JP2010270656A

JP2010270656A - ドライ真空ポンプ

Info

Publication number: JP2010270656A
Application number: JP2009122499A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Otsubo; 栄一郎大坪; Sachifumi Maruyama; 祥史丸山; Hideaki Inoue; 英晃井上; Ryosuke Kita; 亮介喜多; Koichi Mizushima; 浩一水島
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Ulvac Inc
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Ulvac Inc
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP5473400B2

Abstract

【課題】排気対象気体に含まれる水素による電磁モータの機能不全を防止する。
【解決手段】排気室１３と潤滑室１２との間には、排気室１３を区画するシリンダ７と第１シャフト５との間をシールする第２シール２８と、潤滑室１２を区画するサイドカバー９と第１シャフト５との間をシールする第１シール２７とを備え、第２シール２８と第１シール２７との間には、シールガスが供給されるガス導入空間２９が設けられ、第２シール２８及び第１シール２７は、それぞれ、基部と、基部から第１シャフト５側へと延在する一対の円環状のリップ３１，３２，３３，３４とを備え、一対のリップ３１，３２又は３３，３４は、基部から第１シャフト５側へと向かうにつれて互いの間隔が漸次拡大するように延在するとともに、それぞれの先端部が、第１シャフト５に対して弾性的に接触可能とされていることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、真空処理室を排気するドライ真空ポンプに関する。

ドライ真空ポンプは、その内部において排気対象気体にオイル等の液体が接触しない構造を有し、半導体製造分野等の高い系内清浄度が要求される場合等に多く用いられる。ドライ真空ポンプには多くの形態が存在するが、電磁モータ等の動力源で発生した回転動力により排気対象気体を吸引及び排出するロータを回転させ、系内を排気するものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

一方、近年においてはシリコン系薄膜太陽電池の開発、製造が盛んに行われている。この種の薄膜製造用には、シラン（ＳｉＨ₄）と水素ガス（Ｈ_２）を主な原料ガスに用いたプラズマＣＶＤ技術を用いることで、基板上にアモルファスシリコンや結晶質シリコン薄膜を成膜する手法が一般的である（例えば、特許文献２参照）。

一方、真空ポンプのギアボックスと排気室との間の潤滑油流出および反応ガス類の流入を防止するために、非接触型軸シール機構に不活性ガスが流れる経路を設けることがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−１７１７６６号公報特開２００６−２１６９２１号公報特開２００３−１７２２６１号公報

上述のような薄膜製造用のプラズマＣＶＤ装置においては、アモルファスシリコン膜や結晶質シリコン薄膜の成膜時に、原料ガスに主としてシランガスと水素ガスの混合ガスを用いる。また、プラズマＣＶＤ装置の真空処理室（製膜室など）内では、シランの分解反応によっても水素ガスが生成される。したがって、真空処理室から排気される排気対象気体（排気ガス）は多量の水素ガスを含む状況にある。
一方、真空処理室から水素ガスを含む排気対象気体を吸引及び排出するために用いられるドライ真空ポンプは、その駆動源として電磁モータを備えており、この電磁モータは構成材料として永久磁石材料を含む。永久磁石材料は鉄―ネオジム系材料が代表的であり、永久磁石材料は水分による錆が発生しやすいため、ニッケルメッキなどにより耐食性改善が行われている。また、永久磁石材料は水素を吸蔵するので水素化合物を形成し、発熱他で脆化して磁力の低下や崩壊に至ることがあり、いわゆる水素による浸食を受け易いことが知られており、電磁モータの励磁力低下が懸念される。
さらに、水素ガスは分子サイズが小さく拡散しやすいため、水素ガスは、ドライ真空ポンプの排気室からロータの回転シャフトのシール部分を通過して電磁モータ内部へと拡散し、さらには永久磁石の表面に施した薄いニッケルメッキやメッキ層のピンホールを透過して、水素による浸食を生じさせる危惧があることが判明した。

したがって、薄膜製造用のプラズマＣＶＤ装置の真空処理室（製膜室など）の排気手段としてドライ真空ポンプを用いる場合、排気対象気体（排気ガス）中に含まれる大量の水素ガスによる電磁モータの永久磁石材料機能不全を回避することが重要な課題であり、このため、永久磁石材料と水素ガスが直接接触しない対策が望まれている。
特に、結晶質シリコン系薄膜製造に見られるような、シランガスを多量の水素ガスで希釈する高希釈率製膜条件にて、１ｍ^２を超える大面積基板へ製膜処理をする場合は、真空排気ポンプの内容量に対する排気対象気体中の水素ガスの割合が増加するため、一層に水素ガスによる電磁モータの永久磁石材料機能不全を発生することが懸念される。

また、特許文献３にあるような真空ポンプにおいては、排気室からギアボックスへの反応ガス類の流入を防止するために、非接触型軸シール機構に不活性ガスが流れる経路を設けているが、不活性ガス量を多く投入することによりコストアップを招くとともに、排気能力が低下するという課題がある。また、排気室の圧力変動に対してシール特性を確保するには、不活性ガス流量をますます増加させる必要がある。
以上から、接触型シール機構を採用した上で、排気室の圧力変動に対しても十分にシール特性の優れたシール機構が望まれている。

以上のような事情に鑑み、本発明は、真空処理室から導かれる排気対象気体（排気ガス）に含まれる水素ガスによる駆動源（電磁モータ）の機能不全を防止することができるドライ真空ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のドライ真空ポンプは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるドライ真空ポンプは、電磁モータによって回転駆動されるシャフトと、該シャフトに取り付けられるとともに排気室内に設けられ、真空処理室内の排気対象気体を該排気室内に吸引しかつ排出するロータと、を備えた真空処理室を排気するドライ真空ポンプにおいて、前記排気室と、該排気室の隣に位置する隣室との間には、該排気室を区画する排気室区画壁部と前記シャフトとの間をシールする排気室側シールと、該隣室を区画する隣室区画壁部と前記シャフトとの間をシールする隣室側シールとを備え、前記排気室側シールと前記隣室側シールとの間には、シールガスが供給されるガス導入空間が設けられ、前記排気室側シール及び前記隣室側シールは、それぞれ、前記排気室区画壁部側または前記隣室区画壁部側に固定された円環状の基部と、該基部から前記シャフト側へと延在する一対の円環状のリップ部とを備え、一対の前記リップ部は、前記基部から前記シャフト側へと向かうにつれて互いの間隔が漸次拡大するように延在するとともに、それぞれの先端部が、前記シャフトに対して弾性的に接触可能とされていることを特徴とする。

