(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、ターボ分子真空ポンプ及び圧送した媒質内の電気的に帯電し又は中性の粒子の何れかとロータとの相互作用に起因するロータ内の蓄積した静電荷を減少し又は解消する装置に関する。ロータと電気的に接地されたステータとの間の電荷の交換は、線又はその他の電気的接触手段、又は電界放出先端のような電荷放出装置を通じて行なわれる。何れの場合にも、ロータ内の静電荷は減少し又は解消する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ分子真空ポンプにおいて、
ポンプハウジングと、
ハウジング内にて回転し得るように取り付けられたターボ分子ポンプロータと、
ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、
ロータと相互作用し、これによりロータの静電荷を減少させる帯電した粒子を提供する、帯電した粒子源とを備える、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、帯電した粒子源は、電界放出先端装置である、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、帯電した粒子源は、電界放出先端装置のアレイである、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、絶縁性軸受システムは、磁気浮上軸受システムである、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、絶縁性軸受システムは、セラミック軸受システムである、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項６】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、帯電した粒子源は、ロータの高圧端部に配置される、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項７】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、帯電した粒子源は、カーボンナノチューブである、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項８】
請求項１に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、帯電した粒子源は、電子をロータから除去する、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項９】
ターボ分子真空ポンプにおいて、
ポンプハウジングと、
ハウジング内にて回転し得るよう取り付けられたターボ分子ポンプロータと、
ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、
ロータの静電荷を放電し得るようロータと接触した接地した導体とを備える、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項１０】
請求項９に記載のターボ分子真空排出ポンプにおいて、接地した導体は、ロータの高圧端部と接触している、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１１】
請求項９に記載のターボ分子真空排出ポンプにおいて、接地した導体は、接地した線である、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１２】
請求項９に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、接地した導体は、ばね荷重式接点である、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１３】
請求項９に記載のターボ分子真空ポンプにおいて、接地した導体は、ロータと実質的に常時接触している、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１４】
請求項９に記載のターボ分子真空排出ポンプにおいて、絶縁性軸受システムは、磁気浮上軸受システムである、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１５】
請求項９に記載のターボ分子真空排出ポンプにおいて、絶縁性軸受システムは、セラミック軸受システムである、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１６】
請求項９に記載のターボ分子真空排出ポンプにおいて、接地した導体は、実質的にロータの回転軸線の上にてロータの一部分と接触している、ターボ分子真空排出ポンプ。
【請求項１７】
