CN110506163A

CN110506163A - 泵送单元及其用途

Info

Publication number: CN110506163A
Application number: CN201880023602.5A
Authority: CN
Inventors: P·德哈博勒
Original assignee: Universal Vacuum Inc
Current assignee: Universal Vacuum Inc; Pfeiffer Vacuum SAS
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2038-03-21
Also published as: WO2018184853A1; KR102561996B1; JP2020513088A; US11078910B2; EP3607204A1; KR20190132483A; EP3607204B1; CN110506163B; FR3065040B1; FR3065040A1; US20200191147A1; TWI735764B; TW201837310A

Abstract

本发明涉及一种泵送单元(1)，它包括：包括串联配装的至少四个泵送级(T1、T2、T3、T4、T5)的多级干式初级真空泵(2)，其特征在于，泵送单元包括：包括串联配装的第一和第二泵送级(B1，B2)的两级罗茨真空泵(3)，两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)以与初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)串联并在待泵送气体流的方向上位于后者的上游的方式配装，由两级罗茨真空泵(3)的第一泵送级(B1)产生的流量与由两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)产生的流量之比小于六，由两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)产生的流量与由初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)产生的流量之比小于六。本发明还涉及所述泵送单元(1)的用途。

Description

泵送单元及其用途

技术领域

本发明涉及一种泵送单元，该泵送单元包括多级干式的初级真空泵和两级罗茨式的真空泵，该真空泵以与该初级真空泵串联并位于该初级真空泵上游的方式配装。本发明还涉及所述泵送单元的用途。

背景技术

初级真空泵包括串联的多个泵送级，其中待泵送的气体在吸入口和输送端之间流动。已知的初级真空泵的独特类型包括具有旋转凸轮的真空泵，也称为罗茨泵—它具有两个或三个凸轮，以及具有双爪的真空泵，也称为爪型泵。

初级真空泵包括具有相同轮廓的两个转子，所述两个转子在定子内部沿相反方向旋转。在旋转的过程中，待泵送的气体被截留在由转子和定子扫掠的容积中，并由转子朝向下一级推动，之后逐渐到达真空泵的输送端。运行时转子和定子之间没有任何机械接触，使得在泵送级不存在油。这样，可以提供所谓的干式泵送。

为了提高泵送性能、特别是流率，使用罗茨真空泵(称为“罗茨鼓风机”)，它以与初级真空泵串联并位于该初级真空泵的上游的方式配装。罗茨真空泵的容积排量可以是初级真空泵的容积排量的约20倍。

一些应用—例如用于在半导体制造业中生产薄膜的应用或CVD(用于“化学气相沉积”)应用—需要较高的泵送性能，尤其需要介于53Pa至266Pa之间的工作压力范围、介于50Pa.m³.s^-1至170Pa.m³.s^-1之间的连续泵送流量。值得注意的是，目标是在该工作范围内获得约3000m³/h的最大泵送流率。

试图实现这些泵送性能的一种解决方案是使用具有期望容积排量的罗茨真空泵来达到3000m³/h，该罗茨真空泵与容积排量为约300m³/h的多级式初级真空泵串联地配装。因此罗茨真空泵的容积排量为多级式初级真空泵的容积排量的约十倍。然而，在该装置中，对于CVD应用的工作范围内的压力、以及在极限压力下，均观察到泵送性能的显著损失。此外，这种泵送装置是高能量密集型的，而同样需要限制功耗。

使用处于多级式初级真空泵的上游并与之串联的两个罗茨真空泵仍然不能提供令人满意的解决方案。这是因为这种布置成本高且体积大，并且使用两个电机会导致机械损失，并且会对功耗产生影响。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提出一种泵送单元，它在CVD应用的工作范围内、以及在极限压力下均具有更好的泵送性能，同时具有最小功耗。

为此，本发明提出一种泵送单元，该泵送单元包括：

-多级的干式的初级真空泵，该初级真空泵包括串联地配装的至少四个泵送级，

其特征在于，该泵送单元包括：

-两级罗茨真空泵，该两级罗茨真空泵包括串联地配装的第一泵送级和第二泵送级，所述两级罗茨真空泵的第二泵送级以与所述初级真空泵的第一泵送级串联并在待泵送气体的流动方向上位于所述初级真空泵的第一泵送级上游的方式配装，

