JP3693448B2 - Substrate gripping apparatus and polishing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦化するポリッシング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に0.5μm以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている。
【0003】
この種のポリッシング装置の従来技術としては、例えば特開平6−198561号に記載されたポリッシング装置が知られている。このポリッシング装置は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルと、これに対向して設けられたトップリング本体と、トップリング本体を押圧するための押圧装置と、トップリング本体を回転駆動するための駆動装置を備えた構成となっている。
【0004】
トップリング本体100は、図4および図5に示すように、押圧装置及び駆動装置に駆動軸102(スプライン軸)を介して連結されている。この駆動軸102の下端部には側方に張り出してフランジ部104が形成され、この側方には複数の駆動ピン106が径方向に突出して設けられている。一方、トップリング本体100上面には複数の被駆動ピン108が上方に突出して設けられており、駆動軸102の回転により、駆動ピン106と被駆動ピン108とが係合して駆動軸102からトップリング本体100への動力伝達がなされる。
【0005】
また、駆動軸102の下端とトップリング本体100上面にはそれぞれ球面状の凹所110,112が形成され、これに耐摩耗性の球体114が摺動自在に配置されて球面軸受116が構成されている。これにより、ターンテーブルが駆動軸102に対して傾いても、トップリング本体100が追随して傾動し、ポリッシング対象物をターンテーブル面に密着させるようになっている。
【0006】
このような構成により、トップリング本体100を介してポリッシング対象物Wを所定の力でターンテーブルに向けて押圧しつつ、ターンテーブルとトップリング本体100とをそれぞれ回転させることにより、ポリッシング対象物Wの表面を研磨し、平坦且つ鏡面化している。
【0007】
駆動軸102の中心部には軸孔118が設けてあり、軸孔118の上部は流体供給源又は真空源等の外部の装置と連通し、また軸孔118の下部にはトップリング本体100とポリッシング対象物である基板Wとの間隙部に連通するチューブ120の一端が接合してあり、チューブ120を介して、外部の装置とポリッシング装置との間の流体の受け渡しをしたり、トップリング本体100に基板Wを真空吸着し、または研磨時にポリッシング対象物Wをターンテーブルに流体圧により押し付ける等の動作を行う。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のポリッシング装置においては、駆動軸102が金属からなっており、その中心部の軸孔118内面にピンホールがあると、軸孔118の表面に防錆のためのコーティングをしても被覆が不十分となり、この表面が錆びるおそれがある。すると、この軸孔118を介してトップリング本体100とポリッシング対象物Wとの間隙部に純水を供給しても、この錆が純水に混入してウエハを汚染し、製品の特性を鈍化させてしまう危険性があった。
【0009】
この発明は、前記課題に鑑み、トップリングとポリッシング対象物の間にポリッシング対象物を汚染することがない清浄な流体を供給することができるような基板把持装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、ターンテーブルに対向して基板を把持するトップリング本体と、該トップリング本体を球面軸受を介して傾動自在に支持する駆動軸とを有し、前記駆動軸の中心部には軸孔が形成され、該軸孔内には、一端が流体源等の外部の装置と連通し、他端が前記トップリング本体とポリッシング対象物との間に連通する流通管が挿通され、前記トップリング本体は、下面に基板を把持し、上面の中央に凹部が形成された把持板と、下面の中央に前記凹部と嵌合する凸部が形成された被覆板とを有し、前記球面軸受は、少なくとも一部が前記把持板の凹部の内部に位置するように配置され、前記把持板の凹部の深さを前記被覆板の凸部の高さよりも大きくして、前記凹部と前記凸部の間に隙間を形成し、前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間に連通されていることを特徴とする基板把持装置である。
【0011】
本発明によれば、駆動軸の中心部に軸孔を設け、この軸孔内に駆動軸とは異なる適宜の材質による流通管を設け、この流通管により純水等の流体をトップリング本体とポリッシング対象物との間隙部に供給するので、錆が流体に混入するのが防止され、基板の錆による汚染が防止され、研磨の精度、品質を向上させる。
【0012】
請求項2に記載の発明は、前記把持板には上下に挿通する流通孔が形成され、前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間を介して前記把持板の連通孔に連通されていることを特徴とする請求項1に記載の基板把持装置である。
請求項3に記載の発明は、前記球面軸受が、前記駆動軸の下面に形成された凹所と前記被覆板の上面に形成された凹所の間に設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の基板把持装置である。
請求項4に記載の発明は、前記駆動軸の端部と前記トップリング本体の間に設けられて前記駆動軸から前記トップリング本体に回転駆動力を伝達する伝達機構をさらに備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の基板把持装置である。
