WO2022124240A1 - 真空ポンプ - Google Patents

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WO2022124240A1
WO2022124240A1 PCT/JP2021/044569 JP2021044569W WO2022124240A1 WO 2022124240 A1 WO2022124240 A1 WO 2022124240A1 JP 2021044569 W JP2021044569 W JP 2021044569W WO 2022124240 A1 WO2022124240 A1 WO 2022124240A1
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WO
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stator
vacuum pump
peripheral surface
rotating body
thread groove
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PCT/JP2021/044569
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English (en)
French (fr)
Inventor
重義 中辻
祐幸 坂口
Original Assignee
エドワーズ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/044—Holweck-type pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
    • F04D17/168—Pumps specially adapted to produce a vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
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    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/545—Ducts
    • F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties
    • F05D2300/5021—Expansivity
    • F05D2300/50212—Expansivity dissimilar

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum pump.
  • Vacuum pumps are used to create a high degree of vacuum inside these devices.
  • a thread groove pump may be provided on the downstream side of a turbo molecular pump having a rotary blade and a fixed blade.
  • the so-called Holbeck type threaded groove pump is composed of an outer peripheral surface of the rotating body and a stator arranged on the outer peripheral surface of the rotating body, and a thread groove is engraved on the outer peripheral surface of the rotating body or the inner peripheral surface of the stator. ..
  • the vacuum pump in addition to the exhaust performance, there are requirements for specifications such as the optimum internal temperature according to various manufacturing processes in the above-mentioned semiconductor manufacturing and the like.
  • specifications such as the optimum internal temperature according to various manufacturing processes in the above-mentioned semiconductor manufacturing and the like.
  • it may be required to change the internal temperature setting specifications with the same pump.
  • the amount of gap between the rotating body and the stator caused by the above-mentioned thermal expansion changes due to the change in the setting specifications of the internal temperature. If this gap amount is changed to be large, the exhaust performance of the thread groove pump may be deteriorated, which may cause a problem.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a vacuum pump capable of effectively suppressing deterioration of performance due to thermal expansion.
  • the vacuum pump according to the present invention which achieves the above object, has an exterior body provided with an intake port, a rotating body contained in the exterior body and rotatably supported, and an abbreviation arranged on the outer periphery of the rotating body.
  • a cylindrical stator and a thread groove carved in at least one of the outer peripheral surface of the rotating body or the inner peripheral surface of the stator are provided, and the rotating body is rotated to take in air from the intake port side.
  • a vacuum pump that exhausts gas to the outside of the exterior body, and is formed on the outer periphery of the stator with a material having a linear expansion coefficient lower than that of the material of the stator, thereby reducing radial deformation of the stator during thermal expansion. It is characterized in that a restraining means is arranged.
  • the vacuum pump configured as described above has a restraining means for reducing radial deformation of the stator during thermal expansion, the gap amount between the outer peripheral surface of the rotating body and the inner peripheral surface of the stator is widened. Can be suppressed. Therefore, this vacuum pump can effectively suppress the deterioration of the performance of the thread groove pump due to thermal expansion.
  • the restraining means may be arranged at the downstream end of the stator.
  • the vacuum pump has a plurality of specifications having different internal temperatures, and in each of the specifications, a gap between the outer peripheral surface of the rotating body at a predetermined position in the axial direction of the vacuum pump and the inner peripheral surface of the stator.
  • the amounts may be made the same by the restraining means.
  • the vacuum pump can effectively maintain the performance of the thread groove pump in each specification having a different internal temperature.
  • the stress acting on the stator from the restraining means at the time of thermal expansion of the stator may be set to be less than the yield stress of the material of the stator. As a result, it is possible to effectively suppress damage to the stator that is restrained by the restraining means and receives stress during thermal expansion.
  • the vacuum pump according to the embodiment of the present invention is a turbo molecular pump 100 in which a rotating blade of a rotating body rotating at high speed repels gas molecules to exhaust gas.
  • the turbo molecular pump 100 is used for sucking and exhausting gas from a chamber of, for example, a semiconductor manufacturing apparatus.
  • FIG. 1 A vertical cross-sectional view of this turbo molecular pump 100 is shown in FIG.
  • an intake port 101 is formed at the upper end of a cylindrical outer cylinder 127.
  • a rotating body 103 having a plurality of rotary blades 102 (102a, 102b, 102c ...), which are turbine blades for sucking and exhausting gas, radially and multistagely formed on the peripheral portion inside the outer cylinder 127.
  • 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 rotating body 103 is generally made of a metal such as aluminum or an aluminum alloy.
  • 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 close proximity to 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 disc-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 electromagnet 104, the lower radial electromagnet 105, and the axial electromagnets 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 position of the magnetic pole is detected 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.
