JP7661225B2 - 多段ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明の分野は、ターボ分子段及びドラッグ段を備えた真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、高真空を提供するため、例えば、半導体処理に必要な高真空を提供するために使用される。これらのポンプは、高先端速度での運転に設計された高価なポンプである。ターボ分子ポンプのロータは、潤滑の必要性を排除し、振動を低減し、クリーンルームでの運転を可能にするように磁気軸受に回転可能に取り付けられている。

ターボ分子ポンプは、高圧では十分には作動しないので、大気には排出されず、従って、一般に、これらのポンプは、ターボ段の排気部の圧力を低下させるために何らかの形態のバッキングポンプ段を有する。これらのバッキング段は、一般に、１又は複数のターボ分子段の下流側にあり、ポンプ内に一体化されて同じシャフトに取り付けられるドラッグ段を備える。ポンプはまた、真空ポンプから離れて接続された追加のバッキングポンプを有することができる。

ターボ分子ポンプをより高い温度で運転したいという要望が高まっている。例えば、半導体プロセスでは、プロセスの副産物が凝縮するのを防ぐために、ポンプを高温に維持する必要がある。ガスがポンプシステムを流れて圧力が上昇すると、ポンプの温度と凝縮液が形成されるリスクが高くなる。従来、ターボ分子ポンプのロータはアルミニウムから鋳造されており、ドラッグ段とターボ段が１つのユニットとして鋳造されており、これにより高速での回転に好適な構造的に堅牢なロータを提供する。アルミニウムは、１３０°Ｃを超えるとその強度の大部分を失い、これによりターボポンプの運転が１３０°Ｃ以下の温度に制限される。

少なくとも部分的に高温運転に好適なターボ段及びドラッグ段を備えた真空ポンプを提供することが望ましいであろう。

第１の態様は、ターボ分子段とドラッグ段とを備えた真空ポンプを提供し、真空ポンプは、ステータ及びロータを備え、ロータは、共に取り付けられたターボ分子ロータ及びドラッグロータを備え、ターボ分子ロータは、複数のブレードが延びるハブを備え、ハブは、モータのスピンドルに実装するための実装部と中空円筒部分とを備え、中空円筒部分は、実装部からターボ分子段の出口端部に向かって延び、ドラッグロータは、円筒形スカートと、円筒形スカートから離れて延びる取付部とを備え、取付部は、ターボ分子ロータのハブの中空円筒形部分内に延在し、ターボ分子ロータの前記出口端部よりも実装部に近い箇所で取り付けられる。

本発明の発明者らは、ターボ分子ポンプを介して圧力が上昇するにつれて、プロセスガスの凝縮のリスクも増加することを認識した。従って、凝縮を避けるためにポンプをますます高温で運転したいという要望があるが、この問題は、ターボ段よりもドラッグ段でより深刻である。従って、このような真空ポンプ内の凝縮の問題を軽減する１つの方法は、２つの段間をある程度断熱した状態で２つの段を異なる温度で動作させることである。従って、実施形態の真空ポンプは、２部品から作られたロータで形成され、ドラッグ段のロータは、ドラッグロータのスカートからターボロータのインナーハブに長手方向に離れて上方に延びる取付部を介してターボ段のロータに取り付けられる。取付部は、ターボ段の出口端部から離れた箇所に取り付けることができ、これにより、より高温のドラッグ段と低温のターボ段の間の主熱経路が、この取付要素を介して取付点を通過するようになる。これにより、ロータの２つの部品間の熱伝導率が低下し、２つのロータ部分が異なる温度で動作できるようになり、ドラッグ段が、ターボ段よりも高い温度で動作し、この段内でより高い圧力での凝縮が低減される。

また、ロータを２要素で形成することで、２要素に対して異なる材料を選択することができ、ドラッグ段ロータに対して高温動作に適した特性を有する材料を選択することができ、他方、ターボロータに対しては、より高い先端速度に適した材料を選択することができる。

