KR20220130166A - 곡선형 로터 및 스테이터 블레이드가 있는 축류식 진공 펌프 - Google Patents

곡선형 로터 및 스테이터 블레이드가 있는 축류식 진공 펌프 Download PDF

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니겔 폴 쇼필드
스테판 다우데스웰
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에드워즈 리미티드
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Abstract

반도체 제조 공정에서 챔버를 배기하기 위한 축류식 진공 펌프는 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터와, 복수의 스테이터 블레이드를 구비한 스테이터를 포함하며, 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드는 곡선 형상을 갖는다.

Description

곡선형 로터 및 스테이터 블레이드가 있는 축류식 진공 펌프
본 발명은 반도체 제조 공정에서 챔버를 배기하기 위한 축류식 진공 펌프에 관련된다. 축류식 진공 펌프를 포함하는 장치와, 축류식 진공 펌프를 사용하여 반도체 제조 챔버를 배기하는 방법이 또한 제공된다.
매우 높은 펌핑 속도로 광범위한 압력(0.005mbar 내지 5mbar)에서 반도체 챔버를 작동해야 하는 필요조건이 증가하고 있다.
진공 펌프는 일반적으로 특정 압력 범위에서 효과적으로 작동하도록 설계 및 구성된다. 어떤 펌프도 모든 압력 범위에서 효과적으로 작동할 수 없다.
저압에서, 분자 유동 영역에서는, 터보 분자 펌프가 효과적이며, 고압에서, 점성 유동 영역에서는, 루츠 블로워 펌프와 같은 러프 펌프가 효과적이다. 분자 및 점성 유동 둘 모두가 발생하는 압력에서의 전이 유동 영역에서는 드래그 펌프가 적합하게 사용될 수도 있다.
터보 펌프가 과열 없이 유지하기에는 너무 높지만(일반적으로, 0.05mbar 이상의 압력), 원격 장착식 루츠 블로워가 연결 파이프의 컨덕턴스로 인해 효과적이기에 너무 낮은(일반적으로 0.2mbar 미만의 압력) 압력 범위에서 반도체 챔버를 작동해야 하는 요구 사항이 증가한다.
이는 챔버 아래의 기초부(basement)에 장착된 매우 큰 루츠 블로워와 배킹 펌프의 사용이 필요하다. 이러한 펌프를 위한 공간이 충분하지 않고 배관의 컨덕턴스 손실이 챔버에서 효과적인 펌핑 성능을 감소시키기 때문에, 이는 점점 더 문제가 되고 있다. 본 압력 범위에서 높은 펌핑 속도를 제공하는 도구 장착식 진공 부스터가 필요하다.
반도체 제조 공정에서 (적어도 부분적으로) 챔버를 배기하기에 충분히 큰 용량을 갖고 드래그 펌프에 의해 통상적으로 펌핑되는 압력에서 펌핑에 효과적인 펌프를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면, 반도체 제조 공정에서 챔버를 배기하기 위한 축류식 진공 펌프가 제공된다. 축류식 진공 펌프는 복수의 로터 블레이드를 구비한 로터와, 복수의 스테이터 블레이드를 구비한 스테이터를 포함한다. 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드는 곡선형 단면 형상을 갖는다.
점성 유동 영역의 압력(예를 들면, 1mbar 이상)에서, 블레이드의 곡선 형상은 축류 압축기와 동일한 방식으로 유입구로 들어가는 가스를 압축할 수 있다. 분자 유동 영역의 상대적으로 저압(예를 들면, 10-3mbar 이하)에서, 곡선형 블레이드는 가스 분자를 유출구측을 향해 지향시키는 역할을 할 수도 있다. 게다가, 곡선형 로터 및 스테이터 블레이드를 포함하는 이러한 축류식 진공 펌프는 예를 들면, 1mbar 내지 10-3mbar의 중간 진공 또는 전이 영역에 걸쳐서 놀라운 효과로 작동하는 것으로 밝혀졌다. 축류식 진공 펌프는 상이한 유동 영역에서 효능을 나타낼 뿐만 아니라, 출원인은 이러한 펌프가 반도체 제조 공정에서 사용하기에 상당한 이점을 가지는 비교적 작은 풋프린트로 높은 펌핑 속도를 생성할 수 있음을 발견하였다.
이러한 반도체 제조 공정에서 사용하기에 특히 적합하지만, 본 명세서에 설명된 축류식 진공 펌프는 특히 압력 영역의 범위에 걸쳐서 작동하는 것이 바람직한 다른 응용 분야에서도 유용성을 찾을 수도 있음을 인식할 것이다.
축류식 진공 펌프는 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드가 연장되는 스테이터와 로터 사이의 환형 유로를 구비하고, 가스가 로터 축에 실질적으로 평행하게 환형 유로를 통해 흐르도록 구성된다.
