(57)【要約】      （修正有）【課題】基板の汚染や基板の損傷というリスクを最小としつつ研磨効率や平坦性の一様度や最終仕上げ度合いを最適化し得るような化学的機械的研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置において使用するための基板保持リング１６６であって、保持リングが、研磨時に研磨パッド１３５に当接するための下面と、基板１１３取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面と、リング外周部に位置し、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面１２４と、前記研磨パッドの公称平面に対して垂直とされた第２平面１２５との間に設けられた遷移領域と、を有し、前記遷移領域が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して１５°〜２５°の角度で平面的に傾斜したことを特徴とする基板保持リングを採用する。【選択図】図２
2008302495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置において使用するための基板保持リングであって、前記保持リングが、
研磨時に研磨パッドに当接するための下面と、
基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面と、
リング外周部に位置し、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して垂直とされた第２平面との間に設けられた遷移領域と、を有し、
前記遷移領域が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して１５°〜２５°の角度で平面的に傾斜したことを特徴とする基板保持リング。
【請求項２】
請求項１記載の基板保持リングにおいて、
前記第１平面に対して直線的に連接されているとともに、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して平面的に６５°〜７５°の角度で傾斜した第２平面を有することを特徴とする基板保持リング。
【請求項３】
研磨装置において使用するための基板保持リングであって、
前記基板保持リングは摩耗性材料からなるとともに、研磨時に研磨パッドに当接するための下面と、
基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面と、
リング外周部に位置する遷移領域と、を有することを特徴とする基板保持リング。
【請求項４】
基板を研磨する研磨装置において、該基板を保持するために使用される基板保持リングであって、
前記研磨装置が前記基板を研磨する際に、研磨の非線形性を除去しうるように、前記基板保持リングの径方向外面が径方向に変化する形状とされた遷移領域構造であることを特徴とする基板保持リング。
【請求項５】
前記基板保持リングは、前記研磨装置が基板を研磨する際には、保持リングアダプタと一体的に構成されて保持リングアセンブリを構成するようにされたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の基板保持リング。
【請求項６】
前記基板保持リングは、保持リングアダプタと脱着可能なように構成され、前記研磨装置が基板を研磨する際には保持リングアダプタと一体的に構成されて保持リングアセンブリを構成するようにされたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の基板保持リング。
【請求項７】
前記遷移領域が、リング外周部に位置し、研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して垂直とされた第２平面との間に設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の基板保持リング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン表面や金属フィルムや酸化物フィルムやあるいは表面上の他のタイプのフィルムといったような基板を化学的かつ機械的に平坦化して研磨することに関するものである。より詳細には、本発明は、基板保持リングを有した基板キャリアアセンブリを具備している研磨ヘッドに関するものであり、さらに詳細には、複数の圧力チャンバを備えたタイプの研磨ヘッドに関するものである。本発明は、また、基板キャリアと基板保持リングとを互いに個別的に制御可能としたような、シリコン基板やガラス基板の研磨方法、および、基板表面上における様々な酸化物や金属やあるいは他の成膜材料の化学的かつ機械的な平坦化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブミクロンの集積回路（ＩＣｓ）においては、金属相互接続ステップにおいてデバイス表面が平坦化されている必要がある。化学的機械的研磨（chemical mechanical polishing，ＣＭＰ）は、半導体ウェハ表面を平坦化するための一技術である。ＩＣにおけるトランジスタ集積密度は、近年においては、約１８ヶ月ごとに２倍とされてきており、この傾向を維持するような努力がなされてきた。
【０００３】
チップ上におけるトランジスタの集積密度を増大させるためには、少なくとも２つの方法が存在する。第１の方法は、デバイスサイズ少なくともダイサイズを増大させることである。しかしながら、この方法は、常に最良に方法ではない。なぜなら、ダイサイズが増大するにつれて典型的にはウェハあたりのダイ収率が低下するからである。単位面積あたりの欠陥密度が制限因子であることにより、単位面積あたりの欠陥フリーダイの量は、ダイサイズが増大するにつれて減少する。収率が低下するだけでなくウェハ上において区分できる（印刷できる）ダイの数までもが、低下してしまうこととなる。第２の方法は、トランジスタ特性体のサイズを低減することである。トランジスタがより小さくなることは、スイッチング速度の向上を意味する。これは、付加的な利点である。トランジスタのサイズを低減させることにより、ダイサイズを増大させることなく、同一デバイス面積内に、より多数のトランジスタやより多数の論理素子すなわちより多数のメモリビットを集積することができる。
【０００４】
ここ数年、サブハーフミクロン技術が、サブクォータミクロン技術へと急速に進化してきた。各チップ上に形成されるトランジスタ数は、３年前の時点における１チップあたりに数百個〜数千個のトランジスタ数から、今日における１チップあたりに数百万個のトランジスタ数へと、急激に増大した。この密度は、近いうちにさらに増大するものと予想される。この場合の電流の解決手段は、相互接続ワイヤ層と絶縁性（誘電性）薄膜とを形成することである。ワイヤは、また、バイアスを介して鉛直方向に接続可能なものであって、集積回路機能によって要望された場合には、すべての電気経路が得られる。
【０００５】
絶縁性誘電層内に埋設された埋設金属ラインを使用した埋設金属ライン構造は、誘電層内にプラズマエッチング形成されたトレンチや溝によって、同一平面上に金属ワイヤ接続を形成することを可能とし、また、上下方向において金属ワイヤ接続を形成することを可能とする。理論的には、これら接続平面は、ＣＭＰプロセスによって各層が充分に平坦化される限りにおいては、要望によっては、複数の層を互いに積層することができる。相互接続の究極の限界は、接続抵抗（Ｒ）と近接キャパシタンス（Ｃ）とによって制限される。いわゆるＲＣ定数は、信号雑音比を制限し、電力消費を増大させ、よって、チップの機能を台無しにする。工業的予測によれば、１つのチップ上に集積されるトランジスタ数は、１０億個になるであろうと予想されており、相互接続の層数は、９層以上になると予想されている。
【０００６】
予想される相互接続の要求に応えるためには、ＣＭＰプロセスおよびＣＭＰツールの性能は、過剰研磨や研磨不足に基づくウェハエッジの除去量を６ｍｍから３ｍｍ未満へと低減させ、これにより、大きなダイを形成し得る物理的面積を大きくするとともに、研磨時にウェハ表面全体にわたって一様かつ適切な力を印加し得る研磨ヘッドを使用することによって、研磨の非一様性を低減させ得るように改良されることとなる。ＣＭＰ後におけるウェハエッジ（エッジから２〜１５ｍｍまで）のところでのフィルムの非一様性における電流変動は、ウェハの外周縁部におけるダイ収率の低下となる。このようなエッジの非一様性は、ウェハエッジのところにおける過剰研磨または研磨不足に基づくものである。過剰研磨や研磨不足を補償し得るようにエッジの研磨度合いを調節する能力を有したＣＭＰ研磨ヘッドを使用することにより、大幅に収率を改良することができる。
【０００７】
集積回路は、１つまたは複数の層を順次的に成膜することにより、従来より、基板上に形成される、特に、シリコンウェハ上に形成される。その場合の１つまたは複数の層は、導電的なものや、絶縁的なものや、あるいは、半導体的なもの、とすることができる。このような構造は、時に多層構造（ＭＩＭ’ｓ）と称され、なおも減少しつつあるデザインルールが適用されるチップ上に回路素子を高密度集積するに際しては、重要である。
【０００８】
例えばノート型コンピュータやパーソナル用データ補助手段（ＰＤＡｓ）や携帯電話や他の電子デバイスにおいて使用されるようなフラットパネルディスプレイにおいては、典型的には、ガラスや他の透明基板上に１つ以上の層が成膜されることにより、能動的なまたは受動的なＬＣＤ回路といったようなディスプレイ素子が形成される。各層が成膜された後には、各層に対してエッチングを行うことによって、選択された所定領域から材料を除去し、回路パターンが形成される。一連の層が成膜されてエッチングされたときには、基板の外表面すなわち基板の最上表面は、しだいに平面性を失うこととなる。なぜなら、外表面とその下の基板との間の距離が、エッチングが最も小さく行われた基板領域において最も大きくなり、外表面とその下の基板との間の距離が、エッチングが最も大きく行われた基板領域において最も小さくなるからである。単一層についてだけでも、山や谷からなる非平坦形状が形成されて非平坦面となる。複数のパターンが形成された複数の層の場合には、山と谷との間の高さの差が、ますます大きくなり、典型的には、数ミクロンの差となり得る。
【０００９】
非平坦な上面は、表面をパターニングするために使用される表面光リソグラフィーにとっては有害なものであり、また、過度に高さの差が存在している表面上に層の成膜を行おうとしたときに層がひび割れを起こしかねないという点で有害なものである。したがって、基板表面を周期的に平坦化して、層表面を平坦化する必要がある。平坦化により、非平坦な外表面が除去され、比較的フラットで平滑な表面が形成され、導電材料や半導電性材料や絶縁性材料が研磨される。平坦化の後には、露出している外表面上に、さらなる層を成膜することができ、これにより、構造どうしの間に相互接続ラインを含んださらなる構造が形成される、あるいは、露出面の直下に位置した構造に対してのアクセスを形成し得るように、上の層をエッチングすることができる。大まかに言えば研磨は、詳細に言えば化学的機械的研磨（ＣＭＰ）は、表面平坦化に際しては公知の方法である。
【００１０】
研磨プロセスは、所定の表面最終仕上げ（表面粗さまたは平滑性）および平坦性（大きなスケールでのトポグラフィーがないこと）が得られるように、設定される。最小の最終仕上げ度合いや平坦性を得ることに失敗すれば、基板に欠陥が生じかねず、集積回路に欠陥が生じかねない。
【００１１】
ＣＭＰ時には、半導体ウェハ等の基板は、典型的には、被研磨面を露出させた状態で、ウェハサブキャリア上に取り付けられる。ここで、ウェハサブキャリアは、研磨ヘッドの一部をなしている、あるいは、研磨ヘッドに対して取り付けられている。取り付けられた基板は、その後、研磨機の基部上に配置されている回転研磨パッドに当接して配置される。研磨パッドは、典型的には、研磨パッドの平坦研磨面が水平配置とされて研磨スラリーが均一に分散するようなまた基板面に対して研磨パッドが平行に対向した状態で相互作用を起こすような、向きとされる。パッド面の水平配置（パッド面の垂線が鉛直方向を向いた配置）は、また、少なくとも部分的に重力の影響によってウェハがパッドに対して当接し得ることにより、また、ウェハと研磨パッドとの間において重力が不均衡に作用しないようにして最小の相互作用がもたらされることにより、望ましい。パッドの回転に加えて、キャリアヘッドも回転することができる。これにより、基板と研磨パッド面との間に、付加的な相対移動がもたらされる。典型的には液体内に研磨剤が懸濁されておりＣＭＰの場合には少なくとも１つの化学反応剤を含有しているような、研磨スラリーを、研磨パッドに対して供給することができる。これにより、研磨剤入りの研磨混合液が、またＣＭＰの場合には研磨剤入りでありさらに化学反応性の研磨混合液が、パッドと基板との界面に供給される。様々な研磨パッドや研磨スラリーや反応性混合液が、従来技術において公知であり、これらの組合せにより、所定の最終仕上げ度合いおよび平坦度合い特性を得ることができる。研磨パッドと基板との間の相対速度、合計研磨時間、研磨時に印加される圧力、および、他の要因が、表面平坦度合いや最終仕上げ度合いさらには均一さに影響を与える。また、引き続いて研磨される複数の基板が、また複数ヘッドタイプの研磨機が使用される場合にはすべての研磨操作時に研磨されるすべての基板が、材料を実質的に同一量だけ除去することにより同一程度に研磨され、同一の平坦度合いや最終仕上げ度合いが得られることが望ましい。ＣＭＰやウェハ研磨は、公知技術においては周知であるので、ここではこれ以上の説明を割愛する。
【００１２】
米国特許明細書第５，２０５，０８２号には、従来の装置や方法に対して多数の利点を有しているような、フレキシブルダイヤフラムを利用したサブキャリアの取付が開示されている。また、米国特許明細書第５，５８４，７５１号には、フレキシブルな袋を利用することにより保持リングに対しての下向き力を幾分か制御可能とすることが開示されている。しかしながら、いずれの文献においても、ウェハと保持リングとの間の界面に印加される圧力を直接的に個別制御し得るような構成は示唆されておらず、また、エッジの研磨効果すなわちエッジの平坦化効果を修正するための差圧を適用し得るような構成は開示されていない。
【特許文献１】米国特許第５，２０５，０８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，５８４，７５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記事情により、基板の汚染や基板の損傷というリスクを最小としつつ研磨効率や平坦性の一様度や最終仕上げ度合いを最適化し得るような化学的機械的研磨装置が要望されていた。
【００１４】
上記の理由により、研磨されるべき基板表面上にわたって実質的に一様な圧力を印加できるとともに、研磨操作時に基板を研磨パッドに対して実質的に平行に維持することができ、さらには、望ましくない研磨の異常さを基板の周縁部に誘起することなく研磨ヘッドのキャリア部分内に基板を維持できるような、研磨ヘッドが要望されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、半導体ウェハといったような基板を一様に研磨または平坦化するための構成および方法であって、半導体ウェハの中央とエッジとの間において実質的に一様な研磨が得られるような構成および方法を提供する。本発明による化学的機械的研磨（ＣＭＰ）ヘッドは、浮遊型ウェハ保持リングとウェハキャリア（ウェーハサブキャリアとも称するが、同義である）とを具備しており、複数ゾーンにわたって研磨圧力制御を行うものである。本発明のある見地においては、ハウジングと、研磨されるべき基板を取り付けるためのサブキャリアと、基板を保持するためのものであってサブキャリアを実質的に取り囲むものとされた保持リングと、保持リングがサブキャリアに対して相対移動可能であるようにして、保持リングをサブキャリアに対して取り付けるための第１カップリングと、サブキャリアがハウジングに対して相対移動可能であるようにして、サブキャリアをハウジングに対して取り付けるための第２カップリングと、を具備してなり、ハウジングと第１カップリングとは、保持リングに対して押圧力をもたらすための第１チャンバを形成し、ハウジングと第２カップリングとは、サブキャリアに対して押圧力をもたらすための第２圧力チャンバを形成する。ある実施形態においては、カップリングは、ダイヤフラムとされる。
【００１６】
他の見地においては、本発明は、研磨装置または平坦化装置において使用するための基板保持リング（半導体ウェハ保持リング）のための構成および方法であって、保持リングが、研磨時に研磨パッドに当接するための下面と、サブキャリアの円筒状外面に対して隣接配置されかつサブキャリアの基板取付面の周縁部に対して隣接配置される内面であって、サブキャリアの基板取付面と共に、研磨時に基板を保持するためのポケットを形成する、内面と、保持リングのうちの、研磨時に保持リングが研磨パッドに対して当接する部分である径方向外方下部箇所に配置された研磨パッド制御部材であって、研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と研磨パッドの公称平面に対して実質的に垂直とされた第２平面との間の遷移領域において形状特性を規定している研磨パッド制御部材と、を備えているような、基板保持リングのための構成および方法を提供する。本発明のある実施形態においては、基板保持リングは、研磨パッドの公称平面の平行方向に対して実質的に１５°〜２５°の角度を呈することによって特徴づけられる。他の実施形態においては、基板保持リングは、研磨パッドの公称平面の平行方向に対して実質的に２０°の角度を呈することによって特徴づけられる。
【００１７】
