資料

半導体・液晶基板製造装置用クリ−ンプロ軸受について
豊田泰

for Semiconductor and Liquid Crystal Display Manufacturing Equipment
H. TOYOTA

We have studied on particle generation and lubrication life with tetrafluoroethylene (PTFE) as solidlubricants. Based on the result, we have developed original solid lubricants (special fluorocarbon polymerfilm). This paper presents the introduction of the new clean bearings () coated withspecial fluorocarbon polymer film.

1．はじめに
2．試験軸受
3．性能

4．おわりに

3.1

発塵性能

3.2
3.3

アウトガス性能
トルク性能

1．はじめに

2．試験軸受当社では，他社に先駆け半導体製造装置用クリ表 1 に試験軸受の仕様を示す．試験軸受はすーン軸受をはじめとする各種の特殊環境用玉軸

べてシール無しのステンレス製深溝玉軸受（#608）

受を開発提供してきた．なかでもクリーン軸受とした．仕様は，クリーンプロ軸受および比較については，四ふっ化エチレン（PTFE）に着目し，用として保持器にのみPTFEコーティングを行っ発塵および潤滑寿命に関する研究を長年行ってた軸受（以下保持器PTFE軸受と記す）の２仕様品

きた．今回，その結果を基に，当社独自の固体を用いた．

潤滑膜（特殊ふっ素高分子薄膜）を開発した．こ
こでは，この固体潤滑膜を適用したクリーンプロ軸受（：登録商標）の発塵性能，アウトガス性能，トルク性能について紹介する．

表 1 試験軸受の仕様
Specification of bearings
構成

名称

クリーンプロ軸受
保持器PTFE

区分

内輪

外輪

玉保持器

SUS440C

SUS440C

SUS440C

SUS304+特殊ふっ素+特殊ふっ素+特殊ふっ素+特殊ふっ素

高分子薄膜

高分子薄膜

高分子薄膜

高分子薄膜

SUS440C

SUS440C

SUS440C

軸受

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

SUS304

開発

比較用+PTFEコーティング19

−半導体・液晶基板製造装置用クリーンプロ軸受について−

3．性能での保持器PTFE軸受の寿命を１とした場合，ク

発塵性能

3.1 .1

リーンプロ軸受の発塵寿命はアキシアル荷重20

試験方法

Ｎでおよそ20倍，50Ｎ（面圧1.25GPa）でおよそ15発塵性能試験を，図1に示す試験機を用いて表2に示す試験条件で行った．試験は軸受２個を１セットとし，クリーンルーム内（クラス10）で行った．発塵量の測定は，レーザー光線走査式パーティクルカウンタを用いて行い，粒子径0.3μm以上の発塵粒子について0.1cf当たりの発塵量を経時的に測定した．なお，発塵寿命は試験開始

から0.1cf当たりの発塵粒子数が1 000個を超える倍，100Ｎ（面圧1.6GPa）
でおよそ３.５倍になることがわかる．図 3 から，クリーンプロ軸受の発塵量は0.1cf当たり10個以下の値で試験打切り時まで安定していることがわかる．
以上のようにクリーンプロ軸受は，耐久性，耐荷重性に優れ，また，発塵量および発塵量の経時的な変化も少なく安定していることがわかる．

,




までの時間とした．

25



クリーンエアーケース

発塵寿命，比試験軸受

2015倍

パーティクルカウンタ

図1 発塵試験機
Particle generation tester

表 2 発塵試験条件
Condition of particle generation test

項目

内容

雰 囲 気

クリーンルーム内（クラス10）度

室温

回転速度200min

荷測重定

−1

アキシアル

■保持器PTFE

15105010.4

3.5倍
0.05

20（0.97）50（1.25）100（1.6）

アキシアル荷重，N（最大接触面圧，GPa）

図 2 アキシアル荷重に対する発塵寿命（アキシアル荷重20Nでの保持器PTFE軸受の寿命を１とした場合）
Particle life under axial load
10 000発塵量，個/0.1cf（粒子径0.3μm以上）

