JP2014080981A - 真空ポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】真空ポンプの高さ寸法を小さくするなどの目的で、回転部が排気口の内側開口部を塞ぐ場合に、排気性能の低下や、回転体破壊時のガス漏れの可能性を低減し、さらにコネクタのリード線の配線を容易にした真空ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】回転体の下流空間と排気口を連通するガス排出通路の内側開口縁部を、この開口縁部にガス排出通路形成部材を上方側及び斜め上方側、又は下方側及び斜め下方側から見たときの不可視部がない形状にする。さらに、この開口縁部のスミ部をR形状とし、応力集中を低減する。また、ベースにリード線配線穴と中央部の穴を連通する溝を設け、さらに、これらのカドをR形状とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体製造装置で用いるプロセスチャンバーなどの真空容器の排気処理を行うターボ分子ポンプなどの真空ポンプに係り、詳しくは排気口やコネクタの設置位置により低下する排気性能を改善し、あるいは真空ポンプを小型化する技術に関する。
ターボ分子ポンプの大流量型ポンプとして、回転翼部と円筒ネジ部を組み合わせた複合翼型ポンプが広く普及している。
図9には、このような複合翼型ポンプの一例を示してある。この複合翼型ポンプ200は、図示しないチャンバーからガスを吸引する吸気口10が上部に形成された筒状のケーシング20と、このケーシング20の内部に、回転体30に複数枚設けられた回転翼32と、これらの回転翼32と交互に設けられた固定翼40と、ドラッグ作用により排気を行うネジ溝部80を構成するネジ付きスペーサ45と回転翼円筒部50、ケーシング20の下部を覆う円盤状のベース70と、吸気口のある上流側から排気されたガスを下流側の外部に排気を行う排気口90と、外部に存在しこのポンプを制御するためのコントローラと電気的に接続するコネクタ100と、底部を覆う裏蓋110と、から構成されている。
回転体30は、ラジアル軸受34、36及びスラスト軸受38により、磁気浮上することで、非接触で支持され、且つ位置制御されるようになっている。この回転体30は、駆動用モータ60により、高速で回転駆動されるようになっている。この回転体30が高速回転することで、この回転体30に設けられた回転翼32を同時に高速回転し、交互に配置された固定翼40との相互作用により、排気を行うようになっている。
一般に、ターボ分子ポンプでは、背圧側(排気口側)の圧力により、ポンプの性能が影響を受ける背圧依存性がある。そこで、複合翼型ポンプでは、ネジ溝部80の直径を拡大したり、ネジ溝部80の軸方向の長さを長く取ることで、吸気口側の圧力を低圧に維持した上で背圧を高くし、結果としてポンプの性能を向上させることが行われてきた。
しかし、複合翼型ポンプは、設置に関する制約条件の中で設計する必要があり、特にネジ溝部80の長さを長くしてしまうとポンプ自体の軸方向長さが長くなってしまい、設置上の問題が生じることがあった。
特許文献1には、ネジ溝部を長くしたことにより排気口のポンプ内側の開口面積が縮小し、排気性能が低下することを防止するための技術が開示されている。即ち、ポンプの回転部が、排気口のポンプ内側の開口部の一部を内側から塞ぐと、排気性能が低下する。それは、開口部が減少すると、コンダクタンスが低下し、排気口への流れを妨げるからである。
そこで、この技術では、ネジ溝部からベース又はネジ付きスペーサに設けられた排気口へ繋がる円筒孔に対し、内側から半径方向を深さ方向とするコの字型の溝を設けることで、排気口の開口面積の縮小を防止し、結果としてポンプの排気性能を向上させている。
ところで、特許文献1記載の技術である排気口への円筒孔に対し、内側からコの字溝を設けることは、旋盤加工する際に特殊な切削工具やセッティングが必要となり、加工が困難である。また、加工ができたとしても作業に手間と時間がかかり、製造コストが上昇してしまうことは否定できない。
さらに、ハウジングを鋳造しようとすると、内側に凹溝があるため、型からの取り出しが困難になり、型の構造が複雑化し鋳造のコストが高騰するなどの問題があった。
