液环泵的制作方法

本发明涉及一种液环泵和一种操作所述液环泵的方法。特定来说，本发明涉及一种用于泵送和处理来自处理室的腐蚀性流出气体流的液环泵，该腐蚀性流出气体流的至少一种成分与泵的服务液体起反应或可溶于泵的服务液体中。

背景技术：

使用液环泵来泵送多种气体，然而，其典型构造材料（例如不锈钢、铸铁、黄铜等）阻碍其与强腐蚀性或反应性气体（即，酸性、碱性、氧化或还原气体）一起长期使用。已知液环泵已经由特殊材料（例如，钛、陶瓷和聚合物）制成，然而，这些材料不仅成本高，而且由于某些部件（例如转子与定子）之间的所需紧密尺寸公差而难以以这些材料制造泵。

在一些半导体制造工艺（例如等离子体蚀刻）的排空期间，所产生的流出气体流与液环泵中的服务液体（通常是水）起化学反应或者可溶于其中。这生成腐蚀性服务液体和因此来自所述腐蚀性服务液体与泵的内部工作构件的反应的腐蚀产物。此类腐蚀产物可能在泵送结构内导致额外腐蚀和磨损。

技术实现要素：

本发明至少试图减轻与先前液环泵相关联的问题中的一者或多者。

本发明提供一种用于处理来自处理室的腐蚀性流出气体流的液环泵，所述腐蚀性流出气体流与所述泵的服务液体起反应或者可溶于其中以形成腐蚀产物，所述泵包括：环形泵送室，其围绕中心泵送室轴线为大致柱状以用于接收所述气体流和服务液体；转子，其具有从所述中心泵送室轴线偏移的转子轴线，所述转子具有多个转子叶片，所述多个转子叶片在所述转子旋转时致使所述泵送室中的液体形成具有与所述泵送室的所述中心轴线一致的中心的环和从所述泵送室的入口输送到出口的流出气体流的压缩；用于驱动所述转子的磁性驱动组件，所述磁性驱动组件包括接纳在驱动室中的磁性从动件，所述磁性从动件可以与所述驱动室外部的磁性驱动器磁性联接，以便当所述磁性驱动器由马达驱动时，所述磁性从动件将旋转赋予给所述转子；其中所述驱动室与所述泵送室流体连通，从而允许所述服务液体在所述驱动室和所述泵送室中循环，并且其中所述泵送室、驱动室、磁性从动件和转子包括耐所述流出气体流和当所述气体流由所述服务液体处理时所生成的腐蚀产物的一种或多种材料。

在所附权利要求中限定本发明的其它优选和/或任选方面。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现将参照附图描述本发明的实施例，该实施例仅以实例方式给出，其中：

图1示意性地示出用于排空处理室的系统；

图2示意性地示出用于处理从处理室抽出的气体流的装置的一个实施例；并且

图3显示穿过液环泵的截面；

图4显示沿着图3中的线iv-iv截取的截面；

图5显示沿着图3中的线v-v截取的截面；

图6是液环泵中的液体压力的分布的图解；

图7显示图3中所示的液环泵的修改；

图8a和图8b显示图3中所示的液环泵的替代性修改。

具体实施方式

首先参考图1，处理室10设置有至少一个入口12，以用于接收来自通常在14处指示的气体源的一种或多种处理气体。处理室10可以（例如）是对半导体或平板显示设备的处理在其内发生的室。可以为每一相应处理气体提供质量流量控制器16，该质量流量控制器由系统控制器（未显示）控制以确保所需量的气体供应到处理室10。

废气体流由图1中在20处指示的泵送系统从处理室10的出口18抽出。在室10内进行的处理期间，仅将消耗供应到室的处理气体的一部分，并且因此从处理室10的出口18排出的废气体流将包含供应到室10的处理气体与来自在室10内进行的处理的副产物的混合物。

