WO2022075229A1 - 真空ポンプとこれを用いた真空排気システム - Google Patents

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祐幸 坂口
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エドワーズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a vacuum pump used as a gas exhaust means for a process chamber or other chamber in a semiconductor manufacturing apparatus, a flat panel display manufacturing apparatus, a solar panel manufacturing apparatus, and a vacuum exhaust system using the same, particularly a chamber. It is suitable for equalizing the internal pressure and improving the compression ratio.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional vacuum exhaust system.
  • the vacuum pump P3 is connected to the chamber 300, and the gas in the chamber 300 is exhausted through the vacuum pump P3.
  • a processing stage 400 is provided in the chamber 300, and a work such as a semiconductor wafer is placed on the processing stage 400. Then, the process gas is supplied into the chamber 300, and the work on the processing stage 400 is processed with the process gas (for example, etching processing of the semiconductor wafer). The process gas used in the process is exhausted to the outside of the chamber 300 through the vacuum pump P3.
  • a gate valve device 500 is provided in the chamber 300 as a means for adjusting the pressure in the chamber 300 when processing the process gas in the chamber 300 as described above.
  • the gate valve device 500 can temporarily shut off or open the communication passage R connecting the vacuum pump P3 and the chamber 300 by moving the valve body 500A arranged in the chamber 300 up and down.
  • the vertical movement of the valve body 500A is performed by the vertical movement of the drive cylinder rod 500B.
  • the drive cylinder rod 500B for moving the valve body 500A up and down is located near the outer periphery of the communication passage R, and the processing stage is on the inner wall surface of the chamber 300. Since the structure is such that the 400 is mounted and there is no symmetry of the exhaust path with respect to the processing 400 stage, the gas flow method changes between the vicinity of the mounting part and other places, resulting in non-uniform pressure distribution. It is more likely to occur. For example, when the work is processed by the process gas, the flow of the process gas is not uniform around the processing stage 400 and the drive cylinder rod 500B, and it becomes difficult for the gate valve device 500 to keep the pressure in the chamber 300 uniform. Therefore, there is a problem that the processing of the work by the process gas becomes uneven.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a vacuum pump suitable for equalizing the pressure in the chamber and improving the compression ratio, and a vacuum exhaust system using the same. It is to be.
  • the present invention of the vacuum pump is rotatable between a tubular inner housing, a tubular stator arranged outside the inner housing, and the inner housing and the stator.
  • a tubular shaft arranged in the above, a motor for rotationally driving the shaft around its axis, a plurality of stages of rotary blades arranged on the outer peripheral surface of the shaft, and the outside of the plurality of stages of rotary blades.
  • a vacuum pump provided with a tubular outer housing having an intake port and an exhaust port provided on the side, in the gap between the outer peripheral surface of the inner housing and the inner peripheral surface of the shaft, to the gap. It is characterized by providing a sealing mechanism that blocks the inflow of gas.
  • the sealing mechanism functions as a means for inhibiting the inflow of process gas into the gap on the upstream side of the gap due to the difference in shape or structure, and into the gap on the downstream side of the gap. It may be characterized by functioning as a means for inhibiting the inflow of purge gas.
  • the sealing mechanism may be characterized by having a plurality of blade portions on at least a part of the inner peripheral surface of the shaft.
  • the sealing mechanism may be characterized by having a threaded groove portion in at least a part of either the outer peripheral surface of the inner housing or the inner peripheral surface of the shaft.
  • the present invention may be characterized in that the inner peripheral surface of the outer housing is not usually provided with the plurality of stages of rotary blades and the plurality of stages of fixed blades alternately arranged in the axial direction.
  • the present invention of the vacuum exhaust system is characterized in that another vacuum pump is provided coaxially with the central axis of the vacuum pump and on the downstream side of the vacuum pump.
  • the entire vacuum pump has a hollow structure, and the processing stage in the chamber can be arranged in the hollow portion.
  • the pressure in the chamber is such that the arrangement of the processing stages eliminates the factors that obstruct the gas flow as in the mounting part of the conventional processing stage, and the gas flow becomes uniform around the processing stage. It is possible to provide a vacuum pump suitable for achieving homogenization and a vacuum exhaust system using the same.
  • a sealing mechanism for inhibiting the inflow of gas into the gap is provided in the gap between the outer peripheral surface of the inner housing and the inner peripheral surface of the shaft.
  • a sealing mechanism for inhibiting the inflow of gas into the gap is provided in the gap between the outer peripheral surface of the inner housing and the inner peripheral surface of the shaft. Therefore, since the communication between the exhaust side and the intake side through the gap is cut off by the seal mechanism, the backflow of gas from the exhaust side to the intake port side through the gap can be prevented, and the pressure on the intake side and the pressure on the exhaust side can be prevented. It is possible to provide a vacuum pump suitable for improving the compression ratio, which is a ratio to the pressure, and a vacuum exhaust system using the same.
  • the problem that the support system of the shaft (for example, the electric magnet or the sensor of the magnetic receiver) is corroded and damaged by the inflow of the corrosive gas into the above-mentioned gap is unlikely to occur, and the electric component with a built-in pump is not likely to occur. It is possible to provide a highly reliable vacuum pump and an exhaust system using the same, with less trouble due to the failure of the vacuum pump.
  • the roles of exhaust performance such as pressure equalization and compression ratio are well distributed to different pumps, so that both pressure equalization and exhaust performance can be achieved. It may provide a satisfactory and reliable vacuum exhaust system.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a second vacuum pump constituting the vacuum exhaust system of FIG. Schematic of the amplifier circuit. A time chart showing control when the current command value is larger than the detected value. A time chart showing control when the current command value is smaller than the detected value.
  • Conceptual explanatory diagram of the sealing mechanism Structural cross-sectional view of a conventional vacuum exhaust system.
  • FIG. 1 is a sectional view of a vacuum exhaust system to which the present invention is applied
  • FIG. 2 is a sectional view of a second vacuum pump constituting the vacuum exhaust system of FIG.
  • the vacuum exhaust system ES in the figure is coaxial with the central axis of the vacuum pump P1 (hereinafter referred to as “first vacuum pump”) and on the downstream side of the first vacuum pump P1.
  • first vacuum pump the vacuum pump
  • second vacuum pump P2 is provided as another vacuum pump.
  • an intake port 101 is formed at the upper end of a cylindrical outer cylinder 127.
  • a rotating body 103 in which a plurality of rotary blades 102 (102a, 102b, 102c ...), Which are turbine blades for sucking and exhausting gas, are radially and multistagely formed on the peripheral portion inside the outer cylinder 127. Is provided.
  • a rotor shaft 113 is attached to the center of the rotating body 103, and the rotor shaft 113 is floated and supported and position-controlled in the air by, for example, a 5-axis controlled magnetic bearing.
  • the upper radial electromagnet 104 in the upper radial electromagnet 104, four electromagnets are arranged in pairs on the X-axis and the Y-axis.
  • Four upper radial sensors 107 are provided in the vicinity of the upper radial electromagnet 104 and corresponding to each of the upper radial electromagnets 104.
  • the upper radial sensor 107 for example, an inductance sensor having a conduction winding, an eddy current sensor, or the like is used, and the position of the rotor shaft 113 is based on the change in the inductance of the conduction winding that changes according to the position of the rotor shaft 113. Is detected.
  • the upper radial sensor 107 is configured to detect the radial displacement of the rotor shaft 113, that is, the rotating body 103 fixed to the rotor shaft 113, and send it to the control device 200.
  • a compensator circuit having a PID adjustment function generates an excitation control command signal of the upper radial electromagnet 104 based on a position signal detected by the upper radial sensor 107, and is shown in FIG.
  • the amplifier circuit 150 (described later) excites and controls the upper radial electromagnet 104 based on this excitation control command signal, so that the upper radial position of the rotor shaft 113 is adjusted.
  • the rotor shaft 113 is made of a high magnetic permeability material (iron, stainless steel, etc.) and is attracted by the magnetic force of the upper radial electromagnet 104. Such adjustment is performed independently in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. Further, the lower radial electric magnet 105 and the lower radial sensor 108 are arranged in the same manner as the upper radial electric magnet 104 and the upper radial sensor 107, and the lower radial position of the rotor shaft 113 is set to the upper radial position. It is adjusted in the same way as.
  • the axial electromagnets 106A and 106B are arranged so as to vertically sandwich the disk-shaped metal disk 111 provided in the lower part of the rotor shaft 113.
  • the metal disk 111 is made of a high magnetic permeability material such as iron.
  • An axial sensor 109 is provided to detect the axial displacement of the rotor shaft 113, and the axial position signal thereof is configured to be sent to the control device 200.
