(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学機械的研磨装置の研磨ヘッドの下部縁部に取り付けられて研磨中にウェーハが離脱されることを防止する研磨ヘッドの止め輪において、
リング状のリング体と、
前記リング体を前記研磨ヘッドに取り付けるため、前記リング体の上面に設けられる多数のねじ孔と、
前記研磨ヘッドの内部空間に流れ込んだ汚れ物を前記研磨ヘッドの回転時の遠心力により排出するため、前記リング体の内周面と外周面との間を貫通する多数の汚れ物排出口とを備え、
前記汚れ物排出口は、前記リング体の外周面上に形成された外側開口の面積が前記リング体の内周面上に形成された内側開口の面積よりも広いことを特徴とする研磨ヘッドの止め輪。
【請求項２】
前記汚れ物排出口は、前記ねじ孔の位置と重ならない位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項３】
前記汚れ物排出口は、前記リング体の外周に沿って実質的に等間隔で少なくとも６本設けられることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項４】
前記リング体の内周面上に形成された前記汚れ物排出口の全体の内側開口の横方向長さの合計は、前記リング体の内周の長さの少なくとも３０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項５】
前記汚れ物排出口の前記リング体の内周面上に形成された内側開口及び前記リング体の外周面上に形成された外側開口は、横長の形状の孔からなることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項６】
前記多数の汚れ物排出口の各々は、複数の内側孔と前記複数の内側孔を包んでいる単一の外側孔とからなることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項７】
前記外側孔の底面は、内側から外側に向かって下方に傾斜していることを特徴とする請求項６に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項８】
前記汚れ物排出口の貫通方向は、前記リング体の半径方向に対して研磨中に前記研磨ヘッドが回転する方向とは反対方向に所定角度捻じれていることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項９】
前記汚れ物排出口は、前記研磨ヘッドが前記ウェーハを真空吸着するときに空気が出入りするパージ孔としての役割を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッドの止め輪。
【請求項１０】
半導体ウェーハの表面を平坦化させるための化学機械的研磨装置において、
リング状のリング体と、前記リング体を研磨ヘッドに取り付けるため、前記リング体の上面に設けられる多数のねじ孔と、前記研磨ヘッドの内部空間に流れ込んだ汚れ物を前記研磨ヘッドの回転時の遠心力により排出するため、前記リング体の内周面と外周面との間を貫通する多数の汚れ物排出口とを含む研磨ヘッドの止め輪と、
前記ウェーハのローディング／アンローディングが行われるロードカップの内部に設けられるものであって、前記ウェーハがその上面に安着されるペデスタルに向けて純水を噴射する第１ノズルと、
前記ウェーハを真空吸着するため、前記研磨ヘッドの底面に取り付けられたメンブレインに向けて純水を噴射する第２ノズルとを含む汚れ物洗浄手段とを備え、
前記止め輪の前記汚れ物排出口は、前記リング体の外周面上に形成された外側開口の面積が前記リング体の内周面上に形成された内側開口の面積より広いことを特徴とする化学機械的研磨装置。
【請求項１１】
前記汚れ物洗浄手段は、前記止め輪の前記汚れ物排出口を介して前記汚れ物が流れ込む前記研磨ヘッドの内部空間に純水を噴射する第３ノズルを更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の化学機械的研磨装置。
【請求項１２】
前記止め輪の前記汚れ物排出口は、内側から外側に向かってその断面の横方向の幅が広くなっていることを特徴とする請求項１０に記載の化学機械的研磨装置。
【請求項１３】
前記第３ノズルは、前記ロードカップの内周面に沿って所定間隔をあけて少なくとも３つ設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の化学機械的研磨装置。
【請求項１４】
前記ロードカップの内周面に沿ってリング状の純水供給ラインが設けられ、前記第３ノズルは前記純水供給ラインに所定間隔をあけて多数個が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の化学機械的研磨装置。
【請求項１５】
前記第３ノズルは、前記汚れ物排出口の個数と同数に設けられていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の化学機械的研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の製造に用いられる化学機械的研磨装置に係り、詳細には、研磨ヘッドの内部に流れ込んだスラリー残骸などの汚れ物が効率良く排出できるようになった研磨ヘッドの止め輪及びこれを備えた化学機械的研磨装置に関する。
【０００２】
