Brevet FR2887938A1 — publié le 20070105

Ligne de vide et procédé de surveillance d'une telle ligne La présente invention se rapporte au domaine de la maintenance prédictive et préventive d'une ligne de vide associée à une chambre de procédé. Elle concerne plus particulièrement le suivi de la progression du phénomène de pollution par des produits solides dans la ligne de vide (bouchage, grippage, etc...). L'invention s'étend en outre au procédé de surveillance de ce phénomène afin d'établir un diagnostic et de pouvoir programmer les interventions de maintenance préventive. Des lignes de vide incluant au moins un groupe de pompage sont employées dans de nombreux procédés utilisant des gaz et nécessitant une pression inférieure à la pression atmosphérique. Or les gaz mis en oeuvre dans ces procédés peuvent se transformer en sous-produits solides. Ces sousproduits peuvent se déposer sous la forme d'une couche sur les surfaces internes de la ligne de vide, et notamment sur la surface des canalisations, vannes et autres accessoires, ainsi que sur les pièces mobiles et statiques de la pompe, ou encore s'accumuler dans des volumes morts de la ligne de vide. Ce phénomène peut conduire à une perte de performance de la ligne de vide, et notamment du groupe de pompage, voire à sa défaillance. Il est alors inévitable d'interrompre le déroulement du procédé dans la chambre associée pour procéder au nettoyage ou au remplacement de l'élément concerné de la ligne de vide et notamment du groupe de pompage. Les coûts induits par ces interruptions non programmées de la production sont considérables. Aujourd'hui la maintenance d'une ligne de vide est basée à la fois sur des actions correctives et préventives. Des maintenances correctives sont réalisées en fonction de signaux notamment émis par des capteurs intégrés au groupe de pompage. Deux seuils ont été définis pour chaque mesure analogique: un seuil d'alerte et un seuil d'alarme. Le seuil d'alerte correspond à une valeur analogique anormalement élevée, synonyme d'une dérive des conditions d'utilisation du groupe de pompage par rapport à ses capacités nominales. Le franchissement du seuil d'alarme signifie que les conditions d'utilisation du groupe de pompage ont dépassé les capacités nominales, et celui-ci s'arrête automatiquement. Afin de minimiser 2887938 2 l'importance de l'intervention, la meilleure situation serait de pouvoir effectuer une action corrective dès le niveau d'alerte dépassé. Des opérations de maintenance préventive partielle ou totale sont également effectuées selon une périodicité définie en fonction de l'application pour laquelle est utilisée la ligne de vide. Cette périodicité est d'abord évaluée théoriquement puis ajustées par l'expérience. Cependant la périodicité n'est pas toujours bien adaptée à l'état d'usure réelle des composants du groupe de pompage ou à l'état de pollution réel de la ligne de vide, ce qui peut engendrer des opérations trop tardives ou bien trop précoces. Dans le cas de la maintenance corrective, la difficulté réside dans le suivi des seuils d'alerte et d'alarme des signaux analogiques du groupe de pompage qui ne permet pas un diagnostic élaboré de la cause de la défaillance. Un autre problème est la progression temporelle du comportement anormal du groupe de pompage pouvant provoquer un passage rapide du seuil d'alerte au seuil d'alarme. Dans ce cas il devient presque impossible d'intervenir avant le seuil d'alarme, ce qui peut entraîner des dommages irrémédiables au niveau du produit en cours de fabrication (par exemple une plaquette de semiconducteur), mais également au niveau du groupe de pompage. Le document US-2003/0,009,311 s'intéresse à la détermination du délai dans lequel survient une défaillance sur une pompe sèche. L'estimation de la durée de vie d'une telle pompe s'effectue par exploitation statistique des données caractéristiques de la pompe (courant, température, vibrations, etc...) combinées aux caractéristiques du procédé de fabrication (flux de gaz, pression, température du substrat, etc...). En effet ce document précise qu'il est extrêmement difficile de prédire la durée de vie de la pompe sans tenir compte des conditions opératoires du procédé. Dans ce cas le nombre de paramètres à surveiller est important, ce qui rend leur exploitation complexe. De plus, le système d'analyse prédictive n'est pas autonome: il dépend d'informations fournies par l'équipement de production nécessitant l'installation d'une ligne de communication entre l'équipement et le serveur de supervision des pompes. Cette ligne de communication est difficile à établir (confidentialité des données de l'équipementier ou du client, difficultés techniques, etc...) et son bon fonctionnement n'est pas garanti. Le document WO 2004/011810 concerne un procédé de surveillance de 35 l'état d'un système incluant une pompe, à la suite d'une phase