JP3748731B2 - 砥液供給装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体基板を研磨する時に用いる砥液の供給装置に係り、特に、砥粒が均一に分散した砥液を研磨部に安定して供給することができる砥液供給装置に関するものである。
【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。特に線幅が0.5μm以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の1手段として研磨ユニット(研磨部)を備えた研磨装置により研磨することが行われている。
【0003】
この種の研磨ユニットは、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦且つ鏡面に研磨するようになっている。
【0004】
図7は、研磨ユニットの一例の主要部を示す図である。研磨ユニットは、上面に研磨布140を貼った研磨テーブル142と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハWを保持するトップリング144と、研磨布140に砥液Qを供給する砥液ノズル146を備えている。トップリング144はトップリングシャフト148に連結され、図示しないエアシリンダにより上下動可能に支持されている。
【0005】
トップリング144はその下面にポリウレタン等の弾性マット150を備えており、この弾性マット150に密着させて半導体ウエハWを保持するようになっている。さらにトップリング144は、研磨中に半導体ウエハWがトップリング144の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング152を外周縁部に備えている。ガイドリング152はトップリング144に対して固定され、その下端面はトップリング144の保持面から突出しており、その内側の凹所にポリッシング対象物である半導体ウエハWを保持するようになっている。
【0006】
このような構成により、半導体ウエハWをトップリング144の下面の弾性マット150の下部に保持し、研磨テーブル142上の研磨布140に半導体ウエハWをトップリング144によって押圧するとともに、研磨テーブル142およびトップリング144を回転させて研磨布140と半導体ウエハWを相対運動させて研磨する。このとき、砥液ノズル146から研磨布140上に砥液Qを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒を用いた機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハWを研磨する。
【0007】
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研磨ユニットに安定に供給することが要求される。砥液供給系は、例えばKOH,NHOH等と粉末シリカを混合した原液を貯蔵する原液タンクと、この原液を純水や薬液等で希釈して所定の濃度に調整する調整タンクと、この調整タンクで調整した砥液を一時的に貯蔵して供給する供給タンクと、これらのタンク間及び供給タンクから研磨ユニットのノズルに砥液を供給するための砥液供給配管等を備えている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポリッシングにおける研磨速度及び研磨精度は、砥液の濃度に左右されることが知られており、また設備や稼働コストの低減の要請から、複数の研磨部に対して共通の砥液源を用いることが求められている。このため、調整タンクまたは供給タンクに所定の濃度の砥液を一旦貯蔵してから砥液を各研磨部に供給するようにしている。その結果、調整タンクまたは供給タンクに貯蔵された砥液が時間の経過とともに劣化して砥粒の凝集が起こりやすくなり、砥粒の粒子径が大きくなってポリッシングに不適当となった砥液が研磨部に送られて、被研磨面を傷つけ(スクラッチ)たり、研磨速度が遅くなってしまうことがあるといった不具合がある。
【0009】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、性状の安定した砥液を研磨部に継続的に供給し、定常的に良好な研磨を行なう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。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、研磨ユニットに砥液を供給する砥液供給装置であって、所定の性状の砥液を貯留する砥液供給タンクと、前記砥液供給タンクと前記研磨ユニットを連絡して前記砥液供給タンク内の砥液を前記研磨ユニットに供給する砥液流通配管と、前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、該砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の粗大粒子の数を測定する粗大粒子測定器と、前記粗大粒子測定器の出力に基づいて、前記研磨ユニットに供給される砥液中の粒子径分布を均一にする砥液性状安定化手段とを有することを特徴とする砥液供給装置である。
【0011】
