JP2008049447A - 研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いる研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削砥石の構成を改良することにより、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いる研削方法を提供する。
【解決手段】
砥粒１２と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石１０であって、砥粒１２が第１の結合材によって被覆され、それらの砥粒１２が第２の結合材中に分散され、第２の結合材の圧縮率が、第１の結合材の圧縮率よりも小さくなるように研削砥石が構成されている。そして、第１の結合材がレジンボンド１４であり、第２の結合材がビトリファイドボンド１６であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いる研削方法に関する。

半導体ウェーハ（以下、単にウェーハともいう）の製造工程において、インゴットからスライスされたウェーハに対して、表裏面に平坦面を形成するための平面研削が行われる。

図７は、ウェーハの平面研削において用いられる従来の研削砥石の模式断面図である。図７に示すように、研削砥石１０は多数の砥粒１２が結合材（以下、ボンドともいう）１９中に分散され保持されることにより形成されている（例えば、特許文献１）。そして、ウェーハの研削を開始すると砥粒１２よりも軟らかい結合材１９が先に磨耗することにより、砥粒１２が研削砥石１０の使用面表面に突き出る。この砥粒１２の突き出しにより、ウェーハの研削が進むことになる。
研削砥石１０の砥粒１２としては、硬度の高いダイヤモンドやＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）等のいわゆる超砥粒が、一般に用いられる。また、結合材１９としては、フェノール、エポキシ、ポリウレタン等の樹脂結合材であるレジンボンドや、長石、粘土等のセラミックス質結合材であるビトリファイドボンド等が、一般に用いられる。
そして、研削砥石の使用面を回転させながら被処理物(被削材ともいう）であるウェーハに当てることによって、ウェーハの表裏面を平面研削する。

上記、ウェーハの平面研削の工程においては、半導体製品を形成するための高度な平坦性を有するウェーハを最終的に製造する必要性から、ウェーハ表裏面を良好な面粗さとすること、ウェーハ表裏面をうねりのない平面とすることが要求される。
ウェーハ表裏面を良好な面粗さとする方法としては、砥粒を細粒にすることが考えられる。これは、砥粒を細粒にすることによって、砥粒の表面への突き出し量のばらつきが少なくなり、被削材であるウェーハに比較的均一に各砥粒が接触するため、研削後の面粗さが良好となるためである。もっとも、砥粒を細粒にすると、砥粒が粗粒の場合に比較して、高い研削負荷をかけることが必要となる。そして、研削負荷が上昇すると、ウェーハが歪められながら研削が進むため、ウェーハ表裏面のうねりが悪化するという問題が生じる。この現象は、ウェーハの表裏面を同時に研削する両頭研削の場合に特に顕著になる。
そこで、研削負荷を上昇させずにウェーハ表裏面を良好な面粗さとする方法としては、砥粒を粗粒にした上で、結合材として比較的圧縮率の大きい結合材、例えば、レジンボンドを使うことが考えられる。なお、ここで圧縮率Ｋとは、物体の体積Ωと物体にかかる圧力ｐの関係を表す物理量であり、温度が一定の場合、下記の式で表されるものである。

Ｋ＝−（∂Ω／∂ｐ）／Ω

そして、Ｋの逆数であるｋ＝１／Ｋが体積弾性率となる。
図８を参照して、上記研削砥石の研削作用により良好な表面粗さが得られる原理を説明する。
図８（ａ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に接触を開始した研削初期の状態を示す。また、図８（ｂ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に完全に接触している研削中の状態を示す。図８（ａ）に示すように、研削初期は砥粒１２の突き出し量がばらついている。しかし、図８（ｂ）に示すように研削中は、砥粒１２が研削負荷で圧縮率の大きいレジンボンドからなる結合材１４中に押し込まれることにより、砥粒１２の突き出し量が揃うことになる。したがって、研削中は各砥粒がウェーハに均一に接触するため、砥粒１２が粗粒であっても良好な表面粗さが得られることになる。また、砥粒１２の突き出し量が、砥粒が細粒の場合に比べて大きくなることから、研削負荷は細粒の場合に比べ小さくてすむ。したがって、研削中のウェーハの歪みは小さくなるため、研削負荷という観点からは、ウェーハ表裏面のうねりが悪化することはない。しかしながら、結合材１４の圧縮率が大きいことから、元来のウェーハが有するうねりに沿って、研削砥石１０自体が変形する。したがって、結局、ウェーハのうねりが助長され、ウェーハ表裏面のうねりが悪化することになる。

