JP5721245B2

JP5721245B2 - 研磨スラリーに気体を添加する供給系及びこの方法

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Publication number: JP5721245B2
Application number: JP2014084617A
Authority: JP
Inventors: 陳▲しょう▼彰; 周炳伸; 杜維剛
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: CN104108072A; US9193032B2; JP2014210336A; TWI517935B; CN104108072B; TW201440953A; US20140308880A1

Description

本発明は、研磨スラリーの供給方法に関し、特に気体が添加された研磨スラリーの供給方法に関して、基板のＣＭＰ工程に適用する。

半導体工程において、例えば基板を研磨する化学機械研磨工程（Chemical Mechanical Polishing、ＣＭＰ）は、よく使用する加工方法である。基板、研磨スラリー及び研磨パッドの間の接触によって、基板と研磨パッドの間に安定な負荷を与えて、流体力学的圧力を生成すると、基板の表面材料を除去する目的が実現できる。ただし、常に基板材料の硬度がより高いので、研磨工程の時間は長くなる。なお、表面反応の機制で材料表面生成物を除去する方法では、前に研磨パッドの研磨料反応特性を理解しなければいけないと、応用が複雑となって、工程の歩留まりが制限された。特に研磨工程の時間は長くなると、研磨スラリーの使用では容易に環境損傷が発生する。現下、研磨スラリーの開発は、主に強腐食性で基板材料の反応程度を高める目的を目指すと、環境に悪影響が明らかである。従って、前述問題を改善するために、新しい供給方法を開発する必要がある。

本発明の目的は、研磨スラリーに気体を添加する供給系及びこの方法を提供し、気体を研磨スラリーに溶かしたことによって、基板の表面材料の除去率が向上されることを課題とする。

本発明のまた一つの目的は、研磨スラリーに気体を添加する供給系及びこの方法を提供し、気体を研磨スラリーに溶かしたことによって、基板表面の加工品質が改善し、基板表面の不平坦の問題が解決できる。

上記目的を達成するために、本発明の実施例によって、基板を研磨するための基板のＣＭＰ装置に適用する研磨スラリーに気体を添加する供給系を提供する。前記供給系は、研磨スラリーを保存する研磨スラリー容器と、前記研磨スラリー容器に連結し、前記研磨スラリーを受ける気体混合容器と、気体を保存し、前記気体を前記気体混合容器に供給する気体容器と、前記気体混合容器と前記気体容器の間に連結し、前記気体容器を制御して所定な気体流量の前記気体を前記気体混合容器に供給する調整装置と、前記気体を前記研磨スラリーに溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリーを生成する時、前記気体混合容器に連結して、前記気体混合容器を制御し、前記気体が添加された研磨スラリーを前記ＣＭＰ装置に供給する第一流量制御装置とを含む。前記ＣＭＰ装置が前記供給系を利用して、前記基板に研磨を行うことができる。

本発明の実施例において、前記気体混合容器内の前記気体の第一圧力値及びヘンリー定数に基づいて、前記気体混合容器内の気体が添加された研磨スラリーの気体量が計算できる。前記気体の第一圧力値は基板近傍の第二圧力値より高くなる。供給系はさらに、前記気体混合容器に連結し、前記気体混合容器に気体が添加された研磨スラリーの気体量を計測する気体センサを含む。

本発明の実施例において、前記気体としては、酸素、二酸化炭素及び窒素からなる群より選択される。本発明の実施例において、供給系はさらに、記気体混合容器と研磨スラリー容器の間に連結し、前記研磨スラリー容器から前記研磨スラリーを前記気体混合容器に供給する速度を制御する第二流量制御装置を含む。

