KR100905235B1 - A precision diagnostic method for the failure protection and predictive maintenance of a vacuum pump and a precision diagnostic system therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 본 발명에서 가장 도전적인 이슈는 보수 엔지니어가 그들의 현재의 성능시험 테스트 결과에 기초하여 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시간의 판단을 가능하게 하는 시스템적 방법을 찾는 것이였다. 게다가, 현재 얻어진 진단분석 결과와 초기(또는 표준) 데이터 집합을 비교하는 것은 보수 엔지니어가 도출된 펌프 성능 지표에 따라 대상 진공펌프의 교체여부를 결정하는 것을 가능하게 하는 것으로 보여진다. 또한, 현재 진공펌프의 도출된 펌핑 속도 지표는 대체로 감소하는 것으로 보고된다. 이러한 양적 진단 분석 결과는 그들의 현재 성능 수행 결과에 기초하여 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시간을 판단하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 저 진공펌프의 예보유지의 안정성 및 신뢰성 또한 개선시킬 것으로 예상된다.

Figure 112007051943856-pct00018

According to the present invention, the most challenging issue in the present invention has been to find a systematic method that allows maintenance engineers to determine the appropriate time for replacement of a vacuum pump based on their current performance test test results. In addition, the comparison of current diagnostic data with initial (or standard) data sets has been shown to allow a maintenance engineer to determine whether to replace a target vacuum pump based on derived pump performance indicators. In addition, the derived pumping speed indicators of current vacuum pumps are reported to be generally decreasing. These quantitative diagnostic analysis results are expected not only to determine the appropriate time for replacement of the vacuum pump based on their current performance performance results, but also to improve the stability and reliability of forecast maintenance of low vacuum pumps.

Figure 112007051943856-pct00018

Description

진공펌프의 고장 방지 및 예보유지를 위한 정밀진단 기법과 그 구현 시스템.{A precision diagnostic method for the failure protection and predictive maintenance of a vacuum pump and a precision diagnostic system therefor}A precision diagnostic method for the failure protection and predictive maintenance of a vacuum pump and a precision diagnostic system therefor}

본 발명은 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 기법 및 그 구현 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 작업상태에서의 반도체 생산공정을 위한 것이다.The present invention relates to a precision diagnostic technique and a system for implementing the same for maintaining the forecast of a vacuum pump, and more particularly, to a semiconductor production process in various working conditions.

현대의 반도체 생산공정에서의 진공펌프에 대한 기능성 및 안정성에 대한 요구는 꾸준히 증가해왔다. 이러한 요구가 증가하는 것은 생산 웨이퍼의 사이즈가 증대됨에 따라, 결함을 가진 웨이퍼 및 손실된 생산시간에 기인한 비용이 더욱 증대되기 때문이다. 그러한 현대의 반도체 공정을 위한 진공펌프에 대한 기술적 요구는 Bahnen과 Kuhn에 의해 잘 지적되었다.[Ref.1: R.Bahnen and M Kuhn, "Increased reliability of dry pumps due to process related adaptation and pre-failure warning," Vacuum, Vol. 44, No 5-7, pp. 709-712,1993]: 예정되지 않은 작업중단이 없는 높은 안정성, 부식성 및 반응성 가스 혼합물을 펌핑할 수 있는 높은 수용 성, 미립자 및 승화성 가스 혼합물을 펌핑할 수 있는 높은 수용성 및 저진동, 저소음 등. 이러한 요구를 만족시키기 위해서, 현대의 반도체 공정을 위한 새로운 건식펌프는 다양한 공정에 의존적인 작동상태에 적합한 수용성 뿐만 아니라, 예정되지 않은 작업중단의 위험을 방지하기 위해 펌프 작동과 연관되는 파라미터(전력, 냉각수, 정화 가스(purge gas), 펌프 일부분의 마모 - 베어링, 실링(seals), 기어박스 및 모터)의 감시 계획을 제공해야 한다. Bahnen과 Kuhn[Ref.1]은 예상되지 않은 펌프 고장을 방지하기 위해, 경고, 경보 레벨에 기초하여 공정 또는 작동에 관계된 파라미터를 감시하는 계획을 제안하였다.그러나, 공정에 의존되며, 작동에 연관되는 파라미터에 대한 모든 경고, 경보의 레벨 선택에 대한 어떠한 합리적인 방안도 제시되지 않았다. 그러한 초기 레벨(threshold)의 선택은 여전히 진공펌프의 고장을 초기에 감지하는데 있어서 여전히 매우 도전적인 이슈이다. 더구나 제안된 감시 계획은 경보 또는 경고 신호를 발생시키는 진공펌프의 적절한 교체 시기를 판단하는 데에 관해 어떠한 기술적 방안도 제공하지 있지 않다. 이 또한 진공펌프 보수작업을 수행하는 엔지니어에게 도전적인 이슈이다. 이는 경고, 경보 중 어느 것도 펌프교체를 위한 직접적인 지표가 아니며, 판정된 진공펌프의 성능과 검측된 작동 조건에 대한 충분한 기술적 정보를 조사한 후에만, 펌프 보수 엔지니어들이 펌프의 교체 여부에 대해 결정할 수 있기 때문이다. 본 발명은 경고, 경고 신호를 발생시킨 진공펌프의 양적 성능저하에 접근하기 위한 체계적인 방식을 제공할 뿐만 아니라, 펌프 보수 엔지니어들이 성능감정 결과를 기초로 하여 펌프 교체 여부를 판단하는 것이 가능하도록 하기 위해 소개될 것이다.The demand for functionality and stability for vacuum pumps in modern semiconductor production processes has steadily increased. This demand is increased because as the size of the production wafer increases, the cost due to defective wafers and lost production time increases further. Technical requirements for vacuum pumps for such modern semiconductor processes are well pointed out by Bahnen and Kuhn [Ref. 1: R. Bahnen and M Kuhn, "Increased reliability of dry pumps due to process related adaptation and pre-failure. warning, "Vacuum, Vol. 44, No 5-7, pp. 709-712,1993]: high stability without pumping unplanned downtime, high water solubility to pump corrosive and reactive gas mixtures, high water solubility and low vibration, low noise to pump particulate and sublimable gas mixtures. In order to meet these demands, new dry pumps for modern semiconductor processes are not only suitable for various process-dependent operating conditions, but also the parameters associated with pump operation to prevent the risk of unplanned downtime (power, A monitoring plan should be provided for cooling water, purge gas and wear of pump parts-bearings, seals, gearboxes and motors. Bahnen and Kuhn [Ref. 1] proposed a plan to monitor process or operation-related parameters based on warning and alarm levels to prevent unexpected pump failures. However, it is process dependent and related to operation. All reasonable warnings for the parameters involved, and no reasonable measures for the level selection of the alarm have been presented. Such initial threshold selection is still a very challenging issue for early detection of failure of the vacuum pump. Moreover, the proposed monitoring plan does not provide any technical means for determining when to replace a vacuum pump that generates an alarm or warning signal. This is also a challenge for engineers performing vacuum pump repairs. Neither warning nor alarm are direct indicators of pump replacement, and only after investigating sufficient technical information on the performance and detected operating conditions of the determined vacuum pump can pump maintenance engineers decide whether to replace the pump. Because. The present invention not only provides a systematic way to approach the quantitative degradation of the vacuum pump that generated warnings and warning signals, but also enables pump maintenance engineers to determine whether to replace the pump based on the results of the performance assessment. Will be introduced.

초기 레벨에 기초한 감시 방식은 펌프를 고장으로부터 보호하기 위한 전통적인 기술로서 널리 알려져 왔다.[Reference 2: R.H. Greene and D.A. Casada, Detection of pump degradation, NUREG/CR-6089/ORNL-6765, Oak Ridge National Laboratory, 1995]. 그러나, Wegerich 등[Reference 3 : S.W. Wegerich, D.R. Bell and X. Xu, “Adaptive modeling of changed states in predictive condition monitoring,” WO 02/057856 A2, 2002; Reference 4 : S.W. Wegerich, A. Wolosewicz and R.M Pipke, “Diagnostic systems and methods for predictive condition monitoring,” WO 02/086726 A1, 2002]은 상기 감시방식은 센서의 출력에 기초한 초기 경고 및 경보 계획의 결점을 지적하였다: "기존 기술은 공정 또는 기계의 작동 파라미터에서의 전체적 변화에 대응하지 못했고, 때로는 예상되지 못한 차단, 장비의 손상 또는 큰 안전 위험을 방지하기 위한 적절한 경고를 제공하는 데에 실패하였다." 기존 기술에 있어서 상기와 같은 한계를 극복하기 위하여, 그들은 새로운 작동 상태에 적합한 신경 회로망(neural network)에 기초한 파라미터 모델의 사용[Ref.3] 및 예보적 조건 감시를 위해기 상기 모델에 기초한 분석 시스템[Ref.4]의 활용을 제안하였다. 동적 시스템의 감정과 조정에 관한 이전의 연구에서 알려진 것처럼[Reference 5 : Wan-Sup Cheung, “Identification, stabilization and control of nonlinear systems using the neural network-based parametric nonlinear modelling,” Ph.D. Thesis, University of Southampton, 1993], 신경 회로망 모델은 학습 데이터 집합 사이에 놓여있는 새로운 상태를 삽입(interpolating)하고, 학습 집합(trained set) 외의(매우 근접한) 인접하는 상태 를 외삽(extrapolating)하는 유용한 능력을 가지고 있다. Wegerich 등은[Ref.3, Ref.4] 센서의 출력 측정값에 대응되는 공정 또는 기계의 현재 상태를 추정하기 위해 학습된 신경 회로망의 삽입, 외삽 능력[Ref.5]을 활용하였다. 또한 추정된 상태 값과 측정된 상태 값 간의 오차는 오차 초기 경보를 발생시키거나, 공정 또는 시스템이 새로운 조건에서 작동할 때의 변화를 조사하기 위해 통계적 테스트를 수행하거나, 변화한 작동 영역을 위한 새로운 학습 집합의 개조를 위해 이용된다. 변형된 작동 영역을 위한 새로운 학습 집합과 상기 학습 집합의 모델 학습 공정을 위한 학습 집합의 설계를 포함하며, 경보를 발생시키고 변형된 작동 영역에 적합한, 제안된 신호 처리 계획은 어려운 계산 작업을 요할 뿐 아니라 상기 제안된 모델 기반의 분석 시스템의 고유한 복잡함까지도 수반하는 것으로 보인다. 제안된 검사 시스템의 이와 같은 비 현실적인 계산 출력과 실행의 복잡함은 현대 반도체 제작 공정을 위한 펌프 관측과 분석 시스템에 있어서 마주친, 피할 수 없는 기술적 이슈가 되었다. 더구나, 상기 제안된 모델 기반의 분석 시스템은 다양한 작동 조건에서 작동하는 진공 펌프의 성능을 평가하는 어떠한 시스템적 방식도 제공하지 않는다. 결과적으로, 이러한 기술적 이슈들은 펌프 작동 조건에 적합한 단순한 모델 뿐만 아니라, 펌프가 설치된 장소에 적용시킬 수 있는 진공 펌프 성능 지표의 새로운 평가 계획을 개발하기 위한 본 발명의 주요 동기가 되었다. 본 발명은 경고, 경보 신호가 관측되었을 때 언제든지 펌프 성능 지표를 추정할 수 있는, 진공펌프의 예보 유지 계획안을 제안한다. 이러한 직접적인 성능 평가 계획은 Wegerich 등[Ref3,Ref4]에 의해 제안된 학습 집합, 학습 모델 중 어느 것도 필요로 하지 않는다.Early level-based monitoring has been widely known as a traditional technique for protecting pumps from failures. [Reference 2: R.H. Greene and D.A. Casada, Detection of pump degradation, NUREG / CR-6089 / ORNL-6765, Oak Ridge National Laboratory, 1995]. However, Wegerich et al. [Reference 3: S.W. Wegerich, D. R. Bell and X. Xu, “Adaptive modeling of changed states in predictive condition monitoring,” WO 02/057856 A2, 2002; Reference 4: S.W. Wegerich, A. Wolosewicz and RM Pipke, “Diagnostic systems and methods for predictive condition monitoring,” WO 02/086726 A1, 2002, pointed out the shortcomings of an initial warning and alarm plan based on the output of the sensor: " Existing technologies have not responded to global changes in the operating parameters of a process or machine, and sometimes failed to provide adequate warnings to prevent unexpected shutdowns, equipment damage or significant safety risks. " In order to overcome these limitations in the existing technology, they are based on neural networks suitable for new operating conditions [Ref. 3] and analysis systems based on these models for monitoring predictive conditions. It proposed the use of [Ref.4]. As is known from previous studies on emotion and coordination of dynamic systems [Reference 5: Wan-Sup Cheung, “Identification, stabilization and control of nonlinear systems using the neural network-based parametric nonlinear modeling,” Ph.D. Thesis, University of Southampton, 1993], neural network models are useful for interpolating new states that lie between training data sets and for extrapolating adjacent states that are very close to the trained set. Have the ability. Wegerich et al. [Ref. 3, Ref. 4] utilize the learned neural network insertion and extrapolation capabilities [Ref. 5] to estimate the current state of a process or machine corresponding to the sensor's output measurements. In addition, the error between the estimated state value and the measured state value can cause an early warning of an error, perform statistical tests to investigate changes when the process or system is operating under new conditions, or for new operating areas. It is used for the reconstruction of the learning set. The proposed signal processing plan, which includes the design of a new learning set for a modified operating area and a learning set for a model learning process of the learning set, and which generates an alarm and is suitable for the modified operating area, requires not only difficult computational tasks, Even the inherent complexity of the proposed model-based analysis system appears to be involved. This complexity of computational output and execution of the proposed inspection system has become an inevitable technical issue encountered in pump observation and analysis systems for modern semiconductor fabrication processes. Moreover, the proposed model-based analysis system does not provide any systemic way of evaluating the performance of vacuum pumps operating under various operating conditions. As a result, these technical issues have become the main motivation of the present invention to develop not only a simple model suitable for pump operating conditions, but also a new evaluation plan of vacuum pump performance indicators applicable to the place where the pump is installed. The present invention proposes a forecast maintenance plan for a vacuum pump that can estimate pump performance indicators whenever a warning or alarm signal is observed. This direct performance evaluation plan does not require any of the learning sets and learning models proposed by Wegerich et al. [Ref3, Ref4].

시간 경과에 따른 진공펌프의 작동 조건 변화에 적합한 상기의 파리미터 모델을 사용하는 대신에, Ushiku 등과[Ref.6 : Y.Ushiku, T.Arikado, S.Samata, T.Nako, and Y.Mikata, "Apparatus for predicting life of rotary machine, equipment using the same, method for predicting life and determining repair timing of the same," U.S Patent Application Publication, US2003/0009311 A1,2003], Samata 등[Ref.7 : S.Samata, Y.Ushiku, K.Ishii, and T.Nakao, "Method for diagnosing life of manufacturing equipment using rotary machine," U.S. Patent Application Pulblication, US2003/01543997 A1,2003] 및 Ishii 등은[Ref.9 : K.Ishii, T.Nakao, Y.Ushiku, and S.Samata, "Method for avoding irregular shutoff of production equipment and systemfor irregular shutoff," U.S. Patent Application Publication, US2003/0158705 A1,2003] 현재 측정된 시계열 데이터가 정상 작동 조건에 대응되는 시계열 값의 표준 데이터 집합과 차이가 있는지 여부를 판단하기 위한 통계적 분석방식과 마하라노비스 거리(mahalanobis distance)에 기초한 분석방식을 제안하였다[Ref.10 : W.H. Woodall, R,Koudelik, Z.G.Stoumbos, K.L. Tsui, S.B. Kim, CP.Carvounis, "A review and analysis of the Mahalanobis-Taguchi system," TECHNOMETRICS,Vol.45, No.1,pp 1-14,2003]. 상기 통계적 분석 방식들은 평균값, 표준편차, 상관관계 등과 같은 표본화된 신호들[Ref.11: J.S.Bendat A.G.Piersol,Random data : Analysis and measurement procedures,John Wiley & Sons:N.Y.,1985]의 이차 통계적 특성에 기초한 것이다. 통계적 특성들은 오직 정상 공정에서만 활용될 수 있기 때문에, 그러한 방식은 다 른 생산물들을 위해 요구되는 다양한 출력 의존적 작동 조건에 대한 제한된 적용성이 있다. 이는 각각의 출력 의존적 작업에 대응하여 각각의 시계열 값의 표준 데이터 집합이 요구된다는 것을 의미한다. 여기서 중대한 이슈는 정상 작동 조건의 모든 범위를 커버하기에 충분한 출력 의존적 시계열 값의 표준 데이터 집합을 어떻게 설계하는가이다. 이러한 데이터 집합을 설계하는 어떠한 효율적인 방안도 아직까지 Ushiku 등[Ref.6]과 Samata 등[Ref.7, Ref.8] 및 Ishii 등[Ref.9]에 의해 제안되지 않았다. 새로운 또는 수리된 진공펌프를 위한 정상적 작동 조건에서의 시계열 데이터가 각각의 계획된 공정의 거의 초기에만 활용가능함에도 불구하고, 시간 소모적인 데이터 수집 및 신호 처리 작업이 없이는 정상 작동 조건의 전 범위에 대한 표준 데이터가 획득될 수 없었다. 실재로, 현대 반도체의 제조 유닛은 다양한 캠버 압력(camber pressure), 가스 유량 및 가스의 혼합, 가스 특성치와 같은 개별적 작동 조건에서의 다양한 공정을 필요로 한다. 이러한 반도체 제작에서의 공정 관계적 특성과 작동 조건들은 진공펌프의 공급자들의 거의 알 수 없을 만큼 매우 기밀한 사항이다. 현대의 반도체 공정들을 위한 진공펌프 관측과 분석 시스템이 다양한 작동 조건에 대한 자가 적응력을 가져야 함은 매우 중요한 사항이다. 제안된 통계적 분석 방식[Ref 6-9]은 진공펌프의 성능 지표를 구하는 어떠한 시스템적 기반을 고려하고 있지 않으므로, 이러한 방식은, 엔지니어로 하여금 펌프 교체를 위한 적절한 시기를 판단하는 것이 가능케 하는 펌프 낙후에 관한 어떠한 수량적 데이터를 제시하고 있지 않음에 주목해야 한다. 본원 발명은 이전 기술[Ref 6-9]에서 활용하는 정상 작동 조건에서 폭 넓게 수집된 표준 데이터를 이용함이 없이 그러한 기술 적 문제들을 현실적으로 해결하는 방안을 제공하기 위해 제안되었다.Instead of using the above parameter model suitable for changing the operating conditions of the vacuum pump over time, Ushiku et al. [Ref.6: Y.Ushiku, T.Arikado, S.Samata, T.Nako, and Y.Mikata, "Apparatus for predicting life of rotary machine, equipment using the same, method for predicting life and determining repair timing of the same," US Patent Application Publication, US2003 / 0009311 A1,2003], Samata et al. [Ref.7: S.Samata , Y.Ushiku, K.Ishii, and T.Nakao, "Method for diagnosing life of manufacturing equipment using rotary machine," US Patent Application Pulblication, US2003 / 01543997 A1,2003] and Ishii et al. [Ref.9: K. Ishii, T. Nakao, Y. Ushiku, and S. Samata, “Method for avoding irregular shutoff of production equipment and system for irregular shutoff , "US Patent Application Publication, US2003 / 0158705 A1,2003] A statistical analysis method and mahalanobis distance for determining whether current measured time series data is different from a standard data set of time series values corresponding to normal operating conditions. Based on the proposed analysis method [Ref.10: WH Woodall, R, Koudelik, Z.G.Stoumbos, K.L. Tsui, S.B. Kim, CP. Carvounis, "A review and analysis of the Mahalanobis-Taguchi system," TECHNOMETRICS, Vol. 45, No. 1, pp 1-14,2003]. The statistical methods are based on secondary statistical characteristics of sampled signals such as mean value, standard deviation, correlation, etc. (Ref.11: JSBendat AGPiersol, Random data: Analysis and measurement procedures, John Wiley & Sons: NY, 1985). It is based. Since statistical properties can only be used in normal processes, such a scheme has limited applicability to the various output dependent operating conditions required for other products. This means that for each output dependent task a standard data set of each time series value is required. A major issue here is how to design a standard data set of output dependent time series values sufficient to cover all ranges of normal operating conditions. No efficient way of designing such data sets has been proposed by Ushiku et al. [Ref. 6], Samata et al. [Ref. 7, Ref. 8] and Ishii et al. [Ref. 9]. Although time series data at normal operating conditions for new or repaired vacuum pumps are available only near the beginning of each planned process, it is standard for the full range of normal operating conditions without time-consuming data collection and signal processing operations. Data could not be obtained. Indeed, the manufacturing units of modern semiconductors require a variety of processes at individual operating conditions such as various camber pressures, gas flow rates and gas mixtures, and gas characteristic values. The process-related characteristics and operating conditions in these semiconductor fabrications are very confidential to the supplier of the vacuum pump. It is important that the vacuum pump observation and analysis system for modern semiconductor processes be self-adapting to various operating conditions. Since the proposed statistical analysis [Ref 6-9] does not take into account any systemic basis for obtaining performance indicators for vacuum pumps, this approach allows the engineer to determine the appropriate timing for pump replacement. Note that it does not present any quantitative data on. The present invention has been proposed to provide a way to realistically solve such technical problems without using standard data widely collected under normal operating conditions utilized in the prior art [Ref 6-9].

이러한 기술을 적용한 발명자들은 이미 저 진공 펌프의 정확한 성능 테스트 및 평가 방식을 개발하였으며, 그들의 실험 결과를 몇몇 기술 논문에 공개하였다[Ref.12:J.Y.Lim,S.H.Jung, W.S.Cheung, K.H.Chung, Y.H.Shin, S.S.Hong, and W.G.Sim, "Expanded characteristics evaluation for low vacuum dry pumps," AVS 49th International Symposium, x-x, 2002;Reference 13:J.Y.Lim, W.S.Cheung, J.H.Joo, Y.O.Kim, W.G.Sim, and K.H.Chung, "Characteristics evaluation practice of predictable performance monitoring for low vacuum dry pumps," AVS 50th International Symposium, 9-10, 2003; Reference 14:W.S.Cheung,J.Y.Lim and K.H.Chung, "Experimental study on noise characteristics of dry pumps," Inter-noise 2002,Port Lauddale:USA,2002; Reference 15:W.S.Cheung, "Acoustic characteristics of dry pumps designed for semiconductor processes," Inter-noise 2003, Jeju, Korea, 2003]. 그러한 실험은 도 1에 그 개요가 제시된 저 진공펌프 테스트 벤치(test bench) 에 의해 수행되었다.The inventors of this technique have already developed an accurate performance test and evaluation method for low vacuum pumps and have published their experimental results in several technical papers [Ref. 12: JYLim, SHJung, WSCheung, KHChung, YHShin]. , SSHong, and WGSim, "Expanded characteristics evaluation for low vacuum dry pumps," AVS 49th International Symposium, xx, 2002; Reference 13: JYLim, WSCheung, JHJoo, YOKim, WGSim, and KHChung, "Characteristics evaluation practice of predictable performance monitoring for low vacuum dry pumps," AVS 50th International Symposium, 9-10, 2003; Reference 14: W. S. Cheung, J. Y. Lim and K. H. Chung, "Experimental study on noise characteristics of dry pumps," Inter-noise 2002, Port Lauddale: USA, 2002; Reference 15: W. S. Cheung, "Acoustic characteristics of dry pumps designed for semiconductor processes," Inter-noise 2003, Jeju, Korea, 2003]. Such experiments were performed by a low vacuum pump test bench, the overview of which is shown in FIG. 1.

