JP5363910B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプの分野に関する。特に、本発明は、スクリュー型構成の真空ポンプに関するものであるが、厳密には、これには限られない。

スクリューポンプは通常、各々が雄ねじ付きロータを支持した２つの互いに間隔を置いた平行なシャフトを有し、シャフトは、ロータのねじ山が互いに噛み合うようにポンプ本体内に設けられている。相互噛み合い箇所でのロータのねじ山と、典型的にはステータとして働くポンプ本体の内面との間の厳密な公差により、入口と出口との間で圧送されているガスの量をロータのねじ山と内面との間に取り込み、それにより、ロータが回転しているときにポンプ中へ押し込む。

スクリューポンプは、多くのプロセスにおいて、真空条件を発生させる信頼性のある手段として広く認められている。その結果、かかるスクリューポンプは、ますます多くの工業プロセスに利用されている。かかる用途は、「蝋質」又は「脂肪質」の特性を持つ材料、例えば、牛脂を主成分とする可塑剤を必要とする場合がある。ポンプの作動中、これら製品は、ポンプの表面に堆積物を形成する。ポンプの作動停止時に、これら表面は冷え、堆積物も又冷えて、ポンプ内で凝固する。かかる堆積物は構成部品相互間の隙間領域に位置している場合、これら堆積物により、ポンプが焼き付いて、再始動が妨げられ、又は、再始動が阻止されるようになる場合がある。

これと同様な問題が、真空ポンプを利用する多くの半導体プロセス、特に、化学気相成長（ＣＶＤ）分野のプロセスで生じる場合がある。かかるプロセスは、相当多量の副生成物質（副生物）を生じさせる場合がある。これは、ばらばらのままであり、又は、押し固め状態になる場合のある粉末又はダストの形態、或いは、特にプロセスガスが凝縮性であり低温表面に当たると昇華する場合硬い固体の形態をしている場合がある。この物質は、プロセスチャンバとポンプとの間のフォアライン（foreline）において、プロセスチャンバ内、及び（又は）、真空ポンプそれ自体の中に生成する場合がある。かかる物質がポンプの作動中その内面上に堆積すると、これは、ポンプのロータ要素とステータ要素との間の空いている動的隙間を効果的に満たす場合があり、しかも真空ポンプのモータに対する電流需要にスパイク（急激な上昇）を引き起こす場合がある。これが衰えないままであると、固形物のこの堆積により、最終的には、モータがオーバーロード状態になり、かくして、制御システムが真空ポンプを作動停止させる場合がある。もし、万が一、ポンプが周囲温度まで放冷された場合、この堆積物質は、ロータ要素とステータ要素との間で圧縮されるようになる。これがロータ要素とステータ要素との間で生じる潜在的な接触表面積は比較的大きいので、かかる副生成物質（副生物）の圧縮により、回転を妨げる摩擦力が十倍になることがある。

先行技術のポンプのロータを解除するためには、ロータの１次シャフトに取り付けられた受け口に接近パネルを介してバーを挿入できる設備が設けられる。このバーは、シャフトを回転させて機構を解除し、機械を再始動できるようにする梃子として用いられる。この梃子システムにより、モータにより及ぼされるレベルよりも強い回転力を内部構成部品に加えることができる。かかる力は、ロータベーンに伝達され、関連の応力がロータの構造にとって有害であることが分かる。このシステムが機構を解除できなければ、装置を分解して液体溶剤をポンプケーシング内に注ぎ込んでシャフトを手で回すことができるレベルまで残留物を溶解させることが必要である。この分解により、ポンプが或る期間、オフライン状態になるだけでなく、ポンプを再作動させて再試験し、それにより、周囲装置への接続部の信頼性を確かめなければならない。
本発明の目的は、ポンプ技術と関連した上述の問題を解決することにある。

