JP2009033197A - 化学的機械研磨システムのための可撓膜を有する支持ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】 新規な化学的機械研磨装置用の支持ヘッドを提供する。
【解決手段】 支持ヘッドは、研磨面上に基板を配置するための支持ヘッドであって、共に回転すべく駆動シャフトに連結可能なハウジングと、ベースと、ハウジングをベースに枢動可能に連結して、ベースがハウジングに対して回転できるようにするジンバル機構と、基板用の取付け面を有する可撓膜と、を備え、可撓膜はベースに連結されると共にベースの下に延びてチャンバを画成する。
【選択図】 図４
【解決手段】 支持ヘッドは、研磨面上に基板を配置するための支持ヘッドであって、共に回転すべく駆動シャフトに連結可能なハウジングと、ベースと、ハウジングをベースに枢動可能に連結して、ベースがハウジングに対して回転できるようにするジンバル機構と、基板用の取付け面を有する可撓膜と、を備え、可撓膜はベースに連結されると共にベースの下に延びてチャンバを画成する。
【選択図】 図４
Description
本発明は、一般的には基板の化学的機械研磨に関し、より詳細には化学的機械研磨システム用のキャリアヘッドないしは支持ヘッドに関する。
集積回路は通常、導体層、半導体層、または絶縁層の連続的な堆積によって、基板、特にシリコンウェーハ上に形成される。各層が堆積した後、その層がエッチングされて回路構造が作成される。一連の層が連続して堆積、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非平坦になる。この非平坦外面は集積回路メーカーに問題を提起する。基板の外面が非平坦である場合、その上に塗布されるフォトレジスト層も非平坦になる。フォトレジスト層は通常、光画像をフォトレジスト上に集束させるフォトリソグラフ装置によってパターン加工される。基板の外面が充分に非平坦状の場合、外面の山と谷の間の最大高度差が画像装置の焦点深度を超えることがあり、光画像を基板の外面に正しく集束させることが不可能になる。
焦点深度を改良した新しいフォトリソグラフ装置を設計するには極めて費用がかかると考えられる。その上、集積回路に使用される表面構造が小さくなるに従って、より短い波長の光を使用しなければならず、利用可能な焦点深度の更なる縮小を招く。
従って、基板表面を定期的に平坦化して、実質的に平らな表面層を形成することが必要である。
化学的機械研磨（ＣＭＰ）は容認される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ヘッドに取り付ける必要がある。次に、基板の露出面を回転研磨パッドに接触させる。キャリヤは制御可能な荷重、すなわち圧力を基板に加えて、基板を研磨パッドに押し付ける。更に、キャリヤの回転によって基板と研磨パッドの間に運動を追加してもよい。研磨剤と、少なくとも一つの化学反応剤とを含む研磨スラリが研磨パッドに塗布されて、パッドと基板の間の境界に研磨性化学溶液を供給する。
ＣＭＰプロセスはかなり複雑な工程で、単純な湿式サンディングとは異なる。ＣＭＰプロセスでは、スラリの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。研磨パッドと研磨粒子の、反応サイトとの相互作用の結果、研磨が行なわれる。
効果的なＣＭＰプロセスは研磨速度が高く、仕上げられた（小規模の粗さがない）、平坦な（大規模の表面形態(topography)がない）基板表面を作り出す。研磨速度、仕上り、および平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッドの間の相対速度、および基板をパッドに押し付ける力によって決まる。不十分な平坦度と仕上り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、要求される仕上りと平坦度に支配される。これらの制約の上で、研磨速度が研磨装置の最大処理能力を決める。
研磨速度は、基板をパッドに押し付ける力に依存する。具体的には、この力が大きい程、研磨速度は高くなる。支持ヘッドが不均一な荷重を加えた場合、すなわち支持ヘッドが基板の一部分に他より大きな力を加えると、高い圧力部分は低い圧力部分よりも早く研磨される。従って、不均一な荷重は基板の不均一な研磨をもたらすだろう。
集積回路の生産で更に考慮すべきことはプロセスと製品の安定性である。高い歩留り、すなわち低い不良率を達成するために、連続生産される各基板を実質的に同じ状態で研磨しなければならない。各基板を、各集積回路が事実上同一になるように、ほぼ同じ量だけ研磨しなければならない。
上記に鑑みて、研磨処理能力を最適にすると同時に、希望の平坦度と仕上りを提供する化学的機械研磨装置が必要である。具体的には、化学的機械研磨装置は、基板全体に実質的に均一な荷重を加える支持ヘッドを持たなければならない。
一つの局面では、本発明は化学的機械研磨装置用の支持ヘッドに関する。支持ヘッドはベース、フレクシャ（flexture）によってベースに連結される支持構造体、および支持構造体に連結される可撓膜を備えている。可撓膜は基板用の取付け面を有し、支持構造体の下に延びてチャンバを画成する。
本発明の実施態様は下記を含む。フレクシャを上部クランプと下部クランプの間に固定してもよいし、膜を下部クランプと支持構造体の間に固定してもよい。フレクシャは実質的に水平で環状をなし、外周部分はベースに取り付けられると共に内周部分は支持構造体に取り付けられる。支持構造体は環状リングまたは円板を含んでもよい。プレート上のチャンバの部分はプレートを貫通する開口部によって下の部分に連結される。支持構造体の外端部は下方に突出したリップを持つ。
支持ヘッドは下記の一つ以上を含んでもよい。すなわち、共に回転すべく駆動シャフトに連結可能なハウジング、ハウジングをベースに枢動可能に連結してベースがハウジングに対して枢動できるようにするジンバル（gimbal）機構、ベースに連結されると共に可撓膜を囲む保持リング、およびハウジングをベースに連結してベースに下向圧力を加える負荷機構である。ハウジングは実質的に垂直な通路を有し、またジンバル機構は、通路に摺動可能に配置される上端を持つロッドを含む。ジンバル機構は、ロッドの下端に連結される球状外面を持つベアリングベースと、ベアリングベースに係合する球状内面を持つジンバルレースとを含む。
支持構造体、フレクシャ、および膜は、フレクシャに対する下向圧力が支持構造体に対する上向圧力によって実質的にバランスされることによって膜の端部における下向圧力が膜の他の部分における下向圧力と実質的に同一になるように構成される。支持構造体の下面の表面積はフレクシャの上面の表面積にほぼ等しい。クランプの外径は支持構造体の外径よりも小さい。
支持構造体とフレクシャの間に隙間が存在してもよいし、また流体を隙間に流入させてスラリを隙間から強制排出するための、支持構造体を貫通する通路が存在してもよい。
もう一つの局面では、支持ヘッドは、ハウジング、ベース、負荷機構、およびジンバル機構を含む。ジンバル機構は、ハウジング内の通路に摺動可能に配置される上端を持つロッドと、ロッドの下端をベースに連結するわずかに可撓性の部材とを含む。
本発明の態様は下記を含む。該部材は、ロッドに連結される円周部分とベースに連結される外周部分とを持つリングでよい。部材は、垂直方向に曲げられるが、半径方向には剛性がある。ベースの下向の移動を制限するために、ストッパをロッドの上端に連結する。
もう一つの局面では、支持ヘッドは、ハウジング、ベース、ハウジングをベースに連結してハウジングに対するベースの垂直位置を制御する負荷機構、およびハウジングの下面に取り付けられてベースの上向きの動きを止めるクッションを含む。
もう一つの局面では、支持ヘッドは、ベース、第１可撓膜、および第２可撓膜を含む。第１膜は基板用の取付け面を持ち、第１チャンバを画成する。第２膜はベースに連結されると共に第１膜の上に配置されて第２チャンバを画成する。第２膜は、流体が第２チャンバ内に強制供給されるときに、第１膜に対して下向圧力を加えるように配置される。
本発明の実施態様は下記を含む。第１膜は、フレクシャによってベースに連結される支持構造体に取り付けられる。第２膜は、支持構造体か第１膜のいずれかに接触するように配置される。支持構造体はフレクシャによってベースに連結され、また第１膜は支持構造体に取り付けられると共にベースの下に延びて第１チャンバを画成する。支持構造体は支持リングを含み、また第２膜は、支持リングの中心を通って延びて第１膜に接するように配置される。支持ヘッドは、第１チャンバに連結される第１流体源と、第２通路に連結される第２流体源と、第２チャンバ内の圧力を測定するセンサとを持つ研磨装置の中で使用される。
もう一つの局面では、支持ヘッドはベース、フレクシャによってベースに連結される支持構造体、第１膜部分、および第２膜部分を含む。第１膜部分はベースに連結されると共にベースの下に延びて、第１の実質的に円形のチャンバを画成する。第２膜部分は支持構造体に連結されると共に支持構造体の下に延びて、第１チャンバを囲む第２の実質的に環状のチャンバを画成する。
本発明の実施態様は下記を含む。第１膜部分の下面は第２膜部分の上面に接触するか、それに取り付けられる。
もう一つの局面では、支持ヘッドは、底面、チャンバを画成する可撓膜、およびチャンバに真空を加えるポートを持つ支持構造体を有する。支持構造体の底面には凹部がある。膜は、チャンバが減圧排出されて可撓膜と基板の上面の間に減圧部分を生じた場合、凹部に引き込まれるように構成される。凹部は非対称形に分布する。
