DE3781482T2

DE3781482T2 - Vakuumerzeugungssystem.

Info

Publication number: DE3781482T2
Application number: DE8787108141T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hayakawa; Sinji Mitsuhashi; Kotaro Naya; Kazuaki Shiinoki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-06-12
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1993-01-07
Anticipated expiration: 2007-06-05
Also published as: JPS62291479A; EP0256234B1; JPH0784871B2; US4797068A; EP0256234A2; DE3781482D1; EP0256234A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumevakuiersystem mit einer ersten Vakuumpumpe, welche eine Drehkomponente und eine Ansaugöffnung sowie eine Auslaßöffnung aufweist und in der Gasmoleküle zum Kollidieren mit der Drehkomponente, die sich mit hoher Drehzahl dreht, gebracht werden, so daß ihnen ein Impuls in einer Richtung einer linearen Geschwindigkeit der Drehkomponente gegeben wird, so daß ein Gasstrom in einer gegebenen Richtung erzeugt wird, mit einer zweiten Vakuumpumpe, die ein Gehäuse hat, das mit einer Ansaugöffnung und einer Auslaßöffnung versehen ist, um einen Differenzdruck zwischen der Ansaug- und Auslaßöffnung, die in dem Gehäuse vorgesehen sind, zu erzeugen, und mit Rohreinrichtungen zum Verbinden der Auslaßöffnung der ersten Vakuumpumpe mit der Ansaugöffnung der zweiten Vakuumpumpe, wobei die Ansaugöffnung der ersten Vakuumpumpe auf der Vakuumseite und die Auslaßöffnung der zweiten Vakuumpumpe auf einer Atmosphärenseite angeordnet sind.
Die US-A 3 104 802 beschreibt eine Vakuumpumpe, in welcher auf einer einzigen Antriebswelle, die von flexiblen gekoppelten Schaftabschnitten gebildet wird, eine erste und eine zweite Pumpe des gleichen Typs (Siegbahntyp) und koaxial zu ihnen eine Vielzellenvorvakuumpumpe angeordnet sind. Mit diesem Aufbau ist es nicht möglich, ein Vakuum im Bereich von einem Vakuumpegel bis zu Atmosphärendruck durch lediglich zwei Pumpenstufen zu erreichen.
Die US-A 3 677 664 beschreibt unter anderem trockenlaufende gekoppelte Schraubenkompressoren auf einem einzigen Satz von Wellen, die als eine zweistufige Vakuumpumpe arbeiten. Zwischen den sich relativ bewegenden Teilen sind kleine Freiräume vorhanden, wodurch vermieden wird, daß dann, wenn eine solche Vakuumpumpe in einer Halbleiterfertigungsanlage verwendet würde, das Öl, welches zum Abdichten und Schmieren der Rotoren verwendet wird, sich umgekehrt ausbreitet, weil die Pumpen keine Trockenpumpen sind. Da Integration und Dichte von Halbleitern immer höher werden, würde eine solche entgegengesetzte Diffusion auf einem molekularen Pegel eine beträchtliche Reduzierung der Ausbeute bei der Produktfertigung verursachen. Zusätzlich wird das Öl in seiner Qualität aufgrund des Kontakts des Reaktionsgases mit ihm in kurzer Zeit verschlechtert, wodurch eine erhebliche Wartung erforderlich wird.
Die Erfindung basiert auf dem Problem, ein Vakuumevakuiersystem zu schaffen, welches ein Vakuum von 1Pa oder weniger erzielen kann, während in einem noch größeren Ausmaß verhindert wird, daß Öl in eine Arbeitskammer und ein zu evakuierendes System eindringt, während gleichzeitig der Konstrukteur die jeweils günstigsten Drehzahlen wählen kann und weiterhin eine kompakte Anordnung gewährleistet wird. Ausgehend von dem Vakuumevakuiersystem der gattungsgemäßen Art wird dieses Problem durch ein System gelöst, welches die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 hat.
