DE10328250B4

DE10328250B4 - Verfahren zur Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE10328250B4
Application number: DE2003128250
Authority: DE
Inventors: Dr. rer.nat. Böhm Georg; Dr. rer.nat. Frank Wilfried; Dr. rer.nat.habil. Schindler Axel
Original assignee: LEIBNIZ INST fur OBERFLACHENMODIFIZIERUNG E V; Jenoptik Optical Systems GmbH; Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz-Institut fur Oberflaechenmodifizierun De; Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: DE10328250A1

Abstract

Deterministisches plasmachemisches Ätzverfahren zur gezielten, effizienten und präzisen Formgebung, Formfehlerkorrektur oder Glättung von Oberflächen oder Oberflächenschichten von Isolatoren und Halbleitern mit Hilfe eines mikrowelleninduzierten Plasmastrahls dadurch gekennzeichnet, dass a) das zur Erzeugung des Plasmastrahls verwendete Gas oder Gasgemisch Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen aber keine Halogene oder halogenhaltigen Verbindungen enthält, b) der Plasmastrahl bei einem Druck 0,01 bar erzeugt wird, c) der Plasmastrahl mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird und d) Plasmastrahl und Werkstückoberfläche relativ zueinander mit wechselnder oder konstanter Geschwindigkeit computergesteuert bewegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein plasmachemisches Ätzverfahren zur Bearbeitung der Oberfläche von z. B. optischen Werkstücken wie Linsen, Spiegel oder Spiegelsubstrate aus Quarzglas oder ULE^® bei einem Druck ≥ 0.01 bar unter Beibehaltung oder Verbesserung der Ausgangsrauheit mit Hilfe eines mikrowelleninduzierten Subapertur-Plasmastrahls, wobei das Plasma des Plasmastrahls keine Halogene oder halogenhaltigen Verbindungen enthält. Eingeschlossen ist eine Bearbeitung mit hoher lateraler Auflösung (< 5 mm) bei geeigneter Dimensionierung des Plasmastrahls.
Stand der Technik
Die gezielte Herstellung definierter Oberflächenformen einschließlich Planflächen mit hoher Genauigkeit und lateraler Auflösung im mm-Bereich durch Subapertur-Bearbeitungsverfahren gewinnt insbesondere im Bereich der optischen Anwendungen zunehmend an Bedeutung.
Aus DE 199 25 790 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von optischen und anderen Oberflächen mittels Hochrate-Plasmaprozessen bekannt. US 6,396,214 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines freien kalten Plasmastrahles. In US 6,294,469 B1 ist die Verwendung von Plasma-unterstütztem chemischen Ätzen zur Verbesserung der Ebenheit und Gleichmäßigkeit der Schichtdicke eines Wafers beschrieben. WO 2002/078749 A2 beschreibt eine Atmosphärendruck betriebene Plasmaquelle.
Etablierte Verfahren zur Subapertur-Oberflächenbearbeitung optikrelevanter Körper sind:

1) Mechanisch-abrasive Methoden wie Schleifen, Diamantdrehen sowie Läppen und Polieren einschließlich magneto-rheologisches Polieren (MRF) und computergestütztes Polieren (CCP) mit kleinem Werkzeug,
2) Physikalische Ätzverfahren wie das Ionen- oder Ionenstrahlätzen (IBE),
3) Kombinierte chemisch-physikalische Ätzverfahren wie das reaktive Ionen- bzw. Ionenstrahlätzen (RIE bzw. RIBE) oder das chemisch unter-stützte Ionenstrahlätzen (CAIBE),
4) Plasmachemische Ätzverfahren wie CVM (Chemical Vapour Machining) [ EP0300224 , EP0781618 , JP9063791 ], PACE (Plasma Assisted Chemical Etching) [ US5811021 , US4668366 , EP0546842 , EP0546852 , EP0558238 ), LDE (Local Dry Etching) [ EP1054443 , EP1004401 , EP0977243 ], PJCE (Plasma Jet Chemical Etching) [ DE19925790 ] und RAPE (Reactive Atom Plasma Etching) [ US2002100751 , US2002148560 ].

