JP4515047B2 - 弾性膜、基板保持装置、研磨装置、及び研磨方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する研磨装置において該基板を保持する基板保持装置および該基板保持装置に使用される弾性膜に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えた研磨装置および該基板保持装置を用いた研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
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、化学的機械的研磨（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ェ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。
【０００５】
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、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリア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ェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェ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ェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウェ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ェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェ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。例えば、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が大きくなり、半導体ウェ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。
【０００７】
このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置が用いられている。また、半導体ウェ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ェハを押圧することが行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した基板保持装置では、弾性膜から形成される圧力室は流体圧を受けて変形することになるため、圧力室に流体を供給するに従って弾性膜が半導体ウェハから局所的に離れてしまう。このため、半導体ウェハに対する押圧力が局所的に低下し、半導体ウェハの被研磨面全体に亘って均一な研磨レートが得られないという問題が生じていた。
【０００９】
このような問題は弾性膜の硬度が高いほど顕著に現れるため、硬度の低い弾性膜を用いることによって弾性膜と半導体ウェハとの接触範囲を保持しようとする試みもなされている。しかしながら、硬度の低い弾性膜は機械的強度が弱いため、弾性膜に亀裂が生じやすく、弾性膜を頻繁に交換する必要が生じるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板の被研磨面の全体に亘って均一な研磨レートを得ることができる弾性膜、基板保持装置及びこのような基板保持装置を用いた研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板保持装置に用いられる弾性膜であって、基板に当接する当接部と、前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部から構成され、前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続されており、前記径方向外側に延びて前記当接部に接続される部位の径方向の寸法は、前記第２の折り返し部の径方向の寸法よりも大きく、前記第２の周壁部の径方向外側には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成されることを特徴とする。
本発明の他の態様は、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置であって、前記研磨面に対して垂直方向に移動可能な可動部材と、弾性膜により形成された圧力室とを備え、前記弾性膜は、前記基板に当接する当接部と、前記当接部を前記可動部材に接続する周壁部とを備え、前記周壁部は、前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部から構成され、前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続されており、前記径方向外側に延びて前記当接部に接続される部位の径方向の寸法は、前記第２の折り返し部の径方向の寸法よりも大きく、前記第２の周壁部の径方向外側には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成され、前記伸縮部は前記研磨面に対して垂直方向に伸縮自在であり、前記弾性膜は一体的構成を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、流体の圧力室への供給に伴って伸縮部が研磨面に対して垂直方向に伸びるため、弾性膜の当接部の形状を保持することができる。従って、弾性膜（当接部）と基板との接触範囲を一定に保つことが可能になり、基板の被研磨面の全体に亘って均一な研磨レートを得ることが可能となる。また、伸縮部によって弾性膜と基板との接触を良好に維持できるので硬度の高い弾性膜を用いることが可能となり、弾性膜の耐久性を高めることができる。この場合において、硬度の高い弾性膜は、硬度の低い弾性膜に比べて基板と弾性膜（当接部）との接触範囲を良好に維持することができ、安定した研磨レートを得ることが可能となる。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記弾性膜は一体的構成を有することを特徴とする。
本発明によれば、圧力室から流体が漏洩してしまうことを防止することができる。また、研磨終了後において当接部から基板を容易にリリースすることができる。すなわち、複数の分割体に分割された弾性膜を用いた場合、一部の分割体が基板に密着して基板のリリースがスムーズに行われない場合があるが、一体的に形成された（一体型の）弾性膜では、基板を当接部からスムーズにリリースすることができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記当接部の外縁部には、略上方に傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜部は曲線状の断面形状を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜部は直線状の断面形状を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、基板の外周縁部と弾性膜とが非接触に維持されるので、基板の外周縁部において押圧力は加えられず、これによって基板の外周縁部が過剰に研磨されてしまうことが防止できる。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記傾斜部は薄肉に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、流体圧により傾斜部が変形しやすくなるので、傾斜部を基板の外周縁部に所望の押圧力で接触させることができる。従って、基板の外周縁部における研磨レートを独立に制御することが可能となる。
