JP2005105851A - 真空ポンプ、および真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで制御性に優れた圧力調整を実現する。
【解決手段】真空ポンプＰはターボ分子ポンプ機構部Ｐｔに吸気口４から吸入されたガス分子のうちで移送方向に運動量が付与されるガス分子の確率Ｍを変動させる圧縮比調節機構部Ｐγを備え、真空ポンプＰに接続された制御系統５１において、真空ポンプＰの吸気口４に装着された真空チャンバＣ内の圧力を圧力計１０３で測定し、測定された測定圧力値と予め設定された目標圧力値との差分を補正値として補正値検出器５２で検出し、補正値に対応した回転角度指令信号をＰＩＤ補償器５３から圧縮比調節機構部Ｐγを駆動する駆動モータ３９に出力して制御することで真空チャンバＣ内の圧力を調整するものとする。
【選択図】図１１

Description

本発明は、半導体製造装置や液晶ディスプレイパネル製造装置に使用される真空ポンプとこの真空ポンプを備えた真空装置に関する。

半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤ等のプロセスでは、真空チャンバ内の圧力を所定の値に保つために、例えばターボ分子ポンプのような真空ポンプが使用される。

図１３に示すように、従来の真空装置Ｄにおいて、真空チャンバＣの排気口に設置された真空ポンプＰは、真空チャンバＣの内部に導入されたプロセスガスを吸入，圧送，排出して、真空チャンバＣ内の圧力が所定の真空度になるように機能する。また、この種の真空装置Ｄでは、真空チャンバＣ内の圧力を制御する手段として、真空チャンバＣと真空ポンプＰとの間のコンダクタンスの値を変更する機構が設けられている場合がある。

例えば、特許文献１に開示された真空装置では、真空ポンプの吸気口部に複数の吸気制御板が設けられており、これらの制御板を開閉して真空チャンバから真空ポンプに吸入されるプロセスガスの排気速度を変更する方法が採用されている。

また、特許文献２に開示された真空装置では、真空ポンプ内部の所定のステージにコンダクタンス可変バルブが設けられており、このバルブを開閉してプロセスガスの通路面積を増減する方法が採用されている。

この他に真空チャンバ内の圧力を制御する手段としては、例えば真空ポンプの回転体の回転数を変更する方法や、真空ポンプの所定のステージにおいて真空チャンバ内に導入されるプロセスガスとは異なる種類のガスをリークする方法等が知られている。

特許第３３９９１０６号公報

特許第３０１０５２９号公報

まず、真空ポンプの吸気口部や真空チャンバと真空ポンプとの間にバルブを設ける方法を採用した場合には、バルブの開閉動作が繰り返し行われることから、接触するバルブ部材どうしの摩耗によって生じる塵埃が問題となる。すなわち、真空チャンバ内にあるプロセスガスを真空ポンプで吸引しても、真空ポンプの前段にこのような発塵の要因となるバルブがあると、バルブの開閉動作で生じた塵埃の真空チャンバ側への逆流が起こる。すると、逆流して真空チャンバ内で飛散している塵埃が作業中のシリコンウエハの上に落下してしまい、半導体ＩＣの製造不良を引き起こすという問題点がある。

次に、真空ポンプ内部の所定のステージにコンダクタンス可変バルブを設ける方法を採用した場合には、真空ポンプ内部のタービン中段にバルブを設けることで塵埃はその上段のタービンで遮られて上流の真空チャンバへの逆流を阻止できるので、前記のような問題は解決される。ところが、この方法によると、バルブによってポンプ内でのプロセスガスの流路の一部を閉塞することになるので、ガスの流れに淀みが起こり、ガス摩擦による発熱や排気効率が低下してしまうという問題点がある。

さらに、回転体の回転数を変更する方法を採用した場合には、回転数を変更する制御命令の応答レスポンスを高める必要があり、制御性に優れた高価な駆動モータを使用しなければならない。加えて、通常運転中に回転体の加減速を急激に行うと発熱や消費電力の増大に繋がるとともに、回転体の通常の高速回転による繰返荷重と、回転体の加減速による変動荷重とが材料に作用して疲労が起こり、この材料疲労が要因で回転体の寿命が短縮してしまうという問題点もある。

最後に、ガスリークによる方法を採用した場合には、ガスを導入するための配管やその流量を調節するための機構が必要で、真空ポンプの製造コストが高くなるとともに装置が大型化してしまう。しかも、真空ポンプの内部にプロセスガス以外のガスを導入することになるので、プロセスガスのガス圧とは異なるガス圧によって回転体のタービンに対する負荷が増加してポンプ駆動にかかるモータ電力が増大するという問題点もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低コストでかつ制御性に優れた圧力調整を可能にする信頼性の高い真空ポンプと真空装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ポンプケース外部からガス分子を吸入する吸気口と、前記ポンプケース内部に固定された複数段のステータ翼と、該ステータ翼間に配置されて回転する複数段のロータ翼とを有し、該ロータ翼を回転させて前記吸気口から吸入されたガス分子を圧縮して移送するポンプ機構部と、前記ポンプ機構部で圧縮して移送されたガス分子を前記ポンプケース外部に排出する排気口と、前記ポンプ機構部に設けられて、前記吸気口から吸入されたガス分子のうちで移送方向に運動量が付与されるガス分子の確率を変動させて該ガス分子の圧縮比を調節する圧縮比調節機構部と、を備え、前記圧縮比調節機構部は、前記ステータ翼を厚み方向に分割した上側ステータ翼と下側ステータ翼とを備え、前記上側ステータ翼と前記下側ステータ翼のいずれか一方が他方に対して相対的に移動して、該上側ステータ翼のブレード部と該下側ステータ翼のブレード部との間のピッチが増減する構造であることを特徴とする真空ポンプを提供するものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載された真空ポンプにおいて、前記圧縮比調節機構部は、前記複数段のステータ翼のいずれかの段に設けられ、それよりも吸気口側に少なくとも１段以上のロータ翼が配置されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載された真空ポンプにおいて、前記圧縮比調節機構部は、前記複数段のステータ翼のうちで、前記排気口側に設けられていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１に記載された真空ポンプにおいて、前記圧縮比調節機構部は、前記複数段のステータ翼のうちで、前記吸気口側から前記排気口側にかけて複数段にわたって設けられていることを特徴とする。

