JP2002166362A - ロータリジョイント及び軸シール部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンウエーハの研磨装置に使用して、優
れたシール性を確保できるロータリジョイントを提供す
る。 【解決手段】 複数の環状部材１３を軸方向に積層して
筒体１０を構成する。各環状部材１３に径方向流路１３
ａを設ける。筒体１０の内側に回転自在に嵌合する軸体
２０に、複数の環状部材１３に対応する複数の軸方向流
路２１を設ける。隣接する環状部材１３，１３間に押圧
保持された軸シール部材３０により、軸体２０の外周面
との間をシールする。軸シール部材３０として、環状の
保持部の内面側に、環状のリップ部が軸方向へ傾斜して
一体的に設けられた単一リップ構造のゴムシールを用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置における
砥液供給等に好適に使用されるロータリジョイント、及
びその砥液供給用ロータリジョイントに使用される軸シ
ール部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの素材であるシリコンウ
エーハは、シリコン単結晶から切り出された後にラッピ
ングを受け、更にポリッシングと呼ばれる研磨処理を受
ける。この研磨処理は、上下の回転定盤間で複数のキャ
リアが公転しながら或いは定位置で自転することによ
り、複数のキャリアに保持された複数のウエーハの各表
面が同時に研磨される。

【０００３】このとき、上下の回転定盤間には研磨用の
砥液が供給される。この砥液の供給は、回転定盤の回転
軸を通して行われるため、ロータリジョイントを必要と
する。シリコンウエーハ研磨用の回転定盤間への砥液供
給に使用されるロータリジョイントの従来例を図４に示
す。

【０００４】この従来例では、固定軸である円筒形状の
筒体１の内側に、回転定盤の回転軸と連結される円筒形
状の軸体２が、軸受を介して回転自在に嵌合している。
筒体１には、配管のねじ込み部を兼ねる複数の径方向流
路３，３・・が軸方向に所定の間隔で設けられている。
筒体１の内周面には、径方向流路３，３・・に連通する
周方向流路４，４・・が設けられると共に、環状の軸シ
ール部材５が嵌合する周溝６が、径方向流路４の軸方向
両側に位置して設けられている。

【０００５】一方、軸体２には、複数の軸方向流路７，
７・・が周方向に所定の間隔で設けられている。軸方向
流路７，７・・の一端は軸体２の一端面に開口してい
る。軸方向流路７，７・・の他端は、筒体１の周方向流
路４，４・・に各対応するように、軸体２の外周面の軸
方向複数位置に開口している。そして、筒体１の内周面
と軸体２の外周面との間が、周溝６，６・・に嵌合する
軸シール部材５，５・・によりシールされている。

【０００６】砥液は、固定軸である筒体１の外側から径
方向流路３，３・・を通ってその内の周方向流路４，４
・・へ供給される。周方向流路４，４・・へ供給された
砥液は、回転定盤の回転軸と連結された軸体２の対応す
る軸方向流路７，７・・を通り、更に回転軸内を通って
回転定盤間へ送給される。筒体１の内周面と軸体２の外
周面との間をシールする軸シール部材５，５・・として
は、断面がＸ形状のいわゆるＸシールが使用されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようなロータリジ
ョイントを用いることにより、回転定盤の回転軸を通し
て回転定盤間へウエーハ研磨用の砥液が供給される。し
かしながら、ウエーハ研磨用の砥液は、細かな砥粒を多
く含む腐食性の液体であり、軸シール部材を腐食、磨耗
させやすいという本質的な問題がある。加えて、ウエー
ハ汚染を防止するために、潤滑油を使えないという厳し
い制約もある。これらのため、軸シール部材の寿命が他
の流体を流通させる場合と比べて極端に短くなるという
問題がある。

