JP3788558B2

JP3788558B2 - ターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JP3788558B2
Application number: JP07804899A
Authority: JP
Inventors: 裕之川崎; 拓司曽布川
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: SG76003A1; EP1039137A3; TW533276B; EP1039137B1; EP1039137A2; JP2000274394A; US6585480B2; KR20000062974A; DE60039085D1; US6343910B1; US20020054815A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程等においてチャンバを排気するために用いられるターボ分子ポンプに関し、特に、コンパクトでかつ高い排気性能を有するターボ分子ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能化した半導体デバイスの製造プロセスにおいては、高真空、又は超高真空状態を得るために、ターボ分子ポンプが用いられる。これは、筒状のケーシングの中に回転自在に支持されたロータに回転翼（軸流羽根）を形成し、ケーシングの内壁に固定翼を回転翼の間に突出して設けてタービン翼排気部を構成し、ロータを高速回転させることにより、吸気口から排気口へ気体分子を移動させて高度の真空を得るものである。
【０００３】
高度の真空状態を達成するためには、気体に対する圧縮比を大きくする必要があり、タービン翼排気部の回転翼と固定翼を多段に設けたり、或いはタービン翼排気部の後段側にねじ溝排気部を設置したりしている。主軸及びロータには、メンテナンスや清浄度の観点から磁気軸受が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近の半導体製造装置においては、ウエハの大口径化に伴い多量のガスを使用する傾向にあり、従って、ターボ分子ポンプもそれに伴い大流量を排気しながらチャンバ圧力を一定圧力以下に保ち、かつ高い圧縮能力を有することが求められる。
【０００５】
しかし、このような大排気量、高い圧縮能力を有するターボ分子ポンプは、段数も増え、軸方向の長さや重量が大きくなって、それ自体が高価なものとなるだけでなく、クリーンルーム内のチャンバ周りの高価な空間を占有してしまう。また、ロータの異常破壊時に発生する破壊トルクも大きく、安全性の確保も難しくなってしまう。
【０００６】
本発明は、これらの問題点を解決し、軸方向にコンパクトであって、かつ充分な排気・圧縮能力を有するターボ分子ポンプを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ケーシングと、該ケーシングに固定されたステータと、ケーシング内部に高速回転可能に支持されたロータとを備え、前記ステータとロータの間にタービン翼排気部とねじ溝排気部が構成されたターボ分子ポンプにおいて、前記ロータは、前記タービン翼排気部と前記ねじ溝排気部との境界部で翼排気部構成部材と溝排気部構成部材に分割され、前記翼排気部構成部材と前記溝排気部構成部材は、結合部に形成した環状の段差を互いに嵌合させた焼きばめにより結合されていることを特徴とするターボ分子ポンプである。
【０００８】
これにより、ロータの構成部材を個別に例えば機械加工等によって作製することができるので、加工上の制約が緩和され、排気・圧縮性能を高めるのに最も適した複雑な形状のロータを採用することが可能となり、大流量のガスを高い圧縮性能で排気するようなターボ分子ポンプを提供することができる。そのような場合としては、円板状翼にスパイラル溝を形成してスパイラル溝排気部を形成する場合、円筒状溝排気部を多重に設けて排気経路を長くする場合等が挙げられる。
【０００９】
ロータの構成部材を結合する方法としては、焼きばめやボルトによる締結が挙げられる。結合部に互いに嵌合する形状の凹凸を設けることにより、両者を堅固に固定することができ、また結合の際の位置決めも容易となる。ロータを分割する位置は、ロータを作製する際の便宜と、ロータの強度等を考慮して決められるが、例えば、タービン翼排気部を構成する部分とスパイラル又は円筒ねじ溝排気部を構成する部分の間で分割してもよい。
【００１０】
スパイラルねじ溝排気部は、通常、タービン翼排気部より下流側に設けられ、半径方向に排気流路を形成することにより、軸方向寸法を大きくすることなく、排気・圧縮性能を高めることができる。この場合、ロータの形状が複雑となるが、本発明のようにロータを分割することにより、比較的簡単に作製することができる。