幾つかの実施形態では、上記ドラッグロータは、上記ターボ分子ロータを形成する材料よりも高い温度に耐性のある材料で形成される。

ターボ分子ポンプのドラッグ段は、ターボ分子段よりも高い圧力で動作するため、より高温で稼働することが望ましい場合がある。ドラッグ及びターボ分子ロータが共に取り付けられた異なる部品で形成される場合、異なる材料でこれらを形成する機会が存在する。従来、ドラッグロータ及びターボ分子ロータは単一要素として鋳造されていたため、同じ材料で形成するように制約されていた。ロータを２つの部品で形成することで、ターボ分子ロータを形成する材料よりも高温に耐性がある材料でドラッグロータを形成できる材料の選択肢のより優れた柔軟性を提供する。

追加的及び／又は代替的に、上記ドラッグロータは、上記ターボ分子ロータを形成する材料よりも低い熱伝導率を有する材料で形成される。

真空ポンプは、ドラッグ段がターボ段よりも高い温度で動作してドラッグ段での凝縮を低減できるように構成されているので、より高温のドラッグロータが少なくともある程度ターボ分子ロータから熱的に隔離されていると、ドラッグロータからターボ分子ロータに流れる熱を低減するのに有利である。従って、ターボ分子ロータを形成する材料よりも熱伝導率が低い材料の幾つかの実施形態では、熱伝導率が低い材料のドラッグロータを作ることが有利とすることができる。

ドラッグロータは、複数の材料で形成することができるが、幾つかの実施形態では、ドラッグロータは、鋼鉄で形成される。鋼鉄は、高温に耐性があり、鋳造が比較的容易で、比較的安価な、堅牢な材料である。

幾つかの実施形態では、上記ドラッグロータはステンレス鋼で形成される。

ステンレス鋼は、約１８Ｗ／ｍＫの特に低い熱伝導率を有し、腐食及び高温に耐性があるドラッグロータを形成するための特に効果的な材料を作ることができる。この点に関して、鋼及びステンレス鋼の両方が最大３００°Ｃの温度で動作することができる。

幾つかの実施形態では、上記ターボ分子ロータは、アルミニウムで形成される。

ターボ分子ロータは、従来、低密度であるアルミニウムで形成されており、従って、ターボ分子ロータが動作する高速の先端速度に適しており、また、堅牢であって且つ鋳造することが可能である。しかしながら、アルミニウムは、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫという、鋼鉄又はステンレス鋼よりも大幅に高い熱伝導率を有する。従って、アルミニウムは、ターボ分子ロータには適しているが、耐熱性が高く熱伝導率が低い異なる材料のドラッグロータを形成できることで、ポンプのドラッグ段とターボ段を異なる温度で動作させることができ、ターボ分子ロータをアルミニウムに適した低温に保ちながら、ドラッグロータは、高温で動作して凝縮を低減することができる。この点に関して、アルミニウムが１３０℃を超える温度で作動する場合、強度が失われ始める。

幾つかの実施形態では、上記取付部は、上記ターボ分子ロータの上記実装部に取り付けられる。

取付部は、出口端部に近すぎない条件で、ターボ分子ロータの異なる部分に実装することができ、これによってある程度の断熱を提供するが、これは、出口から離れているターボロータの実装部に取付部を取り付けることが特に有利である。これにより、取付部を特に長くすることができ、取付部を取り付けるのに適した表面を提供する。

これに関して、上記実装部は、上記ターボ分子ロータの上記ブレードに実質的に平行で且つ上記シリンダに垂直に延びる。

実装部は、シリンダに対して垂直であるので、ドラッグロータの取付部を取り付けるのに好都合な面を形成する。

幾つかの実施形態では、上記取付部は、５０Ｗ／ｍＫ未満、好ましくは２０Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。

熱伝導率が低い取付部品を設けることで、ターボ分子ロータをドラッグロータよりも大幅に低い温度に維持することができる。ターボ分子ロータは特に高真空で動作し、ポンプのこの部分から熱を取り除くのは簡単ではないので、このことは重要である。従って、ロータの２つの部分を大幅に異なる温度に維持する場合は、２つの部分の間の熱伝導率を低く保つ必要がある。

