JPH07119666A - 真空排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低消費動力、低騒音で低い到達真空圧の得ら
れる真空ポンプを提供することを目的とする。 【構成】 排気量の大きな第１のポンプと、排気量の小
さな第２のポンプをシリーズに連結し、重量流量の大き
な気体を吸引するときは上記第１のポンプをフル稼働さ
せ、また吸気側が十分に低い真空圧に到達したときは、
上記第１のポンプの排気孔を閉じ、第１のポンプの排気
側圧力を下げることによって、消費動力を下げ、低騒音
化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造設備の真空チ
ャンバーなどの排気に用いられる真空ポンプに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造プロセスにおけるＣＶＤ装
置，ドライエッチング装置，スパッタリング装置などに
は、真空環境を作りだすために真空ポンプが不可欠であ
る。この真空ポンプに対する要望は、半導体プロセスの
高集積化，微細化に対応するため、近年ますます高度に
なってきており、その主な内容は、高い真空到達圧が得
られること、クリーンであること、メンテナンスが容易
なこと、小型・コンパクトであること等である。

【０００３】さらに半導体プロセスの複合化に伴い、複
数個の真空チャンバーを独立させて真空排気する、いわ
ゆるマルチチャンバー方式が半導体製造設備の主流を占
めるようになっている。したがって半導体設備に用いら
れる真空ポンプの台数は、今後ますます増加する傾向に
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の半導体設備の真
空排気系の要請に答えるため、従来から用いられていた
油回転ポンプに代り、より清浄な真空を得ることを目的
として、粗引用のドライ真空ポンプが広く用いられる様
になっている。しかしこのドライ真空ポンプには次の様
な問題点があった。

【０００５】（１）消費動力が大きい。 （２）騒音、振動が大きい。

【０００６】（３）到達圧力が不十分である。 以下、まず上記（１）を最初に、もう少し詳しく説明す
る。

【０００７】半導体設備に用いられる真空ポンプの作業
時間の内分けを 真空チャンバー内の大量の気体を排気するために要す
る時間 既に到達している真空圧を維持するために要する時間 の２つに分けて考えると、の時間のに対する比率が
大倒的に大きい。のプロセスにおいては、真空ポンプ
は気体を輸送するという仕事をしないため、真空ポンプ
がする仕事は原理的にはゼロのはずである。しかるに従
来のドライ真空ポンプはを問わず、消費動力は極め
て大きい。上記はともかくとして、のプロセスにな
ぜかくも大きなエネルギー消費が必要なのか、というの
が当初我々が抱いた素朴な疑問であった。

【０００８】以上の点に留意して、後述する従来のスク
リュー式粗引きポンプの吸気圧に対する消費動力の関係
（図４に従来例を示す）を見ると、 （１）吸入圧が１０³ｔｏｒｒ近傍、すなわち真空ポン
プが真空チャンバーから大きな重量流量を排気する始動
時では消費動力は４．０ＫＷである。

【０００９】（２）吸入圧が十分降下した段階では、消
費動力は３．２ＫＷである。上記（２）の（１）に対す
る消費電力の比率は８０％程度である。数十台、あるい
は数百台のドライ真空ポンプが同時に稼働している半導
体工場全体をとらまえたとき、有効な仕事に寄与しない
実に無駄なエネルギー消費がなされているのである。な
ぜ無駄なエネルギー消費なのか、ということについて、
ツイン・ロータ型のスクリュー式真空ポンプを例にと
り、詳しく説明する。

【００１０】このツインロータ型真空ポンプは、図２８
に従来例（ねじ溝形状のスクリュー式）を示す様に、ケ
ーシング内６０２に収納された２つのロータ６００ａ，
６００ｂがそれぞれ逆方向に凹凸の溝６０８ａ、６０８
ｂを互いにかみ合わせながら、回転するものである。気
体は吸気孔６０１から吸入し、排気孔６０２から排出さ
れる。６０３ａ，６０３ｂはロータと一体化した回転
軸、６０５ａ，６０５ｂ，６０６ａ，６０６ｂは回転軸
６０３ａ，６０３ｂを支持する玉軸受、６０７ａ，６０
７ｂは２つのロータの同期回転を得るためのタイミング
ギヤである。なを、この種のドライポンプは、排気の際
の流体抵抗を極力減らすために、通常排気孔６０２には
吐出弁（逆止弁）は設けない。

【００１１】図２９（ａ）〜（ｃ）は、実施例のポンプ
の吸気→輸送→排気の各行程（Ｎ＝０〜４）をモデル化
して図示したものである。図中の鎖線で描かれる部分
は、ロータを失視したとき、表面からは見えない裏面の
ねじ溝６０８ａ，６０８ｂを示している。中心部と両端
部のＳは各ロータ６００ａ，６００ｂのねじ溝が噛み合
うことによりシールラインを形成する部分（図２８にも
図示）を示している。したがってこの種のねじ溝式のツ
インロータ型ポンプでは、上記シールラインＳとねじ溝
６０８ａ，６０８ｂ及びケーシング６０２により、流体
を吸気側から排気側へ運ぶ流体移送空間を形成する。こ
こで流体移送空間の左半分をｎ＝１〜５、右半分をｎ^'
＝１〜５とする。ツインロータの左側のロータ６００ａ
に形成される移送空間がどの様に流体を移送していくか
を、左半分の流体移送空間に着目して、以下順次説明す
る。

【００１２】（１）Ｎ＝０は吸気行程開始直後を示し、
ここで吸気側から矢印のごとくｎ＝１の溝に収容される
気体に着目する。

【００１３】（２）Ｎ＝１回転目で気体はｎ＝２の溝に
移動し、吸気側と完全に遮断された密閉空間に閉じこめ
られる。（Ｎ＝２，３の説明は省略） （３）Ｎ＝４回転目でｎ＝５の溝の一部は排気側と連絡
し、連絡した直後に高圧の排気側の気体はｎ＝５の溝内
部に逆流する。その後溝内部に流入した気体は、行程の
進行にともなって、再度排気側に流出することになる。

【００１４】前述した様に、吐出弁（逆止弁）をもたな
いドライ真空ポンプの吸気側が十分に低い真空圧に到達
しているにもかかわらず、大きな動力を必要とする理由
は、上記（３）のプロセスを伴うからである。

【００１５】ここで、Ｎ＝４回転目以後のスクリュー式
真空ポンプの動作状況を図３０に示す様に直動式ポンプ
におきかえてみる。図３０において、７００は真空チャ
ンバー、７０１はシリンダ、７０２は吸気側の流体移送
空間、７０３は排気側の流体移送空間、７０４はピスト
ン、７０５はピストンロッド、７０６は吸気排管、７０
７は吐出排管、７０８は反応性ガスを処理するための吸
着塔、７０９は工場配管である。流体移送空間７０２の
圧力は十分に低く、空間７０３の圧力はほぼ大気圧（Ｐ
＝１ｋｇ／ｃｍ²）に近い。したがって図３０からわか
る様に、この行程ではピストン７０４前後にΔＰ＝１Kg
／cm²程度の大きな差圧が加わり、この差圧（外部負
荷）に抗して、ピストン７０４は右方向へ移動せねばな
らない。この仕事は有益な作業に全く貢献しない無駄な
エネルギーロスでしかない。直感的に理解しやすくする
ために、スクリュー式真空ポンプを直動式におきかえて
説明したが、これはスクリュー式に限らず容積式真空ポ
ンプの共通の課題である。

【００１６】吐出行程時の排気側からのシリンダ室への
逆流を防止するために、圧縮機で用いられる様に、吐出
弁（逆止弁）を設ける方法が考えられる。しかし、 真空ポンプは排気圧が圧縮機と比べて低圧（大気圧に
近い）であり、体積流量が大きい。

