JP5646031B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨方法に係り、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パッドの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。

従来、基板保持装置として、チャッキングプレートに弾性膜（メンブレン）を固定し、チャッキングプレートの上部に形成される圧力室（加圧チャンバ）、および弾性膜（メンブレン）から形成される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に押圧するタイプのいわゆるフローティング型トップリングが広く用いられている。チャッキングプレート上部の加圧チャンバ圧力とチャッキングプレート下部のメンブレン圧力のバランスによりチャッキングプレートをフローティングさせて研磨を行う。このトップリングでは、ウエハへの加圧開始時、および研磨後のウエハ吸着時には以下のような動作を行っている。すなわち、加圧開始時には加圧チャンバを加圧し、ウエハをメンブレンにより保持したチャッキングプレートを下降させ、研磨パッドとウエハとメンブレンを密着させた状態にする。次に、メンブレンを所望の圧力で加圧し、その後、または同時に加圧チャンバの圧力をメンブレン圧力以下にし、チャッキングプレートをフローティングさせた状態にして研磨を行う。ここで、最初にチャッキングプレートを下降させ、研磨パッドとウエハとメンブレンを密着させた状態にするのは、ウエハとメンブレン間の加圧流体のリークを防ぐためである。研磨パッドとウエハとメンブレン間が密着していない状態で、メンブレンを加圧すると、ウエハとメンブレン間に隙間が生じてしまい、そこから加圧流体がリークしてしまうためである。

また、研磨時に加圧チャンバ圧力がメンブレン圧力以上の場合には、チャッキングプレートが局所的にウエハを押圧してしまい、ウエハ上の薄膜が局所的に過研磨されてしまうため、加圧チャンバ圧力をメンブレン圧力以下とし、チャッキングプレートをフローティング状態としている。次に、研磨終了後、ウエハ吸着時には加圧チャンバを加圧し、チャッキングプレートを下降させ、研磨パッドとウエハとメンブレンを密着させた状態にして、その後メンブレンを真空状態としてウエハの吸着を行っている。

以上のように、チャッキングプレートを有するフローティング型のトップリングでは、ウエハへの加圧開始時、研磨後のウエハ吸着時等にチャッキングプレートの上下位置を加圧チャンバ圧力とメンブレン圧力のバランスにより、制御する必要がある。しかしながら、圧力バランスによる位置制御のため、精密な上下位置の制御は不可能であり、かつ、容積の大きい加圧チャンバを加圧する、または、減圧するのには時間がかかるので、上記加圧開始時や研磨後のウエハ吸着時には十分な長さの時間設定が必要であるため、研磨装置の生産性向上が妨げられていた。また、フローティング型のトップリングでは、リテーナリングの摩耗につれて研磨面とチャッキングプレート下面との距離が短くなり、メンブレンの上下方向の伸縮量が変化するために研磨プロファイルが変化してしまうという問題もあった。

そこで、近年、メンブレンを支持するキャリア（トップリング本体）の研磨面からの上下位置を精密に制御可能なトップリングが用いられている。このトップリングでの上下動作は、通常、サーボモータとボールネジを用いて行われるので、キャリアを指定の高さに瞬時に位置させることが可能である。したがって、従来のトップリングで行ってきた加圧開始時や研磨後のウエハ吸着時における動作を短くすることができ、研磨装置の生産性を向上させることが可能となった。また、このトップリングでは研磨面からのキャリアの上下位置を精密に制御可能なため、メンブレンの伸び量を調整することにより、ウエハのエッジ部の研磨プロファイルを調整することもできる。さらに、リテーナリングの上下動作はキャリアと独立に行われるので、リテーナリングが摩耗しても研磨面からのキャリアの上下位置には影響を与えず、リテーナリングのライフタイムを飛躍的に伸ばすことも可能となった。

このようなトップリングでは、加圧開始時および研磨後のウエハ吸着時には、通常、以下のような動作を行っている。加圧開始時にはウエハをメンブレンに吸着保持したキャリアを研磨パッド上に下降させる。この時のトップリング高さは、その後に行う本研磨プロセスで望ましい研磨プロファイルを得るための高さに移動する。通常、伸縮性の良いメンブレンタイプのトップリングでは、半導体ウエハのエッジ部が研磨されやすい傾向にあるので、トップリング高さを高くしてメンブレンの伸びによる損失分ウエハにかかる圧力を低下させることが望ましい。すなわち、ウエハと研磨パッドとの間の隙間が１ｍｍ程度となる高さにトップリングを下降させることが多く行われる。その後、ウエハを研磨面に対して押圧し、研磨を行う。研磨終了後は、本研磨時の高さのままウエハ吸着動作を行っている。しかしながら、このように行われる従来の研磨方法では以下のような問題があった。

加圧開始時、ウエハと研磨パッド間の隙間が大きい状態からメンブレンを加圧開始すると、ウエハと研磨パッド間の隙間分ウエハの変形代が大きくなり、ウエハにかかる応力が増加し、ウエハ上に形成された微細な配線が破断したり、ウエハが破損してしまう。一方、研磨後のウエハ吸着時にもキャリア下面とメンブレン上面との間に隙間がある状態からメンブレンを真空状態としてウエハをキャリアへ引き上げると、隙間分ウエハの変形代が大きくなり、ウエハにかかる応力が増加し、ウエハが破損してしまう場合がある。また、加圧および吸着時に、ウエハと研磨パッド間の隙間がない、またはウエハと研磨パッドとが局所的に接触する位置まで下降させるとウエハ上の薄膜の過研磨が生じたり、最悪の場合にはウエハが破損したりする。

また、ウエハリリース時にもウエハにかかる応力を低くするために、特開２００５−１２３４８５号公報で開示されるリリースノズルが従来使用されている。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を補助する機構であるが、ウエハをリテーナリングの底面より下方に突き出し、ウエハ周縁部をメンブレンから引き剥がし、その部分に加圧流体を噴射するために、ウエハリリース時にはメンブレンを加圧し、膨らませる必要がある（特開２００５−１２３４８５号公報の段落〔００８４〕）。他に米国特許第７，０４４，８３２号公報にもリリースノズルに関する開示がある。この米国特許公報に記載があるようにウエハリリース時にはブラダーを膨らませ(加圧し)、ウエハのエッジ部とブラダーを離間させた状態でシャワーを吹き付けている（コラム１０の６行、Ｆｉｇ．２Ａ参照）。すなわち、いずれの公知例もメンブレンを膨らませて、ウエハのエッジとメンブレンを離間させ、その隙間にシャワーを入れることを行っている。しかしながら、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った。

