KR20000035609A

KR20000035609A - 터보 분자 펌프 및 진공장치

Info

Publication number: KR20000035609A
Application number: KR1019990051862A
Authority: KR
Inventors: 노나카마나부; 오카다다카시; 가바사와다케시
Original assignee: 다카키도시요시; 세이코세이키 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2000-06-26
Also published as: JP2000161285A; JP3047292B1; EP1004775A3; EP1004775A2; US6499942B1

Abstract

본 발명은 보다 높은 압력까지 최대 배기 속도를 유지하는 것이 가능한 터보 분자 펌프를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 각 단의 로터 날개(62) 및 스테이터 날개(72)의 블레이드(63,75)의 형상으로서, 흡입량을 중시한 앙각(仰角)으로부터 역류방지 성능을 중시한 앙각에 이르는 성능을 1단의 블레이드내에서 발휘하는 형상으로 한다. 구체적으로는 배기구에 면한 측의 블레이드 면(C,D)에서의 흡기구 측의 앙각(α1)을 20도∼50도의 범위로 하고, 이 흡기구 측의 앙각 α1= N으로 한 경우의 배기구 측의 앙각(α2)을 10도∼(L-5)도의 범위로 한다. 이와 같이, 본 발명은 블레이드 1단내에서 흡입량 증대작용과 역류방지 작용을 실현할 수 있는 구조로 하였기 때문에, 보다 높은 압력까지 터보 분자 펌프의 최대 배기 속도를 유지할 수 있게 된다.

Description

터보 분자 펌프 및 진공장치 {TURBO MOLECULAR PUMP AND VACUUM APPARATUS}

본 발명은 터보 분자 펌프 및 터보 분자 펌프 장치에 관한 것으로, 예를 들면 반도체 제조장치나 전자현미경 등의 진공장치로서 사용되는 터보 분자 펌프 및 터보 분자 펌프 장치에 관한 것이다.

예를 들면 반도체나 액정의 제조에 있어서, 드라이 에칭(dry etching), CVD 등을 행하는 경우에는 챔버 내에 처리가스(process gas)를 도입하고, 이 처리가스를 터보 분자 펌프에 의해 흡인 배출하는 터보 분자 펌프 장치가 사용되고 있다.

이 터보 분자 펌프는 고속 회전하는 로터(rotor) 축에 장착된 로터 날개와, 케이싱(casing)에 고정된 스테이터(stator) 날개가 교대에 배치되고, 로터 날개와 스테이터 날개의 쌍이 복수 단(段) 설치되어 있다.

그리고, 각 단의 로터 날개에는 흡기구(吸氣口) 측이 진행방향(회전방향)을 향해서 경사진 블레이드(blade)(날개)가 방사형상으로 설치되고, 각 단의 스테이터 날개에는 로터 날개의 블레이드와 반대방향으로 경사진 블레이드(날개)가 방사형상에 설치되어 있다.

그리고, 로터 날개에 의해 기체 분자에 배기구(排氣口) 방향으로의 운동량을 줌으로써 이송된 기체분자는 스테이터 날개의 블레이드의 경사 면에서 비스듬하게 반사함으로써 다음 단으로 이동한다. 이렇게 하여, 기체분자는 순차 각 단의 로터 날개와 스테이터 날개에 의해 기체 분자를 흡기구 측에서 배기구까지 이송하여 배기된다.

도10은 이러한 기체 분자 영역에서의 로터 날개와 스테이터 날개의 블레이드의 단면 형상을 나타낸 것이다.

이 도면에 나타낸 바와 같이 흡기구 측에서의, 로터 날개의 블레이드(1a)와 스테이터 날개의 블레이드(2a)는, 보다 많은 기체 분자를 흡입하여 흡입량을 많게 하기 위해서 진행방향에 대한 각도(앙각(仰角)) A를 30도∼50도로 형성하고 있다.

한편, 배기구 측에서는 압력이 상승하여 평균 자유행정이 짧아지더라도 가스의 역류 방지를 할 수 있도록 하기 위해서 앙각 B가 25도 이하가 되도록 형성되어 있다.

즉, 흡기구 측의 양 블레이드(1a,2a)는 경사각이 크고 배기구 측의 양 블레이드(1b,2b)는 경사각이 작게 형성되어 있다.

그리고, 어느 쪽의 단의 블레이드도 축 방향의 단면형상은 도10에 나타낸 바와 같이 평행사변형으로 형성되고, 기체분자에 운동량을 주는 블레이드 면은 평면이었다.

그런데, 배기해야 할 기체 분자의 양이 증가하게 되면 터보 분자 펌프 내의 압력이 높아지게 되어 분자의 평균 자유행정이 짧아지게 된다. 그 경우, 가스의 흡입량을 흡입하는 것에 기능을 특화하고 있는 흡기구 측의 양 블레이드(1a,2a)에서는 기체의 누설 역류가 많아지게 되어 효율이 저하하고 있었다. 즉, 배기 속도가 저하하고 있었다.

