JP2021092155A - 真空排気装置及びこれに用いられる真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】被排気室内の圧力を精度よく、また高速に制御することができる真空排気装置及びこれに用いられる真空ポンプを提供する。【解決手段】回転することによって被排気室４の内部を排気するロータと、吸気口を有するケーシングとを備えた真空ポンプ１と、真空ポンプ１の吸気口と被排気室の排気口の間に配置されたバルブ２と、被排気室４の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置３とを備える。制御装置３では、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より大きいときには、バルブ２の開度を調整し、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より小さいときには、真空ポンプ１のロータの回転速度を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、被排気室内の圧力を制御する真空排気装置及びこれに用いられる真空ポンプに関する。

半導体、液晶、太陽電池、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等（以下、「半導体等」と称する。）の製造装置では、被排気室である真空チャンバ内にプロセスガスを流入させ、真空チャンバ内に載置されたウエハ等の被処理物に薄膜を形成したり、エッチング処理等が施される。

このとき、真空チャンバの排気口に接続されたバルブの開度や、このバルブの下流側に接続された真空ポンプであるターボ分子ポンプのロータの回転速度を変化させて真空チャンバ内を真空排気することにより、真空チャンバ内の圧力を所望の圧力となるように制御する技術が例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１４−１４８７０３号公報

しかしながら、上述した真空排気する技術では、バルブの開度を変化させる場合には、開度の変化に対して真空チャンバ内の圧力は比較的大きく変化し、また、ターボ分子ポンプのロータの回転速度を変化させる場合には、回転速度の変化に対して真空チャンバ内の圧力は比較的僅かしか変化しないために、真空チャンバ内の圧力を正確に所望の圧力に制御することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、被排気室内の圧力を精度よく、また高速に制御することができる真空排気装置及びこれに用いられる真空ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る真空排気装置は、
回転することによって被排気室の内部を排気するロータと、吸気口を有するケーシングとを備えた真空ポンプと、
前記真空ポンプの前記吸気口と前記被排気室の排気口の間に配置されたバルブと、
前記被排気室の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置とを備えた真空排気装置であって、
前記制御装置は、前記目標値と前記圧力の差の絶対値が所定値より大きいときには、前記バルブの開度を調整し、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記ロータの回転速度を調整することにより、前記圧力を制御することを特徴とする。

上記の真空排気装置において、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記ロータの回転速度が一定となるように、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記バルブの開度が一定となるように制御するようにしてもよい。

上記の真空排気装置において、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、下記式（１）で表される伝達関数Ｇ_Vのゲインを大きくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、下記式（２）で表される伝達関数Ｇ_Mのゲインを大きくするようにしてもよい。
Ｇ_V＝Ｏ_V／δ_P ・・・（１）
Ｇ_M＝Ω_M／δ_P ・・・（２）
ただし、上記式（１）において、Ｏ_Vは、前記バルブの開度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（２）において、Ω_Mは、前記ロータの回転速度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（１）および（２）において、δ_Pは、前記差の初期値を０としたラプラス変換である。

上記の真空排気装置において、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記伝達関数Ｇ_Mのゲインを小さくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記伝達関数Ｇ_Vのゲインを小さくするようにしてもよい。

上記の真空排気装置において、
前記真空ポンプは前記ロータを浮上支持する磁気軸受を備え、
前記制御装置は、前記圧力が前記目標値と一致するときに、前記ロータの回転速度が前記ロータの変位の固有振動数に一致する場合、もしくは該回転速度と該固有振動数の差の絶対値が所定値以下である場合には、前記バルブの開度を変更し、再度、前記圧力が前記目標値と一致するように、前記ロータの回転速度を制御するようにしてもよい。

上記の真空排気装置において、
前記所定値は、前記ロータの回転中に、前記バルブの開度、前記被排気室の内部に導入され前記真空ポンプによって排気されるガスの種類および量のいずれか少なくとも一つに応じて、変更されるようにしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る真空ポンプは、
バルブと、
被排気室の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置とを備えた真空排気装置に用いられる真空ポンプであって、
回転することによって前記被排気室の内部を排気するロータと、前記バルブを前記被排気室の排気口との間に配置させる吸気口を有するケーシングとを備え、
前記制御装置は、前記目標値と前記圧力の差の絶対値が所定値より大きいときには、前記バルブの開度を調整し、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記ロータの回転速度を調整することにより、前記圧力を制御することを特徴とする。

上記の真空ポンプにおいて、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記ロータの回転速度が一定となるように、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記バルブの開度が一定となるように制御するようにしてもよい。

