JP5632132B2 - 基板処理方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、正規の運転に必要な量を超えるユーティリティの消費は省資源・省エネルギー・環境保全等の観点から本来的に不適切であって、必要最小限のユーティリティ消費量による運転に移行すべきである。
図9で明らかなように、CMP装置が長期間停止しているとき、消費量が最も多いユーティリティは超純水であって、その消費量は1.76kWと停止状態での全ユーティリティ消費量4.43kWの40%程度を占めている。
一方、運転・稼動中の全ユーティリティ消費量は下記非特許文献1によると、8.86kWとなっているので、長期停止期間中にも、稼動中のユーティリティ消費量の50%のユーティリティを消費しているといえる。これは省資源・省エネルギー・環境保全等重視の視点から見ると無視出来ないユーティリティの浪費である。従って、長期停止中において、必要最小限のユーティリティ量だけを消費するような運転方法へ改善することが切望される。
さらに、ユーティリティの消費を、実際の稼動水準を満足するために、各機構・部分が必要とする最小限量に調整するためのユーティリティ供給プログラム及び/又は専用のセンサなどの計測手段と制御機構などを組込んだCMP装置としておくことが望ましい。
研磨中において、半導体ウエハが研磨パッドと研磨液によって化学的及び機械的に研磨されるために、その研磨屑であるパーティクルとしてSiO2粉やCu粉等が発生して研磨パッドに付着することになる。このようなパーティクルが研磨パッド上に付着して乾燥などの原因で固着すると、その後に搬入されてくるウエハに傷をつけるおそれがあるため、リンス水を常時供給することで研磨パット上の乾燥を予防すると共に研磨パッド上からパーティクル等を常時流出させる必要があった。
そのため、扉の開閉を検知して、扉の開放及び閉鎖に応じて排気量を増減調整することによって、扉の開閉に関わらず内部の研磨液のミストや研削屑、或いは気化した洗浄液等を含む空気を清浄な雰囲気のクリーンルーム内に流出しないようにする必要があった。
また、これにより排気設備のランニングコストを低減するようにしていた。一方、半導体工場においては半導体製造装置相互の関係をも考慮したコストダウンが求められているが、ユーティリティ量に着目した取り組みはなされてこなかった。スループットを向上させようとすれば、常時ユーティリティを使用することが必要とされるとも考えられ、ダウンタイムの存在を前提としての取り組みはなされづらかったということもある。
同様に、特許文献1に記載されたCMP装置においても、研磨液のミストや研削屑、或いは気化した洗浄液等を含む空気が外部に排出されないように、扉の開閉を検知して研磨部や洗浄部内の排気量を増減調整しているが、稼働中であっても長期稼働停止中であっても連続的に排気しているから、ランニングコストの低減や電気消費量の低減は十分とはいえなかった。
dt=20{1.6−exp(−0.01783t)} ……(1)
10≦t≦30 ……(2)
dt=20{1.6−exp(−0.01783t)} ……(1)
10≦t≦30 ……(2)
また、本発明に係る基板処理方法によれば、基板処理の待機状態において、洗浄手段に間欠的に純水または/及び超純水を供給するため、洗浄手段は湿潤状態に保持され、研磨屑等が乾燥して洗浄手段に付着して固化されて稼働再開時に基板を傷つけたりすることを確実に防止できる。そして、停止状態における純水または超純水の消費量を低減できる。
そして、研磨部2と洗浄部3とはそれぞれ排気ダクト6、7に個別に連通しており、各排気ダクト6、7は排気流量調整弁8、9を介して図示しない共通排気ラインに接続され、共通排気ラインは図示しない排気装置に接続されている。なお、搬送部5にも排気ダクトを接続してもよい。
が発生して空気中に飛散しても外部に流出しないように研磨部2内の圧力を外部圧力(例えば大気圧)より低圧、ここでは負圧に制御する。排気ダクト7及び排気流量調整弁9は洗浄部3内で気化する有機溶剤や酸系の洗浄液が外部に流出しないように洗浄部3内の圧力を外部圧力(ここでは大気圧)より低圧、ここでは負圧に制御する。
同様に、研磨部2と洗浄部3とはそれぞれ洗浄用の純水または超純水(以下、これらをまとめて超純水という)のインナリンス水を供給するリンス水供給管11、12が開閉制御手段として接続されており、各リンス水供給管11、12はリンス水流量調整弁13、14を介して図示しない共通供給ラインに接続されてリンス水供給源に連通している。
