JP3005643B2 - 流体用ロータリジョイント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程に
おけるウェハポリッシングを行うＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装
置等に用いられる流体用ロータリジョイントに係り、詳
しくは、回転部における研磨液等の流体のシール装置
を、確実なシール機能を得ながら耐久性に優れたものと
するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流体用ロータリジョイントとして
は、特開平７−９８０８５号公報（図１、図２参照）
や、米国特許第５４４３４１６号の図１１に示されるよ
うに、固定側ジョイント体と回転側ジョイント体との間
に形成されるシール機構は、これら両者に亘る流体用経
路を挟んで一対のＯリングやリップシール等で構成され
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】Ｏリングやリップシー
ルによるシール機構はシンプルな構成であり、又、配置
スペースも比較的少なくて済むことから多用されている
が、ＰＶ負荷能力は低いものであるため、寿命が１〜２
ケ月程度と短い傾向にあり、頻繁に部品交換が必要とな
る点で改善の余地が残されていた。特に、ポリッシング
に使用すべく化学薬品等の液体と粒子とを混合させたス
ラリー（研磨液）を通すロータリジョイントでは、シー
ル寿命がさらに不利であった。本発明の目的は、シール
機構の見直しにより、長寿命で信頼性に優れた流体用ロ
ータリジョイントを提供する点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１の流体用ロータ
リジョイントは、ケミカルメカニカルポリッシング装置
に用いられる流体用ロータリジョイントであって、研磨
液を通す研磨液経路と加圧空気を通すエアー経路とが各
々貫通形成された第１ジョイント体と第２ジョイント体
とを設け、第１ジョイント体内に第２ジョイント体を相
対回転自在に内嵌させると共に、両ジョイント体の各研
磨液経路を回転軸心上でシール機構を介して相互に連通
させる一方、両ジョイント体の各エアー経路を第１ジョ
イント体の内周面と第２ジョイント体の外周面との間で
シール機構を介して相互に連通させ、上記各シール機構
を、一方のジョイント体に対して相対回転不能で回転軸
心方向には相対移動可能なシール部材と、このシール部
材を他方のジョイント体に設けたシール受け部に向けて
押圧付勢する付勢機構とを有するメカニカルシール機構
でそれぞれ形成すると共に、研磨液経路をシールする上
記シール機構の付勢機構として巻きバネを用いる一方、
エアー経路をシールするシール機構の付勢機構として皿
バネを用いていることを特徴とする。請求項２の流体用
ロータリジョイントは、半導体製造工程のウエハポリッ
シングを行うための装置に用いられる請求項１記載の流
体用ロータリジョイントであって、上記研磨液経路をシ
ールするシール機構の周囲に、このシール機構冷却用の
冷却液循環領域を設けていることを特徴とする。

【０００６】請求項１の構成によれば、研磨液経路をシ
ールするシール機構をメカニカルシール構造としてある
ので、付勢機構によってシール部材とシール受け部とを
強い圧力で接触させることが容易であり、Ｏリング等の
従来構造のものに比べて、高負荷にも有効なシール機能
を発揮できるようになる。又、付勢機構によってシール
部材を付勢させるものであるから、シール接触部が多少
磨滅しても使用し続けることが可能になり、磨滅すれば
部品交換が必要になる従来構造のものに比べて、耐久性
の点においても有利である。

【０００７】シール部材を第１ジョイント体に対して回
転軸心方向に相対移動可能としてあるので、これら両者
に跨がるシール機構が必要となるが、これら両者は相対
回転はせず、かつ、実際には回転軸心方向の移動も殆ど
生じないに等しいものであるから、Ｏリング等の従来構
造のシール機構を設けるだけで充分なシール性及び耐久
性が確保でき、従って、上述した優れた作用を不都合な
く得ることが可能である。

【０００８】請求項２の構成によれば、研磨液経路をシ
ールするシール機構を外から冷却する冷却液循環領域を
設けてあるから、シール部材とシール受け部とが押圧さ
れて回転接触することによる摩擦熱を冷却液によって除
去することができ、加熱によるシール面の荒れやそれに
よるシール機能の低下等を防止でき、シール機構の耐久
性を十分なものにすることができる。

【０００９】

【発明の効果】請求項１・２に記載の流体用ロータリジ
ョイントでは、一対のジョイント体間 のシール機構をメ
カニカルシール構造とすることにより、高い流体圧でも
十分に耐えて良好なシール機能を発揮できるとともに、
その良好なシール性能を長期に亘って発揮できる優れた
耐久性・信頼性を得ることができた。また、上記のロー
タリージョイントには、研磨液を通す研磨液経路と加圧
空気を通すエアー経路とが形成されており、研磨液経路
又はエアー経路を別途設けていた従来に比べて、ＣＭＰ
装置としての構造簡素化が図れるとともに、コンパクト
化も可能である。

