KR100953293B1 - 정밀 가공 방법 - Google Patents

Abstract

정밀도가 좋은 연삭 가공을 행할 수 있는 정밀 가공 방법을 제공한다. 피연삭체 (a) 를 다이아몬드 지석 (b) 에 의해 조연삭함으로써 중간의 피연삭체를 제작하는 제 1 공정과, 그 중간의 피연삭체를 CMG 지석에 의해 연삭함으로써 최종의 피연삭체를 제작하는 제 2 공정으로 이루어지고, 제 1 공정에 있어서는, 상기 이동량에 기초하는 제어에 의해, 회전 장치 (6b) 및 기대 (3) 가 이송 속도가 상이한 다단 이송에 의해 이송 제어되고 있고, 제 2 공정에 있어서는, 압력에 기초하는 제어에 의해, 회전 장치 (6b) 및 기대 (3) 가 정압력으로, 또는 압력이 상이한 다단계의 정압력으로 이동 제어된다.

정밀 가공

Description

정밀 가공 방법 {PRECISION MACHINING METHOD}

본 발명은 실리콘 웨이퍼나 자기 디스크 기판 등, 정밀한 형상 치수 정밀도나 마무리면의 평탄성이 요구되는 물품을 가공하는 정밀 가공 방법에 관한 것으로서, 특히, 연삭 가공 단계에 따라, 예를 들어 지석을 회전시키는 장치를 단계적인 이송 제어나 단계적인 압력 제어에 의해 전환 제어함으로써, 효율적이고 정밀도가 좋은 연삭 가공을 행할 수 있는 정밀 가공 방법에 관한 것이다.

최근, 차세대 파워 디바이스는 그 에너지 손실 저감이나 소형화에 대한 요구가 높아지고 있고, 예를 들어, 엘렉트로닉스용 반도체의 다층화나 고밀도화 등을 그 일례로서 들 수 있다. 이들 요구에 대한 방책으로는, Si 웨이퍼를 대표로 하는 반도체 웨이퍼의 극박화, 가공 표면이나 가공면 내부에 전위나 격자 변형이 없는 가공 방법, 표면 거칠기 (Ra) 를 서브 ㎚ (서브 나노 미터) ∼㎚ (나노 미터) 레벨, 가공면의 평탄도를 서브 ㎛ (서브 마이크로 미터) ∼ ㎛ (마이크로 미터), 나아가서는 그 이하로 하는 가공 방법의 개발 등을 생각할 수 있다.

자동차 산업으로 시선을 돌리면, 자동차의 파워 디바이스인 IGBT (Integrated Bipolar Transistor) 는, 인버터 시스템의 주요한 시스템이다. 향후에는, 이러한 인버터의 고성능화나 소형화에 의해 하이브리드 차의 상품성이 점 차 높아질 것으로 예상된다. 그 때문에, IGBT 를 구성하는 Si 웨이퍼의 두께를 50 ∼ 150㎛, 바람직하게는 90 ∼ 120㎛ 정도까지 극박화하여, 스위칭 손실이나 정상 손실, 열손실의 저감이 불가결해진다. 나아가서는, 직경이 200 ∼ 400㎜ 정도인 원형 Si 웨이퍼의 가공면, 또는 가공 표면 근방 내부에서 전위나 격자 변형 등의 결함을 제로로 한 완전 표면으로 하는 것, 표면 거칠기 (Ra) 를 서브 나노 미터 ∼ 나노 미터 레벨, 평탄도를 서브 마이크로 미터 ∼ 마이크로 미터로 함으로써, 반도체의 전극 형성 공정에서의 수율이나, 반도체의 다층화가 향상된다.

일반적으로, 상기한 반도체의 가공 공정은, 다이아몬드 지석에 의한 조(粗)연삭, 랩핑, 에칭, 폴리싱 (유리 지립을 이용한 Wet-CMP (Chemo Mechanical Polishing / 습식 화학 기계적 연삭)) 등, 다공정을 필요로 하는 것이 현상황이다 (예를 들어, 특허 문헌 1). 이러한 종래의 가공법에서는, 가공 표면에 산화층이나 전위, 격자 변형이 발생되어 버려, 완전한 표면을 얻기가 매우 곤란해진다. 또, 웨이퍼의 평탄도도 나쁘고, 가공시 또는 전극 형성 후의 웨이퍼 파손에 의해 수율 저감에 연결된다. 나아가서는, 종래의 가공법에서는, 웨이퍼의 직경이 200㎜, 300㎜, 400㎜ 로 커짐에 수반하여, 그 극박화는 곤란해져, 직경이 200㎜ 인 웨이퍼의 두께를 100㎛ 레벨로 하기 위한 연구가 진행되고 있는 것이 현상황이다.

본 발명자들은, 상기 서술하는 종래 기술의 문제점을 감안하여, 조가공부터 최종의 연성 모드 가공을 포함하는 초정밀 표면 가공까지를 정밀 다이아몬드 지석만으로 일관시켜 효율적으로 행할 수 있는 정밀 평면 가공 기계에 관한 발명을 개시하고 있다 (특허 문헌 2).

이러한 다이아몬드 지석을 응용한 연삭 가공은, 지석의 회전과, 지석을 지지하는 주축의 이송과, 피가공체의 위치 결정의 3 개의 주요한 동작이 중요해진다. 이들 동작을 정밀도 좋게 컨트롤함으로써 정밀하게 가공할 수 있게 하는 것이지만, 특히, 조가공 ∼ 초정밀 가공까지를 1 개의 장치에서 일관되게 행하기 위해서는, 상기 서술한 주요한 움직임 중, 주축의 이송 제어를 폭넓은 범위에서 정밀도 좋게 실시할 필요가 있다. 종래의 연삭 가공에 있어서의 주축의 제어는, 예를 들어 서보모터를 응용한 방식이 다용되고 있지만, 저압 영역 ∼ 고압 영역까지를 정밀도 좋게 제어하기에는 충분하다고는 할 수 없으며, 특히, 초정밀 가공을 행하는 저압 영역에서의 가공에 대해서는 불충분하였다.

그래서, 본 발명자들은 특허 문헌 2 에 있어서, 압력 제어를 서보모터와 초자왜 액츄에이터의 조합에 의해 행하는 정밀 가공 기계를 개시하고 있다. 10gf/㎠ 이상의 압력 범위에서는 서보모터와 압전 액츄에이터로 행하고, 10gf/㎠ ∼ 0.01gf/㎠ 의 압력 범위에서는 초자왜 액츄에이터로 행함으로써, 조가공 ∼ 초정밀 가공까지를 1 개의 장치에서 일관되게 행하는 것이 가능해진다. 또, 연삭용 지석으로는, 지립 입도가 3000 번보다 미세한 다이아몬드 컵형 지석을 사용하는 것이다.

또한, 본 발명자들은 상기하는 CMP 가 갖는 문제점을 감안하여 연구를 행하여, 지석 미립자와 워크에 대한 반응성을 갖는 화합물을 포함하여, 그들을 특정 결합재로 고정화시킨 합성 지석을 사용하는 것이 문제 해결에 유효한 것을 발견하고, 이러한 합성 지석에 관한 발명을 특허 문헌 3 에 개시하였다. 이 합성 지석을 사용한 연삭은, 케미컬 메카니컬 연삭 (CMG 연삭) 이라고 칭해지고 있다.

특허 문헌 2 의 정밀 가공 기계에 의하면, 조가공 ∼ 초정밀 가공까지를 1 개의 장치에서 일관되게 행하는 것이 가능해지지만, 다이아몬드 지석에만 의한 연삭 가공에서는, 최종 마무리면을 무결함이고 무전위, 격자 변형이 없는 완전 표면으로 하는 것은 불가능하다.

