JP2001009723A - 研磨材の回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回収工程での研磨材粒子同士や研磨材粒子と
研磨屑等との凝集粗大化を防止して、容易かつ効率的な
研磨材の回収を行う。 【解決手段】 研磨工程排水を濃縮処理する濃縮手段３
と、濃縮手段の前段又は後段に超音波照射手段２を備え
てなる研磨材の回収装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程等
における化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程から
排出される研磨工程排水から、研磨材粒子を効率的に回
収して再利用するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び先行技術】半導体ウエハ及びその上に
形成された絶縁膜、メタル薄膜等の被膜の表面は高度な
平坦面であることが望まれる。従来、ウエハや、その上
に形成された被膜の平坦化には、研磨材のスラリを用い
て化学的機械研磨（ＣＭＰ）する方法が採用されてい
る。この方法では、研磨パッド等の研磨部材と半導体ウ
エハとの間に研磨材スラリを介在させた状態で研磨を行
い、半導体ウエハあるいはシリコン酸化膜や金属薄膜等
の被膜表面を平坦化する。このＣＭＰで用いられる研磨
材としては、分散性が良好で、平均粒子径が揃っている
シリカ微粒子（コロイダルシリカ）が一般的に使用され
ている。また、研磨速度の高い酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ₂）や、硬度が高く安定なアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等も
使用されている。酸化セリウムやアルミナ等の無機酸化
物は、平均粒子径が０．０５〜０．５μｍ程度の粒子が
水中に分散したスラリとして使用されており、通常、こ
のスラリ中には、ｐＨ調整剤（ＫＯＨ，ＮＨ₄ＯＨ，有
機酸，アミン類）や界面活性剤（分散剤）、酸化剤（Ｈ
₂Ｏ₂，ＫＩＯ₃，Ｆｅ（ＮＯ₃）₃）等が別途添加されて
使用される。

【０００３】この研磨材スラリは、１枚のウエハ当りの
使用量が多く、しかも非常に高価であることから、ウエ
ハのＣＭＰ工程から排出される排水から研磨材を回収
し、回収した研磨材を用いて所定の組成の研磨材スラリ
を調整し、これを再利用することが望まれる。このよう
な回収再利用は廃液処理量の低減の面からも重要であ
る。

【０００４】しかし、ＣＭＰ工程から排出される排水は
その使用により稀釈されて研磨材濃度が低下している上
に、被研磨物である半導体ウエハや被膜層を形成する薄
膜材料或いは研磨パッド等の研磨部材が削り取られた研
磨屑、研磨材としての無機酸化物粒子が破壊された微細
粒子や、研磨された薄膜材料片等と研磨粒子とが凝集す
ることによって生じる粒径の大きな研磨屑等の不純物が
混入したものである。このため、このような研磨工程排
水を無処理で研磨材として再利用すると、ウエハ表面に
キズを発生させたり、研磨屑の蓄積により研磨力が低下
したり、更には研磨材濃度の低下による研磨速度低下に
つながることから、この研磨工程排水はそのまま循環再
利用することはできない。従って、研磨工程排水の再利
用に当っては、不純物の除去、濃縮等の処理を行って研
磨材を回収し、所定の組成の研磨材スラリを再調整する
ことが必要となる。

【０００５】本出願人は、この研磨工程排水から研磨材
を回収して再利用するための技術として、酸化セリウム
やアルミナ等の研磨材粒子の比重が大きいことに着目
し、遠心分離機を用いてこれを濃縮し、遠心分離後の濃
縮スラリから塩類や有機物、微小な研磨屑などの不純物
を除去するために水洗浄を行って、研磨材を回収する方
法及び装置を先に提案した（特願平１１−１００３４６
号。以下「先願」という。）。この方法及び装置によれ
ば、研磨工程排水から研磨材として容易に再利用可能な
研磨材粒子を効率的に回収することが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】研磨材は、その使用に
当り、スラリ中で所定の粒子径に凝集分散するように、
分散剤が添加されている。しかし、研磨工程排水は、希
釈されているために分散剤濃度が低下しており、凝集し
て粗大化した研磨材粒子も混在している。また、研磨屑
や研磨粒子とが凝集することで、粗大粒子となっている
ものも存在する。

【０００７】このように凝集粗大化した研磨材粒子を再
分散させるためには、非常に煩雑な操作を必要とし、ま
た、研磨材粒子と研磨屑とが凝集して粗大粒子となって
いると、研磨屑を容易に洗浄除去することができず、更
には、このような粗大粒子中に巻き込まれた不純物の洗
浄除去効率も低下する。

