KR20040028540A - 회전기의 수명 예측 시스템, 회전기의 수명 예측 방법 및회전기를 갖는 제조 장치 - Google Patents

회전기의 수명 예측 시스템, 회전기의 수명 예측 방법 및회전기를 갖는 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 저렴한 장치이고, 간편하고 안정되게 고정밀도로 회전기의 수명 예측을 하는 수명 예측 시스템을 제공하는 데 있다.
회전기(3) 진동의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계(7)와, 측정된 아날로그 신호의 시계열 가속도 데이터를, 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터(8)와, 여파된 제1 해석 주파수의 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 회전기(3)의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛(6)을 구비한다.

Description

회전기의 수명 예측 시스템, 회전기의 수명 예측 방법 및 회전기를 갖는 제조 장치 {SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING LIFETIME OF ROTARY MACHINE, AND MANUFACTURING APPARATUS HAVING ROTARY MACHINE}
본 발명은 제조 장치용 회전기 수명의 예측 기술에 관한 것으로, 특히 진공 펌프 등의 회전기의 수명을 예측하는 수명 예측 장치, 수명 예측 방법 및 이 회전기를 갖는 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조를 효율적으로 행하기 위해 반도체 제조 장치의 고장 진단이 중요해지고 있다. 또한, 최근, 시스템 LSI에서는 특히 다품종 소량 생산의경향이 강해져 이에 대응한 상황에 재빠르게 대처할 수 있는 효율적인 반도체 장치의 제조 방법이 필요해졌다. 효율적인 반도체 생산에는 소규모 생산 라인을 이용하는 경우가 있다. 그러나, 대규모 생산 라인을 단순히 작게 한 것만으로는 제조 장치의 가동률 저하 등의 문제가 발생하므로 투자 효율이 저하되는 문제가 있다. 이 대책으로서는 복수의 제조 공정을 하나의 제조 장치에서 행하는 방법이 있지만, 예를 들어 드라이 펌프를 배기계에 이용하고 있는 감압 화학 기상 성장(LPCVD) 장치에서는 프로세스 종류의 차이에 따라서 반응 가스나 반응 생성물이 다르고, 펌프 내부에서의 반응 생성물의 발생 및 축적 상황이 다르다. 이로 인해, 프로세스의 종류가 바뀌면 수명이 변동되어 버린다.
제조 프로세스 속에 드라이 펌프가 정지하면 제조 중인 로트가 불량이 되어 버릴 뿐만 아니라, 제조 장치 내부에 미소 더스트가 발생한다. 그로 인해, 제조 장치에 여분의 보수가 필요해져 반도체 장치의 제조 효율이 대폭으로 저하된다. 이 프로세스 중의 갑작스런 정지를 방지하기 위해 펌프의 보수 시간에 여유를 두면 펌프의 보수 빈도가 방대해진다. 또한, 보수 비용의 증가뿐만 아니라 펌프 교환에 의한 반도체 제조 장치의 가동률 저하가 현저해지므로, 반도체 장치의 제조 효율이 대폭으로 저하되어 버린다. 효율적인 소규모 생산 라인에 필요한 장치의 공용화를 실현하기 위해서는 드라이 펌프의 수명을 정확하게 진단하여 수명이 다할 때까지 펌프를 사용하는 것이 필요하다. 따라서, 수명 예측이 필수가 된다.
드라이 펌프의 수명 진단 방법은 현재까지 몇 가지 방법이 제안되어 있다. 기본적으로는 드라이 펌프의 상태를 모터 전류, 진동, 온도로 파악하여 이들 상태량의 변화로부터 수명을 예측하게 되는 방법이 취해져 왔다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특히, 드라이 펌프의 수명 진단 방법으로서, 펌프의 상태를 회전자 회전에 기인하는 진동으로 파악하는 방법이 주로 취해져 왔다. 그 이유로서 진동으로 진단하기 위해서는 진동계 혹은 가속도계를 펌프 측면에 부착하는 것만으로 측정할 수 있으므로, 간편한 수명 예측 방법으로서 주목받고 있기 때문이다. 또한, 진동 데이터로서 어쿠스틱 이미션 신호를 아날로그 및 디지털 변환(AD 변환)하여 수명을 예측하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).
드라이 펌프 내부의 반응 생성물의 축적 상황은 드라이 펌프에 고유의 기준 진동의 변동보다 기준 진동의 정수배 등의 드라이 펌프에 특징적인 주파수의 진동 변동쪽에 현저하게 나타난다. 종래에는, 도9에 도시한 바와 같이 드라이 펌프(113)의 진동을 측정하는 진동계(117)로부터의 신호를 앰프(181)에서 증폭하여 AD 변환기(118)에서 디지털 신호로 변환한다. 그리고, 데이터 처리 유닛(119)에서 푸리에 변환 후에 특정 주파수 성분만을 취출하여 수명 예측하는 방법이 이용되고 있었다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 2000-259222호 공보(제9 내지 제11 페이지, 도1)
[특허 문헌 2]
일본 특허 공개 평11-62846호 공보(제2 내지 제3 페이지, 도1)
AD 변환기를 이용하여 진동 데이터를 디지털 신호로 변환하고, 푸리에 변환에 의해 특정 주파수 성분을 취출하는 방법에서는 처리하는 데이터량이 방대해지는 것과, 1초 이하의 극단 시간의 진동 변동을 평가할 수 없는 문제가 있었다. 또한, 측정 시스템이 대규모가 되어 측정 시스템의 가격이 높아지는 문제가 있었다. 또한, 펌프 내부에서 반응 생성물이 축적되면 진동의 피크 주파수가 변동하는 현상이 확인되어 있고, 피크 주파수가 변동해도 정확하게 피크 가속도를 평가하는 방법의 확립이 필요하였다.
