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JP7708684B2 - Metallic materials and plasma generating equipment - Google Patents
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JP7708684B2 - Metallic materials and plasma generating equipment - Google Patents

Metallic materials and plasma generating equipment

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JP7708684B2 JP2022018669A JP2022018669A JP7708684B2 JP 7708684 B2 JP7708684 B2 JP 7708684B2 JP 2022018669 A JP2022018669 A JP 2022018669A JP 2022018669 A JP2022018669 A JP 2022018669A JP 7708684 B2 JP7708684 B2 JP 7708684B2
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Description

本発明は、多孔質の酸化皮膜を表層に有する金属材料及びこれを用いたプラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to a metal material having a porous oxide film on its surface and a plasma generating device using the same.

半導体ウェーハの表面処理を行う表面処理装置は、例えば半導体ウェーハの表面処理を行った後の処理室の内面に堆積した付着物(汚染物質)を洗浄除去するために、外部のプラズマ発生装置で発生させたプラズマを噴射あるいは照射することにより、処理室内面をプラズマ処理することがある。このような用途で用いられるプラズマ発生装置は、例えば反応性ガスが導入される反応室を有するチャンバと、この反応室内に高周波電力を供給する電極と、反応室で生成されたプラズマを放出する放出口と、を備えるものが知られている。 Surface treatment equipment for surface treatment of semiconductor wafers may plasma treat the inner surface of the treatment chamber by spraying or irradiating plasma generated by an external plasma generator, for example, to clean and remove deposits (contaminants) that have accumulated on the inner surface of the treatment chamber after surface treatment of the semiconductor wafer. Known plasma generators used for such purposes include a chamber having a reaction chamber into which a reactive gas is introduced, an electrode that supplies high-frequency power into the reaction chamber, and an outlet that releases the plasma generated in the reaction chamber.

このようなプラズマ発生装置に用いられるチャンバは、一般的にアルミニウムやマグネシウム等を主元素とする合金による金属材料で構成されている。このチャンバの反応室内では、プラズマの発生に伴って反応室の内面がエッチングにより腐食することが知られており、当該反応室の内面をプラズマによるエッチングから保護するために、チャンバを構成する金属材料の特に反応室の内面部分にアルマイト処理(陽極酸化処理)等で形成された酸化皮膜等の絶縁層を設けている。 The chamber used in such a plasma generating device is generally made of a metal material such as an alloy containing aluminum, magnesium, or the like as a main element. It is known that the inner surface of the reaction chamber of this chamber is corroded by etching as plasma is generated within the reaction chamber. In order to protect the inner surface of the reaction chamber from etching by plasma, an insulating layer such as an oxide film formed by anodizing (anodic oxidation) or the like is provided on the metal material constituting the chamber, particularly on the inner surface of the reaction chamber.

このように、アルミニウム合金やマグネシウム合金からなる金属材料の表面に耐食性や耐摩耗性を有する皮膜(絶縁層)を形成する技術として、例えば特許文献1には、アルミニウム基材の表面にプラズマ電解酸化処理(PEO)を行うことにより、非晶質で緻密なバリヤー層と複数の中空柱状のセルから構成される多孔質層とを備えた酸化皮膜を形成したものが開示されている。このような酸化皮膜によれば十分な耐食性が得られるとされているものの、バリヤー層の厚さは数百nm程度と極めて薄く、上記したプラズマ発生装置のチャンバに適用して十分な効果が得られる程度のものとは言えない。 As such, as a technology for forming a film (insulating layer) having corrosion resistance and wear resistance on the surface of a metal material made of an aluminum alloy or magnesium alloy, for example, Patent Document 1 discloses a method for forming an oxide film having an amorphous dense barrier layer and a porous layer composed of multiple hollow columnar cells by performing plasma electrolytic oxidation (PEO) on the surface of an aluminum base material. Although such an oxide film is said to provide sufficient corrosion resistance, the thickness of the barrier layer is extremely thin, at around several hundred nm, and it cannot be said that it is sufficient to be applied to the chamber of the above-mentioned plasma generation device to obtain sufficient effects.

これに対して、特許文献2には、マグネシウム又はマグネシウム合金部材の表層部分に、孔径が0.01~1μmの空孔を含む緻密層を有するプラズマ電解酸化皮膜を形成したものが開示されている。また、当該特許文献2には、従来のプラズマ電解酸化皮膜では、孔径が1~30μm程度の粗大な空孔が存在するため、耐食性が低下していたとの問題点も併せて記載されている。 In response to this, Patent Document 2 discloses a plasma electrolytic oxidation coating having a dense layer containing pores with a pore size of 0.01 to 1 μm formed on the surface of a magnesium or magnesium alloy component. Patent Document 2 also describes the problem that conventional plasma electrolytic oxidation coatings have poor corrosion resistance due to the presence of coarse pores with a pore size of about 1 to 30 μm.

