JP2004501779A - エッジ圧力制御付きキャリアヘッド - Google Patents

Abstract

化学機械研磨装置のためのキャリアヘッドには、基板に荷重をかける可撓膜が含まれる。可撓膜とキャリア構造体の間の容積により、チャンバが提供される。チャンバ内に配置されたボデーは、可撓膜の中央部の上面の第一の範囲に圧力をかける第一の部分と、分離可能であり且つ可撓膜の中央部の上面の第二の範囲と接触するように移動できる第二の部分とを有する。

Description

【０００１】
（背景）
本発明は、一般に、基板の化学機械研磨に関し、より具体的には、化学機械研磨のためのキャリアヘッドに関する。
【０００２】
集積回路は、通常、基板上、特にシリコンウエハ上に導電層、半導体層や絶縁層を連続堆積することによって形成される。各層の堆積後にエッチングがなされ、回路の特徴部が作られる。一連の層は連続的に堆積及びエッチングされるため、基板の外表面又は最上面、すなわち基板の露出面はだんだん平坦でなくなる。この平坦でない表面が、集積回路製造工程のフォトリソグラフィー段階において問題となる。したがって基板表面を定期的に平坦化する必要性がある。また、フィラー層に研磨をかける（ｐｏｌｉｓｈ ｂａｃｋ）場合（例えば、誘電層のトレンチを金属で充填する場合）に平坦化が必要とされる。
【０００３】
化学機械研磨法（ＣＭＰ、ケミカルメカニカルポリシング）は、容認されている平坦化方法の１つである。この平坦化方法では通常、キャリアないし研磨ヘッド上に基板を取り付ける必要がある。基板の露出面が回転する研磨パッドに対向して設置される。研磨パッドは「標準」パッドもしくは固定研磨用パッドである。標準研磨用パッドは丈夫な粗面もしくは柔軟面を持ち、一方、固定研磨用パッドは包含媒体中に保持された研磨用粒子を持つ。キャリアヘッドは制御可能な荷重、すなわち圧力を基板に与え、基板を研磨パッドに押しつける。キャリアヘッドには、基板の取り付け面となる可撓膜、及び基板を取り付け面下に保持するための保持リングを含むものがある。可撓膜後ろのチャンバの加圧又は排気により、基板にかかる荷重が制御される。少なくとも１つの化学活性剤及び標準パッドが使用される場合には研磨用粒子を含む研磨スラリが、研磨パッドの表面に供給される。
【０００４】
ＣＭＰ工程の効果は、その研磨速度によって、及び、研磨結果の仕上がり（小規模で粗さがないこと）と基板表面の平坦度（大規模でトポグラフィがないこと）によって測定され得る。研磨速度、仕上がり及び平坦度は、パッドとスラリの組み合わせ、基板とパッドの間の相対速度、及び基板をパッドに押しつける力によって決定される。
【０００５】
ＣＭＰで繰り返し生ずる問題は、いわゆる「エッジ効果」、すなわち、基板の端が基板中央とは異なる速度で研磨される傾向である。エッジ効果は、概して、基板周囲（例えば、２００ミリメータ（ｍｍ）ウエハの最も外側の５ｍｍ〜１０ｍｍ）が均一には研磨されないという結果をもたらす。
【０００６】
（概要）
一態様では、本発明は、化学機械研磨装置のためのキャリアヘッドに向けられている。キャリアヘッドは、キャリア構造体と、キャリア構造体に結合した周辺部を有する第一の可撓膜とを有するものである。可撓膜の中央部は、基板取り付け面を提供する下面を有しており、第一の可撓膜とキャリア構造体との間の第一の容積により第一のチャンバが提供される。第一のチャンバに配置されたボデーは、第一の可撓膜の中央部の上面の第一の範囲に圧力をかける第一の部分と、分離可能であり且つ第一の可撓膜の中央部の上面の第二の範囲と接触するように移動できる第二の部分とを有している。第二のチャンバは、ボデーの第二の部分を、第一の可撓膜の上面の第二の範囲と接触させるように、ボデーに下向きの荷重をかける。
【０００７】
発明の実施には、以下の特徴の一つ以上が含まれる。ボデーは環状であってよい。ボデーの第二の部分は、湾曲可能であってよい。ボデーの第一の部分の下側にクッションが固定され、第一の可撓膜の上面と接触するようになっていてよい。制御リングは、第二のチャンバからボデーに下向き荷重を伝えることができる。制御リングは、第一の可撓膜と保持リングとの間に位置していてよい。第一の可撓膜は、中央部からボデーの第二の部分の上方を内へ伸張するリップ部を含んでいてよい。第一の可撓膜の周辺部は、制御リングとボデーの間をリップ部から上向きに伸張し、制御リングの頂部の上方を外向きに伸張してよい。環状スペーサ−は、第二のチャンバと第一の可撓膜の周辺部との間に配置されていてよい。第二の可撓膜がキャリア構造体に固定されていてよく、第二の可撓膜とキャリア構造体との間の第二の容積により第二のチャンバが形成される。第一の容積は、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間に配置されていてよい。ボデーには、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間で伸張する円筒状の部分が含まれていてよい。
