JP7451241B2

JP7451241B2 - 加工装置

Info

Publication number: JP7451241B2
Application number: JP2020044142A
Authority: JP
Inventors: 正村里
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-03-18
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2024059984A; JP2021142627A

Description

本発明は、非円形状のワークを加工する加工装置に関する。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ワーク」という）を薄膜に形成するために、ワークの裏面を研削する裏面研削が行われている。

ワークの裏面研削を行う加工装置として、特許文献１に示すように、下端に砥石が取り付けられたスピンドル送り機構が定圧シリンダに吊設され、ワークに切り込ませた砥石に作用する摩擦力が所定値より高い場合に、定圧シリンダが、スピンドル及びスピンドル送り機構を鉛直方向に上昇させるものが知られている。

このような研削盤では、砥石に作用する摩擦力が過大となる場合に、定圧シリンダが、スピンドルとスピンドル送り機構とを一時的に上昇させるため、砥石とワークとが過度に接触しない状態でワークが延性モード研削されるため、ワークにダメージを与えることなく安定して研削することができる。

特許第６０３０２６５号公報

ところで、図８に示すように、シリコンウェハ等のワークＷでは、結晶欠陥が少なくなるように、１～４度程度のオフ角を付けてエピタキシャル膜を形成しており、ワークＷ表面は、｛０００１｝面（基底面）に対してオフ角の角度だけ傾斜している。

このようなワークＷをインフィード研削する場合、すなわち、図９に示すように、砥石１００及びチャック１０１に保持されたワークＷをそれぞれ回転させた状態で砥石１００をワークＷに押し付けて研削する場合には、砥石１００がワークＷ表面に対してあらゆる角度から切り込むため、砥石１００がワークＷのステップに滑らかに切り込む（砥石が、オフセット方向の上流側から下流側に向かって切り込む）ときの研削抵抗は、砥石がワークのステップに引っかかるように切り込む（砥石が、オフセット方向の下流側から上流側に向かって切り込む）ときの研削抵抗より小さいため、ワークＷ面内においてオフセット方向の上流側が下流側より薄くなりがちで、加工後のワークに厚みばらつきが生じるという問題があった。

そこで、ワークを所望の厚みに加工するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る加工装置は、ワークを砥石で平面加工する加工装置であって、前記ワークを吸着保持可能な吸着体と、前記吸着体を上面に設けた回転テーブルと、を備え、前記吸着体の中心が、前記回転テーブルの回転中心から所定距離だけオフセットして配置され、前記ワークが、前記回転テーブルの回転中心から前記ワークのオフセット方向の上流側に偏心した状態で前記吸着体に吸着保持され、前記砥石及び前記ワークをそれぞれ回転させながら前記砥石を前記ワークに押し付けて前記ワークを平面加工する際に、前記ワークが、前記回転テーブルの回転中心に対してオフセット方向の上流側に偏心した状態で前記回転テーブルの回転中心回りに回転する。

この構成によれば、ワークが回転テーブルの回転中心からオフセット方向の上流側に偏心された状態で研削され、砥石とワークとの接触面積が変動することに起因してワークのオフセット方向の下流側が上流側に比べて大研削量で研削されることにより、ワークのオフセット方向の下流側が上流側に比べて厚くなりがちな研削量のバラつきが相殺されるため、加工後のワークの厚みバラつきを軽減することができる。

本発明は、ワークのオフセット方向の下流側が上流側に比べて厚くなりがちな研削量のバラつきが相殺されるため、加工後のワークの厚みバラつきを軽減することができる。

本発明の一実施形態に係る研削装置を示す斜視図。図１に示すメインユニットの平面図。図１に示すメインユニットの側面図。チャック及びワークを示す平面図。砥石がワーク表面に切り込む向きを示す模式図。ワーク内の２箇所におけるワークと砥石との接触面積を比較した平面図。ワークが研削される様子を示す図。ワーク表面の結晶構造を示す模式図。従来の研削装置で研削した後のワークを示す平面図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。

研削装置１は、ワークＷを研削して薄膜に形成するものである。研削装置１を用いて研削加工が施されるワークＷは、シリコンウェハ等が好適であるが、これらに限定されるものではない。

