(57)【要約】【課題】磁性流体シール装置の寿命故障を故障前に診断することができる診断装置を内蔵した磁性流体シール装置及び気密処理装置を提供する。【解決手段】磁性流体シール装置４のハウジング１１内に、磁性流体からなるシール層１８に向けて光を出射する発光部２１と、発光部２１との間でシール層１８を挟む位置に設けられた受光部２２と、を設ける。発光部２１から出射されシール層１８を透過した光を、受光部２２が受光することにより、磁性流体の劣化に起因するシール層１８の形成不全を検出する。【選択図】図２
2009008176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を有する筒体と、
前記筒体内に挿通された回転軸と、
磁性流体からなり、前記磁石の磁力により前記筒体と前記回転軸との間に形成されるシール層と、
前記シール層に向けて光を出射する発光部と、
前記発光部との間で前記シール層を挟む位置に設けられた受光部と、
を備えたことを特徴とする磁性流体シール装置。
【請求項２】
前記受光部の受光量の変化量を求める微分回路と、
前記変化量が基準値を超えたときに警報信号を出力する警報回路と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の磁性流体シール装置。
【請求項３】
前記シール層から見て前記発光部側に設けられ、前記発光部から出射した光を前記シール層を介さずに受光する他の受光部と、
前記受光部の受光量と前記他の受光部の受光量との差の値を求める演算回路と、
前記差の値の変化量を求める微分回路と、
前記変化量が基準値を超えたときに警報信号を出力する警報回路と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の磁性流体シール装置。
【請求項４】
気密チャンバーと、
前記筒体が前記気密チャンバーの内部と外部とを連通するように取り付けられた請求項１乃至３のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置と、
を備えたことを特徴とする気密処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性流体シール装置及び気密処理装置に関し、特に、磁性流体シール装置の劣化を診断する診断装置を内蔵した磁性流体シール装置、及びこの磁性流体シール装置を備えた気密処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体プロセスなどに使用する気密チャンバーにおいて、気密を破らずに外部と内部との間で回転運動を伝達する手段として、磁性流体シール装置が使用されている。磁性流体シール装置においては、筒状のハウジングの内部に回転軸が挿通されており、この回転軸を囲むように環状の永久磁石が設けられており、ハウジングと回転軸との間には磁性流体が注入されている。磁性流体とは、油等からなる溶媒中に磁性粒子が分散された流体である。磁性流体は、ハウジングと回転軸との間に注入されることにより、磁束密度が高いところに集まり、ハウジングと回転軸との間にシール層を形成する。これにより、チャンバー内の気密を維持したまま、回転軸をハウジングに対して回転自在とすることができる。
【０００３】
しかしながら、磁性流体シール装置においては、溶媒の揮発などにより磁性流体が劣化すると、シール層が安定して形成されなくなり、気密性が突然失われるという寿命故障の問題がある。例えば、半導体プロセスを実行している真空チャンバーにおいて、気密性が突然失われると、真空が破られ、処理中のウェーハが損傷を受けてしまう。プロセス装置によっては、１つのチャンバー内に数百枚のウェーハを装入して処理を行っているため、これらのウェーハが回復不能な損傷を受けると、その損害は甚大である。また、高真空が突然破られると、真空チャンバーに接続されたポンプなどの排気手段にも損傷を与えてしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１には、チャンバー内の真空度を継続的に測定することにより、シール層が安定して形成されなくなったことを検知する技術が開発されている。しかし、この技術においては、チャンバー内の真空度が低下してから初めて異常が検出されるため、異常が検出されたときには既に、被処理物及び排気設備がある程度損傷を受けてしまっている。このように、従来の技術によっては、磁性流体の劣化による気密性の喪失を事後的に検知することしかできなかった。すなわち、従来、磁性流体シール装置の寿命故障を故障前に診断する手段は存在しなかった。
【特許文献１】特開２００３−１６６６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、磁性流体シール装置の寿命故障を故障前に診断することができる診断装置を内蔵した磁性流体シール装置及び気密処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、磁石を有する筒体と、前記筒体内に挿通された回転軸と、磁性流体からなり、前記磁石の磁力により前記筒体と前記回転軸との間に形成されるシール層と、前記シール層に向けて光を出射する発光部と、前記発光部との間で前記シール層を挟む位置に設けられた受光部と、を備えたことを特徴とする磁性流体シール装置が提供される。