一方、特許文献3には、Al、Mg、Tiなどの合金の表面にプラズマ電解酸化方法で形成された多孔質の酸化物-セラミックマトリックス皮膜と、その多孔質の孔の中に機能的化合物を入り込ませた構造と、を有する複合皮膜を形成したものが開示されている。このような構造の複合皮膜によれば、良好な耐摩耗性と低い摩擦係数を示し、動的接触負荷や振動に耐える能力を有するとされている。 Meanwhile, Patent Document 3 discloses a composite coating having a porous oxide-ceramic matrix coating formed by plasma electrolytic oxidation on the surface of an alloy such as Al, Mg, or Ti, and a structure in which a functional compound is inserted into the pores of the porous oxide-ceramic matrix coating. A composite coating with such a structure is said to exhibit good wear resistance and a low coefficient of friction, and to have the ability to withstand dynamic contact loads and vibrations.

特開2010-215945号公報JP 2010-215945 A 特開2007-308757号公報JP 2007-308757 A 特開2008-144281号公報JP 2008-144281 A

プラズマ電解酸化処理で形成された酸化皮膜は、アルマイト処理で形成された酸化皮膜に比べて硬度が高く、また多孔質層を含むことで基材との熱膨張率差に基づく高温時の内部応力を吸収することができるという特性を有している。一方で、プラズマ電解酸化処理による酸化皮膜は、内部に形成された空孔が細孔と連続することにより、酸化皮膜表面から基材表面に至る空洞が形成されてしまい、基材の絶縁度が低下してしまうという問題がある。 Oxide films formed by plasma electrolytic oxidation have a higher hardness than oxide films formed by anodizing, and because they contain a porous layer, they have the property of absorbing internal stress at high temperatures due to the difference in thermal expansion coefficient with the base material. On the other hand, oxide films formed by plasma electrolytic oxidation have the problem that the pores formed inside are connected to the fine pores, forming cavities from the oxide film surface to the base material surface, reducing the insulation of the base material.

この点について、特許文献2では、空孔の孔径を0.01~1μmに調整する手法を開示しているものの、空孔の孔径をより小さくしようとすると成膜速度も低くなってしまい、生産性(生産コスト)の面で課題がある。また、空孔を小さくすることは、上記したプラズマ電解酸化処理による酸化皮膜の特徴の1つである内部応力の吸収能を犠牲にしてしまう。 Regarding this point, Patent Document 2 discloses a method for adjusting the pore size to 0.01 to 1 μm, but making the pore size smaller results in a slower film formation speed, which poses a problem in terms of productivity (production costs). Furthermore, making the pores smaller sacrifices the ability to absorb internal stress, which is one of the characteristics of the oxide film formed by the above-mentioned plasma electrolytic oxidation treatment.

一方、特許文献3では、プラズマ電解酸化処理で酸化皮膜を形成した後、当該酸化皮膜の空孔に機能的化合物を入り込ませる手法を開示しているが、応力を吸収するための空孔を抗摩耗や抗腐食等の特性を有する機能的化合物で埋めてしまうため、特許文献2の場合と同様に、上記したプラズマ電解酸化処理による酸化皮膜の特徴の一つである内部応力の吸収能を犠牲にしてしまうこととなる。 On the other hand, Patent Document 3 discloses a method of forming an oxide film by plasma electrolytic oxidation treatment and then filling the pores in the oxide film with functional compounds. However, because the pores for absorbing stress are filled with functional compounds that have anti-wear, anti-corrosion, etc., this sacrifices the ability to absorb internal stress, which is one of the characteristics of the oxide film formed by the above-mentioned plasma electrolytic oxidation treatment, just as in Patent Document 2.

本発明は、これらの背景に基づいてなされたものであって、特にプラズマ発生に対して十分な耐腐食性を有するとともに、高温時に生じる内部応力を十分に吸収することができる絶縁性の酸化皮膜を備えた金属材料、及びこれを用いたプラズマ発生装置を提供することを目的とする。 The present invention was made based on these circumstances, and aims to provide a metal material with an insulating oxide film that has sufficient corrosion resistance against plasma generation and can fully absorb the internal stress that occurs at high temperatures, and a plasma generating device using the same.

上記の課題を解決するために、本発明の代表的な態様の1つは、多孔質の酸化皮膜を表層に有する金属材料であって、多孔質の酸化皮膜に含まれる複数の空孔の内面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, one of the representative aspects of the present invention is a metal material having a porous oxide film on its surface, characterized in that a protective film made of an insulating material having plasma resistance is formed on the inner surface of a plurality of pores contained in the porous oxide film.

また、本発明の別の態様の1つは、反応性ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、内部に反応性ガスが導入される反応室を有するチャンバと、反応室内に高周波電力を供給する電極と、上記反応室からプラズマを放出する放出口と、を備え、上記チャンバは、反応室側の表層に多孔質の酸化皮膜を有する金属材料により構成され、多孔質の酸化皮膜に含まれる複数の空孔の内面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a plasma generating device that applies high-frequency power to a reactive gas to generate plasma, comprising a chamber having a reaction chamber into which the reactive gas is introduced, an electrode that supplies high-frequency power into the reaction chamber, and an outlet that releases plasma from the reaction chamber, the chamber being made of a metal material having a porous oxide film on the surface layer on the reaction chamber side, and a protective film made of an insulating material having plasma resistance being formed on the inner surface of a plurality of pores contained in the porous oxide film.

