JP3923880B2 - 回転機の寿命予測システム、回転機の寿命予測方法及び回転機を有する製造装置 - Google Patents
回転機の寿命予測システム、回転機の寿命予測方法及び回転機を有する製造装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は製造装置用回転機の寿命の予測技術に係り、特に真空ポンプ等の回転機の寿命を予測する寿命予測装置、寿命予測方法、及びこの回転機を有する製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造を効率的に行うために半導体製造装置の故障診断が重要になって来ている。また、近年、システムＬＳＩでは特に少量多品種生産の傾向が強まり、これに対応した小回りの利く効率的な半導体デバイスの製造方法が必要になって来た。効率的な半導体生産には小規模の生産ラインを用いることがある。しかし、大規模生産ラインを単に小さくしただけでは製造装置の稼働率低下等の問題が発生するため投資効率が低下する問題がある。この対策としては複数の製造工程を一つの製造装置で行う方法があるが、例えばドライポンプを排気系に用いている減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）装置ではプロセスの種類の相違により反応ガスや反応生成物が異なり、ポンプ内部での反応生成物の発生及び蓄積状況が異なる。このため、プロセスの種類が変わると、寿命が変動してしまう。
【０００３】
製造プロセス中にドライポンプが停止すると、製造中のロットが不良になってしまうだけではなく、製造装置内部に微小ダストが発生する。そのため、製造装置に余分なメンテナンスが必要になり、半導体デバイスの製造効率が大幅に低下する。このプロセス中の突然の停止を防止するために、ポンプのメンテナンス時間に余裕を見るとポンプのメンテナンス頻度が膨大になる。更に、メンテナンスコストの増加だけでなくポンプ交換による半導体製造装置の稼働率低下が顕著になるため、半導体デバイスの製造効率が大幅に低下してしまう。効率良い小規模生産ラインに必要な装置の共用化を実現するためには、ドライポンプの寿命を的確に診断し、寿命ぎりぎりまでポンプを使用することが必要である。したがって、寿命予測が必須となる。
【０００４】
ドライポンプの寿命診断方法は現在までにいくつかの方法が提案されている。基本的にはドライポンプの状態をモータ電流、振動、温度で把握し、これらの状態量の変化から寿命を予測するという方法がとられてきた（例えば、特許文献１参照）。特に、ドライポンプの寿命診断方法として、ポンプの状態をロータ回転に起因する振動で把握する方法が主にとられてきた。その理由として振動で診断するには振動計あるいは加速度計をポンプ側面に取り付けるだけで測定できるため、簡便な寿命予測方法として注目されているからである。また、振動データとしてアコースティックエミッション信号をアナログ・デジタル変換（ＡＤ変換）して寿命を予測する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
ドライポンプ内部の反応生成物の蓄積状況は、ドライポンプに固有の基準振動の変動より基準振動の整数倍などのドライポンプに特徴的な周波数の振動変動の方に顕著に現われる。従来では、図９に示すように、ドライポンプ１１３の振動を測定する振動計１１７からの信号をアンプ１８１で増幅して、ＡＤ変換器１１８でデジタル信号に変換する。そして、データ処理ユニット１１９で、フーリエ変換後に特定周波数成分のみを取り出し寿命予測する方法が用いられていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５９２２２号公報（第９−１１頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−６２８４６号公報（第２−３頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＤ変換器を用いて振動データをデジタル信号に変換し、フーリエ変換により特定周波数成分を取り出す方法では、処理するデータ量が膨大になることと、１秒以下の極短時間の振動変動が評価出来ない問題があった。また、測定システムが大掛かりになり、測定システムの価格が高くなる問題があった。更に、ポンプ内部で反応生成物が蓄積されると振動のピーク周波数が変動する現象が確認されており、ピーク周波数が変動しても正確にピーク加速度を評価する方法の確立が必要であった。
【０００９】
上述のように、振動を用いる従来のドライポンプの寿命予測方法では、測定装置の価格や、処理するデータ量、測定時間間隔や安定性に問題があり、安価な装置で、より簡便で安定した高精度の寿命予測方法の確立が望まれていた。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決し、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システム、寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、(イ)回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、（ロ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、（ハ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するデータ処理ユニットとを備える寿命予測システムであることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システムを提供することができる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、（イ）回転機の時系列加速度データを測定するステップと、（ロ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するステップと、（ハ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するステップとを含む寿命予測方法であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第２の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測方法を提供することができる。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、（イ）回転機と、（ロ）回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、（ハ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、（ニ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するデータ処理ユニットとを備える製造装置であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第３の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な寿命予測ができる回転機を備えた製造装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の第１〜第３の特徴において、羽根枚数を含む式は、羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる。また、周波数帯が、ピーク加速度のピーク半値幅とピーク加速度のピーク周波数変動の最大値との和の２〜１０倍の範囲とすることが好ましい。また、振動計の測定間隔が、第１の解析周波数の周期の１／３倍以下であることが好ましい。更に、時系列加速度データを、第１の解析周波数とは振動の位相が相違する第２の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタを、更に備えることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置としてのＬＰＣＶＤ装置は、図１に示すように、ＣＶＤチャンバ１を真空排気するドライポンプ３（回転機）と、ドライポンプ３の寿命を予測する寿命予測システム３９を備えている。
【００２０】
