(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドであって、
底面を有したキャリアを備え、該底面は、研磨工程中に基板を保持するようになっている下面を含み、キャリアは、研磨工程中に研磨物質を研磨面に分配するために下面の周りの底面を貫通して延びている複数のポートを備え、
前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、
前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、
前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることが可能であることを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項２】
前記複数のポートは研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配するようになっていることを特徴とする請求項１記載の研磨ヘッド。
【請求項３】
前記複数のポートはリテーナリング内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の研磨ヘッド。
【請求項４】
前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の研磨ヘッド。
【請求項５】
前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間の周りに均等な間隔で配置されていることを特徴とする請求項４記載の研磨ヘッド。
【請求項６】
前記複数のポートは、２〜３０個のポートからなることを特徴とする請求項４記載の研磨ヘッド。
【請求項７】
前記複数のポートは、さらに、メンテナンス操作中にリテーナリングとサブキャリア間の環状空間を洗浄するようになっていることを特徴とする請求項４記載の研磨ヘッド。
【請求項８】
研磨面と、前記研磨面に基板を位置決めするための請求項１乃至７のいずれか１項に記載の研磨ヘッドとを備えたことを特徴とする化学的機械研磨装置。
【請求項９】
研磨面と、研磨工程中に基板を保持するようになっている下面を含む底面を有したキャリアとを備えた研磨装置を用いて表面を有した基板を研磨する方法であって、
前記方法は、基板をキャリアの下面に位置決めする工程と、基板の表面を研磨面に押圧するようにキャリアを研磨面に付勢する工程と、キャリアの底面を通して研磨物質を研磨面に分配する工程とを備え、
前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、
前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、
前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることを特徴とする研磨方法。
【請求項１０】
研磨装置は研磨剤を含有するスラリーを複数のポートに供給することができるスラリー供給部を備え、研磨物質を研磨面に分配する工程は、スラリーを研磨面に分配する工程からなることを特徴とする請求項９記載の研磨方法。
【請求項１１】
前記研磨装置は、洗浄用流体を複数のポートに供給することができる洗浄用流体供給部と、スラリー供給部と洗浄用流体供給部との間を切り替えるバルブとを備えており、前記方法は、さらに、基板の研磨の後、複数のポートを洗浄する工程を含むことを特徴とする請求項１０記載の研磨方法。
【請求項１２】
研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めする研磨ヘッドであって、
研磨工程中に基板を保持するようになっているキャリアと、キャリアから吊下されているリテーナリングと、研磨工程中に研磨ヘッドから化学物質を研磨面に分配する手段とを備え、リテーナリングはキャリアに保持された基板の周りに配置され、
前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、
前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、
前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることが可能であることを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項１３】
研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配する手段からなることを特徴とする請求項１２記載の研磨ヘッド。
【請求項１４】
前記研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、リテーナリング内に配置されている複数のポートからなることを特徴とする請求項１２記載の研磨ヘッド。
【請求項１５】
前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されていることを特徴とする請求項１４記載の研磨ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を研磨しかつ平坦化するためのシステム、装置及び方法に係り、特に、化学的機械的平坦化または研磨（ＣＭＰ）装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、ＣＭＰと称される化学的機械的平坦化または研磨は、半導体や他のタイプの基板を平坦化または研磨する方法である。所定の処理工程の間に半導体基板またはウエハの表面を平坦化することによって、デバイス上により多くの回路層を垂直方向に形成することが可能となる。個々の構造（feature）のサイズが減少し、密度（デンシティ）が増加し、かつ半導体ウエハのサイズが大きくなるにつれて、ＣＭＰプロセスの必要条件がより厳しくなっている。ウエハ間プロセスの均一性およびウエハの表面の平坦化の均一性は、半導体製品を低いコストで製造する観点から重要な問題である。半導体ウエハ表面上の構造物のサイズが小さくなるにつれて、現在では典型的には約０．２ミクロンであるが、不均一な平坦化処理に関連する問題が増加している。この問題は、ウエハ面内の不均一性（ＷＩＷＮＵ）問題と称されることがある。
【０００３】
従来から均一性の問題の一因となる多くの理由が知られている。これらの理由は、平坦化処理の間、ウエハ裏面の圧力がウエハに加えられる態様、ウエハの中心領域とウエハのエッジ部において典型的に異なる研磨パッドとウエハ間の相互作用から生ずるエッジ効果の不均一性、および研磨処理の間に材料の除去プロファイルを平坦化又は調整することによって好ましく補償できる可能性がある金属及び／又は酸化物層の不均一な付着（成膜）を含んでいる。上述の問題を同時に解決しようとする試みは、これまで完全には成功していなかった。
【０００４】
ウエハ裏面の研磨圧力の性質に関しては、従来の機械は、典型的にはウエハを研磨面に押圧するために硬い背部のヘッド（ハードバックヘッド）、すなわち半導体ウエハの背面を直接に押圧する硬い受入れ面を有したヘッドを用いている。結果として、ヘッドの受入れ面の何らかの変動、またはウエハと受入れ面との間に捕捉された何らかの材料の存在は、ウエハの裏面に不均一な圧力を加えることになる。これゆえ、ウエハの表面は研磨面に順応しなくなり、平坦化の不均一性という結果になる。さらに、そのような硬い背部のヘッドのデザインは、ウエハと研磨面との間の妥当な程度の順応性を得るために比較的高い研磨圧力（例えば、約６ｐｓｉから約８ｐｓｉの範囲の圧力）を用いなければならない。そのような比較的高い圧力のために、ウエハは効果的に変形して、ウエハのある領域からはあまりにも多量の材料が取り除かれ、他の部分からあまりにも少量の材料が取り除かれることになり、品質の悪い平坦化の結果となる。
【０００５】
硬い背部のヘッドに伴う上述の問題を解消する試みがなされており、硬い背部のシステムにおいて、いくらかの柔らかさを与える試みとして、受入れ面と研磨されるウエハとの間にインサートを設けている。このインサートはウエハインサートと呼ばれることが多い。これらのインサートはウエハ間の変動につながるプロセス変動という結果になることが多いという問題点がある。この変動は一定ではなく、すなわち、決定論的なものではない。変動の１つの要因は、研磨工程において用いられる水またはスラリー等の他の流体の吸収である。インサートによって吸収される水の量は、その寿命の間増加するので、しばしばウエハ間のプロセス変動がある。これらプロセスの変動は、使用前にインサートを水に漬けて予めコンディショニングすること及びその特性変化が許容できる限度を超える前にインサートを取り替えることによって限られた範囲に制御することができる。このことは、初期の使用期間をもっと後の使用期間にするようなものであるが、これは装置のメンテナンスコストを増加させることになり、かつプロセスのスループットを減少させることになる。さらに、例えば、インサートの厚さの変動、インサートのしわ、および硬い背部のヘッドとインサートの間またはインサートとウエハとの間に捕捉された物質などによって、容認できないプロセスの変動がまだ認められる。
【０００６】
また、インサートを用いる場合には、インサートが貼着される全面の微調整が必要となる。というのは、表面の何らかの不均一性、表面の不完全性、すなわち、ヘッド表面の平坦性または平行性からの逸脱は、ウエハ表面の全域にわたる平坦性の変動として現れるからである。例えば、従来のヘッドにおいては、ヘッドを設置する前に、アルミナまたはセラミックプレートが製作され、それからラッピングおよび研磨される。そのような製作方法によれば、ヘッドのコストが増加するとともに装置全体のコストが増加し、特にマルチヘッドの場合には、ヘッドのコストが増加するとともに装置のコストが増加する。
【０００７】
一方、柔らかな背部のヘッド（ソフトバックヘッド）を用いた場合には、ウエハは研磨パッドに押圧されるが、インサートの柔らかい材質ゆえにウエハが変形を起こさない。その結果、低い研磨圧力が使用可能であり、研磨パッドに対するウエハ表面の適合性（順応性）が変形なしで達成され、それゆえ研磨の均一性と良好な平坦化の両方が達成可能である。ウエハ上のダイ間の類似した構造部（features）における研磨速度は同一であるため、少なくとも一部においては、よりよい平坦化の均一性が得られる。
【０００８】
近年、柔らかな背部のヘッドを用いる試みがなされているが、この試みは完全には満足がいくものではなかった。このソフトバックヘッドの１つは、米国特許第６，０１９，６７１号公報（発明者シェンドン（Shendon））に記載されており、ここに参照によって明細書中に組み入れられる。シェンドンはヘッドの下面に伸張されたメンブレンまたは柔軟性のある部材により基板を研磨面に対して押圧するために加圧されるチャンバまたはキャビティを形成することを教示している。インサートを用い、またはインサートを用いないでハードバックヘッドについての意味がある改良がなされているが、このアプローチは全体として多くの理由から十分とはいえない。このアプローチの１つの問題は、メンブレンとウエハ間に捕捉された物質による不均一性を減らすことまたは除去することがなされてはいない、ということである。別の問題は、ロードまたはアンロード操作の間、メンブレンのために、ウエハをヘッドに保持するための真空を使用することができないことである。さらに、メンブレンの使用によって、現実にメンブレンの表面の厚さや柔軟性の変動および不適切に装着されたことによって起こり得るメンブレンのしわ等の新たな変数が導入されることによって、不均一性が増加している。
