JP5795977B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨面に研磨液を供給しながら基板表面を研磨する研磨装置であって、該研磨装置から発生する気液２相流を気体と液体に分離して排出する気液分離器を備えた研磨装置に関する。

例えば、研磨面に研磨液を供給しながら基板表面を研磨する研磨装置においては、研磨剤及び研磨粉を含有する研磨液と研磨時あるいは洗浄時に供給される窒素等の気体との気液２相流が発生する。この気液２相流は、研磨面の洗浄に使用された洗浄排液と前記窒素等の気体との間も発生し、研磨液や洗浄排液に気体が混入することによっても発生する。

この気液２相流が排気ライン内に流入して排気ラインが液体で詰まったりすることを防止するため、研磨装置にあっては、気液２相流を気体と液体に分離して排出する気液分離器を備えることが広く行われている。

図１は、この種の従来の気液分離器の一例を示す縦断正面図である。図１に示すように、気液分離器は、上方に開口した有底筒状の分離器本体１００と、研磨テーブル（図示せず）等で発生してドレンレシーバ１０２で回収された気液２相流を分離器本体１００内に導入する気液導入管１０４とを有している。気液導入管１０４は、ドレンレシーバ１０２の底部に接続されて鉛直方向に延びる連結管１０６の下端に連結されて下方に延び、その下端は分離器本体１００の下部に達している。分離器本体１００の底部には、ドレン管１０８に連通する液体排出口１００ａが設けられ、分離器本体１００の側部の気液導入管１０４の下端より上方位置には、排気管１１０に連通する排気口１００ｂが設けられている。

これにより、ドレンレシーバ１０２で回収された気液２相流は、気液導入管１０４の内部を流れて分離器本体１００の内部に導入され、気液２相流から分離して分離器本体１００の底部に溜まった液体は、液体排出口１００ａを通してドレン管１０８から排出され、気液２相流から分離して分離器本体１００の上部に上昇した気体は、排気口１００ｂを通して排気管１１０から排気される。

気液導入管１０４の下端面には、気液導入管１０４内の気液２相流が排気管１１０に流入するのを緩和するため、排気管１１０の反対側（排気管１１０と対面しない側）をテーパ状に切欠いたテーパ部１０４ａが設けられている。

研磨加工により発生する研磨液ミストを効率良く排出するため、研磨液と研磨液ミストをドレンレシーバに同時に取込み、共通の排出管によって気液分離手段に導き、この気液分離手段で排液と排気とに分離して排出するようにした排液・排気処理装置法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、分離器本体の液体排出部から排出される液体を貯留するハウジングを備え、このハウジングに液体排出口と排気口を設けた気液分離器（例えば、特許文献２，３参照）や、外部からタンク内に気液混合体を導入する管状ノズルの内部に螺旋板を設置した気液分離装置（例えば、特許文献４参照）が提案されている。

特開平１０−１２３３３６号公報 特開２００８−３８７１２号公報 特開２００８−３８７１４号公報 実開昭６２−１０９７０９号公報

図１に示す気液分離器にあっては、構造が比較的コンパクトで、研磨装置等の下部に設置するのに好適であるという利点を有している。しかし、気液導入管１０４の内部を気液２相流が障害物なく自由に落下して下方に流れ、気液導入管１０４の内部を流れた気液２相流は分離器本体１００の底面にかなりの衝撃で衝突する。このため、例えば比較的多量の気液２相流を処理する場合に、分離器本体１００の内部に多くのミストが発生し、また処理される液中に発泡性の物質が含有する場合には、液の発泡性が助長されて、分離器本体１００の内部に多量の泡が発生する。このように、分離器本体１００の内部に多量のミストや泡が発生すると、ミストや泡が排気管１１０まで到達し、排気管１１０内に液体が滞留して漏洩等の問題を引き起こすことがある。

特に、研磨装置にあっては、分散剤など発泡性の添加剤を含む研磨液が使用されており、また研磨後のスプレー洗浄（アトマイザ洗浄）等に伴って多量の処理水や窒素等の気体が使用され、このため、分離器本体１００の内部に多量のミストや泡が発生する傾向が顕著になる。

上記特許文献１〜４に記載の発明は、このような気液２相流の分離器本体の底面等への衝突に伴うミストや泡の発生について何ら考慮されてない。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、たとえ研磨装置の洗浄排液のように比較的多量の液体を処理する場合や、処理される液中に発泡性の物質が含有する場合であっても、ミストや泡の発生を極力抑止しつつ、気液２相流を気体と液体に分離できるようにしたコンパクトな構成の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。