最近、半導体素子は、高集積化が進むにつれてその構造が多層化しつつある。これに伴い、半導体素子の製造工程中には半導体ウェーハの各層の平坦化のための研磨工程が必須である。この研磨工程では、主として化学機械的研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセスが適用されている。このプロセスによれば、狭い領域だけでなく、広い領域の平坦化においても優れた平坦度が得られるので、ウェーハの大口径化が進んでいる時勢に適している。
【０００３】
化学機械的研磨プロセスは、タングステンまたは酸化物などがコートされたウェーハの表面を機械的摩擦によって研磨させると同時に、化学的研磨剤によって研磨させるプロセスであって、極めて微細な研磨を可能にする。機械的研磨において、ウェーハは、研磨パッドという回転する研磨用プレート上に載置された状態に所定の荷重がかけられ、これにより研磨パッドとウェーハ表面との摩擦によってウェーハの表面が研磨される。これに対し、化学的研磨においては、研磨パッドとウェーハとの間に供給されるスラリーという化学的研磨剤によってウェーハの表面が研磨される。
【０００４】
以下、従来の化学機械的研磨装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、従来の化学機械的研磨装置の概略的な分解離斜視図である。
図１に示すように、従来の化学機械的研磨装置は、ベース１００と、ベース１００の上部に設けられる研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃと、ウェーハのローディング／アンローディングを行なうロードカップ（ｌｏａｄ−ｃｕｐ）３００と、ウェーハをホールドして研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの上面に密着回転させる複数の研磨ヘッド４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄを有するヘッド回転部４００とを備えている。
【０００５】
研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、短時間に多数枚のウェーハを処理するため、通常３枚が配置され、各々は回転正盤（図示せず）の上面に固着される。そして、研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの各々に隣接して研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの表面状態を調節するためのパッド調節器２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃと、研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの表面にスラリーを供給するスラリー供給アーム２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃとが設けられる。
【０００６】
ロードカップ３００は、ウェーハをローディング／アンローディングするためのものであって、その内部には、ウェーハがその上面に安着される円盤状のペデスタル３１０が設けられる。一方、ロードカップ３００では、後述のように、研磨ヘッド４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄの底面及びペデスタル３１０の上面の洗浄が行われる。
【０００７】
ヘッド回転部４００は、４枚の研磨ヘッド４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄと、４本の回転軸４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄとを備えている。研磨ヘッド４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄは、ウェーハをホールドして研磨が行われる間に研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ2、２１０ｃの上面に所定の圧力を加えて密着させる。回転軸４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄの各々は、４本の研磨ヘッド４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄの各々を回転させるためのものであって、ヘッド回転部４００のフレーム４０１に取り付けられる。ヘッド回転部４４０のフレーム４０１の内部には、４本の回転軸４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄを回転させるための駆動機構が設けられる。ヘッド回転部４００は中心軸４０２によって支持され、かつ、中心軸４０２を中心に回転自在に設けられる。
【０００８】
