(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハキャリヤヘッドであって、
保持リングを備え、前記保持リングが外側ハウジングから突出している前記外側ハウジングと、
前記外側ハウジングの内側に配置され、かつ前記外側ハウジングに固定され、前記保持リングにより包囲される領域内に位置決めされた内側リングを備える内側ハウジングとを備え、
前記内側リングは、前記内側ハウジングに対し動くことができ且つ軟質メンブレンを有し、当該軟質メンブレンは、ウェーハの縁部を封着し、ウェーハ搬送中に前記ウェーハの面を保持し、前記ウェーハが研磨面上に降下するときに前記ウェーハの当該面を加圧するように、大きさと位置が決められ、
前記保持リングは、前記内側リングとは独立して前記外側ハウジングに対して動くことができ、
前記内側リングと前記内側ハウジングとは、前記内側リングが延び又は縮むことができる垂直方向距離を制限するように構成される、
ことを特徴とするウェーハキャリヤヘッド。
【請求項２】
前記外側ハウジングに対する前記保持リングの初期位置は、少なくとも１つのシムを前記外側ハウジングと前記保持リングとの間に配置することにより調整可能である、
請求項１に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項３】
前記保持リングと前記外側ハウジングとの間に連結された外側ベローズ組立体をさらに有する、
請求項１に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項４】
前記外側ハウジングは、少なくとも１つの外側ハウジングフランジを更に有し、前記保持リングは、少なくとも１つの下方リングフランジを有し、前記外側ハウジングフランジと前記下方リングフランジは、前記保持リングの運動の範囲を制限するように位置決めされる、
請求項１に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項５】
前記メンブレンの少なくとも一部分と前記内側ハウジングとの間にギャップが設けられ、
前記ウェーハの面が保持されている間に、前記メンブレンの前記部分は、前記内側ハウジングと接触し、前記メンブレンの前記部分と前記ウェーハの前記表面との間にギャップが形成されて、前記ウェーハの面を保持する力が生成される、
請求項１に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項６】
前記外側ハウジングと前記内側リングとの間に連結された内側ベローズ組立体をさらに有する、
請求項１に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項７】
前記内側ハウジングは、前記内側ハウジングの内壁により規定されるチャンバを有し、
当該チャンバは、前記内側ベローズ組立体および前記メンブレンと流体連結している、
請求項６に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項８】
ウェーハキャリヤヘッドであって、
保持リングを備え、当該保持リングが外側ハウジングから突出している当該外側ハウジングと、
前記外側ハウジングに固定され、前記保持リングにより包囲される領域内に位置決めされた内側リングを備える内側ハウジングとを備え、
前記内側リングは、前記内側ハウジングに対し動くことができ、且つ軟質メンブレンを有し、
当該軟質メンブレンは、ウェーハの縁部を封着し、ウェーハ搬送中に前記ウェーハの面を保持し、前記ウェーハが研磨面上に降下するときに前記ウェーハの当該面を加圧するように、大きさと位置が決められ、
前記内側リングは、前記保持リングと前記内側ハウジングとの間に配置され、前記内側ハウジングを包囲し、前記内側ハウジングに対して、前記保持リングとは独立に動くことができ、前記メンブレンと連結され、
前記保持リングは、前記内側リングとは独立して前記外側ハウジングに対して動くことができ、
前記保持リングと前記内側リングは、前記ウェーハが前記研磨面によって研磨されているとき、前記ウェーハと前記研磨面の相互の平行度の変化に回動自在に順応するよう構成され、
前記内側ハウジングと前記内側リングとは、前記内側ハウジングに対して前記内側リングが縮み又は延びることができる垂直方向距離を制限するように配置されたフランジを有する、
ウェーハキャリヤヘッド。
【請求項９】
前記メンブレンの少なくとも一部分と前記内側ハウジングとの間にギャップが設けられ、
前記ウェーハの面が保持されている間に、前記メンブレンの前記部分は、前記内側ハウジングと接触し、前記メンブレンの前記部分と前記ウェーハの前記表面との間にギャップが形成されて、前記ウェーハの面を保持する力が生成される、
