JP2016166594A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ネジ溝への反応生成物の堆積を抑制することができる真空ポンプの提供。【解決手段】ターボ分子ポンプは、円筒部および該円筒部の周面に対向するステータ３２を備え、ステータ３２の内周面にネジ溝３２ａとネジ山３２ｂとが交互に形成されている。そして、ネジ溝３２ａの底面３２０とネジ山３２ｂの頂面３２３とを繋ぐ一対の溝側壁３２１，３２２は、底面側から頂面側に溝幅が広がるように形成された非垂直壁である。【選択図】図３

Description

本発明は、ネジ溝を有するネジ溝ポンプ段を備えた真空ポンプに関する。

半導体製造装置の真空排気に用いられるポンプとしては、例えばターボ分子ポンプが用いられる。成膜プロセスやエッチングを行う装置には、大流量型のターボ分子ポンプが用いられる。大流量型ターボ分子ポンプにおいては、タービン翼を備えたターボポンプ段の後段に、ネジ溝ポンプ段を備えるものが知られている。

ネジ溝ポンプ段は、筒状のロータと、そのロータの外周面や内周面に対向する面を有するステータとを備えている。ロータおよびステータの各対向面の一方には、ネジ溝が形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２１４７４５号公報

ところで、例えば塩素系やフッ素系のガスを使用するプロセスの場合、ポンプ内に反応生成物が堆積しやすい。このような反応生成物は、一般に真空度が低くなるほど、すなわち圧力が高くなるほど昇華温度が高くなり、堆積しやすい。そのため、ポンプ後段のネジ溝ポンプ段に反応生成物が過剰に堆積して、ロータがステータに固着して起動ができないおそれもあった。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータおよび該ロータの周面に対向するステータを備え、前記ロータおよびステータの一方の対向面にネジ溝とネジ山とが交互に形成された真空ポンプに適用され、前記ネジ溝の底面と前記ネジ山の頂面とを繋ぐ一対の溝側壁の少なくとも一方は、底面側から頂面側に溝幅が広がるように形成された非垂直壁である。
さらに好ましい実施形態では、前記一対の溝側壁の内、前記ロータの回転方向下流側に設けられた溝側壁が前記非垂直壁である。
さらに好ましい実施形態では、前記ネジ溝の吸気側入口から排気側出口までが前記非垂直壁とされ、前記溝側壁の底面側接続部から頂面側接続までが、溝幅が広がるように傾斜している。
さらに好ましい実施形態では、前記ネジ溝の吸気側入口から排気側出口まで形成された前記溝側壁の内、前記吸気側入口から前記排気側出口までの少なくとも一部が前記非垂直壁である。

本発明によれば、ネジ溝への反応生成物の堆積を抑制することができる。

図１は、本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図である。 図２は、ネジ溝が形成されたステータ内周面の一部を示す展開図である。 図３は、ネジ溝の水平断面図である。 図４は、従来のネジ溝の典型例を示す図である。 図５は、ネジ溝におけるガスの流れを説明する図である。 図６は、非垂直壁の変形例１を示す図である。 図７は、非垂直壁の変形例２を示す図である。 図８は、非垂直壁の変形例３を示す図である。 図９は、非垂直壁の変形例４を示す図である。 図１０は、非垂直壁の変形例５を示す図である。 図１１は、非垂直壁の変形例６を示す図である。

図１は、本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面を示す図である。ターボ分子ポンプは、真空排気を行うポンプユニットと、ポンプユニットを駆動制御するコントロールユニットとを備えている。図１では、ポンプユニット１のみを図示した。

ポンプユニット１は、回転翼４１と固定翼３１とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４２とステータ３２とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ３２または円筒部４２にネジ溝が形成されている。本実施の形態では、円筒部４２の外周に対向するステータ３２の内周面に、ネジ溝が形成されている。回転翼４１および円筒部４２はポンプロータ４に形成されている。ポンプロータ４はシャフト５に締結されている。ポンプロータ４とシャフト５とによって回転体ユニットＲＹが構成される。

