JP2005233189A - 能動振動低減 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 真空ポンプシステム及び真空ポンプシステム内の振動を低減させる方法を提供する。
【解決手段】 能動磁気ベアリング４９０を具備するポンプシステム４００において、磁気ベアリング４９０は、望ましくない振動と逆位相である振動を誘発し、ポンプシステム４００内の全振動を低減させる。この態様で、一方のポンプ４１０内の磁気ベアリング４９０は、他方のポンプ４３０からの振動を相殺することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、概してポンプシステムに関し、特に、真空ポンプシステム及び真空ポンプシステム内の振動を低減させる方法に関する。

ポンプは、産業用途に広く用いられている。真空ポンプは、半導体産業などの産業において多くの用途に用いられている。多くのプロセスにとって、プロセスチャンバ内に真空を作り出すことが必要である。例えば、化学蒸着、スパッタリング及びエッチングはすべて、真空雰囲気内で実施されるので、これらのプロセス用の設備は、一般に真空ポンプ又は真空ポンプシステムに連結されている。

半導体プロセスは、通常、極度に清浄で制御された雰囲気内で行われる。外部からの物質の小さな粒子であっても半導体デバイスに損傷を与え得るので、このような粒子を製造領域から排除するために細心の注意が払われる。雰囲気中での小さな変化は、感受性プロセスに影響を与えるかもしれない。これらの問題を解決するために、空気が濾過され、温度や湿度などの因子が慎重に制御される「ファブ（FAB）」が作られている。この雰囲気を維持するためには極端に費用がかかる。半導体を処理するために直接用いられないある種の設備はファブ（FAB）の外部に置かれてもよい。真空ポンプは、しばしばファブ（FAB）の外部に置かれる。頻繁に、このようなポンプは、ファブ（FAB）領域よりは低レベルの清浄度に維持される「サブファブ（SUB-FAB）」（ファブ（FAB）のすぐ下のベースメント）に置かれる。

ある種の半導体設備は、ターボ分子ポンプ（TMP）により達成される高レベルの真空を必要とする。TMPは、ブレード付のローターを有する。ブレードは、ガス分子がブレードに衝突する際にポンプからガス分子を追い払う。ローターは、典型的には、極端な高速で回転する。したがって、良好なベアリングが重要である。この用途に用いられるベアリングの1タイプは、磁気ベアリングである。これは、ポンプの固定部分と物理的接触なしにローターを回転させる。受動磁気ベアリング及び能動磁気ベアリングが用いられる。能動磁気ベアリングは、ローターの位置を維持する電磁石を有する。ローター位置が変化すると、変化はセンサによって検出され、電磁石への電流はローターを目的の位置に戻すように調節される。TMP内での磁気ベアリングの典型的な配置は、ローターの低端部を保持する受動ベアリングと、上端部のｘyｚ軸位置を制御する上端部の能動ベアリングと、を有することを含む。

TMPは、一般に、減圧下（大気圧以下）で作動する。したがって、TMPは、通常、バッキングポンプを有するように構成されている。バッキングポンプは、TMPの排気側での圧力を減少させる第2ポンプである。バッキングポンプは、TMPが効率的に運転できるようなポイントまで圧力を減少させる。典型的には、バッキングポンプは、サブファブ（SUB-FAB）領域内でファブ（FAB）の外側に位置づけられているドライポンプである。図1は、ポンプを有する半導体処理ツールの典型的な配置を示す。図1で、TMPはファブ（FAB）内に位置づけられていて、バッキングポンプはサブファブ（SUB-FAB）内に位置している。このようなツールの例としては、化学蒸着（CVD）又は物理蒸着（PVD）によって成膜するクラスタツールや、基板から物質をエッチングするツールを挙げることができる。

