JP3692106B2 - 製造装置及び回転機の寿命予測方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は製造装置用回転機の寿命の予測・診断技術に係り、特に真空ポンプ等の回転機の寿命を予測する診断方法、及びこの回転機を備えた製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造を効率的に行うために半導体製造装置の故障診断が重要になって来ている。また、近年、システムLSIでは特に少量多品種生産の傾向が強まり、これに対応した小回りの利く効率的な半導体デバイスの製造方法が必要になって来た。効率的な半導体生産には小規模の生産ラインを用いることがある。しかし、大規模生産ラインを単に小さくしただけでは製造装置の稼働率低下等の問題が発生するため投資効率が低下する問題がある。この対策としては複数の製造工程を一つの製造装置で行う方法があるが、例えばドライポンプを排気系に用いている減圧化学気相成長(LPCVD)装置ではプロセスの種類の相違により反応ガスや反応生成物が異なり、ポンプ内部での生成物の発生状況が異なる。このため、プロセスの種類が変わると、寿命が変動してしまう。
【0003】
特定の製造プロセス中にポンプが停止すると、製造中のロットが不良になってしまうだけでなく、製造装置内部に微小ダストが発生するため製造装置に余分なメンテナンスが必要になり半導体デバイスの製造効率が大幅に低下する。このプロセス中の突然の停止を防止するためにポンプのメンテナンス時間に余裕を見るとポンプのメンテナンス頻度が膨大になり、メンテナンスコストの増加だけでなくポンプ交換による半導体製造装置の稼働率低下が顕著になるため、半導体デバイスの製造効率が大幅に低下してしまう。このように、効率良い小規模生産ラインに必要な装置の共用化を実現するためにはドライポンプの寿命を的確に診断し、寿命ぎりぎりまでポンプを使用することが必要であり寿命予測が必須である。
【0004】
ドライポンプの寿命診断方法は現在までにいくつかの方法が提案されている。基本的にはドライポンプの状態をモータ電流、振動、温度で把握し、これらの状態量の変化から寿命を予測するという方法がとられてきた。特に、ドライポンプの寿命診断方法として、ポンプの状態をロータ回転に起因する振動で把握する方法が主にとられてきた。その理由として振動で診断するには加速度計をポンプ側面に取り付けるだけで測定できるため、簡便な寿命予測方法として注目されているからである。また測定された振動データから寿命を予測する方法としては300kHz付近の高周波数成分の基準値からのずれをニューラルネットワークを用いて解析する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−64964号公報(第3−4頁、第1図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載された技術の場合、対象周波数が高いためドライポンプの稼働に伴う反応生成物の詰まりによる変化がブロードになり感度が低いことが問題であった。
【0007】
更に、従来の振動測定方法においては、加速度計をドライポンプに取り付ける場合、その取り付け位置や取り付け方法により感度が変化し、高感度で安定に高精度の振動データを取得することが困難であった。特に、加速度計は、例えば、半導体製造装置付近の工事の振動や、ポンプ内圧力変動などのノイズを受けやすい。したがって、観測される振動の変動が、ノイズによるものか否かを区別する必要があった。
【0008】
上述のように、振動を用いる従来のドライポンプの寿命予測方法では感度や安定性に問題があり、より高感度で安定した高精度の寿命予測方法の確立が望まれていた。
【0009】
本発明は、このような課題を解決し、高感度で安定した高精度の回転機の寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の特徴は、(イ)回転機と、(ロ)回転機のボディ測面において振動の変動が相違する位置に配置され、時系列振動データを測定する複数の加速度計と、(ハ)複数の加速度計で測定された時系列振動データを周波数解析する周波数解析装置と、(ニ)周波数解析された時系列振動データから解析対称周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成し、評価用診断データを記録する時系列データ記録部と、(ホ)評価用診断データを用いて、回転機の寿命を予測する寿命判定ユニットとを備える半導体製造装置であることを要旨とする。
【0011】
本発明の第1の特徴によれば、高感度で安定して高精度の寿命予測ができる回転機を備えた半導体製造装置を提供することができる。
【0012】
