JP2003129957A

JP2003129957A - 真空排気方法および真空排気装置

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Publication number: JP2003129957A
Application number: JP2001328674A
Authority: JP
Inventors: Junichi Aikawa; 純一相川; Yukio Sugaya; 幸雄菅家; Tomonari Tanaka; 智成田中; Yuji Fukaura; 裕治深浦; Mitsuru Yahagi; 充矢作
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: JP3992176B2

Abstract

(57)【要約】【課題】主ポンプおよび補助ポンプを含めた真空排気
装置全体を効率良く省エネ化することができる真空排気
装置および真空排気方法を提供する。【解決手段】主ポンプ２と、主ポンプ２の吐出ガスを
大気へ開放する逆止弁４と、逆止弁４と並列的に配置さ
れ主ポンプ２の吐出側を排気する補助ポンプ３とを備え
た真空排気装置であって、主ポンプに対する補助ポンプ
の排気速度比を３％以下とすることにより、装置全体の
効率の良い省エネ化を図るとともに、補助ポンプ３の大
型化を抑制して設置スペースの低減化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばスパッタリ
ング装置や真空蒸着装置などの半導体製造装置用の真空
ポンプ、特にドライ真空ポンプの消費電力の低減を図っ
た真空排気方法および真空排気装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】初期の半導体製造装置用の真空ポンプと
して、油回転真空ポンプが多く使用されていた。このポ
ンプは、回転翼を真空ポンプ油中に浸漬させ、回転翼室
内に真空ポンプ油を吸引させることで回転翼室内のシー
ル効果を高める一方、回転翼室内の潤滑を行って効率の
高い排気を行うことによって低い到達圧力を容易に得る
ことができる。

【０００３】油回転ポンプは、吐出口側に排気弁を持っ
ており、回転翼室内の排気ガスは、回転翼室内の真空ポ
ンプ油とともに圧縮され、排気弁から排出される構造と
なっている。真空ポンプ油が回転翼室内のデッドボリュ
ームとなる空間を満たすことにより少量のガスもこの油
に同伴され、大気圧以上の圧力に圧縮されて効率良く排
気弁より排出される。排気弁は、回転翼室内からの真空
ポンプ油および排気ガスを通過させるが、大気側のガス
を回転翼室内に侵入させない役割を持っている。ここで
の排気弁によるガス侵入阻止効果は、後述する容積移動
形真空ポンプの欠点である逆流ガスによる動力損失を無
視できるものとして、消費電力の小さな効率のよいポン
プを実現させていた。

【０００４】油回転ポンプは一般的に消費電力が小さ
く、低い到達圧力が容易に得られる構造の真空ポンプで
あるが、半導体製造装置に使用される場合には以下の点
に留意する必要がある。

【０００５】半導体製造装置で使用されるガスには反
応性の強いガスが多く、真空ポンプ油との反応により反
応生成物を発生させ、これがポンプの回転不能を生じさ
せたり、ポンプ油を劣化させて潤滑不良を生じさせる不
都合がある。

【０００６】真空ポンプ油の蒸気が真空容器内に拡散
し、汚染を生じさせる。

【０００７】使用済みの真空ポンプ油にはヒ素化合
物、リン化合物等の毒性物質が含まれることが多く、産
業廃棄物としての処理に多額の処理費用がかかる一方、
管理上の工数もかかる。

【０００８】これらのような理由から、近年では油回転
ポンプに代わって、真空ポンプ油を使用しないドライ真
空ポンプが用いられている。ここでいうドライ真空ポン
プとは、大気圧からの真空排気が可能であり、吸入室に
シール油（作動油）を有しない機械的真空ポンプ（以
下、同じ。）であって、容積移動型のルーツ型、クロー
型、スクリュー型が多く使用されている。これらのポン
プはいずれも２軸構造で、一対のロータは互いに僅かの
隙間を保って反対方向に回転することで真空排気を行う
もので、接触部分をもたないことから寿命が長く、製造
装置から流入するガス中に含まれる固形成分も排気で
き、腐食性ガスに対しても耐食性を容易にもたせること
ができる。

【０００９】上記のように半導体製造設備で使用される
真空ポンプは、真空ポンプ油を使用しないドライ真空ポ
ンプに置き換わったが、ドライ真空ポンプは、油回転真
空ポンプに比べて消費電力が大きいという問題を有して
いる。特に、環境上の問題からエネルギー消費を抑える
必要が生じたことと半導体製造のコストダウンが要求さ
れることから、ドライ真空ポンプの消費電力を５０％以
下に抑制したいとの要望が生じている。

