JP5875950B2 - 基板保持装置および研磨装置 - Google Patents

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Description

本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨パッド（研磨面）に押圧する基板保持装置に係り、特に、半導体ウエハ等の基板を研磨して平坦化する研磨装置において基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板装置を備えた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（ＳｉＯ２）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、半導体ウエハなどの基板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基板の研磨を行う場合には、基板保持装置により基板を保持しつつ、この基板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基板が研磨面に摺接し、基板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、研磨中の基板と研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が基板の全面に亘って均一でない場合には、基板の各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の基板の保持面をゴム等の弾性膜からなるメンブレンで形成し、メンブレンの裏面側に加圧流体が供給される複数の圧力室を形成し、圧力室に空気圧等の流体圧を加え、基板に印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。
前記基板保持装置へ研磨前の基板を渡し、基板保持装置から研磨後の基板を受け取ることをロボット等の搬送装置によって直接行なうと、両者の搬送精度のバラツキにより搬送ミスを犯す危険性がある。そのため、基板保持装置への基板の受け渡し位置または基板保持装置からの基板の受け渡し位置にプッシャと呼ばれる基板受け渡し部が設置されている。この基板受け渡し部は、ロボット等の搬送装置によって搬送されてきた基板を一旦その上に載置し、次に基板受け渡し部の上方に移動してきたトップリング等の基板保持装置に対して基板を持ち上げて基板保持装置に基板を渡す機能、及びこれと逆に基板保持装置から受け取った基板をロボット等の搬送装置に渡す機能を有する装置である。
上記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からプッシャ（基板受け渡し部）に半導体ウエハ等の基板を受け渡す際には、トップリングに設けた流体路に加圧流体（気体、液体、または気体と液体の混合流体）を導入し、基板をトップリングから押し出して、トップリングからリリースさせるようにしている。その際、トップリングとプッシャとの間には、ある一定の隙間が設けられており、基板がトップリングからリリースされる際、基板がその隙間分だけ落下し、落下した基板をプッシャが受け止める構造になっている。
上記基板のリリース時に基板にかかる応力を低くするために、特開２００５−１２３４８５号公報（特許文献１）等で開示されるリリースノズルが従来使用されている。リリースノズルは基板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基板のリリースを補助する機構であるが、基板をリテーナリングの底面より下方に突き出し、基板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、基板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（特許文献１の段落〔００８４〕）。他に米国特許第７，０４４，８３２号公報（特許文献２）にもリリースノズルに関する開示がある。特許文献２に記載があるように基板リリース時にはブラダーを膨らませ(加圧し)、基板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、基板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基板には局所的な応力が加わり、基板上に形成された微細な配線が破断したり、最悪の場合には基板が破損してしまうという問題があった。
これに対して、基板のリリース時にメンブレンが大きく膨らむことを防止する方法として、特開２０１０−４６７５６号公報（特許文献３）には、前記メンブレンから基板を離脱させる際に、複数の圧力室のうち少なくとも１つの圧力室を加圧状態とし、少なくとも１つの圧力室を真空状態とすることが示されている。しかしながら、圧力室が真空状態になるまでに時間がかかり応答性が悪く、基板のリリース（離脱）に時間がかかるという問題がある。また、圧力室を真空状態にすると、基板の一部が引っ張られて基板の変形量が大きくなるという問題もある。
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
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、弾性膜（メンブレン）を加圧してトップリングから基板を離脱する際に弾性膜が一定以上膨らむことを防止し、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することにより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リリース（離脱）を安全に行うことができる基板保持装置および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、本発明の基板保持装置の一態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記基板が前記研磨面に接触している状態のときには、前記ストッパと前記弾性膜の隔壁の一部との間または前記ストッパと前記延長部材との間には所定の間隔が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、基板保持装置から基板をリリース（離脱）する際に、基板を研磨面から離間させた後に少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給すると、弾性膜に下方への圧力がかかり弾性膜は膨らむが、このとき弾性膜の隔壁の一部または弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材がストッパに当接する。そのため、弾性膜の膨らみ量が制限され、基板リリース時に基板の変形を抑制することができるとともに基板にかかる応力を低減することができる。
