JP2001329991A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターボ分子ポンプの運転中の環境変化を見込
んだ設計基準を明らかにするとともに、回転翼と固定翼
との接触事故の主要な原因となる温度上昇を的確に把握
し、接触事故を未然に防止する手段を備えた装置を提供
する。 【解決手段】 ベーキングに伴う加熱・冷却処理時にお
ける回転翼の熱変形量と固定翼の熱変形量との差の最大
値を特定範囲内に納める設計基準を採用した。また、回
転部と固定部の温度を計測し、その温度差が特定範囲内
に納まるように、固定部に加熱部材を取り付け、回転部
の温度変化に伴って固定部の温度を調節する手段を採用
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ分子ポンプ
に係わり、さらに詳しくは高速回転部分の破壊防止に係
わる技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体や液晶装置などの最近の電子機器
においては、薄膜技術が多用されている。薄膜の形成に
あたっては蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（ Chemical Va
por Deposition）法、イオンプレーティング法等様々な
手法が用いられているが、いずれも成膜室内の雰囲気を
所定の雰囲気に調製したり減圧して成膜している。この
ような成膜装置に用いられる真空装置は、単に成膜室内
部を真空にするだけではなく、真空に排気後いろいろな
気体を導入して化学反応をおこさせる必要がある。それ
ゆえ排気ポンプには反応性に富んだ気体を大量に排気で
きるポンプが必要とされるようになってきた。このよう
な要請に応えて使用されているのがターボ分子ポンプで
ある。

【０００３】ターボ分子ポンプの構造を図５を使用して
説明する。図５に示すターボ分子ポンプ３０は、ケーシ
ング１の上部に吸気口１６が有り、ケーシング１の下部
に排気口１７が有って気体を上部から吸気して下部から
排気する構造になっている。吸気口１６は仕切弁を介し
て成膜装置の成膜室に接続され、成膜室内の気体を排出
するようになっている。ケーシング１内にはローター室
２があり、ローター室２内にはケーシング１に固定され
た多段の固定翼７とローター室２内で回転するローター
３が配置されている。ローター３はローターシャフト６
の上部に多段の回転翼４が固定して配置されており、回
転翼４の下部には円筒部５が釣鐘状に取り付けられて構
成されている。ローターシャフト６とケーシング１との
対向面に、上部磁気軸受け１１と下部磁気軸受け１２が
２段に設けてある。ローターシャフト６の下部には高速
回転するローターシャフト６を支えるための機構が設け
られている。ローターシャフト６の下端にはスラスト磁
気ディスク９及びスラスト磁気ディスク９の上下面に対
向して設けられたスラスト磁気軸受け１０がある。ロー
ターシャフト６の下部のネック部には、ラジアル及びス
ラスト用の下部保護軸受け（ボールベアリング）１４が
あり、ローターシャフト６の上部のネック部には、ラジ
アル用の上部保護軸受け１３が設けてある。ローター３
はローターシャフト６に結合されたモーター１５によっ
て高速回転するように構成されている。

【０００４】回転翼４と固定翼７とは所定の微小間隔を
保って数段から数十段の多段に噛み合わされている。回
転翼４を高速で回転させると回転翼４の近傍にある気体
分子は回転翼４によって叩かれ、図で下方に向かう運動
量を与えられる。このようにして吸気口１６から吸引し
た気体を排気口１７の方へ大量に移送することができ
る。

【０００５】さらに、ターボ分子ポンプの高圧側の固定
翼７の下には、ケーシング１に固定してネジ付きスペー
サー８が配置してある。ネジ付きスペーサー８は固定翼
の表面にネジ溝を設けたものである。ネジ付きスペーサ
ー８の表面と対向するように、高速回転する円筒部５が
微小な間隙を保って配置されている。ネジ付きスペーサ
ー８の表面で円筒部５を高速で移動させると、気体は粘
性により引きずられて圧縮され、排出口１７の方向に押
しやられる。これによりさらに大流量に気体を排気でき
るようになる。ターボ分子ポンプはローターを例えば毎
分２７０００回転の高速で回転させることにより、毎秒
２０００リットル以上の排気速度を達成することが可能
である。ターボ分子ポンプのローターは、通常軽量で剛
性の高い高力アルミニウム合金を使用して製作されてい
る。

