JP5185958B2 - 研磨ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料を含む基板の研磨及び平坦化、特に、基板の裏側に直接付与した圧縮流体力によって研磨又は平坦化を行う研磨ヘッドに関するものである。

現代の集積回路は、半導体基板内あるいは基板上に形成されたトランジスタ及びキャパシタのような能動デバイスを文字通り多数有していると共に、能動デバイスを機能回路に接続するために通常多重レベル金属被膜内部接続を備えた金属被膜の精巧なシステムに依存している。二酸化シリコンのような層間誘電体をシリコン基板上に形成して、基板内に形成した能動デバイスから通常アルミニウムである第１レベルの金属被膜を電気的に絶縁する。金属被膜コンタクトは、基板内に形成した能動デバイスを第１レベルの金属被膜の内部接続に電気的に結合する。同様に、金属ビアは第２レベルの金属被膜の内部接続を第１レベルの金属被膜の内部接続に電気的に接続する。コンタクトとビアとは、通常窒化チタンのようなバリアメタルによって囲繞されたタングステンのような金属を備えている。所望の（多層）内部接続構造を得るためにさらに層を積層してもよい。

高密度多重レベル内部接続には、内部接続の各層が平坦であることと表面トポグラフィの変動が非常に小さいこととが要求される。平坦でない表面では、後の処理段階でさらに層を形成する際に行われるフォトリソグラフィ工程において光学解像度が低くなる。低光学解像度では、高密度回路及び内部接続構造に対して要求される高密度線のプリントが困難となる。表面トポグラフィの変動に関連した他の問題は、ステップ高さを被覆あるいは埋没するための次の金属被膜層の能力に関係する問題である。ステップ高さが大きすぎると、開路が生じてチップ上に欠陥を生ずる危険性がある。平坦内部接続層は現代の高密度多重集積回路の製造においては不可欠のものである。

平坦な表面トポグラフィは化学機械研磨（ＣＭＰ）法を用いて達成してもよい。従来のＣＭＰシステム及びその方法では、シリコンウェハは、活性スラリのコーティング又は層を塗布した平坦な研磨パッドで覆った回転面あるいはプラテン上におもて面を下にして配置される。固い金属あるいはセラミック板から成る基板キャリヤは基板の裏側を固定し、ウェハのおもて面が研磨パッドを押圧するようにウェーハの裏側に下向きの力を付与する。いくつかのシステムでは、下向きの力は重量を介する方法のように機械的に与えるものであるが、しばしば、下向きの力は、空気のような気体源又は他の流体圧力を介して基板キャリヤにかけられている。ポリマー材料、ワックス、又は他の緩衝材料によるものであってもよいしばしば挿入体と呼ばれる弾性層は、キャリヤ上のウェハ取付面とウェハの裏側との間に用いられてもよい。下方研磨力は挿入体を介して連通される。

ウェハキャリヤとウェハの周縁部を囲繞する保持リングはウェハをキャリヤの中心に置き、かつ、ウェハがキャリヤに対する位置合わせからずれないようにする。ウェハを据え付けるキャリヤはモーターへのカップリングを介して回転させられるスピンドルシャフトに結合される。ＣＭＰスラリと共にパッドの回転運動に結合される下方研磨力は、ウェハのおもて面から薄膜あるいは薄層の上面のすり減し研磨あるいは平坦化を促進する。

これらの従来システム及び方法は少なくとも２つの問題あるいは制限を有する。キャリヤあるいは研磨ヘッドアセンブリにおける機械的な調整不良、ウェハのおもて面と研磨パッド及びスラリとの相互作用、挿入体の不均一さ、研磨デブリ（debris）のような挿入体とウェハ裏面との間に導入される汚染物（contamination）、または、ウェハ基板の平坦化に影響を与える研磨力の非均一さの他の様々な源の影響を受けてウェハの面が研磨されるので、研磨圧力の不均一分布がウェハの面全面にわたって生じてしまうことが第１の問題である。

挿入体の性質は特に問題である。ＣＭＰ装置メーカーは高い精度でかつ高いプロセス再現性を有する装置を設計しかつ促進するが、所定数のウェハの処理後に交換しなければならないポリマー挿入体の物理的性質がバッチ間で異なることがしばしば明らかとなる。さらに、一つのバッチ内において、挿入体が吸収する水の量によってその性質が変化する。さらにやっかいなことには、同じ挿入体の異なる部分が他の領域より乾燥しているか又は湿っているかしており、それによって各ウェハの面で研磨のばらつきが生じてしまうことである。

従来ＣＭＰシステム及び方法に関連した第２の問題は、均一あるいは実施的に均一な研磨圧力の達成される程度に関するものであり、これについては、例えば、１９９９年３月３日に“Chemical Mechanical Polishing Head Assembly Having Floating Wafer Carrier and Retaining Ring”の発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第０９／２６１，１１２号、及び、１９９９年４月１９日に“Chemical Mechanical Polishing Head Having Floating Retaining Ring and Wafer Carrier With Multi-Zone Polishing Pressure Control”の発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第０９／２９４，５４７号がある。これらは共に、現出願と同じ譲り受け人である三菱マテリアル株式会社に譲渡されたものであって、この明細書に参考文献として組み込まれているものである。均一研磨圧力は必ずしもウェハの平坦化に対する最適な研磨圧力プロファイルではない。想定された均一研磨圧力の望ましさと不均一研磨圧力に対する必要性との間のこの明らかなパラドックスは、堆積プロセス中に不均一層厚効果から生ずるものである。頻繁に出くわす径方向の変化する層厚のように、周知の方法で堆積する層厚が変わる程度まで、研磨圧力が堆積の非規則性を補償するように変更されることは望ましい。

ウェハのおもて面の全点の圧力は、研磨パッド、挿入体、及び他の材料（望むと望まないとの関わらず）であって、研磨パッドと一般的に固い剛体の研磨テーブル又はプラテンとの間を含むウェハと研磨パッドとの間の接触点と圧力源との間に挿入されたもののそれぞれの局所的な圧力係数（硬度）及び局所的圧縮によって大きく制御される。これらの部材の圧縮量のいかなる変動も研磨界面での局所的な圧力変動につながる。

一般的に、化学機械的研磨システムにおける研磨除去率と同等な他の全要素（例えば、同じスラリ組成、パッド上のウェハの有効直線速度等）は、ウェハと研磨パッドとの間に付与する研磨運動に直交する方向の圧力に比例する。圧力が大きいほど、研磨除去率は大きくなる。従って、ウェハの面における不均一圧力分布がウェハの面での不均一研磨率を形成する傾向がある。非均一研磨は、ウェハのある部分を除去しすぎたり、他の部分の除去が少なすぎたりすることの原因となりうるし、また、過度に薄い薄層の形成や不十分な平坦化にもつながり、それらは半導体ウェハの処理率及び信頼性を低下する。

不均一研磨はシャープなトランジッション端部効果（transition edge effect）が生ずるウェハの特に周縁端部で至る所に見られる。伝統的なアプローチでは、研磨パッドの研磨ヘッドに接触する部分（ウェハ、ウェハキャリヤ、及び保持リング）と接触しない部分との間にシャープなトランジッションが存在する。従来の研磨パッドは少なくともいくらか圧縮性のものであり、研磨ヘッドが研磨中に面上を動くので、研磨ヘッドの移動端の近傍で局所的に圧縮され、引っ張られ、かつ変形されてもよい。この局所的な圧縮、引張り、及び他の変形は、ウェハ基板の端部に近接する圧縮プロファイルにおける局所的な変動を引き起こす。この変動は、特にウェハの端部からセンチメートル程度径方向で内側で至る所に見られるものであるが、特に、端部から約３ｍｍから５ｍｍ程度内側では特にやっかいである。

この端部変動を低減する一つの解決策は、１９９９年４月１９日に“Chemical Mechanical Polishing Head Having Floating Retaining Ring and Wafer Carrier With Multi-Zone Polishing Pressure Control”の発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第０９／２９４，５４７号で提案されている。この出願はこの明細書に参考文献として組み込まれている。この特許出願では、特別な形状を有する囲繞保持リングを用いることによって、ウェハ上での圧力変動量を最小にする新規な保持リング構造を記載している。

現在用いられ将来さらに増加するサブミクロン集積回路（ＩＣ）では、デバイスが金属内部接続段階でその面が平坦化されることを必要としているが、化学機械的研磨（ＣＭＰ）はその好適なウェハ平坦化方法である。トランジスタの数及び１チップあたりに必要な内部接続の数が増加するので、精密でかつ正確な平坦化は益々重要になる。

集積回路は従来、伝導性、絶縁性、あるいは半導体の一あるいは二以上の連続堆積によって、基板、特にシリコンウェハ上に形成されている。これらの構造は多重金属構造（ＭＩＭ）とも呼ばれ、これまでより小さいデザインルールによってチップ上で回路要素を最密にする際に重要である。

ノートコンピュータ、パーソナルデータアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、及び他の電子デバイスにおいて用いられるようなフラットパネルディスプレイでは通常、能動あるいは受動ＬＣＤ回路のようなディスプレイを作るために、ガラスあるいは他の透明材料上に一又は二以上の層を堆積している。各層を堆積した後、回路パターンを作るために層をエッチングして選択した領域から材料を除去する。一連の層を堆積しエッチングするので、エッチング量が最も少ない基板の位置で外面とその下の基板との間の距離が最も大きく、かつ、エッチング量が最も多い基板の位置でその距離が最も小さくなり、基板の外側あるいは最上面は平坦でなくなる。単一の層でさえ、平坦でない面は平らでないプロファイルのピーク及びバレーを有する。複数のパターンが形成されると、ピークとバレーとの間の高さの差はさらに深刻となり、通常数ミクロンも差がある。

表面にパターンを形成するために用いる面フォトリソグラフィにおいて、及び、過度の高さ変動を有する面上に堆積した場合に割れてしまうこともある層において、上面が平坦でないことは代表的な問題である。従って、平坦な層面を供給するために基板面を周期的に平坦にする必要がある。平坦化は非平坦外面を除去して比較的平坦でかつ滑らかな面を形成し、伝導性、半導体、又は絶縁体材料を研磨することを含む。平坦化に続き、露出した外面上にさらに層を堆積して、構造間の内部接続線を含むさらなる構造を形成してもよいし、又は上部層をエッチングして露出面の下の構造にビアを形成してもよい。研磨は一般に、特に化学機械的研磨（ＣＭＰ）は表面平坦化を行う周知の方法である。

研磨プロセスは、特別の面仕上げ（ラフネス又は滑らかさ）及び平坦さ（大きなスケールのトポグラフィがない）を達成するように設計されている。仕上げ及び平坦さを最小にするのに失敗すると欠陥の多い基板になり、ひいては欠陥の多い集積回路ができてしまう。

ＣＭＰの間、半導体ウェハのような基板は通常その露出された研磨面を、研磨ヘッドの一部あるいは研磨ヘッドに取付けられたウェハキャリヤ上に据え付けられる。据え付けた基板は研磨装置のベース部上に配置した回転研磨パッドに配置される。研磨パッドは通常、研磨スラリを分布させるため、及び、パッドに平行に基板面を相互作用するために水平になるようにその方向を決める。パッド面の水平方位（パッド面に直交するのは垂直である）も、それによってウェハが重力の下で少なくとも部分的にパッドに接触するように、かつ、重力がウェハと研磨パッドとの間に非一様に付与されるようにされていることが好ましい。パッドの回転に加えて、キャリヤヘッドは基板と研磨パッド面との間で付加的な動きを行うように回転してもよい。摩耗研磨混合物を供給するために、また、ＣＭＰではパッド基板界面で研磨及び化学反応混合物を提供するために、通常液体に入れた研磨剤やＣＭＰの場合には少なくとも一つの化学反応剤を含む研磨スラリが研磨パッドに塗布される。様々な研磨パッド、研磨スラリ、及び反応混合物が従来技術において周知であり、その組合せによって、特別な仕上げ及び平坦特性を達成することができる。研磨パッドと基板との間の相対速度、全研磨時間、及び研磨中に付与される圧力は他の要因と共に、面平坦さ、仕上げ及び均一さに影響を与える。連続した基板研磨の場合、又は、多ヘッド研磨機が用いられる場合、特別な研磨作業で研磨される全基板が同程度に平坦化されることも望ましい。ここで、その平坦化には材料の実質的に同程度の量の除去を含み、同じ平坦さ及び仕上げを提供する。ＣＭＰ及びウェハ研磨は周知なのでここではその詳細は説明しない。