排気室と隣室との間に、排気室側シール及び隣室側シールを設け、これらシール間にシールガスを供給することとした。シールガスは、排気室側シールから排気室側に、また、隣室側シールから隣室側に噴出する。これにより、排気室内の排気対象気体が隣室側に漏出することを防止でき、また、隣室内の物質（例えば、潤滑オイルやその蒸気）が排気室側に漏出することを防止できる。
また、排気室側シール及び隣室側シールは、一対のリップ部を備え、それぞれの先端部が、シャフトに対して弾性的に接触可能とされている。したがって、２つのリップ部によってシールを行うことができるので、より確実なシールが行われることになる。
さらに、各リップ部は、シャフト側へと向かうにつれて互いの間隔が漸次拡大するように延在する形状とされており、これらリップ部は共通の基部に接続されている。したがって、一方のリップ部が基部に対して傾斜すると、他方のリップ部も貴部を介して傾斜することになるので、この傾斜方向と同方向に傾斜することになる。すなわち、排気室または隣室に接するリップ部がシャフトから離間するように傾斜すると、これに対応してシールガスが供給されるガス導入空間に接するリップ部がシャフトに近接するようになる。これとは逆に、排気室または隣室に接するリップ部がシャフトに近接するように傾斜すると、これに対応してシールガスが供給されるガス導入空間に接するリップ部がシャフトから離間するようになる。このように、一方のリップ部がシャフトから離間してシャフトとの間隙が大きくなっても、このリップ部の周方向位置に対応する他方のリップ部がシャフトに近接してシャフトとの間隙が小さくなるので、シールガスの流出量が各周方向位置にて不均一を改善するように調整されることになる。したがって、シールの周方向に圧力分布が生じていても、各周方向位置にてシールガス流量が調整されるので、高いシール性能が発揮されることになる。
なお、本発明において、「隣室」とは、排気室の隣に位置する室を意味し、例えば、潤滑室や軸受室が挙げられる。したがって、本発明は、排気室と潤滑室とのシールや、排気室と軸受室とのシールに好適である。

さらに、本発明のドライ真空ポンプでは、前記電磁モータを収容する電磁モータ室は、前記排気室に対して前記隣室を挟んだ位置に設けられ、前記隣室は、潤滑オイルが貯留される潤滑室とされ、前記排気対象気体には、水素ガスが含まれていることを特徴とする。

水素ガスは、電磁モータの永久磁石材を浸食して磁気性能を低下させる。本発明では、上記発明の排気室側シール及び隣室側シールを、排気室と隣室（潤滑室）との間に設けることとしたので、排気室に対して隣室（潤滑室）を挟んで位置する電磁モータ室までは排気対象ガスが漏出することが防止される。したがって、電磁モータの永久磁石が水素ガスによって浸食されることを回避することができる。

さらに、本発明のドライ真空ポンプでは、前記基部と一対の前記リップ部とは、一体にて構成されていることを特徴とする。

基部と一対のリップ部とを一体にて構成することとしたので、取り扱いとメンテナンスが容易になる。

さらに、本発明のドライ真空ポンプでは、一対の前記リップ部をそれぞれ別部材とし、これらリップ部の基端部を互いに固定して組み付けることによって前記基部と構成することを特徴とする。

一対のリップ部のそれぞれを別部材としたので、各リップ部の製作が容易となり、複雑な形状でも製作が可能となるので、コストダウンが実現される。

さらに、本発明のドライ真空ポンプでは、各前記リップは、前記シャフトと接触する部位がポリテトラフルオロエチレンとされていることを特徴とする。

シャフトとの接触部位をポリテトラフルオロエチレンとしたので、シャフトとの摩擦係数が低下し、リップ部の摺動部分の摩耗量を低減できる。これにより、シールの信頼性を長期にわたり確保することができる。

本発明のドライ真空ポンプによれば、排気室と隣室との間に、排気室側シール及び隣室側シールを設け、これらシール間にシールガスを供給することとしたので、排気室内の排気対象気体が隣室側に漏出することを防止でき、また、隣室内の物質（例えば、潤滑オイルやその蒸気）が排気室側に漏出することを防止できる。
また、排気室側シール及び隣室側シールは、一対のリップ部を備え、それぞれの先端部が、シャフトに対して弾性的に接触可能としたので、２つのリップ部によってシールを行うことができるので、より確実なシールが行われることになる。
また、各リップ部は、シャフト側へと向かうにつれて互いの間隔が漸次拡大するように延在する形状とされており、これらリップ部は共通の基部に接続されているので、シールの周方向に圧力分布が生じていても、各周方向位置にてシールガス流量が不均一を改善するように調整されるので、高いシール性能を発揮することができる。
また、排気室側シール及び隣室側シールを、排気室と潤滑室との間に設けることとしたので、排気室に対して潤滑室を挟んで位置する電磁モータ室までは排気対象ガスが漏出することが防止される。したがって、電磁モータの永久磁石が水素ガスによって浸食されることを回避することができる。

