JP2007198205A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制する。
【解決手段】ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプであり、吸気口から入射したパーティクルがロータ翼３と衝突する割合を低下させるために、吸い込み側１段目のロータ翼３の翼部３ａは、パーティクルとの衝突を減らすために、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積を、吸い込み側２段目のロータ翼３ｂの翼部の径方向部分の総面積よりも小さい構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータを高速回転させることによって高真空を得るターボ分子ポンプに関する。

真空装置では、ターボ分子ポンプ等の吸引機構によって真空容器内等を吸引することによって真空状態を形成している。一般に、ターボ分子ポンプはステータとロータとを有するポンプユニットを備え、モータの電源駆動によってロータを回転させ、真空容器内を吸引・排気している。

成膜やドライ・エッチングなどを行う半導体製造装置では、反応生成物等のパーティクルや真空処理室内などの内壁に堆積した物質が剥離したパーティクル等が真空処理室で発生する。これらのパーティクルがウエハ上に付着した場合には、半導体デバイスの欠陥の原因となる。

半導体製造プロセスでは、微細加工が進むにつれて真空処理室内の圧力は、より低いことが求められている。このような低圧力では、真空処理室の下流に取り付けられたターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流が、圧力低下を妨げる原因として指摘されている（例えば、特許文献１、２）。

パーティクルがターボ分子ポンプ内に吸引されると、高速回転する回転翼と衝突して反跳し、真空処理室に逆流する。逆流したパーティクルは、ガス圧が有る程度高い場合には、ガスの抵抗力が比較的大きいため、真空処理室までは到達しないが、ガス圧力が低下すると、逆流距離が延びて真空処理室内にまで到達する。真空処理室に到達したパーティクルは、ウエハ上に達し、半導体の歩留まりを悪化させる。

上記した特許文献１，２には、この問題を解決する構成が提案されている。

特許文献１には、ポンプケーシング内において、微小塵防止用の静翼ディスクを最上流段の動翼よりも上流に設ける構成が提案されている。
また、特許文献２には、最も吸気側に位置する回転翼ブレードにおいて、吸気側の平面部の傾きを所定角に設定する構成が提案されている。この所定角は、吸気側平面の内向きの法線と、排気方向とのなす角が０度以上としている。
特開平８−１４１８８号公報 特開２００４−１９４９３号公報

一般に、成膜あるいはドライ・エッチングなどを行う半導体製造装置では、ウエハサイズの大型化や高真空プロセスへの移行に伴って、ターボ分子ポンプの排気性能を最大限に引き出す排気設計が求められている。そのため、排気性能の減少を極力抑えるには、パーティクルの真空処理室側への跳ね返りを低減させることが必要である。

上記特許文献１に提案される構成では、静翼ディスクが排気作用を邪魔するため、ポンプの排気速度が低下するという問題がある。また、多数の翼で構成されているため、コストが高くなるという問題もある。

また、上記特許文献２に提案される構成によれば、翼の上面で跳ね返るパーティクルの跳ね返り量を減らし、また、跳ね返ったパーティクルを接続配管の内面でさらに跳ね返すことができる。しかしながら、ロータ翼のエッジ（リーディングエッジ）部に跳ね返されたパーティクルが真空処理室方向に飛び出した場合、接続配管のＶ字溝で再びポンプ側に跳ね返されたとしても、これはパーティクルの往復運動を誘発するに過ぎず、一時的に真空処理室に到達するパーティクルが減少したとしても、いずれは飛び回るパーティクルの総量は増加し、真空処理室に到達するパーティクルが再び増加することになる。

したがって、上記提案された構成では、ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を十分に抑制することができないという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決して、ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制することを目的とする。

より詳細には、排気速度の低下を抑えると共に、吸気口から入射したパーティクルの排気側への排出をより効率的とし、これによって、ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制することを目的とする。

本発明のターボ分子ポンプは、吸気口から入射したパーティクルがロータ翼と衝突する割合を低下させることによって、ロータ翼と衝突して吸気口側に反跳するパーティクルの個数や反跳したパーティクルのエネルギーを減らし、これによって、吸気口から入射したパーティクルの排気側への排出効率を高め、ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制する。

