JP5924739B2 - 内側保定リングおよび外側保定リング - Google Patents

Description

本発明は、化学機械研磨で使用するためのキャリアヘッドに関する。

集積回路は、典型的には、導電性、半導電性、または絶縁性の層をシリコン基板上に順次に堆積することによって、基板上に形成される。１つの製造ステップは、非平坦面の上にフィラー層を堆積するステップと、非平坦面が露出されるまでフィラー層を平坦化するステップとを含む。例えば、パターン形成された絶縁層の上に導電性フィラー層を堆積して、絶縁層にあるトレンチまたは穴を充填することができる。次いで、絶縁層の隆起パターンが露出されるまでフィラー層を研磨する。平坦化後、絶縁層の隆起パターン間に残った導電層の部分が、基板上の薄膜回路間の導電経路を提供するビア、プラグ、およびラインを形成する。酸化物研磨など他の用途に関しては、非平坦面の上に所定の厚さが残されるまで、フィラー層が平坦化される。さらに、平坦化は、フォトリソグラフィのために基板表面を平坦化するために必要とされる。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、１つの受け入れられている平坦化方法である。この平坦化方法は、典型的には、基板をキャリアヘッドの上に取り付けることを必要とする。基板の露出された表面は、典型的には、回転する研磨パッドに対置される。キャリアヘッドは、研磨パッドに対して基板を押すために、制御可能な負荷を基板に与える。典型的には、摩耗粒子を含むスラリなどの研磨液が、研磨パッドの表面に供給される。

キャリアヘッドは、研磨パッドに対して基板を押すために、制御可能な負荷を基板に与える。キャリアヘッドは、研磨中に基板を定位置に保持する内側リングを有する。また、キャリアヘッドは、内側リングを取り囲む外側リングを有することもできる。

「エッジ除外領域」は、基板の縁部での環状領域であり、この領域では、研磨速度が、基板の中心付近での研磨速度から大幅に外れることがあり、これは、この領域を不適切なものにする、またはデバイスの歩留まりをより低くする。例えば、３００ｍｍウエハの研磨のために設計されたいくつかのキャリアヘッドに関して、エッジ除外領域は、幅が約１５ｍｍであることがある。

様々な技法を使用して、エッジ除外を補償することができる。内側リングと外側リングの両方を有するキャリアヘッドに関しては、内側リングを比較的狭くすることによって、内側リングと外側リングの両方を使用して基板の縁部付近での圧力を制御することができるように、外側リングを基板の縁部の十分近くに移動させることができる。調節可能な直径を有する保定リングを有するキャリアヘッドに関しては、直径は、除外領域内での研磨均一性を改良するような保定リングと基板の間の側方間隔を提供するように選択することができる。また、いくつかのリング幾何形状は、基板縁部から離れるようにパッド接点をずらすことができる。

一態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の内側リングと、環状の外側リングとを含む。内側リングは、基板取付面上に位置決めされた基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。外側リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。外側リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能である。内側リングの下面は第１の幅を有し、外側リングの下面は、第１の幅よりも大きい第２の幅を有する。

本発明の実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。基板裏当て部材が、可撓性膜を備える。第１の与圧可能なチャンバは、可撓性膜に第１の圧力を加えることができ、第２の与圧可能なチャンバは、内側リングに第２の圧力を加えることができ、第３の与圧可能なチャンバは、外側リングに第３の圧力を加えることができる。第１の圧力、第２の圧力、および第３の圧力は、別個に調節可能である。外側リングの下面は、研磨パッドに対する外側リングの下面の圧力が基板の縁部に対する圧力に影響を及ぼすように、基板取付面に十分に近いことがある。第１の幅は、約０．０４〜０．２０インチでよい。第２の幅は、最大で１インチでよい。第２の幅は、第１の幅の５〜１５倍である。内側リングの外面は、傾斜部分を含むことがあり、外側リングの内面が、内側リングの内面の傾斜部分と同じ傾斜角を有する傾斜部分を含むことがある。内側リングの外面の傾斜部分は、内側リングの内面の傾斜部分の上に延在することがある。外側リングの下面は、内側リングの底面よりも剛性の高い材料から形成されることがある。内側リングの下面に隣接する内側リングの外面の下側部分は、内側リングの上面に隣接する内側リングの外面の上側部分よりも小さい外側半径方向直径を有することがある。

別の態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の内側リングと、環状の外側リングとを含む。内側リングは、基板取付面上に位置決めされた基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。外側リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。外側リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能である。外側リングの下面は、研磨パッドに対する外側リングの下面の圧力が基板の縁部に対する圧力に影響を及ぼすように、基板取付面に十分に近い。

本発明の実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１の幅は、約０．０４〜０．２０インチでよい。

別の態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の内側リングと、環状の外側リングとを含む。内側リングは、基板取付面上に位置決めされた基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、第１の傾斜部分を有する外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。外側リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面と、第１の傾斜部分と同じ傾斜角を有する第２の傾斜部分を有する外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有する。外側リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能である。

本発明の実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。内側リングの外面の第１の傾斜部分は、内側リングの内面の第２の傾斜部分の上に延在することがある。

