KR20000062924A - 연마용 슬러리의 제조 방법과 제조 시스템, 및 반도체장치의 제조 시스템과 제조 방법 - Google Patents

연마용 슬러리의 제조 방법과 제조 시스템, 및 반도체장치의 제조 시스템과 제조 방법 Download PDF

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요시노리 요시다
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니시무로 타이죠
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Abstract

본 발명은 무기 산화물을 물에 분산시키는 분산 장치와, 이 분산 장치의 후단에 설치되어 있고 이 분산 장치로부터의 슬러리를 여과하는 여과 장치와, 이 여과 장치의 후단에 설치되어 있고 이 여과 장치로부터의 슬러리를 CMP 연마 장치에 공급하는 공급 장치와, 이 공급 장치의 후단에 설치되어 있고 이 공급장치로부터 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마하는 CMP 연마 장치를 포함하는 반도체 장치의 제조 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 적시에 적량의 슬러리를 CMP 연마 장치에 공급할 수 있다. 따라서, 엄밀한 품질 관리하에서의 보관에 필요한 비용을 줄일 수 있다.

Description

연마용 슬러리의 제조 방법과 제조 시스템, 및 반도체 장치의 제조 시스템과 제조 방법{Method and System of Manufacturing Slurry for Polishing, and Method and System of Manufacturing Semiconductor Devices}
본 발명은 무기 산화물과 물로 슬러리를 조정하고, 이 조정한 슬러리를 연마 장치에 공급하는 방법과 이 방법을 실현하는 시스템에 관한 것이다. 또, 본 발명은 무기 산화물과 물로 슬러리를 조정하고 이 조정한 슬러리를 반도체 장치를 제조하기 위한 연마 장치에 공급하는 방법과 이 방법을 실현하는 시스템에 관한 것이다.
최근, 무기 산화물 입자를 물에 분산한 슬러리가 초LSI 등의 반도체 장치 연마에 사용되고 있다. 이 슬러리는 희망하는 조성, 희망하는 농도, 희망하는 순도 등으로 조제된 후, 드럼 통 등의 반송용 용기에 채워져 반도체 장치의 연마ㆍ제조자에게 출하되고 있다.
그러나 연마용 슬러리를 드럼 통 등의 반송 용기에 채워 반도체 장치의 연마·제조자에게 출하하는 방법에는 하기 (a) 내지 (d)의 문제가 있다.
(a) 수송시 또는 보관시에 슬러리가 건조되거나 슬러리 중의 무기 입자가 응집되거나 침전되는 일이 있다. 그 결과 슬러리의 농도나 순도, 슬러리 중의 무기 입자의 입경이 조제시와 달라져 목적하는 연마 특성을 얻을 수 없게 되는 경우가 있다. 이 문제를 회피하기 위해서는 수송시 또는 보관시 슬러리의 품질 관리를 완전히 행하거나 또는 반도체 장치의 연마ㆍ제조자가 슬러리의 여과, 정제, 분석을 재차 행하여 품질을 확인할 필요가 있다. 그러나 그렇게 되면 슬러리 제조자 또는 반도체 장치의 연마ㆍ제조자에게 있어서도 매우 비용 소모적이다.
(b) 희망하는 연마 특성은 연마 대상인 반도체 장치 등의 종류 등에 따라 결정된다. 이 때문에 연마 대상이 무엇인가에 따라 슬러리의 조성, 농도, 순도, pH 등을 결정할 필요가 있다. 그러나 반도체 장치의 연마ㆍ제조자에 따라 결정된 조성, 농도, 순도, pH 등의 슬러리를, 주문에 따라 슬러리 제조자가 제조하여 반도체 장치의 연마ㆍ제조자에 공급하는 방법은 비용 소모적이다. 한편, 특정한 연마 특성(조성, 농도, 순도, pH 등)이 되도록 조정한 슬러리를 반도체 장치의 연마·제조자의 재고로 공급하는 방법은 보관 기간이 길어지기 쉬워져, 상기 (a)의 문제가 발생하기 쉽다.
(c) 안정성이 좋지 않은 슬러리는 보관시 또는 운송 중에 품질이 변하기 쉽다. 이 때문에 비록 제조 직후의 연마 성능이 매우 우수하다고 해도 보관시 또는 수송 중에 품질이 변하여 연마 성능이 나빠지는 일이 있으며, 그 결과 산업상의 사용이 불가능해질 경우가 있다.
(d) 연마용 슬러리는 일반적으로 그 농도가 5 내지 30 %로 낮기 때문에 양이 많아져 수송 비용이 많이 든다.
본 발명은 상기한 문제의 관점에서, 수송시 또는 보관시 슬러리의 품질관리를 엄밀하게 행할 경우에 필요한 비용을 소거하는 것을 목적으로 한다. 또한, 반도체 장치의 연마ㆍ제조 시스템에 대해 적량의 슬러리를 적시에 공급하는 것을 목적으로 한다. 또한, 불안정한 슬러리의 공업적 사용을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 연마용 슬러리가 반도체 장치 제조 설비의 청정도를 악화시키지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연마용 슬러리의 제조 방법은, 무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 공정, 얻어진 슬러리를 여과하는 공정, 여과된 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공정을 연속적으로 실행하는 것이다.
본 발명의 반도체 장치의 제조 방법은, 상기 공정 후에 다시 공급된 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마함과 동시에 연마된 반도체 장치의 연마 상태를 검출하는 공정을 연속적으로 실행하는 것이다.
본 발명의 연마용 슬러리의 제조 시스템은 무기 산화물과 물을 혼련함으로써무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 분산 장치와, 이 분산 장치의 후단에 설치되어 있으며 이 분산 장치로부터의 슬러리를 여과하는 여과 장치와, 이 여과 장치의 후단에 설치되어 있으며 이 여과 장치로부터의 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공급 장치를 포함한다.