複数段の固定翼３１は、軸方向に対して回転翼４１と交互に配置されている。各固定翼３１は、スペーサリング３３を介してベース３上に載置される。ポンプケーシング３０をベース３にボルト固定すると、積層されたスペーサリング３３がベース３とポンプケーシング３０の係止部３０ａとの間に挟持され、固定翼３１が位置決めされる。

シャフト５は、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４〜３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト５の浮上位置が検出される。シャフト５、すなわちポンプロータ４の回転数（１秒当たりの回転数）は、回転センサ４３によって検出される。

シャフト５はモータＭにより回転駆動される。モータＭは、ベース３に設けられたモータステータ１０と、シャフト５に設けられたモータロータ１１とから成る。磁気軸受が作動していない時には、シャフト５は非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。ベース３の外周には、ステータ３２を昇温するためのヒータ３８が設けられている。ベース３には温度センサ３９が設けられ、温度センサ３９の検出結果はコントロールユニット２に入力される。

図２，３は、ステータ３２のネジ溝形状の一例を示す図である。図２は、ネジ溝３２ａが形成されたステータ内周面の一部を示す展開図である。図２において、ステータ３２の図示上側が吸気側であり、図示下側が排気側である。ステータ３２の内周面には、複数のネジ溝３２ａおよび複数のネジ山３２ｂが形成されている。なお、本実施形態では、ネジ溝３２ａのリード角（ネジ溝中央を表す螺旋軸のリード角）βは吸気口側から排気口側まで一定とした。一般には、吸気口側から排気側に近づくほどリード角を大きくするような可変リード角に設定される場合が多く、そのような構成においても本発明は適用できる。また、ネジ溝中央を表す螺旋軸に垂直に断面した場合の、ネジ溝３２ａの溝幅Ｗ１とネジ山３２ｂの山幅Ｗ２との比は一定とされている。

ネジ溝３２ａが形成されたステータ３２の内周面に対向する円筒部４２は、図２の矢印Ｒ方向に回転する。そのため、ネジ溝３２ａの図示左側に設けられた溝側壁３２１は、ロータ回転方向Ｒの上流側に位置する。一方、ネジ溝３２ａの図示右側に設けられた溝側壁３２２はロータ回転方向Ｒの下流側に位置する。溝側壁３２１は、ネジ溝３２ａの底面３２０と左側のネジ山３２ｂの頂面３２３とを繋ぐ側壁である。溝側壁３２２は、底面３２０と右側のネジ山３２ｂの頂面３２３とを繋ぐ側壁である。

図３はネジ溝３２ａの水平断面図（ステータ軸に対して垂直に断面した図）であり、（ａ）は吸気側入口３２４の断面を示し、（ｂ）は排気側出口３２５の断面を示す。一方、ネジ溝３２ａの溝深さは、いわゆる可変溝深さであって、吸気側入口３２４から排気側出口３２５にかけて徐々に浅くなっている。図３（ａ）に示す吸気側入口３２４における溝深さはＨinであり、図３（ｂ）に示す排気側出口３２５における溝深さはＨout（＜Ｈin）に設定されている。

ネジ溝３２ａの底面３２０とネジ山３２ｂの頂面３２３とを繋ぐ溝側壁３２１，３２２は、底面３２０との成す角度がθである傾斜壁部（傾斜平面）になっている。角度θはθ＞９０度に設定され、溝側壁３２１，３２２は、底面３２０側から頂面３２３側に溝幅が広がるように傾斜している。このように、溝側壁３２１，３２２は、傾斜壁部を有する非垂直壁とされている。なお、断面図における溝幅Ｗ１および溝側壁３２１，３２２の角度θは、ネジ溝３２ａを溝進行方向に対して垂直に断面した場合、すなわち溝幅方向に断面した場合の溝幅および角度を表しており、括弧を付して（Ｗ１）、（θ）のように記載した。

