(57)【要約】【課題】耐食性及び高輻射率の両方の性能を備えたロータを適用したターボ分子ポンプを提供する。【解決手段】アルミニウム合金からなる基材上に無電解メッキにより形成されるニッケル層と、該ニッケル層の上にカチオン電着塗装により形成されるエポキシ系樹脂層とを有するロータを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
2006233978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金からなる基材上に無電解メッキにより形成されるニッケル層と、該ニッケル層の上にカチオン電着塗装により形成されるエポキシ系樹脂層とを有するロータを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、ターボ分子ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスは、光学的処理や化学的処理等からなる様々な工程により実現される。光学的処理の代表例としては、ウェハ面への回路パターン焼き付けを行う露光処理が挙げられ、化学的処理では例えば、ウェハ面において薄膜を作製する等の表面処理、エッチング処理、洗浄処理等が挙げられる。また、これらの処理を実現するためには、光学的処理においては露光装置、化学的処理においては様々な化学薬品やこれを安全に取り扱うための各種機器が用いられる。これら様々な工程又は各種装置及び機器においては、半導体の更なる高集積化等への要求が高まりつつある中で、それぞれが技術的に高度な水準を要求されており、また更なる発展をも図るべく関係各所にて鋭意研究、開発が進行することとなっている。
【０００３】
その中で特に具体的技術を挙げると、化学的処理である表面処理工程に注目すれば、上述した薄膜製造技術として、半導体プロセスにおいては必須となった技術としてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術がある。このＣＶＤとは、ウェハ等の基板上に対して原料ガスを供給し、当該基板上でのガスの吸着及び化学反応を経て、その基板上に所望の薄膜を形成する技術である。この技術は、ゲートの薄膜化、配線間容量低減等の半導体高集積化を実現するためには欠くことのできないものとなっている。
【０００４】
ところで、上記ＣＶＤを実現するためには、ガスの安定した供給を実現するための機器、また、基板面上の化学反応を有効に進行させるよう、その基板面周囲の領域をクリアに保つ環境保持用の機器等が必要となってくる。なお、ＣＶＤにおいて使用されるガスとは、一般に極めて有毒性が高いものが多く、その取り扱いには十分な注意が必要となっている。したがって、ガス供給用機器、またそれを回収する機器に関してはその点に対する配慮が不可欠である。また、「基板面周囲の領域をクリアに保つ」方法としては、具体的には真空雰囲気を現出させる手段が一般的にとられ、したがって、それを実現するため真空排気系が用意されることとなる。
【０００５】
上記真空排気系としては、一般に大気圧からの多段階排気を可能とするようロータリポンプ、デフュージョンポンプ、ターボ分子ポンプ等、複数のポンプにより構成されたものが利用される。このうち、ターボ分子ポンプをも含めた構成となる真空排気系では、その真空度が約１０−１０Torrにまでも達する超高真空が実現される。なお、ターボ分子ポンプとは、周知のように、約90000rpmで回転するロータにより気体分子を圧縮しつつ排気するような構成を備えたものである。ここでロータとしては、これが上述したように非常に高速で回転する部材であるため、軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金をその材質として選択されるのが一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＣＶＤにおける上記有毒なガスの中においては、腐食性を有するガスが存在する。例えば、乾燥した塩素ガスＣl２は、アルミニウムを腐食させることが知られている。一方で、真空排気系として用意されたターボ分子ポンプは、当然のことながらＣＶＤの利用に供されるガスをも吸引することになる。また、ターボ分子ポンプを構成するロータは、上記したようにアルミニウム合金製であった。これらのことから明らかなように、一般にＣＶＤ等を含む半導体プロセスにおいて、ターボ分子ポンプを利用することに関しては、大きな注意を払う必要がある。すなわち、有毒なガスによるロータ部材の腐食を回避し、常に安定した排気系の運転を可能ならしめるような技術的課題が存在しているといえる。
