JP7430035B2 - 真空排気装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、メインポンプとその後段に並列的に接続された補助ポンプ及び逆止弁とを備えた真空排気装置及びその運転方法に関する。

半導体装置や液晶表示装置の製造用の真空チャンバの排気ラインには、ドライポンプと補助ポンプとを有する真空排気装置が広く用いられている。また、真空排気装置の消費電力の低減を図る目的で、メインポンプとその後段に並列的に接続された補助ポンプ及び逆止弁とを備えた真空排気装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－８３０２号公報

近年、真空排気装置の消費電力のさらなる低減が求められている。一般に、真空ポンプの消費電力は真空ポンプの回転数に強く依存するため、真空ポンプの回転数を低下させることで真空ポンプの消費電力を低下させることができる。しかし、例えばスクリューポンプ等の容積移送型ポンプでは、回転数を低下させたときに到達真空度が劣化し、ポンプとして要求される性能を確保することができなくなる場合がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、消費電力の低減を図りつつ、目的とするポンプ性能を確保することができる真空排気装置及びその運転方法を提供することにある。

本発明の一形態に係る真空排気装置は、メインポンプと、補助ポンプと、逆止弁と、検出部と、制御部とを具備する。
前記メインポンプは、回転数可変のモータを有する。
前記補助ポンプは、前記メインポンプの排気口に接続される。
前記逆止弁は、前記メインポンプの排気口に前記補助ポンプとは並列的に接続され、前記メインポンプ側から大気側への方向を順方向とする。
前記検出部は、前記モータの電流値を検出する。
前記制御部は、前記モータの消費電力が第１の閾値以下のとき、前記モータの回転数を第１の回転数から前記第１の回転数よりも低い第２の回転数へ低下させる。

上記真空排気装置においては、メインポンプのモータの消費電力が所定の閾値（第１の閾値）以下のときに当該モータの回転数を第１の回転数から第２の回転数へ低下させる制御を実行するように構成されているため、メインポンプの消費電力の低減を図ることができる。また、メインポンプの後段に補助ポンプ及び逆止弁がそれぞれ並列に接続されているため、メインポンプのモータの回転数の低下に起因する到達圧力の劣化が抑制され、これによりメインポンプのポンプ性能（到達圧力）は真空排気装置として確保される。

前記制御部は、前記モータの消費電力が第２の閾値以上のとき、前記モータの回転数を前記第２の回転数から前記第１の回転数へ上昇させるように構成されてもよい。
これにより、外乱要因によって最大パフォーマンスが必要な状態を検出した場合には、モータを第１の回転数に上昇させてポンプ性能（排気速度）を低減させずに真空排気運転を継続させることができる。

前記メインポンプは、スクリューポンプであってもよい。
回転数の低下により到達圧力の劣化が起こりやすいスクリューポンプがメインポンプとして採用される場合においても、真空排気装置としてポンプ性能（主に到達圧力）を低下させずに消費電力の低減を図ることができる。

前記第１の回転数は、典型的には、前記モータの定格回転数である。

前記制御部は、前記モータの消費電力が前記第１の閾値以下のとき、前記補助ポンプを起動させるように構成されてもよい。
これにより、補助ポンプの消費電力量（典型的には大気から目的とする真空度までの積算電力量に対して）の削減をも図りつつ、目的とするポンプ性能を確保することができる。

本発明の一形態に係る真空排気装置の運転方法は、回転数可変のモータを有するメインポンプと、前記メインポンプの排気口に接続された補助ポンプと、前記メインポンプの排気口に前記補助ポンプとは並列的に接続され、前記メインポンプ側から大気側への方向を順方向とする逆止弁と、を備えた真空排気装置の運転方法であって、
前記モータを第１の回転数で回転させ、
前記モータの電流値を検出し、
前記モータの消費電力が第１の閾値以下に減少したとき、前記モータの回転数を第１の回転数から前記第１の回転数よりも低い第２の回転数へ低下させる。

