JP2017110627A - 真空ポンプ及び該真空ポンプに搭載される回転翼、反射機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】パーティクルがガスの流入側へ向かい逆流するのを防止する真空ポンプ及び該真空ポンプに搭載される回転翼、反射機構を提供する。【解決手段】回転翼102aの上方には反射機構30が配設されている。回転翼102aの面取り面21は、水平面1の回転方向側先端点9を通り回転軸に対し平行に引かれた仮想線11よりも0〜10度回転方向に向けて下流に進むに従い次第に拡開するように形成する。反射機構30は所定の角度で傾斜した傾斜板33が中央円板部35より径方向に向けて放射状に配設されている。反射機構30の傾斜板33に対しては、回転翼102aの面取り面21で反射したパーティクルがこの傾斜板33に対し衝突し、そのときの再反射が下流方向に向けて落下される。反射機構30ヘ向けて確実に反射させることができるので、パーティクルが吸気口101を飛び出し、チャンバ側へ向かい逆流するのを防止することができる。【選択図】図3

Description

本発明は真空ポンプ及び該真空ポンプに搭載される回転翼、反射機構に係わり、特にパーティクルがガスの流入側へ向かい逆流するのを防止する真空ポンプ及び該真空ポンプに搭載される回転翼、反射機構に関する。
近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、エッチングにより半導体基板上に微細な回路を形成したりなどして製造される。
そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。
また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。
このターボ分子ポンプは、吸気口及び排気口を備えた外装体を形成するケーシングを備えている。そして、このケーシングの内部には排気機能を発揮させる構造物が収納されている。この排気機能を発揮させる構造物は、大きく分けて回転自在に軸支された回転部とケーシングに対して固定された固定部から構成されている。
回転部は、回転軸及びこの回転軸に固定されている回転体からなり、回転体は、径方向に向けて放射状に突設された回転翼が多段に配設されている。また、固定部は、回転翼に対して互い違いに固定翼が多段に配設されている。
また、回転軸を高速回転させるためのモータが設けられており、このモータの働きにより回転軸が高速回転すると、回転翼と固定翼との作用により気体が吸気口から吸引され、排気口から排出されるようになっている。
ところでターボ分子ポンプには、プロセスガスだけでなく、チャンバ内において生じた反応生成物からなるパーティクル(例えば、数μ〜数百μmサイズの粒子)も途中の配管やバルブを介して吸気口から取り込まれる。
このパーティクルは、ターボ分子ポンプの内部において高速回転している回転翼に衝突した場合、チャンバ側へ跳ね返され、即ち吸気口からチャンバ側へ逆流してしまうことがある。そして、このようにターボ分子ポンプから逆流したパーティクルは、チャンバの内部の汚染原因となるおそれがある。
特に、従来は図18に示すように、回転翼10の回転方向に向けた先端部分には、バリを防止したり、組立時に手を切ってしまうことを防止するため所定の角度で面取りが施されている。なお、図18中にはこの先端部分の拡大図も併記している。拡大図から分かるように、この面取りの角度は、吸入口側に面した水平面1と面取り面7の間の角度α、面取り面7と下側傾斜面5の間の角度βとが均等な角度となるように切削されることが多い。
その結果、形成された面取り面7は水平面1の回転方向側先端点9を通り回転軸に対し平行に引かれた仮想線11よりも22.5度程下流方向に向けて拡開された状態である。
即ち、面取り面7は斜めに吸入口側に向いた状態になっている。
このように面取り面7の拡開された角度が大きいため、パーティクルが高速回転された面取り面7に対し衝突した場合、チャンバ側へ跳ね返される可能性が高かった。
そこで従来、このようなチャンバ側へのパーティクルの逆流を抑制するための技術が特許文献1〜4で提案されている。
特許文献1には、図19に示すように、回転翼12の吸気口側のエッジ部に対し、回転軸と平行またはやや下流向きの先端面13が形成され、また、先端面13と水平面15の間の角部Rには小さな曲率を有する形状が開示されている。
また、特許文献2には、図20に示すように、回転翼17の吸気口側のエッジ部の面取り面19が回転軸と平行、又はやや下流向きとされた形状が開示されている。
更に、特許文献3には、パーティクルの逆流防止構造を吸気口から着脱可能とした例が開示されている。
更に、特許文献4には、パーティクルの逆流を防止するため、回転翼の上流に固定翼を設置した例が開示されている。
特開2006‐307823号公報 特許5463037号公報 特許5250201号公報 特許3444971号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、図21に示すように大部分のパーティクルが先端面13と水平面15の間の角部Rの曲率部分に入射する。この部分は吸気口側を向いているため、図21に示すように多くのパーティクルが吸気口側に反射されるおそれがあった。また、衝突位置により反射方向が変わるため、反射したパーティクルの逆流を防ぐのは難しい。
また、特許文献2の形状では、大部分のパーティクルが図22に示すように回転翼17Aの面取り面19に入射した後、水平方向、又はやや下流向きに反射される。パーティクルの下流向きの速度が小さいため、反射後は回転方向前方の回転翼17Bの背面に再衝突し、吸気口側ヘ再反射されるおそれがあった。
更に、特許文献3、4では、パーティクルの反射角度が小さくなるように工夫されていない場合には、パーティクルが反射板により跳ね返されず反射板間の隙間を通過してしまうおそれがある。このため、反射板間の配置間隔を狭くしないとパーティクルの逆流を防止するのに充分な効果が発揮できない。一方、このように反射板間の配置間隔を狭くするとガスの吸入が反射板により妨げられ排気性能が低下するという弊害があった。
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、パーティクルがガスの流入側へ向かい逆流するのを防止する真空ポンプ及び該真空ポンプに搭載される回転翼、反射機構を提供することを目的とする。
このため本発明(請求項1)は真空ポンプの発明であって、回転軸と、該回転軸に固定され回転方向の先端部に面取り面の形成されたブレードを有する回転翼と、該回転翼より上流側に配設された反射機構とを備え、前記面取り面に衝突したパーティクルが、前記反射機構に向けて反射するように前記面取り面が斜め上流方向に向けて回転体の軸方向より所定角度傾斜されたことを特徴とする。