このような構成を備えた本発明によれば、金属材料の表層に形成された多孔質の酸化皮膜に含まれる複数の空孔の内面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜が形成されていることにより、特にプラズマ発生に対して十分な耐腐食性を有するとともに、高温時に生じる内部応力を十分に吸収することができる。 According to the present invention having such a configuration, a protective film made of a plasma-resistant insulator is formed on the inner surface of a plurality of pores contained in a porous oxide film formed on the surface layer of a metal material, so that the metal material has sufficient corrosion resistance, particularly against plasma generation, and can fully absorb internal stresses that occur at high temperatures.

本発明の代表的な一例である実施例1による金属材料の概要を示す側面図及び断面図である。1A and 1B are a side view and a cross-sectional view showing an outline of a metal material according to Example 1, which is a representative example of the present invention. 図1(b)の領域A3で示した部分を模式的に示した拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a schematic view of a portion indicated by an area A3 in FIG. 実施例1による金属材料の製造方法の工程を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing steps of a method for manufacturing a metal material according to Example 1. 図3に示すステップS2の工程の概要を示す部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an outline of the process of step S2 shown in FIG. 3. 図3に示すステップS3の工程の概要を示す部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an outline of the process of step S3 shown in FIG. 3. 図3に示すステップS4の工程の概要を示す部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an outline of the process of step S4 shown in FIG. 3. 実施例1による金属材料に対してプラズマ曝露試験を行った結果の概略を示すグラフである。1 is a graph showing an outline of the results of a plasma exposure test performed on the metal material according to Example 1. 本発明の実施例2によるプラズマ発生装置の構成例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration example of a plasma generation device according to a second embodiment of the present invention.

以下、本発明による金属材料及びこれを用いたプラズマ発生装置の代表的な具体例を図1~図8を用いて説明する。 Below, typical examples of the metal material according to the present invention and the plasma generating device using the same will be described with reference to Figures 1 to 8.

<実施例1>
図1は、本発明の代表的な一例である実施例1による金属材料の概要を示す側面図及び断面図である。また、図2は、図1(b)の領域A3で示した部分を模式的に示した拡大断面図である。なお、実施例1による金属材料は、後述する実施例2によるプラズマ発生装置のチャンバを構成する金属材料として適用することができる。
Example 1
Fig. 1 is a side view and a cross-sectional view showing an outline of a metal material according to Example 1, which is a representative example of the present invention. Fig. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a schematic view of a portion shown in region A3 in Fig. 1(b). The metal material according to Example 1 can be used as a metal material constituting a chamber of a plasma generating device according to Example 2, which will be described later.

図1(a)に示すように、実施例1による金属材料10は、その一例として、金属基材20と、当該金属基材20の少なくとも一面に形成された酸化皮膜30と、を含む。ここで、図1(a)では、金属基材20の上面にのみ酸化皮膜30が形成されている場合を例示しているが、酸化皮膜30は金属基材20の側面や底面を含む全面に形成されてもよい。 As shown in FIG. 1(a), the metal material 10 according to the first embodiment includes, as an example, a metal substrate 20 and an oxide film 30 formed on at least one surface of the metal substrate 20. Here, FIG. 1(a) illustrates a case in which the oxide film 30 is formed only on the top surface of the metal substrate 20, but the oxide film 30 may be formed on the entire surface of the metal substrate 20, including the side and bottom surfaces.

金属基材20は、表面が酸化することで緻密な皮膜を形成でき、かつ様々な構造物の構造部材を構成し得る金属で形成される。このような金属基材20としては、例えば、アルミニウムやチタン、マグネシウム等のいわゆる軽金属及びこれらの合金が例示できる。なお、本実施例1では、金属基材20として5000系(Al-Mg系)又は6000系(Al-Mg-Si系)のアルミニウム合金を適用した場合について説明する。 The metal substrate 20 is made of a metal that can form a dense coating by oxidizing the surface and can be used as a structural component for various structures. Examples of such metal substrates 20 include so-called light metals such as aluminum, titanium, and magnesium, and alloys of these. In this Example 1, a case will be described in which a 5000 series (Al-Mg series) or 6000 series (Al-Mg-Si series) aluminum alloy is used as the metal substrate 20.

酸化皮膜30は、図1(a)の領域A1を拡大した図1(b)に示すように、金属基材20側に位置する多孔質層32と、表面側に露出する緻密層34と、からなる2層構造の酸化物として構成される。このような酸化皮膜30を形成する手法として、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液等の電解液中でプラズマ電解することにより酸化物による皮膜を形成するプラズマ電解酸化処理(Plasma Electrolytic Oxidation)が例示できる。 As shown in FIG. 1(b), which is an enlarged view of region A1 in FIG. 1(a), the oxide film 30 is configured as a two-layer oxide structure consisting of a porous layer 32 located on the metal substrate 20 side and a dense layer 34 exposed on the surface side. An example of a method for forming such an oxide film 30 is plasma electrolytic oxidation, which forms an oxide film by plasma electrolysis in an electrolyte such as an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution.

