DE102022134350A1

DE102022134350A1 - Werkstück aus Quarzglas für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess sowie Verfahren zur Herstellung des Werkstücks

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

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.

Description

Technisches Gebiet
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.
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.

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.
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.
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.
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.
Stand der Technik
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.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es insbesondere um diese Nachbearbeitung. Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Methoden dafür bereits bekannt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die US 7,749,930 B2 beschreibt einen positiven Effekt auf die Trockenätzbeständigkeit von Quarzglas-Werkstücken beim Plasmaätzen nach einer Laserbearbeitung der Oberfläche.
Technische Aufgabenstellung
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.
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.
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.
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.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung durch das Verfahren von Anspruch 1 gelöst.
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.
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.

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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 wird
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.
Der Laserstrahl kann auch die Innenmantelfläche und/oder die Außenmantelfläche überstreichen, wenn die Umkehrpunkte der reversierenden Bewegung außerhalb der Werkstück-Enden liegen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Definitionen und Messmethoden
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.
Quarzglas
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.
Roh-Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks
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.
Schmelzpolierte Werkstück-Oberfläche
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.
Flächenrauheit 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.
Ortswellenlänge 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.
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.
Messvorschrift zur Charakterisierung der Werkstück-Oberflächen
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.

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.

Ausführungsbeispiel
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.

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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Quarzglas-Werkstücken anhand 8 in Verbindung mit 3 näher erläutert:
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.
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.
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.
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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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 [0014]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Quarzglas, das für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess mindestens eine schmelzpolierte 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 der polierten Werkstück-Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, 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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorauheit eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,1 nm und die Welligkeit eine Flächenrauheit Sa von mehr als 10 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 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 wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserleistung im Bereich 1 kW und 10 kW eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Bezug auf die Roh-Oberfläche defokussierter Laserstrahl eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf der Roh-Oberfläche einen Strahldurchmesser zwischen 4 mm und 25 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung erzeugt wird durch Überlagerung einer translatorisch-oszillierenden Bewegung und einer Vorschub-Bewegung, wobei infolge der translatorisch-oszillierenden Bewegung durch eine Relativgeschwindigkeit zwischen Roh-Oberfläche und Laserstrahl oberhalb von 500 mm/s, bevorzugt oberhalb von 3000 mm/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, und wobei die Vorschub-Bewegung eine Relativgeschwindigkeit zwischen Roh-Oberfläche und Laserstrahl zwischen 1 mm/s und 50 mm/s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laserpolieren einer ringförmigen Stirnseite eines eine Längsachse aufweisenden hohlzylinderförmigen Werkstücks die Vorschub-Bewegung durch Rotation der Stirnseite um die Längsachse, und die translatorisch-oszillierende Bewegung eine reversierende Bewegung des Laserstrahls zwischen einer Werkstück-Innenmantelfläche und einer Werkstück-Außenmantelfläche umfasst, wobei die Geschwindigkeit der translatorisch-oszillierenden Bewegung im Bereich der Innenmantelfläche höher eingestellt wird als im Bereich der Außenmantelfläche.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl infolge der reversierenden Bewegung die Werkstück-Innenmantelfläche und die Werkstück-Außenmantelfläche überstreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mittels Strahlformungsoptik zu einer Linie geformt wird mit einer Strahlungsintensität auf dem Werkstück zwischen 10 W/cm² und 1000 W/cm², bevorzugt zwischen 100 W/cm² und 500 W/cm², und die in Vorschubrichtung eine Abmessung zwischen 4 mm und 25 mm aufweist, und diese Linie dann mit einer Vorschub-Bewegung über die Roh-Oberfläche geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Roh-Oberfläche so eingestellt wird, dass sich eine Wechselwirkungsdauer zwischen 1 s und 10 s ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf der Roh-Oberfläche eine Maximaltemperatur zwischen 1700 °C und 2100 °C erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Positionen der Roh-Oberfläche unter gleichzeitigem Einsatz von mindestens zwei Laserstrahlen poliert werden.
Werkstück aus Quarzglas für den Einsatz in einem plasmaunterstützten Fertigungsprozess, das eine schmelzpolierte Werkstück-Oberfläche aufweist, die eine Mikrorauheit und eine Welligkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Weißlichtinterferometrie die mittels Weißlichtinterferometer 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 λ_O im Bereich von 100 µm bis 1000 µm gemessene Welligkeit eine Flächenrauheit Sa von mehr als 5 nm aufweist.
Werkstück nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorauheit eine Flächenrauheit Sa von weniger als 0,1 nm, und die Welligkeit eine Flächenrauheit Sa von mehr als 10 nm und weniger als 40 nm aufweisen.