JPH11188613A - 高平坦度材料製造装置及びその温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】精緻な平面加工を行なうラッピング加工におけ
る操業の安定性と製品歩留まり向上を計る。 【解決手段】上下両定盤１，２のうち少なくともその一
方に、定盤の加工作用面と反対側の面の定盤受け１７，
１８側に位置するように温度検知器１６内蔵の予備発熱
体１０が設置されてなり、定盤の加工作用面より下の部
分を覆うボックス７を設置し、ボックス内に雰囲気温度
検知器１６と下定盤２と下定盤側の温度検知器内蔵の予
備発熱体とモーター８と減速機９とを収納するととも
に、ボックス側面に、排気用ダクト１２とダンパー１４
と排気ファン１３とからなる排気系装置とを配置し、温
度検知器内蔵の予備発熱体と排気系装置とを制御する制
御機構１５を具備した高平坦度材料製造装置、および高
平坦度材料製造装置のラッピング定盤の加工作用面の温
度を制御する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、極めて高い平面度
や平行度が特に要求される高平坦度材料の製造装置の中
でも特にラッピング加工機に関し、更に詳しくは正確な
定盤の温度コントロールが可能なラッピング加工機及び
その周辺装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラス、金属材料、半導体材料、
セラミックスあるいは炭素材料等で、極めて高い平坦度
や平行度が特に要求される板状の材料の製造工程の中に
おいて精緻な寸法精度と形状精度を得るための平面加工
は、上下に定盤を配した装置を用い、その間に工作物を
挾持して、研磨材たる砥粒微粉スラリーを定量的に供給
しつつ定盤及び被加工体を押圧回転運動させて、その作
用で厚さの均一化、平面度や平行度の向上を行なうとい
う方法で行われる。この方法を一般的にラッピング加工
方法と称する。

【０００３】特に近年、ＩＣ、ＬＳＩあるいは超ＬＳＩ
等半導体素材を原材料とした電子部品は、その記憶容量
のアップと生産性の向上といった必要性から、その原材
料であるシリコンウェーハあるいは化合物系のウェーハ
（以下ウェーハと総称する）の厚さの均一化、特に加工
精度、寸法安定性の向上と同時にウェーハ自体のサイズ
の大型化の傾向が著しく、ラッピング加工における主た
る条件や装置自体の精度と安定性、およびその他種々の
付帯条件についても極めて精密な管理が必要とされるよ
うになって来ている。特に、シリコンウェーハの場合は
その原料となるシリコン単結晶の引き上げ技術が向上
し、直径１２インチ、１６インチといった大口径のもの
の生産も行われるようになって来ている。従って、この
ような大口径のウェーハのラッピング加工を生産効率よ
く行うためにはキャリア径が２４インチ、３２インチと
いった大口径のラッピング定盤を具備した大型ラッピン
グ加工機が近年ポピュラーになりつつある。

【０００４】ここでいうラッピング定盤とは、例えば鋳
鉄、銅、錫、軟鉄等の金属、あるいはセラミックス、ガ
ラス等の非金属を材料とし、ある程度の厚みを持った円
盤であって、一般的に加工に用いる面には例えば細い格
子状の溝が刻されていて、これがその面を合わせるよう
に上下両面に配されている。加工に際しては、その上下
両定盤の間に工作物を挾持し、上定盤側より圧力をかけ
ながら工作物あるいは定盤あるいはその双方を回転させ
ながらその加工面に砥粒スラリーを定量的に供給する。
砥粒の作用によって被加工体の面が少しずつ除去されて
行き、平坦かつ均質な面粗さでもって加工面が創成され
て行くのであるが、かかるタイプの加工においては、工
作物加工面の平面度は上下定盤の持つ平面度がそのまま
転写されるものである。従って、定盤の形状及び平面度
は極めて精度よく保たれねばならない。また、シリコン
ウェ−ハの如き硬脆材料を工作物とする場合は、鋳鉄製
の定盤を使用することが一般的である。