【００１０】請求項２に記載の流体用ロータリジョイン
トでは、シール機構の液冷化構造により、上記効果が一
層良好に、かつ、確実に得られる利点がある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図４、図５にシリコンウェハ１
０９の表面研磨を行うＣＭＰ装置のモデルが示されてい
る。ＣＭＰ装置は、縦向きの回転軸心Ｐ回りに駆動回転
される回転テーブル１０２と、水平進退移動（往復移
動）するパッド支持体１０３と、パッド支持体１０３に
支持されて駆動回転される研磨パッド１０４と、パッド
支持体１０３に形成された給排路１０５と、この給排路
１０５に接続される研磨液１０６の給排機構１０７と、
回転軸心Ｐ上を貫通して下端のパッド部１０４ａの中心
部で下方開口する状態で研磨パッド１０４に形成された
給排路１０８等を備えて構成されている。尚、研磨液１
０６の一例としては、アルカリ成分としてＫＯＨを含む
シリカスラリにイソプロピルアルコールを添加したもの
が挙げられる。

【００１２】又、空気ポンプ等の加圧装置６からの加圧
空気を、パッド部１０４ａから下方に噴出させるべく、
パッド支持体１０３と研磨パッド１０４に形成されたエ
アー経路１０５ａ，１０８ａを通すように構成してあ
る。そして、研磨パッド１０４を縦向きの回転軸心Ｑ回
りで回転自在にパッド支持体１０３に支持させるため
に、これら両者１０４，１０３の間に介装され、かつ、
両給排路１０５，１０８、及び両エアー経路１０５ａ，
１０８ａの夫々を相対回転自在に連通接続するロータリ
ジョイント１０１を設けてある。

【００１３】このＣＭＰ装置によれば、先ずウェハ表面
１０９ａが上となるように回転テーブル１０２上にシリ
コンウェハ１０９を載置保持し、それから研磨パッド１
０４を、その下端のパッド部１０４ａがウェハ表面１０
９ａに接触する迄下降させる。次いで、給排機構１０７
の正圧動作（研磨ポンプの吐出動作）により、パッド部
１０４ａのウェハ１０９との間に研磨液（スラリ）１０
６及び加圧空気１０６ａを噴出させつつ、研磨パッド１
０４を回転しながら往復進退移動させることにより、ウ
ェハ表面１０９ａを研磨する。

【００１４】パッド部１０４ａには、加圧空気１０６ａ
を噴出させる複数のエアー経路１０８ａを形成してあ
り、それらエアー経路１０８ａから噴出される加圧空気
１０６ａにより、パッド部１０４ａとウェハ１０９との
間に噴出された研磨液１０６を素早く均一に分散させる
とともに、研磨残液をこれら両者１０４ａ，１０９間か
ら速やかに排除させることができる。又、研磨終了後
は、給排機構１０７を負圧動作（研磨ポンプの吸引動
作）に切換え、給排路１０５，１０８内に残留する研磨
液１０６を吸引排出し、ウェハ表面１０９ａに滴下しな
いようにしてある。

【００１５】次に、ロータリジョイント１０１について
説明する。図１に示すように、パッド支持体１０３に取
付けられる固定側の第１ジョイント体１と、研磨パッド
１０４に取付けられる回転側の第２ジョイント体２と、
両ジョイント体１，２間に介装される第１〜３シール機
構３，４，５と、両ジョイント体１，２に跨がる研磨液
経路Ａ、及びエアー経路Ｂ等からロータリジョイント１
０１を構成する。

【００１６】第１ジョイント体１は、上下の円筒部１０
ａ，１０ｃ、及びこれら円筒部１０ａ，１０ｃの間に介
装される中間筒１０ｂで成る筒状の側部壁１０と、円盤
状の端部壁１１とから構成されており、側部壁１０は、
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等の金属材で形成されて
いる。端部壁１１には、研磨液１０６が流動する流体通
路６０が形成されるので、砥粒の接触によりパーティク
ルを発生させることがなく、かつ、加工による寸法安定
性、耐熱性に優れたＰＥＥＫ（ＰＥＳやＰＣでも良い）
等の機械部品用プラスチックで形成されている。

