JP7480604B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

従来、半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤ等のプロセスでは、プロセスを高速で行うために大量のガスを供給しながら処理が行われる。これらのプロセスを行う半導体製造装置においては、一般的に、プロセスチャンバを真空排気する真空ポンプとしてターボ分子ポンプが使用される。これらのプロセスにターボ分子ポンプを使用した場合に、プロセスガスの種類によってはポンプ内に生成物が付着することがある。特に、生成物における圧力と昇華温度との関係から、圧力の比較的高いネジ溝ポンプ部において生成物付着が生じやすい。

そのため、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ヒータと水冷管とをポンプベースに設け、ヒータの通電と冷却水の供給とを制御することにより、ネジステータ等におけるガス流路温度が設定温度以下とならないように監視し、生成物付着を防止するようにしている。

特開２００３－２７８６９２号公報

近年、半導体エッチング装置では、蒸気圧が高く昇華しにくい材料を使用することが多くなり、生成物付着防止のための温調温度が高くなる傾向にある。しかしながら、温調温度が高くなるとネジステータ等の熱膨張量が大きくなり、ネジステータとロータとの隙間が拡がって排気性能が悪化するという問題が生じる。

本発明の態様による真空ポンプは、ロータに形成されたロータ円筒部と、前記ロータ円筒部の外周側に隙間を介して配置されるステータ円筒部と、前記ステータ円筒部に設けられ、線膨張係数が前記ステータ円筒部の線膨張係数よりも小さな材料で形成された輪体状の膨張規制部材と、を備える。

本発明によれば、ステータの熱膨張が抑制され、排気性能の悪化を防止することができる。

図１は、ターボ分子ポンプの断面図である。 図２は、熱膨張による排気性の悪化を説明する図である。 図３は、ステータおよび膨張規制部材の他の例を示す図である。 図４は、変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、真空ポンプの概略構成を模式的に示したものであり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。ターボ分子ポンプ１は、複数段のステータ翼３０と複数段のロータ翼４０とで構成されるターボポンプ段と、ステータ３１とロータ円筒部４１とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。なお、本実施の形態では真空ポンプとしてターボ分子ポンプを例に説明するが、本発明はターボ分子ポンプに限らず、ネジ溝ポンプ段を備える種々の真空ポンプに適用することができる。

ロータ翼４０およびロータ円筒部４１はポンプロータ４ａに形成されている。ポンプロータ４ａは、複数のボルト５０によりロータ軸であるシャフト４ｂに締結されている。ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト５０で締結して一体とすることで、回転体４が形成される。シャフト４ｂは、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって磁気浮上支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４～３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト４ｂの浮上位置が検出される。

複数段のステータ翼３０は、ポンプロータ４ａの軸方向に設けられた複数段のロータ翼４０に対して交互に配置されている。各ステータ翼３０は、スペーサリング３３を介してポンプ軸方向に積層されている。ステータ３１はボルト３９によりベース３に固定されている。ステータ３１は、図示上端付近に形成されたフランジ状の固定部３１１をボルト３９でベース３に固定することにより、ベース３に取り付けられている。筒状のステータ３１の外周面には、ステータ３１よりも線膨張係数の小さな材料で形成された、筒状の膨張規制部材３２が装着されている。本実施の形態では、ステータ３１の内周面にネジ溝が形成されているが、一般には、ステータ３１またはロータ円筒部４１のいずれかにネジ溝が形成されている。

ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト締結した回転体４は、モータ１０により回転駆動される。磁気軸受が作動していない時には、シャフト４ｂは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。回転体４をモータ１０により高速回転すると、ポンプ吸気口側の気体は、ターボポンプ段（ロータ翼４０、ステータ翼３０）により排気された後、後段に設けられたネジ溝ポンプ段（ロータ円筒部４１、ステータ３１）によりさらに排気され、排気ポート３８から排出される。排気ポート３８には補助ポンプが接続される。

上述したように、半導体エッチング装置では、蒸気圧が高く昇華しにくい材料を使用することが多い。そのようなエッチング装置の排気にターボ分子ポンプを使用した場合、ポンプ内に生成物が付着しやすい。ターボ分子ポンプ１では、ネジ溝ポンプ段（特に、ステータ３１）に生成物が付着するのを防止するために、ベース３の外周に装着されたヒータ６０による温調により、ステータ３１を生成物付着が防止できる温度に昇温するようにしている。

ところで、ヒータ６０によりベース３を加熱してステータ３１を昇温すると、ステータ３１が熱膨張して、ステータ３１とロータ円筒部４１とのギャップ寸法が大きくなる。このギャップ寸法は、ネジ溝ポンプ段の排気性能に寄与するパラメータの一つであり、ギャップ寸法が大きくなると排気性能が低下する。

