JP4086470B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、半導体製造工程において使用されるプロセスチャンバを排気するために用いられ、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】
背景技術
従来のターボ分子ポンプを図１４に示す。このターボ分子ポンプは、軸方向翼排気部Ｌ_１及びねじ溝排気部Ｌ_３を構成するロータ（回転部）Ｒとステータ（固定部）Ｓを収容したポンプケーシング１０を備えている。ポンプケーシング１０の底部は基部１４によって覆われ、基部１４には排気ポート１４ａが設けられている。ポンプは、ポンプケーシング１０の上部において上部フランジ部１２ａを介して排気すべき装置又は配管に接続している。ステータＳは、基部１４の中央に立設された固定筒状部１６と、軸方向翼排気部Ｌ_１及びねじ溝排気部Ｌ_３の固定側部分とから主に構成されている。
【０００３】
ロータＲは、固定筒状部１６の内部に挿入された主軸１８と、主軸１８に取付けられた回転筒状部２０とを備えている。主軸１８と固定筒状部１６との対向面には、駆動モータ２２と、上部ラジアル軸受２４、下部ラジアル軸受２６、及びアキシャル軸受２８が設けられている。アキシャル軸受２８は、主軸１８の底部に設けられたターゲットディスク２８ａと、ステータＳに設けられた上下の電磁石２８ｂとを備えている。このような構成によって、ロータＲを５軸の制御の下で高速回転させることができる。
【０００４】
軸方向翼排気部Ｌ_１は、回転筒状部２０の上部外周に一体的に設けられた回転翼３０と、ケーシング１０の内部に回転翼３０と交互に固定された固定翼３２とを備える羽根車を含んでおり、高速回転する回転翼３０と固定翼３２との間の相互作用によって排気作用を生じさせる。
【０００５】
軸方向翼排気部Ｌ_１の下流位置にはねじ溝排気部Ｌ_３が設けられている。即ち、回転筒状部２０には、ねじ溝５４ａを外周面に有するねじ溝部５４が固定筒状部１６を囲むように設けられており、一方、ステータＳには、ねじ溝部５４の外周を囲むようにねじ溝スペーサ５６が設けられている。ねじ溝排気部Ｌ_３は、高速で回転するねじ溝部５４のねじ溝５４ａのドラッグ作用によって排気を行なう。
【０００６】
このように軸方向翼排気部Ｌ_１の下流側にねじ溝排気部Ｌ_３を設けることで、ターボ分子ポンプは、広い流量範囲に対応することが可能となる。図示の例では、ねじ溝排気部Ｌ_３のねじ溝をロータ側に設けていたが、ねじ溝をステータ側に設けることも行われている。
【０００７】
しかしながら、ウェハ径の増大に伴い、半導体製造装置によって必要とされる気体の量はどんどん増えてきており、従って、ターボ分子ポンプも装置内部の圧力を一定レベルよりも低く保ち、かつ高い圧縮能力を保持しつつ、排気ガスの量を増やす必要がある。
【０００８】
しかしながら、最近の技術においては、軸方向の段数を増やすことによって排気能力を増加させており、このためポンプの長さや重量が増加している。この結果、ポンプが高価になるだけでなく、大きなポンプ装置がクリーンルーム内の高価な空間を占有しはじめてしまう。更に、重たいポンプに作用する高い動トルクによる障害に起因してそのような大きなロータが破損した場合には、運転の安全性が脅かされる。
【０００９】
発明の開示
本発明は、軸方向の長さが比較的短く、かつ十分な排気及び圧縮能力を有するコンパクトなターボ分子ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するために、ターボ分子ポンプは、ロータ部の回転翼をステータ部の固定翼と交互に配置した翼排気部を収容したケーシングと、上記回転翼を支持する電磁石を備えた磁気軸受とを備え、上記翼排気部は、軸方向翼排気部と、該軸方向翼排気部の下流側に配置され上記回転翼又は固定翼の互いに対向する面の少なくとも一方に気体を径方向に排気する凹凸面を備えた径方向翼排気部とを備え、上記軸方向翼排気部と上記径方向翼排気部との間に、ねじ溝により上記ポンプの軸方向に気体を排気するねじ溝排気部が設けられ、上記径方向翼排気部の１段目の固定翼の上記ねじ溝排気部の回転側の端面に対向する面には、該端面との間で気体を径方向内方に排気する凹凸面が形成されている。