  • the fixed wing 123 (123a, 123b, 123c %) Is composed of a metal such as aluminum, iron, stainless steel, copper, or a metal such as an alloy containing these metals as a component.
  • the fixed wing 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 wing 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 (vacuum chamber) side and has been transferred to the base portion 129 is sent to the exhaust port 133.
  • a thread groove stator 131 (stator) is arranged between the lower portion of the fixed wing spacer 125 and the base portion 129.
  • the thread groove stator 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 groove stator 131, and is brought close to the inner peripheral surface of the threaded groove stator 131 with a predetermined gap amount. ing.
  • the exhaust gas transferred to the thread groove 131a by the rotary blade 102 and the fixed blade 123 is sent to the base portion 129 while being guided by the thread groove 131a.
  • the base portion 129 is a disk-shaped member constituting the base portion of the turbo molecular pump 100, and is generally made of a metal such as iron, aluminum, or stainless steel. Since the base portion 129 physically holds the turbo molecular pump 100 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 temperature of the rotary blade 102 rises due to frictional heat generated when the exhaust gas comes into contact with the rotary blade 102, conduction of heat generated by the motor 121, etc., but this heat is radiation or gas of the exhaust gas. It is transmitted to the fixed wing 123 side by conduction by molecules or the like.
  • 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 thread groove stator 131 is arranged on the outer periphery of the cylindrical portion 102d of the rotating body 103, and the thread groove 131a is engraved on the inner peripheral surface of the thread groove stator 131.
  • a thread 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 electric magnet 104, the upper radial sensor 107, the motor 121, the lower radial electric magnet 105, the lower radial sensor 108, and the shaft.
  • the electrical component is covered with a stator column 122 so that it does not invade the electrical component composed of the directional electric magnets 106A, 106B, the axial sensor 109, etc., and the inside of the stator column 122 is kept at a predetermined pressure by a purge gas. It may hang down.
  • 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 turbo molecular pump 100 requires identification of a model and control based on individually adjusted unique parameters (for example, various characteristics corresponding to the model).
  • the turbo molecular pump 100 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 rotational speed sensor (not shown) near the center of a base portion 129 constituting the lower portion of the turbo molecular pump 100, 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 rises above a predetermined value or the temperature drops below a predetermined value while the process gas is being transferred from the intake port 101 to the exhaust port 133, the process gas becomes a solid state and becomes a turbo molecule. It adheres to the inside of the pump 100 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 turbo molecular pump 100. As a result, when a deposit of process gas is deposited inside the turbo molecular pump 100, this deposit narrows the pump flow path and causes the performance of the turbo molecular pump 100 to deteriorate.
  • the above-mentioned product was in a state of being easily solidified and adhered in a portion where the pressure was high in the vicinity of the exhaust port 133 and the vicinity of the thread groove stator 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
  • 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 turbo molecular pump 100. 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. .. 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 vacuum pump according to the present embodiment has a high-temperature stator 201 connected to the thread groove stator 131, a heating body 202 housed in the high-temperature stator 201, and a high-temperature stator, as shown in FIG.
  • the lower outer cylinder 210 arranged on the outer periphery of the 201 is provided with the restraining means 220 arranged on the outer periphery of the thread groove stator 131.
  • the upper end side of the lower outer cylinder 210 is connected to the lower side of the outer cylinder 127, and the lower end side is connected to the upper side of the base portion 129.
  • the outer cylinder 127, the lower outer cylinder 210, and the base portion 129 constitute an exterior body 203 that rotatably contains the rotating body 103.
  • the high temperature stator 201 has a substantially cylindrical shape, the lower end side is connected to the base portion 129 via an O-ring, and the upper end side is connected to the inside of the lower outer cylinder 210 via an O-ring.
  • the high temperature stator 201 in which the heating body 202 is arranged may not have a structure separate from the thread groove stator 131 but may have a structure integrated with the thread groove stator 131.
  • the heating body 202 is inserted and fixed inside the high temperature stator 201.
  • the heating body 202 is connected to a heating body control device (not shown), and the heating body control device controls the temperature of the heating body 202.
  • the heating body 202 is appropriately adjusted so as to maintain the temperatures of the high temperature stator 201 and the thread groove stator 131 at predetermined values higher than the temperature of the rotating body 103.
  • the thread groove stator 131 has a substantially cylindrical shape, and has a stator upper end portion 131b located on the upstream side and a stator lower end portion 131c located on the downstream side.
  • the thread groove stator 131 is connected to the inside of the high temperature stator 201 at the upper end portion 131b of the stator. Further, a space serving as a gas flow path to the exhaust port 133 is provided on the outer peripheral side of the thread groove stator 131, and the thread groove stator 131 is provided from the stator upper end portion 131b so that the stator lower end portion 131c becomes a free end. It extends downward.
