(57)【要約】【課題】腐食性ガスに対する耐食性と高温化した部品の放熱性を向上させること。【解決手段】真空ポンプＰのポンプケース１に内蔵されるロータ１１において、アルミニウム合金製の母材４１の上に耐食性に優れたニッケルをコーティングしたニッケル合金層４２を形成し、かつこのニッケル合金層４２の表面にニッケルを酸化させて高放射率のニッケル酸化物４４を形成した表面処理層４２を設けるものとする。【選択図】図２
2005320905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプケース内で回転可能に支持されたロータの回転運動により、真空チャンバ内のガス分子を吸引して排気する真空ポンプであって、少なくともポンプの流路を構成する部品の表面にニッケル合金層が設けられ、そのニッケル合金層の表面にニッケル酸化物が生成されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載された真空ポンプにおいて、ニッケル酸化物はニッケル合金層の表面に酸化剤を反応させて酸化させたものであることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載された真空ポンプにおいて、ニッケルめっき液中にニッケル金属粒子を混入して無電解めっきを施すことによりニッケル合金層の表面にニッケル金属粒子による凹凸が形成され、この凹凸を有するニッケル合金層の表面にニッケル酸化物が生成されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載された真空ポンプにおいて、ニッケル合金層が二層以上に積層されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載された真空ポンプにおいて、ロータはその外壁面に複数段のロータ翼を備え、このロータ翼間に交互に位置決め固定された複数段のステータ翼が設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された真空ポンプにおいて、ロータを回転可能に支持する構造が磁気浮上式の軸受構造であることを特徴とする真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置に使用される真空ポンプにおいて、特に耐食性と放熱性を向上させた表面処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造装置では、真空チャンバ内を減圧して所定の真空度を得るために真空ポンプが使用されており、この種の真空ポンプとしては運動量輸送式のターボ分子ポンプが知られている。ターボ分子ポンプは、ロータと一体化したロータ軸がポンプケース内に回転可能に支持されており、ロータの外壁面に複数段のロータ翼が設けられ、ポンプケースの内壁面にはロータ翼間に位置決めされた複数段のステータ翼が設けられている。そして、真空チャンバ内を所定圧にした後でロータを高速回転させると、回転するロータ翼と固定されたステータ翼が、これに衝突したガス分子に対して運動量を付与して移送する排気動作が行われる。この排気動作によって、真空チャンバからポンプケース内に吸引したガス分子を圧縮しながら排気することで真空チャンバ内が減圧される。
【０００３】
ところで、半導体製造におけるドライエッチングやＣＶＤのプロセスでは、プラズマ反応を利用したエッチングやクリーニングを行う際に反応性の高い塩素系やフッ素系のプロセスガスが真空チャンバ内に導入される。このプロセスガスは一般に金属に対する侵食性が非常に強いため、これを吸引して排気するターボ分子ポンプでは、ポンプケースに内蔵される各種部品に高度な耐食性が求められる。これらの部品のうち、ロータのような高速回転する部品は、比強度と軽量化の観点から通常アルミニウム合金等の軽合金で構成されているが、アルミニウム合金は特に塩素系のガスに対する耐食性が充分ではない。このため、従来はアルミニウム合金の上に例えばニッケル合金等の耐食性に優れた金属をめっき処理することが広く行われている。
【０００４】
一方、こうしたターボ分子ポンプでは、吸引されたガス分子がロータ翼とステータ翼に衝突して圧縮され、この衝突時の摩擦熱と圧縮時の圧縮熱によって、ロータとロータ翼からなる回転体が加熱されて高温化する。また、回転体の定格回転数は一般に２万〜５万ｒｐｍと高速であり、回転体は遠心力による大きな引張応力を受ける。このため、長時間にわたり運転を続けると、高温化して引張応力を受けた状態の回転体は塑性歪みが徐々に増加してクリープ変形が起こり、微小な隙間を隔てて対峙した固定側に接触してしまう。すると、この接触が原因で回転体の一部に亀裂が生じ、そこに応力が集中して回転体が破損する恐れがある。
【０００５】
