(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室に連絡する主ポンプと、この主ポンプの吐出側に接続され前記主ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記主ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に接続され、前記主ポンプよりも排気容量が小さく、前記主ポンプと共に運転される補助ポンプとを備えた真空排気装置を用いて前記真空処理室を真空排気する真空排気方法であって、
前記主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａにおける前記補助ポンプの排気速度を、前記主ポンプの排気速度の３％以下とすることを特徴とする真空排気方法。
【請求項２】
前記補助ポンプの到達圧力が、２０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の真空排気方法。
【請求項３】
真空処理室に連絡する主ポンプと、この主ポンプの吐出側に接続され前記主ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記主ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に接続され、前記主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａにおける排気速度の３％以下の排気速度を持ち、前記主ポンプと共に運転される補助ポンプとからなることを特徴とする真空排気装置。
【請求項４】
前記主ポンプが、容積移動型のドライ真空ポンプ、または、当該ドライ真空ポンプを複数段直列的に接続した複合型ポンプであることを特徴とする請求項３に記載の真空排気装置。
【請求項５】
前記主ポンプが並列的に複数台配置され、前記補助ポンプの吸い込み側が前記各主ポンプの吐出側に接続されてなることを特徴とする請求項３に記載の真空排気装置。
【請求項６】
前記補助ポンプが、２０ｋＰａ以下の到達圧力を有する真空ポンプでなることを特徴とする請求項３に記載の真空排気装置。
【請求項７】
前記補助ポンプが、回転翼型（ゲーデ型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラン型）またはスクロール型の真空ポンプであることを特徴とする請求項６に記載の真空排気装置。
【請求項８】
前記逆止弁が、弁座に対して自重により着座する球状の弁体を有することを特徴とする請求項３に記載の真空排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスパッタリング装置や真空蒸着装置などの半導体製造装置用の真空ポンプ、特にドライ真空ポンプの消費電力の低減を図った真空排気方法および真空排気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
初期の半導体製造装置用の真空ポンプとして、油回転真空ポンプが多く使用されていた。このポンプは、回転翼を真空ポンプ油中に浸漬させ、回転翼室内に真空ポンプ油を吸引させることで回転翼室内のシール効果を高める一方、回転翼室内の潤滑を行って効率の高い排気を行うことによって低い到達圧力を容易に得ることができる。
【０００３】
油回転ポンプは、吐出口側に排気弁を持っており、回転翼室内の排気ガスは、回転翼室内の真空ポンプ油とともに圧縮され、排気弁から排出される構造となっている。真空ポンプ油が回転翼室内のデッドボリュームとなる空間を満たすことにより少量のガスもこの油に同伴され、大気圧以上の圧力に圧縮されて効率良く排気弁より排出される。排気弁は、回転翼室内からの真空ポンプ油および排気ガスを通過させるが、大気側のガスを回転翼室内に侵入させない役割を持っている。ここでの排気弁によるガス侵入阻止効果は、後述する容積移動形真空ポンプの欠点である逆流ガスによる動力損失を無視できるものとして、消費電力の小さな効率のよいポンプを実現させていた。
【０００４】
油回転ポンプは一般的に消費電力が小さく、低い到達圧力が容易に得られる構造の真空ポンプであるが、半導体製造装置に使用される場合には以下の点に留意する必要がある。
【０００５】
