ターボ分子ポンプの温度制御装置
【課題】 ターボ分子ポンプのポンプ温度を、様々なガス負荷状況に対応することができるように制御することができる温度制御装置の提供。
【解決手段】 温度設定部８はモータ制御部５からの電流積算値に基づいてターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断し、ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上の場合には予め定められた下限値を下限に目標温度Ｔｔを低くし、ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値より小さい場合には予め定められた上限値を上限に目標温度Ｔｔを高くする。そして、その目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は目標温度Ｔｔと温度センサ３１の検出値とに基づいてヒータ２９および冷却装置３０を制御し、ポンプ温度を目標温度Ｔｔとするように温度制御する。
【解決手段】 温度設定部８はモータ制御部５からの電流積算値に基づいてターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断し、ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上の場合には予め定められた下限値を下限に目標温度Ｔｔを低くし、ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値より小さい場合には予め定められた上限値を上限に目標温度Ｔｔを高くする。そして、その目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は目標温度Ｔｔと温度センサ３１の検出値とに基づいてヒータ２９および冷却装置３０を制御し、ポンプ温度を目標温度Ｔｔとするように温度制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置等に用いられるターボ分子ポンプの温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは半導体製造装置の排気装置として用いられている。半導体製造装置では、その反応プロセスに応じて様々なプロセスガスが使用される。例えば、ＣＶＤ装置やエッチング装置等に用いられるターボ分子ポンプにおいては反応性ガスを排気することになり、そのため、ターボ分子ポンプ内にプロセスガスの析出物や反応生成物が付着しやすい。このような析出物や反応生成物の付着はポンプ温度が高いほど低減されるので、従来のターボ分子ポンプではポンプ本体をヒータで加熱して析出物や反応生成物の付着を抑制するようにしている。
【０００３】
一方、ターボ分子ポンプの回転体にはアルミ合金が一般的に用いられており、回転体の温度が高温になりすぎると、アルミ素材の劣化によりポンプ寿命が低下するという問題が生じる。また、ポンプ内部に設けられたモータについても、動作温度が上昇しすぎると絶縁劣化等の支障が生じる。
【０００４】
そのため、従来のターボ分子ポンプでは上述したヒータに加えて冷却手段を設け、ヒータによる加熱と冷却手段による冷却とを制御して、ポンプ温度が所定の目標温度となるように制御している（例えば、特許文献１参照）。なお、温度検出はポンプのベース部等に設けられた温度センサによって行われるが、真空中に配置されている回転体はベース部に比べて温度が高くなりやすい。そのため、上記目標温度はベース部と回転体との温度差を考慮して設定される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ターボ分子ポンプにガス負荷が加わった場合、モータ負荷が増大してモータ発熱が増加し、さらに回転体とガスとの摩擦熱等による発熱も生じる。そのため、ガス負荷が大きくなるとポンプの温度は上昇し、また、回転体は真空中にあるため放熱し難くベース部に比べてさらに温度が上昇する。
【０００７】
よって、目標温度を高く設定すると、ベース部の温度は高くなり、生成物の付着を防止することができるが、ガス負荷が増大したときには回転体温度が素材の劣化防止の上限温度を越えてしまうおそれがある。その結果、ポンプを安全に使用するために、装置側のガス流量を抑えざるを得ないという問題があった。逆に、目標温度を低く設定すると、ガス負荷が増大しても回転体の温度は低く保たれるので、装置側のガス流量を大きくとることができるが、ガス負荷が小さいときにはベース部の温度が低くなるため生成物の付着量が増大し、生成物除去のためのオーバーホール期間が短くなるという不都合が生じる。また、磁気軸受方式の場合、回転体は真空中に非接触で保持されているため、安価にその温度を直接取得する手段がないという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の本発明によるターボ分子ポンプの温度制御装置は、ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する加熱手段と、ポンプ本体を冷却する冷却手段と、加熱手段および／または冷却手段を制御してポンプ温度を所定の目標温度に制御する制御手段と、ターボ分子ポンプの回転体の温度に相当する負荷量情報を取得する取得手段と、取得手段で取得された負荷量情報に基づいてターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断する判断手段と、判断手段によりターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上と判断されると目標温度を目標温度の初期値を基準に予め定められた下限値を下限に段階的に低くし、判断手段によりターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値より小さいと判断されると目標温度を目標温度の初期値を基準に予め定められた上限値を上限に段階的に高くする目標温度変更手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