JP2006285688A - 製造設備の故障診断方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造装置の突然の故障によりウェハー等処理中の製品を無駄にすることを回避し、故障の予知、予防を実現する。
【解決手段】 負荷機器の消費電流を連続的に監視し、当該消費電流が負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか、もしくは経時変化により寿命判断もしくは寿命予測を行う。そして、管理基準値を越えた場合、もしくは寿命予測時点に到達するか近づいた時点に外部へ報知する。なお、消費電流の監視は、負荷機器の配線導体の単面に設置される磁気抵抗センサにより行われ、磁界強度を電流に変換することにより行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置等、電力を消費する負荷機器を備えた製造設備の故障診断方法ならびに装置に関する。

従来の半導体製造装置によれば、製造装置としての疲労状況と全く関係なく、一定期間毎、もしくはウェハーの処理の累積時間毎に装置メンテナンスや治具、部品の交換が行われていた。また、モニターウェハーを用いてあらかじめ処理し、処理に必要となる時間を測定しその時間をモニタ管理することで、あるいは、モニターウェハーを用いてあらかじめ処理し、処理を行なった後の膜厚や膜質の測定を行い、この測定値をモニタ管理することで半導体製造装置の変動や異常を検知していた。

また、上記した半導体製造装置を含む装置の異常監視、予測に関して、従来から多数の特許出願がなされている。
例えば、負荷機器に流れる消費電流が最大負荷電流に達する前に警報を発し、配電盤につながる負荷機器単位での電流量異常の検出を行なうもの（例えば、特許文献１参照）、製造装置の動作時間を計測し、平均時間との相対的関係から異常を検知し、オペレータに警告通知を行って故障の事前予測を行なうもの（例えば、特許文献２参照）、製造装置の各部の動作を制御する動作制御部からの信号を通信し、故障診断システムの推論部で故障診断データベースと比較して装置異常に関する推論を行なうもの（例えば、特許文献３参照）、電流監視部が装置の消費電流を監視し、あらかじめ設定された閾値を越えたときに警告を発するもの（例えば、特許文献４参照）等々である。
特開平１３−３３３５２６号公報 特開平１２−１８１５３６号公報 特開平６−３３２５２８号公報 特開平５−１０３４２６号公報

しかしながら上記した従来技術によれば、一定の期間毎、もしくはウェハーの処理の累積時間毎に装置のメンテナンスや治具、部品の交換を行なう場合には、製造装置の疲労状況とは全く関係なく装置の疲労が発生しそうな期間を設定し、メンテナンスを実施しているため、突然の装置故障が発生し、あるいは逆に未だ十分に利用できる状況にあっても装置のメンテナンスや治具、部品の交換を行なうため無駄が多い。
一方、モニターウェハーを用いる場合、あらかじめ処理し、その処理結果をみながら判断しているため、モニターウェハーを処理し測定が完了するまで、製品ウェハーの処理を待つ必要がある。また、製品の処理を行っている途中で装置故障の予測ができないため、処理バッチの途中で装置が故障し、残りのウェハーを無駄にしてしまう危険がある。更に、あらかじめモニタ処理用のウェハーを用意しておかなければならないのでコストが増加する。

上記した方法が依然として利用されている背景には、特許文献１、４に開示されている技術によれば、モータやヒータ等、製造装置の部品単位、あるいは、製造チャンバーや搬送ロボット等、製造装置の要部単位で詳細な監視が行われないこと、また、特許文献２に開示された技術によれば、平均的処理時間と現時点での装置の処理時間との差を用いるために、そのデータ比較をとるためのデータベースの準備とオペレーティングシステムの整備に大きなコストが必要となることがある。
更に、特許文献３に開示された技術によれば、特許文献２同様、データベースの準備とオペレーティングシステムの整備の他に、製造装置の各部の動作を制御する監視制御装置との通信手段が必要になるという問題がある。仮に、これらデータベースおよびオペレーティングシステムの準備があったとしても、監視制御装置で監視しているのは、各装置の処理時間であって製造装置の各部品、あるいは各要部に関する負荷電流ではなく、従って、装置全体としての疲労状況が不明であり、従って、交換が必要な部品のみをメンテナンスしたり、突然のシャットダウンを回避したりすることはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、部品もしくは要部単位で製造装置の疲労状況を監視することで、製造装置の突然の故障によりウェハー等処理中の製品を無駄にすることを回避し、故障の予知、予防を可能とした、製造設備の故障診断方法および装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、電力を消費する負荷機器を備えた製造設備の故障診断方法であって、前記負荷機器の消費電流を連続的に監視するステップと、前記消費電流が、前記負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか、経時変化により、寿命判断もしくは寿命予測を行うステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明において、前記管理基準値を越えた場合、もしくは寿命予測時点に到達するか近づいた時点で外部へ報知するステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明において、前記消費電流の監視は、前記負荷機器の配線導体の単面に設置される磁気抵抗センサにより磁界強度を感知し、電流値に変換することにより行われることを特徴とする。