本発明のターボ分子ポンプは、ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプであり、吸気口から入射したパーティクルがロータ翼と衝突する割合を低下させるために、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部は、パーティクルとの衝突を減らすために、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積を、吸い込み側２段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積よりも小さい構成とする。

この構成によって、ロータ翼と衝突して吸気口側に反跳するパーティクルの個数を減らす他、反跳したパーティクルのエネルギーを減らし、吸気口から真空処理室方向に向かうパーティクルの個数やエネルギーを減らして逆流を抑制する。

本発明のターボ分子ポンプの第１の態様は、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部を実質的に間引く構成であり、各段のロータ翼は複数の翼部をそれぞれ段毎に周方向に等ピッチで有し、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部は隣同士の翼と軸方向に重なり部分を有さない構成であり、ロータ翼の周方向において、パーティクルがロータ翼と衝突する実質的な面積を減らす構成である。

１段目の翼同士において、軸方向から見たとき両翼部が重ならないように１段目の翼部を構成する。この構成によって、吸気口から入射したパーティクルの内で、この翼部間で重ならない部分を通過したパーティクルは翼部との衝突が回避され、吸気口側に反跳して逆流することなく、排気側に排出される。

上記した、１段目の隣接する翼部の間において、軸方向から見たときの両翼部間の重なりを無くす構成として、本発明は第１の形態と第２の形態を備える。

第１の態様の第１の形態は、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の枚数を、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の枚数よりも少なくし、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部と吸い込み側２段目のロータ翼の翼部とを異なるピッチで配置する。

この第１の形態の構成によって、１段目の隣同士の翼部の間では、軸方向から見たときの両翼部間の重なりを無くすことができる。

また、第１の態様の第２の形態は、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の枚数と吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の枚数と同数とし、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の翼幅を吸い込み側２段目のロータ翼の翼部よりも狭く構成する。

この第２の形態の構成によって、１段目と２段目の翼部の間では、軸方向から見たときの両翼部間の重なりを無くすことができる。

上記した、第１の態様は、パーティクルがロータ翼と衝突する面積の減少をロータ翼の周方向で行う構成であるのに対して、第２の態様は、パーティクルがロータ翼と衝突する面積の減少をロータ翼の径方向で行う構成である。

本発明のターボ分子ポンプの第２の態様は、パーティクルがロータ翼と衝突する面積を減少させるとともに、吸い込み側１段目のロータ翼の径方向においてパーティクルが通過する面積を広げる構成である。

パーティクルが１段目のロータ翼と衝突する面積を減少させる構成とする。この構成によって、吸気口から入射したパーティクルと１段目のロータ翼との衝突を減らし、吸気口側に反跳して逆流することなく、排気側に排出される。

上記した、パーティクルがロータ翼と衝突する面積を減少させるとともに、吸い込み側１段目のロータ翼の径方向においてパーティクルが通過する面積を広げる構成として、本発明は第１の形態と第２の形態を備える。

第２の態様の第１の形態は、翼部の翼長さを実質的に短くする構成であり、各段のロータ翼はそれぞれ複数の翼部を周方向に等ピッチで有し、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の半径方向長さは、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の半径方向長さよりも短い構成とする。

第１の形態によれば、ロータ翼の翼長が短いため、最も周速が速くなる最外周部分の速度は、２段目の翼長が長い部分の周速よりも低速となる。そのため、パーティクルが１段面のロータ翼に衝突した際に、ロータ翼から与えられる運動量は小さくなる。したがって、反跳したパーティクルは、吸気口を逆流して真空処理室に到達するまでには至らない。

また、第２の態様の第２の形態は、各段のロータ翼はそれぞれ複数の翼部を周方向に等ピッチで有し、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間よりも大きい構成とする。

第２の形態によれば、パーティクルは、１段目のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間を通過するため、翼部と衝突する数を減らすことができる。

本発明の各態様によれば、パーティクルとの衝突を減らす構成を吸い込み側１段目の翼部について行い、吸い込み側２段目以降の翼部については通常のターボ分子ポンプが備える構成とすることができるため、排気速度はほぼ同様のままとすることができる。

