JP3638566B2

JP3638566B2 - 過酸化水素水添加装置、及び過酸化水素水の添加方法

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Publication number: JP3638566B2
Application number: JP2002122107A
Authority: JP
Inventors: 和弘平井
Original assignee: エム・エフエスアイ株式会社
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP2003318144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の製造の際に用いられるシリコンウェーハ等の基板上に形成された金属薄膜（例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ及びＣｕこれらの合金、その窒素化合物等）表面の研磨工程で使用されるスラリー中の過酸化水素水量を最適化するための過酸化水素水添加装置、及び過酸化水素水の添加方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造の際には、シリコンウェーハ等の半導体基板上に形成された素子や抵抗等を低抵抗の金属薄膜で接続して配線し、所望の回路を形成することが行なわれている。金属薄膜としては、例えば、Ｗ、Ｔａ及びＴｉ等の高融点金属やその窒素化合物、Ａｌとその合金（Ａｌ−Ｃｕ等）が使用されている。これらの金属薄膜の形成には、一般的に、形成したい膜の原料物質を真空容器内で加熱・蒸発させて半導体基板上に薄膜を形成する真空蒸着法（ＣＶＤ法）や、アルゴンイオン等を用いて金属物質をスパッタし、それを半導体基板上に堆積させるスパッタ法といった物理気相堆積法（ＰＶＤ法）が用いられている。
【０００３】
そして、上記の方法によって形成された金属薄膜の表面は、いずれも物理的な現象を用いて原料物質を半導体基板上に堆積させてなるものであるため、平坦ではなく、通常、半導体基板上に金属薄膜を形成後、シリカ粉末等を研磨剤として用いたスラリーで、金属薄膜の表面を研磨することが行なわれている。更に、この金属薄膜表面の平坦化処理に際しては、研磨剤による物理的な研磨を行なうと同時に、スラリー中に過酸化水素水を混入させることで、過酸化水素水で金属を酸化・溶解させながら、効率的に処理することが行なわれている。
【０００４】
近年、半導体製品における小型化及び高性能化は目覚ましいものがあり、一方、半導体製品は非常に精緻な構造を有するため、上記したような研磨方法で平坦化される金属薄膜表面の均一性を確保し、更には、大量生産された各製品間における金属薄膜表面の均一性を確保することは、半導体製品の高性能維持のための重要な要素である。このため、金属薄膜を平坦化する際に使用されるスラリー中における研磨剤の均一性を図ることは勿論のこと、スラリー中における過酸化水素水の濃度を一定に保持することが望まれる。
【０００５】
これに対し、半導体基板上に形成された金属薄膜を平坦化するための研磨処理に使用されている従来のスラリーでは、研磨処理の系内を循環しているスラリー（以下、循環スラリーと呼ぶ）へ過酸化水素水を随時添加する方法として、先ず、循環スラリー中の過酸化水素水濃度を測定し、該測定値の変化に応じて添加する過酸化水素水量を調節しながらスラリー中に混入させて過酸化水素水の不足分を補い、これによって循環スラリー中の過酸化水素水濃度を一定に保持することが行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記した従来の方法では下記に挙げるような課題があり、循環スラリー中の過酸化水素水濃度を変動させないで一定の状態に保つことは難しく、半導体基板上に形成した金属薄膜の平坦化処理をより均一に、再現性よく行なって、品質に優れた半導体製品を得るためには、更なる改良が必要であることがわかった。即ち、従来の方法では、循環スラリー中の過酸化水素水濃度の測定精度に劣り、必要とする過酸化水素水の添加量を正確に求めることができない場合があり、これに加えて、検出された過酸化水素水の不足量を添加する場合には、微小の過酸化水素水の添加流量を正確に制御することが必要となるが、所望する過酸化水素水の添加量に対して、従来の添加機構では、微小量の過酸化水素水の添加を正確に行なうことが困難であることもわかった。更に、従来の過酸化水素水の濃度の測定方法、及び過酸化水素水の添加方法には、メンテナンスやランニングコストの点でも課題があり、経済性の観点からも改良すべき点があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、半導体基板上に形成された金属薄膜を平坦化するための研磨処理に使用される循環スラリー中の過酸化水素水の量を常に一定に保ち、しかも経済性に優れた過酸化水素水添加装置、及びこれを用いた過酸化水素水添加方法を提供することにある。