JPH0426117A - 半導体素子ウエハのラッピング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ウェハ研削の際に用いるラッピング用キャリ
アの寸法と形状を長時間に亘って一定に維持できるよう
にした半導体素子ウェハのラッピング装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、半導体素子の材料でウェハは、シリコン（Ｓｉ
）または砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の単結晶のインゴ
ットを薄片にスライシングして作られるが、スライシン
グ直後のウェハは必ずしも表面が平坦でないため、これ
を平坦かつ表裏を平行平面とするためにラッピング加工
が施される。

一方、ラッピング加工やその後の各種処理においてウェ
ハの外縁部が欠損することを未然に予防するために、ス
ライシングされたウェハの外縁部断面は、一般に半円形
またはほぼ三角形に研削される。

ラッピング加工においては、鋳鉄等で作られた上下２枚
のラッピングプレート（以下、単に「プレート」と略称
）の間にウェハを挾み、プレートとウェハとの間に砥粒
（グリッド）を懸濁させたスラリーを流しながら上下の
プレートを押しつけ合ったまま、相対的に回転させ、プ
レートとウェハの間を転摺動するグリッドでウェハの両
面を研削する。この際、ウェハを２枚のプレート間に正
しく保持するとともに複数のウェハ相互の干渉を防止し
、かつウェハ面内の累積摺動長さを均一にし、さらにプ
レート面内の累積摺動長さも均一にすることによって、
ウェハを平坦に研削するとともにプレートを平坦に維持
するために、複数のウェハを保持して摺動面内で回転さ
せるラッピングキャリア（以下「キャリア」と略称）が
用いられる。

キャリアは、製作の容易さと製作費、さらには使い易さ
の点から冷間圧延された炭素鋼板を素材とし、これを平
坦に展延した後、打ち抜き加工等によって所定の寸法と
形状に仕上げられて使用される。

ここで、キャリアの形状は、その外周にスプロケット状
の歯形を有し、その内側には研削するウェハの直径に対
応した寸法とウェハの数に応じた丸孔が穿設されている
。

上記装置によるラッピング加工においては、研削される
ウェハの平坦度と研削するプレートの平坦度を維持する
ために、プレートに対してキャリアを公転させるととも
に自転させるようになっており、さらにキャリア内にお
いてはプレートとウェハおよびキャリアとウェハとの相
対摩擦によってウェハも自転させるようになっている。

一般に、ウェハの自転の際の周速は、プレートに対する
ウェハおよびキャリアの相対摺動速度に比べると無視し
うる程度に小さく、ウェハとキャリアとはプレートに対
してほぼ同一摺動速度で一体となって摺動すると見做す
ことができる。

また、ウェハとキャリアの周りのスラリー〇流れはＮａ
ｖｉｅｒ−３むｏｋｅｓの式を簡略化した剪断流れとし
て表すことができる。さらにラッピングプレートの外周
近傍を除く定常部でしかもウェハの摺動軌跡の中心線付
近の流れはＥｕ　Ｉ　ｅ　ｒの式に代表される一次元の
剪断流れとして表すことができる。

剪断流れにおいては、流れの粘性抵抗によって発生する
背圧によって垂直力を支持する作用がある。

ここで、キャリアとウェハの合計面積をそれぞれＳ　（
ＳＳｗ　、プレートとキャリア、プレートとウェハの間
隙をそれぞれＧｃ　、Ｇｔ＋とし、スラリーの粘性係数
をμとすると、プレー１〜とキャリア、プレートとウェ
ハとの間に作用する剪断応ツノτ６、τ、はそれぞれ次
のようである。

これらを面積積分したものがプレート間の押しつけ力Ｆ
に比例する。すなわち、 ここで、キャリアとウェハの厚みをそれぞれむ。、Ｌ、
とすると、 Ｇｃ　＋　ｔ　ｃ　−Ｇｗ　＋Ｌ−・・・・・・・・・
（４）上記（３）、（４）式からＧｗを一義的に求める
ことができる。ここで、１ｃＬｉ１．のときは、キャリ
アとウェハとはほとんど一枚の板と見なし得て、そのと
きのプレートとの間隙は次のようになる。

ト 一方、Ｌｃ＜Ｌｈのときには、む、とＣ８との差とＳｃ
とＳ。との差異に対応した間隙になり、Ｃ２は（５）式
で求められる間隙の１　／　１．５〜１／４程度になる
。

