JP2014109251A - 真空ポンプ装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２台のポンプのうちの１台が予期しない停止をした場合でも、排気運転を継続することができる真空ポンプ装置を提供する。
【解決手段】真空ポンプ装置は、直列に配置されたブースターポンプ２とメインポンプ１とを備える。ブースターポンプ２は、多段のポンプロータ４１ａ〜４１ｄの吸込側に形成された吸込側流路８１ａ〜８１ｄと、吐出側に形成された吐出側流路８２ａ〜８２ｄとを有する。吸込側流路８１ａ〜８１ｄの間に配置されたバルブＳＶ１〜ＳＶ３を開くと、吸込側流路８１ａ〜８１ｄが互いに連通し、吐出側流路８２ａ〜８２ｄの間に配置されたバルブＤＶ１〜ＤＶ３を開くと、吐出側流路８２ａ〜８２ｄが互いに連通する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体製造装置に使用されるプロセスチャンバなどの真空チャンバを真空排気するための真空ポンプ装置およびその運転方法に関するものである。

半導体製造装置などにおいては、真空チャンバ内のガスを排出するために、ドライ真空ポンプが用いられる。ドライ真空ポンプの代表例である容積式真空ポンプは、一対のポンプロータを互いに反対方向に回転させ、真空チャンバ内のガスをポンプロータの上流側（すなわち、ポンプの吸気側）から下流側（すなわち、ポンプの排気側）に移送して排気する。

特許文献１には、ブースターポンプとメインポンプとを備えた真空ポンプ装置が開示されている。この真空ポンプ装置では、ブースターポンプの吐出側にメインポンプが接続されている。かかる構成を持つ真空ポンプ装置によれば、大量のプロセスガスを排気することが可能である。

しかしながら、プロセスガスの種類によっては、温度の低下に伴って固形の副生成物を生成するものがある。このような副生成物がポンプケーシング内に析出すると、ポンプロータが副生成物を噛み込み、ポンプの運転が停止してしまう。さらに、プロセスガスによる腐食に起因してポンプロータまたはポンプケーシングの表面が変形することもある。変形したポンプロータとポンプケーシングが互いに接触すると、ポンプの運転が停止してしまうおそれがある。

特開２００５−１２０９５５号公報

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、２台のポンプのうちの１台が予期しない停止をした場合でも、排気運転を継続することができる真空ポンプ装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ブースターポンプと、前記ブースターポンプに接続されたメインポンプとを備えた真空ポンプ装置であって、前記ブースターポンプは、多段のポンプロータと、前記多段のポンプロータが収容されるポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に配置された複数の吸込側バルブおよび複数の吐出側バルブとを有し、前記ポンプケーシングは、前記多段のポンプロータの吸込側に形成された複数の吸込側流路と、前記多段のポンプロータの吐出側に形成された複数の吐出側流路とを有し、前記複数の吸込側バルブは、前記複数の吸込側流路の間にそれぞれ配置され、前記複数の吐出側バルブは、前記複数の吐出側流路の間にそれぞれ配置され、前記複数の吸込側バルブが開くと、前記複数の吸込側流路が互いに連通し、前記複数の吐出側バルブが開くと、前記複数の吐出側流路が互いに連通することを特徴とする。

本発明の他の態様は、上記真空ポンプ装置の運転方法であって、前記複数の吸込側バルブのうちの少なくとも１つ、および前記複数の吐出側バルブのうちの少なくとも１つを開いた状態で前記ブースターポンプおよび前記メインポンプを運転し、前記メインポンプが停止したときは、前記複数の吸込側バルブおよび前記複数の吐出側バルブを閉じ、前記ブースターポンプのみを運転することを特徴とする。

メインポンプが副生成物の析出などの原因で停止した場合は、吸込側バルブおよび吐出側バルブを閉じることにより、ブースターポンプを多段ポンプとして運転させることが可能となる。したがって、本発明に係る真空ポンプ装置は、気体の排気運転を継続することができる。