de test de la pompe dans des conditions pré-établies. Pendant la période de test, on enregistre des signaux représentatifs du bon fonctionnement du système. Le diagnostic de la pompe est effectué par la mesure du couple ou du courant consommé par le moteur lors de la phase de test, c'est à dire en dehors des phases de production. Les conditions du test, et notamment le flux gazeux pompé, sont préétablies afin de comparer le résultat de la mesure à une référence enregistrée dans les mêmes conditions de flux gazeux. Cette méthode n'est pas possible à mettre en oeuvre lors des périodes de production soutenue car pour des raisons d'organisation, il est très difficile lo d'interrompre la production afin de procéder au test du groupe de pompage. De plus, ce procédé ne permet pas la prédiction du bouchage du système d'évacuation de la pompe. Le document EP-0 828 332 concerne l'évaluation de la durée d'utilisation d'une pompe à vide entre les opérations de maintenance. L'estimation du dépôt de matériau indésirable sur le rotor de la pompe à vide se fait par la mesure du couple de rotation et/ou du courant du moteur entraînant le rotor. Le procédé décrit dans ce document présente l'inconvénient de ne s'intéresser qu'à des paramètres relatifs au moteur. D'une part cette mesure est polluée par les variations de flux du gaz pompé, lequel flux n'est pas connu. II n'est donc pas possible, au moment de la mesure, de distinguer si la variation de couple ou de courant est due à une variation de flux ou une pollution de la pompe. L'utilisation de ce procédé est donc limitée aux faibles flux, de telle sorte que l'influence du flux sur le couple moteur soit négligeable par rapport à une pollution de la pompe. D'autre part ce procédé n'évalue que le comportement dynamique des pièces de rotation de la pompe. Il ne permet pas de diagnostiquer la cause de comportements anormaux si elle est liée au mauvais fonctionnement d'éléments extérieurs au groupe de pompage, tel que le bouchage du système d'évacuation des gaz. Le problème est donc de diagnostiquer l'état de pollution solide (bouchage, grippage, etc...) d'une ligne de vide, comprenant au moins un groupe de pompage, afin de planifier les opérations de maintenance préventive au moment le plus opportun et d'anticiper une défaillance du groupe de pompage, sur n'importe quelle valeur de flux pompé, sans considérer les conditions et paramètres autres que ceux provenant de la ligne de vide et sans interrompre la production. 2887938 4 L'objet de la présente invention est une ligne de vide pour le pompage des gaz dans une chambre de procédé, comportant au moins un groupe de pompage comprenant au moins un corps de pompe et un moteur, et au moins un système d'évacuation. Selon l'invention la ligne de vide comprend - des moyens de mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au moteur, des moyens de mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation des gaz, et - des moyens de prévision de la durée d'utilisation avant défaillance du groupe de pompage à partir de ces mesures. Le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au moteur est choisi de préférence parmi un moyen de mesure de la puissance ou du courant consommée, du couple de rotation et des vibrations. De préférence encore le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au moteur est un moyen de mesure de la puissance consommée par le moteur. Le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au au système d'évacuation est un moyen de mesure de la pression des gaz dans le système d'évacuation. La ligne de vide selon l'invention comprend de préférence un moyen de mesure de la puissance consommée par le moteur et un moyen de mesure de la 20 pression des gaz dans le système d'évacuation. La ligne de vide selon la présente invention peut comporter en outre un moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe. Ce moyen est choisi de préférence parmi un moyen de mesure de la température du corps de pompe, des vibrationsmécaniques et/ou acoustiques du corps de pompe, du débit de purge d'azote et de la position des vannes de régulation thermique. A cette fin d'autres capteurs peuvent aussi être intégrés au groupe de pompage, comme par exemple un capteur vibratoire, un capteur acoustique ou un accéléromètre. La ligne de vide selon l'invention est ainsi capable de réaliser un 30 auto-diagnostic, c'est à dire sans corrélation avec des signaux extérieurs à la ligne de vide. L'utilisation d'une ligne de vide selon l'invention comprenant un système apte à fournir un diagnostic permet, en les prévoyant, d'éviter les défaillances majeures lorsque l'installation dont fait partie la ligne de vide est dans une phase de production active. Toute défaillance dans ces circonstances peut nuire à la qualité du produit en cours de fabrication voir entraîner sa destruction ce qui génère une perte financière