基板保持装置、研磨装置、研磨方法及保持环.pdf

一种基板保持装置(1)，具有：对基板(W)进行保持的顶环主体(10)；以及保持环(40)，该保持环(40)配置成包围保持在顶环主体(10)上的基板(W)，保持环(40)具有与研磨垫(2)接触的环状的垫按压部(122)，垫按压部(122)具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。采用本发明，即使是连续对多个基板进行研磨的情况下，也可防止基板的边缘部处的研磨速率上升。

权利要求书1.  一种用于将基板按压到研磨垫上的基板保持装置，该基板保持装置的特征在于， 具有： 对所述基板进行保持的顶环主体；以及 保持环，该保持环配置成包围由所述顶环主体保持的所述基板， 所述保持环具有与所述研磨垫接触的环状的垫按压部， 所述垫按压部具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。 2.  如权利要求1所述的基板保持装置，其特征在于，所述垫按压部具有3mm以上、 5mm以下的宽度。 3.  如权利要求1所述的基板保持装置，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 所述垫接触面的最下点位于离开所述垫按压部的内周面3mm～5mm的范围内。 4.  如权利要求1所述的基板保持装置，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 从所述垫按压部的内周面至所述垫接触面的最下点的距离相对于所述垫按压部的 宽度的比值处于3/5～2/3的范围内。 5.  如权利要求1至4中任一项所述的基板保持装置，其特征在于，在所述垫按压 部的下表面形成有沿所述保持环的径向延伸的多个径向槽。 6.  一种研磨装置，具有： 用于对研磨垫进行支承的研磨台； 基板保持装置，该基板保持装置对基板进行保持，并将该基板按压到所述研磨垫 上；以及 将研磨液供给到所述研磨垫上的研磨液供给喷管，该研磨装置的特征在于， 所述基板保持装置具有：对所述基板进行保持的顶环主体；以及保持环，该保持 环配置成包围由所述顶环主体保持的所述基板， 所述保持环具有与所述研磨垫接触的环状的垫按压部， 所述垫按压部具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。 7.  如权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，所述垫按压部具有3mm以上、5mm 以下的宽度。 8.  如权利要求6所述的研磨装置，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 所述垫接触面的最下点位于离开所述垫按压部的内周面3mm～5mm的范围内。 9.  如权利要求6所述的研磨装置，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 从所述垫按压部的内周面至所述垫接触面的最下点的距离相对于所述垫按压部的 宽度的比值处于3/5～2/3的范围内。 10.  如权利要求6至9中任一项所述的研磨装置，其特征在于，在所述垫按压部的 下表面形成有沿所述保持环的径向延伸的多个径向槽。 11.  一种研磨方法，其特征在于， 使研磨台与研磨垫一起旋转， 将研磨液供给到所述研磨垫上， 将基板按压到所述研磨垫上，并且用具有3mm以上、7.5mm以下的宽度的环状的 垫按压部将所述基板围住并按压所述研磨垫。 12.  如权利要求11所述的研磨方法，其特征在于，所述垫按压部具有3mm以上、 5mm以下的宽度。 13.  一种使用于基板保持装置的保持环，所述基板保持装置用于将基板按压到研磨 垫上，该保持环的特征在于， 具有与所述研磨垫接触的环状的垫按压部， 所述垫按压部具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。 14.  如权利要求13所述的保持环，其特征在于，所述垫按压部具有3mm以上、5mm 以下的宽度。 15.  