JP2010205861A

JP2010205861A - 積層ウエーハの面取り装置およびそれを用いて積層ウエーハのベベル部、エッジ部を面取り加工する方法

Info

Publication number: JP2010205861A
Application number: JP2009048708A
Authority: JP
Inventors: Koji Saito; 浩嗣斎藤; Kazuo Kobayashi; 一雄小林; Eiichi Yamamoto; 栄一山本
Original assignee: Okamoto Machine Tool Works Ltd
Current assignee: Okamoto Machine Tool Works Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】後加工工程の加工ステージに積層ウエーハが移送される際に行われる積層ウエーハの芯出しも容易である積層ウエーハのエッジ面取り方法の提供。
【解決手段】外周面厚みが０．３〜１．５ｍｍの円筒砥石車１２を用い、積層ウエーハｗの下段ベースウエーハｗ_２の１枚の厚みの１／３〜１／２の厚みおよび上段の研削加工されるウエーハｗ_１の厚みの１／２を越え絶縁層厚みを１０μｍ以上残す分の積層ウエーハのエッジ部およびベベル部厚みを面取り加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の半導体ウエーハを積層した積層ウエーハ（ＳＯＩウエーハ、ＴＳＶウエーハ）のベベル部およびエッジ部を薄厚の円筒砥石車を用いて面取りする加工装置およびそれを用いて積層ウエーハの面取り加工をする方法に関する。

ＳＯＩウエーハの製造方法として、（Ａ）半導体ウエーハと支持ウエーハとを酸化膜を介して重ね合せることにより積層体を形成する工程と、（Ｂ）半導体ウエーハを所定の厚さに薄膜化することにより支持ウエーハ上に埋込み酸化膜層を介して薄膜の単結晶シリコン層を形成する工程とを含む貼合せＳＯＩウエーハの製造方法において、（Ｃ）前記工程（Ａ）と工程（Ｂ）の間で重ね合わせる側の主面の周端縁及び面取り部に形成された酸化膜を除去して周端縁を除く重ね合わせ面のみに酸化膜を残留させる埋込み酸化膜層全体を支持ウエーハの重ね合わせ側の主面と単結晶シリコン層により被包することを特徴とする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、直径１５０ｍｍの素子基板（ウエーハ）と支持基板をそれぞれ用意し、素子基板に、ウエット酸化を施し、厚さ１μｍの酸化膜を形成させ、酸化膜を形成した素子基板の研磨面側と、支持基板の研磨面とを重ね合わせて密着させて、密着させた接合基板を１０００℃の高温下で熱処理を施して重ね合わせた面の接合力を強化させた。その後、直径１２５ｍｍまで径小化させ、フッ酸処理して熱処理時に形成された酸化膜を除去した後に、表面を研削、１次研磨を施し、接合基板の端面部（最外周部）から２ｍｍの範囲（領域）の外周部に外周ダレを発生させた後、再度、面取り加工により、直径１００ｍｍまで、径小化させ、最後に、２次研磨、及び、仕上げ研磨を行い、ＳＯＩウエーハを作成することも知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、研磨テープを用いて積層（ＳＯＩ）ウエーハのベベル部とエッジ部を研磨する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらにまた、周辺部にベベルを有するシリコンウエーハを複数枚積層し、該積層状態の複数枚のシリコンウエーハを一括して、周辺部のベベルを研削加工して垂直エッジ面を形成させた後、ついで個々のシリコンウエーハの面をバックグラインドすることにより、薄シリコンウエーハを得る方法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。

また、図３に示すように支持基板用ウエーハ（１０１）と活性層用ウエーハが接合絶縁膜（１０２）を介して接合され、前記活性層用ウエーハが薄膜化加工を通して半導体素子の活性層（１０３）とされ、更にその外周部が前記活性層の表面に対して３０度〜６０度の角度でベベル加工され、ついで、前記接合絶縁膜（１０２）端部がエッチング処理により除かれ（１０７）前記活性層側のベベル加工により形成されたベベル面において露出しているＳＯＩウエーハも提案されている（例えば、特許文献５参照）。