本発明は、ロータ要素及びステータ要素と、上記要素を包囲していて、圧送流体を受け入れる入口及び入口から見て下流側に位置した少なくとも１つのポートを有するハウジングと、要素表面に付着している堆積物に作用して堆積物を要素表面から除去できるようにする流体を、少なくとも１つのポートを介してハウジング内へ注入する手段とを有することを特徴とするポンプを提供する。ポート（単数又は複数）が入口の下流側に配置されているので、ロータ要素及びステータ要素に注入された流体を、掃過される堆積の中へ直接に注入して、これらの要素の表面に当てることができる。これは、洗浄用流体が圧送流体のためのハウジング入口を介して導入されるシステムと比べて、洗浄効率を著しく向上させることができる。多くのポートが設けられている場合、これらのポートはアレイ状に配置されるのがよい。例えば、ポートはハウジングの周りに放射状に配置してもよいし、及び／又は、ポートはロータ要素の長さに沿って配置してもよい。

ハウジングは、キャビティを形成できる内側層と外側層とを有するのがよい。ポンプの作動の際、液体をこのキャビティに通すのがよい。ハウジングの内層は、ポンプのステータとして働くことができる。ポートは、使用中、流体を噴霧させるノズルを有するのがよく、このノズルは、ポート内に一体に形成されるのがよい。ポンプは、２つの螺設ロータを有するスクリューポンプであるのがよく、この場合、ポート（単数又は複数）は、入口から見てロータ要素のねじ山の最初の２つの完全なターンの後に配置されている。変形例として、ポンプは、ノーゼイポンプ（Northey ポンプ）（「クローポンプ」）であってもよいし、又は、ルーツポンプであってもよい。

流体は、液体であってもよいし、又は、蒸気であってもよい。流体は、ポンプが使用中にあるとき、ロータに付着集積した残留物を溶解させる溶剤であってもよいし、又は、水蒸気であってもよい。流体は、堆積物と反応する反応性物質を含むのがよく、この流体は、例えば、ハロゲンを含むのがよい。かかる流体は、ポンプがＣＶＤプロセスの固体副生物を除去するために、ＣＶＤプロセスの一部として用いられている場合、洗浄用流体として特に有用である場合がある。

かくして、本発明は又、ロータ要素及びステータ要素と、上記要素を包囲していて、少なくとも１つのポートを備えたハウジングと、要素表面に付着した粒子と反応して上記粒子を要素表面から除去できる反応性物質を含む流体を、上記少なくとも１つのポートを介してハウジング内へ注入する手段とを有していることを特徴とするポンプを提供する。流体は、ハロゲン、例えば、弗素を含むのがよく、この流体は、弗素化ガス、例えば、過弗化ガスであるのがよい。かかる流体の例としては、ＣｌＦ₃、Ｆ₂、ＮＦ₃が含まれる。
かくして、本発明の範囲は、プロセスチャンバとプロセスチャンバを排気する本発明のポンプとを有する化学的気相成長装置であって、使用中、堆積物は、化学的気相成長プロセスの副生物であることを特徴とする化学的気相成長装置に及ぶ。

本発明によれば、ポンプ内の堆積物を管理する方法であって、ポンプが、ロータ要素及びステータ要素と、上記要素を包囲していて、圧送流体を受け入れる入口及び入口から見て下流側に位置した少なくとも１つのポートを有するハウジングとを有し、上記方法は、要素表面に付着している堆積物に作用して、上記堆積物を要素表面から除去できるようにする流体を上記少なくとも１つのポートを介してハウジング内へ注入する工程を含むことを特徴とする方法が更に提供される。