また、ｔｃ’ｉｔｗの場合にはＧ。が大きく、キャリア
部からウェハ部にスラリーが何の抵抗もなく流れるため
、ウェハとプレートの間隙において、キャリアとウェハ
のほぼ全面に一様に分布した多くのグリッドによって均
一に研削されるため、次のような特徴がある。

１）ウェハの平坦度が良い。

２）キャリアも同時に研削することになるので、単位時
間当たりの研削速度は低い。またキャリアの厚みがウェ
ハと同様に減少する。

また、キャリアの厚みがウェハの外縁部を確実に保持す
るのに充分な厚みである上に、キャリア内のポケット（
ウェハを保持するための円孔）部における流れの急変が
ないことにより、ウェハがポケットから抜は出して割れ
るといったトラブルが起きることはない。

次にｔｃ＜ｔＷの場合には、スラリーは間隙の大きなキ
ャリア部に流れ易く、間隙の小さいウェハ部には流れに
くい。このため、ウェハの外縁部においては、多くのグ
リッドが集合するが、それらの中でウェハの中心部に流
れ込むのはごく一部であり、そのグリッドは少数である
ため、ウェハとプレートとの間の押し付は力に抗し切れ
ずに破壊されてしまう。このため、ウェハの外縁部近傍
のみが研削され、中心部が研削されないため、凸レンズ
状になる。しかし、このときにはプレー　トの押し付は
力はほとんどウェハのみで支えることにより、単位時間
当たりのウェハの研削速度は大きいが、キャリアの厚み
は減少し難くなる。

以上に述べたｔｃζｔ１．Ｉとｔｃ＜Ｌ、１の場合のよ
うに、キャリアの厚みに関して両極端の例が生じる主な
理由は、キャリアが鋼板製のため研削に対して厚みが変
化し易いことによる。

〔発明の解決しようする課題〕

上記のように、従来のキャリアはスラリー中のグリッド
に比べて硬度が格段に低い鋼板製であるために種々の問
題があった。即ち １）摩耗によりキャリアの厚みが小さくなると、ウェハ
の平坦度が悪化する。また、キャリアのポケットからウ
ェハが抜は出して割れるといったトラブルが発生し易い
。

２）キャリアの摩耗を見込んでその厚みをウェハの厚み
に近づけると、ウェハの研削速度が低下し、生産性が悪
くなる。また、キャリアの厚み変化が大きくなる。

３）キャリアのポケットの摩耗を見込んで、ポケットの
内径をウェハの外径に近づけ過ぎると、ポケット内にお
けるウェハの自転が妨げられてウェハの良好な平坦度が
得られない。

４）キャリア外周にスプロケット状に形成された歯形が
摩耗すると、キャリアの公転と自転が不円滑となってム
ラが生じ、ウェハの平坦度とプレートの平坦度を悪化さ
せるとともに、キャリアのポケットからウェハが抜は出
す現象を助長する。

５）キャリアの摩耗粉およびスラリーによって溶解した
キャリアの鉄分等により、ウェハ表面が金属汚染される
。

次に、従来のプレートは鋳鉄製または鋳鋼製であり、ス
ラリーの中のグリッドに比べて硬度が格段に低いので、
ラッピング加工において摩耗が著しいため、次のような
問題かあ、った。すなわち、Ｘ）プレート鋳造時に溶融
金属中に含まれたまま脱けきれなかった気泡が含まれて
、いわゆる鋳物の「巣」を形成していることが多く、プ
レー！−の摩耗によってこの巣が表面に露出すると、ウ
ェハの割れや平坦度不良の原因となり、また巣が大きい
場合はプレート自体の強度を損なうこともある。

２）プレートの摩耗は、研磨したウェハの面積と負荷さ
れた押付は力との積の累積値に比例するので、プレート
面の摩耗は一様にはならず、プレート面の平坦度は悪く
なる。

本発明は、このような従来のプレート及びキャリア等の
有する種々の問題点にかんがみてなされたものであって
、キャリアやプレートの表面に高強度かつ高靭性のセラ
ミックスを付着させることにより、上記課題を解決する
ことを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、砥粒を含むスラ
リーを供給Ｌ７ながら半導体素子ウェハを研削加工する
ラッピング装置において、前記ウェハを円孔状のポケッ
トで保持するキャリアの少なくとも表面層を砥粒よりも
高強度かつ高靭性のセラミックスで形成した半導体素子
ウェハのラッピング装置としたもので、ウェハを挟圧す
るとともに回転させる上、下プレートの少なくとも表面
層を前記セラミックスで形成し、またキャリアは薄鋼板
の両面に前記セラミックスを付着させて形成することが
望ましい。