-所述两级罗茨真空泵的第一泵送级的容积排量与所述两级罗茨真空泵的第二泵送级的容积排量之比小于六，以及

-所述两级罗茨真空泵的第二泵送级的容积排量与所述初级真空泵的第一泵送级的容积排量之比小于六。

通过泵送单元的这种结构和尺寸，可以在期望的工作范围内获得最大的泵送性能，其中压力介于53Pa至266Pa、可连续泵送的流量高达170Pa.m³.s^-1。

在处于低于0.1Pa的极限真空下的泵送性能也令人满意。

此外，无论是在极限真空下还是在CVD应用的期望工作范围内，功耗均为最小。

根据泵送单元的一个或多个特征，这些特征可单独地或以组合的方式被考虑：

-两级罗茨真空泵的第一泵送级的容积排量大于或等于3000m³/h，例如介于3500m³/h和5000m³/h之间；

-两级罗茨真空泵的第二泵送级的容积排量大于或等于500m³/h，例如介于500m³/h和1000m³/h之间；

-两级罗茨真空泵的第一泵送级的容积排量与两级罗茨真空泵的第二泵送级的容积排量之比小于5.5，例如介于4.5至5.5之间；

-两级罗茨真空泵的第二泵送级的容积排量与多级干式的初级真空泵的第一泵送级的容积排量之比小于或等于五；

-初级真空泵的第一泵送级的容积排量大于或等于100m³/h，例如介于100m³/h和400m³/h之间；

-初级真空泵的第一泵送级的容积排量与所述初级真空泵的第二泵送级的容积排量之比小于或等于三；

-两级罗茨真空泵的第一泵送级的容积排量与初级真空泵的第三泵送级的容积排量之比小于或等于一百二十；

-初级真空泵的最后的泵送级的容积排量与初级真空泵的倒数第二泵送级的容积排量之比小于或等于二；

-初级真空泵包括串联地配装的至少五个泵送级；

-泵送单元还包括将所述两级罗茨真空泵的吸入口连接到所述两级罗茨真空泵的第二泵送级的入口的通路，所述通路包括减压(卸压)模块(也称为“旁路”)，所述减压模块构造为一旦所述吸入口和所述第一泵送级的输送端之间的压差超过预定值就打开。

本发明还提出如上所述的泵送单元的用途，它用于泵吸(抽气)半导体制造设备的封壳，其中该泵送单元用于将封壳内部的压力控制在介于53Pa至266Pa之间的水平，将封壳中的泵送的气体流量控制在介于50Pa.m³.s^-1至170Pa.m³.s^-1之间。

附图说明

通过下面的描述并参照附图，本发明的其它特征和优点变得明显，这些描述作为非限制性示例提供，在附图中：

图1示出了泵送单元的示意图，

图2示出了初级真空泵的实施例的示例，其中仅描绘了运行所必需的元件，

图3示出了两级式罗茨真空泵的示意图；为了便于理解，该图示出了彼此相邻的泵送级的横截面，

图4是示出根据本发明的泵送单元和现有技术泵送装置的泵送速度(单位为m³/h)随压力(单位为托)变化的曲线的曲线图，

图5是示出了图4的泵送单元和泵送装置的泵送的气体流量(单位为“slm”，即“标准升/分钟”)(1slm＝1.68875Pa.m³.s^-1)随压力(单位为托)变化的曲线的曲线图，以及

图6示出了泵送单元的用途的示例。

具体实施方式

在这些附图中，相同的元件具有相同的附图标记。下面的实施例是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例，但这并不一定意味着每次提及都涉及相同的实施例、或者这些特征仅适用于单个实施例。不同实施例的各个单独的特征也可以组合或互换以提供其他实施例。

表述“容积排量(débit engendré)”是指与真空泵的转子和定子之间的扫掠容积(波及容积，形成的容积，volume engendré)乘以每秒的转数所对应的容量。

表述“极限压力”是指在没有所泵送的气体流的情况下泵送装置获得的最小压力。

表述“干式初级真空泵”是指一种正排量真空泵，它使用两个转子来吸入、转移、然后输送处于大气压力下的待泵送气体。转子被初级真空泵的马达驱动而旋转。

表述“罗茨真空泵(pompe à vide de type Roots)”(也称为“罗茨鼓风机(Rootsblower)”)是指使用罗茨型转子吸入、转移、然后输送待泵送气体的正排量真空泵。罗茨真空泵以与初级真空泵串联并位于该初级真空泵上游的方式配装。罗茨转子由罗茨真空泵的马达驱动而旋转。