ターボ分子真空ポンプにおいて、
ポンプハウジングと、
ハウジング内にて回転し得るよう取り付けられたターボ分子ポンプのロータと、
ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、
ロータの静電荷を減少させるロータの静電荷放電器とを備える、ターボ分子真空ポンプ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の真空排出ポンプにおいて、ロータの静電荷放電器は、ハウジングに装着され且つロータとの電気的接触を維持するよう配置された接地した線である、真空排出ポンプ。
【請求項１９】
請求項１７に記載の真空排出ポンプにおいて、ロータの静電荷放電器は、帯電した粒子をロータに向け得るよう配置された帯電した粒子源である、真空排出ポンプ。
【請求項２０】
請求項１７に記載の真空排出ポンプにおいて、ロータの静電荷放電器は、帯電した粒子をロータから離れる方向に向ける帯電した粒子源である、真空排出ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、真空ポンピング、より詳細には、モーメントの伝達時、又はさもなければ接地されないロータを有するターボ分子ポンプ内の静電荷の蓄積を制御する分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の研究及び製造方法は、高真空圧のプロセス室を使用することを必要とする。例えば、半導体ウェハの加工において、多くの薄膜の蒸着及びエッチング工程の間、主として汚染を少なくするため、真空圧が使用される。かかる方法において、１３３３．２２−６Ｐａ（１０−６トール）未満の「高真空圧」を発生させることのできるポンプは、プロセス圧力にて十分なポンピング速度を保証し且つ、ステップ間の清浄化のとき、低い基準圧力を許容するため有用である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
幾つかの現在利用可能な真空ポンプの形態は、高真空圧を発生させ且つ維持することができる。１つの設計としてのターボ分子真空ポンプは、製造工程及び研究のための計測の双方にて頻繁に使用されている。ターボ分子真空ポンプの従来の段の配置は、交番的なロータ及びステータのスタックを含む。段の各々は、半径方向内方に又は外方に垂下する（名目的に）複数のブレードを有するソリッドなディスクを効果的に備えている。ブレードは、ディスクの円周の回りにて均一に隔てられ且つ、ロータの段の回転方向に向けてディスクの面外に半径方向線の「回りにて」角度が付けられている。
【０００４】
ターボ分子真空ポンプは、分子流の範囲外では非効率的又は作動不能である。その理由のため、商業的に利用可能な真空ポンプは、幾つかのターボ分子段に加えて、１つ又はより多くの分子抗力段と、ターボ分子段とポンプ出口との間に配置された１つ又はより多くの再生段とを保持するであろう。
【０００５】
ターボポンプのロータは、部分的又は全体的な磁気浮上軸受を有する設計とされることが多い。ある場合にて、セラミック又はその他の接触軸受が前方真空側部に設けられ、また、半径方向に安定化する永久磁気軸受が高い真空圧側部に設けられている。ある高真空圧の適用例において、ロータを懸架するため、全磁気浮上軸受が使用される。こうした場合、半径方向位置は、永久磁石安定器を介して調節することができ、又は、電子的に調節することができる。ロータの軸方向位置を維持するため電磁石も使用される。
【０００６】
ロータはケーシングと直接、接触しないため、かかる場合におけるロータの振動レベルは、極めて低い。更に、ロータは、不均衡振動に対して自動的に補正し、ボール軸受により支持される同様のロータの場合と比較して、かかるロータの振動を１０の率（１０の倍数）にて少なくすることができる。
【０００７】
機械的軸受と比較した場合の磁気浮上軸受による有利な効果は、前方真空側部に油が存在せず、また、摩耗せず及びそれに伴う保守が不要な点である。上述した全ての理由のため、磁気浮上軸受は、高及び超高真空圧の適用例用として設計されたターボ分子ポンプにて選ばれる懸架方式である。
【０００８】
周囲状況から、ターボ分子ポンプにおける磁気的に浮上させたロータは、電荷の蓄積を通じて極めて高電位を取得することができることを示唆する確実な証拠がある。電荷の発生源は、負に帯電させたプロセスプラズマの塵である蓋然性が高い。この塵は、ロータと衝突しとき、その電荷を交換し、この場合、その各衝突は、電荷が漸増量にてロータに付与される原因となる。このように、ロータは、高電位にて帯電される。帯電したロータと関係した電界は、ターボポンプの入口にて不均一な電界内に捕捉された塵の粒子に反発力を作用させ、粒子雲を発生させる。これらの粒子は、デバイスの欠陥を生じさせ、また、プロセス収率を低下させることになる。
【０００９】
