KR102614442B1 - 합성 지석 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼(W)를 화학 기계 연삭하는 합성 지석(100)에 있어서, 웨이퍼(W)에 대해 화학 기계 연삭 작용을 갖고, 입자경이 5μm보다 작은 퓸드 실리카를 주성분으로 하는 연마제(101)와, 웨이퍼(W)와 동질 또는 연질의 재료로 형성되고, 연마제(101)보다 입자경이 큰 구상 실리카 겔을 주성분으로 하는 구상 충전제(102)와, 연마제(101)와 구상 충전제(102)를 일체적으로 결합하는 셀룰로스를 주성분으로 하는 수지 결합제(103)를 구비하고 있다.

Description

합성 지석
본 발명은, 실리콘 웨이퍼 등의 피삭물의 표면을 그라인딩 가공하기 위한 합성 지석(砥石)에 관한 것이다.
반도체 제조 분야에서는, 반도체 소자의 기판이 되는 실리콘 웨이퍼의 표면의 가공은 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이스한 웨이퍼를 래핑 공정, 에칭 공정, 폴리싱 공정 등의 수 단의 공정을 거쳐 경면으로 마무리하는 것이 일반적이다. 래핑 공정에 있어서는, 평행도, 평탄도 등의 치수 정밀도, 형상 정밀도를 얻는다. 그 다음에, 에칭 공정에 있어서는 래핑 공정에서 생긴 가공 변질층을 제거한다. 더욱이 폴리싱 공정에 있어서는, 케미컬 메커니컬 연마(이하, 「CMP」라고 칭한다.)에 의해, 양호한 형상 정밀도를 유지한 데다가 경면 레벨의 면거칠기를 가진 웨이퍼를 형성한다. 또한 이것과 동등한 폴리싱 공정은 반도체 후공정에 있어서 백 그라인드로 불리는 연삭 가공의 대미지를 제거할 때에도 이용된다.
근년, 폴리싱 공정 대신에, 건식의 케미컬 메커니컬 연삭(이하, 「CMG」라고 칭한다.)에 의한 표면 가공을 행하는 방법이 이용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). CMG 공정에서는, 연마제(지립)를 경질 수지 등의 수지 결합제로 고정화한 합성 지석을 이용한다. 그리고, 웨이퍼 및 합성 지석을 회전시키면서 합성 지석을 웨이퍼에 압압(押壓)시킨다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 웨이퍼 표면의 볼록부는, 합성 지석과의 마찰에 의해 가열·산화되어 취약해져 박락(剝落)된다. 이와 같이 하여, 웨이퍼의 볼록부만이 연삭되어, 평탄화된다.
합성 지석의 주성분은, 예를 들어, 피삭물이 실리콘 웨이퍼인 경우는, 연마제로서 산화 세륨이나 실리카와 같은 산화물이 이용된다. 또한, 수지 결합제로서는 페놀 수지나 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지 외에 내열성이 높은 열가소성 수지도 이용된다.
일본 특허 4573492호 공보 일본 특허공개 2004-87912호 공보
전술한 합성 지석은, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, CMG 공정이 진행되면, 합성 지석의 피삭물에 대한 연마 작용면으로부터 연마제가 조금씩 탈락되어, 연마 작용면이 평활하게 되어 간다. 이 때문에, 연마 작용면에 있어서는 수지 결합제와 피삭물의 접촉 기회가 증가하고, 그 결과, 연마제와 피삭재 사이의 접촉압이 저하되어 가공 능률이 현저히 저하되는 한편, 특히 가공 레이트의 향상을 노려 건식 가공을 행할 때는 마찰열이 과대해져, 버닝이나 연마 슬러지의 말려듦에 의한 스크래치를 발생시킨다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 가공이 진행되어도 연마제와 피삭물의 접촉압을 충분히 유지하여 가공 능률을 유지하고, 게다가 수지 결합제와 피삭물의 접촉 면적을 일정 이하로 억제함으로써 피삭물면의 품질 저하 및 스크래치의 발생을 방지할 수 있는 합성 지석을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시형태에 따른 합성 지석은, 상기 피삭재에 대해 화학 기계 연삭 작용을 갖고, 평균 입자경이 5μm보다 작은 연마제와, 상기 연마제보다 평균 입자경이 큰 구상 충전제와, 상기 연마제와 상기 구상 충전제를 일체적으로 결합하는 수지 결합제를 구비하고 있다.