特開２００５−１２３４８５号公報 米国特許第７，０４４，８３２号公報

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、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への吸着を安全に行うことができる研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の研磨方法によれば、研磨面を有した研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを上下動させる上下動機構とを備えた研磨装置による研磨方法であって、前記トップリングは、圧力流体が供給される圧力室を形成する弾性膜であるメンブレンと該メンブレンを保持するトップリング本体とを有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により前記基板を前記研磨面に押圧するように構成され、前記基板が前記研磨面に対して接触している状態で、前記トップリングを所定の高さに移動させ、前記トップリングを移動させた後、または前記トップリングの移動と同時に、前記基板を前記研磨面から前記トップリングへ吸着させ、前記所定の高さは、前記メンブレンにより前記基板が前記研磨面に押圧されている状態において前記トップリング本体と前記メンブレンとの間の隙間として定義されるメンブレンハイトが０．１ｍｍ〜１．７ｍｍの範囲にある高さであることを特徴とする。
本発明によれば、研磨面上での基板処理工程の終了後、基板をトップリングに吸着させる際に、トップリングを移動させ、基板を吸着する基板保持面とトップリング本体（キャリア）表面との隙間が小さい状態から吸着開始する。これにより、吸着開始前の隙間が小さいため、基板の変形代が小さく、基板の変形量は極めて小さく抑えられる。

本発明の好ましい態様によれば、前記メンブレンハイトは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記上下動機構は、前記トップリングを上下動させるボールねじと、前記ボールねじを駆動するモータとを含む機構からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記上下動機構は、前記研磨面の高さを測定するセンサを含む機構からなることを特徴とする。

本発明によれば、基板をトップリングに吸着するときに、基板の変形を抑制するとともに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への吸着を安全に行うことができる。

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１の模式的な断面図である。 図３は本実施形態の研磨装置により実施される一連の研磨処理工程を示すフローチャートである。 図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、メンブレンハイトを説明するための模式図である。 図５は、トップリングがウエハを吸着保持した状態でトップリングが下降する前の状態を示す模式図である。 図６は、トップリングがウエハを吸着保持した状態でトップリングが下降し、ウエハと研磨パッドとの間の隙間が大きい場合を示す模式図である。 図７（ａ）は、図６に示すウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図であり、図７（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフであり、図７（ｃ）はリプル室の圧力応答性を改善するためのトップリングの模式図である。 図８は、本発明の第一の態様を示す図であり、トップリングがウエハを吸着保持した状態で下降し、ウエハと研磨パッドとの間の隙間が小さい場合を示す模式図である。 図９（ａ）は、ウエハ・パッド間の隙間が小さい状態からメンブレンの加圧を開始した状態を示す模式図である。図９（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が小さい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフである。 図１０は、望ましい研磨プロファイルを得るために、図９に示す状態からトップリングを好適な高さに移動させた状態を示す模式図である。 図１１は、本発明の第二の態様を示す図であり、トップリングがウエハを吸着保持した状態で下降し、ウエハと研磨パッドとの間の隙間が大きい場合を示す模式図である。 図１２（ａ）は、メンブレンハイトが大きい状態からメンブレンの加圧を開始した状態を示す模式図である。図１２（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフである。 図１３は、トップリングを移動させずに図１２に示す状態で本研磨を行う場合を示す模式図である。 図１４は、研磨パッド上でのウエハ処理工程の終了後、ウエハをトップリング１に吸着させる際に、キャリア表面とメンブレン裏面間の隙間が大きい場合を示す模式図である。 図１５は、図１４に示すキャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が大きい状態から吸着開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図である。 図１６は、キャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が大きい状態から吸着開始した場合のウエハの状態を示す模式図であり、図１６（ａ）は、研磨パッドが溝有りパッドの場合を示し、図１６（ｂ）は研磨パッドが溝無しパッドの場合を示す。 図１７は、本発明の一態様を示す図であり、研磨パッド上でのウエハ処理工程の終了後、ウエハをトップリングに吸着させる際に、キャリア表面とメンブレン裏面間の隙間が小さい（メンブレンハイトが低い）場合を示す模式図である。 図１８は、図１７に示すキャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が小さい状態から吸着開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図である。 図１９は、トップリングによるウエハの吸着が完了した状態を示す模式図であり、図１９（ａ）は研磨パッドが溝有りパッドの場合を示し、図１９（ｂ）は研磨パッドが溝無しパッドの場合を示す。 図２０は、実験データを示すグラフであり、吸着時メンブレンハイト（キャリア下面・メンブレン上面間の隙間）と吸着時にウエハにかかる応力の関係を示すグラフである。 図２１は、トップリングと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図である。 図２２は、プッシャの詳細構造を示す概略図である。 図２３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２４は、ウエハの離脱を行う際にリプルエリアの加圧を行う場合を示す模式図であり、図２４（ａ）はリブルエリアの加圧を行う場合を示し、図２４（ｂ）はリプルエリアの加圧を行うとともにアウターエリアを真空状態にする場合を示す。 図２５は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図２６は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図２７は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図２８は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図２９は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図３０は、図２７に示すリテーナリングのＡ部拡大図である。

以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１から図３０を参照して詳細に説明する。なお、図１から図３０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研磨テーブル回転モータ（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（図示せず）が設置されており、この研磨液供給ノズルによって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液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１８に接続されており、このトップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６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１８の上下動により、トップリングヘッド１６に対してトップリング１の全体を上下動させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１８は、図示しないトップリング回転モータの駆動により回転するようになっている。トップリングシャフト１８の回転により、トップリング１がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