更に、本発明の目的は、上記のような優れた過酸化水素水添加装置を用いることで、高い品質の半導体製品を効率よく安定して提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は下記の本発明によって達成される。即ち、本発明は、ウェーハ基板上に形成された金属膜表面の研磨を行なう場合に使用される循環しているスラリーに過酸化水素水を添加するための過酸化水素水添加装置において、少なくとも、研磨工程で使用しているスラリー中の過酸化水素水濃度を測定して過酸化水素水の不足量を検出する過酸化水素水の濃度管理機構と、該不足量をスラリー中に添加してスラリー中の過酸化水素水濃度を所望の濃度とするための過酸化水素水の添加機構とを有し、上記濃度管理機構が、循環しているスラリーの一部を封入することで、循環しているスラリーの系から切り離した独立した測定系で過酸化水素水濃度を超音波濃度計によって測定するものであり、且つ、上記添加機構が、過酸化水素水の貯蔵タンクを用い、該タンクに加圧を行なって過酸化水素水の供給を行ない、該供給流量を流量計によって定量し、該定量値を積算することで過酸化水素水の添加量を定量しながら添加を行なう方式を有することを特徴とする過酸化水素水添加装置、及びかかる装置を用いた過酸化水素水の添加方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、好ましい実施の形態を挙げて本発明を更に詳細に説明する。本発明者らは、上記した従来技術の課題を解決すべく鋭意検討の結果、半導体基板上の金属薄膜表面を平坦化するための研磨処理に使用されるスラリーに対して、循環スラリー中の過酸化水素水の量を測定し、かかる測定値に応じて過酸化水素水の不足量を検出し、該検出値に基づいて循環スラリー中に過酸化水素水の微小量を流し込むことで不足分を補い、循環スラリー中の過酸化水素水の量を一定に保つ一連の操作においては、下記に挙げるような問題があることがわかった。即ち、従来の、スラリー中の過酸化水素水（以下、過水と呼ぶ）の濃度を測定し、該測定値に応じて過酸化水素水の不足量を検出する濃度管理機構（以下、過水濃度管理機構と呼ぶ）、及び、該検出量に応じて過酸化水素水を適宜に添加する添加機構（以下、過水添加機構と呼ぶ）においては、下記に挙げる課題があった。
【００１０】
（ａ）従来より、使用されている過水の濃度測定方法としては、特開２０００−１１７６３５公報に記載されているような、過マンガン酸カリウムや硫酸等の試薬を使用する酸化還元滴定法を用いた自動滴定装置が主流である。しかし、かかる方法の場合には、試薬消費によるランニングコストの増加と、試薬定期交換による運用工数の増加という問題、又、測定用サンプルを採取する際に使用されるシリンジやシリンジシール部は、測定対象がスラリーであるために消耗が激しく、短期間での交換が余儀なくされるといった問題があり、経済的な課題があった。
【００１１】
（ｂ）これに対し、上記した酸化還元滴定法による自動滴定装置の代替として、ほぼメンテナンスフリーで、スラリー中の過水の濃度が測定できる超音波濃度計が使用されるようになってきているが、この場合に、通常使用されているインライン（スラリーの循環系に測定装置を配置して、循環させた状態で測定を行なうこと）での使用においては、測定試料である循環スラリーの流量、圧力、温度等の影響を受け易く、測定値にバラツキを生じ、測定精度に欠けるという問題がある。
【００１２】
（ｃ）従来より行なわれている過水添加機構は、定量ポンプを使用して過水を添加する例が多いが、定量ポンプを使用した場合には、定量ポンプが故障してポンプの交換が必要となった時にポンプの作動ができなくなるために、ポンプ及びその前後の配管中に過水が残留したままの状態での取り外し作業を余儀なくされ、交換作業における安全性の確保が難しいという問題がある。
【００１３】
（ｄ）過水添加機構として、流量計で過水の添加量を積算する方法を用いることも考えられ、この場合に通常使用される流量計としては、超音波式流量計や渦式流量計がある。しかしながら、これらの検量計を用いた場合には下記に挙げるような問題がある。図６に、超音波式流量計の概略図を示したが、かかる流量計では、測定管３５の両端に超音波の発信・受信を行う圧電素子３６が配置され、これらの圧電素子３６間にある液中を超音波が伝播する時間を測定する。この際、測定管３５内を流れる流量により超音波が伝播する時間が変化するため、伝播時間を測定すれば流量を知ることができる。しかし、超音波式流量計の場合は、液中に気泡が含まれると、超音波の伝播が阻害されるため、測定不可能になることがある。これに対して本発明で測定対象としている過水は気泡が発生し易い物質であり、この影響を受け易いという問題がある。図７に、渦式流量計の概略図を示したが、かかる流量計では、流れの中に渦発生体３８を置いた場合に、下流側の流速に比例した渦３９（一般的に、カルマン渦と称される）が交互に規則正しく発生するが、この渦３９の数を渦検出体４０で検出することで流量の検知を可能としている。しかしながら、渦式流量計の場合は、比較的小流量或いは中流量の場合には計測が可能であるが、微小流量では渦３９が発生しないため、測定ができないという問題がある。