【０００８】
もう一つの態様では、本発明は、化学機械研磨装置のためのキャリアヘッドに向けられている。キャリアヘッドは、キャリア構造体と、キャリア構造体に固定された周辺部を有する第一の可撓膜とを有するものである。また、可撓膜は、基板取り付け面を提供する下面が備えられた中央部を有する。第一の可撓膜とキャリア構造体との間の第一の容積により第一のチャンバが提供される。第一のチャンバにはスペーサーが配置されている。スペーサーは、第一の可撓膜の中央部の上面に接触する部分を有する。第二のチャンバは、中央部と周辺部との間の第一の可撓膜の結合部に下向き荷重を発生させる。第一の可撓膜の結合部は、分離可能であり且つスペーサーの上面と接触するように移動することができる。
【０００９】
発明の実施には、以下の特徴の一つ以上が含まれる。第二のチャンバの第一の圧力以下では、第一の可撓膜の結合部はスペーサーに接触していない。第二のチャンバは、増大した圧力の第一の範囲を基板上に発生させるために、可撓膜の中央部の端を基板に押しつけることができる。第二のチャンバの第一の圧力よりも大きい場合には、第一の可撓膜の結合部はスペーサーに接触することができる。第二のチャンバは、増大した圧力の第二の範囲を基板上に発生させるために、可撓膜の中央部の上面にスペーサーを押しつけることができる。第二のチャンバの第二の圧力よりも大きい場合には、第一の可撓膜の結合部は可撓膜の中央部の上面に接触することができる。第二のチャンバは、増大した圧力の第三の範囲を基板上に発生させるために、中央部の上面に結合部を押しつけることができる。結合部は、可撓膜の中央部の上方を内向きに伸張することができる。制御リングは、可撓膜のリップ部の上に載っている。スペーサーの第一の部分の下側にはクッションが固定されていてよい。制御リングは、第一の可撓膜と保持リングとの間に位置していてよい。キャリア構造体には、第二の可撓膜が固定されていてよく、第二の可撓膜とキャリア構造体との間の第二の容積により第二のチャンバが形成される。第一の容積は、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間に配置されていてよい。スペーサーには、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間に伸張する円筒状の部分が含まれていてよい。
【００１０】
もう一つの態様では、本発明は、基板を化学機械研磨するための方法に向けられている。該方法では、キャリアヘッドで基板が研磨パッドに対して保持される。第一の下向き荷重は、キャリアヘッドの第一のチャンバで基板にかけられる。キャリアヘッドの第二のチャンバで第二の下向き荷重が発生する。第二の下向き荷重の第一の部分は、基板上の第一の領域に分配される。第二の下向き荷重が閾値荷重を超える場合には、第二の下向き荷重の第二の部分が基板上の第二の領域に分配される。基板と研磨パッドとの間に相対動作が引き起こされる。
【００１１】
発明の実施には、以下の特徴の一つ以上が含まれる。第一及び第二の領域は、環状であってよい。
【００１２】
発明の実施についての可能性ある利点としては、以下のものを含んでよい。基板の端における圧力分配を制御することができる。不均一研磨を補償するために、圧力及び基板に対する可撓膜の荷重領域を変えることができる。基板の不均一な研磨が減少し、その結果としての基板の平坦度及び仕上がりが改善される。
【００１３】
図面及び請求の範囲を含む以下の記載から、本発明についての他の利点及び特徴は明らかであろう。
【００１４】
（詳細な説明）
同様のエレメントを示すためには、種々の図面中において同様の符号を付してある。
【００１５】
図１を参照すると、１枚以上の基板１０が化学機械研磨（ＣＭＰ）装置２０によって研磨される。類似のＣＭＰ装置の記述が、米国特許第５，７３８，５７４号の中に見出され、その全開示を本明細書に援用する。
【００１６】
ＣＭＰ装置２０は、一連の研磨ステーション２５、及び基板をロード及びアンロードする移載ステーション２７を含む。各研磨ステーション２５は、回転可能なプラテン３０を含み、その上に研磨パッド３２が設置される。各研磨ステーション２５は、研磨パッドの研磨状態を維持するために、付属のパッド調節装置４０をさらに含むことができる。
【００１７】
化学活性剤（例えば、酸化物研磨には脱イオン水）及び化学活性触媒（例えば、酸化物研磨には水酸化カリウム）を含むスラリー５０が、複合的スラリー／リンスアームによって、研磨パッド３２の表面に供給される。研磨パッド３２が標準パッドである場合には、スラリー５０は研磨用粒子を含んでいてもよい（例えば、酸化物研磨には二酸化シリコン）。通常、研磨パッド３２の全体を覆ってぬらすのに十分なスラリーが供給される。スラリー／リンスアーム５２には、各研磨及び調節サイクルの終了時に研磨パッド３２に高圧リンスを与えるために、幾つかのスプレーノズル（図示せず）が含まれる。
【００１８】