▲１▼半導体製造装置で使用されるガスには反応性の強いガスが多く、真空ポンプ油との反応により反応生成物を発生させ、これがポンプの回転不能を生じさせたり、ポンプ油を劣化させて潤滑不良を生じさせる不都合がある。
【０００６】
▲２▼真空ポンプ油の蒸気が真空容器内に拡散し、汚染を生じさせる。
【０００７】
▲３▼使用済みの真空ポンプ油にはヒ素化合物、リン化合物等の毒性物質が含まれることが多く、産業廃棄物としての処理に多額の処理費用がかかる一方、管理上の工数もかかる。
【０００８】
これらのような理由から、近年では油回転ポンプに代わって、真空ポンプ油を使用しないドライ真空ポンプが用いられている。ここでいうドライ真空ポンプとは、大気圧からの真空排気が可能であり、吸入室にシール油（作動油）を有しない機械的真空ポンプ（以下、同じ。）であって、容積移動型のルーツ型、クロー型、スクリュー型が多く使用されている。これらのポンプはいずれも２軸構造で、一対のロータは互いに僅かの隙間を保って反対方向に回転することで真空排気を行うもので、接触部分をもたないことから寿命が長く、製造装置から流入するガス中に含まれる固形成分も排気でき、腐食性ガスに対しても耐食性を容易にもたせることができる。
【０００９】
上記のように半導体製造設備で使用される真空ポンプは、真空ポンプ油を使用しないドライ真空ポンプに置き換わったが、ドライ真空ポンプは、油回転真空ポンプに比べて消費電力が大きいという問題を有している。特に、環境上の問題からエネルギー消費を抑える必要が生じたことと半導体製造のコストダウンが要求されることから、ドライ真空ポンプの消費電力を５０％以下に抑制したいとの要望が生じている。
【００１０】
例えば、ルーツ型ドライ真空ポンプは、回転軸に沿って複数のロータを備えた回転体を相隣接して設け、相対向したロータが互いに僅かの隙間を保って逆方向に回転してガスの吸入、排気を行うもので、３段から６段のポンプ室から構成され、各段のポンプ室で順次ポンプ作用を行うものである。このポンプでは、排気ガスが前段部から後段部へと移動するのに伴ってガス圧が上昇することから、排気容量は、前段部より後段部は小さくても良い。同一の軸上に多段のルーツ型ロータを設ける場合、それぞれのロータは、加工のし易さ及びロータ間の同期の取り易さから同一の外形形状とされているのが現状である。そのため、ガスの吸入側から吐出側に向かって排気容量を段階的に小さくするためには、ロータの厚みを段階的に薄くすることで対応している。
【００１１】
ここで、ルーツ型ポンプでの排気気体の圧縮は、ロータ表面の凹み部とケーシングにより構成される空間に排気気体が一旦閉じ込められ、ロータが回転することでこの空間が吐出側空間とつながり、その瞬間に吐出側気体が上記空間内に逆流することで行われる。ルーツ型ポンプでは１〜１０Ｐａ程度の到達圧力が得られ、到達圧力から３ｋＰａ付近までが常用圧力となる。吐出口圧力は大気圧で一定である。したがって、吸入口側を真空に保つためには、圧縮行程でロータ室に逆流したガスを押し戻してやる必要があり、大気圧からの逆流を受け止める最終段では、ガスを押し戻すためにポンプ全体の所要動力の約７０％から８０％程度が使われる。
【００１２】
上述の多段ルーツ型ポンプにおいて、最終段の仕事は、押し戻すガス量が小さければ少なくなる。そのため、上述したようにロータ厚みを薄くしてポンプ後段部の排気容量を小さくしている。このように、最終段の排気容量を小さく設定することによりポンプの常用圧力範囲での所要動力を抑え、省エネルギー化に役立てているのが現状である。
【００１３】
クロー型ポンプは、ルーツ型とはロータ形状が異なるだけで排気原理は全く同じである。他方、スクリュー形ポンプは、２本のネジのネジ溝により構成される空間を軸方向に沿って移動させ気体を輸送するもので、吐出部のガスがネジ溝により構成される空間に流れ込み、圧縮が行われるのはルーツ型と同様である。ネジ溝は連続していることから、ルーツ型、クロー型のように任意に後段に向かって排気容量を小さくするためにはネジ溝のピッチを連続して小さくする構造がとられている。しかし、ネジ溝のピッチを変えるには限界があることから、ピッチが異なるロータをブロック状に組み合わせて最終段の排気容量を小さくするなどの工夫が行われている。
【００１４】