研削装置１は、砥石２１を備えるメインユニット２と、メインユニット２の下方に配置された搬送ユニット３と、を備えている。

メインユニット２は、アーチ状のコラム２２と、砥石２１が取り付けられた砥石スピンドル２３と、砥石スピンドル２３を鉛直方向Ｖに摺動可能に支持する３つのリニアガイド２４と、砥石スピンドル２３を鉛直方向Ｖに昇降させるスピンドル送り機構２５と、を備えている。

砥石スピンドル２３は、コラム２２の前面２２ａに鉛直方向Ｖに亘って凹設された溝２２ｂ内に収容されている。砥石スピンドル２３は、砥石２１を下端に取り付けたサドル２３ａと、サドル２３ａ内に設けられて砥石２１を回転させる図示しないモータと、を備えている。

リニアガイド２４は、鉛直方向Ｖに沿って昇降するサドル２３ａの案内レールであり、２つの前方リニアガイド２４ａと、１つの後方リニアガイド２４ｂと、で構成される。

前方リニアガイド２４ａは、コラム２２の前方で溝２２ｂの縁部に配置され、鉛直方向Ｖに沿って互いに平行に設けられている。また、前方リニアガイド２４ａには、サドル２３ａが直接取り付けられている。

後方リニアガイド２４ｂは、溝２２ｂの底部に鉛直方向Ｖに沿って互いに平行に設けられている。また、後方リニアガイド２４ｂには、後述するナット２５ａを介して、サドル２３ａが取り付けられている。

前方リニアガイド２４ａと後方リニアガイド２４ｂとは、図３に示すように、平面視で砥石スピンドル２３の重心Ｇが前方リニアガイド２４ａ及び後方リニアガイド２４ｂで形成される三角形Ｔ内に配置されるように、互いに離間して配置されている。

スピンドル送り機構２５は、サドル２３ａと後方リニアガイド２４ｂとを連結するナット２５ａと、ナット２５ａを昇降させるボールネジ２５ｂと、ボールネジ２５ｂを回転させるモータ２５ｃと、を備えている。

モータ２５ｃが駆動してボールネジ２５ｂが回転すると、ナット２５ａが鉛直方向Ｖと平行なボールネジ２５ｂの送り込み方向Ｄ１にスライドすることにより、サドル２３ａが下降する。

メインユニット２には、エアシリンダ２６が設けられている。エアシリンダ２６は、スピンドル送り機構２５を挟んで水平方向Ｈの両側に１つずつ設けられている。エアシリンダ２６は、図示しないシリンダ、ピストン、ピストンロッド、コンプレッサ等から成る公知の構成である。

エアシリンダ２６の駆動圧は、砥石２１がワークＷの臨界切り込み深さ（Ｄｃ値）だけ切り込んだ際に砥石２１に作用する摩擦力に対応した値以下に設定される。Ｄｃ値は、ワークＷの材料毎に異なり、例えば、シリコンウェハで０．０９μｍ、シリコンカーバイドウェハで０．１５μｍである。さらに、エアシリンダ２６に供給される圧縮空気の圧力（空気圧）を加減することにより、エアシリンダ２６がスピンドル送り機構２５を介して砥石２１をワークＷに押し付ける押圧力を調整して、砥石２１の鉛直方向Ｖにおける位置（高さ位置）を昇降できる。

エアシリンダ２６は、砥石スピンドル２３及びスピンドル送り機構２５を溝２２ｂ内で吊設しており、エアシリンダ２６のピストンロッドが、モータ２５ｃに連結されている。エアシリンダ２６がスピンドル送り機構２５を挟んで水平方向Ｈの両側に設けられることにより、スピンドル送り機構２５が昇降する際にスピンドル送り機構２５が水平方向Ｈに傾くことが抑制される。

搬送ユニット３は、ワークＷを吸着保持可能なチャック３１と、チャック３１を載置するスライダ３２と、を備えている。

チャック３１は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる吸着体３３と、吸着体３３を略中央に埋設する緻密体の回転テーブル３４と、を備えている。チャック３１は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、吸着体３３に載置されたワークＷが吸着体３３に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ワークＷと吸着体３３との吸着が解除される。

