JP6232297B2 - 基板保持装置および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置に使用される基板保持装置に関し、特に基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置に関する。また、本発明は、そのような基板保持装置を備えた研磨装置に関する。

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。

したがって、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がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨は、シリカ（ＳｉＯ_２）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ウェハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハ等の基板を保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて基板の研磨を行う場合には、基板保持装置により基板を保持しつつ、基板を研磨パッドの研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより基板が研磨面に摺接し、基板の表面が研磨される。

研磨中の基板と研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が基板の全面に亘って均一でない場合には、基板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、基板に対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部にメンブレン（弾性膜）から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することでメンブレンを介して流体圧により基板を押圧することが行われている。

上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の基板のエッジ部（周縁部）に加わる押圧力が不均一になり、基板のエッジ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、基板のエッジ部を保持するリテーナリングをトップリング本体（又はキャリアヘッド本体）に対して上下動可能に設け、基板の外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面をリテーナリングで押圧するようにしている。

米国特許出願公開第２０１３／０３２４０１２号明細書

上述した研磨装置においては、研磨中に基板と研磨パッドの間に摩擦力が発生するため、この摩擦力をリテーナリングによって受けることにより基板がトップリング本体の下部から飛び出さないようにしている。また、上述したようにリテーナリングは研磨パッドを押圧することで研磨パッドを変形させ、この変形によって基板のエッジ部（周縁部）の研磨量を制御するようにしている。

基板と研磨パッドの間の高い摩擦力と基板と研磨パッドの低い相対速度における研磨では、スティックスリップ等を原因とする振動が起こりやすい。このような厳しい研磨条件で起こる振動によって、研磨中の基板がトップリングから飛び出すことがある。この領域での研磨は避けなければならないため、研磨レシピで設定できる範囲よりも実際の研磨条件は狭くなる。この研磨不可領域を狭くすることはレシピの組み合わせ自由度を増すことになり、研磨性能の向上につながる。

本発明者らの研究によれば、この振動の発振源は研磨パッドと基板の間であると考えられ、基板の振動がリテーナリングを介してトップリング本体に伝わり、トップリングの共振など複合的な要因によってリテーナリングの押圧が不安定となり、リテーナリングと研磨パッドの間に隙間が生じて研磨中の基板が飛び出すと考えられる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、リテーナリングからトップリング本体に伝わる振動を減衰することにより、トップリング全体の振動を軽減することができる基板保持装置および研磨装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の実施形態によれば、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための連結部とを有したドライブリングを備え、前記ドライブリングは、第一の材料と、該第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料で構成されている。

上記実施形態によれば、ドライブリングを第一の材料と、第一の材料より縦弾性係数の小さい第二の材料で構成することにより、研磨中にリテーナリングで発生した振動は、ドライブリングの第一の材料から第二の材料に伝達される際に、第二の材料で減衰される。したがって、リテーナリングからドライブリングを介してトップリング本体に伝わる振動を減衰することができ、トップリング全体の振動を減衰することができ、トップリング全体の振動を軽減することができる。

上記実施形態の好ましい態様は、前記第二の材料はゴム部材である。
上記実施形態によれば、第二の材料にゴム部材を用いることにより、大きな振動減衰効果を得ることができる。
上記実施形態の好ましい態様は、前記連結部は複数の連結用アームから構成される。

本発明の第一の態様は、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、前記ドライブリングは、前記中心部材と前記複数の連結用アームとを含む中心部と、前記リング部材からなるリング部とを締結具によって接続して構成されるか、または前記中心部材と前記複数の連結用アームの半径方向内側部分とを含む中心部と、前記複数の連結用アームの半径方向外側部分と前記リング部材とを含むリング部とを締結具によって接続して構成され、前記中心部は第一の材料で構成され、前記中心部と前記リング部との接続部に、第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料で構成される部分を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ドライブリングを中心部とリング部とに二分割する構成とし、中心部とリング部との接続部に、該中心部やリング部より縦弾性係数が小さい部材を介在させることができる。これにより、研磨中にリテーナリングで発生した振動がドライブリングのリング部から中心部に伝達される際に、接続部に設けられた縦弾性係数の小さい部材により振動を減衰させることができる。したがってトップリング全体の振動を軽減することができる。

本発明の第二の態様は、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、前記ドライブリングは、前記中心部材と前記複数の連結用アームとを含む中心部と、前記リング部材からなるリング部とを締結具によって接続して構成されるか、または前記中心部材と前記複数の連結用アームの半径方向内側部分とを含む中心部と、前記複数の連結用アームの半径方向外側部分と前記リング部材とを含むリング部とを締結具によって接続して構成され、前記中心部と前記リング部との接続部にゴム部材を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ドライブリングの中心部とリング部との接続部に設けたゴム部材により、大きな振動減衰効果を得ることができる。

