JP4722113B2 - 回転継手 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ベベル研磨装置、半導体ウェハ研磨装置、真空チャック部スピンドル、半導体洗浄装置等の高度な清潔さが求められる被軸封機器に好適となる回転継手（ロータリージョイント）に関するものである。

従来、この種の回転継手は、図４に示すように、合成樹脂等によるリップ型のシール装置を持つものに構成されていた。即ち、一端（図４では上端）にウェハーを載せるターンテーブル（回転部材であって図示は省略）を取付可能で、かつ、縦軸心Ｐ方向に沿う貫通流路３１を有する回転軸３２と、この回転軸３２を、これに外嵌される回転フランジ部４１に作用する軸受３３を介して回転自在に支持し、かつ、回転軸３２の他端（図４では下端）における貫通流路３１に対向して開口する流体路３４を備える支承体３５と、貫通流路３１と流体路３４とを軸封状態で連通接続させるためのシール装置３６と、を有して成る回転継手Ｂである。

シール装置３６は、回転軸３２の下端部に形成されるシール用軸部３２Ａと、これに圧接外嵌される状態で支承体３５に嵌装される上下一対の環状シール部材３７，３８と、で構成されており、各環状シール部材３７，３８のリップ部３７ａ，３８ａがシール用軸部３２Ａの外周面３２ａに摺接している。このシール装置３６により、回転軸３２の回転に拘らずに窒素ガスや負圧による吸い込み流路となる貫通流路３１と流体路３４とをシール状態で連通接続させることができる。尚、３９は上側の環状シール部材３７を内嵌装備し、かつ、シール洗浄液の供給口部４０を備える中間フランジである。

上記のようなリップ型のシール装置を持つ回転継手を、例えば、特許文献１にて開示されるベベル研磨装置に適用する場合には問題が生じてきた。ベベル研磨装置は、円板状の半導体ウェハーの外周端であるベベル部（エッジ部とも呼ばれる）を研磨する装置であり、剥れかかっていたりする不要な絶縁膜やメタル膜を除去して、後加工での発塵を防止する有用なものである。リップシール構造の利点は、金属コンタミがないことや、コンパクト設計が可能となることが挙げられる。

近年、スループット時間等のプロセス時間短縮に伴ってベベル研磨装置における回転速度が速くなってきているが、合成樹脂等のリップシールによって構成されているシール装置では、摺動特性上、合成樹脂製シールの摩耗速度が非常に速くなってシール寿命（耐久性）が短くなってしまうとともに、それによる摩耗粉が著しく増加して清潔性の点でも問題になってきたのである。

一方、特許文献２にて開示される回転継手のように、回転軸の一端に嵌装される回転密封輪（４２）に、支承体にシール状態で、かつ、軸心方向移動可能に支持される静止密封輪（４３）を圧接させて成るメカニカルシールを有するものも知られている。これは、リップシール構造のシール装置に比べて、高圧や高周速（高回転速度）に対応できて使用条件に融通が利く利点があるが、摺動部分の安定した潤滑のためにはクウェンチを施すことが必要になるが、そのためにはダブルシール構造を採ることになって寸法が大幅に大きくなってしまう問題が生じる。

このように、回転継手においては、リップシール構造でもメカニカルシール構造でも一長一短があり、ベベル研磨装置のように厳しい条件下でも良好に機能させるに関して、更なる改善の余地が残されているものであった。
特開２００７−５６６１号公報 特許第２９１８８７４号公報

本発明の目的は、より高速回転が求められる厳しい条件下でも、大型化を抑制しつつシール部の潤滑が行えるようにしながら、十分なシール寿命と清潔性を有するように改善された回転継手を得る点にある。