従って、上記した超音波式や渦式の流量計は、いずれも本発明で要求される過水の微小流量の積算には適用し難い。
【００１４】
（ｅ）更に、過水の添加に、流量計として羽根車式流量計を使った装置も知られている。かかる装置の場合は、工場原液過水ラインやポンプが、直接羽根車式流量計の入り口に接続された構成となっているため、工場原液過水ラインやポンプ脈動による圧力変動によって、添加する過水の微小の流量が変化することがあり、羽根車式流量計によって定量精度を維持するのは難しい。又、直接羽根車式流量計の出口側で流量を調節する場合に、流量調整バルブで絞りを調整しているが、微妙な調整が必要になるため調節が難しく、加えて経時的な調整ずれもあり、流量が変動する可能性もある。
【００１５】
上記した問題に対して、本発明の過酸化水素水添加装置は、研磨工程で使用している循環スラリー中の過酸化水素水濃度（以下、過水濃度と呼ぶ）を測定して過水の不足量を検出する過水濃度管理機構と、該不足量をスラリー中に添加してスラリー中の過水濃度を所望の濃度とするための過水の添加機構とを有するが、各機構を以下のように構成する。上記過水濃度管理機構においては、過水濃度の測定を、スラリーの循環系から切り離して独立した系で行ない、その測定を超音波濃度計によって行なう。一方、上記過水の添加機構においては、過水の貯蔵タンクを用い、該タンクに対して一定圧力での加圧を行なうことで微小流量の過水の供給を行ない、その際に、供給流量を流量計によって測定し、その測定値から添加された過水の総量を積算しながら行なうことで、循環スラリー中に、所望する量の過水を正確に添加する。この結果、本発明の過酸化水素水添加装置を用いることで、下記に列挙する種々の効果が得られる。
【００１６】
（ｉ）過水濃度測定機構で、酸化還元滴定法等を用いた自動滴定装置を使用することなく、超音波濃度計を使用して過水濃度を測定するため、従来の過酸化水素水添加装置に比べて、ランニングコストの低減、及びメンテナンス工数の低減を達成することができる。
【００１７】
（ii）過水濃度測定機構で、循環スラリーの一部を封入し、スラリーの循環系から独立した測定系で過水濃度の測定を超音波濃度計によって行なうため、従来、インラインで超音波濃度計を使用した場合において生じていた、測定誤差の原因となる流量や圧力の変動といった要素を排除できる結果、過水濃度測定の精度を向上させることができる。更に、本発明の好ましい形態では、この独立した測定系に圧力計を設け、該圧力計によって、過水濃度の測定と併行して封入されたスラリーの圧力を測定し、得られた圧力測定値によって超音波濃度計で測定した過水濃度の測定値を補正演算する補正演算機構を設ける。かかる形態とすることによって、超音波濃度計を用いて過水濃度の測定を行なう場合に、測定誤差の要因となり易かった圧力変動による影響を回避でき、より精度のよい正確な測定が可能となる。この結果、スラリー中の不足している過水量の検知を、より精度よく正確に行なえるため、スラリー中の過水濃度をより安定した状態で一定に保つことが可能となる。
【００１８】
（iii）過水の添加機構で、過水の貯蔵タンクを使用し、これと組み合わせて過水の添加量を最適な状態に制御するための手段として流量計を用いることで、該流量計によって過水の添加流量を定量し、これによって過水の総添加量を積算し、かかる添加量に基づいて貯蔵タンクからの加圧供給量を調整しながら過水を添加する方式を用いているので、装置のメンテナンスにおいて、従来の、過水の添加に定量ポンプを使用する場合に必要となった、過水が残留したままの状態で装置部材を取り外すといった危険作業を回避することができる。
【００１９】
（iv）更に、本発明の好ましい形態では、上記流量計に羽根車式流量計を用いるため、例え気泡が混入したとしても、超音波式流量計を用いた場合のように測定が不能となることがなく、又、微小流量の測定を良好に行なうことが可能であり、渦式流量計を用いた場合のように、微小流量になると測定ができないといったこともなく、微小量の積算が精度よく行なえ、循環しているスラリー中への過水の添加量を最適な状態にできる。又、羽根車式流量計は、超音波式流量計や渦式流量計等と比較し、測定原理と構造が簡単であるため、安価であり、コストダウンにも繋がる。
【００２０】
