EP3607204B1 - Groupe de pompage et utilisation - Google Patents

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EP3607204B1
EP3607204B1 EP18712883.0A EP18712883A EP3607204B1 EP 3607204 B1 EP3607204 B1 EP 3607204B1 EP 18712883 A EP18712883 A EP 18712883A EP 3607204 B1 EP3607204 B1 EP 3607204B1
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EP
European Patent Office
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pumping
vacuum pump
stage
roots
volume displacement
Prior art date
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EP18712883.0A
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German (de)
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EP3607204A1 (fr
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Philippe D'HARBOULLE
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Pfeiffer Vacuum SAS
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum SAS
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Publication date
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Publication of EP3607204B1 publication Critical patent/EP3607204B1/fr
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    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/001—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/126—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with radially from the rotor body extending elements, not necessarily co-operating with corresponding recesses in the other rotor, e.g. lobes, Roots type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C25/02—Adaptations of pumps for special use of pumps for elastic fluids for producing high vacuum
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    • F04C2220/30—Use in a chemical vapor deposition [CVD] process or in a similar process
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
    • F05B2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible

Definitions

  • the present invention relates to a pumping unit comprising a primary vacuum pump of the multi-stage dry type and a vacuum pump of the two-stage Roots type, mounted in series and upstream of the primary vacuum pump.
  • the present invention also relates to a use of said pumping unit.
  • Primary vacuum pumps have several pumping stages in series in which a gas to be pumped circulates between a suction and a discharge.
  • a gas to be pumped circulates between a suction and a discharge.
  • rotary lobes also known under the name "Roots” with two or three lobes or those with double nozzle, also known under the name "Claw”.
  • Primary vacuum pumps include two rotors of identical profiles, rotating inside a stator in opposite directions. During rotation, the gas to be pumped is trapped in the volume generated by the rotors and the stator, and is driven by the rotors towards the next stage and then step by step until the discharge of the vacuum pump. The operation is carried out without any mechanical contact between the rotors and the stator, which allows the absence of oil in the pumping stages. We thus obtain a so-called dry pumping.
  • An example of a primary vacuum pump is described in the document EP1710440A2 .
  • Roots-type vacuum pump (known under the name of “Roots Blower” in English) is generally used, mounted in series and upstream of the primary vacuum pump.
  • An example of a Roots Blower type vacuum pump is described in the document US2013 / 0164147A1 .
  • the flow rate generated by the Roots vacuum pump can be of the order of twenty times the flow rate generated by the primary vacuum pump.
  • Certain applications such as thin film production applications in the semiconductor manufacturing industry or "CVD applications” (for “chemical vapor deposition”), require high pumping performance, especially for ranges of. working pressure between 53Pa and 266Pa, for continuously pumped flows between 50Pa.m 3 .s -1 and 170Pa.m 3 .s -1 .
  • Roots vacuum pump with the desired generated flow rate to achieve 3000m 3 / h mounted in series with a multi-stage primary vacuum pump, of the order of 300m 3 / h.
  • the flow generated by the Roots vacuum pump can thus be of the order of ten times the flow generated by the multistage primary vacuum pump.
  • such a pumping device consumes a great deal of energy and it is also sought to limit electrical consumption.
  • One of the aims of the present invention is therefore to provide a pumping unit having better pumping performance in the operating range of CVD applications, as well as in limiting pressure, while having minimal electrical consumption.
  • the ultimate vacuum pumping performance is satisfactory and less than 0.1Pa.
  • the subject of the invention is also a use of the pumping unit as described above for pumping an enclosure of a semiconductor manufacturing installation, in which the pumping unit is used for controlling the pressure at the bottom. 'inside the enclosure to values between 53Pa and 266Pa and for gas flows pumped into the enclosure between 50Pa.m 3 .s -1 and 170Pa.m 3 .s -1 .
  • generated flow rate is used to define the displacement corresponding to the volume generated between the rotors and the stator of the vacuum pump multiplied by the number of revolutions per second.
  • limit pressure is used to define the minimum pressure obtained for a pumping device in the absence of a flow of pumped gas.
  • a dry-type primary vacuum pump is defined as a positive-displacement vacuum pump which, using two rotors sucks, transfers and then discharges the gas to be pumped at atmospheric pressure.
  • the rotors are driven in rotation by a motor of the primary vacuum pump.
  • Roots-type vacuum pump also called “Roots Blower” is defined as a positive-displacement vacuum pump which, using Roots-type rotors, sucks in, transfers and then discharges the gas to be pumped.
  • the Roots type vacuum pump is mounted upstream and in series with a primary vacuum pump. Roots type rotors are rotated by a Roots type vacuum pump motor.
  • upstream is understood to mean an element which is placed before another with respect to the direction of flow of the gas.
  • downstream is understood to mean an element placed after another relative to the direction of circulation of the gas to be pumped, the element located upstream being at a lower pressure than the element located downstream, at a higher pressure.
  • the figure 1 shows a schematic view of a pumping unit 1.
  • the pumping unit 1 is for example used in an installation 100 of the semiconductor manufacturing industry ( figure 6 ).
  • the pumping unit 1 is for example connected to an enclosure 101 intended for the production of thin films or CVD (“chemical vapor deposition”) applications, for which the operating range includes pressures between 53Pa and 266Pa and flows. of gas pumped into enclosure 101, generally between 50Pa.m 3 .s -1 and 170Pa.m 3 .s -1 .
  • the pumping group 1 comprises a primary vacuum pump 2 of the multi-stage dry type and a two-stage Roots 3 type vacuum pump (or "double stage blower” in English), mounted in series and upstream of the primary vacuum pump 2 .
