(57)【要約】  摩擦応力を受けるコンポーネント、特に化学機械研磨装置で半導体ウエハを保持するために使用される保持リングを製造するのに使用されるプラスチック材料に関する。本発明はまた、それから製造される顕著に長い使用寿命をもった保持リングとその製造方法に関する。プラスチックマトリクスとそれに埋め込まれた粒状ＴｉＣをプラスチック材料が含むことが提案される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦応力を受けるコンポーネント、特に化学機械研磨装置で半導体ウエハを保持する保持リングを製造するためのプラスチック材料であって、該プラスチック材料がプラスチックマトリクスとそれに埋め込まれた粒状ＴｉＣを含むことを特徴とするプラスチック材料。
【請求項２】
プラスチック材料が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ＰＴＦＥ-改質ポリエーテルエーテルケトン、ＰＦＡ-改質ＰＴＦＥ、ポリエーテルケトンケトン、ポリアルキレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、及びポリスルフォン、特にポリフェニレンスルフォン及びポリエーテルスルフォンから選択されることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック材料。
【請求項３】
プラスチック材料中のＴｉＣの量が３０重量％までであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラスチック材料。
【請求項４】
プラスチック材料中のＴｉＣの量が２５重量％まで、特に２０重量％までであることを特徴とする請求項３に記載のプラスチック材料。
【請求項５】
プラスチック材料中のＴｉＣの量が２０〜２５重量％であることを特徴とする請求項４に記載のプラスチック材料。
【請求項６】
粒状ＴｉＣの平均粒径が１〜２μｍ、特に１．２〜１．４μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラスチック材料。
【請求項７】
粒状ＴｉＣがそれらの粒子の表面に接着剤の層を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラスチック材料。
【請求項８】
接着剤の層が有機ポリマー、特にフッ素を含有するポリマーを含むことを特徴とする請求項７に記載のプラスチック材料。
【請求項９】
ＴｉＣ粒子が部分的にフッ素化されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のプラスチック材料。
【請求項１０】
ＴｉＣ粒子が顆粒であり、特に球形であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のプラスチック材料。
【請求項１１】
ＴｉＣ粒子が平滑な表面を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のプラスチック材料。
【請求項１２】
自己強化プラスチック、特にポリパラフェニレンが前記マトリクスのためのプラスチック材料として選択され、前記ＴｉＣ粒子の量が３〜８重量％であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック材料。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のプラスチック材料を用いて製造される摩耗及び損耗層を含むコンポーネント。
【請求項１４】
該コンポーネントの摩耗応力を受ける表面に隣接する部分の粒状ＴｉＣの量は、摩耗応力を受けない部分における量よりも多いことを特徴とする請求項１３に記載のコンポーネント。
【請求項１５】
該コンポーネントが半導体ウエハの保持リングであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のコンポーネント。
【請求項１６】
摩耗及び損耗層が、半径方向内側に位置する保持リングの表面に隣接する部分でＴｉＣ粒子を本質的に含まないことを特徴とする請求項１５に記載のコンポーネント。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のコンポーネントを製造する方法であって、下記の工程：
ａ）マトリクスとして選択されたプラスチック材料と粒状ＴｉＣとをコンパウンドする工程、
ｂ）コンパウンドされたプラスチック材料から焼結可能な顆粒を形成する工程、
ｃ）前記工程ｂ）で得られた顆粒を予め定められた焼結温度で焼結して摩耗及び損耗層を形成する工程、及び
ｄ）焼結された材料にその焼結温度から制御された冷却を行って予め定められた結晶化度を達成し、摩耗及び損耗層における応力を低減する工程、
を含むことを特徴とするコンポーネントの製造方法。
【請求項１８】
