(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物を研磨工具に押し付けて研磨を行なう研磨部と、外部の砥液供給装置に接続されて前記研磨部へ砥液を供給する砥液配管とが１つのハウジング内に収容された研磨装置であって、
前記砥液を循環させる循環配管と、
該循環配管から複数の研磨装置に向けて砥液を供給する抜き出し管とを備え、
前記循環配管には、前記砥液を循環させる循環ポンプと、前記循環配管内圧力を一定圧力以上に保つ背圧弁と、圧力センサとが設けられ、該圧力センサの検出値に応じて前記循環ポンプの運転を制御して、前記循環配管内圧力を一定に保ち、
前記抜き出し管には、指示信号に基づいて弁開度を調整し、所望の砥液流量とする流量制御手段と、砥液の流入を停止させる手段とを設けたことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記流量制御手段は、空気圧力室と、該空気圧力室の空気圧力に応じて開閉する弁とを備え、前記砥液の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記流量制御手段は、前記指示信号に基づいて電空変換器により前記空気圧力室の空気圧力を所定値にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記抜き出し管には、前記流量制御手段に洗浄液を供給する洗浄液配管が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項５】
研磨部と、これに砥液を供給する砥液供給手段と、前記研磨部と前記砥液供給手段との間に設けられた砥液循環配管と、前記砥液循環配管から前記研磨部へ延びる抜き出し管とを有する研磨システムを用い、
所望の濃度に砥液を希釈する工程と、
前記砥液循環配管には、砥液を循環させる循環ポンプと、前記循環配管内圧力を一定圧力以上に保つ背圧弁と、圧力センサとが設けられ、該圧力センサの検出値に応じて前記循環ポンプの運転を制御して、前記循環配管内圧力を一定に保ちつつ、希釈された砥液を前記砥液循環配管内で循環させる工程と、
前記砥液循環配管から砥液を前記研磨部に向けて抜き出す工程と、
予め設定された砥液供給量に応じた指示信号に基づいて弁開度を調整し、所望の砥液流量を前記研磨部に供給する工程とを行なうことを特徴とする半導体ウエハの研磨方法。
【請求項６】
さらに、前記砥液循環配管から前記研磨部への砥液の抜き出しを停止し、前記抜き出し配管を洗浄する工程を行なうことを特徴とする請求項５に記載の半導体ウエハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体基板の研磨を行なう研磨装置に関し、特に、一定の流量の砥液を安定に供給して安定な研磨を行なうことができる研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。これに伴い、光リソグラフィなどで回路形成を行なう場合に焦点深度が浅くなるので、ステッパの結像面のより高い平坦度を必要とする。
【０００３】
半導体ウエハの表面を平坦化する手段として、研磨工具（例えば、研磨クロスを有する研磨テーブル）と、該研磨テーブルに対して被研磨材を把持してその研磨面を押圧する把持部材とを有し、これらの接触面間に研磨液を供給しながら工具と研磨面を相対的に摺動させることにより研磨を行なう研磨装置が知られている。このような装置は、研磨液として砥液を用いて機械的な研磨を行なうだけでなく、場合によりアルカリ性や酸性の砥液を用いて化学的作用を伴う研磨を行なう。
【０００４】
このような研磨装置において良好な研磨を行なうには、一定の濃度及び流量の砥液を安定に供給することが要求される。砥液は、通常、原液とこれを希釈する希釈液を使用の前に混合タンクで混合し、この混合タンクから砥液供給配管を介して研磨装置のノズルに供給する。設備や稼動コストの低減の要請から複数の研磨装置に対して１つの混合タンクから砥液を供給することが求められている。そこで、砥液を主配管中に定常的に流し、それから分岐して各研磨装置に延びる抜き出し配管にローラポンプのような定量ポンプを設けることにより、砥液配管の短縮化と、研磨装置の発停に伴う砥液の凝集を回避する方法が提案されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の技術においては、ローラポンプの採用により、主配管の圧力変化にかかわらずほぼ一定流量の砥液が供給されるが、圧力変化に対してローラポンプを構成する可撓性チューブの変形及びそれに相当する若干の流量変化は避けられず、さらに流量に脈動を生じること、ローラポンプが該可撓性のチューブを用いているために経時的劣化（へたり）により長期の安定な作動が望めないこと等の課題があった。