또한, 그 흡기구 측의 블레이드(1a,2a)의 효과(흡입하는 기체 분자의 양을 증가시키는 것)를 전제로 하여, 시일(seal)성(역류방지)에 특화한 배기구 측의 양 블레이드(1b,2b)에서는 배기 효율은 저하하지 않지만 배기 속도가 크게 유지되지 않아, 이들 블레이드를 겹쳐 쌓은 펌프 전체에서는 가스의 배기량이 증가하면 펌프 성능이 현저히 저하하게 되었다.

그래서 본 발명은 보다 높은 압력까지 최대 배기 속도를 유지하는 것이 가능한 터보 분자 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 터보 분자 펌프의 1실시형태의 전체 구성의 단면도,

도2는 도1의 터보 분자 펌프의 로터를 로터 날개의 상하 면을 따라서 절단한 경우의 단면 사시도,

도3은 도1의 터보 분자 펌프의 스테이터 날개의 일부를 나타낸 사시도,

도4는 로터 블레이드와 스테이터 블레이드의 축방향 단면을 나타낸 설명도,

도5는 도1의 터보 분자 펌프를 접속한 진공장치의 구성도,

도6은 제1 변형예에서의 로터 블레이드와 스테이터 블레이드의 축방향 단면을 나타낸 설명도,

도7은 그 밖의 변형예에서의 로터 블레이드 축방향 단면을 나타낸 설명도,

도8은 그 밖의 변형예에서의 로터 블레이드 축방향 단면을 나타낸 설명도,

도9는 터보 분자 펌프의 다른 구성의 단면도,

도10은 종래의 로터 날개와 스테이터 날개의 블레이드의 단면 형상을 나타낸 설명도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 외장체 11 : 플랜지

16 : 흡입구 18 : 로터 축

20 : 자기 베어링 30 : 모터

31 : 전기자 디스크 44 : 커넥터

45 : 제어계 52 : 배기구

60 : 로터 61 : 로터 본체

62 : 로터 날개 63 : 로터 블레이드

70 : 스테이터 71 : 스페이서

72 : 스테이터 날개 75 : 스테이터 블레이드

80 : 나사 홈부 스페이서 81 : 나사 홈

90 : 챔버 91 : 시료

92 : 스테이지 93 : 구동기구

94 : 배출구 T : 터보 분자 펌프부

S : 나사 홈 펌프부 α1∼α11 : 앙각

C∼H : 블레이드 면

본 발명에서는 로터 축과, 이 로터 축을 회전 자재로 지지하는 베어링과, 이 베어링에 지지된 상기 로터 축을 회전시키는 모터와, 상기 로터 축에 배설되는 로터 본체와, 이 로터 본체에 배설되고 방사형상으로 복수의 블레이드가 설치된 복수 단의 로터 날개와, 이 복수 단의 로터 날개의 사이에 배치되고 방사형상으로 복수의 블레이드가 설치된 복수 단의 스테이터 날개를 구비한 터보 분자 펌프에 있어서, 상기 로터 날개 및 상기 스테이터 날개의 적어도 한 쪽의, 적어도 일부의 단의 블레이드의 축방향 단면 형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 앞이 되는 측이 각도가 다른 복수의 면으로 구성되고, 상기 블레이드의 진행방향에 대한 상기 면의 각도가 배기구 측보다도 흡기구 측이 크게 형성되어 있는 것으로, 상기 목적을 달성한다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 단면형상에서의 상기 복수 면중에서 단부의 면끼리의 각도차를 5°이상으로 한다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 단면형상에서의 상기 각 면의 각도를, 흡기구 측이 20°∼50°, 배기구 측이 10°~40°의 범위로 한다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 단면형상에서의 상기 각 면의 각도를, 흡기구 측이 20°∼50°, 중간부가 10°~40°, 배기구 측이 10°~90°의 범위로 한다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 단면형상은 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면이 앞측의 면의 각도와 같은 각도로 형성되어 있다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 단면형상은 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면이 앞측의 면의 각도와 적어도 하나의 면에 대해서 다른 각도로 형성되어 있다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 흡기구 측의 단면형상은 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면의 각도가 앞이 되는 측의 면의 각도보다도 5°이상 크게 형성되어 있다.

본 발명에서는 상기 블레이드의 배기구 측의 단면형상은 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면의 각도가 앞이 되는 측의 면의 각도보다도 5°이상 크게 형성되어 있다.

본 발명에서는 상기 터보 분자 펌프에 있어서, 상기 로터 날개와 상기 스테이터 날개를 포함한 복수 단에서의 블레이드의 단면형상이 상기 발명중의 적어도 2개의 발명에 근거하는 형상인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프를 제공한다.

본 발명에서는 상기 로터 날개 및 상기 스테이터 날개를 갖는 터보 분자 펌프부에 연결되는 배기구 측에 나사 홈 펌프부를 배치한다.

본 발명에서는 상기 터보 분자 펌프와, 상기 터보 분자 펌프의 흡기구가 접속되고 내부의 기체가 흡인 배출되는 진공용기를 진공장치에 구비시킨다.

즉, 본 발명에서는 각 단의 로터 날개 및 스테이터 날개의 블레이드의 형상으로서, 흡입량을 중시한 앙각으로부터 역류방지 성능을 중시한 앙각에 이르는 성능을 1단의 블레이드 내에서 발휘하는 형상으로 한다.