【０００５】前述の如く、特にシリコンウェーハの場合
は、ウェーハに対する要求精度が高くなると、加工に伴
って発生する研磨熱、あるいは定盤を回転させるための
モーターや減速機から発生する熱の影響で、まず下定盤
の熱が上昇しその上昇した熱の影響で定盤の形状に僅か
な狂いを生じ、そのため運転開始からの数バッチの間、
加工されたウェーハの寸法精度に微妙な影響を与えるこ
とは否定出来なかった。更に一般的にラッピング加工機
は、上下定盤をそれぞれ駆動させるモーターと減速機、
太陽歯車とインターナルギアをそれぞれ駆動させるため
のモーターと減速機とを内蔵している。ここでいう太陽
歯車とインターナルギアとは、工作物であるウェーハを
把持し定盤とは異なった動きを行なわしめるキャリアプ
レートを回転するためのものである。これらの駆動系お
よび減速機からは微細なミスト、ダスト、油滴等が発生
し、製品を汚染したりする危険性があり、かつ乾燥した
スラリーもダストとなるので、その対策として加工機本
体に直接排気ダクトを取り付け、例えば屋外等離れた場
所で処理する方法が行われている。そのため、排気ダク
トの風量や運転状態の影響により、加工機本体の温度が
不安定になり、機台稼動中も定盤の温度に影響を与え微
妙に変動させ、製品品質のバラツキを増大させることが
あることも否定できなかった。

【０００６】かかる弊害を除去するために、定盤の内部
に冷却用の媒体を通して温度の上昇を抑制し、定盤を冷
却状態の安定な温度で加工を行う方法（例えば、特開昭
６３−２４５３６８号公報、特開平４−５３６７１号公
報）がすでに提唱されているが、これらは定盤温度を冷
却によりコントロールするため、やや温度変化への追随
が鈍いこと、および水などの熱容量の高い冷媒を用いる
ためエネルギー面で不利であることが指摘されていた。
また、ラップ定盤は砥粒により摩耗するため数ヶ月で交
換しなければならないが、２重ジャケット構造では交換
するラップ定盤が複雑、かつコストアップとなり、定盤
の寿命にも関係することから、経済性を考えて、ラップ
定盤自体は従来の簡単な構造を維持することが得策であ
る。一方、稼働開始時に空運転を行ない暖気運転を行な
うなどの対策もとられているが、機台の稼働率を低下す
るうえ効果も十分なものとはいい難かった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は前述の問
題点、即ち機台の休転後に運転を開始してから数バッチ
の間、加工されたウェーハの寸法精度が安定せず加工精
度が悪く、ひいては製品歩留まりを著しく低下させる現
象を起す要因について鋭意検討を行なった結果、以下の
ことを解明するに至ったのである。すなわち、上下定盤
の形状（半径方向の直線性および直径方向の凹凸量）の
一致（マッチング）が加工精度を決定するが、連続して
ラッピングを繰り返すことにより定盤が温度膨張による
体積変化を起こすことを見出し、さらにこの体積変化が
定盤の形状（平面度）を微妙に狂わせ加工精度に大きな
影響を与えることを見出したのである。従って、変化前
の上下定盤のマッチング如何によっては、連続して温度
上昇することにより、良くなることも悪くなることもあ
る。具体的には安定な状態で稼働していた機台を長時間
停止すると、定盤の温度は次第に下がり室温に近づき、
その形状は温度低下の影響により収縮する方向で微妙に
変形する。停台後の再稼働直後においては、機台はこの
ような状態でスタートするのであるから、加工されたウ
ェーハの寸法精度は良くなく、製品歩留りも悪いのであ
る。数バッチ加工を継続すると定盤の温度は徐々に上昇
し、停止直後の状態に復し、上下定盤の状態ももとの状
態に復するため安定した加工が可能となる。装置の大き
さ、駆動モーターの特質や減速機の大きさ、室温、加工
条件等によって定盤の到達最高温度（以下この温度を飽
和温度と略記する）は決定される。以上の現象は定盤
が、この飽和温度に達した時において定常状態となり安
定した加工ができることを示している。前述の引用文献
に述べられている方法は、定盤を冷却することにより、
室温に近い、あるいは室温より低い温度にて定常運転状
態を創成しているため、コントロールが難しくまたエネ
ルギー的にも不利であったのである。また、ラップ定盤
は砥粒により摩耗してそのため、数ヶ月で交換する必要
があるが、前記飽和温度を保つために、交換するラップ
定盤の構造を複雑にしたり、寿命を損なったり、あるい
は交換のコストが余分にかかったりすることがないよう
に、ラップ定盤自体の構造等は現状を維持して同様の効
果を発揮できることを考えた。