【０００６】
また、抜き出し配管の長さや径が異なったり、研磨装置の稼動台数の変動による循環配管内の圧力変動に起因する流量変動のため、各研磨装置に一定の濃度及び流量の砥液を安定に供給することができず、良好な研磨状態が得られない場合が有った。
【０００７】
この発明は、上記課題に鑑みて、複数の研磨装置に対しても低設備コストでかつ一定の流量の砥液を安定に供給することができる砥液供給装置を提供することを目的とする。さらに、そのような砥液を一定流量で研磨部へ供給する機能を研磨装置自らに有することにより、工場内のレイアウト変更などにも柔軟に対応できる研磨装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被研磨物を研磨工具に押し付けて研磨を行なう研磨部と、外部の砥液供給装置に接続されて前記研磨部へ砥液を供給する砥液配管とが１つのハウジング内に収容された研磨装置であって、前記砥液を循環させる循環配管と、該循環配管から複数の研磨装置に向けて砥液を供給する抜き出し管とを備え、前記循環配管には、前記砥液を循環させる循環ポンプと、前記循環配管内圧力を一定圧力以上に保つ背圧弁と、圧力センサとが設けられ、該圧力センサの検出値に応じて前記循環ポンプの運転を制御して、前記循環配管内圧力を一定に保ち、前記抜き出し管には、指示信号に基づいて弁開度を調整し、所望の砥液流量とする流量制御手段と、砥液の流入を停止させる手段とを設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
これにより、外部の砥液供給装置の側の条件に係わらず、例えば多少の圧力変動が有っても、流量制御手段により研磨部に常に一定の流量の砥液が供給され、ユニットタイプとして実用性の高い研磨装置が提供される。
【００１１】
そして、主配管では砥液が流通しているので、研磨装置が停止している場合でも導入配管での滞留が防止され、砥液中の成分の沈澱による濃度の変動や詰まりが防止される。従って、滞留しやすい抜き出し配管を短くして円滑な砥液供給を行なうことができる。主配管を、砥液を循環させる循環配管として構成すれば、砥液を常に流通させることができる。循環配管には、砥液の流量変動等による影響を抑える緩衝タンク等を設けるとよい。また、循環配管内に圧力センサ等を配置し、圧力変動を抑制するように循環ポンプを制御する制御装置を設けるとよい。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記流量制御手段は、空気圧力室と、該空気圧力室の空気圧力に応じて開閉する弁とを備え、前記砥液の流量を制御することを特徴とするものである。請求項３に記載の発明は、前記流量制御手段は、前記指示信号に基づいて電空変換器により前記空気圧力室の空気圧力を所定値にすることを特徴とするものである。これにより、二次側圧力が所定値になれば、結果的に流量を一定にすることができる。必要に応じて下流にオリフィスを設けたり、また、電気信号をパイロット圧力に電空変換する電空変換器により指示信号を出力するようにしてもよい。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記抜き出し管に、前記流量制御手段に洗浄液を供給する洗浄液配管が設けられていることを特徴とするものである。これにより、流量制御手段の安定な動作を維持することができる。洗浄液は、例えば純水のように砥液の成分の一部や研磨に有害でないものを用いる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、研磨部と、これに砥液を供給する砥液供給手段と、前記研磨部と前記砥液供給手段との間に設けられた砥液循環配管と、前記砥液循環配管から前記研磨部へ延びる抜き出し管とを有する研磨システムを用い、所望の濃度に砥液を希釈する工程と、前記砥液循環配管には、砥液を循環させる循環ポンプと、前記循環配管内圧力を一定圧力以上に保つ背圧弁と、圧力センサとが設けられ、該圧力センサの検出値に応じて前記循環ポンプの運転を制御して、前記循環配管内圧力を一定に保ちつつ、希釈された砥液を前記砥液循環配管内で循環させる工程と、前記砥液循環配管から砥液を前記研磨部に向けて抜き出す工程と、予め設定された砥液供給量に応じた指示信号に基づいて弁開度を調整し、所望の砥液流量を前記研磨部に供給する工程とを行なうことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、さらに、前記砥液循環配管から前記研磨部への砥液の抜き出しを停止し、前記抜き出し配管を洗浄する工程を行なうことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、この実施の形態の研磨システム１の全体の構成を示すもので、この研磨システムは、原液と希釈液から所望の濃度の砥液を供給する砥液供給装置３と、被研磨物を研磨工具により研磨する研磨装置４と、砥液を各研磨装置４の近傍に導く循環経路２０とを有している。
