JP5671510B2

JP5671510B2 - 半導体デバイス基板の研削方法

Info

Publication number: JP5671510B2
Application number: JP2012231263A
Authority: JP
Inventors: 山本　栄一; 栄一山本; 小林　一雄; 一雄小林; 利洋伊東
Original assignee: 株式会社岡本工作機械製作所
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP2014028425A

Description

本発明は、半導体デバイス基板の表面をカップホイール型研削砥石で高平坦形状に研削加工する際の、カップホイール型研削砥石の砥石刃に付着した銅研削屑や絶縁層屑を高圧ジェット水で除去して基板研削加工速度の低下を防ぐとともにカップホイール型研削砥石の砥石寿命を向上させる効果のある基板の研削方法に関する。

ＤＲＡＭ、銅配線半導体デバイス基板、貫通電極基板、インクジェットプリント配線基板の製造において、基板から金属電極、銅配線、絶縁膜等を研削加工して平坦形状表面に形成し、ついで、ラップ加工、研磨パッド加工等の研磨加工により、もしくは、エッチング加工により絶縁膜の厚みを減らして電極を絶縁膜表面高さより５〜２０μｍ突出させた貫通電極基板、あるいは、絶縁膜を研削加工して絶縁膜表面に銅配線が表出したより高い平坦形状表面にすることが半導体装置の製造工程において行われている。

特開２００４−１８１５８４号公報（特許文献１）は、外径が２〜５００ｎｍ、アスペクト比が５〜１５０００で中心部に中空構造を有する多層構造の炭素繊維と砥粒と母材を含む研磨用複合材を定盤や砥石台金に固着させた研磨ホイールや研削砥石、研磨パッドを開示する。

また、特開２００５−２１７０３７号公報（特許文献２）は、研磨パッドにノズルより１５〜３０ＭＰａの圧力の洗浄液（研磨砥粒は含まない）を１０〜１５００ｍ／秒の噴霧速度で噴射して研磨パッド内に蓄積された研磨屑を研磨パッドより洗い流すドレッシングを行い、その後、別のノズルから１５ＰＭａの圧力で噴射させた研磨剤スラリーを前記研磨パッドに供給する研磨パッドのコンディショニング方法を開示する。

本願特許出願人は、特開２０１１−１４２２０１号公報（特許文献３）にて、
平坦化加工装置を据え付ける部屋を前方部よりＬ字状の半導体基板のローディング／アンローディングステージ室、中間部の半導体基板の研磨加工ステージ室および奥部の半導体基板の研削加工ステージ室の３室に仕切り壁で区分けし、前記各ステージ室間の仕切り壁には隣接するステージ室に通じる基板を出し入れできる開口部が設けられ、前記ローディング／アンローディングステージ室の前方部壁室外には複数基のロードポートの基板収納カセットを設けた半導体基板の平坦化加工装置であって、
前記半導体基板のローディング／アンローディングステージ室内には、前記ロードポート背後の室内に第一の多関節型基板搬送ロボットを設け、その左側に基板洗浄機器を、その基板洗浄機器上方に第一の位置決め仮置台を設け、前記第一の位置決め仮置台の後方奥部に第二の移送式多関節型基板搬送ロボットを設けて在り、
前記研磨加工ステージ室内には、基板４枚を載置することが出来るサイズの円形状の仮置台４組を同一円周上にかつ等間隔に設けた仮置台定盤と、基板２枚を同時に研磨加工する平面円形状の第一、第二および第三の研磨定盤３組とから構成される４組の定盤の中心点が同一円周上に在り、かつ、等間隔に回転自在に設置した研磨手段と、前記３組の研磨定盤のそれぞれの傍らに研磨定盤の研磨布をドレッシングするドレッサー３組を設け、および、これら４組の定盤の上方には、１台のインデックス型ヘッドを設け、このインデックス型ヘッドの下方には基板の研磨される面を下方に向けて吸着する基板吸着チャックの一対を同時に独立して回動自在に主軸に支持してなる基板吸着チャック機構の４組を同心円上に設けた８枚の基板を吸着固定できる基板チャック手段を設けて各基板吸着チャックに吸着された半導体基板のそれぞれが前記定盤の４組のいずれかに対応して向き合うことを可能とした研磨加工ステージを設け、
前記半導体基板の研削加工ステージ室内には、第二の位置決め仮置台を前記第二の移送式多関節型基板搬送ロボットの背面側に設け、この第二の位置決め仮置台の右横側にハンドアーム表裏回転式の第三の多関節型搬送ロボットを設け、この第三の多関節型搬送ロボットの右横側に基板表裏面洗浄機器を設け、前記第三の多関節型搬送ロボットとこの基板表裏面洗浄機器の後ろ側に４組の基板チャックテーブルを１台のインデックス型ターンテーブルに同一円周上に等間隔に回転可能に設けた基板チャック定盤を設け、前記４組の基板チャックテーブルをローディング／アンローディングステージチャック、基板粗研削ステージチャック、基板エッジ研削ステージチャックおよび基板仕上げ研削チャック位置であると数値制御装置にインデックス記憶し、および、前記基板エッジ研削ステージチャックの傍らにエッジ研削砥石車を前後移動および上下昇降移動可能と為すエッジ研削装置を設けるとともに、前記基板粗研削ステージチャックの上方にカップホイール型粗研削砥石を上下昇降移動および回転可能に設け、かつ、前記前記基板仕上げ研削ステージチャックの上方にカップホイール型仕上げ研削砥石を上下昇降移動および回転可能に設け、前記第三の多関節型搬送ロボットに前記第二の位置決め仮置台上の半導体基板を前記ローディング／アンローディングステージチャック上へ移送、前記ローディング／アンローディングステージチャック上の半導体基板を前記基板表裏面洗浄機器上へ移送および前記基板表裏面洗浄機器上の半導体基板を前記研磨加工ステージ室内の前記仮置台定盤上へ移送する作業を行わせる研削加工ステージ室を設けた半導体基板の平坦化加工装置を提案した。