請求項８に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項１０】
前記保持リングと前記外側ハウジングとの間に連結された外側ベローズ組立体をさらに有し、
前記外側ハウジングと前記内側リングとの間に連結された内側ベローズ組立体をさらに有し、
前記外側ベローズ組立体と前記内側ベローズ組立体により、前記保持リングと前記内側リングとが回動することができる、
請求項８に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項１１】
前記外側ハウジングに対する前記保持リングの初期位置は、少なくとも１つのシムを前記外側ベローズ組立体と前記保持リングとの間に配置することにより調整可能である、
請求項１０に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項１２】
前記内側ハウジングは、前記内側ハウジングの内壁により規定されるチャンバを有し、
当該チャンバは、前記内側ベローズ組立体および前記メンブレンと流体連結している、
請求項１０に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項１３】
前記外側ハウジングは、少なくとも１つの外側ハウジングフランジを更に有し、前記保持リングは、少なくとも１つの下方リングフランジを有し、前記外側ハウジングフランジと前記下方リングフランジは、前記保持リングの運動の範囲を制限するように位置決めされる、
請求項８に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【請求項１４】
前記保持リングと前記内側リングの回動可能な量は、前記外側ハウジングフランジと前記下方リングフランジ間の距離と、前記内側ハウジングの前記フランジと前記内側リングフランジ間の距離とにより制限される、
請求項１３に記載のウェーハキャリヤヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、薄い材料を解放自在に保持するキャリヤ組立体に関する。特に、本発明は、半導体ウェーハの化学機械的研磨／平坦化に用いられるウェーハキャリヤ組立体に関する。
【０００２】
〔背景〕
半導体ウェーハは、層をなした状態に作られるのが通例であり、この場合、回路の一部が第１の高さ位置に作られ、導電性ビアが回路の次の高さ位置まで接続されるよう作られる。回路の各層をウェーハ上にエッチングした後、酸化物層を被着させ、ビアが先の回路高さ位置の残部を貫通するが、これを被覆することができるようにする。各回路層は、次の回路層を形成する前に平滑化しなければならない凸凹をウェーハに生じさせ又は追加する場合がある。
【０００３】
化学機械的平坦化（ＣＭＰ）法が、未加工のウェーハ及び追加された各回路層を平坦化するのに用いられている。ウェーハポリッシャと通称されている利用可能なＣＭＰシステムは、ウェーハを平坦化されるべきウェーハ表面の平面内で回転する研磨パッドと接触させる回転式ウェーハキャリヤヘッドを用いる場合が多い。化学研磨剤又は微小研磨材を含むスラリーを研磨パッドにつけてウェーハを研磨する。次に、ウェーハキャリヤヘッドは、ウェーハを回転研磨パッドに押し付け、ウェーハキャリヤパッドを回転させてウェーハを研磨して平坦化する。研磨のための機械的な力は、回転しているテーブルの速度及びウェーハキャリヤヘッドに加えられる下向きの力から得られる。化学的スラリーが、ウェーハキャリヤヘッドの下に常時送られる。ウェーハキャリヤヘッドの回転は、スラリーの送出しと、ウェーハ表面全体にわたる研磨量を平均化に役立つ。
【０００４】
ＣＭＰを行って一層一様な研磨量を得る別の技術は、直線ポリッシャを用いることである。回転パッドに代えて、可動ベルトを用いてウェーハ表面でパッドを直線移動させる。局所的なむら又はばらつきを平均化するため、ウェーハを回転させる。直線ポリッシャの一例は、カリフォルニア州フレモント所在のラム・リサーチ・コーポレイションから入手できるＴＥＲＥＳ（登録商標）である。
【０００５】
何れの形式のポリッシャ（直線ポリッシャ又は回転ポリッシャ）を用いても、ウェーハキャリヤヘッドは、研磨ツールの重要な構成要素である。ウェーハキャリヤヘッドは、ウェーハを保持して支持し、ウェーハを回転させ、研磨力を伝えてウェーハをパッドに係合させる手段となる。ウェーハキャリヤヘッドは、回転機構に結合されており、この回転機構も又、圧力をウェーハに及ぼしてウェーハが研磨面に圧接された状態で回転できるようにする。
【０００６】
