DE102022134350A1

DE102022134350A1 - Quartz glass workpiece for use in a plasma-assisted manufacturing process and method for producing the workpiece

Info

Publication number: DE102022134350A1
Application number: DE102022134350.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Schader; Felix Franz; Frank Wessely; Edgar Willenborg; Emrah Uluz
Original assignee: Fraunhofer Inst Fuer Lasertechnik Ilt; Fraunhofer Institut Fuer Lasertechnik Ilt; Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-27
Anticipated expiration: 2042-12-22
Also published as: DE102022134350B4

Abstract

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Quarzglas, das für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess eine schmelzpolierte Werkstück-Oberfläche aufweist, umfasst die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines Werkstücks aus dem Quarzglas, das mindestens eine durch Schneiden oder spanabhebende Bearbeitung erzeugte Roh-Oberfläche aufweist, und (b) Polieren der Roh-Oberfläche zu der polierten Werkstück-Oberfläche. Um hiervon ausgehend ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks anzugeben, das bei vergleichsweise geringem Aufwand für die Oberflächenbearbeitung eine niedrige Partikelbildung zeigt wenn das Werkstück bei der plasmaunterstützten Fertigung eines Halbleiterbauteils eingesetzt wird, wird vorgeschlagen, dass das Polieren der Roh-Oberfläche durch Laserpolieren unter Einsatz von mindestens einem relativ zur Roh-Oberfläche bewegten Laserstrahl erfolgt, wobei eine polierte Werkstück-Oberfläche erzeugt wird, die eine Mikrorauheit und eine Welligkeit aufweist, wobei die mittels Weißlichtinterferometrie bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 1 µm bis 10 µm gemessene Mikrorauheit eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,5 nm aufweist, und die mittels Weißlichtinterferometer bei einer Ortswellenlänge im Bereich λ_O von 100 µm bis 1000 µm gemessene Welligkeit eine Flächenrauheit Sa von mehr als 5 nm aufweist. A known method for producing a workpiece made of quartz glass which has a melt-polished workpiece surface for use in a plasma-assisted manufacturing process comprises the method steps: (a) providing a workpiece made of the quartz glass which has at least one raw surface produced by cutting or machining, and (b) polishing the raw surface to the polished workpiece surface. In order to provide a method for producing a workpiece which, with comparatively little effort for surface treatment, shows low particle formation when the workpiece is used in the plasma-assisted production of a semiconductor component, it is proposed that the polishing of the raw surface is carried out by laser polishing using at least one laser beam moved relative to the raw surface, whereby a polished workpiece surface is produced which has a micro-roughness and a waviness, whereby the micro-roughness measured by means of white light interferometry at a spatial wavelength λ _O in the range from 1 µm to 10 µm has a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, and the waviness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength in the range λ _O from 100 µm to 1000 µm has a surface roughness Sa of more than 5 nm.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Werkstück aus Quarzglas für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess, insbesondere bei der Halbleiterfertigung, das eine schmelzpolierte Werkstück-Oberfläche aufweist, die eine Mikrorauheit und eine Welligkeit aufweist.The invention relates to a workpiece made of quartz glass for use in a plasma-assisted manufacturing process, in particular in semiconductor manufacturing, which has a melt-polished workpiece surface that has a micro-roughness and a waviness.

Außerdem geht es in der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Quarzglas, das für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess, insbesondere bei der Halbleiterfertigung, mindestens eine polierte Werkstück-Oberfläche aufweist, umfassend die Verfahrensschritte:

• Bereitstellen eines Werkstücks aus dem Quarzglas, das mindestens eine durch Schneiden oder spanabhebende Bearbeitung erzeugte Roh-Oberfläche aufweist, und
• Polieren der Roh-Oberfläche zu einer polierten Werkstück-Oberfläche.

The invention also relates to a method for producing a workpiece made of quartz glass, which has at least one polished workpiece surface for use in a plasma-assisted manufacturing process, in particular in semiconductor manufacturing, comprising the method steps:

• Providing a workpiece made of quartz glass which has at least one raw surface produced by cutting or machining, and
• Polishing the raw surface to a polished workpiece surface.

Plasmaunterstützte Fertigungsverfahren, wie beispielsweise plasmaunterstütztes Trockenätzen - auch kurz als „Plasmaätzen“ bezeichnet - ist eine unverzichtbare Technologie zum Herstellen ultrafeiner Strukturen von Halbleiterbauelementen, hochauflösender Displays und in der Solarzellenfertigung.Plasma-assisted manufacturing processes, such as plasma-assisted dry etching - also referred to as "plasma etching" for short - is an indispensable technology for producing ultrafine structures in semiconductor devices, high-resolution displays and in solar cell production.

Das Plasmaätzen wird in einer mit Ätzgas unter geringem Druck gespülten Plasmakammer bei relativ hoher Temperatur ausgeführt. Durch eine Hochfrequenzentladung zwischen Elektroden oder durch eine elektrodenlose Mikrowellenentladung wird in der Plasmakammer ein reaktives, ätzaktives Plasma erzeugt. Die dem Plasma ausgesetzten Wandungen von Kammereinbauten in der Nähe des zu bearbeitenden Objektes - dies ist in der Regel ein „Wafer“ - bestehen häufig aus Quarzglas. Quarzglas zeichnet sich durch Inertheit, chemische Beständigkeit gegenüber vielen im Fertigungsprozess eingesetzten Substanzen, sowie durch eine relativ hohe Temperaturfestigkeit aus. Kammereinbauten sind beispielsweise Waferhalter, Heizeinrichtungen, Pedestals, Gasinjektoren und Stütz- oder Spannelemente.Plasma etching is carried out in a plasma chamber flushed with etching gas under low pressure at a relatively high temperature. A reactive, etch-active plasma is generated in the plasma chamber by a high-frequency discharge between electrodes or by an electrodeless microwave discharge. The walls of chamber components exposed to the plasma near the object to be processed - this is usually a "wafer" - are often made of quartz glass. Quartz glass is characterized by inertness, chemical resistance to many substances used in the manufacturing process, and relatively high temperature resistance. Chamber components include wafer holders, heating devices, pedestals, gas injectors and support or clamping elements.

Zum Ätzen von Strukturen auf Siliziumbasis werden üblicherweise halogenhaltige Ätzgase eingesetzt, wie beispielsweise CF₄, CHF₃, C₂F₆, C₃F₈, NF₃ oder SF₆. Der Trockenätzprozess beruht aber nicht nur auf chemischem Ätzen, sondern auch auf einem physikalischen Abtrag durch Beschuss der Oberfläche mit ionisierten Atomen (Sputtern). Dabei werden das zu bearbeitende Objekt ebenso wie andere dem Plasma ausgesetzte Kammereinbauten angegriffen. Kritisch ist in diesem Zusammenhang vor allem die Generierung von Partikeln, die sich durch den korrosiven Verschleiß aus dem Werkstoff der Kammereinbauten bilden können, oder durch Abplatzungen von Beschichtungen, wie beispielsweise Polymer- oder Keramikschichten, die während des Plasmaprozesses unweigerlich auch auf den Oberflächen der Kammereinbauten entstehen. Partikelbildung ist für den Ätzprozess sehr kritisch, da Partikel auf den Wafer gelangen können. Dies führt zu einem Ausfall der betroffenen Strukturen und damit zu einem Verlust des entsprechenden Chips. Daher führt die Bildung von Partikel zu einer Erniedrigung der Ausbeute des Prozesses.To etch silicon-based structures, etching gases containing halogens are usually used, such as CF ₄ , CHF ₃ , C ₂ F ₆ , C ₃ F ₈ , NF ₃ or SF ₆ . The dry etching process is not only based on chemical etching, but also on physical removal by bombarding the surface with ionized atoms (sputtering). This attacks the object to be processed as well as other chamber components exposed to the plasma. What is particularly critical in this context is the generation of particles that can form from the material of the chamber components due to corrosive wear, or due to flaking off of coatings such as polymer or ceramic layers, which inevitably also form on the surfaces of the chamber components during the plasma process. Particle formation is very critical for the etching process, as particles can get onto the wafer. This leads to failure of the affected structures and thus to loss of the corresponding chip. Therefore, the formation of particles leads to a reduction in the yield of the process.

Die funktionellen Eigenschaften einer Wandung werden maßgeblich von deren Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. So wirkt sich beispielsweise die Glattheit oder Oberflächenrauheit auf die Haftfähigkeit von Beschichtungen und damit auf die Partikelbildung aus. Zudem wirkt sich die Oberflächenbeschaffenheit auch direkt auf die Partikelbildung aus, da aufgrund des Plasmaangriffs und der damit einhergehenden Erosion des Quarzglases zusätzlich Partikel erzeugt werden können.The functional properties of a wall are significantly influenced by its surface quality. For example, the smoothness or roughness of the surface affects the adhesion of coatings and thus the formation of particles. In addition, the surface quality also has a direct effect on the formation of particles, as additional particles can be generated due to the plasma attack and the associated erosion of the quartz glass.

Stand der TechnikState of the art

Für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess vorgesehene Quarzglas-Werkstücke werden in der Regel aus einem Halbzeug gefertigt. Dafür typische, grobmechanische Fertigungsschritte sind Schneiden, Sägen, Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen, mittels denen das Werkstück die gewünschte Außenform im Wesentlich erhält. Die dabei erzeugten Oberflächen sind aber in der Regel noch zu rau und müssen nachbearbeitet werden, um eine vorgegebene Glattheit zu erzielen.Quartz glass workpieces intended for use in a plasma-assisted manufacturing process are usually made from a semi-finished product. Typical rough mechanical manufacturing steps are cutting, sawing, milling, drilling, turning or grinding, which essentially give the workpiece the desired external shape. However, the surfaces produced in this way are usually still too rough and have to be reworked in order to achieve a specified level of smoothness.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es insbesondere um diese Nachbearbeitung. Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Methoden dafür bereits bekannt.The present invention is particularly concerned with this post-processing. A large number of methods for this are already known from the prior art.

Die US 6,805,952 B2 schlägt vor, die Partikelbildung von Polymerpartikeln, wie Fluorkohlenstoffen, auf Oberflächen von Quarzglas-Werkstücken zu reduzieren, indem die Adsorption der Polymere durch Aufrauen der Oberfläche erhöht wird. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche durch Plasmaspritzen mit einer Beschichtung versehen, in der eine bestimmte Oberflächenrauheit (Ra = 3,8 µm - 4,8 µm) eingestellt wird.The US6,805,952 B2 proposes to reduce the particle formation of polymer particles, such as fluorocarbons, on surfaces of quartz glass workpieces by increasing the adsorption of the polymers by roughening of the surface. For this purpose, the surface is provided with a coating by plasma spraying in which a certain surface roughness (Ra = 3.8 µm - 4.8 µm) is set.

