JP2000283056A - 真空ポンプ異常監視システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体製造装置稼動中にプロセスガスによる反
応副生成物のポンプ内への付着による突発的な稼動停止
の予防を目的とする。 【解決手段】半導体製造装置の反応ガスを処理する装置
に用いられる真空ポンプの複数の物理量を検出する物理
量検出手段と、当該検出された物理量を収集する信号変
換器と、当該信号変換器により収集された物理状態のデ
ータを格納する監視装置とを備える真空ポンプ異常監視
システムにおいて、前記半導体製造装置及び前記真空ポ
ンプの稼動状態を検出する状態検出手段と、前記検出手
段によって得られる検出値の内、前記半導体製造装置の
任意の稼動状態における検出値をサンプリングする抽出
手段と、当該サンプリングした複数の物理量を時系列的
なグラフで表示する表示手段とを備える。 【効果】精度の高い異常予知を行うことができ、反応副
生成物付着による異常停止予防が可能となり、ポンプ停
止による製品損失を大幅に低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置に
おける反応ガスを処理するＣＶＤ (ChemicalVapor Depo
sit)装置及び排ガスに反応ガスが含まれるエッチング装
置において用いられる真空ポンプの異常監視に係わり、
特にシリコンウェハ成膜用ガスの反応副成生物によるポ
ンプの異常状態監視及び寿命予測を行う監視システムに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置は、装置が異常によって
突然停止すると多大な被害を被る為、製造装置は停止す
ることなく稼動することが重要である。しかし、半導体
製造装置中の低圧・プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor De
posit：化学蒸着による膜形成)装置に用いられている真
空ポンプは、シリコンウェハに用いられる成膜用プロセ
スガスによる反応副成生物によって、多大な負荷がかか
るという悪影響により、突然停止するという事故が頻繁
に起こっていた。

【０００３】具体的な現象としては、ＣＶＤ装置でシリ
コンウェハに生成膜を成膜する際に使用されるプロセス
ガスの排ガスを、図７で示す前段ポンプ１１（主にブー
スタポンプ）と後段ポンプ１２で構成されるドライ真空
ポンプ１３の真空排気システムで真空排気し、プロセス
ガスを反応させるチャンバ内の圧力をコントロールす
る。排ガスにはまだ未反応な残留ガスがあり、チャンバ
より遠ざかるに連れて温度が低下し、真空排気システム
及び排気用配管に反応副生成物が固化し付着する現象が
発生する。特に後段ポンプが冷却効果が高い為、構造上
早期に付着の影響を受ける。

【０００４】この現象が断続的，連続的に繰り返され、
最終的にポンプの回転を妨げるほどの量が付着してしま
い、モータの最大負荷値を超え、結果として装置稼動中
にドライ真空ポンプが停止してしまう。停止の頻度は、
ポンプの構造・排気配管構成及び成膜プロセス条件によ
り左右されるので一意的に決まらないが、数ヶ月で停止
するポンプもある。製造プロセスの規模が大きくなる
程、真空ポンプ台数も増加するため、半導体製造装置の
稼動効率も低下し、ポンプの運用管理に多大な手間を費
やしていた。

【０００５】そのため、従来、ポンプやモータなどの回
転機の異常診断には、図２に示すように、検出器２８
（加速度計，速度計，変位計など）を測定対象であるモ
ータ２０の特に回転により異常の発生する部分、例えば
軸受２１に取り付け、振動状態から異常を分析する方法
が多くなされている。検出器２８の取り付け方向は、必
要に応じて水平，垂直，軸方向が選定される。モータ２
０に取り付けた各検出器２８の信号を信号変換器３に取
り込み、生波形やＦＦＴ解析したデータを記録計２２や
パソコンなどの監視装置２に取り込み、トレンド監視や
周波数分析からモータ２０の異常診断を実施していた。