[특허 문헌 1] 일본 공개특허공보 2003-251555호

[특허 문헌 2] 일본 공개특허공보 2000-141207호

[특허 문헌 3] 일본 공개특허공보 2002-355763호

본 발명은 상기하는 과제에 감안하여 이루어진 것으로, 지석 또는 피연삭체의 이동량에 기초하는 제어와 압력 (정압) 에 기초하는 제어를 조합함과 함께, 가공 단계에 따라 다이아몬드 지석과 CMG 지석을 분리 사용함으로써, 효율적이고 또한 매우 고정밀도인 연삭 가공을 실현할 수 있는 정밀 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 정밀 가공 방법은, 피연삭체를 회전시키는 회전 장치 및 그 회전 장치를 지지하는 제 1 기대(基臺)와, 지석을 회전시키는 회전 장치 및 그 회전 장치를 지지하는 제 2 기대로 이루어지는 정밀 가공 장치로서, 상기 제 1 기대 및/또는 상기 제 2 기대에는, 일방의 기대를 타방의 기대측으로 이동할 수 있는 이동 조정 수단이 구비되어 있고, 그 이동 조정 수단은 이동량에 기초하는 제어 및 압력에 기초하는 제어를 선택적으로 선정할 수 있도록 구성되어 이루어지는 정밀 가공 장치를 사용한 정밀 가공 방법에 있어서, 상기 정밀 가공 방법은 피연삭체를 다이아몬드 지석에 의해 연삭함으로써 중간의 피연삭체를 제작하는 제 1 공정과, 그 중간의 피연삭체를 CMG 지석에 의해 연삭함으로써 최종의 피연삭체를 제작하는 제 2 공정으로 이루어지고, 제 1 공정에서는, 상기 이동량에 기초하는 제어에 의해, 회전 장치 및 기대가 이송 속도가 상이한 다단 이송에 의해 이송 제어되고, 제 2 공정에서는, 상기 압력에 기초하는 제어에 의해, 회전 장치 및 기대가 일정 압력으로, 또는 압력이 상이한 다단계의 정압력으로 이동 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 정밀 가공 방법에서 사용되는 정밀 가공 장치에 있어서, 피연삭체를 파지하면서 회전시키는 회전 장치 및 지석을 회전시키는 회전 장치는 각각의 기대 상에 탑재되어 있고, 피연삭체의 가공 표면과 지석면이 대향 배치되어 있다. 피연삭체와 지석 쌍방의 축심이 일치하도록 쌍방이 위치 결정되어 있고, 예를 들어, 피연삭체를 회전시키는 회전 장치를 지지하는 제 1 기대가 고정되어 있어, 지석을 회전시키는 회전 장치를 지지하는 제 2 기대가, 가공 단계에 따라 이동량 제어 또는 정압 제어되면서, 지석을 회전시키는 회전 장치가 피연삭체측으로 이동함으로써 피연삭체 표면의 연삭 가공이 행해진다. 또한, 지석에 의한 피연삭체의 연삭시에는, 쌍방의 축심 방향을 일치시켜 두고, 지석을 그 축심 직교 방향 (수평 방향) 으로 슬라이딩시키면서 연삭하는 방법도 있다.

예를 들어, 지석을 회전시키는 회전 장치를 지지하는 제 2 기대가 피연삭체측으로 이동하는 실시형태에 있어서는, 그 제 2 기대에는, 이른바 이송 나사 기구를 구성하는 이송 나사와 너트가 장착되고, 나아가서는, 적절한 공기압 액츄에이터 또는 유압 액츄에이터가 장착된 구성으로 되어 있다. 이 이송 나사 기구는 서보모터의 출력축에 부착된 이송 나사에 너트가 이동 가능하게 나사 결합되고, 이 너트가 제 2 기대에 장착됨으로써, 제 2 기대가 제어 가능한 이동을 행하게 된다. 이러한 이송 나사 수단과 액츄에이터는, 연삭 가공 단계에 따라 적절하게 선택할 수 있도록 되어 있고, 예를 들어 초기의 연삭 단계에서는 피연삭체 표면이 어느 정도의 표면 거칠기가 될 때까지는 이송 나사 기구가 선택되고, 너트의 적절한 이동량에 따라 제 2 기대 상의 회전 장치 (지석) 가 피연삭체측으로 이동함으로써 피연삭체 표면의 초기 연삭이 실시된다.

여기서, 상기하는 초기 연삭은 조연삭 단계와, 다음 단계인 중간 마무리 단계 (이 중간 마무리 단계도 예를 들어 2 개의 단계로 구성된다) 로 이루어지는 다단계의 연삭 단계로 구성할 수 있다. 이 초기 연삭에서는, 모든 단계에서 다이아몬드 지석이 사용되는데, 각 연삭 단계마다 다이아몬드 지석의 사양을 바꾸면서 연삭이 행해진다. 이 다이아몬드 지석의 사양 변경은, 예를 들어, 조연삭 단계에서 400 ∼ 800 번 정도의 지석을, 중간 마무리 단계에서 3000 ∼ 30000 번 정도의 지석을 사용하는 정도로, 단계적으로 지립 입자가 작아지도록 지석을 선정한다. 또, 연삭 단계마다 지석의 이송 속도가 변화하는 다단 이송으로 하는 것이 바람직하다. 발명자들의 실험에 의하면, 사용되는 지석의 종류 (시판되고 있는 각 사의 지석) 에 의해서도 상이하지만, 일정한 이송 속도로 연삭하는 것보다 2 단계 또는 3 단계로 이송 속도를 늦춤으로써, 원하는 두께가 될 때까지의 연삭 시간을 현저히 단축시킬 수 있는 것을 알았다. 또한, 예를 들어, 초기의 두께가 730㎛ 정도인 Si 웨이퍼를 110㎛ 정도 (최종 마무리) 까지 연삭하는 경우에서는, 초기 연삭에서의 조연삭 단계에서 180㎛ 정도까지 연삭을 행하고, 다음 중간 마무리 단계를 130㎛ 까지, 및 110㎛ 까지의 2 단계로 연삭을 행하여, 후술 하는 최종 마무리의 CMG 연삭으로 1 ∼ 2㎛ 정도의 연삭을 행한다는 연삭 단계를 채용할 수 있다.

피연삭체 표면의 초기 연삭이 종료되면, 이동량에 기초하는 제어로부터 초정밀 연삭 단계 (제 2 공정) 에서의 정압 제어로 제어 상태의 전환이 행해진다. 이 제어 양태의 전환시에는, 사용되는 지석이 다이아몬드 지석으로부터 초정밀 연삭용 CMG 지석으로 교환된다. 이 CMG 지석은 산화세륨 (CeO₂) 또는 실리카 (SiO₂) 를 함유하는 지립 입자와, 그 지립 입자를 결합시키는 수지계 결합제로 적어도 구성되는 지석이다. 초정밀 연삭 단계에서는, 매우 미소한 연삭에 의해 피연삭체 표면의 마무리가 행해지기 때문에, 이 연삭 가공은 일정한 압력으로 지석을 피연삭체 표면에 가압할 필요가 있다. 초정밀 연삭 단계에서는, 최종 마무리 단계까지의 사이에서, 피연삭체 표면이 연성 모드에 들어가도록 조정하면서, 서서히 압력을 떨어뜨리면서, 다단계의 정압 연삭을 실시할 필요가 있다. 이 정압 연삭은 공기압 액츄에이터 또는 유압 액츄에이터를 사용함으로써 실현될 수 있다. 예를 들어 일례로서, 10㎎f/㎠ ∼ 5000gf/㎠ 의 압력 제어가 요구되는 경우에는, 10㎎f/㎠ ∼ 300gf/㎠ 까지를 저압 영역, 300gf/㎠ ∼ 5000gf/㎠ 까지를 고압 영역으로 하는 2 단계로 나누고, 각각의 압력 영역에서 사용되는 2 종류의 액츄에이터를 선택 가능하게 한 정밀 가공 장치로 함으로써, 다단계의 정압 제어를 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 이 제 2 공정은 상기한 2 단계의 정압 제어 이외에, 제 2 공정을 통해 일정 압력으로 행하는 방법이어도 되고, 3 단계 이상의 정압 제어로 행하는 방법이어도 된다.

또, 본 발명에 의한 정밀 가공 방법의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 정밀 가공 장치에는, 상기 회전 장치와 상기 제 1 기대 사이, 또는, 상기 회전 장치와 상기 제 2 기대 사이에는 회전 장치의 자세를 제어하기 위한 자세 제어 장치가 끼워져 있고, 상기 제 1 공정 및 상기 제 2 공정에서, 피연삭체의 연삭면과 지석면의 각도 어긋남이 자세 제어 장치에 의해 적절하게 수정되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 정밀 가공 장치의 일 실시형태는, X 축과 Y 축으로 이루어지는 평면 내로 연장되는 제 1 면재와, 그 제 1 면재에 간격을 두고 병렬되는 제 2 면재로 구성할 수 있다. 이 제 1 면재와 제 2 면재 사이에는, 구체 및 X 축과 Y 축으로 이루어지는 평면에 직교하는 Z 축 방향으로 신장되는 제 1 액츄에이터가 끼워져 있고, 제 2 면재에는, X 축과 Y 축으로 이루어지는 평면 내의 적절한 방향으로 신장되는 제 2 액츄에이터가 접속되어 있다. 제 2 면재는 탑재물을 탑재한 자세로 제 1 면재에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 구성되고 있고, 구체는 탄성 변형이 가능한 접착제로 제 1 면재 또는 제 2 면재에 접착되어 있다. 또, 제 1 액츄에이터와 제 2 액츄에이터에는, 각각 압전 소자와 초자왜 소자를 구비한 구성으로 되어 있다.