【０００９】
他のソフトバックヘッドのデザインは、ウエハのエッジ部とヘッドとの間にシールを用い、研磨および平坦化の間、ウエハを研磨面に対して直接に押圧するために加圧されるキャビティを形成している。１つのアプローチは、米国特許第５，６３５，０８３号公報、発明者ブレイボーゲル（Breivogel）等に記載されており、ここに参照によって明細書中に組み入れられる。ブレイボーゲルは、ヘッドとウエハの間に加圧空気が導入されるシールを形成するため、ウエハの裏面の外周縁に対してリップシールを用いることを教示している。あいにく、このようなアプローチはハードバックヘッドおよびメンブレンを有したソフトバックヘッドに関連するいくつかの問題を解消するソフトバックヘッドを提供するが、研磨工程の間、ヘッドが回転する機械においてトルクをウエハに与えるために、ウエハと受入れ面との間に十分な係合を許容しない。このアプローチの別の問題は、ウエハをヘッドに保持するために真空を用いることができるが、ウエハが周縁部でのみ支持されているため、容認できない程度の反りが起こり、ウエハの損傷または損失という結果になる。
【００１０】
エッジ研磨効果の修正または補償に関しては、リテーナリング近くのウエハから除去される材料の量が変更されるようにリテーナリングの形状を調節する試み及びリテーナリングの圧力を変更する試みがなされている。典型的には、ウエハのエッジ部からより多くの材料が除去され、すなわちウエハのエッジ部が過研磨される。この過研磨を修正するために、通常、リテーナリングの圧力はウエハの裏面の圧力よりも幾分高くなるように調整され、これによって、リテーナリングの領域の研磨パッドがリテーナリングによって幾分圧縮され、ウエハから除去される材料がリテーナリングから数ミリメートル内でより少なくなる。しかしながら、ウエハの外周縁部における平坦化圧力はリテーナリング圧力に基づいて間接的のみ調整可能であるので、これらの試みは完全には充分ではなかった。リテーナリングの補償効果の有効な距離をウエハのエッジから任意な距離に広げることは不可能である。所望の結果を得るために、リテーナリングの圧力、エッジ圧力、またはウエハの裏面全体の圧力を独立して調整することはできなかった。
【００１１】
従来のＣＭＰヘッドにおけるリテーナリングによる別の問題点は、ポリッシング操作の間、ずっとリテーナリングの下面の所定の点がサブキャリアに保持されたウエハの所定の部分と対応していることである。これゆえ、リテーナリングの下面の高い点または低い点は、ウエハの非平坦な研磨になる。高度の平坦性を持つようにリテーナリングの下面を機械加工することは可能であるが、これは高価な選択となり、特にリテーナリングは、ウエハが研磨されるにつれて摩耗する消耗品であるため、頻繁に取り替えなければならないからである。
【００１２】
入ってくるウエハの不均一な成膜を調整するための材料の除去プロファイルを調整するという方法の好ましさの度合いに関しては、そのような補償を与える方法または機械を提供する試みがなされたとしても、満足のいくものではない。不均一な成膜は、ウエハに形成される回路の構造から生ずるかまたは成膜された層の特性から生ずる。例えば、高速度集積回路において、ますます一般的になってきた銅層は、ウエハの中心部でエッジ部よりも厚い凸状の層を形成する傾向にある。これゆえ、ウエハの中心部近くでエッジ部よりもより高い研磨速度を提供する研磨方法及び装置を有することが好ましい。
【００１３】
従来のＣＭＰ装置及び方法による最後の問題点は、スラリーの非効率的な使用及び浪費である。スラリーは、通常、材料が基板面から除去される速度を高めるために用いる懸濁した研磨砥粒を含有した化学的に活性な液体である。スラリーがヘッドの前方の研磨面に供給されるので、典型的には、スラリーが研磨面に流れるときに、スラリーがウエハと研磨面との間の全面を覆うことを確実にするために、余剰なスラリーを供給しなければならない。スラリーの純度、及び、特にスラリーに懸濁した砥粒のサイズに関して、厳格な要件であるがゆえに、スラリーは高価である。さらに、汚染を避け、かつ変わらない結果を得るために、スラリーは、一般的に再循環されることはなく、またリサイクルされることもない。これゆえ、従来のＣＭＰ装置の運転コストにおける重要な要素はスラリーのコストである。
【００１４】
それゆえ、ウエハ上の不均一な成膜を補償するため、優れた平坦化処理を行い、エッジ平坦化の効果を制御し、かつウエハからの材料の除去プロファイルの調整を可能とする装置及び方法の必要性が依然として残されている。ウエハに加わる応力（ストレス）を最小とするか又はなくしながら、ウエハがソフトバックヘッドに真空によって保持されることを可能とする装置及び方法に対するさらなる必要性がある。過剰な量のスラリーの浪費がなく、研磨面に十分なスラリーを供給するＣＭＰ装置のさらなる必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、一般に、基板の全面にわたって高度の平坦化の均一性を達成する基板を研磨及び平坦化するＣＭＰシステム、装置及び方法に関するものである。本発明は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）に関する多くのシステム、装置、構造及び方法論的態様を含んでいる。１態様においては、本発明は、不均一な凹部を有した研磨面を備えた化学的機械研磨及び方法を提供する。別の態様においては、本発明は、一体のスラリー分配機構を備えた化学的機械研磨ヘッド及び方法を提供する。さらに別の態様においては、本発明は、回転するリテーナリングを備えた化学的機械研磨装置及び方法を提供する。さらに別の態様においては、本発明は、ソフトバックの研磨ヘッドを備えた化学的機械研磨装置及び方法を提供する。さらに別の態様においては、本発明は、研磨及び平坦化プロセスにおいてスラリーのより効率的な使用を提供する装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の研磨ヘッドは、研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドであって、底面を有したキャリアを備え、該底面は、研磨工程中に基板を保持するようになっている下面を含み、キャリアは、研磨工程中に研磨物質を研磨面に分配するために下面の周りの底面を貫通して延びている複数のポートを備え、前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることが可能であることを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配するようになっていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートはリテーナリング内に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間の周りに均等な間隔で配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは、２〜３０個のポートからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは、さらに、メンテナンス操作中にリテーナリングとサブキャリア間の環状空間を洗浄するようになっていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の化学的機械研磨装置は、研磨面と、前記研磨面に基板を位置決めするための上記研磨ヘッドとを備えたことを特徴とするものである。
本発明の研磨方法は、研磨面と、研磨工程中に基板を保持するようになっている下面を含む底面を有したキャリアとを備えた研磨装置を用いて表面を有した基板を研磨する方法であって、前記方法は、基板をキャリアの下面に位置決めする工程と、基板の表面を研磨面に押圧するようにキャリアを研磨面に付勢する工程と、キャリアの底面を通して研磨物質を研磨面に分配する工程とを備え、前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、研磨装置は研磨剤を含有するスラリーを複数のポートに供給することができるスラリー供給部を備え、研磨物質を研磨面に分配する工程は、スラリーを研磨面に分配する工程からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨装置は、洗浄用流体を複数のポートに供給することができる洗浄用流体供給部と、スラリー供給部と洗浄用流体供給部との間を切り替えるバルブとを備えており、前記方法は、さらに、基板の研磨の後、複数のポートを洗浄する工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の研磨ヘッドは、研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めする研磨ヘッドであって、研磨工程中に基板を保持するようになっているキャリアと、キャリアから吊下されているリテーナリングと、研磨工程中に研磨ヘッドから化学物質を研磨面に分配する手段とを備え、リテーナリングはキャリアに保持された基板の周りに配置され、前記キャリアは、研磨工程中に基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングはサブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されるようになっており、前記サブキャリアと前記リテーナリングは、各々が個別の駆動機構によって、独立に回転可能に構成されており、前記リテーナリングを、研磨工程中にサブキャリア上の基板とは異なった速度で回転させることが可能であることを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配する手段からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、リテーナリング内に配置されている複数のポートからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、基板から材料を除去する処理を行うために、研磨装置の研磨面上に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドが提供される。研磨ヘッドは、研磨操作中に基板が保持される下面に取り付けられるメンブレン等の可撓性部材を備えたキャリアを含んでいる。可撓性部材（柔軟性がある部材）は、基板を受け入れるようになっている受入れ面と、受入れ面に可撓性部材を貫通して延びている多数の孔とを備えている。基板が可撓性部材の受入れ面に保持されるとき、閉塞されたキャビティ又はチャンバは、キャリアの下面、可撓性部材及び基板によって形成される。キャビティは、研磨操作中に基板を研磨面に直接に押圧するために加圧されるようになっている。好ましくは、キャリアが研磨操作中にサブキャリアを回転するための駆動機構を備える場合、孔の数及びサイズは、回転エネルギを基板に付与するため可撓性部材の受入れ面と基板間に充分な摩擦力を提供するように選択される。
