(57)【要約】【課題】複数の基板を連続して研磨する場合でも、基板の研磨レートを安定させることができる基板保持装置を提供する。【解決手段】基板（Ｗ）を保持して研磨パッド（２）に押し付ける基板保持装置用のリテーナリング（４０）であって、前記基板（Ｗ）を囲むように配置された内側リング（４０ａ）と、前記内側リング（４０ａ）の外側に設けられ、前記内側リング（４０ａ）より耐摩耗性が高く、前記研磨パッド（２）に向かう凸部（Ｐ）が形成された外側リング（４０ａ）と、を備え、前記内側リング（４０ａ）の内周面と前記凸部（Ｐ）との距離は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である、リテーナリング（４０）が提供される。【選択図】図１２
2016155188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、
前記基板を囲むように配置された内側リングと、
前記内側リングの外側に設けられ、前記内側リングより耐摩耗性が高い外側リングと、を備え、
前記内側リングの径方向の厚さは、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下である、リテーナリング。
【請求項２】
基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、
前記基板を囲むように配置された内側リングと、
前記内側リングの外側に設けられ、下側リングおよび上側リングを有する外側リングと、を備え、
前記下側リングは、前記内側リングより耐摩耗性が高く、
前記上側リングは、前記下側リングより靱性が高い、リテーナリング。
【請求項３】
前記外側リングの下面には、前記研磨パッドに向かう凸部が形成される、請求項１または２に記載のリテーナリング。
【請求項４】
前記凸部の先端と、前記外側リングの前記凸部が形成されていない端との距離は、３０μｍ未満である、請求項３に記載のリテーナリング。
【請求項５】
前記内側リングは、前記外側リングに対して取り外し可能に固定される、請求項１乃至４のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項６】
基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、
前記基板を囲むように配置された内側リングと、
前記内側リングの外側に設けられ、前記内側リングより耐摩耗性および硬度が高い外側リングと、を備え、
前記外側リングおよび前記内側リングは、互いに独立して上下移動可能であり、
前記外側リングは前記研磨パッドと非接触であるか、前記外側リングが前記研磨パッドに押し付けられる力は前記内側リングが前記研磨パッドに押し付けられる力より弱い、リテーナリング。
【請求項７】
前記内側リングの材料は、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ポリカーボネートまたはポリアセタールを含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項８】
前記外側リングの材料は、セラミック材料または金属材料を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項９】
前記外側リングの下面の表面粗さは、Ｒａ１．６μｍ以下である、請求項１乃至８のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項１０】
前記内側リングのロックウェルＭ硬度は、７０以上１２０以下である、請求項１乃至９のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項１１】
前記内側リングおよび前記外側リングの下面には、前記内側リングおよび前記外側リングを連通して径方向に延びる複数の溝が形成される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のリテーナリング。
【請求項１２】
基板を保持するトップリング本体と、
前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置された、請求項１乃至１１のいずれかに記載のリテーナリングと、を備える、基板保持装置。
【請求項１３】
研磨パッドと、
前記研磨パッドに基板を押し付ける、請求項１２に記載の基板保持装置と、を備える研磨装置。
【請求項１４】
請求項５に記載のリテーナリングのメンテナンス方法であって、
前記内側リングを前記外側リングから取り外す工程と、
新たな内側リングを前記外側リングに固定する工程と、を備える、リテーナリングのメンテナンス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハなどの基板を保持する基板保持装置に関し、特に基板を研磨パッドなどの研磨具に押し付けて基板の表面を研磨するために使用され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用いた研磨装置に関する。さらに、本発明は、上記基板保持装置に使用されるリテーナリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程では、ウェハの表面を研磨するために研磨装置が広く使用されている。この種の研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支える研磨テーブルと、ウェハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッドと称される基板保持装置と、研磨液を研磨面に供給する研磨液供給ノズルとを備えている。
【０００３】
