(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室に各々連絡する互いに並列的に配置された容積移送式の複数台のドライ真空ポンプと、これらのドライ真空ポンプの吐出側に各々接続され前記ドライ真空ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記複数台のドライ真空ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に配置され前記複数台のドライ真空ポンプの運転中それらの吐出側を共通に排気する一台の補助ポンプと、前記複数台のドライ真空ポンプの各吐出側と前記補助ポンプとを連絡する配管に各々設けられ、前記各吐出側と前記補助ポンプとの間を連通／遮断する開閉弁とを備えた真空排気装置の運転方法であって、
前記ドライ真空ポンプの運転開始時は、前記補助ポンプを第１の回転数で駆動し、
前記ドライ真空ポンプの吐出圧が第１の設定値にまで低下したときは、前記補助ポンプを前記第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動し、
前記ドライ真空ポンプの吐出圧が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値にまで低下したときは、前記開閉弁の各々を閉弁するとともに前記補助ポンプの運転を停止させることを特徴とする真空排気装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の真空排気装置の運転方法であって、
前記複数台のドライ真空ポンプのうち何れかのドライ真空ポンプの吸入圧が所定値を上回っているときは、当該ドライ真空ポンプに対応する前記開閉弁を閉弁することを特徴とする真空排気装置の運転方法。
【請求項３】
真空処理室に各々連絡する互いに並列的に配置された容積移送式の複数台のドライ真空ポンプと、これらのドライ真空ポンプの吐出側に各々接続され前記ドライ真空ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記複数台のドライ真空ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に配置され前記複数台のドライ真空ポンプの運転中それらの吐出側を共通に排気する一台の補助ポンプと、前記複数台のドライ真空ポンプの各吐出側と前記補助ポンプとを連絡する配管に各々設けられ、前記各吐出側と前記補助ポンプとの間を連通／遮断する開閉弁とを備えた真空排気装置の運転方法であって、
前記ドライ真空ポンプの運転開始時は、前記補助ポンプを第１の回転数で駆動し、
前記ドライ真空ポンプの駆動電流又は消費電力が第１の設定値にまで低下したときは、前記補助ポンプを前記第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動し、
前記ドライ真空ポンプの駆動電流又は消費電力が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値にまで低下したときは、前記開閉弁の各々を閉弁するとともに前記補助ポンプの運転を停止させることを特徴とする真空排気装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造工程に用いられるドライ真空ポンプの省電力化を図った真空排気装置の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置用の真空排気装置として油回転真空ポンプが用いられていたが、近年、作動油を使用しないクリーンなドライ真空ポンプが利用されている。ここでいうドライ真空ポンプとは、大気圧からの真空排気が可能であり、吸入室にシール油（作動油）を有しない機械的真空ポンプ（以下、同じ。）であって、容積移動型のルーツ型、クロー形、スクリュー型が多く使用されている。これらのポンプはいずれも２軸構造で、一対のロータは互いに僅かの隙間を保って反対方向に回転することで真空排気を行うもので、接触部分をもたないことから寿命が長く、製造装置から流入するガス中に含まれる固形成分も排気でき、腐食性ガスに対しても耐食性を容易に持たせることができる。
【０００３】
しかし、ドライ真空ポンプは、油回転真空ポンプに比べて消費電力が大きいという問題を有している。特に、環境上の問題からエネルギー消費を抑える必要が生じたことと、半導体製造のコストダウンが要求されることから、ドライ真空ポンプの消費電力を５０％以下に抑制したいとの要望が生じている。
【０００４】
例えば、ルーツ型ドライ真空ポンプは、回転軸に沿って複数のロータを備えた回転体を相隣接して設け、相対向したロータが互いに僅かの隙間を保って逆方向に回転したガスの吸入、排気を行うもので、３段から６段のポンプ室から構成され、各段のポンプ室で順次ポンプ作用を行うものである。このポンプでは、ロータの回転により排気ガスを前段部から後段部へと移送するが、ロータ最終段においてガス移送空間が吐出側空間と連通した瞬間に、吐出側気体がポンプ内に逆流して上記ガス移送空間内の排気ガスを圧縮する。したがって、吸入口側を真空に保つためには、圧縮行程で逆流ガスを押し戻してやる必要があり、大気圧からの逆流を受け止めるロータ最終段では、ガスを押し戻すためにポンプ全体の所要動力の約７０％から８０％程度が費やされている。
