多级罗茨式干式真空泵技术原理与创新进展综述

摘要

多级罗茨式干式真空泵作为一种在真空腔内无需使用油或密封液体的机械真空泵，凭借其洁净排气、宽压力范围大抽速及直排大气等优势，已成为平板显示（FPD）、半导体和电子制造等领域极其重要的核心真空设备。本文从工作原理与结构设计出发，系统阐述了多级罗茨干式真空泵的核心技术特征，重点分析了转子型线优化、间隙泄漏控制、热管理策略及智能监控等方面的技术创新进展，探讨了其在典型工业场景中的应用实践，并对未来发展趋势进行了展望。

关键词：多级罗茨泵；干式真空泵；无油洁净；转子型线；半导体制造

1 引言

在半导体、平板显示及电子器件制造等产业中，真空环境的质量直接影响产品良率与工艺稳定性。传统油封式真空泵因油蒸气返流问题，难以满足日益严苛的清洁真空需求。随着集成电路特征尺寸持续缩小、薄膜沉积工艺日益精密，对真空系统洁净度的要求已从ppm级提升至ppb级甚至更高水平。

多级罗茨干式真空泵正是在这一背景下应运而生。它属于容积式干式真空泵范畴，在真空腔内不使用油或液体，从根本上杜绝了油蒸气对工艺腔室的污染，同时通过多级转子串联结构将气体逐级压缩至大气压并直接排放，无需前级泵配合，显著简化了真空系统架构。目前，该类型泵已在半导体制造的CVD、PVD、蚀刻等关键工艺中占据核心地位，其性能优劣直接关系到产线的良率与维护周期。

2 工作原理与结构设计

2.1 基本结构与运转机制

多级罗茨干式真空泵的核心结构是在泵壳内设置两个三叶转子，转子呈8字形结构，通过一对同步齿轮驱动，以相同转速沿相反方向旋转。转子彼此之间以及转子与壳体之间保持微小间隙而不相互接触，依靠这一间隙实现气体的传送与压缩。

每个转子腔通过带有吸/排气口的定子盘与其他转子腔分隔，形成相对独立的泵腔。四到六对转子安装在转子轴上，按一定规律在气体压缩方向依次从进气口到排气口串联。气体从入口被逐级抽入、压缩，最终排入大气。一个轴由电机驱动，另一轴通过齿轮箱中的同步齿轮实现同步运转。

值得关注的是，由于吸入室中无摩擦，罗茨真空泵可在高达6000 rpm的高转速下操作。转子质量围绕轴线对称分布产生的动态平衡，这意味着尽管转速很高，泵的运行却极为安静。

2.2 密封结构与清洁排气

多级罗茨干式真空泵的润滑仅限于齿轮箱和轴承，其与吸入室通过轴封密封隔离。齿轮和轴承虽使用油进行润滑，但密封结构的设计可有效防止油进入壳体内部，从而实现真正意义上的“干式"清洁排气。

泵体通常配备冷却水隔套或采用风冷设计，以控制运行温度。泵腔内壁与冷却隔套之间设有外腔，前后相邻泵腔的内腔与外腔相连通，形成有效的热管理通道。

2.3 多级压缩与直排大气

“多级"是相对于传统单级罗茨泵而言的，即在转子轴上串联多级罗茨型转子，各级转子由中间壁隔离形成相对独立的泵腔，各级泵腔之间通过上一级排气口和下一级进气口间的气流通道相连。各转子的直径和形状在设计上通常相同，以简化制造和保证旋转同步性。通过多级串联压缩，气体被逐级提升压力，最终达到大气压以上并排放到环境中。这种设计使真空泵在较宽的压力范围内保持较大抽速，无需前级泵即可直接排大气。

