(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼と固定翼とが交互に配置され低い圧力の条件下で高い回転速度で駆動され気体分子を排気するターボ分子ポンプに、反応生成物が内部に付着しないように電流を流して温度制御するヒータと、その温度検出手段と、目標温度と前記温度検出手段によるポンプ温度の差からヒータのオンオフ制御を行う回路を有するターボ分子ポンプの温度制御回路において、ヒータ電流の電流検出手段と、そのヒータの電流値の二乗の積算手段とを設けて、ヒータＯＮ中は前記電流値の二乗の積算手段からの積算値と、電流値の二乗のリミット値とを比較し、単位時間中にリミット値を越えた時は、単位時間の残り時間についてはヒータへの電力供給を停止することを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ分子ポンプに係わり、特に、半導体製造装置等において排気系として使用されるターボ分子ポンプの内部に、反応生成物が付着しないようにするターボ分子ポンプの温度制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体分子に一定の方向の運動量を回転翼などで機械的に与えることにより、気体を輸送する真空ポンプとしてターボ分子ポンプがある。ターボ分子ポンプは、気体分子どうしの衝突が無視できるような低い圧力の条件下で、円板に斜めにスリットを切った回転翼と、それとほぼ同じ形状で、スリットの傾きが回転翼とは反対の固定翼とが、交互に配置された構造で、回転翼は極めて高い回転速度で駆動され、両翼の隙間を通って気体分子が通過し、真空に排気され超高真空を得ることができるものである。そして、ターボ分子ポンプの真空排気系には背圧用のポンプとして油回転ポンプやドライ真空ポンプ等が使われる。
図３に磁気軸受装置を備えたターボ分子ポンプの断面を示す。ターボ分子ポンプは、駆動軸１３が上方にタッチダウンベアリング１９ａと下方にタッチダウンベアリング１９ｂを備え、磁気浮上の機構を備えて、高周波モータ１１によって高速回転するもので、駆動軸１３の上部には回転体にロータ翼１４を備え、それと対向するハウジング側にスペーサ１６で積み上げられたステータ翼１５が設けられて、ロータ翼１４が高速で回転することによって、吸気口フランジ２１の吸気口からガスを保護ネット２３を通して吸引し、ハウジング下部の排気口フランジ２２から吸引したガスを排出するもので、キャスタ１２上に装着されたものである。
ロータ翼１４が高速で回転するため、駆動軸１３の回転体を非接触で支持する磁気浮上制御を行っている。駆動軸１３の方向の位置制御を行う１組のアキシアル方向制御用電磁石として、スラスト磁気軸受１８を設け、一方駆動軸１３の２点で互いに直交する２軸の方向の位置制御を行う２組のラジアル方向制御用電磁石として、上部にラジアル磁気軸受１７ａと下部にラジアル磁気軸受１７ｂが設けられている。そして駆動軸１３の変位検出用センサとして、アキシアル方向検出用センサとして最下部にギャップセンサ２０が設けられ、ラジアル方向検出用センサとして上部にギャップセンサ２０ａと下方にギャップセンサ２０ｂが設けられている。そして磁気浮上をさせるためのフィードバック制御が行なわれる。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体及び電源装置で構成され、例えば半導体製造装置のプロセスチェンバ等に接続され、成膜プロセスにおけるプロセスガスの排気に使用される。そして、ターボ分子ポンプを組み込んだ真空装置は、単に真空にするだけではなく、真空にした後いろいろな気体を導入し反応させる装置が多くなっている。低圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、イオン注入等の装置においては、可燃性、爆発性、毒性、腐食性、悪臭のあるガスが使われ、極めて危険である。特に半導体製造用各種装置等には、これらのガスに対する対策が講じられる。そして活性なガスは、装置に使っている各種材料（真空容器、ガスケット、ポンプ油など）を腐食したり、反応時に発生する各種のイオンや散乱電子が、装置の各種部品に吸収されたり、反射されたり、チャージされたりする。
