(57)【要約】【課題】基板の吸着保持による外周方向への移動防止、及び、吸着保持の解除を容易に行うことができる研磨処理装置及びその構成装置を提供する。【解決手段】研磨ヘッド１３の保持機構は、研磨処理の対象となる基板Ｗを、その被研磨面が研磨パッド１２に摺接するように保持する。ゲルシート１４１は、この保持機構に保持された基板Ｗの被研磨面の背面を吸着して保持機構に対する基板Ｗの外周方向への移動を規制する。また、シールリング１５０は、ゲルシート１４１の外周を囲む形状に形成され、圧力流体が供給されることにより基板Ｗの背面を押圧してゲルシート１４１による吸着を解除する。また、シールリング１５０は、ゲルシート１４１による吸着開始から吸着が解除されるまでの間において基板Ｗの背面に対し少なくともその一部位が周状に当接し、ゲルシート１４１へのスラリーの侵入を防止する。【選択図】図２
2016078159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に回転する研磨パッドを有する研磨処理装置に設けられる研磨ヘッドであって、
研磨処理の対象となる基板を、その被研磨面が前記研磨パッドに摺接するように保持する保持機構と、
この保持機構に保持された基板の前記被研磨面の背面を吸着して当該保持機構に対する当該基板の外周方向への移動を規制する規制手段と、
前記規制手段の外周を囲む形状に形成され、圧力流体が供給されることにより前記背面を押圧して前記規制手段による吸着を解除するリフト手段と、
前記リフト手段に前記圧力流体を供給する流体供給機構と、を有し、
前記リフト手段は、前記規制手段による吸着の開始からその解除までの間において、少なくともその一部位が前記背面に対し周状に当接した状態を維持することを特徴とする、
研磨ヘッド。
【請求項２】
前記リフト手段は、前記研磨処理時においては前記圧力流体の供給により生じた押圧力を前記保持機構に保持された前記基板に対する加工圧力として当該基板の背面側に付与することを特徴とする、
請求項１に記載の研磨ヘッド。
【請求項３】
前記リフト手段は、前記規制手段を囲むように配備される中空環状の弾性体であり、その内部空間には所定量の液体が封入されており、前記吸着手段による吸着動作の際に、前記液体により生じた前記基板の背面と対向する面の撓み部位が前記規制手段より先に当該基板の背面に当接してシール予圧することを特徴とする、
請求項１又は２に記載の研磨ヘッド。
【請求項４】
前記リフト手段は、吸着解除動作の際には前記圧力流体が供給され、前記撓み部位が前記規制手段より後に前記基板の背面から離脱することを特徴とする、
請求項３に記載の研磨ヘッド。
【請求項５】
吸着動作の際に前記基板の背面と前記規制手段、前記リフト手段とにより囲まれる空間に存在する気体を前記研磨ヘッドの外方に排出する気体通路をさらに有することを特徴とする、
請求項１乃至４いずれか一項に記載の研磨ヘッド。
【請求項６】
前記気体通路は、吸着解除動作の際には前記研磨ヘッドの外方から前記基板の背面と前記規制手段、前記リフト手段とにより囲まれる空間内に気体を流入させることを特徴とする、
請求項５に記載の研磨ヘッド。
【請求項７】
前記リフト手段は、前記基板の背面に対して所定角度で傾斜させた内側面を有する中空環状に形成されることを特徴とする、
請求項３乃至６いずれか一項に記載の研磨ヘッド。
【請求項８】
円形又は略円形の研磨パッドを有する研磨テーブルと、研磨処理対象となる基板を保持してその被研磨面を前記研磨パッドに摺接させる研磨ヘッドと、前記研磨ヘッド及び前記研磨テーブルを水平に回転させる駆動機構とを有し、
前記研磨パッドの半径が前記基板の被研磨面の最大径よりも大きく構成されており、
前記研磨ヘッドは、
研磨処理の対象となる基板を、その被研磨面が前記研磨パッドに摺接するように保持する保持機構と、
この保持機構に保持された基板の前記被研磨面の背面を吸着して当該保持機構に対する当該基板の外周方向への移動を規制する規制手段と、
前記規制手段の外周を囲む形状に形成され、圧力流体が供給されることにより前記背面を押圧して前記規制手段による吸着を解除するリフト手段と、
前記リフト手段に前記圧力流体を供給する流体供給機構と、を有し、
前記リフト手段は、前記規制手段による吸着の開始からその解除までの間において、少なくともその一部位が前記背面に対し周状に当接した状態を維持することを特徴とする、
研磨処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハ又はガラス基板などの基板を研磨して平坦化するための研磨ヘッド及び研磨処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの製造工程においては、基板の高集積化に伴い、基板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、研磨処理装置（ポリッシング装置とも呼ばれる）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、基板を研磨面に摺接させて研磨処理を行うものである。