Vorteilhafterweise hat die erste Vakuumpumpe ein äußeres Gehäuse, einen Auslaß, eine Rotorschaufelstufe mit Statorschaufeln, die an dem äußeren Gehäuse festgelegt sind, und mit Rotorschaufeln, die in gegenüberliegender Beziehung zu den Statorschaufeln angeordnet sind, um Moleküle zum Kollidieren mit jeder Schaufel zu veranlassen, damit ein Gasstrom in eine Stromab-Richtung erzeugt wird, und eine Schraubenpumpenstufe, die einen wendelförmig genuteten Rotor mit einer äußeren Umfangsfläche aufweist, die dem äußeren Gehäuse zugewandt ist, wobei die äußere Umfangsfläche mit einer Wendelnut ausgebildet ist, um das Gas von der Rotorschaufelstufe in der Stromab-Richtung durch die Wendelnut zu fördern.
Vorzugsweise weisen die Antriebseinrichtungen eine erste Antriebseinrichtung, die an dem äußeren Gehäuse für den Antrieb der ersten Vakuumpumpeneinrichtung befestigt ist, und eine zweite Antriebseinrichtung zum Antrieb der Schraubenrotoren der zweiten Vakuumpumpeneinrichtung auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der wendelförmig genutete Rotor der ersten Vakuumpumpeneinrichtung die Form eines Rings mit einer oberen Stirnwand, wobei der Ringabschnitt die erste Antriebseinrichtung umgibt.
Es ist vorteilhaft, wenn der schraubenförmig genutete Rotor an der ersten Antriebseinrichtung an jener oberen Stirnwand fest angebracht ist.
Mit dem Vakuum-Evakuiersystem der Erfindung kann ein Vakuum von 1 Pa oder weniger erreicht werden. Da beide Pumpen Trockenpumpen sind, wird verhindert, daß Öl in eine Arbeitskammer eindringt, so daß es keine Rückdiffusion von Öl zu einem zu evakuierenden System gibt.
Die zusätzliche Pumpe der vorstehend beschriebenen kombinierten Anordnung, d.h. die zweite Vakuumpumpe, hat einen Aufbau, bei welchem ein Paar von Schraubenrotoren, ein männlicher und ein weiblicher, in einem Gehäuse durch entsprechende Lager abgestützt sind, wobei ein geringer Spalt zwischen der Innenfläche des Gehäuses und den Schraubenrotoren aufrechterhalten wird. Das Paar von Schraubenrotoren wird in einer synchronisierten Beziehung durch Steuerzahnräder gedreht, wobei ein kleiner Spalt zwischen den Schraubenrotoren aufrechterhalten wird, um einen Differenzdruck zwischen einer Ansaug- und einer Auslaßöffnung, die in dem Gehäuse vorgesehen sind, zu erzeugen. Es ist nicht erforderlich, die von den Schraubenrotoren und dem Gehäuse gebildete Arbeitskammer zu schmieren. Zusätzlich wird durch entsprechende Dichtungsanordnungen, von denen jede eine Labyrinthdichtung, eine Schraubendichtung, eine schwimmende Labyrinthdichtung oder dgl. aufweist, verhindert, daß Schmieröl, welches den die jeweiligen Schraubenrotoren abstützenden Lagern zugeführt wird, in die Arbeitskammer eindringt. Somit ist die zweite Vakuumpumpe ein ölfreier Aufbau.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen kann die Kombination der zweiten Vakuumpumpe mit der Molekularpumpe ein Vakuumevakuiersystem bilden, welches rein ist und eine hohe Pumpgeschwindigkeit in einem hohen Vakuumbereich hat.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen weiter erläutert, in denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Vakuumevakuiersystem entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Innenaufbau einer Molekularpumpe zeigt, die in dem in Fig. 1 gezeigten System eingeschlossen ist,
