(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケミカルメカニカルポリシングシステムで使用するキャリヤヘッドであって、
ベースと、
前記ベースに結合されて第１チャンバ、第２チャンバ及び第３チャンバを画成する可撓部材であって、その下面が、前記第１チャンバに関連する内側部分と、前記内側部分を囲むとともに前記第２チャンバに関連する実質的に環状の中間部分と、前記中間部分を囲むとともに前記第３チャンバに関連する実質的に環状の外側部分とを有する基板受け面を提供し、それによって前記可撓部材の前記内側、中間、または外側部分のいずれかに対する圧力を独立して制御できるようにした、前記可撓部材と
を備え、
前記外側部分の幅が前記中間部分の幅よりも十分に小さいキャリヤヘッド。
【請求項２】
前記外側部分が、１００ｍｍにほぼ等しいかそれより大きい外径を有し、前記外側部分の幅が約４ｍｍ〜２０ｍｍである請求項１に記載のキャリヤヘッド。
【請求項３】
前記可撓部材の外側部分の幅が約１０ｍｍである請求項２に記載のキャリヤヘッド。
【請求項４】
前記可撓部材が、内側環状フラップ、中間環状フラップ、および外側環状フラップを有し、各前記フラップは前記ベースの下面に固定されて前記第１、第２、および第３チャンバを画成する請求項１に記載のキャリヤヘッド。
【請求項５】
ケミカルメカニカルポリシングシステムで使用されるキャリヤヘッドセンブリであって、
ボアと、前記ボア内に配置されて、中央通路および前記中央通路を囲む少なくとも一つの環状通路を画成する少なくとも一つの円筒チューブとを有する駆動軸と、
前記駆動軸の下端に結合されたキャリヤヘッドであって、複数のチャンバを含み、各チャンバは前記通路の一つに結合されるようにした前記キャリヤヘッドと
を備えるキャリヤヘッドアセンブリ。
【請求項６】
前記駆動軸が、前記ボア内に配置されて３本の同心通路を画成する２本の同心チューブを有し、前記各通路が前記チャンバの一つに結合される請求項５に記載のキャリヤヘッドセンブリ。
【請求項７】
前記キャリヤヘッドが、ベースに結合されて第１チャンバ、第２チャンバ、および第３チャンバを画成する可撓部材を含む請求項５に記載のキャリヤヘッドセンブリ。
【請求項８】
更に、複数の圧力源と、前記駆動軸の上端に結合された回転ユニオンとを備え、前記回転ユニオンが複数の圧力源を前記複数の通路のそれぞれ一つに連結する請求項５に記載のキャリヤヘッドセンブリ。
【請求項９】
ケミカルメカニカルポリシングシステムで使用されるキャリヤヘッドであって、
第１、第２、および第３の独立加圧式チャンバと、
前記第１チャンバに関連して第１圧力を基板の中央部分に加える可撓内側部材と、
前記第２チャンバに関連するとともに前記内側部材を囲み、第２圧力を前記基板の中間部分に加える実質的に環状の可撓中間部材と、
前記第３チャンバに関連するとともに前記中間部材を囲み、第３圧力を前記基板の外側部分へ加える実質的に環状の可撓外側部材であって、前記中間部材よりも実質的に幅が狭い、前記可撓外側部材と
を備え、
前記内側部材、前記中間部材、および前記外側部材が可撓膜の一部である、
キャリヤヘッド。
【請求項１０】
ケミカルメカニカルポリシングシステムに使用されるキャリヤヘッド用の可撓膜であって、
円形のシートであって、基板受け外側面を有し、該シートの前記外側面と反対側に内側面を有する、該シートと、
前記シートに結合され、且つ、前記シートの前記外側面と反対側に設けられた複数の同心の環状フラップであって、前記シートの外側エッジから延びる外側フラップ、内側フラップ、及び、前記外側フラップと内側フラップの間に設けられた中間フラップを含む、該複数の同心の環状フラップと、
を備え、
前記円形のシートは、
前記内側フラップの内側の内側部分であって、基板の内側部分に第１圧力を加える、該内側部分と、
前記内側フラップと前記中間フラップの間の環状中間部分であって、前記基板の中間部分に第２圧力を加える、該環状中間部分と、
前記中間フラップと前記外側フラップの間の実質的に環状の外側部分であって、前記基板の外側部分に第３圧力を加える、該外側部分と、
を含み、
前記円形のシートの前記外側部分は、前記円形のシートの前記中間部分より狭い、
可撓膜。
【請求項１１】
前記円形のシートの前記内側部分は、円形である、請求項１０に記載の可撓膜。
【請求項１２】
前記可撓膜は、シリコーンゴムで構成されている、請求項１０に記載の可撓膜。
【請求項１３】
前記外側部分は、約４ｍｍ〜約２０ｍｍの幅を有する、請求項１０に記載の可撓膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、基板のケミカルメカニカルポリシングに関し、より詳細には、ケミカルメカニカルポリシングシステム用のキャリヤヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路は通常、導電層、半導電層または絶縁層の連続的な堆積によって、基板、特にシリコンウエハ上に形成される。各層が堆積された後、その層がエッチングされて回路の表面構造(features)が作られる。一連の層は連続的に堆積されてエッチングされるので、基板の外面または最上面、すなわち基板の露出面は次第に平坦性が失われる。この平坦性を失った外面は集積回路メーカーに一つの問題を提起する。基板の外面の平坦性が失われると、その上に置かれたフォトレジスト層も平坦性が失われる。フォトレジスト層は通常、フォトレジスト上に光画像の焦点を結ぶフォトリトグラフ装置によってパターン形成されている。基板の外面が充分に平坦性を失った場合、外面の山と谷の間の最大高度差は、画像装置の焦点深度を超えるかもしれないし、外側基板面上に正しく光画像の焦点を結ぶことが不可能になるだろう。
【０００３】
改善された焦点深度を持つ新フォトリトグラフ装置を設計するのは極めて高くつくだろう。更に、集積回路に用いられる表面構造のサイズが小さくなるに従って、より短い光波長を使用しなければならず、使用可能な焦点深度の更なる削減を招くことになる。
