JP5350127B2

JP5350127B2 - 被加工物の研削方法

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Publication number: JP5350127B2
Application number: JP2009187612A
Authority: JP
Inventors: 昌史青木
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-08-13
Also published as: JP2011036962A

Description

本発明は、サファイア基板、炭化珪素基板等のモース硬度９以上の被加工物を研削する被加工物の研削方法に関する。

研削装置の主要用途はシリコンウエーハの研削であるが、近年になり光学素子の製造に使用されるサファイア、炭化珪素等のモース硬度９以上の硬質材料を研削するという用途も増大している。

これらの材料は、研削装置の主要用途を占めてきたシリコンに比較して大変硬く、研削が難しいため難研削材と呼ばれ、近年になり難研削材を研削するための研削用砥石の開発が行われ、研削が可能になってきた（例えば、特開２００３−２４５８４７号公報参照）。

特開２００３−２４５８４７号公報

しかし、サファイア、炭化珪素等は難研削材であることには変わりはなく、通常行われる粗研削と仕上げ研削を実施するにあたり、仕上げ研削で研削しすぎると、研削砥石の異常磨耗や、基板の割れ又は欠けといったトラブルが発生し易い。これは、粗研削用砥石に比べ、仕上げ研削用砥石は砥粒が細かく研削する力が弱いためである。

粗研削終了時点では基板の研削面に破砕層が残存する。即ち、基板研削面付近に無数の極小クラックを含む破砕層が残存するため、破砕層が存在する領域では研削抵抗が小さく、破砕層が研削されてなくなった領域は研削抵抗が高くなる。

つまり、仕上げ研削用砥石で破砕層を有する基板を研削する場合、破砕層が残存する領域を超えて研削が進むと、一気に研削抵抗が高くなるため研削砥石の異常磨耗や、基板の割れ又は欠けといった研削トラブルが発生する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、研削トラブルを発生することなくモース硬度９以上の被加工物を研削可能な被加工物の研削方法を提供することである。

本発明によると、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を研削する研削砥石を有する研削ホイールと、該研削ホイールが装着されるスピンドル及び該スピンドルを回転駆動するモータとを含む研削手段と、該研削手段を研削送りする研削送り手段とを備えた研削装置を用いて、モース硬度９以上の被加工物の破砕層を研削して除去する被加工物の研削方法であって、該チャックテーブルで被加工物を吸引保持する保持工程と、該研削手段を研削送りして該チャックテーブルで保持された被加工物の破砕層を研削するとともに、研削中の該モータの負荷電流値を計測する研削・負荷電流値計測工程と、研削中の該モータの負荷電流値が規定負荷電流値に達したか否かを判定する負荷電流値判定工程と、該モータの負荷電流値が該規定負荷電流値に達した際に研削送りを停止する研削送り停止工程と、を具備したことを特徴とする被加工物の研削方法が提供される。

好ましくは、被加工物はサファイア又は炭化珪素から構成される。

本発明によると、破砕層を超えて研削が進むのを極力抑えることができ、被加工物の割れ、欠け等を防止できるとともに、仕上げ研削用砥石に過剰な負荷がかかるのを防止することができるので、研削砥石の異常磨耗や欠けの発生を防ぐことができる。更に、仕上げ研削用のスピンドルへの過剰な負荷がかかるのを防止できるので装置の保護にも繋がる。

本発明の研削方法を実施するのに適した研削装置の外観斜視図である。本発明実施形態に係る研削方法のフローチャートである。研削・負荷電流値計測工程の説明図である。研削時間とモータの負荷電流値との関係を示すグラフである。サファイア基板の断面図であり、（Ａ）は研削前の、（Ｂ）は粗研削後の、（Ｃ）は仕上げ研削後のサファイア基板の断面をそれぞれ示している。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１を参照すると、本発明の研削方法を実施するのに適した研削装置２の外観斜視図が示されている。４は研削装置２のハウジング（ベース）であり、ハウジング４の後方には二つのコラム６ａ，６ｂが垂直に立設されている。

コラム６ａには、上下方向に伸びる一対のガイドレール（一本のみ図示）８が固定されている。この一対のガイドレール８に沿って粗研削ユニット１０が上下方向に移動可能に装着されている。粗研削ユニット１０は、そのハウジング２０が一対のガイドレール８に沿って上下方向に移動する移動基台１２に取り付けられている。