【０００３】
このような研磨処理装置では、基板の研磨処理の対象となる面（以下、「被研磨面」という）と研磨パッドとの間の相対的な速度及び押圧力が被研磨面の全面に亘って均一でないと、研磨不足あるいは過研磨などの研磨ムラが生じてしまう。
【０００４】
基板表面の平坦度合の評価指標（フラットネス評価指標）として、ＧＢＩＲ（Global
Backsurface-referenced Ideal plane/Range）、ＳＦＱＲ（Site Frontsurface referenced least sQuares/Range）などがある。ＧＢＩＲは、裏面基準のグローバルフラットネス指標であり、周縁部を除いて画定される全ウェーハ表面に関する平坦性の評価に使用される。ＧＢＩＲは、半導体ウェーハの裏面を基準面とした場合、この基準面に対する半導体ウェーハの表面の最大、最小の厚さ偏差の幅と定義される。ＳＦＱＲは、表面基準のサイトフラットネス指標であり、各サイト毎に評価される。ＳＦＱＲは、半導体ウェーハ表面上に任意の寸法（例えば２６［ｍｍ］×８［ｍｍ］）のセルを決め、このセル表面について最小２乗法により求めた面を基準面としたときの、この基準面からの正および負の偏差の範囲と定義される。また、ＳＦＱＲｍａｘの値は所与のウェーハ上の各サイト中のＳＦＱＲの最大値を表す。これらのフラットネス評価指標で表される平坦度合の高い研磨処理が行える研磨処理装置が求められる。
【０００５】
基板の研磨性能を高めるという観点からは、特許文献１に開示されたウェーハ研磨装置がある。このウェーハ研磨装置では、メンブレンサポートの通気孔を通して気密室内に供給された圧力によってメンブレンを変形させることにより、メンブレンとウェーハとの間の吸着力および摩擦力を最も効果的に発生させることが可能であるとしている。
具体的には、メンブレンが、気密室を収縮させる方向に変形する場合には、メンブレンはウェーハから引き離される方向に変位させられるが、メンブレンの表面には通気孔の周縁の外側に対応する位置に配置された平滑面部分が設けられ、該平滑面部分とウェーハとの間の気密状態の接触が維持され、ウェーハはメンブレンから離れることなく、メンブレンに吸着保持される。
【０００６】
一方、メンブレンが、気密室を膨張させる方向に変形する場合には、メンブレンの表面がウェーハの表面に押し付けられることになるが、メンブレンの表面には、平滑面部分よりも摩擦係数の高い高摩擦係数部分が設けられているので、両者は、表面全体が平滑であった従来のメンブレンの場合よりも高い摩擦力で結合され、メンブレンサポート側の自転回転力を効率よくウェーハに伝達することが可能となる、というものである。
他方、最新の高分子材で粘着の高い素材が入手できるが、研磨加工中にスラリーなどの水性物が浸透すると、極度に粘着性が低下する現状がある。これらの素材を利用するには水性物が侵入しない機構の開発が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２１９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されたウェーハ研磨装置では、メンブレンには微細凹凸部と平滑部があり、平滑面部分のみでウェーハを吸着保持するという構成である。そのため、例えばウェーハのサイズ、重さ、研磨処理工程の状況などに応じてメンブレンサポート及びメンブレンの平滑面部分をその都度、最適化しなければならない、という問題がある。その結果、研磨処理工程における段取り替えに費やすコスト、装置自体の製造コストが上昇するため、水平方向では高摩擦特性（低滑り）があり、垂直方向では低吸着特性のあるメンブレン材を探索する課題がある。
【０００９】
また、研磨処理の際に研磨パッドに押圧されて回転している基板は、公転方向での研磨作用力：Ｆによって、リテーナリングの内側面にその外端部が当接し、これにより外方への飛び出しが規制される。この「Ｆ」は、基板に対する面方向（基板の回転軸に対し垂直方向）の面内力として作用し、リテーナリングとの反力で面内座屈が発生し、面内過研磨部が生じる。また、外周端部では、リテーナリングとの厚さ方向の摩擦による研磨圧力の減少による研磨不足部が生じる。その結果、被研磨面での特定部分におけるＧＢＩＲ、ＳＦＱＲ等の向上が図れず、ナノメートル［ｎｍ］オーダーの精度を要求される最新の技術に対応できない、という課題が残る。
【００１０】
