JP6828446B2 - バルブ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、開度調整可能な真空バルブのバルブ制御装置に関する。

ＣＶＤ装置等の真空処理装置では、通常、処理プロセスの段階（例えば、プロセス中やプロセス前後）に応じてチャンバ内圧力が異なる。そのため、このような真空処理装置においては、真空チャンバと真空ポンプとの間に開度調整可能な真空バルブを設けて、圧力の調整を行っている。そのようなバルブの例としては、特許文献１に記載のようなものが知られている。

一般的に、このような真空バルブでは、チャンバ内の圧力を所望の設定圧力へ制御するために、設定圧力と現在圧力との圧力偏差を算出し、その圧力偏差のフィードバックをバルブ開度に加えるような制御が行われている。

特許第４６３０９９４号明細書

しかしながら、同一パラメータで圧力偏差フィードバックを行うと、異なる圧力制御領域において調圧時間が異なり、調圧性能が安定しないという問題があった。

本発明の好ましい実施形態によるバルブ制御装置は、真空バルブが接続されたチャンバの圧力計測値と前記チャンバの圧力目標値と前記真空バルブの開度計測値が入力され、前記圧力計測値と前記圧力目標値との偏差に基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置において、前記真空バルブの開度と前記真空バルブを含む系のコンダクタンスとの相関が記憶されている記憶部と、前記入力された開度計測値における前記コンダクタンスの開度変化に対する変化率を前記相関に基づいて求め、その変化率の逆数を補正ゲインとして設定する補正ゲイン設定部と、を備え、前記偏差と前記補正ゲインとに基づいて前記真空バルブの開度を制御する。
本発明の好ましい実施形態によるバルブ制御装置は、真空バルブが接続されたチャンバの圧力計測値と前記チャンバの圧力目標値と前記真空バルブの開度計測値が入力され、前記圧力計測値と前記圧力目標値との偏差に基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置において、前記真空バルブの開度と前記真空バルブを含む系のコンダクタンスとの相関が記憶されている記憶部と、前記入力された開度計測値における前記コンダクタンスの開度変化に対する変化率を前記相関に基づいて求め、その変化率の逆数と前記圧力計測値の逆数と前記開度計測値における前記コンダクタンスとの積を補正ゲインとして設定する補正ゲイン設定部と、を備え、前記偏差と前記補正ゲインとに基づいて前記真空バルブの開度を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記補正ゲイン設定部は、所定の開度範囲では前記補正ゲインを設定し、前記開度範囲の上限を超える開度においては、前記補正ゲインにおける前記変化率の逆数と前記コンダクタンスとの積を第１の定数値で置き換え、前記開度範囲の下限を下回る開度においては、前記補正ゲインにおける前記変化率の逆数と前記コンダクタンスとの積を第２の定数値で置き換える。
さらに好ましい実施形態では、前記コンダクタンスは、前記真空バルブ、前記真空バルブが装着されるチャンバおよび前記真空バルブに装着される真空ポンプを含む系のコンダクタンスである。
さらに好ましい実施形態では、前記記憶部には、異なるガス流量毎の前記相関が複数記憶されており、前記補正ゲイン設定部は、前記系に流れているガス流量に基づいて前記記憶部に記憶されている複数の相関から一つの相関を選択し、選択された相関に基づいて前記補正ゲインを設定する。

本発明によれば、真空バルブによる調圧の性能向上を図ることができる。

図１は、バルブ制御装置を説明するブロック図である。 図２は、真空バルブの一例を示す平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す図である。 図４は、バルブ開度制御の一例を示す制御ブロック図である。 図５は、コンダクタンスＳの一例を示す図である 図６は、補正ゲインＧを用いない調圧動作における、圧力計測値Ｐｒ、圧力目標値Ｐｓおよび開度計測値θｒの時間変化を示す図である。 図７は、補正ゲインＧを用いた場合の調圧動作における、圧力計測値Ｐｒ、圧力目標値Ｐｓおよび開度計測値θｒの時間変化を示す図である。 図８は、開度θに対するＳ／（ｄＳ／ｄθ）の変化を示す図である。

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は本発明に係るバルブ制御装置を説明するブロック図である。図１において、真空チャンバ３、真空バルブ１および真空ポンプ４は、真空システムを構成している。真空バルブ１はバルブコントローラ２によって駆動制御される。真空バルブ１に設けられたバルブプレート（弁体）１２は、モータ１３によって開閉駆動される。モータ１３にはバルブプレート１２の開度を検出するためのエンコーダ１３０が設けられている。エンコーダ１３０の検出信号（以下では開度計測値θｒと記す）は、バルブコントローラ２に入力される。