  • the primary vacuum pump 2 shown comprises five pumping stages T1, T2, T3, T4, T5 connected in series between a suction 4 and a discharge 5 of the primary vacuum pump 2 and in which a gas to be pumped can circulate.
  • Each T1-T5 pumping stage has a respective inlet and outlet.
  • the successive pumping stages T1-T5 are connected in series one after the other by respective inter-stage channels 6 connecting the outlet (or the discharge) of the preceding pumping stage to the inlet (or the suction) of the next floor (see figure 2 ).
  • the inter-stage channels 6 are for example arranged laterally in the body 8 of the vacuum pump 2, on either side of a central housing 9 receiving the rotors 10.
  • the inlet of the first pumping stage T1 communicates with the suction 4 of the vacuum pump 2 and the output of the last pumping stage T5 communicates with the discharge 5 of the vacuum pump 2.
  • the stators of the pumping stages T1-T5 form a body 8 of the vacuum pump 2 .
  • the primary vacuum pump 2 comprises two rotors 10 with rotary lobes extending in the pumping stages T1-T5.
  • the rotor shafts 10 are driven on the side of the discharge stage T5 by a motor M1 of the primary vacuum pump 2 ( figure 1 ).
  • the rotors 10 have lobes of identical profiles.
  • the rotors shown are of the “Roots” type (section in the shape of an “eight” or “bean”).
  • the invention also applies to other types of multi-stage primary vacuum pumps of the dry type, such as of the "Claw” type or of the spiral or screw type or of another similar principle of positive displacement vacuum pump.
  • the rotors 10 are angularly offset and driven to rotate synchronously in the opposite direction in the central housing 9 of each stage T1-T5. During rotation, the gas sucked in from the inlet is trapped in the volume generated by the rotors 10 and the stator, then is driven by the rotors to the next stage (the direction of gas flow is illustrated by the arrows G on the figures 1 and 2 ).
  • the primary vacuum pump 2 is said to be “dry” because in operation, the rotors 10 rotate inside the stator without any mechanical contact with the stator, which allows the absence of oil in the pumping stages T1-T5. .
  • the pumping stages T1-T5 have a generated volume, that is to say a volume of pumped gas, decreasing (or equal) with the pumping stages, the first pumping stage T1 having the highest generated flow and the last pumping stage T5 having the lowest flow rate generated.
  • the discharge pressure of the primary vacuum pump 2 is atmospheric pressure.
  • the primary vacuum pump 2 further comprises a non-return valve at the outlet of the last pumping stage T5, at the level of the discharge 5, to prevent the return of the gases pumped into the vacuum pump 2.
  • a two-stage Roots-type vacuum pump 3 is schematically illustrated on the figure. figure 3 .
  • the Roots-type vacuum pump 3 is, like the primary vacuum pump 2, a positive-displacement vacuum pump which, using rotors sucks, transfers and then discharges the gas to be pumped.
  • the two-stage Roots type vacuum pump 3 comprises a first and a second pumping stage B1, B2 connected in series between a suction 11 and a discharge 12 and in which a gas to be pumped can circulate.
  • Each pumping stage B1-B2 comprises a respective inlet and outlet, the inlet 16 (or suction) of the second pumping stage B2 being connected to the outlet (or delivery) of the first pumping stage B1 by an inter-stage channel 13.
  • the inlet of the first pumping stage B1 communicates with the suction 11 of the pumping group 1 and the outlet of the second pumping stage B2 (the discharge 12) is connected to the suction 4 of the primary vacuum pump 2 .
  • the Roots-type vacuum pump 3 comprises two rotors 14 with rotary lobes extending in the pumping stages B1-B2.
  • the shafts of the rotors 14 are driven by a motor M2 of the Roots type vacuum pump 3 ( figure 1 ).
  • the rotors 14 have lobes of identical "Roots" type profiles.
  • the rotors 14 are angularly offset and driven to rotate synchronously in the opposite direction in the central housing defining the chambers of each stage B1-B2. During rotation, the gas sucked in from the inlet is trapped in the volume generated by the rotors and the stator and is then driven by the rotors to the next stage (the direction of gas flow is illustrated by the arrows G on the figures 1 and 3 ).
  • Roots type vacuum pump 3 is said to be “dry” because in operation, the rotors rotate inside the stator without any mechanical contact with the stator, which allows the absence of oil in the pumping stages B1- B2.
  • the Roots-type vacuum pump 3 differs mainly from the primary vacuum pump 2 by the larger dimensions of pumping stages B1-B2 due to the greater pumping capacities, by larger clearance tolerances and by the that the Roots type vacuum pump 3 does not deliver at atmospheric pressure but must be used in series assembly upstream of a primary vacuum pump.
  • the pumping unit 1 further comprises a pipe 15 connecting the suction 11 of the Roots-type vacuum pump 3 to the inlet 16 of the second pumping stage B2 of the Roots-type vacuum pump 3.
  • the pipe 15 comprises a discharge module 17, such as a valve or a piloted valve, configured to open as soon as the pressure difference between the suction 11 and the discharge of the first pumping stage B1 exceeds a predefined value, for example between 5.10 3 Pa and 3.10 4 Pa.
