JP6362390B2 - ロータリージョイント、及び、研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリージョイント、及び、研磨装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現するためには、半導体デバイス表面を精度よく平坦化処理する必要がある。

半導体デバイス表面の平坦化技術として、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ））が知られている。ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドが貼り付けられた研磨テーブルと、研磨対象物（例えば半導体ウエハなどの基板、又は基板の表面に形成された各種の膜）を保持するためのトップリングとを備えている。研磨装置は、研磨テーブルを回転させるとともにトップリングを回転させながら研磨対象物を研磨パッドに押圧することによって研磨対象物を研磨する。

研磨装置においては、研磨テーブル又はトップリングなどの回転構造物へ流体を供給するためにロータリージョイントが使用される。例えば、ロータリージョイントは、研磨テーブルの冷却を行うための冷却水を研磨テーブルへ供給する場合に用いられる。また、ロータリージョイントは、研磨テーブルの内部に設けられた光学式膜厚センサによって研磨対象物の膜厚を検出する場合に、光学式膜厚センサの周りを純水で満たして検出精度を向上させるために、研磨テーブルへ純水を供給する場合に用いられる。また、これらの例に限らず、ロータリージョイントは、研磨装置においてその他の様々な用途に用いられる。

ロータリージョイントは、回転軸周りに回転する回転体と、回転体の周囲に設けられたハウジングと、回転体とハウジングとの間に設けられた軸受と、を備えて構成される。ロータリージョイントは、ハウジングに形成された流体接続口、及び、回転体の内部に形成された流路、を介して研磨テーブル又はトップリングへ流体を供給する。

特開平１１−３２５３５６号公報

しかしながら、従来技術は、ロータリージョイントの回転に起因する異音の発生を抑制することは考慮されていない。

すなわち、軸受は、回転体とハウジングとの間に嵌め合いによって組み付けるのが一般的であるが、軸受、回転体、及び、ハウジングの寸法公差、又はこれらの部品の組み立て精度などの問題により適切な嵌め合いを持たせることが難しい場合がある。また、ロータリージョイントによって純水を供給する場合には、回転体は純水を通流させるために樹脂で形成されることがある。この場合、樹脂のクリープ現象、及び、絶対強度の関係で適切な嵌め合いを持たせることが難しい場合がある。

軸受、回転体、及び、ハウジングの適切な嵌め合いが難しい場合、軸受と回転体との間、又は、軸受とハウジングとの間に隙間が形成されるおそれがある。すると、ロータリージョイントの回転時に振動が発生し、この振動に起因して異音が発生するおそれがある。
特に、ロータリージョイントが比較的低い回転速度で回転している場合には、異音が発生するおそれがある。

そこで、本願発明の一形態は、ロータリージョイントの回転に起因する異音の発生を抑制することを課題とする。

本願発明のロータリージョイントの一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、回転軸周りに回転する回転体と、前記回転体の周囲に設けられたハウジングと、前記回転体と前記ハウジングとの間に設けられ、前記回転体の回転を支持する軸受と、を備え、前記ハウジングに形成された流体接続口、及び、前記回転体の内部に形成された流路を介して、基板を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブル、又は、前記基板を保持して前記研磨パッドへ押圧する保持部、へ流体を供給可能なロータリージョイントであって、前記回転体と前記軸受との間、及び、前記ハウジングと前記軸受との間、の少なくとも一方には、弾性部材が介在する、ことを特徴とする。

また、ロータリージョイントの一形態において、前記回転体の前記軸受に対向する外面には、前記回転体の回転方向に沿って溝が形成され、前記弾性部材は、前記溝に設けられたＯリングとすることができる。

また、ロータリージョイントの一形態において、前記回転体は、前記回転軸に沿って延在するシャフトであり、前記シャフトの内部には、前記流体を通流させるための流路が前記回転軸に沿って延在して形成されてもよい。

また、ロータリージョイントの一形態において、前記流路には、少なくとも純水を含む流体が通流され、前記シャフトは、樹脂で形成されてもよい。

また、ロータリージョイントの一形態において、前記軸受は、前記回転体の両端部に一対に設けられ、前記ハウジングには、前記一対の軸受と当接することによって前記一対の軸受が前記回転軸に沿って相互に近づく方向の移動を規制する規制部が形成され、前記ロータリージョイントは、前記ハウジングの両端部に設けられ、前記一対の軸受を前記規制部に押圧する一対のフランジをさらに備える、ことができる。