제 1 면재, 제 2 면재 모두, 제 2 면재 상에 탑재되는 탑재물의 중량을 지지할 수 있는 강도를 구비한 재료로 성형됨과 함게, 비자성 재료로 성형되는 것이 바람직하다. 이러한 재료로는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 오스테나이트계 스테인리스강 (SUS) 을 사용할 수 있다. 한편, 제 1 면재와 제 2 면재 사이에 개재되는 구체도 마찬가지로, 적어도 제 2 면재 상에 탑재되는 탑재물의 중량을 지지할 수 있는 강도를 구비한 재료로 이루어지는 것을 필요로 한다. 따라서, 탑재물의 설정 중량에 따라 구체를 형성하는 재료도 적절하게 선정할 수 있는데, 일례로서 금속을 들 수 있다. 제 1 면재와 제 2 면재 중, 구체와 맞닿는 지점에는, 구체의 형상에 따른 절삭 깊이를 구비해둘 수도 있다. 다만, 면재에 절삭 깊이를 형성함으로써도, 제 1 면재와 제 2 면재 사이에는 소정의 간격이 유지되어 있는 것을 필요로 한다. 이 간격은 예를 들어 제 2 면재가 제 2 액츄에이터의 작동에 의해 경사진 경우에도, 제 2 면재가 제 1 면재에 맞닿지 않는 적절한 이격으로 설정되는 것이 좋다.

제 1 면재와 제 2 면재 사이에 구체와 2 개의 제 1 액츄에이터가 평면적으로는 임의의 삼각형의 각 정점에 위치하도록 끼워져 배치되어 있고, 제 2 면재에 있어서의 사방의 단변 중 적어도 한 변에는 제 2 액츄에이터가 장착되어 있다. 이러한 적어도 3 개의 액츄에이터에 의해, 제 2 면재는 탑재물을 직접 탑재한 자세로, 제 1 면재에 대하여 상대적으로 3 차원적인 변위를 실현할 수 있다. 이 제 2 면재의 변위시에, 그 하방에서 그 제 2 면재를 지지하는 구체 표면의 접착제가 탄성 변형됨으로써, 제 2 면재의 변위가 거의 무구속 상태의 자유 변위를 실현할 수 있다.

또, 제 1 액츄에이터, 제 2 액츄에이터 모두, 초자왜 소자와 압전 소자로 구성되어 있다. 여기서, 초자왜 소자란 디스프로늄이나 테르븀 등의 희토류 금속과 철이나 니켈의 합금인 것으로, 봉 형상의 초자왜 소자 주위의 코일에 전류가 인가됨으로써 발생하는 자계에 의해, 그 소자가 1㎛ ∼ 2㎛ 정도 신장될 수 있다. 또, 이 초자왜 소자의 성질로는, 2㎑ 이하의 주파수 영역에서 사용할 수 있고, 피코초 (10^-12 초) 의 응답 속도를 구비하고 있다. 또한, 그 출력 성능은 15 ∼ 25kJ/㎤ 정도이며, 예를 들어, 후술하는 압전 소자의 약 20 ∼ 50 배의 출력 성능을 갖는다. 한편, 압전 소자는 티탄산지르콘산염 (Pb(Zr, Ti)O₃) 이나 티탄산바륨 (BaTiO₃), 티탄산연 (PbTiO₃) 등으로 이루어진다. 압전 소자의 성질로는, 10㎑ 이상의 주파수 영역에서 사용할 수 있고, 나노초 (10^-9 초) 의 응답 속도를 구비하고 있다. 출력 파워는 초자왜 소자에 비해 작고, 비교적 경하중 영역에서의 고정밀인 위치 결정 제어 (자세 제어) 에 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 압전 소자에는 전왜 소자도 포함되어 있다.

제 1 공정부터 제 2 공정까지의 모든 단계에서, 상기한 자세 제어 장치를 가동시키면서, 피연삭체의 연삭면과 지석면의 각도 어긋남이 적절하게 수정된다. 초자왜 소자, 압전 소자 모두 그 응답 속도가 빠르기 때문에, 본 발명에서는, 원칙으로서 압전 소자를 사용하면서, 필요에 따라 초자왜 소자를 사용한다는 쌍방의 분리 사용을 적절하게 행하는 것이다. 또한, 이러한 축심의 미소한 어긋남은 상시 검지되도록 되어 있고, 검지된 미소한 어긋남은 컴퓨터에 의해 수치 처리되고, 초자왜 소자 (초자왜 액츄에이터) 나 압전 소자 (압전 액츄에이터) 의 필요 신축량으로서 각 액츄에이터에 입력된다.

발명자들의 실험에 의하면, 미소한 각도 어긋남을 가진 상태에서 다이아몬드 연삭을 행한 경우와 각도 어긋남이 없는 상태의 경우를 비교하면, 그 가공 표면의 요철도의 상이함이 분명한 점, 및 이 요철도의 상이함에 의해, CMG 연삭에 필요로 하는 소요 시간도 크게 달라진다는 결과가 얻어졌다.

또, 본 발명에 의한 정밀 가공 방법의 바람직한 실시형태는, 회전 장치에 척된 피연삭체를 그 회전 장치로부터 척해제하지 않고, 제 1 공정으로부터 제 2 공정으로 이행하는 것을 특징으로 한다.

피연삭체의 척은 진공 흡인 등의 적절한 방법에 따라 행해지는데, 발명자들의 검증에 의하면, 다이아몬드 지석에 의한 연삭 (제 1 공정) 으로부터 CMG 지석에 의한 연삭 (제 2 공정) 으로의 이행시에 피연삭체를 척해제하면, 제 1 공정에서 제조된 중간의 피연삭체 표면에는 얼룩 모양이 남아 버리는 한편, 척해제하지 않은 경우에는 이러한 얼룩 모양이 남지 않는다는 검증 결과가 얻어졌다. 이것은, 다이아몬드 연삭 단계에 발생한 잔류 응력에 의해, 척해제시에 피연삭체가 휘어져 버려, 이러한 휨이 표면의 얼룩 모양을 발생시키고 있는 것으로 판단할 수 있다.

이상의 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 정밀 가공 방법에 의하면, 이동량에 기초하는 제어시에는 다이아몬드 지석을 사용하면서 이송 속도를 단계적으로 바꾸고, 정압 제어시에는 CMG 지석을 사용하면서 압력을 단계적으로 바꿈으로써, 효율적 또한 정밀도가 좋은 연삭 가공을 실현할 수 있다. 또, 본 발명의 정밀 가공 방법에 의하면, 구체가 2 장의 면재 사이에 끼워져 이루어지는 자세 제어 장치가 연삭 가공 도중의 회전 장치의 자세를 적절하게 수정하기 때문에, 연삭 정밀도를 한층 높일 수 있어, 연삭 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 정밀 가공 장치의 일 실시형태를 나타낸 측면도이다.

도 2 는, CMG 지석의 일 실시형태를 나타낸 사시도이다.

도 3 은, 자세 제어 장치의 일 실시형태를 나타낸 평면도이다.

도 4 는, 도 3 의 Ⅳ-Ⅳ 화살표도이다.

도 5 는, 도 3 의 V-V 화살표도이다.

도 6 은, 6 종류의 시험편 표피 (a : 폴리싱면, b : 슬라이싱면, c : 다이아몬드 연삭 경면, d : 다이아몬드 연삭 소손면, e : CMG 연삭면 (pH 가 7), f : CMG 연삭면 (pH 가 11)) 의 경도를 비교한 그래프이다.

도 7 은, (a) ∼ (f) 에 걸쳐 순서대로, 6 종류의 시험편 표피 (폴리싱면, 슬라이싱면, 다이아몬드 연삭 경면, 다이아몬드 연삭 소손면, CMG 연삭면 (pH 가 11), CMG 연삭면 (pH 가 7)) 의 XPS 분석 결과를 나타내는 도면이다.

