(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置に所定の砥液を供給する砥液供給装置であって；
前記研磨装置に供給される前記砥液を貯留する砥液槽を備え；
前記砥液槽から前記研磨装置に前記砥液をＱの流量で供給するよう構成され；
前記所定の砥液の沈降速度をＶとするとき、前記砥液槽の水平方向の断面積がＱ／Ｖより小になるように形成された；
砥液供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の砥液供給装置と；
前記砥液供給装置から砥液を供給される研磨テーブルと；
前記砥液供給装置から供給された砥液のうち前記研磨テーブルで使用しなかった砥液を前記砥液槽に戻す砥液戻り経路を備える；
研磨装置。
【請求項３】
研磨装置に供給する所定の砥液を貯留する砥液槽を有する砥液供給装置の運転方法であって；
前記砥液槽から前記研磨装置に供給される前記所定の砥液の流量を、前記砥液槽内の砥液流速が前記所定の砥液の沈降速度より早くなるように設定する；
砥液供給装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨する研磨装置本体に研磨用の砥液を供給する砥液供給装置、該研磨装置本体と該砥液供給装置を備えた研磨装置、該砥液供給装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年の半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウエハに幾層にもデバイス層を形成する場合が多くなっている。幾層ものデバイス層を精密に形成するためには、各デバイス層を覆う層の表面を平坦且つ鏡面化する必要があり、このために研磨装置（ポリッシング装置）が使用されている。研磨装置は、例えば各々独立した回転数で回転するターンテーブルとトップリングを備えた研磨装置本体と、砥液供給装置とを備え、該ターンテーブルとトップリングとの間に半導体ウエハ等の研磨（ポリッシング）対象物を載置し、ターンテーブル表面に研磨用砥液を供給しながらターンテーブルを回転させ該研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨する。
【０００３】
砥液供給装置は、研磨装置へ砥液を連続して供給することが必要であり、研磨途中で砥液の供給を中断させないため、最低１枚のウエハを研磨することができる容量の砥液を保有するバッファ槽を備えている。バッファ槽において砥液が停滞し、砥粒が沈降し砥液濃度が不均一になるのを防ぐため、撹拌が十分に行われるようバッファ槽に撹拌機を設置し、バッファ槽内の砥液を撹拌して、研磨装置に供給する砥液の濃度を均一に保ち、精度の高い研磨を可能としていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の砥液供給装置では、バッファ槽に撹拌機を備えるので、装置が複雑になり、また撹拌により砥液の温度が上昇し砥液の冷却負荷が高かった。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、撹拌機を必要とせずに、砥液の撹拌を行うことができ、濃度が均一な砥液を供給できる構造がシンプルな砥液供給装置、該砥液供給装置を備えた研磨装置、該砥液供給装置の運転方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明による砥液供給装置は、例えば図１に示すように、研磨装置５１に所定の砥液を供給する砥液供給装置５２であって；研磨装置５１に供給される前記砥液を貯留する砥液槽１２を備え；砥液槽１２から研磨装置５１に前記砥液をＱの流量で供給するよう構成され；前記所定の砥液の沈降速度をＶとするとき、砥液槽１２の水平方向の断面積がＱ／Ｖより小になるように形成される。砥液をＱの流量で供給する構成は、典型的にはＱの流量で砥液を供給するポンプを備えることにより達成できる。
【０００７】
前記砥液槽の水平方向の断面積がＱ／Ｖより小になるように形成されているので、砥液槽内の鉛直方向の流速を砥液の沈降速度より速くすることができ、砥液が貯留槽内部を流れることにより砥液の撹拌が行われ砥液の濃度を一定に保つことができる。砥液槽は通常は鉛直方向上部から砥液が入り鉛直方向下部から砥液が出るように構成されている。砥液の沈降速度とは、砥液中の１粒の砥粒が重力により溶液中（典型的には純水）を降下する、溶液に対する速度をいう。
