TWI826664B - 乾式真空泵及泵抽裝置 - Google Patents

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亞尼克 葛蘭爾
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法商普發真空公司
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Abstract

本發明關於一種乾式真空泵(1)，其包括輔助定子(13)，旋轉軸(4)中的至少一個旋轉軸通過輔助定子，- 入口通道(14)，設置有可控制入口閥(15)，將輔助定子(13)的入口(17)連接到與乾式真空泵(1)的出口(8)連通的泵級(3f)，以及- 至少一個輔助轉子(16)，由旋轉軸(4)所承載，當可控制入口閥(15)被命令以開啟時，輔助轉子(16)配置為使得其在輔助定子(13)中的旋轉在輔助定子(13)的入口(17)與出口(18)之間驅動要被泵抽的氣體，以降低泵級(3f)中的壓力。
本發明還關於泵抽裝置，其包括連接到乾式真空泵(1)的裝載閘。

Description

乾式真空泵及泵抽裝置
本發明關於乾式真空泵，例如，粗式真空泵(rough-vacuum pump)，例如，魯式(roots type)泵、爪式(claw type)泵、或螺旋式(screw type)泵。本發明還關於泵抽裝置，其包括連接到真空泵的裝載閘(loadlock)。
壓縮氣體所需的電能為真空泵的能量消耗的重要參數之一。在魯式或爪式的多級(multi-stage)粗式真空泵的情況下，此壓縮電力主要被用在最後兩個壓級。
裝載閘泵抽應用特別具有相對高的能量消耗。在基板排出到被維持在低壓力下的處理腔室中之前，裝載閘被使用來降低基板附近的壓力，以避免腔室中存在任何雜質。因此，基板的每一次裝載都需要交替地降低並接著升高裝載閘的封閉件中的壓力。在每一次降低壓力之後，裝載閘中的壓力保持為被降低的，直到基板被傳遞到處理腔室中。這些在低壓力下的閒置階段(idle phase)可為 相對長的，且在能量方面為成本高昂的。
用於減少電能消耗之已知的解決方式之一包括藉由外部泵抽裝置的幫助來降低在最後壓縮級中的壓力，例如，在裝載閘的這些閒置階段期間。
此外部泵抽裝置為，例如，射出器、膜片泵(diaphragm pump)、或轉葉泵(rotary vane pump)。
其缺點之一在於必須使用兩個不同的泵抽裝置，這可能造成笨重的泵抽系統，其使用複雜、成本高昂、或消耗電能或氣體。
本發明的一個目的在於提出一種乾式真空泵，其能夠至少部分地解決先前技術的缺點之一。
為此目的，本發明包含一種乾式真空泵，其包括：- 至少一個泵級(pumping stage)，- 兩個旋轉軸，分別承載在至少一個泵級中延伸的至少一個轉子，轉子被配置為沿著相反方向以同步方式轉動，以在真空泵的入口和出口之間驅動要被泵抽的氣體，其特徵在於，真空泵還包括：- 輔助定子，軸中的至少一個軸通過輔助定子，- 入口通道，設置有可控制入口閥，將輔助定子的入口連接到與真空泵的出口連通的泵級，以及- 至少一個輔助轉子，由軸所承載，當可控制入口閥 被命令以開啟時，輔助轉子被配置為使得其在輔助定子中的旋轉在輔助定子的入口和出口之間驅動要被泵抽的氣體，以降低泵級中的壓力，當可控制入口閥被命令以關閉時，至少一個輔助轉子和輔助定子從與出口連通的泵級被流體地隔離。
