JP6120974B2 - 修正されたマイクロ研削プロセス - Google Patents

Description

本開示は概して、半導体基板に関し、より具体的には、サファイア基板およびそのような基板を製造する方法に関する。

例えば、ＬＥＤ製造で使用するためのサファイア基板の製造を含む、多くの種類の製造において、両方の主表面（面）がある特定の最低水準の平坦性、平滑性、または両方を満たすように、基板を研削、ラッピング、または研磨することが一般的である。概して、研削は、典型的には砥粒パッドまたはディスクの形態の比較的粗砥粒（＞４０μｍ）を使用して、材料を好適なサイズに減少させるか、あるいは表面から大きな凹凸を除去するための、迅速な材料除去として定義され得る。用語「ラッピング」は通常、砥粒スラリーなどの自由砥粒粒子を使用した材料の除去を指して使用される。最後に、研磨は、細かい（＜３ミクロン）砥粒粒子を使用して、傷がつかない鏡面状表面を生成するための材料の除去である。これらの材料除去プロセスの全ては、砥粒スラリーまたは固定砥粒パッドもしくはディスクなどの種々の砥粒材料を用いることができ、実際には、異なる分類間の境界線は曖昧である傾向がある。集合的に、これらのプロセスの全ては、概して、本明細書において「砥粒プロセス」と称され得る。

ウエハーまたは基板加工ツールの一例は、図１に概略的に示される、典型的な両面ラッピング機１００である。そのようなツールは、基板の対向する表面が同時に処理され得るように、基板１０４の上下にそれぞれ配置される、２つの重ね合わされたプラテンまたはラッピングプレート１０２を含むことができる。典型的には５ミクロン〜１８０ミクロンの範囲の砥粒粒子１０６を含有する砥粒スラリーが、ラッピングプレートに直接適用される。図２に示されるように、両面ラッピング機１００は、複数のキャリア２０２を含み、各キャリアは、複数の基板またはウエハー２０４を保持する。各ラッピングプレートは、プレートの外周の周囲の内部リングギア２０６と、内側中心ギア２０８とを有してもよい。キャリアのそれぞれはまた、内側および外側ギアと係合する歯付き外周２１０を有することができる。反対方向の内側ギア（矢印２１２によって示される）および外側ギア（矢印２１４によって示される）の回転は、キャリアのそれぞれを、各キャリアの軸の周囲（矢印２１６によって示される）およびラッピングプレートの軸の周囲（矢印２１８によって示される）で両方回転させる。回転するキャリアとラッピングプレートとの間の得られる相対運動は、惑星がそれら自体の軸上で回転すると同時に、太陽を周回するような、惑星の運動と同様のサイクロイド曲線を形成する。砥粒スラリーの存在下でのこの回転は、基板の両方の主表面上の材料を研磨する。

片面ラッピング機もまた既知であるが、これらの機械は、一度に基板の一面のみを処理する。また、同様の遊星両面研削機も時に、種々の種類の固定砥粒またはパッドを使用して、ウエハーまたは基板から材料を除去するために使用される。

典型的には、シリコンウエハーまたはサファイアウエハーなど、適切に平坦な基板を製造するプロセスは、どんな種類のプロセスまたは砥粒材料が使用されるかにかかわらず、多くの研削、ラッピング、または研磨ステップを含む。例えば、両面研削機が使用されるとき、基板は、過剰な材料、およびブールから基板を切り出すことによって生じる最悪の表面損傷を迅速に除去するために、粗い固定砥粒を使用して最初に処理される。用途に応じて、第１の粗研削ステップの次に、適切に平滑および平坦な表面を生成するための１つ以上の微細研削ステップが続けられ得る。微細研削の次に、基板上に非常に平滑な鏡面を生成するための研磨ステップが続けられ得る。多くの場合、最も平滑な表面は、基板の一方の面にのみ必要とされる。もう一方の面上で、比較的粗い表面が許容できるか、または望ましくさえある。しかしながら、研磨のために一方の面を準備するために、段階的により微細な研削ステップが必要とされる。種々の研削ステップが連続的に行われるため、両面研削が使用されているとき、何らかの方法で両面に微細研削ステップを適用することが一般的である。これは、時間ならびに追加の備品および装置の摩耗の両方の観点から、不必要な出費をもたらす。

したがって、基板材料除去の改善された方法が望ましい。

本明細書に記載される実施形態は、基板の両方の主表面がある特定の最低水準の平坦性、平滑性、または両方を満たすように、砥粒を使用して基板ウエハーを研削することによって、配向単結晶基板などの任意の硬質基板の調製（製造）に適用できる。特定の実施形態では、ウエハーの一方の主表面を研削するために、より粗い砥粒が使用される間、ウエハーのもう一方の主表面を研削するために、より微細な砥粒が同時に使用される。結果として、単一の研削ステップが、異なる表面粗さの対向する表面を有するウエハーを生成することができる。これは、ウエハーを薄くするために、より粗い砥粒が選択的材料除去のために使用されることを可能にすると同時に、微細砥粒が多くの用途またはさらなる研磨のために十分平滑な表面を生成し、したがって、従来技術で使用される典型的な第２の下流の精密研磨ステップの必要性を排除または低減する。特定の実施形態は、種々の技術によって成長したサファイア、炭化ケイ素、および窒化ガリウム単結晶構造を含む、幅広い種類の基板で使用され得る。

上記は、以下の［発明を実施するための形態］がよりよく理解され得るように、特定の実施形態の特徴および技術的利点をかなり広く概説している。実施形態のさらなる特徴および利点は、本明細書で以下に記載される。開示される概念および特定の実施形態が、本明細書に記載される実施形態の同じ目的を実施するために、他の構造を修正または設計するための基礎として容易に利用され得ることが、当業者によって理解されるべきである。また、そのような同等の構造物が、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱しないことも、当業者によって理解されるべきである。

添付の図面を参照することによって、本開示はよりよく理解され得、かつその多くの特徴および利点は、当業者に明らかとなり得る。

従来技術の両面ラッピング機の概略図である。 図１の両面ラッピング機の下部ラッピングプレートおよびウエハーキャリアを示す概略図である。 特定の実施形態に従った、両面研削機の断面図である。 特定の実施形態に従った、研削液濾過システムの概略図である。 実施形態を実施するのに好適な両面研削機の写真である。

添付の図面は縮尺通りに描かれるように意図されていない。図面中、種々の図面に示されている各同一またはほぼ同一の構成要素は、同様の番号によって表される。明確にするために、全ての構成要素が全ての図面中で表示されているとは限らない場合がある。

本発明は、基板の両方の主表面がある特定の最低水準の平坦性、平滑性、または両方を満たすように、固定砥粒を使用して基板ウエハーを研削および研磨することによって、配向単結晶基板などの基板の調製（製造）に適用できる。本明細書に記載される特定の実施形態は、種々の技術によって成長したサファイア、炭化ケイ素、および窒化ガリウム単結晶構造を含む、幅広い種類の基板で使用され得る。

別段の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有する。材料、方法、および実施例は、例示的なものにすぎず、限定することを目的としていない。本明細書に記載されない程度に、特定の材料および処理行為に関する多くの詳細は従来のものであり、結晶形成および処理技術の範囲内のテキストブックおよび他の出典で見ることが可能である。

砥粒は概して、自由または遊離砥粒、および固定砥粒に分類され得る。遊離砥粒は概して、スラリーとして一般的に既知の、懸濁液を形成する液体培地中の粉末または微粒子の形態の砥粒粒子またはグリットからなる。固定砥粒は、互いに対して砥粒グリットの位置を固定する材料のマトリクス内で、砥粒グリットを利用する。固定砥粒は概して、サンドペーパーなどの被覆砥粒、結合砥粒などを含む。結合砥粒では、砥粒グリットは、グリットが分散されるマトリクス材料を用いて、互いに対して定位置に固定される。本明細書に記載される特定の実施形態は、被覆または結合砥粒の形態の固定砥粒構成要素を利用する。遊離砥粒ラッピングおよび固定砥粒「マイクロ研削」（ラッピング運動学を用いた研削、遊星運動学を用いた研削、および固定砥粒研削とも称される）は、サファイアおよび炭化ケイ素、セラミック、ガラス、金属構成要素など、単結晶および多結晶材料のバッチ処理で使用される動作である。