본 발명 반도체 장치의 제조 시스템은, 상기 공급 장치의 후단에, 다시 이 공급 장치에서 연속적으로 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마하는 연마 장치를 설치한 것이다.
본 발명에서 사용되는 무기 산화물로서는 산화규소, 산화알루미늄, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화안티몬, 산화크롬, 산화게르마늄, 산화바나듐, 산화텅스텐, 산화철, 산화세륨, 산화망간, 산화아연 등의 금속 산화물을 예시할 수 있다. 이들 중에서는 산화규소, 산화알루미늄, 산화티탄, 산화세륨이 특히 바람직하다. 본원 발명에서 사용되는 무기 산화물로서는, 사염화규소를 수소와 산소로 반응시켜 가수 분해시켜서 실리카를 합성하는 퓸드법(고온 화염 가수 분해법), 또는 금속을 융점 이상으로 가열하여 금속의 증기를 발생시켜, 이 금속 증가와 산소를 반응시켜 무기 산화물을 합성하는 나노페이스 테크놀로지 (Nano-phase Technology)사 법 (금속 증발 산화법) 등의 기상법으로 합성한 무기 산화물이 고순도이기 때문에 바람직하다. 또한, 본원 발명에서 사용되는 무기 산화물로서 금속 알콕시드를 가수 분해함으로써 무기 산화물을 합성하는 졸겔법으로 합성한 무기 산화물을 사용할 수 있다. 퓸드법으로 합성된 무기 산화물은 고순도에다 비교적 저가이기 때문에 더욱 바람직하다. 또, 무기 산화물은 1종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다.
도 1은 본 발명 시스템의 전체 구성을 나타내는 모식도.
도 2는 도 1의 시스템 내의 각 장치를 패키지에 봉입하여 청정실에 설치할 때의 동일한 패키지내의 장치 조합을 예시하는 설명도.
도 3은 유성 방식 혼련기의 원리를 나타내며, 3a는 평면도, 3b는 측면도.
도 4a는 중공 원통 형상의 심원(depth)형 카트리지 필터를 모식적으로 나타내는 사시도, 도 4b는 심원형 필터의 두께 방향의 구멍 구조와 섬유직경을 설명하는 모식도.
도 5a는 도 4의 심원형 필터를 사용하여 여과하는 시스템 구성의 한 예를 나타내는 설명도이며, 도 5b는 주머니상의 심원형 필터를 모식적으로 나타내는 사시도.
도 6a는 전동식 조립기를 정면에서 본 모식적 단면도, 6b는 전동식 조립기내 저부의 회전 원판상의 입자에 가해지는 힘을 나타내는 설명도, 6c는 이 회전원판상에서의 입자의 전동 상태를 나타내는 설명도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
21: 호퍼
22: 분산 탱크
23: 희석 탱크
25: 여과 장치
32: 슬러리 공급 장치
33a 내지 33e: CMP 연마 장치
이하에, 본 발명을 상세히 설명한다.
〔1〕전체 구성
도 1은 본 발명의 시스템의 전체 구성예를 나타낸다.
도시한 시스템은 무기 산화물과 물을 혼련하여 무기 입자의 슬러리를 제조하는 분산 장치와, 분산 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며 분산 장치로부터의 무기 입자의 슬러리를 여과하는 여과 장치와, 여과 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며 여과 장치로부터의 무기 입자의 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공급 장치와, 공급 장치의 후단에 연결되어 설치되어 있으며 공급 장치에서 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체를 연마하는 연마 장치를 포함한다.
분산 장치는 호퍼 (21)와, 공급기 (29)와, 분산 탱크 (22)와 희석 탱크 (23)를 갖는다. 호퍼 (21)에는 원재료인 무기 산화물이 투입된다. 공급기 (29)는, 호퍼 (21)에서 투입된 원재료를, 분산 탱크 (22)로 반송하여 분산 탱크 (22)에 공급한다. 분산 탱크 (22)는 공급기 (29)에 의해 공급되는 원재료를, 순수 탱크 (24)에서 공급되는 순수(純水)와 교반하여, 무기 입자의 슬러리를 제조한다. 희석 탱크 (23)은 분산 탱크 (22)에서 나오는 슬러리를 순수 탱크 (24)에서 공급되는 순수로 희석함과 동시에, KOH 탱크 (26)에서 공급되는 수산화 칼륨 KOH를 첨가한다. 분산 장치의 구체적인 예나 기능에 대해서는 후술한다.
여과 장치 (25)는 심원형 카트리지 필터, 주머니상의 심원형 필터, 프리츠형 필터 등의 필터를 갖는다. 심원형 필터를 구비한 여과 장치에 대해서는 후술한다.
공급 장치 (32)는, 여과 장치로부터의 슬러리를 복수 (도시 예에서는 도 5)의 CMP 연마 장치 (33a 내지 33e)로 공급한다. CMP는 화학적-기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing)의 약자이다. 슬러리 공급 장치 (32)의 구체적인 예에 대해서는 후술한다.
연마 장치 (33a 내지 33e)는, 공급 장치 (32)에서 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마한다. 연마 장치 (33) (33a 내지 33e)에 대해서는 후술한다.
상기의 호퍼 (21), 공급기 (29), 분산 탱크 (22), 희석 탱크 (23), 필터 장치 (25) 및 슬러리 공급 장치 (32)는 슬러리 중으로의 금속 오염을 가능한 막기 위해 폴리우레탄, 테프론, 에폭시 수지 등의 라이닝 또는 지르코니아 등의 세라믹스 라이닝을 내벽 또는 교반 날개 등의 액체 또는 입자와의 접촉 부분에 실시하여 내마모성을 높이는 것이 바람직하다.
