DE4415927C2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von nichtrostendem Stahl für Halbleiter-Herstellungsgeräte - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von nichtrostendem Stahl für Halbleiter-HerstellungsgeräteInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Oberflächenbehandlung von nichtrostendem
Stahl für Halbleiter-Herstellungsgeräte und insbesondere
auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, um auf der
Oberfläche von nichtrostendem Stahl einen Film zu bilden, der
eine herausragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber hoch
korrosiven Halogengasen wie HCl, Cl₂ und HF zeigt.
Die Halbleiterherstellungs-Technologie hat kürzlich ein Ni
veau erreicht, bei dem die hohe Integration der Elemente
erfordert, daß Verbindungsleitungen in einer Genauigkeit
mit der Größenordnung von Submikron auseinanderliegen. Sol
che hoch-integrierten Elemente sind verletzbar gegenüber
fremden Substanzen, egal wie klein sie sind. Selbst ein
winziges Teilchen oder Bakterien wird einen Kurzschluß ver
ursachen, der zu Fehlern führt. Aus diesem Grund sind für
die Herstellung von Halbleitern extrem reines Wasser und
extrem reine Gase erforderlich. Um die hohe Reinheit von
Gasen sicherzustellen, ist es notwendig, ihre Verunreini
gung mit Verunreinigungs-Gasen (wie Feuchtigkeits-Dampf)
und feinen Teilchen, die von der Oberfläche des Rohrnetzes
und der Reaktionskammer herkommen, zu minimieren.
Das Gas-Rohrnetz für Halbleiter-Herstellungsgeräte ist her
kömmlich aus austenitischem nichtrostendem Stahl (wie Typ 304L
und Typ 316L) aufgrund seiner guten Verschweißbarkeit und
Korrosionsbeständigkeit hergestellt. Gewöhnlich wird seine
Oberfläche durch elektrolytisches Polieren geglättet, um
die Adsorptionsfläche zu reduzieren und dadurch Adsorption
und Desorption von Verunreinigungsgasen zu verringern. Für
diesen Zweck sind weitere Technologien vorgeschlagen wor
den. Zum Beispiel wird in der Japanischen Offenlegungs
schrift Nr. 87760/1989 ein Bestandteil beschrieben, der
entworfen wurde, um die Menge der von der Oberfläche frei
gesetzten Gase durch einen amorphen Oxidfilm, der durch Er
hitzen in einer oxidierenden Gasatmosphäre nach dem elek
trolytischen Polieren gebildet wird, zu reduzieren. In der
Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 161145/1988 wird ein
nichtrostendes Stahlrohr beschrieben, in dem die Menge nichtme
tallischer Einschlüsse, die Feinteilchen abgeben und die
Adsorption und Desorption von Verunreinigungen zulassen,
extrem reduziert ist. In der Japanischen Offenlegungs
schrift Nr. 5952 4/1993 wird ein nichtrostender Stahl-Bestand
teil beschrieben, dessen Oberflächenschicht mit einem Oxid
film (2 bis 15 nm dick), der hauptsächlich aus Cr₂O₃ zu
sammengesetzt ist, überzogen ist, der weniger Zeit für die
Wärmebehandlung benötigt.
Die vorstehend erwähnten nichtrostenden Stahl-Bestandteile sind
zufriedenstellend, wenn sie als Rohrnetz für nichtkorrosive
Gase wie Sauerstoff und Stickstoff verwendet werden. Jedoch
wird ihre Oberfläche Korrosion durch hoch korrosive
Halogengase wie HCl, Cl₂ und HF unterworfen, egal, ob sie
hauptsächlich aus Fe₂O₃ (welches eine schlechte Korrosions
beständigkeit hat) oder Cr₂O₃ (welches eine bessere Korro
sionsbeständigkeit hat) zusammengesetzt ist, da sie so dünn
wie 15 nm oder niedriger ist. Korrosionsprodukte adsorbie
ren und desorbieren Gase, wobei sie die Reinheit des Be
triebsgases erniedrigen. Zusätzlich sind Korrosionsprodukte
(wie Metallchlorid) in der Form von feinen Teilchen auch
eine Quelle der Verunreinigung.
