(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに連結され、第一のチャンバを画成する可撓性部材であって、その下面が基板受取面を形成している可撓性部材と、
通気孔又はバルブを含む基板センサ機構と、
前記ベースと前記可撓性部材との間に配置された支持プレートであって、第一センサ開口部と第二開口部とを含み、流体が前記第一チャンバから排出され、前記基板が前記基板受取面に取り付けられていない場合に、前記通気孔を覆うために又は前記バルブを作動させるために前記可撓性部材が前記第一センサ開口部中に撓むことができるように、前記第一センサ開口部は前記通気孔又は前記バルブの下に位置している、支持プレートと、
前記支持プレートと前記可撓性部材との間に位置する支持パッドであって、基板取付け手順の結果として基板と前記可撓性部材の間に位置する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを前記可撓性部材と共同で設ける複数の開口部を有し、前記複数の開口部は前記第一センサ開口部と前記第二開口部との間の側面に沿って配置された少なくとも一つの開口部を含んでいる支持パッドと、
を備えるキャリアヘッド。
【請求項２】
前記複数の開口部が、前記支持パッドのエッジと前記第一センサ開口部との間に位置する保護開口部を含んでいて、前記支持パッドのエッジから前記第一センサ開口部へ前記流体の少なくとも一部が移動することを抑制するために、前記保護開口部が前記支持パッドの円周方向に沿って延びるとともに、前記保護開口部の第一エッジ及び第二エッジが前記第一センサ開口部の第一エッジ及び第二エッジを越えて延びている、請求項１記載のキャリアヘッド。
【請求項３】
前記支持パッドの複数の開口部が、前記支持パッドの表面積の半分を超える部分を占めている、請求項１記載のキャリアヘッド。
【請求項４】
前記複数の開口部が、異なる寸法の開口部を含んでいる、請求項１記載のキャリアヘッド。
【請求項５】
前記複数の開口部が、均一の寸法の開口部を含んでいる、請求項１記載のキャリアヘッド。
【請求項６】
ベースと、
前記ベースに結ばれ、第一のチャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、
通気孔又はバルブを含む基板センサ機構と、
前記ベースと前記可撓性部材との間に配置された支持パッド又は支持プレートであって、第一センサ開口部と複数の開口部とを含み、流体が前記第一チャンバから排出され、前記基板が前記基板受取面に取り付けられていない場合に、前記通気孔を覆うために又は前記バルブを作動させるために前記可撓性部材が前記第一センサ開口部中に撓むことができるように、前記第一センサ開口部は前記通気孔又は前記バルブの下に位置しており、前記複数の開口部は、基板取付け手順の結果として基板と前記可撓性部材の間に位置する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを提供する、支持パッド又は支持プレートとを備え、
前記複数の開口部は、均一なサイズの複数の第二開口部と、前記複数の第二開口部と異なる形状の保護開口部とを含み、前記保護開口部は前記支持パッド又は前記支持プレートのエッジと前記第一センサ開口部との間に位置し、前記支持パッド又は前記支持プレートのエッジから前記第一センサ開口部へ前記流体の少なくとも一部が移動することを抑制し、
前記保護開口部が前記支持パッド又は支持プレートの円周方向に沿って延びるとともに、前記保護開口部の第一エッジ及び第二エッジが前記第一センサ開口部の第一エッジ及び第二エッジを越えて延びている、キャリアヘッド。
【請求項７】
前記保護開口部は、前記第一センサ開口部を取り囲む環状開口部である、請求項６記載のキャリアヘッド。
【請求項８】
ベースと、
前記ベースに結ばれ、第一のチャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、
通気孔又はバルブを含む基板センサ機構と、
前記ベースと前記可撓性部材との間に配置された支持パッド又は支持プレートであって、第一センサ開口部と複数の第二開口部とを含み、流体が前記第一チャンバから排出され、前記基板が前記基板受取面に取り付けられていない場合に、前記通気孔を覆うために又は前記バルブを作動させるために前記可撓性部材が前記第一センサ開口部中に撓むことができるように、前記第一センサ開口部は前記通気孔又は前記バルブの下に位置しており、
前記複数の開口部は、基板取付け手順の結果として基板と前記可撓性部材の間に位置する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを提供する、支持パッド又は支持プレートと、
前記第一センサ開口部の周りに位置する環状の壁とを備え、この壁は、前記支持パッド又は支持プレートから前記可撓性部材に向かって延びている、キャリアヘッド。
【請求項９】
前記壁が、前記支持パッド又は支持プレートの表面に垂直である、請求項８記載のキャリアヘッド。
【請求項１０】
前記壁が、前記支持パッド又は支持プレートの表面から傾斜している、請求項８記載のキャリアヘッド。
【請求項１１】
ベースと、
通気孔又はバルブを含む基板センサ機構と、
前記ベースに連結され、第一のチャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、
前記ベースと前記可撓性部材との間に位置する支持パッドと、
を備え、
前記支持パッドは、前記通気孔を覆うために又は前記バルブの作動のために前記可撓性部材が撓んで入るセンサ開口部と、前記支持パッドから下方へ延びて前記センサ開口部の周りに壁を形成し、基板取付け手順中に前記基板と前記可撓性部材の間に閉じ込められる可能性がある流体が前記センサ開口部に入ることを阻止する保護部材と、を有しているキャリアヘッド。
【請求項１２】
前記支持パッドは、前記流体を閉じこめ、前記流体が前記センサ開口部に入ることを防止するために、前記センサ開口部の周りに複数の開口部を更に有している、請求項１１記載のキャリアヘッド。
【請求項１３】
通気孔又はバルブを含む基板センサ機構と、
基板受取面を有する可撓膜と、
チャンバが排気され、基板が前記基板受取面に取り付けられていないときに、前記通気孔を覆うために又は前記バルブの作動のために前記可撓膜が撓んで入る開口部を有する剛体と、
前記基板が前記基板受取面に取り付けられるときに前記基板と前記可撓膜との間に位置する可能性がある流体が前記可撓膜を前記開口部中に撓ませることを防止する前記剛体上の、かつ前記剛体から下向きに突出する障壁と、
を備えるキャリアヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体として基板の化学機械研磨に関し、特に、化学機械研磨システムのキャリアヘッド内における基板の存在を検出する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、集積回路は、導電層、半導体層あるいは絶縁層の連続的な堆積により基板、特にシリコンウェーハ上に形成される。各層が堆積された後、各層は回路図形を形成するためにエッチングされる。一連の層が連続的に堆積されエッチングされるにつれて、基板の外面または最上面、すなわち基板の露出面は、徐々に非平坦になる。したがって、基板表面は、実質的に平坦な層表面を形成するように定期的に平坦化される。
【０００３】
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、平坦化の認められた方法の一つである。この平坦化方法は、通常、基板がキャリアまたは研磨ヘッド上に搭載されることを必要とする。このとき、基板の露出面は、回転研磨面に接するように配置される。キャリアは、制御可能な荷重、すなわち圧力を基板に加え、基板を研磨パッドに押しつける。さらに、基板の表面上の相対速度分布に影響を与えるために、キャリアは回転することができる。研磨剤および少なくとも一つの化学反応剤を含む研磨スラリーを研磨パッド上に散布して、パッドと基板との間の境界に研磨化学溶液を供給することができる。
【０００４】
通常、キャリアヘッドは、研磨プロセスが完了した後に研磨パッドから基板を取り外すために使用される。基板は、キャリアヘッドの下面に真空チャックされる。キャリアヘッドが後退すると、基板が研磨パッドから持ち上げられる。
【０００５】
ＣＭＰで生じていた一つの課題は、基板がキャリアヘッドによって持ち上げられないことである。たとえば、研磨パッドに基板を拘束する表面張力がキャリアヘッド上に基板を拘束する力より大きければ、キャリアヘッドが後退するときに基板は研磨パッド上に残ることになる。また、欠陥のある基板が研磨中に破損すると、キャリアヘッドが破損した基板を研磨パッドから除去することは不可能かもしれない。
【０００６】
関連する問題として、基板のキャリアヘッドへの取付は失敗することがあり、キャリアヘッドから基板がはずれることがある。たとえば、真空チャックとの組み合わせではなく、表面張力のみによって基板がキャリアヘッドに取り付けられていれば、このようなことが起こる可能性がある。
【０００７】
