JP5552781B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは半導体製造装置の排気装置として用いられる。半導体製造装置では、その反応プロセスに応じて様々なプロセスガスが使用される。例えば、ＣＶＤ装置やエッチング装置等に用いられるターボ分子ポンプにおいては反応性ガスを排気することになり、ターボ分子ポンプ内にプロセスガスの析出物や反応生成物（例えば、４フッ化珪素や４塩化珪素など）が付着しやすい。これらの析出物や反応生成物は、蒸気圧の関係から圧力が比較的高いポンプ下流側に堆積しやすい。そのため、従来のターボ分子ポンプではポンプ本体の下流側をヒータ等で加熱して、析出物や反応生成物の付着を抑制するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

近年、非シリコン系（ＣＩＧＳ薄膜）太陽電池が次世代太陽電池として期待されている。光吸収層にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（銅・インジウム・ガリウム・2セレン）を用いているＣＩＧＳ太陽電池は、光電変換層の厚さを数μmと薄くできるとともに、理論変換効率が単結晶Ｓｉを上回るため注目されている。

ＣＩＧＳ薄膜の形成方法の一つとして、銅、インジウム、セレンなどの各元素を蒸着する方法である多元蒸着法がある。多元蒸着法では、銅、インジウム、ガリウムといった金属原料に比べて多量のセレン原料が製膜時に供給され、成膜反応に利用されなかったセレン蒸気は、真空チャンバ内壁に付着堆積したり、排気ポンプであるターボ分子ポンプによって排気されたりする。

特開２００２−２８５９９２号公報

ところで、セレン蒸気は粒子状となってターボ分子ポンプの吸気口へと流入するが、非常に付着しやすいために、排気上流側の翼部やケーシング内周面に付着してしまって、下流側では付着があまり見られない。そのため、従来のポンプ本体の下流側を加熱する堆積防止用ヒータはセレン付着を防止するためには役立たず、セレンの付着によって回転翼先端とケーシング内周面とが干渉するなど、回転翼やケーシング内周面に付着したセレンがポンプ運転に対して悪影響を及ぼす事態が生じている。

請求項１の発明に係るターボ分子ポンプは、多段の回転翼が形成され、高速回転するロータと、回転翼に対してポンプ軸方向に交互に配置された複数の固定翼と、ポンプ吸気口とロータとの間に設けられ、気体通過領域を形成するように配置されると共に付着性粒子を捕捉する複数のバッフルプレートと、複数のバッフルプレートを冷却する冷却ユニットと、を備え、バッフルプレートは、水平方向に延びる冷却水配管の上側に上方向の角度を設けた第１のバッフルプレートと、前記冷却水配管の下側に下方向の角度を設けた第２のバッフルプレートとが交互に水平方向に配置され、かつ左右方向に隣接する第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートは上下方向に重なりがあるように配置されて前記付着性粒子を捕捉するとともに、各バッフルプレートの間は気体通過領域を形成することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、ポンプ吸気口に装着されるフランジを備え、バッフルプレートはフランジの内部に設けられていることを特徴とする。
請求項３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、バッフルプレートは、冷却ユニットを構成する冷却管に固定して支持されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、板の一部をフィン状に立設させることにより複数のバッフルプレートが一体に形成されたバッフル部材を備え、バッフル部材はポンプに対して一体で着脱可能に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、付着性粒子がポンプ内に付着するのを低減し、ロータ回転等への影響を排除することができる。

ターボ分子ポンプのポンプ本体１を示す断面図である。 図１のＡ矢視図である。 バッフルプレートの形状を示す図であり、（ａ）は図１に示すバッフルプレート４１の断面形状を示し、（ｂ）はバッフルプレートの変形例１を示し、（ｃ）はバッフルプレートの変形例２を示す。 バッフルプレートの変形例３を示す図である。 バッフル４０の他の形態を示す図である。 一体型のバッフルプレートの一例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。ターボ分子ポンプは、真空排気を行うポンプ本体と、ポンプ本体を駆動制御する電源部とを備えている。図１は、ポンプ本体１の概略構成を示す断面図である。図１に示したターボ分子ポンプは磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０は、５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。