このことにより、回転翼の面取り面で反射したパーティクルが従来のように前方のブレードの背面に対し再衝突することを避けられる。このため、反射機構ヘ向けてパーティクルを確実に反射させることができる。パーティクルの反射方向を水平方向からやや上向きの狭い範囲に抑えられるため、反射機構のサイズを最小限とすることができる。排気性能ヘの影響も最小限とすることが出来る。
また、本発明(請求項2)は真空ポンプの発明であって、前記ブレードは、隣接する前記ブレードの間隔をd、前記パーティクルの落下速度をv1、前記ブレードの周速度をv2としたときの下記数1に基づいて特定される前記パーティクルの衝突可能領域Lに前記面取り面が形成されていることを特徴とする。
[数1]
L=d×v1/v2
このことにより、回転翼の面取り面の高さは最小限となり、面取り面による排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
更に、本発明(請求項3)は真空ポンプの発明であって、前記反射機構が、前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜板を有し、該傾斜板は径方向に放射状に配置されたことを特徴とする。
このことにより、パーティクルが上流に向けて反射されるのを防止できる。
更に、本発明(請求項4)は真空ポンプの発明であって、前記反射機構が、前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜板を有し、該傾斜板が吸気口の内壁より径方向に向けて所定長分だけ突設して形成されたことを特徴とする。
このことにより、パーティクルが上流に向けて反射されるのを防止できる。また、反射機構の傾斜板が吸気口の中央部には設置されておらず、回転翼の先端付近にのみ設置されているので排気抵抗は小さくなり排気性能の低下が軽減できる。
更に、本発明(請求項5)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜板が前記吸気口の内壁より該吸気口の中心に向けた仮想線よりも所定角度分回転方向に向けて傾斜して配置されたことを特徴とする。
このことにより、傾斜板に入射する角度をほぼ90度にできるため、径方向外側にずれて反射することなく下方に向けて落とせる。このため、パーティクルが上流に向けて反射されるのをより一層確実に防止できる。
更に、本発明(請求項6)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜板の下部に切欠きの形成されたことを特徴とする。
このことにより、面取り面で反射されたパーティクルは傾斜板で再反射された後、一つ前方の傾斜板の背面に対し再々反射を起こすことなくほぼ確実に下方に向けて落とされる。
更に、本発明(請求項7)は真空ポンプの発明であって、前記反射機構は、前記傾斜板の間隔をW、該傾斜板の傾斜角度をΦ、該傾斜板の高さをH、前記パーティクルの反射角をθとしたときの下記数2に基づき形成されたことを特徴とする。
[数2]
W=H×(1/tanθ+1/tanΦ)
このことにより、回転翼の面取り面で反射したパーティクルが傾斜板を素通りしないように反射機構の傾斜板の間隔を最適に配置できる。このため、反射機構の傾斜板を配設したことに伴う排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
更に、本発明(請求項8)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜板は、前記回転軸中心からの半径が小さくなるのに応じて高さが次第に小さくなっていることを特徴とする。
このように反射機構の傾斜板の高さを回転軸中心からの半径が小さくなるのに応じて次第に小さくできるので、傾斜板を設置したことに伴う排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
更に、本発明(請求項9)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜板は前記ブレードに近接して配置され、固定翼として機能することを特徴とする。
反射機構の傾斜板を回転翼のブレードに近接して配置したことで、反射機構の傾斜板を固定翼として機能させることができる。即ち、回転翼のブレードと反射機構の傾斜板の間にも、回転翼と固定翼の間に生ずる排気作用と同様の排気作用を生じさせることができる。従って、反射機構の傾斜板を配設したことに伴う排気性能の低下を軽減することができる。
更に、本発明(請求項10)は真空ポンプの発明であって、前記反射機構は、前記回転翼の前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜面若しくは傾斜板を有し、前記傾斜面若しくは前記傾斜板は周方向に形成されたことを特徴とする。
更に、本発明(請求項11)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜面若しくは前記傾斜板は、前記パーティクルの反射角をθ、前記回転軸中心より前記ブレードの根元までの水平距離をRi、前記回転軸中心より前記傾斜面若しくは前記傾斜板までの水平距離をRcとしたときの下記数3に基づき特定される前記傾斜面若しくは前記傾斜板の高さHtの範囲内に前記パーティクルが衝突することを特徴とする。
[数3]
Ht>(Rc2−Ri21/2×tanθ
このように設定することで、回転翼の面取り面で反射されたパーティクルの衝突範囲が、傾斜面若しくは傾斜板の高さの範囲内に含まれるようになる。
更に、本発明(請求項12)は真空ポンプの発明であって、前記回転翼を前記回転軸に対して締結する第一の締結手段と、該第一の締結手段を覆う蓋板を備えたことを特徴とする。
蓋板を備えたことでパーティクルは蓋板で遮られるため第一の締結手段に当たることは無くなる。従って、パーティクルが第一の締結手段で反射しチャンバ側へ向かい逆流するのを防止することができる。
更に、本発明(請求項13)は真空ポンプの発明であって、前記蓋板を前記回転軸若しくは前記回転翼に対して締結する第二の締結手段を備え、該第二の締結手段の表面が凹凸の無い滑らかな面で形成されたことを特徴とする。
第二の締結手段の表面が凹凸の無い滑らかな面で形成されることからパーティクルが第二の締結手段で反射しチャンバ側へ向かい逆流することはほぼ無い。
更に、本発明(請求項14)は真空ポンプの発明であって、前記傾斜面若しくは前記傾斜板が前記回転体の軸方向となす角度が45度以上であることを特徴とする。
反射機構の傾斜面若しくは傾斜板が回転体の軸方向となす角度が45度以上であれば、この傾斜面若しくは傾斜板に衝突したパーティクルは下流方向に反射される。