【０００８】また、ロータリジョイントの筒体には、フ
ッ素系樹脂等の耐腐食性樹脂を使用することが要求され
ている。これは、ウエーハの金属汚染を防止するため
に、金属の使用を極力控えることが推奨されていること
による。しかしながら、ロータリジョイントの筒体に樹
脂を使用すると、軸体の外周面への軸シール部材の押し
付け圧力（面圧）を十分に上げることができないという
制約が生じる。なぜなら、この面圧を上げると、軸シー
ル部材の発熱が顕著となり、筒体の使用限界温度を超え
るからである。この樹脂の使用に伴う面圧制限のため、
軸シール部材が内側の軸体と共に回転するいわゆる共回
りを生じ、シール機能を十分に発揮できないという問題
が発生する。

【０００９】本発明の目的は、軸シール部材を低面圧で
使用する場合にも、優れたシール性を確保できるロータ
リジョイントを提供することにある。本発明の他の目的
は、研磨装置のロータリジョイントに用いられるにもか
かわらず、使用寿命の長い軸シール部材を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のロータリジョイントは、複数の環状部材を
軸方向に積層して構成され、各環状部材に径方向流路が
設けられた筒体と、該筒体の内側に回転自在に嵌合し、
前記筒体を構成する複数の環状部材に対応するように外
周面の軸方向の異なる位置に開口する複数の軸方向流路
が設けらた軸体と、前記筒体の隣接する環状部材間に保
持され、前記軸体の外周面との間をシールする複数の軸
シール部材とを具備している。

【００１１】本発明のロータリジョイントにおいては、
筒体が軸方向に積層された複数の環状部材により構成さ
れ、軸体の外周面との間をシールする複数の軸シール部
材が筒体の隣接する環状部材間に挟持される。即ち、複
数の軸シール部材は、筒体を構成する複数の環状部材を
軸方向で締め付けることにより、隣接する環状部材間に
保持される。このため、軸体の外周面に対する軸シール
部材の押し付け圧力（面圧）が小さい場合にも、軸シー
ル部材の共回りが防止され、優れたシール機能が得られ
る。

【００１２】前記筒体は、隣接する環状部材間に内面側
に開放する周溝を有しており、該周溝内に前記軸シール
部材を保持する構成が好ましい。

【００１３】前記軸シール部材としては、環状の保持部
の内面側に、軸方向に傾斜した環状のリップ部が一体的
に設けられた単一リップ構造のゴムシールが好ましく、
特に、一組のゴムシールをそれぞれのリップ部が相反す
る側へ傾斜するように背中あわせに組み合わせた使用形
態が好ましい。

【００１４】前記軸体は、外周面に平滑硬化層を有する
構成が、軸シール部材の磨耗抑制の点から好ましい。

【００１５】前記環状部材は非金属、なかでも樹脂から
なる構成が好ましい。樹脂の使用に伴う面圧低下によっ
ても、軸シール部材の共回りが防止されることは上述し
たとおりである。

【００１６】また、本発明の軸シール部材は、研磨装置
の回転定盤間への砥液供給に使用されるロータリジョイ
ントの筒体と軸体との間のシールに用いられる軸シール
部材であって、環状の保持部の内面側に、軸方向へ傾斜
した環状のリップ部が一体的に設けられた単一リップ構
造のゴムシールである。

【００１７】本発明の軸シール部材を使用すると、リッ
プ部の先端応力集中と自閉作用により低面圧接触下で高
いシール性が確保される。また、この高いシール性によ
って接触部への砥粒侵入が防止されるため、耐用期間の
大幅延長が図られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係るロー
タリジョイントの一部破断立面図、図２は同ロータリジ
ョイントの平面図、図３は同ロータリジョイントに使用
された軸シール部材の縦断面図である。

【００１９】本実施形態に係るロータリジョイントは、
半導体ウエーハ研磨用の研磨装置に使用される。より具
体的には、ウエーハを研磨する回転定盤間への砥液供
給、洗浄水の供給及び下側の回転定盤側へウエーハを吸
着保持するための真空引きなどにに使用される。

【００２０】このロータリジョイントは、図１及び図２
に示すように、固定軸である円筒形状の筒体１０と、筒
体１０内に回転自在に挿入された円筒形状の軸体２０
と、両者の間をシールする複数の軸シール部材３０，３
０・・とを備えている。