典型的には、半導体デバイス、特に、発光ダイオード／レーザーダイオード（ＬＥＤ／ＬＤ）用途のための基板としての使用に好適な基板を形成するために、プロセスは、最終処理基板が形成されるバルク材料から開始する。ＬＥＤ／ＬＤ用途に好適なサファイア基板を形成する１つの従来の方法は、Ｔａｎｉｋｅｌｌａらの米国特許第８，１９７，３０３号「Ｓａｐｐｈｉｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ｓａｍｅ」に記載され、それは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、かつ本譲受人に譲渡されている。

サファイア基板に対して、プロセスは、単結晶サファイアのブールまたはリボンを形成することによって開始され得る。理解されるように、サファイアは、半導体デバイス、特にＬＥＤ／ＬＤ用途のための基板としての使用に好適な任意のサイズまたは形状を有する、ブランク、ブール、またはリボンに形成され得る。したがって、一般的な形状は、実質的に円筒形の外形を有するブールである。リボンに対して、一般的な形状はシートである。単結晶サファイアの形成は、ブールまたはリボンの所望のサイズ及び形状、ならびに結晶の配向に応じて、チョクラルスキー法、縁部限定薄膜供給結晶成長（ＥＦＧ）、もしくはキロプロス法、または他の技術などの技術を使用して達成され得る。

単結晶サファイアを形成した後、サファイアを切断し、ウエハーを形成するために、ブールまたはブランクの切り出しが行われ得る。サファイアブールのワイヤーソーイングは、複数の未完成サファイアウエハーを提供する。概して、ワイヤーソーイングプロセスの継続時間は、約２．０時間などの約数時間から約３０時間と異なり得る。概して、未完成サファイアの所望の厚さは、１．０〜１０ｍｍである。ワイヤーソーイングは、砥粒粒子でめっきまたは被覆されたワイヤーの配列など、固定砥粒ワイヤー要素または複数の要素を使用して実施され得る。この技術の一例は、Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．（Ｓａｌｅｍ，Ｍａｓｓ）によって提供される、ＦＡＳＴ（固定砥粒スライシング技術）などの非スプール式ワイヤーソーイングである。別の例は、スプール間（ｓｐｏｏｌ−ｔｏ−ｓｐｏｏｌ）ワイヤーソーイングシステムである。典型的にはリボンまたはシートの形状の、ＥＦＧプロセスによって生成される単結晶原料の場合、ワイヤーソーイングプロセスは必要ではない可能性があり、芯無し（形状決定された）ウエハーが研削ステップに直接進むことができる。

ソーイングによって複数のサファイアウエハーを形成した後、未完成サファイアウエハーの表面は処理され得る。典型的には、未完成サファイアウエハーの両方の主要な対向する表面が、表面の仕上がりを改善するために、研削またはラッピングを受ける。従来の粗砥粒プロセスは、例えば、両面研削またはラッピングを使用して、未完成サファイア基板の両方の主表面を研磨することを含む。概して、粗砥粒プロセスは、かなり高い材料除去速度で、ワイヤーソーイングプロセスによって引き起こされる主表面の凹凸を除去するために、十分な量の材料を除去する。したがって、粗砥粒プロセスは典型的には、未完成サファイアウエハーの主表面（面）から、少なくとも３０〜５０ミクロンの材料を除去する。

固定砥粒が使用される場合、粗砥粒粒子としては、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア−アルミナ、別の好適な砥粒、またはこれらの任意の組み合わせを含む、結晶性材料またはセラミック材料などの従来の砥粒粒子が挙げられ得る。加えて、またはあるいは、粗砥粒粒子としては、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、またはこれらの混合物を含む、超砥粒粒子が挙げられ得る。粗砥粒粒子は、例えば、６０〜３００ミクロンの平均粒径を有することができる。結合接着剤に対して、結合材マトリクスは、金属または金属合金を含むことができる。好適な金属としては、鉄、アルミニウム、チタン、青銅、ニッケル、銀、ジルコニウム、これらの合金などが挙げられる。特定の砥粒ホイールの例としては、参照によりそれら全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第ＵＳ ６，１０２，７８９号、米国特許第ＵＳ ６，０９３，０９２号、および米国特許第ＵＳ ６，０１９，６６８号に記載されるものが挙げられる。

典型的な粗研削プロセスは、ホルダー上に未完成サファイアウエハーを提供することと、粗砥粒表面に対してサファイアウエハーを回転させることとを含む。図１〜２に示される両面ラッピング機と同様の両面研削機が使用され得る。一例として、研削プレートは、６０〜５００ｒｐｍの速度で回転され得る。典型的には、冷却液または研削液も使用される。粗研削後、サファイアウエハーは典型的には、０．２〜１ミクロンの平均表面粗さＲａを有する。

いったん粗研削が完了すると、サファイアウエハーは、より平滑な表面を生成するために、微細研削プロセスに供され得る。この微細研削ステップは、通常１０〜１５ミクロン、基板の表面からより小さい材料を除去する。

微細砥粒粒子は、粗砥粒と同様の全体的な材料であってもよく、同じ種類の結合材料を使用することができる。当然のことながら、違いは、微細砥粒粒子が粗砥粒よりも小さいことである。例えば、微細接着粒子は、２〜７５ミクロンの平均粒径を有することができる。概して、粗い固定砥粒と微細な固定砥粒との間の平均粒径の差は、少なくとも２０ミクロンである。

図１〜２に示されるものと同様の両面研削機はまた、結合砥粒を使用した微細研削または研磨に使用され得る。一例として、研削プレートは、６０〜１０００ｒｐｍの速度で回転され得る。典型的には、冷却液または研削液も使用される。微細研削後、サファイアウエハーは典型的には、約０．１０ミクロン〜１．０ミクロンの平均表面粗さＲａを有する。

微細研削後、サファイアウエハーは、欧州特許第ＥＰ ０ ２２１ ４５４ Ｂ１号に開示されるような応力除去プロセスに供され得る。記載されるように、応力除去は、エッチングまたはアニーリングプロセスによって実施されてもよい。アニーリングは、数時間にわたって１０００℃を超える温度で実施され得る。

微細研削ステップ後、サファイアウエハーは、さらに平滑な表面を生成するために、研磨ステップに供され得る。この研磨ステップは、通常１ミクロン〜４ミクロン、基板の表面からさらに小さい材料を除去する。この研磨ステップは概して、１ミクロン未満、典型的には２００ナノメートル未満の平均粒径を有する砥粒粒子を有する砥粒スラリーを用いる。そのような研磨プロセスのための特に有用な遊離砥粒は、多結晶または単結晶γアルミナの形態などのアルミナである。

典型的には、研磨は、通常、未完成サファイアウエハーの両方の主表面を研削することを含む、上記の研削ステップとは対照的に、一方の表面のみに行われる。研磨後、サファイアウエハーは典型的には、約１０〜４００オングストローム（０．００１ミクロン〜０．０４ミクロン）の平均表面粗さＲａを有する。

有意に、従来技術において、少なくとも２つの別々の研削ステップ（１つは粗い、もう１つは細かい）が最終研磨前に必要とされてきた。しかしながら、多くの用途に対して、粗研削ステップのみが一方の表面に必要とされる一方で、もう一方の表面は、少なくとも１つの追加の微細研削ステップ、続いて、研磨を必要とする。従来技術において、基板処理動作は、構成要素の頂面に実施される砥粒プロセスが、底面に実施されるものと同一であるように設計される。したがって、頂面および底面の最終的な表面の仕上がりまたは質感は、同一である（ある場合は、最終研磨ステップの前に）。ＬＥＤ製造で使用されるＣ面サファイアまたは単結晶ＳｉＣなどの一部の基板は、ウエハーの片側のみの表面の質を改善するために、後続の研磨ステップを必要とする。

本明細書に記載される特定の実施形態は、配向単結晶体の仕上げなど、任意の硬質基板に対する従来のラッピングプロセスの代替として、新規のマイクロ研削プロセスを使用することができる。マイクロ研削において、ラッピングで使用される砥粒スラリーは、固定砥粒生成物に置き換えられる。結合固定砥粒を使用したマイクロ研削は、砥粒スラリーの使用よりも多くの利点を提供し、中でも注目すべきは、砥粒と基板との間により高い負荷（圧力）を印加することによって、材料除去速度が実質的に増加し得ることである。砥粒スラリーの代わりに研削プレートの作業面上に配置される固定砥粒の使用はまた、プレートの定期的なドレッシングと関連した、メンテナンス費用および付随する非生産的時間を、必要な平坦性および共平面性の程度まで低減する。結合固定砥粒を使用したマイクロ研削はまた、砥粒スラリーを使用したラッピングよりも少ない表面下損傷をもたらす（動作パラメータが最適化されるとき）。

