JP5492164B2

JP5492164B2 - 表面加工方法及び表面加工装置

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Publication number: JP5492164B2
Application number: JP2011197165A
Authority: JP
Inventors: 和也山村; 敏彦岡村; 睦己浅野
Original assignee: Osaka University NUC; Tosoh Corp
Current assignee: Osaka University NUC; Tosoh Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: JP2011251907A

Description

本発明は、加工ヘッドによりフッ酸等のエッチャント（エッチング液）をガラス基板、半導体基板等の被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャントの流路を形成し、例えば加工ヘッドを走査して被加工物の表面を加工する表面加工方法および表面加工装置に関する。

液晶テレビやパソコンモニターのパネルは、ＴＦＴアレイやカラーフィルターから構成されており、これらは露光装置を用いてフォトマスクに描かれたパターンを繰り返し転写することにより作製される。

近年、大型液晶テレビの需要拡大に伴い、大型パネルに対応したフォトマスクの大型化、さらに、ディスプレイの高画質化が進んできたことにより、パネルの品質を左右するフォトマスクの高精細化が求められてきている。

フォトマスクサイズとして、１２２０ｍｍ×１４００ｍｍの露光装置も発表され、さらに大型化が進むとされる。

フォトマスクの基材としては、熱膨張係数の小さい合成石英ガラスが用いられるが、露光精度にはこの基材の平坦度が大きく左右する。平坦度の悪い基材を用いると、パターンずれを引き起こし、高精細なものが得られないことが経験上把握され、平坦度として数μｍが求められている。

この平坦度のような厳しい要求性能を、従来の水、研磨砥粒、研磨布を用いた両面研磨法や片面研磨法等の機械研磨法で行うことは非常に難しいものと考えられる。

このような機械的研磨法にあっては、研磨面圧と研磨ヘッドと被加工物との相対的運動速度の均一化等を工夫することにより、基板の平坦化を高めるようにしているが、基板全面を同時に研磨しながら平坦化するため、部分的な形状を平坦化するための制御が極めて難しいのが現状である。

そこで、機械加工に代わる加工方法として、プラズマを用いて局所的なエッチングを行い表面を平坦化する方法が提案されている。これは、予め被加工物の形状あるいは厚さ分布を測定後、その分布に応じて被加工物上のプラズマの走査速度を制御することにより、エッチングの除去量を制御し、高平坦化を実現するための修正加工方法である。

このプラズマエッチング方法をガラス基板の加工に適応した場合、このプラズマエッチングによる修正加工方法では、ガラス基板の大型化に伴って加工時間が極端に長くなるため、加工速度を速める必要がある。加工速度を速めるためには、加工領域の拡大、すなわちプラズマ領域の大面積化が必要であるが、その材料物性の違いから、具体的には、比誘電率、熱伝導率の違いから、プラズマが不安定となり加工量が変動したり、投入電力が増大し、熱がガラス基板に蓄積されることにより制御が難しくなり、被加工物の表面粗さを悪化させることになる。

また、プラズマエッチング方法では、真空チャンバー、ガス排気装置等の高価な装置を必要とし、大型ガラス基板の加工では、加工に係る費用がさらに増大するという問題がある。

そこで、本出願人は、上述した機械的な加工方法、プラズマエッチング加工方法に代わる新たな加工方法として、ケミカルエッチング法に着目した（特許文献１、２）。

特許文献１に開示のケミカルエッチング法は、活性状態と不活性状態とを温度により取り得るエッチング液（エッチャント）を使用し、タンク内に収容されている不活性のエッチャントに浸漬している半導体基板の主面の一部にエッチャント噴出用ノズルによって活性のエッチャントを当てつつ、該半導体基板の主面に平行する方向に、該エッチャント噴出用ノズルに対して該半導体基板を相対移動させてその主面全体に活性のエッチャントを当てると共に、該半導体基板の主面に当てた反応後のエッチャントをエッチャント排出用パイプによって直ちにタンク外部へ排出する。

特許文献２には、処理液としてのエッチャントが供給される導入通路と該エッチャントが排出される排出通路を有するパイプを内外に配置した同心管構造のノズルが開示され、被処理物に向けてエッチャントを内側のパイプより供給し、外側のパイプと内側のパイプとの隙間から被処理物に向けて供給されたエッチャントを供給する。

特開平１１−０４５８７２号公報特開平１０−１６３１５３号公報

上述した特許文献１に開示の技術を大きなサイズの被加工物に適用しようとする場合、この被加工物を収容することができるタンクが必要となり、設備が非常に大きくなり、現実的ではない。

これに対し、特許文献２に開示の技術では、基板を不活性なエッチャントが収容されているタンク内に浸漬する必要はないが、本発明者等はこのようなケミカルエッチングによりガラス基板等の表面を平坦化加工することについて実験を行ったところ、目的とする平面形状が得られない場合が生じることを知見した。

ここで、ガラス基板等の表面を平坦化加工する手法としては、ガラス基板等の被加工物の表面形状を測定して得られた測定データに基づいて、該被加工物の表面を目的とする形状となるように部分的に加工するという修正加工が用いられている。

