JP6345489B2 - 研磨液の研磨性能判定方法及び装置 - Google Patents
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Description
スラリーには数多くの種類があり、しかも成分の種類や濃度も異なることから、液性が変化する原因としても様々な可能性が考えられる。吸光度変化について考えると、金属イオン、錯化剤、金属錯体などの成分によって特有の吸光波長や吸光係数を持つと考えられるので、研磨の進行に伴い金属イオン濃度が変化したり、または金属錯体濃度が変化したりすると、溶液全体としての吸光波長や吸光係数も変化する可能性がある。
本発明によれば、研磨液に含まれる促進剤と阻害剤の濃度をそれぞれの成分または被研磨金属との錯体化合物に固有の吸収波長を用いることにより定量することができる。
本発明の好ましい態様によれば、前記促進剤と被研磨金属との錯体化合物を識別可能な少なくとも一つの波長を200〜255nmまたは450〜900nmのいずれかの範囲から選択することの代わりに、少なくとももう一つの波長を被研磨金属イオンの波長から選択することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、少なくとももう一つの波長を被研磨金属イオンの波長から選択することの代わりに、被研磨金属イオンの電気化学特性または色度を測定し、研磨廃液の255〜310nmの範囲から選択した波長の吸光度と、前記測定した被研磨金属イオンの電気化学特性または色度とから研磨液の研磨性能を判定することを特徴とする。
本発明の研磨液の研磨性能判定方法は、研磨廃液と反応する反応剤を備えた反応部に研磨廃液を通し反応剤と反応させ、前記反応部において反応させた後の研磨廃液の成分濃度を測定し測定値に基づく信号値を取得し、この取得した信号値とあらかじめ取得している信号値とを処理することにより研磨液の研磨性能を判定することを特徴とする。
本発明によれば、研磨廃液と反応する反応剤を備えた反応部を設けることにより、研磨廃液に含まれる促進剤や阻害剤と反応剤を反応させることにより反応部を通ったあとの成分濃度測定を容易にすることができる。
本発明の好ましい態様によれば、研磨廃液の成分と反応する被研磨金属成分からなる固体で反応経路が構成された反応部に前記研磨廃液を通すことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、反応経路を構成する固体は金属または金属塩または金属錯体であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、反応部に研磨廃液の成分と反応する薬剤を添加することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、添加する反応薬剤が指示薬または金属イオンまたは金属錯化剤であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、成分濃度を測定する方法が電気化学法であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、成分濃度を測定する方法が分光法であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、測定する波長が200〜900nmの範囲から選択した複数の波長であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、成分分離手段により研磨廃液の成分を分離し、分離した後に各成分濃度を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、研磨廃液の分離手段がクロマトグラフィーであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、物理的な濃度変化を検出することにより成分濃度を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、光屈折率法あるいは光散乱法により成分濃度を測定することを特徴とする。
本発明の研磨液の研磨性能判定装置によれば、研磨装置から抽出した研磨廃液と反応する反応剤を備える反応部と、前記反応部を通った研磨廃液の成分の検出を行い検出信号を取得する検出部と、前記検出部から送信された前記検出信号を解析して研磨液の研磨性能を判定する解析部とを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記反応剤は、被研磨金属成分からなる固体であり、被研磨金属または被研磨金属の塩または被研磨金属の錯体であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨廃液の成分を電気化学法により検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨廃液の成分を分光法により検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、測定する波長が200〜900nmの範囲から選択した波長であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、測定する波長が200〜900nmの範囲から選択した複数の波長であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、成分分離手段により研磨廃液の成分を分離し、分離した後に研磨廃液の各成分を検出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、研磨廃液の分離手段がクロマトグラフィーであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、物理的な濃度変化を検出することによりまたは光屈折率法あるいは光散乱法により研磨廃液の成分を検出することを特徴とする。