【００１０】例えば、ルーツ型ドライ真空ポンプは、回
転軸に沿って複数のロータを備えた回転体を相隣接して
設け、相対向したロータが互いに僅かの隙間を保って逆
方向に回転してガスの吸入、排気を行うもので、３段か
ら６段のポンプ室から構成され、各段のポンプ室で順次
ポンプ作用を行うものである。このポンプでは、排気ガ
スが前段部から後段部へと移動するのに伴ってガス圧が
上昇することから、排気容量は、前段部より後段部は小
さくても良い。同一の軸上に多段のルーツ型ロータを設
ける場合、それぞれのロータは、加工のし易さ及びロー
タ間の同期の取り易さから同一の外形形状とされている
のが現状である。そのため、ガスの吸入側から吐出側に
向かって排気容量を段階的に小さくするためには、ロー
タの厚みを段階的に薄くすることで対応している。

【００１１】ここで、ルーツ型ポンプでの排気気体の圧
縮は、ロータ表面の凹み部とケーシングにより構成され
る空間に排気気体が一旦閉じ込められ、ロータが回転す
ることでこの空間が吐出側空間とつながり、その瞬間に
吐出側気体が上記空間内に逆流することで行われる。ル
ーツ型ポンプでは１〜１０Ｐａ程度の到達圧力が得ら
れ、到達圧力から３ｋＰａ付近までが常用圧力となる。
吐出口圧力は大気圧で一定である。したがって、吸入口
側を真空に保つためには、圧縮行程でロータ室に逆流し
たガスを押し戻してやる必要があり、大気圧からの逆流
を受け止める最終段では、ガスを押し戻すためにポンプ
全体の所要動力の約７０％から８０％程度が使われる。

【００１２】上述の多段ルーツ型ポンプにおいて、最終
段の仕事は、押し戻すガス量が小さければ少なくなる。
そのため、上述したようにロータ厚みを薄くしてポンプ
後段部の排気容量を小さくしている。このように、最終
段の排気容量を小さく設定することによりポンプの常用
圧力範囲での所要動力を抑え、省エネルギー化に役立て
ているのが現状である。

【００１３】クロー型ポンプは、ルーツ型とはロータ形
状が異なるだけで排気原理は全く同じである。他方、ス
クリュー形ポンプは、２本のネジのネジ溝により構成さ
れる空間を軸方向に沿って移動させ気体を輸送するもの
で、吐出部のガスがネジ溝により構成される空間に流れ
込み、圧縮が行われるのはルーツ型と同様である。ネジ
溝は連続していることから、ルーツ型、クロー型のよう
に任意に後段に向かって排気容量を小さくするためには
ネジ溝のピッチを連続して小さくする構造がとられてい
る。しかし、ネジ溝のピッチを変えるには限界があるこ
とから、ピッチが異なるロータをブロック状に組み合わ
せて最終段の排気容量を小さくするなどの工夫が行われ
ている。

【００１４】最終段の排気容量の設定は、そのポンプの
用途により異なる。例えば多段ルーツ型ポンプにおい
て、１段目に対して最終段の排気量を５０％程度に設定
したものは、常用圧力範囲において圧縮熱を多く発生す
る。つまり、半導体製造装置の減圧ＣＶＤ装置やエッチ
ング装置では、反応の過程で発生するガス中に排気装置
内で飽和蒸気圧を超える濃度となると固体として析出す
るものが含まれているが、これらのガスを排気するため
にはドライポンプの温度を１００〜１６０℃程度の高温
にして析出を防止する必要がある。この目的から圧縮熱
により効率良くポンプを加熱できる５０％程度の排気速
度比が採用される。

【００１５】一方、スパッタリング装置や蒸着装置など
では、排気されるガスはアルゴンやヘリウムなどの不活
性ガスが主体であり、ポンプ温度を高める必要がないこ
とから極力、消費電力が小さいポンプが要求される。こ
の場合には、最終段の排気容量を１段目に対して２０〜
２５％程度に設定する。この設定では、最終段の排気容
量が１段目の排気容量の５０％程度であるポンプに対し
て、到達圧力時の消費電力を３０〜６０％低減させるこ
とができる。

【００１６】ところで、ポンプを高温にする必要のない
用途のドライポンプにおいては、最終段の排気容量を１
段目の排気容量に対して２０％以下にすることで更に省
エネルギー化を図ることが可能となるが、機械的な面で
障害が生じる。例えば最終段の排気容量を１段目に対し
て２５％程度とした場合、最大排気速度が８０ｍ³／Ｈ
ｒクラスのポンプでは、１段目のロータ厚みは３０ｍｍ
程度とする場合が多いが、この場合は、最終段のロータ
厚みは７．５ｍｍとなり、ロータ自体の強度が小さくな
ることから加工時にロータ側面と軸心との直角度が出し
にくく、ロータ側面と隔壁間の隙間を０．１ｍｍから
０．２ｍｍに保つことが困難である問題が生じる。