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項２に係る発明による研磨装置は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の砥液供給装置５２と；砥液供給装置５２から砥液を供給される研磨テーブル４２と；砥液供給装置５２から供給された砥液のうち研磨テーブル４２で使用しなかった砥液を砥液槽１２に戻す砥液戻り経路１０８を備える。
【０００９】
このように構成するので、研磨テーブルに研磨対象物を設置し砥液供給装置から濃度一定の砥液を供給して研磨を行い、研磨テーブルで使用しなかった砥液を砥液槽に戻し、砥液を循環して使用することができる。撹拌機で砥液槽の砥液を撹拌することがないので、砥液を循環利用する際の冷却負荷を小さくすることができる。砥液戻り経路における砥液の戻り流速を砥液の濃度が一定になるように所定の範囲内にするとさらに確実に砥液の濃度を一定にすることができる。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項３に係る発明によるは、砥液供給装置の運転方法は、研磨装置に供給する所定の砥液を貯留する砥液槽を有する砥液供給装置の運転方法であって；前記砥液槽から前記研磨装置に供給される前記所定の砥液の流量を、前記砥液槽内の砥液流速が前記所定の砥液の沈降速度より早くなるように設定する；砥液供給装置の運転方法である。
【００１１】
砥液槽内の砥液流速が所定の砥液の沈降速度より早くなるように設定するので、砥液を濃度一定で研磨対象物に供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る、半導体ウエハを研磨する研磨装置（ポリッシング装置）５１の構成を示すブロック図である。研磨装置５１は、研磨装置本体４１と砥液供給装置５２とを含んで構成される。
【００１４】
研磨装置本体４１は、本発明の研磨テーブルとしてのターンテーブル４２と、トップリング４３を含んで構成される。トップリング４３は半導体ウエハＷを吸着保持する。半導体ウエハＷは、ターンテーブル４２とトップリング４３との間に挟まれ、ターンテーブル４２が回転することによって研磨（ポリッシング）が行われる。
【００１５】
砥液供給装置５２は、砥液原液の入った原液タンク１、２と、砥液原液と純水とを混合させる混合タンク９と、使用濃度の砥液を研磨装置本体４１に供給する本発明の砥液糟としての供給タンク１２と、砥液原液を混合タンク９に搬送する第１ポンプ５と、砥液を研磨装置本体４１に搬送する第２ポンプ１７とを含んで構成される。
【００１６】
原液タンク１、２と、第１ポンプ５と、混合タンク９とを接続して原液供給ライン１０１が備えられている。原液供給ライン１０１の原液タンク１、２近傍にはそれぞれ原液検知センサ２０、２１、及びバルブ３、４が備えられている。原液供給ライン１０１の第１ポンプ５下流、混合タンク９近傍にはバルブ６が備えられている。
【００１７】
混合タンク９には、不図示の工場ラインより純水を供給する純水供給ライン１０２が接続され、純水供給ライン１０２にはバルブ７、８が備えられている。バルブ７は、混合タンク９近傍に備えられている。
【００１８】
鉛直に配置された略円筒形状の混合タンク９には、レベルの高い順に液面検知センサ２２、２３、２４が備えられ、液面検知センサ２４が一番低いレベルを検出する。さらに、液面検知センサ２２が検知する検出レベルよりも高いレベルに、混合砥液をオーバーフローさせるオーバーフローライン１０３が取り付けられている。
【００１９】
混合タンク９と、供給タンク１２とを接続し混合砥液供給ライン１０４が備えられている。混合砥液供給ライン１０４には、バルブ１１が備えられている。混合砥液供給ライン１０４からバルブ１１の上流側において分岐する排水ライン１０５が備えられ、排水ライン１０５にはバルブ１０が備えられている。混合砥液供給ライン１０４は供給タンク１２の最上部または最上部近傍に接続されている。したがって、混合砥液は供給タンク１２に鉛直方向上部から鉛直方向下部に向かって流れるように構成されていることになる。
【００２０】
