(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に収納された複数個のロータと、これらのロータのそれぞれに設けられた複数個の軸と、これらの軸の回転を支持する軸受と、前記複数個の軸をそれぞれ独立して回転駆動する複数個のモータと、この複数個のモータの回転数を同期制御する同期制御手段と、前記ハウジングに形成された吸入口及び吐出口とを備えた真空ポンプであって、前記同期制御手段は、前記モータの回転数を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力回転数と予め設定された回転数との偏差値を示す位相差カウンターと、前記位相差カウンターでのカウンタ数に基づいて前記モータの電流を決定すると共に前記位相差カウンターからのカウント数をもとに前記モータへの負荷を判断し、このカウント数が設定値を超えた場合には前記位相差カウンターにカウンターのリセットを指示し、リセット直後は前記モータの負荷がリセッ直前よりも低減させる過負荷検出装置を有することを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
吐出口側及び吸入口側にそれぞれ容積式の第一のポンプ及び第二のポンプを備えたことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
【請求項３】
第一のポンプは、ねじ溝式或いはスクリュー式であることを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
【請求項４】
第二のポンプは、ねじ溝式或いはスクリュー式であることを特徴とする請求項２または３に記載の真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造設備等に用いられる真空ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造プロセスにおけるCVD装置、ドライエッチング装置、スパッタ装置などには、真空環境を作り出すための真空ポンプが不可欠である。この真空ポンプに対する要望は、半導体プロセスの高集積化、微細化に対応するため、近年ますます高度になってきており、その主な内容は、高い真空到達圧が得られること、クリーンであること、メンテナンスが容易なこと、小型・コンパクトであること等である。
【０００３】
半導体設備における成膜室、ロードロック室の真空引きには、粗引ポンプを中心に据えた排気システムが構成される。例えばCVD装置の成膜室の場合は、反応時における真空度の安定性を確保する必要がある。プラズマCVDの場合の成膜時の圧力条件の一例をとれば、２〜１００mmtorr、LP-CVDの場合は５０〜２００mmtorrであり、このときの設定圧力の変動幅を±５mmtorr以下に押さえねばならない。この設定圧力を保つのに通常圧力調整弁を用いるが、大量の反応性ガスを流すCVDなどのプロセスでは、粗引きポンプだけでは排気能力が不足して、圧力の整定が困難となる。そのため中真空領域以下で高い排気速度を持つ補助ポンプを粗引ポンプの上流側に設けた排気システムを構成する。
【０００４】
ロードロック室の真空引きにも生産タクトアップのために、あるいはバックグランド真空圧を低くするために補助ポンプが用いられる。後者の場合、同一タクトの条件下で、例えば予備室のバックグランド圧を１００mmtorrから１０mmtorrにすれば、不純物（水分等）の発生を低く押さえることができる。このように半導体設備では粗引ポンプの性能を補いかつ高真空を作りだすために、通常粗引ポンプ（容積式真空ポンプ）と補助ポンプ（高真空ポンプ）の組み合わせからなる真空排気システムを構成している。
【０００５】
以下従来技術とその課題について、［1］一般的な排気システムの場合、［2］本発明者らが提案した複合型真空ポンプの場合、について説明する。
【０００６】
［１］一般的な排気システムの場合