【００１８】
砥液供給装置３は、原液を収容する原液タンク１０と、これを所定の濃度に薄めるための希釈液を貯留する希釈液タンク１２の２つの供給源と、これらの供給源から配管１４，１６を介して供給される原料を合流させて所定濃度の砥液とする混合部１８とからなる。尚、希釈液の供給源は、工場内を流れる純水供給ライン等でもよい。
【００１９】
研磨装置４は、例えば、回転する研磨テーブル２２ａに貼付された研磨クロスに半導体ウエハの被研磨面を押し付けて研磨を行なう研磨部２２と、これに砥液を供給するノズル５８、循環経路２０からノズルに砥液を導びく抜き出し配管２４、及びそれに付随する砥液の制御系を含めて一体にユニット化されて構成されている。これらの、砥液供給装置３と、循環経路２０と、抜き出し配管２４とで砥液供給システム２を形成する。
【００２０】
まず、砥液供給装置３について説明する。砥液の原液としては、例えば、シリカゲルのような所定の粒度の粒子を含有する酸、アルカリ、又は中性の液が研磨対象に応じて用いられ、希釈液は、通常、不純物のない純水等が用いられる。この例では、原液は原液タンク１０に収容され、原液供給ライン１４は、一方が空になったときに切り換えて用いるように２系統が設けられている。原液ライン１４及び希釈液ライン１６は、それぞれ、例えば、開閉弁２６及び圧力調整弁２８を介して混合部であるバッファチューブ１８に接続され、これにより、バッファチューブ１８内で所定の混合比の砥液が製造される。圧力調整弁２８の構成については後述する。
【００２１】
混合部であるバッファチューブ１８は、この例では、複数の研磨装置に砥液を供給する循環経路２０の途中に設置されている。このバッファチューブ１８は、循環経路２０を形成する循環配管２１より大径の円筒状容器３０として縦に配置されて構成され、底部に排出口３２が設けられ、上部はＯリングを介して接合された蓋３６で覆われている。蓋３６には、循環配管２１の戻り配管、及び原液及び希釈液のラインの配管１４，１６がそれぞれ接続されている。
【００２２】
容器３０には、液面のレベルを検知するレベル検知器４０ａ，４０ｂ，４０ｃが設けられ、これは、例えば、上限、下限、最下限を検知し、その信号を図示しない制御装置に出力するようになっている。この信号に基づいて、制御装置は、原液及び希釈液のラインの開閉弁２６や圧力調整弁２８に信号を出力し、液面レベルが下限になったときには原液及び希釈液を供給し、上限になったら供給を停止するように制御する。万一、液面レベルが最下限に達したときは、警報や研磨部２２へ研磨処理の停止信号等を発する。
【００２３】
蓋３６には、さらに、容器３０内の空気を伸縮可能な素材でできたエアバッグ４２に連通させる空気流通管４４が設けられている。エアバッグ４２は、容器３０内の空間を外気に対して気密状態に保ちつつ内部の液面レベルの変動による内圧変動を抑えるもので、柔軟性と耐用性のある例えばテフロン（商品名）のような素材から、レベル変動に対応する容積を有する大きさに形成されている。
【００２４】
次に、循環経路２０について説明する。循環配管２１は、バッファチューブ１８の下端の排出口３２から、砥液を供給すべき１又は複数の研磨部２２の近傍を巡り、バッファチューブ１８に戻ってその戻し管３８に接続されて構成されている。循環配管２１には、砥液を循環させる循環ポンプ４６、循環配管の圧力を一定に保持する背圧弁４８、圧力センサ５０等が設けられている。
【００２５】
圧力センサ５０の出力は図示しない制御装置に入力され監視される。制御装置はその検出値に応じて循環ポンプ４６の運転を制御して循環配管２１内の圧力を一定に保つようにしてもよい。通常は循環ポンプ４６は一定の運転状態に保持され、背圧弁４８によって配管内の圧力が一定に保たれる。循環配管２１には、それぞれの研磨装置４に近い位置から、開閉弁２５と接続用フランジ２３ａを有する分配管２３が分岐しており、このフランジ２３ａに研磨装置４の抜き出し配管２４のフランジ２４ａが接続されるようになっている。
【００２６】
次に、研磨装置４について説明する。抜き出し管２４には、上流側から、開閉弁５２、二次側（下流側）の圧力を一定に制御する圧力調整弁５４、及びその下流側のオリフィス５６が設けられ、その下流側で研磨装置のノズル５８に接続されている。圧力調整弁５４とその下流側のオリフィス５６は、後述するように流量調整弁の役割を果たす。圧力調整弁５４には、コントローラ６１から一定の電気信号を入力し、その信号に相当する一定の空気圧力を供給するための電空変換器６０が接続されている。
【００２７】