更に、本発明(請求項15)は真空ポンプの発明であって、前記ブレード及び前記反射機構の少なくとも一方の表面には平滑化処理が施されていることを特徴とする。
平滑化処理は例えば、化学研磨、電解研磨、めっき処理などである。このように平滑化処理を施すことで各部材の表面を平らにして、パーティクルを狙った方向へ反射することがより一層精度よくできるようになる。このため、パーティクルの逆流防止の精度を上げることができる。
更に、本発明(請求項16)は真空ポンプの発明であって、前記ブレード及び前記反射機構の少なくとも一方の表面にはパーティクルを捕捉可能な凹凸を有するように表面処理が施されたことを特徴とする。
回転翼や反射機構でパーティクルを捕捉できるため、パーティクルの逆流を防止できる。
更に、本発明(請求項17)は真空ポンプの発明であって、前記反射機構が吸気口から着脱可能に設置されたことを特徴とする。
反射機構を着脱自在とすることで、反射機構の表面に粒子が付着し、パーティクルの逆流防止の効果が低下したとしても容易に反射機構を交換できる。
更に、本発明(請求項18)は回転翼の発明であって、請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の真空ポンプに搭載されることを特徴とする。
更に、本発明(請求項19)は反射機構の発明であって、請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の真空ポンプに搭載されることを特徴とする。
以上説明したように本発明によれば、回転翼の面取り面で反射したパーティクルが、反射機構で衝突するように面取り面が斜め上流方向に向けて回転体の軸方向より所定角度傾斜するように構成したので、回転翼の面取り面で反射したパーティクルが従来のように前方のブレードの背面に対し再衝突することを避けられる。このため、反射機構ヘ向けてパーティクルを確実に反射させることができる。
本発明の第1実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 回転翼のブレードの先端部分の様子を示す図 回転翼と反射機構の側面展開図 回転翼の面取り面に入射したパーティクルが反射するときの様子を示す図 パーティクルが衝突可能領域の範囲に衝突する様子を示す図 本発明の第2実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第3実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第4実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第5実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 従来のターボ分子ポンプの構成図 ボルト部分の拡大図 本発明の第6、第7実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第7実施形態である吸気口の内部を上方から覗いた様子を示す図 本発明の第8実施形態である吸気口の内部を上方から覗いた様子を示す図 本発明の第9実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第10実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 本発明の第11実施形態であるターボ分子ポンプの構成図 従来の回転翼の面取り面の例(その1) 従来の回転翼の面取り面の例(その2) 従来の回転翼の面取り面の例(その3) 従来の回転翼の面取り面に入射したパーティクルが反射するときの様子を示す図(その1) 従来の回転翼の面取り面に入射したパーティクルが反射するときの様子を示す図(その2)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。本発明の第1実施形態の構成図を図1に示す。図1の下図はターボ分子ポンプの縦断面図、上図は上方より吸気口内を覗いたときの様子を示す。図1において、ターボ分子ポンプ100の円筒状の外筒127の上端のフランジ110の内側部分には吸気口101が形成されている。外筒127は、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
外筒127の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼102a、102b、102c・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体103を備える。回転体103は、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
この回転体103の中心にはロータ軸113が取り付けられており、このロータ軸113は、例えば、いわゆる5軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。
上側径方向電磁石104は、4個の電磁石が、ロータ軸113の径方向の座標軸であって互いに直交するX軸とY軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石104に近接かつ対応されて4個の電磁石からなる上側径方向センサ107が備えられている。この上側径方向センサ107は回転体103の径方向変位を検出し、検出した変位信号を図示しない制御装置に送るように構成されている。
制御装置においては、上側径方向センサ107が検出した変位信号に基づき、PID調節機能を有する補償回路を介して上側径方向電磁石104の励磁を制御し、ロータ軸113の上側の径方向位置を調整する。
ロータ軸113は、高透磁率材(鉄など)などにより形成され、上側径方向電磁石104の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、X軸方向とY軸方向とにそれぞれ独立して行われる。
また、下側径方向電磁石105及び下側径方向センサ108が、上側径方向電磁石104及び上側径方向センサ107と同様に配置され、ロータ軸113の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している。
更に、軸方向電磁石106A、106Bが、ロータ軸113の下部に備えた円板状の金属ディスク111を上下に挟んで配置されている。金属ディスク111は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸113の軸方向変位を検出するために図示しない軸方向センサが備えられ、その軸方向変位信号が図示しない制御装置に送られるように構成されている。
