JP2010254552A

JP2010254552A - 大型合成石英ガラス基板の製造方法

Info

Publication number: JP2010254552A
Application number: JP2010062117A
Authority: JP
Inventors: Yukio Shibano; 由紀夫柴野; Atsushi Watabe; 厚渡部
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: KR101571569B1; JP5526895B2; TWI488713B; EP2236246A1; KR20100109864A; MY155088A; TW201105459A; CN101856805B; EP2236246B1; US8460061B2; CN101856805A; US20100255761A1

Abstract

【解決手段】対角長が１０００ｍｍ以上の大型合成石英ガラス基板材料を垂直保持した状態で基板材料の表裏面の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を部分的に除去する大型合成石英ガラス基板の製造方法であって、上記除去が、基板対角長の１５〜５０％の直径を有する第１の加工ツールで加工除去した後、第１の加工ツールより小さい第２の加工ツールで更に加工除去を行うことを特徴とする大型合成石英ガラス基板の製造方法。
【効果】本発明によれば、大型合成石英ガラス基板材料の平坦度及び平行度を短時間で修正することができ、高平坦度及び高平行度の大型合成石英ガラス基板を得ることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＴＦＴ液晶パネルのアレイ側のフォトマスク基板や、カラーフィルター用フォトマスク基板として用いられる大型合成石英ガラス基板の製造方法に関するものである。

一般的に大型合成石英ガラス基板の製造は、原料である板状の合成石英をアルミナ等の遊離砥粒を水に懸濁させたスラリーを用いて、ラップして表面の凹凸を除去した後に、酸化セリウム等の研摩材を水に懸濁させたスラリーを用いポリッシュする等の方法が採られている。

このラップ加工の際に使用される両面加工機や片面加工機は、基板を加工定盤に押し付け、その際に発生する弾性変形に対する反発力を平坦度修正に利用しているため、基板サイズが大きくなるにつれて反発力が著しく低下し、基板表面のなだらかな凹凸を除去する能力は低くなるという欠点を有していた。

このため、予め大型基板の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を加工ツールにより部分的に除去する方法が提案されている（特許文献１：特開２００３−２９２３４６号公報参照）。また、石英ガラス基板の平坦度とキズとを石英ガラス基板表面の位置と対応させたデータを作成し、研磨液に浸された被加工物の姿勢を調整して作成されたデータに基づいて研磨液中に気体を導入することによって、高い平坦度を適切に実現し、高い加工安定性で基板を製造する方法が提案されている（特許文献２：特開２００７−００１００３号公報）。しかしながら、基板サイズが大きくなるにつれて加工時間が長くなることから、更に短時間で平坦度修正が可能な経済的な方法が望まれていた。

特開２００３−２９２３４６号公報特開２００７−００１００３号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、大型合成石英ガラス基板の平坦度及び平行度を短時間で修正することができる大型合成石英ガラス基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、基板材料の表裏面の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を部分的に除去するに際して、大きさの異なる２種類の加工ツールを用いて加工することにより、短時間で平坦度及び平行度を修正することができることを見出し、本発明をなすに至ったものである。また、従来の直径の小さい加工ツールのみでは表面にスジが生じることがあったが、本発明によりこの表面のスジが減少することを知見した。

従って、本発明は下記大型合成石英ガラス基板の製造方法を提供する。
［１］．対角長が１０００ｍｍ以上の大型合成石英ガラス基板材料を垂直保持した状態で基板材料の表裏面の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を部分的に除去する大型合成石英ガラス基板の製造方法であって、上記除去が、基板対角長の１５〜５０％の直径を有する第１の加工ツールで加工除去した後、第１の加工ツールより小さい第２の加工ツールで更に加工除去を行うことを特徴とする大型合成石英ガラス基板の製造方法。
［２］．上記第２の加工ツールが、第１の加工ツールの１０〜４０％の直径を有することを特徴とする［１］記載の大型合成石英ガラス基板の製造方法。
［３］．平坦度／基板対角長が８×１０^-6以下である［１］又は［２］記載の大型合成石英ガラス基板の製造方法。

