KR100201423B1 - 진공펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반도체의 제조설비등에 사용되는 진공펌프에 관한 것으로서, 배기속도를 동일하게 유지한 채로, 고진공펌프의 성능향상을 도모하는 것을 목적으로 한것이며, 그 구성에 있어서, 외경이 다른 2개의 스크루우(6),(7)를 결합하고, 직경이 작은 스크루우(7)의 축(2)상에 고진공펌프를 설치하므로써, 고진공펌프의 성능향상과 제어안정성의 향상을 도모한 것을 특징으로 한 것이다.

Description

진공펌프

제1도는 본 발명에 관한 진공펌프의 제1실시예를 표시한 단면도.

제2도는 제1실시예의 하우징의 일부를 절재해서 본 측면도.

제3도는 제1실시예에 사용한 접촉방지기어의 평면도.

제4도는 제1실시예에 사용한 레이저형 인코더를 표시한 사시도.

제5도는 동기제어방법을 표시한 블록도.

제6도는 종래의 스크루우펌프의 단면도.

제7도는 종래의 터보식 분자펌프의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2 : 회전축 3 : 하우징

6,7 : 로터

본 발명은, 반도체의 제조설비등에 사용되는 진공펌프에 관한 것이다.

반도체제조프로세스에 있어서의 CVD장치, 드라이에칭장치 스퍼러링장치, 중착장치등에는, 진공환경을 만들어내기 위한 진공펌프가 필요 불가결하다. 최근, 반도체 프로세스의 청정화, 고진공화등의 동향에 따라, 진공펌프에 대한 요구수준은 점점 고도화되어 가고 있다.

고진공을 만들어 내기 위하여, 반도체 설비에서는 통상 저진공화펌프(용적형 진공펌프)와 고진공펌프(터보분자펌프)와 결합으로 이루어진 진공배기시스템을 구성 하고 있다. 저진공펌프에 의해서 대기로부터 어느정도의 진공압에 도달후, 고진공펌프로 절환해서, 소정의 고진공을 얻는 것이다.

그러나 상기한 진공펌프 및 이들 진공펌프를 결합한 진공배기시스템에는 이하에 설명하는 바와 같은 과제가 있었다.

종래의 저진공화펌프(용적형 진공펌프)에서는, 대기압에 가까운 점성흐름(粘性流)의 영역에서 배기하나, 얻게되는 작동범위는 10^-1Pa정도 까지의 저진공도로밖에 도달하지 않는다. 한편, 상기한 종래의 고진공펌프(운동량이송식터보분자펌프)의 구성에서는, 얻게되는 동작범위가 10^-6Pa정도까지 도달하나, 대기압에 가까운 점성흐름의 영역에서 배기할 수 없다. 그래서, 종래는 먼저 저진공화펌프(예를들면 상기한 스크루우펌프)에 의해서10⁰∼10^-1Pa정도까지 진공화한후에 고진공펌프로 절환해서, 소정의 고진공으로 도달하도록 하고 있다.

그러나, 최근의 반도체프로세스의 복합화에 따라, 복수개의 진공체임버를 독립시켜서 진공배기하는, 소위멀티체임버방식이 반도체가공설비의 주류를 차지하도록 되어 있다. 이 멀티체임버화에 대응하기 위해서는, 체임버 하나하나에 저진공화 펌프와 고진공펌프의 결합으로 이루어지는 진공배기시스템을 필요로 하나, 이와 같은 진공배기시스템을 모든 체임버에 대해서 구성하면, 진공배기계장치전체가 대형화, 복잡화해버린다고 하는 문제점이 있었다.

상기 과제에 부응하기 위하여, 본 발명자의 한 사람은 복수개의 로터의 결합으로 이루어진 용적식진공펌프에 있어서, 상기 복수개의 로터의 각 축을 독립된 모터로 구동하는 동시에, 1개의 로터의 동일축상에 운동량이송식 진공펌프를 형성한 복합 펌프구조로서, 또한 각 로터를 비접촉동기운전하는 것을 특징으로 하는 광역용 진공펌프를 이미 제안하고 있다.

또, 상기 용적식 진공펌프를 직경이 다른 로터의 결합으로 구성하고, 가장 직경이 작은 로터의 동일축상에 상기 운동량이송식 진공펌프를 형성하는 것을 특징으로 하는 진공펌프로 제안하고 있다.