【００１７】また、ロータ側面と隔壁との間の隙間は、
加工精度およびケーシングとロータ軸の熱膨張差による
変動の制限から０．１ｍｍから０．２ｍｍ必要とするた
め、ロータ幅に対する隙間の比率がロータを薄くするこ
とで大きくなり、容積効率が低下する問題も生じる。こ
れに対して、最終段のロータ幅を機械的に安定した幅に
設定し、ロータ径を小さくして前段側ロータの幅を決定
する方法もあるが、この方法ではポンプ長が長くなり、
省スペースの点からは不都合である。

【００１８】一方、特開平６−１２９３８４号公報に
は、上記ドライ真空ポンプ（以下、主ポンプともい
う。）の後段に、主ポンプ側から大気側へのガスの流れ
のみを許容する逆止弁を設けるとともに、主ポンプより
も排気容量の小さい補助ポンプを上記逆止弁をバイパス
するように主ポンプの吐出側に設けることによって、主
ポンプの吐出側を大気圧以下に排気しポンプ最終段に侵
入するガスの押し戻し仕事を低減する技術が開示されて
いる。

【００１９】この技術によれば、従来では大気圧とされ
ていた主ポンプの吐出側が補助ポンプによって大気圧以
下の所定の真空度に排気、維持されるために、主ポンプ
への逆流ガスが大幅に低減され、よって、逆流ガスの押
し戻しに必要とされる動力を確実に低減することが可能
となり、主ポンプの駆動動力の省エネルギー（以下、省
エネともいう。）化を図ることが可能となる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報によれば確かに主ポンプの消費電力を低減することは
可能となるが、補助ポンプを含めた真空排気系全体から
見た場合に必ずしも常に効率の良い省エネ化を図ること
ができるとは限らない。つまり、主ポンプの低消費電力
化が達成されたとしても、主ポンプの低消費電力化に寄
与する補助ポンプの運転状態によっては、補助ポンプの
消費電力が大きくなって真空排気系全体としての省エネ
効果が減殺されることがわかった。

【００２１】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、主ポ
ンプ及びその補助ポンプを含めた真空排気系全体の効率
の高い省エネ効果を得ることができる真空排気方法およ
び真空排気装置を提供することを課題とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
当たり、本発明は、主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａに
おける補助ポンプの排気速度を、主ポンプの排気速度の
３％以下とする。これにより、補助ポンプの大型化およ
びその消費電力の増大を抑制し、真空排気系全体として
の設置スペースの低減と、効率的な省エネ化を図ること
ができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。本実施の形態では、スパッ
タリングや蒸着など、排気ガス中にポンプ内で析出堆積
する成分を含まないプロセス（ライトプロセス）におけ
る真空処理室用の真空排気装置を例に挙げて説明する。

【００２４】図１は本発明の実施の形態による真空排気
装置の概略配管構成を示している。真空処理室１は、排
気配管５を介して単一のドライ真空ポンプで構成される
主ポンプ２に連絡している。主ポンプ２の吐出側には、
大気と連絡する配管６ａ，６ｂが接続され、これら配管
６ａ，６ｂ間には、主ポンプ２側から大気側へのガスの
流れを許容しその反対の流れを禁止する逆止弁４が設け
られている。また、主ポンプ２の吐出側を排気する補助
ポンプ３が、逆止弁４をバイパスするバイパス配管７
ａ，７ｂ間に配置されている。

【００２５】なお、排気配管５には、真空処理室１と主
ポンプ２との間を連通／遮断するメインバルブが図示せ
ずとも配置されており、排気配管５の下流側は排ガス処
理装置に接続されている。また、主ポンプ２の上流側に
ターボ分子ポンプ等の高真空排気用ポンプが接続されて
いてもよい。

【００２６】主ポンプ２の構成を図２および図３を参照
して説明する。本実施の形態における主ポンプ２は容積
移送式のルーツ型ドライ真空ポンプで構成されるが、勿
論これに限られず、クロー型やスクリュー型といった他
の容積移送式あるいは容積移動型のドライ真空ポンプを
用いることも可能である。

【００２７】主ポンプとしてのルーツ型ドライ真空ポン
プ２は公知の構成を備えている。すなわち、ハウジング
２０内に軸受２６，２７によって支持される一対の回転
軸２１，２２が相隣接して収容され、各回転軸２１，２
２にはその軸方向に沿って図３に示す形状の三葉の複数
のロータ２１ａ，２１ｂが設けられている。各段におけ
るロータ２１ａ，２１ｂ間には互いに僅かな隙間が形成
され、ＤＣブラシレスモータ２５によりタイミングギヤ
２８（ここでは一対のギヤの片側のみ図示）を介して各
回転軸を互いに逆方向へ同期回転させることによって、
排気配管５が接続される吸入口２３から吸入したガスを
前段側のロータから後段側のロータへ順次移送し、配管
６ａが接続される吐出口２４へ、移送したガスを送り出
すようになっている。これにより、真空処理室１が所定
の真空度にまで真空排気される。ここでは最大排気速度
が１５０ｍ³／Ｈｒ（３０００Ｐａ）で２Ｐａの到達圧
力が得られるルーツ型ドライ真空ポンプが用いられてい
る。

