JPH0932794A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成によって気体流路を加熱し、堆積
しやすい凝縮性の気体に対しても、反応生成物のポンプ
内での付着，堆積が減少する。 【解決手段】 永久磁石１１とこの永久磁石１１の磁極
と隣接する磁性体１４とをロータ２の周方向に配置し、
永久磁石１と磁気回路を構成する強磁性体の固定筒１２
をロータ２とベース９間に設け、固定筒１２をステータ
１と熱的に結合させたターボ分子ポンプを構成する。ロ
ータ２が回転すると、固定筒１２内の磁場は、ロータ２
の回転に伴って固定筒内で移動し、渦電流によるジュー
ル熱が発生する。発熱した熱は、熱伝導によってステー
タ１、ステータ翼１ａおよびスペーサ１ｂに伝わり、ケ
ーシングＣ、ベース９、軸受６，７にも伝達され、さら
に、ステータ翼１ａから熱輻射によってロータ翼２ａに
伝わりポンプ全体の温度が上昇する。これによって、反
応生成物の付着，堆積を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドライエッチング
装置などの半導体製造装置に使用されるターボ分子ポン
プに関し、特に、堆積性のある凝縮性ガスの排気に好適
なターボ分子ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来のターボ分子ポンプの一例を
示す図である。従来のターボ分子ポンプは、ケーシング
Ｃの一部を成す外筒１内に高速回転可能にロータ２を配
設し、ロータ２の外周に突設したロータ翼２ａとケーシ
ングＣの一部を成す積層状に設けられたステータスペー
サ１ｂの内周に突設したステータ翼１ａとの間にタービ
ンＴを形成し、吸気口３から吸入したガス分子をこのタ
ービンＴによって、排気口４側に圧縮して排出する構成
である。また、このロータ２のねじ溝ロータ２ｂには、
前記タービンＴの下端部外周に螺旋ねじが刻設してあ
り、ロータ２とステータ円筒１ｃとの間のガスを排気口
側に送っている。なお、一般にロータ２やステータスペ
ーサ１ｂはアルミニウム合金などの金属によって形成さ
れる。また、図示するポンプにおいては、ロータ２に固
着した回転軸５は、上下一対のラジアル磁気軸受６，７
および軸端部のスラスト磁気軸受８によって、非接触で
支持されている。９はケーシングＣの一構成要素であっ
て、外筒１を支持するベースであり、例えばアルミニウ
ム合金で形成することができる。Ｍはインダクションモ
ータである。

【０００３】このような構成のターボ分子ポンプでは、
プロセスガスを排気する場合に、固体状の反応生成物が
ポンプ内に付着，堆積し易いという問題点がある。例え
ば図８に示したターボ分子ポンプにおいて、軸受に非接
触の軸受６，７，８を採用しているため、稼働中の摩擦
抵抗は低減されている。また、これらの軸受ならびにモ
ータＭでは、珪素鋼板製のコアを採用することによって
渦電流損の低減化を図っている。このため、１０-3〜１
０-2Ｔｏｒｒ程度の吸気ガスを０．０５〜０．５Ｔｏｒ
ｒ程度に圧縮する過程におけるガスとタービンＴとの摩
擦抵抗は僅かなものとなる。したがって、図示するよう
な分子ポンプでは、全体として発熱要因が少なく、通
常、常温から僅かに昇温した状態で運転される。しか
し、この分子ポンプを例えば半導体デバイスのアルミニ
ウムドライエッチング等を行なう半導体製造装置に適用
し、エッチング後の反応生成物である塩化アルミニウム
ＡｌＣｌ3 等の排気を行なわせると、この種のガスは蒸
気圧特性上、固相となる温度が例えば５０〜６０°にあ
るため、このガスが常温近傍のポンプ内に取り込まれる
ことによって固相温度以下の冷却され、固体状の反応生
成物となって流路に臨む各部位に付着，堆積することに
なる。このような反応生成物のポンプ内への付着，堆積
は、一定の使用期間内に多いときには３〜４ｍｍに達す
る場合もある。

