JP6946166B2

JP6946166B2 - 研磨装置および研磨方法

Info

Publication number: JP6946166B2
Application number: JP2017244169A
Authority: JP
Inventors: 雄士山本; 慶太郎藤井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: JP2019107755A; CN109940504A

Description

本発明は、研磨剤を含有する研磨スラリーを用いて連続する被研磨物の表面の金属膜を研磨除去する研磨装置の技術に関し、研磨後の研磨スラリーを回収して再利用する研磨装置および研磨方法に関する。

従来から、金属や板ガラスなどの研磨においては、例えば、砥粒と呼ばれる粒状の研磨剤と水とを混合した研磨スラリーが用いられている。具体的には、被研磨面（研磨が施される面）に研磨スラリーを供給しつつ研磨パッドなどの研磨手段によって当該被研磨面を押圧しながら磨き上げる。このような技術は半導体などでも用いられている。またより高速に被研磨面を除去したい場合には、研磨スラリーに被研磨材料に対してエッチング性能のある成分を付加したＣＭＰスラリーとよばれる研磨スラリーを用いて研磨をすることがある。このＣＭＰスラリーに含有される研磨剤としては、コロイダルシリカ等の高価なものも多く、一回のみの使用によって研磨スラリーを破棄することとすれば、研磨剤のコスト増大を招く。このようなことから、被研磨部材の研磨終了後、使用された研磨スラリーを被研磨部材より直ちに除去するとともに、除去した研磨スラリーを回収して再利用する研磨装置が知られている（例えば、「特許文献１」を参照。）。

一方で、被研磨対象物の基材も様々なものが存在しており、近年では剛性の大きい基材以外に柔らかい基材の研磨も望まれている。これら柔軟な基材をウェブ状にして使用することにより、ロールｔｏロールによる材料供給方法での製造法が容易になりつつあり、量産化効果の大きいウェブ状処理が期待されている。

そのため、柔軟性のあるウェブ状基材表面に形成された金属膜を安価にかつ高品位に除去する方法を用いてロールｔｏロールによる材料供給方式におけるフィルム表面の連続研磨装置および方法が必要とされている。

特開２０１５−１０３２２３号公報

上述のように、高価な研磨材を含むＣＭＰ研磨スラリーを使い切りとすると、研磨材コストの増加、排液量増容化による環境負荷の増加、あるいは研磨スラリー交換に伴う諸条件出し時間の増加等の問題がある。

そこで、本開示では研磨スラリーをリサイクルする研磨装置を提供することを目的としている。

本開示に係る研磨装置は、表面に金属を有するシート状の被研磨物を上流から下流に送りながら前記被研磨物の前記表面の金属を連続研磨する研磨装置であって、
上流側で前記被研磨物の研磨を行う第１研磨ユニットと、
下流側で前記被研磨物の研磨を行う第２研磨ユニットと、
前記被研磨物に作用させるためのＣＭＰ研磨スラリーの新液を前記第２研磨ユニットに供給する新液スラリーノズルと、
前記第２研磨ユニットでの研磨に用いられた前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の回収機構と、
回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液を前記第１研磨ユニットに供給する旧液スラリーノズルと、
を備える。

以上のように本開示の研磨装置および研磨方法によれば研磨スラリーの使用量を削減することができる。

実施の形態１に係る研磨装置の構成を示す模式図である。実施の形態１に係る研磨装置における研磨スラリーの新液使用量の変化を示すグラフである。実施の形態１に係る研磨装置にて研磨した被研磨物表面の金属残査量を示すグラフである。実施の形態２に係る研磨装置の構成を示す概略図である。研磨スラリー内の過酸化水素濃度と研磨除去レートとの関係を示すグラフである。過酸化水素濃度を調整した場合と調整しなかった場合の研磨除去レートと過酸化水素濃度の変化のグラフである。実施の形態３に係る研磨装置の構成を示す概略図である。研磨スラリー内の金属イオン成分を変化させた場合の被研磨面の表面粗さの変化の関係を示す図である。

第１の態様に係る研磨装置は、表面に金属を有するシート状の被研磨物を上流から下流に送りながら前記被研磨物の前記表面の金属を連続研磨する研磨装置であって、
上流側で前記被研磨物の研磨を行う第１研磨ユニットと、
下流側で前記被研磨物の研磨を行う第２研磨ユニットと、
前記被研磨物に作用させるためのＣＭＰ研磨スラリーの新液を前記第２研磨ユニットに供給する新液スラリーノズルと、
前記第２研磨ユニットでの研磨に用いられた前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の回収機構と、
回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液を前記第１研磨ユニットに供給する旧液スラリーノズルと、
を備える。

