在現代半導體、平板顯示、光伏電池等制造業的精密反應腔體內，真空不僅僅是背景環境，更是決定薄膜生長質量、刻蝕精度乃至最終產品良率的核心工藝參數。從大氣壓到高真空的快速建立與穩定維持，對真空泵的潔凈度、可靠性、耐腐蝕性及智能控制提出了近乎嚴苛的要求。傳統油封泵帶來的油蒸汽污染風險，以及復雜工藝氣體對泵體的腐蝕與沉積挑戰，催生了“干式真空"技術的蓬勃發展。

在此背景下，日本ULVAC（愛發科）的多級羅茨型干式真空泵（如HR/UR系列、LR系列）應運而生。它并非簡單地將羅茨泵（機械增壓泵）與傳統干泵串聯，而是通過革命性的系統集成與熱管理設計，將多級壓縮單元融于一體，實現了從大氣壓直接排氣至常壓的“干式"運行。這款產品代表了在應對嚴苛工藝排氣，特別是化學氣相沉積（CVD）、干法蝕刻等“硬工藝"時，對潔凈、耐久與智能運維的不懈追求。

一、 產品定位：為嚴苛工藝而生的集成化解決方案

ULVAC多級羅茨干泵的核心定位，是為制造業提供一站式、無污染的真空獲得方案。它摒棄了在泵腔內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滑油，從而從根本上避免了油蒸汽返流對真空工藝腔室的污染，保證了工藝的潔凈度。

其設計哲學是“集成"與“強化"。它將多級羅茨泵的壓縮級與作為基礎的干泵（如螺桿式、爪式單元）高度集成在同一緊湊殼體之內。例如，HR/UR系列或LR系列中的“多級"，即指在一根轉子軸上串聯了多個羅茨型轉子，氣體被逐級壓縮，最終由基礎級泵排向大氣。這種一體化設計不僅節省了安裝空間，更通過優化內部流道，減少了壓力損失，提升了抽氣效率。

二、 核心工作原理與設計挑戰

1. 工作原理簡述

該泵的核心在于一對精密嚙合的三葉羅茨轉子。兩個轉子在同步齒輪的驅動下，在泵腔內以高速反向旋轉，彼此之間以及轉子與泵腔之間始終保持微米級的微小間隙。其工作過程并非封閉容積的壓縮，而是通過轉子的連續旋轉，將氣體從進氣口“捕獲"并“推送"至排氣口，從而實現氣體的傳輸與增壓。多級結構的優勢在于，它將巨大的壓縮比（從1Pa至大氣壓，壓縮比高達10?）合理分配至多個壓縮階段，使每一級都在高效區間工作，最終實現從高真空到大氣壓的直接排氣。

2. 核心設計挑戰：熱管理與間隙控制

多級羅茨干泵在應對腐蝕性、易凝結的工藝氣體（如CVD工藝中未反應的硅烷、蝕刻產生的鹵化物）時，面臨兩大核心挑戰：

• 熱量積聚：氣體在壓縮過程中會產生大量熱量，導致泵體溫度從進氣端的低溫向排氣端的高溫遞增。不均勻的熱分布會產生熱應力。

• 間隙失效：轉子與泵腔之間必須維持精密間隙。然而，多級泵體沿軸向的熱膨脹是累積的，且各級因壓縮功不同，溫升與膨脹量各異。若按膨脹量設計統一的大間隙，會導致各級間隙過大，氣體返流嚴重，泵的抽氣性能（容積效率）急劇下降。

三、 ULVAC的創新技術解析

針對上述挑戰，ULVAC的技術提供了系統性解決方案，其技術創新主要體現在以下兩個層面：

1. 高溫區域均熱化技術 (應用于HR/UR系列)
這是ULVAC應對“硬工藝"沉積物的。傳統方案試圖冷卻泵體以凝結并捕集副產物，但易導致粉末堆積、堵塞甚至卡死。ULVAC反其道而行之，通過精密的加熱與保溫控制，主動將泵的高溫區（特別是一級壓縮腔）維持在一個均勻的高溫狀態（UR系列溫度高于HR系列）。其目的是使CVD、蝕刻等工藝產生的升華性副產物在通過泵腔時始終保持氣態，而不會凝結附著，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、腐蝕性氣體時的長期運行可靠性和免維護周期。

2. 智能軸系熱管理與間隙優化設計 (核心技術)
為攻克多級熱膨脹導致的間隙控制難題，ULVAC的設計從軸承布置和熱傳導路徑上進行了根本性優化：

• “固定-自由"軸承策略與低壓端定位：泵的轉子軸一端由固定軸承支撐（限制軸向移動），另一端由自由軸承支撐（允許軸向熱膨脹）。關鍵設計在于，將壓力低、發熱量最小的級泵腔（進氣端）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，此布局確保了發熱最小、對間隙最敏感的低壓級累積膨脹量最小，從而可以設計極小的精密間隙，保障了高真空下的抽氣性能。

• 熱源分離與高效散熱：電機、同步齒輪（主要熱源）與發熱量的高壓級泵腔被分別布置在轉子軸的兩側，中間由低溫的低壓級隔開。這種布局使整體溫度分布更均勻，避免了局部過熱。同時，轉子軸內部可能嵌有高導熱材料，將轉子熱量導向自由端集中散熱。對于特定高壓級，ULVAC甚至會有意識地適當增大其軸向間隙，以犧牲該級少許效率為代價，換取壓縮比和發熱量的降低，從而保護泵體不超過安全溫度上限。

四、 產品系列與應用場景

ULVAC的多級羅茨干泵已形成針對不同應用場景的完整產品矩陣，其核心系列對比如下：

廣泛的應用領域覆蓋：

• 半導體與平板顯示 (FPD)：晶圓制造中的CVD、蝕刻、離子注入，以及OLED蒸鍍等環節的核心排氣設備。

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

• 科研與一般工業：真空冶金、化工蒸餾、藥品凍干、真空包裝等。

五、 操作、維護與智能功能

為確保其長壽命、高可靠運行，正確的操作與維護至關重要。

• 啟停順序：啟動時，必須先開啟前級泵（對于獨立機組）或基礎泵單元，待入口壓力達到設定值（如幾百帕）后，再啟動羅茨增壓部分。停機順序則嚴格相反，先停羅茨部分，最后停前級泵，并立即對前級泵進氣口放氣。

• 關鍵監控點：需持續監控電機電流、軸承溫度和冷卻水狀況。運行中泵體溫升不應超過40℃，高溫度通常不超過80-100℃。異常的振動或噪音是立即停機的信號。

• 智能化與前瞻性維護：現代ULVAC干泵集成了豐富的通信功能，可通過專用軟件實時讀取運行狀態、警告與報警歷史，實現集中監控。這為預測性維護提供了數據基礎，例如通過分析軸承振動趨勢或溫度微小變化，可在故障發生前安排維護，大化設備正常運營時間。

結語

ULVAC多級羅茨型干式真空泵，是精密機械設計、材料科學與智能熱管理算法深度融合的結晶。它通過“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，在微米尺度上平衡了熱膨脹與抽氣效率的矛盾。從保障7納米芯片生產的HR系列，到提升生產線節拍的LR系列，再到普及干式真空技術的GR系列，ULVAC構建了一個完整的技術生態。它不僅是抽取氣體的設備，更是保障制造工藝窗口穩定、提升產品良率、實現綠色安全生產的關鍵基石，在通往更精密、更智能制造的征程中，持續提供著潔凈而強大的真空動力。