【００１７】第２ジョイント体２は、円柱状の主体部２
０と、これの上端部に形成された保持部２１と、主体部
２０の下端部に形成された円盤状のフランジ部２２と、
主体部２０に外嵌された円筒状の蓋部２３とから構成さ
れており、蓋部２３を除く部分は一体形成されている。
第２ジョイント体２には、研磨液１０６が流動する流体
通路６１が形成されるので、端部壁１１と同様に、蓋部
２３以外の部分をＰＥＥＫ等の機械部品用プラスチック
で形成してあり、蓋部２３はステンレス鋼等の金属材で
構成されている。

【００１８】第２ジョイント体２は、端部壁１１と蓋部
２３との下端部間にベアリング１３を介装することで回
転自在に第１ジョイント体１に内嵌合されており、フラ
ンジ部２３のみが第１ジョイント体１から外部に露出す
る構成である。

【００１９】第１シール機構３は、第１ジョイント体１
に、これと相対回転不能で回転軸心Ｑ方向には相対移動
可能に装備されるシール部材３１と、このシール部材３
１と相対回転しながら接触可能な状態で第２ジョイント
体２に装備されるシール受け部３０と、シール部材３１
を第１ジョイント体１に対して回り止めする係止機構３
２と、シール部材３１をシール受け部３０に向けて押圧
付勢する付勢機構３３とを設けて構成されている。

【００２０】シール受け部３０は、第２ジョイント体２
の保持部２１に内嵌される本体部３０ｂと、先細り状の
シール作用部３０ａとから成る炭化珪素製であり、シー
ル作用部３０ａの上面は、シール部材３１との接触に適
した平滑なシール面３０ｃに構成されている。本体部３
０ｂと保持部２１との嵌合部分はＯリング２４によって
二次シールされている。シール受け部３０の内部には、
流体通路６１に連通する流体用通路３０ｄが回転軸心Ｑ
上に形成されている。

【００２１】シール部材３１は、円環状の本体部３１ａ
と、これよりも小径で円筒状の保持部３１ｂとから成る
炭化珪素製であり、保持部３１ｂを端部壁１１に形成さ
れた保持孔１１ａに嵌合させることによって、回転軸心
Ｑ方向にスライド移動自在に支持してある。又、保持孔
１１ａと保持部３１ｂとはＯリング１４で二次シールし
てある。本体部３１ａの底面は、シール受け部３０のシ
ール面３０ｃと面接触するべく平滑な接触面３１ｃに形
成されている。又、シール部材３１の内部には、流体通
路６０に連通する流体用通路３ａが回転軸心Ｑ上に形成
されている。

【００２２】係止機構３２は、保持孔１１ａの外周領域
となる端部壁１１の底面部から係止ピン３２ａを下方に
突設するとともに、この係止ピン３２ａが入り込む係合
凹部３２ｂをシール部材３１の本体部３１ａに形成して
構成され、これら係止ピン３２ａと係合凹部３２ｂとを
係合させることにより、シール部材３１を第１ジョイン
ト体１に対して回転軸心Ｑ方向の移動を許容し、かつ、
相対回転は不能とするものである。

【００２３】付勢機構３３は、シール部材３１の本体部
３１ａの上端部と、これに対向する端部壁１１の下端部
との間に介装された複数の巻きバネ３３ａを備えて構成
され、シール部材３１を下方に付勢してシール受け部３
０に付勢接触させるものである。

【００２４】以上の構成により、第１シール機構３は端
面接触形のメカニカルシールと同様のシール性能を発揮
するものであり、第２ジョイント体２の回転に伴うシー
ル面３０ｃと接触面３１ｃの内側領域３ａと、外側領域
（シール部材外部の一例）３ｂとの間を良好にシールす
る。そして、その良好なシール機能は、研磨液経路Ａが
負圧やドライモードに切換わったときでも維持されるよ
うに、各部の寸法が設定されている。

【００２５】図１〜図３に示す第２及び第３シール機構
４，５は、基本的に同じ構造であり、第２ジョイント体
２の外周部である蓋部２３と第１ジョイント体１の中間
筒１０ｂとの間に、回転軸心Ｑ方向に沿って並列に装備
されている。第２シール機構４は、側部壁１０と蓋部２
３とに介装された端面接触形メカニカルシールであり、
第１シール機構３の外側領域３ｂの下端部をシールする
ので、それによってその外側領域３ｂを、後述する冷却
液経路として構成するものである。又、第３シール機構
５は、エアー経路Ｂをシールするものである。次にそれ
ら構造を、第２シール機構４のもので説明する。尚、括
弧内の符号は第３シール機構５のものを示す。