ロータ上の電荷の更なる原因は、摩擦帯電による。摩擦帯電は、異種材料が互いに接触するときの電荷の交換過程の結果である。例えば、人間は、カーペットの上を歩くことによって身体に電荷を蓄積させる。接地した物と接触したとき、放電が生じ、人間にショックを与える。火星着陸機（Ｍａｒｓ  ｌａｎｄｅｒ）の場合、塵ストーム内の粒子は、電子の交換を引き起こし、その結果、電荷の蓄積が生じることが知られている。電荷の蓄積量は、互いに接触する２つの材料の性質、及びそれらの電荷を消散させる能力に依存する。
【００１０】
帯電した導体は、電荷を身体の全体を通じて分配するが、帯電した誘電体は、電荷の局部的な分配状態を保つ。各場合にて、電荷を蓄積させる主要な条件は、１つの材料が別の材料から絶縁されており、このため、電荷の再結合を阻止することである。
【００１１】
上述したように、ターボ分子ポンプのロータは、磁気的に浮上され、このため、取り囲む接地したステータから電気的に隔離されることが多々ある。磁気浮上式でないポンプでさえ、ロータは、セラミック軸受にて懸架されることが多々あり、このこともロータを接地から絶縁することになる。ロータ上にて非イオン化したガスの流れを与えることにより、作動中、摩擦帯電に起因して静電荷がターボ分子ポンプのロータ上に蓄積する可能性がある。存在する材料（気体種類及びターボ分子ポンプロータの材料）及び電荷間に導電路が存在しないことは、蓄積した電荷の量を決定することになろう。
【００１２】
更に、イオン化したガス及び塵を含むプラズマをポンピングする結果、電荷の蓄積が生ずる。イオン及び帯電した粒子は、衝突時、それらの電荷を伝達することによりロータ上の電荷の蓄積に寄与する。ロータにおける正味電荷は、これら全ての過程の結果である。
【００１３】
ロータ上に十分に大きい正味電荷が蓄積する結果、急激な放電が生じる。放電が生じるときの電圧は、蓄積した電荷の量、圧力、及び２つの逆帯電した表面間の距離に依存する。
【００１４】
プラズマ物理理論は、イオン化事象により起動された自己イオン化電子の流れの開始として蓄積した電荷の放電を説明する。自己イオン化電子の流れは、１つの電子が流れるとき起動され、別の原子との衝突を通じて更なる電子の解放を開始させ、電子の解放のカスケードを生じさせる。次に、形成される正イオンは、蓄積した電荷を保持する電極と衝突するとき、更なる電子の流れを再開する。自己イオン化電子流れの開始は、気体種類、電荷を保持する材料、圧力及び２つの材料間の距離に依存する。
【００１５】
パッシェン（Ｐａｓｃｈｅｎ）は、１対の電極が真空内に配置された、一連の実験を通じて破壊電圧の現象を研究した。電極に電圧を印加した。破壊時の電圧を測定した。パッシェンは、破壊電圧は、気体種類、電極間の距離、電極の材料、電極の形状及びガスの圧力に依存することを知った。これにより材料及び条件の組み合わせについて一連の曲線が作成された。タウンゼントの等式は、気体種類及び電極の材料に関する特定のパラメータが分かったとき、破壊電圧を数値的に計算することを可能にする。
【００１６】
アルゴンガス中のタングステン導体に対する典型的なパッシェン曲線１１０は、図１のプロット１００に示されている。破壊電圧１１１は、圧力及び空隙の幅１１２の組み合わせに対してプロットしてある。導体の材料又は気体種類と関係なく、パッシェン曲線は、同様の形状を有し、この場合、破壊電圧は何らかの中間の圧力−距離の積にて最小となる。図１のグラフから、０．３ｍｍの空隙に対し、最小電圧は、２１３３．１５Ｐａ（１６トール）の圧力にて約１１５Ｖであろう。窒素の場合、最小電圧は、２５０Ｖに近くなるであろう。
【００１７】
全てのパッシェン曲線は、特定の圧力−距離の組み合わせに対する最小破壊電圧を有する。空隙が一定であると考えれば、最小電圧点よりも低い圧力の結果、破壊電圧は指数関数的に増大し、無限大に近くなる。このため、システムは、完全な真空圧の徴候を示す。最小電圧よりも高い圧力の場合、破壊電圧は不断に増大する結果となる。その逆もまた真である。しかし、距離が可変で圧力が一定であるとして解釈するとき、グラフは、距離が長く且つ短くなる場合にのみ解釈されるべきである。
【００１８】
ターボ分子ポンプのロータは、空隙又は絶縁性セラミック軸受がロータと接地との間に存在し、ロータを電気的に隔離する状態下にて作動される。ポンプ内でのロータと粒子との間の相互的な動きの結果、帯電が生じ、これは、上述したように、粒子塵を取り込むことを含む幾つかの問題点の原因となる。このため、現在、作動中、ロータ上の電荷の蓄積という問題点に対する解決策を含む改良されたターボ分子ポンプを提供する必要性がある。本発明者が知る限り、かかるポンプは現在、利用可能なものはない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、ポンプハウジングと、ハウジング内にて回転し得るように取り付けられたターボ分子ポンプロータと、ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、ロータの静電荷の減少を引き起こす帯電した粒子を発生させる帯電した粒子源とを含む、ターボ分子真空ポンプを提供することにより、上述した必要性に対応するものである。