従来設計のウェーハキャリヤヘッドでは、ウェーハ取付けプレートに接着された取付けパッド又はキャリヤフィルムを用いることが通例である。このフィルムは、ウェーハの裏側の表面のむら又は凸凹を吸収し、又はこれになじむのに役立ち、その摩擦係数が高いので、研磨中ウェーハキャリヤヘッドが回転しているときにウェーハキャリヤヘッドの内側で回転するのを防止する。しかしながら、これらの設計では、設定研磨サイクル数の後にフィルムを交換することも必要である。
【０００７】
ウェーハ取付けプレート及びウェーハ取付けパッド又はフィルムを用いる設計では、ウェーハは、取付けパッドに設けられた一連の穴を介してウェーハキャリヤヘッドによって保持される。これら穴は、取付けパッドと接触状態にあるウェーハ面に負圧力を及ぼすことができるようにする。しかしながら、この設計は、研磨スラリーを穴を通って引き戻し、そして負圧ライン中に引き込むという欠点があり、スラリーを定期的に洗い流す洗浄システムが必要になる。
【０００８】
他の設計は、ウェーハを研磨面に移送しているときにウェーハを保持する膨らまし可能なエラストマーメンブレンを用いている。ウェーハキャリヤヘッドをいったん研磨面まで下降させると、メンブレンは膨らんで下向きの力をウェーハに加え、ウェーハが研磨面に接触するようにする。これら設計も又、固定された調節不能な保持リングを用いている。キャリヤヘッドを下降させて保持リングが研磨面に接触するようにする。この場合、保持リングは、メンブレンを膨らましているときにウェーハがキャリヤヘッドの下から滑り出ないようにし、ウェーハが研磨面に接触するようにする。しかしながら、この設計は、研磨面へのリングの接触とメンブレンの膨らましとの間には正確なタイミングが必要であるという欠点がある。保持リングが研磨面に接触する前にメンブレンが膨らむと、ウェーハの周囲方向閉じ込め状態が失われ、ウェーハは、運動中の研磨面に接触することにより得られる摩擦力に応動したときにキャリヤヘッドの下から滑り出ることになる。
【０００９】
エッジエクスクルージョンは、膨らまし可能なメンブレンを用いるウェーハキャリヤヘッド設計のもう１つの欠点である。エッジエクスクルージョンは、カテゴリー的にはウェーハの残部と同程度の研磨作用を受けないウェーハエッジ又は縁部の一部である。その結果、製品の製造に利用できる領域が減少する。
【００１０】
ウェーハキャリヤヘッドは、キャリヤヘッドと研磨面の相互の平行度の変化に順応するためにジンバル（水平安定又は水平保持）動作を行うことができなければならない。多くのウェーハキャリヤヘッドは、機械的ジンバルを用いることによりジンバル動作を行う。しかしながら、機械的ジンバルは、長さが機械的ジンバル箇所と研磨面との間の距離に等しいモーメントアームを生じさせるという欠点がある。このモーメントアームは、「ディグイン（dig in）」と呼ばれている問題を深刻化させるが、かかるディグインは、ジンバル動作を行うキャリヤヘッドに共通して見られる問題である。ディグインは、ウェーハ取付け面がウェーハの先導縁部に食い込んで、ウェーハ縁部のところにウェーハの残部よりも高い除去速度を生じさせる場合に起こる。機械的ジンバルと関連したモーメントアームは、この傾向を増大させ、その結果生じる「ディグイン」は、モーメントアームの長さに正比例する。
【００１１】
〔概要〕
従来技術の欠点を解決するため、ウェーハを解放自在に保持するキャリヤ組立体が提供される。本発明の第１の特徴によれば、キャリヤ組立体は、調節可能な保持リングを備えたプライマリハウジングを有し、保持リングは、プライマリハウジングから下方に突出している。セカンダリハウジングが、プライマリハウジングに固定され、このセカンダリハウジングは、保持リングにより包囲される領域内に位置決めされたウェーハ保持機構を有している。保持リングは、プライマリハウジングに対して動くことができる。保持リングは、ウェーハ保持機構とは独立して動くことができ、そしてウェーハを研磨面上に下降させると、ウェーハの縁部を研磨面上に保持する。
【００１２】
本発明の別の特徴によれば、キャリヤ組立体は、プライマリハウジングを有する。プライマリハウジングは、ウェーハを研磨面上に下降させているとき、ウェーハの縁部を研磨面上に保持するよう構成された調節可能なウェーハ保持機構を有する。セカンダリハウジングが、プライマリハウジングに固定され、このセカンダリハウジングは、調節可能なウェーハ保持機構を有する。ウェーハ保持機構は、下向きの力及び上向きの力のうち一方をウェーハに及ぼし、ウェーハを保持して研磨面に搬送したり研磨面から搬送し、ウェーハを研磨面に当接保持するように構成されている。ウェーハ保持機構は、調節可能であって制御可能な下向きの力をウェーハに及ぼし、それによりウェーハは、ウェーハ保持機構がウェーハを研磨面上に当接保持しているときに一様に研磨されるようになっている。