バッキングポンプをTMPから離隔して配置する結果としていくつかの問題が生じる。TMPをバッキングポンプまで連結するライン（フォアライン）は、長くなり、大容量を有するであろう。これは、チャンバを減圧するための時間を追加し、必然的により大きなバッキングポンプを必要とするであろう。障害物のため及びTMPとバッキングポンプとの間の距離を変動させるために、異なるチャンバには異なるフォアライン構成が必要になるであろう。これらの異なる構成は、あるチャンバから他のチャンバへのプロセス変動を引き起こすであろうが、これは非常に望ましくない。

別の配置は、バッキングポンプをTMPの近くに置くことである。バッキングポンプは、ファブ（FAB）内にあり、TMPに連結されてもよい。TMPは、プロセスチャンバに連結される。これらの成分を一緒に近くに維持することで、フォアライン誘導型変動は排除され得るし、より小型でより低廉なバッキングポンプを用いることができるし、費用のかかるフォアライン据付けを避けて、サブファブ（SUB-FAB）領域内でのスペースを節約できる。

バッキングポンプをTMPに近づける場合に遭遇する一つの問題は、バッキングポンプからの望ましくない振動である。ドライポンプなどのバッキングポンプは、一般に、相当な量の振動を発生させる。バッキングポンプがチャンバから離れている場合には、振動が伝わらなければならない距離ゆえに、チャンバに到達する振動は減少する。バッキングポンプが直接TMPに連結されている場合もしくは非常に近くにある場合には、バッキングポンプからの振動はTMPへ及びチャンバへ伝播する。これは、ある種のプロセスにとって望ましくない。あるプロセス設備は、振動感受性である。なぜなら、振動は、ウェハを設定位置から移動させることがあり、計測用途又はリソグラフィー用途においては振動がイメージを歪ませ又は露出させることがあるからである。

望ましくない振動を相殺するための振動を発生させる磁気ベアリングを用いる能動振動低減システムを開示する。望ましくない振動は、TMPに連結されているバッキングポンプ、特にバッキングポンプとTMPとが一緒に近くにある場合に由来するものであってもよい。望ましくない振動は、TMPを通してホストシステムまで伝播する。TMPがホストに取り付けられている場合に、振動は検出され得る。例えば、TMPの入口フランジ上に置かれたセンサを用いることができる。センサは、振動の位相及び振幅を示すTMPコントローラに信号を送る。センサからの信号に基づいて、修正された制御信号がTMP内の磁気ベアリングに送られる。修正された制御信号は、TMP内に、望ましくない振動と逆位相である振動を誘発させる。これは、望ましくない振動を相殺してチャンバ内の振動を少なくすることを意味する。

好ましい実施形態

図２は、本発明を用いるポンプシステム２００の一例を示す。TMP２１０は、一方の側でホスト２００に直接連結されていて、他方の側でバッキングポンプ２３０に直接連結されている。別の実施形態において、これらの成分をラインで連結してもよい。バッキングポンプ２３０は、排気ライン２４０に連結されている。排気ライン２４０は、スクラバー（図示せず）に連結されている。スクラバーは、多数の異なる位置、例えばファブ（FAB）２５０の外側、サブファブ（SUB-FAB）内もしくはポンプ２３０に隣接するファブ（FAB）雰囲気内などに置かれていてもよい。この例では、TMP２１０、ホスト２２０及びバッキングポンプ２３０は、すべて、ファブ（FAB）２５０内に置かれている。

ガスは、ホスト２２０からTMP２１０によって排気される。ホスト２２０は、ポンプシステムによって排気される任意の装置でよい。例としては、化学蒸着（CVD）、物理蒸着（PVD）又はエッチングなどの半導体処理に用いられるクラスタツールを挙げることができるが、これらに限定されない。TMP２１０は、典型的には、クラスタツールの単一のチャンバ上に載置され、そのチャンバの専用となる。いくつかのチャンバが１個のクラスタツール内に存在する場合には、各チャンバは１個のTMPを有し得る。これらは、専用のバッキングポンプをそれぞれ有し得る。別個のチャンバを互いに隔離して、１回に単一のチャンバが排気されるようにしてもよい。ガスは、個々のチャンバに導入されて、１枚のウェハをエッチングしたり、又は１枚のウェハ上に物質を堆積させたりしてもよい。これらのガスは、必要な真空度を維持したり、プロセス副産物がプロセスを汚染することを防止したりするために、排気されなければならない。したがって、ポンプの寸法及び形状は、使用される特定のプロセス及びツール構成に大きく依存する。