本発明の他の見地においては、本発明は、１つまたは複数のチャンバがウェハの中央からエッジにかけて径方向に研磨圧力を調節可能としておりこれによりウェハからの材料除去量が中央からエッジにかけての距離の関数として調節可能とされているような、付加チャンバ付きウェーハサブキャリアを提供する。１つまたは複数のチャンバは、サブキャリア面内にグルーブを形成することによって、ウェーハサブキャリアに形成される。そして、フレキシブルメンブランが、シールされた圧力チャンバを形成するために、サブキャリアと被研磨ウェハとの間において、サブキャリアに対して適用される。チャンバ内に加圧流体を適用することにより、メンブランが膨張し、これにより、メンブランがウェハ背面を押圧する。これにより、ウェハのうちの押圧された部分は、ウェハの他の部分よりも大きな力でもって、研磨パッドに対して付勢（押圧）される。付加チャンバ付きのウェーハサブキャリアは、上述のような保持リングに対して押圧力をもたらすための第１圧力チャンバとサブキャリアに対して押圧力をもたらすための第２圧力チャンバを組み合わせて使用することができる。
【００１８】
付加チャンバ付きサブキャリアのある実施形態においては、サブキャリアの外周エッジ近傍に配置された単一のグルーブが、ウェハのエッジとウェハの残部との間の非一様性を制御し得るよう、ウェハのエッジ近傍における研磨力を変更するために設けられている。他の実施形態においては、付加チャンバ付きのサブキャリアは、複数のグルーブが形成されていて隣接グルーブどうしの間の領域における研磨圧力を修正し得るように各グルーブが圧力をもたらすような、複数グルーブを有した複数の付加チャンバ付きのサブキャリアとされる。
【００１９】
付加チャンバ付きサブキャリアは、限定するものではないけれども、浮遊型保持リングまたは浮遊型ウェーハサブキャリアを具備した研磨装置および方法も含めた種々の研磨装置に対して適用することができる。
【００２０】
他の見地においては、本発明は、半導体ウェハを平坦化するための方法であって、ウェハ支持サブキャリアによってウェハの背面を支持し、研磨パッドに対してウェハの前面を押圧するために、支持サブキャリアに対して研磨力を印加し、サブキャリアおよびウェハの周囲に配置された保持リングによって研磨時の支持サブキャリアからのウェハの移動を抑制し、研磨パッドに対して保持リングの前面を押圧するために、保持リングに対して研磨パッド制御力を印加するような、方法が提供される。本発明による方法のある実施形態においては、研磨パッド制御力は、研磨力とは独立に印加される。しかしながら、他の実施形態においては、研磨パッド制御力は、研磨力と少なくとも部分的に連携したものとされる。他の代替可能な実施形態においては、研磨パッド制御力は、研磨パッドの公称平面に対する直交方向において研磨パッドの第１領域に対して印加されるとともに、研磨パッドの第２領域に対しては、保持リングの面取エッジ形状を利用して、公称平面に対して直交した第１摩擦成分と公称平面に平行な第２摩擦成分とを有したものとして印加される。本発明による方法のさらなる他の実施形態においては、ウェハの互いに異なる複数の径方向ゾーンに対して互いに異なる研磨圧力を印加することによって、ウェハの中央からエッジにかけての径方向の一様性を制御する。
【００２１】
他の見地においては、本発明は、本発明によって研磨されたまたは平坦化された半導体ウェハを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、複数ヘッド型研磨平坦化装置の一実施形態を概略的に示す図である。
図２は、本発明による２チャンバ型研磨ヘッドの簡略的な実施形態を概略的に示す図である。
図３は、本発明による２チャンバ型研磨ヘッドの簡略的な実施形態を概略的に示す図であって、この図においては、連結部材（ダイヤフラム）がウェハサブキャリアとウェハ保持リングとを相対移動可能とする様式が誇張したスケールで示されている。
図４は、カルーセルとヘッド取付アセンブリと回転ユニオンとウェハサブキャリアアセンブリとの部分の実施態様を組立状態で概略的に示す断面図である。
図５は、本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様を詳細に示す断面図である。
図６は、図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を展開して示す図である。
図７は、図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を詳細に示す断面図である。
図８は、図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の他の部分を詳細に示す図である。
図９は、本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す平面図である。
図１０は、図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す断面図である。
図１１は、図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を詳細に示す図である。
図１２は、図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す斜視図である。
図１３は、図９に示す保持リングの一部を示す断面図であって、保持リングの径方向外周縁部に、面取遷移領域が設けられている様子が詳細に示されている。
図１４は、図５の研磨ヘッドにおいて使用される本発明による保持リングアダプタの実施態様を概略的に示す図である。
図１５は、図１４の保持リングアダプタの代替可能な実施態様を概略的に示す図である。
図１６は、図１４の保持リングアダプタの断面図である。
図１７は、保持リングアダプタに対して保持リングを取り付ける様式を断面図でもって詳細に示す図である。
図１８は、リング領域から研磨スラリーを除去するための排出チャネルおよびオリフィスを詳細に示す図である。
図１９は、保持リングと研磨パッドとの間の境界のところが矩形コーナーとされている保持リングの場合における、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説を概略的に示す図である。
図２０は、保持リングと研磨パッドとの間の境界のところが本発明に従って複数平面型面取遷移領域とされている保持リングの場合における、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説を概略的に示す図である。
図２１は、ウェハローディング手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
図２２は、ウェハ研磨手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
図２３は、ウェハアンローディング手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
図２４は、本発明によるウェハサブキャリアのグルーブ無しタイプの一実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
図２５は、本発明によるウェハサブキャリアの単一グルーブかつ単一付加圧力チャンバ付きの実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
図２６は、図２５に示す単一グルーブかつ単一付加圧力チャンバ付きのウェハサブキャリアの一部を示す断面図である。
図２７は、本発明によるウェハサブキャリアの３個グルーブかつ３個付加チャンバ付きの実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
図２８は、カルーセルとヘッド取付アセンブリと回転ユニオンとウェハサブキャリアアセンブリとの部分の実施態様を組立状態で概略的に示す断面図であり、この場合、単一グルーブかつ単一付加チャンバ付きのウェハサブキャリアが使用されている。
図２９は、図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様を詳細に示す図である。
図３０は、図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を詳細に示す断面図である。
図３１は、図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の他の部分を詳細に示す断面図である。
図３２は、除去速度に対してのサブキャリアのグルーブ圧力の影響を、位置の関数として概略的に示す図である。
【００２３】
本発明の概略は以下のとおりである。
本発明の基板保持リングは、研磨装置において使用するための基板保持リングであって、前記保持リングが、研磨時に研磨パッドに当接するための下面と、基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面と、リング外周部に位置し、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して垂直とされた第２平面との間に設けられた遷移領域と、を有し、前記遷移領域が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して１５°〜２５°の角度で平面的に傾斜したことを特徴とする。
また、本発明の基板保持リングは、先に記載の基板保持リングにおいて、前記第１平面に対して直線的に連接されているとともに、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して平面的に６５°〜７５°の角度で傾斜した第２平面を有することが好ましい。
また本発明の基板保持リングは、研磨装置において使用するための基板保持リングであって、前記保持リングは摩耗性材料からなるとともに、研磨時に研磨パッドに当接するための下面と、基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面と、リング外周部に位置する遷移領域と、を有することを特徴とする。
また、本発明の基板保持リングは、基板を研磨する研磨装置において、該基板を保持するために使用される基板保持リングであって、前記研磨装置が前記基板を研磨する際に、研磨の非線形性を除去しうるように、前記基板保持リングの径方向外面が径方向に変化する形状とされた遷移領域構造であることを特徴とする。
更に、本発明の基板保持リングは、前記研磨装置が基板を研磨する際には、保持リングアダプタと一体的に構成されて保持リングアセンブリを構成するようにされたことが好ましい。
更にまた、本発明の基板保持リングは、保持リングアダプタと脱着可能なように構成され、前記研磨装置が基板を研磨する際には保持リングアダプタと一体的に構成されて保持リングアセンブリを構成するようにされたことが好ましい。
また、本発明の基板保持リングは、前記遷移領域が、リング外周部に位置し、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して垂直とされた第２平面との間に設けられていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明は、以下の構成を有していてもよい。
（１）  研磨装置であって、ハウジングと；研磨されるべき基板を取り付けるためのディスク状サブキャリアと；前記サブキャリアの面と共にポケットを形成し、該ポケット内に前記基板を保持するための保持リングであり、前記サブキャリアを実質的に取り囲むものとされた保持リングと；前記保持リングが前記サブキャリアに対して相対的に少なくとも１方向において並進移動可能でありかつ軸回りに揺動可能であるようにして、前記保持リングを前記サブキャリアに対して取り付けるための第１フレキシブルカップリングと；前記サブキャリアが前記ハウジングに対して相対的に少なくとも１方向において並進移動可能でありかつ軸回りに揺動可能であるようにして、前記サブキャリアを前記ハウジングに対して取り付けるための第２フレキシブルカップリングと；を具備してなり、前記ハウジングと前記第１フレキシブルカップリングとは、第１チャンバを形成し、該第１チャンバは、加圧ガスの第１ソースに対して流体連通しており、第１圧力とされた前記加圧ガスが前記第１チャンバに対して接続されたときには前記保持リングに対して第１押圧力がもたらされるようになっており、前記ハウジングと前記第２フレキシブルカップリングとは、第２チャンバを形成し、該第２チャンバは、加圧ガスの第２ソースに対して流体連通しており、第２圧力とされた前記加圧ガスが前記第２チャンバに対して接続されたときには前記サブキャリアに対して第２押圧力がもたらされるようになっていることを特徴とする研磨装置。
（２）  （１）記載の研磨装置において、前記サブキャリアの前記並進移動および前記揺動が、前記保持リングの前記並進移動および前記揺動に対して、独立的なものであることを特徴とする研磨装置。
（３）  （１）記載の研磨装置において、前記サブキャリアの前記並進移動および前記揺動が、前記保持リングの前記並進移動および前記揺動に対して、所定程度だけ連携したものであることを特徴とする研磨装置。
（４）  （１）記載の研磨装置において、前記サブキャリアの前記並進移動および前記揺動と、前記保持リングの前記並進移動および前記揺動と、の各々は、他方に対して独立的な成分と他方に対して従属的な成分とを有していることを特徴とする研磨装置。
（５）  （４）記載の研磨装置において、前記サブキャリアと前記保持リングとの前記並進移動および前記揺動の前記従属成分の大きさが、前記第１および第２フレキシブルカップリングの材質特性と形状とに依存することを特徴とする研磨装置。
（６）  （５）記載の研磨装置において、従属程度に影響を与える前記材質特性としては、弾性と硬さとバネ定数とがあり、前記形状特性としては、前記保持リングと前記サブキャリアとの間の取付間隔と、前記サブキャリアと前記ハウジングとの間の取付間隔と、前記ハウジングや前記保持リングや前記サブキャリアの隣接構造と前記第１および第２フレキシブルカップリングとの間の境界形状と、があることを特徴とする研磨装置。
（７）  （１）記載の研磨装置において、前記第１圧力と前記第２圧力とが、互いに異なる圧力値であることを特徴とする研磨装置。
（８）  （１）記載の研磨装置において、前記第１圧力と前記第２圧力とが、実質的に同じ圧力値であることを特徴とする研磨装置。
（９）  （１）記載の研磨装置において、前記第１圧力と前記第２圧力とが、実質的に同じ圧力値であり、前記保持リングに対してもたらされる前記押圧力と前記サブキャリアに対してもたらされる前記押圧力とは、前記保持リングおよび前記サブキャリアの、前記各圧力が印加される表面積によって決定されることを特徴とする研磨装置。
（１０）  （１）記載の研磨装置において、前記第１圧力と前記第２圧力とは、互いに独立に、正圧とも負圧ともすることができることを特徴とする研磨装置。
（１１）  （１０）記載の研磨装置において、前記サブキャリアの面と前記保持リングの円筒状内面とによって形成されるポケットの深さが、前記第１圧力および前記第２圧力による基板ローディング時に確立されることを特徴とする研磨装置。
（１２）  （１）記載の研磨装置において、前記基板が、半導体ウェハとされることを特徴とする研磨装置。
【００２５】
（１３）  （１）記載の研磨装置において、前記保持リングが、さらに、研磨時に外部研磨パッドに当接するための下面と；前記サブキャリアの円筒状外面に対して隣接配置されかつ前記サブキャリアの基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面であって、前記サブキャリアの基板取付面と共に、研磨時に基板を保持するためのポケットを形成する、円筒状内面と；前記保持リングのうちの、研磨時に前記保持リングが前記研磨パッドに対して当接する部分である径方向外方下部箇所に配置された研磨パッド制御部材であって、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に垂直とされた第２平面との間の遷移領域において形状特性を規定している研磨パッド制御部材と；を備えていることを特徴とする研磨装置。
（１４）  （１３）記載の研磨装置において、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１５°〜２５°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする研磨装置。
（１５）  （１３）記載の研磨装置において、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１８°〜２２°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする研磨装置。
（１６）  （１３）記載の研磨装置において、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に２０°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする研磨装置。
（１７）  （１３）記載の研磨装置において、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に２０°の角度を呈することによって特徴づけられるものであり、前記研磨パッド制御部材が、さらに、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に７０°という第２角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする研磨装置。
（１８）  （１３）記載の研磨装置において、実質的に２０°の角度を呈する前記部分が、前記保持リングの前記下面から０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）〜１．０１６ｍｍ（０．０４インチ）の距離にわたって延在し、実質的に７０°の角度を呈する前記部分が、前記保持リングの前記下面から少なくとも５．０８ｍｍ（０．２インチ）の距離にまで延在していることを特徴とする研磨装置。
