JP2023035379A - 弾性膜および弾性膜の製造方法 - Google Patents

弾性膜および弾性膜の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、弾性膜の部位ごとに求められる物性を有し、ワークピースを均一に研磨することができる弾性膜を提供する。【解決手段】弾性膜３０は、ワークピースＷを研磨面２ａに押し付けるためのワークピース押圧面３１ａを有する当接部３１と、当接部３１から上方に延び、圧力室Ｃ１～Ｃ６を形成する隔壁３２～３７を備え、当接部３１および隔壁３２～３７の少なくとも一部は、一体成形された第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２から構成されており、第１ゴム構造体４１は第１の硬度を有し、第２ゴム構造体４２は第１の硬度よりも低い第２の硬度を有し、第１ゴム構造体４１はワークピース押圧面３１を含み、第２ゴム構造体４２は、隔壁３２～３７の少なくとも一部を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に使用されるウェーハ、基板、パネルなどのワークピースを研磨するための研磨ヘッドに用いられる弾性膜、および弾性膜の製造方法に関する。
半導体デバイスの製造工程における技術として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている。化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつワークピースを研磨面に摺接させて研磨を行う技術である。この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、ワークピースを研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドを備えている。
研磨ヘッドは、圧力室を形成する弾性膜でワークピースを研磨パッドに押し付けるように構成されている。圧力室内には加圧された気体が供給され、気体の圧力は、弾性膜を介してワークピースに加えられる。したがって、ワークピースが研磨パッドに押し付けられる力は、圧力室内の圧力によって調節できる。気体の圧力を効率的にワークピースに伝え、ワークピースの中心から端部まで適切な力でワークピースを押圧するため、弾性膜には一般にゴムなどの柔軟な素材が使用されている。
通常、ワークピースは、その全面に亘って均一な膜厚分布を有することが必要とされる。そこで、同心状の複数の圧力室を形成する弾性膜が従来から使用されている。ワークピースの半径方向に沿った初期膜厚が異なる場合には、複数の圧力室内の圧力を調節することにより、ワークピースの半径方向に沿った研磨レート（除去レートともいう）を調節することが可能である。
特開２０１０－２７４４１５号公報 特開２０１３－１１１７１７号公報
図１０は、複数の圧力室Ｃ１～Ｃ６を形成する弾性膜１３０を備えた研磨ヘッド１０５の一部を示す断面図である。弾性膜１３０は、ワークピースＷに当接するワークピース押圧面１３１ａを有する当接部１３１と、当接部１３１から上方に延び、圧力室Ｃ１～Ｃ６を形成する隔壁１３２～１３７を備えている。
隔壁１３２は最も外側に位置する隔壁であり、側壁と称することもできる。圧力室Ｃ１に気体が供給されたときに、隔壁１３２がリテーナリング１２８に接触すると、ワークピースＷの周方向においてワークピースＷに対する押圧力にばらつきが生じてしまう。そのため、隔壁１３２は、弾性膜１３０の変形によりリテーナリング１２８と接触しないように、外側に倒れないような剛性を有していることが求められる。その一方で、隔壁１３２は、圧力室Ｃ１に気体が供給されたときに下方に延びるような柔軟性を有していることが求められる。
隔壁１３２よりも内側に位置する隔壁１３３～１３７は、圧力室Ｃ２～Ｃ６に気体が供給されたときに下方に伸びるような柔軟性を有していることが求められる。隔壁１３３～１３７の柔軟性が十分でない場合、図１０に示すように当接部１３１と隔壁１３３～１３７との接続部でワークピース押圧面１３１ａが引き上げられ、ワークピースＷに対する押圧力が局所的に低下してしまう。
当接部１３１は、ワークピースＷの研磨時に捩れることなく、ワークピースＷとの摩擦で摩耗しにくく、かつ研磨後にワークピースＷが当接部１３１から離脱しやすいように適度な剛性を有していることが求められる。このように、ワークピースの均一な膜厚分布を実現するためには、弾性膜の部位ごとに、その機能に応じた適切な剛性や柔軟性が求められる。
特許文献１には、弾性膜の基板保持面側にダイヤフラムを設け、隣り合う二つの領域（エリア）の境界において研磨圧力（研磨速度）の勾配をなだらかにする技術が記載されている。また、特許文献２には、樹脂板や糸状部材で弾性膜の当接部を補強することにより、弾性膜とリテーナリングとの接触を低減させるとともに、当接部に弛みが生じたり、当接面に皺が生じることを防止する技術が記載されている。しかしながら、これらの技術は、弾性膜を構成する弾性材料以外に部材を設ける必要があった。
そこで、本発明は、弾性膜の部位ごとに求められる物性を有し、ワークピースを均一に研磨することができる弾性膜、およびそのような弾性膜の製造方法を提供することを目的とする。
一態様では、ワークピースを研磨するための研磨ヘッドに用いられ、前記ワークピースを研磨面に押し付けるための弾性膜であって、前記ワークピースを前記研磨面に押し付けるためのワークピース押圧面を有する当接部と、前記当接部から上方に延び、圧力室を形成する隔壁を備え、前記当接部および前記隔壁の少なくとも一部は、一体成形された第１ゴム構造体および第２ゴム構造体から構成されており、前記第１ゴム構造体は第１の硬度を有し、前記第２ゴム構造体は前記第１の硬度よりも低い第２の硬度を有し、前記第１ゴム構造体は前記ワークピース押圧面を含み、前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の少なくとも一部を含む、弾性膜が提供される。