磁性流体シール□クリーンプロ

20倍

回転温料

図 2 から，アキシアル荷重20Ｎ（面圧0.97GPa）







,
,

3.１

資

クリーンプロ

1 000
10010250h以上
1

図33.2

保持器PTFE

050

100150
試験時間，h200250

発塵量の経時変化（アキシアル荷重20N）
Variation of particle generation during test

アウトガス性能

3.2.1

試験方法

20，50，100N

アウトガス性能試験を，図 4 に示す試験装置

粒子径0.3μm以上の発塵量を用いて表 3 に示す試験条件で行った．試験では軸受１個を試験装置内の加熱部に静止させ，

3.1.2

試験結果

図 2 にアキシアル荷重に対する発塵寿命比を示す．また，図 3 に発塵量の経時変化の代表例を示す．

20

真空槽を１×10−５Ｐaまで排気し，真空槽のベーキングをおよそ50時間行った後，外部よりヒーターで試験軸受を加熱しながら軸受温度に対する真空槽内の雰囲気圧力の変化を測定した．

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資
 
,
,,料−半導体・液晶基板製造装置用クリーンプロ軸受について−

3.3

加熱ヒータ

真空チャンバ

トルク性能

3.3.1

Qmass

試験軸受

試験方法

トルク性能試験を，図 6 に示す試験機を用いて表 4 に示す試験条件で行った．試験は，軸受，２個を１セットとし，雰囲気圧力（大気〜1×10−5 Pa）

−1，軸受温度
回転速度（100，200，400，800 min ）熱電対（室温，200℃）を変化させて行い，トルクの経時変化を測定した．

なお，トルク寿命は，トルク値が初期トルクの約３倍を超えるまでの時間とした．





電離真空計

大気真空

試験軸受

TMP.

RP.

図4

アウトガス試験装置
Degassing tester

回転表 3 アウトガス試験条件
Condition of degassing test
項目

雰

囲内容

気

真空

−51×10 Pa度

280r/sec

温度

室温〜300℃

測

定

雰囲気圧力

排3.2.2気速チャンバ壁

20.3r

チャンバ容量

ロードセル

Ａ矢視Ａ

図 6 トルク試験機
Torque tester

表 4 トルク試験条件
Condition of torque test

試験結果

図 5 に軸受温度に対する真空槽内の雰囲気圧

項目

力の変化を示す．

内容

雰 囲 気

この結果から，クリーンプロ軸受は室温から温はなく，200℃を超えたあたりから真空槽内の雰
上のように，クリーンプロ軸受は，高真空（10室温，200℃

100，200，400，800min−1Pa荷台）
雰囲気において200℃までアウトガスの発生

重アキシアル

20，50，100Nがほとんど認められないことがわかる．

測

1.0E-02

3.3.2

1.0E-03度

回転速度

囲気圧力に変化が認められることがわかる．以−5大気−5真空（1×10 Pa）

200℃までの範囲では雰囲気圧力にほとんど変化

雰囲気圧力，Pa

コイルばね

定トルクの経時変化

試験結果

図 7 に雰囲気条件の違いによるトルク寿命比を示す．また，図 8 に各雰囲気条件での回転時使用可能最大温度
200℃

1.0E-04

1.0E-05050

100

150200間に対するトルクの経時変化の代表例を，図 9←バックグラウンド
圧力レベル
250300雰囲気温度，℃

図5 軸受温度に対する真空槽内の雰囲気圧力の変化
Variation of atmospheric pressure with temperature in chamber

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)に大気，室温での荷重および回転速度に対するクリーンプロ軸受のトルク寿命を示す．
図 7 ， 8 から，クリーンプロ軸受について以下のことがわかる．

