DE10053664A1

DE10053664A1 - Mechanische kinetische Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE10053664A1
Application number: DE10053664A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Englaender; Michael Froitzheim
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2000-10-28
Filing date: 2000-10-28
Publication date: 2002-05-08
Also published as: EP1330606A1; EP1330606B1; WO2002035100A1; US7097431B2; US20040013529A1; JP2004512463A

Abstract

Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor; zur Erhöhung der Warm- und Zeitstandfestigkeit wird vorgeschlagen, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Leichtmetall-Legierung ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische kineti sche Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legie rung bestehenden Rotor.

Zu den mechanischen kinetischen Vakuumpumpen gehören definitionsgemäß Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (axial, radial) und Molekular-/Turbomolekularpumpen. Sie sind in der Lage, im Bereich der Molekularströmung (Drücke kleiner 10^-3 mbar) die zu fördernden Gasteil chen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (10^-3 bis 1 mbar) zu fördern. Bevorzugt eingesetzte mechanische kinetische Vakuumpumpen weisen häufig eine Turbomolekularpumpstufe und eine sich daran anschließende Molekularpumpstufe auf (Compound- oder Hybridpumpe), da eine solche Pumpe in der Lage ist, Ga se bis in den Bereich der viskosen Strömung zu ver dichten.

Turbomolekularvakuumpumpen und Compoundpumpen werden bei Fertigungsprozessen in der Halbleiterindustrie ein gesetzt. Die dabei angewendeten Verfahren - Ätzen, Be schichten o. dgl. - können nur im Vakuum durchgeführt werden. Die genannten Vakuumpumpen haben die Aufgabe, die Vakuumkammern vor dem Beginn der Prozesse zu evakuieren und während des Ablaufs der Prozesse die ge wünschten niedrigen Drücke aufrechtzuerhalten.

Turbomolekularvakuumpumpen werden mit hohen Drehzahlen betrieben (bis zu 100000 Umdrehungen/min). Aus rotordy namischen Gründen bestehen die Rotoren aus einem Leichtmetall, üblicherweise aus einer schmelzmetallur gisch hergestellten Aluminiumlegierung. Die Legierung ist so eingestellt, dass die Rotoren eine möglichst ho he Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit haben. Die Zeitstandfestigkeit nimmt mit zunehmender Rotortempera tur ab. Bei den bisher eingesetzten Aluminiumlegierun gen ergibt sich eine akzeptable Zeitstandfestigkeit, wenn die Rotortemperaturen den Wert von 120°C nicht überschreiten.

Während der Durchführung der Halbleiterprozesse nehmen die sich in der Vakuumkammer befindenden Halbleiterbau teile erhöhte Temperaturen an. Damit verbunden ist eine Temperaturerhöhung der von den Vakuumpumpen zu fördern den Gase. Diese Gase bewirken insbesondere eine Tempe raturerhöhung der Rotoren der angeschlossenen Vakuum pumpen. Diese Temperaturerhöhung beeinträchtigt die er wähnte Zeitstandfestigkeit.

Die Kühlung der Rotoren einer Molekular- oder Turbomo lekularvakuumpumpe ist mit Schwierigkeiten verbunden. Zum einen befinden sich die Rotoren im Vakuum, so dass eine Wärmeabfuhr über die geförderten, ohnehin heissen Gase nicht stattfindet. Sind die Rotoren magnetgela gert, berühren sich ihre Lagerteile nicht. Eine Wär meabfuhr über die Magnetlager ist deshalb ebenfalls nicht möglich. Sind mechanische Lager vorgesehen, kann Rotorwärme über die Lager abfliessen. Diesem Weg der Wärmeabfuhr sind jedoch enge Grenzen gesetzt. Zum einen sind die einander über die Wälzkörper berührenden Flä chenbereiche von Rotor und Stator auf die nahezu punkt förmigen Berührungsflächen der Wälzköprer in ihren La gerringen beschränkt. Weiterhin dürfen die Lager wegen des Vorhandenseins eines Schmiermittels keine hohen Temperaturen annehmen. Auch ist der Betrieb mechani scher Lager selbst mit einer Wärmeerzeugung verbunden. Schließlich ist in aller Regel der Antriebsmotor der Pumpe Bestandteil des Stators und in der Nähe der Lager angeordnet. In den Phasen, in denen er unter Last be trieben wird, bildet er selbst eine Wärmequelle. In diesem Fall ist ein Teiltransport der Wärme zwischen Rotor und Stator über das Gas durch die erhöhte Dichte möglich. Die Abfuhr maßgeblicher Wärmemengen über die mechanischen Lager wäre nur bei einer intensiven Küh lung der statorseitigen Lagerteile möglich.