泵送系统20包括第一泵送结构22。第一泵送结构22包括多级干式泵，其中所述泵的每一泵送级可以由罗茨式或诺斯式泵送机构提供。该第一泵送结构还可以根据处理室10的泵送要求包括涡轮分子泵和/或分子拖曳机构和/或机械增压泵（例如罗茨鼓风机）。在图1的第一泵送结构22中显示一个泵，但是根据处理室10的容量可以提供任何合适数量的泵。为防止第一泵送结构22的（多个）泵在处理室10的排空期间变得受损，如图1中示出，吹扫气体（例如氮气或氦气）可以经由导管系统24被供应到泵送结构22的泵，该导管系统24将吹扫气体源26与第一泵送结构22的泵的吹扫端口28连接在一起。

第一泵送结构22从处理室10的出口18抽出废气体流，并且从其排出口30以通常在从50至1000毫巴范围内的压力排出该气体流。已经发现，有利的是，泵送系统20还包括液环泵(lrp)前级泵32，其具有经由导管系统36连接到第一泵送结构22的排出口30的第一入口34。

根据在处理室10内进行的处理，进入液环泵32的废物流可以包含在半导体设备的制造中用作前体的一种或多种含卤素和/或含硅气体。此类气体及其过程副产物的实例包括四氟甲烷；氟；氟化氢；硅烷；二硅烷；二氯甲硅烷；三氯甲硅烷；原硅酸四乙酯(teos)；硅氧烷（例如八甲基环四硅氧烷(omcts)；和有机硅烷。

鉴于这些类型的气体，液环泵32能够充当用于废气体流的湿式洗涤器，同时能压缩该气体流以便排出到大气（并且因此减小第一泵送结构22的排出压力，以使其整体功率使用减少）。如果该第一泵送结构仅包括涡轮分子泵和/或分子拖曳机构和/或机械增压泵，则液环泵32还可以充当前级泵。

参考图1和图2，废气体流通过入口34进入液环泵32。第二入口44经由导管系统52从液体控制件50输送液体，以便在泵32内形成液环48。服务液体源134补充来自泵的损失液体。在此实施例中，该液体为水，但是可以使用任何其它含水溶液或合适溶剂。从泵排放的液体由液体控制件50指引到处置或处理单元132。

如图2中示出，液环泵32包括转子54，转子54以可旋转方式安装在环形泵送室56中，以使转子轴线58相对于室56的中心轴线60偏心。转子54具有转子毂61和从其径向向外延伸并且围绕转子54等距隔开的多个叶片62。随着转子54的旋转，叶片62接合液体并且使其在室56内部形成为环形环48。

这意味着，在泵32的入口侧上，存在于定位在相邻转子叶片62之间的压缩区域中的气体远离转子毂径向向外移动，而在泵的出口侧上，气体朝向转子毂径向向内移动。这导致对通过泵32的气体的活塞式泵送作用。

通过第一入口34进入液环泵32的废物流被拉入相邻叶片62之间的空间63中。气体流由活塞式泵送作用压缩并通过其出口侧上用于从泵32排出经处理气体流的排出口64排出，该经处理气体流主要包含经处理气体，但是也包含来自液环48的一些液体。该服务液体变得被由气体流的处理产生的腐蚀产物或颗粒污染，并且随着时间的推移，该液体在处理气体时可能变得较不有效，或者可能变得太具有腐蚀性或磨蚀性。因此，必需定期从泵去除液体并且给泵补充新鲜的服务液体。补充液体的速率取决于许多因素，例如，流出气体流的特定组份与服务液体的反应或溶解速率。随后可以处理从泵排放的液体，以去除腐蚀产物和/或颗粒并且将其重新使用或简单处置。液体通过排放端口96从泵排放（如下文更详细描述），并且新鲜液体通过入口44进入泵。

在图3中显示穿过液环泵32的横截面。该泵包括用于驱动转子54的磁性驱动组件。该驱动组件包括磁性从动件74，其被接纳在驱动室92中并且磁性联接到驱动室92外部的磁性驱动器70。磁性驱动器70包括驱动磁铁72。在使用中，马达（未显示）将旋转赋予给磁性驱动器70和驱动磁性从动件74的驱动磁铁72。因此，扭矩借助于磁性驱动联轴器从马达传递到泵送室90中的转子54。此结构避免对旋转轴密封件的需要，从而显著降低泄漏的风险。