（１９）  （１３）記載の研磨装置において、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１５°〜２５°の角度と、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に６５°〜７５°という第２角度と、を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする研磨装置。
【００２６】
（２０）  （１）記載の研磨装置において、前記サブキャリアに対する前記第１圧力が、実質的に１０３４２Ｎ／ｍ2（１．５ｐｓｉ）〜６８９５０Ｎ／ｍ2（１０ｐｓｉ）の範囲であり、前記保持リングに対する前記第２圧力が、実質的に１０３４２Ｎ／ｍ2（１．５ｐｓｉ）〜６２０５５Ｎ／ｍ2（９．０ｐｓｉ）の範囲であることを特徴とする研磨装置。
（２１）  （１）記載の研磨装置において、前記フレキシブルカップリングが、ダイヤフラムであることを特徴とする研磨装置。
（２２）  （１）記載の研磨装置において、前記ダイヤフラムが、金属、プラスチック、ゴム、ポリマー、チタン、ステンレススチール、カーボンファイバ複合材料、および、これらの組合せからなるグループの中から選択された材料から形成されていることを特徴とする研磨装置。
（２３）  （１）記載の研磨装置において、前記サブキャリアが、セラミック材料から形成されていることを特徴とする研磨装置。
【００２７】
（２４）  研磨装置において使用するための基板保持リングであって、前記保持リングが、研磨時に外部研磨パッドに当接するための下面と；前記サブキャリアの円筒状外面に対して隣接配置されかつ前記サブキャリアの基板取付面の周縁部に対して隣接配置される円筒状内面であって、前記サブキャリアの基板取付面と共に、研磨時に基板を保持するためのポケットを形成する、円筒状内面と；前記保持リングのうちの、研磨時に前記保持リングが前記研磨パッドに対して当接する部分である径方向外方下部箇所に配置された研磨パッド制御部材であって、前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に平行とされた第１平面と前記研磨パッドの公称平面に対して実質的に垂直とされた第２平面との間の遷移領域において形状特性を規定している研磨パッド制御部材と；を備えていることを特徴とする基板保持リング。
（２５）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１５°〜２５°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする基板保持リング。
（２６）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１８°〜２２°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする基板保持リング。
（２７）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に２０°の角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする基板保持リング。
（２８）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に２０°の角度を呈することによって特徴づけられるものであり、前記研磨パッド制御部材が、さらに、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に７０°という第２角度を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする基板保持リング。
（２９）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、実質的に２０°の角度を呈する前記部分が、前記保持リングの前記下面から０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）〜１．０１６ｍｍ（０．０４インチ）の距離にわたって延在し、実質的に７０°の角度を呈する前記部分が、前記保持リングの前記下面から少なくとも５．０８ｍｍ（０．２インチ）の距離にまで延在していることを特徴とする基板保持リング。
（３０）  （２４）記載の基板保持リングにおいて、前記研磨パッド制御部材が、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に１５°〜２５°の角度と、前記研磨パッドの前記公称平面の平行方向に対して実質的に６５°〜７５°という第２角度と、を呈することによって特徴づけられるものであることを特徴とする基板保持リング。
【００２８】
（３１）  半導体ウェハを平坦化するための方法であって、ウェハ支持サブキャリアによって前記ウェハの背面を支持し；研磨パッドに対して前記ウェハの前面を押圧するために、前記支持サブキャリアに対して研磨力を印加し；前記サブキャリアおよび前記ウェハの周囲に配置された保持リングによって研磨時の前記支持サブキャリアからの前記ウェハの移動を抑制し；前記研磨パッドに対して前記保持リングの前面を押圧するために、前記保持リングに対して研磨パッド制御力を印加する；ことを特徴とする方法。
（３２）  （３１）記載の方法において、前記研磨パッド制御力を、前記研磨力とは独立に印加することを特徴とする方法。
（３３）  （３１）記載の方法において、前記研磨パッド制御力を、前記研磨力と連携したものとすることを特徴とする方法。
（３４）  （３１）記載の方法において、前記研磨パッド制御力を、前記研磨パッドの公称平面に対する直交方向において前記研磨パッドの第１領域に対して印加するとともに、前記研磨パッドの第２領域に対しては、前記公称平面に対して直交した第１摩擦成分と前記公称平面に平行な第２摩擦成分とを有したものとして印加することを特徴とする方法。
【００２９】
（３５）  （３１）に記載された方法によって研磨された半導体ウェハを備えていることを特徴とする製造物品。
（３６）  （３４）に記載された方法によって平坦化された半導体ウェハを備えていることを特徴とする製造物品。
【００３０】
（３７）  （１）記載の研磨装置において、前記ディスク状サブキャリアが、さらに、該サブキャリアのウェハ取付面内に形成された少なくとも１つのキャビティと；該少なくとも１つのキャビティと外部加圧流体源との間にわたって延在した流体連通チャネルと；を備え、前記ウェハ取付面は、フレキシブルメンブランを受領し得るよう構成され、該メンブランは、前記少なくとも１つのキャビティをカバーし、これにより、前記外部加圧流体源から前記少なくとも１つのキャビティへと加圧流体が接続されたときに加圧流体圧力を保持し得る第３チャンバを形成し、前記メンブランは、前記第３チャンバに前記加圧流体が接続されたときには拡張し、これにより、研磨時に前記メンブランと外部研磨パッドとの間に取り付けられたウェハに対して研磨力をもたらすことを特徴とする研磨装置。
【００３１】
（３８）  平坦化操作時に半導体ウェハを保持するための半導体ウェハサブキャリアであって、実質的に非多孔性の材料から形成されるとともに、前記半導体ウェハを取り付けるための第１面と、第２面と、これら第１面および第２面を連結するための実質的に円筒形の第３面と、を有しているディスク状ブロックを備え、ここで、前記第１面は、該第１面から前記ウェハサブキャリアの内面へと延在する非平坦部分を除いては、実質的に平坦面とされ、前記ウェハサブキャリアは、さらに、外部加圧流体源から前記キャビティへと加圧流体を連通させるために、前記キャビティから前記第２面または前記第３面へと延在する流体連通チャネルを備え、前記第１面は、フレキシブルメンブランを受領し得るよう構成され、該メンブランは、前記キャビティをカバーし、これにより、前記外部加圧流体源から前記キャビティへと加圧流体が接続されたときに加圧流体圧力を保持し得るチャンバを形成し、前記メンブランは、前記チャンバに前記加圧流体が接続されたときには拡張し、これにより、前記メンブランに対して取り付けられたウェハに対して研磨力をもたらすことを特徴とするサブキャリア。
【００３２】
図１には、化学的機械的研磨装置すなわち平坦化装置１０１が示されている。この装置１０１は、カルーセル１０２を具備しており、カルーセル１０２には、複数の研磨ヘッドアセンブリ１０３が取り付けられている。研磨ヘッドアセンブリ１０３は、ヘッド取付アセンブリ１０４と、基板（ウェハ）キャリアアセンブリ１０６（図３参照）と、から構成されている（図３参照）。本明細書において使用する『研磨』という用語は、通常は半導体ウェハ１１３からなる基板をも含めた基板１１３の研磨と、電子回路素子が既にウェハ上に成膜されている半導体ウェハが基板をなす場合における基板の平坦化と、の双方を意味している。半導体ウェハは、典型的には、薄くかついささか脆いディスクであって、通常１００ｍｍ〜３００ｍｍの直径を有している。現在は、２００ｍｍ直径のウェハが多く使用されているけれども、３００ｍｍウェハの使用が、現在開発中である。本発明による構成は、最大３００ｍｍ直径とされた半導体ウェハおよび他の基板に対して適用可能なものであって、有利には、ウェハ表面研磨において重要な非一様度が、半導体ディスクの径方向周縁部における除外領域においていわば２ｍｍを超えないように、場合によっては、ウェハのエッジから約２ｍｍ未満の環状領域において２ｍｍを超えないように、制限する。
【００３３】
ベース１０５は、ブリッジ１０７も含めた他の構成要素に対しての支持をもたらす。この場合、ブリッジ１０７は、ヘッドアセンブリが取り付けられた状態のカルーセルを支持するものであって、カルーセルの上下動を可能としている。各ヘッド取付アセンブリ１０４は、カルーセル１０２上に設置され、各研磨ヘッドアセンブリ１０３は、ヘッド取付アセンブリ１０４に対して回転可能に取り付けられる。カルーセルは、カルーセル中心軸１０８回りに回転可能に取り付けられ、研磨ヘッドアセンブリ１０３の各回転軸１１１は、カルーセルの回転軸１０８に対して実質的に平行であるとともに、カルーセルの回転軸１０８からはそれぞれ離間している。ＣＭＰ装置１０１は、さらに、プラテン駆動軸１１０回りに回転可能に取り付けられたモータ駆動型プラテン１０９を具備している。プラテン１０９は、研磨パッド１３５を保持しており、プラテン駆動用モータ（図示せず）によって回転駆動される。ＣＭＰ装置のこの特別の実施形態は、複数ヘッド型構成である。この用語は、各カルーセルに対して複数の研磨ヘッドが設けられることを意味している。これに対して、単一ヘッド型のＣＭＰ装置が公知である。本発明によるヘッドアセンブリ１０３および保持リング１６６ならびに本発明による研磨方法は、複数ヘッドタイプの研磨装置に対してもまた単一ヘッドタイプの研磨装置に対しても、使用することができる。
【００３４】
さらに、この特別のＣＭＰ構成においては、複数のヘッドの各々が、単一のヘッド駆動用モータによって駆動される。この場合、単一のヘッド駆動用モータは、チェイン（図示せず）を駆動し、このチェインが、チェインとスプロケットとからなる機構を介して、研磨ヘッド１０３の各々を駆動する。しかしながら、本発明は、各ヘッド１０３を個別のモータによって回転させるような実施形態において、使用することができる。本発明によるＣＭＰ装置は、さらに、回転ユニオン１１６を具備している。回転ユニオン１１６には、ヘッドの外部に設置された固定ソースとウェハサブキャリアアセンブリ１０６上の位置またはウェハサブキャリアアセンブリ１０６内の位置との間において例えば空気や水といったような加圧流体やあるいは真空吸引力などを連通させるための互いに異なる５つのガス／流体チャネルが設けられている。本発明のうちの、付加チャンバ（第３チャンバ）を有したサブキャリアが設けられている実施形態においては、さらなるチャンバに対して所望の加圧流体を供給するためのさらなる回転ユニオンポートが設けられる。
【００３５】
動作時には、研磨パッド１３５が貼り付けられている研磨プラテン１０９が回転し、カルーセル１０２が回転し、さらに、各ヘッド１０３がそれぞれの軸回りに回転する。本発明によるＣＭＰ装置の一実施形態においては、カルーセルの回転軸は、プラテンの回転軸から、約２５．４ｍｍ（約１インチ）だけ位置がずらされている。各構成部材の回転速度は、ウェハ上の各部分がウェハ上の他の部分と実質的に同じ速度で同じ距離だけ移動し得るように選択されている。これにより、基板の一様な研磨すなわち基板の一様な平坦化がもたらされる。研磨パッドが典型的にはいささか圧縮可能なものであることにより、ウェハがまず最初に研磨パッドに対して当接する部分における研磨パッドとウェハとの間の相互作用の速度および相互作用の態様は、ウェハのエッジから除去される材料の量を重要に支配し、また、ウェハの研磨面の一様性を重要に支配する。
【００３６】
複数のヘッドアセンブリが取り付けられている複数のカルーセルを具備した研磨装置は、“Floating Subcarriers for Wafer Polishing Apparatus”と題する米国特許明細書第４，９１８，８７０号に開示されている。浮遊型ヘッドと浮遊型保持リングとを具備した研磨装置は、“Wafer Polisher head Having Floating Retainer Ring”と題する米国特許明細書第５，２０５，０８２号に開示されている。また、研磨装置のヘッドにおいて使用するための回転ユニオンは、“Rotary Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus”と題する米国特許明細書第５，４４３，４１６号に開示されている。これらの文献は、参考のためここに組み込まれる。
【００３７】
ある実施形態においては、本発明による装置および方法は、２つのチャンバを備えたヘッドを提供する。このヘッドは、ディスク形状のサブキャリアと、環状形状の保持リング１６６と、を具備している。ディスク形状のサブキャリアは、研磨装置の内部に配置される上面１６３と、基板（すなわち半導体ウェハ）１１３を取り付けるための下面１６４と、を有している。環状形状の保持リング１６６は、サブキャリア１６０の下部とウェハ基板１１３のエッジ周辺との双方に対して同軸に配置されており、かつ、サブキャリア１６０の下部とウェハ基板１１３のエッジ周辺との双方の周囲において適合している。これにより、基板は、サブキャリア１６０の直下においてサブキャリア１６０に当接して維持され、さらに、プラテン１０９に対して接着されている研磨パッドの面１３５に当接して維持される。基板をサブキャリアの直下に直接的に維持することは、一様性にとって重要である。というのは、サブキャリアが、ウェハの背面上に下向き研磨力をもたらし、これにより、研磨パッドに当接しているウェハ前面に対して力をもたらすからである。一方のチャンバ（Ｐ２）１３２は、サブキャリア１６０に対して流体連通状態であり、研磨時にはサブキャリア１６０上に下向き研磨圧力（あるいは、下向き研磨力）をもたらし、間接的に、研磨パッド１３５に対して基板１１３を押し付ける（『サブキャリア力』または『ウェハ力』と称される）。第２チャンバ（Ｐ１）１３１は、保持リングアダプタ１６８を介して保持リング１６６に対して流体連通状態であり、研磨時には、研磨パッド１３５に対して保持リング１６６を押し付ける（『リング力』と称される）。２つのチャンバ１３１，１３２およびこれらに関連する圧力源／真空吸引力源１１４，１１５は、ウェハ１１３に対してもたらされる圧力（または力）の制御を可能とし、また、この制御とは個別的（独立的）に、研磨パッド面１３５に対しての保持リング１６６の圧力（または力）の制御を可能とする。
【００３８】
本発明の一実施形態においては、サブキャリア力とリング力とは互いに独立的に選択されるけれども、この構成においては、リング力とサブキャリア力との間の関係を、より大きくしたりあるいはより小さくしたりするように調節することができる。構造を支持しているヘッドハウジング１２０とサブキャリア１６０との間の連結特性を適切に選択することにより、また、サブキャリア１６０と保持リング１６６との間の連結特性を適切に選択することにより、サブキャリアと保持リングとが互いに独立に相対移動する状況とサブキャリアと保持リングとが強固に連結された状況とにわたる様々な独立性の程度を、得ることができる。本発明の一実施形態においては、ダイヤフラム１４５，１６２という形態で形成された連結部材の材質特性および形状特性により、最適の結合関係がもたらされ、これにより、基板のエッジにおいてさえも、半導体ウェハの表面上にわたっての一様な研磨（すなわち平坦化）を得ることができる。
【００３９】
次に、付加チャンバ付きサブキャリア（付加チャンバ（第３チャンバ）を備えたサブキャリア）を具備した本発明のさらなる実施形態について説明する。付加チャンバ付きサブキャリアは、位置の関数として、研磨力をさらに良好に制御可能とするさらなる圧力チャンバをもたらす。
【００４０】
他の実施形態においては、保持リング１６６のサイズおよび形状が、従来の保持リング構造に比較して、変更される。この変更の目的は、基板１１３の外周エッジの近傍領域において研磨パッド１３５を予備圧縮することでありおよび／またはその領域において研磨パッド１３５の状態を調整することである。これにより、研磨パッドのある領域から他の領域にかけての研磨パッド１３５を横切っての基板１１３の移動に関連した有害な影響が、研磨済み基板の表面上における非線形性として現れることがない。本発明による保持リング１６６は、移動の前方側および後方側において研磨パッド１３５を水平化（平坦化）するように作用する。このため、移動しつつある基板が研磨パッドの新たな領域に当接する前に、研磨パッドを、基板表面に対して実質的に水平化して同一面状とすることができる。また、基板と研磨パッドとの間の当接の終了時点においても、研磨パッドを、基板の研磨済み表面に対して水平（平坦）に維持して同一面状とすることができる。このように、基板は、常に、平坦でありかつ予備圧縮されておりかつ実質的に一様とされた研磨パッド面に対して当接することとなる。
【００４１】
保持リングは、研磨パッドがウェハ表面上を移動する前に、研磨パッドを予備圧縮する。これにより、ウェハ面の全体が、同じ量だけ予備圧縮された研磨パッドに対して当接することとなり、ウェハ面にわたって材料を一様に除去することとなる。保持リングの圧力を個別的に制御することにより、研磨パッドの予備圧縮量を調節することができ、ウェハエッジから除去される材料の量を調節することができる。例えば終了時点の検出手段といったようなフィードバックの有無に関係なく、所望の一様性を得るために、コンピュータ制御によって補助することができる。
