JP2006509953A - 真空ポンプ排出装置及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

チャンバ内の圧力を制御する真空ポンプ排出装置（１０）であって、分子ポンプ排出機構（１２）及びバッキングポンプ排出機構（１４）を有する真空ポンプ排出装置。バッキングポンプ排出機構（１４）は、モータ（３４）により回転可能であり、モータは、分子ポンプ排出機構（１２）をバッキングポンプ排出機構（１４）と同時に回転させるようになっている。バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構の回転速度を制御する手段が設けられる。

Description

本発明は、真空ポンプ排出装置及び真空ポンプ排出装置の入口に連結されたチャンバ内の圧力を制御する方法に関する。
チャンバを排気する公知の真空ポンプ排出装置は、分子ポンプを含み、この分子ポンプは、分子ドラグポンプ排出手段又はターボ分子ポンプ排出手段、又は分子ドラグポンプ排出手段とターボ分子ポンプ排出手段の両方を有する場合がある。両方のポンプ排出手段が設けられる場合、ターボ分子ポンプ排出手段は、分子ドラグポンプ排出手段と直列に連結される。ポンプ排出装置は、チャンバを約１×１０^-6ミリバールの非常に低い圧力に排気できる。分子ポンプにより達成される圧縮比は、かかる低い圧力を達成すると同時に大気に排出するには十分ではなく、したがって、分子ポンプの排気部の圧力を減少させ、それにより非常に低い圧力をその入口のところに達成できるようにするためにバッキングポンプが設けられる。

分子ポンプのターボ分子ポンプ排出手段は、全体として円筒形のロータ本体のところに支持された周方向アレイ状に配列されている傾斜羽根（回転翼）を有する。通常の作動中、ロータは、２０，０００回毎分〜２００，０００回毎分で回転し、その間、ロータ羽根は、ガス中の分子と衝突し、分子をポンプ出口に向かって押す。したがって、通常の作動は、約０．０１ミリバール以下の圧力の分子流れ条件で起こる。理解されるように、ターボ分子ポンプ排出手段は、高圧では有効に働かず、かかる高圧では、傾斜ロータ羽根は、望ましくない風損又はロータの回転に対する抵抗を生じさせる。

半導体処理中、処理チャンバ内の圧力を互いに異なる処理技術及び用いられる互いに異なるガスに合わせて変えることが必要な場合が多い。したがって、分子ポンプの入口のところの圧力の制御が重要である。これまで、入口圧力を制御する多くの手法が提案され、これら手法としては、入口とチャンバとの間又は分子ポンプの出口とバッキングポンプの入口との間に絞り弁を設けることが挙げられる。分子ポンプの回転速度の制御は入口圧力に悪影響を及ぼす場合があるが、分子ポンプを駆動するために用いられる典型的なモータは、所要の圧力変化率に適合するに足るほど素早く回転速度を制御する上で十分強力というわけではなく、一層強力なモータを用いることは、他の費用のかからない圧力制御方法が利用できる場合、実用的であるとは考えられていない。

改良型真空ポンプ排出装置及び真空ポンプ排出装置の入口に連結されたチャンバ内の圧力を制御する方法を提供することが望ましい。
本発明は、チャンバ内の圧力を制御する真空ポンプ排出装置であって、分子ポンプ排出機構及びバッキングポンプ排出機構を有し、上記バッキングポンプ排出機構は、モータにより回転可能であり、上記モータは、上記分子ポンプ排出機構をバッキングポンプ排出機構と同時に回転させるようになっており、上記真空ポンプ排出装置は、バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構の回転速度を制御する手段を更に有することを特徴とする真空ポンプ排出装置を提供する。

本発明は又、バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構は、共通の駆動シャフトに結合されており、上記方法は、上記モータを用いて共通駆動シャフトの回転を制御し、それにより上記チャンバ内の圧力を制御する段階を有することを特徴とする請求項９記載の方法を提供する。
本発明の他の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
本発明をよりよく理解できるようにするために、例示として与えられているに過ぎないその幾つかの実施形態を今、添付の図面を参照して説明する。