因此，當可控制入口閥被命令以開啟時，驅動真空泵的轉子之軸的旋轉亦被使用來驅動至少一個輔助轉子旋轉，以降低真空泵的出口泵級中的壓力。真空泵的電力消耗可接著被減少，而不需要在真空泵外部的泵抽裝置。當可控制入口閥被命令以關閉時，輔助轉子在不妨礙真空泵的操作的情況下在輔助定子中自行打開。因此，輔助泵級被繞過，且不再參與泵抽氣體。
命令可控制入口閥開啟亦使得出口泵級中的壓力能夠在精確的時刻以及所選擇的持續時間內降低。因此，可控制入口閥的使用獲得大的動作靈活性。
因此，真空泵為緊湊、容易安裝且容易控制的。
真空泵為，例如，粗式真空泵，其配置為在大氣壓力下排出氣體。轉子為，例如，魯式或爪式。
輔助定子的出口可藉由裝配有可控制出口閥的輔助出口通道被與真空泵的出口連通。藉由可控制出口閥，在至少一個輔助轉子未用於降低出口級中的壓力時，可能將至少一個輔助轉子維持在真空下。至少一個輔助轉子在沒有新進入氣體的情況下自行打開，消耗非常小的能 量或沒有消耗能量，且不會妨礙在真空泵的至少一個泵級中的泵抽。
真空泵可包括控制單元，其配置來命令可控制入口閥及/或可控制出口閥開啟，作為真空泵的入口壓力的測量、及/或由真空泵所消耗的電力之函數。
根據另一個範例，被連接到真空泵的封閉件(例如，裝載閘)包括可控制入口閥及/或可控制出口閥的控制裝置。這意味著，例如，當裝載閘處於閒置階段時，例如，在閒置階段的開始和結束超過預定的持續時間，命令可控制入口閥及/或可控制出口閥開啟。例如，一旦電力已下降到電力閾值之下，可控制閥亦可被命令以關閉。
根據第一實施例，輔助定子具有從中通過的兩個軸，真空泵包括被佈置在輔助定子中且由各個軸所承載的兩個輔助轉子，輔助轉子被配置為沿著相反方向以同步方式轉動。輔助轉子為，例如，魯式、螺旋式或爪式。在此實施例中，輔助定子類似於附加乾式泵級。
根據第二實施例，輔助定子被形成在真空泵的油箱(oil casing)中，真空泵包括由真空泵的同步傳動裝置的各個齒輪所形成的兩個輔助轉子，同步傳動裝置與輔助定子形成齒輪泵，同步傳動裝置進一步被配置為使軸的旋轉同步。在此實施例中，當需要降低出口級中的壓力時，已存在之用於軸的同步之同步傳動裝置被使用來作為附加泵抽裝置。
根據第三實施例，輔助轉子為轉葉泵轉子， 其與輔助定子形成被容納在真空泵的油箱的腔室中的轉葉泵。在此實施例中，具有整合的轉葉泵的真空泵能夠以非常良好的壓縮比降低出口級中的壓力。
本發明還包括泵抽裝置，其包括裝載閘，其特徵在於，泵抽裝置包括被連接到裝載閘之如上所述的乾式真空泵，以交替地降低和升高裝載閘中的壓力。
1:乾式真空泵
3a,3b,3c,3d,3e,3f:泵級
4:旋轉軸
5:轉子
6:同步傳動裝置
7:入口
8:出口
9:定子
10:油箱
11:主要出口通道
12:止回閥
13:輔助定子
14:入口通道
15:可控制入口閥
16:輔助轉子
17:入口
18:出口
19:控制單元
20:輔助出口通道
21:可控制出口閥
22:輔助定子
23:輔助轉子
24:輔助定子
25:腔室
26:葉片
27:液體潤滑劑
29:減壓閥
30:出口
31:齒輪
100:泵抽裝置
101:裝載閘
102:控制裝置
M:馬達
在閱讀本發明的一個例示但非限制性範例的說明以及從所附圖式，其他優點及特徵將變得清楚明瞭，其中：
[圖1]表示泵抽裝置的示意圖。
[圖2]表示圖1的裝置之根據第一實施例的乾粗式真空泵的示意圖。
[圖3]表示根據第二實施例的乾粗式真空泵的示意圖。
[圖4]顯示在油箱的水平處之圖3的真空泵的示意截面圖A-A。
[圖5]表示根據第三實施例的乾粗式真空泵的示意圖。
[圖6]顯示在油箱的水平處之圖5的真空泵之在截面A-A的示意圖。