また、本発明は、電力を消費する負荷機器を備えた製造設備の故障診断装置であって、前記負荷機器の消費電流を磁気抵抗センサにより連続的に監視する電流監視手段と、前記消費電流が、前記負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか経時変化により、寿命判断もしくは寿命予測を行う演算手段と、前記管理基準値を越えた場合、もしくは予測時点に到達するか近づいた時点で外部へ報知する報知手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、製造装置を構成する負荷機器の消費電流を連続的に監視することにより、その負荷機器の疲労状況やトラブルにつながる負荷機器の異常をチェックすることができる。また、管理基準を超えたところで警報等により報知するため、対応が容易となり、所定期間毎に行われる装置メンテナンス、治具、部品の交換によらず、故障が発生しそうな時期までメンテナンス期間を延ばすことができるため無駄を回避でき、このことによりメンテナンスに要するコストの削減がはかれる。
更に、故障の予測が可能になるため、例えば、危険レベルでのウェハー等の処理を行うことが無くなり、ウェハー処理中の故障に基づくウェハー破棄による無駄を回避でき、これにより製品の製造コストの削減もはかれる。また、消費電流を計測するために磁界の強度を電流値に変換する仕組みとし、導体に対して周回せずに設置する半導体装置を用いることとしたため、取り付け条件に制約がなくなり、また、容易に脱着することができ、有効活用が可能である。

図１は、本発明実施形態に係わる製造設備の故障診断装置が利用される総合監視システムの全体構成を説明するために引用した図である。
図１において、Ｆａｂとは工場単位を意味し、酸化・拡散、ＣＶＤ、スパッタ、スッテパー、ドライエッチ、テスター、ダイサー、ボンダー、モールドプレスの表記は、管理対象となる負荷機器を用いて行う製造プロセスを示している。また、各プロセスの右側に記載されたＮｏ１〜ｎは、各製造プロセスで用いる装置の具体的な負荷機器を示している。さらに、端末ターミナルは、各負荷機器に接続される端末を、Ｗ／Ｓは、各端末ターミナルと総合監視システムとを接続するワークステーションである。なお、総合監視システムの主な構成は、図２に示すようになっている。

図２は、総合監視システム内にある製造設備の故障診断装置の要部構成を示すブロック図である。
図２に示されるように、本発明における製造設備の故障診断装置は、消費電流監視部２と、時系列テーブル３（ＴＢＬ）と、管理基準ＴＢＬ（４）と、演算部５と、報知出力部６で構成される。

消費電流監視部２は、監視対象となるモータ等、製造設備を構成する負荷機器１の消費電流を、磁気抵抗センサを用いて連続的に監視し、その結果を時系列ＴＢＬ（３）へ蓄積すると共に、演算部５の一方の入力端子へ供給する。
図９に、磁気抵抗センサ１０が示されている。ここでは、磁気抵抗センサ１０で計測した磁界の強さを電流値に変化し、製造設備を構成する負荷機器の消費電流監視手段として用いている。磁気抵抗センサ１０は高感度であるため、図６に示されるように配線の近傍に固定するだけでよい。このように、消費電流を計測するために磁界の強度を電流値に変換する仕組みとし、導体に対して周回せずに設置する半導体装置を用いることとした。導体を周回した電流センサでは取り付け条件に制約が多いことや容易に脱着することができないことから、磁気抵抗センサ１０を使用して消費電流を計測する仕組みとすることでセンサ自体を単面に設置することで上記したあらゆる制約がなくなり有効活用が可能である。