【００１７】半導体設備では大排気量（例えば５００
l／ｍｉｎ以上）が必要とされる。上記の理由か
ら、吐出弁の最大開孔通路面積は十分大きくとらねばな
らない。そのためには吐出弁のリフト（移動量）を十分
大きくとらねばならず、吐出弁も大型化するが、これと
吐出弁に必要なレスポンス（応答性）は相矛盾する関係
にある。したがって実用的に満足のいく吐出弁の構成
は、ドライ真空ポンプとして用いられるスクリュー式、
クロー式、スクロール式等を想定したとき、一般に困難
であった。また前述した（２）騒音・振動が大きいとい
う、ドライ真空ポンプの課題も、吐出弁を設けても弁と
流体の連成振動による騒音が増すだけで解決策とはなら
ない。

【００１８】本発明は従来の真空ポンプが抱える上述し
た課題に答えるものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明にかかる真空ポンプでは、吸気孔に近い方
に設けられた第一のポンプ部分（上流側ポンプ部分）
と、吐出孔に近い方に設けられ、前記第１ポンプ部分よ
りも排気流量の小さな第２のポンプ部分（下流側ポンプ
部分）より構成されることを特徴とする。

【００２０】この発明にかかる真空ポンプは、第１のポ
ンプ部分あるいは第２のポンプ部分を粘性型あるいは容
積型のいずれで構成してもよい。

【００２１】この発明にかかる真空ポンプは、第１のポ
ンプ部分と第２のポンプ部分が連続的に継ながった、共
に容積式ポンプで形成してもよい。たとえば、ねじ溝
（あるいはスクリュー）のピッチが下流側に向かって除
々に減少していく様な構成でもよい。

【００２２】またこの発明にかかる真空ポンプにおい
て、前記第１と第２のポンプ部分の中間部に形成された
第１の排気孔と、第２のポンプ部分の排気側に形成され
た第２の排気孔と、上記第１と第２の排気孔の通路を継
ぐ連結部と、この連結部と上記第１の排気孔の間の通路
を開閉するバルブを設けることにより、真空チャンバー
からの気体の排気時間を一層短くできる。

【００２３】さらにこの発明にかかる真空ポンプでは、
ハウジング内に収納された複数個のロータと、このロー
タをそれぞれ独立して回転駆動するモータと、前記モー
タの回転角及び回転数を検知する検出手段と、前記検出
手段からの信号によって前記複数個のモータの回転を電
子的に同期制御すると共に、前記ロータ及び前記ハウジ
ングで形成される空間の容積変化を利用して流体の吸入
排気を行う容積型のポンプを構成して、これを第１のポ
ンプ部分とし、かつ第２のポンプの部分も同様に前記ロ
ータと前記ハウジング間に形成することにより、タイミ
ングギヤを省略でき、真空ポンプの高速回転が図れる。

【００２４】この非接触・高速回転がもたらす効果と、
本発明との相乗効果により、一層の低トルク化、静音化
が図れる。またオイルを使わないためクリーンであり、
高速化のためモータを小型化できるためポンプ本体をコ
ンパクトにできるという特徴も加わる。

【００２５】さらに前記ロータの一軸上に、ドラッグ型
の高真空ポンプを設ければ、前述した多くの効果に加え
て、大気から高真空まで一台で引ける超広帯域の真空ポ
ンプが実現できるのである。

【００２６】

【作用】本発明による真空ポンプでは、 大きな排気量が得られる第一のポンプ部分 排気量は小さいが十分に低い真空圧が得られる第２の
ポンプ部分 上記がシリーズに連結した形で構成されている。上
記のポンプでは独立して設けられていても、あるい
は連続的に形成されていても効果は同様である。ポンプ
が真空引きを開始した直後の状態では、上記のポンプ
が有効に働き、大きな重量流量の排気を行う。真空ポン
プの上流側に継ながった真空チャンバーの容積が小さけ
れば、チャンバー内は通常数秒以内で十分に低い真空圧
まで降下する。この状態で、大気側（吐出側）に継なが
っているのは、排気量の小さな上記のポンプであり、
したがってポンプの排気量（受圧面積）で決まるトルク
は小さい。

【００２７】上記のポンプは、排気流量は十分小さく
てもよいため、容積型、粘性型等いずれの型式のポンプ
でもよい。

【００２８】また上記のポンプを複数個のロータの組
合せからなる、たとえばねじ溝式、或いはスクリュー式
で構成し、この複数個のロータを電子制御による同期制
御で運転すれば、ロータの高速回転が図れる。この高速
回転の効果によって、上記のポンプの大気側から上流
側への内部リークが減少する。その結果上記のポンプ
の下流側が低い真空圧を保つことができるため、一層の
低トルク化が図れる。

【００２９】さらに上記とのポンプの中間部にバル
ブを形成して吐出孔を別途設けることにより、真空チャ
ンバーの排気時間を一層短くできる。ポンプが真空引き
を開始した直後の状態では、上記のポンプにより大き
な重量流量の排気を行ない、との各ポンプの中間部
に設けられた第１の排気孔より開放されたバルブを通過
して吐出される。第１のポンプの吸気側が十分に低い真
空圧に到達した段階では、上記バルブは閉じ込められて
おり、その代わりにのポンプの下流に設けられた第２
の排気孔だけがポンプ外部の排気側と連結することにな
る。このとき第１のポンプの排気側は、ポンプによ
って十分に低い真空圧となっている。したがって第１の
ポンプを回転させるに要する動力は大幅に低減する。
のポンプは排気量が小さいためその動力も小さい。し
たがってトータルとしての動力＋も同様に大幅に低
減することになる。

【００３０】上記いずれの場合も、第１のポンプは真
空中で回転するのと同じ状態となるため、従来のドライ
真空ポンプの様な排気側からの気体のポンプへの逆流
と、それにともなう周期的な脈動音も発生しない。ま
た、例えばねじ溝（スクリュー）の羽根が高速回転する
とき発生する風切り音もない。

【００３１】さらに前述した電子制御による同期運転方
式と組合せれば、タイミングギヤ（図２８の６０７ａ、
６０７ｂ）の接触音がなくなるため、元来粗引きポンプ
が持っていた騒音源のすべてを大幅に削減することがで
きる。

【００３２】

【実施例】以下本発明の実施例について次の順序で説明
する。

【００３３】［１］本発明の原理について ［２］ねじ溝（スクリュー）ポンプによる第一の実施例 ［３］半導体設備における本発明の使用例 以下まず上記［１］について、［１−１］バルブを設け
ない場合、［１−２］バルブを設けた場合の２つのケー
スについて説明する。

【００３４】［１−１］バルブを設けない場合 この場合の真空排気装置を直動式の真空ポンプを用いて
モデル化すると図１（ａ）及び図１（ｂ）の様になる。
ここで図１（ａ）は真空チャンバーからの排気を開始し
た直後の状態、図１（ｂ）は真空チャンバー内が十分に
低い真空圧に到達した状態を示す。１は真空チャンバ
ー、２はシリンダ、３は吸気側の流体移送空間、４は排
気側の流体移送空間、５はピストン、６はピストンロッ
ドである。ここで部材２，３，４，５，６で構成される
ポンプを第１の真空ポンプとする。７は第２の真空ポン
プ、１２は反応性ガスを処理するための吸着塔、１３は
工場配管である。

