研磨方法及び装置
【課題】研磨対象物の表面の薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行なうことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる研磨方法を提供する。
【解決手段】基板保持装置の底面を基板Ｗを当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッド４で覆うとともに、弾性パッド４の内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、少なくとも４つの圧力室は、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、基板保持装置により基板を保持しながら、リテーナリング３を研磨パッドに押圧し、第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して基板を研磨パッド１０１に押圧し、基板を研磨する。
【解決手段】基板保持装置の底面を基板Ｗを当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッド４で覆うとともに、弾性パッド４の内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、少なくとも４つの圧力室は、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、基板保持装置により基板を保持しながら、リテーナリング３を研磨パッドに押圧し、第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して基板を研磨パッド１０１に押圧し、基板を研磨する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置を備え、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する研磨方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行なう微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
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、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、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ェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行なうものである。
【０００５】
この種の研磨方法及び装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行なう場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブル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ェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨方法及び装置において、研磨中の半導体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半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハ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、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハ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。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体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、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。従って、従来のポリッシング装置では、上記半径方向の膜厚分布には十分に対応することができず、これが原因で研磨不足や過研磨が生じていた。
【０００９】
また、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板保持装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板保持装置が要望されている。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行なうことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる研磨方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、特定の膜厚分布だけではなく、様々な膜厚分布にも容易かつ低コストで対応することができる研磨方法及び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】
【００１１】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明は、基板保持装置により基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、上記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の上記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、上記基板保持装置により上記基板を保持しながら、リテーナリングを上記研磨パッドに押圧し、上記基板保持装置の上記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して上記基板を上記研磨パッドに押圧し、該基板を研磨することを特徴とする。
【００１２】
上記基板の研磨方法において、上記基板保持装置により上記基板を保持した状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法によりその表面に形成された薄膜の膜厚分布を測定し、上記基板の表面の膜厚の厚い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くするように、あるいは、上記基板の表面の膜厚の薄い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることが好ましい。
上記基板の研磨方法において、上記第１の圧力室の直径を大きくし、上記第４の圧力室の幅を小さくすることにより、上記基板の周縁部付近の研磨圧力の制御を行うことが好ましい。
【００１３】
本発明は、基板保持装置により基板を保持して基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧し、該基板を研磨する研磨装置において、上記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、上記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の上記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、上記基板の同心の少なくとも４つの円および円環部分をそれぞれ異なった圧力で上記研磨パッドに押圧するために、上記基板保持装置の上記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給する４つのレギュレータを設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持するトップリングとを備えるポリッシング装置であって、上記トップリングは、トップリング本体を備え、上記トップリング本体内には、上記基板と当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持し、絶縁性材料からなる支持部材とを備え、上記ポリッシング装置は、上記基板が上記トップリングに保持された状態で、渦電流を用いて上記基板に形成された薄膜の膜厚を測定してもよい。
【００１５】
上記支持部材は、フッ素系樹脂またはセラミックスからなっていてもよい。
上記弾性パッドは、上記支持部材の下面を覆うことにより空間を形成し、該空間には、上記弾性パッドに当接する中心部当接部材および外側当接部材が設けられ、上記弾性パッド、中心部当接部材、外側当接部材はいずれもゴム材から形成されていてもよい。
【００１６】
上記中心部当接部材および外側当接部材はそれぞれ圧力室を形成し、上記それぞれの圧力室には流体路が連通されていてもよい。
上記弾性パッドと上記支持部材により形成された空間には流体路が連通されていてもよい。
上記空間、上記中心部当接部材および上記外側当接部材により形成された圧力室に連通されたそれぞれの流体路には、温度制御された流体が供給されていてもよい。
【００１７】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記弾性パッドに当接する弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記弾性パッドと上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板の外周縁部の上面に当接するシ−ルリングと、該シ−ルリングを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記基板に当接する弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記基板と上記シールリングと上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性膜を備えた当接部材が下面に取付けられた支持部材とを備え、上記基板と上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００２０】
更に、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記弾性パッドに当接する弾性膜を備えた複数の当接部材を取付け、上記複数の当接部材を上記弾性パッドに対して独立して押圧可能としてもよい。
【００２１】
上記構成により、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力を独立に制御することが可能となり、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００２２】
ここで、上記供給源は、それぞれ温度制御された流体又は真空を上記第１の圧力室と上記第２の圧力室とに供給するのが好ましい。また、複数の当接部材を間隔をおいて配置するのが好ましい。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜の下面には、上記第１の圧力室に供給される流体又は真空を当接面に接触させる連通部が形成されてもよい。上述したように、上記第１の圧力室と上記第２の圧力室とに供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から基板の温度を制御する場合には、このような連通部を当接部材の弾性膜の下面に形成することによって、温度制御された加圧流体が基板に接触する面積を増やすことができるので、基板の温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、基板をリリースする際には、この連通部を介して各圧力室がそれぞれ外気に開放されることとなるので、各圧力室に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して基板を研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００２４】
特に、本発明のシールリングを備えた態様においては、支持部材の下面全体が弾性パッドなどで覆われないので、研磨対象物のリリース後、支持部材の下面の大部分が露出することとなる。従って、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。なお、弾性パッド又はシールリングのいずれを用いた態様においても、支持部材は樹脂やセラミックなどの絶縁性の材料から形成されるのが好ましい。また、シールリングは基板の向きを特定するために上記基板に設けられた切り欠き、例えば、ノッチやオリエンテーションフラットの位置よりも上記支持部材の内周側に延出していることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材が上記弾性膜を着脱可能に保持する保持部を備えてもよい。これにより、上記当接部材の弾性膜を容易に交換することができ、この弾性膜を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストでこれに対応することができる。
【００２６】
更に、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の保持部が上記支持部材に着脱可能に取付けられてもよい。これにより、上記当接部材を容易に交換することができ、この当接部材を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストでこれに対応することができる。
【００２７】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜がその下面の外周縁から外側に張り出したつばを有してもよい。このようなつばは、第２の圧力室に供給される加圧流体によって弾性パッド又は基板に密着するため、当接部材の下方に上記加圧流体が回り込むことがなくなる。従って、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【００２８】
これらの場合において、上記当接部材には上記基板の中心に対応する位置に取付けられる中心部当接部材と、該中心部当接部材の外側に取付けられる外側当接部材とが含まれることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の好ましい態様は、上記外側当接部材が上記基板の外周縁部に対応する位置に取付けられてもよい。このようにすることで、基板の周縁部付近の研磨圧力を適切に制御することができるので、研磨面の弾性変形や研磨面と基板との間への研磨液の入り込み具合などによる基板の周縁部付近の不均一な研磨を抑制することができる。
【００３０】
また、本発明の好ましい態様は、上記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングを備えてもよい。
【００３１】
更に、本発明の好ましい態様は、上記トップリング本体が上記弾性パッドの外周面とリテーナリングとの間に形成される間隙に洗浄液を供給する洗浄液路を備えてもよい。洗浄液路から洗浄液（純水）を供給することにより、弾性パッドの外周面とリテーナリングとの間に形成される間隙に侵入した研磨液が洗い流され、この間隙への研磨液の固着を防止することができる。従って、支持部材や弾性パッド又は基板は、トップリング本体及びリテーナリングに対して円滑に上下動することができる。
【００３２】
また、本発明の好ましい態様は、上記リテーナリングが、該リテーナリングと上記トップリング本体との間に弾性体を介することなく、上記トップリング本体に固定されてもよい。ゴムなどの弾性体をリテーナリングとトップリング本体との間に挟み込んで固定した場合には、この弾性体の弾性変形によってリテーナリングの下面において好ましい平面が得られなくなってしまうが、このようにすることでこれを防止することができる。
【００３３】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜は部分的に異なる膜厚を有する、あるいは、部分的に非弾性体を有してもよい。これにより、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力による弾性膜の変形を最適なものとすることができる。
【００３４】
また、本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、上述した基板保持装置と、研磨面を有する研磨テーブルとを備えてもよい。
【００３５】
更に、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性材からなる複数の環状部材と、上記複数の環状部材によって区画される、下方に開口した複数の区画と、上記複数の区画にそれぞれ独立して流体を供給するための流体路とを備えてもよい。
【００３６】