幾つかの実施形態では、上記取付部は薄く、３ｍｍ以下の厚さを有する。

ドラッグロータとターボ分子ロータとの間の熱伝導率を低減するには、取付部が薄いと有利であると考えられる。この点に関して、ロータを高速で回転させ、２つの部分の剛性を維持するために、取付部は比較的堅牢でなければならない。特に鋼鉄又はステンレス鋼などの材料で形成されている場合に、３ｍｍ未満、場合によっては２ｍｍ以下の厚みを有する取付部が好適な強度及び所用の熱伝導率を有することが分かっている。

幾つかの実施形態では、取り付け箇所での取付部とターボ分子ロータとの間には断熱層が存在する。これは、セラミックワッシャーの形態とすることができる。他の実施形態では、中間部分が存在せず、幾つかの実施形態では、取付部は、ターボ分子ロータに溶接又はろう付けされ、ターボ分子ロータと取付部との間に中間部分はない。

幾つかの実施形態では、上記取付部は、上記ターボ分子ロータのハブの上記中空円筒部分よりも小さい直径のシリンダを備え、上記取付部のシリンダと上記ハブの円筒部分との間にギャップが存在するようになる。

物理的に堅牢でありながらターボ分子ロータのハブ内に収めることができるようにするために、取付部は、これらの間にエアギャップが存在するように、ターボ分子ロータの直径よりも小さい直径を有する円筒形を有することができる。

これに関して、ドラッグロータのスカートは、取付部のシリンダと同じ直径を有することができ、又は２つの間に段差があるより広い直径を有することができる。

幾つかの実施形態では、上記ターボ分子ロータは、高放射率コーティングを備える。

上述のように、高真空の結果として、ポンプのターボ分子段から熱を除去するのが難しい場合がある。放射を促進し、これによってロータからの熱流を増大させるために、高放射率コーティングでロータをコーティングすることが好都合とすることができる。

幾つかの実施形態では、上記ターボ分子ステータは、高放射率コーティングを備える。

同様の理由により、上記ターボ分子ステータが、高放射率コーティングを備えることが有利である。

幾つかの実施形態では、上記ステータは、ターボ分子段及びドラッグ段ステータを備え、上記ターボ分子段ステータは、上記ロータの周りに延在し、上記ドラッグ段ステータは、上記ターボ分子段ステータ内に実装されて、上記ターボ分子段ステータから熱的に隔離される。

ポンプのドラッグ段は、ターボ分子段よりも高い温度で動作する可能性があるので、２つの間の熱流を低減するために、ドラッグ段のステータをターボ分子段のステータからある程度熱的に分離することが有利とすることができる。この点に関して、これにより、２つの間に配置された断熱材料から構成される断熱層を内部に実装することができる。

幾つかの実施形態では、上記真空ポンプは、上記ドラッグ段ステータを加熱するためのヒーターを備える。

ターボ分子ポンプのドラッグ段は、より高い圧力で動作するので、半導体製造などのプロセスからプロセスガスをポンプ送給するときに、より高い圧力でこれらのガスからの粒子状物質が凝縮することに起因した問題が発生する可能性がある。従って、ドラッグ段をポンプのターボ分子段よりも高い温度に維持することが重要とすることができ、これを行うために、ドラッグ段は、幾つかの実施形態では、ステータに関連付けられたヒーターを有することができる。この場合、ドラッグステータとターボ分子ステータの間の断熱が重要であり、ドラッグ段ロータとターボ分子段ロータの間のある程度の断熱も重要である。

プロセス副生成物が凝縮しない温度にプロセスガスを維持するために、ヒーターは、少なくともドラッグ段内でプロセスガスと接触するステータ及びロータの部分の温度を１３０℃を超えて、好ましくは、１５０℃を超えて、幾つかの実施形態では１６０～１８０℃の間に維持することができる。これらの温度は、鋼製構成要素を脆弱にすることはなく、ドラッグポンプの作動圧力における凝縮温度を超えてプロセスガス副産物を維持するのに十分である。

更に特定の好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属クレームの特徴は、必要に応じて、及び請求項に明示的に記載されているもの以外の組み合わせで独立クレームの特徴と組み合わせることができる。

