JP3778747B2 - 砥液供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨ユニットに用いる砥液供給装置に関し、特に、添加剤を安定的に含んだ砥液を供給することができる砥液供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として研磨ユニット（研磨部）を備えた研磨装置により研磨することが行われている。
【０００３】
図５は、研磨ユニットの一例の主要部を示す図である。研磨ユニットは、上面に研磨布１４０を貼った研磨テーブル１４２と、回転および押圧可能に研磨対象物である半導体ウエハＷを保持するトップリング１４４と、研磨布１４０に砥液Ｑを供給する砥液ノズル１４６を備えている。トップリング１４４はトップリングシャフト１４８に連結され、図示しないエアシリンダにより上下動可能に支持されている。
【０００４】
トップリング１４４はその下面にポリウレタン等の弾性マット１５０を備えており、この弾性マット１５０に密着させて半導体ウエハＷを保持するようになっている。さらにトップリング１４４は、研磨中に半導体ウエハＷがトップリング１４４の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング１５２を外周縁部に備えている。ガイドリング１５２はトップリング１４４に対して固定され、その下端面はトップリング１４４の保持面から突出しており、その内側の凹所に研磨対象物である半導体ウエハＷを保持するようになっている。
【０００５】
このような構成により、半導体ウエハＷをトップリング１４４の下面の弾性マット１５０の下部に保持し、研磨テーブル１４２上の研磨布１４０に半導体ウエハＷをトップリング１４４によって押圧するとともに、研磨テーブル１４２およびトップリング１４４を回転させて研磨布１４０と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。このとき、砥液ノズル１４６から研磨布１４０上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒を用いた機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００６】
このような研磨装置において良好な研磨を行なうには、一定の濃度及び流量の砥液を研磨ユニットに安定に供給することが要求される。砥液供給系は、例えばＫＯＨ，ＮＨ４ＯＨ等と粉末シリカを混合した原液を貯蔵する原液タンクと、この原液を純水や薬液等で希釈して所定の濃度に調整する調整タンクと、この調整タンクで調整した砥液を一時的に貯蔵して供給する供給タンクと、これらのタンク間及び供給タンクから研磨ユニットのノズルに砥液を供給するための砥液供給配管等を備えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような砥液には、半導体ウエハの研磨面の改質を目的として酸化剤のような添加剤が用いられる。具体的には半導体ウエハに付けられた銅やタングステンの金属膜を酸化させることを目的としてＨ２Ｏ２（過酸化水素水）等の酸化剤を添加する。このような添加剤は、従来、砥液を製造する時点で加えられていた。このため、添加剤が酸化剤等の薬品性状の不安定なものである場合、添加剤の入った砥液を長期間ストックすることにより砥液の性状を変化させてしまい、研磨性能を著しく不安定にしてしまうという問題点があった。
【０００８】
また、供給系で添加剤を添加する場合は、添加剤供給ユニットに純水等の溶媒で薄めた所定濃度の添加剤をポリエチレン容器等で準備し、添加剤供給ユニットから所定濃度のまま供給系に送っていた。このため、添加剤供給ユニットが大きくなってしまい、多くのユニット設置スペースが必要となっていた。さらに、供給系では添加剤の添加量が少量であるため、高い供給精度が要求されていた。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するために、研磨ユニットへ、添加剤を安定的に含む砥液を供給することができる砥液供給装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、研磨部に砥液を供給する砥液供給装置であって、所定の濃度の砥液を貯留する供給タンクと、該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、所定の濃度の添加剤を貯留する添加剤タンクと、前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする砥液供給装置である。
【００１１】
これにより、添加剤をそれが使用される研磨部に近い位置で砥液に供給することができるので、酸化剤のように経時的な劣化や変質が起きやすい添加剤の場合であっても、安定な品質の添加剤を必要な濃度で含む砥液を供給することができ、従って、安定で高品質な研磨を行なうことができる。添加剤としては、硝酸鉄や過酸化水素水等の酸化剤や、砥粒の粒径分布を安定化させるヘキサメタル酸ナトリウム（粉末）等が有る。
【００１２】
