CN101213371B - 真空管道及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于从加工室抽取气体的真空管道及其检测方法。所述真空管道至少包括：包含泵体和马达的泵单元；排气系统；用于测量与所述马达相关的功能参数的第一测量装置；用于测量与所述排气系统相关的功能参数的第二测量装置；以及用于计算所述真空管道使用持续时间的预测装置。所述预测装置基于由所述第一测量装置提供的与所述马达有关的功能参数的测量以及由所述第二测量装置提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量来计算在所述泵单元发生故障之前所述真空管道的使用持续时间。在一种变化情况中，所述真空管道还包括用于测量与所述泵体相关的功能参数的第三测量方法，并且所述预测装置在计算使用持续时间时考虑该参数的测量。

Description

真空管道及其监测方法

技术领域

本发明涉及与加工室相关的真空管道的预测性和预防性维修。更具体地说，本发明涉及到跟踪使真空管道受到固体污染(堵塞、卡死等等)的现象的进程。本发明也扩展到用来监测所述现象以便进行诊断并能够制定预防性维修措施的方法。 

背景技术

包含至少一个泵单元的真空管道被用于很多使用气体并要求压强低于大气压的加工过程中。不幸的是，用于这些加工中的气体可以被转化为固体副产物。这些副产物可以以膜层的形式沉积在真空管道的内表面上，特别是沉积在管道、阀、以及其它附件的表面上，也可以沉积在泵的活动部件和静止部件上，或者这些副产物会聚集在真空管道的死角(dead volume)内。这种现象可以导致真空管道的性能退化，特别是泵单元的性能退化，或者甚至导致故障。然后不可避免地中断相关加工室的加工进程，以便对真空管道中有问题的元件，特别是泵单元，进行清洗或更换。生产中这种非计划的中断所导致的成本是非常大的。 

目前，真空管道的维修以补救措施也和预防措施为基础。 

补救措施是根据信号，特别是集成在泵单元中的传感器所发射的信号，来进行。为每个模拟测量定义两个阈值：警告阈值和警报阈值。警告阈值对应着一个异常高的模拟值，表明泵单元的使用状态相对于其标称能力而言发生了漂移。超过了警报阈值就意味着泵单元的使用状态已经超过了其标称能力，泵单元会自动停止。为了尽量减小所采取的措施的强度，最好的情形是，一旦超过了警告程度就能够采取补救措施。 

根据使用真空管道的具体应用，在定义的时间内也进行部分的或完全的预防性维修操作。这种周期性维修最初根据理论来估计，然后根据经验来调整。然而，周期性维修不总是很好地适合泵单元中组件磨损的真实状态或真空管道中污染的真实状态，导致操作进行得太迟或太早。 

当进行补救维修时，对来自泵单元的模拟信号的警告和警报阈值进行跟踪存在困难，所述跟踪过程不可能对故障原因做出详细诊断。另一个问题是泵单元的异常行为随时间的变化方式，这个问题会导致所述泵单元很快地从警告阈值过渡到警报阈值。在这种情形下，在达到警报阈值之前几乎不可能采取措施，这会导致对正在制造的产品(例如，半导体晶片)产生不可挽回的损害，也会对泵单元造成不可挽回的损害。 

文件EP-0,828,332涉及到对维修操作之间使用真空泵的持续时间进行估计。通过测量转动扭矩和/或测量驱动真空泵转子的马达所消耗的电流，可以估计在真空泵的转子上所沉积的不需要的材料的数量。 

上述文件中所描述的方法的缺点是只注意与马达有关的参数。首先，被抽气流的变化会扰乱所述测量，而所述气流并不总是已知的。因此，当进行测量时，不可能区分是由于气流的变化而导致扭矩或电流的变化还是由于泵的污染而导致扭矩或电流的变化。所以，所述方法的使用只限于小气流，使得与泵污染所产生的影响相比，可以忽略气流对马达扭矩产生的影响。此外，该方法只估计泵的转动部件的动态行为。如果该行为与泵单元外部的故障元件相关的话，例如，排气系统被堵塞了，那么就不可能诊断异常行为的起因。 