【０００６】前述の作動機構の説明から明らかなとお
り、ターボ分子ポンプの固定部分と回転部分との間隙
は、できる限り狭い方が高性能なポンプとなる。特に、
粘性流量域で気体を圧縮する円筒部５とネジ付きスペー
サー８との間隙はできる限り狭い方が好ましい。しか
し、円筒部５は釣鐘状に上部で固定されているため、円
筒部５が高速で回転すると遠心力で外側に膨らむ。膨ら
みの程度は円筒部５の下部にいくほど大きくなる。この
ためネジ付きスペーサー８と円筒部５との間隙は、上部
では小さく、下部の方が大きくなるように設計されてい
る。通常は常温でローターが静止している状態におい
て、このネジ付きスペーサー８と円筒部５との最小間隙
は、ネジ付きスペーサー８の下部において７００μｍ程
度に設計されている。この間隙によってポンプとしての
性能が決定する。

【０００７】ターボ分子ポンプでは主にローターを高速
で回転させること及び気体が圧縮されて温度が上昇する
ことに起因して、運転中にローターを構成する各部分が
変形を起こす。円筒部５やネジ付きスペーサー８が変形
を起こすと両者の間隙が無くなり、接触して破壊事故に
つながる事態を引き起こす。ターボ分子ポンプが適正使
用条件以上の負荷に曝された場合、過大な気体負荷によ
る風損及び気体の圧縮熱でローターに過大な応力が加わ
ったり、またベーキング等でもローターの温度が上昇し
てローターを構成する高力アルミニウム合金のクリープ
強度低下による破壊をもたらす。このような事態を防ぐ
ために、ターボ分子ポンプのユーザー側には使用温度、
吸気口圧力、気体流量等に制限が課せられている。

【０００８】装置上の安全対策としては、ローターシャ
フト６の上下部分に上部保護軸受け１３と下部保護軸受
け１４を設け、ローターシャフト６の横揺れを規制する
と共に、ローターシャフト６下端のスラスト磁気ディス
ク９とスラスト磁気軸受け１０によって、ローターシャ
フト６の上下の揺れを規制している。そのうえで、前記
使用制限を越えた場合には、運転を停止するよう排気す
る気体流量負荷に対する保護機能回路（インターロック
回路）を設けていた。従来この保護機能は、気体負荷に
より発生する回転翼４の風損がローター３を高速で回転
させるモーター１５のへの入力電流値に反映され、気体
負荷が大きくなると電流値が増加することを利用して、
この電流値を監視して規定電流値（トリップ値）と比較
することで、運転状態が使用制限内にあることを確認
し、使用制限を外れる電流値となった場合にはモーター
１５への入力電流を削減し、運転を停止する方法が採ら
れている。この規定電流は、最大許容ガス負荷試験によ
り窒素ガスやアルゴンガスのような数種類の気体につ
き、予めローター３の温度がクリープ寿命を許容できる
気体流量条件を測定しておき、その最大気体負荷流量で
のモーターへの入力電流を設定しておき、規定電流とし
ている。

【０００９】また、ローター３の温度を検出して適正な
温度範囲で使用されているか否か監視する手段もとられ
ている。ローター３の温度を検出手段としては、輻射温
度計や回転翼４の温度膨張を検出する変位センサーを設
け、検出された変位量からローター温度を逆算するよう
に構成されたものなどが用いられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ターボ分子ポンプはポ
ンプとしての性能を確保するために、材料の剛性、熱膨
張、各部の機械加工精度や組立精度等を見込んで回転翼
と固定翼との間隙寸法が設計されている。従来のターボ
分子ポンプは高速で回転する精密機械にも係わらず、稼
働負荷の変動や温度上昇に対する設計基準が確立してお
らず、回転翼と固定翼の接触事故を起こす可能性を含ん
でいた。従来のターボ分子ポンプでは、回転翼と固定翼
の接触事故を防ぐための安全対策としては、使用条件に
制限範囲を設けることが主であり、装置上は適正使用条
件範囲を外れると運転を停止させる手段がとられている
のみであった。このためターボ分子ポンプを使用するに
当たっては、適正使用条件範囲を外れないように監視を
強化する必要があった。また、適正使用条件範囲を外れ
た場合には運転を停止することを余儀なくされていた。
このためターボ分子ポンプに接続された、例えば成膜装
置等の本来の中心設備の運転も制限され、生産能力が上
がらないといった問題があった。本発明の目的は、ター
ボ分子ポンプの運転中の環境変化を見込んだ設計基準を
明らかにするとともに、回転翼と固定翼との接触事故の
主要な原因となる温度上昇を的確に把握し、接触事故を
未然に防止する手段を備えた装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では以下の設計基準を採用した。すなわち、
回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回
転翼と、該回転翼と間隙を設けて近接配置され、該回転
翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための
固定翼と、異常時に前記ローターシャフトを保持する保
護軸受けとを有するターボ分子ポンプであって、ａをベ
ーキング時における回転翼の遠心力による変形量、ｂを
ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転翼の熱
変形量と固定翼の熱変形量との差の最大値、ｃをベーキ
ング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周
との間隙値、ｄを回転翼と固定翼との間隙の製造公差
値、ｇを静止時の回転翼と固定翼との間隙値としたとき
に、 ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・・・（１） なる関係式を満たすターボ分子ポンプとした。このよう
な設計基準を満たすターボ分子ポンプとすることによ
り、運転中の負荷上昇や温度上昇が起こっても、回転翼
と固定翼との接触事故を防ぐことが可能となる。

