JPH0828471A

JPH0828471A - 容積型ポンプ

Info

Publication number: JPH0828471A
Application number: JP6158609A
Authority: JP
Inventors: Teruo Maruyama; 照雄丸山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1994-07-11
Publication date: 1996-01-30
Also published as: US5674051A

Abstract

(57)【要約】【目的】反応性生成物を発生させるプロセスに適用し
ても十分な耐久性を有する真空ポンプを提供する。【構成】電子制御を用いた非接触同期制御型真空ポン
プにおいて、非真円形状の２つのロータの組み合わせか
らなる粗引きポンプを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造設備等に用
いられる真空ポンプあるいはコンプレッサに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造プロセスにおけるＣＶＤ装
置、ドライエッチング装置、スパッタリング装置などに
は、真空環境を作り出すために真空ポンプが不可欠であ
る。この真空ポンプに対する要望は、半導体プロセスの
高集積化、微細化に対応するため、近年ますます高度に
なってきており、その主な内容は、高い真空到達圧が得
られること、クリーンであること、メンテナンスが容易
なこと、小型・コンパクトであること等である。

【０００３】以上の半導体設備の真空排気系の要請に答
えるため、従来から用いられていた油回転ポンプに代わ
り、より清浄な真空を得ることを目的として、粗引き用
のドライ真空ポンプが広く用いられるようになってい
る。

【０００４】図１１は従来の容積型真空ポンプ（粗引き
ポンプ）の一種であるねじ溝式（スクリュー式）のドラ
イ真空ポンプを示すものである。同図において、１０１
はハウジング、１０２は第１回転軸、１０３は第２回転
軸、１０４と１０５はそれぞれ回転軸１０と１０３に支
持された筒型ロータ、１０６と１０７はそれぞれロータ
１０４と１０５の外周部に形成されたねじ溝である。従
来のねじ溝式の真空ポンプは、ハウジング１０１内に第
１回転軸１０２と第２回転軸１０３が平行に備えられ、
その回転軸上にロータ１０４と１０５を備えている。各
ロータ１０４と１０５にねじ溝１０６と１０７が形成さ
れていて、自ら（１０６または１０７）の凹部（溝）を
相手（１０７または１０６）の凸部（山）と噛み合せる
ことにより、両者の間に密閉空間を作り出している。前
記両ロータ１０４と１０５が回転すると、その回転に伴
い、前記密閉空間が吸入側から排気側へ移動して吸入作
用と吐出作用を行うのである。

【０００５】同図のねじ溝式の真空ポンプでは、２個の
ロータ１０４、１０５の同期回転はタイミングギヤ１１
０ａ、１１０ｂの働きによっている。すなわち、モータ
１０８の回転は、駆動ギヤ１０９ａから中間ギヤ１０９
ｂに伝達され、両ロータ１０４、１０５の軸に設けられ
て互いに噛み合っているタイミングギヤの一方１１０ｂ
に伝達される。両ロータ１０４、１０５の回転角の位相
は、これら２個のタイミングギヤ１１０ａ、１１０ｂの
噛み合いにより調節されている。

【０００６】また１１３ａ、ｂ及び１１４ａ、ｂは第１
回転軸１０２、第２回転軸１０３を支持するころがり軸
受である。前記軸受と前記ギヤの潤滑は、駆動ギヤ１０
９ｂの軸端にオイルポンプ１１５を組み込み、ポンプ最
下部のオイルパン１１６からオイル１１７を吸い込み、
オイルフィルタを経由して各部に供給している。また予
備の潤滑として、２本の主軸１０２、１０３を中空とし
て、最下部にストロークノズル１１８、１１９を設け、
回転に伴う自吸効果により、各ころがり軸受にオイル１
１７を供給している。（図示せず）また、このオイルが
ねじ溝ロータを収納する流体作動室１２０に侵入しない
ように、両室間にメカニカルシール１２１が設けられて
いる。