最終段の排気容量の設定は、そのポンプの用途により異なる。例えば多段ルーツ型ポンプにおいて、１段目に対して最終段の排気量を５０％程度に設定したものは、常用圧力範囲において圧縮熱を多く発生する。つまり、半導体製造装置の減圧ＣＶＤ装置やエッチング装置では、反応の過程で発生するガス中に排気装置内で飽和蒸気圧を超える濃度となると固体として析出するものが含まれているが、これらのガスを排気するためにはドライポンプの温度を１００〜１６０℃程度の高温にして析出を防止する必要がある。この目的から圧縮熱により効率良くポンプを加熱できる５０％程度の排気速度比が採用される。
【００１５】
一方、スパッタリング装置や蒸着装置などでは、排気されるガスはアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが主体であり、ポンプ温度を高める必要がないことから極力、消費電力が小さいポンプが要求される。この場合には、最終段の排気容量を１段目に対して２０〜２５％程度に設定する。この設定では、最終段の排気容量が１段目の排気容量の５０％程度であるポンプに対して、到達圧力時の消費電力を３０〜６０％低減させることができる。
【００１６】
ところで、ポンプを高温にする必要のない用途のドライポンプにおいては、最終段の排気容量を１段目の排気容量に対して２０％以下にすることで更に省エネルギー化を図ることが可能となるが、機械的な面で障害が生じる。例えば最終段の排気容量を１段目に対して２５％程度とした場合、最大排気速度が８０ｍ3 ／Ｈｒクラスのポンプでは、１段目のロータ厚みは３０ｍｍ程度とする場合が多いが、この場合は、最終段のロータ厚みは７．５ｍｍとなり、ロータ自体の強度が小さくなることから加工時にロータ側面と軸心との直角度が出しにくく、ロータ側面と隔壁間の隙間を０．１ｍｍから０．２ｍｍに保つことが困難である問題が生じる。
【００１７】
また、ロータ側面と隔壁との間の隙間は、加工精度およびケーシングとロータ軸の熱膨張差による変動の制限から０．１ｍｍから０．２ｍｍ必要とするため、ロータ幅に対する隙間の比率がロータを薄くすることで大きくなり、容積効率が低下する問題も生じる。これに対して、最終段のロータ幅を機械的に安定した幅に設定し、ロータ径を小さくして前段側ロータの幅を決定する方法もあるが、この方法ではポンプ長が長くなり、省スペースの点からは不都合である。
【００１８】
一方、特開平６−１２９３８４号公報には、上記ドライ真空ポンプ（以下、主ポンプともいう。）の後段に、主ポンプ側から大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁を設けるとともに、主ポンプよりも排気容量の小さい補助ポンプを上記逆止弁をバイパスするように主ポンプの吐出側に設けることによって、主ポンプの吐出側を大気圧以下に排気しポンプ最終段に侵入するガスの押し戻し仕事を低減する技術が開示されている。
【００１９】
この技術によれば、従来では大気圧とされていた主ポンプの吐出側が補助ポンプによって大気圧以下の所定の真空度に排気、維持されるために、主ポンプへの逆流ガスが大幅に低減され、よって、逆流ガスの押し戻しに必要とされる動力を確実に低減することが可能となり、主ポンプの駆動動力の省エネルギー（以下、省エネともいう。）化を図ることが可能となる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報によれば確かに主ポンプの消費電力を低減することは可能となるが、補助ポンプを含めた真空排気系全体から見た場合に必ずしも常に効率の良い省エネ化を図ることができるとは限らない。つまり、主ポンプの低消費電力化が達成されたとしても、主ポンプの低消費電力化に寄与する補助ポンプの運転状態によっては、補助ポンプの消費電力が大きくなって真空排気系全体としての省エネ効果が減殺されることがわかった。
【００２１】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、主ポンプ及びその補助ポンプを含めた真空排気系全体の効率の高い省エネ効果を得ることができる真空排気方法および真空排気装置を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するに当たり、本発明は、主ポンプと共に運転される補助ポンプを備え、主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａにおける補助ポンプの排気速度を、主ポンプの排気速度の３％以下とする。