本発明は又、ロータ要素及びステータ要素と、上記要素を包囲していて、少なくとも１つのポートを備えたハウジングとを有するポンプ内の堆積物を管理する方法であって、要素表面に付着した粒子と反応して、上記粒子を要素表面から除去できる反応性物質を含む流体を上記少なくとも１つのポートを介してハウジング内へ注入する工程を含むことを特徴とする方法を提供する。
流体の送り出しは、例えば、ソレノイド弁制御方式を用いてポンプの作動中、所定の間隔で起こる。さらに、例えばロータ速度、電力消費量及び体積ガス流量から成る群のうち少なくとも１つを測定することによりポンプの性能をモニタするモニタ工程を実施するのがよい。これら測定パラメータを用いると、ポンプの内部作業面上における堆積物の堆積の程度を判定することができる。次に、流体流量を計算するのがよく、この流量は、上記において判定された堆積物の累積量を補償するのに十分な送り出し流体の流量である。次に、ロータに送られている流体の流量を調節して新たな計算値を反映するのがよい。

本発明によれば、ポンプの内部作業面に付着堆積した堆積物を溶解させ、稀釈させ又は離脱させるのに適した流体を導入することによりポンプ機構内の堆積物を管理する方法であって、
（ａ）ポンプの性能をモニタする工程と、
（ｂ）モニタした性能に基づいてポンプの内部作業面上の堆積物の堆積速度を計算する工程と、
（ｃ）上記工程（ｂ）で判定された堆積物の堆積速度を補償するのに必要な流体流量を計算する工程と、
（ｄ）上記工程（ｃ）で得た計算値を反映するようロータに送られている流体の流量の調整を行う工程とを含むことを特徴とする方法が更に提供される。

ポンプは、流体が送り出されているとき、例えば、焼き付きが生じた場合又は洗浄を行うことが必要な場合に、不作動状態であるのがよい。この場合、この方法は、ポンプの内部作業部品に付着した堆積物により潜在的に生じる残存妨害力に打ち勝つために、トルクをポンプのロータに加える工程を更に含むのがよい。或る特定の条件下においては、例えば、送られている材料が特に粘性が高く又は蝋質であり、この粘度が温度の上昇につれて減少する場合、本発明の方法は、ポンプのハウジング内に設けられていて、ロータ構成部品を包囲するキャビティ内に熱的流体を導入する工程を更に含むのがよい。上述したようにトルクを加える前に、この熱的流体を加熱して堆積物を離脱させるのに十分なように、流体及び堆積物の温度を上昇させるのがよい。
乾式ポンプ装置の制御装置は、コンピュータに具体化できるマイクロプロセッサを有するのがよく、このコンピュータは、コンピュータにインストールされると、上述の方法の工程（ａ）から工程（ｄ）を実施するようにするコンピュータソフトウェアにより任意的にプログラムされる。このプログラムのキャリヤ媒体は、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ、ミニディスク又はディジタルテープから選択することができるが、厳密には、これらには限定されない。

本発明のスクリューポンプの略図である。 本発明の両頭型スクリューポンプの略図である。 図１及び図２のポンプの断面端面図である。 注入ポートの具体化状態を示す水ジャケットの一部の詳細図である。 流体をポンプに供給する構造を示す図である。

次に、添付の図面を参照して本発明の一例を説明する。
図１及び図２に示す例示のポンプはスクリューポンプであるが、本発明は、任意の他形式の真空ポンプ、特に、クローポンプに適用できるということが計画されている。
図１の例では、２つのロータ１が、外ハウジング５内に設けられており、この外ハウジングは、ポンプのステータとして働く。２つの逆方向に回転する互いに噛み合ったロータ１は、これらの中心軸線が互いに平行に位置するように位置決めされている。ロータは、軸受１０を介して設けられ、モータ１１（図２に示す）によって駆動される。注入ポート２が、図１及び図２の例では、ロータの長さに沿って設けられ（図３では実線で示されている）、これらポート２は、ロータの互いに噛み合った領域から見てロータの反対側の側部でポンプ内に側方に設けられている。しかしながら、ポートをステータ５の周りの任意の半径方向位置に配置してもよい。これら位置のうち幾つかは、図３に示されている。

