JP2009072851A - 板状物の研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削完了後の板状の被加工物の厚さを、接触式の厚さ測定器のプローブの接触痕を残すことなく、かつ、専用の厚さ測定器を用いることなく実測する。
【解決手段】厚さを測定しながら研削ユニット３０を研削送りしてウェーハ１を研削し、所望厚さに達したことを認識したら、ウェーハ１の被研削面に接触している厚さ測定器５０のプローブ５２ａをウェーハ１から離し、この後、スパークアウト、エスケープカットを行い、研削を完了する。研削完了後、チャックテーブル２０の回転を停止してウェーハ１の自転を停止させ、止まっているウェーハ１の被研削面にプローブ５２ａを接触させて再び厚さを測定し、仕上げ厚さを確認する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の板状物を研削する方法に関する。

半導体デバイスが形成されるシリコンウェーハ等の素材ウェーハは、シリコンインゴットをワイヤソー等の切断装置によって所定の厚さにスライスし、次いで両面をラッピングや両頭研削により平坦度を向上させてから、さらに片面あるいは両面を研削加工することにより所望の厚さに仕上げられている。ウェーハを研削するには、ウェーハを回転させて厚さを測定しながら、回転する砥石をウェーハの被研削面に送り込んで押し付ける方法が多用されている。その際の厚さ測定器としては、回転しているウェーハの被研削面と基準面とにプローブ（触針）を接触させる接触式のものが一般的である（特許文献１参照）。

このような研削加工にあっては、ウェーハが所望の厚さに達したら、プローブの被研削面への接触を解除するとともに砥石の送り込みを停止させ、その停止位置で、砥石の回転を所定時間継続させるといった、いわゆる“スパークアウト”を実施してから、砥石をウェーハから退避させている（特許文献２参照）。このスパークアウトは、ウェーハを最低１回転させて被研削面を平坦にするもので、プローブによる接触痕も消滅することから、必要とされている。

特開昭６３−２５６３６０号公報 特開２００３−２３６７３６号公報

ところで、砥石をウェーハに押し付けながら研削している間は、加工荷重の負荷等によって砥石が圧縮したり、ウェーハを保持するチャックテーブル等の保持手段と砥石を支持する研削工具等との間に物理的に撓みが生じたりすることにより、残留応力が内包されている。このため、スパークアウトの実施中にはその残留応力が解放され、砥石が惰性的にウェーハに食い込み、実際には数μｍ（一般的には１〜２μｍ）が研削されている。すなわち、厚さ測定器が示す所望の厚さに達した時点から、さらに数μｍが研削されている。スパークアウト時に生じる惰性研削量が常に安定していれば、それを見越してスパークアウト開始位置を所望厚さよりも手前側に設定することにより、所望厚さのウェーハを得ることができる。

ところが、上記残留応力は、加工条件が同じであっても、消耗する砥石のコンディションの微妙な変化や、ウェーハの被削性の差異等、種々のファクターによって変化する。したがって惰性研削量もそれに応じたものになり、結果として研削完了後、すなわちスパークアウト後のウェーハの厚さが一定せず、ばらつきが生じてしまうといった問題があった。そこで、研削完了後にウェーハの厚さを再び測定して、所望の厚さに仕上がっているか否かを確認することが求められた。

これを可能とするため、例えば研削完了後の厚さを実測する専用のステージを研削装置に設け、非接触式の厚さ測定器によって厚さを実測することなどが考えられた。しかしながら、そのようなステージを新たに研削装置内に設けるにはスペースの面で制約があって困難であるか、あるいは装置の大型化を招くことになり、加えてコストがかかるといった問題が生じる。

よって本発明は、研削完了後のウェーハ等の被加工物の厚さを、接触式の厚さ測定器のプローブの接触痕を残すことなく、かつ、専用の厚さ測定器を用いることなく実測することができ、これによって被加工物の強度保持や、装置の大型化やコストの上昇を抑えることができる板状物の研削方法を提供することを目的としている。