更に、寿命予測システム３９は、ドライポンプ３のボディ側面に配置され、振動の加速度等の特徴量の時系列加速度データを測定する振動計７と、振動計７で測定された時系列加速度データを増幅するアンプ８１と、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを周波数帯域で濾波するバンドパスフィルタ８と、濾波された時系列振動アナログデータから解析周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成して、ドライポンプ３の寿命を予測するデータ処理ユニット６とを備える。
【００２１】
ＬＰＣＶＤ装置のＣＶＤチャンバ１にはガス配管５１、５２、５３が接続されている。このガス配管５１、５２、５３には、ＣＶＤチャンバ１に導入される種々の原料ガス及びキャリアガスを制御するためのマスフローコントローラ４１、４２、４３がそれぞれ接続されている。つまり、マスフローコントローラ４１、４２、４３によって、その流量が制御された原料ガス等は、ガス配管５１、５２、５３を通って一定の減圧化のＣＶＤチャンバ１に導入される。ＣＶＤチャンバ１は外気遮断と雰囲気を保持することが可能なような密閉構造をしている。ＣＶＤチャンバ１の内部をドライポンプ３で真空排気するために、ＣＶＤチャンバ１の排気側には真空配管３２が接続され、この真空配管３２の排気側にゲートバルブ２が接続されている。ゲートバルブ２の排気側には更に他の真空配管３３が接続されている。真空配管３３の排気側にドライポンプ３の吸気側が接続されている。ゲートバルブ２は必要に応じてＣＶＤチャンバ１とドライポンプ３を分離し、或いは排気コンダクタンスを調整する。そして、ドライポンプ３はＣＶＤチャンバ１に導入された未反応の原料ガス及び反応生成物を排気するために用いられている。
【００２２】
図１に示すＬＰＣＶＤ装置を用いて、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）を成膜する場合は、減圧状態にされたＣＶＤチャンバ１に、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスをマスフローコントローラ４１を介して導入し、アンモニア（ＮＨ３）ガスをマスフローコントローラ４２を介して導入する。そして、ＣＶＤチャンバ１の内部でシリコン（Ｓｉ）基板を約８００℃程度にまで加熱し、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの化学反応により、シリコン基板上にＳｉ３Ｎ４膜を成膜する。この化学反応は、Ｓｉ３Ｎ４膜を生成するとともに、反応副生成物として塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）ガス及び水素（Ｈ２）ガスを発生する。水素は気体であり、ドライポンプ３によって排気される。ＮＨ４Ｃｌは、生成時においては、反応炉内が８００℃程度の高温下及び数１００Ｐａ若しくはサブ数１００Ｐａ以下の減圧下であるために、気体状である。図示を省略しているが、通常，ＬＰＣＶＤ装置には、固体の反応副生成物を捕集するトラップがＣＶＤチャンバ１とドライポンプ３との間に設置されている。トラップは、圧力が低いため、反応副生成物の完全な捕集は不可能である。捕集しきれない反応副生成物は、ドライポンプ３まで到達する。ドライポンプ３では、気体の圧縮によって０．１Ｐａ程度から大気圧まで圧力が増加する。反応副生成物は、状態図における昇華曲線に従って、低圧下では気体として存在するが、より高圧化で固化を始める。ポンプ内部では、ガスの圧縮が繰り返され，数１００Ｐａの圧力から大気圧まで圧力が変化していくために、排気ガス中のガス状反応副生成物は、圧力上昇とともにドライポンプ３の内部で固化し始める。ドライポンプ３の配管内で固化し始めると、わずかであるが堆積物が回転軸を弾性変形させる。その結果として、ドライポンプが故障することにつながる。
【００２３】
図２に示すように、第１の実施の形態に係る半導体製造装置としてのＬＰＣＶＤ装置に用いるドライポンプ３は、３枚の羽根がついた２つのロータ１０ａ、１０ｂがそれぞれ回転軸１１ａ、１１ｂで回転する構造である。ドライポンプ３は、ボディ１３の吸気側に設けられた吸気フランジ１４、及び、ボディ１３の排気側に設けられた排気フランジ１５を有している。ＣＶＤチャンバ１からゲートバルブ２を通ってきたガス流は、吸気フランジ１４よりドライポンプ３内に入る。ドライポンプ３内に入ったガスは２つのロータ１０ａ、１０ｂが回転軸１１ａ、１１ｂで回転することにより圧縮される。圧縮されたガスは排気フランジ１５より排気される。なお、振動計７は、ドライポンプ３のボディ１３の平坦な部分に磁石により取り付けてある。
【００２４】
ドライポンプ３では、ロータ１０ａ、１０ｂ間の間隔やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間の間隔は１ｍｍ以下になっている。そのため、例えばＳｉ３Ｎ４薄膜をシリコン基板上に堆積する場合、ＮＨ４Ｃｌが主体の反応副生成物がポンプ内部で析出して、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間に詰まる。ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間で反応副生成物が詰まって擦れるようになると、擦れ起因の特徴的な振動が発生する。したがって、振動計７により、ドライポンプ３の振動の特徴量の推移を測定することにより、ドライポンプ３内部の反応生成物の蓄積状況をモニタして、ドライポンプ３の寿命を予測することが可能になる。
【００２５】
ドライポンプ３では、ロータ１０ａ、１０ｂは５０Ｈｚで回転させるため、振動計７で観測される加速度の基準振動の周波数は５０Ｈｚである。また、複数枚の羽根を取り付けたロータ１０ａ、１０ｂを回転させるため、ロータ回転に起因する基準振動の整数倍の周波数の振動が発生する。また、ドライポンプ３のロータ１０ａ、１０ｂは機械的にボディ１３内に取り付けられているため、ボディ１３内壁とロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂ間のクリアランスは厳密には同一ではなく非対称性を持つ。このため、ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積すると、ボディ１３内壁とロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂ間の擦れには不均一性が生じる。この結果、反応副生成物が蓄積された場合には、振動計７で測定される加速度の周波数成分には、ロータ回転に起因する基準振動及び基準振動の整数倍の周波数以外の振動周波数のサブピークが観察される。例えば、正常状態では基準振動の整数倍のピークが顕著であり、サブピークは不明瞭である。ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積し、停止直前になると、サブピークが出現する。ポンプ停止前に出現するサブピークは、ポンプ内部の反応副生成物の蓄積に非常に敏感である。ドライポンプ３内部の反応副生成物の詰まりのモニタに有効な主要なサブピークは経験的に、ロータ１０ａ、１０ｂの羽根枚数をｍとした場合、基準振動の、｛ｎ＋（ｌ／ｍ）｝倍で表される。ｎ、ｌは任意の正の整数であるが、ｎが大きい場合は感度が低下するため、ｎ≦ｍ×回転軸数＋ｌの関係が必要である。
【００２６】
ドライポンプ内部に蓄積した反応副生成物の状況は、基準振動よりは基準振動の整数倍やサブピーク等のドライポンプ３に特徴的な周波数の振動変動の方に顕著に現われる。したがって、ドライポンプの寿命予測では基準振動以外の特定周波数の振動の加速度推移を調べることが重要である。このため、振動の加速度測定では一般に、ＡＤ変換器で振動計７からの信号をデジタル信号にしてフーリエ変換した後に特定周波数成分のみを取り出す方法が用いられる。ＡＤ変換器を用いる方法では、広い周波数帯の振動データをＡＤ変換の対象にするため、処理するデータ量が膨大になる。更に、ＡＤ変換あるいはフーリエ変換処理に長時間を要するため１秒以下の極短時間の振動変動が検知できない問題がある。ドライポンプ３の振動推移、例えば加速度の時系列データの測定では、所定時間間隔で、所定数の加速度をサンプリングする。サンプリング数は信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比の問題から、１測定で４０９６点以上必要となる。解析周波数の振動データをサンプリングする場合、サンプリング時間は、例えば、１ミリ秒と短くできるが、サンプリングが４０９６点以上である。したがって、従来のＡＤ変換とフーリエ変換に寄る解析方法では、最低４〜５秒の測定時間間隔が必要となる。