逆に、研削負荷を上昇させずにウェーハのうねりの悪化を抑えるためには、砥粒を粗粒にした上で、圧縮率の小さい結合材、例えば、ビトリファイボンドを使用することが考えられる。図９はこの場合の研削作用を示す図である。図９（ａ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に接触を開始した研削初期の状態を示す。また、図９（ｂ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に完全に接触している研削中の状態を示す。この場合には、図９（ｂ）に示すように、結合材１６の圧縮率が小さいため、砥粒１２が研削負荷で十分に結合材中に押し込まれない。したがって、研削中も図９（ａ）の研削初期と変わらず砥粒１２の突き出し量が揃わないため、良好な表面粗さを得ることができないという問題が生じる。
特開昭６２−５７８７４号公報

上記のように、ウェーハの平面研削において要求される良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させることは、従来技術ではきわめて困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、研削砥石の構成を改良することにより、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いる研削方法を提供することにある。

本発明の一態様の研削砥石は、
前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする。

ここで、前記第１の結合材がレジンボンドであり、前記第２の結合材がビトリファイドボンドであることが望ましい。

本発明の一態様の研削装置は、
砥粒と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石を備える研削装置であって、
前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする。

ここで、前記第１の結合材がレジンボンドであり、前記第２の結合材がビトリファイドボンドであることが望ましい。

本発明の一態様の研削方法は、
砥粒と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石を備える研削装置を用いた研削方法であって、
前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、研削砥石の構成を改良することにより、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いる研削方法を提供することが可能になる。

以下、本発明に係る実施の形態の研削砥石およびこれを備えた研削装置ならびにこれを用いた研削方法について添付図面に基づき説明する。なお、ここでは、被削材をシリコンウェーハ（以下ウェーハともいう）、研削装置を、カップ型砥石を使用するインフォード型両頭研削装置とする場合を例として記載する。また、図面中、同一または類似部材は同一符号で示す。

（実施の形態）
図１は、本発明に係る実施の形態の研削砥石の模式的断面図である。図１に示すように、本実施の形態の研削砥石１０は、粒径が４〜８μｍ程度のダイヤモンドからなる砥粒１２の各々が、第１の結合材であるレジンボンド１４によって２μｍ程度の厚さで被覆されている。そして、第１の結合材であるレジンボンド１４によって被覆された砥粒は、第２の結合材であるビトリファイドボンド１６中に分散されている。
このように、本実施の形態の研削砥石１０は、レジンボンド１４によって、各々の砥粒１２が被覆され、それらの砥粒１２がレジンボンドよりも圧縮率の小さいビトリファイドボンド中に分散されていることを特徴とする。

図２は本実施の形態の研削砥石の研削作用を説明する図である。図２（ａ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に接触を開始した研削初期の状態を示す。また、図２（ｂ）は砥粒１２が被削材であるウェーハ２０に完全に接触している研削中の状態を示す。図２（ａ）に示すように、研削砥石１０の使用面（研削砥石のウェーハ側の面）がウェーハ２０に接すると、砥粒１２のウェーハ側に被さっていた、ビトリファイドボンド１６およびレジンボンド１２が先に研磨され消失する。さらに、表面にある各砥粒１２間のビトリファイドボンド１６およびレジンボンド１２の一部が消失しはじめるとともに、ウェーハ２０がもっとも表面に突き出ている砥粒１２に接触を始める。この時点では、使用面における砥粒１２の突き出し量は揃っていない。

もっとも、図２（ｂ）に示すように、ウェーハ２０が砥粒１２に接触を始めると、研削負荷で砥粒１２が圧縮率の大きいレジンボンド１４からなる結合材に押し込まれる。これにより、砥粒１２の突き出し量が揃うことになる。したがって、研削中は各砥粒がウェーハに均一に接触するため、良好な表面粗さが得られることになる。
そして、各々の砥粒１２は、レジンボンド１４より圧縮率の小さいビトリファイドボンド１６中に分散されている。したがって、図８に示す従来のレジンボンド１４のみを結合材とする研削砥石のように、元来のウェーハが有するうねりに沿って、研削砥石１０自体が変形することもない。したがって、ウェーハ元来のうねりが助長され、ウェーハ表裏面のうねりが悪化するという問題も生じない。
また、砥粒１２を粗粒にしても突き出し量のばらつきが抑えられるため、研削負荷も適当な大きさに設定することができる。したがって、研削負荷の観点からもウェーハのうねりを抑制することが可能となる。