また、本発明の好ましい態様は、研磨面を有する研磨テーブルとトップリングとを有し、トップリングによりポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記基板の表面に形成された研磨すべき薄膜の膜厚の厚い部分の上記研磨面への押圧力を該膜厚の薄い部分の上記研磨面への押圧力より大きくした状態で研磨してもよい。
【００３７】
更に、本発明の好ましい態様は、研磨面を有する研磨テーブルとトップリングとを有し、トップリングによりポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記トップリングに上記基板に当接する弾性材からなる複数の環状部材を設け、上記複数の環状部材によって区画される、下方に開口した複数の区画を設け、上記複数の区画にそれぞれ独立して流体又は真空を供給して上記基板を研磨してもよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定することができる。
また本発明によれば、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力を独立に制御することが可能となるので、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００３９】
また、上記当接部材が上記弾性膜を着脱可能に保持する保持部を備え、あるいは、上記当接部材の保持部が上記支持部材に着脱可能に取付けられることとしたため、当接部材の弾性膜又は当接部材を容易に交換することができ、この弾性膜又は当接部材を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、上記研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。
【００４０】
更に、本発明のシールリングを備えた態様においては、研磨対象物のリリース後において支持部材の下面全体が覆われないこととなるため、支持部材の下面の大部分が露出することとなるので、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。
【００４１】
また、上記当接部材の弾性膜は、その下面の外周縁から外側に張り出したつばを有することとしたため、つばが第２の圧力室へ供給される加圧流体によって弾性パッド又は基板に密着し、当接部材の下方に上記加圧流体が回り込むことがなくなる。従って、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図３】図２に示す基板保持装置の底面図である。
【図４】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の実施例を示す部分縦断面図である。
【図５】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の実施例を示す部分縦断面図である。
【図６】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す部分縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す部分縦断面図である。
【図９】半導体ウェハを取り外した状態における図８の底面図である。
【図１０】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す底面図である。
【図１１】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す底面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図１３】図１２に示す基板保持装置の底面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る基板保持装置の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウェ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装置である。図１に示すように、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、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。
【００４４】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
【００４５】
トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、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することができる。
【００４６】
また、トップリング駆動軸１１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。従って、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、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１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）に固定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。
【００４７】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。
図２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図３は図２に示すトップリング１の底面図である。
【００４８】
図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００４９】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００５０】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受け機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００５１】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ、２ｄ間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００５２】
トップリング本体２及びトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷに当接する弾性パッド４と、環状のホルダーリング５と、弾性パッド４を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６（支持部材）とが収容されている。弾性パッド４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の下面を覆っている。これにより弾性パッド４とチャッキングプレート６との間には空間が形成されている。
【００５３】
なお、チャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、フッ素系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００５４】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５の上端部５ａとストッパ部５ｂとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート７によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート７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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５５】
なお、加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート７の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、特願平８−５０９５６（特開平９−１６８９６４）や特願平１１−２９４５０３に記載されているように、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート７の固定方法が用いられるとは限らない。
【００５６】
トップリング本体２のシール部２ｃが嵌合されるハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１はシール部２ｃの貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１からハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３は弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。
【００５７】
弾性パッド４とチャッキングプレート６との間に形成される空間の内部には、弾性パッド４に当接する当接部材としてのセンターバッグ８（中心部当接部材）及びリングチューブ９（外側当接部材）が設けられている。本実施形態においては、図２及び図３に示すように、センターバッグ８はチャッキングプレート６の下面の中心部に配置され、リングチューブ９はこのセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側に配置されている。なお、弾性パッド４、センターバッグ８及びリングチューブ９は、加圧シート７と同様に、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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５８】
チャッキングプレート６と弾性パッド４との間に形成される空間は、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって複数の空間（第２の圧力室）に区画されており、これによりセンターバッグ８とリングチューブ９の間には圧力室２２が、リングチューブ９の外側には圧力室２３がそれぞれ形成されている。
【００５９】
センターバッグ８は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜８１と、弾性膜８１を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー８２（保持部）とから構成されている。センターバッグホルダー８２にはネジ穴８２ａが形成されており、このネジ穴８２ａにネジ５５を螺合させることにより、センターバッグ８がチャッキングプレート６の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ８の内部には、弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２とによって中心部圧力室２４（第１の圧力室）が形成されている。
【００６０】
同様に、リングチューブ９は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するリングチューブホルダー９２（保持部）とから構成されている。リングチューブホルダー９２にはネジ穴９２ａが形成されており、このネジ穴９２ａにネジ５６を螺合させることにより、リングチューブ９がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ９の内部には、弾性膜９１とリングチューブホルダー９２とによって中間部圧力室２５（第１の圧力室）が形成されている。
【００６１】
圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３、３４、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６を介して供給源としての圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３１〜３６は、トップリングシャフト１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ１〜Ｒ６に接続されている。
【００６２】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１、３３、３４、３５、３６を介して加圧空気等の加圧流体又は大気圧や真空が供給されるようになっている。図１に示すように、圧力室２１〜２５の流体路３１、３３、３４、３５、３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータＲ２〜Ｒ６によって各圧力室２１〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、弾性パッド４を介して半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２１〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００６３】
この場合において、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。
【００６４】
弾性パッド４には、図３に示すように複数の開口部４１が設けられている。そして、センターバッグ８とリングチューブ９との間の開口部４１から露出するようにチャッキングプレート６から下方に突出する内周部吸着部６１が設けられており、また、リングチューブ９の外側の開口部４１から露出するように外周部吸着部６２が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド４には８個の開口部４１が設けられ、各開口部４１に吸着部６１及び６２が露出するように設けられている。
【００６５】
内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２には、流体路３７、３８にそれぞれ連通する連通孔６１ａ、６２ａがそれぞれ形成されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は流体路３７、３８及びバルブＶ１、Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源１２１に接続されている。そして、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ａが真空源１２１に接続されると、連通孔６１ａ、６２ａの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に半導体ウェハＷが吸着される。なお、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート６１ｂ、６２ｂが貼着されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。
【００６６】
また、図２に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は弾性パッド４の下端面より上方に位置して、弾性パッド４の下端面より突出することはない。半導体ウェハＷを吸着する際には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面は弾性パッド４の下端面と略同一面になる。
【００６７】
ここで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられた弾性パッド４等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング５等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００６８】
次に、このように構成されたトップリング１の作用について詳細に説明する。
上記構成のポリッシング装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ａを流体路３７，３８を介して真空源１２１に接続する。連通孔６１ａ、６２ａの吸引作用により内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。
【００６９】
研磨時には、吸着部６１、６２による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００７０】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１及び弾性パッド４を介して、中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１及び弾性パッド４を介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００７１】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。即ち、レギュレータＲ３〜Ｒ６によって各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整している。このように、半導体ウェハＷの部分ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図３のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、中間部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。
