JPS63192987A - 遠心式高真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体製造装置や各種分析装置、試験装置
などにおいてチャンバー内等を高真空に排気する必要が
ある場合に使用される高真空ポンプ、特に遠心作用を利
用した遠心式高真空ポンプに関する。

〔従来の技術〕

一般的に使用されている真空ポンプとしては、油回転ポ
ンプやメカニカルブースタポンプ、ターボ分子ポンプの
ように機械的に排気するもの、拡散ポンプやエジェクタ
ーポンプのように油や水銀などの蒸気の噴流を利用する
もの、イオンポンプやクライオポンプのようにゲッター
の吸着を利用するものなど、各種のものがある。

ところで、半導体製造プロセスにおいて反応チャンバー
内を高真空排気するのに使用される真空ポンプとしては
、高真空が得られることの他に、真空排気系への油の逆
拡散といったことが起こらないようにするためにオイル
フリーであること、反応チャンバーから排気される排気
ガスの温度が高くなるので成る程度の耐熱性を有してい
ること、排気ガスには反応生成物が含まれる場合がある
のでその噛み込みや油への溶は込みなどが起こらないこ
と、等といった条件を備えていることが要求される。こ
れらの条件を比較的備えている高真空ポンプとしてター
ボ分子ポンプがある。このターボ分子ポンプは。

円板の外周に、軸方向に対して傾斜した翼を多数周設し
たロータと、同様に円板の外周に、前記翼とは反対方向
に傾斜した翼を多数周設したステータとを軸方向に並設
し、前記ロータを高速回転させることにより、吸気側の
分子密度を排気側の分子密度に対して徐々に小さくして
ゆき、高真空を達成しようとするものである。

ところが、上記ターボ分子ポンプは、背圧が約０．１〜
１．５Ｔｏｒｒ以下になるよう補助排気してからでない
と正常に動作しないことから、従来、半導体製造プロセ
スにおける高真空排気には、このターボ分子ポンプの後
ろ側に油回転ポンプを併設し、これら２種類のポンプを
併用した真空排気システムが使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ターボ分子ポンプは、円板の外周に多数
の翼を軸方向に対してそれぞれ斜めになるよう周設した
ロータ及びステータを並設した構造であるため、その加
工が難しく、またロータのバランス調整が困難である。

といった製作上の問題がある。そして、油回転ポンプと
の併用を行なわざるを得ないため、真空排気システム全
体としての特性が油回転ポンプの特性によって大きく左
右されることになり、例えば油回転ポンプの油へのパー
ティクルの溶は込みのため油の入れ替えといったメンテ
ナンスが必要になったり、あるいは油回転ポンプの少な
くとも前側に、排気ガス中のパーティクルを少しでも少
なくするためのパーティクルトラップや、排気ガスの温
度を下げるためのガスクーラー、さらには油の逆拡散を
防止するためのオイルトラップを設ける必要があったり
するなど、ターボ分子ポンプの持つ利点が減殺されてし
まう。

また、ターボ分子ポンプと油回転ポンプとは全く異なっ
た型式、構造のものであることから、両者を一体物とし
て形成することはできず、それぞれ個別に製造して、別
々に設置しなければならない、従って、設置スペースを
大きくとるといった問題点もある。

この発明は、従来技術における上記諸問題点を一挙に解
決するためになされたものであって。

製作も比較的容易であり、半導体製造プロセスにおいて
使用される真空ポンプとして要求される、上述した諸要
件を全て満足し、メンテナンスフリーでポンプ前側にお
ける各種付帯設備も不要であり、単一のポンプ本体で大
気圧から高真空まで真空排気することができ、しかも場
合によっては、ターボ分子ポンプなどとも一体物として
形成することができるような高真空ポンプを提供するこ
とを技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記課題を達成するための技術的手段とし
て、遠心力により回転円板の回転中心部と回転周辺部と
の間で分子密度差を作り出し、その分子密度差を有効に
取り出すようにして、それを多段に形成することにより
高真空を得るといったもので、従来の真空ポンプとは全
く異なる動作原理に基づいて高真空ポンプを構成した。