請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のコンポーネントを製造する方法であって、下記の工程：
ａ）マトリクスとして選択されたプラスチック材料と粒状ＴｉＣとをコンパウンドする工程、
ｂ）コンパウンドされた材料を押出加工して摩耗及び損耗層を形成する工程、及び
ｃ）押出加工された該摩耗及び損耗層を焼き戻して、予め定められた結晶化度を達成し、摩耗及び損耗層における応力を低減する工程、
を含むことを特徴とするコンポーネントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に摩擦応力を受けるコンポーネントの製造に用いるのに適するプラスチック材料に関し、特に化学機械研磨装置において半導体ウエハを保持する保持リングに関し、さらにそれから製造されるコンポーネント、並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明によるプラスチック材料は摩擦応力を受けるコンポーネントの製造に適しているが、そのように摩擦応力を受けるコンポーネントは多種多様である。いろいろある中で特に、例えばワイヤの製造及びワイヤのコーティングで用いられる方向転換ローラー、ガイド要素、及びすべり摩擦による応力を受けるその他のコンポーネントがあげられる。さらに、タービンや発電機の翼及び案内羽根、コンプレッサーや真空ポンプのロータ部などがあげられる。
【０００３】
さらに、ガイドブラシ、面軸受けなどが、本発明のプラスチック材料の典型的な応用分野である。
【０００４】
銃器用のピストンシールとガイド・パーツも、その製造に本発明のプラスチック材料がきわめて好適であるコンポーネントである。
【０００５】
最初に述べたタイプの保持リングは、例えば米国特許第６，２５１，２１５号明細書に記載されており、これも本発明のプラスチック材料がその製造にかなり有利に利用できるコンポーネントである。保持リングは、摩擦によって大きな応力がかかるコンポーネントのきわめて典型的な例であり、このため、本発明の説明は保持リングに関して起こる問題に大きく基づいて行われる。
【０００６】
今日、集積回路は半導体基板、特にシリコンウエハ上に製造されることが普通であり、このウエハ上に導電層、半導体層、及び絶縁層が次々とデポジットされる。各層がデポジットされると、回路機能を実現するためにエッチングが行われる。一連の層が順次取り付けられ、エッチングが行われると、半導体基板の一番上の面、すなわち、基板に対して最も外側の表面はますます平坦でなくなる。集積回路の製造プロセスにおけるフォトリソグラフィーの工程で、この凹凸の表面が問題になる。このため、半導体基板の表面を再び平らにする、あるいはそれをならして平坦化することが必要になる。
【０００７】
この目的には、いわゆる化学機械研磨（ＣＭＰ）が典型的な方法として認められている。平坦性を達成するためのこのプロセスでは、普通、基板、すなわち半導体ウエハをサポート又は研磨ヘッドに取り付けることが必要になる。次に、基板のアクセスできる表面が回転する研磨ディスクに圧し付けられる。支持ヘッドによって調節された力が基板に加えられ、基板を研磨ディスクに圧し付ける。少なくとも一つの化学的に反応性の物質と研磨粒子を含む研磨媒質が研磨ディスクの表面に注がれる。
【０００８】
ＣＭＰに関して最も重要なコスト因子の一つは、摩耗した保持リングの交換である。交換はかなり長い機械停止時間につながるからである。
【０００９】
米国特許第６，２５１，２１５号明細書と対照的に、かなり改良され、特に交換が容易で速やかにできる保持リングが米国特許出願公開第２００４−００６５４１２号公報及び同第２００４−００６７７２３号公報に提案されている。なお、これらの文献は、ここでその全体が参照される。
【００１０】
これまでになされた改良にも関わらず、ＣＭＰの際の保持リングの摩耗を減らすことは、ウエハ生産における経済的効率性にとって、依然としてかなり重要な意義を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、摩擦応力を受けるコンポーネント、特に保持リングの製造のためのプラスチック材料であって、そのコンポーネントの使用寿命が認められるほどはっきりと長くなるようなプラスチック材料を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記した本発明の目的は、この出願の請求項１に規定されるプラスチック材料によって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＴｉＣは非常に硬い物質であり（ヴィッカース硬度３４００）、ＣＭＰの場合のように、すべり摩擦用途で送られるプラスチック材料に加えられる添加物質としてそれを用いると、プラスチック材料の使用寿命が短すぎるという問題に対する解答になるより、むしろ摩耗を増加させることで問題を生ずる傾向にある。驚くべきことに、すべり摩擦の性質と使用寿命がかなり改善されたコンポーネントが得られるような形で、ＴｉＣをプラスチックマトリクスに一体化することができる。
