(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング側の静止壁に対し所定の微小隙間を確保した状態でロータを配置し、該ロータを高速回転させることにより真空排気する回転真空ポンプの製造方法において、
前記静止壁と組み合わせる前に、予め前記ロータに対し、定常クリープひずみよりも大きな速度で進行する初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の条件よりも過酷な条件を維持して与え、その後、その初期クリープひずみの履歴が与えられたロータに対して、予め前記初期クリープひずみ相当分の減寸法が与えられた静止壁を組み合わせることにより、前記所定の微小隙間を確保することを特徴とする回転真空ポンプの製造方法。
【請求項２】
前記初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の温度よりも高い温度条件を維持してロータに与えることを特徴とする請求項１記載の回転真空ポンプの製造方法。
【請求項３】
前記初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の応力よりも高い応力条件を維持してロータに与えることを特徴とする請求項１記載の回転真空ポンプの製造方法。
【請求項４】
前記ロータのバランス回転試験を、ロータの温度または応力の少なくとも一方を、定常使用時のそれよりも過酷な条件に維持して行うことにより、前記初期クリープひずみの履歴をロータに与えることを特徴とする請求項１記載の回転真空ポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスで使用されるターボ分子ポンプ等の回転真空ポンプ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転真空ポンプの一種であるターボ分子ポンプは、半導体製造装置を真空引きする場合などに広く使用されている。図４はターボ分子ポンプの概略構造を示している。
【０００３】
このターボ分子ポンプＰは、ケーシング１内部に各種部品が備えられた構成となっており、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。ケーシング１内部においては、上部に軸流段部ＰＡ、下部にねじ溝段部ＰＢが設けられている。軸流段部ＰＡは主として後述する多段に設けられた動翼（ロータ翼）５および静翼（ステータ翼）３とにより構成され、ねじ溝段部ＰＢは、ロータ４に螺旋状のねじ溝１３を形成したねじ溝ロータ部１４及びケーシング１内部に固定されたシールリング１５とにより構成されている。
【０００４】
より具体的に説明すると、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の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の内周には静翼３が固定されている。
【０００５】
ロータ４には、動翼５の下方にねじ溝１３が形成されたねじ溝ロータ部１４が形成されている。ねじ溝ロータ部１４には、ケーシング１内周に固定されたシールリング１５と対向する面にねじ溝１３が形成されており、ねじ溝１３の山部とシールリング１５内周との間にわずかな隙間が形成されている。
【０００６】
ロータシャフト４ａの下端部には、スラストディスク６が設けられている。このスラストディスク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１との対向面における上方及び下方には、ロータ駆動用モータ１１の上下に位置させて、それぞれラジアル磁気軸受７ａ、７ｂが設けられている。さらに、ロータシャフト４ａ上端部にはラジアル用上部保護軸受としてボールベアリング９が設けられ、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としてボールベアリング１０が設けられている。
【０００７】
真空排気の際には、モータ１１を駆動してロータ４を回転させると、ロータ４の回転により動翼５と静翼３との間で第１の圧縮が行われたあと、ねじ溝段部ＰＢのねじ溝１３によって第２の圧縮が行われ、排気口１ｄ方向へ流れて真空排気される。
【０００８】
この種のターボ分子ポンプのロータ４（特に動翼５）の材料には、従来一般的に時効析出強化型のＡｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金が採用されている。この材料でロータ４を製作したターボ分子ポンプの場合、温度−応力で決まるロータ材料のクリープひずみの関係から、平均応力が２０kgf／ｍｍ2レベルの使用条件において、使用温度限度が１２０〜１３０℃までに制限されている。この使用条件を守る限り、例えば１０年の耐用年数を確保できる。