이와 같이 블레이드 1단내에서 흡입량 증대작용과 역류방지 작용을 실현할 수 있는 구조로 했기 때문에, 보다 높은 압력까지 터보 분자 펌프의 최대 배기 속도를 유지할 수 있게 된다.

또한, 기체의 평균 자유행정이 블레이드의 높이 치수 이하(예를 들면 20mm이하)로 되더라도 블레이드 1단내에서 흡입∼압축에 이르는 작용을 얻을 수 있게 된다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명에 적합한 실시형태에 관해서 도1 내지 도9를 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 터보 분자 펌프의 1실시형태의 전체 구성의 단면을 나타낸 것이다.

이 터보 분자 펌프(1)는 예를 들면 반도체 제조장치 내부 등에 설치되어, 챔버 등으로부터 처리가스의 배출을 행하는 것이다. 또한, 이 터보 분자 펌프(1)는 챔버 등으로부터의 처리가스를 스테이터 날개(72)와 로터 날개(62)에 의하여 하류 측으로 이송하는 터보 분자 펌프부(T)와, 터보 분자 펌프부(T)로부터 처리가스가 유입되면 이 처리가스를 나사 홈 펌프에 의해 더욱 이송하여 배출하는 나사 홈 펌프부(S)를 구비하고 있다.

도1에 나타낸 바와 같이, 터보 분자 펌프(1)는 대략 원통형상의 외장체(外裝體)(10)와, 이 외장체(10)의 중심부에 배치되는 대략 원주형상의 로터 축(18)과, 로터 축(18)에 고정 배치되어 로터 축(18)과 함께 회전하는 로터(60)와, 스테이터(70)를 구비하고 있다.

외장체(10)는 그 상단부에 반경방향 외측으로 연장하여 설치된 플랜지 (flange)(11)를 갖고 있고, 이 플랜지(11)를 볼트 등에 의해서 반도체 제조장치 등에 장착하며 플랜지(11)의 내측에 형성되는 흡입구(16)와 챔버 등의 용기의 배출구를 연접하여, 용기의 내부와 외장체(10)의 내부를 연통(連通)시키도록 되어 있다.

로터(60)는 로터 축(18)의 외주에 배치된, 단면이 대략 역U자 형상인 로터 본체(61)를 구비하고 있다. 이 로터 본체(61)는 로터 축(18)의 상부에 볼트(19)로 장착되어 있다. 로터 본체(61)는 터보 분자 펌프부(T)에서는 로터 날개(62)가 다단으로 형성되어 있다.

도2는 로터(60)를 로터 날개(62)의 상하 면을 따라서 절단한 경우의 단면 사시도이다.

이 도2에 도시한 바와 같이, 각 로터 날개(62)는 로터 본체(61)의 외주면에 고리형상으로 장착되는 로터 원환부(圓環部)(64)와, 이 로터 원환부(64)의 외주에 등간격으로 직경방향 방사형상으로 설치된 복수의 로터 블레이드(날개)(63)로 구성되어 있다.

로터 블레이드(63)는 흡기구 측(도면 위쪽)이 회전방향에 경사되어 있다. 이 블레이드는 기체 분자를 배기구 측(도면 아래쪽)으로 두드리는 블레이드 면(C)에서, 후술하는 바와 같이 흡기구 측의 앙각이 배기구 측의 앙각보다도 크게 되도록 형성되어 있다.

스테이터(70)는 터보 분자 펌프부(T)에서는 스페이서(spacer)(71)와, 이 스페이서(71,71)사이에 외주 측이 지지되는 것으로 로터 날개(62)의 각 단 사이에 배치되는 스테이터 날개(72)를 구비하고 있고, 나사 홈 펌프부(S)에서는 스페이서(71)에 연달아 설치하는 나사 홈부 스페이서(80)를 구비하고 있다.

스페이서(71)는 단부(段部)를 갖는 원통형상이고 외장체(10)의 내측에 겹쳐 쌓여져 있다. 각 스페이서(71)의 내측에 위치하는 단부의 축 방향의 길이는 로터 날개(62)에서의 각 단의 간격에 대응한 길이로 되어 있다.

도3은 스테이터 날개(72)의 일부를 나타낸 사시도이다.

스테이터 날개(72)는 외주 측의 일부가 스페이서(71)에 의해서 둘레방향으로 끼워지는 외측 원환부(73)와, 내측 원환부(74)와, 외측 원환부(73)와 내측 원환부(74)에 의해 양단이 방사형상으로 소정 각도로 지지된 복수의 스테이터 블레이드(75)로 구성되어 있다. 내측 원환부(74)의 내경은 로터 본체(61)의 외경보다도 크게 형성되어 내측 원환부(74)의 내주면(77)과 로터 본체(61)의 외주면(65)이 접촉하지 않도록 되고 있다.

이 스테이터 날개(72)는 각 단의 로터 날개(62) 사이에 배치하기 위해서 원주 2분할되어 있다. 스테이터 날개(72)는 이 2분할된 예를 들면 스테인리스강제 또는 알루미늄제의 얇은 판으로부터, 에칭법 등에 의해 반원환상(半圓環狀)의 외형부분과 스테이터 블레이드(75)의 부분을 베어내고, 스테이터 블레이드(75)의 부분을 프레스 가공에 의해 소정 각도로 구부림으로써 도3에 나타낸 형상으로 형성된다.