【００１３】
本発明の別の特徴によれば、キャリヤ組立体は、垂直方向に調節可能なウェーハ保持機構を備えたプライマリハウジングを有する。ウェーハ保持機構は、ウェーハを研磨面上に下降しているとき、ウェーハの縁部を研磨面上に保持する。セカンダリハウジングが、プライマリハウジングに固定され、このセカンダリハウジングは、ウェーハを研磨面を保持してこれを研磨面に搬送したり研磨面から搬送したり、ウェーハを研磨面上に当接保持したりする垂直方向に調節可能なウェーハ保持機構を有する。ウェーハ保持機構及びウェーハ保持機構は、ウェーハを研磨面によって研磨しているとき、ウェーハと研磨面の相互の平行度の変化に回動自在に順応するよう構成されている。
【００１４】
本発明の別の特徴によれば、研磨されるべきウェーハを取り扱う方法が、ウェーハをウェーハキャリヤヘッドのところに受け入れてウェーハがウェーハキャリヤヘッドに接触するようにする段階を有する。一様な上向きの力をウェーハキャリヤヘッドから及ぼしてウェーハを保持する。ウェーハキャリヤヘッドをウェーハ研磨面に搬送し、ウェーハキャリヤヘッドから突出した保持機構を研磨面上に下降させて保持機構が研磨面に接触するようにする。一様な下向きの力をウェーハに加える。ウェーハ保持機構を上昇させてウェーハを研磨する。
本発明の上記特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むと更に明らかになろう。
【００１５】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
図１及び図２は、ウェーハキャリヤヘッド２の好ましい実施形態を示している。化学機械的ポリシング（ＣＭＰ）をウェーハ４に対して行い、上述の従来技術の欠点を解決する新規なウェーハキャリヤヘッド２について以下に説明する。ウェーハ４は、外側部分８を備えた下向き面６及び外側部分８と反対側の外側部分１２を備えた上向き面１０を有している。以下に詳細に説明するように、ウェーハ４を研磨面１８上に保持するためには、ウェーハ４の外側部分８，１２は、内側ベローズ組立体８０から圧力を受けないウェーハ４の残部とは異なり、内側ベローズ組立体８０から圧力を受ける。多数の市販のウェーハ取扱いロボット又はウェーハを移載する際に用いるのに適した他の機械式装置で構成されるのがよいウェーハ取扱い機構１６が、ウェーハ４の下向き面６を支持し、これをウェーハキャリヤヘッド２に渡す。ウェーハキャリヤヘッド２は、ウェーハ取扱い機構１６からウェーハ４を上向き面１０の側から取り出し、ウェーハ４を研磨面１８（図４）に移載することになる。
【００１６】
次に、ウェーハキャリヤヘッド２はウェーハ４を研磨面１８に下降させ、下向き面６を研磨できるようにする。研磨が完了すると、ウェーハキャリヤヘッド２は、ウェーハ４を研磨面１８から外し、これを搬送して非装填状態にする。次に、ウェーハキャリヤヘッド２は、研磨されたウェーハ４を解放してこれをウェーハ取扱い機構１６に戻す。ウェーハキャリヤヘッド２及びその作用に関する詳細が以下に記載されている。適当なウェーハ研磨面を備えた適当なウェーハポリッシャの一例は、カリフォルニア州フレモント所在のラム・リサーチ・コーポレイションから入手できるＴＥＲＥＳ（登録商標）ＣＭＰシステムである。
【００１７】
図２及び図３を参照すると、下向きの壁２４を備えた内側ハウジング２２と、外側ハウジング２０とが示されている。外側ハウジング２０は、外側ハウジングフランジ２６を有し、内側ハウジング２２は、下側フランジ２８及び上側フランジ３０を有している。締結具３２、好ましくはボルトが内側ハウジング２２、外側ハウジング２０及び外側ベローズプレート３４を互いに対して静止状態に保持している。締結具３２は又、内側ベローズプレート３６を外側ベローズプレート３４に取り付けている。好ましい実施形態では、少なくとも８本の締結具３２が設けられるが、これとは異なる数の締結具を他の形態で使用することができる。締結具３２が内側ハウジング２２、外側ハウジング２０、外側ベローズプレート３４及び内側ベローズプレート３６に入る領域を密封するためにシール３８が設けられている。好ましい実施形態では、用いられるシール３８はＯリングである。
【００１８】
外側ハウジング２０は、受入れ機構４０、キャビティ４２、外側ポート４４及び内側ポート４６を更に有している。受入れ機構４０は、スピンドル（図示せず）に取付け可能な連結機構４８を受け入れている。スピンドルは、作動中、下向き回転力をウェーハキャリヤヘッド２に加える。スピンドル及びウェーハキャリヤヘッド２は、それぞれ雄型工具及び雌型工具交換機構で互いに解放自在に取り付けられている。