本発明の一実施形態に係るドライ真空ポンプが用いられる真空処理系統を示した概略構成図である。図１のドライ真空ポンプの内部構造を示した平面断面図である。図１のドライ真空ポンプの内部構造を示した側断面図である。図１のドライ真空ポンプの排気室の構成を示した断面図である。図１のドライ真空ポンプのカップシールの詳細を示す拡大断面図である。図５のカップシールを構成するシール部材の構成を示し、（Ａ）は断面斜視図、（Ｂ）はシール部材の要部の作用を示した断面図である。図５のカップシールの詳細を示した拡大断面図である。シールガス流量による潤滑室への水素ガスの侵入試験結果を示した図表である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るドライ真空ポンプ１を用いた真空処理系統の概略が示されている。
プラズマＣＶＤ装置（真空処理装置）１０１は、製膜室１０３を備えており、この製膜室１０３内を真空排気する系統にドライ真空ポンプ１が設けられている。製膜室１０３は、１ｍ^２を超える大面積ガラス基板（不図示）に対して製膜を行なう。製膜室１０３には、主な原料ガスであるシランガス（ＳｉＨ_４）および水素ガス（Ｈ_２）、ならびにクリーニングガス（ＮＦ_３）をそれぞれ製膜室１０３内に供給するガス供給流路１０４，１０５，１０６が接続されている。また、製膜室１０３には、ガスを排気する排気系統６１とが設けられている。
排気系統６１は、高真空用のターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１０９が設けられた排気流路１１０と、流量調整弁（ＣＶ)１１１が設けられた流路１１２とを備えている。排気流路１１０と流路１１２との合流点Ｓよりも下流の流路１１３には、ドライ真空ポンプ(ＤＰ)１が介装されている。さらに、ドライ真空ポンプ１の下流側には、排気ライン６２が設けられている。この排気ライン６２は、シランガスおよび水素ガス等の可燃ガスを排気する可燃系排気ライン１１７と、三フッ化窒素ガス（ＮＦ_３）等の支燃系ガスを排気する支燃系排気ライン１１８とに分岐される。可燃系排気ライン１１７には可燃系排気弁１１９ａが、支燃系排気ライン１１８には支燃系排気弁１１９ｂが設けられている。
製膜を実施する為に、原料ガスのシランガスおよび水素ガスを供給する場合は、可燃系排気弁１１９ａを開、支燃系排気弁１１９ｂを閉として、可燃系排気ライン１１７を用いる。
製膜室１０３内をセルフクリーニングする為にクリーニングガスの三フッ化窒素ガスを供給する場合は、可燃系排気弁１１９ａを閉、支燃系排気弁１１９ｂを開として、支燃系排気ライン１１８を用いる。
また、プラズマＣＶＤ装置１０１には、製膜室１０３の圧力を計測する真空計（Ｖ）１２０が設けられている。

このように構成されたプラズマＣＶＤ装置１０１では、ドライ真空ポンプ１による粗引き真空排気を行いながら大気圧から減圧された製膜室１０３内へＳｉＨ_４からなる原料ガスを含む製膜ガスを送り込み、図示されていない高周波電源により供給される高周波電力によってプラズマを生じさせ、製膜室１０３内に支持されて加熱されたガラス等の基板に製膜を施す。基板としては、例えば、１ｍ^２を超える大面積ガラス基板が挙げられる。
原料ガスは、水素ガスを用いて希釈され、例えば、結晶質シリコン膜形成にはシランガスに対して２０倍以上に水素ガス希釈することによって膜質の向上を実現できる。

プラズマＣＶＤ装置１０１は、製膜処理の指示を受けると、ＭＶ１２１とＴＶ１２２を開とするとともにＲＶ１２３を閉とし、ターボ分子ポンプ１０９およびドライ真空ポンプ１による高真空排気を行なう。
基板（不図示）を製膜室１０３内にセットし、製膜レシピ指示を受け、製膜レシピにしたがって製膜処理を行なう。
例えば、結晶質シリコン膜の形成において、製膜速度２．０〜２．５ｎｍ／ｓを得るにあたり、製膜圧力は１０００〜３０００Ｐａであり、基板１ｍ^２あたりの製膜用原料ガスであるシランガスの流量は０．５〜２．０ＳＬＭ／ｍ^２、水素ガスの流量は１０ＳＬＭ／ｍ^２以上の大流量となる。

次いで、ＭＶ１２１とＴＶ１２２を閉とするとともにＲＶ１２３は開とし、ドライ真空ポンプ１による粗引き真空排気を行ないながら、製膜原料ガスを製膜室１０３内に導入し、真空計(Ｖ)１２０によって計測した製膜室１０３内の圧力が製膜レシピ指示値の製膜室１３０内の圧力となるよう流量調整弁(ＣＶ)１１１を調整し、製膜室１０３内の圧力を調整する。
次いで、プラズマ放電を開始され、これにより製膜が施される。
所定の製膜が行われた後、プラズマ放電を停止し、また、製膜原料ガスを停止する。ＭＶ１２１とＴＶ１２２を開とするとともにＲＶ１２３を閉とし、ターボ分子ポンプ１０９およびドライ真空ポンプ１による高真空排気を行ない、製膜処理した基板を搬出し、製膜処理を終了する。
なお、ドライ真空ポンプ１は、ルーツ型ポンプ等のメカニカルブースタポンプと排気系統を直列に組み合わせて真空排気能力を向上させて使用しても良い。

図２には、本実施形態に係るドライ真空ポンプ１を上面から見た平面断面図が示されている。図３には、ドライ真空ポンプ１を側面から見た側断面図が示されている。
本実施形態に係るドライ真空ポンプ１は、ルーツ型ドライ真空ポンプで構成されるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、スクロール型、回転翼型等の他の形態のドライ真空ポンプ、ルーツ型ポンプ等のメカニカルブースタポンプにも適用可能である。

同図に示すように、ドライ真空ポンプ１は、駆動源である電磁モータ３と、この電磁モータ３の側方に配置された潤滑室（隣室）１２と、この潤滑室１２の側方に配置された排気室１３と、潤滑室１２と排気室１３との間に配置されたシール機構１１とを有する。

潤滑室１２は、モータカバー（隣室区画壁部）８とサイドカバー９によって形成され、排気室１３は、シリンダ（排気室区画壁部）７とサイドカバー９によって形成されている。潤滑室１２及び排気室１３は、ドライ真空ポンプ１の主要な筐体部を構成する。

