DE69825266T2

DE69825266T2 - Drehkupplung

Info

Publication number: DE69825266T2
Application number: DE69825266T
Authority: DE
Inventors: Junji Osaka-shi OMIYA; Masato Osaka-shi WADA
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: EP0981000A1; US6412822B1; EP0981000B1; WO1999042748A1; DE69825266D1; EP0981000A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Drehkupplungen oder -verbindungen für Fluide und genauer Drehkupplungen, die es Fluiden – wie einer Polierlösung zum Polieren der Oberflächen eines Siliziumwafers durch chemisch-mechanische Poliertechnik (CMP) – gestatten, durch die sich relativ zueinander drehenden Komponenten zu fließen.
Die JP 3-39648U offenbart eine mechanische Verbindungs- oder Kupplungsdichtung, die ein erstes fixes Körperteil und ein zweites drehbares Körperteil enthält, das konzentrisch in das erste fixe Körperteil eingesetzt ist. Das zweite drehbare Körperteil ist an einem Kugellager gelagert und ist bezüglich des ersten fixen Körperteils drehbar. Das zweite drehbare Körperteil ist mit inneren und äußeren Auslasskanälen versehen. Das erste fixe Körperteil ist mit zwei entsprechenden inneren und äußeren Einlasskanälen versehen. Die zwei inneren Kanäle sind in Fluidverbindung miteinander und sind mit einem ersten stationären Dichtungsring an dem ersten fixen Körperteil und einem ersten rotierenden Dichtungsring an dem zweiten drehbaren Körperteil versehen. Der stationäre Dichtungsring wird durch Federn in engem Kontakt mit dem rotierenden Dichtungsring gehalten, so dass die Dichtungsringe eine hermetische Dichtung bilden. Die zwei äußeren Kanäle sind ebenfalls in Fluidverbindung miteinander und sind, um einen kontinuierlichen Kanal zu bilden, durch die ersten stationären und rotierenden Dichtungsringe und durch einen zweiten sta tionären und einen zweiten rotierenden Dichtungsring abgedichtet. Die zweiten stationären und rotierenden Dichtungsringe werden ebenfalls durch eine Feder in engem Kontakt gehalten, so dass sie eine hermetische Dichtung bilden.
Ein Gerät zum Polieren der Oberfläche eines Siliziumwafers durch CMP, worauf sich diese Erfindung bezieht, wurde in jüngsten Jahren entwickelt. Das Gerät, wie es in den 10 und 11 gezeigt ist, enthält: einen Drehtisch 102, der horizontal rotiert; einen Kissenwellenhalteblock 103, der sich horizontal rückwärts und vorwärts sowie aufwärts und abwärts bewegt; eine von dem Kistenwellenhalteblock 103 gehaltene Polierkissenwelle 104, die zum Drehen veranlasst wird; einen Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105, der auf der sich nicht drehenden Seite in dem Kissenwellenhalteblock 103 ausgebildet ist; einen Zuführ- und Abgabemechanismus 107, der an den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105 für eine Polierlösung, zum Beispiel eine KOH-enthaltende Kieselerdeschmirgelmasse, die in Isopropylalkohol gemischt ist, angeschlossen ist; auf der Drehseite einen Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108, welcher durch die Polierkissenwelle 104 verläuft und sich am Zentralteil eines Kissenkopfes 104a öffnet; und eine Drehkupplung 101, die zwischen dem Kissenwellenhalteblock 103 und der Polierkissenwelle 104 installiert ist, verbindet die zwei Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgänge 105 und 108 in einer solchen Weise, dass die zwei Durchgänge 105 und 108 relativ drehbar sind, während sie miteinander in Verbindung sind.
Durch diese Oberflächenpoliervorrichtung wird der Siliziumwafer 109 auf diese Weise poliert: Zuerst wird der Siliziumwafer 109 an dem Drehtisch 102 mit der Oberfläche 109a aufwärts gehalten, und wird die Polierkissenwelle 104 abwärts bewegt, bis der Kissenkopf 104a in Kontakt mit der Waferoberfläche 109a kommt. Dann wird die Polierlösung 106 mittels einer po sitiven Druckaktion (Spritzoperation der Polierlösungspumpe) des Zuführ- und Abgabemechanismus 107 zwischen den Kissenkopf 104a und den Wafer 109 ausgespritzt. Und die Polierkissenwelle 104 wird gedreht und horizontal rückwärts und vorwärts bewegt, um die Waferoberfläche 109a zu polieren. Nachdem das Polieren vorbei ist, wird der Zuführ- und Abgabemechanismus 107 auf eine negative Druckaktion (Saugoperation der Polierlösungspumpe) geschaltet, um die Reste der Polierlösung 106 in den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgängen 105 und 108 abzusaugen und zu entfernen. Das heißt, dass Sorgfalt angewandt wird, so dass die Reste der Polierlösung 106 in den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgängen 105 und 108 nicht auf die polierte Oberfläche des Wafers tropfen kann, und dies wird durch Schalten der Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgänge 105, 108 von dem positiven Druckmodus zu dem negativen Druck- oder Trockenmodus bewirkt.
Die Drehverbindung oder -kupplung 101, die in jener Oberflächenpoliervorrichtung montiert ist, ist gestaltet, wie nachfolgend angegeben ist. Ein erster Verbindungs- oder Kupplungsköper, der an dem Kissenwellenhalteblock 103 zu montieren ist, ist mit einem zweiten Verbindungs- oder Kupplungskörper verbunden, der an der Polierkissenwelle 104 zu befestigen ist, so dass sich der erste Kupplungskörper und der zweite Kupplungskörper relativ zueinander oder gegeneinander drehen können. Innerhalb des ersten Kupplungskörpers ist ein erster Fluiddurchgangsabschnitt ausgebildet, der mit dem Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105 auf der nicht rotierenden Seite verbunden ist. In dem zweiten Kupplungskörper auf der rotierenden Seite ist ein zweiter Fluiddurchgangsabschnitt ausgebildet, der mit dem Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108 verbunden ist. Ein Raum, der zwischen den zwei Schmirgelfluiddurchgangsabschnitten ausgebildet ist, ist mit einem Dichtungsglied abgedichtet, das zwischen den sich relativ drehenden entgegengesetzten Flächen des ersten Kupplungskörpers und des zweiten Kupplungskörpers angeordnet ist. Ein Beispiel eines solchen Dichtungsgliedes sind Dichtungsflächen, die an den entgegengesetzten Teilen der sich relativ drehenden ersten und zweiten Kupplungskörper ausgebildet sind, die miteinander in Kontakt und gegeneinander gedrückt werden. Ein anderes Beispiel zum Abdichten der sich relativ drehenden Teile sind elastische Dichtungsmaterialen, wie ein O-Ring.
Die solchermaßen gestaltete Drehkupplung 101 zeigt die folgenden Probleme. Die Polierlösung 106 ist nämlich ein Schmirgelfluid, das abrasive Körner enthält. Jene abrasiven Körner neigen dazu, einzudringen und abgelagert zu werden zwischen den Dichtungsflächen, was es schwierig macht, die Dichtungsflächen in einer guten Weise über eine lange Zeitdauer zu erhalten. Auch werden die Dichtungsflächen im Kontakt mit der Polierlösung 106 verschlissen, wodurch sie die Dichtungsfunktion in einer kurzen Zeitdauer verlieren. Ein anderes Problem ist, dass Verschleißteilchen, die von den Dichtungsflächen kommen, und Bestandteile, die sich aus der elastischen Dichtung herauslösen, in die Polierlösung 106 gemischt werden, was das Polieren der Waferoberfläche 109a stört. Das Eindringen und die Ablagerung solcher abrasiver Körner und das Verschleißen der Dichtungsoberflächen treten noch offensichtlicher insbesondere beim Schalten der Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgänge 105, 108 vom positiven Druck- zum negativen Druck- oder Trockenmodus auf. Insbesondere im Trockenmodus wird den Dichtungsoberflächen wegen Reibungswärme ein Angriff aufgebürdet. Wenn das Eindringen und die Ablagerung von abrasiven Körnern und das Verschleißen der Dichtungsoberflächen die Dichtungsleistung beeinträchtigen, kann Polierlösung 106 aus den Dichtungsoberflächen lecken, was solche Probleme verursacht, wie Verschmutzen der Waferoberfläche 109a und Kriechen in die Lager zwischen den ersten und zweiten Kupplungskörpern und Hindern der Polierkissenwelle 104 am ruhigen Dre hen. Es kann von einer solchen Drehkupplung 101 kaum ein gutes Polieren erhofft werden.
Jenen Problemen begegnet man bei der Drehkupplung 101 nach dem Stand der Technik nicht nur bei der vorerwähnten Oberflächenpoliervorrichtung, sondern auch bei Drehausstattungen, bei welchen eine schmirgelfluidähnliche Polierlösung oder ein korrosives Fluid zwischen Komponententeilen fließen muss, die sich mit einer Drehzahl höher als ein bestimmtes Niveau drehen. Deshalb bestand ein heftiger Wunsch, dass eine Lösung für die Probleme gefunden werden sollte, aber die Tatsache ist, dass keine Drehkupplung für Fluide entwickelt wurde, die eine stabilisierte Dichtungsleistung über eine lange Zeit zeigt.
Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehkupplung bereitzustellen, die einen ruhigen Fluss eines Schmirgelfluids, wie eine Polierlösung oder ein korrosives Fluid, durch sich relativ drehende Komponententeile ohne Leckage gestattet, und die eine Oberflächenpoliervorrichtung oder andere Ausstattung die vorher erwähnte Funktion geeignet ausführen lässt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehkupplung bereitzustellen, die immer eine gute und stabile Dichtungsleistung zeigt, ungeachtet der Dichtungsbedingungen, wie dem Druck und den Eigenschaften des Fluids, womit die Kontamination von Fluiden und der Umgebung perfekt verhindert wird, und die zur Verwendung in einer Vielzahl von Ausstattungen geeignet ist, wo ein hoher Grad an Reinheit erforderlich ist.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehkupplung zu schaffen, die gleichzeitig einen ruhigen Fluss eines schmirgelfluidähnlichen Polierfluids und einer oder mehrerer Arten von Flüssigkeiten oder Gasen zwischen den zwei Kupplungskörpern gestattet, womit ein weiter Bereich von Anwendungen eröffnet wird.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehkupplung bereitzustellen, die in der Größe im maximalem Ausmaß reduziert werden kann.
Jene Ziele werden durch eine Drehkupplung erreicht, wie sie im Anspruch 1 unten beansprucht ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine der zwei entgegengesetzten Endseiten der zwei Dichtungsringe bei der vorerwähnten Dichtungseinheit verjüngt oder gespitzt. In anderen Worten ist eine der entgegengesetzten Dichtungsendseiten der Dichtungsringe in der kreisartigen Form mit einer geringen Breite in der Radialrichtung. Die Breite in der Radialrichtung der kreisartigen Seite ist vorzugsweise auf 0,1 bis 0,8 mm, noch bevorzugter 0,4 bis 0,7 mm, eingestellt. Es ist auch wünschenswert, dass die inneren und äußeren Umfangsseiten, die die verjüngte oder gespitzte Dichtung bilden, im Querschnitt konisch sind und unter einem identifizierten Winkel von 105° bis 150° relativ zu der Dichtungsendseite sind.
Gemäss der Erfindung ist die primäre Dichtungseinheit als eine mechanische Dichtung ausgebildet mit 0 ≤ K ≤ 0,6, wobei K das Gleichgewichtsverhältnis ist.
Die Dichtungsringe in der primären Dichtungseinheit bestehen aus Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Fluororesin oder PEEK (Polyether-Ether-Keton). Es ist wünschenswert, dass wenigstens die Dichtungsendseiten der Dichtungsringe aus Siliziumcarbid bestehen sollten. Bevorzugte Grade von Siliziumcarbid für den Zweck sind nicht höher als 200 ppm im Gesamtmetallgehalt.
Es ist wünschenswert, dass der stationäre Dichtungsring aus einer zylindrischen Form besteht und über das Ende des Kupplungskörpers aufgepasst oder in eine Ausnehmung eingepasst ist, die in dem Endteil des Kupplungskörpers ausgebildet ist.
Falls es erforderlich ist, dass die primären Fluide, die in den Hauptfluiddurchgängen fließen, nicht mit Metallen in der Drehkupplung kontaminiert werden sollen, ist es erwünscht, dass die Teile des primären Fluiddurchganges, die in Kontakt mit den Fluiden kommen, aus einem Material bestehen sollten, das keine Metallkomponenten abgibt, wenn es damit in Kontakt kommt.
