JP6769329B2 - 自動圧力調整バルブおよびバルブ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動圧力調整バルブおよびバルブ制御装置に関する。

半導体やフラットパネルディスプレイ等の製造装置では、チャンバ内圧力を所定圧力に自動調整する自動圧力調整バルブが使用される（例えば、特許文献１参照）。そのような真空バルブの一つとして、特許文献１に記載のような振り子式のスライドバルブが知られている。自動圧力調整バルブの制御装置には、上記所定圧力である圧力目標値とチャンバ内圧力の計測値とが入力され、それらの差がゼロとなるように自動圧力調整バルブのバルブ開度が調整される。

特開２０１４−２０７３５３号公報

ところで、調圧時のモータ加速および減速に伴ってノイズが発生する。そのため、そのノイズがアナログ信号である圧力計測信号に重畳し、圧力計測値のＳ／Ｎ悪化を招くという課題があった。

本発明の好ましい実施形態による自動圧力調整バルブは、弁体と、前記弁体を駆動するモータと、前記弁体を弁体目標位置に駆動するためのモータ電流指令値を生成する電流指令生成部と、を備え、前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を連続的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する。
さらに好ましい実施形態では、前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を正弦波的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する。
本発明の好ましい実施形態によるバルブ制御装置は、圧力計測値および圧力目標値に基
づいて、圧力調整バルブに設けられた弁体駆動モータのモータ電流指令値を生成する電流指令生成部を備え、前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を連続的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する。

本発明によれば、モータ駆動時のノイズ発生を低減することができる。

図１は、自動調圧バルブおよび真空ポンプが取り付けられた真空装置の模式図である。 図２は、自動調圧バルブの平面図である。 図３は、バルブ制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 図４は、従来のモータ制御の一例を示す図である。 図５は、本実施の形態におけるモータ制御を示す図である。 図６は、本実施の形態におけるモータ制御の他の例を示す図である。 図７は、モータ制御の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態における自動調圧バルブ１を備える真空システムの概略構成を示す図である。真空ポンプ３のポンプ本体３ａは、自動調圧バルブ１を介して真空装置のチャンバ２に取り付けられる。ポンプ本体３ａはポンプコントローラ３ｂによって駆動制御される。自動調圧バルブ１は、弁体であるバルブプレート１１と、バルブプレート１１を揺動駆動するモータ１２と、自動調圧バルブ１の動作を制御するバルブ制御装置１３を備えている。

なお、図１に示す例では、バルブ制御装置１３とポンプコントローラ３ｂとが個別に構成されているが、ポンプコントローラ３ｂ内にバルブ制御装置１３を内蔵する構成としても良い。

チャンバ２内の圧力は、真空計２１によって計測される。図１に示す例では、真空計２１による圧力計測値Ｐｒが真空計２１からバルブ制御装置１３へと直接入力されているが、上位コントローラである真空システムのコントローラを介して入力されるような構成でも良い。

図２は、自動調圧バルブ１をチャンバ２側から見た平面図である。バルブプレート１１が収納される筐体であるバルブボディ１４には、チャンバ２との接続が行われるフランジ１４ａが形成されている。バルブプレート１１をモータ１２により揺動駆動すると、バルブプレート１１がスライド駆動されてバルブ開閉動作が行われる。バルブプレート１１は、フランジ１４ａの開口全体に対向する全遮蔽位置Ｃ２と、フランジ開口に全く対向しない全開放位置Ｃ１との間の任意の位置にスライド移動させることができる。

バルブプレート１１の開閉位置は、開度と呼ばれるパラメータで表される。開度とは、比＝（バルブプレートの揺動角）：（全開放位置Ｃ１から全遮蔽位置Ｃ２までの揺動角）をパーセントで表したものである。図２の全遮蔽位置Ｃ２は開度＝０％であり、全開放位置Ｃ１は開度＝１００％である。すなわち、バルブプレート１１の開度を調整することにより、自動調圧バルブ１のコンダクタンスを制御する。

図３は、バルブ制御装置１３の構成の一例を示すブロック図である。バルブ制御装置１３は、電流センサ１３１、インバータ１３２、ＰＷＭ信号生成部１３３、ｄｑ−αβ変換部１３４、Ａ／Ｄ変換部１３０，１３５、電流指令生成部１３６を備えている。モータ１２は、エンコーダ１２１としてマグネットによる絶対値エンコーダを有している。エンコーダ１２１によって検出されたモータ回転位置θｍは、電流指令生成部１３６に入力される。バルブ制御装置１３は、モータ１２の磁極位置を検出することで、回転方向の動作であるｑ軸と保持する方向のｄ軸とを、それぞれ分けて制御することができる。