【００３５】排気開始直後の状態 このときは真空チャンバー１から大量の気体が真空ポン
プ内に吸入されると共に、排気側にも同量の気体が排出
される。

【００３６】このとき第２のポンプ７の排気容積が小さ
いために、第２のポンプ７が大量の気体を排気できず、
第２のポンプの吸入側（流体移送空間４）が圧縮状態と
なり、ポンプの温度上昇等が懸念される。しかしチャン
バー容積が１０〜２０l程度の、例えばドライエッチン
グ等の半導体プロセスでは、図１のポンプの構成でも、
チャンバー内の圧力は数秒〜数１０秒で十分に低い圧力
に到達してしまうため、ガス圧縮による発熱は実用上ほ
とんど支障はない。マイクロポンプを経て排出された気
体は吸着塔１２を経て、工場配管１３へ放出される。

【００３７】真空チャンバー内圧力が十分に低い真空
圧に到達した状態 このときは真空チャンバー１内から吸引される気体の重
量流量は極めて少ない。真空チャンバー１内に反応性ガ
スを流す場合もせいぜいＱ＝５０〜１５０cc／ｍｉｎ程
度（反応性ガスの圧力は１気圧程度）の微少流量であ
る。第２のポンプは排気量は極めて小さいが、十分に低
い真空到達圧が得られるポンプ構造が選定されている。
したがって本発明の真空排気装置では、従来ポンプの場
合の様な、排気行程における排気側から流体移送空間４
の気体の逆流は少ない。流体移送空間４の圧力は十分に
低く、ピストン５前後の圧力差も僅少である。したがっ
て第１の真空ポンプのエネルギーロスを僅少にできる。

【００３８】［１−２］バルブを設けた場合 チャンバーの容積が大きく、排気時間を一層短くしたい
場合は、図１（ｃ）（ｄ）で示す様に、第２のポンプと
並列にバルブ１１を設ける。但し、本発明の原理には、
上記［１−１］と同じである。

【００３９】８は前記第１の真空ポンプと第２の真空ポ
ンプ７の中間部に設けられた第１の排気孔、９は第２の
真空ポンプの排気側に形成された第２の排気孔、１０は
連結部、１１は８と１０の中間部に設けられたバルブで
ある。

【００４０】排気開始直後の状態 このときバルブ１１は、図１（ｃ）に示す様に開放状態
にあり、大量の気体はこのバルブ１１を経て排出され
る。

【００４１】真空チャンバー内圧力が十分に低い真空
圧に到達した状態 このとき図１（ｄ）に示すように、第１の排気孔８から
排気側へ継がる通路はバルブ１１により閉じられてい
る。第２のポンプ７は大きな圧力差を保ったままで、微
少流体の気体を輸送する。

【００４２】第２のポンプ７は後述する様に、粘性ポン
プあるいは浅い溝のスクリュー式ポンプ等のいずれを用
いてもよいが、第１のポンプと比較した場合、排気量が
小さいために十分に低トルクにできる。したがって本発
明の真空排気装置においては、装置全体の消費動力を大
幅に低減できるのである。

【００４３】［２］ねじ溝ポンプによる第１の実施例の
説明 以下本発明の実施例について、図２及び図３をもとに説
明する。

【００４４】ここで図３（ａ）は［１］排気開始直後の
状態、図３（ｂ）は［２］真空ポンプの吸気側、すなわ
ち真空チャンバー内が十分に低い真空圧に到達した状態
を示す。

【００４５】５０ａ，５０ｂはスクリュー（ねじ溝）ロ
ータ、５１は吸気孔、５２はロータ５０ａ，５０ｂを収
納するハウジング、５３は第１の排気孔である。

【００４６】５１，５０ａ，５０ｂ，５２，５３で容積
型のスクリューポンプ（第１のポンプ）を構成してい
る。５４ａ，５４ｂは前記ロータ５０ａ，５０ｂの同軸
上に形成されたスパイラルグルーブによる粘性ポンプ
（第２のポンプ）、５５は粘性ポンプの排気側に設けら
れた第２の排気孔、５６はバルブのスプール、５７はバ
ルブの開孔部、５８はスプールに軸方向荷重を与えるた
めのバネである。５６，５７，５８で制御バルブ５９を
構成している。６０は各ロータ５０ａ，５０ｂの回転を
支持する軸受（６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ）が収
納された下部ハウジング、６４ａ、６４ｂは前記ロータ
５０ａ、５０ｂと一体化した回転軸、６１ａ，６１ｂは
各ロータのスクリュー溝の同期をとるためのタイミング
ギヤである。６５はＮ₂ガスパージの外部からの流入部、
６６は第１のポンプの排気側空隙部である。

【００４７】排気開始直後の状態 真空チャンバー（後述する図５の１００）に継ながる吸
気側は、例えば大気に開放された状態にあり、吸気圧は
大気圧と同オーダーである。吸気孔５１から、スクリュ
ー５０ａ、５０ｂによって輸送された気体は、第１のポ
ンプの排気側である空隙部６６で若干圧縮された状態と
なる。

【００４８】スプール５６前後の圧力差とバネ５８の推
力とのバランスによって、空隙部６６の圧力が高い圧力
のときには、制御バルブ５９が開放状態になる様にバネ
５８の力が設定されている。従って密度の十分に高い気
体を輸送するときには、ほとんどの気体は図３（ａ）の
矢印の流路を経て外部へ流出することになる。

【００４９】吸気側が低い真空圧に到達した状態 このときは空隙部６６の圧力が低下しているために、バ
ブル５９は閉じた状態になる。しかし第２のポンプであ
る粘性ポンプは常に働いているため、空隙部６６に残存
している気体は第２の排気孔５５を経て外部へ排出され
る。また第一のポンプの吸気側から反応性ガス、Ｎ₂が
流入する場合も、前述した様に、せいぜいＱ＝５０〜１
５０ｃｃ／ｍｉｎのオーダーの微小流量である。この程
度の流量ならば、粘性ポンプで十分に排出できる。従っ
て、第１のポンプであるスクリューポンプ５０ａ、５０
ｂの排気側（空隙部６６）の圧力は十分に低圧の状態を
維持することができる。

【００５０】第２のポンプである粘性ポンプと、スクリ
ュー式、クロー式の様な異形ロータを回転させる場合と
比較すると、粘性ポンプの溝深さは数ミクロンから数十
ミクロンのオーダーであるため、風損は極めて小さい。

【００５１】実施例では、スクリューポンプの排気側６
６の圧力は、低省費動力、低騒音化だけを目的とするな
らば、それ程低下させる必要はなく、０．２〜０．３ｋ
ｇ／ｃｍ²程度で十分な効果が得られた。また反応性ガ
スの軸受部、モータ部への侵入を防止するために、Ｎ₂
ガスパージを行う場合も、図２で示す様に、このＮ₂ガ
スが第２の排気孔５５に連結する様に流通路を形成して
おけば、空隙部６６の圧力を上昇させることはない。本
実施例による真空ポンプでは、バルブ５９は一度閉じて
しまえば、その後は常に閉じた状態を保つ。もし従来の
吐出バルブを用いたとすれば、Ｎ₂ガス、反応性ガス等
の気体がたとえ微少量であっても、ポンプの排気側へ圧
送されてくるためバルブはやはり開閉をくり返すことに
なる。その結果やはり騒音は発生するのである。本発明
ではマイクロポンプ（第２のポンプ）によって微小量の
Ｎ₂ガス、反応性ガス等は連続的かつスムーズに排気さ
れる。そのため極めて静粛な状態を保ったままで長期の
連続運転が可能となるのである。また本実施例に用いら
れる制御バルブ５９には、圧縮機の吐出弁の様な高いレ
スポンス（応答性）は不要である。従来の吐出弁ではレ
スポンスを高くするということと、開孔面積を大きくと
るということとは相矛盾する関係にあったが、本実施例
では、開孔面積を十分に確保することに重点をおいたバ
ルブ５９の設計が容易である。また実施例では、真空ポ
ンプの吸気側が突如大気に開放された非常時の場合で
も、バルブのスプール５６を支持するバネ５８が収縮す
ることにより、バルブを開放状態にできる。これによっ
て非常時の真空ポンプの破損防止が図れる。