(1)研磨後スラリーの成分の濃度もしくは成分の濃度に対応する物理量を測定することでスラリーの促進剤成分と阻害剤成分とを評価することによりスラリーの鮮度を判定することができる。
(2)上記スラリーの判定結果に基づき、研磨装置の研磨パッド上に供給するスラリー供給量を適正に制御することができる。すなわち、スラリーの鮮度が高いという判定結果の場合にはスラリーの供給量を減らし、スラリーの鮮度が低いという判定結果の場合にはスラリーの供給量を増やすように制御することができる。
(3)上記スラリー供給量を適正に制御することにより、スラリーの鮮度を適正に維持しながらスラリー使用量を削減することが可能となり、コストや環境への負荷も低減できる。
CMPスラリーに含まれる成分には、被研磨金属あるいはその酸化物と錯体を形成する成分が数種類存在する。これらの成分はメタルあるいはその酸化物と反応して錯体化合物を生成し、その中でも水溶性の錯体化合物を形成する促進剤は研磨レートの増進に寄与し、不溶性錯体化合物を形成する阻害剤は研磨面の平坦性形成に寄与する。したがって、阻害剤と促進剤のそれぞれの濃度が適性範囲にあること、且つ、相反する作用をもつ錯化剤すなわち阻害剤と促進剤の濃度比が一定範囲にあることにより、被研磨材の表面の平滑性を実現し、且つ、高い研磨速度で研磨を実現することが可能になる。以後、平滑性および高研磨速度という二つの研磨液(スラリー)のもつ性能を合わせて研磨液(スラリー)の研磨性能と言う。
従って、スラリーの研磨性能を維持するためにスラリーを制御するには、まず、促進剤と阻害剤のそれぞれの濃度を知る必要が生じる。
阻害剤には、ベンゾトリアゾール(1,2,3−benzotriazole,BTA)、トルトライアゾール(4または5−Methyl−1H−benzotriazolemTolyltriazole,TTA)、カルボキシベンゾトリアゾール、2−メルカプトベンゾチアゾール(2−mercaptobenzothiazole,MBT)、2,5−ジメルカプトチアジアゾール(2,5−dimercaptothiadiazole,DMTDA)、ベンズイミダゾール(Benzimidazole,BIA)、ベンズイミダゾールチオール(2−benzimidazolthiolまたは2−mercaptobenzimidazole,BIT)、1,2,4−トリアゾール、1,2,3−トリアゾール、キナルジン酸、キノリン酸、キヌレン酸、ピコリン酸、ニコチン酸などがある。
促進剤には、アミノ酸があり、アミノ酸にはグリシン、アラニン、アルギニン、アシパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、セリン、トレオニン、チロシン、バリンなどがある。中でも、グリシン、アラニンは促進剤としての効果が高い。
まず、過剰に存在する促進剤成分の濃度を測定することで、阻害剤成分の残量を推定して、スラリーの研磨性能を制御する方法がある。
スラリーに含まれる成分と反応する反応剤を備えた反応部にスラリーを通し、スラリーが反応部を通過した後に促進剤と被研磨金属との化合物成分の濃度を測定して、あらかじめ取得しているデータ(例えば、使用前の初期スラリーのデータ)との相関をみることにより、阻害剤の濃度を把握することができる。あるいは、反応部の前後で、すなわち反応部を通る前と通った後で促進剤と被研磨金属との化合物成分の濃度を測定して比較することで、阻害剤の反応量変化を把握することができる。
さらに、検出部の前に分離手段を設けて、促進剤成分および阻害剤成分の各成分を分離した後に検出する方法がある。分光法や質量分析法は、成分ごとに特徴的な物性値を選択して検出することにより、成分ごとの濃度を測定することが可能であるが、複数成分の総量として検出する測定法でも、クロマトグラフィーなどの成分の分離手段と組み合わせて、分離後の検出手段として使用することにより、各成分濃度の測定が可能になる。
促進剤としてはグリシン、阻害剤としてベンゾトリアゾールを用いたスラリーを使用し、被研磨金属はCuである。ここで、促進剤による金属錯体と記されているのは促進剤と被研磨金属との錯体化合物である。
促進剤による金属錯体は波長域Aにおいて検出され波長230nmでピークを示し、阻害剤は波長域Bにおいて検出され波長280nmでピークを示し、促進剤による金属錯体・金属イオンは波長域Cにおいて検出され波長630nmでピークを示している。波長域Aは200〜255nmであり、波長域Bは255〜310nmであり、波長域Cは450〜900nmである。使用する促進剤や阻害剤、被研磨金属の種類により分光光度によって示される波長域は異なり独自の領域を示す。
波長域A及び波長域Cの分光光度から促進剤の濃度を解析することができ、波長域Bの分光光度から阻害剤の濃度を解析することができる。波長域Cで検出される促進剤による金属錯体及び金属イオンの混合物のように、溶液性が高い場合には分光光度による検出以外にも色差による検出や電気伝導度などの電気化学的な方法により検出することもできる。
1.複数の成分濃度を複数の波長で検出する分光法(吸光法、蛍光、発光など)による濃度検出方法(図1参照)
促進剤濃度を波長域Aあるいは波長域Cの分光光度から、阻害剤濃度を波長域Bの分光光度から解析する。
2.促進剤の波長で複数の成分濃度を検出する方法(図1参照)
(1)波長域Aあるいは波長域Cの分光光度を用いて、研磨に供される前のCMPスラリーのデータベースとの比較により促進剤濃度と阻害剤濃度を解析する。
(2)反応部に通す前と通した後との波長域Aあるいは波長域Cの分光光度変化から促進剤濃度と阻害剤濃度を解析する。