電流指令生成部１３６には、上位コントローラ（真空システムのコントローラ）からチャンバ２の圧力目標値Ｐｓが入力されるとともに、真空計２１で検出された圧力計測値Ｐｒが入力される。アナログ信号である圧力計測値Ｐｒは、Ａ／Ｄ変換部１３０によってデジタル信号に変換された後に電流指令生成部１３６に入力される。電流指令生成部１３６は、入力された圧力目標値Ｐｓ、モータ回転位置θｍおよび圧力計測値Ｐｒに基づいて、圧力目標値Ｐｓを達成するための目標開度に相当するモータ回転目標位置θｍｓを演算する。そして、そのモータ回転目標位置θｍｓまでモータ１２を回転駆動するためのトルク電流指令値Ｉｑおよび界磁電流指令値Ｉｄを算出する。

トルク電流指令値Ｉｑおよび界磁電流指令値Ｉｄはｄｑ−αβ変換部１３４に入力され、ｄｑ−αβ変換部１３４によって２相電流指令値Ｉα，Ｉβに変換される。電流センサ１３１により検出された２相電流Ｉαr、Ｉβrは、ＰＷＭ信号生成部１３３にフィードバック入力される。ＰＷＭ信号生成部１３３は、２相電流Ｉαr、Ｉβrとｄｑ−αβ変換部１３４から入力された２相電流指令値Ｉα，Ｉβとに基づいて、インバータ１３２の各スイッチング素子をスイッチングするためのＰＷＭスイッチング信号を生成する。インバータ１３２は、ＰＷＭ信号生成部１３３からのＰＷＭスイッチング信号に基づいてスイッチング動作を行い、モータ１２に電流指令値Ｉｑ，Ｉｄに応じた電流を通電させる。

例えば、チャンバ内に搬入された基板に対してプラズマを用いた処理を行う場合、チャンバ内を所定の処理圧力（上述した圧力目標値Ｐｓ）に保持して処理が行われる。その際に、チャンバ内圧力（すなわち、圧力計測値Ｐｒ）が変化すると、自動調圧バルブ１は、バルブ開度を調節して圧力計測値Ｐｒが圧力目標値Ｐｓと等しくなるように自動調圧動作を行う。例えば、プラズマが発生した際には圧力が若干増加するので、バルブ開度を若干大きくする方向に自動調圧が行われる。

（モータ回転目標位置θｍｓの設定）
電流指令生成部１３６におけるモータ回転目標位置θｍｓの設定は、例えば以下のように行われる。まず、自動調圧バルブ１のバルブ開度θの変化ｄθとチャンバ２の圧力変化ｄＰとの関係は、次式（１）に示す排気の式に基づいて与えられる。
Ｑ＝Ｖ・（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｐ・Ｓ(Ｑ，θ) …（１）

式（１）において、Ｓ(Ｑ，θ)は、自動調圧バルブ１およびポンプ本体３ａから成る排気系のコンダクタンスＳである。コンダクタンスＳは、ポンプ本体３ａの排気速度Ｓpと自動調圧バルブ１のコンダクタンス（以下では、バルブコンダクタンスと呼ぶ））Ｃとを用いて、「（１／Ｓ）＝（１／Ｓp）＋（１／Ｃ）」のように表される。一般的に、コンダクタンスＳは、Ｓ(Ｑ，θ)のように開度θだけでなくチャンバ２に流入するガスの流量Ｑにも依存している。Ｖ［ｍ^３］はチャンバ２の容積であり、Ｐ［Ｐａ］はチャンバ２内の圧力である。

式（１）から、この真空システムにおける、平衡点近傍の開度θの変化ｄθと圧力の変化ｄＰの関係を求める。ここで、平衡点では流量一定、圧力変化率（＝dP/dt）が０であるので式（１）はＱ＝Ｐ・Ｓ(Ｑ，θ)となる。増分ｄＰとｄＳの関係はＱ＝（Ｐ＋ｄＰ）・（Ｓ＋ｄＳ）とＱ＝Ｐ・Ｓの差分より、０＝Ｐ・ｄＳ＋Ｓ・ｄＰ。一方、ｄＳ＝（ｄＳ／ｄθ）・ｄθであるから両式より、式（２）が求まる。
ｄθ＝−｛（１／Ｐ）・Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）｝・ｄＰ …（２）