3 关键技术创新

3.1 转子型线优化设计

转子型线是决定多级罗茨真空泵性能的核心因素。传统渐开线型转子在设计和制造中存在间隙不均匀、渐开线无法全段啮合等问题。研究者通过减小渐开线型线的压力角及内外摆线相容的方法，获得了新型转子型线，有效提高了容积利用系数及各种性能参数。

近年来的研究进一步丰富了转子型线的设计空间。学者提出了由椭圆弧及其包络线构成的新型罗茨转子型线，可提供更大的面积利用系数；还有研究将可变延伸外摆线与渐开线组合，获得更灵活的曲线结构，并验证了其在多级罗茨真空泵中更高的密封性能。不同叶数转子的性能对比实验表明，在1至10,000 Pa的排气压力范围内，两叶和三叶转子具有较好的综合性能；当排气压力超过50,000 Pa时，五叶转子的优势逐渐显现，更适宜处理直排大气工况。

3.2 间隙泄漏控制与密封性能

间隙泄漏是影响多级罗茨真空泵极限真空度和抽速的关键因素。转子与转子之间、转子与静止部件之间的间隙通常在微米量级。间隙设计需综合考虑运转时转子和泵腔的热变形影响。

西安交通大学何志龙课题组的研究揭示了一个重要规律：随入口真空度提升，排气侧转子容积效率趋近于零，承担约90%的气体压缩功；高真空下吸入侧转子的主要泄漏通道为齿啮合/齿顶间隙，而高压力下整机主要泄漏通道为端面间隙，且端面间隙对抽速和功耗的影响远大于齿顶和齿啮合间隙。这一发现为间隙优化设计提供了明确方向。

3.3 热管理与工艺适配技术

半导体工艺中产生的副产物往往具有升华特性，若泵体温度不均匀或存在冷区，升华物会在泵内凝结堆积，导致性能下降甚至故障。ULVAC的HR系列多级罗茨泵通过高温均热化设计，使泵体在整个高温区域内保持均匀温度分布，将CVD、蚀刻等工艺中产生的升华性副产物以气态形式排出。与之对应，LR系列则针对PVD和装卸腔室场景采用低温区域均热化设计，满足快速排气需求。

在耐腐蚀性方面，主要零部件经过特殊表面处理，具备高表面硬度和优异的耐腐蚀性能，有效降低了腐蚀性气体对泵内部的侵蚀。

3.4 系统仿真与设计优化

多级罗茨干式真空泵的工作过程涉及跨流态、复杂流场的热物理过程，仿真难度大。何志龙课题组提出了基于腔室模型的新型仿真路径：先计算单级罗茨泵性能图谱，再通过PSO优化算法求解各级间中间压力，经原型实验验证可精准预测泵的抽速曲线。这一方法为多级泵的性能预测和设计优化提供了有效工具。此外，基于NSGA-II算法的多目标优化方法也被应用于多级罗茨真空机组的结构设计，以极限压强、理论抽速和压缩功率作为优化目标，系统性地搜索优秀设计方案。

4 性能特征与技术优势

多级罗茨干式真空泵的性能优势可归纳为以下几个方面：

洁净无油。在气体抽气腔区域没有润滑剂，无油或粒子污染风险，无工作液处理问题，具有长期稳定的恒定真空参数。

宽压力范围大抽速。在较宽的压力范围内保持较大抽速，可以不接前级泵而直接排大气，简化了真空系统架构。

高能效与低运营成本。以Edwards nXRi系列为例，采用最新的电机技术，在基准压力下功耗低至450 W，能耗较同类产品降低约55%。Pfeiffer Vacuum的UltiDry系列通过优化多级罗茨设计，相比同类真空泵可实现高达87%的节能效果。变频驱动（VSD）技术的应用进一步提升了能效——根据流体力学原理，真空泵轴功率与转速的三次方成正比，转速降低20%可降低约50%的能耗。