  • a compensation circuit having a PID adjustment function sends an excitation control command signal for each of the axial electromagnet 106A and the axial electromagnet 106B based on the axial position signal detected by the axial sensor 109.
  • the generated amplifier circuit 150 excites and controls the axial electromagnet 106A and the axial electromagnet 106B based on these excitation control command signals, so that the axial electromagnet 106A attracts the metal disk 111 upward by magnetic force.
  • the axial electromagnet 106B attracts the metal disk 111 downward, and the axial position of the rotor shaft 113 is adjusted.
  • control device 200 appropriately adjusts the magnetic force exerted by the axial electromagnets 106A and 106B on the metal disk 111, magnetically levitates the rotor shaft 113 in the axial direction, and holds the rotor shaft 113 in the space in a non-contact manner.
  • the amplifier circuit 150 that excites and controls the upper radial electric magnet 104, the lower radial electric magnet 105, and the axial electric magnets 106A and 106B will be described later.
  • the motor 121 includes a plurality of magnetic poles arranged in a circumferential shape so as to surround the rotor shaft 113. Each magnetic pole is controlled by the control device 200 so as to rotationally drive the rotor shaft 113 via an electromagnetic force acting on the rotor shaft 113. Further, the motor 121 incorporates a rotation speed sensor such as a Hall element, a resolver, an encoder, etc. (not shown), and the rotation speed of the rotor shaft 113 is detected by the detection signal of the rotation speed sensor.
  • a rotation speed sensor such as a Hall element, a resolver, an encoder, etc.
  • a phase sensor (not shown) is attached near the lower radial sensor 108 to detect the phase of rotation of the rotor shaft 113.
  • the control device 200 detects the position of the magnetic pole by using both the detection signals of the phase sensor and the rotation speed sensor.
  • a plurality of fixed wings 123 (123a, 123b, 123c ...) are arranged with a slight gap between the rotary wings 102 (102a, 102b, 102c ).
  • the rotary blades 102 (102a, 102b, 102c %) are formed so as to be inclined by a predetermined angle from a plane perpendicular to the axis of the rotor shaft 113 in order to transfer exhaust gas molecules downward by collision. There is.
  • the fixed blade 123 is also formed so as to be inclined by a predetermined angle from a plane perpendicular to the axis of the rotor shaft 113, and is arranged alternately with the steps of the rotary blade 102 toward the inside of the outer cylinder 127. ing.
  • the outer peripheral end of the fixed wing 123 is supported in a state of being fitted between a plurality of stacked fixed wing spacers 125 (125a, 125b, 125c ).
  • the fixed wing spacer 125 is a ring-shaped member, and is composed of, for example, a metal such as aluminum, iron, stainless steel, or copper, or a metal such as an alloy containing these metals as a component.
  • An outer cylinder 127 is fixed to the outer periphery of the fixed wing spacer 125 with a slight gap.
  • a base portion 129 is arranged at the bottom of the outer cylinder 127.
  • An exhaust port 133 is formed in the base portion 129 and communicates with the outside. The exhaust gas that has entered the intake port 101 from the chamber side and has been transferred to the base portion 129 is sent to the exhaust port 133.
  • a spacer 131 with a screw is arranged between the lower portion of the fixed wing spacer 125 and the base portion 129.
  • the threaded spacer 131 is a cylindrical member made of a metal such as aluminum, copper, stainless steel, iron, or an alloy containing these metals as a component, and has a plurality of spiral thread grooves 131a on the inner peripheral surface thereof. It is engraved.
  • the direction of the spiral of the thread groove 131a is the direction in which the molecules of the exhaust gas are transferred toward the exhaust port 133 when the molecules of the exhaust gas move in the rotation direction of the rotating body 103.
  • a cylindrical portion 102d is hung at the lowermost portion of the rotating body 103 following the rotary blades 102 (102a, 102b, 102c ).
  • the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d is cylindrical and projects toward the inner peripheral surface of the threaded spacer 131, and is brought close to the inner peripheral surface of the threaded spacer 131 with a predetermined gap. There is.
  • the exhaust gas transferred to the screw groove 131a by the rotary blade 102 and the fixed blade 123 is sent to the base portion 129 while being guided by the screw groove 131a.
  • the base portion 129 is a disk-shaped member constituting the base portion of the second vacuum pump P2, and is generally made of a metal such as iron, aluminum, or stainless steel. Since the base portion 129 physically holds the second vacuum pump P2 and also has the function of a heat conduction path, a metal having rigidity such as iron, aluminum or copper and having high thermal conductivity is used. Is desirable.
  • the fixed wing spacers 125 are joined to each other at the outer peripheral portion, and transmit the heat received from the rotary wing 102 by the fixed wing 123 and the frictional heat generated when the exhaust gas comes into contact with the fixed wing 123 to the outside.
  • the threaded spacer 131 is arranged on the outer periphery of the cylindrical portion 102d of the rotating body 103, and the screw groove 131a is engraved on the inner peripheral surface of the threaded spacer 131.
  • a screw groove is carved on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d, and a spacer having a cylindrical inner peripheral surface is arranged around the thread groove.
  • the gas sucked from the intake port 101 is the upper radial electromagnet 104, the upper radial sensor 107, the motor 121, the lower radial electromagnet 105, and the lower radial sensor 108.
  • the electrical part is covered with a stator column 122 so as not to invade the electrical part composed of the axial electromagnets 106A, 106B, the axial sensor 109, etc., and the inside of the stator column 122 is covered with a predetermined pressure by a purge gas. It may be kept at.
  • a pipe (not shown) is arranged in the base portion 129, and purge gas is introduced through this pipe.
  • the introduced purge gas is sent to the exhaust port 133 through the gaps between the protective bearing 120 and the rotor shaft 113, between the rotor and the stator of the motor 121, and between the stator column 122 and the inner peripheral side cylindrical portion of the rotary blade 102.
  • the second vacuum pump P2 requires model identification and control based on individually adjusted unique parameters (for example, various characteristics corresponding to the model).
  • the second vacuum pump P2 includes an electronic circuit unit 141 in its main body.
  • the electronic circuit unit 141 is composed of a semiconductor memory such as EEP-ROM, electronic components such as semiconductor elements for accessing the semiconductor memory, and a substrate 143 for mounting them.
  • the electronic circuit portion 141 is housed in a lower portion of a rotation speed sensor (not shown) near the center of a base portion 129 constituting the lower portion of the second vacuum pump P2, and is closed by an airtight bottom lid 145.
  • some of the process gases introduced into the chamber have the property of becoming solid when the pressure becomes higher than the predetermined value or the temperature becomes lower than the predetermined value.
  • the pressure of the exhaust gas is the lowest at the intake port 101 and the highest at the exhaust port 133. If the pressure becomes higher than the predetermined value or the temperature becomes lower than the predetermined value while the process gas is being transferred from the intake port 101 to the exhaust port 133, the process gas becomes solid and becomes a second. It adheres to the inside of the vacuum pump P2 and accumulates.
  • SiCl 4 when used as a process gas in an Al etching apparatus, it is a solid product (for example, at a low vacuum (760 [torr] to 10-2 [torr]) and at a low temperature (about 20 [° C.]). It can be seen from the vapor pressure curve that AlCl 3 ) is deposited and adheres to the inside of the second vacuum pump P2. As a result, when a deposit of process gas is deposited inside the second vacuum pump P2, this deposit narrows the pump flow path and causes the performance of the second vacuum pump P2 to deteriorate.
  • the above-mentioned product was in a state of being easily solidified and adhered in a high pressure portion near the exhaust port and the screwed spacer 131.
  • a heater or an annular water cooling tube 149 (not shown) is wound around the outer periphery of the base portion 129 or the like, and a temperature sensor (for example, a thermistor) (for example, not shown) is embedded in the base portion 129, for example. Based on the signal of this temperature sensor, the heating of the heater and the control of cooling by the water cooling tube 149 (hereinafter referred to as TMS; Temperature Management System) are performed so as to keep the temperature of the base portion 129 at a constant high temperature (set temperature). It has been.
  • TMS Temperature Management System
  • the amplifier circuit 150 that excites and controls the upper radial electromagnet 104, the lower radial electromagnet 105, and the axial electromagnets 106A and 106B will be described.
  • the circuit diagram of this amplifier circuit 150 is shown in FIG.
  • one end of the electromagnet winding 151 constituting the upper radial electromagnet 104 and the like is connected to the positive electrode 171a of the power supply 171 via the transistor 161 and the other end thereof is the current detection circuit 181 and the transistor 162. It is connected to the negative electrode 171b of the power supply 171 via.
  • the transistors 161 and 162 are so-called power MOSFETs, and have a structure in which a diode is connected between the source and the drain thereof.