そこで、この修正加工を上述のケミカルエッチング式の表面加工方法に適用して被加工物の表面を高平坦度に加工するためには、加工ヘッドによりフッ酸等のエッチャント（エッチング液）をガラス基板、半導体基板等の被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャントの流路を形成し、例えば加工ヘッドを表面形状測定データと目的とする形状とにより決定され除去量に応じた走査速度で走査する。その際、加工ヘッドを静止した状態でエッチング領域によって形成された被加工物の表面に単位となる加工痕形状（以下、単位加工痕と称す）を測定し、測定結果に基づく単位加工痕に基づいて、加工前における被加工物の表面から加工により除去すべき除去量と加工ヘッドの走査速度を求め、この走査速度により加工ヘッドを駆動する。

ところで、ガラス基板の大型化に伴いガラス基板の表面加工処理能力を向上させるために、加工ヘッドの走査速度を高速化することが考えられる。

しかしながら、加工ヘッドの走査速度を速めると、計算通りに加工できず、目的とする平面形状が得られないことがあった。つまり、このケミカルエッチング式の加工方法は、数値制御による修正加工であって、本来は平坦化のために算出した目的の除去量で実際の加工が行われるべきであるが、実際の加工による除去量がこの目的の除去量からずれると目的とする平坦形状が得られないことになる。

このような除去量のずれが生じる原因として、被加工物としてガラス基板を例えば水平姿勢で保持し、加工ヘッドを水平に走査した際に、走査方向後方にエッチャントが後に引かれるように残る液引きが考えられる。これは、加工ヘッドの高速走査により、加工ヘッドとガラス基板表面との間を流れるエッチャント流路の供給と吸引のバランスがくずれることに基づくものと考えられる。

本発明はこのような観点に鑑みなされたもので、走査速度を速めても、平坦化のために算出した目的の除去量（計算値）と実際の加工における除去量にずれを生じさせることのないガラス基板等の被加工物の表面加工方法及び表面加工装置を提供することを目的とするものである。

（１）本発明の目的を実現する方法としては、加工ヘッドによりエッチャントを被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャント流路を形成し、前記被加工物を垂直姿勢に保持した状態を維持して、該加工ヘッドと該被加工物とを相対的に走査して被加工物の表面を加工する表面加工方法であって、前記加工ヘッドと前記被加工物との相対走査の際に、前記エッチャント流路を流れるエッチャントを該エッチャント流路の外側から前記エッチャント流路の外周を取り囲むようにして、全周方向からエッチャント流路の中心に向かって流れる乾燥ガスの加圧ガス流で加圧し、前記エッチャント流路内にエッチャントを封じ込め、前記加圧ガス流は、前記加工ヘッドと前記被加工物との間に、大気側に向かって流れる第１のガス流と、前記エッチング領域に向かって流れる第２のガス流を形成し、前記第１のガス流の流路抵抗を前記第２のガス流の流路抵抗よりも大きくしたことを特徴とする。
（２）本発明の目的を実現する装置としては、加工ヘッドによりエッチャントを被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャント流路を形成し、前記被加工物を基板保持台により垂直姿勢に保持した状態を維持して、該加工ヘッドを該被加工物に対し走査して被加工物の表面を加工する表面加工装置であって、前記加工ヘッドは、中心部に形成したエッチャントの供給口と、該供給口を中心とする同心円上に形成したエッチャントを吸引排出する多数のエッチャント排出孔と、前記多数のエッチャント排出孔よりも外方に配置した多数の加圧ガス孔とを有し、前記多数の加圧ガス孔は前記加工ヘッドに設けられ、加圧ガスが供給される周溝に連通して形成され、該多数の加圧ガス孔から流出する乾燥した加圧ガスにより、前記多数のエッチャント排出孔の外周に前記加工ヘッドの中心に向かって加圧ガス流を形成して、前記エッチャント流路内にエッチャントを封じ込めることを特徴とする。

本発明によれば、エッチャント流路を取り囲む加圧ガス流を形成して、前記エッチャント流路内にエッチャントを封じ込むようにしているので、均一かつコンパクトにエッチャントの封じ込みを行うことができる。

（ａ）は本発明の前提技術を示す湿式エッチング加工装置の概略図、（ｂ）は（ａ）に示す加工ヘッドの正面図。図１のＡ−Ａ矢視図。図２の加工ヘッド走査装置における走査順序を示す図。修正加工におけるガラス基板１枚の加工時間算出の概念図。最高走査速度と加工時間との関係を示す図。本発明の前提技術における走査速度とライン加工断面形状との関係を示す図。本発明の前提技術における計算値、加圧ガス流による加圧あり、加圧なしの場合のライン断面形状を示す図。（ａ）は本発明の実施形態を示す湿式エッチング加工装置の概略図、（ｂ）は（ａ）に示す加工ヘッドの正面図。本発明の実施形態における走査速度とライン加工断面形状との関係を示す図。本発明の実施形態における計算値、加圧ガス流による加圧あり、加圧なしの場合のライン断面形状を示す図。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の前提技術
前提技術
図１は本発明の前提技術による加工ヘッドを備えた湿式エッチング加工装置を示す図、図２は図１の加工ヘッドと被加工物としてのガラス基板を垂直姿勢に保持する基板ホルダーとの関係を示す図、図３は加工ヘッドの走査順路を示している。

