JP6092439B2 - 基板保持装置、研磨装置、および研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置に使用される基板保持装置に関し、特に基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置に関する。また、本発明は、そのような基板保持装置を用いた研磨装置および研磨方法に関する。

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。

したがって、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がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学機械研磨は、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ウェハ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、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェ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ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置によりウェハを保持しつつ、このウェ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ウェハが研磨面に摺接し、ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

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

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

研磨中、ウェハと研磨パッドとの間には摩擦力が発生する。この摩擦力はリテーナリングに横方向（水平方向）の力として作用する。特許文献１に開示される基板保持装置では、この横方向の力をリテーナリングの外周側に配置したリテーナリングガイドで支持するように構成されている。しかしながら、リテーナリングガイドがリテーナリングを支持する点は研磨面から離間しているために、ウェハから横方向の力を受けたリテーナリングがこの支持点を中心に傾くことになる。このため、リテーナリングが所望の押圧力を研磨面に均一に与えることができないという問題点がある。また、ウェハから受ける横方向の力により、リテーナリングが局所的に変形してしまうことがある。このように変形した部位は、リテーナリングが所望の押圧力を研磨面に与えることを妨げてしまう。

また、特許文献１に記載の基板保持装置では、リテーナリングの外側面とリテーナリングガイドの内側面とが摺接するために、この摺接部で摩耗粉が発生する。この摩耗粉が研磨面へ落下するとウェハの欠陥の原因となるため、摩耗粉の研磨面への落下を防ぐための弾性シートが設置されている。しかしながら、リテーナリングの支点（すなわちリテーナリングとリテーナリングガイドとの接触点）を下げてリテーナリングの傾きを抑制しようとすると、この弾性シートを設置することが出来なくなり、摩耗粉が研磨面に落下してしまう。

特許文献２に開示される基板保持装置では、特許文献１に見られるリテーナリングガイドをリテーナリングの外周側には設置せず、ウェハからリテーナリングへ加わる横方向の力はウェハ中心部の上方に設けられた球面軸受で支持するように構成されている。したがって、リテーナリングの外周側では摩耗粉は発生せず、摩耗粉が研磨面へ落下することはない。

しかしながら、この球面軸受は研磨面から離間した位置にあるために、ウェハから横方向の力を受けたリテーナリングがこの球面軸受を中心に傾き、その結果、リテーナリングが所望の押圧力を均一に研磨面に与えることができないという問題点がある。また、ウェハから受ける横方向の力によりリテーナリングが局所的に変形してしまい、リテーナリングが所望の押圧力を研磨面に与えることができないという問題点がある。

特開２００７−２６８６５４号公報 特開２００９−１９０１０１号公報

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、摩耗粉などの異物の研磨面への落下を防ぎ、リテーナリングが所望の押圧力を均一に研磨面に与えることができる基板保持装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる基板保持装置を用いた研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板を研磨面に押圧するための弾性膜を保持するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングと、前記リテーナリングを傾動可能に支持する球面軸受とを備え、前記リテーナリングの傾動の中心は、前記球面軸受の下方にあることを特徴とする基板保持装置である。

本発明の一参考例は、基板を研磨面に押圧するための弾性膜を保持するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するインナーリテーナリングと、前記インナーリテーナリングの半径方向外側に設けられ、前記研磨面に接触するアウターリテーナリングと、前記インナーリテーナリングと前記アウターリテーナリングとの隙間を塞ぐバリアシールとを備えたことを特徴とする基板保持装置である。

本発明の第２の態様は、上記基板保持装置と、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルとを備えたことを特徴とする研磨装置である。
本発明の第３の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、前記研磨パッドの研磨面上に研磨液を供給し、上記基板保持装置で基板を前記研磨面に押圧することにより前記基板を研磨することを特徴とする研磨方法である。

本発明の一参考例は、基板を研磨面に押圧するための弾性膜を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体とは独立して上下動可能であって、前記基板を囲むように配置されたインナーリテーナリングと、前記インナーリテーナリングを前記研磨面に対して押圧するインナー押圧機構と、前記インナーリテーナリングの半径方向外側に設けられ、前記インナーリテーナリングおよび前記トップリング本体とは独立して上下動可能なアウターリテーナリングと、前記アウターリテーナリングを前記研磨面に対して押圧するアウター押圧機構と、前記基板の研磨中に基板から前記インナーリテーナリングに加わる横方向の力を受けるとともに、前記インナーリテーナリングから前記アウターリテーナリングへの前記横方向の力の伝達を許容しない支持機構とを備えたことを特徴とする基板保持装置である。

上述した本発明の第１の態様によれば、リテーナリングの傾動中心は、球面軸受の下方に位置する。したがって、リテーナリングの傾動の中心を低くして、研磨面上または研磨面に近接させることができる。これにより、リテーナリングに作用する力のモーメントが０または極めて小さくなる。したがって、リテーナリングの傾動を抑制することができ、リテーナリングは所望の押圧力を研磨面に対して均一に与えることができる。さらに、上記リテーナリングをインナーリテーナリングとして、該インナーリテーナリングの外周側にアウターリテーナリングを配置することも可能である。アウターリテーナリングは、基板と研磨面との摩擦力に起因する横方向の力を受けない構成となっているので、アウターリテーナリングの研磨面に対する傾きや局所的な変形は生じない。したがって、アウターリテーナリングは研磨面へ所望の押圧力を均一に与えることができる。

上述した本発明の一参考例によれば、基板から横方向の力を受けるインナーリテーナリングの外周側にアウターリテーナリングが配置される。インナーリテーナリングとアウターリテーナリングを備えた基板保持装置では、２つのリテーナリング上方には回転駆動力および押圧力の伝達のために様々な摺接部が存在する。これら摺接部からの摩耗粉などが２つのリテーナリングの隙間から研磨面に落下することがある。逆に研磨液（スラリー）が基板保持装置内に浸入し、基板保持装置の動作を妨げることもある。本発明の一参考例によれば、インナーリテーナリングとアウターリテーナリングとの間にバリアシールが設けられる。このバリアシールにより、摩耗粉の研磨面への落下が防止されるとともに、研磨液の基板保持装置内への浸入が防止される。

上述した本発明の参考例によれば、基板から横方向の力を受けるインナーリテーナリングの外周側にアウターリテーナリングが別途配置される。インナーリテーナリングとアウターリテーナリングはそれぞれ独立に研磨面を押圧することができる。インナーリテーナリングに作用する横方向の力は支持機構によって受け止められ、基板の研磨中にインナーリテーナリングが基板から受ける横方向の力は、アウターリテーナリングには作用しない。したがって、アウターリテーナリングの研磨面に対する傾きや局所的な変形を抑制することができ、アウターリテーナリングは研磨面へ所望の押圧力を与えることができる。

