TWI639485B - Substrate holding device, polishing device, and polishing method - Google Patents

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TWI639485B
TWI639485B TW102100196A TW102100196A TWI639485B TW I639485 B TWI639485 B TW I639485B TW 102100196 A TW102100196 A TW 102100196A TW 102100196 A TW102100196 A TW 102100196A TW I639485 B TWI639485 B TW I639485B
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Abstract

基板保持裝置係保持基板而壓住研磨墊之裝置。基板保持裝置係獨立於頂環本體而可垂直移動，其具備：內固定環，其配置為包圍基板；內壓緊機構，其相對於研磨墊之研磨面壓緊內固定環；外固定環，獨立於內固定環及頂環本體而可垂直移動；外壓緊機構，其相對於研磨面壓緊外固定環；及支持機構，其在基板之研磨中承受來自基板加諸於內固定環之橫方向之力，同時支持外固定環為可傾斜移動。

Description

基板保持裝置、研磨裝置、及研磨方法
本發明係關於研磨晶圓等基板之研磨裝置所使用之基板保持裝置，尤其是關於保持基板，而壓緊於研磨面之基板保持裝置。又，本發明係關於使用此種基板保持裝置的研磨裝置及研磨方法。
近年來，伴隨半導體裝置之高積體化、高密度化，電路之配線益加微細化，多層配線之層數亦增加。在謀求電路微細化之同時，欲實現多層配線時，因沿襲下側之層的表面凹凸，同時使高低差更加增大，故隨著配線層數之增加，而在薄膜形成中相對於高低差形狀之膜被覆性(階覆蓋性(step coverage))惡化。因此，為了進行多層配線，必須改善階覆蓋性，並在妥善的過程進行平坦化處理。又，在光微影術微細化之同時，因聚焦深度變淺，故有必要進行半導體裝置表面之平坦化處理，以使半導體裝置表面之凹凸高低差納入聚焦深度以下。
因此，在半導體裝置之製造步驟中，半導體裝置表面之平坦化日益重要。在該表面平坦化中最重要的技術則為化學機械研磨(CMP(Chemical Mechanical Polishing))。該化學機械研磨係使用研磨裝置，將含有二氧化矽(SiO2)等研磨粒之研磨液供給於研磨墊之研磨面上，同時將晶圓於研磨面滑動接觸而進行研磨。
此種研磨裝置，具備：研磨台，其支持研磨墊；及基板保持裝置，又稱為頂環(top ring)或研磨頭等，用以保持晶圓。在使用此種研磨裝置，進行晶圓研磨之情形，係以基板保持裝置保持晶圓，同時相對於研磨墊之研磨面以預定之壓力壓緊該晶圓。此時，藉由使研磨台及基板保持裝置進行相對運動，而使晶圓在研磨面進行滑動接觸(sliding contact)，使晶圓 表面研磨成平坦且為鏡面。
在研磨中晶圓與研磨墊之研磨面間之相對的壓緊力遍及晶圓全面為非均勻之情形，因應供予晶圓各部分之壓緊力而產生研磨不足或過研磨。因此，為了將相對於晶圓之壓緊力均勻化，藉由在基板保持裝置下部設置由彈性膜所形成之壓力室，並供給空氣等流體於該壓力室，而經由彈性膜以流體壓來壓緊晶圓。
在此情形，由於上述研磨墊具有彈性，故加諸研磨中晶圓之邊緣部(周緣部)之壓緊力成為不均勻，會引起僅晶圓邊緣部過多研磨，即所謂「邊緣過切」(edge undercut)之情形。為了防止此種邊緣過切，相對於頂環本體(或載頭本體)，將保持晶圓邊緣部之固定環(retaining ring)設置為可垂直移動，並要將位於晶圓外周緣側之研磨墊之研磨面以固定環予以壓緊。
近年來，控制晶圓邊緣部附近研磨輪廓之需求日益高漲。為了因應此種需求，有提案一種基板保持裝置，其係在晶圓外周側配置直徑不同之2個固定環。例如，在日本特開2008-302464號公報所揭示之基板保持裝置，被認為可獨立控制第1固定環及第2固定環各自之壓緊力，並可提高研磨輪廓之均勻性。
本發明人等，在進行各種實驗之結果，已明瞭在晶圓之研磨中，藉由晶圓及研磨面之間產生的摩擦力，而成為使晶圓壓住固定環內周面之狀態，晶圓在研磨墊之旋轉方向，於下游側之部位，相較於晶圓中心部以非常高的研磨速度研磨。進一步，本發明人等首先發現，相對於如此研磨之晶圓，單純使用直徑不同之2個固定環，在晶圓邊緣部也無法調整研磨輪廓，會有無法獲得理想的研磨輪廓之情形。
在研磨中，係在晶圓及研磨墊之間發生摩擦力。該摩擦力係作為橫方向(水平方向)之力而作用於固定環。在日本特開2007-268654號公報(以下稱為專利文獻)所揭示之基板保持裝置，係構成為以配置於固定環外周側的固定環導件支持將該橫方向之力。但是，使固定環導件支持固定環之點，因係拉離研磨面，故被認為承受來自晶圓之橫方向之力之固定環使該支持點向中心傾斜。因此，會有固定環無法均勻給予所期望壓緊力於研磨面之問題。又藉由承受來自晶圓之橫方向之力，會有固定環產生了局部 變形之情況。如此經變形的部位，會妨礙固定環給予所期望之壓緊力於研磨面。
又，在上述專利文獻記載之基板保持裝置，為了使固定環外側面與固定環導件內側面滑動接觸，故在該滑動接觸部發生磨耗粉(abrasion powder)。在該磨耗粉落下研磨面時，因造成晶圓缺陷之原因，故設置用以防止磨耗粉之落下至研磨面之彈性片。但是，若欲降低固定環之支點(亦即固定環及固定環導件之接觸點)，而抑制固定環之傾斜，則無法設置該彈性片，致使磨耗粉落下至研磨面。
在日本特開2009-190101號公報所揭示之基板保持裝置，在固定環外周側並不設置上述專利文獻所見之固定環導件，而是構成為自晶圓加諸於固定環之橫方向之力被設置於晶圓中心部上方的球面軸承支持。因此，在固定環外周側不發生磨耗粉，而磨耗粉並無落下研磨面。
但是，該球面軸承為了在位於拉離研磨面的位置，故使承受來自晶圓之橫方向之力的固定環使該球面軸承向中心傾斜，其結果，並無法使固定環均勻地給予所期望之壓緊力於研磨面。又，會有因承受來自晶圓之橫方向之力而造成固定環局部地變形，無法使固定環給予所期望之壓緊力於研磨面之問題。
本發明之第一目的係提供一種可調整基板邊緣部之研磨輪廓的基板保持裝置、及使用了此等基板保持裝置之研磨裝置及研磨方法。
本發明之第二目的係提供一種基板保持裝置、及使用了此等基板保持裝置之研磨裝置及研磨方法，該基板保持裝置可防止磨耗粉等異物落下至研磨面，且使固定環均勻地給予所期望之壓緊力於研磨面。
為了達成上述第一目的，本發明之第一態樣，係一種基板保持裝置，其具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面的彈性膜；內固定環，其獨立於該頂環本體而可垂直移動，並配置為包圍該基板；內壓緊機構，其係相對於該研磨面壓緊該內固定環；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並獨立於該內固定環及該頂環本體而可垂直移 動；外壓緊機構，其係相對於該研磨面，壓緊該外固定環；及支持機構，其在該基板之研磨中承受來自基板加諸於該內固定環之橫方向之力，同時支持該外固定環為可傾斜移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為該支持機構為球面軸承。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內壓緊機構及該外壓緊機構，可將該內固定環及該外固定環各自獨立地壓緊於該研磨面。
本發明之較佳態樣，其特徵為該外固定環之傾斜移動中心係位於該外固定環之中心軸線上。
本發明之較佳態樣，其特徵為該外固定環係以該支持機構支持為可垂直移動。
本發明之第二態樣，係一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其獨立於該頂環本體而可垂直移動，其配置為包圍該基板；內壓緊機構，其係相對於該研磨面，壓緊該內固定環；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並固定於該頂環本體；負荷傳遞構件，其傳達朝下之負荷於該頂環本體；及球面軸承，其可容許相對於該負荷傳遞構件之該頂環本體的傾斜移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為該頂環本體之傾斜移動中心位於該球面軸承之球面中心位置。
本發明之較佳態樣，其特徵為該頂環本體具備：載體，其保持該彈性膜；及垂直移動機構，其將該載體垂直移動。
本發明之其他態樣，係一種研磨裝置，其特徵為具備：上述基板保持裝置；及研磨台，其支持具有研磨面之研磨墊。
本發明之第三態樣係一種研磨方法，其特徵為藉由使研磨墊旋轉，供給研磨液於該研磨墊之研磨面上，並以上述基板保持裝置壓緊基板於該研磨面，而研磨該基板。
為了達成上述第二目的，本發明之第四態樣，係一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其獨立於該頂環本體而可垂直移動，其配置為包圍該基 板；內壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該內固定環；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並獨立於該內固定環及該頂環本體而可垂直移動；外壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該外固定環；及支持機構，其係在該基板之研磨中承受自基板加諸該內固定環之橫方向之力，同時不容許該橫方向之力自該內固定環傳遞至該外固定環。
本發明之較佳態樣，其特徵為該支持機構係配置於該頂環本體內。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內壓緊機構及該外壓緊機構，可將該內固定環及該外固定環各自獨立地壓緊於該研磨面。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內固定環係以該支持機構支持為可傾斜移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內固定環之傾斜移動之中心位於該支持機構下方。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內固定環之傾斜移動之中心位於該研磨面上或該研磨面附近。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內固定環係以該支持機構支持成為可垂直移動。
本發明之第五態樣，係一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；固定環，其係配置為包圍該基板，並與該研磨面接觸；及球面軸承，其支持該固定環為可傾斜移動，該固定環之傾斜移動之中心，位於該球面軸承之下方。