Nachteile des Standes der Technik:
Zu 1)
Die genannten Verfahren führen auf Grund ihres mechanischen Wirkprinzips je nach Abtragsgeschwindigkeit zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Störung des Materialgefüges im oberflächennahen Bereich bis in eine Tiefe von einigen 100 μm. Eine unmittelbare Folge dieser Schäden ist z. B. die für bestimmte Anwendungen zu geringe Laserzerstörschwelle derart gefertigter Optiken. Mittelbar ergeben sich Probleme hinsichtlich der erreichbaren Oberflächengüte durch die negative Beeinflussung nachfolgender Prozesse wie z. B. dem nasschemischen Ätzen oder der Ionenstrahlbearbeitung. Die Spezifikationen bezüglich Formfehler und Oberflächenrauheit von Hochleistungsoptiken mit überwiegend aspherischer Oberflächenform wie sie zunehmend insbesondere für die Halbleiterlithographie bei kurzen Wellenlängen (UV, VUV, DUV, EUV) benötigt werden, sind daher kaum oder nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren.
Zu 2) und 3)
Ionenätzverfahren sind aufgrund der erforderlichen Hochvakuumtechnik teuer und wegen der geringen Ätzraten ineffizient. Für das Ionenstrahlätzen benötigt man zusätzlich teure Ionenstrahlquellen. Eine laterale Auflösung im mm-Bereich kann gegenwärtig nur mit Hilfe von Masken oder Blenden erreicht werden.
Zu 4)
Allen genannten Verfahren ist gemeinsam, dass die reaktiven Spezies durch elektrische bzw. elektromagnetische Anregung und Dissoziation von Gasen oder Gasgemischen mit halogenhaltigen Komponenten (z. B. CF₄, CHF₃, SF₆, NF₃, CC1₄) gewonnen werden. Die daraus resultierende Fluor- oder Chlorchemie führt insbesondere bei geringem Materialabtrag durch Wechselwirkung mit oberflächennahen Störungen im Materialgefüge zur Aufrauung der Oberfläche als Folge eines stark inhomogenen Ätzangriffs. Glättungseffekte konnten erst nach hinreichend großem Materialabtrag (bis zu einigen 100 μm) nachgewiesen werden (PACE, RAPE).
Der Prozessdruck beim PACE- und LDE-Verfahren ist ≥ 0.01 bar, das PJCE-Verfahren arbeitet im Druckbereich von 0.01–1 bar und das CVM- und RAPE-Verfahren bei atmosphärischem Druck.
Die Halbwertsbreiten der Ätzprofile beim LDE- und RAPE-Verfahrens liegen bei ca. 20 mm. Beim CVM-Verfahren mit rohrförmiger Elektrode ergibt sich ein W-förmiges Ätzprofil mit einer Breite von ca. 5 mm. Eine Skalierung in Richtung kleinerer Strahldurchmesser (< 2 mm) mit geringeren Halbwertsbreiten der Ätzprofile für eine Bearbeitung mit hoher lateraler Auflösung (< 5 mm) ist für alle Verfahren mit Ausnahme des PJCE-Verfahrens aufgrund der spezifischen Entladungsgeometrien problematisch.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung:
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Subapertur-Oberflächenbearbeitung (z. B. Formgebung, Formkorrektur, Glättung) insbesondere optikrelevanter Werkstücke wie Linsen, Spiegel oder Spiegelsubstrate. Das Verfahren soll gekennzeichnet sein durch (1) Erhaltung oder Verbesserung der Ausgangsrauheit, (2) geringe Kosten insbesondere durch eine Bearbeitung bei annähernd atmosphärischem Druck, (3) hohe laterale Auflösung (< 5 mm), (4) Anwendbarkeit auf gekrümmten Flächen und (5) hohe Effizienz durch einfache Realisierung eines problemangepassten Materialabtrags.
Lösung der Aufgabe:
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein mikrowelleninduzierter Plasmastrahl z. B. mit Hilfe eines geeignet modifizierten MPT (Microwave Plasma Torch) erzeugt wird, wobei das zur Erzeugung des Plasmastrahls verwendete Gas oder Gasgemisch neben inerten Komponenten (z. B. He oder Ar) Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen (z. B. H₂O, NH₃) aber keine Halogene oder halogenhaltigen Verbindungen enthält.
Optional ist der Plasmastrahl so dimensioniert, dass eine Bearbeitung mit hoher Auflösung (< 5 mm) gegebenenfalls durch gesteuerte lineare und/oder rotierende Bewegung des Plasmastrahls relativ zur Werkstückoberfläche nach entsprechender numerischer Simulation erfolgen kann. Dabei wird die Lage des Plasmastrahls zur Werkstückoberfläche idealerweise immer so gewählt, dass ein zuvor unter gleichen Bedingungen bestimmtes Abtragsprofil hinreichend genau reproduziert wird.
Vorteile der Erfindung:
Durch Ausschluss halogenhaltiger Verbindungen im Plasma kann die zuvor vor allem bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Quarzglas oder quarzglasähnlichen Materialien (z. B. ULE^®) insbesondere bei geringem Materialabtrag beobachtete Aufrauung der Oberfläche vermieden werden.
Darüber hinausgehend ergibt sich unter geeigneten Bedingungen eine effektive Glättung (< 1 nm rms) rauher Ausgangsflächen nach Abtrag weniger μm.
Durch die Mikrowellenanregung ist sichergestellt, dass sich keine hochenergetischen Ionen im Plasma befinden, die anderenfalls zu einer Schädigung oberflächennaher Schichten führen können.
Bei Verwendung eines MPT zur Plasmastrahlerzeugung kann die Geometrie des Plasmastrahls einfach durch Variation des als Gasauslass dienenden Endes des rohrförmigen MPT-Innenleiters z. B. durch sukzessive Verjüngung bei gleichzeitiger Reduzierung des Rohrinnendurchmessers skaliert werden. Auf diese Weise können ohne großen Aufwand radialsymmetrische Ätzprofile mit Halbwertsbreiten < 2 mm realisiert werden, was eine präzise Bearbeitung mit lateraler Auflösung < 5 mm ermöglicht.
Ausführungsbeispiel
Beispielbeschreibungen
1) Herstellung von Rotationsasphären aus einer bestangepassten, konventionell oder plasmachemisch gefertigten Sphäre (Abb. 1).
Das Werkstück (10) mit der zu bearbeitenden Oberfläche (11) wird auf eine rotierende Bewegungseinheit (20) montiert, die ihrerseits auf einer horizontal beweglichen Lineareinheit (21) befestigt ist. Die Strahlerzeugungseinheit (MPT) (30) mit Plasmastrahl (31) ist mit einer Verkippungseinheit verbunden, die darüber hinaus vertikal bewegt werden kann. Die gezielte Oberflächenbearbeitung erfolgt durch Rotation (40) des Werkstücks (10) mit konstanter oder variabler jedoch ausreichend hoher Winkelgeschwindigkeit und gleichzeitiger Bewegung der Lineareinheit (21) entsprechend eines vorgegebenen Geschwindigkeitsprofils (41), wobei der Abstand und die Neigung der Strahlerzeugungseinheit (30) zur Oberfläche (11) durch synchronisierte Bewegung von Vertikal- und Verkippungseinheit fortlaufend konstant gehalten werden.
2) Glättung konventionell oder plasmachemisch gefertigter Oberflächen.
Durch Einwirkung eines mikrowelleninduzierten Ar/H₂-Plasmas bei atmosphärischem Druck erfolgte unter geeigneten Bedingungen lokal die Umwandlung feingelappter Quarzoberflächen (Ausgangsrauheit R_a einige 100 nm) in optisch glatte Flächen mit einer Rauheit R_a < 1 nm (AFM R_a < 0.3 nm auf 1 × 1 μm²) bei einem Materialabtrag von weniger als 1 μm ( ).
3) Formfehlerkorrektur konventionell oder plasmachemisch gefertigter Oberflächen mit hoher lateraler Auflösung (≥ 1 mm) (Abb. 3).
Mit Hilfe eines sehr feinen Plasmastrahls (Halbwertsbreite < 2 mm) der durch Verwendung eines entsprechend geformten Gasauslasses am MPT erzeugt wird, lassen sich Formfehler mit einer Ortswellenlänge von < 5 mm in der Oberflächentopologie planarer oder gekrümmter Substrate nach vorheriger Vermessung und anschließender Verweilzeitsimulation gegebenenfalls in mehreren Schritten deutlich reduzieren ( ). Da die Formfehler i. A. keine Rotationssymmetrie aufweisen erfolgt die Bearbeitung durch zeilen- und spaltenweises Abfahren der Oberfläche gemäß der berechneten Verweilzeit- bzw. Geschwindigkeitsmatrix.
Bezugszeichenliste

