KR20070022655A - 유리 기판의 연마 방법 - Google Patents

Abstract

고도의 편평도 및 평활도가 요구되는 유리 기판의 연마 방법이 제공된다.

예비 연마된 유리 기판 (7) 에 제 1 단계 가스 클러스터 이온 (3) 빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 편평도를 개선하고, 그리고 나서 상기 유리 기판 (7) 에 상기 제 1 단계 가스 클러스터 이온 (3) 빔 에칭의 조사 (irradiation) 조건과 상이한 조사 조건하에서 제 2 단계 가스 클러스터 이온 (3) 빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 표면 거칠기를 개선하며, 이로써 유리 기판이 0.05 ㎛ 이하의 편평도 및 0.25 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖도록 다듬질 연마된다.

Description

유리 기판의 연마 방법{PROCESS FOR POLISHING GLASS SUBSTRATE}

본 발명은 유리 기판의 연마 방법, 특히 반도체 제조 공정에서 EUV (Extreme Ultra Violet, 극자외선) 리소그라피용 반사형 포토마스크에 사용되는 유리 기판과 같이 높은 편평도 (flatness) 및 평활도 (smoothness) 가 요구되는 유리 기판의 연마 방법에 관한 것이다.

지금까지 리소그라피 기술에 있어서, 노광 장치가 집적 회로 제조를 위해 미세 회로 패턴의 웨이퍼로의 이송에 폭넓게 사용되어 왔다. 집적 회로의 고집적, 높은 응답 속도 및 고성능에서의 진보에 따라, 집적 회로의 소형화가 이루어지고, 노광 장치는 긴 초점 깊이와 높은 해상도로 웨이퍼 표면에 회로 패턴의 이미지를 형성하는 것이 요구되며, 단파장을 방출하는 노광 광원의 사용이 발달하였다. 노광 광원으로서, 종래 g-라인 (파장 436 ㎚), i-라인 (파장 365 ㎚) 및 KrF 엑시머 레이저 (파장 248 ㎚) 외에, ArF 엑시머 레이저 (파장 193 ㎚) 가 사용되기 시작하였다. 또한, 100 ㎚ 이하의 회로 라인 폭을 갖는 차세대 집적 회로를 다루기 위해서, F2 레이저 (파장 157 ㎚) 가 노광 광원의 유력한 후보로 간주되지만, 이 광원은 70 ㎚ 라인 폭을 갖는 세대까지만 감당할 수 있다고 여겨진다.

이러한 기술적 경향에 있어서, 차세대 노광 광원으로서, EUV 광 (극자외선) 을 이용하는 리소그라피 기술이 45 ㎚ 와 이후의 여러 세대에 적용가능하다고 여겨지기 때문에 주목받고 있다. EUV 광은 소프트 (soft) X선 영역 또는 진공 자외선 영역 내의 파장 밴드의 광을 의미하며, 구체적으로는 0.2 내지 100 ㎚ 의 파장을 갖는 광을 의미한다. 현재, 리소그라피 광원으로서, 13.5 ㎚의 사용이 연구되고 있다. 이 EUV 리소그라피 (이하에서 "EUVL"이라 함) 에서의 노광 원리는, 마스크 패턴이 투영 광학계를 채용함으로써 이송된다는 점에서, 종래 리소그라피와 동일하다. 그러나, EUV 광의 에너지 영역에서 광을 투과시키는 재료가 거의 없기 때문에, 굴절 광학계를 사용하는 것이 불가능하고, 대신에 반사 광학계가 채용되어야 한다 (특허문헌 1 : JP-A-2003-505891 참조).

EUVL 을 위해 사용되는 마스크는 기본적으로 (1) 유리 기판, (2) 유리 기판에 형성된 반사형 다층 막, 및 (3) 반사형 다층 막 위에 형성된 흡수성 재료 층으로 구성된다. 반사형 다층 막으로서는, 노광 광의 파장에서 상이한 굴절률을 가지며 ㎚ 의 단위로 주기적으로 적층된 복수의 재료가 사용된 구조이며, 일반적인 재료로서 Mo 및 Si 가 알려져 있다. 또한, 흡수성 층으로서, Ta 및 Cr 이 연구되고 있다. 유리 기판으로서, EUV 광이 조사 (irradiation) 되어도 변형이 생기지 않도록 열팽창 계수가 작은 재료가 요구되고, 열팽창 계수가 작은 유리 또는 결정화된 유리가 연구되고 있다. 유리 기판은 그러한 유리 또는 결정화된 유리 재료를 세정하면서 고정밀도로 연마함으로써 제조된다.

