(57)【要約】旋回するウェーハキャリアは、最小の内部摩擦と、スムースで連続的な旋回動作を有する。ピボット機構は、圧力板に取り付けられた下部リング、ハウジング上部プレートに取り付けられた上部リング、および、前記下部リング上に配置されたボール転送ユニットを含む。対応する軸受ウェッジが前記上部リングによって下方から支持される。研磨工程で前記圧力板が傾くにつれて、前記ボール転送ユニットの荷重ボールが前記対応するウェッジに接触して回転し、これによりスムースで連続的な動作が生じる。前記キャリアの回転を実行し、かつ、前記ウェーハキャリアの前記スムースで連続的な動作を補助するために、ユニバーサルジョイントが前記キャリアに設けられてもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＰプロセスにおいて研磨パッドに対しウェーハを保持するウェーハキャリアであって、前記ウェーハキャリアは、ドライブスピンドルに回転可能に固定されるようにしたウェーハキャリアハウジングを特徴とし、前記キャリアハウジングと同一軸上に配置された圧力板を備えており、前記圧力板は、研磨中にウェーハ裏側と接触し、ＣＭＰ過程においてウェーハ表側の研磨パッドへの接触を維持し、かつ、前記キャリアハウジングに回転可能に固定されており、
前記ウェーハキャリアは、ベアリングの球面アレーが、ベアリングと接触する軸受面を有する球面軌道輪と同軸状に配置されたピボット機構をさらに備え、
前記ピボット機構は、前記キャリアハウジングと前記圧力板との間に配置され、前記キャリアに対する前記圧力板のピボット運動を許容するように前記キャリアハウジングおよび前記圧力板に固定されていることを特徴とするウェーハキャリア。
【請求項２】
前記ベアリングの球面アレーが、複数個のボール転送ユニットが固着された第１リングを含み、前記ボール転送ユニットがその中に回転可能に配置された荷重ボールを有し、
さらに、前記球面軌道輪は第２リングを含み、前記第２リングは前記ボール転送ユニットの前記荷重ボールと接触するようにした軸受面を有し、前記第２リングは、前記荷重ボールと同格に配置された前記軸受面を有する前記第１リングと同軸状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハキャリア。
【請求項３】
ＣＭＰプロセスにおいて研磨パッドに対しウェーハを保持するウェーハキャリアであって、前記ウェーハキャリアは、ドライブスピンドルに回転可能に固定されるようにしたウェーハキャリアハウジングを特徴とし、前記キャリアハウジングと同一軸上に配置された圧力板を備えており、前記圧力板は、研磨中にウェーハ裏側と接触し、ＣＭＰ過程においてウェーハ表側の研磨パッドへの接触を維持し、かつ、前記キャリアハウジングに回転可能に固定されており、
前記ウェーハキャリアはピボット機構をさらに備え、
前記ピボット機構は、固着された複数のボール転送ユニットを有する第１リングを有し、前記ボール転送ユニットは前記ボール転送ユニット内に回転可能に配置された荷重ボールを含んでおり、
前記ピボット機構は第２リングをさらに有し、前記第２リングは前記ボール転送ユニットの荷重ボールと接触するようにした軸受面を持ち、かつ、前記荷重ボールと同格に配置される前記軸受面を有する前記第１リングと同軸状に配置されており、
前記ピボット機構は、前記キャリアハウジングと前記圧力板との間に配置され、前記キャリアに対する前記圧力板のピボット運動を許容するように前記キャリアハウジングおよび前記圧力板に固定されていることを特徴とするウェーハキャリア。
【請求項４】
前記圧力板に前記キャリアハウジングを回転可能に固定する、軸方向に伸縮可能なユニバーサルジョイントをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のウェーハキャリア。
【請求項５】
前記ユニバーサルジョイントは、スパイダと、前記キャリアハウジングに回転可能に固定された第１ヨークと、前記圧力板に回転可能に固定された第２ヨークとを備えた伸縮可能なユニバーサルジョイントであり、前記ヨークの内の少なくとも１つが前記ヨーク内での前記スパイダの軸方向運動を許容するオープンヨークであることを特徴とする請求項４に記載のウェーハキャリア。
【請求項６】
前記第２リングの軸受面は、球面部を形成するように前記第２リング上に配置されるとともに、前記球面部に対する前記荷重ボールの移動を抑制するように前記荷重ボールに対して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
【請求項７】
前記軸受面が、前記ウェーハの表側に位置する中心を有する球面部を形成することを特徴とする請求項６に記載のウェーハキャリア。
【請求項８】
前記軸受面が、前記ウェーハの表側からずれている中心を有する球面部を形成することを特徴とする請求項６に記載のウェーハキャリア。
【請求項９】
前記軸受面が、前記圧力板の反対側であって前記ウェーハの表側の外側に位置する球面部を形成することを特徴とする請求項６に記載のウェーハキャリア。
【請求項１０】
前記ボール転送ユニットは、前記第１リングから前記第２リングに向かって突出するハウジング内に配置され、前記ハウジングは前記荷重ボールを前記第２リングの軸受面と同格に方向づけることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
【請求項１１】
第２リングは、前記第１リングに向かって延びる複数のウェッジを含み、前記ウェッジは前記荷重ボールと同格の軸受面を確立していることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
【請求項１２】
前記ボール転送ユニットは、前記第１リングから前記第２リングに向かって突出するハウジング内に配置され、前記ハウジングは前記第２リングの前記軸受面と同格に前記荷重ボールを方向づけ、前記第２リングは、前記第１リングに向かって延びる複数のウェッジを含み、前記ウェッジは前記荷重ボールと同格の前記軸受面を確立していることを特徴とする請求項３に記載のウェーハキャリア。
【請求項１３】
ハウジングプレートと、
前記ハウジングプレートに回転可能に取り付けられた圧力板と、
前記圧力板がハウジングプレートに対して旋回できるように前記ハウジングプレートと前記圧力板との間に作動可能に配置され、ハウジング内に回転可能に配置された荷重ボールを含む複数のボール転送ユニットと、