前述のように構成される従来の化学機械的研磨装置での工程進行順序を図１及び図２を参照しながら説明する。先ず、ウェーハ移送装置（図示せず）によってロードカップ３００に移送されてきたウェーハ１０は、ロードカップ３００のペデスタル３１０の上面に安着される。このとき、ウェーハ１０は、その位置が動かないようにペデスタル３１０の上面に真空吸着される。次に、ウェーハ１０はペデスタル３１０の上昇に連動して上昇してその上部に位置した研磨ヘッド４１０の底面に真空吸着される。研磨ヘッド４１０の底面に真空吸着されたウェーハ１０は、ヘッド回転部４００の回転によってロードカップ３００に隣接した研磨パッド２１０ａ上に移送される。そして、研磨ヘッド４１０が下降して研磨パッド２１０ａの上面にウェーハ１０を圧接させ、スラリーを供給し、研磨を行なう。このとき、研磨パッド２１０ａ及びウェーハ１０は同一方向に回転することになる。このように、ウェーハ１０は、３枚の研磨パッド２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを順次に経由した後に再びロードカップ３００に達してペデスタル３１０に安着される。次に、ウェーハ移送装置によってペデスタル３１０に安着されたウェーハ１０が化学機械的研磨装置の外部に移送される。
【０００９】
ウェーハ１０がアンローディングされると、研磨ヘッド４１０がロードカップ３００の内部に下降する。この状態で純水が噴射されて研磨ヘッド４１０の底面及びペデスタル３１０の上面の洗浄が行われる。洗浄が終わると、研磨ヘッド４１０及びペデスタル３１０が再び上昇し、ウェーハ移送装置によって新たなウェーハが移送されてペデスタル３１０の上面に安着される。
【００１０】
図３は図１のロードカップの斜視図であり、図４はその断面図である。
図３及び図４に示すように、前述のように、研磨ヘッド４１０の底面及びペデスタル３１０の上面を洗浄するため、、ロードカップ３００の洗浄槽３２０の内部には、純水を噴射する第１ノズル３３１及び第２ノズル３３２を備えた洗浄手段が設けられる。第１ノズル３３１は純水をペデスタル３１０の上面に向けて噴射するように設けられ、第２ノズル３３２は純水を研磨ヘッド４１０の底面に取り付けられたメンブレイン４１１に向けて噴射するように設けられる。メンブレイン４１１は、ウェーハを真空吸着する用途として使用される。第１ノズル３３１及び第２ノズル３３２はペデスタル３１０の周りに等間隔で３つ設けられる。一方、ロードカップ３００の洗浄槽３２０の内部には、ペデスタル３１０に安着されるウェーハを定位置させるため、これをガイドするウェーハ整列器３４０がペデスタル３１０の周りに等間隔で３つ設けられている。
【００１１】
洗浄槽３２０は円筒状の支持棒３５０によって支持され、支持棒３５０の内部には第１ノズル３３１及び第２ノズル３３２に純水を供給するための可撓性ホース３３６が設けられる。洗浄槽３２０の内部には、可撓性ホース３３６と第１ノズル３３１及び第２ノズル３３２を結ぶための洗浄水通路３３７が設けられる。
【００１２】
さらに、ペデスタル３１０にも、メンブレイン４１１を洗浄するため、純水を上方に向けて噴射する多数の噴射口３１１が設けられる。ペデスタル３１０の内部には、噴射口３１１に通じる側方向水通路３１２が設けられ、側方向水通路３１２はペデスタル３１０を支持する筒状のペデスタル支持棒３１５の内部に形成された垂直方向水通路３１３に通じる。
【００１３】
前述のように、ロードカップ３００は、ウェーハのローディング／アンローディングだけでなく、研磨ヘッド４１０の底面及びペデスタル３１０を洗浄する役割もする。この洗浄段階は、ウェーハの化学機械的研磨工程において極めて重要である。化学機械的研磨工程の特性から、スラリー残骸や研磨されたシリコン粒子などの汚れ物が生じ、汚れ物の一部は研磨ヘッド４１０の底面に取り付けられたメンブレイン４１１及び／またはペデスタル３１０の表面に残留する。メンブレイン４１１及び／またはペデスタル３１０の表面に残留した汚れ物は後続してローディングされるウェーハに移されて研磨工程中にウェーハの表面上にマイクロスクラッチを生じるおそれがある。このマイクロスクラッチは、半導体素子のゲート酸化膜の電流漏れまたはゲートラインブリッジなどの欠陥を招き、半導体素子の収率及び信頼性を低下させる原因となる。従って、研磨工程中にはメンブレイン４１１及び／またはペデスタル３１０の表面に残留した汚れ物を純水で洗い取ることによって、前述の問題を未然に防止する必要がある。
【００１４】
ところで、従来の化学機械的研磨装置の構造からは、前述の洗浄手段によっては汚れ物が完全に洗い取れない問題点がある。この問題点を図５ないし図７を参照して説明する。
図５は、従来の化学機械的研磨装置の研磨ヘッドの概略断面図であり、図６は、図５のＡ部分の拡大詳細図であり、図７は、図５の止め輪の斜視図である。
【００１５】
化学機械的研磨装置の研磨ヘッド４１０は、ウェーハをホールドして研磨パッド上に所定の圧力を加えて密着回転させる役割をする。このとき、研磨ヘッド４１０は、ウェーハの上面を真空吸着することになる。このため、研磨ヘッド４１１の内部には真空ライン４１９が設けられ、研磨ヘッド４１０の下部には真空ライン４１９と連通される多数の孔４１５が形成されたメンブレイン支持プレート４１４が設けられる。メンブレイン支持プレート４１４の底面にはメンブレインパッド４１６が密着されている。メンブレインパッド４１６の底面及びメンブレイン支持プレート４１４の外周面は、ウェーハと直接接触される柔らかな材質のメンブレイン４１１が取り囲んでいる。メンブレイン４１１は、メンブレインクランプ４１７によってメンブレイン支持プレート４１４に固定される。そして、研磨ヘッド４１０の下部縁部、すなわち、メンブレイン４１１の周りには、研磨中にウェーハが外側に離脱されることを防止するための止め輪（Ｒｅｔａｉｎｅｒ  ｒｉｎｇ）４１２が設けられる。止め輪４１２には、メンブレイン４１１によるウェーハの真空吸着時に、メンブレイン４１１の外周面と止め輪４１２の内周面との間に形成された狭い空間４１８の内部空気が流出入されるパージ孔がその外周面に沿って等間隔で４本設けられている。