本發明之較佳態樣其特徵為進一步具備壓緊機構，其係相對於該研磨面壓緊該固定環，該固定環，構成為獨立於該頂環本體而可垂直移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為該固定環係以該球面軸承支持成可垂直移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為具備：中間輪，其係該球面軸承連結於該固定環，且具有部分球殻形狀；外輪，其自上方支持該中間輪為滑動自如；及內輪，其自下方支持該中間輪為滑動自如，該外輪、該中 間輪、及該內輪之滑動接觸面，具有較球面上半部分更小的部分球面形狀。
本發明之較佳態樣，其特徵為該外輪、該中間輪、及該內輪中至少1個該滑動接觸面係以陶瓷形成。
本發明之較佳態樣，其特徵為該固定環之傾斜移動之中心位於該研磨面上或該研磨面附近。
本發明之較佳態樣，其特徵為進一步具備外固定環，該固定環為內固定環，設置於該內固定環之半徑方向外側，並與該研磨面接觸。
本發明之較佳態樣，其特徵為進一步具備外壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該外固定環，該外固定環係獨立於該內固定環及該頂環本體而構成為可垂直移動。
本發明之第六態樣係一種基板保持裝置，其具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其係配置為包圍該基板，並接觸該研磨面；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並與該研磨面接觸；及阻封，其塞住該內固定環與該外固定環之間隙。
本發明之較佳態樣，其特徵為進一步具備內壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該內固定環，該內固定環係構成為獨立於該頂環本體而可垂直移動。
本發明之較佳態樣，進一步具備外壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該外固定環，該外固定環，構成為獨立於該內固定環及該頂環本體而可垂直移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為該內固定環與該外固定環，在該阻封下方不互相接觸。
本發明之較佳態樣，其特徵為進一步具備支持機構，其係在該基板之研磨中承受來自基板加諸於該內固定環之橫方向之力，同時支持該外固定環為可傾斜移動。
本發明之較佳態樣，其特徵為進一步具備支持機構，其係在該基板之研磨中自基板承受加諸於該內固定環之橫方向之力，同時不容許該橫方向之力自該內固定環傳遞至該外固定環。
本發明之較佳態樣，其特徵為該支持機構係配置於該頂環本體內。
本發明之第七態樣，係一種研磨裝置，其特徵為具備：上述基板保持裝置；及研磨台：其支持具有研磨面之研磨墊。
本發明之第八態樣，係一種研磨方法，其特徵為藉由將支持研磨墊之研磨台予以旋轉，在該研磨墊之研磨面上供給研磨液，並以上述基板保持裝置壓緊基板於該研磨面，而研磨該基板。
根據上述本發明之第一態樣，作用於基板之摩擦力經由內固定環而傳達至外固定環。間接承受基板之摩擦力的外固定環，在研磨中成為使支持機構之支點向中心傾斜的狀態。亦即，外固定環在研磨面之旋轉方向，於基板上游側於沉降方向傾斜，而在基板下游側，於凸出方向傾斜。如此在變更(例如，增大)傾斜狀態之外固定環之負荷之情形，在基板下游側區域，則發生最顯著地相對於研磨面之負荷變化。藉由以支持機構之支點為中心，使外固定環積極地傾斜，而為了提高原來之研磨速度，可在最容易受到負荷變化影響之下游側邊緣部之研磨輪廓加以變化。其結果，藉由外固定環之負荷調整，而可調整基板邊緣部全體之研磨輪廓。又，外固定環為了以支持機構支持為可垂直移動，故可加大外固定環磨損之容許量，可增長外固定環之使用壽命。
根據上述本發明之第二態樣，可獲得與上述第一態樣相同之效果。亦即，藉由將固定於頂環本體之外固定環以球面軸承積極地傾斜，並改變在下游側邊緣部之研磨輪廓，而可調整作為全體之基板邊緣部之研磨輪廓。
根據上述本發明之第四態樣，在自基板承受橫方向之力之內固定環之外周側，使外固定環以其他途徑配置。可使內固定環與外固定環各自獨立地壓緊研磨面。作用於內固定環之橫方向之力因受支持機構所擋住，在基板之研磨中使內固定環承受來自基板之橫方向之力，在外固定環並無作用。因此，可抑制外固定環之相對於研磨面之傾斜或局部的變形，外固定環可供予所期望之壓緊力於研磨面。
根據上述本發明之第五態樣，固定環之傾斜移動中心係位於 球面軸承下方位置。因此，降低固定環之傾斜移動之中心，而可接近研磨面上或研磨面。藉此，作用於固定環之力之力矩為0或為極小。因此，可抑制固定環之傾斜移動，固定環相對於研磨面，可供予所期望之壓緊力。進一步，將上述固定環作為內固定環，亦可在該內固定環外周側配置外固定環。外固定環因構成為不承受起因於基板與研磨面之摩擦力的橫方向之力，故不產生外固定環之相對於研磨面之傾斜或局部的變形。因此，外固定環可均勻地供予所期望之壓緊力於研磨面。
根據上述本發明之第六態樣，在承受來自基板之橫方向之力的內固定環外周側配置有外固定環。在具備內固定環與外固定環的基板保持裝置，在2個固定環上方，為了傳遞旋轉驅動力及壓緊力，故存在有各式各樣滑動接觸部。來自該等滑動接觸部之磨耗粉等有自2個固定環間隙落下至研磨面之情形。相反地亦有使研磨液(漿液)滲入基板保持裝置內，並妨礙基板保持裝置之動作之情形。根據本發明之第六態樣，係在內固定環與外固定環之間設置阻封。根據該阻封，可防止磨耗粉落下至研磨面，同時防止研磨液滲入基板保持裝置內。
0‧‧‧支點
1‧‧‧頂環
2‧‧‧研磨墊
2a‧‧‧研磨面
3‧‧‧研磨台
3a‧‧‧台軸
5‧‧‧研磨液供給機構
7‧‧‧頂環桿
8‧‧‧頂環頭
10‧‧‧頂環本體
15‧‧‧螺栓
16‧‧‧保養螺栓
20‧‧‧內固定環
20a，20b‧‧‧縱溝
20c‧‧‧徑向溝
20d‧‧‧凹部
21‧‧‧內環構件
22‧‧‧內驅動環
22a‧‧‧切口
24‧‧‧螺栓
30‧‧‧外固定環
30a‧‧‧縱溝
30b‧‧‧徑向溝
31‧‧‧外環構件
32‧‧‧外驅動環
32a‧‧‧切口
34‧‧‧螺栓
35‧‧‧貫通孔
41‧‧‧凸緣
42‧‧‧間隔件
43‧‧‧載體
43a，43g，43h‧‧‧凹部
45‧‧‧彈性膜
45a，45b‧‧‧波痕部
45c，45d‧‧‧邊緣
45f‧‧‧間隙
50‧‧‧邊緣保持架
51，52‧‧‧波狀保持架
51a，51b‧‧‧爪部
52a‧‧‧爪部
54，55‧‧‧止動器
60‧‧‧內壓緊機構
61‧‧‧內活塞
62‧‧‧內捲動隔膜
63‧‧‧內圓筒
64‧‧‧保持構件
65‧‧‧螺栓
68‧‧‧磁石
69‧‧‧內壓力室
70‧‧‧流路
80‧‧‧外壓緊機構
81‧‧‧外活塞
82‧‧‧外捲動隔膜
83‧‧‧外圓筒
84‧‧‧保持構件
85‧‧‧螺栓
88‧‧‧磁石
89‧‧‧外壓力室
90‧‧‧流路
100‧‧‧連結構件
101‧‧‧軸部
102‧‧‧輪輻
103‧‧‧螺栓
104‧‧‧貫通孔
111‧‧‧球面軸承
113‧‧‧外輪
113a‧‧‧突出緣
113b‧‧‧外輪內面
113c‧‧‧外輪之貫通孔
114‧‧‧中間輪
114a‧‧‧中間輪外面
114b‧‧‧中間輪內面
114c‧‧‧中間輪之貫通孔
115‧‧‧內輪
115a‧‧‧內輪外面
115b‧‧‧內輪之貫通孔
119‧‧‧止動器
120‧‧‧阻封
123‧‧‧密封片
125，127‧‧‧補強銷
126，128‧‧‧螺栓
130‧‧‧中心室
131‧‧‧波痕室
132‧‧‧外室
133‧‧‧邊緣室
140，141，142，143‧‧‧流路
150‧‧‧外環驅動軸環
152‧‧‧內環驅動銷
153‧‧‧內環驅動軸環
155‧‧‧止動銷
158‧‧‧密封構件
170‧‧‧球面軸承
173‧‧‧內輪
173a‧‧‧貫通孔
174‧‧‧外輪
175‧‧‧支持構件
200‧‧‧驅動凸緣
205‧‧‧扭力傳遞銷
210‧‧‧球面軸承
211‧‧‧球
212‧‧‧上半球支持面
213‧‧‧下半球支持面
220‧‧‧連接構件
230‧‧‧頂環基座
232‧‧‧彈性膜
233‧‧‧壓力室
240‧‧‧垂直移動機構
241‧‧‧伺服馬達
242‧‧‧球螺絲
243‧‧‧螺帽
244‧‧‧框架
A‧‧‧晶圓下游側區域
W‧‧‧晶圓
第一圖表示具備本發明一實施形態之基板保持裝置(頂環)的研磨裝置全體構成示意圖。
第二圖係第一圖所示頂環剖面圖。
第三圖係頂環之其他剖面圖。
第四圖係頂環之進一步其他剖面圖。
第五圖係頂環之平面圖。
第六圖係第二圖所示A-A線剖面圖。
第七圖係第四圖所示B-B線剖面圖。
第八圖係第一圖所示頂環部分擴大圖。
第九圖係球面軸承之擴大剖面圖。
第十A圖表示軸部相對於球面軸承進行垂直移動之樣態圖。
第十B圖表示軸部與中間輪一起傾斜移動之樣態圖。
第十C圖表示軸部與中間輪一起傾斜移動之樣態圖。
第十一圖係自上方所見研磨墊、晶圓、內固定環、外固定環之示意圖。
第十二A圖係自下方所見內固定環及外固定環之圖。
第十二圖B係第十二A圖所示C-C線剖面圖。
第十三A圖表示在內固定環與外固定環下面各自設置徑向溝之例之圖。
第十三B圖表示徑向溝其他例之圖。
第十三C圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十四A圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十四B圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十四C圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十五A圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十五B圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十五C圖表示徑向溝之進一步其他例之圖。
第十六圖表示形成貫通孔於外固定環之例之剖面圖。
第十七圖表示球面軸承其他構成例之圖。
第十八A圖表示軸部相對於球面軸承進行垂直移動樣態之圖。
第十八B圖表示軸部與內輪一起傾斜移動之樣態圖。
第十八C圖表示軸部與內輪一起傾斜移動之樣態圖。
第十九圖表示本發明基板保持裝置(頂環)之其他實施形態之剖面圖。
第二十圖係自上方所見第十九圖所示頂環本體、內固定環、及外固定環之圖。
第二十一圖表示第十九圖所示頂環一部分之擴大剖面圖。
第二十二圖表示第十九圖所示頂環之變形例之示意圖。
第二十三圖表示第十九圖所示頂環其他變形例之示意圖。
第二十四圖係進一步其他實施形態之頂環剖面圖。
第二十五圖係第二十四圖所示頂環其他剖面圖。
第二十六圖係第二十四圖所示頂環之進一步其他剖面圖。
第二十七圖係第二十四圖所示頂環平面圖。