如权利要求13所述的保持环，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 所述垫接触面的最下点位于离开所述垫按压部的内周面3mm～5mm的范围内。 16.  如权利要求13所述的保持环，其特征在于， 所述垫按压部具有5mm以上、7.5mm以下的宽度， 所述垫按压部具有与所述研磨垫接触的垫接触面， 所述垫接触面具有向下方突出的截面形状， 从所述垫按压部的内周面至所述垫接触面的最下点的距离相对于所述垫按压部的 宽度的比值处于3/5～2/3的范围内。 17.  如权利要求13所述的保持环，其特征在于，在所述垫按压部的下表面形成有 沿所述保持环的径向延伸的多个径向槽。

说明书基板保持装置、研磨装置、研磨方法及保持环
技术领域
本发明涉及一种对晶片等基板进行保持的基板保持装置，尤其涉及一种用于将基 板按压到研磨垫等研磨件上而对基板的表面进行研磨的基板保持装置。另外，本发明 涉及一种使用了那种基板保持装置的研磨装置及研磨方法。此外，本发明涉及一种用 于上述基板保持装置的保持环。
背景技术
在半导体器件的制造工序中，为了晶片的表面进行研磨而广泛使用研磨装置。这 种研磨装置具有：对具有研磨面的研磨垫进行支承的研磨台；用于对晶片进行保持的 称为顶环或研磨头的基板保持装置；以及将研磨液供给到研磨面上的研磨液供给喷管。
研磨装置如下那样对晶片进行研磨。使研磨台与研磨垫一起旋转，并且将研磨液 从研磨液供给喷管供给到研磨面上。通过基板保持装置对晶片进行保持，进一步使晶 片以其轴心为中心进行旋转。在该状态下，基板保持装置将晶片的表面按压到研磨垫 的研磨面上，在研磨液的存在下使晶片的表面与研磨面滑动接触。晶片的表面通过研 磨液所含的磨粒的机械作用、和研磨液的化学作用而被研磨成平坦状态。这种研磨装 置也被称为CMP(化学机械研磨)。
晶片的研磨过程中，由于晶片的表面与研磨垫滑动接触，因此，摩擦力作用在晶 片上。因此，基板保持装置具有保持环，以使在晶片的研磨过程中晶片不脱离基板保 持装置。该保持环包围晶片配置，在晶片的外侧按压研磨垫。
专利文献1：日本专利特开平10-286769号公报
晶片的研磨速率(也称为除去速率)，依赖于晶片相对于研磨垫的负载、保持环的负 载、研磨台及晶片的转速和研磨液的种类等研磨条件而能够变化。在连续研磨多个晶 片的情况下，为了获得相同的研磨结果，研磨条件通常被维持成一定。但是，随着对 多个晶片进行，研磨条件尽管相同，当晶片的边缘部的外形有时逐渐产生变化。具体 来说，随着研磨的晶片的枚数增加，边缘部的研磨速率会上升。
这种研磨速率的上升原因，被认为是保持环的形状变化。图19是表示晶片研磨过 程中的保持环的模式图。如图19所示，在晶片W的研磨过程中，保持环200由于被 按压在旋转的研磨垫201的研磨面201a上，因此，保持环200会产生磨损。尤其，保 持环200的内周面及外周面产生磨损而成为带圆形的形状。当保持环200的内周面如 图19所示那样产生磨损时，保持环200对接近晶片W边缘部的垫区域进行按压的力 就会下降，结果，边缘部的研磨速率就上升。
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是为解决上述问题而做成的，其目的在于，提供一种即使是连续对多个基 板(例如晶片)进行的情况下也能防止基板的边缘部的研磨速率上升的基板保持装置。 另外，本发明的目的在于，提供一种使用了这种基板保持装置的研磨装置及研磨方法。 此外，本发明的目的在于，提供一种用于基板保持装置的保持环。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的一方式是一种用于将基板按压到研磨垫上的基板保 持装置，其特点是，具有：对所述基板进行保持的顶环主体；以及保持环，该保持环 配置成包围由所述顶环主体保持的所述基板，所述保持环具有与所述研磨垫接触的环 状的垫按压部，所述垫按压部具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。
本发明的另一方式是一种研磨装置，其具有：对研磨垫进行支承用的研磨台；基 板保持装置，该基板保持装置对基板进行保持，并将该基板按压到所述研磨垫上；以 及将研磨液供给到所述研磨垫上的研磨液供给喷管，所述基板保持装置具有：对所述 基板进行保持的顶环主体；以及保持环，该保持环配置成包围有所述顶环主体保持的 所述基板，所述保持环具有与所述研磨垫接触的环状的垫按压部，所述垫按压部具有 3mm以上、7.5mm以下的宽度。