本発明の一実施形態に係る基板保持装置（トップリング）を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図１に示されたトップリングの断面図である。 トップリングの他の断面図である。 トップリングのさらに他の断面図である。 トップリングの平面図である。 図２に示すVI−VI線断面図である。 図４に示すVII−VII線断面図である。 図１に示すトップリングの部分拡大図である。 球面軸受の拡大断面図である。 図１０（ａ）は、軸部が球面軸受に対して上下動している様子を示す図であり、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、軸部が中間輪と共に傾動している様子を示す図である。 図１１（ａ）は、インナーリテーナリングおよびアウターリテーナリングを下から見た図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すXI−XI線断面図である。 図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、インナーリテーナリングとアウターリテーナリングの下面にそれぞれ設けられたラジアル溝の例を示す図である。 図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）は、インナーリテーナリングとアウターリテーナリングの下面にそれぞれ設けられたラジアル溝の他の例を示す図である。 図１４（ａ）乃至図１４（ｃ）は、インナーリテーナリングとアウターリテーナリングの下面にそれぞれ設けられたラジアル溝のさらに他の例を示す図である。 アウターリテーナリングに貫通孔を形成した例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面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、本発明の一実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨対象物であるウェハＷを保持して研磨パッド２に押圧する基板保持装置としてのトップリング１とを備えている。

研磨テーブル３は、テーブル軸３ａ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３ａを中心に回転可能になっている。研磨パッド２は、研磨テーブル３の上面に貼付されており、研磨パッド２の上面２ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル３の上方には研磨液供給機構５が設置されており、この研磨液供給機構５によって研磨パッド２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７に接続されており、このトップリングシャフト７は、トップリングヘッド８内に設置された上下動機構（図示せず）により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７の上下動により、トップリングヘッド８に対してトップリング１の全体を矢印で示すように昇降させ、位置決めするようになっている。さらに、トップリングシャフト７は、トップリングヘッド８内に設置された回転機構（図示せず）により回転するようになっている。したがって、トップリング１は、トップリングシャフト７の回転に伴って、矢印で示すように自身の軸心を中心に回転する。上述したトップリング１の上下動機構および回転機構には、公知の技術を用いることができる。

トップリング１および研磨テーブル３は矢印で示すように回転し、この状態でトップリング１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給機構５からは研磨液が研磨パッド２上に供給され、ウェハＷは、研磨パッド２とウェハＷとの間に研磨液が存在した状態で研磨パッド２との摺接により研磨される。

次に、基板保持装置を構成するトップリング１について説明する。図２乃至図４は、研磨対象物であるウェハＷを保持して研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに押圧するトップリング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５はトップリング１の平面図であり、図６は図２に示すVI−VI線断面図であり、図７は図４に示すVII−VII線断面図である。

トップリング１は、ウェハＷを研磨面２ａに対して押圧するトップリング本体１０と、ウェハＷを囲むように配置されたインナーリテーナリング２０と、このインナーリテーナリング２０を囲むように配置されたアウターリテーナリング３０とを備えている。トップリング本体１０、インナーリテーナリング２０、およびアウターリテーナリング３０は、トップリングシャフト７の回転により一体に回転するように構成されている。インナーリテーナリング２０はトップリング本体１０の半径方向外側に位置し、アウターリテーナリング３０はインナーリテーナリング２０の半径方向外側に位置している。インナーリテーナリング２０は、トップリング本体１０およびアウターリテーナリング３０とは独立して上下動可能に構成されている。さらに、アウターリテーナリング３０は、トップリング本体１０およびインナーリテーナリング２０とは独立して上下動可能に構成されている。

トップリング本体１０は、円形のフランジ４１と、フランジ４１の下面に取り付けられたスペーサ４２と、スペーサ４２の下面に取り付けられたキャリア４３とを備えている。フランジ４１は、図示しないボルトによりトップリングシャフト７に連結されている。図４に示すように、スペーサ４２は、ボルト１５によりフランジ４１に固定されており、キャリア４３はメンテナンスボルト１６によりスペーサ４２に固定されている。図４はメンテナンスボルト１６がキャリア４３から外れている状態を示している。フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３から構成されるトップリング本体１０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、フランジ４１をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。

キャリア４３の下面には、ウェハＷの裏面に当接する弾性膜４５が取り付けられている。この弾性膜４５は、環状のエッジホルダ５０と、環状のリプルホルダ５１，５２とによってキャリア４３の下面に取り付けられている。エッジホルダ５０はキャリア４３の外周部に配置されており、リプルホルダ５１，５２はエッジホルダ５０の内側に配置されている。弾性膜４５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。

図８は、図２に示すインナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の拡大断面図である。図８に示すように、インナーリテーナリング２０は、トップリング本体１０の外周部に配置されている。このインナーリテーナリング２０は、研磨パッド２の研磨面２ａ（図１参照）に接触するインナーリング部材２１と、このインナーリング部材２１の上部に固定されたインナードライブリング２２とを有している。インナーリング部材２１は、複数のボルト２４によってインナードライブリング２２に結合されている。インナーリング部材２１は、ウェハＷの外周縁を囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷがトップリング１から飛び出さないようにウェハＷを保持している。

インナーリテーナリング２０の上部は、インナー押圧機構６０に連結されており、このインナー押圧機構６０によりインナーリテーナリング２０の下面（すなわち、インナーリング部材２１の下面）が研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧されるようになっている。インナードライブリング２２は、ＳＵＳなどの金属材料またはセラミックから構成され、インナーリング部材２１は、ＰＥＥＫやＰＰＳ等の樹脂材料から構成されている。

インナー押圧機構６０は、インナードライブリング２２の上部に固定されたインナーピストン６１と、インナーピストン６１の上面に接続されたインナーローリングダイヤフラム６２と、インナーローリングダイヤフラム６２を収容するインナーシリンダ６３とを備えている。インナーローリングダイヤフラム６２の上端は保持部材６４により保持され、この保持部材６４はボルト６５によりインナーシリンダ６３の上部に固定されている。

インナーリテーナリング２０は、インナー押圧機構６０に着脱可能に連結されている。より具体的には、インナーピストン６１は金属などの磁性材から形成されており、インナードライブリング２２の上部には複数の磁石６８が配置されている。これら磁石６８がインナーピストン６１を引き付けることにより、インナーリテーナリング２０がインナーピストン６１に磁力により固定される。インナーピストン６１の磁性材としては、例えば、耐蝕性の磁性ステンレスが使用される。なお、インナードライブリング２２を磁性材で形成し、インナーピストン６１に磁石を配置してもよい。

インナーローリングダイヤフラム６２の内部にはインナー圧力室６９が形成されている。このインナー圧力室６９は、流路７０（模式的に示す）を介して図示しない流体供給源に接続されている。この流体供給源からインナー圧力室６９に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、インナーローリングダイヤフラム６２がインナーピストン６１を下方に押し下げ、さらに、インナーピストン６１はインナーリテーナリング２０を下方に押し下げる。このようにして、インナー押圧機構６０は、インナーリテーナリング２０の下面（すなわち、インナーリング部材２１の下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。インナー圧力室６９は、さらに真空ポンプ（図示せず）にも接続されており、この真空ポンプによりインナー圧力室６９内に負圧を形成することにより、インナーリテーナリング２０を上昇させることができる。また、インナー圧力室６９は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、インナー圧力室６９を大気開放することも可能である。