【００１２】また、本発明のターボ分子ポンプは、回転
中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼
と、該回転翼と間隙を設けて近接配置され、該回転翼と
協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定
翼と、前記回転翼の温度を測定する第１の測温部材と、
前記固定翼の温度を測定する第２の測温部材と、前記固
定翼を加熱する加熱部材と、前記第１の測温部材により
得られた第１の測定値と、前記第２の測温部材により得
られた第２の測定値との差を検出し、該差が所定の値の
範囲以内になるように、前記加熱部材の加熱条件を制御
する加熱制御部とを有するターボ分子ポンプとした。こ
のようなターボ分子ポンプとすることにより、運転中に
回転翼の温度が上昇してもそれを検知して、回転翼と固
定翼との温度差が拡大しないように自動的に制御するの
で、適正運転条件の幅が大幅に拡大し、運転停止に至る
事態を回避することが可能となる。

【００１３】さらに本発明のターボ分子ポンプは、前記
加熱制御部が、前記回転翼回転時に加熱ベーキングおよ
び該加熱ベーキングに伴う加熱・冷却処理時に該回転翼
と前記固定翼とが接触しない前記間隙を保持するように
前記加熱部材を制御することにより、前記固定翼の温度
を制御する方式とした。このようなターボ分子ポンプと
することにより、回転翼と固定翼との接触を未然に防止
し、安定した運転が可能となる利点を有する。

【００１４】本発明者らはターボ分子ポンプの運転中の
トラブルについて、その原因を解明するために詳細な調
査を行った。調査したのは図１に示すスパッタ式の薄膜
製造装置に付属する、成膜室内の気体を排出ためのター
ボ分子ポンプである。図１に示すように、この成膜装置
は成膜室５０の下部にゲートバルブ４０を介してターボ
分子ポンプ３０が接続されている。成膜装置にはこの他
に基板ホルダーや電源装置等が附属しているが図１では
これら付属設備の記載は省略した。この成膜装置では成
膜室５０内の不純物を除去するために、成膜室５０内を
１２０℃に加熱保持して、いわゆるベーキング処理を行
う。そのためターボ分子ポンプ３０は成膜室５０や熱伝
導により加熱された取付けフランジ部からの輻射熱によ
り、単独運転時以上に温度が上昇する。このような状況
を考慮して、ターボ分子ポンプの固定部分と回転部分の
間隙の最も小さい部分の間隙の変化を推計した。

【００１５】図５に示すターボ分子ポンプ３０のロータ
ー３が、常温で静止して磁気浮上している状態では、固
定部分であるネジ付きスペーサー８と回転部である円筒
部５の最下端の最小間隙は、７００μｍに設計されてい
る。この状態を基準としてターボ分子ポンプ３０の運転
を継続した場合に、ネジ付きスペーサー８と円筒部５の
最下端の間隙７００μｍがどのように変化していくか
を、考えられるいくつかの要因を取り上げて考察した。 （１） 遠心力による円筒部の膨らみ 円筒部５の最下端の半径は９５ｍｍであり、常温でロー
ター３が２７０００ｒｐｍで正常回転すると円筒部５は
遠心力と熱膨張によって外側に３７０μｍ膨らむものと
推計される。このとき、気体が圧縮されてローター３の
温度は上昇し、固定部であるネジ付きスペーサー８の温
度は２６℃となり、回転部である円筒部５の温度は５８
℃となっている。その結果、ネジ付きスペーサー８と円
筒部５の最下端の間隙７００μｍは３３０μｍ以下まで
狭まる可能性がある。