第２の態様に係る研磨装置は、上記第１の態様において、回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を測定する濃度測定ユニットと、
前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を所定の濃度に調整する濃度調整ユニットと、
を更に備えてもよい。

第３の態様に係る研磨装置は、上記第２の態様において、過酸化水素の前記所定の濃度は、０．５ｗｔ％以上かつ０．８２ｗｔ％以下であってもよい。

第４の態様に係る研磨装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液中の前記金属を構成する金属イオン成分を測定する金属イオン測定ユニットと、
前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の前記金属イオン成分が３００ｇ／Ｌを超えた場合に回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液を廃棄する廃棄機構と、
を更に備えてもよい。

第５の態様に係る研磨装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記金属は、銅で構成されていてもよい。

第６の態様に係る研磨方法は、上記第１から第５のいずれかの態様の前記研磨装置を用いて、被研磨物の研磨を行う。

以下、実施の形態に係る研磨装置及び研磨方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態１に係る研磨装置１００について、図１にて説明する。
図１は、本開示の実施の形態１に係る研磨装置１００の構成を示した概略図である。この研磨装置１００は、研磨剤と水などからなるＣＭＰ研磨スラリーを用いて、例えば、被研磨物１０１であるフィルム表面の金属箔を研磨するとともに、研磨後の研磨スラリーを回収して再利用する研磨装置である。この研磨装置１００は、研磨スラリーが付着した連続するシート状被研磨物１０１を矢印の方向に搬送する搬送手段１０２と、上流側の第１研磨ユニット１０３と、下流側の第２研磨ユニット１０４と、から構成される。第１研磨ユニット１０３および第２研磨ユニット１０４は、それぞれ第１及び第２研磨工具１０５，１０８と、第１及び第２エアーノズル１０６，１０９と、第１及び第２シュート１０７，１１０と、を備える。第１及び第２研磨工具１０５，１０８によって、搬送されたシート状被研磨物１０１の表面の金属箔を研磨する。第１及び第２エアーノズル１０６，１０９によって、搬送手段１０２により搬送される連続するシート状被研磨物１０１に対して表面に付着している研磨後のＣＭＰ研磨スラリーをシート状被研磨物１０１の表面から除去する。第１及び第２シュート１０７，１１０によって、搬送手段の下方に配置され前記圧縮エアーにより前記フィルム１０１から除去された研磨スラリーを受け止めて回収する。また、研磨スラリーを供給する方法として、本研磨装置１００は、研磨スラリーの新液を定量供給するための研磨スラリー新液送液ポンプ１１１と、回収された研磨スラリーの旧液（スラリー廃液）を再度、定量送液するための研磨スラリー旧液送液ポンプ１１２と、を備える。

ここで、この研磨装置１００の実際の動作を説明する。ロール状態で供給されたシート状被研磨物１０１は、表面をウレタンなどによりコーティングされたローラなどで構成される搬送手段１０２を用いて一定の速度で供給する。供給された前記シート状被研磨物１０１は、第１研磨ユニットにある第１研磨工具１０５が、図示されていない加圧ユニットにより被研磨物１０１に押付けられながら回転することでシート状被研磨物１０１の表面の金属膜を除去する。なお、第１研磨工具１０５の中央部にはＣＭＰ研磨スラリーの旧液を供給するスラリーノズルが設けられており、前記第２研磨ユニット１０４の第２シュート１１０より回収された研磨スラリーの旧液を定量送液する研磨スラリー旧液送液ポンプ１１２により供給している。第１研磨工具１０５により金属膜を除去されたシート状被研磨物１０１は、第１エアーノズル１０６によって表面に残った研磨スラリーの旧液が第１シュート１０７に落とされ、シート状被研磨物１０１は、第２研磨ユニット１０４の第２研磨工具１０８に供給される。