図１に示す湿式エッチング加工装置１は、破線で囲ったエッチャント循環装置１Ａと、エッチャント循環装置１Ａと接続した加工ヘッド２を備え、被加工物としてのガラス基板３の表面に対して加工ヘッド２を直交する２方向に移動させる加工ヘッド走査装置１Ｂと、により構成している。

被加工物としてのガラス基板３は、例えば合成石英ガラス板，フォトマスク基板，大型フォトマスク基板等が例示でき、大型基板としては一辺が３００ｍｍ角以上のものを指す。また、加工物はガラス基板に限らず、シリコンウエハー等であっても良い。

エッチャント循環装置１Ａは、密閉構造のエッチャントタンク４内にフッ酸等のエッチャント５が収容され、このエッチャントタンク４内のエッチャント５をエッチャント供給系６により加工ヘッド２に供給する。また、加工ヘッド２とエッチャントタンク４とはエッチャント回収管７により接続され、加工ヘッド２からガラス基板３の表面に供給されたエッチャント５を吸引してエッチャント回収管７からエッチャントタンク４に戻す。

また、エッチャントタンク４にはガス排気管８が接続され、吸引ポンプを兼ねるガス排気ポンプ９によりエッチャントタンク４内のガスを排気する。エッチャントタンク４のエッチャント５の濃度が低下あるいは増加した場合、またエッチャントの収容量が減少した場合に、濃度コントローラ１０から、水１１、エッチャント５を個々にあるいは混合してエッチャントタンク４内に補給管１２を介して供給するようになっている。

エッチャント供給系６は、エッチャントタンク４側から順に、送液ポンプ１３、熱交換器１４、送液されるエッチャント５の温度を計測するための測温体１５、送液されるエッチャント５の流量を調節する流量調節バルブ１６、送液されるエッチャント５の流量を計測する流量計１７、フッ酸濃度センサー１８が配置され、フッ酸濃度センサー１８から下流側に設けられたフレキシブル管からなる供給管１９が加工ヘッド２に接続されている。

熱交換器１４は、測温体１５の測温情報に基づいて送液されるエッチャント５の温度が所定の温度となるように、温調ユニット２０によりエッチャント５を加熱或いは冷却する。また、流量調節バルブ１６は、流量計１７の流量情報に基づいて送液されるエッチャント５の流量が所定の流量となるように、流量を調節する。フッ酸濃度センサー１８は、測定した濃度値を濃度コントローラ１０へフィードバックし、エッチャントタンク４内を設定した濃度にコントロールする。

吸引ポンプを兼ねるガス排気ポンプ９は、エッチャントタンク４内の気体を吸引して排気することによりエッチャントタンク４内を負圧状態とし、加工ヘッド２とガラス基板３との間に供給されたエッチャント５及びエッチャント５の一部から気化したガスを加工ヘッド２より吸引し、回収管７を通してエッチャントタンク４内に回収する。ガラス基板３の表面に供給されたエッチャント５の一部から気化したガスが拡散するとガラス基板３の表面を腐食して表面粗さを悪化させる原因の一つとなるが、この気化ガスを加工ヘッド２により吸引して排気することにより、ガラス基板３の表面における表面粗さを維持することができる。

なお、エッチャント循環装置１Ａにおける上述の各種制御は不図示の制御装置により実行される。

図２に示すように、加工ヘッド走査装置１Ｂは、被加工物であるガラス基板３を垂直姿勢に保持する不図示の基板保持台を装置基台３１に固定し、該基板保持台に保持されたガラス基板３の表面に沿って垂直方向と水平方向の直交する２方向に移動可能な２方向移動ステージ３２に加工ヘッド２を取付け、加工ヘッド２を水平方向に移動させる主走査速度と、垂直方向に所定ピッチで送る副走査方向の送り量を制御する加工ヘッド走査速度制御部３３とにより構成しており、この加工ヘッド走査速度制御部３３を除く前記基板保持台と２方向移動ステージ３２を装置カバー３４により覆い、室内にエッチャント５が飛散し、気化ガスが放散されるのを防いでいる。

２方向移動ステージ３２は、門型に形成された、例えばアルミ製の垂直フレーム３５を構成する一対の垂直フレーム部材３６にそれぞれ直線移動案内機構３７を取り付け、この一対の直線移動案内機構３７に水平フレーム部材３８を取り付け、水平フレーム部材３８を超高精度に垂直方向に移動可能としている。また、水平フレーム部材３８には主走査方向駆動用のボールねじ３９を走査方向に沿って取り付け、このボールねじ３９のナット部に加工ヘッド２を取り付けている。さらに、一対の垂直フレーム部材３６の間に、垂直方向に沿って副走査方向用のボールねじ４０を取り付け、このボールねじ４０のナット部に水平フレーム部材３８を取り付けている。

主走査方向駆動用のボールねじ３９と副走査方向用のボールねじ４０はそれぞれのねじ部材を回転駆動する不図示のモータを有し、これらのモータを加工ヘッド走査速度制御部３３により駆動制御して走査を行う。