테스트 벤치는 펌핑 속도(체적 유량), 극한 내압, 압축비, 가스 출력 시뮬레이션, 작동 압력의 최대, 최소값, 전력 소비, 잔여 가스 분석 및 기계적 소음, 진동 레벨 등과 같은 저 진공 펌프의 성능 인자를 구하기 위해 사용되어 왔다. 반도체 생산자에게 공급된 수 백개의 진공펌프는 그러한 테스트를 거쳤다. 이러한 진공펌프들의 테스트 결과는 진공펌프의 핵심적 성능 인자와 동적 특성에 관한 시스템적 이해를 제공하였다.The test bench is used to determine the performance factors of low vacuum pumps such as pumping speed (volume flow rate), ultimate internal pressure, compression ratio, gas output simulation, maximum and minimum values of operating pressure, power consumption, residual gas analysis and mechanical noise, vibration levels, etc. Has been. Hundreds of vacuum pumps supplied to semiconductor manufacturers have been tested. The test results of these vacuum pumps provided a systematic understanding of the key performance factors and dynamic characteristics of the vacuum pump.

펌핑 속도를 얻기 위해서, 본 발명은 진공펌프에 가장 폭 넓게 활용될 수 있으며, 실재 작동 압력 범위 및 펌프 능력에 적용될 수 있는 완벽한 방식을 충분한 정확도로 활용하였다.In order to obtain pumping speeds, the present invention can be most widely utilized in vacuum pumps and utilizes with complete accuracy a perfect manner that can be applied to actual operating pressure ranges and pump capabilities.

네모 표기, 별표 표기 및 원형 표기 라인은 각각 펌핑 속도의 테스트 결과 중 최대, 최소, 평균값을 나타내며, 상기 테스트 결과는 도 1에 도시된 테스트 돔의 내부 가스 압력을 조절함으로써 모의적으로 실험된 개별적인 가스 출력 조건으로부터 획득되었다. 평균값 대비 표준 편차의 비율로 정의되는 펌핑 속도의 변동계수(coefficient of variability)는 상대적으로 테스트 돔의 내부압력이 0.01 mbar에 대등할 때 6.7% 이며, 내부압 0.002mbar에 대응하여 6.7%인 것으로 관측되었다.Square, asterisk, and circular notation lines represent the maximum, minimum, and average values of the test results of the pumping speed, respectively, which test individual gas simulated by adjusting the internal gas pressure of the test dome shown in FIG. Obtained from output conditions. The coefficient of variability of the pumping speed, defined as the ratio of the standard deviation to the mean value, is found to be 6.7% when the internal pressure of the test dome is equivalent to 0.01 mbar, and 6.7% corresponding to an internal pressure of 0.002 mbar. It became.

0.05mbar 보다 높은 레벨에서는 변동계수가 3.5% 또는 그 이하인 것으로 나타났다. 이는 작은 변동 내에서는 테스트 된 진공펌프의 펌핑 속도의 질적 관리가 매우 잘 이루어진다는 것을 의미한다. 작은 변동성을 가진 펌핑 속도가, 진공펌프의 현재 성능이 어느 정도로 저감 되었는지를 판단하는 좋은 지표라는 것은 주목할 만한 사항이다. 실재로, 펌핑 속도는 저 진공펌프의 성능 파라미터 중 가장 중요 요소이다. 본 발명은 새로운 상태 변수로서 펌핑 속도의 활용을 제안한다. 그러나, 진공펌프의 작동조건을 관측하는 이전의 발명들은 관측된 상태변수로서 펌핑 속도를 고려하지 않았다. 다음 절에서, 본 발명은 심지어 펌프가 이미 설치된 반도체 제작소에서 펌핑 속도 지표를 구하는 시스템적 방안을 제안하며, 이는 현장 추정 방식(in-situ estimation method)이다. 추정된 펌핑 속도 지표는 펌프 보수 엔지니어로 하여금 펌프 교체를 위한 적절한 시기를 판단하는 것이 가능하도록 하므로, 상기 추정된 펌핑 속도 지표는 진공펌프의 정밀한 예보유지를 위한 중요역할을 담당하는 것으로 나타났다.At levels above 0.05 mbar, the coefficient of variation was found to be 3.5% or less. This means that within a small variation, the quality control of the pumping speed of the tested vacuum pump is very good. It is noteworthy that the pumping speed with small variability is a good indicator of how much the current performance of a vacuum pump has been reduced. Indeed, the pumping speed is the most important factor among the performance parameters of low vacuum pumps. The present invention proposes the use of pumping speed as a new state variable. However, previous inventions for observing the operating conditions of vacuum pumps did not consider the pumping speed as the observed state variable. In the next section, the present invention even proposes a systemic method for obtaining pumping speed indicators in a semiconductor fabrication factory where a pump is already installed, which is an in-situ estimation method. The estimated pumping speed indicator allows the pump maintenance engineer to determine the appropriate time to replace the pump, so the estimated pumping speed indicator has been shown to play an important role for accurate forecast maintenance of the vacuum pump.

도 3은 얼마나 많은 기계적 소음 및 진동 레벨의 변동이 테스트 된 펌프 사이에 존재하는지를 보여준다. 상기 테스트 된 펌프들의 펌핑 속도가 도 2에 나타난 것처럼 작은 변화성을 가진다고 하더라도, 기계적 소음과 진동 레벨은 동일 모델의 각 펌프에 대해 매우 다른 것으로 나타났다. 기계적 소음 레벨은 ISO 3744 기준에 의해 권장된 열 개의 위치로부터 측정된 음압의 평균값을 구함으로써 추정된다. 기계 소음 레벨 값의 최대 차이는 테스트 돔 압력이 2mbar일때 12dBA인 것으로 관측되었다. 다른 가스 출력 조건에서는, 음압 레벨값(SPL) 차이가 약 9dBA에 근접하였다. 이러한 큰 SPL 차이는 4배의 라우드니스(loudness) 차이에 상응된다(5 dBA의 SPL 차이 당 2배의 라우드니스). 압력 범위가 0.01mbar에서 10mbar 이상일 때 음압 레벨의 변동계수는 51% 내지 65% 인 것으로 파악되었다. 기계적 진동(가속) 레벨의 변동계수는 압력이 1mbar이하일 때 19% 내지 23% 이며, 가스 압력이 10mbar로 도달함에 따라 51%까지 증가하는 것으로 파악되었다. 더구나, 기계적 가속 레벨의 최소 레벨값과 최대 레벨값의 비율은 가스압력이 1mbar 이하일 때 1.4 내지 1.6 이나, 가스압력이 10mbar로 도달함에 따라 상기 비율은 3.3까지 급격하게 증가하는 것으로 관측되었다. 이러한 큰 변화성은 각각의 개별 펌프가 기계적 소음과 진동에 대한 고유한 정상 작동 조건을 가진다는 것을 지적하고 있다. 이 펌프 간(pump by pump) 의존적인 작업 특성은, 말하자면 심지어 정상적으로 작동하는 기기에 대한 잘못된 경고, 경보 신호와 같은, 불안정하며 불일치된 상태 관측 결과로 이어질 수 있기 때문에, 이러한 특성은 기기 작동 관측 시스템을 위한 경고 또는 경보 신호를 발생시키기 위한 고정 레벨 기반의 초기 레벨 기초(threshold) 방식을 활용하는데 있어, 큰 어려움을 야기시켰다.3 shows how much mechanical noise and vibration level variation is present between the tested pumps. Although the pumping speeds of the tested pumps had small variability as shown in FIG. 2, the mechanical noise and vibration levels were very different for each pump of the same model. The mechanical noise level is estimated by taking the average of the sound pressures measured from the ten positions recommended by the ISO 3744 standard. The maximum difference in the mechanical noise level values was observed to be 12 dBA when the test dome pressure was 2 mbar. Under other gas output conditions, the difference in sound pressure level value SPL approached about 9 dBA. This large SPL difference corresponds to a 4 times loudness difference (2 times the loudness per SPL difference of 5 dBA). The coefficient of variation of the sound pressure level was found to be 51% to 65% when the pressure range was 0.01 mbar to 10 mbar or more. The coefficient of variation of the mechanical vibration (acceleration) level was found to be 19% to 23% when the pressure was below 1 mbar and increased to 51% as the gas pressure reached 10 mbar. Moreover, the ratio of the minimum level value and the maximum level value of the mechanical acceleration level was 1.4 to 1.6 when the gas pressure was 1 mbar or less, but it was observed that the ratio increased rapidly to 3.3 as the gas pressure reached 10 mbar. This great change points out that each individual pump has its own normal operating conditions for mechanical noise and vibration. This pump-by-pump working characteristic can lead to unstable and inconsistent state observations, such as false alarms and alarm signals, even for a normally functioning instrument. The use of a fixed level based initial level threshold for generating a warning or alarm signal for the system has caused great difficulty.

고정된 레벨 기반의 기계 상태 관측 및 진단 시스템의 상기와 같은 제한된 능력을 향상시키기 위해, 본 발명은 펌프 간 의존적인 정상 작동 조건에 자가 적응성이 있는 능동 알고리즘을 다음 절에서 제안할 것이다. 재래식 기계 상태 관측 시스템에서 널리 제기된 것으로서, 예를 들면 볼베어링, 저널베어링, 기어, 펌프로브(pump lobe), 실링, 회전 요소의 사이징(sizing) 등의, 기계적 부품 마모와 같은 진공펌프의 결함 감지의 이행을 위해 본원 발명에서는 기계적 진동 및 소음 신호 또한 활용된다. 상기의 기계적 결함은 이전의 연구[Ref.2]에서 제안된 기계적 진동 또는 소음 신호의 스펙트럼 해석(spectral analysis)으로부터 잘 진단된다. 물론, 기계적 결함 또한 펌프 보수 엔지니어로 하여금 펌프교체를 위한 적절한 시간을 판단하는 것이 가능하도록 한다.In order to improve such limited capability of fixed level based machine condition observation and diagnostic systems, the present invention will propose an active algorithm which is self-adaptable to normal operating conditions dependent on pumps in the next section. Detected faults in vacuum pumps such as wear of mechanical parts, such as ball bearings, journal bearings, gears, pump lobes, seals, sizing of rotating elements, etc. Mechanical vibration and noise signals are also utilized in the present invention for the implementation of. The above mechanical defect is well diagnosed from the spectral analysis of the mechanical vibration or noise signal proposed in the previous study [Ref.2]. Of course, mechanical defects also make it possible for pump maintenance engineers to determine the proper time for pump replacement.

이러한 기계 작동 관측 시스템의 가스 출력 의존적 상태변수들은 소음과 기계적 진동 신호에만 제한되지 않는다는 것은 주목되어야 한다. 도 4는 부스터 펌프와 건식 펌프로부터 측정된 전력 소비 값들의 통계적 특성 값(최대값, 최소값, 평균값)를 나타낸다. 부스터 펌프를 위한 전력 소비의 최대값과 최소값 비율은, 가스압력 2mbar 이하에서 1.3이며, 가스압력이 10mba에 도달함에 따라 1.6까지 증가하는 것으로 관찰되었다. 부스터 펌프의 변동계수는, 가스압력이 1mbar이하일 때 9% 내지 11%이나, 가스압력이 10mbar로 도달함에 따라 57%로 가파르게 상승하는 것으로 나타났다. 부스터 펌프의 전력 소모의 이러한 큰 변형성과 달리, 건식펌프의 전력 소모값의 최대값과 최소값 비율은 상기 테스트의 압력 범위 내에서 1.1 내지 1.2인 것으로 관측되었다. 변동계수 또한 상기 테스트 압력 범위 내에서 4% 내지 6%인 것으로 나타났다. 이러한 테스트 결과는, 부스터 펌프와 건식펌프의 총 전력 소모값은 큰 변화성이 있는 상태 변수이기 때문에 상기 총 전력 소모값은 상태 관측 시스템에는 쓸모가 없다는 것을 지적하고 있다. 그 결과, 부스터 펌프와 건식펌프의 두개의 분리된 전력 소모 값이 본 발명에서 고려될 것이다.It should be noted that the gas output dependent state variables of this machine operated observation system are not limited to noise and mechanical vibration signals. 4 shows the statistical characteristic values (maximum value, minimum value, average value) of the power consumption values measured from the booster pump and the dry pump. The maximum and minimum ratio of power consumption for the booster pump was 1.3 at a gas pressure of 2 mbar or lower, and increased to 1.6 as the gas pressure reached 10mba. The coefficient of variation of the booster pump was 9% to 11% when the gas pressure was below 1 mbar, but rose steeply to 57% as the gas pressure reached 10 mbar. In contrast to this large deformation of the power consumption of the booster pump, the maximum and minimum ratio of the power consumption value of the dry pump was observed to be 1.1 to 1.2 within the pressure range of the test. The coefficient of variation was also found to be 4% to 6% within the test pressure range. These test results indicate that the total power consumption value is useless for the state observation system because the total power consumption value of the booster pump and the dry pump is a highly variable state variable. As a result, two separate power consumption values of the booster pump and the dry pump will be considered in the present invention.

펌프 작동 영역에서 가스 출력 조건이 다양해 짐에 따라 측정된 상태 변수값들이 얼마나 많이 증가하는지를 이해하는 것은 매우 중요하다. 도 3 및 도 4에 제시된 실험 결과는, 평균값들을(별표 표기된 실선에 의해 표시되었음) 주의 깊게 관찰함으로써 상기 과제에 대한 해결책을 찾는 데 도움을 준다. 테스트 돔의 가스 압력이 어느 정도까지 차차 증가함에도 불구하고, 평균값은 동일하게 남아있다. 이는 기계적 소음과 진동 및 전력 소모 레벨의 측정된 상태 값이 가스 출력과는 무관한 영역이다. 본 발명은 진공펌프의 작동 조건을 분석을 위해 측정된 상태 변수들 중 가스 출력에 독립적인 특성들을 활용하지 않는다. 그러한 가스 출력에 독립적인 조건들은 실재 공정 조건에서 매우 흔히 발견된다. 좋은 예는 작동하는 진공펌프의 "유휴" 상태(idle state)이며, 이 상태는 어떠한 외부 가스도 펌프의 흡입구로 공급되지 않는 구간이다. 다음 절에서 본원 발명은 진공펌프의 관측과 진단 시스템의 상태 변수들 중 출력에 독립적인 특성을 모델링하는 시스템적 방안을 제시할 것이다.It is very important to understand how much the measured state variable values increase as the gas output conditions vary in the pump operating area. The experimental results presented in FIGS. 3 and 4 help to find a solution to this task by carefully observing the mean values (indicated by the solid lines marked with asterisks). Although the gas pressure in the test dome gradually increases to some extent, the average value remains the same. This is the area where the measured state values of mechanical noise and vibration and power consumption levels are independent of the gas output. The present invention does not utilize characteristics independent of gas output among the state variables measured for analyzing the operating conditions of the vacuum pump. Such gas output independent conditions are very often found in actual process conditions. A good example is the "idle" state of a working vacuum pump, in which no external gas is supplied to the inlet of the pump. In the next section, the present invention will propose a systemic method for modeling the output independent characteristics of the state variables of the vacuum pump observation and diagnostic system.

더욱이, 가스출력에 무관한 영역에서 가스 압력이 증가함에 따라, 기계적 소음과 진동 및 전력 소모 변수들의 평균값이 증가하는 것으로 나타났다. 예를 들면, 가스출력에 의존적 영역에서 기계적 소음 레벨의 최대값은, 가스출력에 독립적인 영역에서의 기계적 소음 레벨 최대값보다 12dBA(4배) 높은 것으로 나타난다. 유사하게, 가스 출력에 의존적 영역에서 상대적으로 기계적 진동 레벨의 최대값은 2.4배 높으며, 부스터 펌프와 건식 펌프의 전력 소모 레벨 값들은 각각 2.3배, 1.2배 높은 것으로 나타난다. 여기서, 상태 관측 및 진단 시스템에서 당면하는 다른 기술적 이슈는 상태 변수들의 그러한 가스 출력에 의존적 특성을 설명하기 위한 적합한 모델을 찾는 것으로, 이는 진공펌프의 실재 작업 영역이 언제나 가스 출력에 의존적 조건을 포함하기 때문이다. 다음 절에서, 본 발명은 또한 가스 출력에 의존적인 영역에서 상태변수들의 동적 특성을 모델링 하는 시스템적 방안을 제안할 것이다. 물론, 수학적으로 동일한 모델이 가스 출력에 무관한 조건 및 의존적 조건 모두에 적용 가능한 것으로 나타났다. 그 결과, 하나의 모델은 가스 출력에 독립적인 작동 영역을 위해 제공될 것이고, 다른 모델은 가스 출력에 의존적인 영역을 위해 제공될 것이다. 두 개의 분리된 모델을 이용하는 것은 진공펌프에서 발생 가능한 비정상적 작동 조건을 가능한 빨리 탐지하는데 있어 안정성 및 신뢰성을 증대시키기 위해 개발되어 왔다.Moreover, as the gas pressure increases in a region independent of gas output, the mean values of mechanical noise, vibration and power consumption parameters increase. For example, the maximum value of the mechanical noise level in the gas output dependent region appears to be 12 dBA (4 times) higher than the maximum mechanical noise level in the region independent of the gas output. Similarly, the maximum value of the mechanical vibration level is 2.4 times higher in the region depending on the gas output, and the power consumption level values of the booster pump and the dry pump are 2.3 times and 1.2 times higher, respectively. Here, another technical issue encountered in state observation and diagnostic systems is finding a suitable model to account for such gas output dependent characteristics of state variables, which means that the actual working area of the vacuum pump always includes a gas output dependent condition. Because. In the next section, the present invention will also propose a systemic way of modeling the dynamic properties of state variables in the region depending on gas output. Of course, mathematically identical models have been shown to be applicable to both gas independent and dependent conditions. As a result, one model will be provided for the operating area independent of the gas output and the other model will be provided for the area dependent on the gas output. The use of two separate models has been developed to increase the stability and reliability of detecting abnormal operating conditions as soon as possible in a vacuum pump.

본 발명에서, 진공펌프의 흡입구 가스 압력 신호와 같은 가스 출력 조건에 관한 관측된 정보는 진공펌프의 비정상적 작동 조건을 구별하는 것과, 더욱 상세하게는, 관측된 상태 변수들의 증가가 가스의 출력에 기인한 것인지 여부를 판단하는 것에 중요한 역할을 담당함은 매우 명백하다. 진공펌프의 비정상적 작동 조건을 더욱 안정되게 진단하는 능력을 개선하기 위해, 흡입 가스의 압력 정보를 이용하는 것은 이전의 발명들에서 고안되지 않았다. 본 발명에서, 흡입 가스의 압력을 관측하는 것은, 진단 능력의 향상과 더불어 펌핑 속도의 양적 분석을 가능하게 하는 것으로 보인다. 펌핑 속도의 지표를 구하는 것은 대상 진공펌프를 새것으로 교체하는 적절한 시기로 이어지기 때문에, 상기의 관점은 매우 중요한 것이다. 본 발명은 반도체 제작소에서 작동하는 진공펌프의 펌핑 속도를 구하는 합리적인 방안을 제공한다. 추정된 펌핑 속도 지표는 펌프 보수 엔지니어로 하여금 펌프 교체를 위한 적절한 시기를 판단하는 것을 가능하게 하므로, 이러한 지표는 진공펌프의 정밀 예보 유지를 위한 중요역할을 담당하는 것으로 보인다.In the present invention, the observed information regarding the gas output condition, such as the inlet gas pressure signal of the vacuum pump, is characterized by distinguishing abnormal operating conditions of the vacuum pump, and more specifically, the increase in the observed state variables due to the output of the gas. It is very clear that it plays an important role in judging whether or not it is. In order to improve the ability to more reliably diagnose abnormal operating conditions of the vacuum pump, using the pressure information of the intake gas has not been devised in the previous inventions. In the present invention, observing the pressure of the intake gas seems to enable the quantitative analysis of the pumping speed with the improvement of the diagnostic ability. The above point is very important because finding an indication of the pumping speed leads to a suitable time to replace the target vacuum pump with a new one. The present invention provides a reasonable way to find the pumping speed of a vacuum pump operating in a semiconductor fabrication plant. Estimated pumping speed indicators enable pump maintenance engineers to determine the appropriate time for pump replacement, and these indicators appear to play an important role in maintaining accurate forecasts for vacuum pumps.

기술적 해결책Technical solution

본 발명에 따르면, 이하의 단계를 포함하는, 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀 분석 방식이 제공된다.According to the present invention, there is provided a precise analysis method for the failure prevention and forecast maintenance of the vacuum pump, including the following steps.

1) 유휴조건(idle condition)과 다양한 가스출력 조건에 대해 미리 설정된 샘플링 속도로 새로이 설치된 진공펌프의 다양한 펌프 작동에 연관되는 상태 변수들을 수집하는 단계1) collecting state variables associated with various pump operations of the newly installed vacuum pump at preset sampling rates for idle conditions and various gas output conditions.

2) 유휴 조건과 다양한 가스 출력 조건에서 변동하는 상태 변수 신호 요소의 지배적 주기(dominant period)보다 길며, 사용자가 채택한 주기상으로 연속적으로 표본화된 신호의 각 집합으로부터 상기 상태 변수들의 시계열 값 중 최대값과 최소값을 판단하는 단계2) the maximum of the time series values of the state variables from each set of consecutively sampled signals over a period of time adopted by the user, which is longer than the dominant period of the state variable signal element which fluctuates under idle conditions and various gas output conditions. And determining the minimum value

3) 유휴 조건과 다양한 가스 출력 조건에서의 파라미터 모델에 기반을 둔 능동 진단 알고리즘을 이용하여 펌프 작동 특성값을 추정하는 단계3) estimating pump operating characteristic values using an active diagnostic algorithm based on parametric models under idle conditions and various gas output conditions.