を備えることを特徴とするウェーハキャリア。
【請求項１４】
前記ハウジングプレートに取り付けられ、軸受面を有する、非弾性材料からなるリングをさらに備え、
前記複数のボール転送ユニットは、前記圧力板に取り付けられ、各ボール転送ユニットの前記荷重ボールが前記リングの軸受面に接触して回転できるように大きさ、サ寸法および配置が決められていることを特徴と請求項１３に記載のウェーハキャリア。
【請求項１５】
前記ハウジングプレートに取り付けられた複数のウェッジをさらに備え、前記ウェッジは軸受面を有する非弾性材料からなるウェッジからなり、各ウェッジが１つのボール転送ユニットに対応し、
前記ボール転送ユニットは前記圧力板に取り付けられ、
前記ハウジングプレート、前記圧力板、前記各ボール転送ユニットおよび前記各ウェッジは、ボール転送ユニットの荷重ボールが、対応するウェッジの軸受面に接触して回転できるように、大きさ、寸法およびそれぞれに対する配置が決められていることを特徴とする請求項１３に記載のウェーハキャリア。
【請求項１６】
前記圧力板に取り付けられた非弾性材料からなる第１リングをさらに備え、前記ボール転送ユニットハウジングが前記第１リングに取り付けられていることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項１７】
前記ハウジングプレートに取り付けられた非弾性材料からなる第２リングをさらに備え、前記ウェッジが前記第２リングに取り付けられていることを特徴とする請求項１６に記載のウェーハキャリア。
【請求項１８】
前記ハウジングプレートおよび前記圧力板に回転可能に連結するユニバーサルジョイントをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項１９】
前記ユニバーサルジョイントは、
前記圧力板と前記ハウジングプレートとの間に配置されたスパイダと、
前記圧力板に取り付けられた第１ヨークと、
前記ハウジングプレートに取り付けられた第２ヨークと、をさらに備え、
前記スパイダが前記第１ヨークおよび前記第２ヨークに作動可能に連結されていることを特徴とする請求項１８に記載のウェーハキャリア。
【請求項２０】
前記ユニバーサルジョイントは伸縮可能なジョイントであることを特徴とする請求項１９に記載のウェーハキャリア。
【請求項２１】
前記圧力板に連結されて、前記スパイダに当接する第１ピボットポストと、
前記ハウジングプレートに連結されて、前記スパイダに当接する第２ピボットポストと、をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のウェーハキャリア。
【請求項２２】
複数のボール受けインサートをさらに備え、前記各ボール受けインサートは、対応するウェッジの前記軸受面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項２３】
前記各ボール受インサートがCronidur（登録商標）30および窒化ケイ素からなるグループより選択される材料で構成されることを特徴とする請求項２２に記載のウェーハキャリア。
【請求項２４】
前記各荷重ボールがCronidur（登録商標）30、17-4PH鋼、X.D15N.Wおよび窒化ケイ素からなるグループから選択される材料で構成されることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項２５】
前記ウェッジの各軸受面が球面部と一致する曲率で設けられ、前記各軸受面の曲率の中心が前記ウェーハキャリアの回転軸に沿った点に設定されていることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項２６】
ウェーハが前記ウェーハキャリア上に配置されるときに、前記ウェーハのほぼ表側に対応するように前記点が設定されていることを特徴とする請求項２５に記載のウェーハキャリア。
【請求項２７】
前記ウェッジの各軸受面が球面部と一致する曲率で設けられ、各軸受面の曲率の中心が前記ウェーハキャリアの回転軸に沿い、かつ、前記ウェーハ表側の下に位置する点に設定されていることを特徴とする請求項１５に記載のウェーハキャリア。
【請求項２８】
前記ウェッジの各軸受面が球面部と一致する曲率で設けられ、各軸受面の曲率の中心が前記ウェーハキャリアの回転軸に沿い、かつ、前記ウェーハ表側の上に位置する点に設定されていることを特徴とする請求項１５記載のウェーハキャリア。
【請求項２９】
ウェーハがウェーハキャリア上に配置されて、研磨パッドが前記ウェーハと接して配置されるときに、前記ウェーハキャリアのピボット点がウェーハと研磨パッドの境界面付近に位置することを特徴とする請求項１３に記載のウェーハキャリア。
【請求項３０】
前記ウェーハキャリアの前記ピボット点が前記ウェーハキャリアの下に位置することを特徴とする請求項１３に記載のウェーハキャリア。
【請求項３１】
前記ウェーハキャリアの前記ピボット点が前記ウェーハキャリア内に位置することを特徴とする請求項１３に記載のウェーハキャリア。
【請求項３２】
圧力板と、
前記圧力板に回転可能に連結されるハウジングプレートと、
前記圧力板に取り付けられ、ハウジング内に回転可能に配置される荷重ボールを含む、３つのボール転送ユニットと、
前記ハウジングプレートに取り付けられ、軸受面を有する非弾性材料からなるウェッジを有し、かつ、前記各ウェッジが１つのボール転送ユニットに対応する、３つのウェッジとを備え、
ここで、ボール転送ユニットの前記荷重ボールは、対応するウェッジの前記軸受面に接触して回転できるように、前記圧力板、前記ハウジングプレート、前記各ボール転送ユニットおよび前記各ウェッジは、大きさ、寸法およびそれぞれに対する配置が決められており、
前記圧力板と前記ハウジングプレートとの間に配置されたスパイダと、
前記圧力板に取り付けられた第１ヨークと、
前記ハウジングプレートに取り付けられた第２ヨークとをさらに備え、
前記スパイダは前記第１ヨークと前記第２ヨークに作動可能に接続されている、
ことを特徴とするウェーハキャリア。
【請求項３３】
ウェーハの研磨方法であって、
