ラッピング（遊離砥粒研磨）とは

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ラッピングとは、液体に分散させた砥粒を定盤とウェハの間へ供給し、擦り合わせて表面を削る加工です。 砥粒が固定されず自由に転がるため、遊離砥粒研磨と呼ばれます。ラッピングは厚みと平行度を整える代わりに、砥粒の衝撃で加工変質層を新しく作ります。その深さを決めるのは砥粒の番手で、ここでの選択が次のエッチングと研磨の取り代まで決めます。

切ったままの面を、転がる砥粒が全面で均等に削る

ワイヤーソーで切ったままのウェハは、厚みが場所によって揃わず、表面には線の走った跡と加工による歪みが残っています。ラッピングはこの状態を最初に整える加工で、自由に転がる砥粒が面全体へ均等に当たり、厚みを揃えて切断で生じた大きな凹凸を落とします。

砥粒が当たれば、その衝撃で表面近くの結晶が乱れます。この層を加工変質層と呼び、残したままではデバイスの特性へ影響するため、ラッピングのあとにウェットエッチングで除去します。そのうえで研磨し、鏡面へ仕上げます。切り出した円盤の表面を丁寧に研磨し、洗浄して完成させる¹流れのうち、ラッピングは前段にあたります。

両面ラップの断面

上下の定盤とウェハのすき間で遊離砥粒が転がり、両面を同時に削ります。厚みと平行度が整う一方で、ウェハの両面には砥粒の衝撃による加工変質層が残ります。

厚さ1mm程度の板から、両面で数ミクロン以上を落とす

単結晶インゴットは直径が均一になるように外周研削し²、抵抗率の要求に応じて内周刃切断機もしくはワイヤーソーを用いて厚さ1mm程度にスライスしてウェーハ状にします。SUMCOはウェーハ加工工程を5段に分け、工程02の粗研磨（ラッピング）を、ウェーハ両面を平行になるように整えながら所定の厚さに仕上げるためアルミナ研磨材で粗研磨する工程としています。続く工程03のエッチングは、前工程までにウェーハ表面についた機械加工によるダメージを取り除く化学的なエッチングです。整える工程と、その整えが生んだダメージを除く工程が対で並びます。

粗研磨では対象部材より硬度の高い砥粒（アルミナなど）を用い、ダメージや大きな粗さの残る表層を数ミクロン以上除去します³。研磨速度を重視するため、仕上げ研磨より粒度の大きな砥粒を使います。厚さ1mm程度の板から数ミクロン以上を両面で落とす、というのが取り代の桁です。

砥粒の粒度規格の1行が、出来の上限を決める

フジミインコーポレーテッドのFOは⁴、半導体結晶ウェーハの表面加工向けに粒形や硬度へ特長を持たせたアルミナベースの精密ラッピング材で、標準粒度規格は#240から#6000まで15段あります。平均粒径は#240で38.3〜44.7 µm、#1000で10.0〜10.6 µm、#6000で1.60〜2.40 µmです。A・WA・PWA⁵は#240から#30000までの21段で、平均粒径が#240で58.6±3.0 µm、#1200で9.90 µm、#4000で3.00±0.40 µm、#8000で1.20 µm、#30000で0.30〜0.39 µmです。

番手と平均粒径

A・WA・PWAの平均粒径は#30000の0.30〜0.39 µmから#240の58.6 µmまで200倍近い幅に並び、FOは#6000から#240までの区間を受け持ちます。粗い番手ほど取り代を稼げ、そのぶん加工変質層と傷が深くなります。

材質も数値で異なります。Aはボーキサイトを電溶炉にて2000℃で溶融させて得たAl₂O₃純度90％以上のコランダム結晶で、砥粒としての靭性を上げるためチタンを数％固溶させています。WAは溶融アルミナを微粉砕して整粒したαタイプのコランダム結晶でAl₂O₃純度96.0％以上、PWAはAl₂O₃純度99.0％以上の板状結晶で、どちらも半導体結晶の精密ラッピング向けです。硬さと靭性と純度の組み合わせが、同じ番手でも面の仕上がりを変えます。

装置と定盤は、1バッチ15枚の厚みと砥粒の当たり方を管理する

スピードファムは、300mmウェーハ向け両面ラップ装置DSM28B-5L-4Dが1バッチあたり15枚を量産し、精密な定盤荷重制御と渦電流式定寸制御でナノトポグラフィーを適正化するとしています⁶。同社の両面研磨装置はラップとポリッシュに対応してキャリアサイズ30インチクラスから2インチまでを揃え、同社は小型機のDSM2B-9L/P-Vで水晶を厚み16ミクロンまで研磨できるとしています。

