両面研磨（DSP）とは

THEME 01 基板・材料 · ウェハ製造・基板加工Double Side Polishing

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両面研磨（DSP）とは、ウェハの表と裏を同時に研磨する加工です。 上下の定盤で挟んで両面を同じ条件で削り、平行度と平坦度を同時に整えます。平行度が要るのは露光のためで、解像度を上げるほど焦点が合う範囲は狭くなり、ウェハ側の平坦度への要求も厳しくなります。両面研磨の出来を決めるのは、定盤とパッドが面内に作る圧力と温度の分布です。

両面を同時に削ると、裏面の歪みが表面へ写らない

片面だけを磨く場合、裏面をどこかで保持する必要があります。すると裏面の凹凸や、保持する力による歪みが、そのまま表面の仕上がりへ写ります。基準にした面が完全な平面でなければ、磨いた面もその通りに歪みます。両面研磨は上下の定盤でウェハを挟み、両面へ同じ条件で研磨材を作用させます。どちらの面も基準面の役を負わずに済むため、片方の歪みがもう片方へ写る経路が断たれます。

片面研磨と両面研磨

片面研磨では保持した裏面の凹凸が磨いた表面へ写ります。両面研磨は上下の定盤で挟んで同時に削るので、どちらの面も基準に頼らず両面が平行にそろいます。

ウェハの厚みが場所によって違えば、装置が吸着して保持しても表面の高さがばらつきます。ASMLは、High NAが開口数0.55の光学系を用いて8nmの解像度で描画できるとしています¹。開口数を上げるほど焦点が合う範囲は狭くなるため、ウェハ側の平坦度への要求も厳しくなります。

両面研磨は、ラッピングとエッチングの後に入る一次研磨

SUMCOのウェーハ加工工程は5段です²。01の切断（スライシング）で厚さ1mm程度にスライスし、02の粗研磨（ラッピング）でアルミナ研磨材によりウェーハ両面を平行になるように整えて所定の厚さにします。03のエッチングで前工程までについた機械加工によるダメージを除去し、04の研磨（ポリッシング）で、ウェーハ表面の凹凸をなくし平坦度の高い鏡面仕上げを行うためコロイダルシリカ液を用いてメカノケミカル研磨を施します。最後が05の洗浄・検査です。粗研磨がアルミナ、仕上げの研磨がコロイダルシリカで、砥粒の系統が途中で切り替わります。

研磨材で見ると、段の切れ目はさらに細かくなります。フジミインコーポレーテッドの加工プロセスと製品の対応は³、単結晶引き上げ、インゴットの外周研削加工、スライス加工（GCシリーズ）、ヘベル加工（外周面取り）、ラップ加工（FOシリーズ、PWAシリーズ）、一次研磨（両面研磨、GLANZOX1000シリーズ）、エッジ研磨（GLANZOX Eシリーズ）、二次研磨・ファイナル研磨（GLANZOX 2000シリーズ、GLANZOX 3000シリーズ）、洗浄、検査、梱包・出荷の順です。両面研磨に当てられているのはGLANZOX1000シリーズで、その後に二段の仕上げが続きます。両面研磨が担うのは、鏡面の最終品質より、厚みと平行度という土台です。

300mmの1バッチは、ポリッシュで5枚、ラップで15枚

スピードファムの300mm又は200mmウェーハ向け両面ポリッシュ装置DSM20B-5P-4Dは、1バッチあたり300mmで5枚、200mmで15枚を安定量産する⁴装置で、同社は平坦度管理・自動化・メンテナンスに最も適した装置サイズで厳しい精度要求に応えるとしています。300mmウェーハ向け両面ラップ装置DSM28B-5L-4Dは1バッチあたり15枚を量産し、同社は精密な定盤荷重制御と渦電流式定寸制御などの機能でナノトポグラフィーを適正化するとしています。同じ300mmで、ラップは15枚、ポリッシュは5枚です。

1バッチの枚数とウェーハ径

300mmでは、両面ラップが1バッチ15枚なのに対し、両面ポリッシュは5枚です。同じポリッシュ装置でも200mmなら15枚を挟めます。

同社の両面研磨装置はラップとポリッシュに対応し、同社は、キャリアサイズ30インチクラスから2インチまで、精度と生産性を両立しながらあらゆるサイズの加工対象物に適用できるとしています。納入実績はシリコンウェーハ、磁気ディスク基板、石英ウェーハ、セラミックス基板などです。汎用機ではキャリアサイズ30インチのDSM30B-5L/P-V、16インチのDSM16B-5L/P-V、9インチのDSM9B-5L/P-Vが並びます。キャリアサイズ2インチと3インチの小型機DSM2B-9L/P-Vについて、同社は水晶を厚み16ミクロンまで研磨できるとしています。