また、使用直前に添加剤を原料から調製するので、添加剤の経時的な劣化や変質をさらに防止することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記添加剤タンクには、添加剤の濃度を調整する添加剤濃度調整手段が、前記添加剤配管には、この内部を流れる添加剤の流量を調整する添加剤流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の砥液供給装置である。これにより、砥液中の添加剤濃度を状況に合わせた適当な値に維持することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、研磨部と該研磨部に砥液を供給する砥液供給装置を有する研磨装置であって、前記研磨供給装置は、砥液を貯留する供給タンクと、該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、添加剤を貯留する添加剤タンクと、前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする研磨装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る添加剤供給ユニットを備えた研磨システムの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。この研磨システムは、図１に示すように、研磨ユニット（研磨部）１２と、これに砥液を供給する砥液供給ユニット１０と、これに添加剤を供給する添加剤供給ユニット２００から構成されている。研磨ユニット１２は、研磨テーブル１４２と砥液ノズル１４６が図示されているが、図５に示す従来の装置と同じと考えてよい。
【００１７】
砥液供給ユニット１０は、図１には供給タンク１８より下流側が示されているが、その詳細を図２を参照して説明する。砥液供給ユニット１０は、砥液原液の入った複数の原液タンク１４と、砥液原液を純水あるいは薬液により希釈して濃度を調整する調整タンク１６と、この調整タンク１６で濃度が調整された砥液を一旦貯蔵し、研磨ユニット１２に供給する供給タンク１８とを備え、これらの各タンク１４，１６，１８の内部には、モータ２０の駆動に伴って回転する攪拌翼２２が配置されている。各原液タンク１４と調整タンク１６には、純水ライン２４が接続され、これら原液タンク１４と調整タンク１６は、原液ポンプ２６を有する原液配管２８で連絡されている。
【００１８】
調整タンク１６と供給タンク１８は、送液ポンプ３０及び開閉弁３２ａを有する送液配管３２で連絡されている。この送液配管３２には戻り配管３３が分岐して設けられ、これは開閉弁３３ａを介して調整タンク１６の上部に戻るように接続されている。供給タンク１８は、供給ポンプ３４を有する供給配管３６によって研磨ユニット１２の砥液配管４６に連絡されている。この供給配管３６には、戻り配管３７が分岐して設けられ、これは開閉弁（循環弁）５０を介して供給タンク１８の上部に戻るように接続されている。
【００１９】
送液配管３２と供給配管３６はそれぞれポンプ３０，３４の上流側で分岐しており、これは開閉弁３８ａ，３８ｂを介して排水ライン３８に接続されている。供給配管３６から延びる排水ライン３８には、排水ポンプ４０と排水弁４２とを有する強制排水ライン４４が併設されている。また、供給配管３６の下流側は、研磨ユニット１２の研磨テーブル１４２に向けて砥液を供給する砥液配管４６になっており、この砥液配管４６に砥液供給弁４８が、供給配管３６の砥液配管４６の分岐点の下流側に循環弁５０がそれぞれ設けられている。
【００２０】
供給配管３６には、それぞれ砥液の粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６を有する抽出管６２ａ，６２ａ，６２ｂが分岐して設けられ、これらの配管は測定器５２，５４，５６の下流側で合流してさらに排水ライン３８に合流している。また、供給配管３６には測定用配管６２ａ，６２ｂとの分岐点の下流側に固形分濃度測定器５８が取付けられている。これらの各測定器の測定結果は、コントローラ６０に入力されるようになっている。
【００２１】
添加剤供給ユニット２００を、図１及び図３に基づいて説明する。添加剤供給ユニット２００は、原料カートリッジ２０１に収納された添加剤の原料である粉体を受け入れ、定量ずつ切り出す定量フィーダ２０２と、原料粉体が供給される濃度調整タンク２０３と、添加剤供給ポンプ２１９で構成される。原料カートリッジ２０１は底部に開閉蓋を有する密閉容器であり、定量フィーダ２０２の上部に載置可能となっている。
【００２２】
定量フィーダ２０２は、計量機２１１上に載置された容器であり、その上部には、原料カートリッジ２０１の載置部と、その下方に原料カートリッジ２０１の底部の開閉蓋を開くハンドバルブ２０４及びホッパ２０５が設けられている。定量フィーダ２０２の中央部には、供給された粉体を攪拌して圧密させるアジテータ２０６が設けられ、その下方には、粉体を定量フィーダ２０２の下部側方から突出して形成された粉体供給管２０９から排出するスクリューフィーダ２０８が設けられている。アジテータ２０６は、モータ２０７によって回転する水平な駆動軸に取り付けられた撹拌羽根を有しており、粉体を一定の密度となるように圧密してスクリューフィーダ２０８に供給する。
【００２３】
供給管２０９はＬ字状であり、水平部にはスクリューフィーダ２０８が挿入され、その先端から下降する垂直部は濃度調整タンク２０３の蓋の開口部２１５に挿入されている。粉体供給管２０９の先端には、タンク内の蒸気が供給管内に進入しないように、粉体の供給時に開き、粉体を供給していない時に閉じる湿気防止ダンパ２１６が設けられている。
【００２４】
濃度調整タンク２０３は、定量フィーダ２０２の下方に位置し、その蓋には、粉体供給管２０９の他に、溶媒を供給する溶媒供給管２１２が挿入され、これには、オリフィス２１３及び流量調整弁２１４が設けられている。濃度調整タンク２０３内には、粉体原料と溶媒を混合して均一濃度の添加剤とする撹拌機２１８が設けられており、これは、タンク蓋２１７より垂下する駆動軸に取り付けられた撹拌翼と、蓋上部に設けられた駆動モータを有している。駆動軸を有する攪拌機の代わりに、濃度調整タンク２０３下部にマグネットスターラを取り付けて攪拌しても良い。
【００２５】
濃度調整タンク２０３の底部には、添加剤を添加剤供給ポンプ２１９で砥液供給系に送る添加剤配管２２０が設けられている。添加剤供給ポンプ２１９は、ダイヤフラムポンプ、プランジャポンプ、チュービングポンプ等の適宜のポンプを使用して一定流量にコントロールして供給するが、より高い流量安定性を得るためにプランジャポンプを使用するのが好ましい。なお、砥液供給系とは、供給タンク１８、供給ポンプ３４、供給配管３６のループより下流を指す。