이들 제안에 의해, 1대로 대기로부터 초고진공(10^-8torr이하)까지 진공화할 수 있는 동시에, 청정하고 또한 콤펙트한 진공펌프를 제공할 수 있다.

본 발명은, 이미 출원한 진공펌프의 1층의 콤펙트화, 동기제어의 안정성향상, 고속화에 의한 진공도달압의 향상 등을 도모하는 방법을 제안하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 진공펌프는, 하우징내에 수용된 의경이 다른 복수개의 로터 및 각각의 모터와 일체화된 회전축과, 이들 회전축을 각각 독립해서 회전구동하는 모터와, 상기 모터의 회전각 및/또는 회전수를 검지하는 회전검출수단과, 상기 하우징에 형성된 유체의 흡입구 및 토출구와, 상기 하우징 및 상기 복수개의 로터에 의해서 유체수송공간을 형성하는 동시에, 상기 복수의 회전축증, 직경이 작은 로터가 설치된 회전축을 고주파모터에 의해서 구동되는 주동축으로 하고, 다른 회전축을 AC서보모터 혹은 펄스모터에 의해서 구동되는 종동축으로 하고, 상기 회전검출수단의 정보를 근거로, 상기 종동축의 회전구동 수단을 제어하므로써, 상기 종동축의 회전을 상기 주동축의 회전에 동기시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명이 대상으로 하는 진공펌프는, 의경이 다른 복수의 로터의 결합으로 용적식 펌프가 구성되어있으며, 또 타이밍기어와 같은 기계적인 접촉에 의한 전달수단을 사용하지 않고, 각각의 로터가 동기회전하도록 구성되어있다.

소직경로터는 고주파모터에 의해서 구동된다. 또, 기타의 대직경로터는 상기 소직경로터와 비접촉동기회전을 유지하도록, 양로터에 설치된 인코더로부터의 검출신호를 근거로 AC서보모터에 의해서 구동된다.

즉, 본 진공펌프는 고주파모터(소직경로터)를 마스터로하고, AC서보모터(대직경로터)를 슬레이브로 하는 마스터슬레이브 방식에 의한 동기제어에 의해, 각 로터가 구동된다.

본 발명을 스크루우형의 용적식펌프에 적용하였을 경우, 각 로터회전수는 로터직경에 역비례한다. 예를들면, 대직경로터의 직경을 D로하고 회전수를 2만 rpm으로 구동하면, D/2직경의 소직경로터는 4만 rpm으로 구동시키지 않으면 안된다.

본 발명에서는, 소직경로터의 회전에는 고주파모터를 사용한다. 고주파모터는 회전수가 통상 다람쥐우리형을 한 구리막대를 규소강판을 적층해서 덮은 구조이며, 회전원심력에 대해서 강한 구조로 되어 있어 고속회전에 적합하다. 그러나 고주파모터는 비동기모터이며 미묘한 각도제어에는, 벡터제어등의 복잡한 제어가 필요하며 가장 자신 있는 것이 못된다. 대직경로터의 회전에는 AC서보모터를 사용한다. AC서보모터는, 통상회전부가 회전축에 영구자석을 맞붙인 구조이며, 회전원심력에 대해서 영구자석외주부를 얇은 두께의 원환의 스테인레스나 세라믹스, 또는 테이프형상의 유리파이버, 카본파이버등의 섬유재로 덮어 보강하지 않으면 안되고, 이 보강대책도 고속회전이나 자석직경이 커지면 회전원심력에 저버리기 때문에 고속회전은 좋지 않는 수단이다. 그러나 AC서보모터는, 모터사이즈에 비해서는 발생토오크가 강하다는 일, 관성모멘트가 작다는 일, 동기모터라는 일때문에, 고정 밀도의 각도제어, 속도제어가 가장 자신있다.

이 2종류의 모터의 결합에 의한 마스터·슬레이브제어에 의해, 서로의 모터의 장점을 살리고 또한 결점을 보완할 수 있다.

본 발명을 저진공화펌프로서 사용하면, 배기량을 동등한 그대로 두고, 2개의 로터의 한쪽을 외경을 작게할 수 있기 때문에, 펌프본체의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 마스터인 소직경로터의 동일측상에 나사홈 또는 터빈날개등에 의해서 형성되는 고진공펌프를 설치하면, 회전수의 상승을 도모할수 있기 때문에, 고진공펌프의 대폭적인 기본성능(진공도달압, 배기속도)의 향상을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조해서 상세히 설명하기로 한다.