アウターリテーナリング３０は、インナーリテーナリング２０を囲むように配置されている。このアウターリテーナリング３０は、研磨パッド２の研磨面２ａに接触するアウターリング部材３１と、このアウターリング部材３１の上部に固定されたアウタードライブリング３２とを有している。アウターリング部材３１は、複数のボルト３４（図３参照）によってアウタードライブリング３２に結合されている。アウターリング部材３１は、インナーリテーナリング２０のインナーリング部材２１を囲むように配置されている。インナーリング部材２１とアウターリング部材３１との間には隙間が形成されており、インナーリング部材２１とアウターリング部材３１とは常に非接触に保たれる。

アウターリテーナリング３０の上部は、アウター押圧機構８０に連結されており、このアウター押圧機構８０によりアウターリテーナリング３０の下面（すなわち、アウターリング部材３１の下面）が研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧されるようになっている。アウタードライブリング３２は、ＳＵＳなどの金属材料またはセラミックから構成され、アウターリング部材３１は、ＰＥＥＫやＰＰＳ等の樹脂材料から構成されている。

アウター押圧機構８０は、アウタードライブリング３２の上部に固定されたアウターピストン８１と、アウターピストン８１の上面に接続されたアウターローリングダイヤフラム８２と、アウターローリングダイヤフラム８２を収容するアウターシリンダ８３とを備えている。アウターローリングダイヤフラム８２の上端は保持部材８４により保持され、この保持部材８４はボルト８５によりアウターシリンダ８３の上部に固定されている。本実施形態では、インナーシリンダ６３とアウターシリンダ８３は一体に形成されている。

アウターリテーナリング３０は、アウター押圧機構８０に着脱可能に連結されている。より具体的には、アウターピストン８１は金属などの磁性材から形成されており、アウタードライブリング３２の上部には複数の磁石８８が配置されている。これら磁石８８がアウターピストン８１を引き付けることにより、アウターリテーナリング３０がアウターピストン８１に磁力により固定される。なお、アウタードライブリング３２を磁性材で形成し、アウターピストン８１に磁石を配置してもよい。

アウターローリングダイヤフラム８２の内部にはアウター圧力室８９が形成されている。このアウター圧力室８９は、流路９０（模式的に示す）を介して上記流体供給源に接続されている。この流体供給源からアウター圧力室８９に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、アウターローリングダイヤフラム８２がアウターピストン８１を下方に押し下げ、さらに、アウターピストン８１はアウターリテーナリング３０を下方に押し下げる。このようにして、アウター押圧機構８０は、アウターリテーナリング３０の下面（すなわち、アウターリング部材３１の下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。アウター圧力室８９は、さらに真空ポンプにも接続されており、この真空ポンプによりアウター圧力室８９内に負圧を形成することにより、アウターリテーナリング３０を上昇させることができる。また、アウター圧力室８９は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、アウター圧力室８９を大気開放することも可能である。

ウェハの研磨中は、弾性膜４５がウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧すると同時に、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０が研磨パッド２の研磨面２ａを直接押圧する。インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０は、トップリング本体１０に対して独立に上下動可能に構成され、それぞれインナー押圧機構６０およびアウター押圧機構８０に連結されている。したがって、インナー押圧機構６０およびアウター押圧機構８０は、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０をそれぞれ独立に研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧することができる。

図２に示すように、インナーリテーナリング２０は、連結部材１００を介して球面軸受１１１に連結されている。この球面軸受１１１は、インナーリテーナリング２０の半径方向内側に配置されている。連結部材１００は、トップリング本体１０の中心部に配置された縦方向に延びる軸部１０１と、この軸部１０１から放射状に延びる複数のスポーク１０２とを備えている。スポーク１０２の一方の端部は、複数のボルト１０３により軸部１０１に固定されており、スポーク１０２の他方の端部は、インナーリテーナリング２０のインナードライブリング２２に固定されている。この実施形態では、スポーク１０２とインナードライブリング２２とは一体に形成されている。

連結部材１００の軸部１０１は、トップリング本体１０の中央部に配置された球面軸受１１１に縦方向に移動自在に支持されている。このような構成により、連結部材１００および連結部材１００に固定されたインナーリテーナリング２０は、トップリング本体１０に対して縦方向に移動可能となっている。軸部１０１には縦方向に延びる貫通孔１０４が形成されている。この貫通孔１０４は軸部１０１が球面軸受１１１に対して縦方向に移動する際の空気抜き穴として作用し、これによりインナーリテーナリング２０はトップリング本体１０に対して縦方向にスムーズに移動可能となっている。

図９は、球面軸受１１１の拡大断面図である。図９に示すように、球面軸受１１１は、連結部材１００を介してインナーリテーナリング２０に連結された中間輪１１４と、中間輪１１４を上から摺動自在に支持する外輪１１３と、中間輪１１４を下から摺動自在に支持する内輪１１５とを備えている。中間輪１１４は、球殻の上半分よりも小さい部分球殻形状を有し、外輪１１３と内輪１１５との間に挟まれている。

キャリア４３の中央部には凹部４３ａが形成されており、外輪１１３は凹部４３ａ内に配置されている。外輪１１３は、その外周部につば１１３ａを有しており、このつば１１３ａを凹部４３ａの段部にボルト（図示せず）により固定することにより、外輪１１３がキャリア４３に固定されるとともに、中間輪１１４および内輪１１５に圧力を掛けることが可能となっている。内輪１１５は凹部４３ａの底面上に配置されており、中間輪１１４の下面と凹部４３ａの底面との間に隙間が形成されるように、中間輪１１４を下から支えている。

外輪１１３の内面１１３ｂ、中間輪１１４の外面１１４ａおよび内面１１４ｂ、および内輪１１５の外面１１５ａは、支点Ｏを中心とした略半球面から構成されている。中間輪１１４の外面１１４ａは、外輪１１３の内面１１３ｂに摺動自在に接触し、中間輪１１４の内面１１４ｂは、内輪１１５の外面１１５ａに摺動自在に接触している。外輪１１３の内面１１３ｂ（摺接面）、中間輪１１４の外面１１４ａおよび内面１１４ｂ（摺接面）、および内輪１１５の外面１１５ａ（摺接面）は、球面の上半分よりも小さい部分球面形状を有している。このような構成により、中間輪１１４は、外輪１１３および内輪１１５に対して全方向（３６０°）に傾動可能であり、かつ傾動中心である支点Ｏは球面軸受１１１よりも下方に位置する。

外輪１１３、中間輪１１４、および内輪１１５には、軸部１０１が挿入される貫通孔１１３ｃ，１１４ｃ，１１５ｂがそれぞれ形成されている。外輪１１３の貫通孔１１３ｃと軸部１０１との間には隙間が形成されており、同様に、内輪１１５の貫通孔１１５ｂと軸部１０１との間には隙間が形成されている。中間輪１１４の貫通孔１１４ｃは、外輪１１３および内輪１１５の貫通孔１１３ｃ，１１５ｂよりも小さな直径を有しており、軸部１０１は中間輪１１４に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部１０１に連結されたインナーリテーナリング２０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、インナーリテーナリング２０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受１１１によって固定される。