【０００５】
そこで、特開平６−１２９３８４号公報には、図３に示すように真空処理室１を真空排気するドライ真空ポンプ２の後段に、ドライ真空ポンプ２側から大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁４を設けるとともに、ドライ真空ポンプ２よりも排気容量の小さい補助ポンプ３を上記逆止弁４をバイパスするようにドライ真空ポンプ２の吐出側に設けることによって、ドライ真空ポンプ２の吐出側を大気圧以下に排気しポンプ最終段に逆流するガスの押し戻し仕事を低減する技術が開示されている。
【０００６】
この技術によれば、従来では大気圧とされていたドライ真空ポンプ２の吐出側が補助ポンプ３によって大気圧以下の所定の真空度に排気、維持されるために、ドライ真空ポンプ２への逆流ガスが大幅に低減され、よって、逆流ガスの押し戻しに必要とされる動力を確実に低減することが可能となるので、ドライ真空ポンプ２の駆動電力の大幅な削減つまり省エネルギー（以下、省エネともいう。）化を図ることが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に半導体製造装置は、ローディング室や成膜室、真空熱処理室などの複数の真空処理室が直線的または環状に配置され、ウェーハ等の被処理基板が順次各処理室を搬送されて製品とされる場合が多い。このため、ドライ真空ポンプは、所定の真空処理室に各々対応して配置され、各室を独立して真空排気できるようにしている。
【０００８】
このような場合、各真空処理室に対して図３に示した構成の真空排気装置をそれぞれ設けるとなると、ドライ真空ポンプ２の設置台数に対応して補助ポンプ３が同数必要となるだけでなく、複数台の補助ポンプ３を設置するスペースが必要となる。また、補助ポンプ３をドライ真空ポンプ２に内蔵することも考えられるが、これではドライ真空ポンプが大型化し、同様な設置スペースの問題が生じることとなる。
【０００９】
更には、補助ポンプ３の設置台数に対応してメンテナンス時間およびコストが上昇し、スループットの低下および製造コストの上昇を招き、本来目的とされていた真空排気装置の省エネ効果が薄らいでしまうことになる。
【００１０】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、補助ポンプの設置スペースを小さくしながらも複数台のドライ真空ポンプを配置でき、メンテナンスコストの低減を図って真空排気系の省エネ効果を実効あらしめる真空排気装置の運転方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の真空排気装置の運転方法は、真空処理室に各々連絡する互いに並列的に配置された容積移送式の複数台のドライ真空ポンプと、これらのドライ真空ポンプの吐出側に各々接続され前記ドライ真空ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記複数台のドライ真空ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に配置され前記複数台のドライ真空ポンプの運転中それらの吐出側を共通に排気する一台の補助ポンプと、前記複数台のドライ真空ポンプの各吐出側と前記補助ポンプとを連絡する配管に各々設けられ、前記各吐出側と前記補助ポンプとの間を連通／遮断する開閉弁とを備えた真空排気装置の運転方法であって、前記ドライ真空ポンプの運転開始時は、前記補助ポンプを第１の回転数で駆動し、前記ドライ真空ポンプの吐出圧が第１の設定値にまで低下したときは、前記補助ポンプを前記第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動し、前記ドライ真空ポンプの吐出圧が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値にまで低下したときは、前記開閉弁の各々を閉弁するとともに前記補助ポンプの運転を停止させることを特徴とする。
また、本発明の真空排気装置の運転方法は、真空処理室に各々連絡する互いに並列的に配置された容積移送式の複数台のドライ真空ポンプと、これらのドライ真空ポンプの吐出側に各々接続され前記ドライ真空ポンプから大気側へのガスの流れのみを許容する逆止弁と、前記複数台のドライ真空ポンプの吐出側に前記逆止弁に対して並列的に配置され前記複数台のドライ真空ポンプの運転中それらの吐出側を共通に排気する一台の補助ポンプと、前記複数台のドライ真空ポンプの各吐出側と前記補助ポンプとを連絡する配管に各々設けられ、前記各吐出側と前記補助ポンプとの間を連通／遮断する開閉弁とを備えた真空排気装置の運転方法であって、前記ドライ真空ポンプの運転開始時は、前記補助ポンプを第１の回転数で駆動し、前記ドライ真空ポンプの駆動電流又は消費電力が第１の設定値にまで低下したときは、前記補助ポンプを前記第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動し、前記ドライ真空ポンプの駆動電流又は消費電力が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値にまで低下したときは、前記開閉弁の各々を閉弁するとともに前記補助ポンプの運転を停止させることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、複数台のドライ真空ポンプの吐出側を単一の補助ポンプで共通に排気するようにしているので、補助ポンプの設置台数は原則として一台で済み、したがって、補助ポンプの設置スペースを最小にすることが可能となる。