【００７２】
なお、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分には、弾性パッド４を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部４１の箇所のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。また、研磨時には、弾性パッド４は開口部４１の周囲において半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室２２及び２３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００７３】
このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ４）に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分（Ｃ１〜Ｃ４）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００７４】
半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２５に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２５からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。
【００７５】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分ごとの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室２１の圧力を速やかに下げる必要があり、図２に示すように、圧力室２１からトップリング本体２を貫くようにリリーフポート３９を設けて、圧力室２１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室２１に圧力をかける際には流体路３１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート３９は逆止弁を備えており、圧力室２１内を負圧にする際には外気が圧力室２１に入らないようにしている。
【００７６】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ｂから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００７７】
ところで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及び弾性パッド４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図２に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２６内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２６を大気と同圧にすることが好ましい。
【００７８】
以上説明したように、圧力室２２、２３、センターバッグ８の内部の圧力室２４、及びリングチューブ９の内部の圧力室２５の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。更に、本発明によれば、センターバッグ８及びリングチューブ９の位置や大きさなどを変更することによって、押圧力の制御を行なう範囲を簡単に変更することができる。以下、押圧力の制御を行なう範囲を変更する場合について説明する。
図４（ａ）乃至図４（ｅ）及び図５は、本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ８及びリングチューブ９）の実施例を示す部分縦断面図である。
【００７９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、センターバッグ８を大きさの異なるセンターバッグ８に取り替えれば、半導体ウェハの押圧力を制御する範囲Ｃ１の大きさを変えることができる。この場合において、センターバッグ８の内部の圧力室２４と流体路３５とを連通する連通孔８２ｂの大きさ及び形状、及びセンターバッグホルダー８２をチャッキングプレート６に取付けるためのネジ穴８２ａの大きさ及び位置を予め決めておけば、大きさの違うセンターバッグホルダー８２を用意するだけで上記押圧力の制御を行なう範囲を変更することができ、チャッキングプレート６そのものを加工する必要がない。
【００８０】
また、図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、リングチューブ９を大きさ及び／又は形状の異なるリングチューブ９に取り替えれば、半導体ウェハの中間部の押圧力を制御する範囲Ｃ３の幅及び／又は位置を変更することができる。更に、図４（ｅ）に示すように、チャッキングプレート６に、半径方向の位置を変えて予め複数の連通孔５７及びネジ穴（図示せず）を設けておき、そのうちの１つの連通孔５７にリングチューブ９の連通孔９２ｂを合わせて取付け、それ以外の連通孔５７（及びネジ穴）を流体シール用のネジ５８などで塞ぐようにしてもよい。これによりリングチューブ９を半径方向に対して柔軟に取り付けることができ、上記押圧力の制御を行なう範囲も柔軟に変更することが可能となる。
【００８１】
更に、図５に示すようにセンターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１に、その下面の外周縁から外側に張り出したつば８１ａ、９１ａをそれぞれ設けることとしてもよい。つば８１ａ、９１ａはセンターバッグ８及びリングチューブ９と同一の材料で一体に形成されている。上述したように、半導体ウェハを研磨する際、センターバッグ８とリングチューブ９に挟まれた圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３には加圧流体が供給される。これにより、つば８１ａ、９１ａは、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体によって弾性パッド４に密着する。このため、センターバッグ８の内部の圧力室２４に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合であっても、センターバッグ８の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。同様に、リングチューブ９の内部の圧力室２５に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２又は２３に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合でも、リングチューブ９の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。従って、上記つば８１ａ、９１ａを設けることによって、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【００８２】
また、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の変形が最適になるように、弾性膜８１、９１に部分的に異なる膜厚を持たせたり、部分的に非弾性体を含ませたりしてもよい。図６（ａ）にはリングチューブ９の弾性膜９１の側面９１ｂの膜厚を弾性パッド４に当接する面９１ｃよりも厚くした例を示す。また、図６（ｂ）にはリングチューブ９の弾性膜９１の側面９１ｂの一部を非弾性体９１ｄとした例を示す。これらの例では、各圧力室の圧力による弾性膜の側面の変形が適切に制限される。
【００８３】
上述したように、半導体ウェハの表面に形成される薄膜の膜厚分布は成膜の方法や成膜装置の種類により変化するが、本発明に係る基板保持装置によれば、半導体ウェハに押圧力を加える圧力室の位置や大きさをセンターバッグ８及びセンターバッグホルダー８２、又はリングチューブ９及びリングチューブホルダー９２を交換するだけで変更することができる。従って、研磨すべき薄膜の膜厚分布に合わせて押圧力を制御すべき位置や範囲をトップリング１の極一部を交換するだけで容易かつ低コストで変更することが可能となる。換言すれば、研磨すべき半導体ウェハの表面の研磨すべき薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。なお、センターバッグ８又はリングチューブ９の形状及び位置を変更すると、結果的にセンターバッグ８とリングチューブ９に挟まれる圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３の大きさを変えることにもなる。
【００８４】
次に、本発明に係る基板保持装置の第２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、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。
【００８５】
図７は、本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図である。
図７に示すように、本実施形態におけるトップリング１には、弾性パッドが設けられておらず、その代わりに、チャッキングプレート６の外縁近傍の下面のみを覆うように弾性膜からなるシールリング４２が設けられている。また、第１の実施形態とは異なり、チャッキングプレート６には半導体ウェハＷを吸着する内周部吸着部（図２中の６１）又は外周部吸着部（図２中の６２）が設けられておらず構造が簡素になっているが、第１の実施形態と同様にチャッキングプレート６に半導体ウェハを吸着する吸着部を設けることとしてもよい。なお、シールリング４２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。
【００８６】
シールリング４２は、下端面がポリッシング対象物である半導体ウェハＷの上面に接するように設けられており、上述の第１の実施形態における弾性パッド４と同様に、チャッキングプレート６とホルダーリング５との間に挟み込まれ固定されている。なお、半導体ウェハＷの外縁にはノッチやオリエンテーションフラットと呼ばれる、半導体ウェハの向きを認識（特定）するための切り欠きが設けられているが、このようなノッチやオリエンテーションフラットよりもチャッキングプレート６の内周側にまでシールリング４２が延出していることが好ましい。
【００８７】
第１の実施形態と同様に、チャッキングプレート６の下面の中心部にはセンターバッグ８が設けられており、このセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側にリングチューブ９が設けられている。
【００８８】
本実施形態では、研磨される半導体ウェハＷが上記シールリング４２、センターバッグ８の弾性膜８１、及びリングチューブ９の弾性膜９１に当接して保持される。従って、第１の実施形態において弾性パッドとチャッキングプレートとによって形成された空間は、半導体ウェハＷとチャッキングプレート６とシールリング４２によって形成されることとなる。そして、この空間には、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって、センターバッグ８とリングチューブ９の間の圧力室２２及びリングチューブ９の外側の圧力室２３（第２の圧力室）が形成されている。
【００８９】
第１の実施形態と同様に、上記圧力室２２、２３、センターバッグ８の内部に形成される中心部圧力室２４（第１の圧力室）、及びリングチューブ９の内部に形成される中間部圧力室２５（第１の圧力室）には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３、３４、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２、２３、２４、２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータを介して圧縮空気源に接続されている。これらの圧力室２２〜２５は、流体路３３〜３６上に配置された各レギュレータによってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２２〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、各圧力室２２〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッドに押圧する研磨圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２２〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００９０】
次に、本実施形態におけるトップリング１の作用について説明する。なお、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。
半導体ウェハＷを吸着する際には、センターバッグ８及びリングチューブ９の内部に所定の圧力の加圧流体を供給して、センターバッグ８及びリングチューブ９の下端面を半導体ウェハＷに密着させる。その後、圧力室２２及び２３をそれぞれ流体路３３及び３４を介して真空源に接続することにより、圧力室２２及び２３の内部を負圧にし、圧力室２２、２３の吸引作用により半導体ウェハＷを真空吸着する。
【００９１】
また、半導体ウェハＷを研磨する際には、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブルの研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブルの研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズルから供給される研磨液が半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨面との間に存在した状態で研磨が行われる。
【００９２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１を介して中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１を介して中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００９３】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００９４】
なお、研磨時には、シールリング４２は半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室２３内の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。同様の理由で、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に貫通孔を設けたとしても、研磨時に、圧力室２４及び２５内の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００９５】
研磨の終了後は、上述と同様の吸着方法で半導体ウェハＷを真空吸着し、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、流体路３３及び流体路３４を介して半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。この場合において、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に貫通孔を設けた場合には、この貫通孔からも半導体ウェハＷに下方向の圧力が加わるため、半導体ウェハＷのリリースがよりスムーズになる。また、本実施形態においては半導体ウェハＷのリリース後、チャッキングプレート６の下面の大部分が露出することとなるので、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。
【００９６】