図２は、ステータの熱膨張を模式的に示した図である。ネジ溝ポンプ段（ステータ３１Ａおよびロータ円筒部４１）の部分の拡大図である。図２のステータ３１Ａは、膨張規制部材３２が設けられていない、従来の一般的なステータを示したものである。図２のステータ３１Ａにおいて、破線は温調を行わないときの熱膨張前の形状を示しており、実線は熱膨張後の形状を示している。Ｇ０は温調しない場合の熱膨張前のギャップ寸法であり、Ｇ１は熱膨張後のギャップ寸法である。なお、ステータ３１Ａの固定部３１１から離れた位置の熱膨張による拡がりは固定部分に比べて大きく、ギャップ寸法も上部領域に比べて大きくなっている。

ターボ分子ポンプ１の温度は、温調無しの場合の室温から温調時の９０℃程度まで幅広く、温調温度はユーザが任意に設定変更することができる。そのため、ステータ３１の寸法を、予め理想的なサイズに設定することはできない。例えば、３０００Ｌ/ｓクラスのターボ分子ポンプでは、ロータ円筒部４１とステータ３１とのギャップ寸法Ｇ０は約０．５ｍｍ～１ｍｍ程度に設定される。温調によりステータ３１の温度が３０℃から９０℃まで上昇すると、そのときのギャップ寸法Ｇ１はＧ０に対して０．３ｍｍ程度増加する。その結果、ターボ分子ポンプの排気性性能（例えば、排気速度）は１０％～３０％程度低下する。

なお、図２に示す例では、ステータ３１Ａの外周面とベース３との間に隙間が形成されているが、ステータ３１Ａの外周面をベース３の内周面に密着せるような構成でも良い。そのように密着させた場合であっても、ヒータ６０により温調を行うと、ベース３およびステータ３１Ａが昇温されて両方とも熱膨張し、図２の場合と同様に、ロータ円筒部４１とステータ３１とのギャップ寸法がＧ０からＧ１へと大きくなる。

一方、図１に示すステータ３１の場合、ステータ３１に比べて線膨張係数のより小さな材料で形成された膨張規制部材３２が、ステータ３１に外周側に装着されている。ステータ３１には、従来の場合と同様にアルミ材が用いられている。特に、本実施の形態のようにステータ３１にネジ溝を形成する場合、切削性の良いアルミ材が適している。

膨張規制部材３２には、アルミ材に比べて線膨張係数が小さいステンレス材のような鋼材が用いられる。真空内で用いられる鋼材としては、一般に、耐腐食性を考慮してステンレス材が用いられるが、炭素鋼等の鋼材の表面に耐食性メッキを施したものを膨張規制部材３２として用いても構わない。アルミ材の線膨張係数は２３［×１０^－６/Ｋ］程度であるが、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の線膨張係数は１７［×１０^－６/Ｋ］程度であり、炭素鋼であれば１０［×１０^－６/Ｋ］程度である。また、金属材料の代わりにセラミックス等を用いても構わない。

膨張規制部材３２とステータ３１との嵌め合いは、締り嵌めでも良いし、隙間嵌めでも良い。隙間嵌めの場合にはステータ３１に固定するための固定部が別途設けられるが、隙間嵌めの部分は隙間の分だけステータ３１の膨張が可能だが、熱膨張によるギャップ変化量（０．３ｍｍ程度）に比べて隙間嵌めの隙間は十分小さいので、熱膨張による排気性能低下を十分抑制することができる。好ましくは、ステータ３１と膨張規制部材３２とが密着する締り嵌めがよい。また、ステータ３１の軸方向における密着領域の範囲としては、膨張規制部材３２の軸方向領域全体が密着していても良いし、軸方向に一部の領域が密着する構成でも良い。

例えば、図３に示すように、ステータ３１の下端を含む軸方向の一部領域に、膨張規制部材３２が密着するように締り嵌めで設けても良い。ステータ３１の温度が上昇して熱膨張が生じた場合、図２の実線で示すステータ３１Ａのように、ベース３に固定された固定部３１１から離れた下端領域においてより直径が拡張するように膨張する。そこで、ステータ３１の軸方向の一部領域に膨張規制部材３２を設ける場合には、図３のようにステータ３１の下端を含む排気下流側に設けるが好ましい。

