在現(xiàn)代半導(dǎo)體、平板顯示、光伏電池等制造業(yè)的精密反應(yīng)腔體內(nèi)，真空不僅僅是背景環(huán)境，更是決定薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量、刻蝕精度乃至最終產(chǎn)品良率的核心工藝參數(shù)。從大氣壓到高真空的快速建立與穩(wěn)定維持，對(duì)真空泵的潔凈度、可靠性、耐腐蝕性及智能控制提出了近乎嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)油封泵帶來(lái)的油蒸汽污染風(fēng)險(xiǎn)，以及復(fù)雜工藝氣體對(duì)泵體的腐蝕與沉積挑戰(zhàn)，催生了“干式真空"技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

在此背景下，日本ULVAC（愛(ài)發(fā)科）的多級(jí)羅茨型干式真空泵（如HR/UR系列、LR系列）應(yīng)運(yùn)而生。它并非簡(jiǎn)單地將羅茨泵（機(jī)械增壓泵）與傳統(tǒng)干泵串聯(lián)，而是通過(guò)革命性的系統(tǒng)集成與熱管理設(shè)計(jì)，將多級(jí)壓縮單元融于一體，實(shí)現(xiàn)了從大氣壓直接排氣至常壓的“干式"運(yùn)行。這款產(chǎn)品代表了在應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛工藝排氣，特別是化學(xué)氣相沉積（CVD）、干法蝕刻等“硬工藝"時(shí)，對(duì)潔凈、耐久與智能運(yùn)維的不懈追求。

一、 產(chǎn)品定位：為嚴(yán)苛工藝而生的集成化解決方案

ULVAC多級(jí)羅茨干泵的核心定位，是為制造業(yè)提供一站式、無(wú)污染的真空獲得方案。它摒棄了在泵腔內(nèi)部使用密封油或工作液，僅在與外界隔離的齒輪箱中使用潤(rùn)滑油，從而從根本上避免了油蒸汽返流對(duì)真空工藝腔室的污染，保證了工藝的潔凈度。

其設(shè)計(jì)哲學(xué)是“集成"與“強(qiáng)化"。它將多級(jí)羅茨泵的壓縮級(jí)與作為基礎(chǔ)的干泵（如螺桿式、爪式單元）高度集成在同一緊湊殼體之內(nèi)。例如，HR/UR系列或LR系列中的“多級(jí)"，即指在一根轉(zhuǎn)子軸上串聯(lián)了多個(gè)羅茨型轉(zhuǎn)子，氣體被逐級(jí)壓縮，最終由基礎(chǔ)級(jí)泵排向大氣。這種一體化設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了安裝空間，更通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部流道，減少了壓力損失，提升了抽氣效率。

二、 核心工作原理與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1. 工作原理簡(jiǎn)述

該泵的核心在于一對(duì)精密?chē)Ш系娜~羅茨轉(zhuǎn)子。兩個(gè)轉(zhuǎn)子在同步齒輪的驅(qū)動(dòng)下，在泵腔內(nèi)以高速反向旋轉(zhuǎn)，彼此之間以及轉(zhuǎn)子與泵腔之間始終保持微米級(jí)的微小間隙。其工作過(guò)程并非封閉容積的壓縮，而是通過(guò)轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將氣體從進(jìn)氣口“捕獲"并“推送"至排氣口，從而實(shí)現(xiàn)氣體的傳輸與增壓。多級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，它將巨大的壓縮比（從1Pa至大氣壓，壓縮比高達(dá)10?）合理分配至多個(gè)壓縮階段，使每一級(jí)都在高效區(qū)間工作，最終實(shí)現(xiàn)從高真空到大氣壓的直接排氣。

2. 核心設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：熱管理與間隙控制

多級(jí)羅茨干泵在應(yīng)對(duì)腐蝕性、易凝結(jié)的工藝氣體（如CVD工藝中未反應(yīng)的硅烷、蝕刻產(chǎn)生的鹵化物）時(shí)，面臨兩大核心挑戰(zhàn)：

• 熱量積聚：氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致泵體溫度從進(jìn)氣端的低溫向排氣端的高溫遞增。不均勻的熱分布會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

• 間隙失效：轉(zhuǎn)子與泵腔之間必須維持精密間隙。然而，多級(jí)泵體沿軸向的熱膨脹是累積的，且各級(jí)因壓縮功不同，溫升與膨脹量各異。若按膨脹量設(shè)計(jì)統(tǒng)一的大間隙，會(huì)導(dǎo)致各級(jí)間隙過(guò)大，氣體返流嚴(yán)重，泵的抽氣性能（容積效率）急劇下降。

三、 ULVAC的創(chuàng)新技術(shù)解析

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，ULVAC的技術(shù)提供了系統(tǒng)性解決方案，其技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)層面：

1. 高溫區(qū)域均熱化技術(shù) (應(yīng)用于HR/UR系列)
這是ULVAC應(yīng)對(duì)“硬工藝"沉積物的。傳統(tǒng)方案試圖冷卻泵體以凝結(jié)并捕集副產(chǎn)物，但易導(dǎo)致粉末堆積、堵塞甚至卡死。ULVAC反其道而行之，通過(guò)精密的加熱與保溫控制，主動(dòng)將泵的高溫區(qū)（特別是一級(jí)壓縮腔）維持在一個(gè)均勻的高溫狀態(tài)（UR系列溫度高于HR系列）。其目的是使CVD、蝕刻等工藝產(chǎn)生的升華性副產(chǎn)物在通過(guò)泵腔時(shí)始終保持氣態(tài)，而不會(huì)凝結(jié)附著，從而能以氣體形式被順利排出泵外。這極大地提升了泵在處理聚合性、腐蝕性氣體時(shí)的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性和免維護(hù)周期。