さらに、前記セラミックスをキャリア及びプレートを構
成する金属部材に付着させる方法として、溶射、イオン
プレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ法のいずれか
によることが望ましい。

〔作用］ 本発明のキャリアは、少なくともその表面層が砥粒より
も高硬度かつ高靭性のセラミックスにより形成されてい
ることにより、ラッピング加工中に高硬度のＡｎｔ　Ｏ
，等の微粒子であるグリッドで摩擦されてもキャリア表
面やポケット部、スプロケット状歯形部の摩耗が起こら
ず、長期間に亘って初期の寸法と形状を維持することが
できる。

このため、研削するウェハの厚みと直径に適合した厚み
とポケット直径を有するキャリアを選定すれば、長期間
に亘って高精度に平坦なウェハを高能率に得ることがで
きる。さらに、キャリアのポケットからウェハが抜は出
すこともなくなり、かつウェハは金属と直接に接触しな
いので、金属汚染も防止できる。

一方、プレートは真空鋳造した鋳鋼または高抗張力鋼板
の溶接構造によって形成された母材を、充分規準した後
にグラインダによってウェハ研削面を平坦に研削し、そ
の後にセラミックスを付着させる。

ここでセラミックスを研削面に付着させる手段としては
、溶射、特にプラズマ溶射またはイオンプレーティング
、スパッタリング、ＣＶＤ法等が通しており、付着させ
るセラミックスの種類は酸化クロム（ＣｒｚＯ８）や炭
化タングステン（ＷＣ）およびＷ　Ｃ−Ｃｏ、炭化チタ
ンサーメット（Ｔｉｃ）、チタン窒化物（Ｔｔ＋ＴｉＮ
）、炭化クロム（ＣｒＣ）、硼化チタン（ＴｉＢｔ）等
が適している。

このセラミックスを付着させた面は、一般に平坦度と粗
度が充分でないので、グラインダ等によって所定の平坦
度と粗度に加工すればよい。

以上により、プレートの研削面は充分な強度と充分な靭
性を持ち、かつウェハが直接に鋼と接触しないのでウェ
ハの金属汚染が起こらない。

〔実施例］ 以下に、先ず第１図に示す本発明によるキャリア２とプ
レート３−１．３−２に付着させるセラミックスの例２
−１．３−１−２、ｌ−２−２と、従来のプレートの材
料鋳鉄とキャリアの材料鋼板との強度の比較を表１に示
す。但しＭ２．は表１ ここでセラミックスＡは炭化珪素（Ｓ ｉＣ） と 硼化モリブデン（ＭｏＢ）と窒化アルミニウム（Ａ　ｌ
　ｓ　Ｎ：ｌ　）の複合微粉末焼結体であり、強度及び
靭性ともキャリアとして充分の大きさである。

またセラミックスＢは窒化硼素（ＢＮ）や炭化タングス
テン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）等より成り、強度は充分であるが、靭性が不足し
ている。このセラミックスＢを薄い高抗張力鋼板の表面
に溶射することによって強度、靭性とも充分となった。

本発明に係るセラミラス製キャリア（２）（第１図）の
機械的特性は既に表１その他に述べたとおりであるが、
これらのキャリアを実際のラッピング加工に通用した場
合のキャリアの摩耗状況と、ウェハの抜出し等のトラブ
ルの発生状況を従来の鋼板製キャリアと対比して表２に
示す。但し、「ラン」は操業回数を示す。

表２ 表示のごとく、本発明のセラミックス製キャリアでは摩
耗率、ウェハの抜は出しトラブル等に関して従来の鋼板
製キャリアより飛躍的に改善された。さらにラッピング
されたウェハの平坦度と研削速度の経時変化を第２図に
示す。この図のデータからも実施例のキャリアの優位性
が読み取れる。

なお、先に説明したように、キャリアの厚みをウェハ１
の厚みに応じて最適に選ぶことが最も重要であるが、実
施例のキャリアの厚みを故意にウェハの厚みに対して通
産と過薄にしたものも含めて実験し、ウェハの平坦度と
研削速度の経時変化を調べた。その調査結果を第３図に
示す。