別の態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の内側リングと、外側リングとを含む。内側リングは、基板取付面上に位置決めされた基板の上面に接触するように構成された下面と、外面と、下面から下方向に延在し、基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内向きの表面とを有し、内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。外側リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有し、外側リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能である。

いくつかの実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。基板取付面は、可撓性膜でよい。内向きの表面と内側リングの外径との間の内側リングの底面は、第１の幅を有することがあり、外側リングは、第１の幅よりも大きい第２の幅を有する。突起の高さは、研磨中に突起の底面が研磨パッドに接触しないようなものでよい。外側リングの下面は、研磨パッドに対する外側リングの下面の圧力が基板の縁部に対する圧力に影響を及ぼすように、基板取付面に十分に近いことがある。内向きの表面と内側リングの外径との間の内側リングの底面は、約０．０４〜０．２０インチでよい。

別の態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の内側リングと、中央リングと、外側リングとを含む。環状の内側リングは、基板取付面上に位置決めされた基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有し、内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。中央リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有し、中央リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能である。外側リングは、中央リングを円周方向に取り囲む内面と、外面と、研磨パッドに接触するための下面とを有し、外側リングは、基板取付面、内側リング、および中央リングに対して、基板取付面、内側リング、および中央リングとは別個に垂直方向に移動可能である。

いくつかの実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。基板取付面は、可撓性膜でよい。内側リングは第１の幅を有することがあり、中央リングは、第１の幅よりも大きい第２の幅を有することがある。外側リングは、第２の幅よりも大きい第３の幅を有することがある。第１の幅は、約０．０４〜０．２０インチでよい。中央リングの下面は、研磨パッドに対する外側リングの下面の圧力が基板の縁部に対する圧力に影響を及ぼすように、基板取付面に十分に近いことがある。外側リングの下面は、研磨パッドに対する外側リングの下面の圧力が基板の縁部に対する圧力に影響を及ぼすように、基板取付面に十分に近い。

別の態様では、化学機械研磨装置用のキャリアヘッドが、ベースと、基板取付面と、環状の保定リングとを備え、環状の保定リングが、基板取付面上に位置決めされた基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、外面と、底部とを有し、底部が、内面に隣接する下面と、下面の半径方向外側に位置決めされた、研磨パッドに接触するための底面を有する突起とを有する。突起の高さは、内面に隣接する下面が研磨パッドに接触しないようなものであり、内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能である。

いくつかの実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。基板取付面は、可撓性膜でよい。下面の幅は、研磨パッドに対する保定リングの圧力の変化が基板の縁部に対する研磨速度の変化をもたらすように、十分に小さくすることができる。内側リングの下面は第１の幅を有し、突起の底面は、第１の幅よりも大きい第２の幅を有することがある。第１の幅は、約０．０４〜０．２０インチでよい。突起の高さは、下面が基板のはす縁よりも下になるようなものでよい。

別の態様では、研磨方法が、キャリアヘッドの内側リングに対する第１の圧力を選択するステップと、キャリアヘッドの外側リングに対する第２の圧力を選択するステップとを含む。内側リングは、基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面を有し、外側リングは、内側リングを円周方向に取り囲む内面を有し、内側リングは、基板取付面に対して垂直方向に移動可能であり、外側リングは、基板取付面および内側リングに対して、基板取付面および内側リングとは別個に垂直方向に移動可能であり、内側リングの下面は第１の幅を有し、外側リングの下面は、第１の幅よりも大きい第２の幅を有し、第１の幅は、研磨パッドに対する外側リングの圧力の変化が基板の縁部に対する研磨速度の変化をもたらすように十分に小さい。内側リングに対して第１の圧力を加え、外側リングに対して第２の圧力を加えて基板が研磨され、第１の圧力と第２の圧力は、少なくともいくつかの他の圧力によって実現される研磨均一性よりも高い基板の縁部に対する研磨均一性を提供する。

本発明の実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１の圧力と第２の圧力は、キャリアヘッドによって実現可能な内側リングと外側リングに対する圧力の組合せのうち、最良の研磨均一性を提供することができるものである。第１の圧力および第２の圧力を選択するステップは、内側リングおよび外側リングに関する複数の異なる圧力で複数のテスト基板を研磨するステップと、複数のテスト基板の研磨均一性を測定するステップとを含むことがある。

別の態様では、研磨方法が、第２の値によって実現される研磨均一性よりも高い基板の縁部での研磨均一性を提供するために、キャリアヘッドの保定リングの内径に関して第１の値を選択するステップと、第２の値から第１の値に保定リングの内径を調節するステップであって、第１の値が、内径と基板の間に非ゼロ間隙を提供するステップと、第１の値での内径を有する保定リングを用いてキャリアヘッドに基板を保定しながら、基板を研磨するステップとを含む。

本発明の実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１の値を選択するステップは、保定リングの内径に関する複数の異なる値で複数のテスト基板を研磨するステップと、複数のテスト基板の研磨均一性を測定するステップとを含むことがある。第１の値は、複数のテスト基板のうち、最良の研磨均一性を有するテスト基板に関する保定リングの内径の値でよい。