本発明は、基板の吸着保持、及び、吸着保持の解除を容易に行うことができる研磨処理装置及びその構成装置を提供することを、主たる課題とする。また、基板表面のＧＢＩＲ、ＳＦＱＲ等の向上を図ることができる研磨処理装置及びその構成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の研磨ヘッドは、水平に回転する研磨パッドを有する研磨処理装置に設けられる研磨ヘッドであって、研磨処理の対象となる基板を、その被研磨面が前記研磨パッドに摺接するように保持する保持機構と、この保持機構に保持された基板の前記被研磨面の背面を吸着して当該保持機構に対する当該基板の外周方向への移動を規制する規制手段と、前記規制手段の外周を囲む形状に形成され、圧力流体が供給されることにより前記背面を押圧して前記規制手段による吸着を解除するリフト手段と、前記リフト手段に前記圧力流体を供給する流体供給機構と、を有し、前記リフト手段は、前記規制手段による吸着の開始からその解除までの間において、少なくともその一部位が前記背面に対し周状に当接した状態を維持することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の研磨処理装置は、円形又は略円形の研磨パッドを有する研磨テーブルと、研磨処理対象となる基板を保持してその被研磨面を前記研磨パッドに摺接させる研磨ヘッドと、前記研磨ヘッド及び前記研磨テーブルを水平に回転させる駆動機構とを有し、前記研磨パッドの半径が前記基板の被研磨面の最大径よりも大きく構成されており、前記研磨ヘッドは、研磨処理の対象となる基板を、その被研磨面が前記研磨パッドに摺接するように保持する保持機構と、この保持機構に保持された基板の前記被研磨面の背面を吸着して当該保持機構に対する当該基板の外周方向への移動を規制する規制手段と、前記規制手段の外周を囲む形状に形成され、圧力流体が供給されることにより前記背面を押圧して前記規制手段による吸着を解除するリフト手段と、前記リフト手段に前記圧力流体を供給する流体供給機構と、を有し、前記リフト手段は、前記規制手段による吸着の開始からその解除までの間において、少なくともその一部位が前記背面に対し周状に当接した状態を維持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の研磨ヘッドによれば、基板の吸着保持、及び、吸着保持の解除を容易に行うことができる。さらに、研磨処理の際に研磨パッドに押圧されて回転している基板の外方へ飛び出しを抑制するとともに、基板の被研磨面の研磨不足あるいは過研磨などの研磨ムラの発生を防ぎ、基板表面のＧＢＩＲ、ＳＦＱＲの数１０［ｎｍ］オーダーの精度要求に対応する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】研磨処理装置の概略構成図。
【図２】研磨ヘッドの概略縦断面図。
【図３】図２に示す領域Ａの部分拡大図。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、基板の吸着保持、吸着保持の解除それぞれの動作を説明するための図。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来一般の研磨ヘッドにおける、研磨工程の際の回転力により付勢された基板の様子を説明するための図。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、一般的な研磨ヘッドを用いた研磨処理では、基板の被研磨面がω形状に形成されることの説明図。
【図７】加工圧力の伝播について説明するための模式図。
【図８】基板に対してその内周面が垂直になるように形成されたシールリングの場合の加工圧力の伝播を説明するための模式図。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、弾性膜保持リングに弾性膜を取り付ける際の様子を説明するための模式図。
【図１０】研磨処理方法を実行する際の制御部による主要な制御手順の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明する。
【００１６】
本実施形態の研磨処理装置は、半導体ウェーハやガラス基板のような基板を研磨処理対象とする。本明細書では、この基板の一方の表面を円形又は略円形の被研磨面とする。
研磨処理装置は、研磨部材となる研磨パッドが接着され、この研磨パッドを水平に回転させるための研磨テーブルと、基板の被研磨面を研磨パッドに対向させて摺接させるための研磨ヘッドとを有している。
基板は、研磨ヘッドにより研磨パッドに押圧される。そして、研磨パッドに研磨液（スラリー）を供給しながら研磨テーブルと研磨ヘッドを回転させることにより、被研磨面の研磨処理を行う。以下、この研磨処理装置の実施の形態例を説明する。
【００１７】
図１は、研磨処理装置１の概略構成図である。図１に示す研磨処理装置１は、研磨テーブル１１の表面部に研磨パッド１２が接着されており、基板Ｗを保持してその被研磨面を研磨パッド１２に押圧する研磨ヘッド１３の他、研磨液を研磨パッド１２に向けて供給するためのノズルＮ、研磨テーブル１１及び研磨ヘッド１３をそれぞれ水平に回転させるためのモータ（図示省略）、ノズルＮと接続されている研磨液供給機構（図示省略）、モータを含む各駆動機構を制御するためのコンピュータを含む制御部２０と含んで構成される。