또한, 유리 또는 금속과 같은 작업물의 표면을 작은 표면 거칠기 (평활도) 를 갖도록 연마하는 방법으로서, 소정의 표면 거칠기를 갖는 작업물의 기계연마된 표면을 가스클러스터 이온빔에 의해 고정밀도로 연마하는 방법이 특허문헌 2 : JP-A-8-120470 ( [0007] 내지 [0011] 참조) 에 기재되어 있다. 이 방법에 있어서, 작업물의 표면에 가속된 가스클러스터 이온을 조사함으로써, 조사된 가스클러스터 이온이 상기 표면과의 충돌에 의해 파괴되고, 이때 가스클러스터 이온이 작업물을 구성하는 분자 또는 원자와 충돌하며, 이들 분자 또는 원자가 작업물의 표면에 대해 횡방향으로 유동하고, 이로써 작업물의 표면은 횡방향으로 절단한다. 특허문헌 2 에서, 금속 몰드, 유리 기판, 세라믹 기판 등이 작업물로서 예시되어 있고, 아르곤, 질소 가스, 산소 가스, 이산화탄소 가스 등이 가스클러스터 이온의 원료가스로서 예시되어 있다.

그러나, 상기한 가스클러스터 이온빔 에칭에 의한 고정밀도 연마 방법은, 가속 전압이 증가하면, 클러스터 이온의 에너지가 증가하고 연마 효율이 높아질 수 있지만, 연마된 표면이 거칠어지는 특징이 있다. 그러므로, 가속 전압을 소망하는 연마 효율이 얻어질 정도로 높게 설정하면, 특정 값 이하의 표면 거칠기를 얻기 어렵게 된다.

특허문헌 2 에는, 특정 표면 거칠기를 갖는 금속 또는 유리의 기계연마된 표면, 즉 금속 또는 유리의 예비 연마된 표면을 CO₂ 가스클러스터 이온빔에 의해 다듬질 연마하는 일례가 개시되어 있다. 이 예에 따르면, CO₂ 가스클러스터 이온빔에 의한 다듬질 연마 후의 표면 거칠기 (Ra, 예비 연마의 정도에 의존함) 가 약 0.28 ㎚ (2.8 Å) 이하이다. 그러므로, 이러한 방법은, 45 ㎚ 그리고 이후의 세대의 반도체 제조용 노광 장치의 광학 부품과 같이 매우 높은 표면 정확성이 요구되는 유리 기판에 충분히 적절하지는 않다.

또한, 종래의 가스클러스터 이온빔 에칭 방법은 주로 1단계 공정에 의한 표면 거칠기의 개선에 초점이 맞춰져 있다. 그러므로, 예비 연마된 유리 기판을 이 방법으로 다듬질 연마하면, 예비 연마에 의해 생성된 큰 불규칙 부분 ( 굴곡부(waveness) ) 이 실질적으로 제거될 수 없고, 편평도의 개선 효과가 거의 얻어질 수 없다. 종래의 가스클러스터 이온빔 에칭 방법에 의해 다듬질 연마된 유리 기판은 편평도의 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가스클러스터 이온빔 에칭 방법으로써 EUVL 용 반사형 마스크의 유리 기판과 같이 높은 평활도 및 편평도가 요구되는 유리 기판을 다듬질 연마하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 발명자들은 45 ㎚ 이하의 라인 폭을 갖는 반도체 제조용 노광 장치를 위한 광학 부품용 유리 기판의 연마 방법을 예의 연구하였고, 그 결과 가스클러스터 이온빔 에칭의 표면 처리를 하여 예비 연마된 유리 기판의 편평도를 개선한 후, 제 1 가스클러스터 이온빔 에칭의 조건과 다른 조건하에서 추가적인 가스클러스터 이온빔 에칭의 표면 처리를 함으로써, 편평도의 악화 없이 표면 거칠기가 개선될 수 있음을 발견하였다. 즉, 예비 연마된 유리 기판을 2단계의 가스클러스터 이온빔 에칭에 의해 다듬질 연마함으로써, 우수한 편평도 및 표면 거칠기가 얻어질 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명은 다음과 같은 유리 기판의 연마 방법을 제공한다.