【００１７】
本発明の他の態様は、研磨面を有する研磨テーブルと、上記基板保持装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
また、本発明の他の態様は、上記基板保持装置で基板を保持し、前記基板を研磨テーブルの研磨面の上方に移動させ、前記基板保持装置の可動部材を下降させ、前記基板保持装置の第１の圧力室および第２の圧力室に加圧流体を供給して前記可動部材を上昇させるとともに、前記基板保持装置の弾性膜の当接部により前記基板を前記研磨面に対して押圧し、前記研磨面に研磨液を供給しながら、前記基板保持装置と前記研磨テーブルとを回転させて前記基板を研磨することを特徴とする研磨方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、研磨対象物である半導体ウェ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装置である。図１に示すように、本発明に係る基板保持装置としてのトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、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から研磨パッド１０１上に形成される研磨面１０１ａに研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００１９】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
【００２０】
トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨パッド１０１に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０は、加圧流体源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいは真空ポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行うものである。この圧力調整部１２０によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力をレギュレータＲ１を介して調整することができる。これにより、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することができる。
【００２１】
また、トップリング駆動軸１１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。従って、トップリング用モータ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、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。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。
【００２２】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。図２は本発明の第１の実施形態におけるトップリングを示す縦断面図である。
図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定された環状のリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００２３】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの内周面に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上部に配置される環状のシール部２ｃとを備えている。ハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００２４】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００２５】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ，２ｄ間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００２６】
トップリング本体２とトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３との内部に画成された空間内には、環状のホルダーリング５と、トップリング本体２内部の収容空間内で上下方向に移動可能な概略円盤状のチャッキングプレート（可動部材）６とが収容されている。ここで、上下方向とは、研磨面１０１ａに対して垂直な方向を意味する。このチャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、フッ素系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００２７】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性を有する加圧シート１３が張設されている。この加圧シート１３は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５とチャッキングプレート６との間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート１３によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３２が連通されており、圧力室２１は流体路３２上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧力調整部１２０に接続されている。流体路３２は、トップリング駆動軸１１の内部を通り、トップリング駆動軸１１の上端に取り付けられたロータリージョイント１２１を経由して圧力調整部１２０に接続されている。なお、加圧シート１３は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００２８】
なお、加圧シート１３がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート１３をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート１３の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート１３の固定方法が用いられるとは限らない。
【００２９】
チャッキングプレート６の下部には、半導体ウェハＷに当接する弾性膜（メンブレン）７が取付けられている。弾性膜７は、半導体ウェハＷの上面全体に当接する円形の当接部８と、この当接部８から上方に延びてチャッキングプレート６に接続される環状の周壁部、すなわち、第１の周壁部９ａ、第２の周壁部９ｂ、第３の周壁部９ｃ、及び第４の周壁部９ｄ（以下、総称するときは周壁部９ａ〜９ｄという）とを備えている。弾性膜７は１ピース部材として一体的構成を有している。
