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JP3929185B2 - 真空排気装置及び方法 - Google Patents

真空排気装置及び方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造装置の真空チャンバ（プロセスチャンバ）等の真空排気を行なう真空排気装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば、エッチング装置や化学気相成長装置（ＣＶＤ）等の半導体製造工程に用いる真空チャンバ１０を排気するための真空排気経路を示すもので、この真空チャンバ１０には、真空排気系１２の真空ポンプ１４の吸気口１４ａが接続され、真空ポンプ１４の吐出口１４ｂには排気配管１６が接続されている。真空ポンプ１４は、真空チャンバ１０からのプロセスの排ガスを大気圧まで昇圧するためのもので、従来は油回転式ポンプが、現在はドライポンプが主に使用されている。
【０００３】
真空チャンバ１０が必要とする真空度が真空ポンプ１４の到達真空度よりも高い場合には、真空ポンプの上流側にさらにターボ分子ポンプ等の超高真空ポンプが配置されることがあり、また、プロセスの排ガスの種類により、そのまま大気に放出できない場合には、排気配管１６に排ガス処理装置が配備される。
【０００４】
従来、この種の真空排気系１２に使用される真空ポンプ１４のモータ２０としては、定格回転数で回転する誘導モータが一般に使用されていた。また、排気配管１６としては、ポンプ始動時や大気導入時に大量のガスを円滑に流し、真空ポンプ１４の背圧が許容値内に収まるように、例えば、排気速度が２０００Ｌ／ｍｉｎ程度であれば、内径が４０ｍｍ程度のものを使用していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、半導体製造装置用の真空チャンバはクリーンルーム内に配置されており、排気配管はクリーンルーム内を外部空間まで長い距離に渡り敷設される場合がある。従って、排気配管が太いと、コストの高いスペースを占有し、また、他の構成機器との干渉のために配置が制約される等の問題がある。一方、排気配管を細くすると、ポンプ始動時や大気導入時に大量のガスが流れた場合に真空ポンプの背圧が上昇し、その結果、過負荷となって運転不能に陥ってしまうので、細径化には一定の限界があった。
【０００６】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、排気系の排気配管の径を細くして省スペースを図りつつ、過負荷運転を回避して安定な稼動を行なうことができる真空排気装置及び排気方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、真空チャンバと、該真空チャンバを大気圧開口部へ繋ぐ排気配管と、該排気配管に設けられた回転数可変な真空ポンプと、該真空ポンプの回転数を制御する制御部とを有し、前記真空ポンプは、ガス通路部に潤滑剤を使用しないドライポンプであって、前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管を備え、前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管は、コンダクタンスが前記真空ポンプの排気能力に比べて小さく設定されている径の細い配管であって、前記制御部は、前記真空ポンプの背圧が所定値を超えないように、前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする真空排気装置である。これにより、例えば、ポンプの起動時等で大量のガスが排気される場合も真空ポンプの背圧が一定値を超えないように制御して、安定した運転が可能となる。従って、排気配管として排気能力より径の細いものを使用することができ、高価なクリーンルーム等の空間を有効利用することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記制御部は前記真空ポンプの背圧を検知するセンサの出力に基づいて該背圧が所定値になるように前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置である。これにより、常に正確な背圧制御を行なうことができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記排気配管には、前記真空ポンプに直列にブースタポンプが設置され、前記制御部は前記背圧センサの出力に基づいて前記真空ポンプの排気能力が不足するときに前記ブースタポンプを起動させることを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置である。これにより、省エネルギー性を維持しつつ大きな排気負荷にも対応することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記制御部は予め入力された回転数変化パターンに沿って前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置である。これにより、簡単な装置構成で背圧制御を行なうことができる。
【００１１】