【０００９】
図１は、平均応力２０kgf／ｍｍ2レベルで使用した場合のロータ材料のクリープひずみ曲線を示している。一般に回転機械のロータの材料は、一定応力で使用した場合、初期に勾配の大きなクリープひずみを生じた後、あとは緩やかにクリープひずみが進行する経過をたどって最終的に破壊に至る。
【００１０】
初期の段階の勾配の大きなつまり進行速度の速いクリープひずみをここでは初期クリープひずみと言い、その後の勾配の緩やかなつまり進行速度の遅いクリープひずみをここでは定常クリープひずみと言う。従来のロータ材料（Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金）は、例えば、曲線Ａ（温度Ｔ＝１２０℃の場合）、Ｂ（温度Ｔ＝１３０℃の場合）で示すようなクリープひずみ曲線を描く。しかし、使用温度範囲を超えた温度１５０℃で運転した場合は、早期に使用不能な状態（例えば破壊）に至る（Ｃの曲線）。従って、耐久性を確保するためには、前記の使用温度範囲の条件を守らなけらばならない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、半導体製造現場においては、半導体ウエハのサイズが大きくなるに従い、処理ガス量が増え、排気流量が増加するという動きが出てきた。排気流量が増加すると、ロータの動翼温度がますます高くなるため、動翼温度の使用限界を引き上げたいという要求が強くなってきた。
【００１２】
しかし、従来のロータ材料（Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金）の場合、使用温度限界が前記の値（１２０〜１３０℃）に設定されているので、排気流量もその温度限界によって制限されることになっており、従って、排気流量の増大に適切に対応できなくなってきていた。
【００１３】
一方、高い温度で使用できる耐高温材料を探してみたところ、クリープ強さの高い材料として、Ａｌ−Ｆｅ系急冷凝固アルミニウム合金（例えば、特開平１０−２６００２号公報等にて開示されたもの）があるが、この材料は、耐高温性を有するものの、初期クリープひずみが従来の材料に比べて極めて大きく、狭い隙間（微小隙間）を静止壁との間に確保する必要のあるロータの材料としては、そのままでは使用できないことが分かった。即ち、初期の短い使用期間内で隙間が許容限度以下になってしまうからである。この傾向は耐高温材料について一般的に言えることである。
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮し、耐高温材料をロータ材料として使用できるようにし、それにより排気流量の増大に対処するために使用温度範囲を拡大できるようにした回転真空ポンプ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ケーシング側の静止壁に対し所定の微小隙間を確保した状態でロータを配置し、該ロータを高速回転させることにより真空排気する回転真空ポンプの製造方法において、前記静止壁と組み合わせる前に、予め前記ロータに対し、定常クリープひずみよりも大きな速度で進行する初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の条件よりも過酷な条件を維持して与え、その後、その初期クリープひずみの履歴が与えられたロータに対して、予め前記初期クリープひずみ相当分の減寸法が与えられた静止壁を組み合わせることにより、前記所定の微小隙間を確保することを特徴とする。
【００２０】
この回転真空ポンプの製造方法では、静止壁と組み合わせる前に、予めロータに対し、定常クリープひずみよりも大きな速度で進行する初期クリープひずみの履歴を与えておき、その後、その初期クリープひずみの履歴が与えられたロータに対して、予めロータの初期クリープひずみ相当分の減寸法が与えられた静止壁を組み合わせて、ロータと静止壁との間の微小隙間を確保するので、定常使用を開始してからは、ロータに大きなクリープひずみが発生しないようにすることができ、長期間にわたって、静止壁とロータの間に適正な微小隙間を確保することができる。従って、初期クリープひずみが大きくて従来では使用することができなかった耐高温材料でロータを製作することができるようになり、所要寿命を維持しながら、ロータの使用温度範囲を拡大することができ、その結果、排気流量の増大にも応えることができる。なお、本発明は、ロータと静止壁との隙間の狭いターボ分子ポンプに適用するのが好適である。