〔2〕패키지
도 2는 분산 장치 (호퍼 (21), 공급기 (29), 분산 탱크 (22), 및 희석 탱크 (23)), 여과 장치 (25), 공급 장치 (32), 및 CMP 연마 장치 (33)을 패키지에 봉입할 때의 조합을 예시한다. 여기서 패키지란, 분산 장치, 여과 장치 (25), 공급 장치 (32), 및 CMP 연마 장치 (33)의 모터 등의 기계 부분 또는 공급되는 원재료가 내는 분진 때문에 장치가 설치되는 장소 주변의 청정 환경이 악화되는 것을 막기 위해, 상기 각 장치를 밀봉함과 동시에 상기 분진을 외부로 배출시키는 기능을 구비한 수단을 말한다.
도 2a에서는, 호퍼 (21)과 공급기 (29)와 분산 탱크 (22)가 한번에 패키지 P11에 봉입되어 있다. 또한 희석 탱크 (23)은 단독으로 패키지 P12에, 여과 장치 (25)는 단독으로 패키지 P13에 각각 봉입되어 있다. 또한, 슬러리 공급 장치 (32)는 단독으로 패키지 P21에, CMP 연마 장치 (33a 내지 33e)는 패키지 P22에 각각 봉입되어 있다.
도 2b는 도 2a의 조합과 거의 동일하지만, 희석 탱크 (23)과 여과 장치 (25)가 함께 패키지 P14에 봉입되어 있는 점이 다르다.
도 2c에서는 호퍼 (21) 내지 여과 장치 (25)까지 모두 패키지 P15에 봉입되어 있는 점이 도 2a 또는 도 2b의 조합과는 다르다.
이들 각 패키지는 청정실 내부 또는 외부에 설치되어 있다. 또한, 각 패키지는 도시하지 않은 배기관을 구비하고 있으며, 각 패키지내에서 발생한 미세한 분진을 청정실 외부에 배출하도록 구성되어 있다.
또한, 분산 탱크 (22)와 희석 탱크 (23)을 연결하는 관, 희석 탱크 (23)과 여과 장치 (25)를 연결하는 관, 여과 장치 (25)와 슬러리 공급 장치 (32)를 연결하는 관 및 슬러리 공급 장치 (32)와 CMP 연마 장치 (33)을 연결하는 관은 각각 밀폐되어 있다.
또한, 도 2 내에 점선 B로 나타내는 바와 같이, 예를 들면 슬러리 공급 장치 (32)까지의 각 설비를 청정실 외부 또는 클래스 (C1)의 청정실에 배치하고, CMP 연마 장치를 클래스 (C1)보다 고도의 클래스인 (C2)의 청정실에 배치하도록 구성할 수 있다. 즉, 연마 장치가 배치되는 청정실의 청정도를 높이도록 구성할 수 있다. 어런 경우에는 고도의 청정도의 청정실의 용적을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 각 패키지내에 봉입되는 장치류의 조합은, 도 2a 내지 2c에 나타내는 조합으로 제한되는 것은 아니며, 설비의 면적 등에 따라 적절하게 변경할 수 있다.
〔3〕원재료
호퍼 (21)에는 원재료인 무기 산화물이 투입되는데, 이 무기 산화물을 함수 고체상으로 하면 좋다. 예를 들면 함수 고체상의 기상법 무기 산화물을 원재료로서 사용하는 것이 좋다. 함수 고체상의 무기 산화물(형상은 입상, 판상, 괴상 등임)이란 무기 산화물에 특정량의 물을 첨가하여 부피 밀도를 증가시킨 것이다. 특정량의 물의 첨가란, 예를 들면 기상법 무기 산화물 100 중량부에 물 40 내지 300 중량부의 첨가를 말한다. 물의 첨가에 의해 기상법 무기 산화물의 부피 밀도를 0.3 내지 3 g/㎤의 범위로 증가시키면 장기간에 걸쳐 안정되게 보관할 수 있으며 또한 그 취급시의 분진의 발생을 대폭 저감시킬 수 있다.
무기 산화물 입자에 물을 첨가하여 원재료인 함수 고체상의 무기 산화물을 얻는 방법은 상기 방법으로 한정되지 않는다.
예를 들면 교반기를 설치한 혼합조에 무기 산화물과 물을 소량씩 첨가하면서 약하게 교반함으로써 함수 고체상의 무기 산화물을 얻을 수가 있다. 이 교반이 너무 강하면 공급된 무기 산화물이 함수 고체상이 아닌 슬러리상이 되기 때문에 바람직하지 않다. 이 때문에 교반의 강도가 너무 강해지지 않도록 주의할 필요가 있다. 예를 들면 교반을 교반 날개의 회전으로 행할 경우라면 교반 날개의 회전 속도에 주의를 기울일 필요가 있다. 교반에 의해 함수 고체상 물질을 얻는 교반형 조립기로서는 예를 들면 가부시끼가이샤 오가와라 세이사꾸쇼제 플로우 제트 그래뉼레이터 (Flow Jet Granulator) 또는 가부시끼가이샤 나라세이사꾸쇼제 고속 교반형의 혼합ㆍ조립기 모델 NMG-P, NMG-H 및 NMG-L형이 있다.
교반기를 사용하지 않고, 무기 산화물의 함수 고체상 물질을 제조하는 방법으로는 전동식 조립기 또는 유동식 조립기 등을 사용하는 방법이 있다.
