JP5463037B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、真空容器の排気処理を行う真空ポンプに関し、特に、真空容器へのパーティクルの逆流を防止する構造を有する真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプやねじ溝式ポンプなどの真空ポンプは、例えば、半導体製造装置の排気や、電子顕微鏡などの高真空を要する真空容器に多用されている。
この高真空の環境を実現する真空ポンプは、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、当該真空ポンプに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（ロータ部）とケーシングに対して固定された固定部（ステータ部）から構成されている。

ターボ分子ポンプの場合、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、回転体には、放射状ブレードが設けられたロータ翼が多段に配設されている。また、固定部には、ロータ翼に対して互い違いにステータ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、ロータ翼とステータ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。

ところで真空ポンプには、真空容器内の気体だけでなく、例えば、半導体製造装置のプロセスチャンバにおいて生じた反応生成物からなる微粒子など、真空容器内で生じたパーティクルも吸気口から取り込まれる。
パーティクルは、真空ポンプの内部において、高速回転しているロータ翼に衝突した場合、真空容器側へ跳ね返され、即ち吸気口から真空容器側へ逆流してしまう。
真空ポンプから逆流したパーティクルは、真空容器の内部の汚染原因となるおそれがある。
そこで従来、このような真空容器側へのパーティクルの逆流を抑制する技術が下記の特許文献に提案されている。
特開２００６−３０７８２３公報

特許文献１には、ロータ翼に衝突したパーティクルが吸気口側へ跳ね返されることを防止するために、ロータ翼のブレードの先端面が、回転軸方向と平行になるように、または、排気口側を向くように形成されたターボ分子ポンプが提案されている。
図５は、特許文献１で提案されているターボ分子ポンプにおけるロータ翼を模式的に示した展開図である。
具体的に特許文献１には、図５に示すように、ブレード１０８の面１０８ａが、回転軸方向と平行になるように形成されたロータ翼が開示されている。
このようにブレード１０８の面１０８ａを形成することにより、パーティクルがブレード１０８の従来の面１０８ｂに衝突して吸気口側へ跳ね返されることを防止することができる。

しかしながら、パーティクルの逆流防止を目的として、特許文献１で提案されているようにロータ翼のブレード１０８を加工した場合、気体分子（ガス分子）の排気処理において有効となるロータ翼の領域が減少してしまうため、真空ポンプの排気性能が低下してしまう。

ここで、特許文献１で提案されているようにロータ翼のブレード１０８を加工した場合において、真空ポンプの排気性能の低下が生じるメカニズムについて説明する。
図６（ａ）は、ブレード１０８に加工を施していない場合における、吸気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図であり、図６（ｂ）は、ブレード１０８に加工を施した場合における、吸気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図である。
また、図７（ａ）は、ブレード１０８に加工を施していない場合における、排気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図であり、図７（ｂ）は、ブレード１０８に加工を施した場合における、排気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図である。
なお、図６及び図７では、説明の煩雑化を避けるために、ガス分子が１ヵ所から入射した場合の状態を示す。

図６（ｂ）に示すように、吸気口側から入射したガス分子がブレード１０８の面１０８ａに衝突した場合、ガス分子は、排気口側へ送られずに、隣接するブレード１０８における吸気口側に傾いた側面１０８ｃと衝突して吸気口側へ跳ね返される。
図７（ｂ）に示すように、排気口側から入射したガス分子がブレード１０８の面１０８ａに衝突した場合、ガス分子は、排気口側へ送られずに、隣接するブレード１０８における吸気口側に傾いた側面１０８ｃと衝突して吸気口側へ跳ね返される。
また、図７（ｂ）に示すように、排気口側から入射したガス分子がブレード１０８と衝突しない場合、ガス分子は、そのまま吸気口側へ送られる。

図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較すると、ブレード１０８に加工を施すことにより、ガス分子が吸気口側から排気口側に通過する確率（Ｍ１２）が低下することが分かる。
また、図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、ブレード１０８に加工を施すことにより、ガス分子が排気口側から吸気口側へ通過する確率（Ｍ２１）が増加することが分かる。
真空ポンプにおける気体の排気速度は、次式で示される。
排気速度＝Ｃ×（Ｍ１２−Ｍ２１）...式１ 但し、Ｃは、ガス分子の入射数を示す。
ブレード１０８に面１０８ａを設ける加工を施すことにより、式１におけるＭ１２の値が減少し、Ｍ２１の値が増加するため、排気速度が低下する。このような排気速度の低下によって、真空ポンプの排気性能の低下が生じてしまう。

