(57)【要約】【課題】高い排気圧に対して高い真空度を生成することが可能であるだけではなく、用途が可搬式、手持ち式または空間的に制限されたものになる可能性がある器械に用いることができるターボ分子ポンプを提供すること。【解決手段】ラジアルターボ分子真空ポンプは、一体構造として製造された微小な翼を備えたシリコンの回転子表面から製造される回転子、および一体構造として製造された対応する溝を備えたシリコンの固定子表面から製造される固定子を含む。微小な翼および溝は多数の環として配置され、回転子および固定子のディスクが近接して配置されて、互いに組み合わされた静翼環および動翼環を形成する。互いに組み合わされた静翼環および動翼環は、半径方向に多段圧縮を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアルターボ分子真空ポンプであって、
気体入口と、
第１の回転子表面および複数の動翼を有する回転子であって、前記複数の動翼が、前記第１の回転子表面から一体構造として製造され、前記第１の回転子表面から軸方向に延び、前記第１の回転子表面および前記複数の動翼の材料がシリコンである回転子と、
固定子であって、
実質的に半径方向に、前記第１の回転子表面に近接して位置決めされる第１の固定子表面と、
前記第１の固定子表面から一体構造として製造され、前記第１の固定子表面から軸方向に延びる複数の静翼と、
前記複数の静翼の間に形成された複数の固定子溝であって、前記固定子表面および前記複数の静翼、ならびに該複数の固定子溝が、シリコンから製造される複数の固定子溝とを有する固定子と、
気体出口と
を備えるラジアルターボ分子真空ポンプ。
【請求項２】
前記複数の動翼が翼の同心環として配置される請求項１に記載のターボ分子真空ポンプ。
【請求項３】
前記複数の固定子溝が同心環として配置され、前記複数の動翼の同心環の間に配設される請求項２に記載のターボ分子真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、真空ポンプの分野に関する。より詳細には、本発明は、小型のターボ分子真空ポンプの設計および製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは、高い真空度を達成し、維持するために用いられる真空ポンプの一種である。従来型のターボ分子ポンプは、高い真空レベルおよびポンプ速度が可能である。しかし従来型のターボ分子ポンプは、微小な器械と共に使用する場合など、ほとんどの可搬用途には大きすぎる。例えば、回転子の直径は通常、７５ｍｍより大きいサイズに作られるが、そのターボ分子ポンプのサイズでは、可搬用途には大きく不都合である。
【０００３】
さらに、従来型のターボ分子ポンプは、通常は１０ミリトル（１．３３Ｐａ）未満のかなり低い排気圧に対してしか動作することができず、ターボ分子ポンプの排気と大気との間に、第１段階のポンプまたはフォアラインポンプが用いられなければならない。第１段階のポンプとして用いられる、１０ミリトル未満の圧力値に達することが可能な小型ポンプを見出すことは困難である。例えば現在市販されているほとんどの小型ポンプでは、１００トル程度の圧力しか得ることができない。したがって、小型ターボ分子ポンプが、１０トルより大きい排気圧に対して作用できることが望ましい。
【０００４】
小型ポンプの設計によって必要なポンプ能力を実現することが難しいため、可搬式の真空ポンプを製造する試みでは、限られた成果しか得られていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、１０トルより大きい圧力など、高い排気圧に対して高い真空度を生成することが可能であるだけではなく、用途が可搬式、手持ち式または空間的に制限されたものになる可能性がある器械に用いることができるターボ分子ポンプに関する。こうしたタイプの器械の例は、質量分析計、電子顕微鏡、小型のガス検知器およびガス分析器である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本発明は、気体入口、気体出口、モータ、回転子、固定子およびケーシングを含む、ラジアルターボ分子真空ポンプを特徴とする。回転子は、一体構造として製造された微小な翼を備えたシリコンの回転子表面を含む。固定子は、一体構造として製造された翼および溝を備えたシリコンの固定子表面を含む。回転子および固定子上の微小な翼は、それぞれ多数の環として配置され、回転子および固定子のディスクが近接して配置されて、互いに組み合わされた静翼環および動翼環を形成する。互いに組み合わされた動翼環および静翼環は、半径方向に多段圧縮を生成する。
【０００７】