【００２７】
特に、ドライポンプ３内部で反応副生成物が多く蓄積し、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間での擦れが大きい場合、あるいは、ドライポンプ３上部の配管内部に付着した反応副生成物が剥がれてドライポンプ３内部に落下する場合には、測定される振動に１秒以下の極短時間のピーク状変動が発生する。したがって、ドライポンプ３の異常検知、即ち寿命予測には極短時間の測定解析が重要となる。ドライポンプ３の振動推移、例えば加速度の時系列データの測定では、解析周波数の振動データの測定間隔は、小さいほど短時間の変化を捉えられるが、あまり短時間の変化を測定することは困難である。また、信頼性の高い異常検知には測定間隔は解析周波数をｆ（Ｈｚ）とした場合に１／（３・ｆ）秒以下であることが望ましい。本発明の実施の形態においては、時系列加速度データの測定間隔は、０．００１秒としている。
【００２８】
本発明の実施の形態に係るドライポンプ３の寿命予測では、振動計７からの信号をＡＤ変換せずにアナログ信号の状態でバンドパスフィルタ８等のフィルタ回路を通すことで解析対象周波数帯の振動データを測定する。ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積し、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間が擦れる場合、振動データのピーク周波数が減少するようになる。バンドパスフィルタ８の帯域幅はピーク周波数変動を含めて設定する必要がある。そのため、加速度のピーク半値幅と反応副生成物の蓄積によるピーク周波数変動の最大値の和の２〜１０倍の帯域幅を用いればよい。例えば、本発明の実施の形態においては、加速度のピーク半値幅３Ｈｚと、ピーク周波数変動の最大値６Ｈｚの和の２倍以上に相当する帯域幅２９０〜３１０Ｈｚのバンドパスフィルタ８を用いて、基準振動の６倍の周波数３００Ｈｚのピーク加速度信号が濾波され、データ処理ユニット６で測定解析される。
【００２９】
ドライポンプ３の内部に反応副生成物が蓄積してドライポンプ３が停止する数日前の第１〜第４の成膜ステップでの３００Ｈｚの振動の加速度推移を、図３に示す。バンドパスフィルタ８を用いた本発明の実施の形態に係る寿命予測システムによれば、第１〜第４の全成膜ステップでピーク加速度の減少がみられる。図３には比較のため、従来の寿命予測システム（図９参照）を用いて測定された例を同時に示してある。同じ振動計７から出力される加速度信号を分岐して、ＡＤ変換器１１８でデジタル信号に変換後、高速フーリエ変換で周波数成分に分けて３００Ｈｚのピーク加速度推移を測定解析している。図３に見られるように、ＡＤ変換による方法では、第１の成膜ステップでピーク加速度信号が欠落している。ＡＤ変換による従来の方法では、サンプリング時間は、本発明の実施の形態に比べ、１ミリ秒と短い。しかし、サンプリングが４０９６点であり、また、ＡＤ変換及びフーリエ変換に要する時間が含まれるため、サンプリング測定間隔は４.５秒が限界である。したがって、１秒以下の短時間の加速度変動を安定して測定することはできない。実際に、バンドパスフィルタ８を用いたアナログ信号に比べると、ＡＤ変換によるデジタル信号のデータ量は約１００倍も多く、それに応じてデータ処理時間も１０倍以上に増加している。
【００３０】
ドライポンプの交換直後から内部に生成物が堆積し停止するまでの３００Ｈｚの加速度推移を調べた。本発明の実施の形態においては、バンドパスフィルタ８により濾波して、解析周波数の帯域を狭くすることにより加速度の時系列データ量を減少させることができる。また、測定時間間隔も短縮できる。したがって、ピーク加速度等の振動推移が高信頼性で高精度に安定して測定できる。本発明の実施の形態の係る寿命測定システム３９によれば、成膜ステップでの３００Ｈｚピーク加速度の減少率は、図４に示すように、反応副生成物がポンプ内部に蓄積するにしたがって増加し、寿命予測可能なことが確認できる。例えば、加速度減少率が８５％以上になる点を「ポンプ停止直前」の閾値として、ドライポンプ３の寿命を予測すればよい。
【００３１】
また、本発明の実施の形態に係る寿命予測システム３９においては、高価なＡＤ変換器やフーリエ解析装置に替えて、簡単なバンドパスフィルタ８を用いている。バンドパスフィルタ８は、例えば、インダクタとキャパシタからなる複数の並列共振器を結合させることにより実現できる。そのため、寿命予測システム３９のシステム構成が簡便化され、更に、システムの価格も大幅に減少させることが可能となる。
【００３２】
次に、図５に示すフローチャートを用いて、本発明の実施の形態に係る製造装置用回転機の寿命予測方法を説明する。具体的には、Ｓｉ３Ｎ４薄膜を形成するＬＰＣＶＤ装置に用いられるドライポンプ３の寿命を予測する。
【００３３】
（イ）まず、ステップＳ１０１では、ＬＰＣＶＤ装置のドライポンプ３の側面に配置された振動計７で、成膜ステップでのドライポンプ３の振動（加速度）の時系列加速度データ（推移）を測定する。例えば、時系列加速度データを、０．１秒の時間間隔で測定する。
【００３４】
（ロ）次にステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で得られた時系列加速度データをアンプ８１により増幅する。アンプ８１で増幅された時系列加速度データから、バンドパスフィルタ８により解析周波数成分を濾波して選別する。バンドパスフィルタ８の帯域は、２９０〜３１０Ｈｚであり、解析周波数は３００Ｈｚである。
【００３５】
（ハ）ステップＳ１０３において、バンドパスフィルタ８で選別された時系列加速度データを用いて、データ処理ユニット６により、ピーク加速度時系列アナログデータを算出する。
【００３６】
（ニ）その後、ステップ１０４において、データ処理ユニット６により、ピーク加速度時系列アナログデータから加速度減少率を算出する。算出された加速度減少率を加速度減少率の閾値と比較してドライポンプ３の寿命を判断する。加速度減少率が閾値以下であれば、引き続き測定を繰り返す。
【００３７】
（ホ）そして、加速度減少率タが閾値を越えていれば、ステップＳ１０５で、データ処理ユニット６は、ＬＰＣＶＤ装置に付随する表示装置、表示パネル、若しくは表示ランプにポンプ停止直前（寿命）の表示を行う。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命予測方法によれば、バンドパスフィルタ８を用いて濾波して、解析周波数の帯域を狭くすることにより加速度の時系列データ量を減少させることができ、また、測定時間間隔も短縮できる。したがって、ピーク加速度等の振動推移が高精度に安定して測定できる。本発明の実施の形態において、ポンプ停止直前を判断する「閾値」は実際の適用において適宜設定すれば良い。また、ドライポンプ３の故障診断に、解析対象として基準振動の６倍の３００Ｈｚを用いて説明したが、他の周波数でもドライポンプ３の振動変動が観測され、寿命診断に利用できることは、勿論である。
【００３９】
（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係る製造装置用回転機の寿命予測システム３９ａは、図６に示すように、第１のバンドパスフィルタ８ａと第２のバンドパスフィルタ８ｂを用いる。ドライポンプ３内部で反応副生成物が蓄積する場合、振動計７で検知される振動のピーク加速度変動には、周波数によっては、本発明の実施の形態で説明したようにピーク加速度が減少する周波数と、逆に増加する周波数がある。したがって、解析周波数として基準振動の｛ｎ＋（ｌ／ｍ）｝倍（ｍはロータの羽根枚数、ｎ、ｌは任意の正の整数）のうちから、ポンプ内部に反応副生成物が蓄積した場合に、ピーク加速度の変動の位相が、例えば増加及び減少のように相違する挙動を示す組み合わせを選ぶ。このようにして、成膜ステップにおけるドライポンプ３の反応生成物のつまりに起因するピーク加速度を、安定に精度よく検出することができる。したがって、信頼性の高い寿命予測が可能になる。本発明の実施の形態の変形例においては、ドライポンプ３の振動のピーク加速度変動の周波数を２点組み合わせて解析するため、第１及び第２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂを備える点が相違し、他は、本発明の実施の形態と同様であるので、重複した説明を省略する。