本発明の好ましい態様は、前記ストッパは、前記隔壁の一部の下方または前記延長部材の下方に設置されていることを特徴とする。
本発明によれば、基板が研磨面に接触している状態のときには、ストッパと弾性膜の隔壁の一部との間またはストッパと延長部材との間には所定の間隔が形成されているため、パッドやリテーナリング等の消耗品の厚さが変化した場合や研磨パラメータを変更した場合に、弾性膜の隔壁の取り付け位置からパッドまでの距離が変化しても、研磨中に弾性膜の基板保持面を基板に追従させることができる。
本発明の好ましい態様は、前記間隔は、０．５〜３．０ｍｍであることを特徴とする。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記隔壁の一部は、隔壁の水平部分であり、前記ストッパは、前記トップリング本体の下端部において水平方向に延びる水平部分により形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、弾性膜の隔壁は、基板当接面の裏面から斜め上方に延びる傾斜部分と、傾斜部分から水平方向に延びる水平部分と、水平部分から上方に延びてトップリング本体（キャリア）に固定される固定部分とから構成されており、基板をリリースする際、１つの圧力室を加圧すると、弾性膜に下方への圧力がかかり、隔壁の水平部分と垂直方向の固定部分との挟角が開いて水平部分が下方に傾斜して隔壁が垂直方向に移動する。このとき、隔壁の水平部分の傾きはストッパにより規制されて隔壁の垂直可動範囲は制限され、弾性膜の膨らみ量が制限される。したがって、基板リリース時に基板の変形を抑制できるとともに基板にかかる応力を低減できる。
本発明の好ましい態様は、前記ストッパの水平部分は、前記隔壁の水平部分とほぼ等しい長さを有することを特徴とする。
本発明によれば、隔壁の水平部分の全長とほぼ等しい長さを有するストッパを隔壁の水平部分の下方に配置しているため、隔壁の垂直方向可動範囲を効果的に制限し、基板離脱時のように弾性膜の基板加圧面側がフリーな状態で弾性膜が加圧された場合の弾性膜の膨らみ量を制限する。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記ストッパの先端角部が面取りされていることを特徴とする。
本発明によれば、ストッパの先端角部が面取りされているため、ストッパの先端角部による弾性膜のダメージ（損傷）を防止することができる。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記延長部材は上端に水平部分を有し、前記水平部分が前記ストッパと当接することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記延長部材は、円環状リブまたは複数の支柱からなることを特徴とする。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記延長部材は、前記トップリング本体を貫通して上方に延び、前記ストッパは前記トップリング本体の上面に形成されていることを特徴とする。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記ストッパは、上下動機構により上下動可能に構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、基板研磨時には、ストッパを下げておき、ストッパと弾性膜の隔壁又は延長部材との間のクリアランス（０．５〜３．０ｍｍ）を保っている。基板のリリース（離脱）時には、上下動機構を作動させてストッパを上昇させ、隔壁又は延長部材の垂直方向可動範囲を更に限定する。本発明によれば、基板リリース時に弾性膜の隔壁の垂直可動範囲は、ストッパが固定である場合に比べて更に制限され、膨らみ量が更に制限される。したがって、基板リリース時に基板の変形を抑制することができるとともに基板にかかる応力を飛躍的に低減できる。
本発明の好ましい態様は、前記ストッパと前記隔壁又は前記延長部材との少なくとも一方に表面処理を施したことを特徴とする。
本発明によれば、ストッパと隔壁又は延長部材との少なくとも一方の表面にフッ素コーティング等の表面処理を施している。ストッパと隔壁または延長部材とが貼り付いた場合、基板研磨時に隔壁にテンションが掛かるなどの隔壁の垂直方向動作が妨げられて、その部分の基板押圧力が不均一になるため、ストッパと隔壁又は延長部材の少なくとも一方に表面処理を施すことにより、ストッパと隔壁又は延長部材との貼り付きを防止している。
本発明の基板保持装置の他の態様は、弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、前記弾性膜の基板当接面の裏面に突部を形成したことを特徴とする。
本発明によれば、弾性膜の底面は放射状の突部により剛性が高まり、基板リリース時の圧力室の膨らみ量を抑えることができる。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも１つの圧力室を形成する弾性膜の部分には、圧力流体を基板に向けて噴出する開口が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、圧力室に供給された圧力流体は、弾性膜に形成された開口から噴出して基板を下方に押し下げる。そのため、基板を弾性膜から確実に離脱させることができる。