  • the lower end portion 131c of the stator is separated from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d of the rotating body 103 arranged on the inner peripheral side with a gap, and is separated from the inner peripheral surface of the high temperature stator 201 arranged on the outer peripheral side. Away.
  • the outer peripheral surface of the lower end portion 131c of the stator does not face the inner peripheral surface of the high temperature stator 201, but other members (for example, the outer body 203 such as the outer cylinder 127 and the lower outer cylinder 210, and the outer body 203). It may face the inner peripheral surface of (another stator member) arranged inside the.
  • the restraining means 220 has a cylindrical shape and is arranged on the outer periphery of the thread groove stator 131.
  • the inner peripheral surface of the restraining means 220 is in contact with the outer peripheral surface of the lower end portion 131c of the stator.
  • the restraining means 220 is fixed by press-fitting, for example, the lower end portion 131c of the stator.
  • the method of fixing the restraining means 220 to the thread groove stator 131 is not particularly limited, and may be fixed by, for example, bolts.
  • the outer peripheral surface of the restraining means 220 faces the inner peripheral surface of the high temperature stator 201 with a gap.
  • the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the restraining means 220 on the axial side are chamfered with a curved surface or a flat surface.
  • the axial direction of the restraining means 220 having a cylindrical shape is a direction connecting the centers of the two openings of the cylinder.
  • the axial length and radial wall thickness of the restraining means 220 are not particularly limited.
  • the restraining means 220 is formed of a material having a coefficient of linear expansion lower than that of the material of the thread groove stator 131.
  • the material of the thread groove stator 131 is aluminum or an aluminum alloy
  • stainless steel, ceramics, titanium alloy or the like can be preferably used as the material of the restraining means 220.
  • the stainless steel is not particularly limited, but for example, SUS400 series such as SUS403, SUS405, SUS410, and SUS430 can be preferably used.
  • the outer peripheral surface of the restraining means 220 does not face the inner peripheral surface of the high temperature stator 201, but the outer peripheral body 203 such as the outer cylinder 127 or the lower outer cylinder 210 or the outer body 203 of other members (for example, the outer cylinder 127 or the lower outer cylinder 210). It may face the inner peripheral surface of another stator member (which is arranged inside).
  • the shape of the restraining means 220 is a cylindrical shape having a constant inner diameter and outer diameter in the axial direction, but is not limited thereto. For example, the outer diameter of the restraining means 220 does not have to be constant in the axial direction.
  • the exhaust gas taken in from the intake port 101 is transferred to the downstream side by the turbo molecular pump mechanism formed by the rotating blade 102 and the stationary blade 123.
  • the exhaust gas transferred to the downstream side is guided to the Holbeck type pump mechanism formed by the cylindrical portion 102d of the rotating body 103 and the thread groove stator 131, and then transferred to the exhaust port 133.
  • the thread groove stator 131 and the high temperature stator 201 are heated by the heating body 202 in order to prevent the reaction products generated in semiconductor manufacturing and the like from accumulating.
  • the cylindrical portion 102d and the threaded groove stator 131 are made of a material having a coefficient of linear expansion of the same degree
  • the threaded groove stator 131 having a temperature higher than that of the cylindrical portion 102d is the cylindrical portion 102d without the restraining means 220. Thermal expansion is greater than.
  • the cylindrical portion 102d and the thread groove stator 131 are made of aluminum, and the restraining means 220 is made of stainless steel.
  • the thread groove stator 131 is larger than the cylindrical portion 102d and easily expands thermally even when the diameter expansion amount is taken into consideration. Therefore, when the restraining means 220 is not provided, the gap amount between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 is widened, and the performance of the thread groove pump is deteriorated.
  • a restraining means 220 formed of a material having a coefficient of linear expansion lower than that of the material of the threaded groove stator 131 is arranged.
  • the thread groove stator 131 is suppressed from thermal expansion in the radial direction by the restraining means 220. Therefore, the gap amount between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d through which the gas flows and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 can be appropriately maintained.
  • the restraining means 220 Since the restraining means 220 has a cylindrical shape, it has a uniform structure in the circumferential direction, and its outer periphery is separated from other members. Therefore, since the restraining means 220 can restrain the thread groove stator 131 with a uniform restraining force in the circumferential direction, the gap amount between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 is set to an appropriate amount. Can be maintained uniformly.
  • This vacuum pump may have multiple specifications with different internal temperatures.
  • the internal temperature of the Holbeck type pump mechanism of the vacuum pump is set in the range of 70 ° C. to 200 ° C.
  • the internal temperature in the Holbeck type pump mechanism is the temperature of the parts (cylindrical portion 102d and / or thread groove stator 131) constituting the pump mechanism.
  • the gap amount between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d of the vacuum pump and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 in each specification (internal temperature) is preferably within an appropriate range, and more preferably substantially constant. And more preferably constant.
