(57)【要約】【課題】  排気速度の低下を抑えつつ、ポンプ上流側へのパーティクルの逆流を抑えることができるターボ分子ポンプの提供。【解決手段】  吸気口２１ａに着脱可能に装着されるパーティクルトラップ４２は、円盤４２１および円環プレート４２２〜４２４を備えており、それらはサポート４２０に固定されている。円環プレート４２２の外径は吸気口２１ａの内径に等しい。また、円環プレート４２３，４２４の外径は吸気口側に隣接する円環プレートの内径と等しく、円環プレート４２２〜４２４の内径はロータ側の円環プレートまたは円盤４２１の外径と等しい。その結果、吸気口側からロータ３０を直視することができず、ロータ３０上へのパーティクルの落下を効果的に防止することができる。さらに、円環プレート４２２〜４２４が間隔を開けて階段状に配置されているため、排気速度の低下を抑えることができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のタービンブレードから成るロータ翼がロータ回転軸方向に複数段形成されたロータと、前記ロータ翼に対して回転軸方向に交互に配設され、複数のタービンブレードから成る複数段のステータ翼とを備え、前記ステータ翼に対して前記ロータ翼を高速回転させて真空排気するターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータとポンプ吸気口との間に、前記ロータの非ロータ翼領域と対向するように間隔を開けて配設された円盤と、
前記円盤と前記ポンプ吸気口との間に、ロータ回転軸方向に沿って間隔を開けて配設された外径および内径の異なる複数の円環プレートとを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ポンプ吸気口から回転軸に対して平行方向に見て前記ロータが直視できないように前記複数の円環プレートを配置したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記円盤に最も近い前記円環プレートの内径を前記円盤の外径と等しくするとともに、前記ポンプ吸気口に最も近い前記円環プレートの外径を前記ポンプ吸気口内径と等しくし、さらに、互いに隣接する前記円環プレートにおけるロータ側の円環プレートの外径と吸気口側の円環プレートの内径とを等しくしたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項４】
請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ポンプ吸気口に最も近い前記円環プレートの外径を前記ポンプ吸気口内径と等しくし、さらに、互いに隣接する前記円環プレートにおけるロータ側の円環プレートの外縁と吸気口側の円環プレートの内縁とをオーバーラップさせるとともに、前記円盤の外縁とその円盤に最も近い前記円環プレートの内縁とをオーバーラップさせたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記円盤および前記複数の円環プレートは、一体で前記ポンプ吸気口に着脱可能に設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記円環プレートが、ロータ回転軸から遠ざかるにつれて前記ロータに近づくような斜面となっていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ポンプ吸気口に最も近いロータ翼の前記ポンプ吸気口に対向する面は、ロータ回転軸に直交する面に対して傾斜していることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項８】
請求項７に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータ翼の回転方向先端面は、前記ロータ回転軸に対して平行か、または、回転方向先端面の法線方向がそのロータ翼よりも下流側を向い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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置等に使用されるターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは、例えば半導体製造工程のエッチングプロセスやＣＶＤプロセスで使用されている。ところで、半導体素子の微細化が進むにつれて、プロセス中に生成されるパーティクルの生産歩留まりへの影響が問題となる。ターボ分子ポンプを用いた場合、プロセス室からターボ分子ポンプに流入するパーティクルが高速回転するロータ翼によって跳ね返され、その跳ね返されたパーティクルがプロセス室に逆流するという問題がある。
【０００３】