가공이 진행되어도 연마제와 피삭물의 접촉압을 충분히 유지하여 가공 능률을 유지하고, 게다가 수지 결합제와 피삭물의 접촉 면적을 일정 이하로 억제함으로써 피삭물면의 품질 저하 및 스크래치의 발생을 방지하는 것이 가능해진다.
[도 1] 본 발명의 일 실시형태에 따른 합성 지석이 짜넣어진 CMG 장치를 나타내는 사시도.
[도 2] 동 합성 지석을 나타내는 사시도.
[도 3] 동 합성 지석의 구성을 나타내는 설명도.
[도 4] 동 합성 지석을 전자 현미경으로 확대하여 나타내는 설명도.
도 1∼도 4는, 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 도면이다. 한편, 이들 도면에 있어서 W는 연삭 대상이 되는 실리콘 웨이퍼(피삭물)를 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, CMG 장치(10)는, 웨이퍼(W)를 지지하는 회전 테이블 기구(20)와, 후술하는 합성 지석(100)을 지지하는 지석 지지 기구(30)를 구비하고 있다. CMG 장치(10)는, 웨이퍼 처리 장치의 일부를 구성하고 있다. CMG 장치(10)에는, 반송 로봇 등에 의해 웨이퍼(W)가 반입·반출된다.
회전 테이블 기구(20)는, 바닥면에 배치되는 테이블 모터(21)와, 이 테이블 모터(21)로부터 상방으로 돌출하여 배치된 테이블 축(22)과, 이 테이블 축(22)의 상단에 장착된 테이블(23)을 구비하고 있다. 테이블(23)은, 연삭 대상인 웨이퍼(W)를 착탈 자재하게 보지하는 기구를 갖고 있다. 보지하는 기구로서는, 예를 들어 진공 흡착 기구가 있다.
지석 지지 기구(30)는, 바닥면에 배치됨과 함께 내부에 모터가 수용된 가대(31)와, 이 가대(31)에 지지되어, 가대(31) 내의 모터에 의해 도 1 중 화살표 방향으로 요동하는 연직 방향의 요동축(32)과, 이 요동축(32)의 상단에 마련되어, 수평 방향으로 연설(延設)되는 암(arm)(33)과, 이 암(33)의 선단측에 마련된 지석 구동 기구(40)를 구비하고 있다.
지석 구동 기구(40)는, 회전 모터부(41)를 구비하고 있다. 회전 모터부(41)는, 하방으로 돌출된 회전축(42)을 구비하고 있다. 회전축(42)의 선단부에는 원환상의 휠 보지 부재(43)가 장착되어 있다. 휠 보지 부재(43)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 원환상의 합성 지석(100)이 착탈 자재하게 장착되어 있다. 합성 지석(100)의 장착에는, 합성 지석(100)에 마련된 나사 구멍에, 휠 보지 부재(43)측으로부터 볼트를 나사끼워 장착한다.
합성 지석(100)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 0.2∼50체적%의 연마제(101)와, 20∼60체적%의 구상 충전제(102)와, 3∼25체적%의 수지 결합제(103)를 하기의 체적 비율에 의해 형성되어 있다. 한편, 구상 충전제(102)의 형상은, 반드시 구체에 한정되지 않고, 괴상의 것이면 다소의 요철이나 변형은 포함된다.
연마제(101)로서는, 예를 들어 입자경 20nm 이하의 퓸드 실리카를 이용한다. 한편, 입자경이란, 구(球) 상당 직경에 있어서의 메디안 직경 D50을 가리킨다. 또한, 연마제(101)의 입자경은 5μm 미만인 것이 바람직하다.
