JP5236705B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置に係り、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、この圧力室に圧縮空気などの圧力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押圧することが行われている。

特開２００６−２５５８５１号公報

上述したように、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、この圧力室に圧縮空気などの圧力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押圧するタイプの研磨装置においては、以下の問題点があることが判明した。
すなわち、半導体ウエハを研磨パッドの研磨面に接地（接触）した後に、圧力室に圧縮空気などの圧力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面に押圧して研磨を開始するが、研磨開始して直ぐに半導体ウエハが割れたり破損したりする現象が生ずることがある。

本発明者らは、種々の実験を繰り返し行うとともに実験結果の解析を進めた結果、研磨開始時に起こる半導体ウエハの破損の一部は、研磨パッドの表面状態によるものであることを究明した。すなわち、研磨パッド表面には特別な溝や穴形状の加工を施すことが一般的になっている。たとえば、１〜２ｍｍ直径の小さい穴を表面に多数あけてスラリーの保持性向上を図るタイプ、格子状、同心円状あるいは螺旋状の溝をつけてパッド表面でのスラリーの流動性やウエハ面内の平坦性・均一性の向上とウエハの吸い付き防止を図るタイプなどがある。この場合、小さい穴をあけたタイプの研磨パッドなどのように溝加工が施されていないタイプあるいは溝加工が十分に施されていないタイプの研磨パッドにおいては、半導体ウエハを研磨パッドの表面（研磨面）に接地した後の研磨開始時に半導体ウエハが割れたり破損したりする場合があることが判明した。

この原因について、実験結果の解析から、本発明者らは、研磨面に溝加工が施されていない場合又は研磨面の溝加工の深さや数が充分でない場合、研磨面に半導体ウエハを接地させた時に研磨面と半導体ウエハ間にエアやスラリーが封入され、そのまま研磨圧力を掛けると半導体ウエハに通常より大きな変形を生じさせ、半導体ウエハに割れや破損を引き起こすことがあることを究明した。

また、上述したように、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、この圧力室に圧縮空気などの圧力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押圧するタイプの研磨装置には、圧力室を複数設け、各圧力室に供給される圧力流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウエハの半径方向に沿った各領域毎（エリア毎）に異なった圧力で半導体ウエハを押圧することが可能な研磨装置がある。この種の研磨装置においては、半導体ウエハの面内の研磨速度を領域毎に制御可能であるが、半導体ウエハの保持・加圧面がゴムなどの軟質弾性膜であるため、隣り合う二つの領域（エリア）に供給される圧力流体に圧力差がある場合、領域間で研磨圧力にも階段状の段差が生じ、その結果、研磨形状（研磨プロファイル）にも階段状の段差が生じるという問題点がある。この場合、隣り合う二つの領域（エリア）に供給される圧力流体の圧力差が大きいと、研磨形状（研磨プロファイル）の階段状の段差も隣り合う二つの領域（エリア）に供給される圧力流体の圧力差に応じて大きくなるという問題点がある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、基板の領域毎に異なった圧力で加圧することが可能な研磨ヘッドにおいて隣り合う領域の間で異なった圧力で基板を加圧する場合に、領域間で研磨圧力に階段状の段差を生じさせることなく、研磨圧力をなだらかに変化させることができる研磨装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の研磨装置は、研磨面を有した研磨テーブルと、圧力流体が供給される複数の圧力室を形成する弾性膜を有し、前記複数の圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧する研磨ヘッドとを備え、前記弾性膜は同心状の複数の隔壁を有し、これら隔壁によって弾性膜の上面と研磨ヘッドの下面との間に前記複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の基板保持面側に、隣接する二つの圧力室に跨るように、前記弾性膜より剛性の高い材料からなるダイヤフラムを設け、前記ダイヤフラムは、前記二つの圧力室の境界から内周側および外周側に１０ｍｍ以上の範囲を有することを特徴とする。
本発明によれば、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界において、研磨圧力、ひいては研磨速度が一方の室側（圧力が高い室側）から他方の室側（圧力が低い室側）に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラムを設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界において研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。通常、圧力室を形成するためにメンブレンとして使用している弾性膜は、剛性が低い（縦弾性係数／ヤング率が小さい。厚さが小さい）ため、隣り合う領域に比較的大きな圧力差がある場合、領域境界付近で研磨圧力分布に階段状の段差（急激な変化）が生じてしまう。それに対して、本発明では、弾性膜よりも剛性の高い材料のダイヤフラム（弾性変形しにくい。縦弾性係数が大きい。）を用いているため、圧力差によるダイヤフラムの局所的な変形量が小さくなり、変形する領域が拡大し、隣り合う領域境界付近の圧力勾配がなだらかになる。従って、ダイヤフラムとして挿入する材料に求められるものは、弾性体であるが、弾性膜よりも縦弾性係数が大きく、変形しにくいものである。

本発明の好ましい態様は、前記ダイヤフラムは、前記弾性膜に固定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ダイヤフラムは、ＰＥＥＫ又はＰＰＳ又はポリイミドからなる樹脂、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる金属、およびアルミナ又はジルコニア又は炭化ケイ素又は窒化ケイ素からなるセラミックのいずれか１つからなることを特徴とする。前記ダイヤフラムの材料は、上記材料以外にも、ＰＥＴ、ＰＯＭ、ポリカーボネートなど、一般的なエンジニアリングプラスチックでもよい。