本発明の好ましい態様は、前記基板を前記弾性膜から離脱させる際に、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で前記少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給することを特徴とする。
本発明の研磨装置は、研磨面を有した研磨テーブルと、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の基板保持装置と、前記基板を前記基板保持装置との間で受け渡しするプッシャとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、弾性膜（メンブレン）を加圧してトップリングから基板を離脱する際に弾性膜が一定以上膨らむことを防止し、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することにより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リリース（離脱）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の模式的な断面図である。 図３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４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４（ａ）はリブルエリアの加圧を行う場合を示し、図４（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５は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図６は、図５に示すストッパを備えたトップリングの圧力室に加圧流体を供給して基板をリリースする際の状態を示す模式的断面図である。 図７は本発明の第２の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図９は本発明の第４の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図１０は、本発明の第５の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図１１は、本発明の第６の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図１２は、本発明の第７の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図１３（ａ），（ｂ）は、本発明の第８の実施形態を示す図であり、メンブレンの隔壁とトップリング本体（キャリア）の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。 図１４は、本発明の第９の実施形態を示す図であり、メンブレンの基板当接面の裏面を示す平面図である。 図１５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１６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１７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１８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１９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２０は、リテーナリング部の拡大図である。
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２０を参照して詳細に説明する。なお、図１から図２０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が半導体ウエハなどの基板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の全体を上下動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。
上記研磨パッド１０１としては種々のものがあり、例えば、ダウケミカル社製の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などの基板Ｗ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、下面に基板Ｗを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により基板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を下降させて基板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、基板Ｗを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて基板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、基板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、基板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からなる複数の圧力室が形成されている。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（図示せず）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からなる複数の圧力室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。センター室５の領域のメンブレン４は基板Ｗの中央部を研磨パッド１０１に押圧し、リプル室６の領域のメンブレン４は基板Ｗの中間部を研磨パッド１０１に押圧し、アウター室７の領域のメンブレン４は基板Ｗの外周部を研磨パッド１０１に押圧するようになっている。