このような構成を有する研磨ヘッド４１０において、メンブレイン４１１と止め輪４１２との間には、ウェーハに荷重をかけるときにメンブレイン４１１が昇降できるように約０．２５４ｍｍの狭い隙間Ｄが存在する。ところが、この隙間Ｄを介して研磨中に供給されたスラリー及びその他の汚れ物が狭い空間４１８に流れ込み、狭い空間４１８に流れ込んだスラリーなどの汚れ物は前述のような従来の洗浄手段によっては洗い取れない。すなわち、図４に示された第１ノズル３３１及び第２ノズル３３２から噴射される純水は、その噴射方向及び隙間Ｄの狭小によって空間４１８内に流れ込んだ汚れ物を洗い取れない。また、図７に示すように、止め輪４１２には４本のパージ孔４１２１設けられているが、これはその直径が僅か２ｍｍであって、空間４１８内に流れ込んだ汚れ物がこれを介してはほとんど排出できない。従って、空間４１８内に流れ込んだ汚れ物は排出できず、時間が経つにつれて次第に溜り、おまけに水分が蒸発して固くなる。
【００１６】
このように空間４１８内に流れ込んで固くなったスラリーなどの汚れ物はメンブレイン４１１の上下移動または研磨時に発生される振動によって研磨中に研磨パッドの表面に落とされる。このとき、研磨パッドの表面に落とされる汚れ物の寸法は数μｍ以上であって、ウェーハの表面にマイクロスクラッチを生じる原因となる。
【００１７】
前述のように、従来の化学機械的研磨装置においては、その研磨ヘッドの構造の問題から、研磨ヘッドの内部に流れ込んで固くなったパーチクル、スラリー残骸などの汚れ物がウェーハの表面上に傷をつけることにより、半導体素子の収率及び信頼性が低下される短所がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述のような従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、その第１目的は、研磨ヘッドの内部に流れ込んだスラリー残骸などの汚れ物が効率良く排出できるようになった研磨ヘッドの止め輪を提供することである。
【００１９】
本発明の第２目的は、研磨ヘッドの内部に流れ込んだスラリー残骸などの汚れ物を洗い取る洗浄手段及び止め輪を備えた化学機械的研磨装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
目的を達成するため、本発明に係る研磨ヘッドの止め輪は、化学機械的研磨装置の研磨ヘッドの下部縁部に取り付けられて研磨中にウェーハが離脱されることを防止するためのものであって、リング状のリング体と、リング体を研磨ヘッドに取り付けるため、リング体の上面に設けられる多数のねじ孔と、研磨ヘッドの内部空間に流れ込んだ汚れ物を研磨ヘッドの回転時の遠心力により排出するため、リング体の内周面と外周面との間を貫通する多数の汚れ物排出口とを備え、汚れ物排出口は、リング体の外周面上に形成された外側開口の面積がリング体の内周面上に形成された内側開口の面積よりも広いことを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、汚れ物排出口の位置は、ねじ孔の位置と重ならない位置に形成されている。汚れ物排出口はリング体の外周に沿って実質的に等間隔で少なくとも６本設けられ、リング体の内周面上に形成された汚れ物排出口の全体内側開口の横方向長さの合計は、リング体の内周の長さの少なくとも３０％以上を占める。
【００２２】
さらに、好ましくは、汚れ物排出口のリング体の内周面上に形成された内側開口及びリング体の外周面上に形成された外側開口は、横長の形状の孔からなっている。
【００２３】
さらに、好ましくは、多数の汚れ物排出口の各々は、複数の内側孔及び複数の内側孔を包括する単一の外側孔からなり、外側孔の底面は外側に向かうほど次第に低くなっている。
【００２４】
本発明の他の実施例として、汚れ物排出口の貫通方向は、リング体の半径方向に対して研磨中にウェーハ研磨ヘッドが回転する方向とは反対方向に所定角度捻じれていることが好ましい。
【００２５】
このような汚れ物排出口は、研磨ヘッドがウェーハを真空吸着するときに空気が流出入されるパージ孔としての役割を兼ねることになる。
【００２６】
一方、ウェーハの表面を平坦化させるための化学機械的研磨装置は、リング状のリング体と、リング体を研磨ヘッドに取り付けるため、リング体の上面に設けられる多数のねじ孔と、研磨ヘッドの内部空間に流れ込んだ汚れ物を排出するため、リング体の内周面と外周面との間を貫通する多数の汚れ物排出口を有する研磨ヘッドの止め輪と、ウェーハのローディング／アンローディングが行われるロードカップの内部に設けられるものであって、ウェーハがその上面に安着されるペデスタルに向けて純水を噴射する第１ノズルと、ウェーハを真空吸着するため、研磨ヘッドの底面に取り付けられたメンブレインに向けて純水を噴射する第２ノズルとを含む汚れ物洗浄手段とを備え、止め輪の汚れ物排出口は、リング体の外周面上に形成された外側開口の面積がリング体の内周面上に形成された内側開口の面積より広くなっており、研磨ヘッドの内部空間に流れ込んだ汚れ物を研磨ヘッドの回転時の遠心力により排出することを特徴とする。
【００２７】
ここで、好ましくは、止め輪の汚れ物排出口を介して汚れ物が流れ込む研磨ヘッドの内部空間に純水を噴射する第３ノズルを含む汚れ物洗浄手段を備えている。また、止め輪の汚れ物排出口は、外側にいくほど次第にその断面の横方向の幅が大きくなるようになっている。
【００２８】