図２に示すように、ステータ３２に対して円筒部４２がＲ方向に回転すると、ネジ溝３２ａの吸気側入口３２４からネジ溝３２ａ内に流入したガスは、排気側出口３２５から排出される。ネジ溝３２ａ内のガスは破線ラインＧのように流れる。また、ネジ溝３２ａ内のガスの一部は、破線ラインＧ２のようにロータ回転下流側の溝側壁３２２を乗り越えてネジ山３２ｂの部分の隙間領域に流出する。一方、ネジ溝３２ａのロータ回転上流側の溝側壁３２１の部分においては、破線ラインＧ１のようにネジ山３２ｂの隙間領域からネジ溝３２ａにガスが流入する。

図４は、従来のネジ溝の典型例を示したものである。図４（ａ）は、ネジ溝３２ｄの吸気側入口３２４の断面形状を示したものである。一方、図４（ｂ）はネジ溝３２ｄの排気側出口３２５の断面形状を示したものである。溝深さは、ネジ溝３２ａの場合と同様に吸気側入口から排気側出口にかけて徐々に浅くなっている。一方、溝側壁３２６，３２７は、全体がネジ溝３２ｄの底面３２０に対して垂直に形成されている。

なお、一般的に、ネジ溝３２ｄを機械加工した場合、溝側壁３２６，３２７の上端角部はバリ取りのための糸面取り加工が施されることが多い。また、ネジ溝３２ｄの溝角部は、工具の先端形状に応じた微小なＲ形状に形成される。しかしながら、これらは、溝側壁３２６，３２７に本実施の形態のような傾斜壁部（溝側壁３２１，３２２）を積極的に形成するためのものではなく、実質的に溝側壁３２６，３２７は垂直壁を構成している。

図５は、ネジ溝の溝側壁を図３のような非垂直壁とした場合（図５（ａ））と、図４のように垂直壁とした場合（図５（ｂ））のガスの流れを説明する図である。図５（ｂ）のように溝側壁３２６，３２７を垂直壁とした場合には、溝側壁３２６，３２７の近辺にガスの淀みが発生しやすい。

溝側壁３２６の場合、ネジ山の頂面３２３からネジ溝３２ａ内に流入するガスは、破線ラインＧ１で示すように流れ込むものだけでなく、破線ラインＧ１２で示すように溝側壁３２６の方向に逆流するものもある。一方、溝側壁３２７の場合には、破線ラインＧ２で示すようにネジ溝３２ａからねじ山の頂面３２３に流出するものと、破線ラインＧ２２で示すように垂直な溝側壁３２７に衝突して底面３２０に沿うように逆流するものがある。

破線ラインＧ１２，Ｇ２２のような逆流によるガスの淀みが発生すると、その領域（溝側壁３２６，３２７の近辺）の圧力が上昇する。上述したように、圧力が高くなるほど反応生成物の昇華温度が高くなり、反応生成物が堆積しやすくなる。そのため、溝側壁３２６，３２７の近辺に反応生成物が堆積しやすくなる。特に、ロータ回転方向に対して下流側に位置する溝側壁３２７の近辺における堆積が著しい。

破線ラインＧ１２，Ｇ２２のようなガスの逆流による淀みは、溝側壁３２６，３２７が垂直であることに大きく起因している。そこで、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、溝側壁３２１，３２２を非垂直壁とすることで、ガスの淀みを低減するようにした。具体的には、溝側壁３２１，３２２の全体、すなわち、ネジ溝３２ａの底面３２０からネジ山３２ｂの頂面３２３までの全体を、底面３２０側から頂面３２３側に溝幅が広がるように傾斜した傾斜平面とした。すなわち、底面３２０と溝側壁３２１，３２２との成す角度θは、θ＞９０度に設定される。

