研磨装置
【課題】基板を保持するトップリングの外周部に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨面を有した研磨テーブル１００と、圧力流体が供給される圧力室を有し、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１０１ａに押圧するトップリング本体２と、トップリング本体２の外周部に設けられるとともにトップリング本体２とは独立して上下動可能に設けられ、研磨面１０１ａを押圧するリテーナリング３とを備え、リテーナリング３を研磨面１０１ａの動きに追従させるためにリテーナリング３を傾動可能に支持する支持機構を基板の中心部の上方に位置させるようにした。
【解決手段】研磨面を有した研磨テーブル１００と、圧力流体が供給される圧力室を有し、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１０１ａに押圧するトップリング本体２と、トップリング本体２の外周部に設けられるとともにトップリング本体２とは独立して上下動可能に設けられ、研磨面１０１ａを押圧するリテーナリング３とを備え、リテーナリング３を研磨面１０１ａの動きに追従させるためにリテーナリング３を傾動可能に支持する支持機構を基板の中心部の上方に位置させるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００４】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００５】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。半導体ウエハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に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押圧することが行われている。
【０００６】
この場合、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウエハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウエ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、半導体ウエ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とすることによって半導体ウエハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面を押圧するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２５５８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の研磨装置においては、研磨中に、半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の摩擦力によりリテーナリングに横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向（水平方向）の力はリテーナリングの外周側に設けたリテーナリングガイドにより受ける構造にしている。このような構造の研磨装置は、以下に列挙するような問題点がある。
１）研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間の摩擦力によりリテーナリングへ加わる横方向の力を受ける支点がリテーナリングの外周部にある従来の研磨ヘッドでは、リテーナリングとリテーナリングガイドの接触面積が小さいために、リテーナリングが研磨パッドの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）および上下動する際に、リテーナリング外周面とリテーナリングガイド内周面との間の摺動面に大きな摩擦力が発生し、リテーナリングの追従性が不足することになり、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができないという問題点がある。
【０００９】
２）リテーナリングの支点がリテーナリングの外周部にあり、リテーナリングにトップリング（又はキャリアヘッド）の回転力を付与する回転駆動部がリテーナリングの上部にある従来の研磨ヘッドでは、支点部や回転駆動部の摺動により摩耗粉の発生がある。この摩耗粉が研磨面へ落下してしまうと半導体ウエハの欠陥となってしまう可能性が高いために摩耗粉の落下を防ぐ部材（ブーツ）が必要となるが、ブーツは消耗品交換の際に再取り付けが必要な部材のためメンテナンス性を悪化させているという問題点がある。
【００１０】
３）リテーナリングは研磨中に熱膨張するためにリテーナリングガイドとの間に適切なクリアランスを設ける必要がある。このクリアランスのためにリテーナリングに遊びがあり、研磨中にリテーナリングがクリアランス内を移動してリテーナリングガイドと衝接する際に異音や振動が生じるという問題点があり、またリテーナリングが半導体ウエハに対して偏心して半導体ウエハ外周部の研磨レートにおいて円周上のバラツキが増大することにも繋がる。
４）リテーナリングは研磨面との摩擦熱により熱膨張しようとするが、リテーナリングを取り付けているドライブリングとの温度差および線膨張係数の差により、リテーナリングがハの字に開いたような形状となってしまう。この状態での研磨ではリテーナリング内周側がより早く摩耗する偏摩耗が生じてしまい、リテーナリングの交換初期とその後では、パッド面形状を補正するリテーナリングの効果が変化してしまう。また複数枚の半導体ウエハを連続処理する状況ではリテーナリングの温度が半導体ウエハ間で徐々に上昇していく状況となるが、そうなった場合にリテーナリングの熱変形量が徐々に大きくなり半導体ウエハ間でリテーナリングの効果が変化してしまうことになる。研磨面と半導体ウエハ間の摩擦力に起因するリテーナリングの変形によってもリテーナリングの偏摩耗およびリテーナリングの効果が経時変化する原因となる。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、基板を保持するトップリングの外周部に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができ、リテーナリングの摺動部分に発生する摩耗粉が研磨面へ落下することを防止し、かつリテーナリングの熱膨張を抑制することができる研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の研磨装置は、研磨面を有した研磨テーブルと、圧力流体が供給される圧力室を有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧するトップリング本体と、前記トップリング本体の外周部に設けられるとともに前記トップリング本体とは独立して上下動可能に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、前記リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方に位置させるようにしたことを特徴とするものである。
本発明によれば、リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方、すなわちトップリング本体の中心部に位置させるようにしたため、支持機構の支持面（摺動面）を広い面積とすることができ、リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）する際に、リテーナリングを摺動可能に支持する摺動部分の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構は、前記リテーナリングを上下動可能に支持することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングは、前記支持機構により前記トップリング本体とは独立して可動になっていることを特徴とする。
本発明によれば、弾性膜を保持したトップリング本体とは独立にリテーナリングが傾動（チルティング）可能であるため、研磨パッドの研磨面と基板間に作用する摩擦力に拘わらず、トップリング本体、特に、弾性膜を保持する部材は初期の姿勢を保つことができ、均一に基板を研磨面に押圧することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構の摺接面は低摩擦材料で構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、支持機構の摺接面を低摩擦材料で構成したため、リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねりに追従して傾動および上下動する際に、リテーナリングを支持する支持機構の摺接面（摺動面）の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
ここで、低摩擦材料とは、摩擦係数が０．３５以下である低い摩擦係数の材料を云い、０．２５以下であることが望ましい。また、前記低摩擦材料は、耐磨耗性の高い摺動材料であることが望ましい。前記低摩擦材料は、例えば含油ポリアセタール樹脂等からなる。
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングは、前記基板の外周縁を保持するためのリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記リング部材を保持するための保持部と、前記リング部材と前記保持部とを連結するための連結用アームとを備え、前記保持部が前記支持機構により支持されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリング本体は、弾性膜により形成され圧力流体が供給される複数の圧力室を有し、前記支持機構は、前記基板の中心部に対応した位置にある圧力室の上方にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構は、前記リテーナリングを球面で回転可能に支持する球面軸受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、前記支持機構は、前記リテーナリングを直交する二つの軸線のまわりに回転可能に支持するジャイロ機構からなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングに金属性リングを装着したことを特徴とする。
本発明によれば、リテーナリングには、ＳＵＳ等の金属性リングが装着されているため、リテーナリングの剛性を高めることができ、リテーナリングが研磨面と摺接してリテーナリングの温度が上昇してもリテーナリングの熱変形を抑制することができる。
【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングを冷却する流体を供給するノズルを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、リテーナリングは、研磨面との摩擦熱により温度上昇するが、冷却用流体がリテーナリングの外周面に吹きつけられるため、リテーナリングの温度上昇を抑えることができ、リテーナリングの熱膨張を抑えることができる。
【００１８】
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリング本体の回転を前記リテーナリングに伝達する回転駆動部を前記トップリング本体内に設けたことを特徴とする。
本発明によれば、トップリング本体からリテーナリングに回転を伝達する回転駆動部をトップリング本体内に設けたので、回転駆動部からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
（１）リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）する際に、リテーナリングを摺動可能に支持する摺動部分の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
（２）リテーナリングを摺動可能に支持する部分がトップリング本体内にあるので、摺動部分からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【００２０】
（３）従来の研磨装置においては、リテーナリングをリテーナリングの外周部にあるリテーナリングガイドで支持していたため、リテーナリングとリテーナリングガイドとの間にクリアランスがあり、研磨中にリテーナリングがクリアランス内を移動してリテーナリングガイドと衝接する際に異音や振動が生じ、また半導体ウエハ外周部の研磨レートにおいて円周上のバラツキが生ずるという問題があったが、本発明においては、リテーナリングをトップリング本体の中心部で支持させるようにしたため、リテーナリングの外周側にリテーナリングガイドを設ける必要がなく、リテーナリングがクリアランス内を移動して生ずる異音や振動の発生を防止することができ、また基板外周部の研磨レートの円周上のバラツキを防止することができる。
【００２１】
（４）リテーナリングには、ＳＵＳ等の金属性リングが装着されているため、リテーナリングの剛性を高めることができ、リテーナリングが研磨面と摺接して温度が上昇してもリテーナリングの熱変形を抑制することができる。また、リテーナリングに、冷却用流体を供給することによって、リテーナリングを冷却することができる。したがって、リテーナリングの温度上昇を抑えることができるので、リテーナリングの熱膨張を抑えることができ、研磨パッドからなる研磨面の形状を補正するリテーナリングの効果が経時的に変化することがない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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】図２は、第１の態様の研磨ヘッドを構成するトップリングの断面図である。