そのためこれらの部品及び筐体の内部に、排気ガス中の反応生成物が付着しないように、筐体外周部にバンドヒータ２５と、内部にシーズヒータ２４を設け、内部の温度が温度検出計２７によって検出され、電源装置の温度制御回路で制御される。また、温度を下げたい時には、冷却水パイプ２６によって冷やすこともできる。
【０００３】
図４に電源装置内の温度制御回路のブロック図を示す。成膜プロセスによっては、反応生成物がポンプ内部に付着する場合があり、ポンプのべ一ス部をヒータ１により加熱し、反応生成物の付着を防止している。
温度制御回路は、ポンプ本体の内部に設けられた温度検出計２７を有する温度検出手段２と、ヒータ１をスイッチング加熱するスイッチング素子９と、目標温度８と温度検出手段２によるポンプ温度の差から、単位時間あたりのヒータ１のオン時間を計算する通電時間計算手段６と、その結果に基づいてスイッチング素子９のオンオフを行うヒータ制御手段５とから構成されている。
図５に昇温時間とポンプ温度の関係を、図６に目標温度との温度差とヒータ制御単位時間内のヒータ１の通電時間の関係を、図７に１８０Ｖと２６４Ｖ駆動時の経過時間とヒータ温度の関係を示す。
温度制御の制御単位時間として、ここでは２．５秒に設定され、昇温中はヒータ１の制御単位時間の間は、１００％の通電としている。そして、図５に示すように、一旦、目標温度付近まで昇温すれば、後は温度を維持するために、目標温度との差に見合った時間だけヒータ１をオンにする。例えば、温度差が１℃であれば、図６に示すようにヒータ１の制御単位時間に対して５０％の１．２５秒間だけ通電し、図７に示す（３）での電流波形のように制御される。温度差が０．４℃であればヒータ制御単位時間に対して２０％の０．５秒間だけ通電される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のターボ分子ポンプの温度制御回路は、以上のように構成されているが、ヒータ１の抵抗値は、一定時間（例えば１時間）でポンプが目標温度まで十分昇温するだけの電力を消費（発熱）するように設計されている。すなわち、電源装置の電源電圧仕様が１８０〜２６４Ｖとなっている場合、１８０Ｖで十分昇温するような抵抗値に設計される。
ところが、電源電圧１８０Ｖで昇温に十分な電流が流れる様に設計したヒータ１を、電源電圧２６４Ｖで使用すると、ヒータ１のオン時に流れる電流は２６４／１８０＝１．４７倍となり、ヒータで消費される電力で考えると（２６４／１８０）２＝２．１５倍となる。
そのまま使用すると、昇温時間はそれだけ短くなるが、昇温中の１００％通電の状態では、ヒータは過昇温状態となり、寿命が短くなるという問題がある。
そこで、従来はトランスを用いてヒータヘの供給電圧が一定になるようにするか、または、電源電圧に合わせて複数の仕様のヒータを用意しなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、異なる電源電圧の仕様に対しても、ポンプ本体に設けられたヒータの適正な昇温状態で加温することができるターボ分子ポンプの温度制御回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路は、回転翼と固定翼とが交互に配置され低い圧力の条件下で高い回転速度で駆動され気体分子を排気するターボ分子ポンプに、反応生成物が内部に付着しないように電流を流して温度制御するヒータと、その温度検出手段と、目標温度と前記温度検出手段によるポンプ温度の差からヒータのオンオフ制御を行う回路を有するターボ分子ポンプの温度制御回路において、ヒータ電流の電流検出手段と、そのヒータの電流値の二乗の積算手段とを設けて、ヒータＯＮ中は前記電流値の二乗の積算手段からの積算値と、電流値の二乗のリミット値とを比較し、単位時間中にリミット値を越えた時は、単位時間の残り時間についてはヒータへの電力供給を停止するものである。
【０００７】
本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路は上記のように構成されており、ヒータ電流を検出する電流検出手段と、ヒータ通電中にヒータ電流を二乗（電力に比例）して積算するヒータ電流値の二乗の積算手段とを設けて、ヒータ制御手段が、目標温度との温度差により決定される通電時間の範囲内であっても、ヒータ電流の二乗の積算値が規定値（電流値の二乗のリミット値）を超えると、ヒータ制御単位時間内の残りの時間は、ヒータをオフにする機能を備えている。