このため、オペレータは、キャリアヘッドがもはや基板を搭載していないことを知らないおそれがある。基板がキャリアヘッド内に存在していなくても、ＣＭＰ装置は作動し続けるであろう。これはスループットを減少させるおそれがある。さらに、はずれた基板、すなわちキャリアヘッドに取り付けられていない基板は、ＣＭＰ装置の可動部品により衝撃を受ける可能性があり、基板あるいは研磨パッドに損害を与えたり、他の基板に損傷を与えうる破片を残すおそれがある。
【０００８】
ＣＭＰで生じる別の問題は、キャリアヘッドに基板が存在していることを判定する難しさである。基板はキャリアヘッドの下方に位置するので、目視検査によって、基板がキャリアヘッドの中に存在し、キャリアヘッドに正確に取り付けられていることを判定することは難しい。さらに、光学検出技術は、スラリーの存在によって妨げられる。
【０００９】
キャリアヘッドは、基板受取面として機能する底面を有する硬質のベースを含んでいてもよい。複数のチャネルがベースを通って基板受取面に延びる。ポンプあるいは真空ソースが、チャネルを真空にすることができる。空気がチャネルから排気されると、基板はベースの底面に真空チャックされることになる。圧力センサを真空ソースとキャリアヘッド内のチャネルとの間の圧力ラインに接続してもよい。基板がキャリアヘッドにうまく真空チャックされていなければ、チャネルが開き、空気あるいは他の流体がチャネルの中に漏れる。一方、基板がキャリアヘッドにうまく真空チャックされていれば、チャネルがシールされ、空気はチャネル中に漏れない。したがって、キャリアヘッドの下面に基板が無事に真空チャックされると、基板が適切にキャリアヘッドに取り付けられないときと比較して、圧力センサは、高真空または低圧力を測定することになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
残念ながら、キャリアヘッド内における基板の存在を検出するこの方法にはいくつかの問題点がある。腐食性のスラリーがチャネル中に吸入され、キャリアヘッドを汚染する可能性がある。さらに、基板が研磨パッドから持ち上げられたことを判定するためのしきい値圧力は、実験的に決定しなければならない。
【００１１】
したがって、キャリアヘッド内における基板の存在を確実に検知できるＣＭＰシステムを提供することは有用である。また、このようなシステムが、スラリーによる異物に対してキャリアヘッドの内部を露出せずに動作することができれば有用である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
一つの態様では、本発明は、ベースと、ベースに連結され、第一のチャンバを画成する可撓性部材と、ベースおよび可撓性部材間に位置する支持パッドを有するキャリアヘッドに関する。可撓性部材の下面は、基板受取面を形成しており、支持パッドは、基板取付け手順の結果として基板と可撓性部材の間に位置する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを前記可撓性部材と共同で設ける複数の開口部を有している。
【００１３】
本発明の実施形態は、以下の特徴を有することができる。キャリアヘッド内のバルブがキャリアヘッド内の通路を開閉するようになっていてもよい。前記複数の開口部は、バルブの下に位置するセンサ開口部を含んでいてもよく、流体が第一チャンバから排出され、基板が基板受取面に取り付けられていない場合に、可撓性部材がセンサ開口部中に撓んでバルブを作動させることができるようになっていてもよい。支持プレートは、支持パッドとベースの間に位置することができ、センサ開口部は、支持プレート内の対応する開口部の下に位置することができる。保護開口部が支持パッドのエッジとセンサ開口部との間に位置していて、センサ開口部を実質的に取り囲む環状開口部のエッジから流体が直接移動することを防止するようになっていてもよい。環状の壁が、支持パッドから第一可撓性部材に向かってセンサ開口部の周りに延びていてもよい。壁は、支持パッドの表面にほぼ垂直であってもよいし、支持パッドの表面から傾斜していてもよい。支持パッド内の複数の開口部は、支持パッドの表面積の半分を超える部分を占めていてもよい。開口部は異なる寸法でもよいし、均一の寸法でもよい。キャリアヘッドは、第一のチャンバに連通された開口を有していてもよく、また、第一チャンバ内の圧力レベルを変えるためにポンプがこの開口に連結されていてもよい。複数の開口部を有する支持プレートが、ベースと支持パッドとの間に位置していてもよい。
【００１４】
別の態様では、本発明は、ベースと、ベースに接合され、第一のチャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、ベースと可撓性部材の間に位置する支持パッドと、を有するキャリアヘッドに関する。支持パッドは、一つのセンサ開口部と、このセンサ開口部の周りに延在して、基板取付け手順の結果として基板と可撓性部材の間に存在する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを設ける複数の開口部と、を含んでいる。
【００１５】
別の態様では、本発明は、基板受取面を画成する可撓性部材を有するキャリアヘッド用の支持パッドに関する。この支持パッドは、センサ開口部と、センサ開口部の周りに延在し、基板取付け手順の結果として基板と可撓性部材の間に存在する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを設ける複数の開口部と、を有している。
【００１６】
別の態様では、本発明は、ベースと、ベースに連結され、第一のチャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、ベースと可撓性部材の間に位置する支持パッドと、支持パッドから下方へ延びる保護部材と、を有するキャリアヘッドに関する。この支持パッドはセンサ開口部を有しており、保護部材は、センサ開口部の周りに壁を形成して、基板取付け手順中に基板と可撓性部材の間に閉じ込められる可能性がある流体がセンサ開口部に入ることを防止する。
【００１７】
別の態様では、本発明は、ベースと、ベースに連結され、チャンバおよび基板受取面を画成する可撓性部材と、ベースと可撓性部材の間に位置する支持プレートと、を有するキャリアヘッドに関する。支持プレートは、センサ開口部と、センサ開口部の周りに延び、基板取付け手順の結果として基板と可撓性部材との間に存在する可能性がある流体を閉じ込めるための複数のポケットを設ける複数の開口部と、を有している。
【００１８】
さらに別の態様では、本発明は、基板受取面を有する可撓膜と、チャンバが排気され、基板が基板受取面に取り付けられていないときに可撓膜が撓んで入る開口部を有する剛体と、基板が基板受取面に取り付けられるときに基板と可撓膜との間に位置する可能性がある流体が可撓膜を開口部中に撓ませることを防止する剛体上の障壁と、を備えるキャリアヘッドに関する。
【００１９】
本発明の実施形態は、次の特徴を有することができる。障壁は、流体ポケットを設けるように可撓膜が中に膨張することのできる領域を含んでいる。たとえば、障壁は、剛体の底面に固定される複数の貫通開口部有する支持パッドを含んでいてもよいし、剛体の底面内に形成された複数の凹部を含んでいてもよい。障壁は、物体の底面に接合されたバッフルを含んでいてもよい。
【００２０】
さらに別の態様では、本発明は、基板受取面を有する可撓膜と、基板検出機構と、基板と可撓膜の間に位置する可能性がある流体が基板検出機構を妨害することを防止する手段と、を備えるキャリアヘッドに関する。
【００２１】
さらに別の態様では、本発明は、ベースと、ベースに連結されて加圧可能チャンバおよび基板受取面を設ける透明可撓性部材供と、を備えるキャリアヘッドに関する。
【００２２】
本発明の実施形態は、次の特徴を有することができる。可撓膜は、顔料を含まないシリコーンから形成されていてもよい。ベースと可撓膜の間に支持構造が配置されていてもよく、また、ベースの下面上にバルブが配置されていてもよい。支持構造は、バルブと位置合わせされた貫通開口部を有していてもよく、バルブの開口部との位置合わせが前記透明膜を通して視認可能となっていてもよい。
【００２３】
本発明の利点には、次の事項が含まれる。ＣＭＰ装置は、基板がキャリアヘッドに適切に取り付けられているか否かを検出するためのセンサを有する。このセンサは、誤警報を起こしにくい。
【００２４】
本発明の他の利点および特徴は、図面および特許請求の範囲を含む下記の説明から明白である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図面中の同様の参照番号は、同様の構成要素を示す。添字またはダッシュを付けた参照番号は、修正された機能、動作または構造を構成要素が有することを示し、あるいは同じ実施形態中の構成要素を区別することを示している。
【００２６】
図１を参照すると、一つ以上の基板１０が化学機械研磨（ＣＭＰ）装置２０により研磨される。ＣＭＰ装置２０の完全な説明は、係属中の米国特許第５，７３８，５７４号に見出すことができ、その全体の開示は参考文献として本明細書に包含される。
【００２７】