【００３０】
第１の周壁部９ａは当接部８の外周端に配置されている。第２の周壁部９ｂは、第１の周壁部９ａと所定の距離を介して第１の周壁部９ａの径方向内側に配置されている。第３の周壁部９ｃは、第２の周壁部９ｂと所定の距離を介して第２の周壁部９ｂの径方向内側に配置されている。第４の周壁部９ｄは、第３の周壁部９ｃと所定の距離を介して第３の周壁部９ｃの径方向内側に配置されている。第１の周壁部９ａ、第２の周壁部９ｂ、第３の周壁部９ｃ、及び第４の周壁部９ｄは、同心上に配列されている。
【００３１】
第１の周壁部９ａ及び第２の周壁部９ｂのそれぞれの上端は、チャッキングプレート６と環状のエッジリング４との間に挟み込まれている。また、第３の周壁部９ｃ及び第４の周壁部９ｄのそれぞれの上端は、チャッキングプレート６と環状のホルダー１５との間に挟み込まれている。エッジリング４及びホルダー１５は、それぞれ図示しないボルトを介してチャッキングプレート６に固定されており、これにより弾性膜７がチャッキングプレート６に着脱可能に取付けられる。
【００３２】
弾性膜７は、加圧シート１３と同様に、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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。また、弾性膜７を形成するゴム材としては、硬度（ｄｕｒｏ）が２０〜６０のものが好適に使用される。なお、弾性膜７が備える周壁部は１つでもよく、また、本実施形態のように複数の周壁部を備えてもよい。
【００３３】
弾性膜７の裏側（上側）には４つの圧力室２２，２３，２４，２５が形成されている。すなわち、当接部８、第１の周壁部９ａ、第２の周壁部９ｂ、及びエッジリング４によって画成される環状の空間は、圧力室２２として構成されている。この圧力室２２にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３３が連通しており、圧力室２２はこの流体路３３上に配置されたレギュレータＲ３を介して圧力調整部１２０に接続されている。
【００３４】
当接部８、第２の周壁部９ｂ、第３の周壁部９ｃ、及びチャッキングプレート６によって画成される環状の空間は、圧力室２３として構成されている。この圧力室２３にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３４が連通しており、圧力室２３はこの流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧力調整部１２０に接続されている。
【００３５】
当接部８、第３の周壁部９ｃ、第４の周壁部９ｄ、及びチャッキングプレート６によって画成される環状の空間は、圧力室２４として構成されている。この圧力室２４にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３５が連通しており、圧力室２４はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧力調整部１２０に接続されている。
【００３６】
当接部８、第４の周壁部９ｄ、及びチャッキングプレート６によって画成される環状の空間は、圧力室２５として構成されている。この圧力室２５にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３６が連通しており、圧力室２５はこの流体路３６上に配置されたレギュレータＲ６を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、上記流体路３２，３３，３４，３５，３６はトップリング駆動軸１１の内部を通り、ロータリージョイント１２１を介して各レギュレータＲ２〜Ｒ６に接続されている。
【００３７】
チャッキングプレート６の上方に形成される圧力室２１及び上記圧力室２２，２３，２４，２５には、各圧力室に連通する流体路３２，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体を供給する、あるいは大気圧や真空にすることができるようになっている。即ち、流体路３２〜３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室２１〜２５に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。
【００３８】
また、各圧力室２２，２３，２４，２５の内部の圧力は、研磨テーブル１００に１つ又は複数埋め込まれた、半導体ウェハＷの被研磨面上の膜厚を測定する膜厚測定装置の測定結果によって各々独立に制御される。ここで、膜厚測定装置としては、光の干渉や反射を利用した光学式膜厚測定装置や、渦電流式膜厚測定装置などが挙げられる。膜厚測定装置からの信号を半導体ウェハＷの半径方向の位置に基づいて解析し、同心円状に形成された各圧力室２２，２３，２４，２５の内部圧力を制御する。
【００３９】
この場合において、各圧力室２２，２３，２４，２５に供給される加圧流体や大気圧開放時に各圧力室に流入する空気の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。ここで、各圧力室２２，２３，２４，２５の温度制御は、上述した各圧力室の圧力制御と同様に、上述した膜厚測定装置からの信号を基に制御することが多い。
【００４０】
ハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されており、この洗浄液路５１にシール部２ｃが嵌合されている。洗浄液路５１は流体路３０に連通されており、この流体路３０を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１から延びハウジング部２ａ及び加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３は弾性膜７の外周面（第１の周壁部９ａ）とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇ及び空気抜き孔５４へ連通されている。
【００４１】
弾性膜７の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及び弾性膜７等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。チャッキングプレート６には、その外周縁部から外方に突出する突起６ｃが複数箇所に設けられており、この突起６ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記チャッキングプレート６等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００４２】
ここで、本実施形態に係る弾性膜７について図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して詳細に説明する。図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図３（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、簡略化のために弾性膜以外の構成については模式化する。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、第１の周壁部９ａは上下方向に、即ち、研磨面１０１ａに対して垂直方向に伸縮自在な伸縮部４０ａを有している。この伸縮部４０ａは、第１の周壁部９ａの当接部８に影響を及ぼさない略中央部において径方向内側に突出する折り返し部から構成されている。また、第２の周壁部９ｂにも上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ｂが設けられている。この伸縮部４０ｂは、第２の周壁部９ｂの下端近傍において径方向内側に延びる水平部４０ｂ−１と、この水平部４０ｂ−１に設けられた上方に突出する折り返し部４０ｂ−２とから構成されている。この折り返し部４０ｂ−２は研磨面１０１ａに対して水平方向に伸びるようになっている。
