JP2010229832A - ドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒素ガスを使用することなく連動機構とポンプ室との隔離性を維持でき、イニシャルコストやランニングコストを低減することができるドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法を提供する。
【解決手段】 駆動シャフト４の外周における連動機構５側とポンプ室６側とに設けられたシール材７２と、これらのシール材７２の間において大気圧よりも高い気圧に保持される高圧空間７３と、この高圧空間７３に高圧空気を導入する空気導入路７４とを有する軸封部７を設け、この軸封部７の前記空気導入路７４を介して前記高圧空間７３に大気圧よりも高圧の空気を供給するコンプレッサ８を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体装置の製造エリア等を備えた処理室内を減圧するためのドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法に関するものである。

従来、半導体製造におけるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、エッチング、スパッタ、拡散、イオン打ち込み等の処理プロセスにおいては、処理室内を減圧することが加工の前提条件となっており、この処理室内の減圧には粉塵や水分等の不純物による汚染防止のため、ドライ真空ポンプが用いられることが多い。

例えば、特開２００４−２９３４３４号公報には、半導体製造プロセスに用いられるドライ真空ポンプとして、タイミングギア等の連動機構によって連動された２本のルーツ型ロータがハウジングの内に形成されたポンプ室で互いに反対方向に回転することにより、ハウジングの吸気口から吸気した気体をハウジングの排気口から排気するドライポンプが提案されている（特許文献１）。この特許文献１によれば、連動機構は、樹脂シールなどの接触型シール材やラビリンスシールなどの非接触型シール構造により封止され、ポンプ室と隔離した状態で高速回転し、各ロータが同期回転させて気体の吸入や圧縮を行うようになっていると記載されている。

特開２００４−２９３４３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明においては、接触型のシール材によって連動機構を封止する場合、当該シール材がロータと常時接触しているため摩耗劣化が避けられず、その摩耗劣化により封止状態が不十分になるという問題がある。また、上記ラビリンスシールは、凹凸の隙間を何段にも組み合わせて、各段ごとに徐々に漏れ圧を下げるものである。このため、複雑なシール構造をシャフトに施さなければならず、シャフトが高価になるという問題がある。さらに、いったん連動機構内の潤滑油が漏れてしまうと、真空状態であるポンプ室内に吸引され、処理室内のウエハ等を汚染してしまうという問題もある。

このような問題点に対して、軸封用の窒素ガスを供給してポンプ室側を陽圧にすることにより連動機構側を封止する技術も知られている。しかしながら、窒素ガスを供給するための配管を敷設しなければならないし、窒素ガス自体の単価も高いため、イニシャルコストおよびランニングコストがかかるという問題がある。また、配管の敷設状況によっては、ポンプの使用環境に制約を受けてしまうし、移設する際には、極めて大がかりな工事が必要になるという問題もある。

本発明は、これらのような問題点を解決するためになされたものであって、窒素ガスを使用することなく連動機構とポンプ室との隔離性を維持でき、イニシャルコストやランニングコストを低減することができるドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法を提供することを目的としている。

本発明に係るドライ真空ポンプは、駆動モータの駆動力を伝達する複数の駆動シャフトにポンプ室内のロータを連結させて駆動力を伝達するとともに、前記各駆動シャフトを連動させる連動機構を介して複数の前記ロータを同期回転させることにより空気を吸排気して減圧処理するドライ真空ポンプであって、前記駆動シャフトの外周における前記連動機構側と前記ポンプ室側とに設けられたシール材と、これらのシール材の間において大気圧よりも高い気圧に保持される高圧空間と、この高圧空間に高圧空気を導入する空気導入路とを有する軸封部を設け、この軸封部の前記空気導入路を介して前記高圧空間に大気圧よりも高圧の空気を供給するコンプレッサを備えている。

また、本発明の一様態として、前記ポンプ室内には、前記コンプレッサが配置されているとともに、前記駆動シャフトの駆動力を前記コンプレッサの駆動シャフトに伝動する動力伝達部が設けられていてもよい。

本発明に係る処理室減圧方法は、半導体装置の製造エリア等を備えた処理室に前記ドライ真空ポンプを連結し、前記ドライ真空ポンプにおける前記連動機構と前記ポンプ室との間を封止しつつ前記処理室内の空気を排気して減圧する。

本発明によれば、窒素ガスを使用することなく連動機構とポンプ室との隔離性を維持でき、イニシャルコストやランニングコストを低減することができる。

本発明に係るドライ真空ポンプを用いて処理室内の減圧を行う処理室減圧システムを示す構成図である。 第１実施形態におけるドライ真空ポンプを示す正面断面図である。 第１実施形態のロータの形状を示す横断面図である。 第１実施形態における動力伝達部を示す横断面図である。 第２実施形態の真空ポンプを示す正面断面図である。 第３実施形態における処理室減圧システムを示す構成図である。