【０００７】
本発明の一態様によれば、気密チャンバーと、前記筒体が前記気密チャンバーの内部と外部とを連通するように取り付けられた前記磁性流体シール装置と、を備えたことを特徴とする気密処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、磁性流体シール装置の寿命故障を故障前に診断することができる診断装置を内蔵した磁性流体シール装置及び気密処理装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。  
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。  
図１は、本実施形態に係る気密処理装置を例示する模式図であり、  
図２は、本実施形態に係る磁性流体シール装置を例示する断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態に係る気密処理装置１は、例えば、半導体プロセスにおいて使用される真空処理装置である。気密処理装置１においては、真空チャンバー２が設けられており、真空チャンバー２内の雰囲気を制御する雰囲気制御手段３が設けられている。雰囲気制御手段３は、例えば、真空チャンバー２内の気圧を制御する排気手段であり、ポンプ３ａ及び弁３ｂなどによって構成されている。
【００１１】
また、気密処理装置１には、磁性流体シール装置４が設けられている。磁性流体シール装置４は、真空チャンバー２に取り付けられており、真空チャンバー２内の気密を保持したまま、真空チャンバー２の外部と内部との間で回転運動を伝達する手段である。磁性流体シール装置４には、真空チャンバー２の外部から内部まで引き込まれた回転軸１６が設けられている。例えば、回転軸１６の両端部のうち、真空チャンバー２の外部に位置する一端部には、回転軸１６に対して回転運動を付加する駆動手段５が連結されている。一方、真空チャンバー２の内部に位置する他端部には、回転軸１６から回転運動を与えられることによって作動するウェーハ処理手段６が連結されている。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態に係る磁性流体シール装置４においては、非磁性材料からなるハウジング１１が設けられている。ハウジング１１の形状は筒状であり、真空チャンバー２の開口部２ａに連通されるように、真空チャンバー２に取り付けられている。ハウジング１１の内側には、環状の永久磁石１２が固定的に取り付けられている。また、永久磁石１２の両側には、１対の極部材１３が固定的に取り付けられている。極部材１３は磁性材料からなり、その形状は環状である。これにより、一方の極部材１３は永久磁石１２のＮ極に接しており、他方の極部材１３は永久磁石１２のＳ極に接している。極部材１３は永久磁石１２よりもハウジング１１の内側まで延出している。ハウジング１１、永久磁石１２及び１対の極部材１３により、真空チャンバー２の内部と外部とを連通するように真空チャンバー２に取り付けられた筒体１５が構成されている。
【００１３】
そして、前述の回転軸１６は、筒体１５の内部を挿通している。すなわち、環状の永久磁石１２及び極部材１３は回転軸１６を囲んでいる。また、回転軸１６は磁性材料によって形成されている。回転軸１６においては、円柱形のシャフト１６ａが１本設けられており、このシャフト１６ａの外側面における極部材１３に対向する位置に、複数本、例えば、図２に示す例では６本のリング１６ｂが取り付けられている。リング１６ｂはシャフト１６ａを囲んでおり、その中心軸はシャフト１６ａの中心軸と一致している。これにより、筒体１５と回転軸１６との最近接点は、極部材１３とリング１６ｂとの間となっている。極部材１３とリング１６ｂとは接しておらず、その間には例えば０．１ミリメートル程度の隙間１７が形成されている。この結果、永久磁石１２のＮ極から出射した磁力線は、一方の極部材１３、隙間１７、リング１６ｂ、シャフト１６ａ、リング１６ｂ、隙間１７、他方の極部材１３を通過して、永久磁石１２のＳ極に入射する閉じたループを形成する。
【００１４】
更に、ハウジング１１と回転軸１６との間には、磁性流体が注入されている。磁性流体は、例えば、油等からなる溶媒中に酸化鉄等からなる磁性粒子が分散された流体である。磁性流体は、スパイク現象により磁束密度が大きな空間に集まり、永久磁石１２の磁力線に沿って配置されるため、隙間１７内に充填されてシール層１８を形成する。このシール層１８により、隙間１７が封止される。シール層１８は流体によって形成されているため、回転軸１６が回転しても、回転軸１６に与える摩擦力は小さい。これにより、真空チャンバー２内の気密を維持したまま、回転軸１６を筒体１５に対して回転自在とすることができる。