【００２６】
添加剤供給ポンプ２１９の吐出口は、添加剤配管２２１及びエアオペレートバルブ３００を介して供給タンク１８に、あるいは添加剤配管２２２及びバルブ３０１を介して砥液ノズル１４６に直接接続されている。添加剤配管２２２には、研磨装置が休止する際に添加剤を濃度調整タンク２０３に戻す戻り配管２２３が分岐しており、これは戻りバルブ３０２を介して濃度調整タンク２０３に接続されている。供給タンク１８又は砥液ノズル１４６あるいは他の箇所のいずれに供給するかは砥液の種類や添加剤の特性によって決めればよく、砥液が一定である場合には、配管を構成する段階でいずれかを施工してもよい。
【００２７】
供給系に、設定した通りの添加剤量が供給されているか否かを確認するために、砥液配管４６に流量センサ３０３および濃度センサ３０５が、そして、添加剤配管２２２に流量センサ３０４が取り付けられている。添加剤配管２２２に添加剤濃度センサを取り付けてもよいが、通常は添加剤単体での測定が困難であるため、砥液と添加剤を混合した後の濃度センサ３０５で砥液の代表特性を検知する。濃度センサ３０５は例えば超音波方式を用いた濃度センサであり、流量センサ３０３，３０４も例えば超音波方式を用いた流量センサである。
【００２８】
これらのセンサ３０３，３０４，３０５の出力はコントローラ６０に入力され、コントローラ６０は添加剤濃度センサで得られた値を基に、濃度調整タンク２０３での濃度調整や添加剤供給ポンプ２１９の吐出量をフィードバック制御する信号を出力し、これにより、一定の添加剤濃度を有する砥液を供給することができる。
【００２９】
上記のように構成した研磨システムの動作について説明する。原液タンク１４に入った砥液原液は、原液ポンプ２６の駆動に伴って調整タンク１６に送られ、純水ライン２４から供給される純水により希釈されて所定の濃度に調整される。そして、所定の濃度に調整された砥液は、送液ポンプ３０の駆動に伴って供給タンク１８に送られる。
【００３０】
供給タンク１８に貯蔵された砥液は、供給ポンプ３４の駆動に伴って供給配管３６内を流れ、研磨時には、砥液供給弁４８を開いて、砥液配管４６、砥液ノズル１４６から研磨ユニット１２の研磨テーブル１４２に供給される。研磨が終了すると、砥液供給弁４８が閉、循環弁５０が開とされて、砥液は供給タンク１８、供給配管３６、戻り配管３７によって構成される循環流路を循環して流れる。これにより、砥液が供給されない状態でもこれらの配管内に砥液が滞流することがなく、砥液中の砥粒の配管内への沈積を防止することができる。これは、調整タンク１６においても同様である。
【００３１】
添加剤供給装置では、原料カートリッジ２０１を定量フィーダ２０２の上部にセットし、ハンドバルブ２０４をまわして原料カートリッジ２０１の底を開き、粉体を定量フィーダ２０２のホッパ２０５内に供給する。ホッパ２０５に供給された粉体はアジテータ２０６で攪拌・圧密されて一定の密度になり、スクリューフィーダ２０８のフィーダ駆動用モータ２１０の回転数を調整することにより制御された所定の流量が供給管２０９より濃度調整タンク２０３に供給される。粉体の供給量は定量フィーダ２０２下部に設けられた計量機２１１により確認される。
【００３２】
粉体は、タンク蓋２１７の開口部２１５より濃度調整タンク２０３に供給され、溶媒供給管２１２から供給された溶媒と撹拌機２１８により均一に混合させられ、所定の濃度の添加剤が調製される。調製された添加剤は、供給ポンプ２１９の作動により配管を介して例えば供給タンクに供給される。この場合の添加剤の供給量は、供給タンク１８内の砥液の添加剤濃度が一定になるように、例えば、流量センサ３０３によって検知される抜き出し流量や、濃度センサ３０５によって検知される濃度自体等を指標として調整する。添加剤が経時劣化しやすいものを使用する場合には、添加剤配管２２２を介して砥液ノズル１４６に直接に添加剤を供給することが好ましい。
【００３３】
なお、供給配管３６内を流れる砥液については、粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６及び固形分濃度測定器５８で粒子径分布、粗大粒子の数、酸化還元電位及び固形分濃度が測定され、この測定データはコントローラ６０に入力されてモニタされ、コントローラ６０は、入力される測定データから粒子径分布の変化が生じたか、さらに粗大粒子の発生が生じたか否かを判断し、粒子径分布の変化が生じたと判断した場合には、超音波発振器９４ａ，９４ｂを動作させる等の必要な措置を採る。
【００３４】
このように、この発明の添加剤供給装置を備えた砥液供給装置により、酸化剤等の添加剤を使用される研磨ユニットに近い下流側で、添加量を調整しつつ添加することができるので、経時劣化や経時変質の無い、安定した品質と濃度の添加剤を含有する砥液を研磨部に供給することができ、従って、良好な研磨を安定的に行うことができる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施の形態の砥液供給装置を有する研磨システムを示すもので、これは、複数の研磨ユニット１２に共通の供給タンクから砥液を供給するものである。図４に２基の研磨ユニット１２が接続されているが、もちろんこれ以上の台数を接続してもよい。この実施の形態の砥液供給ユニット１０は、円筒状の容器であるバッファチューブ１１０と、このバッファチューブ１１０の底部から各研磨ユニット１２の近傍を通過してバッファチューブ１１０の頂部に戻る循環配管１１２と、この循環配管１１２から各研磨ユニット１２に向けて分岐する抜き出し配管１１４とを有している。
【００３６】
循環配管１１２には、これに所定量の砥液を常時循環させる循環ポンプ１１６、配管内圧力を一定圧力以上に保つための背圧弁１１８、圧力センサ１２０等が設けられている。各抜き出し配管１１４には、砥液供給弁１２２と、それぞれに砥液を循環配管１１２から個別に抜き出す抜き出しポンプ１２４が設けられている。