本明細書に記載される特定の実施形態によると、マイクロ研削プロセスで使用される固定砥粒プレートまたはホイールのうちの少なくとも１つの設計は、第２の下流の微細砥粒プロセスの必要性が排除または低減され得るように、異なる品質（仕上がり、表面下損傷、質感など）の対向する基板表面を生成するように修正される。場合によっては、最終研磨ステップの必要性もまた、排除または少なくとも大きく低減され得る。例えば、ＬＥＤ製造において基板としての機能を果たすサファイアウエハーの場合、マイクロ研削プロセスで使用される頂部プレートまたはホイールは、好ましくは、ウエハーの各面の所望の表面仕上がりが、単一動作で達成されるか、またはほぼ達成されるように、底部プレートよりも微細な砥粒グリットを使用する。いくつかの適用において、下流の微細砥粒プロセスがなお必要とされるが、そのような微細砥粒プロセスの必要性は実質的に低減され得、それは、そのようなプロセスは時間および費用の両方がかかるため、有意である。

本明細書に記載される特定の実施形態は、図１および２の両面ラッピング機と非常に似ている研削機を使用して、遊星運動学を用いた両面研削を使用する。ラッピングで一般的に使用される砥粒スラリーは、上部および下部同軸研削プレート上に載置される２つの固定結合砥粒プレートまたはホイールに置き換えられる。結合砥粒プレート中の砥粒粒子としては、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、別の好適な砥粒材料、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられ得る。砥粒粒子はまた、種々の規則的または不規則な形状（円形、正方形、六角形など）およびサイズであってもよい。これらの砥粒粒子は、マイクロ研削プロセスのために使用される硬質基板またはプレートを形成するために、樹脂、ガラス質、または金属マトリクス中で一緒に結合される。

図３は、特定の実施形態に従った両面研削機３００の断面図である。上記の従来技術のラッピングプロセスにあるように、処理される基板３０４は好ましくは、固定砥粒プレート３０８、３１０が載置される２つの研削プレート３０２、３０３の間に配置される、キャリア３０１中で保持される。研削プレートは、基板に所定の圧力を加えるように引き合わせられ、同時にプレート、キャリア、基板、またはこれらの任意の組み合わせが回転させられ、したがって基板の表面を平坦化する、研磨する、薄膜化する、またはこれらの組み合わせを行う。好ましくは、２つの研削プレートのそれぞれは、異なるサイズの砥粒粒子を有する固定砥粒を有する。換言すれば、一方の研削プレートは、もう一方の研削プレートの砥粒よりも粗い砥粒を有する。以下により詳細に考察されるように、より粗いグリットの砥粒プレート３１０が、下部または底部研削プレート３０３上にあってもよい一方で、より細かいグリットの砥粒プレート３０８は、上部または頂部研削プレート３０２上にある。種々の実施形態では、砥粒含有研削プレートは、同一方向または反対方向に回転することができる。一方のプレートが固定位置で保持されてもよい一方で、もう一方のプレートが回転させられる。このようにして、基板の一方の表面が、反対側の表面よりも平滑な表面に処理され得、両方の表面の研削の少なくとも一部分が同時に生じ得る。

図５は、本明細書に記載される実施形態を実施するのに好適な両面研削機の写真である。

特定の実施形態によると、処理される基板の頂部および底部表面の間で異なる粗さ（質感）が望ましい場合、一方の研削プレートが、細かいグリットの砥粒生成物を使用することができる一方で、もう一方のプレートは、より粗いグリットの砥粒生成物を使用することができる。例えば、頂部プレートは、非常に低い粗さを有する表面を生成するために、細かいグリットの砥粒生成物を有して作成され得、したがって、最終表面特徴を達成するために必要とされる任意の下流の研磨プロセス時間を低減または排除する。底部プレートは、ラッピングまたは研削動作により典型的な表面を生成するために、より粗いグリットの砥粒生成物を含有し得る。選択されるグリットサイズは好ましくは、処理される面の所望の粗さ／質感によって、および除去される基板材料の量によって決定される。

異なるグリットサイズを有する２つの固定砥粒プレートを使用することによって、例えば、基板を薄膜化することが望ましい場合、より粗いグリットの砥粒が材料除去の大部分に対して使用され得る。より粗い砥粒によって残された表面は、より細かいグリットによって生成される表面よりも粗いが、多くの場合、それは有意ではないか、あるいは実際に望ましい。例えば、サファイアウエハーの場合の研磨された上部表面が、化合物半導体薄膜およびデバイスの成長を促進するのに有利である一方で、より粗い底部表面は、伝熱を促進すると考えられる。

より細かいグリットの砥粒プレートは、それほど多くの材料を除去しないが、任意の追加の研磨ステップの準備ができている、より平滑な表面を生成する。有意に、異なるグリットサイズを有する砥粒プレートによって、基板の両面が同時に処理され得るため、所望の基板を生成するプロセスは、複数の連続的研削ステップを必要とした従来技術よりもはるかに速い。

１つ以上の研磨ステップがなお必要とされる、より要求の多い適用においてでさえ、連続的な別々の粗砥粒および微細砥粒プロセスステップの排除は、有意な時間を節約する。各砥粒プロセスステップは典型的には、完了までに１５〜３０分を必要とし、多くの場合、各研削ステップに対して完全に異なる研削機に基板を移動させることを必要とする。底部表面がより粗い砥粒で処理されると同時に、微細砥粒を使用して頂部表面を研削することによって、プロセス中のステップは排除され、より少ない装置が必要とされ、かつ供給コストは低減される（底部表面を平滑化するために必要とされている以上の砥粒が消費されないため）。

当業者によって理解されるように、材料除去の速度および得られる表面の平滑性は、研削中に使用される砥粒のサイズおよび形状によって主に決定される。また、２つの異なる接着プレート間の相対的な材料除去、および研削プロセスによって引き起こされる表面下損傷の程度は、２つの異なるプレートまたはキャリアの回転の速度または方向を変化させることによって調節され得る。例えば、粗砥粒プレートのより速い回転は、より微細な砥粒研削プロセスが完了していると同時に、ウエハーの底面からの所望の材料除去を可能にする。例えば、粗砥粒および微細砥粒研削プレートの相対速度を調節することによって、１５ミクロンの材料のみを除去するために、より微細な砥粒研削プレートが使用されていると同時に、例えば、４０〜５０ミクロンの材料を除去するために、粗砥粒が使用され得る。いくつかの従来技術の両面研削またはラッピング機において、固定および回転プレートの間の相対速度をもたらすために、一方のプレートが固定される一方で、もう一方のプレートは回転する。これらの機械において、回転および非回転プレートの間の相対速度はまた、粗いプレートおよび細かいプレートに対して同一の所望の材料除去速度を達成するように調節され得る。

粗砥粒プレートは、下部または底部プレートであってもよく、より微細な砥粒は、上部プレートであってもよい。本実施形態では、重力が、粗砥粒からの任意の遊離砥粒粒子または削りくずが、より微細な砥粒で処理される基板表面を破損または損傷することを防止するのに役立つ。当業者によって理解されるように、より細かい微粒子の存在は、基板のより粗い砥粒面の表面仕上がりに悪影響を及ぼさない。

特定の実施形態では、研削液（冷却剤）は、処理中に砥粒プレートの表面から微粒子（削りくず）を除去するように循環される。研削液は、再循環されてもよく、結果として、砥粒微粒子および削りくずが、基板本体とより細かい接着プレートとの間に不注意に導入され得る可能性がある。研削液が再循環される場合、研削液は、粗砥粒粒子または削りくずが、より微細な砥粒で処理される基板のより平滑な表面を損傷することを実質的に低減または防止するように濾過され得る。