Als Folge ist in der Halbleiterindustrie, in der eine wach
sende Tendenz zu einem hohen Integrationsgrad besteht, eine
steigende Nachfrage für ein Material aufgetreten, das eine
herausragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Halogenga
sen hat. Ein Beispiel für solche Materialien ist hochle
giertes Ni (Hastelloy), das eine bessere Korrosionsbestän
digkeit hat als Typ 304L und Typ 316L. Es ist jedoch sehr
teuer und doch nicht vollständig korrosionsbeständig.
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich des Vorstehen
den vervollständigt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung zur Verbesse
rung der Korrosionsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl ge
genüber Halogengasen bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung wird in einem Verfahren zur
Oberflächenbehandlung ausgeführt, das mechanisches Polieren
des Werkstücks mit
Schleifkörnern mit Teilchendurchmessern von 1 bis 10 µm in
einem Maße umfaßt, daß die Oberfläche eine durch Ar
beit beanspruchte Oberflächenschicht hat,
dadurch gekennzeichnet, daß Röntgenstrahl-Beugung
an der (111)-Ebene des austenitischen Eisen die Beugungs
strahlen ergibt, deren Halbwertsbreite (2Θ) größer als
0,5° ist, und eine darauffolgende
Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, in der der
Sauerstoff-Partialdruck niedrig ist,
wobei eine hauptsächlich aus Chromoxid bestehende Oxidschicht
gebildet wird, deren Dicke mehr als 20 nm und deren
Oberflächenrauhigkeit Rmax weniger als 1 µm beträgt,
durchgeführt wird.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie die
Halbwertsbreite des Spektrums des austenitischen Eisens
(nach Polieren der Oberfläche) sich zu dem Cr/(Cr+Fe)-Atom
verhältnis in dem durch Oxidation gebildeten Oxidfilm und
zur Dicke des Oxidfilms verhält.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Oberflä
chenschichtstruktur des Oberflächen-behandelten Bestand
teils, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
erhalten wurde, zeigt.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen der Erhitzungstemperatur bei der Oxidation (nach
mechanischem Polieren) und dem Cr/(Cr+Fe)-Atomverhältnis in
der Oxidschicht zeigt.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen dem Teilchendurchmesser der für das mechanische
Polieren verwendeten Schleifkörner und der Dicke des durch
die darauffolgende Oxidation durch Erhitzen gebildeten
Oxidschicht zeigt.
Das wesentliche der vorliegenden Erfindung liegt in der
Tatsache, daß, wenn austenitischer nichtrostender Stahl eine
verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven
Gasen wie Halogengasen haben soll, es notwendig ist, daß
die Oberfläche des nichtrostenden Stahls eine Oxidschicht mit ei
ner gewissen Dicke hat, die hauptsächlich aus Chromoxid besteht.
Es wurde gefunden, daß, wenn solch eine
Oxidschicht bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur in
nerhalb einer vergleichsweisen kurzen Zeit in einer Atmo
sphäre, in der der Sauerstoff-Partialdruck niedrig ist, zu
bilden ist, es wesentlich ist, daß vor der Oxidation die
Oberfläche des nichtrostenden Stahls mit Schleifkörnern in
solch einem Maße mechanisch poliert wird, daß die Oberflä
che eine durch Arbeit beanspruchte Oberflächenschicht
hat, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Röntgenstrahl-Beugung an der (111)-Ebene des austeniti
schen Eisens Beugungsstrahlen ergibt, deren Halbwertsbreite
(2Θ) größer als 0,5° ist. Die vorliegende Erfindung beruht
auf dieser Erkenntnis.
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung erforschten die
Korrosionsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl in Chlorgas
durch Verwendung einer Probe, die durch Polieren der Ober
fläche von nichtrostendem Stahl auf verschiedene Weisen und Er
hitzen des nichtrostenden Stahls auf 400 bis 900°C in einer At
mosphäre, in der der Sauerstoff-Partialdruck 1,33·10-4 bis 1,013·10⁵ Pa
ist, wodurch eine Oxidschicht gebildet wird,
hergestellt wurde. Als Ergebnis wurde gefunden, daß, wenn
das Polieren des Werkstücks, das der Oxidation vorangeht,
in einem Maße ausgeführt wird, daß die Oberfläche
eine durch Arbeit beanspruchte Oberflächenschicht
hat, dadurch gekennzeichnet, daß die
Röntgenstrahl-Beugung an der (111)-Ebene des austenitischen
Eisens Beugungsstrahlen ergibt, deren Halbwertsbreite (2Θ)
größer als 0,5° ist, daß dann der nichtrostende Stahl mit
einer hoch korrosionsbeständigen Schicht überzogen ist, der
hauptsächlich aus Chromoxid besteht, wenn er in
einer Atmosphäre erhitzt wird, in der der Sauerstoff-
Partialdruck 0,133 bis 133 Pa beträgt.