研磨装置は次のようにしてウェハを研磨する。研磨パッドとともに研磨テーブルを回転させながら、研磨液供給ノズルから研磨液を研磨面に供給する。基板保持装置によりウェハを保持し、さらにウェハをその軸心を中心として回転させる。この状態で、基板保持装置はウェハの表面を研磨パッドの研磨面に押し付け、研磨液の存在下でウェハの表面を研磨面に摺接させる。ウェハの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と、研磨液の化学的作用により平坦に研磨される。このような研磨装置はＣＭＰ（化学機械研磨）装置とも呼ばれる。
【０００４】
ウェハの研磨中、ウェハの表面は研磨パッドに摺接されるため、ウェハには摩擦力が作用する。そこで、ウェハの研磨中にウェハが基板保持装置から外れないようにするために、基板保持装置はリテーナリングを備えている。このリテーナリングは、ウェハを囲むように配置され、ウェハの外側で研磨パッドを押し付けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８６７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ウェハの研磨レート（除去レートともいう）は、研磨パッドに対するウェハの荷重、リテーナリングの荷重、研磨テーブルおよびウェハの回転速度、研磨液の種類などの研磨条件に依存して変わりうる。複数のウェハを連続的に研磨する場合、同一の研磨結果を得るために、研磨条件は一定に維持されるのが通常である。しかしながら、複数のウェハを研磨していくにつれて、研磨条件が同じであるにもかかわらず、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルが徐々に変わることがある。具体的には、研磨されたウェハの枚数が増えるに従って、エッジ部での研磨レートが上昇する。
【０００７】
このような研磨レートの上昇の原因は、リテーナリングの形状変化にあると考えられる。図１９は、ウェハの研磨中のリテーナリングを示す模式図である。図１９に示すように、ウェハＷの研磨中、リテーナリング２００は回転する研磨パッド２０１の研磨面２０１ａに押し付けられるため、リテーナリング２００が摩耗する。特に、リテーナリング２００の内周面および外周面が摩耗して丸みを帯びた形状となる。リテーナリング２００の内周面が図１９に示すように摩耗すると、リテーナリング２００がウェハＷのエッジ部に近いパッド領域を押し付ける力が低下し、結果として、エッジ部での研磨レートが上昇してしまう。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、複数の基板（例えばウェハ）を連続して研磨する場合でも、基板の研磨レートを安定させることができる基板保持装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような基板保持装置を用いた研磨装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、基板保持装置に使用されるリテーナリングおよびそのメンテナンス方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、前記基板を囲むように配置された内側リングと、前記内側リングの外側に設けられ、前記内側リングより耐摩耗性が高い外側リングと、を備え、前記内側リングの径方向の厚さは、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下である、リテーナリングが提供される。
外側リングの耐摩耗性が高く、かつ、内側リングの内周面と凸部との距離を適切に設定するため、リテーナリングの荷重作用点を基板のエッジ部近傍に維持でき、研磨レートが安定する。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、前記基板を囲むように配置された内側リングと、前記内側リングの外側に設けられ、下側リングおよび上側リングを有する外側リングと、を備え、前記下側リングは、前記内側リングより耐摩耗性が高く、前記上側リングは、前記下側リングより靱性が高い、リテーナリングが提供される。
外側リングの耐摩耗性が高いため、リテーナリングの荷重作用点を基板のエッジ部近傍に維持でき、研磨レートが安定する。また、上側リングの靱性が高いため、リテーナリングを強固に他の部品と取り付けることができる。
【００１１】
前記外側リングの下面には、前記研磨パッドに向かう凸部が形成されるのが望ましい。
これにより、荷重作用点が径方向に基板から離れるのを防止できる。
【００１２】
さらに望ましくは、前記凸部の先端と、前記外側リングの前記凸部が形成されていない端との距離は、３０μｍ未満である。
これにより、基板の研磨レートが安定する。
【００１３】
前記内側リングは、前記外側リングに対して取り外し可能に固定されるのが望ましい。
これにより、耐摩耗性が高い外側リングを継続して使用しつつ、摩耗した内側リングのみを交換できる。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、基板を保持して研磨パッドに押し付ける基板保持装置用のリテーナリングであって、前記基板を囲むように配置された内側リングと、前記内側リングの外側に設けられ、前記内側リングより耐摩耗性および硬度が高い外側リングと、を備え、前記外側リングおよび前記内側リングは、互いに独立して上下移動可能であり、前記外側リングは前記研磨パッドと非接触であるか、前記外側リングが前記研磨パッドに押し付けられる力は前記内側リングが前記研磨パッドに押し付けられる力より弱い、リテーナリングが提供される。
外側リングの耐摩耗性が高いため、リテーナリングの荷重作用点を基板のエッジ部近傍に維持でき、研磨レートが安定する。
【００１５】
前記内側リングの材料は、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ポリカーボネートまたはポリアセタールを含んでいてもよい。また、前記外側リングの材料は、セラミック材料または金属材料を含んでいてもよい。
【００１６】