文件US-2004/143418涉及到确定干泵(dry pump)中发生故障的时间。这种泵的寿命由泵的数据特性(电流、温度、振动等)连同制造加工的特性(气流、压强、基底温度等)的统计处理来估计。该文件指明，不考虑加工的工作状态就极难预测所述泵的寿命。 

当要监测的参数的数目很多时，使用这些参数就非常复杂。另外，预测分析系统不是自备的：它依赖于制造设备所提供的信息，要求在该设备与用来监视泵的服务器之间安装通信线路。所述通信线路很难建立(与设备制造商或客户的数据有关的机密性问题，技术困难等)，其合适的操作不能得到保证。

文件WO 2004/011810涉及到一种在采用预先建立的条件对泵进行测试的测试阶段之后对包含该泵的系统的状态进行监测的方法。在所述测试阶段，记录下表示系统正常工作的信号。通过在测试阶段，即，不是在制造阶段，测量马达的扭矩或电流消耗来诊断泵。预先建立测试条件，特别是被抽的气流，以便能够将测量结果与在同样气流条件下所存储的参考结果进行比较。 

该方法不能在持续不断的制造阶段来执行，因为由于组织的缘故，很难中断制造过程以便对泵单元进行测试。另外，该方法不能对泵的排气系统的堵塞进行预测。 

因此，问题是对包含至少一个泵单元的真空管道中的固体污染(堵塞、卡死等)状态进行诊断，以便制定在最合适的时机进行预防性维修操作，并预测泵单元的故障，不管被抽气流有多大，不需要考虑除了真空管道的参数之外的其它参数的状态，并且不需要中断制造过程。 

发明内容

本发明提供一种用于从加工室抽取气体的真空管道，所述真空管道至少包括： 

包含泵体和马达的泵单元； 

排气系统； 

第一测量装置，用于测量与所述马达相关的功能参数； 

第二测量装置，用于测量与所述排气系统相关的功能参数；以及 

预测装置，用于计算所述真空管道的使用持续时间。 

根据本发明，所述预测装置基于由所述第一测量装置提供的与所述马达有关的功能参数的测量以及由所述第二测量装置提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量来计算在所述泵单元发生故障之前所述真空管道的使用持续时间。 

用来测量与所述马达有关的功能参数的所述装置是用来测量从所述马达所消耗的功率或电流、其转动扭矩、以及振动中所优选出来的至少一个特性的装置。更优选的是，用来测量与所述马达有关的功能参数的装置是用来测量所述马达所消耗的功率的装置。 

用来测量与所述排气系统有关的功能参数的所述装置是用来测量所述排气系统中的气体压强的装置。 

本发明中的真空管道优选包括用于测量所述马达所消耗的功率的第一测量装置，用于测量所述排气系统中的气体压强的第二测量装置，以及基于所述马达所消耗的功率的测量以及所述排气系统中的气体压强的测量来预测所述真空管道的使用持续时间的装置。 

在本发明的一个变化情形中，所述真空管道还可以包括用来测量与所述泵体有关的功能参数的第三测量装置。用来测量与所述泵体有关的功能参数的所述装置是用来测量从泵体的温度、泵体的机械和/或声学振动、清洗用的氮气的流速、温度调节阀的位置中所优选出来的至少一个特性的装置。 

所述真空管道优选还包括利用与泵体有关的功能参数的测量来预测所述真空管道的使用持续时间的装置。 

为此，也可以在所述泵单元中集成其它的传感器，例如振动传感器、声学传感器、或加速度计。 

有利的是，所述预测装置基于由所述第一测量装置所提供的与所述马达有关的功能参数的测量、由所述第二测量装置所提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量、以及由所述第三测量装置所提供的与所述泵体有关的功能参数的测量来计算在所述泵单元发生故障之前所述真空管道的使用持续时间。 

因此，本发明的真空管道能够进行自我诊断，即，能进行不需要与真空管道之外的信号相关联的诊断。 

本发明的真空管道包括适合于提供诊断的系统，使用这种真空管道可以在包含有所述真空管道的整套设施处于有效的制造阶段时避免主要的故障，这是通过预测这些故障来实现的。在这种情形下的任何故障对正在制造的产品的质量都是有害的，甚至能使产品损坏，从而导致客户的巨大的经济损失。 