上記運転方法は、前記モータの消費電力が第２の閾値以上に上昇したとき、前記モータの回転数を前記第２の回転数から前記第１の回転数へ上昇させてもよい。

本発明によれば、消費電力の低減を図りつつ、目的とするポンプ性能を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る真空排気装置を示す概略構成図である。 上記真空排気装置の運転方法の一例を示すフローチャートである。 上記真空排気装置におけるメインポンプの回転数の時間変化を示す図である。 上記メインポンプの消費電力と吸入圧との関係の一例を示す図である。 構成が異なる真空排気装置の消費電力及びチャンバ内圧力の時間変化を示す一実験結果である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る真空排気装置１００を示す概略構成図である。

［真空排気装置］
本実施形態の真空排気装置１００は、メインポンプ１０と、補助ポンプ２０と、逆止弁３０と、検出部４０と、コントローラ５０とを備える。

メインポンプ１０は、典型的には、ドライポンプで構成され、本実施形態ではスクリューポンプである。メインポンプ１０は、２本のスクリューロータを内蔵するポンプ本体１１と、ポンプ本体１１を駆動するモータ１２とを有する。

ポンプ本体１１は、配管１０１を介して真空チャンバ１の内部に連通する吸気口１１ａと、配管１０２を介して外気に連通する排気口１１ｂとを有する。配管１０２には、真空チャンバ１とポンプ本体１１との間の連通及びその遮断を切り替え可能な真空バルブが配置されてもよい。モータ１２は、コントローラ５０からの指令に基づき回転数を可変に制御可能な同期モータである。

補助ポンプ２０は、配管１０２を介してメインポンプ１０の排気口１１ｂに接続され、メインポンプ１０の背圧を排気する。補助ポンプ２０は、典型的には、メインポンプよりも排気容量が十分に小さいポンプで構成され、本実施形態ではダイアフラムポンプである。補助ポンプ２０は、典型的には、メインポンプ１０とともに起動し、常時一定の回転数で駆動される。なお、真空排気装置１００の消費電力の視点からは、メインポンプ１０の消費電力が支配的になるように補助ポンプ２０が選定される。具体的には、補助ポンプ２０の定格電力は、メインポンプ１０（モータ１２）の定格電力に対し８～０．５％となるように選定され、典型的には３％前後が（排気する容量やタクトタイム等から）妥当な設計となる。補助ポンプ２０をこのように選定することで、到達圧力近傍におけるメインポンプ１０と補助ポンプ２０との合算した電力について、ポンプ性能を低下させずに極小化することができる。

逆止弁３０は、配管１０２を介してメインポンプ１０の排気口１１ｂに、補助ポンプ２０とは並列的に接続される。逆止弁３０は、メインポンプ１０側から大気側への方向を順方向とする弁装置である。

検出部４０は、モータ１２の電流値を検出する電流センサである。検出部４０は、モータ１２のステータコイルに流れる電流を検出可能であればどのような構成であってもよく、独立したセンサであってもよいし、インバータ回路を含むモータ１２の駆動回路（図示略）の一部で構成されてもよい。

コントローラ５０は、メインポンプ１０及び補助ポンプ２０の動作を制御する制御部として構成される。コントローラ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含むコンピュータで構成されてもよいし、インバータ回路を含むモータ１２の駆動回路と兼用した構成としてもよいし、リレーシーケンス回路などで構成されてもよい。

コントローラ５０は、検出部４０の出力に基づいて、モータ１２の消費電力が第１の閾値Ｔｈ１以下であるか否かを判定し、その判定結果に応じて、モータ１２の回転数を制御することが可能に構成される。本実施形態においてコントローラ５０は、モータ１２の消費電力が第１の閾値Ｔｈ１以下のとき、モータ１２の回転数を第１の回転数Ｒ１から当該第１の回転数Ｒ１よりも低い第２の回転数Ｒ２へ低下させる制御を実行する。

第１の回転数Ｒ１は、典型的には、モータ１２の定格回転数である。例えば、真空チャンバ１の内部を大気圧またはその近傍から排気する場合など、メインポンプ１０を最大のパフォーマンス（動力）で動作させるときに、モータ１２は、第１の回転数Ｒ１で駆動される。