상술한 바와 같이, 진동을 이용하는 종래의 드라이 펌프의 수명 예측 방법에는 측정 장치의 가격이나, 처리하는 데이터량, 측정 시간 간격이나 안정성에 문제가 있어 저렴한 장치로, 보다 간편하고 안정된 고정밀도의 수명 예측 방법의 확립이 요구되고 있었다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하여, 저렴하고 간편한 장치를 이용하여 고신뢰성이고 고정밀도인 회전기의 수명 예측 시스템, 수명 예측 방법 및 이 회전기를 구비한 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치의 개략을 도시하는 도면.
도2는 도1에 도시한 회전기(드라이 펌프) 내부 구조를 도시하는 단면도.
도3은 본 발명의 실시 형태에 관한 수명 예측 시스템에 의해 측정된 피크 가속도의 경시 변화 그래프.
도4는 본 발명의 실시 형태에 관한 수명 예측 시스템에 의해 측정된 피크 가속도 감소율의 경시 변화 그래프.
도5는 본 발명의 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치용 회전기의 수명 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도6은 본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 수명 예측 시스템의 개략을 도시하는 도면.
도7은 본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 수명 예측 시스템에 의해 측정된 피크 가속도의 경시 변화 그래프.
도8은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치용 회전기의 수명예측을 행하는 반도체 생산 시스템의 구성예를 도시한 블럭도.
도9는 종래의 수명 예측 시스템의 개략을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : CVD 챔버
2 : 게이트 밸브
3, 113 : 드라이 펌프(회전기)
6, 119 : 데이터 처리 유닛
7, 117 : 진동계
8 : 밴드 패스 필터
8a : 제1 밴드 패스 필터
8b : 제2 밴드 패스 필터
10a, 10b : 회전자
11a, 11b : 회전축
13 : 본체
14 : 흡기 플랜지
15 : 배기 플랜지
32, 33 : 진공 배관
36a 내지 36d : 진동계
37 : 주파수 해석 장치(푸리에 변환 분석 장치)
38a 내지 38c : 배선
39 : 수명 예측 시스템
41, 42, 43 : 매스플로우 제어기
51, 52, 53 : 가스 배관
70 : 반도체 제조 장치
71 : LAN
72 : CIM
73 : 서버
74 : 데이터 처리 시스템
75 : 외부 기억 장치
77 : 컴퓨터
81, 181 : 앰프
118 : AD 변환기
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 특징은, (가) 회전기 진동의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계와, (나) 측정된 아날로그 신호의 시계열 가속도 데이터를, 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터와, (다) 여파된 제1 해석 주파수의 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 회전기의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛을 구비하는수명 예측 시스템인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제1 특징에 따르면, 저렴하고 간편한 장치를 이용하여 고신뢰성이고 고정밀도인 회전기의 수명 예측 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 제2 특징은, (가) 회전기의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 단계와, (나) 측정된 아날로그 신호의 시계열 가속도 데이터를, 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 단계와, (다) 여파된 제1 해석 주파수의 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 회전기의 수명을 예측하는 단계를 포함하는 수명 예측 방법인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 저렴하고 간편한 장치를 이용하여 고신뢰성이고 고정밀도인 회전기의 수명 예측 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 제3 특징은 (가) 회전기와, (나) 회전기 진동의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계와, (다) 측정된 아날로그 신호의 시계열 가속도 데이터를, 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터와, (라) 여파된 제1 해석 주파수의 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 회전기의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛을 구비하는 제조 장치인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 저렴하고 간편한 장치를 이용하여 고신뢰성이고 고정밀도인 수명 예측을 할 수 있는 회전기를 구비한 제조 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 특징에 있어서, 블레이드 매수를 포함하는 식은 블레이드 매수를 m으로 하고, 임의의 정수 1 및 n을 이용하여 n ＋ (1/m)로 나타낼 수 있다. 또한, 주파수 밴드가 피크 가속도의 피크 절반치 폭과 피크 가속도의 피크 주파수 변동의 최대치와의 합의 2 내지 10배의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 진동계의 측정 간격이 제1 해석 주파수 주기의 1/3배 이하인 것이 바람직하다. 또한, 시계열 가속도 데이터를 제1 해석 주파수와는 진동의 위상이 상이한 제2 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호가 붙어 있다. 단, 도면은 모식적인 것이고, 두께와 평면 치수와의 관계, 각 층의 두께의 비율 등은 현실의 것과는 다른 것에 유의해야 한다. 따라서, 구체적인 두께나 치수는 이하의 설명을 참작하여 판단해야 한다. 또한 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 다른 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
본 발명의 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치로서의 LPCVD 장치는, 도1에 도시한 바와 같이 CVD 챔버(1)를 진공 배기하는 드라이 펌프(3)(회전기)와, 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하는 수명 예측 시스템(39)을 구비하고 있다.