【０００７】しかしながら前述したスクリュー式ドライ
真空ポンプには、次のような課題があった。動力伝達
と同期回転のために多数のギヤを必要とし、部品点数が
多く構成が複雑化する、ギヤを用いた接触型の同期回
転であるための高速化ができず装置が大型化する、等で
ある。

【０００８】従来の粗引き用ドライ真空ポンプに係るこ
れらの問題点を解決するために、本発明者らは、独立し
たモータによって駆動される複数個のスクリューロータ
を備えた真空ポンプにおいて、ロータリエンコーダ等の
回転角及び回転数の検出手段を用いた非接触方式の同期
制御により、前記複数個のスクリューロータを同期回転
させると共に、これらのスクリューロータを同一方向に
片持ち構造とすることを特徴とする真空ポンプを既に提
案している。この提案により、スクリューロータの高速
回転が可能であり、メンテナンスの必要性がなく、クリ
ーンで、大幅な小型化・省スペース化が図れる粗引きポ
ンプを提供することができる。さらに前記ロータの一軸
上に高真空ポンプを設ければ大気から超高真空まで一台
で引ける超広域真空ポンプが実現できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの真空ポンプ
を反応性ガスを用いる半導体プロセスに適用したとき、
ドライポンプ共通の次の課題に対してはまだ未解決であ
った。

【００１０】ドライポンプ（オイルフリーポンプ）は、
作動室内で油を使用しないため、油回転ポンプよりは信
頼性が高い。しかし反面、ロータ、ケーシング等が油の
皮膜なく直接活性ガスや反応生成物に晒されることにな
り、この点で油回転ポンプよりもむしろ条件は苛酷と言
える。半導体製造プロセスでは、アルミニウム・プラズ
マエッチングやシリコン窒化膜生成プロセスが真空ポン
プにとって最も過酷なプロセスといわれている。これら
のプロセスでは、それぞれ反応生成物として多量の塩化
アルミニウム（ＡlＣl₃）と塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃ
l）を生ずる。これらの物質は高温低圧の反応室の中で
は気体であるが、比較的低温の真空配管やポンプの内部
で凝縮して固体となる。真空ポンプの中で反応生成物が
堆積すると、ロータとケーシングが固着し、ポンプの運
転ができなくなる。例えば窒化膜生成プロセスでは、数
バッチの処理でポンプが運転不能になることがある。

【００１１】前述したねじ溝式のドライポンプの場合、
高圧である排気側のねじ溝部分で反応性生成物が堆積し
やすくなる。２つのねじ溝ロータが噛み合う部分、ある
いはロータとケーシングの間は通常数十ミクロンのクリ
アランスが保てる様に構成されている。しかし、たとえ
ばねじ溝内部に反応性生成物が堆積すると、この種のポ
ンプでは、堆積物が排除される機構を持たないため、両
ロータ間に機械的接触が生じ、たちまち運転不能に陥る
等のトラブルが発生する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、この発明にかかる容積式ポンプでは、ハウジング
内に収納された複数個のロータと、これらのロータの回
転を支持する軸受と、前記ハウジングに形成された流体
の吸入口および吐出口と、前記複数個のロータをそれぞ
れ独立して回転駆動するモータと、前記モータの回転角
および回転数を検知する検出手段と、この検出手段から
の信号によって前記複数個のモータの回転を同期制御す
ることにより前記ロータおよびハウジングで形成される
密閉空間の容積変化を利用して流体の吸入排気を行う容
積型のポンプにおいて、前記複数個のロータの任意の断
面は非真円形状であるとを特徴とする容積型ポンプを提
供するものである。

【００１３】

【作用】反応性生成物は、真空ポンプ内部の高圧部分、
すなわち大気と連絡する排気側の部分で凝固し、堆積し
やすい。このとき同じ容積型の真空ポンプであっても、
流体輸送空間を作り出すポンプの基本メカニズムによっ
て堆積した生成物（パーティクル）の除去しやすさが異
なる。