第二十八圖係第二十四圖所示D-D線剖面圖。
第二十九圖係第二十六圖所示E-E線剖面圖。
第三十圖係第二十四圖所示頂環之部分擴大圖。
茲就本發明之實施形態參照圖式加以詳細說明。此外在圖式中於相同或相當之構成要素，係賦予相同之符號並省略重複的說明。
第一圖係表示具備本發明一實施形態之基板保持裝置的研磨裝置全體構成之示意圖。如第一圖所示，研磨裝置具備：研磨台3，其支持研磨墊2；及作為基板保持裝置頂環1，其保持為研磨對象物之晶圓W，而壓緊於研磨墊2。
研磨台3，經由台軸3a而與配置於其下方之馬達(圖未示出)連結，使其台軸3a對中心可旋轉。研磨墊2係黏貼於研磨台3上面，研磨墊2上面2a構成研磨晶圓W之研磨面。在研磨台3上方設置研磨液供給機構5，已能藉由該研磨液供給機構5而供給研磨液於研磨墊2上。
頂環1係連接於頂環桿7，該頂環桿7，已能藉由設置於頂環頭8內之垂直移動機構(圖未示出)而進行垂直移動。已能藉由該頂環桿7之垂直移動，而相對於頂環頭8，將頂環1全體如箭頭所示般予以升降，並予定位。進一步，頂環桿7已能藉由設置於頂環頭8內之旋轉機構(圖未示出)而旋轉。因此，頂環1係伴隨著頂環桿7之旋轉，如箭頭所示般，其本身軸心對中心旋轉。在上述頂環1之垂直移動機構及旋轉機構，可使用周知之技術。
頂環1及研磨台3係如箭頭所示旋轉，在此狀態下，頂環1，係壓住晶圓W於研磨墊2之研磨面2a。研磨液自研磨液供給機構5供給於研磨墊2上，在研磨液存在於研磨墊2及晶圓W之間的狀態下，藉由使晶圓W與研磨墊2之滑動接觸而研磨。
其後，就構成基板保持裝置之頂環1加以說明。第二圖至第四圖，係表示保持為研磨對象物之晶圓W，壓緊於研磨台3上研磨墊2之 研磨面2a的頂環1之圖，其係沿著複數之半徑方向而切斷的剖面圖。第五圖係頂環1之平面圖，第六圖係第二圖所示A-A線剖面圖，第七圖係第四圖所示B-B線剖面圖。
頂環1具備：頂環本體10，其相對於研磨面2a壓緊晶圓W；內固定環20，其配置成包圍晶圓W；及外固定環30，其配置為包圍該內固定環20。頂環本體10、內固定環20及外固定環30，係構成為藉由頂環桿7之旋轉而一體地旋轉。內固定環20係位於頂環本體10之半徑方向外側位置，外固定環30係位於內固定環20之半徑方向外側位置。內固定環20係獨立於頂環本體10及外固定環30而構成為可垂直移動。進一步，外固定環30，係獨立於頂環本體10及內固定環20，而構成為可垂直移動。
頂環本體10具備：圓形之凸緣41；間隔物42，其安裝於凸緣41下面；及載體43，其安裝於間隔件42之下面。凸緣41係藉由圖未示出之螺栓而連結於頂環桿7。如第四圖所示，間隔件42被螺栓15固定於凸緣41，載體43被保養螺栓16固定於間隔件42。第四圖表示保養螺栓16脫離載體43之狀態。由凸緣41，間隔件42，及載體43所構成之頂環本體10，係由工程塑膠(例如PEEK)等之樹脂所形成。此外，凸緣41亦可以SUS，鋁等金屬形成。
在載體43下面，安裝有抵接於晶圓W內面之彈性膜45。該彈性膜45，係藉由環狀之邊緣保持架50與環狀之波狀保持架(ripple holder)51，52，而安裝於載體43下面。邊緣保持架50係配置於載體43之外周部，波狀保持架51，52係配置於邊緣保持架50內側。彈性膜45，可藉由乙烯丙烯橡膠(EPDM)、聚烏拉坦橡膠、矽橡膠等之強度及耐久性優異的橡膠材來形成。
第八圖係第二圖所示內固定環20及外固定環30之擴大剖面圖。如第八圖所示，內固定環20配置於頂環本體10之外周部。該內固定環20具有：內環構件21，其與研磨墊2之研磨面2a(參照第一圖)接觸；及內驅動環22，其固定於該內環構件21上部。內環構件21，藉由複數個螺栓24而結合於內驅動環22。內環構件21被配置為包圍晶圓W之外周緣，在晶圓W之研磨中保持晶圓W，以使晶圓W不致自頂環1跳出。
內固定環20上部，係連結於內壓緊機構60，已能藉由該內壓緊機構60，而使內固定環20下面(亦即，內環構件21下面)相對於研磨墊2之研磨面2a予以壓緊。內驅動環22係由SUS等之金屬材料或陶瓷所構成，內環構件21係由PEEK或PPS等之樹脂材料所構成。
內壓緊機構60，具備：內活塞61，其固定於內驅動環22上部；內捲動隔膜(inner rolling diaphragm)62，其連接於內活塞61上面；及內圓筒63，其容置內捲動隔膜62。內捲動隔膜62上端被保持構件64所保持，該保持構件64被螺栓65固定於內圓筒63上部。
內固定環20係連接於內壓緊機構60為可拆卸。更具體言之，內活塞61係由金屬等磁性材料所形成，在內驅動環22上部配置複數個磁石68。該等磁石68係藉由吸引內活塞61，而使內固定環20以磁力固定於內活塞61。以內活塞61之磁性材料而言，可使用例如抗腐蝕性之磁性不銹鋼。此外，亦可以磁性材料形成內驅動環22，並配置磁石於內活塞61。
在內捲動隔膜62內部形成有內壓力室69。該內壓力室69，經由流路70(以示意圖表示)，連接於圖未示出之流體供給源。在自該流體供給源供給加壓流體(例如加壓空氣)至內壓力室69時，使內捲動隔膜62推下(push down)內活塞61至下方，進一步，內活塞61係推下內固定環20至下方。如此一來，內壓緊機構60，相對於研磨墊2之研磨面2a壓緊內固定環20下面(亦即，內環構件21下面)。內壓力室69進一步亦連接於真空泵(圖未示出)，藉由以該真空泵而在內壓力室69內形成負壓，而可使內固定環20上升。又，內壓力室69亦可連接大氣開放機構(圖未示出)，亦可將內壓力室69予以大氣開放。
外固定環30被配置為包圍內固定環20。該外固定環30具有：外環構件31，其與研磨墊2之研磨面2a接觸；及外驅動環32，其固定於該外環構件31上部。外環構件31藉由複數個螺栓34(參照第三圖)而結合於外驅動環32。外環構件31被配置為包圍內固定環20之內環構件21。在內環構件21及外環構件31之間形成有間隙，內環構件21及外環構件31經常保持非接觸。
外固定環30上部連結於外壓緊機構80，已能以該外壓緊機 構80，相對於研磨墊2之研磨面2a壓緊外固定環30下面(亦即，外環構件31下面)。外驅動環32係由SUS等金屬材料或陶瓷所構成，外環構件31係由PEEK或PPS等樹脂材料所構成。
外壓緊機構80，具備：外活塞81，其固定於外驅動環32上部；外捲動隔膜82，其連接於外活塞81上面；及外圓筒83，其容置外捲動隔膜82。外捲動隔膜82上端被保持構件84所保持，該保持構件84以螺栓85固定於外圓筒83上部。在本實施形態，內圓筒63及外圓筒83形成為一體。
外固定環30係連接於外壓緊機構80為可拆卸。更具體言之，外活塞81係由金屬等磁性材料所形成，在外驅動環32上部配置複數個磁石88。藉由使該等磁石88吸引外活塞81，而以磁力固定外固定環30於外活塞81。此外，亦可以磁性材料形成外驅動環32，並配置磁石於外活塞81。
在外捲動隔膜82內部形成有外壓力室89。該外壓力室89係經由流路90(以示意圖表示)連接於上述流體供給源。自該流體供給源供給加壓流體(例如加壓空氣)於外壓力室89時，則使外捲動隔膜82推下外活塞81至下方，進一步，外活塞81推下外固定環30至下方。如此一來，外壓緊機構80，相對於研磨墊2之研磨面2a，壓緊外固定環30下面(亦即，外環構件31下面)。外壓力室89，進一步亦連接於真空泵，藉由以該真空泵在外壓力室89內形成負壓，而可使外固定環30上升。又，外壓力室89亦可連接於大氣開放機構(圖未示出)，亦可將外壓力室89大氣開放。
在晶圓之研磨中，彈性膜45係相對於研磨墊2之研磨面2a壓緊晶圓W，同時使內固定環20及外固定環30直接壓緊研磨墊2之研磨面2a。內固定環20及外固定環30，構成為相對於頂環本體10可獨立地垂直移動，並各自連結於內壓緊機構60及外壓緊機構80。因此，內壓緊機構60及外壓緊機構80，可將內固定環20及外固定環30各自獨立地相對於研磨墊2之研磨面2a予以壓緊。
如第二圖所示，外固定環30經由連結構件100而連接於球面軸承111。該球面軸承111配置於內固定環20之半徑方向內側。連結構 件100具備：軸部101，其在配置於頂環本體10中心部之縱方向延伸；及複數之輪輻(spoke)102，其自該軸部101延伸成輻射狀。輪輻102之一端部係以複數個螺栓103而固定於軸部101，在輪輻102另一端部係固定於外固定環30之外驅動環32。在該實施形態，輪輻102及外驅動環32係一體地形成。
連結構件100之軸部101被在配置於頂環本體10中央部之球面軸承111，於縱方向支持為移動自如。以此種構成，而固定於連結構件100及連結構件100之外固定環30，相對於頂環本體10可於縱方向移動。在軸部101形成有在縱方向延伸之貫通孔104。該貫通孔104係在使軸部101對球面軸承111呈縱方向移動時，作為洩氣口(air vent port)作用，藉此，外固定環30相對於頂環本體10可在縱方向圓滑地移動。
第九圖係球面軸承111之擴大剖面圖。如第九圖所示，球面軸承111具備：中間輪114，其經由連結構件100連接於外固定環30；外輪113，自上方支持中間輪114成滑動自如；及內輪115，自下方支持中間輪114成滑動自如。中間輪114具有較球殻之上半部分更小的部分球殻形狀，並夾持於外輪113及內輪115之間。
在載體43中央部形成有凹部43a，外輪113配置於凹部43a內。外輪113在其外周部具有突出緣(brim)113a，藉由以螺栓(圖未示出)固定該突出緣113a於凹部43a之段部，而使外輪113固定於載體43，同時，可對中間輪114及內輪115施加壓力。內輪115係配置於凹部43a底面上，自下方支持中間輪114，以使中間輪114下面及凹部43a底面之間形成有間隙。
外輪113內面113b、中間輪114外面114a及內面114b、及內輪115外面115a，係由以支點0為中心的略半球面所構成。中間輪114外面114a與外輪113內面113b接觸成為滑動自如，中間輪114內面114b與內輪115外面115a接觸成為滑動自如。外輪113內面113b(滑動接觸面)、中間輪114外面114a及內面114b(滑動接觸面)，及內輪115外面115a(滑動接觸面)具有較球面之上半部分更小的部分球面形狀。藉由此種構成，中間輪114對外輪113及內輪115可在全方向(360°)傾斜移動，且為傾斜移動中 心之支點0位於較球面軸承111更下方之位置。
在外輪113、中間輪114及內輪115各自形成有***軸部101之貫通孔113c、114c、115b。在外輪113之貫通孔113c及軸部101之間，形成有間隙，同樣地，在內輪115之貫通孔115b及軸部101之間形成有間隙。中間輪114之貫通孔114c具有較外輪113及內輪115之貫通孔113c、115b更小的直徑，軸部101對中間輪114僅在縱方向可移動。因此，連結於軸部101之外固定環30，實質上不被容許在橫方向移動，而外固定環30之橫方向(水平方向)位置被球面軸承111所固定。
第十A圖表示軸部101對球面軸承111呈垂直移動之樣態，第十B圖及第十C圖表示軸部101與中間輪114一起傾斜移動之樣態。如第十A圖至第十C圖所示，連結於軸部101之外固定環30與中間輪114一體地以支點0為中心而可傾斜移動，且對中間輪114可上下移動。為傾斜移動中心的支點0位於外固定環30之中心軸線上。