【０００４】
従って、基板表面を定期的に平坦化して実質的に平坦層表面を提供するニーズがある。
【０００５】
ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）は、一般的に是認された、平坦化の一方法である。この平坦化方法は通常、基板をキャリヤまたは研磨パッドに取り付けることを要求する。基板の露出面は、従って、回転する研磨パッドに接して配置される。キャリヤは制御可能な負荷、すなわち圧力を基板に対して提供して、基板を研磨パッドに押し付ける。更に、キャリヤは、基板と研磨パッド間の追加の動きを与えるために回転してもよい。研磨剤と少なくとも一つの化学的反応剤とを含む研磨スラリを研磨パッド上に散布して、研磨性の化学溶液をパッドと基板間の境界面に供給してもよい。
【０００６】
ＣＭＰプロセスはかなり複雑で、簡単なウェットサンディングとは異なる。ＣＭＰプロセスでは、スラリ中の反応剤が基板の外面と反応して反応サイトを形成する。この反応サイトに対する研磨パッドと砥粒の相互作用が研磨をもたらす。
【０００７】
効果的なＣＭＰプロセスは高い研磨レートを持たなければならないし、仕上げられて（小規模の粗さがない）平らな（大規模なトポグラフィーがない）基板表面を作り出さなければならない。研磨レート、仕上げおよび平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッド間の相対速度、および基板をパッドに押し付ける力によって決定される。不十分な平坦度と仕上げは不良基板を作ることがあるので、研磨パッドとスラリの組合せの選択は通常、要求される仕上げと平坦度によって決まる。これらの制約を条件として、研磨レートがその研磨装置の最大スループットを設定する。
【０００８】
研磨レートは、基板がパッドに押し付けられる力に依存する。具体的には、この力が大きいほど、研磨レートは大きくなる。キャリヤヘッドが不均一な負荷を加えた場合、すなわちキャリヤヘッドが基板の或る領域に対して別の領域よりも大きな力を加えた場合、その高圧領域は低圧領域よりも早く研磨されるだろう。従って、不均一な負荷は基板の不均一な研磨をもたらすかもしれない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＭＰで遭遇している一つの問題は、基板のエッジが基板の中心部よりもしばしば異なるレート（通常はより早いが、ときにはより遅いこともある）で研磨されることである。この問題は「エッジ効果」と呼ばれ、負荷が基板に均一に加えられる場合でも発生することがある。エッジ効果は通常、基板の周辺部分、例えば、基板の最も外側の５ないし１０ミリメートルで発生する。エッジ効果は基板の総合的平坦度を減少させ、基板の周辺部分を集積回路での使用に不向きにし、歩留まりを減少させる。
【００１０】
従って、研磨スループットを最適化すると同時に所望の平坦度と仕上げを提供するＣＭＰ装置に対するニーズが存在する。具体的には、ＣＭＰ装置は、実質的に均一な基板の研磨を提供するキャリヤヘッドを持たなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一局面では、本発明は、ケミカルメカニカルポリシングシステムで使用されるキャリヤヘッドに向けられる。キャリヤヘッドはベースと、ベースに結合されて第１チャンバ、第２チャンバおよび第３チャンバを画成する可撓部材とを備えている。可撓部材の下面は、第１チャンバと関連する内側部分、その内側部分を囲むとともに第２チャンバに関連する実質的に環状の中間部分、およびその中間部分を囲むとともに第３チャンバに関連する実質的に環状の外側部分を持った基板受け面を提供する。可撓部材の内側、中間、および外側部分に対する圧力は独立に制御できる。
【００１２】
本発明の実施例は下記を含んでもよい。外側部分の幅は中間部分の幅よりも明らかに小さくする。外側部分は１００ｍｍにほぼ等しいかそれ以上、例えば１５０ｍｍの外径を持ち、外側部分の幅は約４ｍｍと２０ｍｍの間、例えば１０ｍｍとする。可撓部材は内側環状フラップ、中間環状フラップ、および外側環状フラップを含み、各フラップはベースの下面に固定されて第１、第２および第３チャンバを画成する。
【００１３】
別の局面では、キャリヤヘッドは、駆動軸に取り付けられたフランジ、ベース、フランジをベースにピボット式に結合するジンバル、およびベースに結合されるとともにチャンバを画成する可撓部材を備えている。可撓部材の下面は基板受け面を提供する。ジンバルは、ベースに結合された内側レース、フランジに結合されてその間に隙間を画成する外側レース、および隙間内に配置された複数のベアリングを含む。
【００１４】
本発明の実施例は下記を含んでもよい。スプリングが内側レースと外側レースを付勢してベアリングと接触させ、環状リテーナがベアリングを保持する。複数のピンはフランジ部分の通路を通って垂直に延びて、各ピンの上端が駆動軸の凹部にはまるとともに各ピンの下端がベース部分の凹部にはまって駆動軸からのトルクをベースに伝達するようにする。保持リングをベースに結合して、基板受け面と共に、基板受け凹部を画成するようにする。
【００１５】
別の局面では、本発明はケミカルメカニカルポリシングシステムで使用されるアセンブリに向けられる。アセンブリは、駆動軸、駆動軸に摺動可能に結合されたカップリング、駆動軸の下端に固定されて駆動軸と共に回転するキャリヤヘッド、駆動軸の上端に連結されて駆動軸とキャリヤヘッドの垂直位置を制御する垂直アクチュエータ、およびカップリングに連結されてカップリングを回転させ、トルクを駆動軸に伝達するモータを備えている。
【００１６】
本発明の実施例は下記を含んでもよい。駆動軸は駆動軸ハウジングを通って延びて、垂直アクチュエータとモータとは駆動軸ハウジングに固定される。カップリングは、駆動軸の上端を囲む上部回転リングと駆動軸の下端を囲む下部回転リング、ならびに上部回転リングを駆動軸ハウジングに結合する第１ベアリングと下部回転リングを駆動軸ハウジングに結合する第２ベアリングを含んでいてもよい。上部と下部の回転リングはスプラインナットで、駆動軸はスプラインシャフトであってもよい。