【００１９】
キャビティ４２は好ましくは、外側ハウジング２０に設けられ、正圧及び負圧力が外側ポート４４に至るようにすることができる凹部である。キャビティ４２は、内側ベローズプレート３６を外側ベローズプレート３４に取り付ける締結具３２のスペースにもなる。
【００２０】
内側ポート４６及び外側ポート４４はそれぞれ、正圧及び負圧力を受け入れる。好ましくは、正圧及び負圧力は、空気圧である。内側ポート４６及び外側ポート４４は、互いに別個独立に動作する。一方のポートは、正圧を受け入れることができ、それと同時に負圧を他方のポートに働かせることができる。正圧及び負圧力は両方とも可変であり、多数の圧力又は負圧発生装置のうち任意のものによって提供できる。
【００２１】
外側ベローズ組立体５２が、外側ポート４４に取り付けられていて、外側ポート４４から正圧及び負圧を受け入れる。好ましくは、外側ベローズ組立体５２は、互いに同心の小型ベローズ５１及び大型ベローズ５３で構成されている。小型ベローズ５１及び大型ベローズ５３は各々、小型ベローズ５１及び大型ベローズ５３にとって所望の長さが達成されるまで成形リング５５を互いに溶接することによって形成されている。小型ベローズ５１の上方部分５７及び大型ベローズ５３の上方部分５４は、外側ベローズプレート３４に溶接されることにより、外側ベローズプレート３４に固定されている。これと同様に、小型ベローズ５１の下方部分５９及び大型ベローズ５３の下方部分５８は、下方リング５６に溶接されることにより下方リング５６に固定されている。外側ベローズ組立体５２は好ましくは可撓性であり、正圧及び負圧がそれぞれ外側ポート４４に加えられると、ウェーハ４の上向き側部１０に実質的に垂直な方向に垂直方向に伸縮する。
【００２２】
下方リング５６は、外側ベローズ組立体５２が伸縮するとき、外側ベローズ組立体５２といっしょに実質的に垂直方向に動く。下方リングフランジ６０が、下方リング５６に設けられ、この下方リングフランジは、外側ハウジングフランジ２６に接触したりこれから離れる。好ましい実施形態では、外側ハウジングフランジ２６は、外側ベローズ組立体５２が延びることができる垂直方向距離を制限する。下方リング５６と一緒に外側ベローズ組立体５２と共に動く下方リングフランジ６０が外側ハウジングフランジ２６に接触すると、外側ベローズ組立体５２はそれ以上伸長することができない。
【００２３】
ウェーハ保持リング６２が、下方リング５６に取り付けられていて、下方リング５６から、ウェーハ４の上向き側部１０に実質的に垂直な下向きの方向に突出している。保持リング６２は好ましくは、プラスチック材料で作られ、ウェーハ４が、ウェーハを下降させて研磨面１８に接触させているときにウェーハがウェーハキャリヤヘッド２から分離するのを防止する。保持リング６２が下方リング５６から下方に突出する初期量は調節可能である。一実施形態では、所望の突出量が達成されるまで、下方リング５６と保持リング６２との間にシム６４を配置するのがよい。好ましくは、シムは、マイラー材料で作られる。保持リング６２は、外側ベローズ組立体５２及び下方リング５６と共に動き、外側ハウジングフランジ２６及び下方リングフランジ６０も又、保持リング６２の移動可能な垂直距離を制限する。
【００２４】
内側ポート室６６が好ましくは、内側ポート４６と流体連通関係をなしてこれに連結されており、内側ポートから正圧及び負圧力を受け入れる。内側ポート室６６は、頂部部材６８、側部部材７０及び底部部材７２を有している。内側ポート４６は好ましくは、内側ポート室６６の頂部部材６８によって構成された通路７４を介して内側ポート室６６と流体連通状態にある。好ましい実施形態では、側部通路７６が、側部部材７０から延びていて、少なくとも２つの下方通路７８が、底部部材７２から延びている。ただし、別の実施形態では、これとは異なる数面通路７６及び下方通路７８も又使用できる。
【００２５】
側部通路７６は、内側ポート室６６を内側ベローズ組立体８０に連結し、それにより正圧又は負圧力が内側ポート室６６から内側ベローズ組立体８０に移行できる。好ましい実施形態では、内側ベローズ組立体８０は、ウェーハ４の平面に実質的に垂直に差し向けられている。内側ベローズ組立体８０は、内側ベローズ組立体８０に望ましい長さが達成されるまで、成形リング５５を互いに溶接することによって作られる。内側ベローズ組立体８０の上方端部８２は、内側ベローズプレート３６に溶接され、内側ベローズ組立体８０の下方部分８６は、内側リング８４に溶接されている。内側ベローズ組立体８０は可撓性であり、正圧及び負圧がそれぞれ内側ポート４６から内側ポート室６６及び側部通路７６を通って移行すると、ウェーハ４の上向き側部１０に実質的に垂直な方向に垂直方向に伸縮する。
