曝露されると、反応してＨＣｌ及びＨＦなどの腐食性種を形成する可能性がある。
本発明は、先に示したように、約０〜約０．１５重量％の不純物酸化物、約０〜約２重量％のハフニア、約５〜約３１重量％のイットリア、及び残部のジルコニアを含んでなる高純度イットリア安定化ジルコニア粉末（及びこれから調製されるコーティング）であって、前記高純度イットリア安定化ジルコニア粉末が、前記粉末から熱スプレーされるコーティングに耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記コーティングが、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記粉末に関する。
本発明の熱スプレーコーティングに有用なセラミック材料として、例えば、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化セリウム（セリア）、酸化ハフニウム（ハフニア）、酸化アルミニウム、周期表及びランタニド元素を含めた第２Ａ族〜第８Ｂ族の酸化物、又はこれらの合金若しくは混合物若しくは複合物が挙げられる。好ましくは、コーティング材料として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化ガドリニウム（ガドリニア）、酸化イッテルビウム（イッテルビア）、又はこれらの合金若しくは混合物若しくは複合物が挙げられる。上記材料を有すると、プラズマ処理容器又は該容器において用いられる内部部材の構成要素に適用された熱スプレーされたコーティングの表面は、ガスプラズマを発生するラジオ周波数電場と相まった腐食性ガスによる劣化に対して、ベア（ｂａｒｅ）アルミニウム、陽極酸化アルミニウム又は焼結酸化アルミニウムと比較してかなりの耐性を有する。他の例示的なコーティング材料として、炭化ケイ素又は炭化ホウ素が挙げられる。これらの材料については、エッチングプラズマと接触する表面は、集積回路の製造のためのシリコンウェハのプラズマエッチング処理において用いられるプラズマエッチングチャンバ又は構成要素に適用される熱スプレーされたコーティングの表面である。
本発明に有用なセラミック粉末（粒子）の平均粒子サイズは、熱スプレーの際に用いられる熱スプレーデバイスのタイプ及び熱スプレーの条件に応じて設定されることが好ましい。セラミック粉末の粒子サイズ（直径）は、約１〜約１５０ミクロン、好ましくは約１〜約１００ミクロン、より好ましくは約５〜約７５ミクロン、最も好ましくは約５〜約５０ミクロンの範囲であり得る。本発明において有用なセラミック粉末を作製するのに用いられる粉末の平均粒子サイズは、所望の粉末のタイプに応じて設定されることが好ましい。典型的には、本発明において有用なセラミック粉末を調製するのに有用な個々の粒子は、ナノ結晶サイズから約５ミクロンのサイズまでのサイズ範囲である。サブミクロン粒子は、本発明において有用なセラミック粉末を調製するのに好ましい。
本発明において有用な熱スプレー粉末は、従来の方法、例えば、凝集（スプレードライ及び焼結方法又は焼結及び粉砕方法）又は鋳造及び粉砕によって生成され得る。スプレードライ及び焼結方法においては、複数種の原材料粉末と好適な分散媒体とを混合することによって、スラリーをまず調製する。次いで、このスラリーをスプレードライによって粒状化（ｇｒａｎｕｌａｔｅ）し、次いで、粒状化された粉末を焼結することによって密着粉末粒子を形成する。次いで、篩分け及び分級によって（凝集体が大きすぎる場合には、粉砕によってサイズを低減してよい）、熱スプレー粉末を得る。粒状化された粉末を焼結する際の焼結温度は、好ましくは８００〜１６００℃である。スプレードライ及び焼結された粒子並びにさらには鋳造及び粉砕粒子のプラズマ緻密化は、従来の方法によって行うことができる。また、セラミック酸化物溶融物の噴霧化（ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）も、従来の方法によって行うことができる。
本発明による熱スプレー粉末は、別の凝集技術、焼結及び粉砕方法によって生成されてよい。焼結及び粉砕方法においては、複数種の原材料粉末を混合し、その後圧縮し、次いで１２００〜１４００℃の間の温度で焼結することによって、成形体をまず形成する。次いで、得られた焼結された成形体を粉砕して適切な粒子サイズ分布に分級することによって、熱スプレー粉末を得る。
本発明による熱スプレー粉末はまた、凝集の代わりに鋳造（溶融）及び粉砕方法によって生成されてもよい。溶融及び粉砕方法においては、複数の原材料粉末を混合し、その後の迅速な加熱、鋳造及び続いての冷却によって、インゴットをまず形成する。次いで、得られたインゴットを粉砕及び分級することによって、熱スプレー粉末を得る。
本発明において有用な熱スプレーコーティングは、セラミック粉末粒子を含むセラミック粉末から作製されてよく、ここで、セラミック粉末粒子の平均粒子サイズは、約１〜約１５０ミクロンの範囲であり得る。
