JP2011258639A - 研磨装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウエハ等の基板の変形および基板にかかる応力を低減し、基板の欠陥や基板の破損を防止して、基板のトップリングからの離脱（リリース）を安全で効率的に行うことができる研磨装置および方法を提供する。
【解決手段】研磨面を有した研磨テーブルと、少なくとも一部が弾性膜４で構成された基板保持面を有し、基板保持面で基板Ｗを保持して研磨面に押圧する基板保持装置と、基板保持装置からの基板受け渡し位置において基板保持装置から基板Ｗの受け渡しを行う基板搬送機構１５０と、基板搬送機構１５０と一体に設けられるか又は別途設けられ、基板Ｗを基板保持面から剥離する基板剥離促進機構１５３と、基板保持装置を回転駆動させる回転駆動機構と、基板保持装置の回転角度位置を検知する検知機構と、基板保持装置の回転角度位置を制御する制御部５０とを備えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、研磨装置および方法に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する研磨装置および方法に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。半導体ウエハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを研磨パッドの研磨面に押圧して研磨することが行われている。

この場合、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウエハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウエハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウエハの外周縁を保持するリテーナリングをトップリング本体（又はキャリアヘッド本体）に対して上下動可能とすることによって半導体ウエハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面を押圧するようにしている。

上述の構成の研磨装置において、研磨パッドの研磨面上での研磨工程の終了後、研磨後のウエハを基板保持装置であるトップリングに真空吸着し、トップリングを上昇させ、基板受渡し装置（プッシャ）へ移動させて、ウエハの離脱を行う。ウエハをトップリングから容易に離脱させるために、特許文献１乃至３に開示されているように、基板受渡し装置にリリースノズルが設けられている。リリースノズルは、ウエハの裏面とメンブレンの間に加圧流体を噴射することによりウエハのリリース（離脱）を補助する機構であるが、特許文献１および特許文献２で開示されている技術では、ウエハリリース時にはメンブレンを加圧して膨らませ、ウエハ周縁部をメンブレンから引き剥がし、この引き剥がされた部分に加圧流体を噴射している。この場合、メンブレンを加圧して膨らませる際にウエハには局所的な応力が加わり、ウエハ上に形成された微細な配線が破断したり、最悪の場合にはウエハが破損してしまうという問題がある。

これに対して、特許文献３で開示されている技術では、プッシャの上昇完了時、リテーナリングの底面を押圧することにより、リテーナリングの底面がメンブレンの下面よりも上方に押し上げられウエハとメンブレンとの間が露出された状態になっているので、メンブレンを加圧すること無しに大気開放状態で、すなわちウエハに応力をかけること無しに、リリースノズルからリリースシャワーをウエハとメンブレン間に噴射することが可能である。

特開２００５−１２３４８５号公報 米国特許第７，０４４，８３２号公報 特開２０１０−４６７５６号公報

上述した研磨装置を連続運転してウエハの研磨を行い、研磨後のウエハを基板受渡し装（プッシャ）において離脱させるというウエハ処理工程を繰り返し行った。その結果、基板受渡し装置においてリリースノズルから加圧流体を噴射するリリース動作が始まってから、ウエハがトップリングから離脱するまでの時間であるリリース時間には、バラツキがあることが判明した。すなわち、数百枚のウエハのリリース時間を分析してみると、短時間でリリースされる場合が最も多かったが、２倍以上のリリース時間を要する場合も相当数あった。