これにより、補助ポンプの大型化およびその消費電力の増大を抑制し、真空排気系全体としての設置スペースの低減と、効率的な省エネ化を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、スパッタリングや蒸着など、排気ガス中にポンプ内で析出堆積する成分を含まないプロセス（ライトプロセス）における真空処理室用の真空排気装置を例に挙げて説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施の形態による真空排気装置の概略配管構成を示している。真空処理室１は、排気配管５を介して単一のドライ真空ポンプで構成される主ポンプ２に連絡している。主ポンプ２の吐出側には、大気と連絡する配管６ａ，６ｂが接続され、これら配管６ａ，６ｂ間には、主ポンプ２側から大気側へのガスの流れを許容しその反対の流れを禁止する逆止弁４が設けられている。また、主ポンプ２の吐出側を排気する補助ポンプ３が、逆止弁４をバイパスするバイパス配管７ａ，７ｂ間に配置されている。
【００２５】
なお、排気配管５には、真空処理室１と主ポンプ２との間を連通／遮断するメインバルブが図示せずとも配置されており、排気配管５の下流側は排ガス処理装置に接続されている。また、主ポンプ２の上流側にターボ分子ポンプ等の高真空排気用ポンプが接続されていてもよい。
【００２６】
主ポンプ２の構成を図２および図３を参照して説明する。本実施の形態における主ポンプ２は容積移送式のルーツ型ドライ真空ポンプで構成されるが、勿論これに限られず、クロー型やスクリュー型といった他の容積移送式あるいは容積移動型のドライ真空ポンプを用いることも可能である。
【００２７】
主ポンプとしてのルーツ型ドライ真空ポンプ２は公知の構成を備えている。すなわち、ハウジング２０内に軸受２６，２７によって支持される一対の回転軸２１，２２が相隣接して収容され、各回転軸２１，２２にはその軸方向に沿って図３に示す形状の三葉の複数のロータ２１ａ，２１ｂが設けられている。各段におけるロータ２１ａ，２１ｂ間には互いに僅かな隙間が形成され、ＤＣブラシレスモータ２５によりタイミングギヤ２８（ここでは一対のギヤの片側のみ図示）を介して各回転軸を互いに逆方向へ同期回転させることによって、排気配管５が接続される吸入口２３から吸入したガスを前段側のロータから後段側のロータへ順次移送し、配管６ａが接続される吐出口２４へ、移送したガスを送り出すようになっている。これにより、真空処理室１が所定の真空度にまで真空排気される。ここでは最大排気速度が１５０ｍ3 ／Ｈｒ（３０００Ｐａ）で２Ｐａの到達圧力が得られるルーツ型ドライ真空ポンプが用いられている。
【００２８】
ここで本実施の形態では、回転軸２１，２２に設けたロータ２１ａ，２１ｂを前段側から後段側に向けて段階的に薄くすることによって、ガスの吸い込み側から吐き出し側に向かって排気容量を段階的に小さく設定しており、最終段の排気容量は１段目の排気容量に対して２５％とされている。
【００２９】
補助ポンプ３には、消費電力の小さい効率の良い構造のポンプが必要である。すなわち、ポンプ構造として、ポンプの圧縮行程において排気ガスの体積が減少する構造のものがよい。具体的には、回転翼型（ゲーデ型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラン型）、スクロール型が適している。
【００３０】
上記主ポンプとして用いられるルーツ型、クロー型、スクリュー型のような容積移動型ポンプでは、ロータとハウジングにより形成される空間内に閉じ込められたガスに対し、ロータの回転によりこの空間が吐出側に開放された瞬間に吐出側ガスが当該空間内に逆流してくることにより圧縮が行われる。したがって、容積移動型ポンプでは逆流ガスを効率良く小さくすることができず、省エネ率が小さくなる。
【００３１】