本発明の第三の態様は、基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、前記中心部材は第一の材料で構成され、前記ドライブリングの中心部材に固定されるとともに前記トップリング本体内に設置された軸受に挿入されるガイドシャフトと、前記ドライブリングの中心部材との間に該第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料で構成される部分を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ドライブリングとガイドシャフトの接続部にゴム部材を設けているため、リテーナリングからの振動がドライブリングを介してガイドシャフトに伝達される際に、ゴム部材で減衰されることになる。したがってトップリング全体の振動が軽減される。

本発明の好ましい態様は、前記第二の材料はゴム部材であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ゴム部材は、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム又は、減衰能力が高められた合成ゴムからなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ゴム部材は、モールドされたゴム部材であることを特徴とする。
本発明によれば、部品間にすきまを設け、そこにゴムを流し込むモールド式によっても、接続部にある部品間にゴム部材を設けることができる。

本発明の好ましい態様は、前記連結用アームの接続部は、引っ張り、圧縮、せん断、曲げ方向の荷重を受けられるように互いが面で接触して面間にあるゴム部材を圧縮する形状であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ドライブリングは、該ドライブリングの中心部材に接続されたガイドシャフトと前記トップリング本体の中心部に配置された球面軸受によって傾きと上下動作が可能になるように支持され、前記連結用アームはメンブレンを保持するキャリアに支持された一対のローラーによって挟まれ、前記ドライブリングの回転方向の動きが拘束されることを特徴とする。
本発明によれば、球面軸受とガイドシャフトのはめあいによって、ドライブリングおよびリテーナリングの上下移動および傾動を許容する一方で、ドライブリングおよびリテーナリングの横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。基板の研磨中は、リテーナリングは基板と研磨パッドとの摩擦に起因した横方向の力（基板の半径方向外側に向かう力）を基板から受ける。この横方向の力は、ドライブリングを介して球面軸受に伝わり、球面軸受によって受けられる。このように、球面軸受は、基板の研磨中に、基板と研磨パッドとの摩擦に起因してリテーナリングが基板から受ける横方向の力（基板の半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリングの横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリングの水平方向の位置を固定する）。また、本発明によれば、各連結用アームは、キャリアに固定された一対のローラーにより挟まれており、ドライブリングの回転方向の自由度が拘束される。

本発明の第四の態様は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板保持装置と、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルとを備えたことを特徴とする研磨装置である。

本発明によれば、リテーナリングからドライブリングを介してトップリング本体に伝わる振動を減衰することにより、トップリング全体の振動を軽減することができる。
また、本発明によれば、基板と研磨パッドの間の高い摩擦力と基板と研磨パッドの低い相対速度を組み合わせた研磨条件で発生していた振動を抑制することができるため、基板の破損を防止することができ、研磨条件の組み合わせ（プロセスウインドウ）を広げることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、研磨装置の詳細な構成を示す図である。 図３は、トップリングの断面図である。 図４は、ドライブリングを示す平面図である。 図５は、内輪と外輪の間にゴムがモールドされたローラーを示す断面図である。 図６は、本発明のドライブリングの第１の態様を示す図であり、ドライブリングの分解斜視図である。 図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図６のVII部分を示す拡大図であり、図７（ａ）は中心部とリング部との接続前の状態を示し、図７（ｂ）は中心部とリング部との接続後の状態を示す。図７（ｃ）は中心部とリング部との接続後の状態を示す平面図である。 図８は、本発明のドライブリングの第２の態様を示す図であり、ドライブリングとガイドシャフトの分解斜視図である。 図９は、本発明のドライブリングの第２の態様を示す図であり、ドライブリングとガイドシャフトとを接続した状態を示す部分断面図である。 図１０は、本発明のドライブリングの第３の態様を示す図であり、図１０はドライブリングの分解斜視図である。 図１１は、本発明のドライブリングの第３の態様を示す図であり、図１０のXI部の拡大図である。

以下、本発明の基板保持装置および研磨装置の実施形態について図１乃至図１１を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１１において同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨対象物であるウェハ等の基板Ｗを保持して研磨パッド２に押圧する基板保持装置としてのトップリング１とを備えている。

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るモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸３ａを中心に回転可能になっている。研磨パッド２は、研磨テーブル３の上面に貼付されており、研磨パッド２の上面２ａが基板Ｗを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル３の上方には研磨液供給機構５が設置されており、この研磨液供給機構５によって研磨パッド２上に研磨液が供給されるようになっている。

