JP3587283B2

JP3587283B2 - ウェーハの両面ラップ方法及び装置

Info

Publication number: JP3587283B2
Application number: JP18088197A
Authority: JP
Inventors: 秀旻南
Original assignee: 株式会社スーパーシリコン研究所
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2017-07-07
Also published as: JPH1080861A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特に大口径のウェーハに適し、ウェーハ形状，加工歪み層等のバラツキを矯正するラップ方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｚ法，ＦＺ法等で製造された結晶棒は、所定のブロックに切断された後、外周を研削し、スライサーにセットされる。スライサーでは、高速回転するブレードを結晶と相対的に移動させ、結晶を所定厚みにスライスしてウェーハとする。ブレードとしては、たとえばドーナツ状に加工したステンレス鋼薄板の内周部にダイヤモンド砥粒をニッケルめっきで埋め込んだものが使用される。
結晶棒をスライスするとき、ブレードの張力，ダイヤモンド砥粒の状態，スライサー回転軸の精度等によって、得られたウェーハの厚みや平坦度にバラツキが生じる。また、スライス条件によっては、ウェーハの表面から内部に入る加工歪み層が大きくなることもある。
スライス起因のバラツキは、スライスされたウェーハをラッピングすることによって除去される。従来のスライス法では、図１の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）にみられるように、複数のウェーハ１をキャリア２でラップ盤３上に偏在しないように配置する。上方からラップ盤４をウェーハ１に接触させ、砥粒を上下のラップ盤３，４の間に送り込みながら、ウェーハ１を自転及び公転させてラッピングする。砥粒には、適量の水に分散させた粒径１０μｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ等が使用されている。また、ウェーハ１のセッティングを容易にするため、上部ラップ盤４でウェーハ１を吸着し、所定の位置に配置することが特公昭５６−１８９号公報で紹介されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示した設備構成で大口径のウェーハをラッピングしようとすると、ウェーハの直径より大きな半径をもつラップ盤が必要とされるため、設備の大型化が避けられない。そのため、装置の重量，サイズ，操作性等の問題が顕在化し、自動運転及び自動制御し難いものとなる。また、ラップ盤３，４としても大径のものが必要とされるが、大径化に伴ってラップ盤３，４の内側及び外側の周速差が大きくなり、ラップ面の摩耗が不均一化し、ウェーハ面が不均一にラッピングされる欠陥も生じる。
また、大口径のウェーハをラッピングする装置として、円盤状又はリング状の定盤をウェーハの両面に押し当て回転させ、上部から加工液を供給しながらウェーハをラッピングする方式が特公昭５２−１２９５６号公報に紹介されている。
【０００４】