以下、本発明に係るドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法の第１実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａを用いてウエハＷのドライエッチングを行う処理室Ｒ内の減圧を行う処理室減圧システム１Ａを示す構成図である。

本第１実施形態における処理室減圧システム１Ａは、主として、ウエハＷを載置するステージＳおよびこのステージＳを密閉するチャンバーＣを備えた処理室Ｒと、この処理室Ｒと圧力調整バルブＶ１およびストップバルブＶ２を介して接続される本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａと、処理室Ｒ内にエッチングガスを導入するガス導入装置Ｇと、ステージＳの温度調節を行うステージ温度調整器ＴＡと、処理室Ｒ内のウエハにＲＦ発振器Ｔに基づいて電極からプラズマを放電する放電装置Ｐとから構成されている。そして、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａを処理室Ｒに接続した状態で駆動することにより、処理室Ｒ内の空気を排気し減圧状態を保持するようになっている。このとき、処理室Ｒ内の圧力は圧力調整バルブＶ１により調整される。また、ドライ真空ポンプ２Ａの排気はストップバルブＶ２により処理室Ｒから分離される。

なお、本第１実施形態では、処理室Ｒとして、ウエハのドライエッチングを行うドライエッチング装置に適用しているが、これに限定されるものではなく、ＣＶＤ装置、エッチング装置、スパッタ装置、拡散装置、イオン打ち込み装置等のように、半導体の製造工程に用いられる各種の処理室Ｒに適用できる。

本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａは、図２に示すように、主として、駆動モータ３と、この駆動モータ３の駆動力を伝達する複数の駆動シャフト４と、各駆動シャフト４を連動させる連動機構５と、ロータ６１を内蔵するポンプ室６と、連動機構５とポンプ室６との間の駆動シャフト４１を軸封する軸封部７と、この軸封部７の内部に高圧空気を供給するコンプレッサ８Ａと、このコンプレッサ８Ａの駆動シャフト４３にロータ６１の駆動シャフト４２の駆動力を伝達する動力伝達部９とから構成されている。以下に各構成について詳細に説明する。

なお、本発明において、ドライ真空ポンプ２とは、ポンプ室６内にオイルを使用しない全ての真空ポンプを含む概念である。

駆動モータ３は、ポンプ室６内のロータ６１やコンプレッサ８Ａを駆動するための駆動力源となるものである。具体的には、例えば、電動コイルモータ等を用いることができる。

駆動シャフト４は、駆動モータ３の駆動力をポンプ室６内のロータ６１やコンプレッサ８Ａに伝達するためのものである。本第１実施形態において、駆動シャフト４としては、図２に示すように、駆動モータ３に設けられたモータシャフト４１と、ポンプ室６内のロータ６１を回転させるロータシャフト４２と、コンプレッサ８Ａを駆動するコンプレッサシャフト４３とから構成されている。

連動機構５は、モータシャフト４１の駆動力を複数本のロータシャフト４２に分割し、連動させるためのものである。本第１実施形態では、図２に示すように、２本のロータシャフト４２，４２を互いに反対方向に同期回転させるようになっている。また、本第１実施形態において、連動機構５は、タイミングギア５１やベアリング（図示しない）を有しており、摩耗劣化を防止するための潤滑油が満たされたギアボックス５２等の密閉容器に収納されている。

ポンプ室６は、処理室Ｒ内の空気を排気し、低圧状態にするためのものである。本第１実施形態において、ポンプ室６には、２本のロータシャフト４２，４２が差し込まれており、これらロータシャフト４２，４２のそれぞれにロータ６１，６１が設けられている。また、ポンプ室６には、図２および図３に示すように、処理室Ｒ内の空気を吸気する吸気口６２と、吸気した空気を排出する排気口６３とが設けられている。さらに、本第１実施形態では、図２に示すように、ポンプ室６内に、コンプレッサ８Ａと、動力伝達部９とが内蔵されている。

なお、本第１実施形態では、図３に示すように、中央部がくびれた楕円形の断面形状を有する多段ルーツ型のロータ６１を採用し、２つのロータ６１，６１を回転方向に位相を９０度ずらした状態でポンプ室６内に並設している。しかしながら、この構成に限られるものではなく、多段クロー型やスクリュー型等のローターを使用してもよい。