本発明者らは、ウエハのリリース時間のバラツキが発生する原因を解明するために、種々の実験を行うとともに実験結果の解析を進めた結果、トップリングの回転位相とウエハのリリース時間との間に相関関係があることを見出した（後述する）。この相関関係が生ずる原因をつきとめるために、トップリングの構造とリリースノズルとの関係を調査した結果、メンブレンにはウエハを吸着保持するために複数の孔が設けられているため、ウエハリリース時にこれらのメンブレン孔とリリースノズルから噴射される加圧流体との回転位相が一致してしまうと、加圧流体がメンブレン孔からメンブレン内に侵入しメンブレンを大きく膨らませてしまい、メンブレンが大きく膨らむとリリースノズルからの加圧流体がウエハ・メンブレン間の適切な位置に当たらなくなり、ウエハのリリース時間が長くかかるという知見を得たものである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、半導体ウエハ等の基板の変形および基板にかかる応力を低減し、基板の欠陥や基板の破損を防止して、基板のトップリングからの離脱（リリース）を安全で効率的に行うことができる研磨装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の研磨装置は、研磨面を有した研磨テーブルと、少なくとも一部が弾性膜で構成された基板保持面を有し、該基板保持面で基板を保持して前記研磨面に押圧する基板保持装置と、前記基板保持装置からの基板受け渡し位置において前記基板保持装置から基板の受け渡しを行う基板搬送機構と、前記基板搬送機構と一体に設けられるか又は別途設けられ、基板を前記基板保持面から剥離する基板剥離促進機構と、前記基板保持装置を回転駆動させる回転駆動機構と、前記基板保持装置の回転角度位置を検知する検知機構と、前記基板保持装置の回転角度位置を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、研磨後の基板を基板保持装置から基板搬送機構に受け渡す前に、基板保持装置の回転角度位置を所望の位置に制御し、その後、基板剥離促進機構により研磨後の基板を基板保持面から剥離させ、基板を基板保持装置から基板搬送機構に受け渡すことができる。したがって、基板を受け渡す前に、基板保持装置と基板剥離促進機構の位置関係を最適な位置関係にすることができ、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。

本発明の好ましい態様は、前記基板剥離促進機構は、前記基板保持面の外周側から加圧流体を噴射して基板を前記基板保持面から剥離することを特徴とする。
本発明によれば、基板保持装置と基板剥離促進機構の位置関係を最適な位置関係にした状態で、加圧流体を噴射することができるため、噴射された加圧流体が基板保持面と基板の間に正確に当たり、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。

本発明の好ましい態様は、前記基板保持装置から前記基板搬送機構へ基板の受け渡しを行う前に、前記基板保持装置の回転角度位置を特定の位置に制御することを特徴とする。
本発明によれば、基板を基板保持装置から基板搬送機構に受け渡す前に、基板保持装置と基板剥離促進機構の位置関係を最適な位置関係にすることができ、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。

本発明の好ましい態様は、前記基板保持面の弾性膜は孔を有し、前記制御部は、前記基板剥離促進機構から噴射される加圧流体が前記孔に向かって噴射されないように、前記基板保持装置の回転角度位置を制御することを特徴とする。
本発明によれば、噴射された加圧流体が孔から弾性膜の内部に侵入することがないため、弾性膜が膨らむことがなく、基板を基板保持面から短時間で安全に剥離することができる。

本発明の研磨用弾性膜は、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置に用いられ、基板を保持する基板保持面を有する弾性膜であって、前記基板保持面には基板を吸着するための複数の孔が設けられ、前記孔の孔径は２ｍｍ以上６ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明によれば、基板を基板保持面から剥離する際に加圧流体を噴射する場合であっても、弾性膜の孔の孔径が６ｍｍ以下であるため、噴射された加圧流体が弾性膜の内部に侵入することが非常に困難であり、弾性膜が膨らむことがなく、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。また、弾性膜の孔の孔径が２ｍｍ以上であるため、基板を安全に吸着して保持することができる。

本発明の好ましい態様は、前記弾性膜の外周側から加圧流体を噴射して基板を前記弾性膜から剥離することを特徴とする。
本発明によれば、噴射された加圧流体が弾性膜の内部に侵入することが困難であるため、基板保持面と加圧流体を噴射する機構の位置関係を最適な位置関係にすることができ、噴射された加圧流体が基板保持面と基板の間に正確に当たり、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。