微細加工によって、回転子および固定子上に、１０トルの排気圧という高い制限においても気体分子の平均自由行程より小さい寸法の翼を作製することが可能になる。一体構造として製造するために用いられるシリコンエッチング法では、多数の翼環を容易に製造することが可能であり、半径方向における圧縮の段階数（例えば１００段階）を実現することができる。回転子および固定子のそれぞれの組み合わせの中で段階数を増やすことの１つの利点は、より低い回転子速度で同じ圧縮比が得られ、それによって動力消費量を低減し、軸受の厳しい要件を緩和することが可能になることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、半径流のターボ分子ポンプ１０の例示的な図を示している。ポンプ１０は、入口１２、回転子１４、固定子１６、モータ１８、ケーシング２０および複数の出口２２を含んでいる。回転子１４は、複数の動翼２４を含んでいる。固定子１６は、複数の固定子溝２６を含んでいる。
【０００９】
ケーシング２０は、回転子１４および固定子１６を囲んでいる。モータ取り付け部１９がモータ１８を適所に保持し、モータ１８を回転子１４および固定子１６と整列させる。入口１２は、ある量の気体１３がケーシング２０に入り、回転子１４に流入することを可能にするように働く。
【００１０】
複数の固定子溝２６の各溝は、複数の動翼２４の各翼を受け入れるように位置決めされる。組み立てられた状態では、固定子１６は固定され、回転子１４は自由に回転することができる。
【００１１】
回転子の円周方向の速度は、必要とされる圧縮比および気体の流れに応じて、１０〜３００ｍ／ｓの範囲とすることができる。固定子１６に対する回転子１４の回転によって、気体が半径方向外側に送り出され、軸方向の中心線２８から離れる、または半径方向内側に送り出され、軸方向の中心線２８へ向かう。
【００１２】
動作時には、モータ１８が回転子１４を動かし、その結果、回転子が固定子１６に対して回転する。回転子が回転すると、複数の動翼２４が複数の固定子溝２６のそれぞれ１つを通過する。気体分子が入口１２を介して入ると、複数の動翼２４および固定子溝２６が分子と衝突して、分子は半径方向の運動量を得る。この工程は、気体分子が複数の出口２２の１つの出口を通り、ケーシング２０の外へ導かれるまで継続される。半径方向の中心線３０に平行な気体流路の寸法は、軸方向の中心線２８に平行な気体流路の寸法より大きく、そのため、気体分子の半径方向の流れが生じる。
【００１３】
図２Ａは、例示的な固定子３２および回転子３４の切断図を示している。図２Ｂは、回転子３４の部分拡大図を示している。回転子３４および固定子３２はそれぞれ、シリコン基板から形成される。複数の動翼３６の各翼は、第１の回転子表面４０から軸方向に、すなわち軸方向の中心線４４に対して実質的に平行な方向に延びている。複数の動翼３６は、回転子表面４０の上に回転子の同心環４６として配置される。固定子表面４２の上には、複数の静翼３７および複数の固定子溝３８が固定子の同心環４８として配置される。複数の固定子溝３８は、複数の動翼３６の同心環４６の間に嵌合するように配置される。
【００１４】
複数の動翼３６は、エッチング工程を用いて、回転子３４の第１の回転子表面４０の上に一体構造として製造されることが可能である。複数の静翼３７は、エッチング工程を用いて、固定子３２の第１の固定子表面４２の上に一体構造として製造されることが可能である。
【００１５】
例示的なエッチング工程は、ディープ反応性イオンエッチングとすることができる。この工程では、シリコン基板が真空チャンバ内に配置され、通常は接地されて他のチャンバから電気的に分離される。基板の領域を選択的に保護するために、シリコン基板上にエッチングマスクが配置される。次いで気体がチャンバに入り、シリコン基板の保護されていない部分をエッチングし、したがって、基板はマスクによって決定される形をとるようになる。この工程に使用可能な気体の一例は、六フッ化硫黄である。しかし、製造工程は六フッ化硫黄の使用に限定されず、いくつかの他の気体が使用されてもよい。気体の代替手段として、シリコン基板をエッチングするためにプラズマが用いられてもよい。他のエッチング工程は、光アシスト型の湿式化学エッチングとすることができる。回転子３４または固定子３２の両面とも、エッチング工程を用いて処理されることが可能である。エッチング工程によって、翼を回転子上に一体構造として製造することが可能になる。一体製造の場合、翼および溝の多数の環が容易に製造され、多数の段階、例えば１００段階を形成することができる。段階数が増えると、より低い回転子速度で同じ圧縮比が得られるようになる。ターボ分子ポンプ１０がより低い回転子速度で動作すると、消費される動力は減少する。さらに、より低い回転子速度での動作が可能になると、厳しい軸受の要件が緩和され、ターボ分子ポンプの軸受の摩耗が低減される。めっき／ＬＩＧＡ工程が用いられてもよい。この工程では、シリコン基板に感光性ポリマーの層が塗布され、次いでＸ線マスクを用いたＸ線放射が行われる。
