JP5555518B2 - 真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法に係り、特に半導体製造装置等のチャンバ内を真空に排気するのに用いられる真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法に関する。

半導体製造装置では、半導体製造工程に使用されるガスをチャンバ内から排気するため、及びチャンバ内に真空環境を作り出すためなどに真空ポンプが広く使用されている。このような真空ポンプとしては、ルーツ型やスクリュー型のポンプロータを備えた容積式タイプの真空ポンプが知られている。

一般に、容積式の真空ポンプは、ケーシング内に配置された一対のポンプロータと、このポンプロータを回転駆動するためのモータとを備えている。一対のポンプロータ間及びポンプロータとケーシングの内面との間には微小なクリアランスが形成されており、ポンプロータは、ケーシングに非接触で回転するように構成されている。そして、一対のポンプロータが同期しつつ互いに反対方向に回転することにより、ケーシング内の気体が吸入側から吐出側に移送され、吸込口に接続されたチャンバなどから気体が排気される。

半導体製造工程に使用されるガスには、ガスの温度が低下すると固形化或いは液状化する成分が含まれるものがある。通常、上述した真空ポンプは、ガスを移送する過程で圧縮熱が発生するため、運転中の真空ポンプは、ある程度高温となっている。このため、真空ポンプが高温を維持している間は、上記真空ポンプを用いて上述した成分を含むガスを排気した場合でもガス中の成分が固形化又は液状化せずに良好な真空排気が行われる。

しかしながら、真空ポンプの運転を停止し、真空ポンプの温度が徐々に低下すると、ケーシング内に残留するガスに含まれる成分が固形化し、この固形化した生成物（反応生成物）がポンプロータ間やポンプロータとケーシングとの隙間に堆積する。そして、この生成物の堆積が進行すると、真空ポンプの起動が妨げられるばかりでなく、真空ポンプの運転中に真空ポンプに過剰な負荷がかかることによって、製造プロセス中に真空ポンプが停止し、製造プロセスに多大な損害を与えることになる。

出願人は、真空ポンプのロータの回転速度変化時における計測した状態変化量と正常時の状態変化量とを比較し、測定した状態変化量が正常時の状態変化量より所定量大きく又は小さくなった場合に異常とすることで、ポンプ停止となる要因を事前に予測し突然の真空ポンプ停止による半導体ウエハ等の損傷を防止するようにした真空ポンプの故障診断装置を提案している（特許文献１参照）。

また、出願人は、真空ポンプの運転停止時に、ポンプ停止開始後、所定タイミングパターンに沿ってポンプロータを正方向及び／又は逆方向に回転させた後に、該ポンプロータを停止することにより、ケーシング内で固形化又は液状化した生成物がポンプロータの回転を妨げられるような場合であっても、真空ポンプの停止時にこの生成物を効果的に排除し、真空ポンプを正常に起動させることができるようにした真空ポンプの運転制御装置及び運転停止方法を提案している（特許文献２参照）。

特開２００５−９３３７号公報 特開２００９−９７３４９号公報

特許文献１に記載の発明は、例えばポンプ起動時の停止から定格回転に達するまでの状態変化量を測定してポンプ停止となる要因を事前に予測するようにしている。このため、ポンプ起動時にポンプの回転速度を定格回転速度まで上げる必要があるばかりでなく、ポンプの回転速度を定格回転速度まで上げるまで、ポンプ停止となる要因を予測することができない。

また、特許文献２に記載の発明は、真空ポンプの停止時に、ケーシング内部に堆積した生成物を効果的に排除することで、真空ポンプを正常に起動できるようにしたものであって、真空ポンプの起動時に真空ポンプの故障を予知して、メンテナンス信号を出力するようにしたものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、真空ポンプのケーシング内に生成物が堆積している状況を真空ポンプの起動時に検出し、この状況に応じて、ユーザに真空ポンプのメンテナンスを喚起するメンテナンス信号を出力することによって、製造プロセス中に真空ポンプが停止することを防止するようにした真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備えた真空ポンプの運転を制御する運転制御装置において、前記ポンプロータの回転速度を制御する周波数変換器を備え、前記周波数変換器は、モータ出力トルクを積分して積分値を演算する演算部と、該積分値に対応する基準値と予め設定した閾値とをそれぞれ格納する記憶部とを有し、真空ポンプの運転開始後、真空ポンプの回転速度を所定回転速度に維持して真空ポンプを所定時間に亘って運転し、この真空ポンプが所定回転速度で回転している間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値を比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする真空ポンプの運転制御装置である。