定常使用時の条件よりも過酷な条件を維持してロータに初期クリープひずみの履歴を与えるようにしているので、初期クリープひずみの履歴を短時間でロータに与えることができる。例えば、温度と応力を使用予定の温度と圧力よりも大きく設定した条件を作り出すことで、短時間で初期クリープひずみの履歴をロータに与えることができる。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１において、前記初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の温度よりも高い温度条件を維持してロータに与えることを特徴とする。
【００２４】
この回転真空ポンプの製造方法では、例えば、ケーシング内のガス圧力またはガス温度を上げてロータを高速回転させることにより、風損によってロータ温度を上げることができ、ロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができる。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１において、前記初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の応力よりも高い応力条件を維持してロータに与えることを特徴とする。
【００２６】
この回転真空ポンプの製造方法では、例えば、ケーシング内でロータを高速回転させることにより、遠心力によってロータの応力を上げることができ、ロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができる。あるいは、静止した状態のロータの内面に、回転時に発生する遠心力相当の外力を付与することにより、ロータの応力を上げることができ、ロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができる。
【００２７】
請求項４の発明は、請求項１において、前記ロータのバランス回転試験を、ロータの温度または応力の少なくとも一方を、定常使用時のそれよりも過酷な条件に維持して行うことにより、前記初期クリープひずみの履歴をロータに与えることを特徴とする。
【００２８】
この回転真空ポンプの製造方法では、ロータのバランス回転試験時に、ケーシング内部のガス圧力や温度を上げたり、回転速度を上げたりすることにより、ロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は本発明を適用しようとするターボ分子ポンプの要部拡大図である。全体構成については図４を用いて説明したが、このターボ分子ポンプＰの場合、軸流段部ＰＡの下側（排気口側）のねじ溝段部ＰＢに、ロータ４とケーシング１側の静止壁間の最小隙間部分が存在する。具体的には、ねじ溝ロータ部１４のねじ山の頂面とシールリング１５の内壁１５ａとの間に最小の微小隙間Ｈ１が確保されている。本発明の実施形態では、初期クリープひずみが大きい耐高温材料を使用しながらも、この微小隙間Ｈ１を適正に保つべく工夫を凝らしている。なお、ここでは、対象をロータ４側の部材としての動翼５とケーシング１側の静止壁に相当する部材としてのシールリング１５の関係に絞って説明する。
【００３２】
即ち、まずターボ分子ポンプを組立製造するに当たり、ロータ４の特に動翼５を耐高温材料である、Ａｌ−Ｆｅ系急冷凝固アルミニウム合金で製作する。この材料は、図１の曲線Ｄ、Ｂで示すように、従来のロータ材料よりも大きな初期クリープひずみが生じる。そこで、本製造方法では、ロータ４の動翼５を前記の材料で製作したら、静翼３及びシールリング１５等を組み付ける前に、予め動翼５に対し、定常クリープひずみよりも大きな速度で進行する初期クリープひずみの履歴を与える。その際、初期クリープひずみの履歴を、定常使用時の条件よりも過酷な条件を維持して動翼５に与える。
【００３３】
例えば、ケーシング１内のガス圧力またはガス温度を上げてロータ４を高速回転させることにより、風損によって動翼５の温度を上げる。本例では材料の性能から、ロータ４の使用温度条件を１５０℃まで引き上げることにしているので、それよりも高い温度１６０℃となるように温度条件を設定して、初期クリープひずみを与える。そうすることにより、短時間で初期クリープひずみを与えることができる。これは、過酷な条件を与えるほど、初期クリープひずみが速く進行することを利用している。
【００３４】
また、初期クリープひずみは温度と応力に依存して進行するので、定常使用時の応力よりも高い応力条件を維持して、動翼５に初期クリープひずみを与えることもできる。例えば、回転時の遠心力により動翼５に応力を負荷する場合は、ロータをより高速回転させればよい。
【００３５】
このようにロータ４を回転させることで、初期クリープひずみの履歴を動翼５に与えることができるので、通常行っているバランス回転試験の際に、温度条件や応力条件を引き上げることにより、簡単に初期クリープひずみを動翼５に与えることができる。なお、静止状態で動翼５に初期クリープひずみを与えることも可能である。その場合は、ヒータ等により外部から温度を高めたり、動翼５の内面に、回転時に発生する遠心力相当の外力を付与したりすればよい。