(1) 예비 연마된 유리 기판에 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 유리 기판의 편평도를 개선하는 단계, 및

상기 유리 기판에 상기 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭의 조사 조건과 상이한 조사 조건하에서 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 유리 기판의 표면 거칠기를 개선하는 단계를 포함하고,

이로써 유리 기판을 0.05 ㎛ 이하의 편평도 및 0.25 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖도록 다듬질 연마하는 유리 기판의 연마 방법.

(2) (1) 에 있어서, 상기 유리 기판은 석영 유리인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(3) (1) 또는 (2) 에 있어서, 상기 유리 기판은, 유리 기판의 온도가 20 ℃ 일 때 0±30 ppb/℃ 의 열팽창 계수를 갖는 저팽창 유리 기판인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(4) (1), (2) 또는 (3) 에 있어서, 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에서의 클러스터 이온의 가속 전압을 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에서의 클러스터 이온의 가속 전압보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 유리 기판을 0.005 ㎛ 이하의 표면 거칠기 (Ra) 및 0.5 ㎛ 이하의 편평도를 갖도록 예비 연마하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(6) (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭용 원료 가스가 SF₆, Ar 및 O₂ 를 함유하는 혼합 가스 또는 NF₃, Ar 및 O₂ 를 함유하는 혼합 가스이고, 상기 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭의 원료 가스가 O₂ 인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 유리 기판의 편평도를 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 0.05 ㎛ 이하가 되도록 개선한 후, 상기 편평도를 실질적으로 유지하면서 상기 유리 기판의 표면 거칠기 (Rms) 를 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 0.25 ㎚ 이하가 되도록 개선하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(8) (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭을 복수의 단계로 나누어 행하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

(9) (8) 에 있어서, 상기 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭은 클러스터 이온의 가속 전압을 단계적으로 저하시켜 행하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

도 1 은 본 발명에서 사용된 가스 클러스터 이온빔 에칭 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 2 는 본 발명의 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭으로 유리 기판의 굴곡부를 제거하는 일 실시형태를 나타내는 개략도이다.

본 발명에서 다듬질 연마되는 대상물로서의 유리 기판은, 열팽창 계수가 작고 열팽창 계수의 분산이 좁으며, EUVL 을 위한 반사형 마스크용 기판 (집적 회로의 고집적 및 고정밀도가 가능함) 으로서 사용가능한 유리가 바람직하다. 구체적으로는, 20 ℃ 에서 0±30 ppb/℃ 의 열팽창 계수를 갖는 저팽창 유리, 특히 20 ℃ 에서 0±10 ppb/℃ 의 열팽창 계수를 갖는 초저팽창 유리가 바람직하다.

이러한 저팽창 유리 및 초저팽창 유리로서, 주성분으로 SiO₂ 를 함유하는 석영 유리가 사용될 수 있다. 구체적으로, TiO₂ 를 함유하는 합성 석영 유리, ULE (상품명: Corning code 7972) 또는 ZERODUR (독일의 Schott 의 상품명) 와 같은 저팽창 유리 또는 저팽창 결정화 유리가 사용될 수 있다. 유리 기판의 형상, 크기, 두께 등은 제한되지 않으며, 형상은 일반적으로 직사각형이다.

본 발명에서, 가스 클러스터 이온빔 에칭 (이하에서 "GCIB"라 함) 에 의해 다듬질 연마될 유리 기판은 기계적으로 연마되어, GCIB 에 의한 연마 전에 소정의 편평도 및 표면 거칠기를 갖는다. 즉, 본 발명은 예비 연마된 유리 기판을 GCIB 에 의해 다듬질 연마하는 것이다. GCIB 에 의한 다듬질 연마 시간과 다듬질 연마 후 유리 기판의 표면 특성은 예비 연마에 의해 영향을 받는다. 즉, 유리 기판의 예비 연마를 충분히 하면 할수록, GCIB 에 의한 다듬질 연마의 작업 부 하가 줄어들고 다듬질 연마 시간이 단축될 수 있다. 더욱이, 소정의 편평도 또는 표면 거칠기를 갖도록 유리 기판을 예비 연마하면, GCIB 에 의한 다듬질 연마의 정확도가 개선될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 유리 기판의 예비 연마된 표면의 편평도는 0.5 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.25 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 편평도가 0.5 ㎛ 보다 크면, 예비 연마에 의해 형성된 굴곡부가 일반적으로 남게 되고, 상기 굴곡부를 제거하기 위해 GCIB 의 작업 부하가 증가하여, 유리 기판을 다듬질 연마하여 0.05 ㎛ 이하의 편평도를 갖도록 하는 것이 불가능하게 될 수 있다. 본 발명에 있어서, 편평도는 유리 기판의 단위 면적 (□142 ㎜) 당 편평함을 의미하고, 이 정의는 이하 설명에서도 적용가능하다. 여기서, 유리 기판의 편평도는 FM300 레이저 간섭식 (interferometric) 편평도 테스터 (Corning Tropel사 제조) 를 사용하여 측정될 수 있다 그러나, 측정 방법은 상기 편평도 테스터로 제한되지 않으며, 레이저 변위 미터 (laser displacement meter), 초음파 변위 미터 또는 접촉식 변위 미터를 사용하여 유리 기판의 수직 프로파일을 측정함으로써 편평도를 측정할 수도 있다.