【００１５】
そして、本実施形態に係る磁性流体シール装置４においては、ハウジング１１内に、光を出射する発光部２１が設けられている。発光部２１は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）又はＬＤ（Laser Diode：レーザーダイオード）などの発光素子からなり、シール層１８に向けて光を出射する位置に配置されている。発光部２１に電力を供給するための配線２３は、ハウジング１１の外部に引き出されている。
【００１６】
また、ハウジング１１内には、入射された光を電気信号に変換することによって光を検出する受光部２２も設けられている。受光部２２は、例えば、ＰＤ（Photo Diode：フォトダイオード）などの受光素子からなり、発光部２１との間でシール層１８を挟む位置に配置されている。受光部２２から出力信号を取り出すための配線２４は、ハウジング１１の外部に引き出されている。なお、配線２３及び２４をハウジング１１の外部に引き出すために、ハウジング１１には穴が形成されているが、この穴はコーキングなどでシールされている。
【００１７】
発光部２１及び受光部２２を、シール層１８を挟む位置に配置することにより、発光部２１から出射した光は、複数層のシール層１８を通過して、受光部２２に入射する。図２においては、発光部２１から受光部２２までの光路を光路Ｌとして示している。一例では、発光部２１は、真空チャンバー２側に配置された極部材１３よりも真空チャンバー２側の位置に配置されており、受光部２２は、真空チャンバー２から遠い側に配置された極部材１３よりも真空チャンバー２から遠い位置に配置されている。発光部２１、受光部２２、配線２３及び２４により、本実施形態に係る診断装置が構成されている。
【００１８】
次に、本実施形態の動作について説明する。  
気密処理装置１においては、上述の如く、磁性流体が永久磁石１２の磁力線に沿って配置されることによりシール層１８が形成され、隙間１７がシールされる。これにより、真空チャンバー２内の気密を維持したまま、回転軸１６を回転させることができる。このとき、真空チャンバー２の外部の大気雰囲気と内部の真空雰囲気との間の圧力差は、１層のシール層１８のみによって支えられているわけではなく、複数層のシール層１８によって分担して支えられている。
【００１９】
この状態で、真空チャンバー２内に半導体ウェーハなどの被処理物を装入し、雰囲気制御手段３によって真空チャンバー２内を真空とする。そして、回転軸１６を介して回転運動を真空チャンバー２内に導入し、ウェーハ処理手段６によって半導体ウェーハに対する処理を実行する。このとき、発光部２１に一定量の光を出射させることにより、この光の一部がシール層１８を透過して受光部２２に到達し、受光部２２によって電気信号に変換される。
【００２０】
ところが、熱的負荷又は経時変化などによって磁性流体の溶媒が揮発すると、磁性流体が劣化し、粘度が変化すると共に体積が減少する。これにより、徐々にシール層１８が薄くなり、局所的且つ一時的に途切れるようになる。すなわち、シール層１８が安定して形成されなくなり、シール層１８の形成不全が発生する。なお、上述の如く、真空チャンバー２の外部の大気雰囲気と内部の真空雰囲気との間には複数層のシール層１８が介在しているため、１層のシール層１８が局所的且つ一時的に途切れても、直ちに真空チャンバー２内の気密性が失われる訳ではない。このため、このようなシール層の形成不全は真空チャンバー２内の真空度を測定しているだけでは検知できず、見過ごされてしまう。しかし、磁性流体の劣化を放置して気密処理装置１を使い続けると、いずれ複数層のシール層１８が同時に途切れ、残りのシール層１８だけでは圧力差を支えられなくなってしまい、気密性が突然失われる。
【００２１】
そこで、本実施形態においては、上述の如く、発光部２１及び受光部２２を設けている。これにより、シール層１８における光路Ｌ上に位置する部分が薄くなったり途切れたりすると、受光部２２が受光する光量が増加する。このため、受光部２２の受光量を継続的にチェックすることにより、磁性流体の劣化の進行を把握することができる。これにより、気密性が失われる前に、寿命故障の発生を予測できるようになる。例えば、受光量の変化を示すグラフに瞬間的なピークが認められれば、光路Ｌ上に存在する複数層のシール層１８のうちの１層が瞬間的に途切れていたことが推測される。また、このグラフのベースラインが徐々に増加していたら、シール層１８が全体的に薄くなりつつあることが推定される。そして、このような兆候が認められた場合には、速やかに適当な処置を行うことにより、処理中の半導体ウェーハ及び雰囲気制御手段３が損傷を受けることを防止できる。
【００２２】
次に、本実施形態の効果について説明する。  