【００２１】筒体１０は、上下の端板としての環状部材
１１，１２と、環状部材１１，１２間に同心状に積層さ
れた複数の環状部材１３，１３・・と、これらを軸方向
で締め付けて固定する複数本のボルト１４とを備えた積
層構造である。後で詳しく説明するが、砥液等の流体
は、筒体１０の外側からその内側の軸体２０に供給され
る。

【００２２】環状部材１１，１２及び環状部材１３，１
３・・はいずれもフッ素樹脂からなる。各環状部材１３
の円周方向の一部には、当該環状部材１３を半径方向に
貫通する径方向流路１３ａが設けられている。径方向流
路１３ａの入口部分は配管のねじ込み部を兼ねている。
複数の環状部材１３，１３・・に接続される配管の干渉
を回避するために、それぞれの径方向流路１３ａ，１３
ａ・・は交互に相反する側を向いている。

【００２３】最上段の環状部材１１の内縁部下面には、
位置決め用の環状突起が設けられている。また、この環
状部材１１の下端部内周面には、断面が逆Ｌ状の切り込
みが全周にわたって設けられている。この切り込みは、
下側の環状部材１３の上面で下側から閉塞されることに
より、１組の軸シール部材３０，３０を収容するための
周溝１１ａを、環状部材１１の下端部内周面に形成す
る。

【００２４】図３に示すように、各環状部材１３の内縁
部下面には、位置決め用の環状突起１３ｄが設けられて
いる。各環状部材１３の内縁部上面には、上側の位置決
め用の環状突起が嵌合する環状凹部１３ｅが設けられて
いる。各環状部材１３の内周面には、径方向流路１３ａ
と連通する周方向流路１３ｂ（図１参照）が設けられて
いる。各環状部材１３の下端部内周面には、断面が逆Ｌ
状の切り込みが全周にわたって設けられている。この切
り込みは、下側の環状部材１３或いは環状部材１２の上
面で下側から閉塞されることにより、１組の軸シール部
材３０，３０を収容するための周溝１３ｃを、環状部材
１３の下端部内周面に形成する。

【００２５】最下段の環状部材１２の内縁部上面には、
上側の環状部材１３の内縁部下面に形成された位置決め
用の環状突起が嵌合する環状凹部が設けられている。

【００２６】軸体２０は、上下の環状部材１１，１２の
各内側に設けられた軸受５１，５２により、筒体１０の
内側に、その内周面との間に環状ギャップを形成した状
態で回転自在に支持されている。

【００２７】この軸体２０には、複数の環状部材１３，
１３・・の径方向流路１３ａ，１３ａ・・に対応する複
数の軸方向流路２１，２１・・が、周方向に所定の間隔
で設けられている。軸方向流路２１，２１・・の各上端
は、軸体２０の上端面に開口している。軸方向流路２
１，２１・・の各下端は、複数の環状部材１３，１３・
・の内側に形成される環状ギャップに連通するように、
軸体２０の外周面の軸方向の異なる部分に開口してい
る。

【００２８】軸体２０の両端支持部を除く外周面には、
ハステロイ（商品名）又はステライト（商品名）等の高
合金からなる平滑硬化層が溶射又は肉盛溶接等により形
成されている。

【００２９】軸シール部材３０は、図３に示すように、
断面が角形で円環状の保持部３１の内面側に円環状のリ
ップ部３２を一体的に設けた単一リップ構造のゴムシー
ルである。環状のリップ部３２は、保持部３１の中心軸
方向に傾斜している。より具体的には、シール性を高め
るために、保持部３１の軸方向一端部を起点として他端
部の側へ４５度以上、好ましくは６０〜８０度以上の角
度で大きく傾斜しており、且つ先端部へ向かって厚みが
漸減している。

【００３０】この軸シール部材３０は、環状部材１１の
周溝１１ａ及び環状部材１３，１３・・の周溝１３ｃ，
１３ｃ・・に２個ずつ収容されている。より具体的に
は、２個の軸シール部材３０，３０が、それぞれのリッ
プ部３２，３２を相反する上下へ傾斜させた、いわゆる
背中合わせの姿勢で各周溝に挿入されている。２個の軸
シール部材３０，３０の間には、保持部３１，３１の変
形を防止するためにバックアップリング４０が配置され
ている。