このような構造により、基板Ｗを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を基板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は基板受け渡し部から基板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には基板Ｗを真空吸着するための複数の孔（図示せず）が設けられており、これらの孔は真空源に連通されている。基板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で基板Ｗを吸着保持しているので、基板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、各圧力室に圧力流体を供給して基板の裏面側にある弾性膜（メンブレン）４を膨らませ、基板の下面（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、基板の研磨を開始する。そして、各圧力室５，６，７，８，９に供給する流体の圧力を調整することにより、基板Ｗを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を基板の領域毎に調整し、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し、基板の表面が所定の状態（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、基板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、基板受け渡し部（プッシャ）へ移動させて、基板Ｗの離脱を行う。
図３は、トップリング１とプッシャ１５０とを示す概略図であり、基板をトップリング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との間で基板を受け渡しする際に基板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。
基板Ｗをトップリング１からプッシャ１５０に受け渡しする際には、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、基板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による基板Ｗの真空吸着を止め、基板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。
プッシャ１５０は、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、基板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、メンブレンから基板を離脱させる基板リリースを行うことができる。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。リリースシャワーの噴射だけでは、メンブレンと基板裏面との密着力が強く、基板がメンブレンから剥がれ難い場合があるので、１つの圧力室、例えば、リプル室６を０．１ＭＰａ以下の低い圧力で加圧し、基板の離脱を行う。
図４（ａ）は、基板の離脱を行う際に圧力室の加圧を行う場合を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、圧力室、例えばリプル室６の加圧を行うと、基板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、基板にかかる応力が大きくなり、基板上に形成された微細な配線が破断したり、最悪の場合には基板が破損してしまう場合もある。
そこで、特許文献３においては、図４（ｂ）に示すように、圧力室（リプル室６）の加圧を行う場合には基板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、リプル室以外のエリア、図４（ｂ）に示す例ではアウター室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いる。しかしながら、図４（ｂ）に示す方法では、圧力室が真空状態になるまでに時間がかかり応答性が悪く、基板のリリース（離脱）に時間がかかるという問題がある。また、圧力室を真空状態にすると、基板の一部が引っ張られて基板の変形量が大きくなるという問題もある。
本発明は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すような基板のリリース（離脱）を行う際の問題点を解決するために、以下の構成を採用するものである。
（１）基板Ｗをトップリング１から離脱（リリース）する際に複数の圧力室のうち少なくとも１つの圧力室を加圧状態にする。
（２）加圧状態にされる圧力室を仕切るメンブレン４の隔壁４ａの水平部分又は傾斜した部分の下方に、隔壁４ａの可動範囲を制限するストッパを設け、加圧時のメンブレンの膨らみを抑制する。
次に、メンブレン４の隔壁の可動範囲を制限するためにトップリング本体（キャリア）２の一部に設けられたストッパの具体的構成について図５乃至図１４を参照して説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、メンブレン４の隔壁４ａとトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図５に示すように、メンブレン４は、隣接する２つの圧力室を仕切る隔壁４ａを備えている。図５に示す例においては、１つの圧力室、例えばリプル室６を形成する左右の隔壁４ａ，４ａが示されており、隔壁４ａ，４ａは左右対称に形成されている。すなわち、隔壁４ａ，４ａは加圧流体の流路１２を中心として線対称になっている。メンブレン４には流路１２に面して開口４Ｈが形成されている。各隔壁４ａは縦方向（垂直方向）の伸びやすさに配慮した折曲部を有している。すなわち、メンブレン４の隔壁４ａは、基板当接面の裏面から斜め上方に延びる傾斜部４ａｓと、傾斜部４ａｓから水平方向に延びる水平部４ａｈと、水平部４ａｈから上方に延びてトップリング本体（キャリア）２に固定される固定部４ａｆとから構成されている。