【０００８】本発明者等は、既存のラッピング加工機の
持つ上述の問題点に関して鋭意研究を行ない、それぞれ
の定盤に特有な前記飽和温度を機台の停止している間お
よび稼動している間も安定して維持することを目的とし
た装置と、該装置の温度を制御する機構とを具備した高
平坦度材料製造装置を完成するに至ったものであり、そ
の目的となす所は、機台の運転開始以前に定盤をその機
台の飽和温度に到達せしめておき、稼動中も温度の外乱
に対応して飽和温度を維持することができる高平坦度材
料製造装置を提供することにある。更に本発明の他の目
的は、上述の高平坦度材料製造装置のラッピング定盤の
定盤作用面の温度を制御する方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、相対する
上下両定盤と、太陽歯車と、インターナルギアおよびそ
れ等を駆動するモーターおよび減速機を具備する高平坦
度材料製造装置であって、前記上下両定盤のうち少なく
ともその一方に、定盤の加工作用面と反対側の面に位置
するように温度検知器内蔵の予備発熱体が設置されてな
り、定盤の加工作用面より下の部分を覆うボックスを設
置し、該ボックス内に雰囲気温度検知器と前記下定盤と
下定盤側の前記温度検知器内蔵の予備発熱体と前記モー
ターと前記減速機とを収納するとともに、ボックス側面
に、排気用ダクトとダンパーと排気ファンとからなる排
気系装置とを配置し、前記温度検知器内蔵の予備発熱体
と前記排気系装置とを制御する制御機構を具備した高平
坦度材料製造装置にて達成される。更に本発明の他の目
的は、相対する上下両定盤と、太陽歯車と、インターナ
ルギアおよびそれ等を駆動するモーターおよび減速機を
具備する高平坦度材料製造装置において、前記上下両定
盤のうち少なくともその一方に、定盤の加工作用面と反
対側の面に位置するように温度検知器内蔵の予備発熱体
を設置し、前記下定盤と前記モーターと前記減速機と下
定盤側の前記温度検知器内蔵の予備発熱体とを収納した
ボックスに排気用ダクトとダンパーと排気ファンとから
なる排気系装置を配設させるとともに、前記ボックス内
に設置した雰囲気温度検知器を、前記予備発熱体と前記
排気系とに連結した制御機構に連結せしめ、前記予備発
熱体の温度と排気の風量とを自動的に調節することによ
り、高平坦度材料製造装置の定盤作用面の温度を制御す
る方法により達成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る高平坦度材料製造装
置は装置の主要部分をなすラッピング加工機と、排気系
及び温度制御機構からなる周辺設備より構成されてお
り、その一例を図面により説明する。図１に示す通り、
ラッピング加工機はその上下両面に鋳鉄製の回転可能な
円盤状の上定盤１と下定盤２を配し、遊星運動をするキ
ャリアプレート３、そのキャリアプレートを動かす太陽
歯車４およびインターナルギア５よりなり、砥粒微粒子
を含んだスラリーを加工液として供給しつつ上記キャリ
アプレートにセットしたウェーハ等の工作物６（以下ワ
ークと略記する）の加工を行なうものであって、定盤の
押圧力と回転作用により砥粒微粒子がワーク表面に作用
し除去していくものである。その目的は、スライス後の
ウェーハの持つ厚みの不均一さを是正し、凹凸を削り、
精緻な平面度を出すことにある。上述の上下定盤１、２
と太陽歯車４およびインターナルギア５は装置本体ボッ
クス７内に設置された駆動用モーター８と減速機９によ
り駆動される。これらを一つのモーターを用いて動かす
タイプもあるが、近年は各々の独自のモーターで駆動さ
れる所謂４ウェイタイプが多い。下定盤２は下定盤受け
１７の上に置かれその回転に伴い回転する構造である。
下定盤受け１７の上部の、下定盤２に接する位置には温
度検知器１１を内蔵した予備発熱体１０が設置されてお
り、また、ボックス内の下定盤２の下部に近いあたりに
雰囲気温度検知機１６が置かれている。１２は排気用ダ
クト、１３は排気ファン、１４は排気量を調節するため
のダンパーを示す。制御機構１５は予備発熱体１０に内
蔵された温度検知器１１で予備発熱体温度を、また雰囲
気温度検知機１６でボックス内温度を検知し、それに従
い予備発熱体１０と排気ファン１３に連結したダンパー
１４を適宜作動させ予備発熱体１０とボックス７内の温
度を一定に保つものである。図１においては予備加熱体
が下定盤側にのみ設置されている例を示しているが、こ
れを上定盤１側に設置しても特に問題はない。更に温度
コントロールをより精度高く行なうためには上下両定盤
にこれを設置してもよい。上定盤側に予備発熱体を設置
する場合も定盤内に組み込むのではなく、上定盤受け１
８に組み込む。このように温度検知器を内蔵した予備発
熱体を定盤１、２自体にではなく定盤受け１７、１８側
に設置することにより、頻繁に交換するラップ定盤自体
の構造を変えることなく、本発明の目的を達成すること
ができる。また、ボックスには外気取り入れ用の取入れ
孔２１を具備させてもよい。図２は従来の高平坦度材料
製造装置を示したものであって、定盤温度を一定温度に
保つために定盤内部にジャケット２０が設けられており
レギュレーター１９で温調された熱媒体がジャケット内
を循環するようになっている。