（ｖ）本発明では、過水の添加を、従来のように工場原液過水ラインやポンプからスラリータンク内に直接行なうのではなく、過水の貯蔵タンクを用いて該タンクからの加圧供給によって行なうので、微小流量の過水を、脈動なく安定した状態で添加することができる。更に、これに加え、本発明の好ましい形態では、過水の供給経路に流量制御オリフィスを設け、過水の添加を行なう。この結果、過水の添加流量を常に一定にすることが可能となるため、本発明で好適に用いる羽根車式流量計による定量精度を向上させることができ、循環スラリー中の過水濃度を所望の状態に保つことが、より正確に行なえるようになる。又、従来は、過水の添加量の調整にバルブが用いられていたが、流量制御オリフィスはバルブより安価であるため、コストの低減にも寄与できる。
【００２１】
以下、上記したような優れた効果が得られる本発明の過酸化水素水添加装置について、更に詳細に説明する。図１は、本発明の過酸化水素水添加装置の概略を示す模試図である。
本発明の過酸化水素水添加装置３０は、大きくは、過水濃度管理機構部２８と、過水の添加機構部２９（以下、過水添加機構部）とからなる。そして、該過酸化水素水添加装置３０の過水濃度管理機構部２８では、後述する構成によって、循環スラリー中の過水濃度を正確に精度よく測定し、これにより循環スラリー中に不足している過酸化水素水量の検出を正確に精度よく行なう。検出の結果は、循環スラリー中に添加すべき過水の量を意味する信号として、コントローラーを介して過水添加機構部２９へと送られる。過水添加機構部２９では、後述する構成によって、上記信号に応じた微小量の過水が、過水の貯蔵タンク７からスラリータンク３１内へと正確な流量で加圧供給される。この結果、スラリータンク３１内の過水濃度を常に一定に保つことが可能となる。上記の構成を有するため、本発明の過酸化水素水添加装置３０を用いることで、スラリー供給装置２７を介して研磨装置２６へと供給されるスラリー中の過水濃度は、常に一定に保たれたものとなる。以下、本発明の過酸化水素水添加装置３０を構成する、過水濃度管理機構部２８と、過水添加機構部２９の詳細について説明する。
【００２２】
図２は、本発明の過酸化水素水添加装置３０を構成する一例の過水濃度管理機構２８を説明するための模式図である。図中の１はスラリー供給ラインであり、２〜４は、バルブであり、５は圧力計、６は超音波濃度計である。本発明の過酸化水素水添加装置３０では、従来のように、過水濃度の測定を、スラリーが循環している系内で行なわずに、循環スラリーの一部を封入したものを測定用試料とし、スラリーの循環系から切り離した独立した系で過水の濃度の測定を行なう。上記のように構成するために、本発明においては、図２に示したように、スラリー供給ライン１の一部にバルブ２〜４を配置する。そして、過酸化水素濃度の測定を行わない時は、これらのバルブを使用して、バルブ２及び３を開、バルブ４を閉にした状態とすることで、スラリーを圧力計５を経由して超音波濃度計６内に導入し、常時循環させる。次に、過酸化水素濃度の測定を行う時は、コントローラー２２によって自動的にバルブ２及びバルブ３を閉の状態にすることで、測定系である圧力計５及び超音波濃度計６に、循環スラリーから一部のスラリーを封入する。尚、上記バルブ２及びバルブ３を閉の状態にする動きに連動させてバルブ４を開にすることで、スラリー供給ライン１におけるスラリーの循環は、過水濃度等の測定系とは無関係に継続するように構成されているため、測定処理とは無関係に、研磨処理は通常通りに行なわれる。
【００２３】
以上のように、本発明においては、過水の測定系をスラリーの循環系から独立したものとしているので、過水濃度の測定を超音波濃度計によって行なっているにもかかわらず、スラリーの流量、圧力による影響を低減させることが可能であり、測定精度を向上させることができる。更に、図２に示した例では、上記に加えて測定系に圧力計を配置し、過水濃度の測定と併行してスラリーの圧力の測定を行なう態様となっており、得られた圧力測定値によって、超音波濃度計で測定した過水濃度の測定値を補正演算する補正演算機構が設けられている。そして、下記に述べるようにすることで、特に超音波濃度計による過水濃度の測定値に影響を与える恐れのある圧力変動による影響を回避できるように構成されている。
【００２４】
圧力計５及び超音波濃度計６に封入されたスラリーについての、圧力及び過水濃度の測定は、コントローラー２２によって、予め設定してある測定待機時間が経過し、測定系が安定した後に行なわれるように制御されている。そして、上記測定系で得られた圧力測定値と過水濃度の測定値（以下、過水濃度測定値）はコントローラー２２に入力され、これらの測定値を用いてコントローラー２２で演算が行なわれて、圧力補正がされた過水濃度測定値がコントローラー２２に記録される。図２に示した例では、以上のようにして測定系を静置させてから過水の濃度を測定するので、超音波濃度計によって過水濃度を測定した場合に測定誤差の原因となる、流量と圧力の影響を排除することが可能である。更に、上記においては、併行して測定した圧力測定値によって過水濃度の補正をしているので、より圧力の影響が排除された過水濃度の測定値が得られる。この結果、過水の濃度測定を、正確に且つバラツキのない状態で精度よくすることが可能となる。
