(57)【要約】【課題】基板と弾性膜との間に形成される隙間が小さくても、流体を基板と弾性膜との隙間に適切に噴射でき、かつ基板離脱時に基板を汚染することがない研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置は、研磨パッド２０を支持するための研磨テーブル１０と、弾性膜４で構成された基板保持面４ｂおよび圧力室５を有し、基板保持面４ｂで基板Ｗを保持して圧力室５内の圧力により基板Ｗを研磨パッド２０に押圧する研磨ヘッド１と、基板Ｗと弾性膜４との隙間にリリース噴流を噴射して基板Ｗを基板保持面４ｂから離脱させるリリースノズル５３とを備える。リリースノズル５３は、超音速の平行流を噴射することができるラバルノズルとして構成される。【選択図】図４
2016072372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
弾性膜で構成された基板保持面および圧力室を有し、該基板保持面で基板を保持して前記圧力室内の圧力により前記基板を前記研磨パッドに押圧する研磨ヘッドと、
前記弾性膜と前記基板との間の隙間にリリース噴流を噴射することにより、前記基板を前記研磨ヘッドから離脱させるリリースノズルと、を備え、
前記リリースノズルは、流路径が漸次縮小するスロート部と、前記スロート部の下流側で流路径が漸次拡大する拡大部と、を有するラバルノズルとして構成されることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記研磨ヘッドに前記基板を渡し、該基板を前記研磨ヘッドから受け取る基板受け渡し装置をさらに備え、
前記リリースノズルは、前記基板受け渡し装置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に係り、特にウェーハなどの基板を研磨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、化学機械研磨（Chemical  Mechanical  Polishing）である。この化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド上に供給しつつウェー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】
ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェーハを保持するための研磨ヘッド又はトップリング等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いてウェーハの研磨を行う場合には、研磨液（スラリ）を研磨テーブル上の研磨パッドに供給しながら、研磨テーブルと研磨ヘッドとを相対運動させ、研磨ヘッドによりウェーハを研磨パッドの研磨面に対して所定の圧力で押圧する。研磨液の存在下でウェーハは研磨面に摺接し、ウェー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、研磨中のウェーハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力がウェーハの全面に亘って均一でない場合には、ウェーハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そこで、ウェーハに対する押圧力を均一化するために、研磨ヘッドの下部に弾性膜（メンブレン）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メンブレンを介して流体圧によりウェーハを研磨パッドの研磨面に押圧して研磨することが行われている。
【０００６】
上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中のウェーハの外周縁に加わる押圧力が不均一になり、ウェーハの外周縁のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、ウェーハの外周縁を保持するリテーナリングでウェー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。
【０００７】
研磨テーブルの近傍にはプッシャと呼ばれる基板受け渡し装置が設置されている。このプッシャは、搬送ロボット等の搬送装置によって搬送されてきたウェーハを持ち上げて、プッシャの上方位置に移動してきた研磨ヘッドにウェーハを渡す機能を有する。プッシャは、さらに、研磨ヘッドから受け取ったウェーハを搬送ロボット等の搬送装置に渡す機能も有している。
【０００８】