好ましくは、前記外側リングの下面の表面粗さは、Ｒａ１．６μｍ以下であり、前記内側リングのロックウェルＭ硬度は、７０以上１２０以下である。
【００１７】
前記内側リングおよび前記外側リングの下面には、前記内側リングおよび前記外側リングを連通して径方向に延びる複数の溝が形成されてもよい。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置された、上記リテーナリングと、を備える、基板保持装置が提供される。
【００１９】
本発明のまた別の態様によれば、研磨パッドと、前記研磨パッドに基板を押し付ける上記基板保持装置と、を備える研磨装置が提供される。
【００２０】
本発明のまた別の態様によれば、上記リテーナリングのメンテナンス方法であって、前記内側リングを前記外側リングから取り外す工程と、新たな内側リングを前記外側リングに固定する工程と、を備える、リテーナリングのメンテナンス方法が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
外側リングの耐摩耗性が高いため、リテーナリングの荷重作用点を基板のエッジ部近傍に維持でき、研磨レートが安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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を示す模式図
【図２】研磨装置の詳細な構成を示す図
【図３】トップリングの断面図
【図４】ドライブリングおよび連結部材を示す平面図
【図５】球面軸受を示す図
【図６】連結部材を示す図
【図７】球面軸受の他の構成例を示す拡大断面図
【図８】連結部材を示している図
【図９】リテーナリング４０の断面の一部を拡大した図
【図１０】図９に示すリテーナリング４０を長期間使用した場合の表面形状の変化を模式的に示す図
【図１１】長期間使用した通常のリテーナリングの断面形状の測定結果を示す図
【図１２】長期間使用した通常のリテーナリングの下面の形状の測定結果示す図
【図１３】長期間使用した通常のリテーナリングの下面の形状の測定結果示す図
【図１４】長期間使用した通常のリテーナリングの下面の形状の測定結果示す図
【図１５】外側リング４０ｂの拡大図
【図１６】内側リング４０ａと外側リング４０ｂとの固定手法の一例を示す断面図
【図１７】図９の変形例であるリテーナリング４０’の断面の一部を拡大した図
【図１８】リテーナリング４０の下面図
【図１９】ウェハの研磨中のリテーナリングを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、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を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、ウェハ（基板）Ｗを保持し回転させるトップリング（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ７とを備えている。膜厚センサ７は、研磨テーブル３内に設置されており、研磨テーブル３が１回転するたびに、ウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚信号を取得する。膜厚センサ７の例としては、光学式センサや渦電流センサが挙げられる。
【００２４】
トップリング１は、その下面に真空吸着によりウェハＷを保持できるように構成されている。トップリング１および研磨テーブル３は、矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態でトップリング１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給ノズル５からは研磨液が研磨パッド２上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド２との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、膜厚センサ７は研磨テーブル３と共に回転し、記号Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚信号を取得する。この膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す指標値であり、ウェハＷの膜厚の減少に従って変化する。膜厚センサ７は研磨制御部９に接続されており、膜厚信号は研磨制御部９に送られるようになっている。研磨制御部９は、膜厚信号によって示されるウェハＷの膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨を終了させる。
【００２５】
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の上面がウェハ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。したがって、モータ１３は、研磨面２ａを水平方向に移動させる研磨面移動機構を構成する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。トップリング用モータ１８，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は、トップリング１をその軸心を中心として回転させる回転機構を構成する。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。
【００３０】