도 8 은, 4 종류의 시험편 표피 (다이아몬드 연삭 경면, 다이아몬드 연삭 소손면, CMG 연삭면 (pH 가 11), CMG 연삭면 (pH 가 7)) 각각의 에칭 깊이와 에치 피트 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 9 는, 400 번의 다이아몬드 지석을 사용한 다이아몬드 연삭에 있어서, 일 정한 이송 속도인 경우와, 2 단계의 이송 속도인 경우, 3 단계의 이송 속도인 경우의 가공 시간을 비교한 그래프이다.

도 10 은, 800 번의 다이아몬드 지석을 사용한 다이아몬드 연삭에 있어서, 일정한 이송 속도인 경우와, 2 단계의 이송 속도인 경우의 가공 시간을 비교한 그래프이다.

도 11 은, 중간의 피연삭체 가공 표면의 조도에 대한 CMG 가공에 필요로 하는 가공 시간을 비교한 그래프이다.

도 12 는, 제 1 공정에서 피연삭체의 연삭면과 지석면 사이에 각도의 어긋남이 있는 경우와 없는 경우에 있어서의, CMG 가공에 필요로 하는 가공 시간을 비교한 그래프이다.

도 13 은, CMG 법으로 얻어진 극박 웨이퍼 단면의 TEM 화상이다.

도 14 는, 도 13 에서의 격자 결함의 유무를 분석한 그래프이며, (a) 는 도 13 의 A 부 (표면 근방) 에 관한 그래프를, (b) 는 도 13 의 B 부 (내부) 에 관한 그래프이다.

도 15 는, 종래의 CMP 법으로 얻어진 웨이퍼 단면의 TEM 화상이다.

도 16 은, 도 15 에서의 격자 결함의 유무를 분석한 그래프이며, (a) 는 도 15 의 A 부 (표면 근방) 에 관한 그래프를, (b) 는 도 15 의 B 부 (내부) 에 관한 그래프이다.

도 17 에 있어서, (a) 는, CMG 법에서 얻어진 극박 웨이퍼 표면의 TEM 화상을, (b) 는, 극박 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형이다.

도 18 에 있어서, (a) 는, CMP 법에서 얻어진 웨이퍼 표면의 TEM 화상을, (b) 는, 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형이다.

도 19 는, AFM 에 의한 CMG 법에서 얻어진 극박 웨이퍼 표면의 3 차원 화상이다.

도 20 은, AFM 에 의한 종래의 CMP 법에서 얻어진 웨이퍼 표면의 3 차원 화상이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 정밀 가공 장치 2 : 제 1 기대

3 : 제 2 기대 4 : 이송 나사 수단

41 : 이송 나사 42 : 너트

43 : 서보모터 5, 5a, 5b : 공기압 액츄에이터

6a, 6b : 회전 장치 7 : 자세 제어 장치

8 : 콘트롤러

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 정밀 가공 장치의 일 실시형태를 나타낸 측면도를, 도 2 는, CMG 지석의 일 실시형태를 나타낸 사시도를 각각 나타내고 있다. 도 3 은, 자세 제어 장치의 일 실시형태를 나타낸 평면도를, 도 4 는, 도 3 의 Ⅳ-Ⅳ 화살표도를, 도 5 는, 도 3 의 V-V 화살표도를 각각 나타내고 있다. 도 6 은, 6 종류의 시험편 표피 (폴리싱면, 슬라이싱면, 다이아몬드 연삭 경면, 다이아몬드 연삭 소손면, CMG 연삭면 (pH 가 11), CMG 연삭면 (pH 가 7)) 의 경도를 비교한 그래프를, 도 7 은, 6 종류의 시험편 표피 (폴리싱면, 슬라이싱면, 다이아몬드 연삭 경면, 다이아몬드 연삭 소손면, CMG 연삭면 (pH 가 11), CMG 연삭면 (pH 가 7)) 의 XPS 분석 결과를 나타내는 도면을, 도 8 은, 4 종류의 시험편 표피 (다이아몬드 연삭 경면, 다이아몬드 연삭 소손면, CMG 연삭면 (pH 가 11), CMG 연삭면 (pH 가 7)) 각각의 에칭 깊이와 에치 피트 밀도의 관계를 나타낸 그래프를 각각 나타내고 있다. 도 9 는, 400 번의 다이아몬드 지석을 사용한 다이아몬드 연삭에 있어서, 일정한 이송 속도인 경우와, 2 단계의 이송 속도인 경우, 3 단계의 이송 속도인 경우의 가공 시간을 비교한 그래프를, 도 10 은, 800 번의 다이아몬드 지석을 사용한 다이아몬드 연삭에 있어서, 일정한 이송 속도인 경우와, 2 단계의 이송 속도인 경우의 가공 시간을 비교한 그래프를 각각 나타내고 있다. 도 11 은, 중간의 피연삭체의 가공 표면의 조도에 대한 CMG 가공에 필요로 하는 가공 시간을 비교한 그래프를, 도 12 는, 제 1 공정에서 피연삭체의 연삭면과 지석면 사이에 각도 어긋남이 있는 경우와 없는 경우에 있어서의, CMG 가공에 필요로 하는 가공 시간을 비교한 그래프를 각각 나타내고 있다. 도 13 은, CMG 법으로 얻어진 극박 웨이퍼 단면의 TEM 화상을, 도 14 는, 도 13 에 있어서의 격자 결함의 유무를 분석한 그래프이다. 도 15 는, 종래의 CMP 법으로 얻어진 웨이퍼 단면의 TEM 화상을, 도 16 은, 도 15 에 있어서의 격자 결함의 유무를 분석한 그래프이다. 도 17 의 (a) 는, CMG 법으로 얻어진 극박 웨이퍼 표면의 TEM 화상을, 도 17 의 (b) 는, 극박 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형을 각각 나타내고 있다. 도 18 의 (a) 는, CMP 법으로 얻 어진 웨이퍼 표면의 TEM 화상을, 도 18 의 (b) 는, 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형을 각각 나타내고 있다. 도 19 는, AFM 에 의한 CMG 법으로 얻어진 극박 웨이퍼 표면의 3 차원 화상을, 도 20 은, AFM 에 의한 종래의 CMP 법으로 얻어진 웨이퍼 표면의 3 차원 화상을 각각 나타내고 있다. 또한, 도시하는 실시형태에 있어서는, 공기압 액츄에이터를 사용하고 있는데, 이것은 유압 액츄에이터이어도 되고, 또 압력 제어에 따라 3 기 이상의 액츄에이터를 구비한 구성이어도 된다.

도 1 은, 정밀 가공 장치 (1) 의 일 실시형태를 나타낸 것이다. 정밀 가공 장치 (1) 는 피연삭체 (a) 를 진공 흡인한 자세로 회전시키는 회전 장치 (6a) 와 그 회전 장치 (6a) 를 지지하는 제 1 기대 (2) 와, 지석 (b) 을 회전시키는 회전 장치 (6b) 를 지지하는 제 2 기대 (3) 와, 이 제 2 기대 (3) 를 수평 방향으로 이동시키는 이동 조정 수단, 및 이러한 제 1 기대 (2) 와 제 2 기대 (3) 를 하방으로부터 지지하는 대좌 (9) 로 대략 구성된다. 또한, 지석 (b) 은 초기 연삭 단계 (제 1 공정) 에서는 다이아몬드 지석을 사용하고, 제 2 공정 (초정밀 연삭 단계) 에서는 CMG 지석을 사용한다. 이 초기 연삭 단계는 지석 (b) 의 이송 속도가 상이한 다단계의 이송 제어로 행해지는 것으로, 각 이송 단계마다 사양이 상이한 지석 (b) 이 바뀐다. 한편, CMG 지석의 일 실시형태를 도 2 에 나타내고 있다. 여기서, CMG 지석 (b) 은 알루미늄제 링 형상 프레임 (b2) 의 선단에, 역시 링 형상으로 성형된 지석 (b1) 이 고착되어 있다. 이 지석 (b1) 은 산화세 륨 (CeO₂) 또는 실리카 (SiO₂) 를 함유하는 지립 입자와, 그 지립 입자를 결합시키는 수지계 결합제로 적어도 성형되는 것이다.