【００２５】
更に、本発明では、上記のようにして測定された過水濃度の測定値がコントローラー２２に記録された後、再び、バルブ２及び３を開き、且つバルブ４を閉にすることで、測定系内にスラリーを通して循環させる。そして、再び、前述したスラリー封入、各測定、圧力測定値及び過水濃度測定値のコントローラー２２への入力、コントローラー２２で演算された後、圧力補正がされた過水濃度測定値がコントローラー２２へ記録される。過水濃度測定値の信頼性を向上させるためには、上記した一連の濃度測定動作を数回繰り返し、数個の濃度記録値が、予め設定しておいた許容誤差範囲内に入ったときに、これらの数個の濃度記録値の平均をとり、かかる値を、ある過水濃度測定時間における濃度測定結果としてコントローラー２２に記録するように制御することが好ましい。
【００２６】
図３は、本発明の過酸化水素水添加装置３０を構成する過水添加機構部２９を模式的に示す図である。スラリータンク３１へ過水を添加する場合は、先ず、スラリータンク３１に設置されているレベル計２１からのアナログ信号をコントローラー２２が受信してスラリータンク容量を算出し、予め入力されたスラリー供給ライン中の容量を加算して全スラリー容量を算出する。次に、この全スラリー容量から、スラリー中の過水濃度を所望の濃度にするために必要な原液過酸化水素水（以下、原液過水と呼ぶ）の添加量（不足量）をコントローラー２２での演算により算出する。
【００２７】
図１及び３に示したように、本発明の過酸化水素水添加装置では、先ず、工場等から加圧供給されてくる原液過水を貯蔵タンク７に充填し、かかるタンクから過水を加圧供給して循環スラリー中に過水を添加する。この際の加圧供給は下記のようにして行なわれる。貯蔵タンクにそれぞれ接続されている、排気用のベントバルブ１３を閉、窒素ガスラインにあるバルブ１２を開とすると、貯蔵タンク７は加圧されるが、この状態が、スラリータンク３１への原液過水の添加待機状態である。先に述べたようにして、コントローラー２２での演算によってスラリータンク３１への原液過水の添加量が算出されると、バルブ１６とバルブ１９が開になって、スラリータンク３１への原液過水の添加が行われる。図３に示した例では、原液過水の添加は、Ｎ₂レギュレーター２０で調整されたＮ₂圧力と、流量制御オリフィス１８の働きによって、常に一定の流量で行われ、更に、その添加量は、羽根車式流量計１７からのパルスをコントローラー２２に入力し、瞬時にパルスをカウントして積算することにより定量されて、総添加量が所望の量となるまで原液過水の添加が行なわれる。この結果、所望する原液過水をスラリー中に正確に添加することができる。
【００２８】
特に、上記したように、流量計に羽根車式流量計を用い、更に、添加する原液過水の流量制御に、従来のようにバルブを用いるのではなく流量制御オリフィスを用いることは好ましい形態であり、かかる組み合わせとすることで、所望する量の原液過水をスラリー中に、正確に、脈動なく円滑に行なうことが可能となる。この結果、ウェーハ基板上に形成された金属膜表面の研磨を、より均一に、しかも再現性よく行なうことができる。
【００２９】
図４は、本発明に好適に用いられる羽根車式流量計１７の概略平面図である。羽根車式流量計１７は、図４に例示したように、スラリー供給ライン１の流路に対して直角な位置に回転軸３２を有し、該流路内に突き出るようにして、例えば、４枚の羽根を持った羽根車３３が配置されている。そして、羽根車３３は、流量に比例した回転数で回転し、それぞれの羽根がセンサー３４を通過する毎にパルス信号が発信されるようになっている。
【００３０】
図３中に示した１８は、原液過水の供給ラインに配置した添加状態を制御するための流量制御オリフィスであるが、図３に示したように、過水の供給経路に配置されている。従来の装置では、バルブが使用されていたが、本発明者らの検討によれば、バルブであると、原液過水の添加流量を一定に維持することが困難であった。これに対して、過酸化水素水添加装置３０とスラリータンク３１との設置距離に応じて添加流量を変更できる流量制御オリフィスを使用すれば、原液過水の添加流量を常に一定に維持することが可能となることがわかった。即ち、流量制御オリフィス１８のサイズを、過酸化水素水添加装置３０と、スラリータンク３１の設置距離に応じて適宜に決定することで、バルブ１９の絞り具合による調整を必要とせず、且つ、原液過水の貯蔵タンク７からの加圧によって、一定圧力で脈動のない供給が行なえるようになる。更に、このような流量制御オリフィスに、上記した羽根車式流量計を組み合わせることによって、羽根車式流量計１７による定量を精度よく行なうことのできる流量での原液過水の添加が可能となる。
【００３１】