さらに、請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載された真空ポンプと、前記真空ポンプの前記吸気口に装着される真空チャンバと、前記真空チャンバ内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段で測定された圧力測定値に基づいて前記真空ポンプの前記圧縮比調節機構部を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする真空装置を提供するものである。

また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載された真空装置において、前記圧縮比調節機構部が前記真空ポンプにおける前記複数段のステータ翼に設けられ、かつ該圧縮比調節機構部における駆動機構が該ステータ翼の各段に独立して設けられていることを特徴とする。

さらに、請求項７に係る発明は、請求項５または請求項６に記載された真空装置において、前記制御手段は、前記圧力測定手段で測定された圧力測定値と、予め設定された前記真空チャンバ内の目標圧力値とを比較した差分を補正値として検出する補正値検出手段を備え、該補正値検出手段により検出された補正値に対応した制御信号を前記真空ポンプの前記圧縮比調節機構部に出力することを特徴とする。

さらにまた、請求項８に係る発明は、請求項７に記載された真空装置において、前記制御手段は、前記補正値検出手段により検出された補正値を微動補正値，中間補正値，および粗動補正値に分割し、該微動補正値に対応した制御信号を吸気段の圧縮比調節機構部に出力し、該中間補正値に対応した制御信号を中間段の圧縮比調節機構部に出力し、該粗動補正値に対応した制御信号を圧縮段の圧縮比調節機構部に出力することを特徴とするものである。

本発明によれば、真空ポンプのポンプ機構部内に設けられた圧縮比調節機構部で圧縮比を可変させて真空チャンバ内の圧力を効率良く制御できる。また、圧縮比の調節はステータ翼におけるブレード部のピッチという一つのパラメータのみを可変させる構造によって実現できるので、従来のコンダクタンス可変機構のようにガス分子のコンダクタンス値の急激な変化による圧縮熱や排気効率の低下を招くことがなく制御性に優れた圧力調整が可能になる。さらに、回転体の加減速やガスリークを行う必要がないことから、材料の寿命短縮や消費電力の増大といった不具合を解消してメンテナンスフリーや製造コストの低減を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の真空ポンプの概略構成を説明する。

図１に示すように、本実施形態の真空ポンプＰは、半導体製造装置や液晶ディスプレイパネル製造装置における真空装置の一部として使用され、真空チャンバＣ内の圧力が所定の真空度になるように機能する。この真空ポンプＰは運動量輸送式のポンプであり、円筒形状の外装体１の下端面にベース２を一体に接合してなるポンプケース３の内部に、ターボ分子ポンプ機構部Ｐｔとネジ溝ポンプ機構部Ｐｓの２つのポンプ機構部を収容した複合タイプのポンプである。

ポンプケース３は、外装体１の上端面が開口した吸気口４とされており、ベース２の下方側面に排気口５が開設されている。かかる真空ポンプＰは、外装体１に延設された吸気口フランジ６を介して吸気口４が真空チャンバＣの排気口に装着され、排気口５に嵌着された排気パイプ７を介して容積移送式の補助ポンプＰＶの吸気口に連結されることで真空装置Ｄを形成するものである。

次に、この真空ポンプにおけるポンプ機構部の構成を詳しく説明する。

ポンプケース３の内部中央には、各種電装品を内蔵する円筒形状のステータコラム８がベース２の上に固定される。ステータコラム８の中心部には円柱形状のロータ軸９が貫通している。ロータ軸９はステータコラム８の内壁面に埋設された駆動モータ１３に通電することで高速回転するように構成されている。駆動モータ１３はＤＣブラシレスモータやＡＣサーボモータ等が用いられ、ロータ軸９の軸方向の略中心位置に配置される。

ステータコラム８の上端面から突出したロータ軸９には、ステータコラム８を包囲するように断面逆Ｕ字形状に成形された椀型のロータ本体１１がロータ軸９の軸線Ｌ方向に締結される。ロータ本体１１は駆動モータ１３によってロータ軸９と同軸度を保って高速回転するようになっている。ロータ軸９とロータ本体１１の回転数は回転数センサ１４で検出され、検出された信号を電装コネクタ２６にケーブルを介して接続した制御系統５１に出力して駆動モータ１３が制御される。

ロータ本体１１の上側外周部はターボ分子ポンプ機構部Ｐｔとして機能する。ロータ本体１１の外壁面には、所定角度で傾斜したブレード部が放射状に複数列形成してあり、複数列のブレード部がロータ翼１２を構成している。ロータ翼１２はロータ軸９の軸線Ｌ方向に沿って複数段設けられている。

外装体１の内壁面には、ロータ翼１２のブレード部とは反対方向に傾斜したブレード部が複数列形成してあり、複数列のブレード部がステータ翼３１を構成している。ステータ翼３１は複数段設けられており、複数段のステータ翼３１，３１，…は複数段のロータ翼１２，１２，…間に交互に位置決めされる。このステータ翼３１は、後述する複数枚のスペーサ１７，１７，…を交互に積層することで外周縁部が挟持されて外装体１の内壁面に密着固定される。

本実施形態では、ロータ翼１２とステータ翼３１は５段ずつ設けられていて、所望の排気性能を発揮するために、最上段から最下段に向かうにつれて次第に両者間のクリアランスが狭まっていくとともにブレード部の長さも短くなっていく。以下ではステータ翼の各段を機能別に区分して、吸気口４側から数えて１段目（最上段）を「吸気段」、２段目を「中間段」、３段目から５段目（最下段）をそれぞれ「第１圧縮段」「第２圧縮段」「第３圧縮段」と称するものとする。

一方、ロータ本体１１の下側外周部はネジ溝ポンプ機構部Ｐｓとして機能する。ロータ本体１１の外壁面は平滑な円筒面になっていて、この外壁面と極めて狭いクリアランスで対向するように、外装体１の内壁面には所定厚みを有する円筒形状のステータ１８が嵌め込まれている。ステータ１８の内壁面には、上端部から下端部にかけて螺旋状のネジ溝１９が刻設されており、このネジ溝１９はロータ翼１２とステータ翼３１との間の隙間に連通している。