本発明の好ましい態様は、真空ポンプの運転開始直後から真空ポンプの回転速度が所定回転速度に到達するまでの間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値とを比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記演算部は、前記真空ポンプのモータに供給される電流の値を元に前記モータ出力トルクを計算することを特徴とする。

モータ出力トルクは、例えばモータに供給される電流から求められる。これにより、トルク計算の元になる電流信号が、ノイズ等の影響によって瞬間的に変動する場合でも、計算結果を一定時間積分することで、電流信号の変動の影響を抑えてメンテナンス信号を出力することができる。

本発明の他の態様は、ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備えた真空ポンプの運転を制御する運転制御方法において、真空ポンプの運転開始後、真空ポンプの回転速度を所定回転速度に維持して真空ポンプを所定時間に亘って運転し、この真空ポンプが所定回転速度で回転している間にモータ出力トルクを積分して積分値を演算し、前記積分値と前記積分値に対応する基準値を比較して両者の差を求め、前記両者の差と予め設定して記憶部に格納していた閾値との差に応じてメンテナンス信号を出力することを特徴とする真空ポンプの運転制御方法である。
本発明の好ましい態様は、真空ポンプの運転開始直後から真空ポンプの回転速度が所定回転速度に到達するまでの間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値とを比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプのモータに供給される電流の値を元に前記モータ出力トルクを計算することを特徴とする。

本発明によれば、真空ポンプのケーシング内に生成物が堆積している状況を真空ポンプの起動時に検出し、この状況に応じて、ユーザに真空ポンプのメンテナンスを喚起するメンテナンス信号を出力することによって、製造プロセス中に真空ポンプが停止することを防止することができる。

本発明に係る真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法が適用される真空ポンプの構成例を示す縦断正面図である。 図１の縦断側面図である。 運転制御装置の回路構成図である。 図４（ａ）は、真空ポンプの運転開始時にポンプロータの回転速度を直線的に増加させる時のポンプロータの回転速度と時間との関係を示すグラフで、図４（ｂ）は、ポンプロータの回転速度を図４（ａ）に示すように増加させた時の正常時と生成物堆積時におけるポンプ出力トルクと時間との関係を示すグラフで、図４（ｃ）は、ポンプロータの回転速度を図４（ａ）に示すように増加させた時の正常時と生成物堆積時におけるポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）と時間との関係を示すグラフである。 図５（ａ）は、真空ポンプの運転開始後、ポンプロータの回転速度を所定回転速度に維持してポンプロータを所定時間に亘って運転する時のポンプロータの回転速度と時間との関係を示すグラフで、図５（ｂ）は、ポンプロータの回転速度を図５（ａ）に示すように増加させた時の正常時と生成物堆積時におけるポンプ出力トルクと時間との関係を示すグラフで、図５（ｃ）は、ポンプロータの回転速度を図５（ａ）に示すように増加させた時の正常時と生成物堆積時におけるポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、半導体製造装置のチャンバ内のガスを排気するために使用される真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法について説明するが、本発明に係る運転制御装置及び運転制御方法を適用する真空ポンプは、これに限定されるものではない。

図１は、本発明に関わる真空ポンプの運転制御装置及び運転制御方法が適用される真空ポンプの構成例を示す縦断正面図で、図２は、図１の縦断側面図である。図１及び図２に示すように、真空ポンプは、一対のポンプロータ１と、ポンプロータ１が収容される排気室７を持つケーシング２と、ポンプロータ１を回転駆動させるモータ３から主に構成されている。ケーシング２は、ガスを吸入する吸入口（図示せず）と、ガスを吐出する排気口（図示せず）とを備えている。各ポンプロータ１は、軸受５により回転自在に支持された２本の回転軸４にそれぞれ固定されている。

一方の回転軸４にはモータロータ（図示せず）が固定されており、このモータロータの周りにはモータステータ（図示せず）が配置されている。そして、このモータロータとモータステータによりモータ３が構成されている。この実施形態では、モータ３として誘導電動機が使用されている。２本の回転軸４の端部には、互いに噛み合うタイミングギア６が固定され、このタイミングギア６により、一対のポンプロータ１が互いに同期しつつ反対方向に回転するようになっている。一対のポンプロータ１の間及びポンプロータ１とケーシング２の排気室７の内面との間には微小な隙間が形成されており、各ポンプロータ１は、ケーシング２に非接触で回転するようになっている。