キャリアは端面の欠けを、研磨布はレートと面内分布を左右する

上下の定盤の間でウェハを支えるのはキャリアです。両面研磨用キャリアの材質にはEG、PVC、布入りベーク、SK、BS、SUSなどがあります⁵。スピードファムは、強度のある金属キャリアのワークホール部を樹脂化して加工対象物端面のダメージを軽減するウェッジキャリアと、SUSキャリアに薄いエポキシ樹脂をコーティングしてワークのチッピングを防ぐコーティングキャリアを揃え、後者をシリコンウェーハ、化合物半導体ウェーハ、ガラスのポリッシュ加工に最適だとしています。キャリアの厚みはウェハの仕上がり厚みの下限を、材質はウェハ端に入る欠けの量を決めます。

研磨布には、シリコンウェーハのメカノケミカルポリッシュに最適な多孔性研磨パッドが使われます。スピードファムは、しなやかでベースに根を張ったマイクロレイアーにより耐久性に優れ、ポリウレタン表面の気孔から研磨剤が押し流されることで優れた研磨品質とレートを実現するとしています。気孔が研磨剤の通り道になるため、目詰まりすればレートと面内分布が同時に動きます。上下2枚の研磨布の状態が揃っていることが、両面研磨で平行度が出る前提です。

ラップ側では定盤そのものが消耗品です。スピードファムは、同社の両面ラップ定盤を、ガス巣や不純物の巻き込みを無くした高品質鋳造で球状黒鉛を均一に分散させ、硬度、靭性、耐摩耗性に優れるとし、バリや返りのない均一な溝幅と深さの精密目切り加工を施しているとしています。

荷重、回転数、砥粒、スラリーの4つのつまみは、どれも代償を伴う

定盤の荷重を上げるとレートは上がりますが、面内の圧力分布の乱れもそのまま拡大します。平面研磨での圧力の均一化は、平坦な定盤と平滑なパッドによって実現されます⁶。パッドは目詰まりや摩耗によって平滑性が損なわれるため、精密研磨ではダイヤモンドドレッサによる平滑化や定期的なパッド洗浄が要ります。軟質パッドによる研磨ではパッドの復元力により加工面の端部に圧力が集中しやすく、対策にリテーナリングやテンプレートを使います。荷重を下げれば端部の集中は和らぎますが、不足するレートを時間で埋めることになります。

回転数は摩擦と発熱を同時に動かします。研磨の摩擦は加工面の摩耗だけでなく摩擦熱を引き起こし、加工面が数十度加温される例も多くあります。化学作用は、反応の活性化エネルギーが51 kJ/molなら、10℃程度の加温で2倍程度促進されるのが目安です。大型基板の研磨では中心部に熱がこもりやすく、中心部の研磨速度が増大して平坦性へ悪影響を及ぼします。対策は、研磨定盤のチラー機能の活用、スラリー流量の最適化、パッドへの溝構造形成によるスラリー排出の促進です。

面内の分布が崩れる2つの型

軟質パッドでは加工面の端部に圧力が集まりやすく、大型基板では中心にこもった熱で中央の研磨速度が上がって平坦性を損ないます。

砥粒の粒径と個数は、面粗さの側で逆向きに働くことがあります。砥粒の個数を一定にして砥粒径を大きくすると、砥粒1個あたりの接触面積と摩擦が増えて研磨速度が向上します。一方、砥粒濃度を一定にした場合は、粒径が大きくなるほど単位容積あたりの砥粒数が減って作用点が減るため、研磨速度の向上に限界が生じます。表面粗さの低減には、砥粒数すなわち作用点の増大による圧力分散が寄与します。粒径が揃っていれば、小粒でも数が少なければ粗さは増大し、大粒でも数が多ければ粗さを低減できます。濃度を下げてレートを落とす操作は、粗さの側では裏目に出ることがあります。

スラリーの温度と組成の安定は、面内分布の下支えです。環境からの二酸化炭素の溶解はアルカリ性スラリーのpH低下やイオン強度増大を引き起こし、砥粒凝集や研磨不良の原因になります。水中の溶存酸素は、研磨直後のシリコンや銅の表面酸化やラフネス増大を引き起こします。超精密研磨や直後の洗浄では、空気成分さえ汚染になり得ます。供給系を密閉する側へ振れば安定は増しますが、設備と保全の手間がかかります。

研磨と洗浄は一続きで、裏面の仕上げは用途で変わる

研磨で使った砥粒や薬液が表面に残れば、それ自体が汚染になります。シリコンウェーハは、切り出した円盤の表面を丁寧に研磨し、洗浄して完成させます⁷。研磨と洗浄は一続きの工程です。

表面はデバイスを作るため鏡面が要ります。裏面は保持と搬送のために一定の状態が要りますが、表面と同じ仕上げにする場合は限られます。裏面の粗さが吸着の安定性や粒子の発生を左右するため、そこも設計項目になり、運用はウェーハ裏面と静電チャック（ESC）へ続きます。

平行度は厚みの制御と局所の起伏、露光の許容の3つで見る

厚みの到達点は装置側で管理されます。両面ラップ装置の定盤荷重制御と渦電流式定寸制御はナノトポグラフィーの適正化のための機能で、両面研磨でも、狙った厚みへ追い込む仕組みと、その結果としての局所の起伏が別の指標として並びます。面内の分布はウェハ平坦度、露光側の許容は焦点深度と開口数で書かれ、開口数0.55と8nmという数字がその許容の外枠になります。