스테이터 블레이드(75)는 도3에 나타낸 바와 같이 로터 블레이드(63)와 반대방향으로 경사지도록 형성되어, 후술하는 바와 같이 흡기구 측의 앙각이 배기구 측의 앙각보다도 크게 되도록 형성되어 있다.

각 단의 스테이터 날개(72)는 각각 스페이서(71)와 스페이서(71)의 단부에 의해 외측 원환부(73)가 둘레 방향으로 끼워짐으로써 로터 날개(62)사이에 유지된다.

나사 홈 스페이서부(80)는 도1에 나타낸 바와 같이 스페이서(71)에 연달아 설치되고, 스페이서(71)와 스테이터 날개(72)의 아래쪽에 배설되어 있다. 이 나사 홈 스페이서부(80)는 내경 벽이 로터 본체(61)의 외주 면과 근접하는 위치까지 나오는 두께를 갖고 있고, 내경 벽에 나선구조의 나사 홈(81)이 복수 개 형성되어 있다. 이 나사 홈(81)은 상기 스테이터 날개(72)와 로터 날개(62)의 사이와 연통되어 있고, 이송 배출되어 온 기체가 나사 홈(81)에 도입되도록 되어 있다.

또, 본 실시형태에서는 나사 홈(81)을 스테이터(70)측에 형성하였지만, 나사 홈(81)을 로터 본체(61)의 외경 벽에 형성해도 된다. 또한, 나사 홈(81)을 나사 홈 스페이서부(80)에 형성함과 동시에 로터 본체(61)의 외경 벽에도 형성해도 된다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 로터 축(18)을 자력에 의해 지지하는 자기 베어링(20)과, 로터 축(18)에 토크(torque)를 발생시키는 모터(30)를 구비하고 있다.

자기 베어링(20)은 5축 제어의 자기 베어링이고, 로터 축(18)에 대하여 반경방향의 자력을 발생시키는 반경방향 전자석(21,24)과, 로터 축(18)의 반경방향의 위치를 검출하는 반경방향 센서(22,26)와, 로터 축(18)에 대하여 축방향의 자력을 발생시키는 축방향 전자석(32,34)과, 축방향 전자석(32,34)에 의한 축방향의 힘이 작용하는 전기자 디스크(armature disk)(31), 로터 축(18)의 축방향의 위치를 검출하는 축방향 센서(36)를 구비하고 있다.

반경방향 전자석(21)은 서로 직교하도록 배치된 2쌍의 전자석으로 구성되어 있다. 각 쌍의 전자석은 로터 축(18)의 모터(30)보다도 상부의 위치에 로터 축(18)을 끼고 대향 배치되어 있다.

이 반경방향 전자석(21)의 상부에는 반경방향 전자석(21)측에 인접하여 로터 축(18)을 끼고 대향하는 반경방향 센서(22)가 2쌍 설치되어 있다. 2쌍의 반경방향 센서(22)는 2쌍의 반경방향 전자석(21)에 대응하여 서로 직교하도록 배치되어 있다.

또한, 로터 축(18)의 모터(30)보다도 하부의 위치에는 마찬가지로 2쌍의 반경방향 전자석(24)이 서로 직교하도록 배치되어 있다.

이 반경방향 전자석(24)의 하부에도 마찬가지로 반경방향 전자석(24)에 인접하여 반경방향 센서(26)가 2쌍 설치되어 있다.

이들 반경방향 전자석(21,24)에 여자전류가 공급됨에 따라 로터 축(18)이 자기부상(磁氣浮上)된다. 이 여자전류는 자기부상시에 반경방향 센서(22,26)로부터의 위치검지신호에 따라서 제어되고, 이것에 의해서 로터 축(18)이 반경방향의 소정 위치에 유지되도록 되어 있다.

로터 축(18)의 하부에는 자성체로 형성된 원반형상의 전기자 디스크(31)가 고정되어 있고, 이 전기자 디스크(31)를 끼고 또한 대향한 한 쌍씩의 축방향 전자석(32,34)이 배치되어 있다. 또한 로터 축(18)의 하단부에 대향하여 축방향 센서(36)가 배치되어 있다.

이 축방향 전자석(32,34)의 여자전류는 축방향 센서(36)로부터의 위치검지신호에 따라서 제어되고, 이에 따라 로터 축(18)이 축방향의 소정 위치에 유지되도록 되어 있다.

자기 베어링(20)은 이들 반경방향 센서(22,26) 및 축방향 센서(36)의 검출신호를 기초로 반경방향 전자석(21,24) 및 축방향 전자석(32,34) 등의 여자전류를 각각 피드백 제어함으로써 로터 축(18)을 자기부상시키는 자기 베어링 제어부를 제어계(45)내에 구비하고 있다.

이 자기 베어링을 사용함에 따라 기계적 접점부분이 존재하지 않기 때문에 분진의 발생이 없고 또한 시일(seal)용의 오일 등이 불필요하기 때문에 가스 발생도 없어서 깨끗한 환경에서의 구동을 실현할 수 있고, 반도체 제조 등이 높은 청정도가 요구되는 경우에 적합하다.