本发明的又一方式是一种研磨方法，其特点是，使研磨台与研磨垫一起旋转，将 研磨液供给到所述研磨垫上，将基板按压到所述研磨垫上，并且用具有3mm以上、 7.5mm以下的宽度的环状的垫按压部将所述基板围住并按压所述研磨垫。
本发明的又一方式是一种使用于基板保持装置的保持环，所述基板保持装置用于 将基板按压到研磨垫上，该保持环的特点是，具有与所述研磨垫接触的环状的垫按压 部，所述垫按压部具有3mm以上、7.5mm以下的宽度。
发明的效果
由于垫按压部的宽度小，因此，垫按压部具有对其形状的自我修复功能。即，当 垫按压部的形状因磨损而产生变化时，垫按压部的垫接触面的面积就减少，垫接触面 的压力就增加。当垫接触面的压力增加时，垫接触面产生磨损，结果垫接触面的面积 就增加。一边反复这种垫接触面的压力与面积的微小变动，一边垫按压部件的形状被 维持成大致一定。因此，具有宽度狭小的垫按压部的保持环可使基板的边缘部的研磨 速率稳定。
附图说明
图1是表示具有本发明的一实施方式的基板保持装置的研磨装置的模式图。
图2是表示研磨装置的详细结构的示图。
图3是顶环的剖视图。
图4是表示传动环及连接部件的俯视图。
图5是表示球面轴承的示图。
图6(a)表示连接部件相对于球面轴承进行上下移动的状况的示图，图6(b)及图6(c) 是表示连接部件与内轮一起进行倾动的状况的示图。
图7是表示球面轴承的另一结构例的放大剖视图。
图8(a)表示连接部件相对于球面轴承而进行上下移动的状况的示图，图8(b)及图 8(c)是表示连接部件与中间轮一起进行倾动的状况的示图。
图9是保持环的立体图。
图10是保持环的仰视图。
图11是保持环的侧视图。
图12(a)是表示保持环的一部分的纵剖视图，图12(b)是表示保持环的一部分的仰 视图。
图13(a)至图13(d)是表示垫按压部由于与研磨垫的滑动接触而产生磨损的状况的 示图。
图14是表示对垫按压部的宽度与垫按压部的变形量之间的关系进行研究后的构 造解析结果的曲线图。
图15是表示使用以往的宽度即较宽的保持环对多个晶片进行研磨时的保持环的 表面形状的曲线图。
图16是表示使用具有宽度为5mm的垫按压部的保持环对多个晶片进行研磨时的 保持环的表面形状的曲线图。
图17是表示使用具有宽度为7.5mm的垫按压部的保持环对多个晶片进行研磨时 的保持环的表面形状的曲线图。
图18是表示具有垫按压部的本实施方式的保持环的其它实施方式的剖视图。
图19是表示晶片的研磨过程中的保持环的模式图。
符号说明
1      顶环
2      研磨垫
3      研磨台
5      研磨液供给喷管
7      膜厚传感器
9      研磨控制部
10     顶环主体
11     顶环旋转轴
12     旋转筒
13     电动机
14     上下移动机构
16     顶环头
20     同步带轮
21     顶环头旋转轴
25     转动式接头
26     轴承
27     上下移动机构
28     桥架
29     支承台
30     支柱
32     滚珠丝杠
38     伺服电动机
40     保持环
41     凸缘
42     衬垫
43      滑架
45      弹性膜
45a     基板保持面
50～53      压力室
60      保持环按压机构
61      活塞
62      旋转式膜片
63      保持环压力室
65      压力调整装置
70      磁铁
75      连接部件
76      轴部
77      轮毂
78      轮辐
79      螺钉
80      驱动销
81      传动环
82      加强销
85      球面轴承
88      贯通孔
91      中间轮
92、102      外轮
93、101      内轮
121      圆环部
122      垫按压部
123      径向槽
124      孔
具体实施方式