請求項１に係る発明は、一端に回転部材を取付可能で、かつ、軸心Ｐ方向に沿う貫通流路３Ａを有する回転軸３と、この回転軸３を軸受２を介して回転自在に支持し、かつ、前記回転軸３の他端における前記貫通流路３Ａに対向して開口する流体路１２を備える支承体１と、前記貫通流路３Ａと前記流体路１２とを軸封状態で連通接続させるためのシール機構Ｓと、を有して成る回転継手において、
前記シール機構Ｓが、前記回転軸３の他端に一体回転状態で装備される回転密封輪６と、前記支承体１に軸封状態で前記軸心Ｐ方向に相対移動可能で、かつ、前記回転軸３に向けて押圧付勢される静止密封輪９，１０とで成る環状シール部２５，２６を有する接触型のメカニカルシールｓｉ，ｓｏを、前記軸心Ｐに対する径方向に重複する状態で一対設けて構成されるとともに、径内側の前記メカニカルシールｓｉの回転密封輪６と、径外側の前記メカニカルシールｓｏの回転密封輪６とがＳｉｃ製で一体のものに形成され、
前記回転密封輪６の下面には、径内側の前記静止密封輪９と対を成す第１摺動面６Ａと、径外側の前記静止密封輪１０と対を成す第２摺動面６Ｂと、それら両者６Ａ，６Ｂの径方向の間にて上方に凹入する環状凹み部６ｂとが形成され、
前記回転密封輪６のボス部６ａに一体回転状態に外嵌される駆動フランジ７が、キー８を介して前記回転軸３に相対回転不能に遊外嵌されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転継手において、前記各メカニカルシールｓｉ，ｓｏの前記環状シール部２５，２６どうしの間の空間部１ａ，１ｂに洗浄液を供給及び排出する液洗浄機構Ｂが装備されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の回転継手において、前記空間部１ａ，１ｂに、内外の前記環状シール部２５，２６を連通させる径方向の経路を前記軸心Ｐ方向に迂回させる環状堰１ｋが設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の回転継手において、前記流体路１２の反回転軸側の開口部２０ａが前記支承体１における前記軸心Ｐに対する横側面１ｓに形成されるとともに、前記支承体１における前記洗浄液の供給口２２ａ及び排出口２３ａが、前記流体路１２の前記開口部２０ａと前記軸心Ｐ方向の位置が同等で、かつ、前記軸心Ｐに対する径方向の角度が互いに異なる状態で前記横側面１ｓに形成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、接触型のメカニカルシールが径方向の内外に一対設けられるダブルシール構造であるから、より高速回転（高周速）に対応できるようになるとともに、従来のシングル構造のメカニカルシールで対応していた部位に前記ダブルシール構造を適用し、クウェンチを施すことで大幅な摩耗粉の低減が可能となる。加えて、内外のメカニカルシールの回転密封輪が一体のものに形成されているので、別々に形成されている場合に比べて、部品点数の削減やコストダウンを可能としながら装置としてのコンパクト化を図ることができる。その結果、より高速回転が求められる厳しい条件下でも、大型化を抑制しつつシール部の潤滑が行えるようにしながら、十分なシール寿命と清潔性を有するように改善された回転継手を得ることができる。

請求項２の発明によれば、液洗浄機構によって内外のメカニカルシール間の空間部を清潔状態に維持することができ、清潔性の利点をより安定的に得ることができる効果がある。

請求項３の発明によれば、内外のメカニカルシール間の空間部に設けられた環状堰により、内外何れか一方のメカニカルシールを経た洗浄液を軸心方向に迂回させて他方のメカニカルシールに向かうようにできるから、内外いずれの環状シール部においても洗浄液の流れを促進させて各環状シール部に十分な潤滑作用や冷却作用を与えることができ、より信頼性や耐久性を向上できる効果が得られる。

請求項４の発明によれば、洗浄液の給排の各開口部を含む複数の開口部が、軸心に関する角度を互いに変えることで軸心方向位置を大きく異ならせることなく支承体に配置することが可能になり、従って、複数数の開口部を側周面に形成しながら軸心方向の大型化が抑制できる支承体を持つ合理的な回転継手を提供することができる。

以下に、本発明による回転継手の実施の形態を、ベベル研磨装置等に適用される場合について図面を参照しながら説明する。図１は実施例１による回転継手の断面図、図２は図１の要部の拡大断面図、図３は図１の回転継手の底面図、図４は従来の回転継手を示す断面図である。