請求項5に記載の発明は、研磨面を有するターンテーブルと、請求項1から4のいずれか一項に記載の基板把持装置を有することを特徴とするポリッシング装置である。
【0013】
【実施例】
以下、本発明に係る基板把持装置の一実施例を図1ないし図3に基づいて説明する。この基板把持装置は、全体として円板状のトップリング本体10と、このトップリング本体10を支持し、かつこれに回転駆動力と押圧力を伝達する駆動軸12と、これら駆動軸12及びトップリング本体10を互いの傾動を許容しつつ連結する自在継手部14とから構成されている。
【0014】
トップリング本体10は、この例では、下面にポリッシング対象物である半導体ウエハ(基板)を吸着等により把持するほぼ円板状の把持板16と、この把持板16の上側に間に隙間Sを形成するように重ねて固着されるほぼ円板状の被覆板18と、把持板16と被覆板18をさらに上から覆って押さえる中空円板状の押え板20とから構成されている。把持板16下部の外周部には、基板の外周を取り巻くようにガイドリング22が取付けられている。
【0015】
把持板16の上面(基板取付側を前面とすれば裏面)には、中央に凹部24が形成され、その周辺部に段差面26が形成されている。一方、被覆板18の下面には、中央に把持板16の凹部24と嵌合する凸部28が形成され、その周辺部に把持板16の段差面26にボルト固定される薄肉のフランジ部30が設けられている。被覆板18の上面には、中央に凹所32が形成され、その周囲を取り囲むように環状の肩部34が形成され、その外側は押え板20を取り付けるための段差面36となっている。
【0016】
把持板16の凹部24の深さは被覆板18の凸部28の高さよりも大きくなっており、これにより、これら凹部24と凸部28の間には所定厚さの隙間Sが形成される。把持板16には、上下に挿通する多数の流通孔38が形成され、これは上記の被覆板18と把持板16の間の隙間Sを介して押え板20の接続穴40に連通している。また、流通孔38は、把持板16の下面に保持された基板の裏面に連通する。隙間Sは、後述するように、圧力流体が保持されるもので、真空源を繋いだ時は基板の裏面に吸着力が作用し、一方、圧力流体源を繋いだ時は押圧力が加えられるようになっている。
【0017】
駆動軸12は、ポリッシング装置に固定的に設けられたトップリングヘッド42によって回転自在かつ上下動自在に支持されており、トップリングヘッド42に設けられた駆動源(減速機付きモータ、図示略)の出力軸とプーリベルト機構44によって連結され、また、トップリングヘッド42と駆動軸ホルダ46の間に設けられたトップリングシリンダ48の棒48aの伸縮によって上下方向に移動させられる構造になっている。すなわち、トップリングシリンダ48の本体は駆動軸ホルダ46の肩部に固定してあり、棒48aの先端は、トップリングヘッド42上面に固定してある。
【0018】
駆動軸12は中空の筒状に形成されており、その中心部の軸孔50は上端に取り付けられたロータリージョイント52を介して外部の流体供給装置54に連通されるようになっている。軸孔50の内部にはテフロン又はポリプロピレンなどの耐食性のある樹脂等の材質によって形成されたチューブ(流通管)56が挿通されており、これの上端はロータリージョイント52に連通し、下端は分岐部57を介して2つの分岐管56a,56bとなって前記押え板20の接続穴40に連通している。ロータリージョイント52と軸孔50の上端との間で圧力流体の受け渡しを行うため、駆動軸12に、軸孔50の側方に連通する横穴を設ける必要がなく、構成が簡単で、かつ、製造コストも安くなる。
【0019】
なお、外部の流体供給装置54は、例えば真空源58、加圧空気源60及び純水供給源62などを備えており、これら各供給源58,60,62は、選択制御弁64、ロータリージョイント52、流通管56、分岐管56a,56bを介して把持板16の流通孔38と選択的に連通されるようになっている。また、ターンテーブルの上方には研磨砥液ノズル(図示略)が設置されており、ターンテーブル上の研磨布に研磨砥液を供給できるようになっている。
【0020】
駆動軸12の下端部には、外側に張り出したフランジ部66を有する駆動板68が固定されている。この駆動板68とトップリング本体12の被覆板18の間にはトップリング本体12を傾動可能に支持しかつ押圧力を伝達する自在継手14が設けられ、これは球面軸受機構70と、駆動軸12の回転をトップリング本体10に伝達する回転伝達機構72とを有している。
【0021】
球面軸受機構70は、駆動板68の下面の中央に形成された凸部76の中央に、セラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール78を摺動自在に収容する球面状凹所80が形成され、被覆板18の上面中央の凹所32の底面の中央に、やはりベアリングボール78を収容する球面状凹所82が形成されて、構成されている。ベアリング78の下端は、把持板16の凹部24内に位置しており、すなわち、段差面26のレベル以下に位置している。このように、把持板に凹部を、被覆板に凸部を設けてトップリングを肉薄にし、かつ、曲面軸受の少なくとも一部を凹部内に位置させることにより、曲面軸受をターンテーブルに近付けることができる。ベアリングボール78の中心と把持板16の下面までの距離Lは26mm以下に設定するのが好ましい。これにより本研磨装置は低支点タイプとなっており、基板に安定した荷重を加えることができる。
【0022】
被覆板18の凹所32の周囲に突出する肩部34には、上方から見て等角度間隔に複数(この例では6本)のピン84,86が立設されており、これらのピンは駆動板68のフランジ部66の対応する位置に形成された穴88,90を挿通している。これらのピンは、トップリング本体10を吊持する吊持ピン84と、トップリング本体10へ駆動軸12の回転を伝達する被駆動ピン86とが交互に設けられている。吊持ピン84は駆動板68の上面より突出しており、ピン上端の止め板92と駆動板68の間にはバネ94が装着されて、バネ94の弾性力によりトップリング本体10の荷重(の一部)を支持している。
