CN1698185A - 基板保持装置和抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本涉及一种在研磨半导体晶片等基板后进行平坦化的抛光装置中保持该基板(W)并按压在研磨面上的基板保持装置。本发明的基板保持装置具备内部具有容纳空间的顶圈(topring)主体(2)、和可在顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件(206)，在上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件(209)，相接部件的弹性膜(291)具备在具有向外凸出的外延凸缘(291a)的同时直接或间接相接于基板的相接部(291b)：和从相接部的外延凸缘基部(291d)向上延伸并连接于上下运动部件的连接部(291c)，连接部由比相接部更富伸缩性的材质形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种基板保持装置，该基板保持装置保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，尤其是涉及一种在研磨半导体晶片等基板后并进行平坦化的抛光装置中，保持该基板的基板保持装置。另外，本发明涉及具备这种基板保持装置的抛光装置。
背景技术
近年来，半导体器件更加细微化，元件结构变复杂，另外，随着逻辑类的多层布线的层数增加，半导体器件的表面凹凸也日益增加，有级差变大的倾向。这是因为在半导体器件的制造中，重复多次形成薄膜，并在进行布图或开孔的细微加工后，形成下一薄膜等工序。
若半导体器件的表面凹凸增加，则在形成薄膜时，阶差部的膜厚变薄，产生布线的断线引起的断路或布线层间的绝缘差引起的短路，所以有不能取得合格品、同时生产率低下的倾向。另外，即使开始时正常动作，在长时间使用时也产生可靠性问题。并且，在光刻工序的曝光时，若照射表面有凹凸，则曝光系统的透镜焦点局部不重合，所以产生若半导体器件的表面凹凸增加难以形成细微图案等问题。
因此，在半导体器件的制造工序中，半导体器件表面的平坦化技术愈发变得重要。在该平坦化技术中，最重要的技术在于机械化学研磨(CMP(Chemical Mechanical Polishing))。该机械化学研磨使用抛光装置，向研磨衬垫等研磨面上提供包含氧化硅(SiO2)等磨料的研磨液的同时，使半导体晶片等基板滑动接触在研磨面上，进行研磨。
这种抛光装置具有由研磨衬垫构成的研磨面的研磨台、和用于保持半导体晶片的称为顶圈或滑架头(carridge head)等的基板保持装置。在使用这种抛光装置研磨半导体晶片的情况下，由基板保持装置保持半导体晶片，同时，以规定的压力将半导体晶片按压在研磨台上。此时，通过使研磨台与基板保持装置相对运动，半导体晶片滑动接触在研磨面上，将半导体晶片的表面研磨平坦且成镜面。
在这种抛光装置中，在研磨中半导体晶片与研磨衬垫的研磨面之间的相对按压力在半导体晶片的整体面上不均匀的情况下，对应于施加于半导体晶片各部分上的按压力，产生研磨不足或过研磨。因此，由橡胶等弹性材料构成的弹性膜来形成基板保持装置的半导体晶片的保持面，并向弹性膜的里面施加空气压等液体压，在整个面中均匀化施加于半导体晶片的按压力。
另外，因为上述研磨衬垫具有弹性，所以研磨中施加于半导体晶片的外周缘部上的按压力变得不均匀，有时会引起仅半导体晶片的外周缘部被过多研磨的所谓[边缘下垂]。为了防止这种边缘下垂，还使用具有如下结构的基板保持装置，即由引导环或止挡环(retainer ring)来保持半导体晶片的外周缘，同时，由引导环或止挡环来按压位于半导体晶片的外周缘侧的研磨面。
但是，形成于半导体晶片表面上的薄膜根据成膜时的方法或装置特性，膜厚随着半导体晶片的半径方向的位置不同而不同。即，在半径方向上具有膜厚分布。因此，在上述现有均匀按压并研磨半导体晶片整个面的基板保持装置中，因为在半导体晶片的整体面上均匀研磨，所以不能得到与上述半导体晶片的表面上的膜厚分布相同的研磨量分布。因此，在现有的抛光装置中，不能充分对应于上述半径方向的膜厚分布，这导致产生研磨不足或过研磨。
根据成膜方法或成膜装置的种类，上述半导体晶片的表面上的膜厚分布也不同。即，膜厚厚的部分的半径方向的位置或其数量、和膜厚薄的部分与厚的部分的膜厚差因成膜方法或成膜装置的种类而不同。因此，不期望有仅对应于某个特定膜厚分布的基板保持装置，而期望有容易且可以低成本对应于各种膜厚分布的基板保持装置。
另外，为了防止边缘下垂，在具备通过引导环或止挡环来按压位于半导体晶片的外周缘侧的研磨面的结构的基板保持装置中，有时仅通过控制上述引导环或止挡环的按压力，不能充分抑制边缘下垂等不均匀研磨。另外，虽然通常不在半导体晶片的外周缘部形成器件，但为了防止金属熔出或其它缺陷，期望有意减小外周缘部的研磨速率，使下层的膜不露出半导体晶片的外周缘部，或与之完全相反，为了摘除膜，期望有意增大研磨速率。在现有的抛光装置中，现状是不能充分任意控制半导体晶片的外周缘部的研磨速率。
发明内容
本发明鉴于上述现有技术的问题作出，其第1目的在于提供一种基板保持装置和抛光装置，可对应于形成于半导体晶片等研磨对象物的表面上的薄膜的膜厚分布来进行研磨，可得到研磨后的膜厚均匀性。
另外，本发明鉴于不能充分任意控制研磨对象物的外周缘部的研磨速率等现有技术的问题作出，其第2目的在于提供一种基板保持装置和抛光装置，在均匀研磨半导体晶片等研磨对象物的同时，尤其是可任意控制研磨对象物的外周缘部的研磨速率。
为了实现上述第1目的，本发明的第1形态是一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板，并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘，并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，
上述连接部由比相接部更具有伸缩性的材质形成。
通过这种结构，可独立控制施加于基板上的压力，并使对膜厚厚的部分的研磨面的按压力比对膜厚薄的部分的研磨面的按压力大，所以可选择地提高该部分的研磨速率。从而，可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨。另外，即使在将上下运动部件压向下方来进行研磨的情况下，也由于连接部容易弹性变形，所以不会向紧贴于相接部的基板施加过剩的向下力，在夹在外延凸缘的基部中的区域中可实现均匀的研磨速率。另外，在向上抬起上下运动部件后进行研磨的情况下，由于连接部容易延伸，不会向相接部施加过剩的向上力，所以在外延凸缘的基部附近不会形成真空，在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。
本发明的第2形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘的同时直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，上述连接部具有厚度比上述相接部薄的薄壁部。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨的同时，即使在将上下运动部件压向下方来进行研磨的情况下，也由于薄壁部处连接部容易变形，所以不会向紧贴于相接部的基板施加过剩的向下力，在夹在外延凸缘的基部中的区域中可实现均匀的研磨速率。另外，在向上抬起上下运动部件后进行研磨的情况下，由于连接部容易延伸，不会向相接部施加过剩的向上力，所以在外延凸缘的基部附近不会形成真空，在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。尤其是若将薄壁部形成为截面形状向内变得中间细，则更有效地发挥这些效果。
本发明的第3形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘的同时直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，减弱上述连接部的外延凸缘基部下面的紧贴性。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨的同时，在向上抬起上下运动部件后进行研磨的情况下，由于外延凸缘的基部难以紧贴于基板，所以在外延凸缘的基部附近难以形成真空。因此，在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。
此时，使对上述基板的紧贴性低的中间部件夹在上述相接部的外延凸缘基部的下面，可减弱上述外延凸缘基部的下面的紧贴性。或者，通过在外延凸缘基部的下面例如形成沟，或形成粗糙面，可减弱外延凸缘基部与基板的紧贴性。
本发明的第4形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘的同时直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，在上述连接部的外延凸缘基部埋设由比该弹性膜硬的材质形成硬质部件。此时，上述硬质部件最好为环状。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨的同时，即使在将上下运动部件压向下方来进行研磨的情况下，也由于连接部产生的向下力被硬质部件分散，所以不会向紧贴于相接部的基板施加过剩的向下力，在夹在外延凸缘的基部中的区域中可实现均匀的研磨速率。另外，即使在向上抬起上下运动部件后进行研磨的情况下，硬质部件也会控制外延凸缘基部附近的变形，所以在外延凸缘的基部附近不会形成真空，在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。
本发明的第5形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘的同时直接或间接相接于上述基板的相接部；在与上述相接部的外延凸缘之间形成沟、同时从该外延凸缘的基部向外延伸到比该外延凸缘的前端靠内的位置的延伸部；和从上述延伸部的外端部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨。另外，在使基板紧贴于相接部后，在向上抬起上下运动部件后进行研磨的情况下，延伸部将连接部产生的向上力变换为横向或斜向的力后，施加于外延凸缘的基部。因此，可将施加于外延凸缘的基部上的向上力变得非常小，不会向相接部施加过剩的向上力。因此，在基部附近不会形成真空，在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。