本発明は、板状の被加工物を回転可能に保持する平坦な保持面を有する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物の厚さを測定する接触端子を有する接触式の厚さ測定手段と、保持面に対向して配置され、該保持面に対して略直交して設けられた回転軸を有し、該回転軸の端部に研削工具が装備された研削手段と、該研削手段を保持面に対して接近および離反させる研削送り手段とを具備した研削装置によって、被加工物を研削する研削方法であって、保持手段に被加工物を保持する保持工程と、保持面を回転させることにより被加工物を回転させるとともに、該被加工物の厚さを厚さ測定手段によって測定しながら、研削手段を該被加工物に向かって送り込む研削送りを行うことによって被加工物を研削工具で研削する第１の研削工程と、厚さ測定手段によって測定された被加工物の厚さが所望の厚さに達したら、厚さ測定手段の接触端子を被加工物から離反させて厚さ測定を中断するとともに、研削手段の研削送りを停止して所定時間研削を遂行し、その後研削手段を被加工物から退避させる第２の研削工程と、該第２の研削工程を完了した後、保持手段に保持されている被加工物の厚さを、保持手段の回転を停止させた状態で、厚さ測定手段により再び測定する仕上げ厚さ測定工程とを備えることを特徴としている。

本発明では、研削手段の研削送りを行って砥石等の研削工具で被加工物の表面等を研削していき、厚さ測定手段による厚さ測定値が被加工物の研削完了後の所望厚さに達するまでが、第１の研削工程とされる。第１の研削工程が終了した時点で、次の第２の研削工程に移る。第２の研削工程では、接触式の厚さ測定手段のプローブを被加工物から退避させて厚さ測定を中断し、これと同時に、研削手段の研削送りを停止して研削手段を被加工物から退避させるという動作を行う。

第２の研削工程では、研削手段の研削送りを停止すると、加工荷重の解放等によって前述のスパークアウトが起こり、例えば数μｍがさらに研削される。スパークアウト時に、研削中の厚さ測定によって被研削面に付いたプローブの接触痕等は消滅する。スパークアウト後は、研削手段を被加工物から退避させるが、スパークアウト終了時から研削手段を比較的遅い速度で徐々に退避させるエスケープカットを行ってから、実際の退避動作を行わせる場合もある。本発明では、この第２の研削工程を完了した後、保持手段の回転を停止させ、回転せずに停止している被加工物の厚さを、厚さ測定手段によって再び測定する。ウェーハは回転していないことから、厚さ測定手段のプローブが接触しても傷や接触痕は付きにくく、その後の研磨工程での研磨量を抑制することができる。

このように本発明では、研削完了後の被加工物の厚さを、研削装置が元来備える接触式の厚さ測定手段によって、接触痕等を残さずに実測することができる。その実測値が所望の通りであれば、被加工物は次の工程に移される。一方、実測値が所望の範囲を逸脱している場合（主に研削され過ぎて薄くなった場合）には、研削装置の運転を停止し、例えば砥石のドレッシング等の必要なメンテナンスを行う。

本発明によれば、研削完了後のウェーハ等の被加工物の厚さを、接触式の厚さ測定器のプローブの接触痕を残すことなく、かつ、専用の厚さ測定器を用いることなく実測することができ、これによって被加工物の強度保持や、装置の大型化やコストの上昇を抑えることができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
（１）被加工物であるウェーハ
図１の符号１は、本発明の一実施形態が適用されて少なくとも片面が研削される半導体ウェーハである。このウェーハ１は、表面に電子回路を有する複数のデバイスからなるパターンが形成されていない素材ウェーハである。ウェーハ１は、前述したように、材料インゴットをワイヤソー等の切断装置によって所定の厚さにスライスし、次いで両面をラッピングや両頭研削により平坦度を向上させて得られる。この場合、ウェーハ１の外周縁は面取り加工が施されており、さらに外周面の所定箇所には、半導体の結晶方位を示すＶ字状の切欠き（ノッチ）２が形成されている。

ウェーハ１の厚さは例えば８００μｍ程度であり、研削によって例えば７５０μｍ程度に研削される。図２は、一実施形態の研削方法を実施するのに好適な研削装置を示している。この研削装置１０によれば、ウェーハ１を真空吸着式のチャックテーブル（保持手段）２０の水平な上面に吸着させて保持し、研削ユニット（研削手段）３０によってウェーハ１の露出している被研削面に対し研削を行う。以下、研削装置１０の構成および動作を説明する。