ＣＭＰ装置２０は、テーブルトップ２３が載置され、着脱自在の上部外側カバー（図示せず）を有する下部機械ベース２２を有する。テーブルトップ２３は、一連の研磨ステーション２５と、一つの搬送ステーション２７を支持する。搬送ステーション２７は、三つの研磨ステーションと共におおむね正方形の配置をなすことができる。搬送ステーション２７は、次の複数の機能を持っている。すなわち、ローディング装置（図示せず）から個々の基板１０を受け取る機能、基板を洗浄する機能、キャリアヘッドに基板をロードする機能（以下で説明する）、キャリアヘッドから基板を受け取る機能、再び基板を洗浄する機能、最後に基板を搬送してローディング装置に戻す機能である。
【００２８】
各研磨ステーション２５は、研磨パッド３２が載せられた回転プラテン３０を有する。基板１０が８インチ（２００ミリメートル）直径のディスクであれば、プラテン３０および研磨パッド３２の直径は２０インチとなる。プラテン３０は、プラテン駆動軸（図示せず）によりプラテン駆動モータ（同様に図示せず）に連結することができる。多くの研磨プロセスに対して、駆動モータはプラテン３０を毎分約３０〜２００回転で回転させるが、より低速あるいは高速の回転速度を使用することもできる。
【００２９】
各研磨ステーションは、対応するパッドコンディショナ装置４０をさらに有していてもよい。各パッドコンディショナ装置４０は、独立回転コンディショナヘッド４４および対応する受水槽４６を保持する回転アーム４２を有している。コンディショナ装置は、研磨パッドが回転中に研磨パッドに押し付けられた基板を効率良く研磨するように研磨パッドの状態を維持する。
【００３０】
反応剤（たとえば、酸化物研磨のための純水）、研磨粒子（たとえば、酸化物研磨のための二酸化珪素）、および化学反応触媒（たとえば、酸化物研磨のための水酸化カリウム）を含むスラリー５０は、スラリー／リンス共用アーム５２によって研磨パッド３２の表面に供給される。研磨パッド３２全体をカバーして濡らすために、十分なスラリーが供給される。スラリー／リンスアーム５２は、各ポリシングコンディショニングサイクルの終了時に研磨パッド３２の高圧リンスを行う数個のスプレーノズル（図示せず）を有する。
【００３１】
二つ以上の中間洗浄ステーション５５ａおよび５５ｂを、隣接する研磨ステーションの間に配置してもよい。これらの洗浄ステーションは、基板が一つの研磨ステーションから別の研磨ステーションへ通過するときに基板を洗浄する。
【００３２】
回転マルチヘッドカルーセル６０は、下部機械ベース２２の上方に配置されている。カルーセル６０は、センターポスト６２によって支持され、ベース２２内に位置するカルーセルモータアセンブリにより、センターポスト６２上でカルーセル軸６４の周りを回転させられる。センターポスト６２は、カルーセル支持プレート６６およびカバー６８を支持している。マルチヘッドカルーセル６０は、四つのキャリアヘッド装置７０を有する。キャリアヘッド装置の三つは基板を受け取って保持し、研磨ステーション２５のプラテン３０上の研磨パッド３２に基板を押し付けることによって基板を研磨する。キャリアヘッド装置の一つは、搬送ステーション２７から基板を受け取り、また、搬送ステーション２７に基板を搬送する。
【００３３】
四つのキャリアヘッド装置は、カルーセル軸６４の周りに等角度間隔でカルーセル支持プレート６６上に搭載されている。センターポスト６２は、カルーセルモータがカルーセル支持プレート６６を回転させ、カルーセル軸６４の周りにキャリアヘッド装置およびそれに取り付けられた基板を旋回させることを可能にする。
【００３４】
各キャリアヘッド装置７０は、研磨ヘッドまたはキャリアヘッド１００を有している。各キャリアヘッド１００は、自身の軸の周りを独立して回転し、カルーセル支持プレート６６の中に形成されたラジアルスロット７２中で独立して横振動する。キャリア駆動軸７４は、キャリアヘッド回転モータ７６をキャリアヘッド１００に連結している（カバー６８の４分の１を取り除いて示す）。各ヘッドに対して、一つのキャリア駆動軸およびモータがある。
【００３５】
カルーセル６０のカバー６８が除去されている図２において、カルーセル支持プレート６６は四つのキャリアヘッド装置を支持している。カルーセル支持プレートは、四つのラジアルスロット７２を有している。これらのスロットは、ほぼ半径方向に延びており、９０度間隔で向きが決められている。ラジアルスロット７２は、（図示のように）閉じた端部を有するか、あるいは開いた端部を有する。支持プレートの上部は、四つのスロット付きキャリアヘッド支持スライダ８０を支持している。各スライダ８０は、ラジアルスロット７２の一つに沿って整列し、径方向の経路に沿ってカルーセル支持プレート６６と相対的に自由に動く。二つの直線軸受アセンブリは、各スライダ８０を支持するために各ラジアルスロット７２をブラケットで支えている。
【００３６】
図２および図３に示すように、各直線軸受アセンブリは、カルーセル支持プレート６６に固定されたレール８２、およびレールを把持するためにスライダ８０に固定された二つの手８３（図３に一方のみを示す）を有する。二つの軸受８４が、各々の手８３をレール８２から隔て、これらの間に自由で円滑な動きを与える。上に述べたように、直線軸受アセンブリは、スライダ８０がラジアルスロット７２に沿って自由に動くことを可能にする。
【００３７】
レール８２の一つの外端に固定された軸受ストップ８５は、スライダ８０がレールの端部から誤って出て来るのを防止する。各スライダ８０のアームの１本は、図示されていないねじ付き収容キャビティ、またはスライダにその末端付近で固定されたナットを有する。ねじ付きキャビティまたはナットは、カルーセル支持プレート６６上に設置されたスライダラジアル振動モータ８７により駆動されるウォームギヤ親ねじ８６を受け入れる。モータ８７が親ねじ８６を回転させると、スライダ８０は半径方向に動く。四つのモータ８７は、四つのスライダをカルーセル支持プレート６６内のラジアルスロット７２に沿って独立して動かすために独立して動作可能である。
【００３８】
キャリアヘッド１００、キャリア駆動軸７４、キャリアモータ７６、および包囲非回転駆動軸ハウジング７８を各々が有するキャリアヘッドアセンブリまたはキャリアヘッド装置は、四つのスライダのそれぞれに固定されている。駆動軸ハウジング７８は、一対の下部環軸受セット８８と一つの上部環軸受セット８９によって駆動軸７４を保持している。
【００３９】
駆動モータ７６の上に位置する回転継手９０は、三つ以上の流体ライン９２ａ、９２ｂおよび９２ｃを駆動軸７４内の三つ以上のチャネル９４ａ、９４ｂおよび９４ｃにそれぞれ連結している。ポンプ、ベンチュリ管または圧力調整器９３ａ、９３ｂおよび９３ｃ（以下では単に「ポンプ」と総称する）などの三つの真空ソースあるいは圧力ソースは、それぞれ流体ライン９２ａ、９２ｂおよび９２ｃに接続できる。三つの圧力センサあるいは圧力計９６ａ、９６ｂおよび９６ｃを、それぞれ流体ライン９２ａ、９２ｂおよび９２ｃに接続することができる。制御可能バルブ９８ａ、９８ｂおよび９８ｃを、流体ラインを介して圧力計９６ａ、９６ｂおよび９６ｃとポンプ９３ａ、９３ｂおよび９３ｃとの間にそれぞれ接続することができる。ポンプ９３ａ〜９３ｃ、圧力計９６ａ〜９６ｃおよびバルブ９８ａ〜９８ｃは、汎用ディジタルコンピュータ９９に適切に接続することができる。コンピュータ９９は、以下に詳細に説明するように、キャリアヘッド１００を空気圧駆動し、基板をキャリアヘッドの底部に真空チャックするようにポンプ９３ａ〜９３ｃを作動させることができる。さらに、コンピュータ９９は、以下に詳細に説明するように、キャリアヘッド内の基板の存在を検知するために、バルブ９８ａ〜９８ｃを作動させ、圧力計９６ａ〜９６ｃを監視することができる。以下に説明するキャリアヘッドの様々な実施形態において、ポンプが同じ流体ラインに連結されていることに変わりないが、ポンプの機能あるいは目的は変わることがある。
【００４０】
実際のポリシング中には、キャリアヘッドのうち三つは、対応する研磨ステーションの上方に位置する。各キャリアヘッドは、基板を下げて研磨パッド３２と接触させ、スラリー５０は、基板またはウェーハの化学機械研磨のための媒体として作用する。
【００４１】
一般に、キャリアヘッド１００は、基板を研磨パッドに当てて保持し、基板の裏面にわたって均一に力を分散させる。また、キャリアヘッドは、駆動軸から基板へトルクを伝達し、研磨中に基板がキャリアヘッドの下からすべり落ちないようにする。
【００４２】
図４を参照すると、キャリアヘッド１００は、ハウジング１０２、ベース１０４、ジンバル機構１０６、ローディング機構１０８、保持リング１１０および基板バッキングアセンブリ１１２を有している。同様なキャリアヘッドの詳細な説明は、本発明の被譲渡人に譲渡されたZuniga他による係属中の米国特許出願番号第０８／８６１，２６０号「化学機械研磨装置のための可撓膜を有するキャリアヘッド」（１９９７年５月２１日出願）に見出され、その全体の開示は参考文献として本明細書に包含される。
【００４３】