図１を参照すると、真空ポンプ排出装置１０が概略的に示されており、この真空ポンプ排出装置は、分子ポンプ排出機構１２及びバッキングポンプ排出機構１４を有する。分子ポンプ排出機構は、ターボ分子ポンプ排出手段１６と、分子ドラグ又は摩擦ポンプ排出手段１８とから成っている。変形例として、分子ポンプ排出機構は、ターボ分子ポンプ排出手段のみ又は分子ドラグポンプ排出手段からのみから成っていてもよい。バッキングポンプ１４は、再生ポンプ排出機構から成っている。別のドラグポンプ排出機構２０を再生ポンプ排出機構と関連させるのがよく、この別のドラグポンプ排出機構は、ドラグポンプ排出機構１８と再生ポンプ排出機構１４との間に設けられる。ドラグポンプ排出機構２０は、直列状態の３つのドラグポンプ排出段から成り、これに対しドラグポンプ排出機構１８は、並列状態の２つのドラグポンプ排出段を有している。

真空ポンプ排出装置１０は、３つの別々の部品２２，２４，２６の状態に形成されたハウジングを有し、このハウジングは、分子ポンプ排出機構１２、ドラグポンプ排出機構２０及び再生ポンプ排出機構１４を収容している。部品２２，２４は、図示のように分子ポンプ排出機構１２及びドラグポンプ排出機構２０の内面を形成するのがよい。部品２６は、再生ポンプ排出機構１４のステータを形成するのがよい。
部品２６は、端ぐり凹部２８を備え、この端ぐり凹部は、駆動シャフト３２を支持する潤滑式軸受３０を受け入れ、この軸受３０は、再生ポンプ排出機構１４と関連した駆動シャフトの第１の端部のところに位置している。軸受３０は、転がり軸受、例えば玉軸受であるのがよく、これを例えばグリースで潤滑するのがよい。というのは、これは、ポンプ排出装置の入口から見て遠くに位置するポンプ排出装置１０の一部の中に位置しているからである。ポンプ排出装置の入口は、クリーンな環境が必要である半導体処理チャンバと流体連結関係にある場合がある。

駆動シャフト３２は、分子ポンプ排出機構１２とバッキングポンプ排出機構１４の両方が結合された共通の駆動シャフトであり、この駆動シャフトは、分子ポンプ排出機構１２及びバッキングポンプ排出機構１４を同一の回転速度で回転させるモータ３４によって駆動される。

モータ３４は、ハウジングの部品２２，２４によって支持されるが、これを真空ポンプ排出装置内の任意の有利な位置で支持するのがよい。共通の駆動シャフト３２を考慮すると、モータ３４は、再生ポンプ排出機構１４とこれによって支持されたドラグポンプ排出機構２０、更に分子ポンプ排出機構１２を同時に駆動することができる。一般的に、再生ポンプ排出機構は、分子ポンプ排出機構よりも大きな作動のための動力を必要とし、再生ポンプ排出機構は、風損及び空気抵抗が比較的高い大気圧に近い圧力で動作する。分子ポンプ排出機構は、必要とする作動のための動力が比較的小さく、したがって、再生ポンプ排出機構に動力供給するために選択されたモータも又、一般に分子ポンプ排出機構に動力供給するのに適している。バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構の回転速度を制御して真空ポンプ排出機構に連結され又はこれと作動的に関連したチャンバ内の圧力を制御できるようにする手段が設けられている。モータ３４の速度を制御するのに適した制御システムの略図が、図３に示されており、この制御システムは、チャンバ３３内の圧力を測定する圧力計３５及び圧力計に接続されていて、ポンプの回転速度を制御するコントローラ３７を有している。

再生ポンプ排出機構１４は、駆動シャフト３２の長手方向軸線Ａ周りに同心状に配置された複数の周方向ポンプ排出チャネルを有するステータと、上記周方向ポンプ排出チャネル内へそれぞれ軸方向に延びる複数のアレイ状に配列されたロータ羽根を有するロータとから成っている。より詳細に説明すると、再生ポンプ排出機構１４は、駆動シャフト３２に対して固定されたロータを有している。再生ポンプ排出機構１４は、３つのポンプ排出段を有し、各段について、周方向アレイ状に配列されたロータ羽根３８が、ロータ本体３６の一方の一表面から実質的に垂直に延びている。３つのアレイのロータ羽根３８は、部品２６内に同心状に設けられたそれぞれの周方向ポンプ排出チャネル４０内へ軸方向に延び、この部分２６は、再生ポンプ排出機構１４のステータを構成している。作動中、駆動シャフト３２は、ロータ本体３６を回転させ、それによりロータ羽根３８は、ポンプ排出チャネルに沿って動き、それにより入口４２からのガスを半径方向外側のポンプ排出チャネル、半径方向中間ポンプ排出チャネル及び半径方向内側ポンプ排出チャネルに沿って順次圧送し、かかる半径方向内側ポンプ排出チャネルにおいて、ガスは排気部４４を介してポンプ排出機構１４から大気圧に近い圧力又は大気圧で排気される。