上記構成の真空ポンプにおいて、モータ３を駆動して一対のポンプロータ１を回転させることにより、ケーシング２の吸込口（図示せず）から吸入されたガスが各ポンプロータ１の回転に伴って排気側に移送され、ケーシング２の排気口（図示せず）から排気される。そして、吸入側から排気側にガスが連続して移送されることにより、ケーシング２の吸込口に接続されたチャンバ内のガスが真空排気される。このチャンバは、例えば半導体製造装置に組み込まれたチャンバである。

真空ポンプには、モータ３のモータロータの回転速度を制御するため、周波数変換器１１を有する運転制御装置８が備えられている。この運転制御装置８は、三相電源９とモータ３との間に配置される。

図３に示すように、運転制御装置８は、三相電源９を周波数変換器１１に接続する漏電遮断機（ＥＬＢ）１０を備えている。漏電遮断器（ＥＬＢ）に代えて、サーキットブレーカ（ＣＢ）を用いてもよい。周波数変換器１１は、漏電遮断機（ＥＬＢ）１０を介して三相電源９に接続される整流器１２と、モータ３のモータロータを回転させるための駆動電力をモータ３に供給するパワートランジスタ部１３と、モータ３のモータステータに供給される電流を検出する電流検出器１７と、周波数変換器１１を制御する周波数変換制御部１６とを備えている。周波数変換制御部１６は、モータ出力トルクを演算するための演算部１４と、基準値や閾値を格納するための記憶部１５と、電流検出器１７の信号を演算部１４に取り込むためのＡ／Ｄ変換器1８とを備えている。

これにより、真空ポンプの運転開始スイッチ（図示せず）が操作されて真空ポンプの運転が開始されると、周波数変換器１１は、モータ３に対して、駆動電力の供給を開始し、モータ３のモータロータが回転を始める。このモータ３のモータロータが回転に伴って、一対のポンプロータ１が同期して互いに逆方向に回転する。この真空ポンプの運転開始と同時に、モータ３に供給される電流は、電流検出器１７及びＡ／Ｄ変換器１８を経由して演算部１４に取り込まれる。

ここで、ケーシング２の内面に生成物が堆積している時（以下、生成物堆積時という）にポンプロータ１を回転させると、ケーシング２の内面に堆積した生成物とポンプロータ１との間の摩擦力が生じる。このため、ケーシング２の内面に生成物が堆積していない時（以下、正常時という）にポンプロータ１を回転させる場合と比較して、ポンプロータ１を回転させるためにより大きなモータ出力トルクが必要となる。

例えば、図４（ａ）に示すように、真空ポンプの運転開始時に、ポンプロータ１の回転速度を直線的に増加させると、図４（ｂ）に示すように、ポンプ起動時ｔ_１において、正常時のポンプ出力トルクＴ_１よりも生成物堆積時のポンプ出力トルクＴ_２の方が大きく（Ｔ_２＞Ｔ_１）なり、ポンプロータ１の回転速度が所定回転速度Ｎ_１に達した時間ｔ_２においても、正常時のポンプ出力トルクよりも生成物堆積時のポンプ出力トルクの方が大きくなる。このため、図４（ｃ）に示すように、ポンプロータ１の回転速度が所定回転速度Ｎ_１に達した時間ｔ_２において、ポンプ起動時ｔ_１から演算した正常時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ_１よりも生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ_２の方が大きく（Ｉ_２＞Ｉ_１）なり、両者の間に差異ΔＩ（＝Ｉ_２−Ｉ_１）が生じる。

そこで、この例では、正常時の真空ポンプを駆動させて、図４（ａ）に示すように、ポンプロータ１の回転速度を所定回転速度Ｎ_１まで上げたときのポンプ起動時から演算したポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）を基準値として記憶部１５に記憶し、更に正常時のポンプ出力トルクの積分値と生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値との間の差異ΔＩに応じた閾値、例えば第１閾値Ｖ_１と該第１閾値Ｖ_１より大きな第２閾値Ｖ_２（＞Ｖ_１）を予め設定して記憶部１５に記憶しておく。

そして、チャンバ内の真空排気に使用される真空ポンプの運転開始時に、ポンプロータ１の回転速度を、図４（ａ）に示す直線に沿って上昇させる。この時、演算部１４は、電流検出器１７から取り込まれた電流値を元にモータ出力トルクの計算を行い該モータ出力トルクの積分値をポンプ起動時ｔ_１から逐次演算する。そして、ポンプロータ１の回転速度が予め定められた所定回転速度Ｎ_１に到達した時間ｔ_２において、記憶部１５に記憶されている基準値、この例では、正常時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ_１と、演算部１４で演算されたモータ出力トルクの積分値、例えばこの演算部１４で演算されたモータ出力トルクの積分値が図４（ｃ）に示す生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値と等しければ、積分値（トルク積分値）Ｉ_２との比較を行い、両者の差異ΔＩ（Ｉ_２−Ｉ_１）を求める。

