CN104797826B - 油扩散泵以及真空成膜装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种油扩散泵，其具有能够解决使用加热线作为工作油加热源时的问题的油蒸气产生器。该油扩散泵为真空泵，在壳体(51)内配置有油蒸气产生器(70)，使该油蒸气产生器(70)工作以使工作油(8)气化而成为油蒸气，将该油蒸气从喷射器(53、53a)喷射出去，并对吸入的气体进行排气动作。油蒸气产生器(70)具有：容器(71、72)，其在立起设置方向上延伸，且使由被加热材料构成的筒部件(71)的下端封闭，用于在内部贮油；感应线圈(75)，其隔着绝缘材料(73)缠绕于筒部件(71)(尤其是外壳内壁71b)的大气侧周围；以及供电单元，其对感应线圈(75)施加数10Hz至数100Hz的低频交流电。而且，构成为，通过使供电单元工作并对线圈(75)施加低频交流电，由此使筒部件(71)自身加热，使容器内的油气化。

Description

油扩散泵以及真空成膜装置
技术领域
本发明涉及作为真空泵的油扩散泵和组装有该泵的真空成膜装置，该油扩散泵与构成蒸镀装置或溅镀装置等各种真空成膜装置的真空腔室连接，特别适用于对该腔内抽真空的用途。
背景技术
在蒸镀装置或溅镀装置等各种真空成膜装置中，作为在对构成该装置的真空腔室的内部抽真空的排气装置中使用的真空泵，使用油扩散泵。在以往的油扩散泵中，已知下述这样的油扩散泵：使用具有加热线的电热器作为收容于锅炉内的工作油的加热源(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-23778号公报
发明内容
发明要解决的课题
在使用加热线作为工作油的加热源的情况下，具有能够以低成本形成装置的优点，但会包含引起以下各种问题的因素：例如，由于加热线的断线而使加热功能消失、由于加热线的绝缘不良而产生漏电、由于高温而发生端子座的接触不良等。此外，在使用加热线的情况下，会产生接近赤热水平的高温，因而必须谨慎选择其安装场所，从而还存在设置场所选择的自由度受限的问题。
进而，在能量效率方面，作为工作油加热源的加热线的热传导损失较多。其结果是，例如还存在以下的问题。
(1)浪费电力；
(2)加热的上升速度慢(起动时间长)；
(3)热响应性和保养性差；
(4)加热对象(被加热体)的材质必须选择能够长时间耐高温的材料；
(5)也会对被加热体的周边加热，而不会与被加热体一起有助于工作油的加热等。
根据本发明的一个观点，提供一种油扩散泵和使用该泵作为排气装置的真空成膜装置，其中，该油扩散泵具有能够解决使用加热线作为工作油加热源时的问题的油蒸气产生器，且故障少，有助于工作时的节能。
用于解决课题的手段
本发明的油扩散泵是一种真空泵，其在配置于壳体内的喷射器内配置有油蒸气产生器，通过使该油蒸气产生器工作，由此使工作油气化而生成油蒸气，将该油蒸气从喷射器喷射出去而对吸入气体进行排气动作。油蒸气产生器构成为具有：容器，其在立起设置方向上延伸，使由被加热材料构成的筒部件的下端封闭，用于在其内部贮油；感应线圈，其隔着绝缘材料缠绕于筒部件的周围；以及供电单元，其对感应线圈施加低频交流电。而且，其特征在于，构成为，通过使供电单元工作并对线圈施加低频交流电，由此使筒部件自身加热，从而使容器内的油气化。
在本发明中，使油蒸气产生器的筒部件沿着其立起设置方向延伸，并且在周向上形成为在隔着环状的中空部的两侧配置的筒状的内壁和外壁的双重结构，由感应线圈隔着绝缘材料缠绕在内壁的周围即大气侧而构成。
在本发明中，能够利用进行了绝缘包覆的耐热电线构成油蒸气产生器的感应线圈。
本发明的真空成膜装置具有用于对真空腔室内抽真空的排气装置，其特征在于，使用本发明的油扩散泵作为排气装置。