第２研磨工具１０８は、図示されていない加圧ユニットにより被研磨物１０１に押付けられながら回転することでシート状被研磨物１０１の表面の金属膜を除去する。なお第２研磨工具１０８の中央部にはＣＭＰ研磨スラリーの新液を供給するスラリーノズルが設けられており、調合された研磨スラリーの新液を定量送液する研磨スラリー新液送液ポンプ１１１によって供給している。第２研磨工具１０８により金属膜を除去されたシート状被研磨物１０１は、第２エアーノズル１０９によって表面に残った研磨スラリーの旧液が第２シュート１１０に落とされ、ローラなどで構成される搬送手段１０２を用いて一定の速度で回収される。

図１に示す研磨装置において、実際に研磨を行った場合の研磨スラリーの新液使用量を図２のグラフに示す。本システムを使うことで研磨スラリーの新液使用量を４５％抑制することができた。また第４研磨ユニットまで増設し、第４研磨ユニットに研磨スラリーの新液を供給し、その排出された研磨スラリーを第３研磨ユニットに回し、第３研磨ユニットから排出された研磨スラリーを第２研磨ユニットに回し、第２研磨ユニットから排出された研磨スラリーを第１研磨ユニットに供給することでリサイクル回数３回とすることで研磨スラリーの新液使用量を６０％抑制できることが分かる。

またその一方で被研磨物表面の金属汚染量を誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）により測定した結果を図３に示す。縦軸は単位面積当たりに付着している汚染金属原子数である。なお今回の例は被研磨面が銅を主成分とする金属箔の場合である。従来の最終工程で旧液を使用する方法と比較し金属汚染量は減少し、新液を供給し続ける方法とほぼ同等のレベルであることが分かる。これは研磨の最終工程で研磨スラリーの新液を使用することで研磨スラリー液中に含まれるコンタミ成分を抑制できたことが主要因である。また従来の最終工程に旧液を使用する循環方法では研磨スラリーの循環時に接触する配管および金属部品の金属成分が溶け出し、被研磨面表面の銅以外の汚染量が増加した要因と見られる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係るフィルムの研磨装置１００ａの構成を示した概略図である。この研磨装置１００ａは、実施の形態１に係る研磨装置と対比すると、濃度測定ユニット４００と、濃度調整ユニット４１０と、を備える点で相違する。濃度測定ユニット４００によって、回収した研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を測定する。濃度調整ユニット４１０によって、研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を所定の濃度に調整する。
濃度調整ユニット４１０は、例えば、研磨スラリー旧液タンク４０１と、ポンプ４０６と、攪拌する撹拌プロペラ４０７とを含む。研磨スラリー旧液タンク４０１によって、前述の第２研磨ユニット１０４で回収された研磨スラリーの旧液（スラリー廃液）を一時貯蔵する。濃度測定ユニット４００によって、研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度が所定濃度未満であると検出すると、ポンプ４０６によって一時貯蔵した研磨スラリー旧液タンク４０１に過酸化水素水を定量供給する。
濃度測定ユニット４００は、例えば、滴定用タンク４０３と、ポンプ４０４と、酸化還元電位測定ユニット４０５と、を含む。滴定用タンク４０３には、測定用に定量を分けるポンプ４０２によって研磨スラリー旧液タンク４０１から定量分の研磨スラリーの旧液が取り分けられる。また、滴定用タンク４０３に、滴定試薬を定量供給するポンプ４０４が設けられている。酸化還元電位測定ユニット４０５は、滴定用タンク４０３に浸けられており、滴定判断するための酸化還元電位を測定する。また、濃度測定ユニット４００では、測定した酸化還元電位に基づいて研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を算出する計算部を含んでもよい。この計算部は、例えば、コンピュータ、具体的にはＣＰＵによって実現してもよい。なお、ポンプ４０２は、濃度測定ユニット４００に含んでもよい。
上記各部材から構成される中間処理槽が前述のパイプライン中に設置されている。

ここで、この研磨装置１００ａの実際の動作を説明する。第２研磨ユニット１０４で回収された研磨スラリーの旧液は、研磨スラリー旧液タンク４０１に一時貯蔵され、測定用に定量を分けるポンプ４０２により定量分を滴定用タンク４０３に取り分けられる。取り分けられた研磨スラリーの旧液には、酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定ユニット４０５が浸けられている。次に、ポンプ４０４を用いて酸化還元電位が極端に上昇するまで滴定試薬、例えば硫酸セリウムアンモニウム溶液、の供給を続け、供給した液滴試薬量から研磨スラリーの旧液に含まれる過酸化水素濃度が測定される。導出された過酸化水素濃度と目標とする過酸化水素濃度との差分に基づいて研磨スラリーの旧液に新規追加する過酸化水素水の必要量を導出し、矢印で示す信号を受け、研磨スラリー旧液タンク４０１にポンプ４０６を用いて過酸化水素水を供給する。研磨スラリー旧液タンク４０１内は成分の均一性を図るために攪拌プロペラ４０７が構成されているほうがよい。

