TW200416352A - Vacuum pumping arrangement and method of operating same - Google Patents

Description

200416352 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種真空汲取裝置以及一種控制室體内壓的 方法，該室體連接至真空汲取裝置的入口。 【先前技術】 用以將室體抽真空的一種習知沒取裝置包括一分子泵， 該分子泵可包括分子拖良没取機構；或渦輪分子汲取機 構；或同時包括分子拖食汲取機構及渦輪分子汲取機構。 若同時包括兩種機構，則渦輪分子汲取機構係與分子拖曳 沒取機構串接。汲取裝置可將室體抽至約1χ1〇-6毫巴。分子 泵可達到的壓縮比不足以在排出到大氣的同時，達到如此 低的壓力，因此需要支持泵以便在排空分子泵時減少壓 力’並允許在其入口處達到相當低的壓力。 分子泵的渦輪汲取機構包括多個角形的葉板陣列，此陣 列圓周向地配置，並位於圓筒狀的轉子上。在正常操作下， 轉子的轉速約每分2G，GGG至2GG，_#，此時轉子葉板撞擊 分子而將分子排向泵“。因此正常的操作係在低於001 宅巴之分子流的條件下。顯知的，由於角形的轉子葉板备 對轉動的轉子產生不期望的氣流或阻力，因此渴輪分子： 取機構在南壓下的工作效能不高。 在半導體製程中’常需依據不同的製程技 用來修正處理室的壓力。因此控制分子“口 =力的:吏 :當重要。已有多種用來控制入口壓力的方法，這此方： 匕括在入口及室體間，或在分子泵出口及支持粟入口間提

O:\89\89850.DOC 200416352 供節流閥。雖然、控制分子泵的轉速可影響人口的壓力，用 =動分子泵的—般馬達並不具足夠的功率來快速地控制 ,以符合所需的變化率，增在較便宜的壓力控制方 日守將不會考慮採用較大功率的馬達。 因而期望提出一種改良式的真空汲取裝置以及一種控制 至體壓力的方法，此室體連接至真空沒取裝置的入口。 【發明内容】 本發明提供一種真空汲取裝置，用以控制室體的壓力， 該裝置包括—分子汲取機構及支持汲取機構，該支持沒取 機構由馬達所㈣，該馬達闕步地_該分衫取機構 及忒支持汲取機構，並用以控制支持汲取機構及分子汲取 機構的轉速。 本發明並提供一種控制室體壓力的方法，該室體連接至 真空汲取裝置的入口，真空汲取裝置包括一支持汲取機構 及一分子汲取機構，以及用以驅動該支持汲取機構的馬 達，該方法包括使用該馬達來控制該分子汲取機構的轉 動’以控制該室體的壓力。 本發明的其他觀點定義在伴隨的實施例中。 為了使本發明更易於了解，以下將參考伴隨的圖示來說 明本發明的實施例，須知此處的實施例僅供說明之用。 【實施方式】 參考圖1，顯示一真空汲取裝置10的簡圖，其包括一分子 汲取機構12及一支持汲取機構丨4。分子汲取機構包括一渦 輪分子汲取機構16及分子拖氧（或摩擦）汲取機構18。變換 O:\89\89850.DOC -8- 200416352 的’分子;及取機構可僅包括渦輪分子汲取機構丨6或渦輪分 子^良沒取機構1 8。支持泵14包括再生汲取機構。另一種 刀子如良>及取機構2〇可連接至再生汲取機構，並介於分子 拖良沒取機構18與支持泵14之間。分子拖曳汲取機構2〇包 括串連的二個拖矣汲取段，而分子拖矣汲取機構18包括兩 個並連的拖髮汲取段。 真空〉及取裝置10包括由三個分離部件22，24，26所形成 的外殼，該外殼罩住分子汲取機構12，拖曳汲取機構2〇及 再生汲取機構14。如圖所示，部件22及24可形成分子汲取 機構12及拖曳汲取機構2〇的内表面。部件％形成再生没取 機構的定子。 部件26定義一下凹槽28，此下凹槽28接收一用以支持驅 動軸32的軸承30，潤滑軸承30位於再生汲取機構14之驅動 軸的第知邛。潤滑軸承3 0可為一滾珠軸承或一磨潤軸 承，例如具有潤滑油的潤滑軸承。汲取裝置的入口可與半 導體製程室通流，此半導體製程室需維持在潔淨的環境下。 