磁性从动件74固定到第一轴承76，第一轴承76被支撑成用于通过固定到磁性驱动壳体80的静止悬臂轴78进行旋转。轴78的相对端部延伸穿过端口板82，并且因此沿着泵的偏心轴线58与中心轴轴线保持在一起。转子54固定到第二轴承84，第二轴承84被支撑成用于通过轴78进行旋转。驱动件94将磁性从动件74连接到转子，以使马达的旋转传递到转子。转子叶片62从转子毂向外延伸并且在一端处由周向部分86支撑。轴78延伸穿过在转子与从动磁铁之间的配接器板88。定子56（其在此实例中是泵壳的一部分）与配接器板88和驱动件94一起形成泵送室90。磁性驱动壳体80连同配接器板88和驱动件94一起形成驱动室92。该配接器板因此大体使泵送室90与驱动室92分离。

顶板98包括废物流气体入口34和出口66以及液体入口44。来自泵的液体出口96从驱动室92延伸穿过驱动壳体80。顶板98与端口板82合作，该端口板82将气体输送进出泵送室并且将服务液体输送到驱动和泵送室中。入口34沿着成形为穿过顶板的导管126输送气体。顶板还包括与出口66连通的内部室128。

在图4中可以更详细地看到端口板82，图4是沿着图3中的线iv-iv截取的穿过泵的截面。气体入口34沿着导管126将气体输送到入口孔口102，该入口孔口102穿过端口板82进入到泵送室90中。多个出口孔口100穿过端口板并且通过内部室128输送来自泵送室90的气体以通过气体出口66排出。端口板82的中心部分具有用于接纳止推板104的圆形凹部。止推板104具有轴78延伸穿过其的中心孔。止推板104和端口板82还包括多个通道106，服务液体可以沿着该通道106流动以便润滑该轴。止推板104从端口板轴向延伸，以便位于端口板的平坦表面之上，并且在转子54与端口板之间限定最小轴向间距。止推垫圈104在端口板的表面上方的轴向延伸/高度确定该间隙。止推板104与第二轴承84的止推表面108合作，并且可以在图5中更详细地看到，图5是沿着图3中的线v-v截取的穿过泵的截面。

轴承108的止推表面具有三个雕刻的封闭端接的径向液体分布通道110，其与支承表面齐平定位。通过磁性驱动联轴器72,74的合适轴向对准，向前轴向推力（在图2中向右）传递到第二轴承，以使轴承止推表面108相对于定位在端口板82中的止推板104保持。分布通道110中的服务液体压力在第二轴承84与止推板104之间形成水动力支承，从而允许非接触式支承以用于支撑叶轮54在距端口板82的精确轴向间隙处的旋转。不需要弹簧，并且可以通过使用沿着轴78插入的垫片112来实现力的精细调节。

后部止推板114可以安装在驱动壳体80的圆形凹部中，并且适于轴向延伸并位于驱动壳体80的内部表面之上以保护磁性驱动器，轴向力应向左移动从动磁铁，如图2中所示。

进入泵的液体沿着入口44指引到端口板中环绕轴78的轴向端部的中心室116。中心室116与端口板82和止推板104中的通道106流体连通，以使进入泵的液体被沿着轴78指引，以便润滑和冲洗轴78与泵的旋转部件76,94,84之间的界面。这些旋转部件沿着该界面与轴78成形，以使通道106沿着该轴延伸到驱动室92，从而确保润滑该轴的整个轴向和周向范围。通道106沿着该轴输送水并且通过轴承84,76和驱动件94的旋转致使服务液体（例如水）用干净的水冲洗该轴的周向表面，从而沿着该轴下游去除任何颗粒。已经完成其润滑工作的服务液体离开第一轴承76的后部并且通过由配接器板88与驱动件94之间的间隙限定的导管传递到泵送室90中。额外服务液体（可能再循环的服务液体）可以由其它合适定位的端口供应。

额外适当尺寸的端口117延伸穿过配接器板88并且允许液体在驱动室92与泵送室90之间通过，从而充当用于磁性驱动壳体与泵室之间的服务液体的压力释放件。此端口的位置和尺寸被选择成优化泵送室中的服务液体的流动以改善泵送性能。