ここで、本実施形態の基板保持装置におけるセンターバッグ８及びリングチューブ９の他の実施例について説明する。図８は本発明の他の実施例を示す部分縦断面図、図９は半導体ウェハＷを取り外した状態における図８の底面図である。この実施例では、図８及び図９に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１はその外周縁部にのみ設けられており、センターバッグ８の弾性膜８１の下面に円形の孔（連通部）８３が形成されている。一方、リングチューブ９は２つの弾性膜、即ち、内側の弾性膜９１ｅ及び外側の弾性膜９１ｆを備えており、これらの内側弾性膜９１ｅと外側弾性膜９１ｆとの間には環状の溝（連通部）９３が形成されている。このような円形孔８３及び環状溝９３を介して、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に供給される加圧流体が当接面である半導体ウェハＷの上面に接触することとなる。
【００９７】
上述したように、中心部圧力室２４や中間部圧力室２５に供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から半導体ウェハＷの温度を制御する場合においては、このような連通部８３、９３をセンターバッグ８の弾性膜及びリングチューブ９の弾性膜の下面に形成することによって、温度制御された加圧流体が半導体ウェハＷに接触する面積を増やすことができるので、半導体ウェハＷの温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、半導体ウェハＷをリリースする際には、上記円形孔８３及び環状溝９３を介して中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５がそれぞれ外気に開放されることとなるので、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して半導体ウェハＷを研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００９８】
なお、研磨中は、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に加圧流体が供給されるため、この加圧流体により、センターバッグ８の弾性膜８１、リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅ及び外側弾性膜９１ｆの下面が当接面である半導体ウェハＷの上面に押し付けられる。従って、このような円形孔８３や環状溝９３が弾性膜で形成されている場合であっても、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００９９】
図８及び図９に示す例では、センターバッグ８の弾性膜８１には中心部圧力室２４に供給された加圧流体によって円形孔８３を外方に押し広げようとする力が作用し、リングチューブ９の弾性膜９１ｅ、９１ｆには中間部圧力室２５に供給された加圧流体によって環状溝９３の幅を広げようとする力が作用する。図１０に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に、それぞれ複数の円形孔（連通部）８４、９４を形成すれば、このような加圧流体による力を分散させることができる。
【０１００】
また、図１１に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１の下端に、内部に流体が密封された環状の接触部８５を形成してもよい。また、リングチューブ９の弾性膜９１の下端にそれぞれ内部に流体が密封された環状の（内側）接触部９５ａと（外側）接触部９５ｂを形成してもよい。この場合において、圧力室２１に加圧流体を供給することによって各接触部８５、９５ａ、９５ｂが半導体ウェハＷに押し付けられ、接触部８５、９５ａ、９５ｂによって圧力室２２、２３、中央部圧力室２４、及び中間部圧力室２５がそれぞれシールされる。このとき、半導体ウェハＷに押し付けられることによって接触部８５、９５ａ、９５ｂが変形して接触部８５、９５ａ、９５ｂと半導体ウェハＷとの接触面積が増え、半導体ウェハＷにかかる力が大きくなるが、圧力室２１の内部圧力を調整すれば、接触部８５、９５ａ、９５ｂによって半導体ウェハＷに過剰な力がかかることがないようにすることができる。なお、図８乃至図１１に示した実施例は上述した第１の実施形態にも適用できることは言うまでもない。
【０１０１】
次に、本発明に係る基板保持装置の第３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、上述の第２の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第２の実施形態と同様である。
【０１０２】
図１２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図１３は半導体ウェハＷを取り外した状態における図１２のトップリング１の底面図である。図１２に示すように、本実施形態におけるトップリング１には、弾性パッド及びシールリングが設けられていない。
【０１０３】
本実施形態におけるセンターバッグ８のセンターバッグホルダー８２は、図１３に示すように、円環形状をなしており、その外周部に円環状の弾性膜８１が保持されている。このセンターバッグ８の弾性膜８１には、図８及び図９に示す例と同様に、その下面に円形孔８３が形成されている。
【０１０４】
本実施形態におけるリングチューブ９は半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けられている。リングチューブ９は、図８及び図９に示した例と同様に、内側弾性膜９１ｅ及び外側弾性膜９１ｆを備えており、これらの内側弾性膜９１ｅと外側弾性膜９１ｆとの間に環状溝９３が形成されている。また、リングチューブホルダー９２の内周側には環状の補助ホルダー９６が配置されている。リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅの上部は内周側に延出しており、この延出部分をこの補助ホルダー９６によって保持することで内側弾性膜９１ｅの保持がより確実になされる。
【０１０５】
また、センターバッグ８の弾性膜８１には、その下面の外周縁から外周側に張り出したつば８１ｂが設けられ、リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅには、その下面の内周縁から内周側に張り出したつば９１ｇが設けられている。このようなつば８１ｂ、９１ｇを設けることによって、図５に示した実施例で説明したように、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハＷの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【０１０６】
チャッキングプレート６には、第１の実施形態と同様に、半導体ウェハＷを吸着するための内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２が設けられている。内周部吸着部６１はセンターバッグ８の内側に、外周部吸着部６２はセンターバッグ８とリングチューブ９との間に配置されている。
【０１０７】
本実施形態では、研磨される半導体ウェハＷがセンターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１ｅ、９１ｆに当接した状態で保持される。従って、半導体ウェハＷとチャッキングプレート６との間の空間には、センターバッグ８及びリングチューブ９によって、センターバッグ８とリングチューブ９との間に圧力室２２が形成されている。上述したように、リングチューブ９は半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けられており、リングチューブ９の外側に圧力室（図７の符号２３）が形成されていない点で第２の実施形態と異なる。
【０１０８】
チャッキングプレート６の上方に形成される圧力室２１、圧力室２２、センターバッグ８の内部に形成される中心部圧力室２４、及びリングチューブ９の内部に形成される中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３１、３３、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２１、２２、２４、２５はそれぞれの流体路３１、３３、３５、３６上に配置されたレギュレータを介して圧縮空気源に接続されている。これらの圧力室２１、２２、２４、２５は、流体路３１、３３、３５、３６上に配置された各レギュレータによってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１、２２、２４、２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、各圧力室２１、２２、２４、２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッドに押圧する研磨圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。
【０１０９】
半導体ウェハＷの研磨の際には、研磨すべき半導体ウェハＷの表面の薄膜の膜厚分布に関わらず、研磨パッド等の弾性変形や研磨面と半導体ウェハＷとの間への研磨液の入り込み具合などによって、半導体ウェハＷの周縁部付近の均一な研磨が阻害されやすい。本実施形態では、リングチューブ９を半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けると共に、リングチューブ９の幅Ｄ１を狭くし、センターバッグ８の直径Ｄ２を大きくすることで、半導体ウェハＷの周縁部付近の研磨圧力を制御し、このような半導体ウェハＷの周縁部付近の不均一な研磨を抑制している。具体的には、リングチューブ９の幅Ｄ１は１０ｍｍ以下、更には、５ｍｍ以下であることが好ましい。センターバッグ８とリングチューブ９との間の幅Ｄ３は、研磨する半導体ウェハＷの直径が２００ｍｍの場合には２０〜２５ｍｍ、研磨する半導体ウェハＷが３００ｍｍの場合には２５〜３０ｍｍであることが好ましい。
【０１１０】
さて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もよいことは言うまでもない。
【０１１１】
上述の実施形態では、流体路３１、３３、３４、３５、３６をそれぞれ別個に設けたが、これらの流体路を統合したり、各圧力室同士を連通させたりするなど、半導体ウェハＷに加えるべき押圧力の大きさや加える位置により自由に改変することが可能である。
【０１１２】
例えば、圧力室２２に連通する流体路３３及び圧力室２３に連通する流体路３４をなくし、圧力室２２及び圧力室２３を圧力室２１に連通させ、圧力室２１、２２、２３を１つの圧力室とすることもできる。これにより、圧力室２１、２２、２３の圧力が流体路３１からの加圧流体によって同一の圧力に制御される。圧力室２２と圧力室２３の圧力に差を設ける必要がなく、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５の圧力が圧力室２１、２２、２３の圧力と比べてそれほど大きくない場合には、このようにすることで、流体路３３及び３４をなくすことができ流体路の数が減るため、流体路の取り回しが簡素になる。
【０１１３】
また、第１及び第３の実施形態のように、チャッキングプレート６に内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２を設けた場合には、内周部吸着部６１に連通する流体路３７と外周部吸着部６２に連通する流体路３８にそれぞれ真空のみでなく加圧流体も供給できるようにすることにより、内周部吸着部６１での半導体ウェハの吸着と圧力室２２への加圧流体の供給及び外周部吸着部６２での半導体ウェハの吸着と圧力室２３への加圧流体の供給とをそれぞれ１つの流路で行なうことが可能となる。これにより、流路３３及び３４は必要なくなるので、流体路が２つ必要なくなり流体路の数が減るため、流体路の取り回しが簡素になる。
【０１１４】
また、第１及び第２の実施形態におけるチャッキングプレート６の外周縁部には、弾性膜４又はシールリング４２の下部周縁の形状を保持するために、下方に突出する突起６３が設けられているが（図２及び図７参照）、弾性膜４又はシールリング４２がその材質等により形状の保持を必要としない場合には、このような突起を設けずにチャッキングプレート６を構成することも可能である。図１４は、第１の実施形態におけるチャッキングプレート６の突起６３を削除した場合のトップリング１を示す縦断面図である。このようにすることで、半導体ウェハＷを外周縁部までより一様に加圧することができる。また突起６３をなくすことにより、半導体ウェハは、研磨面に存在する大きなうねりに対してより容易に従うことが可能となる。
【０１１５】
また、上述した実施形態においては、研磨パッドにより研磨面が形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成されたものである。固定砥粒を用いた研磨においては、固定砥粒から自生した砥粒により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の研磨面としては、上述したＩＣ−１０００がある。
【符号の説明】
【０１１６】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ 弾性パッド
５ ホルダーリング
５ａ 上端部
５ｂ ストッパ部
５ｃ 突起
６ チャッキングプレート（支持部材）
７ 加圧シート
８ センターバッグ（中心部当接部材）
９ リングチューブ（外側当接部材）
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
２１ 圧力室
２２、２３ 圧力室（第２の圧力室）
２４ 中心部圧力室（第１の圧力室）
２５ 中間部圧力室（第１の圧力室）
２６ 空間
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 流体路
３９ リリーフポート
４１ 開口部
４２ シールリング
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３、５７ 連通孔
５５、５６、５８ ネジ
６１ 内周部吸着部
６１ａ、６２ａ 連通孔
６１ｂ、６２ｂ 弾性シート
６２ 外周部吸着部
６３ 突起
８１、９１ 弾性膜
８１ａ、８１ｂ、９１ａ、９１ｇ つば
８２ センターバッグホルダー（保持部）
８２ａ、９２ａ ネジ穴
８２ｂ、９２ｂ 連通孔
８３、８４、９４ 円形孔（連通部）
８５、９５ａ、９５ｂ 接触部
９１ｄ 非弾性体
９１ｅ 内側弾性膜
９１ｆ 外側弾性膜
９２ リングチューブホルダー（保持部）
９３ 環状溝（連通部）
９６ 補助ホルダー
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
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
１２０ 圧縮空気源（供給源）
１２１ 真空源
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ レギュレータ
Ｖ１、Ｖ２ バルブ
Ｗ 半導体ウェハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置を備え、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する研磨方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行なう微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
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、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、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ェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行なうものである。
【０００５】
この種の研磨方法及び装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行なう場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブル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ェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨方法及び装置において、研磨中の半導体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半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハ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、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハ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。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体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、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。従って、従来のポリッシング装置では、上記半径方向の膜厚分布には十分に対応することができず、これが原因で研磨不足や過研磨が生じていた。