本发明也提供任何上述限定所述的真空管道的监测方法，所述方法包括下面的步骤： 

测量与所述马达有关的功能参数； 

测量与所述排气系统有关的功能参数； 

将所测量的与所述马达相关的功能参数随时间的变化与所测量的与所述排气系统相关的功能参数随时间的变化联系起来；以及 

从中推演出真空管道在产生故障前的预计的使用持续时间。 

本发明所述的方法在于识别并跟踪真空管道内的污染现象的进程。污染是由于在与所述真空管道相连的加工室中进行的加工所用的加工气体所转化成的固体副产物而造成的。该现象是利用某些信号随时间的特征变化来监测的，这些信号来自诸如安装在所述排气系统以及安装在驱动所述泵的马达上的传感器等测量装置。 

具体说，所述预计的使用持续时间基于所测参数的幅度随时间的变化由统计处理来获得，以便评估所述真空管道被堵塞的危险。 

在本发明的上下文中所优选跟踪的参数首先是与所述马达相关的至少一个功能参数，其次是与所述排气系统相关的至少一个功能参数。 

与所述马达相关的被测功能参数是从所述马达所消耗的功率或电流、其转动扭矩、以及振动中所优选出来的至少一个特性。更优选的是，与所述马达相关的被测功能参数为所消耗的功率。 

与所述排气系统相关的被测功能参数优选为所述排气系统中的气体压强。 

特别有利地来相关联地跟踪的参数是所述马达所消耗的功率和所述排气系统中的气体压强。在本发明的一个有利的实施例中，与所述马达相关的被测功能参数为所述马达所消耗的功率，与所述排气系统相关的被测功能参数为所述排气系统中的气体压强，所述真空管道的使用持续时间由所述马达所消耗的功率和所述排气系统中的压强随时间的关联变化来计算。 

也可以测量与所述泵体相关的功能参数。与所述泵体相关的功能参数 是从泵体的处理、泵体振动、清洗用的氮气的流速、处理用的调节阀的位置中所优选出来的至少一个特性参数。例如，关于处理调节水阀(treatmentregulation water valves)的导通和关闭状态的信息可以揭示致冷网络中的故障，而这个故障是不能通过读取泵体温度来直接获知的。 

通过记录与泵相连的监视网络中的数据，直接观察泵单元的参数随时间的变化，也可以完成对泵的功能态的诊断并组织维修。 

可选地，对每个所选参数随时间变化的关联进行跟踪也可以包括将所测参数与真空管道之外的参数，例如，与真空管道相连的设备的特征参数，关联起来。 

本发明有很多优点。本发明中的方法使用并开发了与所述真空管道相关联的测量装置所提供的数据，这些数据可以被记录下来，以便识别泵单元的异常行为，并进行诊断以在所述模拟信号超过警告和警报阈值之前提前预计到问题。 

本发明的方法可以识别污染对排气系统中的清洁状态的影响。因此，本发明中的方法探测所述泵单元之外的元件，诸如用于排放被抽气体的管道、管内阀门、或所述管内的收集器，或者所述管道与气体处理系统之间的连接等，所受到的污染。 

当本发明中的方法用在诊断系统中时，它可以免除预测性维修，即，只有当真正需要时才对真空管道进行维修。这可以用来避免进行昂贵的、有时也是不合理的预防性维修操作。诊断在早期进行，因此可以尽量减小与部件磨损有关的损害，因此可以进一步减小维修的成本。 

本发明可以用于集成在泵单元的原位监视系统、集成在泵单元自身、或集成在某个遥控系统中的诊断软件应用程序中。本发明可以使该软件应用程序能够进行真空管道的自我诊断，即，不需要与泵单元之外的信号相关联的诊断。 

当本发明与自动诊断监视系统相关联时，可以减少对真空管道进行的例行监测，从而使负责维修的人员有更多时间用于其他事务。 

附图说明

本发明的其它目标、特性、以及优点从下面以非限制性说明所给出的具体实施例的描述以及从附图中可以看出，在所述附图中， 

图1是本发明的真空管道的示图； 

图2显示了马达所消耗的功率以及排气系统中的气体压强的重复性变化，所述重复性变化与处理期间进入泵单元的气流的变化相关联；以瓦(W)为单位的马达所消耗的功率M和以毫巴(mbar)为单位的气体压强G被画在纵轴上，而时间T被画在横轴上，没有单位； 