先に示したように、本発明は、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、金属又は非金属基材における熱スプレーコーティングであって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する、上記コーティングに関する。
また、先にも示したように、本発明は、金属又は非金属基材のための熱スプレーコーティングであって、（ｉ）前記基材に適用された、金属酸化物を含む熱スプレーアンダーコート層、及び（ｉｉ）前記アンダーコート層に適用された、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む熱スプレートップコート層を含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する、上記コーティングに関する。
例示的なセラミックコーティングは、ジルコニア及びイットリアを含む。好ましいセラミックコーティングとして、イットリアによって部分的又は完全に安定化された、理論密度の８８％を超える密度を有するジルコニアが挙げられる。本発明において有用な他のセラミックコーティングとして、イットリアによって部分的又は完全に安定化された、理論密度の約６０％〜８５％の密度を有するジルコニア、例えば、イットリアによって部分的又は完全に安定化されたより低密度のジルコニアが挙げられる。セラミックコーティングは、典型的には約０．００１〜約０．１インチ、好ましくは約０．００５〜約０．０５インチ、より好ましくは約０．００５〜約０．０１インチの厚さを有する。セラミックコーティングは、典型的には約０．１％〜約１２％の気孔率を有する。
有利には、ジルコニア系コーティングは、ジルコニア、部分的に安定化されたジルコニア及び完全に安定化されたジルコニアからなる群から選択される。最も有利には、このコーティングは、部分的又は完全に安定化されたジルコニア、例えば、カルシア、セリア又は他の希土類酸化物、マグネシア及びイットリアで安定化されたジルコニアである。最も好ましい安定剤は、イットリアである。特に、完全に安定化された、ジルコニアＺｒＯ２−１５〜２０重量％のＹ２Ｏ３は、浸食及び腐食に対して優れた耐性を付与する。イットリアの濃度がより高い、即ち、イットリアが１５〜３１重量％であると、立方晶ジルコニアを安定化する一方で、イットリアの濃度がより低い、即ち、約５〜１０重量％未満であると、正方晶ジルコニアのみを安定化すると考えられる。
本発明の部分的に安定化されたジルコニア及び完全に安定化されたジルコニアのコーティングは、約５〜約３１重量％のイットリア（部分的及び完全に安定化されたもの両方）、及び残部のジルコニアを、好ましくは約１５〜約３０重量％のイットリア（完全に安定化されたもの）、及び残部のジルコニアを、より好ましくは好ましくは約１５〜約２０重量％のイットリア（完全に安定化されたもの）、及び残部のジルコニアを含んでなる。
いずれの特定の理論にも拘束されることを望まないが、イットリア濃度がより低い、即ち、約５〜１０重量％未満のイットリア、及び残部のジルコニアと比較して、イットリア濃度がより高い、即ち、１０〜３１重量％のイットリア、及び残部のジルコニアのプラズマ耐浸食性が増大することは、熱力学的相安定性及び酸素イオン拡散率の差、並びに原料粉末及びコーティングの微細構造における得られる顆粒サイズ、及びさらにはコーティングの表面形態における差に起因すると考えられる。
ジルコニア系セラミックコーティングは、有利には、少なくとも約８０％の密度を有して、基材上の熱い酸性ガスの浸食性及び腐食性の影響を制限する。最も有利には、この密度は、少なくとも約９０％である。
本発明の熱スプレーコーティングの耐浸食特性及び耐腐食特性は、熱スプレーコーティングに特有の相互接続された残留微細気孔率を遮断又は封止することによって、さらに改善され得る。封止剤として、＜１％のＴＭＬ（全質量損失）及び＜０．０５のＣＶＣＭ（収集された凝縮性揮発性材料）、好ましくは＜０．５％のＴＭＬ、＜０．０２％のＣＶＣＭのガス放出特性を有する炭化水素、シロキサン、又はポリイミド系材料を挙げることができる。封止剤はまた、内部チャンバの構成要素における封止されたコーティングとして、半導体デバイスの製造にも有利であり得、静電チャックは、コーティングされた又は焼結された物品と比較したとき、チャンバのコンディショニング時間を低減することができる。従来の封止剤は、本発明の方法に用いられ得る。封止剤は、当技術分野において公知の従来の方法によって適用され得る。
