ULVAC LR3601-R爱发科多级罗茨型干泵：低温均热化设计下的排气与节能

摘要

在半导体制造、FPD（平板显示器）生产及真空镀膜等前沿工业领域，真空泵的性能直接决定了工艺效率与产能极限。面对装卸腔室（Load Lock Chamber）和PVD（物理气相沉积）工艺对快速排气、高频启停及洁净度日益严苛的要求，传统真空泵在应对快速循环任务时常面临发热量大、功耗高、排气效率不足等瓶颈。日本ULVAC（爱发科）株式会社基于其数十年的真空技术积累，推出多级罗茨型干泵LR系列，搭载独特的低温区域均热化技术，在大抽速应用中展现出的工艺适应性。LR1800和LR3601-R作为LR系列面向大抽速需求的旗舰型号，采用独特的低温均热技术和机械增压泵两级串联设计，在装卸腔室快速排气、缩短生产节拍方面具有显著优势，同时通过与ECO-SHOCK节能附件的组合，可将功耗降低高达80%。本文从产品系列架构、核心技术参数、低温区域均热化技术原理、抗腐蚀与密封设计、ECO-SHOCK节能附件、系列谱系对比、典型应用场景及选型建议等方面，对LR1800及LR3601-R进行系统技术解析。

一、引言

在现代半导体和FPD制造产线中，真空系统的设计不仅仅关乎能否抽真空，更关乎“抽多快"和“省多少电"。溅射（Sputtering）和蒸镀（Vapor Deposition）等PVD工艺对真空环境的要求高，而装卸腔室——作为晶圆从大气环境进入工艺腔室的中转站——需要在高频次的装载和卸载操作中快速完成抽气和破空循环。缩短装卸腔室的排气时间，直接等同于缩短生产节拍、提升设备综合利用率（Overall Equipment Effectiveness, OEE）。

然而，装卸腔室和PVD工艺所排出的气体主要是空气、氮气、氩气等惰性气体，不含腐蚀性或反应性气体。传统设计在这一应用场景中存在发热量大、停机时间长、节能效果差等痛点。ULVAC LR系列正是针对这一工况而研发的专用解决方案——以低温均热化技术为基石，在保证高抽速输出的同时控制泵体温升，为频繁启停的快速排气应用提供兼顾效率、可靠性与经济性的真空获取平台。

二、产品系列架构与定位

2.1 多级罗茨型干泵技术简介

LR1800/LR3601-R属于多级罗茨型干式真空泵（Multi-Stage Roots Type Dry Vacuum Pump）。与传统油封式真空泵不同，多级罗茨干泵在真空室内不使用油或液体，采用多个罗茨转子级串联压缩气体，实现无油接触的干式排气。这种结构从根本上杜绝了油蒸气返流对被抽腔室的污染，在FPD（平板显示器）、电子和半导体行业等需要更高清洁真空的环境中具有不可替代的地位。

2.2 LR系列在ULVAC干泵体系中的位置

ULVAC围绕多级罗茨型干泵，构建了LR、HR、UR三大系列，分别应对不同工艺温度和气体成分的场景，形成了从低温排气到超高温耐腐蚀工艺的完整覆盖：

ULVAC的HR/UR系列通过独特的高温均热技术（High-Temperature Uniform Heating）有效利用压缩热，在CVD和干法刻蚀等硬工艺（Hard Process）中实现了高耐久性。而LR系列则采用低温均热策略，在PVD工艺之外，尤其适用于高频启停的装卸腔室抽空，在缩短排气时间对提升产能极为关键的应用中发挥重要作用。

LR系列的核心设计理念在于：不是追求极限高温来防止冷凝，而是通过将泵体温度控制在适中的低温区域内均匀化，避免不必要的过热，从而实现更低的功耗和更高的启停响应速度。

