JP2016183576A - 真空排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプの回転速度が大きく低下する前に、真空排気運転を真空ポンプからバックアップポンプに切り替えることができる真空排気システムを提供する。
【解決手段】真空排気システムは、分岐管６に接続された真空ポンプ１０と、バックアップ管８に接続されたバックアップポンプ１２と、開閉弁１５およびバックアップ弁１６の開閉動作を制御する動作制御部２０とを備える。動作制御部２０は、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低いときに、バックアップ弁１６を開け、開閉弁１５を閉じる。真空ポンプ１０の回転速度がしきい値に等しいときの吸込側圧力は、吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造装置などに使用される処理チャンバから処理ガスを排気するために使用される真空排気システムに関する。

通常、半導体デバイス製造装置に接続される真空ポンプのバックアップ用に予備ポンプ（以後バックアップポンプという）が設けられる。このバックアップポンプの使用目的は、真空ポンプのメンテナンス時に処理チャンバを真空排気すること、および真空ポンプ異常時に処理チャンバを真空排気することである。

真空ポンプは、その回転速度が予め設定された速度下限値にまで低下すると、回転速度の異常低下を示す速度低下信号を発信する機能を備えている。回転速度の異常低下は、処理チャンバから吸引した処理ガスが真空ポンプ内で固化して堆積物を形成し、これがポンプロータの回転を妨げてしまうことによって起こる。このような回転速度の異常低下が起こると、処理チャンバ内の圧力が上昇し、半導体デバイス製造装置が圧力異常を検知してその運転を停止してしまう。

そこで、真空ポンプの異常時に処理チャンバを真空排気するために上述したバックアップポンプが設けられている。真空ポンプから上述した速度低下信号が制御部に送信されると、制御部は、バックアップポンプを処理チャンバに接続し、このバックアップポンプによって処理ガスを処理チャンバから排気させる。

特許第４１８０２６５号公報

しかしながら、図１１に示すように、真空ポンプから上述した速度低下信号が発信されるときには、既に真空ポンプの回転速度は大きく低下している。結果として、処理チャンバ内の圧力は、プロセス処理可能な圧力しきい値の上限を超えてしまい、半導体デバイス製造装置の運転が停止するおそれがある。

そこで、本発明は、真空ポンプの回転速度が大きく低下する前に、真空排気運転を真空ポンプからバックアップポンプに切り替えることができる真空排気システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、吸込管と、前記吸込管から分岐した分岐管およびバックアップ管と、前記分岐管および前記バックアップ管にそれぞれ取り付けられた開閉弁およびバックアップ弁と、前記分岐管に接続された真空ポンプと、前記バックアップ管に接続されたバックアップポンプと、前記開閉弁および前記バックアップ弁の開閉動作を制御する動作制御部とを備え、前記動作制御部は、前記真空ポンプの回転速度をしきい値と比較し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低いときに、前記バックアップ弁を開け、前記開閉弁を閉じるように構成され、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値に等しいときの前記吸込側圧力は、前記吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低いことを特徴とする真空排気システムである。

本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプは、その回転速度が予め設定された速度下限値に達した場合は、速度低下信号を前記動作制御部に送信するように構成されており、前記しきい値は前記速度下限値よりも大きいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値以上であるときは、前記バックアップポンプは第１の回転速度で運転し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低いときは、前記バックアップポンプは前記第１の回転速度よりも高い第２の回転速度で運転することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記動作制御部は、前記バックアップ弁を開けた後であって前記開閉弁を閉じる前に、前記真空ポンプの回転速度を前記しきい値と再度比較し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低い場合には、前記開閉弁を閉じることを特徴とする。

本発明の他の態様は、吸込管と、前記吸込管から分岐した分岐管およびバックアップ管と、前記分岐管および前記バックアップ管にそれぞれ取り付けられた開閉弁およびバックアップ弁と、前記分岐管に接続された真空ポンプと、前記バックアップ管に接続されたバックアップポンプと、前記開閉弁および前記バックアップ弁の開閉動作を制御する動作制御部とを備え、前記動作制御部は、前記真空ポンプの吸込側圧力がしきい値に達したときに、前記バックアップ弁を開け、前記開閉弁を閉じるように構成され、前記しきい値は、前記吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低いことを特徴とする真空排気システムである。