本发明的一最佳形态的特征在于，位于径向内侧的上述连接部的厚度与位于径向外侧的上述连接部的厚度不同。此时，最好上述位于径向内侧的连接部的厚度比位于上述径向外侧的连接部的厚度薄。
本发明的一最佳形态的特征在于，向径向外侧凸出的上述外延凸缘的长度与向径向内侧凸出的上述外延凸缘的长度不同。此时，最好上述向径向外侧凸出的外延凸缘的长度比上述向径向内侧凸出的外延凸缘的长度长。
一般，因为曲率小的圆筒的刚性比曲率大的圆筒大，所以位于径向内侧的连接部施加于外延凸缘的基部上的上下方向的力比位于径向外侧的连接部施加于外延凸缘的基部上的力大。因此，通过上述结构，可将施加于径向内侧的外延凸缘基部与径向外侧的外延凸缘基部的力调整成相同水平，或可提高径向外侧的外延凸缘的密封性，可在夹在基部的区域中可实现均匀的研磨速率。
本发明的第6形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，在上述上下运动部件的下表面上装配具备直接或单位相接于上述基板上的弹性膜的相接部件，由刚性高的材质来形成上述上下运动部件。
通过这种结构，由刚性高的材质、例如环氧类树脂形成上下运动部件，从而上下运动部件难以挠曲，可防止局部研磨速率变高。另外，若选择不具有磁性的材料作为上下运动部件，则在保持应研磨的基板的状态下，还可通过使用涡流的膜厚测定方法来测定形成于其表面上的薄膜的膜厚。
本发明的第7形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：在顶圈的下面装配具备弹性膜的相接部件，上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘的同时直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述顶圈的连接部，在上述顶圈中设置支撑上述相接部件的外延凸缘的支撑部。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨的同时，当向相接部件的周围空间提供加压流体时，可防止外延凸缘变形后贴在顶圈的下面，可实现稳定的研磨。
此时，最好使上述支撑部的径向长度比上述相接部件的外延凸缘的径向长度长。因为通过设置这种支撑部可更确实支撑相接部件的外延凸缘，所以可实现更稳定的研磨。
本发明的一最佳形态的特征在于在上述支撑部中形成向上述相接部件的外延凸缘的上面导入流体的流体导入沟。通过这种结构，可向外延凸缘的上面提供加压流体，所以可提高外延凸缘对基板的紧贴性，可实现稳定的研磨。
本发明的第8形态是保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备内部具有容纳空间的顶圈主体、可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件、和相接于上述基板外周缘部的上面的密封环，在上述上下运动部件中设置支撑上述密封环的径向长度为1mm至7mm的支撑部。
通过这种结构，在可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整体面中进行不产生过度、不足的研磨的同时，当向密封环附近的空间提供加压流体时，可防止密封环变形后贴在上下运动部件的下面。另外，基板的外周部有变为过研磨的倾向，但通过将上下运动部件的支撑部的径向长度设为1mm-7mm，可抑制这种过研磨。
本发明的一最佳形态的特征在于在上述上下运动部件的支撑部中形成向上述密封环的上面导入流体的流体导入沟。通过这种结构，可向密封环的上面提供加压流体，所以可提高密封环对基板的紧贴性，可实现稳定的研磨。
为了实现上述第2目的，本发明的第9形态是保持作为研磨对象的基板并按压在研磨面上的基板保持装置，其特征在于：具备保持上述基板的顶圈主体；相接于上述基板外周缘部的边缘包(edge bag)；和在上述边缘包的径向内侧相接于上述基板的转矩传递部件，独立控制形成于上述边缘包内部的第1压力室的压力和形成于上述边缘包径向内侧的第2压力室的压力。
通过这种结构，可通过转矩传递部件向基板传递充足的转矩，另外，在通过第2压力室的压力以均匀的力将去除基板外周缘部的整体面按压在研磨面上的同时，可独立于第2压力室的压力来控制第1压力室的压力。因此，可控制基板外周缘部的研磨速率，即控制外周缘部的研磨轮廓。
本发明的一最佳形态的特征在于在上述转矩传递部件中形成连通该转矩传递部件的内部空间与外部空间的连通孔。
另外，从控制半导体晶片的外周缘部的研磨速率的观点看，最好形成上述第1压力室的上述边缘包的部件径向幅度为1mm至10mm。
本发明的一最佳形态的特征在于具备固定或一体设置在上述顶圈主体中、保持基板的侧端部的止挡环，独立于上述压力室的压力来控制上述止挡环对研磨面的按压力。这样，还可控制止挡环的按压力，可进行更细致的控制。
本发明的抛光装置的特征在于具备上述基板保持装置、和具有研磨面的研磨台。
附图说明
图1是表示具备根据本发明的基板保持装置的抛光装置的整体结构的截面图。
图2是表示根据本发明实施方式1的基板保持装置的纵向截面图。
图3是图2所示的基板保持装置的底面图。
图4是表示根据本发明实施方式1的基板保持装置中环状管(ring tube)的第1方式的纵向截面图。
图5是表示图4所示环状管的弹性膜的纵向截面图。
图6A至图6C是表示环状管的弹性膜的变形方式的纵向截面图。
图7是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第2方式的纵向截面图。
图8是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第3方式的纵向截面图。
图9是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第4方式的纵向截面图。
图10是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第5方式的纵向截面图。
图11是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第6方式的纵向截面图。
图12A至图12C是表示本发明的基板保持装置中环状管的第7方式的纵向截面图。
图13是表示根据本发明实施方式2的基板保持装置的纵向截面图。
图14是图13所示的基板保持装置的底面图。
图15是表示根据本发明实施方式2的基板保持装置中环状管的纵向截面图。
图16是表示在夹紧板中未设置支撑部的情况下的环状管的状态的纵向截面图。
图17是表示图15的夹紧板支撑部的局部立体图。
图18是表示在夹紧板中未设置支撑部的情况下的密封环的状态的纵向截面图。
图19是表示图15的基板保持装置中的密封环的纵向截面图。
图20是表示根据本发明实施方式3的基板保持装置的纵向截面图。
图21是表示图20的边缘包的局部截面图。
图22是表示图20的转矩传递部件的局部截面图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明根据本发明的基板保持装置和抛光装置的
实施方式。
图1是表示具备根据本发明的基板保持装置的抛光装置的整体结构的截面图。这里，基板保持装置是保持作为抛光对象物的半导体晶片等基板、并按压在研磨台上的研磨面上的装置。如图1所示，在构成根据本发明的基板保持装置的顶圈(top ring)1的下方，设置在上面粘贴了研磨衬垫101的研磨台100。另外，在研磨台100的上方设置研磨液提供喷嘴102，通过该研磨液提供喷嘴102，向研磨台100上的研磨衬垫101上提供研磨液Q。
另外，作为可在市场上得到的研磨衬垫，有各种衬垫，例如有ロデ-ル公司制的SUBA800、IC-1000、IC-1000/SUBA400(二层布料)、フジミインコ-ポレイテツド公司制的Surfin xxx-5、Surfin 000等。SUBA800、Surfinxxx-5、Surfin 000是用尿烷树脂固定纤维的无纺织布，IC-1000是硬质的发泡聚亚胺酯(单层)。发泡聚亚胺酯多孔(多孔状)形成，在表面具有多个细微的凹部或孔。
顶圈1经万向接头部10连接于顶圈驱动轴11上，顶圈驱动轴11连接于固定在顶圈头110上的顶圈用气缸111上。顶圈驱动轴11通过该顶圈用气缸111上下运动，在使顶圈1整体升降的同时，将固定在顶圈主体2的下端上的止挡环3按压在研磨台100上。顶圈用气缸111经调整器R1连接于压缩空气源120，可通过调整器R1来调整提供给顶圈用气缸111的加压空气的气压等。从而，可调整止挡环3按压研磨衬垫101的按压力。
另外，顶圈驱动轴11经栓(未图示)连结于旋转筒112上。该旋转筒112在其外周部具备定时传动轮113。在顶圈头110上固定顶圈用电机114，上述定时传动轮113经定时皮带115连接于顶圈用电机114中设置的定时传动轮116上。因此，通过旋转驱动顶圈用电机114，经定时传动轮116、定时皮带115和定时传动轮113，旋转筒112和顶圈驱动轴11一体旋转，顶圈1旋转。另外，顶圈头110由固定支撑在框(未图示)上的顶圈头轴117支撑。
下面，说明根据本发明的基板保持装置的实施方式1。图2是表示实施方式1的基板保持装置中的顶圈1的纵向截面图，图3是图2所示的顶圈1的底面图。如图2所示，构成基板保持装置的顶圈1具备在内部具有容纳空间的圆筒容器状的顶圈主体2、和固定在顶圈主体2的下端上的止挡环3。顶圈主体2由金属或陶瓷等强度和刚性高的材料形成。另外，止挡环3由刚性高的树脂或陶瓷等形成。
顶圈主体2具备圆筒容器状的壳体部2a、嵌合在壳体部2a的圆筒部内侧的环状的加压片支撑部2b、和嵌合在壳体部2a的上面外周缘部的环状密封部2c。在顶圈主体2的壳体部2a的下端固定止挡环3。该止挡环3的下部向内突出。另外，也可与顶圈主体2一体地形成止挡环3。
在顶圈主体2的壳体部2a的中央部上方，配置上述顶圈驱动轴11，通过万向接头部10连接顶圈主体2与顶圈驱动轴11。该万向接头部10具备可使顶圈主体2与顶圈驱动轴11彼此倾斜移动的球面轴承机构、和将顶圈驱动轴11的旋转传递到顶圈主体2的旋转传递机构，在允许彼此倾斜的同时，从顶圈驱动轴11向顶圈主体2传递按压力和旋转力。
球面轴承机构包括形成于顶圈驱动轴11的下面中央的球面状凹部11a、形成于壳体部2a上面中央的球面状凹部2d、和夹在两凹部11a、2d之间的由陶瓷等高硬度材料构成的轴承球212。另一方面，旋转传递机构由固定在顶圈驱动轴11上的驱动销(未图示)和固定在壳体部2a上的被驱动销(未图示)构成。即使顶圈主体2倾斜，被驱动销与驱动销也可相对地沿上下方向移动，所以它们彼此的接触点错开后咬合，旋转传递机构将顶圈驱动轴11的旋转转矩确实传递到顶圈主体2。