トップリング１は、トップリングシャフト１１に接続されており、このトップリングシャフト１１は、トップリングヘッド１６に設置された上下動機構（図示せず）により上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１６に対してトップリング１の全体を矢印で示すように昇降させ、位置決めするようになっている。さらに、トップリングシャフト１１は、トップリングヘッド１６内に設置された回転機構（図示せず）により回転するようになっている。したがって、トップリング１は、トップリングシャフト１１の回転に伴って、矢印で示すように自身の軸心を中心に回転する。

図２は、研磨装置の詳細な構成を示す図である。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るモータ１３に連結されており、そのテーブル軸３ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル３の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の上面が基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成している。モータ１３により研磨テーブル３を回転させることにより、研磨面２ａはトップリング１に対して相対的に移動する。

トップリング１は、トップリングシャフト１１に接続されており、このトップリングシャフト１１は、上下動機構２７によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１６に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

トップリングシャフト１１およびトップリング１を上下動させる上下動機構２７は、軸受２６を介してトップリングシャフト１１を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１は、ブリッジ２８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３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１およびトップリング１が上下動する。トップリングヘッド１６には、ブリッジ２８に対向するトップリング高さセンサ３９が設けられている。このトップリング高さセンサ３９は、トップリング１と一体に上下動するブリッジ２８の位置からトップリング１の高さを測定する。

また、トップリングシャフト１１はキー（図示せず）を介して回転筒１２に連結されている。この回転筒１２はその外周部にタイミングプーリ１４を備えている。トップリングヘッド１６にはトップリング用モータ１８が固定されており、上記タイミングプーリ１４は、タイミングベルト１９を介してトップリング用モータ１８に設けられたタイミングプーリ２０に接続されている。したがって、トップリング用モータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４を介して回転筒１２およびトップリングシャフト１１が一体に回転し、トップリング１がその軸心を中心として回転する。トップリングヘッド１６は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト２１によって支持されている。

トップリング１は、その下面に基板Ｗを保持できるようになっている。トップリングヘッド１６はトップリングシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、下面に基板Ｗを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１６の旋回により基板Ｗの受取位置から研磨テーブル３の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル３をそれぞれ回転させ、研磨テーブル３の上方に設けられた研磨液供給機構５から研磨パッド２上に研磨液を供給する。このように、研磨パッド２と基板Ｗとの間に研磨液が存在した状態で基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させて基板Ｗの表面を研磨する。

次に、基板保持装置を構成するトップリング１について説明する。図３は、トップリング１の断面図である。図３に示すように、トップリング１は、基板Ｗを研磨面２ａに対して押圧するトップリング本体１０と、基板Ｗを囲むように配置されたリテーナリング４０とを備えている。トップリング本体１０およびリテーナリング４０は、トップリングシャフト１１の回転により一体に回転するように構成されている。リテーナリング４０は、トップリング本体１０とは独立して上下動可能に構成されている。

トップリング本体１０は、円板状のフランジ４２と、フランジ４２の下面に取り付けられたスペーサ４３と、スペーサ４３の下面に取り付けられたキャリア４４とを備えている。フランジ４２は、トップリングシャフト１１に連結されている。キャリア４４は、スペーサ４３を介してフランジ４２に連結されており、フランジ４２、スペーサ４３、およびキャリア４４は、一体に回転し、かつ上下動する。フランジ４２、スペーサ４３、およびキャリア４４から構成されるトップリング本体１０は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。なお、フランジ４２をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。

キャリア４４の下面には、基板Ｗの裏面に当接するメンブレン（弾性膜）４５が取り付けられている。メンブレン４５の下面が基板保持面４５ａを構成する。メンブレン４５は同心状の複数の隔壁４５ｂを有しており、これらの隔壁４５ｂにより、メンブレン４５とキャリア４４との間に４つの圧力室、すなわち、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２およびエッジ室５３が形成されている。これらの圧力室５０〜５３はロータリージョイント２５（図２参照）を経由して圧力調整装置（図示せず）に接続されており、圧力調整装置から加圧流体が供給されるようになっている。圧力調整装置は、これら４つの圧力室５０〜５３内の圧力を独立に調整できるようになっている。さらに、圧力調整装置は、圧力室５０〜５３内に負圧を形成することも可能となっている。メンブレン４５は、リプル室５１またはアウター室５２に対応する位置に通孔（図示せず）を有しており、この通孔に負圧を形成することによりトップリング１はその基板保持面４５ａ上に基板Ｗを保持できるようになっている。メンブレン４５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。センター室５０、リプル室５１、アウター室５２およびエッジ室５３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２およびエッジ室５３を大気開放することも可能である。