よって、本実施の形態の研削砥石を用いることで、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる平面研削を実現することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、第１の結合材としてレジンボンド、第２の結合材としてレジンボンドよりも圧縮率の小さいビトリファイドボンドを使用している。シリコンウェーハの平面研削において良好な平面粗さとうねりのない平面を両立させるためには、この結合材の組み合わせが好適であるが、必ずしもこの組み合わせに限られるものではない。すなわち、要求される平面研削の仕上がり等に応じて、レジンボンド、ビトリファイドボンド、メタルボンド等の中から、任意の第１の結合材と、第１の結合材よりも圧縮率の小さい任意の第２の結合材を選択して使用することが可能である。
また、砥粒としては硬度の高い上記ダイヤモンドやＣＢＮ等の超砥粒が好適であるが、必要に応じて、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３等の一般砥粒も使用可能である。

次に、本実施の形態の研削砥石の第１の製造方法について簡単に説明する。
まず、使用する砥粒の最大粒径よりも膜厚が大きく、かつ、使用する砥粒の最大粒径よりも径の大きい複数の空孔を有する層状のビトリファイドボンドを形成する。この層状のビトリファイボンドの形成は、例えば、粘土、長石等の窯業原料と、木粉など焼成によりガスとなって飛散する有機物とを、所望の空孔ができるように混合し、この混合物をプレス法、流し込み法などにより成形、乾燥させた後、６００〜１３５０℃の温度で焼成することによって行われる。
そして、層状に形成されたビトリファイドボンドの空孔に、砥粒とレジンボンドの粉末を充填する。その上に、さらに同様に形成した、砥粒とレジンボンドの粉末が充填された層状のビトリファイボンドを必要な研削砥石膜厚になるまで順次積み重ねていく。必要な研削砥石膜厚になった時点で、積み重ねた層状のビトリファイドボンドを、１５０〜３００℃の温度で焼成する。この焼成によって、レジンボンド粉末が固着し、レジンボンドで被覆された砥粒がビトリファイドボンドの空孔内に形成される。さらに、層状のビトリファイドボンド同士もレジンボンドによって固着する。
以上のようにして、砥粒が第１の結合材であるレジンボンドで被覆され、それらの砥粒がレジンボンドよりも圧縮率の小さい第２の結合材であるビトリファイドボンド中に分散された研削砥石が形成される。

次に、本実施の形態の研削砥石の第２の製造方法について簡単に説明する。
まず、使用する砥粒の最大粒径よりも径の大きい空孔が、ネットワーク状に内部でつながるビトリファイドボンドを形成する。このビトリファイドボンドは、第１の製造方法の場合と異なり、最初から所望の最終膜厚を有するように形成される。このビトリファイボンドの形成は、例えば、粘土、長石等の窯業原料と、木粉など焼成によりガスとなって飛散する有機物とを、所望の径の空孔が最終的にネットワーク状に内部でつながるように混合し、この混合物をプレス法、流し込み法などにより成形、乾燥させた後、６００〜１３５０℃の温度で焼成することによって行われる。
そして、ネットワーク状に内部でつながる空孔に、砥粒とレジンボンドの粉末を表面から充填する。その後に、ビトリファイドボンドを、１５０〜３００℃の温度で焼成する。この焼成によって、レジンボンド粉末が固着し、レジンボンドで被覆された砥粒がビトリファイドボンドの空孔内に分散、充填される。
以上のようにして、各々の砥粒が第１の結合材であるレジンボンドで被覆され、それらの砥粒がレジンボンドよりも圧縮率の小さいビトリファイドボンド中に分散された研削砥石が形成される。