4) 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)을 이용하여 상기 새로이 설치된 진공펌프의 펌프 성능 지표를 구하는 단계4) obtaining the pump performance index of the newly installed vacuum pump by using an in-situ evaluation method

5) 상기 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성값과 펌프 성능평가 지표를 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장하는 단계5) storing the estimated pump operating characteristic value and the pump performance evaluation index of the newly installed vacuum pump in the vacuum pump maintenance database

6) 상기 새로이 설치된 진공펌프가 비정상적 작동 조건에 있는 것으로 관측될 때마다 상기 1단계부터 5단계까지를 반복하는 단계6) repeating steps 1 to 5 whenever the newly installed vacuum pump is observed to be in abnormal operating conditions

7) 펌프 교체 여부를 판단하기 위해, 상기 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장되어 있는 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능평가 지표를, 비정상적 작동 조건 하에서의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능평가 지표와 비교하는 단계7) The estimated pump operating characteristic value and the pump performance evaluation index of the newly installed vacuum pump stored in the vacuum pump maintenance database to determine whether the pump is replaced, the estimated pump operating characteristic value and the pump performance under abnormal operating conditions. Steps to Compare with Evaluation Indicators

본 발명에 따르면, 아래의 구성요소로 이루어진 진공펌프의 고장방지 및 예보유지를 위한 정밀진단 시스템 또한 제공된다.According to the present invention, there is also provided a precise diagnosis system for failure prevention and forecast maintenance of the vacuum pump consisting of the following components.

흡입압구 압력계(또는 진공 게이지), 배기압력 변환기, 부스터 펌프 및 건식펌프의 공급전류 탐지기 및 기계적 진동 센서 및 부스터 펌프와 건식펌프 중앙에 설치된 측정 마이크로폰을 증폭시키기 위한 전용의 신호 조절 유닛;A dedicated signal conditioning unit for amplifying suction pressure gauges (or vacuum gauges), exhaust pressure transducers, booster pumps and supply pumps of dry pumps and mechanical vibration sensors and measurement microphones centrally located in booster pumps and dry pumps;

10kHz 내지 20kHz에 이르는 초고주파수 성분을 가진 기계적 진동 및 음압 신호을 수집하기에 적절한 고속의 다중 채널 데이터 획득(DAQ) 시스템;A high speed multichannel data acquisition (DAQ) system suitable for collecting mechanical vibration and sound pressure signals with ultrahigh frequency components ranging from 10 kHz to 20 kHz;

아래의 1단계 내지 5단계가 가능한 정도의 충분한 성능을 갖춘 듀얼 프로세서 서버 클래스(dual processor server-class)의 PC 시스템;A dual processor server-class PC system with sufficient performance to allow for steps 1 to 5 below;

1) 어떠한 데이터 전송의 손실 없이 실시간 DAQ시스템으로부터 측정된 모든 상태변수 값을 수집하는 단계 2) 기계적 진동 및 음압 신호의 제곱평균(root mean square) 값을 구하는 단계 3) 유휴 조건 및 다른 가스 출력 조건에서의 연속적으로 표본화된 신호들의 각 집단으로부터 상기 측정된 상태 변수 값들 중 최대, 최소의 시계열 값을 판단하는 단계 4) 파라미터 모델 기반의 능동 진단 알고리즘을 이용하여, 최적화된 모델 파라미터와 상기 측정된 상태 변수들의 평균 및 최대값으로 이루어진 펌프 자동 특성 값들을 추정하는 단계 5) 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)을 이용하여 새로이 설치된 진공펌프의 펌프 성능 지표를 구하고, 상기 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성값과 펌프 성능평가 지표를 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장하며, 펌프 교체 여부를 판단하기 위해 상기 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장되어 있는 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성 값 및 펌프 성능평가 지표를, 비정상 작동 조건 하에서의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능평가 지표와 비교 단계1) Acquiring all state variable values measured from a real-time DAQ system without losing any data transmission. 2) Obtaining the root mean square of mechanical vibration and sound pressure signals. 3) Idle conditions and other gas output conditions. Determining the maximum and minimum time series values of the measured state variable values from each group of successively sampled signals in U. 4) Using a model-based active diagnostic algorithm, optimized model parameters and the measured state Estimating pump automatic characteristic values consisting of average and maximum values of the parameters. 5) Obtaining pump performance indicators of the newly installed vacuum pump using an in-situ evaluation method, and estimating the estimated performance of the newly installed vacuum pump. Pump operating characteristic values and pump performance evaluation indicators are stored in the vacuum pump maintenance database, The estimated pump operating characteristic value and pump performance evaluation index of the newly installed vacuum pump stored in the vacuum pump maintenance database to determine whether to replace the pump, and the estimated pump operating characteristic value and pump performance evaluation index under abnormal operating conditions and Comparison step

유리한 효과Favorable effect

본 발명에서 가장 도전적인 이슈는 보수 엔지니어가 진공펌프의 현재 성능 평가 결과에 기초하여 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시간을 판단하는 것을 가능하게 하는 시스템적 방식을 찾는 것이였다.The most challenging issue in the present invention has been to find a systemic way that allows a maintenance engineer to determine the appropriate time for replacement of a vacuum pump based on the results of the current performance evaluation of the vacuum pump.

'기술적 문제' 절에서 묘사된 것처럼, 많은 수의 저 진공펌프의 성능 테스트 결과는 본 발명팀으로 하여금 두 가지 근본적인 이슈를 다루지 않고서는 그것들이 해결될 수 없음을 확신하게 하였다. 첫번째 이슈는 개별 펌프간(pump by pump) 작동 특성 및 다양한 공정 조건들에 의해 주로 야기되는, 측정된 상태 변수 값들을 진단 결과의 저 레벨의 안정성 및 일정성을 개선하는 것이다. 두번째 이슈는 시설이 잘 갖추어진 테스트 연구소가 아닌, 펌프가 설치된 장소에서 저진공 펌프의 야외(또는 현장) 성능 테스트를 실현하는 것이다.As described in the 'Technical Problems' section, the performance test results for a large number of low vacuum pumps convinced the team that they could not be solved without addressing two fundamental issues. The first issue is to improve the low level of stability and consistency of the diagnostic results with measured state variable values, which are mainly caused by individual pump by pump operating characteristics and various process conditions. The second issue is the realization of outdoor (or field) performance testing of low-vacuum pumps in places where pumps are installed, rather than well-equipped test labs.

첫 번째 이슈에 접근하기 위해, 선형 파라미터 모델에 기반을 둔 능동 알고리즘이 제안된다. 선형 파라미터 모델은 측정된 상태 변수들에 내재된 동적(변동 진폭) 특성들의 상측 및 하측 점근 경계를 표시하는 것으로 여겨진다. 제안된 능동 알고리즘은 펌프간(pump by pump) 의존적 작동 특성들(즉, 진공펌프 작동 특징의 큰 다양성) 뿐만 아니라, 개별 진공펌프의 작동 조건(즉, 다중 공정 조건)에 최적화된 모델 파라미터를 제공하는 것으로 보여진다. 세부화된 디지털 신호 처리 계획들은 반도체 공정에 배치된 여섯 가지 상태 변수들의 측정된 신호들로부터 진공펌프의 작동 특성 값들을 추정하는 데 있어 매우 성공적인 것으로 증명되었다.To approach the first issue, an active algorithm based on a linear parametric model is proposed. The linear parametric model is believed to represent the upper and lower asymptotic boundaries of the dynamic (varying amplitude) characteristics inherent in the measured state variables. The proposed active algorithm provides model parameters optimized for the operating conditions (ie multiple process conditions) of individual vacuum pumps as well as pump by pump dependent operating characteristics (i.e. large variety of vacuum pump operating characteristics). Seems to do. Detailed digital signal processing schemes have proved very successful in estimating the operating characteristic values of a vacuum pump from measured signals of six state variables placed in a semiconductor process.

두 번째 이슈를 해결하기 위해, 본 발명은 저 진공펌프들의 예보 유지를 위해 요구되는, 정밀 진단 분석으로서 진공펌프 성능을 평가를 위해 개발된 펌프- 다운(pump down) 테스트 방식의 단순화 된 버전을 제안한다. 제안된, 현장 성능 평가 방식에서도 언급되는, 야외 성능 평가 계획은 실재 공정과 근접한 조건하에서의 가상의 가스출력 야외 테스트 및 각 가스 출력에 의존적인 테스트 조건을 위한 네가지 펌프의 성능 지표를 구하는 것으로 구성된다. 상기의 작동 특성 값들을 구하는 같은 방식으로, 가스 출력 작동 조건 및 유휴 조건 각각을 위한 펌프 성능 지표가 구해진다. 본 발명이 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 분석을 수행하기 위해 각 측정된 상태 변수의 작업 공정 특성 값들과 펌프 성능 지표를 결합한 결과를 개발하였다는 것은 명백히 나타난다. 새로이 설치된 진공펌프로부터 획득된 상기 결합되어 구해진 결과들이 최적 모드 절에 상세히 도시되어 있으며, 상기 최적 모드는 장래에 수행될 정밀 진단 분석을 위한 테스트된 진공펌프의 초기(또는 표준) 데이터 집합으로서 이용된다.To address the second issue, the present invention proposes a simplified version of a pump down test method developed for evaluating vacuum pump performance as a precision diagnostic analysis required for forecast maintenance of low vacuum pumps. do. The outdoor performance evaluation plan, also referred to in the proposed field performance evaluation scheme, consists of obtaining four performance indicators of the pump for a virtual gas output field test under conditions close to the actual process and a test condition dependent on each gas output. In the same way to obtain the above operating characteristic values, the pump performance indicators for each of the gas output operating conditions and the idle conditions are obtained. It is evident that the present invention has developed the results of combining the pump performance indicators with the work process characteristic values of each measured state variable in order to perform a precise diagnostic analysis for the maintenance of a vacuum pump. The combined results obtained from the newly installed vacuum pump are shown in detail in the Optimal Mode section, which is used as the initial (or standard) data set of the tested vacuum pump for further diagnostic analysis to be performed in the future. .

더욱이, 상기 진공펌프 성능의 현장진단 계획안을 비정상 작동 조건, 즉 말하자면 반응챔버의 의도한 진공레벨에 느리게 반응하는 조건에 도달한 진공펌프에 적용함으로써, 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀분석을 위해 개발된 진공펌프 성능의 현장 진단 계획의 실현 가능성과 효율성이 조사된다. 비정상적 작동 조건으로부터 구해진 작동 특성 값들과 펌프 성능 지표는 최적 모드 절에 상세히 소개된다. 현재 구해진 진단 분석 결과와 최초(또는 표준) 데이터 집합의 비교는 보수 엔지니어가 구해진 펌프 성능 지표에 따라 대상 진공펌프의 교체 여부를 결정하는 것을 가능하게 하는 것으로 보여진다. 더욱 상세히, 현재 진공펌프의 구해진 펌핑 속도 지표 값은 31%까지 감소하는 것으로 보고된다. 이러한 양적 진단 분석 결과는 보수 엔지니어가 진공펌프의 현재 구해진 성능 결과에 기초하여 진공펌프의 적절한 교체 시기를 결정하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 저 진공펌프 예보유지의 안정성 및 신뢰성을 개선시키는 것 또한 가능하게 한다.Furthermore, by applying the on-site diagnosis plan of the vacuum pump performance to a vacuum pump that has reached an abnormal operating condition, that is, a condition that responds slowly to the intended vacuum level of the reaction chamber, it is developed for precise analysis for maintaining the forecast of the vacuum pump. The feasibility and effectiveness of the on-site diagnostic plan of the vacuum pump performance is investigated. Operating characteristic values and pump performance indicators derived from abnormal operating conditions are detailed in the Optimum Mode section. The comparison of the current diagnostic analysis results with the original (or standard) data set seems to enable the maintenance engineer to determine whether to replace the target vacuum pump based on the obtained pump performance indicators. In more detail, the obtained pumping speed indicator value of the current vacuum pump is reported to decrease by 31%. These quantitative diagnostic analysis results not only allow the maintenance engineer to determine the appropriate replacement time for the vacuum pump based on the current performance results of the vacuum pump, but also improve the stability and reliability of low vacuum pump forecast maintenance. Let's do it.

본 발명에서는 표준 상태 변수로서 측정된 입구 압력 신호가 제안된 펌프 성능 지표를 구하는데 있어서 중심적인 역할을 수행한다는 것은 주목되어야 한다. 이는 펌핑 속도 지표의 추정을 가능하게 할 뿐만 아니라, 배기압력 및 부스터와 건식펌프로 공급되는 전류에 관계되는 다른 세 가지 성능 지표에 의해 정의되는 가스 출력 의존적 작동 특성들의 양적 분석으로 이어지는 것으로 나타난다. 더욱이, 입구 압력 신호는 또한 현재 펌프 작동 상태를 가스 출력 상태 또는 유휴 상태로 분류하는 표준 상태 변수로서 활용된다. 상기 두 개의 상태는 작동 특성 값, 즉 진공펌프의 유휴 작동 조건 하에서 추정된 값과 가스 출력 작동 조건 하에서 추정된 값을 분리시킨다. 이는 두 개의 작동 조건 하에서의 상태 변수들의 측정된 신호들이 매우 다른 통계적 특성을 가지며, 유휴 조건과 가스 출력 작동 조건을 위해 분리된 트렌드 관측 및 진단 분석이 진공펌프의 고장을 일찍 감지하기 위한 성능 개선의 실현화를 위해 선택되었기 때문이다. 본 발명은 또한 각각의 측정된 상태 변수로 부터 구해진 일련의 작동 특성 값들을 다중 변수 통계 분석, 성능 분석 및 마하라노비스 거리(Mahalanobis distance) 분석에 적합한 매트릭스 타입의 데이터로 설계하는 합리적 방안을 제안한다. 모델 파라미터 구조의 데이터 매트릭스를 그러한 고전적 분석 알고리즘(다중 변수 통계 분석, 공정 성능 분석 및 마하라노비스 거리 분석)으로 이식시키는 것은 물론 본 발명에 의해 제공된 주요한 성과 중 하나이다. 제안된 능동 진단 알고리즘은 펌프를 고장으로부터 보호하기 위해 성능이 저하된 진공펌프의 이른 감지를 실현화하기 위함 뿐만 아니라, 예보적 유지를 제공하기 위해 개발되었다.It should be noted that in the present invention, the inlet pressure signal measured as a standard state variable plays a central role in obtaining the proposed pump performance indicators. This not only enables the estimation of pumping speed indicators, but also appears to lead to quantitative analysis of gas output dependent operating characteristics defined by three other performance indicators related to the exhaust pressure and the current supplied to the booster and dry pump. Moreover, the inlet pressure signal is also utilized as a standard state variable that classifies the current pump operating state as a gas output state or idle state. The two states separate operating characteristic values, i.e., values estimated under idle operating conditions of the vacuum pump and those estimated under gas output operating conditions. This means that the measured signals of the state variables under two operating conditions have very different statistical characteristics, and separate trend observation and diagnostic analysis for idle and gas output operating conditions realize the performance improvement for early detection of failure of the vacuum pump. For it was chosen. The present invention also proposes a rational way of designing a series of operating characteristic values derived from each measured state variable into matrix-type data suitable for multivariate statistical analysis, performance analysis, and Mahalanobis distance analysis. . Porting the data matrix of the model parameter structure into such classical analysis algorithms (multivariate statistical analysis, process performance analysis and Maharanobis distance analysis) is of course one of the major achievements provided by the present invention. The proposed active diagnostic algorithm was developed to provide predictive maintenance as well as to realize early detection of a degraded vacuum pump to protect the pump from failure.

최종적으로, 본 발명은 저 진공펌프의 예보 유지를 위한 정밀 진단 분석을 위해서 현실적 이행 시스템을 제안한다. 이생 시스템은 6가지 종류의 상태 변수 측정 센서, 상기 센서에 대응하는 신호 조절 증폭기, 16채널의 고속 데이터 수집 시스템 및 서버 클래스 PC 시스템을 포함하는 것으로 나타난다. 최적모드 절에서 나타나는 것처럼, 개발된 이행 시스템은 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 진단 분석에 성공적인 것이여서, 휴대성이 있으며 실재 공정 장소에서 이동이 용이한 이행 시스템의 콤팩트 버전이 지원될 수 있다.Finally, the present invention proposes a realistic implementation system for precise diagnostic analysis for predictive maintenance of low vacuum pumps. This system appears to include six types of state variable measurement sensors, signal conditioning amplifiers corresponding to the sensors, 16 channels of high speed data acquisition systems and server class PC systems. As shown in the Optimal Mode section, the developed transition system is successful in precise diagnostic analysis for forecasting low vacuum pumps, so a compact version of the transition system that is portable and mobile at the actual process site can be supported. .

도 1은 본 발명에 따른 저 진공펌프의 성능 테스트 벤치의 개요 도면을 나타낸 것이다.1 shows a schematic diagram of a performance test bench of a low vacuum pump according to the present invention.

도 2는 저 진공펌프의 펌핑 속도를 위한 통계적 특성을 나타낸 것이다.Figure 2 shows the statistical characteristics for the pumping speed of the low vacuum pump.

도 3A 및 3B는 공간적으로 평균된 저 진공펌프의 소음 레벨 특성과 기계적 진동 레벨 특성을 각각 나타낸 것이다.3A and 3B show the noise level characteristics and the mechanical vibration level characteristics of the spatially averaged low vacuum pump, respectively.

도 4A 및 4B는 부스터 펌프와 건식 펌프의 전력 소모 특성을 각각 나타낸 것이다.4A and 4B show power consumption characteristics of the booster pump and the dry pump, respectively.

도 5A 내지 5D는 부스터 및 건식 펌프의 측정된 상태 변수 신호, 흡입압력과 배기압력 및 공급 전류를 각각 나타낸 것이다.5A-5D show measured state variable signals, suction pressure and exhaust pressure, and supply current, respectively, for boosters and dry pumps.

도 6A 내지 6D는 부스터 및 건식 펌프의 입구 압력 및 배기압력과 전류 신호의 분류된 최대값, 최소값(얇은 실선)과 적합한 모델에 기반한 추정 결과(굵은 실선)의 비교를 각각 나타낸 것이다.6A-6D show a comparison of the classified maximum, minimum (thin solid line) of the inlet and exhaust pressures of the booster and dry pump and current signals and the estimated results (solid solid line) based on a suitable model, respectively.

도 7A 내지 7D는 진동 가속도 및 소음 신호의 실효치 값(rms) 및 이들의 상측 및 하측 점근 경계 곡선(굵은 실선)을 각각 나타낸 것이다.7A to 7D show the rms values of the vibration acceleration and the noise signal and their upper and lower asymptotic boundary curves (thick solid lines), respectively.

도 8A 및 8B는 첫 번째의 가스 출력 작동 영역과 두 번째의 유휴 영역 사이에 존재하는 첫 번째와 두 번째의 부 진행 영역의 흡입압력 신호를 나타낸다.(굵은 실선은 지수 감소 함수의 적합한 모델을 나타낸다.)8A and 8B show the suction pressure signals of the first and second sub-progression zones existing between the first gas output operating region and the second idle region. (Bold solid lines represent a suitable model of the exponential decay function.) .)

도 9A 내지 9F는 비정상적 작동 조건 하에서의 진공펌프로부터 측정된 상태 변수 신호를 나타낸 것이다.9A-9F show state variable signals measured from vacuum pumps under abnormal operating conditions.

도 10은 도 9A에 나타난 가스 출력 작동 영역과 유휴 영역(idle region) 사이의 부 진행 영역의 흡입압력을 나타낸 것이다.FIG. 10 shows the suction pressure in the sub-progression region between the gas output operating region and the idle region shown in FIG. 9A.

도 11은 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 진단 분석의 이행 시스템에 의해 측정된 상태 변수의 개요적 레이아웃을 나타낸 것이다.11 shows a schematic layout of the state variables measured by a system of implementation of a precision diagnostic analysis for the maintenance of low vacuum pumps.

도 12는 반도체 제작 장소에 설치된 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 진단 분석의 이행 시스템을 나타낸 것이다.Fig. 12 shows a system for performing a precise diagnostic analysis for forecast maintenance of a low vacuum pump installed at a semiconductor fabrication site.

발명의 이행을 위한 가장 적절한 모드The most appropriate mode for the implementation of the invention

저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 방식Precise method for maintaining forecast of low vacuum pump

저 진공펌프에 의해 경고 또는 경보 신호가 발생하였을 때마다 대부분의 보수 엔지니어들이 저 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시기를 판단하는데 있어 큰 어려움을 갖는 것이 반도체 제작 발전소에서 매우 자주 목격된다. 이는 일찍이 감지된 경보 또는 경고 신호가 항상 경보 또는 경고 신호를 발생시킨 펌프의 교체 만기 시기를 가리키는 것은 아니기 때문이다. 펌프의 상세한 성능 결과에 관한 기술적 정보 없이는 어느 보수 엔지니어도 신호를 발생시킨 펌프를 새것으로 교체할 수 없다. 그러나, 종래의 관측 또는 진단 시스템은 경보 또는 경고 레벨 조건에서 작동하는 진공펌프의 성능 지표를 구하는 시스템적 방안을 제시하지 않았다. 이전 절에서 제시된 것처럼 펌프 성능 테스트의 수정된 버전이 저 진공펌프의 성능 테스트를 위한 국제적 기준의 모든 요소를 충분히 만족시키지 않음에도 불구하고, 수정된 테스트 버전이 심지어 펌프가 설치된 장소에서도 금지되지 않는다는 것은 명백했다. 본 발명은 반도체 제작소에 설치된 진공펌프의 성능 지표를 구하기 위한 현장 수단을 제안한다.Whenever a warning or alarm signal is generated by a low vacuum pump, it is very often seen in semiconductor manufacturing plants that most maintenance engineers have a great difficulty in determining the appropriate time to replace a low vacuum pump. This is because the early warning or warning signal does not always indicate when the replacement of the pump that caused the warning or warning signal has expired. Without technical information on the pump's detailed performance results, no maintenance engineer can replace the pump that generated the signal with a new one. However, conventional observation or diagnostic systems do not provide a systematic approach to obtaining performance indicators of vacuum pumps operating at alarm or warning level conditions. Although the modified version of the pump performance test, as presented in the previous section, does not fully meet all the elements of the international standard for the performance testing of low vacuum pumps, it is not forbidden even where the pump is installed. It was obvious. The present invention proposes an on-site means for obtaining a performance index of a vacuum pump installed in a semiconductor factory.

