泵抽系统及运行方法

本发明涉及运行泵抽系统的方法。

真空处理一般地用在半导体装置以及平板显示器制造中，以便 将薄膜积淀到基片上，同时用在冶金加工中。用于将相对较大的处 理腔室比如载荷锁定腔室(load lock chamber)抽空至所需要压力的泵 抽系统通常地包括至少一个升压泵，其与至少一个前级泵串联。

升压泵典型地具有无油泵抽机构，因为存在于该泵抽机构内的 任何润滑剂都可能导致清洁环境的污染，在该清洁环境内，执行该 真空处理。这种“干燥”真空泵一般地为具有泵抽机构的单级或多 级正排量泵，该泵抽机构采用位于定子内的内啮合转子。该转子可 以在每级具有相同类型的外形，或者该外形可以从级到级变化。该 前级泵可以具有与该升压泵类似的泵抽机构或者具有不同的泵抽机 构。

异步交流马达典型地驱动升压泵的该泵抽机构。这种马达必须 具有额定值，使得该泵能够在泵入口与出口之间供应充足的泵抽气 体的压缩，并且使得由此引起的泵抽速度对所需要的负载是足够的。

供应给该升压泵的马达的一定比例的电源在排气中产生压缩热 量，尤其是在中级及高级入口压力等级，从而使得该泵体以及转子 能够热起来。如果生成的压缩量以及差压量未能充分地得到控制， 那么可能存在该升压泵过热的风险，最终引起润滑失效、过量热膨 胀以及卡死。

因而常常选择适合于该升压泵的尺寸以及泵抽速度的标准马 达，使得它能够以低级的入口压力、在常规使用时供应充分的压缩， 但是如果该泵在没有保护装置的情况下，以中级以及高级入口压力 等级运行，则留有过热的风险。为了驱动该马达，可以在该马达与 电源之间为该马达提供变频驱动单元。这种驱动单元通过将由该电 源供应的交流电转变为具有所需振幅以及频率的交流电而得以运 行。供应给马达的电源通过控制供应给马达的电流而得以控制，该 供应给马达的电流又通过调节马达内的电压频率和/或振幅而得以控 制。供应给马达的电流决定了在马达内产生的扭矩量，并且因此而 决定了用于转动泵抽机构的可得扭矩。电源频率决定了泵抽机构的 转动速度。通过改变电源频率，即使在气体载荷可以实质性地改变 的情形下，升压泵能够维持恒定的系统压力。

为了防止升压泵过载，驱动单元为电源频率设定最大值(fmax)， 并且为供应给马达的电流设定最大值(Imax)。这种电流限制按照惯例 将适用于马达的持续额定值，并且将限制由泵抽机构产生的有效扭 矩，并且因此将限制由此产生的差压量，从而限制了生成的排气热 量。

然而，如果上述控制不理想并且升压泵在具有过量气体热量的 情形下运行时，则升压泵的泵抽机构将开始过热，导致泵抽机构的 转子在其温度增加时以均匀的方式膨胀。然而，泵抽机构的定子将 以非均匀的方式膨胀。热排气典型地在泵的排出侧导致强烈的加热 效果，而在入口处的持续冷气体输入没有导致这种加热。因此，定 子的排出侧热起来并且膨胀，从而使得热转子与热定子之间的运行 间隙在泵的这个区域损失很少。然而，在泵的入口侧，定子的加热 以及膨胀相当少，并且如果允许转子继续膨胀，则转子与定子之间 的运行间隙典型地消失，并且典型地在围绕定子的相对较冷入口喉 道的特别狭窄区域发生接触。考虑到这点，经常采用相对复杂并且 昂贵的热交换器或者其它冷却机构来减少泵抽机构的转子与定子之 间的这种碰撞。

本发明的至少一个优选实施例的目的是力图提供一种相对简单 以及成本低廉的真空泵运行方法，以便减少真空泵的泵抽机构的转 子与定子之间碰撞的风险。

在第一方面，本发明提供一种泵抽系统，其包括泵抽机构；用 于驱动该泵抽机构的马达；用于给马达供应变频电源的装置；用于 在马达内为电流以及频率设定最大值的控制装置；以及用于给控制 装置供应数据的装置，该数据代表从泵抽机构排出气体的温度以及 泵抽机构定子的温度，其中，该控制装置配置为使用该接收到的数 据，以便在泵抽系统运行过程中调节最大值中的至少一个。

