JP2008023603A - ２層構造のリテーナリング - Google Patents

Abstract

【課題】 接着剤などを用いずに第１リングと第２リングとの一体化が強固に維持され、しかも押圧力が均一な２層構造のリテーナリングを提供する。
【解決手段】 上層に位置する第１リング１１と下層に位置する第２リング１２との間に、第２リング１２の上面１２ｃ側が溶解して第１リング１１の下面側に接合した溶着部１３が形成され、この溶着部１３によって第１リング１１と第２リング１２とが一体化されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ウエハ（被研磨体）を化学機械的に研磨するＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械的研磨）装置の保持ヘッド内に配設（装着）されるリテーナリングに関し、特に、第１リングと第２リングとを重ね合わせて一体化した２層構造のリテーナリングに関する。

半導体デバイスの高集積化、高性能化が進むに伴い、水平方向（平面上）の寸法が小さくなるとともに、垂直方向の構造が微細化、多層化されている。そして、このような微細化、多層化を実現するためには、半導体基板（シリコン基板など）の平面度（平坦度）が高い必要がある。このため、ウエハの段階で平面度を高めることが求められ、このような要求に応えるものとして、ＣＭＰ装置が用いられている。

このＣＭＰ装置は、例えば、回転可能な定盤と、この定盤の上に配置された研磨パッドと、ウエハを保持して研磨パッドに押圧する保持ヘッドおよび、スラリ供給ノズルなどから構成されている。さらに、保持ヘッドは、ウエハの外周を囲うリテーナリングと、例えば、ウエハの上面を押圧する弾性体膜と、この弾性体膜とリテーナリングとヘッド本体とによって囲まれた空気室と、この空気室に加圧用空気を供給する空気供給路などから構成されている。そして、リテーナリングは、ウエハの外周を囲いウエハの飛び出しを防止するとともに、ウエハを研磨する研磨パッドの研磨面（表面）を押圧して、研磨面を平坦化、微細化（適正化）するものである。

このようなリテーナリングには、例えば金属製の第１リングとエンジニアリングプラスチック製の第２リングとを重ね合わせた２層構造（２ピース構造）のものがある。すなわち、金属製の第１リングによってエンジニアリングプラスチック製の第２リングを補強し、リテーナリング全体の剛性を高めたものである。そして、２つのリングをボルト締めによって一体化させた（組み付けた）リテーナリングと、接着剤（接合剤）によって一体化させたリテーナリングとが知られている。

すなわち、ボルト締めによる２層構造のリテーナリングでは、図７に示すように、第１リング１００に複数のボルト挿入穴１００ａが形成され、第２リング１０１に複数のネジ穴１０１ａ（雌ネジ）がボルト挿入穴１００ａと同位置に形成されている。そして、第１リング１００と第２リング１０１とを重ね合わせ、ボルト１０２を各ボルト挿入穴１００ａに挿入してネジ穴１０１ａに締め付ける（ねじ込む）ことで、２つのリング１００、１０１が一体化されたものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、接着剤による２層構造のリテーナリングでは、図８に示すように、第１リング１１０の下面１１０ａと第２リング１１１の上面１１１ａとに接着剤１１２が塗布され、第１リング１１０と第２リング１１１とを重ね合わせて圧力を加えることで、２つのリング１１０、１１１が一体化されたものである。なお、ボルト締めによるリテーナリングの第１リング１００および、接着剤によるリテーナリングの第１リング１１０には、保持ヘッドに装着するためのネジ穴が複数形成されている。
特開２００５−３４９５９号公報

ところで、上記のようなボルト締めによる２層構造のリテーナリングでは、ウエハの研磨に伴う振動や繰り返し応力（圧縮応力やせん断応力など）などによってボルトが緩み、第２リングの平坦度およびリテーナリングによる研磨パッドへの押圧力が不均一となる場合がある。しかも、すべてのボルトが均一に緩まないため、リテーナリングによる押圧力がさらに不均一、不安定となる。また、第１リングと第２リングとに複数の穴が形成されているため、穴の真下の押圧面（研磨パッドの研磨面を押圧する面で、第２リングの下面）とそれ以外の部位の押圧面とにおける押圧力が異なることになる（押圧力が不均一となる）。さらに、ボルトの締め付け力のわずかな違いでも、押圧面の平坦度が変わり、あるいは第２リングがたわみ、押圧力が不均一となる。そして、このように押圧力が不均一となると、極めて高い精度（平坦度など）が要求されるウエハの研磨加工において、高い精度が得られないこととなる。

