JP2017018930A - 気液分離器及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発泡性液体を含む気液混合物を処理する場合であっても、泡の発生を著しく減少させ、排気ダクトへの泡の流入を防止することができる気液分離器を提供する。
【解決手段】気液分離器は、気液混合物が導入される液受けパン１と、液受けパン１の底部１ａから上方に延び、液受けパン１の内部を液体貯留領域２と気体流路３とに仕切る堰と、気体流路に３連通する空間１１が内部に形成された槽１０と、液受けパン１の底部１ａに接続された流入口１５ａを有するドレンチューブ１５とを備える。ドレンチューブ１５の流出口１５ｂは、槽１０の下流側に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、泡を発生し易い液体（発泡性液体）を含む気液混合物を気体と液体に分離する気液分離器、及び該気液分離器を備えた研磨装置に関する。

ＣＭＰ（化学機械研磨）装置として知られる研磨装置は、研磨テーブル上の研磨パッド上にスラリーを供給しながら、ウェーハを研磨パッドに摺接させてウェーハの表面を研磨する。研磨終了後には、純水と不活性ガス（例えば窒素ガス）とからなる二流体噴流を研磨パッド上に供給して、スラリーや研磨屑を研磨パッドから除去する。このように、研磨装置では、スラリーや純水などの液体および気体を含む気液混合物が発生する。周囲の空気がスラリーや純水に混入することによって気液混合物が生じる場合もある。

気液混合物は、ダクトを通じて排出される。しかしながら、気液混合物がダクトを流れると、ダクトが液体で詰まってしまうことがある。そこで、研磨装置には、気液混合物を気体と液体とに分離する気液分離器を備えている。

特開２０１３−１８８６８６号公報 特開２０１４−１２１６８２号公報

気液混合物は、研磨テーブルの周縁部の樋を通じて気液分離器の上部に導かれ、ここで気体と液体とに分離される。分離された液体は、気液分離器内を落下して気液分離器の底部に衝突した後、排液管を通じて研磨装置外へ排出される。分離された気体は、気液分離器に設けられた排気口から排気ダクトを通じて排気される。

スラリーとして、泡を発生し易い発泡性スラリーが使用されることがある。このような発泡性スラリーを使用する場合、気液分離器内で落下する発泡性スラリーが空気を巻き込み、気液分離器内で多量の泡が発生することがある。本来、分離された気体のみが排出されるべき排気ダクトにその泡が気流により吸入され、排気ダクト内で再び液化し、排気ダクトの接合部から液体がリークしてしまうことがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、発泡性液体を含む気液混合物を処理する場合であっても、泡の発生を著しく減少させ、排気ダクトへの泡の流入を防止することができる気液分離器を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような気液分離器を備えた研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、気液混合物を気体と液体とに分離するための気液分離器であって、気液混合物が導入される液受けパンと、前記液受けパンの底部から上方に延び、前記液受けパンの内部を液体貯留領域と気体流路とに仕切る堰と、前記気体流路に連通する空間が内部に形成された槽と、前記液受けパンの底部に接続された流入口を有する導管とを備え、前記導管の流出口は、前記槽の下流側に位置していることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記槽の底部には、排液ダクトが接続されており、前記導管は前記排液ダクト内を延びていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記槽の前記空間内には、下方を向いたスプレーノズルが配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記導管の流入口を覆うストレーナをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、ウェーハを研磨する研磨ユニットと、前記研磨ユニットから排出される気液混合物を気体と液体とに分離するための上記気液分離器とを備えたことを特徴とする研磨装置である。

気液混合物から分離された液体は、液受けパンの液体貯留領域から導管を通って排液口まで直接送られる。液体は壁などに衝突することなく排液口に流れるので、液体からの泡の発生を防止することができる。

本発明に係る気液分離器の一実施形態を示す縦断面図である。 気液分離器への気液混合物の流量が低いときの液体の流れを示す図である。 気液分離器への気液混合物の流量が高いときの液体の流れの初期状態を示す図である。 導管としてのドレンチューブが液体で満たされたときの液体の流れを示す図である。 本発明に係る気液分離器の他の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す気液分離器を備えた研磨装置の模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る気液分離器の一実施形態を示す縦断面図である。気液分離器は、気液混合物を気体と液体とに分離するための装置である。この気液分離器は、気液混合物を受ける液受けパン１と、この液受けパン１の底部１ａから上方に延びる堰５と、液受けパン１の底部１ａに接続された槽１０および導管としてのドレンチューブ１５とを備えている。