本発明に係る真空ポンプ装置の一実施形態を示す模式図である。 図１に示すブースターポンプの一部を示す拡大断面図である。 第１のバルブを軸方向から見た図である。 第２のバルブを軸方向から見た図である。 第３のバルブを軸方向から見た図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る真空ポンプ装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、真空ポンプ装置は、真空チャンバ内の気体を大気圧から排出するメインポンプ１と、真空チャンバ内の気体をさらに排出して真空度を高めるブースターポンプ２と、メインポンプ１およびブースターポンプ２を制御する制御装置５とを備えている。ブースターポンプ２とメインポンプ１は直列に接続されている。より具体的には、ブースターポンプ２は上流側に配置され、メインポンプ１は下流側に配置されている。

メインポンプ１は、一対の多段のポンプロータ（ルーツロータ）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、これらポンプロータ１１ａ〜１１ｄが固定される一対の回転軸１２と、ポンプロータ１１ａ〜１１ｄが収容されるポンプケーシング１４と、回転軸１２を介してポンプロータ１１ａ〜１１ｄを回転させるモータ１８とを備えている。ポンプケーシング１４は、吸気口１５と排気口１６とを有している。モータ１８はインバータ６に接続されており、インバータ６から可変周波数の電圧がモータ１８に印加されるようになっている。回転軸１２は、軸受２０，２１によって回転自在に支持されている。回転軸１２の一端部には、互いに噛み合う一対のタイミングギヤ２３が設けられており、これらタイミングギヤ２３はギヤケース２５内に収容されている。なお、図１には一方のポンプロータ１１ａ〜１１ｄ、一方の回転軸１２、および一方のタイミングギヤ２３のみが描かれている。

モータ１８は、回転軸１２の他端部に固定された一対のモータロータ２７（図１では片方のモータロータ２７のみを図示する。）と、ステータコア２８と、ステータコア２８に巻かれたコイル３０と、これらモータロータ２７、ステータコア２８、およびコイル３０を収容するモータケーシング３２とを備えている。ステータコア２８はモータロータ２７の周囲を囲むように配置されており、モータケーシング３２の内周面に固定されている。モータ１８の駆動により、一対のポンプロータ１１ａ〜１１ｄが互いに反対方向に回転し、気体は吸気口１５を通じてメインポンプ１に吸い込まれ、ポンプロータ１１ａ〜１１ｄによって下流側に移送され、排気口１６から排出される。

同様に、ブースターポンプ２は、一対の多段のポンプロータ（ルーツロータ）４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄと、これらポンプロータ４１ａ〜４１ｄが固定される一対の回転軸４２と、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄが収容されるポンプケーシング４４と、回転軸４２を介してポンプロータ４１ａ〜４１ｄを回転させるモータ４８とを備えている。ポンプケーシング４４は、吸気口４５と排気口４６とを有している。モータ４８はインバータ７に接続されており、インバータ７から可変周波数の電圧がモータ４８に印加されるようになっている。回転軸４２は、軸受５０，５１によって回転自在に支持されている。回転軸４２の一端部には、互いに噛み合う一対のタイミングギヤ５３が設けられており、これらタイミングギヤ５３はギヤケース５５内に収容されている。なお、図１には一方のポンプロータ４１ａ〜４１ｄ、一方の回転軸４２、および一方のタイミングギヤ５３のみが描かれている。

モータ４８は、回転軸４２の他端部に固定された一対のモータロータ５７（図１では片方のモータロータ５７のみを図示する。）と、ステータコア５８と、ステータコア５８に巻かれたコイル６０と、これらモータロータ５７、ステータコア５８、およびコイル６０を収容するモータケーシング６２とを備えている。ステータコア５８はモータロータ５７の周囲を囲むように配置されており、モータケーシング６２の内周面に固定されている。モータ４８の駆動により、一対のポンプロータ４１ａ〜４１ｄが互いに反対方向に回転し、気体は、吸気口４５を通じてブースターポンプ２に吸い込まれ、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄによって下流側に移送され、排気口４６から排出される。

インバータ６，７は商用電源などの電源（図示せず）に接続されるとともに、制御装置５に接続されている。制御装置５は予め設定された目標回転速度でモータ１８，４８を駆動するようにインバータ６，７に対して指令を出し、インバータ６，７は、制御装置５からの指令を受けて目標回転速度に対応する電圧をモータ１８，４８に供給する。