定盤と副資材が、遊離砥粒の当たり方を決めます。スピードファムは両面ラップ定盤について、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分散させ⁷、硬度・靭性・耐摩耗性に優れ、バリや返りのない均一な溝幅と深さを持つ精密目切り加工を施しているとしています。ラップ用研磨材にはGC（グリーンカーバイド）、C（カーボランダム）、WA（ホワイトアルミナ）、A（アルミナ）、FOがあり、同社はこの品揃えでシリコンからガラス、セラミックス、金属まで対応するとしています。研削液には油性ラップ用の210オイルベースと、水性ラップでの砥粒分散性と防錆効果を併せ持つ180P-10があり、防錆剤やダイヤモンドスラリー用の水溶性・油性研削液も並びます。ラップ後やポリッシュ後に付着した研磨材や汚れを取り除く洗浄液も、副資材の一部です。

加工用キャリアはEG、PVC、布入りベーク、SK、BS、SUSなど材質ごとに揃います。同社は、強度のある金属キャリアのワークホール部を樹脂化したキャリアが加工対象物の端面のダメージを軽減し、金属と樹脂の強固な接合で高負荷の加工ができるとしています。溝の切り方と研削液の性質が変われば、同じ番手の砥粒でも当たる個数が変わります。

番手・材質・定盤・研削液は、どれも動かすと代償が付く

砥粒の番手は、取り代と面の両方を同じ向きに動かします。A・WA・PWAの規格で#240から#4000へ細かくすると、平均粒径は58.6 µmから3.00 µmへ、およそ20分の1になります。粗い側へ振れば取り代を稼げますが、加工変質層が深くなり次のエッチングで除く量が増えます。細かい側では面が収まる代わりに、同じ取り代へ時間がかかります。

砥粒の材質は硬さと靭性の取引です。フジミインコーポレーテッドは、Aの靭性が同社の研磨微粉の中で最も高いとし、その理由にチタンを数％固溶させている点を挙げています。WAの純度96.0％以上とPWAの99.0％以上という差を、同社は有機物との反応安定性の差としています。

定盤の目切りと研削液は、当たる砥粒の個数を決めます。溝を深く広く切れば砥粒と切り屑の排出は進みますが、定盤とウェハが実際に向き合う面積が減ります。研削液を水性の180P-10側へ振れば洗浄は楽になりますが、防錆を薬剤で補う必要があります。

固定砥粒へ替える選択もあります。スピードファムは、高研削効率と高精度を兼ね備えたクリーンな表面加工を実現するダイヤペレット定盤としてDPG定盤を挙げ、通常のラップ加工に比べて研磨時間の短縮による高生産性とコストダウンが可能で、廃棄物を低減するとしています。同社は、DPG定盤がアルミナなどの難削材に適するとし、固定砥粒用のDPGクーラント液も揃えています。時間と廃液を買う代わりに、遊離砥粒が持っていた「面全体へ均等に当たる」性質と、定盤側の自由度を手放します。

遊離砥粒と固定砥粒

通常のラップは研削液の中で転がる砥粒が面全体に当たり、DPG定盤は定盤に固定したダイヤモンドのペレットで削ります。スピードファムは、DPG定盤が研磨時間を短縮し、廃棄物を減らすとしています。

CMPとは、使う場所も削る規模も違う

ラッピングはウェハ製造の初期に、切断後の粗い面を平らにします。CMPはデバイス製造の途中で、配線を積むたびに表面を平坦にし直す、化学反応と機械研磨を組み合わせてウェーハ表面を平坦化する技術および装置です⁸。削る量の桁も違います。ラッピングは切断で生じた数十マイクロメートル規模の凹凸を落とし、CMPは膜1層分の段差を相手にします。同じ「削って平らにする」でも、対象の規模が異なります。

出来は、厚みと平行度、そして傷の持ち込みで測る

厚みと平行度が第一の指標です。DSM28B-5L-4Dは渦電流で厚みを測りながら定寸へ追い込むため、目標の厚さへの到達点は装置側で管理されます。面内の分布としてはウェハ平坦度、局所の起伏としてはナノトポグラフィーが並びます。

傷の側は、持ち込みの管理と対になります。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³。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ます。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。

ラッピングは、自分が作った損傷を次の工程へ渡す

シリコンウェハーの加工プロセスは⁹、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、二次研磨・ファイナル研磨（GLANZOX 2000／3000シリーズ）、洗浄、検査、梱包・出荷の順に並びます。ラップ加工の次は一次研磨、つまり両面研磨で、そこからさらに二段の鏡面研磨が続きます。