【００３６】
上記のように動翼５に初期クリープひずみを与える一方、静止壁側である静翼３やシールリング１５を、予め前記の動翼５の初期クリープひずみ相当分の減寸法を与えながら製作しておく。そして、動翼５に対して初期クリープひずみの導入が完了したら、その段階で、動翼５に対して静止壁側である静翼３やシールリング１５を組み合わせて、それにより前記の微小隙間Ｈ１を確保しながら、ターボ分子ポンプを組み立てる。
【００３７】
図３は、初期クリープひずみＳ１を与える前の動翼５の寸法Ｍ１と、初期クリープひずみＳ１を与えた後の動翼５の寸法Ｍ２と、相手側のシールリング１５の内壁１５ａ（静止壁）の関係を示している。シールリング１５は、予め動翼５との隙間Ｈ２を広げた状態に製作しておく。そうすることにより、組立状態において、初期クリープひずみＳ１を与えた後の動翼５との間に適正の隙間Ｈ１を確保することができる。
【００３８】
このような方法で製造することにより、実施形態のターボ分子ポンプができ上がる。そして、この回転真空ポンプでは、初期クリープひずみが予め与えられた動翼５を静翼３及びシールリング１５と組み合わせて使用していることから、定常使用を開始してからは、動翼５に大きなクリープひずみが発生せず、長期間にわたり、静翼３及びシールリング１５と動翼５との間に適正な微小隙間Ｈ１を確保することができる。従って、ロータ材料としてＡｌ−Ｆｅ系急冷凝固アルミニウム合金を使用したことによるメリットを最大限に生かすことができ、所要寿命を維持しながら、ロータの使用温度範囲を拡大することができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では本発明をターボ分子ポンプに適用した場合を説明したが、本発明は、ターボ分子ポンプ以外の回転真空ポンプに広く適用することができる。
【００４０】
また、動翼５の製造には、前述の公報に記載の技術をそのまま適用することができる。例えば、溶融金属を不活性ガスによりスプレイし、１０2℃／sec 以上の冷却速度で急冷凝固させつつ同時に堆積させるスプレイフォーミング法によりＡｌ−Ｆｅ系急冷凝固アルミニウム合金を得て、その急冷凝固アルミニウム合金に２００℃〜６００℃の温度範囲内で熱間押出加工を施すことで動翼５を製造することができる。
【００４１】
具体的には、まず、Ａｌ−Ｆｅ系アルミニウム合金を溶融状態から不活性ガスにより１０2℃／sec 以上の冷却速度で急冷凝固させつつ同時に堆積させるスプレイフォーミング法（ＳＦ法）により行い、成形体（ビレット）を得る。次に、得られたＡｌ−Ｆｅ系急冷凝固アルミニウム合金粉末を、２００℃〜６００℃の温度範囲内で熱間押出加工を施す。また、必要に応じて、熱間押出加工の前後にホットプレス処理あるいは熱間静水水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施すことで、得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、定常使用を開始してから、ロータに大きなクリープひずみが発生しないようにすることができ、長期間にわたって、静止壁とロータの間に適正な微小隙間を確保することができる。従って、使用温度範囲を拡大しながら、所要の寿命を保証することができ、使用温度範囲の拡大に応じて排気流量の増大及び高背圧の要求に適切に対処することができる。
定常使用時の条件よりも過酷な条件を維持してロータに初期クリープひずみの履歴を与えるようにしているので、初期クリープひずみの履歴を短時間でロータに与えることができる。
【００４６】
請求項２及び３の発明によれば、ロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができるし、請求項４の発明によれば、ロータのバランス回転試験時にロータに短時間で初期クリープひずみの履歴を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明及び従来の説明に使用するクリープひずみ曲線を示す図である。
【図２】  本発明の実施形態の説明に使用するターボ分子ポンプの要部断面図である。
【図３】  本発明の実施形態の説明図である。
【図４】  一般的なターボ分子ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
３  静翼
４  ロータ
５  動翼
１５ａ  シールリング内壁（静止壁）
Ｈ１  微小隙間
【図１】
0004056269.tif 000002
【図２】
0004056269.tif 000003
【図３】
0004056269.tif 000004
【図４】
0004056269.tif 000005