【００１４】たとえばねじ溝ポンプの場合、各ロータの
溝の上下面（溝の軸端面）に堆積した互いに噛み合う上
下面のすきまは、せいぜい０．０５〜０．１mmである。
この隙間に生成物が堆積すると、ポンプの運転不能をも
たらすロック現象が発生する。ここで各ロータの円筒面
に堆積した生成物は、溝の上下面と比べて搬出されやす
いことに着目する。その理由はそれぞれのロータから堆
積物に与えられる切削力の方向は、輸送流体の移動方向
と一致するからである。

【００１５】本発明では、複数ロータで構成される容積
式ポンプの吐出側は、例えば特殊な非真円形状を持つク
ロー型を用いる。クロー型の容積ポンプは、図２で示す
様に、互いに逆方向に回転する２つの異形ロータと繭形
シリンダで形成される密閉空間の容積変化を利用して、
流体の吸入・吐出作用を行うものである。クロー型の場
合、各ロータの半径方向の壁面、あるいはシリンダの内
面に附着した生成物は、各ロータによって与えられる円
周方向の剪断力によって比較的容易に搬出できる。本発
明では、この２つの異形ロータは、それぞれの軸に独立
して施けられたモータと、回転角と角速度を検知するエ
ンコーダにより、非抵触で同期運転する。非接触である
ため従来数千rpmが限界だった各軸の回転数を数万回転
にまでアップできる。従来のクロー形真空ポンプの場
合、圧縮比を大きくとるために、異形ロータの内部リー
クを見込んで、軸方向にこの異形ロータを多段（例えば
４コ以上）に重ねた構成にする必要があった。本発明で
は、回転数を大幅にアップできるため、ロータ一段あた
りの内部リークを減らすことができる。その結果同じ圧
縮比（到達真空圧）を得るのに必要なロータの個数を減
らすことができ、ポンプ本体のコンパクト化が図れるの
である。

【００１６】

【実施例】本発明の最初の実施例について、図１をもと
に説明する。１ａ、１ｂ及び２ａ、２ｂは異形ロータ
（クロー型ロータ）、３ａ、３ｂは前記異形ロータと勘
合した回転軸、４ａ〜４ｄは前記異形ロータを収納する
ハウジング、５は上部ハウジング６に形成された吸入
孔、７は吐出孔、８、９はモータ及びエンコーダを収納
するハウジング、１０ａ、１０ｂ及び１１ａ、１１ｂは
前記回転軸３ａ、３ｂを支持するころがり軸受である。

【００１７】同図において互いに噛み合う２つの前記異
形ロータ１ａ、１ｂ及び２ａ、２ｂとハウジング４ａ〜
４ｄの間で密閉空間が形成される。異形ロータ１ａ、１
ｂ及び２ａ、２ｂを互いに逆方向に回転させて、この密
閉空間を吸入孔側から吐出孔側へ移動させることによ
り、容積型の真空ポンプを構成している。図２（イ）〜
（ハ）にその動作原理を示す。１２ａ、１２ｂはＡＣサ
ーボモータ、１３ａ、１３ｂは回転角と角速度を検出す
るエンコーダである。軸受１１ａ、１１ｂの各下端部に
は、異形ロータ同士の接触防止用ギヤ１４ａ、１４ｂが
設けられている。これら両接触防止用ギヤ１４ａ、１４
ｂの互いの噛み合い部分の隙間（バックラッシュ）は、
両異形ロータ間の隙間よりも小さくなるように設計され
ている。そのため、両接触防止用ギヤ１４ａ、１４ｂ
は、両回転軸３ａ、３ｂの同期回転が円滑に行われてい
るときは互いが接触することはないが、万一、この同期
がずれたときは、異形ロータ同士の接触に先立って互い
に接触することにより、異形ロータの接触衝突を防止す
る働きをする。