【０００４】このため、このターボ分子ポンプを塩化ア
ルミニウムや同等の現象を生じさせるガス排気に使用す
る場合には、通常よりも頻繁に分解清掃作業が必要とな
り、メンテナンスや稼働効率上で極めて大きな不都合が
生じることになる。また、特に、ねじ溝ロータ２ｂとス
テータ円筒１ｃの間やロータ翼２ａとステータ翼１ａの
間等のロータ２外周とケーシングＣとの間では、間隔が
１ｍｍ程度の微小間隔であるため、堆積した反応生成物
により両者が固体接触する可能性が高くなり、ポンプ自
体の損傷や破損といった重大な事故を招く虞がある。

【０００５】従来このような問題点を解決する手段とし
て、ニクロム線ヒータ等の熱源を用いて、ポンプの温度
を高温に制御する方法や、ロータに配置した永久磁石と
ハウジングとの間で磁気回路を形成し、この磁気回路中
の渦電流による発熱を利用する方法が知られている。図
８に示すターボ分子ポンプは、ロータ２に永久磁石１０
を配置した構成を示している。永久磁石１０による磁場
は、ケーシングＣの対向面や近傍の金属構成部材を貫通
して磁気回路を形成し、ロータ２の回転に伴う渦電流に
よって発熱している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒータ
等の熱源を用いる方法では、ヒータや付随する配線のた
めのスペースが必要であり、また、ニクロム線ヒータの
制御のためのリレーや電力制御器が必要であり、断線に
よる加熱作用の停止や漏電事故を防止するための漏電遮
断機や絶縁トランスを備える必要がある。また、従来の
永久磁石を用いる方法では、ヒータ等の熱源を用いた方
法が有する問題点は解決できるものの、回転する永久磁
石の周囲は透磁率の低い物質により構成されているた
め、ケーシングやステータの内部が発熱するに至る磁束
密度を得るには高磁束密度の永久磁石を多数使用する必
要があり、また、永久磁石の回転運動によって、磁界お
よび電界の変動を周囲に及ぼすという問題点がある。そ
こで、本発明は前記した従来のターボ分子ポンプの問題
点を解決し、簡易な構成によって気体流路を加熱し、堆
積しやすい凝縮性の気体に対しても、反応生成物のポン
プ内での付着，堆積を防止することができるターボ分子
ポンプを提供することを目的とする。さらに、多数の高
磁束密度の永久磁石を必要としない簡易な構成のターボ
分子ポンプを提供し、また、周囲に対する磁界および電
界の変動を低減したターボ分子ポンプを提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石とこ
の永久磁石の磁極と隣接する磁性体とをロータの周方向
に配置し、永久磁石と磁気回路を構成する強磁性体の固
定筒をロータとベース間に設け、固定筒をステータと熱
的に結合させたターボ分子ポンプを構成することによっ
て、前記目的を達成するものである。

【０００８】本発明の第１の実施態様は、永久磁石をロ
ータの周方向にＮ，Ｓの磁極が交互となるよう磁性体を
はさんでロータに配設するものであり、これによって、
ロータの回転中における周囲に対する磁界および電界の
変動を低減することができる。

【０００９】本発明の第２の実施態様は、固定筒を直接
または熱伝導性部材を介してステータあるいはスペーサ
に接触させるものであり、これによって、ステータへの
熱伝導を良好なものとすることができる。

【００１０】本発明の第３の実施態様は、固定筒とステ
ータとを強磁性体で一体に形成するものであり、これに
よって、発熱効率とステータへの熱伝導を良好なものと
することができる。