本願発明の研磨装置の一形態は、基板を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブルと、前記基板を保持して前記研磨パッドへ押圧する保持部と、前記研磨テーブル、又は、前記保持部、へ流体を供給する上記のいずれかのロータリージョイントと、を備えることを特徴とする。

かかる本願発明の一形態によれば、ロータリージョイントの回転に起因する異音の発生を抑制することができる。

図１は、研磨装置の全体構成を模式的に示す図である。 図２は、ロータリージョイントの概略構成、及び、軸受の構成を示す図である。 図３は、ロータリージョイントの詳細構成を示す図である。

以下、本願発明の一実施形態に係るロータリージョイント、及び、研磨装置を図面に基
づいて説明する。まず、研磨装置について説明する。

＜研磨装置＞
図１は、研磨装置の全体構成を模式的に示す図である。図１に示すように、研磨装置１００は、研磨対象物（例えば、半導体ウエハなどの基板、又は基板の表面に形成された各種の膜）１０２を研磨するための研磨パッド１０８を上面に取付け可能な研磨テーブル１１０と、研磨テーブル１１０を回転駆動する第１の電動モータ１１２と、研磨対象物１０２を保持可能なトップリング１１６と、トップリング１１６を回転駆動する第２の電動モータ１１８と、を備える。

また、研磨装置１００は、研磨パッド１０８の上面に研磨材を含む研磨砥液を供給するスラリーライン１２０を備える。また、研磨装置１００は、研磨装置１００に関する各種制御信号を出力する研磨装置制御部１４０を備える。また、研磨装置１００は、研磨テーブル１１０へ各種電気信号を供給するためのロータリーコネクタ１７０を備える。

また、研磨装置１００は、研磨テーブル１１０を冷却するためのチラー水、及び、後述する光学式膜厚センサの膜厚測定に用いられる純水を、研磨テーブル１１０へ供給するためのロータリージョイント１６０を備える。ロータリージョイント１６０には、チラー水の供給管１６２、チラー水の排出管１６６、及び純水の供給管１６４が接続される。

研磨装置１００は、研磨対象物１０２を研磨するときは、研磨砥粒を含む研磨スラリーをスラリーライン１２０から研磨パッド１０８の上面に供給し、第１の電動モータ１１２によって研磨テーブル１１０を回転駆動する。そして、研磨装置１００は、トップリング１１６を、研磨テーブル１１０の回転軸とは偏心した回転軸回りで回転させた状態で、トップリング１１６に保持された研磨対象物１０２を研磨パッド１０８に押圧する。これにより、研磨対象物１０２は研磨スラリーを保持した研磨パッド１０８によって研磨され、平坦化される。

次に、研磨終点検出装置２００について説明する。図１に示すように、研磨終点検出装置２００は、光学式膜厚センサ２１０と、ロータリージョイント・コネクタ１６０，１７０を介して光学式膜厚センサ２１０と接続された終点検出装置本体２２０と、を備える。

研磨テーブル１１０及び研磨パッド１０８には、光学式膜厚センサ２１０を研磨テーブル１１０の裏面側から挿入できる穴が形成されている。光学式膜厚センサ２１０は、研磨テーブル１１０及び研磨パッド１０８に形成された穴に挿入される。光学式膜厚センサ２１０は、研磨対象物１０２へ向けて光を照射し、研磨対象物１０２から反射した複数の反射光を受光し、終点検出装置本体２２０へ送る。

終点検出装置本体２２０は、光学式膜厚センサ２１０から送られた複数の反射光の合成波の信号強度の推移に基づいて、研磨対象物１０２の研磨終点を検出する。終点検出装置本体２２０は、例えば、研磨対象物１０２の研磨レートと合成波の信号強度の推移の周期との関係が既知になっていれば、研磨対象物１０２の研磨終点を検出することができる。

終点検出装置本体２２０は、研磨装置１００に関する各種制御を行う研磨装置制御部１４０と接続されている。終点検出装置本体２２０は、複数の反射光の合成波の信号強度の推移に基づいて研磨対象物１０２の研磨終点を検出したら、その旨を示す信号を研磨装置制御部１４０へ出力する。研磨装置制御部１４０は、終点検出装置本体２２０から研磨終点を示す信号を受信したら、研磨装置１００による研磨を終了させる。