【００４０】
本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システム３９ａは、ドライポンプ３のボディ側面に配置され、振動の加速度等の特徴量の時系列加速度データを測定する振動計７と、振動計７で測定された時系列加速度データを増幅するアンプ８１と、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを第１の解析周波数を含む帯域で濾波する第１のバンドパスフィルタ８ａと、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを第２の解析周波数を含む帯域で濾波する第２のバンドパスフィルタ８ｂと、第１及び第２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂで濾波された時系列振動アナログデータから解析周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成して、ドライポンプ３の寿命を予測するデータ処理ユニット６とを備える。ここで、第１及びだい２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂで濾波される周波数帯域としては、ドライポンプ３のピーク加速度変動の位相が相違する周波数を含むように設定する。
【００４１】
本発明の実施の形態において、例えば、第１のバンドパスフィルタ８ａで濾波する第１の解析周波数を３００Ｈｚ、帯域を２９０〜３１０Ｈｚとし、第２のバンドパスフィルタ８ｂで濾波する第２の解析周波数を４００Ｈｚ、帯域を３９０〜４１０Ｈｚとして、３００Ｈｚと４００Ｈｚのピーク加速度推移を測定した。図７に示すように、ピーク加速度の値は、第１の周波数３００Ｈｚにおいては、減少するのに対し、第２の周波数４００Ｈｚにおいては逆に増加している。ピーク加速度変動は、ドライポンプ３内部の反応副生成物の蓄積だけでなく、例えば、ガス流量変動や周囲の振動、衝撃の影響を受ける。ピーク加速度変動の位相が相違する第１及び第２の解析周波数を用いることにより、ドライポンプ３内部に蓄積した反応副生成物に起因したピーク加速度現象のみを正確に捉えることが可能となる。このように、本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システム３９ａでは、より信頼性の高いドライポンプ３の寿命予測が可能となる。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４３】
本発明の実施の形態では振動計７の取り付け位置をドライポンプ３のボディ１３側面としたが、ボディ１３の上面あるいは底面であってもよく、また、図示は省略されているドライポンプ３のギヤボックスの上部、側面、あるいは底面でも良い。ただし、測定加速度の安定性を確保するため、ドライポンプ３の取り付け部分を振動計の取り付け面と同程度の加工精度の平面にする必要がある。振動計７の取り付けは、磁石に限らず、接着剤等の化学的手段、或いは、ねじ止め、埋め込み等の機械的手段で固定しても良い。
【００４４】
また、本発明の実施の形態では、ルーツ型のドライポンプ３を用いた例を述べたが、スクリュー型のドライポンプでも同様の効果が得られることを確認している。基準振動の｛ｎ＋（ｌ／ｍ)｝倍のサブピークを用いる場合、スクリュー型ドライポンプに対しての羽根枚数ｍは１とすればよい。
【００４５】
また、ドライポンプ３の寿命を予測する解析は本発明の実施の形態では、ＬＰＣＶＤ装置に付随する寿命予測システム３９のデータ処理ユニット６で実施したが、寿命判定解析はＬＰＣＶＤ装置の他のコンピュータで行ってもよい。例えば、ドライポンプ３の制御装置（図示省略）に内蔵してもよい。また、図８に示すように、本発明の他の実施の形態に係る半導体生産システムは、ローカルエリアネットワーク(ＬＡＮ)７１に半導体製造装置７０、コンピュータ７７、コンピュータ統合生産システム(ＣＩＭ)７２等が接続されている。ＣＩＭ７２は、サーバ７３、データ処理システム７４あるいは外部記憶装置７５等が接続されている。測定された時系列加速度データをＬＡＮ７１を介して伝送し、ＣＩＭ７２上のデータ処理システム７４で寿命判定解析を実施してもよい。また、ＬＡＮ７１上のコンピュータ７７や、ＣＩＭ７２上のサーバ７３あるいは他のコンピュータで寿命判定解析を実施してもよい。さらに、寿命判定解析用の特徴量の時系列データをＣＩＭ７２上の外部記憶装置７５に格納してもよい。
【００４６】
また、上記において、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの反応で、シリコン窒化膜を成膜する場合を例示したが、原料ガスは、ジクロロシランガスやアンモニアガスに限定されないことは勿論である。更に、Ｓｉ３Ｎ４膜のＬＰＣＶＤの例に限られず、他の材料の薄膜のＬＰＣＶＤでも同様に適用出来る。また、単一の種類の薄膜を成長する場合の例を示したが、Ｓｉ３Ｎ４膜、ＴＥＯＳ酸化膜、多結晶シリコン等の複数種類の薄膜を同一のＬＰＣＶＤ装置で形成する場合でも同様の効果が得られる。
【００４７】
なお、本発明の実施の形態に係る実施の形態ではＬＰＣＶＤプロセスの例を示したが、本発明はドライポンプの内部に反応副生成物が堆積し回転機が停止する場合には同様の効果が確認されており、ＣＶＤプロセス全般、ドライエッチングプロセスなどに適用できる。
【００４８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。したがって、本発明の実施の形態に係る技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システム、寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の概略を示す図である。
【図２】図１に示した回転機（ドライポンプ）の内部構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度の経時変化グラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度減少率の経時変化グラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システムの概略を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度の経時変化グラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測を行う半導体生産システムの構成例を示したブロック図である。
【図９】従来の寿命予測システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
１ ＣＶＤチャンバ
２ ゲートバルブ
３、１１３ ドライポンプ（回転機）
６、１１９ データ処理ユニット
７、１１７ 振動計
８ バンドパスフィルタ
８ａ 第１のバンドパスフィルタ
８ｂ 第２のバンドパスフィルタ
１０a、１０ｂ ロータ
１１a、１１ｂ 回転軸
１３ ボディ
１４ 吸気フランジ
１５ 排気フランジ
３２，３３ 真空配管
３６ａ〜３６ｄ 振動計
３７ 周波数解析装置（フーリエ変換分析装置）
３８ａ〜３８ｃ 配線
３９ 寿命予測システム
４１，４２，４３ マスフローコントローラ
５１，５２，５３ ガス配管
７０ 半導体製造装置
７１ ＬＡＮ
７２ ＣＩＭ
７３ サーバー
７４ データ処理システム
７５ 外部記憶装置
７７ コンピュータ
８１、１８１ アンプ
１１８ ＡＤ変換器
【発明の属する技術分野】
本発明は製造装置用回転機の寿命の予測技術に係り、特に真空ポンプ等の回転機の寿命を予測する寿命予測装置、寿命予測方法、及びこの回転機を有する製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造を効率的に行うために半導体製造装置の故障診断が重要になって来ている。また、近年、システムＬＳＩでは特に少量多品種生産の傾向が強まり、これに対応した小回りの利く効率的な半導体デバイスの製造方法が必要になって来た。効率的な半導体生産には小規模の生産ラインを用いることがある。しかし、大規模生産ラインを単に小さくしただけでは製造装置の稼働率低下等の問題が発生するため投資効率が低下する問題がある。この対策としては複数の製造工程を一つの製造装置で行う方法があるが、例えばドライポンプを排気系に用いている減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）装置ではプロセスの種類の相違により反応ガスや反応生成物が異なり、ポンプ内部での反応生成物の発生及び蓄積状況が異なる。このため、プロセスの種類が変わると、寿命が変動してしまう。