〔実施例１〕
実施例１による回転継手Ａは、図１に示すように、下ケース部１Ａと上ケース部１Ｂとの嵌合連結で成る軸受ケース（支承体の一例）１には転がり軸受２，２を介して縦軸心Ｐ回りで転自在に回転軸３が支承されており、回転軸３の上端部には円形のプレート４がボルト止めされるとともに、回転軸３の下部と軸受ケース１とに亘って形成されるシール機構Ｓを有して構成されている。

回転軸３の下端部には、Ｏリング５を介してのシール状態で回転密封輪６が上方移動不能に外嵌されており、回転密封輪６のボス部６ａに一体回転状態に外嵌される駆動フランジ７が、キー８を介して回転軸３に相対回転不能に遊外嵌されている。回転密封輪６の下面には、径内側の第１摺動面６Ａと、径外側の第２摺動面６Ｂと、それら両者６Ａ，６Ｂの径方向の間にて上方に凹入する環状凹み部６ｂとが形成されている。第１及び第２摺動面６Ａ，６Ｂは互いに同一となる平面上に形成されている。また、回転密封輪６には、回転軸３の中心流路３Ａに連通する中心孔６ｃが形成されている。

下ケース部１Ａには、第１摺動面６Ａと対を成す第１静止密封輪９と、第２摺動面６Ｂと対を成す第２静止密封輪１０とが装備されている。第１静止密封輪９は、Ｏリング１１を介してのシール状態で下ケース部１Ａの流路孔１２に内嵌されるボス部９Ａと、第１静止密封輪９を回転不能に上昇付勢させるためのフランジ部９Ｂと、第１摺接環９Ｃとから成るとともに中心孔９ａを有する筒状部材に構成されている。フランジ部９Ｂは、下ケース部１Ａに落し込み配置される複数のコイルバネ１３によって上昇付勢されるとともに、下ケース部１Ａに植設されるピン１４が入り込む横向き凹入部９ｂが形成されており、フランジ部９Ｂに一体形成される第１摺接環９Ｃの上面である環状の第１摺接面１５を、第１摺動面６Ａに押圧付勢状態で接触させるように構成されている。

第２静止密封輪１０は、Ｏリング１６を介してのシール状態で下ケース部１Ａの外側収容部分１ｂに内嵌されるボス部１０Ａと、第２静止密封輪１０を回転不能に上昇付勢させるためのフランジ部１０Ｂと、第２摺接環１０Ｃとから成るとともに、中心孔１０ａを有する大径筒状部材に構成されている。フランジ部１０Ｂは、下ケース部１Ａに落し込み配置される複数のコイルバネ１７によって上昇付勢されるとともに、上下のケース部１Ａ，１Ｂを連結する連結ボルト１８が入り込む横向き凹入部１０ｂが形成されており、フランジ部１０Ｂに一体形成される第２摺接環１０Ｃの上面である環状の第２摺接面１９を、第２摺動面６Ｂに押圧付勢状態で接触させるように構成されている。

つまり、下ケース部１Ａと回転密封輪６とで形成される内側収容部分１ａに、第１摺動面６Ａを持つ回転密封輪６、及び第１摺動面６Ａに圧接される第１摺接面１５を持つ第１静止密封輪９を設けて成る接触型のメカニカルシールである内側シール部ｓｉと、下ケース部１Ａと回転密封輪６と上ケース部１Ｂで形成される外側収容部分１ｂに、第２摺動面６Ｂを持つ回転密封輪６、及び第２摺動面６Ｂに圧接される第２摺接面１９を持つ第１静止密封輪９を設けて成る接触型のメカニカルシールである外側シール部ｓｏとによるダブルシール構造のシール機構Ｓが構成されている。即ち、軸心Ｐに対する径方向に重複する状態で一対のメカニカルシールｓｉ，ｓｏが設けられている。