【００２８】ここで本実施の形態では、回転軸２１，２
２に設けたロータ２１ａ，２１ｂを前段側から後段側に
向けて段階的に薄くすることによって、ガスの吸い込み
側から吐き出し側に向かって排気容量を段階的に小さく
設定しており、最終段の排気容量は１段目の排気容量に
対して２５％とされている。

【００２９】補助ポンプ３には、消費電力の小さい効率
の良い構造のポンプが必要である。すなわち、ポンプ構
造として、ポンプの圧縮行程において排気ガスの体積が
減少する構造のものがよい。具体的には、回転翼型（ゲ
ーデ型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラン
型）、スクロール型が適している。

【００３０】上記主ポンプとして用いられるルーツ型、
クロー型、スクリュー型のような容積移動型ポンプで
は、ロータとハウジングにより形成される空間内に閉じ
込められたガスに対し、ロータの回転によりこの空間が
吐出側に開放された瞬間に吐出側ガスが当該空間内に逆
流してくることにより圧縮が行われる。したがって、容
積移動型ポンプでは逆流ガスを効率良く小さくすること
ができず、省エネ率が小さくなる。

【００３１】これに対して、上記のような圧縮行程にお
いて排気ガスの体積が減少する構造のポンプにおいて
は、圧縮過程で体積が小さくなり大気圧以上となって吐
出口から排出されるので、容積移動型ポンプのような逆
流は基本的に発生しない。また、ピストン型、ダイアフ
ラム型の往復動型ポンプは、その排気原理から吸入弁、
吐出弁を持たなければならないことから、吐出口からポ
ンプ室（シリンダ内）への逆流は存在しない。回転翼型
においては、ガスが排出される段階で圧縮が不十分で大
気圧以上とならなかった場合においても、その時点での
ロータ室の吐出口側に開放される体積は小さいことから
逆流の影響は小さい。実際には、ロータ室内が大気圧以
上になると開放する排気弁を設けることができるので、
逆流はさらに抑制される。

【００３２】以上の説明から明らかなように、回転翼型
（ゲーデ型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラ
ン型）、スクロール型といった構造の真空ポンプを補助
ポンプ３として用いることによって、本発明に係る真空
排気装置の高い省エネ効果を得ることが可能となる。

【００３３】なお、本実施の形態における補助ポンプ３
は、その具体的な構成の図示は省略するが、本実施の形
態では最大排気速度が１．８ｍ³／Ｈｒであり、２０ｋ
Ｐａ以下の到達圧力を有する回転翼型（ゲーデ型）のド
ライ真空ポンプが用いられている。

【００３４】一方、上記の排気原理および構造とは異な
る他の原理および構造のポンプとして、例えば気体の粘
性を利用したドラッグ型、ボルテックス型、ターボ型真
空ポンプはポンプ効率が低いことから、上記補助ポンプ
３としては適切ではない。また、ガスまたは水エゼクタ
は、トータルエネルギー効率が低いことと、作動ガス、
作動液による真空の汚染が生じる可能性があるので、こ
れも補助ポンプ３として適切ではない。

【００３５】次に、逆止弁４の構成を図４を参照して説
明する。

【００３６】逆止弁４は、大気側に位置する筒状の上本
体４１と主ポンプ２側に位置する筒状の下本体４２とか
らなるハウジング４０、上本体４１と下本体４２との間
に形成される弁室４４、弁室４４の下本体４２側端部に
形成される環状の弁座４５、弁座４５に対して着離座可
能な弁球４６および、弁室４４の上本体４１側に形成さ
れ弁球４６の所定以上のリフト動作を規制するためのス
トッパ４７とを備えている。

【００３７】上本体４１と下本体４２との結合面には環
状のシールリング４８が介装されるとともに、上本体４
１と下本体４２とが複数本のボルト部材４３により結合
されることによって、両者が気密に一体化されている。
弁球４６は例えば中空のステンレス球からなり、その表
面は薄いゴム膜で被覆されている。本実施の形態では、
弁球４６の自重は約５０ｇであり、当該逆止弁４の入口
側の圧力が大気圧より約７００Ｐａ高くなると図３にお
いて上方へ持ち上げられる（リフトする）ようになって
いる。ストッパ４７は、図示するように上本体４１の筒
状の下端部の周方向に沿って９０度間隔に下方に突出す
る４本の爪から構成される。したがって、弁球４６を持
ち上げて弁室４４内に流入したガスは、ストッパ４７を
構成する各爪の間を通って大気側へ流出することにな
る。