제1도, 제2도는, 본 발명에 관한 유체회전장치의 일실시예로서의 광대역용 진공 펌프를 표시한다. 제1회전축(1), 제2회전축(2)은 하우징(3)내에 수납된 베어링(4a),(4b),(5a),(5b)에 의해서 지지되어 있다. 제1회전축(1)에는 대직경통형 로터(6)가, 또 제2회전축(2)에는 소직경통형로터(7)가 끼워맞춤되어있다. 각 로터(6),(7)의 외주면에는 서로 맞물리도록 해서 나사홈(8),(9)이 형성되어있다.

이들 양 스크루우의 서로 맞물리는 부분은, 용적형진공펌프구조부분A로 되어있다. 즉, 양나사홈(8),(9)의 맞물림부분의 오목부(홈)와 볼록부 및 하우징(3)의 사이에 형성된 밀폐공간이, 양회전축(1),(2)의 회전에 따라 주기적으로 용적변화를 일으키고, 이 용적변화에 의해 흡입, 배기작용을 발휘할 수 있도록 되어 있는 것이다. 실시예에 있어서의 대지경통형로터(6)의 외경치수를D, 회전수를 W로 하면, 소직경통형로터(7)는 의경치수는 D/2, 회전수는 2W이다.

실시예의 펌프의 배기량은, 2개의 동일직경치수의 로터의 결합으로 이루어지는 스크루우와 동일하다. 왜냐하면, 소직경로터(7)는 대직경로터(6)가 1회전하는 동안에 2회전하기 때문이다. 덧붙여서 말하면 1개의 로터의 가두기 용적은, 외경 치수에 비례한다.

제2회전축(2)의 상부에는 통형로터(7)와 일체적이고 역시 슬리브형상의 상부로터(10)가 설치되어 있다. 이상부로터(10)는 하우징(3)과 고정슬리브(11)에 의해서 형성되는 간격의 사이에, 좁은 틈새를 개재해서 회전가능하게 수납되어 있다. 또 상부로터(10)의 내주면과 외주면에는 나사홈(12a),(12b)이 형성되어 있다. 상부로부터(10), 나사홈(12a),(12b),고정슬리브(11)에 의해, 운동량이송식의 진공펌프구조부분 B를 구성하고 있다. 로터(10)는, 용적식 진공펌프구조부분 A의 대직경통형로터(6)의 회전수에 대해서, 2배의 스피드로 회전한다. 이 나사홈(12a),(12b)의 분자드래그작용에 의해, 흡기구멍(13)으로부터 유입한 기체를 용적형나사홈펌프가 수납되어있는 공간(14)에 배기한다. 또, 용적형 나사홈 펌프에 유입한 기체는 배기구멍(15)으로부터 배출된다.

로터(6),(7)의 각하단부 외주면에는, 제3도에 표시한 바와같은 나사홈끼리의 접촉방지용기어(16),(17)가 형성되어있다. 접촉방지기어(16),(17)에는 다소의 금속간접촉에도 견딜수 있도록, 고체윤활막이 형성되어있다. 이들 양 접촉방지기어(16),(17)의 서로 맞물린부분의 틈새(Back lash)δ2는, 양로터(6),(7)의 각 외주면에 형성된 스크루우의 서로 맞물린 부분의 틈새(Back lash)δ1(도시생략)보다도 작게되도록 설계 되어있다. 그 때문에, 양접촉방지기어(16),(17)는, 양회전축(1),(2)의 동기회전이 원활하게 행하여지고 있을 때는 서로가 접촉하는 일은 없으나, 만일, 이 동기가 어긋났을 때는, 나사홈(8),(9)끼리의 접촉에 앞서서 서로 접촉하므로써, 나사홈(8),(9)의 접촉충돌을 방지하는 작용을 한다. 이때, 백러시δ1,δ2가 미소하면, 실용적인 레벨에서 부재의 가공정밀도를 얻을 수 없다고하는 점이 염려된다. 그러나, 펌프의 1행정중의 유체의 누설총량은, 펌프의 1행정에 소요되는 시간에 비례하므로, 회전축(1),(2)이 고속회전이면 나사홈(8),(9)간의 백래시δ1을 약간 크게해도 충분히 진공펌프의 성능(도달진공도 등)을 유지할수 있다. 그 때문에, 회전축을 고속으로 회전할 수 있는 본 발명의 진공펌프에서는, 통상의 가공정밀도로, 나사홈(8),(9)간의 충돌방지에 필요한 치수의 백래시δ1,δ2를 충분히 확보할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 베어링부에 볼베어링을 사용하고, 또한 그 윤활을 위하여 그리스를 사용하고 있다. 또, 통상반도체공장등에서 상비되어있는 고압의 청정한 질소가스를 이용해서, 가스퍼지기구에 의해 유체작동실에의 그리스의 침입을 방지하고 있다. (18),(19)는 상기 질소가스의 공급통로, (20)은 하우징에 설치된 공급용조인트이다.