本発明の実施例によって、基板を研磨するための基板のＣＭＰ装置に適用する研磨スラリーに気体を添加する供給方法を提供する。供給方法は、研磨スラリー容器によって、研磨スラリーを保存する工程と、気体混合容器によって、前記研磨スラリー容器から前記研磨スラリーを受ける工程と、気体容器によって、気体を保存し、前記気体を前記気体混合容器に供給する工程と、調整装置によって、前記気体容器を制御して所定な気体流量の前記気体を前記気体混合容器に供給する工程と、前記気体を前記研磨スラリーに溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリーを生成する時、第一流量制御装置によって、前記気体混合容器を制御し、前記気体が添加された研磨スラリーを前記ＣＭＰ装置に供給する工程とを含む。前記ＣＭＰ装置が前記供給系を利用して、前記基板に研磨を行うことができる。

本発明により提供された研磨スラリーに気体を添加する供給系及びこの方法は、気体を研磨スラリーに溶かしたことによって、基板の表面材料の除去率が向上され、基板表面の加工品質が改善し、基板表面の不平坦の問題が解決できる。

本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給系を有するＣＭＰ装置の部分断面図である。本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給系を示す図である。本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給方法の流れ図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１と図２を参照する。図１は本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給系２００を有するＣＭＰ装置１００の部分断面図である。図２は本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給系２００を示す図である。研磨スラリーに気体を添加する供給系２００は、ＣＭＰ装置１００に連結する。供給系２００は、気体が添加された研磨スラリーをＣＭＰ装置１００に供給する。研磨装置１０２の研磨パッド１０４が基板１０６に研磨を行うとき、研磨パッド１０４と基板１０６の間には、前記気体が添加された研磨スラリーでいっぱいになる。前記気体が添加された研磨スラリーによって、研磨パッド１０４が基板１０６に研磨を行うことができる。前記基板１０６は、例えばアルミン酸リチウム基板(ＬｉＡｌＯ_２，ＬＡＯ)またはシリコン基板である。また、本発明の供給系２００は半導体プロセスで使用される基板に適用する。

ヘンリーの法則（Ｈｅｎｒｙ‘ｓＬａｗ）に基づいて、本発明の供給系２００内の気体２０７が液体（例えば研磨スラリー２０３）中の溶解度は、気体２０７の分圧に正比例する。気体２０７の圧力は増えると、溶解度も増える。即ち溶解度と前記気体２０７の圧力は正比例する。下記の公式Ｅ１で示す。

Ｐ = Ｋ * Ｍ・・・・・（Ｅ１）

Ｐは液体（例えば研磨スラリー２０３）表面の溶質（例えば気体２０７）の分圧である。Ｍは液体に溶かした気体の濃度である。Ｋはヘンリー定数である。前述公式Ｅ１によって、研磨スラリー２０３中の気体２０７の溶解量が計算でき、そして基板１０６の研磨工程が制御できる。

図２に示すように、供給系２００は基板１０６のＣＭＰ装置１００に適用する。供給系２００は、研磨スラリー容器２０２、気体混合容器２０４、気体容器２０６、調整装置２０８、第一流量制御装置２１０及び第二流量制御装置２１２を含む。

供給系２００において、研磨スラリー容器２０２は、研磨スラリー２０３を保存する。気体混合容器２０４は、研磨スラリー容器２０２に連結し、研磨スラリー２０３を受ける。気体容器２０６は、気体２０７を保存し、気体２０７を気体混合容器２０４に供給する。調整装置２０８は、気体混合容器２０４と気体容器２０６の間に連結し、気体容器２０６を制御して所定な気体流量の気体２０７を気体混合容器２０４を供給する。気体混合容器２０４に連結する第一流量制御装置２１０は、気体２０７を研磨スラリー２０３に溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリー２０３ａを生成する時、気体混合容器２０４を制御し、気体が添加された研磨スラリー２０３ａをＣＭＰ装置１００に供給する。前述のようでＣＭＰ装置１００が供給系２００を利用して、基板１０６に研磨を行うことができる。本発明の供給系２００において、気体混合容器２０４は気体が添加された研磨スラリー２０３ａを保存する。気体が添加された研磨スラリー２０３ａはＣＭＰ装置１００の加工空間に入れる前に、研磨スラリー２０３に溶かされた気体２０７が放出されない。