もう一つの局面では、本発明は支持ヘッド内の基板の存在を感知する方法に関する。基板用の取付け面を持つ第１可撓膜によって形成される第１チャンバが加圧される。第２可撓膜によって形成される第２チャンバも第１圧力まで加圧される。第２膜は取付け面の上の第１膜に接触するように配置される。第２チャンバがシールされる。基板は取付け面に接して置かれ、流体が第１チャンバから強制排出されて、基板を取付け面にチャックするための減圧区域を作り出す。次に、第２チャンバ内の圧力が２回測定される。
実施態様は下記を含む。第２圧力が第１圧力よりも大きい場合、基板は存在するものとして表示される。第２圧力が第１圧力と等しい場合、基板は存在しないものとして表示される。
もう一つの局面では、本発明は、支持ヘッドの取付け面に基板をチャックする方法に関する。基板は支持ヘッドの取付け面に接して配置される。流体は、第１可撓膜によって画成される第１チャンバ内に強制供給されて、基板の環状部分に下向圧力を加え、また流体は、第２膜によって画成される第２チャンバから強制排出されて第２膜を上方に引き上げ、基板を取付け面にチャックするための、環状部分によって境界を定められた減圧区域を作り出す。
本発明の実施態様は下記を含む。第１膜は基板、支持構造体、または第２膜のいずれかに接触する。第１チャンバは環状の容積空間部を含む。
本発明の利点は下記を含む。支持ヘッドは均一な荷重を基板に加える。支持ヘッドは基板を研磨パッドから引き離すために、基板を真空チャックすることができる。
本発明の更なる利点は下記の説明に明記され、一部はその説明によって明らかとなるか、本発明の実施態様によって理解されるだろう。本発明の利点は、特許請求の範囲に詳しく指摘される手段と組合せによって充分理解されるであろう。
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は本発明を概略的に図示するものであり、上記の一般説明および下記の詳細説明と共に本発明の原理の説明に役立つ。
図１について説明すると、化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置２０によって一つ以上の基板１０が研磨される。ＣＭＰ装置２０の完全な説明は、 Perlov 他による米国特許出願第08/549,336号（１９９５年１０月２７日出願、発明の名称「化学的機械研磨用の連続処理装置」、本発明の譲受人に譲渡）に開示され、その全内容は引用によって本明細書に記載されたこととする。
本発明によれば、ＣＰＭ装置２０は、テーブルトップ２３が設けられた下部マシンベース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とトランスファステーション２７とを支持している。トランスファステーション２７は、３つの研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃと共働してほぼ正方形の配置を形成する。トランスファステーション２７は多数の機能を持ち、装填装置（図示せず）からの個々の基板１０の受取り、基板の洗浄、支持ヘッドへの基板の装填（以下に説明）、支持ヘッドからの基板の受取り、基板の再洗浄、および最後に装填装置への基板の戻しが含まれる。
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは、上に研磨パッド３２が置かれる回転可能なプラテン３０を含む。基板１０が直径８インチ（２００ｍｍ）の円板の場合、プラテン３０と研磨パッド３２の直径は約２０インチになる。プラテン３０は、ステンレス鋼のプラテン駆動シャフト（図示せず）によってプラテン駆動モータ（これも図示せず）に連結される回転可能なアルミニウムまたはステンレス鋼プレートであることが望ましい。大抵の研磨プロセスでは、駆動モータがプラテン３０を約３０〜２００ｒｐｍで回転させるが、それより低いか高い回転速度も使用できる。
研磨パッド３２は、目の粗い研磨面３４を持つ複合材料から構成される。研磨パッド３２は感圧接着層によってプラテン３０に取り付けられてもよい。研磨パッド３２は厚さ５０ｍｉｌの硬い上部層と、厚さ５０ｍｉｌの軟らかい下部層とを持つ。上部層は、他のフィラーを混入したポリウレタンから成る材料が望ましい。下部層は、ウレタンを混入したフェルト繊維から成る材料が望ましい。上部層が IC-1000 から成り、下部層が SUBA-4 から成る通常の２層研磨パッドは、デラウェア州ニューアークの Rodel,Inc.から入手できる（IC-1000 と SUBA-4は
Rodel,Inc.の商品名）。
Rodel,Inc.の商品名）。
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは更に、関連するパッド調整装置４０を含んでもよい。各パッド調整装置４０は、独立して回転する調整器ヘッド４４を保持する回転式アーム４２と、関連する洗浄容器４６とを持つ。調整装置は、パッドがその回転時にパッドに押し付けられた基板を効果的に研磨するように、研磨パッドの状態を保全する。
反応剤（例えば、酸化物研磨用の脱イオン化水）と、研磨粒子（例えば、酸化物研磨用の二酸化珪素）と、化学反応触媒（例えば、酸化物研磨用の水酸化カリウム）とを含むスラリ５０が、スラリ供給チューブ５２によって研磨パッド３２の表面に供給される。研磨パッド３２全体を覆って湿らせるだけのスラリが供給される。２つ以上の中間洗浄ステーション５５ａ、５５ｂが、隣接する研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃの間に配置される。洗浄ステーションは、基板が研磨ステーションからステーションへと通過すると同時に基板をリンスする。
回転可能なマルチヘッドカラセル(multi-head carousel) ６０が下部マシンベース２２の上方に配置されている。カラセル６０はセンターポスト６２で支持され、そのポスト上で、ベース２２内に配置されるカラセルモータアセンブリによってカラセル軸６４まわりに回転される。センターポスト６２はカラセル支持プレート６６とカバー６８とを支持する。マルチヘッドカラセル６０は、４つの支持ヘッドシステム７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを含む。支持ヘッドシステムの中の３つが基板を受け取って保持し、それらを研磨ステーション２５ａ〜２５ｃのプラテン３０上の研磨パッド３２に押し付けて研磨する。支持ヘッドシステムの中の１つは、トランスファステーション２７からの基板を受け取ると共に、そのステーションに基板を引き渡す。
４つの支持システム７０ａ〜７０ｄが、カラセル軸６４のまわりに等角度間隔で、カラセル支持プレート６６上に取り付けられている。センターポスト６２によって、カラセルモータがカラセル支持プレート６６を回転させると共に、支持ヘッドシステム７０ａ〜７０ｄと、それに取り付けられた基板とを、カラセル軸６４まわりに旋回させる。
各支持ヘッドシステム７０ａ〜７０ｄは、研磨ヘッドつまり支持ヘッド１００を含む。各支持ヘッド１００はそれ自体の軸まわりに、独立して回転し、カラセル支持プレート６６に形成されたラジアルスロット７２の中で、独立して横方向に振動ないしは往復運動する。支持体（キャリヤ）駆動シャフト７４は、支持ヘッド回転モータ７６を支持ヘッド１００に連結する（カバー６８の１／４を取り外して図示）。各ヘッド毎に一つずつのキャリヤ駆動シャフトとモータがある。
図２について説明すると、図はカラセル６０のカバー６８を取り外してあるが、カラセル支持プレート６６が４つの支持ヘッド装置７０ａ〜７０ｄを支持している。カラセル支持プレートは、ほぼ半径方向に延びる９０°間隔の４つのラジアルスロット７２を含む。ラジアルスロット７２は閉鎖端（図示）でも開放端でもよい。支持プレートの上面は４つの溝付き支持ヘッド支持スライド８０を支持する。各スライド８０はラジアルスロット７２の一つに沿って配置され、カラセル支持プレート６６に対して半径方向に沿って自由に移動する。２つのリニア・ベアリングアセンブリが各スライド８０を支持するために各ラジアルスロット７２に取り付けられている。
図２と図３に示すように、各リニア・ベアリングアセンブリは、カラセル支持プレート６６に固定されたレール８２と、レールを掴むためにスライド８０に固定された２つのハンド８３（その内一つだけを図３に示す）とを含む。２つのベアリング８４は各ハンド８３をレール８２から分離して、両者間の自由で円滑な動きを提供する。かくして、リニア・ベアリングアセンブリによってスライド８０はラジアルスロット７２沿いに自由に移動できる。
レール８２の一方の外端部に固定されたベアリングストッパ８５は、スライド８０がレールの端部から偶発的に抜け落ちるのを防止する。各スライド８０のアームの一方は、スライドの末端近くに固定された不図示のねじ付き受容キャビティまたはナットを含む。ねじ付きキャビティまたはナットは、カラセル支持プレート６６に取り付けられたスライド・ラジアルオシレータモータ８７によって駆動されるウォームギヤ・リードスクリュ８６を支承する。モータ８７がリードスクリュ８６を回転させると、スライド８０は半径方向に移動する。４つのスライドをカラセル支持プレート６６内のラジアルスロット７２に沿って独立して移動させるように、４つのモータ８７は独立して作動できる。