演算部５の他方の入力端子には、管理基準ＴＢＬ（４）から読み出された管理基準（閾値）が供給されている。管理基準ＴＢＬ（４）のデータ構造の一例は図５に示されている。詳細は後述するが、管理基準値として上限値と下限値が示されている。演算部５は、消費電流が負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか否かを比較演算によって判断すると共に、時系列ＴＢＬ（３）に蓄積され後に解析される経時変化等により、負荷機器の寿命判断もしくは寿命予測のための演算を行う。
報知出力部６は、演算部５による演算結果、管理基準値を越えるか、もしくは部品交換時当の予測時点に到達するか、あるいは近づいた時点で、その旨をオペレータ等外部へ報知する。

図３は、本発明実施形態に係わる製造設備の故障診断方法を説明するために引用したフローチャートである。
まず、図２に示す製造設備の故障診断装置は、消費電量監視部２により、監視対象となるモータ等、製造設備を構成する負荷機器１の消費電流を、磁気抵抗センサ１０を用い長期的に連続して計測する（Ｓ２１）。ここで計測されたデータは、逐次時系列ＴＢＬ（３）に蓄積される。同時に、演算部５による閾値チェックが行われる。すなわち、管理基準ＴＢＬ（４）にあらかじめ設定された管理基準値（α：上限値、β：下限値）と、消費電流監視部２による出力値である測定電流γとの比較演算が行われる（Ｓ２２）。比較演算の結果、γ＞α、もしくはγ＜βであった場合は、報知出力部６を起動して警報音を発生する等によりオペレータに報知する（Ｓ２７）。

一方、比較演算の結果、α＞γ＞βであった場合、更に、トレンドの傾向をチェックするためにあらかじめ設定された時間間隔Ｔに至らない（Ｓ２４、“Ｎｏ”）ことを確認してＳ２１以降の処理を繰り返し、時系列ＴＢＬ（３）に監視対象の消費電流値を連続的に蓄積する。時間ｔが、トレンドを解析する時間Ｔに至ったとき（Ｓ２４、“Ｙｅｓ”）、時系列ＴＢＬ（３）に蓄積されたデータに基づきトレンド解析が行われる（Ｓ２５）。トレンド解析の結果、部品等の交換時期をチェックし（Ｓ２６）、その結果をオペレータに報知することで、人間系よる部品交換等の対策が実施される（Ｓ２７）。なお、ここで、トレンド解析は、市販のパッケージソフトウェアを利用することとするが、時系列ＴＢＬ（３）に蓄積されたデータを編集して図示せぬ表示モニタにトレンドを表示し人間系による判断が入ってもよい。

本発明実施形態の具体例として、図４に拡散炉等の熱処理設備のモニタリング管理手法が、図５に電動機設備のモニタリング管理手法の一例が示されている。
拡散炉に使用されるヒータは、経年劣化とともに電流が流れにくくなり、最終的には断線してしまう。また、電動機は、電動機単体としての欠陥もしくは外部負荷の変化により消費電流値が上昇変化に変化する特性を持つ。ここでは、拡散炉の稼働開始に先立ちヒータに対する消費電流の管理基準（図４）を設けて常時監視し、その管理基準に外れた場合、警報を発し報知する仕組みを構築することになる。また、トレンドを蓄積しチェックすることでヒータの交換時期を算出し、表示モニタ等を介して外部へ通知することでトラブル発生前の予防保全を可能にする。

一方、電動機の消費電流に対する管理基準（図５）を設けて常時監視し、基準に外れていた場合、警報報知により欠陥場所の修理もしくは改善につなげることも可能である。
ここで、基準外れの原因としては、電動機単体の劣化によるもの、摩擦係数の増加、グリス切れ等、外部負荷増大によるトラブルが考えられるが、本発明により、モータやヒータ等の部品単位で、あるいは製造チャンバーや搬送ロボット等の要部単位で詳細な消費電流の監視を行うことで装置全体としての疲労状況監視を行うことができ、交換が必要な部品のみメンテナンスが可能となる。

図６に、製造設備としてメタルスパッタ等半導体製造装置を例示したときの管理基準値の具体例が示されている。ここに示される管理基準値は、図２に示す管理基準ＴＢＬ（４）に含まれる。ここでは、メタルスパッタ装置を構成する部品および要部毎、そのモニタ方法（消費電流による）、モニタ計測値に対する管理基準値が定義されている。
図６では、例えば、番号１の真空ポンプ１に対してモニタリング方法として電流が選択され、その管理基準値が５〜１０アンペア程度と定義されている。これを用いることで図５に示した管理手法を適用できる。また、番号７の加熱ヒータ１に対しモニタリング方法として電流が選択され、その管理基準値が２０〜３０アンペア程度と定義されている。これを用いることで図３に示した管理手法を摘要することができる。