このように、ターボ分子ポンプにおいて回転体破損が発生するのは高速運転時における回転体の過熱が主な原因と考えられるので、これを防ぐためには、回転体に蓄えられた熱を効率良く放熱して冷却を行うことが肝要である。そのような方法には大別して伝導放熱と輻射放熱の二つがある。前者の伝導放熱の例では、軸受を通じて熱伝導を行う方法とガスを通じて熱伝導を行う方法が、また後者の輻射放熱の例では、ロータの熱を固定側の部品に輻射させて熱伝達を行う方法がそれぞれ知られている。
【０００６】
ところが、前者の軸受を利用した伝導放熱の場合には、例えばロータが磁気浮上式の軸受で支持されていると、ロータ軸と軸受が非接触であるため、ロータの熱をロータ軸から軸受に対して直接熱伝導させることは不可能である。また、ガスを利用した伝導放熱の場合には、例えばアルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスのようにガス分子の熱伝導率が低いガスを排気するときには、ガスを通じた熱伝導がほとんど期待できない。そこで水素やヘリウムのように熱伝導率の高いパージガスをポンプケース内に充填して熱伝導させることも考えられるが、この場合、ポンプケース内にガスが多量に流れることでポンプケース内や真空チャンバ内の圧力が大きく変動するため、放熱できる熱量が制約されてしまう。
【０００７】
したがって、回転体の冷却は後者の輻射放熱によることになるが、このときロータに前述したようなニッケル合金めっきが施されていると、ロータの表面から放射される熱量が減少し放熱性が著しく低減してしまう。その理由は、ロータを構成するアルミニウムの放射率が約０．３であるのに対し、ニッケルの放射率は約０．１〜０．２であり、ニッケル合金めっきを施すことでロータ全体の放射率が低下するためである。
【０００８】
ここで放射率とは、ある物体における熱放射の輝度と同温度の黒体における熱放射の輝度との比率、換言すれば最も放射熱量が大きい黒体に対する物体の放射熱量の割合について黒体を１として表わしたものであり、物体が黒色に近づくほど放射率が高くなり、その表面から放射される熱量が増加する。つまり、腐食性ガスに対する耐食性を向上させるためにアルミニウム合金製のロータに例えばニッケル合金めっきを施すと、ロータ表面から放射される熱量が少なくなって固定側への輻射伝達が行われにくくなり、回転体を効率良く冷却することができなくなるという不具合が生じる。
【０００９】
なお、特許文献１にはアルミニウム合金製のロータの表面にセラミックス粒子を含有した金属めっき層を施す技術が開示されている。この技術によると、セラミックス粒子の放射率が約０．７〜０．８であるため、その表面から放射される熱量は増加するものと考えられる。しかし、このセラミックス粒子はニッケル合金中に分散されたものであり、表面積の大部分を占めるニッケル合金から放射される熱量が依然として少ないため、金属めっき層の表面全体の放射率はそれほど高くはならず、ロータの放熱性が充分なものとはいえない。そこで、セラミックス粒子の含有率を増加させることも考えられるが、この場合にはセラミックス粒子を繋ぎ止めているニッケル合金の結合力が弱くなり、高速回転中の遠心力でセラミックス粒子が金属めっき層から剥がれ落ちてしまう可能性があるので望ましくない。
【００１０】
さらに、特許文献２には、真空ポンプ内の部品の表面に、黒色ニッケル合金や黒色クロム合金の中にセラミックや樹脂等の微粒子を添加したコーティング層を設けて、部品表面の放射率を向上させる技術が開示されている。また、溶射によりセラミック層を部品の表面に形成したり、あるいはポリマー等のバインディング剤にセラミックを混入し、それらを塗装や接着等により部品の表面に層形成したりといったことは、一般的に行われていることである。ところが、これらの方法では、添加物やバインディング剤として用いるポリマーにはニッケル合金層ほどの耐食性がなく、その部分から腐食が進行し、母材が侵されるという問題があった。また、溶射では多孔質な層しか得られないため、その孔から母材に腐食性ガスが侵入して腐食されてしまうという問題が考えられる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２５７２７６号公報
【００１２】
【特許文献２】特開２０００−１９３６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、特に真空ポンプにおいて、腐食性ガスに対する耐食性と高温化した部品の放熱性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を解決するため、本発明は、ポンプケース内で回転可能に支持されたロータの回転運動により、真空チャンバ内のガス分子を吸引して排気する真空ポンプであって、少なくともポンプの流路を構成する部品の表面にニッケル合金層が設けられ、そのニッケル合金層の表面にニッケル酸化物が生成されていることを特徴とする真空ポンプを提供することにある。