研磨パッドの状態は研磨結果、特に均一さ及び一回の研磨ランにわたる研磨作業の間の安定性、特に連続研磨作業中の均一さにも影響を与える。通常、熱、圧力、及びスラリあるいは基板の目詰まりの結果として、一又は二以上の研磨作業の間に、研磨パッドに光沢がでてくる。これによってパッドの研磨特性は低下する。というのは、パッドの頂点が圧縮されあるいはすり減り、パッド内のピット又はボイドを研磨デブリが埋まることになるからである。これらの影響を克服するために、パッドの所望の摩耗状態を回復するために、研磨パッド面を調整しなければならない。このような調整は通常、摩耗状態を維持するためにパッド上で周期的に行われる分離作業によって実施される。これが以下の処理の間の安定な作業を維持するのに役に立つ。その処理の間とは、研磨の所定継続時間に基板から所定量の材料を除去し、所定の平坦さ及び仕上げを達成し、さもなければ、基板から作った集積回路が実質的に同一であるように、十分同一の特性を有する基板を作る間である。ＬＣＤディスプレイスクリーンに対しては、均一な特性の必要性がさらに強調される。というのは、個々のダイにカットされた等しくないウェハや全体で数インチのディスプレイスクリーンは、欠陥によって小さな領域が使用できない場合でさえ、全く使用できないからである。

従来使用されてきたような挿入体はウェハサブキャリヤに結合された廉価なパッドであり、ウェハの裏面と金属あるいはセラミック面であるキャリヤ面との間に配置するものである。挿入体の機械的特性の変動は通常ＣＭＰの研磨結果の変動の原因となる。

下記先行技術文献１（米国特許第５，２０５，０８２号）には、以前の構造及び方法に対して多くの利点を有するサブキャリヤの柔軟ダイアフラムを記載されており、先行技術文献２（米国特許第５，５８４，７５１号）は柔軟ブラダの使用を介して保持リングに付与する下方力の制御を記載しているが、これらの特許はいずれもウェハと保持リングとの間の界面に付与される圧力を直接独立に制御する構造や端部の研磨あるいは平坦化効果を変える差圧の種類を記載していない。

米国特許第５，２０５，０８２号明細書 米国特許第５，５８４，７５１号明細書

このような観点で、研磨スループット、平坦さ、及び仕上げを最適化し、いかなる基板の汚染又は破壊のリスクをも最小にする必要がある。

本発明の構造及び方法は多くの設計の詳細及び革新的な要素を組み込んだものであり、そのいくつかを以下にまとめる。本発明の構造、方法、及び要素は詳細な説明に記載する。

本発明は、基板の全面にわたって、特には、化学機械的研磨（ＣＭＰ）中の半導体ウェハの研磨均一性を改良するのが特に有益な基板の端部近傍において、基板の研磨均一性を改良する研磨装置、研磨ヘッド及びその方法を提供する。一態様では、本発明は、半導体ウェハ研磨装置においてウェハのような基板の領域の環状領域上で研磨圧力を制御する方法を提供する。

一実施形態では、本発明は、研磨パッド上の基板を研磨する研磨ヘッドであって、上部ハウジング部を含むハウジングと、内側円筒面を有し、かつ前記基板を保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定して前記基板が前記研磨パッドによって研磨されている間前記研磨パッドに対する前記基板の動きを制限する保持リングと、前記保持リングの内側円筒面に位置し、第１の気圧ゾーンを規定する第１の圧力室と、半径方向で前記第１の気圧ゾーンの内側に第２の気圧ゾーンを規定する第２の圧力室と、前記第１の圧力室と前記第２の圧力室の間に配置され、前記基板の裏側に押圧力を付与する少なくとも一つの圧力室と、を備え、前記保持リングにより前記研磨パッドに付与する圧力は、前記保持リング上部の空間の流体圧力により制御可能とされ、かつ前記第１の圧力室を構成するブラダ、前記第２の圧力室を構成するブラダ、及び前記第１の圧力室を構成するブラダ及び前記第２の圧力室を構成するブラダの間に前記第１、第２の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁で形成される圧力室は、同心円状に仕切って形成されるとともに基板全体を押圧可能な配置とされ、それぞれの前記圧力室の圧力は、独立に制御可能とされていることを特徴とする。

また、前記第１の圧力室と前記第２の圧力室の間に第３の圧力室を配置し、前記第２の圧力室を構成するブラダと前記第３の圧力室を構成するブラダの間に前記第２、第３の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁による第４の圧力室を形成するとともに、前記第１の圧力室を構成するブラダと前記第３の圧力室を構成するブラダの間に前記第１、第３の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁による第５の圧力室を形成し、前記第１から第５の圧力室の圧力は、それぞれ独立に制御可能とされていてもよい。

また、前記密閉ブラダの少なくとも１つは、前記基板をローディング及びアンローディングする間に、真空を付与して形成した真空吸引力により、前記基板を保持するようにしてもよい。

また、前記真空吸引力により基板を保持する際に、前記基板が過度に曲げられることを防止するためのウェハ連結停止板を有していてもよい。

多ヘッド研磨／平坦化装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明の２室研磨ヘッドの簡単な実施形態を示す概略構成図である。 本発明の２室研磨ヘッドの簡単な実施形態を示す概略構成図であって、ここでは、連結部材（ダイアフラム）がウェハサブキャリヤ及びウェハ本発明の移動を可能にするように誇張したスケールで描いている。 回転支持体、ヘッド載置アセンブリ、回転ユニオン、及びウェハキャリヤアセンブリの一部の実施形態の断面を示す概略構成図である。 本発明のウェハキャリヤアセンブリの実施形態の詳細な断面を示す概略構成図である。 本発明の第１の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第２の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第３の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第４の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第５の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第６の参考例を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略構成図である。 特に２００ｍｍ直径ウェハに適用される挿入なしヘッドの実施形態を示す分解組立図である。 挿入なしヘッドの参考例及び実施形態の上部ハウジングの構造を示す概略構成図である。 圧延ダイアフラムブロックの構造を示す概略構成図である。 アダプタ保持リングオープンダイアフラムの構造を示す概略構成図である。 リング保持を示す概略図である。 リング保持オープンダイアフラムを示す概略図である。 迅速開放アダプタの構造を示す概略構成図である。 迅速開放アダプタの構造を示す概略構成図である。 真空プレートの構造を示す概略構成図である。 一例の外径シールアセンブリの構造を示す概略構成図である。

本発明のさらなる目的と構造は、図面を参照したときに、以下の詳細な説明及び添付のクレームからさらに明らかになるだろう。

本発明の構造及び方法を、図面で示した特別な実施形態を用いて説明する。

図１では、ヘッドマウントアセンブリ１０４と基板（ウェーハ）キャリヤアセンブリ１０６（図３参照）とを備えた複数の研磨ヘッドアセンブリ１０３を支持する回転支持体（carousel）１０２を含む化学機械的研磨又は平坦化装置１０１を示している。ここでは、“研磨”という用語を、一般に半導体ウェーハ１１３基板を含む基板１１３の研磨、あるいは、基板が電子回路要素を形成した半導体基板であるときの平坦化を意味している。半導体ウェーハは、公称１００ｍｍから３００ｍｍの間の直径を有し、通常薄くてかつもろいディスクである。現在は２００ｍｍ半導体ウェーハが非常によく使用されているが、３００ｍｍウェーハも開発中である。本発明の設計は、少なくとも３００ｍｍ直径までの半導体ウェーハ及び他の基板、及びさらに大きい直径の基板に適用可能であり、大きなウェーハ表面研磨不均一さは、半導体ディスクの径方向周縁でいわゆる２ｍｍ除外ゾーン（exclusion zone）より大きくない範囲で、しばしばウェーハの端部から約２ｍｍより小さい環状領域に制限することが好ましい。

ベース１０５は、取付られたヘッドアセンブリを有する回転支持体を支持しかつその上下移動を可能にするブリッジ１０７を含む他の部材を支持する。各ヘッド装着アセンブリ１０４（図４参照）は回転支持体上に取付られ、かつ、各研磨ヘッドアセンブリ１０３は回転のためヘッド装着アセンブリ１０４に装着され、回転支持体は中心回転支持体軸１０８に対して回転するように装着され、各研磨ヘッドアセンブリ１０３の回転軸１１１は回転支持体の回転軸１０８に実質的に平行で離間している。ＣＭＰ装置１０１も、プラテン駆動軸１１０に対する回転のために装着されたモーター駆動プラテン１０９を含んでいる。プラテン１０９は研磨パッド１３５を支持し、プラテンモーター（図示せず）によって回転する。ＣＭＰ装置のこの特別な実施形態は多数ヘッド設計である。この複数ヘッド設計とは、各回転支持体が複数の研磨ヘッドを有することを意味しているが、単一ヘッドのＣＭＰ装置も周知であり、本発明のヘッドアセンブリ１０３、回転リング１６６及び研磨方法は、複数ヘッド型又は単一ヘッド型研磨装置を用いて行われる。

さらに、この特別なＣＭＰ設計では、複数のヘッドのそれぞれは、チェーン（図示せず）を駆動、次にスプロケット機構を介して各研磨ヘッド１０３を駆動するする単一ヘッドモーターによって駆動される：しかしながら、本発明は、各ヘッド１０３が別のモーター及び／又はスプロケット型のドライブ以外のものによって回転される実施形態に使用されてもよい。本発明のＣＭＰ装置はまた、ヘッドの外部に固定した源とウェハキャリヤアセンブリ１０６との間に空気、水、真空等のような圧縮流体を連通するための複数の異なる気体／流体チャネルを供給する回転ユニオン１１６も組み込まれている。一実施形態では５個の異なる気体／流体チャネルを回転ユニオンにより備えられている。室のあるサブキャリヤが組み込まれた本発明の実施形態では、所定の圧縮流体を別な室に供給するように別な回転ユニオンが含まれている。

作動において、付着した研磨パッド１３５を備えた研磨プラテン１０９が回転し、回転支持体１０２が回転し、各ヘッド１０３が各々の軸に対して回転する。本発明のＣＭＰ装置の実施形態では、回転の回転支持体軸１０８は約１インチだけ回転用プラテン軸１１０からずれている。基板を均一に研磨又は平坦化するように、ウェハの全ての部分で同じ平均速度で実質的に同じ距離トラベルするように各要素が回転するような速度が選択される。研磨パッドは通常いくらか圧縮可能なので、ウェハが始めにパッドに接触する際のパッドとウェハとの間の速度及び相互作用の程度は、ウェハの端部から除去される材料の量及び研磨されるウェハ面の均一さにおいて重要な決定要因である。

ヘッドアセンブリに据え付ける複数の回転支持体を有する研磨装置については“Floating Subcarriers for Wafer Polishing Apparatous”という発明の名称の米国特許第４，９１８，８７０号に記載され；浮動ヘッド及び浮動保持リングを有する研磨装置については“Wafer Polisher Head Having Floating Retainer RIng”という発明の名称の米国特許第５，２０５，０８２号に記載され；研磨ヘッドで使用する回転ユニオンについては“Rotary Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatous”という発明の名称の米国特許第５，４４３，４１６号に記載され；それぞれは参考文献としてここに組み込んでいる。

