CN108304005A - 阀控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够实现真空阀的调压性能提高的阀控制装置。阀控制器(2)输入有与真空阀(1)连接的真空腔室(3)的压力计测值Pr、真空腔室(3)的压力目标值Ps与真空阀(1)的开度计测值θr，基于压力计测值Pr与压力目标值Ps的偏差来控制真空阀(1)的开度θ，所述阀控制器(2)包括：存储部(23)，存储有真空阀(1)的开度与包含真空阀(1)的系统的流导的相关；以及开度设定部(21)，基于所述相关，求出所输入的开度计测值θr中的流导相对于开度变化的变化率(dS/dθ)，将所述变化率的倒数设定为修正增益，且所述阀控制器(2)基于偏差与修正增益来控制真空阀(1)的开度。

Description

阀控制装置

技术领域

本发明涉及一种开度可调整的真空阀(valve)的阀控制装置。

背景技术

在化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)装置等真空处理装置中，通常，根据处理工艺(process)的阶段(例如工艺过程中或工艺前后)，腔室(chamber)内压力不同。因此，在此种真空处理装置中，在真空腔室与真空泵(pump)之间设置开度可调整的真空阀，以进行压力的调整。作为此种阀的示例，已知有专利文献1所记载者。

一般而言，此种真空阀中，为了将腔室内的压力控制为所期望的设定压力，进行如下控制，即：算出设定压力与当前压力的压力偏差，并将该压力偏差的反馈(feedback)施加至阀开度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4630994号说明书

发明内容

[发明所要解决的问题]

但是，若以同一参数来进行压力偏差反馈，则存在下述问题：在不同的压力控制区域中，调压时间不同，调压性能不稳定。

[解决问题的技术手段]

本发明的优选实施方式的阀控制装置输入有与真空阀连接的腔室的压力计测值、所述腔室的压力目标值与所述真空阀的开度计测值，基于所述压力计测值与所述压力目标值的偏差，来控制所述真空阀的开度，所述阀控制装置包括：存储部，存储有所述真空阀的开度、与包含所述真空阀的系统的流导的相关；以及修正增益设定部，基于所述相关，求出所述输入的开度计测值中的所述流导相对于开度变化的变化率，将所述变化率的倒数设定为修正增益，所述阀控制装置基于所述偏差与所述修正增益来控制所述真空阀的开度。

本发明的优选实施方式的阀控制装置输入有与真空阀连接的腔室的压力计测值、所述腔室的压力目标值与所述真空阀的开度计测值，基于所述压力计测值与所述压力目标值的偏差，来控制所述真空阀的开度，所述阀控制装置包括：存储部，存储有所述真空阀的开度、与包含所述真空阀的系统的流导的相关；以及修正增益设定部，基于所述相关，求出所述输入的开度计测值中的所述流导相对于开度变化的变化率，将所述变化率的倒数、所述压力计测值的倒数与所述开度计测值中的所述流导之积设定为修正增益，所述阀控制装置基于所述偏差与所述修正增益来控制所述真空阀的开度。

更优选的实施方式中，所述修正增益设定部在规定的开度范围内设定所述修正增益，在超过所述开度范围上限的开度中，将所述修正增益中的所述变化率的倒数与所述流导之积置换为第1常数值，在低于所述开度范围下限的开度中，将所述修正增益中的所述变化率的倒数与所述流导之积置换为第2常数值。

更优选的实施方式中，所述流导是包含所述真空阀、安装有所述真空阀的腔室及安装于所述真空阀的真空泵的系统的流导。

更优选的实施方式中，在所述存储部中，存储有多个不同的气体流量各自的所述相关，所述修正增益设定部基于在所述系统中流动的气体流量，从存储于所述存储部中的多个相关中选择一个相关，并基于所选择的相关来设定所述修正增益。

[发明的效果]