また、回転定盤17の下部には支持部20が設けられており、支持部20及び回転定盤17内には冷却水管21が例えば螺旋状または格子状等に配設され、冷却水管21を流れる冷却水によって回転定盤17の表面温度を制御するようにしている。冷却水管21には冷却水流量調整弁22が設けられ、支持部20及び回転定盤17内に流れる冷却水の流量と開閉を調整している。
研磨パッド16上にはリンス水供給管11の供給口11aが設けられ、インナリンス水を研磨パッド16上に連続してまたは間欠的に供給するようになっている。また、研磨部2の天井面には上述した排気ダクト6が接続されている。研磨部2内には研磨部2内の気圧を検知する圧力センサとして圧力変換器24が配設され、研磨部2内の圧力が外部雰囲気の圧力(例えば大気圧)よりどの程度低圧(負圧)であるかを検知する。
なお、研磨部2内には研磨前後のウエハWを取り扱う図示しない搬送ロボットが配設されている場合もある。
洗浄部3内にはウエハWを搬入及び搬出するための搬送ロボット28が設けられている。洗浄部3内にも洗浄部3内の圧力を検知する圧力センサとして圧力変換器29が配設され、洗浄部3内の圧力が外部雰囲気の圧力(例えば大気圧)よりどの程度低圧(負圧)であるかを検知する。
また、搬送部5内には、ウエハWを搬出入する図示しない搬送ロボットが設けられる場合がある。搬送ロボットによって未研磨のウエハWをカセット4a、4bから搬出して研磨部2内に直接または間接的に搬送すると共に研磨と洗浄が行われたウエハWをカセット4a、4b内に収容するようにしている。
運転制御手段31は、図2に示すように、CMP装置1が運転状態か停止状態かを例えば図示しない駆動源の駆動指令によるON,OFF切り換えスイッチ等のセンサ30によって判別するモード認識手段32と、運転状態ではCMP装置1の各手段の稼働を制御する運転モード手段33と、停止状態ではCMP装置1の各手段の稼働と停止等を制御する待機モード手段34とが設けられている。
なお、本発明において、研磨パッド16による半導体ウエハWの研磨動作が停止している状態を待機状態(停止状態)、待機モードというものとする。
その際、研磨パッド16にはリンス水流量調整弁13を開弁してリンス水を例えば1L/分供給し、洗浄用スポンジローラ26,27にはリンス水流量調整弁14、14を開弁してリンス水をそれぞれ例えば0.6L/分供給することで、乾燥の防止と湿潤状態の維持を達成するようにした。
また、待機モード手段34では、停止状態において、研磨部2や洗浄部3内の圧力がこれらの外部圧力、例えば大気圧よりも上述した大気圧に対して好ましくは−30Pa(パスカル)〜−12.5Paの範囲の圧力差を有する低圧に維持されるように制御する。
この場合、外部圧力からの所定圧力差の上限値−12.5PaはNASA規格から設定したクリーンルームの圧力差の値と同一であり、研磨部2や洗浄部3内の圧力がこの上限値より大きいと、扉の開閉等によって外部圧力の値に上昇して、内部の研磨液のミストや切削粉、洗浄液等が外部に流出するおそれが増大する。他方、所定圧力差の下限値−30Paより小さいと、差圧によって研磨部2や洗浄部3のルームが変形して外壁に間隙ができるおそれがある。
そして、研磨部2内、洗浄部3内の各圧力が外気圧より−30Pa(パスカル)〜−12.5Pa低い圧力の範囲を外れて高くなっている場合には排気流量調整弁8,9を開弁して排気状態に切り換えて、−30Pa(パスカル)〜−12.5Paの範囲に減圧させるように制御する。より好ましくは−20Pa〜−15.0Paの範囲に減圧する。
上述したようにCMP装置1における稼働の待機モード、例えば長期停止期間に消費しているユーティリティの量と割合に関し、従来、超純水は全消費ユーティリティ量のうち39.9%と最も消費量が高い割合を占めていることに着目し、停止状態における研磨パッド16、洗浄用スポンジローラ26,27の乾燥防止のために供給する超純水からなるリンス水の消費量削減を図った。
研磨開始までの時間が必要降温時間より短く、待機中でないと判別した場合には、運転モードを運転モード手段33により続行するものとし、これに関連して研磨部2と洗浄部3でのインナリンス水の供給と排気とを連続して行う(ステップ103)。
