JP5274022B2 - 半導体製造において使用するための石英ガラスの構成部品を形成する方法およびその方法に従って得られた構成部品 - Google Patents

Description

本発明は、石英ガラス未加工材料の表面を機械的に加工することにより初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が作られ、かつこのように加工された構成部品表面がエッチング処理を受けることによって、半導体製造において使用するための石英ガラスからなる構成部品を形成する方法に関するものである。

さらに、本発明は、この方法に従って得られた、半導体製造において使用するための石英ガラスからなる構成部品に関するものであり、その構成部品は最初に規定通りに使用する前に、機械的な加工とエッチングによって形成された、エッチング構造を備えた表面を有している。

石英ガラスからなる構成部品は、半導体製造において、ウエファ、ウエファ支持体、ベルなどを処理するために反応容器および器具の形式で使用される。この適用において、石英ガラス構成部品は、しばしば高い熱負荷と化学的に腐食性の環境にさらされる。

特別な着眼は、汚染のないことと構成部品から発生する粒子形成にある。粒子は、プロセス収量を減少させ、従って極めて望ましくない。粒子の間で、腐食性の攻撃に基づいて石英ガラス構成部品から剥がれた粒子と、たとえば、スパッタリング法または蒸着法において石英ガラス構成部品の表面上に付着して、そこから落下する、材料層の成分を、区別することができる。

これに関連して、石英ガラス構成部品の表面性質が重要な役割を果たす。一方では、ある程度の表面粗度が望ましい。というのは、粗い表面には材料層がより良好に付着するので、層成分が剥がれる確率および必要な清掃措置の頻度（通常フッ化水素酸を含む溶液内でのエッチングを含む）が減少するからである。従って、これに関して重要性をもつ可能性のある表面は、通常、研磨、艶だしあるいはサンドブラストによって加工して、粗面化される。

他方で、所望の粗度を発生させるために表面を機械的に加工する場合に、表面欠陥が発生し、それも石英ガラス構成部品を使用する場合に粒子形成をもたらす。従ってできるだけきれいで、粒子のない表面を保証するために、石英構成部品は機械的な加工後に工場側で、あるいはユーザーによってエッチング溶液内で短時間洗浄される。このように加工された構成部品の表面は、粒子がなく、かつ機械的な最終加工によって定められる表面粗度を特徴としており、その場合にそれぞれエッチング溶液内で洗浄する期間に応じて、微細なエッチング構造が認識可能となり得る。

しかし、この措置によっては、構成部品を規定通りに使用する場合の粒子形成を十分な程度で防止できないことが、明らかにされている。

従って本発明の課題は、わずかな粒子形成を有する構成部品の再現可能な形成を可能にする、石英ガラス構成部品の表面を加工する方法を提供することである。

本発明の課題は、さらに、半導体製造において最初に規定通りに使用する場合にすでにわずかな粒子形成を特徴とする、構成部品を提供することである。

方法に関してこの課題は、冒頭で挙げた種類の方法に基づいて、本発明によれば、機械的な加工によって少なくとも０．２μｍの初期の平均の表面粗度Ｒ_ａ,０が設定され、かつエッチング処理の強度と期間が、少なくとも１０μｍのエッチング深さが生じるように設定されることによって、解決される。

本発明によれば、石英ガラス未加工材料の表面が、機械的に加工されて、その場合に０．２μｍまたはそれより大きい初期の平均の表面粗度Ｒ_ａ,０が設定される。上述したように、規定通りに使用する場合に石英ガラス構成部品の表面上に析出される材料層の良好な付着のためには、ある程度の粗度が望ましい。

しかし他方で、機械的な加工によって生じる初期の表面粗度が大きくなるほど、粒子形成がそれだけ大きくなることが、明らかにされている。機械的な加工の後段に接続されている洗浄方法によって、粒子形成を減少させることができる。しかし、標準洗浄処理は、この目的のためには十分でないことが、明らかにされている。むしろ、少なくとも１０μｍの最小エッチング除去を維持することが必要であることが、発見された。

しかし、他方で、材料層付着に関してまだ十分な粗い表面を有する構成部品は、この種の後段に接続されたエッチング法の後は、エッチング法前の初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が少なくとも０．２μｍである場合にしか、得られない。

