JP2001329991A5 - - Google Patents

Description

【０００８】
装置上の安全対策としては、ローターシャフト６の上下部分に上部保護軸受け１３と下部保護軸受け１４を設け、ローターシャフト６の横揺れを規制すると共に、ローターシャフト６下端のスラスト磁気ディスク９とスラスト磁気軸受け１０によって、ローターシャフト６の上下の揺れを規制している。
そのうえで、前記使用制限を越えた場合には、運転を停止するよう排気する気体流量負荷に対する保護機能回路（インターロック回路）を設けていた。従来この保護機能は、気体負荷により発生する回転翼４の風損がローター３を高速で回転させるモーター１５への入力電流値に反映され、気体負荷が大きくなると電流値が増加することを利用して、この電流値を監視して規定電流値（トリップ値）と比較することで、運転状態が使用制限内にあることを確認し、使用制限を外れる電流値となった場合にはモーター１５への入力電流を削減し、運転を停止する方法が採られている。
この規定電流は、最大許容ガス負荷試験により窒素ガスやアルゴンガスのような数種類の気体につき、予めローター３の温度がクリープ寿命を許容できる気体流量条件を測定しておき、その最大気体負荷流量でのモーターへの入力電流を設定しておき、規定電流としている。

【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ターボ分子ポンプはポンプとしての性能を確保するために、材料の剛性、熱膨張、各部の機械加工精度や組立精度等を見込んで回転部と固定部との間隙寸法が設計されている。
従来のターボ分子ポンプは高速で回転する精密機械にも係わらず、稼働負荷の変動や温度上昇に対する設計基準が確立しておらず、回転翼と固定翼の接触事故を起こす可能性を含んでいた。
従来のターボ分子ポンプでは、回転翼と固定翼の接触事故を防ぐための安全対策としては、使用条件に制限範囲を設けることが主であり、装置上は適正使用条件範囲を外れると運転を停止させる手段がとられているのみであった。
このためターボ分子ポンプを使用するに当たっては、適正使用条件範囲を外れないように監視を強化する必要があった。また、適正使用条件範囲を外れた場合には運転を停止することを余儀なくされていた。このためターボ分子ポンプに接続された、例えば成膜装置等の本来の中心設備の運転も制限され、生産能力が上がらないといった問題があった。 本発明の目的は、ターボ分子ポンプの運転中の環境変化を見込んだ設計基準を明らかにするとともに、回転部と固定部との接触事故の主要な原因となる温度上昇を的確に把握し、接触事故を未然に防止する手段を備えた装置を提供することにある。

【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では以下の設計基準を採用した。
すなわち、回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、異常時に前記ローターシャフトを保持する保護軸受けとを有するターボ分子ポンプであって、
ａをベーキング時における回転部の遠心力による変形量、
ｂをベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定部の熱変形量との差の最大値、
ｃをベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間隙値、
ｄを回転部と固定部との間隙の製造公差値、
ｇを静止時の回転部と固定部との間隙値
としたときに、
ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｃ）・・・・・（１）
なる関係式を満たすターボ分子ポンプとした。
本発明においては、前記回転部が回転翼であり、前記固定部が固定翼である場合に適用できる。また、前記回転部が回転翼下部に取り付けられた円筒部であり、前記固定部が固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーである場合にも適用できる。
このような設計基準を満たすターボ分子ポンプとすることにより、運転中の負荷上昇や温度上昇が起こっても、回転翼と固定翼との接触事故を防ぐことが可能となる。

【００１２】
また、本発明のターボ分子ポンプは、回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、前記円筒部の温度を測定する第１の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーの温度を測定する第２の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーを加熱する加熱部材及び前記第１の測温部材により得られた第１の測定値と前記第２の測温部材により得られた第２の測定値との差を検出し、該差が所定の値の範囲内になるように、前記加熱部材の加熱条件を制御する加熱制御手段とを有するターボ分子ポンプとした。
このようなターボ分子ポンプとすることにより、運転中に円筒部とネジ付きスペーサーの温度が上昇してもそれを検知して、回転部と固定部との温度差が拡大しないように自動的に制御するので、適正運転条件の幅が大幅に拡大し、運転停止に至る事態を回避することが可能となる。

【００１３】
さらに本発明のターボ分子ポンプは、前記加熱制御手段が、ベーキングに伴う加熱・冷却処理によって前記円筒部と前記ネジ付きスペーサーとの間隙を保持し、両者が接触しないように前記ネジ付きスペーサーの温度を調節するように前記加熱部材を制御する方式とした。
このようなターボ分子ポンプとすることにより、回転部と固定部との接触を未然に防止し、安定した運転が可能となる利点を有する。

