ULVAC多级罗茨型干泵：驱动先进制造的洁净真空核心

在现代半导体、平板显示、光伏电池等制造业的精密反应腔体内，真空不仅仅是背景环境，更是决定薄膜生长质量、刻蚀精度乃至最终产品良率的核心工艺参数。从大气压到高真空的快速建立与稳定维持，对真空泵的洁净度、可靠性、耐腐蚀性及智能控制提出了近乎严苛的要求。传统油封泵带来的油蒸汽污染风险，以及复杂工艺气体对泵体的腐蚀与沉积挑战，催生了“干式真空"技术的蓬勃发展。

在此背景下，日本ULVAC（爱发科）的多级罗茨型干式真空泵（如HR/UR系列、LR系列）应运而生。它并非简单地将罗茨泵（机械增压泵）与传统干泵串联，而是通过革命性的系统集成与热管理设计，将多级压缩单元融于一体，实现了从大气压直接排气至常压的“干式"运行。这款产品代表了在应对严苛工艺排气，特别是化学气相沉积（CVD）、干法蚀刻等“硬工艺"时，对洁净、耐久与智能运维的不懈追求。

一、 产品定位：为严苛工艺而生的集成化解决方案

ULVAC多级罗茨干泵的核心定位，是为制造业提供一站式、无污染的真空获得方案。它摒弃了在泵腔内部使用密封油或工作液，仅在与外界隔离的齿轮箱中使用润滑油，从而从根本上避免了油蒸汽返流对真空工艺腔室的污染，保证了工艺的洁净度。

其设计哲学是“集成"与“强化"。它将多级罗茨泵的压缩级与作为基础的干泵（如螺杆式、爪式单元）高度集成在同一紧凑壳体之内。例如，HR/UR系列或LR系列中的“多级"，即指在一根转子轴上串联了多个罗茨型转子，气体被逐级压缩，最终由基础级泵排向大气。这种一体化设计不仅节省了安装空间，更通过优化内部流道，减少了压力损失，提升了抽气效率。

二、 核心工作原理与设计挑战

1. 工作原理简述

该泵的核心在于一对精密啮合的三叶罗茨转子。两个转子在同步齿轮的驱动下，在泵腔内以高速反向旋转，彼此之间以及转子与泵腔之间始终保持微米级的微小间隙。其工作过程并非封闭容积的压缩，而是通过转子的连续旋转，将气体从进气口“捕获"并“推送"至排气口，从而实现气体的传输与增压。多级结构的优势在于，它将巨大的压缩比（从1Pa至大气压，压缩比高达10⁵）合理分配至多个压缩阶段，使每一级都在高效区间工作，最终实现从高真空到大气压的直接排气。

2. 核心设计挑战：热管理与间隙控制

多级罗茨干泵在应对腐蚀性、易凝结的工艺气体（如CVD工艺中未反应的硅烷、蚀刻产生的卤化物）时，面临两大核心挑战：

• 热量积聚：气体在压缩过程中会产生大量热量，导致泵体温度从进气端的低温向排气端的高温递增。不均匀的热分布会产生热应力。

• 间隙失效：转子与泵腔之间必须维持精密间隙。然而，多级泵体沿轴向的热膨胀是累积的，且各级因压缩功不同，温升与膨胀量各异。若按膨胀量设计统一的大间隙，会导致各级间隙过大，气体返流严重，泵的抽气性能（容积效率）急剧下降。

三、 ULVAC的创新技术解析

针对上述挑战，ULVAC的技术提供了系统性解决方案，其技术创新主要体现在以下两个层面：

1. 高温区域均热化技术 (应用于HR/UR系列)
这是ULVAC应对“硬工艺"沉积物的。传统方案试图冷却泵体以凝结并捕集副产物，但易导致粉末堆积、堵塞甚至卡死。ULVAC反其道而行之，通过精密的加热与保温控制，主动将泵的高温区（特别是一级压缩腔）维持在一个均匀的高温状态（UR系列温度高于HR系列）。其目的是使CVD、蚀刻等工艺产生的升华性副产物在通过泵腔时始终保持气态，而不会凝结附着，从而能以气体形式被顺利排出泵外。这极大地提升了泵在处理聚合性、腐蚀性气体时的长期运行可靠性和免维护周期。

2. 智能轴系热管理与间隙优化设计 (核心技术)
为攻克多级热膨胀导致的间隙控制难题，ULVAC的设计从轴承布置和热传导路径上进行了根本性优化：

• “固定-自由"轴承策略与低压端定位：泵的转子轴一端由固定轴承支撑（限制轴向移动），另一端由自由轴承支撑（允许轴向热膨胀）。关键设计在于，将压力低、发热量最小的级泵腔（进气端）布置在最靠近固定轴承的位置。由于热膨胀从固定端向自由端累积，此布局确保了发热最小、对间隙最敏感的低压级累积膨胀量最小，从而可以设计极小的精密间隙，保障了高真空下的抽气性能。

• 热源分离与高效散热：电机、同步齿轮（主要热源）与发热量的高压级泵腔被分别布置在转子轴的两侧，中间由低温的低压级隔开。这种布局使整体温度分布更均匀，避免了局部过热。同时，转子轴内部可能嵌有高导热材料，将转子热量导向自由端集中散热。对于特定高压级，ULVAC甚至会有意识地适当增大其轴向间隙，以牺牲该级少许效率为代价，换取压缩比和发热量的降低，从而保护泵体不超过安全温度上限。

四、 产品系列与应用场景

ULVAC的多级罗茨干泵已形成针对不同应用场景的完整产品矩阵，其核心系列对比如下：

广泛的应用领域覆盖：

• 半导体与平板显示 (FPD)：晶圆制造中的CVD、蚀刻、离子注入，以及OLED蒸镀等环节的核心排气设备。

• 光伏与锂电池：硅基薄膜太阳能电池的沉积，以及电极材料干燥、注液脱泡等工艺。

• 科研与一般工业：真空冶金、化工蒸馏、药品冻干、真空包装等。

五、 操作、维护与智能功能

为确保其长寿命、高可靠运行，正确的操作与维护至关重要。

• 启停顺序：启动时，必须先开启前级泵（对于独立机组）或基础泵单元，待入口压力达到设定值（如几百帕）后，再启动罗茨增压部分。停机顺序则严格相反，先停罗茨部分，最后停前级泵，并立即对前级泵进气口放气。

• 关键监控点：需持续监控电机电流、轴承温度和冷却水状况。运行中泵体温升不应超过40℃，高温度通常不超过80-100℃。异常的振动或噪音是立即停机的信号。

• 智能化与前瞻性维护：现代ULVAC干泵集成了丰富的通信功能，可通过专用软件实时读取运行状态、警告与报警历史，实现集中监控。这为预测性维护提供了数据基础，例如通过分析轴承振动趋势或温度微小变化，可在故障发生前安排维护，大化设备正常运营时间。

结语

ULVAC多级罗茨型干式真空泵，是精密机械设计、材料科学与智能热管理算法深度融合的结晶。它通过“高温均热化"这一策略，直面并征服了工艺中最棘手的沉积物难题；又凭借的轴系与间隙控制技术，在微米尺度上平衡了热膨胀与抽气效率的矛盾。从保障7纳米芯片生产的HR系列，到提升生产线节拍的LR系列，再到普及干式真空技术的GR系列，ULVAC构建了一个完整的技术生态。它不仅是抽取气体的设备，更是保障制造工艺窗口稳定、提升产品良率、实现绿色安全生产的关键基石，在通往更精密、更智能制造的征程中，持续提供着洁净而强大的真空动力。