So schlägt die US 7,250,114 B2 vor, Werkstücke aus Quarzglas zwecks Verringerung der Partikelbildung beim Einsatz in einer Plasmakammer nach der grobmechanischen Bearbeitung zunächst so mechanisch zu polieren, dass eine arithmetische mittlere Rauheit Ra im Bereich von 0,125 µm bis 0,75 µm erreicht wird. Etwaige auf der Oberfläche zurückbleibende Poliermittelreste oder durch die Politur erzeugte Oberflächendefekte werden anschließend durch Ätzen der Oberfläche in Säure beseitigt. Die nach dem Ätzschritt erhaltene Oberfläche zeigt eine arithmetische mittlere Rauheit Ra im Bereich von 0,025 µm bis 2,5 µm. Die Oberflächentopografie der dem Plasma ausgesetzten Oberfläche unterscheidet sich von der durch Polieren erzeugten Oberflächentopografie einer anderen Oberfläche, die zum Vakuumabdichten verwendet wird.This is how the US7,250,114 B2 proposes that quartz glass workpieces are first mechanically polished after rough machining to reduce particle formation during use in a plasma chamber so that an arithmetic mean roughness Ra in the range of 0.125 µm to 0.75 µm is achieved. Any polishing agent residues remaining on the surface or surface defects caused by polishing are then removed by etching the surface in acid. The surface obtained after the etching step has an arithmetic mean roughness Ra in the range of 0.025 µm to 2.5 µm. The surface topography of the surface exposed to the plasma differs from the surface topography created by polishing of another surface used for vacuum sealing.

In der JP 2004-296753 A wird zur Verminderung des Problems der Partikelfreisetzung beim Plasmaätzen vorgeschlagen, dem Plasma ausgesetzte Werkstücke aus Quarzglas durch Sandstrahlen zu bearbeiten und anschließend in Flusssäure zu ätzen. Dadurch werden Mikrorisse beseitigt und die Haftfähigkeit gegenüber Polymerfilmen verbessert.In the JP 2004-296753 A To reduce the problem of particle release during plasma etching, it is proposed to sandblast quartz glass workpieces exposed to the plasma and then etch them in hydrofluoric acid. This eliminates microcracks and improves adhesion to polymer films.

Mechanisches Bearbeiten von Glas-Werkstücken im Allgemeinen und mechanisches Polieren im Speziellen sind geeignet, ebene Oberflächen mit einer vom verwendeten Verfahren abhängigen, gegebenenfalls auch geringen Mikrorauheit zu erzeugen. Wenn Oberflächen mit sehr geringer Rauheit hergestellt werden sollen, werden üblicherweise mehrstufige, mechanische Polierverfahren eingesetzt. Dieses Verfahren ist jedoch entsprechend zeit- und kostenintensiv.Mechanical processing of glass workpieces in general and mechanical polishing in particular are suitable for producing flat surfaces with a micro-roughness that may be low, depending on the process used. If surfaces with very low roughness are to be produced, multi-stage mechanical polishing processes are usually used. However, this process is correspondingly time-consuming and costly.

Eine gewisse Beschleunigung in dieser Hinsicht ergibt sich durch thermische Polierverfahren wie das Flammen- oder Laserpolieren. Beim Laserpolieren wird ein Laserstrahl in der Regel scannend über die zu polierende Oberfläche geführt. Die Glättung der Oberfläche wird durch lokales Aufschmelzen einer dünnen Oberflächenrandschicht erreicht.A certain acceleration in this respect is achieved by thermal polishing processes such as flame or laser polishing. In laser polishing, a laser beam is usually scanned over the surface to be polished. The smoothing of the surface is achieved by locally melting a thin surface edge layer.

So beschreiben beispielsweise Christian Weingarten, Andreas Schmickler, Edgar Willenborg, Konrad Wissenbach und Reinhart Poprawe in „Laser polishing and laser shape correction of optical glass“; Journal of Laser Applications 29, 011702 (2017); https://doi.org/10.2351/1.4974905 ; das Laserpolieren von optischen Quarzglas-Oberflächen, ergänzt um einen weiteren laserunterstützten Prozessschritt (Laser Beam Figuring, LBF), durch den Quarzglasmaterial für eine Formkorrektur abgetragen beziehungsweise kompaktiert werden kann.For example, Christian Weingarten, Andreas Schmickler, Edgar Willenborg, Konrad Wissenbach and Reinhart Poprawe in “Laser polishing and laser shape correction of optical glass”; Journal of Laser Applications 29, 011702 (2017); https://doi.org/10.2351/1.4974905 ; the laser polishing of optical quartz glass surfaces, supplemented by a further laser-assisted process step (Laser Beam Figuring, LBF), through which quartz glass material can be removed or compacted for shape correction.

Die US 7,749,930 B2 beschreibt einen positiven Effekt auf die Trockenätzbeständigkeit von Quarzglas-Werkstücken beim Plasmaätzen nach einer Laserbearbeitung der Oberfläche.The US7,749,930 B2 describes a positive effect on the dry etching resistance of quartz glass workpieces during plasma etching after laser processing of the surface.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Grundsätzlich werden an Komponenten aus Quarzglas, die in einer Plasmaätzkammer der Halbleitertechnologie Anwendung finden sollen, hohe Anforderungen an die Eignung der dem Plasma ausgesetzten Oberflächen insbesondere hinsichtlich der Trockenätzbeständigkeit und der Vermeidung von Partikelbildung gestellt.In principle, components made of quartz glass that are to be used in a plasma etching chamber in semiconductor technology are subject to high requirements regarding the suitability of the surfaces exposed to the plasma, particularly with regard to dry etching resistance and the avoidance of particle formation.

Durch Laserpolieren der Oberfläche eines Quarzglas-Werkstücks kann mit vergleichsweise hoher Flächenrate eine geringe Mikrorauheit erzielt werden (im Folgenden auch als „Mikroglattheit“ bezeichnet). Die Glättung der Oberfläche erfolgt dabei durch Aufheizen der Quarzglasoberfläche mittels Laserstrahlung, die ein Erweichen, also einer Verringerung der Viskosität an der Randschicht der Quarzglasoberfläche und damit einhergehend eine Verringerung der Rauheit durch die Oberflächenspannung bewirkt. Dabei findet keine oder nur eine geringfügige Ablation an Quarzglas statt. Andererseits verbleiben dadurch auf der ursprünglichen Roh-Oberfläche vorhandene Streifen, Welligkeiten und Formfehler. Deren Korrektur oder Reduktion erfordert weitere zeit- und kostenbehaftete Maßnahmen, oder alternativ dazu muss das Laserpolieren als finaler Polierschritt auf einer vorab bereits aufwändig mechanisch feinpolierten Oberfläche erfolgen.By laser polishing the surface of a quartz glass workpiece, a low micro-roughness (hereinafter also referred to as "micro-smoothness") can be achieved with a comparatively high surface rate. The surface is smoothed by heating the quartz glass surface using laser radiation, which causes softening, i.e. a reduction in the viscosity at the edge layer of the quartz glass surface and thus a reduction in the roughness due to the surface tension. There is no or only minimal ablation of quartz glass. On the other hand, this leaves existing stripes, waviness and shape errors on the original raw surface. Correcting or reducing these requires further time-consuming and costly measures, or alternatively, laser polishing must be carried out as the final polishing step on a surface that has already been finely polished mechanically.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks anzugeben, das bei vergleichsweise geringem Aufwand für die Oberflächenbearbeitung eine niedrige Partikelbildung zeigt wenn das Werkstück bei der plasmaunterstützten Fertigung eines Halbleiterbauteils eingesetzt wird.It is an object of the invention to avoid the disadvantages of the known methods and in particular to provide a method for producing a workpiece which, with comparatively little effort for surface treatment, shows low particle formation when the workpiece is used in the plasma-assisted production of a semiconductor component.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück für den Einsatz bei der plasmaunterstützten Fertigung, insbesondere der Halbleiterfertigung, bereitzustellen, das mindestens eine dem Plasma ausgesetzte, polierte Werkstück-Oberfläche aufweist, die sich durch eine geringe Partikelbildung auszeichnet.Furthermore, the invention is based on the object of providing a workpiece for use in plasma-assisted manufacturing, in particular semiconductor manufacturing, which has at least one polished workpiece surface exposed to the plasma, which is characterized by low particle formation.

Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung durch das Verfahren von Anspruch 1 gelöst.With regard to the method, this object is achieved by the method of claim 1, starting from a method of the type mentioned at the outset.

Das Polieren der Roh-Oberfläche es Werkstücks erfolgt durch Laserpolieren unter Einsatz von mindestens einem relativ zur Roh-Oberfläche bewegten Laserstrahl, wobei eine polierte Werkstück-Oberfläche erzeugt wird, die eine Mikrorauheit und eine Welligkeit aufweist, wobei die mittels Weißlichtinterferometrie bei einer Ortswellenlänge λ_O von im Bereich von 1 µm bis 10 µm gemessene Mikrorauheit eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,5 nm aufweist, und die mittels Weißlichtinterferometer bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 100 µm bis 1000 µm gemessene Welligkeit eine Flächenrauheit Sa von mehr als 5 nm aufweist. Die Messbedingungen dazu sind in den Tabellen 1 und 2 näher dargestellt.The raw surface of the workpiece is polished by laser polishing using at least one laser beam moved relative to the raw surface, producing a polished workpiece surface that has a micro-roughness and a waviness, the micro-roughness measured by white light interferometry at a spatial wavelength λ _O in the range from 1 µm to 10 µm having a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, and the waviness measured by white light interferometer at a spatial wavelength λ _O in the range from 100 µm to 1000 µm having a surface roughness Sa of more than 5 nm. The measurement conditions for this are shown in more detail in Tables 1 and 2.

Folgende Aspekte zeichnen das Verfahren sowie die durch Laserpolieren erzeugte Werkstück-Oberfläche besonders aus.

