TWI532920B - 真空幫浦 - Google Patents

Description

真空幫浦

本發明係關於真空幫浦，且特定言之，本發明係關於真空幫浦中之軸密封配置之改良處。

真空幫浦廣泛用於工業製程以為產品(其包含半導體器件、平板顯示器及太陽能面板)之製造提供乾淨及/或低壓環境。在諸如化學氣相沈積或蝕刻之製程期間，處理氣體係經供應至處理腔室。隨後使用真空幫浦自處理腔室泵送任何未消耗之處理氣體。此等氣體可係腐蝕性的或者對幫浦之組件有害，導致腐蝕、增加之磨損或受限之工作壽命。

真空幫浦之外殼提供定子，在幫浦之使用期間驅動軸及轉子在外殼內旋轉。該定子包括具有氣體入口及氣體出口之泵送腔室，且在使用中，該轉子或該等轉子旋轉以在相對低壓下在入口處截獲氣體，在旋轉期間壓縮氣體並在相對高壓下在出口處排出氣體。在一些配置中，定子可提供串聯或並聯之複數個泵送腔室。

在單級幫浦之情況下，驅動軸延伸穿過一橫向壁中之軸鑽孔，該橫向壁使馬達與齒輪總成在泵送腔室之一軸向側上與該泵送腔室分離。在多級幫浦之情況下，橫向壁亦可延伸於泵送腔室之間。鄰近馬達與齒輪總成之橫向壁通常被稱為頂板。軸密封配置係經設置用於密封軸與橫向壁之間的軸鑽孔以用於防止或抵抗氣體自泵送腔室通過。此類型之幫浦可係魯式(roots)幫浦或爪式幫浦。

圖1繪示(舉例而言)一魯式幫浦中之一軸密封配置10之通用組態。一真空幫浦之軸2通過頂板6中之一軸鑽孔。一轉子4係經支撐用於藉由該軸2而該頂板6背面且在一泵送腔室中旋轉。一窄軸向空隙存在於該轉子4之背面與該頂板6之正面之間。較佳的是使該軸向空隙儘可能小以減少自一高壓區域3至一低壓區域1之洩漏，(雖然實務上該軸向空隙之大小之減小係受製造容限限制)並容許在使用期間該轉子及該頂板之熱膨脹。一密封配置係設於該軸鑽孔中並包括一唇緣16，其自該頂板延伸並歸因於內部偏壓而經調適以壓抵於該軸以密封該軸2與該頂板6之間之間隙。

當該轉子4旋轉時，該轉子4自該入口處之一低壓區域1拖拽流體至該出口處之一高壓區域3或排出。即使該轉子與該頂板之間之該軸向空隙很小，氣體仍會自該高壓側洩漏至該低壓側。在這點上，如由箭頭5所示洩漏穿過該軸向空隙之氣體進入該軸鑽孔。一些氣體將圍繞該軸通過(如由彎曲箭頭所示)並如由箭頭7所示繼續穿過該軸向空隙。進入該軸鑽孔之其他氣體可在離開該軸鑽孔之前與該密封唇緣16接觸。若氣體係腐蝕性的，則其會腐蝕該密封唇緣16。在該唇緣16與該軸之間通過之一密封淨化劑9之引進會稍微稀釋該處理氣體但稀釋效果係最小的。在圖1中，箭頭5表示該處理氣體之反向洩漏而箭頭7表示混合之反向洩漏及密封淨化劑流。

測試已顯示當透過一已知真空泵送系統泵送空氣時，該密封唇緣處之氧濃度僅受一典型氮淨化劑影響。即使增加該淨化劑流超過通常所遇到之流僅減半在該頂板與該軸之間之空間中量測之O2濃度。若此結果係經施加至腐蝕性處理氣體(諸如氟)，則可推斷增加該氮淨化劑會因降低氟濃度而延長密封壽命。然而，其不可消除密封唇緣腐蝕達顯著位準。因此，亦可推斷出為減少非所欲腐蝕性氣體位準，需要顯著大體積之沖洗氣體。此增加該幫浦之運行成本。