支持ヘッドアセンブリないしはシステムは、各々、支持ヘッド１００、キャリヤ駆動シャフト７４、キャリヤモータ７６、および周囲の非回転シャフトハウジングを含み、４つのスライドの各々に固定される。駆動シャフトハウジング７８は、ペアセットの下部リングベアリング８８と一対の上部リングベアリング８９とによって駆動シャフト７４を保持している。各支持ヘッドアセンブリは、研磨装置２０から離れて組み立てられ、カラセル支持プレート６６のラジアルスロット７２内のスライド８０のアームの間に遊びのある状態で滑入され、そこでスライドを掴むように締め付けられる。
駆動モータ７６の頂部の回転継手９０が、２つ以上の流体ラインまたは電気ライン９２ａ〜９２ｃを、駆動シャフト７４の中の３つ以上のチャンネル９４ａ〜９４ｃ内に連結している。３台のポンプ９３ａ〜９３ｃを流体ライン９２ａ〜９２ｃにそれぞれ接続してもよい。チャンネル９４ａ〜９４ｃは、以下で更に詳しく説明するように、支持ヘッド１００を空気圧駆動して基板を支持ヘッドの底部に真空チャックするために使用される。下記に説明する支持ヘッドの各種実施形態で、ポンプ９３ａ〜９３ｃは同一流体ラインに連結されているが、ポンプの目的と機能を変更してもよい。
実際の研磨時には、支持ヘッドの中の３つ、すなわち支持ヘッド装置７０ａ〜７０ｃの支持ヘッドがそれぞれの研磨ステーション２５ａ〜２５ｃの上方に配置される。支持ヘッド１００は、基板を下げて研磨パッド３２に接触させ、スラリ５０は基板またはウェーハの化学的機械研磨用媒体として働く。支持ヘッド１００は、研磨パッドに接して基板に均一な荷重を加える。
基板は通常、主研磨ステップと最終研磨ステップを含む多段研磨ステップを受ける。主研磨ステップでは、一般にステーション２５ａで行なわれ、支持ヘッド１００により、平方インチ当たり約４〜１０ポンド（ｐｓｉ）の力が基板１０に加えられる。後続ステーションで支持ヘッド１００は、ほぼ同様の力を加えるのがよい。例えば、最終研磨ステップは一般にステーション２５ｃで行なわれ、支持ヘッド１００は約３ｐｓｉの力を加えるのがよい。キャリヤモータ７６は、支持ヘッド１００を約３０〜２００ｒｐｍで回転させる。プラテン３０と支持ヘッド１００は実質的に同一速度で回転する。
一般に支持ヘッド１００は、基板を、研磨パッドに接した状態で保持し、下向圧力を基板の裏面全体に均一に分配する。支持ヘッドは駆動シャフトから基板にトルクも伝達して、研磨中に基板が支持ヘッドの下から脱落しないようにする。
図４〜図６に従って説明すると、支持ヘッド１００は、ハウジング１０２、ベース１０４、ジンバル機構１０６、負荷機構１０８、保持リング１１０、および基板バッキングアセンブリ１１２を含む。ハウジング１０２は、駆動シャフト７４に連結され、それと一緒に、研磨パッドの表面に実質的に直角な回転軸１０７のまわりに回転する。負荷機構１０８は、ハウジング１０２とベース１０４の間に配置され、負荷ないしは荷重すなわち下向圧力をベース１０４に加える。ベース１０４は、負荷機構１０８によって研磨パッド３２に対して固定される。ベース１０４と基板バッキングアセンブリ１１２の間に配置されたチャンバ２９０の加圧は、ベースに対して上向きの力を発生させると共に、基板バッキングアセンブリに対して下向の力を発生させる。基板バッキングアセンブリに対する下向の力が、基板を研磨パッドに押し付ける。基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造体１１４、支持構造体１１４とベース１０４の間に連結されるフレクシャ１１６、および支持構造体１１４に連結された可撓膜１１８、を含む。可撓膜１１８は支持構造体１１４の下に延びて基板用の取付け面を提供する。これらの各要素について以下に更に詳しく説明する。
ハウジング１０２は、研磨すべき基板の丸い形状に対応するように、形がほぼ円形である。ハウジングは環状ハウジングプレート１２０と、ほぼ円筒形のハウジングハブ１２２とを含む。ハウジングハブ１２２は、上部ハブ部分１２４と下部ハブ部分１２６とを含んでもよい。下部ハブ部分は上部ハブ部分より直径が小さい。ハウジングプレート１２０は下部ハブ部分１２６を囲み、上部ハブ部分１２２にボルト１２８によって固定される。ハウジングプレート１２０とハウジングハブ１２２はステンレス鋼かアルミニウムで形成される。
環状クッション１２１は、例えば接着剤でハウジングプレート１２０の下面に取り付けてられている。クッション１２１は、その底面がハウジングプレートの下面と面一になるようにハウジングプレートの凹部１２５に嵌合する。以下に記載するように、クッションは、ベース１０４の上方移動を制限する軟質ストッパとして働く。クッション１２１は連続気泡のパッド、例えばデラウェア州ニューアークの Rodel,Inc.から入手可能な厚さ５０ｍｉｌの POLYTEXTM がよい。
ハウジングハブ１２２は、上部ハブ部分１２４の上面１３４を下部ハブ部分１２６の下面１３６に連結する２つの通路１３０、１３２を含む。通路１３２を可撓性のチューブ（図示せず）へ流体封止状態に接続するためのフレクシャ１３３は、下部ハブ部分１２６の下面１３６に取り付けられている。更に、中央垂直ボア１３８は、ハウジングハブの中心軸に沿って延びる。Ｏリング１４０は、両通路１３０、１３２と中央ボア１３８とを囲み、支持ヘッドが駆動シャフトに取り付けられたときに流体封止シールを提供する。円筒形ブッシュ１４２は中央ボア１３８に圧入され、下部ハブ部分１２６に形成された棚１４４によって支持される。３つのスロット１４６（断面図のためにその中の一つだけを示す）がブッシュ１４２の内部円筒面に等角度間隔で形成される。ブッシュ１４２は硬質プラスチック材料、例えば TEFLONTM と DELRINTM の混合体がよい。
ハウジング１０２を駆動シャフト７４に連結するには、支持ヘッド１００を持ち上げて、２本の合わせピン（図示せず）が上部ハブ部分１２４の上面１３４の２つの合わせピン穴（図示せず）と、駆動シャフトフランジ９６の二対の合わせピン穴とに嵌合するようにする。これが通路１３０、１３２をチャンネル９４ａ、９４ｂに円周方向に整合させる（図３参照）。中央ボア１３８は中央チャンネル９４と整合する。フランジ１４８は、ハウジング１０２の上部ハブ部分１２４から外方に突き出る。フランジ１４８は駆動シャフト７４のフランジ９６と接合する。円形クランプ（図示せず）がフランジ１４８をフランジ９６にクランプして、支持ヘッド１００を駆動シャフト７４に確実に取り付ける。
ベース１０４は、ハウジング１０２の下に配置されたほぼリング状の物体である。ベース１０４の外径はハウジングプレート１２０の外径とほぼ同一で、ベース１０４の内径は下部ハブ部分の直径よりも多少大きい。ベースの上面１５１は環状リム１５２を含み、ベース１０４の下面１５０は環状凹部１５４を含む。環状凹所１５６は環状凹部１５４内に形成される。ベース１０４はアルミニウム、ステンレス鋼、またはＦＲＰ等の剛性材料から形成されるのがよい。
ブラダー１６０はベース１０４の下面１５０に取り付けられる。ブラダー１６０は膜１６２とクランプリング１６６とを含む。膜１６２は、突出端１６４を有するシリコンゴム等の可撓材料の薄い環状シートでよい。クランプリング１６６は、Ｔ形断面を持つと共にウイング１６７を含む環状の物体でよい。等角度間隔の複数の孔がクランプリングを垂直方向に貫通する。以下に検討するように、これらの孔の一つ（左側部分を示す図４の（Ａ））は、ブラダー１６０の空気圧制御用通路１７２として使用される。残りの孔は、クランプリングをベースに固定するためのボルトを保持する。ブラダー１６０を組み立てるには、膜１６２の突出端１６４をクランプリング１６６のウイング１６７に嵌合させる。アセンブリ全体が環状凹所１５６内に配置される。クランプリング１６６はねじ１６８によってベース１０４に固定される（他の孔は通路１７２として使用されるので、一つのねじだけをこの断面図の右側に示す）。クランプリング１６６はベース１０４に対して膜１６２をシールして、容積空間部１７０を画成する。垂直通路１７２はクランプリング１６６を貫通して延びて、ベース１０４の垂直通路１５８と整合する。取付け具１７４が通路１５８に挿入され、可撓チューブ（図示せず）が取付け具１３３を取付け具１７４に連結する。
ポンプ９３ｂ（図３参照）は流体ライン９２ｂ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ｂ、ハウジング１０２内の通路１３２、可撓チューブ（図示せず）、ベース１０４内の通路１５８、およびクランプリング１６６内の通路１７２を介して、ブラダー１６０に連結される。ポンプ９３ｂが流体、好ましくは空気等の気体を容積空間部１７０内に強制供給すると、ブラダー１６０が下方に膨張する。他方、ポンプ９３ｂが容積空間部１７０から流体を減圧排出すると、ブラダー１６０は収縮する。以下に検討するように、ブラダー１６０を使用して支持構造体１１４と可撓膜１１８とに下向圧力を加えることができる。ジンバル機構１０６は、ベースが研磨パッドの表面と実質的に平行に保たれるように、ハウジング１０２に対するベース１０４の移動を許す。詳細には、ジンバル機構はベースが垂直に、すなわち回転軸１０７に沿って移動できるように、また研磨パッドの表面に平行な軸まわりにハウジング１０２に対してピボット回転できるようにする。しかしながら、ジンバル機構１０６は、ベース１０４が研磨パッドに平行な軸に沿ってハウジングに対して横方向に動くことを防ぐ。ジンバル機構１０６は無負荷、すなわち、いかなる下向圧力も、ハウジングからジンバル機構を介してベースに加わらない。しかしながら、ジンバル機構は、側方荷重、例えば基板と研磨パッドの間の摩擦によって生じる剪断力はすべて、ハウジングに伝達できる。