【００１６】（２） ローターシャフトの制御 ところで、ローターシャフト６は上部保護軸受１３及び
下部保護軸受１４に依って横振れを制御され、ローター
シャフト６が保護軸受に接触すると反撥力を受けて押し
戻され、それ以上は横ブレしないような構造に造られて
いる。この保護軸受の依るローターシャフト６のブレの
最大量は１２５μｍに設計製作されている。ローターシ
ャフト６のブレの量は、通常は１２５μｍよりはるかに
小さく保たれているが、ローターシャフト６が保護軸受
けに接触する際には、ローター３がアルミニウム合金で
構成されているので、釣鐘状の円筒部５の下部では弾力
により最大１８０μｍブレることが確認された。

【００１７】上記の推計結果を確認するため、ネジ付き
スペーサー８と円筒部５の下端部の間隙を実測してみ
た。測定結果を図３に示す。図３は図５に示す構造を有
するターボ分子ポンプの、固定部と回転部の下端にある
ネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙を拡大して示し
たものである。図において数字は間隙の寸法をｍｍ単位
で示したものである。図中８はネジ付きスペーサーであ
り、５は円筒部である。ネジ付きスペーサー８の表面に
はネジ溝が設けてあり、微小間隔を隔てて対面する円筒
部５が高速で回転する際に、気体の粘性によって気体を
紙面の下方へ移動させることにより、排気が行われるよ
うになっている。円筒部５は図５に示すように回転翼４
の下部に釣鐘状に設けられているので、ローター３が高
速回転すると遠心力を受けて外側に膨らもうとする。膨
らむ量は紙面上部よりも下部の方が大きい。このため、
紙面上部におけるネジ付きスペーサー８と円筒部５の間
隙よりも、紙面下部におけるネジ付きスペーサー８と円
筒部５の間隙の方が大きくなるように設計制作されてい
る。ローター３が常温で静止して磁気浮上している基準
の状態では、図３に示すとおり上部（図中Ｎｏ．１の位
置）の間隙は０．５０ｍｍ（５００μｍ）であり、下部
（図中Ｎｏ．３の位置）の間隙は０．７０ｍｍ（７００
μｍ）である。ローターが常温で高速回転すると円筒部
５は外側に膨らみ、図中×印で示した曲線のラインまで
変位する。下部（図中Ｎｏ．３の位置）の間隙０．７０
ｍｍは０．３６ｍｍ（３６０μｍ）迄狭まる。中部（図
中Ｎｏ．２の位置）の間隙は０．３３ｍｍ（３３０μ
ｍ）迄狭まる。

【００１８】間隙が最も狭くなった中部（図中Ｎｏ．
２）の０．３３ｍｍ（３３０μｍ）において、さらにロ
ーターシャフト６が保護軸受けに接触して円筒部５のブ
レが最大に達したときは、ネジ付きスペーサー８と円筒
部５の間隙３３０μｍは１５０μｍ迄狭まることにな
る。ネジ付きスペーサー８と円筒部５が接触するのはこ
の１５０μｍの間隙が０（零）になることである。この
１５０μｍの間隙が０（零）になる原因がベーキング処
理に伴う円筒部５の温度上昇から来る熱膨張によるもの
と考えた。単純に円筒部５のみが熱膨張によって外側に
膨らんだとすると、常温のネジ付きスペーサー８と円筒
部５の温度差は１０４．５℃でなければならず、ネジ付
きスペーサー８の温度が２６℃の場合には、円筒部５の
温度は１３０．５℃でなければならない。しかし、ベー
キング温度は１２０℃であるから、円筒部５の温度が１
３０．５℃になることはあり得ない。それでもなお接触
事故を起こすのは何故かを考察した。

【００１９】（３） 製造公差 その結果、現在の技術水準では、この程度の大きさのロ
ーターの組立時の製造公差から、ローターの芯ズレが４
０μｍ程度あることが判明した。これを見込むとネジ付
きスペーサー８と円筒部５の間隙の最小値は０．１１０
ｍｍ（１１０μｍ）となる可能性があるとの結論に達し
た。