发明的效果
组装在本发明的油扩散泵中的油蒸气产生器构成为，使用在由被加热材料构成的筒部件(其最终成为发热体)的周围隔着绝缘材料缠绕感应线圈而成的结构，作为工作油加热源，通过对线圈施加低频交流电而使筒部件自身加热，利用该热使工作油气化。
即根据组装在本发明的油扩散泵中的油蒸气产生器，不对线圈加热，而是对线圈施加低频交流电，从而在筒部件的立起设置方向上产生上下交链的磁通，利用该产生的磁通在筒部件中产生感应电流、即涡电流，由此生成焦耳热(低频感应加热)。凭借该生成的热使筒部件自身加热(筒部件的自身加热)，由此加热工作油。
因此，基本上不会由于断线而使得发热功能消失。此外，由于所有的电流都消耗于作为发热体的筒部件本身上，因此不会产生绝缘不良导致的漏电。此外，由于是这样的原理：不对线圈加热，而是通过对线圈施加低频交流电来使筒部件本身加热，因此，线圈自身不会成为发热体，亦不会发生因高温导致的端子座的接触不良。此外，根据可局部地加热工作油加热源的性质，还具备线圈的配置场所的选择自由度增加这样的优点。
本发明的油扩散泵中组装有本发明的油蒸气产生器，因此能够使施加给油蒸气产生器的线圈的全部电流消耗于作为发热体的筒部件上。其结果是具有这样的优点：能够提升发热体的热响应性，能量效率较好，消耗能量较少，并且能够缩短工作油加热升温时间(起动时间短)等。
另外，在本发明的油蒸气产生器中，缠绕感应线圈的作为发热体的筒部件的立起设置方向上端从所接触的工作油的油面上露出，因此从油面起升起的油蒸气会接触到从油面上露出的筒部件内壁的上部分，由此被进一步加热，生成被充分加热的油蒸气。其结果，在组装有这种油蒸气产生器的油扩散泵中，能够在更短时间内实现工作油加热的升温，对于能量效率而言是极为有益的。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的真空成膜装置的概要结构图。
图2是示出作为用于图1的真空成膜装置中的一例的油扩散泵的概要结构剖面图。
图3是示出作为用于图2的油扩散泵中的一例的油蒸气产生器的主要部位的概要结构剖面图。
图4是沿着图3中的IV-IV线的剖面图。
图5是与图3相当的用于油扩散泵中的其他方式的油蒸气产生器的局部剖面图。
图6是与图3相当的用于油扩散泵中的其他方式的油蒸气产生器的局部剖面图。
图7是示出组装在本例的油扩散泵中的油蒸气产生器的配置方式的另一例的图。
图8是示出组装在本例的油扩散泵中的油蒸气产生器的配置方式的另一例的图。
标号说明
1：真空成膜装置；10：真空腔室；21、23、25～29：管路；31：主排气阀；33：泄漏阀；35：粗阀；37：辅助阀；39：泄漏阀；50：油扩散泵；51：壳体；53：喷射器；53a：喷嘴；55：进气部；57：排气部；58：水冷管；60：旋转泵(油旋转真空泵)；70：油蒸气产生器；71：筒部件(外壳)；71a：中空部；71b：外壳内壁；71c：外壳外壁；71d：外壳上壁；72：下盖；73：绝缘材料；74：加热体；75：感应线圈；76：散热部件；77：管路；78：铁芯；79：凸缘；8：工作油。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的一例。
如图1所示，本例的真空成膜装置1具有作为装置主体的真空腔室(真空容器)10，该真空腔室10在内部配置有蒸发源或溅镀源等成膜源(省略图示)、保持作为处理对象的基板的基板保持器等形成薄膜(成膜)所需要的各种装备。管路21的下游侧与真空腔室10连接。真空计(省略图示)与真空腔室10连接，以检测真空腔室10内的气压(真空度)。
抽吸管路23的下游侧经由主排气阀31与管路21的上游侧连接。抽吸管路23的上游侧连接于油扩散泵(油扩散真空泵)50的进气部55。分支管路25的下游侧连接至管路21的中途。管路26的下游侧连接至分支管路25的中途，在管路26的上游侧设有泄漏阀33。