또한, 본 실시형태의 터보 분자 펌프(1)에서는 로터 축(18)의 상부 및 하부 측에는 보호용 베어링(38,39)이 배치되어 있다.

통상, 로터 축(18) 및 이것에 장착되어 있는 각 부로 이루어지는 로터부는 모터(30)에 의해 회전하고 있는 동안, 자기 베어링(20)에 의해 스테이터부와 비접촉 상태로 축 지지된다. 보호용 베어링(38,39)은 외부로부터의 충격 등으로 로터가 이상한 변위에 의해 터치다운(touchdown)이 발생한 경우에 자기 베어링(20)을 대신하여 로터부를 축 지지함으로써 장치 전체를 보호하기 위한 베어링이다.

따라서, 보호 베어링(38,39)은 내륜(內輪)이 로터 축(18)에 비접촉상태가 되도록 배치되어 있다.

모터(30)는 외장체(10)의 내측의 반경방향 센서(22)와 반경방향 센서(26)의 사이에서 로터 축(18)의 축방향의 거의 중심위치에 배치되어 있다. 이 모터(30)에 통전함에 따라 로터 축(18) 및, 이것에 고정된 로터(60), 로터 날개(62)가 회전하도록 되어 있다. 이 회전의 회전수는 회전수 센서(41)에 의해 검출되고 이 회전수 센서(41)로부터의 신호에 따라서 제어계(45)에 의해서 제어되도록 되고 있다.

터보 분자 펌프(1)의 외장체(10)의 하부에는 나사 홈 펌프부(S)에 의해 이송되어 온 기체를 외부로 배출하는 배기구(52)가 배치되어 있다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 커넥터 및 케이블을 통해 제어계(45)에 접속되어 있다.

도4는 로터 블레이드(63)와 스테이터 블레이드(75)의 축방향 단면을 나타낸 것이다.

이 도4a에 도시한 바와 같이, 로터 블레이드(63)는 화살표방향으로 진행하는 경우, 흡입구 측(도면 위쪽)이 진행방향을 향해서 경사되어 있다.

그리고, 배기구 측을 향하여 기체분자를 두드리는 블레이드 면(C)에서의, 흡기구 측의 앙각(접선각도)을 α1, 배기구 측의 앙각(접선각도)을 α2로 한 경우, 다음의 각 조건 (1)∼(3)을 만족하도록 하는 값이 선택된다.

20°≤α1 ≤50° (1)

10°≤α2 ≤45°(바람직하게는 40°) (2)

(α1 - α2) ≥ 5° (3)

이와 같이, 로터 블레이드(63)의 1단내에서, 흡기구 측의 앙각(α1)을 크게 하고 배기구 측의 앙각(α2)을 작게 함으로써, 블레이드 면(C) 중에서 흡기구측 면(C1)이 주로 흡기량을 증대시키도록 기능하고, 배기구 측면(C2)이 주로 기체 분자의 역류방지와 기체 압축을 행하도록 기능한다.

도4b는 로터 날개(62)와, 스테이터 날개(72)에서의 양 블레이드(63,75)를 나타낸 축방향의 단면도이다.

이 도면에 나타낸 바와 같이, 스테이터 블레이드(75)도 배기구 측을 향한 블레이드 면(D)에서도 흡기구 측의 앙각(접선각도)을 α3, 배기구 측의 앙각(접선각도)을 α4로 한 경우, 다음 각 조건 (4)∼(6)을 만족하도록 하는 값이 선택된다.

10°≤α3 ≤50° (4)

10°≤α4 ≤45° (바람직하게는 40°) (5)

(α3 - α4) ≥ 5° (6)

또, 본 실시형태에서는 동일한 단에서의 로터 블레이드(63)와 스테이터 블레이드(75)의 각 앙각에 대해서 α1 = α3로 하여 α2 = α4로 되어 있지만, α1≠α3으로 하여 α2≠α4로 하도록 해도 된다.

또한, 로터 블레이드(63)에서의 앙각(α1,α2) 및 스테이터 블레이드(75)에서의 앙각(α3,α4)의 각 값에 대해서는 로터 날개(62)와 스테이터 날개(72)의 각 단마다 다른 값으로 해도 된다. 예를 들면 각 단을 상류단, 중류단, 하류단으로 나눈 경우, 중류단의 앙각(α2,α4)의 값을 상류단보다도 작게 하고 하류단보다도 크게 함으로써, 역류방지의 필요성이 높은 하류단 만큼 작은 앙각으로 한다.

스테이터 날개(72)는 이미 설명한 바와 같이 그 외주면이 스페이서(71)에 의해 고정되어 있다. 따라서, 스테이터 블레이드(75)가 로터 블레이드(63)와 같이 회전하여 기체 분자에 운동량을 주지는 않지만, 로터 블레이드(63)에 의해 운동량을 부여한 기체 분자를, 스테이터 블레이드의 블레이드 면(D)이 배기구 측으로 반사시키는 기능을 가지고 있다.

그리고, 주로 흡기구 측의 면(D1)에서 기체 분자의 흡입량을 확보함과 함께 주로 배기구 측의 면(D2)에서 기체 분자의 역류방지를 행한다.