제 1 기대 (2) 와 회전 장치 (6a) 사이에는, 자세 제어 장치 (7) 가 개재되어 있다. 또, 이동 조정 수단은 제 2 기대 (3) 를 이동량에 기초하여 제어하기 위한 이송 나사 수단 (4) 과, 제 2 기대 (3) 를 압력 제어하기 위한 공기압 액츄에이터 (5) 로 구성되어 있다. 이 이송 나사 수단 (4) 과 공기압 액츄에이터 (5) 는, 각각 콘트롤러 (8) 에 접속되어 있고, 연삭 가공 단계에 따라, 적절하게 전환 가능한 구성으로 되어 있다. 또한, 도시하지 않은 위치 검지 센서가 피연삭체 (a) 와 지석 (b) 의 위치를 상시 검지하는 구성으로 되어 있고, 이 검지된 위치 정보에 기초하여, 후술하는 자세 제어 장치 (7) 를 구성하는 압전 소자나 초자왜 소자가 신장됨으로써, 회전 장치 (6a, 6b) 쌍방의 축심의 어긋남을 적절하게 수정할 수 있도록 되어 있다.

이송 나사 수단 (4) 은 서보모터 (43) 의 출력축에 장착된 이송 나사 (41) 에 너트 (42) 가 회전 가능하게 나사 결합되어 있고, 이 너트 (42) 가 제 2 기대 (3) 에 부착되어 있다. 또한, 너트 (42) 와 제 2 기대 (3) 는 착탈 가능한 구성으로 되어 있다.

제 2 기대 (3) 를 구성하는 상기 타측 (32) 에는, 이송 나사 (41) 가 유감(遊嵌)되는 관통공이 천공 형성되어 있고, 유감되는 이송 나사 (41) 의 좌우에는, 각각 공기압 액츄에이터 (5, 5) 가 고착되어 있다. 이 공기압 액츄에이터 (5, 5) 는 압력 성능이 상이한 액츄에이터로서, 예를 들어, 일방의 공기압 액츄에이터 (5) 가 상대적으로 저압 영역을 분담하는 액츄에이터이며, 타방의 공기압 액츄에이터 (5) 가 상대적으로 고압 영역을 분담하는 액츄에이터이다. 예를 들어, 공기압 액츄에이터 (5) 는 실린더의 내부에 피스톤 로드가 슬라이딩 가능하게 내장되어 있다.

초기 연삭 단계 (제 1 공정) 에서는, 너트 (42) 에 제 1 기대 (3) 가 접속되어, 서보모터 (43) 의 구동에 따라 너트 (42) 가 일정량 이동되고, 이 너트 (42) 의 이동에 따라 제 2 기대 (3) (에 탑재하는 회전 장치 (6b)) 도 일정량 이동할 수 있다. 이 초기 연삭 단계는 예를 들어, 조연삭 단계와 다음 단계인 중간 마무리 단계로 이루어지고, 조연삭 단계에서는 400 ∼ 800 번 정도의 다이아몬드 지석을, 중간 마무리 단계에서 3000 ∼ 30000 번 정도의 다이아몬드 지석을 분리 사용하면서, 단계적인 연삭이 행해진다. 또한, 이 단계적인 다이아몬드 연삭시에는, 지석의 이송 속도도 단계적으로 변화하도록 (서서히 이송 속도가 저감됨) 조정된다.

한편, 제 1 공정의 초정밀 연삭 단계 (제 2 공정) 시에는, 제 2 기대 (3) 와 너트 (42) 의 접속이 해제된다. 이 상태에서, 이번에는 고압 영역을 분담하는 공기압 액츄에이터 (5) 를 구동시킨다. 공기압 액츄에이터 (5) 를 구성하는 피스톤 로드 (도시 생략) 의 일단이 판재 (도시 생략) 를 가압하면서, 즉, 판재에 반력을 취하면서, 제 2 기대 (3) 는 제 1 기대 (2) 측으로 압출되게 된다. 이 판재는 너트 (42) 와 고착되어 있고, 너트 (42) 는 이송 나사 (41) 에 나사 결합된 구성으로 되어 있기 때문에, 제 2 기대 (3) 를 압출하는 데 충분한 반력 받이가 될 수 있다. 초정밀 연삭 가공에서는, 고압 영역에 있어서의 단계적인 정압연삭을 행한 후에, 사용하는 액츄에이터를 저압 영역을 분담하는 공기압 액츄에이터 (5) 로 전환하여, 고압 영역의 경우와 마찬가지로, 저장 영역에서의 단계적인 정압 연삭을 행한다.

도 3 은 자세 제어 장치 (7) 의 일 실시형태를, 도 4 는 도 3 의 Ⅳ-Ⅳ 시시 도를 각각 나타내고 있다. 자세 제어 장치 (7) 는 상방이 개방된 케이스로 이루어지고, 그 케이스는 제 1 면재 (71) 와 측벽 (711) 으로 구성된다. 이러한 개체는, 예를 들어 SUS 재로 성형할 수 있다. 대향되는 측벽 (711,711) 사이에는 제 2 면재 (72) 가 제 2 액츄에이터 (75, 75) 를 개재하여 장착되어 있다. 여기서, 제 1 면재 (71) 와 제 2 면재 (72) 사이에는, 제 2 면재 (72) 가 경사진 경우라도 쌍방이 간섭하지 않을 정도의 적절한 간격 (L) 이 확보되어 있다. 도시하는 실시형태에서는, 제 2 액츄에이터 (75) 이외에, 제 2 면재 (72) 를 X-Y 평면 내로 유지하기 위해서, 복수의 스프링 (77, 77,…) 이 측벽 (711) 과 제 2 면재 (72) 사이에 끼워져 있다.

제 2 액츄에이터 (75) 는 적절한 강성을 갖는 축 부재 (75c) 와, 초자왜 소자 (75a) 및 압전 소자 (75b) 로 구성되어 있다. 또한, 초자왜 소자 (75a) 는 소자의 주위에 도시하지 않은 코일이 장착되어 있고, 코일에 전류가 흐름으로써 발생하는 자계에 의해 신장 가능하게 구성되어 있다. 또, 압전 소자 (75b) 도, 전압이 작용함으로써 그 소자가 신장 가능하게 되어 있다. 또한, 도시하지 않 지만, 제 2 면재 (72) 상의 탑재물 (예를 들어, 회전 장치 등) 의 위치를 검출하는 센서에 의한 탑재물의 위치 정보에 따라, 초자왜 소자 (75a) 또는 압전 소자 (75b) 에 적절한 전류 내지는 전압이 작용하도록 구성되어 있다. 또한, 초자왜 소자 (75a) 와 압전 소자 (75b) 의 작동 선택은, 제 2 면재 (72) 를 비교적 크게 동작시킬 필요가 있는지의 여부 등, 가공 단계에 따라 적절하게 선택할 수 있도록 구성되어 있다. 여기서, 초자왜 소자 (75a) 로는, 종래와 마찬가지로 디스프로늄이나 테르븀 등의 희토류 금속과 철이나 니켈의 합금으로 성형할 수 있고, 압전 소자 (75b) 로는, 티탄산지르콘산염 (Pb(Zr,Ti)O₃) 이나 티탄산바륨 (BaTiO₃), 티탄산연 (PbTiO₃), 또는 그 이외에 일반적으로 이용되는 세라믹 압전 재료로 성형할 수 있다.

예를 들어, 자세 제어 장치 (7) 를 제 1 기대 (2) 상에 탑재한 경우에는, X-Y 평면 (수평 방향) 에 제 2 면재 (72) 를 변위시킬 때에는 제 2 액츄에이터 (75, 75) 를 작동시키고, Z 방향 (연직 방향) 으로 변위시킬 때에는 제 1 액츄에이터 (76, 76) 를 작동시킨다. 여기서, 제 1 액츄에이터 (76) 도 제 2 액츄에이터 (75) 와 마찬가지로, 적절한 강성을 갖는 축 부재 (76c) 와, 초자왜 소자 (76a) 및 압전 소자 (76b) 로 구성되어 있다.

제 1 면재 (71) 와 제 2 면재 (72) 사이에는, 제 1 액츄에이터 (76, 76) 이외에, 구체 (73) 가 끼워져 있다. 이러한 구체 (73) 를 상세하게 설명한 단면도가 도 5 이다.

구체 (73) 는, 예를 들어 금속으로 이루어지는 구상의 코어부 (73a) 와, 그 코어부 (73a) 의 외주에 형성되고, 예를 들어 그라파이트로 이루어지는 피막 (73b) 으로 구성할 수 있다. 또한, 피막 (73b) 의 외주에는 상온에서 탄성 변형이 가능한 접착제 (74) 로 이루어지는 피막이 형성되어 있다. 여기서, 접착제 (74) 는 예를 들어, 인장 전단 접착력이 10 ∼ 15Mpa, 감쇠 계수가 2 ∼ 7Mpa·sec 이고 바람직하게는 4.5Mpa·sec, 접착재의 스프링 상수가 80 ∼ 130GN/m 이며 바람직하게는 100GN/m 의 접착제 (탄성 에폭시계 접착제) 를 사용할 수 있고, 접착제의 두께를 0.2㎜ 정도로 설정할 수 있다.