本実施形態において、ネジ溝１９はステータ１８の内壁面に形成されているが、ネジ溝１９をロータ本体１１の外壁面に形成してステータ１８の内壁面を平滑な円筒面にすることもできる。また、ネジ溝１９をステータ１８の内壁面とロータ本体１１の外壁面の双方に形成しても良い。

このように構成されたポンプ機構部は、吸気口４から排気口５へと圧送されるガス分子の流路Ｒを形成している。

ロータ軸９を駆動モータ１３で回転駆動させると、まずターボ分子ポンプ機構部Ｐｔのステージでは、ロータ本体１１とその外壁にある複数段のロータ翼１２，１２，…とが同期して回転動作を行う。すると、所定傾斜角を持って回転するロータ翼１２のブレード部と、反対傾斜角を持って固定されたステータ翼３１のブレード部との相互作用によって次のような排気動作が行われる。

すなわち、吸気口４付近のガス分子は、分子どうしの衝突が分子と流路内壁面との衝突よりも著しく少ない自由分子流状態であり、吸気段におけるロータ翼１２Ａのブレード部とステータ翼３１Ａのブレード部に衝突して吸気されるものと、ブレード部に衝突せずに浮遊しているものとが存在している。このうち、吸気されたガス分子は、中間段におけるロータ翼１２Ｂのブレード部とステータ翼３１Ｂのブレード部に衝突すると移送方向の運動量が付与される。さらに、移送方向の運動量が付与されたガス分子は、第１圧縮段，第２圧縮段，第３圧縮段の順でロータ翼１２Ｃ〜１２Ｅのブレード部とステータ翼３１Ｃ〜３１Ｅのブレード部に交互に衝突し、流路Ｒを狭められながら徐々に中間流の状態に圧縮されていく。そして、中間流の状態に圧縮されたガス分子は下流のネジ溝ポンプ機構部Ｐｓのステージへと移送される。

続くネジ溝ポンプ機構部Ｐｓのステージでは、ロータ軸９の回転駆動に伴ってロータ本体１１が回転している。ここでは、回転するロータ本体１１の平滑な外周面と、固定されたステータ１８にある螺旋状のネジ溝１９との相互作用によって次のような排気動作が行われる。

すなわち、上流のターボ分子ポンプ機構部Ｐｔのステージから移送されてきた中間流のガス分子は、ロータ本体１１の外壁面とネジ溝１９との間に形成された螺旋状の狭い流路Ｒに案内されることでさらに圧力の高い粘性流の状態に圧縮されていく。そして、この圧縮された粘性流のガス分子が最終的には下流の排気口５から排出される。

また、本実施形態の真空ポンプＰでは、ロータ軸９の支持構造として次のような磁気浮上式の軸受が採用されている。

ロータ軸９と対向するステータコラム８の内面中央部には、ロータ軸９に対して半径方向の磁気吸引力を発生させるラジアル電磁石２１が埋設されている。ラジアル電磁石２１は、駆動モータ１３を中心にした上下位置において、それぞれステータコラム８の内周上にロータ軸９を挟んで対向配置されている。これら各対のラジアル電磁石２１，２１に電流を流して励磁すると、ロータ軸９の外周に高透磁率材料の鋼板を積層した積層鋼板１５が電磁石に吸引されてロータ軸９が半径方向の所定位置で支持される。

ロータ軸９はラジアルセンサ２２によってその半径方向の変位が検出され、検出された信号に基づいて制御系統５１でラジアル電磁石２１に励磁される磁力を調整してロータ軸９の半径方向の位置が制御される。

ステータコラム８の内面下端部には、ロータ軸９に対して軸方向の磁気吸引力を発生させるアキシャル電磁石２３が埋設されている。ロータ軸９の下端部外周には透磁率の高い材料からなる円盤形状のアキシャルディスク１６が固定され、アキシャル電磁石２３はこのアキシャルディスク１６を挟んだ上下位置に対向配置されている。この一対のアキシャル電磁石２３，２３に電流を流して励磁すると、アキシャルディスク１６が上下の電磁石に吸引されてロータ軸９が軸方向の所定位置で浮上支持される。

ロータ軸９はアキシャルセンサ２４によってその軸方向の変位が検出され、検出された信号に基づいて制御系統５１でアキシャル電磁石２３に励磁される磁力を調整してロータ軸９の軸方向の位置が制御される。

ステータコラム８の内面上端部と内面下端部には、保護用ドライベアリング２５，２５が内蔵されている。保護用ドライベアリング２５は、ステータコラム８の内壁面に装着された外輪とその内周にある可動の内輪との間にボールを備えてなる転がり軸受であり、ボールと内輪・外輪の両転動面には固体潤滑剤をコーティングしてある。この保護用ドライベアリング２５は、磁気軸受が正常に動作する通常運転時にはロータ軸９に対して非接触であるが、磁気軸受の電源異常時にはロータ軸９に形成された段部が内輪に最初に接触して軸受支持される。よって、磁気浮上していたロータ軸９が電源異常で落下しても、ロータ翼１２とステータ翼３１との接触破壊を防止できる。

このように、本実施形態の真空ポンプＰでは、磁気浮上による非接触式の軸受構造を採用していることからロータ軸９とロータ本体１１の高速回転が可能になる。また、ベアリングにオイル性の潤滑剤が不要になり、真空下でのオイルの蒸発によるガスも発生しないので、ポンプ内が汚れる心配がなくメンテナンスフリーが実現できる。しかも、通常運転中には回転する部材と固定された部材との間に機械的接触がなく金属摩耗による粉塵も発生しないので、半導体製造に不可欠なクリーンな環境が求められる真空装置に好適に使用できる。