多孔質層32は、図1(b)の領域A2を拡大した図1(c)に示すように、例えば酸化アルミニウム(Al)等の酸化物からなる基部32aと、当該基部32aの間に分散された空孔部32bと、により構成される。ここで、基部32aを構成する酸化物は、上記した金属基材20の種類によって任意に選択され得る。そして、この多孔質層32により、空孔部32bが金属基材20と酸化皮膜30との間の熱膨張率差による応力を吸収して、酸化皮膜30に割れが生じるのを抑制できる。 As shown in Fig. 1(c), which is an enlarged view of region A2 in Fig. 1(b), the porous layer 32 is composed of a base 32a made of an oxide such as aluminum oxide ( Al2O3 ), and pores 32b dispersed within the base 32a. The oxide constituting the base 32a can be selected arbitrarily depending on the type of the metal base 20. The porous layer 32 allows the pores 32b to absorb stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the metal base 20 and the oxide coating 30, thereby preventing cracks from occurring in the oxide coating 30.

緻密層34は、図2に示すように、プラズマ電解酸化処理におけるプラズマ電解の条件を調整することにより、例えばAl等の酸化物からなる硬質部34aとして形成される。なお、硬質部34aを構成する酸化物も、上記した金属基材20の種類によって任意に選択され得る。 2, the dense layer 34 is formed as a hard portion 34a made of an oxide such as Al 2 O 3 by adjusting the conditions of plasma electrolysis in the plasma electrolytic oxidation treatment. The oxide constituting the hard portion 34a can also be arbitrarily selected depending on the type of the metal substrate 20 described above.

また、緻密層34には、硬質部34aを貫通して露出面34cに至る細長の貫通孔34bが形成される。この貫通孔34bは、多孔質層32の空孔部32bと連通している。これにより、このままでは金属基材20の表面20aが部分的に外部雰囲気(特にプラズマ)に対して曝露されてしまうこととなる。 In addition, the dense layer 34 has elongated through-holes 34b that penetrate the hard portion 34a and reach the exposed surface 34c. These through-holes 34b communicate with the pores 32b of the porous layer 32. As a result, if left as is, the surface 20a of the metal substrate 20 will be partially exposed to the external atmosphere (particularly plasma).

そこで、実施例1による金属材料10においては、図2に示すように、多孔質層32の空孔部32b及び緻密層34の貫通孔34bの内面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜36が形成されている。これにより、例えば、実施例1による金属材料10を、後述する実施例2によるプラズマ発生装置(図7の符号100参照)のチャンバ(図7の符号110参照)を構成する金属材料として適用した場合、発生するプラズマによるチャンバ110の内面のエッチングが抑制される。 Therefore, in the metal material 10 according to Example 1, as shown in FIG. 2, a protective film 36 made of an insulating material having plasma resistance is formed on the inner surfaces of the voids 32b of the porous layer 32 and the through holes 34b of the dense layer 34. As a result, for example, when the metal material 10 according to Example 1 is used as the metal material constituting the chamber (see reference numeral 110 in FIG. 7) of the plasma generating device (see reference numeral 100 in FIG. 7) according to Example 2 described below, etching of the inner surface of the chamber 110 by the generated plasma is suppressed.

保護膜36を構成する絶縁物の材質としては、プラズマによるエッチング耐性を有する材料であって、例えば、酸化物や窒化物、フッ化物、炭化物等のセラミックスにより形成される。その中でも、周期表の第2族や第3族、第4族、第13族あるいは第14族の元素を主とするセラミックスが好ましい。これらのセラミックスは、保護膜36を形成する際の雰囲気を調整することにより選択できる。 The insulating material constituting the protective film 36 is a material that is resistant to etching by plasma, and is formed from ceramics such as oxides, nitrides, fluorides, and carbides. Among these, ceramics that mainly contain elements of Groups 2, 3, 4, 13, or 14 of the periodic table are preferable. These ceramics can be selected by adjusting the atmosphere when forming the protective film 36.

次に、図3~図6を用いて、本発明の代表的な一例である実施例1による金属材料を製造する方法の概要について説明する。 Next, an overview of the method for manufacturing a metal material according to Example 1, which is a representative example of the present invention, will be described with reference to Figures 3 to 6.

図3は、実施例1による金属材料の製造方法の工程を示すフローチャートである。また、図4は、図3に示すステップS2の工程の概要を示す部分断面図である。また、図5は、図3に示すステップS3の工程の概要を示す部分断面図である。さらに、図6は、図3に示すステップS4の工程の概要を示す部分断面図である。 Figure 3 is a flow chart showing the steps of the method for manufacturing a metal material according to Example 1. Figure 4 is a partial cross-sectional view showing an overview of the step S2 shown in Figure 3. Figure 5 is a partial cross-sectional view showing an overview of the step S3 shown in Figure 3. Figure 6 is a partial cross-sectional view showing an overview of the step S4 shown in Figure 3.