In Fig. 1 ist graphisch gezeigt, wie die Halbwertsbreite
(nach dem Polieren der Oberfläche) sich zu dem Cr/(Cr+Fe)-
Atomverhältnis in der durch Oxidation gebildeten Oxidschicht
und zur Dicke des Oxidfilms verhält. Es wird bemerkt, daß
es nur möglich ist, eine dicke Cr-reiche Oxidschicht mit
einer hohen Korrosionsbeständigkeit zu bilden, wenn die
Halbwertsbreite größer als 0,5° ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte die durch Arbeit
beanspruchte Schicht, die die Anforderung für die Halb
wertsbreite, wie vorstehend erwähnt, erfüllt, durch mecha
nisches Polieren der Oberfläche von nichtrostendem Stahl mit
Schleifkörnern mit Teilchendurchmessern von 1 bis 10 µm ge
bildet werden. Solches mechanisches Polieren erzeugt eine
extrem feine kristalline Struktur in der Oberflächen
schicht, was die Diffusion von Chrom-Atomen zu der Oberflä
che während des darauffolgenden Oxidationsschritts be
schleunigt, wodurch eine Oxidschicht, die hauptsächlich aus
Chromoxid besteht, gebildet wird. Wenn das vor
stehend erwähnte Polieren der Oberfläche durch Ätzen bzw.
Beizen, elektrolytisches Polieren oder chemisches Polieren
ersetzt wird, was keine durch Arbeit beanspruchte Schicht
auf der Oberfläche bildet, wird die hauptsächlich aus
Chromoxid bestehende Oxidschicht in dem darauffolgenden
Oxidationsschritt nicht gebildet. Daher ist es unmöglich,
die gemäß der vorliegenden Erfindung beabsichtigte heraus
ragende Korrosionsbeständigkeit zu erreichen. Natürlich ist
es möglich, die durch Arbeit beanspruchte Schicht auf der
Oberfläche durch mechanisches Polieren nach Ätzen bzw. Bei
zen, elektrolytischem Polieren oder chemischem Polieren zu
bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte das mechanische Po
lieren unter Verwendung von Schleifkörnern mit Teilchen
durchmessern von 1 bis 10 µm durchgeführt werden. Mechani
sches Polieren, mit Schleifkörnern mit Teilchendurchmessern
kleiner als 1 µm bildet bloß eine Schicht aus extrem feinen
Kristallen, die zu dünn ist, um die Diffusion von Chrom-
Atomen zu beschleunigen. Dies führt zu einer sehr dünnen
Oxidschicht (hauptsächlich aus Chromoxid bestehend), die
auf der Oberfläche des nichtrostenden Stahls nach der
Wärmebehandlung gebildet wird. So wird der nichtrostende Stahl
in Halogengasen Lochfraßkorrosion unterworfen. Daher
sollten die Schleifkörner Teilchendurchmesser größer als
1 µm, vorzugsweise größer als 4 µm haben. Je gröber die
verwendeten Schleifkörner sind, umso dicker ist die sich
ergebende Schicht aus extrem feinen Kristallen, und eine
dicke Schicht beschleunigt die Diffusion von Chrom-Atomen
mehr. Die durch Verwendung von Schleifkörnern mit
Teilchendurchmessern bis zu 10 µm gebildete Schicht stellt
eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bereit. Übermäßig
grobe Schleifkörner ergeben eine rauhe Oberfläche, deren
Eigenschaften der Freisetzung von Gas, die für die Gas-
Rohrnetze von Halbleiter-Herstellungsgeräten erforderlich
ist, schlecht sind. Daher sollten die Schleifkörner
Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 µm, vorzugsweise
nicht mehr als 8 µm haben.
