CN104411455B - 双面磨削装置及工件的双面磨削方法 - Google Patents

双面磨削装置及工件的双面磨削方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种双面磨削装置，其中，具有可自转的环状保持器，其沿径向从外周侧来支撑薄板状的工件；及，一对磨石，其同时磨削被该环状保持器所支撑的前述工件的两面；而且，所述双面磨削装置还具备静压轴承，该静压轴承根据由前述环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向所供给的流体的静压，由前述两个方向非接触支撑前述环状保持器；并且，所述双面磨削装置可分别独立地控制由平行于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力与由垂直于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力。由此，提供一种双面磨削装置及工件的双面磨削方法，可改善因工件批次或磨石而产生的纳米形貌的偏差，每次磨削时可稳定地获得高精度的纳米形貌。

Description

双面磨削装置及工件的双面磨削方法
技术领域
本发明涉及一种双面磨削装置及工件的双面磨削方法，所述双面磨削装置同时对半导体晶片、曝光原版用石英基板等薄板状工件的两面进行磨削。
背景技术
在采用以例如直径300mm为代表的大直径硅晶片(silicon wafer)的先进器件中，要求使被称为纳米形貌(nano-topography)的表面起伏成分较小。纳米形貌是晶片的表面形状的一种，其波长较弯曲、翘曲(warp)短且较表面粗糙度长，用以表示0.2～20mm的波长成分的凹凸；其PV值(峰值与谷值的差值，Peak to Valley)为0.1～0.2μm的极浅的起伏成分。此纳米形貌被认为会影响器件工序中的浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)工序的良率，对于成为器件基板的硅晶片，随着设计规则的微细化，而被严格地要求。
纳米形貌是在硅晶片的加工工序中产生的。尤其是在不具有基准面的加工方法中，例如线锯切断、双面磨削中，容易恶化，改善、管理线锯切断中的相对的钢线的弯曲、双面磨削中的晶片的歪曲(变形)是重要的。
此处，对先前的双面磨削方法进行说明。图10是表示先前的双面磨削装置的一个实例的概略图。
如图10所示，双面磨削装置101，具备：可自转的环状保持器102，其支撑薄板状的工件W；一对静压支撑构件103，其根据流体的静压，非接触支撑环状保持器102；及，一对磨石(grindstone)104，其同时磨削根据环状保持器102所支撑的工件W的两面。一对静压支撑构件103分别位于环状保持器102的侧面的两侧。磨石104被安装于马达112上，可进行高速旋转。
使用此双面磨削装置101，首先，根据环状保持器102，沿径向从外周面侧支撑工件W。然后，一边根据使环状保持器102自转，而使工件W自转，一边将流体供给至环状保持器102与各个静压支撑构件103之间，并根据流体的静压来支撑环状保持器102。如此一来，使用根据马达112而高速旋转的磨石104，来磨削工件W的两面，所述工件W一边被环状保持器102和静压支撑构件103支撑一边自转。
在先前的双面磨削中，使纳米形貌恶化的因素有多种，例如，如专利文献1中所述，已知环状保持器的沿自转轴的位置的错乱是重要的因素。因此，作为使环状保持器高精度地旋转的支撑方法，已知较优选为使用一种静压轴承，所述静压轴承是利用由环状保持器的自转轴方向和垂直于自转轴的方向这两个方向供给流体，而非接触支撑环状保持器(专利文献2)。
然而，即便使用此种静压轴承，仍然存在以下问题：纳米形貌可能恶化，无法稳定地获得高精度的纳米形貌。
[现有技术文献]
(专利文献)
专利文献1：日本特开2009-190125号公报
专利文献2：日本特开2011-161611号公报
发明内容
[发明所要解决的课题]
因此，本发明人对纳米形貌发生恶化的现象详细调查后发现：尤其是在原料工件的批次改变、或实施磨石更换后，发生纳米形貌显著改变的现象。
本发明是有鉴于如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种双面磨削装置及工件的双面磨削方法，所述双面磨削装置及工件的双面磨削方法可改善因工件批次或磨石而产生的纳米形貌的偏差，且每次磨削时可稳定地获得高精度的纳米形貌。
[解决课题的方法]