【０００６】また、振動と同時に他の物理量も計測する
ことはあるが、お互いの相関など関連を持たせて監視す
る異常監視システムはなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ポ
ンプの異常を振動を測定することにより検知しようとし
ていたが、製造装置のプロセスガスの使用シーケンスに
より、吸引負荷，圧力，温度が変動し、それに伴いポン
プの振動状態が逐次変わる為、適切な異常を検出するこ
とが困難であった。

【０００８】本発明は、有効なタイミングでかつ可能な
限り同一条件下で振動測定値を抽出することにより、真
空ポンプのプロセスガスの反応副成生物による異常をよ
り精度高く事前に検出し、ポンプ稼動の効率向上とポン
プ停止による被害をなくすことを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
の本発明の特徴は、半導体製造装置の反応ガスを処理す
る装置に用いられる真空ポンプの複数の物理量を検出す
る物理量検出手段と、当該検出された物理量を収集する
信号変換器と、当該信号変換器により収集された物理状
態のデータを格納する監視装置とを備える真空ポンプ異
常監視システムにおいて、前記半導体製造装置及び前記
真空ポンプの稼動状態を検出する状態検出手段と、前記
検出手段によって得られる検出値の内、前記半導体製造
装置の任意の稼動状態における検出値をサンプリングす
る抽出手段と、当該サンプリングした複数の物理量を時
系列的なグラフで表示する表示手段とを備えたことであ
る。

【００１０】プロセスガスの反応生成物の付着によるド
ライ真空ポンプの停止については、ポンプ内部に付着し
た反応生成物の成長増加によりロータ−ケーシング間，
ロータ−ロータ間等の接触の発生や摺動抵抗の増加など
によりポンプから発生する振動状態及びポンプ稼動時の
プロセス物理量が変動する。そのためポンプケーシング
表面に複数の物理量検出装置（加速度計や排気経路の圧
力，温度及び電力などの専用センサ）を取り付け、振動
とプロセス物理量を示す各データの変動・変化を監視す
る。

【００１１】又、製造装置の稼動状態やプロセスガスの
吸引の有無によっても振動及びプロセス物理量が変動す
るため、プロセスガスの吸引時に同期して振動及びプロ
セス物理量を抽出し、同一条件下で経時的な監視を行う
ことにより、有効な部分の振動やプロセス物理量の変化
量を測定することができる。これにより不安定だった振
動測定が適確になり、より精度の高い異常予知を行うこ
とができ、半導体製造装置の稼動中の突然なポンプ稼動
停止を予防することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図によ
り説明する。

【００１３】図１に、本発明の真空ポンプ異常監視シス
テム１の構成図を示す。半導体製造装置５には、シリコ
ンウェハ９に成膜するためのチャンバ８があり、プロセ
スガス６がガスシリンダ７から供給される。チャンバ８
へのプロセスガス６の供給・排気はバルブ１０ａ，１０
ｂで制御され、半導体製造装置５の処理シーケンスに応
じて開閉される。

【００１４】半導体製造装置５での処理後の余分ガス
は、ブースタポンプである前段ポンプ１１と後段ポンプ
１２の２段のポンプで構成されるドライ真空ポンプ１３
で真空排気される。この真空排気系でプロセスガス６の
未反応な残留成分が冷却されることにより、前段ポンプ
１１，後段ポンプ１２の内部、特にロータ１９とケーシ
ング１８の隙間に反応副生成物１７が付着する。この反
応副成生物１７が半導体製造装置５の稼動と共に成長
し、前段ポンプ１１及び後段ポンプ１２の回転負荷が摩
擦や閉塞により増加し、ある限度を超えると成膜処理中
に前段ポンプ１１及び後段ポンプ１２が突然停止してし
まうという現象を引き起こす。特に、後段ポンプ１２の
停止が多い。ポンプの稼動時間，寿命は、ポンプ構造，
排気配管構成，ガス供給シーケンス，ガスの種類，量及
びガス温度，圧力等により左右される。