또한, 예비 연마된 유리 기판의 표면 거칠기 (Rms) 는 0.005 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.001 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 여기서, 표면 거칠기 (Rms) 는 원자간 힘 현미경 (atomic force microscope) 에 의해 측정된 표면 거칠기를 의미한다 (이하에서 동일한 정의가 적용된다). 표면 거칠기 (Rms) 가 0.005 ㎛ 보다 크면, GCIB 에 의한 다듬질 연마 시간이 길어질 수 있고 또는 소정 시간 동안 GCIB 를 행함에도 불구하고 0.25 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖는 표면을 얻을 수 없을 수 있다. 종래의 연마 방법으로 예비 연마를 행할 수 있다. 예컨대, 양날 래핑머신 또는 양날 연마기에 의해 예비 연마를 행할 수 있고, 상업적으로 구입가능한 연마 공구 및 연마재 (polishing material) 가 적절히 사용될 수 있다.

본 발명에서, 이처럼 예비 연마된 유리 기판은 GCIB 에 의해 처리되는데, 상기 유리 기판은 다듬질 연마되어 0.25 ㎚ 이하, 특히 바람직하게는 0.15 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖는다. 이제부터, 도면을 참조하면서 GCIB 를 설명한다. 그러나, 본 발명은 도면 및 설명에 국한되지 않는다. 도 1 은 유리 기판의 다듬질 연마에 사용된 가스 클러스터 이온빔 에칭 장치 (이하에서 GCIB 장치라고 함) 의 구성의 개략도이다. 도 1 에 나타낸 것처럼, GCIB 장치는 가스병 (도시 안 됨) 으로부터 공급된 원료 가스가 단열적으로 팽창하도록 하는 클러스터 생성 챔버 (4), 배출 펌프 (10) 에 의해 배출되는 이온화 챔버 (1), 및 배출 펌프 (12) 에 의해 배출되는 에칭 챔버 (2) 에 의해 구성된다. 노즐 (5) 로부터 클러스터 생성 챔버 (4) 에 주입된 가스를 수 기압의 압력으로 이온화 챔버 (1) 내 진공 대기 내로 분사 (jetting out) 함으로써 가스 클러스터가 형성되고, 가스 클러스터는 스키머 (schemer, 14) 에 의해 성형되고 이온화 챔버 내에 배치된 이온화 전극 (9) 에 의해 이온화되어 클러스터 이온 (3) 이 된다. 그리고 나서, 이온화된 클러스터 이온 (3) 은 빔 형상의 평행 빔을 갖도록 제어되고, 에칭 챔버 (2) 내에서 가속 전극 (8) 에 의해 가속되며, 에칭 챔버 (2) 의 반대편 부분에 제공되어 있는 어댑터 플레이트 (6) 에 부착된 유리 기판 (7) 에 클러스터 이온 (3) 이 조사된다. 도 1 에서 도면부호 "11 및 13" 은 배출 펌프 (10 및 12) 각각의 개방/폐쇄 밸브를 나타낸다.

이온화 챔버 (1) 에서 이온화된 클러스터 이온 (3) 은, 가스 클러스터를 구성하는 각각의 원자가 전하를 갖는 구조를 갖지 않으며, 도 1 에 나타낸 것처럼, 가스 클러스터를 구성하는 원자들 중 하나의 원자가 전하를 가지며 다른 원자들은 그 원자 주위에 약하게 결합하여 원자집단 (덩어리) 을 형성하고 있는 구조를 갖는다. 그러한 원자집단이 유리 기판 (7) 에 충돌하면, 고형체 (solid body) 와의 상호작용으로 생성되는 다체 (many-body) 충돌 효과에 의해 유리 기판의 표면이 연마된다.