为了达成上述目的，根据本发明，提供一种双面磨削装置，其特征在于：具有可自转的环状保持器，其沿径向从外周侧来支撑薄板状的工件；及，一对磨石，其同时磨削被该环状保持器所支撑的前述工件的两面；而且，所述双面磨削装置还具备静压轴承，该静压轴承根据由前述环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向所供给的流体的静压，由前述两个方向非接触支撑前述环状保持器；并且，所述双面磨削装置可分别独立地控制由平行于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力与由垂直于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力。
若为此种双面磨削装置，则可独立地控制环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的支撑刚性，即使进行工件批次的变更或磨石更换，每次磨削时仍然可稳定地获得高精度的纳米形貌。
此时优选为，在由平行于前述自转轴的方向的一方向供给前述流体的状态下由另一方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性A；在由垂直于前述自转轴的方向供给前述流体的状态下由相反方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性B；此时，可控制前述流体的供给压力，使前述刚性A成为200gf/μm以下、前述刚性B成为800gf/μm以上。
若为此种双面磨削装置，则可确实且稳定地获得更高精度的纳米形貌。
又，根据本发明，提供一种工件的双面磨削方法，其特征在于：通过环状保持器沿径向从外周侧来支撑薄板状的工件并使其自转，通过一对磨石同时磨削被前述环状保持器所支撑的前述工件的两面；并且，由前述环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向，分别独立地控制供给压力并供给流体，一边利用静压轴承并根据前述所供给的流体的静压由前述两个方向非接触支撑前述环状保持器，一边同时磨削前述工件的两面。
若为此种方法，则可独立地控制环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的支撑刚性，即使进行工件批次的变更或磨石更换，每次磨削时仍然可稳定地获得高精度的纳米形貌。
又，此时优选为，在由平行于前述自转轴的方向的一方向供给前述流体的状态下由另一方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性A；在由垂直于前述自转轴的方向供给前述流体的状态下由相反方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性B；此时，控制前述流体的供给压力，使前述刚性A成为200gf/μm以下、前述刚性B成为800gf/μm以上。
如此一来，可确实且稳定地获得更高精度的纳米形貌。
[发明的效果]
本发明，因为在双面磨削装置中，由环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向，分别独立地控制供给压力并供给流体，一边利用静压轴承并根据所供给的流体的静压由前述两个方向非接触支撑环状保持器，一边同时磨削工件的两面，因此，可独立地控制环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的支撑刚性，即使进行工件批次的变更或磨石更换，每次磨削时仍然可稳定地获得高精度的纳米形貌。
附图说明
图1是表示本发明的双面磨削装置的一个实例的概略图。
图2是表示本发明的双面磨削装置的环状保持器的一个实例的概略图；
(A)是环状保持器的侧视图、(B)是环状保持器的载具的侧视图。
图3是说明根据静压轴承来支撑环状保持器的方法的说明图。
图4是说明供给的流体的供给压力的调整方法的说明图。
图5是表示实施例1的结果的图。
图6是表示实施例2的结果的图。
图7是表示实施例3的结果的图。
图8是表示实施例4的结果的图。
图9是表示比较例的结果的图。
图10是表示先前的双面磨削装置的一个实例的概略图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式加以说明，但本发明并非限定于此实施方式。