一方、上記のような接着剤による２層構造のリテーナリングでは、ウエハの研磨に伴ってせん断力などがリテーナリングに加わり、第１リングと第２リングとが剥がれてしまう場合がある。このような剥がれは、第１リングと第２リングとの間にスラリ（研磨材）や研磨屑などが入り込むことで、さらに生じやすくなる。しかも、接着剤の調合や塗布が完全に均一であることは困難であるため、接着剤の調合や塗布の不均一によって、第１リングと第２リングとの剥がれがさらに生じやすくなる。あるいは、第１リングと第２リングとの一体化（接着）が不安定となる。

さらに、本発明者は、接着剤が溶出する場合があることを発見、確認した。すなわち、スラリの薬液成分により、接着剤が化学分解されてしまい、接着剤が溶出する場合があることを発見、確認した。そして、このような接着剤の溶出が生じると、第１リングと第２リングとが剥がれてしまうとともに、溶出した接着剤によってウエハにスクラッチ（かき傷）などが生じてしまう。

そこで本発明は、接着剤などを用いずに第１リングと第２リングとの一体化が強固に維持され、しかも押圧力が均一な２層構造のリテーナリングを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ＣＭＰ装置の保持ヘッド内に着脱自在に配設され、環状の第１リングと第２リングとを同心上に重ね合わせて一体化した２層構造のリテーナリングであって、上層に位置する前記第１リングと下層に位置する前記第２リングとの間に、前記第１リングおよび前記第２リングの少なくとも一方が溶解して他方に接合した溶着部を有することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の２層構造のリテーナリングにおいて、前記第１リングと前記第２リングとが上下方向に嵌合して重ね合わされていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の２層構造のリテーナリングにおいて、前記第１リングと前記第２リングとが上下方向に圧入して重ね合わされていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の２層構造のリテーナリングにおいて、溶解しない前記第１リングの下面または溶解しない前記第２リングの上面に、凹凸が形成されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の２層構造のリテーナリングにおいて、固定部材が、前記溶着部を貫通して前記第１リングと前記第２リングとに挿入されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、第１リングと第２リングとの間に溶着部を有しているため、第１リングと第２リングとの一体化が強固に維持される。すなわち、第１リングおよび第２リングの少なくとも一方が溶解して他方に接合することで、第１リングと第２リングとが一体化（接合）されているため、ウエハの研磨に伴う振動や繰り返し応力などがリテーナリングに加わったとしても、接合（溶着部）が緩むことがなく、第１リングと第２リングとの一体化が強固に維持される。また、接着剤などを使用しないため、接着剤が劣化、溶出などして第１リングと第２リングとが剥がれることや、溶出した接着剤によってウエハにスクラッチなどが生じることもない。さらに、第１リングと第２リングとの一体化が強固に維持されることによってリテーナリング（第２リング）の平坦度が維持されるため、かつ、ボルト挿入穴やネジ穴などを設ける必要がないため、研磨パッドへの押圧力が均一となる。

請求項２に記載の発明によれば、第１リングと第２リングとが上下方向に嵌合されているため、第１リングと第２リングとの一体化がより強固となり、かつ、ウエハの研磨に伴うせん断力に対して強固に対抗することができる（せん断力によって剥離しない）。

請求項３に記載の発明によれば、第１リングと第２リングとが上下方向に圧入されているため、第１リングと第２リングとの一体化がより強固となり、かつ、ウエハの研磨に伴うせん断力に対して強固に対抗することができる。

請求項４に記載の発明によれば、溶解しない第１リングの下面または溶解しない第２リングの上面に凹凸が形成されているため、溶解した第２リングまたは溶解した第１リングとの接合面積が増すとともに、接合が立体的（三次元的）となる。この結果、第１リングと第２リングとの一体化（接合）がより強固となる。

