JP5154814B2 - 石英ガラス材料の製造方法 - Google Patents
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Description
このため、石英ガラス部材に付着する膜の付着強度を上げ、膜の剥がれを防止してパーティクル発生を抑制するために石英ガラス表面に微小な凹凸面を形成することがおこなわれている。具体的には、サンドブラスト処理等の物理的表面処理、または、フッ化水素などの薬液で表面をエッチング処理して凹凸を形成する化学的表面処理が提案されている。
また、半導体製造工程中においても、マイクロクラック内部に反応ガスが入り込むと、マイクロクラック内部で副生成物が生成され、パーティクル汚染を引き起こす原因ともなり、好ましくない
また、エッチングによる石英ガラス表面の凹凸の形状はディンプル状であり、ディンプルの外周部の山の部分は鋭利な形状となっている。この鋭利な山の部分はウエハーの接触などで簡単に欠け、欠けた石英粉がパーティクルとなる危険性がある。また、表面に凹凸を形成するために長時間フッ化水素水溶液に浸しておくことは、水溶液内に発生する水和物が石英ガラス表面に沈着・付着し、新たなパーティクル要因となる恐れがある。
このように、従来の石英ガラス表面の粗面化方法は、新たなパーティル発生要因を副次的に生む可能性があった。また、半導体の高集積化は、石英ガラス部材自体を高精度化することが要求されており、表面凹凸面も再現性よく均一な凹凸面が要求されているが、従来の粗面化方法ではいずれも均一で再現性のある高精度凹凸面を得ることができなかった。更に、形成された凹凸面はいずれもディンプル状の形状であり、不連続なものであった。
レーザーの種類としては、XeF(351nm),XeCl(308nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)等のエキシマレーザーやYAGレーザーなどの高エネルギーレーザーを利用して石英ガラス基材を透明材料として内部に焦点を結ばせて加工することも可能であるが、石英ガラス基材表面層を加工するには、例えば汎用性、操作性のよい炭酸ガスレーザーが好ましい。炭酸ガスレーザーの波長は、石英ガラスを透過しないため、石英ガラス基材の表面に集光して表面から改質加工していくことになる。
レーザー出力が低いと、レーザーによる石英ガラス基材の表面改質においては加工速度が遅く実用的ではなく、高すぎると石英ガラス基材表面に形成する凹凸の形状の制御が難しくなる。
予め必要とする表面粗さからレーザーの走行速度を求めることができるので、所望の表面粗さに確実に加工することが可能である。表面粗さRa0.5〜50μmの微細な凹凸層を形成する際には、横軸に表面粗さを0.5〜50μm、特には1〜30μm、縦軸にレーザービームの走行速度(ライン速度)を取った図を作成し、所望の表面粗さに対応する速度を図から読み取り、その速度でレーザーを移動させて石英ガラス基材の表面を加工する。
(1)は表面にV字の溝を形成したものであり、(2)は台形状の溝を間隔を空けずに形成して三角形の突起を形成したものであり、(3)は台形の溝を間隔を空けて形成したもの、(4)は、半円形の溝を間隔を空けて形成したものである。
溝の断面形状は、レーザーの照射ピッチを任意の数値として広く取ることで、上部表面が任意寸法の幅を持った平面状であるV字状の溝を形成したり、照射ピッチを狭くして照射を複数回繰り返すことで、底部の溝の断面形状を任意寸法の平面状とした形状に加工することが可能である。また、被加工物とレーザーとの焦点位置を変えることによって半円状の溝としたり三角形の溝角度を変えるなど、溝形状を制御することができる。
このように膜付けする石英ガラス基材の表面が、焼き仕上げ面と同等の滑らかな面であって研削面のようなマイクロクラックが存在しないので、パーティクルの発生要因となることがなく、また、規則正しい微細凹凸面が形成されるので、膜付けの際の表面積を均一に大きく取ることが可能となり効果的である。