本発明の研磨方法は、少なくとも一部が弾性膜で構成された基板保持面を有する基板保持装置により基板を保持して研磨面に押圧し、基板と前記研磨面とを相対運動させながら基板の研磨を行い、研磨後の基板を前記基板保持装置により吸着して保持し、研磨後の基板を保持した前記基板保持装置を回転させ、該基板保持装置の回転角度位置を特定の位置に制御し、前記特定の位置に制御された前記基板保持装置の前記基板保持面から基板を剥離して基板を基板搬送機構に受け渡すことを特徴とする。
本発明によれば、研磨後の基板を基板保持装置から基板搬送機構に受け渡す前に、基板保持装置の回転角度位置を特定の位置に制御し、その後、基板剥離促進機構により研磨後の基板を基板保持面から剥離させ、基板を基板保持装置から基板搬送機構に受け渡すことができる。したがって、基板を受け渡す前に、基板保持装置と基板剥離促進機構の位置関係を最適な位置関係にすることができ、基板を基板保持面から安全にかつ効率的に剥離することができる。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）研磨後の基板を保持した基板保持装置から基板を剥離して基板搬送機構に受け渡す際に、基板が変形することがなく、また基板に局所的な応力がかかることがない。したがって、基板上に形成された微細な配線や素子等の破断や破損を防止することができ、また基板の破損も防止することができる。
（２）研磨後の基板を保持した基板保持装置から基板を剥離して基板搬送機構に受け渡す際に、基板保持面から基板を速やかにかつ安全に剥離して基板搬送機構に受け渡すことができ、基板上の回路素子や配線等の保護を充分に図りつつ、研磨装置のスループットを向上させることができる。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。 図２は、研磨対象物である半導体ウエハを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置を構成するトップリングの模式的な断面図である。 図３は、トップリングと基板受渡し装置（プッシャ）とを示す概略図であり、ウエハをトップリングからプッシャへ受け渡しするために、プッシャを上昇させた状態を示す模式図である。 図４は、プッシャの詳細構造を示す概略図である。 図５は、メンブレンからウエハを離脱させるウエハリリース時の状態を示す概略図である。 図６は、ウエハリリース時のプッシャに対するトップリングの回転位相とその時のウエハリリース時間を測定した結果を示すグラフである。 図７は、図６における位相５０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。 図８は、図６における位相６０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。 図９は、図６における位相１０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。 図１０は、図６における位相４０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。 図１１は、メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合のリリースシャワーの挙動を示す模式図である。 図１２は、メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合のメンブレンの挙動を示す模式図である。 図１３は、孔径６ｍｍで位相６０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。 図１４は、孔径６ｍｍでウエハリリース時のプッシャに対するトップリングの回転位相とその時のウエハリリース時間を測定した結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１乃至図１４を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧するトップリング１とを備えている。
研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１００ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル１００の上面には研磨パッド１０１が貼付されており、研磨パッド１０１の表面１０１ａが半導体ウエハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体２と、半導体ウエハＷの外周縁を保持して半導体ウエハＷがトップリングから飛び出さないようにするリテーナリング３とから基本的に構成されている。

トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されており、このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。なお、トップリングシャフト１１１の上端にはロータリージョイント１２５が取り付けられている。
トップリングシャフト１１１およびトップリング１を上下動させる上下動機構１２４は、軸受１２６を介してトップリングシャフト１１１を回転可能に支持するブリッジ１２８と、ブリッジ１２８に取り付けられたボールねじ１３２と、支柱１３０により支持された支持台１２９と、支持台１２９上に設けられたＡＣサーボモータ１３８とを備えている。サーボモータ１３８を支持する支持台１２９は、支柱１３０を介してトップリングヘッド１１０に固定されている。

ボールねじ１３２は、サーボモータ１３８に連結されたねじ軸１３２ａと、このねじ軸１３２ａが螺合するナット１３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１１は、ブリッジ１２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介してブリッジ１２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１１およびトップリング１が上下動する。

また、トップリングシャフト１１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用回転モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用回転モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。したがって、トップリング用回転モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、およびタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２およびトップリングシャフト１１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリング用回転モータ１１４は、エンコーダ１４０を備えている。エンコーダ１４０は、トップリング１の回転角度位置を検知する機能やトップリング１の回転数を積算する機能を有している。また、トップリング１の回転角度「基準位置（０度）」を検知するセンサを別途設けても良い。なお、トップリングヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト１１７によって支持されている。研磨装置は、トップリング用回転モータ１１４、サーボモータ１３８、エンコーダ１４０をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部５０を備えている。

図１に示すように構成された研磨装置において、トップリング１は、その下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１１０はトップリングシャフト１１７を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル１００をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。