반도체 제조 공정에서 챔버를 배기하기에 적합하기 위해, 진공 펌프는 반도체 제조의 가혹한 환경에서 사용하기에 적합한 재료로 제조되어야 한다. 예를 들어, 재료는 섭씨 130도 이상의 고온에서 효과적으로 작동할 수 있어야 한다. 실시예에서, 펌프는 섭씨 150도 내지 섭씨 200도의 온도에서 작동하도록 구성될 수도 있다. 고온에서 작동하는 것 외에도, 재료는 부식성 화합물이 있는 상태에서 효과적으로 작동할 수 있어야 한다. 실시예에서, 펌프는 불소를 포함하는 가스를 펌핑하도록 구성된다.
축류식 진공 펌프는 에어로포일 형상과 같은 곡선형 단면 형상을 갖는 복수의 로터 및 스테이터 블레이드를 포함한다. 보다 구체적으로, 곡선형 또는 에어로포일 형상은 블레이드 전방, 즉, 펌프의 유입구를 향한 리딩 에지와, 블레이드 후방, 즉, 펌프 또는 유출구 또는 배기구를 향한 트레일링 에지를 포함한다. 곡선형 압력면 및 곡선형 흡입면은 대향 측면에서 블레이드의 리딩 에지로부터 트레일링 에지까지 연장된다. 에어로포일은 공기역학적 힘(aerodynamic force)을 생성하도록 구성된다. 본 발명자는 표준 터보분자 펌프에 사용되는 직선형 블레이드 대신에 곡선형 블레이드를 사용하는 것이 펌프가 더 큰 압력 범위에서 작동하게 하므로 터보분자 펌프보다 높은 압력에서 효과적임을 발견하였다.
로터 및 스테이터 블레이드는 각각의 펌핑 스테이지로 배열될 수도 있고, 각각의 스테이지는 복수의 로터 블레이드를 포함하는 로터 스테이지와, 복수의 스테이터 블레이드를 포함하는 스테이터 스테이지를 포함한다. 따라서, 축류식 진공 펌프는 복수의 펌핑 스테이지를 포함할 수도 있다.
펌프의 특정 로터 스테이지의 로터 블레이드는 동일한 스테이지의 다른 로터 블레이드와 동일한 형상 및 크기를 가질 수도 있다. 유사하게, 스테이터 블레이드 로터 블레이드는 동일한 스테이지의 다른 로터 블레이드와 동일한 형상 및 크기를 가질 수도 있다. 그러나, 동일한 스테이지 내의 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드는 서로 동일한 형상을 가질 필요는 없지만 당업계에 공지된 바와 같이 상이한 형상을 가질 수 있다. 게다가, 하나의 스테이지의 로터 블레이드는 다른 스테이지의 로터 블레이드와 상이한 형상을 가질 수도 있다. 유사하게, 단일 로터 스테이지는 상이한 형상을 갖는 로터 블레이드를 포함할 수도 있다. 스테이터 블레이드의 경우에도 마찬가지일 수도 있다.
실시예에서, 모든 로터 블레이드 및 모든 스테이터 블레이드는 에어로포일 형상을 가질 수도 있다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없으며 이와 관련하여 다양한 배열이 가능하다. 예를 들어, 복수의 곡선형 로터 및 스테이터 블레이드와 조합하여, 곡선형 블레이드와 동일한 펌핑 스테이지 내에, 또는 펌프의 상이한 스테이지에, 하나 이상의 직선형 블레이드가 제공될 수도 있다.
실시예에서, 모터는 로터에 결합되고 로터의 축을 중심으로 로터를 구동하도록 구성된다. 모터는 영구 자석 모터와 같은 전기 모터일 수도 있다.
로터는 자기 베어링에 의해 스테이터에 대해 회전하도록 지지될 수도 있다. 자기 베어링은 자기 부상을 사용하여 하중을 지지하도록 구성된다. 이러한 베어링은 또한 자기 부상 베어링으로 지칭될 수도 있다. 이는 물리적 접촉 없이 하중을 지지하므로 마찰을 줄이고 오염을 유발할 수도 있는 윤활유가 필요하지 않다. 자기 베어링은 또한 다른 유형의 접촉 베어링에 비해 진동을 적게 생성하고 더 안정적일 수 있다. 자기 베어링을 사용하면 진공 펌프가 반도체 처리 챔버 상에 또는 매우 가까이에 배치되게 한다. 펌프와 펌프가 배기하는 챔버 사이의 긴 도관은 특히 저압에서 펌핑할 때 펌핑 효율을 크게 감소시킨다. 따라서, 자기 베어링을 사용하면 축류식 진공 펌프가 분자 유동 영역에서 효과적으로 작동하게 한다.
로터는 스테인리스강으로 형성될 수도 있다. 실시예에서, 스테이터는 또한 스테인리스강으로 형성될 수도 있다. 스테이터 및 로터는 일반적으로 동일한 재료 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 스테인리스를 사용하면 예를 들면, 알루미늄에 비해 더 높은 온도에서 펌프가 사용되게 한다. 더 높은 온도에서 작동하면 생성된 부산물로 인해 반도체 제조 동안에 발생할 수도 있는 펌핑 표면에 응축물이 형성될 위험이 줄어든다. 실시예에서, 로터 및 스테이터는 고강도 스테인리스강으로 형성된다.