【００１５】本発明では、ポンプ内部に付着する反応副
生成物１７の影響が最も顕著に表れる物理現象がポンプ
の発する振動の状態であるため、振動監視を主体に行
う。振動を監視するためのセンサとしては、加速度計１
４が用いられる。

【００１６】加速度計１４は、振動源であるドライ真空
ポンプ１３のケーシング１８表面あるいは軸受２１近傍
に、加速度計１４をねじ止め、或いは接着剤などでユー
ザの定める方向、たとえば垂直，水平方向に必要数分を
固定する。加速度計１４から得られる検出信号は、信号
変換器３ｄを通して、パソコンなどの監視装置２で取り
込まれ、振動データとして生波形や周波数分析したＦＦ
Ｔ解析データを表示させる。

【００１７】更に、ポンプの稼動状態を示すプロセス物
理量も変動することから、ポンプの温度や電流，排気圧
力などの物理量を検出するため、温度計１５，電力計２
７，圧力計１６をドライ真空ポンプ１３の各部に取り付
け、それぞれ信号変換器３ａ，３ｂを介して監視装置２
に検出信号を取り込む。

【００１８】又、半導体製造装置５のプロセスガスの供
給・排気シーケンスの駆動タイミング（バルブ１０ａ，
１０ｂの開閉タイミング）も信号変換器３ｃを介して取
り込む。

【００１９】これらのデータは制御ネットワーク４を介
することにより、同一の監視装置２で全てを監視するこ
とができ、振動，稼動状態及び各プロセス物理量をリア
ルタイムにトレンド表示を行うことが出来る。

【００２０】以下、動作の説明を行う。

【００２１】図１において、半導体製造装置５が稼動
し、シリコンウェハ９がチャンバ８にセットされると、
まずチャンバ８内を真空にするため、ドライ真空ポンプ
１３を駆動する。通常は、後段ポンプ１２で初期真空引
きを行い、配管系を真空にした後、バルブ１０ａを開き
チャンバ８内を真空にする。高真空時は前段ポンプ１１
と並列運転を行う。チャンバ８内が真空になるとバルブ
１０ｂを開き、ガスシリンダ７からガスを導入する。ガ
ス供給は、成膜処理によりバルブ１０ｂを必要に応じ開
閉しながら行われる。成膜処理が終了すると、バルブ１
０ａ，１０ｂが再度閉まり、前段ポンプ１１も停止す
る。通常、半導体製造装置５は連続して稼動するため後
段ポンプ１２は駆動したままとなる。

【００２２】図３に、各機器の動作タイミング及び各プ
ロセス物理量のリアルタイム（瞬時値）の変動推移を示
す。

【００２３】図３の（ａ）は半導体製造装置５の稼動状
態を示すタームチャート、（ｂ）はドライ真空ポンプ１
３の動作を示すタイムチャート、（ｃ）はバルブ１０ｂ
の開閉タイミングを示すタイムチャートである。

【００２４】これによれば、半導体製造装置５が稼動
（区間イ）後、ドライ真空ポンプ１３が起動（区間ロ）
し、バルブ１０ｂが開きガス吸引が行われる（区間
ハ）。その後成膜処理に応じてバルブ１０ｂが閉じられ
（区間ニ）、また処理に応じてバルブ１０ｂが開きガス
吸引が行われる（区間ホ）。そして処理が終了してバル
ブ１０ｂが閉じられ（区間ヘ）、ドライ真空ポンプ１３
が停止し、最後に半導体製造装置５が停止する（区間
ト）。半導体製造装置では、このようなイ〜トに示され
る一連の工程が繰り返されることになる。