TMP２１０からの排気ガスは、バッキングポンプ２３０へ進行し、及び排気ラインへ進行し、最終的にはファブ（FAB）の外に出る。これは、図２に示すように、スクラバへ進行してもよいし、あるいはある種の他の廃棄システムに進行してもよい。この配置は、TMPとバッキングポンプとの間の長いフォアライン（図１に示した）を排除する。TMP２１０は、バッキングポンプ２３０に直接連結してもよいし、あるいは比較的小容量を有する短いラインによって連結されてもよい。よって、TMP２１０とバッキングポンプ２３０との間のインピーダンスは低減される。結果として、バッキングポンプ２３０は、長いフォアラインが用いられていた場合よりも小さくすることができる。減少した容量ゆえに、目標とする真空レベルまでのシステムの排気もまたより迅速になる。

図３は、本発明に用いられるTMP３１０、例えば図２のTMP２１０を示す。TMP３１０の入口３６０は、ホストに連結されていてもよいし、あるいは入口フランジ３６５によりフォアラインに連結されていてもよい。TMP３１０は、ローターアセンブリ３７０を含む。ローターアセンブリ３７０は、高速で回転して、TMP３１０全体にガス分子を動かす。ローターアセンブリ３７０は、電気モーター３７５によって駆動される。出口３８０は、排気ガスをTMP３１０から追い出す。典型的には、出口３８０は、バッキングポンプに連結されている。バッキングポンプは、TMP３１０の出口３８０における圧力を低下させる。よって、TMP３１０は、ガス分子を入口３６０における高レベルの真空領域から出口３８０における中レベルの真空領域まで移動させる。

TMPローターアセンブリ３７０は、２種の異なるタイプのベアリングによって保持されていてもよい。磁気ベアリングは、ポンプの固定部分との物理的接触なしにローターアセンブリ３７０を回転させる。バックアップ用機械的ベアリングは、磁気ベアリングが故障した場合に、ローターアセンブリ３７０を拘束することによってポンプにダメージを与えることを防止する。図３において、上部機械的バックアップベアリング３８５及び下部機械的バックアップベアリング３８６は、ローターを捕捉するように位置づけられている。

２タイプの磁気ベアリングが用いられてもよい。受動磁気ベアリングは、ローター位置を維持するために永久磁石を使用する。これらは簡易であるが正確な制御をすることができない。能動磁気ベアリングは、ローター位置を維持するために電磁石を使用する。電磁石への電流を変化させることによって、ローターにかかる力、ひいてはローターの位置を調節することができる。ローター位置を維持するべく能動磁気ベアリングを用いるために、位置が正確に検出されなければならず、ベアリングへの電流が検出された位置に応答して調節されなければならない。TMP３１０は、能動上部ｘｙ軸ベアリング３９０を含む。TMPはさらに、ローターアセンブリ３７０の下方部分の位置をx軸及びｙ軸に沿って維持する受動下部ベアリング３９１と、ローター位置をｚ軸内に維持する能動要素と、を含む。ローターの位置は３つの軸にて能動的に制御されるので、これは３軸TMPと考えられる。５軸TMPを用いることもできる。これらは、図３のTMP３１０と同様であるが、受動下部ベアリングが能動ベアリングで置換されている。よって、５軸TMPは、上述の３つの制御された軸に加えて、ローターの下方部分のｘｙ軸位置の能動的制御を有する。