  • a discharge module 17 such as a valve or a piloted valve
  • the opening of the discharge module 17 makes it possible to recirculate the surplus of the gas flow from the discharge of the first pumping stage B1 to the suction 11 of the vacuum pump 3 of the Roots type. This recirculation takes place at the time of the pressure drop of the enclosure 101 from atmospheric pressure, due to the strong gas flow at the start of pumping. This prevents a high pressure from being generated at the discharge of the first pumping stage B1 which could cause very high electrical consumption, excessive heating and a risk of malfunction.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage B1 of the Roots type vacuum pump 3 to the flow generated by the second pumping stage B2 of the Roots-type vacuum pump 3 is less than six, such as less than 5.5, such as between 4.5 and 5.5.
  • the flow rate generated by the first pumping stage B1 of the vacuum pump 3 of the two-stage Roots type is for example greater than or equal to 3000 m 3 / h, such as between 3500 m 3 / h and 5000 m 3 / h.
  • the flow generated by the second pumping stage B2 of the two-stage Roots type vacuum pump 3 is for example greater than or equal to 500 m 3 / h, such as between 500 m 3 / h and 1000 m 3 / h.
  • the flow rate generated by the first pumping stage B1 of the Roots-type vacuum pump 3 is for example of the order of 4459 m 3 / h.
  • the flow rate generated by the second pumping stage B2 of the Roots-type vacuum pump 3 is for example of the order of 876 m 3 / h.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage B1 to the flow generated by the second pumping stage B2 is thus of the order of 5.1.
  • the ratio of the flow generated by the second pumping stage B2 of the Roots-type vacuum pump 3 to the flow generated by the first pumping stage T1 of the primary vacuum pump 2 is less than six, such as less than or equal to five.
  • the flow rate generated by the first pumping stage T1 of the primary vacuum pump 2 is for example greater than or equal to 100 m 3 / h, such as between 100 m 3 / h and 400 m 3 / h.
  • the first pumping stage T1 of the primary vacuum pump 2 has, for example, a flow rate generated of the order of 187 m 3 / h.
  • the ratio of the flow generated by the second pumping stage B2 to the flow generated by the first pumping stage T1 is thus equal to the order of 4.7.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage T1 of the primary vacuum pump 2 over the flow generated by the second pumping stage T2 of the primary vacuum pump 2 is for example less than or equal to three.
  • the second pumping stage T2 has, for example, a generated flow rate of the order of 93 m 3 / h.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage T1 to the flow generated by the second pumping stage T2 is thus substantially equal to two.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage B1 of the two-stage Roots type vacuum pump 3 to the flow generated by the third stage of pumping T3 of the primary vacuum pump 2 is for example less than or equal to one hundred and twenty.
  • the at least two last pumping stages T4, T5, T6 of the primary vacuum pump 2 can have the same values of flow rates generated.
  • the ratio of the flow generated by the last pumping stage T5 of the primary vacuum pump 2 over the flow generated by the penultimate pumping stage T4 of the primary vacuum pump 2 is for example less than or equal to two.
  • the last three pumping stages T3, T4 and T5 have, for example, a flow rate generated of the order of 44 m 3 / h.
  • the ratio of the flow generated by the first pumping stage B1 of the secondary vacuum pump 3 of the two-stage Roots type to the flow generated by the third pumping stage T3 of the primary vacuum pump 2 is thus of the order of 101, 3.
  • the ratio of the flow generated by the last pumping stage T5 of the primary vacuum pump 2 to the flow generated by the penultimate pumping stage T4 of the primary vacuum pump 2 is thus here equal to one.
  • the last pumping stages T4, T5, T6 of the primary vacuum pump 2 with the same values of flow rates generated make it possible to simplify manufacture and reduce costs.
  • This sizing of the pumping unit 1 makes it possible to optimize the pumping performance which is optimal in the operating range of the CVD processes. Also, the ultimate vacuum pumping performance is satisfactory. In addition, power consumption is minimal, whether at ultimate vacuum or for operating pressures.
  • Curve A is a curve of the pumping speed as a function of the pressure obtained for a pumping device of the prior art comprising a single-stage Roots vacuum pump having an estimated generated flow rate of 4459 m 3 / h mounted in series and in upstream of a primary vacuum pump with an estimated flow rate of 510m 3 / h.
  • This pumping device makes it possible to achieve a pumping speed of the order of 3000 m 3 / h for pressures between 13Pa and 26 Pa (or 0.1Torr and 0.2Torr). However, beyond 53Pa (or 0.4Torr), performance deteriorates very markedly, so that in the desired operating range (Pf on the graphs of figures 4 and 5 ), the performance of the pumping device is insufficient. Also, the pumping speed for pressures lower than 13Pa (or 0.1Torr), (in ultimate vacuum) is less good. In addition, the power consumption at limit pressure is of the order of 3.3kW, which is significant.
  • Curve B shows the pumping performance as a function of the pressure obtained for a pumping device of the prior art comprising a single-stage Roots vacuum pump with a generated flow rate estimated at 4459m 3 / h mounted in series and upstream of a primary vacuum pump with an estimated flow rate of 260m 3 / h.
  • the pumping performance at limit pressure is better than for the pumping device of curve A.
  • the pumping speed does not reach the desired performance of 3000 m 3 / h in the operating range Pf.
  • Curve C shows the pumping performance as a function of pressure obtained for a pumping device of the prior art comprising a Roots vacuum pump with an estimated generated flow rate of 4459 m 3 / h mounted in series and upstream of a pump. at primary vacuum with an estimated flow rate of 510m 3 / h.
  • the dimensioning of the last pumping stage of the primary vacuum pump of the pumping device of curve C with an estimated generated flow rate of around 109 m 3 / h is much greater than that of the pumping device of curve A an estimated flow rate of around 58m 3 / h.