図４に示す研磨装置において、研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を変化させた場合のシート状被研磨物の表面の銅を主成分とする金属箔の研磨除去レートを図５に示す。過酸化水素濃度によって大きくレートが変化していることがわかる。このデータから金属膜の除去レートを最大化しようとした場合、過酸化水素水の濃度を０．５ｗｔ％以上かつ０．８２ｗｔ％以下に調整し、より好ましくは０．７５ｗｔ％で安定させることが必要である。図６に図４の研磨装置を用いて過酸化水素濃度を０．５ｗｔ％以上０．８２ｗｔ％以下に調整した場合と調整をしない場合での研磨除去レートの結果を示す。調整をしなかった場合の加工レートが１／２まで悪化していることが分かる。これは金属膜除去の加工に過酸化水素が酸化剤として作用するため、研磨スラリーの新液で供給した過酸化水素成分が酸化反応により減少したことが原因である。以上のことから、研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を一定に制御することで、より加工時間を抑制することができる。

（実施の形態３）
図７は、実施の形態３に係る研磨装置１００ｂの構成を示した概略図である。この研磨装置１００ｂは、実施の形態１に係る研磨装置と対比すると、金属イオン測定ユニット７００と、廃棄機構７１０と、をさらに備える点で相違する。金属イオン測定ユニット７００によって、回収したＣＭＰ研磨スラリーの旧液中の金属を構成する金属イオン成分を測定する。廃棄機構７１０によって、ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の金属イオン成分が３００ｇ／Ｌを超えた場合に回収したＣＭＰ研磨スラリーの旧液を廃棄する。
廃棄機構７１０は、例えば、研磨スラリー旧液タンク７０１と、廃液ポンプ７０６と、を含む。研磨スラリー旧液タンク７０１によって、前述の第２研磨ユニット１０４で回収された研磨スラリーの旧液を一時貯蔵する。金属イオン測定ユニット７００によって、ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の金属イオン成分が３００ｇ／Ｌを超えたことが検出されると、廃液ポンプ７０６によって、研磨スラリー旧液タンク７０１から廃液タンク７０７に送液する。
金属イオン測定ユニット７００は、例えば、滴定用タンク７０３と、ポンプ７０４と、酸化還元電位測定ユニット７０５と、を含む。滴定用タンク７０３には、測定用に定量を分けるポンプ７０２によって研磨スラリー旧液タンク７０１から定量分の研磨スラリーの旧液が取り分けられる。また、滴定用タンク７０３に滴定試薬を定量供給するポンプ７０４が設けられている。酸化還元電位測定ユニット７０５は、滴定用タンク７０３に浸けられており、滴定判断するための酸化還元電位を測定する。また、金属イオン測定ユニット７００では、測定した酸化還元電位に基づいて研磨スラリーの旧液の金属イオン成分を算出する計算部を含んでもよい。この計算部は、例えば、コンピュータ、具体的にはＣＰＵによって実現してもよい。なお、ポンプ７０２は、金属イオン測定ユニット７００に含んでもよい。
上記各部材から構成される中間処理槽が前述のパイプライン中に設置されている。

ここで、この研磨装置１００ｂの実際の動作を説明する。第２研磨ユニット１０４で回収された研磨スラリーの旧液は、研磨スラリー旧液タンク７０１に一時貯蔵され、測定用に定量を分けるポンプ７０２により定量分を滴定用タンク７０３に取り分けられる。取り分けられた研磨スラリーの旧液には、酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定ユニット７０５が浸けられている。次に、ポンプ７０４を用いて酸化還元電位が極端に上昇するまで滴定試薬、例えば、銅イオンを測定する場合は、滴定試薬として過マンガン酸カリウム溶液の供給を続ける。そして、供給した液滴試薬量から研磨スラリーの旧液に含まれる銅イオン濃度が測定される。導出された銅イオン濃度が３００ｇ／Ｌ以下であった場合、研磨スラリー旧液送液ポンプ１１２によって第１研磨工具１０５に供給する。一方で、銅イオン濃度が３００ｇ／Ｌを上回った場合、被研磨物表面に傷をつける可能性が高くなることから、矢印で示す信号を受け、廃液ポンプ７０６を用いて研磨スラリーの旧液を廃液タンク７０７に送液し廃棄する。なお、先述した実施の形態２の過酸化水素濃度調整機構と併用する場合は、どちらを先にしてもかまわないが、金属イオン濃度測定後に過酸化水素濃度調整をするほうがなおよい。