【００３８】上記構成の逆止弁４は流体の抵抗が小さ
く、入口側の僅かな圧力上昇で開弁するので早い圧力変
動にも追従することができる。つまり、主ポンプ２とし
て用いられる容積移動型ポンプでは、ポンプ吐出部のガ
スはロータ室内に逆流したりロータ室から押し出された
りする動きを繰り返していることから、ポンプ吐出部の
ガスは脈動を生じており、主ポンプ２の吸入ガス量が少
なくなると弁球４６はここでの脈動の影響で弁座４５に
対する着座、離座を繰り返すようになる。この場合、脈
動に対する弁体の追従性が悪いと、弁体が着座している
時間がなくなり、補助ポンプの吸入側は大気圧に開放さ
れたままとなって主ポンプの吐出部を減圧することがで
きなくなる。そこで本実施の形態では、逆止弁４の弁体
（４６）を球状とし、その自重のみで逆止弁４の開閉を
行うようにしており、脈動に対する追従性を高めるよう
にしている。

【００３９】なお、一般の逆止弁の構造は弁体をばねで
弁座に向けて付勢していたり、弁体をドアのようにスイ
ングさせるものが多いが、これらのものは低い開放圧力
を得ること、脈動に対する弁体の追従性を確保するこ
と、閉となった時の漏れ（リーク）をなくすことの各点
において困難が多く、本発明に係る真空排気装置におけ
る逆止弁として用いるには適さない。

【００４０】次に、以上のように構成される本実施の形
態の真空排気装置の作用と併せて、本発明の詳細につい
て説明する。

【００４１】真空処理室１は、主ポンプ２によって大気
圧から所定の真空度にまで粗引き排気される。補助ポン
プ３は、主ポンプ２が運転しているときは常時運転され
る。主ポンプ２の排気ガス量が多いために補助ポンプ３
で主ポンプ２の吐出側を排気しても大気圧以下とならな
い場合は、逆止弁４が開いて排気ガスを図１において矢
印ａで示す方向に排出する。一方、真空処理室１の排気
作用が進むと、ドライ真空ポンプ２の吸入圧力は低下
し、これに伴って主ポンプ２の吐出口２４のガス量が低
下する。

【００４２】主ポンプ２の吐出側が補助ポンプ３の排気
作用によって大気圧以下とすることができるガス流量と
なると、逆止弁４は開閉を繰り返す脈動状態となる。本
実施の形態では、上述のように逆止弁４を脈動に対する
追従性を高めた構造となっているので、本発明の真空排
気装置を高い信頼性を確保して運転することができる。

【００４３】主ポンプ２の吐出側が大気圧以下となると
逆止弁４は完全に閉じ、以後、図１における矢印ａの方
向のガスの流れはなくなり、補助ポンプ３の排気作用に
よる矢印ｂの方向への排気のみとなる。これにより、主
ポンプ２の吐出圧は低下し始め、主ポンプ３への逆流ガ
ス量が低減するので、主ポンプ２の消費電力は減少す
る。

【００４４】なお、逆止弁４が開弁するぐらいに主ポン
プ２の排気ガス量が大きい状態では、補助ポンプ３はあ
まり役に立っておらず、主ポンプ２の消費電力と補助ポ
ンプ３の消費電力とを合わせた真空排気装置全体の消費
電力は、補助ポンプ３を運転させないときに比べて大き
くなる。しかし、半導体製造装置においては真空処理室
（真空容器）の体積は１００リットル以下のものが多
く、補助ポンプ３が役に立つ圧力に達する時間は数分で
あることから、省エネの点からは無視することができ
る。

【００４５】図５は、排気速度１５０ｍ³／Ｈｒの主ポ
ンプ２の後段（吐出側）に排気速度１．８ｍ³／Ｈｒの
補助ポンプ３を取り付けた真空排気装置の、主ポンプ２
の吸入圧力に対する消費電力（主ポンプ２＋補助ポンプ
３）特性を示している。主ポンプ２は上述したように最
終段の排気容量が１段目の排気容量に対して２５％に設
定された省エネタイプのポンプである。図５において一
点鎖線は補助ポンプ３を取り付けない場合を示し、実線
は補助ポンプ３および逆止弁４を取り付けた場合を示し
ている。なお、横軸（吸入圧力）は対数目盛としてい
る。