図４は、特定の実施形態に従って、粗砥粒材料がさらに研磨された基板表面を不注意に損傷することを実質的に低減または防止するために使用され得る、濾過システムを概略的に示す。図４の濾過システムでは、頂部研削プレートを通って延在し得る冷却剤供給ライン４０２を使用して、きれいな冷却剤が送達される。冷却剤は、特定の実施形態において、全体の研削動作中、流動している。好適な冷却剤の流速は、基板が摩擦増加によって損傷されることを実質的に低減または防止するために、適切な潤滑を提供し、研削破片を洗い流す。冷却剤は、底部研削プレートを通って下方に（重力によって）、かつ冷却剤戻りライン４０４を通って研削機の外へ流動する。冷却剤は次いで、再循環のために冷却剤貯蔵タンク４０６に流入することができる。貯蔵タンク中の冷却剤は最初に、削りくずおよび研削破片を分離するために、遠心濾過４０７を受け、次いで、バッグまたはカートリッジフィルタ４０８を通って流動することができる。バッグまたはカートリッジフィルタ４０８は、粗砥粒粒子が基板のより平滑な上部表面を破損または損傷することを実質的に低減または防止するために、微細砥粒粒子よりも大きい任意の砥粒粒子を濾過して除去する。最終濾過のサイズは、特定の用途によって決定され得る。

出願者らは、上部および下部研削プレート上の異なる砥粒の使用が、処理された基板が許容できないワープまたはバウを示す可能性を増加させる係合があり得ることに留意している。使用される砥粒グリット、ならびに回転速度および方向は、ウエハー形状のそのような変化をもたらし得る、基板本体内の任意の応力差を低減するように最適化され得る。

上記に記載される方法を使用して生成されるサファイア基板は、従来技術の方法を使用したものよりも速く、かつ低いコストで生成されるだけではなく、完成基板はまた、従来の処理によって生成されるものよりも改善された次元形状を有する。特定の態様において、本明細書に記載される実施形態に従って生成される高表面積サファイア基板は、ａ面配向、ｒ面配向、ｍ面配向、またはｃ面配向を有し、制御された次元性を含む、概して平面の表面を含む。本明細書で使用される場合、「ｘ面配向」は、典型的には、最終顧客によって決定されるような特定の基板仕様に従って、ｘ面からわずかに誤配向した、概して結晶学的ｘ面に沿って延在する、主表面を有する基板を意味する。特定の配向としては、ｒ面およびｃ面配向が挙げられ、ある特定の実施形態は、ｃ面配向を利用する。

上記のように、基板は制御された次元性を有してもよい。制御された次元性の１つの基準は、ＴＴＶ（全厚変動）またはｎＴＴＶ（正規化された全厚変動）を含む、全厚変動である。

例えば、一実施形態では、ＴＴＶは概して、約３．００ミクロン、例えば、約２．８５ミクロン以下、または約２．７５ミクロン以下などでさえある。上記のＴＴＶパラメータは、大型ウエハー、特に制御された厚さを有する大型ウエハーと関連する。例えば、実施形態は、約６．５ｃｍ以上の直径、および約４９０ミクロン以下の厚さを有してもよい。ある特定の実施形態によると、上記のＴＴＶパラメータは、７．５ｃｍ以上、９．０ｃｍ以上、９．５ｃｍ以上、または１０．０ｃｍ以上の直径を有するものを含む、著しく大型のウエハーと関連する。ウエハーのサイズはまた、表面積の観点から指定されてもよく、上記のＴＴＶ値は、約４０ｃｍ２以上、約７０ｃｍ２以上、約８０ｃｍ２以上、または約１１５ｃｍ２以上でさえある表面積を有する基板と関連してもよい。加えて、ウエハーの厚さは、約４９０ミクロン以下などの約５００ミクロン以下の値までさらに制御されてもよい。

ウエハー、基板、またはブールのサイズに関連して使用される用語「直径」が、ウエハー、基板、またはブールが収まる最小の円を示すことに留意されたい。したがって、そのような構成要素が平面または複数の平面を有する限り、そのような平面は、構成要素の直径に影響を及ぼさない。

種々の実施形態は、約０．０３７μｍ／ｃｍ２以下などのよく制御されたｎＴＴＶを有する。特定の実施形態は、０．０３５μｍ／ｃｍ２以下、または０．０３２μｍ／ｃｍ２以下でさえある、さらに優れたｎＴＴＶを有する。そのような制御されたｎＴＴＶは、約９．０ｃｍ以上、または約１０．０ｃｍ以上でさえある直径を有するものなど、大型基板で特に達成されてきた。ウエハーのサイズはまた、表面積の観点から指定されてもよく、上記のｎＴＴＶ値は、約９０ｃｍ２以上、約１００ｃｍ２以上、約１１５ｃｍ３の表面積を有する基板と関連してもよい。

サファイア基板の全厚変動を参照すると、ＴＴＶは、サファイア基板の最大厚さと最小厚さとの間の絶対差であり（典型的にはウエハー縁部からウエハー周囲に延在する３．０ｍｍの環を含む、縁部除外領域を除く）、ｎＴＴＶは、サファイア基板の表面積に対して正規化された値（ＴＴＶ）である。全厚変動を測定するための方法は、ＡＳＴＭ規格Ｆ１５３０−０２に示される。

概して、ｎＴＴＶ値、ならびに本明細書に開示される全ての他の正規化された特徴は、概して平面の表面、および基板の配向を識別するために平坦部分を含むことができる、実質的に円形の外周を有する、サファイア基板に対して正規化される。特定の実施形態では、サファイア基板は、約２５ｃｍ２以上、例えば、約３０ｃｍ２以上、３５ｃｍ２以上、または約４０ｃｍ２以上でさえある表面積を有する。さらに、基板は、概して平面の表面が約５０ｃｍ２以上、またはさらに約６０ｃｍ２以上もしくは約７０ｃｍ２以上の表面積を有するように、より大きい表面積を有することができる。サファイア基板は、約６．０ｃｍ（２．５インチ）以上など、約５．０ｃｍ（２．０インチ）よりも大きい直径を有することができる。しかしながら、概して、サファイア基板は、特に１０ｃｍ（４．０インチ）のウエハーを含む、７．５ｃｍ（３．０インチ）以上の直径を有する。

サファイア基板の特徴をさらに参照すると、一実施形態では、サファイア基板の１つの概して平面な表面は、約１００．０Å以下、例えば、約７５．０Å以下、もしくは約５０．０Å、または約３０．０Å以下でさえある表面粗さＲａを有する。約２０．０Å以下など、例えば、約１０．０Å以下、または約５．０Å以下でさえある、さらに優れた表面粗さが達成され得る。第２の表面が任意の微細研削または研磨よりもむしろ粗研削またはラッピングにのみ供されるため、サファイア基板のもう一方の主表面は、より高い表面粗さを有する。第２のより粗い表面は好ましくは、少なくとも７０００Å、少なくとも５０００Å、または少なくとも４０００Åの表面粗さを有する。

上記の方法に従って処理されるサファイア基板の概して平面の表面は、優れた平坦性も有することができる。表面の平坦性は典型的には、最適参照平面（ＡＳＴＭ Ｆ １５３０−０２を参照されたい）からの表面の最大偏差であると理解される。この点で、正規化された平坦性は、概して平面の表面上の表面積によって正規化された表面の平坦性の基準である。一実施形態では、概して平面の表面の正規化された平坦性（ｎ平坦性）は、約０．１００μｍ／ｃｍ２よりも大きい、例えば、約０．０８０μｍ／ｃｍ２以下、または約０．０７０μｍ／ｃｍ２以下でさえある。さらに、概して平面の表面の正規化された平坦性は、約０．０６０μｍ／ｃｍ２以下、または約０．０５０μｍ／ｃｍ２以下でさえあるように、さらに小さくてもよい。

本明細書に提供される方法に従って処理されるサファイア基板は、正規化されたワープ、以下、ｎＷａｒｐによって特徴付けられるような減少したワープを示し得る。基板のワープは概して、最適参照平面（ＡＳＴＭ Ｆ ６９７−９２（９９）を参照されたい）からの基板の中位面の偏差であると理解される。ｎＷａｒｐ測定に関して、ワープは、サファイア基板の表面積を占めるように正規化される。一実施形態では、ｎＷａｒｐは、約０．１９０μｍ／ｃｍ２以下、例えば、約０．１７０μｍ／ｃｍ２以下、または約０．１５０μｍ／ｃｍ２以下でさえある。

概して平面の表面はまた、減少したバウも示し得る。典型的に理解されるように、表面のバウは、存在する任意の厚さ変動とは無関係に、基板中心線から測定されるような、表面または表面の一部分の凹面または変形の絶対値基準である。本明細書に提供される方法に従って処理される概して平面の表面は、概して平面の表面の表面積を占めるように正規化されたバウ測定である、減少した正規化されたバウ（ｎＢｏｗ）を示す。したがって、一実施形態では、概して平面の表面のｎＢｏｗは、約０．１００μｍ／ｃｍ２以下、例えば、約０．０８０μｍ／ｃｍ２以下、または約０．０７０μｍ／ｃｍ２以下でさえある。別の実施形態では、基板のｎＢｏｗは、約０．０３０μｍ／ｃｍ２〜約０．１００μｍ／ｃｍ２の間の範囲内、特に約０．０４０μｍ／ｃｍ２〜約０．０９０μｍ／ｃｍ２の間の範囲内である。