【００２６】
内側リング８４は好ましくは、下向きの底面８７及び内側リングフランジ８８を有する。内側リング８４は、内側ベローズ組立体８０と共に伸縮する。好ましい実施形態では、上方フランジ８０及び下方フランジ２８は、内側ベローズ組立体８０及び内側リング８４が伸縮できる垂直方向距離を制限する。内側リングフランジ８８が下方フランジ２８に接触すると、内側ベローズ組立体８０及び内側リング８４はそれ以上伸長できない。これと同様に、内側リングフランジ８８が上方フランジ３０に接触すると、内側ベローズ組立体８０及び内側リング８４はそれ以上収縮できない。
【００２７】
上述した内側リングフランジ８８と上方フランジ３０と下方フランジ２８の相互作用に代わる手段も又本発明の範囲に含まれる。例えば、内側ハウジング２２は、内側ハウジングフランジを有してもよく、内側リング８４は、上方フランジ及び下方フランジを有してもよい。下方リングの上方フランジと内側ハウジングフランジの接触により、内側リング８４及び内側ベローズ組立体８０が垂直方向に伸長できる距離が制限される。これと同様に、下方リングの下方フランジと内側ハウジングフランジの接触により、内側リング８４及び内側ベローズ組立体８０が垂直方向に収縮できる距離が制限される。他の実施形態では、フランジは、内側リング８４及び内側ハウジング２２の周囲の周りに不連続であってもよく、或いは互い違いになっていてもよい。
【００２８】
内側ポート室６６の下方通路７８により、内側ポート４６からの正圧及び負圧力をメンブレン９０及びギャップ９２に加えることができる。メンブレン９０は、外側部９６を備えた頂部フェース９４及び外側部９６と反対側の外側部１００を備えた底部フェース９８を有している。頂部フェース９４の外側部９６は、内側リング８４の下向き底面８７を覆った状態でこれに取り付けられている。好ましい実施形態では、外側部９６は、内側リング８４の底面８７に接着され、内側リング８４及び内側ベローズ組立体８０と共に伸縮する。メンブレンは好ましくは、エラストマーであって変形可能である。ギャップ９２は、メンブレン９０が非変形状態にあるとき、メンブレンの頂部フェース９４と内側ハウジング２２の下向きの壁２４との間に形成されている。ギャップ９２は、負圧力を内側ポート４６に働かせ、メンブレン９０の頂部フェース９４が内側ハウジング２２の下向き壁２４に封着するとなくなる。
【００２９】
上述のウェーハキャリヤヘッド２の実施形態の作用について以下に説明する。まず最初にウェーハ４をウェーハキャリヤヘッド２上に荷積みするため、ウェーハ取扱い機構１６は、ウェーハ４の下向き側部６を支持した状態でウェーハ４を搬送し、これを保持リング６２の内周部と整列させる。正圧を外側ベローズ組立体５２に及ぼし、それにより外側ベローズ組立体５２が伸長し、ついには下方リング５６の下方リングフランジ６０が外側ハウジングフランジ２６に接触するようにする。内側ポート４６から内側ベローズ組立体８０へは、正圧又は負圧を及ぼさない。
【００３０】
正圧を依然として外側ベローズ組立体５２に加えた状態で、ウェーハ取扱い機構１６は、ウェーハ４を上方に持ち上げ、ついにはウェーハ４の上向き側部１０がメンブレン９０に接触するようにする。ウェーハ取扱い機構１６は、ウェーハ４を上向き方向に押して、ついには内側リングフランジ８８が内側ハウジング２２の上方フランジ３０に接触するようにする。ウェーハ取扱い機構１６によってウェーハ４に及ぼされた上向きの力の結果として、ウェーハ４の上向き側部１０の外側部分１２とメンブレン９０の底部フェース９８の外側部１００との間には密封作用が働くことになる。
【００３１】
正圧を依然として外側ベローズ組立体５２に加えながら、ウェーハ取扱い機構１６が上向きの力を及ぼした状態で、負圧を内側ポート４６のところに導入する。負圧は、内側ポート室６６に入り、下方通路７８を経てギャップ９２内へ移る。負圧により、内側ベローズ組立体８０は収縮して上向きの力を内側リング８４に及ぼす。これにより、内側リングフランジ８８は、内側ハウジング２２の上方フランジ３０との接触状態を維持する。
【００３２】
図４に示すように、ギャップ９２内の負圧は、メンブレン９０を変形させ、これを上方に引き上げて内側ハウジング２２の下向きの壁２４に当て、隙間９２を無くす。ウェーハ４の外側部分１２はメンブレン９０に封着されているので、補助負圧１０２が結果的にメンブレン９０の残部とウェーハ４の残部との間に働き、ウェーハ４を定位置に保持する。次に、ウェーハ取扱い機構１６を取り出し、ウェーハキャリヤヘッド２を研磨領域に移動させ、研磨面１８の上方に位置決めする。
【００３３】