ハウジングプレートと、前記ハウジングプレートに回転可能に取り付けられた圧力板と、前記圧力板が前記ハウジングプレートに対して旋回できるように前記ハウジングプレートと前記圧力板との間に動作可能に配置され、ハウジング内に回転可能に配置された荷重ボールを有する、複数のボール転送ユニットとを備えたウェーハキャリアを準備し、
ウェーハを準備して前記ウェーハキャリア上に配置し、
研磨パッドを準備し、
前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨する、
ことを特徴とする方法。
【請求項３４】
ウェーハの研磨方法であって、
圧力板と、前記圧力板に回転可能に連結されたハウジングプレートと、前記圧力板に取り付けられ、ハウジング内に回転可能に配置された荷重ボールを有する、３つのボール転送ユニットと、前記ハウジングプレートに取り付けられ、軸受面を有する非弾性材料からなるウェッジからなり、かつ、前記各ウェッジが１つのボール転送ユニットに対応する、３つのウェッジとを備え、ここでボール転送ユニットの前記荷重ボールが、対応するウェッジの前記軸受面に接触して回転できるように前記圧力板、前記ハウジングプレート、前記各ボール転送ユニットおよび前記各ウェッジが、大きさ、寸法およびそれぞれに対する配置が決められており、前記圧力板と前記ハウジングプレートとの間に配置されたスパイダと、前記圧力板に取り付けられた第１ヨークと、前記ハウジングプレートに取り付けられた第２ヨークとをさらに備え、ここで前記スパイダが前記第１ヨークと前記第２ヨークに作動可能に接続されている、ウェーハキャリアを準備し、
ウェーハを準備して前記ウェーハキャリア上に配置し、
研磨パッドを準備し、
前記ウェーハを前記研磨パッドで研磨する、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下に説明された発明は、化学的機械研磨においてウェーハを保持するために使用されるウェーハキャリアの分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピューターチップを含む集積回路は、シリコンウェーハの表側に回路層を積上げることにより製造される。その製造過程には、極めて高度な平坦度と平面層が必要とされる。化学的機械研磨（ＣＭＰ）とは、装置の製造においてウェーハとウェーハに集積される層を必要程度まで平坦化するプロセスである。
【０００３】
化学的機械研磨は、ウェーハの研磨パッドによる研磨作業と研磨パッド上にポンプでスラリを汲み上げるという化学的物理的動作を組み合わせたプロセスである。ウェーハは、裏側がウェーハキャリアに面し、表側は研磨パッドに面してウェーハキャリアで保持される。研磨パッドは、通常ウェーハキャリアの下に位置する定盤で支持されている。ウェーハキャリアと定盤は、研磨パッドがウェーハの表側を磨けるように回転する。研磨が望ましい形態及び程度で行われるよう研磨パッドに特定の化学薬品と研磨剤から成るスラリが注入される。（従ってＣＭＰ研磨作業は、ウェーハやウェーハ層から物質を除去する化学的な軟化剤と物理的な下向きの力の組み合わせにより実現される）。このようなプロセスにより薄層の物質がウェーハやウェーハ層の表側から除去される。その物質層はウェーハ上に生成もしくは沈殿した酸化物層であったり、もしくはウェーハ上に沈殿した金属層であったりする。物質薄層の除去はウェーハ表面の凸凹を減らすことにより実現される。従って、このプロセスが完了するとウェーハ及びウェーハ集積層は平坦かつ/もしくは均一となる。一般的にウェーハ表面の集積回路チップは、より多くの層を積上げ、化学的機械研磨のプロセスを繰り返すことにより構築される。
【０００４】
ウェーハ膜排除をより均一に行い平坦性を向上させるため、ウェーハキャリアにジンバル機構やピボット機構を用いることが多い。ピボット機構によりウェーハ（及び圧力板）はウェーハキャリア内での傾き、振動、ジンバル、または回転が可能になる。よって、回転研磨中に研磨装置の様々なパーツの配置バランスが狂ってもウェーハ表面は研磨パッドにより同一平面状態を保つことができる。配置の狂いは研磨装置の定盤、スピンドル・シャフト、ウェーハキャリア、テーブルその他パーツで起こり得る。更に、ウェーハはキャリア上で配置が狂うこともあり、研磨パッド上の凸凹によりウェーハが研磨パッドに対し完全に平行ではなくなるようになってしまうことがある。しかしながら、キャリアのピボット機構によりウェーハが研磨パッドに対し平行が保てるようになる。ウェーハが研磨パッドに対し平行を保つことから、ピボット機構により研磨作業中に予測量の膜を排除することが可能となる。
【０００５】
ウェーハキャリアに対するピボット機構はこれまでにも提案されてきている。ピボット機構の例が、キム等（Kim et al.）のWorkpiece Carrier with Monopiece Pressure Plate and Low Pivot point, 米国特許第5,989,104号(Nov. 23, 1999)で提示されている。キム特許が提示しているのは、軸受けリング配置のピンを通し互いに相対的に回転する入れ子構造の軸受けリングで構成されるジンバル機構である。アーロン等（Aaron et al.）のWafer Carrier Rotating Head Assembly for Chemical-Mechanical Polishing Apparatus, 米国特許第5,868,609号(Feb. 9, 1999)は、中心球の周りを回転するキャリアヘッドを示している。ハドソン等（Hudson et al.）のWafer Backing Member for Mechanical and Chemical-Mechanical Planarization of Substrates, 米国特許第5,830,806号(Nov. 3, 1998)もまた中心球の周りを回転するウェーハキャリアを提示している。
シンクレア等(Sinclair et al.)の米国特許第6,494,769号(Dec. 17, 2002), Wafer Carrier For Chemical Mechanical Planarization Polishingは、キャリア全体がキャリアのチャックの周りを回転するウェーハキャリアを表示している。パーロブ等(Perlov et al.)のCarrier Head with a Flexible membrane, 米国特許第6,506,104号(Jan. 14, 2003)は、ベースを取り囲むリテイナに配置された一連の軸受けリングで構成されるピボット機構を備えたウェーハキャリアを示している。