第２の回転数Ｒ２は、メインポンプ１０の省エネルギ化を実現することができる回転数であって、定格回転数よりも低い適宜の回転数（以下、制御回転数ともいう）に設定される。第２の回転数Ｒ２は特に限定されず、補助ポンプ２０の排気速度等に応じて適宜設定することができる。例えば、第１の回転数Ｒ１（定格回転数）が５０００ｒｐｍの場合、第２の回転数Ｒ２（制御回転数）は３０００ｒｐｍとされる。

本実施形態においてコントローラ５０は、第２の回転数Ｒ２を通常の回転数としてモータ１２を駆動する。したがって、メインポンプ１０の起動時は、モータ１２が第２の回転数Ｒ２で駆動される。

第１の閾値Ｔｈ１は特に限定されず、本実施形態では、モータ１２の定格の動力発生時における消費電力を１００％としたとき、例えばその５０％以下に相当する消費電力が第１の閾値Ｔｈ１と設定される。つまり、本実施形態においてコントローラ５０は、第１の回転数Ｒ１で回転するモータの消費電力が第１の閾値Ｔｈ１として設定された消費電力以下になったときに、モータ１２の回転数を第２の回転数Ｒ２に低下させる制御を実行する。なお本実施形態においては、モータ１２の定格電力の１／３以下近傍に第１の閾値Ｔｈ１が設定される。

コントローラ５０はさらに、モータ１２の消費電力が第２の閾値Ｔｈ２以上のとき、モータ１２の回転数を第２の回転数Ｒ２（制御回転数）から第１の回転数Ｒ１（定格回転数）へ上昇させるように構成される。例えば、真空チャンバ１の内圧の上昇などの外乱要因によってメインポンプ１０を最大パフォーマンスで動作させる必要がある状態を検出した場合、あるいは図示しない上位の制御装置より最大パフォーマンスでの動作指令の入力がコントローラ５０に成された場合には、モータ１２の回転数を第１の回転数Ｒ１に上昇させることで、ポンプ性能を低減させずに真空排気運転を継続させることができる。なお図示しない上位の制御装置からの動作指令がコントローラ５０へ入力可能に構成される場合は、上位の制御装置が外乱を予見出来るとき、事前にメインポンプ１０を最大パフォーマンスの状態とする事が出来るため、外乱を検出してからメインポンプ１０が最大パフォーマンスとなるまでの時間が不要となり、結果としてタクトタイムを向上させる効果がある。

第２の閾値Ｔｈ２は、第１の閾値Ｔｈ１と同じ電力値でもよいし、異なる電力値であってもよい。第２の閾値Ｔｈ２は、第１の閾値Ｔｈ１よりも高い電力値が望ましい。典型的には、第２の閾値Ｔｈ２は、メインポンプ１０のポンプ特性などに応じて個別的に設定される。なお本実施形態においては、モータ１２の定格電力の１／２以下近傍に第２の閾値Ｔｈ２が設定される。

なお、制御の安定性を図る観点から、モータ１２の消費電力が第１の閾値Ｔｈ１以下になってから所定時間経過後に、モータ１２の回転数を第１の回転数Ｒ１から第２の回転数Ｒ２へ低下させるようにしてもよい。同様に、モータ１２の消費電力が第２の閾値Ｔｈ２以上になってから所定時間経過後に、モータ１２の回転数を第２の回転数Ｒ２から第１の回転数Ｒ１へ上昇させるようにしてもよい。

［真空排気装置の運転方法］
続いて、コントローラ５０の詳細について、真空排気装置１００の典型的な動作例とともに説明する。

メインポンプ１０及び補助ポンプ２０が起動すると、真空チャンバ１の内部が真空排気される。メインポンプ１０は、配管１０１を介して真空チャンバ１内の気体を吸引し、配管１０２及び逆止弁３０を介して排気する。補助ポンプ２０は、メインポンプ１０の背圧（排気口１１ｂ）を排気する。

なお、真空排気装置１００の起動時は、メインポンプ１０から排気される気体は、主として逆止弁３０を介して排気されるため、後述するように、補助ポンプ２０は、真空チャンバ１の内圧が所定以下に達した時点で起動されてもよい。なお、主として逆止弁３０を介して排気される理由は、メインポンプ１０に対して補助ポンプ２０の排気速度が低い為である。これは真空排気装置としての到達圧力近傍に於ける電力を、メインポンプ１０単体での電力と比較し、低減させる効果を生んでいる。