ジンバル機構１０６は、ジンバルロッド１８０、フレクシャリング１８２、上部クランプ１８４、および下部クランプ１８６を含む。ジンバルロッド１８０の上端は円筒形ブッシング１４２を通って通路１８８に嵌合している。ジンバルロッド１８０の下端は上部クランプ１８４に取り付けられている。その外に、上部クランプ１８４をジンバルロッド１８０の一体部品として形成してもよい。フレクシャリング１８２の内端部は、下部クランプ１８６と上部クランプ１８４の間に保持され、フレクシャリング１８２の外端部は、ベース１０４の下面１５０に固定される。ねじ１８７を使って下部クランプ１８６を上部クランプ１８４に固定してもよいし、ねじ１８７を使ってフレクシャリング１８２をベース１０４に固定してもよい。ジンバルロッド１８０は、ベース１０４がハウジング１０２に対して垂直方向に動くように、通路１８８に沿って垂直に摺動する。しかしながら、ジンバルロッド１８０はハウジング１０２に対するベース１０４の横方向の動きを、すべて阻止する。
ジンバルロッド１８０、上部クランプ１８４、および下部クランプ１８６は、ステンレス鋼かアルミニウム等の剛性材料から形成される。しかしながら、フレクシャリング１８２は、その名が示すように、適度に撓みやすい材料から形成される。フレクシャリング材料は、ハウジングに対するベースの回転によって生じる大きな歪みに破壊せずに耐え得るように、また適度な弾性係数を持つように、選別される。フレクシャリング１８２は、キャリヤ（支持体）が保持リングに対する荷重分布を実質的に変更せずに小さな回転動作に耐え得るだけの弾性がある。しかしながら、フレクシャは、ベースからハウジングへの側方荷重を効果的に伝達するだけの剛性を持つ。フレクシャリングは膜１６２や膜１１８ほど撓みやすくない。詳細には、フレクシャリング１８２は、ベースの一端が反対側のベースの端より約５〜１０ｍｉｌ高くなるように、ベース１０４のピボット回転を許すだけの可撓性がなければならない。フレクシャリングは、デラウェア州ウィルミントンの DuPon から入手可能な DELRINTM 等の硬質プラスチックから形成される。その外に、フレクシャリングはＧ１０等の、ガラス繊維とエポキシ樹脂の積層体から形成してもよい。フレクシャリング１８２は垂直方向にわずかに曲げられるが、半径方向には剛性がある。
ストッパ１９０は３つのねじ１９２（断面図のために、その中の一つだけを図示する）によって、ジンバルロッドの上面１９１に固定される。３つのピン１９４（これも一つのピンだけを示す）はストッパ１９０から水平に突き出して、ブッシング１４２の３つのスロット１４６に嵌合している。ピン１９４はスロット１４６内で垂直方向に自由に摺動するが、横方向には摺動しない。かくして、ベース１０４は、支持ヘッドの回転に影響することなく、ハウジング１０２に対して垂直に移動できる。更に、ジンバルロッド１８０は通路１８８内で自由に摺動するので、ジンバル機構によってハウジング１０２からベース１０４に圧力を加えることはできない。ストッパ１９０もベース１０４の下向きの動きを制限して、支持ヘッドの伸び過ぎを防止する。ピン１９４は垂直スロット１４６の底部棚１９５に引っ掛かって、ベースの下向きの動きを止める。
ジンバル機構１０６は、ストッパの中心軸沿いに形成される垂直通路１９６、上部クランプ、および下部クランプを含んでもよい。通路１９６はハウジングハブ１２２の上面１３４を下部クランプ１８６の下面に連絡する。ジンバルロッド１８０とブッシング１４２の間のシールを提供するために、Ｏリング１９８をブッシング１４２内の凹部にセットする。
ハウジング１０２に対するベース１０４の垂直位置は負荷機構１０８によって制御される。負荷機構は、ハウジング１０２とベース１０４の間に配置されたチャンバ２００を含む。
チャンバ２００は、ベース１０４をハウジング１０２にシールすることによって形成される。シールはダイヤフラム２０２、内部クランプリング２０４、および外部クランプリング２０６を含む。ダイヤフラム２０２は、厚さ６０ｍｉｌのシリコンシートから形成されるが、ほぼリング形の平らな中央セクション、突出した内端部２１０、および突出した外端部２１２を持つ。ダイヤフラム２０２の内端部２１０はベース１０４のリム１５２上に着座し、内端部２１０はリム１５２の外端部に沿って走る隆起２１４の上に嵌合している。
内部クランプリング２０４を使用して、ダイヤフラム２０２をベース１０４にシールする。内部クランプリングは主としてリム１５２上に着座し、隆起２１４の上に突出した外部リップ２１６を持つ。内部クランプリング２０４は、例えばボルト２１８によってベース１０４に固定され、ダイヤフラム２０２の内端部をベース１０４に接してしっかり保持する。
外部クランプリング２０６を使用して、ダイヤフラム２０２をハウジング１０２にシールする。ダイヤフラム２０２の突出した外端部２１２は外部クランプリング２０６の上面の溝２２０内に着座する。外部クランプリング２０６はハウジングプレート１２０に、例えばボルト２２２によって固定され、ダイヤフラム２０２の外端部をハウジングプレート１２０の底面に接して保持する。かくして、ハウジング１０２とベース１０４の間の間隔がシールされてチャンバ２００を形成する。
ポンプ９３ａ（図３参照）は流体ライン９２ａ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ａ、およびハウジング１０２内の通路１３０を介して、チャンバ２００に連結される。流体、好ましくは空気等の気体がポンプでチャンバ２００に供給、またはチャンバ２００から排出されて、ベース１０４に加えられる荷重を制御する。ポンプ９３ａが流体をチャンバ２００に供給する場合、チャンバの容積が増加してベース１０４が下方に押し下げられる。他方、ポンプ９３ａが流体をチャンバ２００から排出する場合、チャンバ２００の容積が減少してベース１０４は上方に引き上げられる。
オプションのクッション１２１は、内部クランプリング２０４のすぐ上のハウジングプレート１２０内に配置してもよい。クッション１２１は、ベース１０４の上方の動きを止める柔らかいストッパとして働く。詳細には、チャンバ２００が減圧排出されてベース１０４が上方に動いたときに、内部クランプリング２０４がクッション１２１に当接する。これが、真空チャックされた基板を支持ヘッドから分離させるような急激な衝撃動作を防ぐ。
駆動シャフト７４がハウジング１０２を回転させると、ダイヤフラム２０２も回転する。ダイヤフラム２０２は内部クランプ２０４によってベース１０４に連結されているのでベースが回転する。更に、支持構造体１１４はフレクシャ１１６によってベース１０４に連結されているので、支持構造体と、取り付けられた可撓膜も回転する。
保持リング１１０はベース１０４の外端部で固定される。保持リング１１０は実質的に平らな底面２３０を持つほぼ環状のリングである。流体がチャンバ２００にポンプ供給されてベース１０４が下方に押し下げられると、保持リング１１０も下方に押されて荷重を研磨パッド３２に加える。保持リング１１０の内面２３２は、可撓膜１１８の取付け面２７４に関連して、基板受容凹部２３４を画成する。保持リング１１０は基板が受容凹部から外れるのを防ぎ、横荷重をウェーハからベースへ伝達する。
保持リング１１０は硬質プラスチックかセラミック材料で作られる。保持リング１１０は、例えばボルト２４０によってベース１０４に固定される。更に、保持リング１１０は、内面２３２を外面２３８に連絡する一つ以上の通路２３６を含む。以下に検討するように、通路２３６は、支持構造体の垂直方向の自由な動きを保証するために、支持ヘッドの外側と、フレクシャと支持構造体間の隙間の間の圧力平衡を提供する。
また、保持リング１１０は、ベース１０４の外周まわりに嵌合する環状リム２４２を含む。シールド２４４は、保持リング１１０のリム２４２の上に着座すると共にハウジングプレート１２０の上に延びるように、支持ヘッド１００の上に配置される。シールド２４４は、ダイヤフラム２０２等の支持ヘッド１００内のコンポーネントをスラリ５０による汚染から保護する。
基板バッキングアセンブリ１１２はベース１０４の下に配置される。基板バッキングアセンブリ１１２は支持構造体１１４、フレクシャ１１６、および可撓膜１１８を含む。可撓膜１１８は支持構造体１１４に連結されてその下に延びる。ベース１０４、支持構造体１１４、フレクシャ１１６、およびジンバル機構１０６に関連して、可撓膜１１８がチャンバ２９０を画成する。支持構造体１１４と、取付けられた可撓膜１１８とは、フレクシャ１１６によってベース１０４から吊り下げられる。支持構造体１１４は、ベース１０４内に形成された環状凹部１５４と保持リング１１０とによって形成された空間内に嵌合する。
支持構造体１１４は支持リング２５０、環状下部クランプ２８０、および環状上部クランプ２８２を含む。支持リング２５０は、環状外側部分２５２と厚い環状内側部分２５４とを持つ剛性部材である。支持リング２５０はその外端部に下方に突出したリップ２５８を持つほぼ平らな下面２５６を有する。一つ以上の通路２６０が、支持リング２５０の内側部分２５４を通って垂直に延びて、下面２５６を内側部分の凹面２６６に連絡する。環状溝２６２が支持リングの外側部分２５２の上面２６４に形成される。支持リング２５０はアルミニウムかステンレス鋼で形成されるとよい。
可撓膜１１８は、強力シリコンゴム等の撓みやすい弾性材料で形成された円形シートである。膜１１８は突出した外端部２７０を有する。膜１１８の部分２７２はリップ２５８の位置で支持リング２５０の下部コーナーを回り、外側部分２５２の外面２６８のまわりに上方に、かつ外側部分２５２の上面２６４に沿って内方に延びる。膜１１８の突出端２７０は溝２６２に嵌合している。可撓膜１１８の端部は下部クランプ２８０と支持リング２５０の間にクランプされる。