さらに、好ましくは、第３ノズルはロードカップの内周面に沿って等間隔で少なくとも３つ設けられる。さらに、ロードカップの内周面に沿ってリング状の純水供給ラインが設けられ、第３ノズルは純水供給ラインに所定間隔をあけて多数個設けられる。ここで、第３ノズルは汚れ物排出口の個数と同数設けられる。
【００２９】
このように、本発明によれば、研磨ヘッドの内部の空間に流れ込んだスラリー残骸など、ウェーハの表面上に傷をつける汚れ物を効率良く排出または洗浄でき、これにより、傷による半導体素子の欠陥が減少される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。
図８は、本発明の一実施例による止め輪が取り付けられた研磨ヘッドの部分断面図であり、図９は、図８の止め輪の部分抜粋斜視図である。
図８及び図９に示すように、ウェーハの表面を平坦化させるための化学機械的研磨装置は、ウェーハをホールドして研磨パッドの上面に所定の荷重をかけて密着回転させる研磨ヘッド６１０を備えている。このとき、研磨ヘッド６１０は、ウェーハの上面を真空吸着することになり、このため研磨ヘッド６１０の内部には真空ラインが設けられ、研磨ヘッド６１０の下部には真空ラインと連通される多数の孔が形成されたメンブレイン支持プレート６１４が設けられている。メンブレイン支持プレート６１４の底面にはメンブレインパッド６１６が密着されており、メンブレインパッド６１６の底面及びメンブレイン支持プレート６１４の外周面はウェーハと直接接触される柔らかな材質からなるメンブレイン６１１が取り囲んでいる。メンブレイン６１１は、メンブレインクランプ６１７によってメンブレイン支持プレート６１４に固定される。そして、研磨中にウェーハが離脱されることを防止するため、研磨ヘッド６１０の下部縁部、すなわち、メンブレイン６１１の周りには止め輪６１２が位置する。
【００３１】
研磨ヘッド６１０の内部には狭い空間６１８が存在し、ここには、メンブレイン６１１の外周面と止め輪６１２の内周面との間の狭い隙間Ｄを介して前述の汚れ物が流れ込む。このように、空間６１８に流れ込んだ汚れ物が溜まって固くなると、ウェーハの表面上に傷をつけるおそれがあるため、これを直ちに外部に排出させる必要がある。
【００３２】
これにより、本発明の止め輪６１２には、研磨ヘッド６１０の内部空間６１８に流れ込むスラリー残骸、研磨されたシリコン粒子など、汚れ物を外部に排出させるための汚れ物排出口６１２３が設けられている。ウェーハの研磨時には、研磨ヘッド６１０は通常反時計回り方向に回転し、これにより空間６１８に流れ込んだ汚れ物は遠心力によって汚れ物排出口６１２３を介して外部に排出できる。一方、汚れ物排出口６１２３は、メンブレイン６１１によるウェーハの真空吸着時に空気が流出入されるパージ孔としての役割も兼ねることになるので、別途のパージ孔を設ける必要がない。
【００３３】
汚れ物排出口６１２３は、リング体６１２１の内周面と外周面との間を貫通して形成されている。すなわち、リング体６１２１の内周面上には汚れ物排出口６１２３の内側開口６１２６が形成され、リング体６１２１の外周面上には汚れ物排出口６１２３の外側開口６１２７が形成されている。従って、内側開口６１２６は研磨ヘッド６１０の内部空間６１８に接することになり、外側開口６１２７は研磨ヘッド６１０の外部に開放される。
【００３４】
そして、汚れ物排出口６１２３は、リング体６１２１の外周に沿って実質的に等間隔で少なくとも６本設けられている。図９は、１２本の汚れ物排出口６１２３を有する止め輪６１２を示す。さらに、リング体６１２１の内周面上に形成されている汚れ物排出口６１２３の全体内側開口６１２６の横方向の長さの合計は、リング体６１２１の内周の長さの少なくとも３０％以上であることが好ましい。これは、リング状に形成された空間６１８の内部に流れ込んだ汚れ物がある一部で溜まることなくどの方向へでも円滑に排出できるようにする。
【００３５】
一方、止め輪６１２を研磨ヘッド６１０の下部に取り付けるためのねじ孔６１２２がある。ねじ孔６１２２は、リング体６１２１の上面に等間隔で１２本が設けられる。もし、ねじ孔６１２２の位置と汚れ物排出口６１２３の位置とが重なっていれば、止め輪６１２の強度が低下されるおそれがあるため、これを避けるため、汚れ物排出口６１２３は隣接した２本のねじ孔６１２２の間に形成されている。
【００３６】
汚れ物排出口６１２３の内側開口６１２６及び外側開口６１２７は、横長の形状の孔からなることが好ましい。汚れ物排出口６１２３の開口面積が必要以上に大きくなると、止め輪６１２の強度の低下を招く。従って、止め輪６１２の強度維持及び汚れ物の円滑な排出のため、長孔形状の開口６１２６、６１２７をもつ汚れ物排出口６１２３が適している。
【００３７】
そして、多数の汚れ物排出口６１２３の各々は、複数の内側孔６１２４と単一の外側孔６１２５とからなり、単一の外側孔６１２５は複数の内側孔６１２４を包んでいる。図９は、３本の内側孔６１２４とこれを包んでいる単一の内側孔６１２５からなる汚れ物排出口６１２３を示す。このような汚れ物排出口６１２３の形状は、内側開口６１２６の面積を狭めると共に、止め輪６１２の強度を増大させる。
【００３８】
汚れ物排出口６１２３は、外側開口６１２７の面積が内側開口６１２６のそれよりも広いことが好ましい。このため、外側孔６１２５の底面は外側にいくほど次第に低くなるように傾斜している。従って、空間６１８から内側開口６１２６に流れ込んだ汚れ物が途中で詰まることなく円滑に研磨ヘッド６１０の外部に排出できる。