リテーナリング４０は、トップリング本体１０のキャリア４４およびメンブレン４５を囲むように配置されている。このリテーナリング４０は、円周方向に間隔をおいて配置された複数のボルト４６によってドライブリング４１に結合されている。下面にリテーナリング４０を保持するリング部材４１Ｒと、トップリング本体１０の中心部に配置されトップリング本体１０に支持される中心部材４１Ｃと、リング部材４１Ｒと中心部材４１Ｃとを連結するための複数の連結用アーム４１Ａとを備えている（後述する）。リテーナリング４０は、基板Ｗの外周縁を囲むように配置されており、基板Ｗの研磨中に基板Ｗがトップリング１から飛び出さないように基板Ｗを保持している。

キャリア４４の中央部には球面軸受５５が配置されている。球面軸受５５は、キャリア４４に固定された外輪５６と、外輪５６に支持された内輪５７とから構成されており、キャリア４４の中央部にフランジ５９によって固定されている。外輪５６の内周面と内輪５７の外周面は、支点Ｏを中心とした球面に形成されて球面の滑り接触になっており、内輪５７は支点Ｏを中心として外輪５６に対して全方向（３６０°）に傾動可能となっている。

一方、ドライブリング４１の中心部にある中心部材４１Ｃには、ガイドシャフト５８が複数のボルト４８によって固定されている。そして、ガイドシャフト５８の軸部は内輪５７の貫通孔５７ｈに嵌合されており、ガイドシャフト５８は球面軸受５５の内輪５７に対して上下方向に移動可能になっている。したがって、ガイドシャフト５８に連結されたドライブリング４１は、球面軸受５５の直動ガイドを介してキャリア４４に位置決めされる。ガイドシャフト５８はステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）等の金属かセラミックで製作される。セラミックは基板の膜厚を測定するセンサが渦電流式の場合に必要とされる。
球面軸受５５の材質は、エンジニアリングプラスティック等の摩擦抵抗が低く耐磨耗性の高い樹脂やセラミックが用いられるが、ステンレス等の金属材料でもよい。

球面軸受５５とガイドシャフト５８のはめあいによって、ドライブリング４１およびリテーナリング４０の上下移動および傾動を許容する一方で、ドライブリング４１およびリテーナリング４０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。基板の研磨中は、リテーナリング４０は基板と研磨パッド２との摩擦に起因した横方向の力（基板の半径方向外側に向かう力）を基板から受ける。この横方向の力は、ドライブリング４１を介して球面軸受５５に伝わり、球面軸受５５によって受けられる。このように、球面軸受５５は、基板の研磨中に、基板と研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング４０が基板から受ける横方向の力（基板の半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング４０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング４０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。

図３に示すように、ドライブリング４１の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されており、このリテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング４１の上面の全体に均一な下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング４０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。

リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング４１の直上に位置するピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部にはリテーナリング圧力室６３が形成されている。このリテーナリング圧力室６３はロータリージョイント２５（図２参照）を経由して前記圧力調整装置に接続されている。この圧力調整装置からリテーナリング圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はドライブリング４１の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。さらに、圧力調整装置によりリテーナリング圧力室６３内に負圧を形成することにより、リテーナリング４０およびドライブリング４１の全体を上昇させることができる。リテーナリング圧力室６３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、リテーナリング圧力室６３を大気開放することも可能である。

ドライブリング４１は、リテーナリング押圧機構６０に着脱可能に連結されている。より具体的には、ピストン６１は金属などの磁性材から形成されており、ドライブリング４１の上部には複数の磁石６４が円周方向に間隔をおいて配置されている（図３では１個の磁石６４のみ示す）。これら磁石６４がピストン６１を引き付けることにより、ドライブリング４１がピストン６１に磁力により固定される。ピストン６１の磁性材としては、例えば、耐蝕性の磁性ステンレスが使用される。なお、ドライブリング４１を磁性材で形成し、ピストン６１に磁石を配置してもよい。

図３に示すように、トップリングシャフト１１はフランジ４２に接続し、トップリング全体を保持する。メンブレン圧力、リテーナリング圧力の配管はトップリングシャフト内を通って供給される。トップリングシャフト１１はボールネジ３２とモータ３８（図２参照）に接続され、研磨時のトップリング１の高さを制御する。メンブレン４５を用いて研磨するトップリング１においては、メンブレン４５の変形具合によって研磨特性が変化する。メンブレン４５は上下方向に非線形の伸びを示すので、トップリング１の高さが変化するとメンブレン４５の基板への面圧分布が変化する。そのため、メンブレン４５を保持するキャリア４４と研磨パッド２の距離を等しく維持し、変形形状を均一にすることは安定した研磨特性を得るために必要とされる。本発明においては、研磨時のトップリング１の高さは、メンブレン４５、基板Ｗ、および研磨パッド２の相対的位置関係が研磨プロセス的に最適な位置になるように制御される。

