JP2005339439A

JP2005339439A - 自動圧力制御装置

Info

Publication number: JP2005339439A
Application number: JP2004160780A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Matsuda; 英昭松田; Masashi Kojima; 正史小島
Original assignee: TECH WARE KK
Current assignee: TECH WARE KK
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】
真空装置内の圧力の目標値の切り換えに対し、オーバーシュートが無く、かつ短時間で、設定圧力に達する目標値の追従性を実現できる自動圧力制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
測定手段による測定結果に基づいてガス導入量制御手段を制御することにより、真空装置内のガスの圧力が与えられた目標値になるようにＰＩ制御する自動圧力制御手段を備える。その自動圧力制御手段は、２自由度ＰＩ制御により圧力制御を行う。例えば、ＰＩ制御によりガス導入量制御手段を制御する制御出力を求める際の比例要素の項の演算を行うにあたって、現サンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_nと前回のサンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_n-1との差に前記パラメータを乗算し、その乗算結果を用いて比例要素の項の値を求める。２自由度パラメータは利用者が設定できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空装置へのガス導入量を制御することにより、真空装置内の圧力を設定された圧力に自動的に制御する自動圧力制御装置に関する。

従来より、真空蒸着装置やスパッタ装置など、真空装置（チャンバー）内を真空に保ちつつ（実際には所定の圧力で所定のガスを満たす）、該真空装置内で処理対象の基板に対して各種の処理を施す装置が知られている。例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）装置や化学蒸着（ＣＶＤ）装置などの真空蒸着装置では、レンズ等の基板を真空装置内に載置し、所定のガスを導入して所定の圧力とし、該真空装置内で蒸着する材料を加熱して蒸発させることにより、基板表面に薄膜を生成する。この場合、適正に蒸着を行うため、真空装置内のガスの圧力を所定値に制御することが重要である。真空装置内のガスの圧力の制御における制御性能は、生成する光学薄膜の性能（膜厚分布、屈折率、質、構造など）及び再現性に影響を及ぼすため、より高い性能が要求されるからである。

例えば、下記特許文献１〜８では、真空蒸着装置などにおいて、チャンバー内の圧力を適正に制御することの重要性が記載されている。
特開平５−２６７４７３号公報特開平５−３３９７１３号公報特開平５−３４５９７７号公報特開平８−１００２６３号公報特開平９−２１３６４３号公報特開平１０−２８７９６６号公報特開２００３−３０６７６３号公報特開２００４−９１８５８号公報

ところで、上述したような基板表面に薄膜を生成する際、薄膜の層数は、製造する製品に応じて決定され、複数の薄膜層を生成することも可能である。複数の薄膜層を生成する場合、順番に一層ずつ生成していく。このようなプロセスは、コンピュータ等により自動化されている場合が多く、決められたシーケンスに従ってプロセスは進行していく。

複数の薄膜層を順番に生成していく場合、一般的には、各層毎に真空装置内のガスの圧力の値は異なる。例えば、第１の層を生成するとき圧力値ａ、その次の第２の層を生成するとき圧力値ｂとする、などである。従って、複数層を生成する場合には、第１の層を生成した後、真空装置内のガスの圧力を第１の目標値から第２の目標値に切り換え、真空装置内の圧力が安定してから蒸着などの処理を行う必要がある。圧力の目標値の切り換えに対しては、できるだけ短い時間内に、真空装置内の雰囲気を極力安定させることが必要である。

上述した各特許文献に記載の従来技術では、ある程度の時間をかければ圧力の目標値の切り換えに追従することはできる。しかし、短時間で効率よく複数層を生成し製品を製造することに対する要求は強い。上述の従来技術では、圧力の目標値の切り換えに長時間かかるという問題点があり、また、これを短時間で行おうと調整するとオーバーシュートが発生してしまい真空装置内の雰囲気が安定しないという問題点があった。