そこで本発明は、排気性能の著しい低下を伴うことなく、吸気口の上流領域へのパーティクル（粒子）の逆流を適切に防止することができる真空ポンプを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、吸気口と排気口を有する外装体と、前記外装体に内包され高速回転する回転体と、翼の進行面と前記吸気口から前記排気口まで移送される気体の上流方向を向いた面とを有し、前記回転体に設けられた翼角度を有する動翼列を構成し、前記進行面と前記面とのなす隅角部に、前記回転体の軸方向と平行する面、または、前記気体の下流方向を向く面を有する面取り面が形成された回転ブレードと、を備え、前記回転ブレードは、隣接する前記回転ブレードの間隔×粒子の落下速度／前記回転ブレードの回転速度に基づいて特定される、前記粒子の衝突可能領域に、前記面取り面が形成されていることにより前記目的を達成する。
なお、請求項１記載の発明において、前記面取り面は、例えば、衝突可能領域にのみ形成されていることが好ましい。
請求項２記載の発明では、請求項１記載の真空ポンプにおいて、前記吸気口から前記排気口まで移送される気体の流路を形成する固定部のうち、軸線方向に平行な側面を有する領域に、前記気体の下流方向を向いた逆流防止面が形成されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項２記載の真空ポンプにおいて、前記外装体に対して固定された静翼列と、前記静翼列の位置決め機能を有し、前記外装体の内部に設けられた環状のスペーサと、を備え、前記逆流防止面は、前記スペーサの内壁面及び前記外装体のうちの少なくとも一方に設けられていることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項２または請求項３記載の真空ポンプにおいて、前記逆流防止面は、回転軸と直交する面と共に、断面Ｖ字型の溝を構成することを特徴とする。

本発明によれば、回転ブレードにおける吸気口側の隅角部に、粒子が逆流しない方向を向いた面取り面を形成することによって、粒子の入射が集中する部位に粒子の逆流を防止する小さな面が設けられるため、排気性能の著しい低下を伴うことなく、効率良く粒子の逆流を防止することができる。
なお、粒子の入射が回転ブレードの吸気口側の隅角部に集中するのは、回転体が高速回転し、回転ブレードに入射する粒子の入射角度が極めて小さくなるためである。

本実施形態に係るターボ分子ポンプの概略構成を示した図である。 本実施の形態に係るターボ分子ポンプにおける動翼列の一部を模式的に示した展開図である。 衝突可能領域Ｌの算出方法を説明するための説明図である。 図１における破線Ａ部の拡大図である。 特許文献１で提案されているターボ分子ポンプにおけるロータ翼を模式的に示した展開図である。 （ａ）はブレードに加工を施していない場合における、吸気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図であり、（ｂ）はブレードに加工を施した場合における、吸気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図である。 （ａ）はブレードに加工を施していない場合における、排気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図であり、（ｂ）はブレードに加工を施した場合における、排気口側からロータ翼に入射するガス分子の移動経路の一例を示した図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ
２ ケーシング
３ ベース
４ ロータ部
５ 吸気口
６ 排気口
７ シャフト
８ 動翼列
９ 円筒部材
１０ ボルト
１１ モータ部
１２〜１４ 磁気軸受部
１５〜１７ 変位センサ
１８ 静翼列
１９ ねじ溝スペーサ
２０ スペーサ
２１ ステータコラム
２２ 裏蓋
２６ 冷却管
２８ 回転ブレード
３０ 溝
１０８ ブレード

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１〜４を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、真空ポンプの一例としてターボ分子ポンプを用いて説明する。
図１は、本実施形態に係るターボ分子ポンプ１の概略構成を示した図である。なお、図１は、ターボ分子ポンプ１の軸線方向の断面図を示している。
本実施形態では、ターボ分子ポンプの一例としてターボ分子ポンプ部Ｔとねじ溝式ポンプ部Ｓを備えた、いわゆる複合翼タイプの分子ポンプを例にとり説明する。なお、本実施の形態は、ターボ分子ポンプ部Ｔのみを有するポンプやねじ溝が回転体側に設けられたポンプに適用してもよい。

ターボ分子ポンプ１の外装体を形成するケーシング２は、円筒状の形状をしており、ケーシング２の底部に設けられたベース３と共にターボ分子ポンプ１の外装体を構成している。そして、ターボ分子ポンプ１の外装体の内部には、ターボ分子ポンプ１に排気機能を発揮させる構造物つまり気体移送機構が収納されている。
これら排気機能を発揮する構造物は、大きく分けて回転自在に軸支されたロータ部４とケーシング２に対して固定されたステータ部から構成されている。
また、吸気口５側がターボ分子ポンプ部Ｔにより構成され、排気口６側がねじ溝式ポンプ部Ｓから構成されている。