図１０（ａ）は、軸部１０１が球面軸受１１１に対して上下動している様子を示し、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）は、軸部１０１が中間輪１１４と共に傾動している様子を示している。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すように、軸部１０１に連結されたインナーリテーナリング２０は、中間輪１１４と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ中間輪１１４に対して上下に移動可能となっている。

球面軸受１１１は、インナーリテーナリング２０の上下移動および傾動を許容する一方で、インナーリテーナリング２０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限し、インナーリテーナリング２０からアウターリテーナリング３０への上記横方向の力の伝達を許容しない。したがって、球面軸受１１１は、ウェハの研磨中に、ウェハと研磨パッド２との摩擦に起因してインナーリテーナリング２０がウェハから受ける横方向の力（ウェハの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、インナーリテーナリング２０の横方向の移動を制限する（すなわちインナーリテーナリング２０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。

インナーリテーナリング２０は、支点Ｏを中心として傾動可能で、かつ支点Ｏを通る軸線上で上下動可能に球面軸受１１１により支持されている。この支点Ｏは、ウェハの研磨中の研磨パッド２の研磨面２ａ（すなわち、研磨パッド２とウェハとの接触面）にできるだけ近い位置にあることが好ましい。図９に示す実施形態では、支点Ｏはウェハの研磨中の研磨面２ａよりもやや上方に位置している。ウェハ研磨中の支点Ｏの位置は、研磨面２ａの上方−１５ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましく、−５ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。ここで、−１５ｍｍとは、支点Ｏが研磨面２ａの下方１５ｍｍの位置にある場合を示す。支点Ｏは、ウェハ研磨中の研磨パッド２の研磨面２ａ上にあること、すなわち、支点Ｏと研磨面２ａとの距離が０であることが最も好ましい。これは、支点Ｏが研磨面２ａ上にあるとき、ウェハと研磨面２ａとの摩擦力がインナーリテーナリング２０を傾ける力のモーメントとして実質的に作用しないからである。

上述した球面軸受１１１を採用することにより、インナーリテーナリング２０を傾ける力のモーメントが０または非常に小さくなる。したがって、インナーリテーナリング２０の傾きを小さく抑えることが可能となり、インナーリテーナリング２０は研磨面２ａに所望の押圧力を均一に与えることができる。

上述のように構成されたインナーリテーナリング２０およびインナーリテーナリング２０を支持する球面軸受１１１によれば、ウェハの研磨中、インナーリテーナリング２０は球面軸受１１１によって滑らかに傾動する。ウェハの研磨中は、ウェハと研磨パッド２との間の摩擦により、ウェハからインナーリテーナリング２０に横方向（水平方向）の力がかかる。この横方向の力はウェハの中心部の上方に位置する球面軸受１１１で受けることができ、かつインナーリテーナリング２０の横方向の動きは球面軸受１１１によって制限される。したがって、インナーリテーナリング２０からアウターリテーナリング３０には横方向の力は作用しなく、アウターリテーナリング３０の研磨面に対する傾きが小さくなる。また、インナーリテーナリング２０とは異なり、アウターリテーナリング３０はウェハから力を受けないので、アウターリテーナリング３０の局所的な変形を防止することができる。したがって、アウターリテーナリング３０は研磨面２ａに対して均一に所望の押圧力を与えることができる。

アウターリテーナリング３０自体が研磨面２ａと摺接することによって生じる摩擦力は、アウターリテーナリング３０と研磨面２ａとの接触面積が小さいために、ウェハと研磨面２ａとの間に生じる摩擦力に比べて相当小さい。このアウターリテーナリング３０に作用する摩擦力は、アウターリテーナリング３０とインナーリテーナリング２０との間に設置されたストッパ１１９を介してインナーリテーナリング２０に伝えられ、最終的にはインナーリテーナリング２０の支持機構である球面軸受１１１で支持される。ストッパ１１９はリング形状を有しており、インナードライブリング２２の外周面に取り付けられている。ストッパ１１９をアウタードライブリング３２の内周面に取り付けてもよい。ストッパ１１９は摺動性に優れる樹脂材料から構成されることが好ましい。ストッパ１１９の摺接面の縦断面形状は直線でも良いし、曲線でも良い。

球面軸受１１１の外輪１１３、中間輪１１４、内輪１１５、および連結部材１００の軸部１０１のうち少なくとも１つには、ＳｉＣやジルコニアなどのセラミックを用いることが好ましい。この場合、摺接面のみをセラミックから形成してもよい。例えば、外輪１１３の摺接面をセラミックで形成し、その他の部分を金属で形成してもよい。セラミックを用いることにより、摺接面の耐摩耗性を高めるとともに、摺接面の表面粗さを小さくして摺接面の摩擦を低減させることができる。外輪１１３、中間輪１１４、内輪１１５、および軸部１０１の摺接面の摩擦を低減するために、自己潤滑性が高く摩擦係数が低く、耐摩耗性の優れたテフロン（登録商標）等を含有した被膜を摺接面に設けてもよい。さらに、外輪１１３、中間輪１１４、内輪１１５、および軸部１０１のうち少なくとも１つの摺接面に、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、またはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料からなる低摩擦材料を設けてもよい。あるいは、炭素繊維などの繊維および固体潤滑材を添加した樹脂材料を用いて摺接面を構成しても良い。

外輪１１３、中間輪１１４、内輪１１５、および軸部１０１には、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れた金属材料を使用することも可能である。しかしながら、ウェハに形成された金属膜を研磨する際には、研磨中の金属膜厚さを測定するために渦電流センサを使用する場合がある。この様な場合には、ウェハ近傍の球面軸受１１１に導電性材料である金属を使用すると渦電流センサの測定精度が低下してしまうことがある。このため、球面軸受１１１および軸部１０１には非導電性材料を使用することが好ましい。

インナーリテーナリング２０は、トップリング本体１０およびアウターリテーナリング３０に対して独立に傾動できる構造になっている。インナーリテーナリング２０を傾動可能および上下動可能に支持する球面軸受１１１は、トップリング本体１０の内部に設けられ、かつキャリア４３の凹部４３ａに収容されているため、球面軸受１１１の摺接面からの摩耗粉は、トップリング本体１０内に封じ込められ、研磨面２ａへ落下することがない。

図８に示すように、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との間には、環状の弾性膜からなるバリアシール１２０が設けられている。バリアシール１２０は、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との隙間を塞ぐように、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０の全周に亘って配置されている。より具体的には、バリアシール１２０の内側縁部はインナードライブリング２２の下端に接続され、バリアシール１２０の外側縁部はアウタードライブリング３２の下端に接続されている。バリアシール１２０は、上方に屈曲した逆Ｕ字型の断面を有しており、変形しやすい材料から形成されている。例えば、バリアシール１２０は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度および耐久性に優れたゴム材によって形成することができる。