【図３】図３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４】図４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５】図５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６】図６は、図２のVI部拡大図である。
【図７】図７は、図５のVII部拡大図である。
【図８】図８は、図２のVIII-VIII線矢視図である。
【図９】図９には、図３のIX部拡大図である。
【図１０】図１０は、図６のＸ矢視図である。
【図１１】図１１は、図１０のXI-XI線断面図である。
【図１２】図１２は、第２の態様の研磨ヘッドを構成するトップリングの断面図である。
【図１３】図１３は、図１２のXIII-XIII線矢視図である。
【図１４】図１４は、支持機構およびリテーナリングの一部を示す平面図である。
【図１５】図１５は、図１４のXV-XV線断面図である。
【図１６】図１６は、図１４のXVI-VI線断面図である。
【図１７】図１７は、図１５のXVII-XVII線断面図である。
【図１８】図１８は、研磨装置の一部を示す模式的断面図である。
【図１９】図１９は、研磨装置を示す模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る研磨装置及び研磨方法の実施形態について図１乃至図１９を参照して詳細に説明する。なお、図１乃至図１９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１とを備えている。
研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１００ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル１００の上面には研磨パッド１０１が貼付されており、研磨パッド１０１の表面１０１ａが半導体ウエハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２４】
トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されており、このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。なお、トップリングシャフト１１１の上端にはロータリージョイント１２５が取り付けられている。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図１に示すように構成された研磨装置において、トップリング１は、その下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１１０はトップリングシャフト１１７を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル１００をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。
【００２９】
次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッドの第１の態様について説明する。図２乃至
図５は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１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。
【００３０】
図２から図５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、トップリング本体２とは独立して研磨面１０１ａを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。
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３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４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３１４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。
【００３１】
図２に示すように、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の半径方向中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。上部材３００は、図３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はメインボルト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。
【００３２】
図２に示すように、リテーナリング３の軸状の保持部４１０は、支持機構４１２を介して下部材３０６に支持されている。本実施形態においては、支持機構４１２は、下部材３０６の凹部３０６ａに嵌合されるとともに下部材３０６に固定された外輪４１３と、外輪４１３に支持された内輪４１４とを備えた球面軸受機構からなっている。外輪４１３の内周面と内輪４１４の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっており、内輪４１４は、支点Ｏを中心として外輪４１３に対して全方向（３６０°）に回転（傾動）可能となっている。リテーナリング３の軸状の保持部４１０は、内輪４１４の円形の貫通孔４１４ｈに上下動可能に収容されている。外輪４１３は、外輪４１３の下端が下部材３０６の凹部３０６ａの段部３０６ｓに当接し、外輪４１３の上端が複数のＣ形止め輪４１５に係合することにより、下部材３０６に固定されている。
【００３３】
図２に示すように構成されたリテーナリング３においては、研磨中は、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａに接地し、研磨面１０１ａのうねりに追従してリテーナリング３はトップリング本体２とは独立して水平面に対して傾動可能になっている。すなわち、研磨面１０１ａの動きに追従してリング部材４０８が水平面に対して傾き、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が傾くが、このリング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾きは、球面軸受機構からなる支持機構４１２により許容される。換言すれば、リング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾動は、外輪４１３に対する、支点Ｏを中心とした内輪４１４の全方向への回転により可能とされる。すなわち、リング部材４０８を含むリテーナリング３は、球面軸受機構からなる支持機構４１２により、トップリング本体２の中心部にある支点Ｏを中心として傾動可能になっている。また、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して、リテーナリング３は、傾動と同時に、上下動する。すなわち、研磨面１０１ａのうねりに追従してリング部材４０８が垂直方向に上下動し、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が上下動するが、この軸状の保持部４１０の上下動は内輪４１４の貫通孔４１４ｈにより案内される。半導体ウエハの研磨中に、半導体ウエハと研磨テーブル１００の研磨面１０１ａとの間の摩擦力によりリテーナリング３に横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向の力は半導体ウエハの中心部の上方に位置する前記支点Ｏで受けることができる。
【００３４】
図２に示すように構成されたリテーナリング３およびリテーナリング３を支持する支持機構４１２によれば、リテーナリング３の傾動時には、リテーナリング３は支持機構４１２により滑らかに傾動する。支持機構４１２の外輪４１３と内輪４１４の摺接面の少なくともいずれか一方には、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）等を含有した被膜が設けられているため、支持機構４１２は良好な摺動性を維持でき、リテーナリング３の傾動を迅速に行うことができる。また、リテーナリング３の軸状の保持部４１０と内輪４１４の貫通孔４１４ｈの摺接面のいずれか一方には、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）又はＰＥＥＫ・ＰＰＳ等の樹脂材料からなる低摩擦材料が設けられているため、リテーナリング３の保持部４１０が支持機構４１２の内輪４１４に対して上下動する際に摺接面（摺動面）の摩擦力を飛躍的に低減することができる。外輪４１３と内輪４１４の少なくともいずれか一方に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も良い。なお、保持部４１０にはＳｉＣ等のセラミックを用いる。
【００３５】
このように、リテーナリング３を球面軸受機構からなる支持機構４１２を介してトップリング本体２の中心部に支持するようにしたため、リテーナリング３が研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して傾動および上下動する際に、リテーナリング３の傾動を広い面積の球面状の摺動面を有した支持機構４１２により支持することができるとともにリテーナリング３の上下動を摺動性の良好な軸状の摺動面を有した支持機構４１２より支持することができるため、摺動面の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
【００３６】
また本実施形態においては、リテーナリング３はトップリング本体２に対して独立して傾動（チルティング）できる構造になっている。仮に、リテーナリング３とトップリング本体２とが一体に傾動（チルティング）する構造にした場合には、研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間に作用する摩擦力により、摩擦力を受けたリテーナリング３とトップリング本体２とが一体となって傾いてしまう。トップリング本体２が傾いてしまうと、半導体ウエハの面内で、半導体ウエハを保持する弾性膜（本実施形態では弾性膜３１４）の伸びが不均一となり、半導体ウエハへの押圧力が不均一になってしまう。これに対して、本実施形態においては、弾性膜３１４を保持したトップリング本体２とは独立にリテーナリング３が傾動（チルティング）可能であるため、研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間に作用する摩擦力に拘わらず、トップリング本体２、特に、弾性膜３１４を保持する下部材３０６は、初期の姿勢を保つことができ、均一に半導体ウエハを研磨面に押圧することができる。
【００３７】
さらに本実施形態においては、リテーナリング３を傾動可能および上下動可能に支持する支持機構４１２は、トップリング本体２の中央部に設けられ、かつトップリング本体２の下部材３０６の凹部３０６ａに収容されているため、支持機構４１２の摺動部分からの摩耗粉は、トップリング本体２内に封じ込められ、研磨面へ落下することがない。
また、本実施形態のように、支持機構４１２を低支点にすることにより、リテーナリング３を傾けるモーメントが小さくなるため、摩擦力によるリテーナリング３の傾きを小さく抑えることが可能となり、半導体ウエハＷがトップリング１からスリップアウトし難い。
【００３８】
トップリング１の構造について更に説明すると、図２に示すように、エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持されている。図３に示すように、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、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。
【００３９】
図２に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。図４に示すように、リプルホルダ３１９には、センター室３６０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３６０に供給されるようになっている。
【００４０】
図２乃至図４に示すように、リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４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３１４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３１４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。
【００４１】
図４に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４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、下部材３０６には、環状溝３４７が形成されており、環状溝３４７の下面にはシール部材３４０、シール部材３４０の上部にはシールリング３４１が設置されており、シールリング３４１の上面は中間部材３０４の下面に押さえ付けられている。シールリング３４１には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４６が形成されている。また、中間部材３０４には、シールリング３４１の流路３４６に連通する流路３４４が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、シールリング３４１の流路３４６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３６１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３１４の下面に半導体ウエハを吸着できるようになっている。
【００４２】
