CN111527311B - 涡轮分子泵和用于控制处理室中压力的方法及设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种涡轮分子泵以及用于使用这种泵控制处理室中压力的方法和设备。该涡轮分子泵包括：转子，其包括在可旋转轴上的多个叶片；控制马达，其用于驱动可旋转轴；其中控制马达尺寸设计成输出以足够高的恒定速度驱动轴以提供5毫巴的排气压力所需的功率的三倍以上的功率。

Description

涡轮分子泵和用于控制处理室中压力的方法及设备

技术领域

本发明的领域涉及涡轮分子泵以及用于使用这种涡轮分子泵控制处理室中压力的方法和设备。

背景技术

提供高真空和超高真空的涡轮分子泵是已知的。这些泵是动量传输泵，其中通过旋转转子叶片而赋予进入泵的气体分子动量。该泵包括多个成角度的转子和定子叶片排对，转子叶片排的叶片成角度以将气体分子推向泵的排放端。

由于其提供这些高真空和超高真空的能力，涡轮分子泵常常用于抽空诸如半导体处理室的处理室。已经提出了各种布置来控制这种半导体处理室中的压力。在一种这样的布置中，节流阀设置在半导体处理室的出口和涡轮分子泵的入口之间。这种节流阀具有成本和可靠性问题，并且可能甚至更重要的是可能是室中污染的原因，因为经由阀离开室的颗粒可能撞击阀的表面并反弹回室中。

因此，希望能够省去这种节流阀，并且仍然能够在这种室中提供有效的压力控制。

发明内容

第一方面提供了一种涡轮分子泵，包括：转子，其包括在可旋转轴上的多个叶片；控制马达，其用于驱动所述可旋转轴；其中所述控制马达尺寸设计成输出以足够高的恒定速度驱动所述轴以提供5毫巴的排气压力所需的功率的三倍以上的功率。

涡轮分子泵通过以极高的速度旋转来提供高真空和超高真空。此外，由于它们在较高的排气压力下不能很好地操作，它们常常具有与涡轮分子泵成一体的拖曳级（dragstage），并且这些拖曳级具有显著的惯性和重量。因此，改变这种泵的旋转速度需要非常高的能量，并且对于为这种泵提供足够的旋转速度控制以允许其用于控制室中的压力存在技术偏见。

然而，本发明的发明人认识到，尽管使用涡轮分子泵来控制处理室中的压力由于转子的高转速和惯性而不是容易的，但是如果为涡轮分子泵提供大的控制马达，并且在这方面不仅是稍微大一点的马达，而是比产生必要压差通常所需的马达显著更大的马达，那么这种控制可能是可行的，并且泵将能够足够快地加速和减速，以提供所需的压力控制。在这方面，用于涡轮分子泵的马达的尺寸通常设计成使得排气压力保持在5毫巴或更低，因为高于该值，涡轮分子泵将不能很好地操作。然而，涡轮分子泵通常安装在受限制的空间内，并且马达的尺寸也类似地受到限制。因此，对于增大马达的尺寸，特别是以显著量增大马达的尺寸存在技术偏见。

然而，发明人认识到，如果压力控制由泵提供，则可以省去诸如节流阀的中间元件，并且可以实现这些元件的成本节约并且提供改进的系统，其中避免了由于颗粒在节流阀上的反弹而造成的污染。

应当注意的是，涡轮分子泵中使用的马达的常规尺寸取决于泵及其泵送能力。对于任何特定的泵，工程师将确定提供所需排气压力所需的马达的尺寸，该排气压力通常将低于5毫巴。在这种情况下，提供了这样的马达，该马达是类似尺寸的典型泵的正常操作所需的马达的3倍大，并且在一些情况下是5倍或甚至10倍大，并且以这种方式实现了入口压力的足够精细的控制，而不需要节流阀。在这方面，标准涡轮分子泵和根据本申请的泵的加速功率(短期功率)是最大稳态功率的约1.5倍。例如，3000升/秒的泵通常需要约1千瓦的稳态马达功率。本申请的涡轮分子泵提供了一种马达，其提供了3倍或更多倍于典型涡轮泵的标准连续功率和3倍或更多倍的短期功率。在这方面，该泵提供了3倍于给定入口速度的典型涡轮泵的功率，因此对于3000升/秒的泵，通常具有1千瓦的马达，并且因此，压力控制泵的马达将为4.5千瓦或更大。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括拖曳级，而在其他实施例中，它不包括拖曳级。