顶圈主体2和一体固定在顶圈主体2上的止挡环3的内部中区分的空间内，容纳相接于由顶圈1保持的半导体晶片W的外周部的密封环204、环状支架环205、和可在顶圈主体2内部的容纳空间内上下运动的大致圆盘状的夹紧板206(上下运动部件)。密封环204的外周部夹入支架环205与固定在支架环205下端的夹紧板206之间，覆盖夹紧板206外缘附近的下面。密封环204的下端面接触作为抛光对象物的半导体晶片W的上面。另外，在半导体晶片W的外缘设置称为槽口或取向面的用于识别(特定)半导体晶片方向的切口，但密封环204最好从这种槽口或取向面延伸到夹紧板206的内周侧。
另外，夹紧板206也可由金属材料形成，但在将应研磨的半导体晶片保持在顶圈上的状态下，当通过使用涡流的膜厚测定方法来测定形成于其表面的薄膜的膜厚等时，最好由不具有磁性的材料、例如氟类树脂、环氧类树脂或陶瓷等绝缘性材料形成。
在支架环205与顶圈主体2之间架设由弹性膜构成的加压片207。该加压片207的一端夹入顶圈主体2的壳体部2a与加压片支撑部2b之间，另一端夹入支架环205的上端部205a与止动部205b之间进行固定。通过顶圈主体2、夹紧板206、支架环205和加压板207，在顶圈主体2的内部形成压力室221。如图2所示，由管、连接器等构成的流体路径31连通于压力室221，压力室221经配置在流体路径31上的调整器R2连接于压缩空气源120。另外，加压片207由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
另外，在加压片207是橡胶等弹性体的情况下，当将加压片207夹入止挡环3与顶圈主体2之间进行固定时，由于作为弹性体的加压片207的弹性变形，在止挡环3的下面得不到好的平面。因此，为了防止这种情况的发生，在本实施方式中，作为另一部件，设置加压片支撑部2b，并将加压片207夹入顶圈主体2的壳体部2a与加压片支撑部2b之间进行固定。另外，止挡环3可相对顶圈主体2上下运动，可独立于顶圈主体2来按压止挡环3，在这种情况下，未必使用上述加压片207的固定方法。
在嵌合顶圈主体2的密封部2c的壳体部2a的上面的外周缘附近，形成环状沟构成的洗净液路径251。该洗净液路径251经密封部2c的通孔252连通于流体路径32，经该流体路径32提供洗净液(纯水)。另外，在多个部位设置从洗净液路径251贯穿壳体部2a、加压片支撑部2b的连通孔253，该连通孔253连通到密封环204的外周面与止挡环3之间的微小间隙G。
在形成于夹紧板206与半导体晶片W之间的空间内部，设置作为相接于半导体晶片W的相接部件的中心包208和环状管209。在本实施方式中，如图2和图3所示，中心包208设置在夹紧板206下面的中心部，环状管209配置在中心包208的外侧，包围中心包208的周围。另外，密封环204、中心包208和环状管209与加压片207一样，由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
形成于夹紧板206与半导体晶片W之间的空间被上述中心包208和环状管209区分成多个空间，从而分别在中心包208与环状管209之间形成压力室222，在环状管209的外侧形成压力室223。
中心包208由相接于半导体晶片W的上面的弹性膜281、可拆装保持弹性膜281的中心包支架282构成。在中心包支架282中形成螺纹孔282a，将螺钉255拧入该螺纹孔282a中，从而将中心包208可拆装地装配在夹紧板206下面的中心部上。在中心包208的内部，由弹性膜281和中心包支架282形成中心部压力室224。
同样，环状管209由相接于半导体晶片W的上面的弹性膜291、可拆装保持弹性膜291的环状管支架292构成。在环状管支架292中形成螺纹孔292a，将螺钉256拧入该螺纹孔292a中，从而将环状管209可拆装地装配在夹紧板206的下面。在环状管209的内部，由弹性膜291和环状管支架292形成中间部压力室225。
在本实施方式中，分别由中心包208的弹性膜281和中心包支架282形成压力室224，由环状管209的弹性膜291和环状管支架292形成压力室225，但压力室222、223也一样可使用弹性膜和固定其的支架来形成压力室。另外，不用说，可适当追加弹性膜与支架，并增加压力室。
在压力室222、223、中心部压力室224和中间部压力室225上分别连通由管、连接器等构成的流体路径33、34、35、36，各压力室222-225经配置在各流体路径33-36上的调整器R3、R4、R5、R6连接于作为提供源的压缩空气源120上。另外，上述流体路径31-36经设置在顶圈轴110上端部上的旋转接头(未图示)连接于各调整器R1-R6上。
经连通于各压力室的流体路径31、33、34、35、36向上述夹紧板206上方的压力室221和上述压力室222-225提供加压空气等加压流体。或成为大气压或真空。如图1所示，可通过配置在压力室221-225的流体路径31、33、34、35、36上的调整器R2-R6来调整提供给各压力室的加压流体的压力。从而，可分别独立控制各压力室221-225的内部压力或成为大气压或真空。这样，通过由调整器R2-R6来独立改变各压力室221-225的内部压力，可对半导体晶片W的每个部分调整将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力。另外，也可根据情况不同而将这些压力室221-225连接于真空源121。
此时，也可分别控制提供给各压力室222-225的加压流体或大气压的温度。这样，可从半导体晶片等研磨对象物的被研磨面里侧直接控制研磨对象物的温度。尤其是若独立控制各压力室的温度，则可控制CMP中的化学研磨的化学反应速度。
在夹紧板206中，向下方突出的内周部吸附部261设置在中心包208与环状管209之间，另外，向下方突出的外周部吸附部262设置在环状管209的外侧。在本实施方式中，设置8个吸附部261、262。
在内周部吸附部261和外周部吸附部262中分别形成分别连通于流体路径37、38的连通孔261a、262a，内周部吸附部261和外周部吸附部262经流体路径37、38和阀门V1、V2连接于真空泵等真空源121。另外，若将内周部吸附部261和外周部吸附部262的连通孔261a、262a连接于真空源121，则在连通孔261a、262a的开口端形成负压，将半导体晶片W吸附在在内周部吸附部261和外周部吸附部262上。另外，在内周部吸附部261和外周部吸附部262的下端面上粘贴由薄的橡胶片等构成的弹性片261b、262b，内周部吸附部261和外周部吸附部262柔软地吸附保持半导体晶片W。
这里，在密封环204的外周面与止挡环3之间有微小间隙G，所以支架环205、夹紧板206和装配在夹紧板206上的密封环204等部件可相对顶圈主体2和止挡环3沿上下方向移动，构成浮动结构。在支架环205的止动部205b中，在多个部位设置从其外周缘部向外突出的突起205c，通过该突起205c咬合于向止挡环3的内侧突出的部分的上面，将上述支架环205等部件向下方的移动限制到规定位置。
下面，详细说明如此构成的顶圈1的作用。
在上述结构的抛光装置中，在搬运半导体晶片W时，使顶圈1的整体位于半导体晶片W的移送位置，经流体路径37、38将内周部吸附部261和外周部吸附部262的连通孔261a、262a连接于真空源121。由于连通孔261a、262a的吸引作用，将半导体晶片W真空吸附于内周部吸附部261和外周部吸附部262的下端面。之后，在吸附半导体晶片W的状态下，使顶圈1移动，使顶圈1的整体位于具有研磨面(研磨衬垫101)的研磨台100的上方。另外，由止挡环3来保持半导体晶片W的外周缘，半导体晶片W不会从顶圈1飞出。
在研磨时，解除吸附部261、262对半导体晶片W的吸附，使半导体晶片W保持在顶圈1的下面，同时，使连结于顶圈驱动轴11上的顶圈用气缸111动作，以规定的按压力将固定在顶圈1下端的止挡环3按压在研磨台100的研磨面上。在该状态下，分别向压力室222、223、中心部压力室224和中间部压力室225提供规定压力的加压流体，并将半导体晶片W按压在研磨台100的研磨面上。另外，通过事先从研磨液提供喷嘴102流出研磨液Q，将研磨液Q保持在研磨衬垫101中，在半导体晶片W的被研磨面(下面)与研磨衬垫101之间存在研磨液Q的状态下进行研磨。
这里，由分别提供给压力室222、223的加压流体的压力将半导体晶片W位于压力室222和223下方的部分按压在研磨面上。另外，经中心包208的弹性膜281，以提供给中心部压力室224的加压流体的压力将半导体晶片W位于中心部压力室224下方的部分按压在研磨面上。经环状管209的弹性膜291，以提供给中间部压力室225的加压流体的压力将半导体晶片W位于中心部压力室225下方的部分按压在研磨面上。
因此，通过分别控制提供给各压力室222-225的加压流体的压力，可对半导体晶片W的每个部分调整施加于半导体晶片W的研磨压力。即，由调整器R3-R6分别独立调整提供给各压力室222-225的加压流体的压力，对半导体晶片W的每个部分调整将半导体晶片W按压在研磨台100上的研磨衬垫101的按压力。这样，在对半导体晶片W的每个部分将研磨压力调整到期望值的状态下，将半导体晶片W按压在正在旋转的研磨台100上面的研磨衬垫101上。同样，通过调整器R1来调整提供给顶圈用气缸111的加压流体的压力，并且止挡环3变更按压研磨衬垫101的按压力。这样，通过在研磨中止挡环3适当调整按压研磨衬垫101的按压力和将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力，可将半导体晶片W的中心部(图3的C1)、从中心部到中间部(C2)、中间部(C3)、进而到周缘部(C4)、再到位于半导体晶片W外侧的止挡环3的外周部的各部分的研磨压力的分布变为期望的分布。
这样，将半导体晶片W区分成同心的4个圆和圆环部分(C1-C4)，以独立的按压力按压各部分。虽然研磨速率取决于半导体晶片W对研磨面的按压力，但如上所述，因为可控制各部分的按压力，所以可独立控制半导体晶片W的4个部分(C1-C4)的研磨速率。因此，即使半导体晶片W的表面的应研磨薄膜的膜厚存在半径方向的分布，在半导体晶片整个面中也不会产生研磨不足或过研磨。即，即使半导体晶片W的表面的应研磨薄膜膜厚因半导体晶片W的半径方向的位置不同而不同时，也可通过将上述各压力室222-225中位于半导体晶片W表面的膜厚厚的部分的上方的压力室的压力设得比其它压力室的压力高，或将位于半导体晶片W表面的膜厚薄的部分的上方的压力室的压力设得比其它压力室的压力低，可使膜厚厚的部分对研磨面的按压力比膜厚薄的部分对研磨面的按压力大，可选择地提高该部分的研磨速率。从而，可不依赖于成膜时的膜厚分布来在半导体晶片W的整体表面进行过度或不足的研磨。