トップリング１は、その下面にウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６はトップリングヘッドシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１６の旋回によりウェハ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を下降させてウェハ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ノズル５から研磨パッド２上に研磨液を供給する。このように、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させてウェハＷの表面を研磨する。
【００３１】
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（ａ）に示すように、トップリング１は、ウェハＷを保持し、ウェハＷを研磨面２ａに対して押圧するトップリング本体１０と、ウェハ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に対して相対的に上下動可能に構成されている。本発明はリテーナリング４０の構成を工夫することで研磨レートの安定化を図るものであり、図９以降で詳しく説明する。
【００３２】
トップリング本体１０は、円形のフランジ４１と、フランジ４１の下面に取り付けられたスペーサ４２と、スペーサ４２の下面に取り付けられたキャリア４３とを備えている。フランジ４１は、トップリングシャフト１１に連結されている。キャリア４３は、スペーサ４２を介してフランジ４１に連結されており、フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３は、一体に回転し、かつ上下動する。フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３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４１をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。
【００３３】
キャリア４３の下面には、ウェハＷの裏面に当接する弾性膜４５が取り付けられている。弾性膜４５の下面が基板保持面４５ａを構成する。弾性膜４５は環状の隔壁４５ｂを有しており、これらの隔壁４５ｂにより、弾性膜４５とトップリング本体１０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を経由して圧力調整装置６５に接続されており、圧力調整装置６５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６５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６５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。
【００３４】
弾性膜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上にウェハＷを保持できるようになっている。弾性膜４５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコー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。
【００３５】
リテーナリング４０は、トップリング本体１０のキャリア４３および弾性膜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、研磨パッド２の研磨面２ａに接触するリング状の部材である。リテーナリング４０は、ウェハＷの外周縁を囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷがトップリング１から飛び出さないようにウェハＷを保持している。
【００３６】
図３（ｂ），（ｃ）はドライブリング８１の外周部拡大図であり、異なる位相の断面図を示している。図３（ｂ），（ｃ）に示されるように、リテーナリング４０の上面は複数の補強ピン８２によってドライブリング８１に位置決めされ、複数のネジ８３により固定されている。複数の補強ピン８２、および複数のネジ８３はそれぞれ円周方向に均等に配置されている。ドライブリング８１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８１を介してリテーナリング４０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。
【００３７】
リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング８１の上部に固定された環状のピストン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を経由して圧力調整装置６５に接続されている。
【００３８】
圧力調整装置６５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８１を介してリテーナリング４０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６５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。
【００３９】
ドライブリング８１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８１の上部には複数の磁石７０が配置されている。これら磁石７０がピストン６１を引き付けることにより、ドライブリング８１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８１を磁性材で形成し、ピストン６１に磁石を配置してもよい。
【００４０】