これにより、研磨部に供給される砥液の性状を定常的にモニタし、砥液が劣化してスクラッチ発生の原因と考えられる大径の砥粒が含まれるようになった時等に、砥液の性状を安定化するための種々の対策を採ることができる。従って、安定した性状の砥液を研磨部に供給して良好な研磨を行なうことができ、また、砥液の劣化の程度が大きい場合には、例えば操業を停止して低品質の被研磨材が産出されることを防止することができる。
【0012】
請求項2に記載の発明は、前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、該砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の粒子径分布を測定する粒子径分布測定器を更に有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置である
【0013】
請求項3に記載の発明は、前記砥液性状安定化手段は、砥液中の粗大粒子を除去するフィルタ及び砥液中の粗大粒子を粉砕する超音波発振器を有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置である。砥液の性状を安定化するために必要であれば、不良の砥液を廃棄するようにしてもよい。
【0014】
請求項4に記載の発明は、前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、前記砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の酸化還元電位を測定する酸化還元電位計と、前記砥液流通配管に設けられ、該砥液流通配管内を流れる砥液中の固形分濃度を測定する固形分濃度測定器を更に有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置である。
請求項5に記載の発明は、砥液中の添加剤と砥粒の体積比率を一定にするための添加剤供給手段を更に有することを特徴とする請求項4に記載の砥液供給装置である。
請求項6に記載の発明は、前記フィルタは、前記砥液流通配管をバイパスするバイパスラインに設けられていることを特徴とする請求項2に記載の砥液供給装置である。
【0015】
請求項に記載の発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、被研磨材を保持し、これを前記研磨面に押圧する保持部材と、請求項1ないしのいずれかに記載の砥液供給装置とを有することを特徴とする研磨装置である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る砥液供給ユニットを備えた研磨装置の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。この研磨装置は、砥液供給ユニット10と研磨ユニット(研磨部)12とから構成されている。研磨ユニット12は、研磨テーブル142と砥液ノズル146が図示されているが、構成は図7に示す従来の装置と同じと考えて良い。
【0017】
砥液供給ユニット10は、砥液原液の入った複数の原液タンク14と、砥液原液を純水あるいは薬液により希釈して濃度を調整する調整タンク16と、この調整タンク16で調整された砥液を一旦貯蔵し、研磨ユニット12に供給する供給タンク18とを備え、これらの各タンク14,16,18の内部には、モータ20の駆動に伴って回転する攪拌翼22が配置されている。各原液タンク14と調整タンク16には、純水ライン24が接続され、これら原液タンク14と調整タンク16は、原液ポンプ26を有する原液配管28で連絡されている。
【0018】
調整タンク16と供給タンク18は、調整ポンプ30及び開閉弁32aを有する調整配管32で連絡されている。この調整配管32には戻り配管33が分岐して設けられ、これは開閉弁33aを介して調整タンク16の上部に戻るように接続されている。供給タンク18は、供給ポンプ34を有する供給配管36によって研磨ユニット12の砥液配管46に連絡されている。この供給配管36には、戻り配管37が分岐して設けられ、これは開閉弁(循環弁)50を介して供給タンク18の上部に戻るように接続されている。
【0019】
調整配管32と供給配管36はそれぞれポンプ30,34の上流側で分岐しており、これは開閉弁38a,38bを介して排水ライン38に接続されている。供給配管36から延びる排水ライン38には、排水ポンプ40と排水弁42とを有する強制排水ライン44が併設されている。また、供給配管36には、研磨ユニット12の研磨テーブル142に向けて砥液を供給する砥液配管46が備えられ、この砥液配管46に砥液供給弁48が、供給配管36の砥液配管46の分岐点の下流側に循環弁50がそれぞれ設けられている。
【0020】
供給配管36には、供給ポンプ34の下流側で砥液配管46と戻り配管37の分岐点の上流側において、それぞれ砥液の粒子径分布測定器52、粗大粒子測定器54、酸化還元電位計56を有する抽出管62a,62a,62bが分岐して設けられ、これらの配管は測定器52,54,56の下流側で合流してさらに排水ライン38に合流している。また、供給配管36には測定用配管62a,62bとの分岐点の下流側に固形分濃度測定器58が取付けられている。これらの各測定器の測定結果は、コントローラ60に入力されるようになっている。
【0021】