図５に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４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３６２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にリプルホルダ３１８のコネクタ部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３６２に供給されるようになっている。
【００４３】
図５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４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３１４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３６３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３６３に供給されるようになっている。
【００４４】
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３１４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３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３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。
【００４５】
図６は、図２のVI部拡大図である。上述したように、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。リテーナリング押圧機構は、図６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４０１，４０２と、保持部材４０１，４０２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とを備え、リング部材４０８はピストン４０６により下方に押圧されるようになっている。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とから構成されている。
【００４６】
図７は図５のVII部拡大図である。図７に示すように、リング部材４０８を構成する上リング部材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。
【００４７】
図７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室４５１に連通する流路４５０が形成されている。また、上部材３００には、保持部材４０２の流路４５０に連通する流路４５２が形成されている。この保持部材４０２の流路４５０は、上部材３００の流路４５２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室４５１に供給されるようになっている。したがって、室４５１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。
【００４８】
図２乃至図７に示す例では、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。
【００４９】
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、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。
【００５０】
図８は、図２のVIII-VIII線矢視図である。図８に示すように、トップリング本体２の外周部に配置されたリング部材４０８とトップリング本体２の中心部に配置された軸状の保持部４１０とは、４本の連結用アーム４１１により連結されている。連結用アーム４１１は、トップリング本体２の下部材３０６に形成された十字状の溝３０６ｇ内に収容されている。上述したように、リング部材４０８、軸状の保持部４１０および連結用アーム４１１を備えたリテーナリング３は、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して、傾動および上下動可能になっている。下部材３０６には、複数対の駆動ピン３４９，３４９が打ち込まれており、一対の駆動ピン３４９，３４９は各連結用アーム４１１を挟むように配置されている。このように、一対の駆動ピン３４９，３４９が各連結用アーム４１１を挟むようになっているため、トップリング本体２の回転は、下部材３０６から複数対の駆動ピン３４９，３４９を介して連結用アーム４１１に伝達され、トップリング本体２とリテーナリング３は一体となって回転する。駆動ピン３４９の外周面には、ゴムクッション３５０が設けられ、ゴムクッション３５０の外側にＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの低摩擦材料からなるカラー３５１が設けられている。一方、連結用アーム４１１の外面には鏡面処理が施され、低摩擦材料のカラー３５１が接触する連結用アーム４１１の外面の面粗度を向上させるようにしている。
【００５１】
このように、本実施形態においては、駆動ピン３４９には低摩擦材料からなるカラー３５１を設け、カラー３５１が摺接する連結用アーム４１１の外面には鏡面処理を施すことにより、駆動ピン３４９と連結用アーム４１１との摺動性を改善することができる。したがって、リテーナリング３の研磨面に対する追従性を飛躍的に高めることができ、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。なお、駆動ピン３４９に鏡面処理を施し、駆動ピン３４９が係合する連結用アーム４１１の外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。また、トップリング本体２からリテーナリング３に回転を伝達する駆動ピン３４９と連結用アーム４１１とからなる回転駆動部をトップリング本体２内に設けたため、回転駆動部からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【００５２】
図９は、図３のIX部拡大図である。図９に示すように、リング部材４０８のピストン４０６と当接する面には磁石４１９が埋設されている。ピストン４０６は磁性体で形成されており、防錆のため、表面をコーティング／めっき処理している。ピストン４０６は耐蝕性の磁性ステンレスで形成してもよい。このように、リング部材４０８に埋設された磁石４１９の磁力により、磁性体からなるピストン４０６とリング部材４０８とは互いに固定されている。
【００５３】
このようにピストン４０６とリング部材４０８とを磁力を用いて固定することにより、リテーナリング３が研磨中に振動を受けた場合においてもピストン４０６とリング部材４０８とが離れることなく、振動による突発的なリテーナリング３の上昇を防止することができる。したがって、リテーナリング３の面圧を安定させることができ、半導体ウエハがトップリング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。
【００５４】
リング部材４０８が取り付けられたキャリアアセンブリはメンテナンスのために頻繁に取り外されるが、ピストン４０６は比較的メンテナンスの機会が少ない。上述のように、磁力を用いてピストン４０６とリング部材４０８とを固定すれば、取り外される機会の多いリング部材４０８と取り外される機会の少ないピストン４０６とを簡単に分離することができる。
【００５５】
図９に示すように、トップリング本体２の下部材３０６の外周面には縦方向に延びる概略長円形状溝４４２が形成されている。長円形状溝４４２はトップリング本体２の下部材３０６の外周面に所定間隔毎に複数個形成されている（図３参照）。また、リテーナリング３の上リング部材４０８ａには、半径方向内方に突出するストッパ３５４が設けられており、このストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の上端又は下端に係合するようになっている。これにより、リテーナリング３のトップリング本体２に対する上下位置が規制されるようになっている。すなわち、ストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の上端に係合したときには、リテーナリング３はトップリング本体２に対して最上方の位置となり、ストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の下端に係合したときには、リテーナリング３はトップリング本体２に対して最下方の位置になる。
【００５６】
本実施形態におけるトップリング１は、ピストン４０６とリング部材４０８とを引き離す機構を備えている。図２および図６に示すように、リング部材４０８には、軸４３０を中心として回転可能な複数のカムリフタ４３２が設けられている。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は図６のＸ矢視図であり、図１０（ａ）はカムリフタ４３２が作動した状態を示し、図１０（ｂ）はカムリフタ４３２の非作動状態を示す。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、カムリフタ４３２の外周面はカム面になっており、このカム面は軸４３０（図６参照）の軸心からの半径が変化するように形成されている。そして、カムリフタ４３２を回転させることで、最も半径の大きくなっている部分４３２ａでピストン４０６を押し上げるようになっている。なお、カムリフタ４３２の軸４３０の軸心部分にはレンチを挿入するレンチ穴４３４が形成されている。
【００５７】
図１０（ａ）において、またカムリフタ４３２の上部には上部円弧面４３２ｂが形成され、カムリフタ４３２の下部には下部円弧面４３２ｃが形成されている。そして、図６に示すように、カムリフタ４３２の直下には、螺子４３３が設けられている。カムリフタ４３２は、図１０（ａ）に示すように、時計方向および反時計方向に回転可能になっている。そして、上部円弧面４３２ｂ又は下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合して、カムリフタ４３２の回転は所定範囲（略９０°）に制限されている。図１０（ａ）に示すように、下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合すると、カムリフタ４３２の時計方向への回転が規制され、図１０（ｂ）に示すように、上部円弧面４３２ｂが螺子４３３に係合するとカムリフタ４３２の反時計方向への回転が規制される。すなわち、カムリフタ４３２の上部円弧面４３２ｂ，下部円弧面４３２ｃおよび螺子４３３は、カムリフタ４３２の時計方向及び反時計方向の回転角度を所定範囲（略９０°）に規制する回転規制部材を構成している。
【００５８】
図１１は図１０のXI-XI線断面図である。図１１に示すように、カムリフタ４３２の裏面には、略９０°離間した位置に２つの凹部４３６が形成されており（図１１では１つの凹部４３６のみ示す）、リング部材４０８には、圧縮コイルバネ４４４によりカムリフタ４３２の裏面に向かって押圧されるボール４３８が配置されている。そして、ボール４３８がカムリフタ４３２の凹部４３６内に嵌合されることにより、カムリフタ４３２の位置が固定されるようになっている。
【００５９】
キャリアアセンブリのメンテナンス時などには、レンチ穴４３４にレンチを挿入してカムリフタ４３２を回転させることにより、カムリフタ４３２の外周面のカム面により、ピストン４０６とリング部材４０８との間に強制的に隙間を形成することができる。これにより、上述したピストン４０６と磁石４１９との間の磁力による締結力を弱めることができ、ピストン４０６とリング部材４０８との分離を容易にすることができる。そして、ピストン４０６とリング部材４０８とを分離する際、図１０（ａ）に示すように、カムリフタ４３２の回転は、カムリフタ４３２の下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合して停止し、このとき、ボール４３８がカムリフタ４３２の一方の凹部４３６に嵌合し（図１１参照）、カムリフタ４３２の固定がなされる。また、ピストン４０６とリング部材４０８とを固定する際にも、レンチ穴４３４にレンチを挿入してカムリフタ４３２を回転させる。この際には、図１０（ｂ）に示すように、カムリフタ４３２の回転は、カムリフタ４３２の上部円弧面４３２ｂが螺子４３３に係合して停止し、このとき、ボール４３８がカムリフタ４３２の他方の凹部４３６に嵌合し、カムリフタ４３２の固定がなされる。
【００６０】
リング部材４０８をピストン４０６から分離する際には、図３に示すメインボルト３１０を取り外して、リング部材４０８、軸状の保持部４１０および連結用アーム４１１を有したリテーナリング３とともに弾性膜３１４を有した下部材３０６を中間部材３０４から分離することができるようになっている。これにより、リテーナリング３とともに弾性膜３１４を有した下部材３０６を分離できるため、リテーナリング３の下リング部材４０８ｂのメンテナンスや弾性膜３１４のメンテナンスを容易に行うことができる。
なお、図９乃至図１１に示す例では、ピストン４０６を磁性体とし、リング部材４０８に磁石４１９を埋設しているが、リング部材４０８を磁性体とし、ピストン４０６に磁石を埋設してもよい。また、リング部材４０８にカムリフタ４３２を設けているが、ピストン４０６にカムリフタ４３２を設けてもよい。
【００６１】
リテーナリング３について図６を参照して更に説明する。図６に示すように、下リング部材４０８ｂには、ＳＵＳ等からなる金属性リング４４０が嵌合されている。下リング部材４０８ｂにＳＵＳ等の金属性リング４４０が嵌合されているため、下リング部材４０８ｂの剛性を高めることができ、リング部材４０８が研磨面１０１ａと摺接してリング部材４０８の温度が上昇しても、下リング部材４０８ｂの熱変形を抑制することができる。
また、図６に示すように、下リング部材４０８ｂの外周面と金属性リング４４０との間にＯリング４４１を介装し、さらに金属性リング４４０とシリンダ４００との間に接続シート４２０を設けているため、研磨ヘッド（トップリング）内から研磨面へ異物が落下することを防ぐことができ、また外部から研磨ヘッド内へ研磨液（スラリー）等が侵入することを防ぐことができる。
【００６２】