真空排気動作が真空ポンプからバックアップポンプに切り替えられるとき、吸込側圧力、例えば、吸込管に接続された処理チャンバ内の圧力は、吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低い。したがって、吸込側圧力の異常上昇を防止しつつ、バックアップポンプによって真空排気動作を継続することができる。

真空排気システムの一実施形態を示す模式図である。 真空ポンプの回転速度と、真空ポンプの吸込側圧力の時間変化を示すグラフである。 バックアップ弁が開かれ、開閉弁が閉じられた状態を示す図である。 真空ポンプの回転速度と真空ポンプの吸込側圧力との関係を示すグラフである。 バックアップ運転を説明するフローチャートである。 真空排気システムの他の実施形態を示す模式図である。 図６に示す実施形態に使用されるしきい値を説明する図である。 真空排気システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。 バックアップ弁が開かれ、第１の開閉弁が閉じられた状態を示す図である。 バックアップ弁が開かれ、第２の開閉弁が閉じられた状態を示す図である。 従来のバックアップ運転を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、真空排気システムの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、真空排気システムは、吸込管５と、吸込管５から分岐した分岐管６およびバックアップ管８と、分岐管６に接続された真空ポンプ１０と、バックアップ管８に接続されたバックアップポンプ１２とを備えている。吸込管５は、ＣＶＤ装置やＰＶＤ装置、エッチング装置などの半導体デバイス製造装置に備えられる処理チャンバ１に接続されている。

分岐管６およびバックアップ管８には、開閉弁１５およびバックアップ弁１６がそれぞれ取り付けられている。これらの開閉弁１５およびバックアップ弁１６は、信号線を介して動作制御部２０に接続されており、開閉弁１５およびバックアップ弁１６の開閉動作は動作制御部２０によって制御される。真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２は、無線通信または有線通信により動作制御部２０に接続されており、これら真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２の運転は動作制御部２０によって制御される。有線通信の形態としては、デジタル通信またはアナログ通信がある。

真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２は、それぞれ電動機およびインバータ（図示せず）を備えており、真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２の回転速度の現在値はインバータから動作制御部２０に送られる。回転速度の現在値を示す信号は、通信または、電圧または電流などのアナログ信号に換算された信号、またはパルス信号に換算された信号でもよい。

通常の運転では、開閉弁１５は開いており、バックアップ弁１６は閉じられている。真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２は、両方とも運転される。したがって、通常の運転では、処理チャンバ１内の処理ガスは、真空ポンプ１０によって排気される。動作制御部２０は、真空ポンプ１０およびバックアップポンプ１２の運転状態、ポンプ運転異常、開閉弁１５およびバックアップ弁１６の開閉状態を上位装置に送信するためのアナログ信号出力端子またはデジタル信号出力端子（図示せず）を備えている。

半導体デバイスの製造では、処理ガスが処理チャンバ１内に注入されながら、真空ポンプ１０は、この処理ガスを処理チャンバ１から排気し、処理チャンバ１内を低圧に維持する。半導体デバイス製造装置は、処理チャンバ１内の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）を備えている。処理チャンバ１内の圧力が、圧力の異常上昇を示す圧力上限値を超えると、半導体デバイス製造装置は、その運転を強制的に停止する。したがって、半導体デバイスの製造が開始された後は、処理チャンバ１内の圧力を上記圧力上限値よりも低く維持しなければならない。しかしながら、処理ガスが真空ポンプ１０内で固化して堆積物を形成すると、真空ポンプ１０の回転速度が低下して、処理チャンバ１内の圧力が大きく上昇することがある。