ロータ３０には、複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置された複数段の固定翼３３と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ３９が設けられている。各固定翼３３は、それぞれ一対のスペーサリング３５によって軸方向上下から挟持されるように積層され、ベース２０上に載置されている。吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング３４をベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング３５がベース２０とポンプケーシング３４との間に挟持され、各固定翼３３が位置決めされる。

ベース２０には排気ポート２２が設けられ、この排気ポート２２にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１側の気体分子は排気ポート２２側へと排気される。

本実施の形態のターボ分子ポンプは、圧力が低くてもプロセスチャンバ内壁や排気系に付着しやすいプロセスガス（例えば、上述したセレン）が使用される半導体製造装置に最適なように構成されたものである。そのため、ポンプの吸気口２１０とロータ３０との間にバッフル４０を設けている。

図２は、図１のＡ矢視図であり、バッフル４０は、複数のバッフルプレート４１と、バッフルプレート４１を冷却するための冷却水配管４２を備えている。Ｕ字形状をしている冷却水配管４２は、ポンプケーシング３４を貫通するように設けられ、各バッフルプレート４１が溶接等により固定されている。すなわち、冷却水配管４２は、各バッフルプレート４１を冷却する機能と、それらを吸気口領域に支持する機能とを備えている。バッフルプレート４１はステンレス、銅、アルミ等の金属材料で形成され、吸気口上流側からバッフル４０を通してポンプ内部がほぼ見通せないような形状を有している。

図３は、バッフルプレート４１の断面形状を示したものである。図３（ａ）は、図１，２に示したバッフルプレート４１の断面形状である。各バッフルプレート４１は、中央部分において角度２θで折れ曲がった形状をしている。各バッフルプレート４１は、隣接する２つのバッフルプレート４１を吸気口上流側から見たとき、一方のバッフルプレート４１の上下縁部分４１０が、他方のバッフルプレート４１の中央部分４１１と重なるように配置されている。

そのため、セレン粒子やセレン蒸気等の付着性粒子Ｐは、どのような方向からバッフル４０に飛び込んでも、バッフルプレート４１に衝突する。セレン粒子やセレン蒸気等は壁面に付着しやすいため、バッフルプレート４１上に留まり、ポンプ内部に侵入することが無い。特に、セレン蒸気やセレン粒子は壁面の温度が低いほど付着しやすいので、冷却水配管４２でバッフルプレート４１を冷却することにより、付着したセレンが再び離脱することなく確実にバッフルプレート４１に付着するようにしている。一方、気体分子はバッフルプレート４１間の隙間（気体通過領域）を通ってロータ側へと通過する。

図３（ｂ）は、バッフルプレート４１の変形例１を示したものである。変形例１では、冷却水配管４２の上側（上流側）に平板状のバッフルプレート４１ａを複数設け、冷却水配管４２の下側（下流側）に平板状のバッフルプレート４１ｂを複数設けた。水平方向に対してバッフルプレート４１ａは角度−θで傾いており、逆に、バッフルプレート４１ｂは角度θで傾いている。さらに、バッフルプレート４１ａは、バッフルプレート４１ｂに対して右方向にずらして配置されている。このように、上下のバッフルプレートの位置を左右にずらすことにより、図３（ａ）の場合と比べてバッフルプレートの数を減らすことができる。

図３（ｃ）は、バッフルプレート４１の変形例２を示したものである。変形例２では、排気速度の低下を抑えるために、図３（ａ）に示した折れ曲がったバッフルプレート４１の片側（上側）のみを、バッフルプレート４１ｃとして配置した。排気上流方向から見た場合、隣接するバッフルプレート４１ｃ同士は、領域４１２において重なり合っている。真空中におけるセレン蒸気やセレン粒子は自由落下するため、斜めの角度で入ってくる割合が小さい。また、セレン蒸気やセレン粒子は非常に付着しやすいため、ポンプ吸気口よりも上流側において斜めの角度で入ってきたとしても、配管の壁面に衝突する確率が高いので配管壁面に付着しやすく、バッフル４０まで達するものが少なくなる。そのため、片側に傾いた平板状バッフルプレート４１ｃを並べて配置した図３（ｃ）のタイプであっても、付着性粒子Ｐに対して十分な捕捉機能を備えている。