上述の構成の研磨装置において、研磨パッドの研磨面上で研磨されたウェーハは研磨ヘッドに真空吸引により保持される。さらに、研磨ヘッドをウェーハとともに上昇させた後、研磨ヘッドをプッシャの上方位置へ移動させて、ウェーハを研磨ヘッドからプッシャへ離脱させる。ウェーハの離脱は圧力室に流体を供給してメンブレンのウェーハ保持面を変形させることによって行われる。
【０００９】
しかしながら、メンブレンの形状変化が小さい場合は、ウェーハがメンブレンから剥離しない場合がある。そこで、ウェーハを研磨ヘッドから確実に離脱させるために、特許文献１乃至３で開示されているように、プッシャにリリースノズルが設けられる。このリリースノズルは、ウェーハとメンブレンとの隙間に流体（リリースシャワー）を噴射することによりウェーハの離脱を補助する機構である。
【００１０】
リリースシャワーは、ウェーハの離脱を促進し、研磨装置における研磨処理のスループットを向上させることができる。その一方で、リリースシャワーは、リリースノズルの噴出口から出た瞬間に広がってしまうため、リリースシャワーがウェーハの表面（被研磨面）に当たると、リリースシャワーがウェーハをメンブレンに押し付けてしまい、ウェーハの離脱が阻害されてしまう。
【００１１】
したがって、従来は、メンブレンの圧力室に供給される流体の圧力を高めることで、メンブレンを大きく膨らますようにしている。メンブレンが大きく膨らむと、ウェーハとメンブレンとの間に形成される隙間が大きくなり、リリースシャワーがウェーハの表面（被研磨面）に当たりにくくなる。
【００１２】
しかしながら、ウェーハとメンブレンとの密着力が高い状態でメンブレンを大きく膨らませると、ウェーハに大きなストレスが生じ、ウェーハ上に形成された微細な配線が破断したり、ウェーハが破損することがある。したがって、ウェーハとメンブレンとの間に形成される隙間が小さくても、リリースシャワーをウェーハとメンブレンとの隙間に適切に噴射できる技術が望まれている。
【００１３】
また、リリースシャワーは、周辺の粒子を引き込みながら広がる。その結果、粒子を含んだリリースシャワーがウェーハの表面および裏面に接触することになり、ウェーハが汚染されてしまうことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−１２３４８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−４６７５６号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５８６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板と弾性膜との間に形成される隙間が小さくても、流体を基板と弾性膜との隙間に適切に噴射でき、かつ基板離脱時に基板を汚染することがない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】
【００１６】
上述した課題を解決するための本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、弾性膜で構成された基板保持面および圧力室を有し、該基板保持面で基板を保持して前記圧力室内の圧力により前記基板を前記研磨パッドに押圧する研磨ヘッドと、前記弾性膜と前記基板との間の隙間にリリース噴流を噴射することにより、前記基板を前記研磨ヘッドから離脱させるリリースノズルと、を備え、前記リリースノズルは、流路径が漸次縮小するスロート部と、前記スロート部の下流側で流路径が漸次拡大する拡大部と、を有するラバルノズルとして構成されることを特徴とする研磨装置である。
【００１７】
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドに前記基板を渡し、該基板を前記研磨ヘッドから受け取る基板受け渡し装置をさらに備え、前記リリースノズルは、前記基板受け渡し装置に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ラバルノズルとして構成されたリリースノズルから、超音速の平行流がリリース噴流として噴射される。リリース噴流が平行流となることから、基板と弾性膜との間に形成される隙間が小さくても、リリース噴流を基板と弾性膜との隙間に適切に噴射することができる。その結果、弾性膜を過度に膨らませる必要がなくなり、基板上に形成された微細な配線の破断や、基板の破損を防止することができる。また、リリース噴流の流速が超音速になることから、リリース噴流の周囲に存在する粒子は、リリース噴流に追従することができない。その結果、粒子がリリース噴流内に取り込まれることがなくなり、リリース噴流によって基板が汚染されてしまうことを防止できる。さらに、リリース噴流の流速が超音速になることから、リリース噴流の動圧成分を高めることができる。その結果、基板の離脱が促進され、研磨処理のスループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】ウェーハを保持して研磨テーブル上の研磨パッドに押圧する研磨ヘッドの模式的な断面図である。