従来の一般的な排気システムでは、適用するプロセスによって、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースタのいずれかが補助ポンプとして用いられる。以下、粗引ポンプとその補助ポンプとして広く用いられているメカニカルブースタの構造について述べる。
【０００７】
（１）粗引ポンプの構造
図９は、従来の粗引きポンプの一種であるねじ溝式（スクリュー式の一種）のドライ真空ポンプを示すものである。同図において、１０１はハウジング、１０２、１０３は回転軸、１０４と１０５はそれぞれ回転軸１０２、１０３に締結された筒型ロータである。それぞれのロータ１０４と１０５の外周部には、ねじ溝１０６と１０７が形成されている。ロータ１０４と１０５が回転すると、その回転に伴い、前記ねじ溝と前記ハウジングで形成される密閉空間が吸入側から吐出側へ移動して、吸入作用と吐出作用を行うのである。また同図のねじ溝式の真空ポンプでは、2個のロータ１０４、１０５の同期回転はタイミングギヤ１１０ａ、１１０ｂの働きによっている。すなわち、モータ１０８の回転は、駆動ギヤ１０９aから中間ギヤ１０９ｂに伝達され、両ロータ１０４、１０５の軸に設けられて互いに噛み合っているタイミングギヤの一方１１０ｂに伝達される。両ロータ１０４、１０５の回転角の位相は、これら２個のタイミングギヤ１１０a、１１０ｂの噛み合いにより調節されている。 駆動ギヤ１０９ｂの端部にはオイルポンプ１１１が組み込まれている。潤滑のためのオイル１１２は、ポンプ最下部のオイルパン１１３から前記オイルポンプにより吸い込まれ、オイルフィルターを経由して、前記軸受と前記ギヤに供給されている。
【０００８】
（２）メカニカルブースタの構造
図１０(a)(b)は、前述した粗引ポンプの補助ポンプとして用いられるメカニカルブースタである。２００はモータロータ、２０１はモータステータ、２０２，２０３はまゆ型ロータ、２０４は吸入口、２０５は吐出口、２０６は回転軸、２０７，２０８，２０９は前記回転軸を支持する玉軸受、２１０はタイミングギヤ、２１１はロータケーシングである。上記構成のメカニカルブースタでは、軸端に設けられた一組のタイミングギヤにより、２つのまゆ型ロータは相互に接触することなく、９０度の位相を保ちながら互いに逆方向に回転する。前記ロータと前記ケーシングで形成される密閉空間の移動により、気体は前記吸気口から吐出口へ輸送される。
【０００９】
しかし、近年の半導体プロセスの複合化に伴い、複数個の真空チャンバーを独立させて真空排気する、いわゆるマルチチャンバー方式が半導体の薄膜加工設備の主流を占めるようになってきている。このマルチチャンバー化に対応するためには、チャンバー１つ１つに粗引きポンプと補助ポンプ（高真空ポンプ）の組み合わせからなる真空排気システムを必要とするが、このような真空排気システムをすべてのチャンバーに対して構成すると、真空排気装置全体が大型化・複雑化してしまうという問題点があった。
【００１０】
［２］広域型真空ポンプの場合
上述した真空排気システムに代わるものとして、本発明者らは容積式粗引ポンプを構成するロータの同軸上に、中真空（中間流）領域以下の低圧気体を輸送するポンプ部分を容積式で構成した複合ポンプを既に提案（特開平5-272478号）している。
【００１１】
図１１における複合構造による広域型真空ポンプは、ハウジング３０１内に、第一回転軸３０２と第2回転軸３０３が、それぞれ鉛直方向にかつ回転自在に収納されている。また筒形のロータ３０４、３０５が、前記両回転軸の上端部でかん合されている。前記ロータの外周面には、ピッチと溝深さの異なるねじ溝（スクリュー溝の一種）が、互いに噛み合うように、上部（Ｂの位置）と下部（Ｃの位置）に形成されている。
【００１２】
３０６，３０７が下部ねじ溝であり第一のポンプ部分、３０８，３０９が上部ねじ溝であり第二のポンプ部分を構成している。これらのねじ溝とハウジング１で形成される密閉空間が、両回転軸の回転に伴い、吸気口３１０側から吐出口３１１側へ移動し、この空間の移動により、容積式ポンプとしての吸入・排気（吐出）作用が得られる。
【００１３】