【００２０】
帯電した粒子源は、電界放出先端装置又は電界放出先端装置のアレイ（列）とすることができる。絶縁性軸受システムは、磁気浮上軸受システムを含み、また、セラミック軸受システムを含むことができる。帯電した粒子源は、ロータの高圧端部に配置することができる。
【００２１】
本発明の別の形態は、ポンプハウジングと、ハウジング内にて回転し得るよう取り付けられたターボ分子ポンプロータと、ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、ロータの静電荷を放電し得るようロータと接触した接地した導体とを含む、ターボ分子真空排出ポンプである。
【００２２】
接地した導体は、ロータの高圧端部と接触するようにすることができる。接地した導体は、接地した線とし、また、ばね荷重式接点とすることができる。接地した導体は、ロータと実質的に常時接触するようにすることができる。
【００２３】
上記の実施の形態におけるように、絶縁性軸受システムは、磁気浮上軸受システムを含み、また、セラミック軸受システムを含むことができる。接地した導体は、実質的にロータの回転軸線の上にてロータの一部分と接触するようにすることができる。
【００２４】
本発明の更なる形態において、ポンプハウジングと、ハウジング内にて回転し得るよう取り付けられたターボ分子ポンプのロータと、ロータを回転可能に支持し且つロータをハウジングから電気的に絶縁する絶縁性軸受システムと、ロータの静電荷を減少させるロータの静電荷放電器とを含む、ターボ分子真空ポンプが提供される。
【００２５】
ロータの静電荷放電器は、ハウジングに取り付けられ且つロータとの電気的接触を維持するよう配置された接地した線とすることができる。ロータの静電荷放電器は、これと代替的に、逆極性の帯電した粒子をロータに向け得るよう配置された帯電した粒子源としてもよい。ロータの静電荷放電器は、同一極性の帯電した粒子をロータから離れる方向に向けるよう配置された帯電した粒子源としてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に従い、磁気浮上式ロータ又はさもなければステータから電気的に絶縁されたロータを有するターボ分子ポンプは、作動中、ロータ上に蓄積するであろう全ての静電荷を減少させ又は制御する機構を含む。図２に示した本発明の第一の実施の形態において、ステータハウジング２０５は、当該技術にて周知であるように締結具（図示せず）を使用して互いに締結されたステータ２０６と、端部カバー２０３とを含む。ステータ２０６は、ステータブレード２０７を含む。
【００２７】
ロータ軸２１０に固定されたロータ２１１がステータハウジング２０５内にて回転可能に支持されている。ロータ２１１は、当該技術にて既知であるように、ステータブレード２０７と相互作用し、ポンプ吸込み口２０９からポンプ排出口２０８の方向に向けてガス分子に対しモーメントを付与するロータブレード２１２を含む。
【００２８】
ロータ軸２１０は、ハウジング２０５の穴内に押し込まれる１対の磁気浮上軸受２３０、２３１により支持されている。作動されたとき、磁気浮上軸受２３０、２３１は、ロータ軸２１０の回転軸線２３９をハウジング２０５又は磁気軸受２３０、２３１と何ら接触することなく磁気的に適切な位置に維持する。同時に、軸方向磁気浮上軸受２３５は、同様に接触することなく、ロータ軸２１０を軸方向位置に維持する。
【００２９】
参照番号２３８にて概略図的に示した電気モータは、加速及びブレーキ作用トルクを提供する。通常の作動状態下にて、ロータは、ポンプの寸法に依存して３０，０００ＲＰＭないし４０，０００ＲＰＭを超える速度で回転することができる。
【００３０】
図２に示したボール軸受２２０、２２１のような補助軸受は、磁気浮上軸受２３０、２３１、２３５が破損し又は関係した電源が停電した場合、ステータハウジング２０５内にてロータ軸２１０に対する支持体を提供する。補助軸受２２０、２２１は、また、ポンプが始動及び停止する間、軸２１０に対する多少の支持体を提供する。補助軸受２３０、２３１、２３５は、ポンプ２００の通常の作動中、ロータ軸２１０からステータハウジング２０５までの電気路を形成しない。それは、ロータ２１０は、これらの軸受と接触せずに、懸架状態に維持されるからである。
【００３１】
図２に示した実施の形態において、電気的に接地した線２５０は、ステータの端部カバー２０３に取り付けられ且つ、ロータ軸２１０と連続的に接触している。該線は、ロータ軸２１０に対して機械的に偏倚させ、線とロータ軸の一方又はその他方が磨耗した後、これらの接触状態を維持することができる。線は、更に、接触領域内にて炎焼入れしたばね鋼線のような、磨耗を最小にする高硬度材料にて製造されている。
【００３２】
線２５０とロータ軸２１０との間の接触力は、磨耗を更に少なくし且つ、軸方向軸受２３５により加えられた磁気浮上力に対してロータの過度の偏倚を回避し得るよう最小でなければならない。しかし、接触力は、線２５０とロータ軸２１０との間に少なくとも断続的に電気的連続性を保証するのに十分でなければならない。