本発明によれば、大型合成石英ガラス基板材料の平坦度及び平行度を短時間で修正することができ、高平坦度及び高平行度の大型合成石英ガラス基板を得ることができる。

平坦度及び平行度を説明するための基板断面の概念図である。最小２乗平面を説明するための概念図である。除去部分を示す概念図である。加工装置の概要を示す斜視図である。加工ツールにおける移動態様を示す斜視図である。実施例１の研磨プロファイルを示した図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の大型合成石英ガラス基板の製造方法は、対角長が１０００ｍｍ以上の大型合成石英ガラス基板材料を垂直保持した状態で基板材料の表裏面の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を部分的に除去する大型合成石英ガラス基板の製造方法であって、上記除去が、基板対角長の１５〜５０％の直径を有する第１の加工ツールで加工除去した後、第１の加工ツールより小さい第２の加工ツールで更に加工除去を行うものである。

以下、下記工程に分けて説明する。
（１）大型合成石英ガラス基板材料の表裏面における平坦度及び平行度測定
（２）第１の加工ツールの研磨除去量及び移動速度を計算
（３）上記（２）の計算値に基づく第１の加工ツールによる加工
（４）第１の加工ツールによる加工後の基板形状の計算をして、これに基づき第２の加工ツールの研磨除去量及び移動速度を計算
（５）上記（４）の計算値に基づく第２の加工ツールによる加工

（１）大型合成石英ガラス基板材料の表裏面における平坦度及び平行度測定
大型合成石英ガラス基板の原料となる大型合成石英ガラス基板材料を、垂直保持した状態で基板材料の表裏面における平坦度及び平行度を測定する。予め、両面ラップ装置にて基板の平行度（基板内の厚さバラツキ精度）を出しておくことが好ましい。基板の平行度が悪い場合には修正時間が長くなってしまう場合があるからである。また、平坦度の測定は合成石英板材料の自重変形を除くため、垂直保持して、例えば黒田精工製のフラットネステスター等を用いて測定することができる。平行度はミツトヨ製のマイクロメーターにより測定できる。

図１は、平坦度及び平行度を説明するための基板断面の概念図である。本発明において、基板（基板材料）の平坦度は、基板表面の最小２乗平面を基準面としたときの、基準面と基板表面の凸部分との距離の最大値と、基準面と基板表面の凹部分との距離の最大値のとの和であり、図１中のａとｂとの和で表される。一方、基板の平行度は、基板の裏面から表面までの距離の最大値ｃと最小値とｄの差で表される。なお、図１中、１は基板、１１は基板表面、１２は最小２乗平面である。

図２は、最小２乗平面を説明するための概念図である。最小２乗平面は以下のようにして求められる。
平面は高さを示すｚの式として、下記の式で表すことができる。
ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ（ａ、ｂ、ｃは任意の定数）
平坦度測定データ面上のある測定点（ｘ_i，ｙ_i）における高さの測定値ｚｉ（ｘ_i，ｙ_i）と同じ（ｘ_i，ｙ_i）位置における上記式で求められる高さ（ａｘ_i＋ｙ_i＋ｃ）との差をｓとする。ｓを表す式を下記に示す。
ｓ＝｛ｚ_i（ｘ_i，ｙ_i）−（ａｘ_i＋ｙ_i＋ｃ）｝²
上記ｓを平坦度測定全面（ｘ_0→n，ｙ_0→n）で求め、その総和Ｓが最小となるａ、ｂ、ｃを計算により算出し、仮にａ→Ａ、ｂ→Ｂ、ｃ→Ｃとする。この場合、上記高さを示すｚの式として表される（ｚ＝Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃ）が最小２乗平面を表す式となる。図２中、１１は基板表面、１２は最小２乗平面である。

（２）第１の加工ツールの研磨除去量及び移動速度を計算
上記（１）で得られた測定データ（基板内の各点での平坦度）を高さデータとしてコンピューターに記憶させる。このデータをもとに表裏面の各々について平坦にするために必要な研磨除去量（図３中のＡ）を計算する。表裏面の各々について、平坦化の加工面１３は表裏面の各々における最小２乗平面と平行であって、被測定面中で最も凹んだ点に接する面となる。

次に、両面とも平坦になった後の基板の平行度を計算で求める。得られた平行度から、研磨除去量（図３中のＢ）を計算する。研磨除去量は、平坦化後の基板の最も薄い部分に厚みがあうように決定される。なお、図３はＡ部分Ｂ部分がわかりやすいようにした、除去部分を示す概念図である。このようにして、大型合成石英ガラス基板材料の表裏面における平坦度及び平行度測定から得られる、理想の各面及び各点における研磨除去量（Ｉ）が決定する。図３中、１は基板、１１は基板表面、１２は最小２乗平面、１３は平坦化の加工面である。