多くの異なる態様および実施形態が可能である。それらの態様および実施形態のいくつかが本明細書に記載される。本明細書を読んだ後、当業者は、それらの態様および実施形態が例示的なものにすぎず、本発明の範囲を制限しないことを理解するであろう。実施形態は、以下に列挙される項目のいずれか１つ以上に従ってもよい。

項目１．第１および第２の対向する主表面を有するウエハーを機械加工する方法であって、方法は、第１の固定砥粒を使用して、ウエハーの第１の主表面を研削することと、第２の固定砥粒を使用して、ウエハーの第２の主表面を研削することとを含み、第２の固定砥粒は、第１の固定砥粒のグリットサイズよりも粗いグリットサイズを有し、ウエハーの第１および第２の主表面の研削の少なくとも一部分は、同時に生じる、方法。

項目２．ウエハーは、サファイア基板である、項目１に記載の方法。

項目３．第１の固定砥粒は、５ミクロン以下、２０ミクロン以下、３５ミクロン以下、または７５ミクロン以下の平均砥粒径を有する、項目１または２のいずれか１つに記載の方法。

項目４．第２の固定砥粒は、少なくとも６０ミクロン、少なくとも８０ミクロン、少なくとも１００ミクロン、または少なくとも２００ミクロンの平均砥粒径を有する、項目１〜３のいずれか１つに記載の方法。

項目４’．上部固定砥粒ディスクの平均砥粒径と下部固定砥粒ディスクの平均砥粒径との間の差は、少なくとも２０ミクロン、少なくとも５０ミクロン、または少なくとも１００ミクロンである、項目１〜４のいずれか１つに記載の方法。

項目５．ウエハーの第１の主表面を研削すること、およびウエハーの第２の主表面を研削することは、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間でウエハーを研削することを含み、第２の砥粒プレートは、第１の砥粒プレートよりも粗い砥粒を有し、第１の砥粒プレートは、ウエハーの第１の主表面を研削し、第２の砥粒プレートは、ウエハーの第２の主表面を研削する、項目１〜４’のいずれか１つに記載の方法。

項目６．第２の砥粒プレートは、第２の砥粒プレートがウエハーの底部表面を研削し、第１の砥粒プレートがウエハーの頂部表面を研削するように、第１の砥粒プレートの下に位置する、項目５に記載の方法。

項目７．ウエハーの第１の主表面を研削すること、および第２の主表面を研削することは、ウエハーの頂面が第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触し、ウエハーの底面が第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触するように、第１および第２の砥粒プレート間にウエハーを配置することと、ウエハーの頂面および底面を研削するために、砥粒プレート、ウエハー、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることと、を含む、項目１〜４のいずれか１つに記載の方法。

項目８．ウエハーの第１の主表面を研削すること、および第２の主表面を研削することは、第１および第２の砥粒プレート間に位置する円形キャリア中に少なくとも１つのウエハーを配置することと、ウエハーの頂面を第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させ、ウエハーの底面を第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させることと、砥粒プレートを回転させることと、回転砥粒プレート間でウエハーを回転させるためにキャリアを回転させることと、を含む、項目１〜４のいずれか１つに記載の方法。

項目９．複数のウエハーが円形キャリア中に配置される、項目８に記載の方法。

項目１０．キャリアを回転させることは、キャリアをそれ自体の軸の周囲および砥粒プレートの中心軸の周囲で回転させることを含む、項目８または９のいずれか１つに記載の方法。

項目１１．研削すると同時に、砥粒プレートの研磨表面で、ウエハーの頂部および底部表面に所定の圧力を印加することをさらに含む、項目５〜１０のいずれか１つに記載の方法。

項目１２．相対的な材料除去および研削によって引き起こされる任意の表面下損傷の程度は、少なくとも１つの砥粒プレートに対するウエハーの回転速度または方向を変化させることによって調節され得る、項目５〜１１のいずれか１つに記載の方法。

項目１３．第１の砥粒プレートが１０〜１５ミクロンの材料を除去していると同時に、第２の砥粒プレートは、４０〜５０ミクロンの材料を除去する、項目５〜１２のいずれか１つに記載の方法。

項目１４．研削表面を冷却するために、かつ遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、研削液を適用することをさらに含む、項目５〜１３のいずれか１つに記載の方法。

項目１５．研削表面を冷却するために、かつ遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、研削液が使用された後に、それを再循環させることと、再循環させた研削液中の遊離した粗砥粒粒子が研削中にウエハーの表面を損傷することを防止するために、使用された研削液が再導入される前に、それを濾過することと、をさらに含む、項目１４に記載の方法。

項目１６．第２の固定砥粒を用いてウエハーを研削することは、研削プロセス中に３０〜５０ミクロンの材料を除去する、項目１〜１５のいずれか１つに記載の方法。

項目１７．第１の固定砥粒を用いてウエハーを研削することは、研削プロセス中に１０〜１５ミクロンの材料を除去する、項目１〜１６のいずれか１つに記載の方法。

項目１８．研削プロセスが完了したとき、第２の固定砥粒によって研削されたウエハーの面上の表面粗さは、少なくとも４０００Å、少なくとも５０００Å、または少なくとも７０００Åになる、項目１〜１７のいずれか１つに記載の方法。

項目１９．研削プロセスが完了したとき、第１の固定砥粒によって研削されたウエハーの面上の表面粗さは、１０００Å以下、５００Å以下、または１００Å以下になる、項目１〜１８のいずれか１つに記載の方法。

項目２０．ウエハーは、単結晶基板を含む、項目１〜１９のいずれか１つに記載の方法。

項目２１．ウエハーは、多結晶材料を含む、項目１〜２０のいずれか１つに記載の方法。

項目２２．ウエハーは、サファイア、炭化ケイ素、または窒化ガリウムを含む、項目１〜２１のいずれか１つに記載の方法。

項目２３．ウエハーは、ガラス、セラミック、または金属化合物を含む、項目１〜２２のいずれか１つに記載の方法。

項目２４．平坦基板の両面研削のための装置であって、
上部および下部研削プレートであって、２つの研削プレートは、基板が２つの研削プレート間に配置され得るように同軸上に載置され、２つの研削プレートは、研削プレート駆動機構によってそれらの同軸中心軸の周囲で回転可能である、上部および下部研削プレートと、
２つの研削プレート間に配置される、基板キャリアであって、それ自体の中心軸の周囲、ならびに上部および下部研削プレートの同軸中心軸の周囲でキャリアを回転させるためのキャリア駆動機構を含む、基板キャリアと、
上部研削プレートの内表面に載置される、上部固定砥粒ディスクと、下部研削プレートの内表面に載置される、下部固定砥粒ディスクであって、下部固定砥粒ディスクは、基板の両面基板研削が異なる速度で対向する基板表面から材料を除去するように、かつ両面基板研削が異なる表面粗さを有する対向する基板表面を生成するように、上部固定砥粒ディスクよりも粗い砥粒グリットを有する、上部固定砥粒ディスクおよび下部固定砥粒ディスクと、
を含む、装置。

項目２５．基板は、単結晶基板を含む、項目２４に記載の装置。

項目２６．基板は、多結晶材料を含む、項目２４に記載の装置。

項目２７．基板は、サファイア、炭化ケイ素、または窒化ガリウムを含む、項目２４に記載の装置。

項目２８．基板は、ガラス、セラミック、または金属化合物を含む、項目２４に記載の装置。

項目２９．上部固定砥粒ディスク、下部固定砥粒ディスク、または両方は、砥粒粒子を含む、項目２４〜２８のいずれか１つに記載の装置。

項目３０．砥粒粒子は、結晶材料またはセラミック材料を含む、項目２９に記載の装置。

項目３１．砥粒粒子は、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア−アルミナ、またはこれらの任意の組み合わせを含む、項目２９に記載の装置。

項目３２．砥粒粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、またはこれらの任意の組み合わせを含む、項目２９に記載の装置。