その結果、ネジ溝３２ａに流入するガスは、破線ラインＧ１のように傾斜面である溝側壁３２１に沿って底面３２０方向に流入し、溝側壁３２１を乗り越えた際のガスの逆流（Ｇ２１）を防止することができる。また、ネジ溝３２ａ内から頂面３２３方向へガスが流出する際にも、ガスは傾斜した溝側壁３２２に沿って滑らかに流れ、図５（ｂ）の破線ラインＧ２２で示すようなガスの逆流を低減することができる。

このように、溝側壁３２１，３２２を傾斜した非垂直壁とすることで、溝側壁３２１，３２２付近におけるガスの逆流（ガスの淀み）を低減することができる。その結果、ネジ溝３２ａに堆積する反応生成物の量を低減することが可能となる。また、ガスの逆流が低減した分だけ溝内の圧力が低下するので、ポンプ性能の向上も図れる。本実施形態では、ネジ溝３２ａの深さ寸法を出口側ほど小さくなるような形状としたが、深さ寸法を一定とし、溝側壁３２１，３２２の全体を傾斜壁部としても良い。

なお、上述の実施の形態では、一対の溝側壁３２１，３２２の両方を非垂直壁としたが、一方のみを非垂直壁としても良い。その場合、反応生成物が堆積しやすいロータ回転方向下流側の溝側壁３２２を非垂直壁とするのが好ましい。なお、排気性能の向上を重視した場合、ロータ回転方向上流側の溝側壁３２１を非垂直壁とするのが好ましい。これは、破線ラインＧ２２で示すガスの逆流方向がネジ溝３２ａの吸気側入口方向となり、性能低下への影響が大きいからである。

（変形例１）
図６は、非垂直壁の変形例１を示す図である。変形例１では、溝側壁３２１は傾斜壁部３２１ａと垂直壁部３２１ｂとで構成され、溝側壁３２２は傾斜壁部３２２ａと垂直壁部３２２ｂとで構成されている。溝深さは、図３に示したネジ溝３２ａの場合と同様に、吸気側入口３２４から排気側出口３２５にかけて徐々に浅くなっている。吸気側入口３２４における溝深さはＨinであり、排気側出口３２５における溝深さはＨout（＜Ｈin）である。一方、傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法は、吸気側入口３２４から排気側出口３２５までの全体に亘って同一寸法ｈに設定されている。

変形例１では、溝側壁３２１，３２２の一部を傾斜壁部３２１ａ，３２２ａとしたので、ネジ溝３２ａに流入するガスの流れおよびネジ溝３２ａから流出するガスの流れが、図５（ｂ）に示す非垂直壁の場合に比べ滑らかになる。そのため、ネジ溝３２ａ内におけるガスの逆流が低減され、反応生成物の堆積が抑制される。なお、図３に示す構成と比べた場合、垂直壁部３２１ｂ，３２２ｂがある分だけ、反応生成物の堆積軽減効果は劣る。

（変形例２）
図７は、非垂直壁の変形例２を示す図である。なお、図７において、（ａ）はネジ溝３２ａの吸気側入口３２４における断面を示したものであり、（ｂ）は排気側出口３２５における断面を示したものである。ネジ溝３２ａは、図３の場合と同様に可変深さのネジ溝であって、溝深さは、吸気側入口３２４ではＨinであり、排気側出口３２５においてはＨout（＜Ｈin）である。また、傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法は、吸気側入口３２４から排気側出口３２５まで一定の寸法Ｈoutとした。そのため、垂直壁部３２１ｂ、３２２ｂの高さ寸法は吸気側入口３２４から排気側出口３２５にかけて徐々に小さくなり、排気側出口３２５ではゼロとなっている。

（変形例３）
図８は、非垂直壁の変形例３を示す図である。変形例３の場合、ネジ溝３２ａの溝深さは吸気側入口３２４から排気側出口３２５まで一定の深さＨに設定されている。一方、傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法については、吸気側入口３２４から排気側出口３２５にかけて徐々に大きくなっている。吸気側入口３２４における傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法はｈinであり、排気側出口３２５における傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法はｈout（＞ｈin）である。変形例３の場合、溝側壁３２１は傾斜壁部３２１ａと垂直壁部３２１ｂとで構成されている。同様に、溝側壁３２２は傾斜壁部３２２ａと垂直壁部３２２ｂとで構成されている。