一態様では、前記隔壁は、前記当接部の外縁に接続されており、前記第１ゴム構造体は、前記隔壁の下部の少なくとも一部を含み、前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の上部を含む。
一態様では、前記隔壁の上部は、伸縮可能に構成された屈曲部を有している。
一態様では、前記隔壁は、複数の圧力室を形成する第１隔壁および第２隔壁を有しており、前記第１隔壁は、前記当接部の外縁に接続されており、前記第２隔壁は、前記第１隔壁よりも内側に位置しており、前記第２ゴム構造体は、前記第２隔壁を含む。
一態様では、前記第１ゴム構造体は、前記第１隔壁の下部の少なくとも一部を含み、前記第２ゴム構造体は、前記第１隔壁の上部を含む。
一態様では、前記第１隔壁の上部は、伸縮可能に構成された屈曲部を有している。
一態様では、前記第１ゴム構造体および前記第２ゴム構造体は、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体の界面となる表面に凹凸を有している。
一態様では、ワークピースを研磨するための研磨ヘッドに用いられ、前記ワークピースを研磨面に押し付けるための弾性膜の製造方法であって、第１の硬度を有する第１ゴム構造体と、前記第１の硬度よりも低い第２の硬度を有する第２ゴム構造体のうちのいずれか一方を成形し、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体のうちの他方を成形し、かつ前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体とを接合させることで、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体を一体成形する工程を含み、前記弾性膜は、前記ワークピースを前記研磨面に押し付けるためのワークピース押圧面を有する当接部と、前記当接部から上方に延び、圧力室を形成する隔壁を備え、前記第１ゴム構造体は前記ワークピース押圧面を含み、前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の少なくとも一部を含む、弾性膜の製造方法が提供される。
一態様では、弾性膜の製造方法は、前記一体成形された前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体を加熱する二次加硫工程をさらに含む。
一態様では、前記第１ゴム構造体を成形する工程、または前記第２ゴム構造体を成形する工程において、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体の界面となる表面に凹凸を成形する。
本発明によれば、部位ごとに適切な異なる硬度を有する少なくとも２つのゴム構造体が一体成形された弾性膜を用いてワークピースを研磨することにより、ワークピースの均一な膜厚分布を実現することができる。
研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 研磨ヘッドの一実施形態を示す断面図である。 弾性膜の一実施形態を示す断面図である。 図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、弾性膜の製造方法の一例を説明する図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、図４（ｃ）の続きを説明する図である。 図４（ａ）乃至図４（ｃ）および図５（ａ）乃至図５（ｂ）に示す製造方法のフローチャートである。 図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、弾性膜の製造方法の他の例を説明する図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、図７（ｃ）の続きを説明する図である。 図７（ａ）乃至図７（ｃ）および図８（ａ）乃至図８（ｂ）に示す製造方法のフローチャートである。 複数の圧力室を形成する弾性膜を備えた研磨ヘッドの一部を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨装置１の一実施形態を示す模式図である。研磨装置１は、半導体デバイスの製造に使用されるウェーハ、基板、パネルなどのワークピースＷを化学機械的に研磨する装置である。図１に示すように、研磨装置１は、研磨面２ａを有する研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付ける研磨ヘッド５と、研磨液を研磨面２ａに供給する研磨液供給ノズル８を備えている。
研磨テーブル３はテーブル軸３ａを介してその下方に配置されたテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を矢印で示す方向に一体に回転させるように構成されている。研磨パッド２の表面は、ワークピースＷを研磨する研磨面２ａを構成する。
研磨ヘッド５は、その下面にワークピースＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッド５は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されており、研磨ヘッドシャフト１１は、ヘッド揺動アーム１３に回転可能に支持されている。ヘッド揺動アーム１３は、支軸１４に回転可能に支持されている。研磨ヘッドシャフト１１は、研磨ヘッドモータ（図示せず）に連結されている。研磨ヘッドモータは、研磨ヘッド５を研磨ヘッドシャフト１１とともに矢印で示す方向に回転させるように構成されている。