これに対して、上記のような圧縮行程において排気ガスの体積が減少する構造のポンプにおいては、圧縮過程で体積が小さくなり大気圧以上となって吐出口から排出されるので、容積移動型ポンプのような逆流は基本的に発生しない。また、ピストン型、ダイアフラム型の往復動型ポンプは、その排気原理から吸入弁、吐出弁を持たなければならないことから、吐出口からポンプ室（シリンダ内）への逆流は存在しない。回転翼型においては、ガスが排出される段階で圧縮が不十分で大気圧以上とならなかった場合においても、その時点でのロータ室の吐出口側に開放される体積は小さいことから逆流の影響は小さい。実際には、ロータ室内が大気圧以上になると開放する排気弁を設けることができるので、逆流はさらに抑制される。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、回転翼型（ゲーデ型）、ピストン型、ダイアフラム型（メンブラン型）、スクロール型といった構造の真空ポンプを補助ポンプ３として用いることによって、本発明に係る真空排気装置の高い省エネ効果を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、本実施の形態における補助ポンプ３は、その具体的な構成の図示は省略するが、本実施の形態では最大排気速度が１．８ｍ3 ／Ｈｒであり、２０ｋＰａ以下の到達圧力を有する回転翼型（ゲーデ型）のドライ真空ポンプが用いられている。
【００３４】
一方、上記の排気原理および構造とは異なる他の原理および構造のポンプとして、例えば気体の粘性を利用したドラッグ型、ボルテックス型、ターボ型真空ポンプはポンプ効率が低いことから、上記補助ポンプ３としては適切ではない。また、ガスまたは水エゼクタは、トータルエネルギー効率が低いことと、作動ガス、作動液による真空の汚染が生じる可能性があるので、これも補助ポンプ３として適切ではない。
【００３５】
次に、逆止弁４の構成を図４を参照して説明する。
【００３６】
逆止弁４は、大気側に位置する筒状の上本体４１と主ポンプ２側に位置する筒状の下本体４２とからなるハウジング４０、上本体４１と下本体４２との間に形成される弁室４４、弁室４４の下本体４２側端部に形成される環状の弁座４５、弁座４５に対して着離座可能な弁球４６および、弁室４４の上本体４１側に形成され弁球４６の所定以上のリフト動作を規制するためのストッパ４７とを備えている。
【００３７】
上本体４１と下本体４２との結合面には環状のシールリング４８が介装されるとともに、上本体４１と下本体４２とが複数本のボルト部材４３により結合されることによって、両者が気密に一体化されている。弁球４６は例えば中空のステンレス球からなり、その表面は薄いゴム膜で被覆されている。本実施の形態では、弁球４６の自重は約５０ｇであり、当該逆止弁４の入口側の圧力が大気圧より約７００Ｐａ高くなると図４において上方へ持ち上げられる（リフトする）ようになっている。ストッパ４７は、図示するように上本体４１の筒状の下端部の周方向に沿って９０度間隔に下方に突出する４本の爪から構成される。したがって、弁球４６を持ち上げて弁室４４内に流入したガスは、ストッパ４７を構成する各爪の間を通って大気側へ流出することになる。
【００３８】
上記構成の逆止弁４は流体の抵抗が小さく、入口側の僅かな圧力上昇で開弁するので早い圧力変動にも追従することができる。つまり、主ポンプ２として用いられる容積移動型ポンプでは、ポンプ吐出部のガスはロータ室内に逆流したりロータ室から押し出されたりする動きを繰り返していることから、ポンプ吐出部のガスは脈動を生じており、主ポンプ２の吸入ガス量が少なくなると弁球４６はここでの脈動の影響で弁座４５に対する着座、離座を繰り返すようになる。この場合、脈動に対する弁体の追従性が悪いと、弁体が着座している時間がなくなり、補助ポンプの吸入側は大気圧に開放されたままとなって主ポンプの吐出部を減圧することができなくなる。そこで本実施の形態では、逆止弁４の弁体（４６）を球状とし、その自重のみで逆止弁４の開閉を行うようにしており、脈動に対する追従性を高めるようにしている。
【００３９】
なお、一般の逆止弁の構造は弁体をばねで弁座に向けて付勢していたり、弁体をドアのようにスイングさせるものが多いが、これらのものは低い開放圧力を得ること、脈動に対する弁体の追従性を確保すること、閉となった時の漏れ（リーク）をなくすことの各点において困難が多く、本発明に係る真空排気装置における逆止弁として用いるには適さない。
【００４０】
次に、以上のように構成される本実施の形態の真空排気装置の作用と併せて、本発明の詳細について説明する。
【００４１】
真空処理室１は、主ポンプ２によって大気圧から所定の真空度にまで粗引き排気される。補助ポンプ３は、主ポンプ２が運転しているときは常時運転される。主ポンプ２の排気ガス量が多いために補助ポンプ３で主ポンプ２の吐出側を排気しても大気圧以下とならない場合は、逆止弁４が開いて排気ガスを図１において矢印ａで示す方向に排出する。一方、真空処理室１の排気作用が進むと、ドライ真空ポンプ２の吸入圧力は低下し、これに伴って主ポンプ２の吐出口２４のガス量が低下する。