(a) Die durch Laserpolieren zu glättende Werkstück-Oberfläche ist eine vorab lediglich grob-mechanisch bearbeitete, noch raue Roh-Oberfläche des Quarzglas-Werkstücks. Die Roh-Oberfläche ist erzeugt durch einen grobmechanischen Fertigungsschritt wie Schneiden, Sägen, Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen, der dem Werkstück die gewünschte Außenform verleiht. Auf das sonst übliche mechanische Polieren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren verzichtet, so dass der damit einhergehende Bearbeitungsaufwand entfällt.
(b) Die vorab lediglich grob-mechanisch bearbeitete Roh-Oberfläche ist rau und trägt zwangsläufig Spuren des Bearbeitungswerkzeugs. Diese Spuren können durch das Laserpolieren nicht ohne weiteres vollständig beseitigt werden und Reste davon zeigen sich in der final polierten Werkstück-Oberfläche als Welligkeit. Beim Laserpolieren wird lokal aufgeschmolzenes Glasmaterial lediglich kleinräumig an der Oberfläche verlagert, so dass auf der ursprünglichen Roh-Oberfläche vorhandene Streifen, Rillen und Formfehler nicht vollständig beseitigt werden. Daher verbleibt auf der polierten Werkstück-Oberfläche eine gewisse, durch die Beschaffenheit der Roh-Oberfläche beeinflusste Welligkeit. Als „Welligkeit“ wird hier eine Oberflächenbeschaffenheit oder Rauheit der Oberfläche mit einer mehr oder weniger regelmäßigen Längsstrukturierung durch Wellen oder Rillen verstanden. Bei ihrer Messung bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 100 bis 1000 µm ergibt sich erfindungsgemäß eine Flächenrauheit Sa von mehr als 5 nm, vorzugsweise mehr als 10 nm und bevorzugt von weniger als 40 nm. Eine gewisse Welligkeit der polierten Werkstück-Oberfläche kann die Partikelbildung beim Plasmaätzen vermindern. Diese überraschende Wirkung, die auf die im Vergleich zur ebenen Oberfläche größere effektive Oberfläche zurückgeführt werden kann, wird weiter unten noch näher erläutert.
(c) Beim Laserpolieren erhält die polierte Werkstück-Oberfläche im Mikrometermaßstab gesehen eine niedrige Mikrorauheit. Im Hinblick auf eine möglichst glatte Oberfläche ist die Mikrorauheit so gering wie möglich. Bei ihrer Messung bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 1 bis 10 µm ergibt sich erfindungsgemäß eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,5 nm, bevorzugt von weniger als 0,1 nm. Das lokale Aufschmelzen der Oberflächenschicht beim Laserpolieren bewirkt durch Minimierung der Oberfläche infolge der verkleinerten Viskosität und der großen Oberflächenspannung der Quarzglasschmelze eine Glättung der Roh-Oberfläche im Mikrometermaßstab. Die Rauheit der laserpolierten Oberfläche ist selbst bei einer Betrachtung auf der Größenskala der Plasmaspezies klein und bietet somit eine geringe Angriffsfläche für Moleküle, Radikale und Ionen des Plasmas. Es wird angenommen, dass eine möglichst kleine Mikrorauheit für die Vermeidung von Partikelbildung beim Plasmaätzen von Vorteil ist.

The following aspects particularly characterize the process and the workpiece surface produced by laser polishing.

(a) The workpiece surface to be smoothed by laser polishing is a rough, raw surface of the quartz glass workpiece that has previously only been roughly machined. The raw surface is created by a roughly mechanical production step such as cutting, sawing, milling, drilling, turning or grinding, which gives the workpiece the desired external shape. The otherwise usual mechanical polishing is dispensed with in the method according to the invention, so that the associated processing effort is eliminated.
(b) The raw surface, which has only been roughly machined beforehand, is rough and inevitably bears traces of the processing tool. These traces cannot be completely removed by laser polishing and residues of them appear as waviness in the final polished workpiece surface. During laser polishing, locally melted glass material is only displaced on the surface in a small area, so that stripes, grooves and shape defects on the original raw surface are not completely removed. As a result, a certain waviness remains on the polished workpiece surface, influenced by the nature of the raw surface. “Waviness” is understood here to mean a surface texture or roughness of the surface with a more or less regular longitudinal structure through waves or grooves. When measured at a spatial wavelength λ _O in the range of 100 to 1000 µm, the invention results in a surface roughness Sa of more than 5 nm, preferably more than 10 nm and preferably less than 40 nm. A certain waviness of the polished workpiece surface can reduce particle formation during plasma etching. This surprising effect, which can be attributed to the larger effective surface compared to the flat surface, is explained in more detail below.
(c) During laser polishing, the polished workpiece surface has a low micro-roughness on a micrometer scale. In order to achieve the smoothest possible surface, the micro-roughness is as low as possible. When measured at a spatial wavelength λ _O in the range from 1 to 10 µm, the result according to the invention is a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, preferably less than 0.1 nm. The local melting of the surface layer during laser polishing causes the raw surface to be smoothed on a micrometer scale by minimizing the surface as a result of the reduced viscosity and the high surface tension of the quartz glass melt. The roughness of the laser-polished surface is small even when viewed on the size scale of the plasma species and thus offers a small attack surface for molecules, radicals and ions of the plasma. It is assumed that the smallest possible micro-roughness is advantageous for preventing particle formation during plasma etching.

Das erfindungsgemäße Verfahren zielt somit im Hinblick auf eine geringe Partikelbildung beim Plasmaätzen auf eine möglichst kleine Mikrorauheit bei gleichzeitig vorhandener Oberflächenwelligkeit ab. Dadurch, dass diese Eigenschaften durch Laserpolieren einer nur grob mechanisch bearbeiteten Roh-Oberfläche erreichbar sind, ergibt sich außerdem eine kurze Bearbeitungsdauer für die Herstellung des Quarzglas-Werkstücks.The method according to the invention therefore aims to achieve the smallest possible micro-roughness with a simultaneous presence of surface waviness in order to minimize particle formation during plasma etching. The fact that these properties can be achieved by laser polishing a raw surface that has only been roughly machined also results in a short processing time for the production of the quartz glass workpiece.

Die Messvorschriften zur Bestimmung der Welligkeit und der Mikrorauheit sowie zur Charakterisierung der Werkstück-Oberflächen anhand der „Ortswellenlänge λ_O“ und der „Flächenrauheit Sa“ sind im Abschnitt „Definitionen“ erläutert.The measurement specifications for determining the waviness and micro-roughness as well as for characterizing the workpiece surfaces using the “spatial wavelength λ _O ” and the “surface roughness Sa” are explained in the “Definitions” section.

Bevorzugt wird beim Laserpolieren der Roh-Oberfläche der Laserstrahl mittels eines CO₂-Lasers mit einer Strahlungsintensität auf dem Werkstück zwischen 100 W/cm² und 10000 W/cm², bevorzugt zwischen 500 W/cm² und 4000 W/cm², erzeugt.When laser polishing the raw surface, the laser beam is preferably generated by means of a CO ₂ laser with a radiation intensity on the workpiece between 100 W/cm ² and 10000 W/cm ² , preferably between 500 W/cm ² and 4000 W/cm ² .

Der Laserstrahl wird über die zu glättende Oberfläche gescannt, die sich dabei auf eine Temperatur erwärmt, die zwischen 1700°C und einer Temperatur liegt, bei der Quarzglas noch nicht nennenswert verdampft, beispielsweise bis 2100°C. Dabei wird grundsätzlich eine hohe Flächenrate angestrebt, die aber auch von der Geschwindigkeit der Scanbewegung des Laserstrahls abhängt (im Folgenden auch als „Scangeschwindigkeit“ bezeichnet). Im Hinblick darauf ist die oben angegebene Bereichsuntergrenze der Strahlungsintensität so ausgelegt, dass bei einer mittleren Scangeschwindigkeit noch eine hinreichende Mikroglattheit der Oberfläche erzielt wird, und die Bereichsobergrenze unter Berücksichtigung der Verdampfung von Quarzglas und eines nicht übermäßigen Abtragvolumens pro Hub (Überfahrt).The laser beam is scanned over the surface to be smoothed, which heats up to a temperature between 1700°C and a temperature at which quartz glass does not evaporate significantly, for example up to 2100°C. In principle, a high surface rate is aimed for, but this also depends on the speed of the scanning movement of the laser beam (hereinafter also referred to as "scan speed"). With this in mind, the lower limit of the radiation intensity range specified above is designed so that sufficient micro-smoothness of the surface is still achieved at an average scanning speed, and the upper limit takes into account the evaporation of quartz glass and a not excessive removal volume per stroke (pass).

Die CO₂-Laserstrahlquelle wird dabei im kontinuierlichen oder im gepulsten Modus betrieben. Dabei wird bevorzugt ein in Bezug auf die Roh-Oberfläche defokussierter Laserstrahl eingesetzt.The CO ₂ laser beam source is operated in continuous or pulsed mode. A laser beam that is defocused with respect to the raw surface is preferably used.

Durch die Defokussierung des Laserstrahls verteilt sich eine nivellierte Strahlungsintensität bei der Oberflächenbearbeitung über einen gewissen Höhenbereich, so dass auch bei nicht ebener Oberfläche, wie etwa bei Nuten oder Stufen eine Glättung von Oberflächenabschnitten auf unterschiedlichen Höhenniveaus stattfinden kann. Besonders hilfreich ist dieser Effekt für die Glättung der erfindungsgemäß vorliegenden grob strukturierten, welligen Roh-Oberfläche.By defocusing the laser beam, a leveled radiation intensity is distributed over a certain height range during surface processing, so that even with non-flat surfaces, such as grooves or steps, surface sections can be smoothed at different heights. This effect is particularly helpful for smoothing the coarsely structured, wavy raw surface according to the invention.

Gute Ergebnisse in Bezug auf die Oberflächenglättung werden erzielt, wenn zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserleistung im Bereich von 1 kW und 10 kW eingesetzt wird. Dabei weist der Laserstrahl auf der Roh-Oberfläche beispielsweise einen Strahldurchmesser zwischen 4 mm und 25 mm, vorzugsweise zwischen 8 mm und 20 mm, auf. Bei höherer Laserleistung kann der Laserstrahl größer gewählt werden, bei kleinerer Laserleistung entsprechend kleiner.Good results in terms of surface smoothing are achieved when a laser power in the range of 1 kW to 10 kW is used to generate the laser beam. The laser beam on the raw surface has a beam diameter of between 4 mm and 25 mm, preferably between 8 mm and 20 mm. With higher laser power, the laser beam can be selected to be larger, and with lower laser power, it can be selected to be correspondingly smaller.