項目３３．上部固定砥粒ディスクの平均砥粒径と下部固定砥粒ディスクの平均砥粒径との間の差は、少なくとも２０ミクロン、少なくとも５０ミクロン、または少なくとも１００ミクロンである、項目２９〜３２のいずれか１つに記載の装置。

項目３４．砥粒粒子は形状が不規則である、項目２９〜３３のいずれか１つに記載の装置。

項目３５．砥粒粒子は、形状が円形、正方形、または六角形である、項目２９〜３４のいずれか１つに記載の装置。

項目３６．上部固定砥粒ディスク、下部固定砥粒ディスク、または両方は、結合固定砥粒を含む、項目２９〜３５のいずれか１つに記載の装置。

項目３７．結合固定砥粒は、マトリクス中に固定される砥粒粒子を含む、項目３６に記載の装置。

項目３８．マトリクスは、金属または金属合金を含む、項目３７に記載の装置。

項目３９．マトリクスは、鉄、アルミニウム、チタン、青銅、ニッケル、銀、またはこれらの任意の組み合わせを含む、項目３７に記載の装置。

項目４０．結合固定砥粒は、樹脂、ガラス質、又は金属マトリクスで固定される砥粒粒子を含む、項目３６に記載の装置。

項目４１．結合固定砥粒は、砥粒ディスクを形成するために、樹脂、ガラス質、又は金属マトリクス中で一緒に結合される砥粒粒子を含む、項目３６に記載の装置。

項目４２．第１の固定砥粒を使用して以上の直径を有するサファイア基板の第１の表面を研削することと、第２の固定砥粒を使用してサファイア基板の第２の表面を研削することと、を含む、サファイア基板を機械加工する方法であって、第２の固定砥粒は、第１の固定砥粒のグリットサイズとは異なるグリットサイズを有し、サファイア基板の第１および第２の面の研削の少なくとも一部分は同時に生じる、方法。

項目４３．第１および第２の対向する主表面を有するウエハーを機械加工する方法であって、方法は、第１の固定砥粒を使用してウエハーの第１の主表面を研削することと、第２の固定砥粒を使用してウエハーの第２の主表面を研削することと、を含み、第２の固定砥粒は、第１の固定砥粒のグリットサイズよりも粗いグリットサイズを有し、ウエハーの第１および第２の主表面の研削の少なくとも一部分は同時に生じる、方法。

項目４４．平坦基板の同時両面処理の方法であって、
第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間に平坦基板を配置することであって、第１および第２の砥粒プレートは、同軸であり、それぞれは研磨表面を有し、第２の砥粒プレートの研磨表面は、第１の砥粒プレートの研磨表面上の砥粒粒子よりも粗いグリットサイズを有する、砥粒粒子を含む、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間に平坦基板を配置することと、
第１の砥粒プレートの研磨表面を基板の頂部表面と平坦接触させ、第２の砥粒プレートの研磨表面を基板の底面と平坦接触させることと、
基板の頂面および底面を研磨するために、第１の砥粒プレート、第２の砥粒プレート、基板、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることであって、第２の砥粒プレートのより粗いグリットサイズは、基板の頂面と比較して、より大きい材料除去速度をもたらし、基盤の底面上により粗い表面をもたらす、第１の砥粒プレート、第２の砥粒プレート、基板、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることと、
を含む、方法。

項目４５．遊星運動学を用いた両面研削によってウエハーから材料を除去する方法であって、
第１および第２の結合固定砥粒プレート間に基板を挟持することであって、上記の第１および第２の砥粒プレートのそれぞれは、内側に向いた研磨表面を有し、第１の砥粒プレートの研磨表面は、第２の砥粒プレートよりも細かいグリットを有し、第２の砥粒プレートは、第１の砥粒プレートよりも粗いグリットを有する、第１および第２の結合固定砥粒プレート間に基板を挟持することと、
ウエハーの頂部および底部表面の両方から材料を同時に除去するために、第１および第２の砥粒プレート、ウエハー、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることであって、第２の砥粒プレートのより粗いグリットは、第１の砥粒プレートよりも高い材料除去速度をもたらし、第１の砥粒プレートのより細かいグリットは、第２の砥粒プレートよりも平滑なウエハー表面をもたらす、第１および第２の砥粒プレート、ウエハー、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることと、
を含む、方法。

項目４６．第１の固定砥粒は、５ミクロン以下、２０ミクロン以下、３５ミクロン以下、または７５ミクロン以下の平均砥粒径を有する、項目４２、４３、および４５のいずれかに記載の方法。

項目４７．第２の固定砥粒は、少なくとも６０ミクロン、少なくとも８０ミクロン、少なくとも１００ミクロン、または少なくとも２００ミクロンの平均砥粒径を有する、項目４２、４３、４５、および４６のいずれかに記載の方法。

項目４８．ウエハーまたはサファイア基板の第１および第２の表面を研削することは、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間でサファイア基板を研削することを含み、第２の砥粒プレートは、第１の砥粒プレートよりも粗い砥粒を有する、項目１〜４７のいずれかに記載の装置または方法。

項目４９．ウエハーまたはサファイア基板の第１および第２の表面を研削することは、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間でサファイア基板を研削することを含み、第２の砥粒プレートは、第１の砥粒プレートよりも粗い砥粒を有し、第２の砥粒プレートは、第２の砥粒プレートがウエハーまたはサファイア基板の底部表面を研削し、第１の砥粒プレートがウエハーまたはサファイア基板の頂部表面を研削するように、第１の砥粒プレートの真下に位置する、項目１〜４８のいずれかに記載の装置または方法。

項目５０．ウエハーまたはサファイア基板の第１および第２の表面を研削することは、
サファイアウエハーの頂面が第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触し、サファイアウエハーの底面が第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触するように、第１および第２の砥粒プレート間にサファイアウエハーを配置することと、
サファイアウエハーの頂面および底面を研磨するために、砥粒プレート、サファイアウエハー、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることと、
を含む、項目１〜４９のいずれかに記載の装置または方法。

項目５１．複数のウエハーまたはサファイア基板は、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間に位置する円形キャリア中に配置される、項目１〜５０のいずれかに記載の装置または方法。

項目５２．ウエハーまたはサファイア基板の第１および第２の表面を研削することは、第１および第２の砥粒プレート間に位置する円形キャリア中に、サファイアウエハーを配置することと、サファイアウエハーの頂面を第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させ、サファイアウエハーの底面を第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させることと、砥粒プレートを回転させることと、回転砥粒プレート間でサファイア基板を回転させるために、キャリアを回転させることと、を含む、項目１〜５２のいずれかに記載の装置または方法。

項目５３．処理される基板は、２つの砥粒プレートの研磨表面間に配置されるキャリア中で保持され、ウエハーまたはサファイア基板の第１および第２の表面を研削することは、キャリアをそれ自体の軸の周囲および砥粒プレートの中心軸の周囲で回転させることを含む、項目１〜５２のいずれかに記載の装置または方法。

項目５４．キャリア、砥粒プレート、またはこれらの任意の組み合わせが回転されると同時に、砥粒プレートの研磨表面で、ウエハーまたはサファイア基板の頂部および底部表面に所定の内向きの圧力を印加することをさらに含む、項目１〜５３のいずれかに記載の装置または方法。

項目５５．２つの異なる接着プレート間の相対的な材料除去、および研削プロセスによって引き起こされる表面下損傷の程度はまた、２つの異なるプレートまたはキャリアの回転の速度または方向を変化させることによって調節され得る、項目１〜５４のいずれかに記載の装置または方法。

項目５６．第１の砥粒プレートが１０〜１５ミクロンの材料を除去すると同時に、第２の砥粒プレートは、４０〜５０ミクロンの材料を除去する、項目１〜５５のいずれかに記載の装置または方法。

項目５７．研削表面を冷却するために、かつ遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、第１および第２の砥粒プレートの研磨表面に研削液を適用することをさらに含む、項目１〜５６のいずれかに記載の装置または方法。

項目５８．研削表面を冷却するために、かつ遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、研削液が使用された後に、それを再循環させることと、第２の砥粒プレートからの粗砥粒粒子が、第１の砥粒プレートによってより平滑な仕上がりに研削されたウエハーまたはサファイア基板の表面を損傷することを防止するために、使用された研削液が第１の砥粒プレートに再導入される前に、それを濾過することと、をさらに含む、項目５７に記載の装置または方法。