【００４２】
主ポンプ２の吐出側が補助ポンプ３の排気作用によって大気圧以下とすることができるガス流量となると、逆止弁４は開閉を繰り返す脈動状態となる。本実施の形態では、上述のように逆止弁４を脈動に対する追従性を高めた構造となっているので、本発明の真空排気装置を高い信頼性を確保して運転することができる。
【００４３】
主ポンプ２の吐出側が大気圧以下となると逆止弁４は完全に閉じ、以後、図１における矢印ａの方向のガスの流れはなくなり、補助ポンプ３の排気作用による矢印ｂの方向への排気のみとなる。これにより、主ポンプ２の吐出圧は低下し始め、主ポンプ３への逆流ガス量が低減するので、主ポンプ２の消費電力は減少する。
【００４４】
なお、逆止弁４が開弁するぐらいに主ポンプ２の排気ガス量が大きい状態では、補助ポンプ３はあまり役に立っておらず、主ポンプ２の消費電力と補助ポンプ３の消費電力とを合わせた真空排気装置全体の消費電力は、補助ポンプ３を運転させないときに比べて大きくなる。しかし、半導体製造装置においては真空処理室（真空容器）の体積は１００リットル以下のものが多く、補助ポンプ３が役に立つ圧力に達する時間は数分であることから、省エネの点からは無視することができる。
【００４５】
図５は、排気速度１５０ｍ3 ／Ｈｒの主ポンプ２の後段（吐出側）に排気速度１．８ｍ3 ／Ｈｒの補助ポンプ３を取り付けた真空排気装置の、主ポンプ２の吸入圧力に対する消費電力（主ポンプ２＋補助ポンプ３）特性を示している。主ポンプ２は上述したように最終段の排気容量が１段目の排気容量に対して２５％に設定された省エネタイプのポンプである。図５において一点鎖線は補助ポンプ３を取り付けない場合を示し、実線は補助ポンプ３および逆止弁４を取り付けた場合を示している。なお、横軸（吸入圧力）は対数目盛としている。
【００４６】
図５に示すように、補助ポンプ３を取り付けることで、１ｋＰａ以下の圧力範囲では消費電力は急激に下がり、補助ポンプ３を取り付けない場合と比較すると、到達圧力時においては１．３５ｋＷの消費電力が０．３２ｋＷとなり、約７６％の省エネ率（消費電力削減率）が得られている。また、主ポンプ２の吸入圧力が４００Ｐａの場合には、補助ポンプ無しの場合の消費電力が１．４ｋＷに対し、補助ポンプ３を付けたときの消費電力は０．６７ｋＷとなり、省エネ率は約５２％となる。
【００４７】
なお、補助ポンプ３の排気速度を大きくすると、主ポンプ２の消費電力が減少を開始する圧力が図示する１ｋＰａ近傍から図中右側、すなわち吸入圧力が高い方に移動し、省エネが有効となる圧力範囲が広がる。しかし、補助ポンプ３の排気速度を大きくすると補助ポンプの消費電力が増大し、省エネ効果が小さくなる。一般に半導体製造装置で使用される真空排気系では、少量のプロセスガスを真空処理室１に流し込み、所定の圧力を維持しながら成膜等の処理を行う。その際の主ポンプ２の吸入圧力は、高い場合でも１５００Ｐａ程度であることから、３０００Ｐａ程度以下の吸入圧力範囲で省エネ効果が得られれば本発明の目的は達成される。
【００４８】
次に、図６は、主ポンプとしてのドライ真空ポンプをターボ分子ポンプの後段側ポンプとして使用した場合を想定して、互いに排気速度が異なる主ポンプと補助ポンプとを組み合わせたときの排気速度比と消費電力比との関係を示している。主ポンプの吸入圧力は、４００Ｐａである。
ここで、排気速度比とは補助ポンプの排気速度と主ポンプの排気速度との比をいい、消費電力比とは、補助ポンプ使用時の消費電力と補助ポンプ非使用時の消費電力との比をいい、従って消費電力比１００％は省エネ効果が全くない場合をいう。なお、補助ポンプ使用時の消費電力は主ポンプと補助ポンプの総計の消費電力を、補助ポンプ非使用時の消費電力は主ポンプの消費電力をそれぞれ意味する。
【００４９】
図６から、排気速度比が大きくなればなるほど消費電力比は低くなり、よって省エネ効果が高まることがわかる。また、排気速度比が３％付近になると消費電力比の低減率が小さくなることが認められるが、その理由については後述する。以上から、主ポンプの吸入圧力が４００Ｐａの時、当該主ポンプの排気速度に対して３％以下の排気速度を持つ補助ポンプを使用することにより省エネ化を効率良く達成することができる。
本実施の形態においては、主ポンプ２と補助ポンプ３の排気速度比は１．２％であるので、上記条件を満足する。
【００５０】