表述“上游”是指相对于气体流的方向放置在另一元件之前的元件。相反，表述“下游”是指相对于待泵送气体的流的方向放置在另一元件之后的元件。位于上游的元件处于比位于下游的元件低的压力下，位于下游的元件处于较高的压力下。

图1示出了泵送单元1的示意图。

泵送单元1例如用在半导体制造业中的设备100中(图6)。泵送单元1例如连接到将用于薄膜生产或CVD(“化学气相沉积”)应用的封壳101，所述应用的工作范围包括封壳101中的介于53Pa至266Pa之间的压力和通常介于50Pa.m³.s^-1至170Pa.m³.s^-1之间的泵送气体流量。

泵送单元1包括多级干式的初级真空泵2和两级罗茨式的真空泵3(或“双级鼓风机”)，所述真空泵3以与所述初级真空泵2串联并位于该初级真空泵2上游的方式配装。

这里所示的初级真空泵2包括串联地配装在该初级真空泵2的吸入口4和输送端5之间的五个泵送级T1、T2、T3、T4、T5，待泵送气体可以在这些泵送级中流动。

泵送级T1-T5每个均包括相应的入口和出口。相继的泵送级T1-T5通过各自的级间通道6彼此串联地连接，该级间通道6将前一泵送级的出口(或输送端)连接到下一级的入口(或吸入口)(见图2)。级间通道6例如在容纳转子10的中央壳体9的两侧侧向地(横向地)布置在真空泵2的本体8中。第一泵送级T1的入口与真空泵2的吸入口4连通，最后泵送级T5的出口与真空泵2的输送端5连通。泵送级T1-T5的定子形成真空泵2的本体8。

该初级真空泵2包括延伸到泵送级T1-T5中的两个旋转凸轮式转子10。转子10的轴由初级真空泵2的马达M1从输送级T5侧驱动(图1)。

转子10的凸轮具有相同的轮廓。所示的转子为罗茨型(其横截面呈“数字八”或“芸豆”的形式)。显然，本发明同样适用于其它类型的多级干式的初级真空泵，例如爪型、螺旋型或螺杆型真空泵，或者基于其他类似的正排量式真空泵原理运行的真空泵。

转子10在角度方向上偏置并被驱动成在各个级T1-T5的中央壳体9中以同步的方式沿相反的方向转动。在旋转的过程中，从入口吸入的气体被截留在由定子和转子10扫掠(形成)的容积中，然后由转子朝向下一级推动(气体流的方向由图1和图2中的箭头G示出)。

初级真空泵2被称为“干式”是因为在运行中转子10在定子的内部转动而不与定子进行任何机械接触，使得在泵送级T1-T5中不存在油。

泵送级T1-T5具有扫掠容积，也就是所泵送的气体的体积，该体积随泵送级而减小(或相等)，第一泵送级T1具有最高的容积排量，而最后的泵送级T5具有最低的容积排量。

初级真空泵2的输送压力等于大气压力。初级真空泵2还包括在输送端5处、在最后的泵送级T5的出口处的止回阀，用以防止所泵送气体返回真空泵2中。

图3示意性地示出了两级罗茨真空泵3。

如初级真空泵2一样，罗茨真空泵3是正排量式真空泵，其使用两个转子来吸入、转移以及随后输送待泵送的气体。

两级罗茨真空泵3包括串联地配装在吸入口11和输送端12之间的第一泵送级B1和第二泵送级B2，待泵送的气体可以在这两个泵送级中流动。

每个泵送级B1-B2均包括各自的入口和出口，第二泵送级B2的入口16(或吸入口)通过级间通道13连接到第一泵送级B1的出口(或输送端)。第一泵送级B1的入口与泵送单元1的吸入口11连通，第二泵送级B2的出口(输送端12)连接到初级真空泵2的吸入口4。

罗茨真空泵3包括在泵送级B1-B2中延伸的两个旋转凸轮式转子14。转子14的轴由罗茨真空泵3的马达M2驱动(图1)。

转子14的凸轮具有相同的罗茨型轮廓。

转子14在角度方向上偏置并被驱动成在形成每个级B1-B2的腔室的中央壳体中以同步的方式沿相反的方向转动。在旋转的过程中，从入口吸入的气体被截留在由转子和定子扫掠的容积中，然后由转子朝向下一级推动(气体流的方向由图1和图3中的箭头G示出)。