【００１４】
これに関連して、３１５°で０．０２％というＴｉＣの熱的な線膨張係数も有利であり、プラスチック材料はそれぞれの用途から生ずる必要条件によって選択し、該当する場合はＴｉＣ粒子には何も考慮を払う必要がなく修飾することができる。同様に、約０．０４１ｃａｌ／ｓｅｃ・ｃｍ・℃という低い熱伝導率もＴｉＣを含む本発明によるプラスチック材料に有利に影響可能である。その結果、すべり摩擦用途で生ずる熱がまわりのプラスチック材料に速やかに伝達されることが防がれる。
【００１５】
驚くべきことに、プラスチック材料から製造されたコンポーネントの摩耗と損耗の顕著な減少が本発明によるプラスチックマトリクスにＴｉＣ粒子が埋め込まれたケースで見出される。
【００１６】
保持リングの場合、表面に彫り込まれた、リングの内部から外側の周囲まで伸びてＣＭＰ装置の研磨表面に開かれている溝が、保持リングに生ずる摩耗物を研磨材と共に外へ投げ飛ばすように働いて、ウエハがＴｉＣを含む摩耗物と接触しないように保護される。
【００１７】
本発明においてプラスチックマトリクスとして用いられるプラスチック材料は、好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ＰＴＦＥ-改質ポリエーテルエーテルケトン、ＰＦＡ-改質ＰＴＦＥ、ポリエーテルケトンケトン、ポリアルキレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、及びポリスルフォン、特にポリフェニレンスルフォン及びポリエーテルスルフォンから選択される。
【００１８】
これらの材料は、ＴｉＣ粒子の埋め込みに特に適しており、摩擦応力を受けるコンポーネントのためのプラスチック材料として、特にＣＭＰ用途で、固有の好ましい性質を示す。さらに、これらの材料は加工が容易である。
【００１９】
プラスチックマトリクス中のＴｉＣ粒子の量は広い範囲内で変えられる。ポリパラフェニレンなどの自己強化（self reinforcing）プラスチックの場合、3重量％のような量でも既に満足すべき効果が見られる。しかし、自己強化効果がないプラスチックの場合、最適な耐摩耗性を得るためには１０重量％以上という量が推奨される。
【００２０】
原則として、ＴｉＣ粒子の量は、一方ではＴｉＣ粒子のコストのため、他方では摩擦の側面から高々３０重量％に制限される。特に、マトリクスとしてのプラスチック材料のコストの方がＴｉＣ粒子のコストよりも高い場合は、量を多くすることが推奨される。その場合、ＴｉＣ粒子は摩耗と損耗の減少の他に、プラスチック材料を安価にするという効果もある。多くの用途で、２０重量％以下のような量で製造されるコンポーネントで良好な特性の組合せが得られる。
【００２１】
高い温度が発生する用途の場合、１５〜２５重量％のような量で非常に良い結果が得られ、２０〜２５重量％のような範囲であればさらに好ましい。
【００２２】
ＴｉＣ物質は、好ましくは微細粒子の形で、すなわち、粒径が１０μｍより小さな粒子の形で用いられる。平均粒径が１〜２μｍのＴｉＣ粒子が特に好ましく、平均粒径が１．２〜１．４μｍであればさらに好ましい。このような粒子サイズは、一方において何も不具合を生じないほど十分に小さく、他方において耐摩耗性をかなり改善するのに十分なほど大きい。
【００２３】
ＴｉＣ粒子の好ましい粒子形態は顆粒であり、特に球形である。
【００２４】
多くの用途で、平滑な、すなわち、亀裂のない表面を有する粒子が好適である。
【００２５】
ＴｉＣ粒子がプラスチックマトリクスに良く埋め込まれるように、プラスチック材料に埋め込まれる前に、粒子を接着剤で処理することが好ましい。粒子に接着剤の層が設けられることが好ましい。
【００２６】
その代わりに、又はそれに加えて、ＴｉＣ粒子が部分的にフッ素化されていてもよい。この結果としても、プラスチックマトリクスとの接着が改善される。
【００２７】
接着剤としては、一方においてＴｉＣと良く適合し、他方においてマトリクスに選ばれたプラスチック材料と良く適合するポリマー材料が特に適当である。それに加えて、又は代わりに、接着剤は、マトリクスのプラスチック材料との反応によりその接着剤とマトリクスのプラスチック材料の間に共有結合ができるような基を含むようにしてもよい。
【００２８】
本発明はさらに、上述のプラスチック材料を用いて製造されるコンポーネント、特に、半導体ウエハ用の保持リングに関する。
【００２９】
本発明によるコンポーネントは、プラスチックマトリクス中におけるＴｉＣ粒子の均一な分布を必ずしも必要としないが、均一な分布はしばしば製造方法に関してより単純な実施形態である。
【００３０】
コンポーネントの摩耗応力を受ける表面部分に隣接するプラスチックマトリクスには、摩耗応力を受けない部分に比べてＴｉＣ粒子が多量に存在することが好ましい。
【００３１】
