(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ側の回転翼とステータ側の固定翼が交互に配置され、上記ロータを高速回転させて気体を圧縮・排気するターボ分子ポンプにおいて、
上記ロータは回転軸と回転筒状部を有し、上記ステータは上記回転軸と上記回転筒状部の間に配置される固定筒状部を有し、上記回転軸の外周部と上記固定筒状部の間にアキシャル磁気軸受及びラジアル磁気軸受が構成され、上記回転筒状部の内周部と上記固定筒状部の間にラジアルギャップ形のモータが構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項２】
ロータ側の回転翼とステータ側の固定翼が交互に配置され、上記ロータを高速回転させて気体を圧縮・排気するターボ分子ポンプにおいて、
上記ロータは回転軸と回転筒状部を有し、上記ステータは上記回転軸と上記回転筒状部の間に配置される固定筒状部を有し、上記回転軸の外周部と上記固定筒状部の間にアキシャル磁気軸受及びラジアル磁気軸受が構成され、該アキシャル磁気軸受のロータ側の円板状磁極と上記ステータの間にアキシャルギャップ型のＤＣブラシレスモータが構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、比較的低い真空度で大容量のガスを排気する用途に用いて好適なターボ分子ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能化した半導体デバイスの製造プロセスにおいて、高真空、又は超高真空状態を得るために、筒状のケーシングの中に回転自在に支持されたロータに回転翼（軸流羽根）を多段に形成し、ケーシングの内壁に固定翼を回転翼の間に突出して設け、ロータを高速回転させることにより、吸気口から排気口へ気体分子を移動させて高度の真空を得るターボ分子ポンプが用いられる。
【０００３】
半導体製造装置などで高度の真空状態を達成するためには、通常、気体に対する圧縮比を大きくする必要があり、上述したように回転翼と固定翼を多段に設けたり、或いはロータの回転翼の後段側にネジ溝を形成したりしている。主軸及びロータは、メンテナンスや清浄度の観点から磁気軸受が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近、半導体製造装置によっては、ウエハーの大口径化に伴い多量のガスを排気し、装置チャンバー内をある一定圧力以下に維持する必要がある。しかしながら、ガスを流さない時の到達圧力は、１０-3〜１０-4Ｔｏｒｒと、それ程高真空を必要としない用途も出始めている。すなわち、ポンプに対して、排気速度は数千Ｌ／sec と大きなものが必要であるが、高い圧縮比は不要であるような用途がある。このような用途に前述のような多段の回転翼を持つロータを用いると、軸方向の長さや重量が大きくなる。
【０００５】
この場合、その重量や大きさを支持するために精密な制御が必要となる。例えば、ラジアル２方向を制御する一組の能動形ラジアル磁気軸受をロータの上下に２つ設け、さらに軸方向を制御する能動形アキシャル磁気軸受を設けて、計３組の軸受により、いわゆる５軸制御を行っている。このため、ますますポンプが肥大化してしまう。さらに、これらの軸受とモータを直列に配置するため、ポンプの軸方向長さが長くなり、例えば、排気速度３３００Ｌ／sec のポンプの場合、ポンプ本体の大きさは、最大径がＤ＝４５０ｍｍに対し、高さＨ＝４００ｍｍになってしまう。
【０００６】
そして、本来、到達圧力を超高真空にする必要のないプロセスでも、このように軸方向に長い圧縮性能重視形のポンプが使用されており、排気系のコンパクト化、低価格化への要請を鑑みると改善する必要があった。
【０００７】
また、最近の半導体製造装置においては、ウエハの大口径化や成膜の高品質化のために多量のガスを使用する傾向にある。半導体製造装置の真空チャンバに導入されるガスは、その一部が反応に寄与しているだけであり、残りの大部分は未反応のまま排出されてしまっている。
【０００８】
そこで将来的には、図４に示すように、ガスの有効利用のために、ターボ分子ポンプ等の高真空ポンプ３５によって真空チャンバ３１から排気されたガスの一部Ｑ2を再び真空チャンバ３１に戻し、未反応のガスの利用効率を高める工夫がなされる可能性がある。
【０００９】