로터 및 스테이터 블레이드는 각각, 로터 블레이드의 경우(본 경우, 반경방향 길이는 로터와 블레이드 팁 사이의 가장 큰 반경방향 길이로 측정됨) 로터로부터 스테이터를 향해, 그리고 스테이터 블레이드의 경우(본 경우, 반경방향 길이는 최대 반경방향 길이로 측정됨) 스테이터로부터 로터를 향해 연장되는 반경방향 길이를 갖는다. 펌프의 유입구 스테이지는 제 1 반경방향 길이를 갖는 블레이드를 포함하고, 펌프의 인접한 하류측 스테이지는 제 2 반경방향 길이를 갖는 블레이드를 포함한다. 실시예에서, 유입구 스테이지의 로터 및/또는 스테이터 블레이드는 펌프의 하류측 스테이지에 있는 로터 및/또는 스테이터 블레이드보다 더 큰 반경방향 길이를 갖는다. 예를 들어, 실시예에서, 제 1 반경방향 길이 대 제 2 반경방향 길이의 비는 1.5:1 이상, 예를 들면, 2:1 이상이다.
점성 유동 동안에는 효과적이지는 않지만, 펌프의 유입구 스테이지에서 더 긴 반경방향 길이를 갖는 블레이드를 사용하면, 분자 유동 영역에서 작동할 때 펌프의 성능이 최적화된다. 펌프의 유입구 스테이지에서 블레이드의 길이가 더 길면, 펌프로 들어가는 더 많은 가스 분자를 포착하고 이들을 펌핑 채널로 보내서 펌프를 통해 진행하는데 도움이 될 수도 있다. 펌프의 유입구는 가장 낮은 압력으로 있고, 이 지점에서 분자를 포획하는 것이 가장 어렵다.
실시예에서, 펌프는 인접한 스테이지 사이의 반경방향 길이의 비가 2:1 이상, 예를 들면, 3:1 이상인 하나 이상의 유입구 스테이지를 구비한다. 펌프는 또한 인접 스테이지 사이의 비율이 1:1 내지 1.5:1, 예를 들면, 1.2:1인 유입구 스테이지의 하류측에 복수의 압축 스테이지를 구비할 수도 있다. 실시예에서, 유입구 스테이지의 수는 일반 스테이지의 수보다 적다. 예를 들어, 펌프는 하나 또는 2개의 유입구 스테이지와 4개 이상의 일반 압축 스테이지를 구비할 수도 있다.
축류식 진공 펌프는 4개 내지 10개의 펌핑 스테이지를 포함할 수도 있으며, 각각의 펌핑 스테이지는 일렬의 로터 블레이드와 일렬의 스테이터 블레이드를 포함한다.
실시예에서, 축류식 진공 펌프는 6개 내지 8개의 펌핑 스테이지를 포함한다. 하나 이상의 펌핑 스테이지는 점성 유동 영역에서 작동할 때 1.1:1 내지 1.5:1, 예를 들면, 1.2:1의 압축비와, 분자 유동 영역에서 작동할 때 2:1 내지 4:1, 예를 들면, 3:1의 압축비를 달성하도록 구성될 수도 있다.
축류식 진공 펌프는 펌프의 유출구로부터 펌프의 유입구를 향해 가스의 일부를 지향시키기 위한 바이패스 도관을 포함할 수도 있다. 바이패스 도관은 펌프 내부 또는 외부에 있을 수도 있다. 다시 말해서, 바이패스 도관은 펌프의 유출구 또는 유출구 도관에 장착되고 펌프의 유입구를 향해 연장되는 외부 파이프를 포함하거나, 이러한 방식으로 가스를 지향시키기 위해 스테이터 또는 스테이터의 외부 케이싱 내에 형성된 도관과 같은 펌프와 일체형일 수도 있다.
바이패스 도관은 압력 릴리프 밸브를 포함할 수도 있다. 압력 릴리프 밸브는 50mbar 이상의 압력, 예를 들면, 50mbar 내지 200mbar 또는 80mbar 내지 120mbar 또는 약 100mbar의 압력으로 개방되도록 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 장비를 제조하기 위한 장치가 제공된다. 본 장치는 반도체 장비를 제조하기 위한 챔버와, 챔버로부터 멀리 떨어져서 위치되고 챔버로부터 가스를 배기하도록 구성된 배킹 펌프 시스템과, 배킹 펌프 시스템을 챔버에 유체적으로 연결하기 위한 포어라인(foreline)을 포함한다. 장치는 챔버로부터 가스를 배기하도록 구성된 상기 설명된 실시예 중 어느 하나에 기재된 축류식 진공 펌프를 더 포함하고, 축류식 진공 펌프는 챔버와 포어라인 사이에 연결된다.