본 발명은 정상(또는 초기) 작동 조건을, 제작소 설치 후의 워밍업 단계를 끝마친 새로운 또는 재조정된 진공펌프의 작동 상태로 간주한다. 초기 조건에서 얻 어진 성능 지표가 보수 엔지니어로 하여금 초기 상태로부터 작동 조건이 얼마나 다른지를 판단하는 것을, 예를 들면 경보 또는 경고 신호가 관측된 순간과 같은 때에, 가능하게 하므로 상기 지표가 매우 유용하다는 것은 명백하다. 새로운 또는 재조정된 펌프가 정상 작동을 위한 준비가 되었을 때, 본 발명은 실재 공정에서 예상되는 반응챔버의 최대 압력의 25%, 50%, 75%, 100% 레벨과 같은 개별 가스 출력 조건을 위한 펌프 성능 테스트를 수행하기를 제안한다. 공정 조건으로부터 세분화된 챔버 압력 레벨이 가능할 때, 그러한 압력 또한 가스 출력 의존적 성능 테스트의 가스 출력 조건을 위해 선택된다. 초기 작동조건을 위한 상태 변수의 특성 또한 대상 펌프의 트렌드 관측 및 진단분석에 활용되므로, 공정 조건에 대해 동일한 가스 출력 테스트는 가장 적절한 선택인 것으로 예상된다. 질소 가스는 저 진공펌프의 공칭 테스트(nominal test)에 이용될 수 있으므로, 재 공정 가스 대신 질소 가스를 이용하는 것 또한 추천된다. 초기 가스 출력 성능 테스트 또한 새로이 설치된 진공펌프의 가스 출력 의존적 성능을 구하기 위할 뿐만 아니라 초기 상태 변수의 동적 특성을 얻기 위해서도 이용된다는 것을 주목해야 한다. 본 발명은 또한, 예를 들면 경보 또는 경고 신호가 관측된 순간과 같은 때에, 초기 상태로부터 작동 조건이 얼마나 다른지 판단하기 위해 가스 출력 작동 조건으로부터 측정된 초기 상태 변수의 특성을 이용한다. 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 분석을 실현화 하기 위해, 상태변수의 동적 특성 및 구해진 성능 지표는 모두 본 발명에서 고려된다.The present invention considers the normal (or initial) operating conditions to be the operating state of the new or reconditioned vacuum pump which has completed the warm up phase after factory installation. This indicator is very useful because the performance indicators obtained from the initial conditions enable the maintenance engineer to determine how different the operating conditions are from the initial state, eg at the moment when an alarm or warning signal is observed. It is obvious. When a new or reconditioned pump is ready for normal operation, the present invention provides a pump for individual gas output conditions such as 25%, 50%, 75%, 100% levels of the maximum pressure of the reaction chamber expected in the actual process. It is suggested to perform a performance test. When chamber pressure levels subdivided from process conditions are possible, such pressures are also selected for the gas output conditions of the gas output dependent performance test. The characteristics of the state variables for the initial operating conditions are also utilized for trend observation and diagnostic analysis of the target pump, so the same gas output test for the process conditions is expected to be the most appropriate choice. Since nitrogen gas can be used for the nominal test of low vacuum pumps, it is also recommended to use nitrogen gas instead of reprocessing gas. Note that the initial gas output performance test is also used to obtain the gas output dependent performance of the newly installed vacuum pump as well as to obtain the dynamic characteristics of the initial state variables. The invention also uses the characteristics of the initial state variable measured from the gas output operating conditions to determine how different the operating conditions are from the initial state, such as at the moment when an alarm or warning signal is observed. In order to realize the precise diagnostic analysis for the maintenance of the low vacuum pump, both the dynamic characteristics of the state variable and the obtained performance index are considered in the present invention.

측정된 상태 변수에 내재된 동적 특성을 정확히 설명하기 위해, 디지털 신호 공정 처리 및 조정 이론[Ref. 16: B.Windrow and S.D. Steams, Adaptive Signal Processing, Prantice-Hall, Englewood Cliffs: NJ, 1985; Ref.17: P.A. Nelson and S.J.Elliott, Active Control of Sound, Academic Press, London, England, 1992]에서 잘 알려진, 파라미터 모델에 기반한 능동 알고리즘이 선택된다. 능동 알고리즘은 역학적으로 다양한 상태 변수에 매우 적합한 모델 파라미터의 추정을 가능하게 한다. 추정된 모델 파라미터는 진공펌프의 운전 조건을 진단하기 위해 활용되며, 이는 즉 운전 조건이 초기 조건으로부터 얼마나 다른지를 양적으로 판단하기 위한 것이다. 상기의 이론적 접근은 본 발명에서 "능동 진단" 알고리즘으로 언급된다. 능동 진단 알고리즘은 동일한 발명가들의 이름으로 계류중인(pending) 국제 특허의 주요 내용이며, 이 또한 본 발명에서 개발된 것이다. 능동 알고리즘이 다중 공정 조건과 같은 개별 펌프 작동 조건에 맞추어진 모델 파라미터의 집합을 제공한다는 것은 주목해야할 사항이다. 물론, 능동 알고리즘은 여전히 다양한 펌프를 위한 모델 파라미터의 추정을 가능하게 한다. 이러한 펌프 의존적 파라미터의 집합은 동일 모델 진공 펌프 그룹의 작동 변화성을 조사하는 데 있어 극단적으로 유용하다. 이것이 파라미터 모델에 기반한 능동 알고리즘을 진공펌프의 진단에 활용하는 이유이다.In order to accurately describe the dynamic characteristics inherent in the measured state variables, digital signal processing and adjustment theory [Ref. 16: B.Windrow and S.D. Steams, Adaptive Signal Processing, Prantice-Hall, Englewood Cliffs: NJ, 1985; Ref. 17: P.A. Nelson and S.J.Elliott, Active Control of Sound, Academic Press, London, England, 1992] select an active algorithm based on a parametric model. Active algorithms enable dynamic estimation of model parameters that are well suited to various state variables. The estimated model parameters are utilized to diagnose the operating conditions of the vacuum pump, ie to quantitatively determine how different the operating conditions are from the initial conditions. The above theoretical approach is referred to herein as an "active diagnostic" algorithm. Active diagnostic algorithms are the subject matter of international patents pending in the name of the same inventors, which are also developed in the present invention. It is important to note that the active algorithm provides a set of model parameters tailored to individual pump operating conditions, such as multiple process conditions. Of course, active algorithms still enable estimation of model parameters for various pumps. This set of pump dependent parameters is extremely useful for investigating the operational variations of the same model vacuum pump group. This is why an active algorithm based on a parametric model is used to diagnose vacuum pumps.

1.진단 상태 변수의 파라미터 모델을 위한 능동 알고리즘1. Active Algorithm for Parameter Model of Diagnostic State Variables

본 발명에 따른 상태 변수는 대상 진공펌프의 작동 조건을 양적으로 조사하기 위해 선택된, 주기적으로 표본화된(sampled) 물리적 속성들 중 하나로 정의된다. 펌프 작동에 관련하여 흡입압력 및 배기압력, 부스터 및 건식 펌프에의 모터 공급 전류, 기계적 진동 신호, 음압 신호, 정화 가스 압력과 가스의 유량비율, 몸 체 온도, 냉각수 온도, 윤활유 압력, 건식 펌프의 레벨 등과 같은 다양한 상태 변수가 있다. 진공펌프의 예보유지를 위한 첫 번째 단계는 개별 가스 출력 조건을 위한 상기의 상태 변수들의 역학적 특성을 대표하는 초기 데이터 집합을 수집하는 것이다. 이들을 수집하기 위해서, 정상 작동에 준비가 되어 있는 새로이 설치된 진공펌프가 선택되었다. 진공펌프를 위해 요구되는 공정 가스 출력 레벨은 각각 10mbar 및 14mbar 두 개의 흡입압력에 대응되는 것으로 알려졌다. 다른 두개의 가스 출력 조건으로부터 얻어진 성능 테스트 결과는 이 절에 도시된다.The state variable according to the invention is defined as one of the periodically sampled physical properties chosen for quantitatively examining the operating conditions of the target vacuum pump. In relation to pump operation, the suction and exhaust pressures, the motor supply current to boosters and dry pumps, mechanical vibration signals, negative pressure signals, purge gas pressure and gas flow rate, body temperature, coolant temperature, lubricant pressure, dry pump There are various state variables such as level. The first step in maintaining the forecast of the vacuum pump is to collect an initial data set representing the mechanical properties of the above state variables for the individual gas output conditions. To collect them, a newly installed vacuum pump was selected that was ready for normal operation. The process gas output level required for the vacuum pump is known to correspond to two suction pressures of 10 mbar and 14 mbar, respectively. Performance test results obtained from the other two gas output conditions are shown in this section.

도 5(a) 내지 5(d)는 측정된 상태 변수 신호를 도시하며, 각각 5(a)는 흡입압력, 5(b)는 배기압력, 5(c)는 부스터 펌프에의 공급전류, 5(d)는 건식펌프에의 공급전류를 나타내는 것으로, 이들은 초당 10 단어의 속도로 표본화되었다. 도 5(a)에 도시된 것처럼, 두 개의 다른 흡입압력 레벨은 의도된 레벨과 잘 매치된다. 두 개의 고 증폭된 레벨 영역은 펌핑 상태에 대응된다. 입구의 기본 압력 레벨은, 어떠한 펌핑 가스도 공정 챔버로부터 외부적으로 최소한도로 공급되는 진공펌프의 유휴 작동 상태에 대응된다. 배기압력 및 부스터 펌프와 건식 펌프에 공급되는 전류가 가스출력 조건과 같은 흡입압력 레벨에 의존한다는 것은 도 5(b) 내지 5(d)로부터 명백히 나타난다. 이러한 값들은 가스 출력 의존적 상태 변수들의 좋은 예이다. 여기서 기초적 질문은 가스 출력 의존적 상태 변수로부터 관측된 역학적 특성을 어떻게 설명하느냐 이다. 도 5에 도시된 역학적 특성의 관찰은 본 발명에서 파라미터 모델의 선택으로 이어진다. 변동하는 진폭 신호의 범위를 설명하기 위해, 본 발명에서는 상부와 하부의 점근선이 고려된다. 상기 진폭 범위를 모델링하는 방 식은, 종전의 발명[18]에 증명된 것처럼 진공펌프의 트렌드(trend) 관측과 진단 분석에 매우 효율적인 것으로 이미 증명되었다. 본 발명의 주요 내용을 명백히 하기 위해, 진폭 범위 모델링 방식의 이행 개요가 본 절에서 바뀌어 언급되었다.5 (a) to 5 (d) show the measured state variable signals, where 5 (a) is the suction pressure, 5 (b) is the exhaust pressure, and 5 (c) is the supply current to the booster pump, 5 (d) shows the supply current to the dry pump, which was sampled at 10 words per second. As shown in Fig. 5 (a), two different suction pressure levels match well with the intended levels. The two high amplified level regions correspond to the pumping state. The base pressure level of the inlet corresponds to the idle operating state of the vacuum pump, in which any pumping gas is supplied to the external minimum to the process chamber. It is evident from Figs. 5 (b) to 5 (d) that the exhaust pressure and the current supplied to the booster pump and the dry pump depend on the suction pressure level such as the gas output condition. These values are good examples of gas output dependent state variables. The basic question here is how to explain the observed mechanical properties from gas output dependent state variables. Observation of the mechanical properties shown in FIG. 5 leads to the selection of a parametric model in the present invention. In order to explain the range of the variable amplitude signal, the upper and lower asymptotes are considered in the present invention. The method of modeling the amplitude range has already proved to be very efficient for trend observation and diagnostic analysis of vacuum pumps, as demonstrated in the previous invention [18]. To clarify the subject matter of the present invention, an overview of the implementation of the amplitude range modeling approach has been changed in this section.

ym이 m 번째 표본화된 흡입압력 신호를 의미하고, 하 첨자 m은 시간 인덱스를 의미하는 것으로 둔다. 본 발명에서는 샘플링 속도를 10Hz(초당 10샘플)로 선택하였다. 도 5에 나타난 것처럼, 각 측정된 상태 변수의 표본화 된 시계열 값들{ym: m=1,2,..}은 사용자가 선택한 주기상에서, 즉 20초마다, 최대값 및 최소값을 선별하기 위해 사용되며, 상기 사용자가 선택한 주기는, 천천히 변동하는 신호, 즉 도 5(d)에 나타난 건식 펌프(dry pump, 이하 DP라 하겠음) 공급 전류의 주기보다 긴 것으로 선택될 수 있다.Let ym denote the m-th sampled suction pressure signal and the subscript m denote the time index. In the present invention, the sampling rate was selected to 10 Hz (10 samples per second). As shown in FIG. 5, sampled time series values {ym: m = 1,2, ..} of each measured state variable are used to select the maximum and minimum values on a user-selected period, ie every 20 seconds. The period selected by the user may be selected to be longer than a period of a slowly varying signal, that is, a period of a dry pump (DP) supply current shown in FIG. 5 (d).

FFT(고속 퓨리에 변환) 분석을 사용에 의해, 도 5(d)에 도시된 변동하는 DP 공급 전류 신호의 지배적 주기는 20초에 근접하는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 최대값 및 최소값을 각각 분류는 각 20초간 기록된 신호상에서 수행되었다. 20초간 기록된 신호의 후반부(50%)는 매 10초간 얻어진 최대값 및 최소값의 각 집합의 분류와 중복되었다. 본 발명에서는, 분류된 최대값 및 최소값으로부터 평균값이 얼마나 차이가 나는지를 조사하기 위해, 20초간 기록된 신호의 평균값이 추가적으로 구해진다. 게다가, 매번의 유휴 상태 및 가스 출력 상태 동안의 피크 값(peak value) 또한 조사된다. 상기 반복되는 유휴 조건 및 가스 출력 조건에 대응되는 피크 값은 각 유휴 조건 및 가스 출력 조건에 있어서 각 상태 변수의 예상되지 않은 변화가 얼마나 많이 일어나는지 조사하기 위해 활용된다.By using FFT (Fast Fourier Transform) analysis, the dominant period of the varying DP supply current signal shown in FIG. 5 (d) was found to be close to 20 seconds. As a result, classification of the maximum and minimum values respectively was performed on the recorded signal for each 20 seconds. The second half (50%) of the signal recorded for 20 seconds overlapped the classification of each set of maximum and minimum values obtained for every 10 seconds. In the present invention, in order to examine how the average value differs from the classified maximum and minimum values, the average value of the signal recorded for 20 seconds is additionally obtained. In addition, the peak values during each idle state and gas output state are also investigated. The peak values corresponding to the repeated idle and gas output conditions are utilized to investigate how many unexpected changes in each state variable occur in each idle condition and gas output condition.

도 6(a) 내지 6(d)는, 6(a)는 흡입압력 신호에 있어서, 6(b)는 배기압력 신호에 있어서, 6(c)는 부스터 펌프에의 공급 전류 신호에 있어서, 6(d)는 건식 펌프에의 공급전류 신호에 있어서, 각 변수를 위해 분류된 최대값 및 최소값(얇은 실선)과 적합한 모델에 기반한 추정결과(굵은 실선)의 비교를 도시하였다. 얇은 실선 상의 원 표시는 유휴 조건과 가스 출력 작동 조건에서의 피크 값(peak value)를 가리킨다.6 (a) to 6 (d), 6 (a) is an intake pressure signal, 6 (b) is an exhaust pressure signal, and 6 (c) is a supply current signal to the booster pump. (d) shows the comparison of the maximum and minimum values (thin solid line) categorized for each variable in the supply current signal to the dry pump and the estimation results based on the appropriate model (bold solid line). The solid circle on the thin line indicates the peak value at idle and gas output operating conditions.

분류된 최대값 및 최소값은 도 6(a) 내지 6(d)에 나타났다. 흡입압력 신호의 최대값 및 최소값을, 첫 번째 가스 출력 작동 구간에서 연속적으로 표본화 된 신호들의 각 집합으로부터 얻어진 {yU,n,yL,n:n=1,2,...}으로 둔다. 본 발명은 아래와 같이 주어진, 상측 및 하측 점근선을 설명하기 위한 선형 모델을 제안한다.The classified maximum and minimum values are shown in Figures 6 (a) to 6 (d). The maximum and minimum values of the suction pressure signal are taken as {yU, n, yL, n: n = 1,2, ...} from each set of consecutively sampled signals in the first gas output operating interval. The present invention proposes a linear model for explaining the upper and lower asymptotes given below.

Figure 112007051943856-pct00001
Figure 112007051943856-pct00001

수학식 1에서, 하첨자 k는 상측 또는 하측 점근선 모델, 즉 상측 모델에 대해 k=U, 하측 모델에 대해 k=L을 나타낸다. 수학식 1에서, {ak,bk:k=U or L} 모델 파라미터의 두 개의 집합은 최소 자승법(least squres method)를 이용함으로써, 손쉽게 구해진다. 첫 번째 가스 출력 상태에서 분류된 최대값 및 최소값의 시계열 값을 {yk ,n=1,2,...N}으로 둔다. 최적화된 모델 파라미터는 다음과 같이 구해진다.In Equation 1, the subscript k represents an upper or lower asymptote model, i.e. k = U for the upper model and k = L for the lower model. In Equation 1, two sets of {a k , b k : k = U or L} model parameters are easily obtained by using the least squares method. In the first gas output state let the time series values of the classified maximum and minimum values be {y k , n = 1,2, ... N}. The optimized model parameters are found as follows.

Figure 112007051943856-pct00002
Figure 112007051943856-pct00002

수학식 2의 첫 번째 파라미터 {ak:k=U or L}은 증가 또는 감소 비율을 가리키는 흡입압력 신호식의 기울기이다. 두 번째 파라미터 {bk:k=U or L}는 각 초기 흡입압력 레벨(즉 n=0에서의 값)을 가리킨다. 도 6의 굵은 실선은 상측 및 하측 점근선을 위한 적합한 모델로부터 구해진 값들을 도시한다. 추정된 상측 및 하측 점근선은 측정된 진폭 신호의 상측 및 하측 경계에 적절하게 형성된 것으로 보여진다. 더욱이, 추정된 모델 파라미터는 첫 번째 가스 출력 작동 조건에서 흡입압력 얼마나 많은 변화가 존재하는지를 조사하는데 이용될 수 있다. 이는 흡입압력의 트렌드(trend)가 추정된 모델 파라미터에 의해 양적으로 특성화될 수 있음을 가리킨다. 적절한 모델 파라미터의 두 집합이 측정된 흡입압력 조건을 위한 트렌드 관측과 진단을 가능하게 하므로, 상기의 요점은 매우 가치있는 것이다. 제안된 접근법은 표본화된 시계열 데이터의 모든 집합을 이용하는 것이 아니기 때문에,적합한 모델 파라미터의 사용은 많은 메모리의 절약을 제공했다. 이는 적절한 모델 파라미터를 이용함으로써 소형 하드웨어에 기초한 이행 시스템이 실현 가능하다는 것을 의미한다. 각각의 상측 및 하측 점근선에서 평균값과 표준편차가 다음과 같은 식을 이용 함으로써 얻어질 수 있다는 것을 주목해야 한다.The first parameter {a k : k = U or L} in Equation 2 is the slope of the suction pressure signal indicating the increase or decrease rate. The second parameter {b k : k = U or L} indicates each initial suction pressure level (ie the value at n = 0). The thick solid line in FIG. 6 shows the values obtained from a suitable model for the upper and lower asymptotes. The estimated upper and lower asymptotes appear to be appropriately formed at the upper and lower boundaries of the measured amplitude signal. Moreover, the estimated model parameters can be used to investigate how much change in suction pressure is present at the first gas output operating condition. This indicates that the trend of suction pressure can be quantitatively characterized by the estimated model parameters. The above points are of great value, as two sets of appropriate model parameters enable trend observation and diagnosis for the measured suction pressure conditions. Since the proposed approach does not use all the set of sampled time series data, the use of appropriate model parameters provided a lot of memory savings. This means that implementation systems based on small hardware can be realized by using appropriate model parameters. It should be noted that the mean and standard deviation at each of the upper and lower asymptotes can be obtained by using the equation

Figure 112007051943856-pct00003
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기울기 값이 0인 경우(수학식 3에서 a=0), 두번째 파라미터는 평균값인 것으로 나타난다. 수학식 3에서 보여진 것처럼, 추정된 파라미터가 추정된 모델에 관한 통계적 특성치(평균값 및 표준 편차값)의 계산 만을 가능하게 하는 것은 아니다. 이는 측정된 상태 변수의 통계적 특성에 적합한 파라미터 모델을 사용하는 것의 유용성 및 효율성을 알려준다. 도 5(a)에 나타난 것처럼, 흡입압력의 크기가 균등한 것으로 보이나, 균등한 진폭 레벨 구역의 크기가 축소될 때 약간의 변동이 존재하는 것으로 보여진다. 도 6(a)에 나타난 것처럼, 추정된 모델 파라미터는 가스 출력 조건 하에서 흡입압력이 얼마나 잘 유지되는지를 조사하는 데 충분한 것으로 보여진다.If the slope value is zero (a = 0 in Equation 3), the second parameter appears to be an average value. As shown in Equation 3, the estimated parameters do not only enable the calculation of statistical characteristic values (average value and standard deviation value) for the estimated model. This indicates the usefulness and efficiency of using a parametric model that is suitable for the statistical properties of the measured state variables. As shown in Fig. 5 (a), the magnitude of the suction pressure appears to be uniform, but there appears to be some variation when the magnitude of the even amplitude level zone is reduced. As shown in Fig. 6 (a), the estimated model parameters appear to be sufficient to investigate how well the suction pressure is maintained under gas output conditions.