【００１５】
ニッケル合金層の形成方法としては、周知の無電解めっきや電気めっきを利用することができるが、複雑な形状の母材の表面に均一な厚みの層を形成するためには、無電解めっきが好ましい。ニッケル合金層はニッケルと異種金属との合金であっても良く、その例としてはニッケル−りん合金やニッケル−ボロン合金が挙げられる。また、ニッケル合金層の膜厚は、公差バラツキを考えた目標値として少なくとも１０μｍ以上とする。その膜厚を増加させれば母材表面に到達するピンホールの確率が減少して腐食性ガスの侵入を確実に阻止できるようになるが、その一方で回転体の質量増加を招くことになるから、より好ましくは２０μｍ程度とするのが良い。なお、部品を成形する母材は比強度に優れた金属材料で構成されていることが望ましく、特に熱伝導性や加工性や軽量性の観点を考慮するとアルミニウム合金やマグネシウム合金が好適に用いられる。
【００１６】
ニッケル酸化物の生成方法としては、部品の表面に前述のめっき処理を施した後に、その表面に酸化剤を反応させてニッケル合金層の表面のニッケルを強制的に酸化させるものとする。すなわち、ニッケルは酸化しにくい金属であるから、熱放射性を有効に発揮させる程度に酸化させるためには、酸化剤を利用して酸化反応を促進させる必要がある。例えば、無電解ニッケルめっきを施した部品を硝酸やシュウ酸や硫酸などの薬液中に浸漬すれば良く、これによりニッケル合金層と薬液との境界面で酸化剤による侵食反応が強制的に進行し、ニッケル合金層を構成するニッケル結晶の一部が酸化して、その結果黒色に近いニッケル酸化物が析出される。
【００１７】
このように母材の上にニッケル合金層が設けられていると、腐食性ガスに起因する侵食から母材を防護することができる。しかもニッケル合金層の表面に生成されたニッケル酸化物は、ニッケル合金層の放射率よりもその放射率が高くなるので、部品の最表面から放射される熱量が増加して高温化した部品の放熱効率が大幅に向上する。ちなみに、測定の結果では、自然放置された無電解ニッケルめっきの放射率は０．１〜０．２程度であったのが、酸化剤で反応させたニッケル酸化物の表面の放射率は約０．６〜０．７に向上することが分かった。また、このときの表面状態を観察すると、表面に露出しているニッケルのうち、およそ８０％以上が酸化された状態となっていた。したがって、この表面処理技術によると、部品表面から放射される熱量が少なくとも３〜５倍程度に増加することが期待できる。
【００１８】
また、ニッケル酸化物はニッケル合金層の極めて表層のみに生成されており、なおかつニッケル合金層を構成するニッケル金属結晶に組み込まれている。そのため、実用的にも密着強度が不足することはなく、真空ポンプの運転中に高速回転するロータの遠心力にも充分耐えて飛散してしまうことはない。しかも、生成されたニッケル酸化物自体は、硫黄等の添加物を含むものでもないので、腐食性ガスに対する耐食性を損なう心配もない。
【００１９】
この表面処理技術では、酸化剤で強制的に酸化を行う関係上、少なからず下地のニッケル合金層が侵されることになる。特に、ニッケル合金層を形成するときに、ある確率で発生するピンホールを通じてこの強制的な酸化が母材にまで至り、母材を侵食することは充分考え得ることである。この対処方法として、母材上のニッケル合金層を二層以上に積層して構成しておくと効果的である。二層以上で構成するためには、例えば無電解ニッケルめっきの工程を複数回に分けて成膜すれば良い。これにより、ピンホールが発生したとしても、層間の境界でピンホールが分断され、最表層から母材まで貫通するピンホールの発生確率を減少させることができる。よって、強制的な酸化工程で母材が侵食される危険性を極めて低いものにすることが可能になる。
【００２０】
さらに、放射による熱伝達は、放射面の表面積が広いほど有利であるといえる。このことから、表面積を増加させることは部品表面から放射される熱量の増加に繋がるので、ニッケル合金層の表面の凹凸を増やしてその表面積を拡大させるのが望ましい。例えば、ニッケルめっき液中にニッケル金属粒子を混入してめっき処理を施すと、ニッケル金属粒子が表層に露出して表面に凹凸を形成することができ、凹凸を有するニッケル合金層の表面に酸化処理を施すと、生成されるニッケル酸化物の表面積も拡大する。このニッケル合金層の中に存在するニッケル金属粒子は、ニッケル合金層と強固に結合して一体化されるため、その層の耐食性に影響を与えることはなく、放射率の向上と表面積の拡大との相乗効果により、部品の熱放射にとって理想的な表面処理層が得られる。
【００２１】
粒子の直径は、少なくともめっきの厚さの１／２以上あれば有利な効果が得られ、特にめっきの厚さ以上にするとその効果が大きくなる。また、めっき厚が大きい場合には、所定厚みのニッケルめっき層を形成した後に、粒子の直径とめっき厚の比率が優位となるような粒子を混合しためっきを施しても良い。