次に、本発明の研磨装置におけるトップリング（研磨ヘッド）について説明する。図２は、研磨対象物である半導体ウエハを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置を構成するトップリング１の模式的な断面図である。図２においては、トップリング１を構成する主要構成要素だけを図示している。
図２に示すように、トップリング１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体（キャリアとも称する）２と、研磨面１０１ａを直接押圧するリテーナリング３とから基本的に構成されている。トップリング本体（キャリア）２は概略円盤状の部材からなり、リテーナリング３はトップリング本体２の外周部に取り付けられている。トップリング本体２は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。トップリング本体２の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜（メンブレン）４が取り付けられている。弾性膜（メンブレン）４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

前記弾性膜（メンブレン）４は同心状の複数の隔壁４ａを有し、これら隔壁４ａによって、弾性膜４の上面とトップリング本体２の下面との間に円形状のセンター室５、環状のリプル室６、環状のアウター室７、環状のエッジ室８が形成されている。すなわち、トップリング本体２の中心部にセンター室５が形成され、中心から外周方向に向かって、順次、同心状に、リプル室６、アウター室７、エッジ室８が形成されている。弾性膜（メンブレン）４は、リプルエリア（リプル室６）にウエハ吸着用の弾性膜の厚さ方向に貫通する複数の孔４ｈを有している。本実施例では孔４ｈはリプルエリアに設けられているが、リプルエリア以外に設けても良い。トップリング本体２内には、センター室５に連通する流路１１、リプル室６に連通する流路１２、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４がそれぞれ形成されている。そして、センター室５に連通する流路１１、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４は、ロータリージョイント２５を介して流路２１，２３，２４にそれぞれ接続されている。そして、流路２１，２３，２４は、それぞれバルブＶ１−１，Ｖ３−１，Ｖ４−１および圧力レギュレータＲ１，Ｒ３，Ｒ４を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２１，２３，２４は、それぞれバルブＶ１−２，Ｖ３−２，Ｖ４−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ１−３，Ｖ３−３，Ｖ４−３を介して大気に連通可能になっている。

一方、リプル室６に連通する流路１２は、ロータリージョイント２５を介して流路２２に接続されている。そして、流路２２は、気水分離槽３５、バルブＶ２−１および圧力レギュレータＲ２を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２２は、気水分離槽３５およびバルブＶ２−２を介して真空源１３１に接続されるとともに、バルブＶ２−３を介して大気に連通可能になっている。

また、リテーナリング３の直上にも弾性膜からなるリテーナリング加圧室９が形成されており、リテーナリング加圧室９は、トップリング本体（キャリア）２内に形成された流路１５およびロータリージョイント２５を介して流路２６に接続されている。そして、流路２６は、バルブＶ５−１および圧力レギュレータＲ５を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２６は、バルブＶ５−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ５−３を介して大気に連通可能になっている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、それぞれ圧力調整部３０からセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８およびリテーナリング加圧室９に供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５および各バルブＶ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３，Ｖ３−１〜Ｖ３−３，Ｖ４−１〜Ｖ４−３，Ｖ５−１〜Ｖ５−３は、制御部５０（図１参照）に接続されていて、それらの作動が制御されるようになっている。また、流路２１，２２，２３，２４，２６にはそれぞれ圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５および流量センサＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５が設置されている。

図２に示すように構成されたトップリング１においては、上述したように、トップリング本体２の中心部にセンター室５が形成され、中心から外周方向に向かって、順次、同心状に、リプル室６、アウター室７、エッジ室８が形成され、これらセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８およびリテーナリング加圧室９に供給する流体の圧力を圧力調整部３０および圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５によってそれぞれ独立に調整することができる。このような構造により、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウエハの領域毎に調整でき、かつリテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整できる。

次に、図１および図２に示すように構成された研磨装置による一連の研磨処理工程について説明する。
トップリング１は基板受渡し装置から半導体ウエハＷを受け取り真空吸着により保持する。弾性膜（メンブレン）４には半導体ウエハＷを真空吸着するための複数の孔４ｈが設けられており、これらの孔４ｈは真空源１３１に連通されている。半導体ウエハＷを真空吸着により保持したトップリング１は、予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降する。この研磨時設定位置では、リテーナリング３は研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地しているが、研磨前は、トップリング１で半導体ウエハＷを吸着保持しているので、半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａとの間には、わずかな間隙（例えば、約１ｍｍ）がある。このとき、研磨テーブル１００およびトップリング１は、ともに回転駆動されている。この状態で、半導体ウエハの裏面側にある弾性膜（メンブレン）４を膨らませ、半導体ウエハの下面（被研磨面）を研磨パッド１０１の表面（研磨面）に当接させ、研磨テーブル１００とトップリング１とを相対運動させることにより、半導体ウエハの表面（被研磨面）が所定の状態（例えば、所定の膜厚）になるまで研磨する。