【００１１】
これにより、本ターボ分子ポンプは、軸方向翼排気部（分子流れ領域において優れた排気能力を有する）を、高圧で運転される下流位置に配置される径方向翼排気部（分子流れ領域から粘性流れ領域まで広い流量範囲で高い排気能力を有する）と組み合わせたので、ポンプの全体の性能が改善される。径方向翼排気部は、例えば、固定翼と回転翼とを近接させて配置し、回転翼による作用によって径方向に気体を排気するように翼に所定形状の突条を形成することにより製作される。このようにして、回転翼を固定翼と交互に配置することによって、径方向に曲がりくねった経路を多段に作り、ポンプの軸方向の長さを大きくすることなくポンプ性能（排気及び圧縮能力）を改善することができる。突条や溝などの凹凸（突出又は凹み）を回転翼に設けることによってより高性能となるが、ポンプのステータ側に作製する方がより容易である。
【００１２】
上記径方向翼排気部は、上記固定翼又は回転翼の互いに対向する面の少なくとも一方に螺旋形状の凹凸面を備えることとしてもよい。ロータ部の回転によって生ずるこのような凹凸面の衝撃作用により、優れた排気効率が得られる。固定翼と回転翼との間のクリアランス空間に径方向排気構造が軸方向に設けられているので、従来のターボポンプ構造において使用されるねじタイプの排気技術と比較して、ポンプ性能がポンプの熱変形又は弾性変形作用に対して影響を受けにくく、ポンプの長い耐用年数に亘って安定した運転状態を得ることができる。
【００１７】
上記固定翼及び／又は回転翼を耐熱性合金で形成することとしてもよい。そのようなポンプは、強度や耐食性、耐熱性が改善される。
【００１８】
発明を実施するための最良の形態
ターボ分子ポンプ（以下、ポンプという）は、図１及び図２に示すように、ロータ部Ｒとステータ部Ｓとを有するポンプケーシング１０を備えており、これら２つの間には軸方向翼排気部Ｌ_１及び径方向翼排気部Ｌ_２が設けられている。ケーシング１０の上部及び底部にはそれぞれフランジ１２ａ，１２ｂが形成され、上部フランジ１２ａは排気すべき装置や配管に接続されている。
【００１９】
ステータＳは、ケーシング１０の底部を覆うように下部フランジ１２ｂに接合される基部１４と、中央に立設された固定筒状部１６と、軸方向翼排気部Ｌ_１及び径方向翼排気部Ｌ_２の固定側部分とを備えている。基部１４には排気口１７が形成されている。ロータＲは、固定筒状部１６の内部に挿入された主軸１８と、主軸１８に取付けられた回転筒状部２０を含んでいる。
【００２０】
主軸１８の外面と筒状部１６の内面との間には、ロータＲ用の駆動モータ２２と、ロータＲを非接触で支持する上部ラジアル軸受２４、下部ラジアル軸受２６及びアキシャル軸受２８が設けられている。アキシャル軸受２８は、主軸１８の底部に取付けられたターゲットディスク２８ａと、更に、ステータＳ側の上／下電磁石２８ａ，２８ｂとを備えている。このようなポンプの構成によって、ロータＲを５軸の制御の下で高速回転させることができる。固定筒状部１６の上下の２ヶ所には、ロータＲを必要なときに接触支持するタッチダウン軸受２９ａ，２９ｂが設けられている。
【００２１】
軸方向翼排気部Ｌ_１の回転筒状部２０の上部外周には円板状の回転翼３０が一体的に形成され、ポンプケーシング１０の内面には、固定翼３２が回転翼３０と交互に設けられている。各固定翼３２は、その縁部を固定翼スペーサ４０で上下から押さえることによって固定されている。回転翼３０には、内周部ハブ３０ａと外周部フレーム３０ｂとの間に径方向に延びる傾斜したリブ（図示せず）が設けられており、ロータＲの高速回転が気体分子に運動量を与えることにより軸方向に気体が排気される。
【００２２】