スライダ３２は、図示しないスライダ駆動機構によってレール３５上を摺動可能であり、これにより、チャック３１とスライダ３２とは、搬送方向Ｄ２に一体になってスライドするようになっている。

吸着体３３は、平面から視てワークＷに応じた形状に形成されている。また、回転テーブル３４は、平面から視て略円形状に形成されているが、回転テーブル３４の形状はこれに限定されるものではない。また、チャック３１は、図示しないサーボモータによってチャック３１の回転中心Ｏ１を通る鉛直軸回りに回動可能である。

図４に示すように、吸着体３３が、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１から偏心しており、すなわち、平面から視て、吸着体３３の中心Ｏ２が、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１から所定距離だけオフセットして配置されている。なお、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１と吸着体３３の中心Ｏ２とのオフセット量は、任意に変更可能である。

吸着体３３が回転テーブル３４の回転中心Ｏ１からオフセットされる向きは、ワークＷのオフセット方向Ｄ３の上流側である。なお、「オフセット方向Ｄ３」とは、図５に示すように、ワークＷの｛０００１｝面の法線ベクトルｐを平面上に投影したベクトルの先端から基端に向く向きを意味する。また、「オフセット方向Ｄ３の上流側」とは、ワークＷの｛０００１｝面の法線ベクトルｐを平面上に投影した法線ベクトルｐの先端が向いている側を意味する。また、以下、「オフセット方向Ｄ３の下流側」とは、ワークＷの｛０００１｝面の法線ベクトルｐを平面上に投影した法線ベクトルｐの先端が向いている向きとは反対向きの側を意味する。

吸着体３３の中心Ｏ２が、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１からオフセットして配置されていることにより、ワークＷ内の研削量が局所的に増減する。例えば、図６に示すように、砥石２１の加工面が比較的広範囲に亘ってワークＷに接触する領域Ｓ１と、砥石２１の加工面が比較的小面積でワークＷに接触する領域Ｓ２とを比較すると、領域Ｓ１が領域Ｓ２より広い。

そして、砥石２１をワークＷに全面に亘って一様に接触させた場合、ワークＷと砥石２１との接触面積が増大するにつれて、ワークＷの研削量が減少して研削加工後のワークＷは厚くなる。したがって、図６に示す領域Ｓ１、Ｓ２内の厚みを比較すると、研削加工後のワークＷでは、領域Ｓ１の方が領域Ｓ２より厚くなる。

このようにして、チャック３１上に真空吸着されたワークＷは、研削加工前に、スライダ３２によって砥石２１の下方まで搬入され、研削加工後に、砥石２１の下方からメインユニット２の後方まで搬出される。

研削装置１には、ワークＷの厚みを計測するインプロセスゲージ４が設けられている。インプロセスゲージ４は、加工中にワークＷの厚みを計測する。

研削装置１の動作は、制御装置５によって制御される。制御装置５は、研削装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置５は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置５の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、研削装置１を用いてワークＷを研削加工する手順について説明する。

まず、公知のＸ線回析装置を用いて、ワークＷのオフセット方向Ｄ３を測定する。

次に、ワークＷを回転テーブル３４の回転中心Ｏ１に対してオフセット方向Ｄ３の上流側に偏心して状態でチャック３１に吸着保持させる。また、ボールネジ２５ｂを正回転させ、ナット２５ａ及びサドル２３ａを送り込み方向Ｄ１にスライドさせて、砥石２１をワークＷの近傍まで下降させる。

次に、砥石２１及びチャック３１をそれぞれ回転させる。例えば、砥石スピンドル２３の回転速度は２０００ｒｐｍ、チャック３１の回転速度は３００ｒｐｍに設定される。砥石２１の番手は、例えば＃８０００である。

スピンドル送り機構２５が砥石スピンドル２３をワークＷに接近させ、砥石２１がワークＷに着座した状態から研削加工を開始する。例えば、スピンドル送り機構２５の送り速度は０．４μｍ／ｓに設定される。