本発明は、真空装置内の圧力の目標値の切り換えに対し、オーバーシュートが無く、かつ短時間で、設定圧力に達する目標値の追従性を実現できる自動圧力制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、２自由度ＰＩ制御により圧力制御を行うことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、利用者により設定された所定のパラメータを入力する手段と、前記真空装置に導入するガスの導入量を制御するガス導入量制御手段と、前記真空装置内のガスの圧力を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果に基づいて前記ガス導入量制御手段を制御することにより、前記真空装置内のガスの圧力が与えられた目標値になるように、ＰＩ制御する自動圧力制御手段とを備え、前記自動圧力制御手段は、ＰＩ制御により前記ガス導入量制御手段を制御する制御出力を求める際の比例要素の項の演算を行うにあたって、現サンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_nと前回のサンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_n-1との差に前記パラメータを乗算し、その乗算結果を用いて比例要素の項の値を求めることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、利用者により設定された所定のパラメータを入力する手段と、前記真空装置に導入するガスの導入量を制御するガス導入量制御手段と、前記真空装置内のガスの圧力を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果に基づいて前記ガス導入量制御手段を制御することにより、前記真空装置内のガスの圧力が与えられた目標値になるように、ＰＩ制御する自動圧力制御手段とを備え、前記自動圧力制御手段は、与えられた目標値に対して、前記パラメータに基づいて決定される所定の時定数で該目標値を追随する値を出力するフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力を目標値として入力してＰＩ制御を行うＰＩ制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、２自由度ＰＩ制御（ＰＩＤ制御を含む）により真空装置内の圧力制御を行っているので、真空装置内の圧力の目標値の切り換えに対し、オーバーシュートが無く、かつ短時間で、設定圧力に達する目標値の追従性を実現できる。

以下、図面を用いてこの発明の実施の形態を説明する。まず、本発明に係る特徴的な部分を説明する前に、本発明の自動圧力制御装置の適用対象である真空蒸着装置の概略構成について説明する。

図４は、本発明の適用対象である真空蒸着装置の概略構成を示す。この装置は、真空蒸着という方式によりレンズ等の基板に薄い膜を付け、各種反射防止膜、フィルター、及びミラー等の光学薄膜製品を作成する際に実際に使用される一般的な制御システムの一例である。

図４の真空蒸着装置は、自動圧力制御弁４０１、真空装置（真空装置）４０２、圧力測定子４０３、真空計４０４、自動圧力制御器（AUTOMATIC PRESSURE CONTROL：ＡＰＣ）４０５、及びポンプ４０６を備える。真空装置４０２内には、基板治具４１１、シャッタ４１２，４２２、電子銃４１３，４２３、及び蒸発源４１４，４２４が設けられている。光学薄膜製品を作成するプロセスは、コンピュータ等により自動化されている場合が多く、決められたシーケンスに従ってプロセスは進行していく。以下に一連の蒸着プロセスの流れを示す。

まず、（１）材料の準備のため、レンズ等の基板（薄膜を生成する対象）がセットされた基板治具４１１を真空装置４０２内へセットする。また、蒸発源４１４及び４２４に蒸着材料を補給する。多層光学薄膜製品を作成する場合、蒸発源ごとに補給する蒸着材料を分けていることが多い。例えば、第１の蒸発源４１４として高屈折率の材料(TiO２等)を用い、第２の蒸発源４２４として低屈折率の材料(SiO２等)を用いる場合などである。ここでは２層を生成するケースで説明するが、層の数は任意である。

次に、（２）ポンプ４０６を使用して、真空装置４０２内を設定された圧力に下がるまで排気する。一般的には、真空装置４０２内の圧力が１０^-3〜１０^-4［Ｐａ］台に下がるまで排気する。（３）自動圧力制御器４０５を使用して自動圧力制御弁４０１の開閉具合を制御し、Ｏ₂（酸素）ガスを真空装置４０２内へ導入し、設定された圧力になるように圧力制御を行う。この圧力制御は、オーバーシュートが無く、短時間で設定圧力に達する目標値追従性が求められる。これは、蒸着が始まるまでの限られた時間内に、真空装置内の雰囲気を極力安定させるためである。