研磨パッド１０１上でのウエハ処理工程の終了後、ウエハＷをトップリング１に吸着し、トップリング１を上昇させ、基板搬送機構を構成する基板受渡し装置（プッシャ）へ移動させて、ウエハＷの離脱（リリース）を行う。
図３は、トップリング１と基板受渡し装置（プッシャ）１５０とを示す概略図であり、ウエハをトップリング１からプッシャ１５０へ受け渡しするために、プッシャを上昇させた状態を示す模式図である。図３に示すように、プッシャ１５０は、トップリング１との間で芯出しを行うためにトップリング１の外周面と嵌合可能なトップリングガイド１５１と、トップリング１とプッシャ１５０との間でウエハを受け渡しする際にウエハを支持するためのプッシャステージ１５２と、プッシャステージ１５２を上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）と、プッシャステージ１５２とトップリングガイド１５１とを上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）とを備えている。

以下においては、ウエハＷをトップリング１からプッシャ１５０に受け渡しする動作を説明する。
研磨パッド１０１上でのウエハ処理工程終了後、トップリング１はウエハＷを吸着する。ウエハの吸着は、メンブレン４の孔４ｈを真空源１３１に連通させることにより行う。ウエハの吸着後に、トップリング１を上昇させ、プッシャ１５０へ移動させて、ウエハＷの離脱（リリース）を行う。プッシャ１５０へ移動後、トップリング１に吸着保持したウエハＷに純水や薬液を供給しつつトップリング１を回転させて洗浄動作を行う場合もある。

本発明では、ウエハの離脱前に「トップリングの回転位相を特定の位相に位置させる」。上記洗浄動作を行わない場合には、プッシャ１５０への移動中などにトップリング１の回転位相の調整が行われ、「トップリングの回転位相を特定の位相に位置させる」。トップリング１の回転を伴う洗浄動作を行う場合には、洗浄動作終了時に「トップリングの回転位相を特定の位相に位置させる」ようにトップリング１の回転を停止する。この場合、「トップリングの回転位相を特定の位相に位置させる」には、エンコーダ１４０によりトップリング１の基準位置（０度）からの回転角度位置を検知し、制御部５０によりトップリング用回転モータ１１４を制御することにより、トップリング１を所定の回転角度位置で停止させる。その後、プッシャ１５０のプッシャステージ１５２とトップリングガイド１５１が上昇し、トップリングガイド１５１がトップリング１の外周面と嵌合してトップリング１とプッシャ１５０との芯出しを行う。このとき、トップリングガイド１５１は、リテーナリング３を押し上げるが、同時にリテーナリング加圧室９を真空にすることにより、リテーナリング３の上昇を速やかに行うようにしている。そして、プッシャの上昇完了時、リテーナリング３の底面は、トップリングガイド１５１の上面に押圧されてメンブレン４の下面よりも上方に押し上げられているので、ウエハとメンブレンとの間が露出された状態となっている。図３に示す例においては、リテーナリング３の底面はメンブレン下面よりも１ｍｍ上方に位置している。その後、トップリング１によるウエハＷの真空吸着を止め、ウエハリリース動作を行う。なお、プッシャが上昇する代わりにトップリングが下降することによって所望の位置関係に移動しても良い。

図４は、プッシャ１５０の詳細構造を示す概略図である。図４に示すように、プッシャ１５０は、トップリングガイド１５１と、プッシャステージ１５２と、トップリングガイド１５１内に形成され圧力流体を噴射するためのリリースノズル１５３とを備えている。リリースノズル１５３は、トップリングガイド１５１の円周方向に所定間隔を置いて複数個設けられており、加圧窒素と純水の混合流体をトップリングガイド１５１の半径方向内方に噴出するようになっている。これにより、ウエハＷとメンブレン４との間に、加圧窒素と純水の混合流体からなるリリースシャワーを噴射し、メンブレンからウエハを離脱させるウエハリリースを行うことができる。リリースノズル１５３は、基板剥離促進機構を構成している。