研磨ヘッドシャフト１１は、研磨ヘッド上下動機構（図示せず）にさらに連結されている。研磨ヘッド上下動機構は、研磨ヘッドシャフト１１および研磨ヘッド５をヘッド揺動アーム１３に対して相対的に上下動させるように構成されている。
研磨装置１は、研磨ヘッド５、テーブルモータ６、研磨ヘッドモータ、研磨ヘッド上下動機構および研磨液供給ノズル８の動作を制御する動作制御部２０をさらに備えている。動作制御部２０は少なくとも１台のコンピュータから構成される。
ワークピースＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド５を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル８から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ワークピースＷは研磨ヘッド５によって回転されながら、研磨パッド２とワークピースＷとの間に研磨液が存在した状態でワークピースＷは研磨ヘッド５によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。ワークピースＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および／または研磨パッド２の機械的作用との組み合わせにより、研磨される。
次に、研磨ヘッド５について説明する。図２は、研磨ヘッド５の一実施形態を示す断面図である。研磨ヘッド５は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されたキャリア２５と、キャリア２５の下部に取り付けられた弾性膜３０と、キャリア２５の下方に配置されたリテーナリング２８とを備えている。リテーナリング２８は、弾性膜３０の周囲に配置されている。このリテーナリング２８は、ワークピースＷの研磨中にワークピースＷが研磨ヘッド５から飛び出さないようにするためにワークピースＷを保持する環状の構造体である。
弾性膜３０は、ワークピースＷの上面に接触可能なワークピース押圧面３１ａを有する当接部３１と、当接部３１から上方に延びる隔壁３２～３７を備えている。当接部３１は、ワークピースＷの上面と実質的に同じ大きさおよび同じ形状を有している。隔壁３２～３７は、同心状に配列された無端状の壁である。第１隔壁３２は最も外側に位置する隔壁である。第１隔壁３２は、側壁と称することもできる。
より具体的には、隔壁３２～３７は、当接部の外縁に接続されている第１隔壁３２、第１隔壁３２よりも内側に位置している第２隔壁３３、第２隔壁３３よりも内側に位置している第３隔壁３４、第３隔壁３４よりも内側に位置している第４隔壁３５、第４隔壁３５よりも内側に位置している第５隔壁３６、第５隔壁３６よりも内側に位置している第６隔壁３７である。第１隔壁３２は、その上部に伸縮可能に構成された屈曲部３２ａを有している。第２隔壁３３～第６隔壁３７は、当接部３１から径方向内側に斜め上方に延びている。
本発明の第１隔壁３２～第６隔壁３７の形状は、本実施形態に限定されない。一実施形態では、第１隔壁３２は、屈曲部３２ａを有することなく、当接部３１から上方に延びていてもよいし、当接部３１から上方に延びる途中で複数に分岐していてもよい。一実施形態では、第２隔壁３３～第６隔壁３７は、当接部３１から傾斜せずに上方に延びていてもよいし、当接部３１から上方に延びる途中で屈曲していてもよい。
弾性膜３０とキャリア２５との間には、６つの圧力室Ｃ１～Ｃ６が設けられている。圧力室Ｃ１～Ｃ６は、少なくとも、弾性膜３０の当接部３１、隔壁３２～３７によって形成されている。圧力室Ｃ１は第１隔壁３２と第２隔壁３３との間に位置し、圧力室Ｃ２は第２隔壁３３と第３隔壁３４との間に位置し、圧力室Ｃ３は第３隔壁３４と第４隔壁３５との間に位置し、圧力室Ｃ４は第４隔壁３５と第５隔壁３６との間に位置し、圧力室Ｃ５は第５隔壁３６と第６隔壁３７との間に位置し、圧力室Ｃ６は第６隔壁３７内に位置している。圧力室Ｃ１～Ｃ５は環状であり、中央の圧力室Ｃ６は円形である。これらの圧力室Ｃ１～Ｃ６は、同心上に配列されている。一実施形態では、圧力室Ｃ１～Ｃ６は他の形状を有してもよい。
本実施形態では、弾性膜３０は６つの圧力室Ｃ１～Ｃ６を形成するが、本発明は本実施形態に限定されない。一実施形態では、弾性膜３０は６つよりも少ない、または６つよりも多い圧力室を形成してもよい。すなわち、一実施形態では、６つよりも少ない隔壁が設けられてもよく、あるいは６つよりも多い隔壁が設けられてもよい。例えば、第１隔壁３２のみが設けられ、弾性膜３０は１つの圧力室Ｃ１のみを形成してもよい。
圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６には気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６がそれぞれ接続されている。気体移送ラインＦ１～Ｆ６の一端は、研磨装置１が設置されている工場に設けられたユーティリティ供給源としての圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧縮空気等の圧縮気体は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６を通じて圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６にそれぞれ供給されるように構成されている。
キャリア２５とリテーナリング２８との間には、環状のローリングダイヤフラム３８が配置されており、このローリングダイヤフラム３８の内部には圧力室Ｃ７が形成されている。圧力室Ｃ７は、気体移送ラインＦ７を介して上記圧縮気体供給源に連結されている。圧縮気体は、気体移送ラインＦ７を通じて圧力室Ｃ７内に供給され、圧力室Ｃ７はリテーナリング２８を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