ポート２は、好ましくは、ステータ部品５の長さに沿って分布して配置されていて、溶剤又は蒸気をロータ全体に容易にかけることができるようになっており、これらのポート２は、流体を噴霧できるようにするノズルを有するのがよい。変形例として、ポートのこの分布状態により、流体を生じる場合のある任意の特定の問題領域に容易に集中させることができる。これは、作動中に溶剤を注入する場合に特に重要である。その目的は、ポンプ性能への影響を制限することにある。例えば、単一のポートをポンプの入口３のところに用いようとした場合、これは、ポンプにより排気状態の室（図示せず）から運び去ることができる副生物の量に悪影響を生じさせる場合がある。ねじ山の最初の数回転の後、溶剤をロータ１に接触させることにより、室内への溶剤の後方汚染の恐れが減少する。

さらに、溶剤をポンプの入口領域に導入する場合、圧力は、入口のところで、溶剤が突然現れる恐れが増大するようなものである。溶剤が液相のままであるようにすることが必要なプロセスでは、溶剤を圧力が上昇するポンプの排気領域の近くに導入しなければならない。ステータの長さに沿って多数のポート２を通って溶剤を導入すると、ロータ１上への残留物の堆積の恐れが排気ステージに向かって増大するので、その全体的効果として溶剤の存在量を次第に増加させることになる。追加の利点は、ロータのねじ山の最後のターン中へ液体を追加することが、ポンプのこの領域におけるロータとステータの隙間を密封するように作用する幾つかの形態で見られる場合がある。かくして、ガスの漏れは、実質的に減少し、ポンプの性能が向上することになる。

或るプロセスでは、排気室からの廃棄物が特定の目的でポンプの出口のところに集められ、この物質は汚染されるべきではないので、溶剤を作動中に導入することは適切ではない。他の用途では、結果的に、残留物のレベルが作動中における溶剤の一定の注入を補償するものではない場合がある。これらの場合において、及び、ポンプの予定外の作動停止が生じて標準的なやり方、例えば、パージを次に行うことができないように生じる場合、プロセスから生じる残留物は、装置の温度が下がると冷える。これらの状況において、堆積物が増加し、粘性が高くなり又は凝固すると機構の焼付きが生じる場合がある。本発明のシステムでは、注入ポート２は、出費を生じる必要無しに、又は、装置の分解という不便を生じさせる必要無しに、溶剤を分布されたやり方でステータキャビティ６内に導入するように使用することができる。いったん溶剤が堆積物に作用して、これらの堆積物を軟化させ、又は、これらの堆積物を溶解させると、モータを用いることにより、又は、手動でシャフトを回転させることができ、それにより、過度の、潜在的に損傷をもたらす力をロータに加えることなしに、構成要素を解除することができる。

液体がハウジングに設けられた穴を通って滴下供給されるので、流体の送り出しは簡単な穴を通って実施でき、又は、流体を噴霧させることができるノズルを設けてもよい。制御システムを導入して、溶剤の送り出しをポンプ装置内の境界部内で受ける変化条件に応答して実施できるようにするのがよい。例えば、図５に示す構成では、制御システム２０は、洗浄用流体を、例えば、段ごとに供給導管２２を介してポンプ２１のポートに供給する。符号２４で示すように、パージガスシステムも又、パージガス、例えば、窒素をポンプ２１に供給するために設けるのがよい。
プロセス物質が蝋質又は脂肪質である場合、適合性のある溶剤を導入して希釈／洗浄機能を実行する必要がある。かかる溶剤は、液体又は蒸気の形態で提供できる。適合性のある有効な洗浄媒体、例えば、炭化水素を主成分とする製品又は炭化水素に溶ける製品の場合にはキシレンを又は水性又は水に溶ける製品の場合には水を用いるのがよく、変形例として、洗剤を用いてもよい。