図２乃至図６に示すように、弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４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３１４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、研磨ヘッド（トップリング）内から研磨面へ異物が落下することを防ぐことができ、また弾性膜３１４とリテーナリング３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３１４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。
【００６３】
ここで、接続シート４２０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。
【００６４】
本実施形態のトップリング１においては、弾性膜３１４のセンター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する圧力により半導体ウエハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド１０１から上方に離れた位置にする必要がある。
【００６５】
本実施形態では、リテーナリング３をトップリング本体２の下部材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。
【００６６】
なお、上述した例では、半導体ウエハの略全面に弾性膜３１４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３１４は半導体ウエハの少なくとも一部に当接するものであればよい。
【００６７】
次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッドの第２の態様について説明する。図１２は第２の態様の研磨ヘッドを構成するトップリング１の断面図である。図１３は図１２のXIII-XIII線矢視図である。第２の態様の研磨ヘッドにおいては、リテーナリング３の保持部４１０を支持する軸受機構としてジャイロ機構が用いられている。図１２および図１３に示すように、第２の態様の研磨ヘッドにおいては、第１の態様の研磨ヘッドと同様に、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。そして、リテーナリング３の保持部４１０は、ジャイロ機構からなる支持機構５１２を介して下部材３０６に支持されている。支持機構５１２は、下部材３０６の凹部３０６ａに嵌合されるとともに下部材３０６に固定された外輪５１３と、外輪５１３に支持された中間輪５１４と、中間輪５１４に支持された内輪５１５とを備えている。外輪５１３の内周面と中間輪５１４の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっている。また中間輪５１４の内周面と内輪５１５の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっている。
【００６８】
図１４乃至図１７は、支持機構５１２の詳細構造を示す図であり、図１４は支持機構５１２およびリテーナリング３の一部を示す平面図、図１５は図１４のXV-XV線断面図、図１６は図１４のXVI-VI線断面図、図１７は図１５のXVII-XVII線断面図である。図１４乃至図１７に示すように、外輪５１３の内周面と中間輪５１４の外周面との間には、２つのボール５１６，５１６が介装されており、中間輪５１４の内周面と内輪５１５の外周面との間には、２つのボール５１７，５１７が介装されている。
【００６９】
図１４乃至図１７に示す支持機構５１２においては、中間輪５１４は、外輪５１３に対して、２つのボール５１６，５１６を結ぶ水平な軸線Ｌ１のまわりに回転するようになっている。また、内輪５１５は、中間輪５１４に対して、２つのボール５１７，５１７を結ぶ水平な軸線Ｌ２のまわりに回転するようになっている。またリテーナリング３の軸状の保持部４１０は、六角形断面に形成されていて、内輪５１５の六角形の貫通孔５１５ｈに上下動可能に収容されている。図１６に示すように、外輪５１３は、外輪５１３の下端が下部材３０６の凹部３０６ａの段部３０６ｓに当接し、外輪５１３の上端がクリップ５１８に係合することにより、下部材３０６に固定されている。
【００７０】
上述の構成において、リング部材４０８とともに軸状の保持部４１０が傾くと、軸状の保持部４１０と一体に内輪５１５が前記軸線Ｌ２のまわりに矢印Ａで示すように回転し、軸状の保持部４１０と一体に内輪５１５および中間輪５１４が前記軸線Ｌ１のまわりに矢印Ｂで示すように回転する。すなわち、軸状の保持部４１０とともに内輪５１５は直交する水平な２つの軸線Ｌ１，Ｌ２のまわりに回転することになり、その結果、軸状の保持部４１０とともに内輪５１５は、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２の交点である支点Ｏを中心として全方向（３６０°）に回転（傾動）可能になっている。
【００７１】
図１２乃至１７に示すように構成されたリテーナリング３において、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリテーナリング３が水平面に対して傾動可能になっている。すなわち、研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリング部材４０８が水平面に対して傾き、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が傾くが、このリング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾きは、ジャイロ機構からなる支持機構５１２により許容される。換言すれば、リング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾動は、外輪５１３に対する、支点Ｏを中心とした内輪５１５の全方向（３６０°）への回転により可能とされる。すなわち、リング部材４０８を含むリテーナリング３は、ジャイロ機構からなる支持機構５１２により、トップリング本体２の中心部にある支点Ｏを中心として傾動可能になっている。また、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねりに追従して、リテーナリング３は、傾動と同時に、上下動する。すなわち、研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリング部材４０８が垂直方向に上下動し、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が上下動するが、この軸状の保持部４１０の上下動は内輪５１５の貫通孔５１５ｈにより案内される。半導体ウエハの研磨中に、半導体ウエハと研磨テーブル１００の研磨面１０１ａとの間の摩擦力によりリテーナリング３に横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向の力は半導体ウエハの中心部の上方に位置する前記支点Ｏで受けることができる。
【００７２】
図１６および図１７に示すように、外輪５１３の外周面には複数の円弧状切り欠き５１３ｃ、下部材３０６の内周面には複数の円弧状切り欠き３０６ｃが形成されている。切り欠き５１３ｃおよび３０６ｃにより形成される円筒状溝にはピン５１９が埋設されている。このような構成により、トップリング本体２の回転はピン５１９を介して外輪５１３に伝達され、更にボール５１６、中間輪５１４、ボール５１７を介して内輪５１５へ伝達される。また本実施形態においては、リテーナリング３の保持部４１０は六角形断面の軸状に形成されていて、六角形断面の軸状の保持部４１０は内輪５１５の六角形の貫通孔５１５ｈに収容されており、また内輪５１５は直交する２つの軸線Ｌ１，Ｌ２のまわりの回転のみ許容されるようになっているため、トップリング本体２の回転は、内輪５１５の六角形断面の貫通孔５１５ｈを介して六角形断面の軸状の保持部４１０に伝達され、リテーナリング３はトップリング本体２と一体に回転する。したがって、本実施形態においては、第１の態様で用いられたリテーナリング３をトップリング本体２と一体に回転させるための駆動ピン３４９は不要となる。なお、支持機構５１２における摺動面を低摩擦材料で構成したこと等は、第１の態様の支持機構４１２と同様である。
【００７３】
図１８および図１９は、本発明のリテーナリング３を冷却する冷却装置を設けた研磨装置を示す図であり、図１８は研磨装置の一部を示す模式的断面図であり、図１９は研磨装置を示す模式的平面図である。図１８および図１９に示すように、リテーナリング３のリング部材４０８には、ＳＵＳ等からなる金属性リング４４０が嵌合されている。そして、トップリング１に隣接してノズルブロック５２０が設置されている。ノズルブロック５２０には複数のノズル５２０ａが形成されており、またノズルブロック５２０には圧縮空気や窒素ガス等の加圧気体、又はミスト等の加圧流体が流体供給源から供給されるようになっている。リング部材４０８は、研磨面との摩擦熱により温度上昇するが、ノズルブロック５２０に加圧流体を供給することにより、複数のノズル５２０ａより加圧流体が金属性リング４４０の外周面に吹きつけられる。これにより、リング部材４０８が冷却され、リング部材４０８の温度上昇を抑えることができ、リング部材４０８の熱膨張を抑えることができる。したがって、リング部材４０８による研磨パッド１０１のパッド面の形状を補正する効果を永続させることができる。
【００７４】
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。
【符号の説明】
【００７５】
１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
１０１ａ 研磨面
１１１ トップリングシャフト
３００ 上部材
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３０６ｃ 切り欠き
３０６ｇ 溝
３０６ｓ 段部
３０８ ボルト
３１４ 弾性膜
３１４ａ，３１４ｂ リプル
３１４ｃ エッジ
３１４ｄ エッジ（外周縁）
３１４ｆ 隙間
３１６ エッジホルダ
３１６ｄ，３１８ｂ，３１８ｃ，３１９ａ 爪部
３１８，３１９ リプルホルダ
３２０，３２２ ストッパ
３２４，３２５，３２６，３２８，３３４，３３６，３３８ 流路
３２７ コネクタ部
３４０ シール部材
３４１ シールリング
３４２，３４４，３４６ 流路
３４７ 環状溝
３４９ 駆動ピン
３６０ センター室
３６１ リプル室
３６２ アウター室
３６３ エッジ室
４００ シリンダ
４０１，４０２ 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 保持部
４１１ 連結用アーム
４１２ 支持機構
４１３ 外輪
４１４ 内輪
４１４ｈ 貫通孔
４１５ Ｃ形止め輪
４１８ アーム
４１９ 磁石
４２０ 接続シート
４２２ シール部材
４３０ 軸
４３２ カムリフタ
４３２ａ 部分
４３４ レンチ穴
４３６ 凹部
４３８ ボール
４４０ 金属性リング
４４１ Ｏリング
４４２ 長円形状溝
４５０，４５２ 流路
４５１ 室
５１２ 支持機構
５１３ 外輪
５１３ｃ 切り欠き
５１４ 中間輪
５１５ 内輪
５１５ｈ 貫通孔
５１６，５１６ ボール
５１７，５１７ ボール
５１８ クリップ
５１９ ピン
５２０ ノズルブロック
５２０ａ ノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００４】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００５】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。半導体ウエハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に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押圧することが行われている。
【０００６】
この場合、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウエハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウエ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、半導体ウエ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とすることによって半導体ウエハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面を押圧するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２５５８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の研磨装置においては、研磨中に、半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の摩擦力によりリテーナリングに横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向（水平方向）の力はリテーナリングの外周側に設けたリテーナリングガイドにより受ける構造にしている。このような構造の研磨装置は、以下に列挙するような問題点がある。
１）研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間の摩擦力によりリテーナリングへ加わる横方向の力を受ける支点がリテーナリングの外周部にある従来の研磨ヘッドでは、リテーナリングとリテーナリングガイドの接触面積が小さいために、リテーナリングが研磨パッドの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）および上下動する際に、リテーナリング外周面とリテーナリングガイド内周面との間の摺動面に大きな摩擦力が発生し、リテーナリングの追従性が不足することになり、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができないという問題点がある。