液受けパン１の側壁には、導入管１８が接続されており、処理すべき気液混合物は導入管１８を通じて液受けパン１内に導入される。堰５は、液受けパン１の内部を液体貯留領域２と気体流路３とに仕切っている。気液混合物は、液受けパン１内で液体と気体とに分離され、液体は液体貯留領域２に溜められ、気体は気体流路３に流入する。液受けパン１の底部１ａからの導入管１８の高さＨは、導入管１８を通じて導入された気液混合物中の液体が液受けパン１内で発泡しない高さに設定されており、例えば、５０ｍｍ以下である。

堰５は、矩形状または円筒形状であってもよいし、液受けパン１の全幅方向に延びる板状であってもよい。本実施形態では、液受けパン１の底部１ａには通孔１ｂが形成され、矩形状または円筒状の堰５の下部は通孔１ｂに挿入されている。堰５と液受けパン１の底部１ａとの間には図示しない環状シールが設けられており、液受けパン１に溜められた液体が漏れないようになっている。

槽１０は、液受けパン１の下に位置している。槽１０の内部には空間１１が形成されており、この空間１１は、堰５によって形成された気体流路３に連通している。したがって、気液混合物から分離された気体は、気体流路３を通って空間１１内に流入する。堰５は、分離された液体が槽１０内に流入することを防ぐ役割を持つ。槽１０の空間１１内には、斜板１２がさらに配置されている。この斜板１２は、堰５の真下に位置している。

槽１０の側壁には、空間１１に連通する排気口２０が設けられている。排気口２０は、斜板１２の裏側に位置している。この排気口２０は、気液混合物から分離された気体を排出するための出口であり、液体の流出を防ぐために、槽１０の上部に位置している。さらに、排気口２０には、複数の邪魔板２１が設けられている。排気口２０は、排気ダクト（図示せず）に接続されており、気体は排気ダクトを通じて排出される。

本実施形態では、液受けパン１に溜められた液体を排出するための導管は、ドレンチューブ１５から構成されている。ドレンチューブ１５の流入口（上端）１５ａは、液受けパン１の底部１ａに接続されており、液受けパン１の液体貯留領域２に連通している。ドレンチューブ１５は液受けパン１の底部１ａから下方に延びている。より具体的には、ドレンチューブ１５は、槽１０内の空間１１を通って槽１０の外部にまで延びている。本実施形態では、ドレンチューブ１５は、槽１０の底部（最下部）に接続された排液ダクト２５内を延びており、ドレンチューブ１５の流出口（下端）１５ｂは、気液分離器とは別に設けられた排液口３０内に位置している。つまり、ドレンチューブ１５は、液受けパン１の底部１ａから、槽１０の下流側にある排液口３０まで延びている。ドレンチューブ１５の流出口１５ｂは、槽１０の下流側に位置している。すなわち、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂは、槽１０の外部に位置しており、槽１０の底面１０ａよりも低い位置にある。

ドレンチューブ１５の流入口１５ａは、堰５の外側に位置している。ドレンチューブ１５は液体貯留領域２に連通しているので、液体貯留領域２に貯留されている液体は、ドレンチューブ１５に流入し、ドレンチューブ１５を通じて排液口３０に排出される。ドレンチューブ１５の流入口１５ａは、ストレーナ３３によって覆われている。このストレーナ３３は、気液混合物から分離された液体中に含まれる異物がドレンチューブ１５に流入することを防ぐために設けられている。ストレーナ３３は、液受けパン１の底部１ａに取り外し可能に設置されている。

ドレンチューブ１５内が液体で満たされた状態で（つまり、ドレンチューブ１５内に気体が存在しない状態で）、液体がドレンチューブ１５を流れることが好ましい。これは、ドレンチューブ１５内の液体は、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂから排出される液体に引っ張られ、液体は高い流量で排出されるからである。このため、ドレンチューブ１５の断面積は、ある程度小さいことが好ましい。一実施形態では、ドレンチューブ１５の断面積は、７０ｍｍ^２〜９０ｍｍ^２であり、一例では、７９ｍｍ^２である。ドレンチューブ１５は、１本でもよいし、複数でもよい。ドレンチューブ１５の本数は、液受けパン１に導入される気液混合物の流量と、１本のドレンチューブ１５を流れる液体の理論流量に基づいて決定される。

理論流量は、ドレンチューブ１５内が液体で満たされた状態で、液体がドレンチューブ１５を流れるときの理論流量である。理論流量は、概ね次の式で表すことができる。

ただし、Ａはドレンチューブ１５の断面積を表し、ｇは重力加速度であり、ｈは液受けパン１内の液体の表面の、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂからの高さを表す。圧力損失は、ドレンチューブ１５内の液体の流量に依存して変わりうる。