【００２１】
１つの実施形態においては、サブキャリアの下面は、加圧流体をキャビティに導入するためのポートと、加圧流体をキャビティ全体に分配する流路とを備えている。ポートは、研磨工程の前後のロード及びアンロード操作の間、基板を受入れ面に保持するため、キャビティを真空にするために使用できる。そして、研磨装置は、さらに、基板が受入れ面に保持されたことを検知するため、ポートに連結された真空スイッチを備えている。真空スイッチは、所定の真空度に達したとき、開から閉又は閉から開へ切り替わるように構成されている。本実施形態の変形例においては、可撓性部材、基板及びポートは、所定の真空度に達したとき、ポートをキャビティから分離するためのバルブとして機能するようになっている。真空がキャビティに形成されるとき、孔は基板によってシールされ、該可撓性部材がサブキャリアの下面のポートに接触しシールするまで、可撓性部材は内側に引き込まれる。ポートはシールを容易とするための突出したリップを有してもよいし、有さなくてもよい。このデザインは、真空度、それゆえ、可撓性部材と基板が変形する度合いが基板へ加わる応力（ストレス）を最小化するように制御することが可能である。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、基板から材料を除去する処理を行うために、研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドが提供される。研磨ヘッドは、キャリアと、キャリアによって支持されるとともに研磨操作中に基板を保持するようになっているサブキャリアと、サブキャリアの周りに回転可能に配置されたリテーナリングとを備えている。リテーナリングは、処理中に、サブキャリアに保持される基板の表面と実質的に同一面である下面を有し、リテーナリングの下面は研磨面と接触している。リテーナリングは、研磨面を変形させ、基板のエッジ部から除去される材料の研磨速度を低下させる。従来のキャリアにおいては、リテーナリングの下面の変動又はでこぼこによって、でこぼこに隣接した基板のエッジ部からの材料の局部的な研磨速度の高低が生ずる。しかしながら、本発明のキャリアによって、リテーナリングが、処理の間、サブキャリアに対して、それゆえ、基板に対して回転可能であるため、基板のエッジ部からの材料の除去速度に対するリテーナリングの下面の変動の影響が最小となる。
【００２３】
１実施形態においては、サブキャリアは駆動機構によって駆動され、リテーナリングと研磨面との間の摩擦力によって、リテーナリングがサブキャリアに対して回転する。また、リテーナリングは、リテーナリングに連結された単独の駆動機構によってサブキャリアに対して回転させることもできる。
【００２４】
別の実施態様においては、キャリアは、リテーナリングの上面と対面する関係で、かつリテーナリングとはベアリングによって分離されているバッキングリングを含んでいる。バッキングリングは、研磨操作中にリテーナリングに圧力を加えるようになっている。ベアリングは、例えば、ボールベアリング、流体軸受、ローラベアリング、又はテーパベアリングからなることができる。リテーナリングは、さらに、キャリアが研磨面から上昇されるとき、リテーナリングをバッキングリングに連結するため、バッキングリングの第２リップと係合する第１リップを含んでもよい。
【００２５】
別の態様においては、本発明は、基板の表面から材料を除去するための研磨装置に関するものである。研磨装置は、研磨工程中に基板を保持するようになっている研磨ヘッドと、基板と研磨面との間に相対運動があるとき、研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に化学物質を分配するための多数の凹部を有した研磨面とを備えている。多数の凹部は、研磨面から材料を除去する可変の研磨速度を提供するため、研磨面に不均一な間隔を有して設けられている。研磨面の凹部の間隔は、第１領域と第２領域との間で研磨速度の差を提供するように、第１領域から第２領域まで変化する。一般的に、第１領域が第２領域におけるよりも１インチあたりの凹部がより密集している場合、第１領域は第２領域よりも低い研磨速度を有している。１つの実施形態においては、多数の凹部は、研磨面に不均一なサイズ又は不均一な半径方向の間隔の溝からなっている。また、凹部は研磨面に多数の開放したキャビティ又はくぼみを有し、キャビティ又はくぼみのサイズ及び／又は密度は研磨面上で変化する。
【発明の効果】
【００２６】
従来のＣＭＰ装置の問題点の１つは、スラリーが研磨ヘッドの前方の研磨面に分配されるので、スラリーが研磨面上を流れるとき、スラリーが基板と研磨面との間の全面を覆うことを確保するために、過剰なスラリーが分配されなければならないということである。本発明に係る研磨ヘッドは、研磨工程中に研磨物質（スラリー）を研磨面に分配する複数のポートを備え、それによって、基板と研磨面との間の全面が覆われるということを確保し、スラリーの浪費を減らすか又はなくすようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の種々の特徴及び利点は、ここに添付された図面とともに次の詳細な説明を読むことによって明らかになる。
【図１】図１は具体例としてのマルチヘッドＣＭＰ研磨または平坦化装置を示す概略図である。
【図２】図２は本発明の実施形態に係る研磨ヘッドの側断面図を示す概略図である。
【図３】図３は本発明に係る柔軟性のある部材（可撓性部材）の実施形態を示す図２の３−３線に沿った図２の研磨ヘッドの一部を示す平面図である。
【図４】図４は本発明に係る可撓性部材の別の実施形態の図３に類似した平面図である。
【図５】図５は本発明に係る可撓性部材のさらに別の実施形態の図３に類似した平面図である。
【図６】図６は本発明に係る可撓性部材のさらに別の実施形態の図３に類似した平面図である。
【図７】図７は本発明に係る可撓性部材のさらに別の実施形態の図３に類似した平面図である。
【図８】図８は本発明の実施形態に係る図２の８−８線に沿った図２の研磨ヘッドの断面図である。
【図９】図９は本発明の実施形態に係る溝付きの下面を有したサブキャリアの下面の平面図を示す概略図である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態に係る回転リテーナリングを備えた研磨ヘッドの部分的な断面図を示す概略図である。
【図１１】図１１は本発明の実施形態に係る化学物質（薬液）を研磨面に供給する一体の供給機構を備えた研磨ヘッドの部分的な断面図を示す概略図である。
【図１２】図１２は本発明の別の実施形態に係るリテーナリングとサブキャリア間の環状空間を通して化学物質を研磨面に供給する一体の供給機構を備えた研磨ヘッドの部分的な断面図を示す概略図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは本発明の実施形態に係る不均一な間隔の複数の溝を備えた研磨面の平面図を示す概略図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは図１３Ａの研磨面の部分的な側断面図を示す概略図である。
【図１４】図１４は不均一な間隔の螺旋溝を備えた研磨面の別の実施形態の平面図を示す概略図である。
【図１５】図１５は不均一な間隔の多数の螺旋溝を備えた研磨面の別の実施形態の平面図を示す概略図である。
【図１６】図１６は不均一な間隔の同心状の楕円状の溝を備えた研磨面の別の実施形態の平面図を示す概略図である。
【図１７】図１７は不均一な間隔の平行な溝を備えた直線状の研磨面の実施形態の平面図を示す概略図である。
【図１８】図１８は本発明の実施形態に係る不均一な深さを有した複数の均一な間隔の溝を備えた研磨面の部分的な断面図を示す概略図である。
【図１９】図１９は本発明の実施形態に係る不均一な幅を有した複数の均一な間隔の溝を備えた研磨面の部分的な断面図を示す概略図である。
【図２０】図２０は本発明の実施形態に係る不均一な間隔のキャビティを備えた研磨面の平面図を示す概略図である。
【図２１】図２１は本発明の実施形態に係る基板を研磨または平坦化するプロセスの実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
基板の研磨または平坦化のための改良された方法及び装置が提供される。次の実施形態の説明において、特定の構造、配置、材質、形状等の特定の詳細な事項を含む多数の実施形態が開示される。しかしながら、本発明がこの特定の詳細な事項なしに実施可能であり、かつ本発明の方法及び装置がそれに限定されないことは、当業者には自明のことである。図１には、基板１０５を研磨する化学的機械研磨または平坦化（ＣＭＰ）装置１００が示されている。ここで用いられる用語「研磨」は、基板１０５の研磨または平坦化を意味し、基板は液晶モニタ、太陽電池で用いられる基板を含み、特に、電気回路素子が形成された半導体基板またはウエハを含んでいる。半導体ウエハは、典型的には、１００ｍｍから３００ｍｍの直径を有した薄くて脆い円板である。現在、１００ｍｍ、２００ｍｍ、及び３００ｍｍの半導体ウエハが産業上広く用いられている。本発明の方法及び装置１００は、少なくとも直径３００ｍｍまでの半導体ウエハ及び他の基板１０５に適用可能であり、またそれよりも大きい直径の基板にも適用可能である。
【００２９】
明確化のために、広く知られており、かつ本発明に関係しないＣＭＰ装置１００の詳細構造の多くは省略されている。ＣＭＰ装置１００は、例えば、２０００年５月１２日出願の米国特許出願番号０９／５７０，３７０、「独立のリテーナリングと多領域圧力制御とを備えた空気圧ダイアフラムヘッドのためのシステム及び方法」、２０００年５月１２日出願の出願番号０９／５７０，３６９、「改良されたエッジ及び環状領域材料除去制御用の多圧力領域負荷を備えたＣＭＰのためのシステム及び方法」、及び２０００年５月１２日出願の米国仮出願番号６０／２０４，２１２、「多圧力環状領域サブキャリア材料除去制御を備えたＣＭＰのためのシステム及び方法」に詳細に説明されている。そして、これらの出願は、ここに参照によって全体として明細書中に組み入れられる。
【００３０】
ＣＭＰ装置１００は、研磨パッド１２０を有した大きな回転可能なプラテン１１５を回転可能に支持するベース１１０と、基板１０５が研磨される研磨面１２５を有した研磨パッドとを備えている。研磨パッド１２０は、典型的には、デラウェア州ニューアークのロデール（RODEL  of  Newark  Delaware）から得られるもののように、ポリウレタン材料からなる。加えて、研磨面と研磨面上に配置される基板１０５の表面との間に化学物質またはスラリーを分配するために、溝またはキャビティ等の多数の凹部（図１では図示せず）を研磨面１２５に設けることが可能である。スラリーは、材料が基板面から除去される速度を高めるために用いる懸濁した研磨砥粒を含有する化学的に活性な液体である。典型的には、スラリーは基板１０５の少なくとも１つの物質と化学的に活性であり、かつ約４〜１１のｐＨを有している。例えば、１つの適当なスラリーは、水を基準（ウォーターベース、water  base）として約１２％の砥粒と１％の酸化剤を含んだものであり、約１００ナノメーター（ｎｍ）の粒子サイズのコロイドシリカまたはアルミナを含んでいる。また、代替としてまたはスラリーに加えて、研磨パッド１２０の研磨面１２５は、ミネソタ鉱山及び製造会社（Minnesota  Mining  and  Manufacturing  Company）から得られるようなパッド内に埋め込まれた固定砥粒であってもよい。固定砥粒を有した研磨面１２５を備えたＣＭＰ装置１００の実施形態においては、研磨工程の間、研磨面に供給される化学物質（砥液）は水でよい。