【特許文献１】米国特許第5,989,104号
【特許文献２】米国特許第5,868,609号
【特許文献３】米国特許第5,830,806号
【特許文献４】米国特許第6,494,769号
【特許文献５】米国特許第6,506,104号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このようなウェーハキャリアの実際の軸回転運動は、ピボット機構内での摩擦のため、可能な限り円滑もしくは継続的に作動しないという点で問題が残っている。内部摩擦は、キャリアと研磨パッドをそろえるピボット機構の機能に支障をきたす原因となる。（摩擦は稼動部品がチャタリングを起こしたり、または高周波数で作動したり止まったりする原因となり、そのためピボット機構がパッドと継続的に並ぶ機能が妨げられる）。従って、ウェーハの一部が研磨パッドに対し押されすぎたり、押しが少なすぎる、ということになる。この結果、フィルム膜除去が均一でなくなり、その結果ウェーハや層の平坦さや均一性にばらつきが出る結果となる。ウェーハもしくはチップ製造には、極めて厳しい精度が要求される（場合によってはミクロンの何分の１）を考えるとこのばらつきは深刻である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下の方法と装置は、回転または揺動するピボット機構を備えたウェーハキャリアの摩擦を研磨中最小限にとどめるものである。本ピボット機構は、キャリア圧力板（従ってウェーハも）が研磨パッドと平行になるよう、キャリア圧力板の継続的な傾き（研磨中に傾くことがないキャリアハウジング上部プレートに対して）を可能にする。キャリアの軸回転をわずかな制限内でとどめながら、回転力をハウジング上部プレートから圧力板に伝えるため、ユニバーサルジョイントが提供されうる。ユニバーサルジョイントは、キャリアが摩擦とチャタリングを最小限にとどめ、円滑に回転するように設計されている。
【発明の効果】
【０００８】
本ピボット機構は、ハウジング上部プレートに配置された上部リング、圧力板に載置された下部リング、及び下部リングに配置されたボール転送ユニットで構成される。対応する軸受けウェッジが上部リング上に取り付けられる。ボール転送ユニットは、そのウェッジに対向するよう下部リング上に配置される。更に、キャリア組立時に転送ユニットの荷重ボールがウェッジに接触して回転できるようボール転送ユニットとウェッジが配置される。従って、下部リングは最小限の摩擦で円滑に継続的な動きで上部リングに対し連動して回転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は化学的機械研磨システム１を表示している。単数もしくは複数のポリシングヘッドもしくはウェーハキャリア２が、研磨パッド４上に吊られたウェーハ３を保持している。（ウェーハキャリア下の位置を示すため点線で表示されている）。ウェーハキャリアは並進アーム５から吊るされている。この研磨パッドは定盤６上に配置されており、定盤は矢印７の方向に回転する。ウェーハキャリア２はその対応するスピンドル８の周りを矢印９の方向に回転する。ウェーハキャリアは移動スピンドル１０により研磨パッド表面を前後して移動し、矢印２０の示す方向に動く。研磨プロセスに使用されるスラリは、スラリ注入チューブ２１を通し研磨パッド表面に注入される。スラリ注入チューブ２１はサスペンションアーム２２上に位置するか、もしくはそのアームの中を通っている。（他の化学的機械研磨システムには、１つのウェーハを保持するのに１つのウェーハキャリアのみを使用するか、もしくは複数のウェーハの保持として複数のウェーハキャリア使用するものもある。また別のシステムは各キャリアを保持するのに別の並進アームを使用することもありえる。）。
【００１０】
図２は、圧力板がキャリアハウジングに連動して水平軸方向へ限られた回転ができるようにするピボット機構を備えたウェーハキャリア２の分解図である。このピボット機構には、ベアリングの球面アレーと球面軌道輪(spherical race)が含まれる。球面軌道輪は、軸受面を確立するため、下方から支持される幾つかのウェッジを備えた上部リング２５を含む。球面軌道輪は、キャリアハウジング３４のハウジング上部プレート２６上に配置されている。ベアリングの球面アレーは、下部リングに配置されたハウジング２９内に含まれる数個のボール転送ユニット２８を有する下部リング２７で形成されている。球面アレーはマニホールドプレートや圧力板３０上に配置されている。
【００１１】
ボール転送ユニットは、下部リングの周りを均等な間隔で整列している。ちなみに３つのボール転送ユニットがリングの周りを１２０度間隔で隔てられて下部リング上に取り付けられてもよい。環状配列（全荷重ボールが同じ球面と同じ平面に位置する球面アレー）という最も便利な形で配列されてはいるが、ウェーハキャリアのバランスが変われば、ボール転送ユニットも、球面アレーで配列されることもある（荷重ボールが同じ球面だが異なる平面に位置する）。対応ウェッジ４０は、下部リング方向に下向きに従属し、上部リング上に配置されている。内側に向かっているウェッジの軸受面は、対応するボール転送ユニットの荷重ボール４１を受けるため、円弧状の形をしている。ボール受けインサート４２は、内側に向かったウェッジの軸受面上に配置されることもある。ボール受けインサートは、ウェッジの内側を向いた軸受面と同じ円弧状の形となる。ボール受けインサートは、どのような適切な方法でもウェッジに取り付けることができ、また磨耗したとき、インサートが容易に取り替えられるよう、取り外し可能な形態で取り付けることができる。上部リングと下部リングは、図示するように、下部リングが上部リングの下に同軸状に重なるように、それぞれに対応して大きさ、寸法および位置が決められる。
【００１２】
上部リング上のウェッジ４０と、対応する下部リング上のボール転送ユニットは、キャリアが組立てられるとき、荷重ボールがウェッジの軸受面と同格(in apposition to)となるよう、互いに隣接するようにそれぞれ対応するリング上で配列される。ボール転送ユニットは、キャリアの下向きの力を受ける。荷重ボールは、研磨中に圧力板が揺らめき、揺動し、傾き、あるいは回転するときにボール受けインサートに接触して円滑かつ継続的に（最小限の摩擦で）回転する。従って、ピボット機構は、キャリアが研磨パッド上を移動し、重い荷重を受けたとしてもキャリア圧力板が円滑かつ継続的に回転及び揺動することを可能にする。