Fig. 2 zeigt schematisch die Oberflächenschichtstruktur
des Oberflächen-behandelten Bestandteils, der durch das
Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Es
werden ein Substratmetall (nichtrostender Stahl) (1), eine
Schicht aus extrem feinen Kristallen (2) und eine Oxid
schicht (3), die hauptsächlich aus durch den Oxidations
schritt gebildetem Chromoxid zusammengesetzt ist, gezeigt.
Vermutlich ist diese Schichtstruktur für die herausragende
Korrosionsbeständigkeit gegenüber hoch korrosiven Halogen
gasen verantwortlich.
Die Schleifkörner sind nicht speziell in irgendeiner Weise
beschränkt. Jedes, das für Schleifen mit Genauigkeit ver
wendet wird, kann verwendet werden. Übliche Beispiele sind
Diamantkörner, Al₂O₃-Körner und SiC-Körner.
Durch das vorstehend erwähnte mechanische Polieren mit
Schleifkörnern mit einem speziellen Teilchendurchmesser
wird auf der Oberfläche des nichtrostenden Stahls eine durch
Arbeit beanspruchte Schicht gebildet, die durch eine Halb
wertsbreite (2Θ) größer als 0,5° gekennzeichnet ist. Durch
die darauffolgende Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, in
der der Sauerstoff-Partialdruck niedrig ist, wird eine Oxid
schicht bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von un
gefähr 500 bis 700°C gebildet. Das Oxid besteht hauptsäch
lich aus Chromoxid. Es entfaltet eine her
ausragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Chlorgas usw.
(Diese Oxidschicht enthält Chrom in solch einer Menge, daß
Chrom mehr als 80 Atom-% des Metallelements im Oxid
ausmacht, da während der Oxidation Chrom-Atome zu der Ober
fläche diffundieren.) Der wahrscheinliche Grund hierfür
ist, daß durch das mechanische Polieren auf der Oberfläche
des nichtrostenden Stahls eine durch Arbeit beanspruchte Schicht
gebildet wird, der die Diffusion von Chrom-Atomen beschleu
nigt, und durch die Oberflächenschicht aus extrem feinen
Kristallen (sogenannte Beilby-Schicht) wird auch die Diffu
sion der Chrom-Atome beschleunigt, was hauptsächlich inter
kristalline Diffusion bei niedrigen Temperaturen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist erforderlich, daß die
Oxidschicht, die hauptsächlich aus Chromoxid besteht,
dicker als 20 nm, vorzugsweise dicker als 30 nm ist;
sonst wird er aufgrund von nadelfeinen Löchern oder anderen
Defekten keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zeigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch erforderlich, daß
die Oxidschicht eine Oberflächenrauhheit Rmax niedriger als
1 µm hat; sonst werden seine Eigenschaften bezüglich
Freisetzung von Feuchtigkeitsdampf oder anderen Gasen, die
für ein Halbleiter-Herstellungsgerät erforderlich sind,
schlecht sein. Diese Erfordernis wird leicht erfüllt, indem
vor der Oxidation das mechanische Polieren mit
Schleifkörnern mit Teilchendurchmessern kleiner als 10 µm
durchgeführt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist erforderlich, daß die
Oxidschicht eine Dicke größer als 20 nm hat und hauptsächlich
aus Chromoxid besteht (so daß Chrom mehr als
80 Atom-% der Metallelemente in dem Oxid ausmacht).
Diese Erfordernis wird durch die vorstehend erwähnte
Bedingung erfüllt, daß "die Halbwertsbreite (2Θ) größer als
0,5°" ist. Solange diese Anforderung erfüllt ist, gibt es
keine Einschränkungen bezüglich der Bedingungen, unter
denen die Oxidation durchgeführt wird. Damit die Cr-reiche
Oxidschicht effizient gebildet wird, sollte die Oxidation 0,5
bis 10 Stunden lang bei ungefähr 500 bis 700°C in einer
Atmosphäre, in der der Druck ungefähr 1,33·10-2 bis 133 Pa be
trägt, durchgeführt werden.
Wenn der Druck niedriger als ungefähr 1,33·10² Pa ist, dann
wird die Oxidschicht nicht leicht bei 400 bis 900°C gebildet,
und es beansprucht eine sehr lange Zeit, bis ein Oxid
dicker als 20 nm gebildet ist. Im Gegensatz wird, wenn der
Druck höher als ungefähr 133 Pa ist, die Oxidschicht schnell
gebildet werden, aber es ist eine Fe-reiche Schicht. Mit ande
ren Worten ist es unter solchen Bedingungen schwierig, die
Cr-reiche korrosionsbeständige Schicht, wie sie gemäß der
vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist, zu erhalten.