실시예에서, 배킹 펌프 시스템은 루츠 블로워 및 1차 펌프를 포함한다. 루츠 블로어 및 1차 펌프와 같은 추가의 펌프 시스템에 의해 배킹되는 축류식 진공 펌프를 포함하는 진공 펌프 세트는 1mbar 내지 5X10-2mbar의 압력으로 배기될 반도체 처리 챔버와 같은 진공 챔버를 위한 효과적인 펌핑 장치를 제공한다. 이러한 압력은 ALD(원자층 증착) 공정과 같은 반도체 장치 제조 공정을 포함하는 반도체 공정에 적합하다.
상기 설명된 축류식 진공 펌프는 상대적으로 저압에서 상대적으로 높은 펌핑 속도를 제공하지만, 특히 작동 범위의 더 높은 압력에서 적당한 압축비를 갖는다. 그러나, 루츠 블로워 펌프와 함께 사용할 경우, 본 조합은 루츠 블로워 및 축류식 진공 펌프의 상호보완적인 특성으로 인해 압력 범위에 걸쳐서 필요한 압축을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 반도체 진공 챔버의 배기에서 루츠 블로워의 효과적인 작동에 대한 제약은 루츠 블로워가 클린룸 내에서 장착할 수 없기 때문에 필요한 도관의 길이이다. 그러나, 챔버에 장착할 수 있거나 적어도 클린룸/팹(fab)에서 매우 가까이에 장착될 수 있고, 작동 범위의 더 낮은 압력에서 효과적으로 배기되는 축류식 진공 펌프와 함께 사용하면 1mbar 내지 5X10-2mbar의 전체 압력 범위에 걸쳐서 반도체 처리 챔버를 효과적으로 배기할 수 있는 펌프 조합을 제공한다.
챔버는 반도체 장비를 형성하는데 사용되는 하나 이상의 도구를 수용할 수도 있다. 챔버는 클린룸에 위치될 수도 있다. 축류식 진공 펌프는 챔버에 직접 부착되거나 적어도 챔버에 매우 가깝게 부착될 수도 있다. 예를 들어, 축류식 진공 펌프는 챔버로부터 2미터 미만 또는 바람직하게는 챔버로부터 1미터 미만에 위치될 수도 있으며, 예를 들면, 펌프는 챔버 상에 위치될 수도 있다. 축류식 진공 펌프는 챔버와 같은 동일 룸에 위치될 수도 있다. 챔버와 축류식 진공 펌프는 둘 모두 클린룸에 위치될 수도 있다. 상기 루츠 블로워 및 1차 펌프가 상기 반도체 처리 챔버로부터 멀리 떨어져서 위치되도록 상기 진공 펌프를 상기 루트 블로어 및 1차 펌프에 연결하기 위해 더 긴 도관이 사용된다. 더 긴 도관은 루츠 블로워 펌프가 진공 챔버와 클린룸으로부터 멀리 안착되게 한다.
배킹 펌프 시스템은 챔버로부터 8미터 초과에 위치될 수도 있다. 실시예에서, 배킹 펌프 시스템은 챔버가 위치되는 룸의 외측에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 배킹 펌프 시스템은 챔버 아래의 서브팹 또는 기초부와 같은 챔버의 플로어와 별도의 플로어에 위치될 수도 있다. 실시예에서, 축류식 진공 펌프 및 챔버는 동일한 플로어에 함께 위치되고, 배킹 펌프 시스템은 아래의 플로어에 위치된다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 제조 챔버를 배기하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 챔버로부터 가스를 배기하기 위해 상기 실시예 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 축류식 진공 펌프를 사용하는 것과, 1mbar 이상의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것과, 1mbar 내지 10-3mbar의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것과, 10-3mbar 이하의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것을 포함한다.
본 방법은 챔버로부터 가스를 배기하기 위해 배킹 펌프 시스템을 사용하는 것을 포함할 수도 있으며, 배킹 펌프 시스템은 챔버 및 축류식 진공 펌프로부터 멀리 위치된다.
실시예에서, 배킹 펌프 시스템은 챔버가 위치되는 룸의 외부에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 배킹 펌프 시스템은 챔버 아래의 서브팹 또는 기초부와 같이 챔버의 플로어와 별도의 플로어에 위치될 수도 있다. 실시예에서, 축류식 진공 펌프 및 챔버는 동일한 플로어에 함께 위치되고, 배킹 펌프 시스템은 플로어 아래에 위치된다.
축류식 진공 펌프는 챔버로부터 2미터 미만에 위치될 수도 있다. 실시예에서, 축류식 진공 펌프는 챔버로부터 1미터 미만에 위치되며, 예를 들면, 펌프는 챔버에 위치될 수도 있다. 축류식 진공 펌프는 챔버와 같은 동일 룸에 위치될 수도 있다. 챔버 및 축류식 진공 펌프는 둘 모두 클린룸에 위치될 수도 있다. 배킹 펌프 시스템은 챔버로부터 8미터 초과에 위치될 수도 있다.