軸封部７は、連動機構５とポンプ室６との間の駆動シャフト４を軸封するためのものである。本第１実施形態において、軸封部７は、図２に示すように、連動機構５とポンプ室６との間に露出された各ロータシャフト４２，４２全体を覆うように設けられる軸封部本体７１と、各ロータシャフト４２，４２を封止するシール材７２と、軸封用の空気を充満させる高圧空間７３と、この高圧空間７３に圧縮空気を導入する空気導入路７４とを有する。

本第１実施形態において、軸封部本体７１は、連動機構５とポンプ室６との間の２本のロータシャフト４２，４２を一体的に取り囲んで略密閉するように中空状に形成されている。一方、各ロータシャフト４２，４２の外周面には、図２に示すように、連動機構５側とポンプ室６側とにそれぞれシール材７２が保持されている。そして、各シール材７２の外周面と軸封部本体７１の内壁面とを固定し、各シール材７２の内周面と各ロータシャフト４２の外周面とを密着させることで、軸封状態にされている。なお、シール材７２は、樹脂製またはゴム製のリング状に形成された一般的な接触型シール材であればよい。また、シール材７２は、軸封部本体７１と一体成型されていてもよい。さらに、潤滑油の漏出を防止する観点から、連動機構５側に封止性能が高い大きめのシール材７２が用いることが好ましい。

また、本第１実施形態において、高圧空間７３は、図２に示すように、連動機構５側のシール材７２とポンプ室６側のシール材７２との間において、各ロータシャフト４２，４２の周囲を取り囲むように形成されている。また、空気導入路７４は、軸封部７の外部と高圧空間７３との間、および各高圧空間７３，７３の間を連通するように形成されており、コンプレッサ８Ａから供給される高圧空気を各高圧空間７３，７３へと導入するようになっている。

コンプレッサ８Ａは、大気を圧縮し、大気圧よりも高圧の空気を高圧空間７３へ供給するためのものである。本第１実施形態では、ピストン型圧縮機等のように、コンプレッサシャフト４３によって駆動されるコンプレッサ８Ａを使用し、これをポンプ室６に内蔵している。このため、本第１実施形態のコンプレッサ８Ａは、後述するように、動力伝達部９によってロータシャフト４２から取り出された駆動力によって駆動でき、別途、駆動源を設ける必要がない。なお、コンプレッサ８Ａは、コンプレッサシャフト４３によって駆動されるタイプであれば、ピストン型圧縮機に限定されるものではなく、軸流型等の圧縮機でもよい。

動力伝達部９は、ロータシャフト４２の駆動力をコンプレッサシャフト４３に伝達するものである。具体的には、図２および図４（ａ）に示すように、一方のロータシャフト４２とコンプレッサシャフト４３とのそれぞれに設けられたタイミングギア９１により構成されている。なお、動力伝達部９の構成は、タイミングギア９１に限られるものではなく、図４（ｂ）に示すように、タイミングベルト９２を用いて伝達してもよい。また、駆動力はどちらのロータシャフト４２から得てもよく、モータシャフト４１から得てもよい。

また、本第１実施形態では、図２に示すように、コンプレッサ８Ａが大気を吸気するための吸気管８１と、コンプレッサ８Ａが圧縮した高圧空気を軸封部７の空気導入路７４へ導入するための導入管８２が設けられている。この導入管８２には、ドライ真空ポンプ２Ａの腐食を防止するため、圧縮空気中の粉塵や水分を除去するためのフィルタ８３が設けられている。また、高圧空気による軸封部７の破損を防止するため、空気圧を調整するためのリリーフ弁８４が設けられている。

つぎに、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａにおける各構成の作用を説明するとともに、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａを用いた処理室Ｒ内を減圧する処理室減圧方法を説明する。

まず、駆動力がどのように伝達されるかを説明し、各構成の作用を説明する。駆動モータ３を駆動すると、その駆動力はモータシャフト４１を介して連動機構５のタイミングギア５１，５１へと伝達され、各ロータシャフト４２，４２に分割される。そして、この分割されたそれぞれの駆動力が、各ロータシャフト４２，４２を介して各ロータ６１，６１を互いに反対方向に同期回転させる。

また、本第１実施形態では、ロータシャフト４２の一方に伝達された駆動力が、動力伝達部９によりコンプレッサシャフト４３にも伝達される。このため、コンプレッサ８Ａを駆動するための駆動源を別途、設ける必要がなく、イニシャルコストが低減する。また、ロータ６１の駆動源をコンプレッサ８Ａ用の駆動源として兼用でき、ランニングコストが低減する。