根据本发明，能够实现真空阀的调压性能提高。

附图说明

图1是说明阀控制装置的框图。

图2是表示真空阀的一例的平面图。

图3是表示图2的A-A剖面的图。

图4是表示阀开度控制的一例的控制框图。

图5是表示流导S的一例的图。

图6(a)、图6(b)是表示未使用修正增益G的调压动作中的、压力计测值Pr、压力目标值Ps及开度计测值θr的时间变化的图。

图7(a)、图7(b)是表示使用了修正增益G时的调压动作中的、压力计测值Pr、压力目标值Ps及开度计测值θr的时间变化的图。

图8是表示相对于开度θ的S/(dS/dθ)的变化的图。

【主要元件符号说明】

1：真空阀 2：阀控制器

3：真空腔室 4：真空泵

12：阀片 13：马达

14：密封环 21：开度设定部

22：马达驱动器部 23：存储部

31：真空计 32：流量控制器

11：壳体 110a、110b：凸缘

111：阀开口部 130：编码器

C1：全开放位置 C2：全遮蔽位置

G：修正增益 g1、g2：常数

Kp：针对压力偏差ΔP的比例增益 Pr：压力计测值

Ps：压力目标值 Q：气体的流量(气体流量)

S1、S2、S3：流导 θ1、θ2：开度

θ：开度(开度指令值) θr：开度计测值

ΔP：压力偏差

具体实施方式

以下，参照图来说明用于实施本发明的实施例。图1是说明本发明的阀控制装置的框图。图1中，真空腔室3、真空阀1及真空泵4构成真空系统。真空阀1是由阀控制器2进行驱动控制。设于真空阀1中的阀片(valve plate)(阀体)12是由马达13进行开闭驱动。在马达13中，设有用于对阀片12的开度进行检测的编码器(encoder)130。编码器130的检测信号(以下记作开度计测值θr)被输入至阀控制器2。

对于真空腔室3，经由流量控制器32来导入工艺气体(process gas)等气体。从流量控制器32输出气体流量Q[Pa·m³/s]的数据。气体流量Q的数据被输入至阀控制器2。真空腔室3的压力是由真空计31进行计测。该压力计测值Pr[Pa]被输入至阀控制器2。

控制真空阀1的阀控制器2具备开度设定部21、马达驱动器部22及存储部23。开度设定部21基于压力目标值Ps、所输入的开度计测值θr、压力计测值Pr及气体流量Q来设定开度指令值θ。另外，压力目标值Ps是从上位的控制器(例如对真空系统整体进行控制的控制装置)输入。马达驱动器部22基于开度指令值θ来对马达13进行驱动控制。

图2是表示真空阀1的一例的图，是真空阀1的平面图。设于壳体(housing)11内的阀片12由马达13进行摆动驱动。在壳体11的表侧及背侧，设有凸缘110a、110b(参照图3)。阀片12能够滑动移动到与整个阀开口部111相向的全遮蔽位置C2、与完全不与阀开口部111相向的全开放位置C1之间的任意位置。

阀片12对阀开口部111的遮蔽状态是由被称作开度的参数来表示。所谓开度，是指以百分率来表示比＝(阀片的摆动角)：(从全遮蔽状态到阀开口部111全部开放为止的摆动角)。图2的全遮蔽位置C2为开度＝0％，全开放位置C1为开度＝100％。即，通过调整阀片12的开度，来控制真空阀1的流导。

图3是表示图2的A-A剖面的图。在壳体11中，设有可上下移动的密封环(sealring)14。另外，密封环14的驱动机构省略了图示。图3表示密封环14移动到最上方位置的状态，形成有虚线所示的气体流路。当将真空阀1设为闭状态时，使密封环14移动到下方而完全遮蔽气体流路。

图4是表示由阀控制器2所进行的阀开度控制的一例的控制框图。开度设定部21算出压力计测值Pr与压力目标值Ps的差即压力偏差ΔP(＝Pr-Ps)。Kp是针对压力偏差ΔP的比例增益。进而，本实施方式中，如以下所说明般导入修正增益G。并且，开度设定部21将由编码器130所计测的开度计测值θr加上ΔP·Kp·G所得的开度指令值θ输出至马达驱动器部22。马达驱动器部22基于开度指令值θ来驱动真空阀1的阀片12。另外，本实施方式中，以比例增益的情况为例来进行说明，但在积分成分、微分成分、其他反馈控制时也能够适用。