【００３１】
またベース１１０は、研磨操作の間、基板１０５が保持される１又は２以上の研磨ヘッド１４０を備えたカルーセル１３５を支持するブリッジ１３０を支持している。ブリッジ１３０は、研磨工程の間、研磨ヘッド１４０に保持された基板１０５の表面を研磨面１２５に接触させるために、カルーセル１３５を昇降させるようになっている。図１で示されるＣＭＰ装置１００のこの特別な実施形態は、マルチヘッドデザインであり、このマルチヘッドデザインは、各カルーセル１３５に対して複数の研磨ヘッド１４０があるということを意味している。しかしながら、単一のヘッドＣＭＰ装置１００は公知であり、そして、本発明の研磨ヘッド１４０、研磨面１２５及び研磨方法は、マルチヘッド型の研磨装置または単一のヘッド型の研磨装置とともに使用可能である。さらに、この特定のＣＭＰデザインにおいては、研磨ヘッド１４０の各々はチェーン１４５を駆動する単一のモータ１４２によって駆動され、このモータ１４２はチェーン及びスプロケット機構（図示せず）を介して各研磨ヘッドを駆動する。しかしながら、本発明は、各研磨ヘッド１４０が個別のモータによって及び／又はチェーン及びスプロケット型駆動装置以外のものによって回転される実施形態においても用いられる。研磨パッド１２０及び研磨ヘッド１４０の回転に加えて、カルーセル１３５は、研磨ヘッドに軌道運動を与えるために研磨プラテン１１５の固定の中心軸の周りを軌道を描いて回ることができる。さらに、本発明の研磨ヘッド１４０は、従来から周知であるような直線、すなわち往復運動を用いた機械を含む全ての態様のＣＭＰ装置１００において用いることが可能である。
【００３２】
ＣＭＰ装置１００は、また、上述したように、研磨工程の間、化学物質又はスラリーを研磨面１２５に供給する化学物質供給機構（図１では図示せず）と、研磨面へのスラリーの供給及び研磨ヘッド１４０の動きを制御するコントローラ（図示せず）と、空気，水，真空等の加圧流体を研磨ヘッドの外部の固定源と研磨ヘッド上又は研磨ヘッド内の位置との間で連通させる多数の異なった流路を提供するロータリユニオン（図示せず）とを備えている。
【００３３】
本発明に係る研磨ヘッド１４０の実施形態を図２を参照して説明する。図２において、研磨ヘッド１４０は、研磨ヘッドをカルーセル１３５に取り付けるためのヘッド装着アセンブリ１５０と、研磨操作中に基板１０５を保持するとともに研磨面１２５上に基板を位置決めするキャリア１５５とを備えている。キャリアは、典型的には、基板が保持される下面１６５を有したサブキャリア１６０と、サブキャリアの部分の周りに円周方向に配置されたリテーナリング１７０とを備えている。
【００３４】
サブキャリア１６０とリテーナリング１７０は、ほとんど摩擦がなくかつ束縛がなく上下に動くことができるようにキャリア１５５から吊り下げられている。これらサブキャリア１６０及びリテーナリング１７０は、研磨工程の間、小さな角度変動を許容するような方法で研磨面１２５上をフロート（浮動）することができるように、サブキャリア１６０とリテーナリング１７０との間および隣接する要素間に小さな機械的な許容誤差が設けられている。図２において、フランジ１６２は、ねじ１６３又は他の締結具によってキャリア１５５の内側の下面１６４に取り付けられている。フランジ１６２は、柔軟性のあるメンブレン又はガスケット１６６を介して内側の支持リング１６７及び外側の支持リング１６８に結合されており、サブキャリア１６０を柔軟に支持するとともにサブキャリア１６０の上方に閉塞されたチャンバ又はキャビティ１７５を形成している。リテーナリング１７０は、サブキャリア１６０とキャリア１５５のスカート部１７７との間で伸びている第２の可撓性メンブレン又はガスケット１７６によって支持されている。図２に示すように、リテーナリング１７０は、接着剤（図示せず）またはガスケットの反対側でバッキングプレート１７８に取り付けられているねじ１７９又は他の締結具を介して第２ガスケット１７６に連結されている。フランジ１６２、下部スカート部１７７、内側及び外側支持リング１６７，１６８、及び第２ガスケットは、リテーナリング１７０の上方で第２の閉塞されたキャビティ１８０を形成している。
【００３５】
動作中、サブキャリア１６０とリテーナリング１７０は独立して研磨面１２５に付勢されまたは押圧され、この間、スラリーが研磨面１２５に供給されるとともに、基板１０５と研磨面との間で相対運動が行われ、基板が研磨される。付勢力は、スプリング（図示せず）又はサブキャリア１６０及びリテーナリング１７０の重量によって生成される。好ましくは、図２に示されるように、サブキャリア１６０とリテーナリング１７０は、各々、サブキャリア１６０及びリテーナリング１７０の上方にある密閉されたキャビティ又はチャンバ１７５，１８０に導入される加圧流体によって研磨面１２５に押圧される。研磨速度又は除去速度を調整するため、力の適用がより均一にかつより迅速に変化しうるので、加圧流体の使用が好ましい。一般的に、加えられる圧力は、約４．５と５．５ｐｓｉとの間の範囲であり、より典型的には約５ｐｓｉである。しかしながら、圧力は、所望の研磨又は平坦化効果を得るために、約２ｐｓｉから約８ｐｓｉの範囲で調整可能であるので、これらの範囲は単に例示である。より好ましくは、リテーナリング１７０に加えられる付勢力又は圧力は、サブキャリア１６０に加えられる付勢力又は圧力より大きく、研磨面１２５をわずかに変形させ、これによって、いわゆるエッジ効果を減少させ、基板１０５の表面のより均一な研磨速度又は平坦化速度が得られる。エッジ効果は、基板のエッジ部と研磨面１２５との相互作用によって、基板のエッジ部での研磨速度が基板の中心部での研磨速度より大きい傾向にあることである。基板１０５のエッジ部近くの研磨面１２５を押圧し、そしてわずかに変形させることによって、リテーナリング１７０は、基板のエッジ部が研磨面に押圧される力を減少させ、それによって、局部的な研磨速度を基板表面の他の領域の研磨速度にほぼ等しいレベルに低下させる。
【００３６】
本発明によれば、サブキャリア１６０は、下面１６５に、基板１０５が受け入れられる受入れ面１９０を有した可撓性部材１８５又はメンブレン等のソフトインサートを含むことができる。可撓性部材１８５は、基板を直接に研磨面１２５に押圧するために加圧流体を少なくとも部分的に直接に基板１０５の裏面に加えるため、可撓性部材の厚さを貫通して受入れ面１９０まで延びている複数の開口又は孔１９５を有する所定の厚さを有している。一般的には、加えられる圧力は約２〜８ｐｓｉの間の範囲であり、より典型的には約５ｐｉである。好ましくは、研磨工程の間、トルク又は回転エネルギを研磨ヘッド１４０から基板に与える基板１０５と係合又は接触している受入れ面１９０の充分な面積を確保しながら、加圧流体に直接にさらされる基板１０５の面積を最大とするように選定される。本発明の可撓性部材１８５は次の利点を有している。（ｉ）粒子が捕捉される領域を減らすことによって受入れ面１９０と基板１０５間に捕捉される粒子又は不純物の研磨の均一性への影響を減らすか又は除去する能力。（ii）基板のしわによって研磨における不均一性を減らすか又は除去する能力。（iii）可撓性部材１８５の厚さの変動によって研磨の不均一性を減らすか除去する能力。可撓性部材１８５及び可撓性部材に形成された孔１９５又は開口は、後に詳細に説明する。
【００３７】
加えて、リテーナリング１７０はキャリア１５５上のバッキングリング２００から回転可能に吊下され、研磨工程中、リテーナリング１７０をサブキャリア１６０上の基板１０５とは異なった速度で回転させることが可能になっている。バッキングリング２００は、研磨工程中、リテーナリング１７０に圧力を加えるようになっている。基板１０５の周りに回転可能に配置されたリテーナリング１７０を設ける利点は２つある。第１に、基板１０５とリテーナリング１７０は異なった速度で回転するので、研磨工程中、リテーナリングの下面２０５上の一点として基板のエッジ部上の一点に密接に追従するように対応している点はない。これゆえ、リテーナリング１７０の下面２０５上の高い点又は低い点が基板のエッジ部における研磨速度に与える影響は、除去されないとしても減少され、これによって、基板１０５の表面の平坦でない研磨を抑制する。第２に、リテーナリング１７０の下面２０５上の高い点及び低い点の影響が最小とされるので、リテーナリングの下面２０５は高度の平坦化に仕上げされる必要はなく、それゆえ、リテーナリングの製造コストを低下させることができる。さらに、リテーナリング１７０は基板１０５が研磨されるにつれて摩耗する消耗品であるため、リテーナリングのコスト低下はＣＭＰ装置１００の運転コストを大幅に減少させることができる。回転するリテーナリング１７０は以下に詳細に説明される。
【００３８】
可撓性部材１８５は図２及び図３乃至図７を参照して説明する。図３乃至図７は、受入れ面１９０及び受入れ面に設けられた孔１９５の種々の実施形態を示している。図２において、可撓性部材１８５は、典型的には、基板１０５と反応せずかつ研磨工程中に用いられる化学物質と反応しないＥＰＤＭ、ＥＰＲ、シリコン、又はゴム等の重合体材料から作られている。可撓性部材１８５は、環状又はリング形状のエッジ又はコーナリング片２１０によってサブキャリア１６０の下面１６５上に広げられかつ分離されており、サブキャリア１６０の下面１６５、コーナリング片２１０、可撓性部材１８５及び可撓性部材１８５の受入れ面１９０に保持された基板１０５の裏面によって形成された下部キャビティ２１５を形成している。加圧流体は、サブキャリア１６０の下面１６５にあるポート２２５に接続された通路２２０を介して、下部キャビティ２１５に導入される。下部リング片２１０は、金属又は硬い重合体材料等の非圧縮性又は実質的に非圧縮性の材料から形成することができ、また柔らかいプラスチック、ゴム、シリコン又は同様な材料等からなる圧縮性又は弾性材料から形成した場合にはエッジ効果をさらに減少させることができる。
【００３９】
図３は、本発明の実施形態に係る可撓性部材１８５の受入れ面１９０の平面図を示している。この図において、受入れ面１９０に規則的かつ対称的に間隔をおいた多数の孔１９５が示されている。上述したように、孔１９５の数及びサイズは、研磨工程中、基板を回転させるためにトルク又は回転エネルギを研磨ヘッド１４０から基板に付与するため、基板１０５と接触する充分な面積の受入れ面１９０を得るように選択されている。孔１９５の総面積が受入れ面の表面積の約５０％から約９０％、より好ましくは約６６〜約７５％の場合に、充分な係合が得られるということが判明した。好ましい実施形態においては、孔１９５は研磨ヘッド１４０の回転方向に対して角度をなしたエッジ部を有することができ、これにより、可撓性部材１８５の剛性を高くし、可撓性部材と基板１０５との間の係合を増加させ、これによって、トルクを増加させることができる。例えば、図３に示された形状を有する孔１９５においては、研磨ヘッドが時計方向に回転するときに係合力が増加する。