本発明によれば、ターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制する。また、排気速度の低下を抑えると共に、吸気口から上流側へのパーティクルの跳ね返りを減少させ、これによってターボ分子ポンプから真空処理室内へのパーティクルの逆流を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図1は本発明のターボ分子ポンプの概要を説明するための図である。

ターボ分子ポンプ１は、ポンプケーシング２内にモータ駆動されるロータ３を備える。ロータ３はロータ翼３Ａを備え、ポンプケーシング２側に設けたステータ翼４Ａに対して駆動モータ１０によって高速回転する。これによって、吸気口１２から吸引して排気口１３から排気し、吸気口１２に接続される真空処理室（図示していない）内の気体分子を排気する。なお、ステータ翼４Ａはスペーサ５を介してポンプケーシング２に取り付けられステータ４を構成している。また、吸気口１２の上流側には保護ネット１４が設けられている。

ロータ３は、ロータ３と同軸に固定された駆動軸６をＤＣモータや高周波モータ等の駆動モータ１０を回転駆動させることで回転させている。駆動モータ１０は、駆動軸６に設けられた磁極とポンプケーシング２側に設けたコイルによって構成される。また、駆動軸６はラジアル軸受７及びアキシャル（スラスト）軸受８によって非接触で支持される。

ラジアル軸受７は、駆動軸６を挟んで対向して配置されたラジアル軸受電磁石と駆動軸６のラジアル方向に変位を検出するラジアル位置センサを有し、ラジアル位置センサで検出した位置変位に基づいてラジアル軸受電磁石に供給する電流を制御することによって、駆動軸６がラジアル方向で所定位置となるように位置制御を行う。なお、図１では、ラジアル軸受７は駆動モータ１０を挟んで上下に２組備えている。

また、アキシャル（スラスト）軸受８は、駆動軸６と同軸に設けたロータディスクと、このロータディスクを挟んで上下に設けたスラスト軸受電磁石と、駆動軸６のスラスト方向の変位を検出するアキシャル（スラスト）位置センサ１１を有し、アキシャル（スラスト）位置センサ１１で検出した位置変位に基づいてスラスト軸受電磁石に供給する電流を制御することによって、駆動軸６がアキシャル（スラスト）方向で所定位置となるように位置制御を行う。

本発明のターボ分子ポンプ１は、ロータ翼３Ａが備える複数の翼部３ａ，３ｂ，３ｃ，…の内で、吸気口１２側の１段目の翼部３ａは２段目以降の翼部３ｂ，３ｃ，…と異なる形状を備え、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積を、吸い込み側２段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積よりも小さくする構成とすることによって、吸気口１２を通って吸引したパーティクルが吸気口１２側の逆流することを抑制する。

以下、本発明の第１の態様を図２〜図６を用いて説明し、本発明の第２の態様を図７〜図１０を用いて説明する。なお、図２〜図４は第１の態様の第１の形態を説明するための図であり、図５，図６は第１の態様の第２の形態を説明するための図であり、図７〜図１０は第２の態様を説明するための図である。

はじめに、第１の態様について説明する。

第１の態様は、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部を実質的に間引く構成であり、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部は１段目の隣同士の翼部と軸方向で重なり部分を有さない構成であり、ロータ翼の周方向において、パーティクルがロータ翼と衝突する実質的な面積を減らす構成である。

第１の態様の第１の形態は、図２において、吸い込み側１段目のロータ翼３Ａの翼部３ａの枚数を、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼３Ａの翼部３ｂの枚数よりも少なくする。

ロータ翼３Ａの各段の翼部は、周方向に等ピッチで配置される。第１の形態では、吸い込み側１段目の翼部３ａの枚数は２段目以降の翼部３ｂの枚数よりも少なく構成されるため、吸い込み側１段目の翼部３ａと吸い込み側２段目の翼部３ｂとは異なる配置ピッチとなる。

図３は、吸い込み側１段目と吸い込み側２段目の翼部の関係を示し、図４は吸い込み側１段目の翼部を軸方向から見た状態を示している。従来のターボ分子ポンプでは、ロータ翼３Ａの各段は、翼部の枚数を同数とすると共に等しいピッチで配置するのに対して、本発明では、吸い込み側１段目の翼部３ａの枚数を間引きした構成とし、２段目以降の翼部３の枚数よりも少なくする。