粒子径分布測定器52及び粗大粒子測定器54は、図2に示すように、抽出管62aを介して供給配管36に接続されており、この抽出管62aには、抜出しバルブ64a、流量調整器66a、ラインミキサ68及び粒径センサ70が順次設置されている。抽出管62aには、流量調整器66aとラインミキサ68との間に、希釈液供給源72から延びる希釈液配管76が希釈弁74と流量調整器66bを介して合流している。
【0022】
これにより、抽出管62aには供給配管36を流れる砥液の一部が流量調整器66aで流量制御されつつ流入し、流量調整器66bで流量制御されつつ流入する希釈液とラインミキサ68で混合され、所定の濃度となった後に、被検査液として粒径センサ70に送られる。粒径センサ70は、このような被検査液の粒子径分布または粗大粒子の数を測定する。なお、粒子径分布測定器52と粗大粒子測定器54は、粒径センサ70が検知する粒径範囲が異なるのみで、他は同じ構成である。このように異なる粒径範囲を個別に測定することにより、測定精度が向上する。
【0023】
図1に示す砥液供給系において、供給ポンプ34としてベローズポンプを用い、砥液としては市販のコロイダルシリカ系のスラリを使用して、粒子径分布測定器52で砥液の粒子分布を、粗大粒子測定器54で粗大粒子数を測定した結果、砥液作成直後から時間の経過とともに砥液中の粒径分布の中心が大粒径側に移動したことを確認した。
【0024】
酸化還元電位計56は、図3に示すように、供給配管36に接続された抽出管62bを有し、この抽出管62bには、抜出しバルブ64bとセンサとしての電極78を備えた測定容器80が順次設置され、この測定容器80は排水ライン38に接続されている。測定容器80には、定量ポンプ84を有する薬液配管86を介して薬液供給源82が接続されている。これにより、測定容器80の内部に導入された砥液に、例えば過酸化水素水や過マンガン酸カリウムのような薬液を少量添加し、電極78を用いて溶液の酸化還元電位を測定するようになっている。
【0025】
固形分濃度測定器58は、この例では、超音波を利用したものであり、図4に示すように、供給配管36に接続されるケース88の内部に超音波発振器90と反射面92とが砥液の流れに直交する方向に対向して配置されて構成されている。これにより、超音波発振器90から反射面92に向けて超音波を照射し、この超音波の砥液内の伝播速度を測定することによって、砥液の濃度を測定するようになっている。なお、配管内には温度センサが設けられ、温度による影響を補正するようになっている。
【0026】
この固形分濃度測定器58による測定結果の例を示す。例えば、コロイダルシリカ系の砥液の濃度を実際に測定すると、図5に示すように、砥液の各温度における濃度の相違によって超音波の伝播速度が異なり、これらの間に一定の相関関係がある。このため、砥液の温度と超音波の伝播速度が決まれば砥液の濃度を測定することができる。
【0027】
砥液供給ユニット10の調整タンク16と供給タンク18の底部には、砥液の性状を安定させる第1の砥液性状安定化手段としての超音波発振器94a,94bが設置されている。これにより、凝集して広い範囲に分布していた粒子が超音波振動によるエネルギで分散され、その結果、調整タンク16や供給タンク18内の砥液の砥粒の粒子径が均一となるようになっている。
【0028】
供給配管36の供給ポンプ34の下流側には、3方バルブ96a,96bで砥液の流れを切換え可能なバイパスライン98が供給配管36に対して並列に配置され、このバイパスライン98には第2の砥液性状安定化手段としてのフィルタ100が設けられている。フィルタ100は、砥液に含まれる粗大な粒子を除去するものである。
【0029】
調整タンク16には、第3の砥液性状安定化手段としての薬液添加装置102が設けられている。この薬液添加装置102は、薬液供給源104と、これを流量コントロールバルブ108を介して調整タンク16に接続する薬液供給ライン106とを有している。これにより、調整タンク16内に、例えばHや硝酸等の酸、KOHやNHOH等のアルカリ、あるいは界面活性剤等の中性の薬液を添加することによって、調整タンク16内の砥液中に含まれる添加剤と砥粒の体積比率を一定にし、砥液の粒子径分布を均一化させるようになっている。
【0030】
これらの砥液性状安定化手段の動作は、コントローラ60からの信号により制御される。つまり、超音波発振器94a,94b、3方バルブ96a,96b及び薬液添加装置102の流量コントロールバルブ108は、各測定器52,54,56,58の測定結果を受けて出力されるコントローラ60からの信号により制御される。
【0031】
上記のように構成した研磨装置の動作について説明する。原液タンク14に入った砥液原液は、原液ポンプ26の駆動に伴って調整タンク16に送られ、純水ライン24から供給される純水により希釈されて所定の濃度に調整される。そして、所定の濃度に調整された砥液は、調整ポンプ30の駆動に伴って供給タンク18に送られて貯蔵される。
【0032】
供給タンク18に貯蔵された砥液は、供給ポンプ34の駆動に伴って供給配管36内を流れ、ポリッシング時には、砥液供給弁48を開いて、砥液配管46、砥液ノズル146から研磨ユニット12の研磨テーブル142に供給される。ポリッシングが終了すると、砥液供給弁48が閉、循環弁50が開とされて、砥液は供給タンク18、供給配管36、戻り配管37によって構成される循環流路を循環して流れる。これにより、砥液が供給されない状態でもこれらの配管内に砥液が滞流することがなく、砥液中の砥粒の配管内への沈積を防止することができる。