【００１１】次に本発明の高平坦度材料製造装置の温度
制御方法について詳述する。上述の如く高平坦度材料製
造用のラッピング加工機には最高４機のモーター８と減
速機９が搭載されているが、機台の運転開始に伴いまず
ラッピング作用による加工熱が原因で上下定盤の温度が
上昇し上下定盤の熱膨張が始まる。次に駆動系から発生
した熱が回転軸等を伝わってまず下定盤２を徐々に昇温
させながら、工作物を介して熱伝導などによりやがて上
定盤１も追随して温度上昇を行なう。その昇温に伴い、
上下定盤は熱膨張による体積変化を起こし、定盤平面度
や上下定盤の平行度（同一間隔の隙間）や形状の一致に
微妙な変化を与え、加工精度を悪化させる。この変形は
温度の変化が続く限り続くものであるが、温度が安定し
変化しなくなれば定盤の変形も止まり安定する。従っ
て、機台を一定の条件で何回か繰り返し使用すれば定盤
の温度はある特定の温度で安定する。前述の通り、この
温度を飽和温度と呼ぶが、一般的な大型ラッピング加工
機を一般的な加工条件で使用する限り、この温度上昇は
高々５℃程度である。具体的には３０℃程度がその上限
である。また、本発明の高平坦度材料製造装置は、ラッ
ピング加工機の駆動モーター及び減速機から発生する微
細なミスト、ダスト、油滴等を排除するために、加工機
本体のボックス７に直接排気ダクト１２を取り付け、ダ
ンパー１４と排気ファン１３により屋外に排気を行って
いる。そのため、排気系の風量や運転状態の影響によ
り、稼働中のボックス７内の温度が不安定になり、飽和
温度で機台稼動中も定盤の温度に影響を与え微妙に変動
させ、製品品質のバラツキを増大させる。