一方、トップリング本体（キャリア）２は、下端にメンブレン４の隔壁４ａ，４ａを収容する２つのキャビティ（空洞）２Ｃ，２Ｃを有するとともにこれらキャビティ２Ｃ，２Ｃの側壁から水平方向に延びて隔壁４ａの水平部４ａｈの全長Ｌ１とほぼ等しい長さＬ２を有する２つのストッパ２Ｓ，２Ｓを有している。ストッパ２Ｓ，２Ｓは、加圧流体の流路１２を中心として線対称になっている。各ストッパ２Ｓは隔壁４ａの水平部４ａｈの下方に位置している。
本発明では、メンブレン４の隔壁４ａとストッパ２Ｓとを以下のように構成している。
１）隔壁４ａの水平部４ａｈの全長Ｌ１とほぼ等しい長さのＬ２を有するストッパ２Ｓを隔壁４ａの水平部４ａｈの下方に配置している。これにより、隔壁４ａの垂直方向可動範囲を効果的に制限し、基板離脱時のようにメンブレン４に保持されている基板が研磨面に接触していない状態であってメンブレン４の基板加圧面側がフリーな状態でメンブレン４が加圧された場合のメンブレン４の膨らみ量を制限する。
２）隔壁４ａの水平部４ａｈとストッパ２Ｓとの間に、０．５〜３．０ｍｍのクリアランス（間隔）を設けている。このクリアランスにより、パッドやリテーナリング等の消耗品の厚さが変化した場合や研磨パラメータを変更した場合にメンブレン隔壁の取り付け位置からパッドまでの距離が変化しても、研磨中に隔壁４ａが基板Ｗに追従するようにしている。
３）ストッパ２Ｓの先端角部ｔｅに半径１．０ｍｍ（Ｒ１．０）以上の面取りをしている。これにより、ストッパ２Ｓの先端角部ｔｅによるメンブレン４のダメージ（損傷）を防止する。
４）ストッパ２Ｓおよび隔壁４ａの少なくとも一方の表面にフッ素コーティング等の表面処理を施している。ストッパ２Ｓとメンブレン隔壁４ａとが貼り付いた場合、基板研磨時に隔壁４ａにテンションが掛かるなどの隔壁４ａの垂直方向動作が妨げられて、その部分の基板押圧力が不均一になるため、ストッパ２Ｓおよび隔壁４ａの少なくとも一方に表面処理を施すことにより、ストッパ２Ｓと隔壁４ａとの貼り付きを防止している。
図６は、図５に示すストッパ２Ｓを備えたトップリング１の圧力室に圧力流体を供給して基板Ｗをリリースする際の状態を示す模式的断面図である。図６に示すように、１つの圧力室、例えばリプル室６を加圧すると、メンブレン４に下方への圧力がかかり、隔壁４ａの水平部４ａｈと垂直方向の固定部４ａｆとの挟角が開いて水平部４ａｈが下方に傾斜して隔壁４ａが垂直方向に移動する。このとき、水平部４ａｈの傾きはストッパ２Ｓにより規制されて隔壁４ａの垂直可動範囲は制限され、メンブレン４の膨らみ量が制限される。したがって、基板リリース時に基板Ｗにかかる応力を飛躍的に低減できる。また、基板リリース時に、他の圧力室を真空状態にする必要がないため、基板のリリースを短時間で行うことができる。なお圧力室（リプル室６）に供給された圧力流体は、メンブレン４の開口４Ｈから噴出して基板Ｗを下方に押し、基板Ｗがメンブレン４から離脱する。
図７は本発明の第２の実施形態を示す図であり、メンブレン４の隔壁４ａとトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図７に示す例においては、メンブレン４の左右の隔壁４ａ，４ａは同一方向に傾斜した傾斜部４ａｓ、４ａｓと同一方向に延びる水平部４ａｈ，４ａｈとを備えている。したがって、トップリング本体（キャリア）２においては、２つのキャビティ２Ｃ，２Ｃおよび２つのストッパ２Ｓ，２Ｓは同一方向に延びている。本実施形態におけるメンブレン４の隔壁４ａとストッパ２Ｓとが上記１）〜４）の構成を有していることは、図５に示す実施形態と同様である。
図８は、本発明の第３の実施形態を示す図であり、メンブレン４に形成された円環状リブとトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図８に示す例においては、メンブレン４の基板当接面の裏面から上方に延びる円環状リブ４ｒを備えている。メンブレン４の隔壁４ａが傾斜部４ａｓ、水平部４ａｈ及び固定部４ａｆとから構成されていることは、図５に示す実施形態と同様である。
一方、トップリング本体２は、下端部にメンブレン４の隔壁４ａ，４ａおよび円環状リブ４ｒ，４ｒを収容する２つのキャビティ２Ｃ，２Ｃを有している。また、トップリング本体２はキャビティ２Ｃ，２Ｃの側壁から延びる２つのストッパ２Ｓ，２Ｓを有している。図８に示す実施形態においては、基板のリリース時に、１つの圧力室、例えば、リプル室６を加圧するとメンブレン４に下方の圧力がかかり、水平部４ａｈが下方に傾斜して隔壁４ａが垂直方向に移動する。このとき、円環状リブ４ｒは下方に移動するが、所定距離だけ移動するとストッパ２Ｓに当接して隔壁４ａの垂直可動範囲は制限され、メンブレン４の膨らみ量が制限される。円環状リブ４ｒは、メンブレン４の基板当接面の裏面から延びる延長部材を構成している。円環状リブ４ｒとストッパ２Ｓとの間のクリアランスは、０．５〜３．０ｍｍに設定されており、基板研磨中のメンブレン隔壁の垂直方向動作を妨げないようにしている。ストッパ２Ｓおよび円環状リブ４ｒの少なくとも一方の表面にフッ素コーティング等の表面処理を施すことにより、ストッパ２Ｓと円環状リブ４ｒの貼り付きを防止している。
図９は、本発明の第４の実施形態を示す図であり、メンブレン４に形成された支柱とトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図９に示す例においては、メンブレン４の基板当接面の裏面から上方に延びる３つ以上の支柱４ｐを備えている。これら３つ以上の支柱４ｐは、円周方向に間隔をおいて配置されている。また、支柱４ｐは圧力室の略中央部、すなわち２つの隔壁４ａ，４ａの略中間位置で上方に延びている。支柱４ｐの上端は水平方向に折曲されており、折曲部４ｐｓがトップリング本体（キャリア）２の下端に形成されたストッパ２Ｓに当接可能になっている。支柱４ｐは、メンブレン４の基板当接面の裏面から延びる延長部材を構成している。折曲部４ｐｓとストッパ２Ｓとの間のクリアランスは、図８に示す実施形態と同様に０．５〜３．０ｍｍに設定されている。表面処理等のその他の構成は、図８に示す実施形態と同様である。図９に示す実施形態によれば、圧力室の略中央部でメンブレン４の下方への膨らみが制限される。
