JP4524633B2 - 研磨液の供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨液の供給方法に関するものであり、詳しくは、半導体ウエハの研磨工程に至る研磨液供給ラインに研磨液を供給する方法であって、研磨液供給ラインの一部に配置された容器から研磨液を取り出すにあたり、一層均一な濃度の研磨液を取り出せる様にした研磨液の供給方法に関するものである。

半導体ウエハの製造における研磨工程では、回路パターンの作製前にウエハの平面度を高めたり、パターンの積層途中に付着した不要な回路材料を除去するため、研磨装置を使用し、所定の研磨液（砥液）を供給しつつ、ウエハ表面に機械研摩または機械化学研磨を施している。上記の研磨液は、予め成分調整および濃度調整された砥粒含有のスラリーであり、ウエハの研磨工程に研磨液供給ラインを通じて供給される。その場合、研磨液供給ラインにおいては、通常、可搬式容器に収容された状態で当該研磨液供給ラインに研磨液が搬入され、研磨液供給ラインに設けられたポンプの吸引によって容器から研磨液を取り出す様になされている。

ところで、研磨液の主成分の一つである砥粒、すなわち、スラリー中の粒子の種類は、シリカ（Ｓｉ）系、セリア（Ｃｅ）系、アルミナ（Ａｌ）系の３種類が代表的な粒子種であり、研磨液におけるこれら粒子の濃度は約１〜３０ｗｔ％、残りの成分は純水および添加剤などである。そして、特にＣｅ系、Ａｌ系の砥粒を含む研磨液においては、粒子の比重が大きいため、容器内で沈降した粒子が容器底部に堆積する傾向がある。その結果、粒子が沈降した状態で研磨液供給ラインに供給した場合には、研磨液の濃度（砥粒濃度）が所期の濃度にないため、研磨工程において目的とする研磨速度が得られない等の問題が生じる。

殊に、ウエハーの研磨においては、近年、配線の高密度化、配線金属の多様化により、沈降性のある研磨液を使用する要求が増加しており、また、処理量の増大により、研磨液供給ラインに研磨液を供給する容器サイズも大型化している。従って、研磨液供給ラインに研磨液を供給する際には、研磨液供給用として使用される容器内において、研磨液の砥粒濃度を一層均一化することが望まれる。

一般的には、容器から研磨液供給ラインに研磨液を供給するにあたり、撹拌機を使用し、砥粒濃度を均一化している。撹拌機を使用した各種研磨液の供給方法としては、例えば、モータにより回転駆動し且つ容器内に垂直に挿入される回転軸と、回転軸の下端に取り付けられたアジテータ（撹拌羽根）とから成る撹拌機（撹拌部）を容器内に配置し、アジテータによって研磨液を撹拌つつ、容器から研磨液を取り出す様にした「研磨液供給方法」が挙げられる。
特開２００３−１１０６０号公報

ところで、上記の様な撹拌機を使用した研磨液の供給においては、撹拌機の駆動部などで金属パーティクルが発生し、また、撹拌羽根が直接スラリー液と接触し、更には、回転軸に付着した液が乾燥して粗大粒子を生成するため、研磨液がパーティクルで汚染されることがあり、その結果、半導体ウエハに欠陥が発生する虞がある。また、撹拌機自体が大型設備となるため、設置コストが高いと言う問題もある。

本発明は、上記の実情に鑑みなされたものであり、その目的は、半導体ウエハの研磨工程に至る研磨液供給ラインに研磨液を供給する方法であって、研磨液供給ラインの一部に配置された容器から研磨液を取り出すにあたり、研磨液を汚染することなく、一層均一な濃度の研磨液を取り出して供給できる研磨液の供給方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、容器から研磨液供給ラインに研磨液を取り出すにあたり、容器に特定の循環装置を取り付け、汚染のないベローズポンプによって研磨液を循環させると共に、容器内に挿入された液戻り用の吐出管先端のジェットポンプを使用し、ジェットポンプの流体エネルギーによって容器内の研磨液を撹拌することにより、研磨液における砥粒の沈降を抑制し、砥粒濃度の均一化を図る様にした。