一つの実施例において、本発明の供給系２００はさらに、気体混合容器２０４と研磨スラリー容器２０２の間に連結し、研磨スラリー容器２０２から研磨スラリー２０３を気体混合容器２０４に供給する速度を制御する第二流量制御装置２１２を含む。即ち第二流量制御装置２１２は、気体混合容器２０４に供給される研磨スラリー２０３の流量を制御できる。一つの実施例において、第一流量制御装置２１０及び第二流量制御装置２１２は、回転式流量制御装置であって、気体混合容器２０４内に気体２０７の圧力（即ち第一圧力値）の安定性を確保する。

一つの実施例において、本発明の供給系２００はさらに、気体混合容器２０４に連結し、気体混合容器２０４内の気体２０７の第一圧力値Ｐ１を示す圧力計２１４を含む。前記第一圧力値Ｐ１及び気体２０７に対応するヘンリー定数に基づいて、気体混合容器２０４内の気体が添加された研磨スラリー２０３ａ中に気体２０７の気体量が計算できる。具体的に、前述公式Ｅ１のように、前記気体２０７の気体量は、第一圧力値Ｐ１を前記気体２０７に対応するヘンリー定数で割ることで獲得する。一つの実施例において、気体２０７の第一圧力値Ｐ１は基板１０６近傍の第二圧力値Ｐ２より高くなる。気体２０７は基板１０６近傍になる時快速的に析出ができ、同時に研磨工程に入れ、基板１０６に対して加工する。他の実施例において、本発明の供給系２００はさらに、気体混合容器に連結し、気体混合容器２０４に気体が添加された研磨スラリー２０３ａの気体量を計測する気体センサ２１６を含む。

本発明の研磨スラリーに気体を添加する供給系２００は、研磨スラリー２０３をＣＭＰ装置に導入される瞬間で、気体混合容器２０４の第一圧力値Ｐ１は基板１０６近傍の第二圧力値Ｐ２（例えば1気圧である）より高くなるので、気体が添加された研磨スラリー２０３ａ中に気体２０７の平衡がなくなると、大量の気体２０７が気体が添加された研磨スラリー２０３ａから析出され、同時に研磨工程に入れ、基板１０６に対して加工する。前記気体２０７は、研磨工程に基板１０６の材料と主な反応気体となる場合に、有効的にすぐ基板材料の表面に化学反応層を生成する。この反応層は元の基板材料より、機械的性質が悪くし、容易に除去される。高除去率なることができ、有効的に基板表面の不平坦の問題を回避することができる。

一つの実施例において、本発明の研磨スラリーに気体を添加する供給系２００が使用する気体としては、例えば酸素、二酸化炭素または窒素である。前記ＣＭＰ装置１００の供給系２００の実施例において、工程変数と前記変数に対応する設定条件は下記の表１に示す：

表１に基づいて、本発明は一般的な研磨スラリーを使用する。基板の材料は例えば、アルミン酸リチウム基板である（シリコン基板もよい）。基板に与える負荷は例えば4.5 kgである。基板を載るパッド回転数は70 rpmである。供給系２００から前記パッドに気体が添加された研磨スラリーを供給する流量は例えば30 ml/minである。前記気体が添加された研磨スラリーの温度は例えば55°Cである。本発明において、使用される補助気体は例えば酸素（O₂）、二酸化炭素（CO₂）及び窒素（N₂）である場合に、実施結果は下記の表２に示す：

表２に基づいて、本発明の実施結果において、アルミン酸リチウム基板に対して、酸素、二酸化炭素及び窒素は活性ガスにより、表面反応が発生し、材料除去率が各々183.3(nm/min)、170.1(nm/min)、145.5(nm/min)となる。すべて従来技術で未使用気体時の材料除去率133.1 nm/minより高くなる。なお、従来技術で未使用気体の場合より、本発明において、酸素、二酸化炭素または窒素を使用する場合に材料除去率は各々37.7 %、28.8 %または9.3 %を向上する。即ち本発明において、酸素、二酸化炭素または窒素を使用する研磨スラリーに気体を添加する供給方法により、研磨スラリーの使用量は従来技術より少ない。前述実施例に示すように、本発明において、研磨スラリーの使用量は有効的に各々37.7 %、28.8 %または9.3 %を減少する。