21

−半導体・液晶基板製造装置用クリーンプロ軸受について−q 大気雰囲気より真空雰囲気での耐久性にクリーンプロ

資料

保持器PTFE

りトルク値はほとんど変化しない．
e 大気，真空雰囲気ともに高温では室温に比べ短寿命になる．

回転トルク，比優れている．
w 雰囲気圧力および雰囲気温度の違いによまた図 9 から，寿命について以下のことがわ
かる．

50

0100r トルク寿命は回転速度のおよそ１/２乗に比例する．

150

200

試験時間，h

図8−1

大気，室温雰囲気での回転トルクの経時変化（アキシアル荷重50Ｎ，200min−1）
Torque variation during test at room temperature in air

t トルク寿命は荷重のおよそ２.８乗に比例する．
y r，tから次式に示す寿命計算式が推奨

クリーンプロ

保持器PTFE

回転トルク，比される．

Ｌ＝10・(ｎ)０.５・(Ｃe/Ｐ)２.８Ｌ ：トルク寿命，rev.
ｎ ：回転速度，min−1＜ 100≦ｎ≦800 min−1 ＞

500Ｃe：動定格荷重，N100＜ステンレス材の場合，動定格荷重

図8−2（カタログ値）の85％ ＞

150

Ｐ ：動等価ラジアル荷重，N＜ 40≦Ｐ≦160 N ＞

大気，200℃雰囲気での回転トルクの経時変化（アキシアル荷重50Ｎ，200min−1）
Torque variation during test at 200℃ in air□クリーンプロ

20■保持器PTFE

1510倍

105
020倍

8倍

6倍
10.2

1.20.3真空，室温真空，200℃

500大気，室温大気，200℃

100

150

200250
試験時間，h300350

400

図 8−3

真空，室温雰囲気での回転トルクの経時変化（アキシアル荷重50Ｎ，200min−1）
Torque variation at room temperature in vacuum
クリーンプロ

保持器PTFE

回転トルク，比図 7 雰囲気条件の違いによるトルク寿命−1（アキシアル荷重50N，200min ）＜大気，室温雰囲気での保持器PTFE軸受の寿命を１とした場合＞
Torque life comparison with atmospheric condition

保持器PTFE

回転トルク，比トルク寿命，比クリーンプロ
25200試験時間，h050100150200試験時間，h

図8−422

真空，200℃雰囲気での回転トルクの経時変化（アキシアル荷重50Ｎ，200min−1）
Torque variation at 200℃ in vacuum

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−半導体・液晶基板製造装置用クリーンプロ軸受について−

N＝３セット，平均値
1.0E＋08

このように，高真空・室温〜200℃という条件

トルク寿命，Rev.

下において実用性能に優れ，保持器ＰＴＦＥ軸
受（PTFEコーティング保持器付軸受）
より優れた

1.0E＋07

クリーン軸受を開発することができた．
2.8

1.0E＋06

y＝a･(Ce/P)

今後は，さらに高温，高荷重条件下での使用が可能なクリーン軸受の開発が課題である．

1.0E＋05

1.0E＋04

参考文献
010203040Ce/P5060１）光洋精工（株）：EXSEVベアリング Clean

Pro3 ベアリング CAT.NO.107.

図9−1

クリーンプロ軸受の荷重に対する−1トルク寿命（200min ）Torque life comparison with load
N＝３セット，平均値

トルク寿命，Rev．

1.0E＋08

1.0E＋070.5

1.0E＋06y＝b･(n)1.0E＋05

1.0E＋040100

200300

400

500

600

700

800

900 1 000

−1回転速度，min

図9−2

クリーンプロ軸受の回転速度に対するトルク寿命（アキシアル荷重 50N）
Torque life comparison with rotation speed

4．おわりに
以上，当社が開発したクリーンプロ軸受の基本性能について紹介したが，その特徴を以下にまとめる．
1）発塵性能：耐久性，耐荷重性に優れ，発塵量が少なく経時的に安定している．
2）アウトガス性能：高真空（10−5 Pa 台）雰
囲気において，200℃までアウトガスの発生が認められない．

筆者

3）トルク性能：大気雰囲気より真空雰囲気で耐久性が優れ，回転トル
ク値は雰囲気圧力および雰
囲気温度の違いによりほとんど変化しない．なお，大気，真空雰囲気ともに高温では室温に比べ短寿命となる．
4）寿命計算式として次式が推奨される．

Ｌ＝10･(Ｒ)０.５･(Ｃe/Ｐ)２.８［rev］

豊田 泰*
H. TOYOTA* 総合技術研究所 基礎技術センター
軸受研究開発部

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

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