  • Curve D shows the pumping performance as a function of the pressure obtained for a pumping unit 1 according to the invention
  • the flow rate generated by the first pumping stage B1 of the vacuum pump 3 of the Roots type is of the order of 4459m 3 / h
  • the flow generated by the second pumping stage B2 of the Roots-type vacuum pump 3 is of the order of 876 m 3 / h
  • the first pumping stage T1 of the primary vacuum pump 2 has a flow generated in the order of 187m 3 / h
  • the second pumping stage T2 of the primary vacuum pump 2 has a flow generated in the order of 93m 3 / h
  • the last three pumping stages T3, T4 and T5 of the primary vacuum pump 2 have a flow generated in the order of 44m 3 / h.
  • the pumping performance is maximum, of the order of 3000 m 3 / h, in the desired operating range Pf.
  • the ultimate vacuum pumping performance is also satisfactory.
  • the level of power consumption is satisfactory. It is less than 2.5kW in limit pressure.

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Description

  • La présente invention concerne un groupe de pompage comportant une pompe à vide primaire de type sèche multiétagée et une pompe à vide de type Roots biétagée, montée en série et en amont de la pompe à vide primaire. La présente invention concerne également une utilisation dudit groupe de pompage.
  • Les pompes à vide primaire comportent plusieurs étages de pompage en série dans lesquels circule un gaz à pomper entre une aspiration et un refoulement. On distingue parmi les pompes à vide primaire connues, celles à lobes rotatifs également connues sous le nom « Roots » avec deux ou trois lobes ou celles à double bec, également connues sous le nom « Claw ».
  • Les pompes à vide primaire comprennent deux rotors de profils identiques, tournant à l'intérieur d'un stator en sens opposé. Lors de la rotation, le gaz à pomper est emprisonné dans le volume engendré par les rotors et le stator, et est entraîné par les rotors vers l'étage suivant puis de proche en proche jusqu'au refoulement de la pompe à vide. Le fonctionnement s'effectue sans aucun contact mécanique entre les rotors et le stator, ce qui permet l'absence d'huile dans les étages de pompage. Nous obtenons ainsi un pompage dit sec. Un exemple de pompe à vide primaire est décrit dans le document EP1710440A2 .
  • Pour augmenter les performances de pompage, en particulier le débit, on utilise généralement une pompe à vide de type Roots (connue sous le nom de « Roots Blower » en anglais) montée en série et en amont de la pompe à vide primaire. Un exemple de pompe à vide de type Roots Blower est décrit dans le document US2013/0164147A1 . Le débit engendré par la pompe à vide Roots peut être de l'ordre de vingt fois le débit engendré par la pompe à vide primaire.
  • Certaines applications, telles que les applications de production de couches minces dans l'industrie de fabrication du semi-conducteur ou « applications CVD » (pour «dépôt chimique en phase vapeur »), nécessitent des performances de pompage importantes, notamment pour des gammes de pression de travail comprises entre 53Pa et 266Pa, pour des flux pompés en continus compris entre 50Pa.m3.s-1 et 170Pa.m3.s-1. On cherche notamment à obtenir des débits de pompage maximums, de l'ordre de 3000m3/h dans cette plage de fonctionnement.
  • Une solution pour essayer d'atteindre ces capacités de pompage consiste à utiliser une pompe à vide Roots ayant le débit engendré souhaité pour atteindre 3000m3/h montée en série avec une pompe à vide primaire multiétagée, de l'ordre de 300m3/h. Le débit engendré par la pompe à vide Roots peut ainsi être de l'ordre de dix fois le débit engendré par la pompe à vide primaire multiétagée. On constate cependant une perte importante des performances de pompage de ce dispositif pour les pressions de la plage de fonctionnement des applications CVD ainsi qu'en pression limite. Par ailleurs, un tel dispositif de pompage est très consommateur d'énergie et on cherche également à limiter la consommation électrique.
  • Utiliser deux pompes à vide Roots en série et en amont d'une pompe à vide primaire multiétagée n'est pas non plus une solution satisfaisante. Un tel agencement serait en effet couteux, encombrant et l'utilisation de deux moteurs engendrerait des pertes mécaniques et donc une consommation électrique conséquente.
  • Un des buts de la présente invention est donc de proposer un groupe de pompage ayant de meilleures performances de pompage dans la plage de fonctionnement des applications CVD, ainsi qu'en pression limite, tout en ayant une consommation électrique minimale.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un groupe de pompage comportant :
    • une pompe à vide primaire de type sèche mutiétagée comportant au moins quatre étages de pompage montés en série,
    caractérisé en ce que le groupe de pompage comporte :
    • une pompe à vide de type Roots biétagée comportant un premier et un deuxième étages de pompage montés en série, le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée étant monté en série et en amont d'un premier étage de pompage de la pompe à vide primaire dans le sens d'écoulement des gaz à pomper,
    • le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée étant inférieur à six, et
    • le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée sur le débit engendré du premier étage de pompage de la pompe à vide primaire de type sèche multiétagée étant inférieur à six.
  • Avec une telle architecture et un tel dimensionnement du groupe de pompage, on obtient des performances de pompage maximales dans la gamme de fonctionnement souhaitée, pour des pressions comprises entre 53Pa et 266Pa avec des flux pouvant être pompés en continu jusqu'à 170 Pa.m3.s-1.
  • Egalement, les performances de pompage en vide limite sont satisfaisantes et inférieures à 0,1Pa.
  • En outre, la consommation électrique est minimale, que ce soit en vide limite ou dans la plage de fonctionnement souhaitée des applications CVD.