、取得手段は、ターボ分子ポンプの回転体駆動用モータの駆動電流に基づいて負荷量情報を取得するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときにポンプの加熱の停止および／または運転の停止を行う保護手段を設けたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときに警報を発する警報手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポンプの負荷状況に応じて最適な目標温度となるように目標温度を変更することができるため、ターボ分子ポンプの様々なガス負荷状況に応じて、ポンプを適切な温度に維持することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による温度制御装置が適用されるターボ分子ポンプの、ポンプ本体１を示す断面図である。ポンプ本体１に設けられたケーシング２０の内部には、モータ６により回転駆動される回転体４が設けられている。回転体４の素材にはアルミ合金が用いられ、回転体４には複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されている。一方、軸方向に配設された複数段のロータ翼２１に対しては複数段のステータ翼２３が交互に配設され、ネジ溝部２２に対しては径方向に僅かな隙間を介して筒状部材２４が配設されている。なお、ロータ翼２１およびステータ翼２３は、タービン翼で構成されている。
【００１１】
各ステータ翼２３はスペーサ２５によって所定の間隔に維持されており、最上段のスペーサ２５の上端は、ケーシング２０の上端内側に設けられた突起部分に当接している。ケーシング２０をベース２８に固定することにより、軸方向交互に重ねられたステータ翼２３およびスペーサ２５はケーシング２０の上端部分とベース２８との間に挟持される。モータ６により回転体４を高速回転すると、ロータ翼２１とステータ翼２３とにより、および、ネジ溝部２２と筒状部材２４とにより排気作用が発生する。その結果、吸気口側のガスが矢印Ｇ１のように排気され、排気口２６に接続された補助ポンプ（不図示）によってポンプ外へと排気される。
【００１２】
ロータ翼２１およびステータ翼２３による排気作用は高真空側で有効に作用し、ネジ溝部２２および筒状部材２４による排気作用は低真空側で有効に作用するものであり、反応生成物の付着は低真空側においてより顕著に発生する。図１のターボ分子ポンプの場合には、ポンプ本体のベース２８にヒータ２９が設けられており、反応生成物の付着しやすいガスを排気する場合には、このヒータ２８によりポンプ温度を上昇させて反応生成物の付着を抑制する。また、３０は冷却水を用いた冷却装置であり、冷却装置３０による冷却とヒータ２９による加熱とを制御してポンプ温度の制御を行う。３１はベース２８の温度を検出する温度センサであり、温度センサ３１で検出される温度をポンプ温度として用いる。
【００１３】
図１に示したターボ分子ポンプは５軸制御形磁気軸受ターボ分子ポンプであり、回転体４はラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とにより非接触支持される。回転体４の浮上位置はラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３によって検出される。２７は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング２７により回転体４は支持される。
【００１４】
図２は本実施の形態の制御装置と図１に示したポンプ本体１の概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプは図１に示したポンプ本体１と、そのポンプ本体１を駆動制御する電源装置２とで構成されている。電源装置２はケーブル３を介してポンプ本体１に接続されており、ケーブル３は図１に示したポンプ本体１のレセプタクル３３に接続される。図２では、ポンプ本体１に関しては、説明に必要なモータ６，ヒータ２９，冷却装置３０，温度センサ３１について示した。
【００１５】
なお、図２はポンプ温度制御に必要な構成を中心に示したものであり、ポンプ本体１に関してはモータ６，ヒータ２９，冷却装置３０，温度センサ３１を示し、電源装置２に関してはモータ制御部５，温度制御部７，温度設定部８，入力部９および表示部１０が設けられている。電源装置２には磁気軸受制御に関する構成も備えているが、図示を省略した。
【００１６】
入力部９には、例えばオペレータによる手動入力により温度初期値Ｔ０が入力され、入力部９は入力された温度初期値Ｔ０を保持する。この温度初期値Ｔ０は、必要に応じて温度設定部８に読み込まれる。また、モータ制御部５からはポンプに加わっている負荷量情報が温度設定部８に入力される。表示部１０にはポンプ状態等が表示される。
【００１７】
本実施の形態におけるポンプ温度制御では、回転体の温度に相当する負荷量情報に応じて温度制御の目標温度Ｔｔが自動的に変更される。目標温度Ｔｔの設定は温度設定部８により行われる。温度設定部８は、温度初期値Ｔ０および負荷量情報に基づいて目標温度Ｔｔを温度制御部７に出力する。温度制御部７は、温度センサ３１の検出温度および温度設定部８からの目標温度Ｔｔに基づいて、ポンプ温度が目標温度Ｔｔとなるようにヒータ２９および冷却装置３０を制御する。
【００１８】
ところで、無負荷状態のポンプにガス負荷を加えた場合、ポンプ回転数を一定に維持するためにモータ６に供給される電力が増加する。そして、その電力増加によってモータ発熱が増加するが、ガス負荷による回転体の温度上昇は大半がモータ発熱の増加に起因しているので、無負荷状態からガス負荷状態となった場合の電力量の増分は回転体の温度上昇に相当する負荷量情報とすることができる。そのため、本実施の形態では上述した負荷量情報として所定時間の間のモータ電流の積算値（時間積分値）Ｉｈを使用する。
【００１９】
《温度制御動作の説明》