つぎに、処理室Ｒ内を減圧する際の空気の流れについて説明しつつ、ロータ６１の作用について説明する。上記のように、連動機構５によって互いに反対方向に同期回転された各ロータ６１，６１は、図３に示すように、空気を吸気口６２からロータ６１とポンプ室６との空隙に取り込んだ後、下方の排気口６３から排気する。したがって、ポンプ室の吸気口６３と処理室Ｒとを連結することにより、処理室Ｒ内の空気はポンプ室６を介して順次排気され、減圧状態に保持される。

つぎに、連動機構５とポンプ室６との隔離性を維持する際の空気の流れを説明しつつ、各構成の作用について説明する。上記のように、動力伝達部９により駆動されたコンプレッサ８Ａは、吸気管８１から大気を取り込み、大気圧よりも高い圧力に圧縮する。このとき、本第１実施形態では、コンプレッサ８Ａをポンプ室６に内蔵させているため、コンプレッサ８Ａに吸入した空気はポンプ室６内の熱で温められて乾燥し、防蝕効果を奏する。このため、別途、加熱ヒータ等を設ける必要がない。一方、コンプレッサ８Ａにより圧縮された空気は、導入管８２および空気導入路７４を介して軸封部７内の高圧空間７３へと供給される。このとき、本第１実施形態では、フィルタ８３により圧縮空気中の粉塵や水分が除去される。

圧縮空気が導入された軸封部７内では、連動機構５側のシール材７２が、連動機構５からポンプ室６側へ漏れ出る潤滑油を封止する。また、ポンプ室６側のシール材７２は、連動機構５から漏れ出た潤滑油がポンプ室６内へ吸引されないように封止する。

そして、本第１実施形態では、さらに、コンプレッサ８Ａにより圧縮された高圧空気が、高圧空間７３内を大気圧よりも高い気圧に保持する。このため、大気に開放されている連動機構５と高圧空間７３との間に圧力差を発生させる。これにより、例え、シール材７２が摩耗劣化して駆動シャフト４との密着性が低下してしまっても、連動機構５内の潤滑油が高圧空間７３側に漏れ出るのを防止する。潤滑油は高圧側から低圧側へと流れるためである。

つまり、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａにおいては、連動機構５側のシール材７２によって、潤滑油がポンプ室６側へ滲み出すのを防止するとともに、ポンプ室６側の高圧空間７３を連動機構５側よりも高圧に保持することによって、潤滑油のポンプ室６側への滲み出しを二重に防止している。

以上のような、本第１実施形態のドライ真空ポンプ２Ａおよびそれを用いた処理室減圧方法によれば以下の効果を得ることができる。
１．高コストな窒素ガスを用いることなく、連動機構５とポンプ室６との隔離性を維持でき、処理室Ｒ内のウエハ等が汚染するのを防止することができる。
２．軸封用ガスとして大気を利用するため、イニシャルコストやランニングコストを低減することができる。試算では、ドライ真空ポンプが１台につき、窒素ガスの使用量を毎分７リットルとすると年間約１０万円のランニングコストが削減される。
３．駆動モータ３だけでロータ６１とコンプレッサ８Ａの双方を駆動することができる。
４．コンプレッサ８Ａをポンプ室６内に内蔵し、加熱ヒータ等を用いることなく圧縮空気を乾燥でき、ドライ真空ポンプ２の防蝕性を向上することができる。

つぎに、本発明に係るドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法の第２実施形態について図面を用いて説明する。なお、本第２実施形態のうち、前述した第１実施形態の構成と同一若しくは相当する構成については同一の符号を付して再度の説明を省略する。

図５は、本第２実施形態におけるドライ真空ポンプ２Ｂの構成を示す断面図である。本第２実施形態の特徴は、前述した第１実施形態におけるポンプ室６に内蔵させたコンプレッサ８Ａおよび動力伝達部９に代えて、電動式コンプレッサ８Ｂをポンプ室６の外部に備えた点にある。

本第２実施形態において、電動式コンプレッサ８Ｂは、図５に示すように、コンプレッサ８Ｂ用の電源８５に接続されており、ドライ真空ポンプ２Ｂに外付けされている。また、電動式コンプレッサ８Ｂは、フィルタ８３を介して大気を吸気するとともに、リリーフ弁８４で空気圧を制御しながら軸封部７の空気導入路７４へ圧縮空気を供給するようになっている。

以上のような本第２実施形態によれば、既存のドライ真空ポンプに、電動式コンプレッサ８Ｂを外付けするだけで第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

つぎに、本発明に係るドライ真空ポンプおよびそれを用いた処理室減圧方法の第３実施形態について図面を用いて説明する。なお、本第３実施形態のうち、前述した第１実施形態および第２実施形態の構成と同一若しくは相当する構成については同一の符号を付して再度の説明を省略する。

