JP2010274389A - スラリーの回収方法及び回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】有用な使用済みのスラリーを、洗浄水との粘性の違い、使用量の違いを利用して、簡便な装置を用いて、高い濃度及び回収率で回収できるようにしたスラリー回収方法及び回収装置を提供すること。
【解決手段】スラリーによる研磨工程と洗浄水による洗浄工程とを所定のタイミングで繰り返し行う研磨装置で使用したスラリーを回収する方法において、研磨装置のスラリーと洗浄水の共通の排出口に、内壁を伝って流下するスラリーを捕捉するスラリー捕捉ポケットを設けたスラリー排液回収管を取り付け、スラリー排液回収管の内壁を伝って流下するスラリーをスラリー捕捉ポケットを介して回収する。洗浄水を含む排液はスラリー排液回収管の全体を用いて回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スラリーの回収方法及び回収装置に関する。

半導体の製造プロセスにおける化学機械研磨（ＣＭＰ）では、半導体ウエハを、研磨装置を用いて研磨パッドに押圧しつつ回転させ、これと同時に、半導体ウエハと研磨パッドとの間へ研磨材であるスラリーを供給して研磨が行われる。

ＣＭＰによれば、スラリー中の化学成分、砥粒（例えばアルミナ粒子やシリカ粒子）により化学的作用に加え、半導体ウエハと研磨パッドの摺接による相乗的な研磨作用を達成できる。

上記のＣＭＰを行うには、例えば、図１３に模式的に示した研磨装置１が用いられている。研磨装置１は、上面に研磨パッド２を貼着して主回転軸３の周りに回転するプラテン４と、研磨対象物である半導体ウエハ５をプラテン４の主回転軸３に対して偏心した回転軸６の周りに回転させながら研磨パッド２に押圧する研磨ヘッド７とから構成されている。スラリーＳは、プラテン４の上方に配置したスラリー供給ノズル８からプラテン４上の研磨パッド２の上に流下される。

スラリー供給ノズル８は、切り替え弁９を介して、スラリー供給配管１０と洗浄水（超純水）配管１１とに接続されており、所定時間スラリーによる研磨が行われた後に、この切り替え弁９が切り替えられて、大量の洗浄水がスラリー供給ノズル８からプラテン４上に放出され、洗浄水を流しながらリンス及びパッドコンディショニングが行われる。ここで使用されたスラリーと洗浄水は、すべて共通排液排出管１２を経て排液タンクに回収される。このような大量の洗浄水が混じって希釈されたスラリーは、再利用が困難なため、廃棄されている。

従来、このようなスラリーを含む排液から砥粒のような有用成分を回収する提案がなされており、さらに、研磨工程で用いたスラリーと洗浄工程で用いた洗浄水を分離して回収し、再生対象のスラリー濃度を高くする提案もなされているが（例えば特許文献１）、それでも研磨工程におけるスラリーは、洗浄水の量と比べると非常に少量なため、回収されるスラリーは濃度が低く、複雑な濃縮工程や成分調整工程が必要になる、という問題があった。

特開平１１−０１０５４０号公報

本発明は、かかる従来の課題を解決するもので、有用な使用済みのスラリーを、洗浄水との粘性の違い、使用量の違いを利用して、簡便な装置を用いて、高い濃度及び回収率で回収できるようにしたスラリー回収方法及び回収装置を提供することを目的とする。

すなわち、本願発明のスラリーの回収方法は、スラリーによる研磨工程と洗浄水による洗浄工程とを所定のタイミングで繰り返し行う研磨装置で使用した前記スラリーを回収する方法において、前記研磨装置の前記スラリーと前記洗浄水とを共通に受ける排出口に、内壁を伝って流下するスラリーを捕捉するスラリー捕捉ポケットを設けたスラリー排液回収管を取り付ける工程と、前記スラリー排液回収管の内壁を伝って流下するスラリーを前記スラリー捕捉ポケットを介して回収するスラリー回収工程と、前記スラリー排液回収管から排出される洗浄水を含む排液を回収する排液回収工程と、を有することを特徴とする。

スラリー回収工程から排液回収工程への切り替えは、スラリー捕捉ポケットに回収されたスラリーの導電率を測定してスラリーの導電率が基準値より下回ったときに、行われる。これは、通常のスラリー原液の導電率は、約200mS/mを示す。洗浄水は、超純水であるため、研磨工程が終了して洗浄工程に入りスラリーに洗浄水が混入すると、スラリーの導電率は急激に低下することを利用したものである。