上部ねじ溝３０８、３０９と前記ハウジングで形成される密閉空間の容積は、下部ねじ溝３０６、３０７と前記ハウジングで形成される密閉空間の容積よりもはるかに大きい。すなわち、下部ねじ溝（A部）は粘性流領域の圧力で気体を輸送する粗引ポンプとして、また上部ねじ溝（B部）は中間流領域および中間流領域以下の圧力で気体を輸送するメカニカルブースタとしての機能をカバーしている。
【００１４】
またロータ３０５の同軸上かつ上部ねじ溝３０８、３０９から離れた上流側（Ｃ部）で、運動量移送式の超高真空ポンプ（第三のポンプ部分）が構成されている。回転部材３１２，３１３と固定部材３１４，３１５の微小な間隙部にある気体分子は、前記回転部材の高速回転により回転運動量を与えられて、前記容積式の各真空ポンプ部分（B部→A部）に輸送される。
【００１５】
３１６、３１７はACサーボモータであり、第一回転軸３０２、第二回転軸３０３は、それぞれの軸に設けられたＡＣサーボモータ３１６，３１７により、数万rpmの高速で同期回転する。両軸の回転信号は、前記吸気口側とは反対側の前記各回転軸の下端部に設けられたロータリエンコーダ３１８，３１９により検出される。３２２，３２３は接触防止ギヤである。
【００１６】
また前記二つの回転軸の同期制御は、第１２図のブロック図で示す方法が用いられる。すなわち、ロータリエンコーダ３１８，３１９からの出力パルスは、仮想の回転ロータを想定して設定された設定指令パルス（目標値）と照合される。目標値と各 エンコーダ３１８，３１９からの出力値（回転数、回転角度）との偏差は、位相差カウンター３２０，３２１により演算処理され、この偏差を解消するように各軸の前記サーボモータの回転数・回転角度が制御される。
【００１７】
上記構成により、中間流領域（１〜１０-3torr）及び中間流領域以下の気体の排気性能の大幅な向上が図れるため、メカニカルブースタを省略でき、真空排気システムとして大幅な小型化、簡素化がはかれる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記広域型真空ポンプを、粗引ポンプと補助ポンプ（メカニカルブースタ）から構成される真空排気システムの代替として半導体プロセスの成膜室に適用した場合、次のような課題が浮上した。
【００１９】
この広域型真空ポンプを定常運転している状態で、大気圧の状態にある真空チャンバーとポンプを繋ぐバルブを突如開放する場合を想定する。バルブの開放と同時に真空引きが開始されるが、このとき成膜室に繋がった真空ポンプの吸入側は、大気開放時において衝撃的に大気圧が加わることになる。その結果、次のことが明らかとなった。運動量輸送式である第三のポンプ部分（Ｃ部）は、密閉空間を持たないため比較的スムーズに気体を通過できる。しかし気体が容積式の第二、第三のポンプ部分を通過する際には次のような問題が生じる。メカニカルブースタとしての機能を有する第二のポンプ部分（Ｂ部）の排気容積は、粗引ポンプとしての機能を持つ第一のポンプ部分（Ａ部）の排気容積と比べてはるかに大きい。そのため第二のポンプ部分を通過した輸送気体は、第一のポンプ部分の入り口３２４で大きく圧縮されることになる。すなわち大気開放時において、モータ３１６，３１７に衝撃的な負荷トルクが加わる。
【００２０】
この瞬間から前記モータの回転数は、図13（ｃ）のごとく低下し始めるために、設定回転数とモータ回転数の偏差値を示す位相差カウンター３２０，３２１のカウント数は、同図（ａ）のごとく増大していく。そのため前記モータには設定回転数を維持すべくより大きな電流が投入される。しかしモータに投入できる電流値には制限があるため、通常ある設定値を超えるとリミッタが同図（ｂ）のごとく働き、電流値は一定の値を保つ。その結果、モータのトルク不足により、回転速度は修復できないまま前記位相差カウンターのパルスカウント数はうなぎ登りに上昇していく。前記位相差カウンターの容量は制約があるため、やがてカウンタ・オーバーエラーとなり、サーボモータは回転数制御ができないフリーラン状態に陥る。すなわち、この大気開放直後から、電子式の同期運転は制御不能の状態となるために、前記二つの接触防止ギヤ３２２，３２３が互いに衝突しながら、やがて停止に至るのである。
【００２１】