图3显示了马达所消耗的功率和气体压强的一个瞬变，该瞬变由从大气压开始抽气所引起；以瓦为单位的功率M依照左手的纵轴被画出，以毫巴为单位的压强G依照右手边的纵轴被画出，时间T被画在横轴上，没有单位； 

图4显示了在启动后马达所消耗的功率的逐渐减小；以瓦为单位的功率M和以毫巴为单位的压强G沿纵轴被画出，时间T被画在横轴上，没有单位； 

图5显示了由排气管道被堵塞所引起的马达所消耗的功率和气体压强的逐渐增大，以瓦为单位的功率M和以毫巴为单位的压强G沿纵轴被画出，时间T被画在横轴上，没有单位；以及 

图6显示了马达所消耗功率的随机变化，这是泵单元的活动部件即将被阻塞的征兆，以瓦为单位的功率M沿纵轴画出，时间T被画在横轴上，没有单位。 

具体实施方式

图1所示的设施包括用于处理基底的加工室1。举例来说，所述加工室可以用来进行沉积、刻蚀、或离子注入加工，或者进行热处理，如同在硅片上制造微电子器件中所使用的那样。所述处理也可以是制造微电子机械系统(MEMS)或微光机电系统(MOEMS)时对半导体基底进行的微机械加工。加工室1通过装有阀3a、3b和3c的管道2与由马达5驱动的 泵体4相连接。泵体4通过消音器7与排气管道6相连接。可以在排气管道6上装有收集器8，用来收集反应中所产生的固体副产物。当所进行的加工所产生的气相副产物不适合从总排气口9中排出时，使用阀11a和11b使该气体通过处理设施10被排出。所述加工用气体或许会变成固体副产物，聚集在加工室1、将加工室1连接到泵体4的管道2、泵体4、消音器7、导向气体处理设施10的管道6、收集器8、阀11a和11b中。经常也会发生这样的现象，即在泵单元的上游所形成的副产物被抽到或者通过重力作用被转移到泵体4中，从而促成对泵体4、消音器7、用于排出被抽气体的管道6、收集器8、阀11a和11b的污染现象。 

在正常工作时，泵单元的功能参数的值的变化可以是，例如 

●随着时间的变化是重复的，并且是可再现的，例如，图2显示了当制造过程在进行中时，排气系统中气体压强G(曲线20)的变化，以及由于到达泵单元的气流的变化所导致的马达所消耗的功率M的变化(曲线21)；或者 

●瞬变现象，例如，图3显示了由于在大气压下进行抽气而导致的同时发生的气体压强G(曲线30)和马达所消耗的功率M(曲线31)的突然增加；或者 

●在时间上是连续的，例如，图4显示了在启动之后所述单元的一级泵的马达所消耗的功率M’的逐渐减小(曲线41)，这是由于泵单元变热以及由于泵单元停止时在泵体内所累积的固体残留物被逐渐去掉的原因。曲线40显示了所述单元的二级泵的马达所消耗的功率M。 

在不正常工作时，参数值的变化可以是，例如 

●在时间上是连续的，例如，图5显示了所述马达所消耗的功率M(曲线50)以及排气系统中的气体压强G(曲线51)的逐渐增大，揭示了被抽气体要到达的管道发生了堵塞；或者 

●随机性，例如，图6中的曲线60显示了马达所消耗的功率M中相继出现的峰，这些峰是移动部件即将堵塞的征兆。 

特别地，本发明可以在下列现象导致泵单元发生不可逆故障之前探测 到这些现象，特别是消音器、收集器、管道、或排气系统中的阀的堵塞，或在某种条件下由被抽气体所转化成的固体副产物对泵单元所造成的内部堵塞。 

通过追踪所述马达所消耗的功率M以及气体压强G随时间的变化，可以识别堵塞现象。已经确定了数学算法，用于测量这种变化以及用于计算达到预定的临界模拟阈值之前所剩下的时间。 