径方向翼排気部Ｌ_２は、軸方向翼排気部Ｌ_１の下流、即ちＬ_１の下方に設けられており、軸方向翼排気部Ｌ_１と同様の構成を有している。回転筒状部２０の外周には円板状の回転翼３６が一体的に形成され、ケーシング１０の内周には、固定翼３８が回転翼３６と交互に設けられている。各固定翼３８は、その縁部を固定翼スペーサ４０で上下から押さえることによって固定されている。
【００２３】
各固定翼３８は中空円板であり、図２に示すように、中央の穴４２と周縁部４４の間に延びる螺旋状の突条４６が裏面だけでなく表面にも設けられ、突条４６の間に形成された溝４８が外周に向かって広がっている。固定翼３８の表面（上面）に形成された螺旋状の突条４６が矢印Ａの方向に回転すると、気体分子は円板の内側に向かって実線の矢印Ｂの方向に流れる。一方、固定翼３８の裏面（底面）には、円板の外側に向かって、図２Ａにおいて破線で示される矢印Ｃの方向に気体分子を流すように螺旋状の突条４６が配置されている。これらの固定翼は、通常、半割体として形成され、固定翼はスペーサ４０の挿入により回転翼３６と交互に配置することによって組立てられ、組立てられた完成品がケーシング１０内に挿入される。
【００２４】
固定翼３８と回転翼３６によって形成される構成によって、ポンプの上から下へ向かって流れる分子の排気流れの経路が、径方向翼排気部Ｌ_２における曲がりくねった構造によって長くなり、占有される軸方向距離の長さが比較的短くなる。従って、高い排気及び圧縮能力に関するポンプ性能を犠牲にすることなく、ポンプの軸方向の全長を短くすることができる。
【００２５】
図３Ａ及び図３Ｂは、回転翼３６の面上に突条５０や溝５２のような凹凸を形成し、固定翼３８の表面を平坦に形成した例を示す。回転翼３６の表面（上面）に形成された螺旋状の突条５０が矢印Ａの方向に回転すると、気体分子が円板の外側に向かって矢印Ｂの方向に流れる。一方、回転翼３６の裏面（底面）上では、円板の内側に向かって、図２Ａにおいて破線で示される矢印Ｃの方向に気体分子を移動させるように螺旋状の突条５０が配置されている。
【００２６】
上記例と同様に、この例におけるポンプも、固定翼３８と回転翼３６の間の径方向翼排気部Ｌ_２において、曲がりくねった分子の排気流れの経路を形成しており、軸方向の全長を大きくすることなく高い排気及び圧縮能力が維持される。
【００２７】
本ポンプを、図１４に示す従来のポンプと比較すると、以下のような利点が明らかとなる。図１４に示されるポンプにおいては、ねじ溝排気部Ｌ_３には、筒状のねじ溝部５４の突条５４ａとねじ溝スペーサ５６との間に径方向のクリアランスが形成されており、このクリアランスはロータＲが高速で回転するときの運転要因、例えば、弾性変形、熱変形、更にロータが長期間高温で回転するときのクリープ変形などの影響を受けやすい。これらのいずれかが起こると、ポンプの運転の安全性に影響を与える。これに対し、本ポンプの径方向翼排気部Ｌ_２、クリアランスは、軸とケーシングが弾性負荷や温度変化を受けにくいように、２枚の円板の間に軸方向に設けられている。従って、弾性変形、熱変形、クリープ変形が起きにくく、クリアランスも影響を受けないのでポンプを安定的に運転することができ、従って、過負荷に対する耐久性に優れたポンプともなる。
【００２８】
図４及び図５は、本ポンプの運転特性を示し、縦軸が吸気側圧力Ｐｓ、横軸が排気側圧力Ｐｄを示している。凡例「ロータ側」、「ステータ側」はそれぞれ溝又は突条が形成されている面を示している。これらの試験においては、一対の翼（１枚の回転翼３０とこれに対応する固定翼３２）の間に形成された排気流路の入口点及び出口点における圧力を測定した。図４は、内周側から外周側へ向かう気体の排気流路における圧力を示しており、図５は、排気流路の外周側から内周側へ気体が流れるときの上記圧力を示している。
【００２９】
これらのグラフにおいて、測定された値がすべて「Ｐｓ＝Ｐｄ」で与えられる直線よりも下にあることは、流れがいずれの方向であっても、上述の構成により排気能力が得られることを示している。いずれの場合も、排気量が少ない場合の方が、得られる到達真空圧力が低い。