上記の真空ポンプにおいて、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、下記式（１）で表される伝達関数Ｇ_Vのゲインを大きくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、下記式（２）で表される伝達関数Ｇ_Mのゲインを大きくするようにしてもよい。
Ｇ_V＝Ｏ_V／δ_P ・・・（１）
Ｇ_M＝Ω_M／δ_P ・・・（２）
ただし、上記式（１）において、Ｏ_Vは、前記バルブの開度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（２）において、Ω_Mは、前記ロータの回転速度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（１）および（２）において、δ_Pは、前記差の初期値を０としたラプラス変換である。

上記の真空ポンプにおいて、
前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記伝達関数Ｇ_Mのゲインを小さくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記伝達関数Ｇ_Vのゲインを小さくするようにしてもよい。

上記の真空ポンプにおいて、
前記ロータを浮上支持する磁気軸受を備え、
前記制御装置は、前記圧力が前記目標値と一致するときに、前記ロータの回転速度が前記ロータの変位の固有振動数に一致する場合、もしくは該回転速度と該固有振動数の差の絶対値が所定値以下である場合には、前記バルブの開度を変更し、再度、前記圧力が前記目標値と一致するように、前記ロータの回転速度を制御するようにしてもよい。

上記の真空ポンプにおいて、
前記所定値は、前記ロータの回転中に、前記バルブの開度、前記被排気室の内部に導入され前記真空ポンプによって排気されるガスの種類および量のいずれか少なくとも一つに応じて、変更されるようにしてもよい。

本発明によれば、被排気室内の圧力を精度よく、また高速に制御することができる真空排気装置及びこれに用いられる真空ポンプを提供することができる。

本発明の実施形態に係る真空排気装置を有する真空装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る真空排気装置が有する真空ポンプの構成を示す縦断面図である。 回転軸の位置と位置センサ検出値との関係を示すグラフである。 電磁石に流れる電流値と磁気軸受の電磁石が回転軸に作用させる磁気吸引力との関係を示すグラフである。 回転軸の回転周波数とロータの固有振動数との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る真空排気装置が有するバルブの構成を示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る真空排気装置が有する制御装置の制御系を示すブロック線図である。 （Ａ）は圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値と、バルブの開度のゲインとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値と、ロータの回転速度のゲインとの関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係る真空排気装置について、以下図面を参照して説明する。真空排気装置１０は、図１に示すように、半導体等の製造装置において薄膜形成処理、エッチング処理などを行うのに用いられる真空装置Ｄが有する装置である。真空排気装置１０は、被処理物が載置された被排気室（真空チャンバ）４の内部の圧力を所望の圧力となるように真空排気する。

真空排気装置１０は、被排気室４の内部に導入されたプロセスガスを排出する真空ポンプ１と、被排気室４の排気口（図示せず）と真空ポンプ１の吸気口１１ａ(図２)との間に設けられるとともにガスの流路を開閉するバルブ２と、被排気室４の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置３とを有する。

真空ポンプ１はターボ分子ポンプであり、図２に示すように、外筒部１１と、外筒部１１が固定されたベース部１２と、外筒部１１とベース部１２により構成されるケーシング１３内に回転可能に収容されたロータ２０とを有する。外筒部１１の図２における上側は開口されガスの吸気口１１ａを構成しており、ベース部１２の側面にはガスの排気口１２ａが形成されている。外筒部１１の吸気口１１ａ側にはフランジ部１１ｂが形成されており、このフランジ部１１ｂにバルブ２のバルブ本体２ａ(図６)の下端面が固定される。

ロータ２０は、ロータ本体２０ａと、回転軸３０と、座金７０とを有する。回転軸３０は、ロータ２０を回転させるためにケーシング１３内に回転可能に支持されている。ロータ本体２０ａの図２における上側の外周面には、複数の所定の角度傾斜したブレード状の回転翼２１が一体形成されている。回転翼２１は、ロータ２０の回転軸３０の軸芯に対して放射状に設けられるとともにロータ２０の回転軸３０の軸芯方向に多段に設けられる。各段の回転翼２１の間には、固定翼４０が設けられ、回転翼２１と固定翼４０はロータ２０の回転軸３０の軸芯方向に交互に配置される。固定翼４０も所定の角度傾斜したブレード状に複数形成される。固定翼４０はその外周端が外筒部１１内に段積みされた複数のリング状の固定翼用スペーサ５０の間に挟持されることにより回転翼２１の間に放射状かつ多段に配設される。