또한, 수명 예측 시스템(39)은 드라이 펌프(3)의 본체 측면에 배치되어 진동의 가속도 등의 특징량의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계(7)와,진동계(7)에서 측정된 시계열 가속도 데이터를 증폭하는 앰프(81)와, 앰프(81)에서 증폭된 시계열 가속도 데이터를 주파수 밴드 영역에서 여파하는 밴드 패스 필터(8)와, 여파된 시계열 진동 아날로그 데이터로부터 해석 주파수에 대응한 진동의 특징량의 변동을 평가용 진단 데이터로서 작성하여 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛(6)을 구비한다.
LPCVD 장치의 CVD 챔버(1)에는 가스 배관(51, 52, 53)이 접속되어 있다. 이 가스 배관(51, 52, 53)에는 CVD 챔버(1)로 도입되는 다양한 원료 가스 및 캐리어 가스를 제어하기 위한 매스플로우 제어기(41, 42, 43)가 각각 접속되어 있다. 즉, 매스플로우 제어기(41, 42, 43)에 의해 그 유량이 제어된 원료 가스 등은 가스 배관(51, 52, 53)을 통해 일정한 감압화의 CVD 챔버(1)로 도입된다. CVD 챔버(1)는 외기 차단과 분위기를 유지하는 것이 가능한 밀폐 구조를 하고 있다. CVD 챔버(1)의 내부를 드라이 펌프(3)로 진공 배기하기 위해 CVD 챔버(1)의 배기측에는 진공 배관(32)이 접속되고, 이 진공 배관(32)의 배기측에 게이트 밸브(2)가 접속되어 있다. 게이트 밸브(2)의 배기측에는 또 다른 진공 배관(33)이 접속되어 있다. 진공 배관(33)의 배기측에 드라이 펌프(3)의 흡기측이 접속되어 있다. 게이트 밸브(2)는 필요에 따라서 CVD 챔버(1)와 드라이 펌프(3)를 분리하고, 혹은 배기 콘덕턴스를 조정한다. 그리고, 드라이 펌프(3)는 CVD 챔버(1)로 도입된 미반응 원료 가스 및 반응 생성물을 배기하기 위해 이용되고 있다.
도1에 도시하는 LPCVD 장치를 이용하여, 예를 들어 실리콘 질화막(Si3N4막)을성막하는 경우에는 감압 상태가 된 CVD 챔버(1)에 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스를 매스플로우 제어기(41)를 거쳐서 도입하고, 암모니아(NH3) 가스를 매스플로우 제어기(42)를 거쳐서 도입한다. 그리고, CVD 챔버(1)의 내부에서 실리콘(Si) 기판을 약 800 ℃ 정도까지 가열하여 디클로로실란 가스와 암모니아 가스의 화학 반응에 의해 실리콘 기판 상에 Si3N4막을 성막한다. 이 화학 반응은 Si3N4막을 생성하는 동시에, 반응 부생성물로서 염화암모늄(NH4Cl) 가스 및 수소(H2) 가스를 발생한다. 수소는 기체이고, 드라이 펌프(3)에 의해 배기된다. NH4Cl은, 생성시에 있어 서는 반응로 내가 800 ℃ 정도의 고온 하 및 수백 Pa 혹은 서브 수백 Pa 이하의 감압 하이므로 기체형이다. 도시를 생략하고 있지만, 통상 LPCVD 장치에는 고체의 반응 부생성물을 포집하는 트랩이 CVD 챔버(1)와 드라이 펌프(3) 사이에 설치되어 있다. 트랩은 압력이 낮으므로, 반응 부생성물의 완전한 포집은 불가능하다. 완전히 포집할 수 없는 반응 부생성물은 드라이 펌프(3)까지 도달한다. 드라이 펌프(3)에서는 기체의 압축에 의해 0.1 Pa 정도로부터 대기압까지 압력이 증가한다. 반응 부생성물은 상태도에 있어서의 승화 곡선에 따라서, 저압 하에서는 기체로서 존재하지만, 보다 고압화에서 고화를 시작한다. 펌프 내부에서는 가스의 압축이 반복되어 수백 Pa의 압력으로부터 대기압까지 압력이 변화해 가므로, 배기 가스 중의 가스형 반응 부생성물은 압력 상승과 함께 드라이 펌프(3)의 내부에서 고화되기 시작한다. 드라이 펌프(3)의 배관 내에서 고화되기 시작하면, 근소하지만 퇴적물이 회전축을 탄성 변형시킨다. 그 결과로서, 드라이 펌프가 고장나는 것으로 이어진다.