【図３】ウェーハをプッシャへ渡すために、研磨ヘッドがプッシャ上方の所定位置へ移動してきた直後の状態を示す概略図である。
【図４】ウェーハを研磨ヘッドからプッシャへ渡すために、プッシャを上昇させた状態を示す概略図である。
【図５】ラバルノズルとして構成されたリリースノズルの拡大断面図である。
【図６】基板受け渡し装置として、プッシャの代わりに、リテーナリングステーションと搬送ステージが設けられた研磨装置の一実施形態を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。なお、図１から図６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。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２０を支持するための研磨テーブル１０と、基板の一例であるウェーハＷを保持して研磨テーブル１０上の研磨パッド２０に押圧する研磨ヘッド（基板保持装置）１とを備えている。
【００２２】
研磨テーブル１０は、テーブル軸１０ａ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１０ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル１０の上面には研磨パッド２０が貼付されており、研磨パッド２０の表面２０ａがウェーハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１０の上方には研磨液供給ノズル６２が設置されており、この研磨液供給ノズル６２によって研磨パッド２０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２３】
研磨ヘッド１は、ウェーハＷを研磨面２０ａに対して押圧するヘッド本体２と、ウェーハＷを保持してウェーハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにするリテーナリング３とから基本的に構成されている。
【００２４】
研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト６５に接続されており、この研磨ヘッドシャフト６５は、上下動機構８１により研磨ヘッドアーム６４に対して上下動するようになっている。この研磨ヘッドシャフト６５の上下動により、研磨ヘッドアーム６４に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させ位置決めすることができるようになっている。研磨ヘッドシャフト６５の上端にはロータリージョイント８２が取り付けられている。
【００２５】
研磨ヘッドシャフト６５および研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構８１は、軸受８３を介して研磨ヘッドシャフト６５を回転可能に支持するブリッジ８４と、ブリッジ８４に取り付けられたボールねじ８８と、支柱８６により支持された支持台８５と、支持台８５上に設けられたサーボモータ９０とを備えている。サーボモータ９０を支持する支持台８５は、支柱８６を介して研磨ヘッドアーム６４に固定されている。
【００２６】
ボールねじ８８は、サーボモータ９０に連結されたねじ軸８８ａと、このねじ軸８８ａが螺合するナット８８ｂとを備えている。研磨ヘッドシャフト６５は、ブリッジ８４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９０を駆動すると、ボールねじ８８を介してブリッジ８４が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト６５および研磨ヘッド１が上下動する。
【００２７】