真空チャンバ３１内にガスを導入する場合、ウエハ３２に均一にガスが行き渡るようにするため、通常シャワーヘッドと称されるガス噴き出し装置３３が用いられる。循環させるガスもこのシャワーヘッドのようなガス噴き出し装置３３を介して真空チャンバ内に戻さなければならない。しかしながら、このシャワーヘッドには直径１mm以下の微小な穴が数十箇所に設けられており、この穴からガスが噴き出すようになっているため、そのコンダクタンスは非常に小さい。例えば、直径０．８mmの穴が５０個設けられたシャワーヘッドのコンダクタンスは、凡そ１×１０-2L/s である。よって、このシャワーヘッド３３を介して循環ガス１０００sccmを真空チャンバ内に戻す場合は、２０Torr程度まで圧縮しなければならないことになる。
【００１０】
ところが、高真空ポンプとして一般に使用されているターボ分子ポンプや複合分子ポンプは、上記のようなガスを循環させる用途では、圧縮能力が十分でない。そこで、ガスを循環させる用途では、図５に示すように、これらの高真空ポンプ５１の後段に圧縮用のポンプ５２を設ける必要が生じる。
【００１１】
ここで、圧縮用ポンプ５２は、高真空ポンプ５１で圧縮されたガスを排気するため、排気速度が小さくて良いのでポンプ外径を小さくできる。一方、高真空ポンプ５１は、多量のガスを排気するために大きな排気速度を必要とするので、ポンプの外径が必然的に大きくなってしまう。
【００１２】
したがって、ガスを循環させる排気系においては、装置全体のコンパクト化の要請を考えると、ポンプ外径が小さい圧縮用ポンプ５２を軸方向に大きくして必要な圧縮性能を満足させ、ポンプの外径が大きい高真空ポンプ５１は、できるだけ軸方向の寸法をコンパクトにすることが望まれる。
【００１３】
本発明は、これらの問題点を解決し、軸方向にコンパクトなターボ分子ポンプを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本願第１発明は、ロータ側の回転翼とステータ側の固定翼が交互に配置され、上記ロータを高速回転させて気体を圧縮・排気するターボ分子ポンプにおいて、上記ロータは回転軸と回転筒状部を有し、上記ステータは上記回転軸と上記回転筒状部の間に配置される固定筒状部を有し、上記回転軸の外周部と上記固定筒状部の間にアキシャル磁気軸受及びラジアル磁気軸受が構成され、上記回転筒状部の内周部と上記固定筒状部の間にラジアルギャップ形のモータが構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプである。これにより固定筒状部の内外周部を活用して軸受とモータを組み込み、軸方向の寸法を短くすることができる。
【００２０】
請求項２に記載の本願第２発明は、ロータ側の回転翼とステータ側の固定翼が交互に配置され、上記ロータを高速回転させて気体を圧縮・排気するターボ分子ポンプにおいて、上記ロータは回転軸と回転筒状部を有し、上記ステータは上記回転軸と上記回転筒状部の間に配置される固定筒状部を有し、上記回転軸の外周部と上記固定筒状部の間に上記アキシャル及びラジアル磁気軸受が構成され、該アキシャル磁気軸受のロータ側の円板状磁極と上記ステータの間にアキシャルギャップ型のＤＣブラシレスモータが構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプである。これにより、軸方向寸法を抑えながら、内部応力が大きくなるロータの筒状部に焼嵌め等でモータロータを取り付ける必要がなくなり、高速回転、長寿命等を達成できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、ターボ分子ポンプの一例を示すもので、固定軸１の周りに回転筒状部２が配置されたアウターロータ方式を採用したポンプの構造を示す。すなわち、回転筒状部２は、筒状のケーシング３と底板４から突出する固定軸１の間に回転自在に支持されている。ケーシング３の上部には吸気口５がほぼ全面に渡って開口し、下部には排気口６が設けられている。
【００２２】
回転筒状部２の外面には、３段の回転翼（軸流羽根）７ａ，７ｂ，７ｃが形成され、これは筒状のケーシング３の内面に形成された２枚の固定翼８ａ，８ｂを交互に挟み込んでいる。この例では、回転筒状部２がロータＲを構成し、固定軸１、ケーシング３と底板４がステータＳを構成している。
【００２３】
このように、このターボ分子ポンプは３段の回転翼７ａ，７ｂ，７ｃを有するものであり、ポンプ本体高さＨと最大径Ｄの比Ｈ／Ｄが約０．３であり、大変扁平になっている。
【００２４】