Das Material, das keine Metallkomponenten abgibt, wenn es mit dem Fluid in Kontakt kommt, bedeutet ein Material, das keine Metallionen abgibt, wenn es in Kontakt mit dem Fluid kommt, das durch den primären Fluiddurchgang fließt, oder das, falls das Fluid feste Bestandteile enthält, wie abrasive Körner, keine Metallpartikel erzeugt, wenn es in Kontakt mit den festen Bestandteilen kommt. Unter solchen Materialien sind allgemein Kunststoffe und Siliziumcarbide. Die Weisen, aus einem solchen Material die Teile des Fluiddurchganges zu bilden, die in Kontakt mit dem Fluid kommen, enthalten die folgenden zwei Beispiele: Eines, bei welchem nur die Teile, die in direkten Kontakt mit dem Fluid kommen, aus jenen Materialien bestehen, wie durch Beschichten; und der andere Fall, in dem die Komponententeile der zwei Kupplungskörper, in welchen Fluiddurchgänge ausgebildet sind, oder alle Komponententeile der zwei Kupplungskörper und der Dichtungsringe aus jenen Materialien bestehen. Es ist erwünscht, dass wenigstens die Innenwände des jeweiligen primären Fluiddurchgangsabschnittes (einschließlich der Komponententeile der zwei Kupplungskörper oder das Ganze der zwei Kupplungskörper) aus zum Beispiel einem Kunststoffmaterial bestehen, das inert oder beständig gegen das fließende Fluid ist. Das inerte oder beständige Kunststoffmaterial wird auf der Basis der Eigenschaften des Fluids ausgewählt. Wenn zum Beispiel das Fluid feste Bestandteile, wie abrasive Körner, enthält, sollte ein Kunststoffmaterial, das auszuwählen ist, frei von Verschleiß- und Ablöseteilchen sein, wenn es in Kontakt mit den festen Bestandteilen kommt. Wenn das Fluid eine heiße Temperatur hat, sollte das auszuwählende Kunststoffmaterial hitzebeständig sein. Wenn das Fluid korrosiv ist, sollte das auszuwählende Kunststoffmaterial beständig gegen Korrosion sein. Konkrete Beispiele sind technische Kunststoffe, wie PEEK, PES (Polyethersulfon) und PC (Polykarbonat), die frei von Verschleiß- und Ablöseteilchen sind, wenn sie in Kontakt mit den festen Bestandteilen, wie abrasiven Körnern, kommen, und ausgezeichnet in der Werkstückdimensionstabilität sind, und hitzebeständige und korrosionsbeständige Kunststoffe, wie PTFE (Polytetrafluoroethylen-Kunststoff) PFA (Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkoxy-Vinylether-Copolymer) und FEP (fluorinierte Ethylen-Propylen-Copolymerkunststoffe).
Gemäss der Erfindung wird ein Kühlwasserraum bereitgestellt, wo das Kühlwasser zugeführt und zirkuliert wird, um den Kontaktbereich der zwei Dichtungsringe zu kühlen. Dieser Raum ist ein Bereich an der Außenumfangsseite der zwei Dichtungsringe, zwischen der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers und der Innenumfangsoberfläche des ersten Kupplungskörpers ausgebildet und mit einer Umfangsseitendichtungseinheit abgedichtet, die zwischen den Umfangsoberflächen und der primären Dichtungseinheit vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ist der erste Kupplungskörper mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung versehen, die sich in dem Kühlwasserraum öffnen, so dass das Kühlwasser zirkuliert werden kann.
Ferner wird, falls ein Fluid durch einen anderen Durchgang als den primären Fluiddurchgang fließen muss, eine kontinu ierliche Leitung eines Hilfsfluiddurchgangs aus zwei Hilfsfluiddurchgangsabschnitten und einem Verbindungsbereich gebildet. Der Verbindungsbereich ist ein Raum zwischen der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers und der Innenumfangsfläche des ersten Kupplungskörpers, der den zweiten Kupplungskörper konzentrisch umgibt und mit einigen Umfangsseitendichtungseinheiten abgedichtet ist, die dazwischen angeordnet sind, und in der Richtung der Drehachse angeordnet ist. Die ersten und zweiten Hilfsfluiddurchgangsabschnitte öffnen sich an dem Verbindungsbereich und sind in einer solchen Weise ausgebildet, um die primären Fluiddurchgangsabschnitte nicht zu kreuzen.
Eine bevorzugte Umfangsdichtungseinheit ist eine mechanische Dichtung, die einen stationären Dichtungsring, der an der Innenumfangsoberfläche des ersten Kupplungskörpers fixiert ist, und einen sich drehenden Dichtungsring enthält, der an der Außenumfangsoberfläche – konzentrisch mit und entgegengesetzt zu dem stationären Dichtungsring – in der Axialrichtung gehalten und gegen den stationären Dichtungsring gedrängt wird. In einer solchen Anordnung ist es wünschenswert, dass die Innenumfangsoberfläche des stationären Dichtungsringes in wenigstens einer der Umfangsseitendichtungseinheiten als ein ringförmiges Lager dient, das über die Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers aufgepasst ist, während es dem zweiten Kupplungskörper gestattet ist, drehbar zu bleiben. In den Umfangsdichtungseinheiten ist eine Plattenfeder, die elastisch in der Form in der Axialrichtung änderbar ist, als ein Druckmechanismus bevorzugt, um den sich drehenden Dichtungsring gegen den stationären Dichtungsring zu drängen. Die Dichtungsringe in der Umfangsseitendichtungseinheit bestehen aus Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Fluororesin, PEEK oder Kohlenstoff. Es ist erwünscht, dass einer der zwei Dichtungsringe in der Umfangsseitendichtungseinheit aus Siliziumcarbid besteht und der andere aus Kohlenstoff besteht.
In den jeweiligen Kupplungskörpern ist es auch erwünscht, dass wenigstens die Innenwand der Hilfsfluiddurchgangsabschnitte aus einem Kunststoffmaterial besteht, das inert oder beständig gegen das Fluid ist, das durch die Hilfsfluiddurchgangsabschnitte fließt. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des fließenden Fluids ist ein Kunststoffmaterial aus solchen technischen Kunststoffen, wie PEEK, PES und PC, und korrosionsbeständigen Kunststoffen, wie PTFE, PFA und FEP, ausgewählt.
Die Kontaktbereiche zwischen den Dichtungsringen in der primären Dichtungseinheit und in der Umfangsseitendichtungseinheit und die Kupplungskörper sind sekundär durch einen O-Ring abgedichtet. Ein bevorzugter O-Ring besteht aus Fluorogummi oder Fluororesin.
Es folgt lediglich beispielsweise eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Beispiels der Drehkupplung, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Kernteils von 1.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines anderen Kernteils von 1.
4 ist eine vertikale Schnittansicht einer Variation der Drehkupplung, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Kernteils von 4.
6 ist eine der 1 entsprechende vertikale Schnittansicht, die eine andere Variation der Drehkupplung zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Kernteils von 6.
8 ist eine der 1 entsprechende vertikale Schnittansicht, die noch eine andere Variation der Drehkupplung zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
9 ist eine vergrößerte Ansicht des Kernteils von 8.
10 ist eine schematische Seitenansicht einer Oberflächenpoliervorrichtung, die mit einer Drehkupplung ausgestattet ist.
11 ist eine vergrößerte Ansicht des Kernteils von 10.
Die 1 bis 9 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Drehkupplung der vorliegenden Erfindung. Es ist zu verstehen, dass die Ausdrücke "ober" oder "über" und "unter" oder "darunter" zur Erleichterung beim Beschreiben der vorliegenden Erfindung verwendet werden und nur bei jenen Zeichnungen anwendbar sind.
Ausführungsbeispiel 1
Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel betrifft ein Beispiel, bei welchem die vorliegende Erfindung bei der Drehkupplung 101 angewandt ist, die an der Oberflächenpoliervorrichtung zu montieren ist, wie sie vorher beschrieben wurde. Wie in der 10 gezeigt ist, ist die Drehkupplung 101 zwischen dem Kissenwellenhalteblock 103 und der Polierkissenwelle 104 platziert, so dass der Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105 an der sich nicht drehenden Seite mit dem Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108 an der sich drehenden Seite kommunizieren kann.
Die Drehkupplung der vorliegenden Erfindung – die erste Drehkupplung 101A – bei diesem Ausführungsbeispiel, wie es in der 1 gezeigt ist, enthält: einen ersten Kupplungskörper 1, der an dem Kissenwellenhalteblock 103 zu fixieren ist; einen zweiten Kupplungskörper 2, der an der Polierkissenwelle 104 zu fixieren ist; eine primäre Dichtungseinheit 3 und eine Mehrzahl von Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5, die zwischen den zwei Kupplungen 1, 2 zu platzieren sind; und eine kontinuierliche Leitung eines primären Fluiddurchgangs oder eines Schmirgelfluiddurchgangs 6; und einen Hilfsfluiddurchgang oder Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang 7.
Der erste Kupplungskörper 1 enthält, wie in der 1 gezeigt ist, eine zylindrische Seitenwand 10, die eine Innenumfangsoberfläche 10a hat, und eine Endwand 11, die an der Oberseite der Seitenwand 10 fixiert ist, um die Oberseite zu versperren. Die Seitenwand 10 besteht aus einem Metallmaterial, wie rostfreiem Stahl (bei diesem Beispiel der Grad von Stahl unter der JIS-Bezeichnung "SUS 304"). Die Endwand 11 besteht aus technischen Kunststoffen, wie PEEK, PES und PC, die frei von Verschleiß- und Ablöseteilchen, wenn sie in Kon takt mit abrasiven Körnern kommen, und ausgezeichnet in der Werkstückdimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit sind, weil ein erster Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60, wo Polierlösung 106 fließt, in der Endwand 11 ausgebildet ist, wie später zu beschreiben ist. Bei diesem Beispiel ist PEEK verwendet.
Der zweite Kupplungskörper 2 ist, wie in der 1 gezeigt ist, aus einem zylindrischen Hauptteil 20, einem Dichtungsringrückhalter 21, der an der Oberseite des Hauptteils 20 ausgebildet ist, einem plattenähnlichen Flanschteil 22, das am Boden des Hauptteils 20 ausgebildet ist, und einer zylindrischen Hülse 23 gebildet, die über das Hauptteil 20 aufgepasst ist. Die Teile des zweiten Kupplungskörpers 2, mit Ausnahme der Hülse 23, – das Hauptteil 20, der Dichtungsringhalter 21 und das Flanschteil 22 – sind integral ausgebildet. Jene Teile 20, 21 und 22 haben einen zweiten Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 61 für Polierlösung darin ausgebildet, wie später beschrieben wird. Daher bestehen jene Teile als der erste Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60 aus technischen Kunststoffen, wie PEEK, PES und PC, die verschleißbeständig gegen abrasive Körner und exzellent in der Werkstückdimensionstabilität und in der Hitzebeständigkeit sind. Bei dem vorliegenden Beispiel ist PEEK angenommen. Der Dichtungsringrückhalter ist konzentrisch mit dem Hauptteil 20 und kreisartig im Schnitt mit einem kleineren Durchmesser als jener des Hauptteils 20. Wie die Seitenwand 10 besteht die Hülse 23 aus einem Material, wie rostfreiem Stahl. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Grad von rostfreiem Stahl unter der JIS-Bezeichnung "SUS 304" verwendet.
Der zweite Kupplungskörper 2 wird von dem ersten Kupplungskörper gehalten und ist drehbar, wobei ein Lager 13 zwischen der Seitenwand 10 und der Hülse 23 an den unteren Enden davon liegt, und wobei die Teile des zweiten Kupplungskörpers 2, mit Ausnahme des Flanschteils 22, – das Hauptteil 20, der Dichtungsringrückhalter 21 und die Hülse 23 – in den ersten Kupplungskörper 1 eingesetzt sind. Der zweite Kupplungskörper 2, dessen Flanschteil 22 an der Polierkissenwelle 104 montiert ist, ist gezwungen, sich mit der Polierkissenwelle 104 zu drehen.
Die primäre Dichtungseinheit 3 besteht, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, aus einem stationären Dichtungsring 3, der an dem zweiten Kupplungskörper 2 vorgesehen ist, einem beweglichen Dichtungsring 31, der an dem ersten Kupplungskörper 1 vorgesehen ist, einem Drehstopper 32 und einem Druckmechanismus 33, der zwischen dem beweglichen Dichtungsring 31 und dem ersten Kupplungskörper 1 vorgesehen ist.
Der stationäre Dichtungsring 30 besteht, wie in der 2 gezeigt ist, aus einem ringförmigen Hauptteil 30a und einem zylindrischen Fixierteil 30b, das darunter vorgesehen und integral mit dem Hauptteil 30 ausgebildet ist. Bestehend aus Siliziumcarbid ist der Ring 30 konzentrisch zum zweiten Kupplungskörper 2 fixiert, wobei das Fixierteil 30b über den Dichtungsringrückhalter 21 aufgepasst ist, Die obere Endseite des Hauptteils 30a ist eine glatte Dichtungsendseite 30c senkrecht zu der Axialrichtung des zweiten Kupplungskörpers 2. Der Passbereich zwischen dem stationären Teil 30b und dem Dichtungsringrückhalter 21 ist zur sekundären Abdichtung mit einem O-Ring 24 versehen, der in dem Außenumfangsteil des Dichtungsringrückhalters 21 gehalten wird. Der O-Ring 24 besteht aus Fluororesin oder Fluorogummi, zum Beispiel "Viton" oder "Kalrez" (Du Pont).