  • Selon une ou plusieurs caractéristiques du groupe de pompage, prise seule ou en combinaison :
    • le débit engendré par le premier étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée est supérieur ou égal à 3000m3/h, tel que compris entre 3500m3/h et 5000m3/h,
    • le débit engendré par le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée est supérieur ou égal à 500m3/h, tel que compris entre 500m3/h et 1000m3/h,
    • le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée est inférieur à 5,5, tel que compris entre 4,5 et 5,5,
    • le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée sur le débit engendré du premier étage de pompage de la pompe à vide primaire de type sèche multiétagée est inférieur ou égal à cinq,
    • le débit engendré par le premier étage de pompage de la pompe à vide primaire est supérieur ou égal à 100m3/h, tel que compris entre 100m3/h et 400m3/h,
    • le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage de ladite pompe à vide primaire sur le débit engendré par le second étage de pompage de ladite pompe à vide primaire est inférieur ou égal à trois,
    • le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage de la pompe à vide Roots sur le débit engendré par le troisième étage de pompage de la pompe à vide primaire est inférieur ou égal à cent vingt,
    • le rapport du débit engendré par le dernier étage de pompage de la pompe à vide primaire sur le débit engendré par l'avant-dernier étage de pompage de la pompe à vide primaire est inférieur ou égal à deux,
    • la pompe à vide primaire comporte au moins cinq étages de pompage montés en série,
    • le groupe de pompage comporte en outre une canalisation raccordant l'aspiration de la pompe à vide de type Roots biétagée à l'entrée du deuxième étage de pompage de la pompe à vide de type Roots biétagée, la canalisation comportant un module de décharge (également appelé « by-pass » en anglais) configuré pour s'ouvrir dès que la différence de pression entre l'aspiration et le refoulement du premier étage de pompage dépasse une valeur prédéfinie.
  • L'invention a aussi pour objet une utilisation du groupe de pompage tel que décrit précédemment pour le pompage d'une enceinte d'une installation de fabrication de semi-conducteurs, dans laquelle le groupe de pompage est utilisé pour le contrôle de pression à l'intérieur de l'enceinte à des valeurs comprises entre 53Pa et 266Pa et pour des flux de gaz pompés dans l'enceinte compris entre 50Pa.m3.s-1 et 170Pa.m3.s-1.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels:
    • la figure 1 montre une vue schématique d'un groupe de pompage,
    • la figure 2 montre un exemple de réalisation d'une pompe à vide primaire où seuls les éléments nécessaires au fonctionnement sont représentés,
    • la figure 3 montre une vue schématique d'une pompe à vide de type Roots biétagée; sur cette figure, on a représenté des sections transversales d'étages de pompage l'une à côté de l'autre pour une meilleure compréhension,
    • la figure 4 est un graphique montrant des courbes de vitesses de pompage (en m3/h) pour un groupe de pompage selon l'invention et pour des dispositifs de pompage de l'état de la technique en fonction de la pression (en Torr),
    • la figure 5 est un graphique montrant des courbes de flux de gaz pompés (en « slm » pour «standard litre per minute » en anglais, 1slm = 1,68875Pa.m3.s-1) en fonction de la pression (en Torr) pour le groupe de pompage et les dispositifs de pompage de la figure 4, et
    • la figure 6 montre un exemple d'utilisation du groupe de pompage.
  • Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
  • On définit par « débit engendré », la cylindrée correspondante au volume engendré entre les rotors et le stator de la pompe à vide multipliée par le nombre de tours par seconde.
  • On définit par « pression limite », la pression minimale obtenue pour un dispositif de pompage en l'absence de flux de gaz pompé.
  • On définit par pompe à vide primaire de type sèche, une pompe à vide volumétrique, qui, à l'aide de deux rotors aspire, transfère puis refoule le gaz à pomper à la pression atmosphérique. Les rotors sont entrainés en rotation par un moteur de la pompe à vide primaire.
  • On définit par pompe à vide de type Roots, (également appelée « Roots Blower » en anglais), une pompe à vide volumétrique, qui, à l'aide de rotors de type Roots aspire, transfère puis refoule le gaz à pomper. La pompe à vide de type Roots est montée en amont et en série d'une pompe à vide primaire. Les rotors de type Roots sont entrainés en rotation par un moteur de la pompe à vide de type Roots.
  • On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport au sens de circulation du gaz. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport au sens de circulation du gaz à pomper, l'élément situé en amont étant à une pression plus basse que l'élément situé en aval, à une pression plus élevée.
  • La figure 1 montre une vue schématique d'un groupe de pompage 1.
  • Le groupe de pompage 1 est par exemple utilisé dans une installation 100 de l'industrie de fabrication du semi-conducteur (figure 6). Le groupe de pompage 1 est par exemple raccordé à une enceinte 101 destinée à la production de couches minces ou applications CVD (« dépôt chimique en phase vapeur »), pour laquelle la plage de fonctionnement comprend des pressions comprises entre 53Pa et 266Pa et des flux de gaz pompés dans l'enceinte 101, généralement compris entre 50Pa.m3.s-1 et 170Pa.m3.s-1.
  • Le groupe de pompage 1 comporte une pompe à vide primaire 2 de type sèche multiétagée et une pompe à vide de type Roots 3 biétagée (ou « double stage blower » en anglais), montée en série et en amont de la pompe à vide primaire 2.
  • La pompe à vide primaire 2 représentée comprend cinq étages de pompage T1, T2, T3, T4, T5 montés en série entre une aspiration 4 et un refoulement 5 de la pompe à vide primaire 2 et dans lesquels un gaz à pomper peut circuler.