また、研磨ヘッドシャフト６５はキー（図示せず）を介して回転筒６６に連結されている。この回転筒６６はその外周部にタイミングプーリ６７を備えている。研磨ヘッドアーム６４には研磨ヘッド回転モータ６８が固定されており、上記タイミングプーリ６７は、タイミングベルト６９を介して研磨ヘッド回転モータ６８に設けられたタイミングプーリ７０に接続されている。したがって、研磨ヘッド回転モータ６８を駆動することによってタイミングプーリ７０、タイミングベルト６９、およびタイミングプーリ６７を介して回転筒６６および研磨ヘッドシャフト６５が一体に回転し、研磨ヘッド１が回転する。研磨ヘッドアーム６４は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたアームシャフト８０によって支持されている。研磨装置は、研磨ヘッド回転モータ６８、サーボモータ９０をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部（図示せず）を備えている。
【００２８】
研磨ヘッド１は、その下面にウェーハＷを真空吸引により保持できるように構成されている。アームシャフト８０はアームモータ９６に連結されており、このアームモータ９６によって研磨ヘッドアーム６４はアームシャフト８０を中心として旋回可能に構成されている。下面にウェーハＷを保持した研磨ヘッド１は、研磨ヘッドアーム６４の旋回により基板受け渡し装置（後述する）の上方位置と研磨テーブル１０の上方位置との間を移動される。本実施形態では、研磨ヘッド１を移動させる研磨ヘッド移動機構は、アームシャフト８０、アームモータ９６、研磨ヘッドアーム６４から構成されている。
【００２９】
ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド１および研磨テーブル１０をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１０の上方に設けられた研磨液供給ノズル６２から研磨パッド２０上に研磨液Ｑを供給する。この状態で、研磨ヘッド１でウェーハＷを研磨パッド２０の研磨面２０ａに押圧し、ウェーハＷを研磨パッド２０の研磨面２０ａに摺接させる。ウェーハＷの表面は研磨液Ｑの存在下で研磨パッド２０により研磨される。
【００３０】
次に、研磨ヘッド１について説明する。図２は、研磨対象物であるウェーハＷを保持して研磨テーブル１０上の研磨パッド２０にウェーハＷを押圧する研磨ヘッド１の模式的な断面図である。
【００３１】
図２に示すように、研磨ヘッド１は、ウェーハＷを研磨パッド２０に対して押圧するメンブレン（弾性膜）４と、メンブレン４を保持するヘッド本体（キャリアとも称する）２と、研磨パッド２０を直接押圧するリテーナリング３とを備えている。ヘッド本体２は概略円盤状の部材からなり、リテーナリング３はヘッド本体２の外周部に取り付けられている。ヘッド本体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。ヘッド本体２の下面には、ウェーハＷの裏面に当接するメンブレン４が取り付けられている。メンブレン４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００３２】
メンブレン４は同心状の複数の環状の隔壁４ａを有し、これら隔壁４ａによって、メンブレン４の上面とヘッド本体２の下面との間に複数の圧力室、すなわち、円形状のセンター室５、環状のリプル室６、環状のアウター室７、環状のエッジ室８が形成されている。ヘッド本体２の中心部にセンター室５が形成され、中心から外周方向に向かって、同心状に、リプル室６、アウター室７、エッジ室８が形成されている。
【００３３】
ウェーハＷはメンブレン４で構成されたウェーハ保持面（基板保持面）４ｂ上に保持される。メンブレン４は、リプル室６に対応する位置にウェーハ吸着用の複数の孔４ｈを有している。本実施例では孔４ｈはリプル室６の位置に設けられているが、リプル室６以外の位置に設けてもよい。ヘッド本体２内には、センター室５に連通する流路１１、リプル室６に連通する流路１２、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４がそれぞれ形成されている。そして、流路１１，１３，１４は、ロータリージョイント８２を介して流路２１，２３，２４にそれぞれ接続されている。そして、流路２１，２３，２４は、それぞれバルブＶ１−１，Ｖ３−１，Ｖ４−１および圧力レギュレータＲ１，Ｒ３，Ｒ４を介して流体供給源３０に接続されている。また、流路２１，２３，２４は、それぞれバルブＶ１−２，Ｖ３−２，Ｖ４−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ１−３，Ｖ３−３，Ｖ４−３を介して大気に連通可能になっている。流体供給源３０は、例えば、研磨装置が設備される工場の流体供給ラインである。この流体供給ライン３０には、例えば、０．４Ｍｐａ〜０．６ＭＰａ程度の圧力を有する窒素または空気が流れている。
【００３４】