＜ロータリージョイント＞
次に、ロータリージョイント１６０について説明する。図２は、ロータリージョイントの概略構成、及び、軸受の構成を示す図である。図３は、ロータリージョイントの詳細構成を示す図である。

図２，３に示すように、ロータリージョイント１６０は、仮想的な回転軸Ａの周りに回転する回転体１６００と、回転体１６００の周囲に設けられた円筒状のハウジング１６２０と、回転体１６００とハウジング１６２０との間に設けられ、回転体１６００の回転を支持する軸受１６３０と、を備える。回転体１６００は、回転軸Ａに沿って延在し回転軸Ａの周りに回転するシャフト１６１０と、シャフト１６１０の下端にボルトなどによって固定されたスリーブ１６１８と、を備える。ハウジング１６２０は、シャフト１６１０及びスリーブ１６１８と同心円状の筒体である。また、ロータリージョイント１６０は、ハウジング１６２０の外周に設けられた、ハウジング１６２０の回転を規制するための回り止めプレート１６６０を備える。

ハウジング１６２０には、流体を研磨テーブル１１０へ供給するための流体接続口１６２２，１６２６が形成される。流体接続口１６２２は、チラー水の供給管１６２に接続される。流体接続口１６２６は、チラー水の排出管１６６に接続される。また、ハウジング１６２０には、研磨テーブル１１０へ純水を供給するための流体接続口１６２４が形成される。流体接続口１６２４は、純水の供給管１６４に接続される。流体接続口１６２２，１６２４，１６２６は、ハウジング１６２０を径方向に貫通するように形成される。ロータリージョイント１６０は、流体接続口１６２２とチラー水の供給管１６２との接続部、及び、流体接続口１６２６とチラー水の排出管１６６との接続部に設けられたメカニカルシール１６９０を備える。また、ロータリージョイント１６０は、流体接続口１６２４と純水の供給管１６４との接続部に設けられたメカニカルシール１６９０を備える。ただし、ここに示した配管接続はあくまで一例であり、他の接続口と接続することができる。

シャフト１６１０及びスリーブ１６１８は、回転軸Ａに沿って延在し中空に形成される。シャフト１６１０及びスリーブ１６１８の中空部分には、研磨テーブル１１０へ接続される各種信号の配線が配置される。シャフト１６１０の内部には、流体を通流させるための流路１６１２，１６１４，１６１６が回転軸Ａに沿って延在して形成される。例えば、流体接続口１６２２から供給されたチラー水は、流路１６１２を介して研磨テーブル１１０へ供給される。研磨テーブル１１０を経たチラー水は、流路１６１６を通り流体接続口１６２６から排出される。また、流体接続口１６２４から供給された純水は、流路１６１４を介して研磨テーブル１１０（光学式膜厚センサ２１０が設置された穴）へ供給される。流路１６１４には純水を含む流体が通流されるので、シャフト１６１０は樹脂で形成される。

ロータリージョイント１６０は、ハウジング１６２０に形成された流体接続口１６２２，１６２４，１６２６、及び、シャフト１６１０の内部に形成された流路１６１２，１６１４，１６１６を介して、研磨テーブル１１０へ流体を供給可能である。なお、本実施形態は、研磨テーブル１１０へ流体を供給するロータリージョイント１６０について説明するが、これには限られない。例えば、トップリング１１６へ流体を供給するロータリージョイントについても同様の構成を採用することができる。

＜軸受、及び、弾性部材＞
軸受１６３０は、一例としてリング状のボールベアリングであり、回転体１６００（シャフト１６１０及びスリーブ１６１８）の両端部に一対に設けられる。具体的には、研磨テーブル１１０側に設けられた軸受１６３０は、シャフト１６１０の研磨テーブル１１０側の端部に設けられる。また、ロータリーコネクタ１７０側に設けられた軸受１６３０は、スリーブ１６１８のロータリーコネクタ１７０側の端部に設けられる。軸受１６３０は
、リング状に形成された内輪１６３４と、内輪１６３４より大きな径でリング状に形成された外輪１６３６と、内輪１６３４と外輪１６３６との間に挟まれた複数のボール１６３２と、を備える。