  • Chaque étage de pompage T1-T5 comprend une entrée et une sortie respectives. Les étages de pompage successifs T1-T5 sont raccordés en série les uns à la suite des autres par des canaux inter-étages 6 respectifs raccordant la sortie (ou le refoulement) de l'étage de pompage qui précède à l'entrée (ou l'aspiration) de l'étage qui suit (voir figure 2). Les canaux inter-étages 6 sont par exemple agencés latéralement dans le corps 8 de la pompe à vide 2, de part et d'autre d'un logement central 9 recevant les rotors 10. L'entrée du premier étage de pompage T1 communique avec l'aspiration 4 de la pompe à vide 2 et la sortie du dernier étage de pompage T5 communique avec le refoulement 5 de la pompe à vide 2. Les stators des étages de pompage T1-T5 forment un corps 8 de la pompe à vide 2.
  • La pompe à vide primaire 2 comporte deux rotors 10 à lobes rotatifs s'étendant dans les étages de pompage T1- T5. Les arbres des rotors 10 sont entraînés du côté de l'étage de refoulement T5 par un moteur M1 de la pompe à vide primaire 2 (figure 1).
  • Les rotors 10 présentent des lobes de profils identiques. Les rotors représentés sont de type « Roots » (section en forme de « huit » ou de « haricot »). Bien entendu, l'invention s'applique également à d'autres types de pompes à vide primaire multi-étagées de type sèche, telles que de type « Claw » ou de type à spirale ou à vis ou d'un autre principe similaire de pompe à vide volumétrique.
  • Les rotors 10 sont angulairement décalés et entrainés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le logement central 9 de chaque étage T1-T5. Lors de la rotation, le gaz aspiré depuis l'entrée est emprisonné dans le volume engendré par les rotors 10 et le stator, puis est entraîné par les rotors vers l'étage suivant (le sens de circulation des gaz est illustré par les flèches G sur les figures 1 et 2).
  • La pompe à vide primaire 2 est dite « sèche » car en fonctionnement, les rotors 10 tournent à l'intérieur du stator sans aucun contact mécanique avec le stator, ce qui permet l'absence d'huile dans les étages de pompage T1-T5.
  • Les étages de pompage T1-T5 présentent un volume engendré, c'est-à-dire un volume de gaz pompé, décroissant (ou égal) avec les étages de pompage, le premier étage de pompage T1 présentant le débit engendré le plus élevé et le dernier étage de pompage T5 présentant le débit engendré le plus faible.
  • La pression de refoulement de la pompe à vide primaire 2 est la pression atmosphérique. La pompe à vide primaire 2 comporte en outre un clapet anti-retour en sortie du dernier étage de pompage T5, au niveau du refoulement 5, pour éviter le retour des gaz pompés dans la pompe à vide 2.
  • Une pompe à vide 3 de type Roots biétagée est illustrée de manière schématique sur la figure 3.
  • La pompe à vide 3 de type Roots est, comme la pompe à vide primaire 2, une pompe à vide volumétrique, qui, à l'aide de rotors aspire, transfère puis refoule le gaz à pomper.
  • La pompe à vide 3 de type Roots biétagée comporte un premier et un deuxième étages de pompage B1, B2 montés en série entre une aspiration 11 et un refoulement 12 et dans lesquels un gaz à pomper peut circuler.
  • Chaque étage de pompage B1-B2 comprend une entrée et une sortie respectives, l'entrée 16 (ou aspiration) du deuxième étage de pompage B2 étant raccordée à la sortie (ou refoulement) du premier étage de pompage B1 par un canal inter-étage 13. L'entrée du premier étage de pompage B1 communique avec l'aspiration 11 du groupe de pompage 1 et la sortie du deuxième étage de pompage B2 (le refoulement 12) est raccordée à l'aspiration 4 de la pompe à vide primaire 2.
  • La pompe à vide 3 de type Roots comporte deux rotors 14 à lobes rotatifs s'étendant dans les étages de pompage B1-B2. Les arbres des rotors 14 sont entraînés par un moteur M2 de la pompe à vide 3 de type Roots (figure 1).
  • Les rotors 14 présentent des lobes de profils identiques de type « Roots ».
  • Les rotors 14 sont angulairement décalés et entrainés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le logement central définissant les chambres de chaque étage B1-B2. Lors de la rotation, le gaz aspiré depuis l'entrée est emprisonné dans le volume engendré par les rotors et le stator puis est entraîné par les rotors vers l'étage suivant (le sens de circulation des gaz est illustré par les flèches G sur les figures 1 et 3).
  • La pompe à vide 3 de type Roots est dite « sèche » car en fonctionnement, les rotors tournent à l'intérieur du stator sans aucun contact mécanique avec le stator, ce qui permet l'absence d'huile dans les étages de pompage B1-B2.
  • La pompe à vide 3 de type Roots se différencie principalement de la pompe à vide primaire 2 par des dimensions plus grandes d'étages de pompage B1-B2 du fait des capacités de pompage plus importantes, par des tolérances de jeux plus grandes et par le fait que la pompe à vide 3 de type Roots ne refoule pas à la pression atmosphérique mais doit être utilisée en montage série en amont d'une pompe à vide primaire.
  • Le groupe de pompage 1 comporte en outre une canalisation 15 raccordant l'aspiration 11 de la pompe à vide 3 de type Roots à l'entrée 16 du deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots.
  • La canalisation 15 comporte un module de décharge 17, tel qu'un clapet ou une vanne pilotée, configuré pour s'ouvrir dès que la différence de pression entre l'aspiration 11 et le refoulement du premier étage de pompage B1 dépasse une valeur prédéfinie, comprise par exemple entre 5.103 Pa et 3.104 Pa.