潤滑室１２には回転伝達機構４が収容され、排気室１３には第１ロータ（ロータ）６が収容されている。電磁モータ３はモータカバー８に隣接して配置されている。電磁モータ３の回転軸には第１シャフト（シャフト）５が接続されている。第１シャフト５は潤滑室１２を縦貫し、サイドカバー９を貫通して排気室１３に延伸している。第１シャフト５が潤滑室１２と排気室１３を連通する箇所は、第１シール機構１１によって、第１シャフト５の回転に伴い潤滑室１２と排気室１３の間でガスの移動を抑制するようにシールされている。潤滑室１２の室内において第１シャフト５に回転伝達機構４が接続され、排気室１３の室内において第１シャフト５に第１ロータ６が接続されている。また、潤滑室１２には回転伝達機構４を潤滑するための潤滑オイルＦ（図３参照）が収容されている。

本実施形態に係るドライ真空ポンプ１は、上記構成に加え、第２シャフト（シャフト）１４と、第２ロータ（ロータ）１５と、第２シール機構１６とを有する（図２参照）。第２シャフト１４は、潤滑室１２の室内において回転伝達機構４に接続され、第１シャフト５と平行に、サイドカバー９を貫通して排気室１３に延伸している。第２シャフト１４が潤滑室１２と排気室１３を連通する箇所は、第２シール機構１６によって、第２シャフト１４の回転に伴い潤滑室１２と排気室１３の間でガスの移動を抑制するようにシールされている。排気室１３の室内において第２シャフト１４に第２ロータ１５が接続されている。

また、本実施形態に係るドライ真空ポンプ１は、潤滑室１２からみて排気室１３の反対側（図２において右側）に、軸受室１７を有する。軸受室１７は、シリンダ７のサイドカバー９と反対側に取り付けられた第２サイドカバー１８と、第２サイドカバー１８に取り付けられた軸受カバー１９によって形成されている。第１シャフト５及び第２シャフト１４は、第２サイドカバー１８を貫通し、軸受室１７の室内で回転可能に支持されている。軸受室１７は第１シャフト５を回転可能に支持する第１軸受２０と、第２シャフト１４を回転可能に支持する第２軸受２１を収容する。第１軸受２０及び第２軸受２１は例えばボールベアリング等である。

電磁モータ３は、電磁モータ室１０内に収容されており、第１ロータ６を回転させるための回転動力を発生させる。電磁モータ３はドライ真空ポンプ１の動力源として一般的な構造のものを用いることができる。典型的には、電磁モータ３は、固定子と回転子とを有し、固定子と回転子の何れか一方に、永久磁石材が用いられる。永久磁石材は比較的安価で強い磁気特性を保有するものが好ましく、例えば希土類磁石が使用される。永久磁石材としては、例えば、鉄−ネオジム系等の希土類鉄系磁石材が用いられ、磁石体表面には錆や腐食や水素吸蔵する水素化合物を形成による浸食への耐久性を向上させるために、ニッケルなど金属によるメッキ層を施してある。
電磁モータ３及び潤滑室１２は、図２及び図３に示すように、排気室１３の排気空間２６で気体が圧縮される側（大気圧に近い側）に設けられている。このように電磁モータ３を配置することで、電磁モータ室１０の気密管理を容易にすることができる。また、ドライ真空ポンプ１の起動停止時など圧力変動が発生する際には、潤滑室１２と排気室１３との圧力差が少ないため、第１シール機構１１におけるシール特性をより確実にする効果がある。
なお、電磁モータ３は１基に限られず、複数基が設けられていてもよい。

回転伝達機構４は、潤滑オイルＦにより潤滑され、電磁モータ３で発生した回転動力を第１シャフト５及び第２シャフト１４へ伝達し、第１ロータ６及び第２ロータ１５を互いに逆方向に同期回転させる。回転伝達機構４は、第１タイミングギア２２、第２タイミングギア２３、第１ベアリング２４及び第２ベアリング２５を含む。第１タイミングギア２２は第１シャフト５に取り付けられ、第２タイミングギア２３に回転動力を伝達する。第１ベアリング２４はサイドカバー９に固定された外輪と、第１シャフト５に固定された内輪と、これらの間に配置されたベアリングボールとを含み、第１シャフト５をサイドカバー９に回転可能に支持する。第２タイミングギア２３は第２シャフト１４に取り付けられ、第１タイミングギア２２から回転動力を伝達され、第２シャフト１４を回転させる。第２ベアリング２５はサイドカバー９に固定された外輪と、第２シャフト１４に固定された内輪と、これらの間に配置されたベアリングボールとを含み、第２シャフト１４をサイドカバー９に回転可能に支持する。回転伝達機構４の構成はこれらに限定されず、例えば減速ギア等を含んでもよい。

第１ロータ６及び第２ロータ１５は、回転することによって排気対象気体を吸引及び排出する。図４は、第１ロータ６及び第２ロータ１５の構成を示す横断面図である。図２及び図３に示したように、第１ロータ６はシャフト５に沿って直列に多段（図示の例では６段）で配列され、第２ロータ１５は第２シャフト１４に沿って直列に多段（図示の例では６段）で配列されている。

各段の第１ロータ６は各段の第２ロータ１５と対になって配置されている。それぞれの第１ロータ６及び第２ロータ１５は３葉の形状に形成され、第１シャフト５及び第２シャフト１４が回転すると、対になっているロータ部と微小な間隔を空けて回転可能となっている。

それぞれの第１ロータ６及び第２ロータ１５の対は、シリンダ７内に形成された６つの排気空間２６に一対ずつ配置され、排気空間２６は順次後段の排気空間に連通する排気通路２６ａによって接続されている。また、最前段（最上流段）の排気空間２６はシリンダ７に形成された吸気孔７ａに接続され、最後段（最下流段）の排気空間２６はシリンダ７に形成された排気孔７ｂに接続されている（図３参照）。

吸気孔７ａは、排気系統６１を介して、薄膜製造用の真空処理室としてのプラズマＣＶＤ装置の製膜室１０３に接続されている。排気孔７ｂは、排気ライン６２に接続されている。製膜室１０３は、基板上にアモルファスシリコン膜や結晶質シリコン膜を製膜するための製膜室として構成される。製膜室１０３では、ドライ真空ポンプ１による粗引き真空排気を行いながら大気圧より減圧された製膜室内へ主として、シランガス（ＳｉＨ_４）および水素ガス（Ｈ_２）からなる原料ガスを含む製膜ガスを送り込み、図示されていない高周波電源により供給される高周波電力によってプラズマを生じさせ、製膜室１０３内に支持されて加熱されたガラス等の基板に製膜を施す。このとき、製膜室１０３にはシランガス（ＳｉＨ_４）の分解と多量の水素ガス（Ｈ_２）の投入により、大量の水素ガスがドライ真空ポンプ１によって排気ライン６２へ排気される。
製膜室１０３の他に基板予熱室なども多量の水素ガス（Ｈ_２）の投入を行なうことから、同様に利用可能である。