管路27的下游侧经由粗阀35与分支管路25的上游侧连接。管路27的上游侧连接于旋转泵(油旋转真空泵)60。在管路27的中途连接着管路28的下游侧。管路28的上游侧经由辅助阀37连接于油扩散泵50的排气部57。管路29的下游侧与管路27的和管路28连接的连接部相连接，在管路29的上游侧设有泄漏阀39。管路28内连接有真空计(省略图示)，检测油扩散泵50内的气压(真空度)。
本例的真空成膜装置1除了上述结构之外，还具有对装置1的动作进行控制的控制装置(省略图示)。本例中所具备的控制装置构成为具有：含有CPU(中央处理装置)等处理电路的主控制电路(省略图示)；内置于该控制电路中的存储单元(存储器)；控制旋转泵60运转的旋转泵控制电路(省略图示)；以及控制油扩散泵50运转的油扩散泵控制电路(省略图示)。
在主控制电路上连接有真空计驱动电路，该真空计驱动电路与连接在管路21内的真空计连接(省略图示)。在主控制电路上连接有各阀(主排气阀31、泄漏阀33、39、粗阀35、辅助阀37)，这些阀按照主控制电路的规定的程序指令而开闭。在油扩散泵50上连接有旋转泵60，油扩散泵50通过辅助阀37排出的气体被旋转泵60抽吸而从未图示的路径排出。
本例的旋转泵60发挥辅助泵的作用，该辅助泵用于将作为主泵使用的油扩散泵50的背压维持在临界值以下，该旋转泵60也可以用作粗泵。旋转泵60例如可以由旋翼型等的油旋转泵构成。旋翼型的油旋转泵在气缸内具有旋转的转子。气缸具有彼此独立开口的进气口和排气口。在转子上安装有可动的阀，借助转子的离心力使阀的外缘按压于气缸内壁上。其结果是，在转子旋转时，由转子、阀、气缸内壁所划分的容积发生变化，由此成为将气体送出的机构。
如图2所示，本例的油扩散泵50具有底部封闭的筒状容器(壳体)51。在壳体51内的底部配置有加热工作油8并使其气化的油蒸气产生器70。在壳体51内配置有喷射器53，这里，喷射器53将被油蒸气产生器70加热的工作油8(参照图3)发生气化而上升的油蒸气取入，并且通过喷嘴53a向排气方向喷射。在壳体51的上端设有进气部55，在壳体51的侧面设有排气部57。
接着，说明油扩散泵50的动作。
在开放主排气阀31后使油蒸气产生器70工作时，工作油8被油蒸气产生器70加热至230℃附近而气化(油蒸气)，并且被从喷嘴53a喷射到壳体51的侧壁内表面。借助该喷射而被从进气部55吸入的吸入气体(真空腔室10内的空气)向喷流的行进方向喷洒，并从排气部57排出。由此对真空腔室10内进行抽真空。图2中的“圆圈(○)”示意性地表示使油气化而成的油蒸气的状态。另外，为了不使工作油8进入到真空腔室10内，在油蒸气从喷嘴53a喷出后，开放进气部55。
此外，壳体51被水冷管58冷却，因此，附着于壳体51的内壁上的工作油8的油蒸气被冷却而凝结，返回到壳体51的下方的储油槽59中，被油蒸气产生器70再次加热而再次气化，形成循环的结构。
如图3和图4所示，本例的油蒸气产生器70配置于图2所示的油扩散泵50的壳体51内的底部，且具有作为真空容器的一部分的、由被加热材料构成的筒状外壳(筒部件)71。作为被加热材料，可使用不锈钢、碳素钢、JIS-G3101所规定的一般结构用轧制钢材中的至少任意一种。
作为不锈钢，例如可使用SUS304、SUS303、SUS302、SUS316、SUS316L、SUS316J1、SUS316J1L、SUS405、SUS430、SUS434、SUS444、SUS429、SUS430F、SUS302等SUS的所有品种。碳素钢包括软钢材料等含碳量较少的低碳钢、硬钢材料等含碳量较多的高碳钢。一般结构用轧制钢材包括SS330、SS400、SS490、SS540。