従って本発明によれば、機械的な加工の後に、まず初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が（この値がわかっていない限りにおいて）求められて、Ｒ_ａ,０が０．２μｍより大きいことが保証される。次に、未加工材料の表面が、少なくとも１０μｍの深さまで除去される。このようにして、わずかな粒子形成を特徴とする、石英ガラス構成部品が得られる。

平均的な表面粗度Ｒ_ａの定義は、ＥＮＩＳＯ４２８７から得られ、測定条件は、それぞれ未加工材料の表面が研磨によって、あるいはサンドブラストによって（非周期的な表面プロフィール）、あるいは回転によって（周期的な表面プロフィール）最終加工されたか、に応じて、ＥＮＩＳＯ４２８８またはＥＮＩＳＯ３２７４から得られる。

初期の表面粗度が比較的高い場合（０．４μｍ前後およびそれ以上のＲ_ａ,０）、機械的な加工によって定められる表面粗度に依存する、最小エッチング除去の維持が必要であることが、発見された。

従って、好ましくは、初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が求められて、エッチング深さが、Ｒ_ａ,０に従って定められた最小エッチング深さより大きく設定される。

このやり方において、まず、求められた、あるいはわかっているＲ_ａ,０値に基づいて、特殊な最小エッチング除去が定められて、それに応じた長さと強度で未加工材料がエッチングされる。Ｒ_ａ,０値にとって固有の最小エッチング除去は、未加工材料をさらにエッチングした場合に一定のエッチング率（ｍｍ／ｍｉｎ）あるいは実質的に時間的に一定の重量減少が生じる、除去深さよりも、少ないエッチングの試みを用いて得られる。

これに関して、０．４μｍまたはそれより大きい初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０から始まって、以下の寸法基準：
最小エッチング深さ_ｍｉｎ＝７０＋６０×ｌｎ （Ｒ_ａ,０［単位 μｍ］）を満足し、好ましくは以下の寸法基準：
最小エッチング深さ_ｍｉｎ＝７５＋６０×ｌｎ （Ｒ_ａ,０［単位 μｍ］）を満足する、
処理方法が、特に効果的であることが明らかにされている。

この寸法基準は、未加工材料の初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が認識された場合に、規定通り使用した場合のわずかな粒子形成を特徴とし、同時に析出される材料層の付着に関して十分に高い表面粗度を特徴とする、石英ガラス構成部品を得るのに十分な、エッチング除去を簡単に求めることを許す。

特に、０．４μｍまたはそれより大きい初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０を有する、研磨された石英ガラス表面において、最小除去、最小エッチング深さ _ｍｉｎ は、通常１５μｍと１２０μｍの間、好ましくは２０μｍと１００μｍの間の範囲内にあることが、明らかにされた。

エッチング処理に伴う時間消費と材料損失を最小限に抑えるために、エッチング除去は（機械的な加工後の）できるだけ少なく抑えられる。従って、エッチング処理の強度と期間が、エッチング深さが最小エッチング深さ_ｍｉｎよりも最大で２０μｍ大きいように設定されるやり方が好ましい。

さらに、表面の機械的な加工によって、少なくとも０．３μｍかつ最大で１．６μｍ、好ましくは０．８μｍを中心とする、初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０が発生される場合に、優れていることが明らかにされている。

記載された範囲内の初期の平均的な表面粗度を有する石英ガラス未加工材料から、少なくとも１０μｍの、ないしはそれぞれ固有の最小エッチング除去、最小エッチング深さ _ｍｉｎ の大きさの、エッチング除去後に、析出される材料層の付着に関して十分に高い表面粗度を有する、石英ガラス構成部品が得られる。

これに関連して、エッチング処理が、０．４μｍから７μｍの範囲内で、初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０よりも高い実際の平均の表面粗度Ｒ_ａ,１を有する、エッチング構造を発生させると、特に好ましいことが明らかにされている。

半導体製造において使用するための石英ガラスからなる構成部品に関して、上述した課題は、本発明によれば、構成部品が、
ａ）０．６μｍと８μｍの間の範囲内の平均の表面粗度Ｒ_ａ,１と、
ｂ）室温において１０％のフッ化水素酸内でエッチングする場合に、０．４μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）より少ない、実質的に時間的に一定の重量減少と、によって特徴づけられる表面を有することによって、解決される。