【００１２】予備発熱体１０は内蔵する温度検知器１１
でその温度を常時検知し、その温度信号は制御機構１５
に送られる。この制御機構においては予め設定された下
定盤の飽和温度（例えば３０度）と前記温度信号とを対
比して、温度が不足すれば予備発熱体１０を作動させて
下定盤２を加温するようにする。この動作は主として機
台が停台している際に働くものである。また、ボックス
内の温度は下定盤２の温度を正確に飽和温度に保つため
に、その飽和温度と同じ温度にしておくことが必要であ
る。ボックス７内に設けられた雰囲気温度検知器１６で
検知された温度は、常時温度信号として制御機構１５に
送られる。制御機構においては予め設定された装置本
体、すなわち下定盤の飽和温度（例えば３０度）と前記
温度信号とを対比し、それによってダンパー１４の開き
状態を調節し排気系の風量を加減し、ボックス内の雰囲
気温度を飽和温度での恒温状態に保つものである。この
制御は排気ファンの動いている時間帯、すなわち主とし
て機台の稼働時に働くものである。前述の通り図面にお
いては下定盤にのみ予備発熱体が設置された例を示して
いるが、これは上定盤であっても、また上下両定盤双方
に設置されていても構わない。

【００１３】実際のシリコンウェーハの製造加工におい
ては、ラッピング加工後のワークのバッチ内およびバッ
チ間の厚みのバラツキ（定寸精度）や一枚のワーク内の
厚みの変化（ＴＴＶ；トータルシックネスヴァリエーシ
ョン）やセルごとの厚みの変化（ＳＴＩＲ；サイトトー
タルインディケーテッドリーディング）などを一定管理
範囲内に納める必要がある。８インチ（２００ｍｍ）ウ
ェーハの場合一般的に求められるＴＴＶは０．７ミクロ
ン、ＳＴＩＲは０．２ミクロン以下であり、これ以上の
ものは不良品としてはねられる

【００１４】

【実施例及び比較例】以下実施例をあげて本発明になる
装置および方法を具体的に説明するが、それにより特に
限定を受けるものではない。また、以下に示す実施例お
よび比較例において使用された装置、消耗品、加工条件
等は以下に示す通りである。 加工機：両面ラップ盤２４Ｂ−５Ｌ型（スピードファムジャパン社製）を改造 し排気系装置と制御機構を取り付けたもの 定盤外径：１，５９２ｍｍ 定盤内径：５５４ｍｍ 定盤厚さ：７０ｍｍ 加工液：ＦＯ１２００、３０重量％スラリー ワーク：２００ｍｍアズカットシリコンウェーハ 加工条件： 加工圧力；１５ｋＰａ １バッチ加工枚数；２５枚 上定盤回転数；−１０ｒｐｍ（時計回り） 下定盤回転数；４０ｒｐｍ（反時計回り） 太陽歯車回転数；１８ｒｐｍ（反時計回り） インターナルギア回転数；１０ｒｐｍ １バッチ当り加工時間；１０分 ワーク交換所要時間；２分 加工液流量；１０００ｍＬ／分 加工除去量；８０μｍ ＴＴＶ測定機：マイクロスキャン９５００（ＡＤＥ社製） ＴＴＶ測定条件：各バッチから５枚サンプリングし測定

【００１５】実施例１ 上述のラッピング加工機を上述の加工条件にて、休日前
の操業最終日の最終加工バッチを終えた後、この加工機
の飽和温度である３０℃に制御するように制御機構を設
定した。停台同時に排気系は停止した。２日後の早朝、
定盤表面の温度を測定した所３０℃の温度が保たれてい
た。この状態で排気系とその制御系を作動して、ただち
に上記加工条件での加工を開始したところ、第１バッチ
よりＴＴＶ値０．５ミクロンが得られ、その後も継続し
て同程度の値が得られた。

【００１６】比較例１ 制御機構を稼動しない他は実施例１と同様の条件にて操
業実験を行なった。２日後の早朝の定盤表面温度は２４
℃であった。この状態で、実施例１と同様の加工条件で
の加工を開始した。第１バッチ目のＴＴＶは１．０ミク
ロンで不良であった。そのまま連続して２バッチ目から
５バッチ目までラッピング加工を行なうと、ＴＴＶは直
線的に下りはじめ、５バッチ目で０．６ミクロンまで向
上し、以降はこの状態で安定して同程度の加工結果が得
られた。