本発明は、前記排気配管のコンダクタンスが前記真空ポンプの排気能力に比べて小さく設定されていることを特徴とするものである。これにより、配管のためのスペースを小さくして高価なクリーンルーム等の空間を有効利用することができ、また、配管と装置との取り合いを容易にすることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、真空チャンバを排気配管を介して回転数可変な真空ポンプにより排気する排気方法において、前記真空ポンプは、ガス通路部に潤滑剤を使用しないドライポンプであって、前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管を備え、前記排気配管は、前記真空ポンプの吐出口を大気圧開口部へ接続する排気配管として、コンダクタンスが前記真空ポンプの排気能力に比べて小さく設定されている径の細い配管を使用し、前記真空ポンプの背圧が所定値を超えないように、該真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする真空排気方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、エッチング装置や化学気相成長装置（ＣＶＤ）のような半導体製造工程に用いる真空チャンバ１０を真空排気する真空排気系３０を示すもので、真空チャンバ１０は、真空ポンプ３２の吸気口３２ａに接続され、真空ポンプ３２の吐出口３２ｂには排気配管３４が接続されている。
【００１４】
真空ポンプ３２としてはガス通路部に潤滑剤を使用しない、いわゆるドライポンプが用いられ、その駆動用のモータ４０は、例えばインバータ（周波数変換回路）を用いる回転数制御部４２を有する直流モータ、特にブラシレス直流モータが使用されている。また、排気配管３４としては、図７に示す従来の排気配管１６よりも径の細いもの、例えば、排気速度が２０００Ｌ／ｍｉｎ程度であれば、内径が１０ｍｍ程度のものが使用されている。排気配管３４の内径は、配管の長さをも考慮して、コンダクタンスが所定の値になるように決める。
【００１５】
排気配管３４の吐出口３２ｂ近傍の位置には、排気配管３４の内部の圧力すなわち真空ポンプ３２の背圧を常時検知する背圧センサ４４が設置されており、この背圧センサ４４からの出力信号はモータ４０の回転数制御部４２に入力されるようになっている。
【００１６】
次に、真空ポンプ３２の起動時の運転方法を図２を参照して説明する。すなわち、真空ポンプ３２の背圧が予め定められた規定値Ｐ０ を維持するように真空ポンプ３２の回転数を制御する。すなわち、背圧センサ４４の検出値がＰ０ ＋αに達すると、回転数制御部４２がモータ４０の回転数を下げ、背圧がＰ０ −αより下になると回転数を上げる。この結果、図２に破線で示されるように、背圧はほぼＰ０ に維持され、所要時間は長引くが安定な運転を継続することができる。所定時間が経過すると、背圧はＰ０ 以下に下がり、定常運転に移行する。
【００１７】
上述した実施の形態では、背圧センサ４４を用いて真空ポンプ３２をフィードバック制御したが、より簡単な構成のシーケンス制御を行なう実施の形態を図３を参照して説明する。この実施の形態では、図１における背圧センサ４４の定常的な設置は不要である。真空ポンプ３２の起動時の回転数の時間的な変化が制御部４２に予めインプットされており、これは、図３において、従来のポンプの時間Ｔ１ に比べて大きい時間Ｔ０ において定常回転数Ｎ０ に達する一定の緩い勾配の破線Ｌ０ で表され、その後は定常回転数Ｎ０ を維持するようにしている。
【００１８】
この場合の背圧の変化は、同図において破線Ｌ２ で表されており、これは実線Ｌ３ で表される従来の場合に比べてピークの値Ｐ０ が小さい。回転数変化線Ｌ０ の勾配Ｎ０ ／Ｔ１ は、対象の真空ポンプ３２の能力、真空チャンバ１０の容積、排気配管３４のコンダクタンス等に応じて予め実験的に、あるいは過去の実験データから計算により、ピークの値Ｐ０ が駆動モータに過度の負荷を与えない限りで所定の排気能力を得られる程度に定められている。
【００１９】
この実施の形態では、背圧センサに基づくフィードバック制御のような複雑な制御を行っていないので、背圧センサが不要であり、より簡単な構成で先の実施の形態と同等の効果を得ることができる。なお、真空ポンプ３２の能力、真空チャンバ１０の容積、排気配管３４のコンダクタンス等の条件の変化に応じて、勾配の設定値を選ぶことができるようにしてもよい。なお、図３の実施の形態においては、モータ４０の回転数を直線的に上昇させているが、図４に示すように、段階的に増加させるようにしてもよい。
【００２０】
図５は、この発明のさらに他の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、排気経路の真空ポンプ（メインポンプ）３２の上流側にブースタポンプ５０が設置されている。これらのポンプ３２，５０の駆動用のモータ４０,４６は、いずれもインバータを用いる回転数制御部４２を有するブラシレス直流モータである。排気配管３４として径の細いものを使用している点、排気配管３４の吐出口３２ｂ近傍の位置に背圧センサ４４が設置されてこの出力を基にメインポンプの回転数を制御している点は先の実施の形態と同様である。
【００２１】
以下に、この実施の形態の真空排気装置の制御方法の例を、図６を参照しつつ説明する。この実施の形態では、安定した排気を行ない、かつ、モータ４０，４６に過度の負荷を与えないように、背圧の目標範囲を下限値Ｐ１ と上限値Ｐ２ の間として制御を行なう。排気を開始するときは、先に説明したように多量の排気がなされて背圧が上昇しがちであるので、メインポンプ３２のみを最低回転数で運転するように指令して起動する。これにより、排気速度が抑制されて背圧の急激な上昇が抑えられる。
【００２２】