【０００７】
また、ターボ分子ポンプに係る技術的課題は、上記事情だけに限られるものではない。すなわち、そのロータは、より熱を放散しやすいような、つまり輻射率が高くなるような構成とする必要がある。これは、ロータが上述したように非常に高速で回転することで大量の熱を発生するためである。また特に、想定気体吸入量よりも多くの気体をロータが吸引するような事態が発生した場合、発生する熱量は劇的に増加する。この発生した熱をそのままに放置しておけば、やがてロータ動翼にクリープが発生する等して、ターボ分子ポンプの動作に大きな影響を及ぼすこととなる。しかし一方で、ターボ分子ポンプは超高真空度における運転が想定されているため、ロータが回転動作する雰囲気においては、通常期待し得るような対流現象による熱の放散が促されることがない。したがって、この問題はより深刻な技術的課題として現前しているといえる。
【０００８】
今挙げた二つの課題は、一般にこれらを解決しようとすると、互いに相反する性格のものである。つまり、前者の課題を解決する対策として、従来、ロータ表面にニッケルメッキ処理を施す等して耐食性を備えさせる等の手段がとられてきたが、この場合輻射率が十分でなくロータに発生する熱を速やかに放散させることができなかった。また逆に、後者の課題を念頭に置き、ロータ表面に輻射率の大きい塗膜を施すことを考えると、この場合は耐食性が不十分で即座にガスにより腐食されてしまうことになる。またさらに、ニッケルメッキ表面に酸化処理を施す等により輻射率を高めるよう試みた場合であっても、十分な輻射率を得ることは極めて困難であり、二つの課題を同時に解決することはできなかった。
【０００９】
要は、従来までにおいては、上記二つの課題を一挙に解決するような効果的な手段が開発されておらず、したがって、実際上の対策は、ターボ分子ポンプの運用面において十分な注意を喚起するに留まっており、このためユーザには余計な負担をかけることとなっていた。なお上記までに述べたことは、ターボ分子ポンプに限られることではない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、耐食性及び高輻射率の両方の性能を備えたロータを適用したターボ分子ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段をとった。すなわち、請求項１記載のターボ分子ポンプは、アルミニウム合金からなる基材上に無電解メッキにより形成されるニッケル層と、該ニッケル層の上にカチオン電着塗装により形成されるエポキシ系樹脂層とを有するロータを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載した発明によれば、ニッケルを材質とした金属メッキ層、及びその上面に形成されるエポキシ形樹脂を材質とした樹脂層とを有することから、十分な耐食作用及び高い輻射率の双方の性質を兼ね備えたものであるということがいえる。したがって、超高真空等、熱の放散が困難な雰囲気であって、かつ腐食性ガスが流通するような環境において、本ポンプ部材は、効果的な熱の放散能力及び腐食性ガスに対する対抗能力を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。図１は、ターボ分子ポンプＰの構成を示している。なお、本実施形態においては、請求項でいうポンプ部材として、図１に示すロータ４がそれに該当するものとしての説明を行う。以下では、まずターボ分子ポンプＰの構成を説明した後に、ロータ４表面上に形成された表面処理層Ｓ（図２）に関する説明を行い、最後に当該表面処理層Ｓを中心として、ロータ４の製作方法に関する説明を行うとともに、その表面処理層Ｓの性質に関して説明することとする。