【００５２】図４に、本発明による真空ポンプの吸気圧
に対する消費動力の特性の一例を従来例と共に示す。

【００５３】［３］半導体設備における本発明の使用例 図５において１００は真空チャンバー、１０１はロード
ロック室、１０２は上記１００，１０１間のゲート、１
０３は大気と上記１０１間のゲート、１０４はスロット
ルバルブ、１０５はバルブａ、１０６はバルブｂ、１０
７はバルブＣ、１０８は本発明の粗引きポンプ、１０９
は反応性ガス源、１１０はマスフローコントローラ、１
１１はＮ₂ガス源、１１２は切換えバルブ、１１３はタ
ーボ分子ポンプ、１１４は吸着塔、１１５は工場配管で
ある。上記設備における真空排気系の動体手順は次の様
である。

【００５４】装置の動作開始時において、ゲート１０
２，１０３を遮断して、粗引きポンプ１０８を作動さ
せ、真空チャンバー１００、ロードロック室１０１内の
気体を排除する（ロードロック室１０１の真空排気系は
図示せず）。この行程では、バルブ１０７を遮断した状
態でバルブ１０６を開放しておく。

【００５５】真空チャンバー１００内の圧力が十分降
下した段階でバルブ１０６を閉じ、バルブ１０７を開放
して、粗引きポンプ１０８を駆動したままでターボ分子
ポンプ１０７を駆動させる。

【００５６】真空チャンバー１００内の圧力が所定の
真空圧に到達した後、真空チャンバー内にＮ₂ガスを微
少量流す。これは真空チャンバー１００内の残留ガス
（Ｈ₂Ｏを含む）を排除するためである。ロードロック
室１０１も同様に真空引きする。ゲート１０２を開放し
てウェハーを真空チャンバー内に導入する。

【００５７】ゲート１０３、１０２を遮断後、反応性
ガス１０９を真空チャンバー１００に導びく。このとき
真空チャンバー１００内の圧力を検知しながら、マスフ
ローコントロール１１０によりガス量の制御を行う。ウ
ェハーの処理が終了した段階で、Ｎ₂ガスを再度真空チ
ャンバー内に導びいて反応性ガスを真空チャンバーから
排出する。

【００５８】ゲート１０２を開きウェハーを取りだ
し、ロードロック室１０１へ返還する。

【００５９】上述した行程において、生産が続けられる
限りは、上記行程→へもどり、再度同じ行程をくり
返すことになる。ここで上述した行程における粗引きポ
ンプ１０８に着目して粗引きポンプの負荷状況を整理す
れば、次の様である。

【００６０】（１）行程つまり、真空チャンバー内の
空気を排除する段階でのみ、粗引きポンプは大量の気体
を輸送する。この行程はほんの数秒から数十秒で完了す
る。

【００６１】（２）行程以降、すなわち、ターボ分子
ポンプと粗引きポンプを同時に用いる段階では、粗引き
ポンプ１０８はターボ分子ポンプ１１３の排気側圧力を
下げる目的で用いられており、輸送する気体の重量流量
はごく僅かである。行程，，でＮ₂ガス及び反応
性ガスを輸送するが、しかし流量はせいぜいＱ＝５０〜
１５０cc／ｍｉｎ程度である。

【００６２】したがって、以上の一実施例で示した様
に、半導体製造行程における粗引きポンプが、密度の高
い気体を輸送する時間の総稼動時間に対する比率はごく
僅かであり、ほとんどが大気と真空チャンバー間の圧力
差を維持する目的か、あるいは上段にあるターボ分子ポ
ンプの排気側圧力を下げる目的で用いられているのであ
る。前述した様に、半導体設備のマルチチャンバー化に
よって、真空排気系に用いられる真空ポンプの数はます
ます増加し、また排気量も大型化する傾向にある。した
がって本発明の真空ポンプの導入により、半導体工場全
体の大幅な省エネルギー化が可能となるのである。

【００６３】（第２の実施例）以下本発明の他の実施例
について説明する。

【００６４】図６には第２のポンプに粘性ポンプではな
く容積型のスクリュー（ねじ溝）ポンプを使った場合を
示す。２つのロータには、お互いに噛み合う様に溝幅、
溝深さの小さいマイクロ・スクリュー３００ａ、３００
ｂが形成されている。スクリューポンプの駆動トルク
は、溝深さ、溝幅で決まる排気容積に比例するため、こ
の場合も第２のポンプに必要な駆動トルクも小さくてす
む。従って定常運転時の大幅な動力削減の効果が得られ
るのである。

【００６５】（第３の実施例）以上の本発明の適用例
は、容積の大きな真空チャンバー内の気体を短い時間で
排気せねばならない場合であった。

【００６６】真空チャンバーの容積が十分小さければ、
第１のポンプと第２のポンプの中間部に設けるバルブ
（図２の５９）と第１の排気孔（図２の５３）を省略す
ることができる。その理由は、真空チャンバーの容積が
小さければ、第２の排気孔だけから気体を排出させるこ
とにより、真空チャンバーを短い時間で十分に低い真空
圧に到達させることができるからである。排気開始直後
は気体が第２のポンプを通過する際に吸入気体は圧縮さ
れるが、その時間が短ければ実用上は支障はない。図７
にその実施例を示す。２５０ａ、２５０ｂはねじ溝ロー
タ、２５１は吸気孔、２５２はロータ２５０ａ、２５０
ｂを収納するハウジング、２５３は排気孔、２５４ａ、
２５４ｂは各ロータに形成されたねじ溝である。

【００６７】また、各ロータの排気孔２５３に近い側
に、溝面積の小さなねじ溝２５５ａ、２５５ｂが互いに
かみ合う様に形成され、容積型のマイクロ・スクリュー
を構成している。

【００６８】２５５は各ロータを支持する軸受（２５６
ａ、２５６ｂ、２５７ａ、２５７ｂ）が収納された下部
ハウジング、２５８ａ、２５８ｂは前記ロータ２５０
ａ、２５０ｂと一体化した回転軸、２５９ａ、２５９ｂ
は各ロータの同期をとるためのタイミングギヤである。

【００６９】（第４の実施例）図８及び図９は下流側ポ
ンプ部分（第２のポンプ）のシール性能の向上を図るこ
とにより、一層の低トルク化を図った例である。

【００７０】２８０ａ、２８０ｂはねじ溝ロータ、２８
１ａ、２８１ｂは上流側ねじ溝、２８２ａ、２８２ｂは
下流側ねじ溝である。上流側ねじ溝２８１ａ、２８１ｂ
とハウジング２５２で第１のポンプを構成している。

【００７１】ハウジング２５２と下流側ねじ溝２８２
ａ、２８２ｂの間で、溝幅が大きく、溝深さを極力浅く
した容積形のマイクロ・スクリュー（第２のポンプ）を
構成している。

【００７２】さて、低トルク化の効果を得るためには、
第２のポンプの上流側である中間部２８３の圧力が極力
低い方が好ましい。中間部２８３の圧力を下げるために
は、 第２のポンプの排気容量を上げる。

【００７３】吐出側から上流側への逆流（図９中の矢
印Ａ）を減らす。 のいずれかの方策が必要である。の場合、排気容積と
トルクは比例関係にあるため、この方法では低トルクの
効果は薄らいでしまう。そこで本実施例では上記に着
目することにより、一層の低トルク化を図ることができ
た。

【００７４】下流側から上流側の内部リーク：Ｑは、ロ
ータが収納されるハウジングの内径をｄ、隙間をδ、ね
じ溝凸部の幅をＢ、気体の粘性係数をμ、圧力差△Ｐと
したとき、