Die Scanbewegung des Laserstrahls über der Roh-Oberfläche wird vorteilhafterweise durch eine Relativbewegung erzeugt, die durch Überlagerung einer translatorisch-oszillierenden Bewegung und einer Vorschub-Bewegung entsteht, wobei infolge der translatorisch-oszillierenden Bewegung durch eine Relativgeschwindigkeit zwischen Roh-Oberfläche und Laserstrahl von mindestens 500 mm/s, bevorzugt mindestens 3000 nm/s, eine Quasilinie mit einer Strahlungsintensität innerhalb der Quasilinie auf dem Werkstück zwischen 10 W/cm² und 1000 W/cm², bevorzugt zwischen 100 W/cm² und 500 W/cm², erzeugt wird. Die Vorschub-Bewegung ist abhängig von der Strahlungsintensität und liegt beispielsweise bei einer Relativgeschwindigkeit zwischen Roh-Oberfläche und Laserstrahl im Bereich zwischen 1 mm/s und 50 mm/s.The scanning movement of the laser beam over the raw surface is advantageously generated by a relative movement that is created by superimposing a translatory-oscillating movement and a feed movement, whereby as a result of the translatory-oscillating movement, a quasiline with a radiation intensity within the quasiline on the workpiece between 10 W/cm ² and 1000 W/cm ² , preferably between 100 W/cm ² and 500 W/cm 2 , is generated by a relative speed between the raw surface and the laser beam of at least 500 mm/s, preferably at least 3000 nm/ ^s . The feed movement depends on the radiation intensity and is, for example, at a relative speed between the raw surface and the laser beam in the range between 1 mm/s and 50 mm/s.

Infolge der hohen Geschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung erzeugt der vorzugsweise defokussiert auf der Oberfläche auftreffende Laserstrahl eine „Quasilinie“, unter der die zu glättende Oberfläche mit der um mindestens eine Größenordnung langsameren Vorschub-Bewegung hindurchgeschoben wird.Due to the high speed of the translatory-oscillating movement, the laser beam, which preferably hits the surface defocused, creates a “quasi-line” under which the surface to be smoothed is pushed with a feed movement that is at least one order of magnitude slower.

Das Prinzip dieses Polierverfahrens wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 näher erläutert. Ein defokussierter CO₂-Laserstrahl 110 wird mit den Geschwindigkeiten v_s (Scan-Geschwindigkeit) und v_v (Vorschub-Geschwindigkeit) über die zu polierende Werkstück-Oberfläche 111 geführt. Da v_s wesentlich größer ist als v_v, kann die so vom Laserstrahl 110 beschriebene Linie als „Quasilinie“ QL mit einer über Linienbreite d und die Linienlänge L nahezu konstanten Strahlungsintensität betrachtet werden. Der Poliervorgang läuft dann annährend so ab, als ob lediglich ein linienförmiger Laserstrahl (und kein einzelner Spot) mit v_v über die Werkstück-Oberfläche geführt würde. Durch Absorption der Laserstrahlung im Material wird die Oberfläche erhitzt, was zu einer Erweichung des Materials führt. Es kommt zu einem durch die Oberflächenspannung getriebenen Materialfluss und damit zu einer Glättung der Glasoberfläche, jedoch unter Beibehaltung einer gewissen, durch die vorangegangene mechanische Bearbeitung entstandene Welligkeit im polierten Oberflächenbereich 113.The principle of this polishing process is explained below with reference to 7 explained in more detail. A defocused CO ₂ laser beam 110 is guided at the speeds v _s (scan speed) and v _v (feed speed) over the workpiece surface 111 to be polished. Since v _s is significantly greater than v _v , the line described by the laser beam 110 can be viewed as a "quasi-line" QL with a radiation intensity that is almost constant over the line width d and the line length L. The polishing process then proceeds approximately as if only a linear laser beam (and not a single spot) were guided at v _v over the workpiece surface. The surface is heated by the absorption of the laser radiation in the material, which leads to a softening of the material. A material flow driven by the surface tension occurs and thus the glass surface is smoothed, but while maintaining a certain waviness in the polished surface area 113 caused by the previous mechanical processing.

Die auf dem Werkstück im Bereich der Quasilinie erzeugte Strahlungsintensität liegt vorzugsweise zwischen 10 W/cm² und 1000 W/cm², und ist wegen der Bewegung des Laserstrahls niedriger als die auf das Werkstück auftreffende Strahlungsintensität des unbewegten Laserstrahls, die beispielsweise zwischen 100 W/cm² und 10000 W/cm² liegen kann.The radiation intensity generated on the workpiece in the area of the quasiline is preferably between 10 W/cm ² and 1000 W/cm ² , and is lower than that on The radiation intensity of the stationary laser beam hitting the workpiece can be between 100 W/cm ² and 10000 W/cm ² .

Je höher die Relativgeschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung ist, umso homogener ist die Politur. Je höher die Strahlungsintensität ist, umso größer ist die geeignete Relativgeschwindigkeit der Vorschub-Bewegung innerhalb des oben definierten Geschwindigkeits-Bereichs.The higher the relative speed of the translatory-oscillating movement, the more homogeneous the polish. The higher the radiation intensity, the greater the suitable relative speed of the feed movement within the speed range defined above.

Im Hinblick darauf wird bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante die Laserstrahlung durch eine translatorisch-oszillierende Bewegung des Laserstrahls mit einer Geschwindigkeit von mindestens 500 mm/s zu eine Quasilinie geformt, die dann mit einer Vorschub-Bewegung über die Roh-Oberfläche geführt wird.In view of this, in a particularly preferred process variant, the laser radiation is formed into a quasi-line by a translatory-oscillating movement of the laser beam at a speed of at least 500 mm/s, which is then guided over the raw surface with a feed movement.

Die Quasilinie entsteht durch eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit einer translatorisch-oszillierenden Bewegung des auf die Werkstück-Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls mit einer Relativgeschwindigkeit von mindestens 500 mm/s in Bezug auf die Werkstück-Oberfläche. Diese Quasilinie wird über die zu glättende Oberfläche mit einer um mindestens den Faktor 10 langsameren Vorschub-Bewegung geführt.The quasiline is created by a high speed of movement of a translatory-oscillating movement of the light beam hitting the workpiece surface with a relative speed of at least 500 mm/s in relation to the workpiece surface. This quasiline is guided over the surface to be smoothed with a feed movement that is at least 10 times slower.

Bei einer anderen, ebenso bevorzugte Verfahrensvariante wird die Laserstrahlung mittels Strahlformungsoptik zu einer Linie geformt, die auf dem Werkstück mit einer Strahlungsintensität zwischen 10 W/cm² und 1000 W/cm², bevorzugt zwischen 100 W/cm² und 500 W/cm², auftrifft, und die in Vorschubrichtung bevorzugt eine Breite zwischen 4 mm und 25 mm aufweist dann mit einer Vorschub-Bewegung über die Roh-Oberfläche geführt wirdIn another, equally preferred method variant, the laser radiation is formed into a line by means of beam-forming optics, which impinges on the workpiece with a radiation intensity between 10 W/cm ² and 1000 W/cm ² , preferably between 100 W/cm ² and 500 W/cm ² , and which preferably has a width of between 4 mm and 25 mm in the feed direction and is then guided over the raw surface with a feed movement.

Zum Laserpolieren einer ringförmigen Stirnseite eines eine Längsachse aufweisenden hohlzylinderförmigen Werkstücks wird die Vorschub-Bewegung vorzugsweise durch Rotation der Stirnseite um die Längsachse bewirkt, und die translatorisch-oszillierende Bewegung wird durch reversierende Bewegung des Laserstrahls zwischen einer Werkstück-Innenmantelfläche und einer Werkstück-Außenmantelfläche ausgeführt, wobei die Geschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung im Bereich der Innenmantelfläche bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise höher eingestellt wird als im Bereich der Außenmantelfläche.For laser polishing an annular end face of a hollow cylindrical workpiece having a longitudinal axis, the feed movement is preferably effected by rotation of the end face about the longitudinal axis, and the translatory-oscillating movement is carried out by reversing movement of the laser beam between a workpiece inner surface and a workpiece outer surface, wherein the speed of the translatory-oscillating movement in the area of the inner surface is set higher than in the area of the outer surface in a particularly preferred procedure.

Der Laserstrahl kann auch die Innenmantelfläche und/oder die Außenmantelfläche überstreichen, wenn die Umkehrpunkte der reversierenden Bewegung außerhalb der Werkstück-Enden liegen.The laser beam can also cover the inner surface and/or the outer surface if the reversal points of the reversing movement are located outside the workpiece ends.

Der Laserstrahl kann durch eine entsprechende Ausrichtung zum Werkstück auch die Werkstück-Innenmantelfläche und/oder die Werkstück-Außenmantelfläche überstreichen. Dadurch wird nicht nur eine Politur der Stirnseite sondern auch der Innenmantelfläche beziehungsweise der Außenmantelfläche erreicht.By being aligned accordingly to the workpiece, the laser beam can also cover the inner surface and/or the outer surface of the workpiece. This not only polishes the front side but also the inner surface and/or the outer surface.

Bei konstanter Rotationsbewegung ist die Umfangsgeschwindigkeit im Bereich der Außenmantelfläche größer als im Bereich der Innenmantelfläche, was im Bereich der Innenmantelfläche zu einer längeren Wechselwirkungsdauer zwischen Oberfläche und Laserstrahl und damit zu einer höheren Prozesstemperatur führen kann. Dieser Effekt kann teilweise oder vollständig durch eine Modulation der translatorisch-oszillierenden Bewegung kompensiert werden. Im Idealfall wird diese Geschwindigkeit so moduliert, dass im Bereich der Innenmantelfläche mit größerer Scangeschwindigkeit bearbeitet wird und somit sich im Bereich der Innenmantelfläche und im Bereich der Außenmantelfläche die gleiche Prozesstemperatur einstellt.With a constant rotational movement, the peripheral speed in the area of the outer surface is greater than in the area of the inner surface, which can lead to a longer interaction time between the surface and the laser beam in the area of the inner surface and thus to a higher process temperature. This effect can be partially or completely compensated by modulating the translatory-oscillating movement. Ideally, this speed is modulated so that the area of the inner surface is processed at a higher scanning speed and thus the same process temperature is achieved in the area of the inner surface and in the area of the outer surface.

Unter „Wechselwirkungsdauer“ wird dabei die Zeitspanne verstanden, die ein Punkt auf der Quarzglas-Oberfläche innerhalb der „Quasilinie“ des scannenden Laserstrahls verbleibt. Im Hinblick auf eine ausreichende Glättung der Roh-Oberfläche bei verbleibender Welligkeit der Werkstück-Oberfläche wird die Relativbewegung zwischen Quasilinie und Roh-Oberfläche so eingestellt, dass sich eine Wechselwirkungsdauer zwischen 1 s und 10 s ergibt.The term "interaction duration" refers to the period of time that a point on the quartz glass surface remains within the "quasi-line" of the scanning laser beam. In order to ensure sufficient smoothing of the raw surface while the workpiece surface remains undulating, the relative movement between the quasi-line and the raw surface is adjusted so that the interaction duration is between 1 s and 10 s.