【００１８】
研磨パッド１２は円盤状のものであり、その半径は、基板Ｗの被研磨面の最大径（直径）よりも大きいものである。この機構において研磨パッド１２と研磨ヘッド１３回転数及び回転方向を変化させ、基板Ｗ面内の相対研磨速度を調整できる機構となっている。
また、研磨パッド１２は、それ自体で弾性を持つものであり、不織布からなるものや、発泡ウレタン製のものなど、市場で入手できる素材を用いることができる。
【００１９】
研磨ヘッド１３は、基板Ｗを、その被研磨面が研磨パッド１２に摺接するように保持する保持機構と、保持された基板Ｗをその被研磨面の背面側から研磨パッド１２の方向に押圧する押圧機構とを主として備えている。これらの機構の詳細については後述する。
【００２０】
制御部２０は、ノズルＮの位置決め、ノズルＮからの研磨液の供給開始又は停止制御、ノズルＮから噴出供給される研磨液の単位時間当たりの供給量制御、モータの始動開始や始動停止制御等を主として行う。制御部２０により制御されたモータの回転力は、図示しない駆動部を介して研磨テーブル１１に伝達される。これにより研磨テーブル１１が水平に回転し、あるいは回転を停止する。
研磨ヘッド１３にも、図示しない駆動部（例えば自在継手）を介してモータの回転力が伝達される。これにより研磨ヘッド１３が水平に回転し、あるいは回転を停止する。
【００２１】
研磨テーブル１１の回転方向と研磨ヘッド１３の回転方向は同方向であることが一般的である。これは、逆方向とすると不均一研磨となるおそれがあるためである。同じ方向でありながら、回転速度の調整により、研磨精度を高めることができる。
なお、単一のモータの回転力を、それぞれ異なるギア比のギアを介して研磨テーブル１１及び研磨ヘッド１３に伝達するようにしても良く、それぞれ個別のモータを通じて回転力を伝達するようにしても良い。両者は任意に設計することができる。この制御部２０による制御手順については、後述する。
【００２２】
研磨液は、制御部２０の制御により研磨テーブル１１の回転速度が所定値に達した状態で、ノズルＮから所定時間、研磨パッド１２に向けて供給される。
【００２３】
［研磨ヘッド］
次に、研磨処理装置１が備える研磨ヘッド１３の構成について、詳しく説明する。図２は、研磨ヘッド１３の構成の一例を示す概略縦断面図である。
図２に示す研磨ヘッド１３は、トップリング１３１、弾性膜Ｍが張設される弾性膜保持リング１３２、１３３、リテーナリング１３４を保持するリテーナ保持リング１３５、圧力円板１３６、トルクピン１３７、弾性体１３８、加圧用メンブレン１４０、ゲルシート１４１、両面接着シート１４２、シールリング１５０を含んで構成される。
【００２４】
トップリング１３１は、縦断面形状が略鍋蓋状に形成されており、その内面側には開口部を有するトルクピン溝が設けられている。トルクピン溝は、トップリング１３１の下底面側からトルクピン１３７が挿抜自在なサイズで形成される。なお、トルクピン１３７は、例えばボールベアリング、ローラベアリングなどの軸受けを含んで構成される。
弾性体１３８は、例えばポリウレタンゴム、シリコンゴム等の低弾性・低反発性の素材によって形成された低弾性体であり、例えばこれらの素材により円柱状に形成されたスポンジである。
【００２５】
弾性膜Ｍ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及び耐久性に優れたゴム材によって形成される。なお、弾性膜Ｍは、メンブレンとも呼ばれる。弾性膜Ｍの内側には、それぞれの中心軸が一致するように圧力円板１３６、弾性体１３８が配備される。以下、基板Ｗの背面と当接する弾性膜Ｍの面を押圧面と称する場合がある。
なお、研磨ヘッド１３は、大別して、基板Ｗを保持する保持機構と、この保持機構が保持した基板Ｗを押圧する押圧機構とを有する。
【００２６】
［押圧機構］
トップリング１３１は、縦断面形状が略鍋蓋状に形成されており、図２に示すように、その内壁側には空間Ｓ１が形成されるように加圧用メンブレン１４０が配備される。加圧用メンブレン１４０は、例えばゴム製のシートからなる。また、図示しない流体供給機構に連接されたエアパイプ（不図示）を介して、空間Ｓ１へ向けて圧力流体Ｐ１（例えば圧縮空気）を供給し、あるいは、供給した圧力流体を回収可能に構成される。空間Ｓ１へ圧力流体Ｐ１が供給されて加圧用メンブレン１４０が変形（膨張）することにより、供給された圧力流体の量に応じて圧力円板１３６を押圧し、弾性体１３８の変形によって基板Ｗを押圧するための加工圧力を発生する。圧力円板１３６に付与された加工圧力は、弾性体１３８、弾性膜Ｍ、ゲルシート１４１等を介して基板Ｗに伝達される。このように伝達する加工圧力を第１の加工圧力と称す。
【００２７】
なお、トップリング１３１には研磨ヘッド１３を回転駆動するための駆動力が伝達される。トップリングに伝達された駆動力は、トルクピン１３７を介して圧力円板１３６、及び、弾性膜保持リング１３２それぞれに伝達されるように構成される。これにより、研磨ヘッド１３を構成する各構成品の組み付け、分解を容易にするとともに、駆動力伝達のタイムラグの発生と弾性膜Ｍの座屈（ねじれ）を抑制することがきる。
