CN101856805B - 用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法。该方法通过测量合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，所述合成石英玻璃基板原料的对角线长度至少为1000mm，并基于测量的平面度和平行度的数据部分地去除基板原料的凸起部分和厚的部分，生产大尺寸合成石英玻璃基板。去除步骤包括使用第一加工工具的研磨加工和使用第二加工工具的研磨加工，第一加工工具的直径对应于基板对角线长度的15～50％，第二加工工具具有较小的直径。

Description

用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法

技术领域

本发明涉及用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法，所述大尺寸合成石英玻璃基板适于用作TFT液晶面板中的阵列侧和滤色器侧光掩模基板。

背景技术

通常，通过使用游离的研磨剂的浆料(例如水中的氧化铝)研磨板状的合成石英原料，以磨去凸起和凹进的部分(凸凹不平之处)并使用例如水中的氧化铈的研磨剂浆料抛光来制造大尺寸合成石英玻璃基板。

在研磨加工中使用的双侧和单侧研磨机被设计成将基板压在研磨板上并将产生的相对于弹性形变的反作用力用于平面度的修正。它们的缺点是当基板尺寸变得更大时，反作用力显著减小，导致去除基板表面上的中等程度的凸凹不平之处的能力降低。

如JP-A2003-292346中所公开的，这个问题可以通过测量大尺寸基板的平面度和平行度，并基于测量数据部分去除基板的凸起部分和厚的部分来解决。如JP-A2007-001003中所公开的，石英玻璃基板也可通过下述方法进行抛光：将所述基板浸在抛光液中，调整基板的姿态并将气体鼓泡注入抛光液中，气体鼓泡的步骤基于指示基板平面度和缺陷相对于其表面位置的关系的数据。具有高平面度的石英玻璃基板以高的加工稳定性生产。但是，当基板尺寸变大时，加工时间延长。这就需要一种能够在短时间内进行平面度修正的经济的方法。

引用清单

专利文献1：JP-A 2003-292346

专利文献2：JP-A 2007-001003

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法，所述方法能够在短时间内对平面度和平行度进行修正。

本发明人发现当通过测量基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度并基于测量的数据部分地去除基板原料的凸起部分和厚的部分生产大尺寸合成石英玻璃基板时，可以通过在去除步骤中使用两种不同尺寸的加工工具在短时间内对所述基板的平面度和平行度进行修正。尽管传统的加工工具直径小，当单独使用时，经常在基板表面产生条痕，但是本发明将这些表面条痕减至最小。

因此，本发明提供一种用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法，该方法包含以下步骤：在使大尺寸合成石英玻璃基板原料保持竖直时，测量该基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，所述基板原料的对角线长度至少为1000mm；基于测量的平面度和平行度的数据部分地去除所述基板原料的凸起部分和厚的部分，以生产大尺寸合成石英玻璃基板。去除步骤包括使用第一加工工具的研磨加工和使用第二加工工具的研磨加工，所述第一加工工具的直径对应于基板对角线长度的15到50％，第二加工工具的直径小于第一加工工具的直径。

优选地，第二加工工具的直径对应于第一加工工具直径的10到40％。

典型地，生产的大尺寸合成石英玻璃基板的平面度/对角线长度至多为8×10^-6。

发明有益效果

本发明的方法能够有效地在短时间内对大尺寸合成石英玻璃基板原料平面度和平行度进行修正，成功地生产了具有高平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板。

附图说明

图1是基板横截面的示意图，说明了平面度和平行度。

图2示意性地说明了一个最小二乘方平面。

图3示意性地说明了要被去除的部分。

图4是加工装置的透视图。

图5是说明加工工具的往返移动模式的透视图。

图6说明了实施例1中的加工剖面。

具体实施方式

根据本发明的用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法包含以下步骤：在使大尺寸合成石英玻璃基板原料保持竖直时，测量该基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，所述基板原料的对角线长度至少1000mm；基于测量的平面度和平行度的数据部分地去除所述基板原料的凸起部分和厚的部分，以生产大尺寸合成石英玻璃基板。去除步骤包括使用第一加工工具的研磨加工和使用第二加工工具的研磨加工，所述第一加工工具的直径对应于基板对角线长度的15～50％，第二加工工具的直径小于第一加工工具的直径。