【００２５】このような一連の動作に応じて、ドライ真
空ポンプ１３に関する各物理量も変化する。

【００２６】（ｄ）は圧力計１６の出力変化を示すもの
であり、ドライ真空ポンプ１３の排気圧の推移である。
高さ方向が真空度を示し、値が低いほど真空度が高い。
真空度は、（ｄ）で示されるように、ドライ真空ポンプ
１３が起動中は当然ながら真空度が高いが、区間ハ，ホ
で示されるように、バルブ１０ｂが開きガスが供給され
ると、真空度は若干悪くなる。バルブ１０ｂを開けてい
る時間が長いほど真空度が悪くなる。また、ドライ真空
ポンプ１３内で反応副生成物１７の付着が進行した場合
も真空度が悪くなる傾向がある。

【００２７】（ｅ）は温度計１５の出力変化を示すもの
であり、ドライ真空ポンプ１３の周囲温度の推移を示
す。ここで示されるように、ドライ真空ポンプ１３の温
度は稼動状態中は常に発熱を行っているが、特にバルブ
１０ｂを開けている区間ハ，ホで温度の上昇が生じるこ
とが分かる（排ガスの温度が２００℃近くあるため）。
また温度は、ドライ真空ポンプ１３内で反応副生成物１
７の付着が進行するほど上昇する傾向にある。

【００２８】（ｆ）は加速度計１４の出力変化を示すも
のであり、ドライ真空ポンプ１３の振動の変化を示すも
のである。振動は、ドライ真空ポンプ１３内に反応副生
成物１７が付着し始めると徐々に変化し始め、反応副生
成物１７の付着が進行すると摩擦や閉塞によってポンプ
負荷が増大し、振動も増大する傾向にある。

【００２９】半導体製造装置では、上記に示すように一
連の処理動作を繰り返す中で、徐々にドライ真空ポンプ
１３内に反応副生成物１７が付着していき、ポンプ負荷
が徐々に増大してくる。たまに反応副生成物１７が一挙
に脱落し、ポンプ負荷が一時的に軽くなることもある
が、このような付着・脱落を繰り返すことで、徐々に又
は急激に負荷が増大し、いつかは停止に至る。

【００３０】従来は、これらの過程を単純に振動を継続
して計測することで監視していたため、顕著に傾向を掴
むことが難しかった。更に、通常は長期間の計測になる
ので、１日の計測は、決まった時間に数回の計測を行う
程度であり、半導体製造装置の稼動状態を考慮した振動
を計測しているものはなかった。

【００３１】本発明では、（ａ）半導体製造装置稼動状
態、（ｂ）ドライ真空ポンプ稼動状態、（ｃ）バルブ１
０ｂの開閉状態の組み合わせにおいて、これらの稼動状
態を、全て停止（区間イ，ト）、製造装置とポンプが稼
動（区間ロ，ニ，ヘ）、ガス吸引時（区間ハ，ホ）のタ
イミングで分け、最も負荷の高くなる、又は停止頻度の
高い区間である「区間ハ，ホ」での各物理量の測定デー
タをサンプリングを監視装置２において行う。サンプリ
ングすべきタイミングは、装置又はポンプの稼動状態を
信号変換器３ｃなどで監視装置２に取込むことにより判
断可能である。図４に、サンプリング区間毎に測定デー
タの平均値を算出し、各物理量毎に時経列的に示したグ
ラフを示す。

【００３２】図４において、（Ａ）はポンプの稼動累積
時間を示すグラフ、（Ｂ）は排気圧の平均値遷移を示す
グラフ、（Ｃ）はモータ温度の平均値遷移を示すグラ
フ、（Ｄ）はポンプの振動の平均値遷移を示すグラフで
ある。尚、（Ｄ）では、平均値を示す点（○）に加え、
そのサンプリング区間の最大値と最小値を示す“Ｉ”形
の表示を加えてある。これらの経時変化を示すグラフ
は、監視装置２において表示可能であり、オペレータが
これらの各物理量の変化の遷移を監視することができ
る。

【００３３】この図４に示されるように、例えば振動で
あれば、図３のように瞬時値のみを計測しているのであ
れば、突発的に警報ラインを超えることもあるが、平均
値化して経時変化を見ることによって、振動変化の妥当
性を確認することができる。これは、他の物理量の測定
にも当てはまる。