첫 번째 유휴 상태에서 표본화된 흡입압력 신호의 분류된 최대값 및 최소값의 시계열 값이 주어졌을 때, 상측 및 하측 모델 파라미터의 두 집합이 수학식 2를 이용해 구해진다. 각 점근선의 평균값 및 표준 편차 또한 수학식 3을 통해 구해진다. 추정된 파라미터 집합 또한 테스트된 펌프의 유입구에서 어느 정도의 진공 레 벨이 유지될 수 있는지를 판단하는 데 충분한 정보를 제공하는 것으로 보여진다. 유사하게, 다른 유휴 조건 및 가스 출력 조건에서 상측 및 하측 점근선의 모델 파라미터가 추정된다. 유휴 조건 및 가스 출력 조건에서 적합한 모델 파라미터와 상기 파라미터의 통계적 특성은 진공펌프의 예보유지를 위해 이용된다. 유휴 조건과 가스 출력 작동 조건에서의 결합된 파라미터 집합은, 얼마나 많은 가스 출력 조건이 진공펌프 상에 가해졌는지를 조사하는 것 뿐만 아니라, 유휴 상태에서 어느 정도의 진공 레벨이 유지되었는지를 판단하는데 있어서도 매우 유용하다. 진공펌프의 가스 출력 조건에 관한 지식은 비정상적 작동 조건 하에서 진공펌프의 적절한 교체 시기를 판단하는 데 있어 매우 중요한 역할을 하는 것으로 보여질 것이다. 본 발명은 반도체 제작 공정에 있어 세부적으로 이용되는 진공펌프의 예보유지를 위한 흡입압력 신호의 활용에 높은 강조를 둔다.Given the categorized maximum and minimum time series values of the sampled suction pressure signal in the first idle state, two sets of upper and lower model parameters are obtained using equation (2). The mean value and standard deviation of each asymptote are also obtained from Equation 3. The estimated set of parameters also appears to provide enough information to determine how much vacuum level can be maintained at the inlet of the tested pump. Similarly, model parameters of the upper and lower asymptotes are estimated at different idle conditions and gas output conditions. Suitable model parameters and the statistical properties of these parameters under idle conditions and gas output conditions are used for forecast maintenance of the vacuum pump. The combined set of parameters in the idle and gas output operating conditions not only examines how many gas output conditions have been applied on the vacuum pump, but also helps determine how much vacuum level is maintained in the idle state. useful. Knowledge of the gas output conditions of the vacuum pump will appear to play a very important role in determining when to replace the vacuum pump properly under abnormal operating conditions. The present invention places high emphasis on the use of suction pressure signals for forecast maintenance of vacuum pumps that are used in detail in semiconductor fabrication processes.

진공펌프로부터 관찰된 흡입압력 신호의 역학적 성질을 설명하기 위해 채택된, 파라미터 모델의 이론적 배경이 여태까지 언급되었다. 이러한 접근은 또한 도 5(b) 내지 5(d)에 도시된 배기압력 및 부스터 펌프와 건식 펌프의 공급 전류 신호와 같은 다른 상태 변수에도 적용될 수 있다.각 상태 변수 값의 최대값 및 최소값의 시계열 값은, 데이터 획득 시스템으로부터 공급된 연속적인 200개 샘플 매번의 블록(block)(이는 20초간 기록된 신호에 상응한다)으로부터 최대값 및 최소값을 분류함으로써 쉽게 구해질 수 있다. 도 6(b) 내지 6(d)는 각각 배기압력 신호 및 부스터 펌프와 건식 펌프에 공급되는 전류 신호에 대한, 분류된 최대값 및 최소값의 시계열 값(얇은 실선)과 적합한 모델에 기반한 추정 결과(굵은 실선)를 도시하고 있다. 유휴 조건과 가스 출력 작동 조건에서의 각 상태 변수의 분류된 시계열 값이 주어졌을 때, 상측 및 하측 경계에 대응되는 두 개의 파라미터 집합이 수학식 2를 이용함으로써 구해진다. 상측 및 하측 경계의 추정된 파라미터 집합은 또한, 반복된 유휴 조건 및 가스 출력 작동 조건 하에서 각 상태 변수의 얼마나 많은 변동이 유지되는지 조사하는데 이용될 수 있다.The theoretical background of the parametric model, adopted to explain the mechanical properties of the suction pressure signal observed from the vacuum pump, has been mentioned so far. This approach can also be applied to other state variables, such as the exhaust pressure and supply current signals of booster pumps and dry pumps shown in FIGS. 5 (b) to 5 (d). Time series of maximum and minimum values of each state variable value The value can be easily obtained by classifying the maximum and minimum values from a block of 200 consecutive samples each time supplied from the data acquisition system (which corresponds to a signal recorded for 20 seconds). 6 (b) to 6 (d) show the estimated results based on the time series values (thin solid line) of the classified maximum and minimum values and the appropriate models for the exhaust pressure signal and the current signals supplied to the booster pump and the dry pump, respectively. Thick solid line). Given the classified time series values of each state variable in the idle and gas output operating conditions, two sets of parameters corresponding to the upper and lower boundaries are obtained by using Equation 2. The estimated set of parameters at the upper and lower boundaries can also be used to investigate how much variation in each state variable is maintained under repeated idle conditions and gas output operating conditions.

도 5 및 도 6으로부터, 1000초간 수행된 펌프 성능 테스트가 4가지 단계, 즉 두 개의 개별 가스 출력 작동 조건 및 두 개의 유휴 조건으로 구성되어 있는 것으로 보여진다.5 and 6, it is shown that the pump performance test performed for 1000 seconds consists of four steps, two separate gas output operating conditions and two idle conditions.

표 1은 4개의 상태 변수들(흡입압력, 배기압력, 부스터 펌프와 건식 펌프에 공급되는 전류 신호)에서 구해진 작동 특성 값을 나타낸다. BP와 DP가 부스터 펌프와 건식펌프를 의미하며, aU 및 bu 상측 경계 점근선의 기울기 및 초기값을 의미하고, aL 및 bL는 하측 경계 점근선의 기울기 및 초기값을 의미하는 것에 주목한다.Table 1 shows the operating characteristic values obtained from the four state variables (suction pressure, exhaust pressure, current signals supplied to the booster pump and the dry pump). BP and DP mean booster pump and dry pump, where a U and b u are The slope and initial value of the upper boundary asymptote, a L And b L means the slope and initial value of the lower boundary asymptote.

Figure 112007051943856-pct00004
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각 상태 변수의 특성이 8개의 파라미터에 의해 설명되는 것은 표 1로부터 명백하다. 8개의 파라미터는 두 개의 시간 스탬프(stamp)(초기 및 마지막 시간), 상측 및 하측 점근선을 위한 4개의 모델 파라미터(기울기와 초기값의 한 쌍) 및 평균값과 피크 값이다. 각 파라미터는 언제 유휴 상태 또는 가스 출력 상태가 발생하는지와 유휴 상태 또는 가스 출력 상태에서 가스 흡입압력이 상측 및 하측 경계 사이에서 얼마나 변화되는지를 알려준다. 평균값은 정적인(stationary) 작동 하에서 각 상태 변수가 의도한 레벨을 유지하고 있는지를 점검하기 위해 이용된다. 피크 값은 각 유휴 조건과 가스 출력 조건에서 각 상태 변수가 얼마나 많은 예상 외의 변동을 갖는지를 조사하기 위해 이용된다. 유휴 상태와 가스 출력 상태 사이의 과도 상태는 시간 구간(즉 표 1의 3번째 줄을 말함)에서 세분화되어 파라미터 추정을 위해 이용되지 않는다. 6개의 작동 의존적 특성값은 각 유휴 상태와 가스 출력 작동 상태(즉 표 1의 1단계에서 4단계)에 있어 개별적으로 구해진다. 상기 특성 값은 초기 작동 조건으로부터 현재 상태 변수가 어느 정도의 차이를 가지는지 조사하는데 실재적으로 이용된다. 표 1에서의 성능 테스트 결과는 생산된 가스를 배출할 준비가 되어있는 새로이 설치된 진공펌프로부터 구해진 것이기 때문에, 이 결과값은 진공펌프의 진단을 위해 사용되는 '표준'(reference)값으로 여겨진다. 동일 가스 출력 조건하에서의 반복된 성능 테스트는 통계적으로 판단할 때 더욱 안정적인 테스트 결과의 추정을 가능하게 하므로, 진공펌프의 정상 성능 테스트 과정으로서, 동일한 가스 출력 조건하에서 반복되는 성능 테스트가 권장된다.It is evident from Table 1 that the characteristics of each state variable are explained by eight parameters. The eight parameters are two time stamps (initial and last time), four model parameters for the upper and lower asymptotes (a pair of slope and initial value), and mean and peak values. Each parameter tells when an idle or gas output condition occurs and how the gas suction pressure changes between the upper and lower boundaries in the idle or gas output state. The average value is used to check that each state variable maintains its intended level under stationary operation. Peak values are used to examine how much unexpected variation each state variable has in each idle condition and gas output condition. The transient between the idle and gas output states is broken down in the time intervals (ie, the third line of Table 1) and is not used for parameter estimation. The six operating dependent characteristic values are obtained separately for each idle state and gas output operating state (ie steps 1 to 4 in Table 1). The characteristic value is practically used to investigate how much difference the current state variable has from the initial operating conditions. Since the performance test results in Table 1 are from freshly installed vacuum pumps ready to discharge the gas produced, these results are considered the 'reference' values used for the diagnosis of the vacuum pump. Repeated performance tests under the same gas output conditions enable more stable estimates of test results when statistically judged, and as a normal performance test procedure for vacuum pumps, repeated performance tests under the same gas output conditions are recommended.

본 발명에서는 작동 특성값이 두 개의 개별 유휴 및 가스 출력 작동 영역을 위해 구해지는 것으로 나타난다. 도 5 및 도6에 도시된 것처럼, 4개의 상태 변수인 흡입압력, 배기압력 및 부스터 펌프와 건식펌프의 공급전류의 상측 및 하측 경계 레벨은 명백히 가스 출력 조건에 의존적이다. 그러한 기계적이고 전기적인 상태 변수들은 일반적으로 정적 특성의 부류로 여겨진다. 그러한 정적 상태 특성과 달리, 고주파 성분을 포함하는 기계적 진동과 소음 신호는 트렌드(trend)와 진단 분석을 위한 상태 변수로서 이용되어 왔다.It is shown in the present invention that the operating characteristic values are obtained for two separate idle and gas output operating regions. As shown in Figs. 5 and 6, the four state variables, suction pressure, exhaust pressure and the upper and lower boundary levels of the supply current of the booster pump and the dry pump, are clearly dependent on the gas output conditions. Such mechanical and electrical state variables are generally considered to be a class of static characteristics. Unlike such static state characteristics, mechanical vibration and noise signals containing high frequency components have been used as state variables for trend and diagnostic analysis.

도 7(a) 내지 7(d)는 진동 가속도와 소음 신호 및 그것들의 상측 및 하측 경계 곡선(굵은 실선)의 실효치(rms) 레벨을 도시하고 있으며, 원형 표시는 각 가스 출력 조건 또는 유휴 조건에서의 피크 값을 의미한다.7 (a) to 7 (d) show vibration acceleration and noise signals and rms levels of their upper and lower boundary curves (bold solid lines), and the circular display shows each gas output condition or idle condition. Means the peak value.

도 7(a)와 7(c)는 부스터 펌프의 진동 가속도 및 부스터 펌프와 건식 펌프 사이의 중간 위치 부근에서 측정된 소음의 실효치(rms) 값을 나타낸다. 진동 가속도의 주파수 대역폭은 10Hz에서 10kHz로 선택되었으며 소음 신호의 주파수 대역폭은 20Hz에서 20kHz로 선택되었다. 양 신호는 모두 40.96kHz(즉 초당 40,960 샘플)의 속도에서 디지털 방식으로 표본화되었다. 4096 샘플의 각 블록(block)(이는 100ms의 구간에 상응한다)은 도 7(a) 및 7(c)에 나타난 실효치(rms) 값을 계산하기 위해 이용되었다. 200개의 순차적인 샘플의 각 기록(이는 20초 기록에 상응한다)은 도 7b 및 7d에 나타난 진동 가속과 소음 레벨(얇은 실선)의 평균값, 최대값 및 최소값을 분류하기 위해 이용되었다. 상기 진동 가속도와 소음 레벨의 상측 및 하측 점근선과 평균값 및 피크값의 추정된 모델 파라미터가 표 2에 정렬되었다. 그러한 모델 파라미터는 4단계의 작동 조건(표 1에서 이전에 주어진 두 개의 가스 출력 작동 조건 및 두 개의 유휴 상태)으로부터 추정되었다. 도 7의 진동 가속도 및 소음 레벨은, 도 5 및 도 6에 나타난 흡입압력, 배기압력 및 부스터 펌프와 건식펌프의 공급전류의 레벨과는 달리 눈에 띌 만한 가스 출력 의존적 특성을 나타내지는 않는 것으로 보여진다. 진동 가속도와 소음 레벨의 하측 점근선 경계는 가스 출력 조건에 거의 무관한 것으로 보이나, 상측 점근선 경계는 점차적으로 증가율 또는 감소율(즉 양수 또는 음수 부호의 기울기)을 보이는 것으로 나타난다. 크게 변동하는 신호 요소는 도 7에 나타난 것처럼 상측 경계 레벨로부터 관측된다. 도 7(b)와 7(d)에서 원형 기호가 표시된, 4개의 작동 단계에서 변동하는 요소의 피크 값은 또 다른 작동 특성 값으로 선택되었다. 표 2에 주어진 레벨값은 각 작동 단계동안 얼마나 과도한 진동 또는 소음 레벨이 발생하였는지를 판단하는 데 있어 유용하다.7 (a) and 7 (c) show the vibration acceleration of the booster pump and the rms value of noise measured near the intermediate position between the booster pump and the dry pump. The frequency bandwidth of the vibration acceleration was selected from 10 Hz to 10 kHz, and the frequency bandwidth of the noise signal was selected from 20 Hz to 20 kHz. Both signals were digitally sampled at a rate of 40.96 kHz (ie 40,960 samples per second). Each block of 4096 samples (which corresponds to an interval of 100 ms) was used to calculate rms values shown in FIGS. 7 (a) and 7 (c). Each record of 200 sequential samples (which corresponds to a 20 second record) was used to classify the mean, maximum and minimum values of the vibration acceleration and noise level (thin solid line) shown in FIGS. 7B and 7D. The estimated model parameters of the upper and lower asymptotes and mean and peak values of the vibration acceleration and noise level are arranged in Table 2. Such model parameters were estimated from four operating conditions (two gas output operating conditions and two idle states previously given in Table 1). The vibration acceleration and noise level of FIG. 7 do not appear to exhibit noticeable gas output dependent characteristics unlike the levels of suction pressure, exhaust pressure and supply currents of the booster pump and the dry pump shown in FIGS. 5 and 6. Lose. The lower asymptotic boundary of vibration acceleration and noise level appears almost independent of the gas output condition, but the upper asymptotic boundary appears to gradually increase or decrease (ie, the slope of the positive or negative sign). Significantly varying signal elements are observed from the upper boundary level as shown in FIG. 7. The peak values of the elements fluctuating in the four operating stages, indicated by the circular symbols in FIGS. 7 (b) and 7 (d), were chosen as further operating characteristic values. The level values given in Table 2 are useful for determining how excessive vibration or noise levels have occurred during each operating phase.

표 2는 진동 가속도 및 소음 레벨을 위해 구해진 작동 특성값을 나타낸다. aU와 bU는 상측 경계 곡선의 기울기와 초기값을 나타내며, aL와 bL는 하측 경계 곡선의 기울기와 초기값을 나타내는 것이다. Table 2 shows the operating characteristic values obtained for vibration acceleration and noise level. a U and bU represent the slope and initial value of the upper boundary curve, and a L and b L represent the slope and the initial value of the lower boundary curve.

Figure 112007051943856-pct00005
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본 발명에는, 정화 가스 압력과 가스 유량, 몸체 온도, 냉각수 온도, 윤활유 압력 및 저 진공펌프의 레벨과 같은 펌프 작동에 관계된 상태 변수들에 관한 특성 분석 결과가 제시되지 않았다. 기존의 트렌드 관측 및 진단 분석에서 잘 알려진 상기 상태 변수의 작업 특성은 통계적으로 너무 정적이기에, 그들의 비정상적 조건은 이차적 통계 분석(즉 평균과 표준편차 분석)을 이용함으로써 쉽게 감지될 수 있다. 이는 본 발명이 상기 상태변수의 분석 결과를 보이지 않은 이유이다. 게다가, 상기의 상태 변수에 의해 야기된 어떠한 결함 있는 작동 조건도, 많은 경우의 성능이 저하되거나 고장난 진공펌프로부터 관찰되지 않았다. 본 발명에서 상기 상태 변수의 작업 특성 값들이 진공펌프의 예보유지를 위해 필요하지 않다는 것을 의미하지는 않는다. 실재로, 표 1 및 표 2에 나타난 것처럼, 상기 특성값을 구하는 것이 본 발명에서 제안된 정밀 진단 분석을 위해 이루어진다.In the present invention, the results of the characterization of the state variables related to the pump operation such as the purge gas pressure and the gas flow rate, the body temperature, the coolant temperature, the lubricating oil pressure and the level of the low vacuum pump are not presented. Since the working characteristics of the state variables, which are well known in conventional trend observation and diagnostic analysis, are statistically too static, their abnormal conditions can be easily detected by using secondary statistical analysis (ie mean and standard deviation analysis). This is why the present invention does not show the analysis result of the state variable. In addition, no defective operating conditions caused by the above state variables have been observed in many cases with degraded or failed vacuum pumps. This does not mean that the operating characteristic values of the state variable are not necessary for the maintenance of the forecast of the vacuum pump. Indeed, as shown in Tables 1 and 2, obtaining the characteristic values is made for the precision diagnostic analysis proposed in the present invention.

각 상태 변수를 위해 구해진 작업 특성 값이 예보유지를 위한 정밀 진단을 이행하기 위해 이용되는 데이터의 크기를 극단적으로 줄일 수 있다는 것은 매우 흥미있는 사항이다. 전자 진단 가이드라인[Ref.18: Harvey Wohlwend, e-Diagnostics Guidebook, International SEMATECH, Version 1.5, October, 2002]의 현재 버전은 각 상태 변수를 위한 최소한의 샘플링 속도가 10Hz(초당 10샘플)이거나 또는 그보다 높을 것을 권장한다. 본 발명에서 샘플링 속도는 전자 진단 가이드라인에 따라 10Hz로 선택되었다. 이전에 언급된 것처럼, 1000초 동안 표본화 된 신호가 본 발명에서 채택되었다. 각 상태 변수를 위한 샘플의 전체 수는 10,000개에 상응하는 것으로 파악된다. 이와는 반대로, 각 정적 상태 변수를 위해 구해진 작업 특성 값과 이들의 시간 스탬프(stamp)는 오직 32개의 데이터인 것으로 파악되었다(6개 특성값의 4개 집합 및 초기와 마지막 시간 스탬프의 4개 집합). 이러한 분석 데이터 감소율은 극단적으로 높은 것이다. 이는 진공펌프의 예보유지를 위한 이행 시스템의 성능이 크게 향상되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 이는 각 이행 시스템으로 하여금 더 많은 진공펌프를 커버하는 것이 가능하게 한다.It is interesting to note that the work characteristic values obtained for each state variable can dramatically reduce the size of the data used to perform a precise diagnosis for forecast maintenance. The current version of the electronic diagnostic guidelines [Ref. 18: Harvey Wohlwend, e-Diagnostics Guidebook, International SEMATECH, Version 1.5, October, 2002] has a minimum sampling rate of 10 Hz (10 samples per second) or higher for each state variable. High is recommended. In the present invention, the sampling rate was selected at 10 Hz according to the electronic diagnostic guidelines. As mentioned previously, a signal sampled for 1000 seconds was adopted in the present invention. The total number of samples for each state variable is estimated to correspond to 10,000. In contrast, the task characteristic values and their time stamps obtained for each static state variable were found to be only 32 data sets (four sets of six characteristic values and four sets of initial and last time stamps). . This analysis data reduction rate is extremely high. This makes it possible to greatly improve the performance of the implementation system for maintaining the forecast of the vacuum pump. Moreover, this makes it possible for each transition system to cover more vacuum pumps.

2. 진공펌프의 성능 지표를 구하기 위한 현장 방식2. On-site method for obtaining performance indicators of vacuum pumps

개별 유휴 조건 및 가스 출력 작동 조건을 위해 작동 특성 값이 구해진다는 것을 보였다. 펌프 작동 조건을 분리하는 합리적 방안이 본 절에서 소개된다. 흡입압력이 본 발명에서 바로 측정되었으므로, 상기와 같은 분리를 위해 흡입압력을 이용하는 것은 자연스러운 것이다. 압력이 조절된 질소 가스가 반응 챔버에 공급되었을때, 도 5(a)에 나타난 것처럼 진공펌프의 흡입압력은 의도한 레벨을 유지한다. 이 상태는 흡입압력 레벨이 반도체 제작 공정에 의존적인 테스트 하에서 진공펌프의 가스 출력 조건으로 언급된다. 의도했던 시간 구간 후에, 반응 챔버의 배기 스로틀 밸브(throttle valve)는 갑자기 거의 닫히게 된다. 진공펌프의 펌핑 작업 때문에 흡입압력 레벨이 기본 레벨로 감소한다. 요구되는 기본 레벨 또한 제작 공정에 의존적이다. 이 테스트 과정은 펌핑 속도를 구하기 위한 펌프 다운 테스트 방식과 매우 유사하다. 만약 다중 가스출력 압력 레벨이 의도한 제작 공정을 위해 필요하다면, 상기 레벨에 대응되는 가스 출력 조건이 테스트 하에서 진공펌프에 모의적으로 실험될 수 있다. 도 5(a)에 도시된 것처럼, 두 개의 가스출력 조건이 제작공정을 위해 요구되는 실재 가스출력 조건을 모의 실험하는데 충분하므로, 두 개의 다른 가스출력 조건이 본 발명에서 고려된다. 본 부속절에서 제안된 가스출력 모의 테스트는 후에 증명될 펌핑 속도 지표를 현장에서 구하는 것을 가능하게 하므로, 이는 본 발명에 의해 공헌된 차별적 성과이다. 이러한 시도는 이전의 발명에서 보고되지 않았다[Ref.1 - Ref.4, Ref.6 - Ref.9].It has been shown that operating characteristic values are obtained for individual idle conditions and gas output operating conditions. Rational measures for separating pump operating conditions are introduced in this section. Since the suction pressure was measured directly in the present invention, it is natural to use the suction pressure for such separation. When the pressure-regulated nitrogen gas is supplied to the reaction chamber, the suction pressure of the vacuum pump maintains the intended level as shown in Fig. 5 (a). This condition is referred to as the gas output condition of the vacuum pump under tests where the suction pressure level depends on the semiconductor fabrication process. After the intended time interval, the exhaust throttle valve of the reaction chamber suddenly closes almost completely. Due to the pumping operation of the vacuum pump, the suction pressure level is reduced to the basic level. The required base level also depends on the manufacturing process. This test procedure is very similar to the pump down test method for obtaining the pumping speed. If multiple gas output pressure levels are needed for the intended fabrication process, the gas output conditions corresponding to these levels can be simulated on the vacuum pump under test. As shown in Fig. 5 (a), two different gas output conditions are contemplated in the present invention, since two gas output conditions are sufficient to simulate the actual gas output conditions required for the fabrication process. The gas output simulation test proposed in this subsection makes it possible to obtain on-site pumping speed indicators which will be proved later, and this is a differential achievement contributed by the present invention. This attempt was not reported in previous inventions [Ref.1-Ref.4, Ref.6-Ref.9].