最も下流側に配設された固定翼用スペーサ５０とベース部１２との間には、ねじ付スペーサ６０が設けられている。ねじ付スペーサ６０は円筒状に形成されており、内周面に螺旋状のねじ溝６０ａが形成されている。ロータ本体２０ａの図２における下側（ガスが移送される下流側）には回転軸３０の軸芯を中心とする円筒部２２が形成されており、円筒部２２の外周面とネジ付きスペーサ６０のねじ溝６０ａが形成された内周面とは近接して対向するように配設されている。円筒部２２の外周面とネジ付きスペーサ６０のねじ溝６０ａに区画された空間は排気口１２ａと連通している。

座金７０は回転軸３０の軸芯を中心とする円盤状に形成されている。ボルト７１を、ロータ本体２０ａと座金７０を挟んで回転軸３０に螺着することにより、ロータ本体２０ａと座金７０は回転軸３０に固定される。

真空ポンプ１では、ロータ２０を高速で回転させると、回転翼２１が吸気口１１ａから吸入されたガスの分子を下流側へ向かうように叩き、叩かれたガスの分子は交互に配置された固定翼４０に衝突して下方へ向かい、更に次の段の回転翼２１に叩かれ下流側へ向かい、回転翼２１および固定翼４０の最下段まで順次この動作を繰り返してねじ付スペーサ６０へ送られたガスは、ねじ溝６０ａに案内されながら排気口１２ａへと送られ、排気口１２ａからガスが排気される。このときロータ２０の回転速度を調整することにより、ガス被排気室４内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。なお、真空ポンプ１は、図１に示すように、ロータ２０の回転速度を検出するための回転速度検出器１ａを有する。回転速度検出器１ａで検出されたロータ２０の回転速度検出値は制御装置３に出力される。

回転軸３０の図２における上側及び下側（ガスが流れる上流側及び下流側）付近には、保護軸受３１が配置されている。保護軸受３１は異常時に後述する半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４が制御不能になった場合などに、回転軸３０と接触し支持することにより真空ポンプ１が破損するのを防止する。

回転軸３０は、直流ブラシレスのポンプ用モータ３２によって回転駆動される。二つの半径方向磁気軸受３３が半径方向において回転軸３０を支持し、軸方向磁気軸受３４が軸方向において回転軸３０を支持する。２つの半径方向磁気軸受３３は、ポンプ用モータ３２を挟んで配設される。回転軸３０は、これらの半径方向磁気軸受３３及び軸方向磁気軸受３４によって浮上支持されている。

２つの半径方向磁気軸受３３は、回転軸３０に磁気吸引力を作用させる４つの電磁石３３ａをそれぞれ有しており、４つの電磁石３３ａは、回転軸３０の軸芯と直交し、互いに直交する２つの座標軸上に、回転軸３０を挟んでそれぞれ２個配置される。さらに、２つの半径方向磁気軸受３３は、回転軸３０の半径方向位置を検出するインダクタンス式又は渦電流式の４つの位置センサ３３ｂをそれぞれ有している。４つの位置センサ３３ｂは、回転軸３０の軸芯と直交し、上述の座標軸に平行な互いに直交する２つの座標軸上に、回転軸３０を挟んでそれぞれ２つずつ配置される。

回転軸３０には、回転軸３０の軸芯を中心とする磁性体の円盤（以下、「アーマチャディスク」という。）８０が設けられている。軸方向磁気軸受３４は、アーマチャディスク８０に磁気吸引力を作用させる２つの電磁石３４ａを有している。２つの電磁石３４ａはアーマチャディスク８０を挟んでそれぞれ配置される。また、軸方向磁気軸受３４は、回転軸３０の軸方向の位置を検出するインダクタンス式又は渦電流式の位置センサ３４ｂを有している。なお、半径方向磁気軸受３３のインダクタンス式又は渦電流式の位置センサ３３ｂ及び軸方向磁気軸受３４のインダクタンス式又は渦電流式の位置センサ３４ｂは、電磁石と同様の構造をしており、導線コイルが巻かれたコアを回転軸３０に対峙させて配置している。

吸引したガスから半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４、ポンプ用モータ３２などを保護するためにステータ９０がベース部１２上に立設されている。