リプル室６に連通する流路１２は、ロータリージョイント８２を介して流路２２に接続されている。そして、流路２２は、気水分離槽３５、バルブＶ２−１および圧力レギュレータＲ２を介して流体供給源３０に接続されている。また、流路２２は、気水分離槽３５およびバルブＶ２−２を介して真空源８７に接続されるとともに、バルブＶ２−３を介して大気に連通可能になっている。
【００３５】
リテーナリング３の直上には弾性膜から形成された環状のリテーナリング圧力室９が配置されている。このリテーナリング圧力室９は、ヘッド本体２内に形成された流路１５およびロータリージョイント８２を介して流路２６に接続されている。そして、流路２６は、バルブＶ５−１および圧力レギュレータＲ５を介して流体供給源３０に接続されている。また、流路２６は、バルブＶ５−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ５−３を介して大気に連通可能になっている。
【００３６】
圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、それぞれ流体供給源３０からセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、およびリテーナリング圧力室９に供給される流体（空気または窒素などの気体）の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５および各バルブＶ１−１〜Ｖ１−３，Ｖ２−１〜Ｖ２−３，Ｖ３−１〜Ｖ３−３，Ｖ４−１〜Ｖ４−３，Ｖ５−１〜Ｖ５−３は、図示しない制御部に接続されていて、それらの動作が制御されるようになっている。
【００３７】
流路２１，２２，２３，２４，２６にはそれぞれ圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５および流量センサＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５が設置されている。センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、およびリテーナリング圧力室９内の圧力は圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５によってそれぞれ測定され、センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、およびリテーナリング圧力室９に供給される加圧流体の流量は流量センサＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５によってそれぞれ測定される。
【００３８】
センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、およびリテーナリング圧力室９に供給する流体の圧力は、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５によってそれぞれ独立に調整することができる。このような構造により、ウェーハＷを研磨パッド２０に押圧する押圧力をウェーハの領域毎に調整でき、かつリテーナリング３が研磨パッド２０を押圧する押圧力を調整できる。
【００３９】
次に、図１および図２に示すように構成された研磨装置による一連の研磨工程について説明する。研磨ヘッド１は、プッシャ（後述する）からウェーハＷを受け取り、真空吸引により保持する。ウェーハＷの真空吸引は真空源８７により複数の孔４ｈ内に真空を形成することによって行われる。
【００４０】
ウェーハＷを保持した研磨ヘッド１は、予め設定した研磨位置まで下降する。この研磨位置では、リテーナリング３は研磨パッド２０の研磨面２０ａに接触しているが、研磨前では研磨ヘッド１でウェーハＷを保持しているので、ウェーハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド２０の研磨面２０ａとの間には、わずかな間隙（例えば、約１ｍｍ）がある。このとき、研磨テーブル１０および研磨ヘッド１は、ともに回転されている。この状態で、ウェーハＷの裏面側にあるセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８に加圧流体を供給してメンブレン４を膨らませ、ウェーハＷの下面を研磨パッド２０の研磨面２０ａに当接させる。研磨パッド２０とウェーハＷとを相対運動させることにより、ウェーハＷの表面が研磨される。
【００４１】
