JP2009275578A - 磁気軸受式ターボ分子ポンプおよび真空システム - Google Patents

Abstract

【課題】パージガス供給に関する不具合の発生を防止することができる磁気軸受式ターボ分子ポンプの提供。
【解決手段】磁気軸受によりロータを磁気浮上させ、そのロータをモータにより高速回転して気体を排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、磁気軸受に腐食防止用ガスを導くガスパージ手段５１と、腐食防止用ガスの流量を検出する流量検出手段３０と、ロータが磁気浮上状態であって、かつ、流量検出手段で検出される流量が所定流量より小さいときに警報動作を行う警報手段４０とを備える。その結果、パージガス供給に関する不具合が発生した場合に、ポンプ自体が警報を発することで、腐食性ガスによる不具合の発生を未然に防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気軸受式ターボ分子ポンプ、および、真空システムに関する。

従来、磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、腐食性ガスを排気する際に、磁気軸受部分を不活性ガスでパージする構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３１９４２号公報

しかしながら、従来のターボ分子ポンプでは、ガスパージ用のポートは設けられているものの、パージガスの流量管理が適切に行われない場合、ポンプの故障の原因となる。

請求項１の発明は、磁気軸受によりロータを磁気浮上させ、そのロータをモータにより高速回転して気体を排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、磁気軸受に腐食防止用ガスを導くガスパージ手段と、腐食防止用ガスの流量を検出する流量検出手段と、ロータが磁気浮上状態であって、かつ、流量検出手段で検出される流量が所定流量より小さいときに警報動作を行う警報手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータが磁気浮上状態であって、かつ、モータの電流値が無負荷定常回転時の電流値よりも大きい場合に警報動作を行うようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、警報動作が、警報信号の出力およびポンプ停止動作であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプと、ガスパージ手段へ腐食防止用ガスを供給するためのガス供給手段と、ガス供給手段に腐食防止用ガスの供給を指示するとともに、ガス供給指示の発生を知らせるガス供給認識信号をターボ分子ポンプに入力する制御手段とを備える真空システムにおいて、ガス供給認識信号が入力されている場合にのみ警報動作を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ポンプ自体が警報動作を行うことで、パージガス供給に関する不具合の発生を防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による磁気軸受式ターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、ポンプ本体１の断面図である。図１に示すターボ分子ポンプは広域型ターボ分子ポンプと称されるものであり、ターボ分子ポンプ部２とネジ溝ポンプ部３とを有している。ターボ分子ポンプ部２は複数段の動翼１９と複数段の静翼２１とで構成され、ネジ溝ポンプ部３はネジロータ２０とネジステータ２３とで構成されている。

複数段の動翼１９およびネジロータ２０はロータ４に形成されており、そのロータ４はスピンドルハウジング２４内に回転自在に設けられた回転軸８に固定されている。スピンドルハウジング２４内には、図示上側から順に、上部ラジアルセンサ１３，上部ラジアル電磁石９，モータステータ１２，下部ラジアル電磁石１０，下部ラジアルセンサ１４およびスラスト電磁石１１が設けられている。

回転軸８はラジアル電磁石９，１０およびスラスト電磁石１１によって非接触支持され、モータステータ１２と回転軸側のモータロータとで構成されるＤＣモータにより回転駆動される。回転軸８の浮上位置は、各ラジアル電磁石９，１０およびスラスト電磁石１１に対応して設けられたラジアルセンサ１３，１４およびスラストセンサ１５によって検出される。回転軸８の上下に設けられた保護ベアリング１６，１７は機械式のベアリングであり、磁気軸受が作動していない場合に回転軸８を支持するとともに、回転軸８の浮上位置を制限するものとしても機能する。回転軸８の回転速度は回転数センサ１８によって検出される。

一方、ケーシング７内のベース６上には、複数の静翼２１およびネジステータ２３が設けられている。各静翼２１は上下をリング状のスペーサ２２によって挟持されるようにベース６上に保持されており、ケーシング７をベース６にボルト締結することにより、静翼２１およびスペーサ２２がケーシング７の上端とベース６との間に固定される。その結果、各静翼２１は動翼１９間の所定位置に位置決めされる。ネジステータ２３は、ベース６上にボルト等により固定されている。

吸気口７ａから流入したガス分子はターボ分子ポンプ部２によって図示下方へと叩き飛ばされ、下流側に向かって圧縮排気される。ネジロータ２０はネジステータ２３の内周面に近接して設けられており、ネジステータ２３内周面には螺旋溝が形成されている。ネジ溝ポンプ部３では、ネジステータ２３の螺旋溝と高速回転するネジロータ２０とにより、粘性流による排気機能が発生する。ターボ分子ポンプ部２で圧縮されたガス分子は、さらにネジ溝ポンプ部３によって圧縮され、排気口６ａから排出される。