請求項５に記載の発明によれば、固定部材が溶着部を貫通して第１リングと第２リングとに挿入されているため、第１リングと第２リングとの一体化がより強固となり、かつ、ウエハの研磨に伴うせん断力に対して強固に対抗することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係るＣＭＰ装置１の概略構成を示す正面図である。このＣＭＰ装置１は、後述する２層構造のリテーナリング８を除き、広く一般に使用されているＣＭＰ装置と同等の構成であり、ここでは詳細な説明を省略するが、この実施の形態では、回転可能な定盤２と、この定盤２の上に配置された研磨パッド３（クロスなど）と、保持ヘッド４と、スラリ供給ノズル５およびドレッサー６（目立て手段）とを備え、ウエハＷを化学機械的に研磨するものである。

保持ヘッド４は、ウエハＷを保持してその被研磨面Ｗ１を研磨パッド３に押圧するものであり、回転（自転）しならが研磨パッド３上を移動できるようになっている。この保持ヘッド４は、この実施の形態では、図２に示すように、ヘッド本体７と、このヘッド本体７の下部に着脱自在に配設されたリテーナリング８と、このリテーナリング８内に位置しウエハＷの上面Ｗ２を押圧する弾性体膜９とを備えている。そして、ヘッド本体７とリテーナリング８と弾性体膜９とによって囲まれた空気室１０に加圧用空気が供給され、弾性体膜９を介してウエハＷを研磨パッド３に押圧するものである。

リテーナリング８は円環形で、ウエハＷの外周を囲いウエハＷが保持ヘッド４から飛び出すのを防止するとともに、ウエハＷの被研磨面Ｗ１を研磨する研磨パッド３の研磨面３ａ（表面）を押圧して、研磨面３ａを平坦化、微細化（適正化）するものである。すなわち、研磨パッド３の研磨面３ａは、スラリ（研磨材）５ａによって平面度が低く、表面粗さが粗くなっており、このような研磨面３ａをリテーナリング８によって平面度を高くし、かつ表面粗さを小さくするものである。このリテーナリング８は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６など）製の第１リング１１と、スーパエンジニアリングプラスチック（ＰＰＳやＰＥＥＫなど）製の第２リング１２とを厚み方向に同心上に重ね合わせた２層構造となっている。そして、上層（ヘッド本体７側）に位置する第１リング１１と下層（研磨パッド３側）に位置する第２リング１２との間に、溶着部１３が形成されている（溶着部１３を有している）ものである。

第１リング１１の上面１１ａからは、図３に示すように、リテーナリング８を保持ヘッド４に装着するためのネジ穴１１ｂが複数形成されている。また、第１リング１１の下面は、後述するように、第２リング１２との一体化において溶解せず、その全面にわたって凹凸１１ｃ（ローレット目や波目など）が形成されている。

第２リング１２の内径および外径は、第１リング１１の内径および外径とほぼ同径で、研磨パッド３の研磨面３ａを押圧する押圧面１２ａ（下面）には、図４に示すように、研磨屑を逃がす（排出する）ための溝状のスリット１２ｂが複数形成されている。また、第１リング１１と一体化する前の上面１２ｃは、フラット（平坦）に成形されている。

溶着部１３は、第２リング１２の上面１２ｃ側つまり上部（一方）が溶解して第１リング１１の下面側つまり下部（他方）に接合した接合部であり、この溶着部１３によって第１リング１１と第２リング１２とが一体化されている。ここで、接合とは、接着、融着、融合、結合などを含む広い概念とする。この溶着部１３は、溶着によって形成され、高周波誘導加熱による高周波溶着、外部の熱源からの熱伝導によって加熱する熱溶着（熱板式溶着、熱風式溶着、インパルス式溶着、コテ式溶着など）、超音波振動による摩擦熱を利用した超音波溶着、レーザ照射による発熱を利用したレーザ溶着、赤外線照射による発熱を利用した赤外線溶着などの溶着方法のうち、いずれによるかは、第１リング１１と第２リング１２の材質や形状などに応じて選定される。また、溶着部１３の第１リング１１側（上面側）は、図２に示すように、溶解、凝固（固化）に伴って凹凸１１ｃに沿った（倣った）形状となっている。