Der bewegliche Dichtungsring 31, der aus Siliziumcarbid besteht, enthält ein ringförmiges Hauptteil 31a und einen zylindrischen Rückhalter 31b, der am oberen Ende davon vorgesehen und integral ausgebildet ist, wie in der 2 gezeigt ist. Der Ring wird in dem ersten Kupplungskörper 1 konzentrisch mit dem stationären Dichtungsring 30 und in der Axialrichtung beweglich gehalten, wobei der Rückhalter 31b in ein Retentionsloch 11a eingepasst ist, das in der Endwand 11 ausgebildet ist. Der Passbereich zwischen dem Rückhalter 31b und dem Retentionsloch 11a ist für eine sekundäre Abdichtung mit einem O-Ring 14 versehen, der in dem Innenumfangsteil des Retentionsloches 11a gehalten wird. Der O-Ring besteht aus Fluororesin oder Fluorogummi, wie zum Beispiel "Viton" oder "Kalrez" (Du Pont). Der Außendurchmesser des Hauptteils 31a ist gestaltet, um eine bestimmte Größe größer als jener des Rückhalters 31b zu sein. Das untere Endteil des beweglichen Dichtungsringes 31 ist im vertikalen Querschnitt zugespitzt, wobei sich die Außenumfangsoberfläche des Hauptteils 31a verjüngt oder im Durchmesser verringert hin zum unteren Ende, während sich die Innenumfangsoberfläche ausdehnt. Die untere Endseite des gespitzten unteren Endteils des beweglichen Dichtungsrings 31 ist eine ringartige Dichtungsendfläche 31c, die konzentrisch ist mit und in linearen Kontakt kommt mit der Dichtungsendseite 30c. Der Außenseitendurchmesser der Dichtungsendseite 31c ist grob gleich jenem des Rückhalters 31b.
Der Rotationsstoppermechanismus 32 hält den beweglichen Dichtungsring 31 vom Rotieren in Bezug auf den ersten Kupplungskörper 1 ab, während er dem Ring 31 gestattet, sich in der Axialrichtung zu bewegen. Dieser Mechanismus 32 ist, gemäss 2, in dem unteren Endteil der Endwand 11 des ersten Kupplungskörpers 1 vorgesehen. Einer oder eine Mehrzahl von Rotationsstoppern 32a sind in der Axialrichtung in dem Außenumfangsteil des Retentionsloches 11a eingebettet. In dem Außenumfangsteil des Hauptteils 31a des beweglichen Dichtungsrings 31 ist/sind einer oder mehrere Eingriffslöcher 32b ausgebildet, mit welchen die Stopperstifte 32a in Eingriff kommen.
Der Druckmechanismus 33 enthält, wie in der 2 dargestellt ist, eine Mehrzahl von Federn 33a, die zwischen dem oberen Ende des Hauptteils 31a des beweglichen Dichtungsrings 31 und dem entgegengesetzten unteren Ende der Endrand 11 des ersten Kupplungskörpers 1 angeordnet sind, wobei der bewegliche Dichtungsring 31 zu dem stationären Dichtungsring 30 gedrückt wird, so dass die zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c gedrängt werden können gegen und in Kontakt kommen können mit einander.
Die primäre Dichtungseinheit 3 arbeitet auf dieselbe Weise wie die mechanische Dichtung des Endseitenkontakttyps. In anderen Worten schafft bei dem sich drehenden zweiten Kupplungskörper 2 der gleitende Drehkontakt eine Abdichtung zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c, das heißt zwischen dem Bereich 3a an der Innenumfangsseite der zwei Dichtungsringe 30, 31 (dem ersten Verbindungsbereich) und dem Bereich 3b an der Außenumfangsseite derselben. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass erwünscht ist, dass die Faktoren, wie die Dimensionen der jeweiligen Komponenten, einschließlich dem Durchmesser der gespitzten Dichtungsendseite 31c, so eingestellt sind, um eine gute Dichtungsleistung der Dichtungsendseiten 30c, 31c sicherzustellen und aufrecht zu erhalten, ungeachtet der Umkehrung der Druckbeziehung zwischen den Bereichen 3a und 3b, die auftritt, wenn der Polierlösungszuführ- und -abgabemechanismus 107 unter dem negativen Druckmodus ist (wenn der Schmirgelfluiddurchgang 6 auf den Trockenmodus geschaltet wird). Jene Faktoren sind vorzugsweise so eingestellt, um zum Beispiel das Gleichgewichtsverhältnis auf Null zu bringen, das später beschrieben wird.
Zusätzlich ist eine Mehrzahl von Umfangsseitendichtungseinheiten zwischen der Hülse 23 oder dem Außenumfangsteil des zweiten Kupplungskörpers 2 und dem Innenumfangsteil des er sten Kupplungskörpers 1 vorgesehen, d. h. der Innenumfangsoberfläche 10a der Seitenwand 10, die die Hülse 23 konzentrisch umgibt. Bei dem vorliegenden Beispiel sind erste und zweite Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 zwischen der Hülse 23 und der Innenumfangsoberfläche 10a der Seitenwand 10 installiert und in der Richtung der Drehachse (Vertikalrichtung) des zweiten Kupplungskörpers angeordnet, wie in der 1 gezeigt ist.
Die erste Umfangsseitendichtungseinheit 4 ist eine mechanische Dichtung des Endflächenkontakttyps, die, wie in den 1 und 3 gezeigt ist, zwischen der Seitenwand 10 und der Hülse 23 angeordnet ist, welche das untere Ende des Bereichs 3b an dem äußeren Umfang der Dichtungsringe 30, 31 abdichtet. Und der Bereich 3b dient als Kühlwasserraum 3d. Zur weiteren Darstellung ist die erste Umfangsseitendichtungseinheit 4, wie in der 3 gezeigt ist, gebildet aus: einem stationären Kohlenstoffdichtungsring 43, der eingepasst und gehalten ist in der Innenumfangsoberfläche 10a der Seitenwand 10 mit einem O-Ring 42, der dazwischen angeordnet ist; einem Drehdichtungsring 45 aus Siliziumcarbid, der unter dem stationären Dichtungsring 43 und um die Hülse 23 gehalten und in der Axialrichtung mit einem O-Ring 44 beweglich ist, der zwischen dem Ring 45 und der Hülse 23 angeordnet ist; einem Federrückhalter 46, der an der Hülse 23 unter dem Drehdichtungsring 45 befestigt ist; und eine Feder 47, die zwischen den Drehdichtungsring 45 und den Federrückhalter 46 gesteckt ist, um den Drehdichtungsring 45 zu dem stationären Dichtungsring 43 zu drücken. Und die relative Drehung der und der Gleitkontakt zwischen den zwei Dichtungsringe(n) 43 und 45 erzeugt eine Abdichtung zwischen dem Außenumfangsbereich 4a und dem Innenumfangsbereich, das heißt dem Kühlwasserraum 3b. Der Drehdichtungsring 45 ist in dem zweiten Kupplungskörper 2 gehalten und in der Axialrichtung drehbar, aber durch einen Eingriffsvorsprung 46a nicht relativ drehbar, der mit einer Ein griffsnut 45a in Eingriff ist, wie in der 1 dargestellt ist. Der Vorsprung 46a ist an dem Federrückhalter 46 ausgebildet, während die Eingriffsnut 45a in dem Außenumfangsteil des Drehdichtungsringes 45 vorgesehen ist. Die Feder 47, die bei diesem Beispiel verwendet wird, ist eine tellerartige Plattenfeder, wie in der 3 gezeigt ist.
Somit wird das Kühlwasser 8 in den Kühlwasserraum 3b durch eine Einlassöffnung 10b zugeführt, die in der Seitenwand 10 des ersten Kupplungskörpers 1 vorgesehen ist, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. Es ist geplant, dass dieses Kühlwasser 8 die Dichtungsringe 30, 31 der primären Dichtungseinheit 3 kühlt. Das Kühlwasser, das dort verwendet wird, ist allgemein sauberes Wasser auf Zimmertemperatur. Die Seitenwand 10 hat eine in der Seitenwand 10 ausgebildete Auslassöffnung 10c, die sich in den Kühlwasserraum 3d öffnet, so dass das Kühlwasser 8 innerhalb des Kühlwasserraums 3b zirkulieren kann.
Die zweite Umfangsseitendichtungseinheit 5 ist auch eine mechanische Dichtung des Endseitenkontakttyps, vorgesehen unterhalb der ersten Umfangsdichtungseinheit 4 und der Seitenwand 10 und der Hülse 23. Die zweite Einheit 5 ist vom selben Aufbau, aber axial symmetrisch zu der ersten Einheit 4. Zur weiteren Darstellung ist die zweite Umfangsseitendichtungseinheit 5, wie in der 3 gezeigt ist, aus den folgenden Komponenten gebildet: einem stationären Kohlenstoffdichtungsring 53, der eingepasst und fixiert ist in der innenumfangsoberfläche 10a der Seitenwand 10 mit einem dazwischen angeordneten O-Ring 52; einem Drehdichtungsring 55 aus Siliziumcarbid, der über den stationären Dichtungsring 53 und um die Hülse 23 gehalten und in der Axialrichtung mit einem O-Ring 54 dazwischen beweglich ist; dem Federrückhalter 46, der auf die Hülse 23 über dem Drehdichtungsring 55 aufgeklemmt ist; und einer Feder 57, die zwischen den Drehdichtungsring 55 und den Federrückhalter 46 gesteckt ist, um den Drehdichtungsring 55 zu dem stationären Dichtungsring 53 zu drücken. Und die relative Drehung der und der Gleitkontakt zwischen den zwei Dichtungsringe(n) 53 und 55 erzeugt eine Abdichtung zwischen dem Außenumfangsbereich 4a und dem Innenumfangsseitenatmosphärenbereich 4b auf der Lagerseite. Der Federrückhalter 46 wird mit der ersten Umfangsdichtungseinheit 4 geteilt. Genau wie der Drehdichtungsring 45 in der ersten Umfangsseitendichtungseinheit 4 ist der Drehdichtungsring 55 an dem zweiten Kupplungskörper 2 gehalten und in der Axialrichtung drehbar, aber nicht relativ drehbar durch Eingriff eines Eingriffsvorsprungs 56a mit einer Eingriffsnut 55a. Der Vorsprung 56a ist in dem Federrückhalter 46 ausgebildet, während die Nut 55a in dem Außenumfangsteil des Drehdichtungsringes 55 vorgesehen ist. Der Außenumfangsbereich 4a ist ein Verbindungsbereich 4a – nachfolgend als ein zweiter Verbindungsbereich bezeichnet –, wobei der schleifenförmige Bereich zwischen den Außen- und Innenumfangsseitenoberflächen 10a, 23 an den oberen und unteren Enden durch die ersten und zweiten Umfangsdichtungseinheiten 4, 5 abgeschlossen ist. Die O-Ringe 42, 44, 52 und 54 bestehen alle aus Fluorogummi oder Fluororesin, wie die O-Ringe 14, 24.
Der Schmirgelfluiddurchgang 6 ist ein kontinuierlicher, der aus dem ersten Primärfluiddurchgangsabschnitt oder dem ersten Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60, der in dem ersten Kupplungskörper 1 ausgebildet ist, und dem zweiten Primärfluiddurchgangsabschnitt oder dem zweiten Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 61 gebildet ist, der in dem zweiten Kupplungskörper 2 ausgebildet ist, wobei die zwei Abschnitte 60, 61 über den ersten Verbindungsbereich 3a, der durch die erste Primärdichtungseinheit 3 abgedichtet ist, kommunizieren. Der Durchgang 6 ist mit den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgängen 105, 108 zu verbinden. Der erste Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60 ist in der Endwand 11 des ersten Kupplungskörpers ausgebildet. Ein Ende des ersten Schmirgel fluiddurchgangsabschnittes 60 führt in den ersten Verbindungsbereich 3a und das andere Ende öffnet sich in die Außenumfangsoberfläche der Endwand 11. An diese Öffnung ist der Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105 auf der nicht rotierenden Seite des Kissenwellenhalteblockes 103 angeschlossen, an welchem der erste Kupplungskörper 1 montiert ist. Der zweite Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 61 geht durch das Hauptteil 20 des zweiten Kupplungskörpers 2, den Dichtungsringrückhalter 21 und das Flanschteil 22 längs der Drehachse des zweiten Kupplungskörpers 2 hindurch. Ein Ende des zweiten Schmirgelfluiddurchgangsabschnittes 61 führt in den ersten Verbindungsbereich 3a, wobei sich das andere Ende an dem unteren Endteil des Flanschteils 22 öffnet. Diese Öffnung ist an den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108 an der Drehseite oder der Polierkissenwelle 104 anzuschließen, an welcher der zweite Kupplungskörper 2 montiert ist. Damit die Oberflächenpolierarbeit mit der Oberflächenpoliervorrichtung besser erledigt wird, ist es erwünscht, dass ein Kissenkopf 104a mit einer Mehrzahl von Luftblasöffnungen 108a um die Öffnung des Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgangs 108 auf der Drehseite versehen ist. Durch jene Luftblasöffnungen 108a wird Druckluft ausgeblasen, um ein Dispergieren von Polierlösung 106 gleichmäßig zu unterstützen, wenn die Lösung 106 zwischen den Kissenkopf 104a und den Siliziumwafer 109 ausgespritzt wird, und auch, um den Polierrest zwischen den zwei Teilen 104a, 109 so schnell wie möglich zu entfernen.