각로터(6),(7)는, 그외경비로 결정되는 회전수비를 일정하게 유지하면서, 각각의 회전축(1),(2)의 하부에 독립해서 배설된 AC서보모터(21), 및 고주파모터(22)에 의해 수만회전의 고속으로 회전한다. 이 실시예에 있어서의 회전동기 제어방법에 대해서 제5도의 블록도를 사용해서 설명한다.

마스터쪽구동모터는 고주파모터(22)이며, 고주파모터 구동제어부(25)(인버터)의 제어회로(26)와 드라이버(27)에 의해 안정된 속도지령주파수펄스가 작성되고, 고주파모터(22)가 안정된 속도로 회전을 한다. 이 제어회로(26)에서 만들어지는 신호 펄스주파수를 정보로 해서, 슬레이브족AC서보모터(21)의 회전지령을 작성하는 펄스발생기(28)에 보낸다. 이 펄스발생기(28)에서 고주파모터(22)와 AC서보모터(21)가 등속도로 회전하기 위한 펄스주파수를 연산, 작성하여 AC서보모터(21)의 제어 회로(29)에 보낸다. 제어회로(29)로부터 AC서보모터(21)를 구동하기 위한 드라이버(30)에 신호가 전송되어 AC서보모터(21)가, 고주파모터(22)와 등속도로 회전을 한다. 각각의 모터에 장착된 인코더(23),(24)에 의해, 모터의 정지시와, 회전시의 각도위치신호를 상대위치연산부(31)에 도입하고, 각각의 모터의 설정위치로부터의 편차량을 연사하여, 펄스발생기(28)에 보낸다. 여기서, 예를들면, 고주파모터(22)의 쪽이 AC서보모터(21)보다 위치가 전진해 있을 경우는, 펄스발생기(28)에서 작성되는 지령펄스수를 상대위치연산부(31)의 데이터를 근거로해서 증가해주어 AC서보모터(21)의 위치를 전진시키도록 해서 고주파모터(22)와 AC서보모터(21)의 회전속도와 위치의 동기를 취한다. 또, 고주파모터(22)의 쪽이 AC서보모터(21)보다 위치가 지연되어 있으면, 펄스발생기(28)에서 작성되는 지령 펄스수를 상대위치연산부(31)의 데이터를 근거로 해서 감소시켜주어, AC서보모터(21)의 위치를 지연시키도록 해서 고주파모터(22)와 회전속도와 위치의 동기를 취하도록 하고 있다.

로터리인코더로서는, 리졸버(resolver)등의 자기식인코더나 통상의 광학식 인코더라도 되나, 실시예에서는 레이저광의 회절, 감상을 응용한 고분해능이고 고속응답성의 레이저식인코더를 사용하였다. 제4도는 레이저식 인코더의 일예를 표시한다. 도면에 있어서, (91)는 다수의 슬릿을 원형상으로 배치한 이동슬릿판으로서, 제1회전축(1)이나 제2회전축(2)에 연결한 축(92)에 의해 회전구동된다.

(93)은 이동슬릿판(91)에 대면하는 고정슬릿판으로서, 슬릿이 부채꼴로 배치되어있다. 레이저다이오드(94)로부터의 광은 콜리미터렌즈(95)를 거쳐서 양슬릿판(91),(93)의 각 슬릿을 통과하여, 수광소자(96)에 수광된다.

본 발명에 관한 유체회전장치는, 에어콘용의 콘프레서등 이어도 되지만, 그 회전부의 로터(제1도에서는 (6),(7)에 상당)는, 투울형, 기어형, 단로베형, 복로베형, 나사형, 외원주피스톤형의 것(모두 도시생략)등이어도 된다.

본 발명이 대상으로 하는 진공펌프는, 예를들면 이미 제안되어 있는 진공펌프(일본국, 특개평 4-175491호 공보)와 같이 전자제어에 의한 회전동기제어를 하고 있으므로, 청정, 콤펙트, 스페이스절약과 같은 특징을 합쳐서 가질 수 있다.