【００２４】
ここで、Ｇはターボ分子ポンプの性能に係わるものである、可能な限り小さくする必要がある。２０００Ｌ／ｓクラスのターボ分子ポンプでは、Ｇの値は７００μｍ以下が望ましい。従って、（２）式において左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＧ（＝７００μｍ）以下とする。左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）のうち、Ａはローター３の構成材料、寸法、回転数等によって決まる。通常ローター３の構成材料は、軽量で剛性の高いジュラルミン系の高力アルミニウム合金が使用される。ローター３寸法は例えば２０００Ｌ／ｓクラスでは半径９５ｍｍ程度であり、回転数は２７０００ｒｐｍ程度である。従って円筒部５の遠心力による変形量は、計算によって推計することができる。
また、Ｃ及びＤは製造加工上の問題でありできる限り小さい方が好ましいのはいうまでもないが、現状程度の公差は許容せねばならない。そうすると（２）式の左辺で調整の余地があるのは、Ｂの加熱ベーキングに伴う加熱・冷却処理時におけるネジ付きスペーサー８の熱変形量と円筒部５の熱変形量との差の最大値ということになる。（２）式からこのＢの値をできるだけ小さくすればよいことになる。

【００２５】
上記の解析は回転部の円筒部と固定部のネジ付きスペーサーについて行ったが、回転部の回転翼部と固定部の固定翼についても、Ａをベーキング時における回転翼の遠心力による変形量、Ｂをベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転翼の熱変形量と固定翼の熱変形量との差の最大値、Ｃをベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間隙値、Ｄを回転翼と固定翼との間隙の製造公差値、Ｇを静止時の回転翼と固定翼との間隙値に置き換えることにより、同様にして（２）式の関係が得られる。
すなわち、
（２）式を一般的なターボ分子ポンプの適用できるように書き直すと、下記の（３）式が得られる。
（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）＜ｇ・・・・・（３）
これを変形して
ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１）
ただし、
ａ；ベーキング時における回転部の遠心力による変形量、
ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定 部の熱変形量との差の最大値、
ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間 隙値、
ｄ；回転部と固定部との間隙の製造公差値、
ｇ；静止時の回転部と固定部との間隙値、
である。

【００２６】
特に重要なネジ付きスペーサーと円筒部について、前記（２）式のＢの値をできるだけ小さくするには、ネジ付きスペーサー８と円筒部５との温度差を小さくして、両者がなるべく同じ程度の熱膨張をするようにすれば良い。
すなわち、ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における円筒部５の熱変形量とネジ付きスペーサー８の熱変形量との差を小さくするには、円筒部５とネジ付きスペーサー８との温度差を小さくする手段が考えられる。本発明者らはターボ分子ポンプの中心部にある円筒部５の温度は運転に伴って上昇するのであるから、ネジ付きスペーサー８の温度も上昇させれば良いと考えた。図２に本発明のターボ分子ポンプの内部構造を説明する断面図の一例を示した。ネジ付きスペーサー８の温度を上昇させる手段として、図２に示すようにケーシング１の外側にベルトヒーター２５を巻き付ける方法、または、ネジ付きスペーサー８の外側のケーシング１の下部にのみベルトヒーター２６を巻き付ける方法、あるいはまたネジ付きスペーサー８の裏側にベルトヒーター２７を巻き付ける方法が採用できる。もちろんこれら２５，２６，２７のベルトヒーターの二つ以上を併用しても構わない。
円筒部５はベーキングに伴う加熱・冷却を受けるから、その際円筒部５及びネジ付きスペーサー８の温度を測定し、両者の温度差が拡大しないようにネジ付きスペーサー８も加熱・冷却すればよい。ネジ付きスペーサー８の冷却はケーシング１の表面からの放熱でも充分であるが、必要によりケーシング１を風冷したりあるいは水冷すれば良い。そして両者の温度差を８９℃以下に保つようにすれば良い。

【００２８】
本発明では上記の如く第１の測温部材及び第２の測温部材に依って得られた温度データーを演算装置に取り込んで両者の温度差を算出し、両者の温度差を８９℃以下に保つように、演算装置に組み込んだ出力回路から信号を発して、ネジ付きスペーサー８部に取り付けたベルトヒーターの負荷を調節するような加熱制御手段を採用した。この温度制御系の加熱制御手段のブロックダイヤグラムを図４に示す。図４に示すように第１の測温部材で得られたネジ付きスペーサー８の温度（第１測定値：Ｔ１）に基づく信号Ｓ１と、第２の測温部材で得られた円筒部５の温度（第２測定値：Ｔ２）に基づく信号Ｓ２とをコンパレーターに取り込み、コンパレーターでネジ付きスペーサー８と円筒部５の温度差（△Ｔ）を算出し、この温度差（△Ｔ）に基づく信号Ｓ３をコンパレーターから制御装置に取り込む。制御装置で温度差（△Ｔ）の許容値を記録したテーブルから、温度差（△Ｔ）の許容値に基づく信号Ｓ４と温度差（△Ｔ）に基づく信号Ｓ３とを比較して、Ｓ３＞Ｓ４となった場合にはネジ付きスペーサー８を加熱するためのベルトヒーターの加熱用電源をオンにする信号を発して加熱用電力を印加して、温度差（△Ｔ）を許容値である８９℃以下に保つように制御する。
さらに、温度差（△Ｔ）が許容値を越えて制御不能となった場合には、装置の破壊を未然に防ぐために、念のため運転を停止する保護回路（インターロック回路）を組み込めばよい。