本発明の実装形態は、以下の利点の１つまたは複数を含むことがある。基板の縁部付近での圧力を制御するために、内側リングと外側リングの両方を使用することができる。これは、基板の縁部に加えられる圧力の調整に関して、追加の制御可能なパラメータを提供する。その結果、基板縁部付近での研磨均一性を改良することができ、エッジ除外を減少させることができ、歩留まりを高めることができる。

１つまたは複数の実装形態の詳細は、添付図面および以下の説明に記載する。他の態様、特徴、および利点は、本説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになろう。

キャリアヘッドの概略断面図である。 一部が斜視図であり、一部が断面図である、キャリアヘッドの拡大側面図である。 内側リングの側断面図である。 膜の側断面図である。 外側リングの側断面図である。 キャリアヘッドの底面図である。 内側リング、外側リング、および基板の概略側断面図である。 ３つのリングと１つの基板の概略側断面図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、保定リングと基板の概略側断面図である。 保定リングと基板の概略側断面図である。

様々な図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。

図１を参照すると、基板１０は、キャリアヘッド１００を有する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置によって研磨される。ＣＭＰ装置の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号で見ることができ、その特許の開示全体を参照により本明細書に組み込む。

キャリアヘッド１００は、ハウジング１０２と、ベースアセンブリ１０４と、ジンバルメカニズム１０６（これは、ベースアセンブリ１０４の一部と考えることもできる）と、ローディングチャンバ１０８と、内側リング２００（これは、保定リングと呼ぶこともある）と環状チャンバ３５０を提供するように形作られた第１の可撓性膜３００とを含む内側リングアセンブリと、外側リング４００と、基板裏当てアセンブリ１１０とを含み、基板裏当てアセンブリ１１０は、複数の与圧可能なチャンバを画定する第２の可撓性膜５００を含む。

ハウジング１０２は、概して円形状でよく、ドライブシャフトに接続することができ、研磨中にドライブシャフトと共に回転する。キャリアヘッド１００の空気圧式制御のために、ハウジング１０２を通って延在する通路（図示せず）が存在することがある。ベースアセンブリ１０４は、ハウジング１０２の下に位置された垂直方向に移動可能なアセンブリである。ジンバルメカニズム１０６は、ベースアセンブリ１０４をハウジング１０２に対して向き調整することができるようにするとともに、ハウジング１０２に対するベースアセンブリ１０４の側方運動を防止する。ローディングチャンバ１０８は、ハウジング１０２とベースアセンブリ１０４の間に位置されて、負荷、すなわち下方向への圧力または重量をベースアセンブリ１０４に加える。また、ローディングチャンバ１０８によって、研磨パッドに対するベースアセンブリ１０４の垂直方向位置が制御される。基板裏当てアセンブリ１１０は、基板１０のための取付面を提供することができる下面５１２を有する可撓性膜５００を含む。

図２を参照すると、基板１０は、ベースアセンブリ１０４にクランプされた内側リングアセンブリによって保持することができる。内側リングアセンブリは、内側リング２００と、環状チャンバ３５０を提供するように形作られた可撓性膜３００とから構成することができる。内側リング２００は、可撓性膜３００の下に位置決めすることができ、可撓性膜３００に固定されるように構成することができる。

図２および図３を参照すると、内側リング２００は、内面２１０と、環状の上面２２０と、環状の下面２３０と、外面２４０とを有する環体である。下面２３０に隣接する内面２１０の下側領域２１２は、垂直円筒面でよく、研磨中に基板を保定するために基板１０の縁部を円周方向に取り囲むように構成することができる。内面２１０の下側領域２１２は、基板装填システムの位置決め公差に対処するように、基板直径よりもわずかに大きい、例えば基板直径よりも約１〜２ｍｍ大きい内径を有することができる。内面２１０の上側領域２１４は、垂直円筒面でよく、下側領域２１２に対してわずかに凹ませることができ、例えば、内面２１０の上側領域２１４の内側半径方向直径は、内面２１０の下側領域２１２の内側半径方向直径よりも大きい。テーパ付き領域２１６が、下側領域２１２を上側領域２１４につなぐことができる。

下面２３０に隣接する外面２４０の下側領域２４２は、垂直円筒面でよい。下側領域２１２と下側領域２４２の間の内側リングの部分は、例えば０．０４〜０．２０インチ、例えば０．０５〜０．１５インチの幅を有する下側環状リングを提供することができる。上面２２０に隣接する外面２４０の上側領域２４４は、垂直円筒面でよく、外面２４０の下側領域２４２を上側領域２４４に対して凹ませることができ、例えば、上側領域２４４の外側半径方向直径は、外面２４０の下側領域２４２の外側半径方向直径よりも大きい。上側領域２１４と上側領域２４４の間の内側リングの部分は、下側環状リングよりも広い上側環状リングを提供することができる。下側リング（すなわち外面２４０の下側領域２４２）の外側半径方向直径は、上側リング（すなわち内面２１０の上側領域２１４）の内側半径方向直径よりも大きくすることができる。