여기에서, 입자경 20nm 이하의 퓸드 실리카를 이용하고 있음에도 불구하고, 연마제(101)의 입자경의 상한치를 5μm 미만으로 한 규정한 이유에 대해 설명한다. 즉, 미립자는, 액 중에 분산된 상태에 있어서의 1차 입자와, 대기 중이나 고체 중에서 응집된 상태에 있어서의 2차 입자에서는, 크고 그 입자경이 상이하다. 예를 들어, 전술한 퓸드 실리카의 경우, 1차 입자는 10∼20nm 정도이지만, 2차 입자에서는 0.1∼0.5μm 정도가 된다. 이 때문에, 연마제의 입자경의 상한치를 규정하는 경우는, 1차 입자와 2차 입자의 양자가 혼재하고 있는 것을 고려하여, 2차 입자의 입자경의 상한치로 규정하는 것이 바람직하다. 한편, 미립자는 퓸드 실리카 외에, 후술하는 바와 같이 다양한 종류(산화 세륨, 산화 크로뮴, 산화 제2철, 알루미나·탄화 규소 등)가 있고, 그 2차 입자의 입자경에 기초하여, 상한치를 정했다.
또한, 입자경이 1μm 이하가 되는 서브미크론 입자의 경우는, 연마제(101)의 체적 비율은 0.2∼1% 정도여도 된다. 구상 충전제(102)로서는, 입자경 20μm의 구상 실리카 겔을 이용한다. 한편, 구상 실리카 겔은 실리카의 다공질체이다. 수지 결합제(103)로서는, 예를 들어, 페놀 수지나 에틸셀룰로스를 이용한다. 이와 같이 형성된 합성 지석(100)을 전자 현미경으로 확대하여 나타내면 도 4에 나타내는 바와 같은 것이 된다.
합성 지석(100)은, 전술한 비율의 연마제(101), 구상 충전제(102), 수지 결합제(103)를 MEK(메틸 에틸 케톤) 용매로 녹이고, 교반한 후에 대기 중에서 건조한다. 건조된 것을 분쇄하여 분체로 하고, 이 분체를 금형에 충전하고, 180℃에서 가압 성형하여 형성한다. 연마제(101) 및 수지 결합제(103)는 모재(M)를 형성하고, 구상 충전제(102)가 그 모재(M) 내에 분산되어 있는 상태가 된다. 한편, 수지 결합제(103)의 결합도를 조정하거나, 조직 분산성을 향상시키기 위해서 연마제(101)보다 더욱 가는 입자나 선경이 작은 섬유질을 가하거나 해도 된다.
또한, 실리콘을 주성분으로 하는 웨이퍼(W)에 대해서, 퓸드 실리카로 이루어지는 연마제(101)는 웨이퍼 또는 그의 산화물과 동등하거나 또는 연질이다. 또한, 연마제(101)에 대해서, 구상 실리카 겔로 이루어지는 구상 충전제(102)는 웨이퍼 또는 그의 산화물과 동질 또는 연질이다. 더욱이, 연마제(101)에 대해서, 셀룰로스로 이루어지는 수지 결합제(103)는 동질 또는 연질이다.
한편, 전술한 합성 지석(100)에 있어서의 체적 비율은 다음과 같이 하여 결정했다. 즉, 연마제(101)는 0.2체적% 미만이 되면 가공 능률이 저하되고, 50체적%를 초과하면 지석의 성형이 곤란해진다. 따라서, 연마제(101)의 체적비는 0.2∼50%인 것이 바람직하다.
또한, 구상 충전제(102)는 20체적% 미만인 경우, 지면(砥面)의 평활화를 막는 효과가 옅어진다고 하는 문제가 있다. 구상 충전제(102)의 체적 비율이 커지면 가공 능률을 높게 유지할 수 있음과 함께, 웨이퍼(W)의 품질 저하 및 스크래치의 발생을 방지할 수 있는 효과가 크기 때문에, 30체적% 이상이 바람직하다. 그러나 60체적%를 초과하면 지석 성형이 곤란해진다. 따라서, 구상 충전제(102)의 체적비는 20∼60%인 것이 바람직하고, 50∼60%이면 더 바람직하다.