すなわち、この発明は、吸気口及び排気口を有する円筒
状のケーシングと、このケーシングの内周壁面に垂設さ
れてそれぞれ中央部に通気孔が形成され、ケーシングの
内部をその軸方向に、前記各通気孔を介して互いに流路
連絡する複数の室に画する複数の隔壁と、円板の前面側
に、その中心部から遠心方向に向かって周縁まで延びる
複数の通気路が形成され、前記ケーシングの各室にそれ
ぞれ、円板前面と前記隔壁の背面またはケーシング前壁
の内面とを近接させ、かつ円板後面と隔壁前面またはケ
ーシング後壁の内面とを所定距離だけ離間させて綱膜さ
れた複数のロータと、これらロータの各回転中心に固着
され、それらロータを同軸上に保持する回転駆動軸と、
この回転駆動軸に連結された回転駆動源とを備えてなる
遠心式高真空ポンプを要旨とするものである。

〔作　　用〕

上記のように構成されたこの発明の遠心式高真空ポンプ
においては１回転駆動源に連結された回転駆動軸が回転
すると、ケーシング内部の隔壁によって画された各室に
綱膜された各ロータが回転し、このロータの回転により
生じる遠心力によって、ロータの前面側に形成されてい
る複数の通気路を通し、ロータの回転中心部から遠心方
向に向かってガス分子が再配列され、ロータの回転中心
部からその周辺部までの間で回転中心部はど低くなるガ
ス分子の密度分布ができる。この点につき、さらに詳し
く次に説明する。

ポテンシャルエネルギＥの違いによる分子数の分布は、
マックスウェル・ボルツマンの統計に従い、次式で表わ
される。

Ｎ　＝　Ｎ、　ｅ−を この式において、ＮｏはポテンシャルエネルギがＥ０＝
０とした基準位置における分子数であり、Ｎはポテンシ
ャルエネルギがＥである位置における分子数、ｋはボル
ツマン定数、Ｔはガスの絶対温度であり、上式により表
わされる分布はボルツマン分布と呼ばれ、一般的に良く
知られているところのものである。上式において１例え
ばＥ＝ｍｇｈ（ｍ：ガス分子の質量、ｇ：重力の加速度
、ｈ：地球表面からの高さ）とすると、Ｎｏは地球表面
の分子数を示し、Ｎ−二〇− ＝＝Ｎ、ｅ　　ｋＴの式により１重力の影響下にある地
球大気における分子数の分布が示されることになる。こ
こで、ポテンシャルエネルギＥは力学的な力に基づいた
もの全てを包含するから。

ロータの回転によりガス分子に遠心力を作用させる場合
について考えてみる。この場合においては、Ｎｏはロー
タの周縁、すなわち半径ｒ。

の位置におけるガス分子数であり、この位置におけるポ
テンシャルエネルギはＥ０＝０である。

そして、任意の半径ｒの位置における質量ｍのガス分子
に働く遠心力Ｆは。

（但し、Ｖ：回転半径ｒにおける周速度。

ｎ：ロータの回転数） となる、この遠心力が作用している状態において、ガス
分子を半径ｒ、の位置から半径ｒの位置へ移動させるの
に必要なエネルギＵは、ｕ＝Ｓ’　Ｆｄ　ｒ＝Ｊ’−４
ｉ”ｎ”ｍｒｄ　ｒ＝　２　ｘ”　ｎ”ｍ　（ｒ”　−
ｒＩ、”）となる、従って、半径ｒの位置におけるポテ
ンシャルエネルギＥは、 Ｅ　＝　−ｕ　＝　２　ｘ”　ｎ”ｍ　（ｒ、”　−ｒ
”）となり、半径ｒの位置における分子数Ｎは。

、＝、。。−ト＝、。。−ギ弁（虐ｒ′）となる、ここ
で、工業的に比較的容易に得られるロータの回転数及び
半径として、ｎ＝６０゜ｒ、ｐ、ｓ、、　ｒ、　＝１５
ｃｎの数値を上式に代入し、ロータの回転中心ｒ＝ｏの
位置における分子数Ｎを計算すると。

となる、すなわち、ロータの回転中心においては、その
周辺部に比べて分子数が０．１４５倍となる。従って、
この動作を、例えば１０回繰り返した後大気圧下へ排気
するとすれば、理論上は、７６０ＴｏｒｒＸ　（０，１
４５）”＝３．１２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒの真空が得られ
ることになる。

ここで、この発明に係る高真空ポンプにおいては、ロー
タの円板前面と隔壁の背面、あるいはケーシング前壁の
内面とが近接しており、かつ円板後面と隔壁前面、ある
いはケーシング後壁の内面とは所定距離だけ離間してい
るので。