そして、この差異ΔＩが第１閾値Ｖ_１以下である場合（ΔＩ≦Ｖ_１）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承がない程度であるとして、真空ポンプのポンプロータ１の回転速度を定格回転速度まで上昇させる。差異ΔＩが第１閾値Ｖ_１を超えているが第２閾値Ｖ_２以下である場合（Ｖ_１＜ΔＩ≦Ｖ_２）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承がない程度であるが、メンテナンスを行った方が良いとして、ユーザにメンテナンス信号を出してメンテナンスの喚起を促し、真空ポンプのポンプロータ１の回転速度を定格回転速度まで上昇させる。差異ΔＩが第２閾値Ｖ_２を超えている場合（ΔＩ＞Ｖ_２）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承があるとして、真空ポンプの運転を停止させる。

このように、真空ポンプのケーシング内に生成物が堆積している状況を真空ポンプの起動時に検出し、この状況に応じて、ユーザに真空ポンプのメンテナンスを喚起するメンテナンス信号を出力することによって、製造プロセス中に真空ポンプが停止することを防止することができる。

また、モータ出力トルクをモータ３に供給される電流から求め、計算結果を一定時間積分することで、トルク計算の元になる電流信号がノイズ等の影響によって瞬間的に変動する場合でも、電流信号の変動の影響を抑えてメンテナンス信号を出力することができる。

この例では、閾値を２つ設けているが、第１閾値のみを設けるようにしても良く、閾値を３つ以上設けて、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量（段階）に応じた信号を出力するようにしても良い。また、メンテナンス信号も、信号出力に限らず、表示装置へ表示したり、ＲＳ２３２Ｃなどの通信によって出力したりするようにしてもよい。更に、電流検出器１７でモータ出力トルクの電流を測定するようにしているが、パワートランジスタ部１３への入力電流を測定するようにしても良い。このことは、下記の例においても同様である。

一方、図５（ａ）に示すように、真空ポンプの運転開始後、ポンプロータ１の回転速度を所定回転速度Ｎ_２に維持して、ポンプロータ１を所定時間Ｔに亘って運転すると、図５（ｂ）に示すように、ポンプ起動時ｔ_１において、正常時のポンプ出力トルクＴ_１よりも生成物堆積時のポンプ出力トルクＴ_２の方が大きく（Ｔ_２＞Ｔ_１）なり、ポンプロータ１を所定回転速度Ｎ_２で回転させている間（ｔ_３〜ｔ_４）においても、正常時のポンプ出力トルクよりも生成物堆積時のポンプ出力トルクの方が大きくなる。このため、図５（ｃ）に示すように、ポンプロータ１の回転速度を所定時間Ｔに亘って所定回転速度Ｎ_２に維持した時間ｔ_４において、ポンプロータ１の回転速度が所定回転速度Ｎ_２に達した時間ｔ_３から演算した正常時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ_３よりも生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ_４の方が大きく（Ｉ_４＞Ｉ_３）なり、両者の間に差異ΔＩ（＝Ｉ_４−Ｉ_３）が生じる。

このため、正常時の真空ポンプを駆動させて、図５（ａ）に示すように、真空ポンプの運転開始後、ポンプロータ１の回転速度を所定回転速度Ｎ_２に維持して、ポンプロータ１を所定時間Ｔに亘って運転したときの、ポンプ出力トルクのポンプロータ１の回転速度が所定回転速度Ｎ_２に達した時から演算した積分値（トルク積分値）を基準値として記憶部１５に記憶し、更に正常時のポンプ出力トルクの積分値と生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値との間の差異ΔＩに応じた閾値、例えば第１閾値Ｖ_３と該第１閾値Ｖ_３より大きな第２閾値Ｖ_４（＞Ｖ_３）を予め設定して記憶部１５に記憶しておくようにしてもよい。