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または孔を有している。

トップリング１は、その下面に半導体ウエハ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１６はトップリングヘッドシャフト１１４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を保持したトップリング１は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウエハ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（図示せず）から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウエハの表面を研磨する。

トップリングシャフト１８およびトップリング１を上下動させる上下動機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱１３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱１３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１８は、ブリッジ２８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３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１８およびトップリング１が上下動する。研磨装置は、ブリッジ２８の下面までの距離、すなわちブリッジ２８の位置を検出する位置検出部としての測距センサ７０を備えている。この測距センサ７０によりブリッジ２８の位置を検出することで、トップリング１の位置を検出することができるようになっている。測距センサ７０は、ボールねじ３２，サーボモータ３８とともに上下動機構２４を構成している。なお、測距センサ７０は、レーザ式センサ、超音波センサ、過電流式センサ、もしくはリニアスケール式センサであってもよい。また、研磨装置は、測距センサ７０、サーボモータ３８をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部４７を備えている。

本実施形態の研磨装置は、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面１０１ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部はドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。

揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに押圧する。

研磨パッド１０１の研磨面１０１ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面１０１ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面１０１ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面１０１ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド１０１が削り取られ、研磨面１０１ａがドレッシングされる。

本実施形態の研磨装置では、このドレッサ５０を利用して研磨パッド１０１の摩耗量を測定する。すなわち、ドレッシングユニット４０はドレッサ５０の変位を測定する変位センサ６０を備えている。この変位センサ６０は、研磨パッド１０１の摩耗量を検知する摩耗量検知手段を構成し、揺動アーム５５の上面に設けられている。ドレッサシャフト５１にはターゲットプレート６１が固定されており、ドレッサ５０の上下動にともなって、ターゲットプレート６１が上下動するようになっている。変位センサ６０はこのターゲットプレート６１を挿通するように配置されており、ターゲットプレート６１の変位を測定することによりドレッサ５０の変位を測定する。なお、変位センサ６０としては、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサ、もしくは渦電流式センサなどのあらゆるタイプのセンサが用いられる。

本実施形態では、次のようにして研磨パッド１０１の摩耗量が測定される。まず、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、初期目立て済の研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに当接させる。この状態で、変位センサ６０はドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）を検知し、その初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。そして、１つの、または複数の半導体ウエハの研磨処理が終了した後、再びドレッサ５０を研磨面１０１ａに当接させ、この状態でドレッサ５０の位置を測定する。ドレッサ５０の位置は研磨パッド１０１の摩耗量に応じて下方に変位するため、制御部４７は、上記初期位置と研磨後のドレッサ５０の位置との差を求めることで、研磨パッド１０１の摩耗量を求めることができる。このようにして、ドレッサ５０の位置に基づいて研磨パッド１０１の摩耗量が求められる。

図１に示す研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合、ドレッシングやパッド交換などにより、研磨パッド１０１の厚さが常に変化する。弾性膜（メンブレン）を膨らましてウエハを加圧する研磨装置においては、弾性膜とウエハの距離によってウエハ外周部における弾性膜の接触範囲と面圧分布が変化する。この場合において、研磨の進行に伴い半導体ウエハの面圧分布が変化しないようにするためには、研磨時のトップリング１と研磨パッド１０１の表面（研磨面）との距離を一定に維持する必要がある。このように、トップリング１と研磨パッド１０１の表面との距離を一定にするためには、例えば、研磨パッド１０１を交換して、研磨パッド１０１のドレッサ５０による初期目立て（後述する）を行った後に、研磨パッド１０１の表面の高さ（位置）を検知してトップリング１の下降位置を調整する必要がある。以下、この研磨パッド１０１の表面の高さ（位置）を検知する工程をトップリングによるパッドサーチという。

トップリングによるパッドサーチは、トップリング１の下面（又は半導体ウエハの下面）を研磨パッド１０１の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング１の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、トップリングによるパッドサーチ時には、サーボモータ３８を駆動して、エンコーダにより回転数を積算しながらトップリング１を下降させる。トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触すると、サーボモータ３８に対する負荷が増し、サーボモータ３８に流れる電流が大きくなる。したがって、制御部４７の電流検出器によりサーボモータ３８に流れる電流を検出し、電流が大きくなったときに、トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触したと判断する。トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触したと判断されると、制御部４７は、サーボモータ３８のエンコーダの積算値からトップリング１の下降距離（位置）を算出し、この下降距離を記憶する。このトップリング１の下降距離から研磨パッド１０１の表面の高さを得て、制御部４７は、この研磨パッド１０１の表面の高さから研磨時のトップリング１の設定位置を算出する。

この場合において、トップリングによるパッドサーチ時に使用する半導体ウエハとしては、製品ウエハではなく、パッドサーチ用のダミーウエハを用いるのが好ましい。製品ウエハでパッドサーチを行ってよい場合もあるが、パッドサーチ用のダミーウエハを用いることにより、製品ウエハの場合に生ずるデバイスの破壊を防止することができる。

また、サーボモータ３８としては、モータの最大電流が可変なものを使用することが好ましい。このようなサーボモータを用いることで、例えば、トップリングによるパッドサーチ時にモータの最大電流値を２５％〜３０％程度に設定しておくことにより、トップリング１の下面または半導体ウエハ（ダミーウエハ）の表面が研磨パッド１０１に接触したときに、半導体ウエハ（ダミーウエハ）、トップリング１、研磨パッド１０１などに極端に大きな負荷がかかることを防止することができる。また、この場合において、トップリング１の下降時間や下降距離から、トップリング１が研磨パッド１０１に接触するときをある程度予測できるので、トップリング１が研磨パッド１０１に接触する前にサーボモータ３８の最大電流値を下げることが好ましい。このようにすれば、速やかで確実な下降動作ができる。

次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッド（トップリング）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。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４７（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図３を参照して説明する。図３は本実施形態の研磨装置により実施される一連の研磨処理工程を示すフローチャートである。図３に示すように、研磨処理工程は、研磨パッドの交換から始まる（ステップＳ１０１）。すなわち、研磨により消耗した研磨パッドを研磨テーブル１００から取り外し、新たな研磨パッド１０１を研磨テーブル１００に取り付ける。