図3に示すように、本発明の実施例1による金属材料10は、その一例として、母材となる金属基材20を準備する工程(ステップS1)と、準備した金属基材20の表面にプラズマ電解による酸化処理を実施する工程(ステップS2)と、形成された酸化皮膜30に保護膜36の前駆体であるスラリーを塗布する工程(ステップS3)と、スラリーが塗布された金属材料10をベーキングする工程(ステップS4)と、を含む。 As shown in FIG. 3, the metal material 10 according to the first embodiment of the present invention includes, as an example, a step of preparing a metal substrate 20 as a base material (step S1), a step of performing an oxidation treatment by plasma electrolysis on the surface of the prepared metal substrate 20 (step S2), a step of applying a slurry, which is a precursor of a protective film 36, to the formed oxide film 30 (step S3), and a step of baking the metal material 10 to which the slurry has been applied (step S4).

金属基材20を準備する工程(ステップS1)では、上記した5000系又は6000系のアルミニウム合金を所定の表面性状及び形状で準備する。このとき、既に形成されていた酸化皮膜を予め除去する工程や、あるいは少なくとも酸化皮膜30を形成する面の表面粗さを調整する工程を追加しても良い。 In the process of preparing the metal substrate 20 (step S1), the above-mentioned 5000 series or 6000 series aluminum alloy is prepared with a predetermined surface property and shape. At this time, a process of removing the oxide film that has already been formed, or at least a process of adjusting the surface roughness of the surface on which the oxide film 30 is to be formed may be added.

プラズマ電解を行う工程(ステップS2)では、金属基材20の表面に公知のプラズマ電解酸化処理による酸化皮膜30の形成が行われる。具体的には、その一例として、弱アルカリ性の電解質水溶液(水酸化カリウムKOH)中に金属基材20を浸漬し、この状態で電解質水溶液に所定条件の交流パルス電流を流すことにより、図4に示すように、金属基材20の表面20aに酸化皮膜30が形成される。 In the process of performing plasma electrolysis (step S2), an oxide film 30 is formed on the surface of the metal substrate 20 by a known plasma electrolytic oxidation process. Specifically, as one example, the metal substrate 20 is immersed in a weakly alkaline electrolyte aqueous solution (potassium hydroxide KOH), and in this state, an AC pulse current of predetermined conditions is passed through the electrolyte aqueous solution, whereby an oxide film 30 is formed on the surface 20a of the metal substrate 20, as shown in FIG. 4.

スラリーを塗布する工程(ステップS3)では、最終的に保護膜36を形成する前駆体となる材料のスラリーが酸化皮膜30の露出面34cに塗布される。このとき、上記のとおり酸化皮膜30の緻密層34には複数の貫通孔34bが形成されているため、塗布された前駆体のスラリーは、図5に示すように、上記貫通孔34bとともに多孔質層32の空孔部32bに充填される。なお、保護膜36の前駆体のスラリーとしては、その一例として、上記した第2族や第3族、第4族あるいは第14族の元素の塩を含む塩基性水溶液として構成される。 In the step of applying the slurry (step S3), a slurry of a material that will eventually become a precursor for forming the protective film 36 is applied to the exposed surface 34c of the oxide film 30. At this time, since a plurality of through holes 34b are formed in the dense layer 34 of the oxide film 30 as described above, the applied precursor slurry fills the through holes 34b as well as the pores 32b of the porous layer 32 as shown in FIG. 5. Note that, as an example, the precursor slurry for the protective film 36 is configured as a basic aqueous solution containing a salt of an element of the above-mentioned Groups 2, 3, 4, or 14.

続いて、ベーキング工程(ステップS4)では、その一例として、所定のガス雰囲気の加熱炉内において、ステップS3でスラリーを塗布された金属材料10をベーキング処理する。このとき、ベーキング処理時の加熱によって、スラリーに含まれる水分とともに塩基性成分が揮発するため、図6に示すように、スラリーの体積が大きく減少して図中の矢印Bの方向に収縮する。そして、加熱炉内のガスと上記した第2族や第3族、第4族、第13族あるいは第14族の元素とが結合することにより、これらの酸化物や窒化物等のセラミックスを含む保護膜36が形成される。 In the baking process (step S4), the metal material 10 coated with the slurry in step S3 is baked in a furnace with a predetermined gas atmosphere. At this time, the basic components are volatilized together with the moisture contained in the slurry by heating during the baking process, and as shown in FIG. 6, the volume of the slurry is greatly reduced and the slurry contracts in the direction of arrow B in the figure. Then, the gas in the furnace combines with the above-mentioned elements of Groups 2, 3, 4, 13, or 14 to form a protective film 36 containing ceramics such as oxides and nitrides of these elements.