두 가지 종류의 흡입압력 전이 영역, 즉 정 진행(positive-going) 영역 또는 부 진행(negative-going) 영역이 도 5(a)에서 관찰되었다. 새로이 설치된 진공펌프의 성능 테스트를 시작하여 반응챔버의 배기 밸브가 열린 때에 정 진행 전이(positive-going transition)가 발생하며, 가스출력 테스트 단계가 끝나고 난 후 배기 밸브가 거의 닫힐 때 부 진행 전이(negative-going transition)가 발생한다. 본 발명은 펌프 다운 테스트 방식에 유사한 부 진행 전이 영역에서 측정된 흡입압력을 이용한다.Two kinds of suction pressure transition zones, positive-going zones or negative-going zones, were observed in FIG. 5 (a). Starting a performance test of the newly installed vacuum pump, a positive-going transition occurs when the exhaust valve of the reaction chamber is opened, and a negative progression when the exhaust valve is almost closed after the gas output test phase is over. -going transition) occurs. The present invention utilizes the suction pressure measured in the secondary advancing transition region similar to the pump down test scheme.

도 8은 도 5(a)의 첫 번째 가스출력 작동 영역 및 두 번째 유휴 영역 사이에 존재하는 첫 번째(5(a))와 두 번째(5(b)) 부 전이 영역의 흡입압력 신호를 도시한다. 굵은 실선은 지수감소 함수(exponentially decaying function)의 적합한 모델을 가리키는 것을 주목한다.FIG. 8 shows the suction pressure signals of the first (5 (a)) and second (5 (b)) transition zones existing between the first gas output operating region and the second idle region of FIG. 5 (a). do. Note that the bold solid line points to a suitable model of exponentially decaying function.

본 발명의 개시에 있어, 도 8에 나타난 흡입압력 신호의 지소감소 특성이 설치된 진공펌프의 펌핑 속도와 직접적으로 관련성이 있다는 것은 명백해졌다. 진공이론[Ref.20:Nigel.S.Hariss,Modern Vacuum Practice,McGraw-Hill Book Company, Lendon:England,1989]에서 잘 알려진, 펌핑 속도와 펌프-다운 횟수의 기초적 관련성은 본 발명에서 활용되었다. 대수학 방정식은 다음과 같다In the disclosure of the present invention, it has been clarified that the localization characteristic of the suction pressure signal shown in FIG. 8 is directly related to the pumping speed of the installed vacuum pump. The basic relationship between pumping speed and pump-down times, well known in vacuum theory (Ref. 20: Nigel. S. Harris, Modern Vacuum Practice, McGraw-Hill Book Company, Lendon: England, 1989), was utilized in the present invention. The algebraic equation is

수학식 4에서, 기호 Q와 V는 각각 펌핑 속도[m3/h]와 체적[m3]을 의미한다. 기호 △T는 두번째 샘플링 주기를 의미한다(본 발명에서는 △T=100[ms]). 수학식 4에서 기호 알파는 그 값이 펌핑 속도에 직접적으로 연관된 지수감소 상수(expoential decaying constant)이다.In Equation 4, the symbols Q and V mean pumping speed [m 3 / h] and volume [m 3 ], respectively. The symbol ΔT means the second sampling period (ΔT = 100 [ms] in the present invention). The symbol alpha in Equation 4 is an exponential decaying constant whose value is directly related to the pumping speed.

수학식 4에서의 공식은 압력 범위의 초기 값 P0와 마지막 레벨 Pn 사이에서 펌핑 속도가 일정함을 가정한 것이다. 그 결과, 도 8에 나타난 반 수지 플롯(semi-log plots) 상의 선형 영역을 채택함으로써, 초기 및 최종의 흡입압력 레벨에 적절한 범위가 판단된다. 굵은 실선은 채택된 압력 영역에서의 지수감소 상수를 추정하기 위해 이용되는 초기 위치 및 최종 위치를 위한 선택된 영역을 가리킨다. 첫 번째 영역에서 초기 압력 레벨 및 최종 압력 레벨은 각각 연속적 가스 흐름이 멈추기 전에 관측된 흡입압력의 80%와 20%로 선택되었다. 초기 압력 위치 및 최종 압력 위치를 선택하는 가이드라인은 많은 야외 테스트로부터 지수감소 상수를 추정하는 데 있어 매우 안정되고 효율적인 것으로 증명되었다. 제작 공정 장소에서 작동하는 진공펌프의 예보유지를 위한 필요한 성능 테스트가 필요할 때마다, 추정된 지수감소 상수는 펌핑 속도 성능이 얼마나 감소했는지를 조사하기 위해 이용된다.The formula in Equation 4 is the initial value P 0 and the last level P n of the pressure range. It is assumed that the pumping speed is constant. As a result, by adopting the linear region on the semi-log plots shown in Fig. 8, a range suitable for the initial and final suction pressure levels is determined. The thick solid line indicates the selected area for the initial position and the final position used to estimate the exponential decay constant in the adopted pressure region. In the first zone, the initial and final pressure levels were chosen to be 80% and 20% of the observed suction pressure, respectively, before the continuous gas flow stopped. Guidelines for selecting initial and final pressure positions have proven to be very stable and efficient in estimating exponential decay constants from many field tests. Whenever necessary performance tests are required for forecasting a vacuum pump operating at the manufacturing process site, the estimated exponential decay constant is used to investigate how the pumping speed performance has decreased.

선택된 영역에 대응되는 최적화된 지수감소 상수를 추정하는 것은 매우 직접적이다. {Pn:n=1,...,N}을 선택된 영역에서 표본화된 흡입압력 신호라 하자. 흡입압력 신호의 로그값은 아래와 같이 얻어진다.It is very straightforward to estimate the optimized exponential decay constant corresponding to the selected area. Let {Pn: n = 1, ..., N} be the suction pressure signal sampled in the selected area. The logarithm of the suction pressure signal is obtained as follows.

Figure 112007051943856-pct00007
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최적화된 파라미터인 알파와 베타는 이전 절에서 개시되었으며 수학식 2에서 주어진, 최소 자승법을 이용함으로써 추정된다. 선택된 영역에 최적화된 지수감소 상수는 펌핑 속도 지표의 근사값을 구하기 위해 이용되며, 상기 근사값은 유닛 체적 당 펌핑 속도로서 정의되어,이는 아래와 같다.The optimized parameters alpha and beta are estimated by using the least-squares method described in Equation 2 and given in the previous section. The exponential decay constant optimized for the selected area is used to approximate the pumping speed indicator, which is defined as the pumping speed per unit volume, which is as follows.

Figure 112007051943856-pct00008
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비워진 체적 V[m3]는 펌프의 흡입구와 반응챔버의 배기구를 잇는 파이프라인에 의존적이다. 이 값은 상수여야 하기 때문에, 꼭 알려진 값일 필요는 없다. 이는 본 발명에서 펌핑 속도 지표를 이용하는 이유이다. 표 3은, 도 5(a)에 나타난 흡입압력의 3개의 연속 부 전이 영역을 위한, 추정된 지수감소 상수와 상기 상수에 대응되는 추정된 펌핑 속도 지표를 나타낸다. 기호 알파와 Ip는 각각 지수감소 상수와 펌핑 속도 지표를 나타냄을 주목한다.The empty volume V [m 3 ] depends on the pipeline connecting the inlet of the pump and the outlet of the reaction chamber. Since this value must be a constant, it does not have to be a known value. This is the reason for using the pumping speed indicator in the present invention. Table 3 shows the estimated exponential decay constants and the estimated pumping speed indicators corresponding to the constants for the three consecutive negative transition regions of suction pressure shown in FIG. 5 (a). Note that the symbols alpha and Ip represent exponential decay constants and pumping rate indicators, respectively.

Figure 112007051943856-pct00009
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측정된 흡입압력 신호를 이용함으로써, 펌핑 속도 지표를 구하기 위해 본 발명에서 제안된 현장(in-situ) 방식은, 펌핑 속도가 얼마나 감소되었는지 판단함으로써 대상 진공펌프가 교체되어야 하는지 여부를 펌프 보수 엔지니어가 결정하기 위한 적절한 정보를 제공하므로, 상기 현장 방식은 매우 중요하다. 펌핑 속도 지표를 추정하는 제안된 현장 방식은 심지어 최근 펌프 진단 기술[Ref.1- Ref.4, Ref.6-Ref.9]에서도 아직 소개되지 않은 매우 독특한 방식이다.By using the measured suction pressure signal, the in-situ method proposed in the present invention to obtain the pumping speed index can be determined by the pump maintenance engineer to determine whether the target vacuum pump should be replaced by determining how much the pumping speed has been reduced. The field approach is very important as it provides the appropriate information to make the decision. The proposed field method of estimating pumping speed indicators is a very unique method that has not yet been introduced in recent pump diagnostic techniques [Ref.1-Ref.4, Ref.6-Ref.9].

두 번째 성능 지표는 가스출력 상태 및 유휴 상태로부터 측정된 흡입압력의 평균값 차이와 배기압력의 평균값 차이 사이의 관계에 연관된 것이다. 표 1에 나타난 것처럼, 첫 번째 가스출력 상태(표 1의 1단계)와 첫 번째 유휴 상태(표 1의 2단계) 사이의 평균 흡입압력 차이 값은 9.44[mbar]인 것으로 보여진다. 두 번째 가스출력 상태(표 1의 3단계)와 두 번째 유휴 상태(표 1의 4단계) 사이의 또 다른 평균 흡입압력 차이 값은 13.4[mbar]인 것으로 보여진다. 유사한 방법으로, 각 값이 4.6[mbar], 7.1[mbar]인 두 개의 배기압력 차이 값 또한 두 개의 개별 가스출력 작동 조건 및 유휴 작동 조건에서 각각 얻어진다. 흡입압력 차이값 대 배기압력 차이 값의 비율은 0.49(=4.6[mbar]/9.4[mbar]), 0.53(=7.1/13.4[mbar])로 밝혀졌다. 위와 같이 구해진 비율은 본 발명에서, 유사한 가스출력 조건상으로 흡입압력과 배기압력 사이의 관계가 얼마나 변하지 않은 상태로 잘 유지되는지를 조사하기 위해 제안된다. 물론, 감소된 비율 값은 보통 펌프 성능의 저하를 가리킨다.The second performance indicator is related to the relationship between the difference between the mean value of the suction pressure and the mean value of the exhaust pressure, measured from the gas output and idle conditions. As shown in Table 1, the average inlet pressure differential value between the first gas output state (step 1 in Table 1) and the first idle state (step 2 in Table 1) is shown to be 9.44 [mbar]. Another mean suction pressure difference between the second gas output state (step 3 in Table 1) and the second idle state (step 4 in Table 1) is shown to be 13.4 [mbar]. In a similar manner, two exhaust pressure difference values, each with values of 4.6 [mbar] and 7.1 [mbar], are also obtained at two separate gas output operating conditions and at idle operating conditions, respectively. The ratio of intake pressure difference to exhaust pressure difference was found to be 0.49 (= 4.6 [mbar] /9.4 [mbar]) and 0.53 (= 7.1 / 13.4 [mbar]). The ratio obtained as described above is proposed in the present invention to investigate how well the relationship between the suction pressure and the exhaust pressure remains well unchanged under similar gas output conditions. Of course, reduced ratio values usually indicate a decrease in pump performance.

여기서 부스터 펌프에의 공급전류 또한 가스출력 레벨에 근접하게 연관되어 있음을 주목해야 한다. 첫 번째 가스출력 상태(표 1의 1단계)와 첫 번째 유휴 상태(표 1의 2단계) 사이의 평균 공급전류 차이 값은 2.71[A]인 것으로 보여진다. 두 번째 가스출력 상태(표 1의 3단계)와 두 번째 유휴 상태(표 1의 4단계) 사이의 또 다른 평균 공급전류 차이 값은 3.88[A]인 것으로 관측된다. 흡입압력 차이 값 대 공급전류 차이 값의 비율은 각각 0.29[A/mbar](=2.71[A]/9.44[mbar]), 0.29[A/mbar](=3.88[A]/13.4[mbar])인 것으로 밝혀졌다. 상기 두 가지 비율 값은 서로 거의 같은 것으로 나타난다. 이는 초기 작동 조건에 비해 부스터 펌프에 얼마나 과도한 전류가 공급되었는가를 조사하는데 있어 매우 유용한 특성값이다. 실재로, 흡입압력 차이값 대 공급전류 차이값의 비율은 본 발명에서 제안된 세번째 펌프 성능 지표이다. 부스터 펌프에 공급되는 전류를 다루는 방식과 유사한 방식으로, 건식펌프에 공급되는 평균 전류 값의 두 가지 차이 값이 구해진다. 첫 번째 유휴 상태(표 1의 2단계)와 첫 번째 가스출력 상태(표 1의 1단계) 사이의 평균 공급전류 차이 값은 0.3[A]인 것으로 보여진다. 두 번째 유휴 상태(표 1의 4단계)와 두 번째 가스출력 상태(표 1의 3단계) 사이의 또 다른 평균 공급전류 차이 값은 0.4[A]인 것으로 보여진다. 흡입압력 차이 값 대 공급전류 차이 값의 비율은 각각 0.032[A/mbar](=0.3[A]/9.44[mbar]), 0.030[A/mbar](=0.4[A]/13.4[mbar])인 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 건식펌프에 공급되는 전류의 흡입압력에 대한 의존성은 본 발명에서 제안되는 네 번째 진공펌프 성능 지표이다. 세부적으로, 부스터 펌프와 건식펌프에 대한 공급전류는 양 펌프의 모터에 가해지는 기계적 하중에 직접적으로 연관되기 때문에 상기 세 번째와 네 번째 성능 지표는 부스터 펌프와 건식펌프의 전기 모터에 가해지는 기계적 하중(토크) 조건의 분석을 가능케 하는 것은 주목되어야 한다.It should be noted here that the supply current to the booster pump is also closely related to the gas output level. The average supply current difference between the first gas output state (step 1 in table 1) and the first idle state (step 2 in table 1) is shown to be 2.71 [A]. Another mean supply current difference between the second gas output state (step 3 in Table 1) and the second idle state (step 4 in Table 1) is observed to be 3.88 [A]. The ratio of the suction pressure difference value to the supply current difference value is 0.29 [A / mbar] (= 2.71 [A] /9.44 [mbar]) and 0.29 [A / mbar] (= 3.88 [A] /13.4 [mbar]) Was found to be. The two ratio values appear to be approximately equal to each other. This is a very useful characteristic for investigating how much current is supplied to the booster pump compared to the initial operating conditions. Indeed, the ratio of the suction pressure difference value to the supply current difference value is the third pump performance index proposed in the present invention. In a manner similar to the way of dealing with the current supplied to the booster pump, two difference values of the average current value supplied to the dry pump are obtained. The average supply current difference between the first idle state (step 2 in Table 1) and the first gas output state (step 1 in Table 1) is shown to be 0.3 [A]. Another average supply current difference between the second idle state (step 4 in Table 1) and the second gas output state (step 3 in Table 1) is shown to be 0.4 [A]. The ratio of the suction pressure difference value to the supply current difference value is 0.032 [A / mbar] (= 0.3 [A] /9.44 [mbar]) and 0.030 [A / mbar] (= 0.4 [A] /13.4 [mbar]), respectively. Was found to be. The dependence of the current supplied to the dry pump on the suction pressure is the fourth vacuum pump performance index proposed in the present invention. In detail, the third and fourth performance indicators are the mechanical loads applied to the booster pump and the dry pump's electric motor, because the supply currents for the booster pump and the dry pump are directly related to the mechanical loads on the motors of both pumps. It should be noted that enabling the analysis of (torque) conditions.

4가지 종류의 진공펌프 성능 지표와 상기 성능 지표를 구하는 방법이 본 절에서 상세히 설명된다. 성능 지표의 구해진 결과가 도시되며, 이는 실재로 새로이 설치된 진공펌프에 관한 표준(또는 초기) 성능 데이터로 간주된다. 작동하는 진공펌프의 현재 성능이 표준 작동 데이터로부터 어느 정도 차이가 있는지 조사하기 위해 상기의 성능 지표가 이용되는 방식이 다음 부속 절에서 제시될 것이다.Four types of vacuum pump performance indicators and how to obtain them are described in detail in this section. The obtained results of the performance indicators are shown, which are actually considered standard (or initial) performance data for a newly installed vacuum pump. The manner in which the above performance indicators are used to investigate how the current performance of a working vacuum pump differs from standard operating data will be presented in the following subsection.

3. 성능이 저하된 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 진단 과정3. Precise diagnosis process to maintain forecasts of degraded vacuum pumps

이전의 두 부속 절에서는 각 측정된 상태 변수를 위한 작업 특성의 능동 알고리즘과 4개의 진공펌프 성능 지표를 현장에서 구하는 방식이 상세히 설명되었다. 상기 능동 알고리즘과 개발된 현장 방식이 새로이 설치된 저 진공펌프의 초기 성능 테스트에 적용될 때, 이들은 추정된 특성 값과 구해진 성능 지표를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 본 부속 절에서는, 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀분석을 비정상적 작동 조건(즉 반응챔버의 의도한 진공레벨에 '느리게 반응하는' 상태)에 도달한 진공펌프에 적용함으로써 상기 정밀분석 방법의 가능성 및 효율성이 조사된다. 이러한 예견되지 않은 진공펌프 작동 상태는 수많은 정상 작동 후에 직면된다. 대상 진공펌프의 예보유지를 위해 보수 엔지니어들이 처음으로 해야하는 일은 미리 정해진 테스트 과정에 따라 현장(또는 야외) 성능 테스트를 수행하고, 현재 성능 테스트 결과가 진공펌프의 유지 데이터베이스에 저장된 초기(또는 표준) 성능 값으로부터 얼마나 차이를 가지는지 판단하는 것이다. 그러나, 진공펌프의 예보유지에 대한 이러한 이론적 접근은 심지어 주요 반도체 제작자들이나 진공펌프 공급자들 사이에서도 잘 정립되어 있지 않았다.In the previous two subsections, an active algorithm of working characteristics for each measured state variable and how to obtain four vacuum pump performance indicators in the field are described in detail. When the active algorithm and the developed field method were applied to the initial performance test of newly installed low vacuum pumps, they were found to provide estimated characteristic values and obtained performance indicators. In this subclause, the possibility of such a precision analysis method is applied by applying a precision analysis to maintain the forecast of the vacuum pump to a vacuum pump that has reached abnormal operating conditions (i.e. 'slowly reacting' to the intended vacuum level of the reaction chamber). Efficiency is investigated. This unforeseen vacuum pump operating condition is encountered after numerous normal operations. The first thing that maintenance engineers need to do to maintain the forecast of the target vacuum pump is to perform on-site (or outdoor) performance tests according to a predetermined test procedure, and the initial (or standard) performance of the current performance test results stored in the maintenance database of the vacuum pump. It is to determine how much difference there is from the value. However, this theoretical approach to forecasting vacuum pumps has not been well established among major semiconductor manufacturers or vacuum pump suppliers.

이전 절에서 제시된 추정된 작업 특성 값과 구해진 성능 지표는 이전에 언급된 것처럼, 실재로 대상 진공펌프 작업의 첫 단계로부터 얻어진다. 상기 나타난 결과는 본 발명에서 기준 데이터로서 언급된다. 도 9는 비정상적 작동 조건 하에서 작동하는 진공펌프로부터 측정된 시간 신호를 나타낸다. 상기 신호는 6개의 상태 변수로 6(a)는 흡입압력 신호, 6(b)는 배기압력 신호, 6(c)는 부스터 펌프에 공급되는 전류,6(d)는 건식펌프에 공급되는 전류, 6(e)는 기계적 진동 신호,6(f)는 소음 신호이며, 이들의 각 기준 특성 값은 표 1과 표 2에 이미 나타나 있다. 도 9(a)의 흡입압력 신호에서 나타난 것처럼, 단순한 두 단계(가스출력과 유휴)의 펌프 작동이 조사되었다. 첫번째 단계는 가스출력이 서서히 증가하는 작동 조건이고 두 번째 단계는 흡입압력이 기본레벨을 유지하는 유휴 상태이다. 상기의 두 가지 작업 조건은 290초 위치와 320초 위치 사이의 짧은 상태 전이 영역에 의해 분리된다. 도 9에 도시된 상태 변수 신호로부터 어떠한 주목할 만한 비정상적 신호 요소를 구분하는 것은 쉽지 않다. 기준 값(reference)으로 여겨지는, 6개의 상태 변수에 대응하는 초기 신호는 도 5(a) 내지 5(d) 및 도 7(a) 및 7(c)에 도시되어 있으며, 이들은 새로이 설치된 진공펌프의 초기단계에서 측정되었다. 상기 신호를 비교함으로써, 현재 진공펌프의 기계적 진동과 소음 레벨이 초기 성능 테스트 조건에서의 레벨보다 더욱 증가한 것을 관측될 수도 있다. 이러한 관측된 결과는 보수 엔지니어가 대상 진공펌프가 교체되어야 하는지 여부를 결정하는데 충분하지 않다. 이는 많은 보수 엔지니어들이 실재 반도체 제작소에서 직면하는 가장 도전적 이슈 중 하나이다.The estimated working characteristic values and the performance indicators obtained in the previous section are actually obtained from the first stage of the target vacuum pump operation, as mentioned previously. The results presented above are referred to as reference data in the present invention. 9 shows time signals measured from a vacuum pump operating under abnormal operating conditions. The signal is six state variables, 6 (a) is the suction pressure signal, 6 (b) is the exhaust pressure signal, 6 (c) is the current supplied to the booster pump, 6 (d) is the current supplied to the dry pump, 6 (e) is a mechanical vibration signal, 6 (f) is a noise signal, and their respective reference characteristic values are already shown in Tables 1 and 2. As shown by the suction pressure signal in FIG. 9 (a), the pump operation in two simple steps (gas output and idle) was investigated. The first stage is an operating condition where the gas output is gradually increased and the second stage is an idle state where the suction pressure maintains the basic level. The two working conditions are separated by a short state transition region between the 290 second position and the 320 second position. It is not easy to distinguish any notable abnormal signal element from the state variable signal shown in FIG. Initial signals corresponding to six state variables, considered as reference values, are shown in FIGS. 5 (a) to 5 (d) and 7 (a) and 7 (c), which are newly installed vacuum pumps. It was measured at the early stage of. By comparing the signals, it may be observed that the mechanical vibration and noise levels of the current vacuum pump have increased further than the levels at the initial performance test conditions. These observed results are not sufficient for maintenance engineers to determine whether the target vacuum pump should be replaced. This is one of the most challenging issues many repair engineers face in real semiconductor fabrication.