供給タンク１２は、レベルの高い順に液面検知センサ２５、２６、２７が備えられ、液面検知センサ２７が一番低いレベルを検出する。さらに液面検知センサ２５が検知する検出レベルよりも高いレベルに、供給砥液をオーバーフローさせるオーバーフローライン１０６が取り付けられている。オーバーフローライン１０６にはフィルタ１３が備えられ、フィルタ１３は、供給タンク１２内に入り込む空気量を減少させ、供給タンク１２へのゴミの侵入を抑制する働きをする。
【００２１】
供給タンク１２と、研磨装置本体４１とを接続し砥液供給ライン１０７が備えられている。砥液供給ライン１０７の供給タンク１２近傍にはバルブ１５が備えられ、さらにバルブ１５の下流側には第２ポンプ１７が、さらに第２ポンプ１７の下流側には第２ポンプ１７の吐出圧力の脈動を抑制するためのダンパ１８が備えられている。砥液供給ライン１０７のダンパ１８のさらに下流側の研磨装置本体４１近傍にはバルブ３１が備えられ、バルブ３１が閉から開になることにより砥液がターンテーブル４２に供給される。砥液供給ライン１０７のバルブ１５の上流側と排水ライン１０５とを接続するバルブ１４、及びバルブ１５の下流側と排水ライン１０５とを接続するバルブ１６が備えれている。砥液供給ライン１０７は供給タンク１２の鉛直方向最下部に接続され、砥液が供給タンク１２内を鉛直方向に上から下へ流れ供給タンク１２から砥液供給ラインを１０７を通って供給されるように構成されている。
【００２２】
ターンテーブル４２に供給されなかった砥液は本発明の砥液戻り経路としての循環ライン１０８を通り、３方弁１９を経て供給タンク１２へ戻る。ターンテーブル４２に供給された砥液は研磨に使用された後は、排水としてバルブ３２を備えた排水ライン１０９へ流れる。循環ライン１０８は、戻った砥液が供給タンク１２に鉛直方向上部から鉛直方向下部に向かって流れ込むように構成されている。
【００２３】
砥液は、砥液供給ライン１０７からバルブ３１を経て研磨装置本体４１のターンテーブル４２に供給され、半導体ウエハＷの研磨に使用される。砥液供給ライン１０７から研磨装置本体４１をバイパスするバイパスライン１１０が備えられている。バイパスライン１１０はバルブ３３を備え、３方弁１９の上流側をダンパ１８下流側へ接続する。循環ライン１０８から、３方弁１９において分岐し、排水ライン１０５に接続されるバイパスライン１１１が備えられている。循環ライン１０８を流れる砥液は通常は３方弁１９を経て供給タンク１２に戻るが、３方弁１９の切り替えにより供給タンク１２に戻さず排水ライン１０５に流すことができる。
【００２４】
次に本実施の形態に係る研磨装置５１の作用について説明する。
▲１▼砥液原液の入った原液タンク１または原液タンク２どちらか一方からバルブ３またはバルブ４を介して第１ポンプ５を用いて砥液原液を吸い上げ、混合タンク９へ砥液原液を供給する。砥液原液を原液タンク１から吸い上げるときはバルブ３を開、バルブ４を閉、原液タンク２から吸い上げるときはバルブ４を開、バルブ３を閉とする。混合タンク９への砥液原液の供給量の管理は、混合タンク９の液面検知センサ２４によって液面が検知された場合、第１ポンプ５を停止し、かつバルブ６を閉にすることにより行う。
【００２５】
▲２▼砥液原液を混合タンク９に供給後、バルブ７及びバルブ８を開にして、純水供給ライン１０２から純水を混合タンク９に供給する。純水の混合タンク９への供給量の管理は、混合タンク９の液面検知センサ２３によって液面が検知された場合、不図示の純水供給用のポンプを停止かまたはバルブ７を閉にすることにより行う。液面検知センサ２２は、前記液面検知センサ２３、２４の故障時に混合タンク９からの流体のオーバーフローを防止するためのセンサである。液面検知センサ２２による液面の検知後は、第１ポンプ５を停止し、バルブ６、７、３（または４）を閉にする。
【００２６】
▲３▼混合タンク９への純水供給後、バルブ１１を閉から開にし、供給タンク１２へ自由落下にて混合タンク９内の希釈した砥液を全て移送する。なお、混合タンク９は供給タンク１２より十分高いレベルに設置されている。
【００２７】