加えて、ネジロータ部が回転中に破壊すると、その破片がネジステータ部に衝突し、このネジステータ部やこれを介してハウジングに力が作用すると、形成された溝部の隅で応力集中が発生し、そこが、ポンプの強度上のウィークポイントとなり、ポンプ自体の強度を低下させてしまう恐れがあった。
また、半導体製造装置の中でもドライエッチング装置においては、チャンバー内で反応したプロセスガスは、圧力が上昇すると、常温より高い温度でなければ、気体から固体に状態変化する。この性質により、複合翼型ポンプをドライエッチング装置の排気に使用する場合には、ガスの圧力が高くなるネジ溝部に、このプロセスガスが固化した反応生成物が堆積し、ポンプの排気性能が低下してしまう。このため、ポンプ内部に堆積した反応生成物を定期的に除去する必要があるが、コの字溝の内部は、洗浄剤や除去用の道具が入り難いため、除去作業が煩雑になるという問題もあった。
さらに、反応生成物を除去するときには、全て除去したことを目視確認する必要がある。そして、除去後は、一般にドライエッチング装置のプロセスガスは腐食性が強いため、ネジステータ部やハウジングのガス流路面の腐食の有無と、腐食対策のために施されているめっきなどの表面被膜の剥離の有無などを目視確認し、これらがある場合には補修をする必要がある。ガス流路面に目視できない部分があると、この部分の反応生成物の残留や腐食が見逃され、未補修の状態で真空ポンプの使用が再開されることとなる。そして、腐食が進行して、ネジステータやハウジングの強度が劣化し、上記のようなロータ破壊が発生した場合には、これらが断裂しガス漏れが生じる恐れがあった。従来技術のようなコの字溝であっても、溝の深さを浅くすることで、目視できない部分を低減することができるが、この場合には、溝を浅くするために十分な開口面積を確保できないという問題が生じていた。
一方、別な問題として、コネクタに関する問題がある。ターボ分子ポンプには、モータや磁気軸受への電力供給や信号の入出力のために、コントローラと接続する働きをするコネクタが設けられている。このコネクタの配線を通す穴は、排気流路と完全な隔離構造となっている。これは排気流路と穴で繋がり、コネクタ側にガスが流れてしまうと、排気性能の劣化やコネクタ部の腐食を生じさせ、場合によっては故障の原因となり、ポンプに重大な問題を引き起こす可能性があるからである。
また、ネジ溝部の下端の高さ位置が、コネクタ配線用の通し穴の高さ位置より低くなってしまった場合、コネクタ配線用の通し穴の開口面積を減少させなければならず、モータや磁気軸受からコネクタへ繋ぐ配線の通し作業が難しくなる。よって、ネジ溝部を長くすることは、コネクタ部でも、排気口と同様に、真空ポンプの高さ寸法を大きくしなければならないという問題があった。
上記従来の技術では、このようなコネクタに関する問題は考慮されていなかった。
特開2008−163857号公報
本発明の第1の目的は、真空ポンプの高さ寸法を小さくするなどの目的で、ネジ溝部をポンプ内のより下方へ長くもしくは配置したときに、それに伴って生じる排気性能の低下を低減することができる真空ポンプを提供することである。
本発明の第2の目的は、真空ポンプの高さ寸法を小さくするなどの目的で、ネジ溝部をポンプ内のより下方へ長くもしくは配置したときに、それに伴って低下するコネクタの配線の作業容易性を改善した真空ポンプを提供することである。
請求項1記載の発明では、吸気口と、モータと、前記モータによって回転駆動される回転体と、前記回転体に対峙して配置されたステータと、前記ステータを支持するハウジング又はベース部材と、前記回転体の回転を制御するコントローラが接続されるコネクタとを備えた真空ポンプであって、前記ハウジング又は前記ベース部材に、前記回転体の回転中心軸線と略同軸状になる略同軸状穴と、前記コネクタと前記モータを繋ぐ導電線が挿通される導電線挿通穴と、前記略同軸状穴と前記導電線挿通穴を連通する溝が設けられたことを特徴とする。
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明において、前記略同軸状穴と前記導電線挿通穴と前記溝の縁の少なくとも一つをカドR形状とし、前記導電線が前記縁との接触により受ける損傷を低減したことを特徴とする。