特開２００４−１８１５８４号公報特開２００５−２１７０３７号公報特開２０１１−１４２２０１号公報

上述の特許文献３記載の平坦化加工装置は、半導体デバイス基板の裏面のシリコン基盤面を平坦化加工するにおいては優れるものである。しかし、半導体デバイス基板の配線プリントが施されているデバイス面を高い砥番（実施例では、２，０００番のダイヤモンド砥粒）の仕上げ研削砥石で仕上げ研削加工（仕上げ研削時間は２〜４分）してデバイス面を平坦化加工する工程にて、銅配線の銅屑や絶縁膜層屑がカップホイール型砥石の砥石刃先に付着し、研削加工速度を低下させ、カップホイール型砥石の交換頻度が半導体デバイス基板１０枚当たりで行う（砥石寿命が短い）必要があることが見出された。

本発明者らは、半導体デバイス面の高い砥番のカップホイール型砥石による仕上げ研削加工後に、前記特許文献２記載の高圧ジェット洗浄液をカップホイール型砥石の砥石刃に噴射し、この砥石刃に付着した金属配線屑や絶縁膜層屑を洗い流すことを試みたところ、砥石刃表面より金属配線屑や絶縁膜層屑を洗い流す効果があることを見出した。しかし、半導体チップ製造メーカーは、半導体デバイス面の研削加工時間がこの洗浄工程の追加により長くなることを理由に砥石洗浄工程の追加採用に反対した。

次に、本発明者らは、半導体デバイス面の高い砥番のカップホイール型砥石による仕上げ研削加工中に、砥石刃に付着した金属配線屑や絶縁膜層屑を別のダイヤモンド砥石ドレッサーによりデバイス面加工に供されていない部分の砥石刃に当てて除去することを試みたが、せいぜい砥石寿命（砥石による半導体デバイス基板の研削枚数）を２倍に高める効果しか見出されなかった。半導体チップ製造メーカーは、さらなる砥石寿命の向上を期待した。

更に、本発明者らは、半導体デバイス面の高い砥番のカップホイール型砥石による仕上
げ研削加工中に、前記高圧ジェット洗浄液を前記カップホイール型砥石の研削加工に供されていない部分の砥石刃に噴射し、この砥石刃に付着した金属配線屑や絶縁膜層屑を洗い流すことを試みたところ、砥石刃表面より金属配線屑や絶縁膜層屑を洗い流す効果があることを見出した。しかも、前記別の砥石ドレッサー使用によるカップホイール型砥石の砥石刃の更なる磨耗が生じる欠点がないので、カップホイール型砥石の砥石寿命も格段に延びると推量される。