Der Hilfsfluiddurchgang, das heißt der Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang, ist ausgebildet, um Druckluft 106a zu jenen Luftblasöffnungen 108a zuzuführen. Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, ist der Durchgang 7 ein kontinuierlicher Durchgang, der aus einem ersten Hilfsfluiddurchgangsabschnitt oder einem ersten Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 70, der in dem ersten Kupplungskörper 1 gebildet ist, und einem zweiten Hilfsfluiddurchgangsabschnitt oder einem zweiten Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 71 ausgebildet ist, der in dem zweiten Kupplungskörper 2 ausgebildet ist, welche zwei Abschnitte miteinander durch den zweiten Verbindungsbereich 4a kommunizieren, der durch die ersten und zweiten Umfangsdichtungseinheiten 4, 5 geschlossen ist. Der erste Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 70, der in den zweiten Verbindungsbereich 4a führt, geht durch die Seitenwand 10 des ersten Kupplungskörpers 1. An diesen ersten Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 70 ist ein Luftzuführer 72 angeschlossen, der zu einer geeigneten Druckluftzuführquelle (nicht gezeigt) führt, durch welche das Nicht-Schmirgelmedium-Fluid, das heißt Druckluft 106a, zugeführt wird. Der sekundäre Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 71 enthält einen Zirkularpfad 71a, der gebildet ist durch Schließen eines rohrartigen Raumes um die Außenumfangsoberfläche des Hauptteils 20 mit der Hülse 23, einen Zirkularpfad 71b oder einen ringförmigen Raum, der den zweiten Schmirgelmitteldurchgangsabschnitt 61 umgibt und sich an dem unteren Ende des Flanschteils 22 öffnet, einen Pfad 71c, der in dem Hauptteil 20 ausgebildet ist, um die zwei Zirkularpfade 71a, 71b zu verbinden, und einen Einlasspfad 71b, der in der Hülse 23 und in dem Federrückhalter 46 ausgebildet ist, um es dem Zirkularpfad 71a zu gestatten, mit dem zweiten Verbindungsbereich 4a zu kommunizieren. Der Zirkularpfad 71b oder der untere Öffnungsteil des zweiten Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnittes 71 ist so gestaltet, um mit den Luftblasöffnungen 108 zu kommunizieren, wenn der zweite Kupplungskörper 2 an der Polierkissenwelle 104 angebracht ist.
Bei der Oberflächenpoliervorrichtung kann, wie in der 10 gezeigt ist, die somit aufgebaute Drehkupplung – die erste Drehkupplung 101A – Polierlösung 106 ohne solche Probleme zuführen und ausgeben, wie vorher angegeben wurde, und das Po lieren der Oberfläche eines Silikonwafers 109 durch die Oberflächenpoliervorrichtung mit befriedigenden Ergebnissen sicherstellen.
Das heißt, dass bei einer Polieroperation mit einer sich drehenden Polierkissenwelle 104 die Polierlösung 106 von dem Zuführ- und -abgabemechanismus 107 durch den Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 105 auf der sich nicht drehenden Seite in dem Kissenwellenhalteblock 103 und dem Schmirgelfluiddurchgang 6 in der Drehkupplung (die erste Drehkupplung 101A) zu dem Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108 der Polierkissenwelle 104 auf der sich drehenden Seite fließt. In dem Schmirgelfluiddurchgang 6 werden der erste Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60 in dem ersten Kupplungskörper 1 und der zweite Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 61 in dem zweiten Kupplungskörper 2 gezwungen, sich relativ zueinander zu drehen, wenn sich die Polierkissenwelle 104 dreht. Die Polierlösung 106 fließt durch den Schmirgelfluiddurchgang 6 ohne aus den zwei Durchgangsabschnitten 60, 61 zu lecken, weil der erste Verbindungsabschnitt 3a, der die zwei Durchgänge 60, 61 verbindet, durch gleitenden Kontakt zwischen dem stationären Dichtungsring 30 und dem beweglichen Dichtungsring 31 abgedichtet ist, die sich relativ drehen.
Es könnten Bedenken bestehen, dass die Polierlösung 10 anhaften wird und sich sammeln wird am Kontaktbereich zwischen den zwei Dichtungsringen 30, 31. Tatsächlich aber würden Anhaftungen von dem gespitzten Ende des beweglichen Dichtungsringes abgeschabt. Keinen festen Bestandteilen oder abrasiven Körnern in der Polierlösung 106 ist es gestattet, zu gelangen in und abgelagert zu werden zwischen den zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c. Das heißt, dass die zwei Dichtungsseiten 30c, 31c in einem guten Kontaktzustand gehalten werden, ohne eine Möglichkeit, dass die Dichtung versagen wird wegen eines ungeeigneten Kontaktes zwischen den zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c. Ferner haben die zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c, kein Festfressen, weil sie durch das Kühlwasser 8 gekühlt werden, das dem Kühlwasserraum 3b zugeführt wird.
Es ist auch zu beachten, dass die zwei Dichtungsringe 30, 31 aus einem super harten Material Siliziumcarbid bestehen und im Kontakt der Dichtungsendseiten 30c, 31v nicht verschleißen und Teilchen abgeben werden. Es besteht keine Angst, dass Verschleißteilchen in die Polierlösung 106 gelangen, anders als bei Dichtungsringen, die aus Metall oder Kohlenstoff bestehen, oder bei einer Kombination eines Dichtungsrings, der aus einem solchen superharten Material, wie Siliziumcarbid, besteht und einem Dichtungsring, der aus einem solchen weichen Material, wie Kohlenstoff, gebildet ist, wie es bei herkömmlichen mechanischen Dichtungen des Endseitenkontakttyps angenommen wird.
Die Innenumfangsoberfläche des Schmirgelfluiddurchgangs 6 ist mit einem Material gebildet, das keine Teilchen, wie Verschleißteilchen, im Kontakt mit der Polierlösung 106, insbesondere abrasiven Körnern, abgeben wird. Das heißt, dass die Teile in dem ersten Kupplungskörper, wo der erste Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 60 gebildet ist (die Endwand 11), und die Teile in dem zweiten Kupplungskörper, wo der zweite Schmirgelfluiddurchgangsabschnitt 61 gebildet ist (das Hauptteil 20, das Dichtungsringrückhalterteil 21 und das Flanschteil 22), mit technischem Kunststoff gebildet sind, wie PEEK, PES und PC. Jene Materialien verschleißen nicht und geben keine Partikel ab im Kontakt mit den abrasiven Körnern und sind ausgezeichnet in der Werkstückdimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit. Bei dem vorliegenden Beispiel ist PEEK verwendet. Der Verbindungsbereich (erster Verbindungsbereich 3a) zwischen den zwei Schmirgelfluiddurchgangsabschnitten 60, 61 ist von den Innenumfangsoberflächen der Dichtungsringe 30, 31 umgeben, die aus Siliziumcarbid bestehen, das verschleiß fest gegen abrasive Körner ist. Dies schließt die Möglichkeit aus, dass Verschleißteilchen von der Durchgangswandoberfläche abgegeben werden, während die Polierlösung 106 durch den Schmirgelfluiddurchgang 6 fließt.
Der Rotationsstoppermechanismus 32 und der Druckmechanismus 33 sind unerlässliche Komponenten, um eine befriedigende Dichtungsleistung sicherzustellen, indem den Dichtungsendseiten 30c, 31c gestattet wird, sich relativ unter einem geeigneten Kontaktdruck zu drehen. Die Komponententeile von Stopperstiften 32a und Federn 33a bestehen aus metallischem Material. Wenn jene Komponententeile in dem Schmirgelfluiddurchgang 6 sind, würden in Kontakt mit den abrasiven Körnern Metallteilchen abgehen und in die Polierlösung 106 übergeben. Aber die zwei Mechanismen 32 und 33 sind an der Außenumfangsseite des beweglichen Dichtungsrings 31, und dort ist nichts in dem Schmirgelfluiddurchgang 6, das die abrasiven Körner kontakten oder den Fluss der Polierlösung 106 hindern könnte. Daher gibt es keine Möglichkeit, dass Metallteilchen sich in den Fluss der Polierlösung in dem Schmirgelfluiddurchgang lösen werden.
Somit ist die Polierlösung 106, wenn sie durch den Schmirgelfluiddurchgang 6 hindurchgeht, gut abgedichtet, ohne dass Verschleißteilchen eingemischt werden, und wird dann aus dem Schmirgelfluidzuführ- und -abgabedurchgang 108 auf der Drehseite zwischen den Kissenkopf 104a und dem Siliziumwafer 109 ausgespritzt, um die Waferoberfläche 109a zu polieren.
Von dem Kissenkopf 104a wird Druckluft 106a zusammen mit der Polierlösung ausgeblasen, wie durch eine punktierte Linie in der 11 angegeben ist. Die Luft, so wie sie ausgeblasen wird, hilft, die Polierlösung 106 gleichmäßig zwischen dem Kissenkopf 104a und dem Siliziumwafer 109 zu verteilen, und entfernt Reste, um das Polieren der Waferoberfläche 109a weiter zu unterstützen.
Das heißt, dass die Druckluft 106a von der Luftzufuhr 72 zu der Luftblasöffnung 108a durch den Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang 7 in der ersten Drehkupplung 101a zugeführt wird. In dem Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang 7, werden der erste Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 70 in dem ersten Kupplungskörper 1 und der zweite Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitt 71 in dem zweiten Kupplungskörper 2 gezwungen, sich in Relation zueinander zu drehen, wenn sich die Polierkissenwelle 104 dreht. Da der zweite Verbindungsbereich 4a, der die zwei Durchgangsabschnitte 70, 71 verbindet, durch die ersten und zweiten Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 abgedichtet ist, geht die Druckluft 106a durch den Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang 7 zu den Luftblasöffnungen 108a, ohne zwischen den Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitten 70, 71 zu lecken.
In dem Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgang 7 existieren die Komponententeile der Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5, die Federn 47, 57 enthalten, anders als in dem Schmirgelfluiddurchgang 6. Weil das fließende Fluid ein Nicht-Schmirgelfluid, wie Luft 106a, ist, gibt es dort keine Teilchen, die in Kontakt mit den Komponententeilen erzeugt werden. Auch die Nicht-Schmirgelmedium-Fluiddurchgangsabschnitte 70, 71 haben darin metallische Teile ausgebildet – die Seitenwand 10, der Federrückhalter 46 und die Hülse 23 -, anders als die Schmirgelfluiddurchgangsabschnitte 60, 61. Aber das Fluid, das fließt, ist kein Schmirgelfluid, wie die Polierlösung 106, sondern Luft 106a, wobei es keine Teilchen gibt, die von jenen Teilen abgehen, die mit dem Fluid 106a (Luft) in Kontakt kommen. Die ersten und zweiten Umfangsdichtungseinheiten 4, 5 sind aus einer Kombination von Karbondichtungsringen 43, 53 und Siliziumcarbiddichtungsringen 45, 55 gebildet, wie herkömmliche mechanische Dichtungen des Endseitenkontakttyps. Aber da das Fluid, das durch die Umfangsseitendichtungseinheit 4, 5 abzudichten ist, Luft 106a ist, gibt es kein Erfordernis, solchen Erwägungen hinsichtlich der Konfiguration und des Materials der Dichtungsringe wie beim Bilden der primären Dichtungseinheit 3 nachzugehen. Bei der ersten Drehkupplung 101A, wie sie oben angegeben ist, wird darauf geachtet, einen ruhigen Fluss der Schmirgelfluid-Polierlösung 106 und der Nicht-Schmirgelfluid-Druckluft 106a zwischen den relativ rotierenden Körpern durch geeignetes Auswählen der Konfiguration und Materialien für die aufbauenden Abschnitte des Fluiddurchgangs 6, 7 und der Dichtungsringe der Dichtungseinheiten 3, 4, 5 gemäss den Eigenschaften der Fluide, die fließen, sicherzustellen.
Nachdem die Polieroperation beendet ist, wird der Druck innerhalb des Schmirgelfluiddurchgangs 7 von positivem Druckmodus auf negativen Druckmodus (Trockenmodus) umgeschaltet. Unter dem negativen Druck werden die Dichtungsringe 30, 31 der primären Dichtungseinheit 3 auch durch das Kühlwasser 8 gekühlt, und es gibt kein Anhaften der Dichtungsendseiten 30c, 31c.
Ausführungsbeispiel 2
Die 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf eine Drehkupplung mit zwei sich relativ zueinander drehenden Körpern 1, 2 angewandt, durch welche das Primärfluid 106, wie reines Wasser, zur Behandlung eines Halbleiterwafers und das Hilfsfluid 106a, wie Druckluft, das aus Polierkissenwelle 104 auszublasen ist, gedrückt werden.
Das heißt, dass die Drehkupplung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung – die zweite Drehkupplung 101B – wie in der 4 gezeigt ist, enthält: einen ersten Kupplungskörper 1, der an der stationären Komponente zu fixieren ist; einen zweiten Kupplungskörper 2, der an der Drehkomponente zu fixieren ist; eine primäre Dichtungseinheit 3 und erste und zweite Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5, die zwischen den zwei Kupplungskörpern 1, 2 angeordnet sind; und einen Primärfluiddurchgang 6 und einen Hilfsfluiddurchgang 7. Die zweite Drehkupplung 101B ist von demselben Aufbau wie die erste Drehkupplung 101A mit Ausnahme einiger Punkte, die beschrieben werden. Daher sind die Bezugszeichen, die entsprechende Teile in den 4 und 5 bezeichnen, dieselben wie jene in den 1 bis 3, und für jene Bezugszeichen wird keine Beschreibung angegeben.