次に、（４）電子銃４１３から電子ビームを第１の蒸発源４１４上の蒸着材料に照射し、蒸着材料を予備加熱する。これにより、蒸着材料よりガスが放出される。（５）第１の蒸発源４１４の予備加熱が完了後、シャッタ４１２を開き蒸着を開始する。（６）蒸着中は、膜厚監視装置により膜の厚さを監視し、設定された膜厚に達した時点でシャッタ４１２を閉じて蒸着を終了する。真空装置４０２内の圧力の制御は、光学薄膜の性能（膜厚分布、屈折率、質、構造など）及び再現性に影響を及ぼすため、より高い精度で圧力制御することが要求される。以上により、第１層の蒸着が終了する。

（７）第２の層を生成するため、上記（３）ガスの導入から（６）膜厚の制御までの蒸着プロセスを、シャッタ４２２、電子銃４２３、及び蒸発源４２４を用いて行う。同様にして更に多くの層を生成することもできる。最後の層の蒸着が終了した時点で、蒸着が完了となる。蒸着が完了後、真空装置４０２内を大気圧に戻し、レンズ等の基板がセットされた基板治具４１１を取り出す。

上述したような真空蒸着装置の自動圧力制御器４０５では、ＰＩ制御（あるいはＰＩＤ制御）により圧力制御をしていた。しかし、従来の真空蒸着装置などに用いる自動圧力制御器は１自由度のものであったため、オーバーシュート無しに短時間で安定した目標値の圧力値になるようにすることができなかった。本発明は、真空装置に適用する自動圧力制御器において２自由度パラメータを導入したことを特徴とするものである。

図１は、図４の真空蒸着装置の自動圧力制御器４０５として適用する本発明の実施形態に係る自動圧力制御器のブロック図を示す。「目標値」は利用者により設定された真空装置４０２内の圧力の目標値である。制御対象１０６は、その真空装置４０２内のガスの圧力である。「制御出力」は、自動圧力制御弁４０１に与える弁の開閉量に相当する。「制御量」は、真空装置４０２の実際の圧力値に相当し、圧力測定子４０３で測定し真空計４０４に表示された制御の結果の圧力値である。なお、このブロック図に示す動作の手順は、ΔＴ間隔のサンプリング時刻ごとに、制御出力を１回出力するように、処理を進めるものとする。

設定された目標値に対し、減算部１０１により目標値から前回の制御量を減算し、現サンプリング時刻における目標値からの偏差を求める。求めた偏差に対し、乗算部１０２で（１−α）を乗算する。αは、利用者が設定できる２自由度パラメータであり、０＜α＜１の範囲を取る。乗算部１０２の出力は、加算部１０３に入力し、乗算部１０８の結果と加算される。加算部１０３の出力は、乗算部１０４に入力し、１００／Ｋｐが乗算される。Ｋｐは、ゲインを表し、利用者が設定できる値である。乗算部１０４の出力は、制御出力として制御対象１０６に与えられ、これにより真空装置４０２内のガスの圧力が制御される。具体的には、乗算部１０４からの制御出力に基づいて、図４の自動圧力制御弁４０１の空き具合が制御される。

制御対象１０６は、真空装置４０２内のガスの圧力であるが、これには外乱１０５が作用する。例えば、電子ビームを蒸着材料に照射し加熱する際、蒸着材料よりガスが放出され、さらにこれ以外にも真空装置４０２内の壁面などからも吸着ガスなどの放出があり、これにより真空装置４０２内の圧力は刻一刻と変化する。これらが外乱１０５に相当するものである。真空装置４０２内の圧力は圧力測定子４０３で測定され、測定結果は真空計４０４に表示されるが、さらにその測定結果が制御量として減算部１０１や１０７に入力する。減算部１０７は目標値から前回の制御量を減算して、乗算部１０８はその減算結果に対してΔＴ／Ｔｉを乗算する。リセットタイムＴｉは、利用者が設定できる値である。乗算部１０８の乗算結果は加算部１０３に入力する。