リテーナリング４０は研磨中の研磨パッド２との摩擦によって減耗する。減耗しても研磨パッド２への押圧力が維持されるように、リテーナリング４０はメンブレンを保持するキャリア４４に対して上下に自由に動くようになっている。リテーナリング４０はトップリング１の高さが変化しても研磨パッド２に接触することができるように、エアバック（ローリングダイヤフラム６２）で加圧される。特にエアバック（ローリングダイヤフラム６２）は、図３に示すとおりピストン６１の内径側と外径側に折り返しが設けられた形状であり、ピストン６１が上下するとこの折り返し部が転がるように移動する。これによって、ピストン６１が上下にストロークしてもゴムの伸び量は変化しないので、推力の損失が抑えられる。

図４は、ドライブリング４１を示す平面図である。図４に示すように、ドライブリング４１は、下面にリテーナリング４０を保持するリング部材４１Ｒと、中心部にあるハブ状の中心部材４１Ｃと、中心部材４１Ｃとリング部材４１Ｒとを連結するための放射状に延びる複数の連結用アーム４１Ａとを備えている。図４においては、リング部材４１Ｒの下面にリテーナリング４０を固定するための円周方向に間隔をおいて配置された多数のボルト４６が図示されている。中心部にある中心部材４１Ｃに前記ガイドシャフト５８が複数のボルト４８によって固定されている。中心部材４１Ｃとリング部材４１Ｒとを連結するための放射状に延びる複数の連結用アーム４１Ａは、半径方向内側部分と半径方向外側部分とに二分割されボルト６５により連結されている（後述する）。各連結用アーム４０Ａは、キャリア４４に固定された一対のローラー４９，４９により挟まれており、ドライブリング４１の回転方向の自由度が拘束されている。

研磨処理前後では処理する基板の受け渡しを行う。基板の受け渡し動作では基板の外周に位置するリテーナリング４０が邪魔になるため、リテーナリング４０を外から押し上げる機構が必要となる。この押し上げ機構はプッシャー、もしくはリテーナリングステーションと呼ばれる。また、押し上げ機構が下降した際にはリテーナリング４０は自重で落下し、元の位置に戻る必要がある。これら押し上げ動作と落下動作の際にリテーナリング４０を保持するドライブリング４１の上下動作が妨げられないように、ローラー４９とドライブリング４１との間に隙間寸法が必要となっている。本実施形態では、ローラー４９とドライブリング４１の連結用アーム４１Ａとの間には０．２〜０．５ｍｍほどのすき間が設定され、ドライブリング４１の傾動と上下動作が必要以上に拘束されないようになっている。

ローラー４９は樹脂の一体物でも良いが、振動の吸収や製作誤差によるローラー４９とドライブリング４１の位置ずれが吸収できるように内輪と外輪の間にゴムがモールドされたものがより良い。
図５は、内輪と外輪の間にゴムがモールドされたローラーを示す断面図である。図５に示すように、連結用アーム４１Ａは一対のローラー４９，４９により挟まれている。各ローラー４９と連結用アーム４１Ａとの間には、上述したように、０．２〜０．５ｍｍ程度のすき間が設定されている。各ローラー４９は、内輪４９ａと外輪４９ｂと内外輪間にモールドされたゴム４９ｃとから構成されている。内輪４９ａの内側にはシャフト４９ｄが設けられており、シャフト４９ｄの両端はキャリア４４に支持されている（図示せず）。図５に示すように、内輪４９ａと外輪４９ｂの間にゴム４９ｃがモールドされることにより、振動の吸収と、製作誤差によるローラー４９とドライブリング４１の位置ずれが吸収できる。

図６および図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明のドライブリング４１の第１の態様を示す図であり、図６はドライブリング４１の分解斜視図であり、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は図６のVII部分を示す拡大図である。図６に示すように、ドライブリング４１は、放射状に延びる複数の連結用アーム４１Ａの途中で、中心側と外周側とに分割した二分割構造になっている。すなわち、ドライブリング４１は、中心部材４１Ｃと中心部材４１Ｃから半径方向外側に延びる複数の連結用アーム４１Ａの主要部分とを備えた中心部４１ａと、リング部材４１Ｒとリング部材４１Ｒから半径方向内側に延びる複数の連結用アーム４１Ａの一部とを備えたリング部４１ｂとに二分割されている。中心部４１ａの中心部材４１Ｃにはガイドシャフト５８がボルト４８で固定されている。中心部４１ａとリング部４１ｂは、それぞれから伸びる連結用アーム４１Ａの端部同士でボルト６５およびクランプ６６を用いて締結される。