すなわち、本発明の要旨は、半導体ウエハの研磨工程に至る研磨液供給ラインに対し、主に純水および砥粒から成り且つ円筒状の可搬式容器に収容されて砥粒が沈降している研磨液を前記容器から供給する方法であって、前記研磨液供給ラインの一部に容器を配置し、前記研磨液供給ラインに設けられたポンプの吸引によって前記容器から研磨液を取り出すにあたり、前記容器に対し、当該容器の上端から挿入される吸引管および吐出管の間の流路にベローズポンプを介装して成り且つ前記吐出管の先端にジェットポンプが付設された着脱可能な循環装置を取り付け、前記ジェットポンプを前記容器内の底部近傍で且つ周壁近傍に配置し、前記ジェットポンプから研磨液を略水平方向に噴射することにより、前記循環装置に研磨液を循環させつつ、前記ジェットポンプにより前記容器内の研磨液を攪拌することを特徴とする研磨液の供給方法に存する。

本発明に係る研磨液の供給方法よれば、ベローズポンプによって研磨液を循環させ、循環させた研磨液を駆動流体とするジェットポンプで容器内の研磨液を撹拌するため、研磨液を汚染することなく、一層均一な濃度の研磨液を容器から取り出して研磨液供給ラインに供給することが出来る。

本発明に係る研磨液の供給方法の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る研磨液の供給方法および使用する循環装置の構成を示すフロー図である。図２は、循環装置の吐出管に付設されたジェットポンプの構造を一部破断して示す側面図である。また、図３は、循環装置の吐出管の容器内における配置位置を示す平面図である。なお、以下の説明意においては、研磨液の供給方法を「供給方法」と略記する。

本発明の供給方法は、半導体ウエハの研磨工程に至る研磨液供給ライン（図１に研磨液供給ラインの一部である基端部を符号（１）で示す。）に対し、主に純水および砥粒から成る研磨液（砥液）を供給する方法であり、図１に示す様に、研磨液供給ライン（１）の一部、例えば基端に容器（２）を配置し、研磨液供給ライン（１）に設けられたポンプ（図示省略）の吸引によって容器（２）から研磨液を取り出すにあたり、特定の循環装置（３）を使用して容器（２）内の研磨液を撹拌する点に特徴がある。

ウエハの研磨工程は、ウエハの平面度を高めたり、不要な回路材料を除去するため、研磨装置によってウエハ表面に機械研摩または機械化学研磨を施す工程であり、一般的に、研磨装置は、一方向に回転するテーブル状の定盤に装着された研磨クロス対し、複数組のキャリアプレートによって被研磨面が下面に露出する状態に保持された複数枚のウエハを上方から押し当て、研磨液を供給しつつ、定盤を回転させることにより、ウエハ表面に対して相対的に研磨クロスを複雑に回転接触させる様になされている。そして、研磨液供給ライン（１）は、上記の様な研磨装置へ研磨液を供給するライン（装置）であり、図示しないが、所要の配管系、送液ポンプなどから構成される。

研磨液としては、シリカ（Ｓｉ）系、セリア（Ｃｅ）系、アルミナ（Ａｌ）系の研磨液が挙げられるが、本発明は、砥粒の比重が大きく、沈降性の高いセリア（Ｃｅ）系研磨液、アルミナ（Ａｌ）系研磨液を使用する場合に好適である。これら研磨液における砥粒濃度は約１〜３０ｗｔ％であり、残りの成分は純水および添加剤である。通常、砥粒の粒径は５μｍ未満であり、また、添加剤としては、メタル配線の表面を研磨する場合やプラグを除去する場合、これらを酸化し得る成分、例えば過酸化水素が使用され、シリコン層を研磨する場合、水酸化カリウム等のアルカリが使用される。

容器（２）は、研磨液供給ライン（１）の基端の配管端部に配置される。容器（２）としては、予め調製済の研磨液が収容された可搬式容器、或いは、可搬式容器によって搬入された研磨液を受け入れる固定式容器の何れを使用してもよいが、後述の循環装置（３）を装着するため、上端を開放可能な例えば円筒状容器が使用される。通常、容器（２）の内容積は１００〜２００リットル程度である。そして、容器（２）の研磨液は、研磨液供給ライン（１）に設けられたポンプによって当該研磨液供給ラインに取り出される。

本発明においては、容器（２）から研磨液供給ライン（１）に研磨液を取り出すにあたり、循環装置（３）を配置し、容器（２）内の研磨液を撹拌する。循環装置（３）は、容器（２）に挿入される吸引管（３１）及び吐出管（３２）の間の流路（３３）にベローズポンプ（４）を介装して構成される。吸引管（３１）及び吐出管（３２）は、耐薬品性を有するテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂によって構成された剛性の管であり、その内径は１９〜２５ｍｍ程度に設計され、長さは容器（２）の上方から略底部に至る程度の長さとされる。また、吸引管（３１）から吐出管（３２）に至る循環路としての流路（３３）は、上記と同様の樹脂から成る剛性または可撓性の管によって構成される。