また、上記した構成の加圧ヘッド２は、２方向移動ステージ３２により、図３中矢印で示すように、垂直姿勢に保持されたガラス基板３の上端の水平方向一端側から他端側に向けて水平に移動する主走査を行い、該他端側の所定位置に到達すると、所定量だけ下方に送られる副走査を行った後、一端側に向けて主走査を行うというラスタースキャン方式により加工を行う。そして、この一連の主走査と副走査をガラス基板３の上端から下端に渡り行ってガラス基板３の表面をエッチング処理により平坦化する。

エッチング処理を行う前に、ガラス基板３の表面の形状を測定し、測定結果に基づいて目的の形状に最も近づくように、加工前形状と加工ヘッド２で加工してできる静止加工痕形状から加工除去量と加工ヘッドの主走査速度を演算する。例えば、凸形状の大きい部分はエッチング量を多く、凸形状の小さい部分や凹形状の部分はエッチング量を少なくするように加工ヘッド２の主走査速度を制御する。

ガラス基板３の表面の形状測定は、レーザー等を用いた非接触方式、触針等の接触方式の測定手段を用いて行うことができる。なお、測定はガラス基板３を垂直姿勢に保持して行うため、ガラス基板３の自重たわみの影響を排除することができる。

また、エッチング領域をなすエッチャントの供給と吸引のバランスにずれが生じた場合、エッチャントである例えばフッ酸濃度に変化が生じた場合にも平坦度に影響を与えることが本発明等により解明されている。

図１に戻り、加工ヘッド２は、円筒形状に形成した外筒５１と、外筒５１内に中心軸を一致させて内装される円筒形状の内筒５２と、外筒５１の内周部と内筒５２の外周部との間に配置される円盤形状に形成されたガイド部材５３と、同心状に配置された外筒５１と内筒５２の背面側（ガラス基板３とは反対側）に当接する円盤形状の背面板５４とにより構成している。

外筒５１は、外径をＤ０、内径をＤ１、前面の開口５１ａの開口径をＤ２（Ｄ１＞Ｄ２）とし、内筒５２は外径をＤ３（Ｄ２＞Ｄ３）としている。また、外筒５１は背面側の端部にフランジ部５１ｂを有し、このフランジ部５１ｂには凹部５１ｃが形成されている。一方、内筒５２の背面側の端部には、フランジ部５２ａが形成され、このフランジ部５２ａが外筒５１の凹部５１ｃにガタなく嵌合している。そして、内筒５２のフランジ部５２ａの前面が外筒５１の凹部５１ｃの背面に当接した状態において、内筒５２の前端面と外筒５１の前端面とが段差なく同じレベルに一致するように内筒５２と外筒５１の全長を設定している。

また、内筒５２の先端において、内筒５２と外筒５１との間に、[（Ｄ２−Ｄ３）/２＝ｄ１]の隙間を有する環状の排出孔５５を形成している。

ここで、内筒５２はエッチャントをガラス基板３との間に供給するエッチャント供給ノズル部として用いられ、環状の排出孔５５は、供給されたエッチャントを吸引して排出するのに用いられる。したがって、エッチング領域は、環状の排出孔５５の外周にて形成される円内となる。

ガイド部材５３は、内筒５２の外周に同心に外装され、且つ外筒５１の内周に同心に内装されることにより、内筒５２を外筒５１に対して同一軸心を保持し、前記環状の排出孔５５の隙間ｄ１を全周にわたって維持できるようにしている。なお、ガイド部材５３が装着されている外筒５１の内周部分には、環状の排出孔５５から吸引したエッチャントが通過するための開口部５３ａを適宜に形成している。同様に、内筒５２のフランジ部５２ａに、複数の液孔５２ｂが周方向に同一円周上に形成されている。

背面板５４は、中央に内筒５２の中空孔部５８に接合する接続孔５６を有し、前面側に複数の液孔５２ｂに対応して凹状の周溝５７が形成され、径方向に沿って該周溝５７に連通する排出路５９が複数形成されている。そして、これら複数の排出路５９の排出端に回収管７が接続されている。また、エッチャント循環装置１Ａの供給管１９が接続孔５６に接続される。

背面板５４は固定ねじ４３により、外筒５１のフランジ部５１ｂに締結され、内筒５２のフランジ部５２ａに当接して内筒５２の軸方向移動を規制し、外筒５１と内筒５２と背面板５４とを一体的に固定する。

本実施形態において、内筒５２の中空孔部５８を通してガラス基板３との隙間にエッチャント５が供給され中空孔部５８の周囲に同心上に形成された環状の排出孔５５に吸引されて排出され、ガイド部材５３に形成した開口部５３ａを通し、さらに内筒５２のフランジ部５２ａに形成した液孔５２ｂを通して凹状の周溝５７に集められ、さらに四方に設けた排出路５９を通して回収される。

なお、環状の排出孔５５の隙間ｄ１に比較して、外筒５１の内径（Ｄ１）と内筒５２の外径（Ｄ３）との隙間[（Ｄ１−Ｄ３）/２＝ｄ２]を大きくする。隙間ｄ２が隙間ｄ１と等しいと、液孔５２ｂを通して回収管７へ至る管路抵抗の影響で排出孔５５から充分にエッチャントを吸引排出できなくなるため、隙間ｄ２を隙間ｄ１よりも大きくして排出孔５５よりエッチャントを充分に吸引排出できるようにしている。