図５は、メンブレンからウエハを離脱させるウエハリリース時の状態を示す概略図である。図５に示すように、プッシャが上昇完了してリテーナリング３の底面がトップリングガイド１５１の上面に押圧されてメンブレン４の下面よりも上方に押し上げられ、ウエハＷとメンブレン４との間が露出された状態になっているので、メンブレン４を加圧すること無しに大気開放状態で、すなわちウエハＷに応力をかけること無しに、リリースノズル１５３からリリースシャワーをウエハＷとメンブレン４間に噴射することが可能である。リリースノズル１５３からは、加圧窒素と純水の混合流体を噴出するが、加圧気体のみや加圧液体のみを噴出するようにしても良いし、他の組合せの加圧流体を噴出するようにしても良い。ウエハの裏面の状態によっては、メンブレンとウエハ裏面との密着力が強く、ウエハがメンブレンから剥がれ難い場合がある。このような場合には、リプルエリア（リプル室６）を０．１ＭＰａ以下の低い圧力で加圧し、ウエハの離脱を補助する動作を行っても良い。また、リプルエリアの加圧を行う場合には、ウエハがメンブレンに密着した状態でメンブレンが膨らみつづけることを防ぐために、リプルエリア以外のエリアを真空状態にしてメンブレンの膨らみを抑えるようにしても良い。

次に、上記「トップリングの回転位相を特定の位相に位置させる」ことについて、図６乃至図１０を用いて説明する。
図６は、ウエハリリース時のプッシャに対するトップリングの回転位相とその時のウエハリリース時間を測定した結果を示すグラフである。図６において縦軸はウエハリリース時間を示し、横軸はトップリングの回転角度を０度から３６０度で示す。トップリングの回転方向に目盛りをつけ、ウエハリリース時のプッシャに対するトップリングの回転位相とその時のウエハリリース時間をウエハ３００枚について測定した。図６からトップリングの回転位相が６０度毎にウエハリリース時間が長くなっていることが明確に読み取れる。この実験では、６箇所等配の孔があるメンブレンを用いているため、トップリングが６０度回転してもプッシャに対するメンブレンの孔位置は同じとなる。すなわち、プッシャに対してメンブレンの孔が特定の位相に位置した場合にウエハリリース時間が長くなっていることがわかる。本測定結果では、位相５０〜６０度の場合、およびこの位相から６０度毎回転した場合にウエハリリース時間が長くなっている。

図７は、図６における位相５０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。位相１１０度、１７０度などの場合も同じ位置関係になる。図７に示すように、円周方向に４箇所設置されたトップリングガイド１５１には、それぞれ２個のリリースノズル１５３が設けられているので、ウエハリリース時にウエハＷとメンブレン４間に８箇所のリリースシャワーＳＨを噴射することが可能である。トップリング１のメンブレン４には６箇所等配のメンブレン孔４ｈが形成されている。したがって、トップリングが６０度回転してもプッシャに対するメンブレンの孔位置は同じとなる。
図８は、図６における位相６０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。位相０度、１２０度などの場合も同じ位置関係になる。
図７および図８より、位相５０度および位相６０度の場合には、２箇所のメンブレン孔４ｈとリリースシャワーＳＨの位相が一致していることがわかる。位相が一致したメンブレン孔４ｈとリリースシャワーＳＨの部分は、点線の円形で囲んでいる。

図９は、図６における位相１０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。図１０は、図６における位相４０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。図９および図１０の場合には、メンブレン孔４ｈとリリースシャワーＳＨの位相の一致は見られない。なお、図７乃至図１０の場合におけるメンブレン孔径はφ１５ｍｍの場合である。
図６乃至図１０より、トップリングの回転位相が５０〜６０度の場合、およびこの位相から６０度毎回転した位相の場合に、リリースシャワーとメンブレン孔との位相が一致し、その時にウエハリリース時間が長くなっていることが分かる。