気体移送ラインＦ１～Ｆ７は、研磨ヘッドシャフト１１に取り付けられたロータリージョイント１８を経由して延びている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７には、それぞれ圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７が設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ７を通って圧力室Ｃ１～Ｃ７内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ１～Ｒ７は、圧力室Ｃ１～Ｃ７内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。
圧力レギュレータＲ１～Ｒ７は、圧力室Ｃ１～Ｃ７の内部圧力を互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ワークピースＷの対応する６つの領域、およびリテーナリング２８の研磨パッド２への押圧力を独立に調節することができる。圧力室Ｃ１に対応するワークピースＷの領域は、ワークピースＷのエッジ部を含む環状の領域である。圧力室Ｃ２に対応するワークピースＷの領域は、圧力室Ｃ１に対応するワークピースＷの領域よりも内側の環状の領域である。圧力室Ｃ３に対応するワークピースＷの領域は、圧力室Ｃ２に対応するワークピースＷの領域よりも内側の環状の領域である。圧力室Ｃ４に対応するワークピースＷの領域は、圧力室Ｃ３に対応するワークピースＷの領域よりも内側の環状の領域である。圧力室Ｃ５に対応するワークピースＷの領域は、圧力室Ｃ４に対応するワークピースＷの領域よりも内側の環状の領域である。圧力室Ｃ６に対応するワークピースＷの領域は、圧力室Ｃ５に対応するワークピースＷの領域よりも内側の円形の領域である。
気体移送ラインＦ１～Ｆ７は大気開放弁（図示せず）にもそれぞれ接続されており、圧力室Ｃ１～Ｃ７を大気開放することも可能である。圧力レギュレータＲ１～Ｒ７は、動作制御部２０に接続されている。動作制御部２０は、圧力室Ｃ１～Ｃ７のそれぞれの目標圧力値を圧力レギュレータＲ１～Ｒ７に送り、圧力レギュレータＲ１～Ｒ７は、圧力室Ｃ１～Ｃ７内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように動作する。
研磨ヘッド５はワークピースＷの複数の領域に対して、独立した研磨圧力をそれぞれ加えることができる。例えば、研磨ヘッド５は、ワークピースＷの表面の異なる領域を異なる研磨圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。したがって、研磨ヘッド５は、ワークピースＷの膜厚プロファイルを制御して、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。
図３は、弾性膜３０の一実施形態を示す断面図である。図３では、弾性膜３０の一部を示している。弾性膜３０は、異なる硬度を有するゴムからなる第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２から構成されている。より具体的には、弾性膜３０は、第１の硬度を有する第１ゴム構造体４１と、第１の硬度よりも低い第２の硬度を有する第２ゴム構造体４２を有する。第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、一体成形された一体構造物である。第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２を構成する弾性ゴムの例としては、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素ゴムが挙げられる。本実施形態では、シリコーンゴムが使用されている。
第１ゴム構造体４１は、ワークピース押圧面３１ａを有する下部当接部３１ｂを含む。下部当接部３１ｂは、当接部３１の一部であり、より具体的には、当接部３１の下部である。第１ゴム構造体４１は、さらに、第１隔壁３２の下部である下部隔壁３２ｂを含む。下部隔壁３２ｂは、第１隔壁３２の下部の外側を構成しており、下部当接部３１ｂから上方に延びる。下部当接部３１ｂと下部隔壁３２ｂは、一体成形物である。
第２ゴム構造体４２は、上部当接部３１ｃ、上部隔壁３２ｃ、内壁部３２ｄ、および第２隔壁３３～第６隔壁３７を含む。上部当接部３１ｃは、当接部３１の一部であり、より具体的には、下部当接部３１ｂの上に位置する当接部３１の上部である。上部当接部３１ｃは、下部当接部３１ｂよりも薄い。上部隔壁３２ｃは、第１隔壁３２の上部を構成し、下部隔壁３２ｂの上に位置している。上部隔壁３２ｃは屈曲部３２ａを有する。内壁部３２ｄは、第１隔壁３２の下部の内側を構成しており、上部当接部３１ｃから上方に延びる。内壁部３２ｄは、下部隔壁３２ｂの内側に位置している。上部当接部３１ｃ、上部隔壁３２ｃ、内壁部３２ｄ、および第２隔壁３３～第６隔壁３７は、一体成形物である。
第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は一体成形されており、接着剤を用いることなく接合されて一体構造物を構成している。第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の界面となる表面は、密着性を向上させるために凹凸を有していてもよい。第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の界面は、当接部３１の下部当接部３１ｂと上部当接部３１ｃの界面、第１隔壁３２の下部隔壁３２ｂと内壁部３２ｄの界面である。これら界面となる表面に凹凸が成形されることにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の接触面積が増加し、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２はより強固に一体化される。