そして、軸方向電磁石106A、106Bは、この軸方向変位信号に基づき制御装置のPID調節機能を有する補償回路を介して励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石106Aと軸方向電磁石106Bは、磁力により金属ディスク111をそれぞれ上方と下方とに吸引する。
このように、制御装置は、この軸方向電磁石106A、106Bが金属ディスク111に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸113を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。
モータ121は、ロータ軸113を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸113との間に作用する電磁力を介してロータ軸113を回転駆動するように、図示しない制御装置によって制御されている。
回転翼102a、102b、102c・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼123a、123b、123c・・・が配設されている。固定翼123は、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。回転翼102a、102b、102c・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸113の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。
また、固定翼123も、同様にロータ軸113の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒127の内方に向けて回転翼102の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼123の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ125a、125b、125c・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
固定翼スペーサ125はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
固定翼スペーサ125の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒127が固定されている。外筒127の底部にはベース部129が配設され、固定翼スペーサ125の下部とベース部129の間にはネジ付きスペーサ131が配設されている。そして、ベース部129中のネジ付きスペーサ131の下部には排気口133が形成され、外部に連通されている。
ネジ付きスペーサ131は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝131aが複数条刻設されている。
ネジ溝131aの螺旋の方向は、回転体103の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口133の方へ移送される方向である。
回転体103の回転翼102a、102b、102c・・・に続く最下部には回転円筒102dが垂下されている。この回転円筒102dの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ131の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ131の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
ベース部129は、ターボ分子ポンプ100の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレス、銅などの金属によって構成されている。
かかる構成において、回転体103がモータ121により駆動されてロータ軸113と共に回転すると、回転翼102と固定翼123の作用により、吸気口101を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。
吸気口101から吸気された排気ガスは、回転翼102と固定翼123の間を通り、ベース部129へ移送される。
ネジ付きスペーサ131に移送されてきた排気ガスは、ネジ溝131aに案内されつつ排気口133へと送られる。
ここに、図2には回転体103の最上段に配置された回転翼102aのブレードの先端部分の様子を示す。なお、この図2中に一点鎖線の丸で囲った先端部分は説明のため拡大している。
回転翼102aのブレードの回転方向に向けた先端部分には、バリを防止したり、組立時に手を切ってしまうことを防止するため所定の角度で面取り面21が施されている。
一方、図1に示す通り、この回転翼102aの上方には反射機構30が配設されている。この反射機構30は吸気口101の内壁にシーリング31により着脱自在に取り付けられている。図3は、図1中の点線Aで示される仮想線で切断し、その切断面を切り開いたときの回転翼102aと反射機構30の側面展開図を示している。反射機構30は所定の角度で傾斜した傾斜板33が中央円板部35より径方向に向けて放射状に配設されている。但し、図1中には傾斜板33の本数は説明を容易にするため実際よりも少なく記載している。
かかる構成において、まず、図2を元にパーティクルが回転翼102aの面取り面21で反射後に、回転方向前方の回転翼102aの背面に再衝突するのを防止する条件について説明する。図2において、パーティクルの入射角を角度α、回転翼102aの面取り面21が水平面1の回転方向側先端点9を通り回転軸に対し平行に引かれた仮想線11となす角を面取り面21の傾斜角度βと定義する。
この場合、面取り面21の傾斜角度βは、β=α/2となる条件でパーティクルが丁度水平方向に反射する。図3の回転翼102aの配置から、面取り面21が回転翼102aの最上端に位置しているので、角度βをα/2より少し大きくすることで、回転方向前方の回転翼102aの背面に再衝突するのを防止できることが分かる。従って、パーティクルの入射角を0〜20度と推定すれば、回転翼102aの面取り面21の傾斜角度βは0〜10度回転方向に向けて下流に進むに従い次第に拡開するように形成するのが望ましい。
即ち、面取り面21は斜めに吸気口101側に向いた面を有しているため、吸気口101側に対しこの面取り面21が露出した状態である。このように面取り面21をパーティクルの入射角の半分よりも少し大きく傾斜させることで、パーティクルは図4に示すように回転翼102aの面取り面21に入射した後、水平方向よりも少し上流向きに反射される。