【００１７】
別の局面では、本発明は、駆動軸、駆動軸の上端を横方向に固定する第１ボールベアリングアセンブリ、駆動軸の下端を横方向に固定する第２ボールベアリングアセンブリ、および駆動軸の下端にジンバルによって結合されるキャリヤヘッドを備えた、ケミカルメカニカルポリシングシステムで使用されるキャリヤヘッドアセンブリに向けられる。ジンバルは、キャリヤヘッドが駆動軸に対してピボット回転できるようにする。第１ボールベアリングアセンブリと第２ボールベアリングアセンブリ間の距離は、ジンバルを介して伝達される横方向力が駆動軸を実質的にピボット回転させないように充分離れている。
【００１８】
別の局面では、キャリヤヘッドアセンブリは、駆動軸と、駆動軸の下端に結合されたキャリヤヘッドとを備えている。駆動軸は、ボアと、ボア内に配置されて中央通路および中央通路を囲む少なくとも一つの環状通路を画成する少なくとも一つの円筒チューブとを含む。キャリヤヘッドは複数のチャンバを含み、各チャンバは通路の一つに結合されている。
【００１９】
本発明の実施例は下記を含んでいてもよい。駆動軸はボア内に配置されて３つの同心の通路を画成する２つの同心チューブを含み、各通路はチャンバの一つに結合されている。回転ユニオンは、複数の圧力源を複数の通路のそれぞれ一つに連結してもよい。
【００２０】
別の局面では、本発明は、第１、第２および第３の独立加圧式チャンバ、第１チャンバに関連して第１圧力を基板の中央部分に加える可撓内側部材、第２チャンバに関連するとともに内側部材を囲んで第２圧力を基板の中間部分に加える実質的に環状の可撓中間部材、および第３チャンバに関連するとともに中間部材を囲んで第３圧力を基板の外側部分に加える実質的に環状の可撓外側部材を備えたキャリヤヘッドに向けられる。外側部材は中間部材よりも実質的に幅が狭い。
【００２１】
本発明の利点は下記を含む。キャリヤヘッドは制御可能な負荷を基板の異なる部分に加えて研磨を均一に改善する。キャリヤヘッドは基板を真空チャックしてそれを研磨パッドから離して持ち上げることができる。キャリヤヘッドは少数の可動部品しか含まないので、小型で、整備が容易である。
【００２２】
本発明のその他の利点と特徴は、図面および請求の範囲を含めて下記の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、ケミカルメカニカルポリシング装置の概略分解斜視図である。
【図２Ａ】図１のカルーセルの概略上面図で、上部ハウジングを取り外した状態である。
【図２Ｂ】カルーセル支持プレートの上に配置されたキャリヤヘッドアセンブリの要部の概略分解斜視図である。
【図３】図３は、一部は図２Ａの３−３線に沿ったキャリヤヘッドアセンブリの断面図で、一部はＣＭＰ装置で使用されるポンプの概略説明である。
【図４】図４は、図３の４−４線に沿った概略断面図である。
【図５】図５は、本発明のキャリヤヘッドの拡大図である。
【図６】図６は、本発明のキャリヤヘッドの概略底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１によれば、一個以上の基板１０がケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）装置２０によって研磨される。ＣＭＰ装置２０の完全な説明は、１９９６年１０月２７日出願の、Perlov他による米国特許出願第08/549,336号、発明の名称「ケミカルメカニカルポリシングのための連続加工システム」（本発明の譲受人に譲渡済）に記載されており、同出願のすべての開示は引用によって本明細書に組み込まれている。
【００２５】
ＣＭＰ装置２０は、テーブルトップ２３が取り付けられた下部機械ベース２２と、取り外し可能な上部外側カバー（図示せず）とを含む。テーブルトップ２３は、一連の研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、および移動ステーション２７を支持する。移動ステーション２７は、３つの研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃを持ったほぼ正方形の構成を形成する。移動ステーション２７は、個々の基板１０を装填装置（図示せず）から受け取ること、基板を洗浄すること、基板をキャリヤヘッドに載せること（以下に説明する）、基板をキャリヤヘッドから受け取ること、基板を再び洗浄すること、および最後に基板を装填装置に送り返すこと、といった多数の機能を果たす。
【００２６】
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは研磨パッド３２を載せるための回転式プラテン３０を含む。基板１０が直径８インチ（２００ｍｍ）のディスクの場合、プラテン３０と研磨パッド３２は直径が約２０インチになるだろう。プラテン３０は、ステンレス鋼のプラテン駆動軸（図示せず）によってプラテン駆動モータ（これも図示せず）に結合された回転式のアルミニウムまたはステンレス鋼プレートでよい。大部分の研磨工程では、駆動モータはプラテン３０を約３０ないし２００ｒｐｍで回転させるが、より低い回転速度でも、より高い速度でも使用できる。
【００２７】
研磨パッド３２は凹凸のある研磨面を持つ複合材料でよい。研磨パッド３２は感圧接着剤層によってプラテン３０に取り付けてもよい。研磨パッド３２は厚さ５０ミルの硬い上部層と厚さ５０ミルの軟らかい下部層とを持ってもよい。上部層は増量剤を混合したポリウレタンでよい。下部層はウレタンで浸した圧縮フェルト繊維から構成してもよい。上部層はＩＣ−１０００からなり、下部層はＳＵＢＡ−４からなる通常の２層研磨パッドが、デラウェア州ニューアークにあるRodel, Inc.から入手できる（ＩＣ−１０００およびＳＵＢＡ−４はRodel, Inc.の製品名である）。