Fig. 3 eine Längsschnittansicht ist, die eine Schraubenvakuumpumpenvorrichtung zeigt, die in dem in Fig. 1 dargestellten System eingeschlossen ist,
Fig. 4 eine Längsschnittansicht ist, die ein Schraubenvakuumpumpenelement der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung zeigt, und
Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht der in Fig. 4 veranschaulichten Dichtungsanordnung ist.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Vakuumevakuiersystems entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Innenaufbaus einer in dem in Fig. 1 dargestellten System eingeschlossenen Molekularpumpe, Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht einer Schraubenvakuumpumpenvorrichtung, die in dem System von Fig. 1 eingeschlossen ist, Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Schraubenvakuumpumpenelements der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung, und Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer in Fig. 4 dargestellten Dichtungsanordnung.
Das in Fig. 1 gezeigte Vakuumevakuiersystem hat eine Basis 1 und ein Getriebegehäuse 2, das auf ihr fest angeordnet ist. An den jeweiligen Seiten des Getriebegehäuses 2 sind krakarmartig ein Schraubenvakuumpumpenelement 3, welches eine zweite Vakuumpumpe bildet, und ein Motor 4 zum Antrieb des Schraubenvakuumpumpenelements 3 zur Bildung einer atmosphärenseitigen Pumpe befestigt. An der Basis 1 ist ein Rahmen 5 so angebracht, daß er die atmosphärenseitige Pumpe überspannt. An einem oberen Abschnitt des Rahmens 5 ist zur Bildung einer Vakuumseitigen Pumpe eine Molekularpumpe 6, welche eine erste Vakuumpumpe bildet, in einem Winkel von 90º zur Schraubenpumpe angebracht.
Zur Verbindung einer Auslaßöffnung 7 der Molekularpumpe 6 mit der Ansaugöffnung 8 der Schraubenvakuumpumpe 3 ist eine Rohrleitung 9 vorgesehen.
Die Molekularpumpe 6, d.h. die vakuumkseitige Pumpe, und die Schraubenvakuumpumpe 3, d.h. die atmosphärenseitige Pumpe, werden mit elektrischer Energie von einer nicht gezeigten elektrischen Speisequelle versorgt und über eine nicht gezeigte Steuertafel betätigt.
Das gezeigt Vakuumevakuiersystem hat eine Ansaugöffnung, welche eine Ansaugöffnung 10 der Molekularpumpe 6 ist, und eine Auslaßöffnung, welche eine Auslaßöffnung 11 der Schraubenvakuumpumpe 3 ist.
Zuerst wird die die erste Vakuumpumpe bildende Molekularpumpe 6 im einzelnen unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat ein Pumpenantriebsmotor einen Motorstator 13, der feststehend vertikal in einem Gehäuse 12 angebracht ist. In dem Motorstator 13 sind ein Motorrotor 14 und eine darin eingepaßte drehende Welle 15 vertikal gelagert.
Die Welle 15 hat einen oberen Abschnitt, der sich von dem Gehäuse 12 aus erstreckt. An der Umfangsfläche des oberen Abschnitts des Fortsatzteils der Welle 15 ist eine Vielzahl von Rotorschaufeln 16 befestigt. Zwischen der Rotorschaufelanordnung und dem Gehäuse 12 ist ein Rotor 17 fest so installiert, daß er diese abdeckt oder umgibt. Der Rotor 17 weist eine obere Stirnwand 17B und einen damit verbundenen Ringabschnitt 17C auf. In der äußeren Umfangsfläche des Ringabschnitts 17C ist eine Wendelnut 17A mit trapezförmigem Querschnitt ausgebildet.