三、核心技术参数

3.1 LR1800与LR3601-R抽速性能

LR1800和LR3601-R均由干泵主体（DRP）和机械增压泵（MBP）两级串联构成，以下为两者的核心性能指标对比：

在60Hz供电条件下，LR1800的抽速可达29700 L/min，极限压力低至0.67 Pa，覆盖了从中真空到高真空宽域的有效抽气需求。LR3601-R在50Hz下的抽速高达53333 L/min，在所有LR系列型号中处于抽速顶点。0.67 Pa的极限压力指标意味着这两款泵不仅胜任装卸腔室的快速粗抽，同样可以作为涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）或机械增压泵的后级前级泵使用。

3.2 冷却水与氮气吹扫系统

LR系列均需配置冷却水系统以保证长时间连续运行的热稳定性：一次压力范围0.1~0.5 MPa，流量要求不低于4~5 L/min，出入口压差大于0.10.2 MPa。同时，为防止工艺气体沿转轴间隙泄露及内部粉尘堆积，轴密封部位需持续通入氮气吹扫，流量为5 SLM；此外还提供可调节的气镇（Gas Ballast）功能，流量范围为045 SLM，用于改善水蒸气和可冷凝气体的排出性能。

四、低温区域均热化：LR系列的核心技术灵魂

4.1 低温均热化的技术内涵

ULVAC的LR系列采用了区别于常规干泵设计的低温区域均热化策略。其核心思想是：将泵体温度控制在一个相对较低的、均匀分布的水平，而非追求高温排气。

这一策略对装卸腔室和PVD工艺具有三重价值：

• 抑制泵体发热：在频繁大气压到真空的循环作业中，压缩热显著积累。传统干泵若不加严格控制，泵体温度将不断攀升，不仅影响轴承寿命，还会延长停机后的冷却等待时间。LR系列的低温均热设计主动干预热分布，使泵体各区域温差大幅缩小，显著降低了热点出现的概率和温升幅度。

• 降低热能对周边设备的影响：泵体温度较低且均匀，意味着排向洁净室的热辐射被有效抑制。这直接减轻了空调系统的制冷负荷，为半导体工厂提供了可观的间接节能潜力。

• 专为惰性气体排气优化：PVD工艺和装卸腔室中的气体为空气、氮气、氩气等惰性气体，不含腐蚀性或反应性成分，无需通过高温排气来防止物质沉积或腐蚀。LR系列的低温策略恰好契合此类工艺的实际需求。

4.2 与传统高温系列（HR/UR）的清晰分工

ULVAC将LR、HR、UR三大系列的泵体温控策略做了明确分工：LR专攻低温均匀，适用于PVD与装卸腔室；HR和UR则分别采用高温和超高温均热，专为处理CVD、干法刻蚀等含升华性排气物质的硬工艺而设计，通过维持泵体高温以避免副产物在泵内冷凝沉积。LR系列与HR/UR系列的差异化定位，使得用户能够根据工艺气体的性质准确选型，避免过高的温度冗余带来不必要的能耗和设备成本。

五、抗腐蚀、氦气密封与瞬停防护设计

5.1 出色的耐腐蚀性

尽管LR系列主要处理惰性气体，但ULVAC仍为其关键零部件配置了高标准的耐腐蚀设计。主要零部件均采用表面硬度高、耐腐蚀性优异的特殊表面处理工艺，在可能接触到微量腐蚀性气体或副产物的边界工况下有效降低泵内部的腐蚀风险。

5.2 氦气密封（Helium Tight）技术

LR系列搭载了屏蔽电动机（Canned Motor）结构，形成全密闭的驱动系统。电机内部和泵腔之间不存在动密封泄漏路径，实现了优异的氦气密封性能。这一设计不仅确保了在真空系统泄漏率要求极其严格的应用中的可靠性，也大幅提升了泵体的整体安全性。