次に、メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合にメンブレンにどのような影響を与えるかについて図１１および図１２を用いて説明する。
図１１は、メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合のリリースシャワーの挙動を示す模式図である。図１２は、メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合のメンブレンの挙動を示す模式図である。メンブレン孔とリリースシャワーの位相が一致した場合には、図１１に示すように、リリースシャワーの加圧流体がメンブレン孔からメンブレン内に侵入する。ここでリリースシャワーの加圧流体には０．３５ＭＰａのＮ_２ガスと０．１ＭＰａのＤＩＷ（純水）の混合流体を用いているが、０．２５ＭＰａ以上の加圧気体のみでも良いし、０．０５ＭＰａ以上の加圧液体のみでも良いし、それらの混合流体でも良い。メンブレン内に侵入したリリースシャワーの加圧流体は、図１２に示すように、リプルエリア（リプル室６）のメンブレンを下方向に膨らませるように作用する。メンブレンが膨らんでしまうと、メンブレン・ウエハ裏面間に噴射しているリリースシャワーの位置が最適位置からずれてしまい、実験結果に現れているようにウエハリリース時間が長くかかる結果となっている。また、メンブレンが膨らむことによりウエハに局所的な応力が加わり、ウエハ上に形成された微細な配線が破断したり、最悪の場合にはウエハが破損してしまうことにつながる可能性がある。

本発明では、このような状況を避けるためにウエハリリース前に図９および図１０に示すような位置関係になるようにトップリングの回転位相を制御する。すなわち、エンコーダ１４０によりトップリング１の回転角度位置を検知し、制御部５０によりトップリング用回転モータ１１４を制御することにより、トップリング１を所定の回転角度位置で停止させる。こうすることにより、ウエハリリース時にリリースシャワーを噴出させても、メンブレン孔からメンブレン内にリリースシャワーの加圧流体が侵入することなく、安定してウエハリリースを行うことができる。また、トップリングの回転位相を制御する代わりに、トップリングガイド１５１を回転可能とすることによりリリースシャワーをトップリングの位相に合わせて回転させるようにしても良い。

次に、本発明の他の実施形態について図１３および図１４を参照して説明する。
図１３は、孔径６ｍｍのメンブレンを用いた場合の位相６０度の場合のリリースシャワーとメンブレン孔との位置関係を示す模式図である。図１４は、孔径６ｍｍのメンブレンを用いた場合の図６と同様の実験結果であり、ウエハリリース時のプッシャに対するトップリングの回転位相とその時のウエハリリース時間を測定した結果を示すグラフである。図６では孔径１５ｍｍのメンブレンを用いていたのに対し、図１４では孔径６ｍｍのメンブレンを用いている。図１４の縦軸のレンジは図６の縦軸のレンジと同一である。図１４に示すように、孔径６ｍｍのメンブレンを用いた場合、ウエハリリース時間が長くなるものが大幅に減少し、改善されていることが明らかである。この理由は、図１３に示すようにメンブレンの孔径を小さくしたことでリリースシャワーＳＨがメンブレン孔４ｈの内側へ侵入することが非常に困難になり、図１１および図１２に示す状況が起こる可能性が極めて小さくなったためである。

メンブレン孔の孔径が６ｍｍ以下の場合に上述の効果が得られるが、孔径を小さくしすぎる場合には幾つかの問題点がある。
１つ目の問題点は組立が困難になることである。通常、メンブレンの孔はメンブレンを取り付けるキャリア本体（トップリング本体）の孔と位置合わせをして取り付けられる。これはウエハの吸着時にメンブレン孔を介してウエハを吸着保持するためである。しかしながら、例えば、孔径１ｍｍとした場合には１ｍｍ以下の精度でメンブレン孔とキャリア孔の位置合わせをしなくてはならず、組立が非常に困難となる。
２つ目の問題点はウエハの吸着力の問題である。孔径を小さくしていくとウエハの吸着時にウエハ裏面で真空状態となる領域が減少する。例えば１ｍｍの孔径で６個の孔を配置したメンブレンでは孔部の総面積は約４．７ｍｍ^２となる。通常用いられる真空圧−８０ｋＰａでウエハを吸着した場合の吸着力は約０．３８Ｎとなり、例えば直径１２インチのシリコンウエハの自重約１．３Ｎよりも小さい吸着力となってしまうため、ウエハを安定して吸着保持することができなくなってしまう。孔の個数を増やして吸着力を増やすことは可能であるが、研磨中に孔から加圧流体がリークしてしまったり、リリースシャワーと孔との一致が起こりやすくなってしまうことなどの問題点があり、実際上は採用が困難である。したがって、孔径２ｍｍ以上のメンブレンを使用するのが望ましい。