このとき、パーティクルはそのすべてがこの面取り面21に対し入射されるのが望ましい。ここに、このようにすべてのパーティクルが面取り面21に対して入射されるのに必要な理論的条件は数1の通りである。
[数1]
L=d×v1/v2
即ち、隣接する回転翼102aのブレード同士の間隔d、回転翼102aの移動速度(周速度)v2、パーティクルの落下速度v1であったときには図5に示すように、パーティクルは衝突可能領域Lの範囲に衝突する。このため、面取り面21の削り量(高さ分に相当)を数1に基づき決めれば、面取り面21の軸方向高さは最小限となり、面取り面21による排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
一方、反射機構30の傾斜板33に対しては、図3に示すように回転翼102aの面取り面21で反射したパーティクルがこの傾斜板33に対し衝突し、そのときの再反射が下流方向に向けて落下される必要がある。このために必要な傾斜板33の間隔の大きさWは、傾斜板33の傾斜角度Φ、傾斜板33の軸方向高さH、パーティクルの反射角θとして、数2のように表される。但し、傾斜板33の間隔の大きさWは図1中の点線Aで示される仮想線で切断し、その切断面を切り開いたときの周長である。
[数2]
W=H×(1/tanθ+1/tanΦ)
このように傾斜板33の間隔の大きさWを設定すれば、反射したパーティクルが傾斜板33を素通りしないように傾斜板33の間隔を充分に狭くすることができる。傾斜板33の間隔が最適化できれば、傾斜板33を設置したことに伴う排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
また、図1中の点線Aで示される仮想線の径を仮に短くした場合にはその周長である傾斜板33の間隔の大きさWも小さくなる。この場合には数2から必要な傾斜板33の軸方向高さHを小さくできることが分かる。このため、図1中の傾斜板33の側面図はケーシング側より内側に向けて次第にその高さが小さくなっている。
このように傾斜板33の高さをケーシング側より内側に向けて次第に低くできるので、傾斜板33を設置したことに伴う排気性能ヘの影響を最小限とすることができる。
以上により、進入したパーティクルを回転翼102aの面取り面21に対して集中させ、かつ、この面取り面21で反射したパーティクルを反射機構30の傾斜板33に対して確実に衝突させ、かつ、衝突後は下流に向けて落下させることができる。従来のような前方のブレードの背面ヘの再衝突を避け、反射機構30ヘ向けて確実に反射させることができる。このため、パーティクルが吸気口101を飛び出し、チャンバ側へ向かい逆流するのを防止することができる。その結果、ターボ分子ポンプ100を半導体製造装置に用いた場合には、パーティクルによるウエハの汚染問題が解決でき、半導体製造の歩留まりが向上する。
また、パーティクルの反射方向を水平方向からやや上向きの狭い範囲に抑えられるため、反射機構30のサイズを最小限とすることができる。更に、排気性能ヘの影響も最小限とすることが出来る。
なお、傾斜板33は回転翼102aに対峙し、かつ、回転翼102aの近傍に設置されるのが望ましい。具体的には図1において、回転翼102aと固定翼123aの間に形成されている隙間とほぼ同程度の高さの隙間を傾斜板33と回転翼102aの間にも形成する。即ち、傾斜板33をもって固定翼123の機能を兼ね備えさせる。このことにより、回転翼102aと傾斜板33の間にも、回転翼102a、102b、102c・・・と固定翼123a、123b、123c・・・の間に生ずる排気作用と同様の排気作用を生じさせることができる。従って、傾斜板33を配設したことに伴う排気性能の低下を軽減することができる。
なお、反射機構30は吸気口101の内壁にシーリング31により着脱自在に取り付けられているとして説明したが、シーリング31に代えてねじ等で着脱自在とされてもよい。これにより、ターボ分子ポンプを解体することなく汚れた反射機構30の取り替えを簡単に行うことができる。
また、回転翼102aのブレードの根元より内側となる範囲には、反射機構30の傾斜板33は設置せず、強度面から単に円板状の中央円板部35とするのが望ましい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態の構成図を図6に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図6のターボ分子ポンプ200において、反射機構40は吸気口101の内壁上部にシーリング31により着脱自在に取り付けられている。このように反射機構40の設置位置を第1実施形態の反射機構30よりも高くした場合には、図2における回転翼102aの面取り面21の仮想線11に対する角度を第1実施形態のときよりも大きくする必要がある。但し、この場合であっても図3に示すようにパーティクルの反射角θに向かいパーティクルが進入するように図2で示す面取り面21の仮想線11に対する角度を設定すればよい。このことにより、反射機構40の設置箇所の選定に関し設計上の自由度が出せる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本発明の第3実施形態の構成図を図7に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図7のターボ分子ポンプ300において、外筒127の上端のフランジ110の内側部分には、反射機構50が吸気口101の内周部下部に形成されている。そして、この反射機構50は、下流に向けて次第に内径が拡開されるテーパー面の施された円錐状壁51にて形成されている。なお、回転翼102aの構造は第1実施形態と同じである。
かかる構成において、図2に示す通り、回転翼102aの面取り面21は斜めに吸気口101側に向いた面を有しているため、パーティクルは図4に示すように回転翼102aの面取り面21に入射した後、この入射してきた方向よりも少し上流向きに反射される。
図7において、テーパ部分の高さHt、パーティクルの反射角θ、回転軸中心より回転翼102aのブレードの根元までの水平距離Ri、回転軸中心より円錐状壁51までの水平距離Rcと定義したとき、テーパ部分の高さHtと反射角θ、距離Ri、距離Rcの間には数3の関係が成立することが望ましい。
[数3]
Ht>(Rc2−Ri21/2×tanθ
このように設定することで、回転翼102aの面取り面21で反射されたパーティクルの衝突範囲が、テーパ部分に含まれるようになる。また、図7中にテーパー角として示す、円錐状壁51のテーパーが軸方向との間になす角度は45度以上とするのが望ましい。テーパー角が45度以上であれば、円錐状壁51に衝突したパーティクルは下流方向に確実に反射される。