本前提例において、加工ヘッド２を構成する外筒５１の外周部にエッチャントを封じ込むための加圧ガスノズル６１を取り付け、不図示の加圧ガス供給装置からガス供給管６２を通して供給されたエッチャント封じ込み用の加圧ガスとしての窒素ガス６３を加圧ガスノズル６１のノズル端６１ａからガラス基板３に向けて流れるようにしている。本前提例では一対の加圧ガスノズル６１を加工ヘッド２の走査方向（本実施形態では水平方向）に沿って対向配置しており、各加圧ガスノズル６１のノズル端６１ａを加工ヘッド２の中心側に向けて例えば傾斜配置することでノズル端６１ａからの窒素ガス６３を加工ヘッド２の中心側に向けて流れるようにしている。

なお、エッチャント封じ込み用ガスとしては、窒素ガスを用いているが、これ以外に空気等も用いることができ、乾燥ガスを用いることが好ましい。加圧ガスに水分を含むと、ガラス基板の表面でフッ酸が凝集し、表面が荒れるが、乾燥ガスとすることによりこれを防止することができる。

図１（ｂ）に示すように、加工ヘッド２の外筒５１の外周部に対向配置した一対の加圧ガスノズル６１を内筒５２の両側に配置している。加圧ガスノズル６１のノズル形状を加工ヘッド２の前面に沿って拡がった扁平状に形成し、ノズル端６１ａからは、窒素ガス６３の加圧ガス流として、内筒５２の中心に向かう中心加圧ガス流（走査方向と同方向）と、該中心加圧ガス流に対して上下方向に傾斜した側方加圧ガス流とをそれぞれ形成している。

すなわち、ガラス基板３の表面に供給されたエッチャントは、吸引による減圧と大気圧との差により同心状に形成されている排出孔５５に向けて流れており、エッチャント流路を流れるエッチャントをエッチャント流路の外側から一対の加圧ガスノズル６１からの加圧ガス流で加圧することでエッチャントの吸引排出に対して大気圧側の圧力を高め、エッチャント流路内にエッチャントを封じ込め、エッチャントのはみだしを防止する。

特に、本前提例では、加工ヘッド２の走査方向に沿って一対の加工ヘッド２を対向して設けているので、加工ヘッド２の走査方向である水平方向におけるエッチャントのはみ出しを防止できる。

このため、加工ヘッド２を走査してガラス基板３をエッチャントにより加工する際、走査速度が速くなると液引きが生じやすくなるが、一対の加圧ガスノズル６１からの加圧窒素ガス５３によってエッチャント流路を流れるエッチャントを加圧しているので、エッチャントのはみ出しが抑制され、加工ヘッド２の走査速度を速くしてもエッチャントの液引きを防止することができる。

ここで、加工ヘッド２の走査速度の高速化とガラス基板１枚の加工時間との関係を図４を参照して説明する。このガラス基板の加工は修正加工であり、図４中、加工前におけるガラス基板３の符号Ｑ２で示す部分は凹凸が存在する部分であって、平坦化のためにはより多く除去すべき部分である。また、Ｑ１は修正加工において、設定した最高速度で加工ヘッド２を走査させたときに除去される部分を示している。修正加工部分Ｑ１はガラス基板上の最も凹の部分を含んだ全面が加工対象となるので、この修正加工部分Ｑ１の加工量をできるだけ少なくすることが加工時間の短縮につながり、そのため走査速度のより高速化を図る必要がある。

加工ヘッド２の走査によりエッチャントでガラス基板３の表面を加工するに際し、ガラス基板３の表面には所定幅で所定深さの加工を行い、１走査を終了すると所定の送りピッチだけ上下方向に加工ヘッドをずらして次の走査を行う。

また、走査速度を速くすると、接触時間が短くなり加工深さも浅くなる。さらに、形状体積Ｑ２は凹凸が存在し、凹の部分は少ない加工量で良く、凸の部分では大きな加工量を要するので、凹の部分での走査速度を速く、凸の部分での走査速度を遅くすることで加工量の大小を調整することができる。

ここで、
単位時間当たりの体積加工速度をＶ_１（mm^３/min）
ライン加工幅をｗ(mm) １パス当たりの加工深さをｄ（mm）
送りピッチをｐ(mm)
最高走査速度をＶmax(mm/min)
最低加工深さをdmin(mm)
ガラス基板の面積をＳmm^２
Ｑ１は最低加工体積（mm^３）
Ｑ２は形状堆積（mm^３）
Ｑ３はトータル除去堆積（＝Ｑ_１＋Ｑ_２）
トータル加工時間をＴ（min）
とすると、
単位時間当たりの体積加工速度Ｖ_１は、
Ｖ_１＝ｗ・d・Ｖmax → d＝Ｖ_１/(ｗ・Ｖmax）
最低加工深さdminは、
dmin＝ｄ・(ｗ/ｐ)＝[Ｖ１/(ｗ・Ｖmax)]・(ｗ/ｐ)＝Ｖ１/(Ｖmax・ｐ)
最低加工体積Ｑ_１は、
Ｑ_１＝Ｓ・dmin＝Ｖ１・Ｓ/(Ｖmax・ｐ)
トータル除去体積Ｑ_３は、
Ｑ_３＝Ｑ_１＋Ｑ_２＝Ｖ_１・Ｓ/(Ｖmax・ｐ)＋Ｑ_２
したがって、トータル加工時間Ｔは、下記の式で表わされる。
Ｔ＝Ｑ_３/Ｖ_１＝（Ｑ_１＋Ｑ_２）/Ｖ_１＝Ｓ/(Ｖ_ｍａｘ・ｐ)＋Ｑ_２/Ｖ_１