【0023】
駆動板68の穴90にはそれぞれの被駆動ピン86をフランジ部66の周方向両側から挟むように2本の平行な駆動ピン98が水平方向に延びて埋設されている。この場合、後述するように把持板16が傾いても、被駆動ピン86と駆動ピン98は相対的に上下方向に移動可能であるため、互いの接触点をずらして係合し、駆動軸12の回転トルクを把持板16に確実に伝達する。
【0024】
次に、上述のように構成された基板把持装置の動作について説明する。
外部の流体供給装置54の真空源58をロータリージョイント52に接続することにより、把持板16の流通孔38で基板を吸着して把持板16の下面に取付け、駆動源を作動して駆動軸12を回転させて把持板16を回転する。この場合、流通管56がテフロン又はポリプロピレンによって形成されているので、真空源58に連通した状態でも極度に変形しない程度の強度を備えている。
【0025】
トップリングシリンダ48を作動させて棒48aをトップリングシリンダ本体48へ引きこむ方向に移動すると、トップリングヘッド42が固定的に設けてあるためトップリングシリンダ48本体が駆動軸ホルダ46と共に下降し、基板をターンテーブルに当接させ、さらに基板をターンテーブルに押圧する。すなわち、棒48aによる引込力は、駆動軸12、ベアリングボール78、被覆板18のフランジ部30、把持板16を介して基板への押圧力として基板に
伝達され、これをターンテーブル上の研磨布上に一定の圧力で圧接させる。一方、トップリング本体10が下降する時点ですでにターンテーブルは回転を開始し、研磨砥液ノズルからターンテーブル上の研磨布に研磨砥液が供給されている。そして、基板の被研磨面(下面)に研磨砥液を浸入させてポリッシングが開始される。
【0026】
ここにおいて、駆動軸12からの押圧力が駆動軸12とトップリング本体10の間に構成された球面軸受70を介して伝達されるために、例えば、ターンテーブル面が僅かに傾くなどして駆動軸12とターンテーブルの研磨布面の垂直性が損なわれた場合でも、把持板16がベアリングボール78を中心に傾動して結果的に基板をターンテーブル面に密着させる。
【0027】
また、把持板16と被覆板18の対向面に、把持板16側に凹部24、被覆板18側に凸部28が互いに嵌合するように形成されており、これにより、把持板16の中央部が減厚され、また、凹部24内に球面軸受の一部が位置するため、球面軸受70の中心と基板の表面の間の距離が小さくなっている。従って、ターンテーブルと基板の間に作用する力による球面軸受70まわりの回転モーメントの値も小さくなって基板の姿勢が安定する。そして、これによって把持板の剛性を損なうこともなく、トップリング本体10の流体供給穴のためのスペースを確保しつつ、しかも、ターンテーブルの研磨布面と基板の密着性を維持して安定した研磨を行うことができる。
【0028】
さらに、ベアリングボール78が被覆板18の凹所32と駆動軸12下端の凸部76の間に設けられているので、これによっても、球面軸受70の中心と基板の表面の間の距離が小さくなって基板の姿勢が安定する。しかも、トップリング本体10の周辺部は、肩部34及び段差面36を含めて厚さが確保されており、従って、剛性は損なわれておらず、また、接続孔40や被駆動ピン86の植設のためのスペースも充分確保されている。
【0029】
研磨が終了すると、駆動軸12が上昇させられ、トップリング本体10が上昇させられ、トップリング本体10をターンテーブル上から退避させ、基板を受け渡しする台の上に位置させる。このとき、外部の流体供給装置54の真空源58をロータリージョイント52に接続することにより、把持板16の下面に基板が吸着されており、次に、外部の流体供給装置54の純水供給源62をロータリージョイント52に接続することにより、流通管56から隙間S、把持板16の流通孔38を経て純水が基板を裏面から押すので、基板が把持板16から容易に剥離する。
【0030】
この実施例では、押圧力が被覆板18のフランジ部30から把持板16の段差面26へと伝わる構成であるため、ベアリングボール78から把持板16の中央部へ押圧力が加わる従来構成と比べて、力が円周状に加わる分だけ把持板16の上下方向のたわみ量が少なくなり、基板全面に対して均一に把持板16から力を加えることができる。
【0031】
このポリッシング装置においては、流通管56を耐食性のある材質によって形成しているので、これを介して空気や水を交互に供給しても、流通管56中の錆の生成が防止され、これらの流体に錆が混入させることなく、研磨の精度、品質を向上させることができる。
【0032】
【発明の効果】
この発明によれば、駆動軸の中心部に軸孔を設け、この軸孔内に駆動軸とは異なる適宜の材質による流通管を設け、この流通管により純水等の流体をトップリング本体とポリッシング対象物との間隙部に供給するので、特に流通管を耐食性のある材質により形成することで錆の生成が防止され、基板裏面に供給する流体を錆の混入のない清浄なものとして、研磨の精度、品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るポリッシング装置の一実施例の縦断面図である。
【図2】図1の上側の部分の縦断面図である。
【図3】図1の実施例の要部の平面図である。
【図4】従来のポリッシング装置を示す断面図である。
【図5】図4の平面図である。
【符号の説明】
10 トップリング本体
12 駆動軸
16 把持板
18 被覆板
50 軸孔
54 流体供給装置
56 流通管
70 球面軸受