又、羽根車式流量計１７は、一旦、流量制御オリフィス１８と貯蔵タンク７への加圧圧力を調整して流量を一定にした後に行なう校正操作によって、羽根車式流量計１７の１パルスあたりの流量が決定できるので、この値をパルスカウントによる積算定量に使用すれば、瞬時に原液過水の添加総量を算出することが可能となる。尚、流量制御オリフィス１８或いは貯蔵タンク７への加圧圧力値を変更するまでは、校正操作の必要がないので、この点でも操作が簡便であり、有効である。
【００３２】
図３に示した例では、原液過水の添加が終了した後に、次回の添加動作に備えるために、下記のような貯蔵タンク７への原液過水の充填動作が行われる。先ず、貯蔵タンク７のベントバルブ１３を開にした状態で、工場の原液過水の加圧供給ラインに接続されたバルブ１４が開かれて、貯蔵タンク７に収納される容量を制御するためのＨレベルセンサー９まで、原液過水が充填される。そして、Ｈレベルセンサー９に到達した段階で、バルブ１４が閉じて充填が止まるように構成されている。
【００３３】
図３に示した例では、上記において、もしもＨレベルセンサー９が故障によって検知しない場合には、ＨＨレベルセンサー８まで充填したときに充填が停止し、警報を出す安全機構が設けられている。更に、図３に示した例では、これらのセンサーやバルブの故障によって、ＨＨレベルセンサー８を超えても充填が止まらないことが生じて、排気ダクトまで原液過水が入ってしまうという非常に危険な状態を回避する必要が生じた場合を想定して、排気トラップに設置したオーバーフローセンサー２４に原液過水が到達したとき、ベントバルブ１３を閉じる一方で排水バルブ２５を開けて、オーバーフローした原液過水を排水として捨てる動作を行うことのできる、２重の安全機構をも有している。
【００３４】
通常の場合は、先に述べた動作によって正常にＨレベルセンサー９まで原液過水が充填された後は、原液過水の自己分解と気泡の発生を抑えるため、ベントバルブ１３を閉、バルブ１２を開にして、過水貯蔵タンク７内をＮ₂にて加圧して待機する。
【００３５】
又、図３に示した例では、下記に述べるようにして、貯蔵タンク７の純水洗浄を行うことも可能である。先ず、純水洗浄の運転開始操作を行うと、貯蔵タンク７内に残留している過水を排出するために、Ｎ₂供給ラインに配置されているバルブ１２が開、バルブ１１及び１４が閉、バルブ１５が開となって、Ｎ₂圧送にて、貯蔵タンク７内の残留液が、バルブ１５の先にある排水ラインに排出される。貯蔵タンク７のＬレベルセンサー１０より液レベルが下がった後に、予め設定した時間排出動作が継続された後、バルブ１１及び１５が閉、バルブ１３が開となって、貯蔵タンク７の圧抜きが行われる。次に、純水の供給ラインに配置されているバルブ１１が開となって、貯蔵タンク７内へと純水が供給され、液レベルがＨレベルセンサー９に到達するまで純水が充填される。この後、バルブ１２を開、バルブ１３を閉、バルブ１５を開とすることで、Ｎ₂圧送にて充填した純水を排水ラインに排出する。この場合も、残留過酸化水素水の排出操作と同様に、貯蔵タンク７のＬレベルセンサー１０より、純水の液レベルが下がった後、予め設定した時間排出動作を継続させた後、バルブ１１及び１５が閉、バルブ１３が開となって、貯蔵タンク７の圧抜きが行われる。このようにして行なわれる純水の充填及び排出動作を、予め設定した回数行うことによって、貯蔵タンク７の純水洗浄が良好に行われる。
【００３６】
図５に、本発明の過酸化水素水添加装置をスラリー供給システムに適用した場合の概略構成図を示した。研磨装置２６で安定したウェーハの研磨を行うためには、循環しているスラリー中の過水の濃度を一定にする必要があるが、本発明の過酸化水素水添加装置を用いれば達成できる。図５に基づいて説明すると、研磨装置２６へ供給するためのスラリーは、先に説明した過水添加機構２９によって所定の過水濃度に調整されてスラリータンク３１に貯蔵された後、スラリータンク３１からスラリー供給装置２７を経て、スラリー供給ライン１によって常時循環され、使用されている。スラリー中の過水濃度は、下記に述べるようにして常に一定に保たれるように構成されている。
【００３７】
コントローラー２２によって予め設定された、ある過水濃度測定時間がきたとき、過水濃度測定機構２８によってスラリー中の過水濃度が測定され、濃度測定結果がコントローラー２２に記録される。この過水濃度測定機構２８の濃度測定結果が、所望の濃度以下の場合には、スラリー中の過水濃度を所望の濃度にするために、先に説明したようにして過水添加機構２９によって、スラリータンク３１中へ不足している過水の添加が行われる。
【００３８】
一連の過水濃度測定と過水添加の後、予め設定した待機時間を経て、再度、過水濃度測定機構２８による前述の過水濃度測定動作を行い、過水添加機構２９による添加によって所望の濃度に到達したか否かを確認する。所望の濃度に到達していれば、次回の過水濃度測定時間までは装置はアイドリングとなるが、所望の濃度に到達していない場合には、再び添加動作が行われる。この後も所望の濃度に達したことが確認されるまで、濃度測定動作と添加動作が繰り返され、この結果、循環しているスラリー中の過水の濃度が一定に保たれる。