反応生成物の堆積量は、より圧力の高い排気側出口３２５に近いほど多い。そのため、変形例３のように、傾斜壁部３２１ａ，３２２ａの高さ寸法を排気側出口３２５に近い所ほど大きくすることで、排気側におけるガスの逆流による淀み低減効果をより大きくするようにした。これにより、反応生成物が堆積しやすい排気側出口３２５側における堆積防止効果を、より向上させることができる。なお、排気側出口３２５における傾斜壁部３２１ａの高さ寸法ｈoutを、ｈout＝Ｈのように設定しても良い。

（変形例４）
図９は、非垂直壁の変形例４を示す図である。変形例４では、溝深さは吸気側入口３２４がＨinで、排気側出口３２５がＨout（＜Ｈout）である。さらに、非垂直壁である溝側壁３２１，３２２をＲ曲面（円弧面）とした。図９に示す例では、Ｒ１＜Ｒ２のように設定したが、Ｒ１＝Ｒ２のように設定しても良い。溝底面の隅が滑らかな円弧状になるので、溝側壁３２１，３２２を乗り越えて流れるガスの流れが滑らかになって、ガスの淀みを抑制する効果が高くなる。その結果、反応生成物の堆積を防止することができる。

なお、図３の角度θの場合と同様に、Ｒ曲面の半径Ｒ１，Ｒ２は、ネジ溝３２ａを溝幅方向に断面した場合の半径を表しており、括弧を付して（Ｒ１）、（Ｒ２）のように記載した。溝幅Ｗ１についても同様である。後述する変形例５の図１０においても同様に記載した。

（変形例５）
図１０は、非垂直壁の変形例５を示す図である。変形例５では、溝深さを一定の値Ｈとし、溝側壁３２１，３２２をＲ曲面（円弧面）とした。図１０に示す例では、Ｒ１＜Ｒ２のように設定したが、Ｒ１＝Ｒ２のように設定しても良い。変形例５の場合も溝側壁３２１，３２２をＲ曲面とすることで、変形例４と同様の効果を奏することができる。

（変形例６）
上述した実施形態や変形例では、溝側壁３２１，３２２をネジ溝３２ａの吸気側入口３２４から排気側出口３２５までの全てに形成したが、変形例６では、図１１に示すように、排気側出口３２５から符号Ｄで示す範囲（排気口側範囲Ｄ）における溝側壁３２１，３２２を傾斜させるようにした。すなわち、反応生成物が堆積しやすい排気口側の溝側壁３２１，３２２を非垂直壁とした。排気口側範囲Ｄよりも上流側の溝側壁３２１，３２２は、垂直壁に設定されている。なお、変形例６では、排気側出口３２５側の溝側壁３２１，３２２を非垂直壁としたが、非垂直壁は、吸気側入口３２４から排気側出口３２５までのいずれの範囲に設けても良い。

なお、上述した実施の形態および変形例では、一対の溝側壁３２１，３２２の両方を非垂直壁としたが、いずれか一方を非垂直壁とするようにしても良い。また、ネジ溝３２ａおよびネジ山３２ｂがステータ３２側に形成される場合を例に説明したが、本発明は、ポンプロータ４の円筒部４２側にネジ溝３２ａおよびネジ山３２ｂを形成する構成に対しても、同様に適用することができる。

以上説明した真空ポンプ（ターボ分子ポンプのポンプユニット１）では、図２に示すようにステータ３２にネジ溝３２ａとネジ山３２ｂとが交互に形成されている。そして、ネジ溝３２ａの底面３２０とネジ山３２ｂの頂面３２３とを繋ぐ一対の溝側壁３２１，３２２の少なくとも一方は、底面３２０側から頂面３２３側に溝幅が広がるように傾斜した傾斜壁部を有する非垂直壁とされている。すなわち、一対の溝側壁３２１，３２２の少なくとも一方は、底面側から頂面側に溝幅が広がるように形成された非垂直壁である。

