TWI419849B - 自由成型的石英玻璃塊及其製法 - Google Patents

Description

自由成型的石英玻璃塊及其製法 相關申請之交互對照

本申請案主張2005年6月10日提出申請的美國專利第60/689,507號之權益，該專利申請以引用方式完全納入本文。

本發明係有關具有低雜質含量和缺陷濃度之用於半導體加工應用之石英玻璃塊。該塊係經由使用直接抽拉的石英物件作為原料而製成。

微晶片製造所用的半導體晶圓加工，於其他諸步驟中，需要依序及重複的步驟諸如遮罩、沈積、和蝕刻。於蝕刻步驟中，晶圓及於其內進行蝕刻所用的室都暴露於侵害性環境，例如反應性離子蝕刻和電漿蝕刻。由於蝕刻程序的侵害性本質，必須小心地選擇蝕刻室材料以用於可靠的晶圓加工。所以，最內部的蝕刻室組件典型地係用石英玻璃製成。純石英玻璃的蝕刻理論上會導致只有矽和氧物種之釋出。此種對晶圓的危害較低，如與過渡金屬和其他元素相比較者，此等會改變晶圓組成及因而改變其半導性質。

室組件的一個例子為石英玻璃窗。於一組態中，石英玻璃窗係用為在室氣體環境與能量來源之間的間壁。因為該窗典型地係經配置在要蝕刻的半導體晶圓之上方，所以該石英玻璃窗必須儘可能化學上純者，亦即，具有少於50 ppm的雜質。此外也必要的是，該窗具有非常低的主體缺陷濃度，例如外來物質包涵物和氣泡。於暴露於石英玻璃窗表面的蝕刻性氣體環境時，此等主體缺陷可能引起該窗的不均勻蝕刻，因而產生石英玻璃粒子。在蝕刻室內的鬆散粒狀物可能嚴重地危害該晶圓。相對於晶圓表面上的被蝕刻的特徵(features)(約50奈米)，此等粒子的尺寸(1至10微米)使得該等粒子潛在地頗具破壞性。此等粒子可能封阻閘極及破壞晶圓上的傳導性通孔或以雜質元素污染晶圓。所以，晶圓蝕刻室需要用到緩慢且均勻地蝕刻而不會產生粒狀物之石英玻璃窗。

使用以砂為基底的火焰熔融法製造石英塊係先前技藝中已知者。通常，此法包括將粒狀石英材料送經或靠近含氧燃料焰以透過相當慢的沈積速率，如5磅/時或更慢者，之附積程序，逐漸地積累大塊的玻璃塊。該火焰熔融法具有將個別粒子暴露於熱源的完整力道之優點。不過，此種沈積定向法具有使每一粒子在進料系統和爐氣體環境中暴露於污染之缺點，使每一砂粒成為形成鑄錠中的缺陷之機會。個別砂粒係暴露於含氧燃料火焰的熱及燃燒反應產物，水。該暴露產生具有大於150 ppm的羥基濃度之石英粒子，此會改變熔融玻璃的溫度相關性黏度，因此限制其終端用途應用。

已公開的申請案JP－61122131A揭示一種玻璃塊製造裝置及由彼所製的玻璃塊。美國專利第4,612,023號揭示一種製造無層次、無氣泡且均勻的石英玻璃板。美國專利第6,415,630號揭示一種，用以製造無條痕的均勻石英玻璃板之裝置，其中熔化鍋和石英玻璃棒係進行垂直於該棒的縱軸之相對運動。

於先前技藝中，可以使用石英玻璃棒作為原料來形成更大的玻璃成型物。不過，仍然可能發生與材料積蓄和覆蓋相關聯的介面缺陷。於一先前技藝方法中，係使用層合型組態來蓄積材料(將依序的軟化玻璃層彼此上下鋪置)，其可能從許多原因導致介面缺陷。此等肇因包括夾帶的氣泡，夾帶的離散雜質粒子，夾帶的化學雜質，及褶線。如此，可能需要額外的程序步驟來減少或消除在熔融物團內的此等缺陷。此外，該方法需要用到耐火性模子或容器來形成玻璃塊的最後形狀。與熔融玻璃塊接觸的耐火料為可能造成塊中缺陷的污染源。再者，在熔融石英玻璃與耐火料之間的熱膨脹誤配可能造成塊中的剝離或龜裂。