驅動軸32為一共用驅動軸，驅動軸32耦合至分子汲取機 構12及再生汲取機構14，且驅動軸32由馬達34所驅動而使 分子汲取機構12及再生汲取機構14以相同的速度轉動。 馬達34由外殼的部件22及24所支持，但亦可支持於真空 汲取裝置内的任意方便的位置處。當使用共同驅動軸W 時，馬達34可同時驅動再生汲取機構14及支持於其上的拖 矣汲取機構20以及分子汲取機構12。一般而言，在氣阻較 大的環境中，相較於分子汲取機構，再生汲取機構需要較 O:\89\89850.DOC -9 - 200416352 大的驅動功率。由於分子汲取機構需要較少的功率，因此 適用於驅動再生汲取機構的馬達亦適用於驅動分子汲取機 構。提供一控制機構以控制支持汲取機構及分子汲取機構 的轉速，藉此便可控制連接或關聯至沒取裝置之室體的麼 力。圖3顯示用以控制馬達34速度的一控制系統圖，且其包 括有用以量測室體則力的—a力計35及連接Μ力計並 用以控制沒取轉速的控制器3 7。 再生汲取機構14包括一定子及一轉子。定子包括多個以 驅動軸32之軸心Α為圓心，圓周向配置的通道。轉子包括多 個轉子葉板陣列，該多個葉板陣列軸向地延伸至該多個周 向的汲取通道内。更特定的，再生汲取機構14包括三個汲 取段，且在每個汲取段中，圓周向的轉子葉板％陣列實質 地從轉子體36的一表面正交的延伸。三個轉子葉板％陣列 軸向地延伸至圓周向的汲取通道4〇内，圓周向的汲取通道 40通心的設至於構成再生汲取機構14的部件以中。在操作 曰守，驅動轴32轉動轉子體36，而轉子體36使轉子葉板沿 著汲取通道移動，而從入口 42依次沿著徑向的外汲取通 道，中間汲取通道及内汲取通道將氣體打入，並且，在内 汲取通道處，使氣體從汲取機構14經由排氣口料，以近於 大氣壓的壓力向外排出。 圖2顯示再生汲取機構之單一段的放大剖面圖。為了有效 的操作再生 >及取機構14，必須仔細的控制轉子葉板3 $及定 子26間的間隙’’C’’，並適當地將該間隙維持在2〇〇毫米内。 增加間隙”Cn會增大氣體從汲取通道4〇的滲出量，並降低再 O:\89\89850.DOC -10- 的、衰珠▲ 14的效率。因此，再生汲取機構14接繫至潤滑 向：動。Τ°上’並實質地阻止驅動轴32及轉子體36的軸 二/而’若驅動軸的末端相對於潤滑的滾珠轴承30 Ζ有徑向的移動，便可能導至再生汲取機構的轉子作徑 °移動’而造成效能的降低。為了避免降低效能，再生沒 取機構的轉子體36連接至驅動軸32，而能足夠地與潤滑的 、珠軸承30(亦即樞軸）貼緊，而使驅動轴的徑向移動實質地 轉換成轉子葉板相對於圓周向汲取通道40的軸向移動。、較 佳的’ /閏滑的滾珠軸承3()實質地與圓周向汲取通道4味向 也對β❿使轉子葉板38的任何徑向移動不會導至漏氣的 清形。如圖所不，再生汲取機構14的定子26界定出潤滑滾 珠轴承3〇的凹槽並與轉子體36鄰接。依此，阻止徑向移動 的调滑的滾珠軸承30防止轉子體36及轉子葉板38產生明顯 的徑向移動。因而，轉子葉板38及轉子體26間的間隙”c” 可保持在可容忍的限度内。 兩個圓柱狀的拖曳筒46從轉子體36垂直地延伸，並與轉 子體36共同形成拖曳汲取機構2〇。拖曳筒仏由強度高且質 夏fe的碳纖強化材料所製成。相較鋁製的拖夷筒46，碳纖 材料的質量更輕，使拖髮泵具有更小的操作慣性。依此， 可輕易地控制拖复泵的轉速。 圖示的拖曳汲取機構20為Holweck型的拖曳汲取，其中定 子部位48界定出介於外殼内表面及拖曳筒46間的螺旋通 道。Holweck型拖矣汲取操作方式及結構係習知者。沿著迴 曲通道的氣流依次連續的流過拖突段。 O:\89\89850.DOC -11 - 200416352 刀子汲取機構12自再生汲取機構14，由驅動軸32的末端 所驅動。可提供一支持軸承以阻止驅動軸32，如在發生錯 誤驅動功率的情況下，產生過大的徑向移動。如圖所示， 潤^的自由軸承為一磁性軸承54,其提供在轉子體52及筒 狀邛位56間，筒狀部位56係相對於外殼22固定地設置。圖 中所不係一被動磁性軸承，其猶如磁極般相互的排斥以阻 止轉子體52相對於中心軸A作徑向的移動。