ウェーハキャリヤヘッド２を保持リング６２を研磨面１８に接触させる所定の位置まで下降させる。保持リング６２が研磨面１８に当接した状態で、負圧を除き、その代わりに正圧を内側ベローズ組立体８０に及ぼす。図５に示すように、内側ベローズ組立体８０は、伸長し、それにより上方フランジ３０と内側リングフランジ８８は互いに離れる。正圧により、補助負圧１０２が無くなり、それによりメンブレン９０はその非変形状態に戻る。ウェーハ４の上向き側部１０は、下向き壁２４にはもはや接触していない。ウェーハ４を下向きの方向に動かして、ついには下向き側部６が研磨面１８に接触するようにする。正圧により、メンブレン９０は一様な下向きの力をウェーハ４に及ぼす。
【００３４】
正圧によりいったんウェーハの下向き側部６が研磨面１８に接触すると、外側ベローズ組立体５２から正圧を抜き、その代わりに負圧を働かせる。外側ハウジングフランジ２６と下方リングフランジ６０は互いに離れ保持リング６２を上昇させて、ウェーハ４の下向き側部６が保持リング６２を越えて下方に突出するようにする。
【００３５】
ウェーハの下向き側部６が保持リング６２を越えて突出する量は、ウェーハ露呈（wafer reveal）とも呼ばれている。ウェーハ露呈の最大量は好ましくは、保持リング６２が完全上昇位置にあるとき、即ち外側ベローズ組立体５２をいっぱいまで収縮させたときにウェーハ４の下向き側部６が保持リング６２を越えて突出する量によって定められる。シム６４、例えばマイラーシムを補助リング６２の上に配置することにより、ウェーハ露呈の最大量が変化することになる。正圧及び（又は）負圧力を研磨中外側ベローズ組立体５２に加えることにより、補助リング６２の位置が変わり、それによりウェーハ露呈の量を可変にすることができる。
【００３６】
正圧を内側ベローズ組立体８０に加えることにより、研磨サイクル中、一定の下向き力がウェーハ４全体に加えられる。というのは、内側ベローズ組立体８０の平均直径は、ウェーハ４の直径と実質的に同一だからである。内側ベローズ組立体８０の平均直径は、内側ベローズ組立体８０の外径と内側ベローズ組立体８０の内径の平均値であり、平均直径は、正圧の働く有効領域である。内側リング８４の底面８７は、メンブレン９０の外側部９６がこれを覆った状態で、下向きの力をウェーハ４の上向き側部１０の外側部分１２に加え、この下向きの力は、メンブレン９０の残部によってウェーハ４の残部に加えられる下向きの力と同一である。同一の下向きの力がウェーハ４全体に加えられるので、一様な研磨作用がウェーハ４の下向き側部６全体に働く。
【００３７】
研磨サイクル中、ウェーハキャリヤヘッド２は、ジンバル動作を行うことができる。内側ベローズ組立体８０及び外側ベローズ組立体５２は、これらが可撓性なので、ウェーハキャリヤヘッド２と研磨面１８との相互の平行度の変化に順応することができる。研磨サイクル中の上方フランジ３０と内側リングフランジ８８との間の距離及び研磨サイクル中における外側ハウジングフランジ２６と下方リングフランジ６０との間の距離はウェーハキャリヤヘッドのジンバル動作許容度を定める。
【００３８】
図５を参照すると、研磨サイクルをいったん完了すると、ウェーハのアンロードシーケンスが始まる。負圧を内側ポート４６に導入する。負圧を内側ポート室６６内に導入し、負圧は、下方通路７８を経てギャップ９２内へ至る。負圧により、内側ベローズ組立体８０は収縮し、上向きの力を内側リング８４に及ぼす。図４に示すように、これにより、内側リングフランジ８８は内側ハウジング２２の上方フランジ３０に接触する。ギャップ９２内の負圧は、メンブレン９０を変形させ、これを上方に引き上げて内側ハウジング２２の下向きの壁２４に当て、隙間９２を無くす。
【００３９】
ウェーハ４の外側部分１２はメンブレン９０に封着されているので、補助負圧１０２が結果的にメンブレン９０の残部とウェーハ４の残部との間に働き、ウェーハ４を定位置に保持する。補助負圧１０２は、ウェーハ４を上方に引き上げ、保持リング６２がウェーハ４を越えて下方に突出するようにする。次に、ウェーハキャリヤヘッド２をアンロードステーションに搬送する。
【００４０】
図３に示すように、ウェーハ取扱い機構１６を保持リング６２に隣接して引き上げ、そしてこれを上昇させてウェーハ４に接触させ、上向きの力をウェーハ４に加える。次に、正圧を内側ポート４６のところに導入し、そして内側ポート室６６内へ導入する。側部通路７６を介して、正圧は内側ベローズ組立体８０内へ移行する。正圧も又、下方通路７８を通って移行し、補助負圧１０２を無くす。ウェーハ取扱い機構により加えられる上向きの力は、メンブレン９０がその非変形状態に戻るのを阻止する。
【００４１】