根据本发明人的调查可知：如上所述，作为纳米形貌恶化的重要因素，存在原料工件或所使用的磨石的影响。并且，本发明人在将静压轴承方式用于环状保持器的支撑的方法中，针对降低原料工件或所使用的磨石的影响的方法，反复努力研究。其结果，发现以下事项。
认为在先前的双面磨削中，因原料工件的形状或表面和背面的表面粗糙度及左右两边的磨石的自动磨锐(self-sharpening)等的差异，而使左右两面的磨削状态有所不同，工件一边受到来自左右两边的复杂的力一边进行磨削。因此，认为每次磨削加工时左右两边的力的平衡性协调的工件旋转面有微妙的不同，此工件旋转面相对于的环状保持器的旋转面的背离会产生局部的加工压力差，而导致微小的纳米形貌发生恶化。
为了防止此纳米形貌的恶化，认为以下操作较为有效：降低环状保持器的平行于自转轴的方向的支撑刚性并提高支撑的自由度，由此，使环状保持器可相对于工件旋转面而跟着旋转，结果可消除局部的加工压力差，其中，所述工件旋转面，每次磨削加工时左右不同的力的平衡性协调。
但是，在先前的静压轴承中，因为是以下述方式构成：将由环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向供给的流体，由1个供给源供给，且该供给压力全部相同。因此，根据提高环状保持器的平行于自转轴的方向的支撑的自由度，其垂直于自转轴的方向的支撑刚性也同时降低。因此，导致易于发生垂直于环状保持器的自转轴的方向的偏心旋转，而妨碍稳定的磨削加工。
因此，在本发明中，利用使由环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向所供给的流体，可分别独立地供给，也就是说，使供给压力可独立地控制，若以此种方式构成，则可提高平行于自转轴的方向的支撑的自由度，并且一边维持垂直于自转轴的方向的支撑刚性，一边进行磨削，其结果为，可稳定地获得更高精度的纳米形貌。
本发明人基于此研究结果，进一步对实施这些所需的最佳方式加以详查，而完成本发明。
首先，对本发明的双面磨削装置加以说明。
如图1所示，本发明的双面磨削装置1，主要具备：环状保持器2，其支撑工件W；静压轴承3，其根据流体的静压来非接触支撑环状保持器2；及，一对磨石4，其同时磨削工件W的两面(左面和右面)。
环状保持器2沿径向从外周侧来支撑工件W，可绕着自转轴作自转。如图2(A)所示，环状保持器2是由下述构件所构成：载具(carrier)5，其中央具有用于插入并支撑晶片W的保持孔；保持器部6，其安装载具5；及，环部7，其用于将所安装的载具5压住。如图2(A)、图2(B)所示，载具5上设置有安装孔8，所述安装孔8用于以螺丝等来安装保持器部6。
配设有连接于保持器用马达9上的驱动齿轮10，以使环状保持器2自转。驱动齿轮10与内齿轮部11啮合，根据以保持器用马达9使驱动齿轮10旋转，可通过内齿轮部11来使环状保持器2自转。
又，如图2(A)所示，在载具5的保持孔的边缘部，形成有朝向内侧突出的突起14。此突起与工件W的周边部上所形成的被称为凹槽(notch)的切口的形状相配合，可将环状保持器2的旋转动作传达至工件W。
环状保持器2，可被静压轴承3支撑而高精度地旋转。
此处，对静压轴承3加以描述。如图3所示，静压轴承3是由以下构件所构成：轴承部3a，其与环状保持器2的两边的侧面相对向地配置；及，轴承部3b，其与环状保持器2的外周面相对向地配置。在轴承部3a上，设置有用于对环状保持器2的两边的侧面供给流体的供给孔；在轴承部3b上，设置有用于对外周面供给流体的供给孔。
如图3所示，经由这些供给孔，由流体供给手段20，将流体13a由环状保持器2的平行于自转轴的方向供给至环状保持器2的侧面与轴承部3a之间，并将流体13b由垂直于自转轴的方向供给至环状保持器2的外周面与轴承部3b之间。
如此一来，根据所供给的流体的静压，轴承部3a由环状保持器2的平行于自转轴的方向，并且，轴承部3b由垂直于环状保持器2的自转轴方向的方向，以非接触的状态来支撑环状保持器2。
流体供给手段20以下述方式构成：可分别独立地控制由平行于自转轴的方向所供给的流体13a的供给压力、与由垂直于自转轴的方向所供给的流体13b的供给压力。除此以外，流体供给手段20并无特别限定，例如，可在流体的供给路径上设置压力调整阀以分别调整供给压力、或设置完全独立的2个流体供给手段。作为此处供给至静压轴承3的流体，并无特别限定，可使用例如水或空气等。
如图1所示，磨石4连接于磨石用马达12，可高速旋转。此处，磨石4并无特别限定，可使用与先前相同的磨石。例如，可使用平均磨粒粒径为4μm且编号#3000的磨粒。并且，可使用编号#6000～8000的大编号的磨粒。作为此例，可列举由平均粒径1μm以下的金刚石磨粒与玻璃化熔结(vitrified bond)材料所构成的磨石。