次に、図３のフローチャートを用いて温度制御の一例について説明する。図３のフローチャートは電源装置２で行われる温度制御処理の手順を示したものであり、電源装置２のメインスイッチがオンされると処理がスタートする。なお、メインスイッチがオンされると電源装置２に設けられた磁気軸受駆動制御装置（不図示）が起動して、回転体４は磁気浮上状態とされる。そして、ポンプスタートスイッチがオンすることによって、モータ６による回転体４の回転駆動が開始される。
【００２０】
ステップＳ１では、ポンプスタートスイッチがオンされてポンプ運転が開始されたか否かを判定する。そして、ポンプ運転が開始されるとステップＳ１からステップＳ２へと進む。ステップＳ２において、温度設定部８は入力部９から温度初期値Ｔ０を読み込み、その温度初期値Ｔ０を温度制御部７の目標温度Ｔｔとして設定する。ステップＳ３において、温度制御部７はステップＳ２で設定された目標温度Ｔｔと温度センサ３１の検出温度とに基づいて、ヒータ２９によるポンプ加熱を開始する。
【００２１】
本実施の形態におけるターボ分子ポンプは成膜プロセスやエッチングプロセス用のポンプであって、反応生成物の付着を防止するためにポンプ本体１を昇温して使用する。入力部９に入力される温度初期値Ｔ０は標準的使用における目標温度Ｔｔであって、ポンプ運転開始によりこの目標温度Ｔｔ（＝温度初期値Ｔ０）までの昇温が開始される。温度初期値Ｔ０としては、例えば６０〜７０℃程度のものが考えられる。
【００２２】
ステップＳ４では、モータ制御部５におけるモータ電流の積算が行われ、その積算値Ｉｈは温度情報として温度設定部８に出力される。なお、ステップＳ４の積算は予め定められた所定時間行われる。ステップＳ５では、ステップＳ４で算出された積算値Ｉｈが予め定めた規定値Ｉｈ０以上か否かを判定する。ここで、規定値Ｉｈ０は、回転体の温度が劣化防止のための上限温度以上か否かを判定するための規準値である。例えば、ガス負荷量が大きくなるとモータ電流が増加するので、あるガス負荷量以上では積算値Ｉｈは規定値Ｉｈ０よりも大きくなる。
【００２３】
ステップＳ５において「Ｉｈ≧Ｉｈ０」と判定されるとステップＳ６へ進み、「Ｉｈ＜Ｉｈ０」と判定されるとステップＳ１０へ進む。ステップＳ６へ進んだ場合、すなわち、ガス負荷量が通常より大きくて回転体４の温度が上昇傾向にある場合には、ステップＳ６において現在の目標温度Ｔｔが下限値ＴＬより大きいか否かを判定する。下限値ＴＬとしては、室温相当（４０℃程度）が選ばれる。
【００２４】
ステップＳ６において「Ｔｔ＞ＴＬ」と判定されると、ステップＳ７に進み温度設定部８において目標温度Ｔｔを所定温度ΔＴだけ低減する。例えば、目標温度Ｔｔを１（deg）だけ下げる。この所定温度ΔＴだけ低減された新たな目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は新たな目標温度Ｔｔに基づいてポンプ温度の制御を行う。このとき、温度センサ３１で検出されるポンプ温度が新たな目標温度Ｔｔよりも高くなっている場合には、冷却装置３０によりポンプ本体１を冷却してポンプ温度を下げるように制御する。
【００２５】
一方、ステップＳ６において「Ｔｔ≦ＴＬ」と判定されると、ステップＳ８に進んで目標温度ＴｔがＴｔ＝ＴＬの状態に保持されている時間が所定時間以上となったか否かを判定する。ステップＳ８において所定時間以上と判定されると、ステップＳ９においてアラームを発生し、保護動作によりポンプを停止する（ステップＳ１２）。アラームの発生方法としては、例えば、電源装置２に設けられた表示装置１０にアラーム表示を行ったり、半導体装置側にアラーム信号を出力したりする。
【００２６】
なお、ステップＳ９においてアラームを発生する理由は、温度を低減しても、依然ポンプの回転体の温度が低下しない過負荷な状態が継続しているためで、目標温度Ｔｔ＝ＴＬの状態が所定時間経過した場合にはアラームを発生して、オペレータに過負荷状態が継続しているイレギュラーな使用状態となっていることを報知する。
【００２７】
一方、ステップＳ５からステップＳ１０へ進んだ場合には、すなわち、ガス負荷量が通常程度あるいは通常よりも小さい場合には、ステップＳ１０において現在の目標温度Ｔｔが温度初期値Ｔ０よりも低いか否かを判定する。ステップＳ１０において「Ｔｔ≧Ｔ０」と判定されるとステップＳ４へ戻り、「Ｔｔ＜Ｔ０」と判定されるとステップＳ１１に進み、温度設定部８において目標温度Ｔｔを所定温度ΔＴだけ増加する。例えば、目標温度Ｔｔを１（deg）だけ上げる。ただし、温度増加後の目標温度Ｔｔが温度初期値Ｔ０を越える場合には、目標温度Ｔｔを温度初期値Ｔ０へと増加させる。
【００２８】
この所定温度ΔＴだけ増加された新たな目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は新たな目標温度Ｔｔに基づいてポンプ温度の制御を行う。このとき、温度センサ３１で検出されるポンプ温度が新たな目標温度Ｔｔよりも低い場合には、ヒータ２９によりポンプ本体１が加熱されてポンプ温度を上げるように制御する。図３に示した処理はポンプが運転されている間は継続して行われ、ポンプ停止信号が発せられると一連の処理を終了する。
【００２９】
図４は、（ａ）ガス負荷の変化と、（ｂ）それに対応した目標温度Ｔｔの変化とを示したものである。図４（ａ）において、縦軸のガス負荷はポンプに流入するガスの流量で表される。上述したように、ステップＳ５における積算値Ｉｈは電流値を時間積分したものであり、それはガス負荷を時間積分したものに対応している。ここでは、図４（ａ）に示した時間ΔｔがステップＳ４で積算値Ｉｈを算出する際の所定時間とし、ハッチングを施した部分の面積値（ガス負荷量）が規準値Ｉｈ０に対応するものとして考える。以下では、図３のフローチャートとの対応が分かりやすいように、ガス負荷量を電流積算値Ｉｈに置き換えて説明する。
【００３０】
時刻ｔ０の時点で既に目標温度Ｔｔは温度初期値Ｔ０になっているとして、時刻ｔ１以降について説明する。時刻ｔ０〜ｔ１の間の積算値Ｉｈ（すなわち、ガス負荷量）は規準値Ｉｈ０よりも小さいのでステップＳ５からステップＳ１０へと進むが、既にＴｔ＝Ｔ０となっているので目標温度Ｔｔを増加させない。この目標温度設定は時刻ｔ１に続く時間ΔＴに適用されるので、時刻ｔ１〜ｔ２は目標温度ＴｔはＴ０に維持される。時刻ｔ１〜ｔ２の積算値Ｉｈについても「Ｉｈ＜Ｉｈ０」なので、同様にＴｔ＝Ｔ０が維持される。すなわち、時刻ｔ３まで目標温度Ｔｔ＝Ｔ０が維持される。