フレクシャ１１６はほぼ平面の環状リングである。フレクシャ１１６は垂直方向に撓みやすく、半径方向と接線方向には撓みやすいか、または剛体である。フレクシャ１１６の材料は、ショアＡスケールで３０とショアＤスケールで７０との間のデュロメータ硬度を持つ。フレクシャ１１６の材料は、ネオプレン等のゴム、NYLONTM やNOMEXTM 等のゴム状弾性被覆繊維、プラスチック、またはガラス繊維等の複合材料である。フレクシャ１１６はフレクシャリング１８２より多少撓みやすくなければならないが、膜１１８とほぼ同じ可撓性を持つ。詳細には、フレクシャ１１６は、支持構造体１１４が約１／１０インチだけ垂直方向に動き得るようにしなければならない。フレクシャ１１６の外端部は、ベース１０４の下面１５０と保持リング１１０の間に固定される。フレクシャ１１６の内端部は、下部クランプ２８０と上部クランプ２８２の間に固定される。フレクシャ１１６は、その取付け位置から凹部１５４内に内方に突出する。環状上部クランプ２８２、環状下部クランプ２８０、および支持リング２５０は、ねじ２８４によって互いに固定されて支持構造体１１４を構成する。
可撓膜１１８、支持構造体１１４、フレクシャ１１６、ベース１０４、およびジンバル機構１０６の間の空間がチャンバ２９０を画成する。ジンバルロッド１８０を貫通する通路１９６は、チャンバ２９０をハウジング１０２の上面に連絡する。ポンプ９３ｃ（図３参照）は流体ライン９２ｃ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ｃ、およびジンバルロッド１８０内の通路１９６を介して、チャンバ２９０に連結される。ポンプ９３ｃが流体、好ましくは空気等の気体をチャンバ２９０内に強制供給すると、チャンバの容積が増加して可撓膜１１８が下方に押し下げられる。他方、ポンプ９３ｃが流体チャンバ２９０から空気を排気すると、チャンバの容積は減少して膜が上方に押し上げられる。気体の方が圧縮性が大きいので、液体よりも気体を使用する方が望ましい。
可撓膜１１８の下面は取付け面２７４を提供する。研磨中、基板１０は基板の裏側が取付け面に接した状態で、基板受容凹部２３４内に配置される。基板の端部は可撓膜を介して支持リング１１４の盛上ったリップ２５８に接触する。
チャンバ２９０から流体をポンプ排出することによって、可撓膜１１８の中央部は内側に曲げられて、リップ２５８の上に引っ張られる。基板が取付け面２７４に接して配置されている場合、可撓膜１１８の上向きの撓みが膜と基板の間に低圧のポケットを作り出す。この低圧ポケットが基板を支持ヘッドに真空チャックする。
支持ヘッド１００は、独立して制御可能な荷重を、基板と保持リングに提供する。基板１０に対する可撓膜１１８の下向圧力は、チャンバ２９０内の圧力によって制御される。研磨パッド３２に対する保持リング１１０の下向圧力は、チャンバ２００内の圧力とチャンバ２９０内の圧力の双方によって制御される。詳細には、保持リング１１０に対する荷重は、チャンバ内の圧力からチャンバ２９０内の圧力を差し引いたものに等しい。チャンバ２９０内の圧力がチャンバ２００内の圧力より大きい場合、保持リング１１０には荷重が加わらない。独立して制御可能な荷重が、エッジ効果を最小にするために支持リングの荷重を最適化するが、これは１９９６年６月１９日出願の Guthrie 他による米国特許出願第 08/667,221 号、発明の名称「保持リングを使用してエッジ効果を制御するための方法と装置」（本発明の譲受人に譲渡）に記載され、その全内容は引用によって本明細書に組み込まれている。
フレクシャ１１６は、可撓膜１１６によって基板１０に加えられる荷重の均一性を改良する。詳細には、支持構造体１１４はベース１０４とハウジング１０２に対して回転すると共に垂直方向に動き得るので、支持構造体は研磨パッドの面に実質的に平行に保たれる。可撓膜１１８は支持構造体１１４に連結されるので、可撓膜１１８も研磨パッドの面に実質的に平行に保たれる。従って、可撓膜は、基板の端部近くの膜の部分を変形させることなく、傾斜した研磨パッドに順応する。その結果、基板に対する荷重は、研磨パッドが支持ヘッドに対して傾斜している場合でも均一に保たれる。可撓膜１１８は基板１０の裏側に一致するように変形する。例えば、基板１０が反っている場合、可撓膜１１８は事実上、反った基板の輪郭に一致する。かくして、基板に対する荷重は、基板の裏側に表面凹凸がある場合でも均一に保たれる。
更に、基板１０への荷重は、圧力変化のある場合でも実質的に均一に保たれる。詳細には、フレクシャ１１６により、支持構造体１１４と可撓膜１１８がベース１０４に対して垂直方向に動くことが可能である。流体がチャンバ２９０に圧送されると、フレクシャ１１６は下方に撓み、チャンバの容積を増加させる。可撓膜は支持構造体１１４と共に動くので、この垂直方向の動きは可撓膜の端部を変形させない。従って、支持リングの下端における可撓膜１１８のコーナーは、可撓膜の残部と実質的に同一の荷重が加わることになる。
フレクシャ１１６は、支持構造体１１４と可撓膜１１８とがベース１０４に対して回転するのを防止する。フレクシャ１１６はすべてのトルク負荷、例えば回転する研磨パッド３２からの摩擦力をベース１０４に伝達し、ベース１０４が次に、その負荷をジンバル機構１０６を介してハウジング１０２に伝達する。ベース１０４が回転すると、フレクシャ１１６も回転し、支持構造体１１４と可撓膜１１８とを回転させて、基板１０をキャリヤ駆動シャフト７４と共に回転させる。
更に、フレクシャ１１６、支持構造体１１４、および可撓膜１１８は、フレクシャ１１６の存在が可撓膜の端部において下向圧力を追加しないように構成、配置される。ベース１０４の下面１５０の取付け位置から、フレクシャ１１６は環状凹部１５４内に内方に突出する。構造１１４の一部は、フレクシャの取付け位置を超えてフレクシャ１１６の下を外方に延びる。支持構造体１１４とフレクシャ１１６とは、支持リング２５０の下面２５６の表面積が支持リング２５０の上面２６６、環状上部クランプ２８２、およびフレクシャ１１６の全表面積にほぼ等しいように構成される。チャンバ２９０は上面２６６と下面２５６の両者の近くに延在するので、チャンバによって同一の圧力が上、下面に加えられる。かくして、フレクシャへの下向圧力プラス支持構造体の重量は、支持リングに対する上向き圧力によって実質的にバランスされる。支持リング２５０を貫通する通路２６０は、支持構造体の上に配置されたチャンバ２９０の部分２９４と、チャンバ２９０の残部の間の圧力平衡を提供する。
支持構造体１１４とフレクシャ１１６の下面との間に隙間２９８が存在する。環状下部クランプ２８０は、隙間２９６が、なるべく支持構造体の外端部近くで広い部分を持つように構成される。例えば、下部クランプは、支持リング２５０の外面２６８まで延ばす必要はない。この構成によって、研磨中にチャンバ２９０が加圧されたとき、フレクシャ１１６は支持構造体１１４に接触することなく、隙間２９６の広い部分の中に膨張できる。フレクシャの自由部分が支持構造体に接触しないので、フレクシャへの下向圧力の少なくとも一部が、支持構造体１１４ではなくて保持リング１１０に伝達される。これが支持構造体１１４に対する荷重を充分に減少させ、その結果、上述のように、フレクシャへの下向圧力プラス支持構造体の重量が、支持リングへの上向き圧力によって実質的にバランスされる。
保持リング１１０を貫通する通路２３６は、隙間２９６と研磨パッド１００の外側大気の間の圧力平衡を提供する。これによって、確実に空気を隙間から通気できるので、支持構造体の垂直方向の動きを自由にする。
研磨装置２０の支持ヘッドは下記のように作動する。基板１０は、その裏側を可撓膜１１８の取付け面２７４に当接させた状態で基板受容凹部２３４に装填される。ポンプ９３ｂが流体をブラダー１６０に供給する。これによって、ブラダー１６０が膨張して支持構造体１１４を下方に押し下げる。支持構造体１１４の下向きの動きによって、リップ２５８が可撓膜１１８の端部を基板１０の端部に押し付け、基板の端部に流体封止シールを作り出す。次にポンプ９３ｃが、先に記載したように、チャンバ２９０を減圧排出して、可撓膜１１８と基板１０の裏側との間に低圧ポケットを作り出す。最後に、ポンプ９３ａが流体をチャンバ２００から排出してベース１０４、基板バッキングアセンブリ１１２、および基板１０を持ち上げ、研磨パッドから外すか、トランスファステーションから取り外す。次にカラセル６０が、例えば支持ヘッドを研磨ステーションまで回転させる。次に、ポンプ９３ａが流体をチャンバ２００に供給して、基板１０を研磨パッドの上におろす。ポンプ９３ｂは、ブラダー１６０が支持構造体１１４と可撓膜１１８とに最早、下向圧力を加えないように、容積空間部１７０を減圧排出する。最後に、ポンプ９３ｃは気体をチャンバ２９０内に供給して、研磨ステップのために基板１０に下向荷重を加える。
下記の支持ヘッドの別の実施形態では、機能や動作が修正された要素をダッシュ付き符号を使って示す。単に形状寸法を変更した要素はダッシュなしの符号を使って表示する。例えば、下記の支持ヘッドのいくつかは、直径６インチ（１５０ｍｍ）の基板の研磨用に構成されている。６インチ基板の研磨に適合させるための要素の形状寸法の変更は詳細に説明しないし、またその目的で変更された要素もダッシュ付き符号を使って表示しない。
更に、上記と同様、下記の実施形態では、ポンプ９３ａ〜９３ｃは、それぞれ流体ライン９２ａ〜９２ｃに接続されたままだが、ポンプの目的や機能は変化する。特に、ポンプは、異なる実施形態の支持ヘッドでは異なる圧力チャンバに連結される。
図７に従って説明すると、類似部品をダッシュ付き符号で示す別の実施形態では、ブラダー１６０′は、膜１６２′が可撓膜１１８の上面３００に直接に接触するように、ベース１０４の下に配置される。