電流指令生成部１３６は、圧力目標値Ｐｓに対する圧力計測値Ｐｒの偏差である圧力偏差ΔＰ（＝Ｐｒ−Ｐｓ）を解消する開度操作量Δθを算出する。このときの開度操作量Δθは、圧力偏差ΔＰを解消するための圧力変化（−ΔＰ）を発生させるものであり、式（２）の関係を用いると次式（３）のように表される。式（３）において、Ｋｐは圧力偏差ΔＰに対する比例ゲインである。
Δθ＝｛（１／Ｐ）・Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）｝・Ｋｐ・ΔＰ …（３）

例えば、Ｐｒ＞Ｐｓであった場合には、ΔＰ＞０なので、式（３）のΔθはΔθ＞０となる。すなわち、圧力が低下するように開度θを増加させる。なお、ここでは比例ゲインを用いる場合を例に説明したが、積分成分、微分成分、その他のフィードバック制御時にも適用することができる。

現在の開度をθｒとすると、目標開度θｓはθｓ＝θｒ＋Δθとなる。開度操作量Δθに対応するモータ回転位置変化量をΔθｍとすると、現在のモータ回転位置θｍｒに対してモータ回転目標位置θｍｓはθｍｓ＝θｍｒ＋Δθｍとなる。電流指令生成部１３６は、このモータ回転目標位置θｍｓに基づいて電流指令値Ｉｑ，Ｉｄを生成する。例えば、界磁電流指令値ＩｄをＩｄ＝０とし、後述する図５（ｃ）、図６（ｃ）のようにトルク電流指令値Ｉｑを設定する。

図４〜６は、調圧動作によってモータ回転位置θｍｒからモータ回転目標位置θｍｓへモータ１２を駆動する際の、モータ電流制御を説明する図である。図４は従来のモータ制御の一例を示す図であり、図５，６は本実施の形態におけるモータ制御を示す。なお、ここでは、界磁電流指令値ＩｄをＩｄ＝０に設定する場合について説明するが、界磁電流指令値Ｉｄの設定方法はこれに限らない。

図４において、（ａ）はモータ回転位置の変化を示し、（ｂ）はモータ回転速度を示し、（ｃ）はモータ回転加速度を示す。従来の一般的な制御では、モータ回転位置を変化させる場合、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように一定のモータ回転加速度で加速した後に、一定のモータ回転加速度（負の値）で減速し、モータ回転位置をθｍｒ（ｔ＝０）からθｍｓ（ｔ＝ｔ１）に変化させるようにしている。

モータ回転位置はモータ回転速度の積分で表されるので、図４（ａ）の実線で示すように変化する。なお、破線で示すラインは、モータ回転目標位置の変化を表しており、時刻ｔ０まではモータ回転目標位置はθｍｒであったが、時刻ｔ０では圧力計測値の変化によってモータ回転目標位置がθｍｓに変化している。モータ回転速度を図４（ｂ）のように変化させることにより、モータ回転位置は実線で示す曲線のように変化し、時刻ｔ１においてモータ回転位置は目標であるθｍｓに達する。このような制御により、チャンバ内圧力が圧力目標値Ｐｓに維持される。

一方、モータ回転加速度はモータ回転速度の微分で表されるので、図４（ｃ）に示すように時刻ｔ０から時刻ｔ２（＝（ｔ１−ｔ０）／２）までは一定の加速度α１とされ、ｔ２において加速度がα１から−α１へとステップ状に変化し、時刻ｔ２から時刻ｔ１までは一定の加速度−α１とされる。すなわち、モータ回転加速度は、時刻ｔ２において不連続に変化している。モータ回転加速度はモータ電流値（トルク電流値）に比例するので、トルク電流値も図４（ｃ）の場合と同じようにステップ状に変化し、時刻ｔ２において不連続に変化することになる。

図４（ｃ）の時刻ｔ２においてトルク電流値がＩｑ１から−Ｉｑ１へと不連続に変化すると、その際に発生する高周波ノイズが圧力計測値Ｐｒのアナログ信号に重畳し、圧力計測値ＰｒのＳ／Ｎを悪化させることになる。