Ein Stator 18 bildet ein äußeres Gehäuse der Molekularpumpe 6. Zwischen dem Stator 18 und der äußeren Umfangsfläche des Rotors 17 ist ein kleiner Spalt aufrechterhalten. Innerhalb eines oberen Abschnitts des Stators 18 sind Statorschaufeln 19 an die Rotorschaufeln 16 überlappenden Positionen festgelegt.
Wenn ein elektrischer Strom durch die Wicklungen des Stators 13 von der nicht gezeigten Energieversorgungsvorrichtung aus zum Fließen gebracht wird, wird eine Drehkomponente, bestehend aus der Welle 15, dem Motorrotor 14, den Rotorschaufeln 16 und dem Rotor 17, mit hoher Drehzahl gedreht, so daß durch die Ansaugöffnung 10 eingeführte Gasmoleküle mechanisch durch die Rotorschaufeln 16 und die trapezförmige Wendelnut 17A weggeblasen und durch die Auslaßöffnung 7 gefördert werden, wodurch eine Pumpwirkung erzeugt wird. Wenn jedoch der Druck auf der Auslaßseite hoch ist, kann die Molekularpumpe 6 nicht betrieben werden, da eine extrem hohe Leistung erforderlich wäre. Die Molekularpumpe 6 kann betrieben werden, wenn der Druck an der Auslaßöffnung 7 auf einen Wert gebracht wird, der 2 Torr entspricht oder geringer ist.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Figuren 3 bis 5 die die zweite Vakuumpumpe (zusätzliche Pumpe) bildende Schraubenvakuumpumpe beschrieben. In dem Getriebegehäuse 2 ist ein drehzahlerhöhendes Zahnrad 20 angeordnet und an einer Abtriebswelle 4a des Motors 4 befestigt. Das drehzahlerhöhende Zahnrad 20 kämmt mit einem Steuerzahnrad 21 auf der Seite des männlichen Rotors. In einem Gehäuse 22 des Schraubenvakuumpumpenelements 3 ist ein Paar von Schraubenrotoren, ein männlicher 23 und ein weiblilcher 24, gelagert, wobei ein geringer Spalt zwischer einer Innenfläche des Gehäuses 22 und den Schraubenrotoren 23 und 24 aufrechterhalten wird. Diese Schraubenrotoren 23 und 24 kämmen miteinander mit Hilfe des Steuerzahnrads 21 auf der Seite des männlichen Rotors und eines Steuerzahnrads 25 auf der Seite des weiblichen Rotors, wobei zwischen den Schraubenrotoren 23 und 24 ein geringer Spalt aufrechterhalten wird. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Gehäuse 22 mit einer Ansaugöffnung 8' und einer Auslaßöffnung 11' versehen. Für jeden Wellenabschnitt des männlichen Schraubenrotors 23 bzw. des weiblichen Schraubenrotors 24 ist eine in Fig. 4 gezeigte Dichtungsanordnung 26 vorgesehen. Wie im einzelnen in Fig. 5 gezeigt ist, weist die Dichtungsanordnung 26 ein Lager 27, eine Labyrinthdichtung 28, eine Dichtung 29 in Schraubenbauweise und eine schwimmende Labyrinthdichtung 30 auf. Die Rotation des Motors 4 wird durch das drehzahlerhöhende Zahnrad 20 gestigert, um das Paar von Rotoren, den männlichen 23 und den weiblichen 24, zu drehen. Wenn die Schraubenrotoren gedreht werden, wird durch die Ansaugöffnung 8' angesaugtes Gas zu der Auslaßseite (in Fig. 3 die rechte Seite) gefördert, während es in einer geschlossenen Kammer eingeschlossen bleibt, die von den Wendelnuten der jeweiligen Schraubenrotoren und der Innenfläche des Gehäuses 22 gebildet wird. Das geförderte Gas wird durch die Auslaßöffnung 11' abgeführt.