ブースターポンプ２とメインポンプ１はこの順に直列に接続されている。ブースターポンプ２の排気口４６とメインポンプ１の吸気口１５とは、連結流路７０により連結されている。ブースターポンプ２の吸気口４５は、図示しない外部空間（例えば真空チャンバであり、以下、外部空間を真空チャンバとして説明する）に接続される。真空チャンバ内の気体は、ブースターポンプ２およびメインポンプ１により順次圧縮される。

メインポンプ１およびブースターポンプ２は、同じ段数の多段ポンプロータ１１ａ〜１１ｄ，４１ａ〜４１ｄを備えている。本実施形態では、メインポンプ１は４段のポンプロータ１１ａ〜１１ｄを備えており、ブースターポンプ２も４段のポンプロータ４１ａ〜４１ｄを備えている。これらメインポンプ１およびブースターポンプ２は、どちらも大気圧の気体を排気することが可能となっている。なお、メインポンプ１およびブースターポンプ２のポンプロータの段数は本実施形態に限られない。

図２は、ブースターポンプ２の一部を示す拡大断面図である。ポンプロータ４１ａ〜４１ｄの吸込側には複数の吸込側流路８１ａ〜８１ｄが形成されており、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄの吐出側には複数の吐出側流路８２ａ〜８２ｄが形成されている。すなわち、１段目のポンプロータ４１ａの吸込側には第１の吸込側流路８１ａが形成され、吐出側には第１の吐出側流路８２ａが形成されている。同様に、２段目のポンプロータ４１ｂの吸込側には第２の吸込側流路８１ｂが形成され、吐出側には第２の吐出側流路８２ｂが形成されている。３段目のポンプロータ４１ｃの吸込側には第３の吸込側流路８１ｃが形成され、吐出側には第３の吐出側流路８２ｃが形成されている。４段目のポンプロータ４１ｄの吸込側には第４の吸込側流路８１ｄが形成され、吐出側には第４の吐出側流路８２ｄが形成されている。

吸込側流路８１ａ〜８１ｄおよび吐出側流路８２ａ〜８２ｄは、連通流路８３ａ，８３ｂ，８３ｃを介して直列に交互に接続されている。すなわち、第１の吸込側流路８１ａは吸気口４５に接続されており、第１の吐出側流路８２ａは第１の連通流路８３ａを通じて第２の吸込側流路８１ｂに接続されている。第２の吐出側流路８２ｂは第２の連通流路８３ｂを通じて第３の吸込側流路８１ｃに接続されている。第３の吐出側流路８２ｃは第３の連通流路８３ｃを通じて第４の吸込側流路８１ｄに接続されている。第４の吐出側流路８２ｃは排気口４６に接続されている。これら吸込側流路８１ａ〜８１ｄ、吐出側流路８２ａ〜８２ｄ、および連通流路８３ａ〜８３ｃは、ポンプケーシング４４内に形成されている。

１段目のポンプロータ４１ａと２段目のポンプロータ４１ｂとの間には、第１のバルブＳＶ１，ＤＶ１が配置され、２段目のポンプロータ４１ｂと３段目のポンプロータ４１ｃとの間には第２のバルブＳＶ２，ＤＶ２が配置され、３段目のポンプロータ４１ｃと４段目のポンプロータ４１ｄとの間には第３のバルブＳＶ３，ＤＶ３が配置されている。ブースターポンプ２はメインポンプ１と基本的に同じ構成を有しているが、これらのバルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３を備える点でメインポンプ１と異なっている。