以下的實施例為範例。雖然描述關於一個或多個實施例，這並不一定意味著每一個參照都涉及相同的實施例，或者特徵僅適用於單一個實施例。不同實施例的單一特徵亦可被結合或互換，以提供其他實施例。
粗式真空泵被定義為正排量(positive displacement)真空泵，其藉由兩個轉子的幫助抽吸、傳遞、以及接著在大氣壓力下排出要被泵抽的氣體。
圖1顯示泵抽裝置100，其包括裝載閘101以及連接到裝載閘101的乾式真空泵1，用於交替地降低及升高裝載閘101中的壓力。在基板排出到被維持在低壓力下的處理腔室中之前，裝載閘101被使用來降低基板附近的壓力，以避免在處理腔室中存在任何雜質。基板為，例如，平面顯示器、或光伏打基板(photovoltaic substrate)、或半導體晶圓、或半導體製造光罩。
乾式真空泵1為粗式真空泵，其配置為在大氣壓力下排出氣體。
如可在圖2中所見的，乾式真空泵1包括至少一個泵級3a-3f以及兩個旋轉軸4。
旋轉軸4分別承載在至少一個泵級3a-3f中延伸的至少一個轉子5。
在例示性範例中，乾式真空泵1包括在乾式真空泵1的入口7和出口8之間被串聯地安裝的複數個(例如，六個)泵級3a、3b、3c、3d、3e、3f，且要被泵抽的氣體能夠在其中循環。
每一個泵級3a-3f由容納轉子5的壓縮腔室所形成，腔室具有各自的入口及各自的出口。連續泵級3a-3f藉由各自的級間通道(inter-stage passage)一個接一個地被串聯地連接，級間通道將前一個泵級的出口連接到下一個泵級的入口。
在此類型的多級泵中，第一泵級3a亦被稱作抽吸級，其入口與乾式真空泵1的入口7連通。最後泵級3f亦被稱作排出級，其出口與乾式真空泵1的出口8連通，排出壓力大致上為環境(或大氣)壓力的等級。
在操作中，轉子5在每一級中沿著相反方向以同步方式轉動，以在入口7和出口8之間驅動要被泵抽的氣體。在旋轉的過程中，從入口被抽吸的氣體被捕捉在由乾式真空泵1的轉子5和定子9所產生的體積中，且接著被轉子5驅動朝向下一級(被泵抽的氣體的循環方向由圖1及2中的箭頭所示)。
轉子5，例如，具有帶有相同輪廓的葉片，例如，魯式，例如，帶有八字形或豆形的截面，或是爪式，或是螺旋式，或是根據另一個類似的正排量真空泵原理。
承載轉子5的旋轉軸4被乾式真空泵1的馬達M驅動。它們藉由被潤滑劑(其容納在乾式真空泵1的至少一個油箱10中)潤滑的軸承所支撐，且藉由同樣被潤滑的同步傳動裝置6來同步。旋轉軸4總是能在其中轉動的密封裝置從乾式泵抽部分隔離油箱10。
根據一個實施例，乾式真空泵1包括主要出口通道11，其將最後泵級3f的出口連接到出口8。止回閥12可被佈置在主要出口通道11中，以防止被泵抽的氣體回到乾式真空泵1中。
乾式真空泵1進一步包括輔助定子13、設置有可控制入口閥15的入口通道14、以及被佈置在輔助定子13中的至少一個輔助轉子16。
輔助定子13包括入口17及出口18。其使旋轉軸4中的至少一個軸從中通過。
入口通道14將輔助定子13的入口17連接到與乾式真空泵1的出口8連通的泵級3f，例如，在泵級3f的入口的水平處。在多級真空泵的情況下，此級在被泵抽氣體的流動方向上為最後級，或者，在單級螺旋式真空泵的情況下，此級由在被泵抽氣體的流動方向上之最終螺距所形成。
至少一個輔助轉子16被由通過輔助定子13的旋轉軸4所承載。其被配置為使得其在輔助定子13中的旋轉在輔助定子13的入口17和出口18之間驅動要被泵抽的氣體，以在可控制入口閥15被命令以開啟時，降低與出口8連通的泵級3f中的壓力。當可控制入口閥15被命令以關閉時，至少一個輔助轉子16及輔助定子13被從與出口8連通的泵級3f流體地隔離。