그리고, 도4b에 나타낸 바와 같이 검은 점으로 나타낸 기체분자는 로터 블레이드(63)에 의해 아래쪽 방향(배기구 방향)의 운동량을 얻어 이동하고 스테이터 블레이드(75)에 의해 더욱 아래쪽 방향으로 반사되어 다음 단으로 배기되어 간다.

이렇게 하여, 로터 날개(62)와 스테이터 날개(72)는 기체의 흡입량 확보와 역류방지를 각 단에서 행하기 때문에 보다 높은 압력까지 최대의 배기 속도가 유지된다.

다음에, 상술한 실시형태의 터보 분자 펌프(1)를 사용한 본 발명의 진공장치의 실시형태에 관해서 설명한다.

도5는 본 발명의 진공장치의 1실시형태의 구성을 나타내는 개략 사시도이다.

이 도5에 나타낸 바와 같이 실시형태의 진공장치에는, 챔버(용기)(90)내에 시료(91) 등이 배치되는 스테이지(stage)(92)가 배설됨과 동시에, 스테이지(92)의 아래쪽에는 스테이지(92)의 회전 등을 행하기 위한 구동기구(93)가 챔버(90)밖에 배설되어 있다.

그리고, 챔버의 하면(또는 측면)에 배설된 배출구(94)의 부분에 챔버(90)의 외측에서 터보 분자 펌프(1)를 장착하여 챔버(90)내의 기체를 배기하는 구조로 되어 있다.

이상과 같이 구성된 터보 분자 펌프(1) 및 진공장치에서는 모터(30)에 의해 로터(60)를 정격치(2만∼5만 rpm)로 고속 회전시킴에 따라 날개(62)도 고속 회전시킨다. 이에 따라, 챔버(90)내의 처리가스 등이 배출구(94) 및 터보 분자 펌프(1)의 흡입구(16)를 통해 로터 날개(62) 및 나사 홈(81)에 의해 이송되어 배기구(52)로부터 배출된다.

이때, 터보 분자 펌프부(T)에서는 각 단의 로터 블레이드(63)와 스테이터 블레이드(75)가 자단(自段) 내에서 흡기량 확보와 역류방지의 양 기능을 실현하고 있기 때문에, 높은 압력까지 최대의 배기 속도를 유지할 수가 있다.

또한, 터보 분자 펌프부(T)에 의한 배기에 이어서 나사 홈 펌프부(S)에 의한 배기를 행하기 때문에 보다 높은 압력까지 터보 분자 펌프(1)를 사용할 수가 있다.

다음에 터보 분자 펌프에서의 로터 블레이드(63)와 스테이터 블레이드(75)의 제1 변형예에 관해서 설명한다.

도6은 제1 변형예에서의 로터 블레이드(63)와 스테이터 블레이드(75)의 축방향 단면을 나타낸 것이다.

이 도6a에 도시한 바와 같이, 로터 블레이드(63)의 기체 분자에 운동량을 부여하는 측의 블레이드 면(E)은 흡기구 측, 중간부, 배기구 측의 3단계로 경사져 있다.

그리고, 흡기구 측을 앙각(α5), 중간부를 앙각(α6), 배기구 측을 앙각 (α7)으로 한 경우, 다음 각 조건 (7)∼(11)을 만족하도록 하는 값이 선택된다.

10°≤α5 ≤50° (7)

10°≤α6 ≤45° (바람직하게는 40°) (8)

(α5 - α6) ≥5° (9)

10°≤α7 ≤90° (10)

(α7 - α6) ≥5° (11)

이 제1 변형예에 의하면, 로터 블레이드(63)의 1단내에서 흡기구 측의 앙각(α5)을 크게 하고 중간부의 앙각(α6)을 작게 하며 배기구 측의 앙각(α7)을 다시 크게 함으로써, 블레이드 면(E) 중에서 흡기구측 면(E1)이 주로 흡기량을 증대시키도록 기능하고, 중간부 면(E2)이 주로 기체 분자의 역류방지와 기체압축을 행하도록 기능하며, 배기구측 면(E3)이 기체 분자의 흐름을 배기구 측으로 향하도록 기능한다.

또, 도6b에도 나타낸 바와 같이 스테이터 블레이드(75)에서도 로터 블레이드(63)와 마찬가지로 흡기구측 면(F1), 중간부 면(F2), 배기구측 면(F3)의 3단계로 매끄러운 연속곡면에 의해 경사시키고, 각부의 앙각을 α8, α9, α10으로 한 경우, 다음 각 조건 (12)∼(16)을 만족하도록 하는 값이 선택된다.

10°≤α8 ≤50° (12)

10°≤α9 ≤45° (바람직하게는 40°) (13)

(α8 - α9) ≥5° (14)

10°≤α10 ≤90° (15)

(α10 - α9) ≥5° (16)

이 스테이터 블레이드(75)의 각 면(F1,F2,F3)도 로터 블레이드(63)의 각 면(E1,E2,E3)과 마찬가지로 기능하다.

이 제1 변형예에 의하면, 배기구측 면(E3,F3)에 의해서 기체 분자의 움직임을 더욱 배기구 측으로 향하게 할 수 있어, 더욱 배기 속도를 상승시킬 수 있다.