回転可能なマルチヘッド回転盤６０は、中央ポスト６２によって支持されており、その上で、回転盤モーターアセンブリ（図示せず）によって回転盤軸６４の周りを回転する。マルチヘッド回転盤６０は、回転盤支持板６６上に、回転盤軸６４の周りに等角間隔に取り付けられた４つのキャリアヘッドシステム７０を含む。キャリアヘッドシステムのうちの３つは、研磨ステーションの上方に基板を位置させる。キャリアヘッドシステムのうちの１つは、移載ステーションから基板を受け取り且つ移載ステーションに基板を渡す。回転盤モーターにより、研磨ステーションと移載ステーションとの間の回転盤軸の周りで、キャリアヘッドシステム７０及びそれらに取り付けられた基板を周回させることができる。
【００１９】
各キャリアヘッドシステム７０には、研磨又はキャリアヘッドが含まれる。各キャリアヘッド１００は、それ自身の軸の周りを独立して回転し、また、回転盤支持板６６に形成された放射状スロット７２内で横方向に独立して往復する。キャリア駆動軸７４は、キャリアヘッド回転モーター７６（回転盤カバー６８の４分の１除去により図示）をキャリアヘッド１００に結合するために、スロット７２を通って伸張している。各モーター及び駆動軸は、放射状駆動モーターによってスロットに沿って線形駆動されるスライダー上に支持されており、キャリアヘッド１００を横方向に往復させる。
【００２０】
実際の研磨の間は、キャリアヘッドのうちの３つは、３つの研磨ステーションの上方に位置決めされる。各キャリアヘッド１００は、研磨パッド３２に接触するように基板を降下させる。キャリアヘッド１００は、研磨パッドに対向する位置に基板を保持し、基板の裏面全域に力を分配させる。また、キャリアヘッド１００は、駆動軸７４から基板にトルクを伝える。
【００２１】
図２を参照すると、キャリアヘッド１００には、ハウジング１０２、ベースアセンブリ１０４、ジンバル機構１０６（ベースアセンブリの一部として考慮され得る）、荷重チャンバ、保持リング１１０、及び、浮動（ｆｌｏａｔｉｎｇ）上部チャンバ１５４、浮動内部チャンバ１５６、及び外部チャンバ１５８等の加圧可能な３つのチャンバを含む基板裏当てアセンブリ１１２が含まれる。類似のキャリアヘッドの記述が、１９９９年１２月２３日に提出された米国特許出願第０９／４７０，８２０号に見出され、その全開示が本明細書に援用される。
【００２２】
ハウジング１０２は、駆動軸７４に結合されていて、研磨の間、それによって回転軸１０７の周りを回転する。回転軸１０７は、研磨パッドの表面とほぼ垂直である。ハウジング１０２は、研磨される基板の円形の形状に対応するように、一般に円形であってよい。ハウジング１０２を通して垂直孔１２０が形成されていてよく、キャリアヘッドを空圧制御するために、ハウジング１０２を通して３つの追加の通路（図２では２つの通路１２２、１２４のみが例示されている）が伸張していてよい。Ｏリング１２８は、ハウジングを通る通路と駆動軸を通る通路との間に液密シールを形成するために使用される。
【００２３】
ベースアセンブリ１０４は、ハウジング１０２の下に配置された垂直に可動するアセンブリである。ベースアセンブリ１０４には、一般に硬直な環状ボデー１３０、外部クランプリング１３４、ジンバル機構１０６、及び下部クランプリング１３２が含まれる。通路１３６は、ジンバル機構１０６のボデー、環状ボデー１３０及び下部クランプリング１３２を通って、基板裏当てアセンブリ１１２内のチャンバの１つ（例えば、外部チャンバ１５８）へと伸張していてよい。２つの取付具１３８は、通路１２４を通路１３６及び外部チャンバ１５８に流体連結させるように、ハウジング１０２とベースアセンブリ１０４との間の可撓性チューブを連結させる付着点を供給する。第二の通路（図示せず）は、環状ボデー１３０を通って、基板裏当てアセンブリ１１２内の第二のチャンバ（例えば、浮動上部チャンバ１５４）に伸張していてよい。２つの取付具（同じく図示せず）は、ハウジング内の図示された通路を環状ボデーの第二の通路及び浮動上部チャンバ１５４に流体連結させるように、ハウジング１０２とベースアセンブリ１０４との間の可撓性チューブを連結させる付着点を供給する。
【００２４】
ジンバル機構１０６によりベースアセンブリはハウジング１０２との関係で旋回するようになる。これにより、保持リング１１０は研磨パッドの表面とほぼ平行のままである。ジンバル機構１０６には、垂直孔１２０内に収まるジンバルロッド１４０及び環状ボデー１３０に固定された湾曲リング１４２が含まれる。ジンバルロッド１４０は、孔１２０に沿って垂直に滑り、ベースアセンブリ１０４の垂直動作を提供するが、ハウジング１０２に対してのベースアセンブリの横向動作のいかなるものをも防止し、基板の保持リングに対する横力によって発生するモーメントを減少させる。ジンバルロッド１４０には、基板裏当てアセンブリの中の第三のチャンバ（例えば、内部チャンバ１５６）に孔１２０を流体連結させるために、ジンバルロッドの長さを伸張する通路１４４が含まれる。
【００２５】