真空チャンバ３には、流量コントローラ３２を介してプロセスガス等のガスが導入される。流量コントローラ３２からはガス流量Ｑ［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］のデータが出力される。ガス流量Ｑのデータはバルブコントローラ２に入力される。真空チャンバ３の圧力は、真空計３１によって計測される。その圧力計測値Ｐｒ［Ｐａ］はバルブコントローラ２に入力される。

真空バルブ１を制御するバルブコントローラ２は、開度設定部２１、モータドライバ部２２および記憶部２３を備えている。開度設定部２１は、圧力目標値Ｐｓ，入力された開度計測値θｒ，圧力計測値Ｐｒおよびガス流量Ｑに基づいて開度指令値θを設定する。なお、圧力目標値Ｐｓは、上位のコントローラ（例えば、真空システム全体を制御する制御装置）から入力される。モータドライバ部２２は、開度指令値θに基づいてモータ１３を駆動制御する。

図２は真空バルブ１の一例を示す図であり、真空バルブ１の平面図である。ハウジング１１内に設けられたバルブプレート１２は、モータ１３により揺動駆動される。ハウジング１１の表側および裏側にはフランジ１１０ａ，１１０ｂ（図３参照）が設けられている。バルブプレート１２は、バルブ開口部１１１の全体に対向する全遮蔽位置Ｃ２と、バルブ開口部１１１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１２によるバルブ開口部１１１の遮蔽状態は、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）：（全遮蔽状態からバルブ開口部１１１が全て解放されるまでの揺動角）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１２の開度を調整することにより、真空バルブ１のコンダクタンスを制御する。

図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す図である。ハウジング１１には上下に移動可能なシールリング１４が設けられている。なお、シールリング１４の駆動機構は図示を省略した。図３は、シールリング１４が最も上方位置に移動された状態を示しており、破線で示すようなガス流路が形成されている。真空バルブ１を閉状態とする場合には、シールリング１４を下方に移動させてガス流路を完全に遮蔽する。

図４は、バルブコントローラ２で行われるバルブ開度制御の一例を示す制御ブロック図である。開度設定部２１は、圧力計測値Ｐｒと圧力目標値Ｐｓとの差分である圧力偏差ΔＰ（＝Ｐｒ−Ｐｓ）を算出する。Ｋｐは、圧力偏差ΔＰに対する比例ゲインである。さらに、本実施の形態では、以下に説明するように補正ゲインＧを導入する。そして、開度設定部２１は、エンコーダ１３０で計測された開度計測値θｒにΔＰ・Ｋｐ・Ｇを加算した開度指令値θをモータドライバ部２２に出力する。モータドライバ部２２は、開度指令値θに基づいて真空バルブ１のバルブプレート１２を駆動する。なお、本実施の形態では比例ゲインの場合を例に説明するが、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。

図４における補正ゲインＧは、式（１）に示す排気の式に基づいて設定される。式（１）において、Ｓ(Ｑ，θ)は、真空チャンバ３，真空バルブ１および真空ポンプを含む真空システムのコンダクタンスＳであって、真空ポンプの排気速度Ｓeと真空バルブ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／Ｓe）＋（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だけでなくガスの流量Ｑにも依存している。Ｖ［ｍ^３］はチャンバの容積であり、Ｐ［Ｐａ］は真空チャンバ３内の圧力である。
Ｑ＝Ｖ・（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｐ・Ｓ(Ｑ，θ) …（１）

本実施の形態では、式（１）から、この真空システムにおける、開度θの変化ｄθと圧力の変化ｄＰを求める。ここで、流量変化ｄＱ／ｄｔがゼロであるとして式（１）を、以下のように変形する。
式（１）の両辺を時間微分すると、
ｄＱ／ｄｔ＝Ｖ・（ｄＰ^２／ｄｔ^２）
＋（ｄＰ／ｄｔ）・Ｓ（Ｑ，θ）＋Ｐ・（ｄＳ／ｄｔ）
２次微分の項は無視し、ｄＱ／ｄｔ＝０とすると、
（ｄＰ／ｄｔ）・Ｓ＋Ｐ・（ｄＳ／ｄθ）（ｄθ／ｄｔ）＝０
ｄθ＝−｛（１／Ｐ）・Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）｝・ｄＰ …（２）