図２は、コントローラ５０によるメインポンプ１０の制御手順の一例を示すフローチャートである。図３は、メインポンプ１０におけるモータ１２の回転数の時間変化を示す図である。図４は、メインポンプ１０の消費電力と吸入圧との関係の一例を示す図である。

コントローラ５０は、上述のように、メインポンプ１０の起動時、モータ１２を第２の回転数Ｒ２（例えば、３０００ｒｐｍ）で駆動する。コントローラ５０は、検出部４０からモータ１２の電流値を取得し、モータ１２の消費電力が第２の閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する（ＳＴ１０１，１０２）。

真空チャンバ１の内部が大気圧又はこれに近い圧力のとき、モータ１２の負荷は比較的高く、したがってモータ１２の消費電力も比較的高い。コントローラ５０は、モータ１２の消費電力が第２の閾値Ｔｈ２以上であると判定すると、モータ１２の回転数を第２の回転数Ｒ２から定格回転数である第１の回転数Ｒ１（例えば、５０００ｒｐｍ）へ上昇させる（ＳＴ１０３）。これにより、メインポンプ１０は最大動力（モータ１２の定格電力）で駆動されるため、真空チャンバ１が目的とする排気速度で排気される。

コントローラ５０は、所定の周期で検出部４０からモータ１２の電流値を取得し、モータ１２の消費電力が第１の閾値Ｔｈ１以下であるか否かを判定する（ＳＴ１０４）。メインポンプ１０の排気運転により真空チャンバ１の内圧は徐々に低下し、真空チャンバ１内部からの気体の移送量が減少する（つまり単位時間あたりの圧縮損失量が減少する）事を主因としてメインポンプ１０のモータ１２の負荷も徐々に低下するため、モータ１２の消費電力も低下する。コントローラ５０は、モータ１２の消費電力が第２の閾値Ｔｈ２未満の場合でも、第１の閾値Ｔｈ１以下に低下するまで、モータ１２を第１の回転数Ｒ１（定格回転数）で駆動させる制御を継続する（ＳＴ１０２，１０４，１０３）。

一方、コントローラ５０は、モータ１２の消費電力が第１の閾値Ｔｈ１以下であると判定すると、モータ１２の回転数を第１の回転数Ｒ１（定格回転数）から第２の回転数Ｒ２（制御回転数）へ低下させる制御を実行する（ＳＴ１０４，１０５）。これにより、メインポンプ１０及びこれを備えた真空排気装置１００全体の消費電力の削減を図ることができる。

このとき、メインポンプ１０の後段に逆止弁３０が接続され、かつ第１の閾値Ｔｈ１の値は逆止弁３０が作動している事を条件とするため、メインポンプ１０の回転数の低下に伴って発生し得る気体の逆流（排気口１１ｂから吸気口１１ａへ向かう気体の流れ）が禁止される。したがって、モータ１２の回転数の低下によりメインポンプ１０のポンプ性能（到達圧力）が劣化することもない。

さらに、メインポンプ１０の排気口１１ｂが補助ポンプ２０により常時排気されている。メインポンプ１０が排気口１１ｂより吐出した気体体積の全量が補助ポンプ２０により常時排気される状態、つまり配管１０２の内圧が大気圧以下の（逆止弁３０が動作した）状態となると、給気口１１ａと排気口１１ｂとの差圧が減少する効果により、モータ１２の負荷が軽減される。この効果は、モータ１２の電流値、ひいては消費電力に顕著に現れるため、第１の閾値Ｔｈ１の設定値はこの効果が現れた後の値として設定する事が好ましい。

なお補助ポンプ２０が停止している条件では前記の効果が発現しないが、第１の閾値Ｔｈ１の設定値以下にモータ１２の消費電力が低下したら、コントローラ５０は、補助ポンプ２０を起動させる制御を実行し、配管１０２の内圧が大気圧以下の（逆止弁３０が動作した）状態と想定される一定時間経過後に、メインポンプ１０のモータ１２を第２の回転数Ｒ２に切り替える制御を実行してもよい。つまり逆止弁３０が作動した条件下で第２の回転数Ｒ２（制御回転数）へ低下させる制御が実行できる。これにより、真空排気装置１００の起動時は補助ポンプ２０を停止させておくことができるため、真空排気装置１００全体の消費電力の更なる低減を図ることができる。