Wie bereits erwähnt, zielt das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Quarzglas-Werkstück mit einer polierten Oberfläche ab, die sich durch eine möglichst niedrige Mikrorauheit bei gleichzeitig vorhandener Oberflächenwelligkeit auszeichnet. Für die quantitative Erfassung dieser Eigenschaften ist unter anderem die Weißlichtinterferometrie (WLI) geeignet.As already mentioned, the method according to the invention is aimed at a quartz glass workpiece with a polished surface that is characterized by the lowest possible micro-roughness while simultaneously having surface waviness. White light interferometry (WLI) is one of the methods suitable for quantitatively recording these properties.

Hinsichtlich des Werkstücks aus Quarzglas für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einem Werkstück der eingangs genannten Gattung durch ein Werkstück mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.With regard to the workpiece made of quartz glass for use in a plasma-assisted manufacturing process, the above-mentioned object is achieved starting from a workpiece of the type mentioned at the outset by a workpiece having the features of claim 14.

Die mittels Weißlichtinterferometer bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 1 µm bis 10 µm gemessene Mikrorauheit weist eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,5 nm auf, und die mittels Weißlichtinterferometer bei einer Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 100 µm bis 1000 µm gemessene Welligkeit weist eine Flächenrauheit Sa von mehr als 5 nm auf.The microroughness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength λ _O in the range of 1 µm to 10 µm has a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, and the waviness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength λ _O in the range of 100 µm to 1000 µm has a surface roughness Sa of more than 5 nm.

Bei Vermessung der polierten Werkstück-Oberfläche mittels Weißlichtinterferometrie beträgt die Mikrorauheit weniger als 0,5 nm, vorzugsweise weniger als 0,1 nm. Und die Welligkeit beträgt mindestens 5 nm, vorzugsweise mindestens 10 nm und bevorzugt weniger als 40 nm.When measuring the polished workpiece surface using white light interferometry, the microroughness is less than 0.5 nm, preferably less than 0.1 nm. And the waviness is at least 5 nm, preferably at least 10 nm and preferably less than 40 nm.

Das Quarzglas-Werkstück hat mindestens eine polierte Oberfläche, die sich durch eine kleine Mikrorauheit bei gleichzeitig vorhandener Oberflächenwelligkeit auszeichnet und die beispielsweise durch Laserpolieren erhalten werden kann. Das Quarzglas-Werkstück ist anhand des oben erläuterten Verfahrens der Erfindung herstellbar und dazu vorgesehen und geeignet, im Rahmen eines plasmaunterstützten Fertigungsverfahrens dem Plasma ausgesetzt zu werden. Das Werkstück liegt beispielsweise als Plasmakammer oder eines Teils der Plasmakammer vor, oder es bildet Kammereinbauten wie zum Beispiel Waferhalter, Heizeinrichtungen, Pedestals, Gasinjektoren und Stütz- oder Spannelemente.The quartz glass workpiece has at least one polished surface, which is characterized by a small micro-roughness with a simultaneous presence of surface waviness and which can be obtained, for example, by laser polishing. The quartz glass workpiece can be produced using the method of the invention explained above and is intended and suitable for being exposed to the plasma as part of a plasma-assisted manufacturing process. The workpiece is present, for example, as a plasma chamber or part of the plasma chamber, or it forms chamber fittings such as wafer holders, heating devices, pedestals, gas injectors and support or clamping elements.

Die Welligkeit der polierten Oberfläche zeigt sich in einer mehr oder weniger regelmäßigen Längsstrukturierung durch Wellen oder Rillen, die durch eine Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 100 bis 1000µm definiert ist. Eine gewisse Welligkeit der polierten Werkstück-Oberfläche kann die Partikelbildung beim Plasmaätzen vermindern. Diese überraschende Wirkung kann auf die im Vergleich zur ebenen Oberfläche größere effektive Oberfläche zurückgeführt werden.The waviness of the polished surface is reflected in a more or less regular longitudinal structure through waves or grooves, which is defined by a spatial wavelength λ _O in the range of 100 to 1000 µm. A certain waviness of the polished workpiece surface can reduce particle formation during plasma etching. This surprising effect can be attributed to the larger effective surface compared to the flat surface.

Die polierte Oberfläche ist glatt und zeigt eine Mikrorauheit - definiert durch eine Ortswellenlänge λ_O im Bereich von 1 bis 10 µm. Die Rauheit ist selbst bei einer Betrachtung auf der Größenskala der Plasmaspezies klein und bietet eine geringe Angriffsfläche für Moleküle, Radikale und Ionen des Plasmas. Diese Oberfläche ist sowohl im Hinblick auf eine hohe Trockenätzbeständigkeit - eine geringe Abtragrate beim Plasmaätzen - als auch im Hinblick auf eine geringe Partikelbildung vorteilhaft.The polished surface is smooth and shows a micro-roughness - defined by a spatial wavelength λ _O in the range of 1 to 10 µm. The roughness is small even when viewed on the size scale of the plasma species and offers a small attack surface for molecules, radicals and ions of the plasma. This surface is advantageous both in terms of high dry etching resistance - a low removal rate during plasma etching - and in terms of low particle formation.

Definitionen und MessmethodenDefinitions and measurement methods

Einzelne Begriffe der obigen Beschreibung werden im Folgenden ergänzend definiert. Bei einem Widerspruch zwischen einer der folgenden Definitionen und der übrigen Beschreibung ist das in der übrigen Beschreibung Gesagte maßgeblich.Individual terms in the above description are defined in more detail below. In the event of a contradiction between one of the following definitions and the rest of the description, what is stated in the rest of the description prevails.

QuarzglasQuartz glass

Unter Quarzglas wird hier hochkieselsäurehaltiges Glas mit einem SiO2-Anteil von mindestens 90 mol.-% verstanden. Das Quarzglas ist entweder dotiert oder nicht dotiert. Die Dotierung besteht gegebenenfalls aus einem Dotierstoff oder aus mehreren Dotierstoffen. Der „Dotierstoff“ ist eine Substanz, die dem Glas zur Erzielung gewünschter Eigenschaften absichtlich hinzugefügt wird.Quartz glass is understood here to mean glass with a high silica content and a SiO2 content of at least 90 mol%. The quartz glass is either doped or undoped. The doping may consist of one or more dopants. The "dopant" is a substance that is intentionally added to the glass to achieve the desired properties.

Roh-Oberfläche des zu bearbeitenden WerkstücksRaw surface of the workpiece to be machined

Das Werkstück wird in der Regel durch grobmechanische Bearbeitung eines Halbzeugs erhalten. Durch diese Bearbeitung erhält das Werkstück eine endkontournahe Form, die weitgehend der vorgegebenen Kontur des finalen Quarzglas-Werkstücks entspricht. Die grobmechanische Bearbeitung umfasst Trennvorgänge ohne Spanbildung sowie spanabhebende Bearbeitungsvorgänge wie Sägen Bohren, Drehen, Fräsen und Schleifen. Das Bearbeitungswerkzeug bei der grobmechanischen Bearbeitung hinterlässt auf der Roh-Oberfläche mehr oder weniger periodische riefen- oder streifenförmige Strukturen, die durch mechanisches Polieren beseitigt oder vermindert werden können.The workpiece is usually obtained by rough machining of a semi-finished product. This machining gives the workpiece a shape close to the final contour, which largely corresponds to the specified contour of the final quartz glass workpiece. Rough machining includes cutting processes without chip formation as well as machining processes such as sawing, drilling, turning, milling and grinding. The machining tool used in rough machining leaves more or less periodic grooved or striped structures on the raw surface, which can be removed or reduced by mechanical polishing.

Schmelzpolierte Werkstück-OberflächeMelt-polished workpiece surface

Die Werkstück-Oberfläche wird durch Laserpolieren erhalten. Dabei wird eine oberflächennahe Quarzglasschicht erweicht, so dass sich unter Wirkung der verringerten Viskosität und der Oberflächenspannung eine durch Schmelzfluss erzeugte Glättung einstellt. Die so geglättete Oberfläche wird auch als „schmelzpoliert“ bezeichnet.The workpiece surface is obtained by laser polishing. This involves softening a quartz glass layer close to the surface, so that a smoothing effect is created by melt flow under the effect of the reduced viscosity and the surface tension. The surface smoothed in this way is also referred to as "melt polished".

Flächenrauheit SaSurface roughness Sa

Die Flächenrauheit Sa wird in Anlehnung an EN ISO 25178-2 ermittelt. Sa ergibt sich aus dem Betrag des Höhenunterschieds eines jeden Punkts im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche. Zur Bestimmung der Flächenrauheit Sa wird ein Weißlichtinterferometer verwendet. Die Weißlichtinterferometrie (WLI) erlaubt 3D-Profilmessungen von Strukturen mit lateralen Abmessungen zwischen einigen Zentimetern bis zu ca. 0,5 µm und vertikalen Abmessungen von einigen 100 µm bis hin zu 0,1 nm. Für die im Rahmen dieser Anmeldung dargestellten Werte wurde ein Messgerät Zygo NexView™ NX2 verwendet, das eine Höhenauflösung < 1 nm besitzt.The surface roughness Sa is determined in accordance with EN ISO 25178-2. Sa is the amount of the height difference of each point compared to the arithmetic mean of the surface. A white light interferometer is used to determine the surface roughness Sa. White light interferometry (WLI) allows 3D profile measurements of structures with lateral dimensions between a few centimeters up to approx. 0.5 µm and vertical dimensions of a few 100 µm up to 0.1 nm. A Zygo NexView™ NX2 measuring device, which has a height resolution of < 1 nm, was used for the values presented in this application.

Ortswellenlänge λ_O Spatial wavelength λ _O

Die Ortswellenlänge λ_O beschreibt die Länge einer räumlichen Periode; hier die Periodenlänge einer räumlichen Oberflächenstruktur. Das lokale Aufschmelzen der Quarzglas-Oberfläche beim Laserpolieren bewirkt im Vergleich zum Ausgangszustand (Roh-Oberfläche) einer Oberflächenglättung vor allem der Strukturen mit Ortswellenlängen λ_O von weniger als 10 µm. Die größte Ortswellenlänge, deren Rauheit im Vergleich zum Ausgangszustand geglättet wird, wird auch als „kritische Ortswellenlänge“ bezeichnet.The spatial wavelength λ _O describes the length of a spatial period; here the period length of a spatial surface structure. The local melting of the quartz glass surface during laser polishing results in a surface smoothing compared to the initial state (raw surface), especially of the structures with spatial wavelengths λ _O of less than 10 µm. The largest spatial wavelength whose roughness is smoothed compared to the initial state is also referred to as the "critical spatial wavelength".

