JP3557608B2

JP3557608B2 - ターボ分子ポンプの電源装置

Info

Publication number: JP3557608B2
Application number: JP13635496A
Authority: JP
Inventors: 修芦田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: JPH09317687A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライエッチング装置等の半導体製造装置に使用するターボ分子ポンプの電源装置に関し、特にポンプ本体内に堆積しやすい凝縮性ガスの排気に好適なターボ分子ポンプの電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドライエッチング装置等の半導体製造装置は、ターボ分子ポンプを用いてチャンバの排気を行っている。図５は従来の磁気軸受ターボ分子ポンプの一構成例である。図５において、アルミニウム合金製のベース９およびケーシング１を主体としてポンプ本体Ｐを構成し、ケーシング１内にアルミニウム合金等の金属製のロータ２を高速回転可能に配設するとともに、ロータ２の外周に突設させた回転翼２ａと、ケーシング１の内周であって、ステータスペーサ１ｂ間から突設させた固定翼１ａとの間でタービンＴを形成し、このタービンＴによって吸気口３から吸収したガス分子を排気口に向かって圧縮排気している。また、タービンＴの下端外周に刻設した螺旋ねじ２ｂによって、ロータ２とステータスペーサ１ｂとの間のガスの排気を行っている。また、ロータ２を取り付けたシャフト５は、上下一対のラジアル軸受６，７および軸端部のスラスト磁気軸受８によって非接触で支持されている。
【０００３】
このターボ分子ポンプを、例えばアルミニウムドライエッチング等を行う半導体製造装置に適用して、エッチング後の塩化アルミニウムＡｌＣｌ３等の凝縮性の反応生成物の排気を行うと、この反応生成物がポンプ流路部や軸受部に付着して堆積するため、頻繁な分解清掃作業やメンテナンスが必要となり、稼働率が低下する。特に、ロータ２の外周とケーシング１の内周の間等の極小間隙では、堆積した反応生成物によって接触を起こし、ポンプ自体を損傷したり破損するおそれがある。
【０００４】
この種の凝縮性ガスは固相となる析出温度が常温近傍（例えば５０〜６０°Ｃ）である。そこで、反応生成物の堆積を防止する方法として、ポンプの温度を高温に制御する方法が知られている。この温度制御の熱源はニクロム線ヒータが一般的であり、モータ駆動用の回路と別個の電源回路によって駆動を行っている。
【０００５】
図６は従来のターボ分子ポンプの電源を説明するためのブロック線図である。図６において、ポンプＰは、ロータを回転駆動させるモータ２３と、ロータを非接触で支持する磁気軸受２１と、ポンプの温度制御を行うための温度センサ２５，ヒータ２２および，温度冷却水制御用電磁弁２４とを備え、磁気軸受２１および温度センサ２５は電源装置３０にセンサ信号を送り、磁気軸受２１，ヒータ２２，モータ２３，および温度冷却水制御用電磁弁２４は電源装置３０から駆動電流の供給を受ける。また、電源装置３０は、整流回路３６，絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ３７，およびインバータ３３を介してモータ２３に駆動電流を供給するとともに、スイッチング手段３２を介してニクロム線等のヒータ２２に駆動電流を供給している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のターボ分子ポンプの電源装置は、ニクロム線等のヒータ２２への駆動電流供給の制御手段としてリレー等のスイッチング手段３２や電力制御器４１を用い、また、漏電等に対する安全対策として商用電源２０との間に漏電遮断機や絶縁トランス４２を設けている。漏電遮断機は、ヒータに漏電を検出してヒータへの通電を遮断し、他の装置への漏電の影響を防止することができるが、漏電発生を防止する効果はない。これに対して、絶縁トランスは漏電防止効果を有するものの、従来使用する商用電源の周波数の絶縁トランスは大型で重量も重くなるという問題点がある。一般に、絶縁トランスの大きさおよび重量は使用する周波数に反比例する傾向にあり、ヒータ用電源として５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの低い商用周波数の絶縁トランスを使用すると、出力の割に大型で大重量となる。そのため、ターボ分子ポンプの電源装置自体も大型で大重量となる。
そこで、本発明は前記した従来のターボ分子ポンプの電源装置を解決し、反応性生成物のポンプ内での付着堆積を高温制御によって防止することができるターボ分子ポンプの電源装置を小型化することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はヒータにより温度制御を行うターボ分子ポンプに電力を供給する電源装置であり、整流回路と絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの直列接続回路と、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力を制御するスイッチング手段を備え、インバータの出力をターボ分子ポンプのモータへの供給電力とし、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力をヒータへの供給電力とするものである。