【００１４】
ターボ分子ポンプＰは、上半部１ａ及び下半部１ｂとからなるケーシング１内部に各種機器が備えられた構成となっている。このケーシング１においては、その上半部１ａに吸気口１ｃ、下半部１ｂに排気口１ｄが、それぞれ形成されている。
【００１５】
ケーシング１内部におけるロータ室２には、ロータ４が配設されている。ロータ４は、鉛直に立設されたロータシャフト４ａと、当該ロータシャフト４ａ周囲に放射状に配置された動翼５とを備えた構成となっている。また、ケーシング上半部１ａには静翼３が固定されている。このロータ４は、後述するように高速回転する部材であるから、一般には軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金等をその材質として選択するのが好ましい。
【００１６】
前記ロータシャフト４ａの下端部には、スラスト磁気ディスク６が備えられている。このスラスト磁気ディスク６の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受け８が設けられている。また、ロータシャフト４ａとケーシング下半部１ｂとの対向面における上方及び下方には、それぞれラジアル磁気軸受け７ａ、７ｂが設けられている。さらに、ロータシャフト４ａ上端部にラジアル用上部保護軸受けとして設けられたボールベアリング９、同下端ネック部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受けとして設けられたボールベアリング１０が設けられている。そして、ケーシング下半部１ｂには、ロータ駆動用モータ１１が設けられている。
【００１７】
本実施形態におけるターボ分子ポンプＰは、上記構成から明らかなように、軸受けとして能動型磁気軸受けを有し、これらとロータ駆動用モータ１１の発生する駆動力とにより、ロータ４の回転が実現されるものとなっている。このとき、ロータ４の回転速度は約90000rpm（1500回転/秒）になるとともに、その温度は通常運転時においても約130℃程にも達することになる。なお、本発明は、ターボ分子ポンプＰの構成に関してこのことに限定されるものではなく、ボールベアリング型及びその他の軸受けを使用したターボ分子ポンプにおいても適用可能なことはもちろんである。
【００１８】
上記構成となるターボ分子ポンプＰは、例えば、半導体プロセスで利用されるＣＶＤ装置等に、ロータリポンプ、デフュージョンポンプ等と共に排気系の一部として付設され使用される。すなわち、ＣＶＤ装置に同時に付設されるチャンバ内の排気を行うことを目的として利用されることになる。なお、ＣＶＤ装置においては、前記チャンバ内に基板面上と化学反応させるためのガスが供給されることになるから、ターボ分子ポンプＰはこのガスをも必然的に吸引することになる。ところで、このガスは、前にも述べたように一般に有毒なものが多く、アルミニウムに対して腐食作用を有するトリメチルガリウムＧa(ＣＨ３)３や乾燥した塩素ガスＣl２等の場合には、ターボ分子ポンプＰ、すなわちアルミニウム合金製のロータ４にとって特に問題のあるガスであるといえる。なお、半導体プロセスにおいて、一般に広く用いられるガスとしては、これらの他、モノシランＳiＨ４、フォスフィンＰＨ３、アルシンＡsＨ３、ジボランＢ２Ｈ６、セレン化水素Ｈ２Ｓe、モノゲルマンＧeＨ４、ジシランＳi２Ｈ６等が挙げられる。
【００１９】
次に、ロータ４に関してその構成を詳しく説明する。図２は、ロータ４を構成する動翼５の断面図を一部拡大して示した図である。ロータ４、すなわち動翼５は、上述したように、アルミニウム合金により構成されている。より具体的には、JIS2014やJIS2618等の、JIS種別番号で2000番台のアルミニウム合金（Ａl-Ｃu系合金）を用いるのが好ましい。
【００２０】