罗茨真空泵3被称为“干式”是因为在运行中转子在定子内部回转而不与定子进行任何机械接触，使得在泵送级B1-B2中不存在油。

罗茨真空泵3与初级真空泵2的主要不同之处在于泵送级B1-B2的因泵送容量更大而较大的尺寸、在于较大的间隙容差、以及在于罗茨真空泵3不以大气压力进行输送，而是必须在初级真空泵上游以串联的布置使用。

泵送单元1还包括将罗茨真空泵3的吸入口11连接到罗茨真空泵3的第二泵送级B2的入口16的通路15。

通路15包括减压模块17、例如止回阀或受控的阀，它构造成一旦第一泵送级B1的吸入口11和输送端之间的压差超过预定水平就打开，该预定水平例如介于5.10³Pa至3.10⁴Pa之间。

减压模块17的打开使得来自第一泵送级B1的输送端的过量气体流能够朝向罗茨真空泵3的吸入口11进行再循环。由于泵送开始时的较高气体流量，这种再循环当封壳101的压力下降到大气压力以下时发生。这可避免在第一泵送级B1的输送端产生高压，所述高压的产生可能导致非常高的功耗、过度的加热和故障的风险。

罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量与罗茨真空泵3的第二泵送级B2的容积排量之比小于六，例如小于5.5或者介于4.5至5.5之间。

两级式罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量例如大于或等于3000m³/h，例如介于3500m³/h至5000m³/h。

两级式罗茨真空泵3的第二泵送级B2的容积排量例如大于或等于500m³/h，例如介于500m³/h至1000m³/h之间。

例如，罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量为约4459m³/h。

例如，罗茨真空泵3的第二泵送级B2的容积排量为约876m³/h。

因此，第一泵送级B1的容积排量与第二泵送级B2的容积排量之比为约5.1。

另外，罗茨真空泵3的第二泵送级B2的容积排量与初级真空泵2的第一泵送级T1的容积排量之比小于六，例如小于或等于五。

初级真空泵2的第一泵送级T1的容积排量例如大于或等于100m³/h，例如介于100m³/h至400m³/h之间。

初级真空泵2的第一泵送级T1具有例如约187m³/h的容积排量。

因此，第二泵送级B2的容积排量与第一泵送级T1的容积排量之比等于约4.7。

例如，初级真空泵2的第一泵送级T1的容积排量与初级真空泵2的第二泵送级T2的容积排量之比小于或等于三。

例如，第二泵送级T2具有约93m³/h的容积排量。因此，第一泵送级T1的容积排量与第二泵送级T2的容积排量之比基本上等于二。

例如，两级罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量与初级真空泵2的第三泵送级T3的容积排量之比小于或等于一百二十。初级真空泵2的至少两个最后的泵送级T4、T5、T6可以具有相同的容积排量。

例如，初级真空泵2的最后的泵送级T5的容积排量与初级真空泵2的倒数第二泵送级T4的容积排量之比小于或等于二。

例如，最后三个泵送级T3、T4和T5具有约44m³/h的容积排量。因此，次级的两级罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量与初级真空泵2的第三泵送级T3的容积排量之比为约101.3。因此，在这种情况下，初级真空泵2的最后的泵送级T5的容积排量与初级真空泵2的倒数第二泵送级T4的容积排量之比等于一。

初级真空泵2的最后的泵送级T4、T5、T6具有相同的容积排量，从而使得可以简化制造并降低成本。

泵送单元1的这种设计使得可以将泵送性能优化为在CVD方法的工作范围内是最佳的。在极限真空下的泵送性能同样令人满意。此外，无论是在极限真空还是在工作压力下，功耗都是最小的。

通过检查图4和图5中的曲线图，可以更容易地理解这一点，图4和图5示出了针对根据本发明的泵送单元1和针对现有技术的泵送装置获得的泵送性能。

曲线A是针对现有技术的泵送装置获得的随压力变化的泵送速度的曲线，该现有技术的泵送装置包括估计容积排量为4459m³/h的单级罗茨真空泵，它以与估计容积排量为510m³/h的初级真空泵串联并位于该初级真空泵上游的方式配装。

在压力介于13Pa至26Pa(或0.1托(Torr)和0.2托)之间时，该泵送装置可以达到约3000m³/h的泵送速度。然而，压力高于53Pa(或0.4托)，性能急剧下降，使得在期望工作范围内(在图4和图5的曲线图上标记为Pf)泵送装置的性能不足。压力低于13Pa(或0.1托)(处于极限真空下)时的泵送速度也不太令人满意。而且，在极限压力下的功耗为约3.3kW，这是较高的。