도2에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치로서의 LPCVD 장치에 이용하는 드라이 펌프(3)는 3매의 블레이드가 부착된 2개의 회전자(10a, 10b)가 각각 회전축(11a, 11b)에서 회전하는 구조이다. 드라이 펌프(3)는 본체(13)의 흡기측에 설치된 흡기 플랜지(14) 및 본체(13)의 배기측에 설치된 배기 플랜지(15)를 갖고 있다. CVD 챔버(1)로부터 게이트 밸브(2)를 통해 온 가스 흐름은 흡기 플랜지(14)로부터 드라이 펌프(3) 내로 들어 간다. 드라이 펌프(3) 내로 들어 간 가스는 2개의 회전자(10a, 10b)가 회전축(11a, 11b)에서 회전함으로써 압축된다. 압축된 가스는 배기 플랜지(15)로부터 배기된다. 또한, 진동계(7)는 드라이 펌프(3) 본체(13)의 평탄한 부분에 자석에 의해 부착되어 있다.
드라이 펌프(3)에서는 회전자(10a, 10b) 사이의 간격이나 회전자(10a, 10b)와 본체(13) 내벽 사이의 간격은 1 ㎜ 이하로 되어 있다. 그로 인해, 예를 들어 Si3N4박막을 실리콘 기판 상에 퇴적하는 경우, NH4Cl이 주체인 반응 부생성물이 펌프 내부에서 석출되어 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b)와 본체(13) 내벽 사이에 가득 찬다. 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b)와 본체(13) 내벽 사이에서 반응 부생성물이 가득 차 마찰되게 되면, 마찰 기인의 특징적인 진동이 발생한다. 따라서, 진동계(7)에 의해 드라이 펌프(3)의 진동의 특징량의 추이를 측정함으로써, 드라이 펌프(3) 내부의 반응 생성물의 축적 상황을 모니터하여 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하는 것이 가능해진다.
드라이 펌프(3)에서는, 회전자(10a, 10b)는 50 ㎐에서 회전시키므로, 진동계(7)에서 관측되는 가속도의 기준 진동의 주파수는 50 ㎐이다. 또한, 복수매의 블레이드를 부착한 회전자(10a, 10b)를 회전시키므로, 회전자 회전에 기인하는 기준 진동의 정수배의 주파수의 진동이 발생한다. 또한, 드라이 펌프(3)의 회전자(10a, 10b)는 기계적으로 본체(13) 내에 부착되어 있으므로, 본체(13) 내벽과 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b) 사이의 클리어런스는 엄밀하게는 동일하지 않으며 비대칭성을 갖는다. 이로 인해, 드라이 펌프(3) 내부에 반응 부생성물이 축적되면, 본체(13) 내벽과 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b) 사이의 마찰에는 불균일성이 생긴다. 이 결과, 반응 부생성물이 축적된 경우에는, 진동계(7)에서 측정되는 가속도의 주파수 성분에는 회전자 회전에 기인하는 기준 진동 및 기준 진동의 정수배의 주파수 이외의 진동 주파수의 서브 피크가 관찰된다. 예를 들어, 정상 상태에서는 기준 진동의 정수배의 피크가 현저하고, 서브 피크는 불명료하다. 드라이 펌프(3) 내부에 반응 부생성물이 축적되어 정지 직전이 되면 서브 피크가 출현한다. 펌프 정지 전에 출현하는 서브 피크는 펌프 내부의 반응 부생성물의 축적에 매우 민감하다. 드라이 펌프(3) 내부의 반응 부생성물 막힘의 모니터에 유효하며 주요한 서브 피크는 경험적으로 회전자(10a, 10b)의 블레이드 매수를 m으로 한 경우, 기준 진동의 {n ＋ (1/m)}배로 나타낸다. n, 1은 임의의 양의 정수이지만, n이 큰 경우는 감도가 저하되므로, n ≤ m × 회전축 수 ＋ 1의 관계가 필요하다.
드라이 펌프 내부에 축적된 반응 부생성물의 상황은 기준 진동보다는 기준진동의 정수배나 서브 피크 등의 드라이 펌프(3)에 특징적인 주파수의 진동 변동쪽에 현저하게 나타난다. 따라서, 드라이 펌프의 수명 예측에서는 기준 진동 이외의 특정 주파수의 진동 가속도 추이를 조사하는 것이 중요하다. 이로 인해, 진동의 가속도 측정에서는 일반적으로 AD 변환기에서 진동계(7)로부터의 신호를 디지털 신호로 하여 푸리에 변환한 후에 특정 주파수 성분만을 취출하는 방법이 이용된다. AD 변환기를 이용하는 방법에서는 넓은 주파수 밴드의 진동 데이터를 AD 변환의 대상으로 하므로 처리하는 데이터량이 방대해진다. 또한, AD 변환 혹은 푸리에 변환 처리에 장시간을 필요로 하므로 1초 이하의 극단 시간의 진동 변동을 검지할 수 없는 문제가 있다. 드라이 펌프(3)의 진동 추이, 예를 들어 가속도의 시계열 데이터의 측정에서는 소정 시간 간격으로 소정수의 가속도를 샘플링한다. 샘플링 수는 신호/잡음(S/N)비의 문제로부터 1측정에 4096점 이상 필요해진다. 해석 주파수의 진동 데이터를 샘플링하는 경우, 샘플링 시간은, 예를 들어 1미리초로 짧게 할 수 있지만, 샘플링이 4096점 이상이다. 따라서, 종래의 AD 변환과 푸리에 변환에 의한 해석 방법에서는 최저 4 내지 5초의 측정 시간 간격이 필요해진다.