さらに、又はその代わりに、コンポーネントの半径方向内側に位置する部分は、（階段状に又は連続的に減少する形で）もっと少ない量のＴｉＣ粒子を含むようにすることができ、さもなくば、さらに好ましくは、ＴｉＣ粒子を本質的に含まないようにしてもよい。これには、ＴｉＣ粒子の使用がコンポーネントの摩耗応力を受ける部分に限定され、ＴｉＣ粒子との望ましくない接触を、例えば半導体ウエハの保持リングの場合、実質的に排除できるという別の利点がある。
【００３２】
コンポーネント、特に後者の実施形態に含まれる保持リングは、ＴｉＣを含まない内側の壁とＴｉＣを含む同心的な外側の壁の共押出によって製造される管状の半仕上がり製品から得られる摩耗及び損耗層を設けることができる。
【００３３】
コンポーネントの摩耗及び損耗層における異なる量のＴｉＣ粒子は、もちろん、他の製造プロセス、例えば焼結プロセスによっても実現できる。
【００３４】
本発明は、さらに、この出願の請求項１７及び１８に規定されているような、コンポーネントを製造する方法に関する。
【００３５】
ＴＩＣが充填されたプラスチック材料に対して、その形成後、一方ではマトリクスプラスチック物質に予め定められた結晶化度を実現するため、他方においてはコンポーネント内の応力を最小にするために、特定の温度コントロールを行うことが製造方法にとって重要である。
【００３６】
本発明のこれらの利点及びその他の利点は、以下、実施例及び図面を参照して詳しく説明する。
【実施例】
【００３７】
摩耗試験
以下の実施例で記述されるプラスチック材料に関して、摩耗の値はいわゆるBuehlerマシン（Buehler Phoenix 4000 type 49-4101-260, 製造Buehler Ltd., Lake Bluff, Illinois, USA）によって次の条件の下で決定された：
【００３８】
研磨媒体（スラリ）：
Semisperse SS-12 酸化物スラリ、製造Cabot Microelectronics, Research and Technology Center, Aurora, Illinois, USA.
【００３９】
ウレタンスライドプレート、type Rodel CR1C1400-A-3、製造Rohm & Haas CMP 
Development Center, Newark, Delaware, USA が研磨ディスクとして使用された。
【００４０】
Buehlerマシンは150 rpmで逆回転で駆動され、スライディングプレートに対する保持リングの圧力は、回転速度196.25 ft/minで3.8 psiであった。
【００４１】
試験検体
試験のために、それぞれのプラスチック材料から成り、外径320 mm、内径290 mm、そして高さが12 mmの押出加工された中空バーからプラスチックリングが製造され、プラスチックマトリクスにおけるＴｉＣ粒子の均一な分布が本発明によるそれぞれのプラスチック材料の利用に合わせて設けられた。
【００４２】
フルオロカーボンポリマーがコーティングされた粒子がＴｉＣ粒子として用いられた。これはPacific ParＴｉＣulate Materials Ltd., (Port Coquitlam, B.C., Canada)によってTiC-2201という商品名で市販されている。このＴｉＣ粒子は、1.2〜1.4 μmのような非常に狭い粒径分布を有している。
【００４３】
ＴｉＣ粒子は、最初にリングのマトリクスのプラスチック材料とコンパウンドされ、その後このコンパウンドが押出加工によって中空のバーを形成するように加工され、それからリングが分離された。中空バーは、結晶度に影響を及ぼし、材料内に存在する応力を減らすように焼き戻しされた。
【００４４】
PEEK及びPPSをベースとする材料の焼き戻しの条件は、次の通りであった：
昇温：                    １２０℃のオーブン温度で３時間
２２０℃のオーブン温度で４時間
２２０℃での保持時間：    壁厚１ｃｍあたり１・１／２時間
冷却速度：                温度４０℃に達するまで２０℃／時間
【００４５】
実施例１：
この実施例では、標準的なPPS及び比率２２重量％のＴｉＣ粒子を含むPPSから成るプラスチックリングの摩耗特性が調べられた。試験からのデータは図１に示されており、図でそれぞれの左側の柱は標準的なPPSから製造されたリングについての結果を表し、それぞれの右側の柱はＴｉＣ粒子が充填されたPPSから本発明に従って製造されたリングについての結果を表している。
【００４６】
結果として、本発明によるリングの場合、8時間の試験の後でも、摩耗は標準的なPPSで1時間の試験の後で観測される値と比べてかなり少ないことが確認される。
【００４７】
実施例２：
この例では、標準的なPEEK及び比率２２重量％のＴｉＣ粒子を含むPEEKから成るプラスチックリングの摩耗特性が調べられた。試験からのデータは図２に示されており、図でそれぞれの左側の柱は標準的なPEEKから製造されたリングについての結果を表し、それぞれの右側の柱はＴｉＣ粒子が充填されたPEEKから本発明に従って製造されたリングについての結果を表している。