例えば、結晶質シリコン膜形成には、４０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電力を供給するプラズマ放電電極と基板表面との距離ｄを３ｍｍ〜１０ｍｍに設定して、シランガスに対して２０倍以上に水素ガス希釈した原料ガスを供給することによって、製膜速度と膜質の向上を実現できる。１ｍ^２を超える大面積基板の結晶質シリコン膜の形成において、製膜速度２．０〜２．５ｎｍ／ｓを得るには、製膜圧力１０００〜３０００Ｐａであり、基板１ｍ^２あたりの製膜用原料ガスであるシランガスの流量は０．５〜２．０ＳＬＭ／ｍ^２、水素ガスの流量は２０ＳＬＭ／ｍ^２以上必要となり、おおよそ２０〜１００ＳＬＭ／ｍ^２である。シランガスの一部は製膜に消費されることにより、シランガスの分解で生じた水素ガスも加わり、排気ライン６２へ排気される水素ガス流量は更に増加し、排気対象気体中の水素ガス分圧は非常に大きくなっている。

第１シール機構１１及び第２シール機構１６は、第１シャフト５及び第２シャフト１４が潤滑室１２及び排気室１３を連通する箇所において、潤滑オイルＦ及び排気対象気体の導通をシールする。サイドカバー９には、当該箇所にシールガスを供給するためのガス導入孔９ａが形成されている。

次に第１シール機構１１及び第２シール機構１６について説明する。
第１シール機構１１と第２シール機構１６の構成は同一であるため、第１シール機構１１について説明する。
図５は、第１シール機構１１の構成を示す断面図であり、図３の第１シール機構１１の近傍を拡大した図である。

同図に示すように、第１シール機構１１は、第１シール（潤滑室側シール）２７と、第２シール（排気室側シール）２８とを有する。第１シール２７はサイドカバー９と第１シャフト５の間に配置され、第２シール２８はシリンダ７と第１シャフト５の間に配置されている。
シリンダ７とサイドカバー９の間には、ガス導入孔９ａと連通する隙間Ｇが形成され、第１シール２７及び第２シール２８によってガス導入空間２９が形成されている。本実施形態に係るドライ真空ポンプ１において、サイドカバー９とシリンダ７の、ガス導入空間２９に臨む部分が隔壁を構成する。
また、上記構成に加え、第１シール機構１１は、潤滑室１２の室内において第１シャフト５に取り付けられたスリンガ３０を有する。

第１シール２７及び第２シール２８はそれぞれ同一の構成を有し、例えば図６（Ａ）に示すシール部材Ａで構成される。図６はシール部材Ａの構成を示す斜視図である。シール部材Ａは、その内周部がシャフト５の外周に弾性的に接触する円環状のカップシール（リップシール）で構成されている。

図６（Ａ）に示すようにシール部材Ａは、固定部ａと基部ｂと二つのリップ部ｃとを備えている。円環状のシール部材Ａの外周側に固定部ａが形成され、固定部ａから円環の径方向に突出するように基部ｂが形成され、基部ｂから径方向に対して斜めとなる二方向に突出するように（ハの字となるように）二つのリップ部ｃが形成される。すなわち、一対のリップ部ｃは、第１シャフト５の軸方向に沿いながら、互いに反対方向に張り出す構造を有している。リップ部ｃは他方のリップ部ｃと接近しあるいは離間するように弾性変形可能に形成される。
なお、シール部材Ａは、複数の部材から構成されてもよい。

固定部ａ、基部ｂ及びリップ部ｃは、水素を含む排気対象気体及び潤滑オイルＦに対して耐性を有するとともに弾力性を有する、例えばフッ素ゴム等の材料によって形成される。
また、シール部材Ａは、各リップ部ｃの、第１シャフト５と当接する箇所に配置された摺動部材ｄと、固定部ａ及び基部ｂに挿入された支持部材ｅを有する。

摺動部材ｄは、例えばポリテトラフルオロエチレン等の摩擦係数の低い材料からなり、シール部材Ａと第１シャフト５との接触抵抗を低減させ、第１シャフト５との隙間を均等にする。摩擦係数が低いので、摺動部材ｄの摩耗量を低減できて、長期にわたり信頼性を確保できるので好ましい。図６（Ｂ）は、摺動部材ｄの構成を示す図である。同図に示すように、シール部材Ａが第１シール２７及び第２シール２８としてドライ真空ポンプ１に取り付けられた後、ドライ真空ポンプ１が空運転されることにより、各摺動部材ｄはシャフト５と摺動し、下図のように摺動部材ｄの面圧の高いカド部分が平滑化された状態で使用される。

支持部材ｅは例えば金属からなり、シール部材Ａの強度や形状を維持する。なお、支持部材ｅは省略されてもよい。

図７は、第１シール２７及び第２シール２８の配置を示す縦断面図である。
同図に示すように、第１シール２７は、サイドカバー９と第１シャフト５との間に配置され、主として、潤滑室１２から排気室１３への潤滑オイルＦ（又はその蒸気）の漏出を規制する機能を有する。第２シール２８は、シリンダ７と第１シャフト５との間に配置され、主として、排気室１３から潤滑室１２への排気対象気体（特に水素ガス）の侵入を規制する機能を有する。

第１シール２７はサイドカバー９に、第２シール２８はシリンダ７に、それぞれの固定部ａが固定され、各リップ部ｃは第１シャフト５に弾接している。

第１シール２７の二つのリップ部ｃのうち、潤滑室１２に面するリップ部ｃを第１リップ３１、ガス導入空間２９に面するリップ部ｃを第２リップ３２とする。また、第２シール２８の二つのリップ部ｃのうち、ガス導入空間２９に面するリップ部ｃを第３リップ３３、排気室１３に面するリップ部ｃを第４リップ３４とする。