【００３７】
バッファチューブ１１０は、第１の実施の形態の調整タンク１６と供給タンク１８を兼ねるもので、その頂部に、原液配管２８、純水ライン２４、薬液供給ライン１０６が接続されている。バッファチューブ１１０には、第１の砥液性状安定化手段である超音波発振器９４、液面のレベルを検知するレベル検知器１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃと、伸縮可能な素材から形成されたエアバッグ１２８が設けられている。エアバッグ１２８は、バッファチューブ１１０内の空間を外気に対して気密状態に保ちつつ内部の液面レベルの変動による内圧変動を抑えるものである。
【００３８】
この実施の形態では、循環配管１１２の所定箇所、すなわち循環ポンプ１１６の下流側に、粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６及び固形分濃度測定器５８が設置され、フィルタ１００を備えたバイパスライン９８が並列配置されている。また、砥液の性状が異常である場合に、バッファチューブ１１０内の砥液を排出する排水ライン３８も設けられている。そして、添加剤供給装置からの添加剤供給配管は、バッファチューブにバルブ３００を介して接続し、あるいはノズルに直接に配管及びバルブを介して接続されている。センサの配置は先の実施の形態と同様である。
【００３９】
この実施の形態の運転方法は、先の実施の形態と基本的に同じなので、重複した説明は省く。この実施の形態の砥液供給ユニットによれば、砥液を研磨ユニット１２の近傍に導くための配管内の砥液を常時循環させることにより、配管内での滞留による液濃度変化や固形物の沈積による詰まりを防止することができる。これに伴い、全体の配管を長くすることができるので、１つの砥液供給源（バッファチューブ）１１０から多くの研磨ユニット１２に砥液を安定に供給することができ、装置コストを低下させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粉体原料を、使用する直前に溶媒に溶かした添加剤を砥液の供給系に供給するので、砥液の保存に伴う添加剤の分解や変質等の劣化のおそれがなく、研磨テーブルに一定の濃度と一定の流量の添加剤を供給することができ、結果として安定した研磨特性を得ることができる。従って、半導体基板等の研磨装置における良好な研磨作業を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の砥液供給装置を備えた研磨システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の実施の形態の砥液供給装置の構成を示す図である。
【図３】図１の実施の形態の添加剤供給ユニットの構成を示す図である。
【図４】砥液供給装置の他の実施の形態を示す図である。
【図５】研磨ユニットの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 砥液供給ユニット
１２ 研磨ユニット（研磨部）
１４ 原液タンク
１６ 調整タンク
１８ 供給タンク
１８ 砥液供給タンク
２０ モータ
２２ 攪拌翼
２４ 純水ライン
２６ 原液ポンプ
２８ 原液配管
３０ 送液ポンプ
３２ａ 開閉弁
３２ 送液配管
３３ａ 開閉弁
３３ 配管
３４ 供給ポンプ
３６ 供給配管
３７ 配管
３８ 排水ライン
３８ａ，３８ｂ 開閉弁
４０ 排水ポンプ
４２ 排水弁
４４ 強制排水ライン
４６ 砥液配管
４８ 砥液供給弁
５０ 循環弁
５２ 粒子径分布測定器
５４ 粗大粒子測定器
５６ 酸化還元電位計
５８ 固形分濃度測定器
６０ コントローラ
６２ａ，６２ｂ 測定用配管
６２ａ，６２ａ，６２ｂ 抽出管
９４ 超音波発振器
９４ａ，９４ｂ 超音波発振器
９８ バイパスライン
１００ フィルタ
１０６ 薬液供給ライン
１１０ バッファチューブ
１１２ 循環配管
１１４ 配管
１１６ 循環ポンプ
１１８ 背圧弁
１２０ 圧力センサ
１２２ 砥液供給弁
１２４ ポンプ
１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ レベル検知器
１２８ エアバッグ
１４０ 研磨布
１４２ ターンテーブル、研磨テーブル
１４４ トップリング
１４６ 供給ノズル
１４６ 砥液ノズル
１４６ 砥液供給ノズル
１４８ トップリングシャフト
１５０ 弾性マット
１５２ ガイドリング
２００ 添加剤供給ユニット
２０１ 原料カートリッジ
２０２ 定量フィーダ
２０３ 濃度調整タンク
２０４ ハンドバルブ
２０５ ホッパ
２０６ アジテータ
２０７ モータ
２０８ スクリューフィーダ
２０９ 供給管
２０９ 粉体供給管
２１０ フィーダ駆動用モータ
２１１ 計量機
２１２ 溶媒供給管
２１３ オリフィス
２１４ 流量調整弁
２１５ 開口部
２１６ 湿気防止ダンパ
２１７ タンク蓋
２１８ 撹拌機
２１９ 添加剤供給ポンプ
２２０ 添加剤配管
２２１ 添加剤配管
２２２ 添加剤配管
２２３ 配管
３００ エアオペレートバルブ
３０１ バルブ
３０２ バルブ
３０３ 流量センサ
３０４ 流量センサ
３０５ 濃度センサ
Ｑ 砥液
Ｗ 半導体ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨ユニットに用いる砥液供給装置に関し、特に、添加剤を安定的に含んだ砥液を供給することができる砥液供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として研磨ユニット（研磨部）を備えた研磨装置により研磨することが行われている。
【０００３】
図５は、研磨ユニットの一例の主要部を示す図である。研磨ユニットは、上面に研磨布１４０を貼った研磨テーブル１４２と、回転および押圧可能に研磨対象物である半導体ウエハＷを保持するトップリング１４４と、研磨布１４０に砥液Ｑを供給する砥液ノズル１４６を備えている。トップリング１４４はトップリングシャフト１４８に連結され、図示しないエアシリンダにより上下動可能に支持されている。