【００２２】
ところで、この表面処理技術は腐食性ガスを吸引して排気する真空ポンプに内蔵される部品の全般に適用できるものであるが、特にポンプケース内に吸引した腐食性ガスの流路に面している部品に適用するのが望ましい。その中でも特に、ポンプケース内で回転可能に支持されるロータは、腐食性ガスにさらされるだけでなく高速回転中にガスの摩擦熱や圧縮熱で温度上昇して高温化する部品であって、高度な耐食性と放熱性が共に要求される部品であることから、この表面処理技術を適用する価値は高い。特にロータの形状としてロータ本体の外壁面に複数段のロータ翼を備え、このロータ翼間に交互に位置決め固定された複数段のステータ翼が設けられている真空ポンプの場合には、ロータ翼とステータ翼との狭い隙間に摩擦熱や圧縮熱がこもり易いため、ロータが過熱する可能性が高く効率良い放熱が求められる。すなわち、このロータを内蔵した真空ポンプによれば、腐食性ガスに起因するロータの侵食破壊が抑止され、しかも高温化したロータから放射される熱量が増加して固定側へと効率良く熱伝達される。
【００２３】
このような作用効果は、真空ポンプにおいてロータを回転可能に支持する構造が電磁石を用いた磁気浮上式の軸受構造の場合に有効に発揮される。その理由は、磁気浮上式の軸受構造によると、ロータに一体化したロータ軸と軸受とが非接触であり、ロータの熱をロータ軸から軸受に対して直接熱伝導させることができず、ロータの放熱はロータからロータに対峙した固定側の各種部品への輻射に頼るところが大きいためである。
【００２４】
なお、こうした表面処理技術を固定側の各種部品に同様に適用しても良いが、固定側の部品がロータとは異なり、特に侵食に対する危険性が低い点を考慮すると、部品の表面に封孔処理としてセラミックスコーティング処理や、母材がアルミニウムであればアルマイト皮膜処理を施すだけでも構わない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、真空ポンプに内蔵される部品の表面にニッケル合金層とニッケル酸化物からなる表面処理層を設けることで、耐食性と放熱性の双方の特性を向上させることができるため、例えば塩素系やフッ素系のプロセスガスのように腐食性の強いガスや、あるいはアルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスのようにガス分子の熱伝導率が低いガスの排気についても信頼性が高く、回転体の腐食性ガスによる侵食破壊や過熱によるクリープ破壊を防いで高性能な真空排気が可能になるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１に示した真空ポンプＰは、半導体製造装置において真空チャンバＣ内を減圧する手段として使用される運動量輸送式ポンプであり、ステンレス鋼製のポンプケース１内にターボ分子ポンプ部Ｐｔとネジ溝ポンプ部Ｐｓを収容した複合型ポンプである。ポンプケース１の上面にはガス分子の入口となる吸気口４が開口されており、ポンプケース１底部に固定したアルミニウム合金製のベース２の側面にはガス分子の出口となる排気口６が開口されている。そして、吸気口４の周縁フランジ５を真空チャンバＣの排気口周縁部に締結し、排気口６に嵌着した排気パイプ７を容積移送式の補助ポンプＰＶの吸気口に連結することで真空装置Ｄが構成される。
【００２８】
始めに、この真空ポンプＰにおける回転側の構造を説明する。
【００２９】
ポンプケース１内の中央にはロータ１１が収容されている。本実施形態のロータ１１は椀型のロータ本体１２外壁面の略半分にだけロータ翼１３を備えた半翼タイプが用いられている。つまり、ロータ本体１２外壁面の上流側にのみ所定傾斜角を持つブレードが放射状に複数列形成されており、これらのブレードからなるロータ翼１３，…が軸方向に複数段設けられている。これに対し、ロータ本体１２外壁面の下流側はブレードを形成しない平滑な円筒面になっている。このような形状を有するロータ１１は、加工性や軽量性の観点から金属材料の中でも特にアルミニウム合金やマグネシウム合金等の軽合金で成形するのが好ましく、ここでは熱伝導性も考慮してアルミニウム合金を使用している。このアルミニウム合金製のロータ１１には、腐食性ガスに対する高度な耐食性を持たせつつ、ガス分子による摩擦熱や圧縮熱を効率良く放熱するために表面処理層４２が施されている。
【００３０】
図２に拡大して示したように、この表面処理層４２は、アルミニウム合金で構成された母材４１の上に耐食性と機械的強度に優れたニッケルをコーティングしたニッケル合金層４３が設けられ、さらにこのニッケル合金層４３の表面にニッケルを酸化させたニッケル酸化物４４が生成された構造になっている。アルミニウム合金製の母材４１上に設けられたニッケル合金層４３は、腐食性ガスの母材への侵入を阻止して侵食を防止する機能を持っている。また、ニッケル合金層４３の表面にニッケル酸化物４４を生成する理由は、その放射率を高めて表面から放射される熱量を増加させるためである。