半導体製造において最初に規定通りに使用する前に、本発明に基づく石英構成部品の表面は、実質的に２つの特性によって特徴づけられる、エッチング構造を有している。１つには、０．６μｍと８μｍの間の範囲内の平均的な表面粗度によって特徴づけられ、他方で、後続のエッチング処理に比較して、初めから存在する、エッチング挙動の十分な一定性によって特徴づけられている。

０．６μｍと８μｍの間の範囲内にある平均の表面粗度は、表面上に析出される材料層の十分な付着を保証する。

エッチング挙動の一定性は、１つには、構成部品を最初に規定通りに使用する前に、１０％のフッ化水素酸内で構成部品をさらにエッチングすることにより、実質的に時間的に一定の重量減少が生じることにおいて、他方では、０．４μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）より少ない重量減少が、極めてわずかであることにおいて示される。測定された重量減少は、エッチング法の間に連続的に減少する、石英ガラス構成部品の表面の大きさに依存する。この効果は、それぞれの表面大きさに規格化することによって除去される。実質的に時間的に一定の重量減少というのは、［ｍｍ^２×ｍｉｎ］に規格化された重量減少［μｇ］であって、平均値（算術的平均）から最大で０．０５μｇだけずれる。

石英ガラス構成部品の可変のエッチング率に伴って、明白な粒子生成が生じ、それに対して時間的に一定の重量減少は、石英ガラス構成部品のわずかな粒子生成にとって必須であることが明らかにされている。従ってこの特徴は、同時に、本発明に基づく構成部品が、粒子生成に関して、半導体製造において使用するのに適していることを特徴づけている。

時間的に一定の重量減少（それぞれの表面に規格化）は、さらに、平均的な表面粗度をある程度維持することに寄与し、従ってフッ化水素酸溶液内で多数回洗浄した後も、石英ガラス構成部品の付着特性を維持するのに寄与する。いずれにしてもこれは、０．８μｍあるいはそれより小さい初期の平均の粗度Ｒ_ａにおいて、発見されている。

本発明に基づく構成部品は、上述した方法によって、特に、少なくとも０．２μｍの初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０を維持しながら機械的に加工し、次にＲ_ａ,０値に固有の最小エッチング除去によって、エッチング処理することによって、得ることができる。

本発明に基づく構成部品をわずかな粒子生成に関してさらに改良することは、上述した条件の元でエッチングする場合に、０．２５μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）の実質的に時間的に一定の重量減少が生じる場合に、得られる。

この種の構成部品において、エッチング構造がミクロ亀裂を持たないことが、明らかにされている。

本発明に基づく構成部品を、シングルウエファ処理装置のためのフランジの形状で使用することが、特に効果的であることが明らかにされている。

シングルウエファ処理装置は、処理すべきウエファのすぐ近傍に配置され、あるいは処理すべきウエファがシングルウエファ処理装置上に直接載置されるので、この装置による粒子生成は、特に問題である。

以下、実施例と図面を用いて本発明を詳細に説明する。

天然由来の石英原料から円筒状の石英ガラス未加工材料が形成されて、平坦な表面が、最近ではＤ４６研磨ディスク（ＦＥＰＡ基準）を搭載した、研磨装置を用いて予め定められた最終寸法に大まかに研磨される。平坦な表面の最終加工は、ＣＮＣ研磨機を使用しながら多段の加工方法で行われ、その多段の方法において研磨度が順を追って細かくなる。このようにして４つの異なる表面品質を有する構成部品が得られ、即ちそれぞれその初期の表面粗度Ｒ_ａ,０によって特徴づけられる。これが、表１にまとめられている。

このようにして得られた石英ガラス試料が、次に、フッ化水素酸エッチング溶液内でエッチングされ、その中で室温において約０．０５μｍ／ｍｉｎのエッチング率が生じる（エラーのない表面において）。