この場合、卸し立ての研磨パッドは、表面が荒れていないため研磨能力に欠け、また研磨テーブルへの取り付け方法によって及び製品ごとの個体差によって研磨パッド表面にはうねりがあるため、それらを是正して研磨に使える状態にするために、切削能力が大きくなるようにパッド表面を荒らす表面調整（ドレッシング）をする必要がある。この初期表面調整（ドレッシング）を初期目立て（ステップＳ１０２）と称する。

次に、パッドサーチ用のダミーウエハを用いてトップリング１によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０３）。上述したように、パッドサーチは研磨パッド１０１の表面の高さ（位置）を検知する工程である。
トップリングによるパッドサーチは、トップリング１の下面を研磨パッド１０１の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング１の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、パッドサーチ時には、サーボモータ３８を駆動して、エンコーダにより回転数を積算しながらトップリング１を下降させる。トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触すると、サーボモータ３８に対する負荷が増し、サーボモータ３８に流れる電流が大きくなる。したがって、制御部４７の電流検出器によりサーボモータ３８に流れる電流を検出し、電流が大きくなったときに、トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触したと判断する。トップリング１の下面が研磨パッド１０１の表面に接触したと判断されると、制御部４７は、サーボモータ３８のエンコーダの積算値からトップリング１の下降距離（位置）を算出し、この下降距離を記憶する。このトップリング１の下降距離から研磨パッド１０１の表面の高さを得て、制御部４７は、この研磨パッド１０１の表面の高さから研磨前のトップリング１の最適な位置を算出する。

本実施形態においては、研磨前のトップリング１の最適な位置は、トップリング１に保持された製品ウエハとしての半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）とにわずかな間隙があるような位置である。
すなわち、研磨対象の製品ウエハとしての半導体ウエハの下面（被研磨面）が研磨パッド１０１の表面（研磨面）に接触することなく、半導体ウエハの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）との間にわずかな間隙がある状態のトップリングの高さ位置を、トップリング１の最適位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）として制御部４７に設定する（ステップＳ１０３）。

次に、ドレッサ５０によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０４）。ドレッサによるパッドサーチはドレッサ５０の下面を所定の圧力で研磨パッド１０１の表面（研磨面）に接触させたときのドレッサ５０の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、初期目立て済みの研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに当接させる。この状態で、変位センサ６０はドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）を検知し、この初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。なお、ステップＳ１０２の初期目立てとステップＳ１０４のドレッサによるパッドサーチとを兼用させることもできる。すなわち、初期目立ての最終工程としてドレッサ５０の高さ位置（初期位置）を検知し、この初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。
このように、ステップＳ１０２の初期目立てとステップＳ１０４のドレッサによるパッドサーチとを兼用した場合には、この後にステップＳ１０３のトップリングによるパッドサーチを行う。

次に、トップリング１は、基板受渡し装置から製品ウエハとしての半導体ウエハを受け取って保持した後に、ステップＳ１０３によるトップリングによるパッドサーチで得たトップリングの設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）まで下降する。この設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）では、研磨前は、ウエハをトップリングで吸着保持しているので半導体ウエハの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）との間には、わずかな間隙がある。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）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（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０５における研磨が終了したら、トップリング１は、基板受渡し装置（プッシャ）に研磨済の半導体ウエハを受け渡すとともに基板受渡し装置（プッシャ）から新たな研磨対象である半導体ウエハを受け取る。トップリング１による研磨済みのウエハから研磨前のウエハへの交換作業の間に、ドレッサ５０による研磨パッド１０１のドレッシングが行われる（ステップＳ１０６）。

研磨パッド１０１の研磨面１０１ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面１０１ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面１０１ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面１０１ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド１０１が削り取られ、研磨面１０１ａがドレッシングされる。

前記ドレッシングの終了後に、ドレッサ５０によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０６）。このドレッサによるパッドサーチは、ステップＳ１０４で述べたとおりである。なお、ドレッシングの終了後にドレッサによるパッドサーチを別途行うようにしてもよいが、ドレッシングの最終工程として、そのまま測定すれば、ドレッシング兼パッドサーチを同時に行うことができる。よって、ステップＳ１０４のドレッサと研磨テーブルの回転数、ドレッサの荷重条件もこれと同じにすることが望ましい。このように、ドレッサ５０によるパッドサーチにより、ドレッシング後のドレッサ５０の高さ位置を検知する（ステップＳ１０６）。

次に、ステップＳ１０４で求めたドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）とステップＳ１０６で求めたドレッシング後のドレッサ５０の高さ位置との差を求めることで、研磨パッド１０１の摩耗量（ΔＨ）を求める。
制御部４７は、このようにして求めた研磨パッド１０１の摩耗量（ΔＨ）と、ステップＳ１０３のトップリング１によるパッドサーチで求めた、研磨時のトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）とから、式（１）に基づいて次の半導体ウエハを研磨するためのトップリング１の最適位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出する（ステップＳ１０７）。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ・・・（１）
すなわち、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）を検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）に基づいて、先に設定した研磨時のトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）を補正し、次の半導体ウエハを研磨するためのトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を求めることにより、研磨時にトップリングが常に最適な高さ位置になるように制御する。

次に、サーボモータ３８を駆動して半導体ウエハＷを保持したトップリング１をステップＳ１０７において求めたトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）まで下降させ、トップリング１の高さ調整を行う（ステップＳ１０８）。この後、ステップＳ１０５〜ステップＳ１０８までの工程が研磨パッドが消耗するまで繰り返されて、多数の半導体ウエハが研磨される。その後、再び、研磨パッドが交換されるステップＳ１０１が実行される。

図３に示すフローチャートで説明したように、本実施形態においては、装置の運転中に、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）を検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）に基づいて、先に設定したトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）を補正し、次の半導体ウエハＷを研磨するためのトップリング１の設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を求めることにより、研磨時にトップリングが常に最適な高さ位置になるように制御することができる。したがって、研磨時のトップリングの設定位置を、トップリングが直接得るためのトップリングによるパッドサーチは、研磨パッドを交換したときのみ行えば済み、スループットを飛躍的に高めることができる。