因此，該密封配置在泵送腐蝕性氣體時遭受化學腐蝕且必須週期性地更換，造成幫浦停機時間並增加所有者之成本。

期望增加氮軸密封淨化劑系統之效力且因此提供較佳密封唇緣保護而無需氮軸密封淨化劑流率之一顯著增加。

根據本發明，提供有一種用於自一處理腔室泵送氣體之真空幫浦，該幫浦包括：一轉子，其經支撐用於藉一驅動軸而在一泵送腔室中旋轉，該軸延伸穿過橫向延伸至該驅動軸之該泵送腔室之一壁中之一軸鑽孔；及一密封配置，其設於該軸與該橫向壁之間以用於抵抗氣體通過該軸鑽孔，其中在該轉子旋轉時，氣體係自該泵送腔室之一入口處之一低壓區域泵送至該泵送腔室之一出口處之一高壓區域，且其中該轉子及該橫向壁係由一軸向空隙隔開，氣體之反向洩漏可沿著該軸向空隙自該高壓區域流動至該低壓區域，且用於反向洩漏之一額外洩漏路徑係經形成為隔開遠離該密封配置，氣體可沿著該額外洩漏路徑流動而無需與該密封配置接觸使得在該幫浦之使用期間接觸該密封配置之氣體量減少。

藉由提供自該泵送腔室之該高壓側至該泵送腔室之該低壓側之一洩漏路徑，該密封的壽命可延長而無需氮流之一大增加。亦不需要額外零件。在所有者之最小成本下增加之產品壽命或製造成本之增加提供一顯著優點。

又一優點在於本發明可對很多現有幫浦進行改進。

為了更清楚瞭解本發明，現將參考僅作為實例給出之隨附圖式。

參考圖2，顯示用於自一處理腔室(圖中未顯示)泵送氣體之一真空幫浦20。該幫浦20係經組態用於泵送在延長接觸時腐蝕該幫浦中之一密封配置之腐蝕性氣體。該幫浦亦可泵送雖然可能未腐蝕該密封唇緣但導致對該唇緣之損壞、限制該等密封配置使用壽命之氣體。

在此實例中，該幫浦係一魯式幫浦，其包括複數個泵送級22、24、26。該幫浦20包括各個泵送級之兩個轉子28、30，其等由各自驅動軸32、34支撐以用於在泵送腔室36、38、40中旋轉。該等泵送腔室係由該幫浦之壁42、44、46、48及外殼50界定。該等軸延伸穿過該等泵送腔室之該等橫向壁之每一者中之軸鑽孔52、54、56、58。該等橫向壁42、48係頂板。頂板48在最高壓力級26處並使馬達60及齒輪總成62與該泵送腔室40分離。軸承64支撐該等軸以用於旋轉。雖然圖2顯示具有複數個泵送級之一幫浦，但本發明適用於一單級幫浦。

圖3顯示圖2中顯示的區域III之一放大示意圖。應意識到本發明同樣適用於該橫向壁及軸32之配置。如圖3所示，一密封配置16係設於該軸34與該橫向壁48之間以用於抵抗氣體通過該軸鑽孔至如圖3所示之右邊。在該轉子30旋轉時，氣體自該泵送腔室40之一入口處之一低壓區域1被泵送至該泵送腔室之一出口處之一高壓區域3。

該轉子30及該橫向壁48係由一軸向空隙隔開，氣體之反向洩漏可沿著該軸向空隙自該高壓區域3流動至該低壓區域1。一個或多個洩漏路徑8、10、12、14係經形成，氣體可沿著該等洩漏路徑流動而無需與該密封配置接觸使得在該幫浦之使用期間接觸該密封配置之氣體量減少。

如圖3所示，該密封配置包括一彈性密封唇緣16，其自該橫向壁48延伸並歸因於其內部偏壓而壓抵於軸34。

應意識到該等洩漏路徑係經隔開遠離該密封唇緣使得當氣體在該密封唇緣之一方向流動時，至少一些氣體係沿著一不同路線推進使得氣體不會接觸該密封唇緣且不會導致該密封唇緣之腐蝕。以此方式，與該密封唇緣接觸之氣體量減少。

較佳地，該洩漏路徑提供至接觸該密封配置之氣體之一流徑之一優先流徑。亦即，在氣體通常可在不存在一個或多個該等洩漏路徑下流動以與該密封配置接觸之處，一洩漏路徑之存在給予氣體遠離該密封配置之一較佳路線。

一洩漏路徑可形成於該轉子之一軸向端面、該橫向壁之一軸向端面、該軸鑽孔或該軸之一者或多者中。該洩漏路徑可包括一凹槽(其可如圖所示為環形)，或可包括穿過該等組件之一者之一鑽孔。

舉例而言，在反向洩漏期間，氣體首先沿著該軸向空隙流動，如由箭頭5所指示。當該氣體到達該轉子之該軸向端面中之環形凹槽10時，相較於沿著相對窄軸向空隙的流動阻力，由該環形凹槽10提供較小流動阻力。此外，相較於沿著該軸向凹槽之壓力與該軸鑽孔中之壓力之間之壓力差異，較大之一壓力差異可存在於該環形凹槽之高壓部與該凹槽之低壓部之間。應注意在此點上，且如下文更詳細所解釋，沖洗氣體係經噴射入該軸鑽孔內，此增加軸鑽孔壓力。因此，相較於流入該軸鑽孔的氣體，更多氣體流動穿過環形凹槽10(如由箭頭17所示)。頂板48之該軸向端面中之環形凹槽8提供一類似功能。