【００３４】本発明では、複数の物理量を同様に平均値
化して経時変化を監視するため、各物理量の平均値の遷
移を組み合わせて判断することにより、より精度の高い
異常検出が行える。例えば、電力又は電流値の変化（図
示せず）はポンプの負荷が増大した時、圧力の変化は排
気系の詰まりに対して顕著に現れる。従って、例えば、
振動と圧力が警報ラインを超えた、若しくは警報ライン
に近づいたとすれば、それは、ポンプ内に反応副生成物
１７の付着の進行が進んでいる可能性が高いと判断で
き、また、モータ温度のみが警報ラインを超えるような
場合は、ポンプ自体の故障の可能性が大きいと判断でき
る。

【００３５】このように、複数の物理量の変化を見るこ
とによって、どの物理量が警報ラインを超えたのかを識
別することにより、発生しつつある異常の原因の判断を
容易に行うことが可能となる。これにより、反応副生成
物１７の付着の進行が進んでいると判断できれば、ポン
プが反応副生成物１７によって停止してしまう前に、半
導体製造装置側の対策を施した後、メンテナンスを行う
ことが出来、装置稼動中にポンプが停止してしまうこと
を避けることが可能となる。

【００３６】更に、ポンプの累計稼動時間を計測するこ
とにより、本来の寿命との比較もでき、ポンプの寿命な
のか反応副生成物１７による異常なのかの判断もでき
る。

【００３７】又、半導体製造装置では、通常同機種のド
ライ真空ポンプを複数台使用する。したがって、各ポン
プの同一物理量を比較することにより異常を検出するこ
とができる。

【００３８】つまり、ポンプの正常時は、絶対値の若干
の差はあれ、付着物によって振動量の増加が徐々に現れ
るが、その振動量の遷移は、各ポンプの同一累積稼動時
間で比較すると、ほぼ同じ傾向をたどる。ところが、何
らかの要因で振動増加が変われば、他の正常なポンプと
振動量が異なってくる。この変化が、顕著であれば警報
点まで到達しなくても異常が生じていると判断できる。
図５に同一機種のポンプ複数台について、振動量のトレ
ンドを同一時間軸で対比させた例を示す。図５の例で
は、４台のポンプ内で、ポンプｄだけが他のポンプの振
動パターンと比べて変化量が著しく異なる箇所を有して
いる。このため、警報点に達しなくても何らかの異常が
生じていることを知ることができる。

【００３９】ドライ真空ポンプの異常検出においては、
振動が最も顕著に現れるが、温度，圧力についても同時
に複数のポンプについて監視することにより、より確実
な判断を行うことができる。このように、図４で示した
同一ポンプの各物理量を比較するだけでなく、図５のよ
うに複数のポンプの特定物理量を比較することでも、異
常状態を確実に、またより早期に検出することが可能と
なる。

【００４０】従って、これらの複合的な測定データの判
断により、ポンプ交換が必要とされる直前まで安定して
使用可能となり、さらに、稼動時間をぎりぎりまで延ば
せるので、装置稼動率の向上とポンプの修繕コストの低
減を図ることが出来る。

【００４１】また本発明では、図６に示すように、信号
処理のネットワークを構成することができる。ドライ真
空ポンプ１３のプロセス物理量及び稼動状態は、個別の
センサから直接送られるのではなく、真空ポンプ制御ユ
ニット２５の通信ユニット２６を使用し、通信によって
信号変換器３を介して監視装置２に送られるように構成
される。これにより、配線工事低減及び信号処理の一元
化を行うことができる。又、監視装置２だけでなく上位
ネットワーク２３を経由して遠隔監視装置２４などの他
システム上でも監視できる。特にアラーム発生時はメイ
ンの監視装置２だけではなく遠隔監視装置２４にリアル
タイムに異常を知らせることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、真空ポン
プの振動等、複数のプロセス物理量を稼動状況に応じて
有効に抽出することにより、精度の高い異常予知を行う
ことができるので、反応副生成物付着による異常停止予
防が可能となり、ポンプ停止による製品損失を大幅に低
減できるという効果がある。さらに、ポンプの突然な停
止がなくなるだけでなく稼動時間をぎりぎりまで延ばせ
るので、装置稼動率の向上とポンプの修繕コストが低減
されるという効果がある。