本発明の好ましい態様は、前記ダイヤフラムは、前記複数の圧力室を形成する前記弾性膜の略全面を覆っていることを特徴とする。
本発明によれば、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域（エリア）間の全ての境界において、研磨圧力、ひいては研磨速度が一方の室側（圧力が高い室側）から他方の室側（圧力が低い室側）に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラムを設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界の全てにおいて研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。

本発明の好ましい態様は、前記ダイヤフラムを覆うとともに、基板と接触して基板を保持するための基板保持面を構成する弾性膜を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ダイヤフラムは、弾性膜で覆われており、ダイヤフラムが直接に基板に接触しないようになっている。弾性膜は、基板を保持する保持面を構成するため、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。

本発明によれば、基板の領域毎に異なった圧力で加圧することが可能な研磨ヘッドにおいて、隣り合う領域の間で異なった圧力で基板を加圧する場合に、領域間で研磨圧力に階段状の段差を生じさせることなく、研磨圧力ひいては研磨速度をなだらかに変化させることができる。したがって、最適な研磨形状（研磨プロファイル）を得ることができる。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。 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研磨ヘッド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、図２に示すように構成されたトップリングによって半導体ウエハの研磨を行う場合を示す模式的な断面図である。 図４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研磨ヘッドを構成するトップリングの変形例を示す模式的な断面図である。 図５は、図４に示すように構成されたトップリングによって半導体ウエハの研磨を行う場合を示す模式的な断面図である。 図６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研磨ヘッドを構成するトップリングの別の変形例を示す模式的な断面図である。 図７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研磨ヘッドを構成するトップリングの模式的な断面図である。 図８（ａ）は、ダイヤフラムを設けない場合のトップリングの作用を示す模式図である。図８（ｂ）は、ダイヤフラムを設けた場合のトップリングの作用を示す模式図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、ダイヤフラムがない場合の圧力の分布状態及び半導体ウエハの変形の状態を示し、図９（ｃ）は、ダイヤフラムがある場合の圧力の分布状態及び半導体ウエハの変形の状態を示す。 図１０は、本発明の別の態様に係るトップリングのより具体的な形態を示す断面図である。 図１１は、本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリングの構成例を示す断面図である。 図１２は、本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリングの構成例を示す断面図である。 図１３は、本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリングの構成例を示す断面図である。 図１４は、本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリングの構成例を示す断面図である。 図１５は、本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリングの構成例を示す断面図である。 図１６は、図１３に示すリテーナリングのＡ部拡大図である。 図１７は、リテーナリングガイドとリング部材との関係を示す図である。 図１８は、図１３に示すリテーナリングのＢ部拡大図である。 図１９は、図１８のＸIＸ−ＸIＸ線矢視図である。

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１９を参照して詳細に説明する。なお、図１乃至図１９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模式図である。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研磨ヘッドを構成するトップリング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、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。したがって、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、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。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。

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研磨ヘッドの１態様について説明する。図２は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッド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４が取り付けられている。弾性膜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４は、円形状の隔壁４ａを有し、この隔壁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と環状のアウター室７とが形成されるようになっている。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とアウター室７に連通する流路１３とが形成されている。そして、流路１１はチューブやコネクタ等からなる流路２１を介して流体供給源３０に接続されており、流路１３はチューブやコネクタ等からなる流路２３を介して流体供給源３０に接続されている。流路２１には開閉バルブＶ１と圧力レギュレータＲ１が設置されており、流路２３には開閉バルブＶ３と圧力レギュレータＲ３が設置されている。流体供給源３０は、圧縮空気等の圧力流体を供給するようになっている。

また、リテーナリング３の直上にもリテーナ室９が形成されており、リテーナ室９は、トップリング本体２内に形成された流路１５およびチューブやコネクタ等からなる流路２５を介して流体供給源３０に接続されている。流路２５には開閉バルブＶ５と圧力レギュレータＲ５が設置されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ３，Ｒ５は流体供給源３０からセンター室５、アウター室７およびリテーナ室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。そして、圧力レギュレータＲ１，Ｒ３およびＲ５および開閉バルブＶ１，Ｖ３およびＶ５は、制御装置３３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。

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、弾性膜４とトップリング本体２との間に圧力室、すなわち、センター室５およびアウター室７が形成され、リテーナリング３の直上に圧力室、すなわち、リテーナ室９が形成され、これらセンター室５、アウター室７およびリテーナ室９に供給する流体の圧力を圧力レギュレータＲ１，Ｒ３，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。
すなわち、センター室５の直下にある半導体ウエハの円形領域（円形エリア）、アウター室７の直下にある半導体ウエハの環状領域（リング状エリア）ごとに研磨パッド１０１に押圧する押圧力を独立に調整でき、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を独立に調整できる。

次に、図２に示すように構成されたトップリング１によって半導体ウエハの研磨を行う場合を図３を参照して説明する。図３においては、トップリング１は主要構成要素のみを模式化して図示している。
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。なお、図２および図３では図示していないが、弾性膜４には半導体ウエハＷを真空吸着するための複数の孔が設けられており、これらの孔は真空ポンプ等の真空源に連通されている。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、開閉バルブＶ１および開閉バルブＶ３を同時に開き、流体供給源３０からセンター室５およびアウター室７に圧力流体を供給し、半導体ウエハＷの裏面側にある弾性膜４を膨らませ、半導体ウエハＷの下面（被研磨面）を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させる。このとき、研磨パッド１０１に溝加工が施されていないか又は溝加工が充分に施されていない場合、図３（ａ）に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入され、そのまま研磨圧力を掛けると半導体ウエハＷに通常より大きな変形を生じさせ、半導体ウエハＷに割れや破損を引き起こす。