【００３１】
本実施形態では、ロータ１１が複雑な形状であり、その母材４１の上に均一な厚みでニッケル合金層４３を形成するため、還元反応を利用して金属を析出させる無電解めっきを利用している。すなわち、アルミニウム合金で所要形状に成形した母材４１の表面を洗浄した後に、この母材４１をニッケル金属イオンと還元剤が存在するめっき液中に浸漬させるものとした。これにより、めっき液中のニッケル金属イオンが還元剤の作用で還元されてアルミニウム合金製の母材４１上にニッケル金属が析出されたニッケル合金層４３が形成される。本実施形態のニッケル合金層４３は、還元剤に次亜りん酸ナトリウムを使用したニッケル−りん合金である。
【００３２】
ニッケル合金層４３の膜厚は公差バラツキを考えた目標値として少なくとも１０μｍ以上とする。その膜厚を増加させれば母材４１表面に到達するピンホールの確率が減って腐食性ガスの侵入を確実に阻止できるようになるが、その一方で膜厚増加に伴う回転体の質量増加を招くことになるからより好ましくは２０μｍ程度とするのが好適である。
【００３３】
また、ニッケル合金層４３の表面には、酸化剤を反応させて表面のニッケルを強制的に酸化させたニッケル酸化物４４が生成されている。すなわち、無電解めっきでニッケル合金層４３の下地処理を施した部品を、硝酸やシュウ酸や硫酸などのように酸化剤の水溶液からなる薬液中に浸漬させるものとした。これにより、図３に示したように薬液とニッケル合金層４３との境界面において、薬液中の酸化剤の作用で強制的に激しい侵食反応が起こり、ニッケル合金層４３を構成しているニッケル結晶の表層から酸化が進み、やがてニッケル合金層４３の表面のほぼ全面にわたって黒色に近いニッケル酸化物４４が形成される。
【００３４】
このような表面処理層４２を備えたロータ１１は、磁気浮上式の軸受構造によって支持されている。つまり、ロータ１１の軸心にはステンレス鋼製のロータ軸１４が一体化されており、このロータ軸１４がベース２上に固定したアルミニウム合金製のステータコラム３に内蔵された磁気軸受３１で支持される。磁気軸受３１は半径方向の磁気吸引力を発生させるラジアル電磁石３２と、軸方向の磁気吸引力を発生させるアキシャル電磁石３３を備えるものである。前者のラジアル電磁石３２は、ロータ軸１４の外周面に積層した高透磁率の鋼板１５を挟んでその円周上に対向配置されており、後者のアキシャル電磁石３３は、ロータ軸１４の下端部に装着した高透磁率のアキシャルディスク１６を挟んでその上下に対向配置されている。
【００３５】
ここで、ベース２とステータコラム３は共にアルミニウム合金で成形されるが、ロータ１１と同様に、アルミニウム合金製の母材４１の上にニッケル合金層４３とニッケル酸化物４４からなる表面処理層４２が施されている。
【００３６】
ラジアル電磁石３２を励磁させて鋼板１５を吸引し、アキシャル電磁石３３を励磁させてアキシャルディスク１６を吸引すると、ロータ軸１４は半径方向と軸方向の定位置で浮上支持される。また、ロータ軸１４の半径方向と軸方向の変位量はそれぞれラジアル変位センサ３４とアキシャル変位センサ３５で検出され、両電磁石３２，３３に励磁させる磁力の調整で位置制御がなされている。こうして磁気浮上したロータ１１は、ステータコラム３に内蔵されたモータ固定子とロータ軸１４に装着されたモータ回転子からなる回転駆動モータ３６の通電によって高速回転し、その回転数は回転数センサ３７の検出に基づいて制御されるようになっている。
【００３７】
さらにこの真空ポンプＰには、磁気軸受３１だけでなく、保護用のドライベアリング３８も内蔵されている。このベアリング３８はステータコラム３の内壁面に装着した外輪とその内周で可動する内輪との間にボールを有する転がり軸受であり、ボールと内外輪の両転動面に固体潤滑剤が塗布されている。同ベアリング３８は、磁気軸受３１の正常時にはロータ軸１４に非接触であり、磁気浮上しているロータ１１が磁気軸受３１の電源異常で落下した時にロータ軸１４の段部を内輪で支持し、ロータ翼１３とステータ翼２３の接触に起因する両者の損傷を防ぐ役割を果たしている。このように、回転体の軸受に非接触式の磁気軸受３１とオイル性潤滑剤を使用しないドライベアリング３８を採用しているため、金属摩耗による粉塵や真空下でのオイルの蒸発によるガスが発生することがなく、半導体製造に不可欠なクリーンな環境が求められる真空装置Ｄに好適に使用できる。
【００３８】
続いて、この真空ポンプＰにおける固定側の構造を説明する。
【００３９】