すなわち、コントローラ６１で任意に砥液供給量を設定し、これに基づいて電空変換器６０によって、図示しないパイロットエア源から所定のパイロットエア圧力を圧力調整弁５４に供給することができるようになっている。また、開閉弁５２と圧力調整弁５４の間には、開閉弁６２を有する洗浄液配管６４が合流している。
【００２８】
このような構成の研磨システムでは、砥液を各研磨装置４に導くための砥液配管内の砥液が常時循環しているので、砥液配管内での滞留による液濃度変化や固形物の沈積による詰まりを防止することができる。また、結果として、砥液配管を長くすることができるので、１つの砥液供給源（混合部）１８から複数の研磨装置４に砥液を安定に供給することができ、全体として装置コストを低下させることができる。
【００２９】
圧力調整弁５４（及び圧力調整弁２８）の構成を以下に説明する。これは、図２に示すように、上ケーシング６６、下ケーシング６８、及び下部押え板７０からなるケーシング内に弁装置７２が収容されて構成されている。すなわち、上ケーシング６６には電空変換器６０に導通する圧力導入路７４を有するエア圧力室７６が形成され、下ケーシング６８には流体導入路７８、１次弁室８０、２次弁室８２、流体導出路８４からなる流体流路が形成され、上ケーシング６６と下ケーシング６８の間にはダイアフラム８６が挟み込まれてエア圧力室７６と２次弁室８２を区画している。
【００３０】
１次弁室８０と２次弁室８２の間には弁座８８が形成され、これに下から弁体９０が挿入されており、この弁体９０はダイアフラム８６に押え板９２とボルト９４により固定された弁棒９６に取り付けられて昇降可能になっている。圧力調整弁５４を構成する部材の接合面の所定箇所にはそれぞれシール用のＯリング９８が配されている。
【００３１】
上記のように構成した砥液供給装置の作用を説明する。制御装置は、循環ポンプ４６をその下流側の圧力が所定値以上になるように運転するように制御し、これにより、砥液の循環経路２０内の循環流を常時形成する。
【００３２】
各研磨装置４が作動すると、それぞれのコントローラ６１が各開閉弁５２に開信号を出力するとともに、予め設定された砥液供給量に応じた流量指示信号を各電空変換器６０に出力する。電空変換器６０はその流量指示信号に基づき、それに対応する空気圧力を圧力調整弁５４の空気圧力室７６にパイロットエア圧力として送り、これにより、弁体９０と弁座８８の間が開口する。圧力調整弁５４では、流体の入口７８より流入した砥液が弁装置７２、弁体９０と弁座８８で形成される開口を通って流体圧力室８２に流れる。流体圧力室８２の圧力はオリフィス２９を流れる砥液の流量によって一義的に決定される。従って、流体圧力室８２の圧力を所望の圧力に制御することによって、砥液の流量を所望の量に制御できる。
【００３３】
このとき、流体の出口８４から出力される砥液の流量は流体圧力室８２の圧力を制御することによって、以下のように一定に保たれる。空気圧力室７６のパイロット圧力と流体圧力室８２の砥液圧力がダイヤフラム８６を介してバランスし、流体の出口８４より流れ出る。このとき流体圧力室８２の圧力が高くなると弁棒９６、弁体９０が上に押し上げられ、流体の流路となる前記弁座８８と弁体９０で形成された空間が狭められ、流路の抵抗が増すため、流体圧力室８２の砥液圧力は所定の圧力（空気圧力７６のパイロットエア圧力とバランスする圧力）に瞬時に戻る。流体圧力室８２の圧力が低くなった場合は逆に作用し、所定の圧力に戻る。その結果、パイロットエア圧力の変動幅及び周期が短くなり、パイロットエア圧力と下流側の配管抵抗で決まる所定流量の砥液が安定して各研磨部２２のノズル５８より流出する。
【００３４】
なお、砥液の流量範囲レベルを変えたい場合には、圧力調整弁５４の下流に設けるオリフィス５６による抵抗を変えればよい。オリフィス５６の抵抗を変えるためには、穴サイズの異なるオリフィスを取り付ければよい。
【００３５】
バッファチューブ１８内の砥液が下限以下になると、レベルセンサ４０ｃの信号により制御装置は開閉弁２６を開とし、これにより、圧力調整弁２８により流量を制御された原液及び純水が一定比率で、レベルが上限に達するまでバッファチューブ１８に流入し、ここで混合する。尚、圧力調整弁２８は圧力調整弁５４と同じ構造であり、圧力を一定に制御するため、結果として流量も制御されている。
【００３６】
ある研磨装置４が研磨を停止すると、その抜き出し配管２４の開閉弁５２は閉止される。これにより、循環配管２１内の圧力は一時的に上昇するが、他の研磨装置４の抜き出し配管２４においては、圧力調整弁５４により、一次側の圧力変動にもかかわらず二次側に一定の砥液圧力が維持され、従って、流量が一定に保持される。
【００３７】