實際上，驅動軸 會有約0.1毫米的移動量。 轉子或分子汲取機構的小幅移動不會對汲取機構的效能 產生明顯的影響。然而，若想進一步的防止徑向的移動， 可採用一主動磁性軸承。在一主動磁性軸承中，被動磁性 軸承係使用電磁鐵而非永久磁鐵。 測機構以魏向的移動，並控制磁場來進防止= 動。圖6至圖8顯示一主動磁性軸承。 一組圓周向配置的角形葉板58陣列從轉子體52徑向地朝 外延伸。在陣列的徑向中間部位處，即將近葉板58的一半 位置設有-柱狀的支持環60,此支持環連接至拖良沒取機 構18的拖曳筒62。拖曳汲取機構18包括兩個具有單一拖曳 筒62的平行拖夷段。此拖$筒62可由碳纖材料所製成以減 低慣性。每-段由多個定子部位64所構成，定子部位64形 成有傾斜的外殼22内壁66 ’其為一螺旋的氣流通道。提供 一出口68以便從拖曳汲取機構18排放氣體。 在正常操作下，汲取配置1〇的入口 7〇連接至—室體，室 體的壓力係適當地加以降低。馬達34轉動驅動軸32，且^ O:\89\89850.DOC -12- 200416352 動軸驅動轉子體36及轉子體52。分子流透過入口 7〇被吸入 至屑輪分子：：及取機構16，渦輪分子；;及取機構16將分子沿著 兩個平行的拖良汲取段推入分子拖矣汲取機構丨8中，並使 氣體通過出口 68。接著，氣體通過拖曳汲取機構2〇中的三 個串聯的區段而被拖曳至再生汲取機構而引至入口 42。最 後’氣體以接近大氣的壓力，透過排放口 44排出。 再生沒取機構14須以接近大氣壓的壓力來排放氣體。依 此’抵抗通過轉子葉板38的氣體阻力相當大，且因此必須 選擇馬達34所需的馬力及轉矩以符合再生泵14的需要。由 於分子汲取機構12在較低的壓力下操作，因此其轉動阻力 較小。進一步的，在拖曳汲取機構丨8的結構中，僅圓柱狀 的移動部位繞著軸A轉動，因此不會受氣阻的影響而轉動。 因而，一旦針對再生汲取機構14選定馬達34的功率及轉矩 特性，僅需較小的額外容積，因此馬達亦符合分子汲取機 構12的需要。換句話說，常用於分子汲取機構的2〇〇瓦馬達 相較於馬達34(較佳為2kw)具有很小的功率。在習知技術 中，一般的馬達不具足夠的功率，無法藉由控制泵的轉速 來改變室體内的壓力。然而，由於選擇大功率的馬達來驅 動再生汲取機構14，因此可使用額外的功率來控制分子汲 取機構的轉速並控制壓力。 典型的分子汲取機構在啟動空前先被抽空。在習知技術 中，使用支持汲取機構的目的即在於此。由於支持汲取機 構及渦輪汲取機構聯繫到真空汲取裝置1〇的相同驅動軸， 因此無法達成上述的啟動。依此，真空汲取機構形成真空 O:\89\89850.DOC -13- 200416352 沒取系統的一部分，直允、、Λ兩么"a 一二汲取糸統包括額外的抽氣機構， =便在啟動前至少將渴輪〉及取機構抽至—預定㈣力。較 、在啟動則將4輪汲取機構的麼力抽成低於卿毫巴。 軚方便的’在啟動前將整個真空汲取裝置，如圖4及圖$所 不，抽至低屢。抽氣系統可由額外的果來提供，雖然此種 方式非較佳者’因額外的泵會增加系統的成本。當在半導 體製程系統中使用汲取裝置lQ時，可方便地使用泵或具有 載鎖（load-lock)室體的汲取系統。圖4顯示一半導體製程系 統的配置，其中使用載鎖泵74來從載鎖室體％抽出氣體。 在載鎖泵74及載鎖室體76提供—_。載鎖㈣經由闕8〇 連接至汲取裝置的排放口。在汲取裝置1()之排放心的下 游處進一步提供一閥82。在啟動時，關閉閥78及82，並開 啟閥80。載鎖泵74運轉來從汲取裝置赚出氣體，藉此從 ㈣汲取機構16抽出氣體。在—般操作中’開啟閥Μ·， 並關閉閥80。裝置10運轉以排出真空室84中的壓力。 變換的，真空没取裝置10可如圖5的方式啟動。額外的抽 氣機構包括一高壓氮氣供應機構，其經由閥88連接至喷射 泵90。將閥88開啟以將高壓氮射出來排出裝置⑺的壓力， 並因而排放渦輪分子汲取16的壓力。氮氣為反應性較低的 氣體，且不會污染到系統。 