【００４６】図５に示すように、補助ポンプ３を取り付
けることで、１ｋＰａ以下の圧力範囲では消費電力は急
激に下がり、補助ポンプ３を取り付けない場合と比較す
ると、到達圧力時においては１．３５ｋＷの消費電力が
０．３２ｋＷとなり、約７６％の省エネ率（消費電力削
減率）が得られている。また、主ポンプ２の吸入圧力が
４００Ｐａの場合には、補助ポンプ無しの場合の消費電
力が１．４ｋＷに対し、補助ポンプ３を付けたときの消
費電力は０．６７ｋＷとなり、省エネ率は約５２％とな
る。

【００４７】なお、補助ポンプ３の排気速度を大きくす
ると、主ポンプ２の消費電力が減少を開始する圧力が図
示する１ｋＰａ近傍から図中右側、すなわち吸入圧力が
高い方に移動し、省エネが有効となる圧力範囲が広が
る。しかし、補助ポンプ３の排気速度を大きくすると補
助ポンプの消費電力が増大し、省エネ効果が小さくな
る。一般に半導体製造装置で使用される真空排気系で
は、少量のプロセスガスを真空処理室１に流し込み、所
定の圧力を維持しながら成膜等の処理を行う。その際の
主ポンプ２の吸入圧力は、高い場合でも１５００Ｐａ程
度であることから、３０００Ｐａ程度以下の吸入圧力範
囲で省エネ効果が得られれば本発明の目的は達成され
る。

【００４８】次に、図６は、主ポンプとしてのドライ真
空ポンプをターボ分子ポンプの後段側ポンプとして使用
した場合を想定して、互いに排気速度が異なる主ポンプ
と補助ポンプとを組み合わせたときの排気速度比と消費
電力比との関係を示している。主ポンプの吸入圧力は、
４００Ｐａである。ここで、排気速度比とは補助ポンプ
の排気速度と主ポンプの排気速度との比をいい、消費電
力比とは、補助ポンプ使用時の消費電力と補助ポンプ非
使用時の消費電力との比をいい、従って消費電力比１０
０％は省エネ効果が全くない場合をいう。なお、補助ポ
ンプ使用時の消費電力は主ポンプと補助ポンプの総計の
消費電力を、補助ポンプ非使用時の消費電力は主ポンプ
の消費電力をそれぞれ意味する。

【００４９】図６から、排気速度比が大きくなればなる
ほど消費電力比は低くなり、よって省エネ効果が高まる
ことがわかる。また、排気速度比が３％付近になると消
費電力比の低減率が小さくなることが認められるが、そ
の理由については後述する。以上から、主ポンプの吸入
圧力が４００Ｐａの時、当該主ポンプの排気速度に対し
て３％以下の排気速度を持つ補助ポンプを使用すること
により省エネ化を効率良く達成することができる。本実
施の形態においては、主ポンプ２と補助ポンプ３の排気
速度比は１．２％であるので、上記条件を満足する。

【００５０】主ポンプに対する補助ポンプの排気速度比
を大きくすることにより主ポンプの省エネ効果が現れる
吸入圧力は上述のとおり高圧側に移行するが、反面、補
助ポンプの消費電力は大きくなり、主ポンプと補助ポン
プとを合わせた消費電力は、補助ポンプを使用しない場
合の消費電力より大きくなってしまう。このことを図７
及び図８を参照して説明する。

【００５１】ここで、図７は、補助ポンプとして使用で
きるポンプの排気速度に対する消費電力の代表的な値を
示したものである。また、図８は、本実施の形態におけ
る主ポンプ２としての１５０ｍ³／Ｈｒの排気速度のド
ライ真空ポンプを例にとり、主ポンプ吸入圧力４００Ｐ
ａの排気速度に対する図７に示した特性の補助ポンプの
排気速度比を変化させた場合の消費電力を示したもので
ある。

【００５２】図８において、一点鎖線は主ポンプ２のみ
の消費電力で、補助ポンプの排気速度比を大きくするこ
とで急激に消費電力を減少するが、排気速度比４％程度
以上では主ポンプ２のメカニカルロスの値に収斂する。
破線は図７に示した特性の補助ポンプの消費電力を排気
速度比との関係に置き換えて示したものである。そし
て、実線はこれらの和で、これが真空排気装置としての
消費電力となる。

【００５３】図８の実線で示す結果から、主ポンプ２に
対する上記補助ポンプの排気速度比３％程度が最も低い
消費電力を示すことがわかる。主ポンプ２の吸入圧力４
００Ｐａにおいて省エネ率５０％（図５参照）を得る場
合を検討すると、上記排気速度比は１．２％又は９．４
％のどちらでもよいことになるが、排気速度比９．４％
での補助ポンプは、１．２％の補助ポンプ（すなわち本
実施の形態における補助ポンプ３）より大型となり、設
置スペースおよびポンプを製造するためのエネルギーの
比較においては不具合を生ずることになる。したがっ
て、排気速度比が３％以下の補助ポンプを選択すれば、
全体的に省エネ率の高い真空排気装置を得ることができ
る一方、排気速度比が３％超の補助ポンプでは、逆に省
エネ効果が減殺されることがわかる。