半導体基板（ウエーハ）の径が１５０〜２００ｍｍから３００〜４５０ｍｍと拡径し、厚みが２０〜１００μｍと極薄の次世代の半導体基板の出現が要望され、直径３００〜４５０ｍｍのＳＯＩウエーハやＴＳＶ積層ウエーハのエッジ研磨または研削に前記特許文献１乃至特許文献３に記載のエッジ面取り研削砥石や研磨テープを用いてＳＯＩウエーハのエッジ面を面取りし、次いで、ＳＯＩウエーハやＴＳＶ積層ウエーハの裏面研削、裏面研磨を行って得られる平坦加工ＳＯＩウエーハには、チッピングやクラックがエッジ部に数多く見受けられることが判明した。

前記特許文献４に記載されるＳＯＩウエーハのベベル部およびエッジ部の垂直面取り方法は、ＳＯＩウエーハを用いた半導体デバイスの製造工程において外周部におけるＳＯＩ層の欠損（割れやチッピング）を防止できる優れた技術である。しかし、後加工工程の裏面研削（バックグライング）工程や研磨工程、あるいはウエーハ剥離工程におけるウエーハの芯出し作業が一々必要となる。半導体基板加工メーカーは、積層されたウエーハの下段側ウエーハについて、後工程では芯出し工程ができるようベースとなるウエーハに一部エッジ面が残されることを要望している。

前記特許文献５に記載されるベベル部およびエッジ部の面取り方法は、ＳＯＩウエーハを用いた半導体デバイスの製造工程において外周部におけるＳＯＩ層の欠損（割れやチッピング）を防止できる優れた技術である。また、後工程においても芯出し工程が不要となる利点を有する。しかし、積層ウエーハのベベル部・エッジ部の面取りに研削工程とエッチング工程の２工程が必要であり、基板の薄肉平坦化装置に付属させるこれら面取り装置の設置面積も広くなる欠点がある。

特開２００５−７９１０９号公報特開２００６−１００４０６号公報米国特許第６，６４１，４６４号明細書特開２００４−２２８９９号公報の図７特開２００７−２１４２５６号公報の図４（ｂ）

本発明は、後工程の裏面研削加工や研磨加工して得られる積層ウエーハにクラックやチッピングが生じず、かつ、これら後工程に積層ウエーハを移送する際の芯出しを可能とするベースウエーハ部直径部の面取り残部を残す積層ウエーハ（ＳＯＩウエーハ、ＴＳＶウエーハ）のベベル部・エッジ部の面取り研削方法および面取り装置を提供するものである。

本発明の請求項１は、厚みが０．３〜１．５ｍｍ、直径が積層ウエーハの直径よりも小さい径であって、砥番が５００〜２，０００番の円筒砥石車をその直径長手方向が水平方向に回転可能となるように砥石軸に軸承させた研削ヘッド、支持チャック上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハの中心点方向に前記研削ヘッドの前記円筒砥石車を前後移動可能とする移動機構、前記砥石軸を回転させる回転駆動機構、前記砥石軸の昇降機構、積層ウエーハを載置する前記支持チャック、前記支持チャックのワークテーブルを軸承する回転軸の回転駆動機構、および、積層ウエーハの面取り加工部に研削液を供給する研削液供給機構、を備えることを特徴とする積層ウエーハの面取り装置を提供するものである。