▲４▼供給タンク１２の液面レベルが上がり液面検知センサ２６によって検知されるまで上記▲１▼〜▲３▼の工程を繰り返す。液面検知センサ２６によって液面が検知されてから、混合タンク９内の砥液が全て移送された後に、バルブ１１を閉とする。混合タンク９内の全ての砥液が移送されたことの管理はタイマー制御にて行う。すなわち、液面検知センサ２６による液面検知後、砥液が３Ｌ（リットル）分混合タンク９から供給タンク１２へ自由落下にて落下する時間の経過後に作動するように設定された不図示のタイマーによってバルブ１１が開から閉となるように制御している。但し、ここでは砥液が混合タンク９から供給タンク１２へ３Ｌ移送されたことをもって全ての砥液が移送されたとしている。
【００２８】
供給タンク１２への砥液の供給終了後、第２ポンプ１７を起動しバルブ１５を介して、砥液供給ライン１０７を通じ、研磨装置本体４１に砥液を供給する。第２ポンプ１７の砥液砥出量は研磨装置本体４１への供給量に循環ライン１０８を流れ供給タンク１２へ戻り循環する循環量（５Ｌ／ｍｉｎ以上）を加えた値である。但し、研磨装置本体４１への砥液の供給を必要としないときは、第２ポンプ１７によって吐き出される全ての砥液は砥液供給ライン１０７から循環ライン１０８を通って循環し供給タンク１２戻る。このときバルブ３１は閉の状態にある。
【００２９】
研磨装置本体４１へ砥液の供給を続け、液面検知センサ２６が液面を検知しなくなったら、前述の▲１▼〜▲４▼の工程が行われる。なお、液面検知センサ２７が液面を検出しなくなったとき、現在研磨中の半導体ウエハＷの研磨の終了を待って、第２ポンプ１７を停止する。液面検知センサ２７が液面を検出しなくなったとき供給タンク１２には、半導体ウエハＷ１枚分の研磨を行うのに必要な砥液量に、第２ポンプ１７によって砥液を循環ライン１０８を通って循環させるのに必要な流量を加えた流量以上の砥液が残留しているようにすることが望ましい。詳しくは液面検知センサ２６が検知しなくなってから、所定時間のタイマー制御にて研磨動作を行い、液面検知センサ２７が液面を検知しなくなったら、第２ポンプ１７の空運転防止のため第２ポンプ１７を停止するのが安全である。
【００３０】
原液タンク１内または原液タンク２内の砥液原液が空になったことの判断は、第１ポンプ５を起動させ砥液原液を吸い上げようとしたとき原液検知センサ２０または原液検知センサ２１によって砥液原液が検知されなくなったことをもって行われる。原液タンク１、２の二つを必要とするのは研磨装置本体４１へ砥液を連続して供給するためであり、どちらか一方が空になった場合は、砥液原液が入っている他方の原液タンクより第１ポンプ５で吸い上げる。一方の原液タンクが空になった場合、他方の原液タンクが空になる前に（例えば、一方の原液タンクが空になった直後に）オペレータによって一方の原液タンクの交換を行う。
【００３１】
混合タンク９の液面検知センサ２３または液面検知センサ２４が機能しないとき、もしくは機能していても混合タンク９内に流体が供給され続けるときは、液面検知センサ２２によって混合タンク９内の混合砥液のレベルの上限制御を行う。すなわち液面が液面検知センサ２２によって検出された場合は第１ポンプ５及び不図示の純水供給用のポンプを停止する。液面検知センサ２２も機能しない場合、または液面検知センサ２２が機能したにも拘わらず、第１ポンプ５または不図示の純水供給用のポンプが停止しないときは、混合タンク９の側面上部のオーバーフローライン１０３から流体が排水される。
【００３２】
供給タンク１２の液面検知センサ２５または液面検知センサ２６が機能しないとき、もしくは機能していても供給タンク１２内に流体が供給され続けるときは、前述のようにタイマー制御されているバルブ１１が閉じるので、供給タンク１２への流体の供給が行われなくなる。タイマー制御によりバルブ１１が閉とならず供給タンク１２の液面がさらに上昇した場合は、供給タンク１２の側面上部のオーバーフローライン１０６から流体が排水される。
【００３３】
原液タンク１、２から混合タンクへ第１ポンプ５による砥液原液の搬送工程中において、原液検知センサ２０、２１が、砥液原液を検知しなくとも、一定時間は他の機器の動作を妨げないように不図示のタイマーによりタイマー制御をしている。しかし、一定時間を超えて原液検知センサ２０、２１による砥液原液が無検知となった場合は、第１ポンプ５を停止させる。
【００３４】
混合タンク９内の流体を排水するときは、バルブ１０を閉から開にすることにより行う。供給タンク１２内の流体を排水するときは、バルブ１４を閉から開にすることにより行う。第２ポンプ１７をメンテナンスするために砥液供給ライン１０７内の流体を排水するときは、バルブ１５を開から閉としバルブ１６を閉から開にすることにより行う。