【００１７】実施例２ 通常の操業日の昼休み休憩前の最終バッチ終了後、実施
例１のラッピング加工機を実施例１と同様にして予備発
熱体による保温を行なった。１時間の休憩後の定盤表面
の温度を測定したところ３０℃であった。この状態で午
後からの操業を開始し、第１バッチ目のＴＴＶを測定し
た所、０．５５ミクロンであった。その後のバッチにお
いても安定して同等のＴＴＶ値が継続して得られた。

【００１８】比較例２ 制御機構を稼動しない他は実施例２と同様の条件にて操
業実験を行なった。１時間の休憩後の定盤の表面温度は
２８℃であった。この状態で、実施例１と同様の加工条
件を用いて加工を開始した。第１バッチ目のＴＴＶは
０．８０ミクロンで不良であった。そのまま連続して２
バッチ目以降のラッピング加工を行なうと、ＴＴＶ値は
３バッチ目で０．７ミクロンまで回復し、以降はさらに
向上し続け５バッチ目で０．５５ミクロンに達し収束状
態となった。

【００１９】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明装置および方法
によれば、より大型化が進み、かつより精密化が進行す
るシリコンウェーハ等半導体素材のラッピング加工にお
いて、その大型化と精密化という極めて難度の高い技術
を両立させつつ実用化を進めるにあたり、その実現に大
きなウェイトを占める製品の歩留まりを上げるという多
大な効果を生み出すことができるのである。すなわち、
立ち上がりの最初のバッチから良好なＴＴＶ値のものが
得られかつその製品間のバラツキが少なければ、製品歩
留まりが当然向上する。これに伴ない、キャリア径２４
Ｂあるいは３２Ｂといった大型のラッピング加工機の本
格的実用化が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の高平坦度材料製造装置の側面断面図
である。

【図２】 従来の高平坦度材料製造装置の側面断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 上定盤 ２ 下定盤 ３ キャリアプレー
ト ４ 太陽歯車 ５ インターナルギア ６ 工
作物 ７ ボックス ８ モーター ９ 減速機
１０ 予備発熱体 １１ 予備発熱体温度検知器 １２ 排気用ダクト １３ 排気ファン １４ ダンパー １５ 制
御機構 １６ 雰囲気温度検知器 １７ 下定盤受け
１８ 上定盤受け １９ レギュレーター ２０ ジャケット ２
１ 外気取り入れ孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対する上下両定盤と、太陽歯車と、イン
   ターナルギアおよびそれ等を駆動するモーターおよび減
   速機を具備する高平坦度材料製造装置であって、前記上
   下両定盤のうち少なくともその一方に、定盤の加工作用
   面と反対側の面に位置するように温度検知器内蔵の予備
   発熱体が設置されてなり、定盤の加工作用面より下の部
   分を覆うボックスを設置し、該ボックス内に雰囲気温度
   検知器と前記下定盤と下定盤側の前記温度検知器内蔵の
   予備発熱体と前記モーターと前記減速機とを収納すると
   ともに、ボックス側面に、排気用ダクトとダンパーと排
   気ファンとからなる排気系装置とを配置し、前記温度検
   知器内蔵の予備発熱体と前記排気系装置とを制御する制
   御機構を具備した高平坦度材料製造装置。
2. 【請求項２】相対する上下両定盤と、太陽歯車と、イン
   ターナルギアおよびそれ等を駆動するモーターおよび減
   速機を具備する高平坦度材料製造装置において、前記上
   下両定盤のうち少なくともその一方に、定盤の加工作用
   面と反対側の面に位置するように温度検知器内蔵の予備
   発熱体を設置し、前記下定盤と前記モーターと前記減速
   機と下定盤側の前記温度検知器内蔵の予備発熱体とを収
   納したボックスに排気用ダクトとダンパーと排気ファン
   とからなる排気系装置を配設させるとともに、前記ボッ
   クス内に設置した雰囲気温度検知器を、前記予備発熱体
   と前記排気系とに連結した制御機構に連結せしめ、前記
   予備発熱体の温度と排気の風量とを自動的に調節するこ
   とにより、高平坦度材料製造装置の定盤作用面の温度を
   制御する方法。