【００５４】一方、図５に実線で示したように、１０Ｐ
ａ以下の吸入圧力範囲では消費電力はほぼ水平となって
いる。この状態は、主ポンプ２の吐出部圧力が低くなり
ポンプ室内の圧縮仕事が無視できるほど小さくなった場
合で、ここでの消費電力は、主ポンプ２の軸受２６，２
７や、ＤＣモータ２５の回転駆動力を各回転軸２１，２
２へ伝達するタイミングギヤなどの機械損（メカニカル
ロス）を表している。主ポンプ２の吸入圧力を徐々に高
めていくと消費電力も徐々に上昇する。このことは、主
ポンプ２の最終段で圧縮仕事（ここでは、逆流ガスを押
し戻す仕事）が目に見えるかたちとなってきたことを示
している。主ポンプ２の消費電力は、吐出部圧力と比例
的関係を持つので、図５の実線で示す低い消費電力を得
るには、補助ポンプがここでの測定時の吐出圧まで排気
できる能力を持っていなければならないことになる。

【００５５】そこで、種々の排気速度の異なるドライポ
ンプを使用して到達圧力時の消費電力から１０％消費電
力が上昇する吸入ガス量の設定を行い、このときの補助
ポンプの圧力を調べると、６．５ｋＰａから２０ｋＰａ
の値が得られた。このことは、補助ポンプ３として２０
ｋＰａ以下の圧力まで排気できる能力を持ったポンプを
使用しないと、到達圧力時において主ポンプ２のメカニ
カルロスと等しい消費電力が得られないことを示してい
る。

【００５６】続いて、図９の実線は本実施の形態におけ
る真空排気装置の排気速度特性を、一点鎖線で示す補助
ポンプがない場合の排気速度特性と比較して示してい
る。１ｋＰａ以下の吸入圧力では、補助ポンプがない場
合に比べて約１０％排気速度が大きくなっている。更
に、到達圧力は２Ｐａから１Ｐａに向上している。これ
は、主ポンプ２の吐出口圧力が低下したことで逆流ガス
量が小さくなり、容積効率が高まったことによる。補助
ポンプ３の付加は、消費電力の削減のみの効果に止まら
ず、排気速度および到達圧力の向上にも効果がある。

【００５７】以上のように、本実施の形態によれば、小
さい排気能力を持った補助ポンプで主ポンプの消費電力
を効率良く低減することができるので、真空排気装置全
体としての効率的な省エネ化を図ることができる。一例
を挙げるならば、φ２００ｍｍのウェーハを月産１００
００枚加工する半導体工場においてドライ真空ポンプ
（主ポンプ）が概略３００台使用されていると、本発明
の対象となるライトプロセスに使用されているドライ真
空ポンプが全体の３０％を占めるとすると、その数は９
０台となる。これらに補助ポンプ無しのドライ真空ポン
プが使用されていて、これらを本発明の補助ポンプ付き
のドライ真空ポンプと置き換えるとともに、当該補助ポ
ンプとして上記実施の形態の補助ポンプ３の特性（排気
速度比）を具備するポンプを選定することによって、一
台当たり１ｋＷの電力が削減できることとなることか
ら、一年当たりの電気料金は一工場当たり１１８２万円
節約できることとなる（１ｋＷ＝１５円として計算）。
更に、二酸化炭素の排出量を求めると２７６ｔの削減効
果が得られる。

【００５８】一方、補助ポンプ３は取付スペースが小さ
く、主ポンプ２の吐出配管へ接続されるバイパス配管７
ａ，７ｂも１０ｍｍ程度の細い配管で構成することがで
き、しかも、電気制御系も必要としないことから、既存
のドライ真空ポンプを容易かつ安価にここでの省エネ型
ポンプ（真空排気装置）に改造することができる。これ
により、半導体製造コストの削減および環境への付加低
減に大きく寄与することができる。

【００５９】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００６０】例えば以上の実施の形態では、主ポンプ２
として単一のドライ真空ポンプを用いて説明したが、こ
れに限らず、例えばルーツ型ドライ真空ポンプを複数段
直列的に接続して構成した複合型ポンプを上記主ポンプ
として用いることも可能である。