本発明の第1の特徴において、複数の加速度計は、回転機のボディの一側面及び一側面に対向する他側面とに配置される。また、複数の加速度計が回転機の振動に位相差があるボディ位置に配置されてもよい。また、複数の加速度計が回転機のボディの中央部及び端部に配置されてもよい。また、回転機は、ルーツ型あるいはスクリュー型ドライポンプであることが好ましい。また、解析対象周波数が、回転機に固有の基準振動周波数の整数倍であることが好ましい。また、回転機のロータの羽根枚数を含む式と、回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる周波数を用いると更に高感度で寿命予測が可能となる。回転機のロータの羽根枚数を含む式は、羽根枚数をmとし、任意の整数n及びlを用いて、(n+l/m)で表わされる。また、寿命判定ユニットは、評価用診断データの特徴量をピーク加速度とする加速度推移判定部;評価用診断データの特徴量を解析対象周波数範囲でピーク加速度を積分した合計加速度とする合計加速度推移判定部;評価用診断データの特徴量を複数の加速度計で測定された振動の位相差とする振動位相差推移判定部;及び、時系列振動データを測定する時刻より、経験則で決まる時間だけ先行した時刻において、時系列振動データと同一プロセス条件のもとで測定される基準用時系列振動データから得られる基準用診断データによりマハラノビス空間を作成し、マハラノビス空間に基づき評価用診断データから算出されるマハラノビス距離を用いて寿命を予測するマハラノビス距離判定部を備えることが好ましい。
【0013】
本発明の第2の特徴は、(イ)回転機の振動の変動が逆相になる回転機の複数の位置で時系列振動データを測定するステップと、(ロ)時系列振動データを周波数解析し、解析対象周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成するステップと、(ハ)評価用診断データを用いて、回転機の寿命を判定するステップとを含む半導体製造装置用回転機の寿命予測方法であることを要旨とする。
【0014】
本発明の第2の特徴によれば、高感度で安定した高精度の半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を提供することができる。
【0015】
本発明の第3の特徴は、(イ)回転機の振動の変動が逆相になる回転機の複数の位置で、基準用時系列振動データを測定するステップと、(ロ)基準用時系列振動データを周波数解析し、解析対象周波数に対応した特徴量の変動を基準用診断データとして作成して、基準用診断データにより基準マハラノビス空間を設定するステップと、(ハ)回転機の複数の位置で、評価用時系列振動データを測定するステップと、(ニ)評価用時系列振動データを周波数解析し、解析対象周波数に対応した特徴量の変動を評価用診断データとして作成して、マハラノビス空間に基づき評価用診断データのマハラノビス距離を算出するステップと、(ホ)マハラノビス距離を用いて、回転機の寿命を判定するステップとを含む半導体製造装置用回転機の寿命予測方法であることを要旨とする。
【0016】
本発明の第3の特徴によれば、高感度で安定した高精度の半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を提供することができる。
【0017】
本発明の第3の特徴において、基準用事系列データは、評価用時系列データを測定する時刻より、経験則で決まる時間だけ先行した時刻において、評価用時系列データと同一プロセス条件のもとで測定されることが好ましい。
【0018】
本発明の第2及び第3の特徴において、回転機は、ドライポンプであることが好ましい。また、特徴量が、振動のピーク加速度であることが好ましい。また、特徴量が、解析対象周波数範囲で振動のピーク加速度を積分した合計加速度であってもよい。また、特徴量が、回転機の複数の加速度計で測定された振動の位相差であってもよい。また、解析対象周波数が、回転機に固有の基準振動周波数の整数倍であることが好ましい。また、回転機のロータの羽根枚数を含む式と、回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる周波数を解析対象とすると、更に感度よく寿命予測が可能となる。回転機のロータの羽根枚数を含む式は、羽根枚数をmとし、任意の整数n及びlを用いて、(n+l/m)で表わされる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0020】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置としてのLPCVD装置は、図1に示すように、CVDチャンバ1を真空排気するドライポンプ3(回転機)と、ドライポンプ3のボディ測面において振動の変動が相違する位置に配置され、時系列振動データを測定する複数の加速度計36a及び36bと、複数の加速度計36a、36bで測定された時系列振動データを周波数解析する周波数解析装置37と、周波数解析装置37により周波数解析された時系列振動データをもとにドライポンプ3の寿命を予測するCPU39を備えている。
【0021】
更に、CPU39は、周波数解析された時系列振動データから解析対称周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成し、評価用診断データを記録する時系列データ記録部5と、評価用診断データを用いて、回転機の寿命を予測する寿命判定ユニット6とを備える。
【0022】