球面軸承111可容許外固定環30之上下移動及傾斜移動，另一方面則限制外固定環30之橫方向移動(水平方向移動)，且不容許橫方向之力自外固定環30傳遞至內固定環20。在外固定環30及內固定環20之間配置有環狀止動器119。在晶圓之研磨中，內固定環20自晶圓承受起因於晶圓及研磨墊2之摩擦的橫方向之力(朝向晶圓之半徑方向外側之力)。該橫方向之力經由止動器119傳遞至外固定環30，最終係由球面軸承111所承受。如此，球面軸承111承受橫方向之力(朝向晶圓之半徑方向外側之力)，該橫方向之力係在晶圓研磨中起因於晶圓及研磨墊2之摩擦而使內固定環20承受自晶圓之力，同時作用作為支持機構，其限制外固定環30之橫方向移動(亦即固定外固定環30之水平方向位置)。
外固定環30係以支點0為中心而可傾斜移動，且在通過支點0之軸線上被球面軸承111支持為可垂直移動。在第九圖所示實施形態，支點0位於晶圓研磨中之研磨面2a稍上方之位置。晶圓研磨中之支點0之位置，較佳為研磨面2a上方0至40mm。在晶圓之研磨中，藉由晶圓及研磨墊2間之摩擦，而自晶圓施加橫方向(水平方向)之力至內固定環20。該橫方向之力，經由外固定環30，可以位於晶圓中心部上方位置的球面軸承 111承受。
經由內固定環20承受上述橫方向之力(晶圓及研磨墊2間之摩擦力)之外固定環30，係以球面軸承111而圓滑地傾斜移動。亦即，外固定環30，關於研磨面2a之旋轉方向(參照第十一圖之箭頭)，在晶圓上游側於沉降方向傾斜，而在晶圓下游側則於凸出方向傾斜。如此在變更(例如，增加)傾斜狀態之外固定環30之負荷之情形，則在晶圓下游側區域(參照第十一圖符號A)發生最顯著地對研磨面2a之負荷變化。藉由以球面軸承111之支點0為中心，將外固定環30積極地傾斜，而為了提高原來之研磨速度(研磨速率)，故可改變在最容易受到負荷變化影響之下游側邊緣部之研磨輪廓(profile)。其結果，藉由外固定環30之負荷調整，而可進行晶圓邊緣部全體之研磨輪廓之調整。又，為了使外固定環30藉由球面軸承111而支持為可垂直移動，則可加大外固定環30之磨損容許量，可延長外固定環30之使用壽命。
藉由設置此種外固定環30，而可改善晶圓邊緣部之研磨輪廓之控制性。在此，晶圓邊緣部係指位於晶圓最外周端之位置的寬約3mm之區域。在晶圓之研磨中，藉由在內固定環20外側將研磨墊2以外固定環30壓緊，而可控制晶圓邊緣部之研磨輪廓。為了控制此種外固定環30所致研磨墊反彈之效果，亦可變更內固定環20及外固定環30之間隔。內固定環20與外固定環30之間隔(更具體言之，內固定環20下面及外固定環30下面之間隔)較佳為0.1mm至3mm。
藉由調整外固定環30之相對於研磨面2a之負荷，而可調整晶圓邊緣部(自晶圓最外周端至約3mm內側為止之區域)之研磨輪廓，一方面，藉由調整內固定環20之相對於研磨面2a之負荷，而可調整晶圓之含有邊緣部之比較廣的區域(自晶圓最外周端至約15mm內側為止之區域)之研磨輪廓。
藉由使外固定環30本身與研磨面2a滑動接觸而產生的摩擦力，因外固定環30及研磨面2a之接觸面積小，故相較於在晶圓及研磨面2a之間產生的摩擦力則相當小。同樣地，藉由使內固定環20本身與研磨面2a進行滑動接觸，而亦發生摩擦力。作用於內固定環20之摩擦力，經由設 置於外固定環30及內固定環20間的止動器119，而傳導至外固定環30，最終是以為外固定環30的支持機構之球面軸承111所支持。止動器119具有環形狀，被安裝於內驅動環22之外周面。亦可安裝止動器119於外驅動環32之內周面。止動器119較佳為滑動性優異的樹脂材料所構成。止動器119之滑動接觸面之縱剖面形狀可為直線，亦可為曲線。亦可將止動器119一體形成為內驅動環22或外驅動環32。
在球面軸承111之外輪113、中間輪114、內輪115及連結構件100之軸部101中至少一個，較佳為使用碳化矽或氧化鋯等之陶瓷。在此情形，亦可自陶瓷僅形成滑動接觸面。例如，以陶瓷形成外輪113之滑動接觸面，並以金屬形成其他部分。藉由使用陶瓷，在提高滑動接觸面耐磨損性之同時，可減小滑動接觸面之表面粗度，而減低滑動接觸面之摩擦。為了減低外輪113、中間輪114、內輪115及軸部101之滑動接觸面摩擦，亦可將含有自身潤滑性高、摩擦係數低、耐磨損性優異的鐵氟龍(註冊商標)等被膜設置於滑動接觸面。進一步，在外輪113、中間輪114、內輪115及軸部101中至少1個之滑動接觸面，設置包含PTFE(四氟化乙烯)、PEEK(聚醚醚酮)或PPS(聚伸苯硫醚)等之樹脂材料的低摩擦材料亦可。或者使用添加了碳纖維等纖維及固體潤滑材料的樹脂材料，構成滑動接觸面亦可。
在外輪113、中間輪114、內輪115，及軸部101，可使用摩擦係數低、耐磨損性優異的金屬材料。但是，在研磨形成於晶圓的金屬膜時，為了測定研磨中金屬膜厚度，則有使用渦電流感測器(eddy current sensor)之情形。在此情形，於晶圓附近之球面軸承111使用為導電性材料之金屬時，則會有渦電流感測器之測定精度降低了之情況。因此，在球面軸承111及軸部101較佳為使用非導電性材料。
外固定環30，相對於頂環本體10及內固定環20成為可獨立地傾斜移動之結構。支持外固定環30為可傾斜移動及垂直移動的球面軸承111，因係設置於頂環本體10內部，且為了容置於載體43凹部43a，故來自球面軸承111滑動接觸面之磨耗粉，被封入頂環本體10內，而無落下至研磨面2a。
如第三圖所示，在內固定環20埋設有複數個補強銷(reinforcement pin)(增強構件)125。該等補強銷125，係以等間隔配置在內固定環20之周方向。各補強銷125在縱向延伸，以螺栓126固定於內驅動環22。補強銷125下端，係位於內環構件21下端附近位置，補強銷125上端，係位於內驅動環22內位置。以補強銷125之材料而言，可例舉不銹鋼等金屬材料或陶瓷。埋設於內固定環20之補強銷125，可提高內固定環20之剛性。因此，在晶圓之研磨中承受來自晶圓之橫方向之力時之內固定環20之變形可予減小，結果，內固定環20可更均勻地壓緊研磨墊2。
將補強銷125以螺栓126固定於內驅動環22為可移除之優點係如下述。為了提高內固定環20之剛性，只要盡可能將補強銷125之外徑、與嵌合補強銷125之內環構件21之孔直徑之差減小為理想。進一步複數個補強銷125與內環構件21之孔之校準(alignment)則非常重要。在補強銷125與內環構件21之孔位置稍有偏差狀態下安裝內環構件21之情形，則在內環構件21產生應變，就會妨礙研磨墊2之均勻的壓緊。因此，在將內環構件21安裝於內驅動環22時，則進行下述順序。首先準備固定補強銷125之螺栓126成為暫時定位(temporary tacking)之狀態，並使補強銷125在水平方向稍移動之狀態。其後在內環構件21之孔中嵌入補強銷125。藉此可吸收補強銷125與內環構件21之孔之校準偏差。其後，封入螺栓126並固定補強銷125，最後，則如第二圖所示，以螺栓24將內環構件21固定於內驅動環22。
如第二圖所示，即使在外固定環30亦埋設有複數個補強銷(增強構件)127。該等補強銷127，係以等間隔配置於外固定環30之周方向。各補強銷127在縱向延伸，以螺栓128而固定於外驅動環32。補強銷127下端係位於外環構件31下端附近位置，補強銷127上端，係位於外驅動環32內之位置。以補強銷127之材料而言，可例舉不銹鋼等金屬材料或陶瓷。埋設於外固定環30之補強銷127，可提高外固定環30之剛性。因此，可在晶圓之研磨中經由內固定環20使承受來自晶圓之橫方向之力時之外固定環30之變形減小。
為了提高外固定環30之剛性，只要盡量使補強銷127之外 徑、與嵌合補強銷127之外環構件31之孔之直徑差減小為理想。進一步複數個補強銷127與外環構件31之孔之校準非常地重要。在補強銷127與外環構件31之孔位置稍有偏差之狀態下，在安裝外環構件31之情形，則在外環構件31產生了應變。因此，在將外環構件31安裝於外驅動環32時係以下述順序進行。首先準備使固定補強銷127之螺栓128成為暫時定位之狀態，並使補強銷127在水平方向稍有移動之狀態。其後在外環構件31之孔嵌入補強銷127。藉此，可吸收補強銷127與外環構件31之孔校準偏差。其後，封入螺栓128，並固定補強銷127，最後，如第三圖所示，藉由螺栓34，而將外環構件31固定於外驅動環32。
如第八圖所示，在內固定環20與外固定環30之間，設置包含環狀之彈性膜的阻封120。阻封120係配置遍及內固定環20與外固定環30之全周，以塞住內固定環20與外固定環30之間隙。更具體言之，阻封120內側緣部係連接內驅動環22下端，阻封120外側緣部係連接外驅動環32下端。阻封120具有在上方彎曲(crooked)的逆U字型之剖面，由易於變形的材料所形成。例如，阻封120，可由乙烯丙烯橡膠(EPDM)、聚烏拉坦橡膠、矽橡膠等強度及耐久性優異的橡膠材料而形成。
阻封120，係在內環構件21及外環構件31上方，其配置於止動器119下方。內環構件21與外環構件31經常保持於非接觸，在阻封120下方，並無內固定環20與外固定環30接觸。因此，在阻封120下方並無產生磨耗粉。阻封120可容許內固定環20與外固定環30之相對移動，同時可防止在頂環本體10之內部產生的異物落下至研磨面2a，同時，可防止研磨液(漿液)自內固定環20與外固定環30之間隙滲入頂環本體10。
在頂環1外周部設置有連接頂環本體10與外固定環30之密封片123。密封片123為環狀彈性膜，配置遍及頂環本體10與外固定環30之全周，以塞住頂環本體10與外固定環30之間隙。更具體言之，密封片123上端連接於頂環本體10外周面下端，密封片123下端則連接於外固定環30外周面。密封片123具有風箱(bellows)形狀，以能在上下方向容易變形。與阻封120相同，密封片123，係藉由乙烯丙烯橡膠(EPDM)、聚烏拉坦橡膠、矽橡膠等強度及耐久性優異的橡膠材料所形成。
密封片123容許相對於頂環本體10之外固定環30之垂直移動，同時防止在頂環本體10內部產生的異物落下至研磨面2a，也可共同防止研磨液(漿液)自頂環本體10與外固定環30之間隙滲入頂環本體10。
通常，在晶圓研磨後，內固定環20與外固定環30，可以超純水或藥液等洗淨液洗淨。因此，在內固定環20與外固定環30之間隙，為了效率良好的導入洗淨液，故較佳為在內固定環20外周面及/或外固定環30內周面，形成複數個縱溝。
第十二A圖係自下方觀察內固定環20及外固定環30之圖，第十二B圖係第十二A圖所示C-C線剖面圖。在內環構件21內周面形成有複數個縱溝20a，在內環構件21外周面形成有複數個縱溝20b。進一步，在內環構件21下面，形成有在半徑方向延伸之徑向溝20c。縱溝20a，20b係自內固定環20下面(亦即，內環構件21下面)向上方延伸，並延伸至較徑向溝20c更高之上方。縱溝20a，20b及徑向溝20c，在內固定環20周方向設置成等間隔。徑向溝20c，係貫通內固定環20於其半徑方向，而縱溝20a，20b則不貫通內固定環20。縱溝20a，20b係在內固定環20之周方向配置成與徑向溝20c相同位置，縱溝20a，20b則連通於徑向溝20c。縱溝20a，20b具有與徑向溝20c相同寬度，而亦可較徑向溝20c之寬度為窄或為寬。