其中，优选利用对软钢材料等的电阻率为10×10-8Ωm至0×10-8Ωm左右的具有低电阻的强磁性材料实施镀膜处理而成的材料，来构成外壳71。在通过具有低电阻的强磁性材料(软钢等)构成外壳71的情况下，由于电阻较低，因而施加在线圈75上而产生的涡电流量变大，其结果是，外壳71本身的自我加热量也变大，可期望实现更高的效率。
此外，利用作为一般钢材的SS400构成外壳71也是优选的。另外，除了以上情况之外，还可以利用例如由在被加热材料的大气侧的表面上贴合不锈钢薄板而得到的不锈钢覆盖钢板所构成的成形物，来形成外壳71。
外壳71沿着其立起设置方向(上下方向)而延伸，并且在周向上形成为在隔着环状的中空部71a的两侧呈同心圆状配置的筒状的外壳内壁71b和外壳外壁71c的双重结构。但是，外壳内外壁71b、71c的两个上表面被环状的外壳上壁71d封闭，外壳内外壁71b、71c的两个下表面呈环状开放。外壳71(外壳内壁71b)的下表面被下盖72封闭。在本例中，被外壳内壁71b和下盖72包围的区域构成为储油槽59(参照图2)，工作油8填充并贮存于其中。例如，在以高度120mm形成外壳内壁71b和外壳外壁71c的情况下，将工作油8填充为使得油蒸气产生器70停止工作时的油面L的高度为30mm左右。这种情况下，在使油蒸气产生器70开始工作时，工作油8的油面L的高度例如下降至10mm左右。
在本例中，外壳内壁71b和外壳外壁71c的厚度优选形成在从5mm到12mm的范围内。特别是在低频感应加热时，作为发热体的外壳内壁71b的厚度在电流渗透的观点下越厚(例如从8mm到10mm左右)越有利。
在外壳内壁71b的周围(中空部71a侧。在本例中为大气侧)隔着绝缘材料73卷绕有感应线圈75。绝缘材料73例如可由厚度为10μm～180μm左右的聚酰亚胺薄膜等构成。
作为构成线圈75的导线，使用电阻小且耐热温度高的进行了绝缘包覆的耐热电线。作为这种电线，可举出例如进行了氧化铝膜处理的铝线即氧化膜铝线等。构成线圈75的导线的直径优选是从2mm到4mm的范围。线圈75的圈数优选在从7层到14层的范围内。
另外，在线圈75上依次连接有用于对该线圈75施加电流(从数10Hz到数100Hz的低频交流电流)的供电单元(省略图示)和该电源的控制装置(控制装置)。
为了保持真空，外壳71需要强度(厚度)。因此，在使用高频的情况下会存在如下问题：(1)可能会在作为发热体的外壳71(尤其是外壳内壁71b)上产生表皮效应。这里的表皮效应是指这样的现象：着眼于作为导体且具有一定程度的厚度的外壳内壁71b时，相比其内部而言，仅其外侧附近的表皮的温度上升，而该温度上升不易传递至内部。若发现这种表皮效应，则工作油的加热效率会变差。(2)另外，不仅工作油的加热效率会如上述那样变差，而且由于长时间运转油扩散泵，线圈75本身的温度会随之上升。
另外，在使用高频的情况下会存在如下问题：(3)需要设置用于产生高频的昂贵的逆变器，其结果是招致装置成本增加。(4)另外，在设置多个加热块的情况下，感应电流对于各个加热块的干扰以及高频噪声的产生可能对多个设备造成影响。
在本例中，为了避免产生这些不良情况，将从供电单元施加给线圈75的电流设定为低频交流。
接着，说明油蒸气产生器70的动作。在使供电单元工作而对线圈75以例如200V(rms)的电压、12A(rms)的电流施加频率为50Hz或60Hz的交流电时，在外壳71(外壳内壁71b)的立起设置方向上产生上下交链的磁通，通过该磁通在外壳71(外壳内壁71b)中产生涡电流，生成焦耳热(低频感应加热)。利用该热使外壳71(外壳内壁71b)本身加热，由此直接加热贮存于外壳71中(被外壳内壁71b和下盖72包围的区域)的工作油8。从外壳71内的油面升起的油蒸气接触到从油面上露出且变热的外壳内壁71b的上部分，由此被进一步加热，成为被充分加热的高温油蒸气而在喷射器53内上升，并从喷嘴53a喷射出去。