该方法通常包括以下步骤：

(1)测量大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，

(2)计算第一加工工具的材料去除量和往返移动速度，

(3)基于(2)的计算数据使用第一加工工具进行加工，

(4)计算使用第一加工工具加工的基板的构形，并基于所计算的构形数据计算第二加工工具的材料去除量和往返移动速率，和

(5)基于(4)的计算数据使用第二加工工具进行加工。

每一个步骤描述如下。

(1)测量大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度

步骤(1)是在基板原料保持竖直时，测量用于制成大尺寸合成石英玻璃基板的大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度。优选地，通过双面研磨机使该基板原料具有确定的平行度(基板内的厚度变化精度)。这是因为如果基板原料的平行度差，则需要更长的修正时间。可使用例如由Kuroda Precision Industries Ltd.商品化提供的平面度仪进行平面度的测量，为了消除任何由于基板原料自身重量导致的偏差，同时保持基板原料竖直。平行度可通过例如由Mitsutoyo Corp商品化提供的测微计测量。

图1是基板1的横截面的示意图，用于说明平面度和平行度。假如将从基板表面11计算的最小二乘方平面12作为参考平面，平面度是基板表面11的凸起侧和参考表面12之间的距离的最大值“a”与基板表面11的凹入侧和参考表面12之间的距离的最大值“b”之和。平行度是前表面和后表面之间距离的最大值“c”和最小值“d”之差。

图2示意性地说明了如何计算最小二乘方平面。图2中所示出的是基板表面11和最小二乘方平面12。

平面可以通过表示高度的z的方程式来表示：

z＝ax+by+c

其中a，b和c是任意常数。假定“s”表示平面度测量数据平面上特定测量点(x_i，y_i)的高度测量值z_i(x_i，y_i)和在相同位置(x_i，y_i)从上述方程式确定的高度(ax_i+y_i+c)之间的差。于是，“s”可由下面的方程式确定：

s＝{z_i(x_i，y_i)-(ax_i+y_i+c)}²

在整个平面度测量表面(x_0→n，y_0→n)上计算s值，并且计算在它们的和S最小时的a，b和c。假定a→A，b→B和c→C。那么，表示高度的z的方程式：z＝Ax+By+C成为表示最小二乘方平面的方程式。

(2)计算材料的去除量和第一加工工具的往返移动速率。

图3示出的是基板1、基板表面11、最小二乘方平面12和被加工平坦的表面13。

通过将基板内的特定点的平面度作为高度数据，将(1)中获得的测量数据存贮在计算机中。基于这些数据，对前表面和后表面各自计算为了使基板平坦，需要从基板表面研磨去除的材料的量(在图3中命名为A)。前表面和后表面各自加工成平坦的表面13与前表面和后表面各自的最小二乘方平面平行，并向测量表面中最凹入的点延伸接近。

随后，在两个表面都被加工平坦后，计算基板的平行度。根据计算的平行度，计算材料的去除量(在图3中命名为B)。确定材料的去除量，以便使基板的厚度等于经过平坦化的基板的最薄的部分。图3示意性地夸大说明了材料的去除部分，因此可以容易地理解去除部分A和B。这样，根据测量的大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，可以确定理想表面和点上的材料的去除量(I)。

通过第一加工工具对具有基本相同的尺寸、前表面和后表面的平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板原料进行加工，同时改变加工工具的往返移动速率、转动和材料。这样，预先计算出材料的去除量，由此，基于在理想表面和点处的材料去除量(I)获得加工剖面。基于此，计算使用第一加工工具的每个表面和点处的材料去除量(II)和往返移动速率。

(3)基于(2)的计算数据使用第一加工工具进行加工

基于(2)的材料去除量(II)和往返移动速率，使用第一加工工具对基板原料进行研磨加工。第一加工工具的直径对应于基板原料对角线长度的15～50％，优选30～45％。如果第一加工工具的直径小于基板对角线长度的15％，无法足够降低加工时间。如果第一加工工具的直径超过基板对角线长度的50％，平面度修正变小，并由于随后的第二加工工具的加工时间延长而不经济。特别地，第一加工工具优选的直径是250～800mm，更优选的是400～600mm。当考虑例如附加砂布的操作时，第一加工工具优选是圆形。