Anhand von 6 wird die Ortswellenlänge λ_O näher erläutert. Das auf der Roh-Oberfläche gemessene Rauheitsprofil (Oberflächenprofil) kann mittels Filterung in eine Vielzahl von (Orts-)Wellenlängen und zugehörigen Amplituden zerlegt werden. 6 zeigt schematisch ein Oberflächenprofil 100 der Roh-Oberfläche. Durch Anwendung eines Tiefpassfilters 101 mit einer langen Ortswellenlänge von beispielsweise 100 µm (λ_O 100) wird die Welligkeit 103 des Oberflächenprofils ermittelt. Durch Anwendung eines Hochpassfilters 102 mit einer kurzen Ortswellenlänge von beispielsweise 10 µm (λ_O=10) wird die Mikrorauheit 104 des Oberflächenprofils ermittelt. Die Amplitude A₁; A₂ des jeweiligen Profils stellt ein Maß für die Welligkeit beziehungsweise ein Maß für die Mikrorauheit dar.Based on 6 the spatial wavelength λ _O is explained in more detail. The roughness profile (surface profile) measured on the raw surface can be broken down into a large number of (spatial) wavelengths and associated amplitudes by means of filtering. 6 shows a schematic of a surface profile 100 of the raw surface. The waviness 103 of the surface profile is determined by using a low-pass filter 101 with a long spatial wavelength of, for example, 100 µm (λ _O 100). The micro-roughness 104 of the surface profile is determined by using a high-pass filter 102 with a short spatial wavelength of, for example, 10 µm (λ _O =10). The amplitude A ₁ ; A ₂ of the respective profile represents a measure of the waviness or a measure of the micro-roughness.

Messvorschrift zur Charakterisierung der Werkstück-OberflächenMeasurement specification for characterizing workpiece surfaces

Zur Bestimmung der Flächenrauheit Sa mit einem Weißlichtinterferometer (wie oben beschrieben) werden Bereiche der Oberfläche mit einer von der verwendeten Vergrößerung abhängigen Fläche im Bereich von einigen µm² bis wenigen mm² vom Weißlichtinterferometer aufgenommen (Beispiele dafür sind weiter unten in Tabelle 1 angegeben). Die Messung der Flächenrauheit Sa in Abhängigkeit von der Ortswellenlänge λ_O wird durch Filterung der Messdaten mit einem Bandpass erreicht, wobei hier die untere Bandpass-Grenze als λ_Oa und die obere Bandpass-Grenze als λ_Ob bezeichnet wird. Die festgelegte Bandbreite entspricht somit: λ_Ob - λ_Oa.To determine the surface roughness Sa with a white light interferometer (as described above), areas of the surface with an area dependent on the magnification used in the range of a few µm ² to a few mm ² are recorded by the white light interferometer (examples of this are given below in Table 1). The measurement of the surface roughness Sa as a function of the spatial wavelength λ _O is achieved by filtering the measurement data with a bandpass, where the lower bandpass limit is referred to as λ _Oa and the upper bandpass limit as λ _Ob . The specified bandwidth therefore corresponds to: λ _Ob - λ _Oa .

Für jeden Flächenrauheits-Datenpunkt Sa(λ_Ox) werden die durch den Bandpass gefilterten Messdaten genutzt und der mittleren Wellenlänge λ_Ox des entsprechenden Ortswellenlängen-Intervalls zugeordnet. Auf diese Weise entsteht sukzessive das Diagramm in 2. Tabelle 1: Charakterisierung der Mikrorauheit als Maß für die Flächenrauheit Bestimmung von vier Datenpunkten mit folgenden Parametern: Messfeldgröße Bandbreite λ _Ob - λ _Oa Mittlere Ortswellenlänge λ _Ox 88 µm × 88 µm 0,625 µm 0,9375 µm 220 µm × 220 µm 1,25 µm 1,875 µm 436 µm × 436 µm 2,5 µm 3,75 µm 875 µm × 875 µm 5 µm 7,5 µm λ_Ob stellt den oberen Bereichsgrenzwert und λ_Oa den unteren Bereichsgrenzwert des betrachteten Wellenlängenbereichs dar. Tabelle 2: Charakterisierung der Welligkeit als Maß für die Flächenrauheit Bestimmung von vier Datenpunkten mit folgenden Parametern: Messfeldgröße Bandbreite λ _Ob - λ _Oa Mittlere Ortswellenlänge λ _Ox 12678 µm × 12678 µm 80 µm 120 µm 160 µm 240 µm 320 µm 480 µm 640 µm 960 µm
λ_Ob stellt den oberen Bereichsgrenzwert und λ_Oa den unteren Bereichsgrenzwert des betrachteten Wellenlängenbereichs dar.For each surface roughness data point Sa(λ _Ox ), the measurement data filtered by the bandpass are used and assigned to the mean wavelength λ _Ox of the corresponding spatial wavelength interval. In this way, the diagram is successively created in 2 . Table 1: Characterization of microroughness as a measure of surface roughness Determination of four data points with the following parameters: Field size Bandwidth λ _Ob - λ _Oa Average spatial wavelength λ _Ox 88 µm × 88 µm 0.625 µm 0.9375 µm 220 µm × 220 µm 1.25 µm 1.875 µm 436 µm × 436 µm 2.5 µm 3.75 µm 875 µm × 875 µm 5 µm 7.5 µm λ _Ob represents the upper range limit and λ _Oa the lower range limit of the wavelength range under consideration. Table 2: Characterization of waviness as a measure of surface roughness Determination of four data points with the following parameters: Field size Bandwidth λ _Ob - λ _Oa Average spatial wavelength λ _Ox 12678 µm × 12678 µm 80 µm 120 µm 160 µm 240 µm 320 µm 480 µm 640 µm 960 µm
λ _Ob represents the upper range limit and λ _Oa the lower range limit of the wavelength range under consideration.

AusführungsbeispielExample

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt

1 eine Skizze zum Vergleich der topographischen Profile einer durch abrasiv-mechanische Politur geglätteten Oberfläche und einer durch Laserpolieren geglätteten Oberfläche,
2 ein Rauheitsspektrum einer durch abrasiv-mechanische Politur geglätteten Oberfläche und einer durch Laserpolieren geglätteten Oberfläche,
3 eine Skizze mit Bearbeitungsstufen zur Herstellung eines Quarzglas-Werkstücks anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu zwei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungstechniken,
4 eine Skizze, die die Haftung eines Polymerfilms an den Quarzglas-Oberflächen erläutert, die anhand der verschiedenen Herstellungstechniken erzeugt werden,
5 eine Ausführungsform eines Reaktors zur Durchführung eines plasmaunterstützten Fertigungsprozesses und insbesondere zur Durchführung von Trockenätzprozeduren in schematischer Darstellung,
6 ein Diagramm zur Erläuterung der Ortswellenlänge λ_O,
7 ein Schaubild zur Erläuterung des Laserpolierverfahrens und
8 eine Skizze zur Erläuterung des Laserpolierens der Stirnseite einer ringförmigen Roh-Oberfläche bei einem hohlzylindrischen Werkstück.

The invention is explained in more detail below using an embodiment and a drawing. In detail,

1 a sketch comparing the topographical profiles of a surface smoothed by abrasive-mechanical polishing and a surface smoothed by laser polishing,
2 a roughness spectrum of a surface smoothed by abrasive-mechanical polishing and a surface smoothed by laser polishing,
3 a sketch with processing steps for producing a quartz glass workpiece using the method according to the invention in comparison with two other manufacturing techniques known from the prior art,
4 a sketch explaining the adhesion of a polymer film to the quartz glass surfaces produced using the different manufacturing techniques,
5 an embodiment of a reactor for carrying out a plasma-assisted manufacturing process and in particular for carrying out dry etching procedures in a schematic representation,
6 a diagram explaining the spatial wavelength λ _O ,
7 a diagram explaining the laser polishing process and
8th a sketch to explain the laser polishing of the front side of a ring-shaped raw surface on a hollow cylindrical workpiece.

Die Skizze von 1 zeigt auf der linken Seite schematisch das Profil einer Roh-Oberfläche eines Quarzglas-Werkstücks nach dem mechanischen Schleifen. Die Abbildungen rechts zeigen Oberflächenprofile, die aus der Roh-Oberfläche nach Durchführung unterschiedlicher Methoden der Feinbearbeitung erhalten werden. Die obere Abbildung zeigt eine ebene Oberfläche, die eine gewisse Rauheit im Nanometerbereich aufweist, symbolisiert durch die Lupenvergrößerung. Diese Oberfläche ist typisch für eine durch mechanisches Schleifen erzeugte Oberfläche. Die untere Abbildung zeigt schematisch ein durch Laserpolieren erzeugtes Oberflächenprofil. Dieses weist im Vergleich zur mechanischen Politur eine geringere Ebenheit und eine gewisse Welligkeit auf. Allerdings ist die Mikrorauheit signifikant niedriger.The sketch of 1 shows on the left side the profile of a raw surface of a quartz glass workpiece after mechanical grinding. The images on the right show surface profiles obtained from the raw surface after performing different finishing methods. The upper image shows a flat surface that has a certain roughness in the nanometer range, symbolized by the magnifying glass magnification. This surface is typical of a surface produced by mechanical grinding. The lower image shows schematically a surface profile produced by laser polishing. This has a lower flatness and a certain waviness compared to mechanical polishing. However, the micro-roughness is significantly lower.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkstücken aus Quarzglas zur Anwendung in Plasmaätzkammern mit einer ebenen und mikrorauen Oberfläche ist die durch Laserpolieren geglättete Werkstück-Oberfläche wellig und glatt.In contrast to conventional quartz glass workpieces for use in plasma etching chambers with a flat and micro-rough surface, the workpiece surface smoothed by laser polishing is wavy and smooth.

Im doppel-logarithmischen Diagramm der 2 ist die Flächenrauheit Sa (in nm) einer mechanisch polierten und einer laserpolierten Quarzglas-Oberfläche als Funktion der Ortswellenlänge λ_O (in µm) aufgetragen. Die Messwerte wurden mittels einer WLI-Messung ermittelt.In the double-logarithmic diagram of the 2 The surface roughness Sa (in nm) of a mechanically polished and a laser-polished quartz glass surface is plotted as a function of the spatial wavelength λ _O (in µm). The measured values were determined using a WLI measurement.