【００３１】ここで、周溝１１ａ，１３ｃの幅は、筒体
１０の軸方向の締め付けによって軸シール部材３０，３
０の保持部３１，３１が軸方向で十分に加圧されるよう
に設計されている。一方、周溝１１ａ，１３ｃの深さ
は、軸シール部材３０，３０のリップ部３２，３２の比
較的薄い先端部のみが軸体２０の外周面に面接触する程
度の低面圧で、リップ部３２が軸体２０の外周面に押し
付けられるように設計されている。

【００３２】以上のように構成された本実施形態に係る
ロータリジョイントの機能は以下のとおりである。

【００３３】筒体１０は固定軸である。一方、軸体２０
は回転し、上方に配置された下側の回転定盤の回転軸と
連結されている。上下の回転定盤間で半導体ウエーハを
研磨するとき、筒体１０を構成する複数の環状部材１
３，１３・・の径方向流路１３ａ，１３ａ・・から周方
向流路１３ｂ，１３ｂ・・を経て、軸体２０の外周面と
の間の各環状ギャップに砥液が供給される。各環状ギャ
ップは、軸方向の両側に配置された２個ずつの軸シール
部材３０，３０により、その両側でシールされることに
より、環状の密閉空間となる。これにより、各環状ギャ
ップに供給された砥液は、軸体２０の対応する軸方向流
路２１，２１・・に流入し、軸体２０の上方に連結され
た回転軸内を上昇して、上下の回転定盤間に供給され
る。

【００３４】このとき、軸シール部材３０，３０は、リ
ップ部３２，３２の先端部が低面圧で軸体２０の外周面
に弾性的に面接触するが、先端部に応力が集中した面シ
ール形態となり、しかも、リップ部３２，３２が砥液の
供給圧力を受けることにより、リップ部３２，３２の先
端部が軸体２０の外周面に対して自閉作用を示す。一
方、軸シール部材３０，３０の保持部３１，３１が筒体
１０の軸方向の締め付けにより強固に固定されているの
で、低面圧接触であるにもかかわらず、軸シール部材３
０，３０の共回りが防止される。これらのため、低面圧
であるにもかかわらず、高いシール性が確保される。

【００３５】また、この高いシール性に加え、軸体２０
の外周面に平滑硬化層が形成されることにより、砥液に
含まれる砥粒の接触部への侵入が阻止される。このた
め、リップ部３２，３２の磨耗も顕著に抑制される。

【００３６】更に、軸シール部材３０，３０が低面圧接
触てあるため、発熱が抑制される。このため、筒体１０
が樹脂からなるにもかかわらず、熱劣化が防止される。
そして、筒体１０を非金属である樹脂製としたことによ
り、ウエーハの金属汚染が抑制される。

【００３７】上下の回転定盤間でのウエーハ研磨が終わ
ると、このロータリジョイントを介して回転定盤間に洗
浄水を供給する。また、ウエーハ取り出しのために、上
側の回転定盤を上昇させるが、このときにウエーハが上
側の回転定盤と共に持ち上げられるのを防止するため
に、ウエーハを下側の回転定盤側へ吸着保持する。この
吸着保持のために、ロータリジョイントを介して真空排
気を行うことにより、回転定盤間のウエーハを下側の回
転定盤側へ吸着する。

【００３８】２個の軸シール部材３０，３０を背中合わ
せに組み合わせているので、軸方向の両側からの加圧に
対して有効なシール性を示すだけでなく、この真空吸引
に対しても有効なシール性を示す。

【００３９】複数の環状部材１１，１２，１３，１３・
・を積層して構成された筒体１０は、低面圧接触下での
軸シール部材３０，３０の共回りを防止するだけでな
く、軸シール部材３０，３０の組み込み作業を簡単に
し、且つ、ポート数の変更等の設計変更も容易にする利
点がある。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明のロータ
リジョイントは、軸方向に積層された複数の環状部材に
より外側の筒体を構成し、内側の軸体の外周面との間を
シールする複数の軸シール部材を筒体の隣接する環状部
材間に挟持することにより、軸シール部材の押し付け圧
力（面圧）が小さい場合にも、軸シール部材の共回りを
防止でき、優れたシール性を確保できる。