そのため、ロータ翼が設けられたロータの直上に静翼ブレードが複数形成された静翼ディスクを設けて、パーティクルがロータ翼に直接落下するのを防止する方法（例えば、特許文献１参照）や、ロータ翼の上端面に角度を付けて、パーティクルがプロセス室方向へ跳ね飛ばされるのを低減する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１４１８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１９４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、静翼ディスクの場合、傾斜した静翼ブレードの間をパーティクルが通過し難くするためには、静翼ブレード同士の重なりを大きくしたり隙間を小さくする必要があり、排気速度が大きく減少する原因となる。また、特許文献２に記載の装置では、パーティクルが跳ね飛ばされるのはロータ翼だけでなく、ロータの非ロータ翼部分でも発生するので低減効果は少なく、パーティクルのプロセス室への逆流は避けられない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、複数のタービンブレードから成るロータ翼がロータ回転軸方向に複数段形成されたロータと、ロータ翼に対して回転軸方向に交互に配設され、複数のタービンブレードから成る複数段のステータ翼とを備え、ステータ翼に対してロータ翼を高速回転させて真空排気するターボ分子ポンプに適用され、ロータとポンプ吸気口との間に、ロータの非ロータ翼領域と対向するように間隔を開けて配設された円盤と、円盤とポンプ吸気口との間に、ロータ回転軸方向に沿って間隔を開けて配設された外径および内径の異なる複数の円環プレートとを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、ポンプ吸気口から回転軸に対して平行方向に見てロータが直視できないように複数の円環プレート配置したものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、円盤に最も近い円環プレートの内径を円盤の外径と等しくするとともに、ポンプ吸気口に最も近い円環プレートの外径をポンプ吸気口内径と等しくし、さらに、互いに隣接する円環プレートにおけるロータ側の円環プレートの外径と吸気口側の円環プレートの内径とを等しくしたものである。
請求項４の発明は、請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、ポンプ吸気口に最も近い円環プレートの外径をポンプ吸気口内径と等しくし、さらに、互いに隣接する円環プレートにおけるロータ側の円環プレートの外縁と吸気口側の円環プレートの内縁とをオーバーラップさせるとともに、円盤の外縁とその円盤に最も近い円環プレートの内縁とをオーバーラップさせたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のターボ分子ポンプにおいて、円盤および複数の円環プレートは、一体でポンプ吸気口に着脱可能に設けられている。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、円環プレートが、ロータ回転軸から遠ざかるにつれてロータに近づくような斜面となっている。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、ポンプ吸気口に最も近いロータ翼の前記ポンプ吸気口に対向する面が、ロータ回転軸に直交する面に対して傾斜している。
請求項８の発明は、請求項７に記載のターボ分子ポンプにおいて、ロータ翼の回転方向先端面は、ロータ回転軸に対して平行か、または、回転方向先端面の法線方向がそのロータ翼よりも下流側を向いている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、円盤および複数の円環プレートを設けたことにより、排気速度の低下を抑えつつ、ポンプ上流側へのパーティクルの逆流を効果的に減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図である。ポンプケーシング３４内にはロータ３０が回転自在に設けられている。図１に示したターボ分子ポンプ１０は磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０を５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって磁気浮上させて非接触支持する。磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。
【０００９】
ターボ分子ポンプ１０では、ロータ翼３２およびステータ翼３３で構成されるターボポンプ部ＴＢと、円筒状のネジロータ３１およびネジステータ３９とで構成されるドラッグポンプ部ＤＰとを備えている。ロータ翼３２およびステータ翼３３は複数のタービンブレードから成り、複数段のロータ翼３２およびステータ翼３３は図示上下方向に交互に配設されている。また、ネジロータ３１およびネジステータ３９のいずれか一方には、ネジ溝が形成されている。