ハウジング１０２は、研磨パッドの表面にほぼ垂直な回転軸１０７の周りを駆動軸７４と共に回転するように駆動軸７４に連結されている。ローディング機構１０８は、荷重、すなわち下向きの圧力をベース１０４に加えるようにハウジング１０２とベース１０４との間に配置されている。研磨パッド３２に対するベース１０４の垂直位置も、ローディング機構１０８により制御される。ベース１０４と基板バッキングアセンブリ１１２の間に位置するチャンバ２９０の加圧は、ベースに加わる上向きの力と、基板バッキングアセンブリに加わる下向きの力を発生させる。基板バッキングアセンブリに加わる下向きの力は、基板を研磨パッドに押し付ける。
【００４４】
基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造１１４、支持構造１１４とベース１０４の間に連結された湾曲部１１６、および支持構造１１４に連結された可撓膜１１８を有する。可撓膜１１８は、支持構造１１４の下に延び、基板用のマウント面２７４を与える。これらの各部品は以下に詳細に説明される。
【００４５】
ハウジング１０２は、研磨される基板の円形の外形に合致するように略円形である。ハウジングは、環状のハウジングプレート１２０および略円筒形のハウジングハブ１２２を有する。ハウジングハブ１２２は、上部ハブ部分１２４および下部ハブ部分１２６を有していてもよい。下部ハブ部分は、上部ハブ部分より小さい直径を有していてもよい。ハウジングプレート１２０は、下部ハブ部分１２６を取り囲むことができ、ボルト１２８により上部ハブ部分１２４に取り付けることができる。
【００４６】
環状のクッション１２１を、たとえば接着剤により、ハウジングプレート１２０の上面１２３に取り付けることができる。以下に説明するように、このクッションは、ベース１０４の下方移動を制限するためのソフトストップとして機能する。
【００４７】
ベース１０４は、ハウジング１０２の下に配置された略環状体である。ベース１０４の下面１５０は、環状の凹部１５４を有する。通路１５６は、ベース１０４の上面１５２を環状凹部１５４に連結することができる。取付具１７４を通路１５２に挿入することができ、また可撓管（図示せず）が取付具１３３を取付具１７４に連結することができる。ベース１０４は、アルミニウム、ステンレス鋼、繊維補強プラスチックなどの硬質材料から形成することができる。
【００４８】
ブラダ１６０は、ベース１０４の下面１５０に取り付けることができる。ブラダ１６０は、膜１６２およびクランプリング１６６を含んでいてもよい。膜１６２は、突出端１６４を有し、可撓性材料（例えば、シリコンゴム）からなる薄い環状シートとすることができる。クランプリング１６６は、Ｔ字形の断面を有し、翼部１６７を含む環状体とすることができる。等角度間隔で離間した複数のねじ穴が、クランプリングの上面に配置されている。これらの穴は、ボルトまたはねじを保持してクランプリングをベースに固定することができる。ブラダ１６０を組み立てるために、膜１６２の突出端１６４は、クランプリング１６６の翼部１６７の上方でフィットする。このアセンブリ全体は、環状凹部１５４内に配置される。クランプリング１６６は、ねじ１６８によりベース１０４に固定することができる（図４には示されていないが、図７の断面図の左側に１本のねじが示されている）。クランプリング１６６は、膜１６２をベース１０４に対してシールし、空間１７０を画成する。垂直通路１７２がクランプリング１６６を貫通して延びており、ベース１０４内の通路１５２と位置合わせされている。通路１５６と通路１７２との間の接続をシールするためにＯリング１７８を使用してもよい。
【００４９】
ポンプ９３ｂ（図３を参照）は、流体ライン９２ｂ、回転継手９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｂ、ハウジング１０２内の通路１３２、可撓管（図示せず）、ベース１０４内の通路１５２、およびクランプリング１６６内の通路１７２を介してブラダ１６０に連結することができる。ポンプ９３ｂが流体（たとえば空気などのガス）を空間１７０中に押し込むと、ブラダ１６０は下向きに膨張することになる。一方、ポンプ９３ｂが空間１７０から流体を排出すると、ブラダ１６０は収縮する。以下に説明するように、ブラダ１６０は、支持構造１１４および可撓膜１１８に下向きの圧力を加えるために使用することができる。
【００５０】
ジンバル機構１０６は、ベースが研磨パッドの表面と実質的に平行な状態を維持できるようにベース１０４がハウジング１０２と相対的に動くことを可能にする。ジンバル機構１０６は、ジンバルロッド１８０および撓みリング１８２を有する。ジンバルロッド１８０の上端は、円筒状のブシュ１４２によって通路１８８に嵌入されている。ジンバルロッド１８０の下端は、環状フランジ１８４を有する。この環状フランジ１８４は、例えばねじ１８７によって、撓みリング１８２の内側部分に固定されている。撓みリング１８２の外側部分は、例えばねじ１８５（図４には示されていないが、図７の断面図の左側に１本のねじが示されている）によって、ベース１０４に固定されている。ジンバルロッド１８０は、ベース１０４がハウジング１０２に対して垂直に動くことができるように、通路１８８に沿って垂直に滑動することができる。しかしながら、ジンバルロッド１８０は、ハウジング１０２に対するベース１０４の横移動を防止する。
【００５１】
ジンバル機構１０６は、ジンバルロッド１８０の中央の軸に沿って形成された垂直の通路１９６をさらに有していてもよい。通路１９６は、ハウジングハブ１２２の上面１３４をチャンバ２９０に接続する。ジンバルロッド１８０とブシュ１４２との間にシールを形成するために、Ｏリング１９８をブシュ１４２内の凹部に設置してもよい。
【００５２】
ハウジング１０２に対するベース１０４の垂直位置は、ローディング機構１０８により制御される。ローディング機構は、ハウジング１０２とベース１０４との間に位置するチャンバ２００を有している。チャンバ２００は、ベース１０４をハウジング１０２に対してシールすることにより形成される。このシールは、ダイヤフラム２０２、内部クランプリング２０４、および外部クランプリング２０６を含んでいる。厚さ６０ミルのシリコーンシートから形成することのできるダイヤフラム２０２は、おおむね環状であり、平らな中間部分と突出端を有している。
【００５３】
内部クランプリング２０４は、ダイヤフラム２０２をハウジング１０２に対してシールするために使用される。内部クランプリング２０４は、ダイヤフラム２０２の内縁をハウジング１０２に当てて確実に保持するために、たとえばボルト２１８によってベース１０４に固定される。
【００５４】
外部クランプリング２０６は、ダイヤフラム２０２をハウジング１０４に対してシールするために使用される。外部クランプリング２０６は、ダイヤフラム２０２の外縁をベース１０４の上面に当てて保持するために、たとえばボルト（図示せず）によってベース１０４に固定される。上述したように、ハウジング１０２とベース１０４との間の空間はシールされ、チャンバ２００を形成する。
【００５５】
ポンプ９３ａ（図３を参照）は、流体ライン９２ａ、回転継手９０、駆動軸７４内のチャネル９４ａ、およびハウジング１０２内の通路１３０を介してチャンバ２００に接続することができる。ベース１０４に加えられる荷重を制御するために、流体（例えば、空気などのガス）がチャンバ２００内に吸入されたり、チャンバ２００外に排出される。ポンプ９３ａがチャンバ２００中に流体を吸入すると、チャンバの容積が増加し、ベース１０４は下向きに押されることになる。一方、ポンプ９３ａがチャンバ２００から流体を排出すると、チャンバ２００の容積が減少し、ベース１０４は上方に引っ張られる。
【００５６】
外部クランプリング２０６は、ハウジング１０２の上に延びている内側突出フランジ２１６をさらに有している。チャンバ２００が加圧され、ベース１０４が下方に移動すると、外部クランプリング２０６の内側突出フランジ２１６は、クッション１２１に接触し、キャリアヘッドの過度の延伸を防止する。内側突出フランジ２１６は、スラリーがキャリアヘッド内の部品（例えば、ダイヤフラム２０２）を汚染するのを防止するためのシールドとしても機能する。
【００５７】
保持リング１１０がベース１０４の外縁に固定されていてもよい。保持リング１１０は、ほぼ平坦な底面２３０を有する略円環状のリングである。流体がチャンバ２００に注入され、ベース１０４が下向きに押されると、保持リング１１０も下向きに押され、荷重を研磨パッド３２に加える。保持リング１１０の内面２３２は、可撓膜１１８のマウント面２７４とともに基板受取凹部２３４を形成する。保持リング１１０は、基板が受取凹部から逃れるのを防止し、横方向の荷重を基板からベースへ伝える。
【００５８】
保持リング１１０は、ハードプラスチックあるいはセラミック材料から作ることができる。保持リング１１０は、たとえばボルト２４０（本断面図に１本のみ示す）によりベース１０４に固定することができる。
【００５９】
基板バッキングアセンブリ１１２は、ベース１０４の下方に位置する。基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造１１４、湾曲部１１６および可撓膜１１８を有する。可撓膜１１８は、支持構造１１４に連結し、その下方に延びている。
【００６０】