전동식 조립기의 구성을 도 6a에 모식적으로 나타낸다. 전동식 조립기는 원통 (51) 내의 저부에 회전 원판 (52)를 설치하고, 회전 원판 (52) 상에 무기 산화물을 공급함과 동시에 물을 스프레이 등으로 공급함으로써 함수 고체상의 무기 산화물 입자를 조립하는 장치이다. 회전 원판 (52)의 경사, 회전수, 설치의 깊이 등을 적절하게 설정하여 회전 원판 (52)의 상면에 필요에 따라 홈을 설치하고 그 홈의 깊이, 형상, 방향, 간격 등을 적절하게 구성함으로써 입경의 크기가 가지런한 함수 고체상의 무기 산화물 입자를 얻을 수 있다. 도 6b는 회전 원판 (52) 상의 각 입자에 가해지는 힘을 나타내며, 도 6c는 어떤 특정 입자의 전동 상태를 나타낸다. 회전 원판 (52) 상에 공급됨과 동시에 물이 스프레이되어 입상으로된 크기가 불균일한 무기 산화물 입자에는 도 6b에 나타낸는 것과 같이 회전 원판 (52)의 회전 방향(접선 방향)의 힘과 원심력 방향(반경 방향)의 힘의 합력이 가해진다. 이 때문에 크기 불균일의 함수 고체상의 무기 산화물 입자의 각각은, 도 6c에 나타내는 것 처럼 합력 A의 방향을 향해, 원통 (51)의 내벽면에 부딪쳐 내주부를 향하고, 다시 (51)의 내벽면에 부딪치는 운동을 반복한다. 즉, 각 입자의 자전과 전체의 공전으로 인하여 함수 고체상의 무기 산화물 입자 각각은 새끼줄을 꼰듯한 소용돌이류의 운동을 반복한다. 또한 그 사이에 회전 원판 (52) 상의 홈에 부딪쳐 충격을 받거나 전단되어 서서히 구형화된다. 이러한 방식으로 입경 크기가 비교적 일정한 입상물을 얻을 수 있다.
전동식 조립기로는 후지 파우달 가부시끼가이샤제 마르메라이저 및 가부시끼가이샤 구리모또뎃꼬우죠제 구리모또판형 조립기 등이 있다. 또 전동식 조립기의 방식으로서는 입상물을 연속적으로 얻는 방법과 배치식으로 얻는 방법이 있다.
유동식 조립기는 송풍으로 형성된 유동층에 무기 산화물 입자를 연속적으로 투입하고, 안개화된 미립 물방울과 접촉시켜 응집·조립하는 것이다. 유동식 조립기로서는, 예를 들면 가부시끼가이샤 오가와라세이사꾸쇼 제품의 믹스그라드가 있다. 또, 이 기계의 건조 공정은 행하지 않는다.
이들 장치는, 금속 오염을 저감시키기 위해 폴리우레탄, 테플론, 에폭시 수지 등의 라이닝이나 코팅, 지르코니아 등의 세라믹스 라이닝을, 필요에 따라서 액체나 입자와의 접촉 부위에 실시하는 것이 바람직하다.
상기 장치는, 입상의 물질을 함수 고체상의 무기 산화물로서 얻는 경우에 사용할 수 있는 장치이다. 그러나, 함수 고체상의 무기 산화물의 형상은 입상의 물질에 한정되지 않고 예를 들면 판상이나 괴상 등의 물질일 수 있다.
함수 고체상의 무기 산화물을 입상으로 제조할 경우, 그 입경은 0.5 내지 100 mmΦ, 바람직하게는 1 내지 30 mmΦ, 보다 바람직하게는 2 내지 20 mmΦ이다. 또한 그 부피 밀도는 0.3 내지 3 g/㎤, 바람직하게는 0.4 내지 2 g/㎤, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.5 g/㎤의 범위이다.
함수 고체상의 무기 산화물의 제조에 사용하는 물로서는, 필요한 순도의 이온 교환수 등을 사용할 수 있다.
물의 양은, 무기 산화물의 종류, 무기 산화물 입자의 평균 입경 또는 그 비표면적 등에 의해 상이한데, 예를 들면 기상법 무기 산화물 입자 100 중량부에 대한 물의 양은 40 내지 300 중량부, 바람직하게는 50 내지 200 중량부, 보다 바람직하게는 60 내지 150 중량부이다. 무기 산화물 입자의 평균 입경이 작기 때문에 비표면적이 큰 경우에는 다소 많은 양의 물이 필요하다. 물의 양이 40 중량부보다 적으면 원하는 함수 고체상의 무기 산화물이 얻어지지 않거나 또는 원하는 함수 고체상의 무기 산화물이 얻어졌다고 하여도 부피 밀도를 충분히 증가시킬 수 없다. 또한 물의 양이 40 중량부보다 적으면, 제조된 물질의 취급시에 분진이 많이 발생하기 때문에, 반도체 장치를 위한 CMP 연마 장치의 전단으로 사용되는 것에 비추어 바람직하지 않다. 물의 양이 300 중량부를 넘으면, 제조된 물질이 고체상이 되지 않아 바람직하지 않다.
필요에 따라, 또한 제조 후의 용도에 비추어 지장이 없는 범위에서 함수 고체상의 무기 산화물에 산 또는 알칼리를 첨가할 수 있다.
〔4〕분산 공정 및 장치
[4-1] 개요
무기 산화물 입자를 수계 매체에 분산시켜 수계의 슬러리를 얻는 분산 공정은, 예를 들면 함수 고체상의 무기 산화물과 적절히 첨가된 수계 매체를, 교반 블레이드를 부회전 축에 의해 회전시키면서 부회전 축을 주회전축에 의해 회전시키는 방식의 혼련기의 혼련조 내에서 교반함으로써 수행된다. 이 혼련기는 분진이 청정실 내에 비산하지 않도록 패키지에 봉입되어 있는 것이 바람직하다. 또 교반 블레이드를 부회전축에 의해 회전시키면서 부회전축을 주회전축에 의해 회전시키는 방식은 일반적으로 유성 방식이라 한다.