項目５９．平坦基板の両面研削のための装置であって、
上部および下部研削プレートであって、２つのプレートは、基板が２つのプレート間に載置され得るように同軸上に載置され、２つのプレートは、駆動機構によって回転可能である、上部および下部研削プレートと、
２つのプレート間に配置される基板を保持するためのキャリアであって、キャリアは、キャリアをそれ自体の中心軸の周囲および砥粒プレートの同軸中心軸の周囲で回転させるための駆動機構を含む、キャリアと、
上部研削プレートの内表面に載置される、上部固定砥粒プレート、および下部研削プレートの内表面に載置される、下部固定砥粒プレートであって、下部固定砥粒プレートは、基板の両面基板研削が異なる速度で対向する基板表面から材料を除去するように、かつ両面基板研削が異なる表面粗さを有する対向する基板表面を生成するように、より粗い砥粒グリットを有する、上部固定砥粒プレートおよび下部固定砥粒プレートと、
を含む、装置。

項目６０．基板は、単結晶基板を含む、項目１〜５９のいずれかに記載の装置または方法。

項目６１．基板は、単多結晶材料を含む、項目１〜６０のいずれかに記載の装置または方法。

項目６２．基板は、サファイア、炭化ケイ素、または窒化ガリウムを含む、項目１〜６１のいずれかに記載の装置または方法。

項目６３．基板は、ガラス、セラミック、または金属化合物を含む、項目１〜６２のいずれかに記載の装置または方法。

項目６４．第１および第２の砥粒は、砥粒粒子を含む、項目１〜６３のいずれかに記載の装置または方法。

項目６５．砥粒粒子は、結晶材料またはセラミック材料を含む、項目６４に記載の装置または方法。

項目６６．砥粒粒子は、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア−アルミナ、またはこれらの任意の組み合わせを含む、項目６４に記載の装置または方法。

項目６７．砥粒粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、またはこれらの任意の組み合わせを含む、項目６４に記載の装置または方法。

項目６８．第１の砥粒の平均砥粒径と第２の砥粒の平均砥粒径との間の差は、少なくとも２０ミクロン、少なくとも５０ミクロン、または少なくとも１００ミクロンである、項目６４に記載の装置または方法。

項目６９．砥粒粒子は、形状が不規則である、項目６４に記載の装置または方法。

項目７０．砥粒粒子は、円形、正方形、または六角形である、項目６４に記載の装置または方法。

項目７１．第１および第２の砥粒のうちの少なくとも１つは、被覆固定砥粒を含む、項目１〜７０のいずれかに記載の装置または方法。

項目７２．第１および第２の砥粒は、結合固定砥粒を含む、項目１〜７１のいずれかに記載の装置または方法。

項目７３．結合固定砥粒は、マトリクス中に固定される砥粒粒子を含む、項目７２に記載の装置または方法。

項目７４．結合固定砥粒は、樹脂、ガラス質、または金属マトリクス中に固定される砥粒粒子を含む、項目７２に記載の装置または方法。

項目７５．結合固定砥粒は、マイクロ研削プロセスに使用される硬質接着プレートを形成するために、樹脂、ガラス質、または金属マトリクス中で一緒に結合される砥粒粒子を含む、項目７２に記載の装置または方法。

項目７６．第１および第２の砥粒は、マトリクス中に固定される砥粒粒子を含む結合固定砥粒を含む、項目１〜７５のいずれかに記載の装置または方法。

項目７７．マトリクスは、金属または金属合金を含む、項目７３に記載の装置または方法。

項目７８．マトリクスは、鉄、アルミニウム、チタン、青銅、ニッケル、銀を含む、項目７３に記載の装置または方法。

項目７９．第２の砥粒プレートによる粗研削は、研削プロセス中に３０〜５０ミクロンの材料を除去する、項目１〜７８のいずれかに記載の装置または方法。

項目８０．第１の砥粒プレートによる微細研削は、研削プロセス中に１０〜１５ミクロンの材料を除去する、項目１〜７９のいずれかに記載の装置または方法。

項目８１．研削プロセスが完了したとき、ウエハーまたはサファイア基板の粗砥粒面上の表面粗さは、少なくとも４０００Å、少なくとも５０００Å、または少なくとも７０００Åになる、項目１〜８０のいずれかに記載の装置または方法。

項目８２．研削プロセスが完了したとき、微細砥粒面上の表面粗さは、１０００Å以下、５００Å以下、または１００Å以下になる、項目１〜８１のいずれかに記載の装置または方法。

項目８３．１０００Å以下の表面粗さを有する第１の面と、少なくとも４０００Åの表面粗さを有する第２の面とを有する、完成サファイア基板。

項目８４．項目１〜８３のいずれかに記載の方法を使用して作製された、完成サファイア基板。

一例として、４インチの直径を有するｃ面サファイアウエハーは、以下に記載される処理パラメータを適用することによって、実施形態に従って処理され得る。

処理は、上記のように、切断または薄切りされるブールまたはインゴットで開始する。ブールは典型的には、ワイヤーソーイング技術を使用して切断される。ワイヤーソーイングプロセスは、数時間、通常約４〜８時間の間の範囲内継続することができる。ワイヤーソーイングプロセスの継続時間は、切断されるブールの直径によって少なくとも部分的に決まり、したがって８時間よりも長く継続し得ることが理解される。

ワイヤーソーイング後、ウエハーは、約１．０ｍｍ以下の平均厚さを有する。概して、ウエハーは、約１．０ミクロン未満の平均表面粗さ（Ｒａ）、約３０ミクロンの平均全厚変動、および約３０ミクロンの平均バウを有する。

ウエハーを生成するためにブールをワイヤーソーイングした後、ウエハーは、本明細書に記載される実施形態に従った研削プロセスに供される。ウエハーは、Ｐｅｔｅｒ Ｗｏｌｔｅｒｓ ＡＣ １０００またはＰＲ Ｈｏｆｆｍａｎ ＲＣ ５４００など、両面マイクロ研削機中に積載され得る。底部研削プレートは、約８０〜２００ミクロンの範囲内の平均グリットサイズを有する、粗いビトリファイド研削ホイールを使用することができる。粗研削プレートは、約６０〜５００ｒｐｍで回転される。

頂部研削プレートは好ましくは、約１０〜８０ミクロンの範囲内の平均グリットサイズを有する、より微細なビトリファイド研削ホイールを使用する。微細研削プレートは好ましくは、基板材料が基板の底部表面から選択的に除去されるように、粗いプレートよりも遅い速度で回転される。

任意の典型的な合成研削液が冷却剤／研削液として使用され得る。

特定の実施形態では、上記のプロセスパラメータは、粗砥粒プレートに対して約５〜１０μｍ／分の材料除去速度（ＭＲＲ）、および微細砥粒プレートに対して１〜５μｍ／分のＭＲＲをもたらすはずである。研削が完了したあと、サファイア基板は好ましくは、約１ｍｍの厚さになる。微細砥粒面上の表面粗さは約０．１μｍ（１０００Å）になるが、５００Åまで低くなる可能性がある。粗砥粒面上の表面粗さは、約４０００Åになるが、いくつかの適用に対しては７０００Å以上まで高くなる可能性がある。

いったん研削ステップが完了すると、サファイア基板は、従来の研磨方法を使用して、１０〜４００Åの鏡面仕上げまで表面粗さを低減するために、微細砥粒面上でさらに研磨されてもよい。

上記の考察の大部分はサファイアウエハーに関するが、本明細書に記載される実施形態は、基板の一面のみに必要とされる表面仕上がりを改善するか、または表面損傷を低減するために、粗いラッピングまたはマイクロ研削、続いて、第２のより微細な研磨ステップを利用する、任意の基板生成プロセスに適用され得る。例えば、本発明の実施形態は、サファイアおよび炭化ケイ素、他の多結晶材料、セミラック、ガラス、金属、プラスチックなどを含む、配向単結晶体の仕上げ（生成）に適用され得る。さらに、本発明の実施形態は、所望の形状および表面仕上がりをもたらすために、「マイクロ研削」、「ラッピング運動学を用いた研削」、「遊星運動学を用いた研削」、または「固定砥粒ラッピング」として既知の研削動作または固定砥粒動作で現在処理される、任意の基板または部品に適用され得る。

本明細書で使用される場合、用語「ウエハー」および「基板」は、光電子デバイスを形成するためなど、その上の半導体層のエピタキシャル成長のための基板として使用されるために、形成または処理されている、切断されたサファイア材料を指すために、同意語として本明細書で使用される。多くの場合、未完成サファイア片をウエハーと称し、完成サファイア片を基板と称することが一般的だが、しかしながら、本明細書で使用される場合、これらの用語は必ずしもこの区別を明示するものではない。