Je nach Größenordnung der Ortswellenlänge λ_O ist der Diagrammbereich unterteilt in Mikrorauheit, Mesorauheit und Welligkeit. Unter „Mikrorauheit“ wird die Flächenrauheit subsummiert, die bei Filterung bis zu einer Ortswellenlänge λ_O von 1 µm bis 10 µm gemessen wird, und unter „Welligkeit“ die Flächenrauheit bei Filterung ab einer Ortswellenlänge λ_O von 100 µm bis 1000 µm. Bei Ortswellenlängen um 1 µm ist die Flächenrauheit (Mikrorauheit) der laserpolierten Oberfläche um eine Größenordnung geringer als die der mechanisch polierten Oberfläche. Bei Ortswellenlängen um 1000 µm ist die Flächenrauheit (Welligkeit) der laserpolierten Oberfläche um eine Größenordnung höher.Depending on the magnitude of the spatial wavelength λ _O, the diagram area is divided into micro-roughness, meso-roughness and waviness. “Micro-roughness” includes the surface roughness measured when filtering up to a spatial wavelength λ _O of 1 µm to 10 µm, and “waviness” includes the surface roughness when filtering from a spatial wavelength λ _O of 100 µm to 1000 µm. At spatial wavelengths around 1 µm, the surface The surface roughness (micro-roughness) of the laser-polished surface is an order of magnitude lower than that of the mechanically polished surface. At spatial wavelengths around 1000 µm, the surface roughness (waviness) of the laser-polished surface is an order of magnitude higher.

In 3 sind am Beispiel der Herstellung von ringförmigen Quarzglas-Werkstücken die Bearbeitungsstufen anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu zwei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungstechniken skizziert. Allen ist gemeinsam, dass ein Halbzeug in Form eines Quarzglas-Hohlzylinders 61 in Ringe 62 geschnitten wird (Verfahrensschritt S1) und daraus anschließend durch mechanische Formgebung mittels eines Bearbeitungswerkzeugs, wie einer Schleifmaschine 63, das Werkstück 64 mit der vorgegebenen Geometrie erzeugt wird (Verfahrensschritt S2).In 3 Using the example of the production of ring-shaped quartz glass workpieces, the processing steps are outlined using the method according to the invention in comparison with two other manufacturing techniques known from the prior art. What they all have in common is that a semi-finished product in the form of a quartz glass hollow cylinder 61 is cut into rings 62 (process step S1) and the workpiece 64 with the specified geometry is then produced from this by mechanical shaping using a processing tool, such as a grinding machine 63 (process step S2).

Die einfachste und am weitesten verbreitete Prozesskette ist im Prozess A dargestellt. Nach der mechanischen Formgebung (Verfahrensschritte S1 und S2) wird das Werkstück 64 einer mehrstufigen mechanischen Polierprozedur sukzessive mit feinerem Poliermittel unterzogen (Verfahrensschritte S3, S4 und S5). Danach liegt ein Quarzglas-Werkstück mit ebenen Oberflächen vor, das jedoch noch eine gewisse Mikrorauheit aufweist.The simplest and most widely used process chain is shown in process A. After mechanical shaping (process steps S1 and S2), the workpiece 64 is subjected to a multi-stage mechanical polishing procedure successively with finer polishing agents (process steps S3, S4 and S5). This results in a quartz glass workpiece with flat surfaces, which, however, still has a certain micro-roughness.

Diese kann durch zusätzliches Heißpolieren mittels einer Flamme oder eines Laserstrahls 65 deutlich verringert werden, wie in Prozesskette B gezeigt. Die so erzeugten Oberflächen des Quarzglas-Werkstücks sind eben und mikroskopisch glatt.This can be significantly reduced by additional hot polishing using a flame or a laser beam 65, as shown in process chain B. The surfaces of the quartz glass workpiece produced in this way are flat and microscopically smooth.

Die Herstellung des Quarzglas-Werkstücks anhand der Prozesskette B ist aufwändig. Diesen Nachteil vermeidet Prozesskette C, indem eine Oberfläche oder mehrere Oberflächen des Werkstücks 64 unmittelbar nach der mechanischen Formgebung (Verfahrensschritte S1 und S2) mittels des Bearbeitungswerkzeugs 63 durch Laserpolieren mit mindestens einem Laserstrahl 65 geglättet werden. Die mehrstufige mechanische Polierprozedur mit sukzessive feinerem Poliermittel (Verfahrensschritte S3, S4 und S5) wird somit weggelassen. Die dabei erzeugte Quarzglas-Oberfläche hat eine Mikrorauheit wie sie bei Prozesskette B erreicht wird, zeigt bedingt durch die Oberflächendefekte infolge der mechanischen Formgebung mittels des Bearbeitungswerkzeugs 63 aber eine gewisse Welligkeit.The production of the quartz glass workpiece using process chain B is complex. Process chain C avoids this disadvantage by smoothing one or more surfaces of the workpiece 64 immediately after mechanical shaping (process steps S1 and S2) using the processing tool 63 by laser polishing with at least one laser beam 65. The multi-stage mechanical polishing procedure with successively finer polishing agent (process steps S3, S4 and S5) is thus omitted. The quartz glass surface produced in this way has a micro-roughness as achieved in process chain B, but shows a certain waviness due to the surface defects resulting from the mechanical shaping using the processing tool 63.

Die Welligkeiten und Mikrorauigkeiten der so bearbeiteten Oberflächen sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 zusammengefasst: Tabelle 3: Mikrorauheit • Messfeldgröße: 88×88µm² • Filtertyp für Bandpass: FFT Fixed Bandbreite λ _Ob -λ _Oa Mittlere Ortswellenlänge λ _Ox Mikrorauheit Prozesskette A Prozesskette C 9 µm 5,5 µm 2,09 nm 0,09 nm Tabelle 4: Welligkeit • Messfeldgröße: 6,307×6,307mm² • Filtertyp für Bandpass: FFT Fixed Bandbreite λ _Ob -λ _Oa Mittlere Ortswellenlänge λ _Ox Welligkeit Prozesskette A Prozesskette C 900 µm 550 µm 3,1 nm 23,4 nm The waviness and micro-roughness of the surfaces processed in this way are summarized in Table 3 and Table 4: Table 3: Micro-roughness • Measuring field size: 88×88µm ² • Filter type for bandpass: FFT Fixed Bandwidth λ _Ob -λ _Oa Average spatial wavelength λ _Ox Microroughness Process chain A Process chain C 9 µm 5.5 µm 2.09nm 0.09nm Table 4: Ripple • Measuring field size: 6.307×6.307mm ² • Filter type for bandpass: FFT Fixed Bandwidth λ _Ob -λ _Oa Average spatial wavelength λ _Ox Ripple Process chain A Process chain C 900 µm 550 µm 3.1nm 23.4nm

Diese Oberflächen-Welligkeit des anhand der Prozesskette C bearbeiteten Werkstücks 64 trägt zu einer geringen Partikelbildung beim plasmaunterstützten Trockenätzprozess bei und wirkt sich somit für den Einsatzzweck des Quarzglas-Werkstücks günstig aus.This surface waviness of the workpiece 64 processed using process chain C contributes to low particle formation during the plasma-assisted dry etching process and thus has a favorable effect on the intended use of the quartz glass workpiece.

Eine mögliche Erklärung für diese Wirkung wird nachfolgend anhand 4 skizziert. Während eines typischen Halbleiterprozesses in einer Plasmaätzkammer wird auf dem Quarzglas-Ring (beispielsweise dem Werkstück 64) polymerisiertes Material abgeschieden. 4(a) zeigt schematisch einen nach Prozesskette A erzeugten Quarzglas-Ring 64a mit einer durch mechanische Politur vollständig geglätteten und ebenen Quarzglas-Oberfläche 70 und einen darauf abgeschiedenen Polymerfilm 71. 4(b) zeigt schematisch die nach Prozesskette C (3) erzielte wellige Quarzglas-Oberfläche 72 und ebenfalls einen darauf abgeschiedenen Polymerfilm 71.A possible explanation for this effect is given below using 4 outlined. During a typical semiconductor process in a plasma etching chamber, polymerized material is deposited on the quartz glass ring (for example, the workpiece 64). 4(a) shows schematically a process chain A produced quartz glass ring 64a with a quartz glass surface 70 completely smoothed and flat by mechanical polishing and a polymer film 71 deposited thereon. 4(b) shows schematically the process chain C ( 3 ) obtained a wavy quartz glass surface 72 and also a polymer film 71 deposited thereon.

Bei einem (sehr wahrscheinlichen) Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Quarzglasring 64 und der Polymerschicht 71 entstehen durch Temperaturschwankungen während des weiteren Fertigungsprozesses mechanische Spannungen in der Polymerschicht 71. Diese Spannungen können dazu führen, dass sich Teile der Polymerschicht 71 ablösen und so zu Partikelbildung führen. Infolge der kontinuierlichen Änderungen der Richtung der angreifenden Kräfte ergeben sich bei der welligen Oberfläche von 4(b) geringere Spannungen als bei der glatten Oberfläche von 4(a). Dies wird durch die unterschiedlichen Längen der Blockpfeile σ_e und σ_w symbolisiert.If there is a (very likely) difference in the thermal expansion coefficients between the quartz glass ring 64 and the polymer layer 71, temperature fluctuations during the further manufacturing process will cause mechanical stresses in the polymer layer 71. These stresses can lead to parts of the polymer layer 71 becoming detached and thus leading to particle formation. As a result of the continuous changes in the direction of the acting forces, the wavy surface of 4(b) lower stresses than on the smooth surface of 4(a) This is symbolized by the different lengths of the block arrows σ _e and σ _w .

Die wellige und glatte Oberfläche 72 nach Prozesskette C (3) zeigt wenig Mikrorauheit und eine niederfrequente Welligkeit, so dass sich der Polymerfilm an die wellige Oberfläche anschmiegen kann, und im Vergleich zu der ideal ebenen Quarzglas-Oberfläche 70 eine bessere Haftung ergibt.The wavy and smooth surface 72 after process chain C ( 3 ) shows little microroughness and low frequency waviness, so that the polymer film can conform to the wavy surface and results in better adhesion compared to the ideally flat quartz glass surface 70.

Die glatte aber dennoch niederfrequent wellige Oberfläche, wie sie in Prozesskette C entsteht, zeigt eine vergleichbare Plasmabeständigkeit und zeichnet sich durch eine geringere Partikelgeneration aus, auch ohne das zeitaufwändige, stufenweise mechanische Polierverfahren gemäß den Prozessketten A und B eingesetzt werden müssen.The smooth but low-frequency wavy surface, as created in process chain C, shows comparable plasma resistance and is characterized by lower particle generation, even without the need for the time-consuming, step-by-step mechanical polishing processes according to process chains A and B.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Quarzglas-Werkstücken anhand 8 in Verbindung mit 3 näher erläutert:The method according to the invention for producing ring-shaped quartz glass workpieces is described below using 8th combined with 3 explained in more detail:

Wie anhand 3 erläutert, wird ein zylinderförmiges Halbzeug 61 aus Quarzglas in Ringe 62 geschnitten (Verfahrensschritt S1) und aus diesen werden durch mechanische Formgebung mittels einer Schleifmaschine 63 ringförmige Werkstücke 64 aus Quarzglas erzeugt (Verfahrensschritt S2). Der Quarzglasring 62 hat die vorgegebenen Endmaße des herzustellenden Quarzglas-Werkstücks, nämlich beispielhaft einen Außendurchmesser von 370 mm, einen Innendurchmesser von 300 mm und eine Dicke von 20 mm. Anschließend wird mindestens eine der durch Sägen oder Schleifen 63 mechanisch bearbeiteten Oberflächen durch Laserpolieren geglättet.As shown by 3 As explained, a cylindrical semi-finished product 61 made of quartz glass is cut into rings 62 (process step S1) and from these ring-shaped workpieces 64 made of quartz glass are produced by mechanical shaping using a grinding machine 63 (process step S2). The quartz glass ring 62 has the specified final dimensions of the quartz glass workpiece to be produced, namely, for example, an outer diameter of 370 mm, an inner diameter of 300 mm and a thickness of 20 mm. Then at least one of the surfaces mechanically processed by sawing or grinding 63 is smoothed by laser polishing.