【０００９】
２）リテーナリングの支点がリテーナリングの外周部にあり、リテーナリングにトップリング（又はキャリアヘッド）の回転力を付与する回転駆動部がリテーナリングの上部にある従来の研磨ヘッドでは、支点部や回転駆動部の摺動により摩耗粉の発生がある。この摩耗粉が研磨面へ落下してしまうと半導体ウエハの欠陥となってしまう可能性が高いために摩耗粉の落下を防ぐ部材（ブーツ）が必要となるが、ブーツは消耗品交換の際に再取り付けが必要な部材のためメンテナンス性を悪化させているという問題点がある。
【００１０】
３）リテーナリングは研磨中に熱膨張するためにリテーナリングガイドとの間に適切なクリアランスを設ける必要がある。このクリアランスのためにリテーナリングに遊びがあり、研磨中にリテーナリングがクリアランス内を移動してリテーナリングガイドと衝接する際に異音や振動が生じるという問題点があり、またリテーナリングが半導体ウエハに対して偏心して半導体ウエハ外周部の研磨レートにおいて円周上のバラツキが増大することにも繋がる。
４）リテーナリングは研磨面との摩擦熱により熱膨張しようとするが、リテーナリングを取り付けているドライブリングとの温度差および線膨張係数の差により、リテーナリングがハの字に開いたような形状となってしまう。この状態での研磨ではリテーナリング内周側がより早く摩耗する偏摩耗が生じてしまい、リテーナリングの交換初期とその後では、パッド面形状を補正するリテーナリングの効果が変化してしまう。また複数枚の半導体ウエハを連続処理する状況ではリテーナリングの温度が半導体ウエハ間で徐々に上昇していく状況となるが、そうなった場合にリテーナリングの熱変形量が徐々に大きくなり半導体ウエハ間でリテーナリングの効果が変化してしまうことになる。研磨面と半導体ウエハ間の摩擦力に起因するリテーナリングの変形によってもリテーナリングの偏摩耗およびリテーナリングの効果が経時変化する原因となる。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、基板を保持するトップリングの外周部に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができ、リテーナリングの摺動部分に発生する摩耗粉が研磨面へ落下することを防止し、かつリテーナリングの熱膨張を抑制することができる研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の研磨装置は、研磨面を有した研磨テーブルと、圧力流体が供給される圧力室を有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧するトップリング本体と、前記トップリング本体の外周部に設けられるとともに前記トップリング本体とは独立して上下動可能に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、前記リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方に位置させるようにしたことを特徴とするものである。
本発明によれば、リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方、すなわちトップリング本体の中心部に位置させるようにしたため、支持機構の支持面（摺動面）を広い面積とすることができ、リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）する際に、リテーナリングを摺動可能に支持する摺動部分の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構は、前記リテーナリングを上下動可能に支持することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングは、前記支持機構により前記トップリング本体とは独立して可動になっていることを特徴とする。
本発明によれば、弾性膜を保持したトップリング本体とは独立にリテーナリングが傾動（チルティング）可能であるため、研磨パッドの研磨面と基板間に作用する摩擦力に拘わらず、トップリング本体、特に、弾性膜を保持する部材は初期の姿勢を保つことができ、均一に基板を研磨面に押圧することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構の摺接面は低摩擦材料で構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、支持機構の摺接面を低摩擦材料で構成したため、リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねりに追従して傾動および上下動する際に、リテーナリングを支持する支持機構の摺接面（摺動面）の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
ここで、低摩擦材料とは、摩擦係数が０．３５以下である低い摩擦係数の材料を云い、０．２５以下であることが望ましい。また、前記低摩擦材料は、耐磨耗性の高い摺動材料であることが望ましい。前記低摩擦材料は、例えば含油ポリアセタール樹脂等からなる。
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングは、前記基板の外周縁を保持するためのリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記リング部材を保持するための保持部と、前記リング部材と前記保持部とを連結するための連結用アームとを備え、前記保持部が前記支持機構により支持されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリング本体は、弾性膜により形成され圧力流体が供給される複数の圧力室を有し、前記支持機構は、前記基板の中心部に対応した位置にある圧力室の上方にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記支持機構は、前記リテーナリングを球面で回転可能に支持する球面軸受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、前記支持機構は、前記リテーナリングを直交する二つの軸線のまわりに回転可能に支持するジャイロ機構からなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングに金属性リングを装着したことを特徴とする。
本発明によれば、リテーナリングには、ＳＵＳ等の金属性リングが装着されているため、リテーナリングの剛性を高めることができ、リテーナリングが研磨面と摺接してリテーナリングの温度が上昇してもリテーナリングの熱変形を抑制することができる。
【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記リテーナリングを冷却する流体を供給するノズルを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、リテーナリングは、研磨面との摩擦熱により温度上昇するが、冷却用流体がリテーナリングの外周面に吹きつけられるため、リテーナリングの温度上昇を抑えることができ、リテーナリングの熱膨張を抑えることができる。
【００１８】
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリング本体の回転を前記リテーナリングに伝達する回転駆動部を前記トップリング本体内に設けたことを特徴とする。
本発明によれば、トップリング本体からリテーナリングに回転を伝達する回転駆動部をトップリング本体内に設けたので、回転駆動部からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
（１）リテーナリングが研磨テーブルの研磨面のうねり（動き）に追従して傾動（チルティング）する際に、リテーナリングを摺動可能に支持する摺動部分の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
（２）リテーナリングを摺動可能に支持する部分がトップリング本体内にあるので、摺動部分からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【００２０】
（３）従来の研磨装置においては、リテーナリングをリテーナリングの外周部にあるリテーナリングガイドで支持していたため、リテーナリングとリテーナリングガイドとの間にクリアランスがあり、研磨中にリテーナリングがクリアランス内を移動してリテーナリングガイドと衝接する際に異音や振動が生じ、また半導体ウエハ外周部の研磨レートにおいて円周上のバラツキが生ずるという問題があったが、本発明においては、リテーナリングをトップリング本体の中心部で支持させるようにしたため、リテーナリングの外周側にリテーナリングガイドを設ける必要がなく、リテーナリングがクリアランス内を移動して生ずる異音や振動の発生を防止することができ、また基板外周部の研磨レートの円周上のバラツキを防止することができる。
【００２１】
（４）リテーナリングには、ＳＵＳ等の金属性リングが装着されているため、リテーナリングの剛性を高めることができ、リテーナリングが研磨面と摺接して温度が上昇してもリテーナリングの熱変形を抑制することができる。また、リテーナリングに、冷却用流体を供給することによって、リテーナリングを冷却することができる。したがって、リテーナリングの温度上昇を抑えることができるので、リテーナリングの熱膨張を抑えることができ、研磨パッドからなる研磨面の形状を補正するリテーナリングの効果が経時的に変化することがない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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】図２は、第１の態様の研磨ヘッドを構成するトップリングの断面図である。
【図３】図３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４】図４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５】図５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６】図６は、図２のVI部拡大図である。
【図７】図７は、図５のVII部拡大図である。
【図８】図８は、図２のVIII-VIII線矢視図である。
【図９】図９には、図３のIX部拡大図である。
【図１０】図１０は、図６のＸ矢視図である。
【図１１】図１１は、図１０のXI-XI線断面図である。
【図１２】図１２は、第２の態様の研磨ヘッドを構成するトップリングの断面図である。
【図１３】図１３は、図１２のXIII-XIII線矢視図である。
【図１４】図１４は、支持機構およびリテーナリングの一部を示す平面図である。
【図１５】図１５は、図１４のXV-XV線断面図である。
【図１６】図１６は、図１４のXVI-VI線断面図である。
【図１７】図１７は、図１５のXVII-XVII線断面図である。
【図１８】図１８は、研磨装置の一部を示す模式的断面図である。
【図１９】図１９は、研磨装置を示す模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る研磨装置及び研磨方法の実施形態について図１乃至図１９を参照して詳細に説明する。なお、図１乃至図１９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１とを備えている。
研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１００ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル１００の上面には研磨パッド１０１が貼付されており、研磨パッド１０１の表面１０１ａが半導体ウエハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２４】
トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されており、このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。なお、トップリングシャフト１１１の上端にはロータリージョイント１２５が取り付けられている。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図１に示すように構成された研磨装置において、トップリング１は、その下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１１０はトップリングシャフト１１７を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル１００をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。
【００２９】
次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッドの第１の態様について説明する。図２乃至
図５は、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する研磨ヘッドを構成するトップリング１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。
【００３０】
図２から図５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、トップリング本体２とは独立して研磨面１０１ａを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。
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３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４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３１４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。