특히, 드라이 펌프(3) 내부에서 반응 부생성물을 많이 축적하여 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b)와 본체(13) 내벽 사이에서의 마찰이 큰 경우, 혹은 드라이 펌프(3) 상부의 배관 내부에 부착된 반응 부생성물이 박리되어 드라이 펌프(3) 내부로 낙하하는 경우에는 측정되는 진동에 1초 이하의 극단 시간의 피크형 변동이 발생한다. 따라서, 드라이 펌프(3)의 이상 검지, 즉 수명 예측에는 극단 시간의 측정 해석이 중요해진다. 드라이 펌프(3)의 진동 추이, 예를 들어 가속도의 시계열 데이터의 측정에서는, 해석 주파수의 진동 데이터의 측정 간격은 작을수록 단시간의 변화를 파악할 수 있지만, 아주 단시간의 변화를 측정하는 것은 곤란하다. 또한, 신뢰성이 높은 이상 검지에는, 측정 간격은 해석 주파수를 f(㎐)로 한 경우에 1/(3ㆍf)초 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 형태에 있어서는, 시계열 가속도 데이터의 측정 간격은 0.001초로 하고 있다.
본 발명의 실시 형태에 관한 드라이 펌프(3)의 수명 예측에서는, 진동계(7)로부터의 신호를 AD 변환하지 않고 아날로그 신호의 상태에서 밴드 패스 필터(8) 등의 필터 회로를 통과시킴으로써 해석 대상 주파수 밴드의 진동 데이터를 측정한다. 드라이 펌프(3) 내부에 반응 부생성물이 축적되어 회전자(10a, 10b) 사이나 회전자(10a, 10b)와 본체(13) 내벽 사이가 마찰되는 경우, 진동 데이터의 피크 주파수가 감소하게 된다. 밴드 패스 필터(8)의 밴드 영역 폭은 피크 주파수 변동을 포함하여 설정할 필요가 있다. 그로 인해, 가속도의 피크 절반치 폭과 반응 부생성물의 축적에 의한 피크 주파수 변동 최대치의 합의 2 내지 10배의 밴드 영역 폭을 이용하면 좋다. 예를 들어, 본 발명의 실시 형태에 있어서는 가속도의 피크 절반치 폭 3 ㎐와, 피크 주파수 변동의 최대치 6 ㎐의 합의 2배 이상에 상당하는 밴드 영역 폭 290 내지 310 ㎐의 밴드 패스 필터(8)를 이용하여 기준 진동의 6배의 주파수 300 ㎐의 피크 가속도 신호가 여파되고, 데이터 처리 유닛(6)에서 측정 해석된다.
드라이 펌프(3)의 내부에 반응 부생성물이 축적되어 드라이 펌프(3)가 정지하기 수일 전의 제1 내지 제4 성막 단계에서의 300 ㎐의 진동의 가속도 추이를 도3에 도시한다. 밴드 패스 필터(8)를 이용한 본 발명의 실시 형태에 관한 수명 예측 시스템에 따르면, 제1 내지 제4 전체 성막 단계에서 피크 가속도의 감소를 볼 수 있다. 도3에는 비교를 위해 종래의 수명 예측 시스템(도9 참조)을 이용하여 측정된 예를 동시에 나타내고 있다. 같은 진동계(7)로부터 출력되는 가속도 신호를 분기하여 AD 변환기(118)에서 디지털 신호로 변환한 후, 고속 푸리에 변환에서 주파수 성분으로 나누어 300 ㎐의 피크 가속도 추이를 측정 해석하고 있다. 도3에서 볼 수 있는 바와 같이, AD 변환에 의한 방법에서는 제1 성막 단계에서 피크 가속도 신호가 결핍되어 있다. AD 변환에 의한 종래의 방법에서는 샘플링 시간은 본 발명의 실시 형태에 비해 1미리초로 짧다. 그러나, 샘플링이 4096점이고, 또한 AD 변환 및 푸리에 변환에 필요한 시간이 포함되므로, 샘플링 측정 간격은 4.5초가 한계이다. 따라서, 1초 이하의 단시간의 가속도 변동을 안정되게 측정할 수는 없다. 실제로 밴드 패스 필터(8)를 이용한 아날로그 신호에 비교하면, AD 변환에 의한 디지털 신호의 데이터량은 약 100배나 많고, 그에 따라서 데이터 처리 시간도 10배 이상으로 증가하고 있다.