内側リング２００の外面２４０は、下側領域２４２と上側領域２４４の間にリップ２５０を形成するように外方向に突出することができる。リップ２５０は、水平な下面２５２と、垂直な外面２５４と、傾斜の付いた水平でない上面２５６とを有することができる。リップ２５０は、基板研磨中に内側リングが摩耗するときに、外側リング４００の上内縁部に対する内側リングのためのハードストップを提供することができる。リップ２５０の上方の凹部２４６は、チャンバ３５０が排気されるときに可撓性膜３００の側壁３２４が入り込むための空間を提供する。外面２４０の傾斜領域２４６が、下側領域２４２を、リップ２５０の水平な下面２５２につなぐことができる。

環状の上面２２０は、環状内側リング２００の全周に延在する２つの環状同心凹部２２２を有することができる。これらの環状同心凹部２２２は、可撓性膜３００と連係するようにサイズ設定することができる。

内側リング２００の下面２３０は、研磨パッドと接触させることができる。少なくとも、下面２３０を含む内側リング２００の下側部分は、プラスチック、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）など、ＣＭＰプロセス中に化学的に不活性の材料から形成することができる。また、下側部分は、耐久性があり、低い摩耗速度を有するものにすべきである。さらに、内側リングに対する基板縁部の接触によって基板に欠けまたは亀裂が生じないように、下側部分は十分に圧縮可能にすべきである。他方で、内側リングに対する下方向への圧力によって下側部分が基板受取凹部内に突き出るほど下側部分が弾性を有するべきではない。

いくつかの実装形態では、内側リング２００は、２つのリングと、下側環状部分と、上側環状部分とから構成することができる。内側リング２００の上側部分は、下側部分よりも剛性の高い材料から形成することができる。例えば、下側部分は、プラスチック、例えばＰＰＳでよく、上側部分は、金属、例えばステンレス鋼、モリブデン、もしくはアルミニウムでよく、またはセラミック、例えばアルミナでよい。

上面２２０は、内側リング２００を、内側リング２００の上方に位置決めされた可撓性膜３００に固定するための固定具、例えばボルト、ねじ、または他の金属部品を受け取るために、ねじシース（図示せず）を有する円筒形の凹部または穴２２４を含むことができる。穴２２４は、内側リングの全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができ、２つの環状同心凹部２２２の間に位置決めすることができる。

いくつかの実装形態では、内側リング２００は、下面２３０に形成された１つまたは複数のスラリ輸送チャネルを有する。スラリ輸送チャネルは、下側リング部分の内径から外径まで延在して、研磨中にスラリが内側リングの外部から内部に流れるようにする。スラリ輸送チャネルは、内側リングの全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。各スラリ輸送チャネルは、チャネルを通る半径に対してある角度、例えば４５°ずらすことができる。チャネルは、約０．１２５インチの幅を有することができる。

いくつかの実装形態では、内側リング２００は、内側リングの本体を通って内面２１０から外面２４０に延在する１つまたは複数の貫通穴を有し、流体、例えば空気や水が、研磨中に内側リングの内部から外部に、または外部から内部に流れることができるようにする。貫通穴は、上側リングを通って延在することができる。貫通穴は、内側リングの全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。

いくつかの実装形態では、内側リングの上側部分２４４は、その上面よりもその下面で広くすることができる。例えば、内面２１０は、垂直領域２１４の下で、上部から底部に内向きに傾斜を付けられた（すなわち直径が減少する）テーパ付き領域２１６を有することができる。下側部分２１２の内面は、垂直でよい。基板研磨中に内側リングの下側部分が摩耗するとき、内側リングのより狭い上側内面は、基板取付面を提供する隣接する可撓性膜の摩耗を防止する。さらに、いくつかの実装形態では、内側リングの外面全体を、非接着性コーティング、例えばパリレンでコーティングすることができる。

内側リング２００と可撓性膜３００が合わさって、内側リングアセンブリを形成する。可撓性膜３００は、上方でベースアセンブリ１０４にクランプされ、下方で環状内側リング２００に固定されるように構成され、内側リングの上に環状チャンバ３５０を提供する。環状チャンバ３５０が与圧されるとき、可撓性膜が、内側リングに対して別個に制御可能な負荷を提供する。内側リングに対する負荷は、研磨パッドへの負荷を提供する。内側リングに対する別個の負荷は、リングが摩耗するときに、パッドに対して一貫した負荷を付与することができるようにする。内側リングとキャリアヘッドの間に可撓性膜を位置決めすることにより、内側リングがキャリアヘッドに直接固定されるときに生じる内側リングに対するキャリア歪の影響を減少させる、またはなくすことができる。このキャリア歪をなくすことで、内側リングに対する不均一な摩耗が減少し、基板縁部でのプロセスばらつきが減少し、より低い研磨圧力を使用できるようになり、リング寿命を延ばす。

図４に示されるように、可撓性膜３００は、同心の内側壁と外側壁３２４を有する。可撓性膜３００は、側壁３２４の上縁部から水平内側方向に延在する１対の環状リム３２２を有することができる。可撓性膜は、可撓性膜の環状リム３２２の下に位置決めされたクランプリングによって、ベースアセンブリ１０４にクランプすることができる。さらに、可撓性膜３００は、下面を有する。可撓性膜の環状下面から下方向に延在する２つの環状同心突起３２６が存在することがある。これらの環状同心突起３２６は、可撓性膜３００の下に位置決めされた内側リング２００の上面２２０にある環状同心凹部２２２内に嵌まるようにサイズ設定することができる。