コーティングは、本発明のセラミック粉末を用いて、当技術分野において周知の種々の方法によって生成されてよい。これらの方法として、熱スプレー（プラズマ、ＨＶＯＦ、爆発ガン（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｇｕｎ）など）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、レーザクラッディング；及びプラズマ移行アーク（ｐｌａｓｍａ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ａｒｃ）が挙げられる。熱スプレーは、セラミック粉末を堆積させて本発明の耐浸食性及び耐腐食性コーティングを形成するために好ましい方法である。本発明の耐浸食性及び耐腐食性のコーティングは、同じ組成を有するセラミック粉末から形成される。このような方法はまた、コーティング層、例えば、以下に記載のアンダーコート層の堆積、及び、離散（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）層は存在しないがコーティングが機能複合物として適用されている連続的に漸変するコーティングの堆積に用いられてもよい。熱スプレーコーティングされた内部部材は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム又は他の希土類酸化物によって好ましくはコーティングされる。
セラミックコーティングは、従来の方法によるいずれの熱スプレーデバイスを用いて金属又は非金属基材上に堆積されてもよい。セラミックコーティングを堆積するための好ましい熱スプレー方法は、チャンバにおける不活性ガス被覆プラズマスプレー及び低圧又は真空プラズマスプレーを含めたプラズマスプレーである。本発明において有用であり得る他の堆積方法として、高速酸素燃料トーチスプレー、爆発ガンコーティングなどが挙げられる。最も好ましい方法は、チャンバにおける不活性ガス被覆プラズマスプレー及び低圧又は真空プラズマスプレーである。適切な時間及び温度を用いてセラミックコーティングを熱処理して、セラミックコーティングと基材との良好な結合及びセラミックコーティングの高い焼結密度を達成することも有利であり得る。熱スプレーの他に、基材に粉末の均一な堆積を適用する他の手段として、例えば、電気泳動、電気めっき及びスラリー堆積が挙げられる。
本発明の方法は、プラズマスプレーの方法論を好ましくは採用する。プラズマスプレーは、平均凝集粒子サイズが典型的には約５０ミクロン未満、好ましくは約４０ミクロン未満、より好ましくは約５〜約５０ミクロンである凝集した微細な粉末の粒子サイズを用いて、好適に実施される。凝集体を調製する際に有用な個々の粒子は、典型的にはナノ結晶サイズから約５ミクロンのサイズまでのサイズ範囲である。プラズマ媒体は、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム又はこれらの組合せであり得る。
プラズマガスストリームの熱容量は、電力レベル、ガス流量、又はガスの組成を変更することによって変動され得る。アルゴンがは、通常は基本ガスであるが、ヘリウム、水素及び窒素が頻繁に添加される。プラズマガスストリームの速度は、同じパラメータを変更することによって変動させることができる。
プラズマスプレーデバイスからのガスストリームの速度の変動は、粒子速度の変動、したがって、飛行している粒子の滞留時間の変動をもたらし得る。これは、粒子が加熱且つ加速され得る時間、したがって粒子の最高温度及び速度に影響する。滞留時間はまた、トーチ又はガンとコーティング対象の表面との間を粒子が移動する距離によっても影響される。
具体的な堆積パラメータは、プラズマスプレーデバイス及び堆積される材料の両方の特徴に依存する。変化率、又はパラメータが一定に保持される時間の長さは、要求されるコーティング組成、ガン又はトーチの、コーティングされる表面に対して横方向の速度、及び部品のサイズのいずれもの関数である。したがって、大型の部品をコーティングするときの比較的遅い変化率は、小型の部品をコーティングするときの比較的大きな変化率と等価でありうる。
先に示したように、本発明の熱スプレーコーティングに好適な厚さは、寸法破砕のための任意の許容量、特定の用途及び他のいずれかの層の厚さに依存して、約０．００１〜約０．１インチの範囲であり得る。典型的な用途並びに浸食性及び腐食性の環境では、コーティングの厚さは、約０．００１〜約０．０５インチ、好ましくは約０．００５〜約０．０１インチの範囲であってよいが、任意の研磨手法による最終厚さの低減に適応するように、より厚いコーティングが必要とされ得る。換言すると、そのような任意の研磨手法が、コーティングの最終厚さを低減し得る。
例示的な金属及び非金属内部部材の基材として、Ｔ６条件におけるアルミニウム６０６１及び焼結酸化アルミニウムに代表される、例えば、アルミニウム及びその合金が挙げられる。他の例示的な基材として、ステンレス鋼、ニッケル、鉄及びコバルト系合金を含めた種々の鋼、タングステン及びタングステン合金、チタン及びチタン合金、モリブデン及びモリブデン合金、並びにある特定の非酸化物焼結セラミックなどが挙げられる。
ある実施形態において、内部のアルミニウム部材は、前記熱スプレーコーティングを適用する前に陽極酸化されてよい。数種類の金属が陽極酸化されてよいが、アルミニウムが最も一般的である。陽極処理は、電気化学プロセスによる基材の陽極酸化によってその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で形成される反応生成物である。陽極処理によって形成される陽極層は、セラミックである酸化アルミニウムである。
