JP6030980B2 - 研磨装置温度制御システム、及び研磨装置 - Google Patents

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本発明は、研磨装置温度制御システム、及び研磨装置に関するものである。
近年、半導体ウェーハなどの基板の表面を研磨するために、研磨装置が用いられている。研磨装置は、基板を研磨するための研磨パッドが貼り付けられた研磨テーブルを回転させながら、研磨パッド上に研磨砥液(スラリ)を供給し、トップリングで保持した基板を研磨パッドに押し付けることによって、基板の表面を研磨する。
ここで、基板の研磨性能は、研磨パッドの温度に依存して大きく異なる。このため、従来技術では、良好な研磨性能を得るために、研磨パッドの温度調整を行うことが知られている。例えば、従来技術では、研磨パッド上に熱交換器を配置し、所定の目標温度に調整された熱媒を、ポンプを用いて熱交換器に供給することによって、研磨パッドを所望の温度に制御することが知られている。
特開2012−176449号公報
しかしながら、従来技術は、研磨パッドの温度制御に用いられる熱交換器の軽量化を図ることについては考慮されていない。
すなわち、熱交換器は研磨パッド上に配置されるものであるから、熱交換器の重量が重いと研磨パッドの変形等が生じ、その結果、研磨性能に悪影響を及ぼすおそれがある。
ここで、熱交換器の軽量化を図るためには、熱交換器の筐体等を薄く形成することが考えられる。しかしながら、単に熱交換器の筐体等を薄く形成した場合、熱交換された後の熱媒を直接ポンプで吸引すると、熱交換器に大きな背圧がかかり熱交換器が破損するおそれがある。また、破損に至らずとも圧力により熱交換器が変形することにより研磨パッド上への伝熱効率が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、研磨パッドの温度制御に用いられる熱交換器の軽量化を図り、かつ、熱交換器に破損・変形が生じるのを抑制することを課題とする。
本願発明の研磨装置温度制御システムの一態様は、上記課題に鑑みなされたもので、基板を研磨する研磨パッド上に設けられ、前記研磨パッドと熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器で用いられる熱媒の温度を制御する温度制御器と、前記温度制御器によって温度が制御された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ供給するポンプと、大気圧以下の圧力に保たれており前記熱交換器の熱媒出口から流出した熱媒を貯蔵するバッファ容器と、を備えることを特徴とする。
また、前記バッファ容器は、大気圧に開放された容器とすることができる。
また、前記バッファ容器に、前記ポンプの熱媒吸入口に接続される接続口を形成するこ
とができる。
また、前記ポンプは、前記接続口を介して前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を吸引し、該吸引した熱媒を前記温度制御器との間で循環し、該循環によって前記温度制御器で温度が制御された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ吐出するポンプとすることができる。
また、前記ポンプは、前記接続口を介して前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を吸引し、該吸引した熱媒を前記温度制御器によって温度制御し、該温度制御された熱媒を前記バッファ容器へ吐出する第1のポンプと、前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ供給する第2のポンプと、を有する、ことができる。
また、本願発明の研磨装置の一態様は、上記のいずれか研磨装置温度制御システムと、前記研磨パッドが設置される研磨テーブルと、前記基板を保持する基板保持部と、を備えることを特徴とする。
かかる本願発明によれば、研磨パッドの温度制御に用いられる熱交換器の軽量化を図り、かつ、熱交換器に破損・変形が生じるのを抑制する。
図1は、研磨装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。 図2は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの概略構成を示す図である。 図3は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの詳細構成を示す図である。 図4は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例の概略構成を示す図である。 図5は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例において、3.5L/minの熱媒をポンプから吐出させた場合の熱交換器の入口の熱媒温度、出口の熱媒温度、及び熱媒の流量を時系列に示す図である。 図6は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例において、7L/minの熱媒をポンプから吐出させた場合の熱交換器の入口の熱媒温度、及び出口の熱媒温度を時系列に示す図である。 図7は、第2実施形態の研磨装置温度制御システムの概略構成を示す図である。