以上により、回転翼102aの面取り面21で反射したパーティクルを円錐状壁51のテーパー面に対して確実に衝突させ、かつ、衝突後は下流に向けて落下させることができる。このため、パーティクルが吸気口101を飛び出し、チャンバ側へ向かい逆流するのを防止することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。本発明の第4実施形態の構成図を図8に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図8のターボ分子ポンプ400において、反射機構60の円錐状壁61は吸気口101の内壁上部に形成されている。このように円錐状壁61の配設位置を第3実施形態の円錐状壁51よりも高くした場合には、図2における回転翼102aの面取り面21の仮想線11に対する角度を第1実施形態のときよりも大きくする必要がある。但し、この場合であっても図7に示すようにパーティクルの反射角θに向かいパーティクルが進入するように面取り面21の仮想線11に対する角度を設定すればよい。このことにより、円錐状壁61の配設箇所の選定に関し設計上の自由度が出せる。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本発明の第5実施形態の構成図を図9に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
本発明の第5実施形態は、図9のターボ分子ポンプ500において、第3実施形態の外筒127に対し形成した円錐状壁に代えて、独立した部材の円環状のバッフルを吸気口101の内側に逆流防止構造として取り付けたものである。
外筒127の内周壁には突設部71が周状に形成されている。そして、この突設部71上には反射機構70の環状の外側円環部73がネジ74で固定されている。反射機構70の中央には円板状の中央円板部75が配設されている。この中央円板部75からは支持部材76が放射状に外側円環部73に対して延び、この支持部材76は外側円環部73に固着されている。
また、中央円板部75の周囲で、支持部材76の上には縦断面が「ハ」の字状の環状のバッフル77aが取り付けられている。バッフル77aの内側には下流に向けて内径が次第に拡開される傾斜面79が形成されている。バッフル77aの傾斜面79は第3実施形態の円錐状壁51のテーパー面に相当し、この傾斜面79はパーティクルに対して第3実施形態の円錐状壁51のテーパー面と同じように作用する。
即ち、バッフル77aのみの配設であっても第3実施形態の円錐状壁51と同様に機能する訳であるが、例えば、同じ図9に示すように支持部材76の中間地点にも環状のバッフル77bを追加するとバッフル77aとバッフル77bの軸方向の高さを共に半分にすることができる。これは、図7で反射角度θで飛んだパーティクルの進行が支持部材76の中間地点に配置されたバッフル77bによりHt/2の高さ範囲内で再反射されるようになるためである。
このことにより、ターボ分子ポンプ500の高さを小さく設定できる。
なお、バッフル77は環状に限るものではなく、周状に多角形で形成することも可能である。この場合、バッフルは隣接する支持部材76間に対してバッフル77a、77bのような円弧状ではなく直線状に形成される。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。まず従来のターボ分子ポンプ700の構成図を図10に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図10において、回転体103はロータ軸113回りに配設された複数のボルト91でロータ軸113に対し締結されている。図11にこのボルト91の拡大図を示す。ボルト91の外周は軸方向に向けて凹凸に刻設されることでセレーション93が形成されている。
回転体103の頭部には円柱状の凹部95が形成されており、この凹部95の底面において、ボルト91はロータ軸113の中心より径方向に一定距離離れて配設されている。このため、ボルト91はロータ軸113の中心回りに回転しており、パーティクルが図11の入射方向より入射されると上向きに反射されるおそれがある。パーティクルの反射はボルト91の頭縁部において顕著に生ずるが、セレーション93の部分においても起こり得る。
かかる弊害を防止するため、本発明の第6実施形態では図12のターボ分子ポンプ800に示す構造を採用した。即ち、ターボ分子ポンプ800の凹部95の高さの中間部分に蓋板97を配設し、この蓋板97はボルト99によりロータ軸113に対し締結する。ボルト99の外周にはセレーションが形成されずに凹凸の無い滑らかな面であることが望ましい。
この蓋板97を配設したことにより、パーティクルは蓋板97で遮られるためボルト91に当たることは無くなる。従って、パーティクルがボルト91で反射しチャンバ側へ向かい逆流するのを防止することができる。パーティクルが仮にボルト99に対して当たったとしてもその当接箇所はロータ軸113の中心より径方向の距離が小さく、また、凹凸の無い滑らかな面であることからパーティクルがボルト99で反射しチャンバ側へ向かい逆流することはほぼ無い。
なお、本実施形態では蓋板97を回転体103側に配設するとして説明したが、実施形態1で説明した反射機構30側に設けた中央円板部35に対してこの機能を持たせるようにしてもよい。この場合には、蓋板97を設けなくても中央円板部35があることで、パーティクルがボルト91で反射しチャンバ側へ向かい逆流することは無い。
また、本実施形態では蓋板97はボルト99によりロータ軸113に対し締結するとして説明したが、蓋板97は回転体103に対しボルトで締結するようにしてもよい。この場合であってもボルトの配設はロータ軸113の中心より径方向の距離が小さくできるので、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
次に、本発明の第7実施形態について説明する。図12に本発明の第7実施形態の縦断面図、図13に吸気口101の内部を上方から覗いた様子を示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図12及び図13において、回転翼102aの上方には反射機構201が配設されている。この反射機構201は吸気口101の内壁にシーリング31により着脱自在に取り付けられている。反射機構201は既に図3で説明したと同様に所定の角度で傾斜した傾斜板203が吸気口101の内壁より径方向に向けて放射状に突設されている。但し、図13中には傾斜板203の本数は説明を容易にするため実際よりも少なく記載している。この反射機構201が図1の反射機構30と異なるのは傾斜板203の長さである。図1の反射機構30における傾斜板33が中央円板部35まで延びていたのに対して反射機構201の傾斜板203の径方向長は短く、吸気口101の中心までの径方向距離の10〜20%程度である。