内側リングアセンブリの可撓性膜３００は、弾性を有する材料から形成することができ、圧力下で膜が撓むことができるようにする。弾性材料は、シリコンおよび他の例示的な材料を含むことができる。

可撓性膜の下面は、円形の穴３１２を含むことができる。円形の穴３１２は、２つの環状同心突起３２６の間に位置決めすることができ、可撓性膜の下面の全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。円形の穴３１２は、可撓性膜３００を内側リング２００に固定するための固定具、例えばボルト、ねじ、または他の金属部品を収容することができる。いくつかの実装形態では、可撓性膜３００を内側リング２００に固定するために、接着剤、例えばＬｏｃｔｉｔｅ（登録商標）が、穴２２４内に配置され、一方向ねじが、可撓性膜３００の穴３１２を通して、受取凹部２２２に挿入される。それにより、可撓性膜３００を内側リング２００に効果的に永久的に接合させることができる。

いくつかの実装形態では、可撓性膜３００の同心の内側壁と外側壁３２４は、下方で巻き込むことができ、湾曲部分３２８を有する下面を形成する。可撓性膜が内側リング２００に固定されるとき、湾曲部分３２８は、内側リングの上面よりも下まで延在することができる。湾曲部分３２８は、回転ヒンジを提供し、この回転ヒンジにより、側壁３２４の膨れを実質的に伴わずに、可撓性膜の底部がチャンバ３５０の与圧または排気に応答して上下に移動できるようになる。いくつかの実施形態では、環状リム３２２は、可撓性膜の側壁３２４よりも厚くすることができる。また、環状同心突起３２６も、側壁３２４よりも厚くすることができる。

内側リング２００が、基板１０を保定し、能動縁部プロセス制御を提供するように構成される一方で、外側リング４００は、研磨パッドの表面へのキャリアヘッドの位置決めまたは基準合わせを提供する。さらに、外側リング４００は、内側リング２００に接触して、内側リング２００の側方基準合わせを提供する。外側リング４００は、内側リング２００を円周方向に取り囲むように構成される。内側リングと同様に、外側リング４００の下面４３３は、研磨パッドと接触させることができる。外側リング４００の下面４３３は、滑らかで摩耗しやすい表面でよい。下面４３３は、研磨パッドを摩滅しないように構成される。

図５に示されるように、外側リング４００は、内面４１０と、環状の上面４２０と、環状の下面４３０と、外面４４０とを有する環体である。下面４３０に隣接する内面４１０の下側領域４１２は、垂直円筒面でよく、内側リング２００の外面２４０の下側部分２４２を円周方向に取り囲むように構成することができる。内面４１０の上側領域４１４は、傾斜を付けることができ、内側リング２００の傾斜領域２４６と同じ傾きを有することができる。上側領域４１４は、下に向かって半径方向内側へ傾斜を付けられ、すなわち、内面４１０の上側領域４１４の内側半径方向直径が、上側領域４１４の上部で底部よりも大きくなっている。内側リング２００の傾斜領域２４６は、垂直方向で、外側リング４００の傾斜の付いた上側領域４１４の上に延在することができる。

下面４３０に隣接する外側リング４００の外面４４０の下側領域４４２は、垂直円筒面でよい。上面４２０に隣接する外面４４０の上側領域４４４は、垂直円筒面でよく、外面４４０の下側領域４４２を上側領域４４４に対して凹ませることができ、例えば、上側領域４４４の外側半径方向直径は、外面４４０の下側領域４４２の外側半径方向直径よりも大きい。外面４４０の下側領域４４２の外側半径方向直径は、内面４１０の上側領域４１４の内側半径方向直径よりも大きくすることができる。また、外面４４０は、水平な下面４４４と、傾斜の付いた水平でない下面４４６とを含むこともできる。水平な下面４４４は、基板装填ステーションに対する外側リング４００のためのハードストップを提供することができ、傾斜面４４６は、基板装填ステーション内にキャリアヘッドが下降されるときに、装填ステーション内でのキャリアヘッドの自動調芯を可能にすることができる。

外側リング４００の上面４２０は、ベース１０４に固定することができ、例えばベース１０４に対して垂直方向に移動可能でない。外側リング４００の上面４２０は、外側リング４００をベースアセンブリ１０４に固定するための固定具、例えばボルト、ねじ、または他の金属部品を受け取るために、ねじシース（図示せず）を有する円筒形の凹部または穴４２４を含むことができる。穴４２４は、外側リング４００の全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。いくつかの実装形態では、穴４２４は、水平な下面４４４の上には延在しない。

外側リング４００の下面４３０の幅、すなわち内面２１０の下側領域４１２と外面４４０の下側領域４４２の間の幅は、内側リング２００の下面２３０の幅、すなわち内面２１０の下側領域２１２と外面２４０の下側領域２４２の間の幅よりも大きくすることができる。例えば、この幅は、０．０４〜１．０インチにすることができる。

