JP4283088B2 - 工作物表面加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばシリコンウェーハや化合物ウェーハ、あるいは光学、電子機器関連部品に使用される硬脆材料ウェーハ等の表面加工方法に関わるものであり、より詳しくは固定砥粒により、ウェーハの無歪加工、無欠陥加工を達成しつつウェーハの薄片化を行なう工作物表面加工方法に関わるものである。

近年、燃料電池、ソーラー発電、風力発電、キャパシタ蓄電等のクリーンエネルギーの開発が実用段階に入って来ており、それを支える重要な技術がパワーエレクトロニクスである。その中で、パワーデバイスへの高機能化、高性能化さらには、高い信頼性とコンパクト化の実現が要求される。また、産業、自動車、情報、民生等の分野でのパワーデバイスにおける応用開発の進展も目ざましく、例えば、各種の電子機器、ハイブリットカーの電子回路用への用途等が著しく増大しつつある。

例えば電源からの電流や電圧を高精度に制御してモーター等の電気機器に供給するためのパワーデバイスとしてはフィールドストップ型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用されているが、これらは、通常のトランジスタとは異なり、素子の厚さ方向に数アンペアから数十アンペアの大電流が流れることが特徴である。従って素子を構成するシリコンウェーハの厚みに比例して抵抗が増すために、発熱や電圧降下が大きな問題点として指摘されている。即ち、特許文献１に示すように、従来のパワーデバイスを用いた電子回路には通常放熱板等の冷却装置がその付属装置として取付けられており、電子機器としては比較的大型のものとなる。従って、ハイブリットカーへの応用を考えた場合、その応用範囲は大型車に限られて、中小型車への応用は限界があった。このような背景からも、パワーデバイスのコンパクト化、軽量化が急務であり、その早期達成が求められていた。

フィールドストップ型ＩＧＢＴのコンパクト化、軽量化の技術の方向として、使用する半導体材料であるシリコンウェーハの厚みを薄くし、流れる電流に対する抵抗を相対的に少なくする考えかたがある。即ち、従来のタイプのシリコンウェーハの厚みが３５０μｍであったのを１００μｍまで薄片化することにより、新方式のＩＧＢＴが開発されたのであるが、極薄型シリコンウェーハの安定した製造技術がまだ不十分である。特に、８インチ、１２インチといった大口径ベアウェーハからこのような極薄型シリコンウェーハを、無歪（加工変質層のない）、無欠陥の状態で鏡面まで加工するのは困難であった。

従来、シリコンウェーハは例えば特許文献２に記載されているように、原料となるシリコン単結晶インゴットをスライスし、周囲の面取りを行ない、ラッピング、エッチング、ポリッシング等の工程を経て鏡面ウェーハに仕上げられて行く。この間、ラッピング工程において平行度、平坦度等の寸法精度、形状精度を得、ついでエッチング工程においてはラッピング工程でできた加工変質層を除去し、更にポリッシング工程において良好な形状精度を維持した上で鏡面レベルの面粗さを持ったウェーハを得るのが一般的な工程である。ラッピング工程においては、アルミナ等の遊離砥粒、ポリッシング工程においてはコロイダルシリカ等の遊離砥粒で行なわれ、エッチング工程においては、ラッピング工程でできた加工変質層の除去を酸あるいはアルカリの薬剤処理にて行なうものである。即ち、従来法における加工の主たる手段は遊離砥粒によるものである。

遊離砥粒による加工は、強制切込み方式によるものでなく定圧制御によるものであるから、形状制御性が悪い上、加工能率が低く、更に遊離砥粒を含むスラリーを用いることによる加工後の工作物自体の汚染や研磨加工機の汚染、排液による環境汚染等は避けられず、それに伴なう洗浄工程の設置、加工機自体のメンテナンスサイクルの短縮、廃液処理設備への負荷増大等も問題点の一つとして大きく取り上げられている。特に、遊離砥粒による加工の場合、加工後の工作物の形状精度があまり良くない上、薄片化の工程で、欠陥の影響による工作物の破損が起きやすいため大口径ウェーハへの適用が難しく、ましてや、大口径シリコンウェーハの薄片化という課題を解決するには不十分である。更に遊離砥粒による加工の場合、多段での加工が必要であり、その煩雑さおよび生産性の悪さも問題である。