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おいてウエハへの加圧開始時やウエハの吸着時等の最適な弾性膜（メンブレン）の高さについて図４乃至図２４を参照して説明する。
図４は、メンブレンハイトを説明するための模式図である。図４（ａ）は、メンブレン４によりウエハＷが吸着されている状態においてウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間として定義されるメンブレンハイトが０ｍｍ、すなわち、メンブレンハイト＝０ｍｍの状態を示す図である。メンブレンハイト＝０ｍｍ（ウエハＷと研磨パッド１０１の接触位置）については、前述のパッドサーチ動作で検知することができる。図４（ａ）に示すように、ウエハＷをトップリングに吸着保持した状態でウエハＷと研磨パッド１０１が接触するトップリング高さをメンブレンハイト＝０ｍｍとしている。そして、図４（ａ）に示す位置（メンブレンハイト＝０ｍｍ）から上方向にＸｍｍ、トップリングを上昇させた位置をメンブレンハイト＝Ｘｍｍとする。例えばメンブレンハイト＝１（隙間１ｍｍ）は、モータを１ｍｍに相当するパルス分回転させ、ボールねじが回転し、トップリング昇降軸のモータで１ｍｍ分変位させる。
なお、パッドサーチでのパッド表面検知誤差は、±０．０１ｍｍ程度の精度が見込まれる。またトップリングハイトの誤差は、トップリング昇降軸のモータおよびボールねじでの制御誤差の和であるが、非常にわずかであって無視しうる程度のものである。メンブレンハイトの誤差は、±０．０１ｍｍ程度となる。

図４（ｂ）は、メンブレンハイト＝０．５ｍｍの状態を示す図である。図４（ｂ）に示すように、ウエハＷを真空により吸着して、図４（ａ）に示す位置から上方向に０．５ｍｍ、トップリング１を上昇させた状態をメンブレンハイト＝０．５ｍｍとする。
図４（ｃ）は、メンブレン４によりウエハＷが研磨パッド１０１に押圧されている状態においてトップリング本体（キャリア）２とメンブレン４との間の隙間として定義されるメンブレンハイトを示す図である。図４（ｃ）に示すように、圧力室に加圧流体を供給してメンブレン４を押し下げてウエハＷを加圧し、ウエハＷを研磨パッド１０１に押圧している状態では、メンブレンハイトは、キャリア下面とメンブレン上面との間の隙間を意味する。図４（ｃ）では、キャリア下面とメンブレン上面との間の隙間が０．５ｍｍであり、メンブレンハイト＝０．５ｍｍと定義される。図４（ａ）乃至図４（ｃ）において、リテーナリング３は、研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに接触（接地）している。

次に、研磨工程において行われる各種動作毎の最適なメンブレンハイトについて説明する。
（１）加圧開始時について
図５は、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態でトップリング１が下降する前の状態を示す模式図である。図５に示すように、トップリング１は、ウエハＷを真空により吸着保持する。トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で、研磨テーブル１００およびトップリング１を回転させ、トップリング１を研磨パッド１０１上に下降させる。
図６は、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態でトップリング１が下降し、ウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間が大きい場合を示す模式図である。図７（ａ）は、図６に示すウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図である。図７（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフである。図７（ｂ）において、横軸は、３００ｍｍウエハについてのウエハ面内測定ポイント（ｍｍ）を示し、縦軸は、研磨テーブルが回転して研磨テーブルに設置された渦電流センサがウエハの下面（被研磨面）を走査する際に研磨テーブルの１回転毎に得られるパッドからウエハまでの距離を示す。

図７（ａ）に示す例では、リプルエリア（リプル室６）が他のエリア（センター室５、アウター室７、エッジ室８）に比べて加圧が遅れているために、ウエハＷは、概略Ｍ字形状に変形している。図７（ａ）に示すように、加圧開始前の隙間分ウエハの変形代があり、ウエハが大きく変形する。リプルエリアの加圧が遅れる理由としては、リプルエリアは、メンブレンに吸着用の穴があり、ウエハの吸着を行うエリアなので、ライン途中に容積の大きい気水分離槽３５（図２参照）があるために、加圧の応答性が他のエリアに比べて悪くなっているからである。
図７（ｂ）の実験データから、加圧開始してウエハＷを研磨パッド１０１に押圧していく過程でウエハが概略Ｍ字形状に変形している様子がわかる。図７（ｂ）に示すように、ウエハ面内で約０．７ｍｍ変形している。そこで、この影響を小さくするためにリプルエリア以外のラインに気水分離槽と同等の容積を有するバッファを設けて、各ライン容積を同等にして加圧の応答性を同程度に調整することを行っても良い。また、容積の大きいエリアから順番に加圧することを行っても良い。例えば、リプル室６を加圧した後に、中心から外周方向に向かって、順次、センター室５、アウター室７、エッジ室８を加圧する。

また、応答性を調整する手段として各圧力室の設定圧力を変えることを行っても良い。例えば、容積の大きいリプル室６へは他のセンター室５、アウター室７、エッジ室８に比べて高い設定圧力で加圧することにより、リプル室６の圧力立ち上がり応答性を改善することも可能である。また、一方、リプル室６の圧力応答性を改善する方法として、図７（ｃ）に示すようにリプル室６へ連通する流路２２を形成しても良い。このように構成されたトップリング１ではリプル室６を加圧する場合は、圧力レギュレータＲ２を作動させ、バルブＶ２−１を開くとともに遮断バルブＶ２−４を閉じることにより、リプル室６への加圧流体は容積の大きい気水分離槽３５を経由しないために、迅速な圧力応答が可能となる。