图4是加工装置的示意性透视图。图4中，基板1被固定于平台20上，加工工具21可在X和Y方向于基板1上方移动。加工工具21的运动可以通过计算机控制。使用如图4中示出的加工装置，在进行研磨加工时控制加工工具的滞留时间，使得在需要较大去除量的区域，加工工具21的往返移动速率降低以延长滞留时间；相反地，在需要较小去除量的区域，加工工具21的往返移动速率增加以缩短滞留时间。

基板保持平台20优选由发泡聚氨酯制成，该发泡聚氨酯具有至多80，更优选15～70的肖氏A硬度(Shore A hardness)，以及5～80％，更优选10～50％的压缩率。具有超过80肖氏A硬度的平台可能在基板上产生缺陷。在压缩率小于5％的情况下，基板的整个表面可能无法与平台紧密接触，并且接触压力可能局部增加导致在这些位置形成缺陷。

加工工具21连接至旋转机构。虽然加工工具的旋转数可以随工具尺寸而改变，但优选将加工工具21的旋转数调节为使得研磨浆料不会飞溅出装置，具体为30～300rpm，更优选30～120rpm。加工工具21通过万向接头与旋转轴连接，使得工具可以符合基板表面的斜度。附加于加工工具21上的是砂布，其典型地是聚氨酯泡沫体或非织造衬垫。

此处使用的研磨颗粒未作特别限定。氧化铈或胶态氧化硅颗粒都优选作为通常的研磨剂。优选地，研磨颗粒的平均颗粒尺寸为0.02～3μm，更优选为0.05μm～1μm。当研磨浆料从工具中流出或将基板浸入研磨浆料中时，开始进行加工。优选的浆料含有10～50重量％，更优选10～40重量％，进一步优选10～25重量％的研磨颗粒。优选地，该工具在转动的同时摆动，以便于浆料进入被加工的位置。在这种情况下，在此条件下预先检验加工剖面，基于其计算出往返移动速率。

图5是示出如何使加工工具21往返移动穿过平台20上的基板的透视图。如图5所示，可通过使加工工具以预定的速率平行于X轴方向连续往返移动，然后使其在Y轴方向移动特定间距，依此类推来进行研磨操作。在Y轴方向的给进间距优选至多为第一加工工具直径的30％，更优选为10～25％。如果该间距超过直径的30％，平面度修正会变小，并因为随后的第二加工工具的加工时间延长而不经济。

(4)计算使用第一加工工具加工后的基板的构形，并基于所计算的构形数据计算第二加工工具的材料的去除量和往返移动速率。

在第一加工工具往返移动穿过大尺寸合成石英玻璃基板原料表面的同时，进行研磨加工。大尺寸合成石英玻璃基板原料的整个表面无法一次被加工。因此，当只使用第一加工工具时，在一些区域实际材料的去除量和在根据测量的基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度计算得到的每个理想表面和点的材料的去除量(I)之间会出现差别。为了消除该差别，使用第二加工工具研磨通过第一加工工具未能全部研磨的区域，例如，基板的四个角。具体地，在第二加工工具加工前，根据基于使用第一加工工具得到的加工剖面通过计算预先确定的平面度和平行度的数据，计算由第二加工工具将要去除的必要的材料去除量和往返移动速率，以符合材料去除量(I)。如第一加工工具的情况，预先检验通过第二加工工具可实现的加工剖面，并可基于此剖面做进一步调整。这样，本发明可进行有效的加工，因为精度测量不是在使用第一加工工具所进行的加工后进行的。

当预先在计算中包括了直径、直径/基板对角线长度、往返移动速率和第一加工工具旋转数时，可以计算出由第二加工工具去除的必要的材料去除量和往返移动速率。

(5)基于(4)的计算数据使用第二加工工具加工。

依照(4)中计算的必要的材料去除量和往返移动速率，使用第二加工工具对基板进行加工。第二加工工具的尺寸应当比第一加工工具的小。具体地，第二加工工具优选具有对应于第一加工工具直径的10～40％，更优选15～30％的直径。如果第二加工工具的直径小于第一加工工具直径的10％，平面度修正效果会更大，但会需要更长的加工时间，这并不经济。如果第二加工工具的直径超过第一加工工具直径的40％，则材料的去除量无法精确控制并且平面度修正效果会降低。具体地，第二加工工具优选具有25mm～320mm，更优选100mm～200mm的直径。与第一加工工具类似，第二加工工具优选具有圆形形状。加工方法可与第一加工工具相同。第一加工工具与第二工具的组合能够防止在基板上形成条痕。可以随后进行进一步的抛光步骤。然而，即使没有抛光步骤，该方法也能够成功生产具有满意的平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板。