【００１３】
ピボット機構により、圧力板がハウジング上部プレートに対応して水平軸方向へ回転することが可能となる一方、ハウジング上部プレートからの回転力を圧力板に伝えるためユニバーサルジョイント４３が用いられる。ユニバーサルジョイントは上部ヨーク４４、下部ヨーク４５、及び横材もしくはスパイダ４６で構成される。図２に表示されるユニバーサルジョイントは、ハウジング上部プレートからの回転力を圧力板に伝え、ユニバーサルジョイントのオープンヨーク構造により、スパイダレッグと圧力板がハウジング上部プレートに対しわずかに上下移動できるようにする。ヨーク構造は、スパイダが、それによって回転可能に連結されて回転する２つのパーツに対し、軸的に短い間隔動くことができることから、オープン構造である。ユニバーサルジョイントは、従って伸縮可能なユニバーサルジョイントと言うことができる。
【００１４】
下部ヨークは、下部取付プレート４７、第１受け入れポスト４８、第２受け入れポスト４９、第３受け入れポスト５０、および、第４受け入れポスト５１で構成されている。下部ヨークは圧力板３０に取り付けられている。上部ヨークは、上部取付プレート５２、第５受け入れポスト５３、第６受け入れポスト５４、第７受け入れポスト５５、第８受け入れポスト５６で構成されている。上部ヨークはハウジング上部プレート２６に取り付けられている。（上部ヨークと上部ピボットポスト７１は、ハウジング上部プレート２６下の位置を示すため点線で表示されている）。ヨークは簡便に個別部品として提供されるが、ヨークはリングやプレート等の部品と一体化して形成することも可能である。また、ユニバーサルジョイントは、簡便に上部リングと下部リング内に同一軸状に位置しているが、例えばハウジングリングと圧力板をスパイダレッグで連結するなどして上部リングと下部リングの外側で同一軸状に構成することも可能である。
【００１５】
スパイダ４６は、圧力板の円滑かつ継続的な回転もしくは揺れを補助するように設計されている。スパイダ４６は、金属や硬質プラスチックのような高剛性の材料でできた交差形の一片で、第１レッグ６６、第２レッグ６７、第３レッグ６８及び第４レッグ６９から形成されている。スパイダの下部表面には、下部ヨーク上の下部ピボットポスト７０を収容できるよう窪みや穴が作られる。同様にスパイダの上部表面にも上部ヨーク上の上部ピボットポスト７１を収容できるよう窪みが作られる。スパイダの中央部７２には窪みを作るに十分な幅があるといえる。スパイダの中央部は下部ピボットポスト７０と上部ピボットポスト７１周辺に傾いている。
【００１６】
ブッシング７３は、スパイダレッグ各端部に配置される。（ブッシングはまた、スパイダを受け入れポスト内で固定しつつも、横材周辺での回転を可能にするキャップ、スリーブ、フィッティング、あるいはその他カバリングを含むことがある）ブッシングは、受け入れポスト間に収まって、スパイダを下部及び上部ヨークに対して固定されるようにする。スパイダを更に受け入れポスト間に固定させるため、同ブッシングにショルダやフランジ７４が取り付けられることもある。図示されるように、ブッシングの外側断面は四角形であるが、各レッグ端部は、円柱形になっていて、ブッシング内でスムースかつ継続的に回転できるようにする。ブッシングとスパイダのレッグ端部は各対の受け入れポスト間を僅かに上下運動する。
【００１７】
スパイダは、ブッシングとスパイダレッグの端部を下部の２対の受け入れポストの間に整然と位置させることで、回転可能に下部ヨークに固定される。スパイダは、ブッシングとスパイダレッグの端部を上部の２対の受け入れポストの間に位置させることで、回転可能に上部ヨークに固定される。下部受け入れポストの第１対は、下部受け入れポストの第２対の反対側に配置される。上部受け入れポストの第１対は、上部受け入れポストの第２対の反対側に設置され、受け入れポストの上部の対は、受け入れポストの下部の対に対し垂直方向に配置される。
【００１８】
上部ヨーク５２と下部ヨーク４７は双方とも、もう一方のヨークに取り付けられた受け入れポストを収容するため、間隔やインセット(insets)が設けられことがある。特に下部ヨークにおいては、インセット９０と９１が上部ヨークの受け入れポストを収容する。上部ヨークでは、インセット９２と９３が下部ヨーク受け入れポストを収容する。
【００１９】
ウェーハキャリアには、取付リングもしくはハウジングリング９４と、ウェーハをウェーハキャリアに固定する手段が提供される。（ハウジングリングとハウジング上部プレートが共にウェーハキャリアのハウジングを構成する。）ハウジングリングは、スラリからキャリア内部を保護する。ウェーハをウェーハキャリアに固定する手段には、圧力板を通り、ウェーハ取付プレート９５（圧力板３０に固定される）を通して供給されるバキュームと、ウェーハ取付プレート９５とウェーハ間に位置する膜に供給されるバキューム、保持リング、これら装置と手段の組み合わせ、あるいは研磨中にウェーハを支持するその他のあらゆる適切な手段で構成される。
【００２０】
キャリア組立の際、スパイダ４６は回転可能にヨークに挟まり、それによってスパイダは圧力板３０とハウジング上部プレート２６に対して回転可能に固定される。下部リング２７は、スパイダを下部リングの中央に配置して圧力板に固定される。ボール転送ユニット２８は下部リングに固定される。上部リング２５はハウジング上部プレートに固定されている。上部リングから支持されるウェッジ４０は、圧力板が傾き、旋回し、揺動するにつれ、荷重ボール４１がウェッジの内側面に接触しながら回転できるように配列される。回転力はスピンドルからハウジング上部プレートおよび上部ヨークを通り、上部受け入れポストを通り、スパイダを通り、下部受け入れポストを通り、圧力板を通り、ウェーハへと転送される。下向きの力はハウジング上部プレートから上部リングを通り、ボール転送ユニットを通り、下部リングを通り、圧力板を通り、ウェーハへと転送される。
【００２１】