以下、本願発明の一実施形態に係る研磨装置温度制御システムを図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、一例として、CMP(Chemical Mechanical
Polishing)研磨装置に対して用いられる研磨装置温度制御システムを説明するが、これには限られない。
まず、研磨装置について説明する。図1は、研磨装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、研磨装置100は、半導体ウェーハなどの基板102を研磨するための研磨パッド108を上面に取付け可能な研磨テーブル110と、研磨テーブル110を回転駆動する第1の電動モータ112と、基板102を保持可能なトップリング(基板保持部)116と、トップリング116を回転駆動する第2の電動モータ118と、を備える。
また、研磨装置100は、研磨パッド108の上面に研磨材を含む研磨砥液を供給可能
な第1のスラリーライン120と、研磨パッド108のコンディショニング(目立て)を行うドレッサーディスク122を有するドレッサーユニット124と、を備える。
基板102を研磨するときは、研磨材を含む研磨砥液をスラリーライン120から研磨パッド108の上面に供給し、第1の電動モータ112によって研磨テーブル110を回転駆動する。そして、トップリング116を、研磨テーブル110の回転軸とは偏心した回転軸回りに回転した状態で、トップリング116に保持された基板102を研磨パッド108に押圧する。これにより、基板102は研磨パッド108によって研磨され、平坦化される。
ところで、研磨装置100においては、基板102の研磨レート(ポリッシングレート)の向上のために、研磨テーブル110の温度調整が行われる。具体的には、研磨テーブル110の温度調整は、研磨テーブル110上の研磨パッド108に熱交換器を接触させて、熱交換器内部に、温度調整装置によって例えば80℃〜100℃程度に昇温された温水(熱媒)を供給する。以下、本実施形態の研磨装置温度制御システムについて説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態の研磨装置温度制御システムの概略について説明する。図2は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの概略構成を示す図である。図2に示すように、研磨装置温度制御システム200は、基板102を研磨する研磨パッド108上に設けられ、研磨パッド108と熱交換を行う熱交換器210と、熱交換器210で用いられる熱媒の温度を制御する温度制御器220とを備える。また、研磨装置温度制御システム200は、温度制御器220によって温度が制御された熱媒を熱交換器210の熱媒入口へ供給するポンプ230と、熱交換器210の熱媒出口から流出した熱媒を貯蔵するバッファ容器240とを備える。バッファ容器240に貯蔵された熱媒は、バッファ容器240に形成された接続口242を介して、ポンプ230に吸引される。なお、本実施形態では、温度制御器220とポンプ230とが、温度調整装置250内に収容される例を示したが、これには限られない。
本実施形態において、バッファ容器240は、大気圧以下の圧力に保たれた容器とすることができる。バッファ容器240は、例えば大気圧に開放された容器とすることができる。これによって、熱交換された後の熱媒を直接ポンプ230で吸引する場合に比べて、熱交換器210の背圧が高くなるのを抑制することができるので、熱交換器210の軽量化を図り、かつ、熱交換器210に破損・変形が生じるのを抑制することができる。
すなわち、熱交換器210は研磨パッド108上に設置されるものであるので、研磨パッド108を変形等させることがないように軽量化されることが好ましい。熱交換器210を軽量化するためには、熱交換器210の筐体等を薄く加工された材料で形成することが考えられる。このような熱交換器210は構造上、熱媒を排水する際の背圧に弱くなるため、ポンプ230へ直接熱媒を戻すと、熱交換器210に背圧がかかりすぎて熱交換器210が破損・変形するおそれがある。
これに対しては、例えば、熱交換器210から吐出された熱媒をポンプ230へ戻さず、そのまま排水することによって熱交換器210の背圧を小さくすることも考えられるが、これでは、昇温された熱媒のエネルギが無駄になるし、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させるのが難しくなる。
この点、本実施形態によれば、大気圧に保たれているバッファ容器240に熱交換後の熱媒を流出するので、熱交換器210の背圧を小さくすることができる。その結果、軽量
化された熱交換器210であっても、熱交換器210に破損・変形が生じるのを抑制することができる。また、バッファ容器240に貯蔵した熱媒を、ポンプ230へ循環して再利用するので、昇温された熱媒のエネルギを有効活用し、かつ、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させ易くなる。
また、温度調整装置250内に熱媒を貯蔵する貯蔵タンクを設けた場合、バッファ容器240内の熱媒を貯蔵タンクに自重で戻し、貯蔵タンクに貯蔵された熱媒をポンプ230で吸引することができる。この場合、温度調整装置250で引き込む熱媒の流量を制御することができるので、温度調整装置250での熱媒の温度を一定に保ちながら熱媒を供給・循環することができる。