第１リップ３１は、潤滑室１２の圧力がガス導入空間２９より高い場合には第１シャフト５へ接近する方向へ、潤滑室１２の圧力がガス導入空間２９より低い場合には第１シャフト５から離間する方向へ弾性変形することが可能である。同様に、第２リップ３２、第３リップ３３及び第４リップ３４は、それぞれ各リップが面する空間の圧力が相対的に高い場合には第１シャフト５へ接近する方向へ、相対的に低い場合には第１シャフト５から離間する方向へ弾性変形することが可能である。

スリンガ３０は、第１シャフト５と共に回転し、遠心力により液体の潤滑オイルＦが第１シール２７に到達することを抑制する。なお、スリンガ３０の配設は任意である。

本実施形態のドライ真空ポンプ１は以上のように構成される。次に、ドライ真空ポンプ１の動作を説明する。

電磁モータ３が回転を開始すると、電磁モータ３に接続された第１シャフト５が回転し、第１タイミングギア２２がそれに伴って回転する。第２タイミングギア２３が第１タイミングギア２２によって回転され、第２タイミングギア２３に接続された第２シャフト１４が回転する。即ち、第１シャフト５及び第２シャフト１４が同速度で逆方向に回転する。第１シャフト５及び第２シャフト１４の回転に伴って、第１ロータ６及び第２ロータ１５が回転する。

潤滑室１２の室内では、第１タイミングギア２２、第２タイミングギア２３、第１ベアリング２４及び第２ベアリング２５が潤滑オイルＦによって潤滑される。

第１ロータ６及び第２ロータ１５が回転すると、各排気空間２６の室内で容積が拡張される領域及び圧縮される領域が形成される。このため、容積が拡張される側の排気通路から気体が吸引され、容積が圧縮される側の排気通路へ気体が排出される。これにより、各排気空間２６において、前段の排気空間２６もしくは吸気孔７ａを介して製膜室１０３から水素を含む排気気体が吸引され、後段の排気空間２６もしくは排気孔７ｂに当該気体が排出される。各排気空間２６において順次前段の排気空間２６よりも気体が圧縮されるので、排気対象系内の圧力が大気圧よりも十分小さくなっても、最終的に大気圧以上に加圧し排気することが可能である。この際、特に排気開始時点等の排気対象系内の圧力が高い状況において、上記容積が圧縮される領域では気体が大気圧以上に加圧される場合がある。

以上のようにして、製膜室１０３が所定の真空度まで排気され、または所定の真空度で維持される。後述するように、本実施形態のドライ真空ポンプ１は、第１シール機構１１及び第２シール機構１６を備えているため、排気対象気体に潤滑オイルＦまたはその蒸気が混入することが抑制され、排気対象系内の汚染を抑制する。また、排気室１３内の排気対象気体が、潤滑室１２に侵入することが抑制されるため、電磁モータ３が排気対象気体に曝されることを抑制する。これにより、排気対象気体に多量の水素が含まれている場合においても、電磁モータ３を構成する永久磁石材の劣化を抑制することが可能となる。
第１シール機構１１及び第２シール機構１６において、シールガスを供給するとともに、シャフトの軸方向に沿いながら、互いに反対方向に張り出す一対のリップ部ｃを有することで、排気対象気体が潤滑室１２に侵入して電磁モータ３が排気対象気体に曝されることを更に効果的に防止する。

次に、第１シール機構１１の動作について説明する。なお、第２シール機構１６の動作もシール機構１１と同様である。

ガス導入空間２９にシールガスが充填されると、ガス導入空間２９の圧力が上昇する。シールガス（シールガス供給源）は、排気対象気体のガス成分と反応をしない不活性ガスを用いる。不活性ガスとしては、窒素ガスやアルゴンガスなどがあるが、窒素ガスは価格が安価であるとともに、排気室１３に混入しても分子量が大きいためドライ真空ポンプの排気能力低下を少なく抑えられるので好ましい。
シールガスの導入により、ガス導入空間２９が、後述する排気空間２６の最大圧力よりも高い圧力（十分なシールガスの流量が得られる圧力）になるような流量に調節される。
図８に、排気対象気体として水素ガスを１００ＳＬＭ排気させて、シールガスとして窒素ガスを用いた場合のシールガス流量による水素ガスの潤滑室１２への漏れ濃度を計測した結果を示す。シールガス（窒素ガス）流量がない場合（０ＳＬＭ）では、潤滑室１２の水素濃度は６０ｐｐｍであったが、シールガス（窒素ガス）を５ＳＬＭ以上導入することで、潤滑室１２の水素濃度は計測限界以下となり、水素ガスが潤滑室１２に侵入すること防止されていることが確認された。またシールガス流量を増加することで、潤滑室１２の圧力が上昇しすぎると、潤滑オイルＦがガス排出通路５３を経由してオイルトラップ５５で捕獲できなかった微量のオイルミスト分が排気ライン６２へ排出されることが危惧されるので、必要以上に潤滑室１２の圧力を上昇させないことが好ましい。
シールガスの流量は、１ｍ^２を超える大面積基板の結晶質シリコン膜の形成においては、例えば窒素ガスが５ＳＬＭ〜１０ＳＬＭであり、排気対象気体流量の略１／１０〜略１／２０である。

第１シャフト５が回転すると、第１シール２７については、シールガスが第２リップ３２と第１シャフト５との摺動箇所に巻き込まれて第２リップ３２を押し上げ、形成された隙間からシールガスが流出する。流出したシールガスがさらに第１リップ３１と第１シャフト５との摺動箇所に巻きこまれて第１リップ３１を押し上げ、形成された隙間から潤滑室１２へシールガスが流出する。即ち、シールガスが、ガス導入空間２９から第１シール２７と第１シャフト５との隙間を通過して潤滑室１２へ噴出する。

