TW201837310A - 泵抽單元及其用途 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種泵抽單元(1)，包含： 　　多階段乾式之前級真空泵(2)，包含串接的至少四泵抽階段(T1、T2、T3、T4、T5)， 　　其特徵在該泵抽單元(1)包含： 　　兩階段魯氏真空泵(3)，包含串接的第一及第二泵抽階段(B1、B2)，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)是在待泵抽氣體之流動方向上串接於該前級真空泵(2)之第一泵抽階段(T1)並且設於其上游處； 　　該兩階段魯氏真空泵(3)之該第一泵抽階段(B1)之體積位移對該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移的比率小於6，及 　　該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移對該前級真空泵(2)之該第一泵抽階段(T1)之體積位移的比率小於6。 　　本發明亦關於該泵抽單元(1)之用途。

Description

泵抽單元及其用途
本發明關於一種泵抽單元，包含多階段乾式前級真空泵及兩階段魯氏(Roots)真空泵，兩階段魯氏真空泵係與前級真空泵串接並且設於其上游處。本發明亦關於該泵抽單元之用途。
前級真空泵包含串接之許多泵抽階段，其中待泵抽之氣體流動於進氣口與輸送端之間。習知前級真空泵之獨特型式因此包括具有旋轉葉片者，即具有兩或三葉片之習知魯氏(Roots)泵，及具有雙爪者，即習知爪式泵。
前級真空泵包含具有相同輪廓之兩轉子，並且在一定子內以相反方向旋轉。在旋轉期間，待泵抽之氣體陷滯於由轉子與定子掃掠過之體積中，並且由轉子朝向下一階段推進，及隨後逐步推進到真空泵之輸送端。操作是在轉子與定子之間沒有任何機械式接觸下進行，所以在泵抽階段中並無油。依此方式，即可達成習知乾式泵抽。
為了改善泵抽性能，特別是流動率，故使用魯氏真空泵(俗稱為魯氏增壓泵)，其與前級真空泵串接並且裝設於其上游處。魯氏真空泵之體積位移大約二十倍於前級真空泵之體積位移。
在一些應用上，像是半導體製造業中之薄膜生產應用、或CVD(化學氣相沈積)應用，皆需要高泵抽性能，特別是用於53 Pa與266 Pa之間的操作壓力範圍、50 Pa.m3 .s-1 與170 Pa.m3 .s-1 之間的連續泵抽流動量。特別是，目標在此操作範圍中取得大約3000 m3 /h的最大泵抽流動率。
一項嘗試達成這些泵抽能力的解決方式為使用一具有所需體積位移之魯氏真空泵，以達成3000 m3 /h，其串接於一具有大約300 m3 /h體積位移之前級多階段真空泵。魯氏真空泵之體積位移因此大約十倍於前級多階段真空泵之體積位移。惟，針對在CVD應用操作範圍內之壓力、以及在極限壓力下，即發現此裝置中有泵抽性能上之重大損失。再者，此泵抽裝置係高能耗，同樣需要限制耗電。
使用魯氏真空泵串接並且裝設於前級多階段真空泵上游處仍然未能提供令人滿意的解決方式。這是因為此配置方式昂貴且笨重，使用兩具馬達也造成機械損失及導致耗電的結果。
因此，本發明之一目的在提供一種泵抽單元，其在CVD應用之操作範圍內、以及在極限壓力時有較佳的泵抽性能，同時有最少的耗電。
針對此目的，本發明提出一種泵抽單元，包含：
多階段乾式之前級真空泵，包含串接的至少四泵抽階段，
其特徵在該泵抽單元包含：
兩階段魯氏真空泵，包含串接的第一及第二泵抽階段，該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段是在待泵抽氣體之流動方向上串接於該前級真空泵之第一泵抽階段並且設於其上游處；