窒化珪素膜の形成方法としては、アンモニア雰囲気中で1,200℃以上という高温で石英ガラスの表面を窒化処理する方法などが一般的であり、この方法でも構わないが、1,200℃以上の温度雰囲気では石英ガラスが軟化し、自重等により変形する恐れがあり、高精度製品(反応管・シリコンウエハ積載用ボートなど)においては、石英ガラス表面の窒化処理は変形によって精度が保てなくなるため、好ましくない。
表層に形成された窒化珪素層により石英ガラスの耐弗化水素酸性並びに硬度が向上し、半導体製造用の部材として使用した場合、長時間交換することなく安定的に使用することができる。
本発明で用いる石英ガラス基材は、半導体製造用部材として一般的に用いられている高純度透明石英ガラスや、不透明石英ガラス、あるいは、黒色石英ガラスにも適用可能であり、窒化処理を施すことにより表面に窒化珪素層(Si3N4)が形成される。
窒化処理する石英ガラスの形状は、板状のものはもちろん、曲面を有する形状にも適用可能であり、また、平面と曲面が組み合わされている製品形状であっても均一な厚さに表面を窒化でき、製品の寸法精度に影響を及ぼすことはない。
従って、レーザー照射によって表面改質された種々の形状の石英ガラス基材であっても、その各々の表面微細凹凸面に倣って表面が窒化される。
DLC皮膜の厚さは、0.5μm以上、DLC皮膜のフッ酸耐久性が0.005μm/hr以下、DLC皮膜の600℃における熱酸化速度が0.1μm/hr以下、DLC皮膜の密着力が95/100個以上、とすることが、ハロゲン化物ガス及び/又はそのプラズマに対する耐食性が高く、パーティクルの発塵を抑制し、耐久性に優れた半導体製造装置用部材として最適である。また、DLC皮膜の表面粗さが石英ガラス基材の表面粗さに倣った表面粗さとしてそのまま半導体製造装置用部材の表面性状として形成される。
DLC膜の大きな特徴は、他の硬質膜と比較した場合、微視的な表面平滑性を有するという点であると言えるが、膜厚が2μm未満のものでは基材の表面性状がそのまま維持され、DLC膜で被覆する石英ガラス面を表面粗さRa0.5μm以下とすれば、より光沢があり、平面性の高い表面性状が得られる。
DLC皮膜は石英ガラス基材全面に形成する必要はないが、少なくとも腐食性の液体や気体に曝される部分は被覆する必要がある。
DLC膜は、石英ガラスの表面形状に沿った形で均一に皮膜が形成されるので、石英ガラス表面の多少のうねりがあっても問題がなく、DLC膜の石英ガラス表面への形成方法は、CVD法やスパッタ法が好ましい。
また、スパッタ法は、固体状の皮膜材料を真空もしくはガス中で蒸発させて薄膜を形成するものである。このスパッタ法は、ターゲットにイオンを衝突させ、はじき飛ばされたターゲット原子を対象物に衝突させて皮膜を形成するもので、半導体製造装置用冶具の基材となる石英ガラスの表面粗さを殆ど変化させることなく、そのままの状態で皮膜形成が可能であり、このため、石英ガラスの表面状態に応じた薄膜が形成される。
また、高温耐久性においてもDLC皮膜の600℃における熱酸化速度が0.1μm/h以下であり、これも熱膨張係数の相性の良さからくるものと推察される。
半導体製造装置用部材の基材となる石英ガラス製基材をDLCの硬質皮膜で被覆することにより、腐食性洗浄液及び腐食性ガスに対する耐食性を向上させ、耐酸性、耐プラズマ性、高温耐久性に優れ、膜の保持性能が高く、パーティクルの発生を抑制した半導体製造装置用部材となる。
成膜装置、熱処理装置、プラズマ装置など、室温から高温まで長期間連続使用が可能な、半導体製造用部材として最適である。
さらにまた、膜の種類によって、種々の用途に応じた石英ガラス材料として応用可能である。
以下、添付図面に基づいてこの発明を実施例に基づいて説明する。
図3は、この発明の石英ガラス材料のレーザーによる表面処理の加工状況を概略的に示す図である。
表面処理用のレーザー加工装置1にはレーザー光源11が装備されており、発生したレーザー光を適宜の光学部材を組み合わせてレーザー光を導き、処理対象の石英ガラス材料基材2の表面に照射するようになっている。