本発明の請求項１は、半導体デバイス基板のデバイス面を上方に向けて半導体デバイス基板（ワーク）をバキュームチャック回転テーブル上に載置し、回転軸に軸承された砥番２，０００〜８，０００のダイヤモンド砥粒カップホイール型研削砥石カップホイール型砥石により前記デバイス面の厚みを２〜５０μｍ減少させる研削加工を行うとともに、前記デバイス面の研削加工に供されていない部分の前記カップホイール型砥石の砥石刃にこの砥石刃までの距離５〜２０ｍｍ位置にあるノズル噴出口より３〜１７ＭＰａに加圧された高圧洗浄水を砥石刃への噴射角度が３〜１８度の扇形状となるよう噴射させて砥石刃に付着した屑を洗い落とす砥石刃洗浄を行うことを特徴とする、半導体デバイス基板の研削方法を提供するものである。

本発明の請求項２は、砥石刃への高圧洗浄水の噴射圧力が１０〜１５ＭＰａであり、洗浄水の噴射は前記デバイス面の研削加工中、連続もしくは間歇的に行うことを特徴とする、請求項１記載の半導体デバイス基板の研削方法を提供するものである。

研削砥石によるワークの研削加工と前記研削砥石の砥石刃に付着した金属配線屑、絶縁層屑、研削屑を含む樹脂屑の高圧ジェット洗浄水による除去のドレッシング作業を同時に平行して行うので、研削加工中、研削砥石の目立てが常時、高圧ジェット洗浄水により実施されるので研削砥石のワーク研削速度が低下することはない。また、高圧ジェット洗浄水による砥石刃のドレッシング作業による砥石刃の磨耗は無視できるほど極めて小さいので、砥石寿命に与える影響は殆どない。

図１はワークの研削加工作業の要部を示す一部を切り欠いた正面図である。

図１に示す半導体デバイス基板ｗの研削装置１は、ポーラスセラミックチャックテーブル２ａを回転軸２ｂに軸承させた基板吸着チャック機構２、砥石軸３ｂに軸承された高い砥番のカップホイール型研削砥石３ａを備える砥石ヘッド３、該研削砥石の砥石刃先３ａ_ｇを高圧ジェット洗浄するノズル４ａを備える洗浄液噴射装置４および半導体デバイス基板のデバイス面に研削液を供給する研削液供給ノズル５を備える。半導体デバイス基板（ワーク）ｗは、シリコン基盤ｗ_ｓの表面に形成されたデバイス面ｗ_ｄを上方に向けて前記ポーラスセラミックチャックテーブル２ａ上に載置される。図中、６は脱気管、７は給水管、８は流体室である。流体室８を脱気管６で減圧することにより半導体デバイス基板のポーラスセラミックチャックテーブル２ａ上での固定が確固したものとなる。

半導体デバイス基板ｗとしては、銅配線プリント基板、貫通電極基板、バンプ付き半導体基板、貼り合わせ基板等が使用される。

前記カップホイール型研削砥石３ａは、砥粒素材として砥番＃２，０００〜＃８，０００のダイヤモンド、ｃＢＮ、ＳｉＣの砥粒を用いたビトリアイドボンド砥石、メタルボンド砥石、レジンボンド砥石などが利用できる。なかでも、ダイヤモンドビトリファイドボンドカップホイール型研削砥石が面平坦度仕上げおよび研削速度の面で優れる。

研削液供給ノズル５より供給される研削液としては、デバイス面の素材により異なるが、純水、エタノールアミン水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液、苛性カリ水溶液、酢酸、塩酸等の導電性水溶液、セリア水分散液、アルミナ水分散液などが利用できる。

洗浄液噴射装置４のノズル４ａより供給される高圧洗浄液としては、上述の研削液を用いてもよいが、排水処理の面から純水が一般的である。圧力は、砥石の砥番に依存するが、３〜１７ＭＰａである。