importante pour le client. L'invention a aussi pour objet un procédé de surveillance d'une ligne de vide telle que décrite ci-dessus, comprenant les étapes suivantes: mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au moteur, - mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation des gaz, - suivi et corrélation de l'évolution temporelle de chacun de ces paramètres, - prévision de la durée d'utilisation espérée de la ligne de vide avant défaillance. Le procédé selon l'invention consiste à identifier et suivre la progression du phénomène de pollution dans une ligne de vide. La pollution est due aux sous-produits solides issus de la transformation des gaz du procédé mis en oeuvre dans une chambre de procédé à laquelle est associée la ligne de vide. La surveillance de ce phénomène est réalisée par l'exploitation de l'évolution temporelle caractéristique de certains signaux issus des moyens de mesure, tels que des capteurs disposés sur le système d'évacuation et sur le moteur d'entraînement de la pompe. Les paramètres qui sont suivis de préférence dans le cadre de l'invention sont d'une part au moins un paramètre fonctionnel relatif au moteur, et d'autre part au moins un paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation. Le paramètre fonctionnel mesuré relatif au moteur est choisi de préférence parmi la puissance ou le courant consommée, le couple de rotation et les vibrations. De préférence encore le paramètre fonctionnel mesuré relatif au moteur est la puissance consommée. Le paramètre fonctionnel mesuré relatif au système d'évacuation est la pression des gaz dans le système d'évacuation. Les paramètres dont le suivi en corrélation est particulièrement avantageux sont la puissance consommée par le moteur et la pression des gaz dans le système d'évacuation. On peut mesurer en outre un paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe. Ce paramètre est choisi de préférence parmi la température du corps de pompe, les vibrations du corps de pompe, le débit de purge d'azote, la position des vannes de régulation thermique. L'information sur l'état ouvert ou fermé des vannes d'eau de régulation thermique peut révéler par exemple une défaillance 2887938 6 du réseau de refroidissement non visible directement par la lecture de la température du corps de pompe. Le suivi et la corrélation de l'évolution temporelle de chacun des paramètres choisis peuvent en outre comprendre la corrélation des paramètres mesurés avec des paramètres extérieurs à la ligne de vide, comme par exemple des paramètres caractéristiques de l'équipement auquel la ligne de vide est connectée. La prévision de la durée d'utilisation est obtenue notamment par un traitement statistique basé sur l'évolution de l'amplitude des paramètres mesurés 10 dans le but d'évaluer le risque de colmatage de la ligne de vide. Il est aussi possible de compléter le diagnostic de l'état de fonctionnement des pompes et l'organisation de la maintenance par l'observation directe de l'évolution des paramètres du groupe de pompage dans le temps grâce à l'enregistrement des données par le réseau de supervision auquel les pompes sont connectées. L'invention présente de nombreux avantages. Le procédé selon l'invention utilise et exploite les données fournit par les moyens de mesure associés à la ligne de vide, qui peuvent être enregistrées, afin d'identifier le comportement anormal du groupe de pompage et de réaliser un diagnostic dans le but d'anticiper précocement un problème avant le dépassement des seuils d'alerte et d'alarme des signaux analogiques. Le procédé selon l'invention permet d'identifier l'influence de la pollution sur l'état de propreté du système d'évacuation des gaz. Le procédé selon l'invention détecte ainsi la pollution d'éléments externes au groupe de pompage comme la canalisation d'évacuation des gaz pompés, un piège ou une vanne en ligne sur cette canalisation, ou encore le raccordement de cette canalisation au système de traitement des gaz Utilisé dans un système de diagnostic, le procédé selon l'invention permet de privilégier la maintenance prédictive, c'est à dire maintenir la ligne de vide uniquement lorsqu'il y a un besoin réel. Ceci permet d'éviter des opérations de maintenance préventive coûteuses et parfois injustifiées. Le diagnostic est précoce, ce qui permet de minimiser les dommages liés à l'usure des composants et donc de diminuer encore le coût de la maintenance. La présente invention est utilisable dans une application logicielle de 35 diagnostic qui peut être intégrée au réseau de supervision du groupe de pompage in situ, au groupe de pompage lui-même, ou encore à un système à distance. L'invention peut permettre à cette application logicielle de réaliser un auto-diagnostic de la ligne de vide, c'est à dire sans corrélation avec des signaux extérieurs au groupe de pompage. Associée à un système de veille diagnostique automatique, l'invention permet d'alléger la surveillance routinière de la ligne de vide et ainsi d'augmenter la disponibilité des personnels en charge de leur maintenance. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre illustratif, mais nullement limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente de façon schématique une ligne de vide selon l'invention, - la figure 2 montre la variation répétitive de la puissance consommée par le moteur et de la pression des gaz dans le système d'évacuation qui est liée aux variations du flux gazeux admis dans le groupe de pompage au cours du traitement; la puissance consommée par le moteur M en watts (W) et la pression des gaz G en millibars (mbar) sont données en ordonnée, et en abscisse le temps T sans unités; - la figure 3 montre une variation ponctuelle de la puissance consommée par le moteur et de la pression des gaz qui est causée par le pompage de gaz depuis la pression atmosphérique; la puissance M en watts est donnée en ordonnée gauche et la pression G en millibars en ordonnée droite, et en abscisse le temps T sans unités; - la figure 4 montre la diminution progressive de la puissance consommée par le moteur après le démarrage; la puissance M en watts et la pression G en millibars sont données en ordonnée, et en abscisse le temps T sans unités; - la figure 5 montre une augmentation progressive de la puissance consommée par le moteur et de la pression des gaz qui est causée par le colmatage de la canalisation d'évacuation, la puissance M en watts et la pression G en millibars sont données en ordonnée, et en abscisse le temps T sans unités, - la figure 6 montre la variation aléatoire de la puissance consommée par le moteur présageant un blocage imminent des pièces dynamique du groupe de pompage, la puissance M en watts est donnée en ordonnée, et en abscisse le temps T sans unités, L'installation représentée sur la figure 1 comporte une chambre de procédé 1 destinée au traitement d'un substrat. Il peut s'agir par exemple de procédés de dépôts, gravure, implantation ionique ou traitement thermique utilisés dans la fabrication de dispositifs microélectronique sur des plaquettes de silicium. Il peut également s'agir de micro-usinage de substrats semi-conducteurs pour la réalisation de composants de microsystèmes électromécaniques (MEMS) ou de microsystèmes électro-optomécaniques (MOEMS). La chambre de procédé 1 est reliée par une canalisation 2 munie de vannes 3a, 3b, 3c à un corps de pompe 4 entraîné par un moteur 5. Le corps de pompe 4 est mis en relation avec une lo canalisation d'évacuation 6 par un silencieux 7. La canalisation peut être équipée d'un piège 8 pour capter les sousproduits solides de la réaction. Lorsque les sous-produits gazeux du procédé mis en oeuvre ne peuvent être rejetés dans l'évacuation générale 9, l'échappement des gaz s'effectue par l'intermédiaire d'une installation de traitement 10 grâce aux vannes 1 l a et l 1 b. Des gaz du procédé peuvent se transformer en sous-produits solides et s'accumuler dans la chambre de procédé 1, dans la canalisation 2 reliant la chambre 1 au corps de pompe 4, dans le corps de pompe 4, dans le silencieux 7, dans la canalisation 6 qui conduit à l'installation de traitement des gaz 10, dans le piège 8 et dans les vannes 11a, 1 1 b. Il est également fréquent que les sous-produits formés en amont du groupe de pompage soient pompés ou transférés par gravité dans le corps de pompe 4, et ainsi contribuent au phénomène de pollution du corps de pompe 4, du silencieux 7, de la canalisation 6 d'évacuation des gaz pompés, du piège 8 et des vannes 11 a et 11 b. La variation de la valeur d'un paramètre fonctionnel du groupe de pompage, liée à un fonctionnement normal, peut être par exemple: -répétitive et reproductible dans le temps, par exemple la figure 2 illustre la variation de la pression des gaz G (courbe 20) dans le système d'évacuation et de la puissance consommée par le moteur M (courbe 21) qui est due aux variations du flux gazeux parvenant au groupe de pompage lorsque des opérations de production sont en cours, ou - ponctuelle, par exemple la figure 3 illustre l'augmentation brutale simultanée de la pression des gaz G (courbe 30) et de la puissance consommée par le moteur M (courbe 31) qui est due au pompage d'un volume de gaz à pression atmosphérique, ou encore 2887938 9 - continue dans le temps, par exemple la figure 4 illustre la diminution progressive de la puissance consommée par le moteur M' (courbe 41) de la pompe primaire du groupe après le démarrage, qui est due au réchauffement du groupe de pompage et à l'évacuation progressive des résidus solides accumulés dans le corps de pompe lors de la phase d'arrêt. La courbe 40 représente la puissance consommée par le moteur M de la pompe secondaire du groupe. La variation de la valeur d'un paramètre liée à un fonctionnement