EP1330606A1 - Mechanische kinetische vakuumpumpe - Google Patents

Mechanische kinetische vakuumpumpe

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EP1330606A1
EP1330606A1 EP01974146A EP01974146A EP1330606A1 EP 1330606 A1 EP1330606 A1 EP 1330606A1 EP 01974146 A EP01974146 A EP 01974146A EP 01974146 A EP01974146 A EP 01974146A EP 1330606 A1 EP1330606 A1 EP 1330606A1
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alloy
vacuum pump
mechanical kinetic
rotor
pump
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Leybold Vakuum GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a mechanical kinetic vacuum pump with a rotor made of an aluminum alloy.
  • Mechanical kinetic vacuum pumps by definition include gas ring pumps, turbo vacuum pumps (axial, radial) and molecular / turbomolecular pumps. They are able to mechanically transport the gas particles to be conveyed in the molecular flow range (pressures below IGT 3 mbar). Molecular pumps are also able to pump gases in the Knudsen flow range (IGT 3 to 1 mbar). Mechanical kinetic vacuum pumps which are preferably used often have a turbomolecular pump stage and an adjoining molecular pump stage (compound or hybrid pump), since such a pump is able to compress gases down to the region of the viscous flow.
  • Turbomolecular vacuum pumps and compound pumps are used in manufacturing processes in the semiconductor industry.
  • the methods used - etching, coating or the like. - can only be carried out in a vacuum.
  • the vacuum pumps mentioned have the task of evacuating the vacuum chambers before starting the processes. and maintain the desired low pressures while the processes are running.
  • Turbomolecular vacuum pumps are operated at high speeds (up to 100,000 revolutions / min).
  • the rotors are made of a light metal, usually of a melt-metallurgically produced aluminum alloy.
  • the alloy is adjusted so that the rotors have the highest possible heat resistance and creep rupture strength.
  • the creep rupture strength decreases with increasing rotor temperature.
  • the aluminum alloys used up to now have an acceptable creep rupture strength if the rotor temperatures do not exceed 120 ° C.
  • the semiconductor components located in the vacuum chamber assume elevated temperatures. This is associated with an increase in the temperature of the gases to be conveyed by the vacuum pumps. These gases in particular cause an increase in the temperature of the rotors of the connected vacuum pumps. This increase in temperature affects the mentioned creep rupture strength.
  • Cooling the rotors of a molecular or turbomolecular vacuum pump is difficult.
  • the rotors are in a vacuum, so that there is no heat dissipation via the extracted, already hot gases. If the rotors are magnetically supported, their bearing parts do not touch. A heat dissipation via the magnetic bearings is therefore also not possible. If mechanical bearings are provided, rotor heat can be dissipated via the bearings. However, there are strict limits to this way of heat dissipation.
  • the surface areas of the rotor and stator touching one another via the rolling elements are limited to the almost point-shaped contact surfaces of the rolling bodies in their bearing rings.
  • the bearings must not reach high temperatures due to the presence of a lubricant.
  • the operation of mechanical bearings is also associated with heat generation.
  • the drive motor of the pump is usually part of the stator and is arranged near the bearings. In the phases in which it is operated under load, it forms a heat source itself. In this case, the heat can be partially transported between the rotor and stator via the gas due to the increased density. The removal of significant amounts of heat via the mechanical bearings would only be possible with intensive cooling of the stator-side bearing parts.
  • a mechanical kinetic vacuum pump intended for use in semiconductor processes is known from international patent application WO 99/57441. It is designed as a turbomolecular vacuum pump.
  • the pumping speed of the Improve pump In order to achieve the goal of reducing the duration of semiconductor processes, the task is set, the pumping speed of the Improve pump.
  • the size of the pump should not change.
  • the use of a firmer material suitable for higher temperatures is preferably proposed for the rotor, namely a material consisting of a metal as the base material and non-metallic additives serving to reinforce the base material, such as ceramic. This material should make it possible to increase the speed of the rotors in order to achieve the increase in pumping speed associated with an increase in thermal load without changing the size of the pump.
  • machining of the proposed materials is associated with problems due to their increased proportion of hard material particles.
  • Rotors for turbomolecular vacuum pumps including the large number of their blades, are usually turned / milled from the full.
  • the degree of machining associated with the manufacture of a rotor is up to 80%.
  • the manufacture of the rotors from the proposed material is therefore complex and expensive.
  • the present invention has for its object to improve the heat and creep rupture strength of a friction vacuum pump of the type mentioned.
  • Aluminum alloys produced by powder metallurgy are known per se. They are manufactured in such a way that the melt consisting of the alloy components is sprayed onto a cold surface. Compared to the melting metallurgical production of aluminum materials, the melt solidifies very quickly, which gives the alloy a new structure with changed properties. Aluminum alloys produced by spray compacting, the main alloy component of which is copper, have above all a much higher strength than an aluminum alloy produced by melt metallurgy.
  • DISPAL Materials of the type according to the invention are offered on the market under the name DISPAL (eg DISPAL S 690 and S 691). They also contain aluminum
  • copper and further alloy components such as magnesium, manganese, zirconium, silver and / or titanium with proportions between 0.1 and 1% by weight.

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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 Leicht-metall-Legierung ist.