本発明の請求項２は、請求項１の積層ウエーハの面取り装置を用い、次の工程を経て積層ウエーハのベベル部とエッジ部を面取り加工する方法を提供するものである。（１）支持チャック上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハに対する円筒砥石車の高さ位置を砥石軸の昇降機構で調整する。（２）支持チャック上に載置された回転している積層ウエーハの中心点方向に前記研削ヘッドの移動機構により前記円筒砥石車を被研削加工される積層ウエーハのエッジ部に当接させ、ついで、回転する円筒砥石車を前進移動させて円筒砥石車の外周面を積層ウエーハのウエーハ外周面に当接させ、続いて円筒砥石車の外周面と上下面を積層ウエーハに摺擦させながら下段のベースウエーハの１枚の厚みの１／３〜１／２の厚みおよび上段の研削加工されるウエーハの厚みの１／２を越え絶縁層を１０μｍ以上残す分の積層ウエーハの厚みを面取り加工させる円筒砥石車の前進移動を１〜５ｍｍ行う。この面取り加工の際、積層ウエーハと円筒砥石車の面取り加工部には、研削液供給機構より研削液が供給される。（３）前記円筒砥石車の前進移動による積層ウエーハのエッジ部およびベベル部の面取り加工が終了したら、前記研削ヘッドの移動機構により前記円筒砥石車を面取り加工された積層ウエーハより遠ざける後退移動を行う。

請求項１の積層ウエーハの面取り装置は、積層ウエーハのベベル部とエッジ部の面取りをベースウエーハの直径部分を残して同時に研削加工できるので、設置面積が小さくて済む。

請求項２の積層ウエーハのベベル部とエッジ部の面取り加工方法は、ベースウエーハの直径部分を残して研削加工するので、積層ウエーハの後工程の際に積層ウエーハの芯出しが可能である。

図１は積層ウエーハのベベル部およびエッジ部の面取り装置の側面図である。図２は積層ウエーハのベベル部およびエッジ部の面取り工程の実施手順を示す説明図である。図３は積層ウエーハのベベル部およびエッジ部が面取りされた積層ウエーハの部分断面図である。(公知)

図１に示す面取り装置１は、面取りツールステージ１０と支持チャック２０と研削液供給機構３０，３０により構成される。面取りツールステージ１０は、フレーム４０上に設けられたガイドウエイ１１ａとスライドウエイ１１ｂより構成されるツールテーブル１１の上面にコラム６０を起立させ、このコラム正面上部より砥石軸昇降機構５０を垂下させて設け、この砥石軸昇降機構の砥石軸取り付け板５５の側面に砥石軸１３を固定し、円筒砥石車１２をその直径方向が水平面となるよう砥石軸１３下端部に回転駆動機構により回転自在に固定することにより研削ヘッド１４を構成する。回転駆動機構は図示されていないが、ビルトインモータ駆動が好ましいが、サーボモータとプーリとベルトの組み合わせの外付け回転駆動機構であってもよい。

前記ツールテーブル１１は、ガイドウエイ１１ａ上をスライドウエイ１１ｂが滑走し、支持チャック２０上に載置された積層ウエーハの中心点ｏに対し前後移動可能となっている。サーボモータ２１ｃの回転駆動をボールネジ２１ｄが受けて前記スライドウエイ２１ｂを支持チャック２０上に載置された積層ウエーハの中心点位置側に前進させるか、積層ウエーハの中心点位置から後退させる。スライドウエイ１１ｂの前進後退の移動は、リニアアクチュエータ駆動、リニアモータ駆動であってもよい。前記スライドウエイ２１ｂの上端には変位センサー（レーザー距離測定計）７０が取り付けられ、円筒砥石車１２の底面高さを測定する。

砥石軸昇降装置５０は、サーボモータ５２の回転駆動をボールネジ５１が受けて螺合体５４を介して砥石軸取り付け板５４を上下方向に昇降させる。前記螺合体５４は案内レール５３上を滑走する。砥石軸取り付け板５５の昇降移動は、リニアアクチュエータ駆動、リニアモータ駆動であってもよい。

円筒砥石車１２の厚みは、面取り加工される積層ウエーハの下段のベースウエーハの１枚の厚みの１／３〜１／２の厚みおよび上段のウエーハの面取り加工されるウエーハの厚みの１／２を越え絶縁層厚み（ｔ）を１０μｍ以上残す分の厚みを面取り加工する合計厚みの０．７５〜１．５ｍｍで、円筒砥石車の直径が積層ウエーハの直径より
も小さい径であって、砥番が５００〜２，０００番のＣＢＮ砥粒もしくはダイヤモンド砥粒のビトリファイドボンド砥石、メタルボンド砥石、レジンボンド砥石が好ましい。円筒砥石車１２の砥石刃部分は、高さが０．７５〜１．５ｍｍ、幅が１〜５ｍｍの砥石刃外周環状幅となるように金属製円板外周縁付近面に電解メッキ加工して得たものでもよい。