バリアシール１２０は、インナーリング部材２１およびアウターリング部材３１の上方であって、ストッパ１１９の下方に配置されている。インナーリング部材２１とアウターリング部材３１とは常に非接触に保たれており、バリアシール１２０の下方ではインナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０とが接触することはない。したがって、バリアシール１２０の下方では摩耗粉が発生しない。バリアシール１２０は、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との相対移動を許容しつつ、トップリング本体１０の内部で発生した異物が研磨面２ａに落下することを防止するとともに、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との隙間からトップリング本体１０への研磨液（スラリー）の浸入を防ぐことができる。

トップリング１の外周部には、トップリング本体１０とアウターリテーナリング３０とを接続するシールシート１２３が設けられている。シールシート１２３は環状の弾性膜であり、トップリング本体１０とアウターリテーナリング３０との隙間を塞ぐように、トップリング本体１０とアウターリテーナリング３０の全周に亘って配置されている。より具体的には、シールシート１２３の上端はトップリング本体１０の外周面の下端に接続され、シールシート１２３の下端はアウターリテーナリング３０の外周面に接続されている。シールシート１２３は、上下方向に変形しやすいようにベローズ形状を有している。バリアシール１２０と同様に、シールシート１２３は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

シールシート１２３は、トップリング本体１０に対するアウターリテーナリング３０の上下動を許容しつつ、トップリング本体１０の内部で発生した異物が研磨面２ａに落下することを防止するとともに、トップリング本体１０とアウターリテーナリング３０との隙間からトップリング本体１０への研磨液（スラリー）の浸入を防ぐことができる。

通常、ウェハの研磨後には、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０は、超純水または薬液などの洗浄液で洗浄される。そこで、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との隙間に洗浄液を効率よく導入するために、インナーリテーナリング２０の外周面および／またはアウターリテーナリング３０の内周面に、複数の縦溝を形成することが好ましい。

図１１（ａ）は、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０を下から見た図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すXI−XI線断面図である。インナーリング部材２１の内周面には複数の縦溝２０ａが形成され、インナーリング部材２１の外周面には複数の縦溝２０ｂが形成されている。さらに、インナーリング部材２１の下面には、半径方向に延びるラジアル溝２０ｃが形成されている。縦溝２０ａ，２０ｂは、インナーリテーナリング２０の下面（すなわち、インナーリング部材２１の下面）から上方に延び、ラジアル溝２０ｃよりも高く上方に延びている。縦溝２０ａ，２０ｂおよびラジアル溝２０ｃは、インナーリテーナリング２０の周方向において等間隔に設けられている。ラジアル溝２０ｃは、インナーリテーナリング２０をその半径方向に貫通しているが、縦溝２０ａ，２０ｂは、インナーリテーナリング２０を貫通していない。縦溝２０ａ，２０ｂは、インナーリテーナリング２０の周方向においてラジアル溝２０ｃと同じ位置に配置されており、縦溝２０ａ，２０ｂはラジアル溝２０ｃに連通している。縦溝２０ａ，２０ｂはラジアル溝２０ｃと同じ幅を有しているが、ラジアル溝２０ｃの幅よりも狭くても広くてもよい。

同様に、アウターリング部材３１の内周面には複数の縦溝３０ａが形成されており、アウターリング部材３１の下面には、半径方向に延びるラジアル溝３０ｂが形成されている。縦溝３０ａは、アウターリテーナリング３０の下面（すなわち、アウターリング部材３１の下面）から上方に延び、ラジアル溝３０ｂよりも高く上方に延びている。縦溝３０ａおよびラジアル溝３０ｂは、アウターリテーナリング３０の周方向において等間隔に設けられている。ラジアル溝３０ｂは、アウターリテーナリング３０をその半径方向に貫通しているが、縦溝３０ａは、アウターリテーナリング３０を貫通していない。縦溝３０ａは、アウターリテーナリング３０の周方向においてラジアル溝３０ｂと同じ位置に配置されており、縦溝３０ａはラジアル溝３０ｂに連通している。縦溝３０ａはラジアル溝３０ｂと同じ幅を有しているが、ラジアル溝３０ａの幅よりも狭くても広くてもよい。縦溝２０ａ，２０ｂおよび縦溝３０ａは、バリアシール１２０よりも下方に位置している。

インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の下面に供給された洗浄液は、縦溝２０ｂおよび縦溝３０ａを通ってインナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との隙間に導入され、この隙間に存在する研磨液を洗い流す。さらに、洗浄液は、縦溝２０ａを通ってインナーリテーナリング２０と弾性膜４５との隙間に導入され、この隙間に存在する研磨液を洗い流す。したがって、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０はそのスムーズな動きを保つことができる。

ウェハの研磨中は、研磨パッド２の研磨面２ａ上に研磨液が供給される。したがって、ウェハは、ウェハと研磨パッド２との間に研磨液が存在した状態で、研磨パッド２の研磨面２ａとの摺接により研磨される。研磨液がウェハと研磨パッド２との間に流入することを促進するため、または研磨作用を終えた研磨液がウェハと研磨パッド２との間から流出することを促進するために、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０の下面にそれぞれ複数のラジアル溝２０ｃ，３０ｂが設けられている。ラジアル溝２０ｃ，３０ｂの断面形状や本数は、そのラジアル溝を設ける目的に従って適宜選択される。

図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０の下面にそれぞれ設けられたラジアル溝２０ｃ，３０ｂの例を示す図である。この例では、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂは、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の半径方向に延びている。図１２（ａ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数と同じ例を示し、図１２（ｂ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数よりも少ない例を示し、図１２（ｃ）は、ラジアル溝２０ｃの本数がラジアル溝３０ｂの本数よりも少ない例を示している。研磨液の流入および流出を効果的に行うためには、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂの周方向の位置が一致していることが好ましい。

図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）は、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０の下面にそれぞれ設けられたラジアル溝２０ｃ，３０ｂの他の例を示す図である。図１３（ａ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数と同じ例を示し、図１３（ｂ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数よりも少ない例を示し、図１３（ｃ）は、ラジアル溝２０ｃの本数がラジアル溝３０ｂの本数よりも少ない例を示している。この例では、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂは、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の半径方向に対して傾斜している。より具体的には、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０が回転するに従って研磨液がアウターリテーナリング３０およびインナーリテーナリング２０の外側から内側に流入するように、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂは、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の回転方向（矢印で示す）に対して前方に傾斜している。

図１４（ａ）乃至図１４（ｃ）は、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０の下面に設けられたそれぞれラジアル溝２０ｃ，３０ｂのさらに他の例を示す図である。図１４（ａ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数と同じ例を示し、図１４（ｂ）は、ラジアル溝３０ｂの本数がラジアル溝２０ｃの本数よりも少ない例を示し、図１４（ｃ）は、ラジアル溝２０ｃの本数がラジアル溝３０ｂの本数よりも少ない例を示している。この例においても、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂは、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の半径方向に対して傾斜しているが、傾斜の方向が図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）に示す例と反対となっている。すなわち、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０が回転するに従って研磨液がアウターリテーナリング３０およびインナーリテーナリング２０の内側から外側に流出するように、ラジアル溝２０ｃ，３０ｂは、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０の回転方向（矢印で示す）に対して後方に傾斜している。

インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０とでラジアル溝２０ｃ，３０ｂの断面形状、幅、本数が異なっていてもよく、または同じであってもよい。ラジアル溝２０ｃ，３０ｂの深さは、インナーリテーナリング２０、アウターリテーナリング３０が減耗した際でも研磨液流入出に寄与できるような深さが選択される。

図１２乃至図１４では、ラジアル溝３０ｂを有するアウターリテーナリング３０の例を示したが、研磨液の流入や流出を抑制したい場合には、ラジアル溝を有しないアウターリテーナリング３０を使用することが好ましい。アウターリテーナリング３０にラジアル溝を設けない場合には、図１５に示すように、アウターリテーナリング３０の内周面から外周面に延びる複数の貫通孔３５を設けることが好ましい。これら貫通孔３５は、アウターリテーナリング３０をその半径方向に貫通しており、アウターリテーナ３０の全周に亘って形成されている。これらの貫通孔３０によりインナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０のスムーズな上下動が可能となる。貫通孔３５は、バリアシール１２０およびシールシート１２３の下方に配置することが好ましい。これは、バリアシール１２０やシールシート１２３で囲われた領域へ研磨液が侵入してしまうことを避けるため、および囲われた領域から異物が研磨面２ａへ落下してしまうことを防止するためである。

アウターリテーナリング３０は、ウェハの研磨中に研磨パッド２の研磨面２ａを均一に押圧することができる。このようなアウターリテーナリング３０を設けることの効果としては、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルの制御性の改善が挙げられる。ここで、ウェハのエッジ部とは、ウェハの最外周端に位置する幅約３ｍｍの領域である。ウェハの研磨中に、インナーリテーナリング２０の外側で研磨パッド２をアウターリテーナリング３０で押圧することにより、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルを制御することができる。このようなアウターリテーナリング３０による研磨パッドリバウンドの効果を制御するために、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との間隔を変更してもよい。インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０との間隔（より具体的には、インナーリテーナリング２０の下面とアウターリテーナリング３０の下面との間隔）は、好ましくは０．１ｍｍ〜３ｍｍである。

図３に示すように、インナーリテーナリング２０には複数の補強ピン（補強部材）１２５が埋設されている。これら補強ピン１２５は、インナーリテーナリング２０の周方向に等間隔で配置されている。各補強ピン１２５は縦に延びており、ボルト１２６によりインナードライブリング２２に固定されている。補強ピン１２５の下端は、インナーリング部材２１の下端近傍に位置しており、補強ピン１２５の上端は、インナードライブリング２２内に位置している。補強ピン１２５の材料としては、ステンレス鋼などの金属材料またはセラミックが挙げられる。インナーリテーナリング２０に埋設された補強ピン１２５は、インナーリテーナリング２０の剛性を向上させることができる。したがって、ウェハの研磨中にウェハから横方向の力を受けたときのインナーリテーナリング２０の変形を小さくすることができ、その結果、インナーリテーナリング２０は、研磨パッド２をより均一に押圧することができる。

補強ピン１２５をインナードライブリング２２にボルト１２６により取り外し可能に固定することの利点は以下のようなものがある。インナーリテーナリング２０の剛性を向上させるためには、補強ピン１２５の外径と、補強ピン１２５が嵌合するインナーリング部材２１の穴の径との差は出来る限り小さくすることが望ましい。さらに複数の補強ピン１２５とインナーリング部材２１の穴との位置合わせが非常に重要となる。補強ピン１２５とインナーリング部材２１の穴との位置がわずかにずれた状態でインナーリング部材２１を取り付けた場合には、インナーリング部材２１にひずみが生じ、研磨パッド２の均一な押圧を妨げることとなる。したがってインナーリング部材２１をインナードライブリング２２に取り付ける際には以下の手順で行う。初めに補強ピン１２５を固定するボルト１２６は仮留めの状態とし、補強ピン１２５が水平方向にわずかに動ける状態としておく。次にインナーリング部材２１の穴に補強ピン１２５を嵌め込む。こうすることにより補強ピン１２５とインナーリング部材２１の穴とのアライメントのずれが吸収できる。その後、ボルト１２６を締め込んで補強ピン１２５を固定し、最後に、図２に示すように、ボルト２４によりインナーリング部材２１をインナードライブリング２２に固定する。

以下、トップリング１の詳細な構成についてさらに説明する。図３に示すように、エッジホルダ５０はリプルホルダ５１により保持されている。リプルホルダ５１は複数のストッパ５４によりキャリア４３の下部に取り付けられている。図４および図６に示すように、リプルホルダ５２は、複数のストッパ５５によりキャリア４３の下部に取り付けられている。ストッパ５４およびストッパ５５はトップリング１の円周方向に等間隔に設けられている。

図３に示すように、弾性膜４５の中央部にはセンター室１３０が形成されている。リプルホルダ５２には、センター室１３０に連通する流路１４０が形成されており、キャリア４３には、この流路１４０に連通する流路１４１が形成されている。この流路１４１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（例えば、加圧空気）が流路１４１および流路１４０を通ってセンター室１３０に供給されるようになっている。

リプルホルダ５１は、弾性膜４５のリプル４５ｂを爪部５１ａでキャリア４３の下部に押さえつけるようになっており、リプルホルダ５２は、弾性膜４５のリプル４５ａを爪部５２ａでキャリア４３の下部に押さえつけるようになっている。弾性膜４５のエッジ４５ｃは爪部５１ｂでエッジホルダ５０に押さえつけられている。

図２に示すように、弾性膜４５のリプル４５ａとリプル４５ｂとの間には環状のリプル室１３１が形成されている。弾性膜４５のリプルホルダ５１とリプルホルダ５２との間には隙間４５ｆが形成されており、キャリア４３には隙間４５ｆおよびリプル室１３１に連通する流路１４２が形成されている。この流路１４２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１４２を通ってリプル室１３１に供給されるようになっている。また、この流路１４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されている。真空ポンプの作動により弾性膜４５の下面にウェハを吸着できるようになっている。

リプルホルダ５１には、弾性膜４５のリプル４５ｂおよびエッジ４５ｃによって形成される環状のアウター室１３２に連通する流路（図示せず）が形成されている。このリプルホルダ５１の流路は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がアウター室１３２に供給されるようになっている。

図４および図８に示すように、エッジホルダ５０は、弾性膜４５のエッジ４５ｄを押さえてキャリア４３の下部に保持するようになっている。このエッジホルダ５０には、弾性膜４５のエッジ４５ｃおよびエッジ４５ｄによって形成される環状のエッジ室１３３に連通する流路１４３が形成されている。このエッジホルダ５０の流路１４３は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がエッジ室１３３に供給されるようになっている。