一実施形態では、第２ゴム構造体４２は上部当接部３１ｃを有していなくてもよい。この場合は、第２ゴム構造体４２の第２隔壁３３～第６隔壁３７は、第１ゴム構造体４１の当接部３１から上方に延びる。また、一実施形態では、第２ゴム構造体４２は内壁部３２ｄを有していなくてもよい。この場合は、上部隔壁３２ｃは、第１ゴム構造体４１の下部隔壁３２ｂの上端から上方に延びる。
本実施形態によれば、弾性膜３０が異なる硬度を有する第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２を備えていることにより、弾性膜３０の部位ごとに求められる物性に応じて、適切な剛性や柔軟性を有することができる。第１ゴム構造体４１は第１の硬度を有しており、第２ゴム構造体４２は第２の硬度を有している。第２の硬度は、第１の硬度よりも低い。これにより、第１ゴム構造体４１は適度な剛性を有し、第２ゴム構造体４２は適度な柔軟性を有する。例えば、第１の硬度は硬度８０度（デュロメータタイプＡ硬度）であり、第２の硬度は硬度５０度（デュロメータタイプＡ硬度）であるが、本発明はこれに限定されない。
第１隔壁３２は、その上部と下部で求められる物性が異なる。下部隔壁３２ｂは、圧力室Ｃ１（図２参照）に気体が供給されたときに、外側に倒れてリテーナリング２８に接触しないように、適度な剛性を有していることが求められる。下部隔壁３２ｂは、第１ゴム構造体４１から構成されているため、第２ゴム構造体４２よりも剛性を有する。これにより、下部隔壁３２ｂとリテーナリング２８との接触を防止し、ワークピースＷに対する押圧力を均一にすることができる。
上部隔壁３２ｃは、圧力室Ｃ１に気体が供給されたときに下方に延びるように、適度な柔軟性を有していることが求められる。上部隔壁３２ｃは、第２ゴム構造体４２から構成されているため、第１ゴム構造体４１よりも柔軟性を有する。これにより、圧力室Ｃ１に供給される気体の圧力に応じて、上部隔壁３２ｃが伸縮し、ワークピースＷに対する押圧力を柔軟に調節することができる。下部隔壁３２ｂが比較的高い硬度を有していても、上部隔壁３２ｃが伸縮することにより、圧力室Ｃ１内の圧力をワークピースＷの外縁部に適切に伝えることができる。特に、本実施形態では、上部隔壁３２ｃの一部である屈曲部３２ａは、上部隔壁３２ｃの伸縮性を向上させることができる。
第２隔壁３３～第６隔壁３７は、圧力室Ｃ２～Ｃ６（図２参照）に気体が供給されたときに下方に伸びるような柔軟性を有していることが求められる。第２隔壁３３～第６隔壁３７は、第２ゴム構造体４２から構成されているため、第１ゴム構造体４１よりも柔軟性を有する。これにより、圧力室Ｃ２～Ｃ６（図２参照）に供給される気体の圧力に応じて、第２隔壁３３～第６隔壁３７が柔軟に伸び、弾性膜３０は適切な押圧力でワークピースＷを押圧することができる。
下部当接部３１ｂは、第１ゴム構造体４１から構成されているため、第２ゴム構造体４２よりも剛性を有する。したがって、第２隔壁３３～第６隔壁３７と当接部３１との接続部でのワークピース押圧面３１ａの上方への変形を防止でき、ワークピースＷに対する押圧力の局所的な低下を防止することができる。さらに、ワークピースＷの研磨時に研磨ヘッド５（図１参照）の回転に伴って当接部３１が捩れることが防止され、ワークピースＷとの摩擦によって当接部３１が摩耗しにくい。さらに、研磨後にワークピースＷは当接部３１に密着せずに当接部３１から離脱しやすい。
このように、部位ごとに異なる物性を有する弾性膜３０を用いることにより、研磨ヘッド５はワークピースＷを適切な押圧力で研磨してワークピースＷの目標膜厚分布を達成することができる。さらに、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は一体成形されているため、第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２を互いに固定するための接着剤を使用する必要がない。したがって、弾性膜３０を構成するゴムの物性に影響を与えずに、部位ごとに適切な剛性や柔軟性を実現することができる。
次に、弾性膜３０の製造方法について説明する。図４（ａ）乃至図４（ｃ）および図５（ａ）乃至図５（ｂ）は、弾性膜３０の製造方法の一例を説明する図である。図４（ａ）乃至図４（ｃ）および図５（ａ）乃至図５（ｂ）に示す製造方法では、第１ゴム構造体４１を先に成形し、その後第２ゴム構造体４２を成形して、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を一体成形する。
まず、図４（ａ）に示すように、第１ゴム構造体４１の材料である第１ゴム材料４３を、第１成形型５１と第２成形型５２の間の空間に流し込む。次に、図４（ｂ）に示すように、第１成形型５１と第２成形型５２を嵌合させて第１ゴム材料４３を加圧すると、第１ゴム材料４３は第１成形型５１と第２成形型５２の隙間を満たす。第１成形型５１と第２成形型５２によって加圧された状態で第１ゴム材料４３を加熱することにより、第１ゴム構造体４１を成形する。