支持構造１１４は、支持プレート２５０、環状下部クランプ２８０および環状上部クランプ２８２を有する。支持プレート２５０は、ほぼディスク形の硬質部材とすることができる。支持プレート２５０は、下向きに突出するリップ２５８を外縁に有するほぼ平坦な下面２５６を有していてもよい。複数の開口部２６０は、支持プレート２５０を貫通して垂直に延び、下面２５６を上面２５４に接続することができる。環状の溝２６２は、支持プレートのエッジ付近において上面２５４中に形成することができる。支持プレート２５０は、アルミニウムまたはステンレス鋼から形成することができる。複数の開口部２６５およびセンサ開口部２６７を有する支持パッド２６３（図示せず）は、支持プレートと基板との間のクッションとして機能するように支持プレートの下面２５６に取り付けることができる。
【００６１】
可撓膜１１８は、高強度シリコーンゴムなどの可撓性で弾性のある材料から形成された円形のシートである。膜１１８は、突出する外縁２７０を有することができる。膜１１８の部分２７２は、リップ２５８において支持プレート２５０の下部コーナーの周りに延在し、支持プレートの外側円筒面２６８の周りを上方に延在し、また上面２５４に沿って内側に延在している。膜１１８の突出端２７０は、溝２６２に嵌入することができる。可撓膜１１８のエッジは、下部クランプ２８０と支持プレート２５０との間でクランプされている。小さな一または複数の開口部が、膜１１８の近似的中心に形成されていてもよい。これらの開口部は、直径約１〜１０ミリメートルとすることができ、以下に説明するように、基板の存在を検知するために使用される。
【００６２】
湾曲部１１６は、ほぼ平坦な円環状リングである。湾曲部１１６は、垂直方向では可撓性であり、径方向および接線方向では可撓性でも硬質でもよい。湾曲部１１６の材料は、ショアーＡスケールでの３０とショアーＤスケールでの７０との間のジュロメータ測定値を有するように選択される。湾曲部１１６の材料は、ネオプレンなどのゴム、NYLON（商標）やNOMEX（商標）などのエラストマー被覆布、プラスチック、またはガラス繊維やシリコーンなどの複合材とすることができる。
【００６３】
可撓膜１１８、支持構造１１４、湾曲部１１６、ベース１０４およびジンバル機構１０６間の空間は、チャンバ２９０を画成する。ジンバルロッド１８０を貫通する通路１９６は、チャンバ２９０をハウジング１０２の上面に接続する。ポンプ９３ｃ（図３を参照）は、流体ライン９２ｃ、回転継手９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｃおよびジンバルロッド１８０内の通路１９６を介してチャンバ２９０に接続することができる。ポンプ９３ｃが流体（たとえば、空気などのガス）をチャンバ２９０に注入すると、チャンバの容積は増加し、可撓膜１１８は下向きに押し出される。一方、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０から空気を排出すると、チャンバの容積は減少し、膜は上方へ押し出される。ガスは液体よりも圧縮が可能であるから、液体よりもガスを使用することが好適である。
【００６４】
可撓膜１１８の下面は、マウント面２７４を形成する。研磨中は、基板の裏面がマウント面に当たるように配置された状態で基板１０が基板受取凹部２３４内に配置される。基板のエッジは、可撓膜１１８を介して、支持リング１１４の突起したリップ２５８に接触することができる。
【００６５】
流体をチャンバ２９０から排出することにより、可撓膜１１８の中心を内側に屈曲させ、リップ２５８の上に引っ張ることができる。基板の裏面がマウント面２７４に当たるように配置されると、可撓膜がリップ２５８の上に延びることにより、基板と可撓膜との間に低圧ポケット２７８が作られる。（図５および図７を参照）。この低圧ポケットは、基板をキャリアヘッドに真空チャックする。
【００６６】
キャリアヘッド１００を利用するＣＭＰ装置は、次のように動作することができる。基板１０は、基板の裏面が可撓膜１１８のマウント面２７４に接した状態で基板受取凹部２３４にロードされる。ポンプ９３ｂは、流体をブラダ１６０内に注入する。これはブラダ１６０を膨張させ、支持構造１１４を下方に押し出す。支持構造１１４の下向きの動きにより、リップ２５８は、可撓膜１１８のエッジを基板１０のエッジに押し付け、基板のエッジに流体漏れのないシールを作り出す。次にポンプ９３ｃは、前述のように、可撓膜１１８と基板１０の裏面との間に低圧ポケットを作るようにチャンバ２９０を排気する。最後に、ポンプ９３ａは、流体をチャンバ２００から排出し、ベース１０４、基板バッキングアセンブリ１１２、および基板１０を、研磨パッドから、あるいは搬送ステーションから持ち上げる。次にカルーセル６０は、たとえば、キャリアヘッドを研磨ステーションに向けて回転させる。次にポンプ９３ａは、チャンバ２００に流体を注入し、基板１０を研磨パッドの上に下ろす。ブラダ１６０が支持構造１１４および可撓膜１１８に下向きの圧力をこれ以上加えないように、ポンプ９３ｂは、空間１７０を排気する。最後に、ポンプ９３ｃはチャンバ２９０にガスを注入し、ポリシングステップのために基板１０に下向きの荷重を加える。
【００６７】
本発明のＣＭＰ装置は、基板が適切にキャリアヘッド１００に取り付けられているか否かを検出することができる。ＣＭＰ装置が、基板がなくなっていること、または基板がキャリアヘッドに不適切に取り付けられていることを検出すると、オペレータに警報が出され、研磨作業を自動的に停止することができる。
【００６８】
このＣＭＰ装置は、次のように、キャリアヘッド１００が無事に基板をチャックしたことを検知することができる。ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気して可撓膜１１８と基板１０の裏面との間に低圧ポケット２７８を形成した後、チャンバ２９０内の圧力を測定するために圧力計９６ｃが使用される。
【００６９】
図１０を参照すると、チャンバ２９０の初期圧力はＰa1である。次にポンプ９３ｃが、時刻Ｔa0においてチャンバ２９０の排気を始める。一方で、基板がキャリアヘッドに適切に取り付けられていれば、基板１０は開口部２７６をふさぎ、ポンプ９３ｃが無事にチャンバ２９０を排気することになる。したがって、チャンバ２９０内の圧力は、圧力Ｐa2に低下する。基板が存在しないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていない場合、開口部２７６はふさがれず、周囲大気からの空気がチャンバ２９０内に漏れることになる。したがって、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を完全に排気することは不可能であり、チャンバ２９０内の圧力は圧力Ｐa2より大きい圧力Ｐa3までしか低下しない。圧力Ｐa1、Ｐa2およびＰa3の正確な値は、ポンプ９３ｃの効率ならびに開口部２７６およびチャンバ２９０の寸法に依存し、実験的に求めることができる。圧力計９６ｃは、ポンプが作動した後の時刻Ｔa1における流体ライン９２ｃ内の圧力を測定し、したがってチャンバ２９０内の圧力を測定する。コンピュータ９９は、圧力計９６ｃにより測定された圧力を、圧力Ｐa2と圧力Ｐa3の間にあるしきい圧力ＰaTと比較するようにプログラムすることができる。適切なしきい圧力ＰaTは、実験的に決定することができる。圧力計９６ｃにより測定された圧力がしきい圧力ＰaT以下であれば、基板がキャリアヘッドにチャックされていると考えられ、研磨プロセスを進めることができる。一方、圧力計９６ｃにより測定された圧力がしきい圧力ＰaTを超えていれば、これは基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていないことを示す。
【００７０】
以下に説明する本発明のキャリアヘッドの他の実施形態では、修正された機能または動作を有する部品は、ダッシュあるいはツーダッシュの付いた参照番号で表示される。さらに、以下に説明する実施形態では、圧力センサ９６ａ〜９６ｃは、それぞれ流体ライン９２ａ〜９２ｃに結合されたままであるが、圧力センサの目的あるいは機能は変化することがある。
【００７１】
図５を参照すると、キャリアヘッド１００ａの可撓膜１１８ａは開口部を有していない。代わりに、キャリアヘッド１００ａは、チャンバ２９０と周囲大気との間に通気孔３００を有している。
【００７２】
通気孔３００は、撓みリング１８２ａ内に形成された通路３０２、ベース１０４ａ内に形成された通路３０４、および外部クランプリング２０６ａ内に形成された通路３０６を有する。流体がチャンバ２９０から抜け出ることを防止するために、通気孔３００は逆止め弁３０８をさらに有していてもよい。逆止め弁３０８は、ベース１０４ａと外部クランプリング２０６ａとの間に配置することができる。研磨中、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を加圧すると、通路３０４内の気圧は逆止め弁３０８を閉じることになる。これは、チャンバ２９０内の圧力が一定のまま維持されることを保証する。
【００７３】