内部部材は、基材、その表面に適用された、アンダーコートとしての金属コーティング、及び、アンダーコートに適用された、トップコートとしての熱スプレーコーティングを含み得る。このようなコーティングにおいて、アンダーコートは、酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムと酸化イットリウムとの混合物を含み得、トップコートは、好ましくは酸化ジルコニウム及び酸化イットリウムであり得る。アンダーコートは、化学蒸着法、物理蒸着法、熱スプレー法又は電気化学成長法によって適用され得る。
別の実施形態において、内部部材は、基材、その表面に適用された、アンダーコートとしての金属コーティング、アンダーコートに適用された中間層、及び、中間層に適用された、トップコートとしての前記熱スプレーコーティングを含み得る。このようなコーティングにおいて、アンダーコートは、酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムと酸化イットリウムとの混合物を含み得、中間層は、酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムと酸化イットリウムとの混合物を含み得、トップコートは、好ましくはイットリア安定化ジルコニアであり得る。アンダーコート及び中間層は、化学蒸着法、物理蒸着法、熱スプレー法又は電気化学成長法によって適用され得る。
他の好適な金属基材として、例えば、ニッケル系超合金、チタンを含有するニッケル系超合金、コバルト系超合金、及びチタンを含有するコバルト系超合金が挙げられる。好ましくは、ニッケル系超合金は、５０重量％を超えるニッケルを含有し得、コバルト系超合金は、５０重量％を超えるコバルトを含有し得る。例示的な非金属基材として、例えば、許容可能なケイ素含有材料が挙げられる。
先に示したように、本発明は、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングを金属又は非金属基材に適用することを含む、前記金属又は非金属基材を保護するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法に関する。
先にも示したように、本発明は、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングを内部部材に適用することを含む、プラズマ処理容器のための前記内部部材を製造するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記内部部材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法に関する。
先にさらに示したように、本発明は、（ｉ）金属酸化物を含む、熱スプレーされたコーティングアンダーコート層を、金属又は非金属基材に適用すること、及び（ｉｉ）部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングトップコート層を、前記アンダーコート層に適用することを含む、前記金属又は非金属基材を保護するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法に関する。
先にも示したように、本発明は、（ｉ）金属酸化物を含む熱スプレーされたコーティングアンダーコート層を、内部部材に適用すること、及び（ｉｉ）部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、熱スプレーされたコーティングトップコート層を、前記アンダーコート層に適用することを含む、プラズマ処理容器のための前記内部部材を製造するための方法であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記内部部材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する方法に関する。
本発明のコーティングされた内部部材は、粉末を基体（基材）上で加熱及び加速する熱スプレーデバイスに、粉末を流すことによって調製され得る。衝突の際、加熱された粒子は変形して、熱スプレーされた薄層（ｌａｍｅｌｌａ）又は薄板（ｓｐｌａｔ）を結果として生ずる。重なり合った薄板は、コーティング構造を作り上げる。本発明において有用なプラズマスプレープロセスは、その開示が本明細書に参照により組み込まれている米国特許第３，０１６，４４７号に開示されている。本発明において有用な爆発プロセスは、その開示が本明細書に参照により組み込まれており、炭化タングステンコバルトクロム組成物を含有するコーティングを包含する米国特許第４，５１９，８４０号及び同第４，６２６，４７６号に開示されている。その開示が本明細書に参照により組み込まれている米国特許第６，５０３，２９０号には、Ｗ、Ｃ、Ｃｏ、及びＣｒを含有する組成物をコーティングする、本発明において有用であり得る高速酸素燃料プロセスが開示されている。当技術分野において公知である冷スプレー方法はまた、本発明においても有用であり得る。典型的には、このような冷スプレー方法は、ノズルを介して展開されて粉末粒子を同伴させる液体ヘリウムガスを用いる。同伴された粉末粒子は、その後に加速されて、好適に位置付けされたワークピース上で衝突する。