【0033】
この時、供給配管36内を流れる砥液は、粒子径分布測定器52、粗大粒子測定器54、酸化還元電位計56及び固形分濃度測定器58で粒子径分布、粗大粒子の数、酸化還元電位及び固形分濃度が測定され、この測定データはコントローラ60に入力されてモニタされる。
【0034】
コントローラ60は、入力される測定データから粒子径分布の変化が生じたか、さらに粗大粒子の発生が生じたか否かを判断する。粒子径分布の変化が生じたと判断した場合には、超音波発振器94a,94bの一方または双方を動作させて、調整タンク16または供給タンク18の一方または双方内の砥液の粒子を超音波振動によるエネルギにより分散させる。さらに、粗大粒子の増大が生じたと判断した場合には、3方バルブ96a,96bを切り換えてバイパスライン98に砥液を流し、砥液内の粗大粒子をフィルタ100で除去する。また、酸化還元電位、あるいは固形分濃度に変化が認められた場合には、薬液添加装置102の流量コントロールバルブ108を開き、調整タンク16内に薬液を添加して、酸化還元電位、あるいは固形分濃度を調整して、調整タンク16内の砥液中に含まれる添加剤と砥粒の体積比率を一定にし、砥液の粒子径分布を均一にする。
【0035】
そして、供給配管36内を流れる砥液が、各測定器による測定値に対して予め設定した限界値を超えた場合には砥液に変質が起こったと判断し、排水弁42を開き、排水ポンプ40を駆動させて、供給タンク18内の砥液を強制的に排水ライン38に流し、調整タンク16内で新たに砥液を調合する。砥液供給ユニット10と研磨ユニット12とを通信回線で連絡しておき、上記のような場合には研磨ユニット12が新たなポリッシング動作に入らないように指示するようなシーケンスとしておく。
【0036】
新しい砥液が調合された後、これを供給タンク18に送り、供給タンク18から供給配管36内を循環させて、前述のように各測定器で砥液の性状を測定する。コントローラ60は、この測定値が予め設定された値を超えないことを確認してから研磨ユニット12への砥液供給を開始する指示信号を出す。研磨ユニット12ではオペレータが異常の解除を確認してからポリッシングを再開するようにしている。もちろん、制御装置が所定の条件を確認して自動的に異常解除を行い、ポリッシングを再開するようにしても良い。
【0037】
上記において、各測定器において予め設定する限界値は、砥液の種類によっても異なるが、代表的な例としては、コロイダルシリカ系の砥液に対し粒子径分布で1μm以上が全体の0.1%未満であること、粗大粒子の数が代表粒子5μm以上で100個/ml以下であること、酸化還元電位が初期値の1.0%以下であること、固形分濃度が設定値の±5%以下であること等が挙げられる。
【0038】
なお、この実施の形態においては、各測定器を供給配管36又はその近傍に設置したが、調整配管32、調整タンク16、更には供給タンク18等、ポリッシングに使用される砥液が接するところであれば、いかなる場所に設置しても良い。特に、酸化還元電位計56及び固形分濃度測定器58は、調整タンク16あるいは調整配管32にも取り付けることが望ましい。
【0039】
また、砥液の変質を測定する測定器としては、pH測定器、ζ電位測定器、濁度測定器、粘度測定器等があり、これらを砥液供給系中に用いてもよい。また、近赤外線を利用した薬液濃度測定器を用いて砥液中の添加された薬液成分を測定するようにしても良い。
【0040】
図6は、本発明の第2の実施の形態を示すもので、これは、複数の研磨ユニット12に共通の供給タンクから砥液を供給するものである。図6に2基の研磨ユニット12が接続されているが、もちろんこれ以上の台数を接続してもよい。この実施の形態の砥液供給ユニット10は、円筒状の容器であるバッファチューブ110と、このバッファチューブ110の底部から各研磨ユニット12の近傍を通過してバッファチューブ110の頂部に戻る循環配管112と、この循環配管112から各研磨ユニット12に向けて分岐する抜き出し配管114とを有している。
【0041】
循環配管112には、これに所定量の砥液を常時循環させる循環ポンプ116、配管内圧力を一定圧力以上に保つための背圧弁118、圧力センサ120等が設けられている。各抜き出し配管114には、砥液供給弁122と、それぞれに砥液を循環配管112から個別に抜き出す抜き出しポンプ124が設けられている。
【0042】
バッファチューブ110は、第1の実施の形態の調整タンク16と供給タンク18を兼ねるもので、その頂部に、原液配管28、純水ライン24、薬液供給ライン106が接続されている。バッファチューブ110には、第1の砥液性状安定化手段である超音波発振器94、液面のレベルを検知するレベル検知器126a,126b,126cと、伸縮可能な素材から形成されたエアバッグ128が設けられている。エアバッグ128は、バッファチューブ110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ある。
【0043】
この実施の形態では、循環配管112の所定箇所、すなわち循環ポンプ116の下流側に、粒子径分布測定器52、粗大粒子測定器54、酸化還元電位計56及び固形分濃度測定器58が設置され、フィルタ100を備えたバイパスライン98が並列配置されている。また、砥液の性状が異常である場合に、バッファチューブ110内の砥液を排出する排水ライン38も設けられている。