雖然可在啟動前排出汲取裝置1〇的壓力，但亦可在啟動 後排出該裝置的壓力，雖然可以啟動，但若未實施排放， 則將無法達到適當的轉速。 以下描述本發明的三個進一步的實施例。為了簡化，僅 O:\89\89850.DOC -14- 200416352 描述與第一實施例不同的相 的相關4件，而相同的部件將使用 同樣的參考標號。 圖6顯示-真空沒取褒置1〇〇，其包括一主動磁性軸承， 其中在驅動軸32上安裳_磁性軸承“的圓柱狀磁極，並在 外殼22上設置類似的磁極。渦輪分子汲取機構的轉子體52 為碟狀& 相車乂於第—實施例，縮+整個裝置_的尺寸。 在圖7中，顯示一真空汲取裝置200 ,其中渦輪分子汲取 機構12包括兩㈣輪分子沒取段16。區段92在兩個渴輪區 段16間從外殼徑向地朝内延伸。 在圖8中’顯示一真空汲取裝置3〇〇，其中省略分子拖矣 機構20。 【圖式簡單說明】 圖1為真空汲取裝置的簡單剖面圖。 圖2顯示圖1之再生汲取裝置的部分放大圖。 圖3為控制系統的圖示。 圖4為真空汲取系統的簡圖。 圖5為另一真空汲取系統的簡圖。 圖6-8進一步顯示真空汲取系統的簡圖。 【圖式代表符號說明】 10 真空汲取裝置 12 分子汲取機構 14 支持沒取機構 16 渦輪分子汲取機構 18 分子拖^汲取機構 O:\89\89850.DOC -15- 200416352 20 22 ， 24 ， 26 28 30 32

ο ο J J 34 35 3 6 37 38 40 42 44 46 48 52 54 56 60 62 64 66 68 拖^ >及取機構 分離部件 凹槽 軸承 驅動軸 室體 壓力計 馬達 轉子體 控制器 轉子葉板 汲取通道 入口 排氣口 拖曳筒 定子部位 轉子體 磁性軸承 筒狀部位 支持環 拖曳筒 定子部位 内壁 出口 O:\89\89850.DOC -16- 200416352 70 入口 74 載鎖泵 76 載鎖室體 84 真空室 78 ， 80 ， 82 ， 88 閥 90 喷射泵 100 真空汲取裝置 200 真空汲取裝置 300 真空汲取裝置 O:\89\89850.DOC -17

Claims (1)

1. 200416352 拾、申請專利範圍： I . 勺括一八^、 工一室體内的壓力，該袈置 包括 刀子汲取機構，一支拄a 兮八早π ^ 、及取機構，以及用以控制 μ刀子及取機構及該支持汲取 媸，亏Φ垃、η 機構轉速的一控制機 構δ亥支持汲取機構由一馬達所壬 # ^八i、 斤驅動，該馬達同步地轉 動该刀子汲取機構及該支持沒取機構。 2.如申請專利範圍第i項之真 i ^ 取裒置，其中分子汲取 機構及支持汲取機構由一共 的驅動軸所驅動，該驅動 軸由該馬達所驅動。 3. 4· 5· 6. 如申請專利範圍第丨項之真空 久取衷置，其中該分子汲 取機構包括分子拖髮汲取機構。 如申請專利範圍第3項之直空 貝<具工及取裝置，其中該分子拖 矣>及取機構包括Holweck汲取機構。 如申請專利範圍第4項之直命匁兩壯π 只之具工〆及取裝置，其中該liolweck 汲取機構的H〇lweck圓柱係由碳纖強化材料所製成。 如申請專利範圍第i項之真空汲取裝置，其中該分子沒 取機構包括渦輪分子汲取機構。 7·,申請專利範圍第}項之真空汲取裝置，其中支持汲取 機構為一再生汲取機構。 8·如中請專利範圍第！項之真空汲取裝置，其中該控制機 構包括用以量測一室體麼力的機構，以及依據量測的遷 力來改變裝置轉速的機構。 9‘ —種㈣-室體内壓力的方法，該室體連接至―真空沒 取裝置的人π ’該真空没取裝置包括—支持沒取機構， O:\89\89850.DOC 200416352 一分子沒取機構及用以驅動該支持 達’該方法包括使用該馬達來控制該分 速’藉此控制該室體的壓力。 沒取機構的一馬 子沒取機構的轉 10. 如申請專利範圍第9項 該分子汲取機構耦合至 用馬達來控制該共同驅 壓力。 之方法，其中該支持汲取機構及 一共同的驅動軸，該方法包括使 動軸的轉速，藉此控制該室體的 O:\89\89850. DOC -2-