図３（ｂ）は、吸い込み側１段目の翼部が軸方向に重なる部分が無いことを示すために、径方向から見た状態を示している。吸い込み側１段目の隣接する翼部３ａは、両翼部間にＷの間隔を開けて設置している。これによって、隣接する翼部同士は軸方向で見たとき重なることなく配置される。

この構成によって、吸気口１２を通過したパーティクル１００は、従来の構成と比較して、１段目の翼部３ａと衝突する個数は減少する。これにより、１段目の翼部３ａとの衝突によって吸気口１２側に反跳するパーティクルの個数が低減し、２段目以降の翼部に向かうパーティクルの個数が増加する。

第１の態様の第２の形態は、図５において、吸い込み側１段目のロータ翼３Ａの翼部３ａの枚数と吸い込み側２段目以降のロータ翼３Ａの翼部３ｂ，…の枚数と同数とし、吸い込み側１段目の翼部３ａの翼幅を吸い込み側２段目の翼部３ｂ，…よりも狭く構成する。

この構成によって、１段目の隣接する翼部３ａ間では、軸方向から見たときの両翼部間の重なりを無くすことができる。

図６は吸い込み側１段目と吸い込み側２段目の翼部の関係を示している。従来のターボ分子ポンプでは、ロータ翼３Ａの各段は、翼部の枚数を同数とすると共に等しいピッチで配置し、各翼部は軸方向から見たとき重なり部分が生じるように配置されるのに対して、本発明では、吸い込み側１段目の翼部３ａの翼幅Ｗ１を、２段目の翼部３ｂの翼幅Ｗ２よりも狭くすることによって、１段目と２段目の翼部３ａ，３ｂの間において、軸方向から見たときの両翼部間の重なりを無くした構成とする。

この構成によって、吸気口１２を通過したパーティクル１００は、従来の構成と比較して、１段目の翼部３ａと衝突する個数は減少し、１段目と２段目の翼部間に形成される隙間を通過して排気側に流れる。これにより、１段目の翼部３ａとの衝突によって吸気口１２側に反跳するパーティクルの個数が低減し、２段目以降の翼部に向かうパーティクルの個数が増加する。

なお、図５において、ロータ３の端部３１には凹部３０が設け構成としてもよい。吸気口１２を通過したパーティクル１００がこの凹部３０内に入り込んだ場合には、パーティクル１００は遠心力によって凹部３０の内周側面に捕らえられ、吸気口１２側への逆流を防ぐことができる。

次に、第２の態様について説明する。

第２の態様は、翼部の翼長さを実質的に短くする構成であり、各段のロータ翼はそれぞれ複数の翼部を周方向に等ピッチで有し、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の半径方向長さは、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の半径方向長さよりも短い構成とする。また、吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間よりも大きい構成とする

第２の態様は、図７、図８において、吸い込み側１段目のロータ翼３Ａの翼部３ａの翼長を短くする第１の形態の構成と、ステータ４の内周面４ａとの間の隙間３２を２段目以降の翼部よりも大きくする第２の形態の構成を備える。

図９、図１０は吸い込み側１段目の翼部の翼長、及びステータ内周面との隙間の関係を示している。従来のターボ分子ポンプでは、ロータ翼３Ａの各段は、翼部の枚数を同数とすると共に等しいピッチで配置し、各翼部の翼部は等しく形成されるのに対して、本発明では、吸い込み側１段目の翼部３ａの翼長Ｌ１を、２段目の翼部３ｂの翼長Ｌ２よりも短くすると共に、ステータの内周面との間の隙間３２ｎ幅を大きく構成する。

この第２の態様の第１の形態の構成によって、吸気口１２を通過したパーティクル１００は、１段目の翼部３ａと衝突して反跳した際に翼部３ａから与えられる運動量が小さくなるため、反跳したパーティクルが吸気口１２を通過して真空処理室まで届く速度となることはない。これは、翼部の翼長が短くなることよって、翼部の最も速度が高くなる外周部分の速度が低く抑えられるためである。翼部の速度は外周部分の速度が最も高速となり、他の部分の速度は外周部分の速度よりも低速であるため、外周部分で反跳したパーティクルが真空処理室まで届く速度に至らなければ、その他の部分で反跳したパーティクルの速度は真空処理室まで届く速度に達せず、逆流することはない。