粗研削ユニット１０は、ハウジング２０と、ハウジング２０中に回転可能に収容された図示しないスピンドルと、スピンドルを回転駆動するサーボモータ２２と、スピンドルの先端に固定された複数の粗研削用の研削砥石２６を有する研削ホイール２４を含んでいる。

粗研削ユニット１０は、粗研削ユニット１０を一対の案内レール８に沿って上下方向に移動するボールねじ１４とパルスモータ１６とから構成される粗研削ユニット移動機構１８を備えている。パルスモータ１６をパルス駆動すると、ボールねじ１４が回転し、移動基台１２が上下方向に移動される。

他方のコラム６ｂにも、上下方向に伸びる一対のガイドレール（一本のみ図示）１９が固定されている。この一対のガイドレール１９に沿って仕上げ研削ユニット２８が上下方向に移動可能に装着されている。

仕上げ研削ユニット２８は、そのハウジング３６が一対のガイドレール１９に沿って上下方向に移動する図示しない移動基台に取り付けられている。仕上げ研削ユニット２８は、ハウジング３６と、ハウジング３６中に回転可能に収容された図示しないスピンドルと、スピンドルを回転駆動するサーボモータ３８と、スピンドルの先端に固定された仕上げ研削用の研削砥石４２を有する研削ホイール４０を含んでいる。

仕上げ研削ユニット２８は、仕上げ研削ユニット２８を一対の案内レール１９に沿って上下方向に移動するボールねじ３０とパルスモータ３２とから構成される仕上げ研削ユニット移動機構３４を備えている。パルスモータ３２を駆動すると、ボールねじ３０が回転し、仕上げ研削ユニット２８が上下方向に移動される。

研削装置２は、コラム６ａ，６ｂの前側においてハウジング４の上面と略面一となるように配設されたターンテーブル４４を具備している。ターンテーブル４４は比較的大径の円盤状に形成されており、図示しない回転駆動機構によって矢印４５で示す方向に回転される。

ターンテーブル４４には、互いに円周方向に１２０°離間して３個のチャックテーブル４６が水平面内で回転可能に配置されている。チャックテーブル４６は、ポーラスセラミック材によって円盤状に形成された吸着チャックを有しており、吸着チャックの保持面上に載置された基板を真空吸引手段を作動することにより吸引保持する。

ターンテーブル４４に配設された３個のチャックテーブル４６は、ターンテーブル４４が適宜回転することにより、基板搬入・搬出領域Ａ、粗研削加工領域Ｂ、仕上げ研削加工領域Ｃ、及び基板搬入・搬出領域Ａに順次移動される。

ハウジング４の前側部分には、基板カセット５０と、リンク５１及びハンド５２を有する基板搬送ロボット５４と、複数の位置決めピン５８を有する位置決めテーブル５６と、基板搬入機構（ローディングアーム）６０と、基板搬出機構（アンローディングアーム）６２と、研削された基板を洗浄及びスピン乾燥するスピンナ洗浄装置６４と、スピンナ洗浄装置６４で洗浄及びスピン乾燥された研削後の基板を収容する収容カセット６６が配設されている。

図１に示したスピンナ洗浄装置６４には、研削された基板４８（図５参照）を吸引保持して回転する基板４８より小径のスピンナテーブル６８が装着されている。７０はスピンナ洗浄装置６４のカバーである。

次に図２乃至図５を参照して、図５（Ａ）に示す直径３インチのサファイア基板４８を研削する本発明実施形態に係る被加工物の研削方法について詳細に説明する。図２のフローチャートを参照すると、本発明の研削方法では、まずステップＳ１０でチャックテーブル４６で研削すべきサファイア基板４８を吸引保持する。即ち、基板カセット５０中に収容されたサファイア基板４８は、基板搬送ロボット５４の上下動作及び進退動作によって搬送され、基板位置決めテーブル５６に載置される。

基板位置決めテーブル５６に載置されたサファイア基板４８は、複数の位置決めピン５８によって中心合わせが行われた後、ローディングアーム６０の旋回動作によって、基板搬入・搬出領域Ａに位置付けされているチャックテーブル４６上に載置され、チャックテーブル４６によって吸引保持される。即ち、ここで図２に示すステップＳ１０の保持ステップが実行される。

