JP4987660B2 - 真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法に係り、特に半導体製造装置等のチャンバ内を真空に排気するために用いる真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法に関するものである。

半導体製造装置では、半導体製造工程に使用されるガスをチャンバから排気するため、及びチャンバ内に真空環境を作り出すために真空ポンプが広く使用されている。このような真空ポンプとしては、ルーツ型やスクリュー型のポンプロータを備えた容積式タイプの真空ポンプが知られている。

一般に、容積式の真空ポンプは、ケーシング内に配置された一対のポンプロータと、このポンプロータを回転駆動するためのモータとを備えている。一対のポンプロータ間及びポンプロータとケーシングの内面との間には微小なクリアランスが形成されており、ポンプロータはケーシングに非接触で回転するように構成されている。そして、一対のポンプロータが同期しつつ互いに反対方向に回転することにより、ケーシング内の気体が吸入側から吐出側に移送され、吸込口に接続されたチャンバなどから気体が排気される。

半導体製造工程に使用されるガスには、ガスの温度が低下すると固形化或いは液状化する成分が含まれるものがある。通常、上述した真空ポンプは、ガスを移送する過程で圧縮熱が発生するため、運転中の真空ポンプはある程度高温となっている。従って、真空ポンプが高温を維持している間は、上記真空ポンプを用いて上述した成分を含むガスを排気した場合でも成分が固形化又は液状化せず、良好な真空排気が行なわれる。
特開２００４−１３８０４７号公報

しかしながら、真空ポンプの運転を停止し、真空ポンプの温度が徐々に低下すると、ガス中に含まれる成分が固形化或いは液状化し、ポンプロータや該ポンプロータとポンプケーシングの間の隙間などに堆積してしまう（以下、この固形化、液状化した成分を生成物という）。更に温度低下と共にポンプロータ及びポンプケーシングが収縮しその隙間が狭くなり、生成物を噛み込んでしまう。このため、噛み込まれた生成物がポンプロータの回転を妨げ、モータの起動トルクではポンプロータを回転させることができず、真空ポンプの再起動に失敗するという問題が生じていた。また、このような状態では、真空ポンプの再起動ができないだけでなく、モータに過剰な負荷が掛かってモータが過熱するおそれがあり、真空ポンプの安全な運転が阻害されるという問題も生じていた。

更に、近年では、周波数変換器を用いた誘導電動機やブラシレスＤＣモータ等を駆動するモータドライブ技術が発達してきている。このようなモータドライブ技術を真空ポンプに使用した場合、真空ポンプを起動するときのモータのトルクは、周波数変換器で使用されている各構成部品の容量により決定されてしまう。このため、モータは一定以上のトルクを発生させることができず、真空ポンプの起動が更に厳しくなりつつある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ケーシング内で固形化又は液状化した生成物がポンプロータの回転を妨げられるような場合であっても、真空ポンプの停止時にこの生成物を効果的に排除し、真空ポンプを正常に起動させることができる真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、ポンプロータ制御部は真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿ってポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、所定タイミングパターンは、ポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じ、規定速度に達したら停止するように設定していることを特徴とする。

上記のように、所定タイミングパターンでポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じていくことは、真空ポンプの温度が急激に低下し生成物が多く生成される状態ではポンプロータを速い速度で回転して生成物を除去する。一方、残存する排気ガスが少なく、生成物の生成が少なくなった状態では回転速度を遅くするので、生成物の生成状態に応じたポンプロータの停止制御となる。

また、本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、 ポンプロータ制御部は真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿ってポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、所定タイミングパターンは、ポンプロータの回転速度を時間とともに段階状に減じるように設定していることを特徴とする。

上記のように、ポンプロータの回転速度を段階状に減じるように設定しているので、上記と同様、真空ポンプの温度が急激に低下し、生成物が多く生成される状態ではポンプロータを速い速度で回転して生成物を除去し、残存する排気ガスが少なく、生成物の生成が少なくなった状態では回転速度を遅くすることにより、生成物の生成状態に応じたポンプロータの停止制御となる。