真空ポンプ１は、半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４及びポンプ用モータ３２に電力を供給し、位置センサ３３ｂ，３４ｂと信号を送受信する図示しないポンプコントローラを、ケーブルを介して又は一体に備えている。ポンプコントローラは、半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４の位置センサ３３ｂ，３４ｂの導線コイルに、高周波の所定の振幅の交番電圧を供給する。位置センサ３３ｂ，３４ｂのコアに巻かれた導線コイルは、そのインダクタンスが、コアと回転軸３０との距離に応じて変化し、このインダクタンスの変化に応じて、導線コイルに印加された電圧の振幅が変化し、ポンプコントローラは、その変化した振幅値を検出することによって、回転軸３０の位置を検出する。この振幅値（位置センサ検出値Ｅ_O）は、図３に示すように、回転軸３０の位置の変化に対して、曲線的に増加或いは減少する非線形性を有している。ポンプコントローラは、前述の各座標軸上において回転軸３０を挟んで互いに対向する２つの位置センサ３３ｂの振幅値の和Ｅ_O1＋Ｅ_O2（正負の符号の定め方によっては差）が、回転軸３０の位置の変化に対して、疑似的な線形性を有することから、この和（差）を算出し、その値を位置センサ３３ｂの検出信号として用いることで、線形制御理論の適用を可能にし、当該理論に基づいて回転軸３０の位置を制御している。ポンプコントローラは、各座標軸上の２つの位置センサ３３ｂの検出信号の和（差）に基づいて、電磁石３３ａに流す電流値を調整するフィードバック制御によって、回転軸３０の位置を目標位置に一致させている。

半径方向磁気軸受３３の各電磁石３３ａが回転軸３０に作用させる磁気吸引力ｆも、図４に示すように、電磁石３３ａに流れる電流の変化に対して、曲線的に増加又は減少する非線形性を有している。このため、電流値の調整は、各座標軸上の回転軸３０を挟んで対向する２つの電磁石３３ａについて、回転軸３０が目標位置から外れ、回転軸３０との距離が大きい方の電磁石３３ａには、所定の直流電流値（以下、「バイアス電流値」という。）Ｉ₀に電流値ｉ₁を足した電流値（Ｉ₀＋ｉ₁）の電流を流し、回転軸３０との距離が小さい方の電磁石３３ａには、このバイアス電流値Ｉ₀から電流値ｉ₁を引いた電流値（Ｉ₀−ｉ₁）の電流を流すことにより行う。このように、２つの電磁石３３ａが作用させる磁気吸引力の和ｆ_hx1＋（−ｆ_hx2）を回転軸３０に作用させる磁気吸引力とすることで、磁気吸引力が電流値の変化に対して疑似的に線形性を有するようにし、前述した線形制御理論の適用を可能にしている。

軸方向磁気軸受３４の構成も、基本的には半径方向磁気軸受３３の構成と同様であるが、所要スペースを削減するなどの目的で、回転軸３０の軸芯方向においてアーマチャディスク８０を挟んで２つの位置センサを配置することはせずに、１つの位置センサ３４ｂのみを配置し、もう１つの位置センサを、コントローラ内部の回路基板上に配置した所定のインダクタンスを有するコイルで代用しても良い。この場合には、回路基板上に設けたコイルのインダクタンスは所定値であり、交番電圧の振幅値は所定の値となるので、２つの位置センサの和（差）の回転軸３０の位置の変化に対する線形化の精度は低下するが、真空ポンプ１を正常に運転できる場合には有用である。

ところで、ロータ２０は、これらの半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４によって空中に浮上支持されるが、その支持力は、ロータ２０の位置の変化に比例した力の成分、すなわち、弾性力に相当する成分を有するため、ロータ２０は、その質量又は慣性モーメントに応じた固有振動数を有する。空中に浮上したロータ２０は、一つの座標軸（以下、「ｚ軸」という。）を回転軸３０の軸芯に一致させた３次元直交座標の各軸方向の３自由度と、その各軸回りの３自由度の合計６自由度を有しており、このうち、ポンプ用モータ３２によって回転角が制御されるｚ軸回りの１自由度を除く５自由度は、半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４の支持力を受けるため、半径方向磁気軸受３３、軸方向磁気軸受３４の支持力に応じた固有振動数を有する。特に、ｚ軸に直交し、互いに直交する二つの軸（以下、それぞれ「ｘ軸」、「ｙ軸」という。）回りの２自由度においては、ロータ２０の運動方程式は、ｘ軸回りの運動方程式を表す下記式（３）およびｙ軸回りの運動方程式を表す下記式（４）に示すように、互いの軸回りの回転速度に比例する項（以下、「干渉項」という。）を有する。更に、この干渉項の大きさは、ポンプ用モータ３２によって回転される回転軸３０の回転速度に比例する。