また、ドライ真空ポンプの各吐出側と補助ポンプとの間に各々開閉弁が設けられているので、何れかのドライ真空ポンプの運転が停止されている場合には対応する開閉弁を閉じ、残りの動作中のドライ真空ポンプの吐出側のみを排気するようにして排気動作の効率化、および補助ポンプの消費電力の低減化を図り、真空排気装置全体の消費電力の省エネ化を図ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、スパッタリングや蒸着など、排気ガス中にポンプ内で析出堆積する成分を含まないプロセス（ライトプロセス）における真空処理室用の真空排気装置を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態による真空排気装置の概略配管構成を示している。並列的に複数台（本実施の形態では３台）配置されるドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吸入配管１１Ａ〜１１Ｃには、図示しない真空処理室が各々接続されている。これら各真空処理室は互いに独立して真空排気可能に構成されている。一方、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吐出配管１２Ａ〜１２Ｃには、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃからの排気ガスを大気に解放するための逆止弁２８Ａ〜２８Ｃと、補助ポンプ３０との間を連通／遮断する圧空式、電磁式、電動式等の開閉弁４０Ａ〜４０Ｃが互いに並列的に設けられている。補助ポンプ３０は、一台で、各ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吐出側を、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃを介して共通に排気するようになっている。
【００１５】
ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃは、容積移送式のルーツ型ドライ真空ポンプで構成されるが、勿論これに限られず、クロー型やスクリュー型といった他の容積移送式あるいは容積移動型のドライ真空ポンプを用いることも可能である。
【００１６】
一方、補助ポンプ３０は、ダイアフラムポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ、スクロールポンプ、ネジ溝（スクリュー）ポンプ、多段ルーツポンプ等の容積移送型ポンプであって、ドライ真空ポンプとは独立した駆動源を有し、回転数により排気能力を調整することができるポンプであればよい。補助ポンプ３０の運転状態は、制御装置３３によって制御される。補助ポンプ３０の駆動源としては、起動電力の低いＤＣブラシレスモータが採用され、制御装置３３は、当該モータに供給する駆動電圧を調整することによって回転数制御を行う一方、当該モータのＯＮ／ＯＦＦ制御によって補助ポンプ３０の運転／停止操作が可能となっている。
【００１７】
なお、ＤＣモータの制御方法は上記のような電圧制御に限らず、例えばＰＷＭ制御なども採用可能である。また、補助モータ３０の駆動源はＤＣモータに限らず、ＡＣモータも適用可能である。この場合の回転数制御方法としては、インバータ制御が代表的である。
【００１８】
制御装置３３は、補助ポンプ３０の回転数を制御する本発明の制御手段として構成される。制御装置３３には、各ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吸入配管１１Ａ〜１１Ｃに設けられた吸入圧力センサ３４Ａ〜３４Ｃの出力と、各開閉弁４０Ａ〜４０Ｃと補助ポンプ３０との間を連絡する連絡配管１３に設けられた吐出圧力センサ３５の出力と、各ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの駆動電流または消費電力を検出する電流センサ３６Ａ〜３６Ｃの出力とが、それぞれ供給されるようになっている。制御装置３３は、これらの信号に基づいて、補助ポンプ３０の運転状態を制御するように構成されている。
【００１９】
また、制御装置３３は、上記各センサの出力に基づいて、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃを各々独立して開閉するように構成されており、運転が停止されたポンプに対応する開閉弁を閉じて連絡配管１３との連通を遮断できるようになっている。