LPCVD装置のCVDチャンバ1にはガス配管51、52、53が接続されている。このガス配管51、52、53には、CVDチャンバ1に導入される種々の原料ガス及びキャリアガスを制御するためのマスフローコントローラ41、42、43がそれぞれ接続されている。つまり、マスフローコントローラ41、42、43によって、その流量が制御された原料ガス等は、ガス配管51、52、53を通って一定の減圧化のCVDチャンバ1に導入される。CVDチャンバ1は外気遮断と雰囲気を保持することが可能なような密閉構造をしている。CVDチャンバ1の内部をドライポンプ3で真空排気するために、CVDチャンバ1の排気側には真空配管32が接続され、この真空配管32の排気側にゲートバルブ2が接続されている。ゲートバルブ2の排気側には更に他の真空配管33が接続されている。真空配管33の排気側にドライポンプ3の吸気側が接続されている。ゲートバルブ2は必要に応じてCVDチャンバ1とドライポンプ3を分離し、或いは排気コンダクタンスを調整する。そして、ドライポンプ3はCVDチャンバ1に導入された未反応の原料ガス及び反応生成物を排気するために用いられている。
【0023】
図1に示すLPCVD装置を用いて、例えば、シリコン窒化膜(Si3N4膜)を成膜する場合は、減圧状態にされたCVDチャンバ1に、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガスをマスフローコントローラ41を介して導入し、アンモニア(NH3)ガスをマスフローコントローラ42を介して導入する。そして、CVDチャンバ1の内部でシリコン(Si)基板を約800℃程度にまで加熱し、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの化学反応により、シリコン基板上にシリコン窒化膜を成膜する。この化学反応は、シリコン窒化膜を生成するとともに、反応副生成物として塩化アンモニウム(NH4Cl)ガス及び水素(H2)ガスを発生する。水素は気体であり、ドライポンプ3によって排気される。塩化アンモニウムは、生成時においては、反応炉内が800℃程度の高温下及び数100Pa若しくはサブ数100Pa以下の減圧下であるために、気体状である。図示を省略しているが、通常,LPCVD装置には、固体の反応副生成物を捕集するトラップがCVDチャンバ1とドライポンプ3との間に設置されている。トラップは、圧力が低いため、反応副生成物の完全な捕集は不可能である。捕集しきれない反応副生成物は、ドライポンプ3まで到達する。ドライポンプ3では、気体の圧縮によって0.1Pa程度から大気圧まで圧力が増加する。反応副生成物は、状態図における昇華曲線に従って、低圧下では気体として存在するが、より高圧化で固化を始める。ポンプ内部では、ガスの圧縮が繰り返され,数100Paの圧力から大気圧まで圧力が変化していくために、排気ガス中のガス状反応副生成物は、圧力上昇とともにドライポンプ3の内部で固化し始める。ドライポンプ3の配管内で固化し始めると、わずかであるが堆積物が回転軸を弾性変形させる。その結果として、ドライポンプが故障することにつながる。
【0024】
本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置(LPCVD装置)用のルーツ型のドライポンプ(回転機)3は、図1に示すように、振動を検知する加速度計36a、36bが備え付けられている。図1では、加速度計36a及び36bはドライポンプ3の前面及び背面に対向するように配置されている。或いは、加速度計36a及び36bの取り付け位置は、ドライポンプ3の上面及び底面であっても良い。さらに、加速度計36a、36bの出力側には、フーリエ変換分析装置等の周波数解析装置37が接続されている。周波数解析装置37は、加速度計36a、36bでサンプリング測定したドライポンプ3の振動、即ち加速度をフーリエ変換し周波数成分に分解する。このため、フーリエ変換装置37に加速度計36a、36bで測定されたデータを伝送するために配線38a、38bが設けられている。周波数解析装置37によって加速度の時系列データが周波数成分に分解された周波数スペクトルのデータは、配線38cを介して、CPU39に伝送される。
【0025】
CPU39には周波数決定部4、時系列データ記録部5、寿命判定ユニット6が内蔵されている。周波数決定部4は、CPU39に伝送された周波数スペクトルのデータを分析し、スペクトルのピークの位置の周波数から解析対象周波数を決定する。時系列データ記録部5は、サンプリング測定された加速度の解析対象周波数成分を、システム情報記憶装置66若しくは、CPU39の主記憶装置のファイルに記録する。即ち、フーリエ変換装置37の周波数解析の結果により、基準用時系列データから解析対象周波数に対応した加速度のピーク値の変動を基準用診断データとして作成し、評価用時系列データからピーク値の変動を評価用診断データとして作成する。これらの基準用診断データ及び評価用診断データをシステム情報記憶装置66若しくは、CPU39の主記憶装置に記録する。
【0026】
寿命判定ユニット6では、時系列データ記録部5が記録したデータ群を読み出し、演算することにより、ドライポンプ3の寿命判定を行う。具体的には、第1の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命判定ユニット6は、加速度推移判定部61、合計加速度推移判定部62、振動位相差推移判定部63、マハラノビス距離判定部64の4つのモジュールを内蔵している。加速度推移判定部61は、成膜ステップでのピーク加速度の変動よりドライポンプ3の寿命を判定する。合計加速度推移判定部62は、解析対象周波数範囲内で成膜ステップでの合計加速度を算出し、ドライポンプ3の寿命を判定する。振動位相差推移判定部63は、成膜ステップの振動データの位相差を算出し、ドライポンプ3の寿命を判定する。マハラノビス距離判定部64は、所定日前の同一プロセス条件でのデータ群から基準空間(以下、「マハラノビス空間」と呼ぶ。)を作成し、このマハラノビス空間を用いてマハラノビス距離を算出し、マハラノビス距離の変動によりドライポンプ3の寿命を判定する。