  • L'ouverture du module de décharge 17 permet de faire recirculer le surplus du flux gazeux du refoulement du premier étage de pompage B1 vers l'aspiration 11 de la pompe à vide 3 de type Roots. Cette recirculation intervient au moment de la descente en pression de l'enceinte 101 depuis la pression atmosphérique, du fait du fort flux gazeux au démarrage du pompage. On évite ainsi qu'une importante pression soit générée au refoulement du premier étage de pompage B1 qui pourrait provoquer une consommation électrique très importante, un échauffement excessif et un risque de dysfonctionnement.
  • Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage B1 de la pompe à vide 3 de type Roots sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots est inférieur à six, tel que inférieur à 5,5, tel que compris entre 4,5 et 5,5.
  • Le débit engendré par le premier étage de pompage B1 de la pompe à vide 3 de type Roots biétagée est par exemple supérieur ou égal à 3000m3/h, tel que compris entre 3500m3/h et 5000m3/h.
  • Le débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots biétagée est par exemple supérieur ou égal à 500m3/h, tel que compris entre 500m3/h et 1000m3/h.
  • Le débit engendré du premier étage de pompage B1 de la pompe à vide 3 de type Roots est par exemple de l'ordre de 4459m3/h.
  • Le débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots est par exemple de l'ordre de 876m3/h.
  • Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage B1 sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 est ainsi de l'ordre de 5,1.
  • En outre, le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots sur le débit engendré du premier étage de pompage T1 de la pompe à vide primaire 2 est inférieur à six, tel que inférieur ou égal à cinq.
  • Le débit engendré par le premier étage de pompage T1 de la pompe à vide primaire 2 est par exemple supérieur ou égal à 100m3/h, tel que compris entre 100m3/h et 400m3/h.
  • Le premier étage de pompage T1 de la pompe à vide primaire 2 présente par exemple un débit engendré de l'ordre de 187m3/h.
  • Le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 sur le débit engendré du premier étage de pompage T1 est ainsi égal de l'ordre de 4,7.
  • Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage T1 de la pompe à vide primaire 2 sur le débit engendré par le second étage de pompage T2 de la pompe à vide primaire 2 est par exemple inférieur ou égal à trois.
  • Le deuxième étage de pompage T2 présente par exemple un débit engendré de l'ordre de 93m3/h. Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage T1 sur le débit engendré par le second étage de pompage T2 est ainsi sensiblement égal à deux.
  • Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage B1 de la pompe à vide 3 de type Roots biétagée sur le débit engendré par le troisième étage de pompage T3 de la pompe à vide primaire 2 est par exemple inférieur ou égal à cent vingt. Les au moins deux derniers étages de pompage T4, T5, T6 de la pompe à vide primaire 2 peuvent avoir des mêmes valeurs de débits engendrés.
  • Le rapport du débit engendré par le dernier étage de pompage T5 de la pompe à vide primaire 2 sur le débit engendré par l'avant-dernier étage de pompage T4 de la pompe à vide primaire 2 est par exemple inférieur ou égal à deux.
  • Les trois derniers étage de pompage T3, T4 et T5 présentent par exemple un débit engendré de l'ordre de 44m3/h. Le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage B1 de la pompe à vide secondaire 3 de type Roots biétagée sur le débit engendré par le troisième étage de pompage T3 de la pompe à vide primaire 2 est ainsi de l'ordre de 101,3. Le rapport du débit engendré par le dernier étage de pompage T5 de la pompe à vide primaire 2 sur le débit engendré par l'avant-dernier étage de pompage T4 de la pompe à vide primaire 2 est ainsi ici égal à un.
  • Les derniers étages de pompage T4, T5, T6 de la pompe à vide primaire 2 de mêmes valeurs de débits engendrés permet de simplifier la fabrication et diminue les coûts.
  • Ce dimensionnement du groupe de pompage 1 permet d'optimiser les performances de pompage qui sont optimales dans la plage de fonctionnement des procédés CVD. Egalement, les performances de pompage en vide limite sont satisfaisantes. En outre, la consommation électrique est minimale, que ce soit en vide limite ou pour les pressions de fonctionnement.
  • Ceci peut être mieux compris en visualisant les graphiques des figures 4 et 5 qui montrent des performances de pompage obtenues pour un groupe de pompage 1 selon l'invention et pour des dispositifs de pompage de l'état de la technique.
  • La courbe A est une courbe de la vitesse de pompage en fonction de la pression obtenue pour un dispositif de pompage de l'art antérieur comportant une pompe à vide Roots monoétagée présentant un débit engendré estimé de 4459 m3/h montée en série et en amont d'une pompe à vide primaire de débit engendré estimé à 510m3/h.
  • Ce dispositif de pompage permet d'atteindre une vitesse de pompage de l'ordre de 3000m3/h pour des pressions comprises entre 13Pa et 26 Pa (ou 0,1Torr et 0,2Torr). Cependant, au-delà de 53Pa (ou 0,4Torr), les performances se dégradent très nettement, si bien que dans la plage de fonctionnement souhaitée (Pf sur les graphiques des figures 4 et 5), les performances du dispositif de pompage sont insuffisantes. Egalement, la vitesse de pompage pour des pressions inférieures à 13Pa (ou 0,1Torr), (en vide limite) est moins bonne. En outre, la consommation électrique en pression limite est de l'ordre de 3.3kW, ce qui est important.