Description

Mechanische kinetische Vakuumpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legierung 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 IGT3 mbar) die zu fördernden Gasteilchen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (IGT3 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, Gase bis in den Bereich der viskosen Strömung zu verdichten.
Turbomolekularvakuumpumpen und Compoundpumpen werden bei Fertigungsprozessen in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Die dabei angewendeten Verfahren - Ätzen, Beschichten o. dgl . - können nur im Vakuum durchgeführt werden. Die genannten Vakuumpumpen haben die Aufgabe, die Vakuumkammern vor dem Beginn der Prozesse zu evaku- ieren und während des Ablaufs der Prozesse die gewünschten niedrigen Drücke aufrechtzuerhalten.
Turbomolekularvakuumpumpen werden mit hohen Drehzahlen betrieben (bis zu 100000 Umdrehungen/min) . Aus rotordynamischen Gründen bestehen die Rotoren aus einem Leichtmetall, üblicherweise aus einer schmelzmetallurgisch hergestellten Aluminiumlegierung. Die Legierung ist so eingestellt, dass die Rotoren eine möglichst hohe Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit haben. Die Zeitstandfestigkeit nimmt mit zunehmender Rotortemperatur ab. Bei den bisher eingesetzten Aluminiumlegierungen ergibt sich eine akzeptable Zeitstandfestigkeit, wenn die Rotortemperaturen den Wert von 120°C nicht ü- berschreiten.
Während der Durchführung der Halbleiterprozesse nehmen die sich in der Vakuumkammer befindenden Halbleiterbauteile erhöhte Temperaturen an. Damit verbunden ist eine Temperaturerhöhung der von den Vakuumpumpen zu fördernden Gase . Diese Gase bewirken insbesondere eine Temperaturerhöhung der Rotoren der angeschlossenen Vakuumpumpen. Diese Temperaturerhöhung beeinträchtigt die erwähnte Zeitstandfestigkeit.
Die Kühlung der Rotoren einer Molekular- oder Turbomolekularvakuumpumpe 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 magnetgelagert, berühren sich ihre Lagerteile nicht. Eine Wärmeabfuhr über die Magnetlager ist deshalb ebenfalls nicht möglich. Sind mechanische Lager vorgesehen, kann Rotorwärme über die Lager abfHessen. Diesem Weg der Wärmeabfuhr sind jedoch enge Grenzen gesetzt. Zum einen sind die einander über die Wälzkörper berührenden Flächenbereiche von Rotor und Stator auf die nahezu punkt- förmigen Berührungsflächen der Wälzköprer in ihren Lagerringen beschränkt . Weiterhin dürfen die Lager wegen des Vorhandenseins eines Schmiermittels keine hohen Temperaturen annehmen. Auch ist der Betrieb mechanischer 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 betrieben 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 Kühlung der statorseitigen Lagerteile möglich.
Aus der JP-U-3034699 ist es bekannt, die pumpaktiven Flächen einer mechanisch kinetischen Vakuumpumpe teilweise mit einem Überzug hoher Wärmeimmission zu beschichten. Maßnahmen dieser Art sind aufwendig und deshalb 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 reduzieren, wird die Aufgabe gestellt, das Saugvermögen der Pumpe zu verbessern. Dabei soll sich die Größe der Pumpe nicht ändern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines festeren und für höhere Temperaturen geeigneten Werkstoffes vorzugsweise für den Rotor vorgeschlagen, 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 einer Steigerung der Wärmebelastung verbundene Erhöhung des Saugvermögens zu erreichen, ohne die Größe der Pumpe zu ändern. Die spanende Bearbeitung der vorgeschlagenen 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 eines Rotors verbundene Zerspanungsgrad liegt bei bis zu 80 % . Die Herstellung der Rotoren aus dem vorgeschlagenen Werkstoff ist deshalb aufwendig und kostspielig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Warm- und Zeitstandfestigkeit einer ReibungsVakuumpumpe der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Pulvermetallurgisch (oder auch durch Sprühko paktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt. Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Du- sen auf eine kalte Oberfläche gesprüht wird. Im Vergleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Aluminium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Gefüge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprüh- kompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist, haben vor allem eine wesentlich höhere Festigkeit als eine schmelzmetallurgisch hergestellte Aluminiumlegierung.
Die Verwendung des beschriebenen Werkstoffes für Rotoren der hier betroffenen Vakuumpumpen erlaubt die Herstellung von Pumpen dieser Art mit höherer Zeitstandfestigkeit. 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 hergestellten Aluminium-Legierungen bestehenden Rotoren und Statoren von bei Halbleiterprozessen eingesetzten Molekular-/Turbomolekularpumpen zum Zwecke des Korrosionsschutzes mit Konversionsschichten (Umwandlung des oberflächennahen Aluminiums in Al203 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 o- ben erwähnten internationalen Patentanmeldung vorge- schlagene 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 zwischen 0,1 und 1 Gew.-I.
Bei einem Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften kann an Stelle des Basismaterials Aluminium ein anderer Leichtwerkstoff, nämlich Magnesium, vorhanden sein. Dadurch wird der beschriebene Vorteil der pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen auf Al-Basis auch für Legierungen auf Mg-Basis nutzbar. LegierungsZusammensetzung und Herstellverfahren müssen dann entsprechend angepasst werden.

Claims

Mechanische kinetische VakuumpumpePATENTANSPRÜCHE
1. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Aluminium-Legierung 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 gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbestandteile 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 zusätzlich Titan als weiterer Legierungsanteil vorhanden ist, und zwar mit einem Anteil von unter 1 Gew.-%. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Magnesium-Legierung ist.
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