Die zweite Drehkupplung 101B ist so gestaltet, dass ein Teil der oberen ersten Umfangsseitendichtungseinheit 4 als ein Lager für den zweiten Kupplungskörper 2 dient. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, dient die Innenumfangsoberfläche des stationären Dichtungsrings 43 als eine ringförmige Lagerseite 48, die passt über und hält den oberen Teil der Hülse 23 des zweiten Kupplungskörpers 2, so dass es der Hülse 23 gestattet ist, sich relativ zu drehen. Das heißt, dass der zweite Kupplungskörper 2 drehbar in den ersten Kupplungskörper 1 mittels eines Lagers 13 und der Lagerseite 48 an den unteren und oberen Enden davon gehalten ist. Dies sichert eine ruhigere Rotation der Kupplung ohne axiale Vibration im Vergleich zu der Kupplung, die nur durch das Lager 13 gehalten ist. Es ist zu beachten, dass ein sehr dünner ringförmiger Spalt 49 zwischen der Lagerseite 48 und der Hülse 23 des zweiten Kupplungskörpers 2 vorgesehen ist. Die Idee ist, dass das Kühlwasser 8 in die Lücke 49 eintritt und einen Schmierfilm bildet, der die Lagerfunktion der Seite 48 weiter verbessert. Der Innenseitendurchmesser der Lagerseite 48 ist ausgewählt, um grob identisch mit dem Außenseitendurchmesser der Hülse 23 unter der Bedingung zu sein, dass die Lagerseite 48 passt über und hält die Hülse 23, so dass die Hülse 23 in der Radialrichtung nicht versetzbar ist (das heißt, ohne axiale Vibration), aber relativ drehbar ist. Um es genau zu sagen, ist es erwünscht, den Innenseitendurchmesser der Lagerseite 48 zu wählen, der einen ringförmigen Spalt von einigen 0,1 mm Dicke zwischen der Lagerseite 48 und der Hülse 23 ergibt.
Bei der zweiten Drehkupplung 101B ist auch zu beachten, dass der Bereich des Primärfluiddurchgangs 6 in Kontakt mit dem Fluid aus einem Material gebildet ist, das keine metallischen Komponenten in Kontakt mit dem Primärfluid 106, wie reinem Wasser, abgibt. In anderen Worten sind von den Komponententeilen des ersten Kupplungskörpers 1 und des zweiten Kupplungskärpers 2 die folgenden Teile aus technischen Kunststoffen, wie PEEK, PES und PC, hergestellt, die wenn sie in Kontakt mit abrasiven Körnern kommen, frei von Verschleiß und ausgezeichnet in der Werkstückdimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit sind. Jene Teile sind die Endwand 11 in dem ersten Kupplungskörper 1, wo der erste Fluiddurchgangsabschnitt 60 ausgebildet ist, und das Hauptteil 20 in dem zweiten Kupplungskörper 2, wo der zweite Fluiddurchgangsabschnitt 61 hindurchgeht, einschließlich dem Dichtungsringrückhalterteil 21 und dem Flanschteil 22, die integral damit ausgebildet sind. Die Dichtungsringe 30, 31 bestehen alle aus Siliziumcarbid. Keinen solchen Erwägungen muss nachgegangen werden bezüglich anderer Komponententeilen der Drehkupplung, wie bei den vorwähnten Teilen 11, 20, 30 und 31, die jene sind, die nicht in Kontakt mit dem Primärfluid 106 kommen und die Teile 10, 13, 14, 23, 24, 32a, 33a, 42, 44, 45, 46, 47, 52, 53, 54 und 57 sind. Es gibt kein Erfordernis, ein Lösen von metallischen Komponenten beim Gestalten jener Teile in Erwägung zu ziehen, und welches Material zu verwenden ist, wird entsprechend den Servicebedingungen der Drehkupplung entschieden. Zum Beispiel bestehen die Seitenwand 10 in dem ersten Kupplungskörper 1 und die Hülse 23 in dem zweiten Kupplungskörper 2 aus einem Material, wie rostfreiem Stahl mit einem Grad unter der JIS-Bezeichnung "SUS 304", während die stationären Dichtungsringe 43, 53 aus Kohlenstoff bestehen und die Drehdichtungsringe 45, 55 aus Siliziumcarbid bestehen. Die O-Ringe bestehen aus Viton, die Stopperstifte 32a und die Druckmechanismen 33, 47, 57 bestehen aus Metallmaterial, wie rostfreiem Stahl, unter der JIS-Bezeichnung "SUS 316".
Wie die erste Drehkupplung 101A, gestattet es die zweite Drehkupplung 101B dem Primärfluid 106, durch den Primärfluiddurchgang 6 zu fließen, ohne durch den Verbindungsbereich zwischen den Primärfluidabschnitten 60, 61 zu lecken, der durch den gleitenden Kontakt zwischen dem stationären Dichtungsring 30 und dem beweglichen Dichtungsring 31 abgedichtet ist, die sich relativ drehen. Dann werden, da der bewegliche Dichtungsring 31 zu dem stationären Dichtungsring 30 durch den Druckmechanismus 33 gedrückt wird, die zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c in einem geeigneten Kontakt gehalten, selbst wenn sich die relative Positionsbeziehung wegen Vibration oder ähnlichem ändert. Zusätzlich wird, weil der zweite Kupplungskörper 2 von der Lagerseite 48 des stationären Dichtungsrings 43 und der Dichtung 13 sowohl an den unteren als auch oberen Enden gehalten wird, die axiale Vibration des zweiten Kupplungskörpers 2 wirksam verhindert. Daher gibt es keine Befürchtung, dass die zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c sich in der relativen Positionsbeziehung in der Radialrichtung ändern. Das heißt, dass die zwei Dichtungsendseiten 30c, 31c in einem geeigneten Kontakt gehalten werden, wobei eine gute Dichtungsleistung gezeigt wird.
Es ist auch zu beachten, dass die Endwand 11 des ersten Kupplungskörpers 1 und das Hauptteil 20 des zweiten Kupplungskörpers 2, in welchen der Primärfluiddurchgang 6 aus einem tech nischen Kunststoffmaterial, wie PEEK, besteht, und die Dichtungsringe 30, 31 aus Siliziumcarbid bestehen. Das heißt, dass jene Materialen keine Metallionen und ähnliches im Kontakt mit dem Primärfluid 106 in dem Fluidkontaktbereich in dem Primärfluiddurchgang 6 abgeben, und dass es keine Metallkomponenten gibt, die in das Primärfluid 106 gelangen.
Es könnte befürchtet werden, dass, wenn das Hauptteil 20 des zweiten Kupplungskörpers 2 aus einem Kunststoffmaterial, wie PEEK, besteht, sich das Hauptteil 20 wegen Reibungswärme ausdehnen würde, die durch die Dichtungsringe 30, 31 erzeugt wird, wodurch die Dichtungsendseiten 30c, 31c daran gehindert werden, in geeigneten Kontakt im Hinblick auf hohen Kontaktdruck zu kommen. Das wäre insbesondere der Fall bei der Dichtungskonstruktion, wo die Dichtungsendseiten 30c, 31c in linearen Kontakt kommen. Aber die metallische Hülse 23 ist über das Hauptteil 20 aufgepasst. Daher wird, selbst wenn das Hauptteil 20 aus einem Kunststoffmaterial mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit besteht, die thermische Ausdehnung des Hauptteils 20 wesentlich verringert wegen der Wärmestrahlung durch die Hülse 23, die aus einem metallischen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht. Ferner ist das vorliegende Beispiel so gestaltet, dass die Hülse 23 in Kontakt mit dem Kühlwasser 8 und dem Hilfsfluid 106a, wie Druckluft, kommt. Und von jenen Fluiden 8, 106a, ist zu erwarten, dass sie einen Kühlungseffekt haben. Jene Wärmestrahlung und Kühlungseffekte halten das Hauptteil 20 davon ab, eine thermische Expansion durchzumachen, und es gibt keine solche Befürchtung, wie oben angegeben ist. Ferner hilft das Vorsehen der Metallhülse 23, einen ausreichenden Grad an mechanischer Stärke für den zweiten Kupplungskörper 2 insgesamt sicherzustellen, selbst wenn das Hauptteil 20, das eine der Hauptkomponenten des zweiten Kupplungskörpers ist, aus einem Kunststoffmaterial mit einer geringen mechanischen Festigkeit besteht.
Es ist ferner zu beachten, dass der Primärfluiddurchgang 6 von dem positiven Druckmodus zu dem negativen Druckmodus oder Trockenmodus geschaltet werden kann, wie es erforderlich ist. In jenem Trockenmodus werden die Dichtungsringe 30, 31 der primären Dichtungseinheit 3 durch das Kühlwasser 8 gekühlt. Wegen des Wärmestrahlungseffektes durch die Metallhülse 23 und des Kühleffektes durch Kontakt mit dem Kühlwasser 8 und dem Hilfsfluid 106a gibt es keine Befürchtung eines Anhaftens der Dichtungsendseiten 30c, 31c.
Es ist auch zu beachten, dass in dem Nicht-Schmirgelmedium-Durchgang 7 der erste Hilfsfluiddurchgangsabschnitt 70 in dem ersten Kupplungskörper 1 und der zweite Hilfsfluiddurchgangsabschnitt 71 in dem zweiten Kupplungskörper 2 gezwungen werden, in Relation zueinander zu rotieren. Da der zweite Verbindungsbereich 4a zwischen den zwei Durchgangsabschnitten 70, 71 durch die ersten und zweiten Umfangsdichtungseinheiten 4, 5 abgedichtet ist, ist es dem Hilfsfluid 106a gestattet, durch den Hilfsfluiddurchgang 7 hindurchzugehen, ohne aus einem Bereich zwischen den Hilfsfluiddurchgangsabschnitten 70, 71 zu lecken. Dann ist, da der zweite Kupplungskörper 2 an den oberen und unteren Enden durch das Lager 13 und die Lagerseite 48, die an dem stationären Dichtungsring 43 der ersten Umfangsseitendichtungseinheit 4 vorgesehen ist, gehalten ist, der zweite Kupplungskörper 2 frei von axialer Vibration. Das heißt, dass es keine Änderung in der Positionsbeziehung in der Radialrichtung zwischen den Dichtungsringen 43, 45 und 53, 55 in den ersten und zweiten Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 gibt. Somit ist eine gute Abdichtung durch die Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 sichergestellt, ohne ein Lecken des Hilfsfluids aus dem Hilfsfluiddurchgang 7 befürchten zu müssen. Diese Anordnung eliminiert das Erfordernis, viele Lager zu installieren, um eine axiale Vibration des zweiten Kupplungskörpers 2 zu verhindern, weil der stationäre Dichtungsring 43 in der ersten Umfangsdichtungseinheit 4 als ein Lager dient. Das verringert die Anzahl von Lagern 13 auf ein Minimum und gestattet somit eine Größenreduzierung der zweiten Drehkupplung 101B – Größe in der Richtung der Drehachse. Zusätzlich werden tellerförmige Plattenfedern, die weniger Raum belegen als eine Spiral- oder Schraubenfeder, als Federn 47, 57 verwendet. Dies verringert weiter die Größe der zweiten Drehkupplung 101B.
Bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen sind die ersten und zweiten Drehkupplungen 101A und 101B zusätzlich mit dem Hilfsfluiddurchgang 7 und den ersten und zweiten Umfangsdichtungseinheiten 4, 5 versehen, um den Raum zwischen den sich relativ drehenden Komponenten 70, 71 abzudichten, so dass es einer Mehrzahl von Fluiden 106, 106a gestattet ist, gleichzeitig zu fließen. Es ist unnötig, zu erwähnen, dass eine solche Anordnung nicht bei Drehkupplungen erforderlich ist, die zur ausschließlichen Verwendung für das Primärfluid 106 und auch für eine selektive oder alternative Verwendung für das Primärfluid 106 und andere Fluide vorgesehen sind. Das dritte Ausführungsbeispiel, das in den 6 und 7 gezeigt ist, ist ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf eine Drehkupplung für solche Verwendungen angewandt ist.
Ausführungsbeispiel 3
Die Drehkupplung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung – die dritte Drehkupplung 101C – enthält, wie in den 6 und 7 gezeigt ist, erste und zweite Kupplungskörper 1, 2, die miteinander verbunden und relativ zueinander drehbar sind, eine primäre Dichtungseinheit 3 und eine Umfangsseitendichtungseinheit 4, die zwischen den zwei Kupplungskörpern 1, 2, angeordnet sind, und eine kontinuierliche Leitung eines Primärfluiddurchgangs 6, der zwi schen den zwei Kupplungskörpern 1, 2, gebildet ist. Die dritte Drehkupplung 101C ist von demselben Aufbau wie die erste Drehkupplung 101A oder die zweite Drehkupplung 101B mit Ausnahme einiger Punkte, die beschrieben werden. Daher sind die Bezugszeichen, die entsprechende Teile in den 6 und 7 bezeichnen, dieselben wie jene in den 1 bis 5, und es wird von jenen Nummern keine Beschreibung angegeben.
