CN101115691A - 制备用于半导体制造的石英玻璃元件的方法，和根据该方法得到的元件 - Google Patents

Abstract

通过机械加工石英玻璃坯的表面，制得特定地用于半导体生产的石英玻璃元件，并由此获得起始平均表面粗糙度R_a，0。最后在蚀刻溶液中清洁经如此加工的元件表面。本发明中涉及到初次地特定使用时在颗粒形成方面对这种元件进行最优化。这里推荐，通过机械加工得到至少0.2μm的起始平均表面粗糙度Ra，ovon，并且调节蚀刻处理的强度和持续时间，使得得到至少10μm的实际蚀刻深度。根据本方法得到的、用于半导体生产的石英玻璃元件，其特征是，在其首次特定的使用之前其具有通过机械加工和蚀刻产生的具有蚀刻结构的表面，且其平均表面粗糙度R_a，1为0.6μm至8μm，并且在利用10％的氢氟酸于室温下蚀刻元件时可获得随着时间流逝基本恒定的小于0.4μg/(mm²×min)的重量损失。

Description

制备用于半导体制造的石英玻璃元件的方法，和根据该方法得到的元件

本发明涉及制备用于半导体制造的石英玻璃元件的方法，其中是通过机械加工石英玻璃坯的表面而获得起始平均表面粗糙度R_a，0，并且使经加工的元件表面历经蚀刻处理。

另外，本发明还涉及用于半导体制造且根据该方法得到的石英玻璃元件，且其在第一次的特定使用之前具有由机械加工和蚀刻所产生的具蚀刻结构的表面。

石英玻璃元件在半导体制造业中是以反应器和设备的形式用于处理晶片、晶片载体、钟、坩锅等。在这些应用中，石英玻璃元件通常要承受很高的热负载和化学腐蚀性环境。

特别要关注的是不含污染物和由该元件导致颗粒的形成。颗粒会减小过程输出量(Prozessausbeute)并因此是极其不理想的：人们可以区分那些由于腐蚀而从石英玻璃元件中溶出的颗粒，和那些涉及材料涂层成分并例如在溅射或蒸发过程中沉淀于石英玻璃元件表面上并从那里析出的颗粒。

在上下文中，石英玻璃元件的表面粗糙度有着重要意义。一方面，特定的表面粗糙度是理想的，因为材料层能更好地粘结在粗糙表面上，从而使得层成分的溶解可能性以及所需的清洁措施——通常包括在含氢氟酸溶液中进行蚀刻——频率都会减小。因此，在此方面具有很大意义的各个表面通常可通过研磨、抛光或喷砂来进行加工和粗糙化。

另一方面，在机械加工表面以调节理想的粗糙度时会产生一些在使用石英玻璃元件时又会导致颗粒形成的表面缺陷。因此为了保证获得尽可能整洁和无颗粒的表面，要在机械加工之后由工厂方或使用者在蚀刻溶液中迅速地清洁石英玻璃元件。如此加工得的元件的表面是不含颗粒的并且其特点是通过机械终加工可预先确定表面粗糙度，同时根据蚀刻溶液中的清洁过程的长短，也可以观察到些许的蚀刻结构。

但是，通过这些措施，在特定使用元件时仍然不能足够程度地避免颗粒的形成。

因此，本发明的任务在于，提供成本低廉的加工石英玻璃元件表面的方法，其能够实现可复制性地制备只形成很少颗粒的元件。

此外，本发明的任务还在于提供这样的元件，其特征是在其首次特定地用于半导体生产中时只会形成少量的颗粒。

就所述方法而言，该任务可以从开头所述的方法出发根据本发明按照如下所述来解决，即通过机械加工获得至少为0.2μm的起始平均表面粗糙度R_a，0，并调节蚀刻处理过程的强度和持续时间，以得到至少10μm的实际蚀刻深度。

根据本发明，对石英玻璃坯的表面进行机械加工并且在该过程中得到0.2μm或更大的起始平均表面粗糙度R_a，0。如上所述，为了更好地粘结在特定使用时沉淀于石英玻璃元件表面上的材料层，希望有一定的粗糙度。