主ポンプに対する補助ポンプの排気速度比を大きくすることにより主ポンプの省エネ効果が現れる吸入圧力は上述のとおり高圧側に移行するが、反面、補助ポンプの消費電力は大きくなり、主ポンプと補助ポンプとを合わせた消費電力は、補助ポンプを使用しない場合の消費電力より大きくなってしまう。このことを図７及び図８を参照して説明する。
【００５１】
ここで、図７は、補助ポンプとして使用できるポンプの排気速度に対する消費電力の代表的な値を示したものである。また、図８は、本実施の形態における主ポンプ２としての１５０ｍ3 ／Ｈｒの排気速度のドライ真空ポンプを例にとり、主ポンプ吸入圧力４００Ｐａの排気速度に対する図７に示した特性の補助ポンプの排気速度比を変化させた場合の消費電力を示したものである。
【００５２】
図８において、一点鎖線は主ポンプ２のみの消費電力で、補助ポンプの排気速度比を大きくすることで急激に消費電力を減少するが、排気速度比４％程度以上では主ポンプ２のメカニカルロスの値に収斂する。破線は図７に示した特性の補助ポンプの消費電力を排気速度比との関係に置き換えて示したものである。そして、実線はこれらの和で、これが真空排気装置としての消費電力となる。
【００５３】
図８の実線で示す結果から、主ポンプ２に対する上記補助ポンプの排気速度比３％程度が最も低い消費電力を示すことがわかる。主ポンプ２の吸入圧力４００Ｐａにおいて省エネ率５０％（図５参照）を得る場合を検討すると、上記排気速度比は１．２％又は９．４％のどちらでもよいことになるが、排気速度比９．４％での補助ポンプは、１．２％の補助ポンプ（すなわち本実施の形態における補助ポンプ３）より大型となり、設置スペースおよびポンプを製造するためのエネルギーの比較においては不具合を生ずることになる。したがって、排気速度比が３％以下の補助ポンプを選択すれば、全体的に省エネ率の高い真空排気装置を得ることができる一方、排気速度比が３％超の補助ポンプでは、逆に省エネ効果が減殺されることがわかる。
【００５４】
一方、図５に実線で示したように、１０Ｐａ以下の吸入圧力範囲では消費電力はほぼ水平となっている。この状態は、主ポンプ２の吐出部圧力が低くなりポンプ室内の圧縮仕事が無視できるほど小さくなった場合で、ここでの消費電力は、主ポンプ２の軸受２６，２７や、ＤＣモータ２５の回転駆動力を各回転軸２１，２２へ伝達するタイミングギヤなどの機械損（メカニカルロス）を表している。主ポンプ２の吸入圧力を徐々に高めていくと消費電力も徐々に上昇する。このことは、主ポンプ２の最終段で圧縮仕事（ここでは、逆流ガスを押し戻す仕事）が目に見えるかたちとなってきたことを示している。主ポンプ２の消費電力は、吐出部圧力と比例的関係を持つので、図５の実線で示す低い消費電力を得るには、補助ポンプがここでの測定時の吐出圧まで排気できる能力を持っていなければならないことになる。
【００５５】
そこで、種々の排気速度の異なるドライポンプを使用して到達圧力時の消費電力から１０％消費電力が上昇する吸入ガス量の設定を行い、このときの補助ポンプの圧力を調べると、６．５ｋＰａから２０ｋＰａの値が得られた。このことは、補助ポンプ３として２０ｋＰａ以下の圧力まで排気できる能力を持ったポンプを使用しないと、到達圧力時において主ポンプ２のメカニカルロスと等しい消費電力が得られないことを示している。
【００５６】
続いて、図９の実線は本実施の形態における真空排気装置の排気速度特性を、一点鎖線で示す補助ポンプがない場合の排気速度特性と比較して示している。１ｋＰａ以下の吸入圧力では、補助ポンプがない場合に比べて約１０％排気速度が大きくなっている。更に、到達圧力は２Ｐａから１Ｐａに向上している。これは、主ポンプ２の吐出口圧力が低下したことで逆流ガス量が小さくなり、容積効率が高まったことによる。補助ポンプ３の付加は、消費電力の削減のみの効果に止まらず、排気速度および到達圧力の向上にも効果がある。
【００５７】
以上のように、本実施の形態によれば、小さい排気能力を持った補助ポンプで主ポンプの消費電力を効率良く低減することができるので、真空排気装置全体としての効率的な省エネ化を図ることができる。