【００３１】
図２に示すように、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の半径方向中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。上部材３００は、図３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はメインボルト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。
【００３２】
図２に示すように、リテーナリング３の軸状の保持部４１０は、支持機構４１２を介して下部材３０６に支持されている。本実施形態においては、支持機構４１２は、下部材３０６の凹部３０６ａに嵌合されるとともに下部材３０６に固定された外輪４１３と、外輪４１３に支持された内輪４１４とを備えた球面軸受機構からなっている。外輪４１３の内周面と内輪４１４の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっており、内輪４１４は、支点Ｏを中心として外輪４１３に対して全方向（３６０°）に回転（傾動）可能となっている。リテーナリング３の軸状の保持部４１０は、内輪４１４の円形の貫通孔４１４ｈに上下動可能に収容されている。外輪４１３は、外輪４１３の下端が下部材３０６の凹部３０６ａの段部３０６ｓに当接し、外輪４１３の上端が複数のＣ形止め輪４１５に係合することにより、下部材３０６に固定されている。
【００３３】
図２に示すように構成されたリテーナリング３においては、研磨中は、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａに接地し、研磨面１０１ａのうねりに追従してリテーナリング３はトップリング本体２とは独立して水平面に対して傾動可能になっている。すなわち、研磨面１０１ａの動きに追従してリング部材４０８が水平面に対して傾き、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が傾くが、このリング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾きは、球面軸受機構からなる支持機構４１２により許容される。換言すれば、リング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾動は、外輪４１３に対する、支点Ｏを中心とした内輪４１４の全方向への回転により可能とされる。すなわち、リング部材４０８を含むリテーナリング３は、球面軸受機構からなる支持機構４１２により、トップリング本体２の中心部にある支点Ｏを中心として傾動可能になっている。また、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して、リテーナリング３は、傾動と同時に、上下動する。すなわち、研磨面１０１ａのうねりに追従してリング部材４０８が垂直方向に上下動し、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が上下動するが、この軸状の保持部４１０の上下動は内輪４１４の貫通孔４１４ｈにより案内される。半導体ウエハの研磨中に、半導体ウエハと研磨テーブル１００の研磨面１０１ａとの間の摩擦力によりリテーナリング３に横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向の力は半導体ウエハの中心部の上方に位置する前記支点Ｏで受けることができる。
【００３４】
図２に示すように構成されたリテーナリング３およびリテーナリング３を支持する支持機構４１２によれば、リテーナリング３の傾動時には、リテーナリング３は支持機構４１２により滑らかに傾動する。支持機構４１２の外輪４１３と内輪４１４の摺接面の少なくともいずれか一方には、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）等を含有した被膜が設けられているため、支持機構４１２は良好な摺動性を維持でき、リテーナリング３の傾動を迅速に行うことができる。また、リテーナリング３の軸状の保持部４１０と内輪４１４の貫通孔４１４ｈの摺接面のいずれか一方には、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）又はＰＥＥＫ・ＰＰＳ等の樹脂材料からなる低摩擦材料が設けられているため、リテーナリング３の保持部４１０が支持機構４１２の内輪４１４に対して上下動する際に摺接面（摺動面）の摩擦力を飛躍的に低減することができる。外輪４１３と内輪４１４の少なくともいずれか一方に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も良い。なお、保持部４１０にはＳｉＣ等のセラミックを用いる。
【００３５】
このように、リテーナリング３を球面軸受機構からなる支持機構４１２を介してトップリング本体２の中心部に支持するようにしたため、リテーナリング３が研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して傾動および上下動する際に、リテーナリング３の傾動を広い面積の球面状の摺動面を有した支持機構４１２により支持することができるとともにリテーナリング３の上下動を摺動性の良好な軸状の摺動面を有した支持機構４１２より支持することができるため、摺動面の摩擦力を飛躍的に低減することができ、リテーナリングの研磨面に対する追従性を高め、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。
【００３６】
また本実施形態においては、リテーナリング３はトップリング本体２に対して独立して傾動（チルティング）できる構造になっている。仮に、リテーナリング３とトップリング本体２とが一体に傾動（チルティング）する構造にした場合には、研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間に作用する摩擦力により、摩擦力を受けたリテーナリング３とトップリング本体２とが一体となって傾いてしまう。トップリング本体２が傾いてしまうと、半導体ウエハの面内で、半導体ウエハを保持する弾性膜（本実施形態では弾性膜３１４）の伸びが不均一となり、半導体ウエハへの押圧力が不均一になってしまう。これに対して、本実施形態においては、弾性膜３１４を保持したトップリング本体２とは独立にリテーナリング３が傾動（チルティング）可能であるため、研磨パッドの研磨面と半導体ウエハ間に作用する摩擦力に拘わらず、トップリング本体２、特に、弾性膜３１４を保持する下部材３０６は、初期の姿勢を保つことができ、均一に半導体ウエハを研磨面に押圧することができる。
【００３７】
さらに本実施形態においては、リテーナリング３を傾動可能および上下動可能に支持する支持機構４１２は、トップリング本体２の中央部に設けられ、かつトップリング本体２の下部材３０６の凹部３０６ａに収容されているため、支持機構４１２の摺動部分からの摩耗粉は、トップリング本体２内に封じ込められ、研磨面へ落下することがない。
また、本実施形態のように、支持機構４１２を低支点にすることにより、リテーナリング３を傾けるモーメントが小さくなるため、摩擦力によるリテーナリング３の傾きを小さく抑えることが可能となり、半導体ウエハＷがトップリング１からスリップアウトし難い。
【００３８】
トップリング１の構造について更に説明すると、図２に示すように、エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持されている。図３に示すように、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、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。
【００３９】
図２に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。図４に示すように、リプルホルダ３１９には、センター室３６０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３６０に供給されるようになっている。
【００４０】
図２乃至図４に示すように、リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４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３１４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３１４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。
【００４１】
図４に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４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、下部材３０６には、環状溝３４７が形成されており、環状溝３４７の下面にはシール部材３４０、シール部材３４０の上部にはシールリング３４１が設置されており、シールリング３４１の上面は中間部材３０４の下面に押さえ付けられている。シールリング３４１には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４６が形成されている。また、中間部材３０４には、シールリング３４１の流路３４６に連通する流路３４４が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、シールリング３４１の流路３４６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３６１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３１４の下面に半導体ウエハを吸着できるようになっている。
【００４２】
図５に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４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３６２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にリプルホルダ３１８のコネクタ部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３６２に供給されるようになっている。
【００４３】
図５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４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３１４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３６３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３６３に供給されるようになっている。
【００４４】
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３１４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３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３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。
【００４５】
図６は、図２のVI部拡大図である。上述したように、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。リテーナリング押圧機構は、図６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４０１，４０２と、保持部材４０１，４０２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とを備え、リング部材４０８はピストン４０６により下方に押圧されるようになっている。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とから構成されている。
【００４６】
図７は図５のVII部拡大図である。図７に示すように、リング部材４０８を構成する上リング部材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。
【００４７】
図７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室４５１に連通する流路４５０が形成されている。また、上部材３００には、保持部材４０２の流路４５０に連通する流路４５２が形成されている。この保持部材４０２の流路４５０は、上部材３００の流路４５２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室４５１に供給されるようになっている。したがって、室４５１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。
【００４８】
図２乃至図７に示す例では、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。
【００４９】
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、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。
【００５０】