【００２８】
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは更に、関連パッドコンディショナ装置４０を含む。各パッドコンディショナ装置４０は回転式アーム４２を持ち、独立回転式コンディショナヘッド４４と関連洗浄盤４６とを保持する。コンディショナ装置４０は、回転中にそれに押し付けられたすべての基板を効果的に研磨するように、研磨パッドの状態を維持する。
【００２９】
反応剤（例えば、酸化研磨用の脱イオン水）、砥粒（例えば、酸化研磨用の二酸化珪素）および化学反応触媒（例えば、酸化研磨用の水酸化カリウム）を含むスラリ５０は、プラテン３０の中心部のスラリ供給ポート５２によって研磨パッド３２の表面に供給される。充分なスラリを供給して、研磨パッド３２全体を覆って湿らせる。オプションの中間洗浄ステーション５５ａ、５５ｂ、５５ｃを近くの研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび移動ステーション２７の間に配置してもよい。洗浄ステーションを設けて、基板が研磨ステーションから研磨ステーションへと通過するにつれて基板をリンスするようにする。
【００３０】
回転式マルチヘッドカルーセル６０は、下部機械ベース２２の上に配置される。カルーセル６０は中央ポスト６２によって支持され、ベース２２内に配置されたカルーセルモータアセンブリによってカルーセル軸６４のまわりにポストの上で回動する。中央ポスト６２はカルーセル支持プレート６６とカバー６８とを支持する。カルーセル６０は４つのキャリヤヘッドアセンブリ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを含む。キャリヤヘッドアセンブリの内の３つは基板を受けて保持し、研磨ステーション２５ａ〜２５ｃのプラテン３０上でそれらを研磨パッド３２に押し付けることによって研磨する。キャリヤヘッドアセンブリの中の一つは移動ステーション２７から基板を受け取って、それを移動テーブル２７に渡す。
【００３１】
４つのキャリヤヘッドアセンブリ７０ａ〜７０ｄは、カルーセル支持プレート６６の上に、カルーセル軸のまわりに等角度間隔で取り付けられる。中心ポスト６２によってカルーセルモータはカルーセル支持プレート６６を回転させるとともに、キャリヤヘッドシステム７０ａ〜７０ｄとそれらに取り付けられた基板とをカルーセル軸６４のまわりに旋回させることができる。
【００３２】
各キャリヤヘッドシステム７０ａ〜７０ｄは、キャリヤヘッド２００、３つの空気圧アクチュエータ７４（図２Ａ、２Ｂ参照）、およびキャリヤモータ７６（カバー６８と空気圧アクチュエータ７４の１／４を取り外すことによって示される）を含む。各キャリヤヘッド２００はそれ自体の軸のまわりに独立に回転し、半径方向スロット７２の中で独立に横方向に振動する。カルーセル支持プレート６６には４つの半径方向スロット７２があり、ほぼ半径方向に延びて９０°間隔で配置される。各キャリヤ駆動モータ７６は、半径方向スロット７２を通ってキャリヤヘッド２００まで延びるキャリヤ駆動軸アセンブリ７８に結合される。各ヘッドに対して一つずつのキャリヤ駆動軸アセンブリとモータがある。
【００３３】
実際の研磨中、キャリヤヘッドの中の３つ、例えば、キャリヤヘッドアセンブリ７０ａ〜７０ｃのキャリヤヘッドがそれぞれの研磨ステーション２５ａ〜２５ｃの位置で、その上方に配置される。空気圧アクチュエータはキャリヤヘッド２００とそれに取り付けられた基板とを下降させて研磨パッド３２に接触させる。スラリ５０は基板ウエハのケミカルメカニカルポリシング用の触媒として働く。一般に、キャリヤヘッド２００は基板を研磨パッドに接して保持して、基板の背面全体に下向きの圧力を均等に分配する。キャリヤヘッドはまた、駆動軸アセンブリ７８から基板までトルクを伝達して、研磨中、基板がキャリヤヘッドの下から決して外れないようにする。
【００３４】
カルーセル６０のカバー６８を取り除いた図２Ａによれば、カルーセル支持プレート６６は４つの支持スライド８０を支持する。カルーセル支持プレート６６に固定された２本のレール８２が各スロット７４を挟んで配置される。各スライド８０は２本のレール８２の上に跨がって、スライド８０が関連する半径方向スロット７２に沿って自由に動けるようにする。
【００３５】
レール８２の一本の外側端に固定されたベアリング止め８４は、スライド８０が偶発的にレールの端部から抜け落ちるのを防止する。各スライド８０は、図示されないねじ付キャビティ、またはスライドにその遠方端近くで固定されるナットを含む。ねじ付キャビティまたはナットには、カルーセル支持プレート６６に取り付けられたスライド半径方向振動モータ８８によって駆動されるウォームギヤの親ねじ８６がはまっている。モータ８８がその親ねじ８６を回転させると、スライド８０は半径方向に動く。４つのモータ８８を独立に作動させて、４つのスライド８０を半径方向スロット７２に沿って独立に動かすことができる。
【００３６】
図２Ａ、２Ｂによれば、３つの空気圧アクチュエータ７４が各スライド８０に取り付けられる。３つの空気圧アクチュエータ７４はアーム１３０（図２Ａに想像線で示す）によってキャリヤ駆動軸アセンブリ７８に結合される。各空気圧アクチュエータ７４はアーム１３０のコーナーの垂直位置を制御する。空気圧アクチュエータ７４は共通の制御システムに結合されて同一の垂直運動を受けるので、アーム１３０は実質的に水平な位置を保つ。
【００３７】