式（２）はｄθ＝−Ｇ・ｄＰのような式となっており、圧力変化ｄＰに対する開度変化ｄθは−Ｇ・ｄＰとなることを示している。マイナス符号が付いているのは、開度θが増加すると、圧力Ｐは減少するためである。一方、図４における圧力偏差ΔＰはΔＰ＝Ｐｒ−Ｐｓのように定義されているので、ΔＰ＞０（Ｐｒ＞Ｐｓ）に対する開度操作は開度θを増加させる操作となる。逆に、ΔＰ＜０（Ｐｒ＜Ｐｓ）に対する開度操作は、開度θを減少させる操作となる。そのため、圧力偏差ΔＰに対する補正ゲインＧは次式（３）のように設定される。
Ｇ＝（１／Ｐ）・Ｓ／（ｄＳ／ｄθ） …（３）

図５は、コンダクタンスＳの一例を示す図である。図５では、３種類のガス流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に対する各コンダクタンスＳ１，Ｓ２，Ｓ３を示している。符号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３で示す各ラインは、開度θと系のコンダクタンスとの相関を示している。図１に示した記憶部２３には、複数の流量のそれぞれに関するコンダクタンスＳ(θ)が記憶されている。もちろん、二次元のマップＳ(Ｑ，θ)を用いても構わない。この場合、図５に示すコンダクタンスＳ１は、マップＳ（Ｑ，θ）の１行分（ガス流量Ｑ１）のデータＳ（Ｑ１，θ）に対応している。

開度変化に対するコンダクタンスＳの変化率ｄＳ／ｄθは、コンダクタンスＳのラインの接線の傾きを表す。図５から分かるように、コンダクタンスＳの変化率ｄＳ／ｄθは開度θの大きさによって異なる。例えば、コンダクタンスＳ２において、θ＝２５％における接線の傾き（ｄＳ／ｄθ）は、θ＝４０％における接線の傾き（ｄＳ／ｄθ）よりも大きい。このことは、開度の変化に対するコンダクタンスの変化の度合いが、θ＝４０％の場合よりもθ＝２５％の場合の方が大きいことを意味している。すなわち、同一のコンダクタンス変化に対する開度制御量は、θ＝４０％の場合よりもθ＝２５％の場合の方が小さくても良いことが分かる。よって、同一の圧力偏差ΔＰに対する開度制御量は、θ＝４０％の場合よりもθ＝２５％の場合の方が小さい。

補正ゲインＧにおいては、上述した開度制御量に対する変化率ｄＳ／ｄθの影響が、１／（ｄＳ／ｄθ）という形で含まれている。また、補正ゲインＧにおける（１／Ｐ）は、圧力Ｐが低くなるほど補正ゲインＧが大きくなるように寄与している。すなわち、より低圧な領域ほど、圧力偏差ΔＰに対する開度制御量が大きくなる。補正ゲインＧにおけるＳは、コンダクタンスＳが大きい場合ほど、圧力偏差ΔＰに対する開度制御量を大きくするように寄与している。すなわち、開度θが大きい場合ほど開度制御量が大きくなる。

なお、本実施の形態では、式（３）のように補正ゲインＧを、（１／Ｐ）、Ｓおよび１／（ｄＳ／ｄθ）の積としたが、必ずしもこれに限定しない。例えば、補正ゲインＧとして１／（ｄＳ／ｄθ）を用いても良い。

図６，７は、調圧動作を行ったときの圧力計測値Ｐｒ、圧力目標値Ｐｓおよび開度計測値θｒの時間変化を示す図である。図６は、補正ゲインＧを採用せずに比例制御Ｋｐでバルブ制御を行った場合の調圧状況を示す図である。一方、図７は、Ｋｐに加えて補正ゲインＧを用いた場合の調圧状況を示す。いずれの場合も、流量一定で圧力目標値Ｐｓを１３．３Ｐａから６．６５Ｐａに変更した場合（ａ）と、流量一定で圧力目標値Ｐｓを６．６５Ｐａから１．３３Ｐａに変更した場合（ｂ）とを示す。

まず、圧力目標値Ｐｓを１３．３Ｐａから６．６５Ｐａに変更した場合を比較する。この場合、設定変更から圧力計測値Ｐｒが６．６５Ｐａに落ち着くまでの時間を比較すると、図６（ａ）では約３秒、図７（ａ）では約２．５秒である。

一方、より低い圧力領域で圧力目標値Ｐｓを６．６５Ｐａから１．３３Ｐａに変更した場合、図７（ｂ）では約１．５秒で圧力計測値Ｐｒが１．３３Ｐａになるが、図６（ｂ）の場合には、８秒経過しても１．３３Ｐａとならない。明らかに、補正ゲインＧを用いたことにより、調圧性能が向上していることが分かる。