다음에 제2 변형예에 대해 설명한다.

도7은 다른 변형예에서의 로터 블레이드(63)의 축방향 단면을 나타낸 것이다.

이 도7a∼c에 도시한 각 변형예에서는, 블레이드 면(C)의 경사는 제1 실시형태에서 설명한 블레이드 면(C)과 동일한 경사[동일한 앙각(α1, α2)]로 형성되지만, 그 이면 측의 블레이드 면(G,H,I)의 단면 형상이 각각 다르게 되어 있다. 또, 도7a∼c에는 로터 블레이드(63)에 관해서 도시하였지만, 스테이터 블레이드(75)의 형상도 동일한 형상으로 하는 것이 가능하다.

도7a에 도시한 변형예에서는 블레이드 면(G)의 배기구 측의 앙각(α11)의 각도를 블레이드 면(C)의 앙각(α2)보다도 작게 되도록 한 것이다. 이 변형예에 도시한 바와 같이 α11 〈 α2로 함으로써 배기구 측을 향한 저면(底面)(C3)의 면적을 크게 할 수 있고, 이 저면(C3)에 의해서 배기측으로부터의 분자의 역류를 막을 수 있다. 이 실시형태는 회전 이동하지 않는 스테이터 블레이드(75)에 적용한 경우보다도 회전 이동하고 있는 로터 블레이드(63)에 적용한 경우의 쪽이 큰 효과를 얻을 수 있다.

또, 이 변형예에서는 흡기구 측의 앙각(α12)을 앙각(α1)과 동일하게 하고 있지만, α12 ≠ α1이 되는 값을 선택하도록 해도 된다. 마찬가지로 α11 〉 α2로 하는 것도 가능하다.

도7b에 도시한 변형예에서는 블레이드 면(H)를 평면으로 한 것이다.

이와 같이 본 변형예에 의하면, 블레이드 면(C)에 의한 제1 실시형태와 동일한 효과에 추가하여, 블레이드 면(H)을 평면으로 함으로써 블레이드의 두께를 두껍게 할 수가 있어 로터 블레이드(63)의 강성을 높일 수 있고 또한 가공도 용이하다.

도7c에 나타낸 변형예에서는 블레이드 면(I)을 블레이드의 회전방향에 대하여 후방 측으로 만곡한 곡면으로 한 것이다.

이와 같이 본 변형예에 의하면, 블레이드 면(C)에 의한 제1 실시형태와 동일한 효과에 추가하여, 블레이드 면(I)을 외측으로 만곡되게 함으로써 로터 블레이드 (63)의 강성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 터보 분자 펌프에 의한 배기가 분자 흐름에 도달하기 전에 점성(粘性) 흐름인 경우나, 도중에 기체압력이 높게 되어 점성 흐름이 된 경우에도 배기 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 점성 흐름의 기체 분자에 대하여 진행방향 뒤쪽이 내측으로 만곡하고 있거나[예를 들면 블레이드 면(G)] 또는 평면형상[예를 들면 블레이드 면(H)]이거나 하면, 기체가 블레이드 면(G 또는 H)을 따라서 배기구 측으로 이동할 수 없어서 박리(剝離)하여 버리는 경우가 있지만, 본 변형예와 같이 블레이드 면(I)을 외측으로 만곡시킴에 따라 점성 흐름의 기체 분자에 대하여 박리를 생기게 하지 않고서 배기할 수가 있다.

또한, 도7c에 나타낸 변형예에서는 배기구 측의 상단부(I)를 둥글게 하여 불연속면을 제거했기 때문에 점성 흐름에 대한 상기 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

도8은 또 다른 변형예에서의 로터 블레이드(63)의 축방향 단면을 나타낸 것이다. 또, 도8a 및 도8b에서는 로터 블레이드(63)에 관해서 나타냈지만, 스테이터 블레이드(75)의 형상도 동일한 형상으로 하는 것이 가능하다.

이 도8a 및 도8b에 나타낸 각 변형예에서는 로터 블레이드(63)의 진행방향 뒤 측의 블레이드 면(J,K)을, 배기측으로부터의 기체 분자의 역류량이 적어지도록 하는 앙각으로 한 것이다.

도8a에 나타낸 변형예에서는 로터 블레이드(63)의 이면 측의 블레이드 면중에서 흡기구 측의 블레이드 면(J)의 앙각(α12)을, 앞측 면의 앙각(α1)보다도 5°이상 크게 되도록 한 것이다. 즉, 양 앙각의 차를 α12 -α1 ≥5°로 하는데, 구체적으로는 도8a에 나타낸 바와 같이 α12의 앙각을 90°이상으로 함으로써 로터 블레이드(63)의 이면 측에서 반사하여 흡기구 측으로 향하는 기체분자의 일부를, 이면 측의 블레이드 면(J)에서 재차 배기구 측으로 향하게 하는 효과가 있다. 본 실시형태의 블레이드 면(J)에 의한 기체 분자의 재 반사의 효과는 스테이터 블레이드(75)에 적용한 경우에 특히 효과를 발휘한다.

도8b는 로터 블레이드(63)의 이면 측의 블레이드 면중에서 배기구 측의 블레이드 면(K)의 앙각(α11)을 앞측 면의 앙각(α2)보다도 5°이상 크게 되도록 한 것이다.