【００４０】
可撓性部材１８５の受入れ面１９０の孔１９５の別のデザイン及びパターンが図４乃至図７に示される。
図４は、より規則的に間隔をおき、かつ角度をもったエッジ部ではなく、数が少なく大きな孔１９５を有した可撓性部材１８５の別実施形態の平面図を示す概略図である。図５は、多数の円形孔１９５を有した可撓性部材１８５の別実施形態の平面図を示す概略図である。図示される実施形態においては、孔１９５は全て同一の直径を有しているが、孔のサイズ及び数は、本発明の範囲から逸脱することなく、受入れ面１９０上で変わり得るということを理解できるだろう。図６は、可撓性部材１８５の受入れ面１９０の周りに円周方向に配置された複数の山形（シェヴロン）又は矢はず模様（ヘリンボン）形状の孔１９５を有した可撓性部材１８５の別実施形態の平面図を示す概略図である。また、図示されていないが、可撓性部材１８５は第１の孔の内側でかつ同心上に第２のリング状の孔１９５を有することができる。第２のリングにおける山形の孔１９５は、第１のリングの孔と同一方向又は反対方向に向くことができる。しかしながら、研磨ヘッド１４０の回転に対して反対方向に山形を向けることは、可撓性部材１８５と基板１０５間の係合を増加させ、これによってトルクを増加させる。可撓性部材１８５の別の実施形態の平面図が図７に示される。図７において、孔１９５は２つの比較的大きな開口又は孔からなっている。また、円形として示されるが、孔１９５は多角形及び楕円形を含む規則的又は不規則的な形状であってもよく、各孔は他の孔と同一の形状又はサイズである必要はない。
【００４１】
図８において、本発明の別の態様においては、サブキャリア１６０の下面１６５にあるポート２２５上の高くなったリップ２３０と基板１０５を有した可撓性部材１８５は、ポート２２５が下部キャビティに真空を形成するために用いられるときに、下部キャビティ２１５からポート２２５を分離する分離バルブ２３５として機能するようになっている。研磨操作中、基板１０５が研磨面１２５と接触していないとき、下部キャビティ２１５に真空が導入され、基板１０５を受入れ面１９０に保持する。例えば、研磨工程の前後のロード及びアンロード動作の間である。ソフトインサートを有し、かつ真空を用いて基板をヘッドに保持する従来の研磨ヘッドの問題点は、インサートの変形が基板に応力（ストレス）を生じさせること、特に、インサートの平面から凹形状への変形が最も大きい基板のエッジ部近くにストレスが生じ、それによって、基板全体の損傷又は損失につながるということである。損失が生ずるプロセスに応じて、半導体基板の損失は何千ドルもの損失になる。したがって、本発明の利点は、可撓性部材１８５とポート２２５のリップ２３０との間の分離を選択することによって、予め定められた真空度に達したときにポートが下部キャビティ２１５から分離（隔離）されるということである。予め定められた真空度は、可撓性部材１８５の変形を減少させ、かつそれによって基板へのストレスを減少させながら、基板１０５を受入れ面１９０に保持するために充分な力が得られるように選択される。ＣＭＰ装置１００は、図８で概略的に示すように、真空スイッチ２４０又は変換器をさらに含むことができ、この真空スイッチ２４０又は変換器はポート２２５に連結され、かつ予め定められた真空度に到達したときに切替えるか、または状態を変化させることによって、受入れ面１９０上に基板１０５が存在することを検出するために用いられる。
【００４２】
可撓性部材の孔１９５は、図８に示されるようなサイズにすることができ、かつ配置することができ、それゆえ、ポート２２５に対向する孔１９５Ａはポートの周りのリップ２３０より小さな直径を有しており、孔のエッジはポートを基板１０５に対してシールする。この実施形態は、真空が基板１０５に直接に作用することができる利点を有し、基板と受入れ面１９０との間のエアポケットを排気し取り除く。また、別の実施形態（図示せず）においては、孔１９５のサイズ及び配置は、可撓性部材１８５の実質的に破れていない領域がポート２２５に向かい合っているように選択され得る。この実施形態は、孔１９５及びポート２２５の芯ずれによって分離バルブ２３５の起こり得る故障（機能不全）を減らすかなくす利点を有している。
【００４３】
図２及び図９に示される別の実施形態においては、サブキャリア１６０の下面１６５は、下部キャビティの排気を容易とし、かつ研磨工程中、加圧流体を下部キャビティに導入することを容易とするために、ポート２２５と下部キャビティ２１５の外側部分との間に配置された１又は２以上の溝又は通路２４５を有したスペーサ２４３を備えている。スペーサ２４３は、サブキャリア１６０の下面１６５に位置するか又は接着剤や機械的な留め具により取り付けられた別の部材から構成することができる。また、図９に示すように、通路２４５は、スペーサ２４３を形成するためサブキャリア１６０の下面１６５に直接に加工される。図９は、本発明の実施形態に係る多数の対称的な間隔の半径通路２４５を有したサブキャリア１６０の下面１６５の平面図を示す概略図である。本実施形態のさらなる改良においては、可撓性部材１８５と、下面１６５上の通路２４５間の高くなった部分又は平坦な部分との間の分離は、真空が下部キャビティ２１５に形成されるとき、可撓性部材１８５の変形をさらに減らすように選択され、それによって基板１０５を支持し、基板の過剰な反りを防止し、かつ基板へのストレスを減少させる。正確な分離は、基板１０５と受入れ面１９０のサイズ又は直径を含む多数の要因に依存する。約２００の直径を有する半導体基板１０５では、適当な分離は約１００ミクロン（μ）以下であるということが判明した。
【００４４】
回転するリテーナリング１７０について図２及び図１０を参照して説明する。図２及び図１０は、回転するリテーナリングの異なった実施形態を示すものである。図２において、リテーナリング１７０は、バッキングリング２００の下面２６０と対面する関係の上面２５５を有しており、かつベアリング２６０によってバッキングリングから分離されている。ベアリング２６０は、ボールベアリング又は流体軸受又はローラベアリング又はテーパベアリングからなる。図２及び図１０に示す実施形態においては、ベアリング２６０は、インナーレース又はハウジング２６５と、多数のボール２７０と、リテーナリング１７０に形成されたアウターレース２７５とを備えたローラベアリングである。加えて、リテーナリング１７０とサブキャリア１６０との間に小さな環状の空間２８０が設けられており、これらリテーナリング１７０とサブキャリア１６０とは研磨操作中に互いに相対的に回転することができるようになっている。
【００４５】
好ましくは、リテーナリング１７０は、研磨ヘッド１４０が研磨面１２５から上昇されるときにリテーナリングをキャリア１５５に連結するための機構を備えている。図２に示す実施形態においては、連結は、研磨ヘッド１４０が研磨面１２５から上昇されるときにバッキングリング２００の第２リップ２９０と係合するリテーナリング１７０の第１リップ２８５によって行われる。図１０に示す実施形態においては、第１リップ２８５は多数のボルト２９５を用いて形成され、各ボルトは、キャリア１５５が研磨面１２５から上昇されるときにバッキングリング２００の第２リップ２９０と係合するために、リテーナリング１７０又は軸受ハウジング２６５に螺合される軸部３００と、軸部から半径方向外側に突出している面３１０を有した頭部３０５とを備えている。好ましくは、リテーナリングをバッキングリング２００に確実に連結するため、リテーナリング１７０の周囲に均等な間隔で設けられた少なくとも３つのボルト２９５がある。
【００４６】
上述したように、リテーナリング１７０の下面２０５上の高い点又は低い点の影響をなくさないとしても、減らすことによって、回転するリテーナリング１７０は、基板１０５の表面の材料の研磨速度（除去速度）の均一性を高めるとともに、基板の平坦性の均一性を高める。リテーナリング１７０は、研磨工程中、リテーナリングと研磨面１２５との間の摩擦力によってサブキャリア１６０に対して回転可能であり、この摩擦力は、駆動機構によって回転されるサブキャリア１６０よりゆっくりリテーナリングを回転させる。また、リテーナリング１７０は、リテーナリング１７０に連結された第２駆動機構によって回転させることもできる。この第２駆動機構は、図１０に示されるように、別のモータ３１５、又は研磨ヘッド駆動機構（図示せず）に連結されたギア又はチェーン及びスプロケット駆動機構でもよい。リテーナリング１７０を回転させる摩擦力による実施形態の利点は、デザインの単純化と耐久性である。第２駆動機構を用いた実施形態の利点は、サブキャリア１６０に保持された基板１０５とリテーナリング１７０との間の回転速度の差を制御することができる能力であり、かつサブキャリアの方向と反対方向にリテーナリングを回転させることができる能力である。
【００４７】
本発明の別の態様においては、研磨工程中、化学物質又はスラリーを研磨面１２５に分配するために、一体の分配機構３２０を有した研磨ヘッド１４０が設けられている。汚染を避けかつ変わらない効果を得るために、スラリーは一般的に再循環されず、またリサイクルされない。さらに、スラリーの純度について、そして、特にスラリー中に懸濁された砥粒のサイズについての厳格な条件ゆえに、従来のＣＭＰ装置１００の運転コストの重要な要素はスラリーのコストである。従来のＣＭＰ装置１００の問題点の１つは、スラリーが研磨ヘッド１４０の前方の研磨面１２５に分配されるので、スラリーが研磨面１２５上を流れるとき、スラリーが基板１０５と研磨面１２５との間の全面を覆うことを確保するために、過剰なスラリーが分配されなければならないということである。本発明に係る研磨ヘッド１４０は、キャリア１５５又は基板１０５を囲むリテーナリング１７０の円周方向に位置する多数のポート３２５を備え、それによって、基板と研磨面１２５との間の全面が覆われるということを確保し、スラリーの浪費を減らすか又はなくすようにしている。ポート３２５のサイズ及び数は、充分な到達範囲を得るために選択され、かつ研磨される基板１０５のサイズに直接に依存している。加えて、ポート３２５のサイズは、使用される特定のスラリーの粘性と粒子サイズに適合するように選択される。例えば、１．５センチポアズの粘度及び１００ナノメータ（ｎｍ）の粒子サイズを有したスラリーを用いて２００ｍｍの基板１０５を研磨するために、約３ｍｍ〜約１ｍｍの直径を有した約２個から２０個のポートが充分であるということが分かった。図１１に示される実施形態において、スラリーは、リテーナリング１７０の下面２０５に均等な間隔で設けられたポート３２５から分配される。図１２に示される別の実施形態においては、ポート３２５は、リテーナリング１７０とサブキャリア１６０との間の環状空間２８０に配置されている。好ましくは、ポート３２５は、リテーナリング１７０とサブキャリア１６０の間の環状空間２８０に均等な間隔で配置されている。より好ましくは、ＣＭＰ装置１００は、さらに洗浄用流体供給部３３０、スラリー供給部３３５、洗浄用流体供給部３３０とスラリー供給部３３５とを切り替えるためのバルブ３４０とを備えており、ポート３２５はメインテナンス操作の間、リテーナリング１７０とサブキャリア１６０間の環状空間２８０を洗浄するようになっている。