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４５とトップリング本体１０のキャリア４３との間に形成される圧力室、すなわち、センター室１３０、リプル室１３１、アウター室１３２、およびエッジ室１３３に供給する流体の圧力を調整することにより、ウェハを研磨パッド２に押圧する押圧力をウェハの部分ごとに調整できるようになっている。

インナー押圧機構６０に使用されるローリングダイヤフラム６２（図８参照）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６２で仕切る室６９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６９の空間を広げることができる。室６９が広がる際にローリングダイヤフラム６２がインナーシリンダ６３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い。したがって、ローリングダイヤフラム６２を長寿命化することができ、インナーリテーナリング２０が研磨パッド２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。また、インナーリテーナリング２０のインナーリング部材２１が摩耗しても、インナーリテーナリング２０の押圧力を一定に維持することが可能である。アウター押圧機構８０に使用されるローリングダイヤフラム８２も、インナー押圧機構６０のローリングダイヤフラム６２と同様の構成を有しており、同様の利点がある。

図６に示すように、インナードライブリング２２と球面軸受１１１とを連結する連結部材１００は、放射状に延びる８本のスポーク１０２を有している。これらスポーク１０２は、キャリア４３の上面に形成された放射状に延びる８本の凹溝４３ｇ内にそれぞれ収容されている。キャリア４３には、複数対のインナーリング駆動カラー１５０，１５０が設けられており、各対のインナーリング駆動カラー１５０，１５０は各スポーク１０２の両側に配置されている。図６に示す例では、４対のインナーリング駆動カラー１５０，１５０が設けられており、８本のスポーク１０２のうちの４本に４対のインナーリング駆動カラー１５０，１５０がそれぞれ配置されている。

トップリング本体１０は、トップリングシャフト７に接続されており、トップリング本体１０はトップリングシャフト７によって回転させられる。トップリング本体１０の回転は、キャリア４３から複数対のインナーリング駆動カラー１５０，１５０を介してスポーク１０２に伝達され、トップリング本体１０とインナーリテーナリング２０は一体となって回転する。インナーリング駆動カラー１５０は、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＰＰＳなどの低摩擦材料から構成されている。インナーリング駆動カラー１５０が接触するスポーク１０２の両側面には鏡面処理が施されており、スポーク１０２の両側面の面粗度を向上させている。なお、インナーリング駆動カラー１５０に鏡面処理を施し、スポーク１０２の両側面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。

このような構成により、インナーリング駆動カラー１５０とスポーク１０２との摺動性を向上させることができる。したがって、インナーリテーナリング２０は滑らかに傾動することができ、所望の押圧力を研磨面２ａに均一に与えることができる。また、トップリング本体１０からインナーリテーナリング２０に回転を伝達する回転駆動部（インナーリング駆動カラー１５０およびスポーク１０２）をトップリング本体１０内に設けたため、回転駆動部で発生する摩耗粉をトップリング本体１０内に封じ込めることができる。したがって、摩耗粉が研磨面２ａへ落下することがなく、摩耗粉に起因するスクラッチ等のウェハの欠陥を飛躍的に減少させることができる。

図７に示すように、インナーリテーナリング２０の外周面には複数の凹部２０ｄが形成されており、この複数の凹部２０ｄにはアウターリテーナリング３０に設けられたアウターリング駆動ピン１５２が配置されている。アウターリング駆動ピン１５２の外周面には、円筒形のアウターリング駆動カラー１５３が取り付けられている。図７では、アウターリング駆動カラー１５３の水平断面が示されている。このアウターリング駆動カラー１５３は、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＰＰＳなどの低摩擦材料から形成されている。各凹部２０ｄは、鉛直方向に延びる両側面を有しており、インナーリテーナリング２０が回転するとアウターリング駆動カラー１５３が凹部２０ｄの一方の側面に接触するようになっている。インナーリテーナリング２０の回転は、アウターリング駆動ピン１５２を介してアウターリテーナリング３０に伝達され、インナーリテーナリング２０とアウターリテーナリング３０とは一体となって回転する。凹部２０ｄの両側面には鏡面処理が施されており、低摩擦材料のアウターリング駆動カラー１５３が接触する凹部２０ｄの面粗度を向上させている。

このような構成により、アウターリング駆動カラー１５３と凹部２０ｄとの摺動性を向上させることができる。したがって、インナーリテーナリング２０は滑らかに傾動することができるとともに、所望の押圧力を研磨面２ａに均一に与えることができる。さらに、アウターリテーナリング３０は、インナーリテーナリング２０の傾動の影響を受けることなく、所望の押圧力を研磨面２ａに均一に与えることができる。なお、本実施例ではインナーリテーナリング２０に凹部２０ｄを、アウターリテーナリング３０にアウターリング駆動ピン１５２を配置したが、逆にインナーリテーナリング２０にアウターリング駆動ピンを、アウターリテーナリング３０に凹部を設けることも可能である。アウターリング駆動ピン１５２とアウターリング駆動カラー１５３との間にゴムクッションが設けられても良い。

図４および図７に示すように、インナーリテーナリング２０には、半径方向内方に突出する複数のストッパピン１５５が固定されている。これらストッパピン１５５は、トップリング本体１０のキャリア４３に形成された縦方向に延びる複数の凹部４３ｈにそれぞれ緩やかに係合している。これら凹部４３ｈはキャリア４３の外周面に等間隔で形成されている。ストッパピン１５５は、凹部４３ｈの上端と下端との間で縦方向に移動可能となっている。言い換えれば、インナーリテーナリング２０のトップリング本体１０に対する上下移動は、ストッパピン１５５および凹部４３ｈによって制限される。すなわち、ストッパピン１５５が凹部４３ｈの上端に接触したときには、インナーリテーナリング２０はトップリング本体１０に対して最上方の位置となり、ストッパピン１５５がキャリア４３の凹部４３ｈの下端に接触したときには、インナーリテーナリング２０はトップリング本体１０に対して最下方の位置になる。このような構成により、インナーリテーナリング２０がトップリング本体１０から落下してしまうことが防止される。

図４に示すように、アウターリング駆動カラー１５３は、インナーリテーナリング２０に形成された凹部２０ｄの上端と下端との間で縦方向に移動可能となっている。言い換えれば、アウターリテーナリング３０のインナーリテーナリング２０に対する上下移動は、アウターリング駆動カラー１５３および凹部２０ｄによって制限される。すなわち、アウターリング駆動カラー１５３が凹部２０ｄの上端に接触したときには、アウターリテーナリング３０はインナーリテーナリング２０に対して最上方の位置となり、アウターリング駆動カラー１５３が凹部２０ｄの下端に接触したときには、アウターリテーナリング３０はインナーリテーナリング２０に対して最下方の位置になる。このような構成により、アウターリテーナリング３０がインナーリテーナリング２０、すなわちトップリング本体１０から落下してしまうことを防止している。