前述したような複合構造ではなく排気量の極めて大きな粗引ポンプの場合も、吸気側が真空引きの状態から大気に開放されたとき、その直後にはポンプの排気容積の大きさに比例する衝撃トルクが加わる。この場合も、電子制御による同期運転構造を採用している場合は、前述した広域ポンプと同様な問題が生ずる。
【００２２】
半導体の量産工場では、薄膜設備の定常運転時、通常成膜室はチャンバーのクリーニングの時を除いて圧力等の環境条件を変えない、すなわち真空圧を一定に保つのを原則とする。しかし装置の操作ミスによって、例えばガスパージの大量放出によって、成膜室が突如高圧になることも有り得るのである。この場合、成膜室に繋がる真空ポンプがもし停止すれば、量産時における致命的なトラブルとなる。
【００２３】
本発明は、電子制御式同期運転による真空ポンプのモータ過負荷時に発生する前述した課題を解決する方策を与えるものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明にかかる真空ポンプは、ハウジング内に収納された複数個のロータと、これらのロータのそれぞれに設けられた複数個の軸と、これらの軸の回転を支持する軸受と、前記複数個の軸をそれぞれ独立して回転駆動する複数個のモータと、この複数個のモータの回転数を同期制御する同期制御手段と、前記ハウジングに形成された吸入口及び吐出口とを備えた真空ポンプであって、前記同期制御手段は、前記モータの回転数を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力回転数と予め設定された回転数との偏差値を示す位相差カウンターと、前記位相差カウンターでのカウンタ数に基づいて前記モータの電流を決定すると共に前記位相差カウンターからのカウント数をもとに前記モータへの負荷を判断し、このカウント数が設定値を超えた場合には前記位相差カウンターにカウンターのリセットを指示し、リセット直後は前記モータの負荷がリセッ直前よりも低減させる過負荷検出装置を有することを特徴とするものである。
【００２５】
電子制御式同期運転による真空ポンプの場合、非常時の同期ズレを考慮してロータ間の接触を防止する接触防止ギヤを設けている。たとえば急峻な負荷変動によって、２つのモータの同期制御が不安定になれば、上記接触防止ギヤ同士がまず衝突する。そして不安定状態が続く限り、両回転軸はこの衝突による振動を繰り返すことになる。
【００２６】
本発明では、次の方法によって上記課題を解決している。大気開放によってモータの回転数が急落し、位相差カウンターによるパルスカウント数が設定値を超えると、過負荷検出装置がモータ過負荷と判断して、前記位相差カウンタをリセットする。
【００２７】
一度カウンターをリセットしても、設定回転数とモータ回転数の偏差は依然としてあるために、前記位相差カウンターは再び上昇を始める。しかしこの段階に至るまで、真空ポンプは真空引きを持続しており、真空チャンバー内の圧力は既に低下している。位相差カウンターのパルスカウント数が再び設定値を超えたとき、再度リセットがなされモータ電流は低下するが、真空圧が下がっているためモータに加わる負荷は低減している。そのためモータの回転数は、最初に落ち込んだときよりも高い回転数を維持することができる。かくして適切な間隔をおいた位相差カウンターのリセットの繰り返しにより、モータ回転数はすみやかに所定の設定回転数に回復する。すなわち本発明は、モータのパワーと位相差カウンターの容量は有限だが、真空チャンバーの容積もまた有限であることを利用しているのである。
【００２８】
本発明の適用により、同期制御を乱すモータトルクの負荷変動に係る不安定要因がなくなるため、同期制御の安定性・信頼性は大幅に向上する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明かかる広域型真空ポンプの一実施例を示す。第一回転軸１、第二回転軸２は上段、中段、下段で構成される各ハウジング３，４，５内に、軸受６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂによって支持され鉛直方向に収納されている。各回転軸の上側には筒型の上部ロータ８，９、下側には下部ロータ１０，１１が前記回転軸にかん合されている。前記各ロータの外周面にはピッチと溝深さの異なるねじ溝（スクリュー溝の一種）が、互いに噛み合うように形成されている。