【００２０】（４） ベーキング時の温度上昇による熱
膨張の影響 ターボ分子ポンプを成膜装置に付属させて使用する場
合、不純物を除去して到達真空度を良くするために、成
膜室やターボ分子ポンプを加熱保持するベーキング処理
が必要となる。ベーキング処理を１２０℃で実施した場
合、ゲートバルブを開いたときの輻射熱や熱伝導により
加熱された取付けフランジ部分からの輻射熱により、ロ
ーター３も加熱されることになる。一方、ネジ付きスペ
ーサー８はケーシング１に固定されており、ケーシング
１は大気に面している。また、ケーシング１の下部や下
部保護軸受け１４付近は水冷却していることから、ネジ
付きスペーサー８は温度が低く、大気温度に近い温度と
なっている。ネジ付きスペーサー８と円筒部５とが同じ
温度になり、同じ割合で外側に膨張してくれれば両者の
間隙は一定に保たれるが、外側にあるネジ付きスペーサ
ー８の温度が低く、内側にある円筒部５の温度が高いの
で、内側にある円筒部５の熱膨張が大きく、両者の間隙
が０（零）になると考えるのが妥当であるとの結論に達
した。

【００２１】ローター３の温度上昇は、ローター３を構
成する高力アルミニウム合金のクリープ強度が低下しな
いように、最大に見積もっても１２０℃迄である。ロー
ター３を構成する高力アルミニウム合金の線膨張率を２
０℃から１００℃迄を２２．５×１０^-6、１００℃から
１２０℃迄を２４．５×１０^-6として計算すると、ネジ
付きスペーサー８と円筒部５との熱膨張の差が１１０μ
ｍとなるのは両者の温度差が８９．℃の時である。ネジ
付きスペーサー８の温度を常温の２６℃とすると、円筒
部５の温度が１１５℃の時に両者の間隙が０（零）にな
り、接触事故を起こすことになると推定される。

【００２２】以上の検討結果から、ネジ付きスペーサー
８と円筒部５との接触事故を防ぐには、両者の温度差を
８９℃以下に保つようにすれば良いことが判明した。円
筒部５はベーキングに伴う加熱・冷却を受けるから、そ
の際ネジ付きスペーサー８の温度を測定し、温度差が拡
大しないようにネジ付きスペーサー８も加熱冷却すれば
よい。ネジ付きスペーサー８の冷却はケーシング１の表
面からの放熱でも充分であるが、必要によりケーシング
１を風冷したりあるいは水冷すれば良い。ネジ付きスペ
ーサー８を加熱するには、ケーシング１の全体あるいは
ネジ付きスペーサー８の外側部分にベルトヒーターを巻
き付けたり、ネジ付きスペーサー８にベルトヒーターを
巻き付けることで実現できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】上記結果を式で示すと以下の通り
となる。いま、ターボ分子ポンプの運転中にネジ付きス
ペーサー８と円筒部５とが接触しないようにするには、
Ａを加熱ベーキング時における円筒部５の遠心力による
変形量、Ｂを加熱ベーキングに伴う加熱・冷却処理時に
おける円筒部５の熱変形量とネジ付きスペーサー８の熱
変形量との差の最大値、Ｃを加熱ベーキング時における
ローターシャフト６の外周と保護軸受け１３，１４の内
周との間隙値、Ｄをネジ付きスペーサー８と円筒部５と
の間隙の製造公差値Ｇを静止時の円筒部５とネジ付きス
ペーサー８との間隙の設計値としたときに、静止時の円
筒部５とネジ付きスペーサー８との間隙値（すなわち間
隙の設計値）Ｇが、装置の製造組立の公差や遠心力によ
る円筒部の変形量並びに熱膨張によるネジ付きスペーサ
ーと円筒部の変形量よりも大きければ良い。この関係を
数式で示せば下記の（２）式のようになる。 Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＜Ｇ・・・・・（２）