回転筒状部２の内側上部には環状の突出部９が形成され、一方、固定軸１の上部にはこの突出部９と対応する凹部１０が形成され、この突出部９と凹部１０の対向する水平面の間にアキシャル磁気軸受１１が構成されている。これは図示しないアキシャルセンサによって得た位置検出信号をもとに能動制御を行なうものである。そして、その下側の対向する円筒面間に、ラジアルセンサ１２によって得た位置検出信号をもとに能動制御を行なうラジアル磁気軸受１３が、この例では直交する２つの方向に、それぞれコイル１３ａとロータ磁極１３ｂを対向させて設けられている。
【００２５】
このラジアル磁気軸受１３とアキシャル磁気軸受１１は、軸方向において、翼を含めた回転筒状部２全体の重心を挟むような位置にくるように配置されている。このように配置することにより、一般に上側にも設置していたラジアル軸受の作用をアキシャル軸受１１に担わせるようにしている。このターボ分子ポンプロータは上述したように扁平比が大きいため、上記のような配置とすることで、実用上ラジアル軸受を軸方向に１個所設けるだけで済むようになっている。
【００２６】
回転筒状部２の下端と底板４の間には永久磁石１４ａとコイル１４ｂからなるＤＣブラシレスモータ１４が設けられている。このような位置にモータを配置することで、回転筒状部２の少ない表面を活用して、特に軸方向に小型化を徹底するようにしている。なお、固定軸１の上下２ヶ所には、タッチダウン軸受１５，１６が形成されている。
【００２７】
本ポンプは、高真空の到達圧力を要求されず、かつ気体を０．３Ｔｏｒｒ程度の排気圧力迄圧縮すれば充分であるような用途で使用される。このような比較的高い到達圧力で充分である用途では、高い圧縮性能を必要とせず、回転翼７ａ，７ｂ，７ｃの段数は、１〜６段で充分である。従って、回転筒状部２は、軸方向に偏平にすることが可能である。
【００２８】
図２に示す本願第１発明の実施の形態は、ステータＳが固定筒状部１７を有し、ロータＲがこの固定筒状部１７に囲まれた回転軸１８とこれと一体の回転筒状部２を有するインナーロータ方式を採用したものである。
【００２９】
図２の実施の形態では、モータ１９は固定筒状部１７と回転軸１８の間に組み込まれており、ラジアルギャップ形を採用しているが、軸受部とモータ部は径方向の異なる位置に組み込まれているため、モータ１９がポンプ本体の軸方向寸法に影響を与えることはなく、軸方向にコンパクトなポンプを提供することが可能である。
【００３０】
図３は、本願第２発明の実施の形態であり、アキシャル磁気軸受１１のロータ側磁極であるディスク２１の外周側に、永久磁石１４ａとコイル１４ｂからなるアキシャルキャップ型のＤＣブラシレスモータ１４を配設したものである。回転筒状部２の内周部２ａは回転体の中で最も応力の高い箇所であるが、この構造によれば、この部分にモータロータを焼嵌める必要がないので内部応力を低く抑えることができ、その結果、ロータＲの高速回転が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ラジアル方向の回転の安定性を向上させることができるとともに、軸受装置などを省略してコンパクトで低コストのターボ分子ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ターボ分子ポンプの一例を示す図である。
【図２】  本願第１発明の実施の形態のターボ分子ポンプを示す図である。
【図３】  本願第２発明の実施の形態のターボ分子ポンプを示す図である。
【図４】  半導体製造装置の将来予想される排気系統を示す図である。
【図５】  この発明のターボ分子ポンプの用途として好適な排気系統を示す図である。
【符号の説明】
１    固定軸
２    回転筒状部
２ａ  内周部
３    ケーシング
４    底板
５    吸気口
６  排気口
７ａ，７ｂ，７ｃ  回転翼（軸流羽根）
８ａ，８ｂ  固定翼
９  突出部
１０  凸部
１１  アキシャル磁気軸受
１２  ラジアルセンサ
１３  ラジアル磁気軸受
１４  ＤＣブラシレスモータ
１４ａ  永久磁石
１４ｂ  コイル
１５，１６  タッチダウン軸受
１７  固定筒状部
１８  回転軸
１９  ラジアルキャップ形のモータ
２０  ねじ溝
２１  アキシャル磁気軸受用ロータディスク（円板状磁極）
Ｒ    ロータ
Ｓ    ステータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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