再生ポンプ排出機構の単一段の拡大断面が、図２に示されている。再生ポンプ排出機構１４の効率的な作動を得るためには、作動中、ロータ羽根３８とステータ２６との間の半径方向隙間（“Ｃ”）を厳密に制御し、好ましくは２００ミクロン以下、好ましくは８０ミクロン未満に維持することが重要である。隙間“Ｃ”が増大すると、これが原因となってポンプ排出チャネル４０からのガスの相当多くの滲出が生じると共に再生ポンプ排出機構１４の効率が低下する。したがって、再生ポンプ排出機構１４は、駆動シャフト３２、それ故にロータ本体３６の半径方向運動に実質的にする潤滑式転がり軸受３０と関連している。しかしながら、潤滑式軸受３０から見て遠くに位置する駆動シャフトの端部のところに半径方向運動が生じる場合、これによっても、再生ポンプ排出機構のロータの半径方向運動が生じる場合があり、その結果効率が低下する。換言すると、軸受３０は、或る程度の半径方向運動が生じる恐れのあるピボットとして働く場合がある。効率の低下を回避するため、再生ポンプ排出機構のロータ３６は、潤滑式軸受３０（即ち、ピボット３０）の十分近くに位置するよう駆動シャフト３２に連結されており、したがって駆動シャフトの半径方向運動は実質的に、周方向ポンプ排出チャネル４０に対し対応関係にあるロータ羽根の軸方向運動に変換されるようになっている。好ましくは、軸受３０は、周方向ポンプ排出チャネルと実質的に軸方向に整列していて、ロータ羽根３８の半径方向運動によっては、それほど滲出が生じないようになっている。図示のように、再生ポンプ排出機構１４のステータ２６は、軸受３０のための凹部を備え、ロータ本体３６は、理解されるように、ステータ２６に隣接して位置する。したがって、半径方向運動に抵抗する軸受３０は、ロータ本体３６及びそれ故にロータ羽根３８の大幅な半径方向運動を阻止する。したがってロータ羽根３８とステータ２６との間の隙間“Ｃ”を許容限度内に保つことができる。

２つの円筒形ドラグシリンダ４６が、ロータ本体３６から垂直に延びており、これらドラグシリンダは、一緒になってドラグポンプ排出機構２０のロータを形成している。ドラグシリンダ４６は、強固であり且つ軽量である炭素繊維強化材料で作られている。アルミニウム製のドラグシリンダを用いた場合と比較して炭素繊維製のドラグシリンダを用いた場合における質量の減少により、ドラグポンプ排出機構が作動しているときに生じる慣性が小さくなる。したがって、ドラグポンプ排出機構の回転速度は、制御が容易である。
概略的に示されたドラグポンプ排出機構２０は、ホルベック型ドラグポンプ排出機構であり、かかるホルベック型では、ステータ部分４８は、ハウジング部品２４の内面とドラグシリンダ４６との間に螺旋の溝を構成している。３つのドラグ段が示されており、これらドラグ段の各々は、ロータとステータとの間にガスの螺旋流路を備えている。ホルベック型ドラグポンプ排出機構の作動及び構造は、周知である。ガスの流れは、直列状態のドラグ段を連続的に通って流れる曲がりくねった経路を辿る。

分子ポンプ排出機構１２は、再生ポンプ排出機構１４から見て駆動シャフト３２の遠い方の端部のところで駆動される。例えば停電の際に、駆動シャフト３２の極端な半径方向運動に抵抗するようバックアップ軸受を設けるのがよい。図示のように、無潤滑油式軸受は、ロータ本体５２とハウジング２２に対して固定された円筒形部分５６との間に設けられた磁気軸受５４である。磁石の同一極が互いに反発して中心軸線Ａに対するロータ本体５２の過度の半径方向運動に抵抗する受動式磁気軸受が示されている。実際には、駆動シャフトは、約０．１ｍｍ動く場合がある。
分子ポンプ排出機構のロータの僅かな量の半径方向運動は、ポンプ排出機構の性能にそれほど悪影響を及ぼさない。しかしながら半径方向運動に更に抵抗することが望ましい場合、能動式磁気軸受を採用するのがよい。能動式磁気軸受では、受動式磁気軸受の永久磁石ではなく、電気磁石が用いられる。さらに、半径方向運動を検出し、半径方向運動に抵抗するよう磁界を制御する検出手段が設けられる。図６〜図８は、能動式磁気軸受を示している。