下面，参照说明书附图来对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示具有本发明的一实施方式的基板保持装置的研磨装置的模式图。如图 1所示，研磨装置具有：对晶片(基板)W进行保持并使其旋转的顶环(基板保持装置)1； 对研磨垫2进行支承的研磨台3；将研磨液(浆料)供给到研磨垫2上的研磨液供给喷管 5；以及获取膜厚信号的膜厚传感器7，所述膜厚信号随晶片W的膜厚而变化。膜厚传 感器7设置在研磨台3内，研磨台3每旋转一次，就获取包含晶片W的中心部在内的 多个区域中的膜厚信号。作为膜厚传感器7的例子，可以列举：光学式传感器或涡电 流传感器。
顶环1构成为，其下表面能够通过真空吸附而保持晶片W。顶环1及研磨台3如 箭头所示那样向相同方向旋转，在该状态下顶环1将晶片W按压在研磨垫2的研磨面 2a上。研磨液从研磨液供给喷管5供给到研磨垫2上，晶片W在研磨液的存在下通过 与研磨垫2的滑动接触而被研磨。在晶片W的研磨过程中，膜厚传感器7与研磨台3 一起旋转，且如记号A所示那样一边横穿晶片W的表面一边获得膜厚信号。该膜厚信 号是直接或间接表示膜厚的指标值，随晶片W的膜厚的减少而变化。膜厚传感器7与 研磨控制部9连接，将膜厚信号送到研磨控制部9。当由膜厚信号表示的晶片W的膜 厚达到规定的目标值时，研磨控制部9就使晶片W的研磨结束。
图2是表示研磨装置的详细结构的示图。研磨台3通过台轴3a而与配置在其下方 的电动机13连接，并可绕该台轴3a旋转。在研磨台3的上表面贴附有研磨垫2，研磨 垫2的上表面构成对晶片W进行研磨的研磨面2a。通过利用电动机13使研磨台3旋 转，从而研磨面2a相对于顶环1进行相对移动。因此，电动机13构成使研磨面2a在 水平方向上移动的研磨面移动机构。
顶环1与顶环旋转轴11连接，该顶环旋转轴11通过上下移动机构27而相对于顶 环头16进行上下移动。通过该顶环旋转轴11的上下移动，而使顶环1整体相对于顶 环头16进行升降并定位。在顶环旋转轴11的上端安装有转动式接头25。
使顶环旋转轴11及顶环1上下移动的上下移动机构27具有：通过轴承26而将顶 环旋转轴11支承成可旋转的桥架28；安装在桥架28上的滚珠丝杠32；被支柱30支 承的支承台29；以及设在支承台29上的伺服电动机38。对伺服电动机38进行支承的 支承台29通过支柱30而固定在顶环头16上。
滚珠丝杠32具有：与伺服电动机38连接的螺纹轴32a、以及与该螺纹轴32a螺合 的螺母32b。顶环旋转轴11与桥架28成为一体地上下移动。因此，当驱动伺服电动机 38时，桥架28通过滚珠丝杠32而进行上下移动，由此顶环旋转轴11及顶环1进行上 下移动。
另外，顶环旋转轴11通过键(未图示)而与旋转筒12连接。该旋转筒12的外周部 具有同步带轮14。在顶环头16上固定有顶环用电动机18，所述同步带轮14通过同步 带19而与设在顶环用电动机18上的同步带轮20连接。因此，通过对顶环用电动机 18进行旋转驱动，从而旋转筒12及顶环旋转轴11通过同步带轮20、同步带19及同 步带轮14而一体旋转，顶环1以其轴心为中心进行旋转。顶环用电动机18、同步带 轮20、同步带19及同步带轮14构成使顶环1以其轴心为中心进行旋转的旋转机构。 顶环头16由顶环头旋转轴21支承，所述顶环头旋转轴21可旋转地支承在框架(未图 示)上。
顶环1的下表面可保持晶片W等的基板。顶环头16构成为能够以顶环头旋转轴 21为中心转动，下表面保持有晶片W的顶环1，利用顶环头16的转动而从晶片W的 接受位置移动到研磨台3的上方。并且，使顶环1下降而将晶片W推压到研磨垫2的 研磨面2a上。此时，分别使顶环1及研磨台3旋转，从设在研磨台3的上方的研磨液 供给喷管5将研磨液供给到研磨垫2上。如此，使晶片W与研磨垫2的研磨面2a滑 动接触而对晶片W的表面进行研磨。
接着，对构成基板保持装置的顶环1进行说明。图3是顶环1的剖视图。如图3 所示，顶环1具有：顶环主体10，该顶环主体10对晶片W进行保持，并将晶片W按 压到研磨面2a上的；以及包围晶片W而配置的保持环40。顶环主体10及保持环40 通过顶环旋转轴11的旋转而一体地旋转。保持环40能够相对于顶环主体10进行相对 上下移动。