【００４８】
さらに別の態様においては、本発明は、基板１０５の表面の研磨速度を制御するため、研磨面に不均一に集中している多数のくぼみ又は凹部を有した研磨面１２５に関するものである。上述したように、研磨面１２５の凹部は、研磨面と研磨面上に置かれる基板１０５の表面との間に化学物質又はスラリーを分配する機能を有する。一般的に、凹部は、同一の寸法を有しているかもしれないし、そうでないかもしれず、そして、研磨面１２５に均一な間隔で設けらているかもしれないし、そうでないかもしれない多数の溝３４５又は多数のくぼみ又はキャビティ３５０からなり得る。すなわち、凹部は、研磨面上で半径方向に不均一な間隔を有する溝３４５又はキャビティ３５０からなるか、又は不均一な切断面を有する溝３４５又はキャビティ３５０からなっている。
【００４９】
図１３Ａにおいて、研磨面１２５が円板形状をした回転可能な表面である１つの実施形態において、凹部は均一な深さ及び幅を有するとともに研磨面に不均一な間隔で設けられた多数の同心状の溝３４５を含んでいる。図１３Ａ、及び図１４、図１５、図１６及び図１７において、研磨面１２５に対して溝３４５の幅が小さいために、溝は単一の実線として示されている。これらの線は、研磨面１２５上の溝３４５の配置を図示するために用いられており、溝の寸法に関して何らかの情報を伝えるために解釈されるべきではない。図１３Ｂに示すように、一般的に、溝３４５の間隔がさらにあいている領域においては研磨面１２５が基板１０５と接触する研磨面１２５の表面積が大きいため、この領域の研磨速度は他の領域の研磨速度より大きい。これゆえ、図１３Ａ及び図１３Ｂの仮想線３５５によって示される研磨ヘッド１４０の位置決めは、基板１０５のエッジ部より中心部でより高い研磨速度を提供し、このエッジ部は溝３４５の大きな密度を有した領域（または溝間の下面領域）を周期的に通過する。このことは、特に材料の特性及び成膜工程によって凸形状を有する傾向がある銅などの材料の層を有した基板を処理する場合に特に好ましい。図１３Ａに示すように、溝３４５を有した研磨面１２５にとって、第１領域における半径方向の１インチあたり約２０個の溝から第２領域における約１個の溝までの溝の密度で溝を変更することによって、第１領域の研磨速度が第２領域の研磨速度より低い状態で、第１領域と第２領域の間で少なくとも５％の研磨速度の差が生ずる。
【００５０】
複数の不均一な間隔で配された溝３４５を有した研磨面１２５の別のデザイン及びパターンが図１４乃至図１７に示される。図１４は、単一の不均一な間隔で配された螺旋溝３４５を有した研磨面１２５の一実施形態の平面図を示す概略図である。溝３４５は、研磨面１２５の中心近傍の溝とエッジ部の溝との間により低い表面領域及びより高い表面領域を有する領域を提供するように螺旋状になっているか又は巻回されている。図１５は多数の不均一な間隔で配された螺旋溝３４５を有した研磨面１２５の一実施形態の平面図を示す概略図である。また、溝３４５は、研磨面１２５の中心近傍の溝とエッジ部の溝との間により低い表面領域及びより高い表面領域を有する領域を提供するように間隔をおいて巻回されている。図１６は、不均一な間隔で配された同心状の楕円形の溝３４５を有した研磨面１２５の一実施形態の平面図を示す概略図である。図１７は、不均一な間隔の平行な溝３４５を有した細長い研磨面１２５の一実施形態の平面図を示す概略図である。この実施形態においては、細長い研磨面１２５は研磨ヘッド１４５がその上を移動する固定の細長い表面か又は回転ベルト（図示せず）からなる（図示せず）。
【００５１】
図１８乃至図２０は、凹部間の間隔が比較的均一で、かつ凹部の寸法がある領域から他の領域まで異なった研磨速度を提供するように変化する研磨面１２５の別のデザイン及びパターンを示している。図１８は、均一な幅を有しかつ不均一な深さを有する多数の均一な間隔の溝３４５を有した研磨面１２５の一実施形態の部分的な側断面図である。この実施形態においては、基板１０５と接触する研磨面１２５の表面積は領域毎に一定であり、研磨速度の差を制御する溝３４５の深さを変えることによって、その領域にもたらされるスラリーの量を変える。この実施形態は、研磨剤を含むスラリーを用いたプロセスに有益であり、特にスラリーの化学的な反応性が研磨プロセスの重要な要素であるプロセスにおいて有益である。
【００５２】
図１９は、本発明の実施形態による不均一な幅を有した多数の均一な間隔の溝３４５を備えた研磨面１２５の部分的な側断面図を示す概略図である。上述したように、基板１０５と接触する表面積の変動は研磨速度の変動をもたらす。図２０は、本発明の実施形態に係る均一な間隔であるが不均一なサイズのキャビティ３５０を備えた研磨面１２５の平面図を示す概略図である。図２０に示すキャビティ３５０のサイズ及び形状は、図示の目的のためにのみ示されており、キャビティの寸法又は形状に関して何ら制限をするように解釈するべきではなく、むしろ、キャビティは規則的又は不規則的な形状をし、かつ１ミリメータの何分の１くらいわずかな寸法から数ミリメータまでの寸法を有することができる。また、基板１０５と接触する表面積の変動は研磨速度の変化をもたらす。図示されていないが、研磨速度の変動は、研磨面１２５に不均一な間隔であるが均一なサイズのキャビティ３５０、又は均一なサイズの開口で深さが変化する均一な間隔のキャビティによって達成されるということは速やかに理解される。
【００５３】
本発明に係るＣＭＰ装置１００を操作する方法を図２１を参照して説明する。初期又はローディング工程において、基板１０５は可撓性部材１８５の受入れ面１９０に受け入れられる。（工程３６０）真空がポート２２５を介して下部キャビティ２１５に導入され（工程３６５）、所定の真空度に達しポートが分離される。（工程３７０）受入れ面１９０上の基板１０５の存在をポート２２５に連結された真空スイッチ２４０のスイッチングによって検知してもよい。（工程３７５）基板１０５は研磨面１２５上に位置決めされ（工程３８０）、加圧流体を下部キャビティ２１５に導入し基板を研磨面１２５に押圧する。（工程３８５）水又はスラリー等の化学物質が研磨面１２５に分配され（工程３９０）、研磨面の凹部を介して基板１０５と研磨面との間に分布される。（工程３９５）これらの凹部は、上述したように、研磨面１２５に変化する研磨速度をもたらすために、不均一な間隔であってもよく及び／又は不均一なサイズの溝３４５又はキャビティ３５０であってもよい。研磨面１２５と基板１０５との間に相対運動がなされ、基板を研磨する。（工程４００）リテーナリング１７０をサブキャリア１６０及びサブキャリア１６０に保持された基板１０５と異なった速度で回転させ、リテーナリングの下面２０５上の高い点又は低い点の研磨速度に与える影響をなくさないとしても減らすようにしてもよい。（工程４０５）研磨が終了し、研磨ヘッド１４０、リテーナリング１７０及び研磨プラテン１１５の回転が停止した後、再び下部キャビティ２１５に真空を形成し（工程４１０）、所定の真空度に達した後に（工程４１５）、基板１０５を研磨面１２５から上昇させる。（工程４２０）
【００５４】
本発明のいくつかの重要な態様は、その構造、機能及び利点をさらに強調するために繰り返して説明される。
本発明は、表面を有した基板を研磨装置の研磨面に位置決めする研磨ヘッドに関するものである。研磨ヘッドは、キャリアと、キャリアによって支持されるとともに、研磨操作中に基板を保持するようになっているサブキャリアと、サブキャリアの周りに回転可能に配置されたリテーナリングとを備えている。リテーナリングは、基板の表面と実質的に同一面上にあり、かつ研磨操作中に研磨面と接触している下面を有している。リテーナリングはサブキャリアに保持された基板に対して回転可能で、基板の表面の平坦でない研磨を抑制する。
【００５５】
１つの実施形態においては、サブキャリアは、研磨工程中、そこに保持した基板を回転させることができ、リテーナリングは、サブキャリアに保持された基板とは異なった速度で回転可能である。
【００５６】
別の実施形態においては、研磨ヘッドは、さらに、リテーナリングの上面と対面する関係にあり、かつベアリングによってリテーナリングから分離されているバッキングリングを備えている。バッキングリングは、研磨工程中、リテーナリングに圧力を加えるようになっている。ベアリングは、ボールベアリング又は流体軸受又はローラベアリング又はテーパベアリングからなる。好ましくは、リテーナリングは、リテーナリングをバッキングリングに連結するためにキャリアが研磨面から上昇されるとき、バッキングリングの第２リップと係合する第１リップを備えている。本実施形態の変形例においては、第１リップは多数のボルトを備え、各ボルトは、軸部と、キャリアが研磨面から上昇されるときにバッキングリングの第２リップと係合するために軸部から半径方向外側に突出している面を有した頭部とを備えている。
【００５７】
別の実施形態においては、研磨ヘッドは、リテーナリングに連結された駆動機構を備え、この駆動機構は、研磨工程中、サブキャリアに対してリテーナリングを回転させるようになっている。また、リテーナリングと研磨面との間の摩擦力によって、研磨工程中、リテーナリングをサブキャリアに対して回転させることができる。
【００５８】
本発明の研磨ヘッドは、特にＣＭＰ等の研磨装置において有益である。典型的には、装置は、研磨面と、研磨工程中に研磨面上にスラリーを分配するようになっているスラリー分配機構とを備えている。また装置は、固定砥粒を有した研磨面と、研磨工程中、研磨面に化学物質を分配するようになっている化学物質分配機構とを備えている。
【００５９】
別の態様では、方法は、研磨面と、サブキャリアを備えたキャリアと、サブキャリアの周りに円周方向に配置されるとともに下面を備えたリテーナリングとを備えた研磨装置を用いて、表面を有した基板を研磨するために提供される。方法は、基板の表面が実質的にリテーナリングの下面と同一面上にあるようにサブキャリア上の基板を位置決めする工程と、基板の表面とリテーナリングの下面を研磨面に押圧して基板の表面を研磨する工程と、基板の表面の平坦でない研磨を抑制するためにサブキャリアに対してリテーナリングを回転する工程とを含んでいる。方法は、さらに、研磨工程中、サブキャリアに保持された基板を回転する工程と、リテーナリングを回転する工程とを含み、リテーナリングを回転する工程は、サブキャリアに保持された基板の速度とは異なった速度でリテーナリングを回転させる。
【００６０】
１つの実施形態においては、リテーナリングを回転する工程は、研磨面によってリテーナリングの下面に加わる摩擦力によってリテーナリングを回転させる工程を含んでいる。また、研磨装置は、さらに、リテーナリングに連結された駆動機構を含み、リテーナリングを回転する工程は、駆動機構を操作してリテーナリングを回転させる工程を含んでいる。
【００６１】
また別の実施態様では、研磨ヘッドは、リテーナリングがサブキャリアに対して回転し、これゆえ、基板の研磨を抑制するようにリテーナリングをキャリアに回転可能に装着する手段を含む。１つの実施形態では、リテーナリングを回転可能とする手段は、リテーナリングをサブキャリアに保持された基板とは異なった速度で回転させることが可能である。