（２）研削装置の構成および動作の概要
研削装置１０は直方体状の基台１１を有しており、ウェーハ１は、この基台１１上の所定箇所に着脱自在にセットされる供給カセット１２Ａ内に、複数が積層して収納される。その供給カセット１２Ａから１枚のウェーハ１が搬送ロボット１３によって引き出され、そのウェーハ１は位置決めテーブル１４上に載置され、ここで一定の位置に決められる。

基台１１上には、両方向に回転駆動されるターンテーブル２５が設けられており、さらにこのターンテーブル２５の外周部分には、複数（この場合、２つ）の円盤状のチャックテーブル２０が、周方向に等間隔をおいて配設されている。これらチャックテーブル２０は回転自在に支持されており、図示せぬ回転駆動機構によって一方向あるいは両方向に回転させられる。

位置決めテーブル１４上で位置決めがなされたウェーハ１は、供給アーム１５によって位置決めテーブル１４から取り上げられ、ターンテーブル２５が回転してＹ方向の最も手前側である着脱位置に位置付けられたチャックテーブル２０上に、被研削面を上にして同心状に載置される。この時のチャックテーブル２０は真空運転されており、ウェーハ１は載置と同時にチャックテーブル２０に吸着、保持される（保持工程）。

チャックテーブル２０は、図３および図４に示すように、枠体２１の中央上部に、多孔質部材による円形の吸着部２２が形成されたもので、ウェーハ１は、この吸着部２２の水平な上面である吸着面（保持面）２２ａに吸着、保持される。吸着面２２ａは、枠体２１の表面２１ａと同一面内に形成されている。

上記のようにしてチャックテーブル２０に保持されたウェーハ１は、ターンテーブル２５が所定角度（この場合、１８０°）回転することにより、研削ユニット３０の下方の加工位置に送り込まれ、この位置で研削ユニット３０により研削される。研削ユニット３０は、図２に示すように、基台１１のＹ方向奥側の端部に立設されたコラム１６の前面に、Ｚ方向（鉛直方向）に昇降自在に設置されている。すなわちコラム１６の前面にはＺ方向に延びるガイド４１が設けられており、研削ユニット３０は、スライダ４２を介してガイド４１に摺動自在に装着されている。そして研削ユニット３０は、サーボモータ４３によって駆動されるボールねじ式の送り機構（研削送り手段）４４により、スライダ４２を介してＺ方向に昇降する。

図３に示すように、研削ユニット３０は、軸方向がＺ方向に延びる円筒状のスピンドルハウジング３１を有しており、このスピンドルハウジング３１内には、スピンドルモータ３３によって回転駆動されるスピンドルシャフト（回転軸）３２が支持されている。そしてこのスピンドルシャフト３２の下端には、フランジ３４を介して砥石ホイール（研削工具）３５が取り付けられている。

砥石ホイール３５は、環状のフレーム３６の下面に複数の砥石３７が配列されて固着されたものである。砥石３７の下面で形成される砥石作用面は、スピンドルシャフト３２の軸方向に直交する平面に設定される。したがってその砥石作用面は、チャックテーブル２０の吸着面２２ａと平行である。砥石３７は、例えば、ガラス質のボンド材中にダイヤモンド砥粒を混合して成形し、焼結したものが用いられる。砥石３７は、例えばメッシュサイズが♯２０００〜♯８０００程度の比較的細かい砥粒を含むものが用いられる。研削ユニット３０には、研削面の冷却や潤滑あるいは研削屑の排出のための研削水を供給する研削水供給機構（図示略）が設けられている。

砥石ホイール３５はスピンドルシャフト３２とともに一体回転し、回転する砥石３７の研削外径は、ウェーハ１の直径と同等程度に設定されている。また、ターンテーブル２５が所定角度回転して定められるウェーハ１が加工される位置は、砥石３７の下面である刃先がウェーハ１の回転中心を通過し、チャックテーブル２０が回転することによって自転するウェーハ１の全面が研削され得る位置に設定される。