本発明の内部部材のコーティングにおいて、熱スプレー粉末は、内部部材の表面上に熱スプレーされ、結果として、熱スプレーされたコーティングは、内部部材の表面に形成される。高速酸素燃料又は爆発ガンスプレーは、熱スプレー粉末を熱スプレーする例示的な方法である。他のコーティング形成プロセスとして、プラズマスプレー、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）、又はフレームスプレーが挙げられる。エレクトロニクス用途に関して、ジルコニア、イットリア及びアルミナコーティングにはプラズマスプレーが好ましい。なぜなら、炭化水素が燃焼しないため、汚染源が存在しないからである。プラズマスプレーは、クリーン電気エネルギーを用いる。本発明の熱スプレーコーティングされた物品に好ましいコーティングとして、例えば、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、周期表及びランタニド元素を含めた第２Ａ族〜第８Ｂ族の酸化物、又はこれらの合金若しくは混合物若しくは複合物が挙げられる。
先に示したように、本発明は、金属又はセラミック基材及びその表面に部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む熱スプレーコーティングを含む、プラズマ処理容器のための内部部材であって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する内部部材に関する。
先にも示したように、本発明は、金属又はセラミック基材及びその表面に熱スプレーコーティングを含む、プラズマ処理容器のための内部部材であって、前記熱スプレーコーティングが、（ｉ）前記基材に適用された、金属酸化物を含む熱スプレーアンダーコート層、及び（ｉｉ）前記アンダーコート層に適用された、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む熱スプレートップコート層を含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する内部部材に関する。
集積回路の製造において用いられるプラズマ処理容器のための例示的な内部部材の構成要素として、例えば、堆積シールド、バッフル板、フォーカスリング、絶縁体リング、シールドリング、ベローズカバー、電極、チャンバライナ、陰極ライナ、ガス分布板、静電チャック（例えば、静電チャックの側壁）などが挙げられる。本発明は、腐食性環境に付される構成要素、例えば、プラズマ処理容器のための内部部材の構成要素に概して適用可能である。本発明は、このような内部部材の構成要素の表面を保護するために好適である腐食性バリアシステムを提供する。本発明の利点は、内部部材の構成要素を参照して記載され得るが、本発明の教示は、腐食性バリアコーティングを用いて構成要素を腐食性環境から保護することができるいずれの構成要素にも概して適用可能である。
本発明により、腐食性環境での使用が意図された、プラズマ処理容器の内部部材の構成要素は、保護コーティング層によって熱スプレーコーティングされる。本発明の方法によって形成される、熱スプレーされてコーティングされた内部部材の構成要素は、所望の耐腐食性、プラズマ耐浸食性、及び耐摩耗性を有することができる。
本発明のコーティングは、低温及び高温で用いられる化学処理装置に有用であり、例えば、厳しい浸食性且つ腐食性の環境において有用である。厳しい環境において、装置は、その中で処理される材料と反応する可能性がある。セラミック材料は、化学薬品に対して不活性であり、金属装置の構成要素におけるコーティングとして用いられ得る。セラミックコーティングは、浸食性材料及び腐食性材料が金属装置に到達するのを防止するように、不浸透性であるべきである。このような浸食性材料及び腐食性材料に不活性であり得、且つ浸食性材料及び腐食性材料が下層の基材に到達するのを防止し得るコーティングは、高価でない基材の使用を可能にし、装置の構成要素の寿命を延長することができる。
本発明の熱スプレーされたコーティングは、ハロゲンガスを含有するガス雰囲気においてプラズマ浸食作用に供される環境で用いられるとき、望ましい耐性を示す。例えば、プラズマエッチング操作が長時間にわたって継続されるときでも、堆積チャンバにおける粒子による汚染は少なく、高品質の内部部材の構成要素が効率的に製造され得る。本発明の実施により、プラズマプロセスチャンバにおける粒子の発生速度が遅くなり得るため、洗浄操作のインターバルは生産性を増大させつつさらに長くなる。結果として、本発明のコーティングされた内部部材は、半導体製造装置におけるプラズマ処理容器において効果的であり得る。