ここでウェハの平坦度とは、ウェハを真空で吸着固定し
た時の最高点と最低点との差、すなわちＴＴＶとして測
定したもので定義する。

第３図から、実施例装置を用いた場合、従来の鋼板製キ
ャリアのような経時変化の傾向はなく、はとんど、一定
の状態が維持されていることがわかる。

また、プレートの平坦度を整えるドレッシングを施して
から１００ランのラッピングをしたときの鋳鉄製プレー
トの変化は、セラミックスＢ＋鋼板のキャリアの場合は
、鋼板製キャリアの場合の約１／２．８に減少した。こ
れは、鋼板製キャリアは新しい間はその厚み匹をウェハ
の厚みり。にほぼ等しくせざるを得ないために、ウェハ
と共にキャリアもプレートと摩擦することになり、ウェ
ハの厚みを所定量研削するための時間が、実施例のキャ
リアを用いた場合に比べて２倍以上となることもあるた
めである。但し、このような現象はラン数の増加につれ
て軽減され、鋼板製キャリアの厚みｔｃがウェハの厚み
ｔｌ、ｌに比べて充分薄くなると、セラミックス製キャ
リアを用いたときとほぼ同様になる。このため、長時間
の平均としては第３図に示す値となった。

なお、本発明に係るセラミックスを付着させたプレート
３−１．３−２では、セラミックスの種類と付着方法に
よって若干の差はあったが、いずれもその摩耗量は従来
の鋳鉄製に比べて１／２０以下の、極めて良好な結果が
得られ、セラミックス製キャリアと組み合わせた時のウ
ェハの平坦度は、従来のプレートと従来のキャリアとの
組合せに対し１００倍以上の期間維持された。

さらに、本発明の請求範囲とは直接関係はないが、従来
のキャリアでは、ポケット部と外周の歯形を特殊な形状
に加工しておいても短時間のうちに摩耗してしまうため
、単にプレスで打抜いたままの平面状端面であったが、
セラミックスにしたことにより、ポケット部内周縁の断
面を凹状の台形状とし、外周の歯形部は両端部に丸みを
つけてウェハの抜は出しとキャリア回転用ピンの摩耗を
防止した。

また、プレートの寿命が延びたことにより、プレートの
費用はセラッミクス付着の費用を加味してもなお、従来
のプレートの約１／３に削減できた。さらにプレート取
替えと周期的なドレッシングのために操業を停止する時
間は１／４〜１１５に削減された。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、ウェハを保持し
てグリッドに摺接しながらラッピングに用いられるキャ
リア、又はキャリアとプレー１〜の少なくとも表面層を
高硬度かつ高靭性のセラミックス製としたことにより、
以下のような効果が得られる。

ｌ）高能率で平坦度の良好なウェハが得られる。

２）長時間に亘って、厚みとポケット寸法、歯形の寸法
と形状を安定して維持できる長寿命のキャリアとするこ
とができる。

３）長期に亘ってプレートの平坦度を維持できる。

４）ウェハの抜は出しによるウェハ割損を防止できる。

５）ウェハの金属汚染を防止できる。

６）プレートの費用が大幅に削減できる。

７）プレートの取替えとドレッシングに要する時間が大
幅に削減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の部分拡大断面図、第２
図はラッピングされたウェハの平坦度と研削速度の経時
変化を示す図、第３図はキャリアの厚みによろウェハの
研削速度と平坦度の変化の関係を示す図である。 １・・・・・・ウェハ、２・・・・・・キャリア、２−
１・・・・・・鋼板、２−２．３−ｉ２．１２−２・・
・・・・セラミックス、３−１・・・・・・上プレート
、３−２・・・・・・下ブレー１・、４・・・・・・砥
粒（グリッド）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）砥粒を含むスラリーを供給しながら半導体素子ウ
   ェハを研削加工するラッピング装置において、前記ウェ
   ハを円孔状のポケットで保持するキャリアの少なくとも
   表面層を砥粒よりも高強度かつ高靭性のセラミックスで
   形成したことを特徴とする半導体素子ウェハのラッピン
   グ装置。
2. （２）ウェハを表裏面から砥粒を含むスラリーを介して
   挟圧するとともに回転させる上プレート及び下プレート
   の少なくとも表面層を、砥粒よりも高強度かつ高靭性の
   セラミックスで形成した第１請求項記載の半導体素子ウ
   ェハのラッピング装置。
3. （３）キャリアは、薄鋼板の両面に砥粒よりも高強度か
   つ高靭性のセラミックスを付着させて形成した第１請求
   項または第２請求項記載の半導体素子ウェハのラッピン
   グ装置。
4. （４）キャリア及びプレートを構成する金属部材に、溶
   射、イオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ法
   のいずれかの方法によってセラミックスを付着させた第
   ２請求項又は第３請求項記載の半導体素子ウェハのラッ
   ピング装置。