ポンプケース１内の下方にはネジ付スペーサ２１が嵌め込み固定されている。このネジ付スペーサ２１はポンプケース１とロータ１１との間の空間を埋める厚肉円筒状を有しており、ベース２に固定される。ネジ付スペーサ２１の内壁面には螺旋状のネジ溝２２が形成されており、ロータ本体１２の円筒面と微小な隙間を隔てて対峙している。このネジ溝２２は、上流から下流にかけて次第に浅くなるように形成されて後段の排気口６に連通するものであり、ネジ溝ポンプ部Ｐｓにおけるガス分子の流路Ｒ２を構成している。このような形状を有するネジ付スペーサ２１もアルミニウム合金で成形されるが、ガス分子の流路Ｒ２に面していることからアルミニウム合金製の母材４１の上にニッケル合金層４３とニッケル酸化物４４からなる表面処理層４２が施されている。
【００４０】
また、ネジ付スペーサ２１の上にはロータ翼１３と反対傾斜角を持つブレードを放射状に複数列形成したステータ翼２３，…がロータ翼１３，１３間に交互に配置される。ネジ付スペーサ２１の上に円環状の固定スペーサ２４が複数枚積層されており、固定スペーサ２４，２４どうしで挟持されたステータ翼２３が、ロータ翼１３と微小な隙間を隔てて位置決めされている。この隙間は上流から下流にかけて次第に狭くなるように設定されて後段のネジ溝２２に連通するものであり、ターボ分子ポンプ部Ｐｔにおけるガス分子の流路Ｒ１を構成している。このステータ翼２３もまたアルミニウム合金で成形されるが、ガス分子の流路Ｒ１に面していることから、アルミニウム合金製の母材４１の上にニッケル合金層４３とニッケル酸化物４４を形成した表面処理層４２が設けられている。
【００４１】
次に、この真空ポンプＰの作用について図１を参照しながら説明する。
【００４２】
まず容積移送式の補助ポンプを作動させて真空チャンバＣ内の大気を粗引きし、真空チャンバＣ内の圧力が真空ポンプＰの作動可能な背圧範囲になるまで減圧する。そして真空ポンプＰの電源を投入して回転駆動モータ３６に通電すると、前段のターボ分子ポンプ部Ｐｔでは、ロータ本体１２と複数段のロータ翼１３，…が同期して定格回転数で高速回転する。これにより、吸気口４付近にある自由分子流状態のガス分子が最上段のロータ翼１３に衝突してポンプケース１内に吸引される。吸引されたガス分子は、次に中間段にあるロータ翼１３とステータ翼２３に交互に衝突しながら移送方向の運動量が付与され、圧縮段のロータ翼１３とステータ翼２３に衝突して次第に流路Ｒ１を狭められながら徐々に中間流の状態に圧縮されていく。この中間流状態に圧縮されたガス分子は、後段のネジ溝ポンプ部Ｐｓに移送される。
【００４３】
続くネジ溝ポンプ部Ｐｓでは、ロータ本体１２の円筒面が高速回転しており、中間流のガス分子が、この円筒面とネジ付スペーサ２１のネジ溝２２との間の狭い隙間に案内されて次第に流路Ｒ２を狭められながら更なる圧力の高い粘性流の状態に圧縮される。そして圧縮された粘性流のガス分子は、ベース２内を通過して排気口６から排出される。このようなガス分子に対する吸引、圧縮、排気という一連の排気動作によって、真空チャンバＣ内の圧力はプラズマ反応に最適な真空度に減圧される。
【００４４】
ところで、こうした真空ポンプＰの排気動作中に真空チャンバＣ内でプラズマ反応を利用したエッチングやクリーニングを行う場合には、反応性の高い塩素系やフッ素系のプロセスガスいわゆる腐食性ガスが真空チャンバＣ内に導入されるが、この腐食性ガスも当然に真空ポンプＰのポンプケース１内に吸引される。ここで、腐食性ガスが通過する流路Ｒ１とＲ２に面した部品には、前述の通り耐食性に優れたニッケル合金層４３とニッケル酸化物４４を備えた表面処理層４２が設けられているため、アルミニウム合金製の母材４１を腐食性ガスに起因する侵食から防護することができる。つまり、ポンプケース１内において腐食性ガスに触れる箇所は、前段のターボ分子ポンプ部Ｐｔではロータ本体１２、ロータ翼１３、およびステータ翼２３であり、後段のネジ溝ポンプ部Ｐｓではロータ本体１２、ネジ付スペーサ２１、およびネジ溝２２であるが、これらの壁面にはいずれも耐食性を備えた表面処理層４２が施されており、腐食性ガスの母材への侵入が阻止される。
【００４５】
また、ニッケル酸化物４４はニッケル合金層４３の極めて表層のみに生成され、ニッケル合金層４３を構成するニッケル金属結晶に組み込まれている。そのため、実用的にも密着強度が不足することはなく、真空ポンプＰの運転中に高速回転するロータ１１の遠心力にも充分耐えて飛散してしまうことはない。しかも、生成されたニッケル酸化物４４自体は、硫黄等の添加物を含むものでもないので、腐食性ガスに対する耐食性を損なう心配もない。
【００４６】