そこで、本実施形態では、処理チャンバ１内の圧力が上記圧力上限値に達する前に、バックアップポンプ１２によって処理チャンバ１の真空排気が開始される。図２は、真空ポンプ１０の回転速度と、真空ポンプ１０の吸込側圧力（すなわち、処理チャンバ１内の圧力）の時間変化を示すグラフである。図２のグラフにおいて、縦軸は回転速度および吸込側圧力を表し、横軸は時間を表している。

図２に示すように、動作制御部２０は、その内部に、真空排気動作を真空ポンプ１０からバックアップポンプ１２に切り替えるためのしきい値を予め記憶（格納）している。動作制御部２０は、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低いときに、バックアップ弁１６を開き、開閉弁１５を閉じるように構成される。

図３は、バックアップ弁１６が開かれ、開閉弁１５が閉じられた状態を示す図である。図３に示すように、バックアップ弁１６が開かれ、開閉弁１５が閉じられると、吸込管５とバックアップポンプ１２とが連通し、吸込管５と真空ポンプ１０との連通が遮断される。したがって、吸込管５に接続されている処理チャンバ１内の処理ガスは、バックアップポンプ１２によって吸引される。

しきい値は、真空ポンプ１０の回転速度と、真空ポンプ１０の吸込側圧力（すなわち、処理チャンバ１内の圧力）との関係に基づいて予め決定される。図４は、真空ポンプ１０の回転速度と真空ポンプ１０の吸込側圧力との関係を示すグラフである。図４に示すグラフから分かるように、真空ポンプ１０の回転速度と真空ポンプ１０の吸込側圧力は、概ね反比例の関係にある。

本実施形態におけるしきい値は、真空ポンプ１０の回転速度に関するしきい値である。図４に示すように、しきい値は、半導体デバイス製造装置に設定されている上記圧力上限値よりも低い吸込側圧力ＴＰに相当する予め定められた回転速度である。すなわち、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値に等しいときの真空ポンプ１０の吸込側圧力ＴＰは、圧力上限値よりも低い。したがって、図２に示すように、真空ポンプ１０の異常が発生したとき、吸込側圧力が圧力上限値に到達する前に、真空ポンプ１０の回転速度はしきい値に到達し、バックアップポンプ１２による真空排気が開始される。吸込側圧力は速やかに低下して元の値に維持される。

次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態に係るバックアップ運転を説明する。ステップ１では、真空ポンプ１０が始動される。真空ポンプ１０の始動と同時に、またはその後に、バックアップポンプ１２が始動される。動作制御部２０は、真空ポンプ１０の実回転速度が真空ポンプ１０の定格回転速度以上か否かを判断する（ステップ２）。真空ポンプ１０の実回転速度が定格回転速度以上の場合は、動作制御部２０は、真空ポンプ１０の回転速度の低下の監視を開始する（ステップ３）。

動作制御部２０は、真空ポンプ１０の回転速度をしきい値と比較し、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低いか否かを判断する（ステップ４）。真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低い場合は、動作制御部２０はバックアップ弁１６を開く（ステップ５）。

動作制御部２０は、再度、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低いか否かを判断する（ステップ６）。これは、異物混入などにより、回転速度の一時的な低下が起こる場合があるからである。もし、真空ポンプ１０の回転速度が上昇して再度しきい値以上となった場合には、動作制御部２０はバックアップ弁１６を閉じ（ステップ７）、ステップ３の回転速度の低下の監視を再度開始する。上述したステップ６において、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低い場合は、動作制御部２０は開閉弁１５を閉じ（ステップ８）、これによってバックアップ運転が開始される。

消費電力を削減するために、バックアップ運転が開始されるまで、バックアップポンプ１２は待機運転をしていてもよい。より具体的には、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値以上であるときは、バックアップポンプ１２は第１の回転速度で運転し、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値よりも低いときは、バックアップポンプ１２は第１の回転速度よりも高い第２の回転速度で運転するようにしてもよい。バックアップ運転に切り替わったときの圧力上昇を避けるために、上述した第１の回転速度は、上記しきい値以上であることが好ましい。