若为此种双面磨削装置1，可利用分别独立地控制供给至静压轴承3的流体的供给压力，而独立地控制环状保持器2的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的刚性。因此，可降低环状保持器2的由平行于自转轴的方向所供给的流体的供给压力，以降低此方向的环状保持器2的刚性，也即，提高支撑的自由度，并且同时提高环状保持器2的由垂直于自转轴的方向所供给的流体的供给压力，以使此方向的环状保持器2维持足够高的刚性，在此状态下来支撑环状保持器2。若如此地支撑环状保持器2，则可在磨削加工过程中抑制局部的压力差，即使进行工件批次的变更或磨石更换，每次磨削时仍然可稳定地获得高精度的纳米形貌。
此处，关于上述刚性的定义，在由平行于自转轴的方向的一方向供给流体的状态下，由另一方向对环状保持器2施加负荷，测定环状保持器2的位移量，并将测定时的负荷/位移量(gf/μm)作为平行于自转轴的方向的刚性A。又，在由垂直于自转轴的方向供给流体的状态下，由相反方向对环状保持器2施加负荷，测定环状保持器2的位移量，并将测定时的负荷/位移量(gf/μm)作为垂直于自转轴的方向的刚性B。
优选为，流体供给手段20可控制流体的供给压力，使刚性A为200gf/μm以下，刚性B为800gf/μm以上。
若为此种流体供给手段，则可更确实地抑制上述局部的压力差，而可确实且稳定地获得更高精度的纳米形貌。
再者，若并未使用特别的增压手段，则供给水压通常为0.30Mpa左右，此时的刚性的上限为1500gf/μm左右。又，虽然取决于环状保持器的重量，但为了作为静压轴承而发挥作用，要求具有50gf/μm以上的刚性。
然后，对本发明的工件的双面磨削方法加以说明。此处，对使用图1至图3中所示的本发明的双面磨削装置1的情况，加以说明。
首先，根据环状保持器2，沿径向从外周侧来支撑例如硅晶片等薄板状的工件W。如上所述地配置用于支撑此环状保持器2的静压轴承3，也即，使轴承部3a与环状保持器2的两边的侧面相对向，并使轴承部3b与环状保持器2的外周面相对向。
然后，经由静压轴承3的供给孔，由流体供给手段20，将流体由环状保持器2的平行于自转轴的方向供给至环状保持器2的侧面与轴承部3a之间，并将流体由垂直于自转轴的方向供给至环状保持器2的外周面与轴承部3b之间。根据这些供给的流体的静压，轴承部3a由环状保持器2的平行于自转轴的方向，并且，轴承部3b由环状保持器2的垂直于自转轴方向的方向，以非接触的状态来支撑环状保持器2。
如此一来，根据静压轴承3，由环状保持器2的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向，来支撑环状保持器2，并且一边根据保持器用马达9使环状保持器2自转，一边根据磨石用马达12使磨石4旋转，来同时磨削工件W的两面。
根据本发明的工件的双面磨削方法，与上述本发明的双面磨削装置的说明相同地，因为可独立控制环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的刚性，因此，可使环状保持器2在垂直于自转轴的方向上维持足够高的刚性，并且可提高环状保持器2的平行于自转轴的方向的支撑的自由度，以在磨削加工过程中抑制局部的压力差。其结果为，即使进行工件批次的变更或磨石更换，每次磨削时仍然可稳定地获得高精度的纳米形貌。
此时，可利用调整所供给的流体的供给压力，而容易地控制环状保持器的刚性。具体而言，若提高供给压力则可使刚性变高，若降低供给压力则可使刚性变低。例如，优选的流体的供给压力，为分别使上述平行于自转轴的方向的刚性A成为200gf/μm以下，使垂直于自转轴的方向的刚性B成为800gf/μm以上。
如此一来，可确实且稳定地获得更高精度的纳米形貌。
[实施例]
以下，示出本发明的实施例和比较例，更为具体地说明本发明，但本发明并非限定于这些实施例。
(实施例1至4)
使用图1中所示的本发明的双面磨削装置1，进行直径300mm的硅晶片的双面磨削。使用由玻璃化熔结材料所构成的SD#3000磨石(日本联合材料股份有限公司(A.L.M.T.)制造的玻璃化磨石)来作为磨石。磨削量为40μm。使用水来作为用于支撑环状保持器的流体。
将供给至环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向的流体的供给压力，进行如下调整。