図３および４はピボット機構を有するウェーハキャリアの断面を示している。上部リング２５はハウジング上部プレート２６の底部に固定されている。下部リング２７は圧力板３０の上部に固定されている。ボール転送ユニット２８は、下部リング２７上に配置されているハウジング２９の内部に含まれている。各ボール転送ユニットに対して、対応ウェッジ４０がボールと接触するように、軸受面が内向きになって上部リングに従属している。ウェッジは上部リング２５に固定されるか、もしくは上部リングと一体化して形成されている。キャリア組み立ての際には、軸受面および対応荷重ボール４１は互いの反対側に配列される。研磨作業中、圧力板が傾き、あるいは揺動するにつれ、荷重ボールは軸受面に接触しながらスムースかつ継続的に回転する。このように、ピボット機構はキャリアが研磨パッド上を移動し、重い荷重を受けたとしても、圧力板がスムースかつ継続的に傾くことを可能にする。
【００２２】
スパイダの中心部７２の上面９６には、上部ピボットポスト７１に対応するため、球面の内側向きにカーブを描く球面部、あるいは凹部がつくことがある。スパイダの中心部の下面９７には、下部ピボットポスト７０に対応するため、球面の内側向きにカーブを描く球面部、あるいは凹部がつくことがある。スパイダ４６は、回転運動に対する方向以外は、ハウジング上部プレート２６にも圧力板３０いずれに対しても方向的に固定されていない。すなわち、スパイダは浮いており、あるいは上部ピボットポスト７１もしくは下部ピボットポスト７０のいずれに対しても固定されていない。この場合、スパイダの上面は、上部ピボットポストに接触しながら動き、スパイダの下面は、下部ピボットポストに接触しながら動く。スパイダレッグの端部は受け入れポスト間にとどまり、ヨーク内に制限されるが、ブッシングは受け入れポストに対応して僅かに上下運動をすることもありうる。スパイダのレッグ端部は、圧力板が揺動し、旋回するにつれ、ブッシング内部で回転および/またはヨークポストの制約内にて上下にスライドする。
【００２３】
キャリア圧力板は、ジンバルポイントあるいはピボット点の周囲を旋回する。ピボット点とは、キャリアがその周りで揺動する点である。ウェッジの軸受面と同様に、対応ボール受けインサートには、ピボット点を設定する特定の曲率がつき、従って、研磨作業中にピボット機構がいかにウェーハを傾けるかに影響する。具体的には、特定の半径を有する架空の球体が、ウェッジの軸受面およびボール受けインサートにぴったりと接触しうるように曲率が設定される。（すなわち、ウェッジおよびボール受けインサートは、荷重ボールに向き合う凹面を有し、この凹面が球面の球面部である。）架空の球形の中心がピボット点である。
【００２４】
ピボット点は、ピボット機構の構造を調整することで、キャリアの垂直軸(回転軸)に沿って異なった位置に設定することができる。図２および３のキャリア内では、ウェッジの軸受面の曲率は、ウェーハの中心ならびにウェーハとパッド間の接触面の中心に中心部９９を有する架空の球体９８（点線で示される）と一致するよう設定されている。破線１００は、架空の球体の半径を示している。架空の球体の中心部は、ウェッジの曲率の中心であり、ピボット点である。
【００２５】
さらに、スパイダ下面の凹部は、架空の球体９８と共通の中心を有する第２の架空の球体１１１と一致する曲率が設定されることがある。従って、スパイダ内の凹部の曲率の半径は、ウェッジの軸受面の曲率半径と一致することがありうる。破線１１２は、第２の架空の球体の半径を示している。
【００２６】
ピボット点はまた、ウェッジ（もしくは上部リング）に対してボール転送ユニットを調整することにより設置されることがある。例えば、ボール転送ユニットハウジングはウェッジと比較して高さがより大きい、あるいは小さいことがある。ウェッジと比較したボール転送ユニットの高さの調整は、ウェッジの曲率の調整の有無を問わず、ジンバルポイントに影響する。従って、ピボット点は、ハウジングや下部リングの下、またはハウジングに作動可能に連結したジャッキングスクリュの下に配置されたシムを使用して速やかに調整することができる。同様に、ピボット点を調整するため、ボール転送ユニットの角度を調整することができる。
【００２７】
ピボット点はウェーハ/パッドの接触面の中心部に設置されている方が望ましい。この位置にピボット点を設置することで、ウェーハ上の抗力を引き起こすモーメントが大いに減少する。従って、ピボット機構がウェーハを傾けると、ウェーハの端部は（ウェーハが傾いたり、あるいは柔らかい研磨パッドにウェーハの端部が食い込んだりする傾向はなしに）パッドにぴったりと接触した状態に維持される。この構成は、ウェーハ全面のフィルム除去が均一に行われるプロセスにおいて好適である。
【００２８】
ピボット点は、ウェッジの軸受面の曲率を調整することにより、ウェーハの中心部の上方に、従ってキャリアの内部に設置されてもよい。この実施形態において、架空の球体９８の中心部９９はキャリア内部のキャリア軸１１３に沿った点に設置されており、ウェッジの軸受面の曲率および方向性、ならびにボール転送ユニットの方向性はそれに応じて調整される。ピボット点がキャリア内部に設置される場合、ウェーハの先端部は研磨作業中に、パッド上へと押さえつけられる傾向があり、その結果、ウェーハ中心と比較してウェーハ端部の摩耗量が増大する。この構成は、ウェーハの磨耗がウェーハ中心部で優先的に発生する工程において、ウェーハ全体から均一的かつ包括的に物質を除去するのに好適である。
【００２９】
ピボット点は、ウェーハの中心部の下方の点に設置をしてもよい（そのためパッド内部になる）。この実施形態において、架空の球体９８の中心部９９はキャリア回転軸１１３に沿い、またキャリア下方の点に設置される。ウェッジの軸受面の曲率および方向性、ならびにボール転送ユニットの方向性はそれに応じて調整される。ピボット点がキャリア下方に設置される場合、ウェーハの先端部は上へ押し上げられ、パッドから離れる傾向がある。従って、ウェーハ先端部は「スキーをするように」パッドを横断し、ウェーハ中心部と比較してウェーハ端部の摩耗量を減少させる。ウェーハ先端部が上へ押し上げられることから、この配置はまた、より多くのスラリがウェーハとパッド間に入ることを可能にする。この構成は、ウェーハの磨耗がウェーハ端部で優先的に発生する工程において、ウェーハ全体から均一的かつ包括的に物質を除去するのに好適である。
【００３０】