しかし、この方式では、砥粒懸濁スラリー等の加工液を定盤の外側から供給しているので、定盤とウェーハとの間に十分な加工液が供給されず、ラッピングに有効に消費される加工液の割合が少ない。そのため、更に定盤の中心内部へのスラリーの供給が希薄になる可能性がある。具体的には、中心部がないリング状の定盤では、スラリーを供給する側の反対側では定盤の圧力から開放されるウェーハの出口に当り、スラリーが不足する状態が予想される。スラリー不足は被加工物を高速回転させることにより解消されるが、そのためには被加工物が高い機械的強度をもつことが要求され、シリコン等の半導体ウェーハには不向きである。本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、リング状定盤でウェーハの表裏を同時に加圧してラッピングする際、リング状定盤の内部空洞からウェーハの表裏両面に砥粒懸濁スラリーを供給しながらラッピングすることによって生じたシリコン屑を幅の狭いリング状定盤を用いて短期に排出させることにより、ラッピングに有効消費される砥粒懸濁スラリーの割合を増加させ、装置の大規模化を招くことなく、良好なラッピング効率で大口径のウェーハであっても容易に且つ健全な状態に全面ラッピングすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の両面ラップ方法は、その目的を達成するため、鉛直保持されたウェーハの表裏両面に摺擦する幅の狭い円周状ラップ面をもち、ウェーハの半径にほぼ等しい外径をもつ一対のリング状定盤を対向させてウェーハの中心から周辺に至る部分に押圧し、ウェーハ，リング状定盤で区画された空洞部にリング状定盤の軸に設けた貫通孔を介して砥粒懸濁スラリーを送り込みながらリング状定盤を互いに逆方向に回転させ、ラップ面に形成された溝を介して砥粒を供給し、溝及びラップ面を介して砥粒及び研削屑を排出することを特徴とする。一対のリング状定盤をそれぞれ基準側及び移動側とし、移動側定盤はラップ面の摩耗に応じて他方の基準側に対し全面均等に配分された加圧状態で移動できることが好ましい。ラッピング中のウェーハは、ガイドローラで周縁を支持されながら駆動ローラで回転力が付与される。
【０００６】
また、本発明の両面ラップ装置は、砥粒懸濁スラリーを供給する貫通孔が形成された基準軸の先端にリング状ラップ定盤を回転可能に設けた基準側ラップ機構と、砥粒懸濁スラリーを供給する貫通孔が形成された移動軸の先端にリング状ラップ定盤を回転可能に設けた移動側ラップ機構と、鉛直保持されたウェーハの表面に接触してウェーハを回転させる駆動ローラ及びウェーハの周縁に接触して回転中のウェーハを位置制御するガイドローラを備えたウェーハ回転支持機構からなる。基準側，移動側のリング状定盤は、ウェーハの半径にほぼ等しい外径をもち、ウェーハ表面に対向する側に内部から外部に至る放射状の溝をもつ幅の狭い円周状ラップ面が形成されており、ウェーハの中心から周辺に至る表面部分に押圧される。
【０００７】
【実施の形態】
本発明に従ったラップ装置は、図２に示すように基準側ラップ機構１０と移動側ラップ機構２０とを水平方向又は垂直方向に対向させ、ラッピングされるウェーハ１を両ラップ機構１０と２０との間に位置させる。
基準側ラップ機構１０は、基準軸１１の端部に柔軟性のある円盤１２を取り付け、円盤１２にリング状の定盤１３を固定している。リング状定盤１３は、基準軸１１に伝達される動力で矢印ａ方向に回転する。
移動側ラップ機構２０は、移動軸２１の端部に柔軟性のある円盤２２を取り付け、円盤２２にリング状の定盤２３を固定している。リング状定盤２３は、基準側のリング状定盤１３と同一の面積をもっており、移動軸２１に伝達される動力で矢印ｂ方向に回転する。
リング状定盤１３と２３との回転方向を逆にすることにより、定盤１３，２３に加わる力を等しくし、ウェーハ１の両面に同一の摩擦力を発生させる。また、ウェーハ１に加わる回転トルクは、ウェーハ１の表裏で相殺され、結果として定盤１３，２３のラップ面１４，２４でウェーハ１が加圧保持される。
【０００８】
移動側ラップ機構２０のリング状定盤２３は、圧力機構（図示せず）により矢印ｃ方向に移動自在となっている。これにより、ラップ面は、摩耗に応じて矢印ｃ方向に移動され、移動量の調節によってウェーハ１に加わる加圧力が一定に保たれる。