第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の界面となる表面に凹凸を成形するために、第２成形型５２は、第１ゴム材料４３に接する表面５２ａに凹凸を有していてもよい。この凹凸は、一例として、エンボス加工、あるいはブラスト加工などの粗面処理によって成形されている。表面５２ａの凹凸により、第２ゴム構造体４２との界面となる、第１ゴム構造体４１の下部当接部３１ｂ（図３参照）の表面、および下部隔壁３２ｂ（図３参照）の表面に凹凸が成形される。第１ゴム構造体４１の表面に凹凸が成形されていることにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の接触面積が増加し、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２をより強固に一体化することができる。
図４（ｃ）に示すように、既知である真空吸引などの方法によって、成形された第１ゴム構造体４１を第１成形型５１で保持し、第２成形型５２を取り外す。図４（ｃ）では、真空吸引する機構の構成は省略されている。続いて、第２ゴム構造体４２を成形する工程を説明する。
図５（ａ）に示すように、第２ゴム構造体４２の材料である第２ゴム材料４４を、第１ゴム構造体４１が保持された第１成形型５１と第３成形型５３の間の空間に流し込む。第３成形型５３は、隔壁３２～３７（図３参照）を成形するための凹部５３ａを有している。
次に、図５（ｂ）に示すように、第１成形型５１と第３成形型５３を嵌合させて第２ゴム材料４４を加圧すると、第２ゴム材料４４が第３成形型５３の凹部５３ａに入り込む。第１成形型５１と第３成形型５３を嵌合させたときに、第１成形型５１に保持された第１ゴム構造体４１と第３成形型５３の間には０．５ｍｍ程度の隙間５１ａを有している。この隙間５１ａによって第２ゴム構造体４２の上部当接部３１ｃ（図３参照）が成形される。第１成形型５１と第３成形型５３によって加圧された状態で第２ゴム材料４４を加熱することにより、第１ゴム構造体４１に接合された第２ゴム構造体４２が成形され、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、一体成形される。
その後、第１成形型５１および第３成形型５３から一体化された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を取り出す。第３成形型５３は、入り組んだ形状を有する第２ゴム構造体４２を取り出すために、中子金型、ベース金型などの複数の金型を組み合わせて構成されてもよい。
一体成形された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、その界面で接合されているが、第１ゴム材料４３と第２ゴム材料４４の架橋反応は、完全には進行していない状態である。この一体成形された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を加熱することで、第１ゴム材料４３と第２ゴム材料４４の架橋反応をさらに進行させる二次加硫を行う。この二次加硫工程では、一例として、一体化された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２をオーブン（恒温機器）を用いて２００℃で３～４時間加熱する。これにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２から構成された弾性膜３０が完成する。
図６は、図４（ａ）乃至図４（ｃ）および図５（ａ）乃至図５（ｂ）に示す製造方法のフローチャートである。
ステップＳ１０１では、図４（ａ）に示すように、第１ゴム材料４３を第１成形型５１と第２成形型５２の間の空間に流し込む。
ステップＳ１０２では、図４（ｂ）に示すように、第１成形型５１と第２成形型５２を嵌合させて第１ゴム材料４３を加圧し、第１ゴム材料４３を加熱して第１ゴム構造体４１を成形する。その後、図４（ｃ）に示すように、第２成形型５２を取り外す。
ステップＳ１０３では、図５（ａ）に示すように、第２ゴム材料４４を第１成形型５１と第３成形型５３の間の空間に流し込む。
ステップＳ１０４では、図５（ｂ）に示すように、第１成形型５１と第３成形型５３を嵌合させて第２ゴム材料４４を加圧し、第２ゴム材料４４を加熱して、第１ゴム構造体４１に接合された第２ゴム構造体４２を成形し、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を一体成形する。
ステップＳ１０５では、第１成形型５１および第３成形型５３から一体化された第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２を取り出す。
ステップＳ１０６では、一体化された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を加熱することにより、架橋反応をさらに進行させる二次加硫を行う。これにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２から構成された弾性膜３０が完成する。
本実施形態によれば、完全に架橋反応が進行する前（二次加硫前）の第１ゴム構造体４１に接合された第２ゴム構造体４２を成形するため、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の架橋反応を進行させながら一体化することができる。また、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を別個に成形してから接合するよりも工程を削減できるため、生産性を向上することができる。
図７（ａ）乃至図７（ｃ）および図８（ａ）乃至図８（ｂ）は、弾性膜３０の製造方法の他の例を説明する図である。図７（ａ）乃至図７（ｃ）および図８（ａ）乃至図８（ｂ）に示す製造方法では、第２ゴム構造体４２を先に成形し、その後第１ゴム構造体４１を成形して、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を一体成形する。
