JP3901995B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空排気に用いられるターボ分子ポンプの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体プロセスは、光学的処理や化学的処理等からなる様々な工程により実現される。光学的処理の代表例としては、ウェハ面への回路パターン焼き付けを行う露光処理が挙げられ、化学的処理では例えば、ウェハ面において薄膜を作製する等の表面処理、エッチング処理、洗浄処理等が挙げられる。また、これらの処理を実現するためには、光学的処理においては露光装置、化学的処理においては様々な化学薬品やこれを安全に取り扱うための各種機器が用いられる。これら様々な工程又は各種装置及び機器においては、半導体の更なる高集積化等への要求が高まりつつある中で、それぞれが技術的に高度な水準を要求されており、また更なる発展をも図るべく関係各所にて鋭意研究、開発が進行することとなっている。
【0003】
その中で特に具体的技術を挙げると、化学的処理である表面処理工程に注目すれば、上述した薄膜製造技術として、半導体プロセスにおいては必須となった技術としてCVD(Chemical Vapor Deposition)技術がある。このCVDとは、ウェハ等の基板上に対して原料ガスを供給し、当該基板上でのガスの吸着及び化学反応を経て、その基板上に所望の薄膜を形成する技術である。この技術は、ゲートの薄膜化、配線間容量低減等の半導体高集積化を実現するためには欠くことのできないものとなっている。
【0004】
上記CVDの中でも減圧CVD及びプラズマCVD等は真空雰囲気で行われ、真空排気系が必要となる。
【0005】
上記真空排気系としては、一般に大気圧からの低真空領域をカバーするロータリポンプと高真空で高い排気速度を持つデフュージョンポンプやターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを組み合わせたものが利用される。ターボ分子ポンプとは、周知のように高速で回転する(約20000〜90000rpm)ロータにより気体分子を圧縮しつつ排気するような構成を備えたものである。ここでロータとしては、これが上述したように非常に高速で回転する部材であるため、軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金をその材質として選択されるのが一般的である。
【0006】
次に、上記ターボ分子ポンプについて詳細に説明する。図4に示すように、ターボ分子ポンプPは、上半部1a及び下半部1bとからなるケーシング1内部に各種部品が備えられた構成となっている。このケーシング1においては、その上半部1aに吸気口1c、下半部1bに排気口1dが、それぞれ形成されている。ケーシング1内部においては、上部に軸流段部PA、下部にねじ溝段部PBが設けられている。軸流段部PAは主として後述する多段に設けられた動翼5および静翼3とにより構成され、ねじ溝段部PBにおいては動翼5に螺旋状のねじ溝13が形成されている。
【0007】
より具体的に説明すると、ロータ室2には、ロータ4が配設されている。ロータ4は、鉛直に立設されたロータシャフト4aと、当該ロータシャフト4a周囲に放射状に配置された動翼5とを備えた構成となっている。また、ケーシング上半部1aには静翼3が固定されている。
ロータ4には、動翼5の下方にねじ溝13が形成されたねじ溝ロータ部14が形成されている。ねじ溝ロータ部14にはケーシング上半部1aと対向する面にねじ溝13が形成されており、ねじ溝13の山部とケーシング上半部1aとの間にわずかな隙間が形成されている。
【0008】
前記ロータシャフト4aの下端部には、スラスト磁気ディスク6が備えられている。このスラスト磁気ディスク6の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受け8が設けられている。また、ロータシャフト4aとケーシング下半部1bとの対向面における上方及び下方には、それぞれラジアル磁気軸受け7a、7bが設けられている。さらに、ロータシャフト4a上端部にラジアル用上部保護軸受けとして設けられたボールベアリング9、同下端部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受けとして設けられたボールベアリング10が設けられている。そして、ケーシング下半部1bには、ロータ駆動用モータ11が設けられている。
真空排気の際にはモータ11を駆動してロータ4を回転させる。ロータ4の回転により動翼5と静翼3との間で第1の圧縮が行われたあと、ねじ溝段部PBのねじ溝13によって第2の圧縮が行われ、排気口1d方向へ流れて真空排気される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロータは非常に高速で回転している。したがって、万一ロータが破損し、ケーシングに衝突すると、ケーシングがロータとともに回転して、真空排気対象の装置系、例えば半導体製造装置などにも破損を及ぼしてしまうおそれがある。この装置系は非常に高価な場合が多いため、万一の破損によって生ずる経済的損失は甚大なものとなる。