なお、表２に示すように、例えば３０分所定な工程時間内、酸素、二酸化炭素または窒素を使用する場合に基板の除去重量は各々0.0292g、0.0271gまたは0.0230 gであって、すべて従来技術で未使用気体時の除去重量0.0212 gより高くなる。従って、本発明において研磨スラリーに気体を添加する供給方法により、気体でアルミン酸リチウム基板に対して研磨工程を行うと、基板表面材料の除去率を改善することができる。
また、表２に示すように、本発明の実施結果において、アルミン酸リチウム基板に対して、酸素、二酸化炭素及び窒素は活性ガスにより、工程結果の表面粗さ（ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）は各々0.17 nm、0.20 nm及び0.17 nmであって、すべて従来技術で未使用気体時の表面粗さ1.42 nmより高くなる。換言すれば、本発明において研磨スラリーに気体を添加する供給方法により、表面粗さに５〜８倍を改善することができ、基板表面の加工品質が有効的に改善できる。

具体的に、一つの実施例において、補助気体が酸素である場合に、前記アルミン酸リチウム基板と酸素の反応式は下記のＥ２で示す；他の実施例において、補助気体が二酸化炭素である場合に、前記アルミン酸リチウム基板と酸素の反応式は下記のＥ３で示す。

2LiAlO₂ + H₂O → 2LiOH + Al2O₃・・・・・ (Ｅ２)

4LiAlO₂ + 9H₂O + 2CO₂ → Li₂Al₄(CO₃)(OH)₁₂・3H₂O + Li₂CO₃・・・・・(Ｅ３)

前述反応式Ｅ２に示すように、酸素の活性はより高いので、リチウム（Li）及びアルミニウム（Al）との反応が容易に発生すると、アルミン酸リチウム基板の表面材料が容易に解離され、材料の除去率が向上される。

図３は本発明の実施例の研磨スラリーに気体を添加する供給方法の流れ図である。供給系２００は基板１０６のＣＭＰ装置１００に適用する。供給系２００は、研磨スラリー容器２０２、気体混合容器２０４、気体容器２０６、調整装置２０８、第一流量制御装置２１０及び第二流量制御装置２１２を含む。前記供給方法は下記の工程を含み：

工程Ｓ３００において、研磨スラリー容器２０２によって、研磨スラリー２０３を保存する。

工程Ｓ３０２において、気体混合容器２０４によって、研磨スラリー容器２０２から研磨スラリー２０３を受ける。一つの実施例において、第二流量制御装置２１２によって、研磨スラリー容器２０２から研磨スラリー２０３を気体混合容器２０４に供給する速度を制御する。

工程Ｓ３０４において、気体容器２０６によって、気体２０７を保存し、気体２０７を気体混合容器２０４に供給する。

工程Ｓ３０６において、調整装置２０８によって、気体容器２０６を制御して所定な気体流量の気体２０７を気体混合容器２０４に供給する。

工程Ｓ３０８において、圧力計２１４によって、気体混合容器２０４内の気体２０７の第一圧力値Ｐ１を示す。第一圧力値Ｐ１及び気体２０７に対応するヘンリー定数に基づいて、気体混合容器２０４内の気体が添加された研磨スラリー２０３ａ中に気体２０７の気体量が計算できる。気体２０７の第一圧力値Ｐ１は基板１０６近傍の第二圧力値Ｐ２より高くなる。他の実施例において、気体センサ２１６によって、気体混合容器に連結し、気体混合容器２０４に気体が添加された研磨スラリー２０３ａの気体量を計測する。

工程Ｓ３１０において、気体２０７を研磨スラリー２０３に溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリー２０３ａを生成する時、第一流量制御装置２１０によって、気体混合容器２０４を制御し、気体が添加された研磨スラリー２０３ａをＣＭＰ装置１００に供給する速度を制御する。ＣＭＰ装置１００が供給系２００を利用して、基板１０６に研磨を行うことができる。