ただし、上記式（３）および（４）中、Ｊはロータ２０のｘ軸又はｙ軸回りの慣性モーメント、Ｊ_zはロータ２０のｚ軸回りの慣性モーメント、Ｃはｘ軸又はｙ軸回りの粘性抵抗係数、θ_xはロータ２０のｘ軸回りの回転角度、θ_yはロータ２０のｙ軸回りの回転角度、θ_zはロータ２０のｚ軸回りの回転角度である。また、上記式（３）中、Ｄ_xはｘ軸回りに作用する外乱モーメント、Ｇ_xは半径方向磁気軸受３３の支持力によって生じるｘ軸回りのモーメントのばね定数である。また、上記式（４）中、Ｄ_yはｙ軸回りに作用する外乱モーメント、Ｇ_yは半径方向磁気軸受３３の支持力によって生じるｙ軸回りのモーメントのばね定数である。Ｄ_x、Ｄ_yは、ロータ２０の不釣合いや、真空ポンプ１の排気負荷などにより発生する。Ｇ_x、Ｇ_yは、実際には、半径方向磁気軸受３３の制御設計に応じた周波数特性を持つ。なお、前述したように、ロータ２０は、ロータ本体２０ａと、回転軸３０と、座金７０とを有するので、慣性モーメントＪ_z及び慣性モーメントＪは、正確にはロータ本体２０ａ、回転軸３０及び座金７０の慣性モーメントの和である。

通常、各自由度における固有振動数を求める式は、各自由度の運動方程式から導出することができるが、半径方向磁気軸受３３のｘ軸回りおよびｙ軸回りについては、それぞれの運動方程式が、前述したように互いに干渉項を有しているなどの理由により、固有振動数を求める式を導出することは困難である。このために従来は特定の磁気軸受を設計し、試作実験や有限要素法等を用いたコンピュータシミュレーションに頼って、その特定の磁気軸受の固有振動数の値を求めていた。

しかしながら、これらによる方法では、特定の磁気軸受ごとに固有振動数を求めることができても、設計値を変化させた場合に固有振動数がどのように変化するのかといった固有振動数の定性的な解析ができない。このために特定の磁気軸受の設計を一通り終えた後に、固有振動数を求め、種々の理由により設計を変更した場合には、その設計変更を一通り終えた後に、再度、固有振動数を求め直し、不都合がある場合には、再度、設計を変更し直すという作業が発生し、磁気軸受とターボ分子ポンプの設計に多大な時間を要していた。

本発明では、ターボ分子ポンプである真空ポンプ１の半径方向磁気軸受３３は、真空中で使用されることに着目し、粘性抵抗係数Ｃ＝０とすることにより、上記式（３）および（４）から、ｘ軸まわりとｙ軸まわりにそれぞれ二つ存在するロータ２０の固有振動数ω₁、ω₂を表す式（５）、（６）を導出した。ｘ軸まわりとｙ軸まわりの両方に、式（５）、（６）で表される二つの固有振動数が存在する。

ロータ２０の固有振動数ω₁、ω₂は、図５に示すように、回転軸３０が回転を開始し、回転周波数Ω_z

が増加するにつれて、固有振動数ω₁は減少し、固有振動数ω₂は増加していく。回転周波数Ω_zが増加するにつれて、固有振動数ω₂は、回転周波数Ω_zに近づいていき、回転周波数Ω_zと一致した後、回転周波数Ω_zから遠ざかっていく。

固有振動数ω₁、ω₂が回転軸３０の回転周波数Ω_zに一致していたり近傍の値であったりすると、ロータ２０の共振が誘発され、半径方向磁気軸受３３及び軸方向磁気軸受３４がロータ２０を浮上支持することが困難になるとともに、回転翼２１が振動し続け応力の変動が繰り返されることで疲労破壊することになる。このために、制御装置３は、被排気室４の内部の圧力が目標値と一致するときに、ロータ２０の回転速度（回転周波数Ω_z）が変位の固有振動数ω₁、ω₂に一致する場合、もしくは、ロータ２０の回転速度と固有振動数ω₁、ω₂の差の絶対値が所定値以下である場合には、バルブ２の開度を変更し、再度、被排気室４の内部の圧力が目標値と一致するように、ロータ２０の回転速度を制御する。

バルブ２は、図６に示すように、バルブ本体２ａと、シャフト２ｂに固定された弁体２ｃと、シャフト２ｂを回転駆動し弁体２ｃを揺動するバルブ用モータ２ｄと、弁体２ｃに開閉される開口部２eとを有している。バルブ２は被排気室４の排気口（図示せず）と真空ポンプ１の吸気口１１ａとの間に設けられ、バルブ２の開口部２eは被排気室４の排気口と真空ポンプ１の吸気口１１ａに連通し、接続するように配設される。

バルブ２は、弁体２ｃをバルブ用モータ２ｄにより揺動させて開口部２eと重なる所望の位置に配置して、開口部２eの開口面積を調整することにより、開度を調整する。バルブ２の開度を調整することにより、被排気室4内部の圧力を所望の圧力に調整することができる。なお、バルブ２は、図１に示すように、開度を検出するエンコーダ等の開度検出器２ｆを有する。開度検出器２ｆで検出されたバルブ２の開度検出値は制御装置３に出力される。

