JP2001138236A - 研磨材の回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨工程排水からの粗大固形物の除去手段を
改良し、装置のランニングコストを低減すると共に、長
期間安定して研磨材を効率良く回収再利用することがで
きる研磨材の回収装置を提供する。 【解決手段】 研磨工程排水を濃縮処理する遠心分離機
２と、遠心分離機２の前段又は後段に設けられた粗大固
形物を除去するためのサイクロン１とを備えてなる研磨
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
Ｏ_２）や、硬度が高く安定なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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，ＮＨ_４ＯＨ，
有機酸，アミン類）や界面活性剤（分散剤）、酸化剤
（Ｈ_２Ｏ_２，ＫＩＯ_３，Ｆｅ（ＮＯ_３）_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、研磨材を回収する装
置を先に提案した（特願平１１−１８９３４７号等。以
下「先願等」という。）。この装置によれば、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】しかしながら、上記先
願の研磨材の回収装置では、研磨工程排水に含まれるパ
ッド屑等の粗大固形物の除去をＭＦ（精密濾過）膜等の
膜分離装置により行っていることから、粗大固形物や排
水に含まれる界面活性剤の影響により膜の目詰まりが激
しく、膜を頻繁に交換する必要があるため、装置のラン
ニングコストが高騰し、また、長期安定運転に支障をき
たすという不都合が生じていた。

【０００７】本発明は上記先願等における粗大固形物の
除去手段を改良し、装置のランニングコストを低減する
と共に、長期間安定して研磨材を効率良く回収再利用す
る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。

【０００８】

【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遠心分離手段と、該
遠心分離手段の前段又は後段に設けられた、粗大固形物
を除去するためのサイクロンとを備えてなることを特徴
とする。

【０００９】サイクロンであれば、目詰まり等の問題を
引き起こすことなく、従って、膜交換等のメンテナンス
を不要として研磨工程排水中の粗大固形物等を効率的に
除去することができる。従って、装置のランニングコス
トを大幅に低減することができ、また、長期間連続して
安定運転を行うことが可能となる。

【００１０】なお、本発明において、サイクロンは遠心
分離手段の前段に設けても後段に設けても良いが、遠心
分離手段の前段に設け、研磨工程排水の濃縮前に予め粗
大固形物等をサイクロンで除去した方が、濃縮した研磨
材の粒径変化等に及ぼす影響を少なくすることができる
ため、好ましい。

【００１１】請求項２の研磨材の回収装置は、このよう
な研磨材の回収装置において、遠心分離手段で濃縮され
た研磨材含有液又は遠心分離手段の後段に設けられたサ
イクロンから排出された研磨材含有液中の研磨材を洗浄
するための、洗浄水の添加手段を有する洗浄手段と、該
洗浄手段と前記遠心分離手段の研磨工程排出導入側とを
連絡する液循環手段とを備えてなることを特徴とするも
のであり、洗浄手段により分離した研磨材の洗浄を行え
ると共に、この洗浄処理水を遠心分離手段に循環するこ
とにより、洗浄しながら濃縮を行うことができ、著しく
効率的な洗浄を行える。

【００１２】請求項３の研磨材の回収装置は、洗浄水が
分散剤を含むことを特徴とするものであり、分散剤を含
む洗浄水で洗浄を行うため、分散剤濃度の低下、研磨材
粒子表面の分散剤の被覆層の洗浄除去の問題がない。こ
のため、回収された研磨材の再分散のための手間を省略
することができると共に、洗浄工程での条件管理も不要
であり、容易かつ効率的に回収作業を行える。

【００１３】即ち、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、その表面が分
散剤で被覆されている。しかし、回収工程で水洗浄を行
うと、この分散剤の濃度低下が生じ、水洗浄の時間、水
量、頻度等によっては、研磨材表面や近傍に存在する分
散剤が洗浄除去されてしまう場合が生じる。特に、研磨
材表面や、その近傍の分散剤が除去されてしまうと、研
磨材粒子が凝集粗大化してしまい、所定の粒子径に再分
散させるのが困難ないし不可能になることがある。従っ
て、このような不具合を生じないようにするためには、
水洗浄の時間、水量、頻度等の洗浄条件を厳密に管理す
ることが必要となる。

【００１４】請求項３の研磨材の回収装置であれば、こ
の問題が解消され、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のスラリをより一層容易かつ
効率的に回収することが可能となる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１（ａ）〜（ｃ）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。

【００１７】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、まず、サイクロン１に導入して処理することによ
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粗大固形物等の不純物を除去す
る。このサイクロン１の型式等には特に制限はなく、２
液分離型であっても、３液分離型であってもいずれでも
良い。

【００１８】このサイクロン１で分離された粗大固形物
等を含む分離液は系外へ排出し、粗大固形物等を除去し
た研磨材含有液は次いで後述の洗浄スラリと共に濃縮手
段である遠心分離機２に送給し、遠心分離して濃縮す
る。

【００１９】この遠心分離機２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２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。

【００２０】この遠心分離機２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
３に送給し、この洗浄槽３で洗浄水と共に攪拌すること
により洗浄する。

【００２１】この研磨材の回収装置では、洗浄槽３に分
散剤水溶液（分散剤を洗浄水としての超純水に溶解した
もの）を添加し、分散剤水溶液で洗浄を行う。

【００２２】ここで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。

【００２３】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 この分散剤水溶液は、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。

【００２４】洗浄槽３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。）の一部は
遠心分離機２に循環され、遠心分離されることにより、
洗浄と濃縮が同時に行われる。

【００２５】このように洗浄槽３で分散剤水溶液により
希釈されて攪拌され、次いで、遠心分離機２に循環され
て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。この洗浄に当り、洗浄水と
して分散剤水溶液を用いるため、洗浄中における分散剤
濃度の低下や研磨材粒子表面の分散剤の剥離の問題は解
消される。