これに対して、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を予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降させた後に、弾性膜４を膨らませる際に、制御装置３３は、まず開閉バルブＶ１を開き、流体供給源３０からセンター室５に圧力流体を供給し、弾性膜４の中心部のみを膨らませ、半導体ウエハＷの下面中心部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させて押圧する。そして、制御装置３３は、開閉バルブＶ１を開いてから、わずかな時間、例えば、１秒〜３秒以内に、開閉バルブＶ３を開き、流体供給源３０からアウター室７に圧力流体を供給し、弾性膜４の外周部も膨らませ、半導体ウエハＷの下面外周部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このように、半導体ウエハＷの中心部を先に接地させて押圧することにより、図３（ｂ）に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入されることがなく、そのまま研磨圧力を掛けても半導体ウエハＷが通常より大きな変形を生じることはない。したがって、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地した後の研磨開始時に通常より大きな変形が生じることにより発生する半導体ウエハＷの割れや破損を防止することができる。

図４は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１の変形例を示す模式的な断面図である。図４においては、トップリング１は主要構成要素のみを模式化して図示している。
図４に示す実施形態においては、弾性膜４の上面とトップリング本体２の下面との間に形成される圧力室は、単一の圧力室５Ａからなる。トップリング本体２の中央部に形成された流路（供給孔）１１は、流路２１を介して流体供給源３０に接続されており、トップリング本体２の外周部に形成された流路（供給孔）１３は、流路２３を介して流体供給源３０に接続されている。流路２１には開閉バルブＶ１と圧力レギュレータＲ１が設置されており、流路２３には開閉バルブＶ３と圧力レギュレータＲ３が設置されている。リテーナリング３の直上のリテーナ室９は流路２５を介して流体供給源３０に接続されている。流路２５には開閉バルブＶ５と圧力レギュレータＲ５が設置されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ３およびＲ５および開閉バルブＶ１，Ｖ３およびＶ５は、制御装置３３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。

図５は、図４に示すように構成されたトップリング１によって半導体ウエハＷの研磨を行う場合を示す模式的な断面図である。
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を予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降させた後に、開閉バルブＶ１および開閉バルブＶ３を同時に開き、流路（供給孔）１１および流路（供給孔）１３から圧力室５Ａの中心部および外周部に同時に圧力流体を供給し、半導体ウエハＷの裏面側にある弾性膜４を膨らませ、半導体ウエハＷの下面を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させる。このとき、研磨パッド１０１に溝加工が施されていないか又は溝加工が充分に施されていない場合、図５（ａ）に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入され、そのまま研磨圧力を掛けると半導体ウエハＷに通常より大きな変形を生じさせ、半導体ウエハＷに割れや破損を引き起こす。

これに対して、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を予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降させた後に、弾性膜４を膨らませる際に、制御装置３３は、まず開閉バルブＶ１を開き、流路（供給孔）１１から圧力室５Ａの中心部に圧力流体を供給し、弾性膜４の中心部のみを膨らませ、半導体ウエハＷの下面中心部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させて押圧する。そして、制御装置３３は、開閉バルブＶ１を開いてから、わずかな時間、例えば、１秒〜３秒以内に、開閉バルブＶ３を開き、流路（供給孔）１３から圧力室５Ａの外周部に圧力流体を供給し、弾性膜４の外周部も膨らませ、半導体ウエハＷの下面外周部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このように、半導体ウエハＷの中心部を先に接地させて押圧することにより、図５（ｂ）に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入されることがなく、そのまま研磨圧力を掛けても半導体ウエハＷが通常より大きな変形を生じることはない。したがって、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地した後の研磨開始時に通常より大きな変形が生じることにより発生する半導体ウエハＷの割れや破損を防止することができる。

図６は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１の別の変形例を示す模式的な断面図である。
図６に示す実施形態においては、弾性膜４の上面とトップリング本体２の下面との間に形成される圧力室は、単一の圧力室５Ａからなる。本実施形態においては、トップリング本体２の中央部にのみ流路（供給孔）１１が形成されている。流路１１は、流路２１を介して流体供給源３０に接続されており、流路２１には開閉バルブＶ１と圧力レギュレータＲ１が設置されている。

図６に示す実施形態においては、弾性膜４を膨らませる際に、開閉バルブＶ１を開き、流路（供給孔）１１から圧力室５Ａの中心部に圧力流体を供給し、弾性膜４の中心部を先に膨らませ、半導体ウエハＷの下面中心部を先に研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させ、次に、圧力流体が外周部に流れて、わずかに遅れて半導体ウエハＷの外周部を研磨面１０１ａに接地させる。このように、半導体ウエハＷの中心部を先に接地させて押圧することにより、図６に示すように、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入されることがなく、そのまま研磨圧力を掛けても半導体ウエハＷが通常より大きな変形を生じることはない。したがって、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地した後の研磨開始時に通常より大きな変形が生じることにより発生する半導体ウエハＷの割れや破損を防止することができる。