드라이 펌프의 교환 직후로부터 내부에 생성물이 퇴적하여 정지하기까지의 300 ㎐의 가속도 추이를 조사하였다. 본 발명의 실시 형태에 있어서는, 밴드 패스 필터(8)에 의해 여파하여 해석 주파수의 밴드 영역을 좁게 함으로써 가속도의 시계열 데이터량을 감소시킬 수 있다. 또한, 측정 시간 간격도 단축할 수 있다. 따라서, 피크 가속도 등의 진동 추이가 고신뢰성이고 고정밀도로 안정되게 측정할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 관한 수명 측정 시스템(39)에 따르면, 성막 단계에서의 300 ㎐ 피크 가속도의 감소율은, 도4에 도시한 바와 같이 반응 부생성물이 펌프 내부에 축적됨에 따라 증가하고, 수명 예측 가능한 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 가속도 감소율이 85 ％ 이상이 되는 점을「펌프 정지 직전」의 역치로 하여 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하면 좋다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 관한 수명 예측 시스템(39)에 있어서는 고가의 AD 변환기나 푸리에 해석 장치로 바꾸어 간단한 밴드 패스 필터(8)를 이용하고 있다. 밴드 패스 필터(8)는, 예를 들어 인덕터와 캐패시터로 이루어지는 복수의 병렬 공진기를 결합시킴으로써 실현할 수 있다. 그로 인해, 수명 예측 시스템(39)의 시스템 구성이 간편화되고, 또한 시스템의 가격도 대폭으로 감소시키는 것이 가능해진다.
다음에, 도5에 도시하는 흐름도를 이용하여 본 발명의 실시 형태에 관한 제조 장치용 회전기의 수명 예측 방법을 설명한다. 구체적으로는, Si3N4박막을 형성하는 LPCVD 장치에 이용되는 드라이 펌프(3)의 수명을 예측한다.
(가) 우선, 단계 S101에서는 LPCVD 장치의 드라이 펌프(3)의 측면에 배치된 진동계(7)에서 성막 단계에서의 드라이 펌프(3)의 진동(가속도)의 시계열 가속도 데이터(추이)를 측정한다. 예를 들어, 시계열 가속도 데이터를 0.1초의 시간 간격으로 측정한다.
(나) 다음에 단계 S102에 있어서, 단계 S101에서 얻게 된 시계열 가속도 데이터를 앰프(81)에 의해 증폭한다. 앰프(81)에서 증폭된 시계열 가속도 데이터로부터 밴드 패스 필터(8)에 의해 해석 주파수 성분을 여파하여 선별한다. 밴드 패스 필터(8)의 밴드 영역은 290 내지 310 ㎐이고, 해석 주파수는 300 ㎐이다.
(다) 단계 S103에 있어서, 밴드 패스 필터(8)에서 선별된 시계열 가속도 데이터를 이용하여 데이터 처리 유닛(6)에 의해 피크 가속도 시계열 아날로그 데이터를 산출한다.
(라) 그 후, 단계 104에 있어서, 데이터 처리 유닛(6)에 의해 피크 가속도 시계열 아날로그 데이터로부터 가속도 감소율을 산출한다. 산출된 가속도 감소율을 가속도 감소율의 역치와 비교하여 드라이 펌프(3)의 수명을 판단한다. 가속도 감소율이 역치 이하이면, 계속해서 측정을 반복한다.
(마) 그리고, 가속도 감소율이 역치를 초과하고 있으면, 단계 S105에서 데이터 처리 유닛(6)은 LPCVD 장치에 딸린 표시 장치, 표시 패널, 혹은 표시 램프에 펌프 정지 직전(수명)의 표시를 행한다.
본 발명의 실시 형태에 관한 반도체 제조 장치의 수명 예측 방법에 따르면, 밴드 패스 필터(8)를 이용하여 여파하여 해석 주파수의 밴드 영역을 좁게 함으로써 가속도의 시계열 데이터량을 감소시킬 수 있고, 또한 측정 시간 간격도 단축할 수 있다. 따라서, 피크 가속도 등의 진동 추이를 고정밀로 안정되게 측정할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 있어서, 펌프 정지 직전을 판단하는「역치」는 실제의 적용에 있어서 적절하게 설정하면 좋다. 또한, 드라이 펌프(3)의 고장 진단에 해석 대상으로서 기준 진동의 6배인 300 ㎐를 이용하여 설명하였지만, 다른 주파수에서도 드라이 펌프(3)의 진동 변동이 관측되어 수명 진단에 이용할 수 있는 것은 물론이다.