【００４２】
まず最初に、図２に示す本発明による２チャンバ型研磨ヘッド１００の単純化された第１実施形態について説明する。図２には、本発明の動作態様におけるいくつかの特徴的な見地が示されている。特に、保持リングアセンブリ（保持リングアダプタ１６８と、保持リング１６６と、を含む）に対してのまたキャリア１６０に対しての圧力の印加方法および圧力の制御方法について、例示し説明する。その後、さらなる付加的なかつ有利な特徴点を含有した代替可能な実施形態のいささか細部にまでわたって、説明することにする。
【００４３】
タレット取付アダプタ１２１と、ピン１２２，１２３または他の取付手段とは、カルーセル１０２に対して回転可能に取り付けられているスピンドル１１９に対しての、ハウジング１２０の取付および位置決めを容易なものとする。あるいは、単一ヘッド型の実施形態においては、タレット取付アダプタ１２１と、ピン１２２，１２３または他の取付手段とは、例えばヘッドと研磨パッドとを回転可能としつつヘッドを研磨パッドに対して相対移動可能に支持するアームといったような他の支持構造に対しての、ハウジング１２０の取付および位置決めを容易なものとする。ハウジング１２０は、他のヘッド部材に対しての支持構造をもたらす。ハウジング１２０に対しては、スペーサリング１３１を介して、副ダイヤフラム１４５が取り付けられている。スペーサリングは、副ダイヤフラムをハウジング１２０から隔離させる。これにより、副ダイヤフラムとこの副ダイヤフラムに取り付けられた構成（キャリア１６０を含む）とは、公称副ダイヤフラム面１２５に対しての、鉛直方向のある程度の移動とある程度の回転移動とが許容される。（主ダイヤフラムと副ダイヤフラムとは、また、角度傾斜だけの結果としての少量の水平運動を許容する、あるいは、このような角度傾斜と、キャリアパッドと保持リングパッドとの間の境界における角度変位を許容するためにもたらされる鉛直方向変位とが、組み合わされることの結果として少量の水平運動を許容する。しかしながら、水平運動は、典型的には、鉛直運動に比べて少量である。）
【００４４】
スペーサリング１３１は、この実施形態においては、ハウジング１２０と一体として形成することによっても、同じ機能をもたらすことができる。しかしながら、代替可能な実施形態（例えば図５を参照されたい）において説明するように、スペーサリング１３１は、有利には、別部材から形成されて、固定部材（例えば、ネジ）と同心的Ｏ−リングガスケットとを使用することによってハウジングに対して取り付けられる。Ｏ−リングガスケットは、気密な取付および圧力を逃がさない取付を確保するために使用される。
【００４５】
キャリア１６０と保持リングアセンブリ１６５（保持リングアダプタ１６８と、保持リング１６６と、を含む）とは、同様にして、主ダイヤフラム１６２に対して取り付けられる。ここで、主ダイヤフラム１６２は、ハウジング１６２の下部に対して取り付けられている。よって、キャリア１６０と保持リング１６６とは、研磨パッドの表面における不規則性を許容し得るよう、鉛直方向に移動することができるとともに傾斜することができる。そして、ウェハ１１３のエッジの近傍において研磨パッドがまず最初に保持リング１６６に対して当接する場所における研磨パッドの水平化（平坦化）を補助する。一般的に言えば、移動を補助するためのこのタイプのダイヤフラムは、『浮遊化のためのもの』と称することができ、キャリアおよび保持リングは、それぞれ『浮遊型キャリア』および『浮遊型保持リング』と称することができ、さらに、このような部材を備えたヘッドは、『浮遊型ヘッド』構成と称することができる。本発明によるヘッドは『浮遊型』部材を使用しているけれども、構成および動作方法は、従来より公知のものとは相異している。
【００４６】
フランジリング１４６は、副ダイヤフラム１４５をサブキャリア１６０の上面１６３に対して連結する。フランジリング１４６自体は、主ダイヤフラム１６２に対して取り付けられている。フランジリング１４６とサブキャリア１６０とは、互いに有効にクランプされ（固着され）、一体物として移動する。しかしながら、保持リングアセンブリ１６７は、主ダイヤフラムだけに対して取り付けられており、対象物に対して自由に移動することができ、主ダイヤフラムおよび副ダイヤフラムによってもたらされる動きにのみ拘束される。フランジリング１４６は、主ダイヤフラム１６２と副ダイヤフラム１４５とを連結している。各ダイヤフラムとフランジリングとサブキャリアとの間の摩擦力が、両ダイヤフラムの所定位置への保持を補助し、また、各ダイヤフラムを通しての張力の維持を補助する。主ダイヤフラムと副ダイヤフラムとが、サブキャリアと保持リングとの間の並進移動および角度配向をどのようにして可能としているかについて、図３の概略図を参照してさらに説明する。図３は、並進移動の自由度を角度配向の自由度をもたらすために各ダイヤフラム１４５，１６２の公称平面が変形している様子を、実際よりもかなり誇張して示している。特に角度配向に関して図３に誇張して図示されているダイヤフラムの撓みの程度は、実際の研磨時に発生するものではない。鉛直方向の変位は、典型的には、ウェハローディング時およびウェハアンローディング時だけに見られるものである。特に、副ダイヤフラム１４５は、シールリング１３１の取付位置からフランジリング１４６の取付位置までの間にわたって位置した第１および第２撓み領域１７２，１７３において、いくらかの撓みすなわち歪みを受ける。主ダイヤフラム１６２は、ハウジング１２０の取付位置からサブキャリア１６０の取付位置までの間にわたって第３〜第６撓み領域１７４，１７５，１７８，１７９において、様々な撓みすなわち歪みを受ける。
【００４７】
本明細書においては、『上側』および『下側』という用語は、典型的には図面に示されているように図面中の構造が通常の使用状況で使用されている時の構造の相対的な向きを示すために便宜的に使用する。同じく、『鉛直方向』および『水平方向』という用語は、意図した向きで本発明または本発明の実施形態が適用されている場合におけるあるいは本発明の実施形態の各部材が意図した向きで使用されている場合における向きや移動方向を示すために使用する。本発明者らが認識しているタイプのウェハ研磨装置においては研磨パッド面が水平方向とされるものであり他の構成部材の向きが確定することにより、このような用語の使用は、適切なものである。
【００４８】
次に、図４に図示されている本発明による研磨ヘッドアセンブリ１０３の代替可能ないささか詳細な実施形態について説明する。ウェハサブキャリアアセンブリ１０６について、特に詳細に説明する。しかしながら、研磨ヘッドアセンブリ１０３の回転ユニオン１１６やヘッド取付アセンブリ１０４についても、説明を行う。ここで、本発明の第１実施形態（図２参照）における構成とこの代替可能な実施形態（図４参照）における構成とが若干相異していたにしても、各実施形態において各部材がもたらす機能を明瞭とするために、同一参照符号が使用されていることに注意されたい。
【００４９】
研磨ヘッドアセンブリ１０３は、大まかには、スピンドル１１９を具備している。スピンドル１１９は、スピンドルの回転軸１１１と、回転ユニオン１１６と、スピンドル支持手段２０９と、から構成されている。スピンドル支持手段２０９は、ブリッジ１０７に対して取り付けられているスピンドル支持体内にスピンドルを回転させ得るようにしてスピンドル１１９を取り付けるための手段をなすベアリングを備えている。このようなスピンドル支持構造は、機械分野においては公知であるので、ここではこれ以上の詳細な説明は行わない。スピンドル内の構造は、回転ユニオン１１６の構成や動作に関連する構造として図示され説明される。
【００５０】
回転ユニオン１１６は、例えば真空吸引力源といったような固定されており回転しないものとされた流体源と、回転可能な研磨ヘッドウェハサブキャリアアセンブリ１０６と、の間において加圧流体や非加圧流体（ガスや液体や真空吸引力等）を接続可能とするための手段を提供する。回転ユニオンは、研磨ヘッドの非回転部分を取り付け得るように構成されており、非回転流体源と、回転スピンドルシャフト１１９の外面に隣接したスペース領域と、の間における加圧流体や非加圧流体の接続を制限するための手段、および、それらの間における加圧流体や非加圧流体の接続を連続的に形成するための手段を提供する。回転ユニオンは、図４の実施形態において詳細に例示されているけれども、本発明の他の実施形態に対しては、様々な回転ユニオンが適用可能であることを理解されたい。
【００５１】
回転ユニオン１１６に対しては、チューブおよび制御バルブ（図示せず）を介して、１つまたは複数の流体源が接続されている。回転ユニオン１１６は、内面に凹所領域を有している。凹所領域は、典型的には、回転ユニオン１１６の内面２１６とスピンドルシャフト１１９の外面２１７との間に、円筒形リザーバ２１２，２１３，２１４を形成する。回転シャフト１１９と回転ユニオンの非回転部分との間には、リザーバの内外にわたる漏れを防止するためのシール部材が設けられる。機械分野において公知であるような従来型シール部材を、使用することができる。スピンドルシャフトの中央下部には、回転可能カップリングを通して流体を連通させるために、孔すなわちポート２０１が設けられる。
【００５２】
スピンドルシャフト１１９は、シャフトの外面からスピンドルシャフト内の中空孔へと延在するまたシャフトの上面からスピンドルシャフト内の中空孔へと延在する複数の通路を有している。この実施形態においては、５つの通路を有している。図４に例示した断面図においては、５つの通路のうちの３つの通路だけが、図示されている。各孔からは、真空吸引力や加圧流体や非加圧流体が、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６内のカップリングやチューブを通して、当該流体等が所望されている場所へと接続されている。カップリングの正確な配置や存在は、実施に関する細部であって、本発明にとっては重要事項ではない。このような構造は、回転シャフトの外面近傍領域と閉塞チャンバとの間における１つまたは複数の加圧流体の閉塞および連続的な接続を行うための手段を提供する。しかしながら、他の手段を使用することもできる。本発明のこの特定の実施形態におけるチャネル数よりも少ないチャネル数を提供する回転ユニオンは、“Rotary Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus”と題する米国特許明細書第５，４４３，４１６号に開示されている。この文献は、参考のためここに組み込まれる。
【００５３】
次に、図５および図６を参照してウェハサブキャリアアセンブリ１０６について説明する。ここで、図５は、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６の『Ａ−Ａ断面』を示す断面図であり、図６は、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６の分解組立図である。図６により、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６が中心軸に対して高次の対称性を有したものであることは、明瞭である。しかしながら、孔の位置やオリフィスの位置や取付具の位置やノッチの位置等の細部に関しては、すべての部材が必ずしも対称ではないことがわかるであろう。図面を単独で使用することによってウェハサブキャリアアセンブリ１０６を説明するのではなく、図５（Ａ−Ａ断面による側断面図）と図６（展開組立図）と図７（図５の右側部分を拡大して示す拡大断面図）と図８（図５の左側部分を拡大して示す拡大断面図）とを組み合わせて参照する。これら図面は、やや異なる角度位置から同一部材構成を示すものであって、各部材の構成や動作を明確なものとする。
【００５４】
化学的機械的研磨については、また、研磨パッドやスラリーやウェハ組成といった特性については、周知であるので、本発明の理解に必要なもの以外については、特に説明することはしない。
【００５５】
機能的には、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６は、研磨操作時に半導体ウェハ等の基板１３０を取り付けて保持するのに必要なすべての構成を提供する。（本発明が、半導体ウェハ以外の基板の研磨に対しても適用可能であることに注意されたい。）キャリアアセンブリ１０６は、ウェハローディング時点から研磨開始時点までにおいてウェハを保持するために、孔または開口１４７を通してウェハサブキャリアの下面１６４に真空吸引力をもたらす。キャリアアセンブリ１０６は、また、ウェハサブキャリアを通してウェハに対して下向き研磨圧力をもたらし、また、ウェハをポケット内に維持して研磨パッドの対して相互作用させて、ウェハのエッジ近傍における研磨の非一様性を低減したりあるいはなくすために、保持リングに対して個別の下向き圧力をもたらす。ウェハサブキャリアアセンブリ１０６は、さらに、脱イオン水（DI water）や加圧空気や真空吸引力等の流体源を、複数のチャンバや複数のオリフィスや複数の表面にもたらす。これらについて、以下詳細に説明する。ウェハサブキャリアアセンブリは、ダイヤフラムが取り付けられているサブキャリアと、保持リングアダプタと保持リングとから構成されていてダイヤフラムが取り付けられている保持リングアセンブリと、を提供する点において、特に重要である。ダイヤフラムが取り付けられている部材、および、他の部材やチャンバに対してのこれら部材の構造的関係および機能的関係は、本発明に対して複数の有利な特徴点をもたらす。
【００５６】
上部ハウジング１２０は、４つのソケットヘッドネジによって、取付アダプタ１２１に対して取付られている。取付アダプタ１２１は、ネジによってヘッド取付アセンブリ１０４に対して取り付けられており、第１ピン１２２および第２ピン１２３によって位置決めされている。上部ハウジング１２０は、ウェハサブキャリアアセンブリをなす他の部材を取り付けるための安定的部材をなす。ハウジングシールリング１３１は、全体的に円形の部材であって、第１圧力チャンバ（Ｐ１）１３１と第２圧力チャンバ（Ｐ２）１３２とを隔離させるよう作用する。一対のＯ−リング１３７，１３９が、ハウジングシールリング１３１の上面内に機械加工されかつ互いに離間されたチャネル内に配置されている。これら一対のＯ−リング１３７，１３９は、上部ハウジング１２０の内面内に取り付けられたときには、ハウジングシールリング１３１と上部ハウジング１２０との間の密封式流体シールおよび圧力シールをもたらす。第１圧力チャンバ１３１内の圧力を制御することにより、保持リングアセンブリ１３４に対しての下向き作用圧力を制御することができ、研磨パッド１３５に対しての相互作用を制御することができる。第２圧力チャンバ１３２内の圧力を制御することにより、サブキャリア１３６に対しての下向き作用圧力を制御することができ、ウェハ１３８の下面と研磨パッド１３５との間に作用する研磨力を制御することができる。付加的に、サブキャリア１０６の下面１６４と、ウェハ１３８の上面すなわち背面と、の間において、ポリマーまたは他の挿入物１６１を使用することができる。ウェハサブキャリアアセンブリ１０６内の内部構造は、保持リングアセンブリ１３４とサブキャリア１３６との間の、圧力と相対移動との双方に関しての自由度をもたらす。
【００５７】
第１圧力チャンバ１３１の外部に配置された流体源１１４から第１チャンバ１３１内へと加圧空気を連通させるために、１つ以上の取付具１４１が設けられる。第２外部流体源１１５から第２圧力チャンバ１３２内へと同様に加圧空気を連通させるために、１つ以上の取付具１４２が設けられる。取付具１４１，１４２は、ヘッド取付アセンブリ１０４および回転ユニオン１１６内においては、適切なチューブやチャネルを介して接続され、適切な制御回路を介することにより、所望の圧力レベルが得られるようになっている。圧力や真空吸引力や流体が連通される様子やシーケンスについては、後述する。
【００５８】
ロックリング１４４が、１８個のネジによってハウジングシールリング１３１の下面に対して取り付けられる。この場合、ハウジングシールリング１３１とロックリング１４４との間には、副ダイヤフラム１４５が、介装することによって固定される。ハウジングシールリング１３１と、ロックリング１４４と、副ダイヤフラム１４５のうちの、ハウジングシールリング１３１とロックリング１４４との間に固定されている部分とは、上部ハウジング１２０に対して、固定関係に維持される。副ダイヤフラム１４５のうちの、ハウジングシールリング１３１の内径位置よりも径方向内方側に位置した部分は、その下面が、内側フランジリング１４６の上面によってクランプ（固定）され、その上面が、内側係止リング１４８の下面によってクランプ（固定）される。内側フランジリング１４６と内側係止リング１４８とは、ソケットヘッドネジ１４９等のような固定手段によって取り付けられる。
【００５９】
ハウジングシールリング１３１と、ロックリング１４４と、副ダイヤフラム１４５のうちの、これら両部材間に固定されている部分とは、上部ハウジング１２０の面に対して固定関係に維持されるけれども、副ダイヤフラム１４５から懸架されている内側フランジリング１４６と内側係止リング１４８とは、研磨パッド１３５および上部ハウジング１２０に対して、少なくともいくらかは自由に上下移動することができ、いくらかの程度でもって、研磨パッド１３５および上部ハウジング１２０に対して、角度配向を変化させることができるすなわち傾くことができる。内側フランジリング１４６と内側係止リング１４８とが鉛直方向に上下移動できることおよび角度配向を変化し得ることにより、サブキャリア１３６やウェハ１３８や保持リングアセンブリ１３４といったようなこれらに取り付けられた構造は、研磨パッド１３５の面上において浮遊することを可能とする。
【００６０】