リテーナリング４０は、ドライブリング８１および連結部材７５を介して球面軸受８５に連結されている。この球面軸受８５は、リテーナリング４０の半径方向内側に配置されている。図４は、ドライブリング８１および連結部材７５を示す平面図である。図４に示すように、連結部材７５は、トップリング本体１０の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６に固定されたハブ７７と、このハブ７７からから放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。
【００４１】
スポーク７８の一方の端部は、ハブ７７に固定されており、スポーク７８の他方の端部は、ドライブリング８１に固定されている。ハブ７７と、スポーク７８と、ドライブリング８１とは一体に形成されている。キャリア４３には、複数対の駆動ピン８０，８０が固定されている。各対の駆動ピン８０，８０は各スポーク７８の両側に配置されており、キャリア４３の回転は、駆動ピン８０，８０を介してドライブリング８１およびリテーナリング４０に伝達され、これによりトップリング本体１０とリテーナリング４０とは一体に回転する。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、軸部７６は球面軸受８５内を縦方向に延びている。図４に示すように、キャリア４３には、スポーク７８が収容される複数の放射状の溝４３ａが形成されており、各スポーク７８は各溝４３ａ内で縦方向に移動自在となっている。連結部材７５の軸部７６は、トップリング本体１０の中央部に配置された球面軸受８５に縦方向に移動自在に支持されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに連結されたドライブリング８１およびリテーナリング４０は、トップリング本体１０に対して縦方向に移動可能となっている。さらに、ドライブリング８１およびリテーナリング４０は、球面軸受８５により傾動可能に支持されている。
【００４３】
図５は、球面軸受８５を示す図である。軸部７６は、複数のねじ７９によりハブ７７に固定されている。軸部７６には縦方向に延びる貫通穴８８が形成されている。この貫通穴８８は軸部７６が球面軸受８５に対して縦方向に移動する際の空気抜き穴として作用し、これによりリテーナリング４０はトップリング本体１０に対して縦方向にスムーズに移動可能となっている。
【００４４】
球面軸受８５は、環状の内輪１０１と、内輪１０１の外周面を摺動自在に支持する外輪１０２とを備えている。内輪１０１は、連結部材７５を介してドライブリング８１およびリテーナリング４０に連結されている。外輪１０２は支持部材１０３に固定されており、この支持部材１０３はキャリア４３に固定されている。支持部材１０３はキャリア４３の凹部４３ｂ内に配置されている。
【００４５】
内輪１０１の外周面は、上部および下部を切り欠いた球面形状を有しており、その球面形状の中心点（支点）Ｏは、内輪１０１の中心に位置している。外輪１０２の内周面は、内輪１０１の外周面に沿った凹面から構成されており、外輪１０２は内輪１０１を摺動自在に支持している。したがって、内輪１０１は、外輪１０２に対して全方向（３６０°）に傾動可能となっている。
【００４６】
内輪１０１の内周面は、軸部７６が挿入される貫通孔１０１ａを構成している。軸部７６は内輪１０１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。球面軸受８５は、ウェハＷの研磨中に、ウェハＷと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング４０がウェハＷから受ける横方向の力（ウェハ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。
【００４７】
図６（ａ）は、連結部材７５が球面軸受８５に対して上下動している様子を示し、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、連結部材７５が内輪１０１と共に傾動している様子を示している。連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、内輪１０１と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ内輪１０１に対して上下に移動可能となっている。
【００４８】
図７は、球面軸受８５の他の構成例を示す拡大断面図である。図７に示すように、球面軸受８５は、連結部材７５を介してリテーナリング４０に連結された中間輪９１と、中間輪９１を上から摺動自在に支持する外輪９２と、中間輪９１を下から摺動自在に支持する内輪９３とを備えている。中間輪９１は、球殻の上半分よりも小さい部分球殻形状を有し、外輪９２と内輪９３との間に挟まれている。
【００４９】
外輪９２は凹部４３ｂ内に配置されている。外輪９２は、その外周部につば９２ａを有しており、このつば９２ａを凹部４３ｂの段部にボルト（図示せず）により固定することにより、外輪９２がキャリア４３に固定されるとともに、中間輪９１および内輪９３に圧力を掛けることが可能となっている。内輪９３は凹部４３ｂの底面上に配置されており、中間輪９１の下面と凹部４３ｂの底面との間に隙間が形成されるように、中間輪９１を下から支えている。
【００５０】
外輪９２の内面９２ｂ、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ、および内輪９３の外面９３ａは、支点Ｏを中心とした略半球面から構成されている。中間輪９１の外面９１ａは、外輪９２の内面９２ｂに摺動自在に接触し、中間輪９１の内面９１ｂは、内輪９３の外面９３ａに摺動自在に接触している。外輪９２の内面９２ｂ（摺接面）、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ（摺接面）、および内輪９３の外面９３ａ（摺接面）は、球面の上半分よりも小さい部分球面形状を有している。このような構成により、中間輪９１は、外輪９２および内輪９３に対して全方向（３６０°）に傾動可能であり、かつ傾動中心である支点Ｏは球面軸受８５よりも下方に位置する。
【００５１】