ウェーハ１の表裏両面に配置したウェーハ回転支持機構３０の駆動ローラ３１，３１・・で、矢印ｄ方向の回転がウェーハ１に与えられる。回転しているウェーハ１の姿勢は、ウェーハ１の周縁に接触して回転するガイドローラ３２により安定化される。これにより、予め設定された位置関係でウェーハ１がリング状定盤１３，２３に圧接し、設定条件下でウェーハ１がラッピングされる。ウェーハ１の表裏両面に接触して駆動ローラ３１，３１が双方で回転するため、ウェーハ１に自転トルクが与えられ姿勢が安定する。駆動ローラ３１は、加工進行に伴ってウェーハ１側に移動し、一定圧でウェーハ１の表面に押し付けられるようにすることが好ましい。
【０００９】
リング状定盤１３，２３は、ラップ面１４，２４の全域に渡って圧力を均一にするため、ウェーハ１の半径にほぼ対応する外径をもつことが好ましい。ラップ面１４，２４は幅を狭くした形状になっており、ラップ面１４，２４の内側に空洞部１５，２５が形成されている。通常、回転周速は半径に比例して外周側ほど大きくなり、ラッピングによる表面欠陥層の除去加工は圧力と周速度に比例する。そのため、周速度が遅い部分では摩耗も小さく、平面性が損なわれる。この点、本発明では、幅の狭いラップ面１４，２４を形成しているので、回転周速が近似され、内側及び外側共に均一化されたラッピング作用を呈する。
ラップ面１４，２４には、たとえば図３に示すパターンで溝１６，２６が刻設されている。基準軸１１及び移動軸２１に形成されている貫通孔１７，２７から砥粒懸濁スラリーＡが空洞部１５，２５に送り込まれ、ウェーハ１のラッピングに使用される。砥粒懸濁スラリーＡは、ラッピングで発生した加工屑と共に溝１６，２６及びリング状定盤１３，２３の外周部を経て外部に排出される。すなわち、砥粒懸濁スラリー及び加工屑は、リング状定盤１３，２３の回転による遠心力でリング状定盤１３，２３に形成されている放射状の溝１６，２６及び外周辺を経由して外部に排出される。
【００１０】
このように砥粒懸濁スラリーＡをリング状定盤１３，２３の空洞部１５，２５に送り込んだ後、ウェーハ１の表裏両面に供給される。供給された砥粒を介して表裏両側のリング状定盤１３，２３から同等の圧力が与えられることにより、ウェーハ１は表裏同様に加工される。このように、スラリーは溝１６，２６及び定盤１３，２３とウェーハ１の間隙を経由して系外に排出されるので、無駄を少なくしてスラリーの効率的な使用が可能になる。
ラップ面１４，２４には、必要に応じて適宜のコーティングを施すことができる。たとえば、クロスを貼り付けたラップ面１４，２４は、鏡面研磨に使用することも可能である。ウェーハ１のラップ仕上げは、使用する砥粒の種類や粒径に応じて調整される。
【００１１】
リング状の定盤１３，２３では、熱変形による影響も抑制される。すなわち、通常の平面定盤では熱変形が定盤直径の二乗に比例し且つ表裏の温度差にも比例して大きくなる。そのため、ラッピングしようとするウェーハの直径が大きくなるほど、僅かな加工熱で定盤が歪み、高精度の加工が困難になる。これに対し、定盤をリング状にするとき、熱により平坦度が損なわれることがなく、また高速回転した場合の発熱による影響も少なくなる。更に、平面定盤では加わる圧力変化（圧力加減）に定盤が変形する欠点があったが、リング状の定盤では、応力変形がラップ面に現れない。この点でも、高精度のラップ加工が可能になり、特に大型化したウェーハに適したものとなる。
【００１２】
砥粒には、粒度＃１２００〜４０００のＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，ダイヤモンド粒子等が使用される。極限まで微粒化したＳｉＯ_２等の砥粒を使用すると、鏡面加工することができる。また、微粒砥粒を懸濁させる液としてアルカリ等を使用すると、ウェーハ１のエッチングも同時に行うことが可能となる。