また、本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、ポンプロータ制御部は真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿ってポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、所定タイミングパターンは、ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように運転、停止を繰り返すように設定していることを特徴とする。

上記のように、ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように運転、停止を繰り返すことにより、生成物が多いときは速い周期で、少なくなるに従い遅い周期でポンプロータを回転することになり、生成物を効果的に除去することが可能となる。

また、本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、ポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減じ、規定速度に達したら停止することを特徴とする。

上記のように、ポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減じ、規定速度に達したら停止するので、真空ポンプの温度が急激に低下し生成物が多く生成される状態ではポンプロータを速い速度で回転して生成物を除去する。一方、残存する排気ガスが少なく、生成物の生成が少なくなった状態では回転速度を遅くするので、生成物の生成状態に応じたポンプロータの停止制御となる。

また、本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、ポンプロータの回転速度を時間とともに段階状に減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減速することを特徴とする。

上記のように、ポンプロータの回転速度を時間とともに段階状に減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減速することにより、上記と同様、真空ポンプの温度が急激に低下し、生成物が多く生成される状態ではポンプロータを速い速度で回転して生成物を除去し、残存する排気ガスが少なく、生成物の生成が少なくなった状態では回転速度を遅くすることにより、生成物の生成状態に応じたポンプロータの停止制御となる。

また、本発明は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように設定している所定タイミングパターンに沿って該運転、停止を繰り返すことを特徴とする。

上記のように、ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように設定している所定タイミングパターンに沿って該運転、停止を繰り返すことにより、生成物が多いときは速い周期で、少なくなるに従い遅い周期でポンプロータを回転することになり、生成物を効果的に除去することが可能となる。

本発明によれば、真空ポンプの運転停止時に所定タイミングパターンに沿ってポンプロータを回転させた後にポンプロータを停止するので、ポンプケーシング内に固形化又は液状化した生成物等がポンプロータの回転を妨げるような場合であっても該生成物が効果的に除去されることになり、真空ポンプを正常に起動させることが可能となる。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、半導体製造装置のチャンバ内のガスを排気するために使用される真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法について説明するが、本発明に係る運転制御装置及び運転停止方法を適用する真空ポンプはこれに限定されるものではない。

〔第１の実施形態〕
図１及び図２は本発明に係る運転制御装置を用いる真空ポンプの構成例を示す図で、図１は断面図、図２は図１のI−I線断面図である。図示するように本真空ポンプは、一対のポンプロータ１と、ポンプロータ１が収容される排気室７を持つケーシング２と、ポンプロータ１を回転駆動するモータ３とを備えている。ケーシング２はガスを吸入する吸入口（図示せず）と、ガスを吐出する排気口（図示せず）とを備えている。各ポンプロータ１は、軸受５により回転自在に支持された２本の軸４にそれぞれ固定されている。

一方の軸４にはモータロータ（図示せず）が固定されており、このモータロータの周りにはモータステータ（図示せず）が配置されている。そして、このモータロータ及びモータステータによりモータ３が構成されている。なお、本実施形態例では、モータ３として誘導電動機が使用されている。２本の軸４の端部には、それぞれタイミングギヤ６が固定され、このタイミングギヤ６により、一対のポンプロータ１が互いに同期しつつ反対方向に回転するようになっている。一対のポンプロータ１間及びケーシング２の排気室７内面との間には微小な隙間が形成されており、各ポンプロータ１は、ケーシング２に非接触で回転するようになっている。

上記構成の真空ポンプにおいて、モータ３を駆動し一対のポンプロータ１を回転することにより、吸込口（図示せず）から吸入されたガスが各ポンプロータ１に従って排気側に移送され、排気口（図示せず）から排気される。そして、吸入側から排気側にガスが連続して移送されることにより、吸込口に接続されたチャンバ内のガスが真空排気される。このチャンバは半導体製造装置に組み込まれたチャンバである。

図１及び図２に示すように本真空ポンプは、真空ポンプの運転を制御する運転制御装置１０を備えており、この運転制御装置１０は、ポンプロータ１の回転及び停止動作を制御するポンプロータ制御部１５を内部に備えている。