因此，驅動乾式真空泵1的轉子5之旋轉軸4的旋轉亦被使用來驅動至少一個輔助轉子16旋轉，以在可 控制入口閥15被命令以開啟時，降低乾式真空泵1的出口泵級3f中的壓力。乾式真空泵1的電消耗可接著被減少而不需要在乾式真空泵1外部的泵抽裝置。當可控制入口閥15被命令以關閉時，輔助轉子在不妨礙真空泵的操作的情況下在輔助定子中自行打開。因此，輔助泵級被繞過，且不再參與泵抽氣體。
乾式真空泵1為緊湊、容易安裝且容易控制的。
可控制入口閥15為，例如，氣動閥或電磁圈(solenoid)，例如，電磁或壓電閥，特別是開閉閥(on/off valve)：其為開啟或關閉的。
為了控制可控制入口閥15，乾式真空泵1可包括控制單元19，其包括一個或多個控制器、或微控制器、或處理器，以及記憶體。
例如，控制單元19配置為控制可控制入口閥15的開啟，作為乾式真空泵1的入口壓力的測量、及/或由乾式真空泵1所消耗的電力之函數。
為此目的，控制單元19監測壓力及/或電力閾值的交叉，例如，若乾式真空泵1的入口壓力與低壓力閾值交叉、及/或若馬達M的電力(或電流)在預定時間超過閾值。此狀態大致對應到裝載閘101在低壓力下的閒置階段，乾式真空泵1處於限制真空泵抽狀態(沒有氣體注入)或處於以低壓力泵抽低沖洗流的狀態。
根據另一個範例，裝載閘101包括用於可控 制入口閥15的控制裝置102，其能夠直接地控制可控制入口閥15、或被連接到乾式真空泵1的控制單元19以控制可控制入口閥15。
控制裝置102命令可控制入口閥15開啟，例如，當裝載閘101處於閒置階段時。控制裝置102可為信號(其來自，例如，電開關)或數字碼。
可命令可控制入口閥15開啟有限的時段，亦即，預定的持續時間，例如，少於五分鐘。可控制入口閥15可在閒置階段開始和結束時被觸發(被命令以開啟)。例如，一旦電力已下降到電力閾值之下，可控制入口閥15亦可被命令以關閉。
命令可控制入口閥15開啟使得出口泵段3f中的壓力能夠在精確的時間以及所選擇的持續時間內降低。因此，可控制入口閥15的使用達成了大的動作靈活性。
根據一個實施例，輔助定子13的出口18藉由設置有可控制出口閥21的輔助出口通道20被與乾式真空泵1的出口8連通。
例如，輔助出口通道20的出口沿著被泵抽氣體的流動方向在主要出口通道11的止回閥12的下游被連接到乾式真空泵1的出口8。主要出口通道11及輔助出口通道20的出口為獨立的。
可控制出口閥21的控制被與可控制入口閥15的控制連結：兩個閥(可控制入口閥15、可控制出口閥21)在相同的時間藉由相同的方式被命令以開啟及以關閉，可 能具有小的偏差，使得可控制出口閥21的關閉能夠剛好在可控制入口閥15之後，或可控制出口閥21的開啟能夠剛好在可控制入口閥15之前，以在隔離輔助定子13之前抽空輔助定子13的體積。
因此，可控制出口閥21可藉由控制單元19而被命令以開啟，例如，作為乾式真空泵1的入口壓力的測量、及/或由乾式真空泵1所消耗的電力之函數，或者，藉由裝載閘101的控制裝置102而被命令以開啟，例如，當裝載閘101處於閒置階段時。
因此，當其未被使用來降低出口級中的壓力時，至少一個輔助轉子16可被維持在真空下。至少一個輔助轉子16在沒有新進入氣體的情況下自行打開，沒有消耗能量或消耗非常小的能量，且不會妨礙在乾式真空泵1的泵級3a-3f中的泵抽。