當該洩漏路徑形成於該轉子之一軸向端面或該橫向壁之一軸向端面之一者或兩者中時，該洩漏路徑旁通該軸鑽孔。以此方式，該洩漏路徑減少進入該軸鑽孔之處理氣體之量並因此進一步降低與該密封配置接觸之可能性。

舉另外的實例，如上文所指示，氣體首先沿著該軸向空隙流動，如由箭頭5所指示。當該氣體到達該軸之外表面中之環形凹槽12時，相較於繼續沿著該軸與該頂板之間之該相對窄徑向空隙流動的流動阻力，由該環形凹槽10提供較小流動阻力。在此點上，應注意該徑向空隙在該等圖式中被放大且通常小於1 mm。亦應注意相較於在沿著該軸鑽孔之不同部之壓力之間之壓力差異，較大之一壓力差異存在於該環形凹槽12之高壓部與該凹槽之低壓部之間。亦應注意在此點上，且如下文更詳細所解釋，沖洗氣體係經噴射入該軸鑽孔內且該軸鑽孔中之壓力最接近該密封唇緣。因此，相較於流動朝向該密封唇緣的氣體，更多氣體流動穿過環形凹槽12。頂板48之內表面中之環形凹槽14提供一類似功能。

驅動軸中之環形凹槽可形成於該驅動軸自身中或形成於經定位圍繞該驅動軸並固定至該驅動軸之一軸環中。轉子中之該環形凹槽可形成於該轉子自身中或形成於經定位圍繞該軸並相對於該轉子固定之一板中。

圍繞該軸鑽孔(諸如該頂板之面中之一環形凹槽)引進一洩漏路徑給予該反向洩漏一較不限制路徑，反向洩漏將較佳在至該密封配置之一路徑上依循此路徑。新穎或額外洩漏路徑可採用下列形式之至少一者或一組合：該頂板48之垂直面中之一個或多個凹槽8；該轉子30之面中之一個或多個凹槽10；該軸32中之一個或多個凹槽12；該軸鑽孔中之一個或多個凹槽14。然而，應瞭解本發明並不需要多於一個的洩漏路徑。圖2中繪示的該等路徑並非全部為執行本發明所必需。僅為了便利而將其等繪示於一個圖中。

增加之洩漏路徑之主要功能係建立相較於該轉子30之背面與該頂板48之正面之間之現有洩漏路徑具有均等或減少之氣體流動阻力之一洩漏路徑。

該幫浦包含輸送一沖洗氣體9(舉例而言氮)穿過該軸鑽孔並橫越該密封配置以用於減少處理氣體與該密封配置之接觸之構件。

已發現淨化劑及多個洩漏路徑之一組合係有利的。實行一實驗以藉由使100 slm空氣通過幫浦而測試軸密封位置中之氧濃度。此應等於可存在之氟(若使用)之相對濃度。二個軸密封淨化劑速率係用於各個組態：標準淨化劑流及一增加淨化劑流。測試三個組態：a)無洩漏路徑；b)形成於軸上的一洩漏路徑(在附接至該軸之一環密封件上)；及c)組合之二個洩漏路徑-一路徑在轉子軸上且一路徑在轉子之背面上。結果顯示於表1中。