洗浄液噴射装置４としては、旭サナック株式会社の精密高圧ジェット水洗浄機械“ＨＰＭＪＡＦＳ5400Ｓ”（商品名）が利用できる。

上記研削装置１を用いて半導体デバイス基板（ワーク）ｗのデバイス面ｗ_ｄを研削砥石３ｇを用いて平坦化加工する作業は、半導体デバイス基板ｗのデバイス面ｗ_ｄをバキュームチャック２のポーラスセラミックテーブル２ａ上に載置し、回転軸２ｂを１００〜１５０ｍｉｎ^−１回転させることによりワークを回転させ、高粒度カップホイール型研削砥石３ａの砥石軸３ｂを１，２００〜２，０００ｍｉｎ^−１回転させながら３０μｍ／分の下降速度で下降させて、そのカップホイール型研削砥石の砥石刃先３ａ_ｇを前記ワークｗ_ｄ表面上で摺擦させて厚みを所望量（２〜５０μｍ）減少させるワークの仕上げ研削加工をするとともに、この研削加工中に前記カップホイール型研削砥石のデバイス面研削加工に供されていない部分の砥石刃先３ａ_ｇにこの砥石刃までの距離５〜２０ｍｍ位置にあるノズル噴出口４ａより圧力３〜１７ＭＰａ、好ましくは、１０〜１５ＭＰａの洗浄水を噴射させて砥石刃に付着した金属屑、絶縁層屑、樹脂屑等を洗い流す砥石刃洗浄工程を行う。上記研削加工中、ワークの表面には研削液供給ノズル５より研削液が１０〜２０リットル／分の割合で供給される。高圧洗浄水の砥石刃への噴射角度は、３〜１８度、好ましくは、１２〜１８度の扇形状であり、洗浄水の噴射は前記デバイス面の研削加工中、連続もしくは間歇的に行う。

実施例１
砥番＃３２５のダイヤモンドメタルボンドカップホイール型研削砥石を用いて直径２００ｍｍのバンプ付きウエーハのデバイス面が粗研削加工された半導体デバイス基板（ワーク）ｗを仕上げ研削加工の試料とした。

この粗研削加工された半導体デバイス基板のデバイス面ｗ_ｄをバキュームチャック２のポーラスセラミックテーブル２ａ上に載置し、回転軸２ｂを１２０ｍｉｎ^−１回転させることによりワークを回転させ、砥番＃４，０００のダイヤモンドビトリファイドボンドカップホイール型研削砥石３ａを用いてこのカップホイール型研削砥石３ａの砥石軸３ｂを１，１，６５０ｍｉｎ^−１回転させながら３０μｍ／分の下降速度で下降させて、そのカップホイール型研削砥石の砥石刃先３ａ_ｇを前記ワークｗ_ｄ表面上で摺擦させて厚みを所望量（２０μｍ）減少させるワークの仕上げ研削加工を９０秒間実施するとともに、この研削加工中に前記カップホイール型研削砥石のデバイス面研削加工に供されていない部分の砥石刃先３ａ_ｇにこの砥石刃までの距離１０ｍｍ位置にあるノズル噴出口４ａより圧力１２ＭＰａの洗浄水を１．２リットル／分の割合で噴射角度１５度の扇形状に研削加工中連続的に噴射させ、前記砥石刃に付着した金属屑、絶縁層屑、樹脂屑等を洗い流す砥石刃洗浄工程を行った。なお、上記研削加工中、ワークの表面には研削液供給ノズル５より研削液を１５リットル／分の割合で供給した。

得られた仕上げ研削加工された半導体デバイス基板の中心部の直径約２．３μｍの銅プラグの表面粗さは、Ｒａ０．０１７μｍ、Ｒｙ０．１４１μｍ、Ｒｚ０．０７８μｍであり、樹脂膜の表面粗さは、Ｒａ０．１７８μｍ、Ｒｙ１．２４１μｍ、Ｒｚ０．７９８μｍであった。

また、得られた仕上げ研削加工された半導体デバイス基板のエッジ部の直径約１．５μｍの銅プラグの表面粗さは、Ｒａ０．０１７μｍ、Ｒｙ０．０９３μｍ、Ｒｚ０．０７２μｍであり、樹脂膜の表面粗さは、Ｒａ０．０５８μｍ、Ｒｙ０．３３９μｍ、Ｒｚ０．２１０μｍであった。