  • the restraining means 220 is provided on the outer periphery of the threaded groove stator 131, so that the gap between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the threaded groove stator 131 It is preferable that the amount does not change much.
  • the appropriate gap amount between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 is, for example, 200 to 1000 ⁇ m.
  • the amount of gap between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 may change during one rotation due to the runout caused by the rotation of the rotating body 103.
  • the vacuum pump issues a warning sound when the measured runout of the rotating body 103 reaches a threshold value (for example, 100 ⁇ m) so that the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131 do not come into contact with each other. May be good.
  • a threshold value for example, 100 ⁇ m
  • the thread groove stator 131 When the temperature of the thread groove stator 131 and the restraint means 220 rises, the thread groove stator 131 receives stress from the restraint means 220.
  • the thread groove stator 131 may be a material that is more easily deformed than stainless steel or the like, such as aluminum or an aluminum alloy. Therefore, the stress acting on the threaded groove stator 131 from the restraining means 220 is preferably less than the yield stress of the material of the threaded groove stator 131 so that the threaded groove stator 131 is not plastically deformed.
  • the stress acting on the thread groove stator 131 from the restraining means 220 in each specification is increased. It is preferably less than the breakdown stress of the material of the thread groove stator 131. That is, even if the internal temperature changes within the range of the specifications, the stress acting on the thread groove stator 131 is always less than the yield stress, and the plastic deformation of the thread groove stator 131 can be suppressed.
  • the vacuum pump according to the present embodiment has an outer body 203 provided with an intake port 101, a rotating body 103 contained in the outer body 203 and rotatably supported, and an outer periphery of the rotating body 103.
  • a substantially cylindrical threaded groove stator 131 arranged and a threaded groove 131a engraved on at least one of the outer peripheral surface of the rotating body 103 or the inner peripheral surface of the threaded groove stator 131 are provided, and the rotating body 103 is rotated.
  • the vacuum pump As a result, it is a vacuum pump that exhausts the gas taken in from the intake port 101 side to the outside of the exterior body 203, and is formed on the outer periphery of the threaded groove stator 131 with a material having a lower linear expansion coefficient than the material of the threaded groove stator 131.
  • a restraining means 220 for reducing radial deformation of the threaded groove stator 131 during thermal expansion is provided.
  • the vacuum pump has a restraining means 220 that reduces radial deformation of the thread groove stator 131 during thermal expansion, so that there is a gap between the outer peripheral surface of the rotating body 103 and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131. It is possible to suppress the spread of the amount. Therefore, this vacuum pump can effectively suppress the deterioration of the performance of the thread groove pump due to thermal expansion.
  • the restraining means 220 is arranged at the downstream end of the thread groove stator 131.
  • thermal expansion in the radial direction of the downstream end of the thread groove stator 131 whose outer peripheral surface is not fixed on the downstream side can be suppressed, and deterioration of the performance of the thread groove pump can be effectively suppressed.
  • the vacuum pump has a plurality of specifications having different internal temperatures, and in each specification, the gap amount between the outer peripheral surface of the rotating body 103 at a predetermined position in the axial direction of the vacuum pump and the inner peripheral surface of the thread groove stator 131. May be the same by the restraint means 220. As a result, the vacuum pump can effectively maintain the performance of the thread groove pump in each specification having a different internal temperature.
  • the stress acting on the thread groove stator 131 from the restraining means 220 at the time of thermal expansion of the thread groove stator 131 may be set to be less than the yield stress of the material of the thread groove stator 131. As a result, it is possible to effectively prevent the thread groove stator 131, which is restrained by the restraining means 220 and receives stress during thermal expansion, from being damaged.
  • the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d is smooth and the thread groove is formed on the inner peripheral surface of the thread groove stator 131, but the thread groove is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d.
  • the inner peripheral surface of the outer stator may be smooth.
  • the thread groove pump on the downstream side of the vacuum pump may be formed by combining a sigburn type pump mechanism and a Holbeck type pump mechanism.
  • the thread groove stator 131 may have a structure connected to the high temperature stator 201 at the downstream end portion or a structure connected at the central portion in the flow direction. Therefore, the restraining means 220 may be arranged not at the upstream end of the thread groove stator 131 but at the upstream end or the central portion in the flow direction.