すなわち、単位時間当たりの体積加工速度が速いほど、最高走査速度が速く、送りピッチが広いほどトータルの加工時間は短縮される。

図５は最高走査速度と加工時間との関係を示す。

単位時間当たりの体積速度Ｖ_１を５（mm３/min）
送りピッチｐを８ｍｍ
ガラス基板の面積Ｓを1,000,000mm^２（1000ｍｍ角基板）
形状体積Ｑ２を3,000（mm^３）（基板面積×３μｍの体積で、平坦度では約６μｍ相当）とする。そして、最高走査速度をＶmax(mm/min)を変化させた場合におけるトータル加工時間（ｈ）を示す。

図５より、最高走査速度を速めるとトータル加工時間が短縮されることが明らかとなる。

上述のように加工ヘッド２の走査速度を速めるとトータル加工時間の短縮が図れるが、その際、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合と窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合におけるライン断面積比（計算により得られる加工断面の断面積に対して実際の加工により得られた断面積との比）を求めることにより液引き等の影響の有無を実験により求めた。なお、前提例においてはガラス基板３を垂直に保持し、加工ヘッド２を水平に走査する場合を例にして説明したが、この実験ではガラス基板３を水平に保持し、加工ヘッド２をガラス基板３の下側に配置してエッチャントを上方のガラス基板に向けて供給するようにしながら水平方向に走査した。実験結果を図６に示す。

この実験における加工条件は以下の通りである。

加工ヘッド２のノズル直径（φ）：１５ｍｍ
加工ヘッド２とガラス基板３とのギャップ：0.25ｍｍ
フッ酸濃度：２５ｗｔ％
フッ酸循環流量：２８Ｌ/ｈ
フッ酸の吸引流量：31.4Ｌ/min
フッ酸温度：２５℃
窒素ガス流量：８Ｌ/min
なお、加圧ガスノズル６１のノズル端６１ａのサイズを13ｍｍ×1ｍｍとした。

図６は横軸を走査速度、縦軸をライン断面積比とし、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合と窒素ガスの加圧ガス流による加圧なしの場合での断面積比を示す。

窒素ガスの加圧ガス流による加圧がない場合、走査速度が５００（ｍｍ/min）を超えると、ライン断面積比が急激に増加する。これは、走査速度が５００（ｍｍ/min）を超えて速くなると、液引きが発生し、ガラス基板に接触するエッチャントの面積が増加して、ガラス基板に対するエッチャントの接触時間が長くなることによるものと思われる。

これに対し、窒素ガスの加圧ガス流による加圧がある場合には、走査速度が５００（ｍｍ/min）を超えてもライン断面積比は殆ど１と変わらず、エッチャントの液引きが発生していないことを示す。

図７に走査速度１０００（ｍｍ/min）でのライン断面形状について、計算値での形状と、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合の形状と、窒素ガスの加圧ガス流による加圧なしの場合の形状を示す。

計算値の形状と窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合の形状とは略同形状であるのに対し、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合でのライン断面形状は計算値よりも深くまた底が狭い断面形状に加工されている。

したがって、走査速度を速くすると上述のように液引きの影響によってライン断面が計算値よりも加工深さが深くなり、しかも底が狭い形状となり、目的とする加工形状が得難くなるが、窒素ガスの加圧ガス流による加圧により走査速度を速めても目的とする加工形状が得られることとなる。

実施形態
本発明の実施形態を図８に示す。本実施形態では、加工ヘッド２の構成が本発明の前提技術の構成と異なり、また窒素ガス加圧ノズルを加工ヘッドに設けた点が異なる他は上述した本発明の前提技術と同様なので、異なる点のみを説明する。

本実施形態の加工ヘッド２は、円盤形状に形成されたノズルブロック体４１と、ノズルブロック体４１の背面側に接合される円盤形状の背面ブロック体４２とを固定ねじ４３とにより一体化して全体的に円盤形状とした構成としている。

ノズルブロック体４１は、中心位置にエッチャントを供給する供給ノズル部４４を形成し、この供給ノズル部４４を中心とする同一円周上にエッチャントを吸引して排出する複数の排出孔４５が等ピッチで形成されている。ノズルブロック体４１の背面側には、これら複数の排出孔４５に対応して背面側に開口する第１周溝４６が形成され、これら複数の排出孔４５がこの第１周溝４６に連通している。

背面ブロック体４２は、中心部に開口４７を有するドーナツ状に形成され、前面には、第１周溝４６と同一内外周径を有する第２周溝４８が形成され、背面ブロック体４２をノズルブロック体４１に接合した際に、第１周溝４６と第２周溝４８とによって複数の排出孔４５からのエッチャントを１箇所に集める環状の回収部を形成している。