[4-2] 유성 방식의 혼련기
도 3은 유성 방식의 혼련기를 모식적으로 도시하며, 3a는 평면도, 3b는 측면도이다. 도시된 바와 같이, 유성 방식의 혼련기의 혼련조 (10) 내에는 부회전축 (a)의 주위를 화살표 방향으로 회전하는 교반 블레이드 (11a)와, 부회전축 (b)의 주위를 화살표 방향으로 회전하는 교반 블레이드 (11b)와, 이들 2개의 부회전축 (a), (b)를 화살표 방향으로 회전시키는 주회전축 (c)가 설치되어 있다. 즉, 교반 블레이드가 부회전축의 주위를 회전 (자전)하고, 또한 부회전축이 주회전축의 주위를 회전 (공전)하도록 구성되어 있다.
상기한 바와 같이 설치된 교반 블레이드 (11a), (11b)는 복잡한 궤적으로 운동하기 때문에 혼련조 (10) 내의 유체는 균일하게 혼련되어 응집체는 충분히 분단된다. 그 결과, 다량의 무기 산화물을 비교적 소량의 액체 중에 효율적으로 분산시킬 수 있다.
도 3에는 2개의 부회전축 (a)와 (b)가 도시되어 있다. 그러나 2개의 부회전축을 대신하여 1개의 부회전축을 설치할 수 있으며, 3개 이상의 부회전축을 설치할 수도 있다. 또한, 부회전축을 여러개 설치하는 경우는 각 부회전축을 등간격으로 설치할 수 있으며, 상이한 간격으로 설치할 수도 있다.
또한, 도 3에서는 부회전축 (a)와 (b)에는 각각 2개씩의 교반 블레이드가 설치되어 있으나 각 부회전축에 1개씩의 교반 블레이드를 설치하여도 좋으며, 3개 이상의 교반 블레이드를 설치할 수 있다.
또한, 교반 블레이드의 부회전축과 동일한 축에, 또는 교반 블레이드의 부회전축과는 상이한 축에 고속 회전 날개을 설치하여, 이 고속 회전 날개에 의해 응집체의 분단·분산 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 도 3에서는 주회전축 (c)와 부회전축 (a)와 (b)가 모두 상면에서 볼 때 반시계 방향으로 회전한다. 그러나, 주회전축 (c)와 부회전축 (a)와 (b)의 회전 방향을 서로 반대 방향으로 설정하여 교반 블레이드의 운동 궤적을 바꿀 수 있다.
또한, 도 3에서는 교반 블레이드 (11a)와 (11b)가 양단부 사이에서 완만한 곡선을 이루며 꼬여 있다 (소위 비틀린 형상임). 그러나, 교반 블레이드의 형상은 혼련조 내의 유체를 균일하게 혼련할 수 있고, 응집체를 충분히 분단할 수 있어 다량의 무기 산화물을 비교적 소량의 액체 중에 효율적으로 분산시킬 수 있는 형상인 한, 다른 형상일 수도 있다.
상기 요청을 만족시키는 유성 방식의 혼련기는 만능 혼합 혼련기 (달톤(주) 제품), 유니버설 믹서 ((주)파울레크 제품), KPM파워믹스 ((주)구리모또뎃꼬쇼 제품), 플라네터리니더믹서 (아시자와(주) 제품), T.K.하이비스디스퍼믹스 (도꾸슈기가고교(주)), 플라네터리디스퍼 (아사다뎃꼬(주))이 바람직하게 사용된다. 특히, 교반 블레이드와 고속 회전 날개 (디스퍼)를 조합시켜 형성한 플라네터리디스퍼와, T.K. 하이비스디스퍼믹스가 다량의 무기 산화물을 비교적 소량의 액체 중에 단시간에 균일하게 분산시키는 능력이 있기 때문에 바람직하다.
슬러리는 분산 후, 균일성을 높이기 위해 또한 다른 혼련기 또는 분산 장치를 사용하여 분산 처리할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들면 코레스형 고속 교반 분산기, 호모 믹서, 고압 균질화기, 또는 비드밀 등을 적절히 사용할 수 있다.
[4-3] 분산시의 농도
상기 분산 공정에 있어서 수계 슬러리 중의 무기 입자의 농도는 30 내지 70중량%, 바람직하게는 35 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 50 중량%이다. 무기 입자의 농도가 30 중량%보다 적으면 분산 효율이 나쁘기 때문에, 얻어진 슬러리 중에 응집물이 다량으로 잔류한다. 그 결과, 보관 중에 침강하여 분리되는 문제가 생기거나 점성이 증가하여 겔화되는 문제가 발생하기도 한다. 무기 입자의 농도가 70중량%를 넘으면 분산 장치에 가해지는 부하가 너무 커서 교반 동작을 유지할 수 없게 된다. 그 상태로 무리하게 교반 동작을 계속하면 무기 입자가 과잉 분산된다. 그 결과 입경이 10 ㎛ 이상인 다량의 조대 입자(粗大粒子)가 재응집에 의해 다량 발생할 수 있다.
[4-4] 무기 산화물의 첨가 방법
슬러리의 제조시에는, 연속적 또는 간헐적으로 무기 산화물을 첨가하면서 물과 교반하는 것이 바람직하다. 최초에 필요량의 무기 산화물을 동시에 첨가하면 부하가 너무 커서 교반기가 정지하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 혼련기의 전류치 (부하)를 감시하면서 과부하되지 않도록 무기 산화물을 연속적 또는 간헐적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 무기 산화물의 공급 장치로는 자연 낙하를 이용하는 장치 또는 예를 들면 스크류로 반송하는 장치가 있다.