실시예에서, 본 방법은 섭씨 130도 이상의 온도에서 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것을 포함한다.
이제 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 실시예에 따른 반도체 제조 챔버 및 챔버를 배기하기 위한 펌핑 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진공 펌프의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 바이패스 구성을 갖는 도 2의 진공 펌프를 도시한다.
도 4는 도 2의 펌프의 압축 스테이지에 대한 블레이드의 예시적인 단면 프로파일을 도시한다.
도 5는 도 2의 펌프의 압축 스테이지에 대한 블레이드의 추가의 예시적인 단면 프로파일을 도시한다.
도 6은 반도체 제조 챔버를 배기하는 방법을 나타낸다.
도 1은 반도체 장비를 제조하기 위한 장치(10)의 개략도이다. 도시된 장치(10)는 2개의 플로어에 걸쳐서 위치된다. 상부 플로어(12)에는 챔버(16) 및 축류식 진공 펌프(18)가 위치되는 클린룸이 구비되고, 하부 플로어(14)에는 배킹 펌프 시스템(20)이 위치된다. 챔버(16) 및 축류식 진공 펌프(18)는 포어라인(foreline)(22)을 통해 배킹 펌프 시스템(20)에 연결된다. 단순함을 위해 2개의 플로어만이 도시되어 있지만, 장치(10)는 특히, 배기 관리 및 온도 관리 시스템과 같은 추가 장비가 필요할 수도 있는 추가 플로어 위에 위치될 수도 있음이 인식될 것이다. 게다가, 각 플로어는 당업계에 공지된 바와 같이 장치의 다양한 부분이 위치될 수도 있는 다수의 룸을 포함할 수도 있다.
사용시에, 반도체 장비는 하나 이상의 도구(도시되지 않음)를 사용하여 챔버(16) 내에서 제조된다. 반도체 장비를 효과적으로 제조하기 위해서는 챔버 내의 가스 압력이 매우 낮아야 한다. 예를 들어, 많은 반도체 공정에서, 챔버(16)의 압력은 10-2mbar 이하일 필요가 있다. 이와 같이, 축류식 진공 펌프(18) 및 배킹 펌프 시스템(20)은 이러한 압력을 달성하기 위해 챔버(16)로부터 가스를 배기하도록 구성된다.
배킹 펌프 시스템(20)은 축류식 진공 펌프(18)를 배킹하기 위한 루츠 블로워 및 1차 펌프 또는 다른 유사한 장치를 포함한다. 이러한 배킹 펌프 시스템은 매우 부피가 크고 상당한 소음을 생성할 수 있으며, 이와 같이 챔버(16)의 주요 제조 공정과 별도로 위치된다. 예시된 예에서, 배킹 펌프 시스템(20)은 제조 시설의 소위 '서브팹' 영역의 챔버(16) 아래의 플로어에 위치된다. 챔버(16) 및 배킹 펌프 시스템(20)이 별도의 플로어에 있기 때문에, 챔버(16)와 배킹 펌프 시스템(20) 사이에는 상당한 거리가 있다. 이와 같이, 포어라인(22)은 길이가 8미터 이상이다. 배킹 펌프 시스템(20) 및 챔버(16) 사이의 긴 가스 유로는 특히, 저압에서 배킹 펌프 시스템(20)의 펌핑 효율을 감소시킨다.
축류식 진공 펌프(18)는 챔버(16)에 직접 부착된다. 축류식 진공 펌프(18)는 또한 2미터 미만의 짧은 도관이 챔버(16)와 축류식 진공 펌프(18) 사이에서 이동하도록 챔버(16)에 가깝게 위치될 수도 있음이 인식될 것이다.
챔버(16) 가까이에 부착된 비교적 높은 펌핑 용량을 갖는 축류식 진공 펌프(18)와, 효과적인 펌핑 범위의 고압으로 효과적으로 펌핑할 수 있는 배킹 펌프 시스템(20)의 조합은 알려진 시스템에 비해 증가된 펌핑 용량으로 원하는 펌핑 범위에 걸쳐서 효과적으로 펌핑하는 펌프 세트를 제공한다.
도 2는 도 1의 펌핑 장치(10)를 위한 예시적인 축류식 진공 펌프(18)의 단면도를 도시한다.
축류식 진공 펌프(18)는 사용 동안에 펌프 축(32)을 중심으로 회전하도록 구성된 로터(30)를 포함하고, 그 위에 장착된 복수의 로터 블레이드(34)를 구비한다. 펌프(18)는 로터(30)를 둘러싸고 그 위에 장착된 복수의 스테이터 블레이드(36)를 구비하는 스테이터(38)를 더 포함한다. 로터(30) 및 스테이터(38)는 로터 블레이드(34) 및 스테이터 블레이드(36)가 연장되는 펌프의 유입구(42)로부터 유출구(44)까지 연장되는 환형 유로(40)를 형성한다. 환형 유로(40)는 유입구(42)로부터 유출구(44)까지 축방향을 따라 감소하는 단면적을 갖는다.