Der erste Kupplungskörper 1 besteht, wie in der 6 gezeigt ist, aus einer Seitenwand 10, die aus einem ersten zylindrischen Körper 10d und einem zweiten zylindrischen Körper 10e gebildet ist, die mit dem unteren Ende davon verbunden ist, und eine Endwand 11, die an der Oberseite des ersten zylindrischen Körpers 10d angebracht ist und die Öffnung davon abschließt.
Wie in der 6 dargestellt ist, ähnelt der zweite Kupplungskörper 2 einem vertikal verlaufenden Zylinder und ist drehbar mit dem ersten Kupplungskörper 1 über Lager 13 verbunden, die zwischen dem Teil nahe dem unteren Ende des zweiten Kupplungskörpers 2 und dem zylindrischen Körper 10e des ersten Kupplungskörpers 1 angeordnet sind. Das heißt, dass die zwei Kupplungskörper 1, 2 mit einander verbunden sind, so dass die zwei Kupplungskörper 1, 2 relativ drehbar sind, mit der Achse des zweiten Kupplungskörpers 2 als relative Drehachse. Am Ende des zweiten Kupplungskörpers 2 ist ein Gewinderand 27, an welchem die Polierkissenwelle aufzuschrauben ist, ausgebildet, und ein O-Ring 28, um das Aufschrauben anzuziehen, ist installiert.
Die primäre Dichtungseinheit 3 ist eine mechanische Dichtung des Endseitenkontakttypes von demselben Aufbau wie die erste Drehkupplung 101A, wie in den 6 und 7 gezeigt ist. Die Einheit 3 enthält einen stationären Dichtungsring 30, der aus Siliziumcarbid besteht und in dem zweiten Kupplungskörper 2 vorgesehen ist, einen beweglichen Dichtungsring 31, der aus Siliziumcarbid besteht und in dem ersten Kupplungskörper 1 vorgesehen ist, und eine Spiral- oder Schraubenfeder 33a, die zwischen dem beweglichen Dichtungsring 31 und dem ersten Kupplungskörper 1 angeordnet ist. Diese Einheit 3 dient als Abdichtung zwischen dem Innenumfangsbereich der zwei Dichtungsringe 30, 31 – dem ersten Verbindungsbereich 3a – und dem Außenumfangsbereich – dem Kühlwasserraum 3b. Um ferner sicherzustellen, dass es keine metallische Kontaminierung von Primärfluiden, wie Polierlösung 106 zur Behandlung eines Siliziumwafers, gibt, sind die folgenden Merkmale enthalten.
Zuerst sind verschiedene Materialen geeignet für verschiedene Teile der Drehkupplung ausgewählt. Die Auswahl von Materialien basiert darauf. Das heißt, die Teile, die die mechanische Dichtung, d. h. die primäre Dichtungseinheit 3, bilden, kann gemäß den Leistungen, Stärke und anderen Eigenschaften, die erforderlich sind, folgendermaßen klassifiziert werden:

(1) Teile, die aus einem Keramik- oder Kunststoffmaterial bestehen können, um keine metallischen Teilchen abzugeben,
(2) Teile, die aus metallischen Materialien, einschließlich Legierungen, bestehen, die mit einem Keramik- oder Kunststoffmaterial an der Oberfläche beschichtet sein können, um metallische Teilchen zu enthalten,
(3) Teile, die nicht bestehen können aus, oder beschichtet sein können mit einem Keramik- oder Kunststoffmaterial, so dass eine Erzeugung von metallischen Teilchen nicht vermieden werden kann, und
(4) Teile, wie O-Ringe, die aus elastischen Materialien bestehen, die natürlich keine metallischen Teilchen ausgeben.

Mit den Teilen unter (1) und (2), wie den Dichtungsringen 30, 31, werden wenigstens die Bereiche, die in Kontakt mit der Polierlösung 106 kommen, aus Materialien hergestellt, die frei von ablösenden Metallteilchen sind. Die Teile unter (3), wie Spiral- oder Schraubenfedern 33a, werden in dem Kühlwasserraum 3b platziert, der nicht in Kontakt mit der Polierlösung 106 kommt. Auf diese Weise wird die Möglichkeit, dass sich metallische Teilchen in die Polierlösung 106 mischen, ausgeschlossen.
Um genau zu sein, sind von den Teilen unter (1) und (2) die Dichtungsringe 30, 31 aus gesintertem Siliziumcarbid hergestellt. Die Endwand 11 des ersten Kupplungskörpers 1 und der zweite Kupplungskörper 2, wo die Hauptfluiddurchgangsabschnitte 60, 61 ausgebildet sind, bestehen aus technischen Kunststoffen, wie PEEK, PES und PC, die ausgezeichnet in der Werkstückdimensionsstabilität und Hitzebeständigkeit sind, oder sind mit einem geeignetem Kunststoffmaterial, wie PTFE, an dem Fluidkontaktbereich beschichtet. Auf diese Weise ist es jenen Teilen nicht gestattet, metallische Teilchen in Kontakt mit der Polierlösung 106 selbst oder ihren festen Bestandteilen, einschließlich abrasiven Körnen, abzugeben. Die O-Ringe, die unter (4) fallen, bestehen aus elastischem Material, wie Fluororesin und Fluorogummi, und geben natürlich nicht metallische Teilchen ab. Die Spiral- oder Schraubenfedern 33a und Stopperstifte 32a, die unter (3) fallen, bestehen aus einem metallischen Material. Aber, wie oben aufgezeigt wurde, sind jene Teile in dem Kühlwasserraum 3b angeordnet, der außerhalb des Primärfluiddurchgangs 6 ist, und sind nicht der Polierlösung 106 ausgesetzt. Das heißt, dass jene Teile nicht verursachen können, dass die Polierlösung 106 mit metallischen Teilchen kontaminiert wird. Anders als die Spiral- oder Schraubenfedern 33a können die Stopperstifte 32a in dem Drehstoppermechanismus 32 auf die selbe Weise be handelt sein, wie die Teile unter (1) und (2). Auf diese Weise könnten jene Teile 32a in dem Bereich angeordnet werden, wo sie der Polierlösung 106 ausgesetzt sind.
Unterdessen hat die Dichtungsendseite 31c des beweglichen Dichtungsringes 31 die Funktion des Abschabens und Entfernes der abrasiven Körner, die zwischen die Dichtungsendseiten 30c, 31c eindringen. Diese Funktion von anhaftenden festen Bestandteilen wird bei einer engen Breite W in der Radialrichtung der ringartigen Dichtungsendseite 31c des beweglichen Dichtungsringes 31 erzielt. Durch Minimieren der Breite W der Dichtungsendseite 31c, um den Kontaktbereich zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c zu verringern, ist es auch möglich, die Funktion des effektiven Unterdrückens des Kontaktverschleißes der Dichtungsendseiten 30c, 31c zu zeigen.
Zweitens ist daher die radiale Breite W der Dichtungsendseite 31c des beweglichen Dichtungsringes auf 0,1 bis 0,8 mm eingestellt, um die Funktion des Entfernens fester Bestandteile und die Funktion des Unterdrückens des Kontaktverschleißes effektiv zu erzielen. Wenn W > 0,8 mm, kann die Dichtungsendseite 31c des beweglichen Dichtungsringes 31 nicht gut arbeiten, um die festen Bestandteile zu entfernen, und kann den Kontaktverschleiß der Dichtungsendflächen 30c, 31c nicht wirksam verhindern. Wenn W < 0,1 mm, werden andererseits solche Probleme, wie die geringe Stärke der Dichtungsendseite 31c des beweglichen Dichtungsringes 31 und ein übermäßiges Abschaben durch die Dichtungsendseite 31c auftreten. Ein übermäßiges Abschaben könnte den Schmierfilm oder einen Fluidfilm der Polierlösung 106 zerstören, der zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c gebildet wurde, mit dem Ergebnis, dass ein Anhaften an den Kontaktbereichen der Dichtungsendseiten 30c, 31c auferlegt wird. Ferner könnte der Kontaktdruck zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c mehr als erforderlich ansteigen. Das heißt, dass der Kontaktverschleiß der Dichtungsendseiten 30c, 31c nicht wirksam unterdrückt werden könnte, was zu abgelösten Teilchen führt. Die erwünschten oberen und unteren Grenzen der Dichtungsendseitenbreite W sind unterschiedlich in Abhängigkeit von den Dichtungsbedingungen, wie den Eigenschaften, Druck und anderen Parametern des primären Fluides 106, das abzudichten ist. Aber es ist bevorzugt, 0,4 mm ≤ W ≤ 0,7 mm einzustellen, ungeachtet von jenen Dichtungsbedingungen, wenn die Funktion des Entfernens der festen Bestandteile und des Verhinderns des Kontaktverschleißes sicherzustellen ist, wobei der Schmierfilm gut geschützt ist. Die Neigungswinkel α,β der Innen- und Außenumfangsoberflächen des sich verjüngenden Bereichs, der die Dichtungsendseite des beweglichen Dichtungsringes 31 – das untere Ende des beweglichen Dichtungsringes 31 – bildet, sind auf 105 bis 150 Grad im Hinblick auf solche Faktoren, wie die Stärke des sich verjüngenden Teils, der die Dichtungsendseite bildet, eingestellt. Zur leichten Bearbeitung des beweglichen Dichtungsringes 31 und unter Beachtung der anderen Faktoren ist er so eingestellt, dass α = β, das heißt, 105° ≤ α = β ≤ 150°.
Unterdessen bestehen die Dichtungsringe 30, 31 aus gesintertem Siliziumcarbid, das frei von sich lösenden metallischen Partikeln im Kontakt mit der Polierlösung 106 ist. Aber es wäre möglich, dass Verschleißpartikel von dem Kontaktbereich der Dichtungsringe 30, 31 im langen Betrieb entstehen könnten. Siliziumcarbid, das allgemein als Material für die Dichtungsringe 30, 31 verwendet wird, enthält Schwermetalle, wie Eisen, in beachtlichen Mengen. Das heißt, dass die Verschleißteilchen, die von Dichtungsringen 30, 31 entstehen, jene metallischen Komponenten enthalten könnten. Wenn jene metallischen Komponenten gelangen in und kontaminieren die Polierlösung 106, wird an dem Siliziumwafer ein ungünstiger Effekt erzeugt.
Drittens wird bei der dritten Drehkupplung 101C daher jene Möglichkeit ausgeschlossen, indem wenigstens die Dichtungsendflächen 30c, 31c der Dichtungsringe 30, 31 mit einem Siliziumcarbid mit niedrigem Metallgehalt (nachfolgend bezeichnet als Niedrig-Metallgehalt-Siliziumcarbid) gebildet werden, dessen Gesamtinhalte von Metallen, wie Eisen, nicht höher 200 ppm ist. Auf diese Weise wird eine mögliche metallische Kontaminierung der Polierlösung 106 effektiv verhindert. In anderen Worten können, wenn wenigstens die Dichtungsendseiten 30c, 31c der Dichtungsringe 30, 31 aus einem solchen Niedrig-Metallgehalt-Siliziumcarbid bestehen, die Metallgehalte in den Verschleißteilchen, die durch Kontakt zwischen den Dichtungsringen 30, 31 entstehen, auf ein Minimum reduziert werden. Gekoppelt mit dem Einstellen der radialen Breite W auf 0,1 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 mm, zum Unterdrücken des Ablösens von Verschleißteilchen, die durch Kontakt zwischen den Dichtungsringen 30, 31 erzeugt werden, soweit wie möglich, kann die Verwendung des Niedrig-Metallgehalt-Siliziumcarbids die metallische Kontaminierung der Polierlösung 106 auf ein Maß verringern, dass die Verschleißteilchen, die von dem Kontakt zwischen den Dichtungsringen 30, 31 entstehen, keinen nachteiligen Effekt auf den Siliziumwafer haben. Um das sicherzustellen, bestehen die ganzen Dichtungsringe 30, 31 aus einem Siliziumcarbid mit niedrigem Inhaltsgrad. Oder die Dichtungsendseiten 30c, 31c alleine bestehen daraus, das heißt, sind beschichtet mit jenem Material. Bei dem vorliegenden Beispiel bestehen die gesamten Dichtungsringe 30, 31 aus einem Siliziumcarbid mit niedrigem Metallgehaltgrad.
Die Oberflächenpoliervorrichtung, wie sie in der 10 dargestellt ist, wird oft von dem positiven Druckmodus zur Polieroperation auf den negativen Druck- oder Trockenmodus umgeschaltet, um die restliche Polierlösung vom Tropfen auf die fertiggestellte Waferoberfläche abzuhalten. Bei der Modusumschaltung ändert sich der Druck innerhalb des Primärfluiddurchganges 6, wobei ein negativer Druck auf den beweglichen Dichtungsring 31 wirkt. Wenn der negative Druck wirkt, würde der bewegliche Dichtungsring 31 von dem stationären Dichtungsring 30 weg bewegt, so dass der Kontaktseitendruck zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c nicht geeignet aufrechterhalten wird. Dies könnte dazu führen, dass die eingesaugte restliche Polierlösung von zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c herauslecken könnte.