副ダイヤフラム１４５を形成している材質の性質や、副ダイヤフラムの厚さ（Ｔｄ）や、副ダイヤフラム１４５のうちの、ハウジングシールリング１３１とロックリング１４４との間において固定された部分と、内側フランジリング１４６と内側係止リング１４８との間において固定された部分と、の間の距離や、内側フランジリング１４６の第１鉛直方向エッジ１５１と、ロックリング１４４のうちの、第１鉛直方向エッジ１５１寄りの第２鉛直方向エッジ１５２と、の間の物理的ギャップは、鉛直方向移動の大きさおよび角度配向の大きさに影響を与える。これら性質は、副ダイヤフラムの実効バネ定数を決定する。本発明のこの実施形態における主ダイヤフラムおよび副ダイヤフラムは、互いに同じ材料から形成されているけれども、一般的には、互いに異なる材料を使用することもできる。
【００６１】
２００ｍｍ直径の半導体ウェハを搭載し得るように構成された本発明の一実施形態においては、ダイヤフラムは、INTERTEX（商標名）からなるナイロン材料付きの１２．７ｍｍ（０．５インチ）厚さのBUNAN（商標名）から形成される。この材料は、内部ファイバを有するものである。内部ファイバは、強度や硬さをもたらしつつ、所望の弾性度合いをもたらす。当業者であれば、これらの記載により、同様の作用を得るために異なる寸法や材質のものが使用可能であることを理解するであろう。例えば、印加された圧力に応答して鉛直方向に撓み可能である程度に十分に弾性を有するものである限りにおいては、また、研磨時に研磨パッドに対する当接を維持できる程度に十分に角度移動可能であるものである限りにおいては、副ダイヤフラム１４５として、薄い金属製メンブランを使用することができる。いくつかの例においては、フラットシート材料は、それ自体では、十分な弾性を有してはいない。しかしながら、波形の環状グルーブやベローズ等のような適切な形状にシートを成形することにより、金属製連結部材は、ここで説明したダイヤフラムとして代替可能な構造をもたらすことができる。所望の性質を得るために、複合材料を使用することもできる。副ダイヤフラム１４５のうちの固定部分と非固定部分との間の関係、および、ロックリング１４４と内側フランジリング１４６との間の離間は、図７および図８に詳細に図示されている。
【００６２】
副ダイヤフラム１４５に対して、内側係止リング１４８と内側フランジリング１４６とは、移動制限係止機能をもたらす。これにより、内側係止リング１４８とダイヤフラム１４５と内側フランジリング１４６とこれらに取り付けられている構造との、上部ハウジング１２０内の凹所１５２内に向けた過度の上方移動というような、過度の上方移動が防止される。本発明のある１つの実施形態においては、内側係止リング１４８およびこれに取り付けられている構造は、ダイヤフラム１４５が平面状であるという公称位置から、内側係止リング１４８の係止当接面１５３がハウジングシールリング１３１の対向当接面１５４に対して当接するまで、約３．１７５ｍｍ（約０．１２５インチ）上方移動することができ、公称位置から約２．５４ｍｍ（約０．１０インチ）下方移動することができる。結局、約６．３５ｍｍ（約０．２５インチ）にわたって移動することができる。実際の研磨時には、このような上方移動範囲および下方移動範囲（鉛直方向移動範囲）のうちの一部だけが必要とされる。残りの移動範囲は、ウェハ（基板）ローディング操作時およびアンローディング操作時に保持リングの下端を超えた位置にサブキャリアを位置させるために使用される。保持リングの下端を超えた位置にまでサブキャリア１６０のエッジを突出させ得ることは、ローディング操作およびアンローディング操作を容易なものとし、有利である。
【００６３】
鉛直方向移動範囲は、ダイヤフラム材質によってではなく、機械的係止体によって制限される。係止体の使用は、ローディング操作時やアンローディング操作時およびメンテナンス時といったようなサブキャリア／ウェハが研磨パッドに当接していない時に、あるいは、ダイヤフラムを長期にわたって伸ばしたり捻ったりしかねないような電源オフ時に、ダイヤフラムに対して無用な力がかかることを防止する。本発明による構成は、また、自動的かつ自己調節型のウェハ取付ポケット深さを有したキャリアヘッドアセンブリを提供する。
【００６４】
サブキャリア１６０は、ソケットヘッドキャップネジ１５７といったような取付手段によって、内側フランジリング１４６の下面１５６に対して取り付けられる。これにより、実効的にはサブキャリア１６０が副ダイヤフラム１４５から懸架されることとなり（鉛直方向移動の下限においては、係止リング上の機械的係止体によって支持される。また、別の組をなす機械的係止体によって過度の上方移動が阻止される。）、サブキャリアは、先に説明したような鉛直方向移動および角度配向移動が可能とされる。主ダイヤフラム１６２は、内側フランジリング１４６の周縁リング部とサブキャリア１６０の上面１６３との間に固定され、サブキャリアのエッジの近くにおいてソケットヘッドキャップネジ１５７によってサブキャリア１６０の上面１６３に対して取り付けられる。少なくともある実施形態においては、他の非多孔性のセラミック材料から形成されているサブキャリア１６０には、ネジ１５７のネジ山部を受領するためのステンレススチール製のインサートが付設される。
【００６５】
次に、保持リング１３４とサブキャリア１３６と主ダイヤフラム１６２との間の相互作用における重要な特徴点を説明するに先立ち、保持リングアセンブリ１３４の特徴点について説明する。保持リングアセンブリ１６７は、保持リング１６６と保持リングアダプタ１６８とを備えている。ある実施形態においては、保持リング１６６は、Techtronという商標名のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）から形成される。保持リングアダプタ１６８は、外側係止リング１７１の下面に取り付けられる。主ダイヤフラム１６２は、これら保持リングアダプタ１６８と外側係止リング１６９との間に固定される。保持リング１６６は、Techtronという商標名の材料から形成され、主ダイヤフラムおよび外側係止リングを通して、ソケットヘッドネジによって、保持リングアダプタ１６８に対して取り付けられる。外径部分における保持リング１６６の面取部１８０は、有利には、従来の研磨ツールを使用した場合には典型的に発生するようなエッジ研磨非線形領域を低減させる。外側係止リング１６９は、内側フランジリング１４６と同心的に、かつ、ウェハサブキャリアアセンブリ１０６の中心から径方向外側に取り付けられる。外側係止リングは、内側フランジリング１４６に対して取り付けられることがなく、また、保持リングアダプタ１６８と主ダイヤフラム１６２とを除く他の部材に対して取り付けられることはない。しかしながら、外側係止リング１６９と保持リングアセンブリ１３４とは、主ダイヤフラム１６２を介して互いに連結されている。この連結様式の本質は、本発明が提供する研磨における利点に対して寄与するような機械的性質をもたらすことにおいて重要である。この連結に寄与する構成は、図７および図８において拡大して図示されている。
【００６６】
次に、主ダイヤフラム１６２の構成および全体的動作について、また、主ダイヤフラム１６２の、サブキャリア１６０および保持リングアセンブリ１３４に対しての取付態様について、説明する。また、『リンギング』と称されるような研磨済みウェハのエッジにおける非線形領域の低減の可能性に寄与するような、ウェハサブキャリアアセンブリの詳細構成について説明する。まず最初に、サブキャリア１６０に対して印加される圧力と保持リング１６６に対して印加される他の圧力との間の連結関係がまたこれら圧力どうしの連結関係に基づくサブキャリアと保持リングとの相対移動がまた研磨パッド１３５の上向き反作用力が適切な範囲内に収まるように、、主ダイヤフラム１６２が硬さと弾性との双方を有するべきであることを理解されたい。このため、我々は、実質的に、保持リングの移動とサブキャリアの移動とがある動きの範囲内において互いに独立であるべきこと、なおかつこれと同時に、ある実施形態においては、保持リングとサブキャリアとのすべての移動に関していくらかの連結関係がもたらされるべきであること、を意図している。
【００６７】
所望の連結の程度は、以下のいくつかの要因によって決められる。すなわち、（i）主ダイヤフラム１６２の、第３固定領域１８２（サブキャリア１６０と内側フランジリング１４６との間における固定領域）と第４固定領域１８３（保持リングアダプタ１６８と外側係止リング１６９との間における固定領域）とのスパン（間隔、広がり幅）の制御、（ii）主ダイヤフラム１６２の厚さおよび材質特性の制御、（iii）上記スパン領域において主ダイヤフラム１６２に対して相互作用する表面形状の制御、（iv）互いに対向しているサブキャリア１６０の鉛直方向面１８５と保持リングアダプタ１６８の鉛直方向面１８６との間の間隔の制御、および、互いに対向しているサブキャリア１６０の鉛直方向面１８５と保持リング１６６の鉛直方向面１８７との間の間隔の制御、（v）保持リングアダプタ１６８の面１８８と下部ハウジング１２２の鉛直方向面１９０との間の間隔の制御、および、保持リング１６６の鉛直方向面１８９と下部ハウジング１２２の同じ鉛直方向面１９０との間の間隔の制御、によって決められる。これら要因を制御することにより、鉛直方向移動と角度配向移動との双方が可能とされる。しかしながら、保持リングがサブキャリア１６０や下部ハウジング１２２に対して当接してしまいかねないような過度の移動は禁止されている。
【００６８】
本発明のある実施形態においては、サブキャリアと保持リングアダプタとの間の間隔ｄ１は、１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）であり、サブキャリアと保持リングとの間の間隔ｄ２は、０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）であり、保持リングアダプタと下部ハウジングとの間の間隔ｄ３は、１２．７ｍｍ（０．５０インチ）であり、保持リングと下部ハウジングとの間の間隔ｄ４は、０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）である。これらの関係は、図７に図示されている。当然のことながら、当業者であれば、これら寸法が例示に過ぎず、同様の機能を達成するために他の寸法や位置関係であっても良いことは、理解されるであろう。特に、これら各寸法は、最大３０％あるいはそれ以上変更することができること、また、そのように寸法変更した場合、最適とは言えないまでも同様の操作条件が得られることは、理解されるであろう。寸法許容度をあまり大きく変えてしまうと、最適条件からはずれた装置となってしまうであろう。
【００６９】
図７および図８に示す実施形態においては、サブキャリア１６０のうちの、主ダイヤフラム１６２のスパン領域に隣接した径方向外側部分が、鉛直方向面１８５に対して実質的に直角の角度を形成していること、一方、保持リングアダプタの対向面が対向コーナー部１９４において傾斜部を有していること、に注意されたい。ほぼ正方形の（９０°）コーナー部であるようにコーナー部を維持することが、サブキャリアと、保持リングまたは保持リングアダプタと、の間の接触を防止するのに有効であることがわかった。さらに、保持リングアダプタ１６８の隣接面をわずかな傾斜部すなわち面取部１９４とすることが、接触を起こすことなく保持リングの移動度を高めるに際して有効であることがわかった。しかしながら、傾斜があまりに大きすぎると、望ましくない接触が起こりかねないことが観測された。このような特性の組合せが有効であることがわかっているけれども、当業者であれば、隣接部材に対する接触を起こすことのない円滑な移動制御を容易とする他の変形例を使用することもできることは、理解されるであろう。
【００７０】
本発明のさらなる利点は、保持リング１６６の外面すなわち径方向外面１９５を格別の形状とすることにより、実現されている。このような格別の形状とされた領域は、遷移領域２０６と称される。従来技術において保持リングが設けられる場合には、保持リングの外壁面は、実質的に鉛直方向を向くものとして形成されていた。その理由は、鉛直方向を向く外壁面であると、同様に鉛直方向を向いている、下部ハウジング１２２の径方向内壁面といったような係合面に対してのスライドに関して好ましい表面をもたらしていたからであり、あるいは、エッジの形状の重要性を認識していないために通常的な鉛直方向形状を使用していたからである。本発明のある実施形態においては、保持リング１６６は、図９〜図１３に示す形状特性を有している。図９〜図１３は、様々な細部にわたって保持リングの様々な特徴点を示している。図１０は、保持リングの図９に示す実施形態の断面図であり、図１１は、詳細に示す図であり、図１２は、保持リングを示す斜視図である。図１３は、保持リングの一部に関しての断面図であって、特に、保持リングの外周縁部における面取遷移領域を示している。
【００７１】
保持リングのこの実施形態においては、研磨時に研磨パッド１３５に当接することとなる下面２０１から、２つの傾斜面２０２，２０３を経由して、実質的に鉛直方向を向く面２０４へと移行している。鉛直方向面２０４は、動作時には、下部ハウジング１２２のうちの、実質的に平行な鉛直方向面１８９と対向する。この場合、鉛直方向面２０４と鉛直方向面１８９との間には、接触を防止するためのクリアランスギャップが設けられる。面２０４は、保持リングの上面２０５に対して実質的に直交している。上面２０５は、下面２０１に対して実質的に平行である。望ましくは、ウェハサブキャリアアセンブリの製造時には、構成部材の位置合わせ関係を維持し得るようにアセンブリ固定手段が使用され、保持リング１６６とサブキャリア１６０とハウジング１２０，１２２との間のクリアランスギャップや他の間隔を設定できるようにシムが使用される。
【００７２】
研磨の非線形性を除去することによって研磨済みウェハのエッジの品質を実質的に向上させる遷移領域２０６を設けることは、経験的に決定された。研磨の非線形性は、典型的には、ウェハの外周エッジから約３〜５ｍｍの範囲内においてあるいはそれよりも大きな範囲内において、トラフおよびピーク（波またはリング）として現れる。理論的な裏付けはないものの、この遷移領域２０６の性質は、保持リングが、研磨操作時にサブキャリアに関するポケット内にウェハを保持することに加えて、保持リングが移動方向前方側に位置しているときには研磨パッドのうちのウェハに対して当接することとなる部分の直前箇所において研磨パッドを押圧するすなわち水平化（平坦化）するよう機能し、また、保持リングのすべての部分がウェハの後方側に位置する場合には研磨パッドが水平化（平坦化）されている領域を拡大させるよう機能することにより、重要であると考えられる。保持リングが、ウェハに対してまたはウェハの周辺において面を同一面状であるように維持することにより、研磨パッド１３５の曲げまたは歪みを引き起こすようなすべての状況や、先端側における研磨スラリーの蓄積や、非線形効果または非同一面状効果を、ウェハのエッジの直下箇所や隣接箇所においてではなく、保持リングの外部箇所または直下箇所において引き起こすことができる。
【００７３】
また、遷移領域２０６内における特定の保持リング形状、すなわちα１＝２０°でありα２＝２０°でありα３＝９０°であるという最適角度とされた遷移領域が、複数ヘッド型の研磨装置に対して、および、研磨パッド１３５を備え、この研磨パッドを１分間あたりに約３０回転させるという（約３０ＲＰＭ）回転速度で使用し、ウェハサブキャリアアセンブリを約２６ＲＰＭで回転させ、２００ｍｍ直径のシリコンウェハを使用し、例えば約３４４７５Ｎ／ｍ2（約５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））という研磨圧力を適用し、保持リングの材質をTECHTRON（商標名）製とするという特定の構成に対して、最適であることが示された。この複数ヘッド型カルーセルをベースとする研磨装置においては、研磨パッドの表面上における保持リングの実効直線速度は、約２４．４〜３０．５ｍ／ｍｉｎ（約８０〜１００フィート／ｍｉｎ）である。研磨圧力は、所望の研磨効果に応じて、幅広い範囲にわたって変更することができる。例えば、サブキャリアに対して印加される研磨圧力は、典型的には、約１０３４２〜６８９５０Ｎ／ｍ2（約１．５〜１０ｐｓｉ）の範囲であり、保持リングに対して印加される研磨圧力は、典型的には、約１０３４２〜６２０５５Ｎ／ｍ2（約１．５〜９．０ｐｓｉ）の範囲である。ただし、保持リングに対して印加する研磨圧力は、サブキャリアに対して印加する圧力と同じとすることもできる。本発明は、特定のタイプの研磨装置に限定されるものではないけれども、化学的機械的研磨すなわち本発明による方法におけるヘッドを使用した平坦化装置に対して有効な研磨パッドの一例は、Rodel（登録商標）CRIC1400-A4（Rodel Part No. P05695, Rodel Product Type IC1400, K-GRV, PSA）である。この特定の研磨パッド１３５は、９０８．０５ｍｍ（３５．７５インチ）という公称直径を有し、約２．５〜２．８ｍｍの範囲の厚さを有し、約０．０２〜０．１８ｍｍの範囲のたわみを有し、約０．７〜６．６％の範囲の圧縮性を有し、約４６％のリバウンドを有している（すべては、RM-10-27-95試験法によって測定された）。研磨パッドの代替可能な他の例は、Rodel（登録商標）CRIC1000-A4,P/V/SUBAタイプの研磨パッド（Rodel Part
No.P06342）である。
【００７４】
保持リングは、約６．３５ｍｍ（約０．２５インチ）という厚さを有し、保持リングの下面側には、約２０°の傾斜部２０２が、約０．８６３６ｍｍ（約０．０３４インチ）にわたって延在しており、鉛直方向部分２０４は、約１．５２４ｍｍ（約０．０６０インチ）にわたって延在していて、第２傾斜部２０３に対して連接している。これらの寸法例は、図面に示されている。このような寸法の特定の組合せに対しては、最適性能のためにはこれらの角度値が約±２°くらいに関していささか敏感であることが経験的に示された。しかしながら、これよりもいくらか大きな範囲であっても、すなわち、角度値として±４°くらいであっても、有効な結果が得られるものと思われる。しかしながら、保持リングに遷移領域を設置すること自体が、一様な研磨を得るに際して重要な技術事項であることに注意されたい。特に、ウェハのエッジにおいて一様な研磨を得るに際して重要な技術事項であることに注意されたい。また、遷移領域の実際の形状を、研磨操作に関連した特定の物理的パラメータに適合させる必要があることに注意されたい。例えば、（特に、厚さや圧縮性や弾性や摩擦係数という点において）様々な研磨パッド、様々なプラテン回転速度、様々なカルーセル回転速度、および、様々なウェハサブキャリアアセンブリ回転速度、によって、また、様々な研磨スラリーによってさえも、最適な結果を得るための遷移領域形状は、変化するものである。うまいことに、ＣＭＰ研磨ツールが一旦設定されてしまうと、これらパラメータは、通常、変化することがない。あるいは、これらパラメータは、ＣＭＰツール設定時に行われる標準的品質制御手順によって、調節することができる。