但另一方面，已经表明，起始的、由机械加工得到的表面粗糙度越大，形成的颗粒就越大。通过串接在机械加工过程之后的清洁过程可以减少颗粒的形成。但是在此，标准的清洁处理过程对于此目的来说是不足够的。相反，已经发现，需要维持最小蚀刻量为至少10μm。

但是另一方面，当起始的平均表面粗糙度R_a，0在蚀刻过程前为至少0.2μm时，只能在后续的这种蚀刻过程之后得到具有在材料层粘结方面仍然足够的粗糙表面的元件。

因此，根据本发明，在机械加工之后首先要计算起始的平均表面粗糙度R_a，0——倘若该值未知——并确保R_a，0大于0.2μm。接着，蚀刻坯件的表面直至深度为至少10μm。以此得到特点是颗粒形成少的石英玻璃元件。

平均表面粗糙度R_a的定义由EN ISO 4287给出，而测量条件则由ENISO 4288或EN ISO 3274给出，这些均取决于坯件的表面是否要通过打磨或喷砂(非周期性的表面形状)或通过旋转(周期性的表面形状)来进行终加工。

对于更高的起始表面粗糙度(R_a，0约0.4μm甚至更高)则要维持最小蚀刻量，而该值又取决于由机械加工所设定的表面粗糙度。

因此，优选计算起始的平均表面粗糙度R_a，0并调节实际的蚀刻深度大于根据R_a，0确定的最小蚀刻深度蚀刻深度min。

在该过程中首先基于所计算得的或已知的R_a，0值来确定特定的最小蚀刻量并相应地长时间和强烈地蚀刻坯件。根据少量的蚀刻试验得到特别针对R_a，0值的最小蚀刻量作为各个蚀刻深度，且从该值起在进一步蚀刻坯件时可获得恒定的蚀刻速率[mm/min]或者随时间流逝基本恒定的重量损失。

在这一方面，实验证明，从0.4μm或更大的起始平均表面粗糙度R_a，0起，操作过程就会变得特别有利，其中蚀刻深度_min满足以下尺寸规则：

蚀刻深度_min＝70+60×ln R_a，0[μm]，

优选以下尺寸规则：

蚀刻深度_min＝75+60×ln R_a，0[μm]。

当坯件起始的平均表面粗糙度R_a，0已知时，这一尺寸规则就能允许简便地确定足以获得特点是在特定使用时有着颗粒形成少且同时还在沉积的材料层粘结方面有着足够高表面粗糙度的石英玻璃元件的蚀刻量。

现已表明，特别对于经打磨的且起始平均表面粗糙度R_a，0为0.4μm或更高的石英玻璃表面，最小蚀刻量蚀刻深度_min通常为15μm至120μm，优选为20μm至100μm。

为了使伴随着蚀刻处理过程的时间耗费和材料损失量最小化，就要尽可能使蚀刻量(机械加工之后)保持尽可能小。因此，优选在过程中调节蚀刻处理的强度和持续时间，使得实际蚀刻深度比蚀刻深度_min大最高20μm。

另外，也证明行之有效的是，通过机械加工表面，可生产得R_a，0为至少0.3μm且最大1.6μm、优选约0.8μm的起始平均表面粗糙度。

在蚀刻掉至少10μm或者大约各个特殊的最小蚀刻量蚀刻深度_min之后，就可从具有上述范围的起始平均表面粗糙度的石英玻璃坯件得到在粘结沉积的材料层方面有着足够高表面粗糙度的石英玻璃元件。