ところで、この真空ポンプＰは、吸入圧と背圧との比率、すなわち吸気口４から吸入されたガス分子の圧力を排気口５から排出されたガス分子の圧力で除した値（以下「圧縮比」という）γを調節できる圧縮比調節機構部Ｐγを備えている。本実施形態において、圧縮比調節機構部Ｐγによる圧縮比γの調節は、吸気口４から吸入されるガス分子のうちで移送方向の運動量が付与されて最終的に排気口５に到達するガス分子の割合（以下「輸送確率」という）Ｍを変動させることで行われる。

図２は圧縮比調節機構部の要部構成を示す図であり、図１に示した真空ポンプのターボ分子ポンプ機構部におけるステータ翼を切断して拡大したものである。

図２に示すように、１段分のステータ翼３１は、所定厚みを有する円盤形状のプレートがその厚み方向に２分割され、上側ステータ翼３１−１と下側ステータ翼３１−２とからなる上下２分割体で構成されている。また、ステータ翼３１をロータ翼１２，１２間に位置決めして組み立てる際の作業性を考慮して、円周を２等分する位置には切断溝３１ａが形成されていてステータ翼３１を半円状に２分割できるようになっている。

上側ステータ翼３１−１と下側ステータ翼３１−２は、ともに円環形状の内周フレーム部３２と、この内周フレーム部３２と同心円でかつ大径の外周フレーム部３３と、この内周フレーム部３２と外周フレーム部３３とによってその両端部が放射状にかつ所定の傾斜角度で支持されてなる複数列のブレード部３４，３４，…とを備えている。このような独特の形状を成形するには、例えばアルミニウムやステンレス鋼等からなる金属製の円盤プレートから内周フレーム部３２と外周フレーム部３３を残してエッチング加工し、複数列のブレード部３４，３４，…の輪郭を放射状に切り出しておいて、各列を上側ステータ翼３１−１では下方に下側ステータ翼３１−２では逆に上方に向けて互いに等しい傾斜角度でプレス加工すれば良い。

図３はステータ翼を部分的に切断した断面を示している。同図に示す上下２分割構造のステータ翼３１は、後述する駆動機構によって、上側ステータ翼３１−１と下側ステータ翼３１−２とが、互いに同心度を保った状態で円周方向に相対的にスライド移動するようになっている。本実施形態では、下側ステータ翼３１−２が固定されていて、この固定された下側ステータ翼３１−２に対して上側ステータ翼３１−１が可動する構造が採用されている。また、これとは逆に上側ステータ翼３１−１を固定して、下側ステータ翼３１−２を可動させても良い。

図４で定義するように、上側ステータ翼３１−１と下側ステータ翼３１−２は全列のブレード部３４，３４，…の傾斜角度と、厚み方向の長さ（以下「コード」という）Ｌｃが均一に設定され、互いに厚み方向における平行状態が保たれている。一方、隣り合う列のブレード部３４，３４間における円周方向の距離（以下「ピッチ」という）Ｌｐを増減できるように構成されている。ピッチＬｐは下側ステータ翼３１−２における隣接したブレード部３４，３４間の範囲内で増減する。なお、ピッチＬｐを増減させてもガス分子が通過するブレード部３４，３４間の断面積（ガス分子の通過面積）の総和は変わらずに一定である。

続いて、このステータ翼で構成される圧縮比調節機構部の駆動機構を説明する。図５はこの駆動機構を断面で示し、図６は同駆動機構を上側から見た平面で示している。

図５に示すように、ステータ翼３１は、上下に配置されたスペーサ１７（１７−１，１７−２）で挟持することで外装体１の内壁面に固定される。スペーサ１７は所定厚みを有する円盤プレートで構成されており、表面にはその外側の周縁部を全周にわたって切り欠いた外周凹部１７ａを形成することでその内側に内周凸部１７ｂが設けられ、裏面にはその内側の周縁部を全周にわたって切り欠いた内周凹部１７ｃを形成することでその外側に外周凸部１７ｄが設けられている。

そして、下側スペーサ１７−２，ステータ翼３１，上側スペーサ１７−１の順に積み重ねていくと、下側スペーサ１７−２の内周凸部１７ｂにステータ翼３１の外周フレーム部３３が載置され、外周フレーム部３３が上側スペーサ１７−１の内周凹部１７ｃに押圧されて保持される。スペーサ１７どうしを見てみると、下側スペーサ１７−２の外周凹部１７ａに上側スペーサ１７−１の外周凸部１７ｄが嵌合されて堅固に固定される。

このような上下２分割構造のステータ翼３１において、上側ステータ翼３１−１はその表裏面に配設された上下のベアリング３５（３５−１，３５−２）に支持されて、下側ステータ翼３１−２に対して円周方向の所定範囲内を可動するようになっている。

すなわち、上側ベアリング３５−１は、固定された上側スペーサ１７−１の内周凹部１７ｃに装着した外輪と、可動する上側ステータ翼３１−１の外周フレーム部３３に装着した内輪との間にボールを有する転がり軸受である。また、下側ベアリング３５−２は、固定された下側ステータ翼３１−２の外周フレーム部３３に装着した外輪と、可動する上側ステータ翼３１−１の外周フレーム部３３に装着した内輪との間にボールを有する転がり軸受である。本実施形態では、上側ベアリング３５−１と下側ベアリング３５−２が第２圧縮段３１Ｄと第３圧縮段３１Ｅに同様に設けられている。

なお、上側ステータ翼３１−１は、上側スペーサ１７−１の内周凹部１７ｃと下側ステータ翼３１−２の外周フレーム部３３とにそれぞれシール部材３６，３６を埋設してその隙間が封止され、下側ステータ翼３１−２は、可動しないように下側スペーサ１７−２の内周凸部１７ｂに対して割ピン３７で確実に固定される。

また、可動する上側ステータ翼３１−１の外周フレーム部３３は、図６に示すように円周上の所定箇所が外側に向けて突出成形されている。この突出部分を逃げるように外装体１はその一部が破断しており、この破断部分を密閉するために断面コ字形状のカバー体３８が外装体１の外部に装着される。