【０００８】本発明は、先願を改良改善し、粗大化した
凝集粒子の再分散を図り、あるいは回収工程での研磨材
粒子同士や研磨材粒子と研磨屑等との凝集粗大化を防止
して、容易かつ効率的に不純物の少ない研磨材の回収を
行うことができる研磨材の回収装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨材の回収装
置は、研磨工程排水から研磨材を回収する装置におい
て、該研磨工程排水を濃縮処理する濃縮手段と、該濃縮
手段の前段又は後段に設けられた超音波照射手段とを備
えてなることを特徴とする。

【００１０】本発明の研磨材の回収装置では、凝集によ
り粗大化した粒子を超音波を照射することにより再分散
させることができ、これにより効率的な洗浄を行えると
共に、回収された研磨材の再分散処理も容易となる。

【００１１】本発明の研磨材の回収装置において、濃縮
手段としては遠心分離手段が好適である。また、遠心分
離手段で濃縮された研磨材含有液中の研磨材を洗浄する
ための洗浄手段を備えていることが好ましい。

【００１２】本発明の研磨材の回収装置においては、研
磨工程排水から粗大不純物を除去するための膜分離手段
を、遠心分離手段等の濃縮手段の前段又は後段に設ける
のが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１４】図１（ａ），（ｂ）は本発明の研磨材の回
収装置の実施の形態を示す系統図である。

【００１５】図１（ａ）の研磨材の回収装置では、ＣＭ
Ｐの研磨工程から排出された研磨材を含む研磨工程排水
を、予め、ＭＦ（精密濾過）膜又はＵＦ（限外濾過）膜
分離装置１に導入して全量を膜濾過することにより、研
磨工程で発生する研磨パット屑などの、研磨材粒子に比
べて粒径の大きな不純物を除去することが望ましい。

【００１６】この膜分離装置１のＭＦ膜又はＵＦ膜とし
ては、このような大粒径の不純物が除去できればよく、
一般的には孔径１０〜１００μｍ程度のものが用いられ
る。ＭＦ膜材質としては、ポリプロピレン、ポリカーボ
ネート、三酢化セルロース、ポリアミド、ポリ塩化ビニ
ル、ポリフッ化ビニリデン等が用いられる。また、ＵＦ
膜材質としては、ポリサルフォン、セルロース、酢酸セ
ルロース、ポリエチレンなどが例示される。特に、これ
らのいずれかの単繊維をワインドしたワインドタイプの
濾過エレメントを有するＭＦ膜やＵＦ膜を用いるのが好
ましい。

【００１７】この膜濾過条件としては、基本的には全量
濾過方式とする。運転に際しては入口と出口の差圧が１
ｋｇｆ／ｃｍ²以上になったら逆洗をかけるか、又は膜
の交換を行うのが好ましい。

【００１８】この膜分離装置１の透過液は次いで超音波
照射手段２に供給し、超音波を照射する。

【００１９】この超音波照射手段としては特に制限はな
く、貯槽内に振動子を浸漬したもの、貯槽外に振動子を
取り付けたもの、或いは研磨工程排水の導入配管の外周
に振動子を取り付けたもの等を用いることができる。ま
た、照射する超音波の周波数は２０〜５０ｋＨｚ程度で
あることが好ましく、照射時間は凝集粒子の再分散効果
が十分に得られる程度に適宜決定される。

【００２０】このような超音波照射により凝集粒子は分
散化（再分散）し、また、以後の処理において研磨材粒
子の再凝集が防止される。この分散化により凝集粒子中
に取り込まれていた微小な不純物は水中に分散状態とな
る。

【００２１】超音波照射手段２で凝集粒子の分散処理を
行った液は、次いで、遠心分離機３に送給し、水を遠心
分離して濃縮する。この遠心分離機３としては、遠心力
を利用した一般的な分離手段、例えば、分離板式デカン
タ、サイクロン、回転円筒式等の各種の遠心分離手段を
用いることができる。この遠心分離機３による濃縮の程
度には特に制限はないが、通常の場合、濃縮液中のスラ
リー（ＳＳ）濃度が５〜５０重量％程度となるような濃
縮条件とするのが好ましい。

【００２２】この濃縮により上述の分散状態の不純物
は、分離した水側に移行し研磨材を含む濃縮液側から除
去される。また濃縮により水量（濃縮水量）は濃縮度に
応じて減容化されるので、以後の洗浄が効率的に行える
ことになる。

【００２３】この遠心分離機３で分離した水（分離液）
は系外へ排出して廃水処理する。また、濃縮液は洗浄槽
４に送給し、この洗浄槽４で洗浄水を添加しながら攪拌
することにより洗浄する。なお、洗浄水は、遠心分離機
３に導入される研磨材含有水又は遠心分離機３で濃縮さ
れた濃縮液に添加しても良い。