Wenn die Heiztemperatur niedriger als ungefähr 500°C ist,
dann ist eine lange Zeit erforderlich, bis die Oxidschicht in
einer Atmosphäre, in der der Sauerstoff-Partialdruck nied
rig ist, gewachsen ist. Andererseits wächst, wenn die Heiz
temperatur höher als ungefähr 700°C ist, die Oxidschicht
schnell, aber sie hat aufgrund der groben Struktur nadel
feine Löcher, die die Korrosionsbeständigkeit beeinträchti
gen. Erhitzen sollte mehr als 30 Minuten lang unter den
vorstehend erwähnten Bedingungen unter Bildung eines dich
ten Oxids mit einer angemessenen Dicke fortgesetzt wer
den. Jedoch ist mehr als 10 Stunden Erhitzen für eine effi
ziente Betriebsweise nicht praktisch. Es wird aus dem Vor
stehenden geschlossen, daß die Oxidation 1 bis 3 Stunden
lang bei 500 bis 600°C in einer Atmosphäre, in der der
Druck 0,133 bis 1,33 Pa beträgt, ausgeführt werden sollte.
Fig. 3 zeigt, wie der Maximalwert des Cr/(Cr+Fe)-Atomver
hältnisses in der Oxidschicht variiert, wenn die Oxidation bei
unterschiedlichen Temperaturen auf einem rostfreien Stahl
bestandteil, der mechanischem Polieren mit Diamant-Schleif
körnern, die feiner als 1 µm sind, unterzogen worden ist,
durchgeführt wird. Übrigens wird die Oxidation in einem Va
kuum durchgeführt, in dem der Druck 1,33 Pa beträgt. Es
ist aus Fig. 3 deutlich, daß der Cr-Gehalt in der Oxidschicht
stark schwankt, wenn die Heiztemperatur ansteigt. Es wird
bemerkt, daß Oxidation bei höheren Temperaturen als unge
fähr 500°C Oxidschichten ergibt, in denen Chrom mehr als 80%
der Metallelemente ausmacht. Jedoch flacht der Chromgehalt
bei Heiztemperaturen jenseits von ungefähr 700°C ab. Bei
übermäßig hohen Heiztemperaturen bildet sich die Oxidschicht
so schnell, daß sie nadelfeine Löcher enthält, die die Kor
rosionsbeständigkeit beeinträchtigen.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke der Oxid
schicht (bezüglich SiO₂) und dem nominalen Teilchendurchmes
ser der verwendeten Diamant-Schleifkörner. Die Oxidschicht
wurde durch zweistündiges Erhitzen auf 500°C in einer Atmo
sphäre, in der der Druck 0,133 Pa beträgt, nach mechani
schem Polieren mit Diamant-Schleifkörnern gebildet. Es wird
aus Fig. 4 bemerkt, daß die Dicke der Oxidschicht mit wach
sendem Teilchendurchmesser der Diamant-Schleifkörner
steigt. Es wird so bemerkt, daß es möglich ist, Oxidschichten
dicker als 20 nm zu bilden, indem man Schleifkörner gröber
als 1 µm verwendet. Jedoch verursachen Schleifkörner gröber
als 10 µm eine Oxidschicht mit einer Oberflächenrauhigkeit
Rmax, die 1 µm übersteigt. Solch ein Oxidfilm wird Adsorp
tion und Desorption von Feuchtigkeitsdampf und weiteren Ga
sen unterzogen, was für den Zweck der vorliegenden Erfin
dung ungeeignet ist.
Polieren der Oberfläche und Oxidation durch Erhitzen wurden
unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen auf einem
316L-Blech vom kommerziellen Typ (blank geglüht: 17,3% Cr,
12,1% Ni, 2,1% Mo) durchgeführt. Mechanisches Polieren
wurde durch das nasse mechanische Verfahren unter Verwen
dung von wasserfestem SiC-Schleifpapier, Aluminiumoxid-
Schleifkörnern oder Diamant-Schleifkörnern durchgeführt.
