JP6834501B2 - 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。

このような真空バルブでは、バルブ開度を変えて真空バルブのコンダクタンスを変更することで、真空チャンバに対する実効排気速度を変えている。このように実効排気速度を調整することで、圧力制御を行っている。

特許第４６３０９９４号明細書

しかしながら、単にバルブ開度と真空バルブのコンダクタンスとの関係を用いて圧力制御する構成では、高精度な圧力制御は難しかった。

本発明の好ましい実施形態によるバルブ制御装置は、真空バルブを介して真空ポンプが接続されたチャンバの圧力計測値および圧力目標値に基づいて、前記真空バルブの開度を制御するバルブ制御装置であって、前記真空バルブの複数の開度および前記真空バルブを流れる複数のガス流量に関して、前記真空バルブおよび前記真空ポンプから成る排気系の実効排気速度と前記開度および前記ガス流量との相関が設定されている相関マップを記憶している記憶部と、前記圧力計測値、前記圧力目標値および前記相関マップに基づいて、前記真空バルブの開度を制御する制御部と、を備える
さらに好ましい実施形態では、前記相関マップおよび前記圧力計測値に基づいて前記チャンバに導入されるガスのガス流入量を推定する推定部を備え、前記制御部は、前記圧力計測値、前記圧力目標値、前記推定部で推定されたガス流入量および前記相関マップ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、前記相関マップの校正を指示する校正指令が入力される校正指令入力部と、前記圧力計測値に基づく前記排気系の実効排気速度である実効排気速度算出値を算出し、前記実効排気速度算出値に基づいて前記相関マップを校正する校正部と、を備え、前記制御部は、前記校正指令入力部に前記校正指令が入力されると、前記真空バルブを異なる複数の開度に順に変更させ、各開度における前記圧力計測値に基づく前記相関マップの修正を前記校正部に行わせる。
さらに好ましい実施形態では、前記真空ポンプはロータを回転駆動させてガスを排気するターボ分子ポンプであり、前記ターボ分子ポンプから前記ロータの回転速度が入力される入力部を備え、前記推定部は、前記排気系の実効排気速度を前記ロータの回転速度に応じて補正するための動的補正項、前記相関マップおよび前記圧力計測値に基づいて前記ガス流入量を推定する。

本発明によれば、バルブ開度制御による圧力制御をより高精度に行うことができる。

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１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、排気速度Ｓpと吸気口圧力Ｐとの定性的な関係を示す図である。 図５は、デフォルトＳマップの一例を示す図である。 図６は、チューニング動作を説明するフローチャートである。 図７は、図６の処理に続くチューニング動作の一例を説明するフローチャートである。 図８は、校正Ｓマップの一例を示す図である。 図９は、Ｓマップを用いたバルブ制御の一例を説明する図である。 図１０は、開度調整の過渡状況を説明する図である。 図１１は、低真空から高真空に調圧する場合のアンダーシュートを説明する図である。 図１２は、第２の実施の形態における真空システムの概略構成を示すブロック図である。

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。
−第１の実施の形態−
図１は本発明に係るバルブ制御装置の第１の実施の形態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。本実施の形態では、真空ポンプ４にはターボ分子ポンプを用いられ、背圧側にバックポンプ（不図示）が接続される。

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からはガス流入量Ｑin［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］のデータが出力され、真空システム側の上位のコントローラ（不図示）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、開度制御部２１、モータドライバ部２２、記憶部２３、入力操作部２４、校正部２５および表示部２６を備えている。開度制御部２１は、圧力目標値Ｐs，開度計測値θrおよび圧力計測値Ｐrに基づいて開度指令値θaを設定する。なお、圧力目標値Ｐsは、上位のコントローラから入力される。モータドライバ部２２は、開度指令値θaに基づいてモータ１３を駆動制御する。記憶部２３には、バルブ制御に関するソフトウェアやデータが記憶される。入力操作部２４を操作することにより、バルブコントローラ２に対して各種指令を入力することができる。表示部２６には、真空バルブ１の運転状態等が表示される。詳細は後述するが、校正部２５は実効排気速度に関する相関関係に関する校正処理を行う。

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。以下では、開度を、符号θを用いて表すことにする。

図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す図である。ハウジング１１には図示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。

ところで、真空バルブ１の開度を制御して真空チャンバ３の圧力を調整するためには、ガス流量と、開度θと、真空チャンバ３に対する排気系の排気速度（以下では、実効排気速度と呼ぶ）との関係を正確に把握しておく必要がある。一般に、実効排気速度Ｓは次式（１）で表される。式（１）において、Ｓpは真空ポンプ４の排気速度であり、Ｃは真空バルブ１のコンダクタンスである。従来は、真空バルブ１のコンダクタンスＣと開度θとの関係をＣ(θ)のように求めておき、それを式（１）に用いることで、開度θにおける実効排気速度Ｓを求めていた。その場合、真空ポンプ４の排気速度Ｓpは一定値（定格値）であるとして、実効排気速度Ｓを求めるのが一般的である。
１／Ｓ＝１／Ｓp＋１／Ｃ ・・・（１）

与えられ圧力目標値Ｐsに対して、式「Ｓ＝Ｑ／Ｐs」から必要とされる実効排気速度Ｓeが算出される。そして、この実効排気速度Ｓを式（１）に代入して真空バルブ１のコンダクタンスＣを算出し、予め求めてあるコンダクタンスＣと開度θとの関係から要求される開度θを求める。

しかしながら、真空ポンプ４の排気速度Ｓpは、一般に吸気口圧力によって変化する。例えば、ターボ分子ポンプの場合、図４に示すように吸気口圧力が所定値Ｐ0以下では一定値（定格排気速度）となっているが、排気するガスの流量増加により吸気口圧力が所定値Ｐ0を越えると排気速度が徐々に低下する。

そこで、本実施の形態では、ガス流量に依存する排気速度Ｓpの変化を考慮し、排気系（真空バルブ１＋真空ポンプ４）の実効排気速度が、真空バルブ１の開度θとガス流入量Ｑinに依存するとして考える。すなわち、実効排気速度は相関関係Ｓ(Ｑin,θ)で表される。以下では、相関関係Ｓ(Ｑin,θ)で表される実効排気速度を符号Ｓeで表すことにする。

なお、相関関係Ｓ(Ｑin,θ)は、真空チャンバ内の圧力が一定である静的な状態における関係を表している。そのような静的な状態においては、真空チャンバ３に流入するガス流入量Ｑinと排気系を流れるガス流量（すなわち、排気系の排気流量）Ｑとは一致することになる。すなわち、本実施の形態における相関関係は排気系の実効排気速度に対応するものであり、Ｓ(Ｑin,θ)ではなく、ガス流量Ｑを用いたＳ(Ｑ,θ)により相関関係を表す。

上述した相関関係Ｓ(Ｑ,θ)は図１の記憶部２３に記憶され、その相関関係Ｓ(Ｑ,θ)に基づいて真空バルブ１は制御される。上述