ウェーハ１の被研削面は、上記加工位置において研削ユニット３０により研削される。ウェーハ１の研削は、チャックテーブル２０が回転してウェーハ１を自転させ、送り機構４４によって研削ユニット３０を下降させる研削送りの動作をしながら、回転する砥石ホイール３５の砥石３７を、ウェーハ１の露出している被研削面に押し付けることによりなされる。砥石３７がウェーハ１に接触して研削する時には、上記研削水供給機構から研削部分に向けて研削水が供給される。図３（ａ）に示すように、研削によってウェーハ１の被研削面には、多数の弧が放射状に描かれた模様を呈する研削条痕３が残留する。この研削条痕３は砥石３７中の砥粒による破砕加工の軌跡であり、マイクロクラック等を含む機械的ダメージ層である。

ウェーハ研削時の具体的動作例としては、砥石ホイール３５の回転速度が３０００〜５０００ｒｐｍ程度、送り機構４４による研削送り速度が０．１〜０．５μｍ／ｓｅｃ程度とされる。なお、研削送り速度に関しては、砥石３７のメッシュサイズが細かければ細かいほど研削力が小さくなり、より低速に設定される。なお、砥石３７の自生発刃作用（古い砥粒の脱落を促して常にフレッシュな砥粒を切り刃に表出させる作用）を得て研削力を維持するために、研削送り速度は０．１μｍ／ｓｅｃ以上の速度が必要とされる。

さて、研削装置１０には、基台１１上における加工位置の近傍に、ウェーハ１の厚さを測定する接触式の厚さ測定器（厚さ測定手段）５０が配設されている。この厚さ測定器５０は、図３（ａ）に示すように、基準側ハイトゲージ５１と可動側ハイトゲージ５２との組み合わせで構成されている。これらハイトゲージ５１，５２は、基台１１に立設されたゲージスタンド５３から水平に延びている板状のゲージ台５３ａ上に配設されている。

各ハイトゲージ５１，５２はプローブ（接触端子）５１ａ，５２ａをそれぞれ備えており、基準側ハイトゲージ５１のプローブ５１ａはチャックテーブル２０の枠体２１の表面２１ａに接触し、可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａはウェーハ１の被研削面の外周側に接触するように設定されている。この厚さ測定器５０では、各プローブ５１ａ，５２ａの接触点の高さ位置を比較することにより、ウェーハ１の厚さ測定値が出力される。研削ユニット３０による研削量は、厚さ測定器５０による厚さ測定値に基づいて制御される。

ウェーハ１が所望厚さまで研削されたら、次のようにしてウェーハ１の回収に移る。まず、ターンテーブル２５が所定角度回転して、ウェーハ１が上記着脱位置に戻される。この着脱位置でチャックテーブル２０の真空運転は停止され、次いでウェーハ１が回収アーム１７によって取り上げられ、洗浄ユニット１８に移されて洗浄される。洗浄ユニット１８では、ウェーハ１がチャックテーブル２０と同様の回転式の吸着テーブルに吸着、保持され、回転の最中に純水等の洗浄水が被研削面に噴射されて研削屑等が除去され、この後、窒素ガスや乾燥エア等が吹き付けられて乾燥処理される。洗浄ユニット１８で洗浄処理されたウェーハ１は、搬送ロボット１３によって回収カセット１２Ｂ内に移送、収容される。ウェーハ１が取り去られた着脱位置にあるチャックテーブル２０は、ノズル２６から吐出される洗浄水によって洗浄され、研削屑等が除去される。

（３）研削シーケンス
以上が研削装置１０の構成および動作概要であり、次いで図４〜図６を参照しながら、一実施形態に係る研削方法を実現する研削ユニット３０および厚さ測定器５０の動作例を説明する。図５は研削シーケンスであって、砥石３７の砥石作用面の上下方向（Ｚ方向）の位置と進行時間との関係を示している。

（３−１）第１の研削工程
まずはじめに、砥石ホイール３５が回転している状態の研削ユニット３０が、図５に示すように、最も上方の待機位置ａから、砥石作用面がウェーハ１の被研削面に達する寸前のエアカット開始点ｂまで、比較的高速で下降する。図６（ａ）に示すように、この時点で可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａはウェーハ１の被研削面に接触しており、ウェーハ１の厚さ（研削前の厚さｔ１）が測定されている。次に、一次速度研削の開始点ｃまでの僅かの距離を空転状態で下降するエアカットが行われる。次の一次速度研削ｃ〜ｄでは、砥石作用面が被研削面に接触して研削送りが行われ、ウェーハ１が研削される。一次速度研削の区間においては研削送り速度が比較的早く、時間当たりの研削量が比較的多い。