【0044】
この実施の形態における装置の運転方法は、先の実施の形態と基本的に同じなので、重複した説明は省く。この実施の形態の砥液供給ユニットによれば、砥液を研磨ユニット12の近傍に導くための配管内の砥液を常時循環させることにより、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。これに伴い、全体の配管を長くすることができるので、1つの砥液供給源(バッファチューブ)110から多くの研磨ユニット12に砥液を安定に供給することができ、装置コストを低下させることができる。なお、このような砥液の性状測定機構を、それぞれの抜き出し配管114に設けてもよい。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、砥液の変質を検知し、そのデータを元に砥液の改善を行うことができる。従って、粒子径が大きくなって研磨面を傷つけたり、研磨速度が遅くなってしまうことなく、半導体基板等の研磨装置において良好な研磨を継続して安定に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の施の形態の砥液供給ユニットを備えた研磨装置の全体構成を示す図である。
【図2】粒子径分布測定器及び粗大粒子測定器を示す概要図である。
【図3】酸化還元電位計を示す概要図である。
【図4】固形分濃度測定器の断面図である。
【図5】砥液における温度、濃度及び超音波の伝播速度の関係を示すグラフである。
【図6】本発明の第2の実施の形態の砥液供給ユニットを備えた研磨装置の全体構成を示す図である。
【図7】研磨ユニットの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
10 砥液供給ユニット
12 研磨ユニット(研磨部)
14 原液タンク
16 調整タンク
18 供給タンク
32 調整配管
36 供給配管
38 排水ライン
40 排水ポンプ
42 排水弁
44 強制排水ライン
46 砥液配管
48 砥液供給弁
50 循環弁
52 粒子径分布測定器
54 粗大粒子測定器
56 酸化還元電位計
58 固形分濃度測定器
60 コントローラ
66a,66b 流量調整器
68 ラインミキサ
70 粒径センサ
72 希釈液供給源
78 電極(センサ)
80 測定容器
82 薬液供給源
84 定量ポンプ
90 超音波発振器(センサ)
92 反射面
94,94a,94b 超音波発振(砥液性状安定化手段)
98 バイパスライン
100 フィルタ(砥液性状安定化手段)
102 薬液添加装置(砥液性状安定化手段)
104 薬液供給源
106 薬液供給ライン
108 流量コントロールバルブ
110 バッファチューブ

Claims (7)

  1. 研磨ユニットに砥液を供給する砥液供給装置であって、
    所定の性状の砥液を貯留する砥液供給タンクと、
    前記砥液供給タンクと前記研磨ユニットを連絡して前記砥液供給タンク内の砥液を前記研磨ユニットに供給する砥液流通配管と、
    前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、該砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の粗大粒子の数を測定する粗大粒子測定器と、
    前記粗大粒子測定器の出力に基づいて、前記研磨ユニットに供給される砥液中の粒子径分布を均一にする砥液性状安定化手段とを有することを特徴とする砥液供給装置。
  2. 前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、該砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の粒子径分布を測定する粒子径分布測定器を更に有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置。
  3. 前記砥液性状安定化手段は、砥液中の粗大粒子を除去するフィルタ及び砥液中の粗大粒子を粉砕する超音波発振器を有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置。
  4. 前記砥液流通配管から分岐した抽出管に設けられ、前記砥液流通配管を流れる砥液を抽出して砥液中の酸化還元電位を測定する酸化還元電位計と、
    前記砥液流通配管に設けられ、該砥液流通配管内を流れる砥液中の固形分濃度を測定する固形分濃度測定器を更に有することを特徴とする請求項1に記載の砥液供給装置。
  5. 液中の添加剤と砥粒の体積比率を一定にするための添加剤供給手段を更に有することを特徴とする請求項に記載の砥液供給装置。
  6. 前記フィルタは、前記砥液流通配管をバイパスするバイパスラインに設けられていることを特徴とする請求項3に記載の砥液供給装置。
  7. 研磨面を有する研磨テーブルと、
    被研磨材を保持し、これを前記研磨面に押圧する保持部材と、
    請求項1ないしのいずれかに記載の砥液供給装置とを有することを特徴とする研磨装置。
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