【００７５】
単一ヘッド型の研磨装置（例えば、研磨パッドが回転しヘッドが回転しヘッドが前後方向に直線往復駆動されるタイプの研磨装置）に対しては、同じパラメータとすることができる。しかしながら、研磨パッドの速度やカルーセルの速度やヘッドの速度よりも、研磨パッドにわたっての保持リングの前方側エッジの実効直線速度が、最も関連するパラメータである。
【００７６】
本発明による保持リングの構成に係わるある実施形態においては、保持リングにおける２０°という遷移領域の角度が、従来の保持リングにおける矩形コーナーエッジ構成と比較して、実質的な利点をもたらす。遷移領域は、ウェハが研磨パッドに当接するよりも前に、研磨パッドを予備圧縮して平滑化することができる。これにより、ウェハのエッジにおける『リンギングマーク』の発生が防止される。
【００７７】
したがって、図１３に図示された構造における２０°という特定の面取角度がこのシステムに対して優秀な結果を示すけれども、例えば径方向に変化する形状とされた遷移領域構成や経験的に決定された遷移領域構成や面２０１，２０４間を直線的に連接する単一の遷移領域構成や様々な角度を有していたり任意の多段構造とされていたりするような遷移領域構成といったような、水平部分から垂直部分へと移行する他の遷移領域構造であっても、他のＣＭＰ研磨機構成に対して最適とすることができる。
【００７８】
次に、図１４〜図１８を参照して、保持リングアダプタ１６８のさらなる詳細について説明する。図１４は、図５の研磨ヘッドにおいて使用される本発明による保持リングアダプタを全体的に示す図であり、図１５は、代替可能な保持リングアダプタを示す図である。図１６は、図１４の保持リングアダプタの断面を全体的に示す図であり、図１７は、保持リングアダプタに対しての保持リングの取付を詳細に示す断面図である。図１８は、リング領域から研磨スラリーを排出するための排出チャネルとオリフィスとのさらなる詳細を示す図である。
【００７９】
図において、保持リングアダプタ１６８は、適切な強度や寸法安定性やヘッド内の構造の類似特性をもたらすために、典型的には、金属から形成されている。一方においては、保持リングは、研磨操作時には研磨パッドの面上に連続的に浮遊しており、周囲環境に適合したものでなければならない。加えて、保持リングは、研磨パッド上に、研磨操作にとって有害となるような材質を成膜すべきではない。そのような材質は、典型的には、例えば本発明の実施形態において使用されているTECHTRON（商標名）材料といったようなソフトな材質である。保持リングは、また、摩耗性部材である。したがって、保持リングとは別に保持リングアダプタを設けて、保持リングを着脱可能とすることが有利である。しかしながら、最適ではないものの、理屈の上では、保持リングと保持リングアダプタとの双方の機能を備えた一体構成物を使用することができる。
【００８０】
保持リングアダプタ１６８は、保持リング１６６を主ダイヤフラム１６２に対して取り付けるための手段をなすということに加えて、（i）サブキャリア１６０と保持リング１６６（および保持リングアダプタ１６８）との間に集まった、また、（ii）保持リング１６６（および保持リングアダプタ１６８）と下部ハウジング１２２との間に集まった、スラリーを排出するための複数の“Ｔ”字形チャネルすなわちオリフィスを備えている。本発明における図１４〜図１８に示す実施形態においては、５個のそのようなＴ字形チャネル（あるいは、逆Ｔ字形状のチャネル）が、保持リングアダプタ１６８の周縁部上において実質的に等間隔でもって設けられて配置されている。鉛直方向下方に向けて延在する第１孔１７７（約２．９２１ｍｍ（約０．１１５インチ）直径）は、保持リングアダプタ１６８の上面から約３．１７５ｍｍ（約０．１２５インチ）だけ下向きに延在している。第１孔１７７は、水平方向に延在する第２孔１７６（約２．５４ｍｍ（約０．１インチ）直径）に対して交差している。第２孔は、サブキャリアの面１８５に隣接した面１８６と、下部ハウジング１２２の内面と保持リングアダプタ１６８の外周部との間に位置した領域に連接したスペースに対して開口している面１９６と、の間にわたって延在している。
【００８１】
第１オリフィスを通して脱イオン水を供給することにより、サブキャリアと保持リングとの間のスペースにおけるスラリーが排出される。第２オリフィスを通して脱イオン水を供給することにより、保持リングと下部ハウジングとの間の領域におけるスラリーが排出される。保持リングと下部ハウジングとの間の領域と、保持リングとサブキャリアとの間の領域と、の間のそれぞれに対応して個別的にチャネルおよびオリフィスを設けることができる。しかしながら、そのような構成に特有の効果はない。排出圧力および排出量は、適切な排出操作がもたらされるように調節されるべきである。これらオリフィスの詳細は、図１８に示されている。外部ソースから回転ユニオン１１６を通って部材１９７へと流体を流通させるための手段は、実施に関する細部にすぎないので、ここでは図示していない。
【００８２】
本発明のある実施形態においては、ヘッドの洗浄のために、５個の２．５４ｍｍ（０．１００インチ）の“Ｔ”字形孔すなわちチャネルが、設けられている。これら孔を通して高圧の脱イオン水を供給することにより、蓄積されたスラリーが排出されるようになっている。保持リングアダプタ１６８の上面上に設けられた１１．４３ｍｍ（０．４５インチ）幅の５．０８ｍｍ（０．２０インチ）の段部は、蓄積スラリーを排出するよう水でもってクリーニングするための十分な物理的スペースをもたらし、その結果、サブキャリアと下部ハウジングとの双方に対しての保持リングの移動自由性が確保される。サブキャリアと保持リングとが移動自由であることは、ウェハのエッジにおける一様な研磨のためには重要なことである。サブキャリアが矩形エッジとされていることにより、保持リングが、サブキャリアとは個別的に移動することができるとともに、鉛直方向においてある程度の距離を維持することができる。
【００８３】
サブキャリア１６０は、また、さらなる特性を有している。ある実施形態においては、サブキャリア１６０は、中実で円形の非多孔性のセラミクス製ディスクであって、２００ｍｍウェハに対して適用される研磨ツールの場合には、直径が、約２０３．２ｍｍ（約８インチ）である（ある特定の実施形態においては、２００．２７９ｍｍ（７．８８５インチ））。（３００ｍｍの半導体ウェハを研磨するすなわち平坦化することを意図した実施形態においては、サブキャリアの直径は、約３００ｍｍ（約１２インチ）である。）サブキャリアは、上面および下面において矩形エッジを有しており、下面は、フラットでありかつ平滑であるようにラップ（研磨）されている。６個の真空引き用孔１４７（１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）直径）が、サブキャリアの下面１６４上におけるサブキャリア開口内において、サブキャリアに対してウェハ背面を取り付けるべき場所に、設けられている。これら孔は、サブキャリアの上面中央部における単一の孔１８４に対して流体連通している。オス型のネジ山付き１０３２ＮＰＴワンタッチコネクタからなる取付部材が、回転ユニオンに対してのチューブ連結のためにさらには外部真空吸引力源や加圧空気源や水源に対しての連結のために、サブキャリアの上面上に設けられている。
【００８４】
孔は、サブキャリア１６０の上面内に第１孔１８４を開け、その後、サブキャリアの外周エッジから径方向内方側に向けて中央孔１８４にまで届く６個の径方向孔を開けることにより、形成される。その後、サブキャリアの下面から上向きに、先程の６個の径方向孔に到達するまで、６個の鉛直方向穴を開ける。これにより、これら６個の鉛直方向孔は、中央孔１８４と連通する。続いて、６個の鉛直方向孔とサブキャリアの外周エッジとの間にわたって延在している径方向孔の一部を、ステンレススチール製プラグ１８１または空気や真空吸引力や圧力や水の漏れを防止し得るような他の手段でもって、充填する。これら孔またはチャネルを使用することにより、ウェハ背面に対して真空吸引力を供給することができる。これにより、サブキャリアに対してウェハを保持することができる。また、加圧空気や水やあるいはこれら双方を適用することによって、ウェハアンローディング操作時にサブキャリアからウェハを取り外すことの補助を行うことができる。
【００８５】
次に、本発明による保持リングが研磨パッド１３５の制御を行い得る理由について説明する。図１９は、保持リングと研磨パッドとの界面部分に矩形コーナー部を有した保持リングの場合の、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説を概略的に示す図である。この例においては、保持リングのエッジが研磨パッドを前方側にかつ下向きに押圧したときに、研磨パッドが押圧されて上向きにせり上がり、研磨パッドに矩形エッジが形成される。研磨パッドは、保持リングから衝撃を受けることにより、振動（波打ち状況）が研磨パッド内を伝搬する。この振動（波打ち）は、ウェハの直下の領域にも到達する。これに対し、図２０に示された本発明による保持リングの場合には、保持リングと研磨パッドとの界面部分に本発明に従って多段面取遷移領域が設けられていることにより、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説としては、研磨パッド内に引き起こされる振動が小さい、すなわち、振動強度が小さい（波打ちの程度が小さい）。よって、ウェハ面に到達する前に消滅することとなる。この利点は、また、部分的には、保持リングの径方向外周エッジに、保持リングの下向き圧力を減衰させる摩擦部材を設け（あるいは、摩擦成分を作用させ）、これにより、径方向内方側に向けて徐々に下向き力を増大させることだけによっても得られる。実際、遷移領域は、保持リングの直下において研磨パッドを案内しており、研磨パッドが径方向内方へと進むにつれて下向き力が増大するようにしている。これにより、研磨パッドに対しての保持リングによる衝撃力が低減され、より漸次的な押圧力印加が行われるようになっている。
【００８６】
次に、保持リングによる構成および方法に従ったヘッドに対してのウェハのローディング／アンローディング手順および研磨手順という３つの実施形態について説明する。図２１は、ヘッドに対してのウェハローディング手順５０１を概略的に示すフローチャートである。この手順は、本発明の好ましい実施形態において行われる複数のステップを含むものであるけれども、例示されたすべてのステップが不可欠的なステップであるというわけではなく、いくつかの最適なステップが含まれていること、また、手順全体によって最適な結果が得られることを理解されたい。
【００８７】
ロボットによるウェハ取扱い装置が、通常、半導体産業では使用されている。特に、クリーンルーム環境下で行われるようなプロセスの場合には、使用されている。ここでは、ヘッドへのローディングモジュール（ＨＬＭ）およびヘッドからのアンローディングモジュール（ＨＵＬＭ）が設けられることにより、研磨のためにＣＭＰツールへとウェハをローディング（導入）したり、また、研磨完了時にＣＭＰツールからウェハを受領したり、するようになっている。ＨＬＭとＨＵＬＭとが同一のロボットであったとしても、クリーニングされて乾燥されたウェハをローディングするためのものと、研磨スラリーでコーティングされた湿潤ウェハを受領するためのものと、の２つの個別のロボットが使用される。典型的には、ＨＬＭとＨＵＬＭとは、固定ピストンと、ロボットハンドやパドルや回転可能性も含めた３次元内での他のウェハ把持手段を移動させる関節アーム部と、を備えている。ハンドは、コンピュータ制御のもとで駆動され、ウェハを貯蔵箇所からＣＭＰツールへと移動させ、また、研磨完了後にはまたは平坦化完了後には、ウェハを他の貯蔵箇所へと搬送する。以下の手順は、ＨＬＭまたはＨＵＬＭとＣＭＰツールとの相互作用の仕方を説明するものであり、より詳細には、ＨＬＭまたはＨＵＬＭと、ウェハサブキャリアアセンブリをなす各部材と、の間の相互作用の仕方を説明するものである。
【００８８】
まず最初に、ヘッドに対してのウェハのローディングが開始される（ステップ５０２）。この場合、『ホーム』位置から『ヘッド』位置へと、ＨＬＭロボットアームを制御しつつ移動させる（ステップ５０３）。ＨＬＭにとってのホーム位置とは、ロボットローディングアームがカルーセルの外部に位置しておりヘッドから離れた位置である。ヘッド位置とは、ロボットアームが研磨ヘッドの下方におけるカルーセルの直下にまで延出されヘッドに対してウェハを取り付けるような、ロボットアームの位置のことである。ステップ５０４においては、ヘッドサブキャリアが、チャンバＰ２．１３２内の圧力の影響によって延出され（下方移動され）、これにより、サブキャリアの保持面（取付面）が、保持リングよりも下方位置にまで下げられ、その後、ロボットアームが、上方移動され、これにより、ウェハがサブキャリアの取付面に対して付勢される。ウェハを破壊しかねないような急激な衝突を防止するために、スプリングが設けられている。次に、付加的に、ＨＬＭのノズルが、ヘッド上への脱イオン水のスプレーを行う。つまり、ヘッド洗浄バルブが開放され、これにより、バルブを通って脱イオン水が供給される（ステップ５０５）。その後、ＨＬＭは、『ホーム』位置へと戻り、ウェハを積載する（ステップ５０６）。その次に、ＨＬＭが、『ヘッド』位置へと駆動される（ステップ５０７）。続いて、コンピュータが、ヘッド真空吸引スイッチをチェックして、動作状況を検証する（ステップ５０８）。ヘッド真空吸引スイッチの動作は、延出されたロボットアームからヘッドがウェハを採取し得るように真空吸引動作を確実に行うという点において、重要である。ヘッド真空吸引スイッチが動作していない場合には、ヘッド真空吸引スイッチの正常動作が確認されるまで、ステップ５０２へと戻されてクリーニングサイクルが繰り返される。正常動作の場合には、ヘッドサブキャリアの真空吸引がオンとされてウェハ受領待ち状態とされる（ステップ５０９）。
【００８９】
ＨＭＬは、ヘッドによるウェハローディング位置にまで上昇駆動され（ステップ５１０）、ヘッドサブキャリアが、ＨＬＭからウェハを採取する（ステップ５１１）。次に、サブキャリアがウェハ背面に真空吸引力を印加することによってウェハがサブキャリアに対して取り付けられているかどうかをチェックする。そして、ヘッドサブキャリアを、ウェハが取り付けられている状態で、上昇させる（ステップ５１２）。その後、研磨プロセスが開始される（ステップ５１３）。他方、ウェハがサブキャリアに対して正常に取り付けられていない場合には、ＨＬＭを一旦下降させ、その後、ウェハをヘッドに対して再度ローディングするよう試みる（ステップ５１４）。そして、ウェハがサブキャリアに対して正常に取り付けられることが確認されるまで、ステップ５１０〜５１１を繰り返す。
【００９０】
次に、図２２を参照して、ウェハ研磨手順について説明する。図２２は、ウェハ研磨手順（ステップ５２１）を概略的に示すフローチャートである。ウェハ研磨は、先に説明したようにしてウェハがサブキャリアに対して既にローディングされている状態から開始される（ステップ５２２）。タレットおよびカルーセルアセンブリに対して取り付けられている研磨ヘッドが、研磨位置へと下降駆動され、これにより、ウェハが、プラテンに対して接着されている研磨パッドに対して当接（接触）した状態へと、配置される。そして、ウェハをサブキャリアに対して吸着することをここまで補助してきたウェハ背面の真空吸引力が、オフとされる（ステップ５２３）。その場合、真空吸引バルブが閉塞され、この閉塞状態は、研磨の直前まで維持される。そして、一旦真空吸引バルブが開放され、研磨前にウェハが存在していることが確認され、その後、真空吸引バルブが再度閉塞される（ステップ５２４）。この時点においては、真空スイッチは、常態においてはオフとされているべきである。真空スイッチがオンである場合には、可聴音や可視表示や他のインジケータの形態とされたアラームが発せられる（ステップ５２５）。真空スイッチがオフであれば、プロセスを進めて、ヘッドのチャンバＰ１，Ｐ２の各々に対して空気圧を印加する（ステップ５２６，５２７）。チャンバＰ１に対して印加された空気圧または他の流体圧は、サブキャリアに対する圧力すなわち押圧力を制御し、その結果、ウェハの前面に研磨圧力がもたらされ、ウェーハ前面が研磨パッドの対向面に向けて押圧される（ステップ５２６）。チャンバＰ２に対して印加された空気圧または他の流体圧は、保持リングに対する圧力を制御する。この圧力は、保持リングによって規定された（制限された、形成された）ポケット内にウェハを維持する機能と、ウェハの全エッジの近傍において研磨パッドがウェハ研磨にとって最適な状態となるように研磨パッドの状態を制御してウェーハエッジにおける非線形エッジエフェクトを除去する機能と、の双方を果たす（ステップ５２７）。
【００９１】
本発明による付加チャンバ付きウェーハサブキャリアを備えた実施形態においては、チャンバＰ３に対しても（複数チャンバ型構成においては、各サブキャリアチャンバに対しても）加圧空気が供給される。これは、サブキャリアのエッジに対する圧力すなわち押圧力をさらに制御するためである。この結果、ウェハの前面の周縁部に対して研磨圧力がもたらされ、ウェーハ前面の周縁部が、研磨パッドの対向面に向けて押圧される。同様に、複数グルーブ付きの複数チャンバ型の実施形態においては、サブキャリアチャネルの各々に対して加圧空気が供給されて、サブキャリアの各ゾーンに対する圧力すなわち押圧力が制御され、その結果、ウェハの前面のゾーン（通常は、環状ゾーン）内に研磨圧力がもたらされ、ウェハの対応部分が、研磨パッドの対向面に向けて押圧される。
【００９２】