본 발명에서, 미리 예비 연마된 유리 기판에 제 1 단계 GCIB 가 가해져서 편평도가 개선되고, 개선된 편평도를 갖는 유리 기판의 표면을 제 2 단계 GCIB 로 처리함으로써 표면 거칠기가 개선되도록, 상기 GCIB 장치가 사용된다. 즉, 본 발명에서, 유리 기판의 표면을 이러한 2단계 GCIB 로 처리한다: 예비 연마 단계에서 생성된 유리 기판의 표면의 굴곡부를 제 1 단계 GCIB 에 의해 제거하여 실질적으로 굴곡부가 없는 편평한 표면을 형성하고, 그리고 나서 그러한 표면을 2 단계 GCIB 로 처리하여 미세 불규칙을 제거함으로써 편평도 및 평활도가 우수한 기판을 얻는다. 이 경우, 표면 거칠기는 제 1 단계 GCIB 공정에서 거칠어짐에도 불구하고, 표면 거칠기는 제 2 단계 GCIB 에 의해 소정의 표면 거칠기로 개선될 수 있다. 제 2 단계 GCIB 는 제 1 단계 GCIB 의 조건보다 더 온화한 (milder) 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 제 2 단계 GCIB 에서의 클러스 터 이온의 가속 전압을 제 1 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 가속 전압보다 낮게 설정한 후 에칭 공정이 행해진다. 예컨대, 제 2 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 가속 전압은 제 1 단계에서의 가속 전압의 절반 이하가 바람직하다. 제 1 단계 GCIB 및 제 2 단계 GCIB 는 원료 가스 또는 가속 전압과 같은 상이한 조사 조건으로 동일한 GCIB 장치로 행해질 수 있고, 또는 제 1 단계용 GCIB 장치에서 처리된 유리 기판이 상이한 조사 조건을 갖는 제 2 단계용 다른 GCIB 장치로 운송되어 제 2 단계 GCIB 처리가 행해질 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 제 2 단계 GCIB 의 가속 전압은 초기에 높게 설정된 후, 연속적으로 또는 단계적으로 점차 감소하고, 이로써 제 2 단계 GCIB 처리의 효율이 향상될 수 있다. 즉, 제 2 단계 GCIB 에 의한 표면 거칠기의 개선시, 표면 거칠기를 감소시키기 위해 처음부터 낮은 가속 전압 하에서 상기 처리가 행해지면, 표면 거칠기를 개선하는데 오랜 시간이 걸린다. 그러나, 연마 효율을 증가시켜 제 2 단계 GCIB 처리의 초기 단계에서의 처리 시간을 줄이기 위해 가속 전압을 높게 한 후, 연마 정확도를 개선하기 위해 가속 전압을 감소시킴으로써, 유리 기판의 표면은 소정의 표면 거칠기를 갖도록 다듬질 연마될 수 있다. 일반적으로 연마 효율의 측면에서 볼 때, 가속 전압을 2 내지 4 단계로 감소시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 편평도 개선을 위한 제 1 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 가속 전압을 30 kV 로 설정하고, 표면 거칠기의 최종 편활화를 위한 제 2 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 가속 전압을 5 kV 로 설정하며, 이로써, 제 1 단계 GCIB 에서의 편평도 개선을 위한 처리가 30 kV 에서 행해지고, 제 2 단계 처리로서 표면 거칠기의 거칠기 제거를 10 kV 에서 행한 후, 7.5 kV 에서 표면 거칠기를 개선하고, 그리고 나서 5 kV 에서 표면 거칠기의 최종 평활화를 행하는 식으로 상기 공정을 행한다. 이러한 공정에 의해, 처음부터 5 kV 에서 표면 거칠기를 제거하는 경우에 비해 처리 시간이 짧아질 수 있다.