図２は、従来のＰＩ制御と本実施形態のＰＩ制御における出力の変化分を示す数式である。なお、図１は各サンプリング時刻ごとに実行する処理手順に着目したブロック図であるのに対し、図２の式は制御出力の変化分Δｍ_nを示したものである。ｅ_nは現サンプリング時刻における目標値と制御量との偏差（すなわち、圧力の目標値から実際に圧力を測定した測定値を減算した値）を示し、ｅ_n-1は前サンプリング時刻における目標値と制御量との偏差を示す。ＫｐとＴｉとαは、図１で説明したのと同じである。

図２（ａ）の従来例は、図１のブロック図において２自由度パラメータαに係る乗算部１０２が無いものとした場合のＰＩ制御を表した式である。（１−α）の乗算部１０２が無いため、目標値を変更した際（すなわち、偏差ｅ_nが急激に変化したとき）に、制御出力に相当するΔｍ_nが急激に変化する。

図２（ｂ）は、図１に示した本実施形態におけるＰＩ制御での出力の変化分を示す数式である。（１−α）の乗算部１０２が有るため、目標値を変更した場合でも、偏差ｅ_nの急激な増大が緩和され、制御出力の変化分Δｍ_nは緩やかに変化する。

図３は、図１及び図２で説明したＰＩ制御を実現するために自動圧力制御器４０５で行っている処理手順を示す。なお、フロー中に出てくる各変数は、実際には所定の記憶領域に格納されるデータを表すものとする。また、ΔＴ＝0.1秒間隔のサンプリング時刻ごとに、制御出力を１回出力するように、処理を進めるものとする。

ステップ３０１で、制御出力Ｍ及び前回のサンプリング時刻における偏差ｅ_n-1を０に初期化する。ステップ３０２で0.1秒待機した後、ステップ３０３で制御量ＰＶ（図１の制御対象１０６の出力であり、図４の真空計４０４の出力値である。）を読み込む。次にステップ３０４で、現サンプリング時刻における目標値ＳＶから現在の制御量ＰＶを減算し、現サンプリング時刻における偏差ｅ_nを求める。ステップ３０５で、図２（ｂ）で説明したように制御出力の変化分Δｍ_nを計算する。ステップ３０６で、制御出力Ｍを計算する。制御出力Ｍは、図１の制御対象１０６に与えるブロック１０４からの出力に相当し、具体的には図４の自動圧力制御弁４０１に与える自動圧力制御器４０５からの出力に相当する。これにより自動圧力制御弁４０１が制御出力Ｍに応じて開閉され、ガスの導入量が制御される。次にステップ３０７で今回の偏差ｅ_nを前回の偏差ｅ_n-1に代入し、ステップ３０８で制御終了でなければステップ３０２に戻って処理を繰り返す。ステップ３０８で制御終了が指示されていたら、処理を終了する。

図５は、図２（ａ）で説明した従来のＰＩ制御による制御例を示すグラフである。図５（ａ）に示すように、目標値がある時点ｔ１で変更されたとする。理想的な応答は図５（ｂ）に示すようなものである。実際には図５（ｃ）に示すようにオーバーシュートが大きくなったり、図５（ｄ）に示すようにオーバーシュートは小さいが目標値に至って安定するまでの時間が長くなってしまう。

図６は、図２（ｂ）に示した本実施形態のＰＩ制御による制御例を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、ある時点ｔ１で目標値が変更になったとする。図６（ｂ）に示すような理想的な応答に対し、本実施形態によれば、図６（ｃ）に示すようにオーバーシュートが小さく短時間で目標値に至るように制御することができる。

図７は、図２（ａ）に示した従来技術のＰＩ制御による外乱に対する制御例を示すグラフである。図７（ａ）に示すような外乱があったとき、理想的には図７（ｂ）に示すように安定した応答が求められる。しかし、従来技術によれば図７（ｃ）に示すように外乱に応じた圧力のふらつきが大きくなる。