ラッピングに際しては、ウェーハ１をリング状定盤１３，２３のラップ面１４と２４との間に配置し、砥粒懸濁スラリーＡを貫通孔１７，２７からリング状定盤１３，２３の空洞部１５，２５に送り込む。リング状定盤１３，２３は、１５０ｇ／ｃｍ^２程度の押圧力でウェーハ１に押し付けられる。この状態で、リング状定盤１３をａ方向に、リング状定盤２３をｂ方向に、ウェーハ１をｄ方向に回転させながら、ウェーハ１の両面を同時にラップ面１４，２４でラッピングする。
【００１３】
ラッピングの進行に応じてラップ面１４，２４が摩耗するが、この摩耗量に応じて移動側ラップ機構２０及びウェーハ回転支持機構３０は圧力機構（図示せず）で自動的にｃ方向に移動する。そのため、ウェーハ１の表面に対するラップ面１４，２４の押圧状態に変動がなく、一定した条件下でウェーハ１が両面ラッピングされる。
圧力制御機構４０としては、たとえば図４に示す機構をもったものが使用される。この圧力制御機構４０は、加圧室４１にヘッド４２が収容されたピストン４３の脚部４４を回転動力軸受け４５に当接させている。
ウェーハ１をラッピングするとき、ラップ面が１４→１４’，２４→２４’（図５，図６）へと摩耗する量は毎回極微量である。そのため、ラップ面１４，２４に対するウェーハ１の接触面が移動する距離も極微量である。したがって、ガイドローラ３２を予め手動で移動させておくと、ガイドローラ３２の移動制御を必要とすることなく、リング状定盤１３，２３でウェーハ１を挟むことによりウェーハ１が所定位置に保持される。なお、移動側のリング状定盤２３は、ラッピングによるウェーハ１の厚み変化分（１Ｒ〜１Ｒ’，１Ｌ〜１Ｌ’：図５）＋αと６０〜１００μｍ移動するが、この移動はピストン４３で押される回転動力軸受け４５の移動で補償される。
【００１４】
この方式では、ウェーハ１の半径にほぼ等しい外径をもつリング状定盤１３，１４を使用して、ウェーハ１の両面を同時にラッピングしている。そのため、図１に示す従来のラップ法に比較して、大口径のウェーハ１をラッピングする場合であっても大きな定盤を必要とせず、装置の大型化を招くことがない。しかも、従来の定盤では摩耗による修正を行う必要があるが、本発明ではリング状定盤１３，２３で構成される平面が摩耗によって損なわれないため、修正が不要になる。そして、常に安定した面状態でウェーハ１がラッピングされるため、スライス時に発生した形状不良，加工歪み層等の欠陥が効率よく除去され、表面状態が良好な高品質のウェーハが得られる。
しかも、定盤を高速回転させてウェーハ面との相対速度を大きくする加圧状態では、ウェーハ上の定盤がスラリーの流体粘性によって浮上し、化学的作用を働かせることもできる。そのため、条件によっては、化学反応を伴った機械研磨も可能となる。勿論、低速回転，低圧状態での化学反応を抑えた機械研磨も可能である。
【００１５】
【実施例】
直径２００ｍｍのウェーハ１の両面に外径１０３ｍｍ，内径８３ｍｍのリング状定盤１３，２３を対向させ、押圧力２００ｇ／ｃｍ^２で押し付けた。砥粒としては、平均粒径１３μｍのＡｌ_２Ｏ_３を４００ｇ／ｌの割合で水に懸濁させたものを使用した。砥粒懸濁スラリーＡを０．００５ｍ^３／分の流量で貫通孔１７，２７からリング状定盤１３，２３の空洞部１５，２５に送り込みながら、リング状定盤１３，２３を５００ｒｐｍでそれぞれａ方向及びｂ方向に回転させ、ウェーハ１を２０ｒｐｍでｄ方向に回転させた。また、ラッピング中、ウェーハ１に対するリング状定盤１３，２３の押圧力を検出し、その押圧力を所定のプログラムシーケンスに従って調節した。
ラッピングを３分間継続した後、ウェーハ１をラップ装置から取り出し、ウェーハ１の両面を調査した。その結果、材料ＴＴＶ３０μｍをＴＴＶ１μｍに改善できた。また、材料ウェーハ面に存在するソーマークも完全に除去された。