ロータの通気路を通してロータの中心部とその周辺部と
の間で作り出された分子密度差がロータ回転中有効に保
持される。そして、ケーシングの隣り合う室同士は隔壁
中央部に形成された通気孔を介して互いに流路連絡して
いるので、多段排気が行なわれ、ケーシングの吸気口と
各室との間で分子数の差が徐々に大きくなってゆき、排
気ガスはケーシングの排気口とから大気圧下等へ排気さ
れる。

〔実施例〕

以下、この発明の好適な実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図及び第２図はこの発明の１実施例を示し、第１図
は遠心式高真空ポンプの側断面図、第２図は第１図のｕ
−ｕ’正面断面図である。

これらの図に示すように、この遠心式高真空ポンプは、
ケーシング１０、このケーシング１０の内周壁面に垂設
された複数の隔壁１２、これら隔壁１２によってケーシ
ング１０の内部を画することにより形成された複数の室
１４にそれぞれ結膜された複数のロータ１６、これらロ
ータ１６の各回転中心に固着され、各ロータ１６を同軸
上に保持する回転駆動軸１８、及びこの回転駆動軸１８
に連結された回転駆動源２０から構成されている。ケー
シング１０は１円筒状周壁２２及び前壁２４、後壁２６
により構成されており、前壁２４の中央部に、管路を介
して真空チャンバー等（いずれも図示せず）と流路接続
する吸気口２８が形成され１周壁２２の。

後壁２６の近傍個所に排気口３０が形成されている。

隔壁１２は、ケーシング１０の軸方向に、等間隔で互い
に平行になるよう連設されており、各隔壁１２の中央部
には通気孔３２が形成されていて、その通気孔３２を介
して隣り合う室１４回士が互いに流路連絡している。ロ
ータ１６は、円形状厚板３４の片面側中央部に円形状凹
部３６を形成し、その凹部３６の周面から厚板３４の周
縁まで延びる複数本の溝３８を円周方向に等配した円板
から構成されている。溝３８は円板中心部から遠心方向
に向かって放物線状に延びた形状であり、一定深さで一
定幅に刻設されており、これらの溝３８が通気路となる
。そして、各ロータ１６は各室１４にそれぞれ１円板前
面が隔壁１２の背面（またはケーシング前壁２４の内面
）と近接し、かつ円板後面が隔壁１２の前面（またはケ
ーシング後壁２６の内面）と所定距離だけ離間するよう
に配設されている。すなわち、第３図に一部を拡大して
示すように、ロータ１６の前面と隔壁１２の背面との間
隙ａは、ロータ１６の後面と隔壁１２の前面との間隔す
に比べて著しく小さくされており、各室１４間で排気ガ
スが逆流するのを抑制している。また、排気ガスの逆流
を抑制するために、ロータ１６の外周端縁に対向して近
接し、法線方向に対して傾斜した案内翼板４０が円周方
向に多数、ケーシング前壁２４の内面及び隔壁１２の背
面に固設されている０回転駆動軸１８の軸受部４２には
、回転駆動源２０との間におけるシールを行なうための
シール部４４が設けられている。このシール部４４は相
対圧が高い（場合によっては大気圧状態にある）排気側
に設けられていることから、そのシール手段としては特
別な回転軸シールなどを使用する必要がなく、ネジシー
ルやパージガス注入によるシール等といったシール手段
を使用でき、オイルフリーとすることができる０以上説
明したポンプ本体の各構成部材は、それらをセラミック
ス材料で成型するようにすれば。

高真空ポンプにおける耐腐食性及び耐熱性を共に満足さ
せることができる。尚１回転駆動源２０としては高周波
モータ、タービン等が使用される。

次に、上記構成の遠心式高真空ポンプにおける動作につ
いて説明する０回転駆動源２０によってそれに連結され
た回転駆動軸１８が回転させられると、回転駆動軸１８
に固着された全てのロータ１６が時計方向に同一速度で
回転する。これら各ロータ１６の回転により、ガス分子
に遠心力が作用し、ロータ１６の溝（通気路）３８内に
おいて。