ウェーハＷの研磨工程の終了後、ウェーハＷは、研磨ヘッド１に再度保持される。ウェーハＷを保持した研磨ヘッド１は、上下動機構８１により上昇され、さらに研磨ヘッドアーム６４の旋回動作によりプッシャの上方の所定位置に移動させられる。この所定位置で、ウェーハＷは、研磨ヘッド１から離脱させられ、プッシャに渡される。
【００４２】
図３は、ウェーハＷをプッシャ５０へ渡すために、研磨ヘッド１がプッシャ５０の上方の所定位置へ移動してきた直後の状態を示す概略図である。図４は、ウェーハＷを研磨ヘッド１からプッシャ５０へ渡すために、プッシャ５０を上昇させた状態を示す概略図である。プッシャ５０は、研磨ヘッド１と搬送装置（図示せず）との間でウェーハＷの受け渡しを行うためのウェーハ受け渡し装置（基板受け渡し装置）である。このプッシャ５０は、研磨テーブル１０の横に位置しており、ウェーハＷは研磨ヘッド１に保持されたままプッシャ５０の上方の所定位置に移動される。
【００４３】
図３および図４に示すように、プッシャ５０は、研磨ヘッド１の位置決めを行うためにリテーナリング３の外周面が嵌合可能な環状段部５１ａを有する研磨ヘッドガイド５１と、研磨ヘッド１とプッシャ５０との間でウェーハＷを受け渡しする際に、ウェーハＷを支持するためのプッシャステージ５２と、プッシャステージ５２を上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）と、プッシャステージ５２と研磨ヘッドガイド５１とを上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）とを備えている。
【００４４】
プッシャ５０には、研磨ヘッドガイド５１内に形成され、流体（リリース噴流）を噴射するためのリリースノズル５３が設けられている。リリースノズル５３は、研磨ヘッドガイド５１の円周方向に沿って所定間隔を置いて複数個設けられている。各リリースノズル５３は、加圧窒素と純水の混合流体からなるリリース噴流を研磨ヘッドガイド５１の半径方向内方に噴射するようになっている。
【００４５】
次に、ウェーハＷを研磨ヘッド１からプッシャ５０に渡すウェーハリリース工程（基板リリース工程）を説明する。研磨ヘッド１がプッシャ５０の上方の所定位置へ移動した後、プッシャ５０が上昇し、図４に示すように、リテーナリング３の外周面が研磨ヘッドガイド５１の環状段部５１ａに嵌合して研磨ヘッド１とプッシャ５０とが一直線上に並ぶ。このとき、研磨ヘッドガイド５１は、リテーナリング３を押し上げ、同時にリテーナリング圧力室９を真空にすることにより、リテーナリング３の上昇を速やかに行うようにしている。
【００４６】
プッシャ５０の上昇完了時、リテーナリング３の底面はメンブレン４の下面よりも上方に押し上げられているので、ウェーハＷとメンブレン４が露出された状態となっている。その後、研磨ヘッド１によるウェーハＷの真空吸引を止め、ウェーハリリース動作を行う。なお、プッシャ５０が上昇する代わりに研磨ヘッド１が下降することによってプッシャ５０に接触してもよい。
【００４７】
ウェーハリリース動作を行う際には、メンブレン４の圧力室（例えば、リプル室６）内を低い圧力（例えば、１００ｈＰａ程度）で加圧し、メンブレン４を膨らませる。これにより、ウェーハＷの外周縁とメンブレン４との間に隙間を形成させる。そして、この隙間に、加圧窒素と純水の混合流体からなるリリース噴流をリリースノズル５３から噴射し、メンブレン４からウェーハＷを離脱させる。ウェーハＷは、プッシャステージ５２に受け止められ、該プッシャステージ５２から、搬送ロボット等の搬送装置に渡される。本実施形態ではリリース噴流として加圧窒素と純水の混合流体が使用されるが、リリース噴流は加圧気体のみ、または加圧液体のみであってもよいし、他の組合せの加圧流体であってもよい。
【００４８】
本実施形態では、リリースノズル５３は、ラバルノズルとして構成されている。以下、図５を参照して、ラバルノズルとして構成されたリリースノズル５３について説明する。
【００４９】
図５は、ラバルノズルとして構成されたリリースノズル５３の拡大断面図である。以下の説明では、リリースノズル５３をラバルノズル５３と称する。ラバルノズル５３は、流路径が漸次縮小するスロート部１００と、スロート部１００の下流側で流路径が漸次拡大する拡大部１０１と、を有する。
【００５０】
ここで、ラバルノズル５３内を流れる流体が圧縮性流体であると仮定する。この場合、スロート部１００では流路径が漸次縮小していくので、流体の流速が増加する。そして、スロート部１００の最小流路径の位置で、流体がチョーク流れとなるように、スロート部１００の流路径、流体の圧力、流体の流量などの諸条件が設定される。チョーク流れとは、圧縮性流体の流速がマッハ数１の臨界状態になることである。圧縮性流体は、スロート部１００の最小流路径の位置で閉塞（チョーク）されてチョーク流れとなり、ラバルノズル５３に流れる流体の流量が制限される。チョーク流れの状態にある圧縮性流体は、流路の断面積が拡大されたときに加速されるという性質を有する。したがって、チョーク流れの状態にある流体（すなわち、音速に達した流体）は、流路径が漸次拡大していく拡大部１０１で加速され、その結果、流体の流速は超音速に達する。