顶环主体10具有：圆形的凸缘41；安装在凸缘41的下表面上的衬垫42；以及安 装在衬垫42的下表面上的滑架43。凸缘41与顶环旋转轴11连接。滑架43通过衬垫 42而与凸缘41连接，凸缘41、衬垫42及滑架43一体地旋转并上下移动。由凸缘41、 衬垫42及滑架43构成的顶环主体10，由工程塑料(例如PEEK)等的树脂形成。另外， 也可用SUS、铝等金属形成凸缘41。
在滑架43的下表面，安装有与晶片W的背面抵接的弹性膜45。弹性膜45的下表 面构成基板保持面45a。弹性膜45具有环状的隔板45b，利用这些隔板45b而在弹性 膜45与顶环主体10之间形成四个压力室，即中央室50、波纹室51、外室52及边端 室53。这些压力室50～53经由转动式接头25而与压力调整装置65连接，并从压力调 整装置65供给加压流体。压力调整装置65能够独立地对这些四个压力室50～53内的 压力进行调整。此外，压力调整装置65也可使压力室50～53内形成负压。
弹性膜45在与波纹室51或外室52对应的位置具有通孔(未图示)，通过在该通孔 内形成负压就可将晶片W保持在顶环1的基板保持面45a上。弹性膜45由三元乙丙 橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅胶等强度及耐久性优异的橡胶材料形成。中央室50、 波纹室51、外室52及边端室53也与大气开放机构(未图示)连接，能够使中央室50、 波纹室51、外室52及边端室53向大气开放。
保持环40配置成包围顶环主体10的滑架43及弹性膜45。该保持环40是与研磨 垫2的研磨面2a接触的环状部件。保持环40配置成包围晶片W的外周缘，并对晶片 W进行保持以使在晶片W的研磨过程中晶片W不会从顶环1飞出。
保持环40的上表面固定在传动环81上。传动环81的上部与环状的保持环按压机 构60连接，该保持环按压机构60通过传动环81而对保持环40的上表面整体均匀施 加向下的负载，由此将保持环40的下表面按压到研磨垫2的研磨面2a上。
保持环按压机构60具有：固定在传动环81的上部的环状的活塞61；以及与活塞 61的上表面连接的环状的旋转式膜片62。在旋转式膜片62的内部形成有保持环压力 室63。该保持环压力室63经由转动式接头25而与压力调整装置65连接。
当从压力调整装置65将加压流体(例如，加压空气)供给到保持环压力室63内时， 旋转式膜片63就将活塞63下推到下方，进一步活塞61通过传动环81而将保持环40 整体下推到下方。这样，保持环按压机构60将保持环40的下表面按压到研磨垫2的 研磨面2a上。此外，通过在保持环压力室63内利用压力调整装置65形成负压，从而 可使保持环40整体上升。保持环压力室63也与大气开放机构(未图示)连接，也能够使 保持环压力室63向大气开放。
传动环81可装拆地与保持环按压机构60连接。更具体地说，活塞61由金属等磁 性材料形成，在传动环81的上部配置有多个磁铁70。通过这些磁铁70吸引活塞61， 从而传动环81就利用磁力而被固定在活塞61上。作为活塞61的磁性材料，例如使用 耐腐蚀性的磁性不锈钢。另外，也可用磁性材料形成传动环81，在活塞61上配置在 磁铁。
保持环40通过传动环81及连接部件75而与球面轴承85连接。该球面轴承85配 置在保持环40的径向内侧。图4是表示传动环81及连接部件75的俯视图。如图4所 示，连接部件75具有：配置在顶环主体10的中心部的轴部76；固定在该轴部76上 的轮毂77；以及从该轮毂77延伸成放射状的多个轮辐78。
轮辐78的一端部固定在轮毂77上，轮辐78的另一端部固定在传动环81上。轮 毂77、轮辐78和传动环81形成一体。在滑架43上固定有多对的驱动销80、80。各 对驱动销80、80配置在各轮辐78的两侧，滑架43的旋转通过驱动销80、80而传递 到传动环81及保持环40，由此，顶环主体10与保持环40一体地旋转。
如图3所示，轴部76在球面轴承85内沿纵向延伸。如图4所示，在滑架43上形 成有收纳轮辐78的多个放射状的槽43a，各轮辐78在各槽43a内沿纵向移动自如。连 接部件75的轴部76沿纵向移动自如地支承在球面轴承85上，球面轴承85配置在顶 环主体10的中央部上。利用这种结构，连接部件75及与其连接的传动环81及保持环 40能够相对于顶环主体10进行纵向移动。此外，传动环81及保持环40被球面轴承 85支承成能够倾动。