【００２４】ここで、Ｇはターボ分子ポンプの性能に係
わるものである、可能な限り小さくする必要がある。２
０００リトル／秒クラスのターボ分子ポンプでは、Ｇの
値は７００μｍ以下が望ましい。従って、（２）式にお
いて左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＧ（＝７００μｍ）以
下とする。左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）のうち、Ａはロー
ター３の構成材料、寸法、回転数等によって決まる。通
常ローター３の構成材料は、軽量で剛性の高いジュラル
ミン系の高力アルミニウム合金が使用される。ローター
３寸法は例えば２０００ｌ／ｓクラスでは半径９５ｍｍ
程度であり、回転数は２７０００ｒｐｍ程度である。従
って円筒部５の遠心力による変形量は、計算によって推
計することができる。また、Ｃ及びＤは製造加工上の問
題でありできる限り小さい方が好ましいのはいうまでも
ないが、現状程度の公差は許容せねばならない。そうす
ると（２）式の左辺で調整の余地があるのは、Ｂの加熱
ベーキングに伴う加熱・冷却処理時におけるネジ付きス
ペーサー８の熱変形量と円筒部５の熱変形量との差の最
大値ということになる。（２）式からこのＢの値をでき
るだけ小さくすればよいことになる。

【００２５】（２）式を一般的なターボ分子ポンプの適
用できるように書き直すと、下記の（３）式が得られ
る。 （ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）＜ｇ・・・・・（３） これを変形して ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１） ただし、 ａ；ベーキング時における回転翼の遠心力による変形
量、 ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転翼
の熱変形量と固定翼の熱変形量との差の最大値、 ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護
軸受け内周との間隙値、 ｄ；回転翼と固定翼との間隙の製造公差値、 ｇ；静止時の回転翼と固定翼との間隙値、 である。

【００２６】前記（２）式のＢの値をできるだけ小さく
するには、ネジ付きスペーサー８と円筒部５との温度差
を小さくして、両者がなるべく同じ程度の熱膨張をする
ようにすれば良い。すなわち、ベーキングに伴う加熱・
冷却処理時における円筒部５の熱変形量とネジ付きスペ
ーサー８の熱変形量との差を小さくするには、円筒部５
とネジ付きスペーサー８との温度差を小さくする手段が
考えられる。本発明者らはターボ分子ポンプの中心部に
ある円筒部５の温度は運転に伴って上昇するのであるか
ら、ネジ付きスペーサー８の温度も上昇させれば良いと
考えた。図２に本発明のターボ分子ポンプの内部構造を
説明する断面図の一例を示した。ネジ付きスペーサー８
の温度を上昇させる手段として、図２に示すようにケー
シング１の外側にベルトヒーター２５を巻き付ける方
法、または、ネジ付きスペーサー８の外側のケーシング
１の下部にのみベルトヒーター２６を巻き付ける方法、
あるいはまたネジ付きスペーサー８の裏側にベルトヒー
ター２７を巻き付ける方法が採用できる。もちろんこれ
ら２５，２６，２７のベルトヒーターの二つ以上を併用
しても構わない。円筒部５はベーキングに伴う加熱・冷
却を受けるから、その際円筒部５及びネジ付きスペーサ
ー８の温度を測定し、両者の温度差が拡大しないように
ネジ付きスペーサー８も加熱・冷却すればよい。ネジ付
きスペーサー８の冷却はケーシング１の表面からの放熱
でも充分であるが、必要によりケーシング１を風冷した
りあるいは水冷すれば良い。そして両者の温度差を８９
℃以下に保つようにすれば良い。

【００２７】円筒部５の温度を測定する第１の測温部材
としては、円筒部５が高速回転するので非接触型の温度
計を使用して測温する。非接触型の温度計としては赤外
線カメラや放射温度計等が利用できる。これらの非接触
型の温度計を使用する場合には、円筒部５を構成する材
料の熱放射率や排気する気体の熱輻射率等の影響を予め
補正しておく必要がある。高速回転する円筒部５の温度
を非接触で測温する別の手段としては、円筒部５の熱膨
張を検出する変位センサーを使用する方法も利用でき
る。この方法は検出された変位量から円筒部５の温度を
演算するようにしたものである。円筒部５の変位量は熱
膨張に依るものと、遠心力に依るものとがあるので両者
を分離して検出するためには計算がやや複雑となる。検
出された円筒部５の変位量を用いて、前記（２）式を満
足するような監視回路を構成することも可能である。一
方、ネジ付きスペーサー８の温度を測定する第２の測温
部材としては、ネジ付きスペーサー８が固定であること
から裏側に熱電対を埋め込むことで測温可能である。も
ちろん赤外線カメラや放射温度計等の非接触型の温度計
を使用することもできる。いずれの場合にも、測定温度
を電気的信号として取り出せるものとするのが、以降の
制御手段を使用する上で好都合である。