【００２０】
ここで本実施の形態では、吐出圧力センサ３５には半導体トランスジューサ式圧力センサが用いられ、吸入圧力センサ３４Ａ〜３４Ｃにはピラニ真空計が用いられる。なお、吸入圧力センサ３４Ａ〜３４Ｃとしては、各真空処理室に設置される例えば隔膜式真空計を代用することも可能である。
【００２１】
次に、以上のように構成される本実施の形態の作用について説明する。図２は、本実施の形態の作用の結果得られるドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吸入側圧力および吐出側圧力、ならびに真空排気装置全体の有効電力（消費電力）のタイムチャートの一例と、このときの補助ポンプ３０の運転状態との関係を示している。
【００２２】
今、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃはすべて開弁状態にあり、各ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃが運転しているとする。図示しない各々の真空処理室においては、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃによって大気圧から所定の真空度にまで粗引き排気される。真空処理室２０Ａ〜２０Ｃの圧力は図２Ａに示すように低下する。また、吐出配管１２Ａ〜１２Ｃ内の吐出ガスは、逆止弁２８Ａ〜２８Ｃを開弁して大気へ解放されるとともに補助ポンプ３０の排気作用によって減圧される（図２Ｂ）。更に、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの消費電力は、排気動作開始直後は最終段におけるガスの圧縮仕事によって多少上昇するものの、補助ポンプ３０による排気作用によって直ぐに低下するため、装置全体としての消費電力は減少する（図２Ｃ）。
【００２３】
補助ポンプ３０は運転開始から定常回転数で連続運転されるが、ドライ真空ポンプ２０の吐出側圧力が設定値Ｐ１（例えば１００Ｐａ）にまで低下すると、制御装置３３は、補助ポンプ３０の駆動回転数を予め設定された、定常回転数よりも低い回転数（以下、制御回転数という。）に変更し、補助ポンプ３０の排気速度を低下させる。変更後の回転数（排気速度）は適宜設定可能であるが、圧力Ｐ１以下においてドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの排気特性に影響を与えず、かつドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの消費電力が悪化しない程度の排気速度が最低限必要とされる。これにより、補助ポンプ３０の消費電力を低減でき、真空排気装置全体の省エネ化を図ることができる。
【００２４】
吐出圧力センサ３５の出力が更に低下し、これが設定値Ｐ２（例えば１Ｐａ）に到達すると、本実施の形態では、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃを閉弁するとともに補助ポンプ３０の運転を停止させる。補助ポンプ３０の停止中、補助ポンプ３０に費やされる消費電力はゼロであるので、真空排気装置全体としての消費電力は瞬間的に大きく低下する（図２Ｃ）。これにより、装置全体の消費電力を短時間ではあるが最小とすることができる。
【００２５】
なお、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃの閉弁制御によって、停止中の補助ポンプ３０および連絡配管１３を介しての吐出配管１２Ａ〜１２Ｃへのガスの逆流を防止することができる。特にこの制御は、ルーツ型やスクリュー型等の構造的に吐出弁をもたない真空ポンプを補助ポンプ３０として用いられている場合に有効であり、ベーン型やダイアフラム型等の構造的に吐出弁をもち当該吐出弁のシール性に優れたポンプが補助ポンプ３０として用いられている場合には、開閉弁４０Ａ〜４０Ｃの閉弁制御は不要である。
【００２６】
補助ポンプ３０の停止中、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの内部の放出ガスやバラストガス（Ｎ2 ）により、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吐出側圧力は徐々に上昇し、これに伴う逆流ガスの押し戻し仕事が増大してドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの消費電力が僅かながらも増大し始める（図２Ｂ，Ｃ）。このときの消費電力が設定値Ｗにまで上昇したことが電流センサ３６Ａ〜３６Ｃにより検出されると、制御装置３３は、補助ポンプ３０の運転を再開させるとともに開閉弁４０Ａ〜４０Ｃを開き、吐出配管１２Ａ〜１２Ｃを減圧する。このときの補助ポンプ３０の駆動回転数は、上記制御回転数とされる。
【００２７】