上部放射センサ（radial sensor）３９５は、回転している時のローターアセンブリ３７０の上方部分を監視する。放射センサ（radial sensor）３９５は、ローターアセンブリ３７０の位置における小さな逸脱を検出し、それに応じて電気信号を発生させることができる。センサ３９５によって発生した信号は、一般に、ローターアセンブリ３７０をｘｙ軸ベアリング３９０内で中心に維持するために、ｘｙ軸ベアリング３９０内の電流を修正するために用いられる。一般に、放射センサ（radial sensor）３９５からの信号は、ローターアセンブリ３７０の位置になされるべき補正及びこれを達成するために必要な電流を決定するコントローラ（図示せず）に送られる。次いで、コントローラはこれに従ってｘｙ軸ベアリング３９０への電流を修正する。

回転ローターの回転軸は、通常、慣性軸となるように選択される。これは幾何学的軸と常に同じというわけではない。なぜなら、ローターは、その幾何学的軸について常に完全に対称であるわけではないからである。慣性軸を中心とする回転を維持することは、能動ベアリングにある回転数において低い剛性を与えるが他の回転数においては高い剛性を与えるノッチフィルタ又はハイパスフィルタを用いて達成することができる。いくつかの用途において、ローターは、その幾何学的軸を中心として回転するようになされ、TMPの固定部分との最大のクリアランスを与えるように作られてもよい。これは、ある回転速度における高いベアリング剛性を有することによって達成され得る。よって、能動磁気ベアリングは、ローター位置を維持し、TMP内の振動を低減することができる。

能動ベアリングは、さらに、振動を発生させるために用いることもできる。ベアリングに対する電流が特定の周波数で変調されると、ローターとポンプの固定部分との間にその周波数を有する振動が発生する。このような信号は、ローター位置を維持するために用いられる制御信号と重なってもよく、ローターの位置は通常の制御信号によってまだ制限されておりながらローターに振動が引き起こされる。例えば、オーバーレイとしてオーディオ信号が用いられる場合には、ポンプは「音楽を演奏する」ように作られるかもしれない。

磁気ベアリングは、望ましくない振動と逆位相である振動を生じさせるために用いられてもよく、消去用干渉が生じ、全体的な振動は低減する。逆位相振動は、元の振動とほぼ同じ周波数を有するが、位相は逆である。よって、逆位相振動のピーク（山）は、望ましくない振動のトラフ（谷）と一致し、２つの振動は互いに相殺し合う。

図４は、本発明のポンプシステム４００を示す。ここで、振動は、能動磁気ベアリング４９０によって発生し、この振動はポンプシステム４００内の振動全体を低減させるために用いられる。振動センサ４６７は、TMP４１０のフランジ４６５上に位置づけられている。振動センサ４６７は、そのポイントで振動を示す信号を発生させる。信号はコントローラ４１５に送られる。コントローラ４１５は、TMP４１０の能動磁気ベアリング４９０を制御する。信号は、コントローラによって使用されて、能動磁気ベアリング４９０に送られる電流を修正する。通常、コントローラは、ローターアセンブリを正しい位置に維持するために、位置センサに応答して、電流だけを修正するであろう。ここで、信号はTMP４１０に振動を引き起こすように修正され、入口フランジ４６５における全体の振動は低減する。振動センサ４６７によって測定された振動に基づいて、コントローラ４１５は、入口フランジにおける振動を排除もしくは実質的に低減するために必要な振動の強度及び位相を計算する。次いで、コントローラは、磁気ベアリング４９０への電流を修正して、この振動を発生させる。

この実施例において、振動センサ４６７はTMP４１０の入口フランジ４６５にある。この配置とすることで、振動センサ４６７は、TMP４１０からホスト４２０へ通過する振動を測定できる。この場合、望ましくない振動は、振動センサ４６７に対する適切な配置にされているバッキングポンプ４３０に主として由来する。しかし、他の実施形態において、振動センサは他の位置に置かれてもよく、バッキングポンプ以外の源からの望ましくない振動が低減され得る。例えば、センサをホスト自身の上に置くこともできる。ホストに取り付けられている設備の別の部分からの振動は、この方法で低減され得る。本発明は、TMPに限定されない。磁気ベアリングを有する他の成分を用いて、望ましくない振動を相殺する振動を発生させることができる。これは、コンプレッサ又は織物製造におけるボビンを含み得る。