【００２６】この洗浄に用いる分散剤水溶液の量が少な
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、遠心分離機２からの濃縮液に対して１〜１０
０容量倍の分散剤水溶液を用いるのが好ましい。

【００２７】洗浄槽３からの洗浄スラリを濃縮する過程
で生じる洗浄排水は、遠心分離機２からの分離液として
系外へ排出される。

【００２８】このようにサイクロンでの粗大固形物等の
除去、遠心分離及び洗浄、濃縮を行うことにより、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。

【００２９】図１（ａ）の実施の形態では、この回収ス
ラリを更に分級器４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５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。

【００３０】なお、粒度調整用の分級器４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。

【００３１】図１（ａ）の研磨材の回収装置において、
洗浄槽３からの洗浄スラリの分級器４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
２への導入も連続的でも間欠的でも良い。また、分散剤
水溶液は、洗浄槽３への濃縮液の導入配管に添加しても
良い。

【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、サイクロン１を
遠心分離機２の後段に配置した点（洗浄槽３の洗浄スラ
リは遠心分離機２の導入側に循環）が異なり、その他は
同様の構成とされている。

【００３３】この研磨材の回収装置であっても、遠心分
離による濃縮、サイクロンでの粗大固形物等の除去及び
洗浄、濃縮を行うことにより、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回収スラリを得ることが
でき、この回収スラリを更に分級器４で粒度調整し、そ
の後、調整槽５で濃度及び液性状の調整を行って、新ス
ラリと同等の再生スラリを得ることができる。

【００３４】図１（ｃ）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、洗浄槽３を省略
して遠心分離機２の入口側で分散剤水溶液を添加し、遠
心分離機２の濃縮液（以下「濃縮スラリ」と称す場合が
ある。）の一部を遠心分離機２の入口側に循環させた点
が異なり、その他は同様の構成とされている。

【００３５】このように分散剤水溶液を添加しながら濃
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２内での遠心分離による濃縮と同時に行うこ
とができ、洗浄槽を省略することができる。

【００３６】この研磨材の回収装置において濃縮スラリ
の循環は、図１（ｃ）に示す如く、遠心分離機２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２と分
級器４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。

【００３７】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、分級器４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
４への濃縮スラリの導入は遠心分離機２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２と分級器４との間に貯留槽を設けた場合には、
分級器４への濃縮スラリの導入は、図１（ａ）の場合と
同様、遠心分離機２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２への導入
も連続的であっても間欠的であっても良い。

【００３８】この研磨材の回収装置であっても、サイク
ロンで粗大固形物等を除去した後、分散剤水溶液を添加
しながら濃縮スラリを循環して洗浄及び濃縮を行うた
め、不純物の系外への排出と濃縮が効率良く行える。

【００３９】なお、図１（ａ）〜（ｃ）の研磨材の回収
装置は本発明の研磨材の回収装置の実施の形態を示すも
のであって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図
示のものに限定されるものではない。

【００４０】例えば、分級器４は必ずしも必要とされ
ず、省略しても良い。また、洗浄槽３の後段に分離板式
デカンタ、サイクロン、回転円筒式などの遠心分離手段
を設けて更に濃縮を行っても良く、また、この遠心分離
手段の代わりに、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（限外濾
過）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。

【００４１】また、図１（ｃ）の研磨材の回収装置にお
いて、サイクロン１は遠心分離機２の後段に設けても良
く、遠心分離機２と分級器４との間に貯留槽を設けた場
合には、貯留槽の後段に設けても良い。

【００４２】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、研磨材濃度が１〜３０重量
％、研磨材粒子の粒子径範囲が０．１〜０．５μｍで、
分散剤濃度が研磨材１００重量部に対して０．０１〜１
０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。

【００４３】

【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、研磨工程排水中の粗大固形物等をサイ
クロンで除去することにより、装置のランニングコスト
を大幅に低減することができ、また、長期間連続して安
定運転ができるため、研磨工程排水から研磨材を低コス
トで効率的に回収して再利用することが可能となる。

【００４４】請求項２の研磨材の回収装置によれば、洗
浄手段を備えるため、分離した研磨材の洗浄を行えると
共に、この洗浄処理水を遠心分離手段に循環することに
より、洗浄しながら濃縮を行うことができ、著しく効率
的な洗浄を行える。

【００４５】また、請求項３の研磨材の回収装置によれ
ば、分散剤を含む洗浄水により研磨材粒子の洗浄を行う
ことから、スラリ中の分散剤濃度の低下、研磨材粒子の
表面を覆っている分散剤の剥離の問題がない。このた
め、回収スラリの研磨材粒子の再分散処理を省略するこ
とができ、また、洗浄工程における煩雑な条件管理が不
要となる。従って、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 サイクロン ２ 遠心分離機 ３ 洗浄槽 ４ 分級器 ５ 調整槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C047 GG14 GG17 4D037 AA13 AA14 AB02 AB06 AB09 AB10 AB11 BA28 BB01 CA03 CA06 CA14

Claims (3)

【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遠心分離手段と、 該遠心分離手段の前段又は後段に設けられた、粗大固形
   物を除去するためのサイクロン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、該遠心分離手段で濃
   縮された研磨材含有液又は遠心分離手段の後段に設けら
   れたサイクロンから排出された研磨材含有液中の研磨材
   を洗浄するための、洗浄水の添加手段を有する洗浄手段
   と、該洗浄手段と前記遠心分離手段の研磨工程排水導入
   側とを連絡する液循環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。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記洗浄水は分散剤
   を含むことを特徴とする研磨材の回収装置。