第２シール２８についても、第１シャフト５が回転すると、シールガスが第３リップ３３と第１シャフト５との摺動箇所に巻き込まれて第３リップ３３を押し上げ、形成された隙間からシールガスが流出する。流出したシールガスがさらに第４リップ３４と第１シャフト５との摺動箇所に巻き込まれて第４リップ３４を押し上げ、形成された隙間からシールガスが流出する。即ち、シールガスがガス導入空間２９から第２シール２８と第１シャフト５との隙間を通過して排気室１３へ噴出する。

このように、第１シャフト５との間に形成される第１シール２７の隙間と第２シール２８の隙間から噴出するシールガスにより、潤滑室１２内の潤滑オイルＦ及びその蒸気が第１シール２７を通過して、あるいは排気室１３内の排気対象気体が第２シール２８を通過してガス導入空間２９に進入することが更に効果的に防止される。

一方、図３に示したように、ガス排出通路５３の一端を、電磁モータ３の内部空間と潤滑室１２を区画するモータカバー８に接続し、また、ガス排出通路５３の他端を、排気ライン６２に接続してもよい。ガス排出通路５３は、ガス導入空間２９から導入し潤滑室１２に漏出したシールガス、及び潤滑室１２に漏出した排気対象気体を排気ライン６２へ排出するに利用できるものである。

さらに、ガス排出通路５３は、逆止弁５４と、オイルトラップ５５とを備えてもよい。
逆止弁５４は、潤滑室１２から排気ライン６２へ向かうガスの流れを許容し、その逆の流れは禁止する。これにより、排気室１３の排気孔７ｂから排出された製膜室（真空処理室）７０の排気対象気体がガス排出通路５３を介して潤滑室１２へ侵入することが防止される。

オイルトラップ５５は、潤滑室１２と逆止弁５４の間のガス排出通路５３の途中に設けられる。オイルトラップ５５は、ガス導入空間２９から導入し潤滑室１２に漏出したシールガス（窒素ガス）、および潤滑室１２に漏出した排気対象気体とともに、潤滑室１２内の潤滑オイルＦがキャリーオーバーして排気ライン６２へ侵入することを防止するためのものである。オイルトラップ５５としては、例えば、フィルタ、水冷トラップなど、適宜のものを用いることができる。

ここで、ドライ真空ポンプ１が系内の真空排気を開始すると、排気室１３内の圧力が変動するという重要な現象がある。上述のように、ドライ真空ポンプ１では、第１ロータ６及び第２ロータ１５の回転により各排気空間２６内の容積が減少し、あるいは増大する領域が発生する。最終段の排気空間２６は排気対象気体が相対的に高い圧力に圧縮されていて、第２シール２８と隣接しているため、最終段の排気空間２６の圧力が高い領域（高圧領域）と圧力が低い領域（低圧領域）が第２シール２８の周囲に発生する。これらの領域は、第１ロータ６及び第２ロータ１５の回転に伴って移動し、その圧力も増減する。このため、円環状の第２シール２８にかかる圧力は第２シール２８の全周に渡って均等ではないことが、詳細な圧力変動の検討で判明した。

ここで第４リップ３４は、面する空間の圧力が高いとシャフト５へ接近する方向へ変形し、面する空間の圧力が低いとシャフト５から離間する方向へ変形する。即ち、第４リップ３４のうち高圧領域に面する部分の隙間は小さくなり、低圧領域に面する部分の隙間は大きくなる。低圧領域に面する部分からのシールガスの流量が高圧領域に面する部分からのシールガスの流量に比べて大きくなろうとすると、当該部分の周方向位置に対応する第３リップ３３が第４リップ３４の変形に影響されて、第３リップ３３とシャフト５との隙間が小さくなり流量が制限される。即ち、（流出しにくい）高圧領域へのシールガスの流量が相対的に増加し、第２シール２８の全周に渡ってシールガス流量が均一化される効果がある。

第３リップ３３が配設されない構造の場合は、第４リップ３４の低圧領域に面する部分と第１シャフト５との隙間が、高圧領域に面する部分とシャフト５との隙間より大きくなった状態で、第２シール２８の周囲におけるシールガスが流量に応じて制限されない。このため、シールガスは低圧領域に面する部分から多量に流出し、高圧領域に面する部分からの流量が減少し、もしくは流出が停止する。このため、排気対象気体（特に水素ガス）に対するシール性が低下する可能性がある。排気対象気体（特に水素ガス）が高圧領域からガス導入空間２９を経由して、シールガスとともに潤滑室１２へと漏出し、シャフト５の表面を伝って排気対象気体（特に水素ガス）が電磁モータ３方向への進入する可能性が生じる。

第４リップ３４が配設されない構造の場合は、高圧領域とガス導入空間２９との圧力差は低圧領域とガス導入空間２９との圧力差に対して相対的に大きくなる。これにより第３リップ３３の高圧領域に面する部分と第１シャフト５との隙間は、低圧領域に面する部分と第１シャフト５との隙間に比べて大きくなり、高圧領域からの排気対象気体の進入に対するシール性が低下する。

このように、第２シール２８に第３リップ３３と第４リップ３４を設けることで、かかる排気対象気体の圧力が全周に渡って均等でない場合においても、第３リップ３３及び第４リップ３４が協働することによって、排気対象気体のガス導入空間２９への進入をさらに防止することが可能である。

排気対象気体の圧力が第２シール２８の全周に渡って均等である場合でも、例えば系内の真空排気の進行によって排気対象気体の圧力が時間変化する場合が考えられる。この場合、第３リップ３３あるいは第４リップ３４のいずれか一方しか配設されていない構造の場合は圧力変動によりシール性が低下し、もしくはガス導入空間２９の圧力が減少する。これに対し、第３リップ３３及び第４リップ３４を備えたシール機構１１では圧力変動に応じて上述のように、排気対象気体のガス導入空間２９への進入を防止することが可能である。