  • the cathode terminal 161a of the diode is connected to the positive electrode 171a, and the anode terminal 161b is connected to one end of the electromagnet winding 151. Further, in the transistor 162, the cathode terminal 162a of the diode is connected to the current detection circuit 181 and the anode terminal 162b is connected to the negative electrode 171b.
  • the diode 165 for current regeneration its cathode terminal 165a is connected to one end of the electromagnet winding 151, and its anode terminal 165b is connected to the negative electrode 171b.
  • the cathode terminal 166a is connected to the positive electrode 171a, and the anode terminal 166b is connected to the other end of the electromagnet winding 151 via the current detection circuit 181. It has become so.
  • the current detection circuit 181 is composed of, for example, a hall sensor type current sensor or an electric resistance element.
  • the amplifier circuit 150 configured as described above corresponds to one electromagnet. Therefore, when the magnetic bearing is controlled by 5 axes and there are a total of 10 electromagnets 104, 105, 106A, and 106B, the same amplifier circuit 150 is configured for each of the electromagnets, and 10 amplifier circuits are provided for the power supply 171. 150 are connected in parallel.
  • the amplifier control circuit 191 is composed of, for example, a digital signal processor unit (hereinafter referred to as a DSP unit) (hereinafter, referred to as a DSP unit) of the control device 200, and the amplifier control circuit 191 switches on / off of the transistors 161 and 162. It has become like.
  • a DSP unit digital signal processor unit
  • the amplifier control circuit 191 is adapted to compare the current value detected by the current detection circuit 181 (a signal reflecting this current value is referred to as a current detection signal 191c) with a predetermined current command value. Then, based on this comparison result, the magnitude of the pulse width (pulse width time Tp1 and Tp2) generated in the control cycle Ts, which is one cycle by PWM control, is determined. As a result, the gate drive signals 191a and 191b having this pulse width are output from the amplifier control circuit 191 to the gate terminals of the transistors 161 and 162.
  • a high voltage of, for example, about 50 V is used as the power supply 171 so that the current flowing through the electromagnet winding 151 can be rapidly increased (or decreased).
  • a normal capacitor is normally connected between the positive electrode 171a and the negative electrode 171b of the power supply 171 for the purpose of stabilizing the power supply 171 (not shown).
  • the electromagnet current iL when both the transistors 161 and 162 are turned on, the current flowing through the electromagnet winding 151 (hereinafter referred to as the electromagnet current iL) increases, and when both are turned off, the electromagnet current iL decreases.
  • flywheel current when one of the transistors 161 and 162 is turned on and the other is turned off, the so-called flywheel current is maintained.
  • the hysteresis loss in the amplifier circuit 150 can be reduced, and the power consumption of the entire circuit can be suppressed to a low level.
  • the transistors 161 and 162 by controlling the transistors 161 and 162 in this way, it is possible to reduce high frequency noise such as harmonics generated in the second vacuum pump P2. Further, by measuring this flywheel current with the current detection circuit 181 it becomes possible to detect the electromagnet current iL flowing through the electromagnet winding 151.
  • the transistors 161 and 162 are used only once in the control cycle Ts (for example, 100 ⁇ s) for the time corresponding to the pulse width time Tp1. Turn both on. Therefore, the electromagnet current iL during this period increases from the positive electrode 171a to the negative electrode 171b toward the current value iLmax (not shown) that can be passed through the transistors 161 and 162.
  • both the transistors 161 and 162 are turned off only once in the control cycle Ts for the time corresponding to the pulse width time Tp2 as shown in FIG. .. Therefore, the electromagnet current iL during this period decreases from the negative electrode 171b to the positive electrode 171a toward the current value iLmin (not shown) that can be regenerated via the diodes 165 and 166.
  • the first vacuum pump P1 rotates between the tubular inner housing 1, the tubular stator 2 arranged outside the inner housing 1, and the inner housing 1 and the stator 2.
  • a freely arranged tubular shaft 3 a motor MT that rotationally drives the shaft 3 around its axis, and a multi-stage rotary blade 4 (4A, 4B, 4C) arranged on the outer peripheral surface of the shaft 3.
  • a tubular outer housing 7 provided on the outer side of the plurality of rotary blades 4 and having an intake port 5 and an exhaust port 6.
  • the gap G between the outer peripheral surface of the inner housing and the inner peripheral surface of the shaft is provided with a sealing mechanism 8 for inhibiting the inflow of gas into the gap G.
  • inner housing 1 In the first vacuum pump P1, the inside of the inner housing 1 is a hollow portion, and the processing stage 200 is arranged in this hollow portion. Further, a flange portion 201 is formed on the outer periphery of the upper end of the processing stage 200, the flange portion 201 abuts on the upper end surface of the inner housing 1, and the flange portion 201 and the inner housing are brought into contact with a fastening means such as a bolt (not shown). By fastening with 1, the inner housing 1 has a structure for positioning, fixing and supporting the processing stage 200. Further, a base portion 9 for supporting the entire first vacuum pump P1 is integrally provided in the lower portion of the housing 1.
  • a seal portion 10 is provided between the upper end surface of the inner housing 1 and the flange portion 201 on the outer periphery of the upper end of the processing stage 200, and the inside and outside of the inner housing 1 are blocked by the seal portion 10 without communicating.
  • the outside of the inner housing 9 (specifically, the space between the inner housing 1 and the outer housing 7) is configured as a space in a vacuum region leading to the chamber 300 via the intake port 5, and the inner housing 1 is also formed.
  • the inside of is configured as a space in the atmospheric pressure region.
  • the vicinity of the upper surface thereof is configured to be located in the space of the vacuum region (outside of the inner housing 1), and the other portion is configured to be located in the space of the atmospheric pressure region (inside of the inner housing 1). There is.
  • stator 2 Details of stator 2 >> Various electrical components such as magnetic bearings and motors (for example, the above-mentioned electromagnets and sensors) are attached to the stator 2. Further, the stator 2 is connected and fixed to the base portion 9 via a connecting portion 11 provided below the stator 2, and is in a state of being erected on the base portion 9.
  • electrical components such as magnetic bearings and motors (for example, the above-mentioned electromagnets and sensors) are attached to the stator 2. Further, the stator 2 is connected and fixed to the base portion 9 via a connecting portion 11 provided below the stator 2, and is in a state of being erected on the base portion 9.
  • the lower end portion of the outer housing 7 is connected and fixed to the connecting portion 11, and the connecting portion 11 and the base portion 9 are connected and fixed, whereby the inner housing 1, the stator 2, and the stator 2 are connected and fixed.
  • the outer housing 7 is integrated.
  • the shaft 3 is rotatably arranged by being supported by the magnetic bearing MB, and is rotationally driven around its axis by the motor MT.
  • the specific configuration of the magnetic bearing MB for example, the shaft 3 is floated and supported in the air and the position is controlled by the magnetic bearing of 5-axis control, is the same as the magnetic bearing of the second vacuum pump P2 described above. Therefore, the detailed description thereof will be omitted.
  • the specific configuration of the motor MT for example, having a plurality of magnetic poles arranged in a circumferential shape so as to surround the shaft 3, is the same as that of the motor of the second vacuum pump P2 described above. Therefore, the detailed description thereof will be omitted. Further, in FIG. 1, some components of the magnetic bearing MB and the motor MT are omitted.
  • the gap G between the shaft 3 and the inner housing 1 is a gap required to enable the shaft 3 to rotate (hereinafter referred to as "shaft radial gap G"), and this shaft radial gap G is provided by a magnetic bearing. It is always controlled to be a predetermined value.
  • rotor blades 4 (4A, 4B, 4C ...)
  • a plurality of stages of rotary blades 4 are arranged on the outer peripheral surface of the shaft 3, but usually, the plurality of stages of rotary blades 4 and the plurality of stages of rotary blades 4 are alternately arranged in the axial direction. It does not have a multi-stage fixed wing (see fixed wing 123 described in the second vacuum pump P2). That is, the periphery of the rotary blade 4 (4A, 4B, 4C ...)
  • the first vacuum pump P1 is set as a fixed blade non-existent portion 12 (12A, 12B, 12C ...) in which the fixed blade does not exist. There is. However, a configuration including such a plurality of fixed wings (see the virtual member represented by the two-dot chain line in FIG. 6) may also be adopted.
  • the fixed blade non-existent portion 12 (12A, 12B, 12C ”) Has a structure without a plurality of fixed blades 123 (123a, 123b, 123c ...) as in the second vacuum pump P2.
  • the reason why the above can be adopted is that in the first vacuum pump P1, since priority is given to the uniformity of pressure in the chamber 300, it is not always necessary to obtain a high compression ratio. Further, in order to increase the compression ratio here, it is necessary to increase the sealing effect of the sealing mechanism 8 in the shaft radial gap G described later, but conversely, the compression ratio here can be easily increased. There is also an advantage that the sealing mechanism can be simplified by setting from the achievable sealing ability.