図３は上記運転制御装置１０で制御されるモータ駆動回路の構成例を示す図である。図３に示すように本モータ駆動回路は、３相電源１１と、漏電遮断器（ＥＬＢ）１２と、電磁接触器１３と、サーマルプロテクタ１４とを備えている。３相電源１１は漏電遮断器（ＥＬＢ）１２を介して電磁接触器１３に接続され、電磁接触器１３はサーマルプロテクタ１４を介してモータ３に接続されている。また、電磁接触器１３には、ポンプロータ１（図３では１つのポンプロータのみを示す）の回転及び停止動作を制御する運転制御装置１０のポンプロータ制御部１５が接続されている。なお、漏電遮断器（ＥＬＢ）に代えて、サーキットブレーカ（ＣＢ）を用いてもよい。

ポンプロータ制御部１５には真空ポンプの運転停止スイッチ（図示せず）が接続されており、運転中にこの運転停止スイッチが操作されると、ポンプロータ制御部１５から電磁接触器１３に停止指令が送信されるようになっている。電磁接触器１３は停止指令を受けて作動し、３相電源１１からモータ３に供給されている３相電力を遮断する。これによりモータ３は停止し、真空ポンプが停止する。なお、サーマルプロテクタ１４は、モータ３に過負荷が掛かった場合に作動し、３相電源１１からモータ３に供給されている電流を遮断して真空ポンプの運転を停止させるようになっている。これにより、モータ３の過負荷や過熱が防止される。

ポンプロータ制御部１５には図４に示すように、上記運転停止スイッチが操作され真空ポンプの運転停止が開始になると、時間の経過に対して真空ポンプをＯＮ、ＯＦＦにするポンプ停止制御パターン（ポンプ停止制御するためのタイミングパターン）が記憶されている。真空ポンプに停止開始信号が発生されると、ポンプロータ制御部１５に内蔵されるタイマー１６を利用し、図４の停止パターンに沿って真空ポンプのＯＮ、ＯＦＦ、即ちポンプ停止開始から時間ｔ１が経過するまでポンプをＯＦＦ、時間ｔ１が経過したら時間ｔ２を経過するまでポンプをＯＮとするように、時間ｔ１の間真空ポンプをＯＦＦ、時間ｔ２の間真空ポンプをＯＮにする操作を繰り返すポンプ停止制御パターンを実施する。これによりポンプロータ１，１を回転、停止させる。本実施形態では、正転（正方向への回転）、停止、正転の順にポンプロータ１が駆動されるようにタイマー１６のパターンが設定されている。

ポンプロータ１が正方向へ回転すると、ポンプロータ１のうちの一方はある方向（例えば右回り）に回転し、他方は反対方向（例えば左回り）に回転する。この場合、ガスは吸入口からケーシングに吸い込まれて排気口側に移送され、そして排気口から吐出される。即ち、ポンプロータ１の正方向への回転とは、ケーシング２内のガスが吸入口から排気口に向って移送されるような方向へのポンプロータ１の回転をいう。

上記のように、真空ポンプの停止時に、ポンプロータ１を停止させた後、一旦運転して再度ポンプロータ１を回転させることにより、ポンプロータ１とケーシング２との間などに真空ポンプの温度低下とともに析出する生成物に対し、ポンプロータ１の力を加えることができる。その結果、収縮に伴う生成物の噛み込みを防止することができると共に、生成物を除去するので、真空ポンプの起動をスムーズに行なうことが可能となる。なお、ポンプロータ１の回転動作と停止動作を数回繰り返すようなパターンを設定すれば、更に確実に生成物を除去することができる。真空ポンプが正常に起動した後は、定常状態にてポンプロータ１が正方向に回転し、ガスの排気が行なわれる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態で用いる真空ポンプの構成は、図１及び図２に示すものと同一であるので、その説明は省略する。図５はポンプロータ制御部１５で制御されるモータ駆動回路の構成例を示す図である。図示するように、モータ駆動回路は、３相電源１１と、漏電遮断器（ＥＬＢ）１２と、周波数変換器２１とを備えている。３相電源１１は漏電遮断器（ＥＬＢ）１２を介して周波数変換器２１に接続され、周波数変換器２１は、モータ３に接続されている。周波数変換器２１は、整流器２２と、モータ３を回転させる電流波形を生成するパワートランジスタ部２３と、周波数変換器２１を制御する周波数変換制御部２４とを備えている。また周波数変換器２１には、ポンプロータ１の回転及び停止動作を制御するポンプロータ制御部１５が接続されている。