【００１０】
ロータ翼３２の各段はロータ３０の上端から下方へと形成され、ネジロータ３１はロータ翼３２の下側のロータ下部に形成されている。一方、各ステータ翼３３はスペーサリング３５を介してベース４０上に載置され、吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング３４をベース４０に固定すると、積層されたスペーサリング３５がベース４０とポンプケーシング３４との間に挟持され、ステータ翼３３が位置決めされる。
【００１１】
ネジステータ３９はネジロータ３１と対向するようにベース４０に固定される。ベース４０には排気ポート４１が設けられ、この排気ポート４１にバックポンプが接続される。ロータ３１を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動すると、ターボポンプ部ＴＢとドラッグポンプ部ＤＰの排気作用が発生し、吸気口２１ａに飛び込んだ気体分子は排気ポート４１へと移送されて排気される。
【００１２】
ところで、本実施の形態のターボ分子ポンプ１０は、図２に示すような半導体製造装置１に装着されて使用される。図２は半導体製造装置１の一例であるＣＶＤ成膜装置の概略構成を示したものであり、プロセス室２の下部に設けられた排気ポート４には、ゲートバルブ５を介してターボ分子ポンプ１０が装着されている。プロセス室２にはガス供給部６によりプロセスガスが供給される。このような成膜装置では、反応生成物である非常に微少なパーティクルがプロセス室２内で生成され、また、機械構成部品の摺動部においてもパーティクルが発生する。これらのパーティクルは、排気ポート４およびゲートバルブ５を通ってターボ分子ポンプ１０内に落下する場合がある。
【００１３】
そこで、本実施の形態のターボ分子ポンプ１０では、吸気口フランジ２１の吸気口２１ａにパーティクルトラップ４２を設けた。パーティクルトラップ４２の上部には保護ネット４３が設けられている。保護ネット４３は、ウェハの破片や機械部品の一部（例えばボルト）等の異物がターボ分子ポンプ１０内に落下するのを防止するために設けられたものであり、パーティクルトラップ４２は保護ネット４３を通過した微小異物（主にパーティクル）がロータ３０よりも下流に侵入するのを防止する。
【００１４】
図３はパーティクルトラップ４２を説明する図であり、（ａ）は図１のパーティクルトラップ４２の部分の拡大図であり、（ｂ）はＡ矢視図である。なお、図３（ｂ）では保護ネット４３の図示を省略した。また、図４はパーティクルトラップ４２の外観を示す斜視図である。パーティクルトラップ４２は、図４に示すように４本のサポート４２０と、サポート４２０の下端に固定された円盤４２１と、サポート４２０の円盤４２１の上方部分に間隔を設けて固定された３つの円環プレート４２２〜４２４とを備えている。
【００１５】
各サポート４２０の上端部分は、略Ｕ字形に折れ曲がった屈曲部４２０ａとなっている。これらの屈曲部４２０ａを吸気口２１ａに形成された穴２１０（図３（ｂ）を参照）にそれぞれ挿入することにより、パーティクルトラップ４２が吸気口２１ａに着脱可能に装着される。そのため、パーティクルトラップ４２を吸気口フランジ２１から外して定期的に洗浄するなどの作業を、ユーザによって容易に行うことができる。
【００１６】
ロータ翼３２の上方に配設される円環プレート４２２〜４２４は上方のものほど外径および内径が大きくなっていて階段状に配置される。円環プレート４２２の外径は吸気口２１ａの内径と等しく、円環プレート４２３の外径は円環プレート４２２の内径と等しく、円環プレート４２４の外径は円環プレート４２３の内径と等しく、円盤４２１の外径は円環プレート４２４の内径と等しい。円盤４２１の外径は、最上段ロータ翼３２の翼付け根部分の径寸法にほぼ等しく設定される。すなわち、円盤４２１は、ロータ３０の非ロータ翼部分と対向するように間隔を開けて配設される。その結果、図３（ｂ）に示すように、吸気口フランジ２１の上方から回転軸に沿って吸気口２１ａを観察した場合、ポンプ内（ロータ３０）を直視することができない。
【００１７】
プロセス中においてはプロセス室２内は真空状態であるため、プロセス室２からポンプ側へと流入するパーティクルＰは気体による抗力がほとんどなく、図３（ａ）に示すように気流による影響をほとんど受けることなく自由落下のようにまっすぐ下方に移動する。その結果、大半のパーティクルＰは、パーティクルトラップ４２の円環プレート４２２〜４２４および円盤４２１のいずれかの上に落下することになる。
【００１８】
ここで、パーティクルＰが気流の影響を受けて円環プレート４２２〜４２４および円盤４２１上からこぼれ落ちた場合について、図３を参照して説明する。この場合、円環プレート４２２〜４２４の内側の縁からこぼれ落ちたパーティクルは、下の段の円環プレート４２３，４２４または円盤４２１の上に落ちるので、ロータ３０へと落下することはない。一方、円環プレート４２２〜４２４の外側の縁からこぼれ落ちたパーティクルＰは、破線で示すようにロータ３０のロータ翼３２上へと落下する。