支持チャック２０は、ポーラスセラミックチャックテーブル２１を中空軸２２で回転自在に軸承したバキュームチャックが好ましく、ポーラスセラミックチャックテーブル２１の直径は、積層ウエーハの直径より０．１〜５ｍｍ小さい径であるのが好ましい。中空軸２２管内には、減圧管、純水供給管、圧空供給管が設けられている。

研削液供給機構３０は、積層ウエーハの面取り加工の際、積層ウエーハと円筒砥石車の面取り加工部（作業部）に向けて研削液を供給する。

積層ウエーハｗのベベル部およびエッジ部の面取り加工は、図２に示すように、次の工程を経て実施する。

（１）支持チャック２０上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハｗに対する円筒砥石車１２の底面高さ位置を砥石軸昇降機構５０で下降させて調整する(図２ａ参照)。

（２）支持チャック２０上に載置された積層ウエーハｗを１００〜３００ｒｐｍの回転速度で回転させ、ついで、この積層ウエーハｗの中心点ｏ方向に向かって８００〜２，０００ｒｐｍの回転速度で回転する円筒砥石車１２を研削ヘッド１４の移動機構により前進移動させて円筒砥石車１２の外周面を被研削加工される積層ウエーハｗのエッジ部に当接させ、さらに円筒砥石車１２を前進移動させて回転する円筒砥石車１２の外周面と上下面を積層ウエーハに摺擦させながら積層ウエーハの下段ベースウエーハｗ_２の１枚の厚みの１／３〜１／２の厚みおよび上段の研削加工されるウエーハｗ_１の厚みの１／２を越え絶縁層の厚みを１０μｍ以上残す分の積層ウエーハの厚みを面取り加工させる円筒砥石車前進移動１〜５ｍｍを移動速度０．５〜３ｍｍ／分で行う（図２ｂ参照）。この面取り加工の際、積層ウエーハｗと円筒砥石車１２とが接触する面取り加工部には、研削液供給機構３０より研削液が供給される。

（３）前記円筒砥石車１２の前進移動による積層ウエーハｗのエッジ部およびベベル部の面取り加工が終了したら、前記研削ヘッド１４の移動機構１１により前記円筒砥石車１２を面取り加工された積層ウエーハｗより遠ざける後退移動を行い、砥石軸１３の回転を停止させる（図２ｃ参照）。

被研削物ｗとして、直径３００ｍｍ、厚み７５０μｍのシリコン基盤の表面に電子回路をプリント配線(厚み１０μｍ)した半導体ウエーハ２枚ｗ_１，ｗ_２のプリント配線面同士を向かい合わせて積層したＳＯＩウエーハｗを用い、図１に示す面取り装置１を用いて積層ウエーハｗの面取り加工を行った。

先ず、厚み０．８ｍｍ、直径１２０ｍｍ、砥番８００のダイヤモンドビトリファイド円筒砥石車１２を砥石軸昇降機構５０で下降させて、支持チャック２０上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハｗの下段ウエーハｗ_２の最長直径部Ｌより１０μｍ上位置となるよう円筒砥石車１２の底面高さ位置を調整した。

ついで、２００ｒｐｍで回転する支持チャック２０のポーラスセラミックチャックテーブル２１上に載置された積層ウエーハｗの中心点ｏ方向に、１，５００ｒｐｍで回転する砥石軸１３を２ｍｍ／分の速度で前進させて積層ウエーハｗの外周面に円筒砥石車１２の円筒外周面を当接させ、さらに同移動速度で円筒砥石車１２を前進移動させて回転する円筒砥石車１２の外周面と上下面を前期積層ウエーハｗに摺擦させながら積層ウエーハの下段ベースウエーハｗ_２上部と上段ウエーハｗ_１のベベル部とエッジ部を研削加工する面取り高さ０．８ｍｍ、直径面の面取り幅２．５ｍｍの面取り加工を行った。