ロータ部４には、シャフト７の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してシャフト７から放射状に伸びた複数の回転ブレード２８からなる動翼列８が吸気口５側（ターボ分子ポンプ部Ｔ）に設けられている。なお、ロータ部４は、ステンレスやアルミニウム合金などの金属により構成されている。
さらに、ロータ部４には、外周面が円筒形状をした部材からなる円筒部材９が排気口６側（ねじ溝式ポンプ部Ｓ）に設けられている。
また、ターボ分子ポンプ１には、動翼列８が軸線方向に複数段形成されている。

シャフト７は、円柱部材の回転軸（ロータ軸）である。シャフト７の上端にはロータ部４が複数のボルト１０により取り付けられている。
シャフト７の軸線方向中程には、シャフト７を回転させるモータ部１１が配設されている。
また、モータ部１１の吸気口５側及び排気口６側には、シャフト７をラジアル方向に軸支するための磁気軸受部１２及び磁気軸受部１３が設けられている。
さらに、シャフト７の下端には、シャフト７を軸線方向（スラスト方向）に軸支するための磁気軸受部１４が設けられている。
なお、シャフト７は、磁気軸受部１２、１３、１４から構成される５軸制御型の磁気軸受によって非接触で支持されている。
また、磁気軸受部１２、１３の近傍には、それぞれ変位センサ１５、１６が形成されており、シャフト７のラジアル方向の変位が検出できるようになっている。さらに、シャフト７の下端には変位センサ１７が形成されており、シャフト７の軸線方向の変位が検出できるようになっている。

ケーシング２の内周側には、ステータ部が形成されている。このステータ部は、吸気口５側（ターボ分子ポンプ部Ｔ）に設けられた静翼列１８と、排気口６側（ねじ溝式ポンプ部Ｓ）に設けられたねじ溝スペーサ１９などから構成されている。
静翼列１８は、シャフト７の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してケーシング２の内周面からシャフト７に向かって伸びたブレードから構成されている。ターボ分子ポンプ部Ｔでは、これら静翼列１８が軸線方向に、動翼列８と互い違いに複数段形成されている。各段の静翼列１８は、円筒形状をしたスペーサ２０により互いに隔てられている。

ねじ溝スペーサ１９は、内周面にらせん溝が形成された円柱部材である。ねじ溝スペーサ１９の内周面は、所定のクリアランス（間隙）を隔てて円筒部材９の外周面に対面するようになっている。ねじ溝スペーサ１９に形成されたらせん溝の方向は、らせん溝内をロータ部４の回転方向にガスが輸送された場合、排気口６に向かう方向である。らせん溝の深さは排気口６に近づくにつれ浅くなるようになっている。そして、らせん溝を輸送されるガスは排気口６に近づくにつれて圧縮されるようになっている。
これらステータ部はステンレスやアルミニウム合金などの金属で構成されている。
ベース３は、ケーシング２と共にターボ分子ポンプ１の外装体を構成している。ベース３のラジアル方向の中央には、ロータの回転軸線と同心に円筒形状を有するステータコラム２１が取り付けられている。

ベース３の底部（ステータコラム２１の開口部）に裏蓋２２が取り付けられている。
本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１には、図示されていないがターボ分子ポンプ１を制御するための制御装置が設けられている。
また、ターボ分子ポンプ１の稼働中は、ロータ部４が高速回転し、動翼列８や静翼列１８のブレードが、圧縮熱等によって高温になったプロセスガスを受ける。そして、これらの圧縮熱等を受けて、動翼列８や静翼列１８のブレードの温度が上昇する。
また、ターボ分子ポンプ１は、モータ部１１から発生する熱などにより加熱されて高温状態となる。
このようにターボ分子ポンプ１は、気体分子の衝突熱（圧縮熱）やモータ部１１からの発熱などにより高温状態となっている。
そこで、高温状態になったターボ分子ポンプ１を冷却するために、ベース３には、冷却管２６が埋設されている。
冷却管２６は、チューブ状（管状）の部材からなる。冷却管２６は、内部に熱媒体である冷却材を流し、この冷却材に熱を吸収させるようにして冷却管２６周辺の冷却を行うための部材である。

上述した冷却管２６は、熱抵抗の低い部材つまり熱伝導率の高い部材、例えば、銅やステンレス鋼などによって構成されている。
また、冷却管２６に流す冷却材、つまり物体を冷却するための流体は、液体であっても気体であってもよい。液体の冷却材としては、例えば、水、塩化カルシウム水溶液やエチレングリコール水溶液などを用いることができる。気体の冷却材としては、例えば、アンモニア、メタン、エタン、ハロゲン、ヘリウムガスや炭酸ガス、空気などを用いることができる。
なお、本実施形態では、冷却管２６がベース３に配設されているが、冷却管２６の配設位置はこれに限られるものではない。例えば、ステータコラム２１、裏蓋２２の内部に直接埋め込むように設けてもよい。