【００３９】
前述のように、本発明に係る研磨ヘッド６１０の止め輪６１２には、多数の汚れ物排出口６１２３が設けられる。従って、研磨ヘッド６１０の内部の空間６１８に流れ込むスラリー残骸、研磨されたシリコン粒子などの汚れ物が溜まって固くなる前に外部に排出できるので、ウェーハの表面に傷をつけるような要因が減少される。
【００４０】
図１０は、本発明の他の実施例による止め輪の水平断面図である。前述のように、ウェーハの研磨時には研磨ヘッドは通常逆時計回り方向に回転し、これにより研磨ヘッドの内部の空間に流れ込んだ汚れ物は遠心力によって汚れ物排出口８１２３を介して研磨ヘッドの外部に排出される。ところで、汚れ物は流動性があるため、その回転角速度が止め輪８１２の回転角速度よりも遅くなる恐れがある。さらに、汚れ物の回転角速度と止め輪８１２の回転角速度とが同じであっても、その線速度には差がでる。すなわち、止め輪８１２の内周面よりもその外周面の線速度が速くなる。これにより、遠心力によって外部に排出される汚れ物は汚れ物排出口８１２３の内壁面に衝突して抵抗を受けるため、汚れ物の円滑な排出が妨げられる。
【００４１】
従って、図１０に示すように、本発明の他の実施例では、汚れ物排出口８１２３の貫通方向はリング体８１２１の半径方向に対して研磨中にウェーハ研磨ヘッドが回転する方向とは反対方向に所定角度捻じれている。換言すれば、逆時計回り方向に回転する止め輪８１２の半径方向中心線ｃに対して汚れ物排出口８１２３の中心線ｐが時計回り方向に所定角度捻じれている。もし、止め輪８１２が時計回り方向に回転すれば、汚れ物排出口８１２３は逆時計回り方向に所定角度捻じれることになる。
【００４２】
このように、汚れ物排出口８１２３が所定角度捻じれていると、前述の線速度の差によって生じる汚れ物と汚れ物排出口８１２３の内壁面との摩擦抵抗が最小化できるので、汚れ物がより円滑に排出できるようになる。
【００４３】
一方、この実施例でも、汚れ物排出口８１２３は多数本設けられ、それ各々は前述の実施例でのような理由から、複数の内側孔８１２４とこれを包んでいる単一の外側孔８１２５とからなる。
【００４４】
図１１は、本発明に係る洗浄手段を備えている化学機械的研磨装置のロードカップの斜視図であり、図１２は、図９の止め輪及び図１１の洗浄手段を備えている化学機械的研磨装置において、研磨ヘッドの底面と内部空間及びペデスタルを洗浄する状態を示すものである。
【００４５】
本発明に係る化学機械的研磨装置には、前述の汚れ物排出口６１２３を有する止め輪６１２だけでなく、汚れ物排出口６１２３を介して研磨ヘッド６１０の内部の空間６１８に純水を噴射する第３ノズル７３３を含む洗浄手段が設けられている。
【００４６】
化学機械的研磨装置のロードカップ７００ではウェーハのローディング／アンローディングがなされ、かつ、研磨ヘッド６１０及びペデスタル７１０に残留したパーチクル、スラリー残骸、研磨されたシリコン粒子などの汚れ物を洗い取る作業が行われる。これにより、図１１及び図１２に示すように、ロードカップ７００の洗浄槽７２０の内部には、汚れ物を洗い取るため、純水を噴射する第１ノズル７３１、第２ノズル７３２及び第３ノズル７３３を備えた洗浄手段が設けられる。第１ノズル７３１は、純水をウェーハが安着されるペデスタル７１０の上面に向けて噴射するように設けられ、第２ノズル７３２は、純水をウェーハを真空吸着するため、研磨ヘッド６１０の底面に取り付けられたメンブレイン６１１に向けて噴射するように設けられている。そして、本発明の特徴部をなす第３ノズル７３３は、研磨ヘッド６１０の内部に形成された空間６１８に止め輪６１２に形成された汚れ物排出口６１２３を介して純水が噴射できるように設けられている。第１ノズル７３１、第２ノズル７３２及び第３ノズル７３３は、ペデスタル７１０の周りに等間隔で３つずつ設けられる。しかし、ノズル７３１、７３２、７３３の個数は研磨ヘッド６１０の寸法などによって適宜変更できる。特に、第３ノズル７３３の個数は、止め輪６１２に設けられた汚れ物排出口６１２３と同数にできる。
【００４７】
一方、図１１に示すように、ウェーハ整列器７４０は、ペデスタル７１０に安着されるウェーハの位置を固定させる役割を果たす。
洗浄槽７２０は円筒状の支持棒７５０によって支持され、支持棒７５０の内部には、第１ノズル７３１、第２ノズル７３２及び第３ノズル７３３に純水を供給するための可撓性ホース７３６が設けられている。可撓性ホース７３６は洗浄槽７２０の内部に設けられた洗浄水通路７３７の一端部に連結され、洗浄水通路７３７の他端部は第１ノズル７３１、第２ノズル７３２及び第３ノズル７３３に連結されている。
【００４８】
さらに、ペデスタル７１０にも、メンブレイン６１１を洗浄するため、純水を上向きに噴射する多数の噴射口７１１を設けることが可能である。ペデスタル７１０の内部には噴射口７１１に通じる側方向水通路７１２が設けられ、側方向水通路７１２はペデスタル７１０を支持する筒状のペデスタル支持棒７１５の内部に形成された垂直方向水通路７１３に通じる。このように、本発明に係る化学機械的研磨装置には、汚れ物排出口６１２３を有する止め輪６１２のほかにも、汚れ物排出口６１２３を介して研磨ヘッド６１０の内部空間６１８に純水を供給する第３ノズル７３３を含む洗浄手段が設けられている。第３ノズル７３３によって噴射された純水は空間６１８に流れ込んだ汚れ物が固くなることを抑え、かつ、汚れ物を洗い取って研磨ヘッド６１０の外部に排出させることによって、空間６１８内に汚れ物が溜まって固着されることが防止される。
【００４９】