なお、上記したとおり、ベーキング工程(ステップS4)を実施する際の加熱炉内の雰囲気(加熱炉内に封入される反応性ガス)を適宜選択することにより、保護膜36を形成するセラミックスの材質を調整することが可能となる。例えば、第4族のチタン(Ti)を含むスラリーを塗布した金属材料10を窒素ガスNの雰囲気内でベーキングすることにより、窒化チタン(TiN)を含む保護膜36が酸化皮膜30の多孔質層32における空孔部32bの内面に形成される。 As described above, by appropriately selecting the atmosphere (reactive gas sealed in the heating furnace) in the heating furnace when the baking step (step S4) is performed, it is possible to adjust the ceramic material forming the protective film 36. For example, by baking the metal material 10 coated with a slurry containing titanium (Ti), which is a group 4 element, in an atmosphere of nitrogen gas N2 , the protective film 36 containing titanium nitride (TiN) is formed on the inner surface of the pores 32b in the porous layer 32 of the oxide film 30.

上記した実施例1による金属材料の製造方法で製造された金属材料の具体的態様の一例について、以下に図7を用いて説明する。図7は、従来技術による金属材料と実施例1による金属材料とに対してプラズマ曝露試験を行った結果の概略を示すグラフである。 An example of a specific embodiment of a metal material manufactured by the method for manufacturing a metal material according to Example 1 described above will be described below with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a graph showing an outline of the results of a plasma exposure test performed on a metal material according to the conventional technology and a metal material according to Example 1.

プラズマ曝露試験を行うにあたり、金属基材として6000系のアルミニウム合金を用いて、当該金属基材の表面に各種の皮膜形成処理を行ったものを作成し、これらプラズマ発生環境に曝露する試験を行った。なお、本願と従来技術との比較のために、金属基材の表面に対してアルマイト処理のみを行った「アルマイト処理材」と、表面に対してPEO処理のみ行った「PEO処理材」と、表面に対してPEO処理に加えて保護膜形成処理を行った「本願発明材」とを準備した。 In conducting the plasma exposure test, a 6000 series aluminum alloy was used as the metal substrate, and various film formation treatments were performed on the surface of the metal substrate, and a test was performed in which the metal substrate was exposed to a plasma generation environment. In order to compare the present application with the prior art, an "anodized material" in which only an anodized treatment was performed on the surface of the metal substrate, a "PEO-treated material" in which only a PEO treatment was performed on the surface, and the "material of the present invention" in which a protective film formation treatment was performed in addition to the PEO treatment on the surface were prepared.

図7に示すように、プラズマによってエッチングされた皮膜量(厚さ)として、「アルマイト処理材」、「PEO処理材」、「本願発明材」の順でエッチング量が減少する傾向が現れた。特に、その一例として、「本願発明材」のエッチング量は「PEO処理材」のエッチング量に対しておよそ40%減となる結果が得られた。 As shown in Figure 7, the amount of film (thickness) etched by plasma tended to decrease in the order of "anodized material," "PEO-treated material," and "material of the present invention." In particular, as one example, the amount of etching for the "material of the present invention" was approximately 40% less than the amount of etching for the "PEO-treated material."

上記のような構成を備えることにより、実施例1による金属材料10は、その表層に形成された多孔質の酸化皮膜30に含まれる複数の空孔部32bの内面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜36が形成されていることにより、特にプラズマ発生に対して十分な耐腐食性を有するとともに、高温時に生じる内部応力を十分に吸収することができる。 By being provided with the above-mentioned configuration, the metal material 10 according to Example 1 has a protective film 36 made of a plasma-resistant insulator formed on the inner surface of the multiple voids 32b contained in the porous oxide film 30 formed on its surface, and therefore has sufficient corrosion resistance, particularly against plasma generation, and can fully absorb internal stresses that occur at high temperatures.

<実施例2>
半導体デバイスやソーラーパネル、あるいはフラットパネルディスプレイ等に適用される半導体製品の製造装置の技術分野において、半導体基板に対する各種処理工程で発生する汚染物等を加工チャンバから除去するために、当該加工チャンバにプラズマを噴射することで壁面をクリーニングするプラズマクリーニング工程を実施することがある。このようなプラズマを発生させる装置として、加工チャンバの外部からプラズマを供給するリモートプラズマ発生装置(RPS)が知られている。
Example 2
In the technical field of manufacturing equipment for semiconductor products applied to semiconductor devices, solar panels, flat panel displays, etc., a plasma cleaning process is sometimes performed in which plasma is sprayed into a processing chamber to clean the wall surface in order to remove contaminants and the like generated in various processing steps for semiconductor substrates from the processing chamber. A remote plasma generator (RPS) that supplies plasma from outside the processing chamber is known as an apparatus for generating such plasma.

図8は、本発明の実施例2によるプラズマ発生装置の構成例を示す概略図である。ここで、実施例2によるプラズマ発生装置100を説明するにあたり、実施例1と同一あるいは同様の構成を備えるものについては、実施例1と同一の符号を付して再度の説明を省略する。 Figure 8 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a plasma generating device according to Example 2 of the present invention. In describing the plasma generating device 100 according to Example 2, components having the same or similar configuration as in Example 1 are given the same reference numerals as in Example 1 and will not be described again.