【００１１】
円筒ねじ溝排気部は、通常、タービン翼排気部より下流側に設けられ、ロータとステータの間に筒状の空間を形成する。円筒ねじ溝排気部を２重又はそれ以上の多重に形成することにより、軸方向寸法を大きくすることなく排気経路を延長して、排気・圧縮性能を高めることができる。この場合も、ロータの形状が複雑となるが、本発明のようにロータを分割することにより、比較的簡単に作製することができる。
【００１２】
ロータを構成する少なくとも２つの構成部材を、同じ素材で形成してもよいが、状況に応じて異なる素材で構成してもよい。ターボ分子ポンプの羽根車材料としては、一般的に使用されているアルミ合金は、従来よりも高い背圧状態で運転した場合、ロータ自体に掛かる応力による変形や温度の上昇によるクリープ変形が発生する可能性があり、安定性、ポンプ寿命への影響等が懸念される。また、熱膨張による高温での不安定な回転も懸念される。そこで、ロータの構成部材の一部又は全部の素材として高温強度に優れたチタン合金や比強度が高く熱膨張係数が小さいセラミックスを使用することにより変形や熱膨張を防止し、ポンプ寿命への影響を低減し、安定動作を確保することができる。これらの素材は、耐食性に優れているというメリットもある。また、本発明では、ロータを少なくとも２つの構成部材から構成しているので、１つのロータにおいて、機能上又は製造上の必要性に応じてこれらの素材を使い分けることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、筒状のポンプケーシング１０の内部にロータ（回転部）Ｒとステータ（固定部）Ｓが収容され、これらの間にタービン翼排気部Ｌ_１及びねじ溝排気部Ｌ_２が構成されている。ポンプケーシング１０の上下端部にはフランジ１２ａ，１２ｂが形成され、上部フランジ１２ａに排気すべき装置や配管が接続される。この実施の形態においては、ねじ溝排気部Ｌ_２として、スパイラルねじ溝排気部のみを設けた例を示している。
【００１４】
ステータＳは、ポンプケーシング１０の下部を覆うように下部フランジ１２ｂに接合される基部１４と、その中央に立設された筒状のスリーブ部１６と、タービン翼排気部Ｌ_１及びねじ溝排気部Ｌ_２の固定側部分とを備え、基部１４には排気口１８が形成されている。また、ロータＲは、スリーブ部１６の内部に挿入された主軸２０と、それに取り付けられたロータ本体２２を有しており、このロータ本体２２は、タービン翼排気部Ｌ_１を構成する翼排気部構成部材２２ａの後段に、これとは別体で形成されてねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂを組み付けて構成されている。
【００１５】
主軸２０の外周面とスリーブ部１６の内周面には、ロータＲを回転する駆動用モータ２４と、ロータＲを非接触で支持する上部ラジアル軸受２６、下部ラジアル軸受２８及びアキシャル軸受３０が設けられている。アキシャル軸受３０は主軸２０の下端のターゲットディスク３０ａと、ステータＳ側の上下の電磁石３０ｂを有している。このような構成によって、ロータＲは５軸の能動制御を受けながら高速回転するようになっている。スリーブ部１６の上下２ヶ所には、タッチダウン軸受３２ａ，３２ｂが形成されている。
【００１６】
タービン翼排気部Ｌ_１を構成するロータ本体２２の翼排気部構成部材２２ａの上部外周には円盤状の回転翼３４が一体に形成され、ポンプケーシング１０の内面には、固定翼３６が回転翼３４と交互に配置されて設けられている。各固定翼３６は、その縁部を固定翼スペーサ３８で上下から押さえられて固定されている。回転翼３４には、内周部のハブと外周部のフレームの間に径方向に延びる傾斜した羽根（図示略）が放射状に設けられており、これの高速回転によって気体分子に軸方向の衝撃を与えて排気を行なうようになっている。
【００１７】
ねじ溝排気部Ｌ_２は、タービン翼排気部Ｌ_１の下流側つまり下方に設けられており、タービン翼排気部Ｌ_１とほぼ同様に、ねじ溝排気部Ｌ_２を構成するロータ本体２２の溝排気部構成部材２２ｂの外周に円盤状の回転翼４０が一体に形成され、ポンプケーシング１０の内面には、固定翼４２が回転翼４０と交互に配置されて設けられている。各固定翼４２は、その縁部を固定翼スペーサ４４で上下から押さえられて固定されている。
【００１８】
回転翼４０は、図２に示すように、その表裏面にスパイラル状の突起４６が設けられ、その間にスパイラルねじ溝４８が形成されている。各回転翼４０の表の面すなわち上側の面のスパイラルねじ溝４８は、図２（ａ）に矢印Ａで示す回転翼４０の回転に伴い、気体分子が、実線の矢印Ｂで示すように外側に向かって流れるように形成されており、一方、各回転翼４０の裏の面すなわち下側の面のスパイラルねじ溝４８は、回転翼４０の回転に伴い、気体分子が、破線の矢印Ｃで示すように内側に向かって流れるように形成されている。