図１，図３に示すように下ケース部１Ａには、流体路である流路孔１２に連通して横向きに開口する主流路２０、流路孔１２に小径でもって連通して横向きに開口する副流路２１、注入路２２、及び取出路２３が形成され、上ケース部１Ｂには、駆動フランジ７の側方にて内部連通し、かつ、横向きで開口するドレン路２４が形成されている。例えば、主流路２０の開口部２０ａには真空配管（図示省略）が、副流路２１の開口部２１ａには窒素ガス配管（図示省略）が連通接続される。つまり、流路孔１２の反回転軸側の開口部２０ａが軸受ケース１における軸心Ｐに対する横側面である側周面１ｓに形成されるとともに、軸受ケース１における洗浄液の供給口である開口部２２ａ及び排出口である開口部２３ａが、流路孔１２の開口部２０ａと軸心Ｐ方向の位置が同等で、かつ、軸心Ｐに対する径方向の角度が互いに異なる状態で側周面１ｓに形成されている。

そして、注入路２２の開口部２２ａと取出路２３の開口部２３ａとにはシール機構Ｓに清水等の洗浄液を流す注入管とは抽出管（共に図示省略）がそれぞれ連通接続される。つまり、内外のシール部ｓｉ，ｓｏの環状シール部２５，２６どうしの間の空間部１ａ，１ｂに洗浄液を供給及び排出する液洗浄機構Ｂが装備されている。

図１に示すように、第１静止密封輪９を落し込み配置する内側収容部分１ａと、第２静止密封輪１０落し込み配置する外側収容部分１ｂとを隔てるべく縦軸心Ｐ方向に延設される環状隔壁１Ｋが下ケース部１Ａに形成されている。その環状隔壁１Ｋの先端部である隔壁先端部（環状堰の一例）１ｋは、互いに同一平面状に形成される第１摺動面６Ａ及び第２摺動面６Ｂのを越えて環状凹み部６ｂに侵入している。つまり、隔壁先端部１ｋは、内外の環状シール部２５，２６を連通させる径方向の経路を軸心Ｐ方向に迂回させる環状堰として機能する。

従って、注入路２２に供給される清水は、内側シール部ｓｉのコイルバネ１３配置用穴と同径の注入孔２２ｂを通って内側収容部分１ａに入り、外側収容部分１ｂにおける外側シール部ｓｏの径内側部分を通って取出孔２３ｂに流れるが、隔壁先端部１ｋの存在によって清水は十分に高い位置を通って循環する。つまり、内側収容部分１ａに入って来た清水は内側の環状シール部２５付近を確実に流れ、一旦、環状凹み部６ｂを経てから外側収容部分１ｂに入り、外側の環状シール部２６付近を確実に流れてから排出されるようになり、その結果、内外の環状シール部２５，２６において清水の流れを促進させて各環状シール部２５，２６に十分な潤滑作用や冷却作用を与えることができ、より信頼性や耐久性を向上させることが可能な構成になっている。

尚、主流路２０を介しての真空吸引はウェハのチャッキング用であり、副流路２１を介しての窒素ガス供給はウェハのリリース用である。そして、注入路２２及び取出路２３を介しての清水の流通はクウェンチ（後述）用であり、ドレン路２４はシール機構Ｓ（外周シール）の漏れ回収（検知）用である。真空吸引を窒素ガス供給孔よりも低い位置とすることで、シール機構Ｓで発生するパーティクルが効果的に真空吸引される構造となっている。また、クウェンチの出口（取出孔２３ｂ）は、環状シール部２５，２６（シール面）を通すことからはそれらより上側に設けるのが望ましいが、上端がそれら環状シール部２５，２６よりも高い隔壁先端部１ｋを設ける工夫により、清水が環状シール部２５，２６を通る構造としながらも低い位置の出口（取出孔２３ｂ）が実現されている。

ところで、回転密封輪６の材質例はＳｉｃであり、第１静止密封輪６の材質例はＳｉｃであり、第２静止密封輪１０の材質例はカーボンである。また、第１及び第２摺動面６Ａ，６Ｂ、第１摺接面１５、第２摺接面１９等の接液（接ガス）部材は、各種金属の他、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ，ＳｉＣ，ＣＶＤ−ＳｉＣ、及びＰＥＥＫ、或いはＰＴＦＥ，ＰＦＡのコーティングを施した金属材料等によって作製されても良い。