この面取り加工の際、積層ウエーハｗと円筒砥石車１２とが接触する面取り加工部に、一対の研削液供給機構３０，３０より純水（研削液）を２リットル／分の量供給しつつ面取り加工を行った。

円筒砥石車１２による積層ウエーハｗのエッジ部およびベベル部の面取り加工を終了した後、前記研削ヘッド１４の移動機構により前記円筒砥石車１２を面取り加工された積層ウエーハｗより遠ざける後退移動を行い、砥石軸１３の回転を停止させた。

支持チャック２０のポーラスセラミックチャックテーブル２１の回転を停止させた後、積層ウエーハｗの表面を加圧水吹きつけとブラシ洗浄し、続いてポーラスセラミックチャックテーブル２１下面に加圧水を供給し、積層ウエーハｗのポーラスセラミックチャックテーブル２１からの剥離を容易とした。

特許願２００８−１８３３９８号明細書に記載の半導体基板用平坦化装置ＧＤＭ３００ＩＩ（株式会社岡本工作機械製商品名）を用い、前記支持チャック２０上のベベル部とエッジ部を面取り研削加工された積層ウエーハｗを多関節型搬送ロボットの吸着パッドに吸着し、裏面研削ステージへ搬送した。

粗研削ステージで砥番６００の粗研削カップホイール型ダイヤモンドレジンボンド砥石を用いて積層ウエーハのシリコン基盤面を粗研削加工（基板の回転数は３００ｒｐｍ、砥石軸の回転数は１，８００ｒｐｍ）し、シリコン基盤面ｗ_１を６７０μｍ削り取った。

この粗研削加工されたシリコン基盤面ｗ_１を仕上研削ステージで砥番８，０００のカップホイール型ダイヤモンドビトリファイドボンド砥石を用いて粗研削加工されたシリコン基盤面ｗ_１を仕上げ研削加工（基板の回転数は３００ｒｐｍ、砥石軸の回転数は１，８００ｒｐｍ）し、シリコン基盤面ｗ_１を３０μｍ削り取り、シリコン基盤ｗ_１の厚みを２０μｍに低減させた。ついで、研削加工シリコン基盤面ｗ_１に純水を供給しながらブラシ洗浄を行った後、乾燥空気を吹きつけ乾燥させた。得られたシリコン基盤面ｗ_１には、研削条痕が見受けられた。

研削加工された半導体基板を研磨ステージへ移送させた後、この研削加工されたシリコン基盤面ｗ_１に日本・エアープロダクト社のシリカ系粒子分散水系研磨剤スラリー“ＳＲ３００”(商品名)を１００ｃｃ／分の量供給しながらシリコン基盤面ｗ_１に懸かる研磨パッドの圧力を２３０ｇ／ｃｍ^２、研磨パッドの回転数を２５０ｒｐｍ、積層半導体基板ｗの回転数を１５０ｒｐｍで摺擦させて研削条痕を取り除くバフ研磨加工を６分間行った。シリコン基盤面ｗ_１の厚みは、３μｍ低減した。

このバフ研磨加工されたシリコン基盤面ｗ_１にシリカ系粒子分散水系研磨剤スラリー“ＳＲ３００”(商品名)を３００ｃｃ／分の量供給しながらシリコン基盤面ｗ_１に懸かる研磨パッドの圧力を５０ｇ／ｃｍ^２、研磨パッドの回転数を２０ｒｐｍ、半導体基板の回転数を２０ｒｐｍで摺擦させる第二バフ研磨加工を４分間行った。シリコン基盤面ｗ_１の厚みは、更に０．１μｍ低減した。このシリコン基盤面に付着している粒子の個数は、０．２μｍ径以下の粒子は５，０４３個、１．０μｍ以上の粒子は２０４個であった。