【００１９】
このロータ本体２２は、タービン翼排気部Ｌ_１を構成する翼排気部構成部材２２ａと、これとは別体で形成されてねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂとを結合して構成されている。翼排気部構成部材２２ａは、回転翼４０を含む部分と主軸２０に嵌合して取り付けられるボス部２３とが一体に機械加工して形成され、溝排気部構成部材２２ｂは、スパイラル溝が形成された回転翼を有するように機械加工等によって作製されている。翼排気部構成部材２２ａと溝排気部構成部材２２ｂの結合部には、互いに嵌合しあうような環状の段差２５ａ，２５ｂが形成されている。結合の方法としては、焼きばめやボルトによる締結が挙げられる。
【００２０】
上記のような構成によって、この実施の形態のターボ分子ポンプでは、ねじ溝排気部Ｌ_２において、軸方向の短いスパンの間に固定翼４２と回転翼４０の間をジグザグに上から下へ向かって進む長い排気経路が構成される。従って、ロータの加工上の制約を緩和して、排気・圧縮性能を高めるのに適した形状のロータを容易に製作し使用することにより、大流量のガスを排気でき、高い圧縮性能を有するターボ分子ポンプを提供できる。
【００２１】
このようなターボ分子ポンプでは、タービン翼排気部Ｌ_１の回転翼３４とねじ溝排気部Ｌ_２の回転翼４０を有するロータ本体２２を一体に加工成形しようとすると、特にねじ溝排気部Ｌ_２を構成する回転翼４０のスパイラルねじ溝４８の形状が複雑であるので加工が極めて困難であり、また加工時間が長くなって、コストアップに繋がる。また、スパイラルねじ溝４８の形状によっては、事実上加工不可能となる場合がある。この実施の形態においては、タービン翼排気部Ｌ_１を構成する翼排気部構成部材２２ａと、ねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂとを別体に作製しているので、機械加工等による作製が大幅に容易になり、製造コストを低減させることができる。
【００２２】
なお、この実施の形態においては、ねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂを１つの部材で構成した例を示しているが、例えば、各段毎に分割した複数の略中空円板状の部材を上下に積層しつつ組み合わせることにより、溝排気部構成部材を構成するようにしても良い。このように複数の部材を締結する場合も、焼きばめやボルトによる締結を用いることができる。特に、溝排気部構成部材２２ｂを細分化する方法は、スパイラルねじ溝の形状が複雑で、事実上加工が不可能となるような場合に特に有効である。
【００２３】
また、ねじ溝排気部Ｌ_２において、回転翼４０側にスパイラルねじ溝４８を形成した例を示しているが、固定翼４２側にスパイラルねじ溝を設けるようにしても良い。これは、以下の各実施の形態においても同様である。
【００２４】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、スパイラルねじ溝排気部Ｌ_２１とこの上流側に位置する円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２を設けたものである。円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２では、ロータ本体２２のねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂの円筒状の外周面に円筒ねじ溝５０が形成され、ステータ側のこれに対向する箇所には円筒ねじ溝排気部スペーサ５２が設けられ、ロータＲを高速回転させて気体分子をドラッグしながら排気するようになっている。
【００２５】
図４は、本発明の第３の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプでは、ねじ溝排気部Ｌ_２において、スパイラルねじ溝排気部Ｌ_２１の下流側に円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２が設けられているものである。
【００２６】
図５は、本発明の第４の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、円筒ねじ溝排気部のみを設けたものである。すなわち、ロータ本体２２のねじ溝排気部Ｌ２を構成する溝排気部構成部材２２ｂとして略円筒状のものを使用し、この外周面に円筒ねじ溝５０が形成され、ステータ側のこれに対向する箇所には円筒ねじ溝排気部スペーサ５２が設けられ、ロータＲの高速回転によって気体分子をドラッグしながら排気するようになっている。
【００２７】