通过监测这些温度，可以借助控制装置而获得泵抽机构的转子 与定子之间的间隙指示。通过这些，控制装置能够预测由于马达过 热引起的转子与定子之间的接触的出现。为了防止转子与定子之间 的碰撞，控制装置能够自动地减小马达内的电流最大值。随着这种 最大电流值的减小，变频驱动装置自动地减小供应给马达的电源的 频率，其具有减慢转子转动速度的效果并具有因此减小了跨越泵抽 机构的差压的效果。随着差压的减小，从泵抽机构内排出的气体内 所生成的压缩热量也得以减小，而这又将减小转子的温度，从而减 小了转子与定子之间碰撞的风险。这能够提供更大的运行可靠性， 尤其是在较大的、复杂的升压泵内的运行可靠性，并且能够使泵抽 系统在最小或者无热安全风险的情况下、在不需要使用昂贵的热交 换器或者其它冷却机构来应付潜在热漂移的情况下，以最高的实际 效率来使用。

由于转子温度将首先依赖于排气温度以及经过的运行时间，转 子温度能够通过利用从第一温度传感器输出的信号来被监测，该第 一温度传感器设置为监测从泵抽机构排出的气体的温度。包含于这 个信号内的数据能够在时间上积分，从而能够决定实际的转子温度。 通过额外地使用增压器入口压力测量，这种决定能够得到进一步的 增强。可以提供第二温度传感器，以便供应信号，该信号代表定子 选定部分的温度。可以将适当计算逻辑应用于这些温度，以便提供 转子与定子选定部分之间的运行间隙的精确估计。

作为一种备选，使用接收到的信号来提供泵抽机构的转子与定 子之间的间隙指示和/或转子温度指示，信号强度本身可以被控制装 置所使用，以便调节马达内的电流最大值。

由于当转子与定子之间存在最大温度差异时，更可能发生接触， 至少一个，可选地为两个或多个第二温度传感器优选地邻近泵抽机 构的入口喉道而定位。这些第二温度传感器可以方便地定位于泵抽 机构的定子的外表面上，该外表面能够使这些传感器的位置按照要 求容易地改动。

通过对增压器泵入口压力进行测量，可以额外地对估计的运行 间隙进行修改，该增压器泵入口压力测量可用于识别入口压力区域， 跨越该入口压力区域最可能有过度的热量生成。通过监测定子温度 的任何突然增加，这种对间隙的估计可以进一步得到增强，定子温 度的突然增加起因于间隙损耗以及在那点的摩擦局部加热的第一次 出现，进而检测出转子/定子接触的开始。备选地或额外地，可以使 用安装在定子外部的额外振动传感器来检测实际的转子/定子接触的 出现。

在一个实施例中，控制装置由单个控制器提供，该控制器接收 从温度传感器输出的信号，并且作为对接收从温度传感器输出的信 号的响应，调节马达内的电流最大值。在另一个实施例中，控制装 置由第一控制器提供，该第一控制器接收从温度传感器输出的信号， 并且向第二控制器输出命令信号，该命令信号指示该第二控制器根 据由第一控制器使用所接收到的信号所确定的数量来调节马达内电 流的最大值。

在第二方面，本发明提供一种用于控制泵抽系统的方法，该泵 抽系统包括泵抽机构、用于驱动该泵抽机构的马达以及用于给马达 供应电源的变频驱动单元。该方法包括以下步骤：设定马达内的电 流最大值及频率最大值；接收数据，该数据代表从泵抽机构排出的 气体的温度以及泵抽机构定子的温度；以及使用接收到的数据在泵 抽系统运行过程中调节该最大值中的至少一个。