【００５１】
ラバルノズル５３から噴射されるリリース噴流が安定した超音速の平行流を形成するには、ラバルノズル５３の拡大部１０１の内面形状が重要である。そのため、従来公知の圧縮性流体力学理論（例えば、フォルシュ（Ｆｏｅｌｓｃｈ）の方法などの特性曲線法、プラントル・マイヤー関数など）を利用して、拡大部１０１の内面形状は設計される。ここで、平行流とは、リリース噴流がラバルノズル５３の長手方向と平行であることを言う。ラバルノズル５３の長手方向は、該ラバルノズル５３内を流れる流体の流れ方向に一致する。この長手方向は、ラバルノズル５３の中心軸と一致し、この中心軸は、図５においてＸの符号が付されている。
【００５２】
安定した超音速の平行流のリリース噴流を形成するために、拡大部１０１は、例えば、フォルシュの方法にしたがった滑らかな曲面を有している。フォルシュの方法にしたがった拡大部１０１の滑らかな曲面は、変曲点１０５を有する。拡大部１０１における変曲点１０５の上流側は、初期拡大部１０７である。この初期拡大部１０７の曲面では、当該曲面の接線の傾きが流れ方向に沿って徐々に大きくなる。したがって、図５におけるラバルノズル５３の上半分では、初期拡大部１０７の曲面の断面形状は下に凸の曲線を描き、ラバルノズル５３の下半分では、初期拡大部１０７の曲面の断面形状は上に凸の曲線を描く。
【００５３】
変曲点１０５の下流側は、終期拡大部１０８である。終期拡大部１０８の曲面では、当該曲面の接線の傾きが流れ方向に沿って徐々に小さくなる。したがって、図５におけるラバルノズル５３の上半分では、終期拡大部１０８の曲面の断面形状は上に凸の曲線を描き、ラバルノズル５３の下半分では、終期拡大部１０８の曲面の断面形状は下に凸の曲線を描く。初期拡大部１０７の形状は、例えば、必要とされる流体のマッハ数などからプラントル・マイヤー関数などを利用して決定される。フォルシュの方法にしたがえば、初期拡大部１０７で発生する膨張波が終期拡大部１０８の壁面で発生する圧縮波と相殺され消滅するように、初期拡大部１０７の曲面形状に応じて、終期拡大部１０８の曲面形状が設計される。いずれにしても、初期拡大部１０７と終期拡大部１０８の曲面形状は、従来公知の圧縮性流体力学理論を用いて決定することができる。
【００５４】
このように設計されたラバルノズル５３は、超音速の平行流であるリリース噴流をウェーハＷとメンブレン４との間の隙間に噴射することができる。リリース噴流が平行流となるので、ウェーハＷとメンブレン４との間に形成される隙間が小さくても、リリース噴流をウェーハＷとメンブレン４との隙間に適切に噴射することができる。その結果、メンブレン４を大きく膨らませる必要がなくなり、ウェーハＷ上に形成された微細な配線の破断や、ウェーハＷの破損を防止することができる。また、リリース噴流の流速が超音速になることから、リリース噴流の周囲に存在する粒子は、リリース噴流に追従することができない。その結果、粒子がリリース噴流内に取り込まれなくなるので、リリース噴流によってウェーハＷが汚染されてしまうことを防止できる。さらに、リリース噴流の流速が超音速になることから、リリース噴流の動圧成分を高めることができる。その結果、ウェーハＷの離脱が促進され、研磨処理のスループットを向上させることができる。
【００５５】
図６は、基板受け渡し装置として、プッシャの代わりに、リテーナリングステーションと搬送ステージが設けられた研磨装置の一実施形態を説明するための模式図である。本実施形態のその他の構成は、図４に示した実施形態と同様であるため、対応する構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
リテーナリングステーション７５の位置は固定であるが、搬送ステージ７６は上下方向に移動可能となっている。リテーナリングステーション７５は、研磨ヘッド１のリテーナリング３を押し上げる複数の押し上げ機構７７を備えている。押し上げ機構７７の鉛直方向の位置は、研磨ヘッド１と搬送ステージ７６との間にある。また、押し上げ機構７７と搬送ステージ７６とは、互いに接触しないように配置されている。
【００５７】