【０００３】
製造プロセス中にドライポンプが停止すると、製造中のロットが不良になってしまうだけではなく、製造装置内部に微小ダストが発生する。そのため、製造装置に余分なメンテナンスが必要になり、半導体デバイスの製造効率が大幅に低下する。このプロセス中の突然の停止を防止するために、ポンプのメンテナンス時間に余裕を見るとポンプのメンテナンス頻度が膨大になる。更に、メンテナンスコストの増加だけでなくポンプ交換による半導体製造装置の稼働率低下が顕著になるため、半導体デバイスの製造効率が大幅に低下してしまう。効率良い小規模生産ラインに必要な装置の共用化を実現するためには、ドライポンプの寿命を的確に診断し、寿命ぎりぎりまでポンプを使用することが必要である。したがって、寿命予測が必須となる。
【０００４】
ドライポンプの寿命診断方法は現在までにいくつかの方法が提案されている。基本的にはドライポンプの状態をモータ電流、振動、温度で把握し、これらの状態量の変化から寿命を予測するという方法がとられてきた（例えば、特許文献１参照）。特に、ドライポンプの寿命診断方法として、ポンプの状態をロータ回転に起因する振動で把握する方法が主にとられてきた。その理由として振動で診断するには振動計あるいは加速度計をポンプ側面に取り付けるだけで測定できるため、簡便な寿命予測方法として注目されているからである。また、振動データとしてアコースティックエミッション信号をアナログ・デジタル変換（ＡＤ変換）して寿命を予測する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
ドライポンプ内部の反応生成物の蓄積状況は、ドライポンプに固有の基準振動の変動より基準振動の整数倍などのドライポンプに特徴的な周波数の振動変動の方に顕著に現われる。従来では、図９に示すように、ドライポンプ１１３の振動を測定する振動計１１７からの信号をアンプ１８１で増幅して、ＡＤ変換器１１８でデジタル信号に変換する。そして、データ処理ユニット１１９で、フーリエ変換後に特定周波数成分のみを取り出し寿命予測する方法が用いられていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５９２２２号公報（第９−１１頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−６２８４６号公報（第２−３頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＤ変換器を用いて振動データをデジタル信号に変換し、フーリエ変換により特定周波数成分を取り出す方法では、処理するデータ量が膨大になることと、１秒以下の極短時間の振動変動が評価出来ない問題があった。また、測定システムが大掛かりになり、測定システムの価格が高くなる問題があった。更に、ポンプ内部で反応生成物が蓄積されると振動のピーク周波数が変動する現象が確認されており、ピーク周波数が変動しても正確にピーク加速度を評価する方法の確立が必要であった。
【０００９】
上述のように、振動を用いる従来のドライポンプの寿命予測方法では、測定装置の価格や、処理するデータ量、測定時間間隔や安定性に問題があり、安価な装置で、より簡便で安定した高精度の寿命予測方法の確立が望まれていた。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決し、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システム、寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、(イ)回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、（ロ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、（ハ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するデータ処理ユニットとを備える寿命予測システムであることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システムを提供することができる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、（イ）回転機の時系列加速度データを測定するステップと、（ロ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するステップと、（ハ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するステップとを含む寿命予測方法であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第２の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測方法を提供することができる。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、（イ）回転機と、（ロ）回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、（ハ）測定されたアナログ信号の時系列加速度データを、回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、（ニ）濾波された第１の解析周波数の時系列加速度データの特徴量から、回転機の寿命を予測するデータ処理ユニットとを備える製造装置であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第３の特徴によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な寿命予測ができる回転機を備えた製造装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の第１〜第３の特徴において、羽根枚数を含む式は、羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる。また、周波数帯が、ピーク加速度のピーク半値幅とピーク加速度のピーク周波数変動の最大値との和の２〜１０倍の範囲とすることが好ましい。また、振動計の測定間隔が、第１の解析周波数の周期の１／３倍以下であることが好ましい。更に、時系列加速度データを、第１の解析周波数とは振動の位相が相違する第２の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタを、更に備えることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置としてのＬＰＣＶＤ装置は、図１に示すように、ＣＶＤチャンバ１を真空排気するドライポンプ３（回転機）と、ドライポンプ３の寿命を予測する寿命予測システム３９を備えている。
【００２０】
更に、寿命予測システム３９は、ドライポンプ３のボディ側面に配置され、振動の加速度等の特徴量の時系列加速度データを測定する振動計７と、振動計７で測定された時系列加速度データを増幅するアンプ８１と、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを周波数帯域で濾波するバンドパスフィルタ８と、濾波された時系列振動アナログデータから解析周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成して、ドライポンプ３の寿命を予測するデータ処理ユニット６とを備える。
【００２１】