【００１１】本発明の第４の実施態様は、温度センサと
冷却水配管を軸受の近傍に設け、これによって、軸受部
の温度上昇を制御することができる。

【００１２】ロータに配置した永久磁石は、ロータとベ
ース間に設けた強磁性体の固定筒との間で磁気回路を形
成している。ターボ分子ポンプの駆動によってロータが
回転すると、固定筒側に形成される磁気回路中の磁場
は、ロータの回転に伴って、固定筒内で周方向に移動す
る。一般に、強磁性体に加わる磁場が変化すると、強磁
性体には渦電流が生じてジュール熱を発生する。したが
って、ロータの回転による固定筒内の磁場の変化によ
り、固定筒は発熱する。永久磁石をロータの周方向に
Ｎ，Ｓの磁極が交互となる構成では、より多くの磁場変
化によって大きな発熱量を得ることができる。

【００１３】固定筒で発熱した熱は、熱伝導によって直
に固定筒を介してまたは熱伝導性部材を介してステー
タ、ステータ翼およびスペーサに伝わり、ケーシング、
ベース、軸受にも伝達される。さらに、ステータ翼から
は、熱輻射によってロータ翼に伝わりポンプ全体の温度
が上昇する。このポンプの温度上昇させ、特に、反応生
成物が付着，堆積しやすい流路における温度を上昇させ
ることによって、反応生成物の付着，堆積を減少させる
ことができる。

【００１４】ロータに配設した永久磁石を、強磁性体の
固定筒とロータ側の磁性部材によって内側と外側で囲む
構成とすることによって、ポンプ内部のモータ部や軸受
部、また、ポンプ外部に対する漏れ磁束の影響は低減さ
れる。また、軸受の近傍に配置した温度センサの温度検
出によって、軸受部における温度が軸受部の許容温度以
上となった場合には、冷却水配管を介して冷却水を軸受
部近傍に通し、反応生成物の付着，堆積を防止する部位
は高温としたままで軸受を冷却することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の一
形態を説明するための断面図であり、図２，図３は永久
磁石の配置を説明するための断面図であり、図４は永久
磁石と固定筒との関係を説明するための一部を除去した
斜視図である。図１に示すターボ分子ポンプは、前記図
８に示した従来のターボ分子ポンプとほぼ共通の構成を
備え、主に永久磁石の配置および固定筒の配設に構成の
点で相違している。

【００１６】例えば、タービンＴにおいて、アルミニウ
ム合金製のロータ翼２ａに対向してステータ翼１ａが交
互に配置され、ロータ翼２ａ下部のねじ溝ロータ２ｂの
内周面に複数個の永久磁石１１が接着されている。永久
磁石１１は、図１〜図４に示すように、ねじ溝ロータ２
ｂの内周面にその磁極方向が回転周方向となるよう一定
角度間隔で配置し、その磁極間に磁性体からなる磁性片
１４を設ける。永久磁石１１はその磁極がＮ，Ｓ交互と
なるよう配置する。そして、ベース部９とねじ溝ロータ
２ｂとの間には、永久磁石１１に近接して強磁性体によ
り形成された固定筒１２が設置されている。この固定筒
１２は、永久磁石１１とともに磁気回路を形成する。固
定筒１２とステータ円筒１ｃとは一体に形成されてお
り、固定筒１２で発生した熱は直ちにステータ円筒１ｃ
に伝達される。

【００１７】また、回転軸５の回りにはラジアル磁気軸
受６，７、スラスト磁気軸受８からなる磁気軸受とモー
タＭが配置される。さらに、図１に示す構成のターボ分
子ポンプは、ベース部９を介して外部よりラジアル磁気
軸受６にパージガスを供給するパージポート１３が設け
られている。