【０００４】
トップリング１４４はその下面にポリウレタン等の弾性マット１５０を備えており、この弾性マット１５０に密着させて半導体ウエハＷを保持するようになっている。さらにトップリング１４４は、研磨中に半導体ウエハＷがトップリング１４４の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング１５２を外周縁部に備えている。ガイドリング１５２はトップリング１４４に対して固定され、その下端面はトップリング１４４の保持面から突出しており、その内側の凹所に研磨対象物である半導体ウエハＷを保持するようになっている。
【０００５】
このような構成により、半導体ウエハＷをトップリング１４４の下面の弾性マット１５０の下部に保持し、研磨テーブル１４２上の研磨布１４０に半導体ウエハＷをトップリング１４４によって押圧するとともに、研磨テーブル１４２およびトップリング１４４を回転させて研磨布１４０と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。このとき、砥液ノズル１４６から研磨布１４０上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒を用いた機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００６】
このような研磨装置において良好な研磨を行なうには、一定の濃度及び流量の砥液を研磨ユニットに安定に供給することが要求される。砥液供給系は、例えばＫＯＨ，ＮＨ４ＯＨ等と粉末シリカを混合した原液を貯蔵する原液タンクと、この原液を純水や薬液等で希釈して所定の濃度に調整する調整タンクと、この調整タンクで調整した砥液を一時的に貯蔵して供給する供給タンクと、これらのタンク間及び供給タンクから研磨ユニットのノズルに砥液を供給するための砥液供給配管等を備えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような砥液には、半導体ウエハの研磨面の改質を目的として酸化剤のような添加剤が用いられる。具体的には半導体ウエハに付けられた銅やタングステンの金属膜を酸化させることを目的としてＨ２Ｏ２（過酸化水素水）等の酸化剤を添加する。このような添加剤は、従来、砥液を製造する時点で加えられていた。このため、添加剤が酸化剤等の薬品性状の不安定なものである場合、添加剤の入った砥液を長期間ストックすることにより砥液の性状を変化させてしまい、研磨性能を著しく不安定にしてしまうという問題点があった。
【０００８】
また、供給系で添加剤を添加する場合は、添加剤供給ユニットに純水等の溶媒で薄めた所定濃度の添加剤をポリエチレン容器等で準備し、添加剤供給ユニットから所定濃度のまま供給系に送っていた。このため、添加剤供給ユニットが大きくなってしまい、多くのユニット設置スペースが必要となっていた。さらに、供給系では添加剤の添加量が少量であるため、高い供給精度が要求されていた。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するために、研磨ユニットへ、添加剤を安定的に含む砥液を供給することができる砥液供給装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、研磨部に砥液を供給する砥液供給装置であって、所定の濃度の砥液を貯留する供給タンクと、該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、所定の濃度の添加剤を貯留する添加剤タンクと、前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする砥液供給装置である。
【００１１】
これにより、添加剤をそれが使用される研磨部に近い位置で砥液に供給することができるので、酸化剤のように経時的な劣化や変質が起きやすい添加剤の場合であっても、安定な品質の添加剤を必要な濃度で含む砥液を供給することができ、従って、安定で高品質な研磨を行なうことができる。添加剤としては、硝酸鉄や過酸化水素水等の酸化剤や、砥粒の粒径分布を安定化させるヘキサメタル酸ナトリウム（粉末）等が有る。
【００１２】
また、使用直前に添加剤を原料から調製するので、添加剤の経時的な劣化や変質をさらに防止することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記添加剤タンクには、添加剤の濃度を調整する添加剤濃度調整手段が、前記添加剤配管には、この内部を流れる添加剤の流量を調整する添加剤流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の砥液供給装置である。これにより、砥液中の添加剤濃度を状況に合わせた適当な値に維持することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、研磨部と該研磨部に砥液を供給する砥液供給装置を有する研磨装置であって、前記研磨供給装置は、砥液を貯留する供給タンクと、該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、添加剤を貯留する添加剤タンクと、前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする研磨装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る添加剤供給ユニットを備えた研磨システムの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。この研磨システムは、図１に示すように、研磨ユニット（研磨部）１２と、これに砥液を供給する砥液供給ユニット１０と、これに添加剤を供給する添加剤供給ユニット２００から構成されている。研磨ユニット１２は、研磨テーブル１４２と砥液ノズル１４６が図示されているが、図５に示す従来の装置と同じと考えてよい。