荷重チャンバ１０８は、ハウジング１０２とベースアセンブリ１０４との間に配置され、ベースアセンブリ１０４に荷重（つまり、下向き圧力又は重量）をかける。また、荷重チャンバ１０８によって、研磨パッド３２に対するベースアセンブリ１０４の相対的な垂直位置が制御される。一般的にリング形状の転動形ダイヤフラム１４６の内部端は、内部クランプリング１４８によってハウジング１０２にクランプされていてよい。転動形ダイヤフラム１４６の外部端は、外部クランプリング１３４によってベースアセンブリ１０４にクランプされていてよい。従って、転動形ダイヤフラム１４６により、ハウジング１０２とベースアセンブリ１０４との間のスペースがシールされ、荷重チャンバ１０８が画定される。荷重チャンバ１０８の圧力及びベースアセンブリ１０４の垂直位置を制御するために、第一のポンプ（図示せず）が通路１２２によって荷重チャンバ１０８に流体連結されていてよい。
【００２６】
保持リング１１０は、ベースアセンブリ１０４の外端に（例えば、ボルト１１４によって）固定された、一般に環状のリングであってよい。荷重チャンバ１０８に流体がポンプで送りこまれ、ベースアセンブリ１０４が下向きに押されると、保持リング１１０もまた、下向きに押されて、研磨パッド３２に荷重がかけられる。保持リング１１０の下面１１６は、実質的に平坦であるか、又は保持リングの外側から基板にスラリーを運びやすくする複数のチャネルを持つ。保持リング１１０の内面１１８は、基板を係合させて、キャリアヘッドの下から基板が逃げることを防ぐ。
【００２７】
図２及び図３を参照すると、基板裏当てアセンブリには、内膜１５０、外膜１５２、内膜支持構造体１６０、上部の膜スペーサーリング１６２、下部の膜スペーサーリング１６４及び端制御リング１６６が含まれる。ベースアセンブリ１０４と内膜１５０との間の容積により上部チャンバ１５４及び内部チャンバ１５６が形成され、内膜１５０と外膜１５２との間の容積により外部チャンバ１５８が形成される。支持構造体１６０、スペーサーリング１６２及び１６４、及び制御リング１６６は、キャリアヘッドの残部に固定されている必要は無く、内膜及び外膜によって適所に保持されていればよい。
【００２８】
図４Ａを参照すると、内膜１５０には、制御可能な領域内で外膜１５２に接触する円形の中央部１７０、一般に方形の断面積を持つ比較的厚い環状部分１７４、厚い部分１７４の角から伸張する環状の内側フラップ１７６、厚い部分１７４の外縁から伸張する環状の外側フラップ１７８、及び内部支持構造体１６０と下部スペーサーリング１６４との間を伸張して厚い部分１７４を中央部１７０に結合する環状の結合部１７２が含まれる。厚い部分１７４は、厚い部分の上面で外へ放射状に伸張する環状突出部１７５を含むことができる。内側フラップ１７６及び外側フラップ１７８は第一のエラストマーで作られるのに対して、厚い部分１７４及び結合部１７２は、第一のエラストマーよりも高い硬度（つまり、より硬いこと）を有する第二のエラストマーで作られる。従って、内膜１５０の側壁部１７２、１７４は、内側フラップ１７６及び外側フラップ１７８よりも硬い。内膜１５０の中央部１７０は、側壁部１７２、１７４の第二のエラストマーよりも更に硬い繊維強化プラスチックで作られる。具体的には、中央部１７０は湾曲できるが、特別にストレッチ可能であるわけではない。代わりに、中央部１７０は、側壁部１７２、１７４とおおよそ同じ硬直度を有する。中央部１７０は、結合部１７２よりも厚くてもよいし薄くてもよい。
【００２９】
図２及び図３に戻ると、内側フラップ１７６の縁は、湾曲リング１４２と環状ボデー１３０との間にクランプされているのに対して、外側フラップ１７８の縁は、外側クランプリング１３４と下側クランプリング１３２との間にクランプされている。ベースアセンブリ１０４と内側フラップ１７６によってシールされている内膜１５０との間の容積により、加圧可能な浮動内部チャンバ１５６が提供される。ベースアセンブリ１０４と内側フラップ１７６及び外側フラップ１７８によってシールされている内膜１５０との間の環状の容積により、加圧可能な浮動上部チャンバ１５４が画定される。第二のポンプ（図示せず）が、流体（例えば、空気等の気体）を、浮動上部チャンバ１５４の中に又は浮動上部チャンバ１５４の外に向けるように、図示されていない通路に結合されていてもよい。第三のポンプ（図示せず）が、流体（例えば、空気等の気体）を、浮動内部チャンバ１５６の中に又は浮動内部チャンバ１５６の外に向けるように、孔１２０に結合されていてもよい。下記で詳しく説明するように、チャンバ１５４、１５６、１５８内の圧力により、外膜１５２の上面に対する内膜１５０接触領域が制御される。従って、第二、第三、及び第四のポンプが、圧力がかけられる基板の領域（つまり、荷重領域）を制御し、第三のポンプが、荷重領域内の基板上での下向き力を制御する。
【００３０】