【００２８】
また、シールリング１５０は、例えば天然ゴムなどの弾性素材を用いて形成された中空環状体（断面矩形の中空状のリング）である。シールリング１５０の内部空間（空間Ｓ２）には、例えば水などの液体１５１が所定量封入される。また、図示しない流体供給機構に連接されたエアパイプ（不図示）を介して、空間Ｓ２へ向けて圧力流体Ｐ２（例えば圧縮空気）を供給し、あるいは、供給した圧力流体を回収可能に構成される。空間Ｓ２へ圧力流体Ｐ２が供給されてシールリング１５０の下底面（基板Ｗの被研磨面と対向する面）が変形（膨張）することにより、供給された圧力流体の量に応じて基板Ｗを押圧するための加工圧力を発生する。この加工圧力を第２の加工圧力と称す。また、シールリング１５０は、図２に示すように、基板Ｗに対して所定角度で傾斜させた内側面を有する中空環状に形成される。詳細は、後述する。なお、圧力流体Ｐ１、Ｐ２それぞれの供給又は供給した圧力流体の回収などは制御部２０の制御により行われる。
【００２９】
また、シールリング１５０の下底面は、基板Ｗの背面と当接していない状態（自由状態と称す）のとき、液体１５１の重さにより基板Ｗ側（下方向）に向けてその中心部付近に所定の高さの撓みが生じるように形成される。なお、この撓み部位の高さは、例えば基板Ｗを吸着保持する際にゲルシート１４１よりも先に当該撓んだ下底面が当接するような高さであり、例えばシールリング１５０を形成する素材の選択、あるいは封入する液体１５１の種別に応じて適宜調整を行うことができる。
【００３０】
［保持機構］
保持機構は、研磨テーブル１１及び研磨ヘッド１３の回転力により付勢された基板Ｗの外周方向への飛び出しを規制したり、また、処理前の基板Ｗを装置の処理開始位置まで搬入したり、処理後の基板Ｗを装置の外方へ搬出したりする際に当該基板Ｗを吸着保持する吸着機構を有する。また、保持機構は、基板Ｗの被研磨面を研磨パッド１２に対向（当接）させ、摺接した状態で、この基板Ｗの中心軸と自身の回転軸とが一致するように保持する。
具体的には、吸着機構は、ゲルシート１４１、シールリング１５０を含んで構成される。
【００３１】
ゲルシート１４１は、両面接着シート１４２を介して弾性膜Ｍの押圧面に接着される。また、ゲルシート１４１は、基板Ｗに対して高い吸着保持特性を有する素材からなる粘着シートである。基板Ｗは、ゲルシート１４１によりその背面が吸着保持され、これにより研磨加工時における回転力による基板Ｗの外方への飛び出しが規制される。つまり、ゲルシート１４１は、規制手段として機能する。なお、シールリング１５０は、このゲルシート１４１を取り囲むように配備される。また、シールリング１５０は、基板Ｗに加工圧力を付与する押圧手段として機能するとともに、ゲルシート１４１による基板Ｗの吸着保持を解除するためのリフト手段としても機能する。以下、この点について詳細に説明する。
【００３２】
図３は、図２に示す領域Ａの部分拡大図であり、シールリング１５０を含む周辺構成の一例を説明するための模式図である。なお、弾性膜Ｍは、弾性膜保持リング１３２、１３３により張設されることは既に述べた通りである。
【００３３】
弾性膜保持リング１３３には、弾性膜Ｍと接する上底面上にＶ溝１６０（例えば、幅１［ｍｍ］以下）が形成される。このＶ溝１６０は、気体が通過する気体通路として機能する。また、シールリング１５０とゲルシート１４１、両面接着シート１４２とが接する接触面においても気体通路が形成される。具体的には、例えばシールリング１５０側の接面において円弧状のＶ溝１６１（例えば、幅１［ｍｍ］以下）を形成して気体通路を形成する。
さらに、弾性膜Ｍと接する内周面側には中空パイプ１６２（例えば、内径０．５［ｍｍ］）が配備される。この中空パイプ１６２の一端はＶ溝１６０により形成される気体通路と連接しており、他の一端はＶ溝１６１により形成される気体通路と連接するように配備される。なお、リテーナ保持リング１３５の上底面上にもＶ溝を形成し、Ｖ溝１６０により形成される気体通路と連接する。このようにして、基板Ｗを吸着保持する際に当該基板Ｗの背面とゲルシート１４１との間に存在する気体を研磨ヘッド１３の外方へ排気するための気体通路が形成される。以下、基板Ｗを吸着保持する際の動作について説明する。
【００３４】
図４は、基板受け渡しテーブルから研磨ヘッド１３が基板Ｗを吸着保持する動作（図４（ａ））、及び、研磨処理が終了した基板Ｗの吸着保持の解除動作（図４（ｂ）、（ｃ））の一例を説明するための図である。
研磨ヘッド１３は、図４（ａ）に示すように、研磨処理開始の指示の受け付けを契機に、例えば処理前の基板Ｗが載置されている基板受け渡しテーブルまで移動して当該基板Ｗの受け取り動作（吸着動作）を開始する。なお、処理前の基板Ｗは、例えばテーブルに備えられた真空チャックなどを介して吸着固定されている。
【００３５】