高可靠性与长维护周期。因易损件数量最少，具有高可靠性；齿轮和轴承的润滑系统独立于真空腔，维修间隔长，运营成本低。

低噪音与紧凑设计。转子质量对称分布带来动态平衡，高转速下运行安静。部分产品内置消音器，噪音水平控制在65 dB(A)以下。

5 典型应用场景

5.1 半导体制造

多级罗茨干式真空泵广泛应用于半导体制造中的CVD、PVD、蚀刻和离子注入等工艺腔室。在装卸腔室中，晶圆需在高频次的装载和卸载操作中快速完成抽气和破空循环，对真空泵的快速排气能力提出高要求。

以通嘉科技GMR系列为例，其抽速覆盖210至1800 m³/h，极限真空可达5×10⁻³ mbar以下，可满足6英寸与8英寸晶圆产线中刻蚀与离子注入工艺的需求。Pfeiffer Vacuum的A 124-1204 H系列覆盖95至1150 m³/h的抽速范围，极限压力可达2×10⁻³ hPa，通过SEMI S2和UL 61010认证，专为半导体和涂层应用设计。

5.2 平板显示制造

在FPD制造中，大面积玻璃基板的均匀镀膜对真空环境的稳定性和洁净度要求高。多级罗茨干式真空泵的宽压力范围大抽速特性，使其能够高效应对PECVD、溅射等工艺中的气体负载变化，同时无油设计保障了膜层质量。

多级罗茨干式真空泵在光伏镀膜工艺中同样发挥着关键作用。博亚精密机械的MP300干式

5.3 光伏与新能源多级罗茨真空泵采用无油设计与多级转子串联技术，极限压力可达0.9 Pa，主要应用于7nm以下半导体制造及光伏镀膜等高领域，已入选浙江省第一台（套）装备名单。普发真空S1800CN为中国光伏市场定制，最高抽速可达1800 m³/h，维护和能耗成本较标准版本降低50%以上。

6 发展趋势与展望

6.1 智能化与预测性维护

基于人工智能和机器学习的预测性维护系统正在改变真空泵的运维模式。系统通过持续跟踪振动、温度、电流消耗和压力等关键参数，利用AI/ML算法分析历史数据和实时数据，可在故障发生前数周预测潜在问题，从而将计划外停机转化为计划性维护。干式真空泵的振动监测与故障识别系统也已基于LabVIEW等平台实现工程化应用，具备对运行状态的实时监测和分析能力。

6.2 国产化替代加速推进

中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司（中科仪）凭借近七十年真空技术积淀，持续突破关键瓶颈，打造出面向集成电路先进制程需求的干式真空泵国产解决方案，并实现规模化应用。博亚精密机械将先进转子型线与高效永磁电机深度融合，其干式真空泵极限真空度可达1 Pa以内，远高于国家真空质量检验检测中心设定的6 Pa标准。国产多级罗茨干式真空泵已在7nm以下半导体制造和光伏镀膜等高阶领域实现关键真空装备的国产化替代。

6.3 新型转子型线与结构创新

模块化多驱动腔体非共轴设计代表了结构创新的新方向。与传统共轴一体式设计相比，该方案使各级间的压缩比、真空腔位置关系和气流流向可根据工艺需求灵活调整，所有工艺气体均连续压缩后直接排出，效率更高。在转子型线方面，基于NSGA-II等多目标优化算法的自动化设计方法正在推动转子几何参数的精细化优化，有望在极限真空度、抽速和功耗之间实现更优的平衡。

7 结语

多级罗茨式干式真空泵以其无油洁净排气、宽压力范围大抽速、高能效和高可靠性等技术优势，已成为半导体、FPD和电子制造等高阶产业的核心真空设备。从转子型线优化到间隙泄漏控制，从高温均热化设计到智能化预测性维护，持续的技术创新正在不断拓展其性能边界和应用领域。随着国产化替代进程的加速和智能运维技术的深入应用，多级罗茨干式真空泵将在更广泛的工业场景中发挥不可替代的作用。