가스출력에 의존적인 두가지 작업 조건 하에서 측정된 신호가 주어졌을 때, 첫 번째 진단 단계는 1절에서 행해진 것과 같은 방식으로 각 상태 변수를 위한 작업 특성 값을 추정하는 것이다. 표 4는 도 9에 나타난 6가지 측정된 상태 변수의 추정된 작업 특성 값의 리스트를 나타낸다. BP와 DP는 부스터 펌프와 건식펌프를 의미하며, aU와 bU는 상측 경계 점근선의 기울기 및 초기 값을 의미하고, aL과 bL은 하측 경계 점근선의 기울기 및 초기값을 의미하는 것에 주목한다.Given the measured signals under two operating conditions dependent on gas output, the first diagnostic step is to estimate the working characteristic values for each state variable in the same way as was done in section 1. Table 4 shows a list of estimated work characteristic values of the six measured state variables shown in FIG. 9. BP and DP mean booster pump and dry pump, note that a U and b U mean the slope and initial value of upper boundary asymptote, and a L and b L mean the slope and initial value of lower boundary asymptote. do.

Figure 112007051943856-pct00010
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가스출력 작동 조건에서 평균 흡입압력 레벨은 20.3[mbar]이며, 기본 흡입압력은 0.73[mbar]인 것으로 표 4에 나타났다. 이러한 가스출력 작동 범위는 초기 가스출력 작동 조건, 즉 표 1에서 각 가스출력 작동 조건의 평균 흡입압력이 14[mbar]이고 유휴 조건의 흡입압력이 0.7[mbar]인 세 번째와 네 번째 작동 단계의 두번째 케이스에 꽤 근접한다. 가스출력시 흡입압력에 있어 이러한 소량의 변화는 진공펌프의 성능저하가 아니라, 마지막 생산물에 관련된 공정 조건 때문이다. 더구나, 유휴 상태에서 평균 배기압력은 초기값 1000.3[mbar](즉 표 1의 2단계와 4단계에서 배기압력의 평균값)에서 현재 값 1007.3[mbar](즉 표 4의 2단계에서 배기압력의 평균값)으로 증가한 것으로 보인다.이는 날짜에 따른 대기압의 증가로 인한 것이다. 이러한 측정된 배기압력 레벨에 대한 원하지 않는 대기압력의 효과를 극복하기 위해, 본 발명에서는 2절에서 언급한 것처럼, 유휴 상태에서의 평균 배기압력 레벨에 대한 배기압력의 상대 값 활용을 제안하였다. 가스출력 상태와 유휴 상태에서의 배기압력 레벨 차이 값은 본 발명에서 이용된다. 초기 작업 상태의 양 케이스(즉 표 1의 3단계와 4단계) 및 현재 상태의 양 케이스(표 4의 1단계와 2단계)의 배기압력 차이 값은 각각 7.1[mbar] 및 7.6[mbar]로 관측되었다. 가스출력 상태의 평균 흡입압력이 14[mbar]에서 20.3[mbar]로 변하는 작은 변화는 배기압력의 주목할 만한 증가를 일으키지 않는다. 이는 배기압력 신호가 진공펌프의 가스출력 레벨의 변화에 민감하지 않다는 것을 가리킬지도 모른다. 이것이 본 발명에서 진공펌프의 예보유지를 위한 상태관측 및 진단 분석을 위하여 흡입압력 신호의 직접적 활용을 강하게 추천하는 이유이다.In gas output operating conditions, the average suction pressure level is 20.3 [mbar] and the default suction pressure is 0.73 [mbar]. These gas output operating ranges are shown for the third and fourth operating stages with initial gas output operating conditions, i.e. in Table 1, with an average suction pressure of 14 [mbar] for each gas output operating condition and suction pressure of 0.7 [mbar] for idle conditions. Pretty close to the second case. This small change in suction pressure at the gas output is not due to the deterioration of the vacuum pump, but to the process conditions associated with the final product. Moreover, the average exhaust pressure at idle is the initial value of 1000.3 [mbar] (ie the mean value of the exhaust pressure in steps 2 and 4 of Table 1) and the current value of 1007.3 [mbar] (ie the mean value of exhaust pressure in step 2 of Table 4). This is due to the increase in atmospheric pressure with dates. In order to overcome the effect of unwanted atmospheric pressure on these measured exhaust pressure levels, the present invention proposes the use of the relative value of the exhaust pressure to the average exhaust pressure level in the idle state, as mentioned in Section 2. The exhaust pressure level difference value in the gas output state and the idle state is used in the present invention. The exhaust pressure differential values for both cases in the initial working state (ie steps 3 and 4 in table 1) and in both cases in the current state (steps 1 and 2 in table 4) are 7.1 [mbar] and 7.6 [mbar], respectively. Observed. Small changes in the average suction pressure of the gas output state from 14 [mbar] to 20.3 [mbar] do not cause a noticeable increase in exhaust pressure. This may indicate that the exhaust pressure signal is not sensitive to changes in the gas output level of the vacuum pump. This is why the present invention strongly recommends the direct use of the suction pressure signal for state observation and diagnostic analysis for the maintenance of the forecast of the vacuum pump.

표 4에서, 현재 가스출력 작동 상태에서 부스터 펌프(BP로 줄임) 공급 전류의 평균값이 8.93[A]인 것으로 나타났다. 이는 초기 평균값 8.22[A](표 1의 3단계에서 평균 BP 공급 전류 값)에 비하면 약간 증가된 수치다. 현재의 유휴 작동 상태에서 BP 공급전류의 평균값은 3.86[A]인 것으로 관측되며, 이는 초기 평균값 4.34[A](표 1의 4단계에서 평균 BP 공급전류 값)에 비하면 약간 떨어진 수치다. BP 공급 전류에서의 이러한 작은 변화와는 달리, 가스출력 상태 및 유휴 상태에서 측정된 건식펌프(DP로 줄임) 공급전류의 평균값은 각각 15.8[A] 및 16.5[A]로, 이는 초기값, 즉 15.8[A] 및 16.2[A](표 1의 3단계와 4단계에서 평균 DP 공급전류 값)에 거의 근접하는 것으로 나타난다. 대상 진공펌프의 현재의 비정상적 작동 조건으로부터 측정된, 이러한 평균 공급전류 값이 펌프의 성능 저하를 판단하기에 충분할 정도의 주목할만한 변화를 전혀 보이지 않는다. In Table 4, the average value of the booster pump (shortened to BP) supply current in the current gas output operating state is 8.93 [A]. This is slightly increased compared to the initial average value of 8.22 [A] (average BP supply current value in step 3 of Table 1). In the current idle operation, the average value of BP supply current is observed to be 3.86 [A], which is slightly lower than the initial average value of 4.34 [A] (average BP supply current value in step 4 of Table 1). Unlike these small changes in BP supply current, the average value of the dry pump (reduced by DP) supply current measured at gas output and idle is 15.8 [A] and 16.5 [A], respectively, which is the initial value, i.e. It appears to be close to 15.8 [A] and 16.2 [A] (average DP supply current values in steps 3 and 4 of Table 1). This average supply current value, measured from the current abnormal operating conditions of the target vacuum pump, shows no noticeable change at all sufficient to determine the performance degradation of the pump.

현재의 건식펌프에서 측정된 평균 진동 레벨이, 초기 레벨 값 10.8[m/s2,rms]로부터 13.4[m/s2,rms]로 증가 된 것이 표 4에서 보여진다(표 2의 3단계 및 4단계의 진동 레벨을 표준). 상기 진동 레벨 평균값에 대응되는 가속 레벨의 피크 값 또한, 초기값 12.9[m/s2]에서 현재 값 16.7[m/s2]로 증가하였다. 유사하게, 현재의 평균 소음 레벨이, 초기값 0.85[Pa,rms]로부터 1.07[Pa,rms]로 증가하였다(표 2의 3단계 및 4단계에서 소음 레벨을 표준). 상기 소음 레벨 평균값에 대응되는 피크값 또한 초기값 1.32[Pa]로부터 현재의 값인 2.63[Pa]로 증가되었다. 이러한 측정 결과는 진공펌프의 현재 작동 조건이, 기계적 진동의 경우 평균-제곱평균(rms) 값과 피크 값이 24%, 29% 상승, 소음 레벨의 경우 평균-제곱평균(rms) 값과 피크 값이 26%, 99% 상승한 것으로 나타냄을 가리킨다. 동적 상태 변수로 여겨지는 기계적 진동 및 소음 신호는 현재의 작동 조건에 대해서, 앞서 언급한 4 개의 정적 상태 변수보다 상대적으로 더 증가된 평가 결과를 산출하는 것으로 나타났다. 두 개의 동적 상태 변수는 정적 변수에 비해 진공펌프의 작동 조건의 변화에 더욱 민감한 것이다. 그러나, 상기 기계적 진동 및 소음 신호로부터 관측된 상기의 증가된 레벨 값은, 기계적 진동에 관계된 진단 가이드라인[Ref.2]에 대비하였을 때 허용될 만한 것으로 여겨지기 때문에, 이 증가 값은 보수 엔지니어가 대상 진공펌프를 새것으로 교환할지 여부를 결정하기에 충분한 것이 아니다.It is shown in Table 4 that the average vibration level measured in the current dry pump increased from the initial level value of 10.8 [m / s 2 , rms] to 13.4 [m / s 2 , rms] (steps 3 and 3 of Table 2). 4 levels of vibration are standard). The peak value of the acceleration level corresponding to the vibration level average value also increased from an initial value of 12.9 [m / s 2 ] to a current value of 16.7 [m / s 2 ]. Similarly, the current average noise level increased from the initial value of 0.85 [Pa, rms] to 1.07 [Pa, rms] (standard noise levels in steps 3 and 4 of Table 2). The peak value corresponding to the average noise level was also increased from the initial value of 1.32 [Pa] to the current value of 2.63 [Pa]. These results indicate that the current operating conditions of the vacuum pump are 24%, 29% rise in mean-squared mean and peak values for mechanical vibration, and mean-squared mean and peak values for noise levels. This indicates that the increase was 26% and 99%. Mechanical vibration and noise signals, which are considered to be dynamic state variables, have been shown to yield relatively increased evaluation results for the current operating conditions than the four static state variables mentioned above. The two dynamic state variables are more sensitive to changes in the operating conditions of the vacuum pump than static variables. However, since the increased level values observed from the mechanical vibration and noise signals are considered acceptable when compared to the diagnostic guidelines related to mechanical vibration [Ref. 2], this increase is determined by the maintenance engineer. It is not enough to decide whether to replace the target vacuum pump with a new one.

그 결과, 앞서 논의된 기존의 진단 접근법은 대상 진공펌프의 비정상적 작동 조건에서 발생가능한 원인을 진단하는 데 있어 성공적이지 못한 것으로 밝혀졌다. 이는 측정된 상태 변수의 레벨 분석을 이용한 기존의 진단 접근법이 저 진공펌프의 저하된 성능을 일찍이 감지하기 위한 정밀 진단법에 대한 제한된 능력만을 제공하고 있음을 가리키는 것인지 모른다. 기존의 진단 접근법의 이러한 제한된 능력은 2절에서 제안된 직접적 진공펌프 성능 지표 획득 방법을 개발하는데 주요한 동기를 제공하였다. 본 발명에서 제안된 첫 번째 성능 인자는 측정된 흡입압력 신호로부터 구해지는 펌핑 속도 지표이다.As a result, the existing diagnostic approaches discussed above have been found to be unsuccessful in diagnosing possible causes under abnormal operating conditions of the target vacuum pump. This may indicate that existing diagnostic approaches using level analysis of measured state variables provide only limited capability for precision diagnostics to detect the degraded performance of low vacuum pumps early. This limited capability of the existing diagnostic approach provided the main motivation for developing the direct vacuum pump performance indicators proposed in Section 2. The first performance factor proposed in the present invention is the pumping speed index obtained from the measured suction pressure signal.

도 10은 부 진행 전이 영역으로부터 측정된 흡입압력 신호를 도시했다. 굵은 선은 펑핑 속도 지표를 구하는데 이용된 최적화된 모델로부터 구해진 값들을 가리킨다. 얻어진 펌핑 속도 지표는 표 5에 나타나 있다.10 shows the suction pressure signal measured from the sub advancing transition region. The thick line indicates the values obtained from the optimized model used to obtain the puncturing velocity index. The pumping rate indicators obtained are shown in Table 5.

Figure 112007051943856-pct00011
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비정상적 작동 조건으로부터 구해진 현재 펌핑 속도 지표는 초기 작동 조건에 비교했을 때 31%까지 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 펌핑 속도의 61% 감소는 의도된 진공레벨, 즉 대상 진공펌프의 비정상적 작동 조건에의 느린 반응하는 것을 초래하는 것으로 명백히 밝혀졌다. 제안된 펌핑 속도 지표는 진공펌프의 정밀진단에 매우 효율적인 것으로 증명되었다. 그러한 펌핑 속도 감소는 대상 펌프가 가능한 빨리 새것으로 교체되어야 함을 가리키는 것인지 모른다. 펌핑 속도가 69% 감소했음에도 흡입압력 차이 값 대 배기 압력 차이 값의 비율은 겨우 26% 밖에 감소하지 않았다는 것은 흥미있는 사항이다. 이는 평균 배기압력이 펌핑 속도의 저하에 그렇게 민감하지 않다고 하더라도, 상기 평균 배기압력 값은 그것의 성능 저하에 관해 여전히 유용한 정보를 제공한다는 것을 의미한다. 그 이유는 펌핑 속도가 흡입압력 및 배기압력의 일정 상태 기본 레벨이 아닌, 흡입압력의 감소 속도에 거의 관련되어 있기 때문이다. 이러한 두 개의 성능 지표와는 달리, 표 5에 주어진 공급전류 관련 성능 지표로부터 어떠한 주목할 만한 변화도 관측되지 않는다. 이는 부스터 펌프와 건식펌프에 가해진 어떠한 외부적인 기계적 하중(토크)도 증가되지 않았음을 가리키는 것인지 모른다. 진공펌프의 상태변수로서 측정된 흡입압력 활용은 사용하는 것은 저 진공펌프의 정밀 진단을 가능하게 했을 뿐만 아니라, 진공펌프의 안정적 예보유지에도 이르게 하였다. 이는 예보유지를 위한 정밀분석에 위하여 흡입압력 신호가 얼마나 중요한지를 알려준다. 이는 본 발명의 주요한 기여 중 하나이다.Current pumping speed indicators, derived from abnormal operating conditions, show a sharp decrease by 31% compared to the initial operating conditions. This 61% reduction in pumping speed was clearly found to result in a slow reaction to the intended vacuum level, i.e. the abnormal operating conditions of the subject vacuum pump. The proposed pumping speed indicator proved to be very efficient for the precise diagnosis of vacuum pumps. Such a reduction in pumping speed may indicate that the target pump should be replaced with a new one as soon as possible. It is interesting to note that although the pumping speed has been reduced by 69%, the ratio of the inlet pressure difference value to the exhaust pressure difference value has only been reduced by 26%. This means that even if the average exhaust pressure is not so sensitive to the drop in pumping speed, the average exhaust pressure value still provides useful information about its performance degradation. The reason is that the pumping speed is almost related to the rate of decrease of the suction pressure, not the constant state basic level of the suction pressure and the exhaust pressure. Unlike these two performance indicators, no noticeable change is observed from the supply current related performance indicators given in Table 5. This may indicate that no external mechanical loads (torques) on the booster and dry pumps have been increased. The use of the suction pressure measured as the state variable of the vacuum pump not only enabled the precise diagnosis of the low vacuum pump but also led to the stable forecast of the vacuum pump. This shows how important the suction pressure signal is for the precise analysis for forecast maintenance. This is one of the major contributions of the present invention.

본 부속 절에서 고려되는 6개의 상태 변수는 흡입압력 및 배기압력, 부스터 펌프와 건식펌프에 공급되는 전류, 기계적 진동 및 소음 신호이다. 진공펌프의 작동 조건에 적합한 모델 파라미터를 추정하는 능동 알고리즘은 최적화된 모델 파라미터 {aU, bU, aL, bL}과 각 유휴 상태 및 가스출력 상태에서의 가스출력 작동 조건을 위한 평균 값 및 피크값을 제공하는 것으로 나타났다. 그 결과, 6개의 파라미터는 각 작동 조건(유휴 상태 또는 가스출력 상태)에 대한 대표적 데이터 집합인 것이다. 성능 테스트가 필요할 때마다, 모든 고려된 상태 변수를 위한 일련의 6개 파라미터가 한 쌍의 2차원 행렬로서 나타난다.The six state variables considered in this subclause are suction and exhaust pressures, current supplied to booster pumps and dry pumps, mechanical vibration and noise signals. The active algorithm for estimating the model parameters suitable for the operating conditions of the vacuum pump is optimized model parameters {a U , b U , a L , b L } and mean values for the gas output operating conditions at each idle and gas output state. And peak values. As a result, the six parameters are representative data sets for each operating condition (idle state or gas output state). Whenever a performance test is needed, a series of six parameters for all considered state variables appear as a pair of two-dimensional matrices.

Figure 112007051943856-pct00012
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하첨자 기호("IDLE"과 "LOAD")는 유휴 작동 조건 및 가스출력 작동조건을 의미함을 주목한다. 가로 열(raw) 인덱스 n은 성능 테스트의 시퀀스를 의미한다. 세로 열(column) 인덱스 j와 k는 7개 상태 변수들의 분류 번호 및 각 상태 변수를 위한 6개 파라미터들의 순서를 의미한다. 부스터 펌프의 기계적 진동 신호 측정값은 본 발명에 개시되지 않았지만, 7번째 상태 변수는 상기 진동 신호 측정값에 대응한다. 필요하다면, 펌핑 속도 지표가 행렬의 마지막 세로 칸에 포함될 수 있다. 분류 번호와 파라미터 순서를 선택하는 것은 어떠한 편리한 방법으로도 이루어질 수 있다. 유휴 상태 또는 가스출력 작동 상태 중 어느 하나가 이행되었을 때, 그것에 대응하는 가로 열 벡터가 얻어진다. 유휴 작업과 가스출력 작업이 반복됨에 따라, 2개의 행렬이 얻어진다.Note that the subscript symbols ("IDLE" and "LOAD") mean idle operating conditions and gas output operating conditions. The raw column index n represents a sequence of performance tests. The column indexes j and k denote a classification number of seven state variables and an order of six parameters for each state variable. Although the mechanical vibration signal measurement of the booster pump is not disclosed in the present invention, the seventh state variable corresponds to the vibration signal measurement. If necessary, a pumping speed indicator may be included in the last column of the matrix. The selection of the classification number and the parameter order can be done in any convenient way. When either an idle state or a gas output operating state is transitioned, a horizontal column vector corresponding to it is obtained. As the idle operation and the gas output operation are repeated, two matrices are obtained.

단일 변수 또는 다중 변수의 통계적 분석, 마하나노비스 거리 분석[Ref.10]및 공정 성능 분석[Ref.21:Z.G. Stoumbos, "Proess capability indices: Review and extensions," Nonlinear Analysis:Real World Applications, Vol.3,pp. 191-210,2002]과 같이 잘 알려진 분석방법을 활용함으로써, 수학식 7에 설명된 행렬 데이터는 대상 진공펌프의 정밀 분석을 위해 쉽게 이용된다. 실재로 본 부속 절에서는, 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 분석을 위해 추정된 특성값이 얼마나 잘 활용될 수 있는지를 나타내기 위해 단일 변수의 통계적 분석의 배후에 있는 개념이 활용되었다. 이전의 부속 절에서 개시된 개념과 논리적 순서는 단일 변수의 통계적 분석과 잘 맞아 떨어진다. 그러나 공정 성능 분석 및 마하나노비스 거리 분석을 포함하는, 다중 변수 분석은, 이에 대한 기술적 논의가 본 발명의 범위를 벗어나기 때문에, 아직까지 고려되지 않았다. 본 발명은 다중 변수 분석이나 공정 성능 분석보다는 마하나노비스 거리 분석을 더 선호한다. 왜냐하면 상기 마하나노비스 거리 분석은 우리에게 추정된 모델 파라미터의 작은 변화에 대해서도 더욱 민감한 반응을 제공하기 때문이다. 최적화된 모델 파라미터와 측정된 상태 변수에 내지된 동적 특성 값의 평균 피크 값으로 이루어진 행렬 데이터는 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀분석에 있어 또 다른 효율적인 수단으로 이어진다. 구조화된 데이터 행렬을 다중 변수의 통계적 분석, 공정 성능 분석 및 마하나노비스 거리 분석과 같은 기존의 분석 알고리즘으로 변환하는 것 또한 물론 본 발명에 의해 기여된 성과물 중 하나이다.Statistical analysis of single or multiple variables, Mahana nobis distance analysis [Ref.10] and process performance analysis [Ref.21: Z.G. Stoumbos, "Proess capability indices: Review and extensions," Nonlinear Analysis: Real World Applications, Vol. 3, pp. By utilizing well-known analysis methods such as 191-210, 2002, the matrix data described in Equation 7 can be easily used for precise analysis of the target vacuum pump. Indeed, in this subclause, the concept behind the statistical analysis of a single variable is used to indicate how well the estimated characteristic values can be used for precision diagnostic analysis to maintain forecasts of low vacuum pumps. The concepts and logical sequence disclosed in the previous subclauses fit well with the statistical analysis of single variables. However, multivariate analysis, including process performance analysis and Mahana nobis distance analysis, has not yet been considered, since the technical discussion thereof is beyond the scope of the present invention. The present invention prefers Mahana nobis distance analysis over multivariate analysis or process performance analysis. Because the Mahana Nobis distance analysis gives us a more sensitive response to small changes in the estimated model parameters. Matrix data consisting of optimized model parameters and average peak values of dynamic characteristic values imparted to the measured state variables lead to another efficient means for precise analysis for predictive maintenance of vacuum pumps. The conversion of structured data matrices into existing analytical algorithms such as multivariate statistical analysis, process performance analysis, and Mahana nobis distance analysis is, of course, one of the contributions contributed by the present invention.