このように、溝側壁３２１，３２２を底面側から頂面側に溝幅が広がるように形成された非垂直壁とすることで、溝側壁３２１，３２２を乗り越えるガスの流れが滑らかになり、溝側壁３２１，３２２を乗り越えた際に生じるガスの逆流（図５（ｂ）参照）や淀みを低減することができる。その結果、ネジ溝３２ａに堆積する反応生成物の量を低減することができる。

また、反応生成物の堆積は、一対の溝側壁３２１，３２２の内のロータ回転方向下流側に配置されている溝側壁３２２の近辺において著しい。そのため、溝側壁３２２のみを非垂直壁とする構成であっても良い。

また、図２，３に示すように、溝側壁３２１，３２２は、ネジ溝３２ａの吸気側入口３２４から排気側出口３２５までが非垂直壁とされるのが好ましい。それにより、ネジ溝３２ａの吸気口側から排気口側までの全域において、反応生成物の堆積を抑制することができる。さらに、図２，３のように溝側壁３２１，３２２の底面側接続部から頂面側接続までを、溝幅が広がるように傾斜させることで、反応生成物の堆積防止効果をより高めることができる。

一方、ネジ溝３２ａの吸気側入口３２４から排気側出口３２５まで形成された溝側壁３２１，３２２の内、吸気側入口３２４から排気側出口３２５までの少なくとも一部が非垂直壁とされるような構成としても良い。例えば、図１１に示すように反応生成物が堆積しやすい排気口側範囲Ｄにおける溝側壁３２１，３２２を、非垂直壁とすることが可能である。

なお、上述した各実施形態および変形例は、それぞれ単独にあるいは組み合わせて用いても良い。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。例えば、傾斜壁部を、図３に示すような傾斜平面や図９に示すようなＲ曲面で構成したが、これらに限らず、底面３２０から頂面３２３側に溝幅が広がるように傾斜した面であれば、種々の傾斜面を適用することができる。もちろん、ガスの流れが滑らかになるような形状が好ましい。また、ターボポンプ段とネジ溝ポンプ段を有するターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、ネジ溝ポンプ段を有する真空ポンプであれば適用することができる。

１…ポンプユニット、２…コントロールユニット、４…ポンプロータ、３２…ステータ、３２ａ，３２ｄ…ネジ溝、３２ｂ…ネジ山、４２…円筒部、３２０…底面、３２１，３２２，３２６，３２７…溝側壁、３２１ａ，３２２ａ…傾斜壁部、３２１ｂ，３２２ｂ…垂直壁部、３２３…頂面、３２４…吸気側入口、３２５…排気側出口、Ｒ…ロータ回転方向、Ｗ１…溝幅

Claims (4)

1. ロータおよび該ロータの周面に対向するステータを備え、前記ロータおよびステータの一方の対向面にネジ溝とネジ山とが交互に形成された真空ポンプにおいて、
   前記ネジ溝の底面と前記ネジ山の頂面とを繋ぐ一対の溝側壁の少なくとも一方は、底面側から頂面側に溝幅が広がるように形成された非垂直壁である、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記一対の溝側壁の内、前記ロータの回転方向下流側に設けられた溝側壁が前記非垂直壁である、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記溝側壁は、前記ネジ溝の吸気側入口から排気側出口までが前記非垂直壁とされ、
   前記溝側壁の底面側接続部から頂面側接続までが、溝幅が広がるように傾斜している、真空ポンプ。
4. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ネジ溝の吸気側入口から排気側出口まで形成された前記溝側壁の内、前記吸気側入口から前記排気側出口までの少なくとも一部が前記非垂直壁である、真空ポンプ。

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