図２を参照すると、ウェーハ取扱い機構１６をウェーハ４から遠ざけて下降させる。ウェーハ取扱い機構１６を下降させると、今や非拘束状態のメンブレン９０が、その非変形状態に戻ることができ、ウェーハ４をウェーハキャリヤヘッド２からウェーハ取扱い機構１６上に押し出す。ウェーハキャリヤヘッド２は今や、研磨のために新しいウェーハを受け入れるため上述の方法を繰り返す準備ができている。
【００４２】
本発明の上述の実施形態の利点は、数多くある。例えば、一様な下向きの力をウェーハ４全体に加えるのでエッジエクスクルージョンの問題が最小限に抑えられる。エッジエクスクルージョンは、ウェーハ４の外側部分８がウェーハ４の残部と同程度の研磨作用を受けない場合に生じる。その結果として、利用可能な製造のための利用可能な領域が減少する。本明細書に記載したウェーハキャリヤヘッドは、ウェーハ４の外側部分８に、ウェーハ４の残部に加えられる下向きの力と同一の下向きの力を及ぼすことによりエッジエクスクルージョンを最小限に抑える。
【００４３】
もう１つの利点は、研磨スラリーがキャリヤヘッド２の下方通路７８に入らないことである。メンブレン９０が下方通路７８をスラリーから封止しているので、スラリーは、ウェーハキャリヤヘッド２に入ることができない。
【００４４】
また、調節可能なウェーハ保持リング６２を用いることにより、ウェーハ４をウェーハキャリヤヘッド２から滑り出させる恐れが最小限に抑えられる。保持リング６２は、正圧及び負圧力を外側ベローズ組立体５２に加えることにより調節される。保持リング６２が下方リング５６から突出する量を調節することにより、内側ベローズ組立体８０が正圧をウェーハ４に加えてこれを研磨面１８上に下降させているとき、ウェーハ４が保持リング６２からはみ出るのが防止される。調節可能なウェーハ保持リングを用いることにより、保持リング６２を研磨面１８に下降させることと、内側ベローズ組立体８６のところで圧力をメンブレン９０に及ぼしてウェーハ４を研磨面１８上に下降させることの相互のタイミングは重要では無くなる。
【００４５】
本発明の実施形態のもう１つの利点は、機械的なジンバル箇所が無くなることであり、これにより、モーメントアームが結果的に無くなることにあり、その理由は、有効ジンバル箇所がウェーハ４のところに位置することになるからである。モーメントアームを０にすることにより、キャリヤヘッド２がウェーハ４の外側部分１２に食い込みがちな量が減少することになる。この問題は、ウェーハキャリヤヘッド２に共通して見られることであり、これにより、ウェーハ４の外側部分８のところで得られるウェーハ除去速度がウェーハ４の残部のところで得られるウェーハ除去速度よりも高くなる。キャリヤヘッド２がウェーハ４に食い込む量は、モーメントアームの長さに正比例している。本発明の実施形態は、この量を最小限に抑える。というのは、機械的なジンバル箇所が無いことは、本発明と関連したモーメントアームが生じないことを意味するからである。
【００４６】
また、本明細書に記載したウェーハキャリヤヘッドの実施形態は、高強度プラスチックで構成された部品を用いている。本発明の好ましい実施形態では、外側ハウジング、内側ハウジング、内側ハウジング室及び保持リングを高強度プラスチックで作るのがよい。これにより、ウェーハキャリヤヘッドの総重量が減少するという追加の利点が得られる。
【００４７】
本明細書に記載した本発明の実施形態は現時点においては好ましい実施形態であると考えられるが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変形例および改造例を想到できる。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められ、文言上の意味及び均等範囲に属する全ての変形例は、本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施形態の斜視図である。
【図２】  図１の好ましい実施形態の断面正面図であり、ウェーハ取扱い機構によりウェーハキャリヤヘッドの下に支持されたウェーハを示す図である。
【図３】  第１の好ましい実施形態の正面断面図であり、ウェーハ取扱い機構により支持され、ウェーハキャリヤヘッドに接触した状態のウェーハを示す図である。
【図４】  図１の好ましい実施形態の正面断面図であり、研磨面上に下降されたウェーハキャリヤヘッドを示す図である。
【図５】  図１の好ましい実施形態の表面断面図であり、研磨面によって研磨され、ウェーハキャリヤヘッドによって保持されているウェーハを示す図である。
【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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