プロセス材料がＣＶＤの副生物である場合、洗浄用流体は、弗化ガスから成るのがよい。かかる洗浄用流体の例ｔおしては、ＣｌＦ₃、Ｆ₂、ＮＦ₃が含まれるが、これらには限定されない。弗素の反応性が高いことは、かかるガスがポンプ機構に付着している固体副生物と反応して副生物を後で排気ガスによりポンプからフラッシングできることを意味している。弗化ガスによるポンプの内部構成部品の腐蝕を回避するため、ポンプの構成部品、例えば、ロータ及びステータ要素並びに洗浄用ガスと接触するエラストマーシールを製造する際に用いられる材料を注意深く選択する必要がある。

図３に示すようなハウジング５は、２層、即ち内層６及び外層９から成る殻構造として提供される。ポンプのステータとして働くのは内層６である。キャビティ７が、ハウジング５の層６と層９との間に設けられていて、冷却用流体、例えば、水をステータの周りに循環させることができるようになっており、その目的は、ポンプの作業部分から熱を運び去ることにある。このキャビティ７は、ロータの長さ全体にわたり、即ち、入口領域３及び排気領域４全体にわたり設けられている。ポンプがロータの冷却に起因して焼付き状態になり、それにより、ロータとステータとの間の表面上の残留物を凝固させるような状況下においては、ハウジング５のキャビティ７内の「冷却液」を加熱してロータ１の温度を上昇させるのがよい。これは、残留物の融通性を高めて機構を解除するのを助けることができる。ハウジング５は、注入ポート２を形成することができる領域を提供するために、キャビティ７を貫通した中実材料のピラー８を備えている。

本発明は、スクリューポンプでの使用には限定されず、他の形式のポンプ、例えば、ノーゼイポンプ（Northey ポンプ）（「クローポンプ」）又はルーツポンプに容易に適用できる。要するに、ポンプは、少なくとも１つのロータ１、ステータ５及びハウジング５を有し、ロータ１は、ハウジング５によって包囲されている。ハウジング５は、ハウジング５を貫通して延びていて、少なくとも１つのロータ１の表面上への流体の直接的な送り出しを可能にする少なくとも１つのポート２を有している。

上述した内容は、本発明のほんの幾つかの実施形態を示しており、他の実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の真の精神から逸脱することなしに、当業者が想到することができることを理解すべきである。

１ ロータ
２ 注入ポート
５ ステータ
１０ 軸受
１１ モータ
２０ 制御システム
２１ ポンプ
２２ 供給導管
２４ パージガスシステム

Claims (25)