一実施形態では、本発明の構成及び方法はディスク状サブキャリヤとそれと同軸で配置した環状保持リング１６６とを有する２室ヘッドを備え、そのサブキャリヤは研磨装置の内部に上面１６３と基板１１３（例えば半導体ウェハ）を据え付けるための下面１６４とを有するものであり、また、サブキャリヤ１６０とプラテン１０９に付着された研磨パッド面１３５とに接触しかつ基板を直下に接触して維持するために、環状保持リング１６６はサブキャリヤ１６０の下部の回りとウェハ基板１１３の端部の回りとにフィットするものである。サブキャリヤがウェハの裏側に下方研磨力を付与してウェハのおもて面をパッドに押圧するので、ウェハをサブキャリヤの真下に保持することは均一な研磨には重要である。室の一つ（Ｐ２）１３２はキャリヤ１６０に流体連通しており、サブキャリヤ１６０上で研磨を行う間、下方研磨圧力（あるいは力）を付与して間接的に基板１１３を研磨パッド１３５に押圧する（“サブキャリヤ力”又は“ウェハ力”と称する）。第２室（Ｐ１）１３１は保持リングアダプタ１６８を介して保持リング１６６に流体連通し、研磨中下方圧力を付与して保持リング１６６を研磨パッド１３５に押圧する（“リング力”と称する）。２つの室１３１，１３２とそれに関係づけられた圧縮／真空源１１４，１１５は、ウェハ１１３及び独立に保持リング１６６によって研磨パッド面１３５に付与される圧力（あるいは力）を制御することができる。

本発明の一実施形態において、サブキャリヤ力及びリング力は独立に選択されるが、リング力とサブキャリヤ力との間の結合の度合いを強めたりまた弱めたりするような構成を適用することも可能である。ヘッドハウジング支持構造１２０とサブキャリヤ１６０との間、及び、サブキャリヤ１６０とリング１６６との間の連結の性質として適当な選択を行うことによって、サブキャリヤ及びリングを独立に動かすことからサブキャリヤとリングとを強く結合することまでの範囲の独立の程度を実施することができる。本発明の一実施形態では、ダイアフラム１４５，１６２によるやり方で形成した連結部材の材料特性及び幾何学的特性によって、半導体ウェハの全面にわたって、その基板の端部でさえ、均一な研磨（又は平坦化）を達成するのに最適な連結が可能となる。

室を有するサブキャリヤを備えた本発明の他の実施形態も説明する。この室を有するサブキャリヤは、位置の関数としての研磨力をより大きく制御できる別の圧力室を加える。

他の実施形態では、保持リング１６６のサイズ及び形状は、基板１１３の外周縁部近傍の領域において、研磨パッド１３５を前圧縮するため及び／又は調整するために従来の保持リング構造に対して変更され、すなわち、パッドの一領域から他の領域へとパッド１３５上を基板１１３が移動することに関連した有害な効果は研磨された基板面上の非直線性として現れない。本発明の保持リング１６６は移動の先端でパッド１３５を平坦にするように作用し、それによって、進む基板がパッドの新しい領域に接触する前に、パッドが実質的に平坦でかつ基板と同じ高さになっている；基板とパッドとの間の接触が終了するときまで、パッドは平坦を維持しかつ基板の研磨面と同じ高さになる。この方法で、基板は常に平坦で、前圧縮され、実質的に均一な研磨パッド面に接触する。

保持リングはウェハ面をトラベルする前に研磨パッドを前圧縮する。これによって、ウェハ面にわたって材料を均一に除去する前圧縮の量と同じ量で研磨パッドをウェハの全面が見るようになる。保持リング圧力の独立な制御によって、研磨パッドの前圧縮の量を変調することが可能であり、それによってウェハ端から除去する材料の量に影響を与える。端点検出手段を用いるような、フィードバックを有する又は有しないコンピュータ制御は所望の均一性を達成するのに役立つ。

本発明の選択された態様の作動の様子を示すために、図２で示した本発明の２室研磨ヘッド１００の簡単な第１の実施形態に最初に注目する。特に、（保持リングアダプタ１６８と保持リング１６６を含む）保持リングアセンブリ及びキャリヤ１６６への圧力を付与し制御する方法を示し説明する。それから、付加的で任意であるが有利な構成を含むいくらかより精巧な代替実施形態についての本発明の他の態様を説明する。

タレット据え付けアダプタ１２１及びピン１２２，１２３あるいは他の取付手段は、回転支持体１０２に対する回転に対して取り付けたスピンドル１１９に対して、又は、他の単一ヘッドの実施形態において、ヘッド及びパッドが回転している間パッド面上をヘッドを動かすアームのような他の支持構造に対して、ハウジング１２０を位置合わせしかつ取付け又は据え付けることを容易にする。ハウジング１２０は他のヘッド部材の支持構造を供給する。ハウジング１２０から第２のダイアフラムを分離するように、第２のダイアフラム１２０をスペーサーリング１３１によってハウジング１２０に取付け、ダイアフラム及びそれに取り付けた（キャリヤ１６０を含む）構造の、基準の第２のダイアフラム面１２５に対する垂直方向及び角度方向の範囲を確保する。（第１及び第２のダイアフラムのために、傾いた角度だけの結果として、又は、キャリヤパッドと保持リング−パッド界面との間の界面に角度変動を収容するために備えた垂直方向の移動に関連して、かなり小さな水平方向の移動も可能であるが、この水平の移動は通常垂直方向の移動に比較して小さい。）

この実施形態では、スペーサリング１３１はハウジング１２０と一体で形成して同じ機能を供給してもよい；しかしながら、代替の実施形態（例えば、図５参照）に記載するように、スペーサリング１３１は独立の要素から形成されている方が好都合であり、かつ、（スクリューのような）留め具を用いてハウジングに取付け、取付を保証するための同心のＯリングガスケットは気密及び圧力密閉（air- and pressure tight）である。

キャリヤ１６０及び（保持リングアダプタ１６８と保持リング１６６を含む）保持リングアセンブリ１６５は、ハウジング１６２の下部に取付られる第１のダイアフラム１６２に簡単に取付られている。キャリヤ１６０と保持リング１６６は、パッドの面の非規則性を許容するため、及び、パッドがウェハ１１３の端部に近接する保持リング１６６に最初に出会う研磨パッドを平坦にするのを補助するために、垂直に移動することが可能でありかつ傾いている。一般に、このタイプのダイアフラムの簡単な移動は“浮動”と称し、キャリヤ及び保持リングに対してはそれぞれ“浮動キャリヤ”、“浮動保持リング”と称し、これらの部材を組み込んだヘッドは“浮動ヘッド”と称する。本発明のヘッドは“浮動”部材を利用するが、構造及び作動の方法は周知の従来技術とは異なっている。

フランジリング１４６は際２のダイアフラム１４５を、第１のダイアフラム１６２に取り付けたサブキャリヤ１６０の上面１６３に結合する。フランジリング１４６及びサブキャリヤ１６０は一緒に効果的にクランプされ、一ユニットとして動くが、保持リングアセンブリ１６７は第１のダイアフラムにだけ据え付けられ、第１及び第２のダイアフラムによって課された動きを制限するだけで自由に動く。フランジリング１４６は第１のダイアフラム１６２と第２のダイアフラム１４５とを連結する。ダイアフラムとフランジリングとサブキャリヤとの間の摩擦力はダイアフラムを所定の位置に維持しかつダイアフラム全体にテンションを維持するのに役立つ。第１及び第２のダイアフラムがキャリヤ及び保持リングの並進及び回転運動を可能にする方法はさらに図３の概略構成図によって示すが、この図３は、各ダイアフラム１４５，１６２の基準面方向の構造が自由な並進及び回転を許容するように変更される状態を非常に誇張して示したものである。特に角度方向においての、図で示したダイアフラムの柔軟性のこの誇張した度合いは、研磨中には起こらないと推測され、垂直方向の並進は通常ウェハのローディング及びアンローディングの間だけ受けるものである。特に、第２のダイアフラム１４５は、シールリング１３１とフランジリング１４６との取付けの間のスパンにおける第１及び第２の曲がり領域１７２，１７３におけるいくらかの曲がりあるいは歪みを受ける；第１のダイアフラムは、ハウジング１２０とキャリヤ１６０との間の取付けを行う第３、第４、第５、及び第６の曲がり領域１７４，１７５，１７８，１７９で異なる曲がりあるいは歪みを受ける。

この記載では、“上部（上方）”及び“下部（下方）”の語を、記載された構造が通常作動状態で使用されるときに、通常図で示すように、構造の相対的な方向について便宜上用いる。同じように、“垂直”及び“水平”の語は、本発明、又は実施形態、又は実施形態の部材が意図的な方向で使用されるときに、方向又は移動方向を示すものである。これは研磨装置に対して適切である。というのは、発明者が周知のタイプのウェハ研磨装置が他の研磨部材の方向を固定する水平研磨パッド面を規定するからである。

次に、図４で示した本発明の研磨ヘッドアセンブリ１０３の幾分洗練された代替実施形態に注目する。特にウェハキャリヤアセンブリに注目する；しかしながら、研磨ヘッドアセンブリ１０３の回転ユニオン１１６及びヘッド据え付けアセンブリ１０４部材も記載する。本発明の第１の実施形態（図２参照）における構成にはこの代替の実施形態（図４参照）に対して図示したようなものとはいくらか異なる構造を有するものもあるが、いくつかの実施形態における部材が提供する同様な機能が明確になるように同一符号を保っている。

研磨ヘッドアセンブリ１０３は一般に、回転のスピンドル軸１１１を規定するスピンドル１１９と、回転ユニオン１１６と、スピンドルの回転を許容するようにブリッジ１０７に取付けたスピンドル支持体にスピンドル１１９を取り付けるための手段を供給するベアリングを含むスピンドル支持手段２０９と、を含んでいる。これらのスピンドル支持構造は機械の当業者には周知であり、ここでは詳細には説明しない。スピンドル内の構造は、構造が回転ユニオン１１６の構造と作動に付属するように、図示し説明している。

回転ユニオン１１６は、固定されかつ回転しない真空源のような流体源と回転可能研磨ヘッドウェハキャリヤアセンブリ１０６との間の圧縮及び非圧縮流体（気体、液体等）を結合する手段を提供する。回転ユニオンは、研磨ヘッドの非回転部に据え付けられるように適合され、非回転流体源と回転可能スピンドルシャフト１１９の外面に隣接する空間領域との間に圧縮又は非圧縮流体を制限しかつ連続的に結合するための手段を提供する。回転ユニオンは図４の実施形態で特に示したが、回転ユニオンは本発明の他の実施形態へも適用可能であることは理解されたい。

一又は二以上の流体源をチューブを介して回転ユニオン１１６に結合し、バルブ（図示せず）を制御する。回転ユニオン１１６は、回転ユニオン１１６の内部面部２１６とスピンドルシャフト１１９の外面２１７との間の通常円筒型溜め２１２，２１３，２１４を規定する内部面部上に凹み領域を有する。溜めと溜めの外部の領域との間でのリークを防止するために、回転可能シャフト１１９と回転ユニオンの非回転部との間にシール２１８を備える。機械の当業者に周知の従来のシールを用いてもよい。流体を回転可能結合を介して連通するためにスピンドルシャフトの中央部の下にボア又はポート２０１も備えている。

スピンドルシャフト１１９は、スピンドルシャフト内に外部のシャフト面とシャフトの先端から凹みボアまで延びる多数の経路、一実施形態では５個の経路、を有する。図４の特別な断面図のために、５個の経路をうちの３個を図において見ることができる。各ボアから、真空又は他の圧縮あるいは非圧縮流体はウェハキャリヤアセンブリ１０６内のカップリングを介して、チューブ流体が必要となる位置に連通している。カップリングの精確な位置又は存在は装置の詳細であり、以下に記載することを除いて発明の概念には重要ではない。記載したこれらの構造は回転シャフトの外面に隣接する領域と閉鎖室との間の一又は二以上の圧縮流体を制限し連続的に結合しているため手段を提供するが、他の手段を用いてもよい。本発明のこの特別な実施形態におけるより少ないチャネルを提供する回転ユニオンは、“Rotary Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatous”という発明の名称の米国特許第５，４４３，４１６号に記載され、ここに参考文献として組み込まれている。