次に、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの詳細について説明する。図3は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの概略構成を示す図である。
温度調整装置250には、熱媒として用いられる水を、外部から流入するための流入配管310が接続されている。流入配管310は、温度調整装置250に形成された流入口251に接続されている。流入配管310には、バルブ302及び圧力計304が設けられている。外部から温度調整装置250へ水を流入する場合にはバルブ302が「開」に制御され、水を流入しない場合にはバルブ302が「閉」に制御される。また、圧力計304によって、流入配管310内の圧力が検出される。
また、温度調整装置250は、熱媒を内部へ流入する2つの流入口252,254、及び熱媒を外部へ流出する2つの流出口256,258を有する。流出口258と熱交換器210の熱媒入口212とは、熱媒供給配管320によって接続されている。
熱媒供給配管320には、流出口258の側から順に、第1バルブ322、第1圧力計324、第2バルブ326、レギュレータ328、第2圧力計332、及び流量計334が設けられている。
第1バルブ322及び第2バルブ326は、熱媒を熱交換器210へ供給する場合に「開」に制御され、熱媒を熱交換器210へ供給しない場合に「閉」に制御される。また、レギュレータ328は、ポンプ230で所定の値まで上昇された熱媒の圧力を、所望の圧力へ降下させる。第1圧力計324は、レギュレータ328によって圧力降下される前の熱媒の圧力を検出する。第2圧力計332は、レギュレータ328によって圧力降下された後の熱媒の圧力を検出する。流量計334は、熱交換器210へ供給される熱媒の流量を検出する。
流出口256と流入口254とは、循環配管350によって接続されている。循環配管350には、流出口256の側から順に、流量計352、圧力計354、及びバルブ356が設けられている。また、ポンプ230の吐出口230−2と流出口256との間の流路には、温度制御器220が設けられている。バルブ356が「開」に制御されている場合、吐出口230−2から吐出された熱媒は、温度制御器220を通る際に、温度制御器220によって温度制御(温度上昇)され、流出口256から流出される。そして、熱媒は、循環配管350を通って再びポンプ230の吸入口230−1へ戻る。
つまり、ポンプ230は、接続口242を介してバッファ容器240に貯蔵された熱媒を吸引し、吸引した熱媒を、循環配管350を用いて温度制御器220との間で循環することによって熱媒の温度を制御する。そして、ポンプ230は、循環によって温度制御器220で温度が制御された熱媒を、熱媒供給配管320を介して熱交換器210の熱媒入口へ吐出する。
流量計352は、循環配管350を流れる熱媒の流量を検出する。圧力計354は、循環配管350を流れる熱媒の圧力を検出する。バルブ356は、温度制御器220を用いて熱媒を温度制御する場合には「開」に制御され、温度制御器220を用いて熱媒を温度制御しない場合には「閉」に制御される。
熱交換器210の熱媒出口214には、流出配管341が接続されている。熱媒出口214から流出した熱媒は、流出配管341を通ってバッファ容器240へ流れ込み、バッファ容器240へ貯蔵される。
バッファ容器240の接続口242と流入口252とは、吸入配管340によって接続されている。吸入配管340には、バルブ342が接続されている。ポンプ230がバッファ容器240から熱媒を吸引する際には、バルブ342が「開」に制御される。
本実施形態では、バッファ容器240は、例えば筐体の上面の一部又は全部に形成された開口によって大気と連通している。これによって、バッファ容器240の内部は、大気圧に開放されている。一方、熱媒はポンプ230によって加圧されて熱交換器210へ供給される。
したがって、バッファ容器240の圧力は、大気圧に保たれるので、熱媒出口214から流出した熱媒はスムーズにバッファ容器240へ流れ込む。その結果、熱交換された後の熱媒を直接ポンプ230で吸引する場合に比べて、熱交換器210の背圧が大きくなるのを抑制することができる。よって、熱交換器210の軽量化のために熱交換器210の筐体等を薄く加工しても、熱交換器210が破損・変形するのを抑制することができる。
これに加えて、本実施形態では、バッファ容器240に貯蔵した熱媒を、ポンプ230へ循環して再利用するので、昇温された熱媒のエネルギを有効活用し、かつ、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させ易くなる。
次に、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例について説明する。図4は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例の概略構成を示す図である。図4の変形例では、温度調整装置250から熱交換器210へ熱媒を供給する供給配管320には、第1のハンドバルブ422、第2のハンドバルブ424、流量計426、及び熱電対462が設けられる。
第1のハンドバルブ422は、供給配管320を流れる熱媒の流量を制御するために開度が制御されるバルブである。第2のハンドバルブ424は、供給配管320をON/OFFするためのバルブである。流量計426は、供給配管320を流れる熱媒の流量を検出する。熱電対462は、熱交換器210の熱媒入口212における熱媒の温度を検出する。