因此，仍然有需要有超低缺陷的石英物件，由此可製成半導體加工組合體所用的此等組件，亦即具有低於150 ppm羥基濃度和每立方厘米低於150的總缺陷濃度(直徑大於10微米的氣泡和包含物)。

〔發明總論〕

本發明係有關一種經由煅燒作為原料的高品質石英物件以形成具有超低缺陷和雜質的石英玻璃塊之方法，其中該石英玻璃塊係在與原料石英物件同心旋轉的平台上自由形成者。

於一具體實例中，本發明係有關一種經由煅燒作為原料的高晶質石英物件以形成具有低於50缺陷/立方厘米的總缺陷濃度和低於50 ppm的羥基濃度之石英玻璃塊的方法，其中該石英玻璃塊係在與該原料石英物件同心旋轉的平台上自由形成。

本發明進一步關於呈塊、板、胚料、和類似者之式的石英玻璃物件，其具有低於50缺陷/立方厘米的總缺陷濃度及低於50 ppm的羥基濃度。

發明詳細說明

在用在本文中之時，可以應用恰當的語言來修飾可能變異而不會導致其所關聯的基本功能的變化之任何量上的呈現。據此，以一術語或多術語修飾的值，諸如“約”(about)和“實質上”(substantially)，於某些情況中，可能不限於所表的明確值。

在用於本文中時，石英玻璃物件係指稱具有各種尺寸和厚度的石英板、塊、胚料、和類似者，由此可機製或製造出呈環、法蘭(flange)(厚環)、板、圓盤、窗等形式的石英胚料。

在用於本文中時，“石英玻璃塊”係指本發明的終端產品，其可呈胚料、塊、板、和類似者之形式，其具有低於50缺陷/立方厘米的總缺陷濃度及低於50 ppm之羥基濃度。本發明石英塊可用於半導體加工室的窗組件中。

在用於本文中時，術語“回流”係指稱一種對如石英或玻璃之材料固有的程序，其時該材料係柔軟的使得其可在其自身的重量之作用下流動/熔化，且將其自身再分配。

在用於本文中之時，“缺陷”係指稱直徑大於10微米的氣泡或包含物，而“總缺陷濃度”係指稱每單位體積中的缺陷總數。缺陷可經由在石英塊中的隨機位置採樣(如，呈試片(coupon)形式)且在放大的情況下目視檢查而測量。計數缺陷且從來自數個樣品的總計數和總樣品體積計算出總缺陷濃度。

製造石英塊的原料：在用於本文中時，石英玻璃原料係指稱任何製作出的石英玻璃物件，其可呈棒、管、和類似者之形式，具有實心或管狀橫截面且具有從3邊到無限數邊之任何邊數的橫截面形狀，包括圓形橫截面形狀。於一具體實例中，該石英玻璃原料具有實心橫截面及圓形橫截面形狀。於另一具體實例中，該石英玻璃進料為直接抽拉的石英玻璃棒。

在用於本文中之時，“石英玻璃棒”係指稱用為本發明原料的任何製作的石英玻璃物件，其可為棒、管、和類似者，具有實心或管狀橫截面。於一具體實例中，用為原料的該製作的石英玻璃物件具有至少三邊之橫截面形狀。於另一具體實例中，該製作石英玻璃原料為具有實心橫截面帶圓形橫截面形狀之棒。於一具體實例中，該玻璃棒具有在1與100毫米之間的直徑。於另一具體實例中，該玻璃棒具有介於20與50毫米之間的外徑。

於一具體實例中，用為原料的石英玻璃棒係從天然石英晶體製造成。於另一具體實例中，該棒係從合成氧化矽製成。於第三具體實例中，該原料包括天然石英晶體棒以及從合成氧化矽製成的棒。於一具體實例中，該石英玻璃原料為具有至少85重量% SiO₂ 含量之製作的石英玻璃物件。於另一具體實例中，該製作玻璃物件為從烟灰體(soot body)，或從火焰水解製作的任何其他高純度粒狀物質，燒結成的實心或管狀之伸長的成型物。

於原料熔融步驟之後，可將可操縱長度的石英玻璃棒原料進一步退火以移除羥基(OH)且將OH濃度降低到低於約50 ppm。其中包括清潔步驟之棒節段表面及/或末端製備處理。先前技藝中已知的是，玻璃棒接合可用圓錐形狀末端區來完成。於本發明一具體實例中，在進行預接合及半連續性的塊熔融步驟之前，該石英玻璃棒原料段的末端在形成所欲末端形狀後予以預清潔。該預清潔步驟係以多種手段中的任何一者予以完成，包括但不限於酸洗、清潔劑洗滌、或彼等的任何組合。