【００７５】

【数３】

【００７６】隙間δを小さくすれば内部リークＱが減る
が、真空ポンプの場合、部材の熱膨脹、遠心膨脹、加
工、組立精度等を見込んだ余裕分をとらねばならず限界
がある。そこでねじ溝の幅Ｂを大きくすることにより、
内部リークの低減を図った。すなわち第１のポンプのね
じ溝の凸部の幅Ｂ₁と溝深さｈ₁、第２のポンプの凸部の
幅Ｂ₂、溝深さｈ₂としたとき、次の条件が成り立つ様に
溝形状を決定した。

【００７７】

【数４】

【００７８】

【数５】

【００７９】上記（数４）（数５）により、ロータとハ
ウジング間の隙間が十分大きくしても、シール効果が得
られるため、一層のトルクダウン効果が図れる。

【００８０】（第５の実施例）図１０は、第１のポンプ
部分と第２のポンプ部分を独立したポンプとするのでは
なく、２つのロータとハウジングで形成される流体移送
空間の容積が、排気側へ向かって連続的に減少する様に
構成したポンプを示す。

【００８１】２９０ａ、２９０ｂはねじ溝ロータ、２９
１ａ、２９１ｂは上流側ねじ溝、２９２ａ、２９２ｂは
下流側ねじ溝である。ねじ溝のピッチが排気側に向かっ
て除々に小さくなっており、気体の排気能力（排気容
量）は上流側ねじ溝の形状によって、またトルクに大き
な影響を与える再膨脹流量は下流側ねじ溝の形状によっ
て決まることになる。本実施例の原理と効果は、基本的
には例えば図７の場合と同じである。第１のポンプ部分
と、第２ののポンプ部分の区別を明確にするため、本発
明ではロータの上半分（図１０のＡＡ）を第１のポンプ
部分、下半分（図１０のＢＢ）を第２のポンプ部分と定
義することにする。

【００８２】（第６の実施例）図１１、図１２は、前述
した第１、第２のポンプに加えて、サブ・ポンプを附加
することにより、、軸受に加わるスラスト荷重を軽減し
て擢動損失を減らして、ポンプのさらに低トルク化を図
った場合を示す。５００ａ、５００ｂは第２のポンプ、
５０１ａ、５０２ｂはサブ・ポンプ、５０２は第２のポ
ンプとサブ・ポンプの中間部にその開孔部が形成された
第２の排気孔、５０３ａ、５０３ｂはロータ内部空間に
設けられたシール部である。

【００８３】第２のポンプは前述した実施例と同様に、
第１のポンプの排気側６６から第２の排気孔５０２に気
体を圧送するのに対して、サブ・ポンプは第２のポンプ
と逆方向に気体を圧送する。すなわちサブ・ポンプはス
クリュー・ロータ５０ａ、５０ｂの内部空間５０２ａ、
５０２ｂの気体を排出する様に作用する。スクリュー真
空ポンプの軸受部には、非常に大きな負荷容量を見込ん
だ設計が必要とされる。ラジアル負荷はさ程ではない
が、スラスト負荷は極めて大きい、その理由は２つのロ
ータの軸に垂直な両端面の圧力差が直接ロータのスラス
ト荷重となるからで、例えば△Ｐ＝１ｋｇ／ｃｍ²、ロ
ータ径１０ｃｍ²の場合、軸受部にはスラスト荷重Ｆ＝
７８．５ｋｇｆの力が加わることになる。本発明では、
サブ・ポンプによって各ロータの内部空間も低圧にする
ことができ、その結果軸受の擢動損失を大幅に低減する
ことができる。

【００８４】（第７の実施例）図１３〜図１５は、２つ
のスクリューロータの同期運転に必要なタイミングギヤ
を第２のポンプ（ギヤポンプ）として用いることによ
り、ポンプ構造の大幅な簡素化を図った例である。すな
わち、１５０ａ、１５０ｂの２つのギヤは、第２のポン
プとして図中の矢印で示す様に微少流量の気体を圧送し
て、第１のポンプの排気側（空隙部６６）の圧力を降下
させると共に、２つのスクリューロータ５０ａ、５０ｂ
が互いに接触しないで同期回転できるタイミングギヤと
しての機能も兼ねているのである。１５１は前記ギヤ１
５０ａ、１５０ｂの上フタ、１５２は上部ハウジング、
１５３は下部ハウジング、１５２は前記上フタ１５１に
形成された第２のポンプの吸気孔、１５５は前記下部ハ
ウジング１５３及び上部ハウジング１５２に形成した第
２の排気孔である。

【００８５】（第８の実施例）図１６、１７はバルブの
通路抵抗を下げるために、ピストン駆動によって、ゲー
トを開閉させる機能を備えた制御バルブを用いた例であ
る。図１６はポンプ吸気側圧力が高く、バルブが開放し
た状態、図１７は吸気側圧力が低くなり、バルブが閉じ
た状態を示す。８００はピストン、８０１は排気通路を
開閉するゲート、８０２はバネ、８０３は第１のポンプ
の吸気側に継ながり、吸気側ピストン室８０５と連絡す
る流通路、８０４はポンプの排気側と連結し、排気側ピ
ストン室８０６と連結する流通路である。

【００８６】（第９の実施例）図１８は、従来の真空ポ
ンプに対しても本発明の効果、すなわち低消費動力、
到達真空圧の向上低騒音化等の効果が得られる様
に、本発明をユニット化した場合を示す。制御ユニット
３５０の内部に、制御バルブ、第２のポンプ（マイクロ
ポンプ）等を内蔵することにより、従来構造の真空ポン
プの内部に大きく手を加えることなく、従来真空ポンプ
の排気孔に制御ユニット３５０の吸気孔を連結するだけ
で、上述した本発明の効果が得られるのである。３５１
は従来のスクリュー式の真空ポンプであり、吸気孔３５
２、吐出孔３５３、スクリューロータ３５４ａ、３５４
ｂ、ハウジング３５５、タイミングギヤ３５６ａ、３５
６ｂより構成される。図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）は制御
ユニットの詳細を示すもので、図１９（ａ）は（１）排
気開始直後の状態、図１９（ｂ）は（２）吸気側が十分
に低い真空圧に到達した状態を示す。３７０は吸気孔、
３７１は排気孔、３７２はロータ３７３に形成されたス
パイラルグルーブによる粘性ポンプ、３７４は前記ロー
タを駆動するためのモータ、３７５は電磁ソレノイド、
３７６は前記ソレノイドのロッド、３７７は前記ロッド
３７６の直線運動を支持するブッシュ、３７８は前記ロ
ッド３７６の中間部に設けられたスプール３７８であ
る。前記スプール３７８は前記ロッド３７６に摺動可能
に挿入されているが、通常圧縮バネ３７９によって一方
向に押しつけられている。３８０はスプールの台座であ
る。この実施例では、真空ポンプの吸気側（あるいは真
空チャンバー内）に設置された圧力センサーからの信号
（図中Ｃ）により、電磁ソレノイドが駆動され、バブル
が開閉する。

【００８７】なを図１９（ｃ）に示す様に、ポンプの吸
気側が突如大気側に開放された場合には、電磁ソレノイ
ドの電流の印加状態に関係なく、スプール３７８を通常
一方向に位置規制しているバネ３７９が圧縮されること
により、制御バルブを開放することができる。したがっ
てポンプの緊急時の破損防止が図れる。

【００８８】この様に第２のポンプとバルブの部分をユ
ニット化することにより、第２のポンプのロータ径を小
さくできるため、第２のポンプの高速化が容易となる。
またロータ部分のクリアランスも小さくできるため、第
２のポンプの真空到達圧の点でも有利となる。このロー
タ３７３を支持する軸受に、動圧流体軸受、磁気軸受等
の非接触軸受を用いれば、一層の高速化を図ることがで
きる。（図示せず）なを実施例では、ユニットに制御バ
ルブを内蔵しているが、本装置の対象とする真空チャン
バーの容積が十分小さく、真空ポンプの大気側が突然開
放される等の危険性が少ない場合は、この制御バブルを
省略してもよい。