該兩階段魯氏真空泵之該第一泵抽階段之體積位移對該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之體積位移的比率小於6，及
該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之體積位移對該多階段乾式前級真空泵之該第一泵抽階段之體積位移的比率小於6。
藉由泵抽單元之此架構及這些度量，可以在所想要的操作範圍內取得最大泵抽性能，即壓力在53 Pa與266 Pa之間，且流動量可以持續泵抽高達170 Pa.m3 .s-1 。
在極限真空時之泵抽性能亦令人滿意，即低於0.1 Pa時。
此外，無論在極限真空或在所想要的CVD應用操作範圍內，耗電減到最小。
根據泵抽單元之一或多個特徵，以個別或組合考量時：
該兩階段魯氏真空泵之該第一泵抽階段之體積位移大於或等於3000 m3 /h，例如在3500 m3 /h與5000 m3 /h之間，
該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之體積位移大於或等於500 m3 /h，例如在500 m3 /h與1000 m3 /h之間，
該兩階段魯氏真空泵之該第一泵抽階段之體積位移對該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之體積位移的比率小於5.5，例如在4.5與5.5之間，
該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之體積位移對該多階段前級真空泵之該第一泵抽階段之體積位移的比率小於或等於5，
該前級真空泵之該第一泵抽階段之體積位移大於或等於100 m3 /h，例如在100 m3 /h與400 m3 /h之間，
該前級真空泵之該第一泵抽階段之體積位移對該前級真空泵之該第二泵抽階段之體積位移的比率小於或等於3，
該兩階段魯氏真空泵之該第一泵抽階段之體積位移對該前級真空泵之該第三泵抽階段之體積位移的比率小於或等於120，
該前級真空泵之最後泵抽階段之體積位移對該前級真空泵之倒數第二泵抽階段之體積位移的比率小於或等於2，
該前級真空泵包含串接的至少五泵抽階段，
該泵抽單元進一步包含通道，其連接該兩階段魯氏真空泵之進氣口至該兩階段魯氏真空泵之該第二泵抽階段之入口，該通道包含釋壓模組(亦稱為旁路)，係建構成一旦該進氣口與該第一泵抽階段之輸送端之間的壓力差超過預定值時即開啟。
本發明亦提出上述泵抽單元用於泵抽出半導體製造裝置之殼體外的用途，其中，該泵抽單元用於控制該殼體內之壓力在53 Pa與266 Pa之間，且該殼體中之泵抽氣體流動量在50 Pa.m3 .s-1 與170 Pa.m3 .s-1 之間。
在這些圖式中，相同元件具有相同參考編號。文後之實施例為範例。儘管說明書是關於一或多個實施例，其不必然是指各項參考皆關於相同實施例，或諸特徵僅可應用於單一實施例。不同實施例之單純特徵也可以組合或交換以提供其他實施例。
「體積位移」一詞是指相當於真空泵之轉子與定子之間之掃掠體積乘以每秒轉數的容量。
「極限壓力」一詞是指一泵抽裝置在無泵抽氣流時所取得之最小壓力。
「乾式前級真空泵」一詞是指一在大氣壓力下使用兩轉子抽取、轉移及隨後輸送待泵抽氣體的正位移真空泵。轉子藉由前級真空泵之一馬達旋轉而驅動。
「魯氏真空泵(亦稱為魯氏增壓泵)」一詞是指一使用魯氏轉子抽取、轉移及隨後輸送待泵抽氣體的正位移真空泵。魯氏真空泵係與前級真空泵串接並且設於其上游處。魯氏轉子藉由魯氏真空泵之一馬達旋轉而驅動。
「上游」一詞是指一元件相關於氣體流動方向而設於另一元件之前。反之，「下游」一詞是指一元件相關於待泵抽氣體流動方向而設於另一元件之後，上游元件所在之壓力低於下游者，即後者有較高壓力。
圖1揭示一泵抽單元1之示意圖。