製造石英塊的方法：至此參照圖1的示意圖，其繪示出本發明熔融或煅燒裝置。程序原料係顯示為石英棒10形式。末端產品石英塊11係以末端支撐在一平台7之上使得其縱軸處於垂直位置。於一具體實例中，平台7係經配置在一水平轉台(未示出)之上。平台7係利用驅動軸8而繞著垂直軸轉動，而該驅動軸8係連接到任何結構之適當的變速驅動工具(未示出)諸如電動馬達。於一具體實例中，提供耐火料性遮蔽及爐頂(未示出)以進一步將棒進料10的熱局部化。

於一具體實例中，原料10的縱軸和平台7(和隨意的轉台)的垂直軸都是同心者，使得彼等的軸都實質上併列，如同軸地。對於軸對稱性回流程序而言，終端產品塊11的縱軸因也與原料10和平台7的軸類似地併列。於另一具體實例中，在原料軸與塊軸之間有不超過一個原料直徑的最大偏心率。

一煅燒/加熱源5經裝設以達到在1400℃至2400℃範圍內的石英玻璃操作/軟化/流動溫度。加熱源5可為任何下列者，或彼等的組合：電阻加熱、RF加熱、感應加熱、微波加熱、雷射加熱、電子束加熱、區域加熱、電漿焰加熱、或燃燒器。

於圖1所示具體實例中，係使用燃燒器5來提供熱以使棒原料10回流成為大塊。此一燃燒器係經點燃且透過火焰柱將熱遞送到耐火爐內。於一具體實例中，該燃燒器5為一“含氧燃料燃燒器”，其供給可燃性氣體諸如氫氣、一氧化碳、甲烷或丙烷，及支援燃燒的氣體諸如空氣或氧氣。該燃燒器可為常用於此目的的類型之燃燒器，諸如其中的中央部份具有多管構造者。另外，該燃燒器可具有表面混合、部分預混合、或完全預混合等構造。

於一具體實例中，該燃燒器具有在美國專利第5,934,893號，名稱“Burner and Utilization of Such Burner in Glass Furnace.”之中所揭示的設計和構造。於另一具體實例中，加熱源5係相對於棒原料10移動一足以完全燃燒該原料10之時間。其移動速度可隨煅燒程序而變異維持產品塊的最優尺寸穩定性。於又另一具體實例中，該加熱源5包括複數個燃燒器(未示出)，例如單頂中心燃燒器、多邊燃燒器、及多重頂－邊燃燒器，其中該邊型和頂－邊型燃燒器係經隔開以使棒原料達到最優煅燒。

爐內氣體環境可包含空氣、或惰性氣體或鈍氣。爐外殼可用輻射或感應予以加熱。於一具體實例中，耐火爐6係用燃燒器5預加熱後，才導入棒原料進行回流。於一具體實例中，係先用惰性氣體沖滌爐的內部。於下一步驟中，係將單體棒原料10送到回流爐的頂部內且向下送到旋轉平台底7之上，於該處形成更大的塊11。當每一棒10熔融成為更大的塊11時，加入另外的原料棒，同時保持棒和熔融塊的軸對稱。原料棒的添加速率係決定於程序溫度和熔融塊11的形成速率。

於一具體實例中，連續送料係由將棒部份熔融，接著抽取未熔融長度，然後導入新的原料棒而完成。於另一具體實例中，連續送料係經由將預接合的棒原料熔化用於半連續塊熔融。於又另一具體實例中，係於連續程序中從棒原料直接熔融大的塊。原料棒係經由在一爐內於1800℃與2500℃之間的熔化溫度下熔化石英砂，滯留時間為1至10小時級數，同時連續抽取棒且直接送到本發明程序內作為原料。

於一具體實例中，係將例如從天然氧化矽製成的各具不同性質之原料棒與從合成氧化矽製成的棒交互地送入以製造具有層式結構的石英塊，其交替地具有較低品質石英材料層與較高品質的石英材料層。於包覆結構之具體實例中，該塊具有用較高品質原料製成的較高品質材料內部，及用較低品質原料製成的外部。

隨著更多的石英玻璃材料的累積，大熔融塊11向下平移，以使該塊的外徑以控制方式自由成型之速率離開熱源5。在形成可接受的大塊11之後，停止棒原料10且經由從燃燒器施加熱而使之繼續流動而將塊的頂部表面予以平坦化。最後，中斷從熱源5的加熱且從爐中提取出塊11並予以冷卻供後續加工與檢查所用。