슬러리의 제조시에 분말이 아닌 함수 고체상의 무기 산화물을 사용하는 것은 분말의 무기 산화물을 사용하는 경우와 비교하여 미분말이 발생하지 않기 때문에, 반도체 장치를 제조·연마하는 제조자이면서 청정 환경이 매우 중요하다고 생각하는 제조자에게 있어 매우 바람직하다. 또한, 함수 고체상의 무기 산화물을 사용하면, 무기 산화물 첨가 소요 시간을 단축시킬 수 있고, 장치의 작업 효율을 실질적으로 개선할 수 있다.
[4-5] 알칼리 또는 산의 첨가
상기 슬러리에 산 또는 알칼리를 첨가하면, 최종적으로 얻어지는 무기 입자의 슬러리의 안정성이 향상되기 때문에 바람직하다. 산을 첨가할 경우는, 최종적으로 얻어지는 희석 후의 무기 입자 슬러리의 pH가 7 내지 2인 것이 바람직하다. 알칼리를 첨가할 경우는 최종적으로 얻어지는 희석 후의 무기 입자 슬러리의 pH가 7 내지 12인 것이 바람직하다. pH가 2 보다 낮거나 12 보다 높으면 무기 입자가 용해되거나 응집될 수 있다.
산 또는 알칼리는 임의의 시기에 수계 슬러리에 첨가할 수 있다. 산 또는 알칼리는 무기 산화물의 첨가 전, 첨가 중 및 첨가 후, 혼련 중, 또는 혼련후의 어느 시기라도 수계 매체에 첨가할 수 있다. 바람직하게는 혼련 중 또는 혼련 후에 희석 (희석에 관하여는 후술함) 전에 첨가한다. 혼련 중 또는 혼련 후, 희석 전에 첨가하면 산 또는 알칼리의 첨가에 의해 수계 슬러리 중에 응집물이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
산으로서는 염산, 질산, 황산, 인산 등의 무기산이나 아세트산, 프탈산, 아크릴산, 메타크릴산, 클로톤산, 폴리아크릴산, 말레산, 소르빈산 등의 유기산을 사용할 수 있다. 이들 중에서 1가의 산인 염산, 질산, 아세트산이 바람직하다.
알칼리로서는 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 암모니아 등의 무기 염기, 에틸렌디아민, 트리에틸아민, 피페라진 등의 아민류를 사용할 수 있다.
필요에 따라서, 산화제, 킬레이트화제, pH 조절제 등의 1종 이상의 약품을 슬러리 공급 장치 (32)에 공급하여 슬러리와 혼합할 수 있다.
[4-6] 희석
상기와 같이 얻어진 슬러리는, 필요에 따라서 혼련 공정 후에 희석된다. 도 1의 시스템으로는, 희석은 K0H 탱크 (26)에서 수산화칼륨 K0H를 공급함과 동시에 순수 탱크 (24)로부터 순수를 공급받는 희석 탱크 (23)에서 수행된다. 분산을 유성방식의 혼련기로 수행한 경우, 희석의 정도는 분산된 무기 산화물 입자의 종류나 혼련시의 농도에 따라서 다르지만, 수계 매체에서의 희석에 의해, 혼련시의 농도 보다 5 중량% 이상 농도를 저하시키는 것이 바람직하다. 혼련 공정시의 농도에서는 점도가 높기 때문에 취급이 곤란할 뿐 아니라 점도가 증가하거나 겔화되는 문제가 발생한다.
[4-7] 분산 공정에서 사용하는 장치의 다른 예
상기 유성 방식의 혼련기 이외에, 분산 탱크 (22)로서는 예를 들면 유체를 충돌시켜 무기 산화물 입자를 분산시키는, 고압 균질화기를 사용할 수 있다. 고압 균질화기로서는 도에이쇼지(주)에 의해 제공되는 맨톤가우린호모지나이저, 닛뽄세이끼세이사꾸쇼(주) 제조의 벨트리호모지나이저, 미즈호 고교(주) 제조의 마이크로플이다이저, 쯔기시마기까이(주) 제조의 나노마이저, 하쿠수이가가꾸고교(주)제조의 디너스PY, 닛뽄비이이(주)에 의해 제공되는 시스텔오가나이저, 이토추산기(주)에 의해 제공되는 알티마이저 등이 있다. 또한, 비드밀과 같은 분산기도 사용할 수 있다. 비드의 재료로서는 무알칼리 유리, 알루미나, 지르콘, 지르코니아, 티타니아, 질화규소가 바람직하다.
〔5〕여과 공정 및 장치
[5-1] 필터
무기 산화물 입자를 상기와 같이 물에 분산시켜 얻은 연마용 수계 슬러리 중에서 조대 입자를 충분히 제거하기 위해서 이 슬러리를 필터로 여과한다. 사용되는 필터는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 심원형 필터나 플리츠형 필터 등을 사용할 수 있다. 도 1의 시스템에서는 분산 탱크 (23) (분산 장치의 구성 요소)의 후단에 연결되더 심원형 카트리지 필터를 갖는 심원형 여과 장치 (25)가 설치되어 있다. 심원형 카트리지 필터로서는 어드밴틱 동양사나 닛뽄폴사에서 제공되는 것이 있다. 분산 장치의 후단에 연결하여 주머니형 필터를 사용하는 여과 장치를 설치할수도 있다. 주머니형 필터로서는 ISP사에서 제공되는 것이 있다.