以上のような構成の２層構造のリテーナリング８によれば、第１リング１１と第２リング１２との間に溶着部１３が形成されているため、第１リング１１と第２リング１２との一体化が強固に維持される。すなわち、第２リング１２の上面１２ｃ側が溶解して第１リング１１の下面側に接合することで、第１リング１１と第２リング１２とが一体化（接合）されているため、ウエハＷの研磨に伴う振動や繰り返し応力などがリテーナリング８に加わったとしても、接合（溶着部１３）が緩むことがなく、第１リング１１と第２リング１２との一体化が強固に維持される。しかも、第１リング１１の下面に凹凸１１ｃが形成され、溶着部１３の第１リング１１側が凹凸１１ｃに沿った形状となっているため、第１リング１１と第２リング１２との接合面積が増すとともに、接合が立体的（三次元的）となる。この結果、第１リング１１と第２リング１２との一体化（接合）がより強固となる。

また、接着剤などを使用しないため、接着剤が劣化、溶出などして第１リング１１と第２リング１２とが剥がれることや、溶出した接着剤によってウエハＷにスクラッチなどが生じることもない。さらに、第１リング１１と第２リング１２との一体化が強固に維持されることによってリテーナリング８（第２リング１２）の平坦度が維持されるため、かつ、ボルト挿入穴やネジ穴などを設ける必要がないため、研磨パッド３への押圧力が均一となる。

（実施の形態２）
図５は、この実施の形態に係る２層構造のリテーナリング２０を示す平面図（ａ）と、そのＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。この実施の形態では、第１リング２１と第２リング２２とが嵌合、圧入されている点で、上記の実施の形態１と構成が異なる。

すなわち、第１リング２１の下面（下部）の全周に沿って、断面が厚み方向に凹状で円環状（第１リング２１と同心円状）の被嵌合圧入部２１ａが形成されている。この被嵌合圧入部２１ａの幅Ｈ１は、第２リング２２の幅Ｈ２よりもやや小さく設定されている。そして、第２リング２２の上部２２ａが被嵌合圧入部２１ａに嵌合、圧入された状態で、第１リング２１と第２リング２２とが上下方向（厚み方向）に嵌合、圧入して重ね合わされている。また、第２リング２２の上部２２ａが溶解し第１リング２１の被嵌合圧入部２１ａに接合して、溶着部２３が形成されており、この溶着部２３によって第１リング２１と第２リング２２とが一体化されている。

以上のような構成の２層構造のリテーナリング２０によれば、第１リング２１の被嵌合圧入部２１ａに第２リング２２の上部２２ａが嵌合され、かつ圧入されているため、第１リング２１と第２リング２２との一体化がより強固となる。しかも、ウエハＷの研磨に伴うせん断力（図中水平方向の力）が第２リング２２に加わっても、そのせん断力が被嵌合圧入部２１ａの側壁（凹部の両サイド）によって受けられる（せん断力が良好に第１リング３１に伝わる）。このため、せん断力に対して強固に対抗することができ、せん断力によって第１リング２１と第２リング２２とが剥離することがない。

（実施の形態３）
図６は、この実施の形態に係る２層構造のリテーナリング３０を示す平面図（ａ）と、そのＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。この実施の形態では、第１リング３１と第２リング３２とに、複数の固定ピン３４（固定部材）が挿入されている点で、上記の実施の形態１と構成が異なる。

すなわち、第１リング３１の下面から複数の挿入穴３１ａが形成され、この挿入穴３１ａと同位置に、第２リング３２の上面から複数の挿入穴３２ａが形成されている。ここで、挿入穴３１ａ、３２ａの内径は、固定ピン３４の外径と同寸法であり、固定ピン３４が挿入穴３１ａ、３２ａに静合する（隙間なく嵌め合う）ようになっている。また、固定ピン３４は、ステンレス鋼製の丸棒体である。

そして、第１リング３１と第２リング３２との境、つまり後述する溶着部３３を貫通して、固定ピン３４が第１リング３１の挿入穴３１ａと第２リング３２の挿入穴３２ａとに挿入されている。また、第２リング３２の上部が溶解し第１リング３１の下部に接合して、溶着部３３が形成されており、この溶着部３３によって第１リング３１と第２リング３２とが一体化されている。