【００８９】（第１０の実施例）図２０、図２１に、本
発明を非接触同期回転による広帯域真空ポンプに適用し
た実施例を示す。

【００９０】本発明者らは、独立したモータによって駆
動される複数個のロータを備え、ロータリエンコーダ等
の回転角および回転数の検出手段を用いた非接触方式の
同期回転により、前記複数個のモータの回転を同期制御
することを特徴とする真空ポンプを既に提案している。
この提案により、ロータの高速回転が可能であり、メン
テナンスの必要性がなく、クリーンで、大幅な小型・省
スペース化が図れる粗引きポンプを提供することができ
る。さらに前記ロータの一軸上に高真空ポンプを設けれ
ば、大気から高真空まで一台で引ける広帯域真空ポンプ
が実現できる。

【００９１】本発明の適用により、前述した既提案をさ
らに大幅に改善することができる。この真空ポンプは、
ハウジング２０１内に、第１回転軸２０２を鉛直方向に
収納した第１固定スリーブ２０３と、第２回転軸２０４
を鉛直方向に収納した第２固定スリーブ２０５を備えて
いる。両回転軸２０２、２０４の同軸上で筒形ロータ２
０６、２０７が外側から嵌合されている。なお両回転軸
２０４、２０２は、それぞれ玉軸受２３６、２３７、２
３８、２３９で支持されている。各ロータ２０６、２０
７の外周面には互いに噛み合うようにして流体移送溝で
あるねじ溝（スクリュー）２０８、２０９が形成されて
いる。これら両ねじ溝の互いに噛み合う部分は、容積型
真空ポンプ構造部分Ａ（第１のポンプ部分）となってい
る。第１回転軸２０２の上部には円筒形状の回転スリー
ブ２１０がロータ２０６と一体化して設けられている。
この回転スリーブ２１０を一方向から収納する様に固定
円筒２２２、２２３がケーシング２０１に設けられてい
る。この回転スリーブ２１０の表裏の相対移動面にはス
パイラルのドラッグ溝２１１、２１２が形成されてい
る。この回転スリーブ２１０と固定円筒２２２、２２３
で形成される部分が中真空から高真空までの排気を目的
とするドラッグポンプの構造部分Ｂ（第３のポンプ部
分）となっている。この第３のポンプが、主として分子
流あるいは中間流領域の気体を排気する機能を持つ。す
なわちこのスパイラル溝２１１、２１２のドラッグ作用
により、高真空側吸気孔２１３から流入した気体を容積
型ねじ溝ポンプが収納されている空間２１４へ排気す
る。さらに容積型ねじ溝ポンプに流入した気体は排気孔
２１５から排出される。なお、ポンプを作動させてから
チャンバー内の圧力が大気圧に近い間は、容積式ポンプ
吸気孔２４０（２点鎖線で図示）から気体を吸入し、チ
ャンバー内圧力が十分に近い真空圧に到達したら、高真
空側吸気孔２１３から気体を吸入してもよい。ロータ２
０６、２０７の各下端外周面には、ねじ溝同士の接触を
防止するための接触防止用ギヤ２１６、２１７が設けら
れている。接触防止ギヤ２１６、２１７には多少の金属
間接触にも耐えられるように、固体潤滑膜が形成されて
いる。これら両接触防止用ギヤ２１６、２１７の互いの
噛み合い部分の隙間（バックラッシュ）は、両ロータ２
０６、２０７の各外周面に形成されたねじ溝２０８、２
０９の互いの噛み合い部分の隙間（バックラッシュ）よ
りも小さくなるように設計されている。そのため、両接
触防止用ギヤ２１６、２１７は、両回転軸２０２、２０
４の同期回転が円滑に行われているときは互いが接触す
ることはないが、万一、この同期がずれたときは、ねじ
溝２０８、２０９同士の接触に先立って互いに接触する
ことにより、両ねじ溝２０８、２０９の接触衝突を防止
する働きをする。なを、この接触防止ギヤ２１６、２１
７を図１３〜図１５の実施例で示した様に、第２ポンプ
（ギヤポンプ）として用いることも勿論できる（詳細
略）。この場合、後述するスパイラルグルーブによる粘
性ポンプ２４１ａ、２４１ｂは不要となる。第１回転軸
２０２と第２回転軸２０４は、それぞれの下部に独立し
て設けられたＡＣサーボモータ２１８、２１９により数
万ｒｐｍの高速で回転する。この実施例における２つの
回転軸の同期制御は、以下示す方法によった。すなわ
ち、各回転軸２０２、２０４の下端部にはロータリタエ
ンコーダ２２０、２２１が設けられている。図２２のブ
ロック図で示す様に、これらのロータリエンコーダ２２
０、２２１からの出力パルスは、仮想のロータを想定し
て設定された設定指令パルス（目標値）と照合される。
目標値と各軸２０２、２０４からの出力値（回転数、回
転角度）との間の偏差は、位相差カウンターにより演算
処理され、この偏差を消去するように各軸のサーボモー
タ２１８、２１９の回転が制御される。ロータリエンコ
ーダとしては、磁気式エンコーダや通常の光学式エンコ
ーダであってもよいが、実施例ではレーザ光の回折・干
渉を応用した高分解能で高応答性のレーザ式エンコーダ
を用いた。

【００９２】また２４１ａ、２４１ｂは各ロータ２０
６、２０７の同軸上に形成された粘性ポンプによる第２
のポンプ、２４２は第２の排気孔、２４３はバネ、スプ
ール等で構成される制御バルブである。

【００９３】（第１１の実施例）図３１は、第１０の実
施例で説明した真空ポンプにおいて、第２のポンプに容
積型のスクリュー（ねじ溝）ポンプを用いて、かつ制御
バルブを省略した場合を示す。２５０ａ、２５０ｂはマ
イクロ・スクリュー、２５１は排気孔である。

【００９４】本発明を電子式の同期制御による真空ポン
プに適用したとき得られる効果は次の様である。

【００９５】［１］高速化により、一層の低消費動力化
が図れる。 前述した様に、本発明のポンプでは、第１のポンプを駆
動するのに要するトルクによって、ポンプの必要動力の
大半が決まる。そのためには、第１のポンプの下流側
（すなわち第２のポンプの上流側）の真空圧が低い程、
トルクを小さくできる。

【００９６】さて、この第２のポンプの上流側真空圧
は、内部リーク／排気能力の比が小さい程低くできる。
ローター回転あたりの吐出側から上流側への内部リーク
は、高速回転にする程小さくできる。したがって従来の
数千回転から数万回転にまで高速化が図れる非接触同期
回転によって、この内部リークを減らし、第２のポンプ
の上流側真空圧を下げることができるため、一層の低消
費動力化が図れるのである。

【００９７】［２］高速化により到達真空圧を低くでき
る。 ドラッグポンプの構造部分Ｂ（第３のポンプ）は、その
吸気側２１３が低い真空圧に到達した段階では、回転部
分（回転スリーブ２１０）は圧力の低い空間内で回転す
るため、圧力によるポンプ負荷も小さく、負荷トルクは
極めて低い。この点を利用して、この実施例のポンプで
は次の様な操作ができる。

【００９８】（１）まず真空ポンプを例えば１万ｒｐｍ
程度の回転数で駆動し、容積式ポンプ（第１のポンプ）
をフル稼働させることにより、真空チャンバー内圧を例
えば１０^-2〜１０^-3ｔｏｒｒにまで降下させる。