本発明の電源装置によるモータの駆動は、外部交流を整流回路で直流に変換し、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータで所定の直流電圧とし、インバータによって直流をモータに供給することにより行う。また、ヒータの駆動は、インバータの負荷が小さくポンプ温度が設定温度以下のときに、スイッチング手段によって絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力をヒータに供給することにより行い、インバータの負荷が大きなとき、あるいはポンプ温度が設定温度以上のときには、スイッチング手段によって絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力のヒータへの供給を停止する。したがって、本発明の電源装置は、モータとヒータに対する電力供給の分配比率を変えることによって、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータを共用して使用する。
【０００８】
一般に、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータは、順変換部と高周波絶縁トランスと逆変換部とを直列接続した構成を備えており、この高周波絶縁トランスは変換する交流の周波数が高いため、従来の絶縁トランスと比較して小型である。また、ヒータへの電力供給は、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータが供給可能な電力の内からモータ駆動に要する電力を差し引いた残りの電力を使用するため、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの最大負荷は従来と同様とすることができ、少なくとも大型の絶縁トランスを不要とした分、ターボ分子ポンプの電源装置全体を小型化し軽量化することができ、また、モータ側と電源側とを絶縁することができる。
【０００９】
本発明の第１の実施態様は、スイッチング手段は、インバータへの供給電力が、モータの加速時の最大電力以下の場合に、ヒータへの電力供給をオンオフ制御するものであり、これによって、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの供給可能電力からインバータが要する電力を差し引いた電力をヒータに供給し、ポンプの温度を高温に制御することができる。
【００１０】
また、本発明の第２の実施態様は、スイッチング手段は、インバータへの供給電力が、モータの加速時の最大電力からヒータへの最大電力を差し引いた電力以下の場合に、ヒータへの電力供給をオンオフ制御するものであり、これによって、ポンプへのガス導入時にはポンプ自体の発熱によってポンプの温度を高温に制御し、ポンプへのガス導入がない場合には絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの供給可能電力からインバータが要する電力を差し引いた電力をヒータに供給し、ポンプの温度を高温に制御することができる。
【００１１】
本発明の第３の実施態様は、スイッチング手段は、モータの加速時の最大電力からインバータに供給している電力を差し引いた電力をヒータに供給する電力の上限として電力制御を行うものであり、これによって、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの供給可能な電力の内からインバータが必要とする電力を差し引いた電力を、ヒータ駆動用の電力として常に確保することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１，２の本発明のターボ分子ポンプの電源装置の一実施形態を説明する概略ブロック図，および概略構成図を用いて説明する。図１，２において、ポンプＰは本発明の電源装置を適用することができるターボ分子ポンプの一例であり、ロータを磁気浮上させて非接触支持を行うための電磁石およびセンサを備えた磁気軸受２１、ロータを回転駆動させるためのモータ２３、ポンプの温度を高温に制御するためのヒータ２２およびポンプの温度を検出するための温度センサ２５、上昇したポンプの温度を下げる冷却水の制御を行うための冷却水制御用電磁弁２４等を備える。
【００１３】
電源装置１０は商用電源等の外部電源２０から電力を受け、ポンプＰの各構成部に電力を供給する。電源装置１０において、モータ２３への電力供給は整流回路１６と絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７とインバータ１３の直列接続により行い、ヒータ２２への電力供給は絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の分岐出力をスイッチング手段１２で制御して行う。なお、インバータ１３によるモータ２３への電力供給の制御は、図示しない回転検出器からのフィードバック信号に基づいて制御回路１５によって行う。また、磁気軸受２１への電力供給についても、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の分岐出力を磁気浮上制御回路１１で制御して行う。また、ポンプＰが水冷機構を備える場合には、整流回路１６あるいは絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ１８，１９を通した電力をリレー１４の制御によって冷却水用電磁弁２４に供給することができる。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８，１９は、制御回路１５やリレー１４に電力を供給するとともに、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の障害時における磁気浮上制御回路１１，スイッチング手段１２，インバータ１３に対する二次的電力供給源として使用することができる。
