MECHANISCHE KINETISCHE VAKUUMPUMPE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor.

[0002] Zu den mechanischen kinetischen Vakuumpumpen gehören definitionsgemäß Gasringpumpen, Turbovakuumpumpen (axial, radial) und Molekular-/Turbomolekularpumpen. Sie sind in der Lage, im Bereich der Molekularströmung (Drücke kleiner 10^-3 mbar) die zu fördernden Gasteilchen mechanisch zu transportieren. Molekularpumpen sind darüber hinaus noch in der Lage, Gase im Bereich der Knudsenströmung (10^-3 bis 1 mbar) zu fördern. Bevorzugt eingesetzte mechanische kinetische Vakuumpumpen weisen häufig eine Turbomolekularpumpstufe und eine sich daran anschließende Molekularpumpstufe auf (Compound- oder Hybridpumpe), da eine solche Pumpe in der Lage ist, Gase bis in den Bereich der viskosen Strömung zu verdichten.

[0003] Turbomolekularvakuumpumpen und Compoundpumpen werden bei Fertigungsprozessen in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Die dabei angewendeten Verfahren - Ätzen, Beschichten o. dgl. - können nur im Vakuum durchgeführt werden. Die genannten Vakuumpumpen haben die Aufgabe, die Vakuumkammern vor dem Beginn der Prozesse zu evakuieren und während des Ablaufs der Prozesse die gewünschten niedrigen Drücke aufrechtzuerhalten.

[0004] Turbomolekularvakuumpumpen werden mit hohen Drehzahlen betrieben (bis zu 100000 Umdrehungen/min). Aus rotordynamischen Gründen bestehen die Rotoren aus einem Leichtmetall, üblicherweise aus einer schmelzmetallurgisch hergestellten Aluminiumlegierung (DE 2923632 A1). Die Legierung ist so eingestellt, dass die Rotoren eine möglichst hohe Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit haben. Die Zeitstandfestigkeit nimmt mit zunehmender Rotortemperatur ab. Bei den bisher eingesetzten Aluminiumlegierungen ergibt sich eine akzeptable Zeitstandfestigkeit, wenn die Rotortemperaturen den Wert von 120°C nicht überschreiten.

[0005] Während der Durchführung der Halbleiterprozesse nehmen die sich in der Vakuumkammer befindenden Halbleiterbauteile erhöhte Temperaturen an. Damit verbunden ist eine Temperaturerhöhung der von den Vakuumpumpen zu fördernden Gase. Diese Gase bewirken insbesondere eine Temperaturerhöhung der Rotoren der angeschlossenen Vakuumpumpen. Diese Temperaturerhöhung beeinträchtigt die erwähnte Zeitstandfestigkeit.

[0006] Die Kühlung der Rotoren einer Molekular- oder Turbomolekularvakuumpumpe ist mit Schwierigkeiten verbunden. Zum einen befinden sich die Rotoren im Vakuum, so dass eine Wärmeabfuhr über die geförderten, ohnehin heissen Gase nicht stattfindet. Sind die Rotoren magnetgelagert, berühren sich ihre Lagerteile nicht. Eine Wärmeabfuhr über die Magnetlager ist deshalb ebenfalls nicht möglich. Sind mechanische Lager vorgesehen, kann Rotorwärme über die Lager abfliessen. Diesem Weg der Wärmeabfuhr sind jedoch enge Grenzen gesetzt. Zum einen sind die einander über die Wälzkörper berührenden Flächenbereiche von Rotor und Stator auf die nahezu punktförmigen Berührungsflächen der Wälzköprer in ihren Lagerringen beschränkt. Weiterhin dürfen die Lager wegen des Vorhandenseins eines Schmiermittels keine hohen Temperaturen annehmen. Auch ist der Betrieb mechanischer Lager selbst mit einer Wärmeerzeugung verbunden. Schließlich ist in aller Regel der Antriebsmotor der Pumpe Bestandteil des Stators und in der Nähe der Lager angeordnet. In den Phasen, in denen er unter Last betrieben wird, bildet er selbst eine Wärmequelle. In diesem Fall ist ein Teiltransport der Wärme zwischen Rotor und Stator über das Gas durch die erhöhte Dichte möglich. Die Abfuhr maßgebliche Wärmemengen über die mechanischen Lager wäre nur bei einer intensiven Kühlung der statorseitigen Lagerteile möglich.

[0007] Aus der JP-U-3034699 ist es bekannt, die pumpaktiven Flächen einer mechanisch kinetischen Vakuumpumpe teilweise mit einem Überzug hoher Wärmeimmission zu beschichten. Maßnahmen dieser Art sind aufwendig und deshalb kostspielig.