【００１８】図２，３において、永久磁石１１は、永久
磁石１１のＮ極から出た磁束は磁性片１４を通った後、
対向配置した固定筒１２との間のエアギャプを通って固
定筒１２内を周方向に通り、再びエアギャプを通って磁
性片１４を介して永久磁石１１のＳ極に戻る磁気回路を
形成している。この磁気回路は、配置された永久磁石１
１毎に形成される。ここで、ロータ２が回転すると、ね
じ溝ロータ２ｂおよび永久磁石１１はこのロータ２の回
転に伴って固定筒１２に対して周方向に回転する。図３
は、図２の位置から回転した状態を示している。この永
久磁石１１の回転運動によって、固定筒１２内における
磁場も移動する。強磁性体中の磁場の移動により、強磁
性体には渦電流が発生し、さらにジュール熱が発生す
る。

【００１９】ここで、固定筒１２に係る磁束密度をＢ、
永久磁石の個数をｎ個、ロータ翼２の回転速度をｆとす
ると、渦電流によって発生する単位時間当たりの発熱量
Ｗは以下の式によって表される。 Ｗ＝Ｋ・（ｎ・ｆ・Ｂ）2 磁束密度Ｂは、永久磁石１１と固定筒１２との間のギャ
ップｔが小さいほど大きく、固定筒１２の透磁率が大き
いほど大きくなる。

【００２０】したがって、固定筒１２を透磁率が大きな
強磁性体とすることによって、永久磁石１１の磁束密度
Ｂおよび個数を従来のターボ分子ポンプに適応したもの
と比較して、小さな磁束密度で少ない個数の永久磁石で
実現することができる。

【００２１】次に、図４および図５を用いて発熱の伝達
する様子を説明する。図４の斜視図において、固定筒１
２で発生した熱は、図中の実線の矢印で示すように、固
定筒１２とステータ円筒１ｃとを結ぶ連結部１５を通っ
てステータ円筒１ｃに伝わる。この熱によってステータ
円筒１ｃは温度上昇し、ねじ溝ロータ２ｂに対向した部
位の温度が上昇する。

【００２２】さらに、図５に示すように、熱はステータ
円筒１ｃを通ってステータスペーサ１ｂ、ステータ翼１
ａに伝わり、該部位の温度を上昇させる。また、ケーシ
ングＣ、ベース部９および軸受部６，７の温度を上昇さ
せる。ロータ翼２ａは、対向するステータ翼１ａから熱
輻射によって熱伝達を受け、ポンプ全体の温度上昇に寄
与する。

【００２３】ターボ分子ポンプの温度が不当に高くなる
と、モータや磁気軸受等のコイル部に絶縁破壊が生じた
り、磁気軸受のギャップセンサの温度ドリフトが生じる
といった虞がある。そこで、本発明の実施の形態では、
固定筒１２にステータ円筒１ｃを直接に接続することに
よって、固定筒１２に発生した熱のステータ円筒１ｃへ
の伝達効率を上げ、これによって、固定筒１２の次にス
テータ円筒１ｃにおける温度が高くなるようにして、温
度上昇を望まない軸受部の温度を比較的に低く抑える構
成としている。また、パージポート１３からラジアル磁
気軸受６にパージガスを供給することによって、凝縮性
の反応生成物のラジアル磁気軸受６への侵入を阻止して
いる。

【００２４】（実施の形態の効果）前記本発明の実施の
形態によれば、強磁性体の固定筒によって効率よく発熱
することができ、これによって発生した熱を、反応生成
物の付着，堆積のしやすいステータ円筒とねじ溝ロータ
との間に効率よく伝達することができる。永久磁石によ
り形成される磁気回路は、固定筒とロータ側の磁性体に
よって閉磁路を形成し、外部に磁束を漏らさないため、
軸受部やポンプ外部への漏れ磁束による影響を減少させ
ることができる。強磁性体による発熱によって、従来と
同様の熱量を発生させるに要する永久磁石の磁束強度お
よび個数を、従来と比較して減少させることができる。