於一具體實例中，係以在5與50磅/時之間的速率熔化石英玻璃塊11。於另一具體實例中，係以在10與20磅/時之間的速率熔化石英玻璃塊。

於本發明之軸對稱回流程序中，因為棒的外表面會變成熔融末端產品的外表面，所以熔融塊內發生回流缺陷的可能性很小。熔融末端產品的主體會避開潛在夾帶之缺陷及/或雜質(可能存在於進料系統或爐氣體環境中)。由於軸對稱法會抑止原料的依序積層或層化，因此，很少有機會在塊末端中形成介面。

此外，於本發明方法中，對“自由形成的”塊而言，不需要容器或模子來形成或維持塊的直徑及/或形狀。模子(典型地係用耐火磚材料製成)的不存在有助於減低錠中耐火料污染的可能性，同時也減低間接材料成本。另外，本發明之自由形成的塊較不可能因為在石英玻璃塊與耐火模子材料間的熱膨脹誤配所關聯的應力而導致破裂。雖然不需要塊模子，平台7可裝設凸起邊緣，惟該等邊緣不會模塑或成型該終端產品塊。

於後加工操作中，與耐火平台7直接接觸之末端產品塊11中的末端部份典型地都移除掉。

從本發明方法製成的塊：如所述者，於使用直接抽拉的石英玻璃棒作為原料而非在沈積定向法中熔化石英料之本發明方法中，將維持在高熔融品質且控制良好的層次。由於棒原料係在石英砂原料熔化的爐子內直接抽拉，且在1800℃與2500℃之間的熔融溫度下保持1至10小時的長滯留時間後才抽拉成為熔融產品，因此，抽拉的石英玻璃棒材料在化學上頗為均勻且具有非常低濃度的主體缺陷(如包涵物或氣泡)。

使用具有低缺陷濃度的棒原料製造出具有少於150缺陷/立方厘米的總缺陷濃度及低於150 ppm的羥基濃度之呈塊、板、胚料、和類似者的形式之石英玻璃物件。於另一具體實例中，所製成的玻璃塊具有少於50缺陷/立方厘米及低於50 ppm的羥基濃度。於又另一具體實例中，該錠具有少於150缺陷/立方厘米及低於50 ppm的羥基濃度。於第四具體實例中，少於50缺陷/立方厘米及低於150 ppm的羥基濃度。

於一具體實例中，所製成的玻璃塊的羥基濃度高於石英原料的羥基濃度之量是小於30 ppm。於一例中，比用為原料的石英棒所具羥基濃度較高出少於20 ppm之量。

除了非常高的熔融品質及經濟上有利的熔融速率之外，本發明方法可熔融大尺寸石英玻璃物件。於一具體實例中，該物件係呈具有圓柱形狀的玻璃塊形式，其外徑在6吋與24吋之間且高度在6吋與24吋之間。於第三具體實例中，所形成的石英玻璃塊具有作為原料的石英玻璃棒的直徑之從2至100倍之直徑。於另一具體實例中，該塊具有棒原料直徑之5至50倍的直徑。於又另一具體實例中，該塊具有棒原料直徑之5至20倍的直徑。

實施例：本發明要藉由下面的非限制性實施例予以進一步闡明。

實施例1：使用市面上可從Tosoh取得(或可從St.Gobain取得)的使用砂基火焰熔融法製造之石英塊作為比較例。

實施例2：使用本發明方法，以市面上可從General Electric取得的“Type 214”石英棒作為原料製成具有12吋直徑和10吋高度的尺寸之塊。Type 214石英棒的特徵在於具有高純度、高溫特性及低熱膨脹係數且其(OH)含量低於20ppm。

從石英塊隨機地切出3”直徑及約1/4”厚的試片且測量其OH濃度和缺陷含量。OH濃度係使用紅外線光譜術進行。總缺陷濃度係在放大下目視測量。其結果表列於下。

本書面說明使用實施例來揭示本發明，包括其最佳方式，且也可使任何習於此技者製作及使用本發明。本發明之可專利的範圍係由申請專利範圍所界定，且可包括諳於此技者可作出的其他實施例。此等其他實施例若具有無異於申請專利範圍的字語之結構元件，或若彼等包括與申請專利範圍的文意無實質差異之等效結構元件，皆理應落於申請專利範圍的範圍之內。本文中參考的所有引用文件都以引用方式明確地納入本文。