【００４４】
第３の周壁部９ｃは、上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ｃを有している。この伸縮部４０ｃは、第３の周壁部９ｃの下端近傍において径方向外側に延びる水平部４０ｃ−１と、この水平部４０ｃ−１に設けられた上方に突出する折り返し部４０ｃ−２とから構成されている。また、第４の周壁部９ｄにも上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ｄが設けられている。この伸縮部４０ｄは、第４の周壁部９ｄの下端近傍において径方向内側に延びる水平部４０ｄ−１と、この水平部４０ｄ−１に設けられた上方に突出する折り返し部４０ｄ−２とから構成されている。折り返し部４０ｃ−２及び折り返し部４０ｄ−２は、いずれも研磨面１０１ａに対して水平方向に伸びるようになっている。
【００４５】
このような伸縮部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを周壁部９ａ〜９ｄにそれぞれ設けたことにより、当接部８の形状を保持した状態で周壁部９ａ〜９ｄを伸縮させることができる。すなわち、伸縮部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを含む周壁部９ａ〜９ｄの上下方向の伸び量を均一にすることができる。従って、図３（ｂ）に示すように、圧力室２２，２３，２４，２５に加圧流体を供給してチャッキングプレート６（図２参照）が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが追従して伸張し、弾性膜７（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００４６】
次に、上述のように構成されたトップリング１の動作について詳細に説明する。
上記構成の研磨装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハＷの移送位置に位置させる。研磨対象となる半導体ウェハＷの直径が２００ｍｍの場合は圧力室２３を、３００ｍｍの場合は圧力室２４を流体路３４又は流体路３５を介して圧力調整部１２０に連通させ、圧力調整部１２０を介して圧力室２３又は圧力室２４を真空引きする。圧力室２３及び圧力室２４を構成する当接部８には孔若しくは切欠き（図示しない）が形成されており、この孔若しくは切欠きを介してトップリング１の下端面に半導体ウェハＷが直接吸着され保持される。そして、半導体ウェハＷを保持した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面１０１ａを有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの側端部はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないように、若しくは半導体ウェハＷが横ズレしないようになっている。
【００４７】
次いで、半導体ウェハＷの吸着を解除し、それとほぼ同時に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨面１０１ａに押圧する。この状態で圧力室２１に加圧流体を供給してチャッキングプレート６を下降させ、弾性膜７の当接部８を半導体ウェハＷの上面に均一に接触させる。その後、圧力室２２，２３，２４，２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、チャッキングプレート６を上昇させると共に、半導体ウェハＷを研磨面１０１ａに押圧する。この時、チャッキングプレート６の上昇に追従して弾性膜７の伸縮部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが伸張するため、弾性膜７の下面（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲が一定に維持される。その後、研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを研磨面１０１ａに流しながらトップリング１と研磨テーブル１００とをそれぞれ回転させる。これにより、研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００４８】
本実施形態では、加圧流体の圧力が小さい場合でも、各圧力室２２，２３，２４，２５を良好に膨らませることができるので、より少ない押圧力で半導体ウェハＷを押圧することができる。従って、Ｃｕ配線の絶縁膜として硬度が低いｌｏｗ−ｋ材（低誘電率層間絶縁膜）が形成された半導体ウェハを研磨する場合において、このｌｏｗ−ｋ材を破壊することなく研磨することが可能となる。
【００４９】
上述の構成では、リテーナリング３が研磨面１０１ａに摺接されながら研磨が行われるため、リテーナリング３が経時的に磨耗する。このため、チャキングプレート６の下面と半導体ウェハＷとの距離が短くなる。従来の基板保持装置では、チャッキングプレートと半導体ウェハとの距離が短くなると、弾性膜と半導体ウェハとの接触範囲が変化して研磨プロファイルが変化するという問題が生じていた。本実施形態では、このような場合でも、伸縮部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがリテーナリング３の磨耗に追従して上方に縮むので、半導体ウェハＷと弾性膜７（当接部８）との接触範囲が一定に維持され、研磨プロファイルの変化を防止することができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、一体的に形成された弾性膜を用いたが、これに限らず、当接部に周方向に延びる切れ目を設けることで複数の分割体に分割された弾性膜を用いてもよい。この場合でも、上述のような伸縮部を設けることにより、半導体ウェハと弾性膜（当接部）との接触範囲が一定に維持され、これにより半導体ウェハの被研磨面全体に亘って均一な研磨レートを得ることができる。
【００５１】
半導体ウェハＷの圧力室２２，２３，２４，２５の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２，２３，２４，２５に供給される加圧流体の圧力で研磨パッド１０１（研磨面１０１ａ）に押圧される。従って、圧力室２２，２３，２４，２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの全面を均一な力で研磨パッド１０１に押圧することができ、半導体ウェハＷの被研磨面全体に亘って均一な研磨レートを得ることができる。また、同様に、レギュレータＲ２によって圧力室２１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と各圧力室２２，２３，２４，２５が半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの研磨プロファイルを制御することができる。