かかる構成において、回転翼102aの面取り面21で反射されたパーティクルは図13中に点線矢印205で示すように面取り面21と直角な方向に飛ぶ。この面取り面21で反射されたパーティクルは傾斜板203で再反射され、下方に向けて落とされる。傾斜板203の設置本数は多いので、面取り面21で反射されたパーティクルがいずれの角度で反射されたとしても傾斜板203で再反射が可能である。
このように図1の反射機構30と異なり、反射機構201の傾斜板203は中央部には存在しておらず、回転翼102aの先端付近にのみ設置されているので実施形態1よりも排気抵抗は小さくなり排気性能の低下が軽減できる。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。図14に本発明の第8実施形態における吸気口101の内部を上方から覗いた様子を示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。本発明の第8実施形態の縦断面図は図12と同じである。
図13においては、反射機構201の傾斜板203の向きは径方向であり、点線矢印205の方向から入射したパーティクルは傾斜板203に対し90度よりも大きい角度θで入射する。この場合、傾斜板203に対し90度よりも大きい角度θで入射したパーティクルは真下には落ちず、径方向外側にずれて反射する傾向にある。
本発明の第8実施形態では、図14に示すように反射機構211の傾斜板213が点線矢印205の方向に対し隔てる角度θがほぼ90度になるように傾斜板213に対して図13の傾斜板203よりも前進角を与えたものである。ここに前進角を与えるとは、傾斜板203が吸気口101の内壁より吸気口101の中心に向け径方向に配設されていたのに対して、傾斜板213は吸気口101の内壁より吸気口101の中心に向けた仮想線よりも回転方向に向けて所定角度分傾斜して配置していることを意味する。
即ち、パーティクルの反射のあった回転翼102aの面取り面21と再反射のされる反射機構211の傾斜板213とが図14に示すように回転翼102aの回転角度の一時点においては平行となるように構成する。
このことにより、回転翼102aの面取り面21で反射されたパーティクルは傾斜板213で径方向外側にずれることなく再反射され、ほぼ正確に下方に向けて落とされる。
次に、本発明の第9実施形態について説明する。図15の下段に本発明の第9実施形態における縦断面図、図15の上段に吸気口101の内部を上方から覗いた様子を示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図15において、反射機構221の傾斜板223は図14の反射機構211の傾斜板213と同一の形状である。但し、傾斜板223の下部Cの点線で示す部分には切欠きが施されている点で図14の反射機構211とは相違している。
かかる構成において、切欠きを施した点について説明する。図14において傾斜板213の配設個数を増やしていくと、傾斜板213で再反射したパーティクルが一つ前方の傾斜板213の背面に衝突し、吸気口101に向かって再々反射する可能性が出てくる。このため、図15の傾斜板223は、図14の傾斜板213の内から再々反射を起こし易い部分を一部切り欠くことにしたものである。
このことにより、回転翼102aの面取り面21で反射されたパーティクルは傾斜板223で再反射された後、一つ前方の傾斜板213で再々反射を起こすことなくほぼ確実に下方に向けて落とされる。
次に、本発明の第10実施形態について説明する。本発明の第10実施形態の構成図を図16に示す。なお、図1と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
本発明の第10実施形態は、図16のターボ分子ポンプ600において、図1と同様に回転翼102aの上方には反射機構30が配設されている。但し、図1とは異なり、吸気口101の内部が高さ方向に同一の口径ではなく、吸気口101の上部の口径が下部の口径よりも狭くなっている。即ち、吸気口101の下部は下方に向かってテーパー状に拡開した部分を有している。
これまで、第1実施形態から第9実施形態までは吸気口101から内部に反射機構30、40、50、60、70、201、211、221を挿入するとして説明したが、本実施形態は、この反射機構30を装着した吸気口101部分を一つの部品としてポンプ本体に対しポルト81で着脱自在としたものである。
このような構造とすることで、反射機構30、40、50、60、70、201、211、221が吸気口101の上部の内径より大きい場合にも反射機構30、40、50、60、70、201、211、221を容易に着脱可能とすることが出来る。
なお、上述の各実施形態において、回転翼102aと反射機構30、40、50、60、70、201、211、221の組み合わせの内の少なくとも一方は、化学研磨、電解研磨、めっき処理などの平滑化処理を施すことが望ましい。このように平滑化処理を施すことで各部材の表面を平らにして、パーティクルを狙った方向へ反射することができるようになる。このため、パーティクルの逆流防止の精度を上げることができる。
また、前述のシーリング31やネジ74等により反射機構30、40、50、60、70、201、211、221を着脱自在とすることで、反射機構の表面に粒子が付着し、パーティクルの逆流防止の効果が低下したとしても容易に反射機構を交換ができる。
次に、本発明の第11実施形態について説明する。図17において、回転翼102aと反射機構30、40、50、60、70、201、211、221のパーティクルと衝突する面241には図17に示すようなパーティクル240を捕捉することが可能な凹凸を有する表面加工が施されている。
かかる構成において、面241にはパーティクル240の大きさよりも大きな穴243を有し、かつ、このパーティクル240を捕捉可能なように小さな凹凸245も施されている。この凹凸はエッチングなどの化学的処理あるいはブラスト等の機械的処理により形成される。また、必ずしも回転翼102aと反射機構30、40、50、60、70、201、211、221の両方に対して穴243や凹凸245が施される必要はなく、どちらか一方だけでもよい。
このことにより、回転翼102aと反射機構30、40、50、60、70、201、211、221でパーティクル240を捕捉できる。なお、凹凸の処理を表面の一部だけに行えば、この凹凸の処理を施した部分についてはパーティクル240の捕捉をし、その他の表面については第1〜10実施形態で説明したようにパーティクルの反射をさせることができる。
例えば、第9実施形態の図15に示す傾斜板223は、図14に示す傾斜板213の内から再々反射を起こし易い部分を一部切り欠くことにしたものであるが、この切欠きに代えて切欠き相当部分の表面に対して第11実施形態に示す凹凸の処理を施しパーティクル240の捕捉をするようにしてもよい。