더욱이, 수지 결합제(103)는 그 비율이 적어지면 가공 능률은 향상되지만, 3체적% 미만이면 성형이 곤란해지고, 합성 지석(100)의 마모 속도가 빨라진다. 수지 결합제(103)가 25체적%를 초과하면 지석 결합도가 큰폭으로 상승하여 가공 중의 마모가 없어지기 때문에 상기 구상 충전제가 있어도 지면 평활화를 일으키기 쉽다. 따라서, 수지 결합제(103)의 체적비는 3∼25체적%인 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 합성 지석(100)은, CMG 장치(10)에 장착되어, 다음과 같이 하여 웨이퍼(W)를 연삭한다. 즉, 합성 지석(100)을 휠 보지 부재(43)에 장착한다. 다음에, 반송 로봇에 의해 웨이퍼(W)를 테이블(23)에 장착한다.
다음에, 테이블 모터(21)를 구동하여, 테이블(23)을 도 1 중 화살표 방향으로 회전시킨다. 또한, 회전 모터부(41)를 구동하여, 휠 보지 부재(43) 및 합성 지석(100)을 도 1 중 화살표 방향으로 회전시킨다. 합성 지석(100)의 주속을 예를 들어, 600m/min으로 회전시킴과 함께, 가공 압력 300g/cm2로 웨이퍼(W)측으로 압압한다. 추가로, 요동축(32)을 도 1 중 화살표 방향으로 요동시킨다. 이들이 연동함으로써, 합성 지석(100)과 웨이퍼(W)가 접동한다.
이 때의 합성 지석(100)과 웨이퍼(W)의 관계를 도 3에 나타낸다. 구상 충전제(102)는 연마제(101)보다도 평균 입경이 크기 때문에, 가공 중의 합성 지석(100)과 웨이퍼(W)는 거의 구상 충전제(102)의 정점을 개재시켜 접촉하게 된다. 즉, 합성 지석(100)의 모재(M)와 웨이퍼(W) 사이에는, 구상 충전제(102)가 존재하고 있으므로, 모재(M)와 웨이퍼(W)는 직접 접촉하지 않고, 일정한 간극(S)이 생긴다.
구상 충전제(102)가 웨이퍼(W)와 접촉한 상태로, 가공이 개시되면, 모재(M)에 외력이 작용한다. 이 외력이 연속하여 작용함으로써 수지 결합제(103)가 느슨해져, 모재(M)로부터 연마제(101)가 탈락한다. 유리된 연마제(101)는, 합성 지석(100)과 웨이퍼(W)의 간극에 있어서, 구상 충전제(102)에 흡착된 상태로 가공 계면에 존재한다. 이 때문에, 가공 중의 연마제(101)와 웨이퍼(W)는 거의 구상 충전제(102)의 정점을 개재시켜 접촉하게 된다. 이 때문에, 연마제(101)와 웨이퍼(W)의 실 접촉 면적은 큰폭으로 작아져, 가공점에서의 작용 압력은 높아진다. 따라서, 높은 가공 능률로 연삭 가공이 진행된다.
한편, 간극(S)에 의해, 웨이퍼(W)의 표면 부근의 공기는 외기와의 순환이 촉진되어, 가공면은 냉각된다. 또한, 연마제(101)에 의해 생긴 슬러지는 간극(S)을 개재시켜 웨이퍼(W)로부터 외부로 배출되어, 웨이퍼(W)의 표면이 흠집나는 것을 방지할 수 있다. 이 결과, 마찰열에 의한 웨이퍼(W)의 표면의 버닝이나 스크래치를 방지할 수 있다.
이와 같이 하여, 합성 지석(100)에 의해, 웨이퍼(W)의 표면을 평탄, 또한 소정의 표면 거칠기로 연삭해 간다.