【００９９】（２）上記（１）の行程が完了した時点で
は、第１のポンプ（スクリュー）の下流側の圧力は十分
低くなっている。したがってモータの消費動力は極めて
小さくなっている。ここでポンプの回転数をさらに例え
ば２〜３万ｒｐｍにまで上げる。本発明の真空ポンプで
は、低トルク化の結果により、小型モータでも高速回転
が容易となる。

【０１００】その結果、運動量輸送型ポンプＢ（第３の
ポンプ）の排気効率が上がり、真空到達圧を例えば１０
^-8ｔｏｒｒ以下まで下げることができる。

【０１０１】［３］半導体工場において、広帯域真空ポ
ンプの真空チャンバーへの設置が容易となる。

【０１０２】従来の半導体工場では、粗引きポンプとタ
ーボ分子ポンプはそれぞれ別室に設置し、両者を配管に
よって連結していた。振動・騒音・排気熱量の大きな粗
引きポンプは、頻繁に行われるメンテナンス作業が効率
的に図れる様に、粗引きポンプの専用室で管理されてい
た。一方、振動・騒音の小さなターボ分子ポンプは、真
空チャンバーに直接取り付けることにより、コンダクタ
ダンスを上げて低い真空圧を得ていた。本発明のポンプ
では非接触同期制御であるがゆえにクリーンであり、振
動が小さく、かつ高速のため装置全体を小型化、軽量化
できる。さらに低騒音であり、低トルクであるがゆえ
に、排気熱量も少ない。したがって本発明の真空ポンプ
は粗引きポンプとターボ分子ポンプの２台を１台にする
だけでなく、従来のターボ分子ポンプに置き変わる形で
真空チャンバーに直接とりつけることができる。これは
既提案の電子式同期制御の真空ポンプでは実現不可能だ
ったものである。半導体工場全体の物造りコンセプトが
本発明によって根本的に変わるのである。

【０１０３】なお、本発明の実施例では、第１のポンプ
にねじ溝式のスクリューポンプを適用した場合について
説明したが、図２３〜図２７に示す様な各種異形ロータ
の組合せにするポンプ（クロー、ギヤ、スクリュー）等
も勿論適用することができる。第１のポンプに１ロータ
型の遠心ポンプ、粘性ポンプも適用できる。

【０１０４】第２のポンプに粘性ポンプを用いる場合
は、実施例では回転ロータの外表面にスパイラル・グル
ーブの浅い溝を形成した場合について説明したが、ロー
タの対向面である静止側に溝を形成してもよい。また粘
性ポンプは円筒形でなくてもよく、例えば多段のスラス
ト円盤を重ね合わせて、かつ流体が半径方向に流動する
様に、円盤表面に溝を形成してもよい（図示せず）。

【０１０５】また粘性ポンプは両軸に設けないで、片軸
だけに外径を大きくして設けてもよい。

【０１０６】本実施例（電子式同期制御）では既に説明
した第２のポンプの実施例のすべてが適用できる。例え
ば、第２のポンプには、第２の実施例で示した容積型の
マイクロスクリューも適用できる。真空チャンバーの容
積が十分小さければ、制御バルブ２４３を省略した第３
の実施例も適用できる。

【０１０７】あるいは第２のポンプのシール性能を向上
させた第４の実施例、ロータ長さの短縮が図れる第５の
実施例等が適用できる。

【０１０８】また、第２のポンプも用途に合せて、図２
３〜２７で示すポンプの種類を選択できる。

【０１０９】実施例では、片持ち構造の２ロータ型スク
リューポンプに本発明を適用した場合について説明した
が、両持ち支持型のスクリューポンプにも本発明を適用
できる。この場合スクリューロータを支持する軸受部分
（ロータよりも径小）でのシールが容易となる。このシ
ール部分にマイクロポンプを形成してもよいし、またマ
イクロポンプは別ユニットで設けてもよい。

【０１１０】また実施例では、本発明を２ロータ型の容
積式ポンプに適用した場合について説明したが、たとえ
ばフラットなディスク面に遠心要素型、円周要素型など
と呼ばれるポンプ要素あるいはスパイラル溝を形成した
１ロータ型のポンプに適用してもよい。この場合、マイ
クロポンプの形状は第１のポンプと比べて、溝深さを浅
くするか外径を小さくする等の方策を施せばよい。

【０１１１】

【発明の効果】本発明からなる真空排気装置は、排気量
の大きな第１のポンプと、排気量が小さいが十分に低い
真空到達圧が得られる第２のポンプが組み合わされた形
で構成されている。本発明の真空ポンプを例えば半導体
設備の真空排気系に用いたとき、次の効果が得られる。

【０１１２】［Ｉ］ 真空ポンプの定常運転時に大幅な
省エネが図れる。 ポンプの駆動トルクはポンプの理論排気容積に比例する
ため、吸気側が低い圧力に達したときは、第１のポンプ
のトルクを大幅に低減することができる。第２のポンプ
は真空到達圧は十分に低いが、排気量の小さな微小流量
ポンプであり、トルクは極めて小さい。従って真空ポン
プのトータルとしての消費動力を大幅に低減できるので
ある。

【０１１３】［II］ 真空到達圧を一層低くくできる。 通常真空ポンプでは、排気量と真空到達圧は相反する関
係にある。排気量を大きくしようとすれば、真空到達圧
が犠牲となり、真空到達圧を求めれば排気量が小さくな
ってしまう。本発明では性格の異なる２つのポンプを組
合せたという点に特徴がある。

【０１１４】（１）排気量が大きな第一のポンプ（上流
側ポンプ部分） （２）排気量は小さいが十分な真空到達圧が得られる第
２のポンプ（下流側ポンプ部分） 本ポンプでは上記（１）と（２）の間に十分に大きな排
気孔が設けることにより、排気側通路面積を大きくと
れ、排気量の制約をなくすことができる。このとき吸気
側が低い真空圧に到達する段階では、上記排気孔は閉じ
られており、上記（１）（２）のポンプがシリーズに連
結される。（２）のポンプの存在によって、（１）のポ
ンプの排気側の圧力は十分に小さくなる。その結果
（１）のポンプの高圧気体の上流側へのリークは減少す
る。すなわち本真空排気装置では、（１）のポンプに
（２）のポンプを単に加え合わせただけではない相乗効
果によって高い真空到達圧が得られるのである。

【０１１５】ポンプの吸気側に継ながる真空チャンバー
の容量が十分小さければ、上記（１）（２）の間に設け
るバブルと排気孔を省略でき、構成は一層シンプルとな
る。

【０１１６】また、上記（１）（２）は独立したポンプ
でなくてもよく、たとえばねじ溝（或いはスクリュー曲
線）が連続的に変化する形状の容積式ポンプを用いれ
ば、ロータの全長を短くできる。

【０１１７】［III］ 電子制御による同期運転方式と
の組合せにより、一層の性能向上と静音化が図れる。

【０１１８】既提案の電子制御による同期運転で構成さ
れるポンプと、本発明を組み合わせた相乗効果により、
本発明の効果をより顕著に引き出すことができる。その
理由の一つは、電子式の同期制御により、ポンプの回転
数を大幅にアップできるという点にある。

【０１１９】例えば通常数千回転／分が限界の容積式ポ
ンプの回転数を、数万回転／分までにアップできる。そ
の結果、(１)第２のポンプの吐出側から上流側への内部
リークが低減できることにより、第２のポンプの上流側
真空圧を下げ、低トルクが図れる。

【０１２０】(２)高速化により、第１のポンプの真空到
達圧も下げることができる。さらにその上段にドラッグ
ポンプ（第３のポンプ）を設けた複合ポンプにすれば、
ドラッグポンプの背気圧が一層下がるため、超高真空
（１０^-8Ｔｏｒｒ以下）の領域までの低い真空圧を得る
ことができる。