本明細書に記載される発明は、幅広い適用性を有し、上記の実施例に記載および図示されるような多くの利点を提供することができる。実施形態は、特定の用途によって大きく異なり、全ての実施形態が本発明によって達成可能である利点の全てを提供し、目的の全てを満たすとは限らない。上記で全体的な記載または実施例に記載される動作の全てが必要とされるとは限らないこと、特定の動作の一部分が必要とされない場合があること、および１つ以上のさらなる動作が記載されるものに加えて実施されてもよいことに留意されたい。なおさらに、動作が列挙される順序は、必ずしもそれらが実施される順序であるとは限らない。

上記の明細書において、概念は、特定の実施形態を参照して記載されてきた。しかしながら、当業者は、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正および変更が行われ得ることを理解する。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなくむしろ例示的な意味で見なされるものであり、全てのそのような修正は、本発明の範囲内に含まれるよう意図される。本明細書を読んだ後、当業者は、明確にするために、別々の実施形態に関連して本明細書に記載されるある特定の特徴が、単一の実施形態中で組み合わせて提供されてもよいことを理解するであろう。逆に、簡潔にするために、種々の単一の実施形態に関連して本明細書に記載される特徴が、別々に、または任意の部分的組合せで提供されてもよい。さらに、範囲で記述される値への参照は、その範囲内のありとあらゆる値を含む。

本明細書で使用される場合、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えること（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有すること（ｈａｖｉｎｇ）」、またはこれらの任意の他の変化形は、非排他的包含を含むことを意図している。例えば、特徴のリストを含むプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの特徴にのみ限定されるとは限らず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の特徴も含み得る。さらに、明示的に反対の記述がない限り、「または」は、包含的なまたはであり、排他的なまたはではない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下のいずれか１つによって満たされる：Ａは真であり（または存在し）、かつＢは偽である（または存在しない）、Ａは偽であり（または存在せず）、かつＢは真である（または存在する）、およびＡおよびＢの両方が真である（または存在する）。また、「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書に記載される要素および構成要素を記載するために採用される。これは、単に便宜上、および本発明の範囲の一般的に意味を示すために行われる。本記載は、１つまたは少なくとも１つを含むように解釈されるべきであり、単数形は、それがそうではないことを意味することが明らかではない限り、複数も含む。

利益、他の利点、および問題の解決法が特定の実施形態に関して上記に記載されてきた。しかしながら、それらの利益、利点、問題の解決法、および任意の利益、利点、または解決法をより顕著なものにし得る任意の特徴（複数を含む）は、いずれかまたは全ての請求項の重要な、必要とされる、または必須の特徴として解釈されるものではない。

本発明およびその利点が詳述されてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更、置き換え、および修正が本明細書に記載される実施形態に行われることが理解されるべきである。さらに、本願の範囲は、本明細書に記載されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図していない。当業者が本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載される対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施するか、または実質的に同じ結果を得る、現在存在するか、または後に開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップが、本発明に従って利用され得る。したがって、添付の特許請求の範囲には、そのようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、またはステップをそれらの範囲内に含むことを意図している。

Claims (15)

1. 第１および第２の対向する主表面を有するウエハーを機械加工する方法であって、前記方法は、
   第１の固定砥粒を使用して、ウエハーの第１の主表面を研削することと、
   第２の固定砥粒を使用して、ウエハーの第２の主表面を研削することと、
   を含み、前記第２の固定砥粒は、前記第１の固定砥粒のグリットサイズよりも粗いグリットサイズを有し、
   前記ウエハーの前記第１および第２の主表面の前記研削の少なくとも一部分は、同時に生じ、
   前記第１の固定砥粒は、８０ミクロン以下の平均砥粒径を有し、
   前記第２の固定砥粒は、少なくとも６０ミクロンの平均砥粒径を有し、
   前記ウエハーは、サファイア基板である、
   方法。
2. 前記ウエハーは、１ｍｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の固定砥粒は、１０ミクロンから８０ミクロンの平均砥粒径を有し、
   前記第２の固定砥粒は、８０ミクロンから２００ミクロンの平均砥粒径を有する、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の固定砥粒の平均砥粒径と前記第２の固定砥粒の平均砥粒径との間の差は、少なくとも２０ミクロンである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ウエハーの第１の主表面を研削すること、および前記ウエハーの第２の主表面を研削することは、第１の砥粒プレートと第２の砥粒プレートとの間で前記ウエハーを研削することを含み、前記第２の砥粒プレートは、前記第１の砥粒プレートよりも粗い砥粒を有し、前記第１の砥粒プレートは、前記ウエハーの前記第１の主表面を研削し、前記第２の砥粒プレートは、前記ウエハーの前記第２の主表面を研削する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２の砥粒プレートは、前記第２の砥粒プレートが前記ウエハーの底部表面を研削し、前記第１の砥粒プレートが前記ウエハーの頂部表面を研削するように、前記第１の砥粒プレートの真下に位置する、請求項５に記載の方法。
7. 前記ウエハーの第１の主表面を研削すること、および第２の主表面を研削することは、
   前記ウエハーの頂面が第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触し、前記ウエハーの底面が第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触するように、第１および第２の砥粒プレートの間にウエハーを配置することと、
   前記ウエハーの前記頂面および底面を研削するために、前記砥粒プレート、前記ウエハー、またはこれらの任意の組み合わせを回転させることと、
   を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ウエハーの第１の主表面を研削すること、および第２の主表面を研削することは、
   第１および第２の砥粒プレートの間に位置する円形キャリア中に、少なくとも１つのウエハーを積載することと、
   前記ウエハーの頂面を、第１の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させ、前記ウエハーの底面を、第２の砥粒プレートの研磨表面と平坦接触させることと、
   前記砥粒プレートを回転させることと、
   前記回転している砥粒プレート間で前記ウエハーを回転させるために、前記キャリアを回転させることと、
   を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記研削している表面を冷却し、遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、研削液を適用することをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記研削している表面を冷却し、遊離砥粒材料または削りくずを除去するために、前記研削液が使用された後に、それを再循環させることと、前記再循環させた研削液中の遊離した粗砥粒粒子が研削中に前記ウエハーの前記表面を損傷することを防止するために、前記使用された研削液が再導入される前に、それを濾過することと、をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 研削プロセスが完了したとき、前記第２の固定砥粒によって研削された前記ウエハーの面上の表面粗さは、少なくとも４０００Åである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 研削プロセスが完了したとき、前記第１の固定砥粒によって研削された前記ウエハーの面上の表面粗さは、１０００Å以下である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 平坦基板の両面研削のための装置であって、
    上部および下部研削プレートであって、前記２つの研削プレートは、基板が前記２つの研削プレート間に配置され得るように同軸上に載置され、前記２つの研削プレートは、研削プレート駆動機構によってそれらの同軸中心軸の周囲で回転可能である、上部および下部研削プレートと、
    前記２つの研削プレート間に配置される、基板キャリアであって、前記キャリアをそれ自体の中心軸の周囲で、かつ前記上部および下部研削プレートの前記同軸中心軸の周囲で回転させるための、キャリア駆動機構を含む、キャリアと、
    前記上部研削プレートの内表面に載置される、上部固定砥粒ディスク、および前記下部研削プレートの内表面に載置される、下部固定砥粒ディスクであって、前記下部固定砥粒ディスクは、基板の両面基板研削が、異なる速度で対向する基板表面から材料を除去するように、かつ両面基板研削が、異なる表面粗さを有する対向する基板表面を生成するように、前記上部固定砥粒ディスクよりも粗い砥粒グリットを有する、上部固定砥粒ディスクおよび下部固定砥粒ディスクと、
    を備え、
    前記上部固定砥粒ディスクは、１０ミクロンから８０ミクロンの平均グリットサイズを有し、前記下部固定砥粒ディスクは、６０ミクロンから２００ミクロンの平均グリットサイズを有し、前記基板は、サファイア基板である、装置。
14. 前記上部固定砥粒ディスクの前記平均グリットサイズと、前記下部固定砥粒ディスクの前記平均グリットサイズとの間の差は、少なくとも２０ミクロンである、請求項１３に記載の装置。
15. 前記上部固定砥粒ディスク、前記下部固定砥粒ディスク、または両方は、結合した固定砥粒を含む、請求項１３または１４に記載の装置。