【００１８】各異形ロータは、それぞれの回転軸３ａ、
３ｂの下部に独立した設けられたＡＣサーボモータ１２
ａ、１２ｂにより数万回転の高速で回転する。この実施
例における２つの回転軸のＰＬＬ同期制御は、次の様な
方法によった。すなわち、各回転軸３ａ、３ｂの下端部
には図１にみるようにロータリエンコーダ１３ａ、１３
ｂが設けられているが、これらのロータリエンコーダ１
３ａ、１３ｂからの出力パルスは、仮想のロータを想定
して設定された設定指令パルス（目標値）と照合され
る。目標値と各軸１，２からの出力値（回転数、回転角
度）との間の偏差は、位相差カウンターにより演算処理
され、この偏差を消去するように各軸のサーボモータの
回転が制御される。図３に本発明の第２の実施例である
広域型真空ポンプを示す。５０ａ、５０ｂは回転軸、５
１ａ、５１ｂは前記回転軸を支持する上部軸受、５２は
前記回転軸５０ｂの一軸上に形成された高真空ポンプの
回転円筒部、５３及び５４は前記回転部５２の内外面に
設置されたドラック溝付円筒スリーブ、５５は吸入孔で
ある。本構成により、大気から超高真空（１０^-8ton）
近傍まで一気に引ける広域ポンプが実現できる。図４に
粗引きポンプ部分をスクリュー型とクロー型の複合構造
にした本発明の第３の実施例を示す。反応性ガスが堆積
しやすい吐出側に近い部分にクロー型、吸入側に低い真
空到達圧が得やすいスクリュー型（ねじ溝型）を用いる
ことにより、型式の異なる２つのポンプ両方の特徴を生
かすことができる。２００ａ、２００ｂは回転軸、２０
１ａ、２０１ｂはスクリュー、２０２、２０３はハウジ
ング、２０４は吸入孔である。

【００１９】ロータリエンコーダとしては、レゾルバ等
の磁気式エンコーダや通常の光学式エンコーダであって
もよいが、実施例ではレーザ光の回折・干渉を応用した
高分解能で高速応答性のレーザ式エンコーダを用いた。

【００２０】この発明にかかる流体回転装置は、空調用
のコンプレッサ等であってもよいのであるが、その回転
部の異形ロータ（図１では６，７に相当）は、ルーツ
型、歯車型、単ローベ型、複ローベ型、ネジ型、外円周
ピストン型のもの等であってよい。

【００２１】

【発明の効果】本発明の対象とする真空ポンプは、反応
ガスを取り扱うプロセスに対して、十分な信頼性を有す
ると共に、例えば既に提案している真空ポンプ（特願平
２−２５５７９８号）のように電子制御による回転同期
制御をしているので、クリーン、コンパクト、省スペー
スといった特徴を合わせ持つことができる。

【００２２】さらに、ロータの少なくとも１つの同軸上
に、運動量移送式の真空ポンプを設けたことにより、大
気から高真空（１０^-8rorr以下）まで一気に一台で引け
る複合型の広帯域真空ポンプも実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の正面断面図

【図２】本発明の一実施例として適用したクロー型ポン
プの動作原理を示す図

【図３】本発明の第３の実施例の正面断面図

【図４】本発明の第３の実施例の正面断面図

【図５】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図６】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図７】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図８】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図９】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図１０】本発明に適用可能なポンプの正面断面図

【図１１】従来のスクリューポンプの正面断面図

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ異形ロータ３ａ回転軸４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄハウジング５吸入孔７吐出孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジング内に収納された複数個のロー
タと、これらのロータの回転を支持する軸受と、前記ハ
ウジングに形成された流体の吸入口および吐出口と、前
記複数個のロータをそれぞれ独立して回転駆動するモー
タと、前記モータの回転角および／または回転数を検知
する検出手段と、この検出手段からの信号によって前記
複数個のモータの回転を同期制御することにより前記ロ
ータおよびハウジングで形成される空間の容積変化を利
用して流体の吸入・排気を行う容積型のポンプにおい
て、前記複数個のロータの任意の断面は、非真円形状で
あることを特徴とする容積型ポンプ。