一次速度研削の終了点ｄまで研削送りされたら、次に、研削送りの制御系に設定されているウェーハ１の所望厚さに応じた研削送り到達点ｅまで、二次速度研削が行われる。図６（ｂ）はｅに達した段階を示しており、（ｔ２）が所望厚さである。二次速度研削に切り替わると研削送り速度は低速となって時間当たりの研削量が比較的少なくなるが、加工精度が高くなる。上記区間ａ〜ｅの間、厚さ測定器５０によってウェーハ１の厚さが測定されている。すなわち可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａは回転するウェーハ１の被研削面に接触しており、このため、被研削面にはプローブ５２ａによる環状の接触痕が付く。ここでは、一次速度研削から二次速度研削の区間ｃ〜ｄ〜ｅまでが、砥石３７が被研削面を押圧して実際に研削している第１の研削工程とされる。第１の研削工程では、図４に示すように、可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａをウェーハ１の被研削面に接触させてウェーハ１の厚さを測定しながら、自転するウェーハ１の被研削面が、回転する砥石ホイール３５の砥石３７によって研削される。

（３−２）第２の研削工程
第１の研削工程に引き続いて、次の第２の研削工程が行われる。
二次速度研削の終点ｅに研削ユニット３０が達したら研削送りを停止すると同時に、図６（ｃ）に示すように可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａを上げて被研削面から退避させて厚さ測定を中断し、スパークアウトを行う（ｅ〜ｆ）。スパークアウトは研削送りを停止させた状態でチャックテーブル２０を一定時間だけ回転させる動作である。スパークアウトは例えば１秒〜数秒といった時間で行われるが、ウェーハ１を最低１回転させる時間がかけられる。

スパークアウト中にあっては、前述した残留応力が解放されることによる惰性研削が生じ、制御系で設定されるｅ〜ｆの位置よりも砥石作用面はｆ’までウェーハ１に僅かに食い込んで数μｍ（例えば１〜２μｍ）程度が研削される。図５および図６（ｃ）のｇ１は惰性研削量を示しており、惰性研削により、プローブ５２ａが接触することによって被研削面に残っていた接触痕は消滅する。

スパークアウト時の惰性研削（ｅ〜ｆ’）は、研削送り時の加工荷重によって主にチャックテーブル２０とコラム１６との間に生じて蓄積していた種々の圧縮応力が解放されることによって起こる。その圧縮応力は、例えば砥石３７、チャックテーブル２０の支持機構、スライダ４２への研削ユニット３０の摺動部分等に生じている。また、研削ユニット３０に、スピンドルシャフト３２をエアベアリングで支持するエアスピンドル機構が採用されている場合には、エアベアリングのギャップが縮小するといった状況で圧縮応力が生じる。圧縮応力の解放は、研削送りが停止した時点で砥石作用面の僅かな下降といった形で現れる。

スパークアウトが終了したら、研削ユニット３０を比較的低速で二次速度研削の終点ｅよりも僅かに高い位置ｇまで上昇させるエスケープカットを行う。図５に示すように、制御系の設定におけるエスケープカットの終点はｇで示されているが、砥石作用面はスパークアウトの終点ｆ’からｇ’まで上昇する。ｇ’の高さ位置は、ウェーハ１の被研削面から十分に離間した位置であり、スパークアウトからエスケープカットを経ることにより、すなわち砥石作用面がｅ〜ｆ’〜ｇ’と僅かに昇降することにより、被研削面は、プローブ５２ａによる接触痕が消滅し、かつ、平坦に加工される。このスパークアウトからエスケープカットまでのｅ〜ｆ’〜ｇ’の区間が第２の研削工程とされる。そしてエスケープカットが終了した後は、研削ユニット３０は待機位置ａまで比較的高速で上昇する。