【００５２】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、圧力室２２，２３，２４，２５に供給される加圧流体による半導体ウェハＷの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、圧力室２２，２３，２４，２５への加圧流体の供給を止め、圧力室２２，２３，２４，２５を大気圧に開放する。次いで、圧力室２１に加圧流体を供給してチャッキングプレート６を下降させ、当接部８を半導体ウェハＷの上面に均一に密着させる。この状態で、半導体ウェハＷをトップリング１の下端面に再び真空吸着させる。その後すぐに圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、チャッキングプレート６の下面によって半導体ウェハＷが研磨面１０１ａに局所的に押圧されることになってしまうためである。
【００５３】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、圧力室２３又は圧力室２４の下部に形成された孔若しくは切欠き（図示せず）による真空吸着を解除する。そして、圧力室２２，２３，２４，２５に所定圧の加圧流体を供給し、上記孔若しくは切欠きから加圧流体を半導体ウェハＷに噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００５４】
ところで、弾性膜７の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが浸入してくるが、この研磨液Ｑが弾性膜７の外周面やリテーナリング３に固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及び弾性膜７などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３０を介して環状の洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に洗浄液が供給され、洗浄液が間隙Ｇに存在する研磨液Ｑを洗い流して研磨液Ｑの固着が防止される。この洗浄液の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが保持されるまでの間に行われるのが好ましい。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図４（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、簡略化のために弾性膜以外の構成については模式化する。また、特に説明しない構成については上述した第１の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００５６】
図４（ａ）に示すように、第２の周壁部９ｂには上下方向に伸縮自在な伸縮部４２ｂが設けられている。この伸縮部４２ｂは、第２の周壁部９ｂの下端近傍において、径方向内側及び外側にそれぞれ突出する２つの折り返し部４２ｂ−１，４２ｂ−２から構成されている。また、第３の周壁部９ｃ及び第４の周壁部９ｄにも、上下方向に伸縮自在な伸縮部４２ｃ，４２ｄがそれぞれ設けられている。伸縮部４２ｃは、第３の周壁部９ｃの下端近傍において、径方向外側及び内側にそれぞれ突出する２つの折り返し部４２ｃ−１，４２ｃ−２から構成されている。伸縮部４２ｄは、第４の周壁部９ｄの下端近傍において、径方向内側及び外側にそれぞれ突出する２つの折り返し部４２ｄ−１，４２ｄ−２から構成されている。
【００５７】
このような伸縮部４０ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを周壁部９ａ〜９ｄにそれぞれ設けたことにより、当接部８の形状を保持した状態で周壁部９ａ〜９ｄを伸縮させることができる。すなわち、伸縮部４０ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを含む周壁部９ａ〜９ｄの上下方向の伸び量を均一にすることができる。従って、図４（ｂ）に示すように、圧力室２２，２３，２４，２５に加圧流体を供給してチャッキングプレート６（図２参照）が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが追従して伸張し、弾性膜７（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図５（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、簡略化のために弾性膜以外の構成については模式化する。また、特に説明しない構成については上述した第１の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００５９】
図５（ａ）に示すように、第２の周壁部９ｂには上下方向に伸縮自在な伸縮部４３ｂが設けられている。この伸縮部４３ｂは、第２の周壁部９ｂの下端近傍において径方向外側に延びる水平部４３ｂ−１と、この水平部４３ｂ−１の内側端部に連続的に形成された径方向内側に突出する折り返し部４３ｂ−２とから構成されている。また、第３の周壁部９ｃ及び第４の周壁部９ｄにも、上下方向に伸縮自在な伸縮部４３ｃ，４３ｄがそれぞれ設けられている。伸縮部４３ｃは、第３の周壁部９ｃの下端近傍において径方向内側に延びる水平部４３ｃ−１と、この水平部４３ｃ−１の外側端部に連続的に形成された径方向外側に突出する折り返し部４３ｃ−２とから構成されている。伸縮部４３ｄは、第４の周壁部９ｄの下端近傍において径方向外側に延びる水平部４３ｄ−１と、この水平部４３ｄ−１の内側端部に連続的に形成された径方向内側に突出する折り返し部４３ｄ−２とから構成されている。
【００６０】
このような伸縮部４０ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを周壁部９ａ〜９ｄにそれぞれ設けたことにより、当接部８の形状を保持した状態で周壁部９ａ〜９ｄを伸縮させることができる。すなわち、伸縮部４０ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを含む周壁部９ａ〜９ｄの上下方向の伸び量を均一にすることができる。従って、図５（ｂ）に示すように、圧力室２２，２３，２４，２５に加圧流体を供給してチャッキングプレート６（図２参照）が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄが追従して伸張し、弾性膜７（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００６１】
次に、本発明の第４の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は本発明の第４の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図６（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、簡略化のために弾性膜以外の構成については模式化する。また、特に説明しない構成については上述した第１の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００６２】
図６（ａ）に示すように、第２の周壁部９ｂには上下方向に伸縮自在な伸縮部４４ｂが設けられている。この伸縮部４４ｂは、第２の周壁部９ｂの略中央部において、径方向外側に突出する折り返し部から構成されている。また、第３の周壁部９ｃ及び第４の周壁部９ｄにも、上下方向に伸縮自在な伸縮部４４ｃ，４４ｄがそれぞれ設けられている。伸縮部４４ｃは、第３の周壁部９ｃの略中央部において、径方向内側に突出する折り返し部から構成されている。伸縮部４４ｄは、第４の周壁部９ｄの略中央部において、径方向外側に突出する折り返し部から構成されている。