このような構成を有するターボ分子ポンプ１は、真空容器、例えば、半導体製造装置に設けられた内部が高真空状態に保たれたプロセスチャンバなどの排気処理を行う際の真空ポンプとして用いられている。
半導体製造装置のプロセスチャンバの内部では、例えば、プロセスガスの反応時の反応生成物からなるパーティクル（微粒子）が生じる。
そのため、ターボ分子ポンプ１では、プロセスチャンバ（真空容器）内の気体だけでなく、プロセスチャンバにおいて生じたパーティクルも吸気口５から取り込まれる。
吸気口５から取り込まれたパーティクルは、ターボ分子ポンプ１の内部において、高速回転している回転ブレード２８に衝突した場合、プロセスチャンバ側へ跳ね返され、即ち吸気口５からプロセスチャンバ側へ逆流してしまう。
このようなターボ分子ポンプ１から逆流したパーティクルは、プロセスチャンバの内部の汚染原因となるおそれがある。

そこで本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１では、吸気口５から取り込まれたパーティクルの上流側の領域への逆流を抑制する加工が回転ブレード２８に施されている。
図２は、本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１における動翼列８の一部を模式的に示した展開図である。
図２に示すように、回転ブレード２８には、吸気口５から排気口６まで移送される気体の上流方向を向いた面２８ｂと、気体の下流方向を向いた面２８ｃとのなす隅角部に、面取り加工を施すことによって、面取り面２８ａが形成されている。
面取り面２８ａは、シャフト７の軸線方向に平行に、即ち回転軸に平行に形成されている。
なお、面取り加工とは、ターボ分子ポンプ１を組み立てる際のけがの防止やバリを少なくするために、例えば、回転ブレード２８の面２８ｂと面２８ｃとのなす隅角部のようなナイフエッジ部分の稜角を少し削る処理を示す。

また、本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１では、隣接する回転ブレード２８の間隔、回転ブレード２８の移動速度（動翼列８の回転速度）、パーティクルの移動速度などによって特定されるパーティクルの衝突可能領域Ｌ（以下、衝突可能領域Ｌとする）に基づいて、回転ブレード２８の面取り面２８ａの形成領域が設定されている。
即ち、衝突可能領域Ｌに基づいて、回転ブレード２８の面２８ｂと面２８ｃとのなす隅角部の面取り加工における削り量が設定されている。

次に、衝突可能領域Ｌの算出方法について説明する。
図３は、衝突可能領域Ｌの算出方法を説明するための説明図である。
ここでは、算出方法の一例として、ターボ分子ポンプ１がプロセスチャンバの排気口の下部に、鉛直線と回転軸方向とが一致する向きに配設された場合について説明する。
衝突可能領域Ｌの算出条件として、プロセスチャンバの天井を想定し、ターボ分子ポンプ１の１ｍ上方からパーティクルＰが自由落下するものとする。
また、動翼列８（回転ブレード２８）の角速度は、２８３０ｒａｄ／ｓ（毎秒４５０回転）、回転ブレード２８の半径（回転ブレード２８の間隔が最も広い先端部）は、０．１５ｍ、回転ブレード２８の間隔は、０．０３ｍであるものとする。

パーティクルＰの移動速度、即ち、落下速度Ｖ１は、エネルギー保存の法則に基づいて算出すると、次のようになる。但し、重力加速度を９．８［ｍ／ｓ２］とする。
落下速度Ｖ１＝√（２×重力加速度×高さ）＝√（２×９．８［ｍ／ｓ２］×１［ｍ］）＝４．４［ｍ／ｓ］また、回転ブレード２８の回転速度Ｖ２は、次のようになる。
回転速度Ｖ２＝回転ブレード２８の半径×回転ブレード２８の角速度 ＝０．１５［ｍ］×２８３０［ｒａｄ／ｓ］＝４２３［ｍ／ｓ］パーティクルの落下速度Ｖ１及び回転ブレード２８の回転速度Ｖ２から、図３に示す回転ブレード２８から見たパーティクルの相対速度Ｖ３が求められる。そして、衝突可能領域Ｌは、次のように算出される。
衝突可能領域Ｌ＝回転ブレード２８の間隔ｄ×（落下速度Ｖ１／回転速度Ｖ２）＝０．０３［ｍ］×（４．４［ｍ／ｓ］／４２３［ｍ／ｓ］）＝０．０００３［ｍ］＝０．３（ｍｍ）このように、プロセスチャンバから落下したパーティクルは、回転ブレード２８の吸気口５側の端面からわずか０．３ｍｍまでの範囲で回転ブレード２８と衝突する。
なお、例えば、ターボ分子ポンプ１の吸気口５に設けられた保護網や、ターボ分子ポンプ１と真空容器との間に設けられたコンダクタンスバルブなどから、パーティクルが落下するような場合には、パーティクルの落下距離が短くなる。そのためパーティクルの落下速度が低下することによって、衝突可能領域Ｌはさらに小さくなる。