很自然，本发明不限于所述的实施例，本领域技术人员可以以很多方式对本发明进行修正而不偏离本发明的精神。具体说，在本发明的范围内，也可以决定监测其它参数，其中，这些参数可以是真空管道的外部或内部参数，从而获得有关工作状态的更好的信息。 

Claims (15)

1.用于从加工室抽取气体的真空管道，所述真空管道至少包括：

包含泵体和马达的泵单元；

排气系统；

第一测量装置，用于测量与所述马达相关的功能参数；

第二测量装置，用于测量与所述排气系统相关的功能参数；以及

预测装置，用于基于由所述第一测量装置提供的与所述马达有关的功能参数的测量和由所述第二测量装置提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量之间的相互关系来计算所述真空管道的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的真空管道，其中，用来测量与所述马达有关的功能参数的所述第一测量装置包括测量从所述马达所消耗的功率、所述马达所消耗的电流、所述马达的转动扭矩、以及马达的振动中所选择出来的至少一个特性的装置。

3.根据权利要求2所述的真空管道，其中，用来测量与所述马达有关的功能参数的所述第一测量装置包括用来测量所述马达所消耗的功率的装置。

4.根据权利要求1所述的真空管道，其中，用来测量与所述排气系统有关的功能参数的所述第二测量装置包括用来测量所述排气系统中的气体压强的装置。

5.根据权利要求2所述的真空管道，其中，第一测量装置测量所述马达所消耗的功率，第二测量装置测量所述排气系统中的气体压强，以及所述预测装置根据所述马达所消耗的功率的测量以及根据所述排气系统中的气体压强的测量来预测所述真空管道的使用剩余寿命。

6.根据权利要求1所述的真空管道，还包括用来测量与所述泵体有关的功能参数的第三测量装置。

7.根据权利要求6所述的真空管道，其中，用来测量与所述泵体有关的功能参数的所述装置包括测量从所述泵体的处理、泵体的振动、清洗用的氮气的流速、处理用的调节阀的位置中所选择出来的至少一个特性的装置。

8.根据权利要求6所述的真空管道，其中，所述预测装置基于由所述第一测量装置所提供的与所述马达有关的功能参数的测量、由所述第二测量装置所提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量、以及由所述第三测量装置所提供的与所述泵体有关的功能参数的测量来计算所述真空管道的剩余寿命。

9.用于监测真空管道的方法，所述真空管道用于从加工室抽取气体，所述真空管道至少包括包含泵体和马达的泵单元；排气系统；第一测量装置，用于测量与所述马达相关的功能参数；第二测量装置，用于测量与所述排气系统相关的功能参数；以及预测装置，用于基于由所述第一测量装置提供的与所述马达有关的功能参数的测量和由所述第二测量装置提供的与所述排气系统有关的功能参数的测量来计算所述真空管道的剩余寿命，所述方法包括下面的步骤：

测量与所述马达有关的功能参数；

测量与所述排气系统有关的功能参数；

将所测量的与所述马达相关的功能参数随时间的变化与所测量的与所述排气系统相关的功能参数随时间的变化联系起来；以及

从中推演出所述真空管道的剩余寿命。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述剩余寿命是基于所述测量的参数的幅度随时间的变化通过统计处理获得的。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，与所述马达相关的所测量的功能参数由从所述马达所消耗的功率、所述马达所消耗的电流、所述马达的转动扭矩、以及马达的振动中所选择出来的至少一个特性构成。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，与所述排气系统相关的所测量的功能参数为所述排气系统中的气体压强。    

13.根据权利要求11所述的方法，其中，与所述马达相关的所测量的功能参数为所述马达所消耗的功率，与所述排气系统相关的所测量的功能参数为所述排气系统中的气体压强，所述真空管道的剩余寿命由所述马达所消耗的功率和所述排气系统中的压强随时间的关联变化来计算。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，也测量与所述泵体相关的功能参数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，与所述泵体相关的所述功能参数由从该泵体的温度、泵体振动、清洗用的氮气的流速、温度调节阀的位置中所选择出来的至少一个特性构成。

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