ＬＰＣＶＤ装置のＣＶＤチャンバ１にはガス配管５１、５２、５３が接続されている。このガス配管５１、５２、５３には、ＣＶＤチャンバ１に導入される種々の原料ガス及びキャリアガスを制御するためのマスフローコントローラ４１、４２、４３がそれぞれ接続されている。つまり、マスフローコントローラ４１、４２、４３によって、その流量が制御された原料ガス等は、ガス配管５１、５２、５３を通って一定の減圧化のＣＶＤチャンバ１に導入される。ＣＶＤチャンバ１は外気遮断と雰囲気を保持することが可能なような密閉構造をしている。ＣＶＤチャンバ１の内部をドライポンプ３で真空排気するために、ＣＶＤチャンバ１の排気側には真空配管３２が接続され、この真空配管３２の排気側にゲートバルブ２が接続されている。ゲートバルブ２の排気側には更に他の真空配管３３が接続されている。真空配管３３の排気側にドライポンプ３の吸気側が接続されている。ゲートバルブ２は必要に応じてＣＶＤチャンバ１とドライポンプ３を分離し、或いは排気コンダクタンスを調整する。そして、ドライポンプ３はＣＶＤチャンバ１に導入された未反応の原料ガス及び反応生成物を排気するために用いられている。
【００２２】
図１に示すＬＰＣＶＤ装置を用いて、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）を成膜する場合は、減圧状態にされたＣＶＤチャンバ１に、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスをマスフローコントローラ４１を介して導入し、アンモニア（ＮＨ３）ガスをマスフローコントローラ４２を介して導入する。そして、ＣＶＤチャンバ１の内部でシリコン（Ｓｉ）基板を約８００℃程度にまで加熱し、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの化学反応により、シリコン基板上にＳｉ３Ｎ４膜を成膜する。この化学反応は、Ｓｉ３Ｎ４膜を生成するとともに、反応副生成物として塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）ガス及び水素（Ｈ２）ガスを発生する。水素は気体であり、ドライポンプ３によって排気される。ＮＨ４Ｃｌは、生成時においては、反応炉内が８００℃程度の高温下及び数１００Ｐａ若しくはサブ数１００Ｐａ以下の減圧下であるために、気体状である。図示を省略しているが、通常，ＬＰＣＶＤ装置には、固体の反応副生成物を捕集するトラップがＣＶＤチャンバ１とドライポンプ３との間に設置されている。トラップは、圧力が低いため、反応副生成物の完全な捕集は不可能である。捕集しきれない反応副生成物は、ドライポンプ３まで到達する。ドライポンプ３では、気体の圧縮によって０．１Ｐａ程度から大気圧まで圧力が増加する。反応副生成物は、状態図における昇華曲線に従って、低圧下では気体として存在するが、より高圧化で固化を始める。ポンプ内部では、ガスの圧縮が繰り返され，数１００Ｐａの圧力から大気圧まで圧力が変化していくために、排気ガス中のガス状反応副生成物は、圧力上昇とともにドライポンプ３の内部で固化し始める。ドライポンプ３の配管内で固化し始めると、わずかであるが堆積物が回転軸を弾性変形させる。その結果として、ドライポンプが故障することにつながる。
【００２３】
図２に示すように、第１の実施の形態に係る半導体製造装置としてのＬＰＣＶＤ装置に用いるドライポンプ３は、３枚の羽根がついた２つのロータ１０ａ、１０ｂがそれぞれ回転軸１１ａ、１１ｂで回転する構造である。ドライポンプ３は、ボディ１３の吸気側に設けられた吸気フランジ１４、及び、ボディ１３の排気側に設けられた排気フランジ１５を有している。ＣＶＤチャンバ１からゲートバルブ２を通ってきたガス流は、吸気フランジ１４よりドライポンプ３内に入る。ドライポンプ３内に入ったガスは２つのロータ１０ａ、１０ｂが回転軸１１ａ、１１ｂで回転することにより圧縮される。圧縮されたガスは排気フランジ１５より排気される。なお、振動計７は、ドライポンプ３のボディ１３の平坦な部分に磁石により取り付けてある。
【００２４】
ドライポンプ３では、ロータ１０ａ、１０ｂ間の間隔やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間の間隔は１ｍｍ以下になっている。そのため、例えばＳｉ３Ｎ４薄膜をシリコン基板上に堆積する場合、ＮＨ４Ｃｌが主体の反応副生成物がポンプ内部で析出して、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間に詰まる。ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間で反応副生成物が詰まって擦れるようになると、擦れ起因の特徴的な振動が発生する。したがって、振動計７により、ドライポンプ３の振動の特徴量の推移を測定することにより、ドライポンプ３内部の反応生成物の蓄積状況をモニタして、ドライポンプ３の寿命を予測することが可能になる。
【００２５】
ドライポンプ３では、ロータ１０ａ、１０ｂは５０Ｈｚで回転させるため、振動計７で観測される加速度の基準振動の周波数は５０Ｈｚである。また、複数枚の羽根を取り付けたロータ１０ａ、１０ｂを回転させるため、ロータ回転に起因する基準振動の整数倍の周波数の振動が発生する。また、ドライポンプ３のロータ１０ａ、１０ｂは機械的にボディ１３内に取り付けられているため、ボディ１３内壁とロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂ間のクリアランスは厳密には同一ではなく非対称性を持つ。このため、ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積すると、ボディ１３内壁とロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂ間の擦れには不均一性が生じる。この結果、反応副生成物が蓄積された場合には、振動計７で測定される加速度の周波数成分には、ロータ回転に起因する基準振動及び基準振動の整数倍の周波数以外の振動周波数のサブピークが観察される。例えば、正常状態では基準振動の整数倍のピークが顕著であり、サブピークは不明瞭である。ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積し、停止直前になると、サブピークが出現する。ポンプ停止前に出現するサブピークは、ポンプ内部の反応副生成物の蓄積に非常に敏感である。ドライポンプ３内部の反応副生成物の詰まりのモニタに有効な主要なサブピークは経験的に、ロータ１０ａ、１０ｂの羽根枚数をｍとした場合、基準振動の、｛ｎ＋（ｌ／ｍ）｝倍で表される。ｎ、ｌは任意の正の整数であるが、ｎが大きい場合は感度が低下するため、ｎ≦ｍ×回転軸数＋ｌの関係が必要である。
【００２６】
ドライポンプ内部に蓄積した反応副生成物の状況は、基準振動よりは基準振動の整数倍やサブピーク等のドライポンプ３に特徴的な周波数の振動変動の方に顕著に現われる。したがって、ドライポンプの寿命予測では基準振動以外の特定周波数の振動の加速度推移を調べることが重要である。このため、振動の加速度測定では一般に、ＡＤ変換器で振動計７からの信号をデジタル信号にしてフーリエ変換した後に特定周波数成分のみを取り出す方法が用いられる。ＡＤ変換器を用いる方法では、広い周波数帯の振動データをＡＤ変換の対象にするため、処理するデータ量が膨大になる。更に、ＡＤ変換あるいはフーリエ変換処理に長時間を要するため１秒以下の極短時間の振動変動が検知できない問題がある。ドライポンプ３の振動推移、例えば加速度の時系列データの測定では、所定時間間隔で、所定数の加速度をサンプリングする。サンプリング数は信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比の問題から、１測定で４０９６点以上必要となる。解析周波数の振動データをサンプリングする場合、サンプリング時間は、例えば、１ミリ秒と短くできるが、サンプリングが４０９６点以上である。したがって、従来のＡＤ変換とフーリエ変換に寄る解析方法では、最低４〜５秒の測定時間間隔が必要となる。
【００２７】
特に、ドライポンプ３内部で反応副生成物が多く蓄積し、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間での擦れが大きい場合、あるいは、ドライポンプ３上部の配管内部に付着した反応副生成物が剥がれてドライポンプ３内部に落下する場合には、測定される振動に１秒以下の極短時間のピーク状変動が発生する。したがって、ドライポンプ３の異常検知、即ち寿命予測には極短時間の測定解析が重要となる。ドライポンプ３の振動推移、例えば加速度の時系列データの測定では、解析周波数の振動データの測定間隔は、小さいほど短時間の変化を捉えられるが、あまり短時間の変化を測定することは困難である。また、信頼性の高い異常検知には測定間隔は解析周波数をｆ（Ｈｚ）とした場合に１／（３・ｆ）秒以下であることが望ましい。本発明の実施の形態においては、時系列加速度データの測定間隔は、０．００１秒としている。