図３によれば、各キャリヤヘッドアセンブリ７０ａ〜７０ｄは、前述のキャリヤヘッド２００、空気圧アクチュエータ７４（断面図のために１個のみを図示）、キャリヤモータ７６、および駆動軸アセンブリ７８を含む。駆動軸アセンブリ７８は、スプラインシャフト９２、上部スプラインナット９４、下部スプラインナット９６、およびアダプタフランジ１５０を含む。各キャリヤヘッドアセンブリ７０ａ〜７０ｄは更に、駆動軸ハウジング９０を含む。キャリヤモータ７６は駆動軸ハウジング９０に固定してもよいし、空気圧アクチュエータ７４と駆動軸ハウジング９０とをスライド８０に固定してもよい。その他に、キャリヤモータ７６、空気圧アクチュエータ７４、および駆動軸ハウジング７０をキャリヤ支持プレート（図示せず）に固定してもよいし、キャリヤ支持プレートをスライド８０に取り付けてもよい。駆動軸ハウジング９０は一対の上部ボールベアリング１００、１０２によって上部スプラインナット９４を保持する。同様に、下部スプラインナット９６が一対の下部ボールベアリング１０４、１０６によって保持される。ボールベアリングによって、スプラインシャフト９２と、スプラインナット９４、９６は、スプラインナット９６、９４を垂直固定位置に保ちながら、駆動軸ハウジング９０に対して回転することができる。円筒チューブ１０８をボールベアリング１０２と１０４の間に配置して、上部スプラインナット９４を下部スプラインナット９６に結合してもよい。スプラインシャフト９２はスプラインナット９４、９６を貫通して、キャリヤヘッド２００を支持する。スプラインナット９４と９６はスプラインシャフト９２を横方向固定位置に保持するが、スプラインシャフト９２の垂直方向の摺動を許す。アダプタフランジ１５０はスプラインシャフト９２の下端に固定される。上部ボールベアリング１００、１０２と下部ボールベアリング１０４、１０６間の距離は、スプラインシャフトがキャリヤヘッドから加えられた側方負荷によってピボット回転するのを実質的に防止するように充分離れている。更に、ボールベアリングが低摩擦の回転連結を提供する。組み合わされて、ボールベアリングとスプラインシャフトとは、スプラインナットが側方負荷によって駆動軸ハウジングに摩擦的に「固着」するのを防止するのに役立つ。
【００３８】
図４によれば、スプラインシャフト９２の外側円筒面１１０は、スプラインナット９６の内側円筒面の対応する凹部１１６にはまる３つ以上の突起またはタブ１１２を含む。かくして、スプラインシャフト９２は回転式に固定されるが、スプラインナット９６に対して垂直方向に自由に動くことができる。適当なスプラインシャフトアセンブリは、日本の東京に所在するTHK Company, Limitedから入手できる。
【００３９】
図３に戻って説明すると、第１ギヤ１２０は、駆動軸ハウジング９０の上に突出した上部スプラインナット９４の一部に結合される。第２ギヤ１２２はキャリヤモータ７６によって駆動されて、第１ギヤ１２０と噛み合わされる。かくして、キャリヤモータ７６は第２ギヤを駆動し、第２ギヤは第１ギヤ１２０を駆動し、第１ギヤは上部スプラインナット９４を駆動し、上部スプラインナットは次に、スプラインシャフト９２とキャリヤヘッド２００を駆動することができる。ギヤ１２０と１２２をハウジング１２４で囲んで、それらをスラリその他の、ケミカルメカニカルポリシング装置からの汚染物質から保護することができる。
【００４０】
キャリヤモータ７６は駆動軸ハウジング９０またはキャリヤ支持プレートに取り付けることができる。キャリヤモータ７６はカルーセル支持プレート６６（図２Ｂ参照）のアパーチャを通って延びていてもよい。利用可能なスペースを最大に利用して研磨装置のサイズを減少させるために、キャリヤモータ７６を半径方向スロット７２内で駆動軸アセンブリ７８に隣接して配置することが有利である。スプラインガード１２６をカルーセル支持プレート６６の下側に結合して、スラリがキャリヤモータ７６を汚染しないようにしてもよい。
【００４１】
アーム１３０はスプラインシャフト９２に結合される。アーム１３０は、円形アパーチャ１３６を含み、スプラインシャフト９２は上部スプラインナット９４の上に、アーム１３０のアパーチャ１３６を通って突出する。アーム１３０は上部リングベアリング１３２と下部リングベアリング１４３でスプラインシャフト９２を保持する。リングベアリング１３２と１３４の内側レースは、スプラインシャフト９２に固定され、リングベアリングの外側レースはアーム１３０に固定される。かくして、空気圧アクチュエータ７４が、アーム１３０を上昇または下降させると、スプラインシャフト９２とキャリヤヘッド２００は、同様の動きを受ける。研磨パッド３２の表面に接して基板１０に負荷をかけるために、空気圧アクチュエータ７４は、基板が研磨パッドに押し付けられるまで、キャリヤヘッド２００を下降させる。空気圧アクチュエータ７４は、研磨ステーション２５ａ〜２５ｃと移動ステーション２７の間で基板が移動する間、研磨パッド３２から離して持ち上げられるように、キャリヤヘッド２００の垂直位置も制御する。
【００４２】
基板は通常、主研磨ステップに続く仕上げ研磨ステップを含めて、多数の研磨ステップを受ける。通常はステーション２５ａで行われる主研磨ステップでは、研磨装置は約４ないし１０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の力を基板に加えることができる。その後のステーションでは、研磨装置は同程度の力が加えられる。例えば、通常はステーション２５ｃで行われる仕上げ研磨ステップでは、キャリヤヘッド２００は約３ｐｓｉの力を加えることができる。キャリヤモータ７６はキャリヤヘッド２００を約３０ないし２００ｒｐｍで回転させる。プラテン３０とキャリヤヘッド２００は実質的に同一速度で回転してもよい。
【００４３】
図３、４によれば、ボア１４２はスプラインシャフト９２の長さ全体に形成される。２つの円筒チューブ１４４ａ、１４４ｂはボア１４２内に配置されて、例えば、３つの同心円筒チャネルを作る。かくして、スプラインシャフト９２は、例えば外側チャネル１４０ａ、中間チャネル１４０ｂ、および内側チャネル１４０ｃを含むことができる。各種ストラットまたはクロスピース（図示せず）を使って、チューブ１４４ａと１４４ｂとをボア１４２の内部に適切に保持できる。スプラインシャフト９２の上部の回転カップリング１４６は、３つの流体管路１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃを３つのチャネル１４０ａ、１４０ｂ、１４９ｃにそれぞれ連結する。３つのポンプ１４９ａ、１４９ｂ、１４９ｃを流体管路１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにそれぞれ結合してもよい。チャネル１４０ａ〜１４０ｃとポンプ１４９ａ〜１４９ｃを用いて、以下に、より詳しく説明するように、キャリヤヘッド２００に空気圧を供給するとともに、基板をキャリヤヘッド２００の底部に真空チャックしてもよい。