2. 智能軸系熱管理與間隙優(yōu)化設(shè)計(jì) (核心技術(shù))
為攻克多級(jí)熱膨脹導(dǎo)致的間隙控制難題，ULVAC的設(shè)計(jì)從軸承布置和熱傳導(dǎo)路徑上進(jìn)行了根本性?xún)?yōu)化：

• “固定-自由"軸承策略與低壓端定位：泵的轉(zhuǎn)子軸一端由固定軸承支撐（限制軸向移動(dòng)），另一端由自由軸承支撐（允許軸向熱膨脹）。關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于，將壓力低、發(fā)熱量最小的級(jí)泵腔（進(jìn)氣端）布置在最靠近固定軸承的位置。由于熱膨脹從固定端向自由端累積，此布局確保了發(fā)熱最小、對(duì)間隙最敏感的低壓級(jí)累積膨脹量最小，從而可以設(shè)計(jì)極小的精密間隙，保障了高真空下的抽氣性能。

• 熱源分離與高效散熱：電機(jī)、同步齒輪（主要熱源）與發(fā)熱量的高壓級(jí)泵腔被分別布置在轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)，中間由低溫的低壓級(jí)隔開(kāi)。這種布局使整體溫度分布更均勻，避免了局部過(guò)熱。同時(shí)，轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部可能嵌有高導(dǎo)熱材料，將轉(zhuǎn)子熱量導(dǎo)向自由端集中散熱。對(duì)于特定高壓級(jí)，ULVAC甚至?xí)?span style="font-weight: 600;">有意識(shí)地適當(dāng)增大其軸向間隙，以犧牲該級(jí)少許效率為代價(jià)，換取壓縮比和發(fā)熱量的降低，從而保護(hù)泵體不超過(guò)安全溫度上限。

四、 產(chǎn)品系列與應(yīng)用場(chǎng)景

ULVAC的多級(jí)羅茨干泵已形成針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的完整產(chǎn)品矩陣，其核心系列對(duì)比如下：

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋：

• 半導(dǎo)體與平板顯示 (FPD)：晶圓制造中的CVD、蝕刻、離子注入，以及OLED蒸鍍等環(huán)節(jié)的核心排氣設(shè)備。

• 光伏與鋰電池：硅基薄膜太陽(yáng)能電池的沉積，以及電極材料干燥、注液脫泡等工藝。

• 科研與一般工業(yè)：真空冶金、化工蒸餾、藥品凍干、真空包裝等。

五、 操作、維護(hù)與智能功能

為確保其長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行，正確的操作與維護(hù)至關(guān)重要。

• 啟停順序：?jiǎn)?dòng)時(shí)，必須先開(kāi)啟前級(jí)泵（對(duì)于獨(dú)立機(jī)組）或基礎(chǔ)泵單元，待入口壓力達(dá)到設(shè)定值（如幾百帕）后，再啟動(dòng)羅茨增壓部分。停機(jī)順序則嚴(yán)格相反，先停羅茨部分，最后停前級(jí)泵，并立即對(duì)前級(jí)泵進(jìn)氣口放氣。

• 關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)：需持續(xù)監(jiān)控電機(jī)電流、軸承溫度和冷卻水狀況。運(yùn)行中泵體溫升不應(yīng)超過(guò)40℃，高溫度通常不超過(guò)80-100℃。異常的振動(dòng)或噪音是立即停機(jī)的信號(hào)。

• 智能化與前瞻性維護(hù)：現(xiàn)代ULVAC干泵集成了豐富的通信功能，可通過(guò)專(zhuān)用軟件實(shí)時(shí)讀取運(yùn)行狀態(tài)、警告與報(bào)警歷史，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。這為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，例如通過(guò)分析軸承振動(dòng)趨勢(shì)或溫度微小變化，可在故障發(fā)生前安排維護(hù)，大化設(shè)備正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

ULVAC多級(jí)羅茨型干式真空泵，是精密機(jī)械設(shè)計(jì)、材料科學(xué)與智能熱管理算法深度融合的結(jié)晶。它通過(guò)“高溫均熱化"這一策略，直面并征服了工藝中最棘手的沉積物難題；又憑借的軸系與間隙控制技術(shù)，在微米尺度上平衡了熱膨脹與抽氣效率的矛盾。從保障7納米芯片生產(chǎn)的HR系列，到提升生產(chǎn)線節(jié)拍的LR系列，再到普及干式真空技術(shù)的GR系列，ULVAC構(gòu)建了一個(gè)完整的技術(shù)生態(tài)。它不僅是抽取氣體的設(shè)備，更是保障制造工藝窗口穩(wěn)定、提升產(chǎn)品良率、實(shí)現(xiàn)綠色安全生產(chǎn)的關(guān)鍵基石，在通往更精密、更智能制造的征程中，持續(xù)提供著潔凈而強(qiáng)大的真空動(dòng)力。