次に、本発明に係る実施の形態の研削装置について説明する。
図３は、本発明に係る実施の形態のインフィード型両頭研削装置の構成概要を示すための概略説明図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、平面図、正面図および側面図である。以下、図３を用いて本実施の形態のインフィード型両頭研削装置について説明する。

本実施の形態のインフィード型両頭研削装置は、ウェーハ２０の両面を同時に研削する装置として構成され、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、両頭研削装置３６は、同方向に回転する一対のカップ型砥石３１とウェーハ２０を両面から支持する二対のウェーハ押さえローラ３７、ウェーハ２０の円周を支持する４個のウェーハガイドローラ３９とウェーハ２０をカップ型砥石３１と反対方向に回転駆動する一対のウェーハ駆動ローラ４１から構成されている。カップ型砥石３１は台金３２と砥石部４３と砥石回転軸４５からなる。

本実施の形態においては、図３（ｃ）に示すように台金３２の砥石部に、湾曲した直方体型の砥粒層セグメント３３が円周上に多数接合されている。本実施の形態において、この砥粒層セグメント３３に用いられる研削砥石が、砥粒がレジンボンドによって被覆され、さらにそれらの砥粒がレジンボンドより圧縮率の小さいビトリファイドボンド中に分散されている研削砥石であることを特徴とする。そして、平面研削に際して、これらの砥粒層セグメント３３がウェーハ２０の中心を通るようにウェーハ２０のセット位置が調整可能となっている。また、研削液が、砥石回転軸４５の中心孔（図示せず）から供給可能となっている。

図４は、本実施の形態のカップ型砥石３１の砥粒層セグメント３３とウェーハ２０の接触部の一部の拡大を示す概略図である。図４に示すように、カップ型砥石３１の台金３２に取り付けられた砥粒層セグメント３３が、ウェーハ研削中に、ウェーハの表裏面を両側から挟みこむことが可能となるように装置が構成されている。

次に、本実施の形態のカップ型砥石およびインフィード型両頭研削装置の研削方法について図３を参照しつつ簡単に説明する。
ウェーハ２０を両頭研削装置３６にセットし、二対のウェーハ押さえローラ３７で両面を支持し、４個のウェーハガイドローラ３９でウェーハの円周を支持し、ウェーハ駆動ローラ４１でウェーハ２０を回転させる。次に、一対のカップ型砥石３１を回転させながら、ウェーハ２０の両面から挟み込むようにして近づけ、砥石部４３の外周をウェーハに接触させ、ウェーハ２０とカップ型砥石３１を互いに反対方向に回転させて研削する。
そして、研削中は研削液を砥石回転軸４５の中心孔（図示せず）から供給するようにしている。

このように、砥粒がレジンボンドによって被覆され、それらの砥粒がレジンボンドより圧縮率の小さいビトリファイドボンド中に分散されている研削砥石を用いたカップ型砥石を備えたインフィード型両頭研削装置で、ウェーハを研削することにより、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる平面研削を実現することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。
実施の形態の説明においては、シリコンウェーハを被削材とする場合について説明したが、被削材は必ずしもシリコンウェーハに限られることなく、ガリウム砒素ウェーハ、インジウムリンウェーハあるいはＳＯＩウェーハ等その他の半導体ウェーハや、露光原版用石英基板等その他の板状加工物にも本発明を適用することは可能である。
また、実施の形態の説明においては、カップ型砥石を備えたインフォード型両頭研削装置について説明したが、研削装置については必要に応じて、２つの対になる円筒砥石の間にウェーハを通すことによって研削するクリープフィード型両頭研削装置などのその他の両頭研削装置、あるいは片面研削装置について本発明を適用することが可能である。
また、実施の形態の説明においては、研削砥石、研削装置、研削方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる研削砥石、研削装置、研削方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての研削砥石、研削装置および研削方法は、本発明の範囲に包含される。

以下、本発明の実施例および比較例について、図面を参照しつつ説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
図３に示した両頭研削装置に、図１に示した本発明の研削砥石を砥粒層セグメントとするカップ型砥石を取り付けて、シリコンウェーハの研削を行った。
ここで、研削砥石の砥粒は平均粒径約６μｍのダイヤモンドとし、この砥粒を約２μｍの膜厚のレジンボンドで被覆した。そして、この砥粒同士は、ビトリファイドボンドによって結合した。
両頭研削の条件は、下表の通りである。