本発明の実施形態を示し記載してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、これらの説明的実施形態に変更及び修正がなされてもよい。よって、上記に明白に記載してはいないが本発明の範囲に含まれる本発明の他の実施形態があり、したがって、本発明は呈示した説明的実施形態に限定されないことは明らかである。

図１は、サブファブ（SUB-FAB）内のバッキングポンプを有する従来のポンプシステムを示す。 図２は、本発明のポンプシステムを示す。 図３は、本発明のポンプシステムのターボ分子ポンプを示す。 図４は、本発明の一実施形態によるポンプシステムを示す。

符号の説明

２００、４００：ポンプシステム
２１０、３１０、４１０：ターボ分子ポンプ（TMP）
２２０：ホスト
２３０、４３０：バッキングポンプ
３９０、４９０：能動磁気ベアリング
３９１：受動磁気ベアリング
４６７：振動センサ

Claims (20)

1. ポンプシステムにおける振動低減方法であって、
   第１の振動を測定する工程と、
   ポンプ内に該第１の振動と逆位相である第２の振動を発生させる工程と、
   を含む方法。
2. 前記ポンプは、ターボ分子ポンプである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の振動は、プロセスチャンバで測定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の振動は、第１のポンプと連結されている第２のポンプにより発生する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の振動は、ポンプ内の磁気ベアリングにより発生する、請求項１に記載の方法。
6. さらに、前記第１の振動に応答して、ポンプに信号を送る工程を含む、請求項１に記載の方法。
7. ポンプシステムにおける能動振動低減方法であって、
   第１の振動を測定する工程と、
   該第１の振動に応答して制御信号を発生させる工程と、
   該制御信号をポンプ内の磁気ベアリングに送り、第１の振動と第２の振動との和が第１の振動よりも小さくなるように第１の振動とは逆である第２の振動をポンプ内に誘発させる工程と、
   を含む方法。
8. さらに、ポンプを用いてチャンバ内に減圧を生じさせる工程を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の振動は、チャンバにて測定される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の振動は、ポンプの入口にて測定される、請求項７に記載の方法。
11. 磁気ベアリングを具備するポンプと、
    第１の振動に応答して検出信号を発生させる振動検出器と、
    検出信号に応答して、ポンプ内に第２の振動を誘発する制御信号を該磁気ベアリングに送る制御回路と、
    を具備するポンプシステム。
12. 前記第２の振動は、前記第１の振動と逆位相である、請求項１１に記載のポンプシステム。
13. さらに、前記ポンプをプロセスチャンバに取り付けるフランジを具備する、請求項１１に記載のポンプシステム。
14. 前記振動検出器は、前記フランジに取り付けられている、請求項１３に記載のポンプシステム。
15. 第１の振動を発生する第１のポンプと、
    磁気ベアリングを具備する第２のポンプと、
    第１の振動に応答して検出信号を発生する振動検出器と、
    検出信号に応答して、該第２のポンプ内に第２の振動を誘発する制御信号を該磁気ベアリングに送る制御回路と、
    を具備するポンプシステム。
16. 前記第１のポンプは、ドライポンプである、請求項１５に記載のポンプシステム。
17. 前記第２のポンプはターボ分子ポンプである、請求項１５に記載のポンプシステム。
18. さらに、ポンプシステムをホストに取り付けるように構成されている取付要素を含む、請求項１５に記載のポンプシステム。
19. 前記振動検出器は、前記取付要素上に載置されている、請求項１８に記載のポンプシステム。
20. 前記第２のポンプはチャンバからガスを除去するように構成されていて、前記第１のポンプは前記第２のポンプに取り付けられていて第２のポンプからガスを除去するように構成されている、請求項１５に記載のポンプシステム。

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