そこで、このような真空排気対象の装置系を破損から保護するための構成として、ケーシングを二重にすることで回転エネルギーを減少させる技術も提供されている。しかし、内側のケーシングが外側のケーシングまたはベースに衝突する場合もあり、外側ケーシングまたはベースがロータとともに回転してしまい、なおも他の装置系の破損を引き起こすおそれがあった。
【0010】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、ロータ側に異常が生じても、真空排気対象の装置系の破損を防止することができるターボ分子ポンプを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、ケーシング内に、動翼と静翼とを備えた軸流段部と、ロータまたはステータに螺旋状のねじ溝が形成されたねじ溝段部とを備えたターボ分子ポンプにおいて、前記ケーシングは、少なくとも軸方向において上端部に位置する上部ケーシングと、下端部に位置するベースと、前記上部ケーシングとベースとの間に位置する下部ケーシングとに分割された構造であり、前記ケーシングに収容された内部構造物と、前記ケーシングとの間にはロータ径方向に隙間が形成され、前記下部ケーシングと前記内部構造物との間の隙間が前記上部ケーシングおよびベースと前記内部構造物との間の隙間より狭く形成されていることを特徴とする。
【0012】
この発明においては、ケーシングが分割構造とされ、真空排気対象である装置系に接続される上部ケーシングまたは装置に固定されるベースとは別に、これらの間に下部ケーシングが設けられているため、下部ケーシングに衝突を吸収させる構成を採用することが可能となる。
そして、ロータを含む内部構造物が破損してケーシングに衝突する事故が発生した場合、内部構造物は最も近接している下部ケーシングに衝突する。したがって下部ケーシングにロータの回転エネルギーが最初に伝達される。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとが、ロータ軸方向に螺合されるボルトにより締結される構成であって、前記上部ケーシングと下部ケーシングとの少なくともいずれか一方には、前記ボルトが挿入されるボルト孔として、ロータ周方向に長い長孔が設けられていることを特徴とする。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記ベースと前記下部ケーシングとが、ロータ軸方向に螺合されるボルトにより締結される構成であって、前記ベースと下部ケーシングとの少なくともいずれか一方には、前記ボルトが挿入されるボルト孔として、ロータ周方向に長い長孔が設けられていることを特徴とする。
【0015】
これら請求項2および3に記載の発明によれば、ロータの異常等によって下部ケーシングにロータの回転エネルギーが作用した場合、ボルトが直ちに剪断されず、変形することによって回転エネルギーが吸収される。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項1から3いずれかに記載のターボ分子ポンプにおいて、前記上部ケーシングと前記静翼との間にプロテクタが設けられ、該プロテクタは、前記ケーシングに対して径方向および軸方向に隙間が形成され、回転拘束されていないことを特徴とする。
【0017】
この発明においては、動翼が破損した場合、動翼は静翼とともにプロテクタに衝突し、プロテクタは動翼および静翼とともに回転する。このためロータの回転エネルギーはケーシングに伝達されない。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、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は本発明の一実施形態について示した図である。ターボ分子ポンプ20は、上部ケーシング21a、下部ケーシング21bおよびベース21cとにより構成されたケーシング21内部に各種部品が備えられた構成となっている。このケーシング21においては、その上部ケーシング21aに吸気口21d、ベースに排気口21eが、それぞれ形成されている。
上部ケーシング21aと下部ケーシング21b、および下部ケーシング21bとベース21cとは、ボルトにより締結されている構造となっている。上部ケーシング21a、下部ケーシング21b、およびベース21cには軸方向にボルト40、41が螺合されるボルト孔42,43が設けられている。これらボルト孔42,43は、図2に示すようにロータの周方向に長い長孔となっている。
【0019】
ケーシング21内部においては、上部に軸流段部20a、下部にねじ溝段部20bとが設けられている。軸流段部20aは主として後述する多段に設けられた動翼25および静翼23とにより構成され、ねじ溝段部20bにおいてはロータ24に螺旋状のねじ溝33が形成されている。
より具体的に説明すると、ロータ室22には、ロータ24が配設されている。ロータ24は、鉛直に立設されたロータシャフト24aと、該ロータシャフト24a上部の周囲に放射状に配置された動翼25とを備えた構成となっている。また、動翼25の間には、固定側に設けられた静翼23が固定されている。