【００３３】
線２５０とロータ軸２１０との接触点は、ロータの回転軸線２３９付近にある。このようにして、線における接触点に対するロータの表面速度は最小となり、磨耗を減少させる。
【００３４】
線２５０は、これと代替的に、ロータ軸に半径方向（図示せず）に向けて接触するよう配置してもよい。この場合、また、軸方向に配置する場合にて、２つ以上の接触線を対向する方向に向けて配置し、線の偏倚に起因して軸に加わる力を打ち消すことができる。
【００３５】
本発明の線２５０は、さもなければロータ上に蓄積するであろう静電荷に対する電気的接地路を提供する。ロータは、導電性材料にて出来ているため、発生した全ての電荷はロータの回りにて分配され、局所的領域内に蓄積することはないであろう。線２５０は、電荷がロータ上に蓄積せずに、接地まで流れるための経路を提供する。
【００３６】
本発明の当該実施の形態の変更例が図３のターボ分子ポンプ３００にて詳細に示されている。ロータ３１０は、端部カバー３０３のような、ハウジングの１つの構成要素に対して回転する。端部カバー３０３上には、接点本体３２１及び接点先端３２０を含む電気接点３２２が取り付けられている。接点先端３２０は、ばね３２３によりロータ３１０に対して機械的に偏倚されている。先端は、ロータの回転中心にてロータ３１０と接触し、相対的な表面速度及び磨耗を最小にする。
【００３７】
上述した線と同様に、電気的接点３２２は、ロータ軸３１０とハウジング３０３との間に接地路を提供し、静電荷の蓄積を防止する。
図４に示した本発明の別の実施の形態４００において、電界放出先端装置４２２がロータ４１０に固定されている。例えば、先端４２２は、ロータ中心軸４０３に装着されたロータベーン４２０と一体的とすることができる。電界放出先端装置４２２は、１０ないし５０ｎｍの範囲の先端半径を有する円錐形のカソードを含む。電界放出先端装置は、また、カーボンナノチューブを使用して形成することもできる。ナノチューブは、直径が約１ないし３ナノメートルの合成分子系炭素構造体である。かかる構造体は、当該技術の当業者に既知である。その何れの場合でも、ナノチューブの先端又は直径に比例した、極めて大きい電界勾配が形成される。
【００３８】
十分に大きい電界勾配によって先端のバルク材料中の電子は物理的に剥ぎ取られる。形成される放出現象は、電界の放出と称される。電子が先端から逃げたとき、静電界は、力を作用させて電子がカソードから離れる軌跡に従うようにする。ロータから放出された電子は、電界線に従い、ステータ４３０まで移動し且つ、電気的接地に消失する。
【００３９】
これにより、電界放出先端４２２からの電子の流れ４２３は、さもなければ、ロータ４１０上に蓄積するであろう電荷の密度を低下させる。電界放出先端装置４２２は、高い気体圧力によって低放出電圧にて放出電流を増大させるであろうターボ分子ポンプの低真空圧の端部に配置されることが好ましい。
【００４０】
電界放出先端又は別の帯電した粒子源は、これと代替的に、ステータ上に配置してもよい。かかる配置において、粒子源は、ステータから出る正電荷源でなければならない。例えば、ロータとステータとの電界内にてプラズマ放電を生じさせることができる。
【００４１】
上記の詳細な説明は、あらゆる点にて説明のためで且つ一例であるが、限定的ではなく、また、本明細書に開示した本発明の範囲は、本発明の説明ではなくて、特許法により許容される全範囲に従って解釈される特許請求の範囲から判断されるべきであることが理解される。例えば、該システムは、ターボ分子ポンプに関して説明したが、該システムは、磁気浮上軸受を利用し、従って、さもなければ接地されないロータを有するその他の装置における電荷の蓄積を制限するため使用することができる。開示し且つ本明細書に記載した実施の形態は、本発明の原理の単に一例であり、当該技術の当業者は、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、色々な改変形を具体化することが可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】アルゴンガス中のタングステン電極の場合、圧力と空隙の距離との組み合わせに対して描いたパッシェン曲線を示すグラフである。
【図２】本発明の１つの実施の形態に従ったターボ分子ポンプの概略断面図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に従った真空ポンプの一部分を示す概略図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態に従った真空ポンプの一部分を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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