应当注意的是，涡轮分子泵常常设置有拖曳级，因为它们在较高的排气压力下不能很好地操作，并且在泵的后面的附加级降低了排气压力。然而，它们也可以用连接到涡轮分子泵的排气口的单独初级泵（backing pump）来操作，并且当拖曳级与涡轮分子泵成一体时，它必然增加转子的重量和惯性。在这种情况下，当希望通过控制转子的速度来提供入口压力的控制时，通过没有拖曳级来减少转子的重量和惯性可能是有利的，并且提供了一种系统，其中入口压力可以更容易地被控制并且不需要如此大的马达。

如前所述，如果入口压力要通过转子的速度控制，则需要比涡轮分子泵通常使用的马达更大的马达。提供这样大的马达的一种方式是使泵的转子包括与其轴同轴并围绕该轴的裙部部分，该大马达提供转子的直接驱动并且仍然相对紧凑。该裙部部分可以用作马达的转子，提供马达的直接驱动并提供尺寸增大的马达转子。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括霍尔威克（Holweck）拖曳级，所述裙部部分包括所述霍尔威克拖曳级的裙部。

如前所述，涡轮分子泵具有拖曳级可能是有利的，尽管这增加了转子的惯性，但在存在这种级的情况下，使用拖曳级的裙部作为控制马达的转子可能是有利的。这样，可以将大的马达结合到涡轮分子泵中，同时保留涡轮分子泵的拖曳级并提供有效且高效的泵送系统。

在一些实施例中，所述裙部部分包括磁体。

应当注意的是，裙部部分可以由金属形成，或者它可以由碳纤维形成。磁体可以安装在裙部部分上，允许裙部响应于由马达的定子的绕组产生的旋转磁场而被驱动。

在一些实施例中，所述裙部部分包括邻近所述转子的所述叶片的较小横截面和远离所述叶片的较大横截面。

当马达的定子结合在裙部内时，对于定子所在的裙部的部分来说，具有相对较大的横截面可能是有利的。在一些情况下，裙部可以是圆柱形，并且可以是具有相对较大横截面的圆柱形，而在其他情况下，横截面在叶片附近可以较小，从而在这一点上为气体提供更大的路径，横截面在远离叶片处较大，体积的增加为马达提供了增加的空间。

在一些实施例中，所述控制马达的所述定子布置在所述裙部部分内并围绕所述轴，而在其他实施例中，所述控制马达的所述定子布置在所述裙部部分周围。

当马达在裙部之外时，具有圆柱形状和相对小的横截面的裙部可能是有利的，可能类似于或稍大于转子叶片的内径。

在一些实施例中，所述泵包括泵壳体，并且所述控制马达位于所述泵壳体内。

虽然控制马达可能需要具有相对较大的尺寸，以便提供控制处理室中的压力所需的加速和减速，但是如果它具有能够装配在泵壳体内的尺寸，则可能是有利的。

在一些实施例中，涡轮分子泵可以仅包括一个马达，即在稳态操作下提供加速和减速的控制马达。在其他实施例中，所述涡轮分子泵包括用于驱动所述轴的另一马达，所述另一马达和轴形成驱动主轴，并且所述控制马达和裙部部分围绕所述驱动主轴形成。

在一些实施例中，所述另一马达被构造成在稳态操作期间驱动所述转子，并且所述控制马达被构造成在所述涡轮分子泵的所述转子的加速和减速期间驱动所述转子。

在一些实施例中，所述泵包括用于控制所述涡轮分子泵的入口处的压力的控制电路，所述控制电路被构造成控制所述控制马达以控制所述转子的速度，从而控制所述涡轮分子泵的入口处的压力。

如前所述，为泵提供大的控制马达允许精确地控制旋转速度，从而控制涡轮分子泵的入口压力。因此，可以提供控制电路来控制泵的入口压力，并且以这种方式通过控制控制马达的速度来控制被抽空的任何室中的压力。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括排气阀，所述控制电路被构造成结合控制所述控制马达以减慢所述转子来控制所述排气阀以增加所述涡轮分子泵的排气口处的压力。

除了控制泵的转子的速度之外，可能有利的是，在涡轮分子泵上存在排气阀，并且这可以结合减慢转子来控制以增加涡轮分子泵的排气口处的压力，因为这有助于转子减慢并提高泵的效率和反应速度。

附加地和/或替代地，涡轮分子泵可以包括在排气口处的吹扫气体入口，其中控制电路被构造成结合控制所述控制马达以减慢转子来控制吹扫气体向排气口的添加。

附加地和/或替代地，使用阀吹扫气体增加排气口处的压力可以被用于增加排气口处的压力并有助于转子的减慢。在这方面，阀是可能昂贵的部件，需要维护，并且可能变得被污染。添加惰性吹扫气体入口可能是控制涡轮分子泵的排气口处的压力的更方便的方式。