ウェハ研磨ヘッド及びウェハキャリヤアセンブリ１０６の例示的な実施形態を図５に示す。これは、１９９９年４月１９日に出願された係属中の米国特許第０９／２９４，５４７号であって、ここに参考文献として組み込まれている。ウェハ研磨装置の他の例は“Wafer Polishing Head Adapted for Easy Removal of Wafer”という発明の名称で米国特許第５，５２７，２０９号に記載されている。これらの研磨ヘッド構造は一般用語で、一例として非限定的に本発明の構造で使われる研磨ヘッドのタイプを示すために参照される。一般に、以下に示す実施形態の各々はウェハ保持方法及び構造の変形、及び、所望の研磨効果を得るために研磨圧力を付与する方法を目指したものである。本発明の実施形態はいかなる特定のヘッド設計又は構造、保持リング構造、ハウジング構成、又は、必要条件として同定されない他のいかなる限定に限定されない。このため、記載は主に、ウェハと構造との関係及びウェハを保持する方法に焦点を絞る。

当業者ならば、ここで開示した技術に関連して、本発明の構造及びその方法が研磨ヘッド設計、平坦化ヘッド及び方法の広範囲における作業者の技術内の適当な変更がなされてもよく、かつ、ここで示しあるいは説明した特別な浮動ヘッド、浮動キャリヤ、浮動保持リング等に限定されないものであることを認識できるだろう。また、各実施形態は様々な異なるタイプの研磨装置に適用してもよい。

第１の参考例（端面シールを用いて、保持リング、サブキャリヤ、ウェハの裏面に制御された空気圧を付与する場合）
図６は本発明の第１の参考例を示す。これは保持リング（ＰＲ）及びサブキャリヤ（ＳＣ）の圧力容器を有する２室設計である。第１の参考例では、ウェハサブキャリヤ１６０は備えられているが、ウェハサブキャリヤは、従来の研磨ヘッド設計及び組立のように、実際には（半導体ウェハのような）基板１１３を支持あるいは保持あるいは載置することはない。研磨ヘッドのサブキャリヤの下面１６４は、研磨される面１１３に接触するように取付られた環状端面シール３０２を有する。環状端面シール３０２はサブキャリヤの外部周縁部３０４近傍に載置されるが、ウェハの裏面３０８とサブキャリヤの下部面１６４との間に挿入することを意図されているので、外部周縁部３０６である必要はない（サブキャリヤ下部面１６４は研磨作業中に研磨パッド１３５に面する面であることに留意されたい）。

研磨作業の直前に、半導体ウェハ１１３のような基板の裏面３０８を環状面シール３０２に載置する。この面シール３０２はいろいろな方法でサブキャリヤ１６０に取り付けてよい。例えば、第１の参考例では、面シールをサブキャリヤに結合する。他の参考例では、面シール３０２を受けるために、溝をきったチャネル３１０を接着するか、圧入するか、かみ合わせによるか、又は、弾性面シール３０２のようないくらか弾性の部材を金属又はセラミックのサブキャリヤのような固い加工可能な構造に挿入し保持するような従来の方法かによって固定して、サブキャリヤ１６０の下方面１６４に備える。

面シール３０２をサブキャリヤ１６０にどのように取り付けるかとは別に、面シールの下面部３１２（基板１１３の裏面３０８を含む部分）がサブキャリヤ面１６４を越えて延びるように面シールの寸法を決めて取付け、それによって、半導体１１３が据え付けられたときに、裏面ポケット又は裏面気圧室３１４がウェハ３０８とサブキャリヤの下面１６４との間に形成される。半導体ウェハが面シールを介してサブキャリヤに載置されている際、（ｉ）研磨の直前及び直後にウェハ１１３を面シール３０２に保持するために真空にするとき、あるいは（ｉｉ）研磨圧力を裏面気圧室３１４に付与し、ウェハ１１３が研磨パッドに押圧されるとき、のいずれかのときに、延びの量又はポケットの深さはウェハがサブキャリヤ１６４に接触しないような大きさであるべきである。実際のポケット深さはいくつかの要因に依存する。その要因とは、面シール３０２を作る材料（さらに圧縮性の材料は通常圧縮性が小さい材料に比べてより大きな深さが必要となる）、大きめの基板は保持真空を加えられたときに内部へ（サブキャリ側へ）曲がりかつ小さめの基板より内部（特に面シールによる支持が弱いウェハ１１３の中央部）へ押圧されることが期待されて保持された基板あるいはウェハの直径、及び、裏面圧力室３１４に付与される真空から正の研磨圧力の範囲等が含まれる。約０．５ｍｍから約５ｍｍの間のポケット深さが用いてよいものであるが、２００ｍｍウェハの研磨ヘッドに対して典型的なポケット深さは約１ｍｍから約５ｍｍの間の値である。本発明の第１の参考例では、ウェハに対して曲がり可能な環状リップを変形することによってシールを行うように曲がり可能なリップを有する面シールを使用する。本発明の他の参考例では、面シール３０２に対しては、いくらか柔軟な圧縮ゴム又はポリマー材料がシールを形成する“Ｏリング”のように用いられる。

集中空気圧源または圧縮流体源３２０に流体連通するサブキャリヤ１６０の下面１６４において、少なくとも一つの穴又はオリフィス３１８から真空（負の圧力）保持力及び正の研磨圧力を付与する。圧縮空気源からの圧縮流体、通常空気、を用いることは好都合である。複数のこのような穴あるいはオリフィス３１８を任意でサブキャリヤ面１６４に備えてもよく、またそれはウェハの裏面上の圧力を迅速にかつ一様に変えるのに対しても好都合である。同様に、真空源３２０は同じ穴３１８あるいは異なる穴を介して連通してもよい。通常、管継手をサブキャリヤの上側に取り付け、サブキャリヤ３２４内にチャネルあるいはチャネルのマニホールドを提供し、チャネルあるいはチャネルのマニホールドをサブキャリヤ１６０の下部面１６４上で開口するオリフィス３１８と接続することによって、圧縮流体を穴あるいはオリフィスに連通する。オリフィスはある間隔だけウェハの裏面から離間しているので、オリフィスがウェハに直接あるいはポリマー挿入体を介してウェハに接触する従来の研磨ヘッドに比べて、研磨がオリフィス３１８の位置又はサイズに影響されやすくはないことに留意されたい。

作業において、ウェハローディング作業の際サブキャリヤ１６０及び面シール３０２をわずかに越えて延びている保持リング１６６によって形成されたポケットにウェハを配置し、真空によって面シールの適切な位置に保持する。次に、保持リングを含む研磨ヘッド１６６、サブキャリヤ１６０、面シール３０２、及び取り付けたウェハ１１３を研磨パッドの反対位置に配置する。通常、研磨ヘッド及び研磨パッドの双方は絶対的な意味でも動くが、相対的にも確かに動くので、一様な研磨及び平坦化が達成される。

本発明の第１の参考例の構造は、（面シールが位置しているところを除いて）ウェハの裏面に直接圧力を付与し、そのため、従来システムで存在していた、従来の研磨挿入物の性質のばらつきの結果生ずる局所的な圧力変動、ウェハの裏面３０８と挿入体あるいはサブキャリヤ面１６４との間の汚染物の発生、及び、挿入体あるいはサブキャリヤ面１６４の非平坦さ等が起きない。面シールの存在の結果としていくらかの圧力の変動は生じうるので、面シールはいわゆる端部除外領域のウェハの外側周縁端３０６に近接して配置しかつ信頼性高いシールを提供するほど（管状内径と管状外径との差が）幅広であることが望ましい。通常、約１ｍｍから約３ｍｍの幅が用いられてもよい幅であり、それより小さい幅あるいはより大きい幅を用いてもよい。純粋な圧縮流体を研磨室３１４の裏面に付与するとき、下方研磨圧力はウェハの裏面に存在するいかなる汚染物に関わりなく一様である。さらなる一様な研磨も供給される。

この参考例に対して従来のサブキャリヤ構造１６０に見えるものを示し記載してきたが、サブキャリヤ１６０の特別の性質は、サブキャリヤを実際にはウェハ１１３に取付けないので重要ではなく、ウェハを直接又は挿入体を介して据え付ける平ら又は平坦な面を提供するのにも関わらない。例えば、接触面が圧縮流体シールを維持するのに十分に平坦であるように面シールを取り付ける限り、サブキャリヤの面１６４は平坦でなくてもよい。

代替参考例では、研磨でない操作の間より大きな直径のウェハ１１３に対して別な支持を提供するため、又は、独立の圧力ゾーンを規定するために、サブキャリヤの面１６４に複数の面シール３０２を備えてもよい。独立圧力ゾーンを備えると、独立した気体源、流体源、または圧縮流体３２０を記載したような方法で各ゾーンに供給する。

第２の参考例（制御された空気圧を保持リング、サブキャリヤ、内部管、及びウェハの裏面に独立に供給する場合）
図７は本発明の第２の参考例を示す。この代替参考例では、面シール４０２が図６の参考例と比較して変更し、同じ源の又は異なる源の圧縮流体からの同じ又は異なる圧力を受ける膨張式の内部管の形で別な面シール圧力室４０３を提供している。面シール圧力室は外部に対して閉じた室又は開放した室なので、液体又は気体を圧力源として使用してもよい。以下に記載するような理由で、各圧力室４０３，４１４での圧力を制御することが望ましいので、通常、面シール圧力室４０３は裏側圧力室４１４とは異なる圧縮流体源に結合される。

従来の研磨システムでは、ウェハの周縁部に研磨のばらつきが生じている。裏側圧力室を提供するが、図６の参考例に関連して記載したような希ガスの又は受動面シール３０２を有する本発明の第１の参考例でさえ、いくつかの（最小の）端部効果（edge effect）を生ずる。受動面シール３０２の存在、又はウェハ１１３、ウェハ研磨ヘッドあるいはウェハ研磨方法の他の性質に起因した端部効果の可能性は、この参考例で提供した面シール圧力室４０３を規定する能動面シール構造である変更面シール４０２を提供することによってさらに低下するかもしれない。

能動面シール４０２は、少なくとも、前者４０２が環状内部管の形で圧力室４０３、又は、図６の受動面シール３０２に対してすでに記載したようにウェハ１１３の周縁部３０６に近接して配置したブラダ４０２を規定する点で、受動面シール３０２とは異なる。

能動面シール４０２は必然的に、面シール内に規定される圧力室４０３の存在のため受動面シール３０２より厚い構造であるので、能動面シールはサブキャリヤ１６０内に（塑造、鋳造、又は機械加工のような方法で）形成された環状溝又は凹み４１０に能動面シールを部分的に取り付けることが望ましい。能動面シール４０２の第２の参考例では、チューブ状構造であって、サブキャリヤ１６０内からチューブ状面シール４０２に挿入された適当な管継手４２３によって圧縮流体（液体又は気体、好ましくは気体）をチューブ状構造に導入するものを備えている。裏側圧力室３１４に関して、能動面シールに付与する圧力が取り付けた管継手からサブキャリヤ３２５の上面に連通し、また、サブキャリヤ内のチャネル又はチャネルのマニホールド４２６によってチューブ状能動面シールに連通される。

代替参考例では、能動面シール４０２はチューブ状構造ではないが、サブキャリヤに取付けられたときにだけ面シール圧力室を形成する弾性シート状材料、鋳型チャネル等を備えている。シールがサブキャリヤに合う場所での正の圧力シールを得る必要性、及び、シール／ウェハ界面、又はシール／基板界面での圧力の実質的一様性の必要性のために、シート状又はチャネル構造の取付はいくらか複雑ではあるが、形状及び材料に対する選択をより広くするものである。最密のチューブ状構造を得ることが難しい合成物を用いれてもよい。