図７に、製造設備の具体例としてのスパッタ装置が示されている。
図７に示すマルチチャンバ方式のスパッタ装置から説明する。図７において、まず、外部からウェハーを搭載したカセット（搬送容器）をスパッタ装置のカセットローダーに投入する。カセットローダーの奥には前室がある。この中の搬送ロボットは、カセットローダーからウェハーを1枚ずつロードし、加熱ヒータ経由後、バッファステージに送られる。前室は、真空ポンプが接続され、処理前後のウェハーが大気解放されないよう、排気ポンプ真空度が制御されている。その後、ウェハーは、バッファステージから所定の処理を行うべきチャンバーに搬送ロボットにより送られる。第一の処理が終わったウェハーは、バッファステージに一旦取り出され、引き続いて第二の処理を行なうために別のチャンバーに送られる。最後に、バッファステージを経由して手前の搬送ロボットにより取り出し用のカセットローダーに送られる。
ここでは、図６に示した様に、構成する部品、要部毎のモニタ方法と管理基準値が設定されていることから、各加熱ヒータや真空ポンプ、搬送ロボット、基板冷却ファン、カセットローダーの各部品を確定するシャッター、などに対して本発明の管理手法を適用できる。なお、図７のスパッタ装置は、エッチング装置としても用いることができる。

以上説明のようにして複雑な機構、部品、要部を持つ製造設備において十分に装置疲労の状況管理が行われ、故障予測により交換が必要な部品のみをメンテナンスすることができる。このことにより、不意の装置シャットダウン等を未然に防止できるため、製品の製造原価低減にも役立つことができる。
また、本発明によれば、製造装置の電流消費量を、磁気抵抗センサを介して連続的にモニタリングし、管理基準値を越えそうになった時点、あるいは越えた時点で警報を発令するように設定が可能である。更に、疲労状況は負荷電流のモニタリングにより監視するため、製造設備への取り付けが容易であり、装置の改造を要することなく、製造装置の制御機構に特別な通信制御機器の取り付け等を要しない。

本発明の実施形態に係わる製造設備の故障診断装置が利用される総合監視システムの全体構成を説明するために引用した図である。 本発明の実施形態に係わる製造設備の故障診断装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係わる製造設備の故障診断方法を説明するために引用したフローチャートである。 本発明の実施形態に係わる拡散炉等熱処理設備のモニタリング管理手法の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる電動機設備のモニタリング管理手法の一例を示す図である。 本発明の実施形態において使用される管理基準値の具体例を説明するために引用した図である。 本発明の故障診断方法が適用される半導体設備の一例を示す図である。 本発明実施形態において使用される磁気抵抗センサの設置構成を説明するために引用した図である。

符号の説明

１…監視対象（負荷機器）、２…消費電流監視部、３…時系列ＴＢＬ、４…管理基準ＴＢＬ、５…演算部、６…報知出力部、１０…磁気抵抗センサ

Claims (4)

1. 電力を消費する負荷機器を備えた製造設備の故障診断方法であって、
   前記負荷機器の消費電流を連続的に監視するステップと、
   前記消費電流が、前記負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか、経時変化により、寿命判断もしくは寿命予測を行うステップと、
   を有することを特徴とする製造設備の故障診断方法。
2. 前記管理基準値を越えた場合、もしくは寿命予測時点に到達するか近づいた時点で外部へ報知するステップと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の製造設備の故障診断方法。
3. 前記消費電流の監視は、前記負荷機器の配線導体の単面に設置される磁気抵抗センサにより磁界強度を感知し、電流値に変換することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の製造設備の故障診断方法。
4. 電力を消費する負荷機器を備えた製造設備の故障診断装置であって、
   前記負荷機器の消費電流を磁気抵抗センサにより連続的に監視する消費電流監視部と、
   前記消費電流が、前記負荷機器のそれぞれに対して設定される管理基準値を越えるか経時変化により、寿命判断もしくは寿命予測を行う演算部と、
   前記管理基準値を越えた場合、もしくは予測時点に到達するか近づいた時点で外部へ報知する報知出力部と、
   を具備することを特徴とする製造設備の故障診断装置。
   
   

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