JP2007278192A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ温度の上昇を抑えつつ、反応生成物の堆積を防止することができるターボ分子ポンプの提供。
【解決手段】静翼２１に対してロータ４を回転駆動することによりガスを排気するターボ分子ポンプ１において、反応生成物が生成されない圧力域において排気ガスと接するベース６，排気口６ａと、ロータ４を回転駆動するスピンドル５との間に配設され、ベース６，排気口６ａを加熱するとともにスピンドル５を冷却する熱交換器２８，２９を備える。その結果、ベース６，排気口６ａにおける反応生成物の堆積を防止できる。さらに、スピンドル５の温度上昇を抑えることができ、ロータ４の温度上昇も抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置や分析装置などに使用されるターボ分子ポンプに関する。

従来、塩素系や硫化フッ素系の反応生成物が堆積しやすいプロセスにおいてターボ分子ポンプを使用する場合には、ポンプ内における反応生成物の堆積を防止するために、ポンプ自体の温度を高温に維持する場合がある（例えば、特許文献１参照）。従来のターボ分子ポンプでは、反応生成物が堆積しやすい低真空側をヒータにより高温に維持して堆積を防止するとともに、高真空側と低真空側との間に断熱部材を設けて、ロータの温度上昇を抑えるようにしている。

特開２００２−２１７７５号公報

しかしながら、ロータ温度上昇を招く要因としては、上述したヒータ加熱だけでなく、ガスを排気する際の摩擦熱や、高温に維持されている装置側からの熱流入がある。そのため、高真空側と低真空側との間に断熱部材を設けても、摩擦熱等によりロータ温度上昇を招き、ロータのクリープ膨張による不都合、例えば、ロータとステータとの接触が発生するおそれがあった。

請求項１の発明は、ステータに対してロータを回転駆動して、高真空側から低真空側へとガスを排気するターボ分子ポンプに適用され、低真空側で排気ガスと接する低真空側接ガス部とロータを回転駆動するスピンドル部との間に配設され、低真空側接ガス部を加熱する加熱部とスピンドル部を冷却する冷却部とを有する第１加熱冷却素子を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部と低真空側接ガス部との間に配設され、低真空側接ガス部を加熱する加熱部と高真空側接ガス部を冷却する冷却部とを有する第２加熱冷却素子を備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、被排気装置に接続されるポンプケーシングと高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部との間に配設され、ポンプケーシングを加熱する加熱部と高真空側接ガス部を冷却する冷却部とを有する第３加熱冷却素子を備えたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、加熱冷却素子にペルチエ素子を用いたものである。

本発明によれば、ロータ温度の上昇を抑えつつ、反応生成物の堆積を防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。図１に示すターボ分子ポンプ１は磁気軸受式ターボ分子ポンプであり、また、ターボ分子ポンプ部２とネジ溝ポンプ部３とを有する高ガス負荷対応型のターボ分子ポンプである。ターボ分子ポンプ１は、ロータ４と、ロータ４を高速回転するスピンドル５と、スピンドル５が固定されるベース６と、ロータ４が収容されるケーシング７とを備えている。

ロータ４はスピンドル５に設けられた回転軸８に取り付けられている。回転軸８はラジアル電磁石９，１０およびスラスト電磁石１１によって非接触支持され、モータ１２によって数万ｒｐｍで回転駆動される。回転軸８の浮上位置は、磁気軸受用に設けられたラジアルセンサ１３，１４およびスラストセンサ１５によって検出される。１６，１７は機械式の保護ベアリングである。

ターボ分子ポンプ１は、ケーシング７の吸気口フランジ７ａを装置１８側のフランジにボルト締結することにより、装置１８に取り付けられる。ロータ４の上部には、ターボ分子ポンプ部２の一方を構成する動翼１９が軸方向（図示上下方向）に複数段形成され、ロータ４の下部には、ネジ溝ポンプ部３の一方を構成する円筒状のネジロータ２０が形成されている。