5.3 瞬停对策

工业供电线路中的瞬间电压跌落或停电（通常持续数十至数百毫秒）可能导致真空泵保护性停机，进而引起整个工艺链中断。LR系列内置了瞬停对策电路，能够在1000msec（1秒）以内的瞬停事故中保持泵体继续运转，有效避免了因电力短暂波动导致的非计划性停机。

5.4 通信功能

LR系列具备的通信功能，用户可通过连接计算机读取与泵运转状态相关的数据、警告及报警履历。若使用专用软件与计算机进行通信，还可实现集中监控和远程管理，显著提升了大规模产线的运维效率。

5.5 全压力区域连续运行能力

LR系列支持从大气压极限压力的全压力区域连续运行，无需在启动阶段进行特殊操作。这一特性在装卸腔室的反复抽气-破空循环中尤为实用——用户不必担心因排气负载波动而影响泵的运行稳定性，使LR系列可无缝集成到自动化生产线控制逻辑中。

5.6 CE标准合规

所有LR系列型号均可选配符合CE标准（欧盟强制性安全认证）的配置，以适应出口欧洲的设备法规要求，同时有助于降低设备运行噪音、提升维护便捷性。

六、ECO-SHOCK节能附件：将功耗降低至多80%

6.1 节能附件的技术价值

LR系列干泵虽已具备不错的能效表现，但若搭载ULVAC的ECO-SHOCK节能附件，节能潜力将进一步释放。ECO-SHOCK是一种连接在干式真空泵排气管路上的创新附件，通过智能调节排气阻抗来优化泵的负载曲线。当干泵处于极限压力或低负荷运行阶段时，ECO-SHOCK自动介入，降低排气阻力，使电机负载减小，功耗显著下降。

6.2 实测节能效果

据ULVAC实测数据，ECO-SHOCK可使干式真空泵的功耗降低最多80%（与本公司传统产品相比） ，同时具有抑制干泵发热的效果——这进一步降低了洁净室空调系统的制冷负荷，产生了第二层次的间接节能效益。在实际应用案例中：

极限压力运行工况下（以搭载ECO-SHOCK的ES4A附件为例）：

• LR1800：原功耗6.0 kW → 2.7 kW，降低55%

• LR3601-R：原功耗7.8 kW → 3.2 kW，降低59%

反复排气工况下（装卸腔室实际作业模式）：

• LR1800：原功耗7.2 kW → 5.7 kW，降低21%

• LR3601-R：原功耗9.6 kW → 6.3 kW，降低34%

以上数据来自产品应用实测资料

6.3 附加性能提升与使用限制

除节能外，ECO-SHOCK还附带提高极限压力性能和降低排气噪音的附加效果，且在所有压力范围内均可保持有效抽速输出。使用前提明确：ECO-SHOCK不得用于排放易燃、可燃或有毒气体的泵；仅适用于抽空空气、氮气、氩气等惰性气体的应用。这恰恰与LR系列定位于PVD和装卸腔室惰性气体排气的产品定位高度契合。

七、LR系列完整型号谱系

LR系列覆盖从60 m³/h小抽速到3200 m³/h超高抽速的完整产品线。干泵主体（DRP）与机械增压泵（MBP）的不同组合，形成了多个配置层次：

从谱系分布可见，LR1800和LR3601-R处于LR系列的最大抽速金字塔顶端。LR3601-R与其变体LR3601-T、LR3601-TR的主要区别在于干泵表面处理规格（R系列为标准型，T系列为更高级别表面处理）。

八、典型应用场景

8.1 PVD镀膜设备（溅射/蒸镀）

在半导体和FPD制造中的溅射和蒸镀工艺中，真空系统通常需要在高洁净度条件下长时间连续运行，同时承受频繁的晶圆加载和卸载操作。LR系列低温均热化技术确保泵体在连续运行和间歇运行之间维持稳定的温度分布，有效避免因过高温升导致轴承磨损或停机冷却时间过长的问题。LR1800和LR3601-R的大抽速特性使其尤其适合大面积基板的溅射镀膜生产线。