支持ヘッド１００′は、図４の支持ヘッドと同様の方式で基板を真空チャックする。詳細には、基板１０は、その裏側を可撓膜１１８の取付け面２７４に当接させた状態で、基板受容凹部２３４に挿入される。ポンプ９３ｂは容積空間部１７０′に空気を供給してブラダー１６０′を膨張させる。これによって、膜１６２′は可撓膜１１８′の上面３００の環状部分に直接に下向圧力を加える。これが可撓膜と基板の間に流体風封止シールを作り出す。次にポンプ９３ｃがチャンバ２９０から流体を排出して、低圧ポケットを作ると共に基板を支持ヘッドに真空チャックする。
ブラダー１６０′を使用する利益はいくつもある。ブラダー１６０′は可撓膜１１８′のための柔らかくて変形可能なバッキングを提供する。従って、チャンバが減圧排出され、可撓膜１１８′が内側に引かれて低圧ポケットを形成すると、ポケットの端部は緩やかな傾斜を持つことになる。基板上に応力を発生させる硬いエッジが存在しないので、チャック工程で基板が破壊する可能性がより小さくなる。その上、サクションカップの深さを制御できる。一旦、基板１０が支持ヘッドにチャックされると、ブラダー１６０′は膨張または収縮する。ブラダー１６０′が膨張する場合、膜１１８′と基板１０とは下方に押し下げられるが、ブラダー１６０′が収縮する場合は、膜１１８′と基板１０とは上方に引き上げられる。
化学的機械研磨で遭遇した一つの問題は、支持ヘッドへの基板の取付けが失敗して基板が支持ヘッドから外れることである。この問題が発生しても、オペレータは、支持ヘッドが最早、基板を装填していないことを目視で観察できない。この状態で、基板が最早、研磨されていないにもかかわらず、ＣＭＰ装置は作動を継続する。これは時間の無駄であると同時に処理能力を減少させる。更に、外れた基板、すなわち支持ヘッドに取り付けられていない基板は、ＣＭＰ装置の可動部品にあちこち突き当てられて、ＣＭＰ装置自体を潜在的に損傷させるか、あるいは他の基板を損傷させるような異物を残す。
支持ヘッド１００′に利用されるＣＭＰ装置は、基板の存在を感知するように作動される。ＣＭＰ装置が、支持ヘッドから基板が失われた旨検出すると、装置はオペレータに警告して、時間の無駄と潜在的損傷を避けるために研磨作業を自動的に停止させる。
図３に従って説明すると、装置２０は、回転継手９０とポンプ９３ｂの間の流体ライン９２ｂに置かれたバルブ３０２および圧力計３０４を含む。バルブ３０２と圧力形３０４は、これらの要素が前記の支持ヘッドの実施形態に関連して使用されないので点線で示す。バルブ３０２が閉じられると、容積空間部１７０′がポンプ９３ｂからシールされ、圧力計３０４がブラダー１６０′内の圧力を測定する。
図７に戻って説明すると、装置２０は、支持ヘッドがしっかりと基板をチャックしたか否かを感知する。基板は、その裏側が取付け面２７４に接触するように基板受容凹部２３４に装填される。ポンプ９３ｂはブラダー１６０′を膨張させ、可撓膜１１８と基板１０の間にシールを形成する。次に、容積空間部１７０′をシールするためにバルブ３０２が閉じられる。圧力計３０４を使用してブラダー１６０内の圧力を測定する。次に、ポンプ９３ｃはチャンバ２９０′を減圧排出して、可撓膜と基板の間に低圧ポケットを作り出す。最後に、ポンプ９３ａはチャンバ２００を減圧排出して基板を持ち上げ、研磨パッドから外す。圧力計３０４は、次にブラダー１６０′内の圧力をもう一度測定して、基板が支持ヘッドにしっかりと真空チャックされたか否か決定する。
一方では、基板が存在する場合は可撓膜と基板の間に生じた低圧ポケットが基板に対して上向きの力を発生させる。この上向きの力は、基板を膜１６２′に対して上方に押し付ける。これがブラダー１６０′の容積を減少させて容積空間部１７０′の圧力を増加させる。他方、基板が支持ヘッドに存在しない場合は上向きの力が膜に加わらず、容積空間部１７０′内の圧力は一定を保つ。従って、圧力計３０４が、ポンプ９３ｃによるチャンバ２９０′からの空気排出に伴う圧力増加を測定した場合は、ＣＭＰ装置が基板を支持ヘッドにしっかり真空チャックしたのである。圧力計３０４を使って、支持ヘッド内の基板の圧力を検出するために容積空間部１７０′内の圧力を連続的に監視することもできる。例えば、研磨ステーション間で、または研磨ステーションとトランスファステーションとの間で基板を運搬しているときに圧力計３０４が容積空間部１７０′の圧力の減少を検出した場合は、基板が支持ヘッドから外れたことを示す。この状態では運転が停止され、ＣＭＰオペレータはその問題について警告を受ける。
支持ヘッド１００′は、保持リングをベースに取り付けるために別の方法も利用している。保持リング１１０′は、保持ピース３１０によってベース１０４に固定される。保持ピース３１０は、ねじ３１２によってベース１０４に固定される。保持ピースは、環状リング３１６によって保持リング１１０′の突出棚３１４に係合する。
図８に従って説明すると、類似部品を二重ダッシュ付き符号で示す別の実施形態では、支持ヘッド１００″はほぼ円形の内部チャンバ３２０と、内部チャンバ３２０を囲むほぼ環状の外部チャンバ３２２とを含む。
図８の支持ヘッドでは、基板バッキングアセンブリ１１２″は、支持構造体１１４、フレクシャ１１６、および可撓膜１１８″を含む。可撓膜１１８″は上部膜また膜部分３２４と、下部膜または膜部分３２６とを含む。下部膜３２６は支持構造体１１４に連結される一方、上部膜３２４は直接にベース１０４に連結される。上部膜３２４は内部チャンバ３２０を画成するが、外部膜３２６は内部チャンバ３２０を画成する。可撓膜１１８″は、強力シリコンゴム等の可撓性の弾性材料から形成される。
上部膜３２４は、強力シリコンゴム等の材料から成る円形シートでよい。内部膜３２４は突出した外端部３２８を持つ。上部膜３２４の外端部３２８は、環状クランプリング３３０と、フレクシャリング１８２″上のリム３３４との間に保持される。クランプリング３３０は、フレクシャリング１８２″とベース１０４の間の凹部３３６内にボルト１６８″で固定される。クランプリングは内部膜をフレクシャリングに押し付けて流体封止シールを形成する。上部膜３２４とジンバル機構１０６の間の空間は、ほぼ円形の上部チャンバ３２０を画成する。
また、下部膜３２６は円形シートの材料でよい。下部膜３２６は突出した下端３３８を持つ。支持構造体１１４に対する外部膜３２６の取付けは、図４の支持構造体１１４に対する可撓膜１１８の取付けと同様である。詳細には、外端部３３８が溝２６２に固定されて、下部クランプ２８０と支持リング２５０の間にクランプされる。下部膜３２６、内部膜３２４、ベース１０４、フレクシャ１１６、および支持構造体１１４の間の空間は、ほぼ環状の外部チャンバ３２２を画成する。
チャンバ３２０の下の膜１１８″の部分は基板取付け面の円形内側部分を提供し、チャンバ３２２の下の膜１１８″の部分は基板取付け面の環状外側部分を提供する。内部膜３２４の底面３４０は、例えば接着剤によって、外部膜３２６の上面３４２に取り付けられる。その他に、上部膜３２４と下部膜３２６は、単一の下部膜の異なる部分でもよい。
ポンプ９３ｃは流体ライン９２ｃ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ｃ、およびジンバル機構１０６内の通路１９６によって、内部チャンバ３２０に連結される。同様に、ポンプ９３ｂは流体ライン９２ｂ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ｂ、ハウジング１０２内の通路１３２、可撓性の流体コネクタ（図示せず）、ベース１０４内の通路１５８、およびクランプリング３３０内の通路３３４によって、外部チャンバ３２２に連結される。
支持ヘッド１００″は、図７の支持ヘッドと同様な方式で、真空チャックされると共に、支持ヘッド内の基板１０の存在を感知する。詳細には、真空チャック工程で、ポンプ９３ｂが流体を外部チャンバ３２２に供給することによって、膜１１８″の外部環状部分を基板１０に直接に押し付けて、流体封止シールを形成する。次にバルブ３０２（図３参照）が閉じられて、外部チャンバ３２２内の圧力の最初の測定が圧力計によって行なわれる。次にポンプ９３ｃは内部チャンバ３２０を減圧排出して、基板を真空チャックするための低圧ポケットを作り出す。基板がしっかり真空チャックされれば、圧力計３０４で測定された圧力は増加する。
化学的機械研磨で遭遇した別の問題は、基板の端部がしばしば基板の中央部と異なる速度（通常は早くなるが、場合によっては遅くなる）で研磨されることである。この問題は、荷重が基板に均一に加えられた場合でも起こる。この効果を補償するために、内部チャンバ３２０と外部チャンバ３２２とが、研磨中に異なる荷重を基板に加える。例えば、基板の端部が中央部よりも遅く研磨される場合、外部チャンバ３２２内の圧力を内部チャンバ３２０内の圧力より大きくすることによって、基板端部での研磨速度を増加させる。相対荷重を選択することによって、より均一な基板の研磨が達成される。
図７の支持ヘッド１００′を使用して、基板の端部と中心部に異なる荷重を加えてもよい。基板の中心部と端部の間に圧力差を発生させるために、ブラダー１６０′が収縮した状態で開始して、チャンバ２９０を希望の圧力に加圧する。次にブラダー１６０′を、膜１６２′が可撓膜１１８の上面３００に接触するように膨張させる。これによって、チャンバ２９０の環状外側部分３０４をチャンバ２９０の円形内側部分３０２から効果的にシールする。基板の中心部の圧力をその端部に対して増加させるために、ポンプ９３ｃが円形内側部分３０２に流体を供給する。外側部分３０４はブラダー１６０′でシールされているのでその圧力は変化しない。ポンプ９３ｃは、ブラダー１６０′がシールを形成した後、内側部分３０２の流体を排出する。
