JP2001030160A - 単結晶シリコンのラッピング球およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 後工程の加工歪みによっても、半導体回路基
盤等に用いるシリコン球として必要な条件を充足したも
のに仕上げることのできるシリコンのラッピング球、お
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 この単結晶シリコンのラッピング球は、
真球度が０．０８μｍ以下で、残留応力層が正負の深さ
方向の片側で５μｍ以下とする。このラッピング球製造
方法は、砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤で構成される
対面する一対のラップ定盤２，３を用いる。このラップ
定盤２，３間で単結晶シリコンのワークＷをラッピング
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体回路の基
盤や太陽電池等として用いられるシリコン球の仕上げ加
工前のラッピング球、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】近年、次
世代の半導体技術として、球状シリコン半導体が脚光を
集めている。従来の平面シリコンウェハーを球状化する
利点としては、膨大な設備投資の抑制による製造コスト
削減や、比表面積の大きい球面を使用することによるシ
リコン素材の有効利用が挙げられる。球状シリコンを半
導体回路基盤として使用するには、シリコンウェハー並
みの表面性状と高い形状精度とが要求される。しかし、
このような要求を満足する球状シリコン、およびその実
用的な製造方法は、いまだ得られていない。

【０００３】球状体の形状精度を上げるためには、通常
は定盤加工を行うが、一般的に用いられる鋳物や炭素鋼
等の金属定盤でシリコン球の加工を行うと、非常に微細
な砥粒を使用しても表面粗さが改善されない。この理由
として、金属定盤加工では、シリコン球が定盤や砥粒か
ら受ける加工力が大きいこと、またシリコン球と定盤が
凝着を起こすことが考えられる。

【０００４】上記問題を改善するため、本発明者等は、
アルカリ溶液を用いたラッピング加工や、定盤材料とし
て樹脂材料を使用するラッピング加工を提案した。しか
しながら、これらの方法を用いても、十分な形状精度や
表面性状を得るに至っていないのが現状である。すなわ
ち、アルカリ溶液による加工は、溶解作用を利用する
が、化学反応がワーク上で均一に起こるため、形状補正
には限界がある。また、アルカリ濃度によって制御する
表面粗さにも限界があり、小さい表面粗さを得るには溶
液濃度を下げる必要があるが、ある程度以上に濃度が低
くなると、ほとんど加工が進まなくなる。樹脂定盤加工
の場合、シリコン球が定盤や埋め込まれた砥粒から受け
る加工力は、樹脂の弾性変形により緩和されるため、球
表面を強く傷つけることがなく、またワークと定盤との
凝着が起こらないため、表面粗さの向上が期待できる。
しかしながら、この樹脂の弾性変形のために形状精度向
上には限界がある。また、より小さな表面粗さを得るた
めに細かい研磨粒を利用すると、砥粒が加工に殆ど作用
しなくなり、その結果、加工が殆ど進まなくなる。

【０００５】さらに、ウェハー並の表面性状を得るため
に、ラッピング終了の後、ポリッシングを行い、表面粗
さの改善と同時にラッピングによる結晶歪みや残留応力
を取り除く必要があるが、前述のラッピング方法では、
結晶歪みや残留応力が大きくて、ポリッシング工程の取
代が多くなり、ポリッシング後の形状劣化の原因となっ
てしまう。

【０００６】すなわち、ラッピング工程の後工程である
ポリッシング工程は、ラッピングの欠陥や残留応力層を
取り除き、結晶欠陥や残留応力のない表面を作り出すこ
とが目的であるが、ＣＭＰ（化学的機械研磨）を利用す
るこの工程では、結晶方位による化学的作用の相違か
ら、真球度等の形状精度は劣化して行く。

【０００７】この発明の目的は、後工程のポリッシング
工程等において、半導体回路基盤等に用いるシリコン球
として必要な条件を充足したものに容易に仕上げること
のできる単結晶シリコンのラッピング球を提供すること
である。この発明の他の目的は、このような真球度、表
面性状の単結晶シリコンのラッピング球を容易に製造で
きる製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の単結晶シリコ
ンのラッピング球は、真球度が０．０８μｍ以下で、残
留応力層が、加工表面からの正負の深さ方向の片側で５
μｍ以下であることを特徴とする。このラッピング球
は、後にポリッシング等の後工程で球状の半導体回路基
盤等に仕上げられ、半導体回路素子等とされる。ラッピ
ング段階で真球度が上記の０．０８μｍ以下という数値
を満たさない場合、ポリッシング後の形状劣化の度合い
が、真球度が良い場合に比べて大きくなる。また、残留
応力層が片側５μｍという数値を満たさない場合、ポリ
ッシング加工時間や加工量が増え、結果として上記数値
を満たしている場合に比べてポリッシング後の形状精度
の低下が大きくなる。ポリッシング後の形状精度は、そ
れ以後のＩＣ製造プロセスに重大な影響を及ぼす。例と
して、形状が悪いために露光焦点が合わず、設計パター
ン通りに集積回路が形成されずに、ＩＣの動作不良が起
こることなどが挙げられる。したがって、ポリッシング
後の形状精度に影響を与えるラッピング球の真球度、残
留応力層の管理が必要であり、上記の条件を満たす必要
がある。