이행 시스템Fulfillment system

본 절은 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀 진단 분석의 이행 시스템을 실현하기 위해 필요한 기술적 세부 내용을 소개한다. 도 11은 저 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 분석의 이행 시스템에 의해 측정된 상태 변수의 개요적 배치를 도시했다. 이전 절에서 이미 소개된 것처럼, 상기 이행 시스템은 7개의 상태 변수(흡입압력 및 배기압력, 부스터 펌프와 건식펌프에 공급되는 전류, 부스터 펌프와 건식펌프의 기계적 진동 신호 및 부스터 펌프와 건식펌프 사이의 간극으로부터 측정된 소음 신호)를 직접적으로 측정하기 위해 설계되었다.This section introduces the technical details necessary to realize a system for implementing a precision diagnostic analysis for forecasting low vacuum pumps. FIG. 11 shows a schematic arrangement of state variables measured by a system of implementation of a precision diagnostic analysis for maintenance of low vacuum pumps. As already introduced in the previous section, the transition system has seven state variables (suction and exhaust pressures, currents supplied to the booster and dry pumps, mechanical vibration signals of the booster and dry pumps and between the booster and dry pumps). Noise signal measured from the gap).

흡입압력을 측정하기 위해, 다중 가스출력 조건을 위한 적절한 범위의 측정이 가능한 흡입구 압력계(또는 진공 게이지)가 진공펌프의 흡입구에 설치된다. 배기 압력을 측정하기 위해, 대기압력 레벨의 2배 내지 3배의 전 범위 측정이 가능한 배기 압력 변환기(pressure transducer)가 건식펌프의 배기구의 부근에 설치된다. 부스터 펌프와 건식펌프의 공급전류를 측정하기 위해, 전류 레벨의 피크 값을 견딜 수 있는 전류 탐사기(current probe)가 이용된다. 부스터 펌프와 건식펌프의 기계적 진동을 측정하기 위해, 고온 범위(즉 150˚C 또는 그 이상)를 견딜 수 있는 두 개의 가속도계(accelerometer)가 부스터 펌프와 건식펌프의 몸체 표면에 고정되어 설치된다. 진공펌프로부터 발생한 소음을 측정하기 위해, 고 음압 범위(1/4" 사이즈 모델) 전용의 측정 마이크로 폰(michrophone)이 부스터 펌프와 진공펌프의 중간 위치에 설치된다. 이러한 기계적, 전기적 센서들은 전용 신호 조절 유닛에 연결되며, 상기 신호 조절 유닛은 각 센서 의존적 입력 전압을 제공할 뿐만 아니라, 외부 장비로의 센서 출력전압을 의도한 레벨까지 증폭시킨다. 이전의 1절 내지 3절에서 제시된 것처럼, 본 발명은 현대의 반도체 제작 공정에서 이용되는 저 진공펌프의 고장 방지 및 예보유지를 위한 정밀 진단의 이행을 위해 상기 나열된 기계적, 전기적 센서들을 이용할 것을 권장한다. 어떠한 기존 펌프 관측 시스템도 상기 나열된 7개의 상태 변수 모두를 이용하지는 않는다. 상기 나열된 하나 또는 그 이상의 센서 출력이 외부 활용을 위해 사용 가능하다면, 상기 센서들의 출력 신호 또한 신호 조절 유닛의 보존된 입력 채널에 연결될 수 있다.In order to measure the suction pressure, an inlet pressure gauge (or vacuum gauge) capable of measuring the appropriate range for the multiple gas output conditions is installed at the inlet of the vacuum pump. In order to measure the exhaust pressure, an exhaust pressure transducer capable of measuring a full range of two to three times the atmospheric pressure level is installed in the vicinity of the exhaust port of the dry pump. In order to measure the supply current of the booster pump and the dry pump, a current probe is used that can withstand the peak value of the current level. To measure the mechanical vibrations of the booster pump and the dry pump, two accelerometers capable of withstanding the high temperature range (i.e. 150 ° C or higher) are mounted fixed to the body surface of the booster pump and the dry pump. To measure the noise from the vacuum pump, a measurement microphone dedicated to the high sound pressure range (1/4 "size model) is installed in the middle of the booster pump and the vacuum pump. These mechanical and electrical sensors are dedicated signals Connected to a control unit, the signal control unit not only provides each sensor dependent input voltage, but also amplifies the sensor output voltage to external equipment up to the intended level. Recommends the use of the mechanical and electrical sensors listed above for the implementation of precision diagnostics for failure prevention and predictive maintenance of low vacuum pumps used in modern semiconductor fabrication processes. Not all of them use one or more sensor outputs listed above for external use. If possible, the output signals of the sensors may also be coupled to a conserved input channel of the signal adjustment unit.

정화 가스 압력과 정화 가스의 유량, 몸체 온도, 냉각수 온도, 윤활유 압력 및 진공펌프의 레벨과 같은 다른 상태 변수들은 저 진공펌프에 이미 설치된 기존의 펌프 관측 시스템으로부터 이미 활용 가능하므로, 이들은 직접적으로 측정되지 않았다. 펌프 공급자에 의해 제공되는 PC 기반의 데이터 판독 소프트웨어의 도움으로 상기 상태 변수들의 간접적 수집이 이루어진다. 간접적으로 수집된 상기 상태 변수들에 대한 외부 연결물이 이용가능할 때, 상기 상태 변수들의 신호를 판독하기 위해 이행 시스템의 다중 채널 데이터 수집(data acquisition:DAQ) 시스템이 제작된다.Other state variables such as purge gas pressure, purge gas flow rate, body temperature, coolant temperature, lubricant pressure and level of vacuum pump are already available from existing pump observation systems already installed in low vacuum pumps, so they are not measured directly. Did. Indirect collection of the state variables is achieved with the aid of PC-based data reading software provided by the pump supplier. When an external connection to the state variables collected indirectly is available, a multi-channel data acquisition (DAQ) system of the transition system is constructed to read the signal of the state variables.

도 12는 반도체 제작소에 설치된, 진공펌프의 예보유지를 위한 정밀진단 분석의 이행 시스템을 도시한다. 이는 세 가지 주요 파트로 구성되어 있으며, 이들은 신호 처리 유닛, 다중 채널 데이터 획득(DAQ) 시스템 및 서버 클래스 PC 시스템이다. 앞서 소개된 7개의 센서 전용의 신호 처리 유닛은, 각 센서만을 위한 고유의 입력 전원 공급기와 출력 전압 증폭기를 포함한다. 고성능 DAQ 시스템은 최대 100kHz의 샘플링 속도를 가진 임의의 16채널 샘플 및 홀더와 16채널 24 비트 아날 로그 디지털(AD) 변환기로 구성된다. 네셔널 인스트루먼트사(National Instrument Co)에 의해 제공되는 MXI-II의 인터페이스를 통한 DAQ 시스템 표본 데이터의 안정된 처리를 위해 이중 처리(dual processed) 서버 클래스 PC 시스템이 특정적으로 선택되었다. 본 발명에서 데이터 수집 프로그램은 네셔널 인스트루먼트사에 의해 제공되는 LabView 프로그램을 이용함으로써 개발되었다. 상기 PC 시스템은 또한 이전 절에서 이미 언급된 모든 디지털 신호 처리 계획을 이행한다. 실재 공정 장소에서 휴대성이 있고 이동이 용이한, 이행 시스템의 소형 버전이 개발 중에 있다. 상기 버전의 크기는 도 12에 도시된 현재의 이행 시스템보다 훨씬 작을 것으로 예상된다.Fig. 12 shows a system for implementing a precise diagnosis analysis for maintaining the forecast of a vacuum pump installed in a semiconductor manufacturing company. It consists of three main parts: signal processing units, multichannel data acquisition (DAQ) systems, and server class PC systems. The signal processing unit dedicated to the seven sensors introduced above includes a unique input power supply and output voltage amplifier for each sensor only. High-performance DAQ systems consist of any 16-channel samples and holders with sampling rates up to 100kHz and 16-channel 24-bit analog-to-digital (AD) converters. A dual processed server class PC system was specifically selected for stable processing of DAQ system sample data through the interface of MXI-II provided by National Instrument Co. In the present invention, a data acquisition program was developed by using a LabView program provided by National Instruments. The PC system also implements all the digital signal processing schemes already mentioned in the previous section. Smaller versions of the transition system are being developed that are portable and mobile at the actual process site. The size of this version is expected to be much smaller than the current implementation system shown in FIG.

본 발명에 따르면, 본 발명에서 가장 도전적인 이슈는 보수 엔지니어가 그들의 현재의 성능시험 테스트 결과에 기초하여 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시간의 판단을 가능하게 하는 시스템적 방법을 찾는 것이였다. 게다가, 현재 얻어진 진단분석 결과와 초기(또는 표준) 데이터 집합을 비교하는 것은 보수 엔지니어가 도출된 펌프 성능 지표에 따라 대상 진공펌프의 교체여부를 결정하는 것을 가능하게 하는 것으로 보여진다. 또한, 현재 진공펌프의 도출된 펌핑 속도 지표는 대체로 감소하는 것으로 보고된다. 이러한 양적 진단 분석 결과는 그들의 현재 성능 수행 결과에 기초하여 진공펌프의 교체를 위한 적절한 시간을 판단하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라, 저 진공펌프의 예보유지의 안정성 및 신뢰성 또한 개선시킬 것으로 예상된다.According to the present invention, the most challenging issue in the present invention has been to find a systematic method that allows maintenance engineers to determine the appropriate time for replacement of a vacuum pump based on their current performance test test results. In addition, the comparison of current diagnostic data with initial (or standard) data sets has been shown to allow a maintenance engineer to determine whether to replace a target vacuum pump based on derived pump performance indicators. In addition, the derived pumping speed indicators of current vacuum pumps are reported to be generally decreasing. These quantitative diagnostic analysis results are expected not only to determine the appropriate time for replacement of the vacuum pump based on their current performance performance results, but also to improve the stability and reliability of forecast maintenance of low vacuum pumps.

Claims (11)

1) 유휴 조건(idle condition)과 다양한 가스출력 조건에 대해 미리 설정된 샘플링 속도로 새로이 설치된 진공펌프의 다양한 펌프 작동에 관련된 상태 변수들을 수집하는 단계;1) collecting state variables related to various pump operations of the newly installed vacuum pump at preset sampling rates for idle conditions and various gas output conditions; 2) 유휴 조건과 다양한 가스 출력 조건에서 변동하는 상태 변수 신호 요소의 지배적 주기(dominant period)보다 긴 사용자가 채택한 주기상으로, 연속적으로 표본화된 신호들의 각 집합으로부터 상기 상태 변수들의 시계열 값 중 최대값과 최소값을 판단하는 단계;2) the maximum of the time series values of the state variables from each set of successively sampled signals, in a period of user-adopted periods longer than the dominant period of the state variable signal element that fluctuates under idle conditions and various gas output conditions. Determining a minimum value; 3) 유휴 조건과 다양한 가스 출력 조건에서의 파라미터 모델에 기반을 둔 능동 진단 알고리즘을 이용하여 펌프 작동 특성 값을 추정하는 단계;3) estimating pump operating characteristic values using an active diagnostic algorithm based on parametric models under idle conditions and various gas output conditions; 4) 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)을 이용하여 상기 새로이 설치된 진공펌프의 펌프 성능 지표를 구하는 단계;4) obtaining a pump performance index of the newly installed vacuum pump using an in-situ evaluation method; 5) 상기 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성 값들과 펌프 성능 지표들을 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장하는 단계;5) storing estimated pump operating characteristic values and pump performance indicators of the newly installed vacuum pump in a vacuum pump maintenance database; 6) 상기 새로이 설치된 진공펌프가 비정상적 작동 조건에 있는 것으로 관측될 때마다 상기 1단계부터 5단계까지를 반복하는 단계;6) repeating steps 1 to 5 whenever the newly installed vacuum pump is observed to be in an abnormal operating condition; 7) 펌프 교체 여부를 판단하기 위해, 상기 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장되어 있는 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능 지표를, 비정상적 작동 조건 하에서의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능 지표와 비교하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀 진단법.7) Estimated pump operating characteristic value and pump performance index of the newly installed vacuum pump stored in the vacuum pump maintenance database to determine whether to replace the pump, estimated pump operating characteristic value and pump performance index under abnormal operating conditions Precision diagnostic method for failure prevention and forecast maintenance of the vacuum pump, characterized in that consisting of a step of comparing with. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 진공펌프는 반도체 제작공정에 이용되는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The vacuum pump is a precision diagnostic method for failure prevention and forecast maintenance of the vacuum pump, characterized in that used in the semiconductor manufacturing process. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 펌프 작동에 관련된 상태 변수들은 흡입압력 및 배기압력, 부스터 펌프와 건식펌프의 공급전류, 기계적 진동과 소음 신호의 실효치(rms) 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.State variables related to pump operation include fault and exhaust pressures, supply currents of booster pumps and dry pumps, rms values of mechanical vibration and noise signals. Precision diagnostics. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 변동하는 상태 변수 신호 요소의 지배적 주기(dominant period)는 FFT(fast Fourier transfrom)분석을 이용함으로써 판단되고, 상태 변수들의 연속적으로 표본화된 시계열 값 중 최대값과 최소값을 분류하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The dominant period of the changing state variable signal element is determined by using fast fourier transfrom (FFT) analysis and is used to classify the maximum and minimum values among successively sampled time series values of the state variables. Diagnostic method to prevent failures and maintain forecasts of vacuum pumps. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 펌프 작동 특성 값들은 최적화된 모델 파라미터들, 상기 유휴 조건, 가스출력(부하) 조건에서 측정된 각 상태 변수의 평균값 및 피크값(peak value)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The pump operating characteristic values may include optimized model parameters, an idle condition, an average value and a peak value of each state variable measured under a gas output (load) condition. Precise diagnostics to maintain forecasts. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 최적화된 모델 파라미터들은 각 측정된 상태 변수의 상측 및 하측 점근선을 나타낼 수 있는 선형모델인 아래의 수학식 1을 이용함으로써 구해지는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The optimized model parameters are calculated by using Equation 1 below, which is a linear model that can represent the upper and lower asymptotes of each measured state variable. (수학식 1)(Equation 1)
Figure 112007051943856-pct00013
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상기 수학식 1에서 하첨자 k는 상측 또는 하측 점근선 모델{k=U 또는 L}을 의미하고, 각 펌핑 상태에서 분류된 최대값 및 최소값의 시계열 값이 {yk,n:n=1,2,...,N}일 때, 최적화된 모델 파라미터는 아래 수학식 2의 최소 자승법(least squared method)을 이용함으로써 구해짐.In Equation 1, the subscript k denotes an upper or lower asymptotic model {k = U or L}, and the time series values of the maximum and minimum values classified in each pumping state are {y k, n : n = 1,2 , ..., N}, the optimized model parameters are obtained by using the least squared method of Equation 2 below. (수학식 2)(Equation 2)
Figure 112007051943856-pct00014
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상기 수학식 2에서 첫번째 파라미터 {ak:k=U 또는 L}은 각 측정된 상태 변수의 상측 및 하측 점근선의 기울기이며, 두번째 파라미터 {bk:k=U 또는 L}는 상측 및 하측의 점근선의 각 초기값을 가리킴.In Equation 2, the first parameter {a k : k = U or L} is the slope of the upper and lower asymptotes of each measured state variable, and the second parameter {b k : k = U or L} is the upper and lower asymptotes. Refers to each initial value of.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 펌프 성능 지표는, 상기 펌프 작동 특성 값들로부터 구해지는, 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)에 의해 구해지는 펌핑 속도 지표; 흡입압력 차이 값 대 배기압력 차이값의 비율; 흡입압력 차이 값 대 BP(부스터 펌프)의 공급전류 차이값의 비율; 및 흡입압력 차이값 대 DP(건식펌프)의 공급전류 차이값의 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The pump performance index may include a pumping speed index obtained by an in-situ evaluation method, which is obtained from the pump operating characteristic values; Ratio of suction pressure difference value to exhaust pressure difference value; Ratio of suction pressure difference value to supply current difference value of BP (booster pump); And a ratio of the difference between the suction pressure difference value and the supply current difference value of the DP (dry pump). 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 펌핑 속도 지표는 아래의 수학식 3과 같이 체적당 펌핑 속도로 정의되는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The pumping speed index is a precision diagnostic method for preventing failure and maintaining the forecast of the vacuum pump, characterized in that defined by the pumping speed per volume as shown in Equation 3 below. (수학식 3)(Equation 3)
Figure 112007051943856-pct00015
Figure 112007051943856-pct00015
상기 수학식 3에서 기호 알파와 Ip는 지수감소 상수(exponentially decaying constant)와 펌핑 속도 지표를 의미하며, 기호 Q와 V는 펌핑 속도[m3/h]와 비워진 체적[m3]을 의미하고, 상기 지수감소 상수는 아래의 수학식 4와 같이 정의되는 부 진행 전이 영역(negative going transition region)에 대응되는 흡입압력 신호 {Pn:n=1,...,N}의 로그 값(logarithm value)으로부터 구해짐.In Equation 3, the symbols alpha and Ip mean exponentially decaying constants and pumping speed indices, and the symbols Q and V mean pumping speeds [m 3 / h] and empty volumes [m 3 ], The exponential decay constant is a logarithm value of a suction pressure signal {Pn: n = 1, ..., N} corresponding to a negative going transition region defined by Equation 4 below. Obtained from. (수학식 4)(Equation 4)
Figure 112007051943856-pct00016
Figure 112007051943856-pct00016
상기 수학식 4에서 최적화된 지수감소 상수 알파와 초기값(initial value)의 추정은 최소자승법(least squared method)을 이용함으로써 구해짐.The estimation of the exponential decrement constant alpha and initial value optimized in Equation 4 is obtained by using a least squared method.
제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)은, 흡입압력의 부 진행 전이 영역(negative going transition region)이 펌핑 속도를 구하기 위해 이용되며, 기준 값(reference)으로서 흡입압력 신호를 측정하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The in-situ evaluation method includes a method in which a negative going transition region of suction pressure is used to obtain a pumping speed, and a suction pressure signal is measured as a reference. Precision diagnostic method for failure prevention and forecast maintenance of the vacuum pump, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 정밀진단법은 아래의 수학식과 같은 각 유휴 조건과 가스출력 조건에서 구해진 펌프 작동에 관련된 상태 변수들의 펌프 작동 특성의 추정된 값들을 포함하는 한 쌍의 이차원 구조 매트릭스의 설계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보 유지를 위한 정밀진단법.The precision diagnosis method includes a design of a pair of two-dimensional structure matrix including estimated values of pump operating characteristics of state variables related to pump operation obtained at each idle condition and gas output condition as shown in the following equation. Precise diagnosis to prevent breakdown of vacuum pumps and to maintain forecasts.
Figure 112007051943856-pct00017
Figure 112007051943856-pct00017
for n=1,...;for n = 1, ...; j=1,...,J(측정된 펌프 작동에 관련된 상태 변수의 총 수)j = 1, ..., J (total number of state variables related to measured pump operation) k=1,...,K(펌프 작동 특성 값들의 총 수)k = 1, ..., K (total number of pump operating characteristic values) 상기 수학식에서 하첨자 "IDLE"과 "LOAD"는 유휴 조건 및 가스출력 작동 조건을 의미하며, 가로 인덱스 n은 성능 테스트의 시퀀스를 의미하고, 세로 인덱스 j와 k는 펌프 작동에 관련된 상태 변수의 분류 번호 및 각 상태변수에 대한 펌프 작 동 특성 값의 순서를 의미함.In the above equations, the subscripts "IDLE" and "LOAD" denote idle conditions and gas output operating conditions, horizontal index n denotes a sequence of performance tests, and vertical indexes j and k represent classifications of state variables related to pump operation. Number and sequence of pump operating characteristic values for each state variable.
흡입구 압력계, 배기압력 변환기, 부스터 펌프, 건식펌프의 공급전류 탐지기 , 기계적 진동 센서, 상기 부스터 펌프와 건식펌프 중앙에 설치된 측정 마이크로폰을 각각 증폭시키기 위한 신호 조절 유닛;A signal control unit for amplifying an inlet pressure gauge, an exhaust pressure transducer, a booster pump, a supply current detector of a dry pump, a mechanical vibration sensor, and a measurement microphone centrally installed in the booster pump and the dry pump; 10kHz 내지 20kHz에 이르는 초고주파수 성분을 가진 기계적 진동 및 음압 신호을 수집하기에 적절한 고속의 다중 채널 데이터 획득(DAQ) 시스템; 및A high speed multichannel data acquisition (DAQ) system suitable for collecting mechanical vibration and sound pressure signals with ultrahigh frequency components ranging from 10 kHz to 20 kHz; And 아래의 단계를 수행하는 듀얼 프로세서 서버 클래스(dual processor server-class)의 PC 시스템으로 이루어지며,It consists of a dual processor server-class PC system that performs the following steps: 상기 PC 시스템은 어떠한 데이터 전송의 손실 없이 실시간 DAQ시스템으로부터 측정된 모든 상태변수 값을 수집하고, 기계적 진동 및 음압 신호의 실효치(root mean square) 값을 구하며, 유휴 조건 및 다른 가스 출력 조건에서의 연속적으로 표본화된 신호들의 각 집단으로부터 상기 측정된 상태 변수 값들 중 최대, 최소의 시계열 값을 판단하며, 파라미터 모델 기반의 능동 진단 알고리즘을 이용하여, 최적화된 모델 파라미터와 상기 측정된 상태 변수들의 평균 및 최대값으로 이루어진 펌프 자동 특성 값들을 추정하고, 현장 평가 방식(in-situ evaluation method)을 이용하여 새로이 설치된 진공펌프의 펌프 성능 지표를 구하고, 상기 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성값과 펌프 성능 지표를 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장하며, 펌프 교체 여부를 판단하기 위해 상기 진공펌프 유지 데이터베이스에 저장되어 있는 새로이 설치된 진공펌프의 추정된 펌프 작동 특성 값 및 펌프 성능 지표를, 비정상 작동 조건 하에서의 추정된 펌프 작동 특성값 및 펌프 성능 지표와 비교하는 것을 특징으로 하는 진공펌프의 고장방지 및 예보유지를 위한 정밀진단 시스템.The PC system collects all state variable values measured from a real-time DAQ system without losing any data transmission, calculates the root mean square values of mechanical vibration and sound pressure signals, and continuously operates at idle and other gas output conditions. The maximum and minimum time series values of the measured state variable values are determined from each group of sampled signals, and the average and maximum values of the optimized model parameters and the measured state variables are determined using an active diagnostic algorithm based on a parametric model. Estimate the pump automatic characteristic values, obtain the pump performance index of the newly installed vacuum pump by using the in-situ evaluation method, and estimate the estimated pump operating characteristics and pump performance of the newly installed vacuum pump. The indicators are stored in the vacuum pump maintenance database. For the sake of brevity, the estimated pump operating characteristic value and pump performance index of the newly installed vacuum pump stored in the vacuum pump maintenance database are compared with the estimated pump operating characteristic value and pump performance index under abnormal operating conditions. Precise diagnosis system for failure prevention and forecast maintenance of vacuum pump.
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