本発明の研磨装置は、表面に研磨面を有する研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨テーブルの研磨面に押圧するトップリングと、前記研磨テーブルの研磨面に処理液を供給する処理液供給ノズルと、前記研磨テーブルの周囲に配置され該研磨テーブルから除去される気液２相流を回収するドレンレシーバと、前記ドレンレシーバに回収された気液２相流を気体と液体に分離して排出する気液分離器を備え、前記気液分離器は、有底筒状の分離器本体と、前記分離器本体の上部から下方に延びて該分離器本体の内部に達し、前記分離器本体の内部に気液２相流を導入する筒状の気液導入管と、前記気液導入管の内部に配置され該気液導入管の内部を流れる気液２相流に旋回運動を起こさせる案内機構とを備え、前記分離器本体の底部にドレン管に連通する液体排出口が、前記分離器本体の側部の前記気液導入管の下端より上方位置に排気管に連通する排気口がそれぞれ設けられている。

このように、気液導入管の内部に案内機構を設け、気液導入管の内部を流れる気液２相流に旋回運動を起こさせることで、気液導入管の内部を流れる気液２相流の垂直方向の速度成分の増加を抑え、気液２相流が分離器本体の底面に衝突する時の衝撃をより小さくして、この衝突によるミストや泡の発生を極力抑止することができる。

前記案内機構は、例えば外側端面が前記気液導入管の内周面に固定され、上端面と下端面が少なくとも１８０°捻れている螺旋整流板からなる。
これにより、気液導入管の有効断面積を維持して、気液導入管に沿って流れる気液２相流に対する抵抗が増加してしまうことを防止することができる。

前記案内機構は、前記気液導入管内の内周面に円弧部を固定され、１８０°回転させつつ気液導入管の高さ方向に沿った所定間隔毎に交互に配置され、回転方向及び気液導入管の軸心方向に沿って、水平面に対して共に下方に傾斜する複数の半円状の傾斜整流板からなっていてもよい。

前記排気口に連通する排気管は、水平面に対して所定の角度をもって上向きに配置されていることが好ましい。これによって、排気管内に凝縮した液体を気液分離器に戻すことができる。

本発明によれば、比較的コンパクトな構成で、気液２相流を気体と液体に分離することができる。しかも、気液導入管の内部を流れる気液２相流に旋回運動を起こさせることで、気液導入管の内部を流れる気液２相流の垂直方向の速度成分の増加を抑え、気液２相流が分離器本体の底面に衝突する時の衝撃をより小さくして、たとえ研磨装置の洗浄排液のように比較的多量の液体を処理する場合や、処理される液中に発泡性の物質が含有する場合であっても、気液２相流の分離器本体の底面への衝突によるミストや泡の発生を極力抑止することができる。

従来の気液分離器の一例を示す縦断正面図である。 本発明の実施形態の気液分離器を示す縦断正面図である。 図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ線端面図、図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ線端面図、図３（ｃ）は、図２のＣ−Ｃ線端面図である。 図２及び図３に示す気液分離器を備えた研磨装置を示す概要図である。 案内機構として使用される螺旋整流板の他の例を示す正面図である。 図６（ａ）は、他の案内機構を気液導入管と共に示す断面図（図６（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図）で、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、本発明の実施形態の気液分離器を示す縦断正面図である。図２に示すように、気液分離器１０は、上方に開口した有底筒状の分離器本体１２と、研磨テーブル３０（図４参照）で発生してドレンレシーバ１４で回収された気液２相流を分離器本体１２内に導入する気液導入管１６とを有している。気液導入管１６は、ドレンレシーバ１４の底部に接続されて鉛直方向に延びる連結管１８の下部に連結されて下方に延び、その下端は分離器本体１２の下部に達している。分離器本体１２の底部には、ドレン管２０に連通する液体排出口１２ａが設けられ、分離器本体１２の側部の気液導入管１６の下端より上方位置には、排気管２２に連通する排気口１２ｂが設けられている。

気液導入管１６の下端面には、気液導入管１６内の気液２相流が排気管２２に流入するのを緩和するため、排気管２２の反対側（排気管２２と対面しない側）をテーパ状に切欠いたテーパ部１６ａが設けられている。

気液導入管１６の内部には、気液導入管１６の内部を流れる気液２相流に旋回運動を起こさせる案内機構としての螺旋整流板２４が、その外測端面を気液導入管１６の内面に固定して配置されている。螺旋整流板（案内機構）２４は、この例では、気液導入管１６のテーパ部１６ａを除くほぼ全長に亘って延び、更に上方に延出して、連結管１８のほぼ上端に達している。

