JP2001198826A

JP2001198826A - 研磨材の回収装置

Info

Publication number: JP2001198826A
Application number: JP2000003790A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsumoto; 章松本; Makoto Nomura; 誠埜村
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2001-07-24

Abstract

(57)【要約】【課題】粗大凝集物を効率的に除去することにより、
不純物の少ない良好な回収スラリを得る。【解決手段】研磨工程排水を遠心分離機３で濃縮し、
濃縮スラリ中の粗大凝集物を超音波照射手段５で再分散
させた後膜分離装置６，７で除去する研磨材の回収装
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
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）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。）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先願の方法及び装置に
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できるが、遠
心分離機を固液分離手段として用いた場合、４０００Ｇ
以上の遠心力が作用するため、濃縮されたスラリ中の研
磨材粒子は圧密化されて凝集粗大化する。このように凝
集粗大化した粒子を含むスラリを回収スラリとしてＣＭ
Ｐ工程に再利用すると、この粗大粒子が接触してウエハ
表面を傷つけることになる。

【０００７】このような問題を解決するために、粒子の
粗大化を未然に防止するために、遠心分離機の後段に膜
分離装置を設けて粗大凝集物を除去することも考えられ
るが、膜分離装置をこの粗大凝集物の除去のために遠心
分離機の後段に設けると、膜の目詰まりが激しく、膜を
頻繁に交換する必要が生じ、ランニングコストが高騰す
ると共に、長期安定運転に支障をきたすという不具合が
生じる。

【０００８】本発明は、このような粗大凝集物を効率的
に除去することにより、不純物の少ない良好な回収スラ
リを得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。

【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、該研磨工程排水に超音波を照射する超音波照射手段
と、該超音波照射手段により超音波が照射された液を膜
分離処理する膜分離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、粗大凝集
物を膜分離手段で除去するに先立ち、超音波を照射する
ことによりこれを再分散させるため、膜分離手段の膜の
目詰まりを防止して粗大凝集物を効率的に除去すること
ができる。

【００１１】このように膜分離手段の膜の目詰まりが防
止されることから、膜の交換頻度を低減することがで
き、ランニングコストを大幅に低減して、長期に亘り、
安定して不純物の少ない研磨材粒子を効率的に回収する
ことが可能とされる。

【００１２】本発明においては、研磨工程排水は、まず
固液分離手段に導入し、この固液分離手段の濃縮液を超
音波照射手段に導入して処理することが好ましい。この
場合、固液分離手段としては遠心分離手段又は膜分離手
段が好適である。また、この固液分離手段の前段に粗大
不純物を除去するための膜分離手段を設けることが好ま
しい。

【００１３】また、超音波照射手段で超音波が照射され
た液は、後段の膜分離手段ほど膜孔径が小さくなるよう
に直列に多段に設けられた複数の膜分離手段で膜分離す
ることが好ましい。

【００１４】

【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。

【００１５】図１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。

【００１６】図１の研磨材の回収装置では、ＣＭＰ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、貯
留槽１を経て、まず、ＭＦ（精密濾過）膜分離装置２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。

【００１７】この不純物の除去に用いる膜分離装置は、
ＭＦ膜分離装置に限らず、ＵＦ（限外濾過）膜分離装置
でも良く、用いる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
２５〜３０μｍ程度のものが好適である。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。

【００１８】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／ｃｍ^２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。

【００１９】なお、この粗大不純物除去のための膜分離
装置は、次の遠心分離機３の後段に設けても良い。

【００２０】ＭＦ膜分離装置２の透過液は次いで遠心分
離機３等の固液分離手段に導入されて濃縮される。この
固液分離手段としては、ＭＦ膜分離装置２で粗大不純物
が除去された研磨工程排水を濃縮できるものであれば良
く、遠心分離機３の他、適当な分画分子量又は孔径を選
定することにより、ＭＦ又はＵＦ膜分離装置を用いるこ
ともできる。

【００２１】図１の研磨材の回収装置では、固液分離手
段として遠心分離機３を用いて濃縮を行う。なお、この
遠心分離機３には、後段の洗浄槽４の洗浄処理液が循環
される。

【００２２】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（Ｓ
Ｓ）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。

【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で洗浄水と共に攪拌すること
により洗浄する。

【００２４】この研磨材の回収装置では、洗浄槽４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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。）の一部は
遠心分離機３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。

【００２８】このように洗浄槽４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３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。そして、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。

【００２９】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。

【００３０】これに対して、分散剤を含む洗浄水であれ
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。

【００３１】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。

【００３２】洗浄槽４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３からの分離液として
系外へ排出される。