そこで、本実施の形態では、時刻ｔ０から時刻ｔ１までトルク電流値が図５（ｃ）の実線で示すように連続的に変化するように、トルク電流指令値Ｉｑを生成するようにした、図５（ｃ）に示す例では、トルク電流値が時刻ｔ０のＩｑ１から直線的に減少して時刻ｔ１で−Ｉｑ１となるように、トルク電流指令値Ｉｑを生成するようにした。このようにトルク電流値を連続的に変化させることで、図４（ｃ）のように不連続に変化する場合に比べてノイズの発生が抑制される。その結果、ノイズの影響による圧力計測値ＰｒのＳ／Ｎ悪化を防止することができる。

なお、トルク電流値の変化を図５（ｃ）の実線で示すような直線とする代わりに、一点鎖線や二点鎖線で示すような曲線Ｌ１，Ｌ２のように変化させても良い。いずれの場合も、トルク電流値が連続的に変化するのでノイズの発生を低減することができる。

モータ回転速度はモータ回転加速度の積分で表されるので、図５（ｂ）に示すように、モータ回転加速度が０となる時刻ｔ２で頂点となる放物線で表される。また、モータ回転位置はモータ回転速度の積分で表されるので、図５（ａ）に示すように時間ｔに関する３次曲線で表される。

（Ｃ１）上述のように、電流指令生成部１３６は、図５（ｃ）や図６（ｃ）に示すように、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータ電流値（すなわち、トルク電流値）が連続的に変化するような電流指令値を生成するので、モータ駆動に伴うノイズの発生を低減することができる。その結果、アナログ信号である圧力計測値Ｐｒの信号へのノイズの重畳が低減され、Ｓ／Ｎ悪化を防止することができる。

図６は、モータ電流制御の他の例を示す図である。ここでは、図６（ｃ）に示すように時刻ｔ０から時刻ｔ１までのモータ回転加速度（すなわち、トルク電流値）が正弦波的に変化するように、トルク電流指令値Ｉｑを生成するようにした。

（Ｃ２）図６（ｃ）のように、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータ電流値が正弦波的に変化するようなモータ電流指令値を生成することにより、高周波成分のノイズが発生しにくい。さらにノイズが発生した場合も、発生するノイズの周波数は正弦波の周波数のｎ倍（ｎ＝１，２，３・・・）であるので、アナログ信号（圧力信号）にノイズが重畳した場合でもフィルタ（例えば、ノッチフィルタ）で容易に除去することができる。

（変形例）
図７は、図５に示したモータ制御の変形例を示す図であり、（ａ）はモータ回転速度の変化を示し、（ｂ）はモータ回転加速度の変化を示す。図５に示したモータ制御例では、図５（ｂ），（ｃ）に示すように加速→減速という制御を行ったが、図７に示す制御例では、加速→一定速度→減速という制御が行われる。時刻ｔ０から時刻ｔ２までは図５の場合と同様に一定加速度で加速を行うので、図５（ｂ）に示した場合と同様にモータ回転速度は放物線状に上昇する。その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３までは加速度をゼロとする。摩擦等の無い理想状態を仮定すると、時刻ｔ２〜ｔ３間におけるモータ回転速度は一定速度となる。さらに、時刻ｔ３から時刻ｔ１までは一定加速度（負の値）で減速を行う。その結果、モータ回転速度は放物線状に減少し、時刻ｔ１においてゼロとなる。

変形例においても、図７（ｂ）に示すようにモータ回転加速度は連続的に変化するので、図４（ｃ）に示すように不連続に変化する場合に比べてノイズの発生を低減することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…自動調圧バルブ、３…真空ポンプ、３ａ…ポンプ本体、３ｂ…ポンプコントローラ、１１…バルブプレート、１２…モータ、１３…バルブ制御装置、２１…真空計、１３６…電流指令生成部、Ｐｒ…圧力計測値、Ｐｓ…圧力目標値

Claims (3)

1. 弁体と、
   前記弁体を駆動するモータと、
   前記弁体を弁体目標位置に駆動するためのモータ電流指令値を生成する電流指令生成部と、を備える自動圧力調整バルブにおいて、
   前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を連続的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する、自動圧力調整バルブ。
2. 請求項１に記載の自動圧力調整バルブにおいて、
   前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を正弦波的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する、自動圧力調整バルブ。
3. 圧力計測値および圧力目標値に基づいて、圧力調整バルブに設けられた弁体駆動モータのモータ電流指令値を生成する電流指令生成部を備え、
   前記電流指令生成部は、弁体駆動時のモータ駆動開始からモータ駆動停止までのモータトルク電流値を連続的に変化させるようなモータ電流指令値を生成する、バルブ制御装置。

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