图5是表示球面轴承85的示图。轴部76通过多个螺钉79而固定在轮毂77上。 在轴部76上形成有沿纵向延伸的贯通孔88。该贯通孔88作为轴部76相对于球面轴 承85进行纵向移动时的放气孔发挥作用，由此，保持环40能够相对于顶环主体10沿 纵向顺畅地移动。
球面轴承85具有：环状的内轮101、以及将内轮101的外周面支承成滑动自如的 外轮102。内轮101通过连接部件75而与传动环81及保持环40连接。外轮102固定 在支承部件103上，该支承部件103固定在滑架43上。支承部件103配置在滑架43 的凹部43b内。
内轮101的外周面具有将上部及下部切去了的球面形状，该球面形状的中心点(支 点)O位于内轮101的中心。外轮102的内周面由沿着内轮101的外周面的凹面构成， 外轮102将内轮101支承成滑动自如。因此，内轮101能够相对于外轮102向所有方 向(360°)进行倾动。
内轮101的内周面构成有插入轴部76的贯通孔101a。轴部76相对于内轮101仅 能够在纵向上移动。因此，不允许与轴部76连接的保持环40向横向移动，保持环40 的横向(水平方向)的位置被球面轴承85固定。在晶片的研磨过程中，球面轴承85作为 承受保持环40因晶片与研磨垫2的摩擦而产生的来自晶片的横向的力(朝向晶片径向 外侧的力)，且对保持环40的横向的移动进行限制(即对保持环40的水平方向的位置进 行固定)的支承机构发挥作用。
图6(a)表示连接部件75相对于球面轴承85进行上下移动的状况，图6(b)及图6(c) 表示连接部件75与内轮101一起进行倾动的状况。与连接部件75连接的保持环40能 够与内轮101一体地以支点O为中心进行倾动，且能够相对于内轮101进行上下移动。
图7是表示球面轴承85的另一结构例的放大剖视图。如图7所示，球面轴承85 具有：通过连接部件75而与保持环40连接的中间轮91；从上方将中间轮91支承成 滑动自如的外轮92；以及从下方将中间轮91支承成滑动自如的内轮93。中间轮91具 有比球壳上半部分小的部分球壳形状，且被夹在外轮92与内轮93之间。
外轮92配置在凹部43b内。外轮92的外周部具有突部92a通过将该突部92a利 用螺栓(未图示)固定在凹部43b的阶梯部上，从而外轮92就被固定在滑架43上，并且 能够将压力施加在中间轮91及内轮93上。内轮93配置在凹部43b的底面上，并以中 间轮91的下表面与凹部43b的底面之间形成间隙的方式从下方支承中间轮91。
外轮92的内表面92b、中间轮91的外表面91a及内表面91b和内轮93的外表面 93a，由以支点O为中心的大致半球面构成。中间轮91的外表面91a滑动自如地与外 轮92的内表面92b接触，中间轮91的内表面91b滑动自如地与内轮93的外表面93a 接触。外轮92的内表面92b(滑动接触面)、中间轮91的外表面91a及内表面91b(滑动 接触面)和内轮93的外表面93a(滑动接触面)具有比球面的上半部分小的部分球面形 状。通过这种结构，中间轮91能够相对于外轮92及内轮93向所有方向(360°)倾动， 且倾动中心即支点O位于球面轴承85的下方。
在外轮92、中间轮91和内轮93上，分别形成有插入轴部76的贯通孔92c、91c、 93b。在外轮92的贯通孔92c与轴部76之间形成有间隙，同样，在内轮93的贯通孔 93b与轴部76之间形成有间隙。中间轮91的贯通孔91c具有比外轮92及内轮93的贯 通孔92c、93b小的直径，轴部76相对于中间轮91仅能够在纵向上移动。因此，实质 上未不允许与轴部76连接的保持环40向横向移动，保持环40的横向(水平方向)的位 置被球面轴承85固定。
图8(a)表示连接部件75相对于球面轴承85而上下移动的状况，图8(b)及图8(c) 表示连接部件75与中间轮91一起进行倾动的状况。如图8(a)至图8(c)所示，与连接部 件75连接的保持环40能够与中间轮91一体地以支点O为中心进行倾动，且能够相对 于中间轮91上下移动。图7所示的球面轴承85，其倾动的中心即支点O处于保持环 40的中心轴线上这一点与图5所示的球面轴承85相同，但不同点在于图7所示的支 点O处于比图5所示的支点O低的位置。图7所示的球面轴承85，其支点O的高度 既可与研磨垫2的表面相同，或者也可比其低。