本発明による回転継手は次のような利点がある。内外の静止密封輪６，１０は互いに独立する別体のものとし、かつ、内外のシール部ｓｉ，ｓｏそれぞれの回転密封輪６は内外一体のものとしてダブルシール構造を採るものであるから、内外のシール部ｓｉ，ｓｏを別々に構成させる手段に比べて、径方向に一対のシール部ｓｉ，ｓｏを有効に機能する状態としながらも径方向寸法のコンパクト化が可能になっている。また、高速回転領域（１５００ｒｐｍ以上：メカニカルシール呼び径周速で１．３ｍ／ｓ以上）の設計が可能である。

また、ダブルシール構造によってより高速回転（高周速）に対応できるとともに、従来のシングル構造のメカニカルシールで対応していた部位にダブルシール構造を適用し、クウェンチ（シール面の潤滑や洗浄のために水やスチーム等を被シール流体の反対側より供給すること）を施すことで大幅な摩耗粉の低減が可能となる。加えて、内外のメカニカルシールの回転密封輪が一体のものに形成されており、別々に形成されている場合に比べて、部品点数の削減やコストダウンを可能としながらコンパクト化を図ることができる。

実施例１による回転継手の構造を示す断面図 図１の要部を示す拡大断面図 図１の回転継手の底面図 従来の回転継手を示す断面図

符号の説明

１ 支承体
１ａ，１ｂ 空間部
１ｋ 環状堰
１ｓ 横側面
２ 軸受
３ 回転軸
３Ａ 貫通流路
６ 回転密封輪
９，１０ 静止密封輪
１２ 流体路
２０ａ 流体路の開口部
２２ａ 洗浄液の供給口
２３ａ 洗浄液の排出口
２５，２６ 環状シール部
Ｂ 液洗浄機構
Ｐ 軸心
Ｓ シール機構
ｓｉ，ｓｏ 接触型のメカニカルシール

Claims (4)

1. 一端に回転部材を取付可能で、かつ、軸心方向に沿う貫通流路を有する回転軸と、この回転軸を軸受を介して回転自在に支持し、かつ、前記回転軸の他端における前記貫通流路に対向して開口する流体路を備える支承体と、前記貫通流路と前記流体路とを軸封状態で連通接続させるためのシール機構と、を有して成る回転継手であって、
   前記シール機構が、前記回転軸の他端に一体回転状態で装備される回転密封輪と、前記支承体に軸封状態で前記軸心方向に相対移動可能で、かつ、前記回転軸に向けて押圧付勢される静止密封輪とで成る環状シール部を有する接触型のメカニカルシールを、前記軸心に対する径方向に重複する状態で一対設けて構成されるとともに、径内側の前記メカニカルシールの回転密封輪と、径外側の前記メカニカルシールの回転密封輪とがＳｉｃ製で一体のものに形成され、
   前記回転密封輪の下面には、径内側の前記静止密封輪と対を成す第１摺動面と、径外側の前記静止密封輪と対を成す第２摺動面と、それら両者の径方向の間にて上方に凹入する環状凹み部とが形成され、
   前記回転密封輪のボス部に一体回転状態に外嵌される駆動フランジが、キーを介して前記回転軸に相対回転不能に遊外嵌されている回転継手。
2. 前記各メカニカルシールの前記環状シール部どうしの間の空間部に洗浄液を供給及び排出する液洗浄機構が装備されている請求項１に記載の回転継手。
3. 前記空間部に、内外の前記環状シール部を連通させる径方向の経路を前記軸心方向に迂回させる環状堰が設けられている請求項２に記載の回転継手。
4. 前記流体路の反回転軸側の開口部が前記支承体における前記軸心に対する横側面に形成されるとともに、前記支承体における前記洗浄液の供給口及び排出口が、前記流体路の前記開口部と前記軸心方向の位置が同等で、かつ、前記軸心に対する径方向の角度が互いに異なる状態で前記横側面に形成されている請求項２又は３に記載の回転継手。

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