研磨を再開する場合には、砥液を供給する前に、洗浄液配管６４の開閉弁６２を開とし、抜き出し配管２４の中を洗浄する。これにより、砥液の滞留に起因する詰まりや砥液濃度変化を抑制することができる。
【００３８】
図３は、図１の実施の形態の変形例であって、工場内の循環経路２０と各研磨装置４の配置をより具体的に示している。ここでは、循環経路２０は、砥液供給装置３に繋がる幹経路１００からなっており、開閉弁１０６と接続用フランジ１０４ａを有する分配管１０４が設けられ、このフランジ１０４ａを介して各研磨装置４の抜き出し配管２４のフランジ２４ａに接続されるようになっている。開閉弁１０６は、本システムに新たな研磨装置４をつなげるとき、本砥液供給システムを停止することなく研磨装置４をつなげるのに必要である。幹経路１００を工場内に施工するとき、開閉弁１０６を多く取り付けることにより、新たな研磨装置４の設置が柔軟に行える。
【００３９】
このように循環経路２０を構成することにより、幹経路１００を各研磨装置４のより近傍まで配管することができるので、砥液の滞流が予想される抜き出し配管２４をさらに短くすることができ、砥液供給の安定化という本願発明の効果をより高めることができる。なお、この図においては、４つの分配管１０４のうちの２つは、研磨装置４が繋がれていない待機状態となっている。
【００４０】
図４は、この発明のさらに他の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、研磨装置４Ａのユニットの中に、循環経路２０の一部を構成する導入配管１２０を収容している。すなわち、導入配管１２０は往復する配管として研磨装置４Ａ内に延び、その先端部に抜き出し配管２４が設けられている。導入配管１２０は、その両端に設けられたフランジ１２０ａを循環配管２１のフランジ２１ａに接続することによって循環経路２０の一部を構成している。抜き出し配管２４には、先の実施の形態と同様に、流量制御手段である圧力調整弁５４と砥液の流入を停止する開閉弁５２が設けられている。
【００４１】
この実施の形態においては、砥液の循環経路２０が研磨装置４Ａのユニットの中まで延びているので、その分、先の実施の形態に比べて抜き出し配管２４が短くなる。従って、研磨装置４Ａの稼動停止等によって砥液が滞流して砥液成分の析出や詰まりを生じ易い管路が短くなり、稼動がさらに安定化する。
【００４２】
なお、上記の実施の形態においては、研磨装置４，４Ａを抜き出し配管２４や砥液制御系を含めてユニット化した構成としたが、それぞれの要素を個別に組み合わせた構成としてもよいことは言うまでもない。また、１台の研磨装置４，４Ａに異なる種類の砥液等の処理液を供給して、複数の研磨処理を行うため、１台又は複数の研磨装置４，４Ａに対して砥液供給装置３を複数設けてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、外部の砥液供給装置の側の条件に係わらず、流量制御手段により研磨部に常に一定の流量の砥液が供給され、ユニットタイプとして実用性の高い研磨装置が提供される。また、砥液が流通する主配管と、これより分岐する抜き出し配管を組み合わせ、抜き出し配管に流量制御手段を設ける構成により、複数の研磨部に砥液を供給する場合でも、砥液が滞留しやすい抜き出し配管を短くして円滑な砥液供給を行なうことができる。さらに、主配管における圧力変動を流量制御手段が吸収するので一定の流量の砥液を安定に供給することができ、半導体基板等の良好な研磨作業を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の研磨システムの全体の構成を示すフロー図である。
【図２】図１の圧力調整弁の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態の研磨システムの全体の構成を示すフロー図である。
【図４】この発明の第３の実施の形態の研磨システムの全体の構成を示すフロー図である。
【符号の説明】
１    研磨システム
２    砥液供給システム
３    砥液供給装置
４，４Ａ  研磨装置
１０    原液タンク
１２    希釈液タンク
１４    原液供給経路
１８    混合部
２０    循環経路
２１    循環配管
２２    研磨部
２４    抜き出し配管
２８    流量調整弁
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ    レベルセンサ
４２    エアバッグ
５４    圧力調整弁
５６    オリフィス
５８    ノズル
６０    電空変換器
【図１】
0003801325.tif 000002
【図２】
0003801325.tif 000003
【図３】
0003801325.tif 000004
【図４】
0003801325.tif 000005