エッチング溶液は、１０％のＨＦ溶液である（蒸留水中）。

異なる表面品質を有する試料が、このエッチング溶液内でそれぞれ５分から２８８０分（４８時間）の間の領域でエッチングを受ける。従ってその場合に除去される層厚は、０．１２５μｍと１４４μｍの間の範囲内にある。この一連の実験において、すべての試料品質が、最初、比較的高いエッチング率を有しており、それが所定のエッチング期間後に実質的に一定のエッチング列に移行することが、明らかにされた。

４つの試料品質についてのエッチング率のそれに応じた時間的推移を示すのが、図１のグラフである。そこでは、ｙ軸上には、構成部品の実際の表面に関する時間的重量減少Ｖ_ＧＡが記載され［μｇ／ｍｉｎ×ｍｍ^２］、ｘ軸上にはエッチング期間ｔが［ｍｉｎ］で記載されている。すべての試料は、最初はほぼ指数的な重量減少を示し（領域Ａ）、それがさらなるエッチングの後に線形の推移へ移行している（領域Ｂ）。はっきりと認識されるのは、初期の最小の平均粗度を有する試料においては、比較的高い平均粗度を有する試料の場合よりも、線形の重量減少への移行がずっと早期にあることである。線形の推移の開始までのおよそのエッチング期間が、それぞれの表面品質について、欄３に「エッチング期間ｍｉｎ」で記入されている。欄４には、「エッチング深さ」に換算された値がある。

すべてのテストされた表面品質の石英ガラス構成部品は、機械的に最終加工した後に、表１に挙げた「最小エッチング深さ _ｍｉｎ 」に基づく少なくとも１つのエッチングが行われる、エッチング処理を受けたことを前提として、規定通りに使用した場合に極めてわずかな粒子生成を有することが、明らかにされた。対応する構成部品を使用する場合に、もっと小さいエッチング深さにおいて（与えられたエッチング率においてエッチング処理がより短い）、さらに粒子生成が観察される。

コストの視点の元で、この結果はまず、最初により滑らかな表面が有利である、いう結論をもたらす。というのは、それがずっと短いエッチング期間内に、わずかな粒子生成を有する石英ガラス構成部品をもたらすからである。しかしその場合に、他の２つの考え方に注意しなければならない。１つには、初めにより滑らかな表面を形成することは、ずっと高い研磨と磨き上げの手間を必要とする。他方で、初めにより滑らかな表面を有する試料は、以下で図２の棒グラフを用いて詳細に説明するように、少なくとも「エッチング長さ _ｍｉｎ 」を有するエッチング法後に、初めにより粗い表面を有する試料の表面粗度よりも小さい表面粗度を有している。

図２は、種々の表面品質において様々なエッチング期間［分］の後の、平均的な表面粗度Ｒ_ａの変化を示している。それから明らかなように、すべての試料において、エッチング方法の経過において、平均的な表面粗度Ｒ_ａは、最初増加して、その後再び減少する。表面粗度の増加と最大は、最初粗い表面を有する試料の場合には、最初最も滑らかな表面を有する試料の場合よりも、ずっとはっきりとしている（試料１）。この試料において、エッチング試験全体の間、平均の表面粗度の最大は、約Ｒ_ａ＝１．０μｍにおいて生じる。他の３つの試料は、それぞれの初期の値のファクター６から７だけ上に位置する粗度最大を示している。これらの試料において、試料固有の「エッチング期間ｍｉｎ」に相当するエッチング期間の後の粗値も、それぞれの初期の値のさらにファクター４から５だけ上にある。「エッチング期間ｍｉｎ」のエッチング期間後の試料固有の最大のＲ_ａ値が、表１の欄５にある。

析出された材料層の良好な付着も問題となる適用のためには、高い表面粗度がずっと適している。その限りにおいて、初期の平均の粗度Ｒ_ａ＝０．８μｍを有する試料２が、優先され、その試料は「エッチング期間ｍｉｎ」のための支持し得る小さい値を特徴とし（１２００ｍｉｎ）、他方でこのエッチング期間後にさらに、４μｍの上方のＲ_ａ値を有する十分に高い表面粗度を有している。

表１に挙げたデータに基づいて、エッチング処理の必要な強度と期間は、以下の寸法基準を用いて見積もることができる：
最小エッチング深さ_ｍｉｎ［単位 μｍ］＝７０＋６０×ｌｎ （Ｒ_ａ,０［単位 μｍ］）