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Abstract

熱膨張による性能の低下を効果的に抑制できる真空ポンプを提供する。吸気口（１０１）が設けられた外装体（２０３）と、外装体（２０３）に内包され、回転自在に支持された回転体（１０３）と、回転体（１０３）の外周に配置された略円筒状のねじ溝ステータ（１３１）と、回転体（１０３）の外周面またはねじ溝ステータ（１３１）の内周面の少なくとも一方に刻設されたねじ溝（１３１ａ）と、を備え、回転体（１０３）を回転させることにより、吸気口（１０１）側から吸気した気体を外装体（２０３）外へ排気する真空ポンプであって、ねじ溝ステータ（１３１）の外周に、ねじ溝ステータ（１３１）の材料よりも線膨張係数の低い材料で形成され、ねじ溝ステータ（１３１）の熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段（２２０）が配設される。

Description

真空ポンプ
　本発明は、真空ポンプに関する。
　半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置または微細加工装置等は、装置内の環境を高度の真空状態にすることが必要である。これらの装置の内部を高度の真空状態とするために、真空ポンプが用いられている。
　真空ポンプは、例えば特許文献１に示すように、回転翼と固定翼を有するターボ分子ポンプの下流側に、ねじ溝ポンプが設けられる場合がある。いわゆるホルベック型のねじ溝ポンプは、回転体の外周面と、回転体の外周に配置されたステータとにより構成され、回転体の外周面またはステータの内周面にねじ溝が刻設されている。
特開２０１５－０３１１５３号公報
　ところで、半導体製造等で生じた反応生成物が堆積することを防ぐために、ねじ溝ポンプを形成するステータを、反応生成物の昇華温度以上に保温する技術が考案されている。しかしながら、回転体の外周に配置されるステータが高温になると、熱膨張により回転体とステータの間のギャップ量が広がり、ねじ溝ポンプの性能が低下する。
　一方、真空ポンプにおいては、排気性能以外にも、上記半導体製造等における種々の製造工程に応じた、最適な内部温度などの仕様要求などがある。在庫数の削減などを目的として、同一のポンプで、内部温度の設定仕様を変えることが求められる場合がある。この場合には、内部温度の設定仕様の変更によって、上述の熱膨張で生じる回転体とステータの間のギャップ量が変化する。このギャップ量が大きくなるように変化する場合、ねじ溝ポンプの排気性能が低下して問題となる可能性がある。
　本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、熱膨張による性能の低下を効果的に抑制できる真空ポンプを提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明に係る真空ポンプは、吸気口が設けられた外装体と、前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転体と、前記回転体の外周に配置された略円筒状のステータと、前記回転体の外周面または前記ステータの内周面の少なくとも一方に刻設されたねじ溝と、を備え、前記回転体を回転させることにより、前記吸気口側から吸気した気体を前記外装体外へ排気する真空ポンプであって、前記ステータの外周に、前記ステータの材料よりも線膨張係数の低い材料で形成され、前記ステータの熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段が配設されることを特徴とする。
　上記のように構成した真空ポンプは、ステータの熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段を有するため、回転体の外周面とステータの内周面との間のギャップ量が広がることを抑制できる。このため、本真空ポンプは、熱膨張によるねじ溝ポンプの性能の低下を効果的に抑制できる。
　前記拘束手段は、前記ステータの下流側の端部に配設されてもよい。これにより、下流側で外周面を固定されていないステータの下流側の端部の径方向への熱膨張を抑制し、ねじ溝ポンプの性能の低下を効果的に抑制できる。
　前記真空ポンプは、内部温度が異なる複数の仕様を有し、各々の前記仕様における、前記真空ポンプの軸方向の所定位置の前記回転体の前記外周面と前記ステータの前記内周面とのギャップ量は、前記拘束手段によって同じになるようにされてもよい。これにより、本真空ポンプは、内部温度が異なる各々の仕様において、ねじ溝ポンプの性能を効果的に維持できる。
　前記ステータの熱膨張時における、前記拘束手段から前記ステータに作用する応力は、前記ステータの材料の降伏応力未満となるようにされてもよい。これにより、拘束手段によって拘束されて熱膨張時に応力を受けるステータが破損することを効果的に抑制できる。
真空ポンプの縦断面図である。 アンプ回路の回路図である。 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である。 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である。 実施形態に係る真空ポンプの縦断面図である。 図５の範囲Ａの拡大縦断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、図面の寸法は、説明の都合上、誇張されて実際の寸法とは異なる場合がある。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　本発明の実施形態に係る真空ポンプは、高速回転する回転体の回転ブレードが気体分子を弾き飛ばすことによりガスを排気するターボ分子ポンプ１００である。ターボ分子ポンプ１００は、例えば半導体製造装置等のチャンバからガスを吸引して排気するために使用される。
　このターボ分子ポンプ１００の縦断面図を図１に示す。図１において、ターボ分子ポンプ１００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。回転体１０３は、一般的に、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属によって構成されている。