  • outer housing 7 The upper end of the outer housing 7 opens as the above-mentioned intake port 5, and the first vacuum pump P1 and the chamber 300 are connected so that the intake port 5 communicates with the bottom of the chamber 300.
  • the above-mentioned exhaust port 6 is provided at the lower end of the outer housing 7, and the first vacuum pump P1 and the second vacuum are provided so that the exhaust port 6 communicates with the intake port 101 of the second vacuum pump P2.
  • the pump P2 is connected.
  • the chamber 300 is provided with a gate valve device 301.
  • the gate valve device 301 in the vacuum exhaust system ES of FIG. 1, the gate valve device 301 has a structure in which the valve body 301A is arranged in the chamber 300, and (2) the chamber 300. A structure that allows the valve body 301A to move in the vertical direction by raising and lowering the drive rod 301B extending from the ceiling surface of the valve body 301A toward the valve body 301A, and (3) an opening 301C having a shape corresponding to the upper end of the processing stage 200.
  • the vicinity of the inside of the upper end surface functions as a sealing surface S, and when the lower surface of the valve body 301A abuts on the sealing surface S, the communication between the chamber 300 and the first vacuum pump P1 via the intake port 5 is cut off.
  • the structure is adopted.
  • the sealing mechanism 8 functions as a means for inhibiting the inflow of process gas into the gap G on the upstream side of the shaft radial gap G as shown by the arrow U1 in FIG. On the downstream side of the radial gap G, as shown by the arrow U2 in the figure, it functions as a means for inhibiting the inflow of the purge gas into the gap G.
  • Example of sealing mechanism (1) As an embodiment for specifically realizing the function of the sealing mechanism 8 (the function of inhibiting the inflow into the gap G), in the first vacuum pump P1, the sealing mechanism 8 is the inner peripheral surface of the shaft 3. It is assumed that at least a part of the blade portions 13 (13A, 13B, 13C ... 13Z) is provided, and the inclination directions of the plurality of blade portions 13 are on the upstream side and the downstream side of the shaft radial gap G. Adopted a different configuration.
  • the blade portion 13 (13A, 13B, etc.) located on the upstream side of the shaft radial gap G can repel gas molecules that are about to flow into the gap G from the intake port 5 side (FIG. 6). It is configured to incline in the U-shaped arrow U1 inside).
  • the blade portion 13 (13Y, 13Z, etc.) located on the downstream side of the shaft radial gap G the direction in which gas molecules that are about to flow into the gap G from the exhaust port 6 side can be repelled (in FIG. 6). (See U-shaped arrow U2).
  • the inclination angle ⁇ 1 of the blade portion 13 (13A, 13B, etc.) located on the upstream side of the shaft radial gap G is appropriately set as necessary. It can be set within the range of 0 ° ⁇ 1 ⁇ 90 °. Further, the inclination angle ⁇ 2 of the blade portion 13 (13Y, 13Z, etc.) located on the downstream side of the shaft radial gap G can be appropriately set within the range of ⁇ 90 ° ⁇ 2 ⁇ 0 °, if necessary. ..
  • each blade portion 13 when there are a plurality of blade portions 13 located on the upstream side of the shaft radial gap G, the inclination angle ⁇ 1 of each blade portion 13 (13A, 13B, etc.) is 0 ° ⁇ 1 ⁇ . Not all of them are necessarily the same as long as they are within the range of 90 °, and they may be different. This point is the same when there are a plurality of blade portions 13 (13Y, 13Z, etc.) located on the downstream side of the shaft radial gap G.
  • the blade portion 13 (13A, 13B, 13C) has a structure in which the outer peripheral end thereof is supported in a state of being inserted between a plurality of stacked spacers (reference numerals omitted). Although adopted, the blade portion 13 may be supported by another structure other than this.
  • the purge gas supply port 14 provided in the connecting portion 11 to the first vacuum pump P1 for the purpose of cooling internal parts such as the shaft 3 and the stator 2 and protecting against corrosive gas.
  • Purge gas such as nitrogen gas may be constantly supplied toward the inside.
  • the purge gas supplied as described above fills the gap between the inner and outer rings of the protective bearing 15, the gap between the stator 2 and the shaft 3, and the gap between the stator 2 and the base of the rotor 4 (4A, 4B, 4C ...) In that order. It goes around and returns in the direction of the purge gas supply port 14.
  • Example of Seal Mechanism (Part 2) As another embodiment for specifically realizing the function of the sealing mechanism 8 (the function of inhibiting the inflow into the gap G), although not shown, the sealing mechanism 8 is formed on the outer peripheral surface of the inner housing 1.
  • a configuration is adopted in which a threaded groove portion is provided in at least a part of any one of the inner peripheral surfaces of the shaft 3, and the winding direction of the spiral of the threaded groove portion is different between the upstream side and the downstream side of the shaft radial gap G. You may.
  • the shape of the thread groove portion is a screw groove shape such as a right-handed screw, while on the downstream side of the shaft radial gap G, the shape of the thread groove portion is, for example, a left-hand thread.
  • a configuration having such a screw groove shape can be considered, but the configuration is not limited to this.
  • the thread groove portion located on the upstream side of the shaft radial gap G has a screw groove shape capable of repelling gas molecules that are about to flow into the gap G from the intake port 5 side, and is located on the downstream side of the shaft radial gap G.
  • the screw groove portion to be located may have a screw groove shape capable of repelling gas molecules that are about to flow into the gap G from the exhaust port 6 side.
  • both the inner housing 1 and the outer housing 7 have a tubular shape, so that the entire vacuum pump P1 has a hollow structure.
  • a configuration is adopted in which the processing stage 200 in the chamber 300 is arranged in the hollow portion, and such an arrangement configuration of the processing stage 200 causes a factor that obstructs the gas flow as in the mounting portion of the conventional processing stage. It is also suitable for equalizing the pressure in the chamber 300 in that the gas flow becomes uniform around the processing stage 200.
  • a radial gap G (gap G) between the outer peripheral surface of the inner housing 1 and the inner peripheral surface of the shaft 3 is provided with the radial gap G.
  • a configuration in which a sealing mechanism 8 for inhibiting the inflow of gas is provided is adopted. Therefore, since the communication between the exhaust side and the intake side via the radial gap G is blocked by the seal mechanism 8, it is possible to prevent the backflow of gas through the gap G.
  • the problem that the support system of the shaft (for example, the electric magnet or the sensor of the magnetic receiver) is corroded and damaged by the inflow of the corrosive gas into the above-mentioned gap is unlikely to occur, and the electric component with a built-in pump is not likely to occur. It is possible to provide a highly reliable vacuum pump and an exhaust system using the same, with less trouble due to the failure of the vacuum pump.
  • the second vacuum pump P2 is arranged coaxially with the central axis of the first vacuum pump P1 and on the downstream side of the first vacuum pump P1. Since the first vacuum pump P1 alone is configured to achieve the exhaust performance such as the compression ratio required in the vacuum exhaust system, which is difficult to achieve by itself, it is reliable enough to satisfy both the pressure uniformity and the exhaust performance. It can provide a high exhaust system.