【0027】
図2に示すように、第1の実施の形態に係る半導体製造装置(LPCVD装置)に用いるドライポンプ3は、2枚の羽根がついた2つのロータ10a、10bがそれぞれ回転軸11a、11bで回転する構造である。ドライポンプ3は、ボディ13、ボディ13の吸気側に設けられた吸気フランジ14、及び、ボディ13の排気側に設けられた排気フランジ15を有している。CVDチャンバ1からゲートバルブ2を通ってきたガス流は、吸気フランジ14よりドライポンプ3内に入る。ドライポンプ3内に入ったガスは2つのロータ10a、10bが回転軸11a、11bで回転することにより圧縮される。圧縮されたガスは排気フランジ15より排気される。ロータ10a、10bは50Hzで回転させるため、加速度計36a、36bで観測される基準振動の周波数は50Hzである。
【0028】
図3に、ドライポンプ3の前面と背面にそれぞれ取り付けた加速度計36a及び36bで成膜ステップにおいて測定された基準振動50Hzの加速度推移を示す。ピークAは成膜ステップでの加速度の変化である。ドライポンプ3前面に取り付けた加速度計36aの加速度は減少し、ドライポンプ3背面に取り付けた加速度計36bの加速度は増加することがわかる。また、成膜ステップではないところで、例えば、ピークBでは加速度計36bのみ加速度が増加し、ピークCでは、加速度計36a、36bともに減少している。このように、一方の加速度計36a又は36bだけに加速度のピークが見られたり、両方の加速度計36a及び36bで同一方向のピークが検出される場合は、ドライポンプ3付近の工事の振動や、ドライポンプ3内の圧力変動などに起因するノイズであり、ドライポンプ3内部の反応生成物による詰まりとは関係ない。したがって、加速度計36a及び36bで得られる加速度の変動の方向を比較することにより、加速度変動がポンプ内部の詰りによるものか、ノイズによるものかを区別することができる。このように、ドライポンプ3の反応生成物のつまりに起因するピーク加速度を、安定に精度よく検出することができる。
【0029】
図4に、ドライポンプ3の交換直後から内部に生成物が堆積し停止するまでの基準振動50Hzのピーク加速度推移を調べた結果を示す。ドライポンプ3の停止直前でピーク加速度が急激に増加しており、ドライポンプ3の異常、即ちポンプ停止直前の予兆が検出できることが分かる。この解析対象周波数に対応したピーク加速度の値を用いることにより、感度良く対象とするドライポンプ3の寿命が予測できる。
【0030】
本発明の第1の実施の形態のドライポンプ3の寿命予測では、ロータ回転に起因する基準振動の加速度変動が利用される。ドライポンプ3のロータ10a、10bは機械的にケーシング内に取り付けられているため、ケーシングとロータ10a、10b間やロータ10aと10b間のクリアランスは厳密には同一ではなく非対称性を持つ。このため、ドライポンプ3内部に反応生成物が蓄積すると、ケーシングとロータ10a、10b間やロータ10aと10b間の擦れには不均一性が生じる。反応生成物が蓄積された場合に、ドライポンプ3への加速度計36a、36bの取り付け位置によって、振動の加速度変動が上がる場合と下がる場合が生じる。この振動の加速度変動が逆相になるような加速度計36a、36bの取り付け位置は、図1に示すように、例えば、ドライポンプ3の前面と背面である。あるいは、図5に示すようなドライポンプ3の中央付近と端部にそれぞれ加速度計36c及び36dを取り付けても、振動の加速度変動が逆相になることを確認している。
【0031】
次に、図6に示すフローチャートを用いて、本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明する。具体的には、Si3N4薄膜を形成するLPCVD装置に用いられるドライポンプ3の寿命を予測する。
【0032】
(イ)まず、ステップS101では、LPCVD装置のドライポンプ3の前面及び背面に配置された加速度計36a、36bで、ドライポンプ3の振動(加速度)の時系列振動データ(推移)がサンプリング測定される。具体的には、例えば、1ms間隔で4096点の加速度をサンプリング測定する。
【0033】
(ロ)次にステップS102において、ステップS101で得られた時系列振動データを周波数解析装置37によって周波数成分に分解して、加速度の周波数スペクトルが得られる。
【0034】
(ハ)ステップS103において、CPU39の周波数決定部4を用いて、加速度の周波数スペクトルを参酌して、寿命判定に用いる解析対象周波数が決定される。第1の実施の形態では、解析対象周波数は基準振動の50Hzである。
【0035】
(ニ)その後、ステップS104において、時系列データ記録部5を用いて、ピーク加速度の解析対象周波数成分からなる評価用診断データが、システム情報記憶装置66のファイルに記録される。
【0036】