【０００９】この発明の単結晶シリコンのラッピング球
の製造方法は、砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤で構成
される対面する一対のラップ定盤を用い、このラップ定
盤間で単結晶シリコンの素材をラッピングする方法であ
る。このように定盤として、砥粒を樹脂ボンドで固定し
たものを使用すると、ワークと凝着を起こさないという
樹脂定盤の利点はそのままに、砥粒を樹脂ボンドで固定
することで、単なる樹脂定盤では加工できなかった細粒
での加工を可能にすることができる。これと同時に、定
盤の弾性変形が少なくなるため、形状精度の向上を図る
ことができる。さらに、より細かい砥粒での加工が可能
になり、ワークへのダメージを減らすことで、結晶歪み
や残留応力が生じる層を浅くすることができる。

【００１０】この発明方法において、前記の対面する一
対のラップ定盤は、少なくとも片側のラップ定盤が、単
結晶シリコンのワークを転動させるワーク転動溝を有す
るものであっても良い。このようにラップ定盤にワーク
転動溝を有するものを用いることで、ワークの形状精度
が保たれ、砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤材質を用い
たことの利点が、より効果的に発揮される。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１と共
に説明する。図１は、この発明の製造方法に用いる研磨
装置を一部破断して示す分解斜視図である。この研磨装
置１は、竪型の二面ラップ盤であって、ワークであるシ
リコン球Ｗを挟む上下一対の円盤状のラップ定盤２，３
と、上側のラップ定盤２を回転させる駆動軸４とを備え
る。駆動軸４は、図示しないモータ等の駆動源により回
転駆動される。上下のラップ定盤２，３の互いに対向す
る面には、それらの周縁に沿う断面円弧状のワーク転動
溝２ａ，３ａが、回転中心と同心の環状に形成されてい
る。

【００１２】上下のラップ定盤２，３は、いずれも、砥
粒を樹脂ボンドで固定した定盤で構成されている。樹脂
ボンドには、エポキシ樹脂等が用いられる。砥粒には、
アルミナまたはダイヤモンド等が用いられ、粒径は、例
えば♯６０００〜♯６４０００程度のものが用いられ
る。また、上下のラップ定盤２，３は、その全体が砥粒
を樹脂ボンドで固定したものであっても良く、また定盤
２，３の対向面からある程度の厚さ範囲のみ、またはワ
ーク転動溝２ａ，３ａの形成部のみを、砥粒を樹脂ボン
ドで固定したものとし、このような樹脂ボンドによる砥
粒の固定層を定盤２，３の基盤材料に積層したものとし
ても良い。

【００１３】下側ラップ定盤３は固定され、上側ラップ
定盤３の上面中央には、鋼球５を介して駆動軸４の下端
と連結される円筒状の継手部６が突設されている。この
継手部６の底面には、上記鋼球５を回転自在に支持する
球面座７が形成され、また継手部６の周壁８には、駆動
軸４の下端側に突出したピン９，９が係合する一対の係
合溝１０，１０が形成されている。駆動軸４の下端に
は、継手部６の球面座７とで鋼球５を挟んで回転自在に
保持する球面座１１が形成されている。これにより、上
側ラップ状盤２と駆動軸４とは、上側ラップ定盤２が駆
動軸４の軸心に対して垂直な姿勢から多少の揺動が可能
とされている。

【００１４】このラッピング球の製造方法では、この研
磨装置１を用い、上下のラップ定盤２，３のシリコン球
保持溝２ａ，３ａ間に、同図のように複数のシリコン球
Ｗを挟むと共に、シリコン球Ｗに所定の荷重を加えた状
態で、駆動軸４により上側のラップ定盤２を回転させる
ことにより研磨を行う。研磨に際しては白灯油等の加工
液を用いる。

【００１５】

【実施例】上記のラッピング球の製造方法により、真球
度約０．５μｍ、表面粗さが０．２μｍＲａのシリコン
球Ｗをラップ加工した。ラップ盤２，３のシリコン球Ｗ
が転動するシリコン球保持溝２ａ，３ａは、全て断面が
円弧状の溝形状とし、加工油には白灯油を用いた。加工
量は、直径で約５μｍとした。表１にこの発明の実施例
１〜４と、比較例１，２の加工実験結果を示す。表中に
記載したように、上下の定盤２，３の砥粒として、実施
例１では♯６０００のアルミナ砥粒を、実施例２では♯
６０００のダイヤモンド砥粒を、実施例３では♯１００
００のダイヤモンド砥粒を、実施例４では♯６４０００
の砥粒を各々使用した。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１からわかるように、樹脂固定砥粒定盤
の場合、樹脂定盤（ベークライト定盤）を用いた場合
（比較例１）と比べて、真球度、表面粗さ共に、大きく
改善される。加工速度は、アルミナよりもダイヤモンド
の方が大きい。また、細粒（♯１０００以上）になる
と、樹脂定盤（比較例２）では、ほとんど研磨ができな
いのに対して、樹脂固定砥粒定盤では♯６４０００であ
っても、十分に加工が可能で、真球度、表面粗さも向上
する。図２にラマン分光分析による加工表面から深さ方
向の残留応力の変化を示す。分析結果から、この発明の
各実施例で製作されたシリコンラッピング球の残留応力
層の深さは、正負方向の片側で約５μｍ以下であること
がわかる。