図8に示すように、実施例2によるプラズマ発生装置100は、その一例として、その内部に反応性ガスが導入される反応室Rを有するチャンバ110と、反応室R内に高周波電力を供給する電極120と、反応室Rで発生したプラズマを放出する放出口130と、を備えている。そして、プラズマ発生装置100は、導入された反応性ガスに高周波電力を印加することによりプラズマを発生させ、放出口130から下流に接続された半導体装置を製造する製造装置の加工チャンバにプラズマを放出する。 As shown in FIG. 8, the plasma generating device 100 according to the second embodiment includes, as an example, a chamber 110 having a reaction chamber R into which a reactive gas is introduced, an electrode 120 for supplying high-frequency power into the reaction chamber R, and an outlet 130 for discharging the plasma generated in the reaction chamber R. The plasma generating device 100 generates plasma by applying high-frequency power to the introduced reactive gas, and discharges the plasma from the outlet 130 into a processing chamber of a manufacturing device that manufactures semiconductor devices and is connected downstream.

チャンバ110は、内部に反応性ガスを導入するための導入管112が放出口130と対向する位置に接続されている。そして、プラズマの発生により反応室R内部の内圧が上昇する(反応性ガスがプラズマ反応により膨張する)ため、所定の圧力で導入された反応性ガスから発生したプラズマは、チャンバ110の下流に放出される。 The chamber 110 is connected to an inlet pipe 112 for introducing reactive gas into the chamber 110 at a position opposite the outlet 130. The generation of plasma increases the internal pressure inside the reaction chamber R (the reactive gas expands due to the plasma reaction), and the plasma generated from the reactive gas introduced at a predetermined pressure is released downstream of the chamber 110.

また、チャンバ110は、その一例として、アルミニウム合金やマグネシウム合金で形成され、好ましくは断面円形又は正多角形で内部が中空な柱状部材として構成される。そして、チャンバ110の少なくとも反応室R側の内面には、実施例1による金属材料10で説明した多孔質層32を含む酸化皮膜30が形成されている。 The chamber 110 is, for example, made of an aluminum alloy or a magnesium alloy, and is preferably configured as a hollow columnar member having a circular or regular polygonal cross section. An oxide film 30 including a porous layer 32 as described for the metal material 10 of Example 1 is formed on at least the inner surface of the chamber 110 facing the reaction chamber R.

電極120は、その一例として、コイル状に巻かれた金属により構成される。電極120の両端は、図8に示すように、一対の端子120a、120bを介して高周波交流電源122と接続されている。このような形状の電極120を用いることにより、電極120の巻回中心をチャンバ110の反応室Rの中央に配置することで距離に偏りが生じないため、プラズマの発生を安定させることができる。 As an example, the electrode 120 is made of a metal wound into a coil shape. As shown in FIG. 8, both ends of the electrode 120 are connected to a high-frequency AC power source 122 via a pair of terminals 120a, 120b. By using an electrode 120 with this shape, the center of the winding of the electrode 120 can be positioned in the center of the reaction chamber R of the chamber 110, which prevents deviation in distance and stabilizes the generation of plasma.

図8に示すプラズマ発生装置100においては、導入管112に接続されたガス供給源(図示せず)から所定の圧力又は流量で反応性ガスがチャンバ110の反応室R内に供給される。この状態で、高周波交流電源122から高周波の交流電流が電極120に通電されると、チャンバ110の反応室Rの内部には電極120を流れる電流に伴う磁場によってプラズマが発生し、発生したプラズマが放出口130から排出される。 In the plasma generating device 100 shown in FIG. 8, a reactive gas is supplied into the reaction chamber R of the chamber 110 at a predetermined pressure or flow rate from a gas supply source (not shown) connected to the inlet pipe 112. In this state, when a high-frequency alternating current is applied to the electrode 120 from the high-frequency AC power supply 122, plasma is generated inside the reaction chamber R of the chamber 110 due to the magnetic field caused by the current flowing through the electrode 120, and the generated plasma is discharged from the outlet 130.

このとき、反応室Rの内面は発生したプラズマによってエッチングされることとなる。これに対して、実施例2によるプラズマ発生装置100では、チャンバ110の反応室R側の内面に実施例1で示したものと同様の酸化皮膜30が形成されていることにより、多孔質層32の空孔部32bにプラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜36が存在するため、酸化皮膜30がプラズマに曝されたとしてもエッチングされるのを抑制することが可能となる。 At this time, the inner surface of the reaction chamber R is etched by the generated plasma. In contrast, in the plasma generating device 100 according to Example 2, an oxide film 30 similar to that shown in Example 1 is formed on the inner surface of the chamber 110 on the reaction chamber R side, and a protective film 36 made of an insulating material having plasma resistance is present in the pores 32b of the porous layer 32, so that it is possible to prevent the oxide film 30 from being etched even if it is exposed to plasma.

なお、電極120もチャンバ110との間で発生するプラズマによりエッチングされることになるため、チャンバ110と同様にアルミニウム合金やマグネシウム合金からなりその表面に酸化皮膜30を形成したものとして構成してもよい。また、通電時の発熱を冷却するために、電極120をアルミニウム合金又はマグネシウム合金の中空管として構成してもよい。 Since the electrode 120 is also etched by the plasma generated between the electrode 120 and the chamber 110, it may be made of an aluminum alloy or magnesium alloy, like the chamber 110, with an oxide film 30 formed on its surface. Also, the electrode 120 may be made as a hollow tube made of an aluminum alloy or magnesium alloy to cool the heat generated when electricity is applied.