他方、研磨開始までの時間が必要降温時間より長く、待機中であると判別した場合には、待機モード手段34によりインナリンス水の間欠供給、間欠排気、冷却準備等の間欠制御を行う(ステップ104)。そして、運転モードと待機モードのいずれを選択した場合でも、予め設定された所定のサンプリング時間(例えば1/100秒)が経過したか否かを判別し(ステップ105)、サンプリング時間が経過していない場合にはさらに運転モードまたは待機モードを実行し、サンプリング時間が経過した場合にはステップ101に戻ってセンサ30により運転モードか待機モードかを再度判別する。
開弁の際、図3に示すように、研磨部2では、リンス水流量調整弁13を開弁して研磨パッド16にリンス水量を1L/分として20秒間供給することで乾燥の防止と湿潤状態の維持を達成できる。また、洗浄部3では、リンス水流量調整弁14、14を開弁して洗浄用スポンジローラ26,27にリンス水量をそれぞれ0.6L/分として20秒間供給することで乾燥の防止と湿潤状態の維持を達成できる。
ンジローラ26,27の乾燥による弊害を防止するためには、30分毎に1回純水を供給し、1回当りの供給時間を20秒とすれば、少なくとも十分なことを検証できた。この場合でも、ウエハWの研磨速度及び洗浄後のウエハW表面上の残留ダスト量は従来と同様であることが実験的に確認できた。
この変更の結果、消費する純水の量は、連続供給する従来と比較して、下式により
20秒/(30分×60秒/分)=1/90≒1.1%
によって、従来の90分の1(=1.1%)まで停止状態における純水の消費量を削減する
ことが出来た。
さらに、間欠供給する純水の供給頻度と供給継続時間の組合せを上記以外の水準に設定した実験を行うことによって、ウエハWの研磨速度及び洗浄後のウエハW表面上の残留ダスト量が所定の基準内に収まる条件を求めた。表1はその結果を示す。また、表1の結果をグラフで表すと図5に示すようになる。
さらに、乾燥状態が30分を超えて継続した場合には、その後大量のインナリンス水を供給しても、研磨パッド16や洗浄用スポンジローラ26,27の表面が必要な湿潤状態に戻ることは不可能であった。これは、研磨パッド16や洗浄用スポンジローラ26,27の表面に主としてスラリー中に含まれる研磨砥粒やウエハWの研磨粉・粒子が乾燥して強固に付着してしまい、湿潤状態の清浄表面への回復が不可能な状態に至ったためであるといえる。
また、供給時間間隔をt分、一回毎のインナリンス水の供給継続時間をdt秒としたとき、表1の関係を回帰するために次の近似式(1)を用いることができる。
dt=20{1.6−exp(−0.01783t)} ……(1)
図5に示す実線は式(1)で表される近似曲線を実測した点に併記したものである。式(2)は実験結果を近似していると認定できる。
以上述べてきたように、供給時間間隔が30分を超えると乾燥による弊害がひどくなり、同じく時間間隔が10分を下回ると消費する純水の量が膨大になることから、供給時間間隔tについて次式(2)の限定も付与する必要がある。
10≦t≦30 ……(2)
表1で示す条件内で実施すれば、ウエハWの仕上がり状態は基準内に収まるものの、時間間隔が短くなるにつれてインナリンス水の総消費量は増大するので、最低限に削減するためには供給時間間隔t=30分を選択するのが最も望ましい。
以上のように、本実施形態によるCMP装置1を実施した結果、図9から明らかなように、
1.76kW×(1−0.011)/4.43kW=0.39
であるから、CMP装置1の停止状態における純水の消費量削減は、従来の全ユーティリティ消費量4.43kWを最大39%も低下させることが出来た。
CMP装置1の研磨部2や洗浄部3を稼働させている場合、研磨部2内では研磨パッド16とトップリング18の相対回転によって両者の間に保持されたウエハWの表面が研磨される。ウエハWの研磨に際して、研磨パッド16に供給される研磨液のミストやウエハWの研磨粉等が発生して空気中に飛散するため、排気流量調整弁8を開弁して排気ダクト6を通して連続的に排気する。これによって、研磨部2内のミストや研磨粉等が研磨部2の外部、例えば清浄な雰囲気のクリーンルームや大気圧の部屋等に流出することなく排気ダクト6を通して排気され回収される。
洗浄部3においても同様に、研磨後のウエハWを洗浄するための有機溶剤や酸系の洗浄液が蒸発して空気中に飛散する。これを連続して排気する排気ダクト7を通して回収し、洗浄部3の外部に流出することを防止している。