【００１８】この実験により、以下のことが確かめれら
た。 ．砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤を使用すること
で、真球度が０．０８μｍ以下の高精度のシリコンラッ
ピング球を製造することができる。 ．砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤を使用すること
で、細粒（♯１００００以上）での加工が可能になり、
表面粗さが３ｎｍＲａ以下のシリコンラッピング球を製
造することができる。 砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤を使用することで、
ラッピング球の残留応力層の深さは、正負の片側で約５
μｍ以下である。

【００１９】表２は、ラッピング球の真球度と、ポリッ
シング後の真球度との関係を示す。図３は、この表をグ
ラフ化して示すものである。表２または図３からわかる
ように、ラッピング球の真球度が高くなるに従い、ポリ
ッシング加工量が大小いずれの場合も、ポリッシング後
の真球度も高くなっている。

【００２０】

【表２】

【００２１】表３は、ポリッシング球精度と形成可能な
半導体回路の関係を示す。表中、No１はコンピュータシ
ュミレーションによる予測であり、他は実データに基づ
いた予測である。この表３から、表層欠陥はないことを
条件として、ポリッシング後の真球度が０．２μｍで
は、ダイオード、トランジスタ、ＣＭＯＳロジック（相
補型金属酸化被膜半導体）、Non volatileメモリ（持久
記憶装置）のいずれも、シリコン球の全面に回路形成が
可能であるが、真球度が０．５μｍであると、ダイオー
ド、トランジスタ、ＣＭＯＳロジックは球全面に、Non
volatileメモリは部分的に回路形成が可能となり、真球
度が０．８μｍであると、ダイオード、トランジスタは
球全面に、ＣＭＯＳロジックは球の一部のみに回路形成
が可能であるが、Non volatileメモリは回路形成が不可
となることがわかる。真球度が１．２μｍと悪いと、ダ
イオードでは球全面に回路形成が可能であるが、トラン
ジスタは球の一部のみに可能となり、ＣＭＯＳロジッ
ク、Non volatileメモリとも回路形成不可になる。この
表３と、表２とを比較して、ポリッシング後のシリコン
球を、トランジスタが球全面に回路形成可能で、ＣＭＯ
Ｓロジックが球の一部に回路形成可能な程度のものとす
るには、ラッピング球の真球度は０．０８μｍ以下であ
ることが必要なことがわかる。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【発明の効果】この発明の単結晶シリコンのラッピング
球は、真球度が０．０８μｍ以下で、残留応力層が片側
５μｍ以下としたものであるため、後工程のポリッシン
グ工程等において、半導体回路基盤等に用いるシリコン
球として必要な条件を充足したものに容易に仕上げるこ
とができる。この発明の製造方法は、砥粒を樹脂ボンド
で固定した定盤で構成される対面する一対のラップ定盤
を用い、このラップ定盤間で単結晶シリコンのワークを
ラッピングする方法であるため、この発明のラッピング
球で要求する真球度、表面性状の単結晶シリコンのラッ
ピング球を容易に製造することができる。上記の対面す
る一対のラップ定盤のうち、少なくとも片側のラップ定
盤が、単結晶シリコンのワークを転動させるワーク転動
溝を有するものである場合は、ワークの形状精度が保た
れ、より効率的に、上記の真球度、表面性状の単結晶シ
リコンのラッピング球を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態にかかるラッピング球製
造方法に用いる研磨装置の切欠斜視図である。

【図２】その製造されたラッピング球のラマン分光分析
による加工表面からの深さと残留応力との関係を示すグ
ラフである。

【図３】シリコンのラッピング球の真球度とポリッシン
グ後の真球度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…研磨装置 ２，３…ラップ定盤 ２ａ，３ａ…ワーク転動溝 Ｗ…シリコン球

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真球度が０．０８μｍ以下で、残留応力
   層が、加工表面から正負の深さ方向の片側で５μｍ以下
   であることを特徴とする単結晶シリコンのラッピング
   球。
2. 【請求項２】 砥粒を樹脂ボンドで固定した定盤で構成
   される対面する一対のラップ定盤を用い、このラップ定
   盤間で単結晶シリコンのワークをラッピングする単結晶
   シリコンのラッピング球の製造方法。
3. 【請求項３】 前記の対面する一対のラップ定盤は、少
   なくとも片側のラップ定盤が、単結晶シリコンのワーク
   を転動させるワーク転動溝を有するものである請求項２
   記載の単結晶シリコンのラッピング球の製造方法。