図３及び図４Ｂを参照すると、外膜１５２には、基板を係合する取り付け面を提供する中央部１８０、及び、中央部１８０の外端部１８４と、下部の膜スペーサーリング１６４と端制御リング１６６との間に配置された厚い部分１８６と、上部の膜スペーサーリング１６２と下部の膜スペーサーリング１６４の間をベースアセンブリに固定されるように伸張する周辺部１８８とにわたって、内へ戻って伸張するリップ部１８２が含まれる。外膜は、前もって蛇状の形に成型されていてもよい。さらに、中央部１８０は、リップ部１８２、厚い部分１８６及び周辺部１８８が作られるエラストマーよりも硬いエラストマーで作られる。リップ部１８２及び外端部１８４は、基板のチャッキングの間、アクティブフラップリップシールを与えるように操作される。これについては、１９９９年４月２２日に提出された米国特許第０９／２９６，９３５号で議論されており、その全開示が門明細書において援用される。
【００３１】
図２及び図３に戻ると、外膜１５２の縁は、下側クランプリング１３２と保持リング１１０との間にクランプされる。内膜１５０と外膜１５２との間の密閉された容積により、加圧可能な外部チャンバ１５８が画定される。従って、外部チャンバ１５８は、実際には、内部チャンバ１５６の下に伸張する。第四のポンプ（図示せず）が、流体（例えば、空気等の気体）を、外部チャンバ１５８の中に又は外部チャンバ１５８の外に向けるように、通路１２４に結合されていてもよい。第四のポンプは、外部チャンバ１５８の圧力を制御する。
【００３２】
内膜１５０は、エラストマー、エラストマー被覆繊維、又は熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）（例えば、デラウェア州ニューアークのデュポン社から入手可能なＨＹＴＲＥＬ^ＴＭ）、又はこれらの材料の組合せ等の可撓性材料で作られる。外膜１１８は、クロロプレン又はエチレンプロピレンゴム、又はシリコーン等の可撓性及び弾力性の材料で作られる。内膜１５０の中央部１７０の下面又は外膜１５２の中央部１８０の上面は、内膜と外膜が接触しているときに、それらの膜の間を流体が流れることを確実にするための小さな溝を有している。内膜１５０の中央部１７０の下面又は外膜１５２の中央部１８０の上面は、追加的に又は代替的に、内膜と外膜が接触しているときに、それらの膜間の接着を防ぐために、織り合わされた粗面を有することができる。
【００３３】
内部支持構造体１６０は、一般には、内膜を所望の形に維持するために、浮動内部チャンバ１５６の中に配置された硬直な環状のボデーである。支持構造体１６０は、該構造体の外側の半径範囲内でより厚い、くさび形断面を有することができる。支持構造体１６０は、内膜１５０の方形の厚い部分１７４を支持する平坦上面、及び内膜１５０の上にその最下点がある傾斜下面を有することができる。内膜１５０の結合部１７２は、内部支持構造体１６０の下外角（ｌｏｗｅｒ ｏｕｔｅｒ ｃｏｒｎｅｒ）のまわりに伸張する。支持構造体１６０は、内膜１５０の中央部１７０と厚い部分１７４との間に適切な間隔を維持する。代わりとして、内部支持構造体は、複数の開口部が通っている円板形状のボデーであってもよい。
【００３４】
上部の膜スペーサーリング１６２は、一般には、外膜１５２の中に配置された「Ｌ形」断面を持つことが可能な硬直な環状のボデーである。上部の膜スペーサーリング１６２は、内膜１５０の突出部１７５の下角に配置され、端制御リング１６８上にある。上部の膜スペーサーリング１６２の「Ｌ」の２つのとがった先は、内膜１５０と外膜１５２との間を伸張するフランジ１９０を内向きに伸張させ、内膜１５０と下側クランプリング１３２との間を伸張するフランジ１９２を上向きに伸張させることによって作ることができる。従って、上部の膜スペーサーリング１６２の下側フランジ１９０は、適切な間隔を確保し、上膜１５０と下膜１５２との間の接着を防ぐ。内向きに伸張するフランジ１９０の下面に複数の溝を作ることができる。溝１９４は、外膜１５２と上部の膜スペーサーリング１６２との間を流体が流れることを許容し、上部の膜スペーサーリング１６２のいずれかの側で、外膜１５８の二つの部分間の流体連通を確保する。
【００３５】
下部の膜スペーサーリング１６４は、上部の膜スペーサーリング１６２の下で外部チャンバ１５８の中に配置されている。下部の膜スペーサーリングは、内膜１５０と外膜１５２との間に位置する、トゲ形状の断面を持つ環状のボデーであり、外膜１５２の所望の形状を維持することができ、基板の端に追加の圧力をかけることができる。具体的には、下部の膜スペーサーリング１６４は、ベース片から垂直に伸張する、一般に硬直なリング形状部２００を有している。リング形状部は、内膜１５０と外膜１５２との間を伸張する。ベース片２０２の下側には圧縮性のクッション２０４を固定することができる。さらに、可撓性の環状フランジ２０８が、ベース片２０２の外縁からクッション下面の下へ伸張するまで、下向きの角度で外へ突出する。フランジ２０８は、外膜１５２の外端部１８４とリップ部１８２との間に突出する。外膜１５２の厚い部分１８６は、三角形ベース片２０２の上面の上にある。
【００３６】