研削加工は、砥石２１の砥粒が研削加工中にワークＷに過剰に接触しない、いわゆるフローティングした状態でワークＷを延性モード研削することで行われる。

具体的には、砥石スピンドル２３が自重（例えば、２０ｋｇ）で砥石２１をワークＷに押し付けながら研削加工を行い、砥石２１に作用する摩擦力がピストンロッドに伝わると、エアシリンダ２６のシリンダ内に充填された圧縮空気を押し戻すようにピストンを上昇させる。したがって、砥石２１が所望の研削量（例えば、Ｄｃ値）より深く切り込もうとして、砥石２１に作用する摩擦力が過大になる場合、砥石スピンドル２３及びスピンドル送り機構２５が一時的に上昇する。これにより、砥石２１がＤｃ値以上に切り込むことが抑制される。

ところで、砥石２１及びワークＷをそれぞれ回転させながら砥石２１をワークＷに押し付けてワークＷを研削加工するインフィード研削では、ワークＷの結晶構造に起因してオフセット方向Ｄ３の上流側が下流側に比べて薄くなりがちで、加工後のワークＷに厚みバラつきが生じることがある。

しかしながら、ワークＷが、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１に対してオフセット方向Ｄ３の上流側に偏心した状態で、回転テーブル３４の回転中心Ｏ１周りに回転することにより、砥石２１とワークＷとの接触面積がチャック３１の回転角度に応じて変化することにより、上述したワークＷの厚みバラつきが軽減される。

具体的には、図７（ａ）～（ｄ）に示すように、チャック３１の回転角度をΘ度、（Θ＋９０）度、（Θ＋１８０）度、（Θ＋２７０）度と変化させた場合の砥石２１とワークＷとの接触面積（図７中の矢印で示す範囲）を比較すると、チャック３１の回転角度Θ度のとき、砥石２１とワークＷとの接触面積が最も広いため、ワークＷの研削量が最小となる。

一方、チャック３１の回転角度が（Θ＋１８０）度のとき、砥石２１とワークＷとの接触面積が最も狭いため、ワークＷの研削量が最大となる。すなわち、ワークＷの研削量が局所的に増える範囲が、ワークＷのオフセット方向Ｄ３の下流側に設定されている。なお、図中の矢印（ａ）～（ｄ）は、図７（ａ）～（ｄ）における砥石２１がワークＷに切り込む向きを示している。

このようにして、ワークＷの結晶構造に起因する研削量のバラつきを相殺するように、砥石２１とワークＷとの接触面積の変化に応じて研削量が増減することにより、ワークＷの厚みバラつきを軽減することができる。

そして、インプロセスゲージ４の測定値がワークＷの仕上げ厚みに達すると、ボールネジ２５ｂを逆回転させて、ナット２５ａ及びサドル２３ａを上昇させることにより、砥石２１をワークＷから離間させて、研削加工を終了する。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１：研削装置
２：メインユニット
２１：砥石
２２：コラム
２２ａ：前面
２２ｂ：溝
２３：砥石スピンドル
２３ａ：サドル
２４：リニアガイド
２４ａ：前方リニアガイド
２４ｂ：後方リニアガイド
２５：スピンドル送り機構
２５ａ：ナット
２５ｂ：ボールネジ
２５ｃ：モータ
２６：エアシリンダ
３：搬送ユニット
３１：チャック
３２：スライダ
３３：吸着体
３４：回転テーブル
３５：レール
４：インプロセスゲージ
５：制御装置
Ｗ：ワーク

Claims

ワークを砥石で平面加工する加工装置であって、
前記ワークを吸着保持可能な吸着体と、
前記吸着体を上面に設けた回転テーブルと、
を備え、
前記吸着体の中心が、前記回転テーブルの回転中心から所定距離だけオフセットして配置され、
前記ワークが、前記回転テーブルの回転中心から前記ワークのオフセット方向の上流側に偏心した状態で前記吸着体に吸着保持され、
前記砥石及び前記ワークをそれぞれ回転させながら前記砥石を前記ワークに押し付けて前記ワークを平面加工する際に、前記ワークが、前記回転テーブルの回転中心に対してオフセット方向の上流側に偏心した状態で前記回転テーブルの回転中心回りに回転することを特徴とする加工装置。