【００１７】
砥液供給ユニット１０は、図１には供給タンク１８より下流側が示されているが、その詳細を図２を参照して説明する。砥液供給ユニット１０は、砥液原液の入った複数の原液タンク１４と、砥液原液を純水あるいは薬液により希釈して濃度を調整する調整タンク１６と、この調整タンク１６で濃度が調整された砥液を一旦貯蔵し、研磨ユニット１２に供給する供給タンク１８とを備え、これらの各タンク１４，１６，１８の内部には、モータ２０の駆動に伴って回転する攪拌翼２２が配置されている。各原液タンク１４と調整タンク１６には、純水ライン２４が接続され、これら原液タンク１４と調整タンク１６は、原液ポンプ２６を有する原液配管２８で連絡されている。
【００１８】
調整タンク１６と供給タンク１８は、送液ポンプ３０及び開閉弁３２ａを有する送液配管３２で連絡されている。この送液配管３２には戻り配管３３が分岐して設けられ、これは開閉弁３３ａを介して調整タンク１６の上部に戻るように接続されている。供給タンク１８は、供給ポンプ３４を有する供給配管３６によって研磨ユニット１２の砥液配管４６に連絡されている。この供給配管３６には、戻り配管３７が分岐して設けられ、これは開閉弁（循環弁）５０を介して供給タンク１８の上部に戻るように接続されている。
【００１９】
送液配管３２と供給配管３６はそれぞれポンプ３０，３４の上流側で分岐しており、これは開閉弁３８ａ，３８ｂを介して排水ライン３８に接続されている。供給配管３６から延びる排水ライン３８には、排水ポンプ４０と排水弁４２とを有する強制排水ライン４４が併設されている。また、供給配管３６の下流側は、研磨ユニット１２の研磨テーブル１４２に向けて砥液を供給する砥液配管４６になっており、この砥液配管４６に砥液供給弁４８が、供給配管３６の砥液配管４６の分岐点の下流側に循環弁５０がそれぞれ設けられている。
【００２０】
供給配管３６には、それぞれ砥液の粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６を有する抽出管６２ａ，６２ａ，６２ｂが分岐して設けられ、これらの配管は測定器５２，５４，５６の下流側で合流してさらに排水ライン３８に合流している。また、供給配管３６には測定用配管６２ａ，６２ｂとの分岐点の下流側に固形分濃度測定器５８が取付けられている。これらの各測定器の測定結果は、コントローラ６０に入力されるようになっている。
【００２１】
添加剤供給ユニット２００を、図１及び図３に基づいて説明する。添加剤供給ユニット２００は、原料カートリッジ２０１に収納された添加剤の原料である粉体を受け入れ、定量ずつ切り出す定量フィーダ２０２と、原料粉体が供給される濃度調整タンク２０３と、添加剤供給ポンプ２１９で構成される。原料カートリッジ２０１は底部に開閉蓋を有する密閉容器であり、定量フィーダ２０２の上部に載置可能となっている。
【００２２】
定量フィーダ２０２は、計量機２１１上に載置された容器であり、その上部には、原料カートリッジ２０１の載置部と、その下方に原料カートリッジ２０１の底部の開閉蓋を開くハンドバルブ２０４及びホッパ２０５が設けられている。定量フィーダ２０２の中央部には、供給された粉体を攪拌して圧密させるアジテータ２０６が設けられ、その下方には、粉体を定量フィーダ２０２の下部側方から突出して形成された粉体供給管２０９から排出するスクリューフィーダ２０８が設けられている。アジテータ２０６は、モータ２０７によって回転する水平な駆動軸に取り付けられた撹拌羽根を有しており、粉体を一定の密度となるように圧密してスクリューフィーダ２０８に供給する。
【００２３】
供給管２０９はＬ字状であり、水平部にはスクリューフィーダ２０８が挿入され、その先端から下降する垂直部は濃度調整タンク２０３の蓋の開口部２１５に挿入されている。粉体供給管２０９の先端には、タンク内の蒸気が供給管内に進入しないように、粉体の供給時に開き、粉体を供給していない時に閉じる湿気防止ダンパ２１６が設けられている。
【００２４】
濃度調整タンク２０３は、定量フィーダ２０２の下方に位置し、その蓋には、粉体供給管２０９の他に、溶媒を供給する溶媒供給管２１２が挿入され、これには、オリフィス２１３及び流量調整弁２１４が設けられている。濃度調整タンク２０３内には、粉体原料と溶媒を混合して均一濃度の添加剤とする撹拌機２１８が設けられており、これは、タンク蓋２１７より垂下する駆動軸に取り付けられた撹拌翼と、蓋上部に設けられた駆動モータを有している。駆動軸を有する攪拌機の代わりに、濃度調整タンク２０３下部にマグネットスターラを取り付けて攪拌しても良い。
【００２５】
濃度調整タンク２０３の底部には、添加剤を添加剤供給ポンプ２１９で砥液供給系に送る添加剤配管２２０が設けられている。添加剤供給ポンプ２１９は、ダイヤフラムポンプ、プランジャポンプ、チュービングポンプ等の適宜のポンプを使用して一定流量にコントロールして供給するが、より高い流量安定性を得るためにプランジャポンプを使用するのが好ましい。なお、砥液供給系とは、供給タンク１８、供給ポンプ３４、供給配管３６のループより下流を指す。
【００２６】
添加剤供給ポンプ２１９の吐出口は、添加剤配管２２１及びエアオペレートバルブ３００を介して供給タンク１８に、あるいは添加剤配管２２２及びバルブ３０１を介して砥液ノズル１４６に直接接続されている。添加剤配管２２２には、研磨装置が休止する際に添加剤を濃度調整タンク２０３に戻す戻り配管２２３が分岐しており、これは戻りバルブ３０２を介して濃度調整タンク２０３に接続されている。供給タンク１８又は砥液ノズル１４６あるいは他の箇所のいずれに供給するかは砥液の種類や添加剤の特性によって決めればよく、砥液が一定である場合には、配管を構成する段階でいずれかを施工してもよい。
【００２７】