【００２９】
【実施例】
以下に実施例を示す。
図１に示すスパッタ成膜装置において、成膜操作に先立って成膜室５０にゲートバルブ４０を介して接続されたターボ分子ポンプ３０を使用して、成膜室５０内を排気し、成膜室５０内を１２０℃に８時間保持してベーキング処理を行った。図２にターボ分子ポンプ３０の内部構造を断面図を用いて示した。ターボ分子ポンプ３０は２０００Ｌ／ｓの公称排気能力を持ち、高力アルミニウム合金製でローター３下部の釣鐘状の円筒部５の半径は９５ｍｍである。ターボ分子ポンプ３０内の円筒部５の温度を測定するための第１の測温部材として、円筒部５の内側に円筒部５に対向させて放射温度計２４を設置した。また、ネジ付きスペーサー８のケーシング１側から熱電対２３を挿入し、ネジ付きスペーサー８の温度を測定するための第２の測温部材とした。このようにして設置した第１の測温部材と第２の測温部材からの出力信号を取り出すため、各信号線をコンパレーター（図示省略）に接続した。コンパレーターには第１の測温部材と第２の測温部材からの出力信号から両者の温度差を算出するプログラムを組み込み、その演算結果の信号を加熱制御装置（図示省略）に送り込むように接続した。加熱制御装置には温度差の許容値として７０℃〜８０℃を設定した。
一方、ネジ付きスペーサー８を加熱するために、ネジ付きスペーサー８のケーシング１側にベルトヒーター２７を取り付けた。ベルトヒーター２７の電源は、加熱制御装置によってオン・オフ制御するようにした。
上記の装置において、ベーキング処理をしながらターボ分子ポンプ３０を運転し、成膜室５０内のガスを排気した。

【符号の説明】
１・・・・・ケーシング、２・・・・・ローター室、３・・・・・ローター、４・・・・・回転翼、 ５・・・・・円筒部、６・・・・・ローターシャフト、７・・・・・固定翼、８・・・・・ネジ付きスペーサー、９・・・・・スラスト磁気ディスク、１０・・・・・スラスト磁気軸受け、１１・・・・・上部磁気軸受け、１２・・・・・下部磁気軸受け、１３・・・・・上部保護軸受け、１４・・・・・下部保護軸受け、１５・・・・・モーター、１６・・・・・吸気口、１７・・・・・排気口、２３・・・・・熱電対、２４・・・・・放射温度計、２５，２６，２７・・・・・ベルトヒーター、３０・・・・・ターボ分子ポンプ、４０・・・・・ゲートバルブ、５０・・・・・成膜室

Claims (5)

1. 回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、異常時に前記ローターシャフトを保持する保護軸受けとを有するターボ分子ポンプであって、下記（１）式の関係を満たすことを特徴とするターボ分子ポンプ。
   ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１）
   ただし、
   ａ；ベーキング時における回転部の遠心力による変形量
   ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定 部の熱変形量との差の最大値
   ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間 隙値
   ｄ；回転部と固定部との間隙の製造公差値
   ｇ；静止時の回転部と固定部との間隙値
   とする。
2. 前記回転部が回転翼であり、前記固定部が固定翼であ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。
3. 前記回転部が回転翼下部に取り付けられた円筒部であり、前記固定部が固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーであ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。
4. 回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、前記円筒部の温度を測定する第１の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーの温度を測定する第２の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーを加熱する加熱部材及び前記第１の測温部材により得られた第１の測定値と、前記第２の測温部材により得られた第２の測定値との差を検出し、該差を所定の値の範囲内になるように、前記加熱部材の加熱条件を制御する加熱制御手段とを有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 前記加熱制御手段が、ベーキングに伴う加熱・冷却処理によって前記円筒部と前記ネジ付きスペーサーとの間隙を保持し、両者が接触しないように前記ネジ付きスペーサーの温度を調節するように前記加熱部材を制御するものであることを特徴とする請求項４に記載のターボ分子ポンプ。

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