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Abstract

【課題】チャンバ内の圧力の均一化と圧縮比の向上を図るのに好適な真空ポンプとこれを用いた真空排気システムを提供する。 【解決手段】真空ポンプP1は、筒状の内ハウジング1と、内ハウジングの外方に配置された筒状のステータ2と、内ハウジングとステータとの間に回転自在に配設された筒状のシャフト3と、シャフトをその軸心周りに回転駆動するモータMTと、シャフトの外周面に配設された複数段の回転翼4A、4B・・・と、複数段の回転翼の外方に設けられ、吸気口5および排気口6を有する筒状の外ハウジング7と、を備え、内ハウジング1の外周面とシャフト3の内周面との間の隙間に、その隙間へのガスの流入を阻害するシール機構8が設けられる。

Description

真空ポンプとこれを用いた真空排気システム
 本発明は、半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバその他のチャンバのガス排気手段として利用される真空ポンプとこれを用いた真空排気システムに関し、特に、チャンバ内の圧力の均一化と圧縮比の向上を図るのに好適なものである。
 図7は従来の真空排気システムの断面図である。
 図7を参照すると、従来の真空排気システムでは、チャンバ300に真空ポンプP3を接続し、真空ポンプP3を通じてチャンバ300内のガスを排気している。チャンバ300内には処理ステージ400が設けられ、この処理ステージ400上に半導体ウエハ等のワークが載置される。そして、チャンバ300内にプロセスガスが供給され、処理ステージ400上のワークに対してプロセスガスによる処理(例えば、半導体ウエハのエッチング処理)が行なわれる。処理で使用されたプロセスガスは真空ポンプP3を通じてチャンバ300外に排気される。
 前記のようなチャンバ300内でのプロセスガスの処理時に該チャンバ300内の圧力を調整する手段として、図7の従来の真空排気システムでは、チャンバ300内にゲートバルブ装置500が設けられている。
 ゲートバルブ装置500は、チャンバ300内に配置されたバルブ本体500Aの上下移動によって、真空ポンプP3とチャンバ300を結ぶ連通路Rを一時的に遮断したり開放したりするこができる。バルブ本体500Aの上下移動は、駆動シリンダロッド500Bの昇降動作によって行われる。
 しかしながら、図7の従来の真空排気システムにあっては、バルブ本体500Aを上下移動するための駆動シリンダロッド500Bが連通路Rの外周付近に位置すること、および、チャンバ300の内側壁に処理ステージ400が取付けられた構造になっていて、処理400ステージに対する排気経路の対称性が無いため、その取付け部周辺とそれ以外の場所とでガスの流れ方が変わることから、圧力分布の不均一が生じやすくなる。例えば、プロセスガスによるワークの処理時に、処理ステージ400や駆動シリンダロッド500Bの周辺でプロセスガスの流れが均一にならず、ゲートバルブ装置500によってチャンバ300内の圧力を均一に保つことが困難となるため、プロセスガスによるワークの処理にムラが生じる等の問題点を有している。
 特許文献1の排気システムでは、チャンバ内の処理ステージに対して真空ポンプを同軸に配置する構成、および、同真空ポンプを中空構造とし、その中空部に処理ステージが収納される構成を採用しているため、処理ステージの周辺におけるプロセスガスの流れ方は先に説明した図7の従来の真空排気システムに比べて改善されている。
 しかしながら、同文献1の排気システムによると、真空ポンプを構成するロータの軸受けを介して真空ポンプの吸気側(上流側)と排気側(下流側)が連通しているので、ガスの逆流が生じ、所望の圧縮比(吸気側の圧力と排気側の圧力との比率、排気圧力/吸気圧力)が得られないという問題点や、腐食性ガスによって磁気軸受の構成部品が腐食しダメージを受けるという問題点等がある。
特開2000-183037号
 本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、チャンバ内の圧力の均一化と圧縮比の向上を図るのに好適な真空ポンプとこれを用いた真空排気システムを提供することである。
 前記目的を達成するために、真空ポンプの本発明は、筒状の内ハウジングと、前記内ハウジングの外方に配置された筒状のステータと、前記内ハウジングと前記ステータとの間に回転自在に配設された筒状のシャフトと、前記シャフトをその軸心周りに回転駆動するモータと、前記シャフトの外周面に配設された複数段の回転翼と、前記複数段の回転翼の外方に設けられ、吸気口および排気口を有する筒状の外ハウジングと、を備えた真空ポンプにおいて、前記内ハウジングの外周面と前記シャフトの内周面との間の隙間に、その隙間へのガスの流入を阻害するシール機構を設けたことを特徴とする。
 前記本発明において、前記シール機構は、その形状ないしは構造の相違によって、前記隙間の上流側では該隙間へのプロセスガスの流入を阻害する手段として機能し、前記隙間の下流側では該隙間へのパージガスの流入を阻害する手段として機能することを特徴としてもよい。
 前記本発明において、前記シール機構は、前記シャフトの内周面の少なくとも一部に複数のブレード部を有することを特徴としてもよい。
 前記本発明において、前記シール機構は、前記内ハウジングの外周面と前記シャフトの内周面のいずれか一方の少なくとも一部にネジ溝部を有することを特徴としてもよい。
 前記本発明において、前記外ハウジングの内周面に、通常、前記複数段の回転翼と軸方向で交互に配置される複数段の固定翼を備えていないことを特徴としてもよい。
 また、真空排気システムの本発明は、前記真空ポンプの中心軸と同軸上で、かつ、該真空ポンプの下流側に、別の真空ポンプを備えたことを特徴とする。
 本発明では、前述の通り、内ハウジングも外ハウジングも筒状の形態であることにより真空ポンプ全体が中空構造になっていて、その中空部にチャンバ内の処理ステージを配置することができ、このような処理ステージの配置構成によって、従来の処理ステージの取付け部のようにガスの流れを阻害する要因がなくなり、処理ステージの周囲でガスの流れ方が一様になる点で、チャンバ内の圧力の均一化を図るのに好適な真空ポンプとこれを用いた真空排気システムを提供し得る。
 また、本発明では、真空ポンプの具体的な構成として、前述の通り、内ハウジングの外周面とシャフトの内周面との間の隙間に、その隙間へのガスの流入を阻害するシール機構が設けられる構成を採用した。このため、当該隙間を介する排気側と吸気側の連通はシール機構によって遮断されるから、その隙間を通じた排気側から吸気口側へのガスの逆流が防止でき、吸気側の圧力と排気側の圧力との比率である、圧縮比の向上を図るのに好適な真空ポンプとこれを用いた真空排気システムを提供し得る。
 さらに、本発明にあっては、前述の隙間への腐食性ガスの流入によってシャフトの支持系(例えば、磁気受けの電磁石やセンサ)が腐食しダメージを受けるという問題も生じ難く、ポンプ内蔵電装部品の故障によるトラブルが少なく、信頼性の高い真空ポンプとこれを用いた排気システムも提供し得る。
 また、さらに、本発明にあっては、圧力の均一化と圧縮比等の排気性能の役割をそれぞれ別なポンプにうまく配分した構成となっているので、圧力の均一化と排気性能の両面を満足する信頼性の高い真空排気システムを提供し得る。
本発明を適用した真空排気システムの構成断面図。 図1の真空排気システムを構成する第2の真空ポンプの断面図。 アンプ回路の回路図。 電流指令値が検出値より大きい場合の制御を示すタイムチャート。 電流指令値が検出値より小さい場合の制御を示すタイムチャート。 シール機構の概念説明図。 従来の真空排気システムの構成断面図。
 以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
 図1は、本発明を適用した真空排気システムの構成断面図、図2は、図1の真空排気システムを構成する第2の真空ポンプの断面図である。
《真空排気システムESの概要》
 図1を参照すると、同図の真空排気システムESは、真空ポンプP1(以下「第1の真空ポンプ」という)の中心軸と同軸上で、かつ、該第1の真空ポンプP1の下流側に、別の真空ポンプとして、第2の真空ポンプP2を備えている。
《第2の真空ポンプP2の詳細》
 図2を参照すると、第2の真空ポンプP2は、円筒状の外筒127の上端に吸気口101が形成されている。そして、外筒127の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードである複数の回転翼102(102a、102b、102c・・・)を周部に放射状かつ多段に形成した回転体103が備えられている。この回転体103の中心にはロータ軸113が取り付けられており、このロータ軸113は、例えば5軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。
 磁気軸受の具体的な構成例として、上側径方向電磁石104は、4個の電磁石がX軸とY軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石104の近接に、かつ上側径方向電磁石104のそれぞれに対応されて4個の上側径方向センサ107が備えられている。上側径方向センサ107は、例えば伝導巻線を有するインダクタンスセンサや渦電流センサなどが用いられ、ロータ軸113の位置に応じて変化するこの伝導巻線のインダクタンスの変化に基づいてロータ軸113の位置を検出する。この上側径方向センサ107はロータ軸113、すなわちそれに固定された回転体103の径方向変位を検出し、制御装置200に送るように構成されている。
 この制御装置200においては、例えばPID調節機能を有する補償回路が、上側径方向センサ107によって検出された位置信号に基づいて、上側径方向電磁石104の励磁制御指令信号を生成し、図3に示すアンプ回路150(後述する)が、この励磁制御指令信号に基づいて、上側径方向電磁石104を励磁制御することで、ロータ軸113の上側の径方向位置が調整される。