図７（ａ）は中心部４１ａとリング部４１ｂとの接続前の状態を示し、図７（ｂ）は中心部４１ａとリング部４１ｂとの接続後の状態を示す。
図７（ａ）に示すように、中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの端部とリング部４１ｂの連結用アーム４１Ａの端部との間にはゴムシート６７が設けられ、リング部４１ｂの連結用アーム４１Ａの端部とクランプ６６との間にはゴムシート６７が設けられている。クランプ６６にはねじ穴６６ｓが形成されている。リング部４１ｂの連結用アーム４１Ａの端部には、上下面に凸部ｔ，ｔが形成されている。また、中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの端部下面およびクランプ６６の上面にも、それぞれ凸部ｔが形成されている。
図７（ｂ）に示すように、ボルト６５をクランプ６６のねじ穴６６ｓに締め込むことにより、中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの端部とクランプ６６とでリング部４１ｂの連結用アーム４１Ａの端部を２枚のゴムシート６７と一緒に挟み込んで固定している。これによって、中心部４１ａとリング部４１ｂの間にはゴムシート６７が介在することになり、リテーナリング４０で発生した振動はゴムシート６７により減衰されて中心部４１ａに伝わることになるので、トップリング全体の振動は軽減される。接続部（締結部）の固定力を高めるため、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ゴムシート６７を挟み込む部分に凹凸を付けてゴムに各部品が食い込む形状にすることが望ましい。また、この例のように、中心部４１ａとリング部４１ｂとは互いが面で接触してゴムを圧縮する形状にすることで、引っ張り、圧縮、せん断、曲げの力を受けることができるようになる。

また、接続部における各部品のスキマはその自由度を考慮して決定する。この自由度分だけ中心部４１ａとリング部４１ｂが相対的に動けることになり、ゴムによる振動の減衰効果を得ることができる。一方、この自由度を増やしすぎるとゴムの挟み込みによる固定力以上の摩擦力が作用した場合に中心部４１ａとリング部４１ｂがずれてしまう。
図６および図７に示す例においては、連結用アーム４１Ａの端部相互の横方向の自由度は各部品のはめ合い部のすきまで設定し、回転方向の自由度は、図７（ｃ）に示すように連結用アーム４１Ａの端部にくの字形の凹凸を設け、すなわち、中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの端部にはくの字形の凸部Ｔａを設け、リング部４１ｂのアームＡの端部にはくの字形の凹部Ｔｂを設け、凹凸部Ｔａ，Ｔｂの噛み合いによって設定する。
なお、図７（ｃ）に示すように、連結用アーム４１Ａの端部のくの字形の凹凸部Ｔａ，Ｔｂの対向面間にゴム６８，６８を設けて、凹凸部Ｔａ，Ｔｂの直接接触を防止するようにしてもよい。
図６および図７に示す例ではゴムシートを挟む組立式であるが、部品間にすきまを設け、そこにゴムを流し込むモールド式でもよい。

次に、一対のローラー４９，４９とドライブリング４１の連結用アーム４１Ａとの位置関係について説明する。一対のローラー４９，４９と、図６および図７に示すような二分割構造である中心部４１ａとリング部４１ｂとからなるドライブリング４１の位置関係については、リテーナリング４０からの負荷や振動が中心部４１ａに伝達される前に受け止めることができるようにすることが好ましい。そのため、図４に示すように、一対のローラー４９，４９は、リング部４１ｂから伸びる連結用アーム４１Ａを挟むような位置に配置し、リテーナリング４０からの負荷や振動をリング部４１ｂ側の連結用アーム４１Ａで受け止めて中心部４１ａに伝達されないようにすることが好ましい。

図８および図９は、本発明のドライブリング４１の第２の態様を示す図であり、図８はドライブリング４１とガイドシャフト５８の分解斜視図であり、図９はドライブリング４１とガイドシャフト５８とを接続した状態を示す部分断面図である。第２の態様では、ドライブリング４１とガイドシャフト５８の接続部にゴムシートを設置している。
図８に示すように、第２の態様においては、ドライブリング４１は、リング部材４１Ｒと中心部材４１Ｃと複数の連結用アーム４１Ａとが分割構造ではなく一体構造になっている。振動を減衰するゴムシート７１，７１、上フランジ７２および下フランジ７３がドライブリング４１の中心部材４１Ｃのガイドシャフト５８を固定する部分に配置されている。ドライブリング４１の中心部材４１Ｃには、ゴムシート７１，７１、上フランジ７２、下フランジ７３が設置できるように窪みｒと切り欠きｎが設けられている。下フランジ７３には複数のネジ穴７３ｓが形成されている。