図２乃至図６においては、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５と開閉バルブＶ１〜Ｖ５とを個別に設置したが、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５のそれぞれに圧力値をゼロまで調整できる開閉バルブの機能をもたせることにより、開閉バルブを省略することもできる。

次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッドの別の態様について説明する。図７は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１の模式的な断面図である。図７に示すトップリング１は、図２に示すトップリング１と同様に、トップリング本体２と、リテーナリング３と、トップリング本体２の下面に設けられた弾性膜４とを備えている。弾性膜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。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、各流路１１，１２，１３，１４は、それぞれ流路２１，２２，２３，２４を介して流体供給源３０に接続されている。また、流路２１，２２，２３，２４には、それぞれ開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が設置されている。

また、リテーナリング３の直上にもリテーナ室９が形成されており、リテーナ室９は、トップリング本体２内に形成された流路１５およびチューブやコネクタ等からなる流路２５を介して流体供給源３０に接続されている。流路２５には開閉バルブＶ５と圧力レギュレータＲ５が設置されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、それぞれ流体供給源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および開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５は、制御装置３３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。

図７に示すトップリング１は、弾性膜４の下面（ウエハ保持面側）に、リプル室６とアウター室７の境界２０から内周側および外周側の所定範囲にわたって、ダイヤフラム１０が接着剤等によって固定されている。ダイヤフラム１０は、厚さ１０ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の薄板であり、ＰＥＥＫ，ＰＰＳ，ポリイミド等の樹脂、ステンレス鋼，アルミニウム等の金属、アルミナ，ジルコニア，炭化ケイ素，窒化ケイ素等のセラミックスのいずれか１つから構成されている。すなわち、ダイヤフラム１０は、弾性膜４より剛性の高い材料からなり、リプル室６とアウター室７の境界２０から内周側および外周側に幅（Ｌ）＝１０ｍｍ以上の範囲にわたって弾性膜４を覆っている。これによって、リプル室６内の圧力とアウター室７内の圧力がダイヤフラム１０に充分にかかるように、受圧面積を確保している。すなわち、ダイヤフラム１０は、隣り合う二つの領域（エリア）に供給される圧力流体の圧力がそれぞれかかるような受圧面積を確保している。ここで、剛性とは、材料の外力に対する変形抵抗を表し、こわさともいう。弾性膜４より剛性の高い材料とは、弾性膜４より弾性変形しにくい材料であり、弾性膜４より縦弾性係数が大きい材料であることを意味する。

弾性膜４に使用されるゴム材の縦弾性係数は、一般的に１〜１０ＭＰａであり、これに対して、ダイヤフラム１０の縦弾性係数は、１ＧＰａ以上であることが好ましい。
前記ダイヤフラム１０は、弾性膜２６で覆われており、ダイヤフラム１０の下面（ウエハ保持面側）が直接に半導体ウエハＷに接触しないようになっている。弾性膜２６は、ダイヤフラム１０の下面を覆うとともに弾性膜４の下面の全体を覆うようになっている。弾性膜２６とダイヤフラム１０の接触面および弾性膜２６と弾性膜４の接触面は、接着剤等によって固着されている。弾性膜２６の下面は半導体ウエハＷを保持する保持面を構成するため、弾性膜２６は、弾性膜２６の下面の全体が同一平面になるように、ダイヤフラム１０がある部分は薄く、ダイヤフラム１０がない部分は厚く設定されている。また弾性膜２６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。

次に、図７に示すようにダイヤフラム１０を設けた場合の作用を図８を参照して説明する。
図８（ａ）はダイヤフラム１０を設けない場合のトップリング１の作用を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、境界２０を境として、リプル室６内の圧力とアウター室７内の圧力には圧力差（アウター室７内の圧力＞リプル室６内の圧力）があり、その結果、図８（ａ）の下側部分に示すように、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界２０で研磨圧力、ひいては研磨速度に階段状の段差が生じる。
図８（ｂ）はダイヤフラム１０を設けた場合のトップリング１の作用を示す模式図である。図８（ｂ）に示すように、境界２０を境として、リプル室６内の圧力とアウター室７内の圧力には圧力差（アウター室７内の圧力＞リプル室６内の圧力）があるが、図８（ｂ）の下側部分に示すように、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界２０で研磨圧力、ひいては研磨速度は、アウター室７側からリプル室６側に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラム１０を設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界２０で研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。

次に、ダイヤフラム１０を設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界２０で研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる理由を図９を参照して説明する。図９（ａ）および図９（ｂ）は、ダイヤフラム１０がない場合の圧力の分布状態及び半導体ウエハＷの変形の状態を示し、図９（ｃ）は、ダイヤフラム１０がある場合の圧力の分布状態及び半導体ウエハＷの変形の状態を示す。図９（ａ）乃至図９（ｃ）の全ての場合で、背面からの研磨圧力と研磨圧力による研磨パッド１０１の変形によって生じた反発圧力が釣り合う。
（１）均一な圧力の場合
図９（ａ）に示すように、半導体ウエハＷに均一な圧力（背面圧）がかかっている場合には、研磨パッド１０１の変形による反発圧力も均一になる。
（２）圧力分布がある場合
図９（ｂ）に示すように、半導体ウエハＷにかかる圧力に分布がある場合には、背面圧が低い場所は研磨パッド１０１の変形量が小さく、背面圧が高い場所は変形量が大きくなる。半導体ウエハＷの剛性が低い場合、変形しやすいので、変形は局所的に起こり、狭い領域で研磨パッド１０１の変形量も変化する。このため、研磨圧力分布も圧力境界部付近で急峻に変化する。
（３）圧力分布があり、ダイヤフラム１０がある場合
背面圧は（２）と同じである。（３）の場合も（２）の場合と同様に、背面圧と研磨パッド１０１の変形による反発力は釣り合う。（３）の場合、半導体ウエハＷの表面の研磨圧力分布は、（２）の場合と異なるが、積分値である反発力は同じになる。圧力境界部付近から充分に離れた場所では研磨圧力は（２）の場合と同じになる。よって、研磨パッド１０１の変形量も同じになる。半導体ウエハＷの上面にダイヤフラム１０があることにより、半導体ウエハＷの剛性が高くなったような効果があり、半導体ウエハＷの局所的な変形量が小さくなり、変形する領域は拡大する。
圧力境界部付近の研磨パッド１０１の変形量は（２）の場合に比べなだらかな勾配を持つ。そして、研磨圧力の分布もなだらかに変化する。