【００３９】
【実施例】
次に、好ましい実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。
先ず、過水濃度測定機構及び過水添加機構について、下記に述べる検討を行なった。
（１）過水濃度測定機構について
図２に示す模式図において、バルブ２からバルブ３の測定系の配管中に、濃度が既知である過酸化水素水を含んだスラリーを表１に示した各圧力で封入し、超音波濃度計６にて各圧力におけるスラリー中の過水濃度の測定を行った。そして、得られた結果を表１に示した。
【００４０】

【００４１】
表１に示したように、この結果から、超音波濃度計６によって得られる過水濃度の測定結果は、圧力に比例して高い値となっていることが確認できた。そこで、上記表１の結果を用いて、圧力変動によって生じる過水濃度の測定値のバラツキを補正することについて検討した。この結果、比例定数を−０．０００６と定め、下記式によって、圧力変動によって生じる過水濃度の測定値のバラツキを補正すれば、超音波濃度計によって精度の高い測定が可能となることがわかった。式中のＴは、過水濃度の測定と併行して測定した結果得られた各スラリーの圧力である。

【００４２】
上記の式を用いて各圧力Ｔにおける圧力補正を施した場合と、施さなかった場合の比較を行い、超音波濃度計による過水濃度の実測値に対して、圧力補正を施した場合の効果を確認した。図８〜１０は、その結果を示すグラフである。この結果、濃度が既知である過水を含んだスラリーについて、圧力補正を施さずに過水の濃度を測定した場合は、圧力の上昇に比例して真値からの誤差が大きくなることが確認できた。これに対して、上記した圧力変動に対する補正をすることによって、真値からの誤差の少ない状態で、過水の濃度の測定が可能であることがわかった。従って、過水の濃度の測定と併行してスラリーの圧力を測定し、上記した補正を行なえば、圧力変動による影響を受けることなくスラリー中の過水の濃度を、超音波濃度計によって、精度よく、正確に測定することが可能となる。
【００４３】
（２）過水濃度添加機構について
図３に模式的に示した回路を有する過水濃度添加機構を作成し、コントローラー２２によって任意の過水の吐出量を指定し、貯蔵タンク７から、窒素ラインを用いて原液過水を加圧排出し、メスシリンダーにて実際に排出された量を測定した。この際、加圧用窒素の圧力が一定の場合と変動した場合について試験し、指定した吐出量に対し、それぞれの場合の原液過水の排出量がどのようになるかの比較実験を行った。その結果を、表２及び図１１に示した。
【００４４】

【００４５】
表２に示したように、貯蔵タンク７から窒素ラインを用いて過水を加圧排出する際の加圧用窒素の圧力が一定の場合に比べて、該圧力が変動した場合には、明らかに、指定した吐出量に対して排出量が少なく、誤差が大きくなることが確認できた。逆にいえば、貯蔵タンクを使用すれば吐出圧力を一定にすることが可能であり、更に、以上のように構成すれば、スラリーへの過水の添加にあたって、所望する量を正確に、且つ精度よく添加できることが確認できた。
【００４６】
実施例１
図１に示したような試験プラントを作成した。そして、タングステン研磨用シリカスラリー（キャボット・マイクロエレクトロニクス・コーポレーション社製Ｓｅｍｉ−ＳｐｅｒｓｅＷ２０００）に対して、濃度３５ｗｔ％の原液過水を添加することを試みた。本実施例では、過水濃度の測定は、超音波濃度計（富士工業（株）社製超音波液体濃度計ＦＵＤ−１ＭＯＤＥＬ−１１）によって行なった。又、同時に測定系に封入したスラリーの圧力を、圧力計（サーパス工業（株）社製プレッシャーセンサーＴＰＬ−５Ａ−Ｎ）によって測定した。過水の貯蔵タンクの容量は２Ｌのもの、スラリータンクには、容量が２００Ｌのものを使用した。そして、スラリー供給装置によって３Ｌ／ｍｉｎの速度で、上記したスラリーを循環させた。
【００４７】
本実施例では、スラリーに添加する過水の添加量を定量するために、羽根車式流量計（東京計装（株）社製ミニホイールフローメーターＷ８１２−１−Ｔ）を用いた。更に、これと共に流量制御オリフィス（φ１．５ｍｍ）を用いた。又、コントローラーには、（横河電機（株）社製プログラマブルコントローラーＦＡ−Ｍ３）を用いた。
【００４８】
上記した構成で、スラリーを循環させて、コントローラーに入力する所望の過水の濃度を２．００ｗｔ％とした。スラリータンク中の過水濃度を、所望の濃度である２．００ｗｔ％よりも低めの約１．８５ｗｔ％に調整した。そして、試験プラントによる、循環スラリーの過水濃度の測定、不足量の算出及び原液過水の添加の一連の動作を行ない、循環スラリー中の過水濃度を所望の濃度に調整することを試みた。そして、運転前と運転後に、スラリータンク内からスラリーをサンプリングして、それぞれ過水濃度を測定した。表３に、得られた結果を示した。この結果、表３に示されているように、所望の濃度２．００ｗｔ％に対して、±０．０２ｗｔ％の範囲内で、精度よく正確にスラリータンク中の過水濃度をコントロールできることが確認できた。