能動面シール４０２と面シール圧力室４０２とを有する研磨ヘッドの作動は、面シール圧力室４０３の圧力が研磨作業中の裏側圧力室４１４に対して分離してかつ独立に制御可能である点を除いて、図６の受動シールの作動に対してすでに記載したものと同様である。研磨されるウェハの性質及び研磨あるいは平坦化処理の性質に依存して、面シール圧力室４０３と裏面圧力室４１４とには同じ又は異なる圧力を付与してもよい。通常、異なる圧力を付与し、面シール室の圧力は裏側室圧力より大きくても小さくてもよい。例えば、裏面研磨室が８ｐｓｉの通常の研磨圧力に対しては、面シール研磨室は７ｐｓｉから９ｐｓｉの圧力を用いるものでもよい。もちろん、面シール圧力室及び裏面圧力室のそれぞれの圧力は研磨作業中に独立に変更してもよい。

第３の参考例（ダイアフラムが浮動保持リングからウェハを支持する場合）
図８はダイアフラムが保持リングから基板（ウェハ）を支持する本発明の第３の参考例を示している。この第３の参考例では、（図６のサブキャリヤ１６０のような）従来型のサブキャリヤを完全に排除して、背面ダイアフラム又は裏側メンブレン５０５をサブキャリヤに代えて取付け、半導体ウェハ又は他の基板１１３を支持する。この参考例は好適な参考例の場合のように可動又は浮動保持リング１６６と共に組み立てることが好都合であり、ウェハ裏面ダイアフラム５０５は保持リング１６６の内側円筒型面５１０に直接取り付ける。第３の参考例では、背面ダイアフラム５０５は円形形状を有し、保持リング１６６の内側円筒型面５１０から延びて保持リングにつながっており、半導体ウェハ又は他の基板１１３を受けるポケット５１２を形成する。研磨中は研磨パッド１３５と半導体ウェハ１１３のおもて面とに接触する保持リング１６６の面は研磨中同一平面または実質的同一平面であることが望ましいので、、保持リングによって形成されたポケット５１２の深さと、ダイアフラムの裏面と、実質的に同一平面になるように調整されたウェハとは実質的に同一平面になるように調整される。通常、ウェハ又は他の基板の厚さにいくらかばらつきが入ることが予想されるところでは、又は、保持リングの接触面の長期の摩耗を説明するために、ポケット５１２はウェハ１１３のわずかな厚さよりいくらか深いべきである。というのは、ウェハ背面ダイアフラム５０５の弾性と背面ダイアフラムの内側面５１５に対して付与しかつウェハの裏側に背面ダイアフラム材料を介して連通された背面ダイアフラム圧力とは、ウェハ厚さの範囲を収容するのに十分だからである。

図８において、保持リング１６６が一体の固体構造として形成されているように見え、保持リングの内側円筒面へ加工された溝又は凹みにダイアフラムを挿入することによってウェハ背面ダイアフラムが保持リングの取付られる。この構造を有する保持リング１６６を用いるが、保持リングが研磨パッドに接触する可動かつ置換可能摩耗面５１８を有する保持リングであることが好ましい。これによって、保持リング摩耗面５１８が所定量の摩耗の後に交換可能であり、それによって所望のポケット深さ範囲を維持する。保持リング摩耗面の耐用寿命の間可視でありかつ耐用寿命が過ぎると消滅する窪み、ピット、ノッチ又は同様な機械的構造のような摩耗指示器５２０を任意に備える。これらの機械的摩耗指示器は十分小さいため、それらは研磨ヘッドの異なる領域において検出可能圧力差又は研磨の差を生じない。

交換可能な摩耗面及び他の構造を有する保持リングの一例の構造は、この明細書に参考文献として組み込んだ１９９９年３月３日に“Chemical Mechanical Polishing Head Assembly Having Floating Wafer Carrier and Retaining Ring”の発明の名称で出願された係属中の米国特許出願第０９／２６１，１１２号に記載されている。

研磨圧力は、サブキャリヤ室（ＳＣ室）５２２から背面ダイアフラム５０５の内面５７５に直接付与され、かつ背面ダイアフラム５０５材料を介してウェハ裏面に連通している。このサブキャリヤ室圧力、より正確には裏面ダイアフラム圧力は、背面ダイアフラム５０５によって閉鎖された研磨ヘッドハウジングの内部キャビティ（サブキャリヤ室）５２２と流体連通する上部ハウジング５２４において管継手５２３によって背面ダイアフラムに連通している。

背面ダイアフラムは構造上及び寿命上の要求に適合するようにできるだけ薄いべきである。さらに詳細には、薄めの裏面ダイアフラムはウェハの歪みを生ずることなくウェハの裏面上の不純物の存在をより容易に収容しかつ直接圧縮流体にほとんど等しい圧力を供給するので、背面ダイアフラムの厚さは薄いことが望ましい。一方、厚めの背面ダイアフラムは通常長寿命を有し、使用中に破損しにくく、より確実に保持リング１６６に取付けることができる。ゴム又は他のポリマー材料から成る裏面ダイアフラムを使用することが通常好都合である。強化ファイバーを組み込んだ材料のような合成物材料を裏面ダイアフラムに使用してもよい；しかしながら、十分な弾性を維持することが好都合なので、裏面ダイアフラムが他の部分とはいくらか独立に作用することが望ましい。一般に、厚さ約０．１ｍｍから約４ｍｍの厚さを有する裏面ダイアフラムを使用してもよいが、それより薄いダイアフラム及び厚いダイアフラムを使用してもよい。さらに一般的には、厚さ約０．５ｍｍから約２ｍｍの厚さを有する裏面ダイアフラムを使用してもよい。通常、裏面ダイアフラムは一定の厚さを有する。

一代替参考例では、比較的薄い背面ダイアフラムをドラムのように保持リング全体に広げている。他の代替参考例では、背面ダイアフラムの厚さプロファイルは半径方向位置によって変化し、保持リングに取付けられる領域では厚くかつ中央部に向かって薄い。このような厚さの変動を備えたとき、研磨圧力変動が導入されないように、ウェハ裏面に現れ接触する面は平坦あるいはほとんど平坦であることが重要である。

作動において、ウェハ又は他の基板１１３を、背面ダイアフラムの外面から延びた保持リング円筒面の一部と背面ダイアフラムとによって形成されたポケット５１２に配置する。次に、ウェハと保持リングとを研磨パッドに接触される。裏側研磨圧力を裏側室（サブキャリヤ室）５２２に導入し、背面ダイアフラム５０５の内面５１５を押圧する。圧縮流体は背面ダイアフラムの材料を介して移送され、ウェハの裏側を押圧し、それによってウェハのおもて面を研磨パッド１３５に押しつける。

背面ダイアフラム又はメンブレンがウェハを押圧しかつ研磨圧力が面全面にわたって分布していることと好都合である。薄い背面ダイアフラムの場合は、ダイアフラムは、水、研磨スラリ又は研磨デブリがヘッドハウジング及び構造部材の内部に入らないように汚染物シールドのように作用する。いくつかの参考例では、背面ダイアフラム室圧力の一様な力と異なる力を付与することなくウェハの平坦面に適合させるために、裏側ダイアフラムは非常に薄く、かつ薄いブラダ又はバルーンのように作用する。

第４の参考例（オープン部分的環状ダイアフラムが浮動保持リングからウェハを支持する場合）
図９は本発明の第４の参考例を示している。本発明の第４の参考例では、背面ダイアフラムの構造及び発明の概念は、背面ダイアフラムの物理的構造がいかなる非一様の研磨効果又は圧力プロファイル異常を発生することを排除するために変更されている。この参考例では、保持リング１６６から径方向内側へ短い距離だけ延びたオープンダイアフラム５４０を用いている。簡単に言うと、前の参考例の円形背面ダイアフラム５０５が、ウェハの裏面の外側周縁径方向部を押圧するときに裏面圧力室５２２をシールする完全環状背面端ダイアフラム５４０によって置換されている。

環状背面端ダイアフラム５４０とウェハ裏側面との間のシールが裏側圧力室５２２の形成に対して重要なので、環状背面端ダイアフラムは、先述の完全円形背面端ダイアフラム５０５の材料よりいくらか厚く及び／又は固い材料から成ることが望ましい。

一参考例では、環状背面端ダイアフラム５４０は、保持リング１６６から実質的に水平方向に径方向内側に約３ｍｍから約２５ｍｍ、さらに典型的には約５ｍｍから約１０ｍｍ程度延びている。環状背面ダイアフラムは十分な距離内側にあって適当な圧力を保証するべきであるが、それによって圧力プロファイルに変動が導入されるほど延びているべきではない。特に、ダイアフラムがウェハに接触して終端する内側端で環状背面端ダイアフラムが圧力プロファイル又は研磨の不連続を形成することを保証することが望ましい。

他の参考例では、環状背面端ダイアフラム５４０は、保持リング１６６上の取付からわずかに下方にウェハへ延びていることが望ましい。この方法では、接触圧が増加しシールが強くなり室５２２の圧力と接触量が増加する場所で、環状背面端ダイアフラムが弾性バネのように作用する。しかしながら、強い有効バネ定数が用いられるときに導入される圧力変動のために、このタイプの円錐型弾性ダイアフラムは、例えば、わずかな端部除外領域（約３ｍｍから約５ｍｍ）だけのように、さらに限定された径方向内側に延びているべきである。

第５の参考例（浮動保持リングで支持される圧縮流体式チューブ又は圧力ブラダがウェハを保持する場合）
図１０は本発明の第５の参考例を示している。本参考例では、ウェハ１１３は、保持リングで支持された弾性気圧式環状密閉ブラダ、好ましくは管状ブラダ又は内管によって保持されている。ウェハ研磨ヘッドは、内側円筒面を有しかつ研磨されるウェハを保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケット５５２を規定するものであって、ウェハが研磨パッドに対して動く際にそのウェハの研磨ヘッドに対する相対運動を面方向で制限する保持リング１６６を含んでいる。その相対運動は、取り付けられたウェハを有するヘッドの回転運動でも研磨パッドの独立した回転運動でもよい。回転パッドの反対側に回転ヘッドのリニアモーターを用いてもよい。

ウェハ連結停止板５５４は保持リングに連結されるが、好適な参考例では、付与した真空保持圧力のもとで、ウェハの過度なお辞儀又は曲がりがない状態で、ウェハの保持を補佐するために機械的停止として作用するに過ぎない。非常に簡単すぎる言い方をすると、ウェハ連結停止板５５４はウェハのローディング及びアンローディングの間作業を補佐することを除いてサブキャリヤと類似している。それは、研磨又は平坦化作業の間、従来的な意味ではウェハを保持しない。

その代わり、ウェハ１１３は、空気又は他の気体のような気体を圧縮した第１の圧縮気体に流体連通（fluid communication）するように結合された弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０のようなチューブによって保持される。この弾性気圧式環状密閉ブラダは、第１の気圧ゾーン又は第１の気圧室５５６を規定し、ウェハを受けかつウェハを周縁であるいは周縁近傍で支持するように保持リングの内側円筒面に近接したウェハの停止板の第１面に連結されている。この弾性気圧式環状密閉ブラダはさらに、ウェハの外側周縁部５５７（例えば、最外で０ｍｍから３ｍｍから最外で１０ｍｍまでの半径方向部）に主に作用する気体の圧力を保持する。

弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０はさらに、第１の気圧ゾーンあるいは第１の気圧室５５７の半径方向内側に第２の気圧ゾーンあるいは第２の気圧室５５８を規定するとともに、研磨作業の間ウェハが研磨ヘッドに連結されるときにウェハ停止板の第１の面とウェハとの間に拡がるものである。第２の気圧ゾーンあるいは第２の気圧室は第２の圧縮気体に流体連通するように結合する。一参考例では、第２の気圧室はウェハ１１３の裏面と弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０によって形成されたシールとの間の薄い平板状の室である。第２の圧縮気体は、連結停止板を介してハウジング５５９内の充満充実室５６０に延びている。この充満充実室の圧力は通常、管継手５６１を介して室５６０に連通しており、かつ外部の圧縮流体源にチューブでつながっている。従来技術で周知のような一又は二以上の回転ユニオンを用いてもよい。回転ユニオンの一例は、“Rotary Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatous ”のタイトルでボロダスキらによる米国特許第５，４４３，４１６号であって、三菱マテリアル株式会社に譲渡されたものに記載され、本明細書にも参考文献として組み込まれるものである。