図５は、一実験例として、１００リットルの真空チャンバを大気圧から１Ｐａ付近まで排気したときの真空排気装置の消費電力及びチャンバ内圧力の時間変化を示す図である。

図中、Ｐｏ１は、上述のように、補助ポンプ及び逆止弁を備え、かつ、メインポンプの回転数制御が適用される真空排気装置（実施例）における消費電力の時間変化を示す。
Ｐｏ２は、補助ポンプ及び逆止弁を備え、かつ、メインポンプの回転数が一定値（５０００ｒｐｍ）で固定された真空排気装置（比較例１）における消費電力の時間変化を示す。
Ｐｏ３は、補助ポンプ及び逆止弁を備えていないメインポンプ（スクリューポンプ）のみからなる真空排気装置（比較例２）における消費電力の時間変化を示す。
Ｐｒ１は、実施例における真空チャンバ内の圧力の時間変化を示す。
Ｐｒ２は、比較例１における真空チャンバ内の圧力の時間変化を示す。
そして、Ｐｒ３は、比較例２における真空チャンバ内の圧力の時間変化を示す。

比較例１に係る真空排気装置において、メインポンプは定格回転数（５０００ｒｐｍ）で回転する。このため、起動開始直後において消費電力が最大値に達し、以後は時間の経過とともに消費電力（Ｐｏ２）及びチャンバ内圧力（Ｐｒ２）は低下する傾向にある。消費電力（Ｐｏ２）に関しては、起動開始から約４５秒付近でほぼ一定に推移することが確認された。また、起動開始から約２５秒経過後に見られる消費電力（Ｐｏ２）の急激な低下は、逆止弁の動作が開始されたことによるものである。

一方、実施例に係る真空排気装置においては、起動時は制御回転数（３０００ｒｐｍ）で駆動され、約１５００Ｗ付近に設定された第２の閾値（Ｔｈ２）を境としてモータの回転数が定格回転数（５０００ｒｐｍ）に上昇させられる。このため、起動開始から十数秒付近で消費電力のピークに達し、以後は時間の経過とともに消費電力は低下する。なお、起動開始から約３０秒経過後に見られる消費電力（Ｐｏ１）の急激な低下は、逆止弁の動作が開始されたことによるものである。

さらに、実施例に係る真空排気装置においては、起動開始から４８秒付近で消費電力（Ｐｏ１）が急激に低下する。これは、メインポンプのモータの消費電力が第１の閾値（Ｔｈ１）以下に達したことで、モータの回転数が定格回転数（５０００ｒｐｍ）から制御回転数（３０００ｒｐｍ）へと推移したことによるものである。その結果、起動開始から５６秒付近で制御回転数への到達に起因すると見られる消費電力の若干の上昇は認められるものの、比較例１に係る真空排気装置における消費電力（Ｐｏ２）よりも低い状態が維持され、この実験では、約４００Ｗの低消費電力が実現された。また、チャンバ内圧力（Ｐｒ１）に関しても、比較例１と同等の到達圧力を実現できた。

比較例２に係る真空排気装置においては、起動開始から比較例１に係る真空排気装置の場合と同様な推移で消費電力（Ｐｏ３）が低下するものの、起動開始から約２６秒～３０秒付近で実施例（Ｐｏ１）及び比較例１（Ｐｏ２）との間で消費電力の差が大きくなる。これは、比較例２に係る真空排気装置は補助ポンプを備えていないため、メインポンプの背圧を減圧させることができず、メインポンプの消費電力の低減が図れないことに起因する。