その際、シールリング１５０の下底面は、空間内に封入された液体１５１により、図４（ａ）に示すように撓み部位が生じている。つまり、シールリング１５０の下底面は、吸着動作の際にはゲルシート１４１よりも先にその一部（下底面の中心部付近）が基板Ｗの背面に対し周状に当接してシール予圧することになる。このように、シールリング１５０の下底面の部位が基板Ｗに当接することにより当該基板Ｗに付与される圧力は、シール予圧（または、密封予圧力）などと呼ばれる。
【００３６】
シール予圧された状態からさらに吸着動作が進み、基板Ｗはゲルシート１４１により吸着保持されることになる。その際、シール予圧された状態から基板Ｗがゲルシート１４１により吸着保持されるまでの間に、図４（ａ）に示すように、基板Ｗの背面、ゲルシート１４１、シールリング１５０の下底面により囲まれた空間の気体は図中矢印で示すような経路（図３参照）を通過して研磨ヘッド１３の外部へ排出される。これにより、吸着動作において気体の残留を防いで粘性吸着性を低下させるような要因を排除し、研磨処理工程における製品歩留まりの改善を図ることができる。また、吸着開始から吸着が解除されるまでの間は、シールリング１５０の下底面、あるいは少なくともその一部位が基板Ｗの背面に周状に当接してスラリーなどの侵入を防止するシール状態が維持される。そのため、スラリーなどの侵入によりゲルシート１４１の粘着力が低下してしまうことを抑制することができる。
そして、固定が解除された基板Ｗを吸着保持した研磨ヘッド１３は、所定の研磨処理位置まで移動し、その後、研磨工程が開始される。
【００３７】
研磨後の基板Ｗは、研磨ヘッド１３により吸着保持された状態で当該研磨後の基板Ｗを載置するテーブルまで搬出され、吸着保持を解除して所定の位置に載置される。
しかしながら、処理後の基板Ｗはゲルシート１４１、及び、シールリング１５０の下底面に密着した状態である。そのため、吸着保持の解除は、図４（ｂ）に示すような状態においてシールリング１５０に圧力流体Ｐ２を供給して、図４（ｃ）に示すような状態、つまり、シールリング１５０の下底面を膨らませる。これにより、基板Ｗとシールリング１５０の下底面との接触面の面積が減少するとともに、図４（ｃ）に示すように基板Ｗの背面、ゲルシート１４１、シールリング１５０の下底面により囲まれた空間に外気が流入する。さらに、シールリング１５０の下底面の膨張が進むと、ゲルシート１４１と基板Ｗとの接触面の面積が減少して、その後、ゲルシート１４１から基板Ｗが剥離（吸着解除）する。その後、シールリング１５０の下底面（撓み部）が基板Ｗの背面から離脱する。この様な吸着状態の密接面の一部を剥離させ、そこから気体を密接面に侵入させるための機構を有することにより、基板Ｗを吸着保持の解除をスムースに行うことができる。
【００３８】
図５は、従来一般の研磨ヘッドにおける、研磨工程の際の回転力により付勢された基板Ｗの様子を説明するための図である。図５（ａ）は、研磨されている基板Ｗを上方から見たときの様子を模式的に示した図である。図５（ｂ）、（ｃ）は、図５（ａ）において一点鎖線の円で囲まれた部位の詳細を示す概略縦断面図である。なお、図において、研磨パッドと基板Ｗの被研磨面との間の摩擦係数、つまり基板Ｗの被研磨面側の摩擦係数をμｐｗとし、メンブレンと基板Ｗの被研磨面の背面との間の摩擦係数、つまり基板Ｗの背面側の摩擦係数をμｍｗとして示している。
【００３９】
一般的に基板Ｗとリテーナリング内径に直径スキマのある研磨ヘッドを用いた場合、図５（ａ）に示すように、回転力により付勢された基板Ｗはその回転方向に応じて一端側がリテーナリングの内側面に近づく方向に滑り、これに応じて他の一端がリテーナリングの内側面から遠ざかる方向に滑る。
図５（ｂ）に示す基板Ｗでは、内面力Ｆが矢印方向に作用することにより、当該基板Ｗの側端とこれに対向するリテーナリングの内側面との間が離間することになり、研磨圧力は正常に伝達される。しかし、図５（ｃ）では内面力Ｆが矢印方向に作用することにより、当該基板Ｗの側端がリテーナリングの内側面を押圧して、基板Ｗには面内座屈現象による「撓み」が要因となる面内過研磨部が生じて図６（ｄ）に示すＡ部のようなω形状面となる。また、外周端部ではリテーナリングとの厚さ方向の摩擦抵抗による研磨圧力の減少により研磨不足部が生じて図６（ｄ）に示すＢ部のような被研磨面がＵ形状（立上り現象）となる。そのため、ＧＢＩＲ、ＳＦＱＲ等が低下することになる。
【００４０】
図６は、一般的な研磨ヘッドを用いた研磨処理では、基板Ｗの被研磨面がω形状に形成されることの説明図である。
研磨処理時の基板Ｗは、研磨テーブル１１の回転力（Ｖ１）による付勢を受けても、リテーナリングにより外周方向へ向けの飛び出しが規制される。飛び出しの規制を受けた基板Ｗには、被研磨面の面積：Ａと押圧力：Ｐとウェーハと研磨パッド間の摩擦係数：μの関係に基づく面内力：Ｆ＝Ａ・Ｐ・μが作用する。そのため、図６（ａ）に示すように、押圧力Ｐが付与されている基板Ｗには、研磨パッドの側に向かう「座屈撓み」が生じる。その結果、基板Ｗの撓みが生じた被研磨面の部位（凸部位）は、他の被研磨面の部位と比較して研磨される量が多くなる。