図７に示す研磨装置の優位性を示すため、研磨スラリーの旧液中の金属イオン濃度を変化させた場合の、シート状被研磨物の表面粗さを図８に示す。金属イオン成分３００ｇ／Ｌを超えると著しく表面粗さが悪化していることが分かり、金属イオン濃度を３００ｇ／Ｌ以下にしなければならないことがわかる。

以上のように、ＣＭＰ研磨スラリーは高価であるため、研磨材コストの低減、排液量減容化による環境負荷の低減、あるいは研磨スラリー交換に伴う諸条件出し時間の削減等目的にリサイクル使用するのが有効である。一方、リサイクル研磨スラリーには研磨装置もしくは雰囲気からの汚染等に由来して、鉄、アルミニウム、銅、ニッケルのような微量の不純物金属イオン、不純物金属コロイド、不純物金属水酸化物等が混入することがある。これらの不純金属イオン等を含むＣＭＰ研磨スラリーを用いて研磨を行なった場合、不純金属イオンによって汚染されるという問題がある。また、異物が入り込むことでフィルム表面への擦過痕が形成され、十分な表面粗さを得ることができないという問題が発生する。よって、上記の構成により、研磨スラリーの成分の調整や金属イオンの検査を行うことで、この問題を解消し、高品質な研磨を実現できる。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る研磨装置によればフィルム表面に形成された金属薄膜の除去を高能率にすすめることができる。したがって、フレキシブルディスプレイやプリンタブルエレクトロニクスなどへの応用の可能性が考えられる。

１００、１００ａ、１００ｂ研磨装置
１０１シート状被研磨物
１０２フィルム搬送手段
１０３第1研磨ユニット
１０４第２研磨ユニット
１０５第１研磨工具
１０６第１エアーノズル
１０７第１シュート
１０８第２研磨工具
１０９第２エアーノズル
１１０第２シュート
１１１研磨スラリー新液送液ポンプ
１１２研磨スラリー旧液送液ポンプ
４００濃度測定ユニット
４０１研磨スラリー旧液タンク
４０２ポンプ
４０３滴定用タンク
４０４ポンプ
４０５酸化還元電位測定ユニット
４０６ポンプ
４０７攪拌プロペラ
４１０濃度調整ユニット
７００金属イオン測定ユニット
７０１研磨スラリー旧液タンク
７０２ポンプ
７０３滴定用タンク
７０４ポンプ
７０５酸化還元電位測定ユニット
７０６廃液ポンプ
７０７廃液タンク
７１０廃棄機構

Claims

表面に金属を有するシート状の被研磨物を上流から下流に送りながら前記被研磨物の前記表面の金属を連続研磨する研磨装置であって、
上流側で前記被研磨物の研磨を行う第１研磨ユニットと、
下流側で前記被研磨物の研磨を行う第２研磨ユニットと、
前記被研磨物に作用させるためのＣＭＰ研磨スラリーの新液を前記第２研磨ユニットに供給する新液スラリーノズルと、
前記第２研磨ユニットでの研磨に用いられた前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の回収機構と、
回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液を前記第１研磨ユニットに供給する旧液スラリーノズルと、
を備える、研磨装置。
回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を測定する濃度測定ユニットと、
前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の過酸化水素濃度を所定の濃度に調整する濃度調整ユニットと、
を更に備える請求項１に記載の研磨装置。
過酸化水素の前記所定の濃度は、０．５ｗｔ％以上かつ０．８２ｗｔ％以下である、請求項２に記載の研磨装置。
回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液中の前記金属を構成する金属イオン成分を測定する金属イオン測定ユニットと、
前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液の前記金属イオン成分が３００ｇ／Ｌを超えた場合に回収した前記ＣＭＰ研磨スラリーの旧液を廃棄する廃棄機構と、
を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記金属は、銅で構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の前記研磨装置を用いて、被研磨物の研磨を行う研磨方法。