Das Volumen der vorstehend erwähnten geschlossenen Kammer ist beim Abschluß des Ansaugens verschieden von dem Volumen der geschlossenen Kammer kurz vor der Abgabe. Das letztere Volumen ist um einen Betrag, der dem Kompressionsverhältnis entspricht, kleiner als das erstere Volumen, so daß eine Pumpwirkung erzeugt wird. Die Lager 27, die die Schraubenrotoren jeweils abstützen, werden zwangsweise oder in Aufsprühweise über nicht gezeigte schmierende Rohre von einer nicht gezeigten Ölversorgungsvorrichtung geschmiert. Die in Fig. 5 gezeigte Dreifachdichtung verhindert jedoch, daß Öl in die Arbeitskammer eindringt.
Im folgenden wird anhand von Fig. 1 die Arbeitsweise des gesamten Vakuumevakuiersystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Wenn das dargestellte Vakuumevakuiersystem von dem Zeitpunkt an arbeitet, an welchem der Druck auf der Ansaugseite des Systems, d.h. der Druck an der Ansaugöffnung 10 der Molekularpumpe 6, höher als ein vorgegebener Druck ist, wird zunächst die Schraubenvakuumpumpe 3 aktiviert. Die Molekularpumpe wird darauffolgend aktiviert, nachdem der Druck an der Auslaßöffnung 7 der Molekularpumpe 6 auf einen Wert reduziert ist, der einem vorgegebenen Druck gleich ist oder geringer ist als der vorgegebene Druck (etwa 2,66 x 10² Pa).
Wenn das System aktiviert ist, um das Gas strömen zu lassen, wenn der Druck an der Auslaßöffnung 7 der Molekularpumpe 6 dem vorgegebenen Druck entspricht oder kleiner ist als dieser, werden beide Pumpen aktiviert. Die Schraubenvakuumpumpe 3 komprimiert das Gas des durch die Molekularpumpe 6 aufgenommenen Mengenstroms von dem Druck an der Auslaßöffnung 7 auf Atmosphärendruck und gibt das komprimierte Gas durch die Auslaßöffnung 11 ab.
Die Betriebssteuerung der Pumpen erfolgt automatisch durch Drucksensoren und eine Steuervorrichtung (beide nicht gezeigt).
Mit der dargestellten Ausführungsform ist es möglich, das Gas dazu zu bringen, mit einem hohen Durchsatz in dem Hochvakuumbereich zu strömen, verglichen mit dem herkömmlichen mechanischen Verstärker (der Enddruck liegt in der Größenordnung von 1,33 x 10&supmin;² Pa). Die Auslegepumpgeschwindigkeit wird in der Nähe von 1,33 bis 1,33 x 10² Pa erhalten, da die gezeigte Ausführung so angeordnet ist, daß sie die Kombination der ölfreien Schraubenvakuumpumpe 3 und der Molekularpumpe 6 aufweist (der Enddruck liegt bei 1,33 x 10&supmin;&sup8; Pa und der Durchsatz liegt in der Größenordnung von 200 Liter/s bei 1,33 x 10&supmin;¹ bis 1,33 x 10&supmin;&sup8; Pa).
Darüber hinaus hat sowohl die Molekularpumpe 6 auf der Vakuumseite als auch das Schraubenvakuumpumpenelement 3 auf der Atmosphärenseite einen Aufbau, bei welchem die Arbeitskammer kein Öl aufweist, so daß dadurch ein Vakuumevakuiersystem geschaffen wird, das rein ist und welches eine extrem niedrige Rückdiffusion von Öl zur Vakuumseite hat. Dadurch entfällt das Erfordernis einer vorgeordneten Falle für die Öladsorption, die herkömmlicherweise verwendet wurde, um die Rückdiffusion von Öl aus der ölabgedichteten Drehvakuumpumpe auch nur etwas zu verringern.
Weiterhin sind viele der in Halbleiterfertigungsanlagen verwendeten Gase so geartet, daß sie Öl unmittelbar zersetzen. Demzufolge war es bei der herkömmlichen ölgedichteten Drehvakuumpumpe erforderlich, viel Arbeit bei der Aufrechterhaltung des Öls zu verschwenden. Da bei der gezeigten Ausführungsform jedoch nahezu kein Kontakt zwischen dem Gas und dem Öl stattfindet, ist es möglich, die für die Aufrechterhaltung verschwendete Arbeit beträchtlich zu reduzieren.