로터(30)는 자기 베어링(46)에 의해 스테이터(38)에 대한 회전을 위해 지지된다. 도시된 실시예는 로터(30)의 유출구 단부 근처에 위치된 단일 자기 베어링(46)을 도시하지만, 하나 이상의 베어링을 포함하는 다른 베어링 구성이 사용될 수도 있음이 인식될 것이다.
로터(30)는 사용시에, 섭씨 150도 내지 섭씨 180도의 온도에서 효과적으로 작동할 수 있는 고강도 스테인리스강으로 형성된다.
로터 블레이드(34) 및 스테이터 블레이드(36)는 도 2에 도시된 바와 같이 스테이지(50, 52, 54, 56)로 배열된다. 각 스테이지(50, 52, 54, 56)는 사용시에 축(32)을 중심으로 회전하도록 구성된 일렬의 로터 블레이드(34)와, 사용시에 스테이터(38)에 고정된 상태로 유지되도록 구성된 일렬의 스테이터 블레이드(36)를 포함한다. 도시된 진공 펌프(18)는 4개의 스테이지(50, 52, 54, 56)를 갖는다. 유입구 로터 블레이드(34) 및 유입구 스테이터 블레이드(36)를 포함하는 유입구 스테이지(50)는 펌프(18)에 대한 유입구(42)에 위치된다. 일렬의 로터 블레이드(34) 및 일렬의 스테이터 블레이드(36)를 포함하는 3개의 추가 압축 스테이지(52, 54, 56)는 펌프(18)의 유출구(44)를 향해 유입구 스테이지(42)의 하류측에 위치된다. 4개의 스테이지가 도 2에 도시되어 있지만, 펌프(18)의 원하는 압축 특성에 따라 더 적거나 더 많은 스테이지가 존재할 수도 있음이 인식될 것이다.
펌프(18)의 각 스테이지는 유입구(42)로부터 유출구(44)를 향해 감소하는 관련 체적을 가지고, 그에 따라 상류측 스테이지가 하류측 스테이지보다 더 큰 체적을 갖는다. 이러한 부피 감소는 점성 유동 영역에서 가스의 압축을 용이하게 한다. 체적 감소는 유입구(42)로부터 유출구(44)로의 방향으로 펌프(18)의 축(32)을 따라, 스테이터(38)의 내경을 감소시키고, 그리고/또는 로터(30)의 외경을 증가시킴으로써 달성될 수도 있다. 도시된 예에서, 스테이터(38)의 내경은 유입구 스테이지(50)에서 감소하지만 추가 압축 스테이지(52, 54, 56)에서 대체로 고정된 채로 유지되고, 로터(30)의 외경은 모든 스테이지 전체에 걸쳐서 증가한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 원하는 체적 감소를 달성하는 스테이터(38) 및 로터(30) 기하학적 구조의 다른 구성도 본 발명의 범위 내에 있음이 인식될 것이다.
따라서, 각 스테이지(50, 52, 54, 56)는 그 스테이지의 체적 대 인접한 하류측 스테이지의 체적의 비율로 규정되는 압축비를 갖는다. 추가 압축 스테이지(52, 54, 56)(즉, 유입구 스테이지의 하류측)의 압축비는 약 1.2:1이다. 스테이지의 압축비는 인접한 하류측 스테이지의 로터 및 스테이터 블레이드(34, 36)의 길이에 비해 스테이지의 로터 및 스테이터 블레이드(34, 36)의 길이에 직접적인 영향을 미친다. 보다 구체적으로, 각 열의 로터 블레이드(34)는 로터(30)로부터 스테이터(38)를 향해 연장되는 반경방향 길이(60)를 갖고, 스테이터 블레이드(36)는 스테이터(38)로부터 로터(30)를 향해 연장되는 반경방향 길이(62)를 각각 갖는다. 압축비가 약 1.2:1인 경우, 스테이지 사이의 로터 블레이드(또는 스테이터 블레이드)의 반경방향 길이 비도 약 1.2:1이다.
이에 비해, 유입구 스테이지(50)는 인접 스테이지의 것에 비해 훨씬 더 긴 반경방향 길이(60)를 갖는 블레이드(34)를 포함하고, 그에 따라 그 비는 점성 유동 동안에 원하는 압력비를 달성하는데 최적인 것보다 훨씬 더 높다. 보다 구체적으로, 유입구 스테이지(50)는 유입구 스테이지(50)의 블레이드 길이(60, 62) 대 펌프(18)의 인접 스테이지(52)의 블레이드 길이(60)의 비가 되도록 약 3:1이도록 약 3:1의 압축비와 로터 및 스테이터 블레이드 길이(60, 62)를 갖는다.