図８は、本発明の第一の態様を示す図であり、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で下降し、ウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間が小さい場合を示す模式図である。本発明の第一の態様において、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で下降し、リテーナリング３が研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに接触（接地）した状態で、メンブレンハイト、すなわち、ウエハＷと研磨パッド１０１間の隙間は、０．１ｍｍ〜１．７ｍｍの範囲に設定されている。すなわち、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で下降し、リテーナリング３が研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに接触（接地）している状態での、研磨パッドからみたトップリング１の垂直距離（高さ）が「第１の高さ」である。
メンブレンハイトは、上述したように、ウエハＷをトップリングに吸着保持した状態でウエハＷと研磨パッド１０１が接触するトップリング高さをメンブレンハイト＝０ｍｍとしている。例えば、メンブレンハイト＝０．５ｍｍの状態では、トップリングに吸着保持したウエハＷと研磨パッド１０１間の隙間は０．５ｍｍとなる。

ウエハＷを研磨パッド１０１に押圧している時には、ウエハ下面は研磨パッドと接触し、ウエハ上面とメンブレン下面とも接触した状態となるため、メンブレンハイトを高くすると、トップリング本体（キャリア）の下面とメンブレン上面の間の隙間が増加することとなる。ウエハＷと研磨パッド１０１間の隙間を小さくしすぎると、ウエハが局所的に研磨パッドに接触し、局所的な過研磨が発生する恐れがあるので、本発明においてはマージンを考慮してウエハＷと研磨パッド１０１間の隙間は、０．１ｍｍから１．７ｍｍの範囲、好ましくは、０．１ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲、そして、好適には０．２ｍｍとする。特に０．１ｍｍ以上としたのは、回転時の研磨テーブル１００の垂直方向の振れや研磨テーブル１００とトップリングシャフト１８間の垂直度のバラツキなどがあるため、ウエハの面内で局所的にこの隙間がなくなってしまう部分があり、キャリアがメンブレンに接触し、ウエハを強く加圧してしまう部分が発生してしまう可能性があるためである。また、０．７ｍｍ以下としたのは、加圧開始時のウエハの変形量が過大にならないようにしたためである。加圧開始時にウエハＷがリテーナリング３に強く衝突することを避けるために、加圧開始時の研磨テーブル１００およびトップリング１の回転数は５０ｒｐｍ以下の低い回転数が望ましく、回転を停止した状態で加圧開始しても良い。

図９（ａ）は、ウエハ・パッド間の隙間が小さい状態（０．１ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲）からメンブレンの加圧を開始した状態を示す模式図である。図９（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が小さい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフである。図９（ｂ）において、横軸は、３００ｍｍウエハについてのウエハ面内測定ポイント（ｍｍ）を示し、縦軸は、研磨テーブルが回転して研磨テーブルに設置された渦電流センサがウエハの下面（被研磨面）を走査する際に研磨テーブルの１回転毎に得られるパッドからウエハまでの距離を示す。例えば、メンブレンハイトが０．２ｍｍの状態からメンブレンを加圧し、ウエハＷを研磨パッド１０１に接触させ押圧する。このとき、ウエハ・パッド間の隙間分メンブレンが伸張し、ウエハ・パッド間の隙間はなくなり、代わりにキャリア下面・メンブレン上面間の隙間が０．２ｍｍになる。その後、トップリングを望ましい研磨プロファイルを得るために好適な高さへ移動させる。
図９（ｂ）の実験データから、加圧開始してウエハＷを研磨パッド１０１に押圧していく過程でウエハの変形がないことがわかる。

図１０は、望ましい研磨プロファイルを得るために、図９に示す状態からトップリング１を好適な高さに移動させた状態を示す模式図である。図１０においては、メンブレン４によりウエハＷが研磨パッド１０１に押圧されている状態においてトップリング本体（キャリア）２とメンブレン４との間の隙間として定義されるメンブレンハイトを示している。この場合、ウエハエッジ部の研磨量を多くしたいときには、低いメンブレンハイトで研磨を行い、ウエハエッジ部の研磨量を少なくしたいときには高いメンブレンハイトで研磨を行う。これは、メンブレンハイトを高くした場合には、メンブレンの上下方向の伸び量が増加し、メンブレンの張力による圧力損失が大きくなり、ウエハにかかるエッジ部の圧力が減少するためである。本発明においては、ウエハＷを研磨パッド１０１に押圧した後に、メンブレンハイトを０．１ｍｍ〜２．７ｍｍの範囲、好ましくは、０．１ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲になるように、トップリングを移動し研磨を行う。すなわち、前述のトップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で下降し、リテーナリング３が研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに接触（接地）している状態での「第１の高さ」から、より望ましい研磨プロファイルを得るためにトップリング１を移動させた時の研磨パッドからトップリングに至るまでの垂直距離が「第２の高さ」である。

図１１は、本発明の第二の態様を示す図であり、トップリング１がウエハＷを吸着保持した状態で下降し、ウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間が大きい場合を示す模式図である。図１１に示すように、本発明の第二の態様においては、加圧開始時にウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間を大きくしている。すなわち、加圧開始時に、メンブレン４によりウエハＷが吸着されている状態においてウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間として定義されるメンブレンハイトを大きくしている。

図１２（ａ）は、メンブレンハイトが大きい状態からメンブレンの加圧を開始した状態を示す模式図である。図１２（ｂ）は、ウエハ・パッド間の隙間が大きい状態から加圧開始した場合のウエハの変形量を示すグラフである。図１２（ｂ）において、横軸は、３００ｍｍウエハについてのウエハ面内測定ポイント（ｍｍ）を示し、縦軸は、研磨テーブルが回転して研磨テーブルに設置された渦電流センサがウエハの下面（被研磨面）を走査する際に電流センサがウエハの研磨テーブルの１回転毎に得られるパッドからウエハまでの距離を示す。図１２（ａ）に示すように、メンブレンハイトが高い状態からメンブレンを低圧で加圧し、ウエハＷを研磨パッド１０１に接触させ押圧する。このとき、ウエハ・パッド間の隙間分メンブレンが伸張し、ウエハ・パッド間の隙間はなくなり、代わりにキャリア下面・メンブレン上面間の隙間になる。加圧開始時のウエハと研磨パッド間の隙間（＝メンブレン４によりウエハＷが吸着されている状態においてウエハＷと研磨パッド１０１との間の隙間として定義されるメンブレンハイト）が大きくても、低圧でメンブレンを加圧してウエハを研磨パッドに接触させることによってウエハの変形量を小さく抑えることが可能である。