上記実施例１の半導体デバイス基板のデバイス面ｗ_ｄの仕上げ研削加工を９０枚の半導体デバイス基板について連続して３時間かけて行った。得られた半導体デバイス基板のデバイス面ｗ_ｄの仕上げ研削加工面の表面粗さについて、さほどの差は見受けられなく、半導体チップ製造メーカーの満足がいく値であった。

なお、上記実施例１において、カップホイール型研削砥石の摩耗量は、０．３μｍ/分であり、９０秒間の研削で０．５μｍであった。よって、カップホイール型研削砥石３ａは砥石刃３ａ_ｇ高さ７ｍｍの標準カップホイール型研削砥石で半導体デバイス基板１０，０００枚以上と高ライフ（寿命）研削枚数と予測でき、半導体チップ製造メーカーの要求を完全に満たすことができる。

参考例１
実施例１において、バンプ付きウエーハの代わりに、デバイス面に樹脂絶縁層が施された半導体デバイス基板を用いる外は同様にして、仕上げ研削加工を行った。得られた仕上げ研削加工された半導体デバイス基板の中心部の樹脂層の表面粗さは、Ｒａ０．０８３μｍ、Ｒｙ０．７９１μｍ、Ｒｚ０．５９２μｍであり、エッジ部の樹脂膜の表面粗さは、Ｒａ０．０６３μｍ、Ｒｙ０．５５６μｍ、Ｒｚ０．３０４μｍであった。

なお、上記実施例１において、カップホイール型研削砥石３ａの高圧水洗浄時間は研削加工中の９０秒間連続噴射して行ったが、基板の仕上げ研削加工時間中の途中、または最後の方でカップホイール型研削砥石３ａの高圧水洗浄工程を１０〜２０秒間実施する間歇式であっても充分、研削屑や砥石粒残渣の流し出す効果がある。

実施例２
上記実施例１において、カップホイール型研削砥石３ａの砥番を＃２，０００、＃４，０００または＃８，０００に変え、高圧水の圧力を２、５、１０、１５または１７ＭＰａと変更する外は同様にして半導体デバイス基板のデバイス面ｗ_ｄの仕上げ研削加工を行った。カップホイール型研削砥石３ａの砥番に依存して、得られた仕上げ研削加工半導体デバイス基板の加工品質良好、砥石にＣｕ付着量小、および砥石磨耗量少ないの３評価が非常に良い（◎）か良い(丸)の全てであったときの高圧洗浄水の圧力は、砥番＃２，０００の砥石では１４〜１７．５ＭＰａ、砥番＃４，０００の砥石では８．５〜１６ＭＰａ、および、砥番＃８，０００の砥石では２〜１１ＭＰａのときであった。

カップホイール型砥石によるワークのデバイス面の研削加工と平行して前記カップホイール型砥石の砥石刃先を高圧ジェット洗浄水でインプロセス(in-situ)ドレッシングすることによりワークの研削速度を途中で低減させることなく加工できるとともに、カップホイール型砥石の交換時期を遅らすことができる。

ｗ半導体デバイス基板
１半導体基板の平坦化加工用の研削装置
２バキュームチャック機構
３研削ヘッド
３ａカップホイール型砥石
３ｂ砥石軸
４洗浄液噴射装置
４ａ洗浄液噴射ノズル
５研削液供給ノズル

Claims

半導体デバイス基板のデバイス面を上方に向けて半導体デバイス基板（ワーク）をバキュームチャック回転テーブル上に載置し、回転軸に軸承された砥番２，０００〜８，０００のダイヤモンド砥粒カップホイール型研削砥石カップホイール型砥石により前記デバイス面の厚みを２〜５０μｍ減少させる研削加工を行うとともに、前記デバイス面の研削加工に供されていない部分の前記カップホイール型砥石の砥石刃にこの砥石刃までの距離５〜２０ｍｍ位置にあるノズル噴出口より３〜１７ＭＰａに加圧された高圧洗浄水を砥石刃への噴射角度が３〜１８度の扇形状となるよう噴射させて砥石刃に付着した屑を洗い落とす砥石刃洗浄を行うことを特徴とする、半導体デバイス基板の研削方法。
砥石刃への高圧洗浄水の噴射圧力が１０〜１５ＭＰａであり、洗浄水の噴射は前記デバイス面の研削加工中、連続もしくは間歇的に行うことを特徴とする、請求項１記載の半導体デバイス基板の研削方法。