なお、表１でスパークアウトとは、研削初期にウェーハの送りをとめて行われるならし研磨時間をいう。
上記条件で、１００枚のウェーハを連続研削し、研削後に各ウェーハの面粗さとうねりを測定した。面粗さについては触診式の粗さ測定器により測定し、Ｒａ（粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値）を評価した。また、うねりについてはレーザー変位計でウェーハ中央の表裏を測定し、ＰＶ値（測定値の最大値と最小値の差）を評価した。測定結果は図５、図６に示す。

（比較例１）
図３に示した両頭研削装置に、レジンボンドのみを結合材とする研削砥石（以下、レジンボンド砥石という）を砥粒層セグメントとするカップ型砥石を取り付けて、シリコンウェーハの研削を行った。
研削砥石が異なる以外は、実施例１と同様の条件での研削および面粗さとうねりの測定を行った。測定結果は図５、図６に示す。

（比較例２）
図３に示した両頭研削装置に、ビトリファイドボンドのみを結合材とする研削砥石（以下、ビトリファイド砥石という）を砥粒層セグメントとするカップ型砥石を取り付けて、シリコンウェーハの研削を行った。
研削砥石が異なる以外は、実施例１と同様の条件での研削および面粗さとうねりの測定を行った。測定結果は図５、図６に示す。

（結果）
図５に実施例１および比較例１、２の表面粗さの測定結果を示す。縦軸は、Ｒａ（粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し平均した値）で表される表面粗さを示している。図５から明らかなように、実施例１の本発明の研削砥石では、比較例１のレジンボンド砥石よりも面粗さが若干劣るが、比較例２のビトリファイドボンド砥石よりも格段に良好な面粗さが得られた。
図６には実施例１および比較例１、２のウェーハのうねりの測定結果を示す。縦軸は、ＰＶ値（測定値の最大値と最小値の差）で表されるうねりの程度を示している。図６から明らかなように、実施例１の本発明の研削砥石では、比較例１のレジンボンド砥石よりうねりにおいて格段に良好であり、比較例２のビトリファイドボンド砥石とは同等のうねりの値が得られた。
このように、実施例において、本発明により、良好な表面粗さと、うねりのない平面を両立させる平面研削が可能であることが判明した。

実施の形態の研削砥石の模式的断面図。 実施の形態の研削砥石の研削作用を説明する図。 実施の形態のインフィード型両頭研削装置の構成概要を示すための概略説明図。 実施の形態のカップ型砥石の砥粒層セグメントとウェーハの接触部の一部の拡大を示す概略図。 実施例のウェーハの表面粗さ測定結果を示す図。 実施例のウェーハのうねり測定結果を示す図。 ウェーハの平面研削において用いられる従来の研削砥石の模式断面図。 砥粒を粗粒にした上で、比較的圧縮率の大きい結合材を用いる研削砥石の研削作用を示す図。 砥粒を粗粒にした上で、圧縮率の比較的小さい結合材を用いる研削砥石の研削作用を示す図。

符号の説明

１０ 研削砥石
１２ 砥粒
１４ レジンボンド
１６ ビトリファイドボンド
１９ 結合材
２０ ウェーハ
３１ インフォード型両頭研削装置
３２ 台金
３３ 砥粒層セグメント
３６ カップ型砥石

Claims (5)

1. 砥粒と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石であって、
   前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
   前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
   前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする研削砥石。
2. 前記第１の結合材がレジンボンドであり、前記第２の結合材がビトリファイドボンドであることを特徴とする請求項１記載の研削砥石。
3. 砥粒と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石を備える研削装置であって、
   前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
   前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
   前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする研削装置。
4. 前記第１の結合材がレジンボンドであり、前記第２の結合材がビトリファイドボンドであることを特徴とする請求項３記載の研削装置。
5. 砥粒と、第１の結合材と、第２の結合材を有する研削砥石を備える研削装置を用いた研削方法であって、
   前記砥粒が前記第１の結合材によって被覆され、
   前記第１の結合材によって被覆された砥粒が前記第２の結合材中に分散され、
   前記第２の結合材の圧縮率が、前記第１の結合材の圧縮率よりも小さいことを特徴とする研削方法。
   
   
   
   
   
   

Images