安全ファクターを考慮して、実際においては、エッチング深さは最小エッチング深さ _ｍｉｎ より少なくとも５μｍだけ深くすべきであるが、コストの理由からは最大で２０μｍである。

本発明に基づく方法を使用して、石英ガラスからなるシングルウエファホルダが形成される。この構成部品は、実質的にリング形状である。然るべき石英ガラス未加工材料のすべての表面（従って２つのフラット側と円筒面）が、上述したように、０．８μｍの平均の表面粗度が生じるまで研磨される。

このように加工された未加工材料が、次に１４４０分の長さにわたって１０％のＨＦ溶液内で処理される。それによって得られた構成部品は、完全にミクロ亀裂のない、４．３μｍ前後の平均の表面粗度Ｒ_ａを有するエッチング構造を示す。

この構成部品は、規定通りに使用した場合のわずかな粒子生成と、その上に析出される材料層のための良好な付着能力を特徴としている。

このようにして形成された石英ガラスホルダの特徴的な特徴は、さらに１０％のフッ化水素酸内でエッチングした場合に、ほぼ一定のエッチング挙動において示される。これは特に、約０．２μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）のわずかな重量減少に反映される。さらに、重量減少は、図１も示すように、時間的に一定である。１４４０分のエッチング期間を有する他のエッチング方法において（それに伴って２８８０分の全エッチング期間まで）、約０．１９μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）が生じる。

さらに、１４００分のこの他のエッチング法後も、平均の表面粗度は、約４．１μｍの比較的高い水準に留まる（図２が示すように）。
［比較例１］

実施例１に示すように、石英ガラスからなるシングルウエファホルダが形成されて、機械的に加工される。平均の表面粗度は、０．８μｍである。このように加工された未加工材料が、次に２０分の長さにわたって１０％のＨＦ溶液内で洗浄される。

このようにして得られた構成部品は、１μｍ前後の平均の表面粗度Ｒ_ａを有するエッチング構造を有している。半導体製造方法において規定通りに使用した場合に、著しい粒子生成が示される。

ホルダのエッチング挙動の検査は、１０％のＨＦ溶液内でエッチングする場合に、石英ガラスは約１μｇ／（ｍｍ^２×ｍｉｎ）の初期の高い重量減少を示すが、さらにエッチングするとそれが急速に減少することを示している。

機械的に異なるように前処理された表面を有する石英ガラス未加工材料において時間的なエッチング除去を示すグラフである。 機械的に異なるように前処理された表面を有する石英ガラス未加工材料におけるエッチング長さによる表面粗度の進展を示す棒グラフである。

Claims (6)

1. 未加工材料の表面を機械的に加工することによって初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０を発生し、かつこのように加工された構成部品表面がエッチング処理を受けることによって、半導体製造において使用するための石英ガラスからなる構成部品を形成する方法において、
   機械的な加工によって、少なくとも０．３μｍかつ最大で１．６μｍの初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０を設定し、かつエッチング処理の強度と期間を、１５μｍと１２０μｍの間の範囲内でエッチング深さがＲ_ａ,０に従って定められた最小エッチング深さ_ｍｉｎよりも大きいように、設定することを特徴とする石英ガラスからなる構成部品を形成する方法。
2. ０．４μｍまたはそれより大きい初期の平均の表面粗度Ｒ_ａ,０において、以下の寸法基準の最小エッチング深さ_ｍｉｎ：
   最小エッチング深さ_ｍｉｎ［単位 μｍ］＝７０＋６０×ｌｎ（Ｒ_ａ,０［単位 μｍ］）
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 以下の寸法基準の最小エッチング深さ_ｍｉｎ：
   最小エッチング深さ_ｍｉｎ［単位 μｍ］＝７５＋６０×ｌｎ（Ｒ_ａ,０［単位 μｍ］）
   を満足することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 最小エッチング深さ_ｍｉｎが、２０μｍと１００μｍの間の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. エッチング処理の強度と期間を、エッチング深さが最小エッチング深さ_ｍｉｎよりも最大で２０μｍ大きいように設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 表面の機械的な加工によって、０．８μｍの初期の平均的な表面粗度Ｒ_ａ,０を発生することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

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