【００４１】
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す状態において基板Ｗが研磨処理された場合の瞬時の状態を模式的に示している。図正面から見て右側の被研磨面が、凹面状に研磨（過研磨）されている様子が見て取れる。しかし、実際の研磨処理においては基板Ｗが回転しているため軸対称性となり、図６（ｃ）に示すように、最終的には基板Ｗの被研磨面はω形状に形成されてしまうことになる。なお、図６（ｃ）では、基板Ｗの被研磨面が下向きであるため、研磨処理後の被研磨面は逆ω形状となっている。このようにして、従来一般の研磨ヘッドによる研磨処理では、基板Ｗの被研磨面の背面側に付与される押圧力Ｐ、研磨テーブルの回転力、リテーナリングでの反力作用により、その被研磨面がω形状に形成される傾
向にある。さらに、基板Ｗの研磨加工厚さは、図６（ｄ）に示すように、Ａ部のω形状とＢ部のＵ形状が合成された形状となる。
【００４２】
これらの対策として、リテーナリングに基板が押付けられない機構が必要である。
本実施形態に係る研磨ヘッド１３では、ゲルシート１４１により基板Ｗを強力に吸着保持する構成を採用している。その結果、研磨処理の際に研磨パッドに押圧されて回転している基板の半径方向への動きが抑制され、基本的にはリテーナリングが不必要な機構となっている。このようにして、基板の被研磨面の研磨不足あるいは過研磨などの研磨ムラの発生を防ぎ、基板表面のＧＢＩＲ、ＳＦＱＲの更なる向上を図ることができる。
【００４３】
図７は、本実施形態に係る研磨ヘッド１３による加工圧力の伝播について説明するための模式図である。図８は、基板Ｗに対してその内周面が垂直になるように形成されたシールリングの場合の加工圧力の伝播を説明するための模式図である。
【００４４】
第１及び第２の加工圧力を基板Ｗに付与した状態で研磨処理が実施されることは既に述べた通りである。また、本実施形態に係る研磨ヘッド１３のシールリング１５０は、図７に示すように、基板Ｗに対してその内周面が所定角度（傾斜角度α［°］）を有する形状に形成される。また、シールリング１５０の内周面に接している弾性膜Ｍの外周面は、基板Ｗに対して１８０［°］−α［°］の傾斜角度を有する。そのため、第１の加工圧力は、弾性膜Ｍの中心部付近では基板Ｗの被研磨面を研磨パッド１２に鉛直方向に作用し、当該弾性膜Ｍの外周面近傍では、鉛直方向から図７に示すような応力伝播角の方向（角度θ方向、θは例えば２３［°］）に向かう範囲に作用する。また、第２の加工圧力は、シールリング１５０の面幅部付近、及び、外周面近傍では基板Ｗの被研磨面を研磨パッド１２に鉛直方向に作用し、当該シールリング１５０の内周面近傍では、鉛直方向から図７に示すような方向（Ｂ方向）に向かう範囲に作用する。つまり、図７に示す範囲Ｌにおいては、第１及び第２の加工圧力により基板Ｗに対し加工圧力を途切れることなく付与することができる。その結果、より均一に基板Ｗ基板Ｗの被研磨面を研磨パッド１２に押圧することができる。
更には、シールリング１５０、弾性膜Ｍの隙間を埋める成形ゲルシートの製作が理想的である。
【００４５】
一方、図８に示すような場合では、第１及び第２の加工圧力が相互に作用する範囲が狭くなり、その結果、図８に示す範囲Ｌにおいて基板Ｗに付与する加工圧力にムラ、つまり付与されない領域が発生することがある。このような場合、研磨ムラの発生要因となってしまう。
【００４６】
図９は、弾性膜保持リング１３２、１３３で弾性膜Ｍに張設力を与えるメカニズムを説明するための模式図である。
弾性膜Ｍは、当該弾性膜Ｍの所定部位を弾性膜保持リング１３２、１３３により挟持されるようにして張設されることは既に述べたとおりである。
図９（ａ）において、弾性膜Ｍは展開図裁断によって弾性膜保持リング１３３に接着され、挟持面が距離Ｚを開けた状態で弾性膜Ｍの押圧面（半径Ｒ）に弛みが生じないようなサイズに形成されているものとする。また、弾性膜Ｍは、弾性膜保持リング１３２に留め具（例えば、雄ネジ）を介して弾性膜保持リング１３３を取り付けられる。
図９（ａ）に示す状態から、雄ネジをさらに締め付けることに伴って弾性膜Ｍが弾性膜保持リング１３２の傾斜面に沿って引っ張られ、その後、図９（ｂ）に示すような状態になる。図９（ｂ）に示す状態の弾性膜Ｍは、その押圧面に所定の張力が付与された状態で弾性膜保持リング１３２、１３３に取り付けられている。なお、押圧面に付与する張力の程度は、弾性膜Ｍを挟持する弾性膜保持リング１３２、１３３の形状、当該弾性膜Ｍのヤング率、サイズ、あるいは当該弾性膜Ｍに形成される雄ネジ孔の位置などを調整することにより任意に設定することができる。
【００４７】