【００１４】
また、電源装置１０は制御回路１５を備え、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７，インバータ１３，スイッチング手段１２，およびリレー１４等を制御して、モータの回転制御やポンプＰの温度制御を行う。制御回路１５による温度制御は、ポンプＰの温度センサ２５から温度信号をフィードバックし、スイッチング手段１２あるいはリレー１４を制御することにより行う。
【００１５】
なお、図１，２中に示す実線は電力の供給を示し破線は信号を表している。例えば、磁気浮上制御回路１１と磁気軸受２１との間ではロータの位置信号ａの送信とロータを磁気浮上で支持する電磁石への電力ｂの供給が行われ、スイッチング手段１２とヒータ２２との間ではヒータ２２に電力ｃが供給され、インバータ１３とモータ２３との間ではモータ２３に電力ｄが供給され、リレー１４と冷却水制御用電磁弁２４との間では冷却水制御用電磁弁２４に電力ｅが供給され、制御回路１５と温度センサ２５との間では、ポンプＰの温度信号が制御回路１５に送られる。
【００１６】
ターボ分子ポンプを多量ガスの排気に使用する場合には、モータ２３の発熱や、ガスとタービンＴとの摩擦熱によってポンプ温度が上昇し、モータ２３や磁気軸受６，７，８のコイルが絶縁破壊を起こすおそれがある。このようなポンプ温度の上昇を抑制したり、また、ニクロム線ヒータ等の熱源により上昇したポンプ温度を下降させ所定の設定温度に温度制御するために、冷却水によるポンプの冷却を行っている。冷却水の制御は冷却水制御用電磁弁２４によって行う。例えば、冷却水制御用電磁弁２４は、ポンプＰのベース部に設けた三方弁付冷却水管（図示していない）の三方弁の開閉制御を行い、温度センサ２５で検出した温度が規定温度よりも低い場合には冷却水がターボ分子ポンプをバイパスするような弁の制御を行い、逆に検出温度が規定温度よりも高い場合には冷却水がターボ分子ポンプを冷却するような弁の制御を行う。この弁の制御は、制御回路１５の制御信号でリレー１４を駆動することにより行う。なお、上昇したポンプ温度を自然冷却で下げる場合には、前記したポンプ側の冷却装置および電源装置１０側のリレー１４等の構成を省くこともできる。
【００１７】
次に、本発明の電源装置の動作について図３，４を用いて説明する。図３，４の各特性図は、ターボ分子ポンプのモータが停止した状態から定速回転数まで加速し、その後ターボ分子ポンプにプロセスガスの導入が行われた場合の時間変化の概略を表しており、図３はオン／オフ制御によってヒータへの電力供給を行った場合であり、図４は電力制御によってヒータへの電力供給を行った場合である。また、図３（ａ），図４（ａ）はポンプの温度，図３（ｂ），図４（ｂ）はポンプへの供給ガス量，図３（ｃ），図４（ｃ）はポンプのロータの回転速度，図３（ｄ），図４（ｄ）はポンプの磁気軸受への供給電力，図３（ｅ），図４（ｅ）は電源のインバータへの供給電力，図３（ｆ），図４（ｆ）はヒータへの供給電力，図３（ｇ），図４（ｇ）は電源の供給電力の関係を表している。
以下、図３に示すヒータへの電力供給をオン／オフ制御する場合について説明する。電源装置１０に商用電源２０を供給して起動させると、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７は直流電力を磁気浮上制御回路１１，スイッチング手段１２，インバータ１３，およびＤＣ−ＤＣコンバータ１９に供給する。
【００１８】
磁気浮上制御回路１１は、磁気軸受２１から受けたロータの位置信号ａに基づいて、磁気軸受２１の電磁石に駆動電力を供給してロータを所定位置に位置フィードバック制御を行う。この磁気軸受２１へ供給する電力はロータ位置に応じて変動するが、定常状態ではほぼ一定電力であるため図３（ｄ）では一定供給電力（図中のＰｗ１）で表している。なお、ロータを磁気軸受２１で支持しない構成では、磁気浮上制御回路１１への供給電力を省略することができる。
【００１９】
制御回路１５は、モータ２３の始動時および加速時（図３中のＡの区間）にはヒータ２２への電力供給を行わず（図３（ｆ）のＰｗ０）、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７が供給可能な電力から磁気浮上制御回路１１への供給電力（図中のＰｗ１）を差し引いた電力（図３（ｅ）のＰｗ２）をインバータ１３に供給する。モータ２３は、インバータ１３からの電力によって加速する（（図３（ｃ）中の区間Ａ）。このとき、ポンプＰの温度は、ポンプＰ側の発熱量がわずかであるため設定温度に対して低温状態にある（図３（ｅ）の区間Ａ）。
【００２０】
モータ２３が規定回転数に達すると、モータ２３にかかる負荷が減少するため、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７がインバータ１３に供給する電力は減少し（図３（ｅ）のＰｗ３）、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力に余裕が生じる。
【００２１】