泵抽單元1例如使用半導體製造業之裝置100中(如圖6)。泵抽單元1例如連接於一使用在薄膜生產或CVD(化學氣相沈積)應用中的殼體101，其操作範圍包含53 Pa與266 Pa之間的壓力且殼體101之泵抽氣體流動量通常在50 Pa.m3 .s-1 與170 Pa.m3 .s-1 之間。
泵抽單元1包含多階段乾式之一前級真空泵2及兩階段魯氏真空泵3(或兩階段增壓泵)，兩階段魯氏真空泵係與前級真空泵2串接並且設於其上游處。
本文內所示之前級真空泵2包含五泵抽階段T1、T2、T3、T4、T5，係串接於前級真空泵2之一進氣口4與一輸送端5之間，待泵抽之氣體可在諸階段中流動。
各泵抽階段T1至T5包含個別入口及出口。連續式泵抽階段T1至T5係藉由個別之內階段通路6彼此串接，內階段通路將前一泵抽階段之出口(或輸送端)連接至後一泵抽階段之入口(或進氣口)(參閱圖2)。內階段通路6例如側向配置於真空泵2之一主體8中，即一用於容置轉子10的中央殼體9的任一側上。第一泵抽階段T1之入口連通真空泵2之進氣口4且最末泵抽階段T5之出口連通真空泵2之輸送端5。泵抽階段T1至T5之定子形成真空泵2之主體8。
前級真空泵2包含兩旋轉葉片轉子10，延伸至泵抽階段T1至T5內。轉子10之軸桿係藉由前級真空泵2之一馬達M1從輸送階段T5側驅動(參閱圖1)。
轉子10具有相同輪廓之葉片。所示之轉子為魯氏型(截面具有8字形或扁豆形)。顯然，本發明同樣適用於其他類型之乾式多階段前級真空泵，像是爪型、螺旋型或螺絲型者、或是以其他類似正位移真空泵原理操作者。
轉子10係呈角度偏差並且驅動成在各階段T1至T5之中央殼體9內以同步、相反方向環繞。在旋轉期間，從入口抽入之氣體陷滯於由轉子10與定子掃掠過的體積中，並且隨後由轉子朝向下一階段驅送(氣體之流動方向係由圖1及2中之箭頭G表示)。
前級真空泵2被稱作「乾式」是因為操作時轉子10在定子內環繞，並且未與定子有任何機械式接觸，因此在泵抽階段T1至T5中無油。
泵抽階段T1至T5具有一掃掠體積，亦即泵抽氣體量，其隨著泵抽階段減少(或相等)，第一泵抽階段T1具有最高體積位移且最末泵抽階段T5具有最低體積位移。
前級真空泵2之輸送壓力等於大氣壓力。前級真空泵2進一步包含一設於最末泵抽階段T5之出口處的止回閥，即輸送端5，以防止被泵抽的氣體回流至真空泵2內。
一兩階段魯氏真空泵3概略揭示於圖3。
如同前級真空泵2者，魯氏真空泵3係正位移真空泵，其使用兩轉子以抽入、轉移及隨後輸送待泵抽之氣體。
兩階段魯氏真空泵3包含第一及第二泵抽階段B1、B2，係串接於一進氣口11與一輸送端12之間，待泵抽之氣體可以在這些階段中流動。
各泵抽階段B1、B2包含個別入口及出口，第二泵抽階段B2之入口16(或進氣口)藉由一內階段通路13連接於第一泵抽階段B1之出口(或輸送端)。第一泵抽階段B1之出口與泵抽單元1之進氣口11連通，且第二泵抽階段B2之出口(輸送端12)連接於前級真空泵2之進氣口4。
魯氏真空泵3包含兩旋轉葉片轉子14，延伸至泵抽階段B1、B2內。轉子14之軸桿係藉由魯氏真空泵3之一馬達M2驅動(參閱圖1)。
轉子14具有魯氏型之相同輪廓之葉片。
轉子14係呈角度偏差並且驅動成在形成各階段B1、B2之中央殼體內以同步、相反方向環繞。在旋轉期間，從入口抽入之氣體陷滯於由轉子與定子掃掠過的體積中，並且隨後由轉子朝向下一階段驅送(氣體之流動方向係由圖1及3中之箭頭G表示)。
魯氏真空泵3被稱作「乾式」是因為操作時轉子10在定子內環繞，並且未與定子有任何機械式接觸，因此在泵抽階段B1至B2中無油。
魯氏真空泵3不同於前級真空泵2之處主要在於泵抽階段B1、B2之體積較大，由於其較大泵抽量、容差、較大間隙度，及在於魯氏真空泵3不以大氣壓力輸送，而是必須使用在一前級真空泵之上游處的一系列配置中。