図８は、図２のVIII-VIII線矢視図である。図８に示すように、トップリング本体２の外周部に配置されたリング部材４０８とトップリング本体２の中心部に配置された軸状の保持部４１０とは、４本の連結用アーム４１１により連結されている。連結用アーム４１１は、トップリング本体２の下部材３０６に形成された十字状の溝３０６ｇ内に収容されている。上述したように、リング部材４０８、軸状の保持部４１０および連結用アーム４１１を備えたリテーナリング３は、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従して、傾動および上下動可能になっている。下部材３０６には、複数対の駆動ピン３４９，３４９が打ち込まれており、一対の駆動ピン３４９，３４９は各連結用アーム４１１を挟むように配置されている。このように、一対の駆動ピン３４９，３４９が各連結用アーム４１１を挟むようになっているため、トップリング本体２の回転は、下部材３０６から複数対の駆動ピン３４９，３４９を介して連結用アーム４１１に伝達され、トップリング本体２とリテーナリング３は一体となって回転する。駆動ピン３４９の外周面には、ゴムクッション３５０が設けられ、ゴムクッション３５０の外側にＰＴＦＥやＰＥＥＫ・ＰＰＳなどの低摩擦材料からなるカラー３５１が設けられている。一方、連結用アーム４１１の外面には鏡面処理が施され、低摩擦材料のカラー３５１が接触する連結用アーム４１１の外面の面粗度を向上させるようにしている。
【００５１】
このように、本実施形態においては、駆動ピン３４９には低摩擦材料からなるカラー３５１を設け、カラー３５１が摺接する連結用アーム４１１の外面には鏡面処理を施すことにより、駆動ピン３４９と連結用アーム４１１との摺動性を改善することができる。したがって、リテーナリング３の研磨面に対する追従性を飛躍的に高めることができ、所望のリテーナリング面圧を研磨面に与えることができる。なお、駆動ピン３４９に鏡面処理を施し、駆動ピン３４９が係合する連結用アーム４１１の外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。また、トップリング本体２からリテーナリング３に回転を伝達する駆動ピン３４９と連結用アーム４１１とからなる回転駆動部をトップリング本体２内に設けたため、回転駆動部からの摩耗粉をトップリング本体内に封じ込めることができるため、摩耗粉が研磨面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基板の欠陥を飛躍的に減少させることができる。
【００５２】
図９は、図３のIX部拡大図である。図９に示すように、リング部材４０８のピストン４０６と当接する面には磁石４１９が埋設されている。ピストン４０６は磁性体で形成されており、防錆のため、表面をコーティング／めっき処理している。ピストン４０６は耐蝕性の磁性ステンレスで形成してもよい。このように、リング部材４０８に埋設された磁石４１９の磁力により、磁性体からなるピストン４０６とリング部材４０８とは互いに固定されている。
【００５３】
このようにピストン４０６とリング部材４０８とを磁力を用いて固定することにより、リテーナリング３が研磨中に振動を受けた場合においてもピストン４０６とリング部材４０８とが離れることなく、振動による突発的なリテーナリング３の上昇を防止することができる。したがって、リテーナリング３の面圧を安定させることができ、半導体ウエハがトップリング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。
【００５４】
リング部材４０８が取り付けられたキャリアアセンブリはメンテナンスのために頻繁に取り外されるが、ピストン４０６は比較的メンテナンスの機会が少ない。上述のように、磁力を用いてピストン４０６とリング部材４０８とを固定すれば、取り外される機会の多いリング部材４０８と取り外される機会の少ないピストン４０６とを簡単に分離することができる。
【００５５】
図９に示すように、トップリング本体２の下部材３０６の外周面には縦方向に延びる概略長円形状溝４４２が形成されている。長円形状溝４４２はトップリング本体２の下部材３０６の外周面に所定間隔毎に複数個形成されている（図３参照）。また、リテーナリング３の上リング部材４０８ａには、半径方向内方に突出するストッパ３５４が設けられており、このストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の上端又は下端に係合するようになっている。これにより、リテーナリング３のトップリング本体２に対する上下位置が規制されるようになっている。すなわち、ストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の上端に係合したときには、リテーナリング３はトップリング本体２に対して最上方の位置となり、ストッパ３５４が下部材３０６の長円形状溝４４２の下端に係合したときには、リテーナリング３はトップリング本体２に対して最下方の位置になる。
【００５６】
本実施形態におけるトップリング１は、ピストン４０６とリング部材４０８とを引き離す機構を備えている。図２および図６に示すように、リング部材４０８には、軸４３０を中心として回転可能な複数のカムリフタ４３２が設けられている。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は図６のＸ矢視図であり、図１０（ａ）はカムリフタ４３２が作動した状態を示し、図１０（ｂ）はカムリフタ４３２の非作動状態を示す。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、カムリフタ４３２の外周面はカム面になっており、このカム面は軸４３０（図６参照）の軸心からの半径が変化するように形成されている。そして、カムリフタ４３２を回転させることで、最も半径の大きくなっている部分４３２ａでピストン４０６を押し上げるようになっている。なお、カムリフタ４３２の軸４３０の軸心部分にはレンチを挿入するレンチ穴４３４が形成されている。
【００５７】
図１０（ａ）において、またカムリフタ４３２の上部には上部円弧面４３２ｂが形成され、カムリフタ４３２の下部には下部円弧面４３２ｃが形成されている。そして、図６に示すように、カムリフタ４３２の直下には、螺子４３３が設けられている。カムリフタ４３２は、図１０（ａ）に示すように、時計方向および反時計方向に回転可能になっている。そして、上部円弧面４３２ｂ又は下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合して、カムリフタ４３２の回転は所定範囲（略９０°）に制限されている。図１０（ａ）に示すように、下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合すると、カムリフタ４３２の時計方向への回転が規制され、図１０（ｂ）に示すように、上部円弧面４３２ｂが螺子４３３に係合するとカムリフタ４３２の反時計方向への回転が規制される。すなわち、カムリフタ４３２の上部円弧面４３２ｂ，下部円弧面４３２ｃおよび螺子４３３は、カムリフタ４３２の時計方向及び反時計方向の回転角度を所定範囲（略９０°）に規制する回転規制部材を構成している。
【００５８】
図１１は図１０のXI-XI線断面図である。図１１に示すように、カムリフタ４３２の裏面には、略９０°離間した位置に２つの凹部４３６が形成されており（図１１では１つの凹部４３６のみ示す）、リング部材４０８には、圧縮コイルバネ４４４によりカムリフタ４３２の裏面に向かって押圧されるボール４３８が配置されている。そして、ボール４３８がカムリフタ４３２の凹部４３６内に嵌合されることにより、カムリフタ４３２の位置が固定されるようになっている。
【００５９】
キャリアアセンブリのメンテナンス時などには、レンチ穴４３４にレンチを挿入してカムリフタ４３２を回転させることにより、カムリフタ４３２の外周面のカム面により、ピストン４０６とリング部材４０８との間に強制的に隙間を形成することができる。これにより、上述したピストン４０６と磁石４１９との間の磁力による締結力を弱めることができ、ピストン４０６とリング部材４０８との分離を容易にすることができる。そして、ピストン４０６とリング部材４０８とを分離する際、図１０（ａ）に示すように、カムリフタ４３２の回転は、カムリフタ４３２の下部円弧面４３２ｃが螺子４３３に係合して停止し、このとき、ボール４３８がカムリフタ４３２の一方の凹部４３６に嵌合し（図１１参照）、カムリフタ４３２の固定がなされる。また、ピストン４０６とリング部材４０８とを固定する際にも、レンチ穴４３４にレンチを挿入してカムリフタ４３２を回転させる。この際には、図１０（ｂ）に示すように、カムリフタ４３２の回転は、カムリフタ４３２の上部円弧面４３２ｂが螺子４３３に係合して停止し、このとき、ボール４３８がカムリフタ４３２の他方の凹部４３６に嵌合し、カムリフタ４３２の固定がなされる。
【００６０】
リング部材４０８をピストン４０６から分離する際には、図３に示すメインボルト３１０を取り外して、リング部材４０８、軸状の保持部４１０および連結用アーム４１１を有したリテーナリング３とともに弾性膜３１４を有した下部材３０６を中間部材３０４から分離することができるようになっている。これにより、リテーナリング３とともに弾性膜３１４を有した下部材３０６を分離できるため、リテーナリング３の下リング部材４０８ｂのメンテナンスや弾性膜３１４のメンテナンスを容易に行うことができる。
なお、図９乃至図１１に示す例では、ピストン４０６を磁性体とし、リング部材４０８に磁石４１９を埋設しているが、リング部材４０８を磁性体とし、ピストン４０６に磁石を埋設してもよい。また、リング部材４０８にカムリフタ４３２を設けているが、ピストン４０６にカムリフタ４３２を設けてもよい。
【００６１】
リテーナリング３について図６を参照して更に説明する。図６に示すように、下リング部材４０８ｂには、ＳＵＳ等からなる金属性リング４４０が嵌合されている。下リング部材４０８ｂにＳＵＳ等の金属性リング４４０が嵌合されているため、下リング部材４０８ｂの剛性を高めることができ、リング部材４０８が研磨面１０１ａと摺接してリング部材４０８の温度が上昇しても、下リング部材４０８ｂの熱変形を抑制することができる。
また、図６に示すように、下リング部材４０８ｂの外周面と金属性リング４４０との間にＯリング４４１を介装し、さらに金属性リング４４０とシリンダ４００との間に接続シート４２０を設けているため、研磨ヘッド（トップリング）内から研磨面へ異物が落下することを防ぐことができ、また外部から研磨ヘッド内へ研磨液（スラリー）等が侵入することを防ぐことができる。
【００６２】
図２乃至図６に示すように、弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４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３１４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、研磨ヘッド（トップリング）内から研磨面へ異物が落下することを防ぐことができ、また弾性膜３１４とリテーナリング３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３１４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。
【００６３】
ここで、接続シート４２０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。
【００６４】
本実施形態のトップリング１においては、弾性膜３１４のセンター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する圧力により半導体ウエハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド１０１から上方に離れた位置にする必要がある。
【００６５】
本実施形態では、リテーナリング３をトップリング本体２の下部材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。
【００６６】
なお、上述した例では、半導体ウエハの略全面に弾性膜３１４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３１４は半導体ウエハの少なくとも一部に当接するものであればよい。
【００６７】
次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッドの第２の態様について説明する。図１２は第２の態様の研磨ヘッドを構成するトップリング１の断面図である。図１３は図１２のXIII-XIII線矢視図である。第２の態様の研磨ヘッドにおいては、リテーナリング３の保持部４１０を支持する軸受機構としてジャイロ機構が用いられている。図１２および図１３に示すように、第２の態様の研磨ヘッドにおいては、第１の態様の研磨ヘッドと同様に、リテーナリング３は、トップリング本体２の外周部に配置され半導体ウエハの外周縁を保持するためのリング部材４０８と、トップリング本体２の中心部に配置されリング部材４０８を保持するための軸状の保持部４１０と、リング部材４０８と軸状の保持部４１０とを連結するための連結用アーム４１１とを備えている。そして、リテーナリング３の保持部４１０は、ジャイロ機構からなる支持機構５１２を介して下部材３０６に支持されている。支持機構５１２は、下部材３０６の凹部３０６ａに嵌合されるとともに下部材３０６に固定された外輪５１３と、外輪５１３に支持された中間輪５１４と、中間輪５１４に支持された内輪５１５とを備えている。外輪５１３の内周面と中間輪５１４の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっている。また中間輪５１４の内周面と内輪５１５の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっている。
【００６８】
図１４乃至図１７は、支持機構５１２の詳細構造を示す図であり、図１４は支持機構５１２およびリテーナリング３の一部を示す平面図、図１５は図１４のXV-XV線断面図、図１６は図１４のXVI-VI線断面図、図１７は図１５のXVII-XVII線断面図である。図１４乃至図１７に示すように、外輪５１３の内周面と中間輪５１４の外周面との間には、２つのボール５１６，５１６が介装されており、中間輪５１４の内周面と内輪５１５の外周面との間には、２つのボール５１７，５１７が介装されている。
【００６９】