なお、ノズルブロック体４１と背面ブロック体４２の材料としては、耐エッチャント特性に優れ、曲げ強度、硬度等の機械特性の優れたものを選定することが望ましい。特に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂，ＡＢＳ，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリカーボネイト，メチルペンテン，ＰＥＥＫ等が用いられる。

背面ブロック体４２の胴部には、第２周溝４８に連通する排出路４９が複数形成され、これら排出路４９の排出端部にエッチャント循環装置１Ａの回収管７が接続される。そして、エッチャント循環装置１Ａの供給管１９が背面ブロック体４２の開口４７を通してノズルブロック体４１のエッチャント供給ノズル部４４に接続される。

加工ヘッド２のエッチャント供給ノズル部４４からガラス基板３の表面に連続的に供給されたエッチャント５は、該エッチャント供給ノズル部４４を中心として半径Ｒ１の円周上に複数設けられた排出孔４５に連続的に吸引排出されるので、ヘッドと被加工物の表面との間におけるエッチャントの流れが形成される一定の領域であるエッチング領域が半径Ｒ１で形成されることになる。

一方、ノズルブロック体４１には、後端面側から第３周溝７１を第１周溝４６よりも外方に形成され、前端面には半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ１）の同一円周上に多数の加圧ガス孔７２が排出孔４５を取り囲むように等ピッチで形成されていて、これらの加圧ガス孔７２が第３周溝７１に連通している。この第３周溝７１は、ノズルブロック体４１が背面ブロック体４２に接合した状態で後端開口が密閉された状態となる。

また、本実施形態では、ノズルブロック体４１の前端面は、固定ねじ４３の頭部が当接する座面を為す外周フランジ部１００と、外周フランジ部１００の内側に形成され、外周フランジ部１００よりも前方に突出し、排出孔４５の開口端面、加圧ガス孔７２の開口端面、供給ノズル部４５の開口端面が形成されるノズル形成部１０１が形成されている。ノズル形成部１０１は、前面が全面に渡って平坦面に形成されている。ノズル形成部１０１は円形に形成されていて、外周縁と加圧ガス孔７２との間に平坦部１０２が形成されている。

したがって、ノズル形成部１０１とガラス基板３との間に形成される隙間において、加圧ガス孔７２から噴射される加圧ガスは、ガラス基板３と平坦部１０２との間に形成される外周側空間と、加圧ガス孔７２と排出孔４５との間におけるリング状領域とガラス基板３との間に形成される内周側空間とに分岐して流れる。

その際、前記外周側空間は大気圧の正圧が作用し、前記内周側空間は排出孔４５からの吸引作用を受けて負圧が作用する。すなわち、正圧が作用する前記外周側空間内の空気抵抗は、負圧の作用する前記内周側空間内の空気抵抗よりも高いため、前記加圧ガス孔７２から加圧ガスが噴射されると、噴射ガスの多くは前記内周側空間に向けて流れ、この内周側空間が前記エッチング領域におけるエッチャントの封じ込め作用をなし、液だれ、液引きの発生を防止する。

また、ノズルブロック体４１の周面には複数個所にガス供給孔７３が形成され、これらのガス供給孔７３は第３周溝７１に連通している。そして、各ガス供給孔７３にはガス供給管７４が取り付けられ、第３周溝７１を通して多数の加圧ガス孔７２に連通している。そして、不図示の加圧ガス供給装置からの窒素ガスがこれら複数のガス供給管７４を介して多数の加圧ガス孔７２からガラス基板３に向かって流出する。

本実施形態の加工ヘッド２は、多数の加圧ガス孔７２を同一円周上に形成し、その内側にエッチャントを吸引排出する多数の排出孔４５を形成した多重ノズル構成としているので、エッチャント流路の外側に半径Ｒ２の加圧ガス流からなる加圧ガス領域を形成し、エッチャント流路を流れるエッチャントを半径Ｒ１の平面内に封じ込ませることができ、前提技術と同様に加工ヘッド２の走査速度を速めても、目的とする加工を行うことができる。

上述のように加工ヘッド２の走査速度を速めるとトータル加工時間の短縮が図れるが、その際、前提技術と同様に窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合と窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合におけるライン断面積比を求めることにより液引き等の影響の有無を実験により求めた。なお、第２実施形態の加工ヘッドを用いた実験では前提技術と同様にガラス基板３を水平に保持し、加工ヘッド２をガラス基板３の下側に配置してエッチャントを上方のガラス基板に向けて供給するようにしながら水平方向に走査した。実験結果を図９に示す。

この実験における加工条件は以下の通りである。

加工ヘッド２のノズル直径（φ）：１５ｍｍ
加工ヘッド２とガラス基板３とのギャップ：0.25ｍｍ
フッ酸濃度：２５ｗｔ％
フッ酸循環流量：３０Ｌ/ｈ
フッ酸の吸引流量：31.4Ｌ/min
フッ酸温度：２５℃
窒素ガス流量：２０Ｌ/min

図９は図６と同様に横軸を走査速度、縦軸をライン断面積比とし、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合と窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合での断面積比を示す。

窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合、走査速度が８００（ｍｍ/min）を超えると、ライン断面積比が急激に増加する。これは、走査速度が８００（ｍｍ/min）を超えて速くなると、液引きが発生し、ガラス基板に接触するエッチャントの面積が増加して、ガラス基板に対するエッチャントの接触時間が長くなることによるものと思われる。