Elektrolytisches Polieren wurde mit einer vermischten Lö
sung aus Phosphorsäure, Schwefelsäure und Oxalsäure durch
geführt. Die Halbwertsbreite (2Θ) bei Dünnfilm-Röntgenbeu
gung (mit einem Einfallswinkel von 1°) an der (111)-Ebene
von austenitischem Eisen an der durch Polieren gebildeten
Oberflächenschicht wurde untersucht. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
Darauffolgend wurde die Probe in einer Atmosphäre, in der
der Sauerstoff-Partialdruck so niedrig ist, daß sich eine
Oxidschicht auf der polierten Oberfläche bildet, erhitzt.
Diese Oxidation durch Erhitzen wurde unter Verwendung eines
Vakuum-Heizofens für nichtrostenden Stahl durchgeführt, wobei
die Atmosphäre in dem Vakuum-Heizofen mit Hilfe eines
Mischgases aus Sauerstoff und Stickstoff und einer Vakuum
pumpe so gesteuert wurde, daß sich ein gewünschter Sauer
stoff-Partialdruck einstellte. Die Schichtdicke, Oberflächen
rauhigkeit und das Cr/(Cr+Fe)-Atomverhältnis der so erhalte
nen Oxidschicht wurden untersucht. Die Korrosionsbeständig
keit der Oxidschicht wurde auch unter den folgenden Bedingun
gen untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Die oxidierte Probe wurde 4 Stunden lang einer 5% Cl₂-At
mosphäre bei 250°C ausgesetzt. Die Korrosionsbeständigkeit
wurde bewertet, indem die Tiefe (nm) des angreifenden Chlors
mit Hilfe von Auger-Elektronenspektroskopie gemessen wurde.
Das Folgende wird aus Tabelle 1 bemerkt.
Nr. 1 bis 5. Diese Experimente erfüllen die Anforderung der
vorliegenden Erfindung. In diesen Experimenten führt das
mechanische Polieren zu einer Halbwertsbreite (2Θ) größer
als 0,5°. Die Oxidschicht ist reich an Chrom, hat eine ange
messene Dicke und entfaltet herausragende Korrosionsbestän
digkeit. Zusätzlich hat die Oxidschicht eine Oberflächenrauhig
keit (Rmax) niedriger als 1 µm. Sie adsorbiert und desor
biert kaum Feuchtigkeitsdampf und Gase. Diese Eigenschaften
machen die Probe geeignet für die Verwendung als Bestand
teil von Halbleiter-Herstellungsgeräten.
Im Gegensatz bringen die Vergleichsproben der Experimente
Nr. 6 bis 12, die die Erfordernisse der vorliegenden Erfin
dung nicht erfüllen, Probleme mit Korrosionsbeständigkeit
und Oberflächenrauhigkeit mit sich.
Nr. 6. Mechanisches Polieren mit übermäßig feinen Schleif
körnern führte zu einer polierten Oberfläche, bei der das
Spektrum des austenitischen Eisens eine Halbwertsbreite
niedriger als 0,5° hat. Aufgrund der unzureichenden Bean
spruchung durch Arbeit, ist die Oxidschicht nicht dick genug,
um eine zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit bereit
zustellen.
Nr. 7. Die polierte Oberfläche, die eine Halbwertsbreite
niedriger als 0,5° ergab, wurde unter Bildung einer Oxid
schicht in einer Atmosphäre mit hohem Sauerstoff-Partialdruck
erhitzt. Die sich ergebende Oxidschicht enthält nicht genügend
Chrom, das für eine gute Korrosionsbeständigkeit erforder
lich ist.
Nr. 8. Mechanisches Polieren wurde so ausgeführt, daß die
sich ergebende Oberfläche eine Halbwertsbreite größer als
0,5° hat. Jedoch wurde die darauffolgende Oxidation in ei
ner Atmosphäre mit hohem Sauerstoff-Partialdruck durchge
führt, so daß die sich ergebende Oxidschicht nicht genügend
Chrom enthält, das für eine gute Korrosionsbeständigkeit
erforderlich ist.