装置の特徴が機能を提供するよう動作可能と記載された場合、この記載は、当該機能を提供し、又は当該機能を提供するように適応又は構成された装置の特徴を含むことを理解されたい。

ここで、本発明の実施形態について添付図面を参照して更に説明する。

一実施形態による真空ポンプを概略的に示している。

実施形態についてより詳細に検討する前に、最初に概要が提供される。

真空ポンプは、ターボ分子段及びドラッグ段を備え、ロータは２部品で形成されている。ドラッグ段ロータは、ターボ分子段ロータ内のドラッグ段スカートから上向きに延びる取付部によってターボ分子段ロータに取り付けられる。取付部は、低熱伝導率を有し、ドラッグ段がターボ分子段よりも高い温度で稼働し、これによりプロセスガスの凝縮を妨げるように構成されている。より高温のドラッグ段ロータからターボ分子ロータへの熱流は、２つを接続する取付部の低い熱伝導率によって制約される。ターボ分子ロータが加熱されないようにするために、取付部に沿って通過する何れかの熱流は、ターボ分子ロータから放散できる量よりも少ないか、又はその量であるべきである。この点に関して、ポンプのこの段の高真空動作の結果として、ターボロータから放散される熱のほとんどは、放射を介したものであり、従って、極めて小さい。ターボロータへの高放射率コーティングは、輻射熱損失を増大させる可能性がある。このコーティングは、幾つかの実施形態では、黒色コーティングの形態をとることができる。

図１は、一実施形態による真空ポンプを示している。この真空ポンプは、ターボ分子段及びドラッグ段を備える。真空ポンプは、モータ内の駆動スピンドル２２及び磁気軸受７０に実装された主ターボロータ２０を有する。磁気軸受により、ロータを極めて低摩擦で高速回転させることができ、潤滑剤が不要となる。主ターボロータ２０は、ターボポンプブレード１０と、ブレードが延びる中央円筒形ハブ１２とを備える。ロータのターボ段は、ステータ８０を有し、ステータはまた、ロータブレードに対応するブレードを有する。ターボステータ８０は、真空ポンプ全体の周りに延在し、ポンプハウジングの一部を形成する。このポンプハウジング内には、断熱部材５０を介してターボ分子ステータ８０に実装されたドラッグ段４０のステータがある。ドラッグ段４０は、ポンプ送給されるプロセスガスの凝縮を抑制するのに十分であるように選択された温度に維持するために加熱される。ポンプのドラッグ段は、この実施形態ではホルウェック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ドラッグ段ロータである、ドラッグ段ステンレス鋼ロータ６０を有する。このドラッグ段ロータは、スカート形であり、上面から延びるのは薄い取付部３０である。薄い取付部３０は、ターボ分子ロータの円筒形ハブ１２まで延在し、円筒形ハブ上部の下面に取り付けられている。薄い取付部３０は、場合によっては、上部に編組又は溶接することができ、他の場合には、幾つかのボルト締め手段で取り付けることができ、取付要素とロータのターボ分子部分の間に断熱材が存在することができる。

取付要素３０は、ターボ分子ロータの円筒形ハブ１２の内径よりも小さい直径を有するシリンダの形態である。このように、両者の間にはエアギャップがある。

動作中、真空ポンプのドラッグ段は、ターボ分子段よりも高い温度及び圧力で動作することになる。より高い圧力で動作するので、ポンプ送給されるプロセスガスからの粒子の凝縮の可能性が高くなる。ドラッグ段を高温に維持することで、このような凝縮物が現れる可能性が低減される。高温に対してより堅牢なステンレス鋼ロータ６０の使用により、この高温動作が可能になると同時に、取付要素３０がターボ分子ロータまでのかなりの長さを有し且つ低熱伝導率の材料で形成され、高温ドラッグ段ロータと低温ターボ分子段ロータの間の低熱伝導が提供され、異なる温度での動作が可能になる。