本发明的第二方面提供了一种涡轮分子泵，包括：转子，其包括安装在可旋转轴上的多个叶片；控制马达，其用于驱动所述可旋转轴；其中所述转子还包括裙部部分，该裙部部分在轴向方向上延伸超过所述转子的所述叶片，并且具有环形横截面，所述裙部部分形成所述控制马达的转子，并且与所述轴同轴并围绕所述轴。

由于涡轮分子泵的高速度及其相应的惯性，使得旋转速度的变化需要高能量，并且难以在没有显著延迟的情况下管理，通过控制泵的旋转速度在涡轮分子泵的入口处提供压力控制可能是有问题的。然而，在控制马达具有足够的功率的情况下，则可以提供对入口压力的精确控制。这种控制马达可以通过使用在泵上的转子上的裙部部分作为控制马达的转子以紧凑的方式提供，使得转子的直接驱动由具有显著尺寸的转子的马达提供。

在一些实施例中，所述裙部部分包括邻近所述转子的所述叶片的较小横截面和远离所述叶片的较大横截面。

在一些实施例中，所述控制马达的所述定子布置在所述裙部部分内部并围绕所述轴。

在一些实施例中，所述控制马达的所述定子布置在所述裙部部分周围。

在一些实施例中，所述裙部部分的内径基本上等于所述涡轮分子泵的最下游叶片的内径。

就本专利申请而言，基本上等于被看作在内径的10%内。在一些实施例中，裙部部分邻近涡轮分子泵的最下游叶片，并垂直于它延伸远离其它叶片。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括拖曳级。

在其他实施例中，所述涡轮分子泵不包括拖曳级。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括霍尔威克拖曳级，所述裙部部分包括霍尔威克拖曳级的裙部。

在一些实施例中，所述裙部部分包括磁体。

在一些实施例中，所述泵包括泵壳体，并且所述控制马达位于所述泵壳体内。

在一些实施例中，所述控制马达包括环形形状，该环形形状的内径大于所述转子叶片的最大内径并且小于所述转子叶片的外径，并且该环形形状的外径大于所述转子叶片的直径的90%。

在一些实施例中，所述控制马达包括环形形状，该环形形状的内径大于所述转子叶片的最大内径，但小于所述最大内径的1.2倍，并且该环形形状的外径小于或等于所述转子叶片的外径。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括：用于驱动所述轴的另一马达，所述另一马达和轴形成驱动主轴，并且所述控制马达和裙部部分围绕所述驱动主轴形成。

在一些实施例中，所述马达被构造成在稳态操作期间驱动所述转子，并且所述控制马达被构造成在所述涡轮分子泵的所述转子的加速和减速期间驱动所述转子。

在一些实施例中，所述泵包括用于控制所述涡轮分子泵的入口处的压力的控制电路，所述控制电路被构造成控制所述控制马达以控制所述转子的速度，从而控制所述涡轮分子泵的入口处的压力。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括排气阀，所述控制电路被构造成结合控制所述控制马达以减慢所述转子来控制所述排气阀以增加所述涡轮分子泵的排气口处的压力。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵包括根据任何如上所述的涡轮分子泵，该涡轮分子泵连接到所述处理室，所述处理室的所述压力通过控制所述涡轮分子泵的旋转速度来控制。

第三方面提供了一种用于控制处理室中的压力的设备，该设备包括根据任何如上所述的涡轮分子泵，该涡轮分子泵连接到所述处理室，所述处理室的所述压力由控制器控制，该控制器被构造成控制所述涡轮分子泵的旋转速度。

在一些实施例中，所述涡轮分子泵直接连接到所述处理室。

通过控制连接到处理室的涡轮分子泵的旋转速度来控制处理室中的压力消除了对诸如节流阀的中间压力控制的需要。这降低了设备的成本，并且也降低了维修要求和由于污染物经由节流阀排出并在它们离开时受到阻碍以及可能被反弹回到处理室中而可能发生的污染。

本发明的第四方面提供了一种控制处理室中压力的方法，该方法包括：响应于确定所述处理室中的压力将被降低，使连接到所述处理室的涡轮分子泵加速；以及响应于确定所述处理室中的压力将增加，使连接到所述处理室的涡轮分子泵减速；其中所述涡轮分子泵的所述加速和减速由控制马达完成，该控制马达尺寸设计成输出以足够高的恒定速度驱动所述轴以提供5毫巴的排气压力所需的功率的三倍以上的功率。

在所附的独立和从属权利要求中阐述了另外的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征相结合，并且以不同于权利要求中明确阐述的那些的组合结合。