第１のバルブＳＶ１，ＤＶ１は、第１の吸込側バルブＳＶ１と第１の吐出側バルブＤＶ１とから構成される。第１の吸込側バルブＳＶ１は、１段目のポンプロータ４１ａの吸込側流路８１ａと２段目のポンプロータ４１ｂの吸込側流路８１ｂとを仕切る第１の吸込側仕切り壁９０ａに設けられている。したがって、第１の吸込側バルブＳＶ１を開くと、吸込側流路８１ａと吸込側流路８１ｂとが連通し、第１の吸込側バルブＳＶ１を閉じると、吸込側流路８１ａと吸込側流路８１ｂとが隔離される。第１の吐出側バルブＤＶ１は、１段目のポンプロータ４１ａの吐出側流路８２ａと２段目のポンプロータ４１ｂの吐出側流路８２ｂとを仕切る第１の吐出側仕切り壁９１ａに設けられている。したがって、第１の吐出側バルブＤＶ１を開くと、吐出側流路８２ａと吐出側流路８２ｂとが連通し、第１の吐出側バルブＤＶ１を閉じると、吐出側流路８２ａと吐出側流路８２ｂとが隔離される。

第２のバルブＳＶ２，ＤＶ２は、第２の吸込側バルブＳＶ２と第２の吐出側バルブＤＶ２とから構成される。第２の吸込側バルブＳＶ２は、２段目のポンプロータ４１ｂの吸込側流路８１ｂと３段目のポンプロータ４１ｃの吸込側流路８１ｃとを仕切る第２の吸込側仕切り壁９０ｂに設けられている。したがって、第２の吸込側バルブＳＶ２を開くと、吸込側流路８１ｂと吸込側流路８１ｃとが連通し、第２の吸込側バルブＳＶ２を閉じると、吸込側流路８１ｂと吸込側流路８１ｃとが隔離される。第２の吐出側バルブＤＶ２は、２段目のポンプロータ４１ｂの吐出側流路８２ｂと３段目のポンプロータ４１ｃの吐出側流路８２ｃとを仕切る第２の吐出側仕切り壁９１ｂに設けられている。したがって、第２の吐出側バルブＤＶ２を開くと、吐出側流路８２ｂと吐出側流路８２ｃとが連通し、第２の吐出側バルブＤＶ２を閉じると、吐出側流路８２ｂと吐出側流路８２ｃとが隔離される。

第３のバルブＳＶ３，ＤＶ３は、第３の吸込側バルブＳＶ３と第３の吐出側バルブＤＶ３とから構成される。第３の吸込側バルブＳＶ３は、３段目のポンプロータ４１ｃの吸込側流路８１ｃと４段目のポンプロータ４１ｄの吸込側流路８１ｄとを仕切る第３の吸込側仕切り壁９０ｃに設けられている。したがって、第３の吸込側バルブＳＶ３を開くと、吸込側流路８１ｃと吸込側流路８１ｄとが連通し、第３の吸込側バルブＳＶ３を閉じると、吸込側流路８１ｃと吸込側流路８１ｄとが隔離される。第３の吐出側バルブＤＶ３は、３段目のポンプロータ４１ｃの吐出側流路８２ｃと４段目のポンプロータ４１ｄの吐出側流路８２ｄとを仕切る第３の吐出側仕切り壁９１ｃに設けられている。したがって、第３の吐出側バルブＤＶ３を開くと、吐出側流路８２ｃと吐出側流路８２ｄとが連通し、第３の吐出側バルブＤＶ３を閉じると、吐出側流路８２ｃと吐出側流路８２ｄとが隔離される。

図３は、第１のバルブＳＶ１，ＤＶ１を軸方向から見た図であり、図４は第２のバルブＳＶ２，ＤＶ２を軸方向から見た図であり、図５は第３のバルブＳＶ３，ＤＶ３を軸方向から見た図である。図３乃至図５では、バルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３はすべて閉じられた状態を示している。図３に示すように、気体は、吸気口４５から吸込側流路８１ａに導入され、１段目のポンプロータ４１ａにより圧縮され、吐出側流路８２ａに移送される。圧縮された気体は、吐出側流路８２ａから連通流路８３ａを通じて次段の吸込側流路８１ｂに導かれる。

図４に示すように、気体は、２段目のポンプロータ４１ｂによりさらに圧縮され、吐出側流路８２ｂに移送される。圧縮された気体は、吐出側流路８２ｂから連通流路８３ｂを通じて次段の吸込側流路８１ｃに導かれる。図５に示すように、気体は、３段目のポンプロータ４１ｃによりさらに圧縮され、吐出側流路８２ｃに移送される。圧縮された気体は、吐出側流路８２ｃから連通流路８３ｃを通じて次段の吸込側流路８１ｄに導かれる。気体は、４段目のポンプロータ４１ｄによりさらに圧縮され、吐出側流路８２ｄに移送される。