 そして、このロータ軸113は、高透磁率材(鉄、ステンレスなど)などにより形成され、上側径方向電磁石104の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、X軸方向とY軸方向とにそれぞれ独立して行われる。また、下側径方向電磁石105及び下側径方向センサ108が、上側径方向電磁石104及び上側径方向センサ107と同様に配置され、ロータ軸113の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している。
 さらに、軸方向電磁石106A、106Bが、ロータ軸113の下部に備えた円板状の金属ディスク111を上下に挟んで配置されている。金属ディスク111は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸113の軸方向変位を検出するために軸方向センサ109が備えられ、その軸方向位置信号が制御装置200に送られるように構成されている。
 そして、制御装置200において、例えばPID調節機能を有する補償回路が、軸方向センサ109によって検出された軸方向位置信号に基づいて、軸方向電磁石106Aと軸方向電磁石106Bのそれぞれの励磁制御指令信号を生成し、アンプ回路150が、これらの励磁制御指令信号に基づいて、軸方向電磁石106Aと軸方向電磁石106Bをそれぞれ励磁制御することで、軸方向電磁石106Aが磁力により金属ディスク111を上方に吸引し、軸方向電磁石106Bが金属ディスク111を下方に吸引し、ロータ軸113の軸方向位置が調整される。
 このように、制御装置200は、この軸方向電磁石106A、106Bが金属ディスク111に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸113を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。なお、これら上側径方向電磁石104、下側径方向電磁石105及び軸方向電磁石106A、106Bを励磁制御するアンプ回路150については、後述する。
 一方、モータ121は、ロータ軸113を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸113との間に作用する電磁力を介してロータ軸113を回転駆動するように、制御装置200によって制御されている。また、モータ121には図示しない例えばホール素子、レゾルバ、エンコーダなどの回転速度センサが組み込まれており、この回転速度センサの検出信号によりロータ軸113の回転速度が検出されるようになっている。
 さらに、例えば下側径方向センサ108近傍に、図示しない位相センサが取り付けてあり、ロータ軸113の回転の位相を検出するようになっている。制御装置200では、この位相センサと回転速度センサの検出信号を共に用いて磁極の位置を検出するようになっている。
 回転翼102(102a、102b、102c・・・)とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼123(123a、123b、123c・・・)が配設されている。回転翼102(102a、102b、102c・・・)は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸113の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。
 また、固定翼123も、同様にロータ軸113の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒127の内方に向けて回転翼102の段と互い違いに配設されている。そして、固定翼123の外周端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ125(125a、125b、125c・・・)の間に嵌挿された状態で支持されている。
 固定翼スペーサ125はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。固定翼スペーサ125の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒127が固定されている。外筒127の底部にはベース部129が配設されている。ベース部129には排気口133が形成され、外部に連通されている。チャンバ側から吸気口101に入ってベース部129に移送されてきた排気ガスは、排気口133へと送られる。
 さらに、第2の真空ポンプP2の用途によって、固定翼スペーサ125の下部とベース部129の間には、ネジ付スペーサ131が配設される。ネジ付スペーサ131は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝131aが複数条刻設されている。ネジ溝131aの螺旋の方向は、回転体103の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口133の方へ移送される方向である。回転体103の回転翼102(102a、102b、102c・・・)に続く最下部には円筒部102dが垂下されている。この円筒部102dの外周面は、円筒状で、かつネジ付スペーサ131の内周面に向かって張り出されており、このネジ付スペーサ131の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。回転翼102および固定翼123によってネジ溝131aに移送されてきた排気ガスは、ネジ溝131aに案内されつつベース部129へと送られる。
 ベース部129は、第2の真空ポンプP2の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部129は第2の真空ポンプP2を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
 かかる構成において、回転翼102がロータ軸113と共にモータ121により回転駆動されると、回転翼102と固定翼123の作用により、吸気口101を通じてチャンバから排気ガスが吸気される。吸気口101から吸気された排気ガスは、回転翼102と固定翼123の間を通り、ベース部129へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼102に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ121で発生した熱の伝導などにより、回転翼102の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼123側に伝達される。
 固定翼スペーサ125は、外周部で互いに接合しており、固定翼123が回転翼102から受け取った熱や排気ガスが固定翼123に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。
 なお、上記では、ネジ付スペーサ131は回転体103の円筒部102dの外周に配設し、ネジ付スペーサ131の内周面にネジ溝131aが刻設されているとして説明した。しかしながら、これとは逆に円筒部102dの外周面にネジ溝が刻設され、その周囲に円筒状の内周面を有するスペーサが配置される場合もある。
 また、第2の真空ポンプP2の用途によっては、吸気口101から吸引されたガスが上側径方向電磁石104、上側径方向センサ107、モータ121、下側径方向電磁石105、下側径方向センサ108、軸方向電磁石106A、106B、軸方向センサ109などで構成される電装部に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム122で覆われ、このステータコラム122内はパージガスにて所定圧に保たれる場合もある。
 この場合には、ベース部129には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング120とロータ軸113間、モータ121のロータとステータ間、ステータコラム122と回転翼102の内周側円筒部の間の隙間を通じて排気口133へ送出される。
 ここに、第2の真空ポンプP2は、機種の特定と、個々に調整された固有のパラメータ(例えば、機種に対応する諸特性)に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、第2の真空ポンプP2は、その本体内に電子回路部141を備えている。電子回路部141は、EEP-ROM等の半導体メモリ及びそのアクセスのための半導体素子等の電子部品、それらの実装用の基板143等から構成される。この電子回路部141は、第2の真空ポンプP2の下部を構成するベース部129の例えば中央付近の図示しない回転速度センサの下部に収容され、気密性の底蓋145によって閉じられている。
 ところで、半導体の製造工程では、チャンバに導入されるプロセスガスの中には、その圧力が所定値よりも高くなり、或いは、その温度が所定値よりも低くなると、固体となる性質を有するものがある。第2の真空ポンプP2内部では、排気ガスの圧力は、吸気口101で最も低く排気口133で最も高い。プロセスガスが吸気口101から排気口133へ移送される途中で、その圧力が所定値よりも高くなったり、その温度が所定値よりも低くなったりすると、プロセスガスは、固体状となり、第2の真空ポンプP2内部に付着して堆積する。
 例えば、Alエッチング装置にプロセスガスとしてSiClが使用された場合、低真空(760[torr]~10-2[torr])かつ、低温(約20[℃])のとき、固体生成物(例えばAlCl)が析出し、第2の真空ポンプP2内部に付着堆積することが蒸気圧曲線からわかる。これにより、第2の真空ポンプP2内部にプロセスガスの析出物が堆積すると、この堆積物がポンプ流路を狭め、第2の真空ポンプP2の性能を低下させる原因となる。そして、前述した生成物は、排気口付近やネジ付スペーサ131付近の圧力が高い部分で凝固、付着し易い状況にあった。
 そのため、この問題を解決するために、従来はベース部129等の外周に図示しないヒータや環状の水冷管149を巻着させ、かつ例えばベース部129に図示しない温度センサ(例えばサーミスタ)を埋め込み、この温度センサの信号に基づいてベース部129の温度を一定の高い温度(設定温度)に保つようにヒータの加熱や水冷管149による冷却の制御(以下TMSという。TMS;Temperature Management System)が行われている。