上記で得られた理想の各面及び各点における研磨除去量（Ｉ）を基礎として、大きさ、表裏面における平坦度及び平行度がほぼ同じ大型合成石英ガラス基板材料を第１の加工ツールにより、移動速度、回転数、加工ツールの材質等を適宜変えて研磨除去量を予め算出して研磨プロファイルを調べておく。それに基づいて第１の加工ツールでの各面及び各点における研磨除去量（ＩＩ）及び移動速度を計算する。

（３）上記（２）の計算値に基づく第１の加工ツールによる加工
上記（２）の研磨除去量（ＩＩ）及び移動速度に基づき、第１の加工ツールによる加工をする場合、第１の加工ツールの直径は、基板対角長の１５〜５０％であり、３０〜４５％が好ましい。１５％より小さいと加工時間の短縮効果が少なくなり、５０％より大きいと平坦度修正が少なく、次の第２の加工ツールによる加工時間が長くなり経済的ではない。第１の加工ツールの直径は２５０〜８００ｍｍが好ましく、４００〜６００ｍｍがより好ましい。なお、第１の加工ツールの形状は、研磨布の取り付け等の作業面等を考慮すると、円形が好ましい。

図４は、加工装置の概要を示す斜視図である。加工は、図４に示すような装置を用いて除去量の大きい部分は加工ツール２１の移動速度を遅くして滞留時間を長くし、除去量の小さい部分では逆に加工ツールの移動速度を早くして滞留時間を短くするといったように滞在時間をコントロールして、第１の加工ツールで加工を行う。加工ツール２１はＸ軸及びＹ軸方向に任意に移動できる構造であり、移動についてはコンピューターで制御できるものである。

基板保持台２０の材質は、ショアＡ硬度が８０以下、特に１５〜７０であって、圧縮率が５〜８０％、特に１０〜５０％の発泡ポリウレタンが好ましい。ショア硬度が８０を超えると基板に傷がつきやすくなる場合があり、圧縮率が５％未満だと基板全面が保持台と接触せず部分的に接触圧力が増すことで、その部分における欠陥が発生しやすくなる場合がある。

加工ツール２１は回転機構を有しており、回転数はツールの大きさにもよるが、加工ツール２１の回転により研磨液が装置外に飛散しないように３０〜３００ｒｐｍ、特に３０〜１２０ｒｐｍに設定することが好ましい。また、加工ツール２１は回転軸とユニバーサルジョイントで接合されており、基板表面の傾きに倣うようになっている。加工ツール２１に取り付ける研磨布は、発泡ポリウレタン又は不織布が好ましい。

使用する研磨剤は特に制限されないが、一般的な研磨剤として酸化セリウム研磨剤又はコロイダルシリカ研磨剤が好ましい。研磨剤の平均粒径は０．０２〜３μｍ、特に０．０５〜１μｍのものが好ましい。研磨剤はツールの中より吐出するか、研磨液中に基板を浸漬した状態で研磨を実施する。研磨液中の研磨剤の割合は１０〜５０質量％が好ましく、１０〜４０質量％がより好ましく、１０〜２５質量％がさらに好ましい。なお、研磨液の研磨面への入りを良くするため、ツールを回転しながら揺動させるという場合には、その条件で研磨プロファイルを調べておき、それに基づき移動速度を計算させればよい。図４中、１は基板、２０は基板保持台、２１は加工ツールである。

図５は、加工ツール２１における移動態様を示す斜視図である。加工方法は、図５に示すようにＸ軸方向に平行に加工ツールを計算された速度で連続的に移動した後、Ｙ軸方向へ一定ピッチで移動させることにより行なうことができる。Ｙ軸方向への送りピッチは、第１の加工ツールの直径の３０％以下、特に１０〜２５％が好ましい。３０％より大きいと平坦度修正が少なくなり、次の第２の加工ツールでの加工時間が長くなり、経済的ではない場合がある。図５中、２０は基板保持台である。