図１４乃至図１７に示す支持機構５１２においては、中間輪５１４は、外輪５１３に対して、２つのボール５１６，５１６を結ぶ水平な軸線Ｌ１のまわりに回転するようになっている。また、内輪５１５は、中間輪５１４に対して、２つのボール５１７，５１７を結ぶ水平な軸線Ｌ２のまわりに回転するようになっている。またリテーナリング３の軸状の保持部４１０は、六角形断面に形成されていて、内輪５１５の六角形の貫通孔５１５ｈに上下動可能に収容されている。図１６に示すように、外輪５１３は、外輪５１３の下端が下部材３０６の凹部３０６ａの段部３０６ｓに当接し、外輪５１３の上端がクリップ５１８に係合することにより、下部材３０６に固定されている。
【００７０】
上述の構成において、リング部材４０８とともに軸状の保持部４１０が傾くと、軸状の保持部４１０と一体に内輪５１５が前記軸線Ｌ２のまわりに矢印Ａで示すように回転し、軸状の保持部４１０と一体に内輪５１５および中間輪５１４が前記軸線Ｌ１のまわりに矢印Ｂで示すように回転する。すなわち、軸状の保持部４１０とともに内輪５１５は直交する水平な２つの軸線Ｌ１，Ｌ２のまわりに回転することになり、その結果、軸状の保持部４１０とともに内輪５１５は、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２の交点である支点Ｏを中心として全方向（３６０°）に回転（傾動）可能になっている。
【００７１】
図１２乃至１７に示すように構成されたリテーナリング３において、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリテーナリング３が水平面に対して傾動可能になっている。すなわち、研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリング部材４０８が水平面に対して傾き、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が傾くが、このリング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾きは、ジャイロ機構からなる支持機構５１２により許容される。換言すれば、リング部材４０８および軸状の保持部４１０の傾動は、外輪５１３に対する、支点Ｏを中心とした内輪５１５の全方向（３６０°）への回転により可能とされる。すなわち、リング部材４０８を含むリテーナリング３は、ジャイロ機構からなる支持機構５１２により、トップリング本体２の中心部にある支点Ｏを中心として傾動可能になっている。また、研磨テーブル１００の研磨面１０１ａのうねりに追従して、リテーナリング３は、傾動と同時に、上下動する。すなわち、研磨面１０１ａのうねり（動き）に追従してリング部材４０８が垂直方向に上下動し、リング部材４０８と一体に軸状の保持部４１０が上下動するが、この軸状の保持部４１０の上下動は内輪５１５の貫通孔５１５ｈにより案内される。半導体ウエハの研磨中に、半導体ウエハと研磨テーブル１００の研磨面１０１ａとの間の摩擦力によりリテーナリング３に横方向（水平方向）の力がかかるが、この横方向の力は半導体ウエハの中心部の上方に位置する前記支点Ｏで受けることができる。
【００７２】
図１６および図１７に示すように、外輪５１３の外周面には複数の円弧状切り欠き５１３ｃ、下部材３０６の内周面には複数の円弧状切り欠き３０６ｃが形成されている。切り欠き５１３ｃおよび３０６ｃにより形成される円筒状溝にはピン５１９が埋設されている。このような構成により、トップリング本体２の回転はピン５１９を介して外輪５１３に伝達され、更にボール５１６、中間輪５１４、ボール５１７を介して内輪５１５へ伝達される。また本実施形態においては、リテーナリング３の保持部４１０は六角形断面の軸状に形成されていて、六角形断面の軸状の保持部４１０は内輪５１５の六角形の貫通孔５１５ｈに収容されており、また内輪５１５は直交する２つの軸線Ｌ１，Ｌ２のまわりの回転のみ許容されるようになっているため、トップリング本体２の回転は、内輪５１５の六角形断面の貫通孔５１５ｈを介して六角形断面の軸状の保持部４１０に伝達され、リテーナリング３はトップリング本体２と一体に回転する。したがって、本実施形態においては、第１の態様で用いられたリテーナリング３をトップリング本体２と一体に回転させるための駆動ピン３４９は不要となる。なお、支持機構５１２における摺動面を低摩擦材料で構成したこと等は、第１の態様の支持機構４１２と同様である。
【００７３】
図１８および図１９は、本発明のリテーナリング３を冷却する冷却装置を設けた研磨装置を示す図であり、図１８は研磨装置の一部を示す模式的断面図であり、図１９は研磨装置を示す模式的平面図である。図１８および図１９に示すように、リテーナリング３のリング部材４０８には、ＳＵＳ等からなる金属性リング４４０が嵌合されている。そして、トップリング１に隣接してノズルブロック５２０が設置されている。ノズルブロック５２０には複数のノズル５２０ａが形成されており、またノズルブロック５２０には圧縮空気や窒素ガス等の加圧気体、又はミスト等の加圧流体が流体供給源から供給されるようになっている。リング部材４０８は、研磨面との摩擦熱により温度上昇するが、ノズルブロック５２０に加圧流体を供給することにより、複数のノズル５２０ａより加圧流体が金属性リング４４０の外周面に吹きつけられる。これにより、リング部材４０８が冷却され、リング部材４０８の温度上昇を抑えることができ、リング部材４０８の熱膨張を抑えることができる。したがって、リング部材４０８による研磨パッド１０１のパッド面の形状を補正する効果を永続させることができる。
【００７４】
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。
【符号の説明】
【００７５】
１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
１０１ａ 研磨面
１１１ トップリングシャフト
３００ 上部材
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３０６ｃ 切り欠き
３０６ｇ 溝
３０６ｓ 段部
３０８ ボルト
３１４ 弾性膜
３１４ａ，３１４ｂ リプル
３１４ｃ エッジ
３１４ｄ エッジ（外周縁）
３１４ｆ 隙間
３１６ エッジホルダ
３１６ｄ，３１８ｂ，３１８ｃ，３１９ａ 爪部
３１８，３１９ リプルホルダ
３２０，３２２ ストッパ
３２４，３２５，３２６，３２８，３３４，３３６，３３８ 流路
３２７ コネクタ部
３４０ シール部材
３４１ シールリング
３４２，３４４，３４６ 流路
３４７ 環状溝
３４９ 駆動ピン
３６０ センター室
３６１ リプル室
３６２ アウター室
３６３ エッジ室
４００ シリンダ
４０１，４０２ 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 保持部
４１１ 連結用アーム
４１２ 支持機構
４１３ 外輪
４１４ 内輪
４１４ｈ 貫通孔
４１５ Ｃ形止め輪
４１８ アーム
４１９ 磁石
４２０ 接続シート
４２２ シール部材
４３０ 軸
４３２ カムリフタ
４３２ａ 部分
４３４ レンチ穴
４３６ 凹部
４３８ ボール
４４０ 金属性リング
４４１ Ｏリング
４４２ 長円形状溝
４５０，４５２ 流路
４５１ 室
５１２ 支持機構
５１３ 外輪
５１３ｃ 切り欠き
５１４ 中間輪
５１５ 内輪
５１５ｈ 貫通孔
５１６，５１６ ボール
５１７，５１７ ボール
５１８ クリップ
５１９ ピン
５２０ ノズルブロック
５２０ａ ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨面を有した研磨テーブルと、
圧力流体が供給される圧力室を有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧するトップリング本体と、
前記トップリング本体の外周部に設けられるとともに前記トップリング本体とは独立して上下動可能に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、
前記リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方に位置させるようにしたことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記支持機構は、前記リテーナリングを上下動可能に支持することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
前記リテーナリングは、前記支持機構により前記トップリング本体とは独立して可動になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
【請求項４】
前記支持機構の摺接面は低摩擦材料で構成されてい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研磨装置。
【請求項５】
前記リテーナリングは、前記基板の外周縁を保持するためのリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記リング部材を保持するための保持部と、前記リング部材と前記保持部とを連結するための連結用アームとを備え、前記保持部が前記支持機構により支持されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記トップリング本体は、弾性膜により形成され圧力流体が供給される複数の圧力室を有し、
前記支持機構は、前記基板の中心部に対応した位置にある圧力室の上方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研磨装置。
【請求項７】
前記支持機構は、前記リテーナリングを球面で回転可能に支持する球面軸受機構からなる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研磨装置。
【請求項８】
前記支持機構は、前記リテーナリングを直交する二つの軸線のまわりに回転可能に支持するジャイロ機構からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記リテーナリングに金属性リングを装着したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記リテーナリングを冷却する流体を供給するノズルを設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記トップリング本体の回転を前記リテーナリングに伝達する回転駆動部を前記トップリング本体内に設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１】
研磨面を有した研磨テーブルと、
圧力流体が供給される圧力室を有し、前記圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧するトップリング本体と、
前記トップリング本体の外周部に設けられるとともに前記トップリング本体とは独立して上下動可能に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、
前記リテーナリングを傾動可能に支持する支持機構を前記基板の中心部の上方に位置させるようにしたことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記支持機構は、前記リテーナリングを上下動可能に支持することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
前記リテーナリングは、前記支持機構により前記トップリング本体とは独立して可動になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
【請求項４】
前記支持機構の摺接面は低摩擦材料で構成されてい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研磨装置。
【請求項５】
前記リテーナリングは、前記基板の外周縁を保持するためのリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記リング部材を保持するための保持部と、前記リング部材と前記保持部とを連結するための連結用アームとを備え、前記保持部が前記支持機構により支持されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記トップリング本体は、弾性膜により形成され圧力流体が供給される複数の圧力室を有し、
前記支持機構は、前記基板の中心部に対応した位置にある圧力室の上方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研磨装置。
【請求項７】
前記支持機構は、前記リテーナリングを球面で回転可能に支持する球面軸受機構からなる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研磨装置。
【請求項８】
前記支持機構は、前記リテーナリングを直交する二つの軸線のまわりに回転可能に支持するジャイロ機構からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記リテーナリングに金属性リングを装着したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記リテーナリングを冷却する流体を供給するノズルを設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記トップリング本体の回転を前記リテーナリングに伝達する回転駆動部を前記トップリング本体内に設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−８２０６９（Ｐ２０１３−８２０６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２２９８６（Ｐ２０１３−２２９８６）
【出願日】平成２５年２月８日（２０１３．２．８）
【分割の表示】特願２００８−３１３０７（Ｐ２００８−３１３０７）の分割
【原出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年２月８日（２０１３．２．８）
【分割の表示】特願２００８−３１３０７（Ｐ２００８−３１３０７）の分割
【原出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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