真空チャンバ１０内の排気が進み、背圧が下限値Ｐ１ 以下に低下すると、所定のピッチでメインポンプ３２の回転数を上昇させて行き、背圧が下限値Ｐ１ を超えて目標範囲に入ったら、メインポンプ３２をその回転数に維持する。このようにして、真空チャンバ１０の排気量とメインポンプ３２の排気能力が見合っている場合には、メインポンプ３２の回転数を制御しつつ背圧を下限値Ｐ１ の前後に調整し、安定に運転を継続することができる。
【００２３】
ここで、真空チャンバ１０でのガス生成量が多くなって真空チャンバ１０の排気量とメインポンプ３２の排気能力との間にアンバランスが生じた場合、メインポンプ３２の回転数を上げるように指令しても追随しない、あるいは背圧が上昇しなくなったりする。この場合には、例えば、タイマ等によって背圧が継続的に下限値Ｐ１ 以下であることを検知し、ブースタポンプ５０を最低回転数で運転するように指令して起動する。
【００２４】
そして、メインポンプ３２を定格で運転しつつブースタポンプ５０を先のメインポンプ３２の場合と同様に制御して、背圧を下限値Ｐ１ の前後に調整しながら運転する。これにより、真空チャンバ１０の排気負荷が大きく、メインポンプ３２とブースタポンプ５０の排気能力を合わせたものに見合っている場合には、ブースタポンプ５０の回転数を制御しつつ背圧を下限値Ｐ１ の前後に調整し、安定に運転を継続することができる。
【００２５】
もし、ブースタポンプ５０を最低回転数で運転していても背圧がＰ２ を超えて上昇するような場合には、ブースタポンプ５０の運転を停止して、メインポンプ３２の単独運転のモードに戻ればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポンプの起動時等で大量のガスが排気される場合も真空ポンプの背圧が一定値を超えないように制御し、また、ブースタポンプを付加することにより、運転の過程で排気負荷が増した時にのみこれを起動して運転し、省エネルギーを維持しつつ、安定な排気動作を行なうことができる。従って、排気配管の径を細くしても、過負荷運転を回避して安定な稼動を行なうことができ、また、排気配管として排気能力より径の細いものを使用することにより、高価なクリーンルーム等の空間を有効利用することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の真空排気装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の真空ポンプの運転方法における回転数の時間変化を従来例と比較して示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態の真空ポンプの運転方法における背圧と回転数の時間変化を従来例と比較して示すグラフである。
【図４】本発明の第３の実施の形態の真空ポンプの運転方法における背圧と回転数の時間変化を従来例と比較して示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施の形態の真空排気装置を示す図である。
【図６】図５の実施の形態の真空ポンプの運転方法における背圧と回転数の時間変化を示すグラフである。
【図７】従来の真空排気装置を示す図である。
【符号の説明】
１０ 真空チャンバ
３０ 真空排気系
３２ 真空ポンプ
３４ 排気配管
４０，４６ モータ
４２ 回転数制御部
４４ 背圧センサ
５０ ブースタポンプ

Claims (5)

  1. 真空チャンバと、該真空チャンバを大気圧開口部へ繋ぐ排気配管と、該排気配管に設けられた回転数可変な真空ポンプと、該真空ポンプの回転数を制御する制御部とを有し、
    前記真空ポンプは、ガス通路部に潤滑剤を使用しないドライポンプであって、前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管を備え、
    前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管は、コンダクタンスが前記真空ポンプの排気能力に比べて小さく設定されている径の細い配管であって、
    前記制御部は、前記真空ポンプの背圧が所定値を超えないように、前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする真空排気装置。
  2. 前記真空ポンプの排気側には背圧を検知する背圧センサが設けられ、前記制御部は前記背圧センサの出力に基づいて前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
  3. 前記排気配管には、前記真空ポンプに直列にブースタポンプが設置され、前記制御部は前記背圧センサの出力に基づいて前記真空ポンプの排気能力が不足するときに前記ブースタポンプを起動させることを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
  4. 前記制御部は予め入力された回転数変化パターンに沿って前記真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
  5. 真空チャンバを排気配管を介して回転数可変な真空ポンプにより排気する排気方法において、
    前記真空ポンプは、ガス通路部に潤滑剤を使用しないドライポンプであって、前記真空ポンプの吐出口と大気圧開口部とを接続する排気配管を備え、
    前記排気配管は、前記真空ポンプの吐出口を大気圧開口部へ接続する排気配管として、コンダクタンスが前記真空ポンプの排気能力に比べて小さく設定されている径の細い配管を使用し、
    前記真空ポンプの背圧が所定値を超えないように、該真空ポンプの回転数を制御することを特徴とする真空排気方法。
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