【００６３】
このような伸縮部４０ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを周壁部９ａ〜９ｄにそれぞれ設けたことにより、当接部８の形状を保持した状態で周壁部９ａ〜９ｄを伸縮させることができる。すなわち、伸縮部４０ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを含む周壁部９ａ〜９ｄの上下方向の伸び量を均一にすることができる。従って、図５（ｂ）に示すように、圧力室２２，２３，２４，２５に加圧流体を供給してチャッキングプレート６（図２参照）が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが追従して伸張し、弾性膜７（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００６４】
次に、本発明の第５の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る基板保持装置の一部を示す模式図であり、図７（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、簡略化のために弾性膜以外の構成については模式化する。また、特に説明しない構成については上述した第１の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００６５】
図７（ａ）に示すように、第２の周壁部９ｂには上下方向に伸縮自在な伸縮部４５ｂが設けられている。この伸縮部４５ｂは、第２の周壁部９ｂの下端近傍において径方向外側に延びる水平部４５ｂ−１と、第２の周壁部９ｂの略中央部において径方向内側に突出する折り返し部４５ｂ−２とから構成されている。また、第３の周壁部９ｃ及び第４の周壁部９ｄにも、上下方向に伸縮自在な伸縮部４５ｃ，４５ｄがそれぞれ設けられている。伸縮部４５ｃは、第３の周壁部９ｃの下端近傍において径方向内側に延びる水平部４５ｃ−１と、第３の周壁部９ｃの略中央部において径方向外側に突出する折り返し部４５ｃ−２とから構成されている。伸縮部４５ｄは、第４の周壁部９ｄの下端近傍において径方向外側に延びる水平部４５ｄ−１と、第４の周壁部９ｄの略中央部において径方向内側に突出する折り返し部４５ｄ−２とから構成されている。
【００６６】
このような伸縮部４０ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを周壁部９ａ〜９ｄにそれぞれ設けたことにより、当接部８の形状を保持した状態で周壁部９ａ〜９ｄを伸縮させることができる。すなわち、伸縮部４０ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを含む周壁部９ａ〜９ｄの上下方向の伸び量を均一にすることができる。従って、図５（ｂ）に示すように、圧力室２２，２３，２４，２５に加圧流体を供給してチャッキングプレート６（図２参照）が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄが追従して伸張し、弾性膜７（当接部８）と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００６７】
次に、本発明の第６の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図８（ａ）乃至図８（ｃ）を参照して説明する。図８（ａ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第１例を示す部分拡大図であり、図８（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第２例を示す部分拡大図であり、図８（ｃ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第３例を示す部分拡大図である。なお、特に説明しない構成については上述した第１の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００６８】
図８（ａ）に示すように、弾性膜７の当接部８の外周縁部には、略上方に向かって傾斜する傾斜部８ａが形成されている。この傾斜部８ａは曲線状の断面形状を有している。このような構成により、圧力室２２，２３などに加圧流体を供給してチャッキングプレート６を上昇させたときでも、弾性膜７の当接部８と半導体ウェハＷの外周縁部とを非接触に維持することができる。従って、半導体ウェハＷの外周縁部には弾性膜７からの押圧力が加わらず、これにより、半導体ウェハＷの外周縁部が過剰に研磨される、いわゆる「縁だれ」を防止することができる。
【００６９】
なお、傾斜部８ａと半導体ウェハＷとの間に形成される空間には研磨液が溜まりやすくなるため、この空間を出来るだけ小さくすることが好ましい。従って、傾斜部８ａの横方向（水平方向）の寸法よりも上下方向（垂直方向）の寸法を小さくすることが好ましい。また、本実施形態においては、第２の周壁部９ｂに形成されている伸縮部４６ｂは、径方向外側に延びる水平部から形成されているが、第１乃至第５の実施形態において示した折り返し部を第２の周壁部９ｂに更に設けてもよい。
【００７０】
図８（ｂ）に示す第２例と図８（ａ）に示す第１例との相違点は、第２の周壁部９ｂの位置にある。すなわち、第２の周壁部９ｂの下端部は、第１の周壁部９ａに近接した位置に設けられ、傾斜部８ａは第２の周壁部９ｂの下端から上方に延びている。従って、圧力室２３内に形成される圧力を半導体ウェハＷの外周縁部より径方向内側の領域に加えることができる。
【００７１】
図８（ｃ）に示す第３例と図８（ｂ）に示す第２例との相違点は、傾斜部８ａの肉厚にある。すなわち、第３例では、傾斜部８ａは、当接部８の水平な部位における肉厚よりも薄肉に形成されている。従って、加圧流体を圧力室２２に供給することにより傾斜部８ａを容易に膨らませることができ、半導体ウェハＷの外周縁部のみを所望の押圧力で押圧することができる。その結果、半導体ウェハＷの外周縁部の研磨レートを独立して制御することができる。
【００７２】
次に、本発明の第７の実施形態に係る基板保持装置を構成するトップリングについて図９（ａ）乃至図９（ｃ）を参照して説明する。図９（ａ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第１例を示す部分拡大図であり、図９（ｂ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第２例を示す部分拡大図であり、図９（ｃ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第３例を示す部分拡大図である。なお、特に説明しない構成及び効果については上述した第１及び第６の実施形態と同様であるので重複する説明を省略する。
【００７３】
図９（ａ）に示すように、弾性膜７の当接部８の外周縁部には、略上方に向かって傾斜する傾斜部８ｂが形成されている。この傾斜部８ｂは直線状の断面形状を有している。このような構成により、圧力室２２，２３などに加圧流体を供給してチャッキングプレート６を上昇させたときでも、弾性膜７の当接部８と半導体ウェハＷの外周縁部とを非接触に維持することができる。なお、傾斜部８ｂと半導体ウェハＷとの間に形成される空間を小さくするために、傾斜部８ｂの横方向（水平方向）の寸法よりも上下方向（垂直方向）の寸法を小さくすることが好ましい。
【００７４】