またリリースノズルのレイアウトによってはリリースシャワーとメンブレンの孔の４箇所で位相が一致してしまう場合がある。このような場合にもリリースシャワーがメンブレン孔の内側へ侵入し、メンブレンを膨らませリリース時間が長くかかってしまうことが確認されている。したがって、このような状況にならないように４箇所の位相一致が起こらないようにリリースシャワーのレイアウトを選択するようにしてもよい。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
４ 弾性膜（メンブレン）
４ａ 隔壁
４ｈ 孔
５ センター室
６ リプル室
７ アウター室
８ エッジ室
９ リテーナリング加圧室
１１，１２，１３，１４，１５，２１，２２，２３，２４，２６ 流路
２５ ロータリージョイント
３０ 圧力調整部
３１ 真空源
３５ 気水分離槽
５０ 制御部
１００ 研磨テーブル
１００ａ テーブル軸
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 表面
１０２ 研磨液供給ノズル
１１１ トップリングシャフト
１１２ 回転筒
１１３ タイミングプーリ
１１４ トップリング用回転モータ
１１５ タイミングベルト
１１６ タイミングプーリ
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２４ 上下動機構
１２５ ロータリージョイント
１２６ 軸受
１２８ ブリッジ
１２９ 支持台
１３０ 支柱
１３１ 真空源
１３２ ボールねじ
１３２ａ ねじ軸
１３２ｂ ナット
１３８ ＡＣサーボモータ
１４０ エンコーダ
１５０ 基板受渡し装置（プッシャ）
１５１ トップリングガイド
１５２ プッシャステージ
１５３ リリースノズル
Ｆ１〜Ｆ５ 流量センサ
Ｒ１〜Ｒ５ 圧力レギュレータ
Ｐ１〜Ｐ５ 圧力センサ
ＳＨ リリースシャワー
Ｖ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３，Ｖ３−１〜Ｖ３−３，Ｖ４−１〜Ｖ４−３，Ｖ５−１〜Ｖ５−３ バルブ

Claims (7)

1. 研磨面を有した研磨テーブルと、
   少なくとも一部が弾性膜で構成された基板保持面を有し、該基板保持面で基板を保持して前記研磨面に押圧する基板保持装置と、
   前記基板保持装置からの基板受け渡し位置において前記基板保持装置から基板の受け渡しを行う基板搬送機構と、
   前記基板搬送機構と一体に設けられるか又は別途設けられ、基板を前記基板保持面から剥離する基板剥離促進機構と、
   前記基板保持装置を回転駆動させる回転駆動機構と、
   前記基板保持装置の回転角度位置を検知する検知機構と、
   前記基板保持装置の回転角度位置を制御する制御部とを備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記基板剥離促進機構は、前記基板保持面の外周側から加圧流体を噴射して基板を前記基板保持面から剥離することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記基板保持装置から前記基板搬送機構へ基板の受け渡しを行う前に、前記基板保持装置の回転角度位置を特定の位置に制御することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
4. 前記基板保持面の弾性膜は孔を有し、前記制御部は、前記基板剥離促進機構から噴射される加圧流体が前記孔に向かって噴射されないように、前記基板保持装置の回転角度位置を制御することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
5. 基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置に用いられ、基板を保持する基板保持面を有する弾性膜であって、
   前記基板保持面には基板を吸着するための複数の孔が設けられ、前記孔の孔径は２ｍｍ以上６ｍｍ以下であることを特徴とする研磨用弾性膜。
6. 前記弾性膜の外周側から加圧流体を噴射して基板を前記弾性膜から剥離することを特徴とする請求項５記載の研磨用弾性膜。
7. 少なくとも一部が弾性膜で構成された基板保持面を有する基板保持装置により基板を保持して研磨面に押圧し、基板と前記研磨面とを相対運動させながら基板の研磨を行い、
   研磨後の基板を前記基板保持装置により吸着して保持し、
   研磨後の基板を保持した前記基板保持装置を回転させ、該基板保持装置の回転角度位置を特定の位置に制御し、
   前記特定の位置に制御された前記基板保持装置の前記基板保持面から基板を剥離して基板を基板搬送機構に受け渡すことを特徴とする研磨方法。

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