押し上げ機構７７は、リテーナリング３に接触する押し上げピン７８と、押し上げピン７８を上方に押す押圧機構としてのばね（図示せず）と、押し上げピン７８およびばねを収容するケーシング７９とを備えている。押し上げ機構７７は、押し上げピン７８がリテーナリング３の下面に対向する位置に配置される。研磨ヘッド１が下降すると、リテーナリング３の下面が押し上げピン７８に接触する。ばねは、リテーナリング３を押し上げるのに十分な押圧力を有している。したがって、図９に示すように、リテーナリング３は押し上げピン７８に押し上げられ、ウェーハＷよりも上方の位置まで移動される。
【００５８】
リテーナリングステーション７５には、複数のリリースノズル８９が設けられている。リリースノズル８９は、リテーナリングステーション７５の円周方向に沿って所定間隔を置いて複数個設けられており、加圧窒素と純水の混合流体（リリース噴流）をリテーナリングステーション７５の半径方向内方に噴射するようになっている。
【００５９】
次に、リテーナリングステーション７５と搬送ステージ７６を用いたウェーハリリース動作について説明する。研磨されたウェーハＷを保持している研磨ヘッド１は、リテーナリングステーション７５の上方の所定位置に移動する。次いで、研磨ヘッド１が下降し、図９に示すようにリテーナリング３がリテーナリングステーション７５の押し上げ機構７７により押し上げられる。研磨ヘッド１が下降しているとき、搬送ステージ７６が上昇し、リテーナリング３に接触することなく研磨ヘッド１の真下まで移動する。
【００６０】
この状態で、研磨ヘッド１の圧力室内を低い圧力で加圧し、メンブレン４を膨らませる。これにより、ウェーハＷの外周縁とメンブレン４との間に隙間を形成させる。そして、この隙間に、加圧窒素と純水の混合流体からなるリリース噴流をリリースノズル８９から噴射し、メンブレン４からウェーハＷを離脱させる。ウェーハＷは、搬送ステージ７６に受け止められ、搬送ステージ７６はウェーハＷとともに下降される。本実施形態ではリリース噴流として加圧窒素と純水の混合流体が使用されるが、リリース噴流は加圧気体のみ、または加圧液体のみであってもよいし、他の組合せの加圧流体であってもよい。
【００６１】
図６に示される実施形態でも、リリースノズル８９は、図５に示されるラバルノズルとして構成される。すなわち、ラバルノズル８９は、流路径が漸次縮小するスロート部１００と、スロート部１００の下流側で流路径が漸次拡大する拡大部１０１と、を有する。ラバルノズルとして構成されたリリースノズル８９は、上述したように、超音速の平行流であるリリース噴流をウェーハＷとメンブレン４との間の隙間に噴射することができる。
【００６２】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１    研磨ヘッド（基板保持装置）
２    ヘッド本体
３    リテーナリング
４    弾性膜（メンブレン）
４ａ  隔壁
４ｂ  ウェーハ保持面（基板保持面）
４ｈ  孔
５    センター室
６    リプル室
７    アウター室
８    エッジ室
９    リテーナリング圧力室
１０    研磨テーブル
１０ａ  テーブル軸
１１，１２，１３，１４，１５，２１，２２，２３，２４，２６    流路
２０    研磨パッド
２０ａ  研磨面
３０    流体供給源
３１，８７    真空源
３５    気水分離槽
５０    基板受け渡し装置（プッシャ）
５１    研磨ヘッドガイド
５２    プッシャステージ
５３，８９    リリースノズル（ラバルノズル）
６２    研磨液供給ノズル
６４    研磨ヘッドアーム
６５    研磨ヘッドシャフト
６６    回転筒
６７    タイミングプーリ
６８    研磨ヘッド回転モータ
６９    タイミングベルト
７０    タイミングプーリ
７５    リテーナリングステーション
７６    搬送ステージ
７７    押し上げ機構
７８    押し上げピン
７９    ケーシング
８０    アームシャフト
８１    上下動機構
８２    ロータリージョイント
８３    軸受
８４    ブリッジ
８５    支持台
８６    支柱
８８    ボールねじ
８８ａ  ねじ軸
８８ｂ  ナット
９０    サーボモータ
９６    アームモータ
１００  スロート部
１０１  拡大部
１０５  変曲点
１０７  初期拡大部
１０８  終期拡大部
Ｆ１〜Ｆ５    流量センサ
Ｒ１〜Ｒ５    圧力レギュレータ
Ｐ１〜Ｐ５    圧力センサ
Ｖ１−１〜Ｖ１−３，Ｖ２−１〜Ｖ２−３，Ｖ３−１〜Ｖ３−３，Ｖ４−１〜Ｖ４−３，Ｖ５−１〜Ｖ５−３    バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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