【００２６】図１〜図３に示すように、側部壁１０内周
にＯリング４２（５２）を介して内嵌状に固定保持され
たシール受け部としての静止環４３（５３）と、蓋部２
３にＯリング４４（５４）を介して回転軸心Ｑ方向に移
動可能に保持されたシール部材としての回転密封環４５
（５５）と、蓋部２３に固定されたスプリングリテーナ
４６と、皿バネ４７（５７）とを備え、静止環４３（５
３）と回転密封環４５（５５）との相対回転摺接作用に
より、第２、第３シール機構４，５の外側領域４ａと冷
却液経路３ｂとのシール、並びに、外側領域４ａ下端の
シールとを行う。

【００２７】又、回転密封環４５（５５）は、その外周
に形成した係合溝４５ａ（５５ａ）にスプリングリテー
ナ４６の係合突部４６ａを係合させて、回転軸心Ｑ方向
自在で、かつ、相対回転不能に第２ジョイント体２に保
持されている。しかして、第１ジョイント体１の側部壁
１０に穿設された供給孔１１ｂから、水ポンプ等による
水冷機構１５から吐出されて供給される冷却水（冷却液
の一例）８が、外側領域３ｂで成る冷却液経路（冷却液
循環領域の一例）Ｃを通って、図示しない排出孔（供給
孔１１ｂと同じものがその反対側に設けてある）から排
出されるようにしてあり、第１シール機構３を外部から
冷却できるようにしてある。

【００２８】しかして、加圧装置６からの加圧空気１０
６ａは、中間筒１０ｂの通路７０、外側領域４ａ、開口
通路７１ｄ、環状通路７１ａ、連通路７１ｃ及び環状通
路７１ｂ等から成るエアー経路Ｂを通って、フランジ部
２２から下方に噴出させることができる。又、給排機構
１０７からの研磨液１０６は、流体通路６０、流体用通
路３ａ、流体用通路３０ｄ、流体通路６１等から成る研
磨液経路Ａを通って、フランジ部２２から下方に噴出さ
せることができる。

【００２９】以上述べたように、ロータリージョイント
１０１には、研磨液１０６を通す研磨液経路Ａ、加圧空
気を通すエアー経路Ｂ、及び第１シール機構３の冷却水
を通す冷却液経路Ｃの３経路が形成されており、研磨液
経路Ａ又はエアー経路Ｂを別途設けていた従来に比べ
て、ＣＭＰ装置としての構造簡素化が図れるとともに、
コンパクト化も可能なものである。

【００３０】第１シール機構３用の冷却液経路Ｃを持た
ないロータリジョイント１０１でも良いとともに、第１
ジョイント体１が回転側であり、第２ジョイント体２が
固定側となる構造のロータリジョイント１０１でも良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータリジョイントの構造を示す断面図であ
る。

【図２】第１シール機構の構造を示す拡大断面図であ
る。

【図３】第２、第３シール機構の構造を示す拡大断面図
である。

【図４】ＣＭＰ装置の概略を示す原理図である。

【図５】ウェハへの研磨液及び加圧空気の供給状態を示
す作用図である。

【符号の説明】

１ 第１ジョイント体 ２ 第２ジョイント体 ３ 第１シール機構 ３ａ，３０ｄ 流体用通路 ３０ シール受け部 ３１ シール部材 ３３ 付勢機構 ６０，６１ 流体通路 Ｃ 冷却液経路 Ｑ 回転軸心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16L 27/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケミカルメカニカルポリッシング装置に
   用いられる流体用ロータリジョイントであって、 研磨液を通す研磨液経路と加圧空気を通すエアー経路と
   が各々貫通形成された第１ジョイント体と第２ジョイン
   ト体とを設け、第１ジョイント体内に第２ジョイント体
   を相対回転自在に内嵌させると共に、両ジョイント体の
   各研磨液経路を回転軸心上でシール機構を介して相互に
   連通させる一方、両ジョイント体の各エアー経路を第１
   ジョイント体の内周面と第２ジョイント体の外周面との
   間でシール機構を介して相互に連通させ、上記各シール
   機構を、一方のジョイント体に対して相対回転不能で回
   転軸心方向には相対移動可能なシール部材と、このシー
   ル部材を他方のジョイント体に設けたシール受け部に向
   けて押圧付勢する付勢機構とを有するメカニカルシール
   機構でそれぞれ形成すると共に、研磨液経路をシールする上記シール機構の付勢機構とし
   て巻きバネを用いる一方、 エアー経路をシールするシー
   ル機構の付勢機構として皿バネを用いていることを特徴
   とする流体用ロータリジョイント。
2. 【請求項２】 半導体製造工程のウエハポリッシングを
   行うための装置に用いられる請求項１記載の流体用ロー
   タリジョイントであって、 上記研磨液経路をシールするシール機構の周囲に、この
   シール機構冷却用の冷却液循環領域を設けていることを
   特徴とする流体用ロータリジョイント。