根據圖2所表示的第一實施例，乾式真空泵1包括被佈置在輔助定子13中的兩個輔助轉子16。輔助轉子16被由各個旋轉軸4所承載，乾式真空泵1的兩個旋轉軸4通過輔助定子13。輔助轉子16被配置為沿著相反方向以同步方式轉動，以在輔助定子13的入口17和出口18之間驅動要被泵抽的氣體。
輔助轉子16為，例如，魯式、螺旋式、或爪式。
例如，輔助定子13具有尺寸，其類似於或少於乾式真空泵1的出口泵級3f的定子9的尺寸。例如，其較 出口級的定子9更薄，或旋轉軸4在輔助定子13中可能具有較大的直徑。
例如，輔助定子13被佈置在泵級3a-3f的端部處，例如，與出口泵級3f並排，例如，被設置在油箱10與泵級3f之間。輔助定子13亦可被設置在兩個連續泵級3a-3f之間，例如，在最後及倒數第二泵級3e、3f之間。
在此實施例中，輔助定子13類似於附加乾式泵級，僅在必須降低出口級中的壓力時被使用。
根據圖3及4所表示的第二實施例，乾式真空泵1包括被佈置在輔助定子22中的兩個輔助轉子16，其由同步傳動裝置6的各個齒輪31所形成。
同步傳動裝置6的齒輪31由各個旋轉軸4所承載，乾式真空泵1的兩個旋轉軸4通過被形成在油箱10中的輔助定子22。
齒輪31被配置來同步旋轉軸4的旋轉，以及在輔助定子22的入口17和出口18之間驅動要被泵抽的氣體。同步傳動裝置6的齒輪31因此與輔助定子22形成齒輪泵。
齒輪泵運用兩個齒輪31的組合輪廓來驅動要被泵抽的氣體。在操作中，要被泵抽的氣體被容納在每一個齒輪31的齒與輔助定子22之間。齒輪31沿著相反方向的旋轉驅動齒輪31的外側附近的氣體。
在此實施例中，當必須降低出口級中的壓力時，已存在用於使旋轉軸4同步的同步傳動裝置6被使用來 作為附加泵抽裝置。
可能在輔助定子22的入口17與可控制入口閥15之間加入集油器(oil trap)，以防止潤滑劑遷移到乾式泵抽部分中。
根據圖5及6所表示的第三實施例，輔助轉子23為轉葉泵轉子。
輔助轉子23與輔助定子24形成轉葉泵，其被容納在乾式真空泵1的油箱10的腔室25中。
以其本身已知的方式，且如可在圖6範例中所見的，轉葉泵轉子包括兩個葉片26，其在槽中滑動並藉由彈簧相互連接，彈簧將兩個葉片相互推離。轉葉泵轉子以偏心方式在輔助定子24的汽缸中轉動。輔助定子24被容納在液體潤滑劑27(例如，油)中，液體潤滑劑27被包含在油箱10的腔室25中。輔助定子24的入口17排出到腔室25中，且被從液體潤滑劑27隔離。輔助定子24的出口18被設置有減壓閥(或止回閥)29，其浸在液體潤滑劑27中。
在此處，轉葉泵轉子被由通過輔助定子24之乾式真空泵1的旋轉軸4所承載以及驅動旋轉。
在操作中，由輔助轉子23和輔助定子24所界定的體積藉由增加而開始，以抽吸在入口17處的氣體。當葉片26處於垂直位置時，抽吸體積為最大的。此體積接著隨著葉片26的旋轉而減少，因此增加被集中的氣體的壓力。此氣體接著被排氣到出口18。氣體經由減壓閥29而逸出，且通過液體潤滑劑27升高到與輔助出口通道20連接的 腔室25的出口30。
帶有整合的轉葉泵之乾式真空泵1能夠以非常良好的壓縮比來降低出口級中的壓力。
可能在輔助定子24的入口17與可控制入口閥15之間加入集油器，以防止潤滑劑遷移到乾式泵抽部分中。
1:乾式真空泵
3a,3b,3c,3d,3e,3f:泵級
4:旋轉軸
5:轉子
6:同步傳動裝置
7:入口
8:出口
9:定子
10:油箱
11:主要出口通道
12:止回閥
13:輔助定子
14:入口通道
15:可控制入口閥
16:輔助轉子
17:入口
18:出口
19:控制單元
20:輔助出口通道
21:可控制出口閥
31:齒輪
M:馬達

Claims (11)