可通过控制止挡环3的按压力来防止在半导体晶片W的周缘部引起的边缘下垂。另外，在半导体晶片W的周缘部应研磨的薄膜的膜厚有大变化的情况下，通过有意增大或减小止挡环3的按压力，可控制半导体晶片W的周缘部的研磨速率。另外，若向上述各压力室222-225提供加压流体，则夹紧板206受到上方向的力，所以在本实施方式中，经流体路径31向压力室221提供压力流体，防止由于来自各压力室222-225的力向上抬起夹紧板206。
如上所述，适当调整顶圈用气缸111产生的止挡环3对研磨衬垫101的按压力、和提供给各压力室222-225的加压空气产生的半导体晶片W的每个部分对研磨衬垫101的按压力，进行半导体晶片W的研磨。另外，当研磨结束时，将半导体晶片W再次真空吸附于内周部吸附部261和外周部吸附部262的下端面。此时，停止向将半导体晶片W按压在研磨面上的各压力室222-225提供加压流体，开放成大气压，从而使半导体晶片W相接于内周部吸附部261和外周部吸附部262的下端面。另外，将压力室221内的压力开放成大气压或变为负压。这是因为若压力室221的压力仍然很高，则仅半导体晶片W相接于内周部吸附部261和外周部吸附部262的部分被强行按压在研磨面上。因此，必需迅速降低压力室221的压力，如图2所示，从压力室221贯穿顶圈主体2地设置放气口239，迅速降低压力室221的压力。此时，在向压力室221施加压力时，必需总是从流体路径31连续提供压力流体。另外，放气口239具备止回阀，在压力室221内变为负压时，外界气体不会进入压力室221中。
如上所述，在吸附半导体晶片W后，使顶圈1的整体位于半导体晶片的移送位置，从内周部吸附部261和外周部吸附部26的连通孔261a、262b向半导体晶片W喷射流体(例如压缩空气或氮与纯水的混合物)，释放半导体晶片W。
但是，在密封环204的外周面与止挡环3之间的微小间隙G中侵入研磨用的研磨液Q，若该研磨液固定，则妨碍支架环205、夹紧板206、和密封环204等部件相对顶圈主体2和止挡环3的圆滑的上下运动。因此，经流体路径32向洗净液路径251提供洗净液(纯水)。从而，从多个连通孔253向间隙G的上方提供纯水，纯水冲洗流过间隙G，防止上述研磨液Q固定。最好在研磨后的半导体晶片、吸附接着研磨的半导体晶片之前的期间中提供纯水。另外，最好在止挡环3中设置如图2所示的多个通孔3a，以在下一次研磨之前将提供的纯水全部排出到外部。并且，若在由止挡环3、支架环205和加压片207形成的空间226内充满压力，则妨碍夹紧板206上升，所以为了使夹紧板206平滑上升，也最好设置上述通孔3a，使空间226变为与大气相同的压力。
如上所述，根据实施方式1的基板保护装置，通过独立控制压力室222、223、中心包208内部的压力室224、和环状管209内部的压力室225的压力，可控制对半导体晶片的按压力。
这里，详细说明根据本发明实施方式1的基板保护装置中环状管209的第1方式。另外，下面仅说明环状管209，但也可对中心包208作同样考虑。
图4是表示图2所示环状管209的纵向截面图，图5是表示图4所示环状管209的弹性膜291的纵向截面图。第1方式的环状管209的弹性膜291如图4和图5所示，具有备有向外突出的外延凸缘(つば)291a的相接部291b、和经上述环状管支架292连接于夹紧板206上的连接部291c。上述连接部291c从外延凸缘291a的基部291d向上延伸。另外，相接部291b的下面相接半导体晶片W的上面。这些外延凸缘291a、相接部291b、连接部291c由相同材料一体形成。
如上所述，在研磨半导体晶片时，向压力室222和包围环状管209的压力室223提供加压流体。从而，外延凸缘291a通过分别提供给压力室222、223的加压流体紧贴于半导体晶片W上。因此，即使提供给周围的压力室222或223的加压流体的压力比提供给环状管209的内部压力室225的加压流体的压力高的情况下，周围的压力高的加压流体也不会流入环状管209的下方。因此，通过设置上述外延凸缘291a，可增大各压力室的压力控制幅度，可更稳定进行半导体晶片的按压。
另外，在环状管209的相接部291b的中央部形成开口291e，经相接部291b的开口291e，提供给中间压力室225的加压流体直接接触半导体晶片W的上面。在研磨中，因为向中间部压力室225提供加压流体，所以通过该加压流体将环状管209的相接部291b压在半导体晶片W的上面。因此，即使在形成这种开口291e的情况下，中间部压力室225内部的加压流体也基本上不会漏到外部。另外，在释放半导体晶片W时，可经上述开口291e向半导体晶片W施加加压流体产生的向下的压力，所以半导体晶片W的释放变得更平滑。
另外，如上所述，在控制提供给中间部压力室225的加压流体的温度，并从被研磨面的里侧控制半导体晶片W的温度时，通过在环状管209的相接部291b中形成这种开口291e，可增大温度控制后的加压流体接触半导体晶片W的面积，所以可使半导体晶片W的温度控制性提高。另外，在研磨结束后，在释放半导体晶片W时，经上述开口291e分别向外界空气开放中间部压力室225，所以提供给中间部压力室225的流体等不会充满其内部。因此，即使在连续研磨半导体晶片W的情况下，也可保证温度控制的稳定性。
这里，若在环状管209的相接部291b中设置上述的外延凸缘291a，则在向压力室221提供压力流体并向下压夹紧板206进行研磨的情况下，在环状管209的外延凸缘291a的基部291d附近，连接部291c产生的向下力过剩地施加到半导体晶片W上，该部分的研磨速率局部变高。
另一方面，如图6A至图6C所示，在使半导体晶片W紧贴环状管209的相接部291b之后，向压力室221提供压力，以比施加于压力室222-225的按压力的合计小，在向上抬起夹紧板206进行研磨时，连接部291c产生的向上力施加于与半导体晶片W紧贴的外延凸缘291a的基部291d附近，在基部291d附近形成真空293(参照图6C)，该部分的研磨速率局部变低。
从这些观点看，在本实施方式中，由比相接部291b更富伸缩性的柔软材质来形成环状管209的连接部291c。从而，即使在向下压夹紧板206进行研磨的情况下，也因为连接部291c容易弹性变形，所以不会向紧贴于相接部291b的半导体晶片W施加过剩的向下力，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，即使在向上抬起夹紧板206进行研磨时，也由于连接部291c容易延伸而不会向相接部291b施加过剩的向上力，所以不会在外延凸缘291a的基部291d的附近形成真空，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，也可由富于伸缩性的柔软材质来仅形成沿连接部291c的上下延伸的部分291f(参照图5)，此外，也可由富于伸缩性的柔软材质来仅形成保持在环状管支架292上的部分291g。
图7是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第2方式的纵向截面图。在第2方式的环状管中，连接部291c具有厚度比相接部291b薄的薄壁部294。该薄壁部294如图7所示向内中间变细。通过设置这种薄壁部294，即使在向下压夹紧板206进行研磨的情况下，也因为在薄壁部294中连接部291c容易变形，所以不会向紧贴于相接部291b的半导体晶片W施加过剩的向下力，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，即使在向上抬起夹紧板206进行研磨时，也由于薄壁部294容易延伸而不会向相接部291b施加过剩的向上力，所以不会在外延凸缘291a的基部291d的附近形成真空，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。尤其是若将薄壁部294形成为截面形状向内中间变细，则更有效发挥这些效果。
图8是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第3方式的纵向截面图。在第3方式的环状管中，在外延凸缘291a的基部291d的下面装配相对半导体晶片W的紧贴性低的中间部件295。作为该中间部件295，只要与晶片W的紧贴性低，可以是任意部件，例如可使用赛璐玢带等。另外，厚度越薄越高，最好为0.2mm以下。从而，在向上抬起夹紧板206进行研磨时，外延凸缘291a的基部291d难以紧贴于半导体晶片W上，所以难以在外延凸缘291a的基部291d的附近形成真空。因此，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，通过在外延凸缘291a的基部291d的下面形成例如沟或粗糙化来代替装配这种中间部件295，也可削弱外延凸缘291a的基部291d与半导体晶片W的紧贴性。
图9是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第4方式的纵向截面图。在第4方式的环状管中，在外延凸缘291a的基部291d中埋设材质比弹性膜291还硬(例如不锈钢)形成的环状硬质部件296。从而，即使在向下压夹紧板206进行研磨的情况下，也因为连接部291c产生的向下力被硬质部件296分散，所以不会向紧贴于相接部291b的半导体晶片W施加过剩的向下力，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，即使在向上抬起夹紧板206进行研磨时，也由于硬质部件296抑制外延凸缘291a的基部291d附近的变形，所以不会在外延凸缘291a的基部291d的附近形成真空，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。
图10是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第5方式的纵向截面图。第5方式的环状管是在上述第1方式的环状管的弹性膜291中、使位于径向内侧、即半导体晶片W的中心侧的连接部291h比位于径向外侧的连接部291i薄的实例。一般，因为曲率小的圆筒的刚性比曲率大的圆筒大，所以位于径向内侧的连接部施加于外延凸缘的基部上的上下方向的力比位于径向外侧的连接部施加于外延凸缘的基部上的力大。因此，如第5方式的环状管那样，通过使位于径向内侧的连接部291h比位于径向外侧的连接部291i薄，可将这些连接部291h、291i施加于外延凸缘基部的上下方向的力调整到相同水平，可在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。另外，就第1方式的环状管而言，通过由比径向外侧的连接部更富伸缩性的柔软材质来形成径向内侧的连接部，也可期望一样的效果。