上述の如く、本実施形態によれば、発光部２１から出射しシール層１８を通過した光を受光部２２によって受光し、この受光量を評価することにより、シール層１８が形成不全を起こし、薄くなったり途切れたりしていることを検知することができる。これにより、磁性流体の劣化の進行を監視し、磁性流体シール装置４の寿命故障を診断することができる。このように、本実施形態によれば、気密性が喪失する前に磁性流体の劣化を検知し、磁性流体シール装置の寿命故障を診断することができる診断装置、この診断装置を内蔵した磁性流体シール装置及び気密処理装置を実現することができる。
【００２３】
なお、本実施形態においては、発光部２１及び受光部２２をスポット状に構成する例を示したが、回転軸１６を囲むリング状に構成してもよい。これにより、シール層１８の形成不全がどの位置で発生しても、確実に検知することができる。また、発光素子及び受光素子自体はハウジング１１の外部に設け、これらの素子に結合された光ファイバーをハウジング１１の内部に引き込んでもよい。この場合は、光ファイバーにおけるハウジング内に引き込まれた側の端部が、発光部及び受光部となる。これにより、ハウジング１１内に発光部２１及び受光部２２を配置する必要がなくなり、スペース上の制約が緩和される。更に、受光部２２の出力信号はコンピューターなどに取り込んでもよく、チャート用紙に記録してもよく、メーターなどに出力して技術者がリアルタイムに確認してもよい。更にまた、本実施形態においては、永久磁石１２を１個のみ設ける例を示したが、本発明はこれに限定されず、永久磁石は複数個設けてもよく、例えば、極部材と永久磁石を交互に配列してもよい。更にまた、本実施形態に係る気密処理装置は真空処理装置には限定されず、内部の圧力が大気圧よりも高い高圧処理装置であってもよく、内部の圧力を大気圧としたまま内部の雰囲気ガスの組成を制御して処理を行う装置であってもよい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。  
図３は、本実施形態に係る診断装置を例示するブロック図である。  
図３に示すように、本実施形態に係る診断装置１０においては、ハウジング１１の外部に、受光部２２に配線２４を介して接続された微分回路３１と、この微分回路３１に接続された警報回路３２とが設けられている。微分回路３１は、受光部２２の出力信号が入力されて、この出力信号の微分値、すなわち、変化量を求める回路である。また、警報回路３２は、微分回路３１の出力信号、すなわち、変化量が入力されて、この変化量が予め設定された基準値を超えたときに、警報信号を出力する回路である。なお、図３においては、便宜上、配線２３（図２参照）は図示されておらず、また、シール層１８が図示されている。
【００２５】
例えば、微分回路３１及び警報回路３２は集積回路チップとして構成され、発光部２１及び受光部２２と共に磁性流体シール装置に内蔵されている。これにより、発光部２１、受光部２２、配線２３及び２４、微分回路３１並びに警報回路３２からなる診断装置は、磁性流体シール装置に内蔵されている。なお、微分回路３１及び警報回路３２は外付けされており、発光部２１及び受光部２２はハウジング１１に対して着脱可能とされており、これにより、診断装置は磁性流体シール装置から独立していてもよい。これは前述の第１の実施形態及び後述する第３の実施形態においても同様である。
【００２６】
本実施形態においては、受光部２２が受光した光を電気信号に変換して微分回路３１に対して出力する。微分回路３２は、この受光量を表す電気信号を微分することにより、受光量の変化量を求め、警報回路３２に対して出力する。警報回路３２は、この変化量を基準値と比較し、基準値よりも大きい場合には警報信号を出力する。
【００２７】
警報信号の扱い方は、気密処理装置の種類及び運用によって異なる。例えば、警報発信装置（図示せず）を設け、この警報発信装置に警報信号が入力されるようにしておき、警報信号が入力されたときに警報を発信して担当技術者に知らせるようにしてもよい。又は、警報信号が出力されたときには自動的に駆動手段５（図１参照）を停止させるようにしてもよく、自動的に雰囲気制御手段３を制御して真空チャンバー２内の気圧を大気圧に戻し、半導体ウェーハの処理自体を中止してもよい。なお、この場合には、半導体ウェーハに対する処理の進行状況に応じて処理を中止するタイミングを選択し、処理中の半導体ウェーハに損傷を与えないようにすることが好ましい。
【００２８】
また、シール層１８の形状は、永久磁石１２による磁力の他に、回転軸１６の回転によっても影響を受ける。すなわち、磁性流体には、回転軸１６の回転に起因する遠心力によって、ハウジング１１に向かう方向に力が作用し、また、回転軸１６の外周面の摩擦力によって、回転軸１６の回転方向に引きずられる。このため、受光部２２の受光量は、回転軸１６の回転数に依存して変化する。従って、警報回路３２は、誤報の発信を回避するために、回転軸１６の回転数が変化したときには、警報信号を出力しないようにすることが好ましい。回転軸１６の回転数は、駆動手段５（図１参照）のモータ用エンコーダ又はレゾルバ信号によって検知すればよい。
【００２９】