　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に近接して、かつ上側径方向電磁石１０４のそれぞれに対応して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２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。固定翼１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・）は、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。
　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（真空チャンバ）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、ターボ分子ポンプ１００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、ねじ溝ステータ１３１（ステータ）が配設される。ねじ溝ステータ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ねじ溝１３１ａが複数条刻設されている。ねじ溝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、かつねじ溝ステータ１３１の内周面に向かって張り出されており、このねじ溝ステータ１３１の内周面と所定のギャップ量を隔てて近接されている。回転翼１０２および固定翼１２３によってねじ溝１３１ａに移送されてきた排気ガスは、ねじ溝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、ターボ分子ポンプ１００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はターボ分子ポンプ１００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。回転翼１０２の回転速度は通常２００００ｒｐｍ～９００００ｒｐｍであり、回転翼１０２の先端での周速度は２００ｍ／ｓ～４００ｍ／ｓに達する。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、ねじ溝ステータ１３１は回転体１０３の円筒部１０２ｄの外周に配設し、ねじ溝ステータ１３１の内周面にねじ溝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の外周面にねじ溝が刻設され、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、ターボ分子ポンプ１００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、ターボ分子ポンプ１００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、上記ターボ分子ポンプ１００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、ターボ分子ポンプ１００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。ターボ分子ポンプ１００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、ターボ分子ポンプ１００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ＳｉＣｌ４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ＡｌＣｌ３）が析出し、ターボ分子ポンプ１００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、ターボ分子ポンプ１００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、ターボ分子ポンプ１００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１３３付近やねじ溝ステータ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ターボ分子ポンプ１００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２に示す。
　図２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、ターボ分子ポンプ１００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３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４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。
　本実施形態に係る真空ポンプは、上述した構成に加えて、図５に示すように、ねじ溝ステータ１３１に連結される高温ステータ２０１と、高温ステータ２０１に収容される加熱体２０２と、高温ステータ２０１に外周に配置される下側外筒２１０と、ねじ溝ステータ１３１の外周に配置される拘束手段２２０と、を有している。
　下側外筒２１０は、上端側が外筒１２７の下側に連結され、下端側がベース部１２９の上側に連結されている。外筒１２７、下側外筒２１０およびベース部１２９は、回転体１０３を回転可能に内包する外装体２０３を構成する。
　高温ステータ２０１は、略円筒形状であり、下端側がＯリングを介してベース部１２９の上に連結され、上端側がＯリングを介して下側外筒２１０の内側に連結される。なお、加熱体２０２が配置される高温ステータ２０１は、ねじ溝ステータ１３１と別構造ではなく、ねじ溝ステータ１３１と一体的な構造であってもよい。
　加熱体２０２は、高温ステータ２０１の内部に差し込まれて固定されている。加熱体２０２は、図示しない加熱体制御装置に接続されており、加熱体制御装置は、加熱体２０２の温度を制御する。加熱体２０２は、高温ステータ２０１およびねじ溝ステータ１３１の温度を、回転体１０３の温度よりも高い所定値で維持するように、適宜調整される。