8.2 装卸腔室（Load Lock Chamber）快速排气

装卸腔室的快速排气是提升产能的刚性需求：每一次抽空时间的缩短，直接转化为每小时可处理的晶圆片数增加。LR系列专门针对这一场景优化，ULVAC将其定位为“特别适用于缩短排气时间对提高产能非常重要的装卸室排气"。LR1800和LR3601-R的大抽速配合低发热特性，可在高频启停下稳定运行，为半导体和FPD制造商提供可靠的产能提升手段。

8.3 涡轮分子泵/机械增压泵的后级前级泵

在需要高真空的应用中，涡轮分子泵和机械增压泵自身无法从大气压开始启动，必须依赖前级泵（Backing Pump）预抽到其启动压力。LR系列大抽速型号可作为高性能前级泵，与涡轮分子泵或机械增压泵配合，快速将真空腔室从大气压抽至分子泵的启动压力区间，大幅缩短高真空系统的整体抽气时间。

8.4 惰性气体排气系统

LR系列主要设计用于抽空惰性气体，包括空气、氮气（N₂）和氩气（Ar）。这些气体在半导体和材料加工中广泛用作工作气体、吹扫气体和运输气体。在热处理炉、Si单晶生长炉等需要惰性气氛保护的设备中，LR系列提供了高效、洁净的排气解决方案。在产生粉尘副产物的工艺（如Si单晶拉制炉）中，LR系列同样可用于排除含粉末的气体。

8.5 真空干燥与脱气处理

除半导体领域外，LR系列还适用于需要对物料进行真空干燥或脱气处理的工业领域。其高抽速和较低的基础真空度可在中等真空范围内提供高效排湿排溶剂的性能。

8.6 与其他干泵系列的场景对照

在PVD工艺之外，若工艺气体涉及CVD反应副产物或腐蚀性成分，应选用HR或UR系列；若主体工艺为物理镀膜且需要快速装卸腔室排气，LR1800和LR3601-R则是面向大抽速需求的优选。

九、选型对比与建议

9.1 抽速需求分级

LR1800在抽速、功耗、尺寸之间取得了平衡，适合大多数8英寸以上晶圆PVD产线和大型FPD镀膜设备的装卸腔室抽气需求。LR3601-R以3200 m³/h的抽速站稳LR系列抽速顶端，为12英寸大产线和高节拍FPD产线提供了充足的真空安全余量。

9.2 配置组合建议

• 标配（无ECO-SHOCK） ：适用于抽气频率不高、对功耗不敏感的场景，或工艺气体不满足ECO-SHOCK“仅限惰性气体"的合规条件。

• 带ECO-SHOCK节能附件：适用于处理空气、氮气、氩气等惰性气体的PVD或装卸腔室应用，可实现极限压力下最高59%的功耗降低及改善噪音和极限压力性能。

• CE标准选配：用于需要出口欧洲的设备，符合欧盟机械安全和电磁兼容性指令。

十、结语

ULVAC LR1800和LR3601-R多级罗茨型干泵，凭借低温区域均热化技术、氦气密封屏蔽电机结构、1秒内瞬停对策及CE合规等多项核心设计，在PVD镀膜和装卸腔室快速抽气等大抽速应用中实现了性能与可靠性的高效融合。通过与ECO-SHOCK节能附件协同使用，极限工况下的功耗可降低最多约59~80%，显著改善了大型真空系统的长期运营成本。

在半导体、FPD、新能源和精密材料加工等产业对真空系统洁净度、抽速和综合拥有成本要求持续攀升的背景下，LR1800和LR3601-R作为LR系列的大抽速主力型号，为业界提供了兼顾大抽速、低发热、低功耗的系统级真空获取方案——将“抽得快、省得多"从实验室指标转化为产线运行的日常现实，为现代精密制造业的产能提升与绿色制造持续贡献力量。