在设备特征被描述为可操作来提供功能的情况下，应当理解，这包括提供该功能或者被适配或构造来提供该功能的设备特征。

附图说明

现在将参照附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据第一实施例的没有拖曳级的涡轮分子泵；

图2示出了根据第二实施例的涡轮分子泵；

图3示出了根据第二实施例的涡轮分子泵，其被构造成抽空处理室；

图4示出了根据一个实施例的具有拖曳级和组合控制马达的涡轮分子泵；和

图5示出了具有霍尔威克拖曳级和组合控制马达的涡轮分子泵的另一个实施例。

附图标记

10 处理室

12 控制电路

14 排气阀

16 控制马达

17 控制马达的定子

18 控制马达的转子

22 泵的转子

23 转子轴

30 附加驱动马达

34 磁体。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

提供了一种涡轮分子泵，该涡轮分子泵具有比操作相同尺寸的常规涡轮分子泵通常所需的马达显著更大的马达。较大的马达用于为泵的转子提供有效的加速和减速，允许其用于控制在泵的入口处的压力，并因此控制与其相连的任何室的压力。

涡轮分子泵可以具有一个大马达，或者它可以具有大马达和类似于常规涡轮分子泵上的普通驱动马达的附加马达，这种附加马达用于稳定操作。该附加马达驱动轴，并安装在驱动主轴内。附加的较大马达安装在驱动主轴周围，并且提供压力控制所需的加速和减速。

大的控制马达的转子可以是从转子延伸的裙部，并且包括磁体，使得由马达的定子产生的旋转磁场导致马达的转子旋转，并且因此导致泵(马达是其一部分)的转子旋转。马达的定子可以在转子内，并且以这种方式被保护免受处理气体的影响，或者它可以包围转子，在这种情况下，它可以具有显著增加的尺寸。

还提供了一种用于控制处理室中的压力的方法和设备，该方法和设备使用连接到处理室的这种涡轮分子泵，该涡轮分子泵具有可操作以确定室中的压力和所需压力并相应地控制泵的速度的控制电路。控制电路可以另外控制涡轮分子泵的排气口处的阀和/或在该点或接近该点处的吹扫气体的输入。

图1示出了没有拖曳级的涡轮分子泵，其包括安装在轴23上并由马达16驱动的转子22。转子22具有从转子的下部延伸的裙部部分18，裙部部分形成马达16的转子。裙部部分18包括磁体，该磁体导致转子在由马达定子17产生的旋转磁场下旋转。在该实施例中，马达定子位于转子的轴23的外部和周围，但是在裙部部分18内。处于该位置有助于保护马达的定子免受处理流的影响。实际上，使用了具有内出式（inside out type）布置的马达，其中定子设置在转子内。在该实施例中，为了有足够的空间用于定子，裙部部分18具有增大的横截面，使得其在靠近叶片的内径的位置处与下部相遇，但随后向外延伸至更大的直径。

图2示出了没有拖曳级的涡轮分子泵的类似实施例，但是在该实施例中，马达的定子在裙部部分18的外部。在这种情况下，马达定子17可以比它在裙部部分内部时更大，并且因此可以提供更高功率的马达，然而，它可能受到处理气体的污染。如果它仍然装配在涡轮分子泵的泵壳体内，则是有利的。

图3示出了图2的涡轮分子泵抽空处理室10，在处理室10中可以执行例如半导体处理。提供控制电路12用于控制处理室内的压力。控制电路12通过控制马达16以及在该实施例中的排气阀14来控制处理室10内的压力。因此，控制电路12将监测处理室10中的压力，并且还接收指示所需压力的控制信号。然后，它将控制马达16以合适的速度旋转涡轮分子泵的转子22，以产生所需的压力。在需要增加处理室中的压力并使泵减速的情况下，它还可以控制排气阀14来增加排气口处的压力。作为排气阀(未示出)的替代，用于输入诸如氮气的惰性气体的吹扫气体入口可以用于增加在涡轮分子泵的排气口处的压力。

马达16的大尺寸以及它通过从转子叶片向下延伸的裙部部分直接驱动转子的用途，使得能够施加足够的功率来加速和减速转子，并且使得处理室内的压力能够被精确地控制，从而不需要在泵的输入端和处理室之间的节流阀，从而允许该输入端宽且没有收缩部。这提高了性能并减少了由于污染物被节流阀阻碍而可能产生的污染。