【００６２】
別の実施形態においては、キャリアは、研磨工程中、リテーナリングに圧力を加えるためにリテーナリングの上面と対面する関係のバッキングリングを含み、リテーナリングを基板に対して回転可能とする手段は、バッキングリングをリテーナリングから分離するベアリングを含んでいる。
【００６３】
別の実施形態においては、研磨ヘッドは、さらに、リテーナリングに連結された駆動機構を含み、この駆動機構は、研磨工程中、サブキャリアに保持された基板に対してリテーナリングを回転させる。また、リテーナリングと研磨面との間の摩擦力によって、研磨工程中、リテーナリングがサブキャリアに対して回転する。
【００６４】
本発明は、研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドに関するものである。研磨ヘッドは、研磨工程中、基板を保持するようになっているキャリアを備えている。キャリアは、下面と、キャリアに固定されるとともに下面に延びている可撓性部材と、可撓性部材と下面との間に配置され可撓性部材と下面との間にキャビティを形成するコーナリング片とを備えている。キャリアは、加圧流体をキャビティに導入する下面と連通している通路を備えている。可撓性部材は、研磨工程中、基板を研磨面に押圧するように基板に係合するようになっている受入れ面を有している。可撓性部材は、所定の厚さを有するとともにこの厚さを貫通して受入れ面まで延びて圧力を直接に基板に加えるための多数の孔を備えている。好ましくは、可撓性部材は、キャビティを加圧可能にするために受入れ面上の基板によってシールされるようになっている。
【００６５】
１つの実施形態では、キャリアは、さらに、キャリアによって支持されるサブキャリアを備え、可撓性部材はサブキャリアに固定されるとともにサブキャリアの下面に延びている。
別の実施形態では、研磨装置は、さらに、研磨工程中、キャリアを回転させるための駆動機構を備え、孔の数及びサイズは、回転エネルギを基板に付与するために可撓性部材の受入れ面と基板との間の充分な摩擦力をもたらすように選択される。
【００６６】
別の実施形態においては、キャリアの下面は通路と連通しているポートを備えている。ポートは、研磨工程中、加圧流体をキャビティに受け入れるようになっている。この実施形態の変形例においては、キャリアの下面は、ポートからキャビティの全体に加圧流体を分配するようになっている少なくとも１つの溝を備えている。別の変形例においては、ポートはキャビティに真空を形成するようになっており、可撓性部材と基板は、所定の真空度に到達したときに、ポートをキャビティから分離するバルブとして機能する。好ましくは、所定の真空度は、研磨工程の前後のロード及びアンロード工程の間、基板を受入れ面に保持するように選択される。より好ましくは、研磨装置は、さらに、ポートに連結された真空スイッチを備え、基板が受入れ面に保持されているときに所定の真空度によって真空スイッチが切り替えられるように選択される。
【００６７】
本発明の研磨ヘッドは、特にＣＭＰ等の研磨装置に有益である。典型的には、装置は、研磨面と、研磨工程中に研磨面にスラリーを分配するようになっているスラリー分配機構とを備えている。また装置は、固定砥粒を有した研磨面と、研磨工程中に研磨面に化学物質を分配するようになっている化学物質分配機構とを備えている。
【００６８】
別の態様では、方法は、研磨面と、下面を備えたキャリアと、下面に延びている可撓性部材とを備えた研磨装置を用いて、表面を有した基板を研磨するために提供される。可撓性部材は、受入れ面と、所定の厚さと、所定の厚さを貫通して受入れ面まで延びている多数の孔とを有している。方法は、可撓性部材が基板に係合しかつ基板の表面が研磨面上に置かれるように、キャリアと研磨面との間に基板を位置決めし、可撓性部材に圧力を加えて基板を研磨面に押圧して基板の表面を研磨する工程を備えている。圧力は、孔を通して直接に基板に加わる。
【００６９】
１つの実施形態においては、キャリアは、さらに、キャビティを形成するため可撓性部材と下面との間に配置されたコーナリング片を備え、キャリアの下面は、加圧流体をキャビティに導入するようになっているポートを有し、可撓性部材に圧力を加える工程は、加圧流体をポートを介してキャビティに導入する工程を含んでいる。好ましくは、研磨装置が研磨工程中にキャリアを回転させる駆動機構を含んでいる場合、方法は、さらに、可撓性部材を介して基板にトルクを付与する工程を含んでいる。より好ましくは、可撓性部材の厚さを貫通する孔の数及びサイズは、研磨工程中、回転エネルギを基板に付与するために可撓性部材の受入れ面と基板との間の充分な摩擦力を提供するように選択される。
【００７０】
１つの実施形態では、ポートは、真空をキャビティに引き込むようになっており、方法は、さらに基板を受入れ面に保持するためキャビティに真空を引き入れるロード工程を含んでいる。好ましくは、引き込みのローディング工程は、さらに可撓性部材と基板をバルブとして用いて所定の真空度に到達したときにポートをキャビティから分離する工程を備えている。より好ましくは、研磨装置は、ポートに連結された真空スイッチを有し、ロード工程は、所定の真空度に達したとき真空スイッチを切り替えることによって、受入れ面に基板が存在することを検知することを含んでいる。方法は、さらに、研磨工程の後のアンロード工程の間に、研磨面からキャリアを上昇させる前に基板を受入れ面に保持させるためにキャビティに真空を導入する工程を含んでいる。
【００７１】
また別の態様においては、基板を研磨するための研磨装置は、基板を研磨面に押圧するために加圧流体を直接に基板に加えるための手段と、研磨操作の間に回転エネルギをキャリアから基板に伝達するための手段とを備えている。好ましくは、加圧流体を直接に基板に加えるための手段は、研磨工程の間、基板が保持されるキャリアの下面に取り付けられた可撓性部材を含んでいる。可撓性部材は、基板に係合するようになっている受入れ面と、所定の厚さと、基板に直接に圧力を加えるため厚さを貫通して受入れ面まで延びている多数の孔とを備えている。より好ましくは、キャリアから基板に回転エネルギを伝達するための手段は、可撓性部材の受入れ面を含み、孔の数及びサイズは、回転エネルギを基板に付与するために受入れ面と基板との間に充分な摩擦力を提供するように選択される。
【００７２】
本発明は、また、研磨工程の間、基板を保持するようになっているキャリアを備えた研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドに関するものである。キャリアは、下面と、キャリアに固定されるとともに下面に延びている可撓性部材とを備えている。可撓性部材は基板に係合する受入れ面を有している。キャリアは、吸引力を供給するための下面に延びているポートと、ポートの近傍で可撓性部材と下面との間に配置されたコーナリング片とを備えている。可撓性部材は、所定の厚さと、その厚さを貫通して受入れ面まで延びている少なくとも１つの孔とを備えており、孔の位置はポートの位置と実質的に整合している。可撓性部材は、ポートの近傍で下面から間隔をおいている第１位置と、可撓性部材がポートの周りの下面に係合しかつ孔が少なくとも部分的にポートと位置が合っている第２位置との間で可動であり、それゆえ、研磨工程の少なくとも一部の間、基板を受入れ面に保持するために吸引力がポートに供給され、これによって、スペーサが実質的に吸引力の適用を基板の一部のみに制限し、これゆえ、基板の残りの部分に加わる好ましくないストレスを最小とする。好ましくは、可撓性部材は受入れ面の基板によってシールされ、真空のキャビティへの引き入れを可能としている。
【００７３】
１つの実施形態においては、可撓性部材と基板は、所定の真空度が達成されたときにポートをキャビティから分離（隔離）するためのバルブとして機能し、それによって、可撓性部材の変形と受入れ面に保持された基板へのストレスが減らされる。本実施例の変形例においては、スペーサは可撓性部材をキャリアの下面から分離する厚さを有しており、その厚さは真空がキャビティに引き入れられるときに可撓性部材の変形をさらに減少させるように選択され、それによって、受入れ面に保持された基板へのストレスが減少する。別の変形例においては、研磨装置は、さらに、ポートに連結された真空スイッチを備え、受入れ面上の基板の存在は、所定の真空度が真空スイッチのスイッチングによって達せられたときに検知される。
【００７４】
別の実施形態においては、研磨装置は、研磨工程の間、キャリアを回転させるための駆動機構を含み、孔のサイズは、回転エネルギを基板に付与するために可撓性部材の受入れ面と基板との間に充分な摩擦力を提供するように選択される。
【００７５】
また別の実施形態においては、多数の孔は、可撓性部材の厚さを貫通して受入れ面まで延びている。この実施形態の変形例においては、キャリアは、さらに、研磨工程の間、加圧流体をキャビティに導入するためのポートと連通している通路を含んでおり、多数の孔は、研磨工程の間、基板を研磨面に押圧するために加圧流体を孔を通して基板に直接に加えることを可能にするようになっている。別の変形例においては、研磨装置は、研磨工程の間、キャリアを回転させるための駆動機構を含み、孔の数及びサイズは回転エネルギを基板に与えるために可撓性部材の受入れ面と基板との間に充分な摩擦力を提供するように選択される。
【００７６】
別の実施態様においては、方法は、研磨面と、研磨操作の間に基板を保持するようになっているキャリアとを備えた研磨装置を用いて表面を有した基板を研磨するために提供される。キャリアは、キャリアに固定された可撓性部材を有した下面と、可撓性部材と下面との間にキャビティを形成するために可撓性部材と下面との間に配置されたコーナリング片とを備えている。キャリアの下面はキャビティに真空を引き入れるようになっているポートを備えている。可撓性部材は基板を受け入れるようになっている受入れ面を有している。可撓性部材は、所定の厚さと、その厚さを貫通して受入れ面まで延びている少なくとも１つの孔とを備えている。方法は、受入れ面に基板を受け入れる工程と、基板をキャリアに保持するためキャビティに真空を引き入れる工程と、基板の表面を研磨面に位置決めする工程とを備えている。好ましくは、キャビティに真空を引き込む工程は、可撓性部材と基板をバルブとして用いて所定の真空度に到達したときにポートをキャビティから分離（隔離）する工程を含んでいる。より好ましくは、研磨装置は、さらに、ポートに連結された真空スイッチを含み、方法は、所定の真空度に到達したときに真空スイッチを切り替えることによって受入れ面に基板が存在することを検知する工程を含んでいる。
【００７７】
本発明は、また、研磨装置の研磨面に表面を有した基板を位置決めするための研磨ヘッドに関するものである。研磨ヘッドは底面を有したキャリアを含んでいる。底面は、研磨工程の間、基板を保持するようになっている下面を含んでいる。キャリアは、操作中、研磨物質を研磨面に分配するための下面の周りの底面を貫通して延びている多数のポートを備えている。一般的に、ポートは研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配するようになっている。また、研磨面が固定砥粒を含んでいる場合には、ポートは、研磨工程中、水を研磨面に分配するようになっている。