図１０は、本発明の第５の実施形態を示す図であり、メンブレン４に形成された円環状リブ及び支柱とトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図１０に示す例においては、図８に示す円環状リブ４ｒと図９に示す支柱４ｐの両方を備えている。すなわち、メンブレン４の基板当接面の裏面から上方に延びる円環状リブ４ｒを備えるともにメンブレン４の基板当接面の裏面から上方に延びる３つ以上の支柱４ｐを備えている。トップリング本体（キャリア）２には円環状リブ４ｒに当接可能なストッパ２Ｓ−１と支柱４ｐの折曲部４ｐｓに当接可能なストッパ２Ｓ−２とが形成されている。図１０においては、円環状リブ４ｒに当接可能なストッパと支柱４ｐの折曲部４ｐｓに当接可能なストッパとを添え字１，２を付して峻別している。円環状リブ４ｒとストッパ２Ｓ−１との間のクリアランスおよび支柱４ｐの折曲部４ｐｓとストッパ２Ｓ−２との間のクリアランスは、ともに０．５〜３．０ｍｍに設定されている。図１０に示す実施形態によれば、圧力室の隔壁４ａに近い位置で円環状リブ４ｒとストッパ２Ｓ−１により隔壁４ａの垂直方向可動範囲が制限され、圧力室の略中央部で支柱４ｐとストッパ２Ｓ−２によりメンブレン４の下方への膨らみが制限される。したがって、基板リリース時に、メンブレン４の膨らみを多くの位置で制限することができる。
図１１は、本発明の第６の実施形態を示す図であり、メンブレン４の隔壁４ａおよびメンブレン４に形成された支柱とトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図１１に示す例においては、図５に示す隔壁４ａの水平部４ａｈに当接可能なストッパ２Ｓ−１と、図９に示す支柱４ｐの折曲部４ｐｓに当接可能なストッパ２Ｓ−２の両方を備えている。図１１においては、隔壁４ａの水平部４ａｈに当接可能なストッパと支柱４ｐの折曲部４ｐｓに当接可能なストッパとを添え字１，２を付して峻別している。すなわち、隔壁４ａの水平部４ａｈの傾きはストッパ２Ｓ−１により規制されて隔壁４ａの垂直可動範囲は制限され、メンブレン４の膨らみ量が制限される。また、支柱４ｐとストッパ２Ｓ−２により圧力室の略中央部でメンブレン４の下方への膨らみが制限される。
図１２は、本発明の第７の実施形態を示す図であり、メンブレン４の隔壁４ａおよびメンブレン４に形成された支柱とトップリング本体（キャリア）２の一部に形成されたストッパとの関係を示す模式的断面図である。図１２に示す例においては、図７に示す隔壁４ａの水平部４ａｈに当接可能なストッパ２Ｓ−１に加えて、メンブレン４の基板当接面の裏面からキャリアを貫通して上方に延びる複数の支柱４ｐを設けるとともに、支柱４ｐの上端の折曲部４ｐｓに当接可能なストッパ２Ｓ−２を設けている。図１２においては、隔壁４ａの水平部４ａｈに当接可能なストッパと支柱４ｐの折曲部４ｐｓに当接可能なストッパとを添え字１，２を付して峻別している。本実施形態では、ストッパ２Ｓ−２はトップリング本体（キャリア）２の上端部により構成されている。複数の支柱４ｐは、隔壁４ａの基部（隔壁４ａの付け根部分）の位置および圧力室の略中央部（２つの隔壁４ａ，４ａの略中間位置）から延びている。トップリング本体２には、支柱４ｐの上部および折曲部４ｐｓを囲むように容器状のカバー部２ＣＶを設けており、圧力室の気密を保つようにしている。本実施形態によれば、隔壁４ａの水平部４ａｈの傾きはストッパ２Ｓ−１により規制されて隔壁４ａの垂直可動範囲は制限され、メンブレン４の膨らみ量が制限される。また、支柱４ｐとストッパ２Ｓ−２により、隔壁４ａの基部の位置および圧力室の略中央部でメンブレン４の下方への膨らみが制限される。したがって、基板リリース時に、メンブレン４の膨らみ量を多くの位置で制限することができる。
図１３（ａ），（ｂ）は、本発明の第８の実施形態を示す図であり、メンブレン４の隔壁４ａとトップリング本体（キャリア）２に設けられた可動ストッパとの関係を示す模式的断面図である。図１３（ａ），（ｂ）に示す例においては、隔壁４ａの水平部４ａｈに当接可能なストッパ２Ｓをアクチュエータなどの上下動機構（図示せず）により上下動可能としている。すなわち、図１３（ａ）に示すように、ストッパ２Ｓは、トップリング本体２に嵌合されて案内されるガイド部２ｇを備えている。基板研磨時には、図１３（ａ）に示すように、ストッパ２Ｓを下げておき、隔壁４ａの水平部４ａｈとの間のクリアランス（０．５〜３．０ｍｍ）を保っている。基板のリリース（離脱）時には、図１３（ｂ）に示すように、上下動機構を作動させてストッパ２Ｓを上昇させ、隔壁４ａの水平部４ａｈの垂直方向可動範囲を更に限定する。本実施形態によれば、基板リリース時にメンブレン４の隔壁４ａの垂直可動範囲は、図５に比べて更に制限され、膨らみ量が更に制限される。したがって、基板リリース時に基板Ｗにかかる応力を飛躍的に低減できる。
図１４は、本発明の第９の実施形態を示す図であり、メンブレンの基板当接面の裏面を示す平面図である。図１４に示すように、メンブレン４の基板当接面の裏面には、メンブレン４の中心Ｏからｒ１だけ離間した位置よりｒ２の位置まで放射状に延びる多数の突部４ｔが形成されている。この突部４ｔが形成されている位置は、圧力室の１つ、例えばリプル室６に対応している。メンブレン４の底面は放射状の突部４ｔにより剛性が高まり、基板のリリース時の圧力室の膨らみ量を抑えることができる。
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１５乃至図１９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１５乃至図１９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１５から図１９に示すように、トップリング１は、半導体基板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１６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１５に示すように、下部材３０６の下面には、半導体基板の裏面に当接するメンブレン（弾性膜）４が取り付けられている。このメンブレン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。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。