導電率の低下を検知したときに、それ以後回収されるスラリーを排液タンクに収容するようにすれば、元のスラリーにより近い組成のスラリーを回収することができる。

また、本願発明のスラリー回収装置は、スラリーによる研磨工程と洗浄水による洗浄工程とを所定のタイミングで繰り返し行う研磨装置におけるスラリー回収装置において、前記研磨装置の排出口から下方に垂設された前記研磨工程で使用されたスラリーが内壁のみを伝って流下するに十分な内径のスラリー排液回収管と、前記スラリー排液回収管の内壁を伝って流下するスラリーを捕捉するスラリー捕捉ポケットと、前記スラリー捕捉ポケットの底部に吸入口を開口させたスラリー吸引管と、を有することを特徴とする。

本願発明のスラリー回収装置は、研磨装置の排液排出管が1個のものでも、複数個設けたものでも、いずれも適用可能である。

スラリー捕捉ポケットは、外周壁を、前記スラリー排液回収管の内壁に密接させて環状に配置された、例えば、断面Ｕ字状、断面の底部が円弧をなすＶ字状等の樋部材で構成される。

図１〜図３は、このようなスラリー捕捉ポケット１５の一例を示したもので、スラリー捕捉ポケット１５は、研磨装置の底板の周囲に飛び散ったスラリーや洗浄水を集めて排出する排液排出管１3にスラリー排液回収管１６が挿入された構造となっている。スラリー捕捉ポケット１５は、全体として円筒状をなし、下部が内側に回りこんで断面U字状の樋部１７を構成されている。樋部１７の底部にはポンプにより吸引されるスラリー吸引管１８が取り付けられている。

スラリー吸引管１８は、吸引ポンプに接続されてポンプの吸引力によりスラリー捕捉ポケット１５に回収されたスラリーを吸引しスラリー回収タンクに回収する。

吸引ポンプは、スラリーがスラリー吸収管１８内やスラリー捕捉ポケット１５の樋部１７、１９内で固まるのを防ぐため、研磨工程、洗浄工程、を通じて常時駆動される。このように上部にスラリー吸引管を用いる場合は、樋部の断面は円弧状であってもよい。

スラリー吸引管１８は、吸引ポンプの下流で、切替バルブを介してスラリー回収タンク側と洗浄排液回収タンク側に分岐されている。この切替バルブの制御のため、切替バルブの上流側にはスラリー濃度を測定するスラリー濃度検出器、例えば導電率計が配設され、導電率計の測定値が所定の設定値以上のときに、切替バルブはスラリー回収タンク側に切り替えられるようになっている。

これによって、スラリーに続いて洗浄排液が切替バルブにくる前に、切替バルブは、スラリー回収タンク側から洗浄排液回収タンク側に切り替えられてスラリー回収タンクに洗浄水が混入することが防がれる。

研磨装置の研磨工程で使用されるスラリーは、特開平１０−２６５７６６号公報、特開平１１−１１６９４８号公報に開示されたようなもので、具体的には、例えば、０．０２μｍ以上の粒度分布（メジアン径）体積基準が約０．１５μｍの煙霧質シリカ微粒子と、過酸化水素のような酸化剤、硝酸第二鉄、有機酸、アミノ酸等の成分を水に分散又は溶解させたものである。

なお、スラリー排液回収管の流入口には、半導体ウエハの割れた破損物やスラリーの凝集物等の異物の侵入を防ぐメッシュ部材を配設することが望ましい。

また、メッシュ部材の閉塞を検出するために、例えばスラリー吸引管から回収タンクの間に設けた流量計によりスラリー排液の流量を測定し、前記流量計の出力が所定の設定値より低くなったとき警報を発する警報装置及び／又は前記ポンプの運転を停止する制御装置とを備えることが望ましい。

スラリー吸引管が、メッシュ部材を通過した異物等で閉塞した場合は、流量計が流量減少を検出して警報やポンプの停止により監視員に知らせることができる。

なお、スラリー回収タンクに回収された使用済みスラリーは、成分調整されて再使用され、洗浄排液回収タンク側に送られた排液は、排液タンクに収容されて必要な処理が施された後廃棄される。

本発明の一実施形態の要部を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態の要部を示す斜視図である。 図２のIII−III線に沿う断面図である。 本発明の他の実施形態の要部を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す図である。 図５の要部を拡大して示す断面図である。 図６のスラリー捕捉ポケットの斜視図である。 図６のスラリー捕捉ポケットの他の方向から示した斜視図である。 図６のスラリー捕捉ポケットを一部断面で示す斜視図である。 図６のスラリー捕捉ポケットの平面図である。 図６のスラリー捕捉ポケットの側面図である。 本発明の一実施形態のフロー図である。 従来の研磨装置を概略的に示す断面図である。

図5は、本願発明を用いた研磨システムの全体を示したもので、符号１０１は、図示を省略した２台の研磨部を備えた研磨装置であり、それぞれの研磨装置は、それぞれ独立した排液排出管を備えている。