 次に、このように構成される第2の真空ポンプP2に関して、その上側径方向電磁石104、下側径方向電磁石105及び軸方向電磁石106A、106Bを励磁制御するアンプ回路150について説明する。このアンプ回路150の回路図を図3に示す。
 図3において、上側径方向電磁石104等を構成する電磁石巻線151は、その一端がトランジスタ161を介して電源171の正極171aに接続されており、また、その他端が電流検出回路181及びトランジスタ162を介して電源171の負極171bに接続されている。そして、トランジスタ161、162は、いわゆるパワーMOSFETとなっており、そのソース-ドレイン間にダイオードが接続された構造を有している。
 このとき、トランジスタ161は、そのダイオードのカソード端子161aが正極171aに接続されるとともに、アノード端子161bが電磁石巻線151の一端と接続されるようになっている。また、トランジスタ162は、そのダイオードのカソード端子162aが電流検出回路181に接続されるとともに、アノード端子162bが負極171bと接続されるようになっている。
 一方、電流回生用のダイオード165は、そのカソード端子165aが電磁石巻線151の一端に接続されるとともに、そのアノード端子165bが負極171bに接続されるようになっている。また、これと同様に、電流回生用のダイオード166は、そのカソード端子166aが正極171aに接続されるとともに、そのアノード端子166bが電流検出回路181を介して電磁石巻線151の他端に接続されるようになっている。そして、電流検出回路181は、例えばホールセンサ式電流センサや電気抵抗素子で構成されている。
 以上のように構成されるアンプ回路150は、一つの電磁石に対応されるものである。そのため、磁気軸受が5軸制御で、電磁石104、105、106A、106Bが合計10個ある場合には、電磁石のそれぞれについて同様のアンプ回路150が構成され、電源171に対して10個のアンプ回路150が並列に接続されるようになっている。
 さらに、アンプ制御回路191は、例えば、制御装置200の図示しないディジタル・シグナル・プロセッサ部(以下、DSP部という)によって構成され、このアンプ制御回路191は、トランジスタ161、162のon/offを切り替えるようになっている。
 アンプ制御回路191は、電流検出回路181が検出した電流値(この電流値を反映した信号を電流検出信号191cという)と所定の電流指令値とを比較するようになっている。そして、この比較結果に基づき、PWM制御による1周期である制御サイクルTs内に発生させるパルス幅の大きさ(パルス幅時間Tp1、Tp2)を決めるようになっている。その結果、このパルス幅を有するゲート駆動信号191a、191bを、アンプ制御回路191からトランジスタ161、162のゲート端子に出力するようになっている。
 なお、回転体103の回転速度の加速運転中に共振点を通過する際や定速運転中に外乱が発生した際等に、高速かつ強い力での回転体103の位置制御をする必要がある。そのため、電磁石巻線151に流れる電流の急激な増加(あるいは減少)ができるように、電源171としては、例えば50V程度の高電圧が使用されるようになっている。また、電源171の正極171aと負極171bとの間には、電源171の安定化のために、通常コンデンサが接続されている(図示略)。
 かかる構成において、トランジスタ161、162の両方をonにすると、電磁石巻線151に流れる電流(以下、電磁石電流iLという)が増加し、両方をoffにすると、電磁石電流iLが減少する。
 また、トランジスタ161、162の一方をonにし他方をoffにすると、いわゆるフライホイール電流が保持される。そして、このようにアンプ回路150にフライホイール電流を流すことで、アンプ回路150におけるヒステリシス損を減少させ、回路全体としての消費電力を低く抑えることができる。また、このようにトランジスタ161、162を制御することにより、第2の真空ポンプP2に生じる高調波等の高周波ノイズを低減することができる。さらに、このフライホイール電流を電流検出回路181で測定することで電磁石巻線151を流れる電磁石電流iLが検出可能となる。
 すなわち、検出した電流値が電流指令値より小さい場合には、図4に示すように制御サイクルTs(例えば100μs)中で1回だけ、パルス幅時間Tp1に相当する時間分だけトランジスタ161、162の両方をonにする。そのため、この期間中の電磁石電流iLは、正極171aから負極171bへ、トランジスタ161、162を介して流し得る電流値iLmax(図示せず)に向かって増加する。
 一方、検出した電流値が電流指令値より大きい場合には、図5に示すように制御サイクルTs中で1回だけパルス幅時間Tp2に相当する時間分だけトランジスタ161、162の両方をoffにする。そのため、この期間中の電磁石電流iLは、負極171bから正極171aへ、ダイオード165、166を介して回生し得る電流値iLmin(図示せず)に向かって減少する。
 そして、いずれの場合にも、パルス幅時間Tp1、Tp2の経過後は、トランジスタ161、162のどちらか1個をonにする。そのため、この期間中は、アンプ回路150にフライホイール電流が保持される。
《第1の真空ポンプP1の概要》
 図1を参照すると、第1の真空ポンプP1は、筒状の内ハウジング1と、内ハウジング1の外方に配置された筒状のステータ2と、内ハウジング1とステータ2との間に回転自在に配設された筒状のシャフト3と、シャフト3をその軸心周りに回転駆動するモータMTと、シャフト3の外周面に配設された複数段の回転翼4(4A、4B、4C・・・)と、複数段の回転翼4の外方に設けられ、吸気口5および排気口6を有する筒状の外ハウジング7と、を備えている。そして、内ハウジングの外周面とシャフトの内周面との間の隙間Gには、その隙間Gへのガスの流入を阻害するシール機構8が設けられている。
《内ハウジング1の詳細》
 第1の真空ポンプP1では、内ハウジング1の内側が中空部であって、この中空部に処理ステージ200が配置される構成を採用している。また、処理ステージ200の上端外周にはフランジ部201が形成されており、このフランジ部201が内ハウジング1の上端面に当接し、かつ、図示しないボルト等の締結手段によって当該フランジ201と内ハウジング1とが締結されることにより、内ハウジング1は処理ステージ200を位置決め固定及び支持する構造になっている。また、この内ハウジング1の下部には第1の真空ポンプP1全体を支持するベース部9が一体に設けられている。
 内ハウジング1の上端面と処理ステージ200上端外周のフランジ部201との間にはシール部10が設けられており、このシール部10により内ハウジング1の内外は連通することなく遮断されている。内ハウジング9の外側(具体的には、内ハウジング1と外ハウジング7の間の空間)は、吸気口5を介してチャンバ300に通じる真空領域の空間として構成されており、また、内ハウジング1の内側は、大気圧領域の空間として構成されている。処理ステージ200全体のうち、その上面付近は真空領域の空間(内ハウジング1の外側)に位置し、それ以外の部分は大気圧領域の空間(内ハウジング1の内側)に位置するように構成してある。
《ステータ2の詳細》
 ステータ2には、磁気軸受やモータ等の各種電装部品(例えば、前述の電磁石やセンサなど)が取付けられている。また、このステータ2は、その下部に設けた連結部11を介してベース部9に連結固定され、ベース部9上に立設された状態になっている。
 よって、第1の真空ポンプP1では、連結部11に外ハウジング7の下端部が連結固定され、かつ、連結部11とベース部9とが連結固定されることにより、内ハウジング1、ステータ2、外ハウジング7が一体化している。
《シャフト3、磁気軸受MB、モータMTの詳細》
 シャフト3は、磁気軸受MBで支持されることにより回転自在に配設され、かつ、モータMTによりその軸心周りに回転駆動される。なお、この磁気軸受MBの具体的な構成、例えば5軸制御の磁気軸受によりシャフト3を空中に浮上支持かつ位置制御すること等は、先に説明した第2の真空ポンプP2の磁気軸受と同様であるため、その詳細説明は省略する。また、このモータMTの具体的な構成、例えば、シャフト3を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えていること等は、先に説明した第2の真空ポンプP2のモータと同様であるため、その詳細説明は省略する。また、図1では、磁気軸受MBやモータMTの構成部品を一部省略している。
 シャフト3と内ハウジング1との間の隙間Gは、シャフト3を回転可能とするために必要な隙間(以下「シャフト径方向隙間G」という)であり、このシャフト径方向隙間Gは磁気軸受によって常時所定の値となるように制御される。
《回転翼4(4A、4B、4C・・・)などの詳細》
 第1の真空ポンプP1では、前述の通り、シャフト3の外周面に複数段の回転翼4が配設されているが、通常、この複数段の回転翼4と軸方向で交互に配置される複数段の固定翼(第2の真空ポンプP2で説明した固定翼123を参照)は備えていない。つまり、第1の真空ポンプP1における回転翼4(4A、4B、4C・・・)の周囲は固定翼が存在しない固定翼不存在部12(12A、12B、12C・・・)として設定されている。しかし、かかる複数段の固定翼(図6中の2点鎖線で表示した仮想部材を参照)を備える構成も採用し得る。
 通常、第2の真空ポンプP2にあるような複数枚の固定翼123(123a、123b、123c・・・)がない構造である、固定翼不存在部12(12A、12B、12C・・・)を採用し得る理由としては、第1の真空ポンプP1においては、チャンバ300内における圧力の均一性を優先しているため、必ずしも高い圧縮比を求める必要がないことがある。また、ここでの圧縮比を高くする為には、後述するシャフト径方向隙間Gにおけるシール機構8でのシール効果を高いものとする必要があるが、逆に、ここでの圧縮比を容易に達成できるシール能力から設定することで、シール機構を簡素化することも可能となる利点もある。
《外ハウジング7の詳細》
 外ハウジング7の上端は前述の吸気口5として開口し、この吸気口5がチャンバ300の底に連通するように、第1の真空ポンプP1とチャンバ300は連結されている。
 外ハウジング7の下端には前述の排気口6が設けられており、この排気口6が第2の真空ポンプP2の吸気口101に連通するように、第1の真空ポンプP1と第2の真空ポンプP2は連結されている。