图9是保持环40的立体图，图10是保持环40的仰视图，图11是保持环40的侧 视图。图12(a)是表示保持环40的一部分的纵剖视图，图12(b)是表示保持环40的一 部分的仰视图。保持环40的内周面的直径即保持环40的内径，比晶片的直径稍大。 更具体地说，保持环40的内周面的直径只比晶片的直径大0.5mm～3mm，较好的是只 大1mm～2mm。
保持环40具有：圆环部121；以及从该圆环部121的内周端向下方延伸的环状的 垫按压部122。这些圆环部121和垫按压部122由相同的材料一体形成。垫按压部122 配置成包围由顶环主体10的弹性膜45(参照图3)保持的晶片。垫按压部122的宽度(即， 在保持环40径向上的垫按压部122的宽度)比圆环部121的宽度小。具体地说，垫按 压部122的宽度为3mm以上、7.5mm以下，更好的是3mm以上、5mm以下。垫按压 部122的高度与其宽度相同，或比其宽度大。
垫按压部122的下表面是与研磨垫2接触的垫接触面40a。即，在晶片的研磨过程 中，垫按压部122的垫接触面40a被按压在研磨垫2上。在垫接触面40a上形成有沿 保持环40径向延伸的多个径向槽123。这些径向槽123允许供给到研磨垫2上的研磨 液从保持环40的内侧向外侧流动以及从外侧向内侧流动。作为一例，各径向槽123的 宽度是4mm。
在保持环40上沿其周向形成有多个孔124(在图12(a)中仅表示一个孔124)。更具 体地说，这些孔124形成在保持环40的圆环部121的上表面上。如图3所示，在传动 环81的下部固定有不锈钢制的多个加强销82，这些加强销82分别插入保持环40的 多个孔124内。保持环40的强度被这些加强销82加强。
以往的保持环的宽度大约是15mm。与此相对，本实施方式的保持环40的宽度为 3mm～7.5mm。如此，由于垫按压部122的宽度小，故垫按压部122具有形状自我修复 功能。对于这种自我修复功能，参照图13(a)至图13(d)进行说明。图13(a)至图13(d) 是表示垫按压部122因与研磨垫2滑动接触而产生磨损状况的示图。初始状态的垫按 压部122如图13(a)所示，具有矩形状的纵剖面。当垫按压部122与研磨垫2滑动接触， 垫按压部122就产生磨损，且如图13(b)所示，垫按压部122的内侧边缘与外侧边缘成 为圆形，并且垫接触面40a的面积变小。当垫按压部122的磨损进一步进行时，则如 图13(c)所示，垫接触面40a的面积进一步变小。
在施加在保持环40上的向下方的负载为一定的条件下，随着垫接触面40a的面积 变小，垫接触面40a的压力就增加。结果，如图13(d)所示，垫按压部122在垫接触面 40a的面积增加的方向产生磨损。反复这样的垫接触面40a的压力和面积的微小变动， 垫按压部122的形状总是被维持大致一定。因此，具有狭小宽度的垫按压部122的保 持环40，可使晶片边缘部处的研磨速率稳定。
作为垫按压部122的宽度的下限值的3mm，是根据垫按压部122的机械强度来决 定的。图14是表示对垫按压部122的宽度与垫按压部122的变形量之间的关系进行研 究后的构造解析结果的曲线图。在图14中，横轴表示垫按压部122的宽度，纵轴表示 垫按压部122向横向的最大变形量(计算值)。对垫按压部122的宽度为1mm、2mm、 3mm、4mm和5mm这五种保持环进行了构造解析。具体地说，在研磨时保持环受到 的来自晶片的力施加在保持环侧面上的条件下，对垫按压部122向横向的变形量进行 了计算。用于构造解析的保持环的材料，是聚苯硫醚。
在垫按压部122的宽度为1mm的情况下，垫按压部122的变形量过分大，无法进 行其计算。在垫按压部122的宽度为2mm的情况下，垫按压部122的变形量大。在垫 按压部122的宽度为3mm以上的情况下，垫按压部122的变形量小。尤其，从曲线图 可知，当宽度小于3mm时，则垫按压部122的变形量变大。从该构造解析结果，垫按 压部122的宽度下限值被确定为3mm。