カバー体３８の内部空間には駆動モータ３９が設置される。駆動モータ３９は本実施形態ではＤＣステッピングモータが用いられており、駆動モータ３９の先端部には、外周に平歯車を有する駆動ギア４１がシャフトを介した同軸上に装着されている。この駆動ギア４１は駆動モータ３９に印加されるパルス信号で所定の回転角度ずつ正逆自在に回転動作し、その回転数は電装コネクタ２６にケーブルを介して接続した制御系統５１に出力されて制御される。なお、駆動モータ３９の種類としてはＤＣステッピングモータに替えてＡＣサーボモータや超音波モータ等の各種モータを用いても構わない。

一方、上側ステータ翼３１−１において、外周フレーム部３３の突出部分には駆動ギア４１のギア歯に噛み合う平歯車を有する従動ギア４２が形成されており、従動ギア４２の下面には連結ロッド４３が固定されている。この連結ロッド４３は、従動ギア４２と第３圧縮段のステータ翼３１Ｅの上側ステータ翼３１−１とを連結している。上側スペーサ１７−１と下側スペーサ１７−２には、それぞれ連結ロッド４３が通過するための断面楕円形状の溝部１７ｅ，１７ｅが設けられている。

そして、制御系統５１によって駆動モータ３９に電流が流されると、駆動モータ３９が所定の回転角度ずつステッピング駆動し、この回転がシャフトを介して駆動ギア４１に伝達される。駆動ギア４１の回転はギア歯を介して従動ギア４２に伝達されて従動ギア４２が所定の回転角度で回転する。こうして、従動ギア４２に一体化された上側ステータ翼３１−１は、固定された下側ステータ翼３１−２に対する同心度を保ちながら円周方向（図６中矢印イ方向）に所定の回転角度で回転動作し、これにより、図３に示したように、上側ステータ翼３１−１のブレード部３４と下側ステータ翼３１−２のブレード部３４との間のピッチＬｐが増減してステータ翼３１の位相を可変できる。

また、従動ギア４２の回転動作に連動して連結ロッド４３が溝部１７ｅ内を移動することで、第２圧縮段３１Ｄの上側ステータ翼３１−１とその下段の第３圧縮段３１Ｅの上側ステータ翼３１−１とが同期して回転する。したがって、第２圧縮段のステータ翼３１Ｄにおける翼列のピッチＬｐと第３圧縮段のステータ翼３１Ｅにおける翼列のピッチＬｐとは互いに等しく増減するようになっている。

なお、ステータ翼３１の翼列のピッチＬｐを元通りに戻すには、駆動モータ３９に流れる電流の向きを逆転して駆動させ、駆動ギア４１を逆回り方向に回転させることで上側ステータ翼３１−１を先程とは反対方向（図６中矢印ロ方向）に回転させれば良い。

次に、圧縮比調節機構部と圧縮比との関係を説明する。

図７に示すように、１段のステータ翼３１を基準にして考えた場合、その前段の空間領域Ｒ１とその後段の空間領域Ｒ２から単位時間にステータ翼３１に飛来するガス分子の量をそれぞれＮ_１，Ｎ_２とし、領域Ｒ１から領域Ｒ２へと最終的に到達するガス分子の輸送確率をＭ_１，逆に領域Ｒ２から領域Ｒ１への輸送確率をＭ_２とすると、ブレード部３４，３４間を通過して領域Ｒ１から領域Ｒ２へと単位時間に移送されるガス分子量Ｗは、次の数式１で表わされる。

また、空間領域Ｒ１，Ｒ２における圧力Ｐ_１，Ｐ_２と、空間領域Ｒ１，Ｒ２における分子数密度ｎ_１，ｎ_２との間には次の数式２の関係が成り立つ。

そして、排気速度効率Ｑ＝Ｗ／Ｎ_２に数式１と数式２を代入すると、排気速度効率Ｑと圧縮比γはそれぞれ次の数式３，数式４で表わせる。

また、排気速度効率Ｑの最大値は数式３においてＰ_２／Ｐ_１＝１のときとして、圧縮比γの最大値は数式４においてＱ＝０のときとして、それぞれ次の数式５，数式６で与えられる。

数式６から明らかなように、領域Ｒ１から領域Ｒ２への輸送確率Ｍ_１と領域Ｒ２から領域Ｒ１への輸送確率Ｍ_２が変化すれば圧縮比の値γは可変することが分かる。すなわち、圧縮比調節機構部Ｐγにおいて、ピッチＬｐを増減させることで輸送確率Ｍ_１とＭ_２とが可変するので圧縮比γの値を調節することが可能になる。

図８はこのようなピッチＬｐと圧縮比γの関係をグラフ化したものである。同図のグラフは、ステータ翼３１において、隣接したブレード部３４，３４間のピッチＬｐをコードＬｃで除した値を横軸に示し、圧縮比γの値を縦軸に示した圧縮比特性曲線である。

同図に示すように、圧縮比γの特性は、圧縮比γの最大値γ_max（γＡ）を頂点とする山状の曲線になることが分かる。この圧縮比γの最大値γＡが得られる位置（圧縮比最大位置）でのステータ翼３１の位相は図９のようになる。このとき、可動する上側ステータ翼３１−１のブレード部３４と固定された下側ステータ翼３１−２のブレード部３４との間には、ステータ翼３１の全周にわたって等間隔のピッチＬｐ１，Ｌｐ１，…が形成されている。

ここで、圧縮比調節機構部Ｐγの駆動機構によって上側ステータ翼３１−１を所定の回転角度でスライドさせた場合を想定してみる。図１０はそのステータ翼３１の位相を示すもので、このとき上側ステータ翼３１−１のブレード部３４と下側ステータ翼３１−２のブレード部との間のピッチＬｐは、ステータ翼３１の全周において等間隔であったピッチＬｐ１よりも狭い間隔のピッチＬｐ２，Ｌｐ２，…と、ピッチＬｐ１よりも広い間隔のピッチＬｐ３，Ｌｐ３，…とが交互に形成される。このピッチＬｐ２における圧縮比の値γＢ１とピッチＬｐ３における圧縮比の値γＢ２はそれぞれ図９に示すようになる。