ウェハ連結停止板の第１の面あるいは外面５６２はウェハの研磨中にウェハ裏面に接触せず、好ましくは、前記ウェハのローディング及びアンローディングの間ウェハに接触しない（接触はしてもよいが）。ウェハ連結停止板は、研磨しない間は、研磨ヘッドにウェハを保持するために加えた真空吸引力によってウェハが過度に曲げられることが防止されるように作用するものである。さらに、ウェハ連結停止板は、研磨スラリ又は研磨デブリがハウジングに入る量を最小にする手助けをする。第１及び第２の圧縮気体はウェハのおもて面上で所定の研磨圧力を得るように調整される。弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０の内部５５６に加えられる第２の圧縮気体は、管継手、チューブ、及び回転ユニオンあるいは他の従来のやり方を介して外部源からブラダに結合されている。第１の室はウェハの周縁端部にあるいは周縁端部近傍に主に力を及ぼす。第２の部屋５６０，５５８はウェハの残留中央領域全体に気体による力を及ぼし、顕著な研磨圧力を供給する。端部での研磨特性を変えるために、異なる圧力を供給するように、端部ブラダをあってもよい。

研磨作業を始める直前、半導体ウェハ１１３のような基板の裏面を弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０に載置する。弾性気圧式環状密閉ブラダはいろいろな方法で保持リングあるいはサブキャリヤに取付けてもよい。例えば、一参考例では、弾性気圧式環状密閉ブラダを受けるために、保持リングの下面に溝を切ったチャネルを備えてもよい。他の参考例では、シート状のあるいは鋳造した材料の管状部をループにし、そのループを留め具によって保持リングにつながる内部面上に閉じこめることによって、弾性気圧式環状密閉ブラダ形成する。留め具は保持リング摩耗面部材及び前述のウェハ連結停止板によってカバーされ、それによって、密閉ブラダの部分だけをウェハ連結停止板の面の上を延びている。延びている部分がウェハをウェハ連結停止板から分離する。

弾性気圧式環状密閉ブラダを保持リング（あるいはサブキャリヤ）に取り付ける方法とは独立に、弾性気圧式環状密閉ブラダは、その下部面がウェハ連結停止板上に延びるような寸法に形成され、取付られるべきであり、それによって、半導体ウェハが載置されるときに裏面ポケットあるいは裏面気圧室がウェハの裏面とウェハ連結停止板の下面との間に形成される。半導体ウェハが弾性気圧式環状密閉ブラダ上に載置されている際、（ｉ）研磨の直前及び直後にウェハを弾性気圧式環状密閉ブラダに保持するために真空にするとき、あるいは（ｉｉ）研磨圧力を裏面気圧室に付与し、ウェハが研磨パッドに押圧されるとき、のいずれかのときに、延びの量又はポケットの深さはウェハがウェハ連結停止板に接触しないような大きさであるべきである。望ましくはないが、時折接触することは許容され、ウェハ連結停止板を供給する主な理由は、クラック、破損、あるいは過度の歪みがウェハあるいは他の基板内に生ずる原因となる過度な曲がりを防止することである。実際のポケット深さはいくつかの要因に依存する。その要因とは、弾性気圧式環状密閉ブラダを作る材料、ブラダに導入される圧力値、大きめの基板は保持真空を加えられたときに内部へ（サブキャリ側へ）曲がりかつ小さめの基板より内部（特に弾性気圧式環状密閉ブラダによる支持が弱いウェハの中央部）へ押圧される）ことが期待されて保持された基板あるいはウェハの直径、及び、ブラダに付与する真空から正の研磨圧力の範囲等が含まれる。約０．５ｍｍから約５ｍｍの間のポケット深さが用いてよいものであるが、２００ｍｍウェハの研磨ヘッドに対して典型的なポケット深さは約１ｍｍから約５ｍｍの間の値である。ウェハの中央部での許容曲がりの大きさが２００ｍｍ直径のウェハより大きい例えば３００ｍｍウェハのような大きめのウェハに対しては、大きめのポケット深さにしてもよい。

圧縮流体源に流体連通するウェハ連結停止板の下面において、少なくとも一つの穴５６３から第２の室へ真空（負の圧力）保持力及び正の研磨圧力を付与する。圧縮空気源からの圧縮流体通常空気を用いることは好都合である。複数のこのような穴あるいはオリフィスを任意でウェハ連結停止板に備えてもよく、またそれはウェハの裏面上の圧力を迅速にかつ一様に変えるのに対しても好都合である。同様に、真空源は同じ穴あるいは異なる穴を介して連通してもよい。通常、管継手をウェハ連結停止板の上側に取り付けることによって、又は、第２の室と内部ハウジング充満充実室との間に穴、チャネルあるいは他の開口を形成して、ハウジング内の充満充実室５６０に直接圧力を付与することによって、圧縮流体を穴あるいはオリフィスに連通する。ウェハ連結停止板を抜けるオリフィスあるいは穴はある間隔だけウェハの裏面から離間しているので、オリフィスがウェハに直接あるいはポリマー挿入体を介してウェハに接触する従来の研磨ヘッドに比べて、研磨はオリフィスの位置又はサイズに影響されやすくはないことに留意されたい。

作業の際、ウェハローディング作業の際弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０の下面をわずかに越えて延びている保持リングによって形成されたポケット５６８にウェハを配置し、真空によってブラダの適切な位置に保持する。次に、保持リングを含む研磨ヘッド、弾性気圧式環状密閉ブラダ、ウェハ連結停止板、及び取り付けたウェハを研磨パッドの反対位置に配置する。通常、研磨ヘッド及び研磨パッドの双方は絶対的な意味でも動くが、相対的にも確かに動くので、一様な研磨及び平坦化が達成される。

本発明の第５の参考例の構造は、（弾性気圧式環状密閉ブラダが位置しているところを除いて）ウェハの裏面に直接圧力を付与し、そのため、従来システムで存在していた、研磨挿入物の性質のばらつきの結果生ずる局所的な圧力変動、ウェハの裏面と挿入体あるいはサブキャリヤ面との間の汚染物の発生、及び、挿入体あるいはサブキャリヤ面の非平坦さ等が起きない。弾性気圧式環状密閉ブラダの存在の結果としていくらかの圧力の変動は生じうるので、弾性気圧式環状密閉ブラダはいわゆる端部除外領域のウェハの外側周縁端に近接して配置しかつ信頼性高いシールを提供するほど（管状内径と管状外径との差が）幅広であることが望ましい。通常、約２ｍｍから約１０ｍｍの幅が用いられてもよい幅であり、さらに典型的には、約３ｍｍから約６ｍｍの幅が用いられるが、より小さい幅あるいはより大きい幅を用いてもよい。純粋な圧縮流体を研磨室の裏面に付与するとき、下方研磨圧力はウェハの裏面に存在するいかなる汚染物に関わりなく一様である。さらなる一様な研磨も供給される。

サブキャリヤに一般的に類似したウェハ連結停止板５５４に対する構造がどのように見えるものであるかを示し説明してきたが、これは実際の場合ではなく、ウェハ連結停止板は実際にはウェハを据え付けないし、かつウェハが直接あるいは介在物を介して据え付けるフラットなあるいは平坦な面を提供する責任はないので、ウェハ連結停止板の特別の特性は重要ではないことに留意されたい。例えば、接触面が十分に平坦で圧縮流体密閉を維持するように弾性気圧式環状密閉ブラダが据え付けられる限り、ウェハ連結停止板の面は非平坦であってもよい。一参考例では、ウェハ連結停止板の外面は中心にむかっていくらか内部に傾いており、そのため、ウェハ連結停止板に接触することなく、ウェハの中心部においていくらか大きめの曲がりが許容される。

まとめると、本発明の特別な参考例は研磨パッド上に半導体ウェハ研磨用のウェハ研磨ヘッドを備え、この研磨ヘッドは保持リングを含み、この保持リングは、内側円筒面を有し、かつ、前記ウェハを保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定するものであって、前記ウェハが前記研磨パッドによって研磨されている間前記研磨パッドに対する前記ウェハの動きを面方向で制限する保持リングと；前記保持リングに取付られたウェハ連結停止板と；第１の気圧ゾーンを規定する第１の圧縮気体に流体連通するように結合し、かつ、周縁で前記ウェハを受けかつ支持するように前記保持リングの内側円筒面に近接した前記ウェハの停止板の第１面に連結された弾性気圧式環状密閉ブラダと；を備えている。弾性気圧式環状密閉ブラダは、前記第１の気圧ゾーンの半径方向内側に第２の気圧ゾーンを規定するとともに、研磨作業の間前記ウェハが前記研磨ヘッドに連結されかつ第２の圧縮気体に流体連通するように結合されるときに前記ウェハ停止板の前記第１の面と前記ウェハとの間に拡がるものであって、前記ウェハ停止板は前記ウェハの研磨中にウェハ裏面に接触しない。ウェハ連結停止板は、研磨作業が行われていないときには、前記ウェハのローディング及びアンローディングの間に前記ウェハを前記研磨ヘッドに保持するために加えた真空吸引力によって前記ウェハが過度に曲げられることが防止されるように作用するものであり、前記第１及び第２の圧縮気体は前記ウェハのおもて面上で所定の研磨圧力が得られるように調整されている。

第６の参考例（浮動保持リングで支持されたリップシールを有する場合）
図１１は本発明の第６の参考例を示している。図１０の参考例に対して基板の周縁で圧縮流体（あるいは油圧）を制御する分離圧力室を備えた弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０を有する構造及びその動作を説明するために、弾性気圧式環状密閉ブラダが弾性リップシール５７０で置換した代替の参考例の説明に注意を向けたい。この参考例では、より簡単でかつより廉価な設計のために、ウェハの端部に制御可能でかつ調整可能な圧力を供給する図１０の参考例の分離室５５６を除外している。

弾性シール５７０は、裏側周縁面５７２でウェハ１１３を受けかつ支持するように保持リング１６６の内側円筒面５７１に近接して配置されている。この弾性面あるいはリップシール５７０はウェハあるいは他の基板が気圧ゾーン５７４に据え付けられると気圧ゾーン５７４を規定する。気圧ゾーン５７４は、弾性気圧式環状密閉ブラダ５５０を有する参考例（図１０参照）に対して説明した圧縮ゾーン５５８に対応するもので、室５６０へ延びる穴５７７を介してのような方法で圧縮流体に流体連通するように結合する。

弾性シール５７０はウェハ連結停止板５７５の一部として、又は、ウェハ連結停止板の外側面と据え付けられたウェハの裏面との間に装備された分離部材として、備えられていると好都合である。

弾性面シールはウェハの垂直方向のトラベルあるいは移動を可能にするために柔軟であり、ウェハの裏面、保持リング１６６の内側円筒面５７１、気圧室との間に圧力シールを形成する。一参考例では、面シールはポリマーウェハ連結停止板の延長部として形成される。断面では、延長部はウェハと接触するようにウェハ連結停止板の外面５７９から外部へ向いた指部５７８の形を有する。この延長部は実際いくらか円錐型を有する円状（あるいは管状）隆起部に“指で触れ”、面シールとウェハとの間の接触圧が増加するので、ウェハが面シールを押圧する力の結果として、又は、圧力室内に付与した圧縮流体の増加の結果として、シールの力は増加するという特徴を有する。