如可見，當結合密封淨化劑氣流之一增加使用時，使用圍繞軸之一洩漏路徑降低密封處之氧之局部壓力達75%。使用二個洩漏路徑降低該密封處之氧之局部壓力達99%。

本發明有意引進圍繞軸鑽孔之一洩漏路徑以圍繞密封面轉回反向洩漏而非讓之流動橫越該密封面。本發明可對很多現有幫浦進行改進。

熟習此項技術者應瞭解本發明適用於任何被動往復式幫浦。

上文已參考一較佳實施例描述本發明。熟習此項技術者應瞭解可作出本發明之變化及修改而不背離如在隨附申請專利範圍中所陳述之本發明之範圍。

1．．．低壓區域

2．．．軸

3．．．高壓區域

4．．．轉子

6．．．頂板

8．．．洩漏路徑

9．．．沖洗氣體

10．．．洩漏路徑

12．．．洩漏路徑

14．．．洩漏路徑

16．．．唇緣

20．．．真空幫浦

22．．．泵送級

24．．．泵送級

26．．．泵送級

28．．．轉子

30．．．轉子

32．．．驅動軸

34．．．驅動軸

36．．．泵送腔室

38．．．泵送腔室

40．．．泵送腔室

42．．．壁

44．．．壁

46．．．壁

48．．．壁

50．．．外殼

52．．．軸鑽孔

54．．．軸鑽孔

56．．．軸鑽孔

58．．．軸鑽孔

60．．．馬達

62．．．齒輪總成

64．．．軸承

圖1係軸密封配置之通用組態之一示意圖；

圖2係一真空幫浦之一示意圖；及

圖3係一改良式軸密封配置之一組態之一示意圖。

1．．．低壓區域

3．．．高壓區域

8．．．洩漏路徑

9．．．沖洗氣體

10．．．洩漏路徑

12．．．洩漏路徑

14．．．洩漏路徑

16．．．唇緣

30．．．轉子

34．．．驅動軸

40．．．泵送腔室

48．．．壁

Claims (10)

1. 一種用於自一處理腔室泵送氣體之真空幫浦，該幫浦包括：一轉子，其藉一驅動軸支撐而在一泵送腔室中旋轉，該軸延伸穿過橫向延伸至該驅動軸之該泵送腔室之一壁中之一軸鑽孔，及一密封配置，其設於該軸與該橫向壁之間以用於抵抗氣體通過該軸鑽孔，其中在該轉子旋轉時，氣體係自該泵送腔室之一入口處之一低壓區域被泵送至該泵送腔室之一出口處之一高壓區域，且其中該轉子及該橫向壁係由一軸向空隙隔開，氣體之反向洩漏可沿著該軸向空隙自該高壓區域流動至該低壓區域，且用於反向洩漏之一額外洩漏路徑係經形成為隔開遠離該密封配置，且該額外洩漏路徑提供給接觸該密封配置之氣體之一流徑之一優先流徑，氣體可沿著該額外洩漏路徑流動而無需與該密封配置接觸使得在該幫浦之使用期間接觸該密封配置之氣體量減少。
2. 如請求項1之真空幫浦，其中該額外洩漏路徑係形成於該轉子之一軸向端面、該橫向壁之一軸向端面、該軸鑽孔或該軸之一者或多者中。
3. 如請求項1之真空幫浦，其中該額外洩漏路徑係形成於該轉子之一軸向端面或該橫向壁之一軸向端面之一者或兩者中並旁通該軸鑽孔。
4. 如請求項1之真空幫浦，其中該額外洩漏路徑採用至少一凹槽之形式。
5. 如請求項1之真空幫浦，其包含輸送一沖洗氣體穿過該軸鑽孔並橫越該密封配置以用於減少處理氣體與該密封配置之接觸之構件。
6. 如請求項5之真空幫浦，其中該沖洗氣體係氮。
7. 一種用於如請求項1之一真空幫浦之真空幫浦轉子，該轉子包括一轉子鑽孔，該轉子鑽孔用於容置該馬達之一驅動軸使得該轉子可由該驅動軸驅動，該轉子包括圍繞該轉子鑽孔之一環形凹槽以用於導引圍繞該幫浦之一軸鑽孔之處理氣體之反向洩漏，一密封配置位於該軸鑽孔中以用於減少該處理氣體與該密封配置之接觸。
8. 一種用於如請求項1之一真空幫浦以作為驅動軸之真空幫浦軸，該真空幫浦軸包括圍繞其圓周延伸之一環形凹槽使得當該真空幫浦軸在一泵送腔室之一軸向側上延伸穿過一幫浦之一橫向壁中之軸鑽孔時，該環形凹槽位於該軸鑽孔中使得在使用中該環形凹槽形成供處理氣體自該泵送腔室之一高壓區域至一低壓區域之一額外洩漏路徑，該額外洩漏路徑導引氣體遠離位於該軸鑽孔中以在該橫向壁與該軸之間用於密封的一密封配置。
9. 一種用於如請求項1之一真空幫浦之橫向壁，該橫向壁位於一幫浦中並在一泵送腔室之一軸向側上且包括：一軸鑽孔，一驅動軸可延伸穿過該軸鑽孔；及一環形凹槽，其用於形成自該泵送腔室之一高壓區域至一低壓區 域之處理氣體之一額外洩漏路徑，該額外洩漏路徑導引氣體遠離位於該軸鑽孔中以在該橫向壁與該軸之間用於密封的一密封配置。
10. 如請求項9之橫向壁，其中該環形凹槽係形成於該泵送腔室之一軸向側面上，且沿著該環形凹槽通過之處理氣體旁通該軸鑽孔。