　ねじ溝ステータ１３１は、略円筒形状であり、上流側に位置するステータ上端部１３１ｂと、下流側に位置するステータ下端部１３１ｃとを有している。ねじ溝ステータ１３１は、ステータ上端部１３１ｂにて、高温ステータ２０１の内側に連結されている。さらに、ねじ溝ステータ１３１の外周側には、排気口１３３までのガス流路となる空間が設けられ、ねじ溝ステータ１３１は、ステータ下端部１３１ｃが自由端となるように、ステータ上端部１３１ｂから下側へ延在している。ステータ下端部１３１ｃは、内周側に配置される回転体１０３の円筒部１０２ｄの外周面から隙間を空けて離れているとともに、外周側に配置される高温ステータ２０１の内周面から隙間を空けて離れている。なお、ステータ下端部１３１ｃの外周面は、高温ステータ２０１の内周面に対向するのではなく、他の部材（例えば、外筒１２７や下側外筒２１０などの外装体２０３や、外装体２０３の内側に配置される他のステータ部材）の内周面に対向してもよい。
　拘束手段２２０は、円筒形状であり、ねじ溝ステータ１３１の外周に配置される。拘束手段２２０の内周面は、ステータ下端部１３１ｃの外周面と接触している。拘束手段２２０は、例えばステータ下端部１３１ｃを圧入されて固定されている。なお、拘束手段２２０のねじ溝ステータ１３１への固定方法は、特に限定されず、例えばボルト等により固定されてもよい。拘束手段２２０の外周面は、隙間を空けて、高温ステータ２０１の内周面に対向している。拘束手段２２０の内周面および外周面の軸方向側の縁部は、曲面または平面で面取りされることが好ましい。なお円筒形状である拘束手段２２０の軸方向とは、円筒の２つの開口部の中心を結ぶ方向である。
　拘束手段２２０の軸方向の長さおよび径方向の肉厚は、特に限定されない。拘束手段２２０は、ねじ溝ステータ１３１の材料よりも線膨張係数の低い材料で形成される。例えば、ねじ溝ステータ１３１の材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合に、拘束手段２２０の材料は、例えばステンレス、セラミックス、チタン合金等を好適に使用できる。ステンレスは、特に限定されないが、例えばＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０等のＳＵＳ４００系が好適に使用できる。
　なお、拘束手段２２０の外周面は、高温ステータ２０１の内周面に対向するのではなく、他の部材（例えば、外筒１２７や下側外筒２１０などの外装体２０３や、外装体２０３の内側に配置される他のステータ部材）の内周面に対向してもよい。拘束手段２２０の形状は、軸方向へ一定の内径および外径を有する円筒形状であるが、これに限定されない。例えば、拘束手段２２０の外径は、軸方向へ一定でなくてもよい。
　次に、上述した真空ポンプの作用を説明する。真空ポンプの回転軸１１３が駆動機構であるモータ１２１により駆動されると、回転体１０３が回転する。これにより、回転ブレード１０２と静止ブレード１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの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、回転ブレード１０２と静止ブレード１２３によって形成されるターボ分子ポンプ機構によって、下流側へ移送される。下流側へ移送されてきた排気ガスは、回転体１０３の円筒部１０２ｄおよびねじ溝ステータ１３１により形成されるホルベック型ポンプ機構へ案内された後、排気口１３３へ移送される。
　ねじ溝ステータ１３１および高温ステータ２０１は、半導体製造等で生じた反応生成物が堆積することを防ぐために、加熱体２０２によって加熱される。円筒部１０２ｄおよびねじ溝ステータ１３１が、同程度の線膨張係数を有する材料により形成される場合、円筒部１０２ｄよりも高い温度となるねじ溝ステータ１３１は、拘束手段２２０がなければ、円筒部１０２ｄよりも大きく熱膨張する。一例として、円筒部１０２ｄおよびねじ溝ステータ１３１はアルミニウム製であり、拘束手段２２０はステンレス製である。なお、内側の円筒部１０２ｄは、遠心力によっても拡径するが、その拡径量を考慮しても、ねじ溝ステータ１３１は、円筒部１０２ｄよりも大きく熱膨張しやすい。このため、拘束手段２２０がない場合、円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量が広がり、ねじ溝ポンプの性能が低下する。しかしながら、ねじ溝ステータ１３１の外周には、ねじ溝ステータ１３１の材料よりも線膨張係数の低い材料により形成される拘束手段２２０が配置される。拘束手段２２０は、ねじ溝ステータ１３１と同じ温度に加熱されても、ねじ溝ステータ１３１ほど熱膨張しない。このため、ねじ溝ステータ１３１は、拘束手段２２０によって径方向外側への熱膨張を抑制される。したがって、ガスが流れる円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量を、適切に維持することができる。
　拘束手段２２０は、円筒形状であるために周方向に均一な構造であり、かつ外周が他の部材から離れている。このため、拘束手段２２０は、周方向に均一な拘束力でねじ溝ステータ１３１を拘束できるため、円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量を、適切な量で均一に維持できる。
　本真空ポンプは、内部温度が異なる複数の仕様を有してもよい。一例として、真空ポンプのホルベック型ポンプ機構における内部温度は、７０℃～２００℃の範囲で設定される。ホルベック型ポンプ機構における内部温度とは、当該ポンプ機構を構成する部品（円筒部１０２ｄおよび／またはねじ溝ステータ１３１）の温度である。各々の仕様（内部温度）における、本真空ポンプの円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量は、適切な範囲内にあることが好ましく、より好ましくは略一定であり、さらに好ましくは一定である。すなわち、内部温度が仕様の範囲内で変化しても、ねじ溝ステータ１３１の外周に拘束手段２２０が設けられることで、円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量は、ほとんど変化しないことが好ましい。なお、円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間の適切なギャップ量は、例えば２００～１０００μｍである。なお、回転体１０３の回転による振れにより、円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面の間のギャップ量は、１回転の間で変化し得る。円筒部１０２ｄの外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面が接触しないように、真空ポンプは、計測される回転体１０３の振れが閾値（例えば１００μｍ）に達する場合に警告音を発報してもよい。