本実験例によれば、実施例、比較例１及び比較例２に係る真空排気装置はいずれも、１Ｐａオーダーの到達圧力が得られることが確認された。また、比較例２では消費電力が２３００Ｗ程度であるのに対して、逆止弁及び補助ポンプを備えた実施例及び比較例１では、消費電力が１０００Ｗ以下にまで低減できることが確認された。さらに、回転数制御を行わない比較例１の消費電力（６００～７００Ｗ程度）と比較して、回転数制御を行う実施例によれば、消費電力が３００～４００Ｗ程度にまで低減することが確認された。

以上のように、本実施形態（実施例）に係る真空排気装置においては、メインポンプ１０の後段に補助ポンプ２０及び逆止弁３０が接続されているため、チャンバ内圧力が一定の真空度以上に達した後でのメインポンプ１０の消費電力を低減させることができるとともに、回転数を低下させる制御を実行した場合でも気体の逆流を生じさせることなくチャンバ内を排気することができる。

さらに本実施形態（実施例）に係る真空排気装置によれば、モータ１２の消費電力が所定の閾値（第１の閾値Ｔｈ１）以下に達した時点で回転数を低下させる制御を実行するようにしているので、到達圧力を劣化させることなく、消費電力のさらなる低減を図ることができる。

なおこれまで説明に用いた文言「電力」は、電圧または抵抗が略一定であれば「電流」を用いる事で同様な効果を奏する事から、開示した技術思想と同様の効果を発揮できるのであれば、「電力」は電流、すなわち電流値であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、メインポンプとしてスクリューポンプを例に挙げて説明したが、これに限られず、多段ルーツポンプ等の他のドライポンプが適用されてもよい。補助ポンプも同様に、ダイアフラムポンプに限られず、他の種類の真空ポンプが採用されてもよい。

１…真空チャンバ
１０…メインポンプ
１２…モータ
２０…補助ポンプ
３０…逆止弁
４０…検出部
５０…コントローラ
１００…真空排気装置

Claims (6)

1. 回転数可変のモータを有するメインポンプと、
   前記メインポンプの排気口に接続された補助ポンプと、
   前記メインポンプの排気口に前記補助ポンプとは並列的に接続され、前記メインポンプ側から大気側への方向を順方向とする逆止弁と、
   前記モータの電流値を検出する検出部と、
   前記モータの消費電力が、前記モータの定格の消費電力の半分以下に相当する消費電力である第１の閾値以下のとき、前記補助ポンプを起動させ、前記補助ポンプを起動させてから前記メインポンプの排気口の圧力が大気圧以下となる一定時間経過後に、前記モータの回転数を第１の回転数から前記第１の回転数よりも低い第２の回転数へ低下させる制御部と
   を具備する真空排気装置。
2. 請求項１に記載の真空排気装置であって、
   前記制御部は、前記モータの消費電力が前記第１の閾値よりも高い電力値である第２の閾値以上のとき、前記モータの回転数を前記第２の回転数から前記第１の回転数へ上昇させる
   真空排気装置。
3. 請求項１又は２に記載の真空排気装置であって、
   前記メインポンプは、スクリューポンプである
   真空排気装置。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の真空排気装置であって、
   前記第１の回転数は、前記モータの定格回転数である
   真空排気装置。
5. 回転数可変のモータを有するメインポンプと、前記メインポンプの排気口に接続された補助ポンプと、前記メインポンプの排気口に前記補助ポンプとは並列的に接続され、前記メインポンプ側から大気側への方向を順方向とする逆止弁と、を備えた真空排気装置の運転方法であって、
   前記モータを第１の回転数で回転させ、
   前記モータの電流値を検出し、
   前記モータの消費電力が、前記モータの定格の消費電力の半分以下に相当する消費電力である第１の閾値以下に減少したとき、前記補助ポンプを起動させ、前記補助ポンプを起動させてから前記メインポンプの排気口の圧力が大気圧以下となる一定時間経過後に、前記モータの回転数を第１の回転数から前記第１の回転数よりも低い第２の回転数へ低下させる
   真空排気装置の運転方法。
6. 請求項５に記載の真空排気装置の運転方法であって、
   前記モータの消費電力が前記第１の閾値よりも高い電力値である第２の閾値以上に上昇したとき、前記モータの回転数を前記第２の回転数から前記第１の回転数へ上昇させる
   真空排気装置の運転方法。

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