この変形例では、バッファ容器240の代わりに、チラー540を設けている。チラー540は、熱媒の予備加熱をするための温度制御器を有している。温度調整装置250内に流入した水は、冷却水配管450を介してチラー540に流入する。冷却水配管450には、バルブ452が設けられている。バルブ452は、工場水をチラー540へ送る場合には「開」に制御され、水をチラー540へ送らない場合には「閉」に制御される。
また、温度調整装置250とチラー540とは、昇温用配管430によって接続されている。昇温用配管430には、昇温用バルブ432が設けられている。昇温用バルブ432は、熱媒の温度が、チラー540によって所定の温度に昇温されるまでは「開」に制御
され、熱媒の温度が所定の温度に昇温されたら「閉」に制御される。
温度調整装置250は、チラー540によって昇温された熱媒を、所定の温度まで昇温した後、供給配管320を介して熱交換器210へ供給する。
この変形例においても、チラー540の内部には、大気圧に開放されたバッファ容器240が設けられている。熱交換器210の熱媒出口214から流出した熱媒は、流出配管341を通ってバッファ容器240へ流れ込む。チラー540は、バッファ容器240に貯蔵された熱媒を予備加熱する。なお、流出配管341には、熱電対464が設けられる。熱電対464は、熱交換器210の熱媒出口214における熱媒の温度を検出する。
この変形例によれば、バッファ容器240の圧力は、大気圧に保たれるので、熱媒出口214から流出した熱媒はスムーズにバッファ容器240へ流れ込む。その結果、熱交換された後の熱媒を直接ポンプ230で吸引する場合に比べて、熱交換器210の背圧が大きくなるのを抑制することができる。よって、熱交換器210の軽量化のために熱交換器210の筐体等を薄く加工しても、熱交換器210が破損・変形するのを抑制することができる。
次に、この変形例を用いた場合の、熱交換器210の熱媒入口212における熱媒温度、熱媒出口214における熱媒温度等の実験結果について説明する。図5は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例において、3.5L/minの熱媒をポンプから吐出させた場合の熱交換器の入口の熱媒温度、出口の熱媒温度、及び熱媒の流量を時系列に示す図である。
図5において、横軸は時間経過(sec)を示しており、左側の縦軸は熱交換器210の熱媒入口212における熱媒温度、熱媒出口214における熱媒温度(℃)を示し、右側の縦軸は熱媒の流量(L/min)を示している。
グラフ510は、熱交換器210の熱媒入口212における熱媒温度(供給温度)を示しており、グラフ520は、熱交換器210の熱媒出口214における熱媒温度(戻り温度)を示している。図5に示すように、熱媒の供給開始から約20(sec)程度経過すると、供給温度は約80℃付近を保っている。
これは、熱媒の供給開始から約20(sec)という比較的短い時間で、研磨パッド108に対して所望の温度制御を行うことができていることを示している。このように、本実施形態によれば、バッファ容器240に貯蔵した熱媒を、ポンプ230へ循環して再利用するので、昇温された熱媒のエネルギを有効活用し、かつ、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させ易くなる。
なお、グラフ530は、流量計426によって検出された熱媒の流量を示している。グラフ530に示されるように、熱媒の流量は所定の周期で脈動しているが、これは、バルブ452をON/OFF制御することに同期して、供給配管320を流れる熱媒の流量が増減したためであると考えられる。
次に、同様の構成で、ポンプ230の流量を変えた場合の実験結果を説明する。図6は、第1実施形態の研磨装置温度制御システムの変形例において、7L/minの熱媒をポンプから吐出させた場合の熱交換器の入口の熱媒温度、及び出口の熱媒温度を時系列に示す図である。
図6において、グラフ510は、熱交換器210の熱媒入口212における熱媒温度(
供給温度)を示しており、グラフ520は、熱交換器210の熱媒出口214における熱媒温度(戻り温度)を示している。図6に示すように、熱媒の供給開始から約5(sec)程度経過すると、供給温度は約80℃付近を保っている。
これは、熱媒の供給開始から約5(sec)という比較的短い時間で、研磨パッド108に対して所望の温度制御を行うことができていることを示している。このように、本実施形態によれば、バッファ容器240に貯蔵した熱媒を、ポンプ230へ循環して再利用するので、昇温された熱媒のエネルギを有効活用し、かつ、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させ易くなる。なお、熱媒の流量が多いほど、供給温度は早く立ち上がるが、流量が多すぎると熱交換器210の背圧が大きくなるおそれがある。熱交換器210への熱媒の供給流量は、熱媒の温度が適正に制御できていれば流量を多くする必要がなく、熱媒の温度を安定化させ易くなる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の研磨装置温度制御システムについて説明する。図7は、第2実施形態の研磨装置温度制御システムの概略構成を示す図である。第2実施形態は、第1実施形態と比べて、熱媒をバッファ容器240から熱交換器210へ供給する点が異なる。その他の構成については第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第1実施形態では、温度調整装置250から熱交換器210へ熱媒を直接供給する例を示した。これに対して、図7に示すように、第2実施形態の研磨装置温度制御システム300では、温度調整装置250からバッファ容器240へ熱媒を流出し、バッファ容器240へ熱媒を貯蔵する。そして、第2実施形態の研磨装置温度制御システム300では、バッファ容器240に貯蔵された熱媒を熱交換器210へ供給する。