【００３１】
時刻ｔ２〜ｔ３における積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも大きいので、続く時刻ｔ３〜ｔ４の目標温度ＴｔをΔＴだけ減少させる。時刻ｔ３〜ｔ４では再びガス負荷が通常の場合よりも大きくなっているが、短時間であるため積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも小さくなり、時刻ｔ４〜ｔ５の目標温度ＴｔをΔＴだけ増加する。その結果、目標温度ＴｔはＴｔ＝Ｔ０となる。
【００３２】
続く時刻ｔ５から時刻ｔ９までの間においては、各所定時間Δｔにおける積算値Ｉｈが規準値Ｉｈ０よりも大きくなっているので、時刻ｔ６から時間Δｔ毎に目標温度ＴｔをΔＴずつ減少させる。しかし、時刻ｔ８の時点でＴｔ＝ＴＬとなるので、時刻ｔ９にいては目標温度Ｔｔを減少させずに下限値ＴＬに維持する。図４に示す例では、Ｔｔ＝ＴＬとの状態がｓ所定時間２Δｔだけ維持されたときにアラームを発生するように設定しているので、すなわち、図３のステップＳ８における保持時間を２Δｔに設定しているので時刻ｔ１０においてアラームが発せられる。しかし、時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも小さくなるので、時刻ｔ１０において目標温度ＴｔがΔＴだけ増加する。
【００３３】
［変形例］
上述した実施の形態では、負荷量情報としてモータ電流の積算値Ｉｈを用いたが、図５の変形例に示すようにモータ６のステータ温度を温度センサ３４で検出して、検出した温度を負荷量情報として用いてもよい。モータ６の温度を検出する場合にはサーミスタ等の温度センサをモータ６のステータに設ければ良い。
【００３４】
図５に示した変形例の場合、上限温度の影響を直接受けるモータ６の温度に基づいてポンプ温度の制御を行っているので、上述した実施の形態のように間接的な情報であるモータ電流の積算値Ｉｈに基づいて制御を行う場合に比べて、より正確に温度制御を行うことができ、モータ６がそれらの上限温度を越えるのをより確実に防止することができる。もちろん、生成物の堆積はガスの流れＧ１の下流側すなわちベース２８に近いところで発生し易いので、ベース温度を温度センサ３１で検出しポンプ温度制御に用いることは図２に示した場合と同様である。
【００３５】
上述したように、本実施の形態の温度制御装置では、ポンプの負荷状況に応じて最適な目標温度となるように目標温度を変更するようにしているので、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）常に、負荷量に応じた最高温度にポンプ温度が維持されるため、生成物の付着が低減され、ポンプのメンテナンスサイクルを延ばすことができる。そのため、ランニングコストの低減を図ることができる。
（２）目標温度が固定であった従来のポンプでは回転体４やモータ６の温度上昇によりポンプ運転を停止せざるを得ないような状況であっても、目標温度が自動的に変更される本実施の形態の温度制御装置を用いたターボ分子ポンプならば運転継続が可能となり、様々なガス負荷状況に対応することができる。
（３）回転体４やモータ６の過昇温を防止でき、ターボ分子ポンプの寿命の低下を防止することができる。
【００３６】
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３７】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ヒータ２９は加熱手段を、冷却装置３０は冷却手段を、温度制御部７は制御手段を、モータ制御部５および温度センサ３４は取得手段を、温度設定部８は判断手段および目標温度変更手段を、温度設定部８および表示部１０は警報手段を、温度設定部８、モータ制御部５および温度制御部７は保護手段それぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による温度制御装置が適用されるターボ分子ポンプの、ポンプ本体１を示す断面図である。
【図２】本実施の形態の制御装置と図１に示したポンプ本体１の概略構成を示すブロック図である。
【図３】電源装置２で行われる温度制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）はガス負荷の変化を、（ｂ）はガス負荷に対応する目標温度Ｔｔの変化をそれぞれ示す図である。
【図５】変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ポンプ本体
２ 電源装置
４ 回転体
５ モータ
６ 温度設定部
７ 温度制御部
８ モータ制御部
９ 入力部
１０ 表示部
２８ ベース
２９ ヒータ
３０ 冷却装置
３１，３４ 温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置等に用いられるターボ分子ポンプの温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは半導体製造装置の排気装置として用いられている。半導体製造装置では、その反応プロセスに応じて様々なプロセスガスが使用される。例えば、ＣＶＤ装置やエッチング装置等に用いられるターボ分子ポンプにおいては反応性ガスを排気することになり、そのため、ターボ分子ポンプ内にプロセスガスの析出物や反応生成物が付着しやすい。このような析出物や反応生成物の付着はポンプ温度が高いほど低減されるので、従来のターボ分子ポンプではポンプ本体をヒータで加熱して析出物や反応生成物の付着を抑制するようにしている。
【０００３】
一方、ターボ分子ポンプの回転体にはアルミ合金が一般的に用いられており、回転体の温度が高温になりすぎると、アルミ素材の劣化によりポンプ寿命が低下するという問題が生じる。また、ポンプ内部に設けられたモータについても、動作温度が上昇しすぎると絶縁劣化等の支障が生じる。