图4示出了在泵上具有拖拽级的替代实施例。在泵上具有拖拽级可以提高性能，但会增加转子的惯性。因此，提供所需的加速和减速所需的马达尺寸比不存在拖曳级时大。然而，已经认识到，霍尔威克拖曳级的裙部也可以具有作为马达的转子的双重功能，并且在这种情况下，可以提供具有大的控制马达的高效涡轮分子泵，该马达在处理室中提供有效的压力控制。在图4的实施例中，马达的定子在霍尔威克拖曳级的裙部内，并且因此受到针对处理气体的保护。霍尔威克拖曳级将包括磁体34，允许它由马达的定子的旋转磁场驱动。在该实施例中，除了具有这种大的控制马达之外，在泵的轴23上的常规位置上还设置有附加的马达30，该马达30用于在稳态操作期间驱动轴23。作为大的马达的控制马达16提供加速和减速以控制处理室内压力的变化。

图5示出了替代实施例，其中马达的定子17位于霍尔威克裙部的外部，霍尔威克裙部用作马达的转子。这类似于图4的实施例，并且对于图4，具有安装在轴23上的附加马达30。应当理解，在一些实施例中可能不存在附加马达30，并且在稳态下以及在加速和减速期间，都完全由控制马达来执行转子的驱动。

应当注意的是，尽管在所示的实施例中，马达每个都具有包括从泵马达延伸的裙部部分的转子，但是也可以使用其他泵马达，只要它们足够大，即，是常规尺寸马达的三倍或更多倍大。

尽管本文已经参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

Claims (18)

1.一种涡轮分子泵，包括：

转子，其包括在可旋转轴上的多个叶片；

控制马达，其用于驱动所述可旋转轴；其中

所述控制马达的尺寸设计成输出以足够高的恒定速度驱动所述轴以提供5毫巴的排气压力所需的功率的三倍或更多倍的功率。

2.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述涡轮分子泵包括拖曳级。

3.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其中，所述涡轮分子泵不包括拖曳级。

4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮分子泵，所述转子还包括裙部部分，所述裙部部分在轴向方向上延伸超过所述转子的所述叶片，并且具有与所述轴同轴并围绕所述轴的环形横截面，所述裙部部分形成所述控制马达的转子。

5.根据从属于权利要求2的权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述涡轮分子泵包括霍尔威克拖曳级，所述裙部部分包括所述霍尔威克拖曳级的裙部。

6.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述裙部部分包括磁体。

7.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述裙部部分包括邻近所述转子的所述叶片的较小横截面和远离所述叶片的较大横截面。

8.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述控制马达的定子布置在所述裙部部分内部并围绕所述轴。

9.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述控制马达的定子布置在所述裙部部分周围。

10.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述泵包括泵壳体，并且所述控制马达位于所述泵壳体内。

11.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，所述涡轮分子泵包括用于驱动所述轴的另一马达，所述另一马达和所述可旋转轴形成驱动主轴，并且所述控制马达围绕所述驱动主轴形成。

12.根据权利要求11所述的涡轮分子泵，其中，所述另一马达被构造成在稳态操作期间驱动所述转子，并且所述控制马达被构造成在所述涡轮分子泵的所述转子的加速和减速期间驱动所述转子。

13.根据权利要求4所述的涡轮分子泵，其中，所述泵包括用于控制所述涡轮分子泵的入口处的压力的控制电路，所述控制电路被构造成控制所述控制马达以控制所述转子的速度，从而控制所述涡轮分子泵的入口处的压力。

14.根据权利要求13所述的涡轮分子泵，其中，所述涡轮分子泵包括排气阀，所述控制电路被构造成结合控制所述控制马达以减慢所述转子来控制所述排气阀以增加所述涡轮分子泵的排气口处的压力。

15.根据权利要求14所述的涡轮分子泵，所述涡轮分子泵包括在排气口处的吹扫气体入口，其中，所述控制电路被构造成结合控制所述控制马达以减慢所述转子来控制在所述排气口处的吹扫气体的添加。

16.一种用于控制处理室中的压力的设备，所述设备包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮分子泵，所述涡轮分子泵连接到所述处理室，所述处理室的所述压力由控制器控制，所述控制器被构造成控制所述涡轮分子泵的旋转速度。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述涡轮分子泵直接连接到所述处理室。

18.一种控制处理室中压力的方法，所述方法包括：

响应于确定所述处理室中的压力将被降低，使连接到所述处理室的涡轮分子泵加速；和

响应于确定所述处理室中的压力将增加，使连接到所述处理室的涡轮分子泵减速；其中

所述涡轮分子泵的所述加速和减速由控制马达完成，所述控制马达尺寸设计成输出以足够高的恒定速度驱动轴以提供5毫巴的排气压力所需的功率的三倍以上的功率。

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