该泵包括多个分立部件，该多个分立部件使用外部钢支撑环118组装和保持在一起，该外部钢支撑环118扩展压缩并且由多个连杆120固定。此结构提供机械刚度并且有助于轴向和径向位置和取向两者。使用o形环122来实现部件的密封，该o形环122设置到形成在每一部件的面中的通道124中。此外，可以容易改变泵的部件以允许针对不同泵送和减排要求进行性能修改。例如，限定泵送室的定子56是分立部件，其允许使用不同径向轮廓和尺寸，从而通过控制叶轮54与定子56之间的径向间隙来优化泵性能。液环泵的泵送能力还可以通过改变定子56、叶轮54和轴78的轴向长度来调节，而不必重新设计该泵的任何其它部件。

制成泵的部件的材料被选择成耐腐蚀，以提供对在从处理室排出的流出气体流中可能遇到的许多各种不同具有攻击性的物质的良好耐腐蚀性。驱动轴78和止推垫圈104,114可以由高纯度氧化铝、烧结碳化硅或其它类似材料制成。用于磁性驱动器74的第一轴承76和用于叶轮54的第二轴承84选自一系列自润滑材料，例如（但不限于）石墨和石墨/ptfe复合材料。磁性驱动壳体80、配接器板88、泵送室定子56、端口板82、顶板98和叶轮54可以由一系列聚合物制造，例如（但不限于）聚(氯乙烯)、经填充聚丙烯、聚(亚苯基硫化物)、聚(偏二氟乙烯)；这些聚合物还可以包括ptfe。

已经考虑采用流出气体流的处理来优化液环泵。就这一点而言，液环泵适于在垂直取向上安装，其中该轴大致垂直延伸。应注意，传统上已经水平安装常规液环泵。垂直安装该泵允许泵入口34既平行于轴线又垂直。因此，来自处理室的载有颗粒的气体流具有进入到泵送室90中的不间断路径，从而最小化堵塞的机会（例如导管36中）。进一步堵塞的机会通过使用专门设计的入口系统减少，该专门设计的入口系统被供给有在压力下直接从液环端口传输的服务液体来冲洗入口路径。

液环泵的垂直安装还显著减小其占用面积。垂直于轴轴线（与地面水平）使用排出端口66允许气体/液体分离器罐的极紧密联接，从而进一步改善泵送包装并减小占用面积。

现在将进一步详细描述液环泵的使用。

泵（未显示）的马达被激活，从而致使磁性驱动器70并且因此驱动磁铁72围绕泵的偏心轴线58旋转。通过磁性联接，致使磁性从动件74旋转，这将扭矩通过驱动件94传递到叶轮/转子54。服务液体（例如水）通过液环泵的液体入口44从控制件50引入并且沿着提供润滑的轴78传递并进入到驱动室92中。从驱动室，液体通过形成在驱动件94与配接器板88之间的间隙或导管传递到泵送室90中。转子54的旋转致使液体在泵送室90中形成环，其具有近似于定子56的长度的轴向长度。图2显示处于此操作状态中的泵送室90。由第一泵送结构22从处理室10泵送的流出气体流通过入口34、导管126并且通过端口板82中的入口孔口102被引入到液环泵32的泵送室90。该气体在泵送室90中经历压缩和湿式洗涤。在后一方面，服务液体与气体之间的界面层形成泡沫130，其增加可用于洗涤气体的液体的表面积。气体流通过出口孔口100、通过内部室128和气体出口66从泵送室90排出。当更多腐蚀性气体传递到泵32时，在操作期间，服务液体中腐蚀性产物的浓度将增加。服务液体通过液体出口96从泵排放并且输送用于在单元132（图1）中减排或处置。额外清洁服务液体沿着入口44从源134引入到泵中。

当洗涤某些腐蚀性气体时，期望控制进入泵的服务液体的量以便控制服务液体的温度。即，泵32在操作期间产生热，其与服务液体交换。如果泵中存在的服务液体的量（总体积或补充流量）减少，则服务液体升高到较高温度。相反，如果存在更多液体（总体积或补充流量），则服务液体的温度降低。因此，控制件50根据流出气体流的成分控制泵中液体的量，以使液体温度适于洗涤那些成分。