【００１６】
複数の動翼３６の各翼は、高速回転のもとで安定であるのに十分な厚さであるが、効率的に圧縮するには薄い。一実施形態では、複数の動翼３６の各翼のサイズは約１０ミクロンであり、それによって、ポンプが１０トルの排気圧に対して作動することが可能になる。しかし、翼はこのサイズに限定されず、他の動作条件に対していくつかの他のサイズが用いられてもよい。
【００１７】
複数の動翼３６は、ある一定のポンプ速度、圧縮比および効率が得られるように、成形および位置決めされる。複数の動翼３６の各翼のピッチは、一般にポンプ速度および圧縮比を決める。例えば、複数の動翼３６を半径方向５０に向かって傾斜させると、一般にはポンプ速度が高まる。複数の動翼３６を円周方向５２に向かって傾斜させると、圧縮比が高まるが、ポンプ速度は低下する。回転子３４の中心付近の複数の動翼３６の翼を、回転子３４の縁部の翼より大きくすることができるが、それは回転子３４の中心付近の圧力の方が低いためである。
【００１８】
シリコンの一体製造によって、固定子３２および回転子３４はきわめて小さいサイズに製造されることが可能になる。例示的な実施形態では、固定子３２および回転子３４の直径は、それぞれ１０ｍｍである。しかし、固定子３２および回転子３４はこのサイズに限定されない。
【００１９】
図３は、動作位置における図２の回転子および固定子の対の切断図を示している。図３に示されるように、第１の回転子表面４０は、半径方向の中心線５４に対して実質的に平行な方向に位置決めされる。第１の固定子表面４２は、第１の回転子表面４０に近接して位置決めされ、また半径方向の中心線５４に対して実質的に平行になる。第１の固定子表面４２は、第１の回転子表面４０に接触しないように位置決めされる。複数の固定子溝３８は、対応する複数の動翼３６を受け入れるための溝を効果的に形成する。
【００２０】
シリコンの一体製造によって、複数の動翼３６が高い精度で製造されることが可能になり、その結果、複数の動翼３６の各翼が、特定の公差の範囲内で対応する固定子溝３８の中に収まる。例示的な実施形態では、複数の動翼３６の少なくとも１つの翼と、第１および第２の複数の固定子溝３８との間の横方向のクリアランスは、約５ミクロンである。しかし、距離は５ミクロンに限定されず、他の値を含むこともできる。動翼は、できるだけ溝に近付けることが可能である。
【００２１】
回転子３４および固定子３２の組み立てには、一般に約５〜１０マイクロメートルの公差を必要とする。これは、回転子３４および固定子３２を外径に見合う精度を有する担体ディスクに対して整列および結合させた後、精密なボアチューブの中で回転子３４および固定子３２を組み立てることによって達成されることが可能である。
【００２２】
図４は、外部のモータを有するターボポンプ用の組立体を示している。この構成では、回転子１４および固定子１６は、モータ１８に対して矢印５６の方向に同心状に取り付けられ、その結果、図１に組み立て後の状態として示されるように、回転子１４がモータ１８の上に配置される。モータ１８は、精密な取り付け台によって同心状に取り付けられることが可能である。
【００２３】
図５は、オンチップの磁気軸受を有するターボポンプ用の別の構成を示している。この実施形態では、回転子１４は永久磁石６０を用いて作動される。永久磁石６０は回転子１４に埋め込まれ、対向面６４に位置決めされた平坦なコイル６２によって駆動されることが可能である。外部の浮上用回路が、平坦なコイル６２を駆動することができる。位置センサ６６が回転子１４の位置を決める。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】半径流のターボ分子ポンプの例示的な図である。
【図２】図２Ａは、固定子および回転子の例示的な切断図である。図２Ｂは、固定子の部分拡大図である。図２Ｃは、回転子の部分拡大図である。
【図３】回転子および固定子が動作する位置における、回転子および固定子の例示的な切断図である。
【図４】外部のモータを有するターボ分子ポンプのための、例示的な製造工程を示す図である。
【図５】オンチップの電磁モータおよび軸受を有するターボ分子ポンプのための、例示的な製造工程を示す図である。
【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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【外国語明細書】
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