まず、図７（ａ）に示すように、第２ゴム構造体４２の材料である第２ゴム材料４４を、第１成形型５４と第２成形型５５の間の空間に流し込む。第２成形型５５は、隔壁３２～３７（図３参照）を成形するための凹部５５ａを有している。
次に、図７（ｂ）に示すように、第１成形型５４と第２成形型５５を嵌合させて第２ゴム材料４４を加圧すると、第２ゴム材料４４が第２成形型５５の凹部５５ａに入り込む。第１成形型５４と第２成形型５５を嵌合させたときに、第１成形型５４と第２成形型５５の間には０．５ｍｍ程度の隙間５４ａを有している。この隙間５４ａによって第２ゴム構造体４２の上部当接部３１ｃ（図３参照）が成形される。第１成形型５４と第２成形型５５によって加圧された状態で第２ゴム材料４４を加熱することにより、第２ゴム構造体４２が成形される。
第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の界面となる表面に凹凸を成形するために、第１成形型５４は、第２ゴム材料４４に接する表面５４ｂに凹凸を有していてもよい。この凹凸は、一例として、エンボス加工、あるいはブラスト加工などの粗面処理によって成形されている。表面５４ｂの凹凸により、第１ゴム構造体４１との界面となる、第２ゴム構造体４２の上部当接部３１ｃの表面、および内壁部３２ｄ（図３参照）の表面に凹凸が成形される。第２ゴム構造体４２の表面に凹凸が成形されていることにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の接触面積が増加し、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２をより強固に一体化することができる。
図７（ｃ）に示すように、第２成形型５５によって第２ゴム構造体４２を保持したまま、第１成形型５４を取り外す。続いて、第１ゴム構造体４１を成形する工程を説明する。
図８（ａ）に示すように、第１ゴム構造体４１の材料である第１ゴム材料４３を、第２ゴム構造体４２が保持された第２成形型５５と、第３成形型５６との間の空間に流し込む。次に、図８（ｂ）に示すように、第２成形型５５と第３成形型５６を嵌合させて第１ゴム材料４３を加圧すると、第１ゴム材料４３は第２成形型５５と第３成形型５６の隙間を満たす。第２成形型５５と第３成形型５６によって加圧された状態で第１ゴム材料４３を加熱することにより、第２ゴム構造体４２に接合された第１ゴム構造体５１が成形される、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、一体成形される。
その後、第２成形型５５および第３成形型５６から一体化された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を取り出す。第２成形型５５は、入り組んだ形状を有する第２ゴム構造体４２を取り出すために、中子金型、ベース金型などの複数の金型を組み合わせて構成されてもよい。
一体成形された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、その界面で接合されているが、第１ゴム材料４３と第２ゴム材料４４の架橋反応は、完全には進行していない状態である。この一体成形された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を加熱することで、第１ゴム材料４３と第２ゴム材料４４の架橋反応をさらに進行させる二次加硫を行う。この工程では、一例として、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２をオーブン（恒温機器）を用いて２００℃で３～４時間加熱する。これにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２から構成された弾性膜３０が完成する。
図９は、図７（ａ）乃至図７（ｃ）および図８（ａ）乃至図８（ｂ）に示す製造方法のフローチャートである。
ステップＳ２０１では、図７（ａ）に示すように、第２ゴム材料４４を第１成形型５４と第２成形型５５の間の空間に流し込む。
ステップＳ２０２では、図７（ｂ）に示すように、第１成形型５４と第２成形型５５を嵌合させて第２ゴム材料４４を加圧し、第２ゴム材料４４を加熱して第２ゴム構造体４２を成形する。その後、図７（ｃ）に示すように、第１成形型５４を取り外す。
ステップＳ２０３では、図８（ａ）に示すように、第１ゴム材料４３を第２成形型５５と第３成形型５６の間の空間に流し込む。
ステップＳ２０４では、図８（ｂ）に示すように、第２成形型５５と第３成形型５６を嵌合させて第１ゴム材料４３を加圧し、第１ゴム材料４３を加熱して、第２ゴム構造体４２に接合された第１ゴム構造体４１を成形し、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を一体成形する。
ステップＳ２０５では、第２成形型５５および第３成形型５６から一体化された第１ゴム構造体４１および第２ゴム構造体４２を取り出す。
ステップＳ２０６では、一体化された第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を加熱することにより、架橋反応をさらに進行させる二次加硫を行う。これにより、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２から構成された弾性膜３０が完成する。
本実施形態によれば、完全に架橋反応が進行する前（二次加硫前）の第２ゴム構造体４２に接合された第１ゴム構造体４１を成形するため、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の架橋反応を進行させながら一体化することができる。また、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２を別個に成形してから接合するよりも、工程を削減できるため、生産性を向上することができる。