제 1 면재 (71) 및 제 2 면재 (72) 의 구체 (73) 와 맞닿는 지점에는, 각각 절결부 (71a, 72a) 가 새겨져 있고, 구체 (73) 는 각각의 절결부 (71a, 72a) 내에 그 일부가 수용됨으로써 위치 결정된다. 또, 구체 (73) 의 외주를 피복하는 접착제 (74) 는, 절결부 (71a, 72a) 와 접착되어 있는 한편, 구체 (73) (를 구성하는 피막 (73b)) 와 가장자리가 분리되어 있고, 구체 (73) 는 접착제 (74) 의 피막 내에서 자유롭게 회전할 수 있다.

제 2 면재 (72) 상에 회전 장치 (6a) 가 탑재된 자세로, 제 1 액츄에이터 (76) 및 제 2 액츄에이터 (75) 가 작동하면서 회전 장치 (6a) 의 자세 제어를 행할 때에는, 접착제 (74) 로 이루어지는 피막이 탄성 변형됨으로써, 제 2 면재 (72) 의 3 차원적인 자유 변위를 허용하는 것이 가능해진다. 이 때, 구체 (73) 를 구성하는 코어 부재 (73a) 는 회전 장치 (6a) 의 중량을 지지하면서도, 그 외주의 접착제 (74) 로 이루어지는 피막을 구속하지 않고, 정위치에서 회전하고 있을 뿐이다. 따라서, 구체 (73) 는 실질적으로는 회전 장치 (6a) 의 중량을 지지하는 것에 불과하고, 구체 (73) 와 접착제 (74) 는 서로 접착되어 있지 않기 때문에, 제 2 면재 (72) 의 변위에 따라, 접착제 (74) 는 구체 (73) 에 아무런 구속도 받지 않고 자유롭게 탄성 변형할 수 있다. 따라서, 제 2 면재 (72) 는 접착제 (74) 의 탄성 변형에 의한 반작용력 정도의 매우 미소한 구속만 받게 된다.

본 발명의 피연삭체의 연삭 방법 (정밀 가공 방법) 은, 정밀 가공 장치 (1) 만을 사용하여 조연삭 ∼ 최종의 초정밀 연삭까지를 일관시켜 행하는 것이다. 먼저, 지석 (b) 은 다이아몬드 지석을 사용하고, 이송 나사 수단 (4) 에 의해, 제 2 기대 (3) (회전 장치 (6b)) 를 소정량 이동하면서 피연삭체 (a) 의 조연삭을 행하여, 중간의 피연삭체를 제작한다 (제 1 공정) . 또한, 이 조연삭 단계에서는, 지석 (b) 과 피연삭체 (a) 의 위치가 검지되어 있고, 피연삭체 (a) 의 연삭면과 지석면 사이에 각도 어긋남이 발생할 때에는, 자세 제어 장치 (7) 에 의해 적절하게 수정이 이루어진다.

다음으로, 지석 (b) 을 다이아몬드 지석으로부터 CMG 지석으로 변경하여, 이번에는, 공기압 액츄에이터 (5) 를 가동시키고, 비교적 고압 영역 내의 일정 압력을 단계적으로 변화시키면서 피연삭체 (a) 에 CMG 지석을 가압해 간다. 연삭의 최종 단계에서는, 공기압 액츄에이터 (5) 로 전환하고, 저압 영역 내의 일정 압력을 동일하게 단계적으로 변화시키면서 피연삭체 (a) 의 최종 연삭을 행한다. 또한, 이 초정밀 연삭 단계에서도, 지석 (b) 과 피연삭체 (a) 의 위치가 상시 검지되고 있고, 피연삭체 (a) 의 연삭면과 지석면 사이에 각도 어긋남이 발생했을 때에 는, 자세 제어 장치 (7) 에 의해 적절하게 수정이 이루어진다.

[실시예 1]

다음으로, 도 6 ∼ 도 8 을 참조하여, 고정 지립에 의한 가공 표면과 유리 지립에 의한 가공 표면의 비교 실험 결과를 설명한다.

고정 지립, 유리 지립 쌍방을, 공구의 경연마다, 표면 결함의 제거율, 형상, 표면 거칠기, 가공 변질층의 각 요소로 비교한 개략을 표 1 에 나타낸다.

기계	이동량 제어 (위치 제어)		압력 제어
공구	고정 지립		유리 지립
공구의 경연 (硬軟)	경질	연질	경질	연질
제거율	중 ∼ 높음	낮음 ∼ 중	높음	낮음 ∼ 중
형상	좋음	좋음	중	나쁨
표면 거칠기	중	거칠지 않음	거칠지 않음	매우 미세하다
가공 변질층	높음 ∼ 중	적음	중 ∼ 적음	없음

표 1 로부터, 제거율이나 형상 면에서 고정 지립 가공이 유리하고, 가공 표면의 조도나 가공 변질층 면에서는 유리 지립 가공이 유리하다는 것을 대략 확인할 수 있다. 고정 지립 가공에 있어서, 그 결점이 되는 가공 표면의 조도나 가공 변질층을 개선하기 위해서, 연삭 가공에 화학 반응을 적극적으로 부여한 고정 지립에 의한 가공 방법이, CMG 법 (Chemo-Mechanical-Grinding) 이다.

화학적 활성 지립이나 첨가제를 함유한 CMG 지석을 사용함으로써, 지석과 피연삭체 사이, 수지계 결합제 (에 함유되어 있는 첨가제) 와 피연삭체 사이에서 화학 반응이 행해진다. 그래서, Si 웨이퍼와의 반응이 양호한 지립 (CeO₂, SiO₂) 를 사용하여 CMG 지석을 시험 제작하고, 그 효과를 조사하였다. 표 2 는, 실험에서의 CMG 가공 조건을 나타낸 것이다.

지석	습식의 경우 : CMG 지석
피연삭체	Si 웨이퍼
회전수	15 ∼ 60 (rpm)
압력	0.23 ∼ 0.92 (kgf/㎠)
가공액 공급량	10 (㎖/min)

여기서, 연삭액은 ph7 과 pH11 로 되어 있다. CMG 연삭과의 비교를 위해서, 슬라이싱 웨이퍼, 시판되는 폴리싱 웨이퍼, 다이아몬드 지석 연삭된 웨이퍼 (연삭 경면, 연삭 소손면) 를 이용하였다. 가공 표면을 SEM 사진 (주사형 전자현미경 사진) 으로 관찰하면, 폴리싱 웨이퍼에 비해, 다이아몬드 지석 연삭된 웨이퍼 (연삭 경면, 연삭 소손면) 나 CMG 연삭된 웨이퍼에서는 연삭 조흔을 볼 수 있었다.

다음으로, 각종 시험편 표피의 경도에 대하여 조사한 결과를 도 6 에 나타낸다. 도 6 에 있어서, a 는 폴리싱 웨이퍼를, b 는 슬라이싱 웨이퍼를, c 는 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면) 를, d 는 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 를, e 는 CMG 연삭된 웨이퍼 (pH 가 7) 를, f 는 CMG 연삭된 웨이퍼 (pH 가 11) 를 각각 나타내고 있다. 도 6 에 의하면, 폴리싱 웨이퍼가 최소값, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 가 최대값으로 되어 있다. 폴리싱 웨이퍼에 비해, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 에서는 가공 변형 등에 의해 40％ 정도의 가공 경화가 있다. 한편, CMG 연삭된 웨이퍼의 경도는, 다이아몬드 지석 연삭된 웨이퍼보다 낮은 것을 알 수 있다. 특히, pH 가 11 인 경우, 가공 경도는 더욱 낮고, 폴리싱 웨이퍼보다 14％ 높다. 이것은, 화학 반응에 의해 작은 작용력으로 재료 제거가 가능해진 것이다.

또한, XPS (X 선 광전자 분광법) 를 사용하여 Si 웨이퍼 표면의 조성을 분석한 결과를 도 7 에 나타낸다. 도 7 에 있어서, a 는 폴리싱 웨이퍼를, b 는 슬라이싱 웨이퍼를, c 는 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면) 를, d 는 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 를, e 는 CMG 연삭된 웨이퍼 (pH 가 11) 를, f 는 CMG 연삭된 웨이퍼 (pH 가 7) 를 각각 나타내고 있다. 폴리싱 웨이퍼에서는, 자연 산화등이 원인으로 약간의 Si0₂ 가 관찰되었다. 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 에서는, Si 보다 SiO₂ 의 성분이 많다. 그에 반해, CMG 연삭된 웨이퍼에서는, Si : SiO₂ 의 조성비가 가장 폴리싱 웨이퍼에 가깝다. 이와 같이, Si 의 표면 산화가 억제되어 있기 때문에, CMG 에서는 소성 변형 (가공 변형) 에 기인하는 연삭 열이 적은 것을 추찰할 수 있다.