端制御リング１６６は、保持リング１１０と外膜１５２との間に位置する、一般に環状の部材である。端制御リング１６６には、円筒部２１０及びフランジ部２１２が含まれる。フランジ部は、外のスペーサーリングの横位置を維持するために、保持リング１１０の内面１１８に向かって外向きに伸張する。円筒部２１０に作られた張出し部２１４は、端制御リング１６６が外膜１５２にかかるように、厚い部分１８６にわたって適合することができる。
【００３７】
先に議論されたように、内膜１１６の中央部２００の制御可能な範囲は、外膜１１８の上面に接触することができ、そこに下向き荷重をかけることができる。荷重は、外膜を介して、荷重領域内の基板に伝えられる。操作においては、浮動内部チャンバの中へ又は浮動内部チャンバから外へ流体がポンピングされ、内膜１５０の下向き圧力は、外膜１５２に対して制御されることになり、そして基板に対して制御される。そして、浮動の上部チャンバ１５４の中へ又は浮動上部チャンバ１５４の外へ流体がポンピングされ、外膜１５２に対する内膜１５０の接触領域が制御される。
【００３８】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、浮動上部チャンバ１５５の圧力を変えることによって、外膜１５２に対する内膜１５０の接触領域、従って基板１０に圧力がかけられる荷重領域を制御することができる。浮動上部チャンバ１５４の外へ流体を排出することによって、内膜１５０の厚い方形の部分１７４が上向きに引かれる。これにより、外膜１５２から中央部１７０の外端が引き離されて、荷重領域の直径が減少する。逆に、浮動上部チャンバ１５４に流体を汲み入れることによって、内膜１５０の厚い部分１７４が下向きに強いられる。これにより、内膜１５０の中央部１７０が外膜１５２と接触するように押され、荷重領域の直径が増大する。さらに、流体が外部チャンバ１５８の中に強制される場合には、内膜１５０の厚い部分１７４は、上向きに強いられることになり、荷重領域の直径が減少する。従って、キャリアヘッド１００において、荷重領域の直径は、上部チャンバ、内部チャンバ及び外部チャンバの圧力に依存する。
【００３９】
先に議論されたように、ＣＭＰにおいて再発する一つの問題は、基板端近くの不均一研磨にある。図３、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、基板周辺部にある多数の環状の範囲に追加の圧力を加えるように、端制御リング１６６及び下部の膜スペーサーリング１６４を使うことができる。通常の操作では、下部の膜スペーサーリング１６４の環状フランジ２０８の外側チップは、中央部１７０の最外端近くで外膜１５２の上面に載っている。しかし、上部チャンバ１５４に十分な圧力がかかると、可撓性内膜１５０の方形部分１７４は、上部の膜スペーサーリング１６２と接触するように、下方に操作される。この接触圧力は、上部の膜スペーサーリング１６２、端制御リング１６６及び外膜１５２の厚い部分１８６を介して伝えられ、下部の膜スペーサーリング１６４上に下向き圧力を作り出す（端制御リング１６６上の荷重が図６Ｂに矢印Ａで示されている）。まず、上部チャンバ１５５の圧力の増加は、基板の最外端でフランジ２０８によってかけられる圧力を単に増加させる。しかし、上部チャンバ１５４の圧力が増加するにつれて、可撓性フランジ２０８が曲がり、クッション２０４が外膜１５２の上面に接触するまで膜スペーサーリング１６４は下向きに駆動する。この時点で、膜支持リングは、増加した圧力の環状ゾーンを二つ別個に基板上に発生させる。第一のゾーン（矢印Ｂで示されている）は、フランジ２０８の接触によって作り出され、第二のゾーン（矢印Ｃで示されている）は、クッション２０４の接触によって外膜上に作り出される。コンポーネントの寸法を適切に選択することにより、こうした基板端でのマルチゾーン圧力分配により、研磨不均一性を減らすことができる。
【００４０】
また、「標準」操作モードでキャリアヘッド１００を操作することもできる。このモードでは、浮動チャンバ１５６及び１５８は、基板から離して揚げるように通気又は排気され、外部チャンバ１５８は、基板の裏面全体に均一な圧力をかけるように加圧される。
【００４１】
移載ステーション２７でキャリアヘッドの中へ基板をロードし、研磨ステーション２５で研磨パッドから基板をデチャックし、移載ステーション２７でキャリアヘッドから基板をアンロードするキャリアヘッド１００の操作については、先述の特許出願第０９／４７０，８２０号に要約されている。
【００４２】
図７を参照すると、キャリアヘッド１００´のもう一つの実施では、下部の膜スペーサーリング１６４´は硬直であり、可撓性フランジを有していない。その代わりに、端制御リング１６６´には、外膜１５２のリップ部１８４の外面と接触できる突出部２１６が含まれる。さらに、下部の膜スペーサーリング１６４´の下側に付いたクッション２０４´は、下部の膜スペーサーリング１６４´を超えて外向きに放射状に伸張できる。
【００４３】