しかる後に、この研削加工、バフ研磨加工されたシリコン基盤面ｗ_１に薬剤ＳＣ１を５００ｃｃ／分の量供給するアルカリ洗浄を２分間行い、次いでフッ酸含有オゾン水で酸洗浄を１分行った後、純水でシリコン基盤面ｗ_１を洗浄し、スピン乾燥させて０．２μｍ径以下の異物粒子（研削屑や研磨屑）の付着が２個、表面平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍのシリコン基盤鏡面を有する積層ウエーハを得た。積層ウエーハにはチッピング、クラッキングは見受けられなかった。

上記実施例１と同様にして積層ウエーハ２５物件のエッジ面取り加工、裏面研削加工、裏面研磨加工、洗浄を実施したところ、いずれの積層ウエーハにもチッピング、クラッキングは全く見受けられなかった。

後加工工程で、積層ウエーハｗにクラッキングやチッピングを生じさせない積層ウエーハのベベル部とエッジ部の面取り加工ができる。面取り加工された積層ウエーハは、下段のウエーハｗ_２の最大直径部分が残されるので、後加工工程の加工ステージに積層ウエーハｗが移送される際に行われる積層ウエーハの芯出しも容易である。

１面取り装置１０面取りツールステージ１１ツールテーブル１２円筒砥石車１３砥石軸１４研削ヘッド２０支持チャック２１ワークテーブル（ポーラスセラミック製チャックテーブル）３０研削液供給ノズル５０砥石軸昇降装置６０コラム７０変位センサーｗ積層ウエーハｗ_１上段（裏面研削）ウエーハｗ_２下段（ベース）ウエーハＬ下段ウエーハ直径端部ｔ上段ウエーハ絶縁層面取り残し部厚み

Claims

厚みが０．３〜１．５ｍｍ、直径が積層ウエーハの直径よりも小さい径であって、砥番が５０〜２，０００番の円筒砥石車をその直径長手方向が水平方向に回転可能となるように砥石軸に軸承させた研削ヘッド、支持チャック上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハの中心点方向に前記研削ヘッドの前記円筒砥石車を前後移動可能とする移動機構、前記砥石軸を回転させる回転駆動機構、前記砥石軸の昇降機構、積層ウエーハを載置する前記支持チャック、前記支持チャックのワークテーブルを軸承する回転軸の回転駆動機構、および、積層ウエーハの面取り加工部に研削液を供給する研削液供給機構、を備えることを特徴とする積層ウエーハの面取り装置。
請求項１の積層ウエーハの面取り装置を用い、次の工程を経て積層ウエーハのベベル部とエッジ部を面取り加工する方法。（１）支持チャック上に直径方向が水平方向に載置された積層ウエーハに対する円筒砥石車の高さ位置を砥石軸の昇降機構で調整する。（２）支持チャック上に載置された回転している積層ウエーハの中心点方向に前記研削ヘッドの移動機構により前記円筒砥石車を被研削加工される積層ウエーハのエッジ部に当接させ、ついで、回転する円筒砥石車を前進移動させて円筒砥石車の外周面を積層ウエーハのウエーハ外周面に当接させ、続いて円筒砥石車の外周面と上下面を積層ウエーハに摺擦させながら下段のベースウエーハの１枚の厚みの１／３〜１／２の厚みおよび上段の研削加工されるウエーハの厚みの１／２を越え絶縁層厚みを１０μｍ以上残す分の積層ウエーハの厚みを面取り加工させる円筒砥石車の前進移動を１〜５ｍｍ行う。この面取り加工の際、積層ウエーハと円筒砥石車の面取り加工部には、研削液供給機構より研削液が供給される。（３）前記円筒砥石車の前進移動による積層ウエーハのエッジ部およびベベル部の面取り加工が終了したら、前記研削ヘッドの移動機構により前記円筒砥石車を面取り加工された積層ウエーハより遠ざける後退移動を行う。