ボール転送ユニットがウェッジの対応軸受面と直に向き合っていることから、ピボット点は、ボール転送ユニットの大きさ、寸法および方向性の選択に影響する。図３および４のキャリア内では、ボール転送ユニットの方向性がハウジング内部のボア１１４の角度によって設置されている。（ボアはまた、ボール転送ユニットがハウジング内部２９にてねじ留め、もしくはボルト締め、ないしは、取り外し可能な、または取り外し不可な形で固定できる。）。概して、ボール転送ユニットの角度は、圧力板と、架空の球体９８の中心から荷重ボールの中心を通り、対応ウェッジの中心へと引かれた同球体の放射状線との間の角度である。対応ウェッジの軸受面の曲率の中心もまた、この線沿いに位置する。従って、荷重ボールはウェッジの対応軸受面と直に向き合う。
【００３１】
ボール転送ユニットには、外部ケーシング１１５、半球状コップメンバー、ロードプレートもしくはストライカープレート１１６、ストライカープレートの周囲に配置された複数の小型ローラーボールもしくはボールベアリング１１７、ボールベアリングに接触するように配置された荷重ボール４１およびボール保持リング１１８が含まれる。大型荷重ボールは、重い荷重を受けても、荷重ボールの中心に対するいかなる角度に沿っても、スムースに回転することができる。荷重ボールに半径方向外向きの強い力、あるいは付勢力をかけるため、ボール転送ユニットの内部、もしくは下部にスプリングがつくことがありうる。（その他のボール転送ユニット設計においても、荷重ボールが対応ウェッジに付勢力をかけるよう接触することが可能になっている。）その他の実施形態では、ボール転送ユニットは、ストライカープレート無しで設計されることがあり、その場合、ボールベアリングが、荷重ボールおよびボール転送ユニットハウジング間の空間を埋める。
【００３２】
ボール受けインサート４２は、キャリア内部に漏出するスラリによる劣化に耐えるため、摩耗および腐食に耐性を示す材質により作られる。ボール受けインサートの適材には、窒化ケイ素(SiN)、硬化鋼（例として17-4PH鋼）、Cronidur（登録商標）30 (C (0.3),Cr (15), Mo (0.98), N (0.4), Si (1), Mu (1), Fe (81.32)の合金）ならびにX.D15N.W（登録商標）（C (0.42), Cr (16), Mo (1.8), V (.35), N (0.2), Fe (81.23)の合金）が含まれる。同様に、荷重ボールおよびボール転送ユニットもまた、摩耗ならびにスラリに対して強い耐性を示す材質により形成されている。適材にはCronidur 30（登録商標）、X.D15N.W（登録商標）、17-4PH鋼、SiN、ならびにその他の耐久性の高い材質が含まれている。Cronidur 30（登録商標）、X.D15N.W（登録商標）、17-4PH鋼、およびSiNは、SKF、Ferrolegeringar AG Zuerich、ならびにBaldenなどのメーカから入手できる。適切なボール転送ユニットは、Alwayse UK、あるいはSKFなどのメーカから購入することができる。ボール転送ユニット、およびボール受けインサートの何種類もの材質に検査が行われ、ほとんどの材質は、ウェーハキャリアの期待耐用年数にわたって生ずる腐食、ならびに物理的摩耗に耐えうる要求された耐久性を有しなかった。従って、好ましい実施形態ではこのような材質を使用する。
【００３３】
ピボット機構に加えて、ウェーハキャリアにハウジングリング９４が備えられることがある。流体の移送のためのチューブ、もしくはウェーハキャリアの各所にバキュームが備えられることがある。ハウジング上部プレートおよび上部リングは、ボルト、ねじ、もしくはその他の留め具１１９により互いに固定されることがある。下部リングは同様に、圧力板上に取り付けられる。ハウジング上部プレートは、ハウジングリングを通して配置されたリフティングポスト１２０によって圧力板に取付けられている。リフティングポストは、ポリウレタンカバーを有するステンレス鋼製のボルトである。３つのリフティングポストがハウジングリングを圧力板に固定しているが、その数は増やしても減らしてもよい。各リフティングポストは、圧力板内のポストホール１２１に配置されているが、上部プレートに対して圧力板が旋回、あるいは揺動できるように、リフティングポストはポストホール内部にて僅かに上下に動くことが可能である。フランジ１２２は、ポストホール内部でのリフティングポストの動きを制限するため、リフティングポスト上に設置されることがありうる。下部プレートの総旋回運動量は、リフティングポスト、および圧力板とハウジングリング間の距離（矢印１２３によって表される）により制限される。上記で示したウェーハキャリア内では、圧力板はピボット点の周囲で約５度の旋回、もしくは揺動をすることができる。
【００３４】
ウェーハ３をキャリアに固定する手段も備えられている。ウェーハをウェーハキャリアに固定する手段としては、圧力板３０内のチャンネル１２４を通して入るバキューム、圧力板とウェーハ間に配置された膜へのバキューム、保持リング１２５、このような要素の組み合わせ、もしくは研磨作業中にウェーハを保持するその他のいかなる適当な手段で構成される。
【００３５】
図５は別のウェーハキャリア２、およびウェーハキャリアピボット機構を示している。このピボット機構は、セラミック製ハウジング上部プレート２６上に陽極酸化アルミ製上部リングが配置され、ステンレス鋼製圧力板３０上に陽極酸化アルミ製下部リング２７が配置され、金属製ハウジング２９の中に収められた３つのCronidur 30（登録商標）製ボール転送ユニット２８が、下部リング上に周辺に１２０度間隔で取り付けられたものである。上部リングと下部リングは、キャリア組み立ての際に下部リングが上部リングの下に同軸上に重なるよう、それぞれに対応して大きさ、寸法および位置が決定される。図２から図４のキャリアと同様に、図５のキャリアもまた、上部リングに従属するウェッジ４０、ウェッジの軸受面上に配置されたボール受けインサート４２、および伸縮可能なユニバーサルジョイント４３（上部ヨーク４４と下部ヨーク４５との間に配置されたスパイダ４６も含まれる）が備わっている。
【００３６】
ウェーハをウェーハキャリアに固定する手段として、ウェーハキャリアにはまた、プラスチック製ハウジングリング９４、チューブ、チューブマウント１３１が設けられている。ハウジングリングは、ハウジング上部プレートにステンレス鋼ボルトあるいはねじ１３３を使用して固定されている。ハウジングリングは圧力板にポリウレタンで覆われたステンレス鋼リフティングポスト１２０を使用して固定されている。ステンレス鋼ウェーハマ取付プレート９５は圧力板３０に固定されている。保持ピン１３７は保持リング１２５をウェーハ取付プレートに留めている。インサートはウェーハ取付プレートに接触するよう配置され、保持リングにより支持されている。圧力板からウェーハ取付プレート、そしてインサートを通り、ウェーハへのバキュームを行うため、インサートには孔が設けてある。使用中、ウェーハの裏面はインサートに接触するよう配置されている。