ベース６には、パージガス供給用のパージポート６１が形成されており、このパージポート６１にはパージガスＰＧの流量を計測するためのフローメータ３０が設けられている。パージポート６１は、ガス通路６２を介してスピンドルハウジング２４内に連通している。フローメータ３０を介して供給されたパージガスＰＧは、このガス通路６２を通ってスピンドルハウジング２４内に流入する。パージガスＰＧには、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。

スピンドルハウジング２４内に流入したパージガスＰＧは、矢印で示すように回転軸８とステータとの隙間を通って保護ベアリング１６まで達し、保護ベアリング１６の隙間からスピンドルハウジング２４外へと流出する。スピンドルハウジング２４外へ流出したパージガスＰＧは、スピンドルハウジング２４とロータ４との隙間空間へと流れ込み、その後、ネジ溝ポンプ部３の下流側のガスとともに排気口６ａからポンプ外へと排出される

図２は、磁気軸受式ターボ分子ポンプが設けられた真空システムにおける、ガスパージ制御を説明する図である。図２における真空システムは、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置が対応し、それらの装置には、装置全体の制御を行う制御部５０が設けられている。制御部５０は、パージガスラインに設けられた流量制御装置５１にガスパージ信号を送って、ポンプ本体１に流量Ｑ１のパージガスＰＧが供給されるように制御する。ターボ分子ポンプの場合、パージガスＰＧの流量Ｑ１は２０〜１００ｓｃｃｍ程度であり、後述する警報動作の判定基準となる下限値Ｑminは１５ｓｃｃｍ程度に設定される。

図１に示したポンプ本体１にはコントローラ４０が接続され、コントローラ４０によりターボ分子ポンプ本体１のモータおよび磁気軸受を駆動制御する。ポンプ本体１からは、これらの駆動制御に関係する信号、すなわち、回転数センサ１８からのセンサ信号（モータ信号）やラジアルセンサ１３，１４およびスラストセンサ１５からのセンサ信号（磁気軸受け信号）がコントローラ４０へと出力される。また、ポンプ本体１に設けられたフローメータ３０からは、流量信号Ｑ２がコントローラ４０に入力される。

制御部５０は、ガスパージ信号を流量制御装置５１とコントローラ４０の両方に出力する。そのため、コントローラ４０は、ガスパージ信号の入力を検出することにより、システムとしてガスパージがオン状態か否かを認識することができる。一方、コントローラ４０は、ポンプ本体１からの流量信号Ｑ２に基づいて、または、ポンプ本体１からの流量信号Ｑ２と制御部５０からのガスパージ信号とに基づいて、警報動作を行う。警報動作の詳細は後述するが、警報動作としては、警報信号の出力と、モータ駆動を停止してロータ４の回転を停止する動作がある。

次に、警報動作について説明する。
（動作例１）
動作例１では、モータ電流値に基づいてガス負荷がかかった状態か否かをポンプ側で判定し、ガス負荷がかかっていると判定され、かつ、パージガスの流量が規定量よりも少ない場合には警報動作を行わせる。ターボ分子ポンプを装置で使用する場合、一般的に定格回転数の状態（定常回転の状態）で使用される。ドライエッチングやＣＶＤ等のプロセスでは、プロセスガスを流しながら処理が行われる。プロセス中はポンプにガス負荷がかかるが、その場合もポンプは回転数を定格回転数に維持しようとするため、モータ電流値が無負荷時に比べて増加する。コントローラ４０は、このモータ電流値の増加を検出することでガス負荷の有無を判断する。

まず、コントローラ４０は、フローメータ３０で検出されるガス流量Ｑ２が下限値Ｑminよりも低下したことを検出したならば、以下の条件(a1)と条件(b1)とが同時に満たされているか否かを判定する。なお、ポンプが定常回転状態か否かは、回転数センサ１８により検出される回転数が、定格回転数であるか否かにより判定する。
条件(a1)：ポンプが定常回転状態である。
条件(b1)：モータ電流値が無負荷時の電流値より大きい状態である。

そして、上記条件(a1)，(b1)が同時に満たされている場合には、装置の安全を確保するための警報動作を行う。警報動作としては、例えば、警報信号を出力すると同時にポンプのブレーキ動作を開始して、ポンプを停止させる。または、警報信号の出力後、Ｑ２＜Ｑminの状態が所定時間継続した時点でブレーキ動作を開始するようにしても良い。ここで、ブレーキを動作させるのは、腐食性ガスによる配線の断線等により、磁気軸受が制御不能となったり高速回転状態でタッチダウンしたりするおそれがあるためである。ロータ４が停止状態になれば、たとえタッチダウンしても、保護ベアリング１６，１７により安全に支持される。