【００４４】
図５によれば、アダプタフランジ１５０はスプラインシャフト９２の底部に取り外し可能に結合されている。アダプタフランジ１５０は、ベース１５２と円形壁１５４とを有するほぼ椀状の本体である。３つの通路１５６ａ〜１５６ｃ（通路１５６ａはこの断面図で想像線で示す）はアダプタフランジ１５０のベース１５２の上面１５８から下面１６０まで延びる。ベース１５２の上面１５８は円形凹所１６２を含み、その下面は下部ハブ部分１６４を含んでもよい。スプラインシャフト９２の最下端は円形凹所１６２にはまっている。
【００４５】
ほぼ環状のコネクタフランジ１７０をスプラインシャフト９２の下部に結合してもよい。コネクタフランジ１７０は２つの通路１７２ａと１７２ｂ（通路１７２ｂはこの断面図で想像線で示す）を含む。２つの水平通路１７４ａと１７４ｂはスプラインシャフト９２を通って延びて、チャネル１４０ａと１４０ｂとを通路１７２ａと１７２ｂに結合する。
【００４６】
アダプタフランジ１５０をスプラインシャフト９２に結合するために、３本のダウエルピン１８０（断面図のために一本のみを図示）がアダプタフランジ１５０の上面１５８の合わせ凹部１８２に挿入される。次に、アダプタフランジ１５０を持ち上げて、ダウエルピン１８０がコネクタフランジ１７０の合わせ受け凹部１８４にはまるようにする。これが、通路１７２ａと１７２ｂを通路１５６ａと１５６ｂにそれぞれ円周方向に整合させるとともに、チャネル１４０ｃを通路１５６ｃに整合させる。アダプタフランジ１５０を次に、ねじ（図示せず）でコネクタフランジ１７０に固定してもよい。
【００４７】
アダプタフランジ１５０の円形壁１５４は、スラリがスプラインシャフト９２と接触しないようにする。フランジ１９０を駆動軸ハウジング９０に結合し、円形壁１５４はフランジ１９０と駆動軸ハウジング９０間の隙間１９２に突出してもよい。
【００４８】
キャリヤヘッド２００はハウジングフランジ２０２、キャリヤベース２０４、ジンバル機構２０６、保持リング２０８、および可撓膜２１０を含む。ハウジングフランジ２０２は駆動軸アセンブリ７２の底部でアダプタフランジ１５０に結合される。キャリヤベース２０４はジンバル機構２０６によってハウジングフランジ２０２にピボット式に結合される。キャリヤベース２０４はまた、アダプタフランジ１５０に結合されて、研磨パッド３２の表面に実質的に垂直な回転軸のまわりにそれと一緒に回転するようにする。可撓膜２１０はキャリヤベース２０４に結合されるとともに、円形中央チャンバ２１２、中央チャンバ２１２を囲む環状中間チャンバ２１４、および環状中間チャンバ２１４を囲む環状外側チャンバ２１６を含む３つのチャンバを画成する。チャンバ２１２、２１４、２１６の加圧は、研磨パッド３２に対する基板の下向きの圧力を制御する。これらの要素のそれぞれについて、以下に更に詳しく説明する。
【００４９】
ハウジングフランジ２０２は形状がほぼ環状で、アダプタフランジ１５０とほぼ同一の直径を持ってもよい。ハウジングフランジ２０２は、キャリヤヘッド２００の回転軸のまわりに等角度間隔で形成された３つの垂直通路２２０（断面図のためにその一つのみを図示）を含む。ハウジングフランジ２０２はねじ付円筒ネック２６０を持ってもよい。
【００５０】
キャリヤベース２０４はハウジングフランジ２０２の下に配置されたほぼ円板状の本体である。キャリヤベース２０４の直径は、研磨される基板の直径よりもやや大きい。キャリヤベース２０４の上面２２２は、環状リム２２４、環状凹部２２６、および凹部２２６の中心部に配置されるタレット２２８を含む。キャリヤベース２０４の底面２３０は、中間チャンバ２１４のエッジを画成する環状外側凹所２３２を含む。キャリヤベース２０４の底面２３０はまた、内側チャンバ２１２の天井を画成する浅い環状内側凹所２３４を含む。
【００５１】
キャリヤベース２０４はまた、タレット２２８の上面２３８から下面２３０まで延びる３つの通路２３６ａ〜２３６ｃ（２３６ａはこの断面図で想像線で示す）を含む。Ｏリング２３９が上面２３８の凹部に挿入されて３つの通路２３６ａ〜２３６ｃを囲み、キャリヤヘッド２００がアダプタフランジ１５０に結合されたときにその通路をシールするようにする。
【００５２】
前述のように、キャリヤベース２０４はジンバル機構２０６によってハウジングフランジ２０２に結合される。ジンバル機構２０６によって、キャリヤベース２０４はハウジングフランジ２０２に対してピボット回転できるようになるので、キャリヤベース２０４は研磨パッドの表面に実質的に平行な状態を保つことができる。具体的には、ジンバル機構は、キャリヤベース２０４が研磨パッド３２と基板１０間の境界面上の一点のまわりに回転できるようにする。しかしながら、ジンバル機構２０６はスプラインシャフト９２の下にキャリヤベースを保持して、キャリヤベース２０４が横方向、すなわち研磨パッド３２の表面に平行に動くことを防止する。ジンバル機構２０６はまた、スプラインシャフト９２からキャリヤベース２０４への下向きの圧力を伝達する。更に、ジンバル機構２０６は任意の側方負荷、例えば基板と研磨パッド３２間の摩擦によって生じた剪断力をハウジングフランジ２０２と駆動軸アセンブリ７８に伝達することができる。
【００５３】
内方突出リップ２４２を持つ環状バイアスフランジ２４０はキャリヤベース２０４に固定される。バイアスフランジ２４０は環状凹部２２６内のキャリヤベース２０４にボルト締めしてもよい。
【００５４】