本発明の熱スプレーコーティングによってコーティングされた内部部材は、良好な耐浸食性を示す。本発明の熱スプレーコーティング、即ち、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度、好ましくは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に約０〜約２０ミクロンのコーティング浸食速度、より好ましくは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に約０〜約１０ミクロンのコーティング浸食速度を示し得る。ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件は、標準のプラズマ処理容器操作条件よりも厳しいと考えられる。したがって、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件下での浸食速度と比較して、標準のプラズマ処理容器操作条件下での浸食速度が改善されると予測される。
本発明の熱スプレーコーティング、即ち、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、対応する安定化されていないセラミックコーティングによって基材に付与される耐腐食性及び／又は耐浸食性と比較して、基材に対して約２５％以上の耐腐食性及び／又は耐浸食性、好ましくは基材に対して約４０％以上の耐腐食性及び／又は耐浸食性、より好ましくは基材に対して約５０％以上の耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与する。
「標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件」は、本発明において用いられるとき、プラズマ及びＣＦ２とＯ２との混合物を含むガスを含有するガス雰囲気の存在下に約−１２０℃〜約４００℃の範囲の温度及び約０．０１ｔｏｒｒ〜約０．２ｔｏｒｒの範囲の圧力を含む。また、「標準のプラズマ処理容器操作条件」は、本発明において用いられるとき、プラズマとハロゲンガスを含有するガス雰囲気との存在下に同等の操作温度及び圧力範囲を含む。標準のプロセス反応から生成される副生成物として、塩化物、フッ化物及び臭化物などのハロゲン化合物が挙げられる。副生成物は、洗浄サイクルの際に大気又はウェット洗浄液に曝露されるとき、反応してＨＣｌ及びＨＦなどの腐食性種を形成する可能性がある。
本発明が、本発明の範囲の精神から逸脱することなく、多くの他の具体的な形態において具現化され得ることは、当業者には明らかであるはずである。

Claims (25)

  1. 部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む、金属又は非金属基材上への熱スプレーコーティングであって、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記コーティング。
  2. 前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングが、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約２０ミクロンのコーティング浸食速度を有する、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  3. 前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングが、対応する安定化されていないセラミックコーティングによって前記基材に付与される耐腐食性及び／又は耐浸食性と比較して、前記基材に約２５％以上の耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与する、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  4. 酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、周期表及びランタニド元素を含めた第２Ａ族〜第８Ｂ族の酸化物、又はこれらの合金若しくは混合物若しくは複合物を含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  5. 酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化ガドリニウム、酸化イッテルビウム、又はこれらの合金若しくは混合物若しくは複合物を含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  6. 炭化ケイ素又は炭化ホウ素を含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  7. 前記基材が、前記熱スプレーコーティングを適用する前に陽極酸化される、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  8. 前記基材が、アルミニウム若しくはその合金又は焼結酸化アルミニウムから構成される、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  9. 前記基材が、プラズマ処理容器の内部部材を含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  10. 前記内部部材が、堆積シールド、バッフル板、フォーカスリング、絶縁体リング、シールドリング、ベローズカバー、電極、チャンバライナ、陰極ライナ、ガス分布板、及び静電チャックから選択される、請求項９に記載の熱スプレーコーティング。