図８は、開度θに対するＳ／（ｄＳ／ｄθ）の変化を示す図であり、横軸は開度θであり、縦軸はＳ／（ｄＳ／ｄθ）である。図８に示すように、所定の開度θ１を境に、θ＜θ１では開度θの増加に伴ってＳ／（ｄＳ／ｄθ）は減少し、θ＞θ１では開度θの増加に伴ってＳ／（ｄＳ／ｄθ）は増加する。

図２に示した真空バルブ１では、バルブプレート１２を揺動駆動して開度θを調整することで、バルブコンダクタンスを調整する。その場合、図３に示すようにシールリング１４が上方に移動されているので、開度θ＝０％の場合でも、破線で示すようにバルブプレート１２の周辺部を回り込むようにガスが流れることになる。すなわち、θ＝０であってもバルブコンダクタンスＣはＣ＞０となっている。そのため、開度θが非常に小さい領域では上述したガスの回り込みによるコンダクタンスが支配的になる。一方、開度θが大きい場合には、バルブコンダクタンスＣはバルブ開口部１１１の開放面積の大小が支配的になる。

そのため、図５からも分かるように、コンダクタンス曲線の傾き（ｄＳ／ｄθ）の変化の状況が、θ＝７〜８％付近を境に、左側と右側とで異なっている。右側の領域では開度θの増加と共に傾きが徐々に小さくなり、左側の領域では開度θの減少と共に傾きが徐々に小さくなっている。そのため、Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）は、図８に示すような変化を示す。図８の開度θ１は、そのような２つの領域の境界を示している。なお、開度θ１の値は、真空バルブ１のバルブコンダクタンスＣに基づいて設定される。

また、図５に示すように、開度θが大きい領域（例えば、４０％以上）では、開度θの変化（すなわち、バルブ開口部１１１の開放面積の変化）の度合いに比べて、コンダクタンスＳの変化の度合いは非常に小さい。すなわち、この開度領域では、真空システムのコンダクタンスＳは真空ポンプ４の排気速度Ｓｅが支配的となる。上述したように、真空システムのコンダクタンスＳは「（１／Ｓ）＝（１／Ｓe）＋（１／Ｃ）」のように表されるので、バルブコンダクタンスＣを大きくしても排気速度Ｓｅを超えることはない。

このようなことから、ガスの回り込みによるコンダクタンスが支配的になる開度領域（θ＜θ１）および排気速度Ｓｅが支配的な開度領域（θ＞θ２）では、コンダクタンスＳにおける開度依存性が小さくなるので、式（３）で表される補正ゲインＧを採用した場合に制御安定性を損なうおそれがある。そこで、これらの開度領域では、Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）を定数に設定する。すなわち、開度領域θ１≦θ≦θ２では、補正ゲインＧを式（３）で算出される補正ゲインＧとし、θ＜θ１の開度領域およびθ＞θ２の開度領域では、Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）の項を定数に置き換える。なお、開度θ２は、排気速度Ｓｅが支配的な開度領域との境界における開度である。

図８に示す例では、θ１≦θ≦θ２におけるＳ／（ｄＳ／ｄθ）のラインと連続するように定数ｇ１，ｇ２を設定した。

上述した実施の形態では、バルブコントローラ２は、真空バルブ１が接続された真空チャンバ３の圧力計測値Ｐｒと真空チャンバ３の圧力目標値Ｐｓと真空バルブ１の開度計測値θｒが入力され、圧力計測値Ｐｒと圧力目標値Ｐｓとの偏差に基づいて真空バルブ１の開度θを制御する。また、記憶部２３には、真空バルブ１の開度θと真空バルブ１を含む系のコンダクタンスＳとの相関Ｓ（θ）が記憶される。そして、開度設定部２１は、入力された開度計測値θｒにおけるコンダクタンスＳの開度変化に対する変化率（ｄＳ／ｄθ）を相関Ｓ（θ）に基づいて求め、その変化率の逆数を補正ゲインＧとして設定する。真空バルブ１の開度θは、前記偏差と補正ゲインＧとに基づいて制御される。

このような系のコンダクタンスＳに基づく補正ゲインＧを用いることにより、圧力偏差に対する開度変化量をより正確に設定することができ、真空チャンバ３の圧力をより素早く圧力目標値Ｐｓへと変化させることができる。

なお、補正ゲインＧとして、変化率（ｄＳ／ｄθ）の逆数と圧力計測値Ｐｒの逆数と開度計測値θｒにおけるコンダクタンスＳとの積、すなわち、（１／Ｐ）・Ｓ／（ｄＳ／ｄθ）を補正ゲインＧとして設定するのがより好ましい。