(ホ)ステップS105においては、ステップS104で記録した解析対象周波数成分のピーク加速度の評価用診断データが読み出され、加速度推移判定部61により、設定値と比較してドライポンプ3の寿命が判断される。評価用診断データが設定値以下であれば、引き続き測定を繰り返す。
【0037】
(ヘ)そして、評価用診断データが設定値を越えていれば、ステップS106で、加速度推移判定部61は、LPCVD装置に付随する表示装置、表示パネル、若しくは表示ランプにポンプ停止直前(寿命)の表示を行う。
【0038】
本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法において、故障の予兆を判断する「設定値」は実際の適用において適宜設定すれば良く、例えば、正常時の平均値の1倍から3倍以上ずれる場合を故障の予兆とすれば良い。
【0039】
本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法は、ドライポンプ3の故障診断に、解析対象として基準振動を用いて説明したが、他の周波数でもドライポンプ3の振動変動が観測され、寿命診断に利用できる。
【0040】
ドライポンプ3では、複数枚の羽根がついた複数のロータの間隙が一定になるようにそれぞれの回転軸で回転し、ガスの流れを発生させる。このため、ロータ回転に起因する基準振動と、基準振動の整数倍の周波数の振動が発生する。例えば、図7に示すように、基準振動の50Hzだけでなく、基準振動の2倍の周波数100Hzをはじめとして、基準振動の整数倍の周波数にも加速度のピークが観測される。このようにドライポンプ3の寿命予測ではロータ回転に起因する基準振動の整数倍の周波数の加速度変動を利用することができる。
【0041】
また、ドライポンプ3のロータ10a、10bは機械的にケーシング内に取り付けられているため、ケーシングとロータ10a、10b間やロータ10a、10b間のクリアランスは厳密には同一ではなく非対称性を持つ。このため、ドライポンプ3内部に反応生成物が蓄積すると、ケーシングとロータ10a、10b間やロータ10a、10b間の擦れには不均一性が生じる。この結果、反応生成物が蓄積された場合には、加速度計36a、36bで測定される加速度の周波数成分には、ロータ回転に起因する基準振動及び基準振動の整数倍の周波数以外の振動周波数のサブピークが観察される。例えば、図8に示すように、ドライポンプ3内部に反応生成物が蓄積し、停止直前になると、基準振動の1.5倍の周波数75Hzにサブピークが出現する。一方、図7に示したように、正常状態では基準振動の整数倍のピークが顕著であり、サブピークは不明瞭である。図8に見られるようなポンプ停止前に出現するサブピークは、ポンプ内部の反応生成物の蓄積に非常に敏感であることを確認している。ドライポンプ3内部の反応性生物の詰まりのモニタに有効な主要なサブピークは経験的に、ロータ10a、10bの羽根枚数をmとした場合、基準振動の(n+l/m)倍で表される。n、lは任意の正の整数であるが、nが大きい場合は感度が低下するため、n≦m×回転軸数+lが必要である。例えば、図8に示した周波数75Hzのサブピークは、n=1、l=1、m=2の場合に相当する。
【0042】
図9に示すように、周波数50Hzの基準振動と75Hzのサブピークのピーク加速度は、いずれもポンプ停止直前には増加することが分かる。特に、75Hzのサブピークではピーク加速度の変化率が大きいため、反応生成物によるドライポンプ3の詰りを基準振動より感度良く検知出来ることが分かる。75Hzのサブピークを用いて、ピーク加速度がポンプ交換後の正常値から4倍以上になった値を異常としたところ、少なくともポンプ停止の前日には異常を検知出来ることを確認している。本発明の第1の実施の形態において、サブピークのピーク加速度変動を用いることによっても、高感度に異常(寿命)が検出できることがわかる。
【0043】
また、周波数分布の推移を調べると非常に短時間であるが、0Hzから広範囲、例えば、基準振動の10倍の500Hzの範囲で加速度が増加する現象が見られる。例えば、図8と図7を比べると、図8では0〜500Hz全周波数領域に渡って加速度が増加しているのがわかる。図10に示すように、0Hzから基準振動の10倍にあたる500Hz間の加速度を積分した合計加速度もポンプ停止前に増加するため、合計加速度によりポンプ停止直前の判断が可能となる。この場合、図6に示すステップS104で、0Hzから500Hz間の加速度の積分値が評価用診断データとして記録される。そして、合計加速度推移判定部62により合計加速度が読み出され、設定値と比較されてドライポンプ3の寿命が判断される。成膜ステップの合計加速度増加率が、例えば、平常時の200%以上になった場合は、ポンプ停止直前つまりドライポンプ3の寿命であると判断される。
【0044】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法は、ドライポンプ3の故障診断に、振動の位相差を用いた例を説明する。即ち、第2の実施の形態に係る寿命診断方法は、第1の実施の形態のドライポンプ3の故障診断に用いた振動のピーク加速度変動の代わりに、ドライポンプ3のボディ13の中央部分の側面と端部の側面にそれぞれ配置した加速度計36c、36dで測定される振動の位相差を解析する。時系列振動データを周波数解析する周波数解析装置37、周波数解析装置37により周波数解析された時系列振動データをもとにドライポンプ3の寿命を予測するCPU39は、第1の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【0045】