また、ダイヤフラム１０の幅（Ｌ）を隣り合う二つの領域間の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上とした理由は、通常、圧力境界付近に生じる研磨圧力分布の段差の幅は１０ｍｍ程度であるため、ダイヤフラムの幅（Ｌ）は隣り合う二つの領域間の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上であることが望ましい。

図７においては、弾性膜４の下面に、リプル室６とアウター室７の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたって、ダイヤフラム１０を固定した例を示したが、弾性膜４の下面に、センター室５とリプル室６の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたってダイヤフラム１０を固定するようにしてもよいし、またアウター室７とエッジ室８の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたってダイヤフラム１０を固定するようにしてもよい。さらに、弾性膜４の下面の全体にわたってダイヤフラム１０を固定してもよく、その場合には、隣接する二つの室、すなわち、隣り合う二つの領域（エリア）間の全ての境界２０において研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。

図１０は、本発明の別の態様に係るトップリングのより具体的な形態を示す断面図である。図１０に示す例においては、弾性膜４を詳細に示すために、トップリング本体２やリテーナリング３は図示を省略している。
図１０に示す弾性膜４においては、弾性膜４を膨張させる際に均一に膨張させる必要があることや弾性膜４をトップリング本体２に固定するための部分を確保する必要があることから、隣接する領域（二つの圧力室）を画成するための同心状の複数の隔壁４ａは、複雑な形状をしているが、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（図示せず）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。トップリング本体内には、図７に示す実施形態と同様に、各室に連通する流路がそれぞれ形成されている。図１０では図示しないが、センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８は、図７に示す実施形態と同様に、開閉バルブＶ１〜Ｖ５および圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５を介して流体供給源３０に接続されている。

図１０に示すトップリング１においては、弾性膜４の下面に、全面にわたってダイヤフラム１０が固定されている。ダイヤフラム１０は、ＰＥＥＫ，ＰＰＳ，ポリイミド等の樹脂、ステンレス鋼，アルミニウム等の金属、アルミナ，ジルコニア，炭化ケイ素，窒化ケイ素等のセラミックスのいずれか１つから構成されている。ダイヤフラム１０は、弾性膜２６で覆われており、ダイヤフラム１０の下面（ウエハ保持面側）が直接に半導体ウエハＷに接触しないようになっている。弾性膜２６はダイヤフラム１０の下面に接着剤等によって固着されており、ダイヤフラム１０の下面の全体を覆うようになっている。弾性膜２６は、半導体ウエハＷを保持する保持面を構成するため、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。

図１０に示すように、ダイヤフラム１０を弾性膜４の下面の全面にわたって設けた場合には、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域（エリア）間の全ての境界２０において、研磨圧力、ひいては研磨速度が一方の室側（圧力が高い室側）から他方の室側（圧力が低い室側）に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラム１０を設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界２０の全てにおいて研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。
図１０においては、半導体ウエハＷを真空吸着するための弾性膜２６に形成された複数の孔２６ｈが図示されており、また孔２６ｈに連通するダイヤフラム１０に形成された複数の孔１０ｈおよび弾性膜４に形成された複数の孔４ｈが図示されている。

次に、上述した本発明の各々の態様において好適に使用できるトップリング１についてより詳細に説明する。図１１乃至図１５は、トップリング１を示す図であり、複数の半径方向に沿って切断した断面図である。
図１１から図１５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２は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。リテーナリング３は、トップリング本体２の上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、図１２に示すように、ボルト３０８によりトップリングシャフト１１１に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト３０９を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト３１０を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６から構成され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。

図１１に示すように、下部材３０６の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜４が取り付けられている。この弾性膜４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜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。

エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は、図１２に示すように、複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。ストッパ３２０およびストッパ３２２はトップリング１の円周方向に均等に設けられている。

図１１に示すように、弾性膜４の中央部にはセンター室５が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室５に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室５に供給されるようになっている。

リプルホルダ３１８は、弾性膜４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。

図１３に示すように、弾性膜４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室６が形成されている。弾性膜４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、図１１に示すように、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室６に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜４の下面に半導体ウエハを吸着できるようになっている。

図１４に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室７に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室７に供給されるようになっている。

図１５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室８に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室８に供給されるようになっている。センター室５，リプル室６，アウター室７，エッジ室８，リテーナ室９は、図７に示す実施形態と同様に、レギュレータＲ１〜Ｒ５（図示せず）および開閉バルブＶ１〜Ｖ５（図示せず）を介して流体供給源に接続されている。