外輪９２、中間輪９１、および内輪９３には、軸部７６が挿入される貫通孔９２ｃ，９１ｃ，９３ｂがそれぞれ形成されている。外輪９２の貫通孔９２ｃと軸部７６との間には隙間が形成されており、同様に、内輪９３の貫通孔９３ｂと軸部７６との間には隙間が形成されている。中間輪９１の貫通孔９１ｃは、外輪９２および内輪９３の貫通孔９２ｃ，９３ｂよりも小さな直径を有しており、軸部７６は中間輪９１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。
【００５２】
図８（ａ）は、連結部材７５が球面軸受８５に対して上下動している様子を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、連結部材７５が中間輪９１と共に傾動している様子を示している。図８（ａ）乃至図８（ｃ）に示すように、連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、中間輪９１と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ中間輪９１に対して上下に移動可能となっている。図７に示す球面軸受８５は、傾動の中心である支点Ｏがリテーナリング４０の中心軸線上にある点では図５に示す球面軸受８５と同じであるが、図７に示す支点Ｏは図５に示す支点Ｏよりも低い位置にある点で異なっている。図７に示す球面軸受８５は、支点Ｏの高さを研磨パッド２の表面と同じか、それよりも低くすることができる。
【００５３】
続いて、本発明の特徴の１つであるリテーナリング４０について詳しく説明する。
図９は、リテーナリング４０の断面の一部を拡大した図である。本リテーナリング４０は、内側リング４０ａと、外側リング４０ｂとを有する。内側リング４０ａは円環状であってウェハＷを囲んでいる。外側リング４０ｂは、やはり円環状であり、内側リング４０ａの外側に設けられる。
【００５４】
研磨時、内側リング４０ａの内周面はウェハＷのエッジ部と接触する。そのため、ウェハＷの欠けなどを防ぐために、内側リング４０ａは、ウェハＷより硬度が低い材料、望ましくはロックウェルＭ硬度が７０以上１２０以下の材料で形成される。また、内側リング４０ａの内周面はウェハＷのエッジ部から力を受ける。そのため、内側リング４０ａは耐摩耗性に優れた材料で形成される。硬度が低く、かつ、耐摩耗性が高い材料として、例えばＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）、ＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Etylene）、ＰＰ（poly Propylene）、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ポリカーボネート、ポリアセタール、これらの１または複数を含む樹脂材料などが挙げられる。
【００５５】
外側リング４０ｂの下面は回転する研磨面２ａに押圧される。そのため、外側リング４０ｂは、内側リング４０ａより耐摩耗性が高い材料、望ましくは研磨面２ａとの接触による摩耗量が内側リング４０ａの１／５以下である材料で形成される。このような材料として、例えばＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、ジルコニアなどのセラミック材料、ステンレス鋼やチタンなどの金属材料などが挙げられる。外側リング４０ｂの材料は内側リング４０ａの材料より硬度が高くてもよい。
【００５６】
通常、リテーナリング４０は、研磨面２ａと当接する下面の表面粗さを安定化させるため、慣らし研磨を使用初期に行う。表面粗さが粗い状態のリテーナリング４０でウェハＷの研磨を行うと、研磨パッド２の表面を目立てする作用が生じ、ウェハＷの研磨レートが安定しないことがあるためである。なお、外側リング４０ｂは耐摩耗性が高く研磨工程では摩耗されにくいため、初期状態から表面粗さをＲａ１．６μｍ以下（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１）としておくことが望ましい。
【００５７】
図１０は、図９に示すリテーナリング４０を長期間使用した場合の表面形状の変化を模式的に示す図である。同図では、リテーナリング４０の下面が研磨面２ａとの接触によって摩耗することを示しており、内側リング４０ａの内周面がウェハＷのエッジ部との接触によって摩耗することは無視して描いている。長期間使用して多数のウェハＷを研磨することにより、内側リング４０ａの下面は研磨面２ａとの接触によって摩耗が進行する。特に内周面に近いほど摩耗量が大きく、外周側（すなわち外側リング４０ｂに近い側）ほど摩耗量は小さい。一方で、外側リング４０ｂは耐摩耗性が高い材料で形成されているため、その下面はほとんど変化せず、使用前の形状がほぼ維持される。
【００５８】
このような形状のリテーナリング４０において、外側リング４０ｂの下面のうち最も内側の点Ａが、ウェハＷへの荷重作用点となる。そのため、荷重作用点がウェハＷのエッジ部から離れることを防ぐことができる。これにより、リテーナリング４０を長期間使用した場合でも、ウェハＷのエッジ部の研磨レートが上昇するのを抑え、研磨レートを安定させることができる。
【００５９】
内側リング４０ａの径方向の厚さｄの適切な値について説明する。
【００６０】
内側リング４０ａの内周面はウェハＷによって摩耗するため、その摩耗量より厚さｄを厚くしておく必要がある。
図１１は、長期間使用した通常のリテーナリングの断面形状の測定結果を示す図である。同図は、図９に示すような内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂを有するリテーナリング４０ではなく、単一の材料（ＰＰＳ）から形成される一般的なリテーナリングの測定結果である。図１１（ａ）〜（ｄ）は円環状のリテーナリングを９０度ごとに４点（それぞれ、０ｄｅｇ，９０ｄｅｇ，１８０ｄｅｇ，２７０ｄｅｇとしている）測定した結果を示している。