例如，如果流出气体流包含氟，则洗涤应发生在室温以上（例如至少30℃），因为在室温左右和低于室温的温度下可能产生二氟化氧。二氟化氧的毒性远大于氟。因此，控制件50限制进入泵的液体的量，以使液体温度维持在预定温度（优选地从35℃至80℃，例如60℃），以使氟化氢优先于二氟化氧优先产生。这是优先的，因为氟化氢的毒性比氟和二氟化氧小，并且可容易处置。对泵中/递送到泵的液体的量的限制具有以下进一步优点：存在较少需要减排的服务液体。

现在将参考图6和图7描述液环泵(lrp)32的修改。lrp依赖于充当泵的静态与动态部件之间的密封件的服务液体。环内液体的压力分布是不规则的。图6显示类似于图4的视图，其由针对未经修改lrp测量的典型液体压力分布136覆盖。线138表示大气压力。出现两个高压波瓣。一个波瓣142中心位于出口孔口100上方，并且另一波瓣140恰好定位在出口孔口之前。低压区域出现在入口孔口102上方并且在分离入口和出口的临界区域144中。测量结果已经显示，在排出端口之前，动态液体压力为约2巴（绝对），即，显著大于压缩叶轮叶片之间的气体并且推动过量环液体和气体通过正确尺寸设计的排出端口所需的压力。液环的此过度压缩浪费功率。

先前提出的克服过度压缩问题的解决方案是采用非柱状泵送室。这用于限制液环在未发生泵送的入口与出口端口之间靠近转子，还在发生膨胀和压缩的那部分循环期间使环远离入口和排出端口膨胀。然而，此类复杂定子设计对制造来说不是微不足道的。

根据本发明的修改显示在图7中，其中定子56被布置成在泵送室90的两个区域148,150之间形成导管，以便将液体从一个区域输送到另一区域。以此方式，这些区域（例如图6中的140和144）之间的压力差可以减小并且优选地均衡。如图所示，定子可以包括装配在柱状外套筒154内部的紧密配合的内套筒152。导管由相邻外套筒154的内套筒152中的凹槽形成。第一端口156在区域148处通向泵送室，并且大致笔直孔158沿着导管输送来自泵的液体。孔158与流体围绕环的流动成角度，以使其与环的切线大致对准，使得流体可以容易流入到导管中。第二孔160沿着导管将液体输送到第二端口162中，第二端口162通向泵送室的第二区域。孔158与流体围绕环的流动成角度，以使其与环的切线大致对准，以使进入泵送室的液体并不中断液体围绕环的流动。在使用中，经由在入口与排出端口之间的区域150处供给液环的导管从排出端口之前的高压区域148端口传输液体。孔156,160的选定角度有助于液环在其接近并通过泵外壳的上部顶点时的加速和填充，从而减少在此区域中发生的气体泄漏。

在图8a和图8b中显示图7中所示结构的替代性结构。这些图显示形成泵送室90的一个轴向端部的板162的每一侧的视图。该板可以例如是端口板82或配接器板88。图8a是板的泵送室侧的视图，并且图8b是板远离泵送室的后侧的视图。端口164形成在板的正面中，其通向形成在板162的背面中的凹槽166。第二板（未显示）固定到板162的后部，从而封闭通道并且形成用于输送液体的导管。沿着通道166输送的液体进入孔168并且通过端口170被输送到泵送室90中。因此，液体在排出端口之前从高压区域148被输送并且在接近泵体的上部顶点的区域150处进入到液环中。通道指引高压液体流动，高压液体流动在切向方向上重新注入到液环中。为清楚起见，显示驱动轴孔172和限定泵送室90的外部径向范围的圆174。高压释放孔168在压缩循环内的仔细定位及其距叶轮轴线的距离允许根据液环泵的工作循环和压缩比来优化液体流动的转向。

在图6至图8中，必须选择导管的尺寸以确保液环不过度排放，但确保足够液体转向以有助于叶轮和定子的密封。可使用阀机构（定位在内部或外部）来动态控制导管的尺寸，使得可针对操作条件对液体流动进行调整。