上述したステップ４において、真空ポンプ１０の回転速度がしきい値以上である場合は、動作制御部２０は真空ポンプ１０からアラーム信号が発信されたか否かを判断する（ステップ９）。このアラーム信号は、真空ポンプ１０の温度の異常上昇や通信機能停止などの不具合が起こったときに真空ポンプ１０から動作制御部２０に発信される。アラーム信号が発信されていない場合は、動作制御部２０はステップ３の回転速度の低下の監視を再度開始する。アラーム信号が発信された場合には、動作制御部２０はバックアップ弁１６を開き（ステップ１０）、さらに開閉弁１５を閉じ（ステップ８）、これによってバックアップ運転が開始される。

一般に、半導体デバイスの製造に使用される処理ガスは、温度の低下に伴って固化する性質を有している。このため、処理ガスが真空ポンプ１０内で固化して堆積物を形成し、これがポンプロータの回転を阻害することがある。そこで、真空ポンプ１０は、その回転速度が予め設定された速度下限値にまで低下したときには、回転速度の異常低下を示す速度低下信号を発信する機能を備えている。この速度低下信号は、動作制御部２０に送られる。動作制御部２０は、この速度低下信号を受信すると、真空ポンプ１０の運転を停止させるようになっている。上述したしきい値は、速度下限値よりも大きい値である。動作制御部２０は、速度低下信号を受信すると、バックアップ弁１６を開き、開閉弁１５を閉じるように構成されてもよい。

真空ポンプ１０の運転時にバックアップ弁１６が閉じられている理由は、処理ガスがバックアップポンプ１２内で固化することを防ぐためである。さらに、真空ポンプ１０の運転時にバックアップ弁１６が閉じられているにもかかわらず、バックアップポンプ１２が運転されている理由は、ポンプの運転切替時にバックアップポンプ１２が速やかに真空排気動作を開始して、処理チャンバ１内の圧力上昇を防止するためである。

本実施形態では、真空ポンプ１０の回転速度は、吸込側圧力を間接的に示す圧力指標値である。圧力指標値として真空ポンプ１０の回転速度を使用することにより、吸込側圧力を測定するための圧力センサが不要になる。したがって、半導体デバイス製造装置などの既設の装置に圧力センサを設置することなく、または既設の圧力センサと信号線で接続することなく、本実施形態の真空排気システムを既設の装置に容易に組み込むことができる。

半導体デバイス製造装置が新たに設置される場合には、圧力センサとともに真空排気システムを半導体デバイス製造装置に組み入れてもよい。このような場合には、圧力センサを動作制御部２０に接続し、動作制御部２０は吸込側圧力の測定値をしきい値と判断してもよい。図６は、真空排気システムの他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない構成及び動作は、図１乃至図５に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。この実施形態では、圧力センサ２１が吸込管５に接続されている。圧力センサ２１は、真空ポンプ１０の吸込側圧力、すなわち、吸込管５および処理チャンバ１内の圧力を測定し、吸込側圧力の測定値を動作制御部２０に送信する。本実施形態では、吸込側圧力の測定値は、吸込側圧力を直接的に示す圧力指標値である。

動作制御部２０は、吸込側圧力の測定値をしきい値と比較することによって、バックアップ運転を開始すべきか否かを決定する。本実施形態におけるしきい値は、真空ポンプ１０の吸込側圧力に関するしきい値である。動作制御部２０は、吸込側圧力の測定値がしきい値に達したときに、バックアップ弁１６を開き、開閉弁１５を閉じる。

図７は、図６に示す実施形態に使用されるしきい値を説明する図である。図７に示すように、しきい値は、半導体デバイス製造装置に設定されている上記圧力上限値よりも低い値である。したがって、真空ポンプ１０の異常が発生したとき、吸込側圧力が圧力上限値に到達する前に、吸込側圧力はしきい値に到達し、バックアップポンプ１２による真空排気が開始される。