静翼23および動翼25と上部ケーシング21aとの間には、円筒形状のプロテクタ45が設けられている。このプロテクタ45は、上部ケーシング21aに対してロータ径方向に所定の隙間50aを隔ててあり、その下端は下部ケーシング21bに形成されている階段状のガイド46に嵌着されている。プロテクタ45は単にガイド46に嵌着されているだけであるから、回転拘束はなされていない。上端には上部ケーシング21aに対して軸方向の隙間50dが形成され、上部ケーシング21aと離間している。
【0020】
ロータ24の下部には、動翼25の下方にねじ溝33が形成されたねじ溝ロータ35が形成されている。
ねじ溝ロータ35の外側には、内側ケーシング48が設けられている。この内側ケーシング48は、下部ケーシング21bと径方向に所定の隙間50b、ベース21cと径方向に所定の隙間50cを隔てて設けられている。その上部は固定されておらず、上端面と下部ケーシング21bとの間にわずかな隙間48aが形成されOリングなどでシールされている。下部はベース21cに設けられた溝51に嵌着しているとともに、ボルト49によってボルト止めされている。
ここで、上記上部ケーシング21a、下部ケーシング21bおよびベース21cと、内部構造物(すなわちプロテクタ45および内側ケーシング48と、これらよりも内部のロータ24)との間には、径方向に隙間50a、50b、50cが形成されているが、その隙間幅は、内側ケーシング48と下部ケーシング21bとの間の隙間50bが、プロテクタ45と上部ケーシング21aおよび内側ケーシング48とベース21cとの間の隙間50a、50cよりも狭くなっている。
【0021】
前記ロータシャフト24aの下端部には、スラスト磁気ディスク26が備えられている。このスラスト磁気ディスク26の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受け28が設けられている。また、ロータシャフト24aと下部ケーシング21bとの対向面における上方及び下方には、それぞれラジアル磁気軸受け27a、27bが設けられている。さらに、ロータシャフト24a上端部にラジアル用上部保護軸受けとして設けられたボールベアリング29、同下端ネック部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受けとして設けられたボールベアリング30が設けられている。そして、下部ケーシング21bには、ロータ駆動用モータ31が設けられている。
【0022】
以上のように構成されたターボ分子ポンプにおいては、真空排気の際にはモータ31を駆動してロータ24を回転させる。ロータ24の回転により動翼25と静翼23との間で第1の圧縮が行われたあと、ねじ溝段部20bのねじ溝33で第2の圧縮が行われる。このとき、圧縮されるガスはねじ溝ロータ35と内側ケーシング48との間を下方に流れることにより真空排気される。
【0023】
ロータ24に何らかの異常が発生し、破壊した場合、まず、ねじ溝段部20bにおいて、ねじ溝ロータ35が内側ケーシング48に衝突する。内側ケーシング48は高速回転しているロータ24の回転力によって下部の嵌着状態とボルト49による固定が破壊される。次いで内側ケーシング48は隙間50bの分だけ半径方向に変形することでエネルギーを吸収しながら下部ケーシング21bに衝突し、下部ケーシング21bが半径方向に変形することでさらにエネルギーを吸収する。下部ケーシング21bはロータ24および内側ケーシング48とともに回転する。その際、図3に示すように、下部ケーシング21bと、上部ケーシング21aまたはベース21cとがずれる際にボルト孔42,43内でボルト40,41が曲がることにより、ロータ24の回転エネルギーを吸収する。これにより、上部ケーシング21a(またはベース21c)に接続されている真空排気対象の装置系にはロータ24のエネルギーを伝達せずに破損を防止することができる。
長孔でない場合にはボルト40,41が瞬時にせん断され、衝撃をあまり吸収することができない。
【0024】
また、軸流段部20aにおいては、動翼25が破損して静翼23とともにプロテクタ45に衝突するが、プロテクタ45は回転が拘束されていないため、衝突後はロータ24の回転エネルギーを受けてプロテクタ45も回転する。プロテクタ45は径方向において上部ケーシング21aとの間に隙間50aが形成され、また、上部は上部ケーシング21aと隙間50dの分だけ離間しているから、ロータ24の回転エネルギーが上部ケーシング21aに伝達されることなく、これによっても真空対象の装置系の破損を防止することができる。
【0025】
以上のように、本実施形態のターボ分子ポンプにおいては、以下の効果を得ることができる。
内側ケーシング48と下部ケーシング21bとの間の隙間50bは、内側ケーシング48とベース21cとの隙間およびプロテクタ45と上部ケーシング21aとの隙間50c、50aより狭く構成されているため、ロータ24が破損した場合、ロータ24によって内側ケーシング48が下部ケーシング21bに衝突し、下部ケーシング21bにおいてエネルギーが吸収される。これにより、真空排気対象の装置系の破損を防止することができる。