レーザー加工装置1は、多関節アームロボット3に取り付けてあり、照射されるレーザー光は、水平方向及び垂直方向に移動可能であり、表面処理をおこなう石英ガラス材料基材2の形状や大きさに応じて石英ガラス材料基材2の表面との距離を適宜調整することができる。また、図示しないが集光レンズ及び反射ミラーによって、傾斜角度を水平面に対して0〜90゜の範囲で調整可能であり、石英ガラス材料基材2の仕様及び加工目的に応じてレーザー光の照射位置を任意の位置に設定できる。
多関節アームロボット3の移動速度を100mm/secとして、レーザー光を照射し、石英ガラスプレートの表面に0.1mmピッチで格子状に直線溝を形成して微細凹凸面を形成した。石英ガラスプレート表面に格子状に形成した状態の写真を図2に示す。
格子状の凹凸面のピッチの間隔は0.1mmであり、精度は±10%以内の均一な面であり、凹部の深さは50μmであり、精度は±10%以内の均一な凹凸面が得られた。
また、レーザービームの走行速度を変化させて加工をおこない、この時の各々の加工時間と、Ra(μm)、Rt(μm)について表面粗さを指針式粗さ計と3次元表面粗さ計で測定した結果を表1に示す。加工時間と粗さは比例することがわかる。
DLC膜が形成された石英ガラス基材を冷却後、真空チャンバから取り出し、石英ガラス基材の膜の状態をフッ酸溶液に対するエッチングレート評価試験、フッ酸浸漬前後での表面観察、高温耐久性試験、高温耐久性試験前後での表面観察、JISによる石英ガラス基材と皮膜との密着力評価試験、及び膜厚、膜表面粗さ評価をおこなった。
表3に、高温耐久性試験の結果を示す。
環境制御型電子顕微鏡で倍率10000倍として観察したがいずれも表面性状においては変化は認められなかった。
レーザー出力を30Wに変えたほかは実施例1に準じ、石英ガラスプレートの表面に微細凹凸面を形成した。このときの加工時間と、Ra(μm)、Rt(μm)について、試験を実施し、表面粗さを指針式粗さ計で測定した結果を表6に示す。実施例1の100Wのレーザーを照射したものと比較すると、同じ表面粗さの面に加工するのに約15倍の加工時間がかかることがわかる。
実施例1に準じ、石英ガラスパイプ片(処理面:50mm角)の内表面に0.2mmピッチの格子状の微細な凹凸面を形成した。その写真を図4に示す。実施例1同様に均一な微細凹凸面が得られた。次いで実施例1に準じ、図4に示したパイプ片にDLC膜を被覆し、JIS K5600−5−6に準じ、密着力の試験をおこなった。パイプ片の微細凹凸面形成部分(レーザー処理面)、及びレーザー表面改質されていないパイプ片の透明部分(レーザー未処理面)共に密着力〔個/100〕100/100と、全面にわたり均一にかつ強固にDLC膜が形成されていた。
11 レーザー光源
2 ワーク(石英ガラス材料基材)
3 多関節ロボット
Claims (5)
- 石英ガラス基材表面と該表面に照射するレーザーとの相対走行速度と、照射後の該表面粗さの関係式を作成し、予め必要とする表面粗さに基づいてレーザーの相対走行速度を設定し、表面粗さを制御して表面を粗面に加工し、更に表面に薄膜を形成する石英ガラス材料の製造方法。
- 請求項1において、照射するレーザーの出力が10W超〜2KW未満である石英ガラス材料の製造方法。
- 請求項2において、照射するレーザーが炭酸ガスレーザーである石英ガラス材料の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかにおいて、照射領域に応じてレーザー加工条件を変えることによって表面粗さの異なった領域を複数形成する石英ガラス材料の製造方法。
- 請求項4において、レーザーの照射ピッチと速度を変えることによって、表面の凹凸の断面をV状、四角溝状、半円状のいずれか、もしくはその組み合わせた形状の表面状態とする石英ガラス材料の製造方法。
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