Aus der JP-U-3034699 ist es bekannt, die pumpaktiven Flächen einer mechanisch kinetischen Vakuumpumpe teil weise mit einem Überzug hoher Wärmeimmission zu be schichten. Maßnahmen dieser Art sind aufwendig und des halb kostspielig.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 99/57441 ist eine für den Einsatz bei Halbleiterprozessen bestimmte mechanisch kinetische Vakuumpumpe bekannt. Sie ist als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet. Um das Ziel zu erreichen, die Dauer von Halbleiterprozessen zu redu zieren, wird die Aufgabe gestellt, das Saugvermögen der Pumpe zu verbessern. Dabei soll sich die Größe der Pum pe nicht ändern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines festeren und für höhere Temperaturen geeigneten Werkstoffes vorzugsweise für den Rotor vor geschlagen, und zwar ein Werkstoff, bestehend aus einem Metall als Basismaterial und nicht-metallischen, der Verstärkung des Basismateriales dienenden Zusätzen, wie z. B. Keramik. Dieser Werkstoff soll es erlauben, die Drehzahl der Rotoren zu erhöhen, um dadurch die mit ei ner Steigerung der Wärmebelastung verbundene Erhöhung des Saugvermögens zu erreichen, ohne die Größe der Pum pe zu ändern. Die spanende Bearbeitung der vorge schlagenen Werkstoffe ist jedoch wegen ihres erhöhten Anteils an Hartstoffpartikeln mit Problemen verbunden. Rotoren für Turbomolekularvakuumpumpen einschließlich der Vielzahl ihrer Schaufeln werden üblicherweise aus dem vollen gedreht/gefräst. Der mit der Herstellung ei nes Rotors verbundene Zerspanungsgrad liegt bei bis zu 80%. Die Herstellung der Rotoren aus dem vorgeschlage nen Werkstoff ist deshalb aufwendig und kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Warm- und Zeitstandfestigkeit einer Reibungsvakuum pumpe der eingangs genannten Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich nenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Pulvermetallurgisch (oder auch durch Sprühkompaktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt. Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Düsen auf eine kalte Oberfläche gesprüht wird. Im Ver gleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Alu minium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Ge füge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprüh kompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist, haben vor allem eine wesentlich höhere Festigkeit als eine schmelzme tallurgisch hergestellte Aluminiumlegierung.

Die Verwendung des beschriebenen Werkstoffes für Roto ren der hier betroffenen Vakuumpumpen erlaubt die Her stellung von Pumpen dieser Art mit höherer Zeitstand festigkeit. Wenn die vorerwähnte Temperaturgrenze (120°C) nicht überschritten wird, können die (bisher) maximalen Drehzahlen maßgeblich erhöht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die bisherige, maximal zulässige Temperatur zu erhöhen, z. B. bis auf 135°C und mehr, ohne die Drehzahlen reduzieren zu müssen, die bisher bis 120°C zulässig waren.

Es ist bekannt, die aus schmelzmetallurgisch herge stellten Aluminium-Legierungen bestehenden Rotoren und Statoren von bei Halbleiterprozessen eingesetzten Mole kular-/Turbomolekularpumpen zum Zwecke des Korrosions schutzes mit Konversionsschichten (Umwandlung des ober flächennahen Aluminiums in Al₂O₃ z. B. durch Anodie rung) auszurüsten. Da die Legierungsanteile des neuen Werkstoffs metallisch und relativ klein sind, besteht nach wie vor die vorteilhafte Möglichkeit der Aufbrin gung geschlossener Konversionsschichten. Der in der oben erwähnten internationalen Patentanmeldung vorgeschlagene Werkstoff lässt die Aufbringung zuverlässiger Konversionsschichten nicht mehr zu.

Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art werden unter dem Namen DISPAL (z. B. DISPAL S 690 und S 691) auf dem Markt angeboten. Neben dem Aluminium enthalten sie 3,8 bis 5,6 Gew.-% Kupfer sowie weitere Legierungsbestandteile, wie Magnesium, Mangan, Zirkon, Silber und/oder Titan mit Anteilen zwi schen 0,1 und 1 Gew.-%.

Bei einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften kann an Stelle des Basismaterials Aluminium ein anderer Leichtwerkstoff, nämlich Magnesium, vorhanden sein. Da durch wird der beschriebene Vorteil der pulvermetallur gisch hergestellten Legierungen auf Al-Basis auch für Legierungen auf Mg-Basis nutzbar. Legierungszusammen setzung und Herstellverfahren müssen dann entsprechend angepasst werden.

Claims

1. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor, da durch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Aluminium-Legie rung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil 3 bis 7 Gew.-% beträgt.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbe standteile enthält, und zwar Magnesium, Mangan, Zirkon und Silber mit Anteilen zwischen 0,1 und 1 Gew.-%.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen Kupferanteil und niedrigen Anteilen der weiteren Legierungsbestandteile zu sätzlich Titan als weiterer Legierungsanteil vor handen ist, und zwar mit einem Anteil von unter 1 Gew.-%.

5. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulverme tallurgisch hergestellte Magnesium-Legierung ist.