通常、メンブレンの一般的な張設方法としては、当該メンブレンの周縁をクランプして外方に向けてそれぞれ均一な力で引っ張り、基板と接することになる面全体を均一な張力状態にしてから、例えばメンブレンホルダなどに取り付ける。このように、専用の機器を用いて複雑な調整を行いながら取り付け作業を行わなければならなかった。これに対し、本実施形態に係る弾性膜保持リング１３２、１３３を用いれば、専用の機器を用いることなく弾性膜Ｍを張設することができる。
【００４８】
［研磨処理のための制御手順］
次に、本実施形態の研磨処理装置１による研磨処理手順について説明する。図１０は、研磨処理方法を実行する際の制御部２０による主要な制御手順の説明図である。
制御部２０は、研磨処理装置１のオペレータによる開始指示の入力受付を契機に制御を開始する（Ｓ１００）。所定の初期処理後、研磨ヘッド１３の保持機構による基板Ｗの吸着保持を開始する。
【００４９】
制御部２０は、基板Ｗを基板受け渡しテーブルから基板Ｗを吸着保持し、研磨ヘッド１３を研磨処理の開始位置へ移動させる（Ｓ１０２）。
制御部２０は、所定量の圧力流体Ｐ１及び圧力流体Ｐ２を供給し、第１及び第２の加工圧力を発生させる（Ｓ１０３）。これにより、基板Ｗや研磨パッド１２に向けて所定の加工圧力が付与される。
【００５０】
制御部２０は、また、図示しないセンサ部を通じて基板Ｗに適切な加工圧力が与えられているかを確認する。押圧力が適切であることを確認した場合は（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、研磨テーブル１１、並びに、研磨ヘッド１３の回転を開始するように、図示しないモータへ指示を出す（Ｓ１０５）。これにより、研磨テーブル１１と研磨ヘッド１３が、水平に回転を開始する。
【００５１】
研磨テーブル１１と研磨ヘッド１３の回転開始を指示した後、制御部２０は、ノズルＮの位置決めを指示するとともに、研磨液供給機構に対して研磨液の供給を開始させるように指示を出す（Ｓ１０６）。これにより、研磨液がノズルＮから研磨パッド１２の表面に向けて供給される。
研磨液の供給開始指示後、規定の研磨時間（第１規定時間）が経過したことを図示しないタイマによって検知すると（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、制御部２０は、研磨液供給機構に対して研磨液の供給停止を指示する（Ｓ１０８）。
その後、制御部２０は、研磨テーブル１１と研磨ヘッド１３の回転を止めるように、モータへ停止指示を出す（Ｓ１０９）。その後、研磨後の基板Ｗを載置するテーブルまで研磨ヘッド１３を移動させる（Ｓ１１０）。なお、研磨テーブル１１と研磨ヘッド１３の回転停止後に、供給した圧力流体Ｐ１、Ｐ２を回収しても良い。このように制御することにより、研磨後の基板Ｗが搬送途中において意図せず脱落してしまうことを防ぐことができる。
【００５２】
制御部２０は、圧力流体Ｐ２の供給を開始する（Ｓ１１１）。制御部２０は、供給を開始してから規定の時間（第２規定時間）が経過したか否かを判別する（Ｓ１１３）。
規定の時間が経過したと判別した場合（Ｓ１１３：Ｙｅｓ）、制御部２０は、吸着保持が解除されたものと判別する（Ｓ１１４）。これにより、一連の研磨処理が終了する。なお、吸着保持が解除されたか否かの判別は、例えば図示しない各種センサを用いて検知するように構成することもできる。
【００５３】
このように、本実施形態に係る研磨処理装置１では、基板Ｗの搬入、及び、搬出時、あるは研磨加工時などにおいてスラリーなどの侵入によりゲルシート１４１の粘着力が低下してしまうことを抑制することができる。これにより、研磨処理の際に研磨パッドに押圧されて回転している基板の外方へ飛び出しが抑制されるとともに、基板の被研磨面の研磨不足あるいは過研磨などの研磨ムラの発生を防ぎ、基板表面のＧＢＩＲ、ＳＦＱＲの更なる向上を図ることができる。また、基板Ｗの吸着動作、及び、吸着解除動作をスムースに行うことができる。
【００５４】
上記説明した実施形態は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・研磨処理装置、１１・・・研磨テーブル、１２・・・研磨パッド、１３・・・研磨ヘッド、２０・・・制御部、１３１・・・トップリング、１３２、１３３・・・弾性膜保持リング、１３４・・・リテーナリング、１３５・・・リテーナ保持リング、１３６・・・圧力円板、１３７・・・トルクピン、１３８・・・弾性体、１４０・・・加圧用メンブレン、１４１・・・ゲルシート、１４２・・・両面接着シート、１５０・・・シールリング、Ｍ・・・弾性膜、Ｎ・・・ノズル、Ｗ・・・基板。
【図１】
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【図６】
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【図１０】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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