上流はスライシングで、ここで入った線の跡と歪みがラッピングの取り代を決めます。下流はウェットエッチングで、ラッピングが作った加工変質層の深さがエッチングの取り代を決めます。シリコンインゴットからシリコンウェハへ至る道筋で、ラッピングは自分が作った損傷を次へ渡す工程にあたり、結晶欠陥や反り、パーティクルの管理と地続きです。

よくある質問（FAQ）

ラッピングとは何ですか？

液体に分散させた砥粒を定盤とウェハの間へ供給し、擦り合わせて表面を削る加工です。砥粒が固定されず自由に転がるため、遊離砥粒研磨と呼ばれます。切断後のウェハの厚みと平坦さを整えます。

なぜ切断後にラッピングが要るのですか？

切断したままでは厚みが揃わず、表面に傷が残るためです。ワイヤーソーで切った面には、線の走った跡と加工による歪みが残っています。まず厚みと平坦さを整えてから、次の仕上げへ進みます。

CMPとどう違いますか？

目的と使う場所が違います。ラッピングはウェハ製造の初期に、切断後の粗い面を平らにします。CMPはデバイス製造の途中で、配線を積むたびに表面を平坦にし直す、化学反応と機械研磨を組み合わせた平坦化技術です。

加工変質層とは何ですか？

加工によって結晶が乱れた表層です。砥粒が当たった衝撃で、表面から一定の深さまで結晶構造が乱れます。この層が残ったままではデバイスの特性へ影響するため、エッチングで除去します。

ラッピングの後は何をしますか？

エッチングで加工変質層を除き、研磨で鏡面へ仕上げます。切り出した円盤の表面を丁寧に研磨し、洗浄して完成させる流れのうち、ラッピングはその前段にあたります。

両面同時に加工するのですか？

両面を同時に加工する方式が使われます。片面ずつでは厚みの均一性を出しにくいためです。両面を同じ条件で削ることで、平行度と平坦度を同時に整えます。

どのくらいの厚みから削り始めるのですか？

単結晶インゴットを外周研削したあと、内周刃切断機もしくはワイヤーソーで厚さ1mm程度にスライスしてウェーハ状にします。そのあと、ウェーハ両面を平行になるように整えながら所定の厚さに仕上げるため、アルミナ研磨材で粗研磨します。

砥粒の粒度はどのくらいですか？

フジミインコーポレーテッドの精密ラッピング材FOの標準粒度規格は#240の平均粒径38.3〜44.7 µmから#6000の1.60〜2.40 µmまで、A・WA・PWAの標準粒度規格は#240の58.6±3.0 µmから#30000の0.30〜0.39 µmまで並びます。

砥粒の種類は何を使いますか？

ラップ用研磨材には GC（グリーンカーバイド）、C（カーボランダム）、WA（ホワイトアルミナ）、A（アルミナ）、FO があり、加工プロセスに応じて選べます。Aの成分はAl₂O₃純度90％以上、WAは96.0％以上、PWAは99.0％以上です。

粒度を粗くすると何が悪化しますか？

加工変質層と傷です。粗研磨では対象部材より硬度の高い砥粒で、ダメージや大きな粗さの残る表層を数ミクロン以上除去し、研磨速度を重視するため仕上げ研磨より粒度の大きな砥粒を用います。粗研磨で用いた一回り大きな砥粒が仕上げ工程へ混入すると、スクラッチの原因になります。

遊離砥粒のかわりに固定砥粒を使えますか？

使えます。スピードファムはダイヤペレット定盤のDPG定盤について、通常のラップ加工に比べて研磨時間の短縮による高生産性とコストダウンが可能で、廃棄物を低減するとしています。アルミナなどの難削材に適するともしています。

装置は何枚まとめて加工しますか？

スピードファムの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、精密な定盤荷重制御や渦電流式定寸制御でナノトポグラフィーを適正化するとしています。同社の両面研磨装置はキャリアサイズ30インチクラスから2インチまでを揃えています。

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
CMP：平坦化、欠陥、低k/新金属の判定項目── デバイス製造中の平坦化
両面研磨（DSP）とは── ラップ加工の次に来る一次研磨

出典

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1
SUMCO：Productssumcosi.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 a b
4
フジミインコーポレーテッド：FO 精密ラッピング材標準粒度規格fujimiinc.co.jp ↩
5
フジミインコーポレーテッド：A、WA、PWA 標準粒度規格fujimiinc.co.jp ↩
6
スピードファム：Double Side Polisher/Lapperspeedfam.com ↩
7
スピードファム：Consumables（消耗副資材）speedfam.com ↩
8
東京エレクトロン：CMP / Chemical Mechanical Polishingtel.com ↩
9
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 ↩