1. 半導体プロセスに利用するためのスクリュー型構成の真空ポンプであって、
   ねじを設けた２つのロータ要素と、
   ステータ要素と、
   ハウジングとを備え、
   前記ハウジングは、前記ロータ要素および前記ステータ要素を包囲していて、かつ、半導体プロセスのプロセスチャンバから圧送流体を受け入れる入口と、前記入口から見て下流側に位置した複数のポートを有しており、
   前記複数のポートは、前記ハウジングの周りに放射状に配置されていて、
   前記複数のポートは、前記ロータ要素の長さに沿って配置されていて、
   前記複数のポートは、前記入口から見て、前記ロータ要素のねじ山の最初の２つの完全なターンの後に配置されており、
   さらに、前記複数のポートを介して前記ハウジング内へ流体を注入する手段を有し、
   前記流体は、前記ロータ要素および前記ステータ要素の表面に付着した粒子及び堆積物のうちの少なくとも一方と反応して、前記粒子及び堆積物を前記ロータ要素および前記ステータ要素の表面から除去するように構成されており、
   前記ハウジングは、二重殻型の壁を含み、前記ハウジングの内殻は、前記ステータ要素を形成しており、キャビティが前記壁の内殻と外殻との間に形成されており、
   使用中、前記キャビティを通して液体を通過させて、前記要素の温度を上昇させることができるようになっている、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記ポートのうち少なくとも１つは、使用中、流体を噴霧するノズルを有することを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記ノズルは、前記ポート内に一体に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の真空ポンプ。
4. 前記ハウジングの内殻は、前記ステータ要素を形成することを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
5. 前記真空ポンプは、ねじを設けた２つのロータ要素を有するスクリューポンプであることを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
6. 前記少なくとも１つのポートは、前記入口から見て前記ロータ要素のねじ山の最初の完全に２つのターンの後に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の真空ポンプ。
7. 前記流体は、液体であることを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
8. 前記流体は、前記真空ポンプが使用中にあるとき、前記ロータ要素に付着堆積した粒子を溶解させる溶剤であることを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
9. 前記流体は、蒸気であることを特徴とする、請求項１に記載の真空ポンプ。
10. 前記流体は、前記粒子と反応する反応性物質を含むことを特徴とする、請求項８に記載の真空ポンプ。
11. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、ロータ要素及びステータ要素と、前記要素を包囲していて、少なくとも１つのポートを備えたハウジングと、要素表面に付着した粒子と反応して前記粒子を前記要素表面から除去できる反応性物質を含む流体を前記少なくとも１つのポートを介して前記ハウジング内へ注入する手段とを有していることを特徴とする真空ポンプ。
12. 前記流体は、ハロゲンを含むことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の真空ポンプ。
13. 前記流体は、ＣｌＦ₃、Ｆ₂、ＮＦ₃ のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１２に記載のポンプ。
14. プロセスチャンバと、前記プロセスチャンバを排気するための、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載されている真空ポンプとを有する化学的気相成長装置であって、
    使用中、堆積物は、化学的気相成長プロセスの副生物であることを特徴とする化学的気相成長装置。
15. 請求項１に記載の真空ポンプ内の堆積物を管理する方法であって、
    前記方法は、
    前記ポートを介して前記ハウジング内へ流体を注入して、前記ロータ要素および前記ステータ要素の表面に衝突させることと、
    前記液体を前記キャビティに通すことと、
    前記ロータ要素および前記ステータ要素の温度を上昇させ、前記ロータ要素および前記ステータ要素の表面から堆積物を除去することと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 前記流体は、液体であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記流体は、前記真空ポンプが使用中にあるとき、前記ロータ要素に付着堆積した粒子を溶解させる溶剤であることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記流体は、蒸気であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
19. 前記流体は、前記真空ポンプが使用中にあるとき、前記ロータ要素に付着堆積した粒子を溶解させる溶剤であり、前記流体は、前記粒子と反応する反応性物質を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
20. 請求項１５に記載の真空ポンプ内の堆積物を管理する方法であって、真空ポンプは、ロータ要素及びステータ要素と、前記要素を包囲していて、少なくとも１つのポートを備えたハウジングとを有しており、前記方法は、要素表面に付着した粒子と反応して前記粒子を要素表面から除去できる反応性物質を含む流体を前記少なくとも１つのポートを介してハウジング内へ注入する工程を含むことを特徴とする方法。
21. 前記流体は、ハロゲンを含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 前記流体は、ＣｌＦ₃、Ｆ₂、ＮＦ₃ のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 前記流体は、作動中、所定の時間間隔で注入されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
24. 請求項１５に記載の方法であって、
    （ａ）真空ポンプの性能をモニタする工程と、
    （ｂ）モニタした性能に基づいて要素内面上の堆積物の堆積度を判定する工程と、
    （ｃ）前記工程（ｂ）で判定された堆積物の堆積度を補償するのに必要な流体流量を計算する工程と、
    （ｄ）前記工程（ｃ）で得た計算値を反映するよう注入流体の流量を調節する工程と、を含むことを特徴とする方法。
25. 前記真空ポンプは、前記流体を送り出しているとき、不作動状態であり、前記方法は、トルクを前記真空ポンプのロータに加えて残存妨害力に打ち勝つ工程を含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。

Images