【０００９】
また、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板保持装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板保持装置が要望されている。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行なうことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる研磨方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、特定の膜厚分布だけではなく、様々な膜厚分布にも容易かつ低コストで対応することができる研磨方法及び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】
【００１１】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明は、基板保持装置により基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、上記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の上記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、上記基板保持装置により上記基板を保持しながら、リテーナリングを上記研磨パッドに押圧し、上記基板保持装置の上記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して上記基板を上記研磨パッドに押圧し、該基板を研磨することを特徴とする。
【００１２】
上記基板の研磨方法において、上記基板保持装置により上記基板を保持した状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法によりその表面に形成された薄膜の膜厚分布を測定し、上記基板の表面の膜厚の厚い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くするように、あるいは、上記基板の表面の膜厚の薄い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることが好ましい。
上記基板の研磨方法において、上記第１の圧力室の直径を大きくし、上記第４の圧力室の幅を小さくすることにより、上記基板の周縁部付近の研磨圧力の制御を行うことが好ましい。
【００１３】
本発明は、基板保持装置により基板を保持して基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧し、該基板を研磨する研磨装置において、上記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、上記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の上記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、上記基板の同心の少なくとも４つの円および円環部分をそれぞれ異なった圧力で上記研磨パッドに押圧するために、上記基板保持装置の上記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給する４つのレギュレータを設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持するトップリングとを備えるポリッシング装置であって、上記トップリングは、トップリング本体を備え、上記トップリング本体内には、上記基板と当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持し、絶縁性材料からなる支持部材とを備え、上記ポリッシング装置は、上記基板が上記トップリングに保持された状態で、渦電流を用いて上記基板に形成された薄膜の膜厚を測定してもよい。
【００１５】
上記支持部材は、フッ素系樹脂またはセラミックスからなっていてもよい。
上記弾性パッドは、上記支持部材の下面を覆うことにより空間を形成し、該空間には、上記弾性パッドに当接する中心部当接部材および外側当接部材が設けられ、上記弾性パッド、中心部当接部材、外側当接部材はいずれもゴム材から形成されていてもよい。
【００１６】
上記中心部当接部材および外側当接部材はそれぞれ圧力室を形成し、上記それぞれの圧力室には流体路が連通されていてもよい。
上記弾性パッドと上記支持部材により形成された空間には流体路が連通されていてもよい。
上記空間、上記中心部当接部材および上記外側当接部材により形成された圧力室に連通されたそれぞれの流体路には、温度制御された流体が供給されていてもよい。
【００１７】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記弾性パッドに当接する弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記弾性パッドと上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板の外周縁部の上面に当接するシ−ルリングと、該シ−ルリングを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記基板に当接する弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記基板と上記シールリングと上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性膜を備えた当接部材が下面に取付けられた支持部材とを備え、上記基板と上記支持部材との間に形成される空間の内部には、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体又は真空を独立に供給する供給源を備えてもよい。
【００２０】
更に、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性パッドと、該弾性パッドを支持する支持部材とを備え、上記支持部材の下面には上記弾性パッドに当接する弾性膜を備えた複数の当接部材を取付け、上記複数の当接部材を上記弾性パッドに対して独立して押圧可能としてもよい。
【００２１】
上記構成により、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力を独立に制御することが可能となり、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００２２】
ここで、上記供給源は、それぞれ温度制御された流体又は真空を上記第１の圧力室と上記第２の圧力室とに供給するのが好ましい。また、複数の当接部材を間隔をおいて配置するのが好ましい。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜の下面には、上記第１の圧力室に供給される流体又は真空を当接面に接触させる連通部が形成されてもよい。上述したように、上記第１の圧力室と上記第２の圧力室とに供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から基板の温度を制御する場合には、このような連通部を当接部材の弾性膜の下面に形成することによって、温度制御された加圧流体が基板に接触する面積を増やすことができるので、基板の温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、基板をリリースする際には、この連通部を介して各圧力室がそれぞれ外気に開放されることとなるので、各圧力室に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して基板を研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００２４】
特に、本発明のシールリングを備えた態様においては、支持部材の下面全体が弾性パッドなどで覆われないので、研磨対象物のリリース後、支持部材の下面の大部分が露出することとなる。従って、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。なお、弾性パッド又はシールリングのいずれを用いた態様においても、支持部材は樹脂やセラミックなどの絶縁性の材料から形成されるのが好ましい。また、シールリングは基板の向きを特定するために上記基板に設けられた切り欠き、例えば、ノッチやオリエンテーションフラットの位置よりも上記支持部材の内周側に延出していることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材が上記弾性膜を着脱可能に保持する保持部を備えてもよい。これにより、上記当接部材の弾性膜を容易に交換することができ、この弾性膜を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストでこれに対応することができる。
【００２６】
更に、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の保持部が上記支持部材に着脱可能に取付けられてもよい。これにより、上記当接部材を容易に交換することができ、この当接部材を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストでこれに対応することができる。
【００２７】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜がその下面の外周縁から外側に張り出したつばを有してもよい。このようなつばは、第２の圧力室に供給される加圧流体によって弾性パッド又は基板に密着するため、当接部材の下方に上記加圧流体が回り込むことがなくなる。従って、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【００２８】
これらの場合において、上記当接部材には上記基板の中心に対応する位置に取付けられる中心部当接部材と、該中心部当接部材の外側に取付けられる外側当接部材とが含まれることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の好ましい態様は、上記外側当接部材が上記基板の外周縁部に対応する位置に取付けられてもよい。このようにすることで、基板の周縁部付近の研磨圧力を適切に制御することができるので、研磨面の弾性変形や研磨面と基板との間への研磨液の入り込み具合などによる基板の周縁部付近の不均一な研磨を抑制することができる。
【００３０】
また、本発明の好ましい態様は、上記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングを備えてもよい。
【００３１】
更に、本発明の好ましい態様は、上記トップリング本体が上記弾性パッドの外周面とリテーナリングとの間に形成される間隙に洗浄液を供給する洗浄液路を備えてもよい。洗浄液路から洗浄液（純水）を供給することにより、弾性パッドの外周面とリテーナリングとの間に形成される間隙に侵入した研磨液が洗い流され、この間隙への研磨液の固着を防止することができる。従って、支持部材や弾性パッド又は基板は、トップリング本体及びリテーナリングに対して円滑に上下動することができる。
【００３２】
また、本発明の好ましい態様は、上記リテーナリングが、該リテーナリングと上記トップリング本体との間に弾性体を介することなく、上記トップリング本体に固定されてもよい。ゴムなどの弾性体をリテーナリングとトップリング本体との間に挟み込んで固定した場合には、この弾性体の弾性変形によってリテーナリングの下面において好ましい平面が得られなくなってしまうが、このようにすることでこれを防止することができる。
【００３３】
また、本発明の好ましい態様は、上記当接部材の弾性膜は部分的に異なる膜厚を有する、あるいは、部分的に非弾性体を有してもよい。これにより、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力による弾性膜の変形を最適なものとすることができる。
【００３４】
また、本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、上述した基板保持装置と、研磨面を有する研磨テーブルとを備えてもよい。
【００３５】
更に、本発明の好ましい態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、上記基板を保持するトップリング本体と、上記基板に当接する弾性材からなる複数の環状部材と、上記複数の環状部材によって区画される、下方に開口した複数の区画と、上記複数の区画にそれぞれ独立して流体を供給するための流体路とを備えてもよい。
【００３６】
また、本発明の好ましい態様は、研磨面を有する研磨テーブルとトップリングとを有し、トップリングによりポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記基板の表面に形成された研磨すべき薄膜の膜厚の厚い部分の上記研磨面への押圧力を該膜厚の薄い部分の上記研磨面への押圧力より大きくした状態で研磨してもよい。
【００３７】
更に、本発明の好ましい態様は、研磨面を有する研磨テーブルとトップリングとを有し、トップリングによりポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法において、上記トップリングに上記基板に当接する弾性材からなる複数の環状部材を設け、上記複数の環状部材によって区画される、下方に開口した複数の区画を設け、上記複数の区画にそれぞれ独立して流体又は真空を供給して上記基板を研磨してもよい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定することができる。
また本発明によれば、第１の圧力室及び第２の圧力室の圧力を独立に制御することが可能となるので、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００３９】
また、上記当接部材が上記弾性膜を着脱可能に保持する保持部を備え、あるいは、上記当接部材の保持部が上記支持部材に着脱可能に取付けられることとしたため、当接部材の弾性膜又は当接部材を容易に交換することができ、この弾性膜又は当接部材を交換するだけで、第１の圧力室及び第２の圧力室の位置や大きさを変更することができる。従って、上記研磨すべき基板の表面の薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。
【００４０】
更に、本発明のシールリングを備えた態様においては、研磨対象物のリリース後において支持部材の下面全体が覆われないこととなるため、支持部材の下面の大部分が露出することとなるので、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。
【００４１】
また、上記当接部材の弾性膜は、その下面の外周縁から外側に張り出したつばを有することとしたため、つばが第２の圧力室へ供給される加圧流体によって弾性パッド又は基板に密着し、当接部材の下方に上記加圧流体が回り込むことがなくなる。従って、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図３】図２に示す基板保持装置の底面図である。
【図４】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の実施例を示す部分縦断面図である。
【図５】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の実施例を示す部分縦断面図である。
【図６】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す部分縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す部分縦断面図である。
【図９】半導体ウェハを取り外した状態における図８の底面図である。
【図１０】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す底面図である。
【図１１】本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ及びリングチューブ）の変更例を示す底面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図１３】図１２に示す基板保持装置の底面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態における基板保持装置を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明に係る基板保持装置の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウェ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装置である。図１に示すように、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、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。