その際、排気ダクト6,7の吸引によって研磨部2や洗浄部3内は外部の大気圧より低圧に維持され、これら研磨部2や洗浄部3内の研磨液のミストや研磨粉、揮発した有機溶剤や酸系の洗浄液のミスト等が外部に流出するのを防止できる。また、研磨部2や洗浄部3内の圧力はそれぞれ圧力変換器24,29で検知され、運転制御手段31のモード認識手段32へ入力して検知し、外部圧力より低いことを確認する。
そして、検知された研磨部2及び洗浄部3内の圧力が待機モード手段34で予め設定された圧力、例えば外部の圧力より−30Pa(パスカル)〜−12.5Paの範囲で低圧に維持されているか否かを各圧力変換器24,29で検知する。研磨部2や洗浄部3内の圧力が、この所定低圧の範囲内である場合には排気流量調整弁8,9を閉弁状態に維持する。この場合、研磨部2や洗浄部3内に浮遊する研磨液のミストや研磨粉、洗浄液のミスト等は外部よりも内部圧力が低圧に保持されているため、研磨部2や洗浄部3の外部に流出することなく保持される。
そして、研磨部2や洗浄部3内の圧力が−30Pa(パスカル)〜−12.5Paの範囲内に減圧された場合には、圧力調整弁24,29で減圧を確認して、運転制御手段31によって排気流量調整弁8,9を閉弁させると共に排気装置をOFFする。
従来、停止状態の待機モードにおいて、冷却水管21には冷却水が連続的に供給されている。通常、CMP装置1はクリーンルーム内に設置されているために、冷却水の供給を停止した状態でも回転定盤17の表面温度は23℃を超えて上昇することはない。しかし、回転定盤17の表面温度は上昇し、研磨する半導体ウエハWの状況や使用する研磨液(スラリ)の種類などに伴って昇温状況は異なる。
そのため、稼働状態の回転定盤17の表面を20℃以下に制御するために、回転定盤17内に例えば螺旋状に形成された冷却水管21に冷却水を供給する貯水槽内の水温を冷却器によって15〜20℃の範囲に制御している。これにより、CMP装置1の稼働時における半導体ウエハWの研磨中に研磨パッド16の表面温度を20℃以下に保持して半導体ウエハWの研磨精度を確保している。
一方、冷却水を停止された回転定盤17の表面温度は23℃程度に維持されているとして、15〜20℃程度の温度の冷却水を5L/分で供給して循環させると、回転定盤17の表面温度は、図6に示すように、供給開始から22分程度で15℃に低下して安定することがわかっている。
以上の結果、待機モードでの年間を通しての冷却水量を大略38%低減することができ
た。この数値算出にあたっては、年間を通してのCMP装置1の正味稼働時間比率を顧客からの情報に基づき平均60%とし、さらに1日毎の運転パターンとしても24時間×0.6=14.4時間の実研磨稼動を仮定している。その結果、研磨前の0.5時間を加算した14.9時間が正味の冷却水供給時間となるので、低減率は(24時間−14.9時間)/24時間=0.38となる。また、待機時間には冷却水供給を停止するので、図9から待機期間での冷却水量まるまる1.27kW(28.6%)分を削減することが出来た。
従って、今後、さらなるコスト低減を図るためには、半導体製造装置間の相互インターフェースを含む製造設備システム全体を通した製造コストの低減策が求められてくるといえる。本発明の一実施形態が提供する、装置エンジニアリングシステムすなわち半導体エンジニアリングシステムとは、研磨装置におけるユーティリティ削減にとどまらず、さらに、前工程、後工程で用いられる各種の半導体製造装置すべてのユーティリティ消費を最適化するものである。これによって、単なる研磨装置単独のユーティリティ削減にとどまらず、半導体製造システム全体のユーティリティ削減を相乗的に達成することが可能となる。
本発明では、複数の研磨装置(CMP装置1)401、402,403に対して1台のホストコンピュータ301を設け、このホストコンピュータ301が個々の研磨装置402〜403及び全体のユーティリティ消費を常時最適化しながら、特定の研磨スケジュールを一貫して行うようにしている。たとえば、図7では、ホストコンピュータ301が、3台の研磨装置401〜403のユーティリティを最適化する例を示している。ここで、各研磨装置におけるユーティリティ量は、常時、各研磨装置401〜403における使用量モニタリングシステムによって感知され、この生データが、ホストコンピュータ301へと送られる(研磨装置401からは生データS1が、研磨装置402からは生データS3が、研磨装置403からは生データS5が、ホストコンピュータ301に送信される)。そして、ホストコンピュータ301では、データベース302の目標データRを参照し、このデータRと、各研磨装置401〜403からの生データS1、S3、S5とをそれぞれ比較し、制御信号S2、S4、S6を生成する。