제 1 단계 GCIB 용 원료 가스로서, SF₆, Ar, O₂, NF₃, N₂O, CHF₄, C₂F₆, C₃F₈, SiF₄ 또는 COF₂ 와 같은 가스가 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 이들 중에서, 가스가 표면에 충돌할 때 발생하는 화학 반응 측면에서 SF₆ 및 NF₃ 가 제 1 단계 GCIB 용 원료 가스로서 우수하고, 특히 SF₆, Ar 및 O₂ 의 혼합물 또는 NF₃, Ar 및 O₂ 의 혼합물인 가스가 바람직하다. SF₆, Ar 및 O₂ 의 혼합물인 가스의 경우, 이들 SF₆, Ar 및 O₂ 의 혼합비는 예컨대 조사 조건에 의존하며, 부피% 로 SF₆ : Ar : O₂ = 0.1 내지 2 % : 9.9 내지 99.9 % : 50 내지 99.9 % 의 범위 내가 바람직하다. 또한, 제 2 단계 GCIB 용 원료 가스로서, O₂, Ar, CO 또는 CO₂ 와 같은 가스는 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 이들 중에서, O₂ 및 Ar 이 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 가속 전극 (8) 에 가해지는 클러스터 이온의 가속 전압 및 이온화 전극 (9) 에 가해지는 전류 등은 제 1 단계 GCIB 와 제 2 단계 GCIB 에서 상이할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 전술한 바와 같 이, 유리 기판의 편평도를 개선하기 위한 제 1 단계 GCIB 의 가속 전압이 높게 설정되므로, 유리 기판이 큰 에너지로 클러스터 이온에 조사된다. 반면, 제 2 단계 GCIB 에서의 가속 전압은, 클러스터 이온의 에너지를 낮춤으로써 미세 표면 다듬질 연마를 수행하기 위해, 제 1 단계 GCIB 에서의 가속 전압보다 낮게 설정된다. 구체적으로는, 제 1 단계 GCIB 의 가속 전압은 15 내지 30 kV 가 바람직하고, 제 2 단계 GCIB 의 가속 전압은 3 내지 30 kV 미만이 바람직하며, 3 내지 20 kV 가 더욱 바람직하다. 또한, 이온화 전류는 일반적으로 제 2 단계 GCIB 에서보다 제 1 단계 GCIB 에서 더 높게 설정된다. 여기서, 제 1 단계 GCIB 및 제 2 단계 GCIB 에서의 가속 전압 및 이온화 전류와 같은 조사 조건은 원료 가스의 종류 또는 예비 연마된 유리 기판의 표면 특성을 고려하여 적절히 결정될 수 있다.

도 2 는 제 1 단계 GCIB 에 의해 유리 기판 (7) 의 굴곡부 (16) 를 제거하는 경우를 나타내는 개략도이다. 도 2 에 도시된 것처럼, 예비 연마된 유리 기판 (7) 의 표면은 표면 거칠기를 야기하는 미세 불규칙 부분 (17) 과 편평도 악화를 야기하는 굴곡부 (16) 를 갖는다. 유리 기판 (7) 의 굴곡부 (16) 에 가속된 클러스터 이온 (3) 이 조사될 때, 클러스터 이온 (3) 은 큰 에너지로 굴곡부 (16) 의 표면과 충돌하고, 유리 기판을 따라 수평으로 이동하며, 이로써 유리 기판의 표면을 연마하는 에칭 작용이 이루어진다. 이 경우, 굴곡부 (16) 에 집중된 클러스터 이온 (3) 을 유리 기판 (7) 에 조사함으로써, 굴곡부 (16) 의 볼록한 부분을 효과적으로 제거할 수 있다. 제 1 단계 GCIB 에 의해 굴곡부 (16) 의 볼록한 부분을 완전히 또는 부분적으로 제거함으로써, 유리 기판 (7) 의 편평도를 거의 0.05 ㎛ 이하까지 개선할 수 있다. 즉, 예를 들어, GCIB 처리 전 약 0.25 내지 0.5 ㎛ 의 편평도는 제 1 단계 GCIB 에 의해 굴곡부 (16) 의 볼록한 부분을 감소시킴으로써 약 0.05 ㎛ 이하로 개선될 수 있다. 또한, 제 1 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 조사에 의해 미세 불규칙 부분 (17) 이 증가하고 유리 기판 (7) 의 표면 거칠기가 악화됨에도 불구하고, 미세 불규칙 부분 (17) 은 전술한 것처럼 제 2 단계 GCIB 에 의해 평활화되고, 이로써 유리 기판 (7) 의 전체 표면의 표면 거칠기 (Rms) 는 0.25 ㎚ 이하가 되도록 개선될 수 있다.