【００４４】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
【００４５】
トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、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することができる。
【００４６】
また、トップリング駆動軸１１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。従って、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、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１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）に固定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。
【００４７】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。
図２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図３は図２に示すトップリング１の底面図である。
【００４８】
図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００４９】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００５０】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受け機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００５１】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ、２ｄ間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００５２】
トップリング本体２及びトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷに当接する弾性パッド４と、環状のホルダーリング５と、弾性パッド４を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６（支持部材）とが収容されている。弾性パッド４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の下面を覆っている。これにより弾性パッド４とチャッキングプレート６との間には空間が形成されている。
【００５３】
なお、チャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、フッ素系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００５４】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５の上端部５ａとストッパ部５ｂとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート７によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート７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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５５】
なお、加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート７の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、特願平８−５０９５６（特開平９−１６８９６４）や特願平１１−２９４５０３に記載されているように、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート７の固定方法が用いられるとは限らない。
【００５６】
トップリング本体２のシール部２ｃが嵌合されるハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１はシール部２ｃの貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１からハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３は弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。
【００５７】
弾性パッド４とチャッキングプレート６との間に形成される空間の内部には、弾性パッド４に当接する当接部材としてのセンターバッグ８（中心部当接部材）及びリングチューブ９（外側当接部材）が設けられている。本実施形態においては、図２及び図３に示すように、センターバッグ８はチャッキングプレート６の下面の中心部に配置され、リングチューブ９はこのセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側に配置されている。なお、弾性パッド４、センターバッグ８及びリングチューブ９は、加圧シート７と同様に、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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５８】
チャッキングプレート６と弾性パッド４との間に形成される空間は、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって複数の空間（第２の圧力室）に区画されており、これによりセンターバッグ８とリングチューブ９の間には圧力室２２が、リングチューブ９の外側には圧力室２３がそれぞれ形成されている。
【００５９】
センターバッグ８は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜８１と、弾性膜８１を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー８２（保持部）とから構成されている。センターバッグホルダー８２にはネジ穴８２ａが形成されており、このネジ穴８２ａにネジ５５を螺合させることにより、センターバッグ８がチャッキングプレート６の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ８の内部には、弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２とによって中心部圧力室２４（第１の圧力室）が形成されている。
【００６０】
同様に、リングチューブ９は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するリングチューブホルダー９２（保持部）とから構成されている。リングチューブホルダー９２にはネジ穴９２ａが形成されており、このネジ穴９２ａにネジ５６を螺合させることにより、リングチューブ９がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ９の内部には、弾性膜９１とリングチューブホルダー９２とによって中間部圧力室２５（第１の圧力室）が形成されている。
【００６１】
圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３、３４、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６を介して供給源としての圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３１〜３６は、トップリングシャフト１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ１〜Ｒ６に接続されている。
【００６２】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１、３３、３４、３５、３６を介して加圧空気等の加圧流体又は大気圧や真空が供給されるようになっている。図１に示すように、圧力室２１〜２５の流体路３１、３３、３４、３５、３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータＲ２〜Ｒ６によって各圧力室２１〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、弾性パッド４を介して半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２１〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００６３】
この場合において、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。
【００６４】
弾性パッド４には、図３に示すように複数の開口部４１が設けられている。そして、センターバッグ８とリングチューブ９との間の開口部４１から露出するようにチャッキングプレート６から下方に突出する内周部吸着部６１が設けられており、また、リングチューブ９の外側の開口部４１から露出するように外周部吸着部６２が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド４には８個の開口部４１が設けられ、各開口部４１に吸着部６１及び６２が露出するように設けられている。
【００６５】
内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２には、流体路３７、３８にそれぞれ連通する連通孔６１ａ、６２ａがそれぞれ形成されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は流体路３７、３８及びバルブＶ１、Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源１２１に接続されている。そして、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ａが真空源１２１に接続されると、連通孔６１ａ、６２ａの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に半導体ウェハＷが吸着される。なお、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート６１ｂ、６２ｂが貼着されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。
【００６６】
また、図２に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は弾性パッド４の下端面より上方に位置して、弾性パッド４の下端面より突出することはない。半導体ウェハＷを吸着する際には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面は弾性パッド４の下端面と略同一面になる。
【００６７】
ここで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられた弾性パッド４等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング５等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００６８】
次に、このように構成されたトップリング１の作用について詳細に説明する。
上記構成のポリッシング装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ａを流体路３７，３８を介して真空源１２１に接続する。連通孔６１ａ、６２ａの吸引作用により内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。
【００６９】
研磨時には、吸着部６１、６２による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００７０】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１及び弾性パッド４を介して、中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１及び弾性パッド４を介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００７１】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。即ち、レギュレータＲ３〜Ｒ６によって各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整している。このように、半導体ウェハＷの部分ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図３のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、中間部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。
【００７２】
なお、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分には、弾性パッド４を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部４１の箇所のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。また、研磨時には、弾性パッド４は開口部４１の周囲において半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室２２及び２３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００７３】
このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ４）に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分（Ｃ１〜Ｃ４）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００７４】
半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２５に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２５からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。
【００７５】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分ごとの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室２１の圧力を速やかに下げる必要があり、図２に示すように、圧力室２１からトップリング本体２を貫くようにリリーフポート３９を設けて、圧力室２１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室２１に圧力をかける際には流体路３１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート３９は逆止弁を備えており、圧力室２１内を負圧にする際には外気が圧力室２１に入らないようにしている。
【００７６】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ、６２ｂから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００７７】
ところで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及び弾性パッド４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図２に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２６内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２６を大気と同圧にすることが好ましい。
【００７８】