このように、本実施形態におけるトップリング１においては、弾性膜４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室５、リプル室６、アウター室７、およびエッジ室８に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウエハを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウエハの部分ごとに調整できるようになっている。

図１６は、図１３に示すリテーナリングのＡ部拡大図である。リテーナリング３は半導体ウエハの外周縁を保持するものであり、図１６に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。

リング部材４０８は、ピストン４０６に連結される上リング部材４０８ａと、研磨面１０１に接触する下リング部材４０８ｂとから構成されており、上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとは、複数のボルト４０９によって結合されている。上リング部材４０８ａはＳＵＳなどの金属材料やセラミックス等の材料からなり、下リング部材４０８ｂはＰＥＥＫやＰＰＳ等の樹脂材料からなる。

図１６に示すように、保持部材４０２には、弾性膜４０４によって形成されるリテーナ室９に連通する流路４１２が形成されている。また、上部材３００には、保持部材４０２の流路４１２に連通する流路４１４が形成されている。この保持部材４０２の流路４１２は、上部材３００の流路４１４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリテーナ室９に供給されるようになっている。したがって、リテーナ室９に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド１０１に押圧することができる。

図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分をもつ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３が研磨パッド１０１に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。

このような構成により、リテーナリング３のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド１０１との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド１０１に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリング３による面圧を均一にすることができ、研磨パッド１０１に対する追従性も向上する。

また、図１６に示すように、リテーナリング３は、リング部材４０８の上下動を案内するためのリング状のリテーナリングガイド４１０を備えている。リング状のリテーナリングガイド４１０は、リング部材４０８の上部側全周を囲むようにリング部材４０８の外周側に位置する外周側部４１０ａと、リング部材４０８の内周側に位置する内周側部４１０ｂと、外周側部４１０ａと内周側部４１０ｂとを接続している中間部４１０ｃとから構成されている。リテーナリングガイド４１０の内周側部４１０ｂは、ボルト４１１により、下部材３０６に固定されている。外周側部４１０ａと内周側部４１０ｂとを接続する中間部４１０ｃには、円周方向に所定間隔毎に複数の開口４１０ｈが形成されている。

図１７は、リテーナリングガイド４１０とリング部材４０８との関係を示す図である。図１７に示すように、中間部４１０ｃは、円周方向に全周つながっているが、前述したように中間部４１０ｃには、円周方向に所定間隔毎に複数の円弧状開口４１０ｈが形成されている。円弧状開口４１０ｈは、図１７では、破線で示している。
一方、リング部材４０８の上リング部材４０８ａは、円周方向にリング状に全周つながっている下部リング状部４０８ａ１と、下部リング状部４０８ａ１から円周方向に所定間隔毎に上方に突出した複数の上部円弧状部４０８ａ２とから構成されている。そして、各上部円弧状部４０８ａ２が各円弧状開口４１０ｈを貫通してピストン４０６に連結されている（図１６参照）。

図１７に示すように、下リング部材４０８ｂには、ＳＵＳ等からなる薄肉の金属性リング４３０が嵌合されている。そして、金属性リング４３０の外周面には、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）やＰＴＦＥなどの充填剤を充填したＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの樹脂材料をコーティングしたコーティング層４３０ｃが形成されている。ＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの樹脂材料は、摩擦係数が低い低摩擦材料であるため、摺動性に優れている。ここで、低摩擦材料とは、摩擦係数が０．３５以下である低い摩擦係数の材料を云い、０．２５以下であることが望ましい。
一方、リテーナリングガイド４１０における外周側部４１０ａの内周面は前記コーティング層４３０ｃに摺接するガイド面４１０ｇを構成しており、このガイド面４１０ｇは鏡面処理により面粗度が向上するようにしている。ここで、鏡面処理とは、例えば、研磨加工、ラップ加工、バフ加工等の処理を云う。

図１７に示すように、下リング部材４０８ｂには、ＳＵＳ等の金属性リング４３０が嵌合されているため、下リング部材４０８ｂの剛性を高めることができ、リング部材４０８が研磨面１０１ａと摺接してリング部材４０８の温度が上昇しても下リング部材４０８ｂの熱変形を抑制することができる。したがって、下リング部材４０８ｂおよび金属性リング４３０の外周面と、リテーナリングガイド４１０の外周側部４１０ａの内周面とのクリアランスを狭くすることができ、研磨中に、リング部材４０８がクリアランス内を移動してリテーナリングガイド４１０と衝接する際に生ずる異音や振動を抑制することができる。また、金属性リング４３０の外周面のコーティング層４３０ｃが低摩擦材料から構成されており、リテーナリングガイド４１０のガイド面４１０ｇは鏡面処理により面粗度を向上させているため、下リング部材４０８ｂとリテーナリングガイド４１０との摺動性を改善することができる。したがって、リング部材４０８の研磨面に対する追従性を飛躍的に高めることができ、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。

図１７に示す実施形態においては、ＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの低摩擦材料を金属性リング４３０にコーティングしたが、金属性リングを設けないで、下リング部材４０８ｂの外周面に直接にＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの低摩擦材料をコーティングや接着剤により設けてもよい。また、下リング部材４０８ｂの外周面に、両面テープにより、リング状の低摩擦材料を接着してもよい。さらに、リテーナリングガイド４１０に低摩擦材料を設け、下リング部材４０８ｂに鏡面処理を施すようにしてもよい。