第１シール２７の第１リップ３１は、潤滑オイルＦ及びその蒸気が第２リップ３２に到達することを防止する。第１リップ３１が存在しない構造の場合は、第２リップ３２が潤滑オイルＦと接触するため、潤滑オイルＦが第２リップ３２とシャフト５との摺動箇所に浸潤し、微小キズを伝った表面張力による浸透や、わずかに圧力バランスが崩れた箇所から潤滑オイルＦあるいはその蒸気がガス導入空間２９に進入するおそれがある。また、潤滑室１２と排気室１３の圧力バランスが変動した場合に、潤滑オイルＦあるいはその蒸気がガス導入空間２９に進入する場合がある。これに対し、第１リップ３１及び第２リップ３２を備えたシール機構１１では圧力変動に応じて上述のように、潤滑オイルＦあるいはその蒸気のガス導入空間２９への進入を防止することが可能である。

以上のように、本実施形態に係るシール機構１１及び第２シール機構１６は、シャフトの軸方向に沿いながら、互いに反対方向に張り出すリップ構造を有することで、第１シール２７が、潤滑オイルＦ及びその蒸気がガス導入空間２９に進入することを防止し、第２シール２８が、排気対象気体がガス導入空間２９に進入することを防止する。即ち、潤滑室１２内の潤滑オイルＦと排気室１３内の排気対象気体を高いシール性を持ってシールすることが可能である。

以上のように、本実施形態によれば、排気室１３から潤滑室１２への排気対象気体（特に水素）の侵入を防止することができるため、電磁モータ３の永久磁石材が排気対象気体に曝されることはない。このため、排気対象気体に含まれる多量の水素ガスによる電磁モータ３の永久磁石材の水素浸食が効果的に阻止され、電磁モータ３の信頼性が格段に高められる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変更が可能である。

例えば、第１シール２７の第１リップ３１と第２リップ３２、および第２シール２８の第３リップ３３と第４リップ３４は、一体構造として説明をしてきたが、第１リップ３１と第２リップ３２、および第３リップ３３と第４リップ３４をそれぞれ各別体として製作して、これらを組み合わせて第１シール２７と第２シール２８として構成してもよい。
このとき、第１リップ３１と第２リップ３２、および第３リップ３３と第４リップ３４は各対応するリップの変形に影響されて、シャフトとの隙間を調整するよう、密着して一体構造になっていることが好ましい。また、各リップを組み合わせる際に、相互間の位置決め可能な嵌め込み構造を設けてがあれば、第１シール２７と第２シール２８を精度よく構成できるので、さらに好ましい。
このように、各リップをそれぞれ別体として製作することで、製作が容易になり、コストダウンが可能となる。

また、例えば、第１シール２７の第１リップ３１と第２リップ３２、および第２シール２８の第３リップ３３と第４リップ３４は、必ずしも同じサイズである必要がない。第１リップ３１と第２リップ３２、および第３リップ３３と第４リップ３４は、ドライ真空ポンプ１の運用に応じて、圧力差の大きなところを弾性力の強いリップで、圧力差の小さいところを柔軟なリップとして製作してもよい。
このとき、各リップはサイズが異なることから、第１リップ３１と第２リップ３２、および第３リップ３３と第４リップ３４をそれぞれ別体として製作してもよい。
ドライ真空ポンプ１の運用に応じて、圧力差に対する各リップ構造を設けることで、より一層にシール特性が向上する。したがって、排気対象気体に含まれる多量の水素ガスによる電磁モータ３の永久磁石材の水素浸食がより一層に阻止され、電磁モータ３の信頼性がより一層に高められる。

さらに例えば、上記実施形態では、第１シール機構１１及び第２シール機構１６は、潤滑室１２及び排気室１３のシールとして用いたが、これに限られず軸受室（隣室）１７と排気室１３のシールとして用いてもよい。これにより特に、排気対象系内の真空度が大きくない場合、軸受室１７に充填された潤滑オイル等が排気室１３に漏出することを防止することが可能である。

１ドライ真空ポンプ
３電磁モータ
４回転伝達機構
５シャフト
６，１５ロータ
１１，１６シール機構
１２潤滑室
１３排気室
２９ガス導入空間
３１第１リップ
３２第２リップ
３３第３リップ
３４第４リップ
６１排気系統
６２排気ライン
１０１真空処理装置（プラズマＣＶＤ装置）
１０３真空処理室（製膜室）
１０４，１０５，１０６ガス供給流路
１１０排気流路
１１１流量調整弁
１１２，１１３流路
１１７可燃系排気ライン
１１８支燃系排気ライン
１２０真空計
Ｆ潤滑オイル

Claims

電磁モータによって回転駆動されるシャフトと、
該シャフトに取り付けられるとともに排気室内に設けられ、真空処理室内の排気対象気体を該排気室内に吸引しかつ排出するロータと、
を備えたドライ真空ポンプにおいて、
前記排気室と、該排気室の隣に位置する隣室との間には、該排気室を区画する排気室区画壁部と前記シャフトとの間をシールする排気室側シールと、該隣室を区画する隣室区画壁部と前記シャフトとの間をシールする隣室側シールとを備え、
前記排気室側シールと前記隣室側シールとの間には、シールガスが供給されるガス導入空間が設けられ、
前記排気室側シール及び前記隣室側シールは、それぞれ、前記排気室区画壁部側または前記隣室区画壁部側に固定された円環状の基部と、該基部から前記シャフト側へと延在する一対の円環状のリップ部とを備え、
一対の前記リップ部は、前記基部から前記シャフト側へと向かうにつれて互いの間隔が漸次拡大するように延在するとともに、それぞれの先端部が、前記シャフトに対して弾性的に接触可能とされていることを特徴とするドライ真空ポンプ。
前記電磁モータを収容する電磁モータ室は、前記排気室に対して前記隣室を挟んだ位置に設けられ、
前記隣室は、潤滑オイルが貯留される潤滑室とされ、
前記排気対象気体には、水素ガスが含まれていることを特徴とする請求項１に記載のドライ真空ポンプ。
前記基部と一対の前記リップ部とは、一体にて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のドライ真空ポンプ。
一対の前記リップ部をそれぞれ別部材とし、これらリップ部の基端部を互いに固定して組み付けることによって前記基部と構成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のドライ真空ポンプ。
各前記リップは、前記シャフトと接触する部位がポリテトラフルオロエチレンとされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のドライ真空ポンプ。