この螺旋整流板（案内機構）２４は、例えばステンレス鋼からなり、長尺状に延びる一枚の平板を、長さ方向に直交する方向に、両端を１８０°捻って形成されている。つまり、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、螺旋整流板２４の上端面２４ａと下端面２４ｂは互いに平行で、螺旋整流板２４の長さ方向の中央における水平断面２４ｃは、上端面２４ａ及び下端面２４ｂと直交するようになっている。

この例では、気液導入管１６から連結管１８に跨って、気液導入管１６及び連結管１８のほぼ全長に亘って延びるように、螺旋整流板２４を設けているが、気液導入管１６の内部のみに螺旋整流板を設けるようにしても良い。

この気液分離器１０によれば、ドレンレシーバ１４で回収された気液２相流は、連結管１８から気液導入管１６の内部を流れて分離器本体１２の内部に導入され、気液２相流から分離して分離器本体１２の底部に溜まった液体は、液体排出口１２ａを通してドレン管２０から排出され、気液２相流から分離して分離器本体１２の上部に上昇した気体は、排気口１２ｂを通して排気管２２から排気される。

この連結管１８から気液導入管１６の内部を気液２相流が流れる時、気液２相流は、気液導入管１６の内部、更には連結管１８のほぼ上端に達するように設置した螺旋整流板（案内機構）２４によって旋回運動を起こし、これによって、気液２相流の垂直方向の速度成分の増加が抑えられ、気液２相流が分離器本体１２の底面に衝突する時の衝撃がより小さくなる。これにより、たとえ研磨装置の洗浄排液のように比較的多量の液体を処理する場合や、処理される液中に発泡性の物質が含有する場合であっても、気液２相流の分離器本体１２の底面への衝突によるミストや泡の発生を極力抑止することができる。

この例の気液分離器１０は、螺旋整流板（案内機構）２４によって、気液導入管１６（及び連結管１８）の内部を流れる気液２流体に旋回運動を起こさせるようにしているので、比較的コンパクトな構成で、気液２相流を気体と液体に分離することができる。

しかも、案内機構として、外側端面が気液導入管１６（及び連結管１８）の内周面に固定され、上端面と下端面が少なくとも１８０°捻れている螺旋整流板２４を使用することで、気液導入管１６（及び連結管１８）の有効断面積を維持して、気液導入管１６（及び連結管１８）に沿って流れる気液２相流に対する抵抗が増加してしまうことを防止することができる。

排気口１２ｂに連通する排気管２２は、水平面に対して所定の角度をもって上向きに配置されていることが好ましく、これによって、排気管２２内に凝縮した液体を気液分離器１０の分離器本体１２に戻すことができる。

図４は、図２及び図３に示す気液分離器１０を備えた研磨装置の概要を示す。この研磨装置は、表面に研磨面３０ａを有する回転自在な研磨テーブル３０と、半導体ウエハ等の基板Ｗを保持して研磨テーブル３０の研磨面３０ａに押圧する回転自在なトップリング３２と、研磨テーブル３０に研磨液やドレッシング液（例えば、水）等の処理液を供給する処理液供給ノズル３４と、研磨テーブル３０の研磨面３０ａのドレッシングを行うドレッサ（図示せず）と、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして、１または複数のノズルから研磨テーブル３０の研磨面３０ａに噴射するアトマイザ３６とを備えている。

そして、研磨テーブル３０の周囲を囲繞する位置に、研磨テーブル３０で発生する気液２流体を回収するリング状のドレンレシーバ１４が配置されて研磨装置に固定され、このドレンレシーバ１４の底部に気液分離器１０の連結管１８が取付けられている。

この研磨装置によれば、回転中の研磨テーブル３０の研磨面３０ａに処理液供給ノズル３４から研磨液を供給しながら、トップリング３２で保持して回転させた基板Ｗを研磨面に押圧して基板Ｗの研磨を行う。この研磨時に、研磨液と該研磨液中に混入する大気との気液２相流が発生し、この気液２相流は、研磨テーブル３０から排出されてドレンレシーバ１４で回収される。そして、ドレンレシーバ１４で回収された気液２相流は、気液分離器１０内に流入し、気液分離器１０で気体と液体に分離されて、液体はドレン管２０から、気体は排気管２２から外部に排出される。

この時、たとえ分散剤など発泡性の添加剤が研磨液に含まれていても、気液２相流が分離器本体１２の底面に衝突する時の衝撃がより小さくなって、この衝撃による泡の発生が極力抑止される。