【００３５】
次に、本実施の形態の供給タンク１２（バッファ槽）の形状等について説明する。
供給タンク１２は鉛直に配置された略円筒形状であり、タンク径は２００ｍｍ、タンク断面積は３１４００ｍｍ２、高さは約８００ｍｍである。砥液供給ライン１０７及び循環ライン１０８の配管サイズは共に３／４インチ（配管内径１５．８８ｍｍ）であり、循環量（循環ライン１０８を流れる流量）を５Ｌ／ｍｉｎ以上としている。このとき、供給タンク１２内の鉛直方向の砥液流速を０．００２６４ｍ／ｓ以上、循環ライン流速を０．４２ｍ／ｓ以上とした。こうすることで、供給タンク１２内の砥粒子沈降を解消し砥液濃度を均一にすることができたことを確認した。供給タンク１２の形状を略円筒形とすることで砥流の流れがよりスムーズになる。
【００３６】
次に、図２の表を参照し、適宜図１を参照して、本実施の形態の砥液供給装置５２を使用し、供給タンク１２、砥液供給ライン１０７、循環ライン１０８を流れる循環量を変えたときに砥液濃度の均一性の変化について測定を行った結果を説明する。このときバルブ３１は閉としている。なお、砥液供給ライン１０７、循環ライン１０８の配管径、供給タンク１２のタンク径、タンク断面積は前述のとおりである。
【００３７】
循環量をケース１が１０Ｌ／ｍｉｎ、ケース２が５Ｌ／ｍｉｎ、ケース３が１．４Ｌ／ｍｉｎと３段階に分けて変え、各ケースにおける供給砥液の濃度の初期濃度からのばらつきを測定した。なおこのときの配管内流速は、ケース１が０．８４２ｍ／ｓ、ケース２が０．４２１ｍ／ｓ、ケース３が０．１１８ｍ／ｓ、供給タンク１２内流速は、ケース１が０．００５３１ｍ／ｓ、ケース２が０．００２６５ｍ／ｓ、ケース３が０．０００７４ｍ／ｓである。スラリ（砥液）の性状は、セリア、アルミナ系の沈降性スラリを使用し、スラリの初期濃度はケース１、ケース２が４．７５重量％、ケース３が４．５重量％であった。
【００３８】
供給タンク１２内の砥液の濃度の初期濃度からのばらつきは、ケース１が±4％未満、ケース２が±4％未満、ケース３が±３２％未満であり、ケース１とケース２が判定基準である±１０％未満を満足した。以上の結果から本実施の形態の砥液供給装置では循環流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上とすると均一の濃度で供給することができることがわかる。循環流速をあまり高速にすると砥粒が凝集し研磨へ悪影響を与える可能性があるので循環流量は５〜２２Ｌ／ｍｉｎとすることが望ましい。本実施の形態の砥液供給装置５２は供給タンク１２内の砥液を撹拌する撹拌機を必要とせず、撹拌機による砥液の供給温度の上昇を生ずることはない。なお、供給タンク１２内の砥液の濃度の初期濃度からのばらつきの判定基準を、±５％未満とすることがより好ましい。
【００３９】
次に、混合タンク９での砥液原液と純水の混合／希釈は、混合タンク９への純水の供給流速を利用して行われる。供給流速を０．３３２ｍ／ｓ以上とし、この流速で混合／希釈時の調整量の半分（１．５Ｌ（リットル））以上を供給流量４Ｌ／ｍｉｎ以上にて行うとよい。なお、本実施の形態の純水供給ライン１０２の配管の外径は２２ｍｍ、内径は１６ｍｍである。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、砥液槽の水平方向の断面積がＱ／Ｖより小になるように形成されているので、砥液槽内の鉛直方向の流速を砥液の沈降速度より速くすることができ、砥液が貯留槽内を流れることにより砥液の撹拌が行われ砥液糟内の砥液の濃度を一定に保つことができ、研磨装置に供給される砥液の濃度を一定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の研磨装置の構成を表すブロック図である。
【図２】図１の研磨装置の砥液供給装置の循環流量を変えて供給濃度の変化を測定した結果を示す表である。
【符号の説明】
１、２  原液タンク
５  第１ポンプ
９  混合タンク
１２  供給タンク
１７  第２ポンプ
４１  研磨装置本体
５１  研磨装置
５２  砥液供給装置
【図１】
0003677203.tif 000002
【図２】
0003677203.tif 000003