従来、ドラッグ段及びターボ分子段は、一体部品として形成されており、両者の温度差を維持することは困難であった。本発明の実施形態は、異なる材料を使用できるように２部品でロータを形成している。更に、この２部品は互いに取り付けられているが、このことは、ロータの２部品が互いに隣接しているにもかかわらず、ターボ段ロータ内に延びる長い取付要素を用いて取り付けられるように行われている。このようにして、ロータの２つの段間にある程度の断熱が提供されて、異なる動作温度が可能になる。

本発明の例示的な実施形態について、添付図面を参照して本明細書で詳細に開示されたが、本発明は、厳密な実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲及びこれらの均等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な変更及び修正を行うことができる点は理解される。

１０ ターボロータブレード
１２ 円筒ハブ
２０ ターボロータ
２２ 駆動スピンドル
３０ 取付部
４０ ドラッグ段ステータ
５０ 断熱部材
６０ ドラッグ段ロータ
７０ 磁気軸受及び駆動モータ
８０ ターボ分子ステータ

Claims (15)

1. ターボ分子段とドラッグ段とを備えた真空ポンプであって、
   前記真空ポンプは、ステータ及びロータを備え、前記ロータは、モータのスピンドルと該スピンドルに実装された１つのターボ分子ロータと１つのドラッグロータを備え、
   前記ターボ分子ロータは、複数のブレードが延びるハブを備え、前記ハブは、前記スピンドルに実装するための実装部と中空円筒部分とを備え、前記中空円筒部分は、前記実装部から前記ターボ分子段の出口端部に向かって延び、
   前記ドラッグロータは、円筒形スカートと、前記円筒形スカートから離れて延びる取付部とを備え、前記取付部は、前記ターボ分子ロータの前記ハブの前記中空円筒形部分内に延在し、前記ターボ分子ロータの前記出口端部よりも前記実装部に近い箇所で取り付けられる、真空ポンプ。
2. 前記ドラッグロータが、前記ターボ分子ロータを形成する材料よりも高温に耐性のある材料で形成されている、請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記ドラッグロータが、前記ターボ分子ロータを形成する材料よりも低い熱伝導率を有する材料で形成されている、請求項１から２の何れか１項に記載の真空ポンプ。
4. 前記ドラッグロータが鋼鉄で形成されている、請求項１から３の何れか１項に記載の真空ポンプ。
5. 前記ドラッグロータがステンレス鋼で形成されている、請求項１から４の何れか１項に記載の真空ポンプ。
6. 前記ターボ分子ロータがアルミニウムで形成されている、請求項１から５の何れか１項に記載の真空ポンプ。
7. 前記取付部が、前記ターボ分子ロータの前記実装部に取り付けられる、請求項１から６の何れか１項に記載の真空ポンプ。
8. 前記実装部が、前記ターボ分子ロータの前記ブレードに平行で且つ前記スピンドルに垂直に延びる、請求項１から７の何れか１項に記載の真空ポンプ。
9. 前記取付部が、５０Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する、請求項１から８の何れか１項に記載の真空ポンプ。
10. 前記取付部が薄く、３ｍｍ以下の厚さを有する、請求項１から９の何れか１項に記載の真空ポンプ。
11. 前記取付部が、前記ターボ分子ロータの前記ハブの前記中空円筒部分よりも小さい直径のシリンダを備え、前記取付部の前記シリンダと前記ハブの前記円筒部分との間にギャップが存在するようにする、請求項１から１０の何れか１項に記載の真空ポンプ。
12. 前記ターボ分子ロータが、高放射率コーティングを備える、請求項１から１１の何れか１項に記載の真空ポンプ。
13. 前記ステータが、高放射率コーティングを備える、請求項１から１２の何れか１項に記載の真空ポンプ。
14. 前記ステータが、ターボ分子段ステータ及びドラッグ段ステータを備え、前記ターボ分子段ステータが、前記ロータの周りに延在し、前記ドラッグ段ステータが、前記ターボ分子段ステータ内に実装され且つ前記ターボ分子段ステータから熱的に隔離される、請求項１から１３の何れか１項に記載の真空ポンプ。
15. 前記真空ポンプが、前記ドラッグ段ステータを加熱するためのヒーターを備える、請求項１４に記載の真空ポンプ。

Images