10: Werkstück
11: Oberfläche
20: rotierende Bewegungseinheit
21: lineare Bewegungseinheit
30: Strahlerzeugungseinheit
31: Plasmastrahl
40: Rotation des Werkstückes
41: Geschwindigkeitsprofil

Claims

Deterministisches plasmachemisches Ätzverfahren zur gezielten, effizienten und präzisen Formgebung, Formfehlerkorrektur oder Glättung von Oberflächen oder Oberflächenschichten von Isolatoren und Halbleitern mit Hilfe eines mikrowelleninduzierten Plasmastrahls dadurch gekennzeichnet, dass a) das zur Erzeugung des Plasmastrahls verwendete Gas oder Gasgemisch Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen aber keine Halogene oder halogenhaltigen Verbindungen enthält, b) der Plasmastrahl bei einem Druck 0,01 bar erzeugt wird, c) der Plasmastrahl mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird und d) Plasmastrahl und Werkstückoberfläche relativ zueinander mit wechselnder oder konstanter Geschwindigkeit computergesteuert bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl radial dimensioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl axial dimensioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich Plasmastrahl und Werkstück in einem Vakuumgefäß befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich Plasmastrahl und Werkstück in einem Überdruckbehälter befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsdruck durch ein beliebiges Gas oder Gasgemisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück auf eine Temperatur > 300°C vorgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im Anschluss an die Bearbeitung so getempert wird, dass gegebenenfalls vorhandene Spannungen im Material beseitigt werden.