付加チャンバ無しタイプのサブキャリア（第１チャンバおよび第２チャンバは有していても、付加チャンバ（第３チャンバ）は有していないタイプのサブキャリア）に話を戻すと、２つのチャンバ内に適切な圧力が確立された後に、プラテンモータが起動され（ステップ５２８）、そして、カルーセルモータおよびヘッドモータが起動される（ステップ５２９）。これにより、プラテンモータとカルーセルモータとヘッドモータとが所定態様ですべて回転駆動され、これにより、ウェハ研磨が開始される（ステップ５３０）。ウェハ研磨が終了すると、（ブリッジアセンブリに対して取り付けられている）ヘッドおよびカルーセルが研磨パッドから引き上げられ（ステップ５３１）、ウェハを研磨パッドから容易に隔離させ得るよう、ヘッドサブキャリアが、ヘッド内部における最下位置から最上位置へと退避される（ステップ５３２）。そして、研磨済みウェハのアンローディング手順が開始される（ステップ５３０）。
【００９３】
次に、図２３のフローチャートを参照して、ウェハアンローディング手順（ステップ５４１）について説明する。ウェハのアンローディング開始（ステップ５４２）は、ヘッドからのアンローディングモジュール（ＨＵＬＭ）に向けてサブキャリアを延出させる（ステップ５４３）。次に、ＨＵＬＭを、『ヘッド』位置とする（ステップ５４４）。その後、ヘッド洗浄操作を開始し、サブキャリアと保持リングとの間のスペースのクリーニング（ステップ５４５）、および、保持リングの一部と下部ハウジングとの間のスペースのクリーニング（５４６）を行う。ヘッド洗浄スイッチを『オン』とすることにより、外部供給源から回転ユニオン１１６（スピンドル１１９を含む）を経由してヘッド内へと、加圧状態とされた脱イオン水（ＤＩ）が供給される。脱イオン水は、ヘッド内において、取付アダプタ１２１やチューブや連結部材を介して、サブキャリア・保持リング間洗浄オリフィスおよび保持リング・ハウジング間洗浄オリフィスへと導かれる。また、サブキャリアの上面側における中央孔１８４を通して、さらに、中央孔からサブキャリアのウェハ取付面にまで延在している径方向孔すなわちチャネル１９１や孔１４７を通して、ウェハ背面へと脱イオン水を供給することにより、パージ操作が行われる（ステップ５４５）。サブキャリアのウェハ取付面とウェハ背面との間に付加的なインサートが設けられている場合には、孔は、インサートを貫通して設けることもできる。この場合、脱イオン水や加圧空気や真空吸引力は、インサートを通して供給することができる。パージ操作においては、サブキャリアの孔を通して高圧のクリーンドライエア（ＣＤＡ）を供給することもできる。これにより、ウェハがサブキャリアから押し出された際にウェハを受領し得るような近接位置へと既に配置されているＨＵＬＭリングに向けて、ウェハが押し出される（ステップ５４６）。第１パージ操作後にウェハがサブキャリアから外されてＨＵＬＭ上へと移される場合には、その後ＨＵＬＭが、『ホーム』位置へと戻される（ステップ５４７）。うまくないことに、通常、単一のパージサイクルでは、ウェハをサブキャリアから離すには不十分であることもある。そのような場合には、ＨＵＬＭを下降させる。この場合、ステップ５４５へと戻って、ウェハがサブキャリアから離れてＨＵＬＭによって受領されるまで、さらなるパージサイクルが行われる。
【００９４】
これまで浮遊型ウェハキャリア（すなわち、サブキャリア）と保持リングとを備えた化学的機械的研磨（ＣＭＰ）ヘッドアセンブリの構成および方法のいくつかの実施形態について説明してきたけれども、以下、いくつかの付加的な代替可能な実施形態について説明する。以下に例示した特定の付加的な代替可能な実施形態は、例えば半導体ウェーハサブキャリアといったような基板サブキャリアに関してなされたものである。この基板サブキャリアは、グルーブ付きサブキャリア１６０’と称されるべきものであって、既に説明したサブキャリア１６０と同じいくつかの特徴点と、付加的ないくつかの特徴点と、を有している。これら付加的な特徴点、ならびに、付加的な本発明によるサブキャリアを実現するにあたって必要な化学的機械的研磨ヘッドアセンブリに関する変更点について、以下詳細に説明する。
【００９５】
まず最初に、図２４を参照してサブキャリア１６０の既に説明したいくつかの特徴点について再度説明する。これにより、グルーブ付きサブキャリア１６０’がもたらす付加的特徴点が、より容易に理解されるであろう。ある実施形態においては、サブキャリア１６０は、中実の円形非多孔質セラミクス製ディスクであって、２００ｍｍまたは３００ｍｍの半導体ウェハを取り付けるすなわち搭載するのに適切な直径を有している。これまで、２個の圧力チャンバを有しているような研磨ヘッドの実施形態に関して、サブキャリア１６０を説明してきた。第１圧力チャンバは、保持リングアセンブリに対して圧力をもたらすものであり、第２圧力チャンバは、サブキャリアに対して圧力をもたらすものであって、ウェハに対しては間接的なものである。サブキャリア１６０は、円筒状側壁と隣接する上面１６３との間においてまた円筒状側壁と隣接する下面１６４との間において、矩形エッジを有している。下面１６４は、有利には、フラットで平滑であるようにラップ（研磨）されている。図２４においては、下面１６４が図示されている。そのため、グルーブ付きサブキャリア１６０’に対して実質的に説明されるべき表面特性が、より明瞭に示される。
【００９６】
サブキャリア１６０には、サブキャリアの下面１６４上において開口する孔すなわちオリフィス１４７に対して連通する流体連通チャネルが設けられている。これら孔は、サブキャリアに対してウェハ１１３の背面側からウェハ１１３を採取して保持すること（可能であれば、付加的なポリマーや他のフレキシブルメンブランインサートを介して、サブキャリアに対してウェハ１１３の背面側からウェハ１１３を採取して保持すること）を補助するために、真空吸引源に対して接続されている。また、孔は、サブキャリアからのウェハの取外しを補助し得るよう、加圧空気または加圧流体の流通のために使用することもできる。これら孔は、サブキャリア１６０の上部中央に形成されている単一孔１８４に対する接続のための６個の径方向通路１９１を介して、単一孔１８４に対して流体連通されている。その場合、径方向通路のうちの、６個の鉛直方向孔１４７とサブキャリア１６０の円筒状鉛直方向１８５との間において延在している部分は、ステンレススチール製プラグ１８１または空気や真空吸引力や水の漏れを防止し得るような他の手段によって、充填される。当然のことながら、孔１４７の数は、サブキャリアもウェハも歪ませることがなく適切に真空吸引力／圧力が伝達され得るような、任意の数とすることができる。外部供給源から回転ユニオンを経由して回転ヘッドおよびサブキャリアにまで真空吸引力／圧力が伝達される態様については、既に説明したとおりである。
【００９７】
次に、図２５を参照して代替可能なグルーブ付きサブキャリア１６０’について説明する。図２５は、下面１６４の全体を示すためのサブキャリア１６０’の斜視図である。図２６は、サブキャリアを示す部分的な断面図である。本発明のこの実施形態は、ウェハの周縁エッジにおけるまたは周縁エッジ近傍におけるさらなる一様性を得るためになされたものである。上述したような本発明による浮遊型保持リングアセンブリおよび浮遊型キャリア（すなわち、サブキャリア）が使用された場合であってさえも、ウェーハエッジにおいてはまたはウェハエッジ近傍においては、研磨の非一様性または研磨の非平坦性が若干は残留する可能性もあり得る。残留量は、大きくなったり小さくなったりするものではあるけれども、典型的には、１ミクロンあるいはそれ以下の程度であり、通常は、約０．１ミクロンの程度である。
【００９８】
サブキャリア１６０’は、サブキャリアを改良した実施形態であって、単独で使用することも、また、上述のようなヘッド取付アセンブリ１０４、および、保持リングアセンブリ１６７を含むウェハサブキャリアアセンブリ１０６と組み合わせて使用することができる。サブキャリア１６０に対しての、サブキャリア１６０’の主要な変更点は、グルーブまたはキャビティまたは凹所２５０を付加したことである。グルーブ２５０は、弾性メンブランまたはフレキシブルメンブランをなす全体的に非多孔性のシート材料２５０と組み合わせて使用することにより、第３圧力チャンバ２５２を形成するものである。第３圧力チャンバは、正圧が印加されたときには、拡張しあるいは拡張するように作用し、ウェハ１１３の背面に対して押圧力をもたらす。これにより、グルーブ２５０の近傍に位置したウェハ部分に対しては、研磨圧力が増大することとなる。このような圧力は、エッジ遷移領域チャンバ圧力（edge transition chamber pressure, ＥＴＣ）と称される。いくつかの例においては、グルーブに対して負圧すなわち真空吸引力を印加することが望ましいこともある。シート材料２５１が少なくともいくらかは圧縮可能であるときには、グルーブ近傍の環状領域における研磨圧力を低減することができる。本発明のいくつかの実施形態においては、非多孔性シート材料２５１は、例えば、ウェハ研磨産業において通常的に使用されているようなインサート１６１とすることができる。シート材料２５１としては、例えば、Rodel DF200 インサートまたはバッキングフィルムや R200 バッキングフィルムを使用することができる。Rodel DF200（Rodel Part No. A00736, Product Type DF200）は、０．５８〜０．６９ｍｍ（２３〜２７ミリインチ）という公称厚さを有し、約４．０〜１６．０％という圧縮可能性を有し、中程度にタックを有し高剪断性接着剤をベースとした合成ゴムによって両面コーティングされたポリエステルとして提供される。このインサートのクリーンルームバージョンは、使用時には剥がされる非粒子発生性の０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）厚さのシリコーンＰＥＴライナーを有している。
【００９９】
第３チャンバ内に注入される流体量を調節することにより、あるいは、この第３圧力チャンバＰ３内の圧力を制御することにより、ウェハから除去される材料の量を最適化することができて、研磨済み基板面（ウェハ面）または平坦化済み基板面（ウェハ面）の一様性を向上させることができる。グルーブ付きサブキャリアの付加的な実施形態としては、例えば同中心的な複数のグルーブであって共通の圧力源に接続されている複数のグルーブといったような複数グルーブを有したグルーブ付きサブキャリアや、あるいは、各々グルーブが個別の圧力源に接続されているような複数のグルーブを有したグルーブ付きサブキャリア、がある。後者の複数グルーブ付きの実施形態（図２７）であると、ウェハの中央からエッジに向けての様々な径方向位置にグルーブが形成されており、研磨圧力プロファイルを調節することができる。
【０１００】
グルーブ２５０内に伝達された圧力が非多孔性材料２５１，１６１やウェハ１１３に対して作用する様子が、図２８に概略的に図示されている。例えば加圧ガスや加圧液体といったような圧力流体（正圧のものも負圧のものも含む）が、ただし通常は正圧の加圧空気が、回転ユニオンの利用可能ポートやチューブや取付具を介して中央孔１８４’へと導かれさらにはウェハサブキャリアアセンブリ１０６内へと導入される。中央孔１８４’からは、加圧空気が、１つまたは複数の径方向通路１９１’へと導かれる。径方向通路１９１’は、サブキャリアの下面におけるグルーブ２５０と連通している孔と連通している。グルーブに対しての加圧空気の供給のために単一のチャネルが使用されているけれども、グルーブ全体にわたって圧力を一様に維持することが好ましいこと、および、サブキャリア内における凹所領域の寸法を小さく維持することが有利であること、を考慮すれば、複数のチャネルが設けられることが好ましい。特定の実施形態においては、６個のチャネルが設けられる。
【０１０１】
この特定の実施形態においては、中央孔１８４’と径方向通路１９１’と孔１４７’の一部とは、ウェハの背面に対しての真空吸引操作や加圧押出操作に関して上述した構造と同じものと見なすことができることに注意されたい。ただし、相異するのは、この実施形態においては、中央孔が異なる加圧源に対して接続されていること、孔１４７’が、直接的にサブキャリア下面に対してではなく、チャネル２５０内に開口していること、および、新たな４つの孔２６０において開口する個別の真空吸引回路または加圧回路によって、ウェハ背面の真空吸引または加圧が行われていること、である。このような変更は、サブキャリアのエッジに対してのグルーブ２５０の位置が、また、グルーブに対して印加される圧力を一様とすることが、先の実施形態におけるウェハ背面吸着／脱離孔１４７の位置よりも重要であるという理由によって、なされたものである。実際、構造の適正化は、便宜的なことに過ぎない。当業者であれば、本発明の開示により、グルーブの位置が重要であったり背面吸着／脱離孔の位置が重要であったりするけれども、構造に対しての正圧または負圧の適用態様は、サブキャリアの物理的一体性と安定性とが維持されている限りにおいては重要ではないことを、理解されるであろう。
【０１０２】
さらに図２６を参照すれば、ここではインサート１６１とされた、薄くかつ実質的に非多孔性のシート材料２５１は、グルーブを閉塞して、圧力を内部に保持し得るような第３チャンバ（Ｐ３）２６２を形成するよう機能している。通常、圧力は、ウェハ１１３がサブキャリアに対して取り付けられかつウェハが研磨パッドに対して押圧されるときにだけ、チャンバに対してだけ印加される。そのため、チャンバＰ３．２６２内に伝達される圧力がインサートをサブキャリアから脱離させるほどのものでないときには、従来のインサート取付方法を使用してインサート１６１をサブキャリア面に対して取り付けるだけで良い。チャンバＰ３内における圧力が増大すると、チャンバＰ３のサイズがわずかに増大し、弾性インサートがいささか膨張して、ウェハ２６３のうちの、インサートの膨張領域に当接した部分が押圧される。グルーブが環状グルーブである場合には、この押圧は、ウェハの環状領域において一様に起こる。図２６においては、インサートの膨張の程度およびウェハの撓みの程度が、動作原理を図示するために、誇張して図示されている。典型的には、ウェハの表面において除去される材料の変化は、１ミクロンよりも小さなものであり、通常は、約１０分の１ミクロンあるいはそれ以下である。したがって、実際の膨張は、知覚できない程度のものである。しかしながら、膨張領域においてやや大きめの研磨圧力がもたらされることは確かである。
【０１０３】
図２６に示す実施形態においては、グルーブ２５０は、矩形にカットされたすなわち矩形グルーブとして示されている。しかしながら、グルーブの寸法は、特に、サブキャリアのうちの、グルーブ２５０のエッジ２６４，２６５がインサート１６１に対して当接している表面におけるグルーブの寸法は、重要であるけれども、グルーブの形状は、重要ではないことを理解されたい。例えば、図示のグルーブは、２つの実質的に鉛直方向を向く側壁２６６，２６７と天井部２６８とを有している。しかしながら、例えばｖ字形やｃ字形や他の非平面形状といったような、鉛直方向を向かない側壁や非平面状の側壁や天井を有したグルーブを使用することができる。サブキャリア下面１６４におけるグルーブの開口態様も、また、必要であれば、表面不連続性が存在することの影響を最小化するように変更することができる。
【０１０４】
図２５において図示されたウェハ背面の真空吸着／押出用の４個の孔２６０が、断面図を描くに際しての切断面の位置のために、図２６では図示されていない。しかしながら、これら孔２６０は、図２８および図２９において図示されている。図面は、カルーセルとヘッド取付アセンブリと回転ユニオンと代替可能なグルーブ付きサブキャリアを含んだウェハサブキャリアアセンブリとからなる部分の組立状態における断面を示している。先に説明したグルーブ無しタイプのサブキャリアの実施形態においては、サブキャリアの下面１６４上におけるサブキャリア開口内に、６個の真空吸引用孔１４７（１．０１６ｍｍ（０．４０インチ）直径）が設けられていたことを思い起こされたい。このグルーブ付きサブキャリアにおいては、１組をなす４個の孔２６０が設けられていて、同様の機能を果たしている。各孔２６０は、サブキャリア下面１６４から鉛直方向に延在しており、サブキャリアのエッジから径方向内側に向けて径方向に延在しているチャネル２７０に対して交差している。チャネル２７０の一端は、プラグ２７１によって閉塞されており、気密シールかつ液密シールを形成している。一方、チャネル２７０の他端は、第２鉛直方向孔２７２に対して交差している。第２鉛直方向孔２７２は、サブキャリアの上面１６３にまで延出されている。孔の形成方法については、上述の通りである。よって、繰り返しての説明は省略する。このような構成がサブキャリアの下面と上面との各々における孔の位置どうしの間にオフセット（位置ズレ）をもたらしており、これにより、取付具２７３が、フランジリング１４６や他の構造物と干渉しないようになっていることに注意されたい。原理的には、加圧空気や水や真空吸引力をウェハに対してもたらすために、サブキャリアを直線的に貫通する鉛直方向孔を、設けることができる。取付具２７３は、サブキャリアの孔２７２に対して取り付けられており、取付具にチューブ２７４が取り付けられている。これにより、真空吸引力や圧力を、孔２６０にまで伝達することができる。本発明のある実施形態においては、４個の孔の各々から延出されたチューブどうしをウェハサブキャリアアセンブリ１０６内において互いに連結し、共通チューブを介して、さらに回転ユニオンを介して、外部真空源や加圧空気源や水源に接続することができる。これら孔およびチャネルは、ウェハの背面に真空吸引力を供給することによってウェハをサブキャリアに対して保持するために使用でき、および、加圧空気や水やこれら加圧空気および水の組合せを供給することによってウェハアンローディング操作時にサブキャリアからのウェハの離間を促進させるために使用することができる。
【０１０５】
第３チャネルＰ３を形成するために、例えばインサート１６１といったようなシート材料２５１が使用されたときには、真空吸引力や加圧空気や水がウェハ背面に対して直接的に連通できるように、孔は、シート材料内に設けられる。
【０１０６】