（４）第１の加工ツールによる加工後の基板形状の計算をして、これに基づき第２の加工ツールの研磨除去量及び移動速度を計算
第１の加工ツールは大型合成石英ガラス基板材料の表面を移動しながら加工するもので、大型合成石英ガラス基板材料の全表面を一度に加工できるものではない。このため、第１の加工ツールのみでは、現実の研磨除去量と、上記大型合成石英ガラス基板材料の表裏面における平坦度及び平行度測定から得られる、理想の各面及び各点における研磨除去量（Ｉ）とに差が生じる部分がある。従って、かかる差をなくすべく、第２の加工ツールを用いた加工により、第１の加工ツールで加工し切れなかった部分、例えば、基板の四隅を研磨することが可能になる。具体的には、上記第１の加工ツールを用いた研磨プロファイルの結果に基づき、予め計算で求めておいた第２の加工ツール加工前の平坦度及び平行度の情報から、上記研磨除去量（Ｉ）となるように第２の加工ツールでの必要な研磨除去量及び移動速度を計算する。この場合、第１の加工ツールの場合と同様に、第２の加工ツールを用いた研磨プロファイルを事前に調べておき、更に調整してもよい。このように、本発明においては第１の加工ツールによる加工後に精度測定を行なわないため、効率的な加工を行うことができる。

また、第１の加工ツールの直径、基板対角長に対する直径の割合、移動速度、回転数等を予め計算に含めることで、第２の加工ツールでの必要な研磨除去量及び移動速度を計算することもできる。

（５）上記（４）の計算値に基づく第２の加工ツールによる加工
上記（４）で計算された必要な研磨除去量及び移動速度に従い、第２の加工ツールにより加工を行なう。第２の加工ツールの大きさは、第１の加工ツールより小さいことが必要で、具体的には第１の加工ツールの１０〜４０％、特に１５〜３０％の直径を有することが好ましい。第２の加工ツールの直径が、第１の加工ツールの１０％より小さいと、平坦度修正効果は大きいが、加工時間が長くなり経済的ではなく、４０％を超えると研磨除去量の細かな制御ができないため、平坦度修正効果が少なくなる場合がある。第２の加工ツールの直径は２５〜３２０ｍｍが好ましく、１００〜２００ｍｍがより好ましい。第２の加工ツールの形状は、第１の加工ツール同様に円形が好ましい。加工方法は、第１の加工ツールの場合と同様の方法で行なう。また、第１の加工ツールと第２の加工ツールを組み合わせることで、基板に発生する横シマを防ぐことができる。更にポリッシュ工程してもよいが、ポリッシュ工程がなくても、平坦度及び平行度が良好な大型合成石英ガラス基板を得ることができる。

本発明においては、対角長が１０００ｍｍ以上の大型合成石英ガラス基板材料を、基板対角長の１５〜５０％の直径を有する第１の加工ツールで加工除去した後、第１の加工ツールより小さい第２の加工ツールで更に加工除去を行えばよく、第１の加工ツール及び第２の加工ツールを複数回用いてもよい。

本発明の製造方法によれば、大型合成石英ガラス基板の平坦度及び平行度を短時間で修正することができ、高平坦度及び高平行度の大型合成石英ガラス基板を得ることができる。本発明の大型合成石英ガラス基板は、対角長が１０００ｍｍ以上、好ましくは１５００〜２５００ｍｍの寸法を有するものである。なお、この大型基板の形状は、正方形、長方形、円形等であってもよく、円形の場合、対角長とは直径を意味する。また、この大型基板の厚さは制限されるものではないが、５〜５０ｍｍ、特に１０〜２０ｍｍであることが好ましい。

大型合成石英ガラス基板の平坦度／基板対角長は８×１０^-6以下の高平坦なものが好ましく、６×１０^-6以下がより好ましく、５×１０^-6以下が更に好ましい。なお、その下限は特に制限されないが、通常１×１０^-6である。

本発明の大型基板の平行度は５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下である。５０μｍを超えると、基板を露光装置に設置する場合に露光ギャップバラツキを少なくするための補正等の作業に負担がかかる場合がある。

本発明によれば、大型合成石英ガラス基板の平坦度及び平行度を短時間で修正することができ、高平坦度及び高平行度の大型合成石英ガラス基板を得ることができる。また、得られた大型合成石英ガラス基板を使って作製された大型フォトマスクをパネル露光に使用することで、ＣＤ精度（寸法精度）の向上、微細パターンの露光が可能となる。更に、パネルの歩留まりの向上にもつながる。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１］
大きさ８５０×１２００ｍｍ、厚さ１０．２ｍｍの合成石英ガラス基板を不二見研磨材株製ＦＯ＃１０００を用いて遊星運動を行う両面ラップ装置により加工を行なって、原料基板を準備した。このときの原料基板の平行度は１３μｍ、平坦度は５０μｍであった。
平坦度は黒田精工製フラットネステスターにより、平行度はミツトヨ製のマイクロメーターにより測定した。得られた結果から、目的とする各面及び各点における研磨除去量を決定した。