次いで、ターンテーブル４４が反時計回り方向に１２０度回転されて、サファイア基板４８を保持したチャックテーブル４６が粗研削加工領域Ｂに位置づけられる。このように位置づけられたサファイア基板４８に対してチャックテーブル４６を例えば３００ｒｐｍで回転しつつ、研削ホイール２４をチャックテーブル４６と同一方向に例えば６０００ｒｐｍで回転させるとともに、粗研削ユニット移動機構１８を作動して粗研削用の研削砥石２６をサファイア基板４８の裏面に接触させる。

そして、研削ホイール２４を所定の研削送り速度で下方に所定量研削送りして、ステップＳ１１の粗研削を実施する。接触式又は非接触式の厚みゲージによってサファイア基板４８の厚みを測定しながらサファイア基板４８を所望の厚みに研削する。粗研削前の図５（Ａ）に示すサファイア基板４８の厚みは０．４ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であり、粗研削でこれを図５（Ｂ）に示すように８０μｍ〜３００μｍ程度まで薄化する。

図５（Ｂ）でｔ１は粗研削領域である。このようにサファイア基板４８の粗研削を実施すると、サファイア基板４８表面から所定の厚さの破砕層４９が形成される。この破砕層４９は、粗研削により発生し無数の極小クラックを含んでおり、その厚みは５μｍ〜２０μｍ程度である。

粗研削が終了したサファイア基板４８を保持したチャックテーブル４６は、ターンテーブル４４を反時計回りに１２０度回転することにより、仕上げ研削加工領域Ｃに位置づけられ、仕上げ研削砥石４２を有する仕上げ研削ユニット２８により破砕層４９を除去するステップＳ１２の仕上げ研削を実施する。この仕上げ研削では、モータ３８の負荷電流値を計測しながら研削砥石４２で破砕層４９の研削を実施する。

図３（Ａ）は仕上げ研削時のチャックテーブル４６に保持されたサファイア基板４８と仕上げ研削ユニット２８との関係を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はその正面図を示している。

仕上げ研削ユニット２８のハウジング３６中には、モータ３８により回転駆動されるスピンドル３７が収容されており、スピンドル３７の先端にはホイールマウント３９が固定されている。このホイールマウント３９に対して、仕上げ研削用の研削砥石４２を有する研削ホイール４０が着脱可能に装着されている。

ステップＳ１２の研削・負荷電流値計測工程では、粗研削ユニット１０による粗研削と同様に、チャックテーブル４６を矢印ａ方向に例えば３００ｒｐｍで回転しつつ、研削ホイール４０を矢印ｂ方向に例えば６０００ｒｐｍで回転させるとともに、仕上げ研削ユニット移動機構３４を作動して仕上げ研削用の研削砥石４２をサファイア基板４８の破砕層４９に接触させる。

そして、研削ホイール４０を所定の研削送り速度（例えば０．１〜０．５μｍ／ｓ）で下方に所定量研削送りして、サファイア基板４８の破砕層４９を研削する。この破砕層４９の研削は、電源７２とモータ３８の間に直列に接続された電流計７４でモータ３８の負荷電流値を計測しながら実施する。電流計７４で計測した負荷電流値はコントローラ７６に入力され、コントローラ７６でメモリ７８に予め記憶している規定負荷電流値Ｉ_０と比較する。

この規定負荷電流値Ｉ_０は例えば以下のようにして設定する。例えば、破砕層４９研削時の最高負荷電流値が７Ａ、負荷電流値の変動範囲が０．５Ａとすると、以下のように研削送りを停止する規定負荷電流値Ｉ_０を設定する。

最高負荷電流値（７Ａ）＋変動範囲（０．５Ａ）×２＝規定負荷電流値Ｉ_０＝８Ａ
図４を参照すると、規定負荷電流値Ｉ_０を８Ａに設定した時の、破砕層４９を研削する仕上げ研削時の研削時間とモータ３８の負荷電流値との関係を示すグラフが示されている。研削ホイール４０を研削送りしながら仕上げ研削を実施すると、時間ｔ１で仕上げ研削砥石４２がサファイア基板４８の破砕層４９に接触するため、モータ３８の負荷電流値は急激に上昇する。