예

화염 가수분해법에 의해 제조된 7 질량%의 TiO₂ 를 함유하는 합성 석영 유리의 잉곳을 내측 날 슬라이서 (inner blade slicer) 로써 높이 153.0 ㎜ × 폭 153.0 ㎜ × 두께 6.75 ㎜ 의 플레이트 형상으로 절단하여, 합성 석영 유리로 된 60 개의 플레이트 형상의 샘플을 준비한다. 그리고 나서, 이 샘플을, 상업적으로 구입가능한 #120 의 다이아몬드 연삭숫돌을 구비한 NC 모따기 기계를 사용하여, 외부 치수가 152 ㎜ 되고 모따기 폭이 0.2 내지 0.4 ㎜ 가 되도록 모따기한다.

그리고 나서, Speedfam Co., Ltd. 제조의 20B 양날 래핑머신을 사용하고, 본질적으로 SiC 로 구성된 GC#400 (상품명, Fujimi Incorporated사 제조) 을 여과된 물에 18 내지 20 질량% 현탁시킨 슬러리를 연마재로서 사용하여, 각각의 플레이트 형상의 합성 석영 유리 샘플을 연마하여, 두께를 6.63 ㎜ 로 한다.

또한, 다른 20B 양날 래핑 기계를 사용하고, 실질적으로 Al₂O₃ 로 구성된 FO#1000 (상품명, Fujimi Incorporated사 제조) 18 내지 20 질량% 의 현탁된 슬러리를 연마재로서 사용하여, 각각의 플레이트를 두께가 6.51 ㎜ 될 때까지 연마한다. 그리고 나서, 끝면 (end face) 의 경면 가공 (mirror finish process) 로서, 주성분으로서 세륨 산화물을 함유하는 슬러리와 버프 (buff) 를 이용하여 플레이트의 외주부를 연마하여 30 ㎛ 제거한다.

그리고 나서, 제 1 연마로서 Speedfam Co. 제조의 20B 양날 연마 기계를 사용하고, 연마포지로서 LP66 (상품명, Rhodes Co. 제조) 그리고 연마제 (polishing abrasive) 로서 주성분으로서 세륨 산화물을 함유하는 Mirek 801A (상품명, Mitsui Kinzoku Co. 제조) 을 사용하여, 이들 플레이트 각각의 양쪽 면을 연마하여 양쪽 면에서 총 50 ㎛ 제거한다.

또한, 20B 양날 연마 기계를 사용하고, 연마포지로서 발포 우레탄으로 이루어진 Seagull 7355 (상품명, Toray Coatex Co., Ltd. 제조) 를 사용하고, 연마제로서 상기한 Mirek 801A 을 사용하여, 상기 플레이트 각각의 양쪽 면을 연마하여 양쪽 면에서 총 10 ㎛ 제거하고, 간단한 세정 및 정밀 세정을 실시하여, 0.2 ㎚ 의 표면 거칠기 (Ra) 와 0.25 ㎛ 의 편평도를 갖도록 각각 예비 연마된 석영 유리 기판 (이하에서 '기판'이라고 함) 을 얻는다. 기판의 편평도 및 표면 거칠기를 더 개선하기 위해서, 다음의 2 단계의 GCIB, 즉 예비 연마된 기판의 편평도를 개선하기 위해 편평도 개선을 위한 제 1 단계 GCIB, 및 제 1 단계 GCIB 에 의해 표면 처리된 기판의 표면 거칠기를 개선하기 위한 제 2 단계 GCIB 가 행해진다.

가스 클러스터 이온빔 에칭 장치를 사용하는 제 1 단계 GCIB 에서, 부피% 로 SF₆ : 1 %, O₂ : 24 % 및 Ar : 75 % 의 혼합 가스로부터 클러스터 이온이 생성되고, 기판의 면적 □142 ㎜ 에 30 kV 의 가속 전압, 1,000 개 이상의 클러스터 크기, 300 ㎂ 의 이온 전류 및 1 시간 동안 1×10¹⁶ ions/㎠ 의 도즈량 (dose amount) 의 조건하에서 생성된 클러스터 이온이 조사된다. 클러스터 이온의 조사에 의해, 기판의 편평도는 개선되어 0.05 ㎛ 가 된다. 그러나, 표면 거칠기는 제 1 단계 GCIB 에서의 클러스터 이온의 강한 조사에 의해 1 ㎚ (Rms) 까지 악화된다.