【０００４】
そのため、従来のターボ分子ポンプでは上述したヒータに加えて冷却手段を設け、ヒータによる加熱と冷却手段による冷却とを制御して、ポンプ温度が所定の目標温度となるように制御している（例えば、特許文献１参照）。なお、温度検出はポンプのベース部等に設けられた温度センサによって行われるが、真空中に配置されている回転体はベース部に比べて温度が高くなりやすい。そのため、上記目標温度はベース部と回転体との温度差を考慮して設定される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ターボ分子ポンプにガス負荷が加わった場合、モータ負荷が増大してモータ発熱が増加し、さらに回転体とガスとの摩擦熱等による発熱も生じる。そのため、ガス負荷が大きくなるとポンプの温度は上昇し、また、回転体は真空中にあるため放熱し難くベース部に比べてさらに温度が上昇する。
【０００７】
よって、目標温度を高く設定すると、ベース部の温度は高くなり、生成物の付着を防止することができるが、ガス負荷が増大したときには回転体温度が素材の劣化防止の上限温度を越えてしまうおそれがある。その結果、ポンプを安全に使用するために、装置側のガス流量を抑えざるを得ないという問題があった。逆に、目標温度を低く設定すると、ガス負荷が増大しても回転体の温度は低く保たれるので、装置側のガス流量を大きくとることができるが、ガス負荷が小さいときにはベース部の温度が低くなるため生成物の付着量が増大し、生成物除去のためのオーバーホール期間が短くなるという不都合が生じる。また、磁気軸受方式の場合、回転体は真空中に非接触で保持されているため、安価にその温度を直接取得する手段がないという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の本発明によるターボ分子ポンプの温度制御装置は、ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する加熱手段と、ポンプ本体を冷却する冷却手段と、加熱手段および／または冷却手段を制御してポンプ温度を所定の目標温度に制御する制御手段と、ターボ分子ポンプの回転体の温度に相当する負荷量情報を取得する取得手段と、取得手段で取得された負荷量情報に基づいてターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断する判断手段と、判断手段によりターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上と判断されると目標温度を目標温度の初期値を基準に予め定められた下限値を下限に段階的に低くし、判断手段によりターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値より小さいと判断されると目標温度を目標温度の初期値を基準に予め定められた上限値を上限に段階的に高くする目標温度変更手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、取得手段は、ターボ分子ポンプの回転体駆動用モータの駆動電流に基づいて負荷量情報を取得するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときにポンプの加熱の停止および／または運転の停止を行う保護手段を設けたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときに警報を発する警報手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポンプの負荷状況に応じて最適な目標温度となるように目標温度を変更することができるため、ターボ分子ポンプの様々なガス負荷状況に応じて、ポンプを適切な温度に維持することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による温度制御装置が適用されるターボ分子ポンプの、ポンプ本体１を示す断面図である。ポンプ本体１に設けられたケーシング２０の内部には、モータ６により回転駆動される回転体４が設けられている。回転体４の素材にはアルミ合金が用いられ、回転体４には複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されている。一方、軸方向に配設された複数段のロータ翼２１に対しては複数段のステータ翼２３が交互に配設され、ネジ溝部２２に対しては径方向に僅かな隙間を介して筒状部材２４が配設されている。なお、ロータ翼２１およびステータ翼２３は、タービン翼で構成されている。
【００１１】
各ステータ翼２３はスペーサ２５によって所定の間隔に維持されており、最上段のスペーサ２５の上端は、ケーシング２０の上端内側に設けられた突起部分に当接している。ケーシング２０をベース２８に固定することにより、軸方向交互に重ねられたステータ翼２３およびスペーサ２５はケーシング２０の上端部分とベース２８との間に挟持される。モータ６により回転体４を高速回転すると、ロータ翼２１とステータ翼２３とにより、および、ネジ溝部２２と筒状部材２４とにより排気作用が発生する。その結果、吸気口側のガスが矢印Ｇ１のように排気され、排気口２６に接続された補助ポンプ（不図示）によってポンプ外へと排気される。
【００１２】
ロータ翼２１およびステータ翼２３による排気作用は高真空側で有効に作用し、ネジ溝部２２および筒状部材２４による排気作用は低真空側で有効に作用するものであり、反応生成物の付着は低真空側においてより顕著に発生する。図１のターボ分子ポンプの場合には、ポンプ本体のベース２８にヒータ２９が設けられており、反応生成物の付着しやすいガスを排気する場合には、このヒータ２８によりポンプ温度を上昇させて反応生成物の付着を抑制する。また、３０は冷却水を用いた冷却装置であり、冷却装置３０による冷却とヒータ２９による加熱とを制御してポンプ温度の制御を行う。３１はベース２８の温度を検出する温度センサであり、温度センサ３１で検出される温度をポンプ温度として用いる。