一方、ポンプが定常回転状態でない場合や、定常回転状態であってもモータ電流値が無負荷時と同じ場合には、Ｑ２＜Ｑminであっても警報動作を行わないこととする。ＣＶＤ装置等においては、ポンプが定常状態になったことを確認してからプロセスが開始されるので、定常回転状態でない場合にはプロセスガスの排気が行われていないと考えることができる。また、定常回転状態であってもモータ電流値が無負荷時と同じ場合にも、プロセスガスの排気が行われていないと考えることができる。このようにプロセスガスが供給されていない状態では、不要な警報動作が行われないようにして、装置全体の処理がスムーズに行われるようにしている。逆に、このような場合に警報動作を行うと、例えば、装置立ち上げ時に警報動作が行われてしまうという不都合が生じることになる。

（動作例２）
上述した動作例１では、腐食性ガス（プロセスガス）はプロセス中のみにプロセスチャンバ内に供給される場合を想定した動作である。しかしながら、ロータが停止した状態であっても、腐食性ガスが供給されている場合がある。動作例２は、そのような状況を想定した場合に適用されるものである。

動作例２では、コントローラ４０は、フローメータ３０で検出されるガス流量Ｑ２が下限値Ｑminよりも低下したことを検出したならば、下記の条件(a2)が満たされているか否かを判定し、満たされている場合には警報動作を行う。なお、警報動作に関しては動作例１と同様である。
条件(a2)：ロータ４が磁気浮上状態にある。

このように、動作例２の場合には、ポンプ停止状態であってもパージガス供給系に不具合が発生したことを、ポンプ側から装置側に知らせることができる。そのため、仮に装置側でパージガス供給系の不具合を見逃した場合でも、ポンプ側から警報信号を出力することで、安全が確保される。

（動作例３）
上述した動作例１，２では、ポンプ側で得られる情報のみに基づいて警報動作を行うか否かを判断していたが、以下に述べる動作例３では、装置側の情報、すなわち、制御部５０から送信される情報も参考にして判定を行うようにした。図２に示したように、制御部５０からガスパージ信号を流量制御装置５１に送ることにより、パージガスＰＧをポンプ側に供給するようにしている。ガスパージ信号はコントローラ４０にも出力され、コントローラ４０はこの信号の入力を検出することで、装置としてパージガス供給状態であることを認識する。

コントローラ４０は、制御部５０からのガスパージ信号を検出した場合にのみ、上述した動作例１，２における判定を行い、その判定結果に基づいて警報動作を行う。また、上記条件(a1)，(b1)，(a2)による判定は行わず、ガスパージ信号を検出した場合にＱ１＜Ｑminの判定を行い、その判定のみで警報動作の要否を決定するようにしても良い。動作例３の場合には、ガスパージ信号を検出しないときには、装置としてガスパージが不要な状態であるので、警報動作を不必要に行わないようにしている。その結果、不要な警報動作によって装置全体の処理の流れが乱されるのを防止することができる。

なお、上述した実施の形態では、磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受け式に限らず適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による磁気軸受式ターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 磁気軸受式ターボ分子ポンプが設けられた真空システムにおける、ガスパージ制御を説明する図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、２：ターボ分子ポンプ部、３：ネジ溝ポンプ部、４：ロータ、６：ベース、８：回転軸、９，１０：ラジアル電磁石、１１：スラスト電磁石、１２：モータステータ、１３，１４：ラジアルセンサ、１５：スラストセンサ、１８：回転数センサ、３０：フローメータ、４０：コントローラ、６１：パージポート、６２：ガス通路、５０：制御部、５１：流量制御装置、ＰＧ：パージガス

Claims (4)

1. 磁気軸受によりロータを磁気浮上させ、そのロータをモータにより高速回転して気体を排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
   前記磁気軸受に腐食防止用ガスを導くガスパージ手段と、
   前記腐食防止用ガスの流量を検出する流量検出手段と、
   前記ロータが磁気浮上状態であって、かつ、前記流量検出手段で検出される流量が所定流量より小さいときに警報動作を行う警報手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
   前記警報手段は、前記ロータが磁気浮上状態であって、かつ、前記モータの電流値が無負荷定常回転時の電流値よりも大きい場合に前記警報動作を行うことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
   前記警報動作は、警報信号の出力およびポンプ停止動作であることを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプと、
   前記ガスパージ手段へ前記腐食防止用ガスを供給するためのガス供給手段と、
   前記ガス供給手段に前記腐食防止用ガスの供給を指示するとともに、ガス供給指示の発生を知らせるガス供給認識信号を前記ターボ分子ポンプに入力する制御手段とを備える真空システムにおいて、
   前記警報手段は、ガス供給認識信号が入力されている場合にのみ前記警報動作を行うことを特徴とする真空システム。

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