【００４９】

【００５０】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、半導体基板上に形成された金属薄膜を平坦化するための研磨処理に使用される循環スラリー中の過酸化水素水の量を、常に一定の最適な状態に保持することができ、しかも経済性に優れる過酸化水素水添加装置が提供される。更に、本発明によれば、上記の優れた過酸化水素水添加装置を用いることで、高い品質の半導体製品が効率よく安定して提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の過酸化水素水添加装置の模式的な概略図である。
【図２】本発明の過酸化水素水添加装置の過水濃度管理機構を説明するための模式的な概略図である。
【図３】本発明の過酸化水素水添加装置の添加機構を説明するための模式的な概略図である。
【図４】本発明で使用する羽根車式流量計の模式的な概略図である。
【図５】本発明の過酸化水素水添加装置をスラリー供給システムに適用した場合の概略構成図である。
【図６】本発明で使用する超音波式流量計の模式的な概略図である。
【図７】渦式流量計を説明するための模式図である。
【図８】超音波濃度計による過水濃度の実測値に対して、圧力補正の有無による違いを示す結果の図である。
【図９】超音波濃度計による過水濃度の実測値に対して、圧力補正の有無による違いを示す結果の図である。
【図１０】超音波濃度計による過水濃度の実測値に対して、圧力補正の有無による違いを示す結果の図である。
【図１１】過酸化水素水の添加の際の圧力変動の有無が添加量に及ぼす影響を示す結果の図である。
【符号の説明】
１：スラリー供給ライン
２、３、４：バルブ
５：圧力計
６：超音波濃度計
７：貯蔵タンク
８：ＨＨレベルセンサー
９：Ｈレベルセンサー
１０：Ｌレベルセンサー
１１、１２：バルブ
１３：ベントバルブ
１４、１５、１６：バルブ
１７：羽根車式流量計
１８：流量制御オリフィス
１９：バルブ
２０：Ｎ₂レギュレーター
２１：レベル計
２２：コントローラー（ＰＬＣ）
２３：排水トラップ
２４：オーバーフローセンサー
２５：バルブ
２６：研磨装置
２７：スラリー供給装置
２８：過水濃度測定機構
２９：過水添加機構
３０：過酸化水素水添加装置
３１：スラリータンク
３２：回転軸
３３：羽根車
３４：センサー
３５：測定管
３６：圧電素子
３７：超音波の伝播
３８：渦発生体
３９：渦
４０：渦検出体

Claims

ウェーハ基板上に形成された金属膜表面の研磨を行なう場合に使用される循環しているスラリーに過酸化水素水を添加するための過酸化水素水添加装置において、少なくとも、研磨工程で使用しているスラリー中の過酸化水素水濃度を測定して過酸化水素水の不足量を検出する過酸化水素水の濃度管理機構と、該不足量をスラリー中に添加してスラリー中の過酸化水素水濃度を所望の濃度とするための過酸化水素水の添加機構とを有し、上記濃度管理機構が、循環しているスラリーの一部を封入することで、循環しているスラリーの系から切り離した独立した測定系で過酸化水素水濃度を超音波濃度計によって測定するものであり、且つ、上記添加機構が、過酸化水素水の貯蔵タンクを用い、該タンクに加圧を行なって過酸化水素水の供給を行ない、該供給流量を流量計によって定量し、該定量値を積算することで過酸化水素水の添加量を定量しながら添加を行なう方式を有することを特徴とする過酸化水素水添加装置。
更に、前記測定系に圧力計が設けられ、該圧力計によって過酸化水素水濃度の測定と併行して封入されたスラリーの圧力を測定し、得られた圧力測定値によって超音波濃度計で測定した過酸化水素水濃度の測定値を補正演算する補正演算機構を有する請求項１に記載の過酸化水素水添加装置。
前記流量計が、羽根車式流量計であり、更に、過酸化水素水の供給経路に、過酸化水素水添加装置とスラリータンクとの設置距離に応じて添加流量を変更でき、添加流量を一定に維持できる流量制御オリフィスが設けられており、羽根車式流量計からのパルスを瞬時に積算することで過酸化水素水の総添加量の定量を行ないながら過酸化水素水の供給が行なわれる請求項１に記載の過酸化水素水添加装置。
過酸化水素水の供給状態を前記羽根車式流量計が精度よく定量できる流量に調整した後、校正操作によって羽根車式流量計から発信される１パルスあたりの流量を算出し、算出した値を用いて羽根車式流量計からのパルス数を積算することで過酸化水素水の総添加量の定量を行なう請求項１に記載の過酸化水素水添加装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の過酸化水素水添加装置を用いることを特徴とする過酸化水素水の添加方法。