泵抽單元1進一步包含一通道15，將魯氏真空泵3之進氣口11連接於魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之入口16。
通道15包含一釋壓模組17，像是止回閥或控制閥，建構成一旦第一泵抽階段B1之進氣口11與輸送端之間的壓力差超過一預定程度時即開啟，例如在5.103 Pa與3.104 Pa之間。
釋壓模組17之開啟使過量之氣體可以從第一泵抽階段B1之輸送端循環流向魯氏真空泵3之進氣口11。此循環發生在殼體101之壓力降到大氣壓力以下時，因為泵抽啟始時有高氣體流量。此避免高壓在第一泵抽階段B1之輸送端產生而造成過量加熱第一及故障的危險性。
魯氏真空泵3之泵抽階段B1之體積位移對魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之體積位移的比率小於6，例如小於5.5或是在4.5與5.5之間。
兩階段魯氏真空泵3之第一泵抽階段B1之體積位移例如大於或等於3000 m3 /h，例如在3500 m3 /h與5000 m3 /h之間。
兩階段魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之體積位移例如大於或等於500 m3 /h，例如在500 m3 /h與1000 m3 /h之間。
魯氏真空泵3之第一泵抽階段B1之體積位移例如大約4459 m3 /h。
魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之體積位移例如大約876 m3 /h。
第一泵抽階段B1之體積位移對第二泵抽階段B2之體積位移的比率大約為5.1。
此外，魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之體積位移對前級真空泵2之第一泵抽階段T1之體積位移的比率小於6，例如小於或等於5。
前級真空泵2之第一泵抽階段T1之體積位移例如大於或等於100 m3 /h，例如在100 m3 /h與400 m3 /h之間。
前級真空泵2之第一泵抽階段T1具有例如大約187 m3 /h之體積位移。
第二泵抽階段B2之體積位移對第一泵抽階段T1之體積位移的比率因此等於大約4.7。
前級真空泵2之第一泵抽階段T1之體積位移對前級真空泵2之第二泵抽階段T2之體積位移的比率例如小於或等於3。
第二泵抽階段T2具有例如大約93 m3 /h之體積位移。第一泵抽階段T1之體積位移對第二泵抽階段T2之體積位移的比率因此大致上等於2。
兩階段魯氏真空泵3之第一泵抽階段B1之體積位移對前級真空泵2之第三泵抽階段T3之體積位移的比率例如小於或等於120。前級真空泵2之至少最末兩泵抽階段T4、T5、T6可以有相同體積位移。
前級真空泵2之最末泵抽階段T5之體積位移對前級真空泵2之倒數第二泵抽階段T4之體積位移的比率例如小於或等於2。
前級真空泵2之末三泵抽階段T3、T4、T5具有例如大約44 m3 /h之體積位移。後級兩階段魯氏真空泵3之第一泵抽階段B1之體積位移對前級真空泵2之第三泵抽階段T3之體積位移的比率因此等於大約101.3。前級真空泵2之最末泵抽階段T5之體積位移對前級真空泵2之倒數第二泵抽階段T4之體積位移的比率在此例子中即等於1。
具有相同體積位移之前級真空泵2的最末泵抽階段T4、T5、T6可以達成簡化製造並且減低成本。
泵抽單元1之此項設計可以達成將泵抽性能最佳化，此在CVD方法中之操作範疇中為最佳。在極限真空時之泵抽性能亦令人滿意。此外，無論在極限真空或操作壓力時，耗電量皆減到最小。
藉由查看圖4及5中之圖表比較容易瞭解，圖中揭示根據本發明之泵抽單元1及習知技術泵抽裝置的泵抽性能。