【００４３】また、通信ネットワークを利用することに
より配線工事低減及び信号処理の一元化、更には遠隔で
の監視が可能となり異常に対する処理が迅速に行えると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空ポンプ異常監視システム構成図で
ある。

【図２】従来の振動監視システム構成図である。

【図３】本発明の真空ポンプ稼動シーケンス及びデータ
処理図である。

【図４】真空ポンプの各物理量の平均値のトレンド変化
を示す図である。

【図５】同一機種の複数台ポンプの振動量のトレンド変
化を示す図である。

【図６】本発明の真空ポンプ監視システムのネットワー
ク拡張構成図である。

【図７】半導体製造装置及びドライ真空ポンプの接続形
態を示す図である。

【符号の説明】

１…真空ポンプ異常監視システム、２…監視装置、３…
信号変換器、４…制御ネットワーク、５…半導体製造装
置、６…プロセスガス、７…ガスシリンダ、８…チャン
バ、９…シリコンウェハ、１０…バルブ、１１…前段ポ
ンプ、１２…後段ポンプ、１３…ドライ真空ポンプ、１
４…加速度計、１５…温度計、１６…圧力計、１７…反
応副成生物、１８…ケーシング、１９…ロータ、２０…
モータ、２１…軸受、２２…記録計、２３…上位ネット
ワーク、２４…遠隔監視装置、２５…ポンプ制御ユニッ
ト、２６…通信ユニット、２７…電力計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇治野 貞興 茨城県東茨城郡内原町三湯字訳山500番地 日立那珂エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 梶山 隆雄 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 Ｆターム(参考） 3H045 AA02 AA09 AA15 AA26 AA38 BA33 BA41 CA03 CA19 CA21 CA22 CA23 CA29 DA47 EA23 EA35 EA38 EA49 EA50

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体製造装置の反応ガスを処理する装置
   に用いられる真空ポンプの複数の物理量を検出する物理
   量検出手段と、当該検出された物理量を収集する信号変
   換器と、当該信号変換器により収集された物理状態のデ
   ータを格納する監視装置とを備える真空ポンプ異常監視
   システムにおいて、 前記半導体製造装置及び前記真空ポンプの稼動状態を検
   出する状態検出手段と、前記検出手段によって得られる
   検出値の内、前記半導体製造装置の任意の稼動状態にお
   ける検出値をサンプリングする抽出手段と、当該サンプ
   リングした複数の物理量を時系列的なグラフで表示する
   表示手段とを備えたことを特徴とする真空ポンプ異常監
   視システム。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記抽出手段は、前記半導体製造装置のチャンバへのガ
   ス吸引のシーケンス時に、検出した物理量のサンプリン
   グを行うことを特徴とする真空ポンプ異常監視システ
   ム。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記真空ポンプの累積稼動時間を算出する手段を有する
   ことを特徴とする真空ポンプ異常監視システム。
4. 【請求項４】請求項１において、 前記監視装置は、検出した物理量が任意の値を超えた場
   合に、警報を発することを特徴とする真空ポンプ異常監
   視システム。
5. 【請求項５】請求項１において、 前記監視装置に対してネットワークを介して接続され、
   当該ネットワークを介して監視を行う遠隔監視装置を有
   し、前記監視装置から発生された警報を前記ネットワー
   クを介して前記遠隔監視装置へ通知することを特徴とす
   る真空ポンプ異常監視システム。
6. 【請求項６】請求項１において、 複数の前記真空ポンプの同一物理量を比較する手段を有
   することを特徴とする真空ポンプ異常監視システム。