ロータ１６の回転中心部からその周辺部に向かう遠心方
向にガス分子の密度分布ができ、前記のことから、各室
１４ごとにおいてロータ１６の凹部３６における圧力が
ロータ１６の外周辺部における圧力に比べて減圧される
。そして、遠心力により溝（通気路）３８の外方端より
一旦排出された排気ガスは、案内翼板４０の作用により
、及びロータ１６の前面と隔壁１２の後面（もしくはケ
ーシング前壁２４の内面）との間が極めて近接している
（第３図においてａ＜ｂ）ことにより、ロータ１６が回
転している間は逆流が抑制される。ロータ１６の外周辺
部は、ロータ１６の後背部及び隔壁１２の通気孔３２を
介して次の室１４に納設されているロータ１６の凹部３
６と連通しており１次のロータ１６の溝（通気路）３８
においても同様に分子密度の分布が生じる。このような
過程を繰り返すことにより、徐々に真空排気してゆき、
最終的に吸気口２８．従ってそれに流路接続された真空
チャンバー等において高真空が得られる。尚。

排気ガスは排気口３０から大気圧下等へ排気される。

第４図及び第５図はこの発明の別の実施例を示し、第４
図は遠心式高真空ポンプのロータを正面から見た図、第
５図は第４図の■−■″断面をケーシング及び隔壁の各
一部とともに表わした図である。この高真空ポンプのロ
ータ１６’は円形状薄板４６の片面側に、その薄板４６
の中心部から周縁まで翼板４８を複数枚円周方向に等配
して垂設した円板から構成されている。翼板４８は一定
の厚さを有し、円板中心部から遠心方向に向かって放物
線状に延びた形状を有している。

そして、隣り合う翼板４８同士に挟まれた空間５０が通
気路となる。翼板４８の、薄板４６の表面からの高さは
、空間（通気路）　５０の横断面積がロータ１６″の半
径方向位置に関係なく常に一定になるよう、中心部から
周縁へ向かって漸次低くなるようにする。すなわち、第
６図に示すように。

ロータ１６’の回転中心から距離ｒ０の半径方向位置に
おける、翼板４８の端辺の高さをｈｏとすると、ロータ
１６′の回転中心から任意の距離ｒの半径方向位置にお
ける翼板４８の高さｈ＝ｆ（ｒ）は以下のようにして決
まる。

翼板４８の厚さをｔ、その枚数をＺとすると、距ｆｉｒ
ｆｌの半径方向位置における、各通気路５０の横断面積
の合計Ａ０は。

Ａ、＝（２πｒｏ　　ｔ−Ｚ）　”　ｈａとなる。一方
、任意の距離ｒの半径方向位置における、各通気路５０
の横断面積の合計Ａは、Ａ＝（２πｒ−ｔ−Ｚ）・ｈ となり、半径方向における排ガスの分子数の分布が、ボ
ルツマン分布に従った分布となるようにするために、Ａ
＝Ａ、どなるようにするのであるから、 となる、そして、ロータ１６″の回転中心から距ＲＲの
周縁位置における、翼板４８の高さＨは、となる。

このように、各翼板４８の頂辺が曲線状に形成されるた
め、各翼板４８の頂辺を連ねることによって形成される
、ロータ１６′の前面が曲面状になる。ここで、第１の
実施例の高真空ポンプと同じく、ロータ１６′の前面と
隔壁１２″の背面とはそれらを近接させて排気ガスの逆
流を抑制する必要−があるから、隔壁１２′　の背面も
ロータ１６’の前面に対応した曲面状に形成される。尚
、排気ガスの逆流を抑制するために、第７図に示すよう
に、ロータ１６′の外周端縁に対向近接させて案内翼板
４０′　を多数周設してもよいし、また第８図に示すよ
うに、ローＪｊ１６″の円形状薄板４６′の片面側に垂
設される翼板４８′の側面形状を直線的な階段状にし、
隔壁１２″′をそれに対応させて平面状に形成するよう
にしてもよい０以上説明した以外の構成については、上
記した第１の実施例の高真空ポンプと同様である。

この発明は以上説明したように構成されているが、この
発明の範囲は上記説明並びに図面の内容によって限定さ
れるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々の変形
実施例をも包含し得る。例えば、ロータの通気路となる
溝、あるいは通気路を形成する翼板の形状は、放物線状
でなくて単なる放射状であってもよく、またそれ以外の
形状であってもよい。また、ターボ分子ポンプと組み合
わせて、ターボ分子ポンプユニットを前段側に配設し、
この発明の遠心式高真空ポンプの回転駆動軸を延長して
ターボ分子ポンプの回転駆動軸としても共用し、かつケ
ーシングも一体に形成するようにした複合型ポンプとす
ることもできる。