ジンバル機構２０６は内側レース２５０、外側レース２５２、リテーナ２５４、および多数のボールベアリング２５６を含む。１２個のボールベアリング２５６があるが、この断面図では２個のみ図示される。内側レース２５０はキャリヤベース２０４に固定されるか、その一部として形成され、タレット２２８に隣接する凹部２２６内に配置される。外側レース２５２はハウジングフランジ２０２に固定されるか、その一部として形成され、バイアスフランジ２４０の内方突出リップ２４２の下に延びる外方突出リップ２５８を含む。環状スプリングワッシャ２４４が内方突出リップ２４２と外方突出リップ２５８の間の隙間にはまっている。ワッシャ２４４は内側レース２５０と外側レース２５２を付勢してボールベアリング２５２と接触させる。リテーナ２５４は複数の円形アパーチャを有するほぼ環状の本体である。ボールベアリング２５６はリテーナ２５４のアパーチャにはまって、内側レース２５０と外側レース２５２間の隙間に適切に保持される。
【００５５】
キャリヤヘッド２００をアダプタフランジ１５０に結合するために、３本の垂直トルク伝達ピン２６２（その一本のみをこの断面図に示す）は、ハウジングフランジ２０２の通路２２０を通って、キャリヤベース２０４またはバイアスフランジ２４０の３つの受け凹部２６２に挿入される。次に、キャリヤヘッド２００を持ち上げることによって、垂直トルク伝達ピン２６２はアダプタフランジ１５０内の３つの受け凹部２６６にはめられる。これが、アダプタフランジ１５０の通路１５６ａ〜１５６ｃを通路２３６ａ〜２３６ｃにそれぞれ整合させる。アダプタフランジ１５０の下部ハブ１７８はタレット２２８の上面２３９と接触する。最後に、ねじ付周辺ナット２６８が、アダプタフランジ１５０のエッジ２６９にはまって、ハウジングフランジ２０２のねじ付ネック２６０にねじ込まれ、キャリヤヘッド２００をアダプタフランジ１５０と、従って、駆動軸アセンブリ７８にしっかり固定する。キャリヤベース２０４のリム２２４は周辺ナット２６８の下面の環状凹部２５９にはまってもよい。これは、制限された経路を作り、その経路によって、スラリがジンバル機構２０６またはスプリングワッシャ２４４を汚染しないようにする。
【００５６】
保持リング２０８をキャリヤベース２０４の外側エッジで固定してもよい。保持リング２０８は、実質的に平らな底面２７０を有するほぼ環状のリングである。空気圧アクチュエータ７４がキャリヤヘッド２００を下降させると、保持リング２０８は研磨パッド３２と接触する。保持リング２０８の内面２７２は、可撓膜２１０の底面と共に、基板受け凹部２７４を画成する。保持リング２０８は、基板が基板受け凹部２７４から逃げないようにするとともに、横方向負荷を基板からキャリヤベース２０４に伝達する。
【００５７】
保持リング２０８は硬質プラスチックまたはセラミック材料で製作してもよい。保持リング２０８はキャリヤベース２０４に、例えば、保持ピース２０６によって固定してもよい。保持ピースは、例えば、キャリヤベース２０４にボルト２７８で固定される。
【００５８】
可撓膜２１０はキャリヤベース２０４に結合されて、その下に延びる。可撓膜２１０の底面は基板受け面２８０を提供する。ベース２０４と共に、可撓膜２１０は中央チャンバ２１２、環状中間チャンバ２１４、および環状外側チャンバ２１６を画成する。可撓膜２１０は、高強度シリコンゴムなどの可撓性で弾性の材料から形成されたほぼ円形のシートである。基板裏当て膜２１０は内側環状フラップ２８２ａ、中間環状プラップ２８２ｂ、および外側環状フラップ２８２ｃを含む。フラップ２８２ａ〜２８２ｃはほぼ同心に配置される。フラップ２８２ａ〜２８２ｃは３つの独立した可撓膜を積み重ねるとともに、各膜の外側環状部分を自由に保つように、それらの膜の中央部分を接着することによって形成してもよい。その他に、可撓膜２１０全体を単一部品として押出加工してもよい。
【００５９】
環状下部フランジ２８４はキャリヤベース２０４の底面２３０上の凹所２３２内に固定してもよい。下部フランジ２８４はその上面に、内側環状溝２８６と外側環状溝２８７とを含む。通路２８８は下部フランジ２８２を通って延びて通路２３６ｂに結合してもよい。下部フランジ２８４はまた、その下面に環状窪み２８９を含んでもよい。内側フラップ２８２ａ、中間フラップ２８２ｂ、および外側フラップ２８２ｃはそれぞれ、突出する外側エッジ２９０ａ、２９０ｂ、２９０ｃを含んでもよい。可撓膜２１０をキャリヤベース２０４に固定するために、内側フラップ２８２ａを、その突出エッジ２９０ａが内側溝２８６にはまるように、下部フランジ２８４の内側エッジに巻き付け、中間フラップ２８２ｂを、その突出エッジ２９０ｂが外側溝２８７にはまるように、下部フランジ２８４の外側エッジに巻き付ける。次に、下部フランジ２８４は、キャリヤベース２０４の上面２２２から延びるねじ（図示せず）によって凹所２３２内に固定される。かくして、内側と中間のフラップ２８２ａと２８２ｂが下部フランジ２８４とキャリヤベース２０４の間にクランプされて、内側と中間のチャンバ２１２と２１４とをシールする。最後に、外側フラップ２８２ｃの外側エッジ２９０ｃが保持リング２０８とキャリヤベース２０４間にクランプされて外側チャンバ２１６をシールする。
【００６０】
ポンプ１４９ａ（図３参照）は、流体管路１４８ａ、回転カップリング１４６、スプラインシャフト９２内の内側チャネル１４０ａ、アダプタフランジ１５０内の通路（図示せず）、およびキャリヤベース２０４を通る通路２３６ｃ（図示せず）によって内側チャンバ２１２に結合してもよい。ポンプ１４９ｂは、流体管路１４８ｂ、回転カップリング１４６、中間チャネル１４０ｂ、アダプタフランジ１５０内の通路（図示せず）、キャリヤベース２０４内の通路２３６ｂ、および下部フランジ２８４内の通路２８８によって中間チャンバ２１４に結合してもよい。ポンプ１４９ｂｃは、流体管路１４８ｃ、回転カップリング１４６、外側チャネル１４０ｃ、アダプタフランジ１５０内の通路１５６ｃ、およびキャリヤベース２０４内の通路２３６ｃによって外側チャンバ２１６に結合してもよい。ポンプが流体、好ましくは空気などの気体をチャンバの一つに圧送した場合、そのチャンバの体積が増大して、可撓膜の一部が下方または外方に押し出される。他方、ポンプが流体をチャンバから減圧排気すると、チャンバの体積が減少して、可撓膜の一部は上方または内方に引き込まれる。