本発明のいくつかの実施形態においては、グルーブ２５０の寸法は、深さが約１．０１６ｍｍ〜約２．５４ｍｍ（約１／２５インチ〜約１／１０インチ）であり、幅が約２．５４ｍｍ〜約１２．７ｍｍ（約１／１０インチ〜約１／２インチ）である。ただし、幅は、この例示よりも大きくすることも小さくすることもできる。また、深さは、この例示よりも深くすることも浅くすることもできる。グルーブの深さが約１ｍｍ〜約２ｍｍ（約０．０４インチ〜約０．０８インチ）でありかつグルーブの幅が３ｍｍ（０．１２インチ）または３．５５６ｍｍ（０．１４インチ）または４．０６４ｍｍ（０．１６インチ）であるような本発明の実施形態は、また、グルーブ無しタイプのサブキャリアまたはフラットなサブキャリアの場合と比較して、改良された研磨結果をもたらした。他の特定の実施形態においては、グルーブの幅は、約３ｍｍ（約０．１２インチ）とされる。他の特定の実施形態においては、２００ｍｍ直径のウェーハサブキャリアの中心から９２．４５６ｍｍ（３．６４インチ）の径方向距離のところが中央とされた深さが２．０３２ｍｍ（０．０８インチ）でありかつ幅が４．０６４ｍｍ（０．１６インチ）であるグルーブを設けると、良好な結果が得られる。３００ｍｍ直径のウェーハサブキャリアの場合には、グルーブは、中心から同じ比率の位置にグルーブを設けると、エッジ研磨効果が同様に制御される。
【０１０７】
本発明によるグルーブ構造は、大まかには約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）〜約５ｍｍ（約０．２インチ）あるいはそれ以上という深さとすることができ、より典型的には約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）〜約２．５４ｍｍ（約０．１インチ）という深さとすることができ、望ましくは約１．２７ｍｍ（約０．０５インチ）〜約２ｍｍ（約０．０８インチ）という深さとすることができる。グルーブは、弾性インサート１６１がサブキャリアの下面１６４上に取り付けられておりさらにウェハ１１３がインサートに対して取り付けられているときに、研磨時に起こりかねないようなグルーブ２５０内へのインサート１６１の侵入深さがグルーブの深さよりも浅いものであるように、充分に深いものであるべきである。これにより、そのような侵入が、グルーブに対してのまた圧力チャンバＰ３に対しての実質的に一様な圧力印加を妨害してしまうことが、防止される。他方、グルーブ２５０は、サブキャリアの構造的剛性やフラットさに対して有害とならないように、あまり深く形成すべきではない。このような構造的制限の範囲内であれば、グルーブは、任意の深さとすることができる。グルーブ２５０の詳細およびウェハ背面孔２６０の詳細が、図３０および図３１に示されている。グルーブ２５０と孔２６０とこれらグルーブおよび孔を回転ユニオンに対して連通させるためのチャネルとを付加したこと以外は、図２８〜図３１に図示された構造は、図４，５，７，８に関して説明した先の構成と同一である。同一部分については、繰り返しての説明を省略する。第３チャンバＰ３に対して圧力を印加するために、１つの付加的なポートが、回転ユニオン内に必要とされる。
【０１０８】
３ｍｍ（０．１２インチ）の幅および２ｍｍ（０．０８インチ）の深さを有したグルーブが設けられているグルーブ付きサブキャリアを６８９５０Ｎ／ｍ2（１０ｐｓｉ）という圧力で使用した場合と、グルーブ無しサブキャリアに相当するような、同じグルーブ付きサブキャリアを０Ｎ／ｍ2（０ ｐｓｉ）で使用した場合との、研磨プロファイルの違いを示す実験データが、図３２に示されている。いくつかの例示としての性能結果が、表１に与えられており、これらの結果をもたらすプロセスパラメータが表IIにまとめられている。これらの表において、ＳＳ１２（商標名）は、Rodel 社によって米国内で販売されている研磨スラリーを表しており、Klebosol 130N50 PHN（商標名）は、Cabot社によって製造されている別の研磨スラリーである。４９ポイント５ｍｍ−ＥＥは、５ｍｍというエッジ除外（ＥＥ）を行いつつウェハの面上において４９個の測定点を設けるという、標準的な試験手順である。４９ポイント３ｍｍ−ＥＥは、３ｍｍというエッジ除外を行いつつウェハの面上において４９個の測定点を設けるという、他の標準的な試験手順である。これら手順は、当該技術分野では公知であるので、ここではこれ以上の説明は省略する。
【０１０９】
【表１】
2008302495.tif 000003
【０１１０】
【表２】
2008302495.tif 000004
【０１１１】
図３２において、公称雰囲気圧力（０Ｎ／ｍ2（０ｐｓｉ））の場合には、非一様性の％比率（ＮＵ％）が７．６９％であること、一方、グルーブ圧力を６８９５０Ｎ／ｍ2（１０ｐｓｉ））へと増大させた場合には、非一様性の％比率（ＮＵ％）が３．２３％となって、圧力がない場合（グルーブ無しサブキャリアと等価である）の性能の半分以下となること、に注意されたい。例えば、図３２において、０Ｎ／ｍ2（０ｐｓｉ）と６８９５０Ｎ／ｍ2（１０ｐｓｉ）との双方において、ウェハの平均除去速度は、約２３００オングストローム／ｍｉｎである。ところが、０Ｎ／ｍ2（０ｐｓｉ）の場合には、最小除去速度は、ウェハのエッジから約６ｍｍのところにおける約１９２０オングストローム／ｍｉｎである。これに対し、６８９５０Ｎ／ｍ2（１０ｐｓｉ）の場合には、最小除去速度は、ウェハのエッジから約５ｍｍのところにおける約２１１０オングストローム／ｍｉｎである。これは、得られる結果を制限するものではなくて、あくまでも、本発明のある実施形態によって得られる有利な結果の一例に過ぎないものである。
【０１１２】
以上、グルーブ無しのサブキャリアまたは平面状サブキャリアに対しての、グルーブ付きサブキャリアの特性について説明した。次に、複数のグルーブを有したグルーブ付きサブキャリアについて説明する。複数グルーブ付きのサブキャリアは、エッジにおける非一様性といわゆる『ドーナツ形』研磨効果すなわち環状研磨効果との双方を低減したり除去したりするに際して、特に有効である。環状研磨効果は、（i）中央とエッジとの双方において過研磨とされかつ中央とエッジとの間において研磨不足とされる第１状況と、（ii）中央とエッジとの双方において研磨不足とされかつ中央とエッジとの間において過研磨とされる第２状況と、の双方を含んでいる。複数グルーブを有した実施形態は、また、３００ｍｍ径またはそれ以上のウェハのための研磨装置に対して、かなり一様であるという利点をもたらす。
【０１１３】
ある実施形態においては、例えば図２７に示すように、３個のグルーブを有したサブキャリア２８０が形成されている。３個のグルーブは、さらに高レベルの研磨制御をもたらす。２個や４個や５個やあるいはそれ以上のグルーブを有したサブキャリアを準備することもでき、これらサブキャリアであっても、研磨されるべきウェハのサイズが増大するにつれて、特に有効に使用することができる。グルーブ２８１，２８２，２８３の各々には、それぞれ個別の加圧空気供給源が接続されており、この場合には、既に説明したようなタイプの回転ユニオンのポートが、付加的に必要とされる。付加的な回転ユニオンや付加的な回転ユニオンポートの構成については、さらなる説明を省略する。３個のグルーブ２８１，２８２，２８３の各々が形成されていて、これらグルーブは、上述したのと同じようにして動作する。よって、ここでは繰返しの説明を省略する。サブキャリア内においてチャネル形成のためのスペースが必要とされたときには、複数のチャネルは、サブキャリア内における互いに異なる高さレベルに形成することができる。１つのグルーブあたりのチャネル数は、いくらか減らすことができる。例えば、６個というチャネル数から、２〜４個のチャネル数とすることができる。他のチャネルは、サブキャリア内の孔ではなく、取付具やチューブを使用して設けることができる。
【０１１４】
複数グルーブを有した複数チャンバ型の実施形態においては、複数のグルーブの各々は、所望の研磨プロファイルをもたらすよう、任意に配置することができるけれども、本発明の少なくとも１つの実施形態においては、複数の研磨ゾーンを議論することが便利である。３個のグルーブを有したサブキャリア２８０というある実施形態においては、第１グルーブ２８１は、エッジの過研磨やエッジの研磨不足を克服するために、サブキャリアのエッジから約２．５４ｍｍ（約０．１０インチ）〜約３０．４８ｍｍ（約１．２インチ）という距離のところに位置した第１環状ゾーン内に、所望に配置される。第２グルーブ２８２は、中央とエッジとの双方における過研磨（または、研磨不足）かつ中央とエッジとの間における研磨不足（または、過研磨）が発生するという研磨の環状形状効果を補正することを補助するために、サブキャリアのエッジから約３０．４８ｍｍ（約１．２インチ）（第１ゾーンの内径）〜約６８．５８ｍｍ（約２．７インチ）という距離のところに位置した第２環状ゾーン内に、配置される。最後に、第３グルーブ２８３は、中央領域におけるウェハの過研磨（または、研磨不足）を克服するために、エッジから約６８．５８ｍｍ（約２．７インチ）（第２ゾーンの径方向内方側境界）からサブキャリアの中心までのところに位置した第３ゾーン内に、配置される。対称性のためにまた研磨圧力の一様性のために環状グルーブが好ましいけれども、これに代えて、複数の隔離された径方向アークや複数の隔離された円形パッチやあるいはサブキャリア面に対して他の圧力分布をもたらすような、類似研磨プロファイルを使用することもできる。さらに、環状グルーブは、他の非環状圧力パッチと組み合わせることができる。これら各ゾーン内においては、グルーブ自身は、ゾーン内における自由なところに配置することができ、上述のようなサイズとすることができる。
【０１１５】
本発明のさらなる実施形態においては、除去される材料の量あるいは残っている材料の量を、研磨プロセス時に観測することができ、各チャンバに対しての圧力を、一様な研磨を得るために変更することができる。このようなエンドポイント検出には、電気的または磁気的または光学的検出手段を利用することができ、サブキャリアに対しての圧力や保持リングに対しての圧力やあるいは存在している場合には他のグルーブに対しての圧力を変更するためのコンピュータ制御システムに対して、検出手段を接続することができる。
【０１１６】
通常、複数のグルーブは近接配置されるけれども、隣接するグルーブどうしは、少なくとも約２．５４ｍｍ（約１０分の１インチ）は隔離されているべきである。各グルーブ内の圧力は、一般に、正圧（０〜１０３４２５Ｎ／ｍ2（０〜１５ｐｓｉ））とすることも、あるいは、負圧とすることもできる。多くの場合、グルーブの正確な配置、および、グルーブに対して印加される正圧または減圧は、各応用に適していないように形成されている場合であっても正確な配置や圧力が得られるように、プロセスの特性を基にして調節される。
【０１１７】
本発明による単一グルーブ付きのサブキャリアおよび複数グルーブ付きサブキャリアは、浮遊型ヘッドおよび浮遊型保持リングと組み合わせて使用することができるけれども、詳細に上述したようなウェーハサブキャリアアセンブリ１０６やヘッド取付アセンブリを使用していないような装置も含めて、他の基板研磨装置および平坦化装置また他の応用に対して、適用することができる。本発明におけるグルーブ付きサブキャリアは、径方向位置の関数として研磨プロファイルを修正することが要望されているような任意の研磨ヘッド応用に対して容易に適用することができる。
【０１１８】
上記においては、例示や理解を明瞭とするための図示によって詳細に本発明を説明したけれども、当業者であれば、本発明の開示により、添付の請求項において規定された本発明の精神や範囲を逸脱することなく、上記の例示にある種の変更や修正を加え得ることは、容易に理解されるであろう。本明細書において引用されたすべての文献は、各文献が詳細にここに記載されているかのようにして、参考のためここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】複数ヘッド型研磨平坦化装置の一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本発明による２チャンバ型研磨ヘッドの簡略的な実施形態を概略的に示す図である。
【図３】本発明による２チャンバ型研磨ヘッドの簡略的な実施形態を概略的に示す図であって、この図においては、連結部材（ダイヤフラム）がウェハサブキャリアとウェハ保持リングとを相対移動可能とする様式が誇張したスケールで示されている。
【図４】カルーセルとヘッド取付アセンブリと回転ユニオンとウェハサブキャリアアセンブリとの部分の実施態様を組立状態で概略的に示す断面図である。
【図５】本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様を詳細に示す断面図である。
【図６】図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を展開して示す図である。
【図７】図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を詳細に示す断面図である。
【図８】図５のウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の他の部分を詳細に示す図である。
【図９】本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す平面図である。
【図１０】図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す断面図である。
【図１１】図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を詳細に示す図である。
【図１２】図９に示すような本発明による保持リングの実施態様を概略的に示す斜視図である。
【図１３】図９に示す保持リングの一部を示す断面図であって、保持リングの径方向外周縁部に、面取遷移領域が設けられている様子が詳細に示されている。
【図１４】図５の研磨ヘッドにおいて使用される本発明による保持リングアダプタの実施態様を概略的に示す図である。
【図１５】図１４の保持リングアダプタの代替可能な実施態様を概略的に示す図である。
【図１６】図１４の保持リングアダプタの断面図である。
【図１７】保持リングアダプタに対して保持リングを取り付ける様式を断面図でもって詳細に示す図である。
【図１８】リング領域から研磨スラリーを除去するための排出チャネルおよびオリフィスを詳細に示す図である。
【図１９】保持リングと研磨パッドとの間の境界のところが矩形コーナーとされている保持リングの場合における、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説を概略的に示す図である。
【図２０】保持リングと研磨パッドとの間の境界のところが本発明に従って複数平面型面取遷移領域とされている保持リングの場合における、保持リングと研磨パッドとの間の相互作用の仮説を概略的に示す図である。
【図２１】ウェハローディング手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図２２】ウェハ研磨手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図２３】ウェハアンローディング手順の一実施形態を概略的に示すフローチャートである。
【図２４】本発明によるウェハサブキャリアのグルーブ無しタイプの一実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
【図２５】本発明によるウェハサブキャリアの単一グルーブかつ単一付加圧力チャンバ付きの実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
【図２６】図２５に示す単一グルーブかつ単一付加圧力チャンバ付きのウェハサブキャリアの一部を示す断面図である。
【図２７】本発明によるウェハサブキャリアの３個グルーブかつ３個付加チャンバ付きの実施形態のウェハ取付面を概略的に示す図である。
【図２８】カルーセルとヘッド取付アセンブリと回転ユニオンとウェハサブキャリアアセンブリとの部分の実施態様を組立状態で概略的に示す断面図であり、この場合、単一グルーブかつ単一付加チャンバ付きのウェハサブキャリアが使用されている。
【図２９】図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様を詳細に示す図である。
【図３０】図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の一部を詳細に示す断面図である。
【図３１】図２８における本発明によるウェハサブキャリアアセンブリの実施態様の他の部分を詳細に示す断面図である。
【図３２】除去速度に対してのサブキャリアのグルーブ圧力の影響を、位置の関数として概略的に示す図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１０１…化学的機械的研磨装置（平坦化装置）、１０２…カルーセル、１０３…研磨ヘッドアセンブリ、１０４…ヘッド取付アセンブリ、１０６…基板サブキャリアアセンブリ、１０９…プラテン、１１３…半導体ウェハ、基板、１１６…回転ユニオン、１２０…上部ハウジング、１２２…下部ハウジング、１３１…第１チャンバ、１３２…第２チャンバ、１３５…研磨パッド、１４５…副ダイヤフラム、１６０…サブキャリア、１６０’…グルーブ付きサブキャリア、１６１…インサート、１６２…主ダイヤフラム、１６４…下面、基板取付面、１６５…保持リングアセンブリ、１６６…保持リング、１６８…保持リングアダプタ、２０６…遷移領域、２５０…グルーブ、２５１…非多孔性のシート材料、２５２…第３圧力チャンバ、２８０…３個のグルーブを有したサブキャリア、２８１…グルーブ、２８２…グルーブ、２８３…グルーブ、Ｐ１…第１チャンバ、Ｐ２…第２チャンバ、Ｐ３…第３圧力チャンバ、付加チャンバ
【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１３】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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