【００６１】
図１１の横軸はリテーナリングの径方向の位置Ｒを示しており、摩耗前の状態のリテーナリングの内周面は９０μｍに位置している。縦軸はリテーナリングの高さＺを示しており、リテーナリングの下面は８００μｍに位置し、ウェハＷのエッジ部は約４００μｍのところに接触する。
【００６２】
この測定結果から分かるように、長期間使用することによって、リテーナリングは０．０４ｍｍ程度摩耗する。よって、内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂから構成されるリテーナリング４０の場合、内側リング４０ａが０．０４ｍｍ摩耗し得ることを考慮し、また多少のマージンを持たせて、内側リング４０ａの厚さｄを０．０５ｍｍ以上とするのが望ましい。また、内側リング４０ａの厚さｄが薄すぎると剛性の点で不利であったり加工が困難であったりする場合には、もう少し厚くしてもよく、例えば０．１ｍｍ以上としてもよい。
【００６３】
一方、リテーナリング４０の荷重作用点は外側リング４０ｂの下面のうち最も内側の点Ａとなるが、厚さｄが大きすぎると、リテーナリング４０の荷重作用点がウェハＷのエッジ部から離れ、研磨レートが不安定になりかねない。そのため、厚さｄはリテーナリング４０の荷重作用点がウェハＷのエッジ部近傍となるよう設定される。
【００６４】
図１２〜図１４は、長期間使用した通常のリテーナリングの下面の形状の測定結果を示す図である。測定に用いられたリテーナリングは、やはり単一の材料（ＰＰＳ）から形成され、下面が使用前は平坦であるリテーナリングである。リテーナリングの幅（内周面と外周面との間の径方向距離）は５ｍｍ（図１２）、７．５ｍｍ（図１３）、１５ｍｍ（図１４）である。これらの図の横軸はリテーナリングの内周面を原点とする径方向の位置を示す。縦軸は研磨面２ａからの相対的な距離を示し、１目盛が１０μｍである。リテーナリングの下面は、使用前は平坦であったが、長期間の使用により摩耗し、下面に凸部Ｐ’が形成されることが分かる。
【００６５】
幅が５ｍｍ（図１２）および７．５ｍｍ（図１３）であるリテーナリングにおいては、研磨レートが安定しており、適切にウェハＷを研磨できた。一方、幅が１５ｍｍ（図１４）であるリテーナリングにおいては、研磨レートが不安定であり、適切にウェハＷを研磨できなかった。
【００６６】
適切に研磨できた図１２および図１３によれば、リテーナリングの内周面と凸部Ｐ’との距離ｓ’は、それぞれ約３ｍｍおよび５ｍｍである。これは、図１１に示す内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂを有するリテーナリング４０においては、厚さｄを５ｍｍ以下にしておけば研磨レートが安定することを意味する。
【００６７】
一方、適切に研磨できなかった図１４によれば、リテーナリングの内周面と凸部Ｐ’との距離ｓ’は、約７ｍｍである。これは、図１１に示すリテーナリング４０においては、厚さｄを７ｍｍ以上にすると研磨レートが不安定になり得ることを意味する。
【００６８】
以上から、厚さｄをあまり大きくすることはできず、７ｍｍ未満、より望ましくは５ｍｍ以下にするのがよい。
【００６９】
なお、図９に示すように、外側リング４０ｂの下面は平坦でもよいが、研磨面２ａ側（下側）に向かう凸部が形成されているのが望ましい。
【００７０】
図１５は、外側リング４０ｂの拡大図である。同図では、内側リング４０ａを二点鎖線で描いている。外側リング４０ｂに形成される凸部Ｐは、外側リング４０ｂの最も内側にあってもよいし（図１５（ａ），（ｄ））、最も内側から若干離れた位置にあってもよい（図１５（ｂ），（ｅ））。また、凸部Ｐから外側リング４０ｂ下面の両端までは、直線状であってもよいし（図１５（ａ），（ｂ））、曲線状であってもよい（図１５（ｄ），（ｅ））。
内側リング４０ａに近い位置に凸部Ｐを設けることで、凸部ＰがウェハＷに対する荷重作用点となる。よって、荷重作用点が径方向にウェハＷから離れるのを防止できる。
【００７１】
また、図１５（ｃ），（ｆ）に示すように、凸部Ｐは外側リング４０ｂの最も外側（あるいは外側近傍）にあってもよい。この場合、外側リング４０ｂの最も内側の点がウェハＷに対する荷重作用点となり、やはり荷重作用点をウェハＷの近傍に維持できる。
【００７２】
なお、外側リング４０ｂの(凸部Ｐが形成されていない）端と凸部Ｐとの距離ｈを大きくしすぎると、凸部Ｐに荷重が集中して研磨レートが不安定になったり、凸部Ｐが摩耗したり、研磨面２ａを傷つけたりするおそれがある。
【００７３】
適切に研磨できた図１２および図１３によれば、摩耗によって生じる、凸部Ｐ’の先端とリテーナリングの端との距離ｈ’は、それぞれ約５μｍおよび２０μｍである。これは、図１５に示す凸部Ｐが形成されたリテーナリング４０においては、距離ｈを２０μｍ以下にしておけばよいことを意味する。
【００７４】
一方、適切に研磨できなかった図１４によれば、距離ｈ’は約３０μｍである。これは、図１５に示すリテーナリング４０においては、距離ｈを３０μｍ以上にすると研磨レートが不安定になることを意味する。言い換えると、距離ｈを３０μｍ未満にしておけば、凸部Ｐに荷重が集中しすぎない可能性があることを意味する。
【００７５】
したがって、リテーナリング４０においては、距離ｈは３０μｍ未満に設定するのが望ましく、２０μｍ以下に設定するのがさらに望ましい。
【００７６】
以上をまとめると、図１１において、内側リング４０ａの径方向の厚さｄは、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下とするのが望ましい。また、外側リング４０ｂの下面に凸部Ｐを設ける場合、外側リング４０ｂの端と凸部Ｐの先端との距離ｈは、３０μｍ未満とするのが望ましい。
【００７７】