そのため、単位時間あたりのヒータヘの供給電力が一定となるため、例えば電源電圧１８０Ｖ用に設計されたヒータを電源電圧２６４Ｖで使用しても、ヒータの過昇温を防止することができる。従って、１つのヒータで複数の電源電圧仕様に対応することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路の一実施例を図１を参照しながら説明する。図１に本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路のブロック図を示す。本ターボ分子ポンプの温度制御回路は、反応生成物がポンプの内部に付着しないように温度制御するヒータ１と、内部温度を検出する温度検出計２７を備えた温度検出手段２と、ヒータ１に流れる電流を検出する電流検出手段３と、ヒータ１の電流値の二乗の積算手段４と、目標温度８と温度検出手段２によるポンプ温度の差から、単位時間あたりのヒータ１のオン時間を計算する通電時間計算手段６と、通電時間計算手段６からの指示値、及び、ヒータ１の電流値の二乗の積算手段４からの積算値と電流値の二乗のリミット値７とを比較しその結果に基づいてスイッチング素子９のオンオフを行うヒータ制御手段５と、そのヒータ制御手段５によってヒータ１に流す電流をＯＮ、ＯＦＦするスイッチング素子９とから構成されている。
本ターボ分子ポンプの温度制御回路は、従来の温度制御回路にヒータ１に流れる電流を検出する電流検出手段３と、その電流値を二乗し積算する回路を有する電流値の二乗の積算手段４と、電流値の二乗のリミット値７とを増設したものである。それによって、ヒータ１に電流が流れている時、その電流値の二乗（電力に比例）の積算手段４からの積算値と、電流値の二乗（電力に比例）のリミット値７とを比較し、単位時間中に電流値の二乗（電力に比例）のリミット値７を越えた時は、ヒータ制御手段５からスイッチング素子９をＯＦＦし、単位時間の残り時間についてヒータ１への電力供給を停止する。
【０００９】
次に、電源電圧及び電力値の設計値が、１８０Ｖ、４００Ｗであるヒータ１について、マイコンを用いたデジタル回路で説明する。１８０Ｖ、４００Ｗのヒータ１の抵抗値は８１Ωとなり、このヒータ１を１８０Ｖで使用した場合の電流値は２．２２Ａとなる。従って、このヒータ１は電流値が２．２２Ａであれば、連続通電しても寿命に問題のない設計であり、また、２．２２Ａ流さないと、ポンプを規定時間に昇温できないことになる。従って、電流値の二乗のリミット値７について、電源電圧１８０Ｖでヒータ制御単位時間中に１００％ヒータ１をオンできるように設定する。ここで、ヒータ制御単位時間を２．５秒とし、電流値の二乗の計算を５０ｍｓ毎に５０回（＝２．５ｓ）行う場合、電流値の二乗のリミット値７は、２．２２×２．２２×５０＝２４６．４となる。
そして、電源電圧１８０Ｖでポンプの温度制御を行った場合を説明する。室温の状態から昇温を開始すると、通電時間計算手段６は、温度検出手段２からのポンプ温度と、目標温度８との温度差から、ヒータ制御手段５に対して、ヒータ制御単位時間の１００％（＝２．５ｓ）の通電を指示する。そして、ヒータ制御手段５は、ヒータ１をオンすると共に、５０ｍｓ毎に計算される、電流値の２乗の積算手段４の積算値を監視する。
図２（ａ）は、横軸に時間、縦軸にヒータ１の電流値の二乗の積算値を示し、（ｂ）は縦軸にヒータ電流を示したものである。電源電圧が１８０Ｖの場合は、２．５ｓ以内に電流値の２乗の積算値は、電流値の二乗のリミット値７（＝２４６．４）には当然達しないので、（ｂ）に示すように、１００％通電（２．２２Ａ）のままポンプは昇温を続ける。この時、２．５ｓ間にヒータが消費する電力は、２．２２Ａ×１８０Ｖ×２．５ｓ＝１０００Ｗ・ｓとなる。
目標温度８との差が２℃以内になると、図６に示す直線に従って、通電時間計算手段６からの指示値は１００％から順次減っていくので、ヒータ制御手段５はそれに従って、ヒータ制御単位時間（２．５ｓ）のうち、オンにする時間を順次減らしていく。