また、リテーナリングガイド４１０および下リング部材４０８ｂの摺接面のいずれにも鏡面処理を施すことにより、下リング部材４０８ｂとリテーナリングガイド４１０との摺動性を向上させるようにしてもよい。このように、リテーナリングガイド４１０および下リング部材４０８ｂの摺接面の両方に鏡面処理を施すことにより、リング部材４０８の研磨面に対する追従性を飛躍的に高めることができ、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。

図１８は、図１３に示すリテーナリングのＢ部拡大図であり、図１９は図１８のＸIＸ−ＸIＸ線矢視図である。
図１８および図１９に示すように、リテーナリング３のリング部材４０８の上リング部材４０８ａの外周面には縦方向に延びる概略長円形状溝４１８が形成されている。長円形状溝４１８は上リング部材４０８ａの外周面に所定間隔毎に複数個形成されている。また、リテーナリングガイド４１０の外周側部４１０ａには、半径方向内方に突出する複数の駆動ピン３４９が設けられており、この駆動ピン３４９がリング部材４０８の長円形状溝４１８に係合するようになっている。長円形状溝４１８内でリング部材４０８と駆動ピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、この駆動ピン３４９により上部材３００およびリテーナリングガイド４１０を介してトップリング本体２の回転がリテーナリング３に伝達され、トップリング本体２とリテーナリング３は一体となって回転する。駆動ピン３４９の外周面には、ゴムクッション３５０が設けられ、ゴムクッション３５０の外側にＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの低摩擦材料からなるカラー３５１が設けられている。一方、前記長円形状溝４１８の内面には鏡面処理が施され、低摩擦材料のカラー３５１が接触する長円形状溝４１８の内面の面粗度を向上させるようにしている。

このように、本実施形態においては、駆動ピン３４９には低摩擦材料からなるカラー３５１を設け、カラー３５１が摺接する長円形状溝４１８の内面には鏡面処理を施すことにより、駆動ピン３４９とリング部材４０８との摺動性を改善することができる。したがって、リング部材４０８の研磨面に対する追従性を飛躍的に高めることができ、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。なお、駆動ピン３４９に鏡面処理を施し、駆動ピン３４９が係合するリング部材４０８の長円形状溝４１８にコーティング等により低摩擦材料を設けることもできる。

図１１乃至図１８に示すように、リング部材４０８の外周面とリテーナリングガイド４１０の下端との間には上下方向に伸縮自在な接続シート４２０が設けられている。この接続シート４２０は、リング部材４０８とリテーナリングガイド４１０との間の隙間を埋めることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。また、シリンダ４００の外周面とリテーナリングガイド４１０の外周面には、帯状の可撓性部材からなるバンド４２１が設けられている。このバンド４２１は、シリンダ４００とリテーナリングガイド４１０との間をカバーすることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。

弾性膜４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜４とリテーナリング３とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材４２２が形成されている。このシール部材４２２は弾性膜４とリング部材４０８との隙間を埋めるように配置されており、変形しやすい材料から形成されている。シール部材４２２は、トップリング本体２とリテーナリング３との相対移動を許容しつつ、弾性膜４とリテーナリング３との隙間に研磨液が浸入してしまうことを防止するために設けられている。本実施形態では、シール部材４２２は弾性膜４のエッジ３１４ｄに一体的に形成されており、断面Ｕ字型の形状を有している。

ここで、接続シート４２０、バンド４２１およびシール部材４２２を設けない場合は、研磨液がトップリング１内に浸入してしまい、トップリング１を構成するトップリング本体２やリテーナリング３の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、接続シート４２０、バンド４２１およびシール部材４２２によって研磨液のトップリング１への浸入を防止することができ、これにより、トップリング１を正常に動作させることができる。なお、弾性膜４０４、接続シート４２０、およびシール部材４２２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。

本実施形態のトップリング１においては、弾性膜４のセンター室５、リプル室６、アウター室７、およびエッジ室８に供給する圧力により半導体ウエハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド１０１から上方に離れた位置にする必要がある。しかしながら、リテーナリング３が摩耗すると、半導体ウエハと下部材３０６との間の距離が変化し、弾性膜４の変形の仕方も変わるため、半導体ウエハに対する面圧分布も変化することになる。このような面圧分布の変化は、プロファイルが不安定になる要因となっていた。

本実施形態では、リテーナリング３を下部材３０６とは独立して上下動させることができるので、リテーナリング３のリング部材４０８が摩耗しても、半導体ウエハと下部材３０６との間の距離を一定に維持することができる。したがって、研磨後の半導体ウエハのプロファイルを安定化させることができる。