【００１９】
例えば、１０ｃｍ上方からロータ翼３２に落下した場合、高真空中におけるパーティクルの自由落下速度は約１．４ｍ／ｓ程度であって、高速回転しているロータ翼３２の周速度（およそ３００ｍ／ｓ）に比べて遙かに小さい。そのため、ロータ翼３２の上端面で跳ね返されたパーティクルは、上流方向への速度とおよび回転軸を中心とする円の接線方向への大きな速度を得ることになり、パーティクルの速度はロータ周速度と同程度となる。
【００２０】
図３において、Ｌ１，Ｌ２はロータ翼３２上に落下して跳ね返されたパーティクルの軌跡を示している。軌跡Ｌ１は円環プレート４２４からロータ翼３２上の落下点Ｂ１に落下したパーティクルの軌跡であり、軌跡Ｌ２は円環プレート４２２からロータ翼３２上の落下点Ｃ１に落下したパーティクルの軌跡である。落下点Ｂ１で跳ね返されたパーティクルは、落下点Ｂ１から接線方向に進行する。そして、円環プレート４２４よりも上方にある円環プレート４２３の裏面の地点Ｂ２に衝突し、そこで跳ね返されてロータ翼３２上の地点Ｂ３に再突入する。
【００２１】
軌跡Ｌ１からも分かるように、パーティクルはロータ回転軸から遠ざかるように進行し、落下点Ｂ１よりも外側の地点Ｂ３においてロータ翼３２に再突入する。再突入時のパーティクルの速度は十分速いので、大半のパーティクルは跳ね返されることなく最上段のロータ翼３２をすり抜ける。
【００２２】
また、円環プレート４２２からロータ翼３２のＣ１に落下したパーティクルは、接線方向に跳ね返されてポンプケーシング３４の内面のＣ２の地点に衝突し、そこで跳ね返されてロータ翼３２上の地点Ｃ３に再突入する。そして、軌跡Ｌ１のパーティクルと同様に、ロータ翼３２をすり抜ける。
【００２３】
図５は、比較例としてのパーティクルトラップ４２Ａを示したものであり、（ａ）および（ｂ）は上述した図３の（ａ）および（ｂ）と同様の図である。図３に示したパーティクルトラップ４２は、ロータ３０に近づくほど円環プレートの径を小さくして全体形状がロータ方向に窄まる形状、逆に言えば、ロータ３０から吸気口２１ａ方向に拡がる形状とした。一方、図５に示すパーティクルトラップ４２Ａでは、２段目の円環プレート４２６の内径と１段目の円環プレート４２５の外径とを等しくし、円環プレート４２５の内径と円盤４２２の外径とを等しくするようにした。この場合も、吸気口２１ａの上方からロータ３０を直視することはできない。
【００２４】
円盤４２１からロータ翼３２上の地点Ｄ１に落下したパーティクルは、ロータ翼３２の上端で軌跡Ｌ３のように跳ね返される。この場合、円環プレート４２５よりも円環プレート４２６の方が径（内径および外径）が大きいため、パーティクルは円環プレート４２６を通過して円環プレート４２５の裏面の地点Ｄ２に衝突する。円環プレート４２５の裏面で跳ね返されたパーティクルは、２段目の円環プレート４２６の上面の地点Ｄ３に衝突する。そして、円環プレート４２６の上面で跳ね返されたパーティクルは吸気口２１ａから上方に逆流してプロセス室２（図２参照）に戻ることになる。
【００２５】
すなわち、パーティクルトラップ４２Ａの場合も吸気口上方からロータ３０を直視することはできないが、パーティクルトラップ４２のように吸気口２１ａ側からロータ３０にかけて順に円環プレートの径が小さくなっていないため、パーティクルトラップ４２の場合に比べるとパーティクルがポンプ上流側へと逆流しやすくなる。
【００２６】
一方、本実施の形態のパーティクルトラップ４２では、上述したようにパーティクルの逆流を効果的に抑えることができる。さらに、パーティクルトラップ４２の方が円環プレートの数が多いため、各円環プレートの面積がより小さくなってパーティクルトラップ４２自体のコンダクタンスが大きくなり、ポンプの排気速度を大きく損なうことがない。なお、円環プレートの数は、２や３に限らず４以上でも良い。
【００２７】
また、上述したパーティクルトラップ４２では、円盤４２１の外径および円環プレート４２２〜４２４の内径・外径を設定する際に、上段のものの内径と下段のものの外径とを一致させたが、上段と下段との間に重なりが有ってもかまわないし、隙間が多少有ってもかまわない。隙間を通過したパーティクルはロータ３０により跳ね返されるが、そのほとんどは円環プレート４２２〜４２４の裏面側で反射されてロータ３０に大きな速度で再突入する。そのため、パーティクルの逆流は低減される。なお、重なりが大きくなると、パーティクルのロータへの流入は少なくなるが排気速度は低下するので、両者の兼ね合いで設定するのが好ましい。
【００２８】