これに対し、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合には、走査速度が１０００（ｍｍ/min）までライン断面積比は殆ど１と変わらず、エッチャントの液引きが発生していないことを示す。

図１０に走査速度１０００（ｍｍ/min）でのライン断面形状について、計算値での形状と、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合の形状と、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合の形状を示す。

この場合も前提技術の図７と同様に計算値の形状と窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行った場合の形状とは略同形状であるのに対し、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行わなかった場合でのライン断面形状は計算値よりも深くまた底が狭い断面形状に加工されている。

したがって、走査速度を速くすると上述のように液引きの影響によってライン断面が計算値よりも加工深さが深くなり、しかも底が狭い形状となり、目的とする加工形状が得難くなるが、窒素ガスの加圧ガス流による加圧を行うことにより走査速度を速めても目的とする加工形状が得られることとなる。

１湿式エッチング加工装置
１Ａエッチャント循環装置
１Ｂ加工ヘッド走査装置
２加工ヘッド
３ガラス基板（被加工物）
４エッチャントタンク
５エッチャント
６エッチャント供給系
７エッチャント回収管
８ガス排気管
９ガス排気ポンプ
１０濃度コントローラ
１１水
１２補給管
１３送液ポンプ
１４熱交換器
１５測温体
１６流量調節バルブ
１７流量計
１８フッ酸濃度センサー
１９供給管
２０温調ユニット
３１装置基台
３２２方向移動ステージ
３３加工ヘッド走査速度制御部
３４装置カバー
３５垂直フレーム
３６垂直フレーム部材
３７直線移動案内機構
３８水平フレーム部材
３９主走査方向駆動用のボールねじ
４０副走査方向用のボールねじ
４１ノズルブロック体
４２背面ブロック体
４３固定ねじ
４４供給ノズル部
４５排出孔
４６第１周溝
４７開口
４８第２周溝
４９排出路
５１外筒
５１ｂフランジ部
５１ｃ凹部
５２内筒
５２ａフランジ部
５２ｂ液孔
５３ガイド部材
５３ａ開口部
５４背面板
５５排出孔
５６接続孔
５７周溝
５８中空孔部
５９排出路
６１加圧ガスノズル
６１ａノズル端
６２ガス供給管
６３窒素ガス
７１第３周溝
７２加圧ガス孔
７３ガス供給孔
７４ガス供給管

Claims

加工ヘッドによりエッチャントを被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャント流路を形成し、前記被加工物を垂直姿勢に保持した状態を維持して、該加工ヘッドと該被加工物とを相対的に走査して被加工物の表面を加工する表面加工方法であって、
前記加工ヘッドと前記被加工物との相対走査の際に、前記エッチャント流路を流れるエッチャントを該エッチャント流路の外側から前記エッチャント流路の外周を取り囲むようにして、全周方向からエッチャント流路の中心に向かって流れる乾燥ガスの加圧ガス流で加圧し、前記エッチャント流路内にエッチャントを封じ込め、前記加圧ガス流は、前記加工ヘッドと前記被加工物との間に、大気側に向かって流れる第１のガス流と、前記エッチング領域に向かって流れる第２のガス流を形成し、前記第１のガス流の流路抵抗を前記第２のガス流の流路抵抗よりも大きくしたことを特徴とする表面加工方法。
前記被加工物は、矩形平板形状の合成石英ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の表面加工方法。
前記合成石英ガラスは、フォトマスク用のガラス基板であることを特徴とする請求項２に記載の表面加工方法。
前記フォトマスク用のガラス基板は、１辺が３００ｍｍ角以上であることを特徴とする請求項３に記載の表面加工方法。
加工ヘッドによりエッチャントを被加工物の表面に供給し、吸引することにより、該加工ヘッドと被加工物との隙間に一定面積のエッチング領域をなすエッチャント流路を形成し、前記被加工物を基板保持台により垂直姿勢に保持した状態を維持して、該加工ヘッドを該被加工物に対し走査して被加工物の表面を加工する表面加工装置であって、
前記加工ヘッドは、中心部に形成したエッチャントの供給口と、該供給口を中心とする同心円上に形成したエッチャントを吸引排出する多数のエッチャント排出孔と、前記多数のエッチャント排出孔よりも外方に配置した多数の加圧ガス孔とを有し、前記多数の加圧ガス孔は前記加工ヘッドに設けられ、加圧ガスが供給される周溝に連通して形成され、該多数の加圧ガス孔から流出する乾燥した加圧ガスにより、前記多数のエッチャント排出孔の外周に前記加工ヘッドの中心に向かって加圧ガス流を形成して、前記エッチャント流路内にエッチャントを封じ込めることを特徴とする表面加工装置。
前記加工ヘッドの前端面は平坦面に形成され、前記多数の加圧ガス孔から前記加工ヘッドの外周縁との間に形成される平坦部と前記被加工物との間に形成される外周側空間と、前記多数の加圧ガス孔から前記多数の排出孔との間におけるリング状領域と前記被加工物との間に形成される内周側空間とを形成し、前記外周側空間の流路抵抗を前記内周側空間の流路抵抗よりも大きくしたことを特徴とする請求項５に記載の表面加工装置。