如图4所示，为了测定环状保持器的位移量，而设置涡电流式的传感器21、22。并且，根据测力计(force gauge)由传感器的相反侧施加10～30牛顿(N)的负荷，调整对于静压轴承的各个供给水压，以使根据负荷/位移量(gf/μm)计算出来的刚性A和刚性B成为所需值。
在各实施例1至4中，使刚性B为1200gf/μm(实施例1)、800gf/μm(实施例2)、600gf/μm(实施例3)、400gf/μm(实施例4)，并使刚性A变化，进行硅晶片的双面磨削，并评估双面磨削后的纳米形貌。
[比较例]
使用先前的双面磨削装置，该双面磨削装置无法分别独立地控制由环状保持器的平行于自转轴的方向与垂直于自转轴的方向这两个方向供给的流体，使由两个方向供给的流体的供给压力相同，除此以外，在与实施例1相同的条件下，进行硅晶片的双面磨削。然后，使供给压力变化，与实施例1相同地评估双面磨削后的纳米形貌。
(实施例1至4与比较例的结果)
实施例1至4的结果分别示于图5至图8中，比较例的结果示于图9中。
如图5至图8所示，可知在实施例1至4中的任一实施例中，根据使刚性A小于刚性B，纳米形貌得以被改善。尤其如图5、图6所示，可知当刚性B为800gf/μm以上时，若刚性A变为200gf/μm以下，相较于比较例的结果，纳米形貌大为改善。关于此倾向，在实施例1与实施例2中未见明显差异，表示出同等的改善效果。
又，在实施例1至4中，即使进行工件批次的变更或磨石更换，纳米形貌也未恶化。
相对于此，在比较例中，如图9所示，可知即使改变刚性A和B，依然未见纳米形貌的改善，若变为200gf/μm以下，纳米形貌会有恶化的倾向。
如上所述，可确认以下事项：本发明的双面磨削装置及工件的双面磨削方法，可改善因工件批次或磨石而产生的纳米形貌的偏差，且每次磨削时可稳定地获得高精度的纳米形貌。尤其可知以下事项：使刚性A成为200gf/μm以下、刚性B成为800gf/μm以上的流体的供给压力，即为本发明中的适合条件。
再者，本发明并非限定于上述实施方式。上述实施方式为例示，凡是具有与本发明的权利要求书中所记载的技术思想实质上相同的构成且起到同样的作用效果的技术方案，均包含于本发明的技术范围内。

Claims (4)

1.一种双面磨削装置，其特征在于：
具有可自转的环状保持器，其沿径向从外周侧来支撑薄板状的工件；及，一对磨石，其同时磨削被该环状保持器所支撑的前述工件的两面；
而且，所述双面磨削装置还具备静压轴承，该静压轴承根据由前述环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向所供给的流体的静压，由前述两个方向非接触支撑前述环状保持器；并且，所述双面磨削装置可分别独立地控制由平行于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力与由垂直于前述自转轴的方向所供给的流体的供给压力。
2.如权利要求1所述的双面磨削装置，其中，在由平行于前述自转轴的方向的一方向供给前述流体的状态下由另一方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性A；在由垂直于前述自转轴的方向供给前述流体的状态下由相反方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性B；此时，可控制前述流体的供给压力，使前述刚性A成为200gf/μm以下、前述刚性B成为800gf/μm以上。
3.一种工件的双面磨削方法，其特征在于：
通过环状保持器沿径向从外周侧来支撑薄板状的工件并使其自转，通过一对磨石同时磨削被前述环状保持器所支撑的前述工件的两面；
并且，由前述环状保持器的平行于自转轴的方向和垂直于自转轴的方向这两个方向，分别独立地控制供给压力并供给流体，一边利用静压轴承并根据前述所供给的流体的静压由前述两个方向非接触支撑前述环状保持器，一边同时磨削前述工件的两面。
4.如权利要求3所述的工件的双面磨削方法，其中，在由平行于前述自转轴的方向的一方向供给前述流体的状态下由另一方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性A；在由垂直于前述自转轴的方向供给前述流体的状态下由相反方向对前述环状保持器施加负荷，并将此时的负荷/位移量作为刚性B；此时，控制前述流体的供给压力，使前述刚性A成为200gf/μm以下、前述刚性B成为800gf/μm以上。
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