【００２８】
本発明の実施の形態に係るドライポンプ３の寿命予測では、振動計７からの信号をＡＤ変換せずにアナログ信号の状態でバンドパスフィルタ８等のフィルタ回路を通すことで解析対象周波数帯の振動データを測定する。ドライポンプ３内部に反応副生成物が蓄積し、ロータ１０ａ、１０ｂ間やロータ１０ａ、１０ｂとボディ１３内壁間が擦れる場合、振動データのピーク周波数が減少するようになる。バンドパスフィルタ８の帯域幅はピーク周波数変動を含めて設定する必要がある。そのため、加速度のピーク半値幅と反応副生成物の蓄積によるピーク周波数変動の最大値の和の２〜１０倍の帯域幅を用いればよい。例えば、本発明の実施の形態においては、加速度のピーク半値幅３Ｈｚと、ピーク周波数変動の最大値６Ｈｚの和の２倍以上に相当する帯域幅２９０〜３１０Ｈｚのバンドパスフィルタ８を用いて、基準振動の６倍の周波数３００Ｈｚのピーク加速度信号が濾波され、データ処理ユニット６で測定解析される。
【００２９】
ドライポンプ３の内部に反応副生成物が蓄積してドライポンプ３が停止する数日前の第１〜第４の成膜ステップでの３００Ｈｚの振動の加速度推移を、図３に示す。バンドパスフィルタ８を用いた本発明の実施の形態に係る寿命予測システムによれば、第１〜第４の全成膜ステップでピーク加速度の減少がみられる。図３には比較のため、従来の寿命予測システム（図９参照）を用いて測定された例を同時に示してある。同じ振動計７から出力される加速度信号を分岐して、ＡＤ変換器１１８でデジタル信号に変換後、高速フーリエ変換で周波数成分に分けて３００Ｈｚのピーク加速度推移を測定解析している。図３に見られるように、ＡＤ変換による方法では、第１の成膜ステップでピーク加速度信号が欠落している。ＡＤ変換による従来の方法では、サンプリング時間は、本発明の実施の形態に比べ、１ミリ秒と短い。しかし、サンプリングが４０９６点であり、また、ＡＤ変換及びフーリエ変換に要する時間が含まれるため、サンプリング測定間隔は４.５秒が限界である。したがって、１秒以下の短時間の加速度変動を安定して測定することはできない。実際に、バンドパスフィルタ８を用いたアナログ信号に比べると、ＡＤ変換によるデジタル信号のデータ量は約１００倍も多く、それに応じてデータ処理時間も１０倍以上に増加している。
【００３０】
ドライポンプの交換直後から内部に生成物が堆積し停止するまでの３００Ｈｚの加速度推移を調べた。本発明の実施の形態においては、バンドパスフィルタ８により濾波して、解析周波数の帯域を狭くすることにより加速度の時系列データ量を減少させることができる。また、測定時間間隔も短縮できる。したがって、ピーク加速度等の振動推移が高信頼性で高精度に安定して測定できる。本発明の実施の形態の係る寿命測定システム３９によれば、成膜ステップでの３００Ｈｚピーク加速度の減少率は、図４に示すように、反応副生成物がポンプ内部に蓄積するにしたがって増加し、寿命予測可能なことが確認できる。例えば、加速度減少率が８５％以上になる点を「ポンプ停止直前」の閾値として、ドライポンプ３の寿命を予測すればよい。
【００３１】
また、本発明の実施の形態に係る寿命予測システム３９においては、高価なＡＤ変換器やフーリエ解析装置に替えて、簡単なバンドパスフィルタ８を用いている。バンドパスフィルタ８は、例えば、インダクタとキャパシタからなる複数の並列共振器を結合させることにより実現できる。そのため、寿命予測システム３９のシステム構成が簡便化され、更に、システムの価格も大幅に減少させることが可能となる。
【００３２】
次に、図５に示すフローチャートを用いて、本発明の実施の形態に係る製造装置用回転機の寿命予測方法を説明する。具体的には、Ｓｉ３Ｎ４薄膜を形成するＬＰＣＶＤ装置に用いられるドライポンプ３の寿命を予測する。
【００３３】
（イ）まず、ステップＳ１０１では、ＬＰＣＶＤ装置のドライポンプ３の側面に配置された振動計７で、成膜ステップでのドライポンプ３の振動（加速度）の時系列加速度データ（推移）を測定する。例えば、時系列加速度データを、０．１秒の時間間隔で測定する。
【００３４】
（ロ）次にステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で得られた時系列加速度データをアンプ８１により増幅する。アンプ８１で増幅された時系列加速度データから、バンドパスフィルタ８により解析周波数成分を濾波して選別する。バンドパスフィルタ８の帯域は、２９０〜３１０Ｈｚであり、解析周波数は３００Ｈｚである。
【００３５】
（ハ）ステップＳ１０３において、バンドパスフィルタ８で選別された時系列加速度データを用いて、データ処理ユニット６により、ピーク加速度時系列アナログデータを算出する。
【００３６】
（ニ）その後、ステップ１０４において、データ処理ユニット６により、ピーク加速度時系列アナログデータから加速度減少率を算出する。算出された加速度減少率を加速度減少率の閾値と比較してドライポンプ３の寿命を判断する。加速度減少率が閾値以下であれば、引き続き測定を繰り返す。
【００３７】
（ホ）そして、加速度減少率タが閾値を越えていれば、ステップＳ１０５で、データ処理ユニット６は、ＬＰＣＶＤ装置に付随する表示装置、表示パネル、若しくは表示ランプにポンプ停止直前（寿命）の表示を行う。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命予測方法によれば、バンドパスフィルタ８を用いて濾波して、解析周波数の帯域を狭くすることにより加速度の時系列データ量を減少させることができ、また、測定時間間隔も短縮できる。したがって、ピーク加速度等の振動推移が高精度に安定して測定できる。本発明の実施の形態において、ポンプ停止直前を判断する「閾値」は実際の適用において適宜設定すれば良い。また、ドライポンプ３の故障診断に、解析対象として基準振動の６倍の３００Ｈｚを用いて説明したが、他の周波数でもドライポンプ３の振動変動が観測され、寿命診断に利用できることは、勿論である。
【００３９】
（変形例）
本発明の実施の形態の変形例に係る製造装置用回転機の寿命予測システム３９ａは、図６に示すように、第１のバンドパスフィルタ８ａと第２のバンドパスフィルタ８ｂを用いる。ドライポンプ３内部で反応副生成物が蓄積する場合、振動計７で検知される振動のピーク加速度変動には、周波数によっては、本発明の実施の形態で説明したようにピーク加速度が減少する周波数と、逆に増加する周波数がある。したがって、解析周波数として基準振動の｛ｎ＋（ｌ／ｍ）｝倍（ｍはロータの羽根枚数、ｎ、ｌは任意の正の整数）のうちから、ポンプ内部に反応副生成物が蓄積した場合に、ピーク加速度の変動の位相が、例えば増加及び減少のように相違する挙動を示す組み合わせを選ぶ。このようにして、成膜ステップにおけるドライポンプ３の反応生成物のつまりに起因するピーク加速度を、安定に精度よく検出することができる。したがって、信頼性の高い寿命予測が可能になる。本発明の実施の形態の変形例においては、ドライポンプ３の振動のピーク加速度変動の周波数を２点組み合わせて解析するため、第１及び第２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂを備える点が相違し、他は、本発明の実施の形態と同様であるので、重複した説明を省略する。
【００４０】
本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システム３９ａは、ドライポンプ３のボディ側面に配置され、振動の加速度等の特徴量の時系列加速度データを測定する振動計７と、振動計７で測定された時系列加速度データを増幅するアンプ８１と、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを第１の解析周波数を含む帯域で濾波する第１のバンドパスフィルタ８ａと、アンプ８１で増幅された時系列加速度データを第２の解析周波数を含む帯域で濾波する第２のバンドパスフィルタ８ｂと、第１及び第２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂで濾波された時系列振動アナログデータから解析周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成して、ドライポンプ３の寿命を予測するデータ処理ユニット６とを備える。ここで、第１及びだい２のバンドパスフィルタ８ａ、８ｂで濾波される周波数帯域としては、ドライポンプ３のピーク加速度変動の位相が相違する周波数を含むように設定する。