図７、図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、通常の操作では、下部の膜スペーサーリング１６４´のクッション２０４´は、外膜１５２の端部分１８２の上面に載っている。浮動上部チャンバ１５４が十分に加圧されると、内膜１５０の方形部分１７４は、上部の膜スペーサーリング１６２´と接触するように下向きに駆動する。この接触圧力は、上部の膜スペーサーリング１６２を介して伝えられ、端制御リング１６６´（図８では矢印Ａ´で示されている）上に下向き圧力を作り出す。これにより、突出部２１６が、外膜１５２のリップ部１８２上に下向き圧力をかけるようになる。リップ部１８２はわずかに硬直なので、まずは、端制御リング１６６´からの荷重が、リップ部１８２の角１８３を基板に押しつけ、基板の最端に増大した圧力（矢印Ｂ´で図示されている）の第一の範囲を作り出す。上部チャンバ１５４の圧力を更に増大させることで、外膜１５２の厚い部分１８６に端制御リング１６６´を接触させ、下部の膜スペーサーリング１６４´に下向き圧力をかける。これにより、基板内部で第一の範囲から離れた、環状の第二の範囲上に増大した下向き圧力（矢印Ｃ´で図示されている）の第二の範囲が発生する。また、上部チャンバ１５４の圧力の増大により、リップ部分１８２が一方にそれて、外端部１８４の上面に接触するようになる。これにより、第一の部分と第二の部分との間の基板上に増大した圧力（矢印Ｄ´で図示されている）の第三の範囲が発生する。コンポーネントの寸法を適切に選択すれば、こうした基板端でのマルチゾーン圧力分配により、研磨不均一性を減らすことができる。
【００４４】
可撓膜、スペーサーリング、制御リング及び支持構造体等のキャリアヘッドの種々のエレメントの構成は、例示であって制限されない。本発明を実施するキャリアヘッドについては種々の構成が可能である。例えば、浮動上部チャンバは、環状容積であっても立方容積であってもよい。上部チャンバと下部チャンバは、可撓膜によって分離されているか、或いは、比較的硬直な裏当て又は支持構造体によって分離されていてもよい。内部支持構造体は、リング形であるか、或いは開口部が備わった円板形であってもよい。キャリアヘッドは、荷重チャンバなしで構築されてもよく、ベースアセンブリ及びハウジングは、単一構造体であってよい。
【００４５】
本発明は、数々の実施形態の点から記述されている。しかしながら、本発明は、描写及び記述された実施形態に限定されない。本発明の範囲は、添付の請求項によって定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学機械研磨装置の分解斜視図である。
【図２】本発明に従うキャリアヘッドについての模式的な断面図である。
【図３】端制御アセンブリを備えたキャリアの拡大図である。
【図４Ａ】図２のキャリアヘッドについての可撓膜アセンブリの模式的な側断面図である。
【図４Ｂ】図２のキャリアヘッドについての可撓膜アセンブリの模式的な側断面図である。
【図５Ａ】制御可能な荷重領域を図示している、図２のキャリアヘッドの模式図である。
【図５Ｂ】制御可能な荷重領域を図示している、図２のキャリアヘッドの模式図である。
【図６Ａ】図２のキャリアヘッド内での圧力及び力分配を例示している、概略図である。
【図６Ｂ】図２のキャリアヘッド内での圧力及び力分配を例示している、概略図である。
【図７】基板裏当てアセンブリ内に硬直膜支持リングを備えたキャリアヘッドの模式的な断面図である。
【図８Ａ】図７のキャリアヘッド内での圧力及び力分配を例示している、概略図である。
【図８Ｂ】図７のキャリアヘッド内での圧力及び力分配を例示している、概略図である。

Claims (30)

1. 化学機械研磨装置のためのキャリアヘッドであって、
   キャリア構造体と、
   キャリア構造体に結合した周辺部と、基板取り付け面を提供する下面を備えた中央部と、を有する第一の可撓膜であって、該第一の可撓膜とキャリア構造体との間の第一の容積により第一のチャンバが提供される、前記第一の可撓膜と、
   第一のチャンバに配置されたボデーであって、第一の可撓膜の中央部の上面の第一の範囲に圧力をかける第一の部分と、分離可能であり且つ第一の可撓膜の中央部の上面の第二の範囲と接触するように移動できる第二の部分とを有する、前記ボデーと、
   ボデーの第二の部分を、第一の可撓膜の上面の第二の範囲と接触させるように、ボデーに下向き荷重をかける第二のチャンバと、
   を備える、前記キャリアヘッド。
2. ボデーが環状である、請求項１に記載のキャリアヘッド。
3. ボデーの第二の部分が湾曲可能である、請求項１に記載のキャリアヘッド。
4. 第一の可撓膜の上面に接触するように、ボデーの第一の部分の下側に固定されたクッションを更に備える、請求項３に記載のキャリアヘッド。
5. 第二のチャンバからボデーに下向き荷重を伝える制御リングを更に備える、請求項４に記載のキャリアヘッド。