【０１２１】また電子式同期制御のタイミングギヤの接
触音がないという特徴に加えて、次の様な本発明の静音
化の効果が加わる。すなわち本発明では、排気量の大き
な第１のポンプのロータ部分は、排気側、吸気側共圧力
の低い空間で回転する。そのため、異形ロータ（例えば
スクリュー形状）の回転による風切り音は発生しない。
またポンプの排気側からポンプ内部への気体の逆流、再
流出による脈動音も発生しない。また逆止弁（吐出弁）
を設けたときの様な、弁と気体の連成振動による騒音も
発生しない。

【０１２２】したがって、従来粗引きポンプの持ってい
たすべての騒音発生源を大幅に低減でき、従来粗引きポ
ンプに対して１０〜２０ｄＢの静音化が図れる。

【０１２３】これは本発明と電子制御式ポンプの組み合
せにより、初めて達成できるものである。また、ロータ
の一軸上に高真空ポンプを設ければ、極めて静音でかつ
低発熱の超小型・広帯域ポンプが実現できる。

【０１２４】これらの効果により、半導体工場を一新す
る真空ポンプが実現するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のポンプの原理図で、排気開始
直後の状態を示す図 （ｂ）は本発明のポンプの原理図で、真空チャンバーが
十分に低い真空圧に到達した状態を示す図 （ｃ）はポンプにバルブを設けた場合の排気開始直後の
状態を示す図 （ｄ）はポンプにバブルを設けた場合の真空チャンバー
が十分に低い真空圧に到達した状態を示す図

【図２】本発明の第一の実施例の正面断面図

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施例でバルブが開放
状態を示す図 （ｂ）は本発明の第１の実施例でバルブが閉じた状態を
示す図

【図４】本発明と従来例の消費動力と吸気圧の関係を示
すグラフ

【図５】本発明を適用した半導体工場における真空排気
系のシステム構成図

【図６】本発明の第２の実施例、でスクリュー式マイク
ロポンプを用いた例を示す図

【図７】本発明の第３の実施例で、バルブを省略した場
合の具体構成を示す正面断面図

【図８】本発明の第４の実施例で、第２のポンプの内部
リークを減らすねじ溝形状とした場合の正面断面図

【図９】上記正面断面図の一部矢視図

【図１０】本発明の第５の実施例で、ねじ溝ピッチが連
続的に下流側に向かって序々に小さくした場合の正面断
面図

【図１１】本発明の第３の実施例で、第３のポンプを用
いた例を示す図

【図１２】同実施例の正面断面図

【図１３】本発明の第４の実施例で、ギヤポンプを用い
た場合の平面図

【図１４】同正面断面図

【図１５】同側面断面図

【図１６】本発明の第５の実施例で、ピストン式ゲート
バルブを用いた場合のでバルブが開放状態を示す図

【図１７】上記バルブが閉じた状態を示す図

【図１８】本発明をユニット化した第６の実施例で、バ
ルブが開放状態の場合を示す図

【図１９】（ａ）は上記バルブが開放の場合を示す図 （ｂ）は上記バルブが閉じた状態を示す図 （ｃ）は上記非常状態でバルブが開放状態を示す図

【図２０】本発明の第７の実施例で、非接触同期制御式
真空ポンプに適用した場合を示す図

【図２１】同正面断面図

【図２２】電子式同期制御のブロック図

【図２３】本発明に適用可能なクロータイプを示す図

【図２４】本発明に適用可能なギヤタイプを示す図

【図２５】本発明に適用可能な変形ロータタイプを示す
図

【図２６】本発明に適用可能な変形スクリュータイプを
示す図

【図２７】本発明に適用可能な変形ロータタイプを示す
図

【図２８】従来のスクリュー式真空ポンプの正面断面図

【図２９】（ａ）は従来のスクリューポンプの吸気→輸
送→排気を示すモデル図 （ｂ）は従来のスクリューポンプの吸気→輸送→排気を
示すモデル図 （ｃ）は従来のスクリューポンプの吸気→輸送→排気を
示すモデル図

【図３０】従来の真空ポンプのモデルを示す図

【図３１】本発明の第１０の実施例において、第２のポ
ンプに容積型スクリューを用いて、かつバルブを省略し
た場合を示す図

【符号の説明】

１ 真空チャンバー ２ シリンダ ７ 第２の真空ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池本 義寛 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気孔に近い方に設けられた上流側ポン
   プ部分と、吐出孔に近い方に設けられ、前記上流側ポン
   プ部分よりも排気流量の小さな下流側ポンプ部分より構
   成されることを特徴とする真空排気装置。
2. 【請求項２】 ハウジング内に収納された複数個のロー
   タと、前記ロータ回転を支持する軸受と、前記ハウジン
   グに形成された流体の吸入口及び吐出口と、前記吸入口
   および吐出口とそれぞれ連通する前記ハウジング内の吸
   入室及び吐出室と、前記ロータを回転駆動するモータ
   と、前記ロータおよび前記ハウジングで形成される空間
   の容積変化を利用して容積型ポンプを形成して、前記上
   流側ポンプ部分とすると共に、前記ロータ及び前記ハウ
   ジングの狭いすきまの相対移動面を利用した粘性ポンプ
   を形成して、前記下流側ポンプ部分としたことを特徴と
   する請求項１記載の真空排気装置。
3. 【請求項３】 ハウジング内に収納された複数個のロー
   タと、前記ロータ回転を支持する軸受と、前記ハウジン
   グに形成された流体の吸入口及び吐出口と、前記吸入口
   および吐出口とそれぞれ連通する前記ハウジング内の吸
   入室及び吐出室と、前記ロータを回転駆動するモータ
   と、前記ロータおよび前記ハウジングで形成される空間
   の容積変化を利用して容積型ポンプを形成して、前記上
   流側ポンプ部分及び前記下流側ポンプ部分としたことを
   特徴とする請求項１記載の真空排気装置。
4. 【請求項４】 前記複数個のロータをそれぞれ独立して
   回転駆動するモータと、前記モータの回転角およびある
   いは回転数を検知する検出手段と、前記検出手段からの
   信号によって前記複数個のモータの回転を同期制御した
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の真空排気装置。
5. 【請求項５】 上流側ポンプ部分を第１のポンプ、下流
   側ポンプを第２のポンプとしたとき、前記ロータの少な
   くとも一軸上に、主として中間流、分子流領域の気体を
   排気するためのねじ溝あるいは翼等で構成される第３の
   ポンプを設けたことを特徴とする請求項４記載の真空排
   気装置。
6. 【請求項６】 上流側ポンプ部分を第１のポンプ、下流
   側ポンプ部分を第２のポンプとしたとき、前記第１と第
   ２のポンプの排気側に形成された第１及び第２の排気孔
   と、上記第１と第２の排気孔の通路を継ぐ連結部と、こ
   の連結部と上記第１の排気孔の間の通路を開閉するバブ
   ルより構成されることを特徴とする請求項１記載の真空
   排気装置。
7. 【請求項７】 上流側ポンプ部分及び下流側ポンプ部分
   の各ロータに、互いに噛み合うねじ溝を形成し、上流側
   ポンプ部分のねじ溝の幅をＢ₁、深さをｈ₁、下流側ポン
   プ部分のねじ溝の幅をＢ₂、深さをｈ₂とし、上記Ｂ₁、
   Ｂ₂、ｈ₁、ｈ₂は概略平均値としたとき、 【数１】 【数２】 が成立する様に構成したことを特徴とする請求項３に記
   載の真空排気装置。
8. 【請求項８】 下流側ポンプ部分は、前記上流側ポンプ
   部分とは独立したモータにより回転駆動されることを特
   徴とする請求項１記載の真空排気装置。