이와 같이, 양 앙각의 차를 α11 - α2 ≥5°로 함으로써, 이면 측의 기체 분자가 블레이드 면(K)에서 반사하더라도 흡기구 방향(도면의 상방향)으로의 이동량을 적게 하고 수평방향(도면의 오른쪽 방향)으로의 이동량을 크게 할 수 있다. 따라서, 블레이드 면(K)에서 반사한 기체 분자는 로터 블레이드(63)의 이면 측에 있는 이웃의 로터 블레이드(63)의 앞측 면으로 이동하여 반사되어 배기구 측으로 배기된다.

또, 이상의 효과는 블레이드가 회전 이동하지 않는 스테이터 블레이드(75)에 적용한 경우에 보다 큰 효과가 발휘된다.

이상 각 실시형태에 관해서 설명하였지만, 본 발명의 터보 분자 펌프 및 본 발명의 진공장치는 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 취지를 이탈하지 않는 한 적합하게 변경 가능하다.

예를 들면, 상술한 실시형태에서는 기체 이송부를 터보 분자 펌프부(T)와 나사 홈 펌프부(S)로 구성하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니라 예를 들면 터보 분자 펌프부(T)만으로 구성하거나 터보 분자 펌프부(T)와 원심흐름형 펌프 등의 다른 펌프 기구부로 구성하거나 할 수도 있다.

도9는 기체의 배기를 터보 분자 펌프부만으로 구성한 터보 분자 펌프를 나타낸 것으로, 도1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

이와 같이 축방향 전체에 걸쳐 로터 날개(62)와 스테이터 날개(72)에 의해 구성한 터보 분자 펌프를 사용하고, 각 단 또는 일부 단에서 도4, 도6, 도7에 도시한 어떤 로터 블레이드(63) 및 스테이터 블레이드(75)를 사용함으로써, 양 블레이드 면이 평면이고 평행사변형인 종래의 터보 분자 펌프에 비해서 보다 높은 압력까지 최대 배기 속도를 유지할 수가 있다. 도9에서 미설명 부호 301은 모터의 로터이고 302는 모터의 스테이터이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 터보 분자 펌프 및 진공장치에 의하면, 로터 날개 및 스테이터 날개의 적어도 한 쪽의, 적어도 일부의 단에서의 블레이드의 축방향의 단면 형상을, 배기구 측에 면한 블레이드 면에서 흡기구 측의 앙각이 배기구 측의 앙각보다도 크게 되는 형상으로 하였기 때문에, 높은 압력까지 최대 배기 속도를 유지할 수가 있다.

Claims

로터 축과,

이 로터 축을 회전 자재로 지지하는 베어링과,

이 베어링에 지지된 상기 로터 축을 회전시키는 모터와,

상기 로터 축에 배설되는 로터 본체와,

이 로터 본체에 배설되고 방사 형상으로 복수의 블레이드가 설치된 복수 단의 로터 날개와,

이 복수 단의 로터 날개의 사이에 배치되고 방사 형상으로 복수의 블레이드가 설치된 복수 단의 스테이터 날개를 구비한 터보 분자 펌프에 있어서,

상기 로터 날개 및 상기 스테이터 날개의 적어도 한 쪽의, 적어도 일부 단의 블레이드의 축방향 단면형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 앞이 되는 측이 각도가 다른 복수의 면으로 구성되고, 상기 블레이드의 진행방향에 대한 상기 면의 각도가 배기구 측보다도 흡기구 측이 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항에 있어서, 상기 블레이드의 단면 형상에서의 상기 복수 면중에서 단부의 면끼리의 각도차가 5°이상인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제2항에 있어서, 상기 블레이드의 단면 형상에서의 상기 각 면의 각도는 흡기구 측이 20°∼50°, 배기구 측이 10°∼40°의 범위인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제2항에 있어서, 상기 블레이드의 단면 형상에서의 상기 각 면의 각도는 흡기구 측이 20°∼50°, 중간부가 10°∼40°, 배기구 측이 10°∼90°의 범위인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드의 단면 형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면이 앞측의 면의 각도와 같은 각도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드의 단면 형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면이, 앞측의 면의 각도와 적어도 하나의 면에 대해서 다른 각도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제6항에 있어서, 상기 블레이드의 흡기구 측의 단면형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면의 각도가, 앞이 되는 측의 면의 각도보다도 5°이상 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 블레이드의 배기구 측의 단면형상은, 블레이드의 진행방향에 대하여 뒤가 되는 측의 면의 각도가, 앞이 되는 측의 면의 각도보다도 5°이상 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항에 기재한 터보 분자 펌프에 있어서, 상기 로터 날개와 상기 스테이터 날개를 포함한 복수 단에서의 블레이드의 단면형상이, 제2항 내지 제8항중의 적어도 2개의 항에 근거하는 형상인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 날개 및 상기 스테이터 날개를 갖는 터보 분자 펌프부에 연결되는 배기구 측에, 나사 홈 펌프부를 배치한 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 기재한 터보 분자 펌프와,

상기 터보 분자 펌프의 흡기구가 접속되어 내부의 기체가 흡인 배출되는 진공용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공장치.