在上下文中也证实了特别优选的是，蚀刻处理会产生具有在比起始平均表面粗糙度R_a，0高0.4μm至7μm的实际平均表面粗糙度R_a，1的蚀刻结构。

在将石英玻璃元件用于半导体制造中这一方面，根据本发明上述的任务可以以如下方式解决，即使元件具有特征如下的表面：

a)平均表面粗糙度R_a，1为0.6μm至8μm，和

b)当蚀刻在10％的氢氟酸中并于室温下进行时，随时间流逝基本恒定的小于0.4μg/(mm₂×min)的重量损失。

在首次特定地用于半导体制造之前，本发明的石英玻璃元件的表面就具有基本上特点是有着两种性能的蚀刻结构。一方面是平均的表面粗糙度为0.6μm至8μm。另一方面是从一开始就存在的蚀刻行为相对于后续的蚀刻处理的基本恒定性。

0.6μm至8μm范围内的平均表面粗糙度保证了沉积在表面上的材料层足够的粘结。

蚀刻行为的恒定性表现在，一方面从元件的首次的特定使用开始，通过在10％的氢氟酸中进一步的蚀刻元件，会得到随时间流逝基本恒定的重量损失；而另一方面是，重量损失很小，小于0.4μg/(mm²×min)。所测得的重量损失取决于石英玻璃元件的表面大小，而该值在蚀刻过程中会持续下降。这种效应可以通过对各个表面积进行标准化处理而消除。对于基本在时间上恒定的重量损失可理解为是标准化为[mm²×min]的重量损失[μg]，该值与平均值(算术平均值)相差最大0.05μg。

现已表明，随着石英玻璃元件的蚀刻速率的变化，会伴随着有明显的颗粒产生，而与此相反，对于石英玻璃元件少形成颗粒来说，必须要求具有随时间流逝恒定的重量损失。因此，这一特征也同时表明了从产生颗粒这一方面来看，本发明的元件适用于半导体制造。

随时间流逝恒定的重量损失(标准化每个表面)还有利于一定程度上维持平均表面粗糙度并因此也能有利于维持石英玻璃元件的粘结性，哪怕是在含氢氟酸的溶液中多次清洁之后——无论如何，当起始平均粗糙度R_a为0.8μm或更少时就能发现这一点。

本发明的元件可以根据上述方法得到，特别是通过在保持起始平均表面粗糙度R_a，0为至少0.2μm的条件下进行机械加工，和接着以对于R_a，0值特有的最小蚀刻量进行蚀刻处理。

本发明的元件在很少颗粒产生方面的另一改善来自于，在蚀刻时并且在上述条件下将随时间流逝基本恒定的重量损失调节为小于0.25μg/(mm²×min)。

现已发现，在这种元件中蚀刻结构不含微裂纹。

特别有利的是以法兰形式将本发明的元件用于单晶片处理装置中。

单晶片处理装置直接相邻于待处理的晶片，或者其直接位于单晶片处理装置上，从而使得由该装置产生的颗粒特别成问题。

以下根据实施例和专利附图来更详尽地阐述本发明。附图为：

图1具有不同机械预处理表面的石英玻璃坯件的随时间的蚀刻量图，和

图2具有不同机械预处理表面的石英玻璃坯情况下，表面粗糙度随着蚀刻持续时间变化的棒形图。

由天然来源的石英原材料制得圆柱形的石英玻璃坯并利用最后还配备有D46砂轮(根据FEPA-标准)的研磨设备粗糙地将平坦表面研磨到预定的最终尺寸。在使用CNC磨机的条件下于多步加工步骤中对平坦表面进行终加工，其中要持续地细化研磨度。以此方法得到具有四种不同表面质量的元件——各自的特征在于其起始的平均粗糙度R_a，0。这些值列于表1中。

表1

样品	起始平均粗糙度Ra，0	蚀刻时间min[min]	蚀刻深度min[μm]	蚀刻时间min后的最大粗糙度[μm]
					1	0.4	300	15	1.0
2	0.8	1200	60	4.4
					3	1.2	1600	80	6.0
4	1.5	～2000	～100	6.5