이러한 방식으로 구성된 유입구 스테이지의 수가 통상 압축 스테이지의 수보다 적을지라도, 더 긴 블레이드를 구비한 하나 이상의 유입구 스테이지(50)가 제공될 수도 있음이 인식될 것이다.
도 2의 축류식 진공 펌프는 펌핑 성능을 최적화하기 위해 바이패스 구성(70)을 갖는다. 도 3은 유입구(72), 유출구(74) 및 바이패스 도관(76)을 도시하는 펌프(18)의 개략도이다. 유입구 도관(72)은 펌프(18)의 유입구(40)에 부착되어서, 챔버(도시되지 않음)로부터의 가스가 유입구 도관(72)을 통해 펌프(18) 내로 지향되며, 일부 예에서, 유입구 도관(72)은 챔버 자체의 일부일 수도 있어서, 펌프(18)가 챔버에 직접 장착된다. 유출구 도관(74)은 펌프(18)의 유출구(44)에 부착된다. 유출구 도관(74)은 펌핑 시스템 포어라인(도시되지 않음)으로 직접 공급되거나, 유출구 도관(74)이 펌프(18)로부터 8미터 이상 떨어진 배킹 펌프 시스템을 향해 가스를 지향시키도록 포어라인 자체의 일부일 수도 있다. 바이패스 도관(76)은 펌프(18)의 유출구(44)에서 또는 유출구(44)에 인접하여 유출구 도관(74)에 부착되고, 유출구 도관(74) 내의 가스의 일부를 펌프(18)의 유입구(40)를 향해 다시 지향시키도록 구성된다.
바이패스 도관(76)은 유출구 도관(74)과 유입구 도관(72) 사이에 위치된 압력 릴리프 밸브(78)를 포함한다. 압력 릴리프 밸브(78)는 100mbar에서 개방되도록 구성된다. 압력 릴리프 밸브는 시스템의 압력 조건에 따라 50mbar 이상의 압력, 예를 들면, 50mbar 내지 200mbar, 또는 80mbar 내지 120mbar의 압력에서 개방되도록 구성될 수도 있음이 인식될 것이다.
도 2의 진공 펌프(18)는 각각의 로터 및 스테이터 블레이드(34, 36)가 이하의 도 4 및 도 5에 보다 상세히 도시된 바와 같이 실질적으로 곡선형 단면 형상을 갖는다는 점에서 표준 터보분자 펌프와 상이하다.
도 4는 도 2의 펌프(18)의 스테이지에 대한 블레이드(34, 36)의 예시적인 단면 프로파일을 도시한다. 스테이지는 일렬의 로터 블레이드(34a)와, 일렬의 스테이터 블레이드(36a)를 포함한다. 단순화를 위해, 단지 3개의 로터 블레이드(34a)와 3개의 스테이터 블레이드(36a)가 본 명세서에 도시되어 있지만, 3개보다 많은 블레이드가 각 스테이지에서 로터(30)의 둘레 주위에 장착됨이 인식될 것이다.
도 4의 구성에서, 블레이드는 익현 길이(82a)를 따라 대체로 균일한 두께(80a)를 가지므로, 곡선형 프로파일을 형성하도록 구부러지는 판금으로 제조될 수도 있다. 보다 구체적으로, 곡선 형상은 블레이드의 전방에 있는, 즉, 대체로 편평한 펌프의 유입구를 향하는 리딩 에지(84a)와, 블레이드의 후방에 있는, 즉, 또한 대체로 편평한 펌프의 유출구 또는 배기구를 향하는 트레일링 에지(86a)를 포함한다. 곡선형 압력면(88a) 및 곡선형 흡입면(90a)은 대향 측면에서 블레이드의 리딩 에지(84a)로부터 트레일링 에지(86a)까지 연장된다.
도 5의 대체 구성에서, 블레이드는 에어로포일 단면 형상을 형성하도록 공기역학적으로 최적화된다. 보다 구체적으로, 에어로포일 형상은 대체로 곡선형인 블레이드의 전방에 있는 리딩 에지(84b)와, 대체로 뾰족한 블레이드의 후방에 있는 트레일링 에지(86b)를 포함한다. 곡선형 압력면(88b) 및 곡선형 흡입면(90b)은 대향 측면에서 블레이드의 리딩 에지(84b)로부터 트레일링 에지(86b)까지 연장된다. 단면 프로파일의 두께(80b)는 리딩 에지(84b)를 향하는 더 큰 두께(80b)와, 트레일링 에지(86b)를 향하는 더 작은 두께(80b)를 갖도록 익현 길이(82b)에 걸쳐서 달라진다.
도 6은 상술된 바와 같은 장치를 사용하여 반도체 제조 챔버를 배기하는 방법(100)을 나타낸다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 챔버(16) 상에 직접 또는 매우 가깝게 장착된 축류식 진공 펌프(18)의 사용은, 배킹 펌프 시스템(20)이 축류식 진공 펌프(18)로부터 멀리 떨어진 위치로부터 축류식 진공 펌프(18)를 배킹한다.