一例を挙げるならば、φ２００ｍｍのウェーハを月産１００００枚加工する半導体工場においてドライ真空ポンプ（主ポンプ）が概略３００台使用されていると、本発明の対象となるライトプロセスに使用されているドライ真空ポンプが全体の３０％を占めるとすると、その数は９０台となる。これらに補助ポンプ無しのドライ真空ポンプが使用されていて、これらを本発明の補助ポンプ付きのドライ真空ポンプと置き換えるとともに、当該補助ポンプとして上記実施の形態の補助ポンプ３の特性（排気速度比）を具備するポンプを選定することによって、一台当たり１ｋＷの電力が削減できることとなることから、一年当たりの電気料金は一工場当たり１１８２万円節約できることとなる（１ｋＷ＝１５円として計算）。更に、二酸化炭素の排出量を求めると２７６ｔの削減効果が得られる。
【００５８】
一方、補助ポンプ３は取付スペースが小さく、主ポンプ２の吐出配管へ接続されるバイパス配管７ａ，７ｂも１０ｍｍ程度の細い配管で構成することができ、しかも、電気制御系も必要としないことから、既存のドライ真空ポンプを容易かつ安価にここでの省エネ型ポンプ（真空排気装置）に改造することができる。これにより、半導体製造コストの削減および環境への付加低減に大きく寄与することができる。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００６０】
例えば以上の実施の形態では、主ポンプ２として単一のドライ真空ポンプを用いて説明したが、これに限らず、例えばルーツ型ドライ真空ポンプを複数段直列的に接続して構成した複合型ポンプを上記主ポンプとして用いることも可能である。
【００６１】
また、以上の実施の形態では補助ポンプ３を単一の主ポンプ２の吐出側に接続する構成について説明したが、例えば図１０に示すように、複数台（図では３台）並列的に配置された主ポンプ２Ａ〜２Ｃの吐出側を一台の補助ポンプ３で排気する構成も、本発明は適用可能である。図示する例は、主ポンプ２Ａ〜２Ｃ各々に対して逆止弁４Ａ〜４Ｃを設けるとともに補助ポンプ３との間に開閉弁１１Ａ〜１１Ｃを設けている。各主ポンプ２Ａ〜２Ｃは互いに異なる真空処理室に連絡しているものとする。この場合、主ポンプ２Ａ〜２Ｃの動作台数によって補助ポンプ３の吸入ガス量が変動するので、主ポンプ２Ａ〜２Ｃの動作台数に応じて補助ポンプの排気速度（回転数）を可変とするのが望ましい。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の真空排気方法および真空排気装置によれば、小さい排気能力を持った補助ポンプで主ポンプの消費電力を効率良く低減することができるので、真空排気装置全体としての効率的な省エネ化を図ることができる。また、補助ポンプとして小型のポンプを用いることができるので、補助ポンプの設置スペースを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による真空排気装置の概略配管構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における主ポンプの構成を示す断面図である。
【図３】図２における［３］−［３］線方向断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における逆止弁の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における真空排気装置の作用を説明する図であり、主ポンプ吸入圧力と装置全体の消費電力との関係を示す。
【図６】本発明の実施の形態における真空排気装置の作用を説明する図であり、主ポンプに対する補助ポンプの排気速度比と消費電力比との関係を示す。
【図７】代表的な補助ポンプの排気速度と消費電力との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における真空排気装置の消費電力特性を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における真空排気装置の吸入圧力と排気速度との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例を示す真空排気装置の概略配管構成図である。
【符号の説明】
１  真空処理室
２  主ポンプ
３  補助ポンプ
４  逆止弁
２１，２２  回転軸
２１ａ，２２ａ  ロータ
４５  弁座
４６  弁球
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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