다음으로, 상기 각 시험편을 실온에서 HF : HNO₃ : CH₃COOH = 9 : 12 : 2 의 인채트에 의해 30 초 에칭하여, 각 시험편 표면의 관찰을 시도하였다. 이러한 인채트로, 가공 결함을 표면화할 수 있다. 관찰에 의하면, 폴리싱 웨이퍼에는 전위에 의한 영향이 거의 관찰되지 않지만, 슬라이싱 웨이퍼는 무수한 에치 피트가 불규칙하게 존재한다. 그에 반해, 연삭면에서의 에치 피트는 연삭 흔을 따라 발생하고 있는 것이 특징이다. 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면) 에서는, 에치 피트가 작지만 그 수는 매우 많다. 또, CMG 연삭된 웨이퍼에서는, 반대로 에치 피트가 커지고, 그 수는 적게 되어 있다. 또한, 냉매의 pH 값을 높이면, 에치 피트의 수는 더욱 감소하는 것이 관찰되었다.

여기서, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면, 연삭 소손면) 와 CMG 연삭 웨이퍼 (pH 가 7, 11) 의 각 연삭면을 추가로 에칭하여, 표면으로부터의 깊이에 대한 에치 피트 분포를 조사한 결과가 도 8 이다. 도 8 에 있어서, X 는, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면) 를, Y 는, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 소손면) 를, Z 는, CMG 연삭 웨이퍼 (pH 가 7) 를, W 는, CMG 연삭 웨이퍼 (pH 가 11) 를 각각 나타내고 있다. CMG 연삭 웨이퍼 (pH 가 7, 11) 에 있어서의 전위 깊이는 양쪽 모두 5㎛ 정도이며, 다이아몬드 지석 연삭 웨이퍼 (연삭 경면) 와 비교하면, 전위 밀도는 1 / 2 ∼ 1 / 3 정도로 감소되고 있다.

이상의 실험 결과로부터, CMG 법에 의하면, 가공 변질층을 경감시키는 것이 가능해져, Si 웨이퍼 가공시에 완전 지립화를 가능하게 하는 유효한 방법인 것이 증명되었다.

[실시예 2]

다음으로, 제 1 공정 (다이아몬드 지석 연삭) 에서, 지석의 이송 속도를 단계적으로 변화시키면서 행하는 방법이, 가공 시간의 단축에 연결되는 것을 실험 결과에 기초하여 설명한다. 또한, 표 3 에 실험 조건을 나타내고 있다.

지석	다이아몬드 지석 #400/#800
피연삭체	8 인치의 단결정 실리콘 (두께 727㎛)
지석 회전 속도	1417rev/min
피연삭체 회전 속도	43rev/min
냉매	순수한 물 (35리터/min)
이송률	10 ∼ 110㎛/min

본 실험은 웨이퍼 두께가 730㎛ 정도 내지 110㎛ 정도에 이를 때까지의 가공 시간을, 2 종류의 다이아몬드 지석 (400 번, 800 번) 을 사용하여, 일정 속도인 경우와 2 단계로 속도 변경하는 경우, 및 3 단계로 속도 변경하는 경우로 비교 실험을 행한 것이다. 도 9 는, 400 번의 다이아몬드 지석 (SD400N100DK100) 의 경우를, 도 10 은, 800 번의 다이아몬드 지석 (SD800N100DK100) 의 경우를 각각 나타낸 결과이다. 또한, 다이아몬드 지석 (400 번, 800 번) 모두, 절삭 깊이량이 50㎛ 이후에서는, 접선 분력에 변화는 관찰되지 않아 안정적으로 110㎛ 두께까지의 가공이 가능한 것을 부기해 둔다.

도 9 에 있어서, X 는 40㎛/min 의 일정 속도인 경우를, Y 는 90㎛/min → 30㎛/min 의 2 단계로 이송 속도를 변화시킨 경우를, Z 는 100㎛/min → 80㎛/min → 30㎛/min 의 3 단계로 이송 속도를 변화시킨 경우를 각각 나타내고 있다. Si 웨이퍼는 서서히 얇아짐에 따라 큰 접선 분력에 견딜 수 없게 되어 균열되어 버리기 때문에, 본 실험에서는 3 단계까지 이송 속도를 변화시키고 있다. 도면으로부터도 분명한 바와 같이, 일정 속도에서의 연삭에 비해 2 단계 또는 3 단계로 이송 속도를 변화시킨 경우에는, 가공 시간을 1/2 정도로 할 수 있다. 또한, 본 실험의 이송 속도는 적절하게 변경할 수 있는 것임은 물론이다.

도 10 에 있어서는, X 는 10㎛/min 의 일정 속도인 경우를, Y 는 30㎛/min 의 일정 속도인 경우를, Z 는 40㎛/min → 30㎛/min 의 2 단계로 이송 속도를 변화시킨 경우를 각각 나타내고 있다. Y 와 Z 를 비교하면, 가공 시간을 2 할 정도 단축할 수 있는 결과로 되어 있다.

이상의 실험 결과로부터도 분명한 바와 같이, 다이아몬드 지석 연삭에 의한 제 1 공정에서는, 단계적으로 지석의 이송 속도를 저감시켜 가는 것을 전제로 하여, 처음에는 가능한 한 고속의 이송 속도를 채용하는 것이 효율적인 가공 방법이라고 결론지을 수 있다.

[실시예 3]

다음으로, CMG 지석 연삭이 행해지는 제 2 공정의 가공 시간의 장단에 큰 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있는 3 개의 인자에 대한 실험 결과를 이하에 나타낸다. 이러한 인자 중 하나는, 제 1 공정에서 가공된 중간의 피연삭체의 가공 표면의 조도이며, 제 2 인자는 제 1 공정 ∼ 제 2 공정에서의 피연삭체 표면과 지석 연삭면의 각도 어긋남의 유무 (쌍방의 얼라인먼트) 이며, 제 3 인자는 제 1 공정으로부터 제 2 공정으로 이행할 때에 피연삭체를 회전 장치로부터 척해제하는지의 여부이다.

먼저, 제 1 공정에서 가공된 3 개의 표면 거칠기가 상이한 시험편에 대하여, 제 2 공정에 필요로 하는 가공 시간을 조사한 실험 결과가 도 11 이다. 또한, 본 실험에 있어서의 실험 조건을 표 4 에 나타낸다.

지석	CMG 지석
피연삭체	8 인치 단결정 실리콘 (초기 두께 730㎛ 를 연삭한 것)
지석 회전 속도	500rev/min
피연삭체 회전 속도	50rev/min
이송 조건	압력 제어 (0.07MPa)

도 11 에 있어서, X 는 중간의 피연삭체 표면의 조도 (Ra) 가 0.153㎛ 인 경우를, Y 는 조도 (Ra) 가 0.018㎛ 인 경우를, Z 는 조도 (Ra) 가 1㎚ (나노 미터) 인 경우를 각각 나타내고 있다. 도 11 로부터도 분명한 바와 같이, 제 1 공정에 있어서의 피연삭체의 가공 표면은 가능한 한 표면 거칠기가 적은 상태로 마무리하는 것이 전체 가공 시간의 단축에 연결되는 것을 알 수 있다. 또한, 제 1 공정에 필요로 하는 가공 시간의 단축도 고려하면, 기술한 바와 같이 제 1 공정에서는 다단계의 지석 이송 제어를 행하는 것이 바람직하고, 그 초기 단계에서는 입경이 큰 다이아몬드 지석을 사용하면서 비교적 고속도의 이송 속도로 가공을 행하여, 다음 단계로 이행할 때마다 사용되는 다이아몬드 지석의 입경을 미세하게 해 감과 함께, 지석 이송 속도를 저감시켜 가는 방법이 가장 효율적인 방법이라고 결론지을 수 있다.

[실시예 4]

다음으로, 제 1 공정 ∼ 제 2 공정에서의 피연삭체 표면과 지석의 연삭면의 각도 어긋남의 유무 (쌍방의 얼라인먼트) 에 의해, 제 2 공정의 가공 시간이 상이한 실험 결과를 도 12 에 기초하여 설명한다.