Viertens ist sie daher so gestaltet, dass 0 ≤ K ≤ 0,6 erzielt ist, wobei K = Gleichgewichtsverhältnis der primären Dichtungseinheit 3 gilt, so dass der Kontaktseitendruck zwischen den Dichtungsendseiten 30c, 31c auf einem gewünschten Niveau gehalten wird, selbst wenn ein negativer Druck wirkt. Um genauer zu sein, sind die Außenseitendurchmesser d₀ des Rückhalterteils 130b des beweglichen Dichtungsringes 31 und die Innenseiten- und Außenseitendurchmesser d₁ und d₂ der Dichtungsendseite 31c so eingestellt, dass 0 ≤ K ≤ 0,6 erzielt wird, wobei (d₂ – d₁)/2(=w) 0,1 bis 0,8 mm ist, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 mm, so dass die Dichtungsendseiten 30c, 31c in geeignetem Kontakt miteinander gehalten werden, ungeachtet der Druckänderungen und anderer Bedingungen, zum Beispiel, wenn der Primärfluiddurchgang 6 von dem Blasbetrieb zu dem Negativdruckmodus zum Saugen geschaltet wird.
Das Gleichgewichtsverhältnis K kann spezifiziert werden durch die Durchmesser des sich relativ drehenden und gleitenden Kontaktbereiches zwischen den zwei Dichtungsringen 30, 31, das heißt die Innenseiten- und Außenseitendurchmesser d₁, d₂ der Dichtungsendseite 31c und den Durchmesser des Rückdruckwirkungsbereiches des beweglichen Dichtungsringes 31, der in der Axialrichtung beweglich ist, das heißt den Außenseitendurchmesser d₀ des Rückhalterteiles 31b des beweglichen Dich tungsringes 31. Beim Gestalten kann das Verhältnis K folgendermaßen gegeben sein: K = ((d0)2 – (d1)2)/((d2)2 – (d1)2)
Das heißt, dass der auftretende Seitendruck (Druck) Pa, der auf den sich relativ drehenden und gleitenden Kontaktbereich zwischen den zwei Dichtungsringen 30, 31 wirkt, durch den Fluiddruck (Rückdruck) P, der auf den beweglichen Dichtungsring 31 wirkt, um denselben zu dem stationären Dichtungsring 30 hin zu drücken, und den Druck (Federdruck) F des Druckmechanismus 32 erzeugt wird. Der auftauchende Seitendruck (Druck) Pa ist durch die folgende Gleichung gegeben: Pa = (π/4)((d0)2 – (d1)2)P/(π/4)((d2)2 – (d1)2) + (π/4)((d2)2 – (d1)2)F/(π/4)((d2)2 – (d1)2) = ((d2)2 – (d0)2)/((d2)2 – (d1)2))P + F
In dieser Gleichung ist der Koeffizient "((d₀)² – (d₁)²)/((d₂)² – (d₁)²)" das Gleichgewichtsverhältnis K.
Daher ist das Gleichgewichtsverhältnis K, das "((d₀)² – (d₁)²)/((d₂)² – (d₁)²) ist, unvermeidbar durch die Innenseiten- und Außenseitendurchmesser d₁, d₂ der Dichtungsendseite 31c und den Außenseitendurchmesser d₀ des Rückhalterteils 31b bestimmt. Durch Gestalten von d₀, d₁, d₂, so dass 0 ≤ K ≤ 0,6, wird erreicht, dass es möglich ist, den Kontaktdruck der zwei Dichtungsringe 30, 31 auf einem geeigneten Niveau zu halten, um einen guten Dichtungseffekt zu erzeugen, ohne dass viele Änderungen im Druck Pa an dem sich relativ drehenden und gleitenden Kontaktbereich der Dichtungsendseiten 30c, 31c stattfinden, ungeachtet des Druckes in dem Primärfluiddurchgang 6. Andernfalls würden Probleme entstehen. Wenn K < 0, würde der Federdruck F zum Beispiel höher als er forderlich einzustellen sein. Wenn K > 0,6, dann wäre der Kontaktdruck zwischen den zwei Dichtungsringen 30, 31 ungenügend und die Polierlösung 106 könnte aus dem Primärfluiddurchgang 6 beim Saugen der restlichen Polierlösung lecken, das heißt in dem negativen Druck- oder Trockenmodus.
Mit 0 ≤ K ≤ 0,6 kann jedoch die Polierlösung 106 effektiv abgedichtet werden, ungeachtet des Druckes innerhalb des Primärfluiddurchganges 6, das heißt, ob der Durchgang 6 unter dem negativen Druck mit einem wirkenden negativen Druck ist.
Die vier Merkmale, die eben beschrieben wurden, sind bei den ersten und zweiten Drehkupplungen 101A und 101B anwendbar.
Es ist zu beachten, dass bei der dritten Drehkupplung 101C, so etwas wie eine mechanische Dichtung, die bei den ersten und zweiten Drehkupplungen 101A, 101B verwendet wird, nicht als Umfangsseitendichtungseinheit 4 verwendet wird. Die Dichtungseinheit 4, die bei dieser Drehkupplung 101C verwendet wird, besteht, wie in der 6 gezeigt ist, aus: einem Dichtungsring 49a aus einem elastischen Material, wie Gummi, der eingepasst ist in und gehalten wird in der Innenumfangsoberfläche des ersten Zylinderkörpers 10d und gegen die Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers 2 gepresst wird; ein verstärkendes Metallstück 49b, das in dem Dichtungsring 49a eingebettet ist; und eine Schraubenringfeder 49c, um eine erforderliche Stärke sicherzustellen, mit welcher der innere Radialteil des Dichtungsringes gegen den zweiten Kupplungskörper 2 gedrückt wird.
Ausführungsbeispiel 4
Die 8 und die 9 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Drehkupplung in diesem Ausführungsbeispiel – die vierte Drehkupplung 101D – ist identisch im Aufbau mit den ersten, zweiten und dritten Drehkupplungen 101A, 101B, 101C, mit Ausnahme einiger Punkte, die beschrieben werden. Daher sind die Bezugszeichen, die entsprechende Teile in den 8 und 9 bezeichnen, dieselben wie jene in den 1 bis 7, und es wird von jenen Nummern keine Beschreibung angegeben.
In der vierten Drehkupplung 101D ist der stationäre Dichtungsring 30 in der Form eines Zylinders ausgebildet, wie in den 8 und 9 gezeigt ist. Konzentrisch zu dem zweiten Kupplungskörper 2 mit seiner Drehachse als Zentrum ist der stationäre Dichtungsring 30 eingepasst in und gehalten in eine(r) Ausnehmung, die in dem Dichtungsringrückhalterteil 21 ausgebildet ist. An der Oberseite des stationären Dichtungsringes 30 ist die Dichtungsendseite 30c ausgebildet, eine ringartige glatte Oberfläche senkrecht zu der Achse. Der stationäre Dichtungsring 30 ist in die Ausnehmung 21a mit dem oberen Endteil leicht heraustretend und mit einem O-Ring 24a in dem eingepassten Teil als zweite Dichtung eingepasst. Wie der O-Ring 14 besteht der O-Ring 24a vorzugsweise aus Fluororesin oder Fluorogummi.
Da der stationäre Dichtungsring 30 eng in den zweiten Kupplungskörper 2 eingepasst sein muss, anders als die Drehdichtungsringe 45, 55 in den Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5, könnte eine Herstellung mit geringer Genauigkeit oder eine Schrumpfpassungstechnik zu einer Restspannung, Schrumpfpassspannung oder ähnlichem führen, was die Dichtungsfunktion beeinträchtigen könnte. Die Drehkupplung 101D hat kein Problem dieser Art, da der stationäre Dichtungsring 30 zylindrisch in der Form ist, mit einem Hauptteil, das in die Ausnehmung 21a des zweiten Kupplungskörpers 2 eingepasst ist.
Der bewegliche Dichtungsring 31 besteht, wie in den 8 und 9 gezeigt ist, aus einem ringförmigen Hauptteil 31a und einem zylindrischen Rückhalterteil 31b, das integral damit ausgebildet ist. Eingepasst in ein Retentionsloch 11a, das in der Endwand 11 vorgesehen ist, wird der bewegliche Dichtungsring 31 in dem ersten Kupplungskörper konzentrisch entgegengesetzt zu dem stationären Dichtungsring 30 und beweglich in der Axialrichtung gehalten. Der Passbereich zwischen dem Rückhalterteil 31b und dem Retentionsloch 11a ist sekundär mit einem O-Ring 14 abgedichtet. Der Außenseitendurchmesser des Hauptteils 31a ist um eine spezifische Größe größer als der Außenseitendurchmesser des Rückhalterteils 31b. Die untere Endseite des Hauptteils 31a ist die Dichtungsendseite 31c, eine ringartige glatte Oberfläche senkrecht zu der Achse. Es ist zu beachten, dass die Faktoren, wie die Dimensionen der jeweiligen Komponententeile, einschließlich der Durchmesser der Dichtungsendseiten 30a, 31c, so ausgewählt sind, dass eine geeignete Dichtungsfunktion durch die Dichtungsendseiten 30a, 31c aufrecht erhalten werden kann, selbst wenn die Druckbeziehung zwischen den Bereichen 3a, 3b umgekehrt wird, zum Beispiel, wenn der erste Fluiddurchgang 6 auf den negativen Druck- oder Trockenmodus geschaltet wird. Das heißt, dass das Gleichgewichtsverhältnis K so eingestellt ist, dass 0 ≤ K ≤ 0,6 erzielt wird. Es ist auch zu beachten, dass der stationäre Dichtungsring 42 in der ersten Umfangsdichtungseinheit 4 eine Lagerseite 48 hat, die als ein Lager für den zweiten Kupplungskörper 2 wie bei der zweiten Drehkupplung 101B dient.
Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die eben beschrieben wurden, sondern geändert oder modifiziert werden kann, ohne von dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.
Zum Beispiel können die Drehkupplungen der vorliegenden Erfindung so konfiguriert sein, dass drei oder mehrere Arten von Fluiden gleichzeitig durch ihre jeweiligen Durchgänge fließen können. Während es strukturell unmöglich ist, mehr als einen primären Fluiddurchgang 6 zu bilden, kann die Anzahl von Hilfsfluiddurchgängen 7 frei erhöht werden durch Bereitstellen zusätzlicher Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5. In dem Fall ist es erwünscht, eine Umfangsseitendichtungseinheit zu haben, die als eine Dichtung zwischen zwei zweiten Verbindungsregionen 4a dient, um die Größe der Drehkupplung 101 niedrig zu halten. Dieses Merkmal ist in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen angenommen. Das heißt, dass die erste Umfangsseitendichtungseinheit 4 als Dichtung für den Kühlwasserraum 3b und den zweiten Verbindungsbereich 4a verwendet wird. Im Fall, dass N Leitungen von Hilfsfluiddurchgängen 7 erforderlich sind, um (N + 1) Arten von Fluiden, einschließlich des Hauptfluidflusses, zu haben, sind N Räume von zweiten Verbindungsregionen 4a erforderlich. Jene N Räume können gebildet werden durch Bereitstellen von (N + 1) Stücken von Umfangsseitendichtungseinheiten Seite an Seite.
Während es erwünscht ist, eine Lagerseite 48 in dem stationären Dichtungsring bereitzustellen, der von der Dichtung 13 am weitesten entfernt ist (bei dem vorangegangenen Beispielen der stationäre Dichtungsring 43 der ersten Umfangsdichtungseinheit 4), ist es möglich, die Lagerseite 48c in einem anderen Dichtungsring oder auch einer Mehrzahl von Dichtungsringen auszubilden (bei dem obigen Beispiel der stationäre Dichtungsring 53 der Dichtungseinheit 5).
In der primären Dichtungseinheit 3 können, was unnötig ist zu sagen, der stationäre Dichtungsring 30 in dem ersten Kupplungskörper 1 und der bewegliche Dichtungsring 31 (und seine Hilfsteile 32, 33) in dem zweiten Kupplungskörper 2 angeordnet sein, – anders als die Anordnung bei den vorangegangenen Beispielen.
Die Drehkupplungen der vorliegenden Erfindung sind auch möglicherweise anwendbar bei anderen Oberflächenpoliervorrichtungen als jener, die in der 10 dargestellt ist. Ein Beispiel ist eine Vorrichtung, die so aufgebaut ist, dass der Drehtisch ein Polierkissen ist, um Polierlösung auszublasen, und die Oberfläche des Siliziumwafers in Kontakt mit dem Kissentisch gebracht wird. Die Drehkupplungen der vorliegenden Erfindung können auch für eine Vielzahl von Ausstattungen zum Behandeln und Handhaben anderer Schmirgelfluide, korrosiver Fluide oder ähnlichem als der Polierlösung 106 verwendet werden. Die Drehkupplungen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere geeignet für Schmirgelfluide, die feste Bestandteile, wie abrasive Körner, enthalten. In Abhängigkeit von den Eigenschaften und anderen Bedingungen des Hilfsfluids 106a, das abzudichten ist, kann eine Nicht-Kontakt-Typ-Mechanikdichtung – eine Gasdichtung – als Umfangsseitendichtungseinheit verwendet werden, um einen oder mehrere zweite Verbindungsbereich(e) 4a abzudichten.