周方向アレイ状に配列された傾斜ロータ羽根５８が、ロータ本体５２から半径方向外方に延びている。アレイの半径方向中間部分のところのロータ羽根５８に沿ってほぼ真ん中のところに円筒形支持リング６０が設けられており、ドラグポンプ排出機構１８のドラグシリンダ６２が、この支持リング６０に連結されている。ドラグポンプ排出機構１８は、単一のドラグシリンダ６２と並列に配置された２つのドラグ段を有し、このドラグシリンダ６２は、慣性を減少させるよう炭素繊維で作られたものであるのがよい。段は各々、ハウジング２２のテーパした内壁６６と一緒になって螺旋分子ガス流れチャネルを形成するステータ部分６４で構成されている。ドラグポンプ排出機構１８からのガスを排出する出口６８が設けられている。

通常の作動中、ポンプ排出装置１０の入口７０は、圧力を減少させることが望ましいチャンバに連結されている。モータ３４は、駆動シャフト３２を回転させ、それによりロータ本体３６及びロータ本体５２を駆動する。分子流れ条件におけるガスは、入口７０を通ってターボ分子ポンプ排出手段１６に引き込まれ、このターボ分子ポンプ排出手段１６は、分子を並列状態のドラグポンプ排出段の両方に沿うと共に出口６８を通って分子ドラグポンプ排出手段１８に押し込む。次に、ガスをドラグポンプ排出機構２０の直列状態の３つの段を通り、そして入口４２を通って再生ポンプ排出機構に吸い込まれる。ガスは、排気ポート４４を通って大気圧で又はそれに近い圧力で排出される。

再生ポンプ排出機構１４は、ガスをほぼ大気圧で排出する必要がある。したがって、ロータ羽根３８の通過に対するガス抵抗はかなり大きく、したがってモータ３４の動力及びトルク特性は、再生ポンプ排出機構１４の要件に合うよう選択されなければならない。分子ポンプ排出機構１２の受ける回転抵抗は、比較的小さい。というのは、分子ポンプ排出機構は、比較的低圧で動作するからである。唯一の可動部品が軸線Ａ回りに回転するシリンダであるドラグポンプ排出機構１８の構造は、回転に対するガスの抵抗をそれほど被らない。したがって、モータ３４の動力及びトルク特性をいったん再生ポンプ排出機構１４に合わせて選択すると、余分の容量の比較的僅かな部分が必要であるに過ぎず、したがってモータは又、分子ポンプ排出機構１２の要件を満たすようになる。換言すると、典型的には分子ポンプ排出機構に用いられる２００Ｗモータが、好ましくは２ｋＷであるモータ３４よりも強力さの度合いが著しく低い。先行技術では、典型的なモータは、ポンプの回転速度を制御することにより制御されるチャンバ内の圧力変化を得るには強力さの度合いは十分ではない。しかしながら、再生ポンプ排出機構１４を駆動するのに強力なモータが選択されているので、分子ポンプ排出機構の回転速度を制御し、それにより圧力を制御するのに追加の動力も又使用できる。

典型的なターボ分子ポンプ排出手段は、これを始動する前に比較的低圧に排気される。先行技術では、この目的のためにバッキングポンプ排出機構が用いられる。バッキングポンプ排出機構及びターボ分子ポンプ排出機構は真空ポンプ排出装置１０の同一の駆動シャフトと関連しているので、この始動手順は、可能ではない。したがって、真空ポンプ排出装置は、所定圧力への始動に先立って少なくともターボ分子ポンプ排出手段１６を排気する追加の排気手段を有する真空ポンプシステムの一部をなしている。好ましくは、ターボ分子ポンプ排出手段は、始動前に５００ミリバール未満に排気される。有利には、真空ポンプ排出装置全体は、図４及び図５に示すように始動前に排気される。追加のポンプによって排気手段を提供するのがよい。ただし、これは、追加のポンプがシステムのコストを増大させるので好ましくはない。ポンプ排出装置１０が半導体処理システムの一部として用いられる場合、システムと関連したポンプ又はポンプ排出手段を利用するのが有利である。図４は、ロードロックポンプ７４が通常の使用中、圧力をロードロックチャンバ７６から抜くために用いられる半導体処理システムの構造を示している。弁７８が、ロードロックチャンバ７６とロードロックポンプ７４との間に設けられている。ロードロックポンプ７４は、弁８０を介してポンプ排出装置１０の排気部に連結されている。別の弁８２が、ポンプ排出装置１０の排気部４４の下流側に設けられている。始動中、弁７８及び弁８２は閉じられ、弁８０は開かれる。ロードロックポンプ７４は、ガスをポンプ排出装置１０から、したがってターボ分子ポンプ排出手段１６から排出するよう作動する。通常の作動中、弁８２，７８は開かれ、弁８０は閉じられる。ポンプ排出装置１０は、圧力を真空チャンバ８４から抜くよう作動する。