曲線A為習知技術泵抽裝置的泵抽速度之曲線，其為壓力的函數，習知技術泵抽裝置包含一單一階段魯氏真空泵，具有4459 m3 /h之估測體積位移，係與一具有510 m3 /h之估測體積位移的前級真空泵串接並且設於其上游處。
此泵抽裝置可以達到大約3000 m3 /h的泵抽速度，壓力在13 Pa與26 Pa之間(或0.1 Torr和0.2 Torr)。然而，超過53 Pa(或0.4 Torr)時，性能急遽下降，所以泵抽裝置之性能不適於理想操作範圍(即圖4及5中之圖表上的標記Pf)。壓力低於13 Pa(或0.1 Torr)(極限真空)時的泵抽速度並不盡理想。再者，在極限壓力時之耗電量大約3.3 kW，其係偏高。
曲線B揭示習知技術泵抽裝置的泵抽性能為壓力的函數，習知技術泵抽裝置包含一單一階段魯氏真空泵，具有4459 m3 /h之估測體積位移，係與一具有260 m3 /h之估測體積位移的前級真空泵串接並且設於其上游處。
可以看出其在極限壓力時之泵抽性能優於曲線A之泵抽裝置者。惟，泵抽速度並未達到操作範圍Pf中之3000 m3 /h理想性能。
曲線C揭示習知技術泵抽裝置的泵抽性能，其為壓力的函數，習知技術泵抽裝置包含一具有4459 m3 /h之估測體積位移的魯氏真空泵，係與一具有510 m3 /h之估測體積位移的前級真空泵串接並且設於其上游處。具有109 m3 /h之估測體積位移的曲線C之泵抽裝置之前級真空泵之最末泵抽階段的設計係遠優(大或高)於具有大約58 m3 /h之估測體積位移的曲線A之泵抽裝置者。
經發現在操作範圍Pf中其泵抽性能大致上優於曲線B之泵抽裝置。然而，在操作範圍中泵抽速度並未達到3000 m3 /h而且減少，在極限壓力時之耗電則遠高過(大約5.7 kW)，這是因為前級真空泵之最末泵抽階段的餘裕設計。再者，其在極限壓力時之泵抽性能並不理想。
曲線D揭示根據本發明之泵抽單元1的泵抽性能，其為壓力的函數，其中魯氏真空泵3之第一泵抽階段B1之體積位移大約為4459 m3 /h，魯氏真空泵3之第二泵抽階段B2之體積位移大約為876 m3 /h，前級真空泵2之第一泵抽階段T1具有一大約為187 m3 /h之體積位移，前級真空泵2之第二泵抽階段T2具有一大約為93 m3 /h之體積位移，及前級真空泵2之末三泵抽階段T3、T4、T5具有一大約44 m3 /h之體積位移。
經發現泵抽性能在理想操作範圍Pf中大約為3000 m3 /h最大值。
泵抽性能在極限真空時亦令人滿意。
再者，耗電量也令人滿意。在極限壓力時低於2.5 kW。
1‧‧‧泵抽單元
2‧‧‧前級真空泵
3‧‧‧兩階段魯氏真空泵
4‧‧‧進氣口
5‧‧‧輸送端
6‧‧‧內階段通路
8‧‧‧主體
9‧‧‧中央殼體
10‧‧‧轉子
11‧‧‧進氣口
12‧‧‧內階段通路
13‧‧‧內階段通路
14‧‧‧轉子
15‧‧‧通道
16‧‧‧入口
17‧‧‧釋壓模組
100‧‧‧裝置
101‧‧‧殼體
B1‧‧‧第一泵抽階段
B2‧‧‧第二泵抽階段
G‧‧‧氣體流動方向
M1、M2‧‧‧馬達
T1、T2、T3、T4、T5‧‧‧泵抽階段
本發明之其他特徵及優點可以從非限制性舉例之文後說明並配合附圖審閱後瞭解，其中： 　　圖1揭示泵抽單元之示意圖， 　　圖2揭示前級真空泵實施例之範例，其中僅說明操作所需之元件， 　　圖3揭示兩階段魯氏真空泵之示意圖，圖中揭示彼此相鄰之泵抽階段之截面，以便於瞭解， 　　圖4係圖表，揭示根據本發明泵抽單元及習知技術泵抽裝置之泵抽速度之曲線(單位：m3 /h)，其隨著壓力(單位：Torr(托))改變， 　　圖5係圖表，揭示泵抽氣流之曲線(單位slm，每分鐘標準公升)(1 slm=1.68875 Pa.m3 .s-1 )，其隨著圖4之泵抽單元及泵抽裝置之壓力(單位：Torr)改變，及 　　圖6揭示泵抽單元之用途範例。

Claims (11)