出口の管理は次工程と地続きです。粗大な砥粒や異物の混入は局所的な圧力集中を引き起こし、スクラッチや凹凸状欠陥の原因になります。加工対象物自身が持ち込む汚染には、粗研磨で用いた一回り大きな砥粒の仕上げ工程への混入や基板端部の割れかけがあり、対策は加工工程ごとの装置とエリアの分離、粗研磨後の洗浄、エッジの面取りです。ラッピングから両面研磨へ渡る境目が、この持ち込みの管理の要所です。反りやパーティクル、洗浄の指標も同じ列に並びます。

よくある質問（FAQ）

両面研磨とは何ですか？

ウェハの表と裏を同時に研磨する加工です。上下の定盤でウェハを挟み、両面へ同じ条件で研磨材を作用させるので、平行度と平坦度を同時に整えられます。

片面研磨と何が違いますか？

基準面の考え方が異なります。片面研磨では裏面を保持して表面だけを磨くため、裏面の凹凸や保持の歪みが表面へ写ります。両面研磨は保持面への依存が小さいため、この写り込みが起きにくくなります。

なぜ平行度が重要なのですか？

露光で焦点が合う範囲が狭いためです。ウェハの厚みが場所によって違えば、装置がウェハを吸着して保持しても、厚みのばらつきはそのまま表面の高さのばらつきになります。

露光とどう関係しますか？

開口数を上げるほど焦点深度が浅くなるためです。ASMLは、High NAが開口数0.55の光学系で8nmの解像度を実現するとしています。解像度を上げるほど、ウェハ側の平坦度への要求が厳しくなります。

研磨のあとは何をしますか？

洗浄します。切り出した円盤の表面を丁寧に研磨し、洗浄して完成させます。研磨で使った砥粒や薬液が残れば、それ自体が汚染になります。

裏面も鏡面にするのですか？

用途によります。表面はデバイスを作るため鏡面が要ります。裏面は保持と搬送のために一定の状態が要りますが、表面とは異なる仕上げになることがあります。

両面研磨は工程順のどこに入りますか？

一次研磨として、ラッピングとエッチングのあとに入ります。加工の順は、スライス加工、ヘベル加工（外周面取り）、ラップ加工、一次研磨（両面研磨、GLANZOX1000シリーズ）、エッジ研磨、二次研磨・ファイナル研磨（GLANZOX 2000／3000シリーズ）、洗浄、検査です。

1バッチ何枚を研磨しますか？

スピードファムの両面ポリッシュ装置DSM20B-5P-4Dは、1バッチあたり300mmで5枚、200mmで15枚を安定量産し、同社は平坦度管理、自動化、メンテナンスに最も適した装置サイズだとしています。300mmウェーハ向け両面ラップ装置DSM28B-5L-4Dは1バッチあたり15枚です。

何を使ってウェハを保持するのですか？

キャリアです。両面研磨用キャリアの材質にはEG、PVC、布入りベーク、SK、BS、SUSなどがあり、スピードファムは、SUSキャリアに薄いエポキシ樹脂をコーティングしてワークのチッピングを防ぐコーティングキャリアを、シリコンウェーハや化合物半導体ウェーハ、ガラスのポリッシュ加工に最適だとしています。

研磨布は何が使われますか？

シリコンウェーハのメカノケミカルポリッシュ向けの多孔性研磨パッドです。スピードファムは、ポリウレタン表面の気孔から研磨剤が押し流されることで研磨品質とレートを実現し、しなやかでベースに根を張ったマイクロレイアーにより耐久性も高いとしています。

研磨材は何を使うのですか？

コロイダルシリカです。ウェーハ表面の凹凸をなくし平坦度の高い鏡面仕上げを行うため、コロイダルシリカ液を用いてメカノケミカル研磨を施します。前段のラッピングでアルミナ研磨材を使うのと対照的です。

面内の分布が崩れたときは何を疑いますか？

圧力と温度の均一性です。圧力の均一化は平坦な定盤と平滑なパッドで実現され、軟質パッドではパッドの復元力により加工面の端部に圧力が集中しやすいため、リテーナリングやテンプレートを使います。大型基板では中心部に熱がこもりやすく、中心部の研磨速度が増大して平坦性へ悪影響を及ぼします。

比較・違いを学ぶ

ウェーハと基板── 工程としてのウェーハ製造
ラッピング（遊離砥粒研磨）とは── 両面研磨の前段で厚みを作る工程
鏡面研磨とは── 両面研磨のあとに続く二段の仕上げ

出典

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1
ASML：EUV lithography systemsasml.com ↩
2
SUMCO：シリコンウェーハの製造方法（ウェーハ加工工程）sumcosi.com ↩
3
フジミインコーポレーテッド：シリコンウェハーの加工プロセスと製品fujimiinc.co.jp ↩
4
スピードファム：Double Side Polisher/Lapperspeedfam.com ↩
5
スピードファム：Consumables（消耗副資材）speedfam.com ↩
6
フジミインコーポレーテッド森永均：化学機械研磨(CMP)の原理と進化：半導体・多様な素材への応用ircms.jp ↩
7
SUMCO：Productssumcosi.com ↩