接着在氢氟酸蚀刻溶液中蚀刻如此得到的石英玻璃样品，其中要在室温下调节约0.05μm/min的蚀刻速率。

蚀刻溶液指的是10％的HF溶液(蒸馏水中)。

使具有不同表面质量的样品在这种蚀刻溶液中均经历5分钟至2880分钟(48小时)的蚀刻时间。因而这一过程中所蚀刻掉的层厚度在0.125μm至144μm的范围内。在这一系列的试验中，所有的样品品质首先是具有较高的蚀刻速率，而该速率在一定的蚀刻时间后会转变为基本上恒定的蚀刻速率。

对于四种样品品质，与此相应的蚀刻速率的时间分布显示于图1的图表中。图中，y轴上是基于元件实际表面积的关于时间的重量损失V_GA[μg/min×mm²]，而在x轴上是以[min]表示的蚀刻时间t。所有的样品均表现出开始时是大略呈指数式重量下降(A区域)，而在进一步蚀刻后则转变为线性分布(B区域)。可以清楚地看到，对于具有起始时最小的平均粗糙度的样品，转变为线性重量损失的过渡区明显要早于具有更高平均粗糙度的样品。对于各种表面质量，在第3栏中引入直至线性分布开始的大致的蚀刻持续时间作为“蚀刻时间_min”。在第4栏中则是换算为“蚀刻深度(tzdauer)”的换算值。

现已发现，所有具有受试的表面质量的石英玻璃元件在特定使用时都具有很少的颗粒形成，前提是它们在机械终加工之后经历蚀刻处理，其中完成至少是如表1中所述“蚀刻深度_min”的蚀刻量。若蚀刻深度更小(在预定的蚀刻速率下进行更短时间的蚀刻处理)，在使用相应元件时仍能观察到有颗粒产生。

从成本观点来看，这种结果所带来的结论是，优选开始时更为光滑的表面，因为它们会在明显更短的蚀刻时间内得到有着很少颗粒形成的石英玻璃元件。但同时也要注意到其他两个方面。一方面是制备起始时即平滑的表面需要明显更高的打磨和抛光成本。另一方面，有着起始时即平滑的表面的样品在持续至少“蚀刻时间_min”的时间的蚀刻过程之后，其所表现出的表面粗糙度要小于有着起始时更为粗糙表面的样品的表面粗糙度，就如同以下图2的条形图所详尽阐释的那样。

图2显示了对于不同的表面质量，平均表面粗糙度R_a在不同的蚀刻时间[分钟]之后的变化情况。从中可以看出，对于所有的样品，平均表面粗糙度R_a在蚀刻过程中首先是增加的然后又下降。表面粗糙度的增加和最大值对于具有起始时粗糙表面的样品来说，要比具有起始时最为平滑表面的样品(样品1)更为显著。对于该样品，在整个蚀刻试验中调节平均表面粗糙度的最大值为约R_a＝1.0μm。三个不同的样品所显示出的粗糙度最大值是各个起始值的6至7倍。在历经对应于各样品特有的“蚀刻时间_min”的蚀刻时间之后，对于这些样品，粗糙度仍然要为各起始值的4至5倍。历经“蚀刻时间_min”的蚀刻之后，各样品特有的最大R_a值列于表1的第5栏中。

对于那些也需要沉积的材料层有着良好粘结的应用，较高的表面粗糙度是更为合适的。就此方面来说，优选具有起始平均粗糙度为R_a＝0.8μm的样品2，其特点一方面是对于“蚀刻时间_min”有着合理的较小值(1200min)，另一方面在该段时间的蚀刻之后还具有足够高的R_a值高于4μm的表面粗糙度。

根据表1中所列的数据，可以依据以下尺寸规则估算出所需的蚀刻处理的强度和持续时间：蚀刻深度_min[μm]＝70+60×ln R_a.0[μm]。

考虑到可靠性因素，实践中实际上的蚀刻深度要比最小蚀刻深度_min深至少5μm，而出于成本原因则最多只能20μm。

实施例

使用本发明的方法制备石英玻璃制单晶片架。该元件基本上为环形。将相应石英玻璃坯的所有表面——即两个平坦侧面和圆柱面——如上所述地进行打磨，直至达到0.8μm的平均表面粗糙度。