支持プレート２５０ａは、通路１９６の入口３２２の下方に位置する大きなセンサ開口部３２０を有してもよい。後述するように、可撓膜１１８ａは、入口３２２を閉じるために、センサ開口部３２０を通って上方へ撓むことができる。さらに、スペーサ（図示せず）を撓みリング１８２の底面に取り付けてもよい。スペーサは、支持プレート２５０と撓みリング１８２との間の直接の接触を防止し、通路３０２から入口３２２へ流体が流れるためのギャップを設ける。
【００７４】
キャリアヘッド１００ａを使用するＣＭＰ装置は、次のようにして、基板がキャリアヘッドに無事にチャックされているか否かを検知する。基板は、基板の裏面がマウント面２７４に接触するように基板受取凹部２３４にロードされている。ポンプ９３ｃは、チャンバ２９０を排気し、可撓膜１１８ａと基板１０との間に低圧ポケット２７８を作る。圧力計９６ｃは、チャンバ２９０内の圧力を測定し、基板がキャリアヘッドに無事に真空チャックされているか否かを判定する。
【００７５】
図５に示されるように、基板が無事に真空チャックされていれば、低圧ポケット２７８によって、可撓膜１１８ａは基板１０にごく近接して維持される。したがって、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気しようとすると、空気は通気孔３００を通ってチャンバ２９０に流入することができる。図６に示されるように、基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていなければ、膜１１８ａはセンサ開口部３２０を通って撓み、ジンバルロッド１８０の下面３２４に当たるように引っ張られて、通路１９６の入口３２２を閉じることになる。
【００７６】
図１１を参照すると、チャンバ２９０の初期圧力はＰb1である。時刻Ｔb0に、ポンプ９３ｃはチャンバ２９０を排気し始める。基板がキャリアヘッドに適切に取り付けられていれば、圧力計９６ｃにより測定された圧力は、圧力Ｐb1から圧力Ｐb2へ低下する。基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに不適切に取り付けられていると、圧力計９６ｃにより測定された圧力は、圧力Ｐb1から圧力Ｐb3へ低下する。基板が存在していれば、空気は通気孔３００を通ってチャンバ２９０中に漏れることができるので、圧力Ｐb2は圧力Ｐb3より大きい。
【００７７】
コンピュータ９９は、ポンプ９３ｃの作動後の時刻Ｔb1に圧力計９６ｃにより測定された圧力を、しきい圧力ＰbTと比較するようにプログラムすることができる。圧力計９６ｃにより測定された圧力が、しきい圧力ＰbTより大きければ、基板がキャリアヘッドにチャックされていると考えられ、ポリシングプロセスは正常に継続することができる。一方、圧力計９６ｃにより測定された圧力がしきい圧力ＰbT未満であれば、これは基板が存在しないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていないことの表示である。圧力Ｐb1、Ｐb2、Ｐb3およびＰbTは、ポンプ９３ｃの効率、チャンバ２９０の寸法と形状、および通気孔３００の寸法と形状に依存し、実験的に決定することができる。
【００７８】
キャリアヘッド１００ａが適切に機能するためには、膜１１８ａが十分に撓んで入口３２２を塞がなければならない。膜１１８ａの撓みは、センサ開口部３２０の直径、膜１１８が撓む必要がある垂直距離、膜１１８ａの弾性率と厚さ、およびチャンバ２９０内の真空レベルに依存する。センサ開口部３２０の直径は約１．２５インチとすることができ、支持プレート２５０の底面２５６と撓みリング１８２の底面との間の距離は約１２０〜１４０ミルとすることができ、膜１１８ａの厚さは１／３２インチとすることができ、膜１１８ａのジュロメータ測定値はショアーＡスケールで約４０〜４５とすることができ、チャンバ２９０内の真空レベルは、開口部２７４が塞がれているときは約２２〜２４水銀柱インチ（ｉｎＨｇ）、開口部が塞がれていないときは約１０〜１５ｉｎＨｇとすることができる。
【００７９】
図１２を参照すると、キャリアヘッド１００ａを有するＣＭＰ装置を作動させる別の方法では、空間１７０内の圧力を測定することで基板がキャリアヘッドに無事にチャックされているか否かを判定することができる。この別方法が使用される場合、キャリアヘッド１００ａは通気孔３００を有する必要はない。空間１７０の初期圧力はＰc1とすることができ、空間１７０を圧力調整器９３ｂからシールするためにバルブ９８ｂは閉じられている。可撓膜１１８と基板１０の裏面との間に低圧ポケット２７８を作るためにポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気した後、圧力計９６ｂは空間１７０内の圧力を測定するために使用される。ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気するにつれて、支持構造１１４は上方へ引っ張られる。これにより、環状上部リング２８２が膜１６２を上方へ押し、ブラダ１６０の容積が減少するようになる。
【００８０】
基板１０がキャリアヘッド１００ａに適切に取り付けられていれば、空間１７０内の圧力は、圧力Ｐc2へ上昇するであろう。一方、基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに不適切に取り付けられていれば、膜１１８ａはセンサ開口部３２０を通って撓み、通路１９６の入口３２２を閉じるであろう。したがって、一部の流体がチャンバ２９０に閉じ込められてしまい、チャンバ２９０は同じ低圧には到達しないであろう。支持構造１１４が同じ距離だけ引き上げられることはなく、ブラダ１６０は同程度には圧縮されないので、圧力計９６ｂにより測定された圧力は、圧力Ｐc2未満である圧力Ｐc3に達するに止まる。圧力計９６ｂにより測定された圧力が、しきい圧力ＰcTより大きければ、基板はキャリアヘッドにチャックされていると考えられ、ポリシングプロセスは正常に継続することができる。一方、圧力計９６ｂにより測定された圧力が、しきい圧力ＰcT未満であれば、これは基板が存在しないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていないことの表示である。
【００８１】
図７を参照すると、別の実施形態では、機械作動バルブ３５０がチャンバ２９０と空間１７０との間に位置している。バルブ３５０は、取付具１７４とブラダ１６０との間の通路１５６ｂを横切って形成されたチャンバ３６６内に少なくとも部分的に位置することができる。バルブ３５０は、バルブステム３５２およびバルブプレスプレート３５６を有する。バルブステム３５２は、チャンバ３６６と撓みリング１８２ｂ内のチャンバ２９０との間の開口部３５４を通って延びることができる。バルブプレスプレート３５６は、バルブステム３５２の下端に接続され、撓みリング１８２ｂの下面３６０内の浅いくぼみ３５８にフィットしている。三つのチャネル３６２（図７の断面図には一つのチャネルのみを示す）は、開口部３５４およびバルブステム３５２を取り囲む撓みリング１８２ｂ中に形成し、チャンバ２９０をチャンバ３６６に接続することができる。バルブ３５０は、チャンバ３６６内の撓みリング１８２ｂの上に位置する環状フランジ３６４をさらに有することができる。Ｏリング３６８は、環状フランジ３６４と撓みリング１８２ｂとの間でバルブステム３５２の周りに配置してもよい。さらに、ばね３７０は、環状フランジ３６４とチャンバ３６６の天井３７２との間に配置してもよい。ばね３７０は、バルブステム３５２を下向きに付勢するので、バルブ３５０は閉じられる。具体的には、Ｏリング３６８は、チャネル３６２をチャンバ３６６からシールするために環状フランジ３６４と撓みリング１８２ｂとの間に圧縮されており、その結果、チャンバ３６６をチャンバ２９０から隔離している。しかし、バルブステム３５２が（図８に示すように）上方へ押されると、Ｏリング３６８は圧縮されず、流体はＯリングのまわりに漏れることができる。このため、バルブ３５０が開かれ、チャンバ３６６とチャンバ２９０はチャネル３６２を介して連通することになる。
【００８２】
支持プレート２５０ｂは、バルブプレスプレート３５６の下方に位置する略円形のセンサ開口部３７４を有していてもよい。以下に説明するように、可撓膜１１８ｂは、センサ開口部３７４を通って上方へ撓むことができ、バルブ３５０を開くことができる。
【００８３】
キャリアヘッド１００ｂを有するＣＭＰ装置は、基板がキャリアヘッドに無事に真空チャックされているか否かを、次のように検知する。基板の裏面がマウント面２７４に接触するように、基板は基板受取凹部２３４の中に配置されている。可撓膜１１８ｂと基板１０との間にシールを形成するために、ポンプ９３ｂはブラダ１６０を膨張させる。次に、ポンプ９３ｂからブラダ１６０を隔離するためにバルブ９８ｂが閉じられる。空間１７０内の圧力の第一の測定が、圧力計９６ｂにより行われる。ポンプ９３ｃはチャンバ２９０を排気し、可撓膜と基板との間に低圧ポケット２７８を形成する。次に、空間１７０内の圧力の第二の測定が、圧力計９６ｂにより行われる。第一および第二の圧力測定は、基板がキャリアヘッドに無事に真空チャックされているか否かを判定するために比較することができる。
【００８４】