以後、上記の動作を繰り返すことによって、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吸入側を所定の真空度（例えば１Ｐａ）に維持する。これにより、補助ポンプ３０の運転状態として、定常回転数よりも低い制御回転数で運転される時間と運転が停止される時間とができるので、補助ポンプ３０の低消費電力化を図ることができ、もって、真空排気装置全体の省エネ化を図ることができる。
【００２８】
本実施の形態によれば、補助ポンプ３０は一台だけでよいので、補助ポンプ３０の設置スペースを最小限にすることができる。また、真空排気装置のメンテナンスも容易となるので、メンテナンスコストの低減は勿論、半導体製造装置のスループットの向上を図ることができる。
【００２９】
次に、例えばドライ真空ポンプ２０Ａに連絡する真空処理室が大気に解放されドライ真空ポンプ２０Ａの運転が停止されたとすると、吸入圧力センサ３４Ａの所定以上の圧力検出値を制御装置３３が判別して開閉弁４０Ａを閉弁制御する。この場合、動作中の２台のドライ真空ポンプ２０Ｂ，２０Ｃからの吐出ガスのみを排気する能力があればよいので、ドライ真空ポンプが３台とも動作しているときに比べて補助ポンプ３０の排気能力を低くすることが可能となる。
【００３０】
そこで本実施の形態では、上記のような場合には制御装置３３が補助ポンプ３０の回転数を定常回転数よりも低く設定して、補助ポンプ３０の消費電力を低減するようにしている。また、停止したドライ真空ポンプが２台である場合には、更に補助ポンプ３０の回転数を低くして補助ポンプ３０の消費電力の更なる低減化を図ることができる。つまり、本実施の形態によれば、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの動作台数に対応した回転数で補助ポンプ３０を運転させるようにしているので、真空排気装置全体の消費電力を効率良く低減することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００３２】
例えば以上の実施の形態では、吐出圧力センサ３５の出力に基づいて補助ポンプ３０の駆動回転数を制御するようにしたが、これに代えて、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの消費電力を検出する電流センサ３６Ａ〜３６Ｃの出力に基づいて補助ポンプ３０の駆動回転数を制御するようにしてもよい。ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの消費電力は、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吐出圧力に比例して増減するからである。
【００３３】
その他、ドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃのポンプ温度あるいは吐出ガス温度に基づいて補助ポンプ３０の駆動回転数を制御することも可能である。これらのパラメータは、ドライ真空ポンプの最終段における逆流ガスの押し戻し仕事の大きさに関係しているからである。ただし、この例では、外気温度やポンプ等のもつ熱容量により追従性に問題がある点に留意する必要がある。
【００３４】
また、真空処理室が所定の真空処理中かまたはスタンバイ中かによって、補助ポンプ３０の駆動回転数を制御することも可能である。つまり、真空処理中であれば、プロセスガスの導入あるいは反応ガスの生成によってドライ真空ポンプ２０Ａ〜２０Ｃの吸入圧が上昇するので、これを吸入圧力センサ３４Ａ〜３４Ｃによって検出し、これが所定値を上回っている場合には補助ポンプ３０を定常回転数で回転させるようにし、また、これらのガスが消失した際（つまりスタンバイ中）は補助ポンプ３０を定常回転数よりも低い所定の制御回転数で駆動させることも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の真空排気装置の運転方法によれば、各ドライ真空ポンプの動作環境に応じて補助ポンプの運転状態を調整するようにしているので、ドライ真空ポンプ及び補助ポンプの消費電力を効率良く削減することができるとともに、真空排気装置全体としての省エネ効果を一層実効的なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による真空排気装置の概略配管構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の作用の一例を示す図であり、Ａはドライ真空ポンプの吸入側圧力、Ｂはドライ真空ポンプの吐出側圧力、Ｃは真空排気装置全体の消費電力、そしてＤは補助ポンプの運転状態をそれぞれ示している。
【図３】従来の真空排気装置の概略配管構成図である。
【符号の説明】
１２Ａ〜１２Ｃ  吐出配管
２０Ａ〜２０Ｃ  ドライ真空ポンプ
２８Ａ〜２８Ｃ  逆止弁
３０  補助ポンプ
３３  制御装置（制御手段）
３４Ａ〜３４Ｃ  吸入圧力センサ（圧力検出手段）
３５  吐出圧力センサ（圧力検出手段）
３６Ａ〜３６Ｃ  電流センサ（センサ手段）
４０Ａ〜４０Ｃ  開閉弁
【図１】
0004180265.tif 000002
【図２】
0004180265.tif 000003
【図３】
0004180265.tif 000004