【００３７】
使用中、ウェーハはウェーハキャリアの底部において支持され、ウェーハキャリアはウェーハを研磨パッド上へ移動させる。ウェーハが研磨されるにつれ、研磨パッドにスラリが塗布される。ウェーハキャリアと研磨パッド（パッド）は回転し、ウェーハキャリアはウェーハへ制御された下向きの力をかける。ある点において、ウェーハが研磨パッドの表面上を複雑な経路でたどることがある。ウェーハがパッド上を移動するにつれ、ウェーハ、圧力板および下部リングは、パッドの平坦性の変化に応じて回転軸の周囲を揺動する。スパイダは上部回転ポストおよび下部回転ポストに対して揺動する。下部リングが傾くにつれ、ボール転送ユニットの荷重ボールがウェッジの軸受表面（及びあらゆる介在インサート）と接触しながら回転し、その結果、旋回もしくは揺動運動を連続的、ならびに円滑な状態に保つ。このような円滑な旋回運動によりウェーハの平面性が高められる。
【００３８】
ピボット点を調節することで、ウェーハに異なった摩耗形態を見ることができる。ピボット点がキャリア下部(パッド内)に配置された場合、ウェーハの磨耗はウェーハ中心部に比較してウェーハ端部で少ない傾向にある。ピボット点がウェーハキャリア内部に配置された場合、ウェーハの磨耗は、ウェーハ中心部に比較してウェーハ端部で多い傾向にある。
【００３９】
ピボット機構のさらに別の実施形態も使用可能である。キャリア内部においての振動を軽減するため、上部あるいは下部リングはソリッド型(solid)（例えば、フラスト・コニカル型(frusto-conical shape）)でもよい。この場合、ボール転送ユニットは下部リング内に配置され、ウェッジと接触しながら、あるいは上部リングと接触しながら回転する（上部リングがソリッド型の場合）。上部リングの内側向きの軸受面は、ウェッジの軸受面について上述したのと同じように湾曲している。
【００４０】
さらに、図１から５に示されたユニバーサルジョイントの代わりに、その他のユニバーサルジョイント、またはフレキシブルジョイントの使用が可能である。例えば、ボールおよびソケットジョイント、ロータリーカップリング、フレキシブルドライブシャフト、フックジョイント（Hooke’s joint）、ダブルフックジョイント(double Hooke’s joint)、ベンディックスワイスジョイント（Bendix-Weiss joint）、球面４棒連鎖、ルゼッパジョイント（Rzeppa joint）、あるいはどのユニバーサルジョイントでも、図示されたユニバーサルジョイントに取って代わることが可能である。同様にスパイダも、交差スパイク、突起付きディスク、あるいはその他の適切なスパイダなど様々なスパイダタイプで構成可能である。
【００４１】
実施形態の中には、上部リングの内半径が下部リングの外半径とほぼ一致するものも幾つかある。その他の実施形態として、リングは特定のサイズである必要性はないが、使用中にロードボールのウェッジと接触しながらの回転を可能にするため、ボール転送ユニットおよびウェッジは互いに一列に並ぶ必要がある。しかし他の実施形態では、上部リングは下部リングよりも直径が小さくてもよく、その場合、ボール転送ユニットは上部リングに従属するウェッジに内側向きに面する。ウェッジはそれに対して、外側向きに軸受面を有する。さらに、ボール転送ユニットの上部リング上への配置、およびウェッジの下部リング上への配置もありうる。また、その他の実施形態では、複数のボール転送ユニットあるいはボール軸受が下部リング（もしくは上部リング）に沿って配置され、複数の対応ウェッジが上部リング（もしくは下部リング）に沿って配置されることがありうる。ボール転送ユニットのピボット機構は膜型キャリアと同様に、ハードプレートキャリアと共に使用することも可能である。このように、本装置および手段の好ましい実施形態は、その開発された環境を参照して説明されてはいるが、それらは単に発明の原理の例示である。その他の実施形態および構成が、発明の精神および添付の特許請求の範囲を逸脱せずして案出されることもありうる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は化学的機械研磨作業を行うシステムを示している。
【図２】図２はピボット機構を有するウェーハキャリアの分解図である。
【図３】図３はピボット機構を有するウェーハキャリアの断面図である。
【図４】図４はピボット機構を有するウェーハキャリアの分解断面図である。
【図５】図５は別のウェーハキャリア及びウェーハキャリアのピボット機構を表している。
【符号の説明】
【００４３】
１…化学的研磨システム
２…ウェーハキャリア
３…ウェーハ
４…研磨パッド
５…並進アーム
６…定盤
８…スピンドル
１０…移動スピンドル
２５…上部リング
２６…ハウジング上部プレート
２７…下部リング
２８…ボール転送ユニット
２９…ハウジング
３０…圧力板
３４…キャリアハウジング
４０…ウェッジ
４１…荷重ボール
４３…ユニバーサルジョイント
４４…上部ヨーク
４５…下部ヨーク
４６…スパイダ
４７…下部取付プレート
４８…第１受け入れポスト
４９…第２受け入れポスト
５０…第３受け入れポスト
５１…第４受け入れポスト
５２…上部取付プレート
５３…第５受け入れポスト
５４…第６受け入れポスト
５５…第７受け入れポスト
５６…第８受け入れポスト
６６…第１レッグ
６７…第２レッグ
６８…第３レッグ
６９…第４レッグ
７０…下部ピボットポスト
７１…上部ピボットポスト
７３…ブッシング
９０，９１，９２，９３…インセット
９４…ハウジング
９５…ウェーハ取付プレート
【図１】
2006524922.tif 000002
【図２】
2006524922.tif 000003
【図３】
2006524922.tif 000004
【図４】
2006524922.tif 000005
【図５】
2006524922.tif 000006
【国際調査報告】
2006524922.tif 000007