以上のような構成の２層構造のリテーナリング３０によれば、固定ピン３４が溶着部３３を貫通して第１リング３１と第２リング３２とに挿入されているため、第１リング３１と第２リング３２との一体化がより強固となる。しかも、ウエハＷの研磨に伴うせん断力が第２リング３２に加わっても、そのせん断力が固定ピン３４を介して良好に第１リング３１に伝わる。このため、せん断力に対して強固に対抗することができ、せん断力によって第１リング３１と第２リング３２とが剥離することがない。

以上、この発明の実施の形態１〜３について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、実施の形態１〜３では、下層に位置する第２リングが溶解し、上層に位置する第１リングに接合して溶着部が形成されているが、第１リングと第２リングの材質や形状などに応じて、第１リングが溶解して溶着部を形成するようにしてもよく、あるいは、第１リングと第２リングとがともに溶解して溶着部を形成するようにしてもよい。従って、第１リングのみが溶解する場合において、溶解しない第２リングの上面に、上記のような凹凸（凹凸１１ｃ）を形成するようにしてもよい。また、実施の形態１〜３では、第１リングがステンレス鋼製で、第２リングがスーパエンジニアリングプラスチック製であるが、第１リングを他の金属やセラミック、あるいは樹脂材などで構成し、第２リングを他の樹脂材などで構成してもよいことは勿論である。

この発明の実施の形態１〜３に係るＣＭＰ装置の概略構成を示す正面図である。 図１のＣＭＰ装置の保持ヘッドの概略断面図である。 この発明の実施の形態１に係る２層構造のリテーナリングの第１リングの平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 この発明の実施の形態１に係る２層構造のリテーナリングの第２リングの平面図（ａ）とそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。 この発明の実施の形態２に係る２層構造のリテーナリングの平面図（ａ）とそのＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。 この発明の実施の形態３に係る２層構造のリテーナリングの平面図（ａ）とそのＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。 ボルト締めによって第１リングと第２リングとを一体化させた従来の２層構造のリテーナリングを示す斜視図（ａ）とそのＥ−Ｅ断面図（ｂ）である。 接着剤によって第１リングと第２リングとを一体化させた従来の２層構造のリテーナリングを示す斜視図である。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置
２ 定盤
３ 研磨パッド
３ａ 研磨面
４ 保持ヘッド
５ スラリ供給ノズル
５ａ スラリ
６ ドレッサー
７ ヘッド本体
８ ２層構造のリテーナリング
９ 弾性体膜
１０ 空気室
１１ 第１リング
１１ａ 上面
１１ｂ ネジ穴
１１ｃ 凹凸
１２ 第２リング
１２ａ 押圧面
１２ｂ スリット
１２ｃ 上面
１３ 溶着部
２０ ２層構造のリテーナリング
２１ 第１リング
２１ａ 被嵌合圧入部
２２ 第２リング
２２ａ 上部
２３ 溶着部
３０ ２層構造のリテーナリング
３１ 第１リング
３１ａ 挿入穴
３２ 第２リング
３２ａ 挿入穴
３３ 溶着部
３４ 固定ピン（固定部材）
Ｗ ウエハ
Ｗ１ 被研磨面
Ｗ２ 上面

Claims (5)

1. ＣＭＰ装置の保持ヘッド内に着脱自在に配設され、環状の第１リングと第２リングとを同心上に重ね合わせて一体化した２層構造のリテーナリングであって、
   上層に位置する前記第１リングと下層に位置する前記第２リングとの間に、前記第１リングおよび前記第２リングの少なくとも一方が溶解して他方に接合した溶着部を有することを特徴とする２層構造のリテーナリング。
2. 前記第１リングと前記第２リングとが上下方向に嵌合して重ね合わされていることを特徴とする請求項１に記載の２層構造のリテーナリング。
3. 前記第１リングと前記第２リングとが上下方向に圧入して重ね合わされていることを特徴とする請求項１に記載の２層構造のリテーナリング。
4. 溶解しない前記第１リングの下面または溶解しない前記第２リングの上面に、凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の２層構造のリテーナリング。
5. 固定部材が、前記溶着部を貫通して前記第１リングと前記第２リングとに挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の２層構造のリテーナリング。