72 伝達機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing apparatus for flattening a polishing object such as a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as semiconductor devices are highly integrated, circuit wiring is becoming finer and the distance between wirings is becoming narrower. In particular, in the case of optical lithography of 0.5 μm or less, the depth of focus becomes shallow, so that the flatness of the imaging surface of the stepper is required. Therefore, it is necessary to flatten the surface of the semiconductor wafer, and polishing is performed by a polishing apparatus as one means of this flattening method.
[0003]
As a conventional technique of this type of polishing apparatus, for example, a polishing apparatus described in JP-A-6-198561 is known. This polishing apparatus includes a turntable with an abrasive cloth on the upper surface, a top ring body provided opposite to the turntable, a pressing device for pressing the top ring body, and a rotational drive for driving the top ring body. It is the structure provided with the drive device.
[0004]
As shown in FIGS. 4 and 5, the top ring
[0005]
Further,
[0006]
With such a configuration, the polishing object W is rotated by rotating the turntable and the
[0007]
A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional polishing apparatus, the
[0009]
An object of this invention is to provide the board | substrate holding | grip apparatus which can supply the clean fluid which does not contaminate a polishing target object between a top ring and a polishing target object in view of the said subject.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-described problems. The invention according to claim 1 is directed to a top ring body that grips a substrate facing the turntable, and the top ring body via a spherical bearing. A drive shaft that is tiltably supported, and a shaft hole is formed in a central portion of the drive shaft. One end communicates with an external device such as a fluid source in the shaft hole, and the other end A flow pipe communicating between the top ring main body and the polishing object is inserted , the top ring main body grips the substrate on the lower surface, the grip plate having a recess formed in the center of the upper surface, and the above-mentioned in the center of the lower surface And the spherical bearing is disposed so that at least a part thereof is positioned inside the concave portion of the gripping plate, and the depth of the concave portion of the gripping plate. Larger than the height of the convex portion of the covering plate, the concave portion A gap is formed between the convex portion, the flow tube is a substrate holding apparatus, characterized by being communicated with the gap between the recess and the protrusion.