前述のように、本発明の研磨スラリーに気体を添加する供給系及びこの方法は、気体を研磨スラリーに溶かしたことによって、基板の表面材料の除去率が向上され、且つ基板表面の加工品質が改善し、基板表面の不平坦の問題が解決できる。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と範囲を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１００ＣＭＰ装置
１０２研磨装置
１０４研磨パッド
１０６基板
２００供給系
２０２研磨スラリー容器
２０３研磨スラリー
２０３ａ気体が添加された研磨スラリー
２０４気体混合容器
２０６気体容器
２０７気体
２０８調整装置
２１０第一流量制御装置
２１２第二流量制御装置
２１４圧力計
２１６気体センサ
Ｐ１第一圧力値
Ｐ２第二圧力値

Claims

基板を研磨するための基板のＣＭＰ装置に適用する研磨スラリーに気体を添加する供給系であって、
研磨スラリーを保存する研磨スラリー容器と、
前記研磨スラリー容器に連結し、前記研磨スラリーを受ける気体混合容器と、
気体を保存し、前記気体を前記気体混合容器に供給する気体容器と、
前記気体混合容器と前記気体容器の間に連結し、前記気体容器を制御して所定な気体流量の前記気体を前記気体混合容器に供給する調整装置と、
前記気体を研磨スラリーに溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリーを生成する時、前記気体混合容器に連結して、前記気体混合容器を制御し、前記気体が添加された研磨スラリーを前記ＣＭＰ装置に供給する第一流量制御装置とを含み、前記気体は基板の材料と反応して反応前の基板の材料よりも除去され易い化学反応層を基板表面に生成し得るものであり、前記ＣＭＰ装置が前記供給系を利用して、前記基板に研磨を行うことができることを特徴とする研磨スラリーに気体を添加する供給系。
前記気体混合容器に連結し、前記気体混合容器内の前記気体の第一圧力値を示す圧力計をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨スラリーに気体を添加する供給系。
前記気体混合容器に連結し、前記気体混合容器に気体が添加された研磨スラリーの気体量を示す気体センサをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨スラリーに気体を添加する供給系。
前記気体としては、酸素、二酸化炭素及び窒素からなる群より選択され、基板がアルミン酸リチウム基板であることを特徴とする請求項１に記載の研磨スラリーに気体を添加する供給系。
前記気体混合容器と研磨スラリー容器の間に連結し、前記研磨スラリー容器から前記研磨スラリーを前記気体混合容器に供給する速度を制御する第二流量制御装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨スラリーに気体を添加する供給系。
基板を研磨するための基板のＣＭＰ装置に適用する研磨スラリーに気体を添加する供給方法であって、
研磨スラリー容器によって、研磨スラリーを保存する工程と、
気体混合容器によって、前記研磨スラリー容器から前記研磨スラリーを受ける工程と、
気体容器によって、気体を保存し、前記気体を前記気体混合容器に供給する工程と、
調整装置によって、前記気体容器を制御して所定な気体流量の前記気体を前記気体混合容器に供給する工程と、
前記気体を前記研磨スラリーに溶かしたあと、気体が添加された研磨スラリーを生成する時、第一流量制御装置によって、前記気体混合容器を制御し、前記気体が添加された研磨スラリーを前記ＣＭＰ装置に供給する工程とを含み、前記気体は基板の材料と反応して反応前の基板の材料よりも除去され易い化学反応層を生成するものであり、前記ＣＭＰ装置が前記供給系を利用して、前記基板に研磨を行うことができることを特徴とする供給方法。
圧力計によって、前記気体混合容器内の前記気体の第一圧力値を示す工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の供給方法。
気体センサによって、前記気体混合容器に気体が添加された研磨スラリーの気体量を示す工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の供給方法。
前記気体としては、酸素、二酸化炭素及び窒素からなる群より選択され、基板がアルミン酸リチウム基板であることを特徴とする請求項６に記載の供給方法。
第二流量制御装置によって、前記研磨スラリー容器から前記研磨スラリーを前記気体混合容器に供給する速度を制御することを特徴とする請求項６に記載の供給方法。