ドライポンプ3に複数の加速度計を取り付けて振動を測定する場合、反応生成物が蓄積されてくると、ドライポンプ内部のケーシングとロータ10a、10b間、あるいは、ロータ10aとロータ10b間のクリアランスの非対称性が生じる。ケーシングとロータ10a、10b間、あるいは、ロータ10aとロータ10b間の擦れの不均一性のため、それぞれの加速度計で観測される振動の位相が変動する。例えば、図5に示したドライポンプ3の中央部分の側面と端部の側面にそれぞれ取り付けた加速度計36c、36dで測定される成膜ステップ中の基準振動間には、ドライポンプ3交換直後は、ほぼ一定の180度の位相差がある。ドライポンプ3の内部に反応生成物が蓄積されてポンプ停止直前になると、図11に示すように、加速度計36c、36dで測定される成膜ステップ中の基準振動間の位相差の変動が増加する。位相差の変動の増加はドライポンプ3の内部に蓄積した反応生成物が多くならないと観測されないため、ポンプ停止直前の予測が効率よく、高精度に行える。
【0046】
第2の実施の形態のおいては、加速度センサーの取り付け位置をケーシング中央部分の側面とケーシング端部の側面としたが、振動に位相差がある部分であれば良いことは、勿論である。また、加速度計を2箇所ではなく3箇所以上に取り付けて、複数の振動の位相の変動を利用しても良い。
【0047】
本発明の第2の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法は、図12に示す手順で行う。
【0048】
(イ)まず、ステップS201で、図1に示すLPCVD装置のドライポンプ3の中央部分の側面と端部の側面にそれぞれ取り付けた加速度計36c、36dで、ドライポンプ3の時系列振動データがサンプリング測定される。例えば、1ms間隔で4096点の加速度をサンプリング測定する。
【0049】
(ロ)次にステップS202において、ステップS201で得られた時系列振動データを周波数解析装置37によって周波数成分に分解して、加速度の周波数スペクトルが得られる。
【0050】
(ハ)ステップS203において、CPU39の周波数決定部4は、解析対象周波数を基準振動50Hzとする。
【0051】
(ニ)その後、ステップS204において、時系列データ記録部5を用いて、加速度計36cと36dで測定された基準振動の位相差を算出した評価用診断データが、システム情報記憶装置66のファイルに記録される。
【0052】
(ホ)ステップS205においては、ステップS204で記録した評価用診断データが読み出される。そして、振動位相差推移判定部63により、評価用診断データの標準偏差が算出され、設定値と比較することによりドライポンプ3の寿命が判断される。評価用診断データが設定値以下であれば、引き続き測定を繰り返す。
【0053】
(ヘ)そして、評価用診断データが設定値を越えていれば、ステップS206で、振動位相差推移判定部63は、LPCVD装置に付随する表示装置、表示パネル、若しくは表示ランプにポンプ停止直前(寿命)の表示を行う。
【0054】
本発明の第2の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法において、例えば、故障の予兆の設定値を正常時の位相差の標準偏差が1倍から3倍以上増加する値とすれば、寿命判定を精度良く行うことができる。
【0055】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法は、ドライポンプ3の寿命診断に、マハラノビス距離MDを用いた例を説明する。即ち、第3の実施の形態では、第1及び第2の実施の形態で寿命診断に用いた基準振動50Hzとサブピーク75Hzのピーク加速度、合計加速度及び振動の位相差変動等の複数の振動の特徴量の時系列データによるマハラノビス距離MDを用いる。半導体製造装置の寿命診断方法にマハラノビス距離MDを利用するには、マハラノビス空間の取り方がキーになる。本発明の第3の実施の形態では、マハラノビス空間は、「診断と同一プロセス条件」となるLPCVDの成膜ステップの特徴量の時系列データが用いられる。具体的には、例えば、ドライポンプ3の状態を評価するデータの3日前の特徴量の時系列データを「基準用時系列振動データ」として用い、3日間でのマハラノビス距離MDの変化の推移を調べることにより、プロセス条件の変動の影響を除外することが出来る。図13に示すように、ポンプ停止直前に、マハラノビス距離MDが5を超えることが分かる。一般に、マハラノビス距離MDが4以上が異常であると判断するが、前述したように本発明では、経験則上、マハラノビス距離の寿命判定の設定値を5〜10の範囲の値とする。ここでは、マハラノビス距離の設定値を5としている。そして、マハラノビス距離MDが設定値5を超えると故障の予兆が捕らえられたと判断する。
【0056】
また、上述した特徴量以外にドライポンプ3のモーター電流や電力、ドライポンプ3内の圧力あるいはドライポンプ3の温度等の特徴量の時系列データをマハラノビス空間の構成要素として加えてもよいことは、勿論である。
【0057】