【００２５】（他の実施の形態）本発明の他の実施の形
態は、ターボ分子ポンプの温度上昇によるモータや磁気
軸受等のコイル部の絶縁破壊や、磁気軸受のギャップセ
ンサの温度ドリフトを防止するために、軸受部近傍に温
度センサと冷却水配管等の冷却機構を配設するものであ
る。図６は本発明の他の実施の形態を説明するための断
面図であり、図７は温度センサと冷却水配管の構成を説
明するためのブロック図である。図６において、磁気軸
受８の温度を検出する温度センサ１６を、ベース部９に
おいて磁気軸受８近傍に設置し、また、該磁気軸受８を
冷却水する冷却水配管１７を磁気軸受８近傍に設置す
る。

【００２６】冷却水配管１７は、三方弁１８によって冷
却水の供給を受けるよう構成されている。三方弁１８の
入口側には冷却水供給源が接続され、三方弁１８の一方
の出口側には冷却水配管１７が接続され、他方の出口側
にはバイパス水配管１９が接続される。この三方弁１８
は、温度センサ１６の検出信号を入力する制御回路２０
により開閉制御される。温度センサ１６で検出した温度
が規定温度以上の場合には、冷却水が冷却水配管１７に
流れて軸受部を冷却し、規定温度以下の場合には、三方
弁１８の切り換えによって冷却水はバイパス水配管１９
に流れて冷却動作を行なわない。これによって、軸受部
の温度上昇を制御することができる。

【００２７】（その他の実施の形態の効果）ターボ分子
ポンプにおいて、反応生成物の起こりやすい部位の温度
の上昇させて反応生成物の付着，堆積を低減するととも
に、磁気軸受部やモータ等の温度上昇を望まない部位の
温度上昇を防止することができる。

【００２８】（その他の実施の形態）なお、本発明の実
施の形態に使用する強磁性体として、鉄の他に、ニッケ
ルやフッ素樹脂等のコーティングを施すことによって耐
腐蝕性を向上させることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡易な構成によって気体流路を加熱し、堆積しやすい凝
縮性の気体に対しても、反応生成物のポンプ内での付
着，堆積を防止することができるターボ分子ポンプを提
供することができる。さらに、多数の高磁束密度の永久
磁石を必要としない簡易な構成のターボ分子ポンプを提
供し、また、周囲に対する磁界および電界の変動を低減
したターボ分子ポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を説明するための断面図
である。

【図２】本発明の実施の一形態における永久磁石の配置
を説明するための断面図である。

【図３】本発明の実施の一形態における永久磁石の配置
を説明するための断面図である。

【図４】本発明の実施の一形態における永久磁石と固定
筒との関係を説明するための一部を除去した斜視図であ
る。

【図５】本発明の実施の一形態における熱の伝達する様
子を説明する図である。

【図６】本発明の他の実施の形態を説明するための断面
図である。

【図７】本発明の他の実施の形態の温度センサと冷却水
配管の構成を説明するためのブロック図である。

【図８】従来のターボ分子ポンプを説明するための断面
図である。

【符号の説明】 １…ステータ、１ａ…ステータ翼、１ｂ…ステータスペ
ーサ、１ｃ…ステータ円筒、２…ロータ、２ａ…ロータ
翼、２ｂ…ねじ溝ロータ、３…吸気口、４…排気口、５
…回転軸、６，７…ラジアル磁気軸受、８…スラスト磁
気軸受、９…ベース部、１０…永久磁石、１１…永久磁
石、１２…固定筒、１３…パージポート、１４…磁性
片、１５…連結部、１６…温度センサ、１７…冷却水配
管、１８…三方弁、１９…バイパス水配管、２０…制御
回路、Ｔ…タービン、Ｃ…ケーシング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石と該永久磁石の磁極と隣接する
   磁性体とをロータの周方向に配置し、前記永久磁石と磁
   気回路を構成する強磁性体の固定筒をロータとベース間
   に設け、前記固定筒をステータと熱的に結合させたこと
   を特徴とするターボ分子ポンプ。