  11. 前記プラズマ処理容器が、集積回路の構成要素の製造において用いられる、請求項９に記載の熱スプレーコーティング。
  12. プラズマコーティング方法、高速酸素燃料コーティング方法、爆発コーティング方法又は冷スプレー方法によって適用される、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  13. ジルコニア、部分的に安定化されたジルコニア及び完全に安定化されたジルコニアから選択されるジルコニア系コーティングを含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  14. イットリア又はイッテルビア安定化ジルコニアを含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  15. 約１０〜約３１重量％のイットリア、及び残部のジルコニアを含んでなる、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  16. 約１５〜約２０重量％のイットリア、及び残部のジルコニアを含んでなる、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  17. 理論密度の約６０％〜約８５％の密度を有するジルコニア系コーティングを含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  18. 約０．１％〜約１２％の気孔率を有するジルコニア系コーティングを含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  19. プラズマスプレーが、チャンバにおける不活性ガス被覆プラズマスプレー及び低圧又は真空プラズマスプレーから選択される、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  20. 平均凝集粒子サイズが約５０ミクロン未満である粉末から熱スプレーされる、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  21. 酸化ジルコニウム及び酸化イットリウムを含む、請求項１に記載の熱スプレーコーティング。
  22. 請求項１に記載の熱スプレーコーティングによってコーティングされた金属又は非金属基材。
  23. 金属又は非金属基材を保護するための方法であって、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む熱スプレーされたコーティングを前記金属又は非金属基材に適用することを含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する、上記方法。
  24. 金属又は非金属基材のための熱スプレーコーティングであって、（ｉ）前記基材に適用された、金属酸化物を含む熱スプレーアンダーコート層、及び（ｉｉ）前記アンダーコート層に適用された、部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングを含む熱スプレートップコート層を含み、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、前記基材に耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記部分的又は完全に安定化されたセラミックコーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記コーティング。
  25. 約０〜約０．１５重量％の不純物酸化物、約０〜約２重量％のハフニア、約５〜約３１重量％のイットリア、及び残部のジルコニアを含んでなる高純度イットリア安定化ジルコニア粉末であって、前記高純度イットリア安定化ジルコニア粉末は、前記粉末から熱スプレーされるコーティングに耐腐食性及び／又は耐浸食性を付与するのに十分に高い熱力学的相安定性を有し、前記コーティングは、標準の、ＣＦ４／Ｏ２をベースとするプラズマドライ洗浄条件への１００時間の曝露の後に、約０〜約４０ミクロンのコーティング浸食速度を有する上記粉末。
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