根据本发明，使用第一加工工具对对角线长度为至少1000mm的大尺寸合成石英玻璃基板原料进行研磨加工，然后进一步使用第二加工工具进行研磨加工，所述第1加工工具的直径是基板对角线长度的15～50％，所述第二加工工具的直径小于第一加工工具的直径。对于第一加工工具和第二加工工具，可以重复一个以上的加工步骤。

根据本发明的方法，可以在短时间内修正大尺寸合成石英玻璃基板原料的平面度和平行度，生产具有高平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板。大尺寸合成石英玻璃基板的对角线长度至少为1000mm，优选1500mm～2500mm。大尺寸基板的形状可以是正方形、矩形、圆形或其它形状。在圆形基板的情况下，对角线长度指的是直径。大尺寸基板的厚度并不特别限制，尽管优选为5mm～50mm，更优选10mm～20mm。

优选所生产的大尺寸合成石英玻璃基板是高度平坦的，如由平面度/对角线长度达到8×10^-6，更优选达到6×10^-6，甚至更优选达到5×10^-6所证明的。通常地，平面度/对角线长度至少为1×10^-6，尽管不限于此。

还优选所生产的大尺寸合成石英玻璃基板的平行度达到50μm，更优选达到30μm，甚至更优选达到10μm。如果平面度超过50μm，当基板安装于曝光工具中时，为了使曝光间隙的变化最小，修正操作面临更多的负担。

根据本发明的方法，可以在短时间内对大尺寸合成石英玻璃基板原料的平面度和平行度进行修正，可生产具有高平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板。使用所述大尺寸合成石英玻璃基板可制备大尺寸光掩模。大尺寸光掩模可用于面板曝光以实现CD精度的改进并能够对精细的特征图案进行曝光。这最终将导致面板生产成品率的改进。

实施例

下面给出实施例和对比例，尽管本发明不限于此。

实施例1

通过在行星式运动双侧研磨机上使用研磨剂FO#1000(Fujimi Abrasive Co.，Ltd.)研磨具有850mm×1200mm×10.2mm(厚度)尺寸的合成石英玻璃基板原料制备合成石英玻璃基板原料。基板原料的平行度为13μm，平面度为50μm。使用Kuroda Precision Industries Ltd.的平面度测试仪测量平面度，使用Mitsutoyo Corp的测微计测量平行度。根据测试的数据，确定每一相关表面和点处的材料去除量。

然后，将基板原料装在图4中所示的装置的平台20上。使用的平台20为具有肖氏A硬度66和压缩率25％的发泡聚氨酯的无蜡保持衬垫BP-102(FujiboEhime Co.，Ltd.)。第一加工工具是不锈钢SUS304盘，其直径为500mm，其上附加有聚氨酯砂布。通过在水中以20wt％的浓度悬浮平均颗粒尺寸1μm的氧化铈颗粒来制备浆料。在之前的测试中，通过提供尺寸、前表面和后表面的平面度和平行度基本相同的大尺寸合成石英玻璃基板原料，并使用第一加工工具进行加工来确定加工剖面。测试表明加工剖面在工具中心处去除量较大，而在工具边缘去除量较小，如图6所示。基于这种结果，加上Y轴方向的给进间距，计算第一加工工具的往返移动速率。研磨加工基于往返移动速率得以实现，平行X轴连续往返移动第一加工工具，并在Y轴方向给进对应于第一加工工具直径的20％的间距(100mm)。第一加工工具以60rpm旋转。

第二加工工具是不锈钢SUS304盘，其直径为150mm，其上附加有聚氨酯砂布。通过在水中以20wt％的浓度悬浮平均颗粒尺寸1μm的氧化铈颗粒制备浆料。基于前述的加工剖面计算得到的使用第二加工工具加工前的平面度和平行度的数据，计算使用第二加工工具要去除的必要材料去除量并确定第二加工工具的往返速率。Y轴方向的给进间距是第二加工工具直径的20％，即30mm。第二加工工具以150rpm旋转。第二加工工具在X轴方向的往返移动速率最小是30mm/min。在基板不同区域上的第二加工工具的往返移动速率根据该区域的去除速率计算。基板的前表面以这种方式处理，此后对后表面进行相似的处理。结果在表1中示出。