【００１３】
図１に示したターボ分子ポンプは５軸制御形磁気軸受ターボ分子ポンプであり、回転体４はラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とにより非接触支持される。回転体４の浮上位置はラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３によって検出される。２７は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング２７により回転体４は支持される。
【００１４】
図２は本実施の形態の制御装置と図１に示したポンプ本体１の概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプは図１に示したポンプ本体１と、そのポンプ本体１を駆動制御する電源装置２とで構成されている。電源装置２はケーブル３を介してポンプ本体１に接続されており、ケーブル３は図１に示したポンプ本体１のレセプタクル３３に接続される。図２では、ポンプ本体１に関しては、説明に必要なモータ６，ヒータ２９，冷却装置３０，温度センサ３１について示した。
【００１５】
なお、図２はポンプ温度制御に必要な構成を中心に示したものであり、ポンプ本体１に関してはモータ６，ヒータ２９，冷却装置３０，温度センサ３１を示し、電源装置２に関してはモータ制御部５，温度制御部７，温度設定部８，入力部９および表示部１０が設けられている。電源装置２には磁気軸受制御に関する構成も備えているが、図示を省略した。
【００１６】
入力部９には、例えばオペレータによる手動入力により温度初期値Ｔ０が入力され、入力部９は入力された温度初期値Ｔ０を保持する。この温度初期値Ｔ０は、必要に応じて温度設定部８に読み込まれる。また、モータ制御部５からはポンプに加わっている負荷量情報が温度設定部８に入力される。表示部１０にはポンプ状態等が表示される。
【００１７】
本実施の形態におけるポンプ温度制御では、回転体の温度に相当する負荷量情報に応じて温度制御の目標温度Ｔｔが自動的に変更される。目標温度Ｔｔの設定は温度設定部８により行われる。温度設定部８は、温度初期値Ｔ０および負荷量情報に基づいて目標温度Ｔｔを温度制御部７に出力する。温度制御部７は、温度センサ３１の検出温度および温度設定部８からの目標温度Ｔｔに基づいて、ポンプ温度が目標温度Ｔｔとなるようにヒータ２９および冷却装置３０を制御する。
【００１８】
ところで、無負荷状態のポンプにガス負荷を加えた場合、ポンプ回転数を一定に維持するためにモータ６に供給される電力が増加する。そして、その電力増加によってモータ発熱が増加するが、ガス負荷による回転体の温度上昇は大半がモータ発熱の増加に起因しているので、無負荷状態からガス負荷状態となった場合の電力量の増分は回転体の温度上昇に相当する負荷量情報とすることができる。そのため、本実施の形態では上述した負荷量情報として所定時間の間のモータ電流の積算値（時間積分値）Ｉｈを使用する。
【００１９】
《温度制御動作の説明》
次に、図３のフローチャートを用いて温度制御の一例について説明する。図３のフローチャートは電源装置２で行われる温度制御処理の手順を示したものであり、電源装置２のメインスイッチがオンされると処理がスタートする。なお、メインスイッチがオンされると電源装置２に設けられた磁気軸受駆動制御装置（不図示）が起動して、回転体４は磁気浮上状態とされる。そして、ポンプスタートスイッチがオンすることによって、モータ６による回転体４の回転駆動が開始される。
【００２０】
ステップＳ１では、ポンプスタートスイッチがオンされてポンプ運転が開始されたか否かを判定する。そして、ポンプ運転が開始されるとステップＳ１からステップＳ２へと進む。ステップＳ２において、温度設定部８は入力部９から温度初期値Ｔ０を読み込み、その温度初期値Ｔ０を温度制御部７の目標温度Ｔｔとして設定する。ステップＳ３において、温度制御部７はステップＳ２で設定された目標温度Ｔｔと温度センサ３１の検出温度とに基づいて、ヒータ２９によるポンプ加熱を開始する。
【００２１】
本実施の形態におけるターボ分子ポンプは成膜プロセスやエッチングプロセス用のポンプであって、反応生成物の付着を防止するためにポンプ本体１を昇温して使用する。入力部９に入力される温度初期値Ｔ０は標準的使用における目標温度Ｔｔであって、ポンプ運転開始によりこの目標温度Ｔｔ（＝温度初期値Ｔ０）までの昇温が開始される。温度初期値Ｔ０としては、例えば６０〜７０℃程度のものが考えられる。
【００２２】
ステップＳ４では、モータ制御部５におけるモータ電流の積算が行われ、その積算値Ｉｈは温度情報として温度設定部８に出力される。なお、ステップＳ４の積算は予め定められた所定時間行われる。ステップＳ５では、ステップＳ４で算出された積算値Ｉｈが予め定めた規定値Ｉｈ０以上か否かを判定する。ここで、規定値Ｉｈ０は、回転体の温度が劣化防止のための上限温度以上か否かを判定するための規準値である。例えば、ガス負荷量が大きくなるとモータ電流が増加するので、あるガス負荷量以上では積算値Ｉｈは規定値Ｉｈ０よりも大きくなる。
【００２３】
ステップＳ５において「Ｉｈ≧Ｉｈ０」と判定されるとステップＳ６へ進み、「Ｉｈ＜Ｉｈ０」と判定されるとステップＳ１０へ進む。ステップＳ６へ進んだ場合、すなわち、ガス負荷量が通常より大きくて回転体４の温度が上昇傾向にある場合には、ステップＳ６において現在の目標温度Ｔｔが下限値ＴＬより大きいか否かを判定する。下限値ＴＬとしては、室温相当（４０℃程度）が選ばれる。
【００２４】
ステップＳ６において「Ｔｔ＞ＴＬ」と判定されると、ステップＳ７に進み温度設定部８において目標温度Ｔｔを所定温度ΔＴだけ低減する。例えば、目標温度Ｔｔを１（deg）だけ下げる。この所定温度ΔＴだけ低減された新たな目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は新たな目標温度Ｔｔに基づいてポンプ温度の制御を行う。このとき、温度センサ３１で検出されるポンプ温度が新たな目標温度Ｔｔよりも高くなっている場合には、冷却装置３０によりポンプ本体１を冷却してポンプ温度を下げるように制御する。