接着将经如此加工过的坯件在10％的HF溶液中处理1440分钟。如此得到的元件表现出具有平均表面粗糙度R_a约4.3μm的蚀刻结构，其完全不含微裂缝。

该元件的特征是在特定使用时颗粒形成少并且对于其上沉积的材料层有着高的粘结能力。

如此制得的石英玻璃架的特点在于在进一步于10％的氢氟酸中蚀刻时有着基本恒定的蚀刻行为。这一点首先反映在重量损失小，为约0.2μg/(mm²×min)。重量损失还是在时间上恒定的，也如图1所示。在进一步的蚀刻时间为1440分钟的蚀刻过程(并且因此总的蚀刻持续时间为2880分钟)中，重量下降为约0.19μg/(mm²×min)。

另外，平均表面粗糙度也在经过这段1440分钟的进一步蚀刻过程后，维持在相对较高的约4.1μm的水平(如图2所示)。

比较例

如实施例1所述的那样制备石英玻璃制的单晶片架并且机械加工。平均表面粗糙度为0.8μm。如此加工后的坯件接着在10％的HF溶液中清洗20分钟。

如此得到的元件具有平均表面粗糙度R_a约1μm的蚀刻结构。当特定地用于半导体制造过程中时，其会有明显的颗粒形成。

支架的蚀刻行为的测试表明，在于10％的HF溶液中蚀刻时石英玻璃表现出约1μg/(mm²×min)的较高的起始重量损失，而在进一步蚀刻时又会快速下降。

Claims (12)

1.制备用于生产半导体的石英玻璃元件的方法，其中通过机械加工石英玻璃坯的表面而得到起始的平均表面粗糙度R_a，0，并对如此加工后的元件表面进行蚀刻处理，其特征在于，通过机械加工获得R_a，0为至少0.2μm的起始平均表面粗糙度，并且调整蚀刻处理的强度和持续时间，以获得至少10μm的实际蚀刻深度。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，计算起始平均表面粗糙度R_a，0并且调整实际蚀刻深度使其大于根据R_a，0所确定的最小蚀刻深度蚀刻深度_min。

3.权利要求2所述的方法，其特征在于，当起始平均表面粗糙度R_a，0为0.4μm或更大时，蚀刻深度_min满足以下尺寸规则：

蚀刻深度_min[μm]＝70+60×lnR_a，0[μm]。

4.权利要求3所述的方法，其特征在于，蚀刻深度_min满足以下尺寸规则：

蚀刻深度_min[μm]＝75+60×ln R_a，0[μm]。

5.权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，蚀刻深度为15μm至120μm，优选为20μm至100μm。

6.权利要求2至5之一所述的方法，其特征在于，调节蚀刻处理过程的强度和持续时间，使得实际蚀刻深度大于蚀刻深度_min至多20μm。

7.上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过机械加工表面，获得起始平均表面粗糙度R_a，0为至少0.3μm和最大1.6μm，优选约0.8μm。

8.上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，蚀刻处理得到蚀刻结构，该结构具有实际平均表面粗糙度R_a，1，且该值在比起始平均表面粗糙度R_a，0高0.4μm至7μm。

9.用于生产半导体的石英玻璃元件，其在首次特定的应用之前具有由机械加工和蚀刻所产生的带有蚀刻结构的表面，该石英玻璃元件的特征在于，

a)平均表面粗糙度R_a，1为0.6μm至8μm，和

b)当蚀刻在10％的氢氟酸中并于室温下进行时，随着时间流逝基本恒定的小于0.4μg/(mm²×min)的重量损失。

10.权利要求9所述的元件，其特征在于，随着时间流逝基本恒定的小于0.25μg/(mm²×min)的重量损失。

11.权利要求9或10所述的元件，其特征在于，蚀刻结构没有微裂缝。

12.前述权利要求9至11之一所述的元件，其特征在于，将其构造为用于单晶片处理装置的法兰的形式。

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