图11是表示本发明的基板保持装置中环状管的弹性膜的第6方式的纵向截面图。第6方式的环状管是在上述第1方式的环状管的弹性膜291中、使沿径向外侧突出的外延凸缘291j的长度比沿径向内侧突出的外延凸缘291k的长度长的实例。从而，可提高径向外侧的外延凸缘291j的密封性，在去除外延凸缘291a的相接部291b的整个面中实现均匀的研磨速率。
图12A至图12C是表示本发明的基板保持装置中环状管的第7方式的纵向截面图。如图12A所示，第7方式的环状管的弹性膜391具有备有向外突出的外延凸缘391a的相接部391b；在与外延凸缘391a之间形成沟392、且从外延凸缘391a的基部391c向外延伸的延伸部391d；和经环状管支架292连接于夹紧板206上的连接部391e。延伸部391d从外延凸缘391a的基部391c向外延伸到比外延凸缘391a的前端还靠内的位置，上述延伸部391e从该延伸部391d的外端部向上延伸。这些外延凸缘391a、相接部391b、连接部391e、延伸部391d由相同材料一体形成。另外，在相接部391b的中央部形成开口391f。
通过如此构成，在使半导体晶片W紧贴环状管309的相接部391b(参照图12B)之后，在在向上抬起夹紧板206进行研磨时，连接部391e产生的向上力被延伸部391d变换为横向或斜向的，施加于外延凸缘391a的基部391c(参照图12C)。因此，可使施加于外延凸缘391a的基部391c的向上力变得极小，不会向相接部391b施加过剩的向上力。因此，不会在基部391c附近形成真空，可在去除外延凸缘391a的相接部391b的整个面中实现均匀的研磨速率。此时，也可如上述第5和第6方式的环状管那样，在径向内侧与外侧改变连接部391e的厚度或外延凸缘391a的长度，或在径向内侧与外侧改变延伸部391d的长度。另外，也可按照研磨的半导体晶片上的膜种类或研磨衬垫的种类来改变外延凸缘391a的厚度。在传递到半导体晶片的电阻、研磨转矩大的情况下，为了防止外延凸缘391a弯曲，最好增厚外延凸缘391a。
在上述实施方式1的基板保护装置中，分别单独设置流体路径31、33、34、35、36，但也可边统一这些流体路径，边使各压力室彼此连通等，随着应施加于半导体晶片W上的按压力的大小或施加的位置来自由改变。另外，在上述实施方式1中，说明中心包208和环状管209直接接触半导体晶片W的实例，但不限于此，例如使弹性衬垫夹在中心包208和环状管209与半导体晶片W之间，中心包208和环状管209间接接触半导体晶片W。另外，也可使上述各方式适当组合。
另外，在上述实施方式1的基板保持装置中，通过研磨衬垫来形成研磨面，但不限于此。例如，也可通过固定磨料来形成研磨面。固定磨料是将磨料固定在粘合剂中，并形成板状。在使用固定磨料的研磨中，通过从固定磨料自发生成的磨料来进行研磨。固定磨料由磨料、粘合剂和气孔构成，例如将平均粒径为0.5微米以下的氧化铈(CeO2)用作磨料，将环氧树脂用作粘合剂。这种固定磨料构成硬质的研磨面。另外，除上述板状的磨料外，固定磨料中还包含在薄的固定磨料层下粘贴具有弹性的研磨衬垫以形成二层结构的固定磨料衬垫。作为其它硬质的研磨面，有上述的IC-1000。
如上所述，根据本发明实施方式1的基板保持装置，可独立控制施加于基板的压力，并使向膜厚厚的部分的研磨面的按压力比向膜厚薄的部分的研磨面的按压力大，所以可选择地提高该部分的研磨速率。从而，可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整个面中进行过度或不足的研磨。另外，即使在向下压上下运动部件来进行研磨的情况下，也不会向紧贴于相接部的基板施加过剩的向下力，可在夹在基板中的区域中实现均匀的研磨速率。另外，即使在向上抬起上下运动部件来进行研磨的情况下，也不会向相接部施加过剩的向上力，所以不会在外延凸缘的基部附近形成真空，可在夹在基板中的区域中实现均匀的研磨速率。
下面，说明根据本发明的基板保持装置的实施方式2。图13是表示实施方式2的基板保持装置的顶圈1的纵向截面图，图14是图13所示的顶圈1的底面图。如图13所示，构成基板保持装置的顶圈1具备在内部具有容纳空间的圆筒容器状的顶圈主体2、和固定在顶圈主体2的下端上的止挡环3。顶圈主体2由金属或陶瓷等强度和刚性高的材料形成。另外，止挡环3由刚性高的树脂或陶瓷等形成。
顶圈主体2具备圆筒容器状的壳体部2a、嵌合在壳体部2a的圆筒部内侧的环状的加压片支撑部2b、和嵌合在壳体部2a的上面外周缘部的环状密封部2c。在顶圈主体2的壳体部2a的下端固定止挡环3。该止挡环3的下部向内突出。另外，也可与顶圈主体2一体地形成止挡环3。
在顶圈主体2的壳体部2a的中央部上方，配置上述顶圈驱动轴11，通过万向接头部10连接顶圈主体2与顶圈驱动轴11。该万向接头部10具备可使顶圈主体2与顶圈驱动轴11彼此倾斜的球面轴承机构、和将顶圈驱动轴11的旋转传递到顶圈主体2的旋转传递机构，在允许彼此倾斜的同时，从顶圈驱动轴11向顶圈主体2传递按压力和旋转力。
球面轴承机构包括形成于顶圈驱动轴11的下面中央的球面状凹部11a、形成于壳体部2a上面中央的球面状凹部2d、和夹在两凹部11a、2d之间的由陶瓷等高硬度材料构成的轴承球12。另一方面，旋转传递机构由固定在顶圈驱动轴11上的驱动销(未图示)和固定在壳体部2a上的被驱动销(未图示)构成。即使顶圈主体2倾斜，被驱动销与驱动销也可相对地沿上下方向移动，所以它们彼此的接触点错开后咬合，旋转传递机构将顶圈驱动轴11的旋转转矩确实传递到顶圈主体2。
顶圈主体2和一体固定在顶圈主体2上的止挡环3的内部中区分的空间内，容纳相接于由顶圈1保持的半导体晶片W的外周部的密封环404、环状支架环405、和可在顶圈主体2内部的容纳空间内上下运动的大致圆盘状的夹紧板406(上下运动部件)。
密封环404的外周部夹入支架环405与固定在支架环405下端的夹紧板406之间，覆盖夹紧板406外缘附近的下面。密封环404的下端面接触作为抛光对象物的半导体晶片W的上面。密封环404由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。另外，在半导体晶片W的外缘设置称为槽口或取向面的用于识别(特定)半导体晶片方向的切口，但密封环204最好从这种槽口或取向面延伸到夹紧板206的内周侧。
在支架环405与顶圈主体2之间架设由弹性膜构成的加压片407。该加压片407的一端夹入顶圈主体2的壳体部2a与加压片支撑部2b之间，另一端夹入支架环405的上端部405a与止动部405b之间进行固定。通过顶圈主体2、夹紧板406、支架环405和加压板407，在顶圈主体2的内部形成压力室421。如图13所示，由管、连接器等构成的流体路径31连通于压力室421，压力室421经配置在流体路径31上的调整器R2连接于压缩空气源120。另外，加压片407由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
在加压片407是橡胶等弹性体的情况下，当将加压片407夹入止挡环3与顶圈主体2之间进行固定时，由于作为弹性体的加压片407的弹性变形，在止挡环3的下面得不到好的平面。因此，为了防止这种情况的发生，在本实施方式中，作为另一部件，设置加压片支撑部2b，并将加压片407夹入顶圈主体2的壳体部2a与加压片支撑部2b之间进行固定。另外，止挡环3可相对顶圈主体2上下运动，可独立于顶圈主体2来按压止挡环3，在这种情况下，未必使用上述加压片407的固定方法。
在顶圈主体2的密封部2c的下面形成由环状沟构成的洗净液路径451。该洗净液路径451经通孔452连通于流体路径32，经该流体路径32提供洗净液(纯水)。另外，在多个部位设置从密封部2c的洗净液路径451延伸、贯穿壳体部2a、加压片支撑部2b的连通孔453，该连通孔453连通到密封环404的外周面与止挡环3之间的微小间隙G。
在夹紧板406的下面的中央部设置在中央形成开口408a的中心端口(center port)408。另外，在形成于夹紧板406与半导体晶片W之间的空间内部，设置作为相接于半导体晶片W的相接部件的环状管409。在本实施方式中，如图13和图14所示，环状管409配置在中心端口408的外侧，包围中心端口408的周围。另外，在夹紧板406中，向下突出的吸附部440设置在环状管409的外侧，在本实施方式中，设置6个吸附部440。
环状管409由相接于半导体晶片W的上面的弹性膜491、可拆装保持弹性膜491的环状管支架492构成，由这些弹性膜491和环状管支架492在环状管409的内部形成压力室422。形成于夹紧板406与半导体晶片W之间的空间被上述环状管409区分成多个空间，分别在环状管409的内侧、即中心端口408的周围形成压力室423，在环状管409的外侧、即吸附部440的周围形成压力室424。另外，环状管409的弹性膜491与加压片407一样，由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
在环状管409内的压力室422上连通由管、连接器等构成的流体路径33，压力室422经配置在该流体路径33上的调整器R3连接于压缩空气源120上。另外，中心端口408的开口408a连通由管、连接器等构成的流体路径34，中心端口408经配置在流体路径34上的调整器R4连接于压缩空气源120上。在吸附部440中形成连通于由管、连接器等构成的流体路径35的连通孔440a，吸附部440经配置在该流体路径35上的调整器R5连接于压缩空气源120上。通过该压缩空气源120，在吸附部440的连通孔440a的开口端形成负压，将半导体晶片W吸附在吸附部440上。另外，在吸附部440的下端面粘贴由薄的橡胶片等构成的弹性片440b，吸附部440柔软地吸附保持半导体晶片W。另外，上述压力室421-424经设置在顶圈轴110上端部上的旋转接头(未图示)连接于各调整器R2-R5上。
经连通于各压力室的流体路径31、33、34、35向上述夹紧板406上方的压力室421和上述压力室422、423、424提供加压空气等加压流体，或成为大气压或真空。如图1所示，可通过配置在压力室421-424的流体路径31、33、34、35上的调整器R2-R5来调整提供给各压力室的加压流体的压力。从而，可分别独立控制各压力室421-424的内部压力或成为大气压或真空。这样，通过由调整器R2-R5来独立改变各压力室421-424的内部压力，可对半导体晶片W的每个部分调整将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力。