次に、このヒータ１を電源電圧２６４Ｖで使用する場合を考える。１８０Ｖの場合と同様、室温の状態から昇温を開始すると、通電時間計算手段６は、ヒータ制御手段５に対して、ヒータ制御単位時間の１００％（＝２．５％）の通電を指示する。ヒータ制御手段５は、ヒータ１をオンすると共に、５０ｍｓ毎に計算される、電流値の二乗の積算手段４の積算値を監視する。
電源電圧が２６４Ｖの場合は、ヒータオンの時に流れる電流は、２６４Ｖ／８１Ω＝３．２６Ａとなり、電流値の２乗の積算値は、２４６．４／（３．２６×３．２６）＝２３．２となって、２４回目の１．２ｓ後には、（ａ）に示すように、電流値の二乗のリミット値７（２４６．４）を越える。電流値の二乗の積算値が電流の二乗のリミット値７を越えると、ヒータ制御手段５は、通電時間計算手段６により指示された通電時間の範囲内であっても、（ｂ）に示すように、ヒータ１に流れるヒータ電流をオフし、ヒータ１にそれ以上電力が供給されないようにする。
次のヒータ制御単位時間が開始されると、（ｂ）に示すように、ヒータ制御手段５は再びヒータ１をオンにし、上記動作を繰り返す。この時、２．５ｓ間にヒータ１が消費する電力は、３．２６Ａ×２６４Ｖ×１．２ｓ＝１０３３Ｗ・ｓとなり、電源電圧１８０Ｖで使用したときの１０００Ｗ・ｓとほぼ同じになる。
目標温度８との差が２℃以内になると、図６の温度制御方法の通電時間の決定により、通電時間計算手段６からの指示値は、１００％から順次減っていくが、指示されたオン時間が１．２ｓ以上の場合は、電流値の二乗のリミット値７が効き、それ以上の時間ヒータ１をオンにはしない。通電時間計算手段６からの指示値が１．２ｓ以下になるとヒータ制御手段５は、初めて通電時間計算手段６の指示通りの時間ヒータ１をオンするようになる。これにより、電源電圧２６４Ｖで使用した場合も、ヒータの過昇温を防止することができる。
【００１０】
上記の実施例では、デジタル回路を利用した場合について説明しているが、アナログ回路による構成でも同様の機能は実施可能である。
【００１１】
【発明の効果】
本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路は上記のように構成されており、ポンプを加熱するヒータの電流を検出し、その検出されたヒータ電流を二乗（電力に比例）して積算する回路を設け、ポンプ内の温度検出値と目標温度との温度差により決定される通電時間の範囲内であっても、ヒータ電流の二乗の積算値が規定値（電流値の二乗のリミット値）を超えると、ヒータ制御単位時間内の残りの時間は、ヒータをオフにする機能を備えているので、単位時間あたりのヒータヘの供給電力が一定となり、ヒータの過昇温を防止することができる。
そのため、１種類のヒータを、ヒータの寿命を損なうことなく、複数の電源電圧に対応させることができる。そして、各種のヒータを準備する必要もなく、また、電圧変換用のトランスも必要でなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路の一実施例を示す図である。
【図２】  本発明のターボ分子ポンプの温度制御回路のヒータ制御電流の関係を示す図である。
【図３】  ターボ分子ポンプの断面構造を示す図である。
【図４】  従来のターボ分子ポンプの温度制御回路を示す図である。
【図５】  従来のターボ分子ポンプの昇温状態を示す図である。
【図６】  従来のターボ分子ポンプの温度制御の方法を示す図である。
【図７】  従来のターボ分子ポンプの各昇温時の通電状態を示す図である。
【符号の説明】
１…ヒータ
２…温度検出手段
３…電流検出手段
４…電流値の二乗の積算手段
５…ヒータ制御手段
６…通電時間計算手段
７…電流値の二乗のリミット値
８…目標温度
９…スイッチング素子
【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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【図６】
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【図７】
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