すなわち、第2実施形態では、温度制御器220によって温度が制御された熱媒を熱交換器210の熱媒入口212へ供給するポンプが、第1のポンプ230−1及び第2のポンプ230−2を含んで構成されている。
第1のポンプ230−1は、接続口242を介してバッファ容器240に貯蔵された熱媒を吸引し、吸引した熱媒を温度制御器220によって温度制御し、温度制御された熱媒をバッファ容器240へ吐出する。また、第2のポンプ230−2は、バッファ容器240に貯蔵された熱媒を熱交換器210の熱媒入口212へ供給する。
本実施形態においても、バッファ容器240は、例えば筐体の上面の一部又は全部に形成された開口によって大気と連通している。これによって、バッファ容器240の内部は、大気圧に開放されている。一方、熱媒はポンプ230−2によって加圧されて熱交換器210へ供給される。
したがって、バッファ容器240の圧力は、大気圧に保たれるので、熱媒出口214から流出した熱媒はスムーズにバッファ容器240へ流れ込む。その結果、熱交換された後の熱媒を直接ポンプ230で吸引する場合に比べて、熱交換器210の背圧が大きくなるのを抑制することができる。よって、熱交換器210の軽量化のために熱交換器210の筐体等を薄く加工しても、熱交換器210が破損・変形するのを抑制することができる。
これに加えて、本実施形態によれば、バッファ容器240に貯蔵した熱媒を、第1のポンプ230−1及び第2のポンプ230−2を用いて再利用するので、昇温された熱媒のエネルギを有効活用し、かつ、熱交換器210へ供給する熱媒の温度を所望の温度に安定化させ易くなる。
本実施形態によれば、熱媒を熱交換器210に供給するポンプ230−2は、ポンプ230−1とは独立で動作することが可能であり、熱交換器210に供給する流量を変化させることも可能である。これにより、熱交換器210から研磨パッド108に伝える熱媒の熱量をコントロールすることができる。バッファ容器240に対して、容器内の昇温用のポンプ230−1と熱交換器210への供給用ポンプ230−2とを独立して持つことで、昇温と熱交換器の温度制御を安定して運用できるメリットがある。
100 研磨装置
102 基板
108 研磨パッド
110 研磨テーブル
200,300 研磨装置温度制御システム
210 熱交換器
212 熱媒入口
214 熱媒出口
220 温度制御器
230 ポンプ
240 バッファ容器
242 接続口
250 温度調整装置

Claims (6)

  1. 基板を研磨する研磨パッド上に設けられ、前記研磨パッドと熱交換を行う熱交換器と、
    前記熱交換器で用いられる熱媒の温度を制御する温度制御器と、
    前記温度制御器によって温度が制御された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ供給するポンプと、
    大気圧以下の圧力に保たれており前記熱交換器の熱媒出口から流出した熱媒を貯蔵するバッファ容器と、
    を備えることを特徴とする研磨装置温度制御システム。
  2. 請求項1の研磨装置温度制御システムにおいて、
    前記バッファ容器は、大気圧に開放された容器である、
    ことを特徴とする研磨装置温度制御システム。
  3. 請求項1又は2の研磨装置温度制御システムにおいて、
    前記バッファ容器は、前記ポンプの熱媒吸入口に接続される接続口を有する、
    ことを特徴とする研磨装置温度制御システム。
  4. 請求項3の研磨装置温度制御システムにおいて、
    前記ポンプは、前記接続口を介して前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を吸引し、該吸引した熱媒を前記温度制御器との間で循環し、該循環によって前記温度制御器で温度が制御された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ吐出するポンプである、
    ことを特徴とする研磨装置温度制御システム。
  5. 請求項3の研磨装置温度制御システムにおいて、
    前記ポンプは、前記接続口を介して前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を吸引し、該吸引した熱媒を前記温度制御器によって温度制御し、該温度制御された熱媒を前記バッファ容器へ吐出する第1のポンプと、
    前記バッファ容器に貯蔵された熱媒を前記熱交換器の熱媒入口へ供給する第2のポンプと、
    を有する、
    ことを特徴とする研磨装置温度制御システム。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項の研磨装置温度制御システムと、前記研磨パッドが設置される研磨テーブルと、前記基板を保持する基板保持部と、
    を備えることを特徴とする研磨装置。
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