【００３０】
１２、１３が下部ねじ溝であり第一のポンプ部分、１４，１５が上部ねじ溝であり第二のポンプ部分を構成している。これらのねじ溝とハウジング３，４で形成される密閉空間が、両回転軸の回転に伴い、吸気口１６側から吐出口１７側へ移動し、この空間の移動により、容積式ポンプとしての吸入・排気作用が得られる。
【００３１】
上部ねじ溝１４，１５とハウジング３で形成される密閉空間の容積は、下部ねじ溝１２とハウジング４で形成される密閉空間の容積よりもはるかに大きい。すなわち、下部ねじ溝（A部）は粘性流領域の圧力で気体を輸送する粗引ポンプとして、また上部ねじ溝（B部）は中間流領域および中間流領域以下の圧力で気体を輸送するメカニカルブースタとしての機能をカバーしている。
【００３２】
１８は吸入口が形成された上部蓋、１９は下部ケースである。前記各回転軸の下端部に、回転位置センサーであるエンコーダ２０，２１が設けられており、オイルタンクを兼ねた前記下部ケース内に収納されている。
【００３３】
22a、22bはACサーボモータの回転側であるモータロータ、23a、23bは固定側であるモータステータである。２４，２５は、各ロータ１０，１１の下端部に直結した形で設けられたロータ同士の接触を防止するための接触防止ギヤである。
【００３４】
第一回転軸１、第二回転軸２は、前記ＡＣサーボモータにより、実施例では数万ｒｐｍの高速で回転する。両軸の回転信号は、回転位置センサー２０，２１により検出される。図２において、２８，２９は位相差カウンター、３０は過負荷検出装置である。
【００３５】
図4に広域型真空ポンプの排気特性（イ）を粗引ポンプの排気特性(ロ)の対比のもとで示す。
【００３６】
さて実施例の真空ポンプにおいては、大気開放に係る課題は次の方法で解決した。大気開放によってモータの回転数が急落し、位相差カウンター２８，２９によるパルスカウント数が設定値（たとえば２10）を超えると、過負荷検出装置３０がモータを過負荷と判断して、図3（ａ）のごとく前記位相差カウンタをリセットするのである。
【００３７】
前記カウンタをリセットする段階では、モータ電流はまだ上昇過程にあり、回転数制御がまだ可能な状態にある。一度カウンターをリセットしても、設定回転数とモータ回転数の偏差は依然としてあるために、前記位相差カウンターは再び上昇を始める。
【００３８】
しかしこの段階に至るまで、真空ポンプは真空引きを持続しており、真空チャンバー内の圧力は既に低下している。位相差カウンターのパルスカウント数が再び設定値を超えたとき、再度リセットがなされモータ電流は低下するが、真空圧が下がっているためモータに加わる負荷は低減している。そのためモータの回転数は最初に落ち込んだときよりも高い回転数を維持することができる。かくして適切な間隔をおいた位相差カウンターのリセットの繰り返しにより、モータ回転数はすみやかに所定の設定回転数に回復するのである。
【００３９】
なを実施例の真空ポンプでは、第一のポンプ部分、第二のポンプ部分共ロータの外周部にねじ溝を備えたスクリュー式の一種であるねじ溝式を採用した。実施例では、第一のポンプ部分、第二のポンプ部分のねじ溝はそれぞれ独立して形成しているが、吐出側から吸入側に至る区間で、ねじ溝のピッチ（あるいは溝深さ）が連続的に増大していく様な形状でもよい。このようにねじ溝（あるいはスクリュー形状）が連続で、第一と第二の明確な区別がつきずらくても、本発明では粘性流の気体を主に輸送する区間を第一のポンプ部分、主に中間流の気体を輸送する区間を第二のポンプ部分と定義することにする（図示せず）。
【００４０】
本発明を適用できる第一のポンプ、第二のポンプの形態としては、ルーツ型（図５）、歯車型（図６）、単ローベ型（図７(a)）、複ローベ型（図７(b)）、ネジ型（図８）、あるいは雌雄の断面形状の異なる一対のスクリュー型（図示せず）等であってもよい。