図４は、バッフルプレートの変形例３を示す図である。成膜装置においては、成膜プロセスの化学反応や機械部品の摺動などによって、サブミクロンオーダーのパーティクルが発生することが多い。これらのパーティクルが吸気口２１０を介してターボ分子ポンプ内に落下すると、高速回転するロータ３０によって跳ね飛ばされることになる。その結果、これらの反跳パーティクルがプロセス室まで達してウェハ上に付着し、半導体の生産歩留まりの悪化の原因となる。

上述したようなパーティクルはバッフルに付着しにくいので、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示したようなバッフル４０の場合、バッフルプレートに落下したものの内、バッフルプレートに付着しなかったものは、バッフルプレート間の隙間領域を通ってポンプ内に落下する。ポンプ内に落下したパーティクルはロータ３０によって跳ね返され、その反跳パーティクルが再びバッフル４０を通過して成膜装置側に逆流することになる。

そこで、図４に示すバッフル４０では、付着性粒子Ｐを捕捉するだけでなく、このような反跳パーティクルの成膜装置への逆流も防止できるような構成とした。バッフル４０は、２つのバッフルプレート４４，４５と、バッフルプレート４４，４５同士を連結する支持部材４６とを備えている。バッフルプレート４４は、円錐台の側周面と同形状を成しており、図示上側の大径部において吸気口フランジ２１に着脱可能に固定されている。縁部分が上方に折れ曲がった皿状のバッフルプレート４５は、複数の支持部材４６によってバッフルプレート４４の下部に支持されている。バッフルプレート４５は、ロータ３０の回転翼部を除く上端面の上方を覆うように設けられている。

ポンプ吸気口内に飛び込んだ付着性粒子Ｐは、バッフルプレート４４，４５に衝突して付着する。一方、パーティクルＰ’が水平なバッフルプレート４５に落下した場合には、バッフルプレート４５上に堆積したままとなる。また、バッフルプレート４４の斜面に落下したパーティクルＰ’は、その斜面で反射されてバッフルプレート４５上に落下する。さらに、落下速度の大きなパーティクルの場合、符号Ｐ１で示すようにバッフルプレート４５で反射されて、バッフルプレート４４，４５の隙間を通って回転翼領域に侵入するものもある。しかし、回転翼領域に侵入して回転翼３２により跳ね飛ばされたパーティクルＰ２は、回転翼領域からバッフルプレート４４，４５の隙間を通ってポンプ外へと逆戻りすることはほとんどない。

すなわち、図４に示バッフル４０は、セレン粒子のような付着性粒子Ｐを捕捉する機能と、ポンプ内に落下したパーティクルが成膜装置へ逆流するのを防止する機能とを備えている。

図５は、バッフル４０の他の形態を示す図である。上述したバッフル４０では、バッフル４０はポンプ本体１の吸気口よりも内側に設けられていた。一方、図５のバッフル４０はフランジ４７を備え、ポンプ本体１の吸気口フランジ２１に取り付けられている。フランジ４７にはＯリング溝４７１およびボルト孔４７２が形成されている。冷却水配管４２は図２に示したものと同様の形状を成し、フランジ４７を貫通するように設けられている。図５に示すバッフル４０では、図３（ｂ）に示すバッフルプレート構造を採用しており、冷却水配管４２の上側にバッフルプレート４１ａが設けられ、冷却水配管４２の下側にバッフルプレート４１ｂが設けられている。

図５に示すバッフル４０では、吸気口フランジ２１のボルト穴２１ａとフランジ４７のボルト穴４７２との両方を貫通するように、ポンプ固定用ボルトを通して、装置側のフランジにバッフル４０とポンプ本体１とを固定する。または、バッフル４０のフランジ４７を装置側に固定した後に、ポンプ本体１をフランジ４７に固定するような構造としても良い。このように、図５におけるバッフル４０の場合には、未対策の従来のターボ分子ポンプであっても装着することができるという利点を有している。