供給系に、設定した通りの添加剤量が供給されているか否かを確認するために、砥液配管４６に流量センサ３０３および濃度センサ３０５が、そして、添加剤配管２２２に流量センサ３０４が取り付けられている。添加剤配管２２２に添加剤濃度センサを取り付けてもよいが、通常は添加剤単体での測定が困難であるため、砥液と添加剤を混合した後の濃度センサ３０５で砥液の代表特性を検知する。濃度センサ３０５は例えば超音波方式を用いた濃度センサであり、流量センサ３０３，３０４も例えば超音波方式を用いた流量センサである。
【００２８】
これらのセンサ３０３，３０４，３０５の出力はコントローラ６０に入力され、コントローラ６０は添加剤濃度センサで得られた値を基に、濃度調整タンク２０３での濃度調整や添加剤供給ポンプ２１９の吐出量をフィードバック制御する信号を出力し、これにより、一定の添加剤濃度を有する砥液を供給することができる。
【００２９】
上記のように構成した研磨システムの動作について説明する。原液タンク１４に入った砥液原液は、原液ポンプ２６の駆動に伴って調整タンク１６に送られ、純水ライン２４から供給される純水により希釈されて所定の濃度に調整される。そして、所定の濃度に調整された砥液は、送液ポンプ３０の駆動に伴って供給タンク１８に送られる。
【００３０】
供給タンク１８に貯蔵された砥液は、供給ポンプ３４の駆動に伴って供給配管３６内を流れ、研磨時には、砥液供給弁４８を開いて、砥液配管４６、砥液ノズル１４６から研磨ユニット１２の研磨テーブル１４２に供給される。研磨が終了すると、砥液供給弁４８が閉、循環弁５０が開とされて、砥液は供給タンク１８、供給配管３６、戻り配管３７によって構成される循環流路を循環して流れる。これにより、砥液が供給されない状態でもこれらの配管内に砥液が滞流することがなく、砥液中の砥粒の配管内への沈積を防止することができる。これは、調整タンク１６においても同様である。
【００３１】
添加剤供給装置では、原料カートリッジ２０１を定量フィーダ２０２の上部にセットし、ハンドバルブ２０４をまわして原料カートリッジ２０１の底を開き、粉体を定量フィーダ２０２のホッパ２０５内に供給する。ホッパ２０５に供給された粉体はアジテータ２０６で攪拌・圧密されて一定の密度になり、スクリューフィーダ２０８のフィーダ駆動用モータ２１０の回転数を調整することにより制御された所定の流量が供給管２０９より濃度調整タンク２０３に供給される。粉体の供給量は定量フィーダ２０２下部に設けられた計量機２１１により確認される。
【００３２】
粉体は、タンク蓋２１７の開口部２１５より濃度調整タンク２０３に供給され、溶媒供給管２１２から供給された溶媒と撹拌機２１８により均一に混合させられ、所定の濃度の添加剤が調製される。調製された添加剤は、供給ポンプ２１９の作動により配管を介して例えば供給タンクに供給される。この場合の添加剤の供給量は、供給タンク１８内の砥液の添加剤濃度が一定になるように、例えば、流量センサ３０３によって検知される抜き出し流量や、濃度センサ３０５によって検知される濃度自体等を指標として調整する。添加剤が経時劣化しやすいものを使用する場合には、添加剤配管２２２を介して砥液ノズル１４６に直接に添加剤を供給することが好ましい。
【００３３】
なお、供給配管３６内を流れる砥液については、粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６及び固形分濃度測定器５８で粒子径分布、粗大粒子の数、酸化還元電位及び固形分濃度が測定され、この測定データはコントローラ６０に入力されてモニタされ、コントローラ６０は、入力される測定データから粒子径分布の変化が生じたか、さらに粗大粒子の発生が生じたか否かを判断し、粒子径分布の変化が生じたと判断した場合には、超音波発振器９４ａ，９４ｂを動作させる等の必要な措置を採る。
【００３４】
このように、この発明の添加剤供給装置を備えた砥液供給装置により、酸化剤等の添加剤を使用される研磨ユニットに近い下流側で、添加量を調整しつつ添加することができるので、経時劣化や経時変質の無い、安定した品質と濃度の添加剤を含有する砥液を研磨部に供給することができ、従って、良好な研磨を安定的に行うことができる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施の形態の砥液供給装置を有する研磨システムを示すもので、これは、複数の研磨ユニット１２に共通の供給タンクから砥液を供給するものである。図４に２基の研磨ユニット１２が接続されているが、もちろんこれ以上の台数を接続してもよい。この実施の形態の砥液供給ユニット１０は、円筒状の容器であるバッファチューブ１１０と、このバッファチューブ１１０の底部から各研磨ユニット１２の近傍を通過してバッファチューブ１１０の頂部に戻る循環配管１１２と、この循環配管１１２から各研磨ユニット１２に向けて分岐する抜き出し配管１１４とを有している。
【００３６】
循環配管１１２には、これに所定量の砥液を常時循環させる循環ポンプ１１６、配管内圧力を一定圧力以上に保つための背圧弁１１８、圧力センサ１２０等が設けられている。各抜き出し配管１１４には、砥液供給弁１２２と、それぞれに砥液を循環配管１１２から個別に抜き出す抜き出しポンプ１２４が設けられている。
【００３７】
バッファチューブ１１０は、第１の実施の形態の調整タンク１６と供給タンク１８を兼ねるもので、その頂部に、原液配管２８、純水ライン２４、薬液供給ライン１０６が接続されている。バッファチューブ１１０には、第１の砥液性状安定化手段である超音波発振器９４、液面のレベルを検知するレベル検知器１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃと、伸縮可能な素材から形成されたエアバッグ１２８が設けられている。エアバッグ１２８は、バッファチューブ１１０内の空間を外気に対して気密状態に保ちつつ内部の液面レベルの変動による内圧変動を抑えるものである。
【００３８】