通常、ウェハ研磨量は、結果物たるウェハをどれだけ生産するかにより(市場のニーズに応じて)決められる。しかし、ユーティリティ量があらかじめ決定されているような場合、たとえば、使用電力量が決定され、これに応じて、研磨した結果物たるウェハの量を決めたい、といった場合もある。このような場合に、本発明によれば、使用ユーティリティ量に応じて、複数の研磨装置のうちいくつかを、適宜、停止したり起動したりといったことも可能となる。ユーティリティ使用量が生産コストに与える影響は大きいので、製造コストがあらかじめ限定されている場合に、研磨対象物の生産量をそれに応じて調整するといった運転が、本発明によって、容易となる。具体例として、図7において、以下のような運転を行うことができる。
本発明では、研磨装置を含む複数の半導体製造装置1001,1002,1003に対して1台のホストコンピュータ301を設け、このホストコンピュータ301が研磨装置を含む複数の半導体製造装置のそれぞれ、及び装置全体でのトータルのユーティリティ消費を最適化する。図8では、ホストコンピュータ301が、研磨装置を含む複数の半導体製造装置1001〜1003のユーティリティ消費量を最適化する例を示している。ここで、各半導体製造装置1001〜1003におけるユーティリティ量は、常時、各研磨装置における使用量モニタリングシステムによって感知され、この生データが、ホストコンピュータ301へと送られる(製造装置1001からは生データS1’が、製造装置1002からは生データS3’が、研磨装置1003からは生データS5’が、ホストコンピュータ301に送信される)。
2 研磨部
3 洗浄部
4、4a、4b カセット
5 搬送部
6,7 排気ダクト
8,9 排気流量調整弁
11,12、12a、12b リンス水供給管
13、14 リンス水流量調整弁
16 研磨パッド
17 回転定盤
24、29 圧力変換器
26、27 洗浄用スポンジローラ
28 搬送ロボット
31 運転制御手段
301 ホストコンピュータ
302 データベース(データベース格納装置)
401,402,403 研磨装置
1001,1002、1003 半導体製造装置
S1,S3,S5、S1′,S3′,S5′ 生データ
S2,S4,S6、S2′,S4′,S6′ 制御信号
W ウエハ
R 目標データ、参照データ
Claims (2)
- 回転可能な回転定盤に設けた研磨パッドとトップリングとの間に基板を保持して相対回転させると共に、前記研磨パッド上に純水または/及び超純水を供給することで、前記基板を処理するようにした基板処理方法であって、
基板処理の停止状態である待機モードにおいて、間欠的に前記純水または/及び超純水の供給管を開弁して研磨パッドに純水または/及び超純水を供給し、純水または/及び超純水の供給間隔をt分とし、1回毎の純水または/及び超純水の供給継続時間をdt秒として、下記の式(1)と式(2)を満足することで、前記研磨パッドが湿潤状態を維持できるようにしたことを特徴とする基板処理方法。
dt=20{1.6−exp(−0.01783t)} ……(1)
10≦t≦30 ……(2) - 洗浄手段に純水または/及び超純水を供給しながら基板を洗浄手段で洗浄処理するようにした基板処理方法であって、
基板処理の停止状態である待機モードにおいて、間欠的に前記純水または/及び超純水の供給管を開弁して洗浄手段に純水または/及び超純水を供給し、純水または/及び超純水の供給間隔をt分とし、1回毎の純水または/及び超純水の供給継続時間をdt秒として、下記の式(1)と式(2)を満足することで、前記洗浄手段が湿潤状態を維持できるようにしたことを特徴とする基板処理方法。
dt=20{1.6−exp(−0.01783t)} ……(1)
10≦t≦30 ……(2)
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