その一方で、こうした真空ポンプＰの排気動作中にロータ翼１３ではガス分子の衝突と圧縮が繰り返されており、その摩擦熱と圧縮熱がロータ１１に蓄熱されて過熱する可能性があるが、本実施形態ではロータ１１の熱は次のようにして放熱される。まず高速回転中のロータ１１は磁気軸受３１で浮上支持されており、ロータ軸１４と電磁石３２，３３とが接触していないため、ロータ１１の熱がロータ軸１４から磁気軸受３１を内蔵するステータコラム３に直接熱伝導することは期待できない。そこで、ロータ１１の放熱は固定側の部品への輻射によるものとなるが、ロータ１１の外壁面側と内壁面側でそれぞれ次のような熱伝達が行われる。
【００４７】
ロータ１１の外壁面側を見ると、前段のターボ分子ポンプ部Ｐｔでは最も狭い隙間で対峙しているロータ翼１３とステータ翼２３の間で輻射による熱伝達が行われ、後段のネジ溝ポンプ部Ｐｓでは最も狭い隙間で対峙しているロータ本体１２とネジ付スペーサ２１の間で輻射による熱伝達が行われる。ここで、ロータ翼１３とロータ本体１２の外壁面の最表層には前述の通り放射率の高いニッケル酸化物４４が形成されていて放射される熱量が多いため、ロータ翼１３とロータ本体１２からステータ翼２３とネジ付スペーサ２１へと効率良く熱伝達が行われる。
【００４８】
また、ロータ１１の内壁面側を見ると、ロータ本体１２とステータコラム３の間、ロータ本体１２とベース２の間でそれぞれ輻射による熱伝達が行われる。ここでもロータ本体１２の内壁面の最表層には同じく高放射率のニッケル酸化物４４が形成されていて放射される熱量が多いため、ロータ本体１２からベースコラム３とベース２へと効率良く熱伝達が行われる。このため、希ガスのような低熱伝導率のガス分子を排気する場合に、従来のように高熱伝導率のパージガスをポンプケース１内に充填しなくとも、ロータ１１の熱を効率良く放熱することが可能となる。
【００４９】
ちなみに、ニッケル酸化物４４の表面の放射率は約０．６〜０．７であり、例えばアルミニウムの放射率０．３や無電解ニッケルめっきの放射率０．１〜０．２よりも高くなるため、従来のアルミニウム合金製のロータやアルミニウム合金の上にニッケル合金めっきを施したロータに比べて放射される熱量を大幅に増加させることができる。
【００５０】
さらにロータ１１の輻射によりベース２、ステータコラム３、ネジ付スペーサ２１、およびステータ翼２３の各固定側の部品に伝達された熱量は、次のようにして除去される。すなわち、ベース２は熱伝導率の高いアルミニウム合金製であり、その底面には冷却管８が設置されている。この冷却管８内には冷却剤が充填されてベース２とこれに接触するアルミニウム合金製のステータコラム３が共に低温に制御されており、これにより、ロータ本体１２の内壁面から輻射伝達された熱量が取り除かれるようになっている。
【００５１】
ネジ付スペーサ２１とステータ翼２３も同様に高熱伝導率のアルミニウム合金製であって、ネジ付スペーサ２１は直接ベース２に接触しており、ステータ翼２３はアルミニウム合金製の固定スペーサ２４を介してベース２に接触している。よって、低温制御されたベース２からの良好な熱伝導によってネジ付スペーサ２１とステータ翼２３が急速に冷やされ、これにより、ロータ本体１２とロータ翼１３の外壁面から輻射伝達された熱量についてもスムーズに取り除くことができる。
【００５２】
このように、本実施形態の真空ポンプＰによれば、ポンプケース１内に内蔵される部品の中でも特に腐食性ガスにさらされるだけでなく、高速回転中にガスの摩擦熱や圧縮熱で高温化するロータ１１について、腐食性ガスの侵食破壊や過熱によるクリープ破壊が防止され、高性能な真空排気が可能になる。
【００５３】
なお、このような耐食性と放熱性の双方に優れた表面処理層４２の他の形態として、図４に示した構造を採用することもできる。同図に示した表面処理層４２１が図２の表面処理層４２と異なる点は、ニッケル合金層４３を積層構造としたことである。この表面処理層４２１は、アルミニウム合金製の母材４１の上に、ニッケルをコーティングした下地ニッケル合金層４３１と、下地ニッケル合金層４３１の上に同じくニッケルをコーティングした上地ニッケル合金層４３２が設けられ、さらに上地ニッケル合金層４３２の表面にニッケルを酸化させたニッケル酸化物４４が形成された構造になっている。
【００５４】
下地ニッケル合金層４３１と上地ニッケル合金層４３２の二層のニッケル合金層を形成するために、前述した無電解ニッケルめっきの工程を二度に分けて成膜している。積層構造は二層に限らず三層以上であっても良く、同種のニッケルによる二層ニッケルや三層ニッケルめっきだけでなく、ニッケルと異種金属との合金めっきを使用でき、これらを任意に組み合わせることも可能である。ニッケルと異種金属との合金の例としてはニッケル−りん合金やニッケル−ボロン合金が挙げられる。
【００５５】