【００６１】
可撓膜２１０は、内側チャンバ２１２、中間チャンバ２１４、および外側チャンバ２１６の下にそれぞれ位置する円形内側部分２９２、環状中間部分２９４、および環状外側部分２９６を含んでもよい（図６参照）。かくして、チャンバ２１２、２１４、２１６内の圧力はそれぞれの可撓膜部分２９２、２９４、２９６によって加えられる下向きの圧力を制御できる。
【００６２】
可撓膜部分は異なる寸法を持ってもよい。エッジ効果の大部分は基板の最外部の６ないし８ミリで発生する。従って、環状外側膜部分２９６は、基板の中央および中間部分に加わる圧力から無関係の基板のエッジにおける狭いエッジ領域の圧力制御を提供するために、環状中間膜部分２９４に比べて半径方向がかなり狭くてもよい。
【００６３】
図６によれば、内側膜部分２９２は半径Ｒ1を持ち、中間膜部分２９４は外径Ｒ2を持ち、外側膜部分２９６は外径Ｒ3を持つことができる。中間膜部分２９４の幅Ｗ1はＲ2−Ｒ1に等しく、外側膜部分２９６の幅Ｗ2はＲ3−Ｒ2に等しくてもよい。半径Ｒ3は（直径２００ｍｍの基板に対して）約１００ｍｍに等しいかそれより大きく、幅Ｗ2は５と３０ミリの間でよい。半径Ｒ3が（直径３００ｍｍの基板に対して）５．８７５インチの場合、幅Ｗ1とＷ2はそれぞれ２．３７５インチと０．６２５インチでよい。この構造では、半径Ｒ1とＲ2はそれぞれ２．８７５と５．２５インチである。
【００６４】
チャンバ２１２、２１４、２１６内の圧力は、基板１０の研磨の均一性を最大にするために、ポンプ１４９ａ、１４９ｂ、１４９ｃによって独立に制御できる。外側チャンバ２１６内の平均圧力を他の２つのチャンバ内の平均圧力よりも低くして、エッジ効果によって生じる過剰な研磨を補償するために、外側環状膜部分２９４に対する圧力が、研磨中、内側膜部分２９２または中間膜部分２９４に対する圧力よりも低くなるようにしてもよい。
【００６５】
可撓膜２１０は基板１０の背面に合うように変形する。例えば、基板が反っている場合、可撓膜２１０は事実上、反った基板の外形に一致するだろう。かくして、基板の裏側に表面凹凸が存在する場合でも、基板に対する負荷は均一を保つはずである。
【００６６】
各チャンバに異なる圧力を加えるのではなく、各チャンバに正の圧力が加わる時間を変更してもよい。この方式によって均一な研磨が達成されるだろう。例えば、内側チャンバ２１２と中間チャンバ２１４に８．０ｐｓｉの圧力を加えて外側チャンバ２１６に６．０ｐｓｉの圧力を加えるのではなく、８．０ｐｓｉの圧力を内側チャンバ２１２と中間チャンバ２１４に１分間加える一方、同一圧力を外側チャンバ２１６に４５秒間加えるようにしてもよい。この手法によって、圧力センサと圧力調整器とを、簡単なソフトウェアタイミング制御装置で置き換えることができる。更に、この手法によって、より正確な工程の特徴づけと、従って基板研磨におけるより良好な均一性が可能になるだろう。
【００６７】
キャリヤヘッド２００は基板１０を可撓膜２１０の下側に真空チャックできる。かくして、中間チャンバ２１４内の圧力は他のチャンバ内の圧力に比べて削減され、これによって可撓膜２１０の中間膜部分２９４が内方に曲げられる。中間膜部分２９４の上向きの撓みは可撓膜２１０と基板１０間に低圧ポケットを作り出す。この低圧ポケットが基板１０をキャリヤヘッドに真空チャックすることになる。基板の中心部の曲げを避けるために、内側膜部分２９３ではなく、基板と研磨パッド間に低圧ポケットを作り出せる中間膜部分２９４を使うことは有利である。そのような低圧ポケットも基板を研磨パッドに真空チャックしようとするだろう。更に、外側チャンバ２１６内の圧力を増加させる一方、中間チャンバ２１４内の圧力を減少させることもできる。外側チャンバ２１６内の圧力の増大が外側膜部分２９６を基板に押し付けて流体密のシールを効果的に形成する。このシールによって、周囲の空気が中間膜部分２９４と基板間の真空に侵入するのを防止できる。真空ポケットが作られている間に、外側チャンバ２１６は、例えば１秒以下の短期間だけ加圧すればよいので、これは最も確実な真空チャックの手順を提供するように見える。
【００６８】
研磨装置２０は次のように動作してもよい。基板１０は、その裏側を可撓膜２１０に当接した状態で、基板受け凹部２７４に装填される。ポンプ１４９ａが流体を外側チャンバ２１６に送り込む。これによって、外側膜部分２９６が基板１０のエッジに流体密シールを形成する。同時に、ポンプ１４９ｂが流体を中間チャンバ２１４から送り出して、可撓膜２１０と基板１０の裏側の間に低圧ポケットを作り出す。外側チャンバ２１６はその後、早急に正常な大気圧に戻される。最後に空気圧アクチュエータ７４がキャリヤヘッド２００を研磨パッド３２または移動ステーション２７から持ち上げる。カルーセル６０はキャリヤヘッド２００を新しい研磨ステーションまで回転させる。空気圧アクチュエータ７４は次に、基板１０が研磨パッド３２と接触するまで、キャリヤヘッド２００を下降させる。最後に、ポンプ１４９ａ〜１４９ｃが流体をチャンバ２１２、２１４、２１６に押し込んで、研磨のために基板１０に下向きの負荷をかける。
【００６９】
本発明を好ましい実施の形態について説明した。しかしながら、本発明は本明細書に図示説明した実施の形態に限定されない。むしろ、本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定義される。
【符号の説明】
【００７０】
２０…ＣＭＰ装置２０、２３…テーブルトップ、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…研磨ステーション、２７…移動ステーション。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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