【００２８】本発明では上記の如く第１の測温部材及び
第２の測温部材に依って得られた温度データーを演算装
置に取り込んで両者の温度差を算出し、両者の温度差を
８９℃以下に保つように、演算装置に組み込んだ出力回
路から信号を発して、ネジ付きスペーサー８部に取り付
けたベルトヒーターの負荷を調節するような加熱制御手
段を採用した。この温度制御系の加熱制御手段のブロッ
クダイヤグラムを図４に示す。図４に示すように第１の
測温部材で得られたネジ付きスペーサー８の温度（第１
測定値：Ｔ１）に基づく信号Ｓ１と、第２の測温部材で
得られた円筒部５の温度（第２測定値：Ｔ２）に基づく
信号Ｓ２とをコンバレーターに取り込み、コンバレータ
ーでネジ付きスペーサー８と円筒部５の温度差（△Ｔ）
を算出し、この温度差（△Ｔ）に基づく信号Ｓ３をコン
バレーターから制御装置に取り込む。制御装置で温度差
（△Ｔ）の許容値を記録したテーブルから、温度差（△
Ｔ）の許容値に基づく信号Ｓ４と温度差（△Ｔ）に基づ
く信号Ｓ３とを比較して、Ｓ３＞Ｓ４となった場合には
ネジ付きスペーサー８を加熱するためのベルトヒーター
の加熱用電源をオンにする信号を発して加熱用電力を印
加して、温度差（△Ｔ）を許容値である８９℃以下に保
つように制御する。さらに、温度差（△Ｔ）が許容値を
越えて制御不能となった場合には、装置の破壊を未然に
防ぐために、念のため運転を停止する保護回路（インタ
ーロック回路）を組み込めばよい。

【００２９】

【実施例】以下に実施例を示す。図１に示すスパッタ成
膜装置において、成膜操作に先立って成膜室５０にゲー
トバルブ４０を介して接続されたターボ分子ポンプ３０
を使用して、成膜室５０内を排気し、成膜室５０内を１
２０℃に８時間保持してベーキング処理を行った。図２
にターボ分子ポンプ３０の内部構造を断面図を用いて示
した。ターボ分子ポンプ３０は２０００ｌ／ｓの公称排
気能力を持ち、高力アルミニウム合金製でローター３下
部の釣鐘状の円筒部５の半径は９５ｍｍである。ターボ
分子ポンプ３０内の円筒部５の温度を測定するための第
１の測温部材として、円筒部５の内側に円筒部５に対向
させて放射温度計２３を設置した。また、ネジ付きスペ
ーサー８のケーシング１側から熱電対２４を挿入し、ネ
ジ付きスペーサー８の温度を測定するための第２の測温
部材とした。このようにして設置した第１の測温部材と
第２の測温部材からの出力信号を取り出すため、各信号
線をコンバレーター（図示省略）に接続した。コンバレ
ーターには第１の測温部材と第２の測温部材からの出力
信号から両者の温度差を算出するプログラムを組み込
み、その演算結果の信号を加熱制御装置（図示省略）に
送り込むように接続した。加熱制御装置には温度差の許
容値として７０℃〜８０℃を設定した。一方、ネジ付き
スペーサー８を加熱するために、ネジ付きスペーサー８
のケーシング１側にベルトヒーター２７を取り付けた。
ベルトヒーター２７の電源は、加熱制御装置によってオ
ン・オフ制御するようにした。上記の装置において、ベ
ーキング処理をしながらターボ分子ポンプ３０を運転
し、成膜室５０内のガスを排気した。

【００３０】成膜室５０内を１２０℃に保ちながら排気
している間、円筒部５の温度を示す第１の測温部材の指
示値は１０２℃でほぼ一定であった。ベーキング処理を
継続中にネジ付きスペーサー８の温度を示す第２の測温
部材の指示値が２２℃になるとベルトヒーター２７の電
源がオン状態になり、第２の測温部材の指示値が３２℃
になるとベルトヒーター２７の電源がオフ状態となるオ
ン・オフ制御を続けていた。この間ターボ分子ポンプの
運転は極めて円滑であった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ターボ分子ポンプの材
質、各部寸法並びに運転条件を決定すれば、ターボ分子
ポンプの遠心力による変形量と熱膨張による変形量を予
め推計することが可能となり、固定部分と回転部分との
接触を防止することが可能となる。また本発明によれ
ば、運転中に自動的に固定部分と回転部分との熱膨張に
よる変形量を僅差に納めることが可能となるので、固定
部分と回転部分との接触を防止することが可能となる。
上記のとおり本発明によれば、ベーキング処理時にポン
プの温度が上昇し、しかもローターシャフトが保護軸受
けに接触する事態となっても、固定部分と回転部分との
接触を防止し、ポンプの破損を回避して運転を継続でき
るので、甚大な被害の発生を回避することができるの
で、経済的効果は絶大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 成膜装置の構成の概略を示す図である。