anormal peut être par exemple: - continue dans le temps, par exemple la figure 5 illustre l'augmentation lo progressive de la puissance consommée par le moteur M (courbe 50) et de la pression des gaz G (courbe 51) dans le système d'évacuation, qui révèle un colmatage de la canalisation de refoulement des gaz pompés, ou bien - aléatoire, par exemple la courbe 60 de la figure 6 illustre des pics de puissance consommée par le moteur M successifs qui sont le signe d'un blocage imminent des pièces dynamiques. L'invention permet notamment de détecter les phénomènes suivants avant qu'ils n'induisent une défaillance irréversible du groupe de pompage, notamment un colmatage du silencieux, du piège, de la canalisation ou des vannes du système d'évacuation des gaz, et dans certaines conditions un colmatage interne du groupe de pompage par des sous-produits solides issus de la transformation des gaz pompés. Le colmatage est identifié par le suivi de l'évolution dans le temps de la puissance consommée par le moteur M et de la pression des gaz G. Un algorithme mathématique a été déterminé pour mesurer cette évolution et calculer le temps restant avant d'atteindre des seuils analogiques critiques prédéfinis. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention choisir de surveiller en outre d'autres paramètres qu'ils soient internes ou externes à la ligne de vide. REVENDICATIONS 1. Ligne de vide pour le pompage des gaz dans une chambre de procédé, comportant au moins un groupe de pompage comprenant un corps de pompe et un moteur, et au moins un système d'évacuation, caractérisée en ce qu'elle comprend - des moyens de mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au moteur, - des moyens de mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation des gaz, et - des moyens de prévision de la durée d'utilisation avant défaillance du groupe de 10 pompage à partir de ces mesures. 2. Ligne de vide selon la revendication 1, dans laquelle le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au moteur est choisi parmi un moyen de mesure de la puissance consommée, du courant consommé, du couple de rotation et des vibrations. 3. Ligne de vide selon la revendication 2, dans laquelle le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au moteur est un moyen de mesure de la puissance consommée. 4. Ligne de vide selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation est un 20 moyen de mesure de la pression des gaz dans le système d'évacuation. 5. Ligne de vide selon l'une des revendications précédentes, comprenant un moyen de mesure de la puissance consommée par le moteur et un moyen de mesure de la pression des gaz dans le système d'évacuation 6. Ligne de vide selon l'une des revendications précédentes, comprenant en 25 outre un moyen de mesure d'un paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe. 7. Ligne de vide selon la revendication 1, dans laquelle le moyen de mesure du paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe est choisi parmi un moyen de mesure de la température du corps de pompe, des vibrations du corps de pompe, du débit de purge d'azote et de la position des vannes de régulation thermique. 8. Procédé de surveillance d'une ligne de vide selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes: - mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au moteur, - mesure d'au moins un paramètre fonctionnel relatif au système d'évacuation des 5 gaz, - suivi et corrélation de l'évolution temporelle de chacun de ces paramètres, -prévision de la durée d'utilisation espérée de la ligne de vide avant défaillance. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la prévision de la durée d'utilisation est obtenue par un traitement statistique basé sur l'évolution de l'amplitude des paramètres mesurés pour évaluer le risque de colmatage de la ligne de vide. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel le paramètre fonctionnel mesuré relatif au moteur est choisi parmi la puissance consommée, le couple de rotation et les vibrations. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 dans lequel le paramètre fonctionnel mesuré relatif au moteur est la puissance consommée. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, dans lequel le paramètre fonctionnel mesuré relatif au système d'évacuation des gaz est la pression des gaz dans le système d'évacuation. 13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel on mesure en outre un paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le paramètre fonctionnel relatif au corps de pompe est choisi parmi la température du corps de pompe, les vibrations du corps de pompe, le débit de purge d'azote, et la position des vannes 25 de régulation thermique. 15. Procédé selon l'une des revendications 8 à 14, comprenant en outre la corrélation des paramètres mesurés avec des paramètres extérieurs à la ligne de vide.