제 2 단계 GCIB 에서, 악화된 표면 거칠기를 개선하기 위해서, 가스 클러스터 이온빔 에칭 장치의 원료 가스는 O₂ 클러스터 이온을 형성하도록 바뀌고, 기판의 면적 □142 ㎜ 에 10 kV 의 가속 전압, 1,000 개 이상의 클러스터 크기 및 1 시간 동안 5×10¹⁵ ions/㎠ 의 도즈량의 조건하에서 O₂ 클러스터 이온이 조사된다. 또한, 기판의 면적 □142 ㎜ 에 5 kV 의 가속 전압, 1,000 개 이상의 클러스터 크기 및 1 시간 동안 2×10¹⁵ ions/㎠ 의 도즈량의 조건하에서 클러스터 이온이 조사된다. 제 2 단계 GCIB 의 가속 전압을 제 1 단계 GCIB 의 가속 전압보다 작게 되도록 설정함으로써, 그리고 제 2 단계 GCIB 의 앞쪽 절반의 가속 전압을 제 2 단계 GCIB 의 뒷쪽 절반의 가속 전압보다 작게 되도록 설정함으로써, 제 1 단계 GCIB 에 의해 개선된 편평도를 갖는 기판에 편평도의 악화 없이 효과적인 평활화 다듬질 연마가 가해져서, 0.14 ㎚ 의 개선된 표면 거칠기 (Rms) 를 갖는다.

여기서, 기판의 편평도는 FM300 레이저 간섭식 편평도 테스터 (Corning Tropel사 제조) 에 의해 측정된다. 그리고, 표면 거칠기는 원자간 힘 현미경 (AFM) SPI3800N (Seiko Instruments Inc. 제조) 에 의해 측정된다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 예비 연마된 유리 기판을 2단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 다듬질 연마함으로써, 유리 기판의 편평도와 표면 거칠기 모두가 개선될 수 있고, 이로써 0.05 ㎛ 이하의 편평도와 0.25 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖도록 유리 기판을 연마하는 것이 가능하다. 이 방법에 따르면, 예컨대 45 ㎚ 이하의 라인 폭을 갖는 차세대 반도체 제조용 노광 장치의 광학 부품용 기판으로서 이용가능한 우수한 평활도와 편평도를 갖는 유리 기판을 얻는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 편평도 및 평활도에서 우수한 고품질의 표면을 갖도록 유리 기판을 연마하는 것이 가능하고, 따라서 본 발명은 예컨대 45 ㎚ 이하의 라인 폭을 갖는 반도체 제조용 노광 장치의 광학계용 부품으로서 사용되는 고품질 유리 기판을 연마하는데 적합하다.

Claims (9)

1. 예비 연마된 유리 기판에 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 유리 기판의 편평도를 개선하는 단계, 및

   상기 유리 기판에 상기 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭의 조사 (irradiation) 조건과 상이한 조사 조건하에서 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 표면 처리를 하여 유리 기판의 표면 거칠기를 개선하는 단계를 포함하고,

   이로써 유리 기판을 0.05 ㎛ 이하의 편평도 및 0.25 ㎚ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 를 갖도록 다듬질 연마하는 유리 기판의 연마 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 기판은 석영 유리인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유리 기판은, 유리 기판의 온도가 20 ℃ 일 때 0±30 ppb/℃ 의 열팽창 계수를 갖는 저팽창 유리 기판인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에서의 클러스터 이온의 가속 전압을 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에 칭에서의 클러스터 이온의 가속 전압보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유리 기판을 0.005 ㎛ 이하의 표면 거칠기 (Rms) 및 0.5 ㎛ 이하의 편평도를 갖도록 예비 연마하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭용 원료 가스가 SF₆, Ar 및 O₂ 를 함유하는 혼합 가스 또는 NF₃, Ar 및 O₂ 를 함유하는 혼합 가스이고, 상기 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭의 원료 가스가 O₂ 인 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유리 기판의 편평도를 제 1 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 0.05 ㎛ 이하가 되도록 개선한 후, 상기 편평도를 실질적으로 유지하면서 상기 유리 기판의 표면 거칠기 (Rms) 를 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭에 의해 0.25 ㎚ 이하가 되도록 개선하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 단계 가스 클러스 터 이온빔 에칭을 복수의 단계로 나누어 행하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 단계 가스 클러스터 이온빔 에칭은 클러스터 이온의 가속 전압이 단계적으로 저하시켜 행하는 것을 특징으로 하는 유리 기판의 연마 방법.

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