전술한 바와 같이 본 실시형태에 따른 합성 지석(100)에 의하면, 가공이 진행되어도 연마제(101)와 웨이퍼(W)의 접촉압을 충분히 유지하여 가공 능률을 유지하고, 게다가 수지 결합제(103)와 웨이퍼(W)의 직접적인 접촉을 억제함으로써 웨이퍼(W)의 품질 저하 및 스크래치의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 합성 지석(100)을 구성하는 재료는, 전술한 것에 한정되지 않는다. 즉, 연마제(101)로서는, 피삭재가 실리콘인 경우에는, 실리카 또는 산화 세륨, 피삭재가 사파이어인 경우에는, 산화 크로뮴·산화 제2철이 적용 가능하다. 이 외, 적용 가능성이 있는 연마제로서 알루미나·탄화 규소도 피삭재의 종류에 따라서 이용할 수 있다.
구상 충전제(102)로서는, 실리카, 카본과 그들의 다공질체인 실리카 겔, 활성탄 등이 적용 가능하다. 한편, 기공 형성제로서 이용되는 중공체 벌룬은 가공 중에 균열되어 스크래치의 원인이 되기 때문에 부적합하다.
수지 결합제(103)로서는, 페놀 수지·에폭시 수지와 같은 열경화성 수지 외에, 에틸셀룰로스와 같은 열가소성 수지도 적용 가능하다. 열가소성 수지의 경우는, 연화점이 120℃ 이상으로 비교적 높고, 신도가 적은 것이면 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다. 또한, 각 실시형태는 적절히 조합하여 실시해도 되고, 그 경우 조합한 효과가 얻어진다. 더욱이, 상기 실시형태에는 여러 가지 발명이 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성 요건으로부터 선택된 조합에 의해 여러 가지 발명이 추출될 수 있다. 예를 들어, 실시형태에 나타나는 전체 구성 요건으로부터 몇몇 구성 요건이 삭제되어도, 과제를 해결할 수 있고, 효과가 얻어지는 경우에는, 이 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.
10…CMG 장치, 20…회전 테이블 기구, 21…테이블 모터, 22…테이블 축, 23…테이블, 30…지석 지지 기구, 31…발판, 32…요동축, 33…암, 40…지석 구동 기구, 41…회전 모터부, 42…회전축, 43…휠 보지 부재, 100…합성 지석, 101…연마제, 102…구상 충전제, 103…수지 결합제, M…모재, S…간극, W…웨이퍼.

Claims (8)

  1. 피삭재를 건식에 의해 화학 기계 연삭하는 합성 지석에 있어서,
    상기 피삭재에 대해 상기 건식에 의한 화학 기계 연삭 작용을 갖고, 입자경이 5μm보다 작은 연마제와,
    상기 피삭재와 경연(硬軟)에 관하여 동질 또는 연질의 재료, 또는 상기 피삭재의 산화물과 경연에 관하여 동질 또는 연질의 재료로 형성되며, 상기 연마제보다 입자경이 큰 구상 충전제와,
    상기 연마제와 상기 구상 충전제를 일체적으로 결합하는 수지 결합제를 구비하는 합성 지석으로서,
    상기 연마제의 체적비는 0.2∼50 체적%이고,
    상기 구상 충전제의 체적비는 30∼60 체적%이고,
    상기 수지 결합제의 체적비는 3∼25 체적%인,
    합성 지석.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제는, 상기 피삭재와 경연에 관하여 동질 또는 연질의 재료, 또는 상기 피삭재의 산화물과 경연에 관하여 동질 또는 연질의 재료인, 합성 지석.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제는, 실리카, 산화 세륨, 산화 크로뮴, 산화 제2철, 알루미나, 탄화 규소의 어느 하나 또는 혼합물인 합성 지석.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구상 충전제는, 실리카, 카본, 실리카 겔, 활성탄의 어느 하나 또는 혼합물인 합성 지석.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수지 결합제는, 열경화성 수지, 열가소성 수지의 어느 하나 또는 혼합물인 합성 지석.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피삭재는 실리콘 피삭재이고,
    상기 연마제는 퓸드 실리카이고,
    상기 구상 충전제는 구상 실리카 겔이고,
    상기 수지 결합제는 셀룰로스인 합성 지석.
  7. 삭제
  8. 삭제
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