いくつかの実装形態では、外側リング４００は、２つのリング、すなわち下側環状部分４５０と上側環状部分４６０から構成することができる。外側リング４００の上側部分４６０は、下側部分４５０よりも剛性の高い材料から形成することができる。例えば、下側部分４５０は、プラスチック、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、炭素充填ＰＥＥＫ、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）充填ＰＥＥＫ、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、または複合材料でよい。上側部分４６０は、金属、例えばステンレス鋼、モリブデン、もしくはアルミニウムでよく、またはセラミック、例えばアルミナでよい。

下面４３０を含む外側リング４００の部分は、下面２３０を含む内側リング２００の部分よりも剛性の高い材料から形成することができる。これにより、外側リングの摩耗の速度を内側リングよりも遅くすることができる。例えば、外側リング４００の下側部分４５０は、内側リング２００のプラスチックよりも硬いプラスチックでよい。

いくつかの実装形態では、外側リング４００は、１つまたは複数の貫通穴を有し、これらの貫通穴は、内面４１０から外面４３０まで延在して、液体または空気が、研磨中に外側リング４００の内部から外部に、または外部から内部に流れることができるようにする。貫通穴は、外側リング４００の全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。いくつかの実装形態では、外側リング４００に貫通穴が存在し、内側リング２００には存在しない。したがって、外側リング４００の貫通穴を通して噴霧される流体、例えば洗浄システムからの水は、内側リング２００の外面に沿って下方向に押し流され、それにより、外側リング４００と内側リング２００の間の空間を一掃する。他の実装形態では、外側リング４００と内側リング２００の両方に貫通穴が存在し、貫通穴は、流体が外側リング４００と内側リング２００の両方を通って流れるように位置合わせされる。そのような実装形態では、外側リング４００を通る貫通穴は、内側リング２００を通る貫通穴と同じ幅であるか、それよりも広くすることができる。いくつかの実装形態では（図２参照）、貫通穴４５０は、外側リング自体を通してではなく、内側リング２００を取り囲むベース１０４の一部分を通して形成される。

図６を参照すると、いくつかの実装形態では、外側リング４００は、底面４３０に１つまたは複数のスラリ輸送チャネル４３２を有し、これらのスラリ輸送チャネル４３２は、内面４１０から外面４４０に延在して、研磨中にスラリが外側リングの外部から内部に流れることができるようにする。チャネルは、外側リングの全周にわたって均等に間隔を空けて設けることができる。各スラリ輸送チャネルは、チャネルを通る半径に対してある角度、例えば４５°ずらすことができる。外側リングチャネル４３２は、内側リングチャネルと位置合わせすることができる。いくつかの実施形態では、外側リングチャネル４３２は、内側リングチャネル２３２よりも広く、内側リング２００の内部へスラリがより自由に流れることができるようにする。例えば、外側リングチャネル４３２は、約０．２５インチの幅を有することができる。

図１に戻ると、可撓性膜５００は、基板１０を取り付けるために表面５０２を提供する。可撓性膜５００は、複数のフラップ５０４を含み、これらのフラップ５０４が、可撓性膜５００とベースアセンブリ１０４の間の体積を、複数の別個に与圧可能なチャンバ５０６に分割する。与圧可能なチャンバ５０６は、複数の同心クランプリングを用いてフラップ５０４をベースアセンブリ１０４にクランプすることによって形成することができる。チャンバは、最も内側のチャンバから最も外側のチャンバへ、連続的に狭くなっていくように構成することができる。

キャリアヘッド内の各チャンバは、ベースアセンブリ１０４およびハウジング１０２を通る通路（図示せず）によって、ポンプまたは圧力ラインもしくは真空ラインなど関連の圧力源に流体結合することができる。可撓性膜３００の環状チャンバ３５０のための１つの通路、ローディングチャンバ１０８のための１つの通路、ベースアセンブリ１０４と可撓性膜５００の間の各与圧可能なチャンバ５０６のための１つの通路が存在することがある。ベースアセンブリ１０４からの１つまたは複数の通路は、ローディングチャンバ１０８の内部またはキャリアヘッド１００の外部に延在する可撓性の配管によって、ハウジング１０２内の通路に連結することができる。各チャンバの与圧、および基板１０に対する可撓性膜５００の主要部分５１０の関連区域によって加えられる力は、別個に制御することができる。これにより、研磨中に、基板の異なる半径方向領域に異なる圧力を加えることができるようになり、それにより不均一な研磨速度を補償する。

内側リング２００に対する圧力は、膜５００によって画定されるチャンバ５０６内の圧力に対して、チャンバ５０６内の圧力とは別個に、チャンバ３５０を使用して変えることができ、外側リング４００に対する圧力は、内側リング２００に対する圧力、および膜５００によって画定されるチャンバ５０６内の圧力に対して、チャンバ５０６内の圧力とは別個に、ローディングチャンバ１０８を使用して変えることができる。