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１６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１５に示すように、メンブレン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、メンブレン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、メンブレン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。メンブレン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１７に示すように、メンブレン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。トップリング本体２の下部材３０６にはリプル室６に連通する流路１２が形成されている。また、図１５に示すように、中間部材３０４には、下部材３０６の流路１２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路１２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１２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。メンブレン４には、流路１２に面して開口４Ｈが形成されている。また、この流路１２は、真空源にも切替可能に接続されており、真空源によりメンブレン４の下面に基板を吸着できるようになっている。
図１７に示すように、リプル３１４ａ，３１４ｂとメンブレン４の基板当接面の裏面とを接続する左右の隔壁４ａ，４ａは、基板当接面の裏面から斜め上方に延びる傾斜部４ａｓ，４ａｓと傾斜部４ａｓ，４ａｓから水平方向に延びる水平部４ａｈ，４ａｈとを備えている。一方、トップリング本体２の下部材３０６は、下端に左右の隔壁４ａ，４ａを収容するキャビティ（空洞）２Ｃ，２Ｃを有している。そして、これらキャビティ２Ｃ，２Ｃの箇所には、４ａ，４ａの水平部４ａｈ，４ａｈの全長とほぼ等しい長さを有するストッパ２Ｓ，２Ｓが設置されている。なお、一方のストッパ（右側のストッパ）２Ｓはトップリング本体の下部材３０６に形成され、他方のストッパ（左側のストッパ）２Ｓはリプルホルダ３１９に形成されている。各ストッパ２Ｓは隔壁４ａの水平部４ａｈの下方に位置している。これにより、隔壁４ａの垂直方向可動範囲を効果的に制限し、基板離脱時のようにメンブレン４の基板加圧面側がフリーな状態でメンブレン４が加圧された場合のメンブレン４の膨らみ量を制限する。隔壁４ａの水平部４ａｈとストッパ２Ｓとの間に、０．５〜３．０ｍｍのクリアランス（間隔）を設けている。このクリアランスにより、パッドやリテーナリング等の消耗品の厚さが変化した場合や研磨パラメータの変更により、メンブレン隔壁の取り付け位置からパッドまでの距離が変化しても、研磨中に隔壁４ａが基板Ｗに追従するようにしている。
図１８に示すように、リプルホルダ３１８には、メンブレン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。なお、図１８ではストッパ２Ｓの図示を省略している。
図１９に示すように、エッジホルダ３１６は、メンブレン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、メンブレン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。なお、図１９ではストッパ２Ｓの図示を省略している。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、メンブレン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、半導体基板を研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体基板の部分ごとに調整できるようになっている。
図２０は、リテーナリング部の拡大図である。リテーナリング３は半導体基板の外周縁を保持するものであり、図２０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２０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２０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。なお、図２０ではストッパ２Ｓの図示を省略している。
図１５乃至図２０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。
メンブレン４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、メンブレン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はメンブレン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、メンブレン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はメンブレン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。
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
２Ｃ キャビティ（空洞）
２Ｓ，２Ｓ−１，２Ｓ−２，３２０，３２２ ストッパ
３ リテーナリング
４ メンブレン（弾性膜）
４ａ 隔壁
４ａｆ 固定部
４ａｈ 水平部
４ａｓ 傾斜部
４Ｈ，４１０ｈ 開口
４ｐ，１３０ 支柱
４ｐｓ 折曲部
４ｒ 円環状リブ
４ｔ 突部
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
１１，１２，１３，１４，１５，２１，２２，２３，２４，２６，３２４，３２５，３２６，３２８，３２９，３３４，３３６，３３８，３４４，４１２，４１４ 流路
２５ ロータリージョイント
３０ 圧力調整部
３１，１３１ 真空源
３５ 気水分離槽
１００ 研磨テーブル
１００ａ テーブル軸