上述の遊離砥粒加工における問題点に鑑みて、砥石を加工手段として用いることも行なわれている。具体的には例えば特許文献３に示すように、研削力の強いダイヤモンド砥粒を金属あるいは硬質樹脂等で固定化した合成砥石を用い、精度の高い強制切り込み（インフィード）タイプの精密加工機を使用して鏡面仕上げを行うことも試みられている。この方法は、寸法安定性に問題のあるポリッシングパッドを使わないため、ポリッシングパッドの寸法安定性に起因する加工におけるエッジ部分のダレ（ロールオフ）等を起こす要因がなく、かつ砥粒は砥石組織に把持された状態、即ち固定砥粒として作用するのであるから、ポリッシング以前の工程を含めて一貫加工を行なうことができるという可能性を有するが、反面、固定ダイヤモンド砥粒の使用により固定砥粒特有な方向性のある条痕が入り、それが潜在的欠陥となる他、微小チッピングやスクラッチ等の欠点も出やすく完全なものとは云い難かった。即ち、転位、残留歪等、加工に起因する内部欠陥が起きやすいことが問題としてあげられている。特に、研削力に優れたダイヤモンド砥粒を使用した場合はその傾向が顕著である。

更に、特許文献４には、砥粒微粒子と、水に溶解して酸性あるいは塩基性を示す化合物の少なくとも１種と、結合材としての樹脂とを特定比率で含有する砥石が開示されており、これを加工機に搭載し、水を加工液とした湿式条件での３インチサイズベアシリコンウェーハの加工例が開示されている。しかしながら、この方法では、まだ効果が不十分であり、特に、砥石の変形、消耗が激しいため、大口径ウェーハの薄片化加工を行なうには不十分であった。
特開平７−１３５２９１ 特開２００３−６２７４０ 特開２００１−３２８０６５ 特開２００２−３５５７６３

本発明者等は、無歪（加工変質層のない）、無欠陥の状態でのシリコンウェーハの鏡面薄片化の課題を解決すべく鋭意研究を行ない、特定組成の砥石を特定の温度範囲の乾式の条件で用いることにより、上記課題を解決するに至ったものである。即ち、本発明の目的は、無歪（加工変質層のない）、無欠陥の状態でのシリコンウェーハの鏡面化、薄片化を行なうシリコンウェーハ表面加工方法を提供するものである。

上述の目的は、酸化セリウム砥粒微粒子と、炭酸またはホウ酸のいずれかの弱酸とアルカリ金属またはアルカリ土類金属から選ばれたアルカリ金属よりなる塩類、および合成樹脂よりなる砥石を、定圧あるいは定寸方式の研削加工機に取り付け、平板状のシリコンウェーハ表面に接触せしめ、水あるいはその他の加工液を使用しない乾式の条件で、砥石およびシリコンウェーハの少なくとも一方を回転させることにより、前記シリコンウェーハの表面温度を２００℃以上、５００℃以下の温度範囲内に保ちつつ表面加工を行なうことを特徴とするシリコンウェーハ表面加工方法にて達成される。

従来、鏡面ウェーハの製造は、シリコン単結晶インゴットをスライスし、周囲の面取りを行ない、ラッピング、エッチング、ポリッシング工程等、全く異なった装置、方法を経て鏡面ウェーハに仕上げられて行くものであって、多大なコストと手間がかかるものであった。本発明によれば、単一の装置での連続的な加工が可能となり、コストと手間の低減が可能となって、しかも従来法と差のない品質の大型薄片鏡面ウェーハが、容易に得られるという優れた効果を有する。

本発明において用いられる砥粒微粒子は酸化セリウムであることが必要である。酸化セリウム砥粒微粒子はシリコンとのなじみがよく、ウェーハ表面にスクラッチやチッピングを与えることがない。また、そのサイズについては特に限定を受けるものではないが、鏡面仕上げを得ることを考慮すると平均粒径５μｍあるいはそれ以下であることが好ましい。

また、本発明においては、砥粒微粒子の配合比は特に限定を受けるものではないが、好ましくは、体積含有率で３０％ないし７０％である。３０％以下であると、砥粒の比率が少なく所期の研削力を得ることができない。また、７０％以上であると砥粒が多すぎてスクラッチ等の欠点が出やすく、また製造も困難である。

本発明の肝要は、使用する砥石が上述の砥粒微粒子の他に、炭酸またはホウ酸のいずれかの弱酸とアルカリ金属またはアルカリ土類金属から選ばれたアルカリ金属よりなる塩類を含有することにある。好ましいアルカリ金属としてはナトリウムあるいはカリウムをあげることができ、好ましいアルカリ土類金属としてはカルシウムあるいはマグネシウムを挙げることができる。

本発明において、塩類の配合比は特に限定を受けるものではないが、砥石組織全体に対する体積含有率で１０％ないし３０％の範囲であることが好ましい。１０％以下であると、その効果が十分でなく安定した加工が行なえない。また、３０％を越えると量的に過剰であり、むしろ砥石の強度、硬度あるいは結合度等の物性に悪影響を与える。