本発明の第3の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法は、図14に示す手順で行う。
【0058】
(イ)先ず、ステップS301において、LPCVD装置のドライポンプ3の特徴量の診断用時系列振動データの測定を開始する時刻の所定時間前に、目的とする診断と同一プロセス条件で対応する特徴量の基準用時系列振動データが測定される。
【0059】
(ロ)次に、ステップS302において、この基準用時系列振動データからマハラノビス空間が設定される。即ち、基準振動50Hzとサブピーク75Hzのピーク加速度、合計加速度及び振動の位相差変動等の基準用時系列振動データの集合体から導き出される相関行列の逆行列が求められる。この相関行列の逆行列の計算は、図1に示したCPU39のマハラノビス距離判定部64で実行される。求めたマハラノビス空間は、システム情報記憶装置66に格納される。
【0060】
(ハ)そして、ステップS303において、3日間、特徴量である基準振動50Hzとサブピーク75Hzのピーク加速度、合計加速度及び振動の位相差変動等の診断用時系列振動データが測定される。
【0061】
(ニ)そして、ステップS304において、3日間の診断用時系列振動データとマハラノビス空間とを用い、診断用時系列振動データのマハラノビス距離MDの時間変化が求められる。マハラノビス距離MDの計算は、システム情報記憶装置66に格納されたマハラノビス空間のデータを用い、マハラノビス距離判定部64で実行される。
【0062】
(ホ)次に、ステップS305において、マハラノビス距離判定部64で、算出されたマハラノビス距離MDが設定値と比較される。算出されたマハラノビス距離MDが設定値以下であれば、診断用時系列振動データが測定され、新たにマハラノビス距離が算出される。
【0063】
(ヘ)そして、ステップS306において、算出されたマハラノビス距離MDが設定値を越えている場合、マハラノビス距離判定部64はドライポンプ3の寿命と判断し、LPCVD装置に付随する表示装置、表示パネル、若しくは表示ランプにポンプ停止直前(寿命)の表示を行う。
【0064】
本発明の第3の実施の形態に係る半導体製造装置の寿命診断方法によれば、高感度で安定に精度良く故障の予兆を捕らえることができる。
【0065】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態の第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0066】
本発明の第1の実施の形態では加速度計36a、36bの取り付け位置をドライポンプ3のケーシング中央部分の前面及び背面としたが、ケーシング端部であってもよく、また、図示は省略されているドライポンプ3のギヤボックスの上部、側面、あるいは底面でも良い。ただし、測定加速度の安定性を確保するため、ドライポンプ3の取り付け部分を加速度計の取り付け面と同程度の加工精度の平面にする必要がある。
【0067】
また、本発明の実施の形態では、ルーツ型のドライポンプ3を用いた例を述べたが、スクリュー型のドライポンプでも同様の効果が得られることを確認している。基準振動の(n+l/m)倍のサブピークを用いる場合、スクリュー型ドライポンプに対しての羽根枚数mは1とすればよい。
【0068】
また、ドライポンプ3の寿命を予測する解析は本発明の実施の形態では、LPCVD装置に付随するCPU39の寿命判定ユニット6で実施したが、寿命判定解析はLPCVD装置の他のコンピュータで行ってもよい。例えば、ドライポンプ3の制御装置(図示省略)に内蔵してもよい。また、図15に示すように、本発明の他の実施の形態に係る半導体生産システムは、ローカルエリアネットワーク(LAN)71に半導体製造装置70やコンピュータ統合生産システム(CIM)72等が接続されている。CIM72は、サーバ73、データ処理システム74あるいは外部記憶装置75等が接続されている。測定された時系列振動データをLAN71を介して伝送し、CIM72上のデータ処理システム74で寿命判定解析を実施してもよい。また、サーバ73あるいはCIM72上の他のコンピュータで寿命判定解析を実施してもよい。さらに、寿命判定解析用の特徴量の時系列データをCIM72上の外部記憶装置75に格納してもよい。
【0069】
また、上記において、ジクロロシランガスとアンモニアガスとの反応で、シリコン窒化膜を成膜する場合を例示したが、原料ガスは、ジクロロシランガスやアンモニアガスに限定されないことは勿論である。更に、Si3N4膜のLPCVDの例に限られず、他の材料の薄膜のLPCVDでも同様に適用出来る。また、単一の種類の薄膜を成長する場合の例を示したが、Si3N4膜、TEOS酸化膜、多結晶シリコン等の複数種類の薄膜を同一のLPCVD装置で形成する場合でも同様の効果が得られる。
【0070】
なお、本発明の実施の形態に係る第1〜第3の実施の形態ではLPCVDプロセスの例を示したが、本発明はドライポンプの内部に反応生成物が堆積し回転機(ポンプ)が停止する場合には同様の効果が確認されており、CVDプロセス全般、ドライエッチングプロセスなどに適用できる。