ポンプロータ制御部１５には、図６又は図７に示すように真空ポンプの運転停止に際し、時間の経過に対するポンプ停止制御パターンが記憶されている。真空ポンプの運転中に、図示しない運転停止スイッチを操作してポンプの停止を開始する。図６のポンプ停止制御パターンでは、ポンプロータ制御部１５から周波数変換器２１に時間の経過と共に直線的に速度を減速する減速指令信号が送信され、真空ポンプの回転速度は（ポンプロータ１の回転速度）は直線的に減少し、所定の速度値に達したら減速指令信号を停止して真空ポンプを停止する。また、図７のポンプ停止制御パターンでは、ポンプロータ制御部１５から周波数変換器２１に時間の経過と共に段階的にポンプ速度を減速させ且つ時間を段階的に長くする減速指令信号が送信され、真空ポンプの回転速度は段階的に減少し、所定の減速速度で停止する。本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、正転、停止、正転の順でモータ３を作動させる図１０に示すような正転、停止を数回繰り返すパターンを設定してもよい。

上記実施形態例では、モータ３に誘導電動機を使用しているが、周波数変換制御部２４をブラシレスＤＣモータ制御部に置き換えることにより、誘導電動機に代えてブラシレスＤＣモータを使用することができる。この場合でも、誘導電動機を用いた場合と同様に、図４、図６、図７に示すような所定のパターンに基いてポンプロータ１を回転させることが可能である。

なお、真空ポンプの運転停止時のポンプ停止制御パターンとしては、図４、図６、図７に示すポンプ停止制御パターン以外に、図８乃至図１２に示すようなポンプ停止制御パターンが考えられる。図８は運転停止スイッチを操作してポンプの停止が開始になったら、時間ｔｉを経過するまでポンプをＯＦＦとし、時間ｔｉが経過したら時間ｔ２が経過するまでポンプをＯＮにし、時間ｔ２が経過したら、時間ｔｉ＋１が経過するまでポンプをＯＦＦにするというように、ポンプをＯＮにする時間ｔ２は一定で、ポンプをＯＦＦにする時間ｔｉ、ｔｉ＋１、ｔｉ＋２・・・を時間の経過に伴って長くしていくのである。つまり、ポンプの温度が急速に低下するポンプ停止開始初期段階（高温状態）はポンプのＯＦＦ間隔を短く、低温状態では間隔を長くする。これは、ポンプロータ制御部１５に図８に示すようなパターンを数値テーブルとして設定しておくことにより、実現することができる。

図９ではポンプをＯＦＦにする時間ｔ１、ポンプをＯＮにする時間ｔ２を一定とし、ホンプの回転速度、即ちポンプロータ１の回転速度をポンプの停止開始から時間の経過と共に減速させている。また、図１０では、ポンプをＯＦＦにする一定時間ｔ１を経過する毎に所定の運転時間ｔ２内でポンプの正転逆転を行なっている。これにより生成物に異なる方向からポンプロータの回転力が加わることになり、生成物が崩れやすくなり、容易に排出除去される。

図１１ではポンプをＯＦＦにする時間ｔ１、ポンプをＯＮにする時間ｔ２を一定とし、ポンプの停止開始後、正転のＯＮを数回（図では２回）続けて行い、モータ３の電流が一定値以上であれば、生成物の付着が正転では除去できないとして、次にポンプロータ１を逆転させて生成物を掻き落とすように、ポンプ停止制御をモータの電流が一定以下になるまで繰り返して行なう。また、図１２ではポンプをＯＮにする時間ｔ２、即ちポンプ運転時間ｔ２内にポンプロータ１の逆転及び正転を繰り返して行なうことで、時間ｔ２内で生成物にロータ１の逆転時の回転力と正転時の回転力を加えて生成物を掻き落とすようにしている。