심원형 필터는 여과재의 구멍 구조가 입구측에서 성기고, 출구측에서 촘촘하며, 또한 입구측에서 출구측으로 향함에 따라 연속적으로 또는 단계적으로 미세해지는 일체형 필터이다. 심원형 필터의 여과재는 충분히 두껍기 때문에 (예: 0.2 내지 2 cm), 이 여과재를 통과하는 유체 중에서 다량의 이물질을 포집할 수 있다.
예를 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 심원형 필터는 구멍 구조가 유체의 유입 (입구) 측에서 성기고, 배출 (출구) 측에서 촘촘하고, 또한, 유입측에서 배출측으로 향함에 따라 연속적 또는 단계적으로 촘촘해지도록 설계된 (단계적으로 촘촘해지는 경우, 단계수는 1 이상일 수 있음), 두께 d의 여과재이다. 이 구멍 구조에 의해, 조대 입자 중에서도 비교적 큰 입자는 유입측 부근에서 포집되어, 비교적 작은 입자는 배출측 부근에서 포집된다. 전체적으로 조대 입자는 필터의 두께 방향 (유체의통과 방향)의 전역에서 포집된다. 그 결과, 조대 입자를 확실히 포집할 수 있으며, 동시에 필터의 블록킹을 어렵게 하고, 이로 인하여 필터의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 심원형 필터는 섬유의 굵기가 유체의 유입(입구)측에서 굵고, 배출 (출구)측에서 가늘게 설계된 여과재를 사용한다. 이 섬유 구조에 의해 공극률이, 유체의 유입측에서 배출측까지의 각 부분에서 거의 동일하다. 여기서 공극률이란, 유체의 통과 방향으로 직교하는 평면 내의 단위 단면적 당 공극의 비율이다. 이와 같이 공극률이 거의 동일하기 때문에, 유체가 필터를 통과할 경우의 압력 손실이 작아지며, 조대 입자의 포집 조건이 유체의 통과 방향에서 거의 같다. 또한, 비교적 저압 사양의 펌프를 사용할 수 있다.
심원형 필터는 도 4a에 도시된 바와 같은 카트리지 타입의 원통형 필터 (201)일 수 있고, 도 5b에 도시된 바와 같은 주머니형 필터 (202)일 수 있다. 원통형 필터 (201)의 경우는, 여과재의 두께를 원하는 두께로 설계할 수 있다는 잇점이 있다. 한편, 주머니형 필터 (202)의 경우는, 유체가 주머니내에서 밖으로 통과하도록 필터부 (200) (도 5a 참조) 내에 설치할 수 있기 때문에, 이 주머니형 필터 (202)의 교환시에 피여과물을 함께 제거할 수 있다는 효과가 있다.
심원형 필터와 같은 필터를, 도 5a에 도시된 필터부 (200) 내에 장착함으로써 무기 산화물이 수계 매체 중에 첨가되어 분산되어 있는 수계 슬러리로부터 조대 입자를 제거할 수 있다.
또, 필터의 구멍 구조를 선택함으로써 제거되는 조대 입자의 입경을 제어할 수 있다.
[5-2] 여과 장치
도 5a는, 도 1의 여과 장치 (25)로서 사용 가능한 여과 장치의 시스템 구성을 도시한다. 도시의 시스템으로는, 희석 탱크 (23)으로 부터 나오는 슬러리를 탱크 (102) 내에 저장유지한 후, 이 탱크 (102)로부터 송출하여 펌프 (P)에 의해 필터부 (200)에 압송하고, 이 필터부 (200) 내에 장착한 필터 (201) (또는 (202))에 의해 여과한 후, 밸브 (V1)을 거쳐 다시 탱크 (102) 내로 회송한다. 이러한 순환을 반복함으로써 슬러리 내의 조대 입자를 충분히 제거한 후, 밸브 (V1)을 폐쇄함과 동시에 밸브 (V2)를 개방하여, 조대 입자 제거 후의 슬러리를 탱크 (300) 내에 저장유지한다. 이 여과 장치는 미분말이 청정실 내에 비산되지 않도록 패키지 내에 봉입되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 도 5a에서는, 순환식의 시스템이 도시되어 있지만 1회 통과 타입의 시스템을 사용할 수 있다. 즉, 탱크 (102)의 슬러리를 필터부 (200)으로 여과시켜 밸브 (V2)를 통하여, 탱크 (300)으로 보내는 시스템일 수 있다. l회 통과 타입의 경우, 가압펌프 (P)를 대신하여 여과를 위해 탱크를 공기압 등으로 가압할 수 있다.
또, 원심 분리법을 조합시켜 사용할 수 있다. 이 방법을 조합시켜 사용한 경우는 필터의 블록킹을 어렵게 하기 때문에 그 수명을 길게 할 수 있다. 또한 구멍 구조가 큰 필터를 상류측으로 조합하여 사용하면 심원형 필터는 또한 블록킹으로부터 보호되어, 그 수명을 연장시킬 수 있다.