請求項3記載の発明では、請求項1又は請求項2記載の発明において、前記回転体の径方向において、前記溝の外周側端が、前記導電線挿通穴の内周側端より外周側にあることを特徴とする。
上記発明と別の第1の発明では、吸気口と、モータと、前記モータによって回転駆動される回転体と、前記回転体に対峙して配置されたステータと、前記吸気口を通して吸引したガスを排出するための排気口とを備え、前記ガスの流路において、前記回転体の下流の空間と前記排気口を連通するガス排出通路を形成し、前記回転体が前記ガス排出通路の前記回転体の径方向内周側に延在する真空ポンプであって、前記ガス排出通路の前記下流の空間側の開口縁部に、前記ガス排出通路を形成するガス排出通路形成部材を上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方、又は、下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部がないことを特徴とする。
上記発明と別の第2の発明では、前記第1の発明において、前記ガス排出通路形成部材が、前記ステータであることを特徴とする。
上記発明と別の第3の発明では、前記第1の発明において、前記回転体及び/又は前記ステータの外周側を覆うケーシングを備え、前記ガス排出通路形成部材が、前記ケーシングであることを特徴とする。
上記発明と別の第4の発明では、前記第1の発明において、前記ステータを支持するハウジング又はベース部材を備え、前記ガス排出通路形成部材が、前記ハウジング又は前記ベース部材であることを特徴とする。
上記発明と別の第5の発明では、前記第1の発明において、前記排気口を形成し、前記真空ポンプ内部へ延在する排気口部材を備え、前記ガス排出通路形成部材が、前記排気口部材であることを特徴とする。
上記発明と別の第6の発明では、前記第1から第5のいずれかの発明において、前記開口縁部のスミ部が、応力集中を低減するスミR形状であることを特徴とする。
上記発明と別の第7の発明では、吸気口と、モータと、前記モータによって回転駆動される回転体と、前記回転体に対峙して配置されたステータと、前記吸気口を通して吸引したガスを排出するための排気口とを備え、前記ガスの流路において、前記回転体の下流の空間と前記排気口を連通するガス排出通路を形成し、前記回転体が前記ガス排出通路の前記回転体の径方向内周側に延在する真空ポンプであって、前記ガス排出通路の前記下流の空間側の開口縁部のスミ部が、応力集中を低減するスミR形状であることを特徴とする。
スミR形状のR寸法は、0.1mmとするだけでも、応力集中の低減効果を得ることができる。このR寸法をさらに大きくすれば、より大きな低減効果を得ることができる。
上記発明と別の第8の発明では、前記第1から第7のいずれかの発明において、前記回転体の回転を制御するコントローラが接続されるコネクタを備え、前記ハウジング又は前記ベース部材に、前記回転体の回転中心軸線と略同軸状になる略同軸状穴と、前記コネクタと前記モータを繋ぐ導電線が挿通される導電線挿通穴と、前記略同軸状穴と前記導電線挿通穴を連通する溝が設けられたことを特徴とする。
コントローラは、コネクタに直接接続されても良いし、ケーブルを介して接続されても良い。
上記発明と別の第9の発明では、吸気口と、モータと、前記モータによって回転駆動される回転体と、前記回転体に対峙して配置されたステータと、前記吸気口を通して吸引したガスを排出するための排気口とを備えた真空ポンプに使用される部材であって、前記ガスの流路において、前記回転体の下流の空間と前記排気口を連通するガス排出通路を形成し、前記ガス排出通路の前記下流の空間側の開口縁部に、前記部材の上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方、又は、下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部がないことを特徴とする。
前記部材の例としては、真空ポンプを構成するステータ、ケーシング、ハウジング、ベース部材、真空ポンプ内部へ延在する排気口部材などがあげられる。