本実施形態によれば、磁性流体が劣化して受光部２２の受光量が変化したときに、その変化を自動的に検出して警報信号を出力することができる。これにより、担当技術者が常に受光量の変化を気にかけている必要がなくなる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００３０】
なお、発光部２１がＬＥＤ又はＬＤなどによって構成されている場合には、これらの素子は温度によって出力光の周波数及び強度が変化するため、この変化を補償する補償回路（図示せず）を設けてもよい。また、受光部２２と微分回路３２との間には、受光部２２の出力信号を増幅する増幅回路（図示せず）を設けてもよい。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。  
図４は、本実施形態に係る磁性流体シール装置を例示する断面図であり、  
図５は、本実施形態に係る診断装置を例示するブロック図である。
【００３２】
図４に示すように、本実施形態に係る磁性流体シール装置４ａにおいては、前述の第１の実施形態に係る磁性流体シール装置４の構成に加えて、補償用の受光部２５が設けられている。受光部２５の構成は受光部２２の構成と同様であるが、その配設位置が異なっている。すなわち、受光部２５は、ハウジング１１内におけるシール層１８から見て発光部２１側の空間内に設けられている。これにより、受光部２５は、発光部２１から出射した光を、シール層１８を介さずに受光する。なお、発光部２１から受光部２５までの光路には、ミラー（図示せず）などを介在させてもよい。受光部２５には、受光部２５から出力信号を取り出すための配線２６が接続されており、この配線２６はハウジング１１の外部に引き出されている。
【００３３】
また、図５に示すように、ハウジング１１の外部には、演算回路３３、微分回路３４及び警報回路３５が設けられている。演算回路３３は、配線２４及び２６が接続され、受光部２２の受光量と受光部２５の受光量との差の値を求める回路である。微分回路３４は、演算回路３３の出力信号、すなわち、差の値が入力され、この差の値を微分することにより、差の値の変化量を求める回路である。警報回路３５は、微分回路３４の出力信号、すなわち、差の値の変化量が入力されて、この変化量が予め設定された基準値を超えたときに、警報信号を出力する回路である。なお、図５においては、便宜上、配線２３（図４参照）は図示されておらず、また、シール層１８が図示されている。
【００３４】
次に、本実施形態の動作及び効果について説明する。  
本実施形態によれば、受光部２５が発光部２１から出射された光をシール層１８を介さずに受光して、その光量を測定することにより、経年変化又は温度変化などによる発光部２１の発光量の変動を検出することができる。そして、演算回路３３が、受光部２２の受光量と受光部２５の受光量との差の値、すなわち、シール層１８を透過した光の量と透過していない光の量との差の値を求めることにより、受光部２２の受光量から、発光部２１の発光量の変動の影響を除去することができる。これにより、長期間にわたり安定して磁性流体シール装置の診断を行うことができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。なお、本実施形態においても、受光部２２と演算回路３３との間、及び受光部２５と演算回路３３との間に、それぞれ増幅回路（図示せず）を設けてもよい。
【００３５】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る気密処理装置を例示する模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁性流体シール装置を例示する断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る診断装置を例示するブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る磁性流体シール装置を例示する断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る診断装置を例示するブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  気密処理装置、２  真空チャンバー、２ａ  開口部、３  雰囲気制御手段、３ａ  ポンプ、３ｂ  弁、４、４ａ  磁性流体シール装置、５  駆動手段、６  ウェーハ処理手段、１０、１０ａ  診断装置、１１  ハウジング、１２  永久磁石、１３  極部材、１５  筒体、１６  回転軸、１６ａ  シャフト、１６ｂ  リング、１７  隙間、１８  シール層、２１  発光部、２２、２５  受光部、２３、２４、２６  配線、３１、３４  微分回路、３２、３５  警報回路、３３  演算回路、Ｌ  光路
【図１】
2009008176.tif 000003
【図２】
2009008176.tif 000004
【図３】
2009008176.tif 000005
【図４】
2009008176.tif 000006
【図５】
2009008176.tif 000007