【００３０】
図４と図５を比較すると、図４の方が到達真空度が低く、従って、気体が内周側から外周側へ流れる場合の方が反対方向の場合よりも排気効率が高いことが分かる。気体が外周側から内周側へ流れる場合には、圧縮作用は回転翼３８との摩擦によって生ずる気体分子に対する遠心作用により相殺されると考えられる。いずれにしても、外周側から内周側への排気流路において圧縮作用があるので、この排気流路は排気性能に対してマイナス作用とならないと思われる。従って、回転翼と固定翼とを多段に重ねることによって、高い圧縮性能を得ることができる。
【００３１】
ポンプの圧縮能力は、突条４６又は溝４８をステータ側に形成した場合よりも、ロータ側に形成した場合の方が高い。これは実験により確かめられているが、理論的な説明は明らかになっていない。一方、製作の簡易性の点からは、ロータＲにそのような構造を作り出すことがより難しい。螺旋状の突条をロータＲと一体的に作る場合には、軸方向に切削工具を挿入するための十分な空間がないため、工具を径方向から挿入しなければならないか、あるいは、放電加工によって製作を行なわなければならない。そのような方法は、軸方向の加工に比べて時間がかかり、ポンプ製造におけるコストアップにつながる。ステータ側に上記構造を形成する場合は、各円板部を別々に製造するので、従来の方法によってポンプを製作する場合のコストとほぼ同様の製造コストとなる。
【００３２】
図６は、本発明の実施の形態のポンプを示す。図６は、軸方向翼排気部Ｌ_１と径方向翼排気部Ｌ_２との間にねじ溝排気部Ｌ_３を設けた３段ポンプを示す。この構造においては、気体は円筒部２０の中央領域の外周面に設けられた螺旋状のねじ溝５４ａとステータ側に設けられた対向するねじ溝スペーサ５６との間のドラッグ作用により除去される。図７は、ねじ溝排気部Ｌ_３が径方向翼排気部Ｌ_２の下流側に設けられた他の構造を示す。
【００３３】
図８は、ねじ溝排気部Ｌ_３を径方向翼排気部Ｌ_２の下流側に設けた他の構造である。ねじ溝排気部Ｌ_３は、径方向翼排気部Ｌ_２における回転筒状部２０の後面側に設けられている。即ち、（径方向翼排気部Ｌ_２における）回転筒状部２０の内周面とステータＳの固定筒状部１６の外面との間に空間が形成されており、外面に螺旋状のねじ溝５４ａを有するねじ排気部スリーブ５８がこの空間に挿入されている。ねじ排気部スリーブ５８はフランジ体５８ａを介して基部１４の上に固定されている。
【００３４】
この螺旋状のねじ溝５４ａは、ロータＲによるドラッグ作用を利用して気体を上方に流すように構成されている。これにより、径方向翼排気部Ｌ_２の最下段から、回転筒状部２０によって形成された空間とねじ排気部スリーブ５８との間を上昇し、ねじ排気部スリーブ５８によって形成された空間と固定筒状部１６との間を下降し、排気口１７に至る排気流路が形成される。この構造によれば、径方向翼排気部Ｌ_２とねじ溝排気部Ｌ_３が軸方向に多段に設けられるので、軸方向の全長を大きくすることなく更に高い排気及び圧縮能力を有するポンプが得られる。
【００３５】
図９は、軸方向翼排気部を備えておらず、全段が径方向翼排気部Ｌ_２によって構成されるようににしたポンプの更に他の例を示すものである。この構造の特徴は、このポンプが通常のターボ分子ポンプの分子流れ領域よりも高い圧力領域において、軸方向翼排気部を含むポンプよりに多くの気体量を扱うことができることである。
【００３６】
図１０は、図９に示されるポンプの最終段にねじ溝排気部Ｌ_３を有するポンプの更に他の例を示すものである。回転筒状部２０と固定筒状部１６の間にねじ排気スリーブ（第２の固定筒状部）６０が設けられ、第２の固定筒状部６０の外周面に螺旋状のねじ溝６０ａが形成され、これにより、回転筒状部２０と固定筒状部６０との間にねじ溝排気部Ｌ_３を形成している。この構造により、軸方向に延びる環状の排気流路が形成されるので、コンパクトでかつ高性能のターボポンプが得られる。
【００３７】