本発明では、真空ポンプのネジ溝部をポンプ内のより下方へ長くもしくは配置したときに、それに伴って生じるポンプの排気性能の低下を低減することができる。
また、本発明では、ネジ溝部をポンプ内のより下方へ長くもしくは配置したときに、それに伴って生じる配線作業性の悪化を低減することができる。
第1の実施例に係るネジ付きスペーサに排気口が設けられている複合翼型ポンプの縦断面図である。 第1の実施例に係るベースに排気口が設けられている複合翼型ポンプの縦断面図である。 ネジ付きスペーサに排気口が設けられている場合の第1の実施例を説明する図である。 ベースに排気口が設けられている場合の第1の実施例を説明する図である。 ネジ付きスペーサにガス排出通路として円筒孔が形成された場合を例に、不可視部を説明するための図である。 ネジ付きスペーサの下方側と斜め下方側を説明するための図である。 ベースの上方側と斜め上方側を説明するための図である。 第2の実施例を説明する図である。 従来の複合翼型ポンプの一例を示した縦断面図である。
以下、本発明の真空ポンプにおける好適な実施の形態について、図1から図8を参照して詳細に説明する。
図1及び図2は本発明が適用される複合翼型ポンプの構成を示した縦断面図である。
図1は、ステータとしてのネジ付きスペーサ45に排気口が設けられている例を示しており、図2は、ベース部材としてのベース70に排気口が設けられている例を示している。なお、図1から図8の説明では、従来例を説明した図9と同一の部材に対しては、同一の符号を付して説明する。
第1の実施例は、回転体としての回転翼円筒部50又はネジ付きスペーサ45が、回転翼円筒部50の下流の空間Sと排気口90に連通するガス排出通路としての円筒孔45a又は70aの空間S側の開口部を塞ぐことで低下した真空ポンプの排気性能を改善する技術に関する。
この実施例は、図3(b)及び図4(b)に示すように、ガス排出通路形成部材として、図1ではネジ付きスペーサ45が、図2ではベース70が、円筒孔45a又は70aを形成している。ネジ付きスペーサ45は、円筒孔45aの空間S側の開口縁部130を、この開口縁部130に、ネジ付きスペーサ45を下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部がないように形成する。
また、ベース70は、円筒孔70aの空間S側の開口縁部130を、この開口縁部130に、ベース70を上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部がないように形成する。
図5は、ネジ付きスペーサ45にガス排出通路として円筒孔45aが形成された場合を例に、不可視部を説明するための図である。図5にはクロスハッチングを施した部分が存在するために、開口縁部130に、ネジ付きスペーサ45を下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部が存在する。これに対し、この実施例では、ネジ付きスペーサ45が形成する円筒孔45aでは、開口縁部130を、この開口縁部130に、ネジ付きスペーサ45を下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部が存在しないように形成する。ネジ付きスペーサ45を下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たとき、図5のクロスハッチング部のような視界を遮るものが無いので、開口縁部130の全部分を見ることができる。このような状態を、本発明では、不可視部がないとしている。
一方、ベース70が形成する円筒孔70aでは、開口縁部130を、この開口縁部130に、ベース70を上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部が存在しないように形成する。この場合にも、上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方からベース70を見たとき、図5のクロスハッチング部のような視界を遮るものがないので、開口縁部130の全部分を見ることができる。