ロータ４における全表面上には、表面処理層Ｓが形成されている。この表面処理層Ｓは、図２拡大図に示すように大きく二層構造とされており、その第一層が金属メッキ層Ｓ１、第二層が樹脂層Ｓ２とされている。前者、金属メッキ層Ｓ１としては、本実施形態においては、ニッケルを材質とし、これを無電解メッキにより形成したものとなっている。より具体的には、Ｎi-Ｐ合金、又はＮi-Ｂ合金として形成されたものとなっている。また、樹脂層Ｓ２としては、エポキシ系樹脂をカチオン電着塗装により形成したものとなっている。
【００２１】
上記金属メッキ層及び樹脂層はその厚さとして、それぞれ約50μｍ、約20μｍ程度であることが好ましい。金属メッキ層の厚さに関していえば、それが50μｍを越えるようだとロータ４の回転に負担となる可能性があり、また逆に、あまり薄すぎれば耐食性作用が十分に得られないことが考えられる。これが、50μｍという厚さが最も好ましいものとされる理由である。また、樹脂層の厚さに関しても同様である。なお、表面処理層Ｓ全体からみた厚さとしては（この例では70μｍ）、上記したようにロータ４の回転性能との兼ね合いでそれを考えなければならないことから、可能な限り薄くするほうがより好ましい状態であるということがいえる。
【００２２】
また、上記した金属メッキ層と樹脂層との間には、中間層ＳＭが設けられている。この中間層ＳＭは、塗装下地用Ｃrフリー表面処理薬剤を用いて金属メッキ層Ｓ１表面を化成処理することによって形成される非晶質有機金属の皮膜である。この中間層ＳＭの存在により、金属メッキ層Ｓ１と樹脂層Ｓ２との密着性は向上し、また、耐食性を強化する作用が得られることとなる。
【００２３】
このような表面処理層Ｓを含むロータ４は、次に示すような手順で製作されることになる。まず、円筒状に加工されたアルミニウム合金を準備し、この表面がロータ４の外形形状におおよそ一致するように旋盤等で削り加工を行う。そしてさらに、この表面から複数の動翼５の形状を粗く削りだす加工を行った後で、これら各々の動翼５に対して、放電加工、マシニングセンタ加工等の手法により精密な形状を最終的に付与していく。これでロータ４に関する形状加工は終了し、次に表面処理層Ｓの形成工程へと進む。したがってこの時点におけるロータ４が、請求項でいう「基材」にあたることになる。
【００２４】
まず、上記ロータ４に対して、上述した金属メッキ層Ｓ１を形成する。ただし、その前にロータ４表面に関する洗浄、エッチング等の前処理を実施する。金属メッキ層Ｓ１は、すぐ後で述べるように、無電解メッキにより形成されるのであるが、この前処理は当該無電解メッキの前処理として通常行われているものと特別相違はない。簡単に順を追っていえば、アルカリ脱脂、エッチング、スマット除去、第１ジンケート処理、ジンケート剥離、第２ジンケート処理、中和処理という各処理により本実施形態における前処理は構成されている。ちなみに、上記各処理間には水洗処理が挿入されることとなるのは言うまでもない。
【００２５】
金属メッキ層Ｓ１の形成は、上記前処理が完了しその水洗を行った後、無電解メッキ法により行われる。無電解メッキとは、金属のカソード析出と還元剤のアノード酸化が同時に起こる条件で化学的に進行するメッキ方法である。すなわち、電気メッキのように外部に直流電源を設けるのとは異なり、還元剤の放出する電子を金属イオンが受け取ることによって、金属析出が自動的に進行することになる。本実施形態においては、金属としてＮi-Ｐ合金を選択し、これを上記ロータ４表面上に析出させるようにした。
【００２６】
無電解Ｎi（Ｎi-Ｐ）メッキの工程は、具体的には以下のようにとり行う。まず、適当な容器に還元剤であるホスフィン酸ナトリウム水溶液を注入しておく。本実施形態においては、市販により容易に入手可能なトップニコロンＢＬ-Ｍ及びＢＬ-１（奥野製薬製）を使用した。なお、濃度は水溶液１リットルにつき、それぞれ100ml、60mlとした。無電解Ｎiメッキは、この水溶液を90℃に保つとともに、上記ロータ４を４時間浸漬させると完了する。
【００２７】