ここで、低圧とは本研磨のメンブレン圧力以下の圧力のことを言い、本研磨の半分以下の圧力とすることが望ましい。また、本研磨工程とは、通常２0秒以上の長さの工程を言い、複数の本研磨工程が存在することもある。この本研磨工程の間に研磨液や薬液を研磨パッド上に供給し、ウエハ（基板）を研磨面に押圧、摺接させ、研磨を行ったり、ウエハ（基板）の洗浄を行ったりする。低圧でメンブレンを加圧してウエハを研磨パッドに接触させる代わりに、メンブレンを大気開放としてウエハを研磨パッドに接触させることによってもウエハの変形量を小さく抑えることが可能である。図１２（ｂ）の実験データから、加圧開始してウエハＷを研磨パッド１０１に押圧していく過程でウエハの変形がないことがわかる。

図１３は、トップリング１を移動させずに図１２に示す状態で本研磨を行う場合を示す模式図である。図１２および図１３に示す方法によれば、加圧開始時と、その後の本研磨との各ステップ間でトップリング高さを変更することなく研磨することが可能である。上述したように、低圧でメンブレンを加圧またはメンブレンを大気開放として、ウエハが研磨パッドに接触した後、メンブレンを本研磨の圧力で加圧し研磨を行う。

本発明において、ウエハＷが研磨パッド１０１に接触したことを検知する方法またはウエハＷが研磨パッド１０１に押圧されたことを検知する方法として、研磨テーブル１００内に埋設された光学式反射強度測定器や渦電流センサなどを用いても良いし、研磨テーブル１００の回転トルクが変化することを利用して、テーブル回転モータの駆動電流値変化を利用しても良い。また、トップリング回転モータの電流値変化や、トップリング上下動用のボールねじ駆動モータの電流値変化を用いても良い。さらに、ウエハが研磨パッドに接触するとメンブレンの体積増加がなくなるので、メンブレン加圧流体の圧力変化や流量変化を用いても良い。

なお、本発明の第一の態様と第二の態様とを個別に説明したが、本発明の第一の態様と第二の態様を組み合わせて、ウエハ・パッド間の隙間が小さい、例えば、隙間０．２ｍｍの状態から低圧で加圧することを行っても良い。

（２）吸着時について
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、基板受渡し装置（プッシャ）へ移動させて、ウエハＷの離脱を行う。この場合、センター室５が−１０ｋＰａ、リプル室６が−８０ｋＰａ程度の真空圧でウエハの吸着動作を行っている。
図１４は、研磨パッド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に吸着させる際に、キャリア表面とメンブレン裏面間の隙間が大きい（メンブレンハイトが高い）場合を示す模式図である。図１５は、図１４に示すキャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が大きい状態から吸着開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図である。図１５に示す例では、吸着開始前の隙間分ウエハの変形代があり、ウエハが大きく変形する。

図１６は、キャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が大きい状態から吸着開始した場合のウエハの状態を示す模式図である。図１６（ａ）は、研磨パッドが溝有りパッドの場合を示し、図１６（ｂ）は研磨パッドが溝無しパッドの場合を示す。図１６（ａ）に示すように、溝有りパッドの場合には、ウエハＷは研磨パッド１０１から引き剥がされトップリング１に吸着されるが、図１５に示すように、吸着開始直後では、ウエハの変形が大きいのでウエハが割れる可能性がある。図１６（ｂ）に示すように、溝無しパッドの場合には、ウエハＷは、研磨パッド１０１から剥がれずに大きな変形のままとなる。図１６（ｂ）に示す例では、吸着開始前の隙間分ウエハの変形代があり、ウエハが大きく変形する。

図１７は、本発明の一態様を示す図であり、研磨パッド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に吸着させる際に、キャリア表面とメンブレン裏面間の隙間が小さい（メンブレンハイトが低い）場合を示す模式図である。図１８は、図１７に示すキャリア表面・メンブレン裏面間の隙間が小さい状態から吸着開始した場合のウエハ変形状態を示す模式図である。図１８に示す例では、吸着開始前の隙間が小さいため、ウエハの変形代が小さく、ウエハの変形量は極めて小さく抑えられる。

前述したように、本研磨工程および水ポリッシングなどの洗浄工程は、メンブレン４によりウエハＷが研磨パッド１０１に押圧されている状態においてトップリング本体（キャリア）２とメンブレン４との間の隙間として定義されるメンブレンハイトが０．１ｍｍ〜１．２ｍｍの状態で行われている。その後、ウエハ吸着時にはメンブレンハイトを０．１〜０．４ｍｍの範囲に移動することが望ましい。トップリングでウエハを吸引して研磨パッドの研磨面から引き離す際、研磨面とウエハは僅かな隙間をもって離間しており、研磨面に供給される液体は、その隙間を流れて、ウエハを研磨面から引き離す際の障害となるため、トップリングがウエハを吸引する力がウエハに作用した段階で液体の供給量を減らすことで、ウエハと研磨面との間に空気を入り込ませて、ウエハを研磨面側に引っ張る吸着力、すなわちウエハと研磨面との間に生じる負圧を低減させることができる。ウエハの変形量を小さくするために、吸着時の真空圧力を−３０〜−８０ｋPaの範囲の弱い吸着力としても良い。また、吸着時のウエハにかかる応力および変形量を低減することにより、ウエハ上の砥粒残りなどのウエハの欠陥を低減することも可能である。

図１９は、トップリング１によるウエハＷの吸着が完了した状態を示す模式図であり、図１９（ａ）は研磨パッドが溝有りパッドの場合を示し、図１９（ｂ）は研磨パッドが溝無しパッドの場合を示す。図１９（ａ）に示すように、溝有りパッドの場合には、吸着開始前の隙間が小さいため、ウエハの変形代が小さく、ウエハを変形させずにトップリングに吸着可能である。図１９（ｂ）に示すように、溝無しパッドの場合には、一般的に、オーバーハング動作完了前にはウエハはパッドから剥がれないが、ウエハの変形代が小さいので、ウエハ変形量を極めて小さく抑えることが可能である。すなわち、ウエハを変形させずにトップリングに吸着可能である。