膜１６２′は、可撓膜１１８に接着またはクランプされていないので、ブラダー１６０′によって作られるシールは必ずしも完全に流体封止ではない。従って、流体は、部分３０２と３０４が同一圧力になるまで、膜の間で徐々に漏洩する。かくして、上記の手順を定期的に実行することが必要である。
図９に従って説明すると、類似部品が三重ダッシュ付き参照番号で示される別の実施形態では、基板バッキングアセンブリ１１２″′は、支持リングではなくて支持プレート３５０を含む。
支持プレート３５０はほぼ円板形の物体である。支持構造体１１４″′の一部として支持プレート全体は垂直方向に動くと共に、ベース１０４に対してピボット回転する。環状下部クランプ２８０と環状上部クランプ２８２は、ボルト２８４″′によって支持プレートの縁部分３６２に固定される。
支持プレート３５０はほぼ平面の下面３５２を持つ。支持プレート３５０は、フレクシャ１１６によってチャンバ２９０″′内に吊り下げられる。複数の開口部３５４が支持プレートの中央部分３６４を貫通して垂直方向に延びて下面３５２を上面３６０に連絡する。開口部３５４は、支持プレートの上に配置されたチャンバ２９０″′の部分３５６を、支持プレートの直ぐ下に配置されたチャンバ２９０″′の部分３５８に連絡する。その外に、支持プレート３５０の下面３５２に凹部を設けて単一開口部でチャンバ部分３５６をチャンバ部分３５８に連絡してもよい。
可撓膜１１８は支持プレート３５０と下部クランプ２８０の間にクランプされて、支持プレートの下面の直ぐ下に延びる。ポンプ９３ｃがチャンバ２９０″′の流体を排出すると、可撓膜１１８は支持プレート３５０に接して開口部３５４内に上方に引っ張られる。基板の裏側が取付け面２７４に接して置かれると、開口部内への可撓膜の膨張が基板と可撓膜の間に複数の低圧ポケット３６０を作り出す（図１３参照）。これらの低圧ポケットが基板を支持ヘッドに真空チャックする。
ＣＭＰプロセスで遭遇する一つの問題は、基板を研磨パッドから外す場合の困難さである。先に説明したように、研磨パッドの表面にはスラリの薄層が供給される。基板が研磨パッドに接触すると、スラリの表面張力は、基板を研磨パッドに結合する接着力を発生させる。基板を研磨パッドに保持するこの表面張力が、基板を支持ヘッドに保持する力よりも大きい場合、支持ヘッドが引っ込んだときに基板は研磨パッド上に残る。
基板を研磨パッドから確実に外すための一つの構成を図１２に示す。図１２で示すように、下面３５２を横切る開口部３５４の分布は半径方向に対称ではなく、非対称である。すなわち、支持プレートは、開口部を持つ領域３７０と開口部を持たない領域３７２とを含む。領域３７０はほぼ楔形で、４５°と１８０°の間の角度αを持つ。また、領域３７０は支持プレートの中心部に延びるのではなく、支持プレート３５０の部分３６４の端部近くだけに配置してもよい。
基板の真空チャック時に、開口部３５４の非対称分布によって、基板に対する上向きの力が非対称に加わることになる。非対称の力は基板上にトルクを発生させ、それが基板の一端を選択的に持ち上げて研磨パッドから外そうとする。これがスラリの表面張力による接着力を減少させて支持ヘッドに対する基板の真空チャックの信頼性を向上させるのである。
図１４に従って説明すると、類似部品が四重ダッシュ付き参照番号で示される別の実施形態では、支持ヘッドは、支持構造体１１４″″の下向きの動きを制限するストップピンアセンブリを含む。
図１４の支持ヘッドでは、支持リング２５０″″の内側部分２５４″″はほぼ楔形の断面を持つ。楔形内側部分の内面３８１は内部に環状凹部３８２が形成される。等角度間隔で配置された３つ以上のストップピン３８４（断面図のためにその内一つだけを示す）が、ベース１０４″″の穴３５６に嵌合している。ストップピン３８４は、水平方向に外方に、支持リング２５０″″の角張った（angular）凹部３８２内に突出する。流体がチャンバ２９０内にポンプ供給されることによって、支持構造体１１４を下方に押し下げると、支持リング２５０″″の上部リム３８８がストップピン３８４に引っ掛かって、支持構造体の下向きの動きを制限する。
環状上部クランプ２８２″″は上面３９１に一つ以上の半径方向溝３９０（一つだけを図示）を含む。ブラダー１６０が膨張して膜１６２が環状上部クランプ２８２″″に接触すると、半径方向溝３９０は、ブラダーの両側に配置されたチャンバ２９０の容積空間部２９４の各部の間にチャンネルを形成する。容積空間部２９４の、２つの独立部分への分離は図１４に示していないが（研磨のための下降位置で基板バッキングアセンブリ１１２を図示するため）、図４で見ることができる。これらのチャンネルが、均一な研磨を保証する圧力平衡を可能にする。
保持リング１１０″″の上面２３９は一連の同心円形隆起３９４を持つ。ベース１０４″″の下面１５０の外部環状部分も一連の同心円形隆起３９４を含む。保持リング１１０″″がベース１０４″″に取り付けられた状態で支持ヘッドが組み立てられると、隆起３９２は隆起３９４に接合して、フレクシャ１１６の外部円周部分をその間に挟む。これが、フレクシャの脱落を防止する改良クランプを提供する。
ジンバル機構は、３つのアーム１９４″″を持つＹ形ストッパ１９０″″を含む。ストッパ１９０″″は、単一の中央ボルト３９６によってジンバルロッド１８０の上面１９１に連結される。中央ボルト３９６は貫通する垂直通路３９７を持ち、ハウジング１０２の上面１３４とジンバルロッド１８０内の通路１９６の間の流体の連絡を可能にする。
Ｃ形断面のシール３９６を使って、保持リング１１０″″のリム２４２上のシールド２４４を保持する。
図１０と図１１に従って説明すると、別の実施形態では、支持ヘッド４００は、フレクシャリングではなく、ジンバル本体４６０とジンバルレース４６２とを含むジンバル機構４０６を含む。ハウジング、ベース、およびジンバル機構の実質的な変化のために、これらの部品は新しい参照番号で表示される。対照的に、下記を除いて、負荷機構、保持リング、および基板バッキングアセンブリは、図４に関して説明したコンポーネントと類似しているので、ダッシュなしの参照番号で示す。
支持ヘッド４００はハウジング４０２、ベース４０４、ジンバル機構４０６、負荷機構１０８、保持リング１１０、および基板バッキングアセンブリ１１２を含む。
ハウジング４０２はハウジングプレート４２０と、一体取付けのハウジングハブ４２２とを含む。円筒形キャビティ４２６がハウジング４０２の底面４２６に形成される。円筒形プラスチックブッシング５２０は、その外面をハウジングに当接させて円筒キャビティ４２６に嵌合している。内側に曲がったリップ４３０を持つ円形フランジ４２８がハウジングハブ４２２の上面４３２からキャビティ４２６内に下方に突出する。ハウジングハブ４２２はねじ付きネック４３４と、２つの垂直合わせピン穴４３６とを有してもよい。ねじ付き周辺ナット９８（図３参照）がフランジ９６にはまり、ハウジングハブ４３２のねじ付きネック４３４にねじ込まれて支持ヘッド４００を駆動シャフト７４に固定する。
ハウジング４０２は、その底面４２４に形成されてハウジングハブ４２２内に上方に突出する２つのトルクピンを含んでもよい。更に、２つの通路（この断面図には図示せず）もハウジングハブ４２２の上面４３２を底面４２４に連絡する。
ベース４０４はほぼ円板形で、その上面４４２に盆状部分４４０が形成される。盆状部分４４０は、平底凹所４４６を囲む平らな環状面４４４を持つ。盆状部分４４０を囲むベース４０４の上面４４２に、２つのトルクピン穴４４８を見ることができる。
２つの垂直トルクピン４５０を使って、ハウジング４０２からベース４０４にトルクを伝達する。トルクピン４５０はハウジング４０２のトルクピン穴４３８にしっかりはめられて、ベース４０４のトルクピン受け穴４４８内に下方に突出する。トルクピン４５０はトルクピン受け穴４４８内で垂直方向に自由に摺動できるが、Ｏリング４５２は各トルクピン４５０を横方向に適切に保持する。かくして、ベース４０４はハウジング４０２に対して垂直方向に自由に移動できるが、ハウジング４０２が回転すると、トルクピンがベースも回転させる。Ｏリング４５２は、ハウジング４０２に対するベース４０４のわずかな回転を許すだけの弾性を持つ。
ジンバル機構４０６は、ベース４０４が、研磨パッドの表面に平行で回転軸１０７に直角な軸まわりにハウジング４０２に対して回転できるように設計される。詳細には、ベース４０４は、研磨パッド３２の表面上に配置された或る点のまわりにピボット回転する。ジンバル機構４０２はジンバル本体４６０、ジンバルレース４６２、ガイドピン４６４、ばね４６６、バイアス部材４６８、およびストッパ４７０を含む。
ジンバル本体４６０はベアリングベース４７４から上方に突き出す円筒形ジンバルロッド４７２を含む。ベアリングベース４７４は、外面４７６の端部からジンバルロッド４７２まで延びる、３つのラジアルスロット４７８（図１０の断面図では一つだけを図示）を持つ球状外面４７６を含む。ベアリングベース４７４の下面は、ジンバル機構が完全に組み立てられたときにバイアス部材４６８を収容するＹ形の凹所（図示せず）を持つ。円筒形凹部４８０がジンバル本体４６０の底面に形成されると共に、別の円筒形凹部４８２がジンバルロッド４７２の上面４８４に形成される。凹部４８０と４８２は垂直通路４８６によって連絡される。
ガイドピン４６４はガイドロッド４９０、ガイドロッド４９０の下端から半径方向外方に突出する円板４９２、および円板４９２の底部の球状突起４９４を含む。ばね４６６はジンバルロッド４７２の底の凹部４８０にはまり、ガイドピン４６４のガイドロッド４９０は内部ばね４６６に嵌合している。ジンバル機構が組み立てられると、ばねは円板４９２の上面と凹部４８０の上部４９６の間で圧縮される。