この場合、チャンバ内の真空排気に使用される真空ポンプを駆動して、ポンプロータ１の回転速度を、図５（ａ）に示すように、真空ポンプの運転開始後、所定時間Ｔに亘って所定回転速度Ｎ_２に維持する。この時、演算部１４は、電流検出器１７から取り込まれた電流値を元にモータ出力トルクの計算を行い該モータ出力トルクの積分値をポンプロータ１の回転速度が所定回転速度Ｎ_２に達した時間ｔ_３から逐次演算する。そして、ポンプロータ１の回転速度を所定時間Ｔに亘って一定に維持した時点ｔ_４において、記憶部１５に記憶されている基準値、この例では、正常時のポンプ出力トルクの積分値（トルク積分値）Ｉ _３ と、演算部１４で演算されたモータ出力トルクの積分値、例えばこの演算部１４で演算されたモータ出力トルクの積分値が図５（ｃ）に示す生成物堆積時のポンプ出力トルクの積分値と等しければ、積分値（トルク積分値）Ｉ_４との比較を行い、両者の差異ΔＩ（Ｉ_４−Ｉ_３）を求める。

そして、この差異ΔＩが第１閾値Ｖ_３以下で有る場合（ΔＩ≦Ｖ_３）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承がない程度であるとして、真空ポンプのポンプロータ１の回転速度を定格回転速度まで上昇させる。差異ΔＩが第１閾値Ｖ_３を超えているが第２閾値Ｖ_４以下である場合（Ｖ_３＜ΔＩ≦Ｖ_４）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承がない程度であるが、メンテナンスを行った方が良いとして、ユーザにメンテナンス信号を出してメンテナンスの喚起を促し、真空ポンプのポンプロータ１の回転速度を定格回転速度まで上昇させる。差異ΔＩが第２閾値Ｖ_４を超えている場合（ΔＩ＞Ｖ_４）には、真空ポンプのケーシング２内に堆積している生成物の量は真空ポンプの運転に支承があるとして、真空ポンプの運転を停止させる。

これによっても、真空ポンプのケーシング内に生成物が堆積している状況を真空ポンプの起動時に検出し、この状況に応じて、ユーザに真空ポンプのメンテナンスを喚起するメンテナンス信号を出力することによって、製造プロセス中に真空ポンプが停止することを防止することができる。

このときの所定回転速度Ｎ_２及び所定時間Ｔは、例えば実験等により最適な値として事前に定められる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもない。例えば、モータ３として、直流モータを使用しても良い。

１ ポンプロータ
２ ケーシング
３ モータ
４ 回転軸
７ 排気室
８ 運転制御装置
１１ 周波数変換器
１３ パワートランジスタ部
１４ 演算部
１５ 記憶部
１６ 周波数変換制御部
１７ 電流検出器

Claims (6)

1. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備えた真空ポンプの運転を制御する運転制御装置において、
   前記ポンプロータの回転速度を制御する周波数変換器を備え、
   前記周波数変換器は、モータ出力トルクを積分して積分値を演算する演算部と、該積分値に対応する基準値と予め設定した閾値とをそれぞれ格納する記憶部とを有し、
   真空ポンプの運転開始後、真空ポンプの回転速度を所定回転速度に維持して真空ポンプを所定時間に亘って運転し、この真空ポンプが所定回転速度で回転している間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値を比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする真空ポンプの運転制御装置。
2. 真空ポンプの運転開始直後から真空ポンプの回転速度が所定回転速度に到達するまでの間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値とを比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする請求項１記載の真空ポンプの運転制御装置。
3. 前記演算部は、前記真空ポンプのモータに供給される電流の値を元に前記モータ出力トルクを計算することを特徴とする請求項１または２に記載の真空ポンプの運転制御装置。
4. ケーシング内に回転自在に配置されたポンプロータを備えた真空ポンプの運転を制御する運転制御方法において、
   真空ポンプの運転開始後、真空ポンプの回転速度を所定回転速度に維持して真空ポンプを所定時間に亘って運転し、この真空ポンプが所定回転速度で回転している間にモータ出力トルクを積分して積分値を演算し、
   前記積分値と前記積分値に対応する基準値を比較して両者の差を求め、
   前記両者の差と予め設定して記憶部に格納していた閾値との差に応じてメンテナンス信号を出力することを特徴とする真空ポンプの運転制御方法。
5. 真空ポンプの運転開始直後から真空ポンプの回転速度が所定回転速度に到達するまでの間における前記モータ出力トルクの積分値と該積分値に対応する基準値とを比較し、両者の差と前記閾値との差に応じて、メンテナンス信号を出力することを特徴とする請求項４記載の真空ポンプの運転制御方法。
6. 前記真空ポンプのモータに供給される電流の値を元に前記モータ出力トルクを計算することを特徴とする請求項４または５に記載の真空ポンプの運転制御方法。

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