HR60日本ULVAC爱发科多级罗茨型干泵技术解析：面向半导体硬工艺的高温防腐

一、产品概述

HR60是日本ULVAC（爱发科）LR/HR/UR干式真空泵系列中的小型多级罗茨型干泵，属于HR高温防腐系列。该系列泵专为CVD（化学气相沉积）和蚀刻工艺设计，与面向PVD和负载锁定应用的LR低温洁净泵形成明确的工况分工。HR60通过在泵腔全域实现120~150℃的高温恒温，利用压缩热维持泵体高温，使CVD、蚀刻等工艺中产生的升华性排气物质以气态排出，避免副产物在泵腔内冷凝积粉导致卡死，是半导体腐蚀制程的专用前级泵。

从产品线定位来看，HR系列覆盖HR60至HR1200等多个型号，HR60作为该系列的入门级小型泵，主要面向中小型CVD、蚀刻和ALD装置的前级抽气需求。

二、多级罗茨型干泵的工作原理

2.1 基本结构与运行机制

多级罗茨型干泵的核心结构是在称为外壳的盒子内设置两个三叶转子，它们通过一对齿轮以相同频率沿相反方向旋转。转子彼此之间、以及转子与壳体之间并不接触，而是在保持微小间隙的同时旋转，以此传送和压缩气体。转子采用多级串联结构，将气体逐级压缩至大气压后排放。

这种设计的本质是将多段机械增压泵集成为一体，通过单轴连接多段转子，实现从大气压到极限真空的全压力范围运行。转子壳体内不使用油或其他密封液体，可实现清洁排气；齿轮和轴承使用油进行润滑，但通过密封结构防止油进入壳体。

2.2 HR60的抽气性能

HR60的最大排气速度为50Hz下62 m³/h、60Hz下80 m³/h，到达压力为5.0 Pa，吸气口规格为VG50（KF50），排气口为KF40。整机重量约180kg，电机功率2.2kW，采用三相200V（50/60Hz）/220V（60Hz）供电，标配水冷散热。

值得注意的是，HR300及以上的大型型号极限真空可低至0.1Pa甚至0.05Pa，但HR60作为小型泵定位在5.0P级别，这与其主要作为涡轮分子泵或机械增压泵前级泵的角色定位相匹配。

三、核心技术解析：高温均热化与防腐设计

3.1 全域高温均热化技术

HR60具标志性的技术特征是泵腔全域高温均热化。泵体多级腔体全程均匀控温在120~150℃，利用压缩热维持高温，杜绝硅烷、金属氯化物、升华粉体冷凝粘黏转子，避免泵腔积粉卡死。

这一设计的工程意义在于：在CVD和干法蚀刻工艺中，反应副产物（如SiO₂、SiCl₄、AlCl₃等）在常温下呈固态或液态，一旦在泵腔内冷凝堆积，将迅速导致转子卡滞、抽速衰减甚至设备损坏。传统低温干泵必须依赖频繁的维护清洗来维持运行，而HR60通过持续高温使这些副产物全程保持气态，从根本上解决了堵泵问题。

3.2 强化防腐密封系统

HR60的转子与腔体表面采用高硬度特种耐蚀涂层处理，能够耐受氟、氯、硅粉尘及微量酸碱工艺气体的侵蚀。主要零部件均经过特殊表面处理，在暴露于腐蚀性气体时有效防止内部泵件的磨损和腐蚀。

在轴封设计上，HR60搭载全封闭屏蔽电机，形成密闭结构，实现氦气密封，消除介质泄漏风险。同时标配持续氮气吹扫（标准5SLM），隔绝腐蚀性介质侵入轴承腔。内部组件的高表面硬度和耐腐蚀性，确保了在半导体严苛制程中的长期稳定运行。

3.3 瞬停保护与智能通讯

HR60具备1000毫秒以内的瞬停保护能力，即在电网瞬时断电的情况下，泵仍能在短时间内维持安全运行状态，避免因突发断电导致工艺中断和泵体损坏。

在智能化方面，HR60标准配备RS485通讯接口，可读取真空度、温度、吹扫流量、故障报警、运行时长等关键数据，适配产线集中上位监控系统。泵的数据包括警告和报警信息可导出，支持广泛的泵控制功能，便于实现半导体产线的集中化管理和预防性维护。

四、应用场景

HR60的应用高度聚焦于半导体及薄膜制备领域的硬工艺环节：

CVD装置：在化学气相沉积过程中，反应气体分解产生的副产物具有强腐蚀性和易冷凝特性，HR60的高温均热化设计确保副产物以气态排出，维持泵的长期稳定运行。

干法蚀刻装置：蚀刻工艺中使用的卤素气体（如SF₆、CF₄、Cl₂等）对泵体材料具有强腐蚀性，HR60的防腐涂层和屏蔽密封结构可有效延长设备寿命。

等离子灰化装置：光刻胶灰化过程中产生的粉尘副产物同样需要高温排气环境来防止泵腔堵塞。

ALD/ALH装置：原子层沉积工艺对真空环境的洁净度和稳定性要求高，HR60作为前级泵可与涡轮分子泵配合使用，提供清洁的粗真空环境。

此外，HR60还可作为涡轮分子泵和机械增压泵的辅助排气泵使用。

五、选型与维护要点

5.1 系列选型逻辑

ULVAC干式真空泵的产品线涵盖了多个系列以满足不同工艺需求：LR系列适用于负载锁定和PVD等低温洁净工艺，采用低温区域均热化设计，尤其适合需要缩短排气时间的装载卸载室排气；HR系列专为CVD和蚀刻等硬工艺设计，采用高温均热化技术应对腐蚀性气体和升华副产物；UR系列则面向需要更高温度泵体和加热管路的应用场景。GR系列是以LR/HR系列的成熟业绩为基础，面向一般产业设计的简化结构版本，适合对成本敏感且工况较温和的应用。

5.2 使用环境与维护

HR60的泵体采用水冷方式冷却，冷却水流量需大于5.0L/min，确保在高温工艺环境下稳定运行。泵停机后，需继续供给冷却水约1小时以逐步降温，避免骤冷导致热应力损坏。

在维护方面，LR/HR系列在设计上属于免维护类型，日常仅需在连接主机设备时进行必要操作，以及在运行时调节氮气流量。但实际使用中，仍需定期检查密封件状态和冷却水路是否畅通。当出现密封件老化导致真空度下降时，需及时更换耐氟密封件并优化冷却水路，以恢复设备性能。

结语

ULVAC HR60多级罗茨型干泵的技术价值并不在于单纯的抽速或极限真空指标，而在于其针对半导体硬工艺特殊需求所构建的高温防腐体系。从全域高温均热化到强化防腐涂层，从氦气密封屏蔽电机到瞬停保护与智能通讯，每一项设计都指向同一个工程命题：如何在腐蚀性气体和升华副产物的持续冲击下，维持干泵的长周期稳定运行。对于CVD、蚀刻、ALD等对真空环境有严苛要求的半导体制造环节，HR60提供了一条从原理层面解决副产物沉积问题的技术路径，与LR系列的低温柔性方案和UR系列的超高温强化方案共同构成了ULVAC在干式真空泵领域的完整技术矩阵