インナーピストン６１とインナーリテーナリング２０とは、上述したように、磁力により固定されている。このような構成により、インナーリテーナリング２０が研磨中に振動を受けた場合においてもインナーピストン６１とインナーリテーナリング２０とが離れることなく、振動による突発的なインナーリテーナリング２０の上昇を防止することができる。したがって、インナーリテーナリング２０の押圧力を安定させることができ、ウェハがトップリング１から外れてしまう（スリップアウトする）可能性を低減することができる。さらに、頻繁なメンテナンスを必要とするインナーリテーナリング２０を、メンテナンスの必要が少ないインナーピストン６１から簡単に切り離すことができる。アウターピストン８１とアウターリテーナリング３０も同様に磁力により固定されているので、同様の利点が得られる。

図４に示すようにメンテナンスボルト１６を取り外すと、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０とともに、弾性膜４５を保持したキャリア４３がスペーサ４２から分離される。このように、インナーリテーナリング２０、アウターリテーナリング３０、およびキャリア４３をトップリング１から分離することができるので、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０のメンテナンスや弾性膜４５のメンテナンスを容易に行うことができる。図６に示すように、インナードライブリング２２の上面およびアウタードライブリング３２の上面には、それぞれ切り欠き２２ａ，３２ａが設けられている。アウターリテーナリング３０のメンテナンスの際には、切り欠き３２ａに例えば薄い板状の部材を外周側から挿入することにより、アウターリテーナリング３０とアウターピストン８１との磁力を低減させ、これらを容易に分離することができる。インナーリテーナリング２０とインナーピストン６１も、切り欠き２２ａに板状の部材を挿入することにより同様に分離することができる。

図８に示すように、弾性膜４５のエッジ（外周縁）４５ｄには、弾性膜４５とインナーリテーナリング２０とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材１５８が形成されている。このシール部材１５８はトップリング本体１０とインナードライブリング２２との隙間を塞ぐ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１５８は、トップリング本体１０とインナーリテーナリング２０との相対移動を許容しつつ、トップリング１内から研磨面２ａへ異物が落下することを防ぎ、さらにトップリング本体１０とインナーリテーナリング２０との隙間からトップリング１内へ研磨液が浸入してしまうことを防止することができる。本実施形態では、シール部材１５８は弾性膜４５のエッジ４５ｄに一体的に形成されており、逆Ｕ字型の断面形状を有している。

シールシート１２３、シール部材１５８、およびバリアシール１２０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１０、インナーリテーナリング２０、およびアウターリテーナリング３０の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、シールシート１２３、シール部材１５８、およびバリアシール１２０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４５、シールシート１２３、シール部材１５８、およびバリアシール１２０は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコー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４５のセンター室１３０、リプル室１３１、アウター室１３２、およびエッジ室１３３に供給する圧力によりウェハに対する押圧力を制御するので、研磨中にはキャリア４３は研磨パッド２から上方に離れた位置にする必要がある。インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０は、トップリング本体１０とは独立して上下動することができるので、インナーリテーナリング２０およびアウターリテーナリング３０が摩耗しても、研磨中のウェハとトップリング本体１０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、ウェハの研磨プロファイルを安定化させることができる。

なお、上述した例では、ウェハの略全面に弾性膜４５が配置されているが、これに限られるものではなく、弾性膜４５はウェハの少なくとも一部に当接するものであればよい。また、上述した例では、弾性膜４５にセンター室１３０、リプル室１３１、アウター室１３２、およびエッジ室１３３の４つの室が配置されているが、これに限られるものではなく、弾性膜４５に４つよりも少ない室を配置しても良いし、４つよりも多い室を配置しても良い。特に４つより多い室を配置することによりウェハの半径方向のより狭い範囲の研磨プロファイルを制御することも可能となる。

これまで本発明の一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 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給機構
７ トップリングシャフト
８ トップリングヘッド
１０ トップリング本体
１６ メンテナンスボルト
２０ インナーリテーナリング
２１ インナーリング部材
２２ インナードライブリング
３０ アウターリテーナリング
３１ アウターリング部材
３２ アウタードライブリング
４１ フランジ
４２ スペーサ
４３ キャリア
４５ 弾性膜
５０ エッジホルダ
５１，５２ リップホルダ
５４，５５ ストッパ
６０ インナー押圧機構
６１ インナーピストン
６２ インナーローリングダイヤフラム
６３ インナーシリンダ
６４ 保持部材
６５ ボルト
６８ 磁石
６９ インナー圧力室
７０ 流路
８０ アウター押圧機構
８１ アウターピストン
８２ アウターローリングダイヤフラム
８３ アウターシリンダ
８４ 保持部材
８５ ボルト
８８ 磁石
８９ アウター圧力室
９０ 流路
１００ 連結部材
１０１ 軸部
１０２ スポーク
１１１ 球面軸受
１１３ 外輪
１１４ 中間輪
１１５ 内輪
１１９ ストッパ
１２０ バリアシール
１２３ シールシート
１２５ 補強ピン
１３０ センター室
１３１ リプル室
１３２ アウター室
１３３ エッジ室
１４０，１４１，１４２，１４３ 流路
１５０ インナーリング駆動カラー
１５２ アウターリング駆動ピン
１５３ アウターリング駆動カラー
１５５ ストッパピン
１５８ シール部材

Claims (10)

1. 基板を研磨面に押圧するための弾性膜を保持するトップリング本体と、
   前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングと、
   前記リテーナリングを傾動可能に支持する球面軸受とを備え、
   前記リテーナリングの傾動の中心は、前記球面軸受の下方にあることを特徴とする基板保持装置。
2. 前記リテーナリングを前記研磨面に対して押圧する押圧機構をさらに備え、
   前記リテーナリングは、前記トップリング本体とは独立して上下動可能に構成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. 前記リテーナリングは、前記球面軸受により上下動可能に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の基板保持装置。
4. 前記球面軸受は、前記リテーナリングに連結された、部分球殻形状を有する中間輪と、前記中間輪を上から摺動自在に支持する外輪と、前記中間輪を下から摺動自在に支持する内輪とを備え、
   前記外輪、前記中間輪、および前記内輪の摺接面は、球面の上半分よりも小さい部分球面形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板保持装置。
5. 前記外輪、前記中間輪、および前記内輪のうち少なくとも１つの前記摺接面は、セラミックで形成されていることを特徴とする請求項４に記載の基板保持装置。
6. 前記リテーナリングの傾動の中心は、前記研磨面上または前記研磨面の近傍にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の基板保持装置。
7. 前記リテーナリングはインナーリテーナリングであり、
   前記インナーリテーナリングの半径方向外側に設けられ、前記研磨面に接触するアウターリテーナリングをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の基板保持装置。
8. 前記アウターリテーナリングを前記研磨面に対して押圧するアウター押圧機構をさらに備え、
   前記アウターリテーナリングは、前記インナーリテーナリングおよび前記トップリング本体とは独立して上下動可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の基板保持装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板保持装置と、
   研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルとを備えたことを特徴とする研磨装置。
10. 研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
    前記研磨パッドの研磨面上に研磨液を供給し、
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板保持装置で基板を前記研磨面に押圧することにより前記基板を研磨することを特徴とする研磨方法。

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