[0008] Aus der internationalen Patentanmeldung WO 99/57441 ist eine gattungsbildende für den Einsatz bei Halbleiterprozessen bestimmte mechanisch kinetische Vakuumpumpe bekannt. Sie ist als Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet. Um das Ziel zu erreichen, die Dauer von Halbleiterprozessen zu reduzieren, wird die Aufgabe gestellt, das Saugvermögen der Pumpe zu verbessern. Dabei soll sich die Größe der Pumpe nicht ändern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines festeren und für höhere Temperaturen geeigneten Werkstoffes vorzugsweise für den Rotor vorgeschlagen, und zwar ein Werkstoff, bestehend aus einem Metall als Basismaterial und nicht-metallischen, der Verstärkung des Basismateriales dienenden Zusätzen, wie z.B. Keramik. Dieser Werkstoff soll es erlauben, die Drehzahl der Rotoren zu erhöhen, um dadurch die mit einer Steigerung der Wärmebelastung verbundene Erhöhung des Saugvermögens zu erreichen, ohne die Größe der Pumpe zu ändern. Die spanende Bearbeitung der vorgeschlagenen Werkstoffe ist jedoch wegen ihres erhöhten Anteils an Hartstoffpartikeln mit Problemen verbunden. Rotoren für Turbomolekularvakuumpumpen einschließlich der Vielzahl ihrer Schaufeln werden üblicherweise aus dem vollen gedreht/gefräst. Der mit der Herstellung eines Rotors verbundene Zerspanungsgrad liegt bei bis zu 80 %. Die Herstellung der Rotoren aus dem vorgeschlagenen Werkstoff ist deshalb aufwendig und kostspielig.

[0009] Zum Stand der Technik gehört noch der Inhalt der US-A-5 529 748. Sie offenbart eine Aluminiumlegierung, deren mit Herstellprozessen verbundene Bearbeitbarkeit durch den Wegfall von Magnesiumbestandteilen wesentlich verbessert wird.

[0010] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Warm- und Zeitstandfestigkeit einer Reibungsvakuumpumpe der eingangs genannten Art zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

[0011] Pulvermetallurgisch (oder auch durch Sprühkompaktieren) hergestellte Aluminiumlegierungen sind an sich bekannt. Ihre Herstellung erfolgt in der Weise, dass die aus den Legierungsbestandteilen bestehende Schmelze mittels Dü sen auf eine kalte Oberfläche gesprüht wird. Im Vergleich zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Aluminium-Werkstoffen findet ein sehr schnelles Erstarren der Schmelze statt, wodurch die Legierung ein neues Gefüge mit veränderten Eigenschaften erhält. Durch Sprühkompaktieren hergestellte Aluminiumlegierungen, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist, haben vor allem eine wesentlich höhere Festigkeit als eine schmelzmetallurgisch hergestellte Aluminiumlegierung.

[0012] Die Verwendung des beschriebenen Werkstoffes für Rotoren der hier betroffenen Vakuumpumpen erlaubt die Herstellung von Pumpen dieser Art mit höherer Zeitstandfestigkeit. Wenn die vorerwähnte Temperaturgrenze (120°C) nicht überschritten wird, können die (bisher) maximalen Drehzahlen maßgeblich erhöht werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die bisherige, maximal zulässige Temperatur zu erhöhen, z.B. bis auf 135° C und mehr, ohne die Drehzahlen reduzieren zu müssen, die bisher bis 120° C zulässig waren.

[0013] Es ist bekannt, die aus schmelzmetallurgisch hergestellten Aluminium-Legierungen bestehenden Rotoren und Statoren von bei Halbleiterprozessen eingesetzten Molekular-/Turbomolekularpumpen zum Zwecke des Korrosionsschutzes mit Konversionsschichten (Umwandlung des oberflächennahen Aluminiums in Al₂O₃ z. B. durch Anodierung) auszurüsten. Da die Legierungsanteile des neuen Werkstoffs metallisch und relativ klein sind, besteht nach wie vor die vorteilhafte Möglichkeit der Aufbringung geschlossener Konversionsschichten. Der in der oben erwähnten internationalen Patentanmeldung vorgeschlagene Werkstoff lässt die Aufbringung zuverlässiger Konversionsschichten nicht mehr zu.

[0014] Werkstoffe der erfindungsgemäßen Art werden unter dem Namen DISPAL (z. B. DISPAL S 690 und S 691) auf dem Markt angeboten. Neben dem Aluminium enthalten sie
3,8 bis 5,6 Gew.-% Kupfer
sowie weitere Legierungsbestandteile, wie Magnesium, Mangan, Zirkon, Silber und/oder Titan mit Anteilen zwischen 0,1 und 1 Gew.-%.

Ansprüche

1. Mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Aluminium-Legierung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil Kupfer ist, und dass der Kupferanteil 3 bis 7 Gew.-% beträgt.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwerkstoff weitere Legierungsbestandteile enthält, und zwar Magnesium, Mangan, Zirkon und Silber mit Anteilen zwischen 0,1 und 1 Gew.-%.

Claims

1. Mechanical kinetic vacuum pump comprising a rotor made of an aluminum alloy, characterized in that the rotor material is an aluminum alloy manufactured by powder metallurgy, the main alloy constituent being copper, and that the share of copper amounts to 3 to 7 percent in weight.

2. Pump according to claim 1, characterized in that the rotor material contains further alloy constituents, specifically magnesium, manganese, zircon, silver at shares of between 0.1 and 1 percent in weight.

Revendications

1. Pompe à vide cinétique mécanique comprenant un rotor formé d'une al liage d'aluminium, caractérisée en ce que le matériau dudit rotor est une alliage de cuivre obtenu par métallurgie des poudres, dont le composant principal de l'alliage est le cuivre, et que le pourcentage en cuivre est 3 à 7 % en poids.

2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau dudit rotor contient autres composants de l'alliage, à savoir le magnésium, le manganèse, le zircon et l'argent en pourcentages entre 0,1 et 1 % en poids.