このように、ニッケル合金層４３を積層構造にする理由は次の二点にある。まず第一点は、最上層に位置する上地ニッケル合金層４３２にはその表面にニッケル酸化物４４が形成されるが、この形成過程において酸化剤でニッケル結晶が侵食され、ニッケルの膜厚が減少するので、その膜厚減少に伴う耐食性の低下を防ぐためである。そして第二点は、図５に示すように、最上層にある上地ニッケル合金層４３２に出現したピンホールｈを、それよりも下層にある下地ニッケル合金層４３２との境界面ｍで分断し、ピンホールｈが上地ニッケル合金層４３２表面から母材４１表面にまで貫通する確率を可能な限り低くするためである。このように、ニッケル合金層４３を積層構造にすることでピンホールｈを通じてアルミニウム合金製の母材４１に侵入する腐食性ガスを確実に遮断できるため、前述した実施形態の作用効果に加え、表面処理層４２に更なる高度な耐食性を持たせることができるという利点がある。
【００５６】
さらに、表面処理層４２の他の形態として、図６に示した構造を採用しても良い。同図の表面処理層４２２が図４の表面処理層４２１と異なる点は、上地ニッケル合金層４３２の表面積を拡大させたことである。この表面処理層４２２は、下地ニッケル合金層４３１をめっき処理した後に、ニッケルめっき液中にニッケル金属粒子ｐを混入してめっき処理を施すことにより、ニッケル金属粒子ｐを表層に露出させて上地ニッケル合金層４３２の表面に凹凸を形成したものである。そして、凹凸を有する上地ニッケル合金層４３２の表面に前述した酸化処理を施すことで、表面積が拡大した上にニッケル酸化物４４が生成されている。
【００５７】
上地ニッケル合金層４３２の中に存在するニッケル金属粒子ｐは、上地ニッケル合金層４３２と強固に結合して一体化されるため、その層の耐食性には何等影響を与えることはない。また、表面積を拡大させてから酸化処理を施しているため、生成されたニッケル酸化物４４の表面積も増加しており、放射率の向上と表面積の拡大との相乗効果により、部品の熱放射にとって理想的な表面処理層４２２を形成することができる。
【００５８】
なお、ニッケル金属粒子ｐの直径は、少なくとも上地ニッケル合金層４３２の膜厚ｔの１／２以上であれば有効であり、特に膜厚ｔ以上にするとその効果をさらに大きくすることができる。また、上地ニッケル合金層４３２の膜厚ｔが大きい場合には、所定厚みのニッケルめっき層を形成した後に、粒子の直径と膜厚ｔの比率が優位となるような粒子を混合しためっきを施しても良い。
【００５９】
以上説明した実施形態においては次のような各種の変形も可能である。例えば固定側の部品であるベース２、ステータコラム３、ネジ付スペーサ２１、およびステータ翼２３についても、母材４１の上にニッケル合金層４３とニッケル酸化物４４を形成する表面処理層４２を設けるものとしたが、これに替えて、部品の表面に封孔処理としてセラミックスコーティング処理や、母材４１がアルミニウム合金製なのでアルマイト皮膜処理を施すだけでも構わない。それはこれらの固定側部品が回転による熱負荷もなく、かつロータ１１に比べて侵食に対する危険性が低い部品であることによる。
【００６０】
このような表面処理層４２を設けたロータ１１の形状としてロータ本体１２外壁面の略半分にロータ翼１３を備えた半翼タイプを採用しているが、この他にはロータ翼１３をロータ本体１２外壁面の全面に形成した全翼タイプやロータ翼１３を形成しない翼無しタイプに適用しても良い。また、真空ポンプＰの種類は複合型ポンプに限らず、例えばターボ分子ポンプ単体やネジ溝ポンプ単体やさらには渦流ポンプなど他の種類のポンプに内蔵される部品にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明を適用した真空ポンプの全体構造を示す断面図。
【図２】図１に示すＡ部拡大図。
【図３】表面処理の原理を示す模式図。
【図４】表面処理層の他の構造を示す拡大断面図。
【図５】ニッケル合金層に出現するピンホールの状態を示す模式図。
【図６】表面処理層の他の構造を示す模式図。
【符号の説明】
【００６２】
Ｄ…真空装置
Ｃ…真空チャンバ
ＰＶ…補助ポンプ
Ｐ…真空ポンプ
Ｐｔ…ターボ分子ポンプ部
Ｐｓ…ネジ溝ポンプ部
１…ポンプケース
２…ベース
３…ステータコラム
１１…ロータ
１２…ロータ本体
１３…ロータ翼
１４…ロータ軸
２１…ネジ付スペーサ
２２…ネジ溝
２３…ステータ翼
２４…固定スペーサ
３１…磁気軸受
３２…ラジアル電磁石
３３…アキシャル電磁石
３６…回転駆動モータ
４１…母材
４２、４２１、４２２…表面処理層
４３…ニッケル合金層
４３１…下地ニッケル合金層
４３２…上地ニッケル合金層
４４…ニッケル酸化物
ｈ…ピンホール
ｍ…下地ニッケル合金層と上地ニッケル合金層との境界面
ｐ…ニッケル金属粒子
ｔ…上地ニッケル合金層の膜厚
【図１】
2005320905.tif 000003
【図２】
2005320905.tif 000004
【図３】
2005320905.tif 000005
【図４】
2005320905.tif 000006
【図５】
2005320905.tif 000007
【図６】
2005320905.tif 000008