図９に示すように、ドライブリング４１の中心部材４１Ｃを挟み込むようにゴムシート７１が上下に２枚配置され、ゴムシート７１を挟むように上フランジ７２と下フランジ７３が配置され、下フランジ７３に用意されたネジ穴７３ｓを用いてガイドシャフト５８を固定するボルト４８で共締めされる。これによって、ガイドシャフト５８、上フランジ７２、下フランジ７３はゴムシート７１を介してドライブリング４１に固定されることになり、リテーナリング４０からの振動がドライブリング４１を介してガイドシャフト５８に伝達される際に、ゴムシート７１で減衰されることになる。したがってトップリング全体の振動が軽減される。

図１０および図１１（ａ），（ｂ）は、本発明のドライブリング４１の第３の態様を示す図であり、図１０はドライブリング４１の分解斜視図であり、図１１（ａ），（ｂ）は図１０のXI部の拡大図である。第３の態様では、第１の態様と同様にドライブリング４１を中心部４１ａとリング部４１ｂとに二分割し、中心部４１ａとリング部４１ｂの接続部にゴムシートを設置している。
図１０に示すように、ドライブリング４１は中心部４１ａとリング部４１ｂとに二分割されている。中心部４１ａは中心部材４１Ｃと複数の連結用アーム４１Ａとから構成され、中心部４１ａの複数の連結用アーム４１Ａはリング部４１ｂの環状部分まで延びている。リング部４１ｂはリング部材４１Ｒのみから構成されている。連結用アーム４１Ａの端部とリング部材４１Ｒとの間にはゴムシート７５が配置されている。連結用アーム４１Ａの端部の上方には複数のボルト７４が配置されている。

図１１（ａ）は中心部４１ａとリング部４１ｂとの接続前の状態を示し、図１１（ｂ）は中心部４１ａとリング部４１ｂとを接続した状態を示す。
図１１（ａ）に示すように、中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの端部とリング部４１ｂのリング部材４１Ｒとの間にはゴムシート７５が設けられている。中心部４１ａの連結用アーム４１Ａの上方にはボルト７４が配置されている。リング部材４１Ｒには複数のネジ穴４１ｓが形成されている。
図１１（ｂ）に示すように、中心部４１ａの複数の連結用アーム４１Ａの端部がリング部４１ｂのリング部材４１Ｒにボルト７４によって固定されることでドライブリング４１が一体化され、前記連結用アーム４１Ａがリング部材４１Ｒに接続される面にゴムシート７５が挟まれている。これによって、リテーナリング４０からの振動がドライブリング４１を介してガイドシャフト５８に伝達される際に、ゴムシート７５で減衰されることになる。したがってトップリング全体の振動が軽減される。

本発明のドライブリングの第１および第３の態様においては、ドライブリング４１を中心部４１ａとリング部４１ｂとの二分割構造にし、中心部４１ａとリング部４１ｂとの接続部にゴムシート６７，７５を介装し、中心部４１ａとリング部４１ｂとをボルト等の締結具によって一体化している。すなわち、剛性が高く縦弾性係数が大きいステンレス等の金属、エンジニアリングプラスティック等の樹脂、セラミック等からなる第一の材料で中心部４１ａとリング部４１ｂとを構成し、第一の材料よりも縦弾性係数の小さいゴムシート６７，７１からなる第二の材料を介して中心部４１ａとリング部４１ｂとを接続している。ゴムシートは、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム又は、減衰能力が高められた合成ゴムからなる。すなわち、ドライブリング４１は、第一の材料と、第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料とで構成される。

本発明のドライブリングの第２の態様においては、ドライブリング４１と、ドライブリング４１をトップリング本体１０の中心部（具体的には、キャリア４４の中心部）に配置された球面軸受５５に連結するためのガイドシャフト５８との間に、ゴムシート７１を介装している。すなわち、剛性が高く縦弾性係数が大きいステンレス等の金属、エンジニアリングプラスティック等の樹脂、セラミック等からなる第一の材料でドライブリング４１を構成し、ドライブリング４１を第一の材料よりも縦弾性係数が小さいゴムシート７１からなる第二の材料を介してガイドシャフト５８に連結している。ゴムシートは、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム又は、減衰能力が高められた合成ゴムからなる。ゴムシート７１は、図８に示すように、ドライブリング４１とは別体でもよく、またドライブリング４１の中心部材４１Ｃにゴムモールドで一体に形成したものでもよい。したがって、第二の態様においても、ドライブリング４１は、第一の材料と、第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料とで構成される。