ベローズポンプ（４）としては、ピストンやロータリーを圧縮空気で駆動させる空気作動ポンプであって、駆動軸を含む駆動機構がベローズによって封止されたものが使用される。ベローズポンプ（４）においては、駆動機構がベローズシールされているため、駆動用空気に含まれる塵埃や駆動部で発生するパーティクルによる接液部分および流体の汚染を防止できる。ベローズポンプ（４）としては、研磨液供給ライン（１）の処理量によっても異なるが、例えば、吐出圧力が０．１〜０．５ＭＰａ程度、流量（水の場合の流量）が１０〜５０リットル／分程度のものが選択される。上記の様なベローズポンプ（４）は、例えば、日本ピラー工業社製の「スペラ３００低脈圧ポンプ」（商品名）、グラコ社製の「オリオンベローズポンプ」（商品名）として入手可能である。

また、循環装置（３）においては、容器（２）内の研磨液を汚染することなく効率的に撹拌するため、吐出管（３２）の先端に対し、噴射ノズルであるジェットポンプ（５）が付設される。ジェットポンプ（５）は、図２に示す様に、外形を例えば直管状に形成されており、その内部には、先端が漸次絞られたノズル部（５１）、先端に向かうに従い漸次拡径されたデフューザ部（５２）が設けられ、且つ、ノズル部（５１）とデフューザ部（５２）の間に吸込口（５３）を備えている。

上記のジェットポンプ（５）は、吐出管（３２）から供給される研磨液を駆動流体としてノズル部（５１）からデフューザ部（５２）に噴射することにより、ノズル部（５１）近傍の吸込口（５３）から被駆動流体としての周囲の研磨液を汲み上げ、そして、デフューザ部（５２）において流体（噴射する研磨液）の速度ヘッドの一部を圧力ヘッドに変換し、そして、デフューザ部（５２）から供給量の３〜４倍の量の流体を噴射する機能を有する。

すなわち、上記の循環装置（３）は、吸引管（３１）で吸い込んだ研磨液を吐出管（３２）の先端からジェットポンプ（５）を介して戻すことにより、容器（２）の研磨液中において一層高い圧力の噴流を発生させる様になされている。なお、循環装置（３）においては、流路（３３）に圧力計（６）が設けられ、別途設けられた制御装置（図示省略）によって圧力計（６）の検出圧力を監視し、上記の制御回路を介してベローズポンプ（４）の運転を制御する様になされている。

また、図示しないが、循環装置（３）は、容器（２）に着脱可能なケーシングに流路（３３）、ベローズポンプ（４）、圧力計（６）及びポンプ制御回路などを収容して構成され、容器（２）に前記のケーシングを取り付けることにより、吸引管（３１）及び吐出管（３２）を容器（２）内に挿入する様になされている。或いは、循環装置（３）は、流路（３３）、ベローズポンプ（４）、圧力計（６）及びポンプ制御回路などを研磨液供給ライン（１）の基端の例えば架台に予め設置され、架台の昇降または容器台の昇降により、吸引管（３１）及び吐出管（３２）を容器（２）内に挿入する様になされている。

本発明においては、容器（２）から研磨液を取り出すにあたり、上記の様な循環装置（３）を容器（２）に取り付けることにより、循環装置（３）に研磨液を循環させつつ、吐出管（３２）先端のジェットポンプ（５）により容器（２）内の研磨液を攪拌する。すなわち、本発明においては、循環装置（３）により、汚染のないベローズポンプ（４）によって研磨液を循環させると共に、容器（２）内に挿入された吐出管（３２）先端のジェットポンプ（５）を使用し、当該ジェットポンプの流体エネルギーによって容器（２）内の研磨液を撹拌することにより、研磨液における砥粒の沈降を抑制し、砥粒濃度の均一化を図る。これにより、研磨液を汚染することなく、一層均一な濃度の研磨液を研磨液供給ライン（１）に供給することが出来る。しかも、本発明は、小型のベローズポンプ（４）によって駆動する循環装置（３）を使用するため、設備を小型化することが出来る。

更に、本発明においては、容器（２）の研磨液に対する撹拌効果を一層高めるため、吐出管（３２）の先端、すなわち、ジェットポンプ（５）を図１に示す様に容器（２）内の底部近傍に配置し、ジェットポンプ（５）から研磨液を略水平方向に噴射することにより、容器（２）内の研磨液を攪拌するのが好ましい。上記の様に、容器（２）内の底部近傍にジェットポンプ（５）を配置して研磨液を攪拌した場合には、容器（２）内において沈降性の研磨液を底部の方から上方へ移動させることが出来るため、一層高い撹拌効果を得ることが出来る。更に、図３に示す様に、ジェットポンプ（５）を容器（２）内の底部近傍で且つ容器（２）内の周壁近傍に配置した場合には、容器（２）内において、研磨液を掻き上げ、しかも、図示する様な旋回流を発生させることが出来るため、より一層高い撹拌効果を得ることが出来、より一層均一な濃度の研磨液を研磨液供給ライン（１）に供給することが出来る。