如上所述，油扩散泵50的壳体51被水冷管58冷却，因此附着于壳体51的内壁上的工作油8的油蒸气被冷却而凝结，并返回到壳体51的下方的储油槽59中。储油槽59通过管路77与被外壳内壁71b和下盖72包围的区域连通，因此凝结并返回的工作油8被油蒸气产生器70再次加热而再次气化并进行循环。
在本例的油蒸气产生器70中，作为工作油8的加热源，使用在由软钢材料或SS400等的被加热材料构成的筒状外壳71(本例中为外壳内壁71b)的周围隔着绝缘材料73卷绕感应线圈75而成的结构，通过对线圈75施加低频交流电流，从而加热外壳内壁71b，并利用该热使工作油8气化。由于不加热线圈75，因此不存在断线的问题，并且不存在由于断线而导致发热功能消失的情况。此外，也不会发生因绝缘不良所导致的漏电。此外，由于不加热线圈75，因而线圈75自身不会成为发热体，也不会产生因高温所导致的端子座的接触不良。
由于在本例的油扩散泵50中组装有本例的油蒸气产生器70，因此能够使在油蒸气产生器70的线圈75中流过的全部电流消耗于外壳71(本例中为外壳内壁71b)本身上。其结果是，具有以下优点：能够提高作为发热体的外壳71的热响应性，能量效率高，消耗能量较少，能够缩短工作油8的加热的升温时间(能够缩短油扩散泵50的起动时间)等。
在本例的油蒸气产生器70中，作为缠绕感应线圈75的发热体的外壳71(外壳内壁71b)的立起设置方向的上端U从所接触的工作油的油面L上露出，因此从油面L起升起的油蒸气会接触从油面L上露出的外壳内壁71b的上部分，由此进一步被加热，生成被充分加热的油蒸气。其结果，在组装有本例的油蒸气产生器70的油扩散泵50中，能够在更短时间内实现工作油8的加热的升温，在能量效率方面是极为有益的。
另外，上述的例子是为了易于理解本发明而记载的例子，并非用于限定本发明。因此，在上述实施方式中公开的各要素还包括属于本发明的技术范围内的所有设计变更及其等同物。
例如在上述例子中，在由软钢材料或SS400等形成的外壳内壁71b的周围(大气侧)隔着绝缘材料73缠绕了感应线圈75，然而不限于这种方式，例如通过以下所示的结构(参照图5)也能够实现本例的作用效果。
·将筒状的加热体74配置为沿着外壳内壁71b的内壁面(接触工作油8的真空侧)延伸。优选将这样的发热体74配置成使其上端U从所贮存的工作油8的油面L上露出。
·发热体74由上述例子中的钢材料(不锈钢、碳素钢、一般结构用轧制钢材、不锈钢覆盖钢板等)形成。
·至少以具有耐热性、较高的电绝缘性、隔热性的材质(不锈钢)形成存在于发热体74与感应线圈75之间的部件(本例中至少为外壳内壁71b。也可以是外壳71整体)。这是为了利用发热体74的热来高效加热工作油。
·优选使该部件(外壳内壁71b)紧密地与发热体74面接合。如此，能够高效地进行热传导，从而能够高效加热工作油。
·在感应线圈75的周围配置由耐热性、较高的电绝缘性、较高的热传导性的材质(例如氮化铝等)形成的散热部件76。这是为了将线圈温度释放到外壁(外壳外壁71c等)，高效地释放该线圈温度以降低线圈温度。
·在散热部件76的周围配置作为磁性薄片材料的铁芯78。这是为了改善泵的功率因数，提升电力使用效率。
·配置从大气侧(图5中是从纸面下方朝向上方)支撑线圈75和铁芯78的凸缘79。这是为了将线圈75和铁芯78固定于泵上。
此外，例如通过以下所示的结构(参照图6)也能够实现本例的作用效果。
还可以通过筒状的加热体74构成外壳内壁71b本身。这种情况下，使绝缘材料73(例如厚度为10μm～180μm左右的聚酰亚胺薄膜等)夹设在加热体74与线圈75之间。其他的都与图5的壳体相同。