図１１乃至図１９に示すトップリング１において、本発明の１態様を適用する場合には、図７に示す実施形態と同様に、センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナ室９を開閉バルブＶ１〜Ｖ５（図示せず）および圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５（図示せず）を介して流体供給源３０（図示せず）に接続し、開閉バルブＶ１〜Ｖ５および圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５の作動を制御する制御装置３３を設ければよい。そして、制御装置３３により、まず開閉バルブＶ１を開き、流体供給源３０からセンター室５に圧力流体を供給し、弾性膜４の中心部のみを膨らませ、半導体ウエハＷの下面中心部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地させて押圧する。そして、開閉バルブＶ１を開いてから、わずかな時間の後に、順次、開閉バルブＶ２、開閉バルブＶ３、開閉バルブＶ４を開き、中心部から外周方向に向かって順次、リプル室６、アウター室７、エッジ室８に圧力流体を供給し、弾性膜４の外周部も膨らませ、半導体ウエハＷの下面外周部を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このように、半導体ウエハＷの中心部を先に接地させて押圧することにより、研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａと半導体ウエハＷとの間にエアやスラリーが封入されることがなく、そのまま研磨圧力を掛けても半導体ウエハＷが通常より大きな変形を生じることはない。したがって、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地した後の研磨開始時に半導体ウエハＷが割れたり破損したりすることはない。

また、図１１乃至図１９に示すトップリング１において、本発明の別の態様を適用する場合には、図１０に示す実施形態と同様に、弾性膜４の下面に、全面にわたってダイヤフラム１０を固定し、ダイヤフラム１０の下面（ウエハ保持面側）に弾性膜２６を設ければよい。ダイヤフラム１０は、ＰＥＥＫ，ＰＰＳ，ポリイミド等の樹脂、ステンレス鋼，アルミニウム等の金属、アルミナ，ジルコニア，炭化ケイ素，窒化ケイ素等のセラミックスのいずれか１つから構成されている。このように、ダイヤフラム１０を弾性膜４の下面の全面にわたって設けることにより、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界の全てにおいて研磨圧力、ひいては研磨速度が、一方の室側（圧力が高い室側）から他方の室側（圧力が低い室側）に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラム１０を設けることにより、隣り合う二つの領域（エリア）間の境界の全てにおいて研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにすることができる。

また図７に示す実施形態と同様に、弾性膜４の下面に、リプル室６とアウター室７の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたって、ダイヤフラム１０を固定してもよいし、弾性膜４の下面に、センター室５とリプル室６の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたってダイヤフラム１０を固定するようにしてもよいし、またアウター室７とエッジ室８の境界２０から内周側および外周側の１０ｍｍ以上にわたってダイヤフラム１０を固定するようにしてもよい。

これまで本発明のいくつか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、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
４，２６ 弾性膜
４ａ 隔壁
５ センター室
５Ａ 圧力室
６ リプル室
７ アウター室
８ エッジ室
９ リテーナ室
１０ ダイヤフラム
１１，１２，１３，１４，１５，２１，２２，２３，２４，２５ 流路
２０ 境界
３０ 流体供給源
３２，４０ 真空源
３３ 制御装置
１００ 研磨テーブル
１００ａ テーブル軸
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 表面（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
１３２ ボールねじ
１３２ａ ねじ軸
１３２ｂ ナット
１３８ サーボモータ
３００ 上部材
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３０８ ボルト
３１４ａ，３１４ｂ リプル
３１４ｃ エッジ
３１４ｄ エッジ（外周縁）
３１４ｆ 隙間
３１６ エッジホルダ
３１８，３１９ リプルホルダ
３１８ｂ，３１８ｃ 爪部
３２０，３２２ ストッパ
３２４，３２５，３２６，３２８，３３４，３３６，３３８ 流路
３２７ コネクタ
３４２，３４４ 流路
３４７ 環状溝
３４９ 駆動ピン
３５０ ゴムクッション
３５１ カラー
４００ シリンダ
４０２ 保持部材
４０４ 弾性膜
４０６ ピストン
４０８ リング部材
４０８ａ 上リング部材
４０８ｂ 下リング部材
４０８ａ１ 下部リング状部
４０８ａ２ 上部円弧状部
４０９ ボルト
４１０ リテーナリングガイド
４１０ａ 外周側部
４１０ｂ 内周側部
４１０ｃ 中間部
４１０ｈ 複数の開口
４１０ｇ ガイド面
４１１ ボルト
４１２，４１４ 流路
４１８ 長円形状溝
４２０ 接続シート
４２１ バンド
４２２ シール部材
４３０ 金属性リング
４３０ｃ コーティング層
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 圧力レギュレータ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５ 開閉バルブ
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (5)

1. 研磨面を有した研磨テーブルと、
   圧力流体が供給される複数の圧力室を形成する弾性膜を有し、前記複数の圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧する研磨ヘッドとを備え、
   前記弾性膜は同心状の複数の隔壁を有し、これら隔壁によって弾性膜の上面と研磨ヘッドの下面との間に前記複数の圧力室を形成し、
   前記弾性膜の基板保持面側に、隣接する二つの圧力室に跨るように、前記弾性膜より剛性の高い材料からなるダイヤフラムを設け、
   前記ダイヤフラムは、前記二つの圧力室の境界から内周側および外周側に１０ｍｍ以上の範囲を有することを特徴とする研磨装置。
2. 前記ダイヤフラムは、前記弾性膜に固定されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記ダイヤフラムは、ＰＥＥＫ又はＰＰＳ又はポリイミドからなる樹脂、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる金属、およびアルミナ又はジルコニア又は炭化ケイ素又は窒化ケイ素からなるセラミックのいずれか１つからなることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
4. 前記ダイヤフラムは、前記複数の圧力室を形成する前記弾性膜の略全面を覆っていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨装置。
5. 前記ダイヤフラムを覆うとともに、基板と接触して基板を保持するための基板保持面を構成する弾性膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨装置。

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