制御装置３は、バルブ２の開度、真空ポンプ１のロータ２０の回転速度を所定の条件で調整することにより、被排気室４の内部の圧力を目標値と一致するように制御する。制御装置３は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含んで構成された制御部、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等から構成される記憶部等を有する。記憶部は、制御部により実行されるプログラム、固定データ、検出データ等の各種データを記憶する。また記憶部は制御部のワークメモリとして機能する。制御部は記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより被排気室４内の圧力を制御する。

バルブ２の開度を変化させる場合には、開度の変化に対して、被排気室４内の圧力は比較的大きく変化する。例えば、被排気室４内の圧力をごく僅かに上げる必要があるときに、バルブ２の開度をごく僅かに低下させても、圧力は大きく上昇してしまい、圧力をごく僅かに低下させる必要があるときに、バルブ２の開度をごく僅かに増加させても、圧力は大きく減少してしまう。また、バルブ用モータ２ｄの回転を弁体２ｃへ伝達する歯車のバックラッシュ、ベルトの弾性すべりや移動すべりなどに起因して、バルブ用モータ２ｄの回転に対して、弁体２ｃの位置に誤差を生じ、正確に所望の開度にすることができない。このため、圧力の変化に対するバルブ２の開度の変化のゲインを大きくし、所望の圧力に対する圧力の定常偏差を小さくして、高精度な制御をしようとすると、最悪の場合には、バルブ２の開度が振動現象を起こし、正確に所望の圧力にすることが困難であった。

一方、真空ポンプ１のロータ２０の回転速度を変化させる場合には、回転速度の変化に対して、被排気室４内の圧力は、比較的僅かしか変化しないため、被排気室４内の圧力を大きく変化させる必要があるときには、ロータ２０の回転速度を大きく変化させなければならない。しかし、真空ポンプ１がターボ分子ポンプである場合には、所望の排気性能を達成すべく、ロータ２０を高速で回転させる必要があるために、ロータ２０は、大きな遠心力が作用しても破壊しない強度の高いアルミ合金などの金属で形成されており、慣性モーメントが大きい。このため、ロータ２０の回転速度を短時間内にすなわち高速で大きく変化させることは困難である。

また、ロータ２０を回転駆動するポンプ用モータ３２に高トルクを発生できるモータを採用し、加減速トルクを大きくすることも考えられるが、比較的安価に製造できる直流ブラシレスモータを使用する場合には、トルク定数を大きくすると、同時に誘起電圧定数も大きくなるため、高速回転時に、逆起電圧が大きくなり、加減速トルクを発生させる電流を十分に流すことができず、結局、高速で回転速度を大きく変化させることはできない。ロータ２０の回転速度を高速で大きく変化させられないことは、例えば半導体製造装置のウエハ表面の処理に時間を要し、半導体の製造量増加の支障となっていた。

そこで、制御装置３では、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より大きいときには、バルブ２の開度を調整し、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より小さいときには、真空ポンプ１のロータ２０の回転速度を調整することにより上述した課題を解決する。

ここで制御装置３により被排気室４の内部の圧力を所望の圧力となるように真空排気して制御する方法について説明する。プロセスガスが流入する被排気室４には、図１に示すように、圧力計５が設けられており、圧力計５で被排気室４内の圧力が測定される。圧力計５による圧力測定値が制御装置３に出力され、制御装置３において圧力目標値と比較される。

圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値が所定値よりも大きいときには、制御装置３はその差の値に対応した値の駆動信号をバルブ２のバルブ用モータ２ｄに送信してバルブ２の開度を調整する。このときには、制御装置３により、図７に示す制御系において、下記式（１）で表される伝達関数Ｇ_Vのゲイン｜Ｇ_V｜を、図８（Ａ）に示すように大きくするようにしてもよい。また、このときには、逆に、制御装置３により、図７に示す制御系において、下記式（２）で表される伝達関数Ｇ_Mのゲイン｜Ｇ_M｜を、図８（Ｂ）に示すように小さくするようにしてもよい。また、このときには制御装置３により、回転速度検出器１ａで検出されるロータ２０の回転速度を一定に保つように制御するようにしてもよい。
Ｇ_V＝Ｏ_V／δ_P ・・・（１）
Ｇ_M＝Ω_M／δ_P ・・・（２）
ただし、上記式（１）において、Ｏ_Vは、バルブ２の開度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（２）において、Ω_Mは、ロータ２０の回転速度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（１）および（２）において、δ_Pは、圧力目標値と圧力測定値の差の初期値を０としたラプラス変換である。