[0011]
According to the present invention, a shaft hole is provided in the central portion of the drive shaft, and a flow pipe made of an appropriate material different from the drive shaft is provided in the shaft hole, and fluid such as pure water is exchanged with the top ring body by the flow pipe. Since it is supplied to the gap with the polishing object, rust is prevented from entering the fluid, contamination of the substrate due to rust is prevented, and polishing accuracy and quality are improved.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, the grip plate is formed with a flow hole penetrating vertically, and the flow pipe is formed in the communication hole of the grip plate through a gap between the concave portion and the convex portion. a substrate holding apparatus according to claim 1, wherein the benzalkonium been communicated.
The invention according to claim 3 is characterized in that the spherical bearing is provided between a recess formed in the lower surface of the drive shaft and a recess formed in the upper surface of the cover plate. Item 3. The substrate gripping apparatus according to Item 1 or 2.
The invention according to claim 4 further includes a transmission mechanism that is provided between an end of the drive shaft and the top ring body and transmits a rotational driving force from the drive shaft to the top ring body. A substrate gripping device according to any one of claims 1 to 3.
The invention of claim 5 includes a turntable having a polishing surface, Ru polishing apparatus der characterized by having a substrate holding apparatus according to any one of claims 1 to 4.
[0013]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a substrate gripping apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. The substrate gripping device includes a disc-shaped
[0014]
In this example, the
[0015]
A
[0016]
The depth of the
[0017]
The
[0018]
The
[0019]
The external
[0020]
A
[0021]
In the spherical bearing mechanism 70, a
[0022]
A plurality of (six in this example) pins 84 and 86 are erected on the
[0023]
Two parallel drive pins 98 are embedded in the holes 90 of the
[0024]
Next, the operation of the substrate holding apparatus configured as described above will be described.
By connecting the
[0025]
When the
[0026]
Here, since the pressing force from the
[0027]
In addition, a
[0028]
Further, since the bearing ball 78 is provided between the
[0029]
When the polishing is completed, the
[0030]
In this embodiment, since the pressing force is transmitted from the
[0031]
In this polishing apparatus, since the
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, a shaft hole is provided in the central portion of the drive shaft, and a flow pipe made of an appropriate material different from the drive shaft is provided in the shaft hole, and fluid such as pure water is exchanged with the top ring body by the flow pipe. Since it is supplied to the gap with the polishing object, rust formation is prevented by forming the flow pipe with a corrosion-resistant material in particular, and the fluid supplied to the back of the substrate is polished so that it does not contain rust. Accuracy and quality can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a polishing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an upper part of FIG.
FIG. 3 is a plan view of a main part of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional polishing apparatus.
FIG. 5 is a plan view of FIG. 4;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記駆動軸の中心部には軸孔が形成され、該軸孔内には、一端が流体源等の外部の装置と連通し、他端が前記トップリング本体とポリッシング対象物との間に連通する流通管が挿通され、
前記トップリング本体は、下面に基板を把持し、上面の中央に凹部が形成された把持板と、下面の中央に前記凹部と嵌合する凸部が形成された被覆板とを有し、
前記球面軸受は、少なくとも一部が前記把持板の凹部の内部に位置するように配置され、
前記把持板の凹部の深さを前記被覆板の凸部の高さよりも大きくして、前記凹部と前記凸部の間に隙間を形成し、
前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間に連通されていることを特徴とする基板把持装置。A top ring body that grips the substrate facing the turntable; and a drive shaft that supports the top ring body through a spherical bearing so as to be tiltable.
A shaft hole is formed in the central portion of the drive shaft, and one end communicates with an external device such as a fluid source in the shaft hole, and the other end communicates between the top ring body and the polishing object. A distribution pipe is inserted ,
The top ring body includes a grip plate in which a substrate is gripped on the lower surface and a concave portion is formed in the center of the upper surface, and a cover plate in which a convex portion that fits the concave portion is formed in the center of the lower surface.
The spherical bearing is arranged so that at least a part thereof is located inside the concave portion of the gripping plate,
The depth of the concave portion of the grip plate is made larger than the height of the convex portion of the covering plate, and a gap is formed between the concave portion and the convex portion,
The substrate gripping device , wherein the flow pipe communicates with a gap between the concave portion and the convex portion .
前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間を介して前記把持板の連通孔に連通されていることを特徴とする請求項1に記載の基板把持装置。 The grip plate is formed with a flow hole inserted vertically.
The flow tube, a substrate holding apparatus according to claim 1, characterized in that it is communicating with the communication hole of the gripping plate through a gap between the concave portion and the convex portion.
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