另外，在上述图3的壳体中，省略了图5、6所示的凸缘79，但是，在图3的壳体中，也利用同样的凸缘从大气侧支撑。
另外，在上述例子中，在单一的油扩散泵50中设置了1个油蒸气产生器70，但是不限于这种方式，尤其是在研讨油扩散泵的大型化等情况下，例如图7和图8所示，也可以在壳体51内的底部配置多个本例的油蒸气产生器70。
实施例
接着，说明本发明的实例(实施例)和比较例。
[实施例]
在本例中，准备了组装有1个作为工作油加热源的油蒸气产生器70(图3)的、下面所示的油扩散泵50(图2)，并以如下条件进行了评价。
(油扩散泵50)
·排气口的直径：250mm，
·排气速度：2900L/sec，
·真空腔室内的极限压力：6.7×10-6Pa(帕斯卡)以下，
·所需功率：0.7KW，
·工作油：LION S，1L。
(油蒸气产生器70)
·外壳内壁71b和外壳外壁71c的高度：120mm，
·工作油的油面L的高度：30mm(停止时)，10mm(工作时)。
[比较例]
在本例中，准备了以往结构的油扩散泵，并以如下条件进行了评价，在所述以往结构的油扩散泵中，使用加热线(镍线)作为工作油加热源的电热器配置于泵底部。
(以往的油扩散泵)
·排气口的直径：250mm，
·排气速度：2900L/sec，
·真空腔室内的极限压力：6.7×10-6Pa(帕斯卡)以下，
·所需功率：2.0KW(200V)，
·工作油：LION S，1L。
[评价]
使用各例的油扩散泵进行了运转功率的测定。具体而言，通过钩表功率计测定对镍线(比较例)和对感应线圈(实施例)的电力供给部分，根据电压、电流、功率因数计算功率(起动时功率、运转时功率)，计算了实施例与比较例之比(与以往之比)。其结果，实施例的运转功率在起动时比以往减少了40％，而在运转时比以往减少了65％，由此可知在起动时和运转时都能够实现大幅的功率削减。
针对各例的油扩散泵测定了温度(侧面、底面)。其结果，实施例的侧面温度(大气侧)为170℃。这比比较例(230℃)减少了26％，确认到能够使加热集中于锅炉内筒，有助于削减耗电。此外，实施例的底面温度为120℃。将其与赤热的加热块露出且非常高温的比较例(赤热状态)相比较，可知能够大幅抑制热损失。另外，还知道了能够达到不必考虑底面损伤的水准。

Claims (5)

1.一种油扩散泵，在配置于壳体内的喷射器内配置有油蒸气产生器，通过使该油蒸气产生器工作，由此使工作油气化而生成油蒸气，将该油蒸气从喷射器喷射出去而对吸入气体进行排气动作，其特征在于，
所述油蒸气产生器具有：
容器，其在立起设置方向上延伸，使由被加热材料构成的筒部件的下端封闭，用于在其内部贮油；
发热体，其沿着筒部件的内壁面配置，且由被加热材料构成；
感应线圈，其缠绕于筒部件的周围；以及
供电单元，其对感应线圈施加数十Hz至数百Hz的低频交流电，
所述油蒸气产生器构成为，通过使所述供电单元工作，由此使所述发热体加热，从而使所述容器内的油气化。
2.根据权利要求1所述的油扩散泵，其中，
所述筒部件沿着其立起设置方向延伸，并且在周向上成为在隔着环状的中空部的两侧配置的筒状的内壁和外壁的双重结构，并且是沿着该内壁的真空侧即内壁面配置所述发热体并将所述感应线圈缠绕在所述内壁的周围即大气侧而构成的。
3.根据权利要求1或2所述的油扩散泵，其中，
所述感应线圈由进行了绝缘包覆的耐热电线构成。
4.一种真空成膜装置，其具有用于对真空腔室内抽真空的排气装置，其特征在于，
使用权利要求1或2所述的油扩散泵作为所述排气装置。
5.一种真空成膜装置，其具有用于对真空腔室内抽真空的排气装置，其特征在于，
使用权利要求3所述的油扩散泵作为所述排气装置。
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