本発明の参考例では、圧力室内の圧縮流体は、圧力室５７４とハウジング５５９内の充満充実室５６０との間に延びる一又は二以上の穴５７７又はオリフィスを介して室に連通する。代替の参考例では、チューブを取付けかつ外部の圧縮流体源に接続したウェハ連結停止板の内面に、一又は二以上の管継手を取付けている。圧縮流体はウェハ連結停止板を介して穴又はチャネルを経由して圧力室に連通する。

ウェハ連結停止板５７５は前述の図１０の参考例の場合と同様の機能を有する。ウェハ連結停止板は、研磨作業が行われていないときには、ウェハのローディング及びアンローディングの間にウェハを研磨ヘッドに保持するために加えた真空吸引力によって前記ウェハが過度に曲げられることが防止されるように作用するものである。従って、一体型の面シールを用いることを除いて同じ又は類似の構造を使用してもよく、ウェハ連結停止板と一体型面シールが作られる材料は適当なシールを形成するために所望の柔軟性と弾性とを有するべきである。多くのポリマー材料はこのような性質を有し、ウェハ連結停止板の主要部及びシール部の厚さは、主要部の所望の剛性とシール部の所望の弾性とを与えるように調整されてもよい。真空吸引力は正の押圧力を付与するのと同じ穴又はチャネルを介して付与してもよい。

まとめると、本参考例は研磨パッド上の半導体ウェハあるいは他の基板を研磨するウェハ研磨ヘッドを備え、この研磨ヘッドは、内側円筒面を有し、かつ、前記ウェハを保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定するものであって、前記ウェハが前記研磨パッドによって研磨されている間前記研磨パッドに対する前記ウェハの動きを面方向で制限する保持リングと；保持リングに連結するウェハ連結停止板と；ウェハを周縁部で受けかつ支持するように前記保持リングの内側円筒面に近接して配置され、かつ、前記ウェハが第１の圧縮気体に流体連通するように結合して載置されたときに第１の気圧ゾーンを規定する弾性シールとを備えている。ウェハ連結停止板は、研磨作業が行われていないときには、前記ウェハのローディング及びアンローディングの間に前記ウェハを前記研磨ヘッドに前記ウェハを保持するために加えた真空吸引力によって前記ウェハが過度に曲げられることが防止されるように作用するものであり、第１の圧縮気体は前記ウェハのおもて面上で所定の研磨圧力が得られるように調整されている。

第１の実施形態（ウェハ上の多圧力ゾーンを制御する複数の圧力チューブ又はブラダを有する場合）
図１２は、本発明の第１の実施形態を示している。この第１の実施形態では、周縁部に単一の弾性気圧式環状密閉ブラダを有する図１０の参考例の概念、構造、及び方法を拡張して、ウェハ１１３の裏側に多圧力室構造を備えている。この第１の実施形態では、研磨ヘッドの下部で支持された、複数の環状又は円状の圧縮流体ブラダ５８０−１，５８０−２，５８０−３によって、ウェハが保持されている。それらは、ウェハキャリヤ又はサブキャリヤの方法で保持リング１６６の開口を跨いで延びた円状ブラダ取付板５８１によって保持リングから支持され又は吊られているのが効果的である；しかしながら、ウェハはウェハキャリヤ又はサブキャリヤに接触しないのでウェハキャリヤ又はサブキャリヤ類似は完全には正確ではなく、円状ブラダ取付板５８１は本発明の好適な実施形態では保持リング１６６と共に可動である。

図に示した第１の実施形態では、３個の独立ブラダ５８０−１，５８０−２，５８０−３を備えている。第１の弾性気圧式環状密閉ブラダ５８０−１はチューブ状ブラダであれば効果的であるものだが、保持リング１６６に支持され、保持リングの内側円筒面５７１に近接したウェハの周縁部に位置し、また、第２の弾性気圧式環状密閉ブラダ５８０−２はウェハの中央部に研磨圧力を付与するために円状又はディスク状のものであり、さらに、第３の弾性気圧式環状密閉ブラダ５８０−３は、第１の環状ブラダ５８０−１と中央ディスクブラダ５８０−２との間の中間に環状ブラダの形のものである。環状ブラダの他の構成を備えてもよいこと、中央部ディスク型ブラダは存在しなくてもよいこと、及び、外側周縁部ブラダ５８０−１と中央ディスクブラダ５８０−２との間にブラダをいくつ備えてもよいことに留意されたい。さらに、ブラダは中央になくてもよく、リング状あるいは環状でもよい。さらに、ウェハの裏側に直接押圧力を付与する近接圧力室の環状列を形成するために、ブラダは近接しているか、またはかなり近接していてもよい。

第１の周縁部環状ブラダ５８０−１（ＰＡ）、中央部ブラダ５８０−２（ＰＢ）、及び中間ブラダ５８０−３（ＰＣ）に付与する圧縮流体は、ウェハ連結停止板の内側面に取り付けられかつウェハ連結停止板の管継手及び穴あるいはチャネルを介して各ブラダの内部に連通した管継手５８２−１，５８２−２，５８２−３を分離するために、チューブ５８７−１，５８７−２，５８７−３あるいは他の導管に供給される。

各ブラダはさらにブラダ間に配置したさらなる環状室を規定するか又は規定するのを補助する。例えば、第４圧力室５８３（ＰＤ）を中央ブラダと中間ブラダとの間に規定し、第５圧力室５８４（ＰＥ）を第１の周縁ブラダと中間環状ブラダとの間に規定する。これら第４及び第５の室の各々は、さらに穴５８９及び管継手５８５，５８６を介して圧縮流体あるいは他の気体を供給され、さらに任意にローディング又はアンローディング作動のために真空を供給される。

この実施形態では、圧力（ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＥ）の各々は独立に制御され、それによって、研磨圧力プロファイルを精度よく制御することが可能となる。これらの圧力は、研磨作業の間一あるいは二以上の室の圧力を変えるためにコンピュータ制御システムの制御のもとで任意に変化してもよい。所望の研磨結果を達成するために各室（各ブラダ又は各ブラダ間室）の圧力を調整するために、システムモニタからのフィードバックを用いてもよい。

各圧力に対する独立源を説明したが、第１の実施形態では、単一源がマニホールドに圧縮流体を供給し、マニホールドは複数の調整可能な出力を有し、各出力は異なる室を向いている。この方法では、回転ユニオンを用いること等によって、静止外部源からの多い圧力を静止外部源から回転ヘッドに連通するという負荷は低減される。

前述の単一環状圧縮流体ブラダだけを有する実施形態では、ウェハ研磨ヘッドは、内側円筒面を有し、かつ、研磨されるウェハを保持するものであってかつウェハが研磨パッドに対して相対的に動くときにウェハの面方向の動きを制限するように寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定する保持リングを含む。その相対的な動きは、取り付けられたウェハを有するヘッドの回転運動でも研磨パッドの独立した回転運動でもよい。回転パッドの反対側の回転ヘッドのリニアモーターを用いてもよい。

上述にように、ウェハ連結停止板５８１は保持リング１６６に連結され、原理的に、付与した真空保持圧力のもとで、ウェハの過度なお辞儀又は曲がりがない状態で、ウェハの保持を補佐するために機械的停止の機能としていくらか作用し続ける；しかしながら、本実施形態では、ブラダを圧縮したときにブラダ自体がウェハのお辞儀の量を制御する（あるいはウェハのお辞儀を抑制する）ので、多くのブラダが面全体に配置されるときには、ウェハ連結停止板の機能はいくらか低減する。

管の幅あるいは直径、環状リングあるいはディスクの数及び位置、付与する圧力は所望の研磨結果を得るために調整する。先述の実施形態のように、ウェハの周縁部あるいは周縁近傍に配備した第１の弾性気圧式環状密閉ブラダは、外側周縁部（例えば、最外で０ｍｍから３ｍｍから最外で１０ｍｍまでの半径方向部）に主に作用する気体の圧力を保持する。他のブラダの幅、及びブラダ間室は自由に選択してもよく、例えば、幅狭の環状ブラダ（例えば、２−５ｍｍ幅環状ブラダ）あるいは幅広の環状ブラダ例えば、５−２５ｍｍ幅環状ブラダ）を含んでもよい。

第１の実施形態では、密にパックしたブラダを備えたところでは、ブラダ間室５８２，５８４は独立に圧縮されず（ローディング又はアンローディング中の共通真空保持力を除いて）、研磨圧力はブラダによって与えられる。他の実施形態では、ブラダ間室のいくつかあるいは全てが圧縮される。非圧縮領域での圧力の増加を防止するため、通気もブラダ間領域から供給する。

弾性圧縮流体ブラダ５６２の各々はいろいろな方法で保持リング（又は保持リング及び停止板）に取付てもよい。例えば、第１の実施形態では、ブラダを保持リング／板構造に結合する。他の実施形態では、ブラダを受けるために下面に溝を切ったチャネルを備える。他の実施形態では、シート状のあるいは鋳造した材料の管状部をループあるいは環状隆起部に閉じこめ、そのループを留め具（fasner）によって保持リングにつながる内部面上に閉じこめることによって、圧縮流体ブラダ形成する。留め具は保持リング摩耗面部材によって又は環状あるいはディスク状のブラダとの間に配置した環状スペーサリングによってカバーされ、それによって、ブラダの部分だけがウェハ連結停止板の面の上を延びている。これが図で示した構成である。環状スペーサリング上に延びた部分はウェハを停止板から分離し、かつ、最終的には停止板として作用する。複数のブラダが１種類の材料から一体に形成されても、あるいは、各ブラダが別々に形成されてもよいことに留意されたい。

弾性気圧式環状密閉ブラダを保持リング（あるいはサブキャリヤ）に取り付ける方法とは独立に、ブラダは、その下部面がウェハ連結停止板５０１の外側面５８８上に延びるような寸法に形成され、取付られるべきであり、それによって、半導体ウェハ１１３が据え付けられるときに裏面ポケットあるいは裏面気圧室５８４，５８３がウェハの裏面とウェハ連結停止板の下面５８８との間に形成される。半導体ウェハが弾性気圧式環状密閉ブラダ５８０−１，５８０−２，５８０−３上に載置されている際、（ｉ）研磨の直前及び直後にウェハを弾性気圧式環状密閉ブラダに保持するために真空にするとき、あるいは（ｉｉ）研磨圧力を裏面気圧室に付与し、ウェハが研磨パッドに押圧されるとき、のいずれかのときに、延びの量又はポケットの深さはウェハがウェハ連結停止板（又は環状延長ブロック）に接触しないような大きさであるべきである。望ましくはないが、時折接触することは許容され、ウェハ連結停止板を供給する主な理由は、クラック、破損、あるいは過度の歪みがウェハあるいは他の基板内に生ずる原因となる過度な曲がりを防止することである。実際のポケット深さはいくつかの要因に依存する。その要因とは、弾性ブラダを作る材料、ブラダに導入される圧力値、基板あるいはウェハの直径、及び、ブラダに付与する真空から正の研磨圧力の範囲等が含まれる。約０．５ｍｍから約５ｍｍの間のポケット深さが用いてよいものであるが、２００ｍｍウェハの研磨ヘッドに対して典型的なポケット深さは約１ｍｍから約５ｍｍの間の値である。ウェハの中央部での許容曲がりの大きさが２００ｍｍ直径のウェハより大きい例えば３００ｍｍウェハのような大きめのウェハに対しては、大きめのポケット深さにしてもよい。

真空（負の圧力）保持力及び正の研磨圧力をブラダ間室５８３，５８４に付与する。真空源は圧縮流体で用いるのと同じ穴又は異なる穴を介して連通してもよい。通常、管継手５８５，５８６を連結停止板５８１の上側に取り付けることによって、圧縮流体を穴５８９あるいはオリフィスに連通する。ウェハ連結停止板を抜けるオリフィスあるいは穴はある間隔だけウェハの裏面から離間しているので、オリフィスがウェハに直接あるいはポリマー挿入体を介してウェハに接触する従来の研磨ヘッドに比べて、研磨はオリフィスの位置又はサイズに影響されやすくはない。