（３−３）仕上げ厚さ測定工程
上記エスケープカットが終了したら、続いてチャックテーブル２０の回転を停止させてウェーハ１の自転を停止させる。この後、可動側ハイトゲージ５２のプローブ５２ａをウェーハ１の被研削面に接触させ、ウェーハ１の厚さを再び測定する。ウェーハ１は回転していないので、プローブ５２ａが接触しても傷や接触痕は付きにくく、その後の研磨工程での研磨量を抑制することができる。

仕上げ厚さの測定値が所望値であれば研削は適正に完了したことになり、この後、プローブ５２ａは退避し、ウェーハ１は上記のようにしてターンテーブル２５の回転による着脱位置への移送、洗浄ユニット１８による洗浄を経て、回収カセット１２Ｂ内に移送、収容される。一方、仕上げ厚さの測定値が所望の範囲を逸脱している場合（主に研削され過ぎて薄くなった場合）には、研削装置１０の運転を停止して警報等によりその旨が報知され、その後、例えば砥石３７のドレッシング等の必要なメンテナンスが行われる。

上記実施形態の研削シーケンスによる研削方法によれば、スパークアウトからエスケープカットを経て研削が完了したウェーハ１の厚さを、厚さ測定器５０によってプローブ５２ａの接触痕等を残さずに実測することができる。これは、厚さ測定の際にチャックテーブル２０の回転を停止してウェーハ１の自転を停止させることで、可能としている。このようにプローブ５２ａの接触痕を残すことが防がれるので、その後の研磨工程での研磨量を抑制することができる。また、研削完了後の再度の厚さ測定を当該研削装置１０に元来装備されている厚さ測定器５０で行うため、再度の厚さ測定のための別の厚さ測定手段を設ける必要がない。その結果、装置の大型化やコストの上昇を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る研削方法によって研削加工される半導体ウェーハの（ａ）斜視図、（ｂ）側面図である。 本発明の一実施形態に係る研削方法を好適に実施し得る研削装置の斜視図である。 図２に示した研削装置が具備する研削ユニットおよびチャックテーブルを示す（ａ）斜視図、（ｂ）側面図である。 研削ユニットでウェーハを研削している状態を示す側面図である。 本発明に基づく研削シーケンスの一例を示す線図であって、砥石作用面と加工時間との関係を示している。 研削シーケンスの過程を示す側面図である。

符号の説明

１…半導体ウェーハ（被加工物）
１０…研削装置
２０…チャックテーブル（保持手段）
２２ａ…吸着面（保持面）
３０…研削ユニット（研削手段）
３２…スピンドルシャフト（回転軸）
３５…砥石ホイール（研削工具）
４４…送り機構（研削送り手段）
５０…厚さ測定器（厚さ測定手段）
５１ａ，５２ａ…プローブ（接触端子）

Claims (1)

1. 板状の被加工物を回転可能に保持する平坦な保持面を有する保持手段と、
   該保持手段に保持された被加工物の厚さを測定する接触端子を有する接触式の厚さ測定手段と、
   前記保持面に対向して配置され、該保持面に対して略直交して設けられた回転軸を有し、該回転軸の端部に研削工具が装備された研削手段と、
   該研削手段を前記保持面に対して接近および離反させる研削送り手段とを具備した研削装置によって、被加工物を研削する研削方法であって、
   前記保持手段に被加工物を保持する保持工程と、
   前記保持面を回転させることにより被加工物を回転させるとともに、該被加工物の厚さを前記厚さ測定手段によって測定しながら、前記研削手段を該被加工物に向かって送り込む研削送りを行うことによって被加工物を前記研削工具で研削する第１の研削工程と、
   前記厚さ測定手段によって測定された被加工物の厚さが所望の厚さに達したら、厚さ測定手段の前記接触端子を被加工物から離反させて厚さ測定を中断するとともに、前記研削手段の研削送りを停止して所定時間研削を遂行し、その後研削手段を被加工物から退避させる第２の研削工程と、
   該第２の研削工程を完了した後、前記保持手段に保持されている被加工物の厚さを、保持手段の回転を停止させた状態で、前記厚さ測定手段により再び測定する仕上げ厚さ測定工程と
   を備えることを特徴とする板状物の研削方法。

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