【図２】 本発明のターボ分子ポンプの内部構造を示す
断面図である。

【図３】 円筒部とネジ付きスペーサーとの間隙の変化
を測定した図である。

【図４】 温度制御系のブロックダイヤグラムを示す図
である。

【図５】 従来のターボ分子ポンプの内部構造を示す図
である。

【符号の説明】

１・・・・・ケーシング、２・・・・・ローター室、３・・・・・ロー
ター、４・・・・・回転翼、５・・・・・円筒部、６・・・・・ロータ
ーシャフト、７・・・・・固定翼、８・・・・・ネジ付きスペーサ
ー、９・・・・・スラスト磁気ディスク、１０・・・・・スラスト
磁気軸受け、１１・・・・・上部磁気軸受け、１２・・・・・下部
磁気軸受け、１３・・・・・上部保護軸受け、１４・・・・・下部
保護軸受け、１５・・・・・モーター、１６・・・・・吸気口、１
７・・・・・排気口、２３・・・・・放射温度計、２４・・・・・熱電
対、２５，２６，２７・・・・・ベルトヒーター、３０・・・・・
ターボ分子ポンプ、４０・・・・・ゲートバルブ、５０・・・・・
成膜室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (74)上記２名の代理人 100064908 弁理士 志賀 正武 （外６名） (72)発明者 佐々木 真 宮城県仙台市泉区明通三丁目31番地 株式 会社フロンテック内 (72)発明者 笠間 泰彦 宮城県仙台市泉区明通三丁目31番地 株式 会社フロンテック内 (72)発明者 大見 忠弘 宮城県仙台市青葉区米ケ袋２−１−17− 301 (72)発明者 木下 裕一 千葉県習志野市屋敷四丁目３番１号 セイ コー精機株式会社内 Ｆターム(参考） 3H022 AA01 AA03 BA02 BA06 CA01 CA04 CA11 CA12 CA18 CA48 CA56 CA59 DA01 DA08 DA09 3H031 DA01 DA02 DA07 EA01 EA08 EA09 EA12 EA15 FA01 FA04 FA11 FA13 FA35

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転中心であるローターシャフトと協動
   して回転する回転翼と、該回転翼と間隙を設けて近接配
   置され、該回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を
   排気するための固定翼と、異常時に前記ローターシャフ
   トを保持する保護軸受けとを有するターボ分子ポンプで
   あって、下記（１）式の関係を満たすことを特徴とする
   ターボ分子ポンプ。 ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１） ただし、 ａ；ベーキング時における回転翼の遠心力による変形量 ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転翼
   の熱変形量と固定翼の熱変形量との差の最大値 ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護
   軸受け内周との間隙値 ｄ；回転翼と固定翼との間隙の製造公差値 ｇ；静止時の回転翼と固定翼との間隙値 とする。
2. 【請求項２】 回転中心であるローターシャフトと協動
   して回転する回転翼と、該回転翼と間隙を設けて近接配
   置され、該回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を
   排気するための固定翼と、前記回転翼の温度を測定する
   第１の測温部材と、前記固定翼の温度を測定する第２の
   測温部材と、前記固定翼を加熱する加熱部材及び前記第
   １の測温部材により得られた第１の測定値と、前記第２
   の測温部材により得られた第２の測定値との差を検出
   し、該差を所定の値の範囲内になるように、前記加熱部
   材の加熱条件を制御する加熱制御手段とを有することを
   特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 【請求項３】 前記加熱制御手段が、ベーキングに伴う
   加熱・冷却処理によって前記回転翼と前記固定翼との間
   隙を保持し、両者が接触しないように前記固定翼の温度
   を調節するように前記加熱部材を制御するものであるこ
   とを特徴とする請求項２に記載のターボ分子ポンプ。