図６は、本発明の第５の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図４に示す実施の形態のターボ分子ポンプにおいて、スパイラルねじ溝排気部Ｌ_２１と、その下流側に位置する円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の他に、この円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の内部に位置する２重内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２３を設けたものである。すなわち、ねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂの下端には、凹部５４が形成され、この凹部５４の内部に、円筒ねじ溝スリーブ５６が配置され、この外周面及び内周面に円筒ねじ溝５８が形成されている。
【００２８】
この円筒ねじ溝スリーブ５６の外周面に形成された円筒ねじ溝５８は、ロータＲの回転によるドラッグ作用により気体分子を下から上に向かって排気し、内周面に形成された円筒ねじ溝５８は、上から下に向かって排気するように形成されている。これにより、円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の最下段から２重内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２３を通過して排気口１８に至る流路が形成される。この実施の形態によれば、円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の内部に２重内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２３を設けたことにより、全体として軸方向の長さを大きくすることなく、さらに高い排気・圧縮性能を有するようなターボ分子ポンプが提供される。
【００２９】
図７は、本発明の第６の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図５に示す実施の形態における円筒ねじ溝排気部の他に、その内部に２重内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２３を設けたものである。すなわち、ロータ本体２２のねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂの内部に、軸方向のほぼ全長に亘る凹部５４を形成し、この凹部５４の内部に、内周面及び外周面に円筒ねじ溝５８を設けた円筒ねじ溝スリーブ５６を挿入したものである。
【００３０】
図８は、本発明の第７の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図１及び図２に示す実施の形態におけるスパイラルねじ溝排気部の他に、この内部に位置する内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２４を設けたものである。すなわち、ロータ本体２２のねじ溝排気部Ｌ_２を構成する溝排気部構成部材２２ｂの内周面側に切欠き６０を形成してスリーブ部１６の外周面との間にスペースを設け、このスペースの内部に、外周面に円筒ねじ溝５８を設けた円筒ねじ溝スリーブ５６を挿入したものである、
【００３１】
この実施の形態によれば、スパイラルねじ溝排気部の最下段からロータ本体２２と内筒ねじ溝スリーブ５６の間を上昇し、さらに内筒ねじ溝スリーブ５６とスリーブ部１６の間の隙間を下降して排気口１８に至る流路が形成される。
【００３２】
図９は、本発明の第８の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図４に示す実施の形態におけるスパイラルねじ溝排気部Ｌ_２１とこの上流側に位置する円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の他に、これらの内部に位置する内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２４を設けたものである。
【００３３】
図１０は、本発明の第９の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図３に示す実施の形態におけるスパイラルねじ溝排気部Ｌ_２１とこの下流側に位置する円筒ねじ溝排気部Ｌ_２２の他に、これらの内部に位置する内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２４を設けたものである。
【００３４】