この実施の形態では、循環配管１１２の所定箇所、すなわち循環ポンプ１１６の下流側に、粒子径分布測定器５２、粗大粒子測定器５４、酸化還元電位計５６及び固形分濃度測定器５８が設置され、フィルタ１００を備えたバイパスライン９８が並列配置されている。また、砥液の性状が異常である場合に、バッファチューブ１１０内の砥液を排出する排水ライン３８も設けられている。そして、添加剤供給装置からの添加剤供給配管は、バッファチューブにバルブ３００を介して接続し、あるいはノズルに直接に配管及びバルブを介して接続されている。センサの配置は先の実施の形態と同様である。
【００３９】
この実施の形態の運転方法は、先の実施の形態と基本的に同じなので、重複した説明は省く。この実施の形態の砥液供給ユニットによれば、砥液を研磨ユニット１２の近傍に導くための配管内の砥液を常時循環させることにより、配管内での滞留による液濃度変化や固形物の沈積による詰まりを防止することができる。これに伴い、全体の配管を長くすることができるので、１つの砥液供給源（バッファチューブ）１１０から多くの研磨ユニット１２に砥液を安定に供給することができ、装置コストを低下させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粉体原料を、使用する直前に溶媒に溶かした添加剤を砥液の供給系に供給するので、砥液の保存に伴う添加剤の分解や変質等の劣化のおそれがなく、研磨テーブルに一定の濃度と一定の流量の添加剤を供給することができ、結果として安定した研磨特性を得ることができる。従って、半導体基板等の研磨装置における良好な研磨作業を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の砥液供給装置を備えた研磨システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の実施の形態の砥液供給装置の構成を示す図である。
【図３】図１の実施の形態の添加剤供給ユニットの構成を示す図である。
【図４】砥液供給装置の他の実施の形態を示す図である。
【図５】研磨ユニットの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 砥液供給ユニット
１２ 研磨ユニット（研磨部）
１４ 原液タンク
１６ 調整タンク
１８ 供給タンク
１８ 砥液供給タンク
２０ モータ
２２ 攪拌翼
２４ 純水ライン
２６ 原液ポンプ
２８ 原液配管
３０ 送液ポンプ
３２ａ 開閉弁
３２ 送液配管
３３ａ 開閉弁
３３ 配管
３４ 供給ポンプ
３６ 供給配管
３７ 配管
３８ 排水ライン
３８ａ，３８ｂ 開閉弁
４０ 排水ポンプ
４２ 排水弁
４４ 強制排水ライン
４６ 砥液配管
４８ 砥液供給弁
５０ 循環弁
５２ 粒子径分布測定器
５４ 粗大粒子測定器
５６ 酸化還元電位計
５８ 固形分濃度測定器
６０ コントローラ
６２ａ，６２ｂ 測定用配管
６２ａ，６２ａ，６２ｂ 抽出管
９４ 超音波発振器
９４ａ，９４ｂ 超音波発振器
９８ バイパスライン
１００ フィルタ
１０６ 薬液供給ライン
１１０ バッファチューブ
１１２ 循環配管
１１４ 配管
１１６ 循環ポンプ
１１８ 背圧弁
１２０ 圧力センサ
１２２ 砥液供給弁
１２４ ポンプ
１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ レベル検知器
１２８ エアバッグ
１４０ 研磨布
１４２ ターンテーブル、研磨テーブル
１４４ トップリング
１４６ 供給ノズル
１４６ 砥液ノズル
１４６ 砥液供給ノズル
１４８ トップリングシャフト
１５０ 弾性マット
１５２ ガイドリング
２００ 添加剤供給ユニット
２０１ 原料カートリッジ
２０２ 定量フィーダ
２０３ 濃度調整タンク
２０４ ハンドバルブ
２０５ ホッパ
２０６ アジテータ
２０７ モータ
２０８ スクリューフィーダ
２０９ 供給管
２０９ 粉体供給管
２１０ フィーダ駆動用モータ
２１１ 計量機
２１２ 溶媒供給管
２１３ オリフィス
２１４ 流量調整弁
２１５ 開口部
２１６ 湿気防止ダンパ
２１７ タンク蓋
２１８ 撹拌機
２１９ 添加剤供給ポンプ
２２０ 添加剤配管
２２１ 添加剤配管
２２２ 添加剤配管
２２３ 配管
３００ エアオペレートバルブ
３０１ バルブ
３０２ バルブ
３０３ 流量センサ
３０４ 流量センサ
３０５ 濃度センサ
Ｑ 砥液
Ｗ 半導体ウエハ
Claims (3)
- 研磨部に砥液を供給する砥液供給装置であって、
所定の濃度の砥液を貯留する供給タンクと、
該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、
所定の濃度の添加剤を貯留する添加剤タンクと、
前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、
添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする砥液供給装置。 - 前記添加剤タンクには、添加剤の濃度を調整する添加剤濃度調整手段が、前記添加剤配管には、この内部を流れる添加剤の流量を調整する添加剤流量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の砥液供給装置。
- 研磨部と該研磨部に砥液を供給する砥液供給装置を有する研磨装置であって、
前記研磨供給装置は、
砥液を貯留する供給タンクと、
該供給タンクから砥液を前記研磨部の砥液ノズルに送る砥液配管と、
添加剤を貯留する添加剤タンクと、
前記添加剤タンクから延び前記砥液ノズル及び前記供給タンクに接続され、前記砥液ノズルから供給される砥液に添加剤を添加するとともに、前記供給タンクに添加剤を供給する添加剤配管と、
添加剤の粉体原料と溶媒とを前記添加剤タンクに供給して混合する添加剤調製手段とを有することを特徴とする研磨装置。
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