このように、本発明のドライブリングの第１〜第３の態様によれば、ドライブリング４１を第一の材料と、第一の材料より縦弾性係数の小さい第二の材料で構成することにより、研磨中にリテーナリングで発生した振動は、ドライブリングの第一の材料から第二の材料に伝達される際に、第二の材料で減衰される。したがって、リテーナリングからドライブリングを介してトップリング本体に伝わる振動を減衰することができ、トップリング全体の振動を減衰することができ、トップリング全体の振動を軽減することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ トップリング
２ 研磨パッド
２ａ 上面
３ 研磨テーブル
３ａ テーブル軸
５ 研磨液供給機構
１０ トップリング本体
１１ トップリングシャフト
１２ ガイドシャフト
１３ モータ
１４ タイミングプーリ
１６ トップリングヘッド
１８ トップリング用モータ
１９ タイミングベルト
２０ タイミングプーリ
２１ トップリングヘッドシャフト
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３２ａ ねじ軸
３８ サーボモータ
３９ トップリング高さセンサ
４０ リテーナリング
４０Ｒ リング部材
４１ ドライブリング
４１Ａ 連結用アーム
４１Ｃ 中心部材
４１Ｒ リング部材
４１ａ 中心部
４１ｂ リング部
４１ｓ ネジ穴
４２ フランジ
４３ スペーサ
４４ キャリア
４５ メンブレン（弾性膜）
４５ａ 基板保持面
４５ｂ 隔壁
４６ ボルト
４８ ボルト
４９ ローラー
５０〜５３ 圧力室
５５ 球面軸受
５６ 外輪
５７ 内輪
５７ｈ 貫通孔
５８ ガイドシャフト
５９ フランジ
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ エアバック（ローリングダイヤフラム）
６４ 磁石
６５ ボルト
６６ クランプ
６６ｓ ねじ穴
６７ ゴムシート
７１ ゴムシート
７２ 上フランジ
７３ 下フランジ
７４ ボルト
７５ ゴムシート

Claims (9)

1. 基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、
   下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、
   前記ドライブリングは、前記中心部材と前記複数の連結用アームとを含む中心部と、前記リング部材からなるリング部とを締結具によって接続して構成されるか、または前記中心部材と前記複数の連結用アームの半径方向内側部分とを含む中心部と、前記複数の連結用アームの半径方向外側部分と前記リング部材とを含むリング部とを締結具によって接続して構成され、
   前記中心部は第一の材料で構成され、前記中心部と前記リング部との接続部に、第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料で構成される部分を設けたことを特徴とする基板保持装置。
2. 基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、
   下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、
   前記ドライブリングは、前記中心部材と前記複数の連結用アームとを含む中心部と、前記リング部材からなるリング部とを締結具によって接続して構成されるか、または前記中心部材と前記複数の連結用アームの半径方向内側部分とを含む中心部と、前記複数の連結用アームの半径方向外側部分と前記リング部材とを含むリング部とを締結具によって接続して構成され、
   前記中心部と前記リング部との接続部にゴム部材を設けたことを特徴とする基板保持装置。
3. 基板を保持して研磨面に押圧する基板保持面を有するトップリング本体と、前記基板を囲むように配置され前記研磨面に接触するリテーナリングとを有する基板保持装置であって、
   下面に前記リテーナリングを保持するリング部材と、前記トップリング本体の中心部に配置され前記トップリング本体に支持される中心部材と、前記リング部材と前記中心部材とを連結するための複数の連結用アームとを有したドライブリングを備え、
   前記中心部材は第一の材料で構成され、
   前記ドライブリングの中心部材に固定されるとともに前記トップリング本体内に設置された軸受に挿入されるガイドシャフトと、前記ドライブリングの中心部材との間に該第一の材料よりも縦弾性係数の小さい第二の材料で構成される部分を設けたことを特徴とする基板保持装置。
4. 前記第二の材料はゴム部材であることを特徴とする請求項３に記載の基板保持装置。
5. 前記ゴム部材は、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム又は、減衰能力が高められた合成ゴムからなることを特徴とする請求項２または４に記載の基板保持装置。
6. 前記ゴム部材は、モールドされたゴム部材であることを特徴とする請求項２または４または５に記載の基板保持装置。
7. 前記連結用アームの接続部は、引っ張り、圧縮、せん断、曲げ方向の荷重を受けられるように互いが面で接触して面間にあるゴム部材を圧縮する形状であることを特徴とする請求項２に記載の基板保持装置。
8. 前記ドライブリングは、該ドライブリングの中心部材に接続されたガイドシャフトと前記トップリング本体の中心部に配置された球面軸受によって傾きと上下動作が可能になるように支持され、前記連結用アームはメンブレンを保持するキャリアに支持された一対のローラーによって挟まれ、前記ドライブリングの回転方向の動きが拘束されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の基板保持装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板保持装置と、
   研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルとを備えたことを特徴とする研磨装置。

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