DE4415927C2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von nichtrostendem Stahl für Halbleiter-Herstellungsgeräte - Google Patents

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 R_max 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 R_max 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 R_max, 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.

Verfahren zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit

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 (R_max) 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 R_max 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.