此时，也可分别控制提供给各压力室421-424的加压流体或大气压的温度。这样，可从半导体晶片等研磨对象物的被研磨面里侧直接控制研磨对象物的温度。尤其是若独立控制各压力室的温度，则可控制CMP中的化学研磨的化学反应速度。
这里，在密封环404的外周面与止挡环3之间有微小间隙G，所以支架环405、夹紧板406和装配在夹紧板406上的密封环404等部件可相对顶圈主体2和止挡环3沿上下方向移动，构成浮动结构。在支架环405的止动部405b中，在多个部位设置从其外周缘部向外突出的突起405c，通过该突起405c咬合于向止挡环3的内侧突出的部分的上面，将上述支架环405等部件向下方的移动限制到规定位置。
例如，在由PPS(对聚苯硫)形成夹紧板的情况下，若压力室421的压力比夹紧板406下部的压力室422-424的压力高，则夹紧板挠曲，吸附部440按压半导体晶片W，该部分的研磨速率局部变高。因此，本实施方式的夹紧板406由刚性比PPS还高的轻量材质、例如环氧类树脂、最好是玻璃纤维等纤维强化物形成。这样，通过用刚性高的材质形成夹紧板406，即使压力室421的压力比夹紧板406下部的压力室422-424的压力高，夹紧板406也难以挠曲，可防止研磨速率局部变高。尤其是因为环氧类树脂不具有磁性，所以在将应研磨的半导体晶片保持在顶圈上的状态下，在用使用涡流的膜厚测定方法来测定形成于其表面的薄膜的膜厚的情况等下是最佳的材料。另外，不限于环氧类树脂，例如即使使用环氧类树脂以外的高刚性的树脂或其纤维强化物、陶瓷等也是有效的。
下面，详细说明如此构成的顶圈1的作用。
在上述结构的抛光装置中，在搬运半导体晶片W时，使顶圈1的整体位于半导体晶片的移送位置，经流体路径35将吸附部440的连通孔440a连接于压缩空气源120。由于连通孔440a的吸引作用，将半导体晶片W真空吸附于吸附部440的下端面。之后，在吸附半导体晶片W的状态下，使顶圈1移动，使顶圈1的整体位于具有研磨面(研磨衬垫101)的研磨台100的上方。另外，由止挡环3来保持半导体晶片W的外周缘，半导体晶片W不会从顶圈1飞出。
在研磨时，解除吸附部440对半导体晶片W的吸附，使半导体晶片W保持在顶圈1的下面，同时，使连结于顶圈驱动轴11上的顶圈用气缸111动作，以规定的按压力将固定在顶圈1下端的止挡环3按压在研磨台100的研磨面上。在该状态下，分别向压力室422、423、424提供规定压力的加压流体，并将半导体晶片W按压在研磨台100的研磨面上。另外，通过事先从研磨液提供喷嘴102流出研磨液Q，将研磨液Q保持在研磨衬垫101中，在半导体晶片W的被研磨面(下面)与研磨衬垫101之间存在研磨液Q的状态下进行研磨。
这里，由分别提供给压力室422、423的加压流体的压力将半导体晶片W位于压力室422和423下方的部分按压在研磨面上。另外，经环状管409的弹性膜491，以提供给压力室422的加压流体的压力将半导体晶片W位于压力室422下方的部分按压在研磨面上。因此，通过分别控制提供给各压力室422-424的加压流体的压力，可对半导体晶片W的每个部分调整施加于半导体晶片W的研磨压力。即，由调整器R3-R5分别独立调整提供给各压力室422-424的加压流体的压力，对半导体晶片W的每个部分调整将半导体晶片W按压在研磨台100上的研磨衬垫101的按压力。这样，在对半导体晶片W的每个部分将研磨压力调整到期望值的状态下，将半导体晶片W按压在正在旋转的研磨台100上面的研磨衬垫101上。同样，通过调整器R1来调整提供给顶圈用气缸111的加压流体的压力，并且止挡环3变更按压研磨衬垫101的按压力。这样，通过在研磨中止挡环3适当调整按压研磨衬垫101的按压力和将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力，可将半导体晶片W的中心部(图14的C1)、中间部(C2)、周缘部(C3)、再到位于半导体晶片W外侧的止挡环3的外周部的各部分的研磨压力的分布变为期望的分布。
这样，将半导体晶片W区分成同心的3个圆和圆环部分(C1-C3)，以独立的按压力按压各部分。虽然研磨速率取决于半导体晶片W对研磨面的按压力，但如上所述，因为可控制各部分的按压力，所以可独立控制半导体晶片W的3个部分(C1-C3)的研磨速率。因此，即使半导体晶片W的表面的应研磨薄膜的膜厚存在半径方向的分布，在半导体晶片整个面中也不会产生研磨不足或过研磨。即，即使半导体晶片W的表面的应研磨薄膜膜厚因半导体晶片W的半径方向的位置不同而不同时，也可通过将上述各压力室422-424中位于半导体晶片W表面的膜厚厚的部分的上方的压力室的压力设得比其它压力室的压力高，或将位于半导体晶片W表面的膜厚薄的部分的上方的压力室的压力设得比其它压力室的压力低，可使膜厚厚的部分对研磨面的按压力比膜厚薄的部分对研磨面的按压力大，可选择地提高该部分的研磨速率。从而，可不依赖于成膜时的膜厚分布来在半导体晶片W的整体表面进行过度或不足的研磨。
可通过控制止挡环3的按压力来防止在半导体晶片W的周缘部引起的边缘下垂。另外，在半导体晶片W的周缘部应研磨的薄膜的膜厚有大变化的情况下，通过有意增大或减小止挡环3的按压力，可控制半导体晶片W的周缘部的研磨速率。另外，若向上述各压力室422-424提供加压流体，则夹紧板406受到上方向的力，所以在本实施方式中，经流体路径31向压力室421提供压力流体，防止由于来自各压力室422-424的力向上抬起夹紧板406。
如上所述，适当调整顶圈用气缸111产生的止挡环3对研磨衬垫101的按压力、和提供给各压力室422-424的加压空气产生的半导体晶片W的每个部分对研磨衬垫101的按压力，进行半导体晶片W的研磨。另外，当研磨结束时，将半导体晶片W再次真空吸附于吸附部440的下端面。此时，停止向将半导体晶片W按压在研磨面上的各压力室422-424提供加压流体，开放成大气压，从而使半导体晶片W相接于吸附部440的下端面。另外，将压力室421内的压力开放成大气压或变为负压。这是因为若压力室421的压力仍然很高，则仅半导体晶片W相接于吸附部440的部分被强行按压在研磨面上。
如上所述，在吸附半导体晶片W后，使顶圈1的整体位于半导体晶片的移送位置，从吸附部440的连通孔440a向半导体晶片W喷射流体(例如压缩空气或氮与纯水的混合物)，释放半导体晶片W。
但是，在密封环404的外周面与止挡环3之间的微小间隙G中侵入研磨用的研磨液Q，若该研磨液固定，则妨碍支架环405、夹紧板406、和密封环404等部件相对顶圈主体2和止挡环3的圆滑的上下运动。因此，经流体路径32向洗净液路径451提供洗净液(纯水)。从而，从多个连通孔453向间隙G的上方提供纯水，纯水冲洗流过间隙G，防止上述研磨液Q固定。最好在研磨后的半导体晶片、吸附接着研磨的半导体晶片之前的期间中提供纯水。另外，最好在止挡环3中设置如图13所示的多个通孔3a，以在下一次研磨之前将提供的纯水全部排出到外部。并且，若在由止挡环3、支架环405和加压片407形成的空间226内充满压力，则妨碍夹紧板406上升，所以为了使夹紧板406平滑上升，也最好设置上述通孔3a，使空间425变为与大气相同的压力。
如上所述，根据本发明实施方式2的基板保护装置，通过独立控制压力室422、423、424的压力，可控制对半导体晶片的按压力。
这里，进一步详细说明实施方式2的基板保护装置中的环状管409。
图15是表示图13所示环状管409的纵向截面图。本实施方式的环状管409的弹性膜491如图15所示，具有备有向外突出的外延凸缘491a的相接部491b、和经上述环状管支架492连接于夹紧板406上的连接部491c。上述连接部491c从外延凸缘491a的基部491d向上延伸。另外，相接部491b的下面相接半导体晶片W的上面。这些外延凸缘491a、相接部491b、连接部491c由相同材料一体形成。
如上所述，在研磨半导体晶片时，向压力室422和包围环状管409的压力室423、424提供加压流体。从而，外延凸缘491a通过分别提供给压力室422、423的加压流体紧贴于半导体晶片W上。因此，即使提供给周围的压力室422或423的加压流体的压力比提供给环状管409的内部压力室422的加压流体的压力高的情况下，周围的压力高的加压流体也不会流入环状管409的下方。因此，通过设置上述外延凸缘491a，可增大各压力室的压力控制幅度，可更稳定进行半导体晶片的按压。
另外，在环状管409的相接部491b的中央部于多个部位形成开口491e，经该开口491e，提供给压力室422的加压流体直接接触半导体晶片W的上面。在研磨中，因为向压力室422提供加压流体，所以通过该加压流体将环状管409的相接部491b压在半导体晶片W的上面。因此，即使在形成这种开口491e的情况下，压力室422内部的加压流体也基本上不会漏到外部。另外，在释放半导体晶片W时，可经上述开口491e向半导体晶片W施加加压流体产生的向下的压力，所以半导体晶片W的释放变得更平滑。
另外，如上所述，在控制提供给压力室422的加压流体的温度，并从被研磨面的里侧控制半导体晶片W的温度时，通过在环状管409的相接部491b中形成这种开口491e，可增大温度控制后的加压流体接触半导体晶片W的面积，所以可使半导体晶片W的温度控制性提高。另外，在研磨结束后，在释放半导体晶片W时，经上述开口491e分别向外界空气开放压力室422，所以提供给压力室422的流体等不会充满其内部。因此，即使在连续研磨半导体晶片W的情况下，也可保证温度控制的稳定性。
如图15所示，在夹紧板406中设置支撑环状管409的外延凸缘491a的支撑部406a。在不设置这种支撑部406a的情况下，当向包围环状管509的压力室423、424提供加压流体时，外延凸缘491a变形，如图16所示，粘贴于夹紧板406的下面。在这种状态下，因为不能适当控制压力室422-424的压力，所以在本实施方式中，如上所述，在夹紧板406中设置支撑环状管409的外延凸缘491a的支撑部406a，从而防止外延凸缘491a粘贴到夹紧板406的下面，实现各压力室422-424的压力稳定化。此时，若使支撑部的径向长度比外延凸缘491a的径向长度长，则可更确实支撑外延凸缘491a。
此时，环状管409的外延凸缘491a接触夹紧板406的支撑部406a，但为了提供外延凸缘491a对半导体晶片W的紧贴性，必需通过提供给压力室423、424的加压流体来按压外延凸缘491a。因此，在本实施方式中，如图17所示，在夹紧板406的支撑部406a中形成流体导入沟406b，通过提供给压力室423、424的加压流体来稳定按压外延凸缘491a，提高外延凸缘491a与半导体晶片W的紧贴性。