図６は、本第３実施形態における処理室Ｒ内の減圧を行う処理室減圧システム１Ｃを示す構成図である。本第３実施形態における処理室減圧システム１Ｃの特徴は、処理室Ｒに対して、本発明に係るドライ真空ポンプと、一般的なドライ真空ポンプとを配置し、これらを窒素ガスを用いることなく運転させる点にある。

具体的には、本第３実施形態では、図６に示すように、第１実施形態や第２実施形態のコンプレッサ付きドライ真空ポンプ２Ａ，２Ｂと、軸封部７を備えているがコンプレッサ８Ａ，８Ｂは備えていないコンプレッサ無しドライ真空ポンプ２Ｃがそれぞれ処理室Ｒに連結されている。そして、コンプレッサ付きドライ真空ポンプ２Ａ，２Ｂのコンプレッサ８Ａ，８Ｂからの配管が、各コンプレッサ無しドライ真空ポンプ２Ｃの軸封部７に連結されている。

以上の構成において、本第３実施形態では、コンプレッサ付きドライ真空ポンプ２Ａ，２Ｂのコンプレッサ８Ａ，８Ｂで圧縮された高圧空気のうち、余剰分の高圧空気をコンプレッサ無しドライ真空ポンプに供給２Ｃする。このとき、コンプレッサ無しドライ真空ポンプ２Ｃのそれぞれに対して、十分な高圧空気を供給しうるようにコンプレッサ２Ａ，２Ｂの能力を設計しておく。これにより、処理室減圧システム１Ｃに必要なドライ真空ポンプの全てを本発明に係るドライ真空ポンプに置き換えなくても、軸封用の窒素ガスを使用する必要がない。また、コンプレッサ無しドライ真空ポンプ２Ｃにつき、コンプレッサ８Ａ，８Ｂの配設または設置にかかるイニシャルコストを抑制することができる。

なお、本発明に係るドライ真空ポンプは、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、ドライ真空ポンプ２は、半導体製造プロセスの処理室Ｒ内の減圧に使用されるのみならず、処理室Ｒ内に物品を静置する場合の減圧などにも用いられる。

１Ａ，１Ｃ 処理室減圧システム
２Ａ，２Ｂ ドライ真空ポンプ
２Ｃ コンプレッサ無しドライ真空ポンプ
３ 駆動モータ
４ 駆動シャフト
５ 連動機構
６ ポンプ室
７ 軸封部
８Ａ コンプレッサ
８Ｂ 電動式コンプレッサ
９ 動力伝達部
４１ モータシャフト
４２ ロータシャフト
４３ コンプレッサシャフト
５１ タイミングギア
５２ ギアボックス
６１ ロータ
６２ 吸気口
６３ 排気口
７１ 軸封部本体
７２ シール材
７３ 高圧空間
７４ 空気導入路
８１ 吸気管
８２ 導入管
８３ フィルタ
８４ リリーフ弁
９１ タイミングギア
９２ タイミングベルト
Ｒ 処理室
Ｓ ステージ
Ｃ チャンバー
Ｗ ウエハ
Ｇ ガス導入装置
ＴＡ ステージ温度調整器
Ｔ ＲＦ発信器
Ｖ１ 圧力調整バルブ
Ｖ２ ストップバルブ

Claims (3)

1. 駆動モータの駆動力を伝達する複数の駆動シャフトにポンプ室内のロータを連結させて駆動力を伝達するとともに、前記各駆動シャフトを連動させる連動機構を介して複数の前記ロータを同期回転させることにより空気を吸排気して減圧処理するドライ真空ポンプであって、
   前記駆動シャフトの外周における前記連動機構側と前記ポンプ室側とに設けられたシール材と、これらのシール材の間において大気圧よりも高い気圧に保持される高圧空間と、この高圧空間に高圧空気を導入する空気導入路とを有する軸封部を設け、この軸封部の前記空気導入路を介して前記高圧空間に大気圧よりも高圧の空気を供給するコンプレッサを備えたドライ真空ポンプ。
2. 前記ポンプ室内には、前記コンプレッサが配置されているとともに、前記駆動シャフトの駆動力を前記コンプレッサの駆動シャフトに伝動する動力伝達部が設けられている、請求項１に記載のドライ真空ポンプ。
3. 半導体装置の製造エリア等を備えた処理室に請求項１または請求項２に記載のドライ真空ポンプを連結し、前記ドライ真空ポンプにおける前記連動機構と前記ポンプ室との間を封止しつつ前記処理室内の空気を排気して減圧する処理室減圧方法。

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