出荷時に研磨液が収容された可搬式の容器（２）を研磨液供給ライン（１）の基端に配置し、図１に示す循環装置（３）を容器（２）に取り付けた後、容器（２）内の研磨液を循環装置（３）に循環させることにより、容器（２）内で研磨液を撹拌してその均一化効果を確認した。容器（２）として、内径が５００ｍｍ、高さが１０００ｍｍ、内容積が約２００リットルの円筒状容器を使用し、研磨液として、市販のＣｅ系研磨液を２００ｋｇ使用した。

循環装置（３）を構成するにあたり、外径が２５ｍｍのテフロン（登録商標）製のパイプで吸引管（３１）及び吐出管（３２）を作製し、内径が２５ｍｍのテフロン（登録商標）製の可撓性パイプで流路（３３）を作製した。ベローズポンプ（４）は、日本ピラー工業社製の商品名「スペラ３００低脈圧ポンプ ＰＳ−４０ＭＡ」として市販のポンプであり、その最大吐出量は４８リットル／分であった。ジェットポンプ（５）としては、いけうち社製の商品名「ＥＪＸ液体撹拌ノズル」として市販のノズルであって、最小オリフィスが５ｍｍの図２に示す構造のノズルを使用した。また、ジェットポンプ（５）は、容器（２）の底部に対して１０ｍｍ上方で且つ容器（２）の内周壁から５０ｍｍ離間させて配置した。

研磨液の均一性については、採取した研磨液に含まれる固形成分（砥粒）の量に関し、容器内の採取位置の相違による固形成分の量の違いを測定することによって確認した。研磨液中の固形成分の量の測定は、容器の上層部および下層部からそれぞれビーカーに研磨液を採取し、ビーカーの重量を差引きして研磨液の重量を測定した後、ホットプレートにビーカーを載せて研磨液を乾燥させ、ビーカーの重量を差引きして固形成分の重量を測定することにより、研磨液１ｇ当たりに含まれていた固形成分の重量を求めた。なお、重量測定においては、電子天秤を使用した。

その結果、容器（２）において撹拌した場合の研磨液中の固形成分の量は、表１中に実施例１〜３として示す通りであり、容器（２）内の研磨液の上層部と下層部とで殆ど差異が見られなかった。これに対し、可搬式容器で２５日間静置した撹拌していない研磨液中の固形成分の量は、表１中に比較例１として示す通り、可搬式容器内の研磨液の上層部と下層部とで大きな差異が見られた。

本発明に係る研磨液の供給方法および使用する循環装置の構成を示すフロー図である。 循環装置の吐出管に付設されたジェットポンプの構造を一部破断して示す側面図である。 循環装置の吐出管の容器内における配置位置を示す平面図である。

符号の説明

１ ：研磨液供給ライン
２ ：容器
３ ：循環装置
３１：吸引管
３２：吐出管
３３：流路
３４：継手
４ ：ベローズポンプ
５ ：ジェットポンプ
５１：ノズル部
５２：デフューザ部
５３：吸込口
６ ：圧力計

Claims (2)

1. 半導体ウエハの研磨工程に至る研磨液供給ラインに対し、主に純水および砥粒から成り且つ円筒状の可搬式容器に収容されて砥粒が沈降している研磨液を前記容器から供給する方法であって、前記研磨液供給ラインの一部に前記容器を配置し、前記研磨液供給ラインに設けられたポンプの吸引によって前記容器から研磨液を取り出すにあたり、前記容器に対し、当該容器の上端から挿入される吸引管および吐出管の間の流路にベローズポンプを介装して成り且つ前記吐出管の先端にジェットポンプが付設された着脱可能な循環装置を取り付け、前記ジェットポンプを前記容器内の底部近傍で且つ周壁近傍に配置し、前記ジェットポンプから研磨液を略水平方向に噴射することにより、前記循環装置に研磨液を循環させつつ、前記ジェットポンプにより前記容器内の研磨液を攪拌することを特徴とする研磨液の供給方法。
2. 研磨液がセリア系またはアルミナ系の研磨液である請求項１に記載の研磨液の供給方法。

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