変形例として、図５を参照して説明したように真空ポンプ排出装置１０を始動させてもよい。追加の排気手段は、弁８８を介してエゼクタポンプ９０に連結された高圧窒素供給源である。弁８８を開いて高圧窒素を噴出させ、それにより真空ポンプ排出装置１０、したがってターボ分子ポンプ排出手段１６を排気するようにする。窒素は、比較的不活性のガスであり、システムを汚染しない。
ポンプ排出装置１０を始動前に排気するのがよいが、始動後にポンプ排出装置１０を排気することも可能である。というのは、ポンプ排出装置１０を始動させることができるが、排気が実施されるまで適当な回転速度に達することがないからである。
次に、本発明の別の３つの実施形態について説明する。簡潔にするために、これら別の実施形態を、第１の実施形態とは異なるその部分に関してのみ説明し、同一部品には同一の符号が用いられる。

図６は、能動式磁気軸受を有する真空ポンプ排出装置１００を示しており、かかる装置では、磁気軸受５４の円筒形極が駆動シャフト３２に取り付けられ、これと同じ極が、ハウジング２２上に配置されている。分子ポンプ排出機構のターボ分子ポンプ排出手段１６のロータ本体５２は、円板の形をしており、装置１００の全体サイズは、第１の実施形態と比較して小さくなっている。
図７では、ターボ分子ポンプ排出手段１２が２つのターボ分子ポンプ排出段１６から成る真空ポンプ排出装置２００が示されている。ステータ９２が、２つのターボ段１６相互間でハウジング部品２２から半径方向内方に延びている。
図８では、分子抵抗ポンプ排出機構２０が省かれた真空ポンプ排出装置３００が示されている。

概略的に示された真空ポンプ排出装置の断面図である。 図１に示された装置の再生ポンプの一部の拡大断面図である。 制御システムの略図である。 真空ポンプシステムの略図である。 別の真空ポンプシステムの略図である。 概略的に示された別の真空ポンプ排出装置の断面図である。 概略的に示された別の真空ポンプ排出装置の断面図である。 概略的に示された別の真空ポンプ排出装置の断面図である。

Claims (10)

1. チャンバ内の圧力を制御する真空ポンプ排出装置であって、分子ポンプ排出機構及びバッキングポンプ排出機構を有し、前記バッキングポンプ排出機構は、モータにより回転可能であり、前記モータは、前記分子ポンプ排出機構をバッキングポンプ排出機構と同時に回転させるようになっており、前記真空ポンプ排出装置は、バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構の回転速度を制御する手段を更に有することを特徴とする真空ポンプ排出装置。
2. 分子ポンプ排出機構及びバッキングポンプ排出機構は、前記モータにより駆動されるよう配置された共通の駆動シャフトによって駆動されるよう配置されていることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ排出装置。
3. 前記分子ポンプ排出機構は、分子ドラグポンプ排出手段を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ排出装置。
4. 前記分子ドラグポンプ排出手段は、ホルベック（Holweck）ポンプ排出手段から成ることを特徴とする請求項３記載の真空ポンプ排出装置。
5. ホルベックポンプ排出手段のホルベックシリンダは、炭素繊維強化材料で作られていることを特徴とする請求項４記載の真空ポンプ排出装置。
6. 前記分子ポンプ排出機構は、ターボ分子ポンプ排出手段から成ることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一に記載の真空ポンプ排出装置。
7. バッキングポンプ排出機構は、再生ポンプ排出機構であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一に記載の真空ポンプ排出装置。
8. 前記制御手段は、チャンバ内の圧力を測定する手段と、測定圧力に依存して前記機構の回転速度を変化させる手段とから成ることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一に記載の真空ポンプ排出装置。
9. バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構と、前記バッキングポンプ排出機構を駆動するモータとを有する真空ポンプ排出装置の入口に連結されたチャンバ内の圧力を制御する方法であって、前記モータを用いて前記分子ポンプ排出機構の回転を制御し、それにより前記チャンバ内の圧力を制御する段階を有することを特徴とする方法。
10. バッキングポンプ排出機構及び分子ポンプ排出機構は、共通の駆動シャフトに結合されており、前記方法は、前記モータを用いて共通駆動シャフトの回転を制御し、それにより前記チャンバ内の圧力を制御する段階を有することを特徴とする請求項９記載の方法。

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