以上説明したように、圧力室２２、２３、センターバッグ８の内部の圧力室２４、及びリングチューブ９の内部の圧力室２５の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。更に、本発明によれば、センターバッグ８及びリングチューブ９の位置や大きさなどを変更することによって、押圧力の制御を行なう範囲を簡単に変更することができる。以下、押圧力の制御を行なう範囲を変更する場合について説明する。
図４（ａ）乃至図４（ｅ）及び図５は、本発明に係る基板保持装置における当接部材（センターバッグ８及びリングチューブ９）の実施例を示す部分縦断面図である。
【００７９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、センターバッグ８を大きさの異なるセンターバッグ８に取り替えれば、半導体ウェハの押圧力を制御する範囲Ｃ１の大きさを変えることができる。この場合において、センターバッグ８の内部の圧力室２４と流体路３５とを連通する連通孔８２ｂの大きさ及び形状、及びセンターバッグホルダー８２をチャッキングプレート６に取付けるためのネジ穴８２ａの大きさ及び位置を予め決めておけば、大きさの違うセンターバッグホルダー８２を用意するだけで上記押圧力の制御を行なう範囲を変更することができ、チャッキングプレート６そのものを加工する必要がない。
【００８０】
また、図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、リングチューブ９を大きさ及び／又は形状の異なるリングチューブ９に取り替えれば、半導体ウェハの中間部の押圧力を制御する範囲Ｃ３の幅及び／又は位置を変更することができる。更に、図４（ｅ）に示すように、チャッキングプレート６に、半径方向の位置を変えて予め複数の連通孔５７及びネジ穴（図示せず）を設けておき、そのうちの１つの連通孔５７にリングチューブ９の連通孔９２ｂを合わせて取付け、それ以外の連通孔５７（及びネジ穴）を流体シール用のネジ５８などで塞ぐようにしてもよい。これによりリングチューブ９を半径方向に対して柔軟に取り付けることができ、上記押圧力の制御を行なう範囲も柔軟に変更することが可能となる。
【００８１】
更に、図５に示すようにセンターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１に、その下面の外周縁から外側に張り出したつば８１ａ、９１ａをそれぞれ設けることとしてもよい。つば８１ａ、９１ａはセンターバッグ８及びリングチューブ９と同一の材料で一体に形成されている。上述したように、半導体ウェハを研磨する際、センターバッグ８とリングチューブ９に挟まれた圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３には加圧流体が供給される。これにより、つば８１ａ、９１ａは、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体によって弾性パッド４に密着する。このため、センターバッグ８の内部の圧力室２４に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合であっても、センターバッグ８の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。同様に、リングチューブ９の内部の圧力室２５に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２又は２３に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合でも、リングチューブ９の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。従って、上記つば８１ａ、９１ａを設けることによって、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【００８２】
また、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の変形が最適になるように、弾性膜８１、９１に部分的に異なる膜厚を持たせたり、部分的に非弾性体を含ませたりしてもよい。図６（ａ）にはリングチューブ９の弾性膜９１の側面９１ｂの膜厚を弾性パッド４に当接する面９１ｃよりも厚くした例を示す。また、図６（ｂ）にはリングチューブ９の弾性膜９１の側面９１ｂの一部を非弾性体９１ｄとした例を示す。これらの例では、各圧力室の圧力による弾性膜の側面の変形が適切に制限される。
【００８３】
上述したように、半導体ウェハの表面に形成される薄膜の膜厚分布は成膜の方法や成膜装置の種類により変化するが、本発明に係る基板保持装置によれば、半導体ウェハに押圧力を加える圧力室の位置や大きさをセンターバッグ８及びセンターバッグホルダー８２、又はリングチューブ９及びリングチューブホルダー９２を交換するだけで変更することができる。従って、研磨すべき薄膜の膜厚分布に合わせて押圧力を制御すべき位置や範囲をトップリング１の極一部を交換するだけで容易かつ低コストで変更することが可能となる。換言すれば、研磨すべき半導体ウェハの表面の研磨すべき薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。なお、センターバッグ８又はリングチューブ９の形状及び位置を変更すると、結果的にセンターバッグ８とリングチューブ９に挟まれる圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３の大きさを変えることにもなる。
【００８４】
次に、本発明に係る基板保持装置の第２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、上述の第１の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。
【００８５】
図７は、本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図である。
図７に示すように、本実施形態におけるトップリング１には、弾性パッドが設けられておらず、その代わりに、チャッキングプレート６の外縁近傍の下面のみを覆うように弾性膜からなるシールリング４２が設けられている。また、第１の実施形態とは異なり、チャッキングプレート６には半導体ウェハＷを吸着する内周部吸着部（図２中の６１）又は外周部吸着部（図２中の６２）が設けられておらず構造が簡素になっているが、第１の実施形態と同様にチャッキングプレート６に半導体ウェハを吸着する吸着部を設けることとしてもよい。なお、シールリング４２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。
【００８６】
シールリング４２は、下端面がポリッシング対象物である半導体ウェハＷの上面に接するように設けられており、上述の第１の実施形態における弾性パッド４と同様に、チャッキングプレート６とホルダーリング５との間に挟み込まれ固定されている。なお、半導体ウェハＷの外縁にはノッチやオリエンテーションフラットと呼ばれる、半導体ウェハの向きを認識（特定）するための切り欠きが設けられているが、このようなノッチやオリエンテーションフラットよりもチャッキングプレート６の内周側にまでシールリング４２が延出していることが好ましい。
【００８７】
第１の実施形態と同様に、チャッキングプレート６の下面の中心部にはセンターバッグ８が設けられており、このセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側にリングチューブ９が設けられている。
【００８８】
本実施形態では、研磨される半導体ウェハＷが上記シールリング４２、センターバッグ８の弾性膜８１、及びリングチューブ９の弾性膜９１に当接して保持される。従って、第１の実施形態において弾性パッドとチャッキングプレートとによって形成された空間は、半導体ウェハＷとチャッキングプレート６とシールリング４２によって形成されることとなる。そして、この空間には、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって、センターバッグ８とリングチューブ９の間の圧力室２２及びリングチューブ９の外側の圧力室２３（第２の圧力室）が形成されている。
【００８９】
第１の実施形態と同様に、上記圧力室２２、２３、センターバッグ８の内部に形成される中心部圧力室２４（第１の圧力室）、及びリングチューブ９の内部に形成される中間部圧力室２５（第１の圧力室）には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３、３４、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２、２３、２４、２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータを介して圧縮空気源に接続されている。これらの圧力室２２〜２５は、流体路３３〜３６上に配置された各レギュレータによってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２２〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、各圧力室２２〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッドに押圧する研磨圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２２〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００９０】
次に、本実施形態におけるトップリング１の作用について説明する。なお、特に説明しない部分については第１の実施形態と同様である。
半導体ウェハＷを吸着する際には、センターバッグ８及びリングチューブ９の内部に所定の圧力の加圧流体を供給して、センターバッグ８及びリングチューブ９の下端面を半導体ウェハＷに密着させる。その後、圧力室２２及び２３をそれぞれ流体路３３及び３４を介して真空源に接続することにより、圧力室２２及び２３の内部を負圧にし、圧力室２２、２３の吸引作用により半導体ウェハＷを真空吸着する。
【００９１】
また、半導体ウェハＷを研磨する際には、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブルの研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブルの研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズルから供給される研磨液が半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨面との間に存在した状態で研磨が行われる。
【００９２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２、２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１を介して中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１を介して中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００９３】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００９４】
なお、研磨時には、シールリング４２は半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室２３内の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。同様の理由で、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に貫通孔を設けたとしても、研磨時に、圧力室２４及び２５内の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００９５】
研磨の終了後は、上述と同様の吸着方法で半導体ウェハＷを真空吸着し、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、流体路３３及び流体路３４を介して半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。この場合において、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に貫通孔を設けた場合には、この貫通孔からも半導体ウェハＷに下方向の圧力が加わるため、半導体ウェハＷのリリースがよりスムーズになる。また、本実施形態においては半導体ウェハＷのリリース後、チャッキングプレート６の下面の大部分が露出することとなるので、研磨終了後の洗浄が比較的容易にできる。
【００９６】
ここで、本実施形態の基板保持装置におけるセンターバッグ８及びリングチューブ９の他の実施例について説明する。図８は本発明の他の実施例を示す部分縦断面図、図９は半導体ウェハＷを取り外した状態における図８の底面図である。この実施例では、図８及び図９に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１はその外周縁部にのみ設けられており、センターバッグ８の弾性膜８１の下面に円形の孔（連通部）８３が形成されている。一方、リングチューブ９は２つの弾性膜、即ち、内側の弾性膜９１ｅ及び外側の弾性膜９１ｆを備えており、これらの内側弾性膜９１ｅと外側弾性膜９１ｆとの間には環状の溝（連通部）９３が形成されている。このような円形孔８３及び環状溝９３を介して、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に供給される加圧流体が当接面である半導体ウェハＷの上面に接触することとなる。
【００９７】
上述したように、中心部圧力室２４や中間部圧力室２５に供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から半導体ウェハＷの温度を制御する場合においては、このような連通部８３、９３をセンターバッグ８の弾性膜及びリングチューブ９の弾性膜の下面に形成することによって、温度制御された加圧流体が半導体ウェハＷに接触する面積を増やすことができるので、半導体ウェハＷの温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、半導体ウェハＷをリリースする際には、上記円形孔８３及び環状溝９３を介して中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５がそれぞれ外気に開放されることとなるので、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して半導体ウェハＷを研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００９８】
なお、研磨中は、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５に加圧流体が供給されるため、この加圧流体により、センターバッグ８の弾性膜８１、リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅ及び外側弾性膜９１ｆの下面が当接面である半導体ウェハＷの上面に押し付けられる。従って、このような円形孔８３や環状溝９３が弾性膜で形成されている場合であっても、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００９９】
図８及び図９に示す例では、センターバッグ８の弾性膜８１には中心部圧力室２４に供給された加圧流体によって円形孔８３を外方に押し広げようとする力が作用し、リングチューブ９の弾性膜９１ｅ、９１ｆには中間部圧力室２５に供給された加圧流体によって環状溝９３の幅を広げようとする力が作用する。図１０に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１の下面に、それぞれ複数の円形孔（連通部）８４、９４を形成すれば、このような加圧流体による力を分散させることができる。
【０１００】
また、図１１に示すように、センターバッグ８の弾性膜８１の下端に、内部に流体が密封された環状の接触部８５を形成してもよい。また、リングチューブ９の弾性膜９１の下端にそれぞれ内部に流体が密封された環状の（内側）接触部９５ａと（外側）接触部９５ｂを形成してもよい。この場合において、圧力室２１に加圧流体を供給することによって各接触部８５、９５ａ、９５ｂが半導体ウェハＷに押し付けられ、接触部８５、９５ａ、９５ｂによって圧力室２２、２３、中央部圧力室２４、及び中間部圧力室２５がそれぞれシールされる。このとき、半導体ウェハＷに押し付けられることによって接触部８５、９５ａ、９５ｂが変形して接触部８５、９５ａ、９５ｂと半導体ウェハＷとの接触面積が増え、半導体ウェハＷにかかる力が大きくなるが、圧力室２１の内部圧力を調整すれば、接触部８５、９５ａ、９５ｂによって半導体ウェハＷに過剰な力がかかることがないようにすることができる。なお、図８乃至図１１に示した実施例は上述した第１の実施形態にも適用できることは言うまでもない。