また、研磨テーブル３０の研磨面３０ａ上に堆積し、目詰まりさせた研磨屑や研磨粒子を洗い流すため、アトマイザ３６の１または複数のノズルから、研磨テーブル３０の研磨面３０ａに向けて、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして噴射するアトマイザ洗浄が行われる。このアトマイザ洗浄を行う時にも、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）との気液２相流が発生し、この気液２相流は、研磨テーブル３０から排出されてドレンレシーバ１４で回収される。そして、ドレンレシーバ１４で回収された気液２相流は、気液分離器１０内に流入し、気液分離器１０で気体と液体に分離されて、液体はドレン管２０から、気体は排気管２２から外部に排出される。

この時、比較的多量の気液２相流が気液分離器１０内に流入して処理されるが、このように、たとえ比較的多量の液体を処理する場合にあっても、気液２相流が分離器本体１２の底面に衝突する時の衝撃がより小さくなって、この衝突によるミストや泡の発生を極力抑止される。

上記の例では、案内機構として、上端面２４ａと下端面２４ｂが１８０°捻れている螺旋整流板２４を使用しているが、図５に示すように、上端面４０ａと下端面４０ｂが３６０°捻れている螺旋整流板４０を案内機構として使用しても良い。つまり、この螺旋整流板（案内機構）４０は、１８０°捻れている螺旋整流板を、図５に示す一点鎖線で上下に連結した如き形状をしている。

図６は、案内機構の他の例を気液導入管と共に示す。上記の各例では、一枚の板体を捻った螺旋整流板２４，４０で案内機構を構成しているが、この例では、複数の半円状の傾斜整流板４２で案内機構を構成している。つまり、各傾斜整流板４２は、気液導入管１６内の内周面に円弧部を固定され、１８０°回転させつつ、つまり、図６（ａ）に示すように、気液導入管１６の中心を通る面に対して左右に位置し、気液導入管１６の高さ方向に沿った所定間隔毎に交互に配置されている。これによって、気液導入管１６の内部に案内機構が構成されている。この各傾斜整流板４２は、回転方向に沿って、水平面に対して角度αをもって下方に傾斜し、気液導入管１６の軸心方向に沿って、水平面に対して角度βをもって下方に傾斜している。

なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）の気液導入管１６の中心を通る面に対して右に位置する傾斜整流板４２を仮想線（２点鎖線）で示している。

これによって、気液導入管１６内を流れる気液２相流は、各傾斜整流板（案内機構）４２によって、円周方向に沿って下方に、つまりほぼ螺旋状に案内され、これによって、気液２相流に旋回運動が起こるようになっている。このように、半円状の複数の傾斜案内板４２で案内機構を構成することで、案内機構の製造の便を図ることができる。

なお、図２に示す連結管１８に傾斜整流板４２を設けて、連結管１８に設けた傾斜整流板４２を案内機構の一部としてもよいことは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０ 気液分離器
１２ 分離器本体
１２ａ 液体排出口
１２ｂ 排気口
１４ ドレンレシーバ
１６ 気液導入管
１８ 連結管
２０ ドレン管
２２ 排気管
２４，４０ 螺旋整流板（案内機構）
３０ 研磨テーブル
３０ａ 研磨面
３２ トップリング
３４ 処理液供給ノズル
３６ アトマイザ
４２ 傾斜整流板（案内機構）

Claims (4)

1. 表面に研磨面を有する研磨テーブルと、
   基板を保持して前記研磨テーブルの研磨面に押圧するトップリングと、
   前記研磨テーブルの研磨面に処理液を供給する処理液供給ノズルと、
   前記研磨テーブルの周囲に配置され該研磨テーブルから除去される気液２相流を回収するドレンレシーバと、
   前記ドレンレシーバに回収された気液２相流を気体と液体に分離して排出する気液分離器を備え、
   前記気液分離器は、
   有底筒状の分離器本体と、
   前記分離器本体の上部から下方に延びて該分離器本体の内部に達し、前記分離器本体の内部に気液２相流を導入する筒状の気液導入管と、
   前記気液導入管の内部に配置され該気液導入管の内部を流れる気液２相流に旋回運動を起こさせる案内機構とを備え、
   前記分離器本体の底部にドレン管に連通する液体排出口が、前記分離器本体の側部の前記気液導入管の下端より上方位置に排気管に連通する排気口がそれぞれ設けられていることを特徴とする研磨装置。
2. 前記案内機構は、外側端面が前記気液導入管の内周面に固定され、上端面と下端面が少なくとも１８０°捻れている螺旋整流板からなることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記案内機構は、前記気液導入管内の内周面に円弧部を固定され、１８０°回転させつつ気液導入管の高さ方向に沿った所定間隔毎に交互に配置され、回転方向及び気液導入管の軸心方向に沿って、水平面に対して共に下方に傾斜する複数の半円状の傾斜整流板からなることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
4. 前記排気口に連通する排気管は、水平面に対して所定の角度をもって上向きに配置されている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研磨装置。

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