図１１は、ターボ分子ポンプの更に他の例を示す。螺旋状のねじ溝５４ａを有する筒状のねじ溝部５４がポンプの前段に設けられ、径方向翼排気部Ｌ_２がポンプの後段に設けられている。図１に示される軸方向翼排気部Ｌ_１と径方向翼排気部Ｌ_２とを組み合わせたポンプと比較して、この構造は以下のような効果を奏する。軸方向翼排気部は分子流れ圧力領域で効果的であり、筒状のねじ溝排気部は１〜１０００Ｐａの圧力領域において効果的であり、大気圧に近い粘性流れ領域でポンプを運転できる。
【００３８】
例えば、図１２Ａに示すように、径方向翼排気部Ｌ_２において固定翼３８及び回転翼３６の対向面の一方に螺旋状の突条４６，５０が設けられているが、径方向翼排気部Ｌ_２において、図１２Ｂ〜Ｄ、図１３Ａ〜Ｅに示すように、前面又は後面のいずれかに螺旋状の突条４６，５０を様々に組み合わせて設けることとしてもよい。
【００３９】
固定翼及び／又は回転翼を一般的な材料としてのアルミニウムとその合金で作製したが、セラミックスやチタン又はその合金で作製してもよい。そのような材料で作製されたターボ分子ポンプは、高い強度、耐食性、耐熱性を備える。
【００４０】
本発明によれば、軸方向長さが比較的短く、かつ十分な排気及び圧縮能力を有するコンパクトなターボ分子ポンプを提供することができる。従って、クリーンルーム空間コストが非常に高い半導体製造工程に本発明を適用することにより、全体のコストを低下させることができる。
【００４１】
産業上の利用可能性
本発明は、半導体製造工程において使用されるプロセスチャンバを排気するためのターボ分子ポンプに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ターボ分子ポンプの一例の断面図である。
【図２】 図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示されるポンプの固定翼の平面図及び側面図である。
【図３】 図３Ａ及び図３Ｂは、回転翼の他の例の平面図及び側面図である。
【図４】 図４は、ポンプの性能グラフである。
【図５】 図５は、ポンプの他の性能グラフである。
【図６】 図６は、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７】 図７は、ターボ分子ポンプの他の例の断面図である。
【図８】 図８は、ターボ分子ポンプの更に他の例の断面図である。
【図９】 図９は、ターボ分子ポンプの更に他の例の断面図である。
【図１０】 図１０は、ターボ分子ポンプの更に他の例の断面図である。
【図１１】 図１１は、ターボ分子ポンプの更に他の例の断面図である。
【図１２】 図１２Ａ乃至図１２Ｄは、径方向翼排気部における翼の変形例を示す断面図である。
【図１３】 図１３Ａ乃至図１３Ｅは、径方向翼排気部における翼の変形例を示す断面図である。
【図１４】 図１４は、従来のターボ分子ポンプを示す断面図である。

Claims (2)

1. ロータ部の回転翼をステータ部の固定翼と交互に配置した翼排気部を収容したケーシングと、前記回転翼を支持する電磁石を備えた磁気軸受とを備え、
   前記翼排気部は、軸方向翼排気部と、該軸方向翼排気部の下流側に配置され前記回転翼又は固定翼の互いに対向する面の少なくとも一方に気体を径方向に排気する凹凸面を備えた径方向翼排気部とを備え、
   前記軸方向翼排気部と前記径方向翼排気部との間に、ねじ溝により前記ポンプの軸方向に気体を排気するねじ溝排気部が設けられ、
   前記径方向翼排気部の１段目の固定翼の前記ねじ溝排気部の回転側の端面に対向する面には、該端面との間で気体を径方向内方に排気する凹凸面が形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 前記固定翼及び／又は回転翼が耐熱性合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプ。

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