另外，密封环404也一样，如图18所示，密封环404通过提供给压力室424的加压流体来粘贴到夹紧板406的外周缘部，所以在本实施方式中，如图19所示，在夹紧板406的外周缘部设置支撑密封环404的支撑部406c。此时，与上述支撑部406a一样，在支撑部406c中也设置流体导入沟，通过提供给压力室424的加压流体来稳定按压密封环404，也可提高密封环404与半导体晶片W的紧贴性。另外，因为该沟可将加压流体引导到半导体晶片的最外周，所以可在晶片外周部实现均匀的按压力。
若将止挡环3按压在研磨衬垫101上，则止挡环3附近的研磨衬垫101凸起(回弹)，所以有时半导体晶片W外周部的研磨速率局部变高。在本实施方式中，通过缩短上述夹紧板406的支撑部406c的径向长度d，可抑制半导体晶片W的外周部的过研磨。另外，在回弹影响少的情况下，通过减小长度d，使按压力集中，或通过增大长度d，使按压力分散，可使研磨速率变化。具体而言，通过在1mm-7mm的范围内变化，可得到期望的研磨速率。
在上述实施方式2的基板保持装置中，分别单独设置流体路径31、33、34、35，但也可边统一这些流体路径，边使各压力室彼此连通等，随着应施加于半导体晶片W上的按压力的大小或施加的位置来自由改变。另外，在上述实施方式中，说明环状管409直接接触半导体晶片W的实例，但不限于此，例如使弹性衬垫夹在环状管409与半导体晶片W之间，环状管409间接接触半导体晶片W。
另外，图13至图19所示的实施方式2中，通过研磨衬垫来形成研磨面，但不限于此。例如，也可如图2至图12所示的实施方式1所述那样，通过固定磨料来形成研磨面。
如上所述，根据本发明的实施方式2，可独立控制施加于基板的压力，并使向膜厚厚的部分的研磨面的按压力比向膜厚薄的部分的研磨面的按压力大，所以可选择地提高该部分的研磨速率。从而，可不依赖于成膜时的膜厚分布来在基板的整个面中进行过度或不足的研磨。另外，由刚性高的轻量材质、例如环氧类树脂形成上下运动部件，从而上下运动部件难以挠曲，可防止局部研磨速率变高。另外，若选择不具有磁性的材料作为上下运动部件，则在将应研磨的半导体晶片保持在顶圈上的状态下，通过使用涡流的膜厚测定方法来测定形成于其表面上的薄膜的膜厚的情况等下最好。
下面，说明根据本发明的基板保持装置的实施方式3。图20是表示实施方式3的顶圈1的纵向截面图。如图22所示，构成基板保持装置的顶圈1具备在内部具有容纳空间的圆筒容器状的顶圈主体2、和固定在顶圈主体2的下端上的止挡环3。顶圈主体2由金属或陶瓷等强度和刚性高的材料形成。另外，止挡环3由刚性高的树脂或陶瓷等形成。
顶圈主体2具备圆筒容器状的壳体部2a、嵌合在壳体部2a的圆筒部内侧的环状的加压片支撑部2b、和嵌合在壳体部2a的上面外周缘部的环状密封部2c。在顶圈主体2的壳体部2a的下端固定止挡环3。该止挡环3的下部向内突出。另外，也可与顶圈主体2一体地形成止挡环3。
在顶圈主体2的壳体部2a的中央部上方，配置上述顶圈驱动轴11，通过万向接头部10连接顶圈主体2与顶圈驱动轴11。该万向接头部10具备可使顶圈主体2与顶圈驱动轴11彼此倾斜的球面轴承机构、和将顶圈驱动轴11的旋转传递到顶圈主体2的旋转传递机构，在允许彼此倾斜移动的同时，从顶圈驱动轴11向顶圈主体2传递按压力和旋转力。
顶圈主体2和一体固定在顶圈主体2上的止挡环3的内部中区分的空间内，容纳相接于由顶圈1保持的半导体晶片W的外周部的边缘包504、环状支架环505、可在顶圈主体2内部的容纳空间内上下运动的大致圆盘状的夹紧板506、和在边缘包504的径向内侧与半导体晶片W相接的转矩传递部件507。
另外，夹紧板506也可由金属材料形成，但在将应研磨的半导体晶片保持在顶圈上的状态下，当通过使用涡流的膜厚测定方法来测定形成于其表面的薄膜的膜厚等时，最好由不具有磁性的材料、例如氟类树脂或陶瓷等绝缘性材料形成。
在支架环505与顶圈主体2之间架设由弹性膜构成的加压片508。该加压片508的一端夹入顶圈主体2的壳体部2a与加压片支撑部2b之间，另一端夹入支架环205的上端部505a与止动部505b之间进行固定。通过顶圈主体2、夹紧板506、支架环505和加压板508，在顶圈主体2的内部形成压力室521。如图20所示，由管、连接器等构成的流体路径31连通于压力室521，压力室521经配置在流体路径31上的调整器R2连接于压缩空气源120。另外，加压片508由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
在嵌合顶圈主体2的密封部2c的壳体部2a的上面的外周缘附近，形成环状沟构成的洗净液路径551。该洗净液路径551经密封部2c的通孔连通于流体路径32，经该流体路径32提供洗净液(纯水)。另外，在多个部位设置从洗净液路径551延伸、贯穿壳体部2a、加压片支撑部2b的连通孔553，该连通孔553连通到密封环504的外周面与止挡环3之间的微小间隙G。
图21是表示图20的边缘包504的局部截面图。如图21所示，边缘包504的外周侧被夹入支架环505的止动部505b与配置在支架环505下部的边缘包支架506a之间，其内周侧被夹入边缘包支架506a与夹紧板主体506b之间，进行固定。该边缘包504的下端面接触作为研磨对象物的半导体晶片W的外周缘部。边缘包504由弹性膜构成，由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
边缘包504的下面相接半导体晶片W的外周缘部，在该下面设置向半径方向内侧突出的外延凸缘541。另外，在边缘包504的内部由上述弹性膜形成(第1)压力室522。该压力室522上连通由管、连接器等构成的流体路径33，压力室522经配置在该流体路径33上的调整器R3连接于压缩空气源120。
研磨时，伴随顶圈1的旋转，半导体晶片W也旋转，但与半导体晶片W的接触面积仅在上述边缘包504减小，担心不能传递旋转转矩。因此，将相接于半导体晶片W后、向半导体晶片W传递足够的转矩的转矩传递部件507固定在夹紧板506上。该转矩传递部件507形成环状的包形状，以仅向半导体晶片W传递足够转矩的接触面积来与半导体晶片W接触。
图22是表示图20的转矩传递部件507的局部截面图。如图22所示，转矩传递部件507由相接于半导体晶片W上面的弹性膜571、和可拆装地保持弹性膜571的转矩传递部件支架572构成，由这些弹性膜571和转矩传递部件支架572在转矩传递部件507的内部形成空间560。转矩传递部件507的弹性膜571与边缘包504一样，由三元乙丙橡胶(EPDM)、聚亚胺酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性好的橡胶材料形成。
转矩传递部件507的弹性膜571如图22所示，具备具有向外突出的外延凸缘571a的相接部571b、和经上述转矩传递部件支架572连接于夹紧板506的连接部571c。另外，上述连接部571c从外延凸缘571a的基部571d向上延伸。另外，相接部571b的下面相接半导体晶片W的上面。在连接部571c中，在内周侧和外周侧两方形成多个连通孔573，连通转矩传递部件507的内部空间560与外部空间561、562。
通过将沿铅直方向延伸的两个连接部571c排列配置在较近的距离，可使连接部571c具有足以传递转矩的强度。另外，通过设置外延凸缘571a，可充分确保与半导体晶片W的接触面积。
形成于夹紧板506与半导体晶片W之间的空间可区分成多个空间，即边缘包504径向内侧的压力室522、上述转矩传递部件507的内部空间560、边缘包504与转矩传递部件507之间的空间561、转矩传递部件507的径向内侧的空间562。如上所述，因为在转矩传递部件507的连接部571c中设置连通孔573，所以空间561、空间560、空间562经该连通孔573彼此连通，在边缘包504的径向内侧形成(第2)压力室523。
在转矩传递部件507内的空间560上连通由管、连接器等构成的流体路径34，空间560经配置在该流体路径34上的调整器R4连接于压缩空气源120。另外，在边缘包504与转矩传递部件507之间的空间561上连通由管、连接器等构成的流体路径35，空间560经配置在该流体路径35上的调整器R5连接于压缩空气源120。此外，在转矩传递部件507的径向内侧的空间562连通由管、连接器等构成的流体路径36，空间562经配置在该流体路径36上的调整器(未图示)连接于压缩空气源120。另外，上述压力室521-523经设置在顶圈轴110上端部的旋转接头(未图示)连接于各调整器。
如上所述，因为空间561、空间560、空间562彼此连通，所以即使如此设置多个流体路径，也可通过从一个流体路径提供加压流体来保持压力室523的压力均匀，但为了改善使压力室523的压力变化时的响应，最好如实施方式3那样设置多个流体路径34、35、36。但是，未必对每个流体路径34、35、36都设置调整器，也可将流体路径34、35、36连接于一个调整器上来进行压力控制。
在研磨半导体晶片时，分别向压力室522和压力室523提供加压流体。在边缘包504的下端面设置外延凸缘541，该外延凸缘541通过提供给压力室523的加压流体紧贴于半导体晶片W上。因此，压力室523的加压流体不会回流到边缘包504的下面。因此，通过设置上述外延凸缘541，可在使压力室522和压力室523的压力变化时进行稳定控制。这里，从控制半导体晶片W的外周缘部的研磨速率的观点看，边缘包504内形成压力室522的弹性膜的径向幅度最好为1-10mm左右，在本实施方式中为5mm。
经连通于各压力室的流体路径31、33、34-36向上述夹紧板506上方的压力室521和上述压力室522、523提供加压空气等加压流体，或成为大气压或真空。即，可通过配置在压力室521-523的流体路径31、33、34-36上的调整器来调整提供给各压力室的加压流体的压力。从而，可分别独立控制各压力室521-523的内部压力或成为大气压或真空。通过如此构成，在由压力室523的压力以均匀的力将去除半导体晶片W外周缘部的整体面按压在研磨面上的同时，可独立于压力室523的压力来控制压力室522的压力，可控制半导体晶片W的外周缘部的研磨速度、即外周缘部的研磨轮廓。另外，还通过控制止挡环3的按压力，可更细致地控制。
此时，也可分别控制提供给各压力室522、523的加压流体或大气压的温度。这样，可从半导体晶片等研磨对象物的被研磨面里侧直接控制研磨对象物的温度。尤其是若独立控制各压力室的温度，则可控制CMP中的化学研磨的化学反应速度。
在夹紧板506中，向下方突出的吸附部540设置在边缘包504与转矩传递部件507之间，在本实施方式中，设置4个吸附部540。该吸附部540中形成连通于由管、连接器等构成的流体路径37的连通孔540a，吸附部540经配置在该流体路径37上的调整器(不图示)连接于压缩空气源120。通过该压缩空气源120，在吸附部540的连通孔540a的开口端形成负压，将半导体晶片W吸附于吸附部540上。另外，在吸附部540的下端面粘贴由薄的橡胶片等构成的弹性片540b，吸附部540柔软地吸附保持半导体晶片W。