制御回路１５は絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力に余裕が生じると、スイッチング手段１２を制御してヒータ２２へ電力供給を行い（図３（ｆ）のＰｗ４）、ポンプＰの加熱を始める（図３（ａ）の区間Ｂ）。ポンプＰが設定温度に達すると、制御回路１５はヒータ２２への電力供給をいったん停止し、温度センサ２５からの温度信号をフィードバックして、ポンプＰの温度が所定温度範囲となるようにスイッチング手段１２のオンオフ制御を行う（図３（ａ）の区間Ｃ，図３（ｆ）のＰｗ５）。
【００２２】
ポンプＰにドライエッチング等のプロセスガスが流入すると（図３（ａ）の区間Ｄ）、ポンプＰの回転に風損と圧縮仕事の負荷が加わる。このとき、制御回路１５はインバータ１３への供給電力を増加させ（図３（ｅ）のＰｗ６）、ヒータ２２への供給電力の上限値を減少させる（図３（ｆ）のＰｗ７）。ポンプＰはプロセスガスによる風損や圧縮仕事による発熱で加熱されるため、ヒータ２２への供給電力の上限を減少しても、ポンプＰの高温制御を充分に行うことができ、ヒータ２２への電力供給を停止してプロセスガスのみによる加熱とすることもできる。
プロセスガスの流入が止まると（図３（ａ）の区間Ｅ）、モータ２３側の負荷が低下し、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７からインバータ１３への供給電力が減少し（図３（ｅ）のＰｗ８）、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力に余裕が生じる。
【００２３】
制御回路１５はヒータ２２に供給する電力の上限を大きくし（図３（ｆ）のＰｗ９）、温度センサ２５からの温度信号をフィードバックして、スイッチング手段１２をオンオフ制御してポンプＰの温度が所定温度範囲となるようにヒータ２２への電力供給を制御する。
次に、図４に示すヒータへの電力供給を電力制御する場合について説明する。ヒータへの電力供給を電力制御により行う場合には、図４（ｆ）に示すように、ヒータへの供給電力を、モータへの加速時の最大電力からその時点でインバータに供給している電力を差し引いた電力をヒータに供給する電力の上限Ｐｗ１０とし、この電力内で電力制御を行ってポンプ温度を高温に制御を行う。従って、ポンプＰの加熱区間（図４（ａ）のＢの区間）では電力の上限は大きくなり、プロセスガスの供給が行われて、風損や圧縮仕事による発熱で加熱される区間（図４（ａ）のＤの区間）では電力の上限は小さくなる。
【００２４】
また、図３（ｇ），図４（ｇ）はインバータへの供給電力，ヒータへの供給電力，および磁気軸受への供給電力の関係を示しており、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ１７が供給できる最大電力をインバータ，ヒータ，および磁気軸受に対してポンプＰの状態に応じて分配する。
【００２５】
なお、ヒータ２２はその最大電力の上限を、モータの加速時の最大電力から真空中でポンプＰを所定回転数に維持するのに必要な最小の電力を差し引いた電力となるよう設定する。
【００２６】
前記実施の形態はターボ分子ポンプの軸受として磁気軸受の場合について示しているが、本発明の電源装置は磁気軸受以外の軸受を用いたターボ分子ポンプについても、磁気浮上制御回路を省略する構成によって同様に適用することができる。また、前記実施の形態において、磁気浮上制御回路に供給する電力は、ヒータやモータへの電力供給と独立して、商用電源から別個に得る構成とすることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反応性生成物のポンプ内での付着堆積を高温制御によって防止することができるターボ分子ポンプの電源装置を小型化することを目的とする。
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のターボ分子ポンプの電源装置の一実施形態を説明する概略ブロック図である。
【図２】本発明のターボ分子ポンプの電源装置の一実施形態を説明する概略構成図である。
【図３】本発明の電源装置の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の電源装置の動作を説明するための図である。
【図５】従来の磁気軸受ターボ分子ポンプの一構成例である。
【図６】従来のターボ分子ポンプの電源を説明するためのブロック線図である。
【符号の説明】
Ｐ…ポンプ、１０…電源装置、１１…磁気浮上制御回路、１２…スイッチング手段、１３…インバータ、１４…リレー、１５…制御回路、１６…整流回路、１７…絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ、１８，１９…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２０…電源、２１…磁気軸受、２２…ヒータ、２３…モータ、２４…冷却水制御用電磁弁、２５…温度センサ。

Claims

ヒータにより温度制御を行うターボ分子ポンプに電力を供給する電源装置であって、
整流回路と絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの直列接続回路と、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力を制御するスイッチング手段を備え、
インバータの出力をターボ分子ポンプのモータへの供給電力とし、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータの分岐出力をヒータへの供給電力とすることを特徴とするターボ分子ポンプの電源装置。