6. 保持リングを更に備えており、該保持リングと第一の可撓膜との間に制御リングが位置する、請求項５に記載のキャリアヘッド。
7. 第一の可撓膜が、ボデーの第二の部分の上方を中央部から内向きに伸張するリップ部を含む、請求項１に記載のキャリアヘッド。
8. 第一の可撓膜の周辺部が、制御リングとボデーとの間をリップ部から上向きに伸張する、請求項７に記載のキャリアヘッド。
9. 第一の可撓膜の周辺部が、制御リングの頂部の上方を外向きに伸張する、請求項８に記載のキャリアヘッド。
10. 第二のチャンバと第一の可撓膜の周辺部との間に配置された環状スペーサーを更に備える、請求項９に記載のキャリアヘッド。
11. キャリア構造体に固定された第二の可撓膜で、該第二の可撓膜とキャリア構造体との間の第二の容積が第二のチャンバを形成する前記第二の可撓膜を更に備える、請求項１に記載のキャリアヘッド。
12. 第一の容積が、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間に配置される、請求項１１に記載のキャリアヘッド。
13. ボデーが、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間を伸張する円筒部を含む、請求項１１に記載のキャリアヘッド。
14. 化学機械研磨装置のためのキャリアヘッドであって、
    キャリア構造体と、
    キャリア構造体に固定された周辺部と、基板取り付け面を提供する下面を備えた中央部と、を有する第一の可撓膜であって、該第一の可撓膜とキャリア構造体との間の第一の容積により第一のチャンバが提供される、前記第一の可撓膜と、
    第一のチャンバに配置されたスペーサーであって、第一の可撓膜の中央部の上面と接触する部分を有する、前記スペーサーと、
    中央部と周辺部との間で第一の可撓膜の結合部上に下向き荷重を発生させる第二のチャンバであって、第一の可撓膜の結合部は、分離可能であり且つスペーサーの頂上面と接触するように移動できる、前記第二のチャンバと、
    を備える、前記キャリアヘッド。
15. 第二のチャンバの第一の圧力以下では、第一の可撓膜の結合部がスペーサーと接触しない、請求項１４に記載のキャリアヘッド。
16. 第二のチャンバが、増大した圧力の第一の範囲を基板上に発生させるために、第一の可撓膜の中央部端を基板に押しつける、請求項１５に記載のキャリアヘッド。
17. 第二のチャンバの第一の圧力より大きい場合には、第一の可撓膜の結合部がスペーサーと接触する、請求項１６に記載のキャリアヘッド。
18. 第二のチャンバが、増大した圧力の第二の範囲を基板上に発生させるために、第一の可撓膜の中央部頂上面にスペーサーを押しつける、請求項１７に記載のキャリアヘッド。
19. 第二のチャンバの第二の圧力より大きいと、第一の可撓膜の結合部が可撓膜の中央部頂上面に接触する、請求項１８に記載のキャリアヘッド。
20. 第二のチャンバが、増大した圧力の第三の範囲を基板上に発生させるために、中央部頂上面に結合部を押しつける、請求項１９に記載のキャリアヘッド。
21. 第二のチャンバから、第一の可撓膜の結合部へ、荷重を伝える制御リングを更に備える、請求項１４に記載のキャリアヘッド。
22. 結合部が、可撓膜の中央部の上方を内向きに伸張する、請求項１４に記載のキャリアヘッド。
23. 制御リングが可撓膜の結合部に載っている、請求項２２に記載のキャリアヘッド。
24. スペーサーの第一の部分の下側に固定されたクッションを更に備える、請求項１４に記載のキャリアヘッド。
25. 保持リングを更に備えており、該保持リングと第一の可撓膜との間に制御リングが位置する、請求１４に記載のキャリアヘッド。
26. キャリア構造体に固定された第二の可撓膜で、該第二の可撓膜とキャリア構造体との間の第二の容積により第二のチャンバが形成される、前記第二の可撓膜を更に備える、請求項１４に記載のキャリアヘッド。
27. 第一の容積が、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間に配置される、請求項２６に記載のキャリアヘッド。
28. スペーサーが、第一の可撓膜と第二の可撓膜との間を伸張する円筒部を含む、請求項２６に記載のキャリアヘッド。
29. 基板を化学機械研磨する方法であって、
    キャリアヘッドを用いて、研磨パッドに対して基板を保持すること、
    キャリアヘッドの第一のチャンバを用いて、基板に第一の下向き荷重をかけること、
    キャリアヘッドの第二のチャンバを用いて、第二の下向き荷重を発生さること、
    基板上の第一の領域に、第二の下向き荷重の第一の部分を分配させること、
    第二の下向き荷重が閾値を超える場合には、基板上の第二の領域に、第二の下向き荷重の第二の部分を分配させること、
    基板と研磨パッドとの間で相対的な動きを引き起こすこと、
    を含む、前記方法。
30. 第一及び第二の領域が環状である、請求項２９に記載のキャリアヘッド。