次に、上方側と斜め上方側、下方側と斜め下方側の定義について説明する。図6はネジ付きスペーサ45を、図7はベース70をそれぞれ示している。図6と図7に示すように、これらが複合翼型ポンプに組み込まれたときの吸気口側を上方側、ポンプの底部側を下方側とする。すなわち、中心線C−C’のC側を上方側としC’側を下方側とする。さらに、この中心線C−C’と90度未満の角度αをなす直線のC側を斜め上方側としC’側を斜め下方側とする。
なお、開口縁部130に、ネジ付きスペーサ45を下方側と斜め下方側のうちの少なくとも一方から見たときの不可視部がないということは、開口縁部130の任意の部分が、下方側から見たときの開口縁部130の可視部と、斜め下方側から見たときの開口縁部130の可視部の少なくとも一方に含まれることを意味し、開口縁部130に、上方側と斜め上方側のうちの少なくとも一方からベース70を見たときの不可視部がないということは、開口縁部130の任意の部分が、上方側から見たときの開口縁部130の可視部と、斜め上方側から見たときの開口縁部130の可視部の少なくとも一方に含まれることを意味する。
そして、排気口90の外側は、通常吸引力のある補助ポンプと配管を介して接続されている。
上記した従来技術では、回転翼円筒部50の下流の空間Sと排気口90を連通する円筒孔の空間S側の開口縁部130に、コの字溝を形成していた。図3(a)、図4(a)は、この従来のコの字溝を形成した例を示している。但し、従来技術では、開口縁部130のスミ部をこれらの図に示すようなスミR形状にはしていない。
円筒形状やその中空部の加工は、通常、旋盤加工によって行われるが、中空部の内壁に円筒の中心軸線に対して垂直な方向に溝を掘る場合には、切削工具(バイト)の加工可能範囲などの制約から、必要とする深さまで切削できなかったり、切削工程が複雑化し製造コストが上昇したりする。しかし、この実施例に係る開口縁部130の形状では、円筒の中心軸線方向に、円筒外周面と同軸状になる穴を掘るように切削すれば良いので、旋盤での加工も容易となる。
さらに、ネジ付きスペーサ45やベース70を鋳造する場合には、中空部内壁に凹溝がないため、型の構造が複雑化しないばかりか、鋳物の型からの取り出しが容易となり、結果として鋳造のコストを低減することもできる。
また、この実施例によれば、堆積した反応生成物の除去や、ネジ付きスペーサ45あるいはベース70の腐食の有無の確認、腐食の補修といった作業が煩雑になるという問題も生じない。このため、反応生成物の残留や、腐食の補修漏れを低減することができる。
また、図3(a)、図4(a)のクロスハッチングを施した部分が存在しないので、回転翼円筒部50をさらに下方へ移動したり、あるいは真空ポンプの高さをより小さくしたりすることが可能になる。
次に、第1の実施例の変形例として、図3(b)に示すように、円筒孔45aの空間S側の開口縁部130のスミ部をR形状とし、応力集中を低減した構造とする。真空ポンプ、特にターボ分子ポンプでは、運転中、回転翼32と回転翼円筒部50は高速回転し、自らに大きな遠心力が作用しており、ガスとの摩擦などによる温度上昇や腐食により材料強度が低下すると、その遠心力に耐えられなくなり破壊する。回転翼円筒部50は、高速回転中に破壊すると、3〜4つに分割して割れることが多く、分割した円筒部が、ネジ付きスペーサ45に衝突し、ネジ付きスペーサ45や、このネジ付きスペーサ45を介してベース70に力が作用する。回転翼32と回転翼円筒部50は、通常1万rpm以上の回転速度で回転しており、破壊するとその回転エネルギーが放出されるために、ネジ付きスペーサ45やベース70に作用する力は非常に大きなものとなる。そして、この力を受けて、ネジ付きスペーサ45やベース70には大きな応力が発生する。従来技術のコの字溝の場合には、溝のスミ部に応力集中が発生し、そこを起点として亀裂が生じる恐れがあった。この亀裂は、ネジ付きスペーサ45やベース70の分断破壊を引き起こし、ガスがポンプ外部へ漏れる恐れがあった。このガス漏れは、周囲の環境に影響を及ぼすことになる。この実施例のように、円筒孔45aあるいは70aの空間S側の開口縁部130のスミ部をR形状に加工することで、応力集中を低減でき、結果としてポンプ自体の強度を増し、ガス漏れが発生する可能性を低減することができる。さらに、この実施例では、従来技術のコの字溝にはスミ部が二つあるに対して、スミ部が一つしかなく、応力集中箇所が少ないので、よりガス漏れが発生する可能性を低減することができる。