ジンバルレース４６２はジンバル本体４６０のまわりにはまってベース４０４に着座する。ジンバルレース４６２は、環状面４４４に着座する平らな外側部分５００と、凹所４４６に嵌合する楔形内側部分５０２とを含む。楔形部分５０２の球状内面５０４はベアリングベース４７４の球状外面４７６に係合する。３つのノッチ５０６がジンバルレース４６２の内面５０４に加工される。ジンバルレース４６２は、外部ピース５００を通ってベースのねじ付き凹所にねじ込まれるねじ（図示せず）によってベース４０４に固定される。
偏倚部材ないしはバイアス部材４６８はほぼＹ形で、中央セクション５１２から外方に突出する３つのアーム５１０を含む。中央セクション５１２の上面５１４は円形凹部５１５と、その凹部の中心に円錐形凹所５１６とを有する。バイアス部材４６８はベアリングベース４７４の下側のＹ形凹所（図示せず）に嵌合している。ガイドピン４６４の円板４９２は、その球状突起４９４をバイアス部材４６８の円錐形凹所５１６に係合する状態で、凹所５１５に嵌合している。バイアス部材４６８のアーム５１０はベアリングベース４７４内のスロット４７８を通って、ジンバルレース４６２のノッチ５０６内に延びる。ボルトまたはねじ５１８を使って、アーム５１０をジンバルレース４６２に固定する。
ジンバル機構４０６が組み立てられると、ジンバルレース４６２がベース４０４に固定され、バイアス部材４６８がジンバルレース４６２に固定される。ガイドピン４６４はバイアス部材４６８に接触し、ばね４６６はジンバル本体４６０をバイアス部材から離すように上方に付勢するので、ベアリングベース４７４の球状外面４７６はジンバルレース４６２の球状内面５０４に押し付けられる。ジンバル機構４０６のジンバルロッド４７２はブッシング５２０の内面５２１と係合する。ジンバル本体４６０は、ハウジング４０２に対してキャビティ４２６内で垂直方向に自由に摺動できると共に、ジンバルレース４６２に対して２つの次元で自由にピボット回転できる。ジンバルがピボット回転すると、アーム５１０はスロット４７８内で摺動する。しかしながら、バイアス部材４６８はジンバルレース４６２に固定されているので、ばね４６６からの下向きの力はキャリヤ（支持体）ベース４０４に伝達されない。ばね４６６によるベース中心部への外向き圧力が存在しないので、ジンバル機構４０６が取り付けられたとき、ベースの下面は実質的に平面のままである。
ねじ付き下部５２８を有するストップピン４７０は、下方に突出するフランジ４２８によって画成されるストップピン穴５２２に嵌合している。ストップピンはストップピン穴の底部の開口部５２３を通って延びて、ジンバルロッド４７２の通路４８６にねじ込まれる。ジンバルロッド４７２の凹部４８２はフランジ４２８のまわりに嵌合している。ストップピン４７０の頭部５２４はフランジ４２８のリップ４３０に引っ掛かって、ハウジング４０２に対するジンバル機構４０６とベース４０４の下向きの動きを制限する。ストップピン４７０は、ハウジング４２２の上面４３２をジンバルロッド４７２内の通路４８６に連絡する垂直通路５２６も含む。ポンプ９３ｃ（図３参照）は流体ライン９２ｃ、回転継手９０、駆動シャフト７４内の中央コンジット９４ｃ、ストップピン４７内の通路５２６、ジンバル本体４６０内の通路４８６と凹部４８０、およびスロット４７８を介して、チャンバ２００に連結される。かくして、図１０の実施形態では、ポンプ９３ｃを使って支持ヘッドの垂直方向の作動を制御する。
支持ヘッド４００は、フレクシャ１１６と支持構造体１１４の間の隙間２９６からスラリを排出するためのスラリ排出機構を含んでもよい。スラリ排出機構は通路５３０を含み、該通路は支持リング２５０の内側部分２５４の上面２５８から垂直方向に延びて半径方向外方に外側部分２５２内に入り、下部クランプ２８０を通って隙間２９６の上方に延びる。
スラリ排出機構は、ベース４０４を通って延びる垂直通路５３２も含む。取付け具５３６はベース４０４の上面４４２において通路５３２に接続される。フィッテイング５３４は、ベース４０４の通路５３２を支持リング２５０の通路５３０に連絡する。フィッテイング５３４はベース４０４に固定され、チャンバ２９０の容積空間部２９４を通って下方に突出し、支持リング１１４の通路５３０内に摺動可能に配置される。フィッテイング５３４はＯリング５３８によって通路５３０内でシールされる。
ポンプ９３ｂは流体ライン９２ｂ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ｂ、ハウジング４０２を通る通路（図示せず）、プラスチックチューブ等の可撓流体継手（図示せず）、ベース４０４内の通路５３２、およびフィッテイング５３４を介して、通路５３０に連結される。ポンプ９３ｂは流体、例えば脱イオン化水を通路５３０を介して強制供給して、隙間２９６からスラリを排出する。
ポンプ９３ａは流体ライン９２ａ、回転継手９０、駆動シャフト７４内のチャンネル９４ａ、ハウジング４０２を通る通路（図示せず）、可撓流体継手（図示せず）、およびベース４０４を通る通路（これも図示せず）を介して、チャンバ２９０に連結される。ポンプ９３ａを使ってチャンバ２９０内の圧力を制御できる。
要約すると、本発明の支持ヘッドは、フレクシャによって、支持ヘッドのベースから支持構造体を吊り下げる。可撓膜が支持構造体に連結されると共にその下に延びてチャンバを画成する。チャンバを加圧することによって、均一な荷重を基板全体に加えることができる。更に、フレクシャは、支持構造体と、従って可撓膜全体が、ベースに対してピボット回転可能で、垂直方向に移動できるようにする。かくして、荷重が基板の裏側全体にわたってより均一に加えられる。
本発明を好ましい実施形態に関して説明した。しかしながら、本発明は図示、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
Claims (11)
- 研磨面上に基板を配置するための支持ヘッドであって、
共に回転すべく駆動シャフトに連結可能なハウジングと、
ベースと、
前記ハウジングを前記ベースに枢動可能に連結して、前記ベースが前記ハウジングに対して回転できるようにするジンバル機構と、
基板用の取付け面を有する可撓膜と、
を備え、
前記可撓膜は前記ベースに連結されると共に前記ベースの下に延びてチャンバを画成する、
支持ヘッド。 - 前記ハウジングは垂直な通路を含み、前記ジンバル機構は、前記通路内へ摺動可能に配設される上端を有するロッドを含む、請求項１に記載の支持ヘッド。
- 前記ジンバル機構は、前記ロッドの下端に連結される球状外面を持つベアリングベースを含み、前記ジンバル機構は更に、前記ベースに連結される球状内面を持つジンバルレースを含み、前記ベアリングベースの外面は、前記ジンバルレースの内面と係合する、請求項２に記載の支持ヘッド。
- 前記ジンバル機構は、前記ロッドの下端を前記ベースに連結する可撓性のリングを含む、請求項２に記載の支持ヘッド。
- 支持ヘッド内の基板の存在を感知する方法であって、
前記基板用の取付け面を有する第１可撓膜によって形成される第１チャンバを加圧するステップと、
前記取付け面の上側で前記第１可撓膜に接触するように配置される第２可撓可撓膜によって形成される第２チャンバを、第１圧力まで加圧するステップと、
前記第２チャンバを加圧した後、前記第２チャンバをシールするステップと、
前記取付け面に接して基板を置くステップと、
前記第１チャンバから流体を強制排出して、前記基板を前記取付け面にチャックするための減圧区域を作り出すステップと、
前記第２チャンバ内の第２圧力を測定するステップと、
を有する方法。 - 前記第２圧力が前記第１圧力より大きい場合、前記基板が前記支持ヘッド内に存在する旨表示するステップを更に有する、請求項５に記載の方法。
- 支持ヘッドの取付け面に基板をチャックする方法であって、
支持ヘッドの取付け面に接して基板を配置するステップと、
第１膜によって画成される第１チャンバ内に流体を強制供給して、基板の環状部分に下向圧力を加えるステップと、
第２膜によって画成される第２チャンバから流体を強制排出して前記第２膜を上方に引き上げて、前記環状部分によって境界を定められた減圧区域を作り出し、前記基板を前記取付け面にチャックするステップと、
を有する方法。 - 前記第１膜が、前記第２膜の環状部分に下向の力を加える、請求項７に記載の方法。
- 前記第１膜が前記第２膜に直に接触する、請求項８に記載の方法。
- ベースと、
基板用の取付け面を有し、前記ベースに連結されると共に前記ベースの下に延びて、加圧可能な第１チャンバを画成する第１可撓膜と、
前記ベースに連結されると共に前記第１可撓膜の上に配置されて第２チャンバを画成し、流体が前記第２チャンバ内に強制供給されるときに、前記第１可撓膜に対して下向圧力を加えるように配置される第２可撓膜と、
を備える化学的機械研磨装置用の支持ヘッド。 - ベースと、
前記ベースに連結されて第１チャンバと第２チャンバとを画成する可撓部材と、
を備え、
前記可撓部材の下面は、基板受容面を提供し、
前記可撓部材は、前記基板受容面から上方へ延びる部分を有し、
前記可撓部材の内側部分は、前記第１チャンバに連結され、
前記内側部分と前記上方へ延びる部分の間にある前記可撓部材の環状の外側部分は、前記第２チャンバに連結される、
化学的機械研磨装置用の支持ヘッド。
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