時間ｔ２まで破砕層４９の研削が遂行されるため、モータ３８の負荷電流値は６．５アンペア（Ａ）〜７．０Ａの間で概略一定となる。図４で矢印Ａは破砕層４９を研削中の最低負荷電流値を示しており、矢印Ｂは破砕層４９を研削中の最高負荷電流値を示している。Ｉｒは破砕層を研削中の負荷電流値範囲である。

矢印８０は破砕層研削期間を示しており、時間ｔ２で破砕層４９の研削が終了したため、モータ３８の負荷電流値が急激に上昇する。これは、研削砥石４０が硬いサファイア基板４８自身を研削することになるため、研削抵抗が高くなり、モータ３８の負荷電流値が急激に上昇する。

本発明では、ステップＳ１３でモータ３８の負荷電流値が規定負荷電流値Ｉ_０に達したか否かを常に監視している。時間ｔ３でモータ３８の負荷電流値が矢印Ｃで示すように規定負荷電流値Ｉ_０である８．０アンペアに達したため、ステップＳ１４で研削送りを直ちに停止するように制御する。

そして、ステップＳ１５に進んで研削送りを停止した状態で研削を行うスパークアウト研削を実施する。図５（Ｃ）は仕上げ研削終了後のサファイア基板４８を示しており、仕上げ研削での研削量ｔ２は５μｍ〜２０μｍ程度である。

仕上げ研削を終了したサファイア基板４８を保持したチャックテーブル４６は、ターンテーブルテーブル４４を反時計周り方向に１２０度回転することにより、基板搬入・搬出領域Ａに位置づけられる。

チャックテーブル４６に保持されているサファイア基板４８の吸引保持が解除されてから、基板搬出機構（アンローディングアーム）６２でサファイア基板４８が吸着されて、アンローディングアーム６２が旋回することによりスピンナ洗浄装置６４に搬送される。

スピンナ洗浄装置６４に搬送されたサファイア基板４８は、ここで洗浄されるとともにスピン乾燥される。次いで、基板搬送ロボット５４により収容カセット６６の所定位置にサファイア基板４８が収容される。

本実施形態の研削方法では、モータ３８の負荷電流値が予め定めた規定電流負荷値Ｉ_０に達した時点で仕上げ研削ユニット２８の研削送りを直ちに停止するため、破砕層４９を超えて研削が進むのを防止することができ、サファイア基板４８の割れ、欠け等を防止することができる。

また、仕上げ研削用砥石４２に過剰な負荷がかかるのを抑制することになるので、仕上げ研削用砥石４２の異常磨耗や欠けの発生を防止することができ、ひいては研削砥石４２の磨耗を最小限に食い止め、多くのサファイア基板４８を研削することができる。更に、仕上げ研削用のスピンドル３７への過剰な負荷も防止できるので装置の保護にも繋がる。

上述した実施形態では、本発明の研削方法をサファイア基板４８の研削に適用した例について説明したが、本発明の研削方法はサファイア基板４８のみに限定されるものではなく、炭化珪素基板等のモース硬度９以上の難研削材の研削に同様に適用可能である。

２研削装置
１０粗研削ユニット
２８仕上げ研削ユニット
３８モータ
４０仕上げ研削ホイール
４２仕上げ研削砥石
４４ターンテーブル
４６チャックテーブル
４８サファイア基板

Claims

被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を研削する研削砥石を有する研削ホイールと、該研削ホイールが装着されるスピンドル及び該スピンドルを回転駆動するモータとを含む研削手段と、該研削手段を研削送りする研削送り手段とを備えた研削装置を用いて、モース硬度９以上の被加工物の破砕層を研削して除去する被加工物の研削方法であって、
該チャックテーブルで被加工物を吸引保持する保持工程と、
該研削手段を研削送りして該チャックテーブルで保持された被加工物の破砕層を研削するとともに、研削中の該モータの負荷電流値を計測する研削・負荷電流値計測工程と、
研削中の該モータの負荷電流値が規定負荷電流値に達したか否かを判定する負荷電流値判定工程と、
該モータの負荷電流値が該規定負荷電流値に達した際に研削送りを停止する研削送り停止工程と、
を具備したことを特徴とする被加工物の研削方法。
該被加工物は、サファイア又は炭化珪素から構成される請求項１記載の被加工物の研削方法。