与本发明的系统方面相关的上述特征可以同等地应用于本发明 的方法方面，反之亦然。

现在将结合附图描述本发明的优选特征，图中：

图1示意性地展示了用于对壳体抽空的泵抽系统的一个示例；

图2示意性地展示了驱动系统的一个示例，该驱动系统用于驱 动图1中泵抽系统的升压泵的马达；

图3展示一种设置的第一个示例，该设置用于监测并控制图1 中泵抽系统的多个状态；

图4展示了传感器设置的第二个示例，该传感器设置用于监测 图1中泵抽系统的多个状态；以及

图5展示一种设置的第三个示例，该设置用于监测并控制图1 中泵抽系统的多个运行状态。

图1展示了真空泵抽系统，用于对壳体10，比如载荷锁定腔室 或者其它相对较大的腔室进行抽空。该系统包括与前级泵14串联的 升压泵12。该升压泵12具有入口16，该入口16通过抽空通道18， 优选地以管路18的形式，而与该壳体10的出口20连接。该升压泵 12的排出口22通过管路24而连接到该前级泵14的入口26上。该 前级泵14具有排出口28，该排出口28把从该壳体10抽出的气体排 出到大气中。

虽然所展示的泵抽系统包括单个升压泵以及单个前级泵，可以 根据该壳体的泵抽要求，可以提供任何数量的升压泵。当提供多个 升压泵时，这些升压泵并联连接，使得每个升压泵可以暴露于相同 的运行情形下。当提供数量相对较多的升压泵时，两个或更多前级 泵可以以并联的方式提供。此外，根据要求，可以在第一排升压泵 与前级泵之间提供额外一排或多排类似以并联方式连接的升压泵。

参考图2，该升压泵12包括由变速马达32驱动的泵抽机构30。 升压泵典型地包括基本上干燥(或无油)的泵抽机构30，但通常地也包 括一些构件，比如用于驱动该泵抽机构30的轴承以及传动齿轮，这 些轴承以及传动齿轮要求润滑，以便有效。干燥泵的例子包括Roots 泵、Northey(或“爪式”)泵以及螺杆泵。结合有Roots和/或Northey 机构的干燥泵一般地为多级正排量泵，其在每个泵抽腔室内采用内 啮合转子。该转子定位于反转轴上，并且可以在每个腔室内具有相 同类型的外形或者该外形可以从腔室到腔室变化。

该前级泵14可以具有与该升压泵12类似的泵抽机构，或者不 同的泵抽机构。比如，该前级泵14可以为旋转叶片泵、旋转活塞泵、 Northey或者“爪式”泵或者螺杆泵。

该升压泵12的马达32可以为任何适当的马达，用于驱动该升 压泵12的泵抽机构30。在该优选实施例中，该马达32包括异步交 流马达。用于驱动该马达32的控制系统包括变频驱动单元36，用于 接收由电源38供应的交流电源，并且将该接收到的交流电源转化为 用于该马达32的电源供应。

该驱动单元36包括逆变器40以及逆变器控制器42。如所知道 的，该逆变器40包括用于将来自该电源38的交流电源转化为脉冲 直流电源的整流电路、用于将该脉冲直流电源过滤成直流电源的中 间直流电流、以及逆变器电路，其用于将该直流电源转化为交流电 源，以便驱动该马达32。

该逆变器控制器42控制该逆变器40的运行，使得该电源具有 所需要的振幅和频率。该逆变器控制器42根据该泵抽系统的运行状 态而调节该电源的振幅以及频率。当从该逆变器40输出的电源频率 变化时，该马达32的转动速度根据频率的改变而变化。该驱动单元 36因此能够在对该壳体10进行抽空时改变该升压泵12的速度，从 而优化该升压泵12的性能。

该逆变器控制器42对该驱动单元36的两个或者多个运行极限 设定数值，特别是供应给该马达32的电源最大频率(fmax)以及可供应 给该马达32的最大电流(Imax)。如上面所提到的，该值Imax通常被设 定，从而使得它适用于马达32的持续额定值，即功率，该马达可以 以该功率长时间地运行，而不达到过载情形。对供应给该马达的功 率设定最大值具有限制该泵抽机构30可获得的有效扭矩的效果。这 又将限制由此产生的跨越该升压泵12的差压，并且因此限制在该升 压泵12内生成的热量。