半導体製造装置のチャンバ内のガスを真空排気する場合、チャンバにメインポンプＭＰとブースタポンプＢＰを直列に接続している。そしてスタート指令があると、図１３に示すように、先にメインポンプＭＰを起動し、該メインポンプＭＰの回転速度が所定の設定値になったら、ブースタポンプＢＰを起動する。ストップ指令があると、メインポンプＭＰとブースタポンプＢＰを同時に停止する。このメインポンプＭＰとブースタポンプＢＰの停止開始後から、ポンプの停止まで上記のポンプ停止制御パターンに沿って、メインポンプＭＰとブースタポンプＢＰのポンプ停止制御を行う。これにより、メインポンプＭＰとブースタポンプＢＰの生成物が効率よく除去され、メインポンプＭＰとブースタポンプＢＰの起動をスムーズに行なうことが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば上記真空ポンプのポンプ停止制御パターンをチャンバから排出するガスの種類に応じて予め複数のポンプロータ制御部１５内に格納しておき、排気するガスの種類に応じて複数のポンプ停止制御パターンから所定のものを選択し、真空ポンプの運転停止を実行することもできる。

本発明に係る運転制御装置を用いる真空ポンプの構成例を示す断面図である。 図１のI−I線断面図である。 本発明に係る運転制御装置で制御される真空ポンプのモータ駆動回路の構成例を示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置で制御される真空ポンプのモータ駆動回路の構成例を示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 本発明に係る運転制御装置のポンプ停止制御パターンを示す図である。 半導体製造装置のチャンバ内を排気するメインポンプとブースタポンプの起動・停止制御パターンを示す図である。

符号の説明

１ ポンプロータ
２ ケーシング
３ モータ
４ 軸
５ 軸受
６ タイミングギヤ
７ 排気室
１０ 運転制御装置
１１ ３相電源
１２ 漏電遮断器（ＥＬＢ）
１３ 電磁接触器
１４ サーマルプロテクタ
１５ ポンプロータ制御部
１６ タイマー
２１ 周波数変換器
２２ 整流器
２３ パワートランジスタ部
２４ 周波数変換制御部

Claims (6)

1. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、
   前記ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、
   前記ポンプロータ制御部は前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿って前記ポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、
   前記所定タイミングパターンは、前記ポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じ、規定速度に達したら停止するように設定していることを特徴とする真空ポンプの運転制御装置。
2. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、
   前記ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、
   前記ポンプロータ制御部は前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿って前記ポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、
   前記所定タイミングパターンは、前記ポンプロータの回転速度を時間とともに段階状に減じるように設定していることを特徴とする真空ポンプの運転制御装置。
3. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転制御装置において、
   前記ポンプロータの回転を制御するポンプロータ制御部を備え、
   前記ポンプロータ制御部は前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿って前記ポンプロータを回転させた後に、該ポンプロータを停止する機能を備え、
   前記所定タイミングパターンは、前記ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように運転、停止を繰り返すように設定していることを特徴とする真空ポンプの運転制御装置。
4. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、
   前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、前記ポンプロータの回転速度を時間とともに一定割合で減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減じ、規定速度に達したら停止することを特徴とする真空ポンプの運転停止方法。
5. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、
   前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、前記ポンプロータの回転速度を時間とともに段階状に減じるように設定した所定タイミングパターンに沿って減速することを特徴とする真空ポンプの運転停止方法。
6. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備える真空ポンプの運転停止方法において、
   前記真空ポンプの運転停止時にポンプ停止開始後、前記ポンプロータを停止時間が時間の経過に伴って長くなるように設定している所定タイミングパターンに沿って該運転、停止を繰り返すことを特徴とする真空ポンプの運転停止方法。

Images