【００４１】また、本発明の軸シール部材は、環状の保
持部の内面側に、軸方向に傾斜した環状のリップ部が一
体的に設けられた単一リップ構造を採用することによ
り、研磨用砥液を供給するロータリジョイントに使用さ
れるにもかかわらず、長い使用寿命を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るロータリジョイントの
一部破断立面図である。

【図２】同ロータリジョイントの平面図である。

【図３】同ロータリジョイントに使用された軸シール部
材の縦断面図である。

【図４】従来のロータリジョイントの一部破断立面図で
ある。

【符号の説明】

１０ 筒体 １１，１２，１３ 環状部材 １３ａ 径方向流路 １３ｂ 周方向流路 １３ｃ 周溝 １４ ボルト ２０ 軸体 ２１ 軸方向流路 ３０ 軸シール部材 ３１ 保持部 ３２ リップ部 ４０ バックアップリング ５１，５２ 軸受

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 丙午 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 北脇 道夫 大阪府大阪市北区梅田２丁目４番１号 六 菱ゴム株式会社大阪本部内 (72)発明者 洲野 敬二 兵庫県神戸市西区見津が丘２丁目３番地５ 六菱ゴム株式会社神戸工場内 Ｆターム(参考） 3C047 FF08 GG20 3J006 AE23 AE50 CA01

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の環状部材を軸方向に積層して構成
   され、各環状部材に径方向流路が設けられた筒体と、該
   筒体の内側に回転自在に嵌合し、前記筒体を構成する複
   数の環状部材に対応するように外周面の軸方向の異なる
   位置で開口する複数の軸方向流路が設けらた軸体と、前
   記筒体の隣接する環状部材間に保持され、前記軸体の外
   周面との間をシールする複数の軸シール部材とを具備す
   ることを特徴とするロータリジョイント。
2. 【請求項２】 前記筒体は、隣接する環状部材間に内面
   側に開放する周溝を有しており、該周溝内に前記軸シー
   ル部材を保持することを特徴とする請求項１に記載のロ
   ータリジョイント。
3. 【請求項３】 前記軸シール部材は、環状の保持部の内
   面側に、軸方向へ傾斜した環状のリップ部が一体的に設
   けられた単一リップ構造のゴムシールである請求項１に
   記載のロータリジョイント。
4. 【請求項４】 前記リップ部は、前記保持部の軸方向一
   端部を起点として他端部側へ４５度以上の角度で傾斜
   し、且つ基端部から先端部へ向かって厚みが漸減する請
   求項３に記載のロータリジョイント。
5. 【請求項５】 前記ゴムシールは、その一組をそれぞれ
   のリップ部が相反する側へ傾斜するように背中あわせに
   組み合わせた構成であることを特徴とする請求項３に記
   載のロータリジョイント。
6. 【請求項６】 前記軸体は、外周面に平滑硬化層を有す
   ることを特徴とする請求項１に記載のロータリジョイン
   ト。
7. 【請求項７】 前記環状部材は非金属からなる請求項１
   に記載のロータリジョイント。
8. 【請求項８】 前記非金属は樹脂である請求項７に記載
   のロータリジョイント。
9. 【請求項９】 研磨装置の回転定盤間への砥液供給に使
   用されるロータリジョイントの筒体と軸体との間のシー
   ルに用いられる軸シール部材であって、環状の保持部の
   内面側に、軸方向へ傾斜した環状のリップ部が一体的に
   設けられた単一リップ構造のゴムシールである軸シール
   部材。
10. 【請求項１０】 前記リップ部は、前記保持部の軸方向
    一端部を起点として他端部側へ４５度以上の角度で傾斜
    し、且つ基端部から先端部へ向かって厚みが漸減する請
    求項９に記載の軸シール部材。