同樣地，在外環構件31內周面，形成有複數個縱溝30a，在外環構件31下面，形成有在半徑方向延伸之徑向溝30b。縱溝30a係自外固定環30下面(亦即，外環構件31下面)向上方延伸，並延伸至較徑向溝30b更高之上方。縱溝30a及徑向溝二30b係在外固定環30周方向設置成等間隔。徑向溝30b係貫通外固定環30於其半徑方向，而縱溝30a並不貫通外固定環30。縱溝30a，在外固定環30周方向係配置成與徑向溝30b相同位置，縱溝30a係連通於徑向溝30b。縱溝30a與徑向溝30b具有相同寬度，而亦可較徑向溝30a之寬度更窄或更寬。縱溝20a，20b及縱溝30a係位於較阻封120更下方位置。
供給於內固定環20及外固定環30下面的洗淨液，通過縱溝20b及縱溝30a而導入於內固定環20及外固定環30之間隙，並沖洗存在於該間隙之研磨液。進一步，洗淨液通過縱溝20a而導入於內固定環20及彈 性膜45之間隙，並沖洗存在於該間隙之研磨液。因此，內固定環20及外固定環30可保持其圓滑的動作。
在晶圓之研磨中，在研磨墊2之研磨面2a上供給研磨液。因此，晶圓係在晶圓與研磨墊2之間存在研磨液之狀態，以與研磨墊2之研磨面2a的滑動接觸而被研磨。因促進研磨液流入晶圓及研磨墊2之間，或為了促進已結束研磨作用之研磨液自晶圓與研磨墊2之間流出，故在內固定環20及外固定環30下面各自設置複數個徑向溝20c，30b。徑向溝20c，30b之剖面形狀或溝數，根據設置該徑向溝之目的而可適宜選擇。
第十三A圖至第十三C圖係表示在內固定環20及外固定環30下面各自設置徑向溝20c，30b之例之圖。在該例，徑向溝20c，30b係延伸於內固定環20及外固定環30之半徑方向。第十三A圖表示徑向溝30b之溝數與徑向溝20c之溝數相同之例，第十三B圖表示徑向溝30b之溝數較徑向溝20c之溝數為少之例，第十三C圖表示徑向溝20c之溝數較徑向溝30b之溝數為少之例。為了有效地進行研磨液之流入及流出，較佳為徑向溝20c，30b之周方向位置為一致。
第十四A圖至第十四C圖係表示在內固定環20與外固定環30下面各自設置之徑向溝20c，30b之其他例之圖。第十四A圖表示徑向溝30b之溝數與徑向溝20c之溝數相同之例，第十四B圖表示徑向溝30b之溝數較徑向溝20c之溝數為少之例，第十四C圖表示徑向溝20c之溝數較徑向溝30b之溝數為少之例。在該例，徑向溝20c，30b，相對於內固定環20及外固定環30之半徑方向呈傾斜。更具體言之，隨著內固定環20及外固定環30進行旋轉，以使研磨液自外固定環30及內固定環20外側流入內側，而徑向溝20c，30b，相對於內固定環20及外固定環30之旋轉方向(以箭頭表示)係向前方傾斜。
第十五A圖至第十五C圖，係表示設置於內固定環20及外固定環30下面之各自徑向溝20c，30b之進一步其他例之圖。第十五A圖表示徑向溝30b之溝數與徑向溝20c之溝數相同之例，第十五B圖表示徑向溝30b之溝數較徑向溝20c之溝數為少之例，第十五C圖表示徑向溝20c之溝數較徑向溝30b之溝數為少之例。即使在該例，徑向溝20c，30b相對 於內固定環20及外固定環30之半徑方向呈傾斜，不過傾斜方向則與第十四A圖至第十四C圖所示例相反。亦即，隨著內固定環20及外固定環30旋轉，而使研磨液自外固定環30及內固定環20之內側流出外側，徑向溝20c，30b相對於內固定環20及外固定環30之旋轉方向(以箭頭表示)在後方呈傾斜。
在內固定環20及外固定環30，徑向溝20c，30b之剖面形狀，寬度，溝數可為相異或相同。徑向溝20c，30b之深度即使在內固定環20，外固定環30耗損(depletion)時，亦可選擇有助於研磨液流入流出之深度。
在第十三圖至第十五圖，係表示具有徑向溝30b之外固定環30之例，而在欲抑制研磨液之流入或流出之情形，較佳為使用不具有徑向溝之外固定環30。在外固定環30不設置徑向溝之情形，如第十六圖所示，較佳為設置複數個貫通孔35，其自外固定環30之內周面延伸至外周面。該等貫通孔35係貫通外固定環30於其半徑方向，遍及外固定環30之全周而形成。藉由該等貫通孔30，而可進行內固定環20及外固定環30之圓滑的垂直移動。貫通孔35較佳為配置於阻封120及密封片123下方。此係為了避免研磨液侵入以阻封120或密封片123所圍繞的區域，及為了防止自所圍繞的區域使異物落下至研磨面2a。
茲就頂環1之詳細構成進一步說明如下。如第三圖所示，邊緣保持架50係被波狀保持架51所保持。波狀保持架51以複數個止動器54而安裝於載體43下部。如第四圖及第六圖所示，波狀保持架52係以複數個止動器55而安裝於載體43之下部。止動器54及止動器55在頂環1之圓周方向設為等間隔。
如第三圖所示，在彈性膜45中央部形成有中心室130。在波狀保持架52，形成有連通於中心室130之流路140，在載體43形成有連通於該流路140之流路141。該流路141係連接於圖未示出之流體供給源，已能使經加壓的流體(例如，加壓空氣)通過流路141及流路140而供給於中心室130。
已能使波狀保持架51以爪部51a壓下彈性膜45之波痕部45b至載體43下部，已能使波狀保持架52以爪部52a壓下彈性膜45之波 痕部45a至載體43下部。彈性膜45之邊緣45c以爪部51b被壓下至邊緣保持架50。
如第二圖所示，在彈性膜45之波痕部45a及波痕部45b之間形成有環狀之波痕室131。在彈性膜45之波狀保持架51與波狀保持架52之間形成有間隙45f，在載體43形成有連通於間隙45f及波痕室131之流路142。該流路142係連接於圖未示出之流體供給源，已能使經加壓的流體通過流路142而供給於波痕室131。又，該流路142在圖未示出之真空泵亦連接為可轉換。已能以真空泵之啟動，而可在彈性膜45下面吸附晶圓。
在波狀保持架51形成有流路(圖未示出)，其係連通於由彈性膜45之波痕部45b及邊緣45c所形成之環狀外室132。該波狀保持架51之流路連接於圖未示出之流體供給源，已能使經加壓的流體供給於外室132。
如第四圖及第八圖所示，已能使邊緣保持架50推壓彈性膜45邊緣45d而保持於載體43下部。在該邊緣保持架50形成有流路143，其係連通由彈性膜45邊緣45c及邊緣45d所形成之環狀邊緣室133。該邊緣保持架50之流路143，係連接於圖未示出之流體供給源，已能使經加壓的流體供給於邊緣室133。
如此，在本實施形態中於頂環1，形成於彈性膜45與頂環本體10之載體43間之壓力室，亦即，藉由調整供給於中心室130、波痕室131、外室132及邊緣室133之流體壓力，而已能就晶圓之每一部分調整將晶圓壓緊於研磨墊2之壓緊力。
使用於內壓緊機構60之捲動隔膜62(參照第八圖)因係包含具有彎曲的部分之彈性膜，故藉由以捲動隔膜62隔開之室69之內部壓力變化等，而可使其彎曲部藉由轉動而可擴開室69之空間。在擴開室69時，捲動隔膜62因不與內圓筒63滑動，且幾乎不伸縮，故滑動摩擦極少。因此，可使捲動隔膜62長壽命化，有著使內固定環20供予研磨墊2壓緊力可精度良好地調整的優點。又，即使內固定環20之內環構件21磨損，亦可將內固定環20之壓緊力維持於一定。使用於外壓緊機構80之捲動隔膜82，亦與內壓緊機構60之捲動隔膜62具有相同之構成，有著相同之優點。
如第六圖所示，連接外驅動環32及球面軸承111之連結構件100，具有輻射狀延伸之8支輪輻102。該等輪輻102各自容置於8條凹溝43g內，其係在載體43上面所形成之輻射狀延伸者。在載體43上設置有複數對外環驅動軸環150，150，各對外環驅動軸環150，150係配置於各輪輻102兩側。在第六圖所示例，設有四對外環驅動軸環150，150，對8支輪輻102中4支，各自配置四對外環驅動軸環150，150。
頂環本體10連接於頂環桿7，頂環本體10藉由頂環桿7而使之旋轉。頂環本體10之旋轉係自載體43經由複數對外環驅動軸環150，150而傳遞至輪輻102，且頂環本體10與外固定環30成為一體而旋轉。外環驅動軸環150係由PTFE、PEEK、PPS等之低摩擦材料所構成。在使外環驅動軸環150接觸之輪輻102兩側面實施鏡面處理，提高輪輻102兩側面之面粗度。此外，可在外環驅動軸環150實施鏡面處理，並在輪輻102兩側面以塗布等而設置低摩擦材料。
藉由此種構成，可提高外環驅動軸環150及輪輻102之滑動性。因此，外固定環30可圓滑地傾斜移動。又，因將自頂環本體10傳遞旋轉於外固定環30之旋轉驅動部(外環驅動軸環150及輪輻102)設置於頂環本體10內，故可將在旋轉驅動部產生之磨耗粉封入頂環本體10內。因此，不致使磨耗粉落下至研磨面2a，而可大幅減少起因於磨耗粉之刮痕(scratch)等晶圓之缺陷。
如第七圖所示，在內固定環20外周面形成有複數個凹部20d，在該複數個凹部20d配置有設置於外固定環30之內環驅動銷152。在內環驅動銷152外周面安裝有圓筒形之內環驅動軸環153。在第七圖表示內環驅動軸環153之水平剖面。該內環驅動軸環153係由PTFE、PEEK、PPS等低摩擦材料所形成。各凹部20d，具有在垂直方向延伸之兩側面，已能在外固定環30旋轉時，使內環驅動軸環153與凹部20d一側面接觸。外固定環30之旋轉，經由內環驅動銷152而傳遞於內固定環20，內固定環20及外固定環30係呈一體而旋轉。在凹部20d兩側面實施鏡面處理，與低摩擦材料之內環驅動軸環153接觸之凹部20d面粗度予以提高。
藉由此種構成，而可提高內環驅動軸環153及凹部20d之滑 動性。因此，外固定環30可圓滑地傾斜移動。進一步，內固定環20並無承受外固定環30之傾斜移動之影響，可均勻地供予所期望之壓緊力於研磨面2a。此外，在本實施例，係在內固定環20配置凹部20d，而在外固定環30配置內環驅動銷152，相反地可在內固定環20設置內環驅動銷，而在外固定環30設置凹部。在內環驅動銷152與內環驅動軸環153之間亦可設置橡膠襯墊。
如第四圖及第七圖所示，在內固定環20，固定有突出於半徑方向內方的複數個止動銷155。該等止動銷155，各自和緩地卡合於在頂環本體10之載體43所形成之縱方向延伸之複數個凹部43h。該等凹部43h在載體43外周面以等間隔形成。止動銷155在凹部43h上端及下端之間於縱方向可移動。換言之，內固定環20之相對於頂環本體10之上下移動，受到止動銷155及凹部43h所限制。亦即，在止動銷155與凹部43h之上端接觸時，內固定環20相對於頂環本體10成為最上方之位置，止動銷155在與載體43之凹部43h下端接觸時，內固定環20相對於頂環本體10成為最下方之位置。藉由此種構成，而防止內固定環20自頂環本體10落下。
如第四圖所示，內環驅動軸環153，在內固定環20所形成之凹部20d上端及下端之間於縱方向可移動。換言之，外固定環30之相對於內固定環20之上下移動，受到內環驅動軸環153及凹部20d所限制。亦即，在內環驅動軸環153與凹部20d上端接觸時，外固定環30相對於內固定環20成為最上方之位置，內環驅動軸環153在與凹部20d下端接觸時外固定環30相對於內固定環20成為最下方之位置。