图4中的修正增益G是基于式(1)所示的排气的式来设定。在式(1)中，S(Q，θ)是包含真空腔室3、真空阀1及真空泵的真空系统的流导S，是使用真空泵的排气速度Se与真空阀1的流导(以下称作阀流导))C来如“(1/S)＝(1/Se)+(1/C)”般表示。一般而言，流导S如S(Q，θ)般，不仅依存于开度θ，还依存于气体的流量Q。V[m³]是腔室的容积，P[Pa]是真空腔室3内的压力。

Q＝V·(dP/dt)+P·S(Q，θ)…(1)

本实施方式中，根据式(1)，求出所述真空系统中的开度θ的变化dθ与压力的变化dP。此处，设为流量变化dQ/dt为零，使式(1)如以下般变形。

若设式(1)的两边为时间微分，则

dQ/dt＝V·(dP2/dt2)

+(dP/dt)·S(Q，θ)+P·(dS/dt)

若无视2次微分的项，设dQ/dt＝0，则

(dP/dt)·S+P·(dS/dθ)(dθ/dt)＝0

dθ＝-{(1/P)·S/(dS/dθ)}·dP…(2)

式(2)成为dθ＝-G·dP般的式，表示相对于压力变化dP的开度变化dθ为-G·dP。之所以标注负号，是因为当开度θ增加时，压力P减少。另一方面，图4中的压力偏差ΔP是如ΔP＝Pr-Ps般定义，因此针对ΔP＞0(Pr＞Ps)的开度操作成为使开度θ增加的操作。相反地，针对ΔP＜0(Pr＜Ps)的开度操作成为使开度θ减少的操作。因此，针对压力偏差ΔP的修正增益G如下式(3)般设定。

G＝(1/P)·S/(dS/dθ)…(3)

图5是表示流导S的一例的图。图5中，表示相对于三种气体流量Q1、Q2、Q3的各流导S1、S2、S3。符号S1、S2、S3所示的各线表示开度θ与系统流导的相关。图1所示的存储部23中，存储有与多个流量各自相关的流导S(θ)。当然，也可使用二维映射(map)S(Q，θ)。此时，图5所示的流导S1对应于映射S(Q，θ)的1行(气体流量Q1)数据S(Q1，θ)。

流导S相对于开度变化的变化率dS/dθ表示流导S的线的切线的斜率。由图5可知的是，流导S的变化率dS/dθ根据开度θ的大小而不同。例如，在流导S2中，θ＝25％时的切线的斜率(dS/dθ)大于θ＝40％时切线的斜率(dS/dθ)。这意味着，流导变化相对于开度变化的程度在θ＝25％时要大于θ＝40％时。即，可知的是，相对于同一流导变化的开度控制量可在θ＝25％时小于θ＝40％时。因而，相对于同一压力偏差ΔP的开度控制量在θ＝25％时小于θ＝40％时。

在修正增益G中，以1/(dS/dθ)的形式而包含有相对于所述开度控制量的变化率dS/dθ的影响。而且，压力P越低，修正增益G中的(1/P)越有助于修正增益G变大。即，越是低压的区域，相对于压力偏差ΔP的开度控制量越大。流导S越大的情况下，修正增益G中的S越有助于增大相对于压力偏差ΔP的开度控制量。即，开度θ越大的情况下，开度控制量越大。

另外，本实施方式中，是如式(3)般将修正增益G设为(1/P)、S及1/(dS/dP)之积，但未必限于此。例如，作为修正增益G，也可使用1/(dS/dP)。

图6(a)、图6(b)、图7(a)、图7(b)是表示进行了调压动作时的压力计测值Pr、压力目标值Ps及开度计测值θr的时间变化的图。图6(a)、图6(b)是表示未采用修正增益G而利用比例控制Kp来进行阀控制时的调压状况的图。另一方面，图7(a)、图7(b)表示除了Kp以外还使用了修正增益G时的调压状况。任一情况均表示：流量固定而将压力目标值Ps由13.3Pa变更为6.65Pa的情况(a)；以及流量固定而将压力目标值Ps由6.65Pa变更为1.33Pa的情况(b)。