本実施形態では、回転体１６００と軸受１６３０との間、及び、ハウジング１６２０と軸受１６３０との間、の少なくとも一方には、弾性部材１６４０が介在する。具体的には、本実施形態では、シャフト１６１０と軸受１６３０との間、及び、スリーブ１６１８と軸受１６３０との間、に弾性部材１６４０が介在している。より具体的には、軸受１６３０の内輪１６３４と、シャフト１６１０の外面と、の間、及び、軸受１６３０の内輪１６３４と、スリーブ１６１８の外面と、の間、に弾性部材１６４０が介在する。

シャフト１６１０の軸受１６３０に対向する外面には、シャフト１６１０の回転方向に沿って溝１６１９が形成される。同様に、スリーブ１６１８の軸受１６３０に対向する外面には、スリーブ１６１８の回転方向に沿って溝１６１９が形成される。そして、弾性部材１６４０は、溝１６１９に設けられたＯリングとすることができる。ただし、弾性部材１６４０は、Ｏリングに限らず、弾性を有する部材であればよい。

また、本実施形態は、軸受１６３０の内輪１６３４と、回転体１６００の外面と、の間に弾性部材１６４０が介在する例を示したが、これには限られない。例えば、軸受１６３０の外輪１６３６と、ハウジング１６２０の内面と、の間に弾性部材１６４０が介在していてもよい。また、軸受１６３０の内輪１６３４と回転体１６００の外面との間、及び、軸受１６３０の外輪１６３６とハウジング１６２０の内面との間、の両方に弾性部材１６４０が介在していてもよい。

＜フランジ＞
また、ハウジング１６２０には、一対の軸受１６３０と当接することによって一対の軸受１６３０が回転軸Ａに沿って相互に近づく方向の移動を規制する規制部１６２８が形成される。具体的には、円筒状のハウジング１６２０の両端部の内周側の角部には、軸受１６３０の外輪１６３６が嵌め込まれる矩形の面取り加工がされている。この面取り加工によって、ハウジング１６２０には、軸受１６３０の外輪１６３６の外周面に当接する側面と、軸受１６３０の外輪１６３６の底面に当接する底面が形成される。規制部１６２８は、ハウジング１６２０の面取り加工によって形成される底面に相当する。

ロータリージョイント１６０は、ハウジング１６２０の両端部に設けられ、一対の軸受１６３０を規制部１６２８に押圧する一対のフランジ１６５０を備える。一対のフランジ１６５０は、例えば、ねじ止めなどによってハウジング１６２０の両端部に固定され、一対の軸受１６３０を規制部１６２８に押圧する。一例としては、研磨テーブル１１０側のフランジ１６５０は、軸受１６３０の外輪１６３６の回転軸Ａ方向の締め代が０．１５〜０．５ｍｍとなるように、軸受１６３０を規制部１６２８に押圧することができる。また、一例としては、ロータリーコネクタ１７０側のフランジ１６５０は、軸受１６３０の外輪１６３６の回転軸Ａ方向の締め代が０．０５〜０．５ｍｍとなるように、軸受１６３０を規制部１６２８に押圧することができる。ただし、ここに示した締め代はあくまで一例であり、その他の締め代とすることができる。

以上、本実施形態のロータリージョイント１６０によれば、ロータリージョイント１６０の回転に起因する異音の発生を抑制することができる。すなわち、軸受１６３０は、回転体１６００とハウジング１６２０との間に嵌め合いによって組み付けるのが一般的である。しかしながら、従来技術では、軸受１６３０、回転体１６００、及び、ハウジング１６２０の寸法公差、又はこれらの部品の組み立て精度などの問題により適切な嵌め合いを持たせることが難しい場合がある。また、本実施形態のように、ロータリージョイント１
６０によって純水を供給する場合には、回転体１６００のシャフト１６１０は純水を通流させるために樹脂で形成される。この場合、樹脂のクリープ現象、及び、絶対強度の関係で適切な嵌め合いを持たせることが難しい場合がある。

軸受１６３０、回転体１６００、及び、ハウジング１６２０の適切な嵌め合いが難しい場合、軸受１６３０と回転体１６００との間、又は、軸受１６３０とハウジング１６２０との間に隙間が形成されるおそれがある。すると、ロータリージョイント１６０の回転時に振動が発生し、この振動に起因して異音が発生するおそれがある。特に、ロータリージョイント１６０が比較的低い回転速度で回転している場合には、異音が発生するおそれがある。