パーティクルトラップ自体のコンダクタンスを大きくする方法として、図６に示すパーティクルトラップ４２Ｂに設けられた円環プレート４２７〜４２９のように、各円環プレート４２７〜４２９の形状を円環プレートの外縁部ほどロータ３０に近づくような斜面形状（円錐台形状）としても良い。このような形状とすることにより、排気する気体の流れに対して円環プレート４２７〜４２９をより平行に配置することができ、排気速度の低下を抑えることができる。また、このように円環プレートを傾斜させた場合、各円環プレート４２７〜４２９の上面を粗くして凹凸面とすることで、円環プレート４２７〜４２９上に堆積したパーティクルがロータ３０に落下し難くすることができる。
【００２９】
また、最上段に設けられたロータ翼３２のブレード形状を工夫することにより、パーティクルがロータ翼３２によって吸気口側に跳ね返されるのを防止することもできる。図７において、（ａ）は上述したロータ翼３２のブレード断面形状を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はブレード断面形状の変形例を示す図である。図７の（ａ）〜（ｃ）はいずれもロータ翼３２を回転方向に沿って断面した図であり、ロータ回転によりロータ翼３２は図示左方向に移動する。
【００３０】
図７（ａ）に示すブレード形状の場合、吸気口側に面した上端面３２ａが回転軸に直交する面となっているため、落下してきたパーティクルがこの上端面３２ａにより跳ね返されることになる。一方、図７（ｂ）に示すロータ翼３２では、ロータ翼３２の回転方向先端部（図示左側の端部）を切り落としたようなブレード形状となっており、図７（ａ）に示すような上端面が形成されていない。その代わり、ブレードの上側斜面と下側斜面とを繋ぐ垂直な面３２ｂが形成されている。ロータ翼３２の回転方向先端面である面３２ｂは回転軸に対して平行となっており、面３２ｂで跳ね返されたパーティクルは回転軸に垂直な方向に進行するため、吸気口側へのパーティクルの逆流を低減させることができる。
【００３１】
図７（ｃ）に示すロータ翼３２においては、面３２ｂは垂直から角度θだけ傾いており、面３２ｂの法線は左斜め下方向、すなわちロータ翼３２よりも下流側を向いている。そのため、面３２ｂで跳ね返されたパーティクルは下流方向に進行し、吸気口側に逆流するのを防止することができる。下流方向に進行したパーティクルは、一部がステータ翼３３で跳ね返されてロータ翼３２に下側から再突入するが、吸気口側に逆流するパーティクルの割合は小さい。
【００３２】
なお、最上段のロータ翼３２だけでなく、それよりも下段のロータ翼３２およびステータ翼３３も図７（ｂ），（ｃ）に示すようなブレード形状としてもかまわない。図７（ｂ）、（ｃ）に示したブレード形状の場合、ブレード先端部を切り落としている分だけ排気されるガス分子に対する開口率が大きくなり、排気速度向上を図ることができる。また、上述したターボ分子ポンプ１０では、ポンプケーシング３４のフランジ下側が、ステータ翼３３が収納されている部分よりも小径となっているが、同一径となっているポンプケーシングを備えたターボ分子ポンプでも同様に本発明を適用することができる。
【００３３】
上述した実施の形態では、ロータ３０を磁気軸受で非接触支持する磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明するが、本発明は、磁気軸受式ターボ分子ポンプに限らず、メカニカルベアリングを用いたターボ分子ポンプにも適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図である。
【図２】ターボ分子ポンプが装着された半導体製造装置の一例を示す図である。
【図３】パーティクルトラップ４２を説明する図であり、（ａ）は図１のパーティクルトラップ４２の部分の拡大図で、（ｂ）はＡ矢視図である。
【図４】パーティクルトラップ４２の外観を示す斜視図である。
【図５】比較例であるパーティクルトラップ４２Ａを説明する図である。
【図６】変形例であるパーティクルトラップ４２Ｂを示す断面図である。
【図７】ブレード断面形状を説明する図であり、（ａ）はロータ翼３２のブレード断面形状を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はブレード断面形状の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：半導体製造装置                      ２：プロセス室
１０：ターボ分子ポンプ                  ３２：ロータ翼
３３：ステータ翼                        ２１：吸気口フランジ
２１ａ：吸気口                          ３０：ロータ
３２ａ：上端面                          ３４：ポンプケーシング
４２，４２Ａ，４２Ｂ：パーティクルトラップ
４２０：サポート                        ４２１：円盤
４２２〜４２９：円環プレート
【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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