如上述內活塞61及內固定環20，被磁力所固定。藉由此種構成，即使在研磨中使內固定環20承受振動之情形，內活塞61及內固定環20並不分離，而可防止因振動所致突發性內固定環20之上升。因此，可穩定內固定環20之壓緊力，減低晶圓自頂環1脫離(slip out)可能性。進一步，可將視頻繁的保養為必要的內固定環20，自無保養必要之內活塞61予以簡單地分開。因外活塞81及外固定環30亦同樣地被磁力所固定，故可獲得相同之優點。
如第四圖所示，在摘下保養螺栓16時，與內固定環20及外 固定環30一起，保持著彈性膜45的載體43自間隔件42分離。如此，因可將內固定環20、外固定環30及載體43自頂環1分離，故可容易地進行內固定環20及外固定環30之保養或彈性膜45之保養。如第六圖所示，在內驅動環22上面及外驅動環32上面各自設置切口(notch)22a，32a。在外固定環30之保養時，藉由在切口32a，例如藉由自外周側***薄板狀之構件，而可減低外固定環30及外活塞81之磁力，使該等容易分離。內固定環20與內活塞61，亦藉由***板狀之構件於切口22a而可同樣地分離。
如第八圖所示，在彈性膜45之邊緣(外周緣)45d，形成有連接彈性膜45與內固定環20之在上方彎曲形狀之密封構件158。該密封構件158係配置為塞住頂環本體10及內驅動環22之間隙，由易於變形的材料所形成。密封構件158，可容許頂環本體10與內固定環20之相對移動，同時防止異物自頂環1內落下至研磨面2a，進一步防止研磨液自頂環本體10與內固定環20之間隙滲入頂環1內。在本實施形態密封構件158係一體形成於彈性膜45之邊緣45d，具有逆U字型之剖面形狀。
在不設置密封片123、密封構件158，及阻封120之情形，則研磨液滲入至頂環1內，而阻礙了構成頂環1之頂環本體10、內固定環20及外固定環30之正常動作。根據本實施形態，可防止研磨液藉由密封片123、密封構件158及阻封120而滲入至頂環1，藉此，可使頂環1正常地動作。此外，彈性膜45、密封片123、密封構件158及阻封120係由乙烯丙烯橡膠(EPDM)，聚烏拉坦橡膠，矽橡膠等之強度及耐久性優異的橡膠材料所形成。
在本實施形態之頂環1，藉由供給於彈性膜45之中心室130、波痕室131，外室132，及邊緣室133之壓力，而可控制對晶圓之壓緊力，故在研磨中有必要使載體43位於自研磨墊2遠離上方之位置。因內固定環20及外固定環30獨立於頂環本體10而可垂直移動，故內固定環20及外固定環30即使磨損，也可維持研磨中晶圓與頂環本體10間之距離於一定。因此，可將晶圓之研磨輪廓予以穩定化。
第十七圖係表示球面軸承之其他構成例之圖。與第九圖所示構件相同者賦予相同之號碼。第十七圖所示球面軸承170具備：環狀之內 輪173；及外輪174，其支持內輪173外周面為滑動自如。內輪173經由連結構件100而連結於外固定環30。外輪174係固定於支持構件175，該支持構件175係固定於載體43。在載體43中央部形成有凹部43a，支持構件175係配置於凹部43a內。
內輪173之外周面具有切除上部及下部的球面形狀，其球面形狀之中心點(支點)0'位於內輪173之中心位置。外輪174之內周面係由沿著內輪173之外周面的凹面所構成，外輪174係支持內輪173為滑動自如。因此，內輪173相對於外輪174在全方向(360°)可傾斜移動。
內輪173之內周面，係構成使軸部101挿入之貫通孔173a。軸部101相對於內輪173僅在縱方向為可移動。因此，連結於軸部101之外固定環30，在橫方向移動實質上不被容許，而外固定環30橫方向(水平方向)之位置被球面軸承170所固定。
第十八A圖表示軸部101相對於球面軸承170呈垂直移動之樣態，第十八B圖及第十八C圖表示軸部101與內輪173一起傾斜移動之樣態。軸部101及連接該軸部101之外固定環30(在第十八A圖至第十八C圖圖未示出)，與內輪173一體地以支點0'為中心而可傾斜移動，且相對於內輪173可上下移動。
第十七圖所示球面軸承170，具有與第九圖所示球面軸承111相同之功能，而為球面軸承170之傾斜移動中心的支點0'，位於較球面軸承111之支點0更高的位置。更具體言之，支點0'係位於球面軸承170之內部位置。即使是該構成，球面軸承170可圓滑且積極的傾斜移動外固定環30，該外固定環30係經由內固定環20而間接地承受晶圓及研磨墊2之摩擦力。
第十九圖表示本發明之基板保持裝置(頂環)之其他實施形態之剖面圖。第二十圖係如第十九圖所示，自上方觀察頂環本體、內固定環及外固定環之圖。第二十一圖係表示第十九圖所示頂環之一部分擴大剖面圖。在第二圖至第八圖所示與上述實施形態相同或對應之要素，賦予相同符號，其重複說明予以省略。
頂環1具有配置於間隔件42上方之驅動凸緣(負荷傳遞構 件)200。該驅動凸緣200係固定於頂環桿7下端，已能與頂環桿7一起，使驅動凸緣200旋轉。驅動凸緣200之旋轉，係經由固定於間隔件42上面之複數個扭力傳遞銷205而傳遞至間隔件42。
在驅動凸緣200與間隔件42之間，配置球面軸承210。該球面軸承210具備：球211，其為陶瓷等之硬質球；上半球支持面212，其自上方支持該球211成滑動自如；及下半球支持面213，其自下方支持球211成滑動自如。上半球支持面212係形成於驅動凸緣200下面，使驅動凸緣200構成球面軸承210之一部分。下半球支持面213形成於間隔件42上面，使間隔件42構成球面軸承210之一部分。
驅動凸緣200與扭力傳遞銷205並無互相固定，而僅驅動凸緣200之外周部連接於扭力傳遞銷205之外周面。因此，由凸緣41、間隔件42及載體43所構成之頂環本體10，係以球面軸承210相對於驅動凸緣200在全方向(360°)可傾斜移動。該球面軸承210之傾斜移動中心位於球211之中心位置，位於外固定環30之中心軸線上。驅動凸緣200、凸緣41、間隔件42，則以不銹鋼或鋁等金屬或陶瓷等剛性較高的材料所形成為理想。
頂環桿7之朝下之負荷及扭力，通過驅動凸緣200而傳遞至頂環本體10。亦即，頂環桿7之朝下之負荷，經由驅動凸緣200及球面軸承210，被傳遞至頂環本體10，頂環桿7之扭力，經由驅動凸緣200及扭力傳遞銷205而傳遞至頂環本體10。
在本實施形態，係設置內壓緊機構60，而無設置外壓緊機構80(參照第二圖至第五圖)。外固定環30係堅固地固定於頂環本體10。因此，外固定環30與頂環本體10一體地傾斜移動、旋轉且垂直移動。外驅動環32經由連接構件220而固定於凸緣41，外環構件31被固定於外驅動環32下端。外驅動環32與連接構件220被一體地形成。
在外固定環30，固定有突出於其半徑方向內側的內環驅動銷152，在內環驅動銷152安裝有內環驅動軸環153為可旋轉。在內驅動環22之外周面，形成有凹部20d，其係容置內環驅動軸環153為可垂直移動自如。藉由此種構成，外固定環30之旋轉，經由內環驅動銷152及內環驅動軸環153而傳遞至內固定環20。因此，內固定環20係與外固定環30及 頂環本體10一體地旋轉。
外固定環30雖與頂環本體10一體地垂直移動，不過內固定環20相對於外固定環30及頂環本體10為獨立而可垂直移動。安裝於頂環桿7之驅動凸緣200，傳導朝下之負荷於頂環本體10及外固定環30。圖雖未示出，不過頂環桿7係構成為以空氣缸而予以升降，通過驅動凸緣200被供予至頂環本體10及外固定環30之向下之負荷，係由該空氣缸所調整。
在晶圓之研磨中，形成於彈性膜45及頂環本體10間之壓力室，亦即，在中心室130、波痕室131、外室132及邊緣室133係供給於加壓流體。相同地，即使在內壓緊機構60之內壓力室69亦供給加壓流體。因此，頂環本體10自該等壓力室承受向上之反力(reaction force)。外固定環30所供予研磨墊2之負荷通過驅動凸緣200，自加諸於頂環本體10之向下之負荷成為拉回該向上之反力的負荷。藉由變更自上述空氣缸供予頂環桿7之朝下之負荷，而可變更相對於外固定環30之研磨墊2之負荷。
與前述實施形態相同，在研磨中施加於內固定環20之橫方向之力(晶圓及研磨墊2之摩擦力)，經由止動器119被傳導至外固定環30，最終是由被配置於晶圓中心部上方(頂環本體10上部)之球面軸承210所承受。進一步，外固定環30之橫方向動作因球面軸承210而受限制。
使用球面軸承210於頂環本體10之支持之優點係如下述。藉由使用球面軸承210，而即使在頂環本體10承受較小的橫方向之力之情形，外固定環30在傾斜移動中心周圍可容易地傾斜。一方面，在以隔膜等之變形而使頂環本體傾斜移動之構成，因為使隔膜變形而必須有較大的力，故會有頂環本體無法容易地傾斜移動之問題。該問題對相對於研磨面之頂環桿之垂直度產生較大的影響。
在以隔膜等之變形而使頂環本體傾斜移動之構成，因為了傾斜移動而必須有較大的力，故不再能充分吸收相對於研磨面之頂環桿之垂直度偏差。進一步藉由在研磨時承受產生的晶圓與研磨面之摩擦力使隔膜變形，而使頂環本體傾斜。此時頂環本體之傾斜之總量，主要係由(1)「因頂環桿垂直度之偏差吸收所致變形」及(2)「因承受摩擦力所致變形」來決定。上述要因(1)，與在裝置間不勻變大，每一裝置造成頂環本體之傾斜不 同之問題密切相關。又，在以隔膜等之變形而使頂環本體及固定環依從於研磨面時，該傾斜移動之中心並不存在於晶圓中心軸線上。因此，藉由將固定環傾斜移動，而集中供予負荷於位於晶圓下游側位置之研磨墊則有困難。
根據使用球面軸承210的本實施形態，即使相對於研磨面2a之頂環桿7之垂直度有些許的偏差之情形，頂環本體10在球面軸承210之傾斜移動中心周圍可容易地傾斜移動而依從於研磨面2a。進一步，承受在研磨時產生的晶圓及研磨面2a之摩擦力，而使頂環本體10及外固定環30可圓滑地傾斜。如此，在位於晶圓中心軸線上之傾斜移動中心周圍，藉由將外固定環30予以積極地傾斜移動，而可集中供予負荷於位於晶圓下游側位置的研磨墊2之區域。又，因頂環本體10係以金屬或陶瓷等剛性較高之材料所形成，故將頂環本體10之變形影響抑制為小，而可以球面軸承210圓滑地進行傾斜移動。
第二十二圖係表示第十九圖所示頂環之變形例之示意圖。該例之頂環本體10，基本上由頂環基座230與保持彈性膜45之載體43所構成。球面軸承210係設置於頂環基座230與驅動凸緣(負荷傳遞構件)200之間，頂環基座230相對於驅動凸緣200可自由地傾斜移動。外固定環30係固定於頂環基座230，外固定環30可與頂環基座230一體地傾斜移動。頂環基座230係如第十九圖所示，為相當於凸緣41及間隔件42之構件。
載體43，自頂環基座230分離，經由彈性膜232而連接於頂環基座230。載體43相對於頂環基座230可垂直移動。藉由載體43、頂環基座230及彈性膜232而形成有壓力室233，藉由供給加壓流體於該壓力室233，而可使載體43及彈性膜45下降，進一步藉由在壓力室233形成負壓，而可使載體43及彈性膜45上升。如此，壓力室233係構成為使載體43及彈性膜45垂直移動之垂直移動機構。