図１３は、本発明の他の実施例による洗浄手段を備えている化学機械的研磨装置のロードカップの斜視図である。
図１３に示すように、本実施例による化学機械的研磨装置は、ロードカップ７００の洗浄槽７２０の内周面に沿って設けられたリング状の純水供給ライン８３４を有する洗浄手段が設けられている。純水供給ライン８３４は、図１２に示された洗浄水通路７３７に通じる。さらに、純水供給ライン８３４には所定間隔をあけて多数個の第３ノズル８３３が設けられている。第３ノズル８３３の個数は、止め輪６１２に設けられた汚れ物排出口６１２３と同数にできる。第１ノズル７３１及び第２ノズル７３２は、前述の実施例でのように、ペデスタル７１０の周りに等間隔で３つ設けられる。
【００５０】
前述の実施例によれば、汚れ物が流れ込んだ空間６１８内のより広い部位に持続的に純水を流すことができる。
【００５１】
図１４は、本発明のさらに他の実施例による止め輪の水平断面図である。
図１４に示すように、本実施例による止め輪９１２には、多数本の汚れ物排出口９１２３が設けられ、各々は前述の実施例と同じ理由から、複数の内側孔９１２４とこれを包んでいる単一の外側孔９１２５とからなる。そして、汚れ物排出口９１２３は、リング体９１２１の内周面上に形成された内側開口の面積よりもリング体９１２１の外周面上に形成された外側開口の面積がより広いことが好ましい。このため、外側孔９１２５は、外側にいくほど次第にその断面の横方向の幅が広くなっている。
【００５２】
このような実施例による止め輪９１２によれば、前述の第３ノズル（図１２の７３３）から噴射される純水が、汚れ物排出口９１２３を介して研磨ヘッドの内部の空間により多く流れ込まれる。これにより、汚れ物の洗浄効果がより増大する。
【００５３】
以下、前述のような本発明の効果を図１５ないし図１８に示されたグラフを参照しながら説明する。
図１５は、量産中のウェーハの表面上のマイクロスクラッチの発生頻度を示すグラフである。ここで、左側のグラフＡは従来の化学機械的研磨装置によって研磨された場合を表わし、右側のグラフＢは本発明による化学機械的研磨装置により研磨された場合を表わす。そして、横軸の数値はテストの回数を表わし、縦軸の数値はウェーハスキャン装備であるＫＬＡ装備（ＫＬＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆ）を使ってテストしたウェーハ１枚当たりマイクロスクラッチの発生個数を表わす。
【００５４】
図１５のグラフから明らかなように、従来の場合には、量産時の標準として設定されたウェーハ１枚当たりのマイクロスクラッチ２０個を超える場合がしばしば生じ、その平均もウェーハ１枚当たり約２２．７個であって、標準を超えることが分かる。ところで、本発明によれば、ウェーハ１枚当たり約７．４個のマイクロスクラッチが生じ、これは標準よりも著しく低い。
【００５５】
図１６は、テストウェーハの表面上のマイクロスクラッチの発生頻度を示すグラフである。ここで、左側のグラフＣは従来の化学機械的研磨装置によって研磨された場合を表わし、右側のグラフＤは本発明に係る化学機械的研磨装置によって研磨された場合を表わす。そして、横軸の数値はテストの回数を表わし、縦軸の数値はＳＦＳまたはＡＩＴ装備を使ってテストしたウェーハ１枚当たり欠陥またはマイクロスクラッチの発生個数を表わす。
【００５６】
図１６のグラフから明らかなように、テスト装備別に多少の差はあるが、従来の場合にはウェーハ１枚当たり約１５００〜３０００個の欠陥及びマイクロスクラッチが発生されていたのに対し、本発明によれば、ウェーハ１枚当たり約３５〜２５０個の欠陥及びマイクロスクラッチが生じることが分かる。
【００５７】
下記表１は、前述の図１５及び図１６のグラフに表わしたデータをまとめて比較したものである。
【表１】
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表１から明らかなように、本発明に係る量産用ウェーハの場合には、ウェーハ表面上のマイクロスクラッチが従来に比べて平均６７．４％減少し、本発明に係るテストウェーハの場合にはウェーハ表面上の欠陥及びマイクロスクラッチが平均９０％以上減少した。
このように、本発明によれば、ウェーハ表面上の欠陥及びマイクロスクラッチの発生頻度が従来の場合に比べて顕著に減少する効果が得られる。
【００５８】
一方、本発明に係る化学機械的研磨装置によれば、後述のような付加的な効果も得られる。
図１７は、従来の化学機械的研磨装置によるウェーハ表面上の位置別の研磨量を示すグラフであり、図１８は、本発明に係る化学機械的研磨装置によるウェーハ表面上の位置別の研磨量を示すグラフである。グラフ中、横軸はウェーハ上の位置を表わし、縦軸の数値は各位置別の研磨量を表わす。
【００５９】
図１７のグラフから明らかなように、従来の化学機械的研磨装置によれば、ウェーハエッジ部の研磨量が中心部の研磨量よりも少ないことが分かる。このような現象は、ウェーハエッジ部の研磨速度が中心部の研磨速度よりも遅いために生じる。従って、従来には、ウェーハ全体の平坦度が低下される問題点があった。しかし、図１８のグラフに示すように、本発明に係る化学機械的研磨装置によれば、ウェーハエッジ部の研磨量と中心部の研磨量が同じくなる。この現象は、ウェーハエッジ部の研磨速度（単位時間当たり研磨量）が高まってウェーハ中心部の研磨速度に近づいたことに起因する。本発明によれば、研磨ヘッドの止め輪には汚れ物排出口が設けられる。汚れ物排出口を介して排出される汚れ物中のスラリーが止め輪の外周面に沿って下方に流れてウェーハエッジの方に供給されることによって、ウェーハエッジ部へのスラリーの量が増え、これによりウェーハエッジ部の研磨速度が従来に比べて速くなる。