Nr. 9. Mechanisches Polieren wurde unter Verwendung von
groben Schleifkörnern mit einem durchschnittlichen Teil
chendurchmesser größer als 10 µm durchgeführt. Oxidation
wurde unter angemessenen Bedingungen durchgeführt, und die
sich ergebende Oxidschicht hat eine angemessene Dicke für hohe
Korrosionsbeständigkeit. Die Oxidschicht hat jedoch eine solch
hohe Oberflächenrauhigkeit, daß sie Gasadsorption und -desorp
tion unterworfen wird. Daher ist sie nicht geeignet für die
Verwendung als Bestandteil von Halbleiter-Herstellungsgerä
ten.
Nr. 11 und 12. Die Oxidschicht wurde ohne mechanisches Polie
ren oder nach elektrolytischem Polieren gebildet. Da die
Oberflächenschicht eine niedrige Halbwertsbreite (2Θ) hat,
und ihr keine Beanspruchung durch Arbeit zugeführt wird,
war es schwierig, die Oxidschicht zu bilden. Zusätzlich ent
hält das sich ergebende Oxid nicht ausreichend Chrom, das
für eine gute Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Die
Probe in Nr. 12 ist für Halbleiter-Herstellungsgeräte auf
grund ihrer hohen Oberflächenrauhigkeit nicht geeignet.
Wie vorstehend erwähnt, besteht das Verfahren der vorlie
genden Erfindung aus mechanischem Polieren der Oberfläche
von nichtrostendem Stahl mit Schleifkörnern mit einem speziel
len Teilchendurchmesser, wodurch der Oberfläche Beanspru
chung durch Arbeit zugeführt wird, und darauffolgendem Er
hitzen des nichtrostendem Stahls in einer Atmosphäre, in der
der Sauerstoff-Partialdruck niedrig ist, wodurch sich auf
der Oberfläche des nichtrostenden Stahls eine Oxidschicht bildet,
die hauptsächlich aus Chromoxid besteht. Die
Oberflächenbehandlung in dieser Weise stellt eine herausra
gende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Halogengasen bereit
und erniedrigt die Adsorption und Desorption von Feuchtig
keitsdampf und Gasen. So ist der oberflächenbehandelte
nichtrostende Stahl für die Verwendung als Bestandteil von
Halbleiter-Herstellungsgeräten geeignet.
Der oberflächenbehandelte nichtrostende Stahl entfaltet eine
herausragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Halogenga
sen wie Cl₂, HCl und F₂. Er hat solch eine glatte Oberflä
che, daß er kaum Feuchtigkeitsdampf und Gase adsorbiert.
Daher ist er für die Verwendung als Bestandteil von Halb
leiter-Herstellungsgeräten geeignet.
Claims (8)
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von nichtrostendem Stahl
für Halbleiter-Herstellungsgeräte, wobei das Verfahren mechanisches
Polieren des Werkstücks mit Schleifkörnern mit Teilchendurchmessern
von 1 bis 10 µm in einem Maße umfaßt, daß die Oberfläche
eine durch Arbeit beanspruchte Oberflächenschicht hat,
dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahl-Beugung an der
(111)-Ebene des austenitischen Eisens Beugungen ergibt, deren
Halbwertsbreite (2Θ) größer als 0,5° ist, und eine darauffolgende
Wärmebehandlung in einer Atmosphäre, in der der Sauerstoff-
Partialdruck niedrig ist, wobei eine hauptsächlich aus
Chromoxid bestehende Oxidschicht gebildet wird, deren Dicke mehr
als 20 nm und deren Oberflächenrauhigkeit Rmax kleiner als 1 µm
beträgt, durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Schleifkörner mit einem Teilchendurchmesser von 4 bis 8 µm eingesetzt
werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Schleifkörner solche aus der Gruppe Diamant-,
Al₂O₃- und SiC-Körner ausgewählt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung zur Oxydation bei einem Druck von 0,133·10-2 bis
0,133 Pa, einer Heiztemperatur von 500 bis 700°C und einer Heizzeit
von 0,5 bis 10 Stunden ausgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung zur Oxydation bei einem Druck von 0,133 bis
1,33 Pa, einer Heiztemperatur von 500 bis 600°C und einer Heizzeit
von 1 bis 3 Stunden ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Oxidschicht, die aus mehr als 80 Atom-% Chrom in bezug auf die
in der Oxidschicht enthaltenen Metallelemente zusammengesetzt
ist, gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Oxidschicht, mit einer Dicke von mehr als 30 nm gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
nichtrostende Stähle von den Typen 304L oder 316L eingesetzt
werden.
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