图15是表示使用以往宽度宽的保持环对多个晶片进行研磨时的保持环的表面形 状的曲线图。在图15中，纵轴表示保持环的垫接触面的水平(上下方向的位置)，表示 越沿纵轴向下方、垫接触面的离开研磨垫的距离就越大。图15的横轴表示垫接触面的 水平测量点的位置。水平测量点沿保持环的径向排列。
从图15可知，以往的保持环中，在从其内周面(晶片保持面)延伸到外侧的宽度为 7mm的区域中，垫接触面磨损得大。如此，当垫接触面的内侧区域产生较大磨损时， 保持环就不能沿晶片的边缘部按压研磨垫，其结果，晶片的边缘部的研磨速率就上升。
图16是表示使用具有宽度为5mm的垫按压部122的本实施方式的保持环40而对 多个晶片进行研磨后的保持环40表面形状的曲线图。从图16可知，即使对多个晶片 进行研磨后，保持环40的垫接触面40a的内侧区域不会像图15所示的以往保持环那 样产生较大磨损。更具体地说，在离开垫按压部122内周面(晶片保持面)3mm的区域 中，相比于其它区域不会产生大的磨损。因此，具有宽度为5mm的垫按压部122的本 实施方式的保持环40可对离开垫按压部122内周面(晶片保持面)3mm的区域进行按 压。从图16可知，即使对多个晶片进行研磨，垫接触面40a的形状也不太变化。因此， 保持环40可良好地沿晶片的边缘部对研磨垫进行按压。结果，晶片的边缘部的研磨速 率不太上升，在晶片的边缘部可实现良好的外形。即，即使是连续对多个晶片研磨， 也可稳定地在晶片的边缘部实现良好的外形。
图17是表示使用具有宽度为7.5mm的垫按压部122的本实施方式的保持环40而 对多个晶片进行研磨时的保持环40表面形状的曲线图。从图17可知，保持环40在离 开垫按压部122的内周面(晶片保持面)5mm的区域中，相比于其它区域不会产生大的 磨损。换言之，具有宽度为7.5mm的垫按压部122的本实施方式的保持环40可对离 开垫按压部122内周面(晶片保持面)5mm的区域进行按压。结果，晶片的边缘部的研 磨速率不太上升，在晶片的边缘部可实现良好的外形。即，即使是连续对多个晶片研 磨，也可稳定地在晶片的边缘部实现良好的外形。
图18是表示具有垫按压部122的本实施方式的保持环40的另一实施方式的剖视 图。该实施方式的垫按压部122具有5mm以上、7.5mm以下的宽度。与研磨垫接触的 垫接触面40a具有向下方突出的截面形状，该垫接触面40a的最下点位于离开垫按压 部122内周面3mm～5mm的范围内。换言之，从垫按压部122内周面至垫接触面40a 最下点的距离相对于垫按压部122宽度的比值，处于3/5～2/3的范围内。这种形状的保 持环40如图16及图17所示，可对接近垫按压部122的内周面(晶片保持面)的区域进 行按压。结果，晶片的边缘部的研磨速率不太上升，在晶片的边缘部可实现良好的外 形。
上述的实施方式的基板保持装置，可适合用于浅槽隔离(STI)工序等的半导体器件 制造工序。
研磨垫2具有层叠构造，该层叠构造包含：由发泡聚氨酯形成的上层；以及由无 纺布形成的下层。上层具有被4000hPa至12000hPa推压时弹性率约为50MPa至100MPa 的高度均匀的微小发泡结构，下层具有被2500hPa至4500hPa推压时弹性率约为 1.5MPa至2.5MPa的连续发泡结构。当将保持环40按压在这种研磨垫22上时，保持 环40就陷入在研磨垫22上，保持环40的缘部的面压上升，该缘部会产生较大的磨损。 因此，在使用上述材料特性的研磨垫22的情况下，垫按压部122宽度为3mm以上、 7.5mm以下的保持环40是有效的。
晶片研磨时的研磨条件是，保持环40离开研磨垫2的表面的支点高度是-10mm 至+50mm。当保持环40的支点高度产生变化时，保持环40的姿势会产生变化，因此， 会影响到保持环40缘部的磨损形状。在这种情况下，垫按压部122的宽度为3mm以 上、7.5mm以下的保持环40也是有效的。当在顶环1与未图示的晶片交接机构(基板 交接机构)之间交接晶片时，保持环40的外周面作为对该晶片交接机构进行导向的导 向面发挥作用。
在浅槽隔离(STI)工序的一部分中，保持环40的垫接触面的面积不太变化，垫按压 部122的宽度为3mm以上、7.5mm以下的保持环40是有效的。
至此，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，在 其技术思想的范围内当然可用各种不同的形态来实施。