上述した実施形態では、バッフルプレートをそれぞれ個別に冷却水配管４２に固定したが、フランジ２１やフランジ４７に一体に固定するようにしても良い。図６は、一体型のバッフルプレートの一例を示したものであり、図５と同様にフランジ４７に冷却水配管４２を設けた構造のものである。図６では、冷却水配管４２の上側に設けられたバッフルプレート４１ａの一部を示した。

複数のバッフルプレート４１ａは、一枚の板材４１５で形成されている。すなわち、板材４１５からバッフルプレートとなる部分の輪郭を切り抜き、各バッフルプレート部分を所定の角度にそれぞれ折り曲げることで、各バッフルプレート４１ａが形成される。バッフルプレート４１ａが折り曲げられた後の開口４１７は、排気すべき気体が通る開口となる。板材４１５の周辺部分をネジ４１６等により固定することで、バッフルプレート４１ａがフランジ４７に固定される。そのとき、板材４１５の裏面が冷却水配管４２に接触する。図示していないが、反対側のバッフルプレート４１ｂに関しても同様の構造とされる。

このように、図６に示すバッフル４０では、バッフルプレート４１ａを一枚の板材からプレス加工等により製作することができ、さらに、一体となった複数のバッフルプレート４１ａを一括してフランジ４７に固定することができる。そのため、製作コストおよび組み立てコストを低減することができる。また、バッフルプレート４１ａの交換を容易に行うことができ、メンテナンス性に優れている。なお、このように１枚の板材から複数のバッフルプレートを形成する構成は、図３（ａ）〜（ｃ）に示されたいずれのバッフル構造にも適用することができる。

上述したように、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、冷却水配管４２によって冷却された複数のバッフルプレートが、ポンプ吸気口と前記ロータとの間に気体通過領域を形成するように配置されている。そのため、気体分子はロータ側へと通過して排気されるが、セレン蒸気やセレン粒子のように壁面に付着しやすい分子は、冷却されたバッフルプレートに付着し、ポンプ内部に侵入することがない。そのため、従来のようなセレン付着によるポンプへの悪影響を防止することができる、とともに、ポンプのメンテナンスインターバルを長くすることができる。

さらに、複数のバッフルプレートを、排気上流側から見てロータをほぼ見通すことができないように配置することにより、セレン蒸気やセレン粒子のポンプ内部への侵入を確実に防止することができる。また、ポンプに対して、複数のバッフルプレートを一体で着脱可能なように構成したことにより、付着物質のクリーニングが行いやすくなる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：ポンプ本体、２１，４７：フランジ、３０：ロータ、３２：回転翼、３３：固定翼、３４：ポンプケーシング、４０：バッフル、４１，４１ａ〜４１ｃ，４４，４５：バッフルプレート、４２：冷却水配管、２１０：吸気口、Ｐ：付着性粒子、Ｐ’，Ｐ１，Ｐ２：パーティクル

Claims (4)

1. 多段の回転翼が形成され、高速回転するロータと、
   前記回転翼に対してポンプ軸方向に交互に配置された複数の固定翼と、
   ポンプ吸気口と前記ロータとの間に設けられ、気体通過領域を形成するように配置されると共に付着性粒子を捕捉する複数のバッフルプレートと、
   前記複数のバッフルプレートを冷却する冷却ユニットと、を備え、
   前記バッフルプレートは、水平方向に延びる冷却水配管の上側に上方向の角度を設けた第１のバッフルプレートと、前記冷却水配管の下側に下方向の角度を設けた第２のバッフルプレートとが交互に水平方向に配置され、かつ左右方向に隣接する第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートは上下方向に重なりがあるように配置されて前記付着性粒子を捕捉するとともに、各バッフルプレートの間は前記気体通過領域を形成することを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   ポンプ吸気口に装着されるフランジを備え、前記バッフルプレートは前記フランジの内部に設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記複数のバッフルプレートは、前記冷却ユニットを構成する冷却管に固定して支持されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   板の一部をフィン状に立設させることにより前記複数のバッフルプレートが一体に形成されたバッフル部材を備え、
   前記バッフル部材はポンプに対して一体で着脱可能に設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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