液受けパン１内で気液混合物から分離された液体は、液受けパン１の液体貯留領域２からドレンチューブ１５を通って排液口３０まで直接送られる。液体は壁などの障害物に衝突することなく排液口３０に流れるので、液体からの泡の発生を防止することができる。

液受けパン１内で気液混合物から分離された気体は、気体流路３を通じて槽１０内に流入し、排気口２０から排気される。槽１０内では、液体はドレンチューブ１５内を流れるので、気体は液体に接触しない。したがって、一旦分離された気体と液体とが槽１０内で混合されることはなく、分離された気体はそのまま排気口２０を通じて外部に排出される。

図２は、気液分離器への気液混合物の流量が低いときの液体の流れを示す図である。気液混合物の流量が低いとき、液受けパン１には液体はほとんど溜まらない。このため、空気混じりの液体がドレンチューブ１５内を流れる。

図３は、気液分離器への気液混合物の流量が高いときの液体の流れの初期状態を示す図である。気液混合物の流量が高いとき、最初は、ドレンチューブ１５内の空気が邪魔をして、液体がスムーズにドレンチューブ１５内を流れない。このため、液受けパン１内には液体が徐々に溜まっていく。液体がある程度液受けパン１に溜り、かつドレンチューブ１５内の空気が排除されると、図４に示すように、液体はスムーズにドレンチューブ１を流れる。上述したように、ドレンチューブ１５が液体で満たされた状態では、ドレンチューブ１５内の液体は、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂから排出される液体に引っ張られるので、液体は高い流量で排出される。図４は、ドレンチューブ１５が液体で満たされたときの液体の流れを示している。このときの理論流量は上記式（１）で表される。

気液分離器への気液混合物の流量が許容レベルを超えると、液受けパン１の液体貯留領域２内の液体が堰５を越流するおそれがある。液体が堰５を越流すると、液体は斜板１２上を下方に流れた後に、槽１０の底面１０ａに衝突し、泡を発生する。また、排液口３０内で発生した泡が僅かに槽１０内に逆流する場合もある。

そこで、一実施形態では、図１に示すように、槽１０内に存在する泡を消去するために、槽１０の空間１１内には、下方を向いたスプレーノズル３５が配置されている。スプレーノズル３５は、純水または水道水などの液体を槽１０の底面１０ａに向かって噴霧し、槽１０内に存在する泡を消去する。したがって、本実施形態の気液分離器は、排気口２０への泡の流入を完全に防ぐことができる。堰５を越流した液体、およびスプレーノズル３５から噴霧された液体は、排液ダクト２５を流れて排液口３０に流入する。

図５は、本発明に係る気液分離器の他の実施形態を示す縦断面図である。図５に示す実施形態は、ドレンチューブ（導管）１５の全体が槽１０の外部に配置されており、ドレンチューブ１５が槽１０内の空間１１を通っていない点で、図１に示す実施形態と相違している。その他の構成および動作は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図５に示すように、ドレンチューブ１５は、液受けパン１の底部１ａから、槽１０の外部を通って、槽１０の底部（最下部）に接続された排液ダクト２５内に延び、さらに排液ダクト２５内を通って、槽１０の下流側にある排液口３０まで延びている。本実施形態でも、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂは、槽１０の下流側に位置している。すなわち、ドレンチューブ１５の流出口１５ｂは、槽１０の外部に位置しており、槽１０の底面１０ａよりも低い位置にある。

次に、上述した実施形態に係る気液分離器を備えた研磨装置について説明する。図６は、図１に示す気液分離器を備えた研磨装置の模式図である。研磨装置は、基板の一例であるウェーハＷを研磨するための研磨ユニット５０と、上述した実施形態に係る気液分離器とを備えている。研磨ユニット５０は、研磨パッド５１を支持する研磨テーブル５３と、ウェーハＷを保持して研磨パッド５１の研磨面５１ａに押し付ける研磨ヘッド５５と、研磨パッド５１の研磨面５１ａ上にスラリー（研磨液）を供給する研磨液ノズル５７と、研磨パッド５１の研磨面５１ａを二流体噴流で洗浄するためのアトマイザー５８とを備えている。

研磨テーブル５３および研磨ヘッド５５は、それぞれ図示しない回転装置により独立に回転することができるように構成されている。研磨ヘッド５５は、その下面に真空吸引によりウェーハＷを保持できるように構成されている。研磨パッド５１の上面は、ウェーハＷを研磨する研磨面５１ａを構成する。

ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨テーブル５３および研磨パッド５１を回転させながら、研磨液ノズル５７から研磨パッド５１の研磨面５１ａにスラリーを供給する。研磨ヘッド５５はウェーハＷを回転させながら、ウェーハＷを研磨パッド５１の研磨面５１ａに押し付け、スラリーの存在下でウェーハＷの表面を研磨面５１ａに摺接させる。ウェーハＷの表面は、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用と、スラリーの化学成分による化学的作用とにより、研磨される。

ウェーハＷの研磨終了後、アトマイザー５８は研磨パッド５１の研磨面５１ａに二流体噴流を吹き付け、研磨面５１ａからスラリーや研磨屑を除去する。二流体噴流は、窒素ガスなどの不活性ガスと、純水などの液体との混合物からなる噴流である。二流体噴流は、研磨テーブル５３および研磨パッド５１が回転しているときに、研磨パッド５１の研磨面５１ａ上に供給される。

研磨テーブル５３の下方には、研磨テーブル５３を囲むように樋６０が配置されている。気液分離器の導入管１８は、樋６０の底部に接続されている。ウェーハＷの研磨で使用されたスラリー、および研磨パッド５１の洗浄で使用された二流体噴流中の液体は、樋６０によって回収される。スラリーおよび二流体噴流は、周囲の空気と混合されながら、気液混合物として導入管１８を通じて気液分離器に導入される。

スラリーとして、泡の生じやすい発泡性スラリーが使用されることがある。このような場合であっても、上述したように、発泡性スラリーを含む液体は、液受けパン１からドレンチューブ１５を通じて排液口３０に直接流れるので、気液分離器内での泡の発生を防止することができる。万一、気液分離器内で泡が発生したとしても、スプレーノズル３５から噴霧される液体により泡を消去することができる。したがって、気液分離器は、排気口２０への泡の流入を完全に防ぐことができる。

スプレーノズル３５は、常時液体を噴霧してもよいが、噴霧される液体の使用量を減らすために、スプレーノズル３５は、研磨ユニット５０の動作に連動して液体を噴霧してもよい。例えば、スプレーノズル３５は、ウェーハＷの研磨中には液体を噴霧せず、研磨パッド５１の洗浄中に液体を噴霧するように動作してもよい。ウェーハＷの研磨中は、基本的にスラリーのみが研磨ユニット５０から排出されるので、ウェーハＷの研磨中に気液分離器に流入する液体（スラリー）の流量は低い。したがって、液体は堰５を越流せず、槽１０内で泡が発生する可能性は低い。これに対し、ウェーハＷの研磨後に行われる研磨パッド５１の洗浄中は、二流体噴流が高い流量で研磨パッド５１の研磨面５１ａに供給されるため、気液分離器に流入する液体の流量は高い。このため、液体が堰５を越流して槽１０内に落下し、泡が発生する可能性がある。このような理由から、噴霧される液体の使用量を減らしつつ泡を消去するために、スプレーノズル３５は、ウェーハＷの研磨中には液体を噴霧せず、研磨パッド５１の洗浄中に液体を噴霧するように動作してもよい。

研磨装置は、図１に示す気液分離器に代えて、図５に示す気液分離器を備えてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 液受けパン
２ 液体貯留領域
３ 気体流路
５ 堰
１０ 槽
１１ 空間
１２ 斜板
１５ ドレンチューブ（導管）
１８ 導入管
２０ 排気口
２１ 邪魔板
２５ 排液ダクト
３０ 排液口
３３ ストレーナ
３５ スプレーノズル
５０ 研磨ユニット
５１ 研磨パッド
５１ａ 研磨面
５３ 研磨テーブル
５５ 研磨ヘッド
５７ 研磨液ノズル
５８ アトマイザー
６０ 樋

Claims (5)

1. 気液混合物を気体と液体とに分離するための気液分離器であって、
   気液混合物が導入される液受けパンと、
   前記液受けパンの底部から上方に延び、前記液受けパンの内部を液体貯留領域と気体流路とに仕切る堰と、
   前記気体流路に連通する空間が内部に形成された槽と、
   前記液受けパンの底部に接続された流入口を有する導管とを備え、
   前記導管の流出口は、前記槽の下流側に位置していることを特徴とする気液分離器。
2. 前記槽の底部には、排液ダクトが接続されており、前記導管は前記排液ダクト内を延びていることを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記槽の前記空間内には、下方を向いたスプレーノズルが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気液分離器。
4. 前記導管の流入口を覆うストレーナをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気液分離器。
5. ウェーハを研磨する研磨ユニットと、
   前記研磨ユニットから排出される気液混合物を気体と液体とに分離するための気液分離器とを備え、
   前記気液分離器は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気液分離器であることを特徴とする研磨装置。

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