방법(100)의 단계 1(S1)는 1mbar 이상의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동하는 것을 포함하고, 단계 2(S2)는 1mbar 내지 10-3mbar의 압력으로 가스를 펌핑하도록 축류식 진공 펌프를 작동하는 것을 포함하며, 단계 3(S3)는 10-3mbar 이하의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 축류식 진공 펌프를 작동하는 것을 포함한다. 이와 같이, 축류식 진공 펌프는 점성 유동 영역과 분자 유동 영역뿐만 아니라, 두 영역 사이의 전이부에서 가스를 펌핑하는데 사용된다.
10 : 장치
12 : 상부 플로어
14 : 하부 플로어
16 : 챔버
18 : 축류식 진공 펌프
20 : 배킹 펌프 시스템
22 : 포어라인
30 : 로터
32 : 축
34 : 로터 블레이드
36 : 스테이터 블레이드
38 : 스테이터
40 : 환형 유로
42 : 유입구
44 : 유출구
46 : 자기 베어링
50 : 유입구 스테이지
52, 54, 56 : 펌핑 스테이지
60 : 로터 블레이드 반경방향 길이
62 : 스테이터 블레이드 반경방향 길이
70 : 바이패스 구성
72 : 유입구 도관
74 : 유출구 도관
76 : 바이패스 도관
78 : 압력 릴리프 밸브
80 : 블레이드 두께
82 : 익현 길이
84 : 리딩 에지
86 : 트레일링 에지
88 : 압력면
90 : 흡입면
S1 : 단계 1
S2 : 단계 2
S3 : 단계 3

Claims (14)

  1. 반도체 제조 공정에서 챔버를 배기하기 위한 축류식 진공 펌프에 있어서,
    복수의 로터 블레이드를 구비한 로터와,
    복수의 스테이터 블레이드를 구비한 스테이터를 포함하고,
    상기 로터 블레이드 및 스테이터 블레이드는 곡선형 단면 형상을 갖는
    축류식 진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는 자기 베어링에 의해 스테이터에 대해 회전하도록 지지되는
    축류식 진공 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 로터는 스테인리스강으로 형성되는
    축류식 진공 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프의 유입구 스테이지는 제 1 반경방향 길이를 갖는 블레이드를 포함하고, 상기 펌프의 인접한 하류측 스테이지는 제 2 반경방향 길이를 갖는 블레이드를 포함하며, 제 1 반경방향 길이 대 제 2 반경방향 길이의 비는 2:1 이상인
    축류식 진공 펌프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    4개 내지 10개의 펌핑 스테이지를 포함하고, 각각의 펌핑 스테이지는 일렬의 로터 블레이드와 일렬의 스테이터 블레이드를 포함하는
    축류식 진공 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프의 유출구로부터 상기 펌프의 유입구를 향해 가스의 일부를 지향시키기 위한 바이패스 도관을 포함하는
    축류식 진공 펌프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이패스 도관은 압력 릴리프 밸브를 포함하는
    축류식 진공 펌프.
  8. 반도체 장비를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    반도체 장비를 제조하기 위한 챔버와,
    상기 챔버로부터 멀리 떨어져서 위치되고 상기 챔버로부터 가스를 배기하도록 구성된 배킹 펌프 시스템과,
    상기 배킹 펌프 시스템을 상기 챔버에 유체적으로 연결하기 위한 포어라인과,
    상기 챔버로부터 가스를 배기하도록 구성된 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 축류식 진공 펌프를 포함하고,
    상기 축류식 진공 펌프는 상기 챔버와 상기 포어라인 사이에 연결되는
    반도체 장비 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 축류식 진공 펌프는 상기 챔버로부터 2미터 미만에 위치되는
    반도체 장비 제조 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 배킹 펌프 시스템은 상기 챔버로부터 8미터 초과에 위치되는
    반도체 장비 제조 장치.
  11. 반도체 제조 챔버를 배기하는 방법에 있어서,
    상기 챔버로부터 가스를 배기시키기 위해 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 축류식 진공 펌프를 사용하는 것과,
    1mbar 이상의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 상기 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것과,
    1mbar 내지 10-3mbar의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 상기 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것과,
    10-3mbar 이하의 압력으로 가스를 펌핑하기 위해 상기 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것을 포함하는
    반도체 제조 챔버 배기 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 챔버로부터 가스를 배기하기 위해 배킹 펌프 시스템을 사용하는 것을 포함하고, 상기 배킹 펌프 시스템은 상기 챔버 및 축류식 진공 펌프로부터 멀리 떨어져서 위치되는
    반도체 제조 챔버 배기 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 축류식 진공 펌프는 상기 챔버로부터 2미터 미만에 위치되는
    반도체 제조 챔버 배기 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    섭씨 130도 이상의 온도에서 가스를 펌핑하기 위해 상기 축류식 진공 펌프를 작동시키는 것을 포함하는
    반도체 제조 챔버 배기 방법.
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