図７に示すように、基板が無事に真空チャックされていれば、可撓膜１１８ｂは低圧ポケット２７８によって基板１０の近傍に維持され、バルブ３５０はその閉位置に留まるであろう。一方、図８に示すように、基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに不適切に取り付けられている場合、チャンバ２９０が排気されると、可撓膜１１８ｂは上方へ撓むことになる。したがって、可撓膜はバルブプレスプレート３５６に接触し、バルブ３５０を開き、その結果、チャンバ２９０をチャンバ３６６に連通する。これは、流体がチャンバ２９０を介して空間１７０から排出されることを可能にし、またポンプ９３ｃにより排気されることを可能にする。
【００８５】
図１３を参照すると、空間１７０の初期圧力はＰd1とすることができる。第一の圧力測定は、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気し始める前の時刻Ｔd1に行われる。時刻Ｔd0にチャンバ２９０が排気されると、支持構造１１４は上方に引っ張られる。これにより、環状上部リング２８２は膜１６２を上方へ圧迫する。これはブラダ１６０の容積を減少させることになる。第二の圧力測定は、チャンバ２９０が排気された後の時刻Ｔd2に行われる。
【００８６】
基板が存在していればバルブ３５０は閉じたままであり、ブラダ１６０の容積の減少は、圧力Ｐd1として圧力計９６ｂにより測定された空間１７０内の圧力を増加させるであろう。一方、基板が存在していなければ、バルブ３５０は開かれ、流体は空間１７０から排気され、圧力計９６ｂにより測定された圧力は圧力Ｐd3に低下する。したがって、第二の測定圧力が第一の測定圧力より大きければ、基板はキャリアヘッドによって無事にチャックされている。しかし、第二の測定圧力が第一の測定圧力未満であれば、基板はキャリアヘッドによって無事にチャックされてはいない。
【００８７】
コンピュータ９９は、二つの圧力測定値を記憶し、これらの圧力測定値を比較し、それにより基板がキャリアヘッドに無事に真空チャックされているか否かを判定するようにプログラムすることができる。
【００８８】
キャリアヘッド１００ａを参照して上述した事項に加えて、膜１１８ｂのバルブ３５０を作動させる能力は、バルブプレスプレート３５６の直径、バルブステム３５２に加わるばね３７０の下向き荷重および膜１１８ｂの弾性に依存する。センサ開口部３７４の直径は約１．０〜１．５インチとすることができ、ばね３７０は約２〜３ポンドの下向き荷重を加えることができ、バルブプレスプレート３７６は開口部３７４とほぼ同じ寸法でよく、支持プレート２５０の底面２５６と撓みリング１８２の底面との間の距離は約８０〜１００ミルとすることができ、チャンバ２９０内の真空レベルは約１０〜１５ｉｎＨｇとすることができる。
【００８９】
図１４を参照すると、キャリアヘッド１００ｂを有するＣＭＰ装置の別の作動方法では、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気するときバルブ９８ｂは開いたままであってもよい。空間１７０の初期圧力は、Ｐe1とすることができる。第一の圧力測定は、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気し始める前の時刻Ｔe1に行われる。第二の圧力測定は、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気し始めた後の時刻Ｔe2に行われる。基板が存在していれば、バルブ３５０は閉じたままであり、圧力調整器９３ｂは空間１７０内の圧力を圧力Ｐe1に維持するであろう。一方、基板が存在しなければ、バルブ３５０は開かれる。圧力調整器９３ｂは、流体が排出される間、空間１７０内の圧力を維持することは不可能であり、空間１７０内の圧力は圧力Ｐe2に低下するであろう。したがって、第二の測定圧力が第一の測定圧力より小さければ、基板はキャリアヘッドにより無事にチャックされていなかったことになる。しかしながら、第二の測定圧力が第一の測定圧力と等しければ、基板はキャリアヘッドに適切に取り付けられている。
【００９０】
キャリアヘッド１００ｂは、いくつかの利点をもたらす。第一に、キャリアヘッド１００ｂは、大気に対する漏れや開口のない封止されたシステムである。したがって、キャリアヘッドの内部をスラリーが汚染することは難しい。さらに、キャリアヘッド１００ｂは、基板がキャリアヘッドに真空チャックされているか否かを判定する確かな方法を提供する。すなわち、空間１７０内の圧力が増加すれば、基板はキャリアヘッドに適切に取り付けられているが、空間１７０内の圧力が減少すれば、基板は存在していないか、あるいはキャリアヘッドに適切に取り付けられていない。しきい圧力を決定するために、実験は不要である。さらに、バルブ３５０は、ばね３７０によって閉じるように付勢されるので、このバルブは、チャンバ２９０が真空下にあり、基板が存在していないか、あるいはキャリアヘッドに不適切に取り付けられている場合にのみ開く。したがって、このウェーハセンサ機構は、圧力のシーケンスやチャンバ２９０および空間１７０内の真空状態に影響を受けにくい。
【００９１】
図９を参照すると、別の実施形態では、キャリアヘッド１００ｃは、チャンバ２９０と周囲大気との間の通路３８０を横切って接続された機械作動バルブ３５０を有している。バルブ３５０は、流路３８０を横切って形成されたチャンバ３６６′の中に少なくとも部分的に配置されていてもよく、バルブステム３５２、バルブプレスプレート３５６、および環状フランジ３６４を有している。バルブ３５０′は、その閉位置において、チャンバ３６６′をチャンバ２９０から隔離する。しかしながら、バルブステム３５２が（図８に示されるように）上方へ押されると、Ｏリング３６８はもはや圧縮されず、流体がＯリングの周りに漏れることができる。このため、バルブ３５０が開き、チャンバ２９０は通路３８０を介して周囲大気と連通することになる。
【００９２】
キャリアヘッド１００ｃを有するＣＭＰ装置は、基板がキャリアヘッドに無事に真空チャックされているか否かを次のように検知する。図１５を参照すると、チャンバ２９０の初期圧力はＰf1である。次に時刻Ｔf0に、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を排気し始める。基板が存在していれば、バルブ３５０は閉じたままであり、圧力計９６ｃにより測定されるチャンバ２９０内の圧力は、圧力Ｐf2に低下するであろう。一方、基板が存在していなければ、バルブ３５０は開かれる。したがって、ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を完全に排気することは不可能であり、チャンバ２９０内の圧力は、圧力Ｐf2より大きい圧力Ｐf3までしか低下しない。基板が存在し、キャリアヘッドに正確に取り付けられているか否かを判定するために、圧力計９６ｃにより測定された圧力を、圧力Ｐf2およびＰf3間のしきい圧力ＰfTと比較するように、コンピュータ９９をプログラムしてもよい。
【００９３】
図１７に示すように、キャリアヘッド１００ｄは、支持プレート２５０ｄと可撓膜１１８ｄとの間に位置する支持パッド２６３を有している。支持パッドおよび支持プレートの表面寸法はほぼ同一であり、例えば、パッドおよびプレートは円形であってもよく、同じ直径を有していてもよい。支持パッドおよび支持プレートの直径は、それぞれ約７．８１インチとすることができる。パッドとプレートは、たとえば接着剤によって、互いに取り付けることができる。キャリアヘッド１００ｄは、キャリアヘッド１００ａ、１００ｂまたは１００ｃと同様に構成することができ、通気孔または作動可能なバルブを有し、また可撓膜が撓んで通る位置において支持プレート内に開口部を有している。
【００９４】
図１８を参照すると、支持パッド２６３は複数の開口部２６５を有している。図１９に示されるように、可撓膜と基板との間に複数のエアポケット２７３を設けるために、開口部２６５は、可撓膜１１８ｄが延在することができるくぼみを備えている。エアポケット２７３の利点を説明するために、基板がキャリアヘッドに真空チャックされる間、基板と可撓膜との間に空気を閉じ込めることができることに注目すべきである。しかしながら、ポケットは、基板とセンサ開口部３７４ｄの領域内の可撓膜との間に空気が蓄積することを防止する。具体的に述べると、真空チャック手順の間、可撓膜と基板の間に取り込まれた空気は、ポケットの中に閉じこめられる傾向があり、センサ開口部の領域には到達しない。さらに、ポケットは、基板と可撓膜の間の空気流の速度を遅くする表面「粗さ」をもたらす。したがって、膜と基板の間の空気が、可撓膜を開口部センサ３７４ｄの中に延伸させ、またバルブを作動または入口を閉塞する可能性は少ない。このように、基板がキャリアヘッドに適切に取り付けられていないことを示す誤警報の危険は減少する。
【００９５】
開口部２６５は均一の寸法を有していてもよく、たとえば約０．５〜１．０インチの直径を有していてもよい。支持パッド内のより大きなセンサ開口部２６７は、センサ開口部３７４ｄと位置合わせされている。センサ開口部２６７は、（キャリアヘッド１００ｄが、キャリアヘッド１００ｂと同様に構成されていると仮定して）バルブを作動させるために、あるいは、（キャリアヘッド１００ｄが、キャリアヘッド１００ａと同様に構成されていると仮定して）通路を閉塞するために、膜１１８ｄが開口部３７４ｄを通って延伸することを可能にする。