本実施形態では、弾性膜３０は、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２の２種類の硬度を有するゴムから構成されているが、一実施形態では、弾性膜３０は、３種類以上の硬度を有する材料から構成されてもよい。例えば、第１隔壁３２の上部隔壁３２ｃと、第２隔壁３３～第６隔壁３７が異なる硬度を有するゴム構造体から形成されてもよい。
本実施形態では、第１ゴム構造体４１と第２ゴム構造体４２は、硬度が異なる２種類のゴム構造体であるが、一実施形態では、硬度以外の引張強さ、伸び、弾性率などの物性が異なるゴム構造体であってもよい。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
１ 研磨装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
３ａ テーブル軸
５ 研磨ヘッド
６ テーブルモータ
８ 研磨液供給ノズル
１１ 研磨ヘッドシャフト
１３ ヘッド揺動アーム
１４ 支軸
１８ ロータリージョイント
２０ 動作制御部
２５ キャリア
２８ リテーナリング
３０ 弾性膜
３１ 当接部
３１ａ ワークピース押圧面
３１ｂ 下部当接部
３１ｃ 上部当接部
３２ 第１隔壁
３２ａ 屈曲部
３２ｂ 下部隔壁
３２ｃ 上部隔壁
３２ｄ 内壁部
３３ 第２隔壁
３４ 第３隔壁
３５ 第４隔壁
３６ 第５隔壁
３７ 第６隔壁
３８ ローリングダイヤフラム
４１ 第１ゴム構造体
４２ 第２ゴム構造体
４３ 第１ゴム材料
４４ 第２ゴム材料
５１，５４ 第１成形型
５２，５５ 第２成形型
５３，５６ 第３成形型
Ｃ１～Ｃ７ 圧力室
Ｆ１～Ｆ７ 気体移送ライン
Ｒ１～Ｒ７ 圧力レギュレータ

Claims (10)

  1. ワークピースを研磨するための研磨ヘッドに用いられ、前記ワークピースを研磨面に押し付けるための弾性膜であって、
    前記ワークピースを前記研磨面に押し付けるためのワークピース押圧面を有する当接部と、
    前記当接部から上方に延び、圧力室を形成する隔壁を備え、
    前記当接部および前記隔壁の少なくとも一部は、一体成形された第１ゴム構造体および第２ゴム構造体から構成されており、
    前記第１ゴム構造体は第１の硬度を有し、前記第２ゴム構造体は前記第１の硬度よりも低い第２の硬度を有し、
    前記第１ゴム構造体は前記ワークピース押圧面を含み、
    前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の少なくとも一部を含む、弾性膜。
  2. 前記隔壁は、前記当接部の外縁に接続されており、
    前記第１ゴム構造体は、前記隔壁の下部の少なくとも一部を含み、
    前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の上部を含む、請求項１に記載の弾性膜。
  3. 前記隔壁の上部は、伸縮可能に構成された屈曲部を有している、請求項２に記載の弾性膜。
  4. 前記隔壁は、複数の圧力室を形成する第１隔壁および第２隔壁を有しており、
    前記第１隔壁は、前記当接部の外縁に接続されており、
    前記第２隔壁は、前記第１隔壁よりも内側に位置しており、
    前記第２ゴム構造体は、前記第２隔壁を含む、請求項１に記載の弾性膜。
  5. 前記第１ゴム構造体は、前記第１隔壁の下部の少なくとも一部を含み、
    前記第２ゴム構造体は、前記第１隔壁の上部を含む、請求項４に記載の弾性膜。
  6. 前記第１隔壁の上部は、伸縮可能に構成された屈曲部を有している、請求項５に記載の弾性膜。
  7. 前記第１ゴム構造体および前記第２ゴム構造体は、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体の界面となる表面に凹凸を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の弾性膜。
  8. ワークピースを研磨するための研磨ヘッドに用いられ、前記ワークピースを研磨面に押し付けるための弾性膜の製造方法であって、
    第１の硬度を有する第１ゴム構造体と、前記第１の硬度よりも低い第２の硬度を有する第２ゴム構造体のうちのいずれか一方を成形し、
    前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体のうちの他方を成形し、かつ前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体とを接合させることで、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体を一体成形する工程を含み、
    前記弾性膜は、
    前記ワークピースを前記研磨面に押し付けるためのワークピース押圧面を有する当接部と、
    前記当接部から上方に延び、圧力室を形成する隔壁を備え、
    前記第１ゴム構造体は前記ワークピース押圧面を含み、
    前記第２ゴム構造体は、前記隔壁の少なくとも一部を含む、弾性膜の製造方法。
  9. 前記一体成形された前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体を加熱する二次加硫工程をさらに含む、請求項８に記載の弾性膜の製造方法。
  10. 前記第１ゴム構造体を成形する工程、または前記第２ゴム構造体を成形する工程において、前記第１ゴム構造体と前記第２ゴム構造体の界面となる表面に凹凸を成形する、請求項８または９に記載の弾性膜の製造方法。
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