3.非金属イオン成分の濃度を(分光せずに)色差あるいは電気伝導度により成分濃度を検出する方法
(1)データベースとの比較により促進剤濃度と阻害剤濃度を解析する。
(2)反応部に通す前と通した後との色彩あるいは電気伝導度変化から促進剤濃度と阻害剤濃度を解析する。
4.CMPスラリーの成分を分離した後に(分光せずに)各成分濃度を検出する方法
促進剤と阻害剤の成分を分離手段(クロマトグラフィーなど)で分離した後に各成分濃度の絶対値を検出する。濃度の検出法は成分によらず濃度が検出できれば良いので、分光法、吸光法、屈折率法、電気化学法、光散乱法などがある。
図2は、本発明に係る研磨液の研磨性能判定方法を実施する研磨装置の一態様を示す模式的斜視図である。図2に示すように、研磨装置は、研磨パッド2を支持する研磨テーブル1と、被研磨材である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル1上の研磨パッド2に押圧する研磨ヘッド3と、研磨パッド2上に研磨液(スラリー)を供給する研磨液供給ノズル4とを備えている。
本発明においては、図2および図3に示す検出部10において阻害剤と促進剤のそれぞれの濃度と濃度比が適性範囲にあることを検出し、研磨液の状態を適性範囲に保つようにする。
図4乃至図7に示す反応部12については以下に説明する。
図8(a),(b),(c),(d)は、反応部の構成を示す模式図である。
反応部12には、図8(a)に示すように、固体反応剤を充填・保持した流路からなるもの、あるいは、図8(b)に示すように、液体反応剤を添加してスラリーと混合する流路からなるものがある。固体反応剤としては、金属、酸化物、金属を含む化合物(塩、電解質、錯体)などから成り、粒子、シート、構造体、流路壁などの形状をもつ。また、液体反応剤としては、色素、蛍光試薬、発色試薬などがある。さらに、反応部12は、固体反応剤を保持するための機構を備えており、この機構としては、流路径の一部が太くなる構造(図8(a))、パンチング板やフィルタなどの封止構造(図8(c))などがある。また、液体反応剤の交換、あるいは、反応部の洗浄および液体反応剤の再生のために、図8(b)に示すように、流路の切替機構として、スラリーの入口および出口の他に、液体反応剤の導入部を設ける場合がある。また、図8(d)に示すように、反応部の反応、反応部の洗浄、液体反応剤の再生の工程を制御するためにスラリーの入口、出口、液体反応剤の導入部にバルブV1,V2,V3を設ける場合がある。
一方で、検出部の検出感度を上げることにより検出に必要なスラリー量を少なくすることが可能になり、検出時間の短縮につながる。固体反応剤の場合は、固体反応剤の表面積を増やす方法は検出感度を上げることに効果があり、具体的には、固体反応剤の量を増やす方法や固体反応剤の粒径を小さくする方法がある。また、加温も検出感度を上げることになり、研磨廃液採取時から測定までの時間および経路の長さを短縮することにより、研磨時の研磨熱で加温しているスラリーの温度を利用する方法は効率が良い。
図10に示すように、研磨液(又は研磨廃液)は、成分分離部13に送られ、成分分離部13において促進剤と阻害剤の成分を分離する。成分分離部13はクロマトグラフィーカラムから構成されており、クロマトグラフィーカラムは錯化剤と特異的に吸着するゲルからなる。信号検出部14は、成分分離部13で分離された後の液体について各成分濃度を検出する。信号検出部14は、紫外光吸収検出器あるいは屈折率検出器からなる。なお、信号検出部14は電気化学法であってもよい。成分分離部13および信号検出部14は研磨液鮮度検出部を構成している。信号検出部14は、研磨液供給量制御信号を研磨液供給部15に送信する。
2 研磨パッド
3 研磨ヘッド
4 研磨液供給ノズル
5 研磨廃液抽出機構
5a 円筒状部
5b ロート状部
6 廃液配管
7 研磨液供給ポンプ
10 検出部
10−1 第1検出部
10−2 第2検出部
11 解析部
12 反応部
20 研磨液制御部
Claims (4)
- 被研磨物の溶解を促進する促進剤および被研磨物の溶解を阻害する阻害剤を含む研磨液の研磨性能を判定する研磨液の研磨性能判定方法であって、
研磨廃液を分光法により分析し、前記促進剤と被研磨金属との錯体化合物を識別可能な波長の中から少なくとも一つの波長を選択し、前記阻害剤を識別可能な波長の中から少なくとも一つの波長を選択し、選択した前記錯体化合物を識別可能な少なくとも一つの波長および選択した前記阻害剤を識別可能な少なくとも一つの波長の吸光度を測定することにより研磨後の研磨液の研磨性能を判定することを特徴とする研磨液の研磨性能判定方法。 - 前記促進剤と被研磨金属との錯体化合物を識別可能な少なくとも一つの波長を200〜255nmまたは450〜900nmのいずれかの範囲から選択するとともに、前記阻害剤を識別可能な少なくとも一つの波長を255〜310nmの範囲から選択することを特徴とする請求項1に記載の研磨液の研磨性能判定方法。
- 前記促進剤と被研磨金属との錯体化合物を識別可能な少なくとも一つの波長を200〜255nmまたは450〜900nmのいずれかの範囲から選択することの代わりに、少なくとももう一つの波長を被研磨金属イオンの波長から選択することを特徴とする請求項2に記載の研磨液の研磨性能判定方法。
- 少なくとももう一つの波長を被研磨金属イオンの波長から選択することの代わりに、被研磨金属イオンの電気化学特性または色度を測定し、研磨廃液の255〜310nmの範囲から選択した波長の吸光度と、前記測定した被研磨金属イオンの電気化学特性または色度とから研磨液の研磨性能を判定することを特徴とする請求項3に記載の研磨液の研磨性能判定方法。
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