  1. 一種乾式真空泵(1)，包括：至少一個泵級(3a,3b,3c,3d,3e,3f)，兩個旋轉軸(4)，分別承載在該至少一個泵級(3a,3b,3c,3d,3e,3f)中延伸的至少一個轉子(5)，該轉子(5)被配置為沿著相反方向以同步方式轉動，以在該乾式真空泵(1)的入口(7)及出口(8)之間驅動要被泵抽的氣體，其特徵在於，該乾式真空泵(1)還包括：輔助定子(13；22；24)，該等旋轉軸(4)中的至少一個旋轉軸通過該輔助定子，入口通道(14)，設置有可控制入口閥(15)，將該輔助定子(13；22；24)的入口(17)連接到與該乾式真空泵(1)的該出口(8)連通的泵級(3f)，以及至少一個輔助轉子(16；23)，由該旋轉軸(4)承載，當該可控制入口閥(15)被命令以開啟時，該輔助轉子(16；23)被配置為使得其在該輔助定子(13；22；24)中的旋轉在該輔助定子(13；22；24)的該入口(17)和出口(18)之間驅動要被泵抽的氣體，以降低該泵級(3f)中的壓力，當該可控制入口閥(15)被命令以關閉時，該至少一個輔助轉子(16；23)及該輔助定子(13；22；24)從與該出口(8)連通的該泵級(3f)被流體地隔離。
  2. 如請求項1之乾式真空泵(1)，其中，該輔助定子(13)使該兩個旋轉軸(4)從中通過，該乾式真空泵(1)包括兩個輔助轉子(16)，該兩個輔助轉子(16)被佈置在 該輔助定子(13)中且由各個旋轉軸(4)所承載，該等輔助轉子(16)被配置為沿著相反方向以同步方式轉動。
  3. 如請求項2之乾式真空泵(1)，其中，該等輔助轉子(16)為魯式(roots type)。
  4. 如請求項1之乾式真空泵(1)，其中，該輔助定子(22)被形成在該乾式真空泵(1)的油箱(10)中，該乾式真空泵(1)包括由該乾式真空泵(1)的同步傳動裝置(6)的各個齒輪(31)所形成的兩個輔助轉子，該同步傳動裝置(6)與該輔助定子(22)形成齒輪泵，該同步傳動裝置(6)被進一步配置來同步該等旋轉軸(4)的旋轉。
  5. 如請求項1之乾式真空泵(1)，其中，該輔助轉子(23)為轉葉泵轉子，其與該輔助定子(24)形成轉葉泵，該轉葉泵被容納在該乾式真空泵(1)的油箱(10)的腔室(25)中。
  6. 如請求項1至5中任一項之乾式真空泵(1)，其中，該輔助定子(13；22；24)的該出口(18)藉由設置有可控制出口閥(21)的輔助出口通道(20)被與該乾式真空泵(1)的該出口(8)連通。
  7. 如請求項1至5中任一項之乾式真空泵(1)，其中，該乾式真空泵為粗式真空泵，其配置為在大氣壓力下排出氣體。
  8. 如請求項1至5中任一項之乾式真空泵(1)，其中，該乾式真空泵包括控制單元(19)，其配置來命令該可控制入口閥(15)以開啟，作為該乾式真空泵(1)的入 口壓力的測量、及/或由該乾式真空泵(1)所消耗的電力之函數。
  9. 如請求項1至5中任一項之乾式真空泵(1)，其中，該等轉子(5)為魯式或爪式。
  10. 一種泵抽裝置(100)，包括裝載閘(101)，其特徵在於，該泵抽裝置包括如請求項1至9中任一項之乾式真空泵(1)，該乾式真空泵被連接到裝載閘(101)，用於交替地降低及升高該裝載閘(101)中的壓力。
  11. 如請求項10之泵抽裝置(100)，其中，該裝載閘(101)包括該可控制入口閥(15)的控制裝置(102)，以在該裝載閘(101)處於閒置階段時命令該可控制入口閥(15)以開啟。
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