まず、圧縮比最大位置での圧縮比の値γＡを境界にして、ピッチＬｐ／コードＬｃの値が小さくなる（換言するとコードＬｃの値は常に一定であるのでピッチＬｐの値が小さくなる）につれて圧縮比の値γＢ１は低くなることが分かる。その理由は、ピッチＬｐ２のようにピッチＬｐの値が最適値のピッチＬｐ１よりも小さくなると、ブレード部３４，３４間のガス分子の通過面積が狭くなってガス分子の入射量が減るので、コードＬｃのブレード部３４で移送方向の運動量を付与できるガス分子の量が減少して輸送確率Ｍが低下するためである。

次に、圧縮比最大位置での圧縮比の値γＡを境界にして、ピッチＬｐ／コードＬｃの値が大きくなるにつれて圧縮比の値γＢ２は低くなることが分かる。その理由は、ピッチＬｐ３のようにピッチＬｐの値が最適値のピッチＬｐ１よりも大きくなると、ブレード部３４，３４間のガス分子の通過面積が広くなってガス分子の入射量が増えるが、コードＬｃのブレード部３４に衝突せずに移送方向の運動量を付与されないガス分子の量や逆流するガス分子の量も増加して輸送確率Ｍが低下するためである。

そして、１段のステータ翼３１全体で見た圧縮比は、ピッチＬｐ２における圧縮比の値γＢ１とピッチＬｐ３における圧縮比の値γＢ２の平均値となるので、図１０に示したステータ翼３１の圧縮比γＢの値は図９に示したステータ翼３１の圧縮比γＡの値よりも低くなる。

このように、ステータ翼３１におけるピッチＬｐの値を増減させることで、そのステータ翼３１における圧縮比を調節することが可能になる。

また、このような圧縮比調節機構部Ｐγは、複数段あるステータ翼３１のいずれかの段に設けられ、それよりも吸気口側に少なくとも１段以上のロータ翼１２が配置されていることが望ましい。その理由は、吸気口側に少なくとも１段以上のロータ翼１２が配置されていれば圧縮比調節機構部Ｐγの駆動機構の動作によって塵埃が生じたとしても、その塵埃の真空チャンバＣ側への逆流が上段にあるロータ翼１２で阻止されて、塵埃付着による半導体ＩＣの製造不良を確実に防止できるためである。このような観点から、本実施形態の圧縮比調節機構部Ｐγは、５段のステータ翼３１Ａ〜３１Ｅのうちで４段目（第２圧縮段）と５段目（第３圧縮段）のステータ翼３１Ｄ，３１Ｅに設けられている。

次に、上述した真空ポンプを使用した本発明の真空装置の実施形態を説明する。

図１１は真空装置の制御系統を示すブロック図である。

同図に示すように、真空装置Ｄは、上述した実施形態の真空ポンプＰと、半導体製造のためのステージが配設された真空チャンバＣと、容積移送式の補助ポンプＰＶとを備えて大略構成されている。本実施形態の真空ポンプＰでは、上述した圧縮比調節機構部Ｐγが吸入段，中間段，および圧縮段の全段のステータ翼３１Ａ〜３１Ｅに設けられており、各々の上側ステータ翼３１−１が個別の駆動モータ３９で回転するものとしている。

真空ポンプＰの吸気口４は真空チャンバＣの第１の排気口１０１に装着され、真空ポンプＰの排気口５は補助ポンプＰＶの吸気口２０１に連結される。真空チャンバＣには第２の排気口１０２が設けられており、第２の排気口１０２は、排気口５と吸気口２０１とを連通する配管の途中に連結されている。また、真空チャンバＣは切換手段を備えていて、第１の排気口１０１から真空ポンプＰに通じる連通路と、第２の排気口１０２から補助ポンプＰＶに通じる連通路とを切り換えられるようになっている。

真空ポンプＰでは、ポンプ内の電装品を制御する制御系統５１が電装コネクタ２６にケーブルを介して接続されている。一方で、真空チャンバＣには圧力計１０３が設置されていて、この圧力計１０３はコネクタとケーブルを介して真空ポンプＰの制御系統５１に接続されている。

このように構成された真空装置Ｄを使用する場合には、まず真空チャンバＣにある切換手段で第２の排気口１０２を補助ポンプＰＶに連通させる。そして、補助ポンプＰＶの電源をＯＮにして補助ポンプＰＶを作動させると、真空チャンバＣ内の大気が粗引きされて真空チャンバＣ内の圧力が減圧される。

ここで、圧力計１０３で真空チャンバＣ内の圧力を測定し、真空ポンプＰが作動可能な背圧範囲（１０^−１〜１０^２Ｐａ台）になると、補助ポンプＰＶの電源をＯＦＦにして真空チャンバＣの切換手段によって第１の排気口１０１を真空ポンプＰに連通させる。そして、真空ポンプＰの電源をＯＮにして真空ポンプＰを作動させる。

すると、真空ポンプＰの駆動モータ１３が駆動して、ロータ軸９とロータ本体１１が定格回転数（２００００〜５００００ｒｐｍ）で高速回転する。そして、真空チャンバＣ内のステージにプラズマ反応のために導入された塩素系やフッ素系のプロセスガスが吸気口４から真空ポンプＰ内に吸入される。この吸入されたプロセスガスは、上述したポンプ機構部の排気動作によって圧送されて排気口５から排出される。こうして、真空チャンバＣ内の圧力はプラズマ反応に最適な真空度（１０^−４〜１０^−１Ｐａ程度）に減圧される。

一方、真空ポンプＰの制御系統５１は、補正値検出器５２，ＰＩＤ補償器５３，およびアンプ５４を備えている。そして、真空チャンバＣ内の圧力は圧力計１０３によって所定サンプリング周期で測定されており、この測定圧力値は補正値検出器５２に出力されるようになっている。補正値検出器５２ではこの測定圧力値と予め設定された目標圧力値とが比較され、その差分が補正値としてＰＩＤ補償器５３に出力される。ＰＩＤ補償器５３ではＰＩＤ制御によって補正値に対応した回転角度指令信号が出力され、この信号はアンプ５４で増幅された後に圧縮比調節機構部Ｐγを駆動させる駆動モータ３９に出力される。