【００３３】このようにＭＦ膜分離装置２での粗大固形
物の膜分離、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を得ることができるが、このスラ
リには、なお更に洗浄、濃縮工程での研磨材粒子の再凝
集で粗大化した粗大凝集物が含有されている。

【００３４】図1の研磨材の回収装置では、この粗大凝
集物を含むスラリを超音波照射手段５に送給し、超音波
を照射して粗大凝集物の再分散を行う。

【００３５】この超音波照射手段５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、或いはスラリ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２０〜１００ｋＨｚ、特に４
０〜６０ｋＨｚ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。

【００３６】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。

【００３７】超音波照射手段５で凝集粒子の分散処理を
行った液は、次いで、膜分離装置でなお更に残留する粗
大粒子を膜分離除去する。

【００３８】図１の研磨材の回収装置では、この膜分離
装置として２機のＭＦ膜分離装置６，７を直列に設置し
て２段膜分離処理を行う。このように膜分離装置を多段
に設け、後段の膜分離装置程、膜孔径の小さいものを用
いるようにすることにより、膜の目詰まりをより一層効
果的に防止して効率的な処理を行うことが可能となる。

【００３９】この場合、ＭＦ膜の孔径は１〜１０μｍ程
度の範囲で変化させるのが好ましく、例えば、図１に示
す如く、ＭＦ膜分離装置６，７を２段に直列配置した場
合には、前段のＭＦ膜分離装置６の孔径を５〜１０μｍ
程度、後段のＭＦ膜分離装置７の孔径を３〜５μｍ程度
とするのが好ましい。また、膜分離装置を３段に配置す
る場合には、更にＭＦ膜分離装置７の後段に孔径１〜３
μｍ程度のＭＦ膜分離装置を配置するのが好ましい。

【００４０】なお、ＭＦ膜の材質としては、前述のＭＦ
膜分離装置２の膜材質として例示したものを用いること
ができる。

【００４１】ＭＦ膜分離装置６，７で順次残留粗大粒子
を除去した液は、調整槽８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。

【００４２】なお、ＭＦ膜分離装置７と調整槽８との間
には、分級器を設け、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ても良
い。この場合、粒度調整用の分級器としては、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。

【００４３】図１に示す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ものに何ら限定される
ものではない。例えば、分散剤水溶液は、洗浄槽４への
濃縮液の導入配管に添加しても良い。また、洗浄槽４を
省略して遠心分離機３の入口側で分散剤水溶液を添加
し、遠心分離機３の濃縮液の一部を遠心分離機３の入口
側に循環させ、残部を超音波照射手段５に送給するよう
にしても良い。この場合においても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３内での遠心分離による濃縮と同
時に行うことができ、しかも、洗浄槽を省略することが
できる。この場合、濃縮スラリの循環は、遠心分離機３
からの濃縮液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
超音波照射手段５との間に貯留槽を設け、この貯留槽か
らの濃縮液を循環するようにして良い。

【００４４】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。

【００４５】

【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、粗大凝集物を除去するための膜分離手
段の膜の目詰まりを防止することができることから、膜
の交換頻度を低減することができ、ランニングコストを
大幅に低減して、長期に亘り安定して不純物の少ない研
磨材粒子を効率的に回収することができる。

【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貯留槽２，６，７ＭＦ膜分離装置３遠心分離機４洗浄槽５超音波照射手段８調整槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０２Ｆ 9/00 ５０３Ｃ０２Ｆ 9/00 ５０３Ｇ５０４５０４Ｂ５０４ＥＨ０１Ｌ 21/304 ６２２Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【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、該研磨工程排水に超音波を照射する超音波照射手段と、該超音波照射手段により超音波が照射された液を膜分離
処理する膜分離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。
【請求項２】請求項１において、研磨工程排水が導入
される固液分離手段を備え、該固液分離手段からの濃縮
液に対し前記超音波照射手段により超音波を照射するこ
とを特徴とする研磨材の回収装置。
【請求項３】請求項２において、該固液分離手段が遠
心分離手段又は膜分離手段であることを特徴とする研磨
材の回収装置。
【請求項４】請求項２又は３において、該固液分離手
段の前段に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。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項におい
て、該超音波照射手段により超音波が照射された液を膜
分離処理する膜分離手段として、複数の膜分離手段が直
列に多段に設けられており、かつ、後段の膜分離手段ほ
ど膜孔径が小さいことを特徴とする研磨材の回収装置。