このとき、下部ケーシング21bは上部ケーシング21aおよびベース21cに対して長孔のボルト孔42,43に挿入されたボルト40,41で締結されているため、ボルト40,41が瞬時に剪断されず曲がることでエネルギーを吸収することができる。
軸流段部20aにおいては、プロテクタ45が回転することで、ロータ24の回転エネルギーが上部ケーシング21aに伝達されることが防止される。
【0026】
なお、本ターボ分子ポンプを真空排気する装置系に接続する場合、ターボ分子ポンプの上部を装置系に固定する上部固定と、ターボ分子ポンプの下部を固定する下部固定とがある。上部固定の場合には、最低限上部ケーシング21aの回転を防止すればよく、ボルト孔43が長孔でなくてもよい。また、下部固定の場合にはボルト孔42が長孔でなくてもよい。
また、上記においてはケーシング21が、上部ケーシング21a、下部ケーシング21b、ベース21cと3分割された例を示したが、さらに4以上に分割されたケーシングであってもよい。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本実施形態のターボ分子ポンプにおいては、以下の効果を得ることができる。
請求項1に記載の発明によれば、真空排気対象である装置系に接続される上部ケーシングまたはベースとは別に、これらの間に下部ケーシングが設けられていて、この下部ケーシングが内容構造物に最も近接している。このため、ロータを含む内部構造物が破損してケーシングに衝突する事故が発生した場合、内部構造物は最も近接している下部ケーシングに衝突する。したがって下部ケーシングにロータの回転エネルギーが伝達し、真空排気対象の装置系への回転エネルギーの伝達を防止することができる。
請求項2および3に記載の発明によれば、ロータの異常等によって下部ケーシングにロータの回転エネルギーが作用した場合、ボルトが直ちに剪断されず、変形することによって回転エネルギーを吸収することができる。
請求項4に記載の発明によれば、動翼または静翼が破損した場合、動翼または静翼はプロテクタに衝突し、プロテクタはロータとともに回転する。このためロータの回転エネルギーはケーシングに伝達されず、真空排気対象の装置系への回転エネルギーの伝達を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態として示したターボ分子ポンプの縦断面図である。
【図2】 同ターボ分子ポンプの長孔構造のボルト孔を示した図であり、(b)は(a)のI−I断面図である。
【図3】 同ボルト孔において、下部ケーシング21bに回転エネルギーが作用した場合の図である。
【図4】 従来のターボ分子ポンプの構造を示した一部が破断した斜視図である。
【符号の説明】
21 ケーシング
21a 上部ケーシング
21b 下部ケーシング
21c ベース
24 ロータ
40,41 ボルト
42,43 ボルト孔
45 プロテクタ
48 内側ケーシング
Claims (4)
- ケーシング内に、動翼と静翼とを備えた軸流段部と、ロータまたはステータに螺旋状のねじ溝が形成されたねじ溝段部とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記ケーシングは、少なくとも軸方向において上端部に位置する上部ケーシングと、下端部に位置するベースと、前記上部ケーシングとベースとの間に位置する下部ケーシングとに分割された構造であり、
前記ケーシングに収容された内部構造物と、前記ケーシングとの間にはロータ径方向に隙間が形成され、前記下部ケーシングと前記内部構造物との間の隙間が前記上部ケーシングおよびベースと前記内部構造物との間の隙間より狭く形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。 - 請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記上部ケーシングと前記下部ケーシングとが、ロータ軸方向に螺合されるボルトにより締結される構成であって、前記上部ケーシングと下部ケーシングとの少なくともいずれか一方には、前記ボルトが挿入されるボルト孔として、ロータ周方向に長い長孔が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。 - 請求項1または2に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ベースと前記下部ケーシングとが、ロータ軸方向に螺合されるボルトにより締結される構成であって、前記ベースと下部ケーシングとの少なくともいずれか一方には、前記ボルトが挿入されるボルト孔として、ロータ周方向に長い長孔が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。 - 請求項1から3いずれかに記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記上部ケーシングと前記静翼との間にプロテクタが設けられ、該プロテクタは、前記ケーシングに対して径方向及び軸方向に隙間が形成され、回転拘束されていないことを特徴とするターボ分子ポンプ。
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