【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、ウェーハ半径にほぼ等しいリング状定盤をウェーハの両面に押し付け、リング状定盤の空洞部に砥粒懸濁スラリーを送り込みながらウェーハの両面を同時にラッピングしている。そのため、ウェーハが大口径化してもラップ装置がそれほど大規模化することがない。しかも、移動側ラップ機構やウェーハ回転支持機構の移動量及びリング状定盤の回転速度を容易に制御でき、自動化が容易な装置となる。また、ラップ処理されたウェーハは、形状及び加工歪み層の均一性共に高品質の製品となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のラップ装置を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）
【図２】本発明に従ったラップ装置
【図３】溝を刻設したリング状定盤のラップ面
【図４】圧力制御機構のピストンに押されている回転動力軸受け
【図５】ラッピングにより減厚したウェーハとラップ面
【図６】ウェーハの減厚に応じて位置調整されるガイドローラ
【符号の説明】
１：ウェーハ２：キャリア３，４：ラップ盤５：砥粒１Ｒ：ラッピング前のウェーハ片面１Ｒ’：ラッピング後のウェーハ片面
１Ｌ：ラッピング前のウェーハ他面１Ｌ’：ラッピング後のウェーハ他面
１０：基準側ラップ機構２０：移動側ラップ機構１１：基準軸２１：移動軸１２，２２：柔軟性のある円盤１３，２３：リング状定盤
１４，２４：ラップ面１５，２５：空洞部１６，２６：溝１７，２７：貫通孔
３０：ウェーハ回転支持機構３１：駆動ローラ３２：ガイドローラ
４０：圧力制御機構４１：加圧室４２：ヘッド４３：ピストン
４４：脚部４５：回転動力軸受け
Ａ：砥粒懸濁スラリー

Claims

鉛直保持されたウェーハの表裏両面に摺擦する幅の狭い円周状ラップ面をもち、ウェーハの半径にほぼ等しい外径をもつ一対のリング状定盤を対向させてウェーハの中心から周辺に至る部分に押圧し、ウェーハ，リング状定盤で区画された空洞部にリング状定盤の軸に設けた貫通孔を介して砥粒懸濁スラリーを送り込みながらリング状定盤を互いに逆方向に回転させ、ラップ面に形成された溝を介して砥粒を供給し、溝及びラップ面を介して砥粒及び研削屑を排出することを特徴とするウェーハの両面ラップ方法。
片方のリング状定盤を基準側とし、ラップ面の摩耗に応じて他方のリング状定盤を基準側に移動させる請求項１記載の両面ラップ方法。
ガイドローラで周縁を支持しながら駆動ローラでウェーハを回転させる請求項１又は２記載の両面ラップ方法。
砥粒懸濁スラリーを供給する貫通孔が形成された基準軸の先端にリング状ラップ定盤を回転可能に設けた基準側ラップ機構と、砥粒懸濁スラリーを供給する貫通孔が形成された移動軸の先端にリング状ラップ定盤を回転可能に設けた移動側ラップ機構と、鉛直保持されたウェーハの表面に接触してウェーハを回転させる駆動ローラ及びウェーハの周縁に接触して回転中のウェーハを位置制御するガイドローラを備えたウェーハ回転支持機構からなり、リング状定盤のウェーハ表面に対向する側に内部から外部に至る放射状の溝をもつ幅の狭い円周状ラップ面が形成されており、基準側及び移動側のリング状定盤がウェーハの半径にほぼ等しい外径をもち、中心から周辺に至る表面部分のウェーハ両面に押圧され、ウェーハ，リング状定盤で区画された空洞部にリング状定盤の軸に設けた貫通孔を介して砥粒懸濁スラリーが送り込まれ、円周状ラップ面に形成された放射状の溝及びラップ面からリング状定盤の外へ送り出されることを特徴とするウェーハの両面ラップ装置。
ラップ面の摩耗に応じて基準側ラップ機構に向けて移動側ラップ機構及びウェーハ回転支持機構を移動させる移動機構を備えている請求項４記載の両面ラップ装置。