또, 로터의 적어도 1개의 동일 축상에 운동량이송식의 진공펌프를 설치하므로써, 대기로부터 고진공(10^-8torr이하)까지 한꺼번에 1대로 진공화할 수 있는 복합형의 광대역진공펌프도 실현할 수 있다.

이상은 이미 제안한 진공펌프가 가진 특징이나, 본 발명은 이것에 추가해서, 다음과 같은 효과를 더 얻을 수 있다.

(1) 광대역펌프로서 구성하므로써, 저진공영역에서 충분한 배기능력을 유지한 체로, 고진공영역에서 보다 큰 배기속도와 낮은 진공도달압을 달성할 수 있다.

(2) 동기제어를 혼란하게 하는 외란에 대해서, 혹은 동작시각운전시의 동기제어에 대해서도, 충분히 안정된 제어계를 실현할 수 있다.

상기 (1)을 실현할 수 있는 이유를 본 발명의 실시예(제 6도)를 사용해서 설명하면 다음과 같다.

실시예에서는 외경이 다른 복수의 로터의 결합으로, 예를들면 스크루우형용적펌프가 구성되어있고, 또한 소직경의 로터의 동일측상에 고진공펌프인, 예를들면 나사홈식펌프가 형성되어 있다.

한편 대직경의 로터는 소직경의 로터와 비접촉동기회전을 유지하도록, 양로터에 설치된 인코더로부터의 검출신호를 근거로 AC서보모터에 의해서 구동된다.

소직경의 로터축은, 고정밀도의 호전각도, 각속도제어는 능숙하지 않지만, 고속회전이 가장 능숙한 고주파모터를 사용하고 있다. 한편 대직경의 로터축은, 반대로 고속회전은 능숙하지않지만, 미소한 회전각도, 각 속도제어가 가장능숙한 AC서보모터(혹은 펄스모터)를 사용한다. 즉 본 진공펌프는 고주파모터(소직경로터)를 마스터로하고, AC서보모터(대직경로터)를 슬레이브로하는 마스터슬레이브방식에 의한 동기제어에 의해, 각 로터가 구동된다.

즉 두가지의 성격이 다른 모터의 결합에 의해, 각각의 모터의 장점을 살리고, 또한 결점을 보완하고 있는 것이다.

소직경로터축을 고속화 할수 있게 되므로써, 본 발명을 광대역용펌프로서 사용하면, 그 동일축상에 설치된 고진공펌프의 성능(배기기압, 진공도달압)을 향상시킬 수 있다. 또, 반대로 성능을 유지한 채로 고진공펌프의 외경을 작게할 수도 있다.

본 발명은, 운동량이송식펌프부분(제1도에서는 구조부분B)을 분리해도 청정, 콤팩트 한 저진공화펌프로서 물론 사용할 수 있다. 이 경우에 있어서도, 상기②의 효과를 얻을 수 있는 것은 물론이다. 또, 2개의 로터의 한쪽이 소직경으로 되기 때문에 펌프전체의 개량화, 콤펙트화를 도모할 수 있다.

Claims (3)

1. 흡입구와 배기구를 가진 하우징과, 상기 하우징내에 수용된 제 1, 제 2의 회전축과, 상기 제1, 제2회전축에 각각 결합된 제1, 제 2의 로터와, 상기 회전축을 각각 독립해서 회전구동하는 모터와, 상기 모터의 회전각 및/또는 회전수를 검지하는 검출수단을 구비해서 이루어진 진공펌프에 있어서, 상기 로터는 직경이 다르고, 직경이 작은 로터에 결합된 제1의 회전축은 고주파모터에 의해서 구동되고, 직경이 큰 로터에 결합된 제2의 회전축은 AC서보모터 또는 펄스모터에 의해서 구동되는 동시에, 상기 회전검출수단의 정보를 근거로 제2의 회전축을 제1의 회전축에 동기하도록 제 2의 회전축의 회전구동수단을 제어해서 이루어진 것을 특징으로 하는 진공펌프.
2. 제1항에 있어서, 소직경로터의 동일축상에, 고진공배기용의 진공펌프의 구조부분이 설치되어있는 것을 특징으로 하는 진공펌프.
3. 제1항에 있어서, 로터가 외주부에 스크루우 또는 나사홈을 구비한 것임을 특징으로 하는 진공펌프.