キャリアヘッドの外側リング４００は、研磨パッドに下方向の圧力を加えることができる。上述したように、内側リング２００の下面２３０は比較的狭く、それにより、外側リング４００を使用して基板の縁部付近の領域内での基板に対する圧力を制御することができるように、外側リング４００の下面４３０を基板の縁部の十分近くに位置決めすることができる。基板の縁部付近の圧力を制御するために内側リング２００と外側リング４００の両方を使用することができるので、外側リング４００からの研磨パッドに対する圧力は、基板の縁部に加えられる圧力の調整に関する追加の制御可能なパラメータを提供する。その結果、基板縁部付近での研磨均一性を改良することができ、エッジ除外を減少させることができ、歩留まりを高めることができる。特に、内側リング２００と外側リング４００に関する１組の圧力を、実験によって特定することができる。例えば、各テスト基板ごとに、内側リング２００と外側リング４００に対する圧力の異なる組合せを使用し、しかしその他は、デバイス基板の研磨に関して同じプロセスパラメータを使用して、複数のテスト基板を研磨することができる。縁部付近の領域内でのテスト基板の均一性は、例えば、独立型の計測学ユニットを使用して測定することができ、最良の研磨均一性を提供した圧力の組合せを、デバイス基板の後の研磨のために選択することができる。

図７を参照すると、別の実装形態では、内側リング２００’は、基板１０を取り囲むように位置決めされるのではなく、基板１０の上に位置し、かつ基板１０に外接することができる（この実装形態は、他の点では、上で論じた実装形態と同様にすることができる）。特に、内側リング２００’の底部は、内側リング２００’の内径に隣接する水平な下面２６０と、水平な下面２６０の半径方向外側に位置決めされた突起２６２とを含むことができ、突起２６２は、垂直方向で、水平面２６０を越えて延在する。水平な下面２６０は、基板１０の上面（すなわち、研磨パッドから遠いほうの基板の面）に接触することができる。突起２６２の内径は、基板を保定する内向きの表面２６４を提供する。研磨中に突起２６２の底面２６６が研磨パッド２０に接触しないように、突起２６２の高さは、基板１０の厚さ未満にすることができる。

図８を参照すると、別の実装形態では、キャリアヘッドは、内側リング２００と、外側リング４００と、中央リング６００とを含む３つのリングを含むことができる（この実装形態は、他の点では、上で論じた実装形態と同様にすることができる）。中央リング６００に対する圧力は、キャリアヘッド内の追加のチャンバによって、保定リング２００と同様に制御することができる。したがって、内側リング２００、外側リング４００、および中央リング６００それぞれの圧力を別個に制御可能にすることができる。中央リング６００によって提供される追加の自由度が、優れた研磨均一性を実現可能にすることができる。

図９Ａを参照すると、別の実装形態では、キャリアヘッドは、調節可能な内径Ｄを有する保定リング２００’を含むことができる。そのような保定リングは、参照により組み込む米国特許第６，４３６，２２８号に記載されている。このキャリアヘッドは、（内側と外側の保定リングではなく）ただ１つの保定リング２００’を含むことができる。保定リング２００’は、（基板の円周の周りで平均を取られる）非ゼロの平均幅Ｇを有する間隙を提供するために、基板１０の直径よりも十分に大きい内径Ｄを有するように設定することができる。当然、研磨中、図９Ｂに示されるように、研磨パッドからの摩擦が、基板１０の前縁を保定リング２００’に当たらせ、基板１０の後縁に対して幅２Ｇの間隙を残す傾向がある。しかし、基板１０と保定リング２００’の間の相対回転運動により、基板縁部での研磨速度に対する正味の結果は、研磨パッドに対する様々な圧縮効果の平均となる。

保定リング２００’の適切な内径Ｄの選択により、基板縁部付近での研磨均一性を改良し、エッジ除外を減少させ、歩留まりを高めることができる。特に、特定の研磨パラメータの組に関する保定リング２００’の好ましい直径Ｄは、実験によって特定することができる。例えば、各テスト基板ごとに、保定リング２００’に関する異なる直径Ｄを使用し、しかしその他は、デバイス基板の研磨に関して同じプロセスパラメータを使用して、複数のテスト基板を研磨することができる。縁部付近の領域内でのテスト基板の均一性は、例えば、独立型の計測学ユニットを使用して測定することができ、最良の研磨均一性を提供する保定リング直径を、デバイス基板の後の研磨のために選択することができる。上述したように、内径Ｄは、非ゼロ平均幅Ｇを有する間隙を提供するために、基板１０の直径よりも十分に大きくすることができる。間隙のこの非ゼロの幅Ｇにより、基板は、実質的に基板の全周縁にわたって延在する連続する円周状の係合区域に沿って、保定リングに接触しない。