本発明に使用する砥石に用いられる合成樹脂は前述の酸化セリウム砥粒微粒子と塩類を結合する結合材として用いられるものであって、特に限定を受けるものではないが、少なくとも湿度の影響で膨潤したり、経時的に変質したりするものであってはならない。具体的には熱硬化性樹脂、例えばフェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、メラミン系樹脂、硬質ウレタン系樹脂、尿素系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、アルキッド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリビニールアセタール系樹脂等を挙げることができる。これらの樹脂は単独で用いてもよいしまた、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。これらの熱硬化性樹脂を硬化させたものは、耐水性、対薬品性、耐熱性に優れ、また適度な硬度を持ち、使用時の形状安定性、寸法安定性に優れるものである。本発明においては、これらの性質に加え、すぐれた機械的強度と対磨耗性に優れたフェノール系樹脂を用いることが特に好ましい。本発明でいうフェノール系樹脂とは、フェノール類とアルデヒド類との付加、縮合反応にて得られるものである。

本発明において用いられる合成砥石においては、結合材としての樹脂の配合比は特に限定を受けるものではないが、好ましくは、砥石全体に対する体積含有率で２０ないし５０％の範囲である。２０％以下であると、結合材としての効果が低く、良好な砥石構造を得ることができない。また、５０％を越えると結合材が多すぎて砥石としての性能を引き出すことができない

本発明に使用する砥石には、必要に応じて添加剤を加えることができる。添加剤としての添加量は、砥石としての性能に影響を与えない範囲での任意の量である。添加剤としては、例えばカップリング剤、酸化防止剤、撥水剤、紫外線吸収剤、増量剤、あるいは砥石製造時に必要に応じて用いられる気孔形成剤、樹脂の硬化剤、触媒等をあげることができる。

本発明に使用する研磨装置は、定圧あるいは定寸方式の研磨加工機である。定圧方式の研磨加工機とは、常時一定の圧力で砥石を工作物表面に押圧制御し、砥石および工作物の少なくとも一方を回転させ加工を行なう方式のものである。また、定寸方式の研磨加工機とは、所謂強制切込み（インフィード）方式の加工機であり、一定の変位量で砥石、あるいは工作物あるいはその双方を送り込みつつ、砥石および工作物の少なくとも一方を回転させながら、一定のレートで加工を行なう方式のものである。本発明方法においてはこのどちらも使用可能であるが、その加工の段階によって適宜切り替えてもよい。

本発明においては、上述の砥石を上述の研磨加工機に取り付け、加工を行なう際に、水あるいはその他の加工液を使用しない乾式の条件下で、加工を行なうことが肝要である。砥石中に炭酸またはホウ酸のいずれかの弱酸とアルカリ金属またはアルカリ土類金属から選ばれたアルカリ金属よりなる塩類を含有せしめることで、実際の研磨工程において、研磨熱の影響により、該塩類の存在下で、酸化セリウム砥粒とシリコンとの間で反応式（１）に示す固相反応がおこり、やや軟質なシリケート層が形成されそれが研磨に伴なう機械的作用により容易に除去されるといういわゆるケモメカニカル研磨（ＣＭＧ）メカニズムが形成される。この反応は砥石とウェーハとの接触面で局部的に起こるものであり、乾式で進むことを特徴とする。
ＣｅＯ_２＋２Ｓｉ−Ｏ^２−→ＳｉＯ＝Ｃｅ＝Ｏ−Ｓｉ＋Ｏ_２ (１)

上述のシリケート層は、乾式の状態で表面温度を２００℃以上に保つことで安定で定常的に存在し、２００℃以下では十分な化学反応速度が得られない。また、５００℃以上の温度になると、焼けが発生しこの形態では安定して存在し難くなるので、研磨工程では工作物の表面温度を２００℃以上、５００℃以下の範囲内に保つことが好ましい。この温度範囲に保つためにはインフィード率（圧力）と回転数を調節することにより可能である。

以下、実施例および比較例に従い本発明の具体的実施態様を説明するが、それにより限定を受けるものではない。実施例および比較例において使用した砥石の組成とサイズを表１に示す。

実施例１として上記砥石を定寸方式の研磨加工機に取り付け、４００番のダイヤモンド砥石で一次研磨した後の１２インチのシリコンウェーハの加工を行なった。４００番ダイヤモンド砥石による一次研磨後のシリコンウェーハの表面の面粗さＲａは０．７３８μｍ（７３８ｎｍ）であった。ついで加工後のウェーハの結晶欠陥を観測するために、室温のフッ酸：硝酸：酢酸＝９：１９：２の混合酸中に加工後のウェーハを３０秒間浸漬することでエッチングを行ないその外観を観察した。加工条件は表２に示す通りであり、回転数とインフィード率（圧力）をウェーハ表面温度が２００℃ないし５００℃の間にある条件を設定した。