一方、ケーシング内側のベース６上には、ターボ分子ポンプ部２の他方を構成する静翼２１が複数設けられている。動翼１９および静翼２１はそれぞれタービン翼から成り、静翼２１の翼角度は、動翼１９の翼角度と逆向きになっている。静翼２１と動翼１９とは交互に配置されており、各静翼２１はリング状のスペーサ２２によって上下に挟持されるようにベース６上に保持され、静翼２１と動翼１９との隙間が数ｍｍ程度となるように位置決めされる。

また、静翼２１の下側のベース６上には、ネジ溝ポンプ部３の他方を構成する円筒状のネジステータ２３が、ネジロータ２０の外周面に対向するように設けられている。不図示のボルトによりケーシング７がベース６に固定されると、ケーシング７内に交互に積層された静翼２１およびスペーサ２２は、ケーシング７の吸気口フランジ７ａとベース６との間に挟持されることになる。

ベース６には、ベース温度を制御するためのヒータ２４およびベース冷却水配管２５が設けられている。ケーシング７の吸気口フランジ７ａと最上段のスペーサ２２との間、最下段のスペーサ２２とベース６との間、およびベース６とスピンドル５との間には熱交換器２６〜２９が設けられている。また、スピンドル５の底面には、スピンドル５を冷却するための冷却水配管３０が設けられている。

吸気口フランジ７ａを介して装置１８からターボ分子ポンプ１側へと入流したガスは、ターボ分子ポンプ部２およびネジ溝ポンプ部３の順に排気され、ベース６に設けられた排気口６ａから排気される。そのため、ポンプ内においては吸気口フランジ７ａの部分が最も高真空である。ガスはターボ分子ポンプ部２およびネジ溝ポンプ部３の順に排気され、排気口６ａに近付くにつれて圧力が上昇し、排気口６ａにおいては、油回転ポンプ等の補助ポンプによる排気が可能程度の低真空となっている。また、同一ポンプ部内であっても、排気口側に近い領域ほど圧力が高くなっている。

上述した塩素系や硫化フッ素系の反応生成物は、真空度が低くなるほど（すなわち、圧力が高くなる程）昇華温度が高くなり、堆積しやすくなる。図２は、反応生成物の昇華温度と圧力との関係を定性的に示す図である。図２おいて、横軸は圧力、縦軸は温度である。曲線Ｌ１の下側は固体状態を表しており、曲線Ｌ１の上側は気体状態を表している。図２から分かるように、同一温度であれば圧力が高いほど堆積（固化）しやすく、同一圧力であれば温度が低いほど堆積しやすい。

ターボ分子ポンプ部２は高真空になっており、接ガス面の温度が比較的低くても反応生成物は堆積しない。一方、ネジ溝ポンプ部３や排気口６ａの部分は低真空であるため、接ガス面の温度が低いと反応生成物が堆積しやすい。例えば、図２のＰ１がターボ分子ポンプ部２の圧力で、Ｐ２がネジ溝ポンプ部３の圧力であったとすると、その時のポンプ内温度が一様にＴ０である場合、ターボ分子ポンプ部２では反応生成物はほとんど生じないが、ネジ溝ポンプ部３においては反応生成物が堆積する。そのため、このようなプロセスにおいてターボ分子ポンプ１を使用する場合には、ヒータ２４によりベース６を加熱して、ネジステータ２３の温度が図２のＴ２よりも高くなるように温度制御するのが一般的である。

一方、ロータ４の材料には一般的にアルミ合金が用いられており、アルミ合金はクリープ温度が低いという特性を有している。そのため、ロータ温度上昇を防止するために、ベース６部分や装置側からスペーサ２２，静翼２１へ流入する熱や、モータ発熱によるスピンドル５の温度上昇を抑える必要がある。

すなわち、ターボ分子ポンプにおいては、次のような加熱・冷却制御が必要となる。
（ａ）低真空側における反応生成物の堆積を防止するために、ネジステータ２３や排気口６ａを昇華温度以上に加熱する。
（ｂ）モータ発熱によるスピンドル５の温度上昇を防止するために、スピンドル５を冷却する。
（ｃ）ガス排気に伴う摩擦熱によるロータ温度上昇を防止するために、スペーサ２２および静翼２１を冷却する。