また、第3実施形態において円錐状壁51のテーパーが軸方向との間になす角度は45度以上とするのが望ましいとして説明したが、第3実施形態以外の各実施形態においても反射機構の傾斜面若しくは傾斜板が軸方向となす角度が45度以上であることが望ましい。このことにより、傾斜面若しくは傾斜板に衝突したパーティクルは下流方向に確実に反射される。
更に、以上に説明をした各実施形態は組み合わせて使用がされてもよい。
1 水平面
9 回転方向側先端点
11 仮想線
30、40、50、60、70、201、211、221 反射機構
31 シーリング
33、203、213、223 傾斜板
35、75 中央円板部
51、61 円錐状壁
73 外側円環部
74 ネジ
76 支持部材
77 バッフル
79 傾斜面
81、99 ボルト
97 蓋板
100、200、300、400、500、600、700、800 ターボ分子ポンプ
101 吸気口
102 回転翼
103 回転体
113 ロータ軸
123 固定翼
127 外筒
240 パーティクル

Claims (19)

  1. 回転軸と、
    該回転軸に固定され回転方向の先端部に面取り面の形成されたブレードを有する回転翼と、
    該回転翼より上流側に配設された反射機構とを備え、
    前記面取り面に衝突したパーティクルが、前記反射機構に向けて反射するように前記面取り面が斜め上流方向に向けて回転体の軸方向より所定角度傾斜されたことを特徴とする真空ポンプ。
  2. 前記ブレードは、隣接する前記ブレードの間隔をd、前記パーティクルの落下速度をv1、前記ブレードの周速度をv2としたときの下記数1に基づいて特定される前記パーティクルの衝突可能領域Lに前記面取り面が形成されていることを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
    [数1]
    L=d×v1/v2
  3. 前記反射機構が、前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜板を有し、
    該傾斜板は径方向に放射状に配置された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。
  4. 前記反射機構が、前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜板を有し、
    該傾斜板が吸気口の内壁より径方向に向けて所定長分だけ突設して形成された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。
  5. 前記傾斜板が前記吸気口の内壁より該吸気口の中心に向けた仮想線よりも所定角度分回転方向に向けて傾斜して配置されたことを特徴とする請求項4に記載の真空ポンプ。
  6. 前記傾斜板の下部に切欠きの形成されたことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の真空ポンプ。
  7. 前記反射機構は、前記傾斜板の間隔をW、該傾斜板の傾斜角度をΦ、該傾斜板の高さをH、前記パーティクルの反射角をθとしたときの下記数2に基づき形成されたことを特徴とする請求項3乃至請求項6のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
    [数2]
    W=H×(1/tanθ+1/tanΦ)
  8. 前記傾斜板は、前記回転軸中心からの半径が小さくなるのに応じて高さが次第に小さくなっていることを特徴とする請求項3又は請求項7記載の真空ポンプ。
  9. 前記傾斜板は前記ブレードに近接して配置され、固定翼として機能することを特徴とする請求項3乃至請求項8のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  10. 前記反射機構は、前記回転翼の前記面取り面で反射された前記パーティクルを下流に向けて再反射させる傾斜面若しくは傾斜板を有し、
    前記傾斜面若しくは前記傾斜板は周方向に形成されたことを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
  11. 前記傾斜面若しくは前記傾斜板は、前記パーティクルの反射角をθ、前記回転軸中心より前記ブレードの根元までの水平距離をRi、前記回転軸中心より前記傾斜面若しくは前記傾斜板までの水平距離をRcとしたときの下記数3に基づき特定される前記傾斜面若しくは前記傾斜板の高さHtの範囲内に前記パーティクルが衝突することを特徴とする請求項10記載の真空ポンプ。
    [数3]
    Ht>(Rc2−Ri21/2×tanθ
  12. 前記回転翼を前記回転軸に対して締結する第一の締結手段と、
    該第一の締結手段を覆う蓋板を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  13. 前記蓋板を前記回転軸若しくは前記回転翼に対して締結する第二の締結手段を備え、
    該第二の締結手段の表面が凹凸の無い滑らかな面で形成されたことを特徴とする請求項12に記載の真空ポンプ。
  14. 前記傾斜面若しくは前記傾斜板が前記回転体の軸方向となす角度が45度以上であることを特徴とする請求項3乃至請求項13のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  15. 前記ブレード及び前記反射機構の少なくとも一方の表面には平滑化処理が施されていることを特徴とする請求項1乃至請求項14のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  16. 前記ブレード及び前記反射機構の少なくとも一方の表面にはパーティクルを捕捉可能な凹凸を有するように表面処理が施されたことを特徴とする請求項1乃至請求項14のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  17. 前記反射機構が吸気口から着脱可能に設置されたことを特徴とする請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
  18. 請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の真空ポンプに搭載される回転翼。
  19. 請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の真空ポンプに搭載される反射機構。
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