【００４１】
本発明の実施の形態において、例えば、第１のバンドパスフィルタ８ａで濾波する第１の解析周波数を３００Ｈｚ、帯域を２９０〜３１０Ｈｚとし、第２のバンドパスフィルタ８ｂで濾波する第２の解析周波数を４００Ｈｚ、帯域を３９０〜４１０Ｈｚとして、３００Ｈｚと４００Ｈｚのピーク加速度推移を測定した。図７に示すように、ピーク加速度の値は、第１の周波数３００Ｈｚにおいては、減少するのに対し、第２の周波数４００Ｈｚにおいては逆に増加している。ピーク加速度変動は、ドライポンプ３内部の反応副生成物の蓄積だけでなく、例えば、ガス流量変動や周囲の振動、衝撃の影響を受ける。ピーク加速度変動の位相が相違する第１及び第２の解析周波数を用いることにより、ドライポンプ３内部に蓄積した反応副生成物に起因したピーク加速度現象のみを正確に捉えることが可能となる。このように、本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システム３９ａでは、より信頼性の高いドライポンプ３の寿命予測が可能となる。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４３】
本発明の実施の形態では振動計７の取り付け位置をドライポンプ３のボディ１３側面としたが、ボディ１３の上面あるいは底面であってもよく、また、図示は省略されているドライポンプ３のギヤボックスの上部、側面、あるいは底面でも良い。ただし、測定加速度の安定性を確保するため、ドライポンプ３の取り付け部分を振動計の取り付け面と同程度の加工精度の平面にする必要がある。振動計７の取り付けは、磁石に限らず、接着剤等の化学的手段、或いは、ねじ止め、埋め込み等の機械的手段で固定しても良い。
【００４４】
また、本発明の実施の形態では、ルーツ型のドライポンプ３を用いた例を述べたが、スクリュー型のドライポンプでも同様の効果が得られることを確認している。基準振動の｛ｎ＋（ｌ／ｍ)｝倍のサブピークを用いる場合、スクリュー型ドライポンプに対しての羽根枚数ｍは１とすればよい。
【００４５】
また、ドライポンプ３の寿命を予測する解析は本発明の実施の形態では、ＬＰＣＶＤ装置に付随する寿命予測システム３９のデータ処理ユニット６で実施したが、寿命判定解析はＬＰＣＶＤ装置の他のコンピュータで行ってもよい。例えば、ドライポンプ３の制御装置（図示省略）に内蔵してもよい。また、図８に示すように、本発明の他の実施の形態に係る半導体生産システムは、ローカルエリアネットワーク(ＬＡＮ)７１に半導体製造装置７０、コンピュータ７７、コンピュータ統合生産システム(ＣＩＭ)７２等が接続されている。ＣＩＭ７２は、サーバ７３、データ処理システム７４あるいは外部記憶装置７５等が接続されている。測定された時系列加速度データをＬＡＮ７１を介して伝送し、ＣＩＭ７２上のデータ処理システム７４で寿命判定解析を実施してもよい。また、ＬＡＮ７１上のコンピュータ７７や、ＣＩＭ７２上のサーバ７３あるいは他のコンピュータで寿命判定解析を実施してもよい。さらに、寿命判定解析用の特徴量の時系列データをＣＩＭ７２上の外部記憶装置７５に格納してもよい。
【００４６】
また、上記において、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの反応で、シリコン窒化膜を成膜する場合を例示したが、原料ガスは、ジクロロシランガスやアンモニアガスに限定されないことは勿論である。更に、Ｓｉ３Ｎ４膜のＬＰＣＶＤの例に限られず、他の材料の薄膜のＬＰＣＶＤでも同様に適用出来る。また、単一の種類の薄膜を成長する場合の例を示したが、Ｓｉ３Ｎ４膜、ＴＥＯＳ酸化膜、多結晶シリコン等の複数種類の薄膜を同一のＬＰＣＶＤ装置で形成する場合でも同様の効果が得られる。
【００４７】
なお、本発明の実施の形態に係る実施の形態ではＬＰＣＶＤプロセスの例を示したが、本発明はドライポンプの内部に反応副生成物が堆積し回転機が停止する場合には同様の効果が確認されており、ＣＶＤプロセス全般、ドライエッチングプロセスなどに適用できる。
【００４８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。したがって、本発明の実施の形態に係る技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、安価で簡便な装置を用いて、高信頼性で高精度な回転機の寿命予測システム、寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の概略を示す図である。
【図２】図１に示した回転機（ドライポンプ）の内部構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度の経時変化グラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度減少率の経時変化グラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システムの概略を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る寿命予測システムにより測定されたピーク加速度の経時変化グラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測を行う半導体生産システムの構成例を示したブロック図である。
【図９】従来の寿命予測システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
１ ＣＶＤチャンバ
２ ゲートバルブ
３、１１３ ドライポンプ（回転機）
６、１１９ データ処理ユニット
７、１１７ 振動計
８ バンドパスフィルタ
８ａ 第１のバンドパスフィルタ
８ｂ 第２のバンドパスフィルタ
１０a、１０ｂ ロータ
１１a、１１ｂ 回転軸
１３ ボディ
１４ 吸気フランジ
１５ 排気フランジ
３２，３３ 真空配管
３６ａ〜３６ｄ 振動計
３７ 周波数解析装置（フーリエ変換分析装置）
３８ａ〜３８ｃ 配線
３９ 寿命予測システム
４１，４２，４３ マスフローコントローラ
５１，５２，５３ ガス配管
７０ 半導体製造装置
７１ ＬＡＮ
７２ ＣＩＭ
７３ サーバー
７４ データ処理システム
７５ 外部記憶装置
７７ コンピュータ
８１、１８１ アンプ
１１８ ＡＤ変換器
Claims (3)
- 回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、
測定されたアナログ信号の前記時系列加速度データを、前記回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と前記回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、
濾波された前記第１の解析周波数の前記時系列加速度データの特徴量から、前記回転機の寿命を予測するデータ処理ユニット
とを備えることを特徴とする寿命予測システム。 - 回転機の時系列加速度データを測定するステップと、
測定されたアナログ信号の前記時系列加速度データを、前記回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と前記回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するステップと、
濾波された前記第１の解析周波数の前記時系列加速度データの特徴量から、前記回転機の寿命を予測するステップ
とを含むことを特徴とする寿命予測方法。 - 回転機と、
前記回転機の振動の時系列加速度データを測定する振動計と、
測定されたアナログ信号の前記時系列加速度データを、前記回転機のロータの羽根枚数をｍとし、任意の整数ｌ及びｎを用いて、ｎ＋（ｌ／ｍ）で表わされる式の値と前記回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる第１の解析周波数を含む周波数帯で濾波するバンドパスフィルタと、
濾波された前記第１の解析周波数の前記時系列加速度データの特徴量から、前記回転機の寿命を予測するデータ処理ユニット
とを備えることを特徴とする製造装置。
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