図１０を参照すると、別の実装形態では、キャリアヘッドは、下面に段差がある保定リング２００’’を含む。段差は、保定リングの内径２７０が基板１０に隣接して、基板１０を保定するように構成することができる（例えば、基板は、研磨中、研磨パッドからの摩擦によって内径２７０に接触させられる）。基板に接触する内径２７０に直に隣接する保定リングの底部の部分２７２は、研磨パッド２０に接触しない水平な下面を提供し、一方、部分２７２の半径方向外側にある保定リングの底部の部分２７４は、研磨中に研磨パッド２０に接触する。特に、保定リング２００’’の底部は、内側リング２００’の内径２７０に隣接する水平な下面２７２と、水平な下面２７２の半径方向外側に位置決めされた突起２７６とを含むことができ、突起２７６は、垂直方向で、水平面２７２を越えて延在する。突起２７６の高さは、基板１０の厚さ未満にすることができ、例えば基板１０の厚さの半分未満にすることができ、それにより、水平な下面２７２が基板１０のはす縁よりも下になる。水平な下面２７２に関して適切な幅を選択することによって、保定リング２００’’と研磨パッドとの接点を、改良された研磨均一性を提供する位置に移動させることができる。保定リング２００’’は低摩耗性材料から形成することができ、または、水平な下面２７２の上の保定リング２００’’の部分を、突起２７６よりも摩耗が速い材料から形成することができる。さらに、水平な下面２７２の上の保定リング２００’’の部分は、摩耗速度を高める特徴を設けられることがあり、例えば、水平な下面２７２の表面積を減少させる垂直な穴を設けられることがある。

本発明のいくつかの実施形態を説明してきた。それにも関わらず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正を施すことができることを理解されたい。例えば、ベースアセンブリ１０４とハウジング１０２を単一の剛性部品として組み合わせることができ、キャリアヘッド全体１００を、垂直方向に移動可能なドライブシャフトによって上下に移動させることができ、あるいは、内側リングとハウジングが同じ剛性部品に対して共に移動可能であるように、与圧可能なチャンバをハウジング１０２と外側リングの間に提供することができる。したがって、他の実装形態も、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (15)

1. 基板を保持するための内側リングであって、
   研磨中に基板を保定するために基板の縁部を円周方向に取り囲むように構成された内面と、研磨パッドと接触するように構成された環状の下面と、環状の上面と、外面とを有する環体を備え、
   前記内面は、垂直円筒面である前記下面に隣接する下側領域と、垂直円筒面であり前記内面の下側領域よりも内側半径方向直径が大きい上側領域とを含み、
   前記外面は、外側リングにより周囲を囲まれる、垂直円筒面である前記下面に隣接する下側領域と、垂直円筒面であり前記外面の下側領域よりも外側半径方向直径が大きい上側領域と、前記外面の下側領域と上側領域との間に水平な下面を含む外方向に突出したリップと、前記外面の下側部分を前記リップの水平な下面とつなぐ傾斜領域とを含む、内側リング。
2. 前記環体が、前記内面の上側領域と前記外面の上側領域の間の上側部分と、前記内面の下側領域と前記外面の下側領域の間の下側部分とを備える、請求項１に記載の内側リング。
3. 前記上側部分が前記下側部分よりも幅が広い、請求項２に記載の内側リング。
4. 前記内面の下側領域と前記外面の下側領域の間の幅が０．０４〜０．２０インチの間である、請求項２に記載の内側リング。
5. 前記幅が０．０５〜０．１５インチの間である、請求項４に記載の内側リング。
6. 前記上側部分が前記下側部分よりも剛性の高い材料から形成される、請求項２に記載の内側リング。
7. 前記内面が前記下側領域と前記上側領域をつなぐテーパ付き領域を含む、請求項１に記載の内側リング。
8. 前記上面が前記環状の上面に２つの環状同心凹部と複数の円筒形の凹部とを含み、各円筒形凹部は２つの環状同心凹部の間に位置決めされている、請求項１に記載の内側リング。
9. 内側リングの側方基準合わせのための外側リングであって、
   内面と、研磨パッドと接触するように構成された環状の下面と、環状の上面と、外面とを有する環体を備え、
   前記内面は、前記内側リングを円周方向に取り囲むように構成された垂直円筒面である前記下面に隣接する下側領域と、前記下側領域の間に延在する上側領域とを含み、前記上側領域は、前記上側領域の内側半径方向直径が上側領域の上部で底部よりも大きくなるように傾斜を付けられており、当該傾斜、前記内側リングの外面の傾斜領域と同じ傾きを有し、
   前記外面は、垂直円筒面である前記下面に隣接する下側領域と、垂直円筒面であり前記外面の下側領域よりも外側半径方向直径が大きい上側領域と、前記上側領域の垂直円筒面から内向きに延在する水平な下面と、前記外面の下側部分を前記水平な下面とつなぐ傾斜領域とを含む、外側リング。
10. 前記環体が、前記内面の上側領域と前記外面の上側領域の間の上側部分と、前記内面の下側領域と前記外面の下側領域の間の下側部分とを備える、請求項９に記載の外側リング。
11. 前記内面の下側領域と前記外面の下側領域の間の幅が０．０４〜１．０インチの間である、請求項１０に記載の外側リング。
12. 前記上側部分が前記下側部分よりも剛性の高い材料から形成される、請求項１０に記載の外側リング。
13. 前記下側部分がプラスチックであり、前記上側部分が金属である、請求項１２に記載の外側リング。
14. 前記上面が固定具を受け取るための複数の穴を含む、請求項９に記載の外側リング。
15. 前記穴が前記水平な下面の上に延在しないように位置決めされている、請求項１４に記載の外側リング。

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