図９（ｂ）に示す第２の周壁部９ｂの下端部は、第１の周壁部９ａに近接した位置に設けられ、傾斜部８ｂは第２の周壁部９ｂの下端から上方に延びている。従って、圧力室２３内に形成される圧力を半導体ウェハＷの外周縁部より径方向内側の領域に加えることができる。
【００７５】
図９（ｃ）に示す第３例では、傾斜部８ｂは、当接部８の水平な部位における肉厚よりも薄肉に形成されている。従って、加圧流体を圧力室２２に供給することにより傾斜部８ｂを容易に膨らませることができ、この傾斜部８ｂにより半導体ウェハＷの外周縁部のみを所望の押圧力で研磨面１０１ａ（図１参照）に押圧することができる。その結果、半導体ウェハＷの外周縁部の研磨レートを独立して制御することができる。
【００７６】
ここで、リテーナリング３の下端は、研磨工程中に研磨面１０１ａとの摺接により徐々に削れてくる。このため、チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの距離が短くなり、弾性膜７と半導体ウェハＷとの接触面積が変化して研磨レートが局所的に変化するおそれがある。このような問題を防止するために、弾性膜７に設けられた伸縮部４０ａ〜４０ｄ，４１ｂ〜４１ｄ，４２ｂ〜４２ｄ，４３ｂ〜４３ｄ，４４ｂ〜４４ｄ，４５ｂ〜４５ｄ，４６ｂの伸縮量は、リテーナリング３の磨耗量よりも大きいことが好ましい。これにより、リテーナリング３の磨耗に追従して上記伸縮部を上方に縮ませることができ、研磨レートの局所的な変化を防止することができる。
【００７７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、流体の圧力室への供給に伴って伸縮部が研磨面に対して垂直方向に伸びるため、弾性膜の当接部の形状を保持することができる。従って、弾性膜（当接部）と基板との接触範囲を一定に保つことが可能になり、基板の被研磨面の全体に亘って均一な研磨レートを得ることが可能となる。また、伸縮部によって弾性膜と基板との接触を良好に維持できるので硬度の高い弾性膜を用いることが可能となり、弾性膜の耐久性を高めることができる。この場合において、硬度の高い弾性膜は、硬度の低い弾性膜に比べて基板と弾性膜（当接部）との接触範囲を良好に維持することができ、安定した研磨レートを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるトップリングを示す縦断面図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図３（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図４（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図５（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の第４の実施形態に係るトップリングの一部を示す模式図であり、図６（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る基板保持装置の一部を示す模式図であり、図７（ｂ）は圧力室に流体を供給したときの状態を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第１例を示す部分拡大図であり、図８（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第２例を示す部分拡大図であり、図８（ｃ）は本発明の第６の実施形態に係るトップリングの第３例を示す部分拡大図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第１例を示す部分拡大図であり、図９（ｂ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第２例を示す部分拡大図であり、図９（ｃ）は本発明の第７の実施形態に係るトップリングの第３例を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ エッジリング
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート（可動部材）
６ｃ 突起
７ 弾性膜
８ 当接部
８ａ 傾斜部
８ｂ 傾斜部
９ａ 第１の周壁部
９ｂ 第２の周壁部
９ｃ 第３の周壁部
９ｄ 第４の周壁部
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
１３ 加圧シート
１５ ホルダー
２１，２２，２３，２４，２５ 圧力室
３０，３２，３３，３４，３５，３６ 流体路
４０ａ〜４０ｄ，４１ｂ〜４１ｄ，４２ｂ〜４２ｄ，４３ｂ〜４３ｄ，４４ｂ〜４４ｄ，４５ｂ〜４５ｄ，４６ｂ 伸縮部
５１ 洗浄液路
５３ 連通孔
５４ 空気抜き孔
１００ 研磨テーブル
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 研磨面
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
１１２ 回転筒
１１３，１１６ タイミングプーリ
１１４ トップリング用モータ
１１５ タイミングベルト
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２０ 圧力調整部
１２１ ロータリージョイント
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ レギュレータ
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (28)

1. 基板保持装置に用いられる弾性膜であって、
   基板に当接する当接部と、
   前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、
   前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、
   前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、
   前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部から構成され、
   前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続されており、
   前記径方向外側に延びて前記当接部に接続される部位の径方向の寸法は、前記第２の折り返し部の径方向の寸法よりも大きく、
   前記第２の周壁部の径方向外側には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成されることを特徴とする弾性膜。
2. 前記第２の伸縮部と前記当接部との接続点は、前記第２の周壁部よりも前記第１の周壁部に近い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
3. 前記第１の周壁部の上端は、内側に折れ曲がっていることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
4. 前記第２の周壁部の上端は、外側に折れ曲がっていることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
5. 前記第２の周壁部の径方向内側に位置し、前記当接部から上方に延びる第３の周壁部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