本実施の形態では、上述した加熱・冷却制御条件を十分満たすように、ベース温度制御用のヒータ２４および冷却水配管２５、スピンドル冷却用の冷却水配管３０に加えて、熱交換器２６〜２９を設けている。熱交換器２６〜２９としては、例えば、ペルチエ素子などのように設置スペースの小さなものが用いられる。ここでは、ペルチエ素子を用いる場合について説明する。ペルチエ素子はシート状の素子であって、その一方の面は熱を放出し、他方の面は熱を吸収する。すなわち、加熱部と冷却部とを有している。

図１に示した例では、熱交換器２６は、加熱部がフランジ吸気口７ａに接触し、冷却部がスペーサ２２に接触するように配設される。熱交換器２７は、冷却部がスペーサ２２に接触し、加熱部がベース６に接触するように配設される。熱交換器２８および２９は、冷却部がスピンドル５に接触し、加熱部がベース６に接触するように配設される。

まず、熱交換器２８，２９の機能について説明する。スピンドル５はモータ１２および電磁石９〜１１が発熱源となっており、特にガス負荷によってモータ発熱が増加する。上述したようにスピンドル５の温度上昇はロータ４の温度上昇を招くので、スピンドル用冷却水配管３０によって冷却されている。そのため、発生した熱はスピンドル５の上側から下側へと流れる。一方、ベース６は、ネジステータ２３や排気口６ａが反応生成物の昇華温度以上となるように、ヒータ２４および冷却水配管２５により温度制御されている。

そのため、従来のようにスピンドル５とベース６とが接触している構成の場合、接触面を通してベース６からスピンドル５へと熱が移動する。その結果、スピンドル５に近い排気口６ａ付近の温度が低下して、排気口６ａに反応生成物が堆積するとともに、冷却水配管２５のスピンドル５に対する冷却性能が低下してスピンドル温度の上昇を招いてしまうという問題があった。

本実施の形態では、熱交換器２８，２９を排気ガスの流れる部材（排気口６ａ）とスピンドル５の熱流路との間に配置し、排気ガスの流れる部材を加熱するとともに、熱流路側を冷却するようにした。その結果、ベース６からスピンドル５への熱移動が阻止され、スピンドル５に対する冷却性能が向上するとともに、排気ガスが流れる接ガス部の温度低下を防止することができる。もちろん、冷却水配管２５が無く、熱交換器２８，２９だけでスピンドル５を冷却するような構成であっても良い。

熱交換器２６は、単に装置１８からの熱流入を阻止するだけでなく、静翼２１およびスペーサ２２を積極的に冷却することによって、摩擦熱によるロータ加熱を抑えるようにしている。また、加熱部が吸気口フランジ７ａに接するように配置したので、吸気口フランジ７ａが加熱され、装置１８からケーシング７側への熱流入を低減することができる。その結果、所定温度に加熱されている装置１８の温度を不用意に下げてしまうのを防止することができる。なお、図１に示す例では、熱交換器２６を最上段のスペーサ２２と吸気口フランジ７ａとの間に配置したが、吸気口フランジ７ａと装置１８との間に配置して、装置１８から吸気口フランジ７ａへの熱流入を防止するようにしても良い。

熱交換器２７の機能は、加熱部によりベース６を積極的に加熱するとともに、冷却部によりスペーサ２２および静翼２１を積極的に冷却することである。例えば、熱交換器２７が無い場合を考えると、ベース６からスペーサ２２へと熱が逃げるため、スペーサ２２に近い部分において、ベース温度が昇華温度よりも低くなってしまう場合ある。そのため、ネジステータ２３の上部付近に反応生成物が堆積してしまう。本実施の形態では、熱交換器２７によりベース側を積極的に加熱することにより、スペーサ２２に近い部分のベース６すなわち低真空側の温度を、確実に昇華温度以上に保つことができる。さらに、冷却部によりスペーサ２２が冷却されるので、高真空側の温度上昇を防止することができる。