図８は、図２（ｂ）に示した本実施形態のＰＩ制御での外乱に対する制御例を示すグラフである。図８（ａ）に示すような外乱があった場合、図８（ｂ）に示すような理想的な応答が目標である。本実施形態によれば、図８（ｃ）に示すように外乱に対して圧力のふらつきが小さいようにできる。

なお、上記実施形態ではＰＩ制御に本発明を適用した例で説明したが、ＰＩＤ制御に適用することもできる。すなわち、本願発明のＰＩ制御はＰＩＤ制御も含むものである。また、図１では、αを２自由度パラメータとし、ブロック１０２では（１−α）を目標値に乗算しているが、例えば、β＝１−αを２自由度パラメータとし、このβを利用者が設定し、ブロック１０２の乗数として用いてもよい。

また、上記実施形態では図１や図２で説明した２自由度ＰＩ（またはＰＩＤ）制御系を例として説明したが、他の２自由度ＰＩ制御系を適用しても良い。例えば、上記図２（ｂ）の式は速度形アルゴリズムでの２自由度ＰＩ制御系を示すものであるが、位置形アルゴリズムに変形したものも本発明の範囲内である。

図９は、本発明に係るＰＩ制御の他の例を示す。９０１は目標値の変化を鈍らせるフィルタである。フィルタ９０１は、例えば所定の時定数で目標値に追随する値を出力する目標値フィルタである。αは、目標値の変化を鈍らせる度合いを決定するパラメータであり、その時定数を決定するパラメータである。減算部９０２は、フィルタ９０１の出力から前回の制御量を減算する。演算部９０３は、比例要素と積分要素を算出して、制御出力として出力する演算部である。制御対象９０４と外乱９０５は、図１で説明した制御対象１０６と外乱１０５と同じである。

実施形態のＰＩ制御のブロック図ＰＩ制御を示す式の例を示す図実施形態のＰＩ制御の流れを示す図実施形態の真空蒸着装置の構成を示す図従来技術による制御例を示す図本実施形態による制御例を示す図従来技術による制御例を示す図本実施形態による制御例を示す図本発明に係るＰＩ制御の他の例を示す図

符号の説明

１０２…２自由度パラメータに係る乗算部、１０１，１０７…減算部、１０３…加算部、１０４，１０８…乗算部、１０５…外乱、１０６…制御対象。

Claims

真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、
２自由度ＰＩ制御により圧力制御を行うことを特徴とする自動圧力制御装置。
真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、
利用者により設定された所定のパラメータを入力する手段と、
前記真空装置に導入するガスの導入量を制御するガス導入量制御手段と、
前記真空装置内のガスの圧力を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて前記ガス導入量制御手段を制御することにより、前記真空装置内のガスの圧力が与えられた目標値になるように、ＰＩ制御する自動圧力制御手段と
を備え、前記自動圧力制御手段は、ＰＩ制御により前記ガス導入量制御手段を制御する制御出力を求める際の比例要素の項の演算を行うにあたって、現サンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_nと前回のサンプリング時刻における目標値からの偏差ｅ_n-1との差に前記パラメータを乗算し、その乗算結果を用いて比例要素の項の値を求めることを特徴とする自動圧力制御装置。
真空装置内のガスの圧力を制御する自動圧力制御装置であって、
利用者により設定された所定のパラメータを入力する手段と、
前記真空装置に導入するガスの導入量を制御するガス導入量制御手段と、
前記真空装置内のガスの圧力を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定結果に基づいて前記ガス導入量制御手段を制御することにより、前記真空装置内のガスの圧力が与えられた目標値になるように、ＰＩ制御する自動圧力制御手段と
を備え、前記自動圧力制御手段は、与えられた目標値に対して、前記パラメータに基づいて決定される所定の時定数で該目標値を追随する値を出力するフィルタ手段と、該フィルタ手段の出力を目標値として入力してＰＩ制御を行うＰＩ制御部とを備えたことを特徴とする自動圧力制御装置。