  • La courbe B montre les performances de pompage en fonction de la pression obtenues pour un dispositif de pompage de l'art antérieur comportant une pompe à vide Roots monoétagée d'un débit engendré estimé à 4459m3/h montée en série et en amont d'une pompe à vide primaire de débit engendré estimé à 260m3/h.
  • On voit que les performances de pompage en pression limite sont meilleures que pour le dispositif de pompage de la courbe A. Toutefois, la vitesse de pompage n'atteint pas les performances souhaitées de 3000m3/h dans la plage de fonctionnement Pf.
  • La courbe C montre les performances de pompage en fonction de pression obtenues pour un dispositif de pompage de l'art antérieur comportant une pompe à vide Roots d'un débit engendré estimé de 4459m3/h montée en série et en amont d'une pompe à vide primaire d'un débit engendré estimé de 510m3/h. Le dimensionnement du dernier étage de pompage de la pompe à vide primaire du dispositif de pompage de la courbe C d'un débit engendré estimé de l'ordre de 109 m3/h est très supérieur à celui du dispositif de pompage de la courbe A d'un débit engendré estimé de l'ordre de 58m3/h.
  • On constate que les performances sont sensiblement meilleures que pour le dispositif de pompage de la courbe B dans la plage de fonctionnement Pf. Néanmoins, la vitesse de pompage n'atteint pas 3000m3/h, décroit dans la plage de fonctionnement et la consommation électrique en pression limite est beaucoup trop élevée (de l'ordre de 5.7kW) du fait du surdimensionnement du dernier étage de pompage de la pompe à vide primaire. Egalement, les performances de pompage sont insuffisantes en pression limite.
  • La courbe D montre les performances de pompage en fonction de la pression obtenue pour un groupe de pompage 1 selon l'invention dont le débit engendré du premier étage de pompage B1 de la pompe à vide 3 de type Roots est de l'ordre de 4459m3/h, le débit engendré par le deuxième étage de pompage B2 de la pompe à vide 3 de type Roots est de l'ordre de 876m3/h, le premier étage de pompage T1 de la pompe à vide primaire 2 présente un débit engendré de l'ordre de 187m3/h, le deuxième étage de pompage T2 de la pompe à vide primaire 2 présente un débit engendré de l'ordre de 93m3/h et les trois derniers étage de pompage T3, T4 et T5 de la pompe à vide primaire 2 présentent un débit engendré de l'ordre de 44m3/h.
  • On constate que les performances de pompage sont maximales, de l'ordre de 3000m3/h, dans la plage de fonctionnement souhaitée Pf.
  • Les performances de pompage en vide limite sont également satisfaisantes.
  • En outre, le niveau de consommation électrique est satisfaisant. Il est inférieur à 2,5kW en pression limite.

Claims (11)

  1. Groupe de pompage (1) comportant :
    - une pompe à vide primaire (2) de type sèche mutiétagée comportant au moins quatre étages de pompage (T1, T2, T3, T4, T5) montés en série,
    - une pompe à vide (3) de type Roots biétagée comportant un premier et un deuxième étages de pompage (B1, B2) montés en série, le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée étant monté en série et en amont d'un premier étage de pompage (T1) de ladite pompe à vide primaire (2) dans le sens d'écoulement des gaz à pomper,
    caractérisé en ce que :
    - le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage (B1) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée (3) étant inférieur à six, et
    - le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée sur le débit engendré du premier étage de pompage (T1) de ladite pompe à vide primaire (2) étant inférieur à six.
  2. Groupe de pompage (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le débit engendré par le premier étage de pompage (B1) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée est supérieur ou égal à 3000m3/h, tel que compris entre 3500m3/h et 5000m3/h.
  3. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit engendré par le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée est supérieur ou égal à 500m3/h, tel que compris entre 500m3/h et 1000m3/h.
  4. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage (B1) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée sur le débit engendré par le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée est inférieur à 5,5.
  5. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du débit engendré par le deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée sur le débit engendré du premier étage de pompage (T1) de la pompe à vide primaire (2) est inférieur ou égal à cinq.
  6. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit engendré par le premier étage de pompage (T1) de la pompe à vide primaire (2) est supérieur ou égal à 100m3/h, tel que compris entre 100m3/h et 400m3/h.
  7. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage (T1) de la pompe à vide primaire (2) sur le débit engendré par le second étage de pompage (T2) de la pompe à vide primaire (2) est inférieur ou égal à trois.
  8. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du débit engendré par le premier étage de pompage (B1) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée sur le débit engendré par le troisième étage de pompage (T3) de la pompe à vide primaire (2) est inférieur ou égal à cent vingt.
  9. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe à vide primaire (2) comporte au moins cinq étages de pompage (T1, T2, T3, T4, T5) montés en série.
  10. Groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une canalisation (15) raccordant l'aspiration (11) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée à l'entrée (16) du deuxième étage de pompage (B2) de la pompe à vide (3) de type Roots biétagée, la canalisation (15) comportant un module de décharge (17) configuré pour s'ouvrir dès que la différence de pression entre l'aspiration (11) et le refoulement du premier étage de pompage (B1) dépasse une valeur prédéfinie.
  11. Utilisation d'un groupe de pompage (1) selon l'une des revendications précédentes pour le pompage d'une enceinte (101) d'une installation (100) de fabrication de semi-conducteurs, dans laquelle le groupe de pompage (1) est utilisé pour le contrôle de pression à l'intérieur de l'enceinte (101) à des valeurs comprises entre 53Pa et 266Pa et pour des flux de gaz pompés dans l'enceinte (101) compris entre 50Pa.m3.s-1 et 170Pa.m3.s-1.
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