首先，对将压力目标值Ps由13.3Pa变更为6.65Pa的情况进行比较。此时，若对从设定变更开始直至压力计测值Pr回落到6.65Pa为止的时间进行比较，则图6(a)中为约3秒，图7(a)中为约2.5秒。

另一方面，当在更低的压力区域中将压力目标值Ps由6.65Pa变更为1.33Pa时，图7(b)中压力计测值Pr以约1.5秒达到1.33Pa，但在图6(b)情况下，即使经过8秒，仍未达到1.33Pa。显而易见的，通过使用修正增益G，调压性能得到了提高。

图8是表示相对于开度θ的S/(dS/dθ)的变化的图，横轴为开度θ，纵轴为S/(dS/dθ)。如图8所示，以规定的开度θ1为界，在θ＜θ1时，伴随开度θ的增加而S/(dS/dθ)减少，在θ＞θ1时，伴随开度θ的增加而S/(dS/dθ)增加。

图2所示的真空阀1中，通过对阀片12进行摆动驱动来调整开度θ，从而调整阀流导。此时，由于如图3所示，密封环14移动到上方，因而即使在开度θ＝0％的情况下，仍如虚线所示，气体以在阀片12的周边部盘旋的方式而流动。即，即使θ＝0％，阀流导C仍为C＞0。因此，在开度θ非常小的区域，所述气体的盘旋造成的流导成为支配。另一方面，在开度θ大的情况下，阀流导C中，阀开口部111的开放面积的大小成为支配。

因此，根据图5也可知，流导曲线的斜率(dS/dθ)变化的状况是以θ＝7％～8％附近为界，在左侧与右侧不同。在右侧区域，随着开度θ的增加，斜率逐渐变小，在左侧区域，随着开度θ的减少，斜率逐渐变小。因此，S/(dS/dθ)呈现图8所示般的变化。图8的开度θ1表示这2个区域的边界。另外，开度θ1的值是基于真空阀1的阀流导C来设定。

而且，如图5所示，在开度θ大的区域(例如40％以上)中，与开度θ的变化(即，阀开口部111的开放面积的变化)程度相比，流导S的变化程度非常小。即，在此开度区域中，真空系统的流导S中，真空泵4的排气速度Se成为支配。如上所述，真空系统的流导S是表示为“(1/S)＝(1/Se)+(1/C)”，因此即使加大阀流导C，也不会超过排气速度Se。

由此，在气体的盘旋造成的流导成为支配的开度区域(θ＜θ1)及排气速度Se成为支配的开度区域(θ＞θ2)中，流导S中的开度依存性小，因此在采用以式(3)表示的修正增益G的情况下，有可能损害控制稳定性。因此，在这些开度区域中，将S/(dS/dθ)设定为常数。即，在开度区域θ1≦θ≦θ2中，将修正增益G设为以式(3)算出的修正增益G，在θ＜θ1的开度区域及θ＞θ2的开度区域中，将S/(dS/dθ)的项置换为常数。另外，开度θ2是与排气速度Se成为支配的开度区域的边界处的开度。

图8所示的示例中，以与θ1≦θ≦θ2中的S/(dS/dθ)的线连续的方式来设定常数g1、g2。

所述实施方式中，阀控制器2输入有与真空阀1连接的真空腔室3的压力计测值Pr、真空腔室3的压力目标值Ps与真空阀1的开度计测值θr，基于压力计测值Pr与压力目标值Ps的偏差来控制真空阀1的开度θ。在存储部23中，存储有真空阀1的开度θ与包含真空阀1的系统的流导S的相关S(θ)。并且，开度设定部21基于相关S(θ)，求出所输入的开度计测值θr中的流导S相对于开度变化的变化率(dS/dθ)，将所述变化率的倒数设定为修正增益G。基于所述偏差与修正增益G来控制真空阀1的开度θ。