  1. 一種泵抽單元(1)，包含： 　　多階段乾式之前級真空泵(2)，包含串接的至少四泵抽階段(T1、T2、T3、T4、T5)， 　　其特徵在該泵抽單元(1)包含： 　　兩階段魯氏真空泵(3)，包含串接的第一及第二泵抽階段(B1、B2)，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)是在待泵抽氣體之流動方向上串接於該前級真空泵(2)之第一泵抽階段(T1)並且設於其上游處； 　　該兩階段魯氏真空泵(3)之該第一泵抽階段(B1)之體積位移對該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移的比率小於6，及 　　該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移對該前級真空泵(2)之該第一泵抽階段(T1)之體積位移的比率小於6。
  2. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第一泵抽階段(B1)之體積位移大於或等於3000 m3 /h。
  3. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移大於或等於500 m3 /h。
  4. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第一泵抽階段(B1)之體積位移對該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移的比率小於5.5。
  5. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之體積位移對該前級真空泵(2)之該第一泵抽階段(T1)之體積位移的比率小於或等於5。
  6. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該前級真空泵(2)之該第一泵抽階段(T1)之體積位移大於或等於100 m3 /h。
  7. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該前級真空泵(2)之該第一泵抽階段(T1)之體積位移對該前級真空泵(2)之該第二泵抽階段(T2)之體積位移的比率小於或等於3。
  8. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該兩階段魯氏真空泵(3)之該第一泵抽階段(B1)之體積位移對該前級真空泵(2)之該第三泵抽階段(T3)之體積位移的比率小於或等於120。
  9. 如申請專利範圍第1項之泵抽單元(1)，其中，該前級真空泵(2)包含串接的至少五泵抽階段(T1、T2、T3、T4、T5)。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之泵抽單元(1)，進一步包含通道(15)，其連接該兩階段魯氏真空泵(3)之進氣口(11)至該兩階段魯氏真空泵(3)之該第二泵抽階段(B2)之入口(16)，該通道(15)包含釋壓模組(17)，係建構成一旦該進氣口(11)與該第一泵抽階段(B1)之輸送端之間的壓力差超過預定值時即開啟。
  11. 一種如申請專利範圍第1至10項中任一項之泵抽單元(1)用於泵抽至半導體製造裝置(100)之殼體(101)外的用途，其中，該泵抽單元用於控制該殼體內之壓力在53 Pa與266 Pa之間，且該殼體(101)中之泵抽氣體流動量在50 Pa.m3 .s-1 與170 Pa.m3 .s-1 之間。
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