比較例１
比較例１として本発明の砥石を用いる代わりに３０００番のダイヤモンド砥石を用いて加工実施例１と同じ加工を行なった。

実施例１、比較例１によって得られた結果を表３に示す。なお、参考のために市販のポリッシング後の鏡面ウェーハについての測定結果を表３に併記する。

表３の加工面粗さの数値、およびプロファイルの図１、２、３に示す通り、本発明方法によって得られたウェーハの面粗さおよびプロファイルは、ダイヤモンド砥石で加工したウェーハ、あるいは市販の従来方法で加工したウェーハの面粗さと大差ないことが判った。加工面を前述の混合酸にてエッチングしたところ、図４に示す如く、本発明によって得られた面には、図６の市販鏡面ウェーハと同様にエッチピットは見られなかった。一方、ダイヤモンド砥石で研削加工した比較例１のウェーハには、図５に示すようにダイヤモンド砥粒による無数の筋状のエッチピットが認められ、このことは転位、残留歪等、加工に起因する内部欠陥が多いことが判る。

また、ウェーハ加工面の外観を見るために、加工面に雑誌の表紙部分を写した状態の写真を図７、図８、図９に示す。比較例のダイヤモンド砥石で加工したウェーハの外観を示す図８においては、明らかにダイヤモンド砥粒の影響による規則的な条痕が認められるが、本発明によるものは図７において明らかなように、方向性のない均質な鏡面であり、これは市販の鏡面ウェーハの面（図９）と同等である。また、図１０、図１１には実施例および比較例の薄片ウェーハの断面写真を示す。実施例（図１０）の断面にはなんら欠陥は認められないが、比較例の（図１１）の断面には明らかな欠陥が認められる。

７６０μｍの厚みを有する８インチシリコンウェーハを、まず４００番のダイヤモンド砥石によって、一次加工し１５０μｍの厚みとし、然るのち実施例１で示した砥石と、加工条件を用いてウェーハの加工を行なった。ウェーハの厚みが１００μｍの厚みになるまで加工を続けたが、その間ウェーハの破損もなく、欠点フリーの状態で加工を継続することができた。加工後の薄片ウェーハには反りが全く認められなかった（０ｍｍ）のに対し、ダイヤモンド砥石によって加工したウェーハには２−３ｍｍ程度の反りが認められた。加工完了後、実施例１と同様にウェーハのエッチングを行なったが、エッチピットは認められなかった。即ち、本発明により、反りもなく良好なダメージレスウェーハを得ることができた。

上述の通り、本発明によれば、アズカットウェーハから鏡面ウェーハまでの加工を一貫して連続的に乾式で行なうことが可能であり、その間、高価な加工液を使用することもないので廃液処理に関する問題も皆無である。更に、得られた鏡面ウェーハの品質は従来法により得られたものといささかも変わるものでなく、しかもこれを薄片ウェーハの製造にあてた場合、従来法よりも遥かに優れた品質と効率（生産性）とで無欠陥薄片ウェーハが得られるのであるから、産業界に及ぼす影響は、計り知れないものがある。即ち、品質において従来法と比較して劣ることなく、無欠陥薄片ウェーハの低コストでの商業的生産を可能とし、極薄型シリコンウェーハの安価生産が可能となったことから、小型パワーデバイスの生産性向上と安価生産という課題を達成し得たものである。

実施例１の加工ウェーハのプロファイルを示す状態図である。 比較例１の加工ウェーハのプロファイルを示す状態図である。 市販の鏡面シリコンウェーハのプロファイルを示す状態図である。 実施例１の加工ウェーハのエッチング後の表面のＳＥＭ写真である。 比較例１の加工ウェーハのエッチング後の表面のＳＥＭ写真である。 市販の鏡面シリコンウェーハのエッチング後の表面のＳＥＭ写真である。 実施例１の加工ウェーハの面の状態を示す写真である。 比較例１の加工ウェーハの面の状態を示す写真である。 市販の鏡面シリコンウェーハの面の状態を示す写真である。 実施例１の加工ウェーハの断面の状態を示す写真である。 実施例１の加工ウェーハの断面の状態を示す写真である。

Claims (1)

1. 酸化セリウム砥粒微粒子と、炭酸またはホウ酸のいずれかの弱酸とアルカリ金属またはアルカリ土類金属から選ばれたアルカリ金属よりなる塩類、および合成樹脂よりなる砥石を、定圧あるいは定寸方式の研削加工機に取り付け、平板状のシリコンウェーハ表面に接触せしめ、水あるいはその他の加工液を使用しない乾式の条件で、砥石およびシリコンウェーハの少なくとも一方を回転させることにより、前記シリコンウェーハの表面温度を２００℃以上、５００℃以下の温度範囲内に保ちつつ表面加工を行なうことを特徴とするシリコンウェーハ表面加工方法。

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