【００９６】
図２０を参照すると、別の実施形態では、支持パッド２６３′は、さまざまな寸法の開口部２６５′を有する。開口部の寸法は、直径約０．５インチ〜約１．０インチの範囲に及んでいてもよい。開口部は、支持パッドのエッジとセンサ開口部との間に流れる空気に対して、複雑に入り組んだ経路または迂回した経路を用意し、空気がセンサ開口部に到達する可能性を減らしている。
【００９７】
支持パッド２６３′は、支持パッドのエッジからセンサ開口部への空気の経路を閉塞するために、センサ開口部と支持パッドのエッジとの間に位置する保護開口部２６９をさらに有している。具体的に述べると、保護開口部２６９の第一および第二のエッジ３９０および３９２は、センサ開口部の第一および第二のエッジ３９４および３９６を越えて外側に延び、ほぼ直線的に位置合わせされている。
【００９８】
保護開口部は他の形状を有していてもよい。たとえば、図２１に示されるように、支持パッド２６３″は、センサ開口部への空気の経路をほぼ完全に閉塞するために、センサ開口部２６７を囲む環状保護開口部２６９′を有していてもよい。支持パッド２６３″は、環状部品２８３を支持パッドの残りの部分に結合させる複数の接続部品２８１を有している。
【００９９】
図２２を参照すると、支持パッド２６３′″の最外リングの開口部は、複数の細長開口部２６５″と一つの細長保護開口部２６９″を形成するように連結されている。これらの細長開口部は、空気を閉じ込めるためにより大きな全開口部容積をもたらし、空気がセンサ開口部に流れるためにさらに迂回した経路を用意する。保護開口部の第一および第二のエッジ３９０″および３９２″は、センサ開口部の第一および第二のエッジ３９４および３９６を越えて延びている。
【０１００】
図２３（ａ）および（ｂ）を参照すると、支持パッドから下方へ延びセンサ開口部を取り囲む環状保護部材２７１を設けることにより、空気による誤警報の誘発を防止することも可能である。言い換えると、保護部材は、センサ開口部を完全に取り囲む略円形の壁を形成する。保護部材は、基板と可撓膜の間の気泡がセンサ開口部の領域内に蓄積されることを防止する。図２３（ａ）に示されるように、保護部材２７１は、支持パッドの表面にほぼ垂直な壁を有していてもよい。一方、図２３（ｂ）は、傾斜している壁を有する環状保護部材２７１′を示している。環状保護部材２７１または２７１′は、接着剤により支持パッドに取り付けられるか、あるいは支持パッドと一体に形成されてもよい。この保護部材は、支持パッド２６３、２６３′または２６３″の任意の一つと組み合わせることができる。
【０１０１】
ほぼ同様な構成を、支持プレートとともに使用することもできる。すなわち、可撓膜がエアポケットを作るために延伸できる領域を用意するために、開口部またはくぼみが支持プレート中に形成されていてもよい。さらに、保護部材はが支持プレート上に形成されていてもよい。このような構成では、支持パッドは不要なことがある。
【０１０２】
上記の実施形態において、開口部は、支持パッドまたは支持プレートの表面積の半分を超える部分に及んでいるべきである。たとえば、開口部は、支持パッドまたは支持プレートの利用可能な表面積の約５０パーセント以上に広がっているべきである。さらに、開口部は、基板のエッジとセンサ開口部との間の空気流に対して、複雑で入り組んだ経路、または迂回した経路を提供すべきである。
【０１０３】
キャリアヘッド１００ａ〜１００ｄのいずれにおいても、可撓膜は透明または半透明とすることができる。たとえば、可撓膜は、着色されていないシリコーンから形成することができる。透明可撓膜は、保持リングがベースに固定される前に支持構造内のセンサ開口部がバルブプレスプレートと位置合わせされているか否かを判定するために使用者が膜を通して視認することを可能にするから、キャリアヘッド１００ｃおよび１００ｄにおいて特に好適である。開口部およびプレスプレートが適切に位置合わせされていなければ、バッキングアセンブリ全体を位置合わせされるまで回転することができる。次に、基板バッキングアセンブリを適切な位置に保持するために、保持リングをベースに固定することができる。
【０１０４】
上述のように、このＣＭＰ装置は、キャリアヘッドが基板を無事にチャックししたか否かを検出することができる。さらに、どの実施形態においても、キャリアヘッドにおける基板の存在を継続的に監視するために圧力計を使用することが可能である。たとえば、研磨ステーション相互の間で、または研磨ステーションと搬送ステーションとの間で基板を搬送している間に、圧力計９６ｃまたは９６ｂが空間１７０の圧力の変化を検出すれば、これはキャリアヘッドから基板が緩んだこと、あるいは外れたことを表している。この状態では、運転を停止し、問題を修復することができる。
【０１０５】
ＣＭＰで発生する他の問題点は、研磨中にキャリアヘッドから基板が離脱する可能性があることである。たとえば、保持リングが研磨パッドを偶然に持ち上げれば、研磨パッドからの摩擦力はキャリアヘッドの下から基板を滑り出させることになる。
【０１０６】
キャリアヘッド１００を使用するＣＭＰ装置は、ポリシング中にキャリアヘッドの下に基板が適切に位置しているか否かを検知することができる。キャリアヘッド１００がこの方式で使用される場合、可撓膜１１８の外周付近に位置する幾つかの開口部２７８を有することは好適である。ポンプ９３ｃがチャンバ２９０を加圧し、基板１０に荷重を加えるとき、圧力計９６ｃはチャンバ２９０内の圧力を測定するために使用される。図１６を参照すると、チャンバ２９０の初期圧力はＰg1である。基板がキャリアヘッドの下に適切に位置していれば、基板１０は開口部２７８を閉塞するので、チャンバ２９０内の圧力は一定に維持されるであろう。しかしながら、基板が離脱すると、開口部２７８は閉塞されず、チャンバ２９０からの流体は開口部を通して周囲大気中に漏れることになる。したがって、チャンバ２９０内の圧力は、圧力Ｐg2に低下することになる。
【０１０７】
以上、本発明を複数の好適な実施形態に関連して説明した。しかしながら、本発明は、図示および説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学機械研磨装置の分解斜視図である。
【図２】上部ハウジングを取り除いたカルーセルの概略平面図である。
【図３】部分的に図２のカルーセルの線３−３に沿った断面図であり、部分的にＣＭＰ装置により使用される圧力調整器の概略図である。
【図４】可撓膜およびチャンバを有するキャリアヘッドの概略断面図である。
【図５】通気孔を有するチャンバを有するキャリアヘッドの概略断面図である。
【図６】基板を取り付けていない図５のキャリアヘッドの図である。
【図７】チャンバをブラダに接続するバルブを有するキャリアヘッドの概略断面図である。
【図８】基板を取り付けていない図７のキャリアヘッドの図である。
【図９】チャンバを周囲大気に接続するバルブを有する本発明に係るキャリアヘッドの概略断面図である。
【図１０】図４のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１１】図５のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１２】図５のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１３】図７のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１４】図７のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１５】図９のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１６】図４のキャリアヘッドを使用するＣＭＰ装置内の時間の関数として圧力を示すグラフである。
【図１７】支持プレート、支持パッドおよび可撓膜の概略断面図である。
【図１８】図１７の支持パッドの概略斜視図である。
【図１９】支持パッド内の開口部の中への可撓膜の拡張を示す概略断面図である。
【図２０】複数の開口部、保護開口部およびセンサ開口部を有する支持パッドの概略平面図である。
【図２１】複数の開口部、保護開口部およびセンサ開口部を有する支持パッドの概略平面図である。
【図２２】複数の開口部、保護開口部およびセンサ開口部を有する支持パッドの概略平面図である。
【図２３】（ａ）および（ｂ）は、センサ開口部のエッジの周りで下方に延びる環状保護部材を有する支持パッドの概略断面図である。
【符号の説明】
１０…基板、１００…キャリアヘッド、１０２…ハウジング、１０４…ベース、１０６…ジンバル機構、１０８…ローディング機構、１１０…保持リング、１１２…基板バッキングアセンブリ、１１４…支持リング、１１６…湾曲部、１１８…可撓膜、１２０…ハウジングプレート、１７０…空間、２９０…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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