排出口１０２には、図６に拡大して示す排液排出管１０３が垂直に接続されており、その排液流入口には、スラリー吸引管１０４の接続されたスラリー捕捉ポケット１０５が、排液排出管１０３の内壁に密接して挿入されている。

スラリー捕捉ポケット１０５は、塩化ビニル樹脂の成形品であり、図６〜１１に示す形状をなしている。

これらの図において、符号１０５ａは、排液排出管とスラリー補足ポケットを備えたスラリー排液回収管をシールするゴムリングの係止部、１０５ｂは樋部、１０５ｃは吸引管１０４の螺入部、１０５ｄは洗浄水で希釈された排液の通過部である。

図５に示した実施例形態では、排液排出管１０３（鎖線で示す。）の出口側は集合排水管１０６に接続されている。スラリー吸引管１０４（実線で示す。）は、常時、吸引ポンプＰ−１，Ｐ−２により吸引されており、切り替え弁ＡＶ−１０１，ＡＶ−１０２，ＡＶ−２０１，ＡＶ−２０２を介して２０Ｌのスラリー回収タンク１０７，１０８と集合排水管１０６に接続されている。

吸引ポンプＰ−１，Ｐ−２の入り口側には、導電率計ＣＴ−１，ＣＴ−２が配設され、出口側には、フローセンサＦＳ−１，ＦＳ−２が配設されている。符号１０９は制御盤である。

この研磨装置は、図１２のフローに従って運転される。

すなわち、運転開始時には、切り替え弁ＡＶ−１０１，ＡＶ−２０１は常時開、切り替え弁ＡＶ−１０２，ＡＶ−２０２は常時閉とされている。

まず、吸引ポンプＰ−１，Ｐ−２が駆動される一方、研磨装置が別の制御系により駆動される。

研磨装置では、例えば200ｍｌ／ｍｉｎのスラリー供給量で４５秒間のＣＭＰ、８０００ｍｌ／ｍｉｎの流量で洗浄水（超純水）を供給しながらのリンス、続いて８０００ｍｌ／ｍｉｎの流量で洗浄水（超純水）を供給しながらのパッドコンディショニングのサイクルが繰り返される。

まず、研磨装置は、ＣＭＰ工程に先立って、スラリー供給信号を制御装置（制御盤１０９）に送り、次いでパッドへのスラリーの供給を開始する。ＣＭＰ工程で供給されるスラリーは、半導体ウエハとパッド間に供給されて研磨に用いられた後、遠心力によりプラテンの縁に送られ、排液排出管に集められ．排液排出管に入ったスラリーは、その粘性によりスラリー排液回収管の内壁を伝わってスラリー捕捉ポケット１０５に入り、スラリー吸引管に吸引される。

フローセンサＦＳ−１，ＦＳ−２がこのスラリーの流れを検出し、導電率計ＣＴ−１，ＣＴ−２が所定の導電率であることを検出し、さらに研磨装置からのスラリー供給信号が受信されていると、切り替え弁はＡＶ−１０２，ＡＶ−２０２が開、ＡＶ−１０１，ＡＶ−２０１が閉となり、スラリーはスラリー回収タンクに回収される。

研磨装置の研磨工程が終了し、大量の洗浄水が排液受けに排出されると、スラリー捕捉ポケットのスラリーは洗浄水により希釈され、導電率計ＣＴ−１，ＣＴ−２で測定される導電率が急激に低くなる。導電率が基準値以下になると、切り替え弁は元のＡＶ−１０１，ＡＶ−２０１が常時開、ＡＶ−１０２，ＡＶ−２０２が常時閉の状態に戻り、このため、スラリー吸引管からのスラリーは、集合配水管に放出されてスラリー回収タンク内のスラリー濃度は所定の範囲に維持される。

（実施例）
図５に示したシステムを用いて、シリコンウエハ上に成膜されたタングステン膜を化学機械研磨する工程（以下W-CMP）に本実施形態を適用した例について説明する。

実施例の研磨サイクルは表１に示すとおりである。

使用した吸引ポンプは、日東工器製の小型バイモルポンプ（最大流量500ml/min）が使用できる。

この実施例において回収されたスラリーの回収率は、計算値で６０％以上であった。また、希釈倍率は、パッドや装置の残留水を含んだもので原液の２〜５倍程度である。

なお、比較のために、スラリー捕捉ポケットを使用しないで、既存の排液配管に回収と廃棄をバルブで振り分ける方法により、表１の条件でスラリーと洗浄液の分離を行なったが、原液の２〜５倍希釈までの使用済みスラリーの回収は不可能であった。