【００４１】
以上本発明の実施例として、複合構造による広域型真空ポンプに適用した場合について説明してきた。電子制御式同期運転の欠点を解消できる本発明は、排気量の大きな粗引ポンプ、超高真空までをカバーする超広域型にも適用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明を各ロータを独立したモータで駆動させる電子制御式同期運転の真空ポンプに適用することにより、同期制御を乱す不安定要因（過負荷トルク）が解消されるため、同期制御の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００４３】
たとえば成膜室の真空引きに本発明を適用した場合、真空引き開始直後のモータの過負荷に係る課題は解消される。すなわちポンプが既に定常運転している状態で、吸気側を一気に大気状態にあるチャンバー側に開口できる。また成膜室のいかなる圧力条件の変化に対しても真空引きの機能を失うことはない。衝撃的な過負荷トルクに弱い電子制御式の弱点が、本発明により解消されるのである。
【００４４】
本発明による真空ポンプでは、位相差カウンターをリセットして回転数が低下してもポンプの排気性能は維持される。その排気作用が持続して保たれることにより、チャンバー内の圧力が低下してモータに加わる負荷が低減すれば、モータの回転数は所定の設定値にすみやかに回復する。
【００４５】
本発明により、短いサイクルで大気開放と真空引きを繰り返すロードロック室にも広域型真空ポンプが適用可能となった。その結果、広域型真空ポンプの小型・省スペースの特徴を失わないで、生産タクトアップが図れるようになった。あるいは同一タクトの条件下で、バックグランド真空圧を、例えば２桁以上低くできるため、より高品位なプロセス条件が得られる。また本発明を適用した真空ポンプは、過負荷トルクを考慮しないでACサーボモータを選べるために、モータの小型化と駆動ドライバーの簡素化が図れる。
【００４６】
本発明によって、電子制御による同期運転構造の真空ポンプは、成膜室、ロードロック室、予備室などに幅広く適用できるようになった。その結果、半導体薄膜設備で構成されるライン全体の大幅な省スペース化と簡素化が可能となり、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる広域型真空ポンプの第1実施例を表す断面図
【図２】本発明の制御ブロック図
【図３】カウンタ数、モータ電流、モータ回転数と時間の関係を示す図
【図４】広域型真空ポンプの排気特性を示す図
【図５】本発明が適用できるポンプの別形態をしめす概略図
【図６】本発明が適用できるポンプの別形態をしめす概略図
【図７】本発明が適用できるポンプの別形態をしめす概略図
【図８】本発明が適用できるポンプの別形態をしめす概略図
【図９】従来の粗引きポンプの断面図
【図１０】従来のメカニカルブースタポンプの断面図
【図１１】既提案の複合型真空ポンプの断面図
【図１２】回転軸の同期制御方法を示すブロック図
【図１３】カウンタ数，モータ電流，モータ回転数と時間の関係を示す図
【符号の説明】
１，２  軸
３  ハウジング
１６  吸気口
１７  吐出口
２０，２１  エンコーダ
２２，２３  モータ
２８，２９  位相差カウンター
３０  過負荷検出手段
【図１】
0003937597.tif 000002
【図２】
0003937597.tif 000003
【図３】
0003937597.tif 000004
【図４】
0003937597.tif 000005
【図５】
0003937597.tif 000006
【図６】
0003937597.tif 000007
【図７】
0003937597.tif 000008
【図８】
0003937597.tif 000009
【図９】
0003937597.tif 000010
【図１０】
0003937597.tif 000011
【図１１】
0003937597.tif 000012
【図１２】
0003937597.tif 000013
【図１３】
0003937597.tif 000014