〔6〕공급 공정 및 장치
공급 공정에서 사용되는 슬러리 공급 장치 (32)는 여과 장치 (25)로부터 나오는 무기 입자의 슬러리를 후단에 설치되어 있는 CMP 연마 장치 (33a 내지 33e)로 보낸다. 이 장치에서 슬러리로 불순물이 혼입되거나, 무기 입자의 응집이 생기지 않아야 한다. 이 때문에, 액체와 접촉하는 부위에 상기 라이닝이나 코팅 (폴리우레탄/테프론/에폭시 수지 등의 라이닝이나 코팅, 지르코니아 등의 세라믹스 라이닝)이 실시되는 것이 바람직하다. 또한, 체류에 의한 무기 입자의 응집을 막기 위해, 교반 수단 (예:프로펠라 등)을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 미분말이 청정실 내에 비산되지 않도록 공급 장치 (32)는 패키지 내에 봉입되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 슬러리 공급 장치 (32)는 이 장치 (32) 내의 슬러리의 농도를 검출하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
〔7〕단위 시간 당 최대 공급량과 분산/여과 능력
본 실시예의 시스템으로는 슬러리 공급 장치 (32)로부터 연마 장치 (33a 내지 33e) 로의 무기 입자 슬러리의 단위 시간 당 최대 공급량, 즉, 연마 장치 (33a 내지 33e)에서의 연마 공정에 있어서 필요한 연마용 슬러리의 단위 시간 당 최대 소비량에 의하여 분산 장치 (22)의 단위 시간 당 분산 능력과, 여과 장치 (25)의 단위 시간 당 여과 능력이 결정된다. 구체적으로는 분산 장치의 크기 (분산 탱크 (22)의 용량) 또는 여과 장치 (25)의 능력이 결정된다. 연마용 슬러리의 최대 소비량은 예를 들면 5 L/분 정도이다. 분산 탱크 (22)의 용량은 공급되는 원재료에 의해서도 다르지만 예를 들면 상기의 최대 소비량에 대응하는 용량은 50 L 정도이다. 그 경우의 필터의 크기는 6.35 cmΦ×50.8 cm (2.5 인치Φ×20 인치) 카트리지 1개 정도이다.
〔8〕연마 상태의 검출과 피드백
CMP 연마 장치 (33a 내지 33e)는, 반도체 장치 등의 연마 대상의 디바이스의 표면을 연마용 슬러리를 사용하여 원하는 평활도로 연마 (평탄화)한다. 본 실시예의 시스템으로는 연마 장치 (33)에 연마 상태를 검출하기 위한 수단 (도시되지 않음)이 설치되어 있다. 이 검출 수단을 사용함으로써, 반도체 장치의 연마 상태를 감시하여 원재료, 분산 공정, 희석 정도, 여과 공정, 슬러리 공급 장치에서의 교반 등을 조정하는 적절한 연마가 가능해진다.
〔9〕분석 장치
본 실시예의 연마용 슬러리의 제조 시스템에 설치되는 각 장치에, 분석 장치를 설치할 수 있다. 분산 공정, 여과 공정 및(또는) 공급 공정에 설치되는 분석 장치로는 온도, pH, 밀도, 점도, 입자경, 조대 입자수의 측정 장치가 있다. 이들의 측정 장치를 1종 또는 복수 종류 설치함으로써 보다 정밀하게 제어된 슬러리를 제조하여 CMP 연마 장치 (33)에 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 무기 산화물을 물에 분산시키는 분산 장치와, 이 분산 장치의 후단에 설치되어 있고 이 분산 장치로부터의 슬러리를 여과하는 여과 장치와, 이 여과 장치의 후단에 설치되어 있고 이 여과 장치로부터의 슬러리를 CMP 연마 장치에 공급하는 공급 장치와, 이 공급 장치의 후단에 설치되어 있고 이 공급장치로부터 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마하는 CMP 연마 장치를 포함하는 반도체 장치의 제조 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 공정,
    상기 얻어진 슬러리를 여과하는 공정, 및
    상기 여과된 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공급 공정으로된 연속 공정을 포함하는 연마용 슬러리의 제조 방법.
  2. 무기 산화물과 물을 혼련함으로써 무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 분산 장치,
    상기 분산 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며, 이 분산 장치로부터의 슬러리를 여과하는 여과 장치, 및
    상기 여과 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며, 이 여과 장치로부터의 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공급 장치를 포함하는 연마용 슬러리의 제조 시스템.
  3. 무기 산화물과 물을 혼련함으로써 무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 분산 장치,
    상기 분산 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며, 이 분산 장치로부터의 슬러리를 여과하는 여과 장치,
    상기 분산 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며, 이 여과 장치로부터의 슬러리를 공급하는 공급 장치, 및
    상기 공급 장치의 후단에 연결하여 설치되어 있으며, 이 공급 장치에 의해 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마하는 연마 장치를 포함하는 반도체 장치의 제조 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분산 장치의 단위 시간 당 분산 능력과 상기 여과 장치의 단위 시간 당 여과 능력이 상기 연마 장치내 슬러리의 단위 시간 당 최대 소비량에 의해 정해지는 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 분산 장치, 상기 여과 장치, 상기 공급 장치 및 상기연마 장치의 각각이 패키지 내에 봉입되어 있고, 각각 독립적인 배기 수단을 구비하고 있으며, 상기 분산 장치를 상기 여과 장치에 연결하는 연결 수단, 상기 여과 장치를 상기 공급 장치에 연결하는 연결 수단, 상기 공급 장치를 상기 연마 장치에 연결하는 연결 수단이 각각 밀폐되어 있는 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 반도체 장치의 연마 상태를 검출하는 검출 수단을 추가로 갖는 시스템.
  7. 무기 산화물을 물에 분산시켜 슬러리를 얻는 공정,
    상기 얻어진 슬러리를 여과하는 공정,
    상기 여과된 슬러리를 연마 장치에 공급하는 공정, 및
    상기 공급되는 슬러리를 사용하여 반도체 장치를 연마함과 동시에 이 반도체 장치의 연마 상태를 검출하는 공정으로된 연속 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 물에 분산되는 상기 무기 산화물이, 검출된 연마 상태에 의해 조성이 결정되어지고, 검출된 연마 상태에 의해 결정된 혼합 비율로 물과 혼련되는 방법.
  9. 제3항에 있어서, 물에 분산되는 상기 무기 산화물이 함수 고체상의 기상법 무기 산화물인 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 물에 분산되는 상기 무기 산화물이 함수 고체상의 기상법 무기 산화물인 방법.
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