コンダクタンスＳとしては、真空バルブ１のコンダクタンスや、真空バルブ１と真空ポンプ４とを含む系のコンダクタンスを用いても良いが、好ましくは、真空バルブ１、真空チャンバ３および真空ポンプ４を含む系のコンダクタンスを用いるのが良い。それにより、補正ゲインＧをより正確に設定することができる。

また、図８に示すように、所定の開度範囲（θ１≦θ≦θ２）では補正ゲインＧとして式（３）で表されるものを使用し、開度範囲の上限θ２を超える開度θ（＞θ２）においてはＳ／（ｄＳ／ｄθ）を定数値ｇ２で置き換え、開度範囲の下限θ１を下回る開度θ（＜θ１）においてはＳ／（ｄＳ／ｄθ）を定数値ｇ１で置き換えるようにしても良い。このように設定することで、θ＜θ１およびθ＞θ２の領域における制御安定性が向上する。

さらに、記憶部２３には、図５に示すような複数のガス流量毎の相関（コンダクタンスＳのライン）が記憶され、系に流れているガス流量Ｑに基づいて複数の相関から一つの相関を選択し、選択された相関に基づいて補正ゲインを設定するようにしても良い。ガス流量によらない代表的なコンダクタンスＳ（θ）により補正ゲインＧを設定しても良いが、このようにガス流量毎にそれぞれに対応したコンダクタンスＳ（Ｑ，θ）を使用することにより、開度制御の精度をより高めることができる。なお、図１ではガス流量Ｑの計測値がバルブコントローラ２に入力される構成としたが、上述した式（１）を用いてガス流量Ｑを推定するようにしても良い。

なお、図１に示す例では、上述した開度制御を行うバルブコントローラ２を単独で設けたが、真空バルブ１と一体に設けても良いし、真空ポンプ４のコントローラや真空装置のメインコントローラにバルブコントローラ２を組み込むような構成としても良い。

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…真空バルブ、２…バルブコントローラ、３…真空チャンバ、４…真空ポンプ、１２…バルブプレート、２１…開度設定値、２２…モータドライバ部、２３…記憶部、３１…真空計、３２…流量コントローラ、１３０…エンコーダ、Ｇ…補正ゲイン

Claims (5)

1. 真空バルブが接続されたチャンバの圧力計測値と前記チャンバの圧力目標値と前記真空バルブの開度計測値が入力され、前記圧力計測値と前記圧力目標値との偏差に基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置において、
   前記真空バルブの開度と前記真空バルブを含む系のコンダクタンスとの相関が記憶されている記憶部と、
   前記入力された開度計測値における前記コンダクタンスの開度変化に対する変化率を前記相関に基づいて求め、その変化率の逆数を補正ゲインとして設定する補正ゲイン設定部と、を備え、
   前記偏差と前記補正ゲインとに基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置。
2. 真空バルブが接続されたチャンバの圧力計測値と前記チャンバの圧力目標値と前記真空バルブの開度計測値が入力され、前記圧力計測値と前記圧力目標値との偏差に基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置において、
   前記真空バルブの開度と前記真空バルブを含む系のコンダクタンスとの相関が記憶されている記憶部と、
   前記入力された開度計測値における前記コンダクタンスの開度変化に対する変化率を前記相関に基づいて求め、その変化率の逆数と前記圧力計測値の逆数と前記開度計測値における前記コンダクタンスとの積を補正ゲインとして設定する補正ゲイン設定部と、を備え、
   前記偏差と前記補正ゲインとに基づいて前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置。
3. 請求項２に記載のバルブ制御装置において、
   前記補正ゲイン設定部は、
   所定の開度範囲では前記補正ゲインを設定し、
   前記開度範囲の上限を超える開度においては、前記補正ゲインにおける前記変化率の逆数と前記コンダクタンスとの積を第１の定数値で置き換え、
   前記開度範囲の下限を下回る開度においては、前記補正ゲインにおける前記変化率の逆数と前記コンダクタンスとの積を第２の定数値で置き換える、バルブ制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバルブ制御装置において、
   前記コンダクタンスは、前記真空バルブ、前記真空バルブが装着されるチャンバおよび前記真空バルブに装着される真空ポンプを含む系のコンダクタンスである、バルブ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバルブ制御装置において、
   前記記憶部には、異なるガス流量毎の前記相関が複数記憶されており、
   前記補正ゲイン設定部は、前記系に流れているガス流量に基づいて前記記憶部に記憶されている複数の相関から一つの相関を選択し、選択された相関に基づいて前記補正ゲインを設定する、バルブ制御装置。

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