(변형예)
본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 제조 장치용 회전기의 수명 예측 시스템(39a)은 도6에 도시한 바와 같이 제1 밴드 패스 필터(8a)와 제2 밴드 패스 필터(8b)를 이용한다. 드라이 펌프(3) 내부에서 반응 부생성물이 축적되는 경우, 진동계(7)에서 검지되는 진동의 피크 가속도 변동에는, 주파수에 따라서는 본 발명의 실시 형태에서 설명한 바와 같이 피크 가속도가 감소하는 주파수와, 반대로 증가하는 주파수가 있다. 따라서, 해석 주파수로서 기준 진동의 {n ＋ (1/m)}배(m은 회전자의 블레이드 매수, n, 1은 임의의 양의 정수) 중으로부터 펌프 내부에 반응 부생성물이 축적된 경우에 피크 가속도의 변동의 위상이, 예를 들어 증가 및 감소와 같이 상이한 거동을 나타내는 조합을 선택한다. 이와 같이 하여, 성막 단계에 있어서의 드라이 펌프(3)의 반응 생성물의 막힘에 기인하는 피크 가속도를 안정되고 정밀도 좋게 검출할 수 있다. 따라서, 신뢰성이 높은 수명 예측이 가능해진다. 본 발명의 실시 형태의 변형예에 있어서는, 드라이 펌프(3)의 진동의 피크 가속도 변동의 주파수를 2점 조합하여 해석하므로 제1 및 제2 밴드 패스 필터(8a, 8b)를 구비하는 점이 상이하고, 그 밖에는 본 발명의 실시 형태와 마찬가지이므로 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 수명 예측 시스템(39a)은 드라이 펌프(3)의 본체 측면에 배치되어 진동의 가속도 등의 특징량의 시계열 가속도 본체를 측정하는 진동계(7)와, 진동계(7)에서 측정된 시계열 가속도 데이터를 증폭하는앰프(81)와, 앰프(81)에서 증폭된 시계열 가속도 데이터를 제1 해석 주파수를 포함하는 밴드 영역에서 여파하는 제1 밴드 패스 필터(8a)와, 앰프(81)에서 증폭된 시계열 가속도 데이터를 제2 해석 주파수를 포함하는 밴드 영역에서 여파하는 제2 밴드 패스 필터(8b)와, 제1 및 제2 밴드 패스 필터(8a, 8b)에서 여파된 시계열 진동 아날로그 데이터로부터 해석 주파수에 대응한 진동의 특징량의 변동을 평가용 진단 데이터로서 작성하여 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛(6)을 구비한다. 여기서, 제1 및 제2 밴드 패스 필터(8a, 8b)에서 여파되는 주파수 밴드 영역으로서는 드라이 펌프(3)의 피크 가속도 변동의 위상이 상이한 주파수를 포함하도록 설정한다.
본 발명의 실시 형태에 있어서, 예를 들어 제1 밴드 패스 필터(8a)로 여파하는 제1 해석 주파수를 300 ㎐, 밴드 영역을 290 내지 310 ㎐로 하고, 제2 밴드 패스 필터(8b)로 여파하는 제2 해석 주파수를 400 ㎐, 밴드 영역을 390 내지 410 ㎐로 하여 300 ㎐와 400 ㎐의 피크 가속도 추이를 측정하였다. 도7에 도시한 바와 같이, 피크 가속도의 변동은 제1 주파수 300 ㎐에 있어서는 감소하는 데 반해, 제2 주파수 400 ㎐에 있어서는 반대로 증가하고 있다. 피크 가속도 변동은 드라이 펌프(3) 내부의 반응 부생성물의 축적뿐만 아니라, 예를 들어 가스 유량 변동이나 주위의 진동, 충격의 영향을 받는다. 피크 가속도 변동의 위상이 상이한 제1 및 제2 해석 주파수를 이용함으로써, 드라이 펌프(3) 내부에 축적한 반응 부생성물에 기인한 피크 가속도 현상만을 정확하게 파악하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 수명 예측 시스템(39a)에서는 보다 신뢰성이 높은드라이 펌프(3)의 수명 예측이 가능해진다.
(그 밖의 실시 형태)
상기와 같이 본 발명을 실시 형태에 의해 기재하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라 이해하면 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 명백해질 것이다.
본 발명의 실시 형태에서는 진동계(7)의 부착 위치를 드라이 펌프(3)의 본체(13) 측면으로 하였지만, 본체(13)의 상면 혹은 바닥면이라도 좋고, 또한 도시는 생략되어 있는 드라이 펌프(3)의 기어 박스의 상부, 측면, 혹은 바닥면이라도 좋다. 단, 측정 가속도의 안정성을 확보하기 위해 드라이 펌프(3)의 부착 부분을 진동계의 부착면과 같은 정도의 가공 정밀도의 평면으로 할 필요가 있다. 진동계(7)의 부착은 자석에 한정되지 않고, 접착제 등의 화학적 수단, 혹은 나사 고정, 매립 등의 기계적 수단으로 고정해도 좋다.
또한, 본 발명의 실시 형태에서는 루트형의 드라이 펌프(3)를 이용한 예를 서술하였지만, 스크류형의 드라이 펌프에서도 동일한 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하고 있다. 기준 진동의 {n ＋ (1/m)}배의 서브 피크를 이용하는 경우, 스크류형 드라이 펌프에 대한 블레이드 매수(m)는 1로 하면 된다.
또한, 드라이 펌프(3)의 수명을 예측하는 해석은, 본 발명의 실시 형태에서는 LPCVD 장치에 딸린 수명 예측 시스템(39)의 데이터 처리 유닛(6)에서 실시하였지만, 수명 판정 해석은 LPCVD 장치의 다른 컴퓨터에서 행해도 좋다. 예를 들어, 드라이 펌프(3)의 제어 장치(도시 생략)에 내장해도 좋다. 또한, 도8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 반도체 생산 시스템은 로컬 에어리어 네트워크(LAN)(71)에 반도체 제조 장치(70), 컴퓨터(77), 컴퓨터 통합 생산 시스템(CIM)(72) 등이 접속되어 있다. CIM(72)은 서버(73), 데이터 처리 시스템(74) 혹은 외부 기억 장치(75) 등이 접속되어 있다. 측정된 시계열 가속도 데이터를 LAN(71)을 거쳐서 전송하고, CIM(72) 상의 데이터 처리 시스템(74)으로 수명 판정 해석을 실시해도 좋다. 또한, LAN(71) 상의 컴퓨터(77)나, CIM(72) 상의 서버(73) 혹은 다른 컴퓨터로 수명 판정 해석을 실시해도 좋다. 또한, 수명 판정 해석용 특징량의 시계열 데이터를 CIM(72) 상의 외부 기억 장치(75)에 저장해도 좋다.