通过使用此种基于系统流导S的修正增益G，能够更准确地设定相对于压力偏差的开度变化量，能够使真空腔室3的压力更加尽快地变化至压力目标值Ps。

另外，作为修正增益G，更优选将变化率(dS/dθ)的倒数、压力计测值Pr的倒数与开度计测值θr中的流导S之积，即，将(1/P)·S/(dS/dθ)设定为修正增益G。

作为流导S，也可使用真空阀1的流导、或包含真空阀1与真空泵4的系统的流导，但优选的是使用包含真空阀1、真空腔室3及真空泵4的系统的流导。由此，能够更准确地设定修正增益G。

而且，也可如图8所示，在规定的开度范围(θ1≦θ≦θ2)内，使用式(3)所示者来作为修正增益G，在超过开度范围上限θ2的开度θ(＞θ2)中，将S/(dS/dθ)置换为常数值g2，在低于开度范围下限θ1的开度θ(＜θ1)中，将S/(dS/dθ)置换为常数值g1。通过如此般设定，θ＜θ1及θ＞θ2的区域中的控制稳定性提高。

进而，也可在存储部23中，存储图5所示般的多个气体流量各自的相关(流导S的线)，基于在系统中流动的气体流量Q来从多个相关中选择一个相关，并基于所选择的相关来设定修正增益。也可根据不依存于气体流量的代表性的流导S(θ)来设定修正增益G，但通过如此般使用与每种气体流量分别对应的流导S(Q，θ)，能够进一步提高开度控制的精度。另外，图1中采用了将气体流量Q的计测值输入至阀控制器2的结构，但也可使用所述式(1)来推测气体流量Q。

另外，图1所示的示例中，独立地设有进行所述开度控制的阀控制器2，但也可与真空阀1一体地设置，还可采用将阀控制器2装入至真空泵4的控制器或真空装置的主控制器(main controller)中的结构。

所述中，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内可想到的其他实施例也包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种阀控制装置，输入有与真空阀连接的腔室的压力计测值、所述腔室的压力目标值与所述真空阀的开度计测值，基于所述压力计测值与所述压力目标值的偏差，来控制所述真空阀的开度，所述阀控制装置的特征在于包括：

存储部，存储有所述真空阀的开度、与包含所述真空阀的系统的流导的相关；以及

修正增益设定部，基于所述相关，求出所述输入的开度计测值中的所述流导相对于开度变化的变化率，将所述变化率的倒数设定为修正增益，

所述阀控制装置基于所述偏差与所述修正增益来控制所述真空阀的开度。

2.一种阀控制装置，输入有与真空阀连接的腔室的压力计测值、所述腔室的压力目标值与所述真空阀的开度计测值，基于所述压力计测值与所述压力目标值的偏差，来控制所述真空阀的开度，所述阀控制装置的特征在于包括：

存储部，存储有所述真空阀的开度、与包含所述真空阀的系统的流导的相关；以及

修正增益设定部，基于所述相关，求出所述输入的开度计测值中的所述流导相对于开度变化的变化率，将所述变化率的倒数、所述压力计测值的倒数与所述开度计测值中的所述流导之积设定为修正增益，

所述阀控制装置基于所述偏差与所述修正增益来控制所述真空阀的开度。

3.根据权利要求2所述的阀控制装置，其特征在于，

所述修正增益设定部在规定的开度范围内设定所述修正增益，

在超过所述开度范围上限的开度中，将所述修正增益中的所述变化率的倒数与所述流导之积置换为第1常数值，

在低于所述开度范围下限的开度中，将所述修正增益中的所述变化率的倒数与所述流导之积置换为第2常数值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的阀控制装置，其特征在于，

所述流导是包含所述真空阀、安装有所述真空阀的腔室及安装于所述真空阀的真空泵的系统的流导。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的阀控制装置，其特征在于，

在所述存储部中，存储有多个不同的气体流量各自的所述相关，

所述修正增益设定部基于在所述系统中流动的气体流量，从存储于所述存储部中的多个相关中选择一个相关，并基于所选择的相关来设定所述修正增益。