ここで、ゲインを大きくすることは、その周波数が０のときのゲインすなわち直流ゲインに対して、３ｄＢ以上大きくすることをいい、ゲインを小さくすることは、その周波数が０のときのゲインすなわち直流ゲインに対して、３ｄＢ以上小さくすることをいう。あるいは、圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値に対して、その絶対値の所定値よりも小さい領域におけるゲインの平均値を、大きい領域におけるゲインの平均値よりも、大きく又は小さくすることをいう。あるいは、圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値に対して、その絶対値の所定値よりも大きい領域におけるゲインの平均値を、小さい領域におけるゲインの平均値よりも、大きく又は小さくすることをいう。

その一方、圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値が所定値よりも小さいときには、制御装置３はその差の値に対応した値の駆動信号を真空ポンプ１のポンプ用モータ３２に送信してロータ２０の回転速度を調整する。このときには、制御装置３により、圧力目標値と圧力測定値の差の絶対値に対するロータ２０の回転速度のゲイン｜Ｇ_M｜を大きくするようにしてもよい。また、このときには、逆に、制御装置３により、圧力目標値と圧力測定値の差の絶対値に対するバルブ２の開度のゲイン｜Ｇ_V｜を小さくするようにしてもよい。また、このときには制御装置３により、開度検出器２ｆで検出されるバルブ２の開度を一定に保つように制御するようにしてもよい。これらにより被排気室４内の圧力をより精度よく、また高速に制御することが可能になる。

また、上述した真空ポンプ１のロータ２０の共振が誘発されることによる問題を解決して、制御装置３による被排気室４の内部の圧力を所望の圧力となるように真空排気して制御する方法について説明する。制御装置３において、回転速度検出器１ａで検出されたロータ２０の回転速度とロータ２０の固有振動数ω₁、ω₂とを比較し、圧力計５で測定された圧力測定値が圧力目標値と一致するときに、ロータ２０の回転速度と固有振動数ω₁、ω₂が一致する場合や、その差の絶対値が所定値以下である場合には、制御装置３はバルブ２の開度を変更するように開度変更指令信号をバルブ用モータ２ｄに送信してバルブ２の開度を所定分変更する。そして、圧力目標値と圧力計５で測定された圧力測定値との差の値に対応した値の駆動信号をポンプ用モータ３２に送信してロータ２０の回転速度を調整して、圧力測定値が圧力目標値と一致するように制御する。

このように本実施の形態では、制御装置３により、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より大きいときには、バルブ２の開度を調整し、被排気室４の内部の圧力と目標値との差の絶対値が所定値より小さいときには、真空ポンプ１のロータ２０の回転速度を調整するようにしたので、バルブ２の開度を変化させることにより生じる問題、および、ロータ２０の回転速度を変化させることにより生じる問題を回避することができ、被排気室４内の圧力を、高精度、かつ、短時間内すなわち高速に、所望の圧力となるように制御することが可能になる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、弁体２ｃをバルブ用モータ２ｄにより揺動させて開口部２eと重なる所望の位置に配置して、開口部２eの開口面積を調整することにより、開度を調整するバルブ２を用いる例について説明したが、バルブの機構はこれに限定されず、ガスの流路を開閉する機構であればよく、例えばバタフライ型、フラップ型等のバルブを用いることも可能である。また、バルブ用モータ２ｄや歯車、ベルトなどに代えて、コンプレッサなどで発生させた加圧空気を用いて弁体２ｃを駆動するバルブを用いることも可能である。

また、本発明では、圧力目標値と圧力測定値との差の絶対値が所定値よりも大きいか小さいかで被排気室４内の圧力の制御の方法を変更するが、この所定値は、例えば半導体製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置、微細加工装置等どのような種類の真空装置Ｄに真空排気装置１０を用いるか、どのような条件、状況で真空排気装置１０を用いるか、真空ポンプ１、バルブ２の機構、種類などによって適宜決定される。
また、この所定値は、ロータ２０の回転中に、バルブ２の開度や、被排気室４の内部に導入され真空ポンプ１が排気するプロセスガスの種類や量などに応じて、適宜変更しても良い。この場合には、制御装置３の記憶部に、予め複数の所定値を記憶させておき、これらに応じて、適宜、所定値を選択したり、演算したりして所定値を変更しても良い。