도 12 에 있어서, X 는 각도 어긋남이 있는 경우를 나타내고 있어, 본 실험에서는, 연직면으로부터의 어긋남이 0.046 도, 수평 방향에 대한 어긋남이 0.0009 도인 조건으로 하고 있고, 한편, Y 는 어긋남이 없는 경우이다. 도면으로부터도 분명한 바와 같이, 피연삭체 표면과 지석의 연삭면 쌍방에 어긋남이 있는 경우와 없는 경우에서는, 제 2 공정에서 필요로 하는 가공 시간이 현저하게 상이해진다.

또, 쌍방의 경우에 있어서의 중간의 피연삭체 표면의 요철을 조사한 결과, 각도 어긋남이 없는 경우에는 최대로 0.5㎛ 의 요철이 관찰되고, 각도 어긋남이 있는 경우에는 최대로 6㎛ 의 요철이 관찰되었다.

이상의 실험 결과를 근거로 제 1 공정 (다이아몬드 지석에 의한 조연삭) 에서는, 평탄도를 좋게 하기 위해서 얼라인먼트를 의도적으로 경사시켜 연삭을 행하고, 제 2 공정에서는 얼라인먼트가 어긋나지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.

[실시예 5]

다음으로, 제 1 공정 내지 제 2 공정으로 이행할 때에 피연삭체를 회전 장치로부터 척해제하는 경우로 하지 않는 경우에 있어서의 쌍방의 CMG 연삭 후의 웨이퍼 표면을 관찰하였다.

관찰 결과, 척해제한 시험편에서는 그 표면에 얼룩 모양이 존재하는 한편, 척해제하지 않은 시험편에서는 얼룩 모양의 존재는 확인되지 않았다. 이것은, 다이아몬드 연삭 단계에 발생한 잔류 응력에 의해, 척해제시에 피연삭체가 휘어져 버리고, 이러한 휨이 표면의 얼룩 모양을 발생시키는 것으로 단정할 수 있다.

따라서, 회전 장치에 척된 중간의 피연삭체는, 제 1 공정으로부터 제 2 공정으로 이행할 때에는 척해제하지 않는 것에 유의할 필요가 있다.

[실시예 6]

마지막으로, 도 13 ∼ 도 20 에 기초하여, CMG 법에 의한 웨이퍼와 CMP 법에 의한 웨이퍼 쌍방의 가공 표면 성상의 비교 관찰 결과를 나타낸다.

도 13 은, CMG 법에 의한 웨이퍼 단면의 TEM 화상 (투과 전자 현미경 화상) 을 나타낸 것이고, 도 14 의 (a) 는 도 13 중의 A 부 (표면 근방) 의 성분 분석 결과를, 도 14 의 (b) 는 도 13 중의 B 부 (내부) 의 성분 분석 결과를 각각 나타내고 있다. 도 13 으로부터 웨이퍼의 표면 및 내부에서 격자 결함 등이 확인되지 않고, 도 14 로부터 검출 원소가 Si 뿐인 것을 알 수 있다. 또한, 도 14 에서 확인되는 Cu, Au, W 등의 원소는, TEM 용 샘플 제작시에 보호막으로서 사용한 재료에 의한 것으로, CMG 법에 의해 발생한 성분이 아닌 것을 부기해 둔다.

한편, 도 15 는 CMP 법에 의한 웨이퍼 단면의 TEM 화상을 나타낸 것이고, 도 16 의 (a) 는 도 15 중의 A 부 (표면 근방) 의 성분 분석 결과를, 도 16 의 (b) 는 도 15 중의 B 부 (내부) 의 성분 분석 결과를 각각 나타내고 있다. 도 15 로부터 웨이퍼 표면에 SiO₂ 층이 확인되고, 도 16 의 (a) 로부터 산소의 피크가 검출되었다.

도 17 의 (a) 는 CMG 법으로 얻어진 극박 웨이퍼 표면의 TEM 화상을 나타낸 것이고, 도 17 의 (b) 는 극박 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형을 나타낸 것이다. 이에 반해, 도 18 의 (a) 는 CMP 법으로 얻어진 웨이퍼 표면의 TEM 화상을 나타낸 것이고, 도 18 의 (b) 는 웨이퍼 표면의 제한 시야 전자선 회석 도형을 나타낸 것이다. 도 17, 도 18 을 비교하면 양자에게는 명확한 차이가 확인되어, CMG 법에 의한 웨이퍼 표면은 완전 표면인 한편, CMP 법에 의한 웨이퍼 표면은 Si 의 스포트와 함께 어모퍼스 특유의 할로가 공존하고 있다. 이것은, 웨이퍼 가공 표면에 비정질의 SiO₂ 층이 존재하는 것을 나타내는 것이다.

또한, 도 19, 도 20 은, AFM (원자간력 현미경) 에 의해, CMG 법 및 CMP 법 쌍방에 의해 가공된 웨이퍼 표면의 형태를 나타낸 도면이다. CMG 법에 의해 얻어진 웨이퍼에는 CMG 고정 지석의 명확한 정흔(錠痕) 이 확인되고, 표면 거칠기 (Ra) 가 0.16㎚ 로 매우 작은 완전한 표면이었다. 한편, CMP 법에 의해 얻어진 웨이퍼에는 불규칙한 정흔이 확인됨과 함께, 표면 거칠기 (Ra) 는 0.36㎚ 로 CMG 법에 비해 2 배 이상의 표면 거칠기가 되는 것을 알 수 있었다.

이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 정밀 가공 방법이 효율성의 향상과 가공 정밀도의 향상을 동시에 만족하는 것인 것을 알 수 있다. 또, CMG 법에 의하면, 종래의 CMP 법에 비해 보다 고정밀인 웨이퍼 가공을 실현할 수 있는 것이 명확해졌다.

이상, 본 발명의 실시형태를 도면을 이용하여 상세하게 설명하였는데, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서의 설계 변경 등이 있어도, 그들은 본 발명에 포함되는 것이다.

Claims (3)

1. 피연삭체를 회전시키는 회전 장치 및 그 회전 장치를 지지하는 제 1 기대와, 지석을 회전시키는 회전 장치 및 그 회전 장치를 지지하는 제 2 기대로 이루어지는 정밀 가공 장치로서, 상기 제 1 기대 및/또는 상기 제 2 기대에는, 일방의 기대를 타방의 기대측으로 이동 가능한 이동 조정 수단이 구비되어 있고, 그 이동 조정 수단은 이동량에 기초하는 제어 및 압력에 기초하는 제어를 선택적으로 선정할 수 있도록 구성되는 정밀 가공 장치를 사용한 정밀 가공 방법에 있어서,

   상기 정밀 가공 방법은 피연삭체를 다이아몬드 지석에 의해 연삭함으로써 중간의 피연삭체를 제작하는 제 1 공정과, 그 중간의 피연삭체를 CMG 지석에 의해 연삭함으로써 최종의 피연삭체를 제작하는 제 2 공정으로 이루어지고,

   제 1 공정은 조연삭 단계와, 다음의 중간 마무리 단계로 이루어지고, 그 중간 마무리 단계에서는 그 조연삭 단계보다 작은 입자의 지석이 사용되며, 또한 상기 이동량에 기초하는 제어에 의해, 그 조연삭 단계보다 그 중간 마무리 단계의 전송 속도가 늦어지도록 하여, 회전 장치 및 기대가 전송 속도가 상이한 다단 전송에 의해 전송 제어되고,

   제 2 공정에서는, 상기 압력에 기초하는 제어에 의해, 회전 장치 및 기대가 압력이 상이한 다단계의 정압력으로 이동 제어되고 있으며, 피연삭체가 연성 모드에 들어가도록, 서서히 압력이 저하되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 정밀 가공 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피연삭체를 회전시키는 회전 장치와 상기 제 1 기대 사이 또는 상기 지석을 회전시키는 회전 장치와 상기 제 2 기대 사이의 어느 일방에는 그 회전 장치의 자세를 제어하기 위한 자세 제어 장치가 끼워져 있고, 상기 제 1 공정 및 상기 제 2 공정에서, 피연삭체의 연삭면과 지석면의 각도 어긋남이 자세 제어 장치에 의해 수정되는 것을 특징으로 하는 정밀 가공 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   회전 장치에 고정된 피연삭체를 그 회전 장치로부터 떼어 내지 않고, 제 1 공정으로부터 제 2 공정으로 이행하는 것을 특징으로 하는 정밀 가공 방법.

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