【００２５】
一方、ステップＳ６において「Ｔｔ≦ＴＬ」と判定されると、ステップＳ８に進んで目標温度ＴｔがＴｔ＝ＴＬの状態に保持されている時間が所定時間以上となったか否かを判定する。ステップＳ８において所定時間以上と判定されると、ステップＳ９においてアラームを発生し、保護動作によりポンプを停止する（ステップＳ１２）。アラームの発生方法としては、例えば、電源装置２に設けられた表示装置１０にアラーム表示を行ったり、半導体装置側にアラーム信号を出力したりする。
【００２６】
なお、ステップＳ９においてアラームを発生する理由は、温度を低減しても、依然ポンプの回転体の温度が低下しない過負荷な状態が継続しているためで、目標温度Ｔｔ＝ＴＬの状態が所定時間経過した場合にはアラームを発生して、オペレータに過負荷状態が継続しているイレギュラーな使用状態となっていることを報知する。
【００２７】
一方、ステップＳ５からステップＳ１０へ進んだ場合には、すなわち、ガス負荷量が通常程度あるいは通常よりも小さい場合には、ステップＳ１０において現在の目標温度Ｔｔが温度初期値Ｔ０よりも低いか否かを判定する。ステップＳ１０において「Ｔｔ≧Ｔ０」と判定されるとステップＳ４へ戻り、「Ｔｔ＜Ｔ０」と判定されるとステップＳ１１に進み、温度設定部８において目標温度Ｔｔを所定温度ΔＴだけ増加する。例えば、目標温度Ｔｔを１（deg）だけ上げる。ただし、温度増加後の目標温度Ｔｔが温度初期値Ｔ０を越える場合には、目標温度Ｔｔを温度初期値Ｔ０へと増加させる。
【００２８】
この所定温度ΔＴだけ増加された新たな目標温度Ｔｔは温度制御部７に入力され、温度制御部７は新たな目標温度Ｔｔに基づいてポンプ温度の制御を行う。このとき、温度センサ３１で検出されるポンプ温度が新たな目標温度Ｔｔよりも低い場合には、ヒータ２９によりポンプ本体１が加熱されてポンプ温度を上げるように制御する。図３に示した処理はポンプが運転されている間は継続して行われ、ポンプ停止信号が発せられると一連の処理を終了する。
【００２９】
図４は、（ａ）ガス負荷の変化と、（ｂ）それに対応した目標温度Ｔｔの変化とを示したものである。図４（ａ）において、縦軸のガス負荷はポンプに流入するガスの流量で表される。上述したように、ステップＳ５における積算値Ｉｈは電流値を時間積分したものであり、それはガス負荷を時間積分したものに対応している。ここでは、図４（ａ）に示した時間ΔｔがステップＳ４で積算値Ｉｈを算出する際の所定時間とし、ハッチングを施した部分の面積値（ガス負荷量）が規準値Ｉｈ０に対応するものとして考える。以下では、図３のフローチャートとの対応が分かりやすいように、ガス負荷量を電流積算値Ｉｈに置き換えて説明する。
【００３０】
時刻ｔ０の時点で既に目標温度Ｔｔは温度初期値Ｔ０になっているとして、時刻ｔ１以降について説明する。時刻ｔ０〜ｔ１の間の積算値Ｉｈ（すなわち、ガス負荷量）は規準値Ｉｈ０よりも小さいのでステップＳ５からステップＳ１０へと進むが、既にＴｔ＝Ｔ０となっているので目標温度Ｔｔを増加させない。この目標温度設定は時刻ｔ１に続く時間ΔＴに適用されるので、時刻ｔ１〜ｔ２は目標温度ＴｔはＴ０に維持される。時刻ｔ１〜ｔ２の積算値Ｉｈについても「Ｉｈ＜Ｉｈ０」なので、同様にＴｔ＝Ｔ０が維持される。すなわち、時刻ｔ３まで目標温度Ｔｔ＝Ｔ０が維持される。
【００３１】
時刻ｔ２〜ｔ３における積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも大きいので、続く時刻ｔ３〜ｔ４の目標温度ＴｔをΔＴだけ減少させる。時刻ｔ３〜ｔ４では再びガス負荷が通常の場合よりも大きくなっているが、短時間であるため積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも小さくなり、時刻ｔ４〜ｔ５の目標温度ＴｔをΔＴだけ増加する。その結果、目標温度ＴｔはＴｔ＝Ｔ０となる。
【００３２】
続く時刻ｔ５から時刻ｔ９までの間においては、各所定時間Δｔにおける積算値Ｉｈが規準値Ｉｈ０よりも大きくなっているので、時刻ｔ６から時間Δｔ毎に目標温度ＴｔをΔＴずつ減少させる。しかし、時刻ｔ８の時点でＴｔ＝ＴＬとなるので、時刻ｔ９にいては目標温度Ｔｔを減少させずに下限値ＴＬに維持する。図４に示す例では、Ｔｔ＝ＴＬとの状態がｓ所定時間２Δｔだけ維持されたときにアラームを発生するように設定しているので、すなわち、図３のステップＳ８における保持時間を２Δｔに設定しているので時刻ｔ１０においてアラームが発せられる。しかし、時刻ｔ９から時刻ｔ１０までの積算値Ｉｈは規準値Ｉｈ０よりも小さくなるので、時刻ｔ１０において目標温度ＴｔがΔＴだけ増加する。
【００３３】
［変形例］
上述した実施の形態では、負荷量情報としてモータ電流の積算値Ｉｈを用いたが、図５の変形例に示すようにモータ６のステータ温度を温度センサ３４で検出して、検出した温度を負荷量情報として用いてもよい。モータ６の温度を検出する場合にはサーミスタ等の温度センサをモータ６のステータに設ければ良い。
【００３４】
図５に示した変形例の場合、上限温度の影響を直接受けるモータ６の温度に基づいてポンプ温度の制御を行っているので、上述した実施の形態のように間接的な情報であるモータ電流の積算値Ｉｈに基づいて制御を行う場合に比べて、より正確に温度制御を行うことができ、モータ６がそれらの上限温度を越えるのをより確実に防止することができる。もちろん、生成物の堆積はガスの流れＧ１の下流側すなわちベース２８に近いところで発生し易いので、ベース温度を温度センサ３１で検出しポンプ温度制御に用いることは図２に示した場合と同様である。
【００３５】
上述したように、本実施の形態の温度制御装置では、ポンプの負荷状況に応じて最適な目標温度となるように目標温度を変更するようにしているので、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）常に、負荷量に応じた最高温度にポンプ温度が維持されるため、生成物の付着が低減され、ポンプのメンテナンスサイクルを延ばすことができる。そのため、ランニングコストの低減を図ることができる。