假设使用第二加工工具单独完成加工时所经历的加工时间为100，则加工时间是26。也就是说，在大概1/4的时间内完成了加工。经如此加工的基板具有的平面度为7.8μm，平行度为7.6μm。尽管使用第二加工工具单独加工的基板有条痕，但实施例1中经加工的基板表面没有显示出条痕。

实施例2～6和对比例1

按照实施例1对基板进行加工，不同之处在于使用不同尺寸的第一加工工具和第二加工工具。以使用直径为100mm的单一加工工具进行加工时所经历的加工时间为100作为条件，记录加工时间。

表1

Claims (8)

1.一种用于生产大尺寸合成石英玻璃基板的方法，包含以下步骤：

在使大尺寸合成石英玻璃基板原料保持竖直时，测量该基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，所述基板原料的对角线长度至少为1000mm；和

基于测量的平面度和平行度的数据部分地去除基板原料的凸起部分和厚的部分，以生产大尺寸合成石英玻璃基板，

所述去除步骤包括使用第一加工工具的研磨加工和使用第二加工工具的研磨加工，所述第一加工工具的直径对应于基板对角线长度的15～50％，所述第二加工工具的直径小于第一加工工具的直径，使用第一加工工具的所述研磨加工和使用第二加工工具的所述研磨加工在相同的基板保持平台上进行。

2.如权利要求1所述的方法，其中第二加工工具的直径对应于第一加工工具直径的10～40％。

3.如权利要求1所述的方法，其中大尺寸合成石英玻璃基板的平面度／对角线长度至多为8×10^-6。

4.如权利要求1所述的方法，其中其上保持有基板的平台由发泡聚氨酯制成，该发泡聚氨酯具有至多80的肖氏A硬度。

5.如权利要求1所述的方法，其中加工工具连接至旋转机械，该加工工具的旋转数为30～120rpm。

6.如权利要求1所述的方法，其中通过使用氧化铈或胶态氧化硅颗粒进行研磨加工，所述氧化铈或胶态氧化硅颗粒的平均颗粒尺寸为0.02～3μm。

7.如权利要求1所述的方法，其包括如下步骤：

(1)测量大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，

(2)计算第一加工工具的材料去除量和往返移动速率，

(3)基于(2)的计算数据使用第一加工工具进行加工，

(4)计算使用第一加工工具加工的基板的构形，并基于所计算的构形数据计算第二加工工具的材料去除量和往返移动速率，和

(5)基于(4)的计算数据使用第二加工工具进行加工。

8.如权利要求7所述的方法，其中

步骤(1)是在使大尺寸合成石英玻璃基板原料保持竖直时，测量该基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，

步骤(2)是通过将基板内的特定点的平面度作为高度数据，将在步骤(1)中获得的测量数据贮存在计算机中，并基于这些数据，对前表面和后表面各自计算为了使基板平坦，需要从基板表面研磨去除的材料的量A；

在两个表面都被加工平坦后，计算基板的平行度，并根据计算的平行度，计算材料的去除量B；

根据测量的大尺寸合成石英玻璃基板原料的前表面和后表面的平面度和平行度，确定理想表面和点上的材料去除量(I)；和

通过第一加工工具对具有基本相同的尺寸、前表面和后表面的平面度和平行度的大尺寸合成石英玻璃基板原料进行加工，同时改变加工工具的往返移动速率、转动和材料，由此，预先计算出材料的去除量，由此，基于在理想表面和点处的材料去除量(I)获得加工剖面，且基于此，计算使用第一加工工具在每个表面和点处的材料去除量(II)和往返移动速率；

步骤(3)基于(2)的材料去除量(II)和往返移动速率，使用第一加工工具对基板原料进行研磨加工，

步骤(4)为在通过第二加工工具加工前，根据基于使用第一加工工具得到的加工剖面，通过计算预先确定的平面度和平行度的数据，计算待由第二加工工具将要去除的必要的材料去除量和往返移动速率，以符合材料去除量(I)，和

步骤(5)为依照步骤(4)中计算的必要的材料去除量和往返移动速率，使用第二加工工具对基板进行加工。

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