図２０は、実験データを示すグラフであり、吸着時メンブレンハイト（キャリア下面・メンブレン上面間の隙間）と吸着時にウエハにかかる応力の関係を示すグラフである。図２０において、横軸は、吸着開始時メンブレンハイト（ｍｍ）を示し、縦軸は、吸着時にウエハにかかる応力を示している。図２０では、研磨パッドとして溝有りパッドの場合と溝無しパッドの場合を示している。図２０から明らかなように、溝有りパッドの場合、メンブレンハイトが０．６ｍｍ以上になると吸着時のウエハ変形量が大きくなり、ウエハにかかる応力が増加する。溝無しパッドの場合、吸着時にウエハはパッドから剥がれないので、メンブレンハイトの増加と共にウエハにかかる応力は徐々に増加する。

（３）リリース時について
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、基板受渡し装置（プッシャ）へ移動させて、ウエハＷの離脱を行う。
図２１は、トップリング１とプッシャ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図である。図２１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リテーナリング３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。トップリング１がプッシャ１５０の上方へ移動した後、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がリテーナリング３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２１に示す例においては、リテーナリング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２２は、プッシャ１５０の詳細構造を示す概略図である。図２２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。

図２３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２３に示すように、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。

図２４は、ウエハの離脱を行う際にリプルエリアの加圧を行う場合を示す模式図である。図２４（ａ）はリブルエリアの加圧を行う場合を示し、図２４（ｂ）はリプルエリアの加圧を行うとともにアウターエリアを真空状態にする場合を示す。図２４（ａ）に示すように、リプルエリア（リプル室６）の加圧を行うとウエハＷがメンブレン４に密着した状態でメンブレン４が大きく膨らみ続けてしまう（そのため、ウエハにかかる応力が大きくなる）。そこで、図２４（ｂ）に示すように、リプルエリア（リプル室６）の加圧を行う場合にはウエハＷがメンブレン４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、図２４（ｂ）に示す例ではアウタエリア（アウター室７）を真空状態にしてメンブレン４の膨らみを抑えるようにしても良い。

次に、本発明において好適に使用できるトップリング１の具体的な構造についてより詳細に説明する。図２５乃至図２９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２５乃至図２９に示すトップリング１は、図２に示すトップリング１を更に詳細に示したものである。図２５から図２９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２６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。なお、上部材３００をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。

図２５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（メンブレン）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２６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２５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を爪部３１８ｂ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。弾性膜４のエッジ３１４ｃは爪部３１８ｃでエッジホルダ３１６に押さえつけられている。

図２７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２５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２８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２９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，リテーナリング加圧室９は、図２に示す実施形態と同様に、レギュレータＲ１〜Ｒ５（図示せず）およびバルブＶ１−１〜Ｖ１−３，Ｖ２−１〜Ｖ２−３，Ｖ３−１〜Ｖ３−３，Ｖ４−１〜Ｖ４−３，Ｖ５−１〜Ｖ５−３（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３０は、図２７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３０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３０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リング加圧室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リング加圧室９に供給されるようになっている。したがって、リテーナリング加圧室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との距離を変化させること無く、摺動摩擦が極めて少ないローリングダイヤフラムにより室４５１の空間を広げ、リテーナリング押圧力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３０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２５乃至図３０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。

従来用いられていたチャッキングプレートフローティング型のトップリングではリテーナリング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、研磨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、半導体ウエハの研磨プロファイルを安定化させることができる。

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 弾性膜（メンブレン）
４ａ 隔壁
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
１１，１２，１３，１４，２１，２３，２４ 流路
１６ トップリングヘッド
１８ トップリングシャフト
２４ 上下動機構
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 圧力調整部
３１，１３１ 真空源
３２ ボールねじ
３２ａ ねじ軸
３２ｂ ナット
３５ 気水分離槽
３８ サーボモータ
４０ ドレッシングユニット
４７ 制御部
５０ ドレッサ
５０ａ ドレッシング部材
５１ ドレッサシャフト
５３ エアシリンダ
５５ 揺動アーム
５６ 支柱
５７ 支柱台
５８ 支軸
６０ 変位センサ
６１ ターゲットプレート
７０ 測距センサ
１００ 研磨テーブル
１００ａ テーブル軸
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 研磨面
１０２ ステップＳ
１１４ トップリングヘッドシャフト
１３０ 支柱
１５０ プッシャ
１５１ トップリングガイド
１５２ リリースノズル
３００ 上部材
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３１０ ボルト
３１４ 弾性膜
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
３２４，３２６，３２８，３３４，３３６，３３８ 流路
３２７ コネクタ
３４２，３４４ 流路
３４７ 環状溝
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
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
４１１ ボルト
４１２，４１４ 流路
４２０ 接続シート
４２１ バンド
４２２ シール部材
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (4)

1. 研磨面を有した研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを上下動させる上下動機構とを備えた研磨装置による研磨方法であって、
   前記トップリングは、圧力流体が供給される圧力室を形成する弾性膜であるメンブレンと該メンブレンを保持するトップリング本体とを有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により前記基板を前記研磨面に押圧するように構成され、
   前記基板が前記研磨面に対して接触している状態で、前記トップリングを所定の高さに移動させ、
   前記トップリングを移動させた後、または前記トップリングの移動と同時に、前記基板を前記研磨面から前記トップリングへ吸着させ、
   前記所定の高さは、前記メンブレンにより前記基板が前記研磨面に押圧されている状態において前記トップリング本体と前記メンブレンとの間の隙間として定義されるメンブレンハイトが０．１ｍｍ〜１．７ｍｍの範囲にある高さであることを特徴とする研磨方法。
2. 前記メンブレンハイトは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
3. 前記上下動機構は、前記トップリングを上下動させるボールねじと、前記ボールねじを駆動するモータとを含む機構からなることを特徴とする請求項１または２記載の研磨方法。
4. 前記上下動機構は、前記研磨面の高さを測定するセンサを含む機構からなることを特徴とする請求項３記載の研磨方法。

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