なお、熱交換器２７の位置は、最下段のスペーサ２２とベース６との間とは限らない。ガス負荷が大きい場合には、ポンプ内の圧力が上昇してターボ分子ポンプ部２内の下部においても反応生成物の堆積が生じることがある。そのような場合には、熱交換器２７を上方に移動してスペーサ間に配置し、ターボ分子ポンプ部２の下部に反応生成物が堆積するのを防止する。すなわち、堆積が生じる圧力領域を低真空と称し、堆積が生じない圧力領域を高真空と称することにすれば、熱交換器２７は低真空側の接ガス部（ベース６）を加熱し、高真空側の接ガス部（スペーサ２２）を冷却するような場所に配置される。

以上説明した本実施の形態では、以下のような作用効果を奏する。
（１）低真空側で排気ガスと接する低真空側接ガス部（ベース６，排気口６ａ）とロータ４を回転駆動するスピンドル部（スピンドル５）との間に配設され、低真空側接ガス部６，６ａを加熱する加熱部とスピンドル部５を冷却する冷却部とを有する第１加熱冷却素子（熱交換器２８，２９）を備えているので、低真空側接ガス部６，６ａにおける反応生成物の堆積を防止できる。さらに、スピンドル部５の温度上昇を抑えることができるので、ロータ４の温度上昇も抑えることができる。
（２）高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部（静翼２１，ステータ２２）と低真空側接ガス部（ベース６，排気口６ａ）との間に配設され、低真空側接ガス部６，６ａを加熱する加熱部と高真空側接ガス部２１，２２を冷却する冷却部とを有する第２加熱冷却素子（熱交換器２７）を備えているので、低真空側接ガス部６，６ａの温度を確実に昇華温度以上に保つことができるとともに、高真空側接ガス部２１，２２を冷却することができる。
（３）被排気装置（装置１８）に接続されるポンプケーシング７と高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部（静翼２１およびスペーサ２２）との間に配設され、ポンプケーシング７を加熱する加熱部と高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部２１，２２を冷却する冷却部とを有する第３加熱冷却素子（熱交換器２６）を備えたことにより、被排気装置１８の温度低下を防止できる。さらに、ステータ２１，２２を積極的に冷却することで、ロータ２の温度上昇を防止できる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ベース６，排気口６ａは低真空側接ガス部を、静翼２１，ステータ２２は高真空側接ガス部を、熱交換器２８，２９は第１加熱冷却素子を、熱交換器２７は第２加熱冷却素子を、熱交換器２６は第３加熱冷却素子をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 反応生成物の昇華温度と圧力との関係を定性的に示す図である。

符号の説明

１：ターボ分子ポンプ、２：ターボ分子ポンプ部、３：ネジ溝ポンプ部、４：ロータ、５：スピンドル、６：ベース、６ａ：排気口、７：ケーシング、７ａ：吸気口フランジ、８：回転軸、１８：装置、１９：動翼、２０ネジロータ、２１：静翼、２２：スペーサ、２３：ネジステータ、２６〜２９：熱交換器

Claims (4)

1. ステータに対してロータを回転駆動して、高真空側から低真空側へとガスを排気するターボ分子ポンプにおいて、
   前記低真空側で排気ガスと接する低真空側接ガス部と前記ロータを回転駆動するスピンドル部との間に配設され、前記低真空側接ガス部を加熱する加熱部と前記スピンドル部を冷却する冷却部とを有する第１加熱冷却素子を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部と前記低真空側接ガス部との間に配設され、前記低真空側接ガス部を加熱する加熱部と前記高真空側接ガス部を冷却する冷却部とを有する第２加熱冷却素子を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   被排気装置に接続されるポンプケーシングと前記高真空側で排気ガスと接する高真空側接ガス部との間に配設され、前記ポンプケーシングを加熱する加熱部と前記高真空側接ガス部を冷却する冷却部とを有する第３加熱冷却素子を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記加熱冷却素子がペルチエ素子であることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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