6. 前記第３の周壁部の径方向内側に位置し、前記当接部から上方に延びる第４の周壁部をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の弾性膜。
7. 前記弾性膜は１ピース部材として一体的構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
8. 前記伸縮部の伸縮量は、前記基板保持装置のリテーナリングの磨耗量よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
9. 前記当接部の外縁部には、略上方に傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
10. 前記傾斜部は曲線状の断面形状を有することを特徴とする請求項９に記載の弾性膜。
11. 前記傾斜部は直線状の断面形状を有することを特徴とする請求項９に記載の弾性膜。
12. 前記当接部は、前記第２の周壁部と前記第３の周壁部との間に位置する孔を有することを特徴とする請求項６に記載の弾性膜。
13. 前記当接部は、前記第３の周壁部と前記第４の周壁部との間に位置する孔を有することを特徴とする請求項６に記載の弾性膜。
14. 基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置であって、
    前記研磨面に対して垂直方向に移動可能な可動部材と、
    弾性膜により形成された圧力室とを備え、
    前記弾性膜は、前記基板に当接する当接部と、前記当接部を前記可動部材に接続する周壁部とを備え、
    前記周壁部は、前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、
    前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、
    前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部から構成され、
    前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続されており、
    前記径方向外側に延びて前記当接部に接続される部位の径方向の寸法は、前記第２の折り返し部の径方向の寸法よりも大きく、
    前記第２の周壁部の径方向外側には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成され、
    前記伸縮部は前記研磨面に対して垂直方向に伸縮自在であり、
    前記弾性膜は一体的構成を有することを特徴とする基板保持装置。
15. 前記第２の伸縮部と前記当接部との接続点は、前記第２の周壁部よりも前記第１の周壁部に近い位置にあることを特徴とする請求項１４に記載の基板保持装置。
16. 前記周壁部は、前記第２の周壁部の径方向内側に位置し、前記当接部から上方に延びる第３の周壁部と、前記第３の周壁部の径方向内側に位置し、前記当接部から上方に延びる第４の周壁部をさらに備えたことを特徴とする請求項１４に記載の基板保持装置。
17. 前記当接部の外縁部には、略上方に傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の基板保持装置。
18. 前記傾斜部は曲線状の断面形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の基板保持装置。
19. 前記傾斜部は直線状の断面形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の基板保持装置。
20. 前記傾斜部は薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の基板保持装置。
21. 前記基板保持装置は、前記弾性膜を囲むように配置されたリテーナリングをさらに備え、前記伸縮部の伸縮量は、前記リテーナリングの磨耗量よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の基板保持装置。
22. 前記基板保持装置は、前記弾性膜を囲むように配置されたリテーナリングをさらに備え、前記弾性膜と前記リテーナリングとの間にはわずかな間隙が形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の基板保持装置。
23. 前記当接部は、前記第２の周壁部と前記第３の周壁部との間に位置する孔を有することを特徴とする請求項１６に記載の基板保持装置。
24. 前記当接部は、前記第３の周壁部と前記第４の周壁部との間に位置する孔を有することを特徴とする請求項１６に記載の基板保持装置。
25. 研磨面を有する研磨テーブルと、
    請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の基板保持装置とを備えたことを特徴とする研磨装置。
26. 請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の基板保持装置で基板を保持し、
    前記基板を研磨テーブルの研磨面の上方に移動させ、
    前記基板保持装置の可動部材を下降させ、
    前記基板保持装置の第１の圧力室および第２の圧力室に加圧流体を供給して前記可動部材を上昇させるとともに、前記基板保持装置の弾性膜の当接部により前記基板を前記研磨面に対して押圧し、
    前記研磨面に研磨液を供給しながら、前記基板保持装置と前記研磨テーブルとを回転させて前記基板を研磨することを特徴とする研磨方法。
27. 基板保持装置に用いられる弾性膜であって、
    基板に当接する当接部と、
    前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、
    前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、
    前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、
    前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部を有し、
    前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続されており、
    前記第２の伸縮部と前記当接部との接続点は、前記第２の周壁部よりも前記第１の周壁部に近い位置とし、前記第１の周壁部と前記第２の周壁部との間には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成されるように構成したことを特徴とする弾性膜。
28. 基板保持装置に用いられる弾性膜であって、
    基板に当接する当接部と、
    前記当接部から上方に延び、第１の伸縮部を有する第１の周壁部と、
    前記当接部から上方に延び、第２の伸縮部を有する第２の周壁部とを備え、
    前記第１の周壁部は前記当接部の外周端に配置され、前記第２の周壁部は前記第１の周壁部の径方向内側に配置されており、
    前記第１の伸縮部は、第１の折り返し部から構成され、
    前記第２の伸縮部は、第２の折り返し部を有し、さらに前記第２の周壁部の下端近傍において径方向外側に延びて前記当接部に接続される水平部を有しており、
    前記水平部の径方向の寸法は、前記第２の折り返し部の径方向の寸法よりも大きく、
    前記第２の周壁部の径方向外側には第１の圧力室が形成され、前記第２の周壁部の径方向内側には第２の圧力室が形成されることを特徴とする弾性膜。

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