【０１０１】
次に、本発明に係る基板保持装置の第３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、上述の第２の実施形態における部材又は要素と同一の作用又は機能を有する部材又は要素には同一の符号を付し、特に説明しない部分については第２の実施形態と同様である。
【０１０２】
図１２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図１３は半導体ウェハＷを取り外した状態における図１２のトップリング１の底面図である。図１２に示すように、本実施形態におけるトップリング１には、弾性パッド及びシールリングが設けられていない。
【０１０３】
本実施形態におけるセンターバッグ８のセンターバッグホルダー８２は、図１３に示すように、円環形状をなしており、その外周部に円環状の弾性膜８１が保持されている。このセンターバッグ８の弾性膜８１には、図８及び図９に示す例と同様に、その下面に円形孔８３が形成されている。
【０１０４】
本実施形態におけるリングチューブ９は半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けられている。リングチューブ９は、図８及び図９に示した例と同様に、内側弾性膜９１ｅ及び外側弾性膜９１ｆを備えており、これらの内側弾性膜９１ｅと外側弾性膜９１ｆとの間に環状溝９３が形成されている。また、リングチューブホルダー９２の内周側には環状の補助ホルダー９６が配置されている。リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅの上部は内周側に延出しており、この延出部分をこの補助ホルダー９６によって保持することで内側弾性膜９１ｅの保持がより確実になされる。
【０１０５】
また、センターバッグ８の弾性膜８１には、その下面の外周縁から外周側に張り出したつば８１ｂが設けられ、リングチューブ９の内側弾性膜９１ｅには、その下面の内周縁から内周側に張り出したつば９１ｇが設けられている。このようなつば８１ｂ、９１ｇを設けることによって、図５に示した実施例で説明したように、各圧力室の圧力制御の幅を更に大きくすることができ、半導体ウェハＷの押圧をより安定的に行なうことが可能となる。
【０１０６】
チャッキングプレート６には、第１の実施形態と同様に、半導体ウェハＷを吸着するための内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２が設けられている。内周部吸着部６１はセンターバッグ８の内側に、外周部吸着部６２はセンターバッグ８とリングチューブ９との間に配置されている。
【０１０７】
本実施形態では、研磨される半導体ウェハＷがセンターバッグ８の弾性膜８１及びリングチューブ９の弾性膜９１ｅ、９１ｆに当接した状態で保持される。従って、半導体ウェハＷとチャッキングプレート６との間の空間には、センターバッグ８及びリングチューブ９によって、センターバッグ８とリングチューブ９との間に圧力室２２が形成されている。上述したように、リングチューブ９は半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けられており、リングチューブ９の外側に圧力室（図７の符号２３）が形成されていない点で第２の実施形態と異なる。
【０１０８】
チャッキングプレート６の上方に形成される圧力室２１、圧力室２２、センターバッグ８の内部に形成される中心部圧力室２４、及びリングチューブ９の内部に形成される中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３１、３３、３５、３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２１、２２、２４、２５はそれぞれの流体路３１、３３、３５、３６上に配置されたレギュレータを介して圧縮空気源に接続されている。これらの圧力室２１、２２、２４、２５は、流体路３１、３３、３５、３６上に配置された各レギュレータによってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１、２２、２４、２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、各圧力室２１、２２、２４、２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッドに押圧する研磨圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。
【０１０９】
半導体ウェハＷの研磨の際には、研磨すべき半導体ウェハＷの表面の薄膜の膜厚分布に関わらず、研磨パッド等の弾性変形や研磨面と半導体ウェハＷとの間への研磨液の入り込み具合などによって、半導体ウェハＷの周縁部付近の均一な研磨が阻害されやすい。本実施形態では、リングチューブ９を半導体ウェハＷの外周縁部に対応する位置に取付けると共に、リングチューブ９の幅Ｄ１を狭くし、センターバッグ８の直径Ｄ２を大きくすることで、半導体ウェハＷの周縁部付近の研磨圧力を制御し、このような半導体ウェハＷの周縁部付近の不均一な研磨を抑制している。具体的には、リングチューブ９の幅Ｄ１は１０ｍｍ以下、更には、５ｍｍ以下であることが好ましい。センターバッグ８とリングチューブ９との間の幅Ｄ３は、研磨する半導体ウェハＷの直径が２００ｍｍの場合には２０〜２５ｍｍ、研磨する半導体ウェハＷが３００ｍｍの場合には２５〜３０ｍｍであることが好ましい。
【０１１０】
さて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もよいことは言うまでもない。
【０１１１】
上述の実施形態では、流体路３１、３３、３４、３５、３６をそれぞれ別個に設けたが、これらの流体路を統合したり、各圧力室同士を連通させたりするなど、半導体ウェハＷに加えるべき押圧力の大きさや加える位置により自由に改変することが可能である。
【０１１２】
例えば、圧力室２２に連通する流体路３３及び圧力室２３に連通する流体路３４をなくし、圧力室２２及び圧力室２３を圧力室２１に連通させ、圧力室２１、２２、２３を１つの圧力室とすることもできる。これにより、圧力室２１、２２、２３の圧力が流体路３１からの加圧流体によって同一の圧力に制御される。圧力室２２と圧力室２３の圧力に差を設ける必要がなく、中心部圧力室２４及び中間部圧力室２５の圧力が圧力室２１、２２、２３の圧力と比べてそれほど大きくない場合には、このようにすることで、流体路３３及び３４をなくすことができ流体路の数が減るため、流体路の取り回しが簡素になる。
【０１１３】
また、第１及び第３の実施形態のように、チャッキングプレート６に内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２を設けた場合には、内周部吸着部６１に連通する流体路３７と外周部吸着部６２に連通する流体路３８にそれぞれ真空のみでなく加圧流体も供給できるようにすることにより、内周部吸着部６１での半導体ウェハの吸着と圧力室２２への加圧流体の供給及び外周部吸着部６２での半導体ウェハの吸着と圧力室２３への加圧流体の供給とをそれぞれ１つの流路で行なうことが可能となる。これにより、流路３３及び３４は必要なくなるので、流体路が２つ必要なくなり流体路の数が減るため、流体路の取り回しが簡素になる。
【０１１４】
また、第１及び第２の実施形態におけるチャッキングプレート６の外周縁部には、弾性膜４又はシールリング４２の下部周縁の形状を保持するために、下方に突出する突起６３が設けられているが（図２及び図７参照）、弾性膜４又はシールリング４２がその材質等により形状の保持を必要としない場合には、このような突起を設けずにチャッキングプレート６を構成することも可能である。図１４は、第１の実施形態におけるチャッキングプレート６の突起６３を削除した場合のトップリング１を示す縦断面図である。このようにすることで、半導体ウェハＷを外周縁部までより一様に加圧することができる。また突起６３をなくすことにより、半導体ウェハは、研磨面に存在する大きなうねりに対してより容易に従うことが可能となる。
【０１１５】
また、上述した実施形態においては、研磨パッドにより研磨面が形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成されたものである。固定砥粒を用いた研磨においては、固定砥粒から自生した砥粒により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の研磨面としては、上述したＩＣ−１０００がある。
【符号の説明】
【０１１６】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ 弾性パッド
５ ホルダーリング
５ａ 上端部
５ｂ ストッパ部
５ｃ 突起
６ チャッキングプレート（支持部材）
７ 加圧シート
８ センターバッグ（中心部当接部材）
９ リングチューブ（外側当接部材）
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
２１ 圧力室
２２、２３ 圧力室（第２の圧力室）
２４ 中心部圧力室（第１の圧力室）
２５ 中間部圧力室（第１の圧力室）
２６ 空間
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 流体路
３９ リリーフポート
４１ 開口部
４２ シールリング
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３、５７ 連通孔
５５、５６、５８ ネジ
６１ 内周部吸着部
６１ａ、６２ａ 連通孔
６１ｂ、６２ｂ 弾性シート
６２ 外周部吸着部
６３ 突起
８１、９１ 弾性膜
８１ａ、８１ｂ、９１ａ、９１ｇ つば
８２ センターバッグホルダー（保持部）
８２ａ、９２ａ ネジ穴
８２ｂ、９２ｂ 連通孔
８３、８４、９４ 円形孔（連通部）
８５、９５ａ、９５ｂ 接触部
９１ｄ 非弾性体
９１ｅ 内側弾性膜
９１ｆ 外側弾性膜
９２ リングチューブホルダー（保持部）
９３ 環状溝（連通部）
９６ 補助ホルダー
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
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
１２０ 圧縮空気源（供給源）
１２１ 真空源
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ レギュレータ
Ｖ１、Ｖ２ バルブ
Ｗ 半導体ウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板保持装置により基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨方法において、
前記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、前記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の前記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、
前記基板保持装置により前記基板を保持しながら、リテーナリングを前記研磨パッドに押圧し、
前記基板保持装置の前記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して前記基板を前記研磨パッドに押圧し、該基板を研磨することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の基板の研磨方法において、
前記基板保持装置により前記基板を保持した状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法によりその表面に形成された薄膜の膜厚分布を測定し、
前記基板の表面の膜厚の厚い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くするように、あるいは、前記基板の表面の膜厚の薄い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
請求項１記載の基板の研磨方法において、
前記第１の圧力室の直径を大きくし、前記第４の圧力室の幅を小さくすることにより、前記基板の周縁部付近の研磨圧力の制御を行うことを特徴する研磨方法。
【請求項４】
基板保持装置により基板を保持して基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧し、該基板を研磨する研磨装置において、
前記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、前記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の前記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、
前記基板の同心の少なくとも４つの円および円環部分をそれぞれ異なった圧力で前記研磨パッドに押圧するために、前記基板保持装置の前記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給する４つのレギュレータを設けたことを特徴とする研磨装置。
【請求項１】
基板保持装置により基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨方法において、
前記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、前記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の前記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、
前記基板保持装置により前記基板を保持しながら、リテーナリングを前記研磨パッドに押圧し、
前記基板保持装置の前記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給して前記基板を前記研磨パッドに押圧し、該基板を研磨することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の基板の研磨方法において、
前記基板保持装置により前記基板を保持した状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法によりその表面に形成された薄膜の膜厚分布を測定し、
前記基板の表面の膜厚の厚い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くするように、あるいは、前記基板の表面の膜厚の薄い部分に対応した位置にある圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
請求項１記載の基板の研磨方法において、
前記第１の圧力室の直径を大きくし、前記第４の圧力室の幅を小さくすることにより、前記基板の周縁部付近の研磨圧力の制御を行うことを特徴する研磨方法。
【請求項４】
基板保持装置により基板を保持して基板を研磨テーブル上部の研磨パッドに押圧し、該基板を研磨する研磨装置において、
前記基板保持装置の底面を基板を当接させ基板をとりつける面を提供するための弾性パッドで覆うとともに、該弾性パッドの内側に同心状に少なくとも４つの圧力室を形成し、前記少なくとも４つの圧力室は、基板を同心の少なくとも４つの円および円環部分に区切ったときに、基板の円形状中心部に対応する位置にある第１の圧力室と、基板の円形状中心部の外側の円環部分に対応する位置にある第２の圧力室と、基板の前記円環部分の外側の円環部分に対応する位置にある第３の圧力室と、基板の周縁部に対応する位置にある第４の圧力室とを含み、
前記基板の同心の少なくとも４つの円および円環部分をそれぞれ異なった圧力で前記研磨パッドに押圧するために、前記基板保持装置の前記少なくとも第１〜第４の圧力室にそれぞれ制御された圧力の加圧流体を供給する４つのレギュレータを設けたことを特徴とする研磨装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−４５４０８（Ｐ２０１０−４５４０８Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６３８８（Ｐ２００９−２６６３８８）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【分割の表示】特願２００７−７１５９１（Ｐ２００７−７１５９１）の分割
【原出願日】平成１３年１月２２日（２００１．１．２２）
【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２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【分割の表示】特願２００７−７１５９１（Ｐ２００７−７１５９１）の分割
【原出願日】平成１３年１月２２日（２００１．１．２２）
【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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