【００２４】洗浄槽４で洗浄処理された研磨材含有液
（以下、「洗浄スラリ」と称す場合がある。）は、次い
で遠心分離機５で濃縮処理される。このように洗浄槽４
で洗浄水により希釈されて攪拌され、次いで、遠心分離
機で濃縮されることにより、塩類や有機物、微小な研磨
屑などの不純物が除去される。

【００２５】この洗浄に用いる洗浄水の量が少なすぎる
と十分な洗浄効果が得られず、逆に過度に多いと使用水
量が増大して回収処理コストが増大するため、通常の場
合、濃縮液に対して１〜１０容量倍の洗浄水を用いるの
が好ましい。

【００２６】洗浄槽４からの洗浄スラリを遠心分離機５
に送給して濃縮する過程で生じる洗浄排水は、系外へ排
出して廃水処理される。

【００２７】このように膜濾過、遠心分離及び洗浄を行
うことにより、研磨材粒子よりも粒径の大きい不純物や
塩類、有機物等の溶解成分或いは微細な研磨屑等の不純
物が除去された研磨粒子のスラリ（以下「回収スラリ」
と称す場合がある。）を得ることができる。

【００２８】図１（ａ）の実施の形態では、この回収ス
ラリを更に分級器６で粒度調整し、なお残留する研磨屑
などの微粒子や大粒子を除去して粒径をより均一なもの
とし、その後、調整槽７で超純水と必要に応じて水酸化
カリウム、アンモニア、塩酸、硫酸等のｐＨ調整剤、そ
の他の薬剤を添加して新スラリと同等の研磨粒子濃度、
更には、新スラリと同等の液性状に調整して再生スラリ
を得る。

【００２９】遠心分離機５としては、遠心分離機３と同
様の分離板式デカンタ、サイクロン、回転円筒式などの
遠心分離手段を用いることができる。

【００３０】なお、このような遠心分離機５の代わり
に、膜分離手段等の固液分離手段（濃縮手段）を用いて
も良い。ここで用いられる膜としては一般的には孔径
０．０５〜１μｍのＭＦ膜やＵＦ膜を用いることがで
き、このＭＦ膜材質としてはポリカーボネート、三酢化
セルロース、ポリアミド、ポリ塩化ビニルなどが例示さ
れる。また、ＵＦ膜材質としてはポリサルフォン、セル
ロース、酢酸セルロース、ポリエチレンなどが例示され
る。

【００３１】粒度調整用の上記分級器６としては、重力
式、機械式、水力式等の各種のものを用いることができ
る。

【００３２】図１（ｂ）に示す研磨材の回収装置は、図
１（ａ）の研磨材の回収装置において、超音波照射手段
を遠心分離機５の後段に配置した点が異なり、その他は
同様の構成とされている。この研磨材の回収装置であっ
ても、図１（ａ）の研磨材の回収装置と同様に良好な洗
浄、濃縮効果と凝集粒子の分散効果を得ることができ
る。

【００３３】なお、図１（ａ）、（ｂ）に示す研磨材の
回収装置は、本発明の実施の形態の一例であって、本発
明はその要旨を超えない限り図示の実施例に限定される
ものではない。例えば、図１（ａ），（ｂ）の研磨材の
回収装置において、洗浄水を洗浄槽に添加し、洗浄槽４
で洗浄処理された洗浄スラリの一部を遠心分離機３に循
環させ、遠心分離機５を省略しても良い。

【００３４】このように洗浄水を添加しながら攪拌洗浄
し、洗浄スラリの一部を循環して遠心分離することによ
り、洗浄と、不純物の系外への排出と濃縮を効率的に行
うことができるため、図１（ａ）、（ｂ）に示す洗浄槽
４の後段の遠心分離機５を省略することができる。ただ
し、この場合においても、洗浄槽４の後段に遠心分離機
を設けても良い。

【００３５】洗浄水の循環を行う場合、洗浄槽４からの
洗浄スラリの分級器６への導入は連続的でも間欠的でも
良い。また、研磨工程排水の遠心分離機３への導入も連
続的でも間欠的でも良い。また、洗浄水は、洗浄槽４へ
の濃縮液の導入配管に添加しても良い。

【００３６】また、このように循環を行う場合におい
て、洗浄槽４を省略して遠心分離機３の入口側で洗浄水
を添加し、遠心分離機３の濃縮液（以下「濃縮スラリ」
と称す。）の一部を遠心分離機３の入口側に循環させて
も良い。

【００３７】このように洗浄水を添加しながら濃縮スラ
リの一部を循環することにより、研磨材の洗浄を遠心分
離機３内での遠心分離による濃縮と同様に行うことがで
き、洗浄槽を省略することができる。

【００３８】この場合において、濃縮スラリの循環は、
遠心分離機３からの濃縮スラリの排出配管から分岐する
循環配管により、直接循環するようにしても良く、ま
た、遠心分離機３と分級器６との間に貯留槽を設け、こ
の貯留槽からの濃縮スラリを循環するようにして良い。