これに対して本実施形態では、回転体１６００と軸受１６３０との間に弾性部材１６４０であるＯリングが介在して設けられている。弾性部材１６４０は、軸受１６３０と回転体１６００との間、及び、軸受１６３０とハウジング１６２０との間の隙間に応じて弾性変形する。したがって、軸受１６３０と回転体１６００との間、及び、軸受１６３０とハウジング１６２０との間の隙間は、弾性部材１６４０によって吸収される。したがって、本実施形態によれば、ロータリージョイント１６０の回転時に振動が発生することが抑制され、その結果、ロータリージョイント１６０の回転に起因する異音の発生を抑制することができる。

これに加えて、本実施形態では、一対のフランジ１６５０によって、一対の軸受１６３０を規制部１６２８に押圧するので、ロータリージョイント１６０の回転時に振動が発生することが抑制される。その結果、本実施形態によれば、ロータリージョイント１６０の回転に起因する異音の発生を抑制することができる。

１００ 研磨装置
１０２ 研磨対象物
１０８ 研磨パッド
１１０ 研磨テーブル
１１６ トップリング
１６０ ロータリージョイント
１６２ チラー水の供給管
１６４ 純水の供給管
１６６ チラー水の排出管
２１０ 光学式膜厚センサ
１６００ 回転体
１６１０ シャフト
１６１２，１６１４，１６１６ 流路
１６１８ スリーブ
１６１９ 溝
１６２０ ハウジング
１６２２，１６２４，１６２６ 流体接続口
１６２８ 規制部
１６３０ 軸受
１６３２ ボール
１６３４ 内輪
１６３６ 外輪
１６４０ 弾性部材（Ｏリング）
１６５０ フランジ
１６９０ メカニカルシール
Ａ 回転軸

Claims (5)

1. 回転軸周りに回転する回転体と、
   前記回転体の周囲に設けられたハウジングと、
   前記回転体と前記ハウジングとの間に設けられ、前記回転体の回転を支持する軸受と、を備え、
   前記回転体の内部に形成された流路を介して、基板を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブル、又は、前記基板を保持して前記研磨パッドへ押圧する保持部、へ流体を供給可能なロータリージョイントであって、
   前記回転体と前記軸受との間、及び、前記ハウジングと前記軸受との間、の少なくとも一方には、弾性部材が介在し、
   前記軸受は、前記回転体の両端部に一対に設けられ、
   前記ハウジングは、前記一対の軸受の外輪が嵌め込まれる矩形部を形成するように矩形の面取り加工がされており、
   前記ハウジングの前記矩形部には、前記一対の軸受と当接することによって前記一対の軸受が前記回転軸に沿って相互に近づく方向の移動を規制する規制部が形成され、
   前記ロータリージョイントは、前記ハウジングの両端部に設けられた一対のフランジをさらに備え、前記一対のフランジは、前記一対の軸受を前記規制部に押圧するようにねじ止めにより前記ハウジングの両端部に固定されている、
   ことを特徴とするロータリージョイント。
2. 請求項１のロータリージョイントにおいて、
   前記回転体の前記軸受に対向する外面には、前記回転体の回転方向に沿って溝が形成され、
   前記弾性部材は、前記溝に設けられたＯリングである、
   ことを特徴とするロータリージョイント。
3. 請求項１又は２のロータリージョイントにおいて、
   前記回転体は、前記回転軸に沿って延在するシャフトであり、
   前記シャフトの内部には、前記流体を通流させるための流路が前記回転軸に沿って延在して形成される、
   ことを特徴とするロータリージョイント。
4. 請求項３のロータリージョイントにおいて、
   前記流路には、少なくとも純水を含む流体が通流され、
   前記シャフトは、樹脂で形成される、
   ことを特徴とするロータリージョイント。
5. 基板を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブルと、
   前記基板を保持して前記研磨パッドへ押圧する保持部と、
   前記研磨テーブル、又は、前記保持部、へ流体を供給する請求項１〜４のいずれか１項のロータリージョイントと、
   を備えることを特徴とする研磨装置。