衝突可能領域Ｌの範囲を超えて面取り面２８ａを回転ブレード２８に形成しても、衝突可能領域Ｌの範囲外ではパーティクルは衝突しないため、排気性能を低下させるだけになってしまう。
そのため、本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１では、回転ブレードの面取り面２８ａが衝突可能領域Ｌの範囲に形成されるように、また、衝突可能領域Ｌの範囲を超えて形成されないように面取り加工時の削り量が設定されている。
このように本実施の形態では、パーティクルの回転ブレード２８へ入射（進入）経路を考慮し、回転ブレード２８におけるパーティクルの衝突可能領域Ｌに面取り面２８ａを形成することにより、排気性能の著しい低下を伴うことなく、効率良くパーティクルの逆流を防止することができる。
また、本実施の形態では、回転ブレード２８の面取り面２８ａを回転軸と平行に形成されているが、面取り面２８ａの向きはこれに限定されるものではなく、衝突したパーティクルが上流側へ跳ね返されない方向を向いていればよい。例えば、回転ブレード２８の面取り面２８ａは、気体の下流方向を向くように形成されていてもよい。

本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１には、さらにパーティクルの逆流の防止効果を向上させるために、吸気口５から排気口６まで移送される気体の流路を形成するケーシング２やスペーサ２０の内側面に、気体の下流方向を向いた逆流防止面、即ち、衝突したパーティクルを排気口６側へ送るためのトラップが形成されている。
図４は、図１における破線Ａ部の拡大図である。
詳しくは、図４に示すように、ケーシング２における内周壁面の吸気口５近傍の領域、及び、吸気口５近傍に配置されたスペーサ２０の内周壁面（内側面）に、断面Ｖ字型の溝３０が周方向に沿って延設されている。

この溝３０は、図４に示すように、Ｖ字型に設けられた側面のうち、吸気口５側に設けられた側面（逆流防止面）は、排気口６側、即ち、下流方向を向くように形成されている。また、Ｖ字型に設けられた側面のうち、排気口６側に設けられた側面は、吸気口５側、即ち、上流方向を向くように形成されている。
このように逆流防止面を有する溝３０を設けることにより、回転ブレード２８の面取り面２８ａに衝突したパーティクルを、すみやかに排気口６側へ送ることができるため、パーティクルの逆流の防止効果を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、溝３０を、ケーシング２における内周壁面の吸気口５近傍の領域、及び、吸気口５近傍に配置されたスペーサ２０の内周壁面にのみ設けられているが、溝３０の形成部位はこれに限定されるものではない。
例えば、全てのスペーサ２０の内周壁面に設けるようにしてもよい。

Claims (4)

1. 吸気口と排気口を有する外装体と、
   前記外装体に内包され高速回転する回転体と、
   翼の進行面と前記吸気口から前記排気口まで移送される気体の上流方向を向いた面とを有し、前記回転体に設けられた翼角度を有する動翼列を構成し、前記進行面と前記面とのなす隅角部に、前記回転体の軸方向と平行する面、または、前記気体の下流方向を向く面を有する面取り面が形成された回転ブレードと、
   を備え、
   前記回転ブレードは、隣接する前記回転ブレードの間隔×粒子の落下速度／前記回転ブレードの回転速度に基づいて特定される、前記粒子の衝突可能領域に、前記面取り面が形成されていることを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記吸気口から前記排気口まで移送される気体の流路を形成する固定部のうち、軸線方向に平行な側面を有する領域に、前記気体の下流方向を向いた逆流防止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。
3. 前記外装体に対して固定された静翼列と、
   前記静翼列の位置決め機能を有し、前記外装体の内部に設けられた環状のスペーサと、
   を備え、
   前記逆流防止面は、前記スペーサの内壁面及び前記外装体のうちの少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
4. 前記逆流防止面は、回転軸と直交する面と共に、断面Ｖ字型の溝を構成することを特徴とする請求項２または請求項３記載の真空ポンプ。

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