【００７８】
１つの実施形態においては、ポートはリテーナリング内に配置されている。
別の実施形態においては、キャリアは、研磨工程中、基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングは、サブキャリアの周りに回転可能に配置され、環状空間によってサブキャリアから分離されている。本実施例の変形例においては、ポートは、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されている。好ましくは、ポートはリテーナリングとサブキャリア間の環状空間の周りに均等な間隔で配置されている。より好ましくは、２〜３０個のポートがある。もっとも好ましくは、ポートは、さらに、メンテナンス操作中、リテーナリングとサブキャリア間の環状空間を洗浄するようになっている。
【００７９】
本発明の研磨ヘッドは、ＣＭＰ等の研磨装置において特に有益である。典型的には、装置は、研磨面と、研磨工程中に研磨面上に研磨剤を含むスラリーを分配するようになっているポートとを備えている。また研磨面は固定砥粒を有し、ポートは研磨工程中に研磨面に水を分配するようになっている。
【００８０】
別の態様においては、方法は、研磨面と、研磨工程中に基板を保持するようになっている底面を有したキャリアとを備えた研磨装置を用いて表面を有した基板を研磨するために設けられている。方法は、基板をキャリアの下面に位置決めする工程と、基板の表面を研磨面に押圧するようにキャリアを研磨面に付勢する工程と、キャリアの下面を通して研磨物質を研磨面に分配する工程とを備えている。
【００８１】
１つの実施形態においては、研磨面は固定砥粒を有し、化学物質を研磨面に分配する工程は、水を研磨面に分配する工程を含んでいる。また、化学的機械研磨装置は、スラリーを多数のポートに供給することができるスラリー供給部を備え、化学物質を研磨面に分配する工程は、スラリーを研磨面に分配する工程を含んでいる。この実施形態の変形例においては、研磨装置は、洗浄用流体を多数のポートに供給することができる洗浄用流体供給部と、スラリー供給部と洗浄用流体供給部との間を切り替えるバルブとを備えており、方法は、さらに、基板の研磨の後、多数のポートを洗浄する工程を含んでいる。
【００８２】
さらに別の態様においては、表面を有した基板を研磨装置の研磨面に位置決めする研磨ヘッドは、研磨工程中、研磨ヘッドから化学物質を研磨面に分配する手段を備えている。
【００８３】
１つの実施形態においては、研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、研磨剤を含有するスラリーを研磨面に分配する手段を含んでいる。また、研磨面は固定砥粒を有し、研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、研磨工程中、水を研磨面に分配する手段を含んでいる。
【００８４】
別の実施形態においては、研磨ヘッドから化学物質を分配する手段は、リテーナリング内に配置されている多数のポートを含んでいる。好ましくは、キャリアは、さらに、研磨工程中、基板が保持される受入れ面を有したサブキャリアを備え、リテーナリングは、サブキャリアの周りに回転可能に配置されるとともに環状空間によってサブキャリアから分離されている。もっとも好ましくは、ポートはリテーナリングとサブキャリア間の環状空間内に配置されている。
【００８５】
本発明は、また、材料を基板の表面から除去する研磨装置に関するものである。研磨装置は、研磨工程中、基板を保持するようになっている研磨ヘッドと、基板と研磨面との間に相対運動があるときに研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に化学物質を分配するための多数の凹部を有した研磨面とを備えている。多数の凹部は、研磨面に材料を除去する可変の研磨速度を提供するため、研磨面に不均一な間隔で形成されている。研磨面における凹部の間隔は、第１領域と第２領域間の研磨速度の差を提供するため、第１領域から第２領域まで変化している。
【００８６】
１つの実施形態においては、多数の凹部は、研磨面に半径方向に不均一な間隔を有した溝を含んでいる。本実施形態の変形例においては、溝は、不均一な切断面を有している。好ましくは、研磨面の凹部の間隔は、第１領域から第２領域まで変化しており、第１領域と第２領域との間で少なくとも５％の研磨速度の差を提供するようになっている。より好ましくは、多数の溝は、第２領域よりも第１領域においてより密集しており、第１領域は第２領域よりもより低い研磨速度を提供する。研磨面の溝の間隔は、第１領域における１インチあたり２０個の溝から第２領域における１インチあたり２個の溝まで変化する。好ましくは、溝は、実質的に均一な深さと実質的に均一な幅を有している。一般的には、第１領域における１インチあたりの溝は、第２領域における１インチあたりの溝よりも多く、かつ第１領域は第２領域よりもより低い研磨速度を提供する。溝は、平行溝、同心状の円形状の溝、同心状の楕円形状の溝、可変のピッチの複数の螺旋溝又は単一の螺旋溝であり得る。
また、凹部は研磨面に多数の開口したキャビティ又はくぼみからなることができる。
【００８７】
研磨面が固定砥粒を有する場合、凹部は、研磨工程中、研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に水を分配するようになっている。また、凹部は、研磨工程中、研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に研磨剤を含有するスラリーを分配するようになっている。
【００８８】
さらに他の態様においては、材料を基板の表面から除去する研磨装置を提供する。研磨装置は、研磨操作中に基板を保持するようになっている研磨ヘッドと、基板と研磨面との間に相対運動があるときに研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に化学物質を分配するための多数の凹部を有した研磨面とを備えている。凹部は、第１領域から第２領域まで研磨面に材料を除去する可変の研磨速度を提供するため、研磨面に第１領域から第２領域まで変化する不均一なサイズを有している。
【００８９】
１つの実施形態においては、凹部は研磨面に多数のキャビティを含み、キャビティの深さは、第１領域と第２領域との間で研磨速度の差を提供するため、第１領域から第２領域まで変化する。
別の実施形態においては、凹部は研磨面に多数のキャビティを含み、キャビティの各々は、研磨面と平行な切断面を有し、多数のキャビティの各々の切断面は、第１領域と第２領域との間の研磨速度の差を提供するため、第１領域から第２領域まで変化している。
【００９０】
さらに別の実施形態においては、凹部は、研磨面に所定の深さを有した多数の溝を含み、溝の深さは、第１領域と第２領域との間の研磨速度の差を提供するため、第１領域から第２領域まで変化している。
さらに別の実施形態においては、凹部は研磨面に多数の溝を含み、各々の溝は所定の幅を有している。多数の溝の各々の幅は、第１領域と第２領域との間で研磨速度の差を提供するため、第１領域から第２領域まで変化している。
【００９１】
別の態様においては、方法は、研磨工程中、基板を保持するようになっている研磨ヘッドと、基板と研磨面との間に相対運動があるときに研磨ヘッドに保持された基板と研磨面との間に化学物質を分配するための多数の凹部を有した研磨面とを備えた研磨装置を用いて基板の表面から材料を除去するために設けられている。多数の凹部は、研磨面に材料を除去する可変の研磨速度を提供するため、研磨面に不均一な間隔で形成されている。方法は、研磨ヘッド上に基板を位置決めする工程と、基板の表面を研磨面に押圧する工程と、研磨面に化学物質を分配する工程と、研磨面にわたって変化する研磨速度で基板の表面から材料を除去するため基板と研磨面との間に相対運動を提供する工程とを含んでいる。
【００９２】
１つの実施形態においては、研磨面の凹部の間隔は、第１領域から第２領域まで変化し、基板の表面から材料を除去するため基板と研磨面との間に相対運動を提供する工程は、第１領域と第２領域との間の研磨速度の差を提供する工程である。
別の実施形態においては、凹部は、実質的に均一な深さと実質的に均一な幅を有した多数の溝を含んでいる。
【００９３】
さらに他の実施形態においては、凹部は多数のキャビティを含んでおり、キャビティの各々は、実質的に均一な深さと、研磨面に平行な実質的に均一な切断面を有している。
さらに他の実施形態においては、本発明は、本発明の装置によって製造された半導体ウエハ等の研磨対象物又は基板を提供する。
さらに他の実施形態においては、本発明は、本発明の上述の方法又は工程によって製造された半導体ウエハ等の研磨対象物又は基板を提供する。
【００９４】
本発明の実施形態の数々の特徴及び利点を、上述の説明において、本発明の種々の実施形態の構造及び機能の詳細とともに述べたが、この開示は例証のみであって、変更は、細部にわたって、特に添付のクレームが表現している用語の広く一般的な意味によって示された最大限の範囲で本発明の原理の範囲内で部品の構造及び配置の事項としてなし得る。
【符号の説明】
【００９５】
１００    ＣＭＰ装置
１０５    基板
１１０    ベース
１１５    プラテン
１２０    研磨パッド
１２５    研磨面
１３０    ブリッジ
１３５    カルーセル
１４０    研磨ヘッド
１４２    モータ
１４５    チェーン
１５０    ヘッド装着アセンブリ
１５５    キャリア
１６０    サブキャリア
１６２    フランジ
１６３    ねじ
１６４    下面
１６５    下面
１６６    ガスケット
１６７    支持リング
１６８    支持リング
１７０    リテーナリング
１７５，１８０    キャビティ（チャンバ）
１７６    ガスケット
１７７    スカート部
１７８    バッキングプレート
１７９    ねじ
１８５    可撓性部材
１９０    受入れ面
１９５    孔
２００    バッキングリング
２０５    下面
２１０    コーナリング片
２１５    下部キャビティ
２２０    通路
２２５    ポート
２３０    リップ
２３５    分離バルブ
２４０    真空スイッチ
２４３    スペーサ
２４５    通路
２６０    ベアリング
２６５    ハウジング
２７５    アウターレース
２８０    空間
２８５    第１リップ
２９０    第２リップ
２９５    ボルト
３００    軸部
３０５    頭部
３１５    モータ
３２０    分配機構
３２５    ポート
３３０    洗浄用流体供給部
３３５    スラリー供給部
３４０    バルブ
３４５    溝
３５０    キャビティ
３５５    仮想線
３６０，３６５，３７０，３７５，３８０，３８５，３９０，３９５，４００，４０５，４１０，４１５，４２０    工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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