第二十三圖係表示第十九圖所示頂環之其他變形例之示意圖。在該例，上述彈性膜232並無設置，而替代以使載體43經由垂直移動機構240連接於頂環基座230。該垂直移動機構240具備：伺服馬達241，其係固定於頂環基座230；球螺絲242，其係以伺服馬達241而旋轉；螺帽 243，其使球螺絲242進行螺紋接合(thread engage)；及框架244，其保持螺帽243。框架244係固定於載體43。藉由以伺服馬達241旋轉球螺絲242，而使載體43及彈性膜45，相對於頂環基座230可進行垂直移動。其他構成則與第二十二圖所示構成相同。
在本實施形態，為了使外固定環30固定於頂環本體10，故在外固定環30磨損時，造成相對於研磨面2a之頂環本體10之高度變化。在頂環本體10之高度變化時，則彈性膜45之延伸量變化，或會有將研磨後之晶圓自研磨面2a予以穩定而提升造成困難之情形。因此，藉由上述壓力室233或垂直移動機構240，可依照外固定環30之磨損，而調整載體43之高度(縱方向之位置)。進一步，可以壓力室233或垂直移動機構240使載體43上升，而將晶圓自研磨面2a提升。
在上述實施形態，係在晶圓之大致全面配置彈性膜45，不過並非限定於此，只要彈性膜45抵接晶圓之至少一部分則可。又，在上述實施形態，係在彈性膜45配置中心室130、波痕室131、外室132及邊緣室133之四室，而並無限定於此，亦可在彈性膜45配置較四室為少之室，亦可配置多於四室之室。尤其是藉由配置多於四室之室，而可控制比晶圓之半徑方向更窄範圍之研磨輪廓。
其後，就構成基板保持裝置之頂環1之進一步其他實施形態加以說明。第二十四圖至第二十六圖係頂環1之進一步其他實施形態之圖，其為沿著複數個半徑方向而切斷的剖面圖。第二十七圖係第二十四圖至第二十六圖所示頂環1之平面圖，第二十八圖係第二十四圖所示D-D線剖面圖，第二十九圖係第二十六圖所示E-E線剖面圖。在無特別說明的本實施形態之頂環1之構成及動作，與參照第二圖至第十六圖說明的構成及動作相同。
頂環1具備：頂環本體10，其相對於研磨面2a壓緊晶圓W；內固定環20，其配置為包圍晶圓W；及外固定環30，其配置為包圍該內固定環20。頂環本體10、內固定環20及外固定環30，係構成為以頂環桿7之旋轉而一體地旋轉。內固定環20位於頂環本體10之半徑方向外側位置，外固定環30位於內固定環20之半徑方向外側位置。內固定環20構成為獨 立於頂環本體10及外固定環30而可垂直移動。進一步，外固定環30係構成為獨立於頂環本體10及內固定環20而可垂直移動。在載體43下面，安裝有抵接於晶圓W內面之彈性膜45。
第三十圖係第二十四圖所示內固定環20及外固定環30之擴大剖面圖。如第三十圖所示，內固定環20係配置於頂環本體10之外周部。該內固定環20具有：內環構件21，其與研磨墊2之研磨面2a(參照第一圖)接觸；及內驅動環22，其固定於該內環構件21上部。內環構件21係藉由複數個螺栓24而結合於內驅動環22。內環構件21，係配置為包圍晶圓W外周緣，在晶圓W之研磨中係保持晶圓W，以使晶圓W不致自頂環1跳出。
內固定環20上部係以內壓緊機構60所連結，已能以該內壓緊機構60，而使內固定環20下面(亦即，內環構件21下面)相對於研磨墊2之研磨面2a予以壓緊。內驅動環22係由SUS等之金屬材料或陶瓷所構成，內環構件21係由PEEK或PPS等樹脂材料所構成。
內固定環20係連接於內壓緊機構60而可拆卸。更具體言之，內活塞61係由金屬等之磁性材料所形成，在內驅動環22上部配置有複數個磁石68。藉由使該等磁石68吸引內活塞61，而以磁力固定內固定環20於內活塞61。以內活塞61之磁性材料而言，例如，係使用抗腐蝕性之磁性不銹鋼。此外，亦可以磁性材料形成內驅動環22，亦可配置磁石於內活塞61。
外固定環30係配置為包圍內固定環20。該外固定環30具有：外環構件31，其與研磨墊2之研磨面2a接觸；及外驅動環32，其固定於該外環構件31上部。外環構件31係以複數個螺栓34(參照第二十五圖)而結合於外驅動環32。外環構件31係配置為包圍內固定環20之內環構件21。在內環構件21與外環構件31間形成有間隙，內環構件21與外環構件31經常保持為非接觸。
外固定環30之上部，與外壓緊機構80連結，已能藉由該外壓緊機構80而使外固定環30下面(亦即，外環構件31下面)相對於研磨墊2之研磨面2a而壓緊。外驅動環32係由SUS等之金屬材料或陶瓷所構成， 外環構件31係由PEEK或PPS等之樹脂材料所構成。
外固定環30係連結於外壓緊機構80為可拆卸。更具體言之，外活塞81係由金屬等磁性材料所形成，在外驅動環32上部配置有複數個磁石88。藉由使該等磁石88吸引外活塞81，而以磁力固定外固定環30於外活塞81。此外，亦可將外驅動環32以磁性材料形成，並配置磁石於外活塞81。
在晶圓之研磨中，在使彈性膜45相對於研磨墊2之研磨面2壓緊晶圓W之同時，使內固定環20與外固定環30直接壓緊研磨墊2之研磨面2a。內固定環20與外固定環30係構成為相對於頂環本體10可獨立地垂直移動，並連結於各自內壓緊機構60及外壓緊機構80。因此，內壓緊機構60及外壓緊機構80，係各自獨立地相對於研磨墊2之研磨面2a，壓緊內固定環20及外固定環30。
第二十四圖至第三十圖所示頂環1，在使內固定環20連結於球面軸承111，以替代外固定環30之點，則與第二圖至第十六圖所示頂環1不同。如第二十四圖所示，內固定環20，經由連結構件100而連結於球面軸承111。該球面軸承111係配置於內固定環20之半徑方向內側。球面軸承111之構成、位置、及動作，係與第九圖及第十A圖至第十C圖所示構成、位置及動作相同，故其重複說明予以省略。
連結構件100具備：軸部101，其在配置於頂環本體10之中心部之縱方向延伸；及複數個輪輻102，其自該軸部101延伸成輻射狀。輪輻102之一端部，係藉由複數個螺栓103而固定於軸部101，輪輻102之另一之端部，係固定於內固定環20之內驅動環22。在該實施形態，輪輻102與內驅動環22係一體地形成。內固定環20經由連結構件100而連接於中間輪114(參照第九圖)。
連結構件100之軸部101，被配置於頂環本體10中央部之球面軸承111，於縱方向支持為移動自如。藉由此種構成，固定於連結構件100及連結構件100的內固定環20，相對於頂環本體10可於縱方向移動。
如第九圖所示，中間輪114之貫通孔114c，具有較外輪113及內輪115之貫通孔113c、115b更小的直徑，軸部101對中間輪114僅可 在縱方向移動。因此，連結於軸部101之內固定環20，其向橫方向移動實質上不被容許，內固定環20之橫方向(水平方向)之位置被球面軸承111所固定。
連結於軸部101之內固定環20，係如第十A圖至第十C圖所示，與中間輪114一體地以支點0為中心而可傾斜移動，且對中間輪114可上下移動。
球面軸承111，可容許內固定環20之上下移動及傾斜移動，一方面則限制內固定環20之橫方向之移動(水平方向之移動)，且不容許上述橫方向之力自內固定環20傳遞至外固定環30。因此，球面軸承111，在晶圓之研磨中，起因於晶圓與研磨墊2之摩擦而使內固定環20承受來自晶圓之橫方向之力(朝向晶圓之半徑方向外側之力)，在承受此橫方向之力之同時，則作用作為支持機構，其係限制內固定環20之橫方向之移動(亦即固定內固定環20之水平方向之位置)。
內固定環20，係以支點0為中心而可傾斜移動，且被於通過支點0之軸線上可垂直移動的球面軸承111所支持。該支點0，較佳為盡可能位於接近晶圓之研磨中研磨墊2之研磨面2a(亦即，研磨墊2與晶圓之接觸面)位置。在第九圖所示實施形態，支點0位於較晶圓之研磨中研磨面2a稍上方之位置。晶圓研磨中支點0之位置，較佳為研磨面2a之上方-15mm至15mm，更佳為-5mm至5mm。在此，-15mm係表示支點0位於研磨面2a下方15mm之位置之情形。支點0位於晶圓研磨中研磨墊2之研磨面2a上，亦即，最佳為支點0與研磨面2a之距離為0。此係因為支點0在研磨面2a上時，晶圓與研磨面2a之摩擦力作為傾斜內固定環20之力之力矩，實質上不作用。
藉由採用上述球面軸承111，而使傾斜內固定環20之力之力矩為0或變的非常小。因此，可抑制內固定環20之傾斜為小，內固定環20可均勻的給予所期望之壓緊力於研磨面2a。
根據如上述所構成之支持內固定環20及內固定環20之球面軸承111，在晶圓之研磨中，內固定環20係以球面軸承111而圓滑地傾斜移動。晶圓之研磨中，係藉由晶圓與研磨墊2間之摩擦，而自晶圓施加橫 方向(水平方向)之力於內固定環20。該橫方向之力可承受位於晶圓中心部上方位置之球面軸承111，且內固定環20之橫方向之動作被球面軸承111所限制。因此，自內固定環20在外固定環30無橫方向之力作用，相對於外固定環30之研磨面之傾斜變小。又，與內固定環20不同，因外固定環30不承受來自晶圓之力，故外固定環30並無局部地變形。因此，外固定環30對研磨面2a可均勻地給予所期望之壓緊力。
藉由使外固定環30本身與研磨面2a滑動接觸而產生的摩擦力，為了使外固定環30與研磨面2a之接觸面積減小，相較於在晶圓與研磨面2a之間產生的摩擦力為相當小。作用於該外固定環30之摩擦力，經由設置於外固定環30與內固定環20之間的止動器119，而傳導至內固定環20，最終以為內固定環20之支持機構的球面軸承111所支持。止動器119具有環形狀，並安裝於內驅動環22外周面。亦可將止動器119安裝於外驅動環32內周面。止動器119較佳為由滑動性優異的樹脂材料所構成。止動器119之滑動接觸面之縱剖面形狀可為直線，亦可為曲線。
內固定環20，相對於頂環本體10及外固定環30成為可獨立地傾斜移動之結構。支持內固定環20為可傾斜移動及可垂直移動之球面軸承111，由於係設置於頂環本體10之內部，且可容置於載體43之凹部43a，故來自球面軸承111之滑動接觸面之磨耗粉，被封入頂環本體10內，而無落下至研磨面2a。
外固定環30，可在晶圓研磨中將研磨墊2之研磨面2a均勻地壓緊。以設置此種外固定環30之效果而言，可例舉晶圓邊緣部之研磨輪廓控制性之改善。在此，晶圓之邊緣部，係指位於晶圓最外周端位置之寬約3mm之區域。在晶圓之研磨中，藉由於內固定環20外側將研磨墊2以外固定環30壓緊，而可控制晶圓邊緣部之研磨輪廓。為了控制此種外固定環30所致研磨墊反彈之效果，則亦可變更內固定環20與外固定環30之間隔。內固定環20與外固定環30之間隔(更具體言之，內固定環20下面與外固定環30下面之間隔)較佳為0.1mm至3mm。
在本實施形態之頂環1中，因係藉由供給於彈性膜45之中心室130、波痕室131、外室132及邊緣室133之壓力，而控制相對於晶圓 之壓緊力，故在研磨中，有必要使載體43成為自研磨墊2遠離上方之位置。因內固定環20及外固定環30係獨立於頂環本體10而可垂直移動，故即使內固定環20及外固定環30磨損，亦可維持研磨中晶圓與頂環本體10間之距離於一定。因此，可將晶圓之研磨輪廓予以穩定化。