【００６０】
下記表２は、従来のウェーハの平坦度及び本発明に係るウェーハの平坦度を比較したものである。ここで、平坦度は、研磨されたウェーハ表面上の最大高さと最低高さとの差を平均高さで割った数値を百分率（％）に換算表示したものである。
【表２】
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表２から明らかなように、従来の化学機械的研磨装置によるウェーハの平坦度は平均５．４０％であるのに対し、本発明に係る化学機械的研磨装置によるウェーハの平坦度は平均１．５９％であって、顕著に改善されたことが分かる。
前述のように、本発明によれば、ウェーハエッジ部の研磨速度が高まることによってウェーハ表面全体の研磨速度が一様になり、これによりウェーハの平坦度が向上される。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、研磨ヘッドの内部の空間に流れ込むスラリー残骸、研磨されたシリコン粒子などの汚れ物が、溜まって固くなる前に研磨ヘッドの止め輪に設けられた汚れ物排出口を介して円滑に排出できる。さらに、第３ノズルを有する洗浄手段によって研磨ヘッドの内部の空間に流れ込んだ汚れ物をより効率良く洗い取ることができる。
【００６２】
従って、このような汚れ物によるウェーハ表面上のスクラッチ発生頻度が減少されるので、スクラッチによる半導体素子の欠陥が減少されて、半導体素子の収率及び信頼性が向上される効果がある。さらに、ウェーハ表面全体の研磨速度が一様になってウェーハの平坦度が向上される効果がある。
【００６３】
本発明は図面に示された実施例を参考に説明されたが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当分野における通常の知識を有した者なら、これより各種の変形及び均等な他実施例が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の化学機械的研磨装置の概略的な分解斜視図である。
【図２】研磨工程中のウェーハの移動を説明するための、従来の化学機械的研磨装置の概略的な平面図である。
【図３】従来の化学機械的研磨装置ののロードカップの斜視図である。
【図４】研磨ヘッドの底面及びペデスタルの上面を洗浄する手段を示す、従来の化学機械的研磨装置のロードカップの断面図である。
【図５】従来の化学機械的研磨装置の研磨ヘッドの概略的な断面図である。
【図６】従来の化学機械的研磨装置の研磨ヘッドの部分断面図である（図５のＡ部分）。
【図７】従来の止め輪の斜視図である。
【図８】本発明の一実施例による止め輪が取り付けられた研磨ヘッドの部分断面図である。
【図９】図８の止め輪の部分抜粋斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施例による止め輪の水平断面図である。
【図１１】本発明に係る洗浄手段を備えた化学機械的研磨装置のロードカップの斜視図である。
【図１２】図９の止め輪及び図１１の洗浄手段を備えた化学機械的研磨装置において、研磨ヘッドの底面と内部空間及びペデスタルを洗浄する状態を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施例による洗浄手段を備えた化学機械的研磨装置のロードカップの斜視図である。
【図１４】本発明のさらに他の実施例による止め輪の水平断面図である。
【図１５】ウェーハ表面上のマイクロスクラッチの発生頻度を示すグラフである。
【図１６】ウェーハ表面上のマイクロスクラッチの発生頻度を示すグラフである。
【図１７】従来の化学機械的研磨装置によるウェーハ表面上の位置別の研磨量を示すグラフである。
【図１８】本発明に係る化学機械的研磨装置によるウェーハ表面上の位置別の研磨量を示すグラフである。
【符号の説明】
６１０    研磨ヘッド
６１１    メンブレイン
６１２    止め輪
６１４    メンブレイン支持プレート
６１６    メンブレインパッド
６１７    メンブレインクランプ
６１８    狭い空間
６１２１    リング体
６１２３    汚れ物排出口
６１２４    内側孔
６１２５    外側孔
Ｄ    隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004012668.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004012668.tif 000010
【図８】
0004012668.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0004012668.tif 000013
【図１１】
0004012668.tif 000014
【図１２】
0004012668.tif 000015
【図１３】
0004012668.tif 000016
【図１４】
0004012668.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
0004012668.tif 000019
【図１７】
0004012668.tif 000020
【図１８】
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