また、第２の態様の第２の形態の構成によって、吸気口１２を通過したパーティクル１００は、１段目の翼部３ａと衝突する面積が少なくなり、翼部３ａとステータ４の内周面４ａとの間に形成される隙間３２を通過して２段目以降の翼部によって排気口側に排出される。

これにより、１段目の翼部３ａとの衝突によって吸気口１２側に反跳するパーティクルの個数が低減し、２段目以降の翼部に向かうパーティクルの個数が増加する。

なお、上記した第１の態様と第２の態様とを組み合わせた構成とすることもできる。

本発明のターボ分子ポンプの第１の態様の概要を説明するための図である。 本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための斜視図である。 本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための翼部の概略図である。 本発明の第１の態様の第１の形態を説明するための軸方向から見た図である。 本発明の第１の態様の第２の形態を説明するための斜視図である。 本発明の第１の態様の第２の形態を説明するための翼部の概略図である。 本本発明のターボ分子ポンプの第２の態様の概要を説明するための図である。 本発明の第２の態様を説明するための斜視図である。 本発明の第２の態様を説明するための翼部の概略図である。 本発明の第２の態様を説明するための軸方向から見た図である。

符号の説明

１…ターボ分子ポンプ、２…ポンプケーシング、３…ロータ、３Ａ…ロータ翼、３ａ，３ｂ，３ｃ…翼部、４…ステータ翼、４Ａ…ステータ翼、５…スペーサ、６…駆動軸、７…ラジアル軸受、８…アキシャル軸受、９…タッチダウンベアリング、１１…ギャップセンサ、１２…吸気口、１３…排気口、１４…保護ネット、３０…凹部、３１…端部、３２…隙間、１００…パーティクル。

Claims (7)

1. ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、
   前記ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積は、吸い込み側２段目のロータ翼の翼部の径方向部分の総面積よりも小さいことを特徴とする、ターボ分子ポンプ。
2. ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、
   前記ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記各段のロータ翼は複数の翼部をそれぞれ段毎に周方向に等ピッチで有し、
   前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部は１段目の隣同士の翼と軸方向に重なり部分を有さないことを特徴とする、ターボ分子ポンプ。
3. 前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の枚数は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の枚数よりも少なく、
   前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部と吸い込み側２段目のロータ翼の翼部とは異なるピッチで配置されることを特徴とする、請求項２に記載のターボ分子ポンプ。
4. 前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の枚数と吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の枚数とは同数であり、
   前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の翼幅は、吸い込み側２段目のロータ翼の翼部よりも狭いことを特徴とする、請求項２に記載のターボ分子ポンプ。
5. ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、
   前記ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記各段のロータ翼はそれぞれ複数の翼部を周方向に等ピッチで有し、
   吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の半径方向長さは、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の半径方向長さよりも短いことを特徴とする、ターボ分子ポンプ。
6. ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、
   前記ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記各段のロータ翼はそれぞれ複数の翼部を周方向に等ピッチで有し、
   吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間よりも大きいことを特徴とする、ターボ分子ポンプ。
7. ポンプケーシング内に回転自在に軸支され軸方向に多段のロータ翼を有するロータと、
   前記ロータ翼間に固定され軸方向に多段のステータ翼を有するステータとを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記各段のロータ翼は複数の翼部をそれぞれ段毎に周方向に等ピッチで有し、
   前記吸い込み側１段目のロータ翼の翼部は吸い込み側１段目の隣同士の翼部と軸方向に重なり部分を有さず、
   吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の枚数は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の枚数よりも少なく、
   吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の半径方向長さは、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の半径方向長さよりも短く、
   吸い込み側１段目のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間は、少なくとも吸い込み側２段目以降のロータ翼の翼部の先端部とステータの内周面との間の隙間よりも大きいことを特徴とする、ターボ分子ポンプ。
   

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