本実施形態では、補正値検出器５２からＰＩＤ補償器５３に出力する補正値を分割して段階的に制御することが特徴である。

図１２は段階的制御に必要なパラメータとなる圧縮比特性曲線を示すものである。同図では吸気段のステータ翼３１Ａの圧縮比特性曲線をγ１で、中間段のステータ翼３１Ｂの圧縮比特性曲線をγ２で、圧縮段のステータ翼３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅの圧縮比特性曲線をγ３でそれぞれ表わしている。

同図に示すように、圧縮比γの特性は、吸気段の圧縮比特性曲線γ１においてその変化率が最も小さく、次が中間段の圧縮比特性曲線γ２で、圧縮段の圧縮比特性曲線γ３においてその変化率が最も大きくなることが分かる。その理由は、吸気段のステータ翼３１Ａは上述したようにガス分子の圧縮性能よりもガス分子の入射率を優先した形状に設計されており、これとは逆に、圧縮段のステータ翼３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅは上述したようにガス分子の入射率よりもガス分子の圧縮性能を優先した形状に設計されているためである。

このように、吸気段側のステータ翼３１Ａよりも圧縮段側のステータ翼３１Ｃ〜３１Ｅにおける設計パラメータの方が、シフト角度に対する圧縮比γの変化率が大きくなっている。このため、圧縮比調節機構部Ｐγは、少なくとも圧縮段側のステータ翼３１Ｃ〜３１Ｅ、換言すれば吸気口４よりも排気口５に近いステータ翼に設けられていると良い。

本実施形態では、圧縮比調節機構部Ｐγが全段のステータ翼３１Ａ〜３１Ｅに設けられており、かつ圧縮比調節機構部Ｐγの駆動機構がステータ翼３１Ａ〜３１Ｅの各段に独立して設けられている。そして、補正値検出器５２からＰＩＤ補償器５３に出力する補正値を微動補正値，中間補正値，粗動補正値に分割し、微動補正値を圧縮比γの変化率が小さな吸気段に、中間補正値を中間段に、粗動補正値を圧縮比γの変化率が大きな圧縮段にそれぞれ振り分けるものとする。

すなわち、微動補正値は吸気段のステータ翼３１Ａの回転角度指令信号としてＰＩＤ補償器５３から出力し、中間補正値は中間段のステータ翼３１Ｂの回転角度指令信号としてＰＩＤ補償器５３から出力する。また、粗動補正値は第１圧縮段のステータ翼３１Ｃの回転角度指令信号，第２圧縮段のステータ翼３１Ｄの回転角度指令信号，第３圧縮段のステータ翼３１Ｅの回転角度指令信号としてそれぞれＰＩＤ補償器５３から出力する。

こうして、駆動モータ３９を回転角度指令信号に基づいて駆動させ、駆動ギア４１と従動ギア４２を介して上側ステータ翼３１−１を所定の回転角度でスライドさせることで圧縮比γを調節する。

例えば、真空チャンバＣ内の測定圧力値が目標圧力値に比して高い場合には、制御系統５１の補正値検出器５２によって補正値が検出され、補正値に対応した回転角度指令信号が出力されて上側ステータ翼３１−１が回転し、ステータ翼３１が図９に示したような圧縮比最大位置の位相にシフトする。これにより、ステータ翼３１のピッチＬｐが最適値に補正され、ガス分子の輸送確率Ｍが増加して真空ポンプＰの背圧が上昇する。したがって、真空ポンプＰの吸入圧が下降して、真空チャンバＣ内のガス分子を吸引する吸引力が増すので真空チャンバＣ内の圧力を減圧することができる。

逆に、真空チャンバＣ内の測定圧力値が目標圧力値に比して低い場合には、制御系統５１の補正値検出器５２によって補正値が検出され、補正値に対応した回転角度指令信号が出力されて上側ステータ翼３１−１が回転し、ステータ翼３１が図１０に示したような圧縮比減少位置の位相にシフトする。これにより、ステータ翼３１のピッチＬｐが可変し、ガス分子の輸送確率Ｍが減少して真空ポンプＰの背圧が低下する。したがって、真空ポンプＰの吸入圧が上昇して、真空チャンバＣ内のガス分子を吸引する吸引力が減少するので真空チャンバＣ内の圧力を増加させることができる。

なお、制御手法として、真空チャンバＣ内の圧力を急激に可変させたい場合には、吸気段回転角度指令信号，中間段回転角度指令信号，圧縮段回転角度指令信号を同じ回転角度で同時に出力するようにする。また、補正値を粗動補正値として出力して圧縮段回転角度指令信号のみで真空チャンバＣ内の圧力を制御することも可能である。さらに、緻密な制御を行う必要がある場合には、まず第３圧縮段の回転角度指令信号を出力し、続いて第２圧縮段の回転角度指令信号，第３圧縮段の回転角度指令信号の順に出力して真空チャンバＣ内の圧力を徐々に可変させていけば良い。

このように、圧縮段のステータ翼３１Ｃ〜３１Ｅにおけるシフト操作は、シフト角度に対する圧縮比γの変化率が大きいので、目標圧力値と測定圧力値との差が大きいときの粗動や、高速で圧力を変化させたいときの圧力制御に優位となる。これとは逆に、吸気段のステータ翼３１Ａにおけるシフト操作は、シフト角度に対する圧縮比γの変化率が小さいので精緻な圧力制御に優位である。

以上、詳細に説明したが、上述した実施形態の真空ポンプＰは、以下のような様々な変形例が考えられる。

例えば、圧縮比調節機構部Ｐγは、ターボ分子ポンプ機構部Ｐｔにおけるステータ翼３１であれば吸気段３１Ａ，中間段３１Ｂ，圧縮段３１Ｃ〜３１Ｅのいずれの段に設けても良く、これらのすべての段に設けることも可能である。すべての段に設ける場合には、上述したように全段のステータ翼３１Ａ〜３１Ｅに駆動機構を設けて各段ごとの段階的制御を行う構成や、吸気段のステータ翼３１Ａにのみ駆動機構を設けて、それよりも下段のステータ翼３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｅを連結ロッド４３で連動させる構成を採用することもできる。