5．．．燃燒器

6．．．耐火爐

7．．．平台

8．．．軸

10．．．棒原料

11．．．塊

圖1為製造本發明之石英玻璃物件所用裝置的一具體實例之示意圖。

5．．．燃燒器

6．．．耐火爐

7．．．平台

8．．．軸

10．．．棒原料

11．．．塊

Claims (17)

1. 一種石英玻璃物件，其係呈胚料、塊、或板形式，具有少於150缺陷/立方厘米的總缺陷濃度和低於150ppm的羥基濃度，及該石英玻璃物件含有天然石英材料，其中該石英玻璃物件係由選自棒和管中至少一者的石英玻璃原料所製造。
2. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其具有少於50缺陷/立方厘米的總缺陷濃度和低於50ppm的羥基濃度。
3. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其中該石英玻璃原料具有羥基雜質濃度，而該石英玻璃物件的羥基濃度高於該石英玻璃原料的羥基濃度之量是少於30ppm。
4. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其中使用至少一種石英玻璃棒作為原料，且其中該石英玻璃棒係從棒製造程序直接抽拉製成。
5. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其中該石英玻璃原料在用為原料之前包含複數個連接且融合之石英玻璃節段。
6. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其中該石英玻璃原料為具有實心橫截面和圓形橫截面形狀且直徑在1與100毫米之間的棒。
7. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其為塊形式，且其中該塊係在一種使用具有在1與100毫米之 間的直徑的棒原料之方法中製成，且該石英玻璃塊具有為該棒原料的直徑之從2至100倍的直徑。
8. 如申請專利範圍第1項之石英玻璃物件，其中該石英玻璃物件為塊，且其中該塊係在一種包括下列步驟的方法中製造成：將石英玻璃棒作為原料送入一爐內，該爐裝有一與該石英玻璃原料呈軸對稱地旋轉之平台；加熱該石英玻璃棒至使該石英玻璃棒流動之流動溫度；及於沒有容器或模子的存在下在該轉動平台上流動形成該石英玻璃塊。
9. 如申請專利範圍第8項之石英玻璃物件，其中該軸對稱具有在該原料軸與該塊軸之間不超過一個該原料直徑之最大偏心率。
10. 如申請專利範圍第8項之石英玻璃物件，其中該石英玻璃塊係在約5與50磅/時之間的速率下形成。
11. 如申請專利範圍第8項之石英玻璃物件，其中該棒原料係從保持在1800℃與2500℃之間的溫度下達1至10小時的期間之熔融體連續抽拉製成。
12. 如申請專利範圍第8項之石英玻璃物件，其中使用一熱源將熱間接或直接地施加在該石英玻璃原料之上，且其中該熱源為至少一種選自下列所組成的群組中之熱源：電阻加熱、RF加熱、微波加熱、雷射加熱、電子束加熱、電漿焰加熱、區域加熱、感應加熱、單頂中心燃燒 器、多邊燃燒器、與多重頂-邊燃燒器。
13. 一種呈塊形式之石英玻璃物件，其具有一中心核與一在6吋與24吋之間的外徑之外面部分，其中該中心核具有至少1/2該外徑的直徑，且該石英玻璃物件具有少於150缺陷/立方厘米的總缺陷濃度和低於150ppm的羥基濃度。
14. 一種製造石英玻璃塊之方法，其包括下列步驟：提供石英玻璃原料；將熔融石英玻璃原料送入一爐內，該爐裝有一與該石英玻璃原料呈軸對稱地旋轉之平台；及加熱該熔融石英玻璃原料至足以使該石英原料熔化之溫度，因而在沒有容器或模子的存在下在該轉動平台上形成該石英玻璃塊。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該軸對稱具有在該原料軸與該塊軸之間不超過一個該原料直徑之最大偏心率。
16. 如申請專利範圍第14-15項中任一項之方法，其中該石英玻璃原料係選自棒和管中至少一者，且其中該石英玻璃塊係在約5與50磅/時之間的速率下形成。
17. 如申請專利範圍第14-15項中任一項之方法，其中使用一熱源將熱間接或直接地施加在該石英玻璃原料之上，且其中該熱源為至少一種選自下列所組成的群組中之熱源：電阻加熱、RF加熱、微波加熱、雷射加熱、電子束加熱、電漿焰加熱、區域加熱、感應加熱、單頂中心燃 燒器、多邊燃燒器、與多重頂-邊燃燒器。