该逆变器控制器42同时监测供应给该马达32的电流。该供应 给该马达32的电流，依赖于通过该驱动单元36而供应给该马达32 的交流电源频率及振幅的数值。在该供应给该马达32的电流超过Imax 的情况下，该逆变器控制器42控制该逆变器40，以便减小供应给该 马达32的电源频率，从而同时减小了低于Imax的电流以及该升压泵 12的速度。

如上面所提到的，该逆变器控制器42预先给Imax以及fmax设定 数值，该数值适用于马达32的持续额定值，即，功率，该马达可以 以该功率不确定地运行，而没有达到过载情形。为了防止该泵抽机 构30的转子过热，该过热可能导致该泵抽机构30的转子与定子之 间的碰撞，该逆变器控制器42配置为在该泵抽系统10的使用过程 中调节Imax的数值。通过在该升压泵12的运行过程中减小Imax的数 值，该逆变器40促成迅速地减小供应给该马达32的电源频率。这 又导致该转子的转动速度变慢，从而减小了跨越该泵抽机构30的差 压。随着该差压的减小，生成于从该泵抽机构30排出的气体内的压 缩热量也得以减小，并且这又减小的该转子的温度，从而减小了该 转子与该定子之间的碰撞风险。根据情况，另外减小fmax也可能合适。

图3展示了传感器设置的第一个示例，用于监测该泵抽系统10 的一个或者多个运行状态，并且用于给控制器43提供代表运行状态 的信号，以便用于调节Imax的数值。该设置包括第一温度传感器44， 用于监测从该泵抽机构30排出的气体的温度。在这个设置中，该传 感器44水平地穿过该升压泵12的排出凸缘而插入到从该泵12排出 的热气流中。该传感器44将代表排气温度的信号输出到该控制器43。 该接收到的信号通过该控制器43而在时间上进行积分，以便提供该 泵抽机构32的转子温度指示。

该设置进一步包括至少一个(虽然在图3中显示了两个，但是可 以提供任何适当的数量)第二温度传感器46，其安装于该泵抽机构30 的定子外表面上。由于该转子与该定子之间的接触最可能发生在一 定区域，该区域围绕该定子的相对较冷入口喉道，该第二温度传感 器46围绕着该区域而安装，以便将代表在该区域定子温度的信号输 出给该控制器43。

通过使用接收自该第一以及第二温度传感器44、46的信号，可 以借助该控制器43而决定该泵抽机构32的转子与定子之间的当前 间隙的精确估计。依据该间隙的数值，该控制器43可以命令该逆变 器控制器42在该升压泵12的运行过程中减小Imax的数值，用于减小 该泵抽机构30的转子加热，并且用于防止该定子与该转子之间的碰 撞。此外，依据该间隙的数值，该控制器43也可以命令该逆变器42 在该升压泵1 2的运行过程中减小fmax的数值，以便减小该泵抽机构 30的转子加热，并防止该定子与该转子之间的碰撞。

该升压泵入口压力的测量可用于识别入口压力区域，跨越该入 口压力区域最可能有过度增压器热量生成。考虑到这点，如图3所 示，该传感器设置可以包括压力传感器48，其设置为监测在该泵抽 机构30的入口处的气体压力。

通过监测从该第二温度传感器46接收的任何温度突然增加而引 起的信号，这种对间隙的估计可以进一步得到修正，温度的突然增 加会起因于间隙损耗以及在接触点的因摩擦产生的局部加热的第一 次出现。备选地，如图4所示，该传感器设置可以被修改，以便包 括振动传感器50，其安装在该定子入口喉道的外表面上，用于检测 转子/定子接触的出现。

在图3和图4所展示的示例中，该逆变器控制器42以及该控制 器43一起提供控制装置52，用于对该马达内的电流以及频率设定最 大值，用于接收数据，该数据代表从该泵抽机构排出的气体的温度 以及该泵抽机构的定子温度，并且使用该接收到的数据在该泵抽系 统运行过程中调节该最大值中的至少一个。在图5所展示的示例中， 从传感器44、46以及48输出的信号直接地反馈到该逆变器控制器 42，该逆变器控制器42依据由这些传感器所监测的参数，调节该最 大值当中的至少一个。这可以提供简化的控制装置，用于调节这些 最大值。