比較例は、研磨時間が４５秒と短いため、濃度の高いスラリーだけを回収することは難しく３００ｃｍ先の切替バルブへスラリーが到着するまでに洗浄水が混入する。

すなわち、比較例では、研磨時間の４５秒が経過して、洗浄水が混入すると流速が２８ｃｍ／秒まで上昇する。このため、スラリー排液回収管の約３０ｃｍまでは濃度の高いスラリー排液が運ばれるが残りの２７０ｃｍは、スラリーと洗浄水とが混合しながら運ばれ、その結果希釈倍率が３０倍以上になるものと考えられる。

これに対して、実施例では、スラリー排液回収管のスラリー補足ポケットに希釈されていないスラリー排液が少量溜められ、すぐにポンプで吸引されてスラリー排液回収タンクへ運ばれるため、ＣＭＰ研磨時間の４５秒以内で濃度の高いスラリーを３００ｃｍ先の回収タンクまで運ぶことが可能となる。

１……研磨装置、２……研磨パッド、３……主回転軸、４……プラテン、５……半導体ウエハ、６……回転軸、７……研磨ヘッド７、８……スラリー供給ノズル、９……切替弁、１０……スラリー供給配管、１１……洗浄水配管、１０１……研磨装置、１０２……排出口、１０３……排液排出管、１０４……スラリー吸引管、１０５……スラリー捕捉ポケット、１０５ａ……ゴムリングの係止部、１０５ｂ……樋部、１０５ｄ……排液の通過部、Ｐ−１，Ｐ−２……吸引ポンプ、ＡＶ−１０１，ＡＶ−１０２，ＡＶ−２０１，ＡＶ−２０２……切替弁、１０７，１０８……スラリー回収タンク、１０６……集合排水管、ＣＴ−１，ＣＴ−２……導電率計、ＦＳ−１，ＦＳ−２……フローセンサ、１０９……制御盤。

Claims (9)

1. スラリーによる研磨工程と洗浄水による洗浄工程とを所定のタイミングで繰り返し行う研磨装置で使用した前記スラリーを回収する方法において、
   前記研磨装置の前記スラリーと前記洗浄水とを共通に受ける排液口に、内壁を伝って流下するスラリーを捕捉するスラリー捕捉ポケットを設けたスラリー排液回収管を取り付ける工程と、
   前記スラリー排液回収管の内壁を伝って流下するスラリーを前記スラリー捕捉ポケットを介して回収するスラリー回収工程と、
   前記スラリー排液回収管から排出される洗浄工程で使用した洗浄水を含む排液を回収する排液回収工程と、
   を有することを特徴とするスラリーの回収方法。
2. 前記スラリー回収工程から前記排液回収工程への切り替えは、前記スラリー捕捉ポケットに回収されたスラリーの導電率を測定して前記スラリーの導電率が基準値より下回ったときに、行われることを特徴とする請求項１記載のスラリーの回収方法。
3. スラリーによる研磨工程と洗浄水による洗浄工程とを所定のタイミングで繰り返し行う研磨装置におけるスラリー回収装置において、
   前記研磨装置の排液口から下方に垂設された前記研磨工程で使用されたスラリーが内壁のみを伝って流下するに十分な内径のスラリー排液回収管と、
   前記スラリー排液回収管の内壁を伝って流下するスラリーを捕捉するスラリー捕捉ポケットと、
   前記スラリー捕捉ポケットの底部に吸入口を開口させたスラリー吸引管と、
   を有することを特徴とするスラリー回収装置。
4. 前記スラリー捕捉ポケットは、外周壁を、前記スラリー排液回収管の内壁に密接させて該内壁に固定された環状の樋部材からなることを特徴とする請求項３記載のスラリー回収装置。
5. 前記スラリー捕捉ポケットは、前記スラリー排液回収管の内壁と、前記スラリー排液回収管に間隔を置いて同心状に内挿された筒状部と、前記スラリー排液回収管の内壁と前記筒状部の下部を液密に連結する底部と
   から構成された樋部材からなることを特徴とする請求項３記載のスラリー回収装置。
6. 前記スラリー吸引管は、吸引ポンプに接続されてポンプの吸引力により前記スラリー捕捉ポケットに捕捉されたスラリーを排出することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項記載のスラリー回収装置。
7. 前記スラリー吸引管は、前記吸引ポンプの下流で、切替バルブを介して分岐されるとともに、前記切替バルブの上流側に設けたスラリー濃度を測定するスラリー濃度検出器と、該スラリー濃度検出器の出力信号によって、前記切替バルブを切り替える制御手段と、を備えることを特徴とする請求項６記載のスラリー回収装置。
8. 前記スラリー吸引管は、流量計と、前記流量計の出力信号が所定の値より低くなったとき、警報を発する警報装置及び／又は前記ポンプの運転を停止する制御装置とを備えることを特徴とする請求項６又は７記載のスラリー回収装置。
9. 前記スラリー排液回収管の流入口には、異物の侵入を防ぐメッシュ部材が配設されていることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項記載のスラリー回収装置。

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