なおこの場合、電気メッキによるＮiメッキとは異なり、ロータ４表面上には均一なＮi-Ｐ層を形成することが可能となる。というのは、ロータ４は、図１に示すように極めて複雑な形状なものとなっているため、これに仮に電気メッキを適用したとすると、突起部（例えば、動翼５の先端等）に電流が集中することとなり、その部分のメッキが他の部分よりも進行することとなって、ロータ４全体として不均一なメッキ層が形成される可能性が大きいからである。したがって、無電解メッキ法を採用することは、ロータ４のような複雑形状の部材に対しては非常に有効であるといえる。
【００２８】
金属メッキ層Ｓ１の形成が完了したら、当該金属メッキ層Ｓ１表面に関して化成処理を行う。これは、次なる樹脂層Ｓ２のカチオン電着塗装の前処理にあたる。この化成処理を行うことにより、非晶質有機金属皮膜からなる中間層ＳＭが形成され、上記金属メッキ層Ｓ１と樹脂層Ｓ２の密着性向上が図られることになる。この中間層ＳＭの形成方法は、具体的には、ステンレス鋼に電着塗装を実施する際に通常とられる化成処理を行う方法に依ればよい。例えば、次のような工程により中間層ＳＭは形成される。まず、金属メッキ層Ｓ１表面の洗浄、乾燥を行う。そして、温度が常温から40℃程度とされたパルコート3841（市販品、日本パーカ製）水溶液中にロータ４全体を５〜30秒浸漬させる。最後に、これを引き上げ水洗することなしに乾燥させれば完了である。
【００２９】
中間層ＳＭの形成が完了したら、次に樹脂層Ｓ２の形成を行う。この樹脂層Ｓ２の形成はカチオン電着塗装により行われる。カチオン電着塗装とは、樹脂を中和剤で中和しイオン化した水溶液中に、被塗物を浸漬して直流電圧をかけることにより、被塗物上で電気永動、電気分解、電気析出、電気浸透を生じさせ、当該被塗物上に樹脂塗膜を形成させる方法である。特に「カチオン」とは、電着塗料がプラス電荷を帯びている状態であることを示しいるとともに、塗膜形成機構としてはエポキシ系樹脂のイソシアネート部分が反応することに依るものとなっている。なお、このカチオン電着塗装に対してアニオン電着塗装という方法も存在するが、前者の方が大幅に耐食性が良い等の理由により、現在市場で使用されているのはほとんどがカチオン型となっている。
【００３０】
本実施形態においては、具体的に次のような工程により樹脂層Ｓ２の形成をはかる。まず、適当な容器に上記したようなエポキシ系の電着塗料を含む水溶液を注入しておく。また、前記容器内部における側壁近傍には、グラファイト製等のプラス電極を設置しておく。このような容器に、上述までの工程を終えたロータ４を浸漬し、これと前記プラス電極とを直流電源を介して電気的に接続する。すなわち、この場合ロータ４は陰極となる。この後、プラス電極とロータ４との間に、150Ｖの電圧をかけ、その状態を２〜３min間保持する。すると、上記した塗膜形成機構により、ロータ４表面上にはエポキシ系樹脂による塗膜、すなわち樹脂層Ｓ２が形成されることになる。
【００３１】
なおこの場合、カチオン電着塗装を適用する利点として一般に言われているとおり、ロータ４のような複雑形状のものに関しても、均一な樹脂層Ｓ２の形成が行われる。また、この樹脂層Ｓ２は、塗膜のタレ、溶け落ち等のない高品質なものともなっている。また、樹脂層Ｓ２の下地に対する密着性は、前記中間層ＳＭの存在も相俟って、極めて強固なものとなる。
【００３２】
最後に、上記工程を終えたロータ４には、水洗処理を施した後、ベーキング処理を実施する。具体的には、焼成炉等で190℃、30min間程度の条件で実施すればよい。これは、カチオン電着塗装直後において存在するブロック剤を脱離させると同時に塗膜の架橋を実現し、樹脂層Ｓ２の密着を確実なものとするために行われるものである。
【００３３】
以上のような製作過程を経て得られた表面処理層Ｓを含むロータ４に関して、当該表面処理層Ｓに関する輻射率εの計測及び耐食性試験を行った結果を表１にまた、超高真空雰囲気において実際にロータ４を稼働させたときの当該ロータ４の温度計測結果を表２にそれぞれ示す。なお、耐食性試験は、ＨＣl水溶液にロータ４全体を浸漬し、基材の腐食がいつ始まるかという時間を計測することによってその評価を行った。