　ねじ溝ステータ１３１および拘束手段２２０の温度が上昇すると、ねじ溝ステータ１３１は拘束手段２２０から応力を受ける。ねじ溝ステータ１３１は、アルミニウムやアルミニウム合金のように、ステンレス等よりも変形しやすい材料である場合がある。したがって、ねじ溝ステータ１３１が塑性変形しないように、拘束手段２２０からねじ溝ステータ１３１に作用する応力は、ねじ溝ステータ１３１の材料の降伏応力未満であることが好ましい。特に、真空ポンプは、ねじ溝ステータ１３１の内部温度が異なる複数の仕様を有している場合には、各々の仕様（内部温度）における、拘束手段２２０からねじ溝ステータ１３１に作用する応力が、ねじ溝ステータ１３１の材料の降伏応力未満であることが好ましい。すなわち、内部温度が仕様の範囲内で変化しても、ねじ溝ステータ１３１に作用する応力は常に降伏応力未満であり、ねじ溝ステータ１３１の塑性変形を抑制できる。
　以上のように、本実施形態に係る真空ポンプは、吸気口１０１が設けられた外装体２０３と、外装体２０３に内包され、回転自在に支持された回転体１０３と、回転体１０３の外周に配置された略円筒状のねじ溝ステータ１３１と、回転体１０３の外周面またはねじ溝ステータ１３１の内周面の少なくとも一方に刻設されたねじ溝１３１ａと、を備え、回転体１０３を回転させることにより、吸気口１０１側から吸気した気体を外装体２０３外へ排気する真空ポンプであって、ねじ溝ステータ１３１の外周に、ねじ溝ステータ１３１の材料よりも線膨張係数の低い材料で形成され、ねじ溝ステータ１３１の熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段２２０が配設される。これにより、真空ポンプは、ねじ溝ステータ１３１の熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段２２０を有するため、回転体１０３の外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面との間のギャップ量が広がることを抑制できる。このため、本真空ポンプは、熱膨張によるねじ溝ポンプの性能の低下を効果的に抑制できる。
　また、拘束手段２２０は、ねじ溝ステータ１３１の下流側の端部に配設される。これにより、下流側で外周面を固定されていないねじ溝ステータ１３１の下流側の端部の径方向への熱膨張を抑制し、ねじ溝ポンプの性能の低下を効果的に抑制できる。
　また、真空ポンプは、内部温度が異なる複数の仕様を有し、各々の仕様における、真空ポンプの軸方向の所定位置の回転体１０３の外周面とねじ溝ステータ１３１の内周面とのギャップ量は、拘束手段２２０によって同じになるようにされてもよい。これにより、本真空ポンプは、内部温度が異なる各々の仕様において、ねじ溝ポンプの性能を効果的に維持できる。
　また、ねじ溝ステータ１３１の熱膨張時における、拘束手段２２０からねじ溝ステータ１３１に作用する応力は、ねじ溝ステータ１３１の材料の降伏応力未満となるようにされてもよい。これにより、拘束手段２２０によって拘束されて熱膨張時に応力を受けるねじ溝ステータ１３１が破損することを効果的に抑制できる。
　なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。例えば、本実施形態では、円筒部１０２ｄの外周面が平滑であり、ねじ溝ステータ１３１の内周面にねじ溝が形成されているが、円筒部１０２ｄの外周面にねじ溝が形成され、その外側のステータの内周面が平滑であってもよい。また、真空ポンプの下流側のねじ溝ポンプは、シグバーン型ポンプ機構と、ホルベック型ポンプ機構とを組み合わせて形成されてもよい。また、ねじ溝ステータ１３１は、高温ステータ２０１に対して下流側の端部で連結される構造や、流れ方向の中央部で連結される構造であってもよい。したがって、拘束手段２２０は、ねじ溝ステータ１３１の上流側の端部ではなく、上流側の端部や、流れ方向の中央部に配設されてもよい。
　　１００　　ターボ分子ポンプ
　　１０１　　吸気口
　　１０２ｄ　　円筒部
　　１０３　　回転体
　　１３１　　ねじ溝ステータ（ステータ）
　　１３１ａ　ねじ溝
　　１３１ｂ　ステータ上端部
　　１３１ｃ　ステータ下端部
　　１３３　　排気口
　　２０１　高温ステータ
　　２０２　加熱体
　　２０３　外装体
　　２２０　拘束手段

Claims (4)

  1. 　吸気口が設けられた外装体と、
    　前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転体と、
    　前記回転体の外周に配置された略円筒状のステータと、
    　前記回転体の外周面または前記ステータの内周面の少なくとも一方に刻設されたねじ溝と、を備え、前記回転体を回転させることにより、前記吸気口側から吸気した気体を前記外装体外へ排気する真空ポンプであって、
    　前記ステータの外周に、前記ステータの材料よりも線膨張係数の低い材料で形成され、前記ステータの熱膨張時の径方向の変形を低減させる拘束手段が配設されることを特徴とする真空ポンプ。
  2. 　前記拘束手段は、前記ステータの下流側の端部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
  3. 　前記真空ポンプは、内部温度が異なる複数の仕様を有し、
    　各々の前記仕様における、前記真空ポンプの軸方向の所定位置の前記回転体の前記外周面と前記ステータの前記内周面とのギャップ量は、前記拘束手段によって同じになるようにされたことを特徴とする請求項１また２に記載の真空ポンプ。
  4. 　前記ステータの熱膨張時における、前記拘束手段から前記ステータに作用する応力は、前記ステータの材料の降伏応力未満となるようにされたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
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