【００４８】
結果として、本発明によるリングの場合、8時間の試験の後でも、摩耗は標準的なPEEKで1時間の試験の後で観測される値と比べてかなり少ないことが確認される。
【００４９】
摩耗の値は、PPS物質で観測される値に比べて多少大きいが、充填されない標準的なPPS物質から製造されたリングで観測される値に比べて依然として何倍も小さい。
【００５０】
実施例３：
本例の場合、いわゆるポリパラフェニレンをプラスチック材料として用い、ＴｉＣ粒子の比率を変えた。5.5重量％、11重量％、22重量％という比率が本発明によるリングに用いられた。
【００５１】
本例の場合、摩耗の減少にドラスティックな効果が、既に5.5重量％のＴｉＣ粒子で示された。もっと量が多い場合、摩耗は最初（11重量％）増加するが、ＴｉＣの量がさらに増加すると（22重量％）磨耗は再び減少する。これは特に自己強化ポリマーの場合に見られる。同様の比は、繊維強化プラスチックでも見られると推定されるが、繊維強化プラスチックは半導体ウエハの保持リングの製造には考えられない。
【００５２】
実施例４：
この実施例では、高性能のいろいろなプラスチック材料の摩耗値が互いに対照されて比較される。摩耗データは図３にまとめられており、摩耗を示す柱は、左から右へ次のプラスチック材料を表している：
【００５３】
標準PPS
PET
PEEK
10重量％のPTFEを含むPEEK
PEKK
ポリパラフェニレン
【００５４】
図３から、すでにプラスチック材料PETに関して比較的良好な値が得られており、これは本発明による充填材ＴｉＣを使用することによってさらに改善できる。
【００５５】
PETは保持リングのマトリクス材料として適しているが、ただし単純な半導体構造、例えばメモリーチップの場合などに限られる。他方、高性能プラスチック材料PPS、PEEK、及びポリパラフェニレンが、複雑な半導体構造に、例えばプロセッサーチップの場合などに好ましい。
【００５６】
最後に、図４及び図５は、それぞれ本発明による保持リング１０と３０を概略図で示しており、それぞれプラスチックマトリクス１４と３４による摩耗及び損耗層１２と３２を有し、そこにＴｉＣ粒子１４と３４がそれぞれ組み込まれている。
【００５７】
図４（及び図４aの拡大断面図）に示されている保持リング１０は、摩耗及び損耗層にＴｉＣ粒子を含んでおり、その量は摩耗応力を受ける表面１８に隣接する部分で、摩耗を受けない部分２０よりも多くなっている。
【００５８】
原料の価格に関してＴｉＣ物質よりも安いプラスチック材料の場合、この粒子分布が推奨される。マトリクスを形成する高性能プラスチック材料の材料価格の方がＴｉＣ物質の価格よりも高い場合、コストを最小にするという観点から摩耗及び損耗層の断面全体にわたって一様な量のＴｉＣ粒子を用いても、もちろん、何も不利にならない。
【００５９】
図５（及び図５aの拡大断面図）は、ＴｉＣ粒子の分布がさらに変更された保持リング３０を示している。ここでは、保持リング３０の内側表面４０に隣接する部分３８でＴｉＣ粒子をなくして、保持リング内に配置されたウエハ４２が摩耗物に含まれるＴｉＣ粒子と確実に接触しないようにしている。
【００６０】
図４及び図５は、それぞれ、米国特許出願公開第２００４−００６５４１２号公報による一体保持リングを示している。米国特許出願公開第２００４−００６７７２３号公報による一体保持リングの場合でも、本発明によるプラスチック材料を使用することができて摩耗特性の改善に関して同じ結果が得られるということは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例１におけるプラスチックリングの摩耗特性を示すグラフである。
【図２】実施例２におけるプラスチックリングの摩耗特性を示すグラフである。
【図３】いろいろなプラスチック材料の摩耗データを互いに比較して示すグラフである。
【図４】本発明による保持リングの概略を示した斜視図である。
【図４ａ】図４の線分ａ−ａに沿った拡大断面図である。
【図５】本発明による保持リングの概略を示した斜視図である。
【図５ａ】図５の線分ａ−ａに沿った拡大断面図である。
【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４ａ】
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【図５】
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【図５ａ】
2008524351.tif 000008
【国際調査報告】
2008524351.tif 000009
2008524351.tif 000010
2008524351.tif 000011
2008524351.tif 000012
2008524351.tif 000013
2008524351.tif 000014