【００３４】
【表１】
2006233978.tif 000003
【００３５】
【表２】
2006233978.tif 000004
【００３６】
表１及び表２において、本実施形態の表面処理層Ｓと比較の対象とされている二例は、そのそれぞれが、基材上に無電解Ｎiメッキのみを施したもの、基材上に陽極酸化被膜を形成したもの、となっている。まず、表１からわかるように、においては輻射率εが0.2であるのに対し、本実施形態の表面処理層Ｓにおいてはε=0.9と飛躍的に向上していることがわかる。このことをふまえて、表２における温度計測結果において及び本実施形態とを比較すると、前者においてはその温度が130℃まで上昇しているのに対して、本実施形態においては100℃に抑えられていることがわかる。また、表１に戻り、においては輻射率εは0.9と本実施形態と同値であるが、耐食性試験では１時間後に基材の腐食が始まっているのに対し、本実施形態における表面処理層Ｓは、168時間浸漬しても腐食が始まらなかった。
【００３７】
このように、本実施形態における表面処理層Ｓは、高い輻射率及び優れた耐食性の双方の性質を備えたものとなっていることがわかる。したがって、この表面処理層Ｓが形成されたロータ４を、上で説明したターボ分子ポンプＰに備え、さらにこれをＣＶＤ装置等に設置する場合を考えると、ロータ４から発生する熱を超高真空下においても有効に放散させ得て、動翼５等がクリープ破損する可能性を極めて小さく抑えることが可能となるとともに、腐食性ガスにロータ４が曝されていても、簡単に腐食されるようなことがなくなる。すなわち、常に安定したターボ分子ポンプＰの運転を実施することができるとともに、ひいては、極めて信頼性の高い半導体プロセスの実施を支援することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態においては、ポンプ部材として、ターボ分子ポンプＰにおけるロータ４がそれに該当するものとしての説明を行ったが、本発明はこのことに限定されるものではない。つまりその他、真空雰囲気下において熱を発生し、かつ腐食性ガスに曝されるような可能性のあるロータ４以外のポンプ部材に対しても、本発明は適用可能である。なお、この場合におけるポンプ部材とは、ターボ分子ポンプＰに限らず、上記で例示したようなロータリポンプ、デフュージョンポンプ等におけるポンプ部材もその概念内に収めるものである。
【００３９】
より言えば、本発明は、上記したような環境で用いられる可能性のある部材であれば、ポンプ部材に限らず一般にどのようなものであっても、その表面に上記実施形態にて説明したような当該表面処理層Ｓを形成して、その作用効果を享受することを妨げるものではない。つまり、本発明はこのこともその範囲内に収めるものである。
【００４０】
さらに、金属メッキ層Ｓ１としては、上記したＮi-Ｐ合金の他、Ｎi-Ｂ合金やＣr、Ｃo、また場合によってはＡu等、無電解メッキにより形成可能な金属に置換可能である。また、樹脂層Ｓ２としては、上記エポキシ系樹脂の他、アクリル系樹脂をその代用として用いてもよい。この場合、上記したカチオン電着塗装を実施することなく、通常の塗膜形成方法によって樹脂層Ｓ２を得るようにしても良い。ただしこのときは、例えばロータ４の高速回転によっても剥離が生じないような付着強度が得られるよう十分な注意を払う必要がある。いずれにしても、これらのこと全ては本発明の概念の範囲内にあるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ターボ分子ポンプの構成を示す一部断面視した斜視図である。
【図２】ロータの一部を拡大視した断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
４  ロータ
Ｐ  ターボ分子ポンプ
Ｓ  表面処理層
Ｓ１  金属メッキ層
Ｓ２  樹脂層
【図１】
2006233978.tif 000005
【図２】
2006233978.tif 000006