図１１は、本発明の第１０の実施の形態を示すもので、このターボ分子ポンプは、ねじ溝排気部Ｌ_２として、図５に示す実施の形態における円筒ねじ溝排気部の他に、この内部に位置する内周円筒ねじ溝排気部Ｌ_２４を設けたものである。なお、図６ないし図１１の実施の形態では、ねじ溝排気部の流路を２重に形成したが、３重以上の多重構造としてもよいことは言うまでもない。
【００３５】
なお、上記においては、固定翼及び／又は回転翼を、一般的な材料であるアルミニウムやその合金で作製したが、チタン合金またはセラミックスで形成してもよい。これにより、強度や耐食性、耐熱性の高いターボ分子ポンプが作製される。チタン合金は高温強度が高く、クリープ変形によるポンプ寿命への影響を低減することができ、また、耐食性に優れているというメリットも考えられる。セラミックスの使用については、線膨張係数が非常に小さく、そのためアルミ合金に比べ熱変形量が小さいので、高温状態での回転の安定性に優れている。また、チタン、セラミックスはアルミに比べ比強度が高く、その分ロータ径を従来よりも大きくすることができ、排気性能の向上を見込むことができる。
【００３６】
また、羽根車の回転翼、スパイラルねじ溝、多重円筒ねじ溝の各部材部分を、それぞれ異なる素材で個別に形成された構成部材を結合した構造としてもよい。例えばタービン翼部を従来のアルミで形成し、スパイラルねじ溝部をチタンで形成したりというようにアルミ、チタン、セラミックスをそれぞれの部材部分に自由に適用し組み合わせることが可能である。もちろん、それぞれの部材部分を同一の材料から形成してもよいことは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、排気・圧縮性能を高めるのに適した形状のロータを容易に製作して使用することができるので、大流量のガスを排気することができる高い圧縮性能を有するターボ分子ポンプを提供することができる。従って、半導体製造装置を収容するクリーンルームのようなスペースが高価であるような施設に用いて設備や稼動コストを低下させるのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図２】図１のねじ溝排気部の回転翼を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のターボ分子ポンプを示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図９】本発明の第８の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図１０】本発明の第９の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施の形態のターボ分子ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１０ポンプケーシング
１４基部
１６スリーブ部
１８排気口
２０主軸
２２ロータ本体
２２ａ翼排気部構成部材
２２ｂ溝排気部構成部材
２５ａ，２５ｂ段差
３４，４０回転翼
３６，４２固定翼
３８，４４固定翼スペーサ
４６突起
４８スパイラルねじ溝
５０，５８円筒ねじ溝
５２ねじ溝排気部スペーサ
５６円筒ねじ溝スリーブ
Ｌ_１タービン翼排気部
Ｌ_２ねじ溝排気部
Ｌ_２１スパイラルねじ溝排気部
Ｌ_２２円筒ねじ溝排気部
Ｌ_２３２重内周円筒ねじ溝排気部
Ｌ_２４内周円筒ねじ溝排気部
Ｒロータ
Ｓステータ

Claims

ケーシングと、該ケーシングに固定されたステータと、ケーシング内部に高速回転可能に支持されたロータとを備え、前記ステータとロータの間にタービン翼排気部とねじ溝排気部が構成されたターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータは、前記タービン翼排気部と前記ねじ溝排気部との境界部で翼排気部構成部材と溝排気部構成部材に分割され、
前記翼排気部構成部材と前記溝排気部構成部材は、結合部に形成した環状の段差を互いに嵌合させた焼きばめにより結合されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
前記ねじ溝排気部は、径方向に排気するねじ溝排気部、または軸方向に排気するねじ溝排気部の一方又は双方であることを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
前記径方向に排気するねじ溝排気部を構成する前記溝排気部構成部材は、複数に分割した部材を上下に積層し焼きばめによって締結されて構成されていることを特徴とする請求項２記載のターボ分子ポンプ。
前記翼排気部構成部材と前記溝排気部構成部材は、異なる素材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のターボ分子ポンプ。