（２）目標温度が固定であった従来のポンプでは回転体４やモータ６の温度上昇によりポンプ運転を停止せざるを得ないような状況であっても、目標温度が自動的に変更される本実施の形態の温度制御装置を用いたターボ分子ポンプならば運転継続が可能となり、様々なガス負荷状況に対応することができる。
（３）回転体４やモータ６の過昇温を防止でき、ターボ分子ポンプの寿命の低下を防止することができる。
【００３６】
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３７】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ヒータ２９は加熱手段を、冷却装置３０は冷却手段を、温度制御部７は制御手段を、モータ制御部５および温度センサ３４は取得手段を、温度設定部８は判断手段および目標温度変更手段を、温度設定部８および表示部１０は警報手段を、温度設定部８、モータ制御部５および温度制御部７は保護手段それぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による温度制御装置が適用されるターボ分子ポンプの、ポンプ本体１を示す断面図である。
【図２】本実施の形態の制御装置と図１に示したポンプ本体１の概略構成を示すブロック図である。
【図３】電源装置２で行われる温度制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）はガス負荷の変化を、（ｂ）はガス負荷に対応する目標温度Ｔｔの変化をそれぞれ示す図である。
【図５】変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ ポンプ本体
２ 電源装置
４ 回転体
５ モータ
６ 温度設定部
７ 温度制御部
８ モータ制御部
９ 入力部
１０ 表示部
２８ ベース
２９ ヒータ
３０ 冷却装置
３１，３４ 温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する加熱手段と、
前記ポンプ本体を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段および／または前記冷却手段を制御してポンプ温度を所定の目標温度に制御する制御手段と、
ターボ分子ポンプの回転体の温度に相当する負荷量情報を取得する取得手段と、
前記取得手段で取得された前記負荷量情報に基づいて前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上と判断されると前記目標温度を予め定められた下限値を下限に低くし、前記判断手段により前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が前記所定値より小さいと判断されると前記目標温度を予め定められた上限値を上限に高くする目標温度変更手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記取得手段は、前記ターボ分子ポンプの回転体駆動用モータの駆動電流に基づいて前記負荷量情報を取得することを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときにポンプの加熱の停止および／または運転の停止を行う保護手段を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときに警報を発する警報手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項１】
ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する加熱手段と、
前記ポンプ本体を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段および／または前記冷却手段を制御してポンプ温度を所定の目標温度に制御する制御手段と、
ターボ分子ポンプの回転体の温度に相当する負荷量情報を取得する取得手段と、
前記取得手段で取得された前記負荷量情報に基づいて前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上か否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が所定値以上と判断されると前記目標温度を予め定められた下限値を下限に低くし、前記判断手段により前記ターボ分子ポンプの回転体の温度が前記所定値より小さいと判断されると前記目標温度を予め定められた上限値を上限に高くする目標温度変更手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記取得手段は、前記ターボ分子ポンプの回転体駆動用モータの駆動電流に基づいて前記負荷量情報を取得することを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときにポンプの加熱の停止および／または運転の停止を行う保護手段を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のターボ分子ポンプの温度制御装置において、
前記目標温度と所定の下限値とが等しい状態が所定時間継続されたときに警報を発する警報手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプの温度制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１７０８９（Ｐ２００６−１７０８９Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９８４５６（Ｐ２００４−１９８４５６）
【出願日】平成１６年７月５日（２００４．７．５）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月５日（２００４．７．５）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]