上記のような構成を備えることにより、実施例2によるプラズマ発生装置100は、実施例1の場合と同様に、チャンバ110を構成する金属材料の反応室R側の内面に形成された多孔質の酸化皮膜30に含まれる複数の空孔部32b面に、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜36が形成されていることにより、特にプラズマ発生に対して十分な耐腐食性を有するとともに、高温時に生じる内部応力を十分に吸収することができる。 By being provided with the above-mentioned configuration, the plasma generating device 100 according to the second embodiment, like the first embodiment, has a protective film 36 made of a plasma-resistant insulator formed on the surface of the multiple holes 32b contained in the porous oxide film 30 formed on the inner surface on the reaction chamber R side of the metal material constituting the chamber 110, and therefore has sufficient corrosion resistance, particularly against plasma generation, and can sufficiently absorb internal stresses that occur at high temperatures.

なお、上記した実施の形態における記述は、本発明に係る金属材料あるいはプラズマ発生装置の一例であって、本発明は各実施の形態に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形を行うことが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The above description of the embodiment is merely an example of the metal material or plasma generating device according to the present invention, and the present invention is not limited to each embodiment. Furthermore, a person skilled in the art can make various modifications without departing from the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.

10 金属材料
20 金属基材
30 酸化皮膜
32 多孔質層
32a 基部
32b 空孔部
34 緻密層
34a 硬質部
34b 貫通孔
34c 露出面
36 保護膜
100 プラズマ発生装置
110 チャンバ
112 導入管
120 電極
120a、120b 端子
122 高周波交流電源
130 放出口
R 反応室
Reference Signs List 10 Metal material 20 Metal substrate 30 Oxide film 32 Porous layer 32a Base 32b Hole portion 34 Dense layer 34a Hard portion 34b Through hole 34c Exposed surface 36 Protective film 100 Plasma generator 110 Chamber 112 Inlet tube 120 Electrodes 120a, 120b Terminal 122 High frequency AC power source 130 Discharge port R Reaction chamber

Claims (6)

多孔質の酸化皮膜を表層に有する金属材料であって、
前記多孔質の酸化皮膜は、金属基材側に形成された多孔質層と、前記多孔質層に積層された緻密層からなる2層構造を有し、
前記多孔質に含まれる複数の空孔の内面に、前記空孔の内部空間を維持しつつ、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする金属材料。
A metal material having a porous oxide film on a surface layer,
the porous oxide coating has a two-layer structure including a porous layer formed on the metal substrate side and a dense layer laminated on the porous layer,
A metal material characterized in that a protective film made of an insulator having plasma resistance is formed on the inner surface of a plurality of pores contained in the porous layer while maintaining the internal space of the pores.
前記保護膜は、セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項1に記載の金属材料。 The metal material according to claim 1, characterized in that the protective film is made of ceramics. 前記セラミックスは、周期表の第2族元素、第3族元素、第4族元素、第13族元素又は第14族元素を主とする酸化物を含むことを特徴とする請求項2に記載の金属材料。 The metallic material according to claim 2, characterized in that the ceramic contains an oxide mainly consisting of an element of Group 2, Group 3, Group 4, Group 13 or Group 14 of the periodic table. 反応性ガスに高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
内部に前記反応性ガスが導入される反応室を有するチャンバと、前記反応室内に前記高周波電力を供給する電極と、前記反応室から前記プラズマを放出する放出口と、を備え、
前記チャンバは、前記反応室側の表層に多孔質の酸化皮膜を有する金属材料により構成され、
前記多孔質の酸化皮膜は、金属基材側に形成された多孔質層と、前記多孔質層に積層された緻密層からなる2層構造を有し、
前記多孔質に含まれる複数の空孔の内面に、前記空孔の内部空間を維持しつつ、プラズマ耐性を有する絶縁物からなる保護膜が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
A plasma generating device that applies high frequency power to a reactive gas to generate plasma,
a chamber having a reaction chamber into which the reactive gas is introduced, an electrode for supplying the high frequency power into the reaction chamber, and an outlet for emitting the plasma from the reaction chamber;
the chamber is made of a metal material having a porous oxide film on a surface layer on the reaction chamber side,
the porous oxide coating has a two-layer structure including a porous layer formed on the metal substrate side and a dense layer laminated on the porous layer,
A plasma generating device, characterized in that a protective film made of an insulating material having plasma resistance is formed on the inner surface of a plurality of pores contained in the porous layer while maintaining the internal space of the pores.
前記保護膜は、セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項4に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating device according to claim 4, characterized in that the protective film is made of ceramics. 前記セラミックスは、周期表の第2族元素、第3族元素、第4族元素、第13族元素又は第14族元素を主とする酸化物を含むことを特徴とする請求項5に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating device according to claim 5, characterized in that the ceramic contains an oxide mainly consisting of Group 2 elements, Group 3 elements, Group 4 elements, Group 13 elements, or Group 14 elements of the periodic table.
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