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 研磨面
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
１１３，１１６ 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
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
１３２ ボールねじ
１３２ａ ねじ軸
１３２ｂ ナット
１３８ サーボモータ
１５０ プッシャ
１５１ トップリグガイド
１５２ プッシャステージ
１５３ リリースノズル
３００ 上部材
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３０９，４０９ ボルト
３１４ａ，３１４ｂ リプル
３１４ｃ，３１４ｄ エッジ
３１４ｆ 隙間
３１６ エッジホルダ
３１８，３１９ リプルホルダ
３１９ａ 爪部
３２７ コネクタ
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
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
４１１ ボルト
４２０ 接続シート
４２１ バンド
４２２ シール部材
４５１ 室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５ 流量センサ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５ 圧力センサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 圧力レギュレータ
ｔｅ 先端角部
Ｖ１−１，Ｖ１−２，Ｖ１−３，Ｖ２−１，Ｖ２−２，Ｖ２−３，Ｖ３−１，Ｖ３−２，Ｖ３−３，Ｖ４−１，Ｖ４−２，Ｖ４−３，Ｖ５−１，Ｖ５−２，Ｖ５−３ バルブ
Ｗ 基板

Claims (15)

  1. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記基板が前記研磨面に接触している状態のときには、前記ストッパと前記弾性膜の隔壁の一部との間または前記ストッパと前記延長部材との間には所定の間隔が形成されていることを特徴とする基板保持装置。
  2. 前記ストッパは、前記隔壁の一部の下方または前記延長部材の下方に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
  3. 前記間隔は、０．５〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板保持装置。
  4. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記隔壁の一部は、隔壁の水平部分であり、
    前記ストッパは、前記トップリング本体の下端部において水平方向に延びる水平部分により形成されていることを特徴とする基板保持装置。
  5. 前記ストッパの水平部分は、前記隔壁の水平部分とほぼ等しい長さを有することを特徴とする請求項４に記載の基板保持装置。
  6. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記ストッパの先端角部が面取りされていることを特徴とする基板保持装置。
  7. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記延長部材は上端に水平部分を有し、前記水平部分が前記ストッパと当接することを特徴とする基板保持装置。
  8. 前記延長部材は、円環状リブまたは複数の支柱からなることを特徴とする請求項７に記載の基板保持装置。
  9. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記延長部材は、前記トップリング本体を貫通して上方に延び、前記ストッパは前記トップリング本体の上面に形成されていることを特徴とする基板保持装置。
  10. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記ストッパは、上下動機構により上下動可能に構成されていることを特徴とする基板保持装置。
  11. 前記ストッパと前記隔壁又は前記延長部材との少なくとも一方に表面処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
  12. 弾性膜と該弾性膜を保持するトップリング本体とを有し、前記弾性膜と前記トップリング本体の下面との間に前記弾性膜の隔壁によって仕切られた複数の圧力室を形成し、前記弾性膜の下面に基板を当接させて保持するとともに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研磨面に押圧する基板保持装置において、
    前記基板が前記研磨面に接触していない状態で少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給したときに、前記弾性膜の隔壁の一部または前記弾性膜の基板当接面の裏面から延びる延長部材に当接して前記弾性膜の膨らみを制限するストッパを設け、
    前記弾性膜の基板当接面の裏面に突部を形成したことを特徴とする基板保持装置。
  13. 前記少なくとも１つの圧力室を形成する弾性膜の部分には、圧力流体を基板に向けて噴出する開口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の基板保持装置。
  14. 前記基板を前記弾性膜から離脱させる際に、前記基板が前記研磨面に接触していない状態で前記少なくとも１つの圧力室に圧力流体を供給することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の基板保持装置。
  15. 研磨面を有した研磨テーブルと、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の基板保持装置と、前記基板を前記基板保持装置との間で受け渡しするプッシャとを備えたことを特徴とする研磨装置。
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