Der Fluidkontaktbereich in dem Primärfluiddurchgang 6 besteht aus einem Material, das keine metallischen Komponenten abgibt, wie Metallionen, in dem Fall, dass das Primärfluid 106 reines Wasser, Polierlösung oder ähnliches zur Behandlung eines Siliziumwafers ist. Solche Materialien enthalten technische Kunststoffe, korrosionsbeständige Kunststoffe und Siliziumcarbide. Wie angegeben ist, kann das Teil, wo der Primärfluiddurchgang 6 ausgebildet ist, alleine aus jenen Materialen bestehen. Oder der Fluidkontakt alleine kann aus solchen Materialien, wie durch Beschichten, gebildet sein. Oder die gesamten Kupplungskörper 1, 2 oder die gesamte Drehkupplung kann aus jenen Materialen bestehen. In dem Fall, dass die gesamte Kupplung oder der Hauptteil davon aus einem Kunststoffmaterial besteht, ist es erwünscht, Materialien auszuwählen, deren mechanischen Eigenschaften, insbesondere Biegestärke, höher als ein spezifisches Niveau sind. Allgemein ist es wün schenswert, Materialien, wie PEEK und PES mit einer Biegestärke von nicht weniger als 1.000 kg/cm², zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist geeignet für Vorrichtungen und Ausstattungen, die mit Primiärfluiden 106, wie Schmirgelfluiden, die harte feste Bestandteile enthalten, wie abrasive Körner, und korrosiven Flüssigkeiten, umgehen. Insbesondere kann in dem Fall eines hochkorrosiven Primärfluids 106 der Fluidkontaktbereich, wie die Innenwandoberfläche der Durchgangsabschnitte 60, 61 des Primärfluiddurchgangs 6, mit solchen korrosionsbeständigen Kunststoffen, wie PTFE, PFA und FEP, beschichtet sein. Es ist erwünscht, die Dichtungsringe 30, 31 aus Siliziumcarbid herzustellen. Jene Dichtungsringe 30, 31 können auch aus solchen technischen Kunststoffmaterialien gebildet sein.
Die Dichtungsringe der Primiärdichtungseinheit 3 und die Dichtungsringe der entsprechenden Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 können auch aus Siliziumcarbid mit niedrigem Metallgehalt mit einem Gesamtmetallgehalt von nicht höher als 200 ppm bestehen. Jene Dichtungsringe können auch mit üblichem gesintertem Siliziumcarbid gebildet sein, wobei die Dichtungsendseiten alleine aus einem Siliziumcarbid mit niedrigem Metallinhaltsgrad bestehen können, wie durch Beschichten mit einer chemischen Dampfabscheidungsschicht aus Siliziumcarbid von einem solchen Grad.
Das Material für die Dichtungslänge 30, 31 in der Primärdichtungseinheit 3 kann unter Aluminiumoxid, Fluororesin und PEEK zusätzlich zu Siliziumcarbid in Abhängigkeit von den Dichtungsbedingungen ausgewählt werden. Die Dichtungsringe 30, 31 bestehen aus demselben Material oder verschiedenen Materialien. Das Material für die stationären Dichtungsringe 43, 53 und die Drehdichtungsringe 45, 55 in den Umfangsseitendichtungseinheiten 4, 5 kann unter Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Fluororesin, PEEK und Kohlenstoff ausgewählt werden. Davon kann ein Material oder eine Kombination von zwei oder mehr ebenso wie die vorerwähnte Kombination von Kohlenstoff und Siliziumcarbid verwendet werden. Es ist auch zu beachten, dass falls Siliziumcarbid als Material für die Dichtungsringe herausgegriffen wird, es möglich ist, allgemein verwendete gesinterte Materialien in Abhängigkeit von den Dichtbedingungen zusätzlich zu dem vorerwähnten Siliziumcarbid mit niedrigem Metallgehalt zu verwenden. Die geeignete Kristallstruktur kann jegliche der folgenden sein: α-Typ-Polykristall, β-Typ-Polykristall oder eine Mischung aus jenen zwei Typen. Es ist aber erwünscht, eine Dampfabscheidungsbeschichtungsschicht des β-Typ-Siliziumcarbid-Polykristalls an der Endseite des vorerwähnten gesinterten Körpers zu haben.
Der Fluorogummi zum Bilden von O-Ringen 12, 24 etc. kann aus Vinyliden-Fluoriden, Acrylat-Fluoriden, Propylen-Hexafluoriden und deren Copolymeren ausgewählt werden.

Claims

Drehkupplung (101), enthaltend: einen ersten Kupplungskörper (1); einen zweiten Kupplungskörper (2), der drehbar mit dem ersten Kupplungskörper (1) verbunden ist, eine primäre Dichtungseinheit (3), die eine mechanische Dichtung ist, die zwischen gegenüberliegenden Endteilen liegt, die in der Axialrichtung der zwei Kupplungskörper (1, 2) angeordnet sind, welche primäre Dichtungseinheit (3) enthält, einen stationären Dichtungsring (30), der konzentrisch mit einem der gegenüberliegenden Endteile mit der Drehachse als Zentrum fixiert ist, einen beweglichen Dichtungsring (31), der in der Axialrichtung beweglich ist und in dem anderen der gegenüberliegenden Endteile konzentrisch mit dem stationären Dichtungsring (30) gehalten ist, einen Rotationsstoppermechanischmus (32), der an einer Außenumfangsseite des drehbaren Dichtungsrings (31) vorgesehen ist, um den drehbaren Dichtungsring (31) am relativen Rotieren zu hindern, während es dem drehbaren Dichtungsring (31) gestattet ist, sich in der Axialrichtung zu bewegen, und einem Druckmechanismus (33), um den beweglichen Dichtungsring (31) gegen den den stationären Dichtungsring (30) zu pressen, wodurch eine Dichtung zwischen einer Innenumfangsregion (3a) innerhalb der Dichtungsringe (30, 31) und einer Außenumfangsregion (3b) außerhalb der Dichtungsringe (30, 31) durch gleitenden Kontakt der zwei relativ rotierenden Dichtungsringe (30, 31) bereitgestellt wird; und einen kontinuierlichen primären Fluiddurchgang, der die Innenumfangsregion (3a) innerhalb der zwei Dichtungsringe (30, 31), einen ersten primären Fluiddurchgangsabschnitt (60), der durch den ersten Kupplungskörper (1) hindurchgeht und in die Innenumfangsregion (3a) führt, und einen zweiten primären Fluiddurchgang (61) enthält, der durch den zweiten Kupplungskörper hindurchgeht und in die Innenumfangsregion (3a) führt; dadurch gekennzeichnet, dass: die primäre Dichtungseinheit (3) ein Gleichgewichtsverhältnis (K) von 0 ≤ K ≤ 0,6 hat; eine Umfangsseitendichtungseinheit (4) zwischen einer Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers (2) und einer Innenumfangsoberfläche (10a) des ersten Kupplungskörpers (1), den zweiten Kupplungskörper (2) in konzentrischer Weise umgebend, vorgesehen ist, wodurch die Außenumfangsregion (3b) außerhalb der primären Dichtungsringe (30, 31) durch die Umfangsseitendichtungseinheit (4) und die primäre Dichtungseinheit (3) abgedichtet ist und als ein Kühlwasserraum (3b) verwendet wird, um Kühlwasser (8) zu empfangen, um den Kontaktbereich der Dichtungsringe (30, 31) zu kühlen; und der erste Kupplungskörper (1) mit einer Einlassöffnung (10b) und einer Auslassöffnung (10c) versehen ist, die sich beide in den Kühlwasserraum (3b) öffnen um die Zufuhr und Zirkulation von Kühlwasser (8) zu gestatten.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 1, wobei jeder der zwei Dichtungsringe (30, 31) einen entsprechenden gegenüberliegenden Endteil (30c, 31c) hat, von welchen ein gegenüberliegender Endteil verjüngt und gespitzt ist, um einen verjüngten Teil zu bilden.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 2, wobei eine der gegenüberliegenden Dichtungsendflächen (30c, 31c) der zwei Dichtungsringe (30, 31) in der primären Dichtungseinheit (3) eine ringartige Fläche mit 0,1 bis 0,8 mm in der Breite in einer Radialrichtung ist.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Innen- und Außenoberflächen des verjüngten Teils des Dichtungsringes kreisartige Konusoberflächen bilden, die unter einem identischen Winkel von 105° bis 150° bezüglich der Dichtungsendfläche (30c, 31c) bilden.
Drehkupplung nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Dichtungsringe (30, 31) in der primären Dichtungseinheit (3) aus Materialien bestehen, die ausgewählt sind unter Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Fluororesin und PEEK.
Drehkupplung nach Anspruch 5, wobei wenigstens die Dichtungsendfläche (30c, 31c) jedes Dichtungsrings (30, 31) aus Siliziumcarbid gebildet ist.
Drehkupplung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das Siliziumcarbid einen Gesamtmetallgehalt von nicht höher als 200 ppm enthält.
Drehkupplung nach Anspruch 1, wobei der stationäre Dichtungsring (30) in der Form zylindrisch und passend und gestülpt über einen Dichtungsringhalter (21) des zweiten Kupplungskörpers (2) ist.
Drehkupplung nach Anspruch 1, wobei der stationäre Dichtungsring (30) von zylindrischer Form und passend und gehalten in einer Ausnehmung ist, die in einem Endteil des Kupplungskörpers ausgebildet ist.
Drehkupplung nach Anspruch 1, wobei der primäre Fluiddurchgang (6) für eine hindurchgehende Flüssigkeit ist, wobei der Fluidkontaktbereich in dem primären Fluiddurchgang (6) aus einem Material besteht, das Metallkomponenten bei Kontakt mit der Flüssigkeit nicht lösen wird.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Umfangsdichtungseinheiten (4, 5) Seite an Seite in der Axialrichtung zwischen der Aussenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers (2) und der Innenumfangsoberfläche (10a) des ersten Kupplungskörpers (1), den zweiten Kupplungskörper (2) konzentrisch umgebend, vorgesehen sind, wodurch eine Verbindungsregion (4a) gebildet ist, die mit den benachbarten Umfangsseitendichtungseinheiten zwischen den Außen- und Innen- (10a) Umfangsoberflächen der Kupplungskörper (1, 2) abgedichtet ist, und wobei erste und zweite Hilfsfluiddurchgangsabschnitte (70, 71) in den Kupplungskörpern (1, 2) vorgesehen sind, die die primären Fluiddurchgangsabschnitte (60, 61) nicht kreuzen, wodurch eine kontinuierliche Leitung eines Hilfsfluiddurchgangs (7) gebildet wird, der aus den zwei Hilfsfluiddurchgangsabschnitten und der Verbindungsregion (4a) besteht.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei die Umfangsdichtungseinheit (4, 5) eine mechanische Dichtung ist, die einen stationären Dichtungsring (43, 53), der an der Innenumfangsoberfläche (10a) des ersten Kupplungskörpers (1) fixiert ist, und einen drehbaren Dichtungsring (45, 55) enthält, der in der Axialrichtung beweglich ist, in der Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers (2) konzentrisch mit und gegenüberliegend dem stationären Dichtungsring (43, 53) gehalten ist, und gegen den stationären Dichtungsring (43, 53) gepresst wird.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei eine Innenumfangsoberfläche des stationären Dichtungsrings (43, 53) in wenigstens einer Umfangsdichtungseinheit (4, 5) als eine ringförmige Lagerfläche (48) dient, die paßt über und drehbar hält die Außenumfangsoberfläche des zweiten Kupplungskörpers (2).
Drehkupplung nach Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei die Umfangsdichtungseinheit (4, 5) mit einer Plattenfeder (47, 57) versehen ist, die elastisch in der Axialrichtung in der Form veränderbar ist, um den drehbaren Dichtungsring (45, 55) gegen den stationären Dichtungsring (43, 53) zu drängen.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 1 oder Anspruch 11, wobei die jeweiligen Dichtungsringe (43, 53, 45, 55) in den Umfangsdichtungseinheiten (4, 5) aus Materialien bestehen, die ausgewählt sind unter Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Fluororesin, PEEK und Kohlenstoff.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 15, wobei von den zwei Dichtung (43, 45 und 53, 55) in den Umfangsdichtungseinheiten (4, 5) eine aus Siliziumcarbid und die andere aus Kohlenstoff besteht.
Drehkupplung (101) nach Anspruch 11, wobei wenigstens Innenwände der Hilfsfluiddurchgangsabschnitte (70, 71) in den jeweiligen Kupplungskörpern (1, 2) mit einem Kunststoffmaterial gebildet sind, das inert zu und resistent gegen das Hilfsfluid ist, das durch die Hilfsfluiddurchgangsabschnitte (70, 71) fließt.
Drehkupplung nach Anspruch 1 oder 11, wobei der O-Ring, der den Kontaktbereich zwischen dem Dichtungsring (30, 31, 43, 45, 53, 55) und dem Kupplungskörper (1, 2) sekundär abdichtet, aus Fluorogummi oder Fluororesin besteht.