１０ 真空排気装置
１ 真空ポンプ
１ａ 回転速度検出器
１１ａ 吸気口
１３ ケーシング
３２ ポンプ用モータ
３３ 半径方向磁気軸受
３４ 軸方向磁気軸受
２０ ロータ
２ バルブ
２ｃ 弁体
２ｄ バルブ用モータ
２ｅ 開口部
２ｆ 開度検出器
３ 制御装置
４ 被排気室
５ 圧力計
Ｄ 真空装置

Claims (12)

1. 回転することによって被排気室の内部を排気するロータと、吸気口を有するケーシングとを備えた真空ポンプと、
   前記真空ポンプの前記吸気口と前記被排気室の排気口の間に配置されたバルブと、
   前記被排気室の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置とを備えた真空排気装置であって、
   前記制御装置は、前記目標値と前記圧力の差の絶対値が所定値より大きいときには、前記バルブの開度を調整し、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記ロータの回転速度を調整することにより、前記圧力を制御することを特徴とする真空排気装置。
2. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記ロータの回転速度が一定となるように、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記バルブの開度が一定となるように制御する請求項１に記載の真空排気装置。
3. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、下記式（１）で表される伝達関数Ｇ_Vのゲインを大きくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、下記式（２）で表される伝達関数Ｇ_Mのゲインを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
   Ｇ_V＝Ｏ_V／δ_P ・・・（１）
   Ｇ_M＝Ω_M／δ_P ・・・（２）
   ただし、上記式（１）において、Ｏ_Vは、前記バルブの開度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（２）において、Ω_Mは、前記ロータの回転速度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（１）および（２）において、δ_Pは、前記差の初期値を０としたラプラス変換である。
4. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記伝達関数Ｇ_Mのゲインを小さくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記伝達関数Ｇ_Vのゲインを小さくすることを特徴とする請求項３に記載の真空排気装置。
5. 前記真空ポンプは前記ロータを浮上支持する磁気軸受を備え、
   前記制御装置は、前記圧力が前記目標値と一致するときに、前記ロータの回転速度が前記ロータの変位の固有振動数に一致する場合、もしくは該回転速度と該固有振動数の差の絶対値が所定値以下である場合には、前記バルブの開度を変更し、再度、前記圧力が前記目標値と一致するように、前記ロータの回転速度を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の真空排気装置。
6. 前記所定値は、前記ロータの回転中に、前記バルブの開度、前記被排気室の内部に導入され前記真空ポンプによって排気されるガスの種類および量のいずれか少なくとも一つに応じて、変更されることを特徴とする請求項１に記載の真空排気装置。
7. バルブと、
   被排気室の内部の圧力を目標値と一致するように制御する制御装置とを備えた真空排気装置に用いられる真空ポンプであって、
   回転することによって前記被排気室の内部を排気するロータと、前記バルブを前記被排気室の排気口との間に配置させる吸気口を有するケーシングとを備え、
   前記制御装置は、前記目標値と前記圧力の差の絶対値が所定値より大きいときには、前記バルブの開度を調整し、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記ロータの回転速度を調整することにより、前記圧力を制御することを特徴とする真空ポンプ。
8. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記ロータの回転速度が一定となるように、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記バルブの開度が一定となるように制御する請求項７に記載の真空ポンプ。
9. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、下記式（１）で表される伝達関数Ｇ_Vのゲインを大きくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、下記式（２）で表される伝達関数Ｇ_Mのゲインを大きくすることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプ。
   Ｇ_V＝Ｏ_V／δ_P ・・・（１）
   Ｇ_M＝Ω_M／δ_P ・・・（２）
   ただし、上記式（１）において、Ｏ_Vは、前記バルブの開度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（２）において、Ω_Mは、前記ロータの回転速度の初期値を０としたラプラス変換であり、上記式（１）および（２）において、δ_Pは、前記差の初期値を０としたラプラス変換である。
10. 前記制御装置は、前記差の絶対値が前記所定値より大きいときには、前記伝達関数Ｇ_Mのゲインを小さくし、前記差の絶対値が前記所定値より小さいときには、前記伝達関数Ｇ_Vのゲインを小さくすることを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
11. 前記ロータを浮上支持する磁気軸受を備え、
    前記制御装置は、前記圧力が前記目標値と一致するときに、前記ロータの回転速度が前記ロータの変位の固有振動数に一致する場合、もしくは該回転速度と該固有振動数の差の絶対値が所定値以下である場合には、前記バルブの開度を変更し、再度、前記圧力が前記目標値と一致するように、前記ロータの回転速度を制御することを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
12. 前記所定値は、前記ロータの回転中に、前記バルブの開度、前記被排気室の内部に導入され前記真空ポンプによって排気されるガスの種類および量のいずれか少なくとも一つに応じて、変更されることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプ。

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