下面，详细说明如此构成的顶圈1的作用。
在上述结构的抛光装置中，在搬运半导体晶片W时，使顶圈1的整体位于半导体晶片W的移送位置，经流体路径37将吸附部540的连通孔540a连接于压缩空气源120。由于该连通孔540a的吸引作用，将半导体晶片W真空吸附于吸附部540的下端面。之后，在吸附半导体晶片W的状态下，使顶圈1移动，使顶圈1的整体位于具有研磨面(研磨衬垫101)的研磨台100的上方。另外，由止挡环3来保持半导体晶片W的侧端部，半导体晶片W不会从顶圈1飞出。
在研磨时，解除吸附部540对半导体晶片W的吸附，使半导体晶片W保持在顶圈1的下面，同时，使连结于顶圈驱动轴11上的顶圈用气缸111动作，以规定的按压力将固定在顶圈1下端的止挡环3按压在研磨台100的研磨面上。在该状态下，分别向压力室522和压力室523提供规定压力的加压流体，并将半导体晶片W按压在研磨台100的研磨面上。另外，通过事先从研磨液提供喷嘴102流出研磨液Q，将研磨液Q保持在研磨衬垫101中，在半导体晶片W的被研磨面(下面)与研磨衬垫101之间存在研磨液Q的状态下进行研磨。
这里，由分别提供给压力室522和压力室523的加压流体的压力将半导体晶片W位于压力室522和压力室523下方的部分按压在研磨面上。因此，通过分别控制提供给压力室522和压力室523的加压流体的压力，施加到半导体晶片W的研磨压力以均匀的力将去除半导体晶片W外周缘部的整体面按压在研磨面上，同时，可控制半导体晶片W的外周缘部的研磨速度、即可控制半导体晶片W的外周缘部的研磨轮廓。另外，同样通过调整器R2来调整提供给压力室521的加压流体的压力，变更止挡环3按压研磨衬垫101的按压力。这样，在研磨中，通过适当调整止挡环3按压研磨衬垫101的按压力与将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力，可更细致地控制半导体晶片W的外周缘部的研磨轮廓。另外，半导体晶片W位于压力室523下方的部分有经转矩传递部件507的相接部571b从流体施加按压力的部分、和加压流体的压力本身施加于半导体晶片W上的部分，但施加于这些部分上的按压力为相同压力。
如上所述，适当调整顶圈用气缸111产生的止挡环3对研磨衬垫101的按压力、与提供给压力室522和压力室523的加压流体产生的将半导体晶片W按压在研磨衬垫101上的按压力，研磨半导体晶片W。另外，在研磨结束时，将半导体晶片W再次真空吸附于吸附部540的下端面。此时，停止向压力室522和压力室523提供加压流体，开放成大气压，从而使吸附部540的下端面相接于半导体晶片W。另外，将压力室521内的压力开放成大气压或变为负压。这是因为若压力室521的压力仍然很高，则仅半导体晶片W相接于吸附部540的部分被强行按压在研磨面上。
如上所述，在吸附半导体晶片W后，使顶圈1的整体位于半导体晶片的移送位置，从吸附部540的连通孔540a向半导体晶片W喷射流体(例如压缩空气或氮与纯水的混合物)，释放半导体晶片W。
但是，在密封环504的外周面与止挡环3之间的微小间隙G中侵入研磨用的研磨液Q，若该研磨液固定，则妨碍支架环505、夹紧板506、和边缘包504等部件相对顶圈主体2和止挡环3的圆滑的上下运动。因此，经流体路径32向洗净液路径55 1提供洗净液(纯水)。从而，从多个连通孔553向间隙G的上方提供纯水，纯水冲洗流过间隙G，防止上述研磨液Q固定。最好在研磨后的半导体晶片、吸附接着研磨的半导体晶片之前的期间中提供纯水。
上述实施方式3中，分别单独设置流体路径31、33-37，但也可边统一这些流体路径，边使各压力室彼此连通等，随着应施加于半导体晶片W上的按压力的大小或施加的位置来自由改变。
另外，在图20至图22所示的实施方式3中，通过研磨衬垫来形成研磨面，但不限于此，也可如图2至图12所示的实施方式1那样，通过固定磨料来形成研磨面。
如上所述，根据本发明的实施方式3，可通过转矩传递部件向基板传递充足的转矩，另外，通过第2压力室的压力以均匀的力将去除基板外周缘部的整体面按压在研磨面上，同时，可独立于第2压力室的压力来控制第1压力室的压力。因此，可控制基板外周缘部的研磨速率，即可控制外周缘部的研磨轮廓。
产业上的可利用性
本发明适用于在研磨并平坦化半导体晶片等基板的抛光装置中，保持该基板的基板保持装置和具备该基板保持装置的抛光装置。
Claims (23)
1、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板，并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘，并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，
上述连接部由比相接部更具有伸缩性的材质形成。
2、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板，并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘，并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，
上述连接部具有厚度比上述相接部薄的薄壁部。
3、根据权利要求2所述的基板保持装置，其特征在于：
所述薄壁部的截面形状向内中间变细。
4、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板，并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘，并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，
减弱上述连接部的外延凸缘基部下面的紧贴性。
5、根据权利要求4所述的基板保持装置，其特征在于：
使对上述基板的紧贴性低的中间部件夹在上述相接部的外延凸缘基部的下面，减弱上述外延凸缘基部的下面的紧贴性。
6、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板，并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备在具有向外凸出的外延凸缘，并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部，
在上述连接部的外延凸缘基部埋设由比该弹性膜硬的材质形成的硬质部件。
7、根据权利要求6所述的基板保持装置，其特征在于：
上述硬质部件为环状。
8、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备弹生膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备具有向外凸出的外延凸缘并直接或间接相接于上述基板的相接部；与上述相接部的外延凸缘之间形成沟、并从该外延凸缘的基部向外延伸到比该外延凸缘的前端靠内的位置的延伸部；和从上述延伸部的外端部向上延伸并连接于上述上下运动部件的连接部。
9、根据权利要求1-8之一所述的基板保持装置，其特征在于：
位于径向内侧的上述连接部的厚度与位于径向外侧的上述连接部的厚度不同。
10、根据权利要求9所述的基板保持装置，其特征在于：
上述位于径向内侧的连接部的厚度比位于上述径向外侧的连接部的厚度薄。
11、根据权利要求1-10之一所述的基板保持装置，其特征在于：
向径向外侧凸出的上述外延凸缘的长度与向径向内侧凸出的上述外延凸缘的长度不同。
12、根据权利要求11所述的基板保持装置，其特征在于：
上述向径向外侧凸出的外延凸缘的长度比上述向径向内侧凸出的外延凸缘的长度长。
13、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、和可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件，
在上述上下运动部件的下表面上装配具备直接或单位相接于上述基板上的弹生膜的相接部件，
上述上下运动部件由刚性高的材质来形成。
14、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，其特征在于：
在顶圈的下面装配具备弹性膜的相接部件，
上述相接部件的弹性膜具备具有向外凸出的外延凸缘并直接或间接相接于上述基板的相接部；和从上述相接部的外延凸缘基部向上延伸并连接于上述顶圈的连接部，
在上述顶圈上设置支撑上述相接部件的外延凸缘的支撑部。
15、根据权利要求14所述的基板保持装置，其特征在于：
使上述支撑部的径向长度比上述相接部件的外延凸缘的径向长度长。
16、根据权利要求14或15所述的基板保持装置，其特征在于：
在上述支撑部中形成向上述相接部件的外延凸缘的上面导入流体的流体导入沟。
17、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，其特征在于：
具备内部具有容纳空间的顶圈主体、可在该顶圈主体的容纳空间内上下运动的上下运动部件、和相接于上述基板外周缘部的上面的密封环，
在上述上下运动部件上设置支撑上述密封环的径向长度为1mm至7mm的支撑部。
18、根据权利要求17所述的基板保持装置，其特征在于：
在上述上下运动部件的支撑部中形成向上述密封环的上面导入流体的流体导入沟。
19、一种基板保持装置，保持作为抛光对象物的基板并按压在研磨面上，其特征在于：
具备保持上述基板的顶圈主体；相接于上述基板外周缘部的边缘包(edge bag)；和在上述边缘包的径向内侧相接于上述基板的转矩传递部件，
独立地控制形成于上述边缘包内部的第1压力室的压力和形成于上述边缘包径向内侧的第2压力室的压力。
20、根据权利要求19所述的基板保持装置，其特征在于：
在上述转矩传递部件中形成连通该转矩传递部件的内部空间与外部空间的连通孔。
21、根据权利要求19或20所述的基板保持装置，其特征在于：
形成上述第1压力室的上述边缘包的部件径向幅度为1mm至10mm。
22、根据权利要求19-21之一所述的基板保持装置，其特征在于：
具备固定或一体设置在上述顶圈主体中、保持基板的侧端部的止挡环，
与上述压力室的压力独立地控制上述止挡环对研磨面的按压力。
23、一种抛光装置，其特征在于：具备权利要求1-22之一所述的基板保持装置、和具有研磨面的研磨台。
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