【0071】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施例等を含むことは勿論である。したがって、本発明の実施の形態に係る技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度で安定した高精度の回転機の寿命予測方法、及びこの回転機を備えた製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の概略を示す図である。
【図2】図1に示した回転機(ドライポンプ)の内部構造を示す断面図である。
【図3】成膜ステップでのピーク加速度の経時変化グラフである。
【図4】成膜ステップでのピーク加速度減少率の経時変化グラフである。
【図5】本発明の実施の形態に係るドライポンプの加速度計の配置を示す概略図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明するためのフローチャートである。
【図7】ポンプ交換直後の成膜ステップでのピーク加速度の周波数スペクトルのグラフである。
【図8】ポンプ停止直前の成膜ステップでのピーク加速度の周波数スペクトルのグラフである。
【図9】成膜ステップでの基準振動及びサブピークのピーク加速度の経時変化グラフである。
【図10】成膜ステップでの合計加速度の経時変化グラフである。
【図11】成膜ステップでの振動位相差の経時変化グラフである。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明するためのフローチャートである。
【図13】成膜ステップでの振動データを用いたマハラノビス距離MDの経時変化グラフである。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測方法を説明するためのフローチャートである。
【図15】本発明の他の実施の形態に係る半導体製造装置用回転機の寿命予測を行う半導体生産システムの構成例を示したブロック図である。
【符号の説明】
1 CVDチャンバ
2 ゲートバルブ
3 ドライポンプ(回転機)
4 周波数決定部
5 時系列データ記録部
6 寿命判定ユニット
10a、10b ロータ
11a、11b 回転軸
13 ボディ
14 吸気フランジ
15 排気フランジ
32,33 真空配管
36a〜36d 加速度計
37 周波数解析装置(フーリエ変換分析装置)
38a〜38c 配線
39 CPU
41,42,43 マスフローコントローラ
51,52,53 ガス配管
61 加速度推移判定部
62 合計加速度推移判定部
63 振動位相差推移判定部
64 マハラノビス距離判定部
66 システム情報記憶装置
70 半導体製造装置
71 LAN
72 CIM
73 サーバー
74 データ処理システム
75 外部記憶装置
Claims (6)
- 回転機と、
前記回転機の振動の変動が相違する位置に配置され、時系列振動データを測定する複数の加速度計と、
前記複数の加速度計で測定された時系列振動データを周波数解析する周波数解析装置と、
前記周波数解析された前記時系列振動データから、前記回転機のロータの羽根枚数の逆数を含む式と、前記回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる解析対象周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成し、前記評価用診断データを記録する時系列データ記録部と、
前記評価用診断データを用いて、前記回転機の寿命を予測する寿命判定ユニット
とを備えることを特徴とする製造装置。 - 前記複数の加速度計が前記回転機のボディの一側面及び前記一側面に対向する他側面とに配置されることを特徴とする請求項1に記載の製造装置。
- 前記複数の加速度計が前記回転機の振動に位相差がある位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の製造装置。
- 振動の位相が相違する複数の位置で回転機の時系列振動データを測定するステップと、
前記時系列振動データを周波数解析し、前記回転機のロータの羽根枚数の逆数を含む式と、前記回転機に固有の基準振動周波数との積で表わされる解析対象周波数に対応した振動の特徴量の変動を評価用診断データとして作成するステップと、
前記評価用診断データを用いて、前記回転機の寿命を判定するステップ
とを含むことを特徴とする回転機の寿命予測方法。 - 基準用時系列振動データを測定するステップと、
前記基準用時系列振動データを周波数解析し、前記解析対象周波数に対応した特徴量の変動を基準用診断データとして作成して、前記基準用診断データにより基準マハラノビス空間を設定するステップと、
前記基準マハラノビス空間に基づき前記評価用診断データから算出されるマハラノビス距離を用いて寿命を予測するステップ
とを、更に含むことを特徴とする請求項4に記載の回転機の寿命予測方法。 - 振動の位相が相違する複数の位置で回転機の時系列振動データを測定するステップと、
前記時系列振動データを周波数解析し、前記複数の位置で測定され、解析対象周波数に対応した複数の振動の間の位相差の特徴量の変動を評価用診断データとして作成するステップと、
前記評価用診断データを用いて、前記回転機の寿命を判定するステップ
とを含むことを特徴とする回転機の寿命予測方法。
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