【００３９】この場合においても、分級器６への濃縮ス
ラリの導入は連続的でも間欠的でも良い。この分級器６
への濃縮スラリの導入は遠心分離機３の濃縮スラリの排
出形態（間欠排出か連続排出か）に依存するが、遠心分
離機３と分級器６との間に貯留槽を設けた場合には、分
級器６への濃縮スラリの導入は、遠心分離機３の排出形
態には依存しない運転が可能である。また、研磨工程排
水の遠心分離機３への導入も連続的であっても間欠的で
あっても良い。また、膜分離装置１は洗浄槽４の後段に
設けても良い。

【００４０】ところで、洗浄水により研磨材粒子の洗浄
を行うと、研磨材粒子の表面に付着している分散剤が洗
浄除去されて、これにより粒子の凝集粗大化が促進され
る場合がある。

【００４１】このような粒子の凝集粗大化をより一層確
実に防止するために、本発明では、洗浄水として分散剤
水溶液を用いるのが好ましい。

【００４２】この場合、用いられる分散剤としては、研
磨材の分散剤として一般的に使用されるもので良く、例
えば、以下に示すような金属イオン類を含まない分散剤
が挙げられる。

【００４３】アクリル酸重合体及びそのアンモニウム
塩、メタクリル酸重合体及びそのアンモニウム塩、ポリ
ビニルアルコール等の水溶性有機高分子類。ラウリル硫
酸アンモニウム、ポリオキシエチレンラウリルエーテル
硫酸アンモニウム等の水溶性陰イオン性界面活性剤。ポ
リオキシエチレンラウリルエーテル、ポリエチレングリ
コールモノステアレート等の水溶性非イオン性界面活性
剤。モノエタノールアミン、ジエタノールアミン等の水
溶性アミン類。

【００４４】洗浄水として分散剤水溶液を用いる場合に
は、薬剤貯槽（図示せず）で超純水に分散剤を添加して
所定濃度に調整したものを添加すれば良く、この分散剤
水溶液中の分散剤の濃度には特に制限はないが、通常の
場合、１０〜１００００ｐｐｍ、例えば１０００〜１０
０００ｐｐｍの範囲で洗浄温度や回収スラリに要求され
る分散剤濃度等に応じて適宜決定される。

【００４５】洗浄に当り、洗浄水としてこのような分散
剤水溶液を用いることにより、洗浄中における分散剤濃
度の低下や研磨材粒子表面の剥離の問題を解消し、従っ
て、再分散の手間や、洗浄工程での煩雑な管理を不要と
して、より一層分散性に優れた回収スラリを得ることが
できる。

【００４６】本発明においては、このような研磨材の回
収装置により、好ましくは、酸化セリウム等の研磨材濃
度が１〜３０重量％、研磨材粒子の粒子径範囲が０．１
１〜０．５μｍで、分散剤濃度が研磨材１００重量部に
対して０．０１〜１０重量部であるような再生スラリを
得る。この再生スラリ中の研磨材濃度に特に制限はない
が、再生スラリの取り扱い性の面から１〜３０重量％の
範囲とするのが好ましい。また、分散剤濃度は、再生ス
ラリ中の研磨材粒子の分散性及び沈降防止性等の面か
ら、上記範囲とするのが好ましい。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の研磨材の回
収装置によれば、研磨材粒子の凝集又は研磨材粒子と研
磨屑との凝集により生じた粗大粒子を超音波の照射によ
り簡易な設備で効果的に再分散させることができる。こ
のため、著しく良好な洗浄効果を得ることができ、不純
物の少ない研磨材粒子が得られ、また回収スラリの研磨
材粒子の再分散処理を容易にすることができる。従っ
て、本発明によれば、研磨材の再利用に要する時間、工
程等を大幅に簡素化ないし省略すると共に、回収効率を
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨材の回収装置の実施の形態を示す
系統図である。

【符号の説明】

１ 膜分離装置 ２ 超音波照射手段 ３，５ 遠心分離機 ４ 洗浄槽 ６ 分級器 ７ 調整槽

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月８日（１９９９．１１．
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨工程排水から研磨材を回収する装置
   において、 該研磨工程排水を濃縮処理する濃縮手段と、 該濃縮手段の前段又は後段に設けられた超音波照射手段
   とを備えてなることを特徴とする研磨材の回収装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記濃縮手段は遠心
   分離手段であることを特徴とする研磨材の回収装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、該遠心分離手段で濃
   縮された研磨材含有液中の研磨材を洗浄する手段を備え
   たことを特徴とする研磨材の回収装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項におい
   て、研磨工程排水から粗大不純物を除去するための膜分
   離手段を備えてなることを特徴とする研磨材の回収装
   置。