《チャンバ300の詳細》
 チャンバ300にはゲートバルブ装置301が設けられている。このゲートバルブ装置301の具体的な構造例として、図1の真空排気システムESでは、かかるゲートバルブ装置301は、(1)チャンバ300内にバルブ本体301Aが配置される構造、(2)チャンバ300の天井面からバルブ本体301Aに向って延びた駆動ロッド301Bの昇降動作によりバルブ本体301Aを上下方向に移動可能とする構造、(3)処理ステージ200の上端部に対応した形状の開口部301Cがバルブ本体301Aに設けられ、バルブ本体301Aの下降移動により処理ステージ200の上端部が当該開口部301Cに嵌合する構造、(4)その嵌合時に処理ステージ200外周の段差面と外ハウジング7の上端面の内側付近とがシール面Sとして機能し、該シール面Sにバルブ本体301Aの下面が当接することで、吸気口5を介するチャンバ300と第1の真空ポンプP1との連通が遮断される構造を採用している。
《シール機構の概要》
 シール機構8は、その形状ないしは構造の相違によって、シャフト径方向隙間Gの上流側では図6中矢印U1で示したように該隙間Gへのプロセスガスの流入を阻害する手段として機能し、シャフト径方向隙間Gの下流側では同図中矢印U2で示したように該隙間Gへのパージガスの流入を阻害する手段として機能する。
《シール機構の実施例(その1)》
 シール機構8の前記機能(隙間Gへの流入を阻害する機能)を具体的に実現するための一実施例として、第1の真空ポンプP1では、かかるシール機構8は、シャフト3の内周面の少なくとも一部に複数のブレード部13(13A、13B、13C・・・13Z)を有するものとし、かつ、その複数のブレード部13の傾斜方向がシャフト径方向隙間Gの上流側と下流側で異なる構成を採用した。
 具体的には、シャフト径方向隙間Gの上流側に位置するブレード部13(13A、13B等)は、吸気口5側から該隙間Gに流入しようとするガス分子を跳ね返し可能な方向(図6中のU字形矢印U1を参照)に傾斜するように構成している。この一方、シャフト径方向隙間Gの下流側に位置するブレード部13(13Y、13Z等)については、排気口6側から該隙間Gに流入しようとするガス分子を跳ね返し可能な方向(図6中のU字形矢印U2を参照)に傾斜するように構成してある。
 ブレード部の進行方向をブレード部の傾斜基準(0°)とした場合、シャフト径方向隙間Gの上流側に位置するブレード部13(13A、13B等)の傾斜角度θ1は、必要に応じて適宜0°<θ1<90°の範囲内で設定することができる。また、シャフト径方向隙間Gの下流側に位置するブレード部13(13Y、13Z等)の傾斜角度θ2は、必要に応じて適宜-90°<θ2<0°の範囲内で設定することができる。
 また、図1に示したように、シャフト径方向隙間Gの上流側に位置するブレード部13が複数の場合、各ブレード部13(13A、13B等)の傾斜角度θ1は、0°<θ1<90°の範囲内であるなら必ずしも皆同一である必要はなく、異なっていてもよい。この点は、シャフト径方向隙間Gの下流側に位置するブレード部13(13Y、13Z等)が複数の場合も同様である。
 第1の真空ポンプP1では、ブレード部13(13A、13B、13C)は、その外周端が、複数の段積みされたスペーサ(符号省略)の間に嵌挿された状態で支持される構造を採用したが、これ以外の別の構造でブレード部13は支持されてもよい。
 第1の真空ポンプP1の運転開始ボタン(図示省略)を押下すると、シャフト3がその軸心周りに回転し、シャフト3と一体に、回転翼4(4A、4B、4C…)およびシール機構8のブレード部(13A、13B、13C・・・)が回転する。そして、回転翼4の回転作用により、チャンバ300内のプロセスガス分子は吸気口5から排気口6に向って移行するように排気される。
 この際、プロセスガス分子の一部は、吸気口5からシャフト径方向隙間Gの上流側に流入しようとするが、そのような流入はシール機構8によって阻止される。シャフト径方向隙間Gの上流側では回転するブレード部13(13A、13B等)によってガス分子を跳ね返す作用が生じているからである。
 第1の真空ポンプP1では、例えば、シャフト3やステータ2などの内部部品の冷却や腐食性ガスに対する保護を目的として、連結部11に設けられているパージガス供給口14から第1の真空ポンプP1内に向けて窒素ガス等のパージガスが常時供給される場合がある。
 前記のように供給されたパージガスは、保護ベアリング15の内外輪間、ステータ2とシャフト3の隙間、そしてステータ2と回転翼4(4A、4B、4C…)の基部との隙間などをその順に巡ってパージガス供給口14の方向に戻ってくる。
 その際、一部のパージガスはシャフト径方向隙間Gの下流側に流入しようとするが、その流入はシール機構8によって阻止される。シャフト径方向隙間Gの下流側では回転するブレード部13(13Z、13Y等)によってガス分子を跳ね返す作用が生じているからである。
《シール機構の実施例(その2)》
 シール機構8の前記機能(隙間Gへの流入を阻害する機能)を具体的に実現するための他の実施例として、図示は省略するが、かかるシール機構8は、内ハウジング1の外周面とシャフト3の内周面のいずれか一方の少なくとも一部にネジ溝部を有し、かつ、そのネジ溝部の螺旋の巻き方向がシャフト径方向隙間Gの上流側と下流側で異なるという構成を採用してもよい。
 この場合、シャフト径方向隙間Gの上流側では、ネジ溝部の形状を例えば右ネジのようなネジ溝形状とする一方、シャフト径方向隙間Gの下流側では、ネジ溝部の形状を例えば左ネジのようなネジ溝形状とする構成が考えられるが、これに限定されることはない。
 要するに、シャフト径方向隙間Gの上流側に位置するネジ溝部は、吸気口5側から該隙間Gに流入しようとするガス分子を跳ね返し可能なネジ溝形状とし、シャフト径方向隙間Gの下流側に位置するネジ溝部は、排気口6側から当該隙間Gに流入しようとするガス分子を跳ね返し可能なネジ溝形状とすればよい。
 以上説明した実施形態の第1の真空ポンプP1にあっては、前述の通り、内ハウジング1も外ハウジング7も筒状の形態であることにより真空ポンプP1全体が中空構造になっていて、その中空部にチャンバ300内の処理ステージ200が配置される構成を採用しており、このような処理ステージ200の配置構成によって、従来の処理ステージの取付け部のようにガスの流れを阻害する要因がなくなり、処理ステージ200の周囲でガスの流れ方が一様になる点で、チャンバ300内の圧力の均一化を図るのにも好適である。
 また、同真空ポンプP1によると、その具体的な構成として、内ハウジング1の外周面とシャフト3の内周面との間の径方向隙間G(隙間G)に、その径方向隙間Gへのガスの流入を阻害するシール機構8が設けられる構成を採用した。このため、径方向隙間Gを介する排気側と吸気側の連通はシール機構8によって遮断されるから、隙間Gを通ってのガスの逆流を防止できる。
 さらに、本発明にあっては、前述の隙間への腐食性ガスの流入によってシャフトの支持系(例えば、磁気受けの電磁石やセンサ)が腐食しダメージを受けるという問題も生じ難く、ポンプ内蔵電装部品の故障によるトラブルが少なく、信頼性の高い真空ポンプとこれを用いた排気システムも提供し得る。
 また、さらに、本発明にあっては、第2の真空ポンプP2を、第1の真空ポンプP1の中心軸と同軸上で、かつ、第1の真空ポンプP1の下流側に配置したことで、第1の真空ポンプP1単独では達成しがたい、真空排気システムにおいて求められる圧縮比等の排気性能を達成する構成となっているので、圧力の均一化と排気性能の両面を満足する信頼性の高い排気システムを提供し得る。
 本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。
1 内ハウジング
2 ステータ
3 シャフト
4A、4B、4C 回転翼
5 吸気口
6 排気口
7 外ハウジング
8 シール機構
9 ベース部
10 シール部
11 連結部
12 固定翼不存在部
13 ブレード部
14 パージガス供給口
15 保護ベアリング
200 処理ステージ
300 チャンバ
301 ゲートバルブ装置
301A バルブ本体
G 隙間(シャフト径方向隙間)
MT モータ
MB 磁気軸受

Claims (6)

  1.  筒状の内ハウジングと、
     前記内ハウジングの外方に配置された筒状のステータと、
     前記内ハウジングと前記ステータとの間に回転自在に配設された筒状のシャフトと、
     前記シャフトをその軸心周りに回転駆動するモータと、
     前記シャフトの外周面に配設された複数段の回転翼と、
     前記複数段の回転翼の外方に設けられ、吸気口および排気口を有する筒状の外ハウジングと、を備えた真空ポンプにおいて、
     前記内ハウジングの外周面と前記シャフトの内周面との間の隙間に、その隙間へのガスの流入を阻害するシール機構を設けたこと
     を特徴とする真空ポンプ。
  2.  前記シール機構は、その形状ないしは構造の相違によって、前記隙間の上流側では該隙間へのプロセスガスの流入を阻害する手段として機能し、前記隙間の下流側では該隙間へのパージガスの流入を阻害する手段として機能すること
     を特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
  3.  前記シール機構は、前記シャフトの内周面の少なくとも一部に複数のブレード部を有すること
     を特徴とする請求項1または2に記載の真空ポンプ。
  4.  前記シール機構は、前記内ハウジングの外周面と前記シャフトの内周面のいずれか一方の少なくとも一部にネジ溝部を有すること
     を特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の真空ポンプ。
  5.  前記外ハウジングの内周面に、通常、前記複数段の回転翼と軸方向で交互に配置される複数段の固定翼を備えていないこと
     を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の真空ポンプ。
  6.  請求項1の真空ポンプの中心軸と同軸上で、かつ、該真空ポンプの下流側に、別の真空ポンプを備えたこと
      を特徴とする真空排気システム。
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