(変形例)
図４は変形例を示す図である。変形例では、膨張規制部材３２は、ステータ３１の外周面全体を囲むように設けられ、膨張規制部材３２の外周面にはフランジ状の固定部３２１が形成されている。膨張規制部材３２の軸方向長さは、ステータ３１の軸方向長さと同一に設定されている。締り嵌めによりステータ３１と一体化された膨張規制部材３２は、固定部３２１をベース３にボルト締結することにより、ベース３に固定される。変形例の場合には、ステータ３１の軸方向領域の全体の熱膨張が、膨張規制部材３２によって規制されることになる。

なお、ネジ溝が形成されたステータ３１そのものを線膨張係数の低い鋼材やステンレス材で形成することも考えられるが、その場合、本実施の形態の構成に比べて、加工が難しかったり、非常に高コストになったりする。

上記説明では、膨張規制部材を円筒状としたが、たとえば、膨張規制部材を輪体（リング状）形状とし、軸方向に所定間隔を空けて複数個設けてもよい。この場合、複数の膨張規制部材をステータ３１の外周面に適宜の方法で固定することが好ましい。ステータ３１の外周面に輪体状の凹部を軸方向に所定間隔で複数設け、この凹部に膨張規制部材を固定してもよい。
あるいは、膨張規制部材を軸方向に延在する複数の帯板形状で構成し、ステータ３１の外周面に周方向に所定角度ごとに配置し、それらの帯板形状の膨張規制部材を輪体状の膨張規制部材で結合するようにしてもよい。ステータ３１の外周面に軸方向に所定間隔で凹溝を複数設け、この凹溝に膨張規制部材を固定してもよい。
また、ステータ３１の熱膨張を規制する膨張規制部材は、ステータ３１の外周に装着する構成に限らず、例えば、ステータ３１の内部に設けるようにしても良い。

上述した例示的な実施の形態および変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係る真空ポンプは、ロータに形成されたロータ円筒部と、前記ロータ円筒部の外周側に隙間を介して配置されるステータ円筒部と、前記ステータ円筒部に設けられ、線膨張係数が前記ステータ円筒部の線膨張係数よりも小さな材料で形成された輪体状の膨張規制部材と、を備える。例えば、図１に示すように、ステータ３１の固定部３１１よりも排気下流側の外周全体に、膨張規制部材３２を設けるようにする。その結果、膨張規制部材３２を設けられた部分のステータ３１は、熱膨張による変形が膨張規制部材３２により抑制されてギャップ寸法の増加を抑えることができ、排気性能の悪化を防止することができる。

［２］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の外周に装着された筒状の膨張規制部材であり、前記膨張規制部材の内周面の少なくとも一部が、前記ステータ円筒部の外周面に密着している。膨張規制部材をステータ円筒部の外周面に密着して装着することにより、設けることにより、ステータ円筒部の熱膨張による変形を、より小さく抑えることができる。

［３］上記［１］または［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の外周面の軸方向の全長の長さを有する。例えば、図４に示すように、膨張規制部材３２の軸方向長さをステータ３１の軸方向全長と同一とすることで、ステータ３１の軸方向全体について、膨張による変形を抑えることができる。

［４］上記［１］から［３］までのいずれか一に記載の真空ポンプにおいて、前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の外周面の排気下流側における軸方向の一部所定領域を覆う長さを有する。例えば、図３に示すように、熱膨張による変形がより大きいステータ３１の排気下流側端部を含む外周面の一部領域に、円筒状の膨張規制部材３２を設けるようにしても良い。

［５］上記［１］から［４］までのいずれか一に記載の真空ポンプにおいて、前記ステータ円筒部はアルミ材により形成され、前記膨張規制部材はステンレス材により形成されている。ステンレス材はアルミ材よりも線膨張係数が小さく、耐腐食性も優れているので、真空ポンプ内に配置される膨張規制部材の材料として適している。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ターボ分子ポンプ、４ａ…ポンプロータ、３１，３１Ａ…ステータ、３２…膨張規制部材、４２…ロータ円筒部

Claims (4)

1. ロータに形成されたロータ円筒部と、
   前記ロータ円筒部の外周側に隙間を介して配置されるステータ円筒部と、
   前記ステータ円筒部の外周側に設けられ、線膨張係数が前記ステータ円筒部の線膨張係数よりも小さな材料で形成され、前記ステータ円筒部の下端の熱膨張を抑制する、輪体状の膨張規制部材と、を備え、
   前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の下端を含む軸方向の少なくとも一部の領域に設けられている、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の外周に装着された筒状の膨張規制部材であり、前記膨張規制部材の内周面の少なくとも一部が、前記ステータ円筒部の外周面に密着している、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記膨張規制部材は、前記ステータ円筒部の外周面の軸方向の全長の長さを有する、真空ポンプ。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ステータ円筒部はアルミ材により形成され、前記膨張規制部材はステンレス材により形成されている、真空ポンプ。

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