Zur Glättung der ringförmigen Stirnseite 80 (Roh-Oberfläche) des Werkstücks 64 wird CO₂-Laserstrahlung eingesetzt. Dieser erzeugt einen Laserstrahl 81, der mit einer Strahlungsintensität um 400 W/cm² und einem durch Defokussierung aufgeweiteten Strahldurchmesser von etwa 8 mm auf die Stirnseite 80 auftrifft und diese rasterweise abscannt.CO ₂ laser radiation is used to smooth the ring-shaped front side 80 (raw surface) of the workpiece 64. This generates a laser beam 81 which strikes the front side 80 with a radiation intensity of around 400 W/cm ² and a beam diameter of approximately 8 mm expanded by defocusing and scans it in a raster pattern.

Das Abscannen erfolgt durch Überlagerung einer translatorisch-oszillierenden Scanbewegung des Laserstrahls 81, die durch den Blockpfeil 82 angedeutet, und einer Vorschub-Bewegung durch Rotation der Stirnseite 80 um die Ring-Mittelachse 84. Die translatorisch-oszillierende Bewegung erfolgt dabei mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 7000 mm/s bis 9000 mm/s, und die Vorschub-Bewegung mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 0,07 U/min. Durch die hohe Geschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung entsteht eine „Quasilinie“ 87, unter der der zu polierende Ring hindurchgedreht wird.Scanning is carried out by superimposing a translatory-oscillating scanning movement of the laser beam 81, which is indicated by the block arrow 82, and a feed movement by rotating the front side 80 around the ring center axis 84. The translatory-oscillating movement takes place at a speed in the range of 7000 mm/s to 9000 mm/s, and the feed movement at a rotation speed of 0.07 rpm. The high speed of the translatory-oscillating movement creates a "quasi-line" 87, under which the ring to be polished is rotated.

Die Geschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung wird so moduliert, dass sie im Bereich der Innenmantelfläche 85 höher ist als im Bereich der Außenmantelfläche 86. Dadurch wird die geringere Umfangsgeschwindigkeit der Innenmantelfläche 85 kompensiert, so dass sich über die Breite der Stirnseite 80 eine in etwa gleich lange Wechselwirkungsdauer zwischen Laserstrahl 81 und Oberfläche von etwa 5 s ergibt und der Laserstrahl 81 auf der Roh-Oberfläche eine Prozesstemperatur um 2090 °C erzeugt.The speed of the translatory-oscillating movement is modulated so that it is higher in the area of the inner surface 85 than in the area of the outer surface 86. This compensates for the lower circumferential speed of the inner surface 85, so that across the width of the front side 80 there is an approximately equal interaction time between the laser beam 81 and the surface of about 5 s and the laser beam 81 generates a process temperature of around 2090 °C on the raw surface.

5 zeigt schematisch einen Plasmareaktor 1 zur Trockenätzbehandlung eines Wafers 13. Der Reaktor 1 weist eine Wandung 2 auf, die eine Plasmareaktorkammer 3 umschließt. Die Wandung 2 ist mit einem Gaseinlass 4 versehen, der mit einer (nicht dargestellten) Gasquelle verbunden ist, aus welcher der Reaktorkammer 3 Gase zugeführt werden können. Über einen Gasauslass 5, der mit einer (nicht dargestellten) Hochvakuumpumpe verbunden ist, wird der Kammer-Innenraum 3 abgepumpt, um einen für die Trockenätzbehandlung geeigneten niedrigen Kammerdruck zwischen 0,5 Pa und 10 Pa einzustellen. Eine HF-Energiequelle 8 für 13,56 MHz, die mit einer oberen Elektrode 9 verbunden ist, koppelt induktiv Energie in ein innerhalb der Reaktorkammer 3 gezündetes Plasma 10 ein. Eine weitere HF-Energiequelle 11 für 13,56 MHz ist mit einer unteren Elektrode 12 verbunden, die unterhalb des Wafers 13 positioniert ist und mittels der an der Messprobe 13 eine unabhängige elektrische Vorspannung (bias voltage) angelegt werden kann. Der Wafer 13 ist auf einer Halteeinrichtung fixiert, der insgesamt die Bezugsziffer 15 zugeordnet ist. Diese umfasst einen äußeren Haltering 14 aus Quarzglas, dessen Mantelflächen und dessen Oberseite und Unterseite durch Laserpolieren geglättet sind. Der obere Abschluss der Reaktorwandung 2 wird von einem dielektrischen Fenster 18 gebildet. 5 shows a schematic of a plasma reactor 1 for the dry etching treatment of a wafer 13. The reactor 1 has a wall 2 which encloses a plasma reactor chamber 3. The wall 2 is provided with a gas inlet 4 which is connected to a gas source (not shown) from which gases can be supplied to the reactor chamber 3. The chamber interior 3 is pumped out via a gas outlet 5 which is connected to a high vacuum pump (not shown) in order to set a low chamber pressure between 0.5 Pa and 10 Pa suitable for the dry etching treatment. An RF energy source 8 for 13.56 MHz, which is connected to an upper electrode 9, inductively couples energy into a plasma 10 ignited within the reactor chamber 3. Another RF energy source 11 for 13.56 MHz is connected to a lower electrode 12, which is positioned below the wafer 13 and by means of to which an independent electrical bias voltage can be applied to the measurement sample 13. The wafer 13 is fixed on a holding device, which is assigned the reference number 15 overall. This comprises an outer holding ring 14 made of quartz glass, the outer surfaces and the top and bottom of which are smoothed by laser polishing. The upper end of the reactor wall 2 is formed by a dielectric window 18.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6805952 B2 [0009]
US 7250114 B2 [0010]
JP 2004296753 A [0011]
US 7749930 B2 [0015]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Christian Weingarten, Andreas Schmickler, Edgar Willenborg, Konrad Wissenbach and Reinhart Poprawe in “Laser polishing and laser shape correction of optical glass”; Journal of Laser Applications 29, 011702 (2017); https://doi.org/10.2351/1.4974905 [0014]

Claims

Method for producing a workpiece made of quartz glass, which has at least one melt-polished workpiece surface for use in a plasma-assisted manufacturing process, comprising the method steps: • providing a workpiece made of quartz glass, which has at least one raw surface produced by cutting or machining, and • polishing the raw surface to form the polished workpiece surface, characterized in that the polishing of the raw surface is carried out by laser polishing using at least one laser beam moved relative to the raw surface, whereby a polished workpiece surface is produced which has a micro-roughness and a waviness, whereby the micro-roughness measured by means of white light interferometry at a spatial wavelength λ _O in the range from 1 µm to 10 µm has a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, and the waviness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength in the range λ _O from 100 µm to 1000 µm has a Surface roughness Sa of more than 5 nm.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the microroughness has a surface roughness Sa of less than 0.1 nm and the waviness has a surface roughness Sa of more than 10 nm.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the laser beam is generated by means of a CO ₂ laser with a radiation intensity on the workpiece between 100 W/cm ² and 10000 W/cm ² , preferably between 500 W/cm ² and 4000 W/cm ² .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a laser power in the range of 1 kW and 10 kW is used to generate the laser beam.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a laser beam defocused with respect to the raw surface is used.

Method according to one of the preceding Claims 3 until 5 , characterized in that the laser beam on the raw surface has a beam diameter between 4 mm and 25 mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative movement is generated by superimposing a translatory-oscillating movement and a feed movement, wherein as a result of the translatory-oscillating movement a quasiline with a radiation intensity within the quasiline on the workpiece between 10 W/cm ² and 1000 W/cm ² , preferably between 100 W/cm ² and 500 W/cm 2 , is generated by a relative speed between the raw surface and the laser beam above 500 mm/s, preferably above 3000 mm/ ^s , and wherein the feed movement has a relative speed between the raw surface and the laser beam between 1 mm/s and 50 mm/s.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that for laser polishing an annular end face of a hollow cylindrical workpiece having a longitudinal axis, the feed movement comprises rotation of the end face about the longitudinal axis, and the translatory-oscillating movement comprises a reversing movement of the laser beam between an inner circumferential surface of the workpiece and an outer circumferential surface of the workpiece, wherein the speed of the translatory-oscillating movement is set higher in the region of the inner circumferential surface than in the region of the outer circumferential surface.

Procedure according to Claim 8 , characterized in that the laser beam sweeps over the workpiece inner surface and the workpiece outer surface as a result of the reversing movement.

Procedure according to Claim 1 until 6 , characterized in that the laser radiation is formed by means of beam shaping optics into a line with a radiation intensity on the workpiece between 10 W/cm ² and 1000 W/cm ² , preferably between 100 W/cm ² and 500 W/cm ² , and which has a dimension between 4 mm and 25 mm in the feed direction, and this line is then guided over the raw surface with a feed movement.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative movement between the laser beam and the raw surface is adjusted so that an interaction duration of between 1 s and 10 s results.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam generates a maximum temperature between 1700 °C and 2100 °C on the raw surface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that different positions of the raw surface are polished using at least two laser beams simultaneously.

Workpiece made of quartz glass for use in a plasma-assisted manufacturing process, which has a melt-polished workpiece surface which has a micro-roughness and a waviness, characterized in that the micro-roughness measured by means of white light interferometry, the micro-roughness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength λ _O in the range from 1 µm to 10 µm, has a surface roughness Sa of less than 0.5 nm, and the waviness measured by means of a white light interferometer at a spatial wavelength λ _O in the range from 100 µm to 1000 µm has a surface roughness Sa of more than 5 nm.

Workpiece after Claim 14 , characterized in that the microroughness has a surface roughness Sa of less than 0.1 nm, and the waviness has a surface roughness Sa of more than 10 nm and less than 40 nm.