또한, 상기에 있어서, 디클로로실란 가스와 암모니아 가스와의 반응에서 실리콘 질화막을 성막하는 경우를 예시하였지만, 원료 가스는 디클로로실란 가스나 암모니아 가스에 한정되지 않는 것은 물론이다. 또한, Si3N4막의 LPCVD의 예에 한정되지 않고, 다른 재료의 박막의 LPCVD라도 마찬가지로 적용할 수 있다. 또한, 단일 종류의 박막을 성장하는 경우의 예를 나타내었지만, Si3N4막, TEOS 산화막, 다결정 실리콘 등의 복수 종류의 박막을 동일한 LPCVD 장치에서 형성하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 관한 실시 형태에서는 LPCVD 프로세스의 예를 나타내었지만, 본 발명은 드라이 펌프의 내부에 반응 부생성물이 퇴적하여 회전기가 정지하는 경우에는 동일한 효과가 확인되고 있어 CVD 프로세스 전반, 드라이 에칭 프로세스 등에 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하지 않은 다양한 실시예 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 관한 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 특허청구의 범위에 관한 발명 특정 사항에 따라서만 정해지는 것이다.
본 발명에 따르면, 저렴하고 간편한 장치를 이용하여 고신뢰성이며 고정밀도인 회전기의 수명 예측 시스템, 수명 예측 방법 및 이 회전기를 구비한 제조 장치를 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 회전기 진동의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계와,
    측정된 아날로그 신호의 상기 시계열 가속도 데이터를, 상기 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 상기 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터와,
    여파된 상기 제1 해석 주파수의 상기 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 상기 회전기의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 수명 예측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 매수를 포함하는 식이 상기 블레이드 매수를 m으로 하고, 임의의 정수 1 및 n을 이용하여 n ＋ (1/m)로 표현되는 것을 특징으로 하는 수명 예측 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주파수 밴드가 상기 피크 가속도의 피크 절반치 폭과 상기 피크 가속도의 피크 주파수 변동의 최대치와의 합의 2 내지 10배의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 수명 예측 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 진동계에 의한 측정 간격이 상기 제1 해석 주파수 주기의 1/3배 이하인 것을 특징으로 하는 수명 예측 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시계열 가속도 데이터를 상기 제1 해석 주파수와는 진동의 위상이 상이한 제2 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수명 예측 시스템.
  6. 회전기의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 단계와,
    측정된 아날로그 신호의 상기 시계열 가속도 데이터를, 상기 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 상기 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 단계와,
    여파된 상기 제1 해석 주파수의 상기 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 상기 회전기의 수명을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수명 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 블레이드 매수를 포함하는 식이 상기 블레이드 매수를 m으로 하고, 임의의 정수 1 및 n을 이용하여 n ＋ (1/m)로 표현되는 것을 특징으로 하는 수명 예측 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 주파수 밴드가 상기 피크 가속도의 피크 절반치 폭과상기 피크 가속도의 피크 주파수 변동의 최대치와의 합의 2 내지 10배의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 수명 예측 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 시계열 가속도 데이터가 상기 제1 해석 주파수 주기의 1/3배 이하의 간격으로 측정되는 것을 특징으로 하는 수명 예측 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 시계열 가속도 데이터를 상기 제1 해석 주파수와는 진동의 위상이 상이한 제2 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수명 예측 방법.
  11. 회전기와,
    상기 회전기 진동의 시계열 가속도 데이터를 측정하는 진동계와,
    측정된 아날로그 신호의 상기 시계열 가속도 데이터를, 상기 회전기의 회전자의 블레이드 매수를 포함하는 식과 상기 회전기에서의 고유의 기준 진동 주파수와의 곱으로 표현되는 제1 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터와,
    여파된 상기 제1 해석 주파수의 상기 시계열 가속도 데이터의 특징량으로부터 상기 회전기의 수명을 예측하는 데이터 처리 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 블레이드 매수를 포함하는 식이 상기 블레이드 매수를 m으로 하고, 임의의 정수 1 및 n을 이용하여 n ＋ (1/m)로 표현되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 주파수 밴드가 상기 피크 가속도의 피크 절반치 폭과 상기 피크 가속도의 피크 주파수 변동의 최대치와의 합의 2 내지 10배의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 진동계의 측정 간격이 상기 제1 해석 주파수의 시간 간격의 4배 이상인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 시계열 가속도 데이터를 상기 제1 해석 주파수와는 진동의 위상이 상이한 제2 해석 주파수를 포함하는 주파수 밴드로 여파하는 밴드 패스 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
KR1020030067226A 2002-09-30 2003-09-29 회전기의 수명 예측 시스템, 회전기의 수명 예측 방법 및회전기를 갖는 제조 장치 KR100557377B1 (ko)

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