【００６１】また、以上の実施の形態では補助ポンプ３
を単一の主ポンプ２の吐出側に接続する構成について説
明したが、例えば図１０に示すように、複数台（図では
３台）並列的に配置された主ポンプ２Ａ〜２Ｃの吐出側
を一台の補助ポンプ３で排気する構成も、本発明は適用
可能である。図示する例は、主ポンプ２Ａ〜２Ｃ各々に
対して逆止弁４Ａ〜４Ｃを設けるとともに補助ポンプ３
との間に開閉弁１１Ａ〜１１Ｃを設けている。各主ポン
プ２Ａ〜２Ｃは互いに異なる真空処理室に連絡している
ものとする。この場合、主ポンプ２Ａ〜２Ｃの動作台数
によって補助ポンプ３の吸入ガス量が変動するので、主
ポンプ２Ａ〜２Ｃの動作台数に応じて補助ポンプの排気
速度（回転数）を可変とするのが望ましい。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の真空排気方
法および真空排気装置によれば、小さい排気能力を持っ
た補助ポンプで主ポンプの消費電力を効率良く低減する
ことができるので、真空排気装置全体としての効率的な
省エネ化を図ることができる。また、補助ポンプとして
小型のポンプを用いることができるので、補助ポンプの
設置スペースを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による真空排気装置の概略
配管構成図である。

【図２】本発明の実施の形態における主ポンプの構成を
示す断面図である。

【図３】図２における［３］−［３］線方向断面図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態における逆止弁の構成を示
す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態における真空排気装置の作
用を説明する図であり、主ポンプ吸入圧力と装置全体の
消費電力との関係を示す。

【図６】本発明の実施の形態における真空排気装置の作
用を説明する図であり、主ポンプに対する補助ポンプの
排気速度比と消費電力比との関係を示す。

【図７】代表的な補助ポンプの排気速度と消費電力との
関係を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態における真空排気装置の消
費電力特性を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態における真空排気装置の吸
入圧力と排気速度との関係を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態の変形例を示す真空排気
装置の概略配管構成図である。

【符号の説明】

１真空処理室２主ポンプ３補助ポンプ４逆止弁２１，２２回転軸２１ａ，２２ａロータ４５弁座４６弁球

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中智成神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地株式会社アルバック (72)発明者深浦裕治神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地株式会社アルバック (72)発明者矢作充神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地株式会社アルバックＦターム(参考） 3H029 AA02 AA03 AA06 AA09 AA24 AB05 AB08 BB42 BB53 CC06 CC13 CC23 CC53 CC83 3H045 AA03 AA05 AA09 AA14 AA25 AA38 BA20 BA32 CA02 DA12 DA31 EA13 EA44 3H071 BB02 BB13 CC11 CC33 DD14 DD35 DD37 3H076 AA12 AA16 AA21 AA37 BB21 BB38 CC43 CC94 CC95 CC97

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空処理室に連絡する主ポンプと、この
主ポンプの吐出側に接続され前記主ポンプから大気側へ
のガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記主ポンプの
吐出側に前記逆止弁に対して並列的に配置され前記主ポ
ンプよりも排気容量の小さい補助ポンプとを備え、前記
主ポンプおよび前記補助ポンプを運転して前記真空処理
室を真空排気する真空排気方法であって、前記主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａにおける前記補助
ポンプの排気速度を、前記主ポンプの排気速度の３％以
下とすることを特徴とする真空排気方法。
【請求項２】前記補助ポンプの到達圧力が、２０ｋＰ
ａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の真空排
気方法。
【請求項３】主ポンプと、この主ポンプの吐出側に接
続され前記主ポンプから大気側へのガスの流れのみを許
容する逆止弁と、前記主ポンプの吐出側に前記逆止弁に
対して並列的に配置され前記主ポンプよりも排気容量の
小さい補助ポンプとを備えた真空排気装置であって、前記補助ポンプが、前記主ポンプの吸入圧力が４００Ｐ
ａにおける前記主ポンプの排気速度の３％以下の排気速
度で運転されるポンプであることを特徴とする真空排気
装置。
【請求項４】前記主ポンプが、容積移動型のドライ真
空ポンプ、または、当該ドライ真空ポンプを複数段直列
的に接続した複合型ポンプであることを特徴とする請求
項３に記載の真空排気装置。
【請求項５】前記主ポンプが並列的に複数台配置さ
れ、前記補助ポンプの吸い込み側が前記各主ポンプの吐
出側に接続されてなることを特徴とする請求項３に記載
の真空排気装置。
【請求項６】前記補助ポンプが、２０ｋＰａ以下の到
達圧力を有する真空ポンプでなることを特徴とする請求
項３に記載の真空排気装置。
【請求項７】前記補助ポンプが、回転翼型（ゲーデ
型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラン型）ま
たはスクロール型の真空ポンプであることを特徴とする
請求項６に記載の真空排気装置。
【請求項８】前記逆止弁が、弁座に対して自重により
着座する球状の弁体を有することを特徴とする請求項３
に記載の真空排気装置。