また、ネジ溝ポンプ機構部Ｐｓのステージにおいて、ロータ本体１１の外壁面にも複数段のロータ翼１２，１２，…を追加し、ステータ１８を取り除いてロータ翼１２，１２，…間にステータ翼３１，３１，…を設けた全翼タイプのターボ分子ポンプとすることも可能である。この場合には、ロータ翼１２とステータ翼３１の段数が増加するので、ステータ翼３１に設ける圧縮比調節機構部Ｐγをさらに多段に形成することができ、より精緻な圧縮比制御が行えるという利点がある。

さらに、真空チャンバＣ内の圧力を測定する圧力測定手段として真空チャンバＣに圧力計１０３を設置しているが、この構成に替えて真空ポンプＰの吸気口フランジ６に圧力計を設置してその圧力測定値を制御系統５１の補正値検出器５２に出力する構成を採用しても良い。この場合には、真空ポンプＰの吸気口４にさらに近い位置で圧力が測定されるため、吸入圧と背圧との比率である圧縮比γの値をより正確に検出して制御することが可能になる。

本発明の真空ポンプの全体構成を示す縦断面図。 図１に示した真空ポンプにおけるステータ翼の拡大斜視図。 図２に示したステータ翼のＡ−Ａ線断面図。 ステータ翼におけるピッチとコードを説明する模式図。 圧縮比調節機構部の駆動機構を示す断面図。 図５に示した圧縮比調節機構部のＢ方向矢視図。 ステータ翼における圧縮比を説明する模式図。 圧縮比特性曲線を示すグラフ図。 圧縮比最大位置でのステータ翼の位相を示す平面図。 圧縮比最大位置からずらした位置でのステータ翼の位相を示す平面図。 本発明の真空装置の制御系統を示すブロック図。 各段の圧縮比特性曲線を示す図。 従来の真空装置の全体構成を示すブロック図。

符号の説明

Ｐ 真空ポンプ
Ｐｔ ターボ分子ポンプ機構部
Ｐｓ ネジ溝ポンプ機構部
Ｐγ 圧縮比調節機構部
Ｌｃ コード
Ｌｐ ピッチ
Ｍ 輸送確率
γ 圧縮比
γ１ 吸気段の圧縮比特性曲線
γ２ 中間段の圧縮比特性曲線
γ３ 圧縮段の圧縮比特性曲線
３ ポンプケース
４ 吸気口
５ 排気口
１２ ロータ翼
１７ スペーサ
１７−１ 上側スペーサ
１７−２ 下側スペーサ
３１ ステータ翼
３１ａ 切断溝
３１Ａ 吸気段のステータ翼
３１Ｂ 中間段のステータ翼
３１Ｃ 第１圧縮段のステータ翼
３１Ｄ 第２圧縮段のステータ翼
３１Ｅ 第３圧縮段のステータ翼
３１−１ 上側ステータ翼
３１−２ 下側ステータ翼
３９ 駆動モータ
５１ 制御系統
５２ 補正値検出器
５３ ＰＩＤ補償器
５４ アンプ
Ｄ 真空装置
Ｃ 真空チャンバ
１０１ 第１の排気口
１０２ 第２の排気口
１０３ 圧力計
ＰＶ 補助ポンプ
２０１ 吸気口

Claims (8)

1. ポンプケース外部からガス分子を吸入する吸気口と、
   前記ポンプケース内部に固定された複数段のステータ翼と、該ステータ翼間に配置されて回転する複数段のロータ翼とを有し、該ロータ翼を回転させて前記吸気口から吸入されたガス分子を圧縮して移送するポンプ機構部と、
   前記ポンプ機構部で圧縮して移送されたガス分子を前記ポンプケース外部に排出する排気口と、
   前記ポンプ機構部に設けられて、前記吸気口から吸入されたガス分子のうちで移送方向に運動量が付与されるガス分子の確率を変動させて該ガス分子の圧縮比を調節する圧縮比調節機構部と、
   を備え、
   前記圧縮比調節機構部は、
   前記ステータ翼を厚み方向に分割した上側ステータ翼と下側ステータ翼とを備え、
   前記上側ステータ翼と前記下側ステータ翼のいずれか一方が他方に対して相対的に移動して、該上側ステータ翼のブレード部と該下側ステータ翼のブレード部との間のピッチが増減する構造である
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記圧縮比調節機構部は、
   前記複数段のステータ翼のいずれかの段に設けられ、それよりも吸気口側に少なくとも１段以上のロータ翼が配置されている
   ことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記圧縮比調節機構部は、
   前記複数段のステータ翼のうちで、前記排気口側に設けられている
   ことを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記圧縮比調節機構部は、
   前記複数段のステータ翼のうちで、前記吸気口側から前記排気口側にかけて複数段にわたって設けられている
   ことを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の真空ポンプと、
   前記真空ポンプの前記吸気口に装着される真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記圧力測定手段で測定された圧力測定値に基づいて前記真空ポンプの前記圧縮比調節機構部を制御する制御手段と、
   を備えた
   ことを特徴とする真空装置。
6. 請求項５に記載の真空装置において、
   前記圧縮比調節機構部が前記真空ポンプにおける前記複数段のステータ翼に設けられ、かつ該圧縮比調節機構部における駆動機構が該ステータ翼の各段に独立して設けられている
   ことを特徴とする真空装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の真空装置において、
   前記制御手段は、
   前記圧力測定手段で測定された圧力測定値と、予め設定された前記真空チャンバ内の目標圧力値とを比較した差分を補正値として検出する補正値検出手段を備え、該補正値検出手段により検出された補正値に対応した制御信号を前記真空ポンプの前記圧縮比調節機構部に出力する
   ことを特徴とする真空装置。
8. 請求項７に記載の真空装置において、
   前記制御手段は、
   前記補正値検出手段により検出された補正値を微動補正値，中間補正値，および粗動補正値に分割し、該微動補正値に対応した制御信号を吸気段の圧縮比調節機構部に出力し、該中間補正値に対応した制御信号を中間段の圧縮比調節機構部に出力し、該粗動補正値に対応した制御信号を圧縮段の圧縮比調節機構部に出力する
   ことを特徴とする真空装置。

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