そして、この基板を図４に示す装置の基板保持台２０に装着した。なお、基板保持台２０の材質は、ワックスレス保持パッドＢＰ−１０２（フジボウ愛媛社製ショアＡ硬度が６６、圧縮率が２５％）の発泡ポリウレタンを用いた。第１の加工ツールは、直径５００ｍｍのＳＵＳ３０４製のプレートにポリウレタン製の研磨布を貼り付けたものを使用し、研磨剤は平均粒径１μｍの酸化セリウム研磨剤を２０質量％の濃度で水に懸濁させたものを用いた。事前に、大きさ、表裏面における平坦度及び平行度がほぼ同じ大型合成石英ガラス基板材料を用いて、第１の加工ツールによる加工を行い、研磨プロファイルを調べた。結果は図６に示す通りツール中央の研磨量が多く外周部は少ないと言う研磨プロファイルを持っていた。そこで、この結果にＹ軸方向の移動ピッチを加味して第１の加工ツール移動速度を計算で求めてこの移動速度に基づき研磨加工を行った。Ｘ軸に対して平行に第１の加工ツールを連続的に移動させ、Ｙ軸方向へは第１の加工ツールの直径の２０％（１００ｍｍ）に相当するピッチで移動させた。この際の第１の加工ツールの回転数は６０ｒｐｍとした。

次に、第２の加工ツールは、直径１５０ｍｍのＳＵＳ３０４製のプレートにポリウレタン製研磨布を貼り付けたものを使用し、研磨剤は平均粒径１μｍの酸化セリウム研磨剤を２０質量％の濃度で水に懸濁させたものを用いた。上記研磨プロファイルに基づき、予め計算で求めておいた第２の加工ツール加工前の平坦度及び平行度の情報を元に、第２の加工ツールでの必要な研磨除去量を算出し、第２の加工ツールの移動速度を決定した。このときのＹ軸方向の送りピッチは第２の加工ツールの直径の２０％（３０ｍｍ）とした。この際の第２の加工ツールの回転数は１５０ｒｐｍとした。第２の加工ツールのＸ軸方向への送り速度は最低で３０ｍｍ／ｍｉｎとし、基板各部分での移動速度は、研磨速度から基板各部分での第２の加工ツールの送り速度を計算した。表面を処理した後、裏面の処理を実施した。結果を表１に示す。

研磨時間は、第２の加工ツールのみで加工を行った場合の研磨時間を１００とした場合の比率で２６となり、約１／４の時間で加工を行うことができた。また、加工後の平坦度は７．８μｍ、平行度は７．６μｍであった。なお、第２の加工ツールのみで加工を行った場合は、表面にスジがあったが、実施例１の加工後の表面にはスジがなかった。

［実施例２〜６及び比較例１］
第１の加工ツール及び第２の加工ツールの大きさを変えて実施例１と同様に行なった結果を表１に示す。なお、研磨時間比は、１００ｍｍφの加工ツールのみで加工を行った場合の研磨時間を１００とした場合の比率を表す。

１基板
１１基板表面
１２最小２乗平面
２０基板保持台
２１加工ツール

Claims

対角長が１０００ｍｍ以上の大型合成石英ガラス基板材料を垂直保持した状態で基板材料の表裏面の平坦度及び平行度を測定し、そのデータを基に基板の凸部分及び厚い部分を部分的に除去する大型合成石英ガラス基板の製造方法であって、上記除去が、基板対角長の１５〜５０％の直径を有する第１の加工ツールで加工除去した後、第１の加工ツールより小さい第２の加工ツールで更に加工除去を行うことを特徴とする大型合成石英ガラス基板の製造方法。
上記第２の加工ツールが、第１の加工ツールの１０〜４０％の直径を有することを特徴とする請求項１記載の大型合成石英ガラス基板の製造方法。
平坦度／基板対角長が８×１０^-6以下である請求項１又は２記載の大型合成石英ガラス基板の製造方法。