図１６は、内側リング４０ａと外側リング４０ｂとの固定手法の一例を示す断面図である。内側リング４０ａと外側リング４０ｂとを接着により固定してもよいが、内側リング４０ａを外側リング４０ｂから取り外せるよう、ネジ４０ｃを用いるなどして固定するのが望ましい。図１０に示すように、研磨面２ａとの接触によって内側リング４０ａは摩耗するが外側リング４０ｂはほとんど摩耗しない。よって、内側リング４０ａを取り外せるようにしておくことで、摩耗した内側リング４０ａのみを交換でき、コストを削減できる。
【００７８】
内側リング４０ａと外側リング４０ｂとは、少なくともウェハＷを研磨する際には互いに固定されており、一体となって上下方向に移動する。
【００７９】
具体的な構成例として、図１６に示すように、内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂの断面を、互いに係合するＬ字型とする。内側リング４０ａと外側リング４０ｂとが鉛直方向に接する部分に、ネジ穴をそれぞれ形成する。そして、上方からネジ４０ｃをねじこんで内側リング４０ａと外側リング４０ｂとを固定する。外側リング４０ｂにはネジ穴４０ｄが形成されており、図３（ｃ）に示すネジ８３が挿入されることでドライブリング８１にリテーナリング４０が固定される。
なお、この構成はあくまで一例にすぎず、内側リング４０ａと外側リング４０ｂとを取り外し可能に固定する様々な手法があるのは言うまでもない。
【００８０】
リテーナリング４０のメンテナンスとして内側リング４０ａを交換する際には、まずネジ４０ｃを引き抜いて外側リング４０ｂから内側リング４０ａを取り外す。そして、新しい内側リング４０ａを外側リング４０ｂに係合させ、再びネジ４０ｃをねじこんで内側リング４０ａと外側リング４０ｂとを固定すればよい。
【００８１】
なお、必ずしも内側リング４０ａと外側リング４０ｂとを互いに固定せず、両者を別個独立に上下移動できるようにしてもよい。この場合、内側リング４０ａを研磨面２ａに押し付ける力と、外側リング４０ｂを研磨面２ａに押し付ける力は、同じであってもよいし異なっていてもよい。例えば、外側リング４０ｂをより強く研磨面２ａに押し付けてもよい。逆に、外側リング４０ｂをより弱く研磨面２ａに押し付けてもよいし、場合によっては、外側リング４０ｂは研磨面２ａと非接触であってもよい。
【００８２】
外側リング４０ｂを内側リング４０ａと別個に研磨面２ａに押し付ける場合、外側リング４０ｂが無い場合と比べて内側リング４０ａの鉛直方向の磨耗量を抑えることが可能となる。その理由は、外側リング４０ｂが無い場合は内側リング４０ａの外周側が研磨パッド２に強く接触するために内側リング４０ａの摩耗量が大きくなるが、外側リング４０ｂが有る場合には内側リング４０ｂの外周側の研磨パッド２との接触を緩和することが可能となるためである。
【００８３】
図１７は、図９の変形例であるリテーナリング４０’の断面の一部を拡大した図である。本リテーナリング４０’の外側リング４０ｂは、下側リング４０ｂ１と、上側リング４０ｂ２とから構成される。
【００８４】
下側リング４０ｂ１は研磨面２ａと接触するので、内側リング４０ａの材料より耐摩耗性が高く、かつ、化学的に安定な材料、例えばセラミック材料から形成される。上側リング４０ｂ２は、その上面が補強ピン８２、ネジ８３などによって機械的にドライブリング８１と固定される（図３（ｂ），（ｃ））ので、下側リング４０ｂ１の材料より靱性が高い（欠けにくい、あるいは、剛性がある）材料、例えばステンレス鋼の金属材料や樹脂材料から形成される。下側リング４０ｂ１と上側リング４０ｂ２とは、ネジなどで互いに固定されてもよいし、接着により固定されてもよい。
【００８５】
図１８は、リテーナリング４０の下面図である。図示のように、内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂを連通して径方向に延びる複数の溝４０ｄがほぼ等間隔で形成される。研磨面２ａ上に供給された研磨液は、溝４０ｄを通ってリテーナリング４０の内側から外側に、および、外側から内側に流れることができ、効率よくウェハＷを研磨できる。
【００８６】
以上説明したように、リテーナリング４０を内側リング４０ａおよび外側リング４０ｂの２ピース構成とし、外側リング４０ｂに耐摩耗性が高い材料を用いる。これにより、リテーナリング４０の荷重作用点をウェハＷのエッジ部近傍に維持でき、ウェハＷ（特にそのエッジ部）の研磨レートを安定させることができる。
【００８７】
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。
【符号の説明】
【００８８】
１        トップリング
２        研磨パッド
２ａ      研磨面
１０      トップリング本体
４０      リテーナリング
４０ａ    内側リング
４０ｂ    外側リング
４０ｂ１  下側リング
４０ｂ２  上側リング
Ｐ        凸部
Ｗ        基板
【図１】
2016155188.tif 000003
【図２】
2016155188.tif 000004
【図４】
2016155188.tif 000005
【図５】
2016155188.tif 000006
【図６】
2016155188.tif 000007
【図７】
2016155188.tif 000008
【図８】
2016155188.tif 000009
【図９】
2016155188.tif 000010
【図１０】
2016155188.tif 000011
【図１１】
2016155188.tif 000012
【図１２】
2016155188.tif 000013
【図１３】
2016155188.tif 000014
【図１４】
2016155188.tif 000015
【図１５】
2016155188.tif 000016
【図１６】
2016155188.tif 000017
【図１７】
2016155188.tif 000018
【図１８】
2016155188.tif 000019
【図１９】
2016155188.tif 000020
【図３】
2016155188.tif 000021