曲线B示出了针对现有技术的泵送装置获得的随压力变化的泵送性能，该现有技术的泵送装置包括估计容积排量为4459m³/h的单级罗茨真空泵，它以与估计容积排量为260m³/h的初级真空泵串联并位于该初级真空泵上游的方式配装。

可以看出，在极限压力下的泵送性能优于曲线A的泵送装置。然而，在工作范围Pf内，泵送速度没有达到3000m³/h的期望性能。

曲线C示出了针对现有技术的泵送装置获得的随压力变化的泵送性能，该现有技术的泵送装置包括估计容积排量为4459m³/h的罗茨真空泵，它以与估计容积排量为510m³/h的初级真空泵串联并位于该初级真空泵上游的方式配装。曲线C的泵送装置的初级真空泵的最后的泵送级的设计—其估计容积排量为约109m³/h—显著优于(更大或更高)曲线A的泵送装置的初级真空泵的最后的泵送级的设计—其估计容积排量为约58m³/h。

已经发现，该泵送性能在工作范围Pf内显著优于曲线B的泵送装置。然而，泵送速度未达到3000m³/h，并且在工作范围内逐渐降低，并且由于初级真空泵的最后的泵送级的超裕度设计，在极限压力下的功耗过高(处于约5.7kW)。此外，在极限压力下泵送性能不能令人满意。

曲线D示出了针对根据本发明的泵送单元1获得的随压力变化的泵送性能，其中罗茨真空泵3的第一泵送级B1的容积排量为约4459m³/h，罗茨真空泵3的第二泵送级B2的容积排量为约876m³/h，初级真空泵2的第一泵送级T1具有约187m³/h的容积排量，初级真空泵2的第二泵送级T2具有约93m³/h的容积排量，初级真空泵2的最后三个泵送级T3、T4和T5具有约44m³/h的容积排量。

已经发现，在期望的工作范围Pf内，泵送性能处于最大约3000m³/h的水平。

在极限真空下的泵送性能也能令人满意。

此外，功耗是令人满意的。在极限压力下的功耗小于2.5kW。

Claims

1.泵送单元(1)，它包括：

-多级的干式的初级真空泵(2)，所述初级真空泵包括串联地配装的至少四个泵送级(T1、T2、T3、T4、T5)，

其特征在于，所述泵送单元(1)包括：

-两级罗茨真空泵(3)，所述两级罗茨真空泵包括串联地配装的第一和第二泵送级(B1，B2)，所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)以与所述初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)串联并在待泵送气体的流的方向上位于所述初级真空泵的第一泵送级上游的方式配装，

-所述两级罗茨真空泵(3)的第一泵送级(B1)的容积排量与所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的容积排量之比小于六，以及

-所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的容积排量与所述初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)的容积排量之比小于六。

2.根据前一权利要求所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述两级罗茨真空泵(3)的第一泵送级(B1)的容积排量大于或等于3000m³/h，例如介于3500m³/h至5000m³/h之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的容积排量大于或等于500m³/h，例如介于500m³/h至1000m³/h之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述两级罗茨真空泵(3)的第一泵送级(B1)的容积排量与所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的容积排量之比小于5.5。

5.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的容积排量与所述初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)的容积排量之比小于或等于五。

6.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)的容积排量大于或等于100m³/h，例如介于100m³/h至400m³/h之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述初级真空泵(2)的第一泵送级(T1)的容积排量与所述初级真空泵(2)的第二泵送级(T2)的容积排量之比小于或等于三。

8.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述两级罗茨真空泵(3)的第一泵送级(B1)的容积排量与所述初级真空泵(2)的第三泵送级(T3)的容积排量之比小于或等于一百二十。

9.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述初级真空泵(2)包括串联地配装的至少五个泵送级(T1、T2、T3、T4、T5)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)，其特征在于，所述泵送单元还包括将所述两级罗茨真空泵(3)的吸入口(11)连接到所述两级罗茨真空泵(3)的第二泵送级(B2)的入口(16)的通路(15)，所述通路(15)包括减压模块(17)，所述减压模块构造为一旦所述吸入口(11)和所述第一泵送级(B1)的输送端之间的压差超过预定值就打开。

11.根据前述权利要求中任一项所述的泵送单元(1)的用途，它用于泵吸半导体制造设备(100)的封壳(101)，其中所述泵送单元用于将所述封壳内部的压力控制在介于53Pa至266Pa之间的水平，并用于将所述封壳(101)中的泵送的气体流量控制为介于50Pa.m³.s^-1至170Pa.m³.s^-1之间。