尚、第１図示の第１実施例では、溝３８を一定深さで一
定幅に刻設し、第４図示の第２実施例では各翼板４８の
頂辺を前記計算式（すなわち、なるように構成したが、
これは前記どちらの実施例も１通気路（第１図示実施例
では溝３８、第４図示実施例では通気路５０）の横断面
積を半径方向に関し一定とすることによって、半径方向
における排ガスの分子数の分布がボルツマン分布と丁度
一致するようにしたものである。但し、半径方向におけ
る排ガスの分子数の分布を、ボルツマン分布と必ずしも
一致させる必要はない。

Ｃ発明の効果〕 この発明は以上説明したように構成されかつ作用するの
で、この発明によれば、設計も含めて製作が比較的容易
であり、適切な設計を行なうことにより、高真空から大
気まで直接排気することも可能として、オイルフリーで
、耐熱性、耐腐食性を持たせることができ、また排気ガ
ス中に含まれるパーティクルによる影響も受けず、メン
テナンスフリーで、ポンプ前側における各種付帯設備も
不要であり、しかも場合によってはターボ分子ポンプな
どと一体物として形成することもできるといった、数々
の利点を有する高真空ポンプを提供し得たものである。

このように、この発明は、半導体製造プロセスなどにお
いて大いに効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の１実施例を示し、第１図
は遠心式高真空ポンプの側断面図、第２図は第１図のｎ
−ｎ’正面断面図であり。 第３図はその一部を拡大して示す側断面図、第４図及び
第５図はこの発明の別の実施例を示し、第４図は遠心式
高真空ポンプのロータを正面から見た図、第５図は第４
図のｖ−ｖ’断面をケーシング及び隔壁の各一部ととも
に表わした図であり、第６図は上記ロータの翼板の高さ
の変化を説明するための図、第７図及び第８図はそれぞ
れ上記ロータに係る変形例を示す一部側断面図である。 １０・・・ケーシング、　　１２．１２′、１２″・・
・隔壁、１４・・・室、　　　　　　　１６．１６’、
１６”・・・ロータ、１８・・・回転駆動軸、　　２０
・・・回転駆動源、２４・・・ケーシング前壁、２６・
・・ケーシング後壁、２８・・・吸気口、　　　　３０
・・・排気口、３２・・・通気孔、３４・・・円形状厚
板、３６・・・円形状凹部、　　３８・・・溝（通気路
）。 ４０、４０’・・・案内翼板、４６．４６′・・・円形
状薄板、４８．４８′・・・翼板、　　５０・・・通気
路。 １．７．゛：、Ｌｌ：゛パ 第１図 第４図　　　　　第５図 Ｖ！Ｊ 第７図 第８図 手続補正書 昭和６２年８月２５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸気口及び排気口を有する円筒状のケーシングと、
   このケーシングの内周壁面に垂設されてそれぞれ中央部
   に通気孔が形成され、ケーシングの内部をその軸方向に
   、前記各通気孔を介して互いに流路連絡する複数の室に
   画する複数の隔壁と、円板の前面側に、その中心部から
   遠心方向に向かって周縁まで延びる複数の通気路が形成
   され、前記ケーシングの各室にそれぞれ、円板前面と前
   記隔壁の背面またはケーシング前壁の内面とを近接させ
   、かつ円板後面と隔壁前面またはケーシング後壁の内面
   とを所定距離だけ離間させて納設された複数のロータと
   、これらロータの各回転中心に固着され、それらロータ
   を同軸上に保持する回転駆動軸と、この回転駆動軸に連
   結された回転駆動源とを備えてなる遠心式高真空ポンプ
   。 ２、ロータが、円形状厚板の片面側中央部に円形状凹部
   を形成し、その凹部の周面から前記厚板の周縁まで一定
   深さで一定幅の放物線状の溝を複数本等配して刻設した
   円板からなり、前記溝が通気路とされる特許請求の範囲
   第１項記載の遠心式高真空ポンプ ３、ロータが、円形状薄板の片面側に、その薄板の中心
   部から周縁まで一定厚さの放物線状の翼板を複数枚等配
   して垂設した円板からなり、隣り合う翼板同士に挟まれ
   た空間が通気路とされ、かつ前記各翼板の高さを、通気
   路横断面積が半径方向位置によらず常に一定になるよう
   、中央部から周縁へ向かって漸次低くし、各翼板の頂辺
   によって形成される円板前面が曲面状になった特許請求
   の範囲第１項記載の遠心式高真空ポンプ。 ４、ロータの外周端縁に対向近接し、かつ法線方向に対
   して傾斜した案内翼板を円周方向に多数周設した特許請
   求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の遠心式
   高真空ポンプ。