Claims

1. Vakuumevakuiersystem mit

- einer ersten Vakuumpumpe (6), welche eine Drehkomponente (15) und eine Ansaugöffnung (10) sowie eine Auslaßöffnung (7) aufweist und in der Gasmoleküle zum Kollidieren mit der Drehkomponente (15), die sich mit hoher Drehzahl dreht, gebracht werden, so daß ihnen ein Impuls in einer Richtung einer linearen Geschwindigkeit der Drehkomponente (15) gegeben wird, so daß ein Gasstrom in einer gegebenen Richtung erzeugt wird,

- mit einer zweiten Vakuumpumpe (3), die ein Gehäuse (22) hat, das mit einer Ansaugöffnung (8') und einer Auslaßöffnung (11') versehen ist, um einen Differenzdruck zwischen der Ansaug- und Auslaßöffnung (8', 11'), die in dem Gehäuse (22) vorgesehen sind, zu erzeugen, und

- mit Rohreinrichtungen (9) zum Verbinden der Auslaßöffnung (7) der ersten Vakuumpumpe (6) mit der Ansaugöffnung (8') der zweiten Vakuumpumpe (3),

- wobei die Ansaugöffnung (10) der ersten Vakuumpumpe (6) auf der Vakuumseite und die Auslaßöffnung (11') der zweiten Vakuumpumpe (3) auf einer Atmosphärenseite angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Pumpe (3) ein Paar aus einem männlichen und einem weiblichen Schraubenrotor (23, 24) aufweist, die trocken laufen und in dem Gehäuse (22) gelagert sind, wobei ein geringer Spalt zwischen dem Gehäuse (22) und dem Schraubenrotor (23, 24) beibehalten ist und das Paar aus männlichem und weiblichem Schraubenrotor (23, 24) mit einem geringen, dazwischen beibehaltenen Spalt gedreht wird,

- gesonderte Antriebseinrichtungen (13, 14; 4) vorgesehen sind, die Motoren für den jeweiligen Antrieb der ersten und zweiten Pumpeinrichtung (6; 3) aufweisen und unter einem Winkel von etwa 90º angeordnet sind, und

- daß Dichtungseinrichtungen (26) zwischen dem Gehäuse (22) und den jeweiligen Schaftabschnitten der Schraubenrotore (23, 24) angeordnet sind.

2. Vakuumevakuiersystem nach Anspruch 1, bei welchem die erste Vakuumpumpeneinrichtung (6) ein äußeres Gehäuse (18), eine Rotorschaufelstufe mit Statorschaufeln (19), die an dem äußeren Gehäuse (18) festgelegt sind, und Rotorschaufeln (16), die in gegenüberliegender Beziehung zu den Statorschaufeln (19) angeordnet sind, um Moleküle zum Kollidieren mit jeder Schaufel zu veranlassen, damit ein Gasstrom in eine Stromab-Richtung erzeugt wird, und eine Schraubenpumpenstufe aufweist, die einen wendelförmig genuteten Rotor (17) mit einer äußeren Umfangsfläche aufweist, die dem äußeren Gehäuse (18) zugewandt ist, wobei die äußere Umfangsfläche mit einer Wendelnut (17A) ausgebildet ist, um das Gas von der Rotorschaufelstufe in der Stromab-Richtung durch die Wendelnut (17A) zu fördern.

3. Vakuumevakuiersystem nach Anspruch 2, bei welchem die Antriebseinrichtungen eine erste Antriebseinrichtung (13, 14), die an dem äußeren Gehäuse (18) für den Antrieb der ersten Vakuumpumpeneinrichtung (6) befestigt ist, und eine zweite Antriebseinrichtung (4) zum Antrieb der Schraubenrotoren (23, 24) der zweiten Vakuumpumpeneinrichtung (3) aufweist.

4. Vakuumevakuiersystem nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der wendelförmig genutete Rotor (17) der ersten Vakuumpumpeneinrichtung (6) die Form eines Rings (17C) mit einer oberen Stirnwand (17B) hat, wobei der Ringabschnitt (17C) die erste Antriebseinrichtung (13, 14) umgibt.

5. Vakuumevakuiersystem nach Anspruch 4, bei welchem der wendelförmig genutete Rotor (17) an der ersten Antriebseinrichtung (13, 14) an dieser oberen Stirnwand (17B) fest angebracht ist.