図８は、真空排気システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない構成及び動作は、図１乃至図５に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、吸込管５は、集合管から構成されている。以下、吸込管５を集合管５と称する。集合管５の複数の入口は、複数のブースタポンプ２５の排気口に接続されている。これらのブースタポンプ２５は複数の処理チャンバ１にそれぞれ接続されている。

第１の分岐管６Ａ、第２の分岐管６Ｂ、およびバックアップ管８は、集合管５から分岐しており、それぞれ真空ポンプ１０Ａ、真空ポンプ１０Ｂ、およびバックアップポンプ１２に接続されている。真空ポンプ１０Ａ、真空ポンプ１０Ｂ、およびバックアップポンプ１２は、それぞれメインポンプとして機能する。第１の分岐管６Ａ、第２の分岐管６Ｂ、およびバックアップ管８には、第１の開閉弁１５Ａ、第２の開閉弁１５Ｂ、およびバックアップ弁１６がそれぞれ取り付けられている。

本実施形態において、通常運転からバックアップ運転への切り替えは、上述した図１乃至図５を参照して説明した実施形態と同じように行われる。すなわち、真空ポンプ１０Ａの回転速度がしきい値よりも低い場合には、図９に示すように、動作制御部２０はバックアップ弁１６を開き、第１の開閉弁１５Ａを閉じる。真空ポンプ１０Ｂの回転速度がしきい値よりも低い場合には、図１０に示すように、動作制御部２０はバックアップ弁１６を開き、第２の開閉弁１５Ｂを閉じる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 処理チャンバ
５ 吸込管
６，６Ａ，６Ｂ 分岐管
８ バックアップ管
１０，１０Ａ，１０Ｂ 真空ポンプ
１２ バックアップポンプ
１５，１５Ａ，１５Ｂ 開閉弁
１６ バックアップ弁
２０ 動作制御部
２１ 圧力センサ
２５ ブースタポンプ

Claims (5)

1. 吸込管と、
   前記吸込管から分岐した分岐管およびバックアップ管と、
   前記分岐管および前記バックアップ管にそれぞれ取り付けられた開閉弁およびバックアップ弁と、
   前記分岐管に接続された真空ポンプと、
   前記バックアップ管に接続されたバックアップポンプと、
   前記開閉弁および前記バックアップ弁の開閉動作を制御する動作制御部とを備え、
   前記動作制御部は、前記真空ポンプの回転速度をしきい値と比較し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低いときに、前記バックアップ弁を開け、前記開閉弁を閉じるように構成され、
   前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値に等しいときの前記吸込側圧力は、前記吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低いことを特徴とする真空排気システム。
2. 前記真空ポンプは、その回転速度が予め設定された速度下限値に達した場合は、速度低下信号を前記動作制御部に送信するように構成されており、
   前記しきい値は前記速度下限値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空排気システム。
3. 前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値以上であるときは、前記バックアップポンプは第１の回転速度で運転し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低いときは、前記バックアップポンプは前記第１の回転速度よりも高い第２の回転速度で運転することを特徴とする請求項１に記載の真空排気システム。
4. 前記動作制御部は、前記バックアップ弁を開けた後であって前記開閉弁を閉じる前に、前記真空ポンプの回転速度を前記しきい値と再度比較し、前記真空ポンプの回転速度が前記しきい値よりも低い場合には、前記開閉弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の真空排気システム。
5. 吸込管と、
   前記吸込管から分岐した分岐管およびバックアップ管と、
   前記分岐管および前記バックアップ管にそれぞれ取り付けられた開閉弁およびバックアップ弁と、
   前記分岐管に接続された真空ポンプと、
   前記バックアップ管に接続されたバックアップポンプと、
   前記開閉弁および前記バックアップ弁の開閉動作を制御する動作制御部とを備え、
   前記動作制御部は、前記真空ポンプの吸込側圧力がしきい値に達したときに、前記バックアップ弁を開け、前記開閉弁を閉じるように構成され、
   前記しきい値は、前記吸込側圧力の異常上昇を示す圧力上限値よりも低いことを特徴とする真空排気システム。

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