作業の際、ウェハローディング作業の際弾性気圧式環状密閉ブラダの下面をわずかに越えて延びている保持リングによって形成されたポケットにウェハを配置する。次に、保持リングを含む研磨ヘッド、ブラダ、ウェハ連結停止板、及び取り付けたウェハを研磨ヘッドの反対位置に配置する。通常、研磨ヘッド及び研磨パッドの双方は絶対的な意味でも動くが、相対的にも確かに動くので、一様な研磨及び平坦化が達成される。

本発明の構造は、（ブラダが位置しているところを除いて）ウェハの裏面に直接圧力を付与し、そのため、従来システムで存在していた、研磨挿入物の性質のばらつきの結果生ずる局所的な圧力変動、ウェハの裏面と挿入体あるいはサブキャリヤ面との間の汚染物の発生、及び、挿入体あるいはサブキャリヤ面の非平坦さが起きない。一般にブラダの存在に起因していくらか処理に変動が生ずるかもしれないが、ブラダの数の賢明な選択、その位置、及ぶ付与する圧力は通常、研磨結果が従来のシステムよりよい十分な制御を提供する。

まとめると、本実施形態では、研磨パッド上の半導体ウェハを研磨するウェハ研磨ヘッドを備え、そのウェハ研磨ヘッドは、内側円筒面を有し、かつ、ウェハを保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定するものであって、ウェハが前記研磨パッドによって研磨されている間研磨パッドに対するウェハの動きを面方向で制限する保持リングと、保持リングに連結するウェハ連結停止板と、ウェハ停止板の第１の面に連結され、圧縮流体源に流体連通するように結合された複数の弾性ブラダと、を備えている。その複数の弾性ブラダのうちの第１の弾性ブラダは環状形状を有し、ウェハを周縁で受けかつ支持するように保持リングの内側円筒面に近接して配置され、第１の圧縮気体に流体連通するように結合している。複数の弾性ブラダのうちの第２の弾性ブラダは環状の第１のブラダの内側に備えられ、第２の圧縮気体に流体連通するように結合している。第１及び第２の圧縮気体は、ウェハのおもて面上で所定の研磨圧力が得られるように調整されている。

第２の実施形態（ウェハ上の多圧力ゾーンを制御する複数のシールを有する場合）
図１３は本発明の第２の実施形態を示している。複数の弾性圧力ブラダとブラダ間室を用いたウェハの裏面上に独立に複数の圧力室を備える本発明の概念は、先述の弾性面シール又は弾性リップ型シールを利用した構造に変形及び拡張してもよい。

単一の弾性シールを有する図１１の参考例では、単一の弾性シール５７０はウェハを裏側周縁で受けかつ支持するように保持リング１６６の内側円筒面５７１に近接して配置されたものだった。ウェハ又は他の基板が据え付けられたときに、単一の気圧ゾーンを規定した。単一気圧ゾーンは気体のような圧縮流体に流体連通で結合した。図１１に関連した実施形態では、弾性シールは、ウェハ連結停止板の外側面と据え付けたウェハの裏側との間に配置したウェハ連結停止板の一部として又は独立した部材として備えると好都合だった。

図１３に示した本実施形態では、複数の環状面シールをウェハ連結停止板から延びて備えている。例えば、図示した実施形態では、４個の環状シール（５９０−１，５９０−２，５９０−３，５９０−４）を備え、ウェハの裏面上に独立した４個の圧力室（ＰＦ，ＰＧ，ＰＨ，ＰＩ）を規定する。各室は、ウェハ連結停止板５９２の内側面の取り付けた管継手５９１を介して導入した圧力とうね状面シール間のウェハ連結停止板の外側面内のオリフィス上の穴５９３あるいはチャネル開口とを有する。圧力は従来技術のように外部源から回転ユニオンを介して導入される。各室の圧力は所望の研磨パフォーマンスを得るように独立に制御してもよい。これらの圧力は同じでも異なってもよく、または、研磨作業中に変更してもよい。

図１１に関連して記載した単一の弾性面シールに関して、各シールはウェハの垂直方向のトラベルあるいは移動を可能にするために柔軟であることが望ましくは、ウェハの裏面によって多リークフリー圧力シールの形成を可能にする。一実施形態では、面シールはポリマーウェハ連結停止板の延長部として形成される。断面では、延長部はウェハと接触するようにウェハ連結停止板の外面５７９から外部へ向いた指部５７８の形を有する。この延長部は実際いくらか円錐型を有する円状（あるいは管状）隆起部に“指で触れ”、面シールとウェハとの間の接触圧が増加するので、ウェハが面シールを押圧する力の結果として、又は、圧力室内に付与した圧縮流体の増加の結果として、シールの力は増加するという特徴を有する。ウェハ連結停止板はシールを形成するだけでなく、先述の実施形態の場合と同様の機能を有する。ウェハ連結停止板が十分に密に配置したシール隆起部（ridge）を含むので、隆起部の接触は通常維持され、ウェハがウェハ連結停止板の主要部に接触しないことを除いて、ウェハ連結停止板は、研磨作業が行われていないときには、ウェハのローディング及びアンローディングの間にウェハを研磨ヘッドに保持するために加えた真空吸引力によってウェハが過度に曲げられることが防止されるように作用するものである。

面シールをウェハ連結停止板と一体に形成するときは、ウェハ連結停止板を作る材料は適切なシールを形成するために所望の柔軟性及び弾性を有するべきである。多くのポリマー材料はこのような性質を有し、ウェハ連結停止板の主要部及びシール部の厚さは、主要部の所望の剛性とシール部の所望の弾性とを与えるように調整されてもよい。真空吸引力は正の押圧力を付与するのと同じ穴又はチャネルを介して付与してもよい。

代替の実施形態では、例えば、ゴム又は任意の断面（円形、正方形、三角形、六角形等）を有するポリマーチューブ、Ｏリングのような、ウェハ連結停止板の外面に固定した構造によって複数の面シールを備えてもよい。外面への取付は、接着剤、近接管継手溝又は他の機械的取付具等を用いた結合によるものでもよい。

まとめると、本実施形態は研磨パッド上の半導体ウェハを研磨するウェハ研磨ヘッドを備え、該研磨ヘッドは、内側円筒面を有し、かつ、ウェハを保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定するものであって、ウェハが研磨パッドによって研磨されている間研磨パッドに対するウェハの動きを面方向で制限する保持リングと保持リングに連結するウェハ連結停止板とを備えている。そのウェハ連結停止板は該ウェハ連結停止板の面から延伸する複数の弾性同心環状密閉隆起部を有し、ウェハの裏面を押圧するときに独立した気圧ゾーンを規定するものであり、各々の空気ゾーンは圧縮流体源に流体連通するように結合されている。複数の弾性同心環状密閉隆起部のうちの第１の弾性同心環状密閉隆起部は、ウェハを受けかつウェハを周縁で支持するように保持リングの内側円筒面に近接して配置され、第１の空気ゾーンを規定するものであって、該第１の気圧ゾーンは第１の圧縮気体に流体連通するように結合している。複数の弾性同心環状密閉隆起部のうちの第２の弾性同心環状密閉隆起部は、第１の環状密閉隆起部の内側に備えられ、かつ第２の圧縮気体に流体連通するように結合している。第１及び第２の圧縮気体は、ウェハのおもて面上で所定の研磨圧力が得られるように調整されている。

第７の参考例（ハウジングと保持リングとの結合構造）
図１０，図１１，図１２及び図１３に示した本発明の参考例及び実施形態は、“挿入体のないヘッド”として引用して、特別な研磨ヘッドキャリヤアセンブリに関連して記載した。この特別なキャリヤアセンブリは先述の本発明の参考例及び実施形態を実施する際に必要はとされないが、先述の参考例及び実施形態においてそれを用いることは好ましく、従って、ここでいくらか詳細に開示する。さらに詳細には、図１４では、特に２００ｍｍ直径ウェハに適した挿入体なしのヘッドの参考例及び実施形態の分解組立図を示すが、３００ｍｍ直径ウェハを含む他のサイズに対して適用可能な変形も伴っている。図１５は、挿入体のないヘッドの参考例及び実施形態の上部ハウジングの構成を示す図である。図１６は回転ダイアフラムの構成を示す図である。図１７はアダプター保持リングオープンダイアフラムの構成を示す図である。図１８は保持リングの構成を示す図である。図１９は保持リングオープンダイアフラムの構成を示す図である。図２０はクイックリリースアダプターの構成を示す図である。図２１は内部ハウジングの構成を示す図である。図２２は真空プレートの構成を示す図である。図２３は典型的な２０６ｍｍ外径シールアセンブリの構成を示す図である。これらの図はヘッドアセンブリに関連した本発明の構造及び方法の内容を示すために提供したものであって、当業者には容易に理解されるものなので、ここではこれ以上詳細には説明しない。

この明細書で述べた全ての印刷物、特許、及び特許出願は、個々の出版物又は特許出願が明確にかつ個別に参考文献として組み込まれることを意図して、いずれも同程度に参考文献として組み込まれる。

本発明の特定の参考例及び実施形態のこれまでの記載は例示及び説明の目的で示したものである。それらは本発明を開示した形に厳密に限定する意図はなく、かつ、それらの示したところから多くの修正及び変形が可能であることは明らかである。参考例及び実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用を最もよく説明するために選択して記載し、当業者がそれによって期待された特別な使用に適するように本発明及び様々な変形を伴った様々な参考例及び実施形態を最もよく用いることを可能にした。本発明の範囲は添付したクレーム及びそれと等価なものによって規定されることを意図している。

１１３ ウェハ
１６６ 保持リング
５５０ 弾性気圧式環状密閉ブラダ
５５４ ウェハ連結停止版
５５６ 第１の気圧ゾーン
５５７ 周端部
５５８ 第２の気圧ゾーン
５５９ 研磨ヘッド
５６２ 第１の面

Claims (4)

1. 研磨パッド上の基板を研磨する研磨ヘッドであって、
   上部ハウジング部を含むハウジングと、
   内側円筒面を有し、かつ前記基板を保持するような寸法に形成された内部円筒型ポケットを規定して前記基板が前記研磨パッドによって研磨されている間前記研磨パッドに対する前記基板の動きを制限する保持リングと、
   前記保持リングの内側円筒面に位置し、第１の気圧ゾーンを規定する第１の圧力室と、
   半径方向で前記第１の気圧ゾーンの内側に第２の気圧ゾーンを規定する第２の圧力室と、
   前記第１の圧力室と前記第２の圧力室の間に配置され、前記基板の裏側に押圧力を付与する少なくとも一つの圧力室と、を備え、
   前記保持リングにより前記研磨パッドに付与する圧力は、前記保持リング上部の空間の流体圧力により制御可能とされ、
   かつ前記第１の圧力室を構成するブラダ、前記第２の圧力室を構成するブラダ、及び前記第１の圧力室を構成するブラダ及び前記第２の圧力室を構成するブラダの間に前記第１、第２の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁で形成される圧力室は、同心円状に仕切って形成されるとともに基板全体を押圧可能な配置とされ、それぞれの前記圧力室の圧力は、独立に制御可能とされていることを特徴とする研磨ヘッド。
2. 前記第１の圧力室と前記第２の圧力室の間に第３の圧力室を配置し、
   前記第２の圧力室を構成するブラダと前記第３の圧力室を構成するブラダの間に前記第２、第３の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁による第４の圧力室を形成するとともに、前記第１の圧力室を構成するブラダと前記第３の圧力室を構成するブラダの間に前記第１、第３の圧力室を構成するブラダの弾性を有する壁による第５の圧力室を形成し、前記第１から第５の圧力室の圧力は、それぞれ独立に制御可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
3. 前記圧力室の少なくとも１つは、前記基板をローディング及びアンローディングする間に、真空を付与して形成した真空吸引力により、前記基板を保持することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の研磨ヘッド。
4. 前記真空吸引力により基板を保持する際に、前記基板が過度に曲げられることを防止するためのウェハ連結停止板を有することを特徴とする請求項３に記載の研磨ヘッド。

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