なお、図3(a)、図4(a)に示すように、従来技術のコの字溝のスミ部をR形状としても良い。
続いて、コネクタ側の課題を解決する第2の実施例を説明する。
図8は、ベース70を裏蓋110側から見た図である。この図に示すように、ベース70に導電線挿通穴としてのコネクタ配線用穴120を外周側から穴加工するときに、回転翼円筒部50の径方向外周側までの止まり穴加工にし、ベース70に、コネクタ配線用穴120と、回転翼円筒部50の回転中心軸線と略同軸状になる穴101を連通するように、底面から溝102を設けた構造とする。
この実施例で、図8に示すように、コネクタ配線用穴120を、穴101までの直線状の通し穴加工ではなく、回転翼円筒部50の外周側までの止まり穴加工にしたのは、コネクタ配線用穴120と回転翼円筒部50又はその下方のガス流路用の空間Sとの干渉を避けるためである。コネクタ配線用穴120がガス流路用の空間Sと干渉し連通すると、コネクタ配線用穴120にガスが流入しコネクタを腐食させてしまう。
また、図8に示すように、コネクタ配線用穴120と溝102に形成されるカドは、カドR形状とすることで、コネクタ100とモータや磁気軸受を繋ぐ導電線に損傷を与えにくい構造とすることができる。
また、溝102のポンプ外周側端oは、コネクタ配線用穴120のポンプ内周側端iよりも外側にする。この二つの端oとiの間の距離Lをより増やすことで、溝102からコネクタ100までの貫通面積をより大きく確保することができるからである。
この実施例により、導電線の配線に必要な最小貫通面積を確保できる範囲で溝102の深さを浅くすれば、回転翼円筒部50及びその下方のガス流路用の空間Sをより下側に配置することが可能となる。導電線のコネクタ100への配線も、コネクタ配線用穴120の内周側部分の下側の壁が削除された形の溝になるので、配線がし易くなり、結果として、ポンプの製造時間短縮に寄与することができる。
これによって、回転翼円筒部50及びその下方のガス流路用の空間Sは、コネクタ配線用穴120と干渉することなく、より下方へ長さを伸ばしたり、あるいは配置したりすることが可能となる。また、コネクタ100の高さ位置を従来のポンプよりも高い位置に設けることも可能となる。これらの結果として、真空ポンプの高さ寸法をより小さくすることができる。
また、この実施例によれば、従来のポンプから大きく構造を変えることなく、ベース70の加工形状が単純化し、製造コストの低減を図ることもできる。
10 吸気口
20 ケーシング
30 回転体
32 回転翼
34、36 ラジアル軸受
38 スラスト軸受
40 固定翼
45 ネジ付きスペーサ
45a 円筒孔
50 回転翼円筒部
60 モータ
70 ベース
70a 円筒孔
80 ネジ溝部
90 排気口
100 コネクタ
110 裏蓋
120 コネクタ配線用ドリル穴
130 開口縁部

Claims (3)

  1. 吸気口と、モータと、前記モータによって回転駆動される回転体と、前記回転体に対峙して配置されたステータと、前記ステータを支持するハウジング又はベース部材と、前記回転体の回転を制御するコントローラが接続されるコネクタとを備えた真空ポンプであって、
    前記ハウジング又は前記ベース部材に、前記回転体の回転中心軸線と略同軸状になる略同軸状穴と、前記コネクタと前記モータを繋ぐ導電線が挿通される導電線挿通穴と、前記略同軸状穴と前記導電線挿通穴を連通する溝が設けられたことを特徴とする真空ポンプ。
  2. 前記略同軸状穴と前記導電線挿通穴と前記溝の縁の少なくとも一つをカドR形状とし、前記導電線が前記縁との接触により受ける損傷を低減したことを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
  3. 前記回転体の径方向において、前記溝の外周側端が、前記導電線挿通穴の内周側端より外周側にあることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の真空ポンプ。
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