就頂環1進一步詳細說明。如第二十八圖所示，連結內驅動環22與球面軸承111之連結構件100，具有輻射狀延伸之8支輪輻102。該等輪輻102各自容置於載體43上面所形成之輻射狀延伸的8條凹溝43g內。在載體43設置有複數對內環驅動軸環150，150，各對內環驅動軸環150，150係配置於各輪輻102之兩側。在第二十八圖所示例，設置有四對內環驅動軸環150，150，在8支輪輻102中之四支，各自配置四對內環驅動軸環150，150。
頂環本體10係連接於頂環桿7，頂環本體10藉由頂環桿7而旋轉。頂環本體10之旋轉係自載體43經由複數對內環驅動軸環150，150而傳遞至輪輻102，頂環本體10與內固定環20成為一體而旋轉。內環驅動軸環150係由PTFE、PEEK、PPS等之低摩擦材料所構成。在使內環驅動軸環150接觸之輪輻102之兩側面實施鏡面處理，並提高輪輻102兩側面之面粗度。此外，在內環驅動軸環150實施鏡面處理，在輪輻102之兩側面亦可以塗布等而設置低摩擦材料。
藉由此種構成，可提高內環驅動軸環150與輪輻102之滑動性。因此，可使內固定環20圓滑地傾斜移動，可均勻地供予所期望之壓緊力於研磨面2a。又，因將自頂環本體10傳遞旋轉於內固定環20之旋轉驅動部(內環驅動軸環150及輪輻102)設置於頂環本體10內，故可將在旋轉驅動部發生之磨耗粉封入頂環本體10內。因此，磨耗粉不致落下研磨面2a，而可大幅減少起因於磨耗粉之刮痕等晶圓之缺陷。
如第二十九圖所示，在內固定環20外周面，形成有複數個凹部20d，在該複數個凹部20d，配置有設置於外固定環30的外環驅動銷152。在外環驅動銷152外周面，安裝有圓筒形之外環驅動軸環153。在第二十九圖，表示外環驅動軸環153之水平剖面。該外環驅動軸環153係由PTFE、PEEK、PPS等之低摩擦材料所形成。各凹部20d具有在垂直方向延 伸之兩側面，在使內固定環20旋轉時，已能使外環驅動軸環153接觸凹部20d之一側面。內固定環20之旋轉係經由外環驅動銷152而傳遞至外固定環30，內固定環20與外固定環30成為一體而旋轉。在凹部20d兩側面實施鏡面處理，使低摩擦材料之外環驅動軸環153接觸之凹部20d之面粗度予以提高。
藉由此種構成，可提高外環驅動軸環153與凹部20d之滑動性。因此，內固定環20可圓滑地傾斜移動，同時，可均勻地供予所期望之壓緊力於研磨面2a。進一步，外固定環30不致受到內固定環20之傾斜移動之影響，可均勻地供予所期望之壓緊力於研磨面2a。此外，在本實施例，係配置凹部20d於內固定環20，而配置外環驅動銷152於外固定環30，而相反地，亦可設置外環驅動銷於內固定環20，設置凹部於外固定環30。在外環驅動銷152與外環驅動軸環153之間亦可設置橡膠襯墊。
如第二十六圖及第二十九圖所示，在內固定環20，固定有在半徑方向內方突出的複數個止動銷155。該等止動銷155，各自和緩地卡合於複數個凹部43h，其係在頂環本體10之載體43所形成之於縱方向延伸者。該等凹部43h以等間隔形成於載體43外周面。止動銷155，在凹部43h上端及下端之間可在縱方向移動。換言之，相對於內固定環20之頂環本體10之上下移動，受到止動銷155及凹部43h所限制。亦即，止動銷155在接觸凹部43h上端時，內固定環20相對於頂環本體10成為最上方之位置，在使止動銷155與載體43凹部43h下端接觸時，內固定環20相對於頂環本體10成為最下方之位置。藉由此種構成，可防止內固定環20自頂環本體10落下。
如第二十六圖所示，外環驅動軸環153，在內固定環20所形成凹部20d上端與下端之間可於縱方向移動。換言之，外固定環30之相對於內固定環20之上下移動，受外環驅動軸環153及凹部20d所限制。亦即，在使外環驅動軸環153與凹部20d上端接觸時，外固定環30相對於內固定環20成為最上方之位置，外環驅動軸環153與凹部20d下端接觸時，外固定環30相對於內固定環20成為最下方之位置。藉由此種構成，可防止外固定環30自內固定環20，亦即自頂環本體10落下。
如第三十圖所示，在內固定環20與外固定環30之間，設置包含環狀彈性膜之阻封120。阻封120係遍及內固定環20與外固定環30之全周而配置，以不致塞住內固定環20與外固定環30之間隙。更具體言之，阻封120之內側緣部與內驅動環22下端連接，阻封120外側緣部與外驅動環32下端連接。阻封120具有在上方彎曲的逆U字型之剖面，由易於變形之材料所形成。例如，阻封120可由乙烯丙烯橡膠(EPDM)，聚烏拉坦橡膠，矽橡膠等強度及耐久性優異的橡膠材料所形成。
阻封120係在內環構件21及外環構件31上方，其配置於止動器119下方。內環構件21與外環構件31經常保持成非接觸，在阻封120下方，並無內固定環20與外固定環30接觸。因此，在阻封120下方不發生磨耗粉。阻封120，可容許內固定環20與外固定環30之相對移動，同時，防止在頂環本體10之內部發生的異物落下研磨面2a，同時，可防止研磨液(漿液)自內固定環20與外固定環30之間隙滲入頂環本體10。
在頂環1之外周部，設置連接頂環本體10與外固定環30之密封片123。密封片123為環狀彈性膜，遍及頂環本體10與外固定環30之全周配置，以塞住頂環本體10與外固定環30之間隙。更具體言之，密封片123上端連接於頂環本體10外周面下端，密封片123下端連接於外固定環30外周面。其具有風箱形狀以使密封片123在上下方向易於變形。與阻封120相同，密封片123，係藉由乙烯丙烯橡膠(EPDM)、聚烏拉坦橡膠、矽橡膠等之強度及耐久性優異的橡膠材料所形成。
密封片123，可容許相對於頂環本體10之外固定環30之垂直移動，同時，防止在頂環本體10之內部發生的異物落下至研磨面2a，同時可防止研磨液(漿液)自頂環本體10與外固定環30之間隙滲入頂環本體10。
目前為止係就本發明之一實施形態加以說明，但本發明並非限定於上述實施形態，當然在其技術思想之範圍內，亦可實施各種不同之形態。

Claims (17)

  1. 一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其獨立於該頂環本體而可垂直移動，其配置為包圍該基板；內壓緊機構，其係相對於該研磨面壓緊該內固定環；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並固定於該頂環本體；負荷傳遞構件，其傳達朝下之負荷於該頂環本體；及球面軸承，其可容許相對於該負荷傳遞構件之該頂環本體之傾斜移動；其中前述內壓緊機構具有捲動隔膜，該捲動隔膜係配置於該頂環本體與該內固定環之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中該頂環本體之傾斜移動中心位於該球面軸承之球面中心位置。
  3. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中該頂環本體具備：載體，其保持該彈性膜；及垂直移動機構，其將該載體垂直移動。
  4. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中該負荷傳遞構件傳達朝下之負荷於該頂環本體及該外固定環，該球面軸承可容許相對於該負荷傳遞構件之該頂環本體及該外固定環之傾斜移動，朝下之負荷藉由該負荷傳遞構件傳達於該頂環本體及該外固定環時，該外固定環相對於該研磨面被壓緊。
  5. 一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其獨立於該頂環本體而可垂直移動，其配置為包圍該基板；內壓緊機構，其係相對於該研磨面壓緊該內固定環；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並固定於該頂環本體；負荷傳遞構件，其傳達朝下之負荷於該頂環本體；及球面軸承，其可容許相對於該負荷傳遞構件之該頂環本體之傾斜移動；其中該負荷傳遞構件傳達朝下之負荷於該頂環本體及該外固定環，該球面軸承可容許相對於該負荷傳遞構件之該頂環本體及該外固定環之傾斜移動，朝下之負荷藉由該負荷傳遞構件傳達於該頂環本體及該外固定環時，該外固定環相對於該研磨面被壓緊。
  6. 一種研磨裝置，其特徵為具備：如申請專利範圍第1項或第5項之基板保持裝置；及研磨台，其支持具有研磨面之研磨墊。
  7. 一種研磨方法，其特徵為使研磨墊旋轉，供給研磨液於該研磨墊之研磨面上，藉由以如申請專利範圍第1項或第5項之基板保持裝置壓緊基板於該研磨面，而研磨該基板。
  8. 一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其配置為包圍該基板，並與該研磨面接觸；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並與該研磨面接觸；及阻封，其塞住該內固定環與該外固定環之全周之間隙。
  9. 如申請專利範圍第8項之基板保持裝置，其進一步具備內壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該內固定環，該內固定環係構成為獨立於該頂環本體而可垂直移動。
  10. 如申請專利範圍第8項之基板保持裝置，其進一步具備外壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該外固定環，該外固定環，構成為獨立於該內固定環及該頂環本體而可垂直移動。
  11. 如申請專利範圍第8項之基板保持裝置，其中該內固定環與該外固定環，在該阻封下方不互相接觸。
  12. 如申請專利範圍第8項之基板保持裝置，其進一步具備支持機構，其係在該基板之研磨中在承受來自基板加諸於該內固定環之橫方向之力，同時支持該外固定環為可傾斜移動。
  13. 如申請專利範圍第12項之基板保持裝置，其中該支持機構係配置於該頂環本體內。
  14. 如申請專利範圍第8項之基板保持裝置，其進一步具備配置於該內固定環與該外固定環之間的止動器，該阻封係配置該止動器下方。
  15. 一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其配置為包圍該基板，並與該研磨面接觸；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並與該研磨面接觸；阻封，其塞住該內固定環與該外固定環之間隙；及外壓緊機構，其相對於該研磨面壓緊該外固定環；其中該外固定環構成為獨立於該內固定環及該頂環本體而可垂直移動。
  16. 一種基板保持裝置，其特徵為具備：頂環本體，其係保持用以壓緊基板於研磨面之彈性膜；內固定環，其配置為包圍該基板，並與該研磨面接觸；外固定環，其設置於該內固定環之半徑方向外側，並與該研磨面接觸；阻封，其塞住該內固定環與該外固定環之間隙；及支持機構，其係在該基板之研磨中在承受來自基板加諸於該內固定環之橫方向之力，同時支持該外固定環為可傾斜移動。
  17. 如申請專利範圍第16項之基板保持裝置，其中該支持機構係配置於該頂環本體內。
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