通常の運転では、これらすべてのバルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３は開かれている。特に、大きな排気速度が必要な場合には、バルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３は開かれる。この状態では、ブースターポンプ２のすべての吸込側流路８１ａ〜８１ｄは互いに連通し、同様にすべての吐出側流路８２ａ〜８２ｄは互いに連通する。したがって、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄは並列に接続される。したがって、吸気口４５から吸い込まれた気体は、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄによって別々に昇圧される。

メインポンプ１が副生成物の噛み込みなどに起因して停止すると、制御装置５がメインポンプ１の停止を検出し、すべてのバルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３を閉じる。これにより、ポンプロータ４１ａ〜４１ｄは直列に接続される。したがって、吸気口４５から吸い込まれた気体は、多段のポンプロータ４１ａ〜４１ｄによって順次昇圧される。

このように、バルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３の開閉動作によってブースターポンプ２の排気速度と圧縮比を変更することができる。

メインポンプ１が故障したときは、バルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３が閉じられ、ブースターポンプ２は単独で排気運転を継続する。この場合は、メインポンプ１は停止しているが、気体はメインポンプ１のポンプロータ１１ａ〜１１ｄとポンプケーシング１４との間に形成されている微小な隙間を通ってメインポンプ１の排気口１６から排出される。

通常の運転時では、全段のバルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３が開かれているが、第１乃至第３のバルブＳＶ１〜ＳＶ３，ＤＶ１〜ＤＶ３のうちのいずれか１組を閉じてもよい。例えば、通常の運転時では、第１のバルブＳＶ１，ＤＶ１および第２のバルブＳＶ２，ＤＶ２を開き、第３のバルブＳＶ３，ＤＶ３を閉じてもよい。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ メインポンプ
２ ブースターポンプ
５ 制御装置
６，７ ドライバ
１１ａ〜１１ｄ，４１ａ〜４１ｄ ポンプロータ
１２，４２ 回転軸
１４，４４ ポンプケーシング
１５，４５ 吸気口
１６，４６ 排気口
１８，４８ モータ
８１ａ〜８１ｄ 吸込側流路
８２ａ〜８２ｄ 吐出側流路
８３ａ〜８３ｃ 連通流路
９０ａ〜９０ｃ 吸込側仕切り壁
９１ａ〜９１ｃ 吐出側仕切り壁
ＳＶ１〜ＳＶ３ 吸込側バルブ
ＤＶ１〜ＤＶ３ 吐出側バルブ

Claims (2)

1. ブースターポンプと、
   前記ブースターポンプに接続されたメインポンプとを備えた真空ポンプ装置であって、
   前記ブースターポンプは、
   多段のポンプロータと、
   前記多段のポンプロータが収容されるポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシング内に配置された複数の吸込側バルブおよび複数の吐出側バルブとを有し、
   前記ポンプケーシングは、前記多段のポンプロータの吸込側に形成された複数の吸込側流路と、前記多段のポンプロータの吐出側に形成された複数の吐出側流路とを有し、
   前記複数の吸込側バルブは、前記複数の吸込側流路の間にそれぞれ配置され、
   前記複数の吐出側バルブは、前記複数の吐出側流路の間にそれぞれ配置され、
   前記複数の吸込側バルブが開くと、前記複数の吸込側流路が互いに連通し、
   前記複数の吐出側バルブが開くと、前記複数の吐出側流路が互いに連通することを特徴とする真空ポンプ装置。
2. 請求項１に記載の真空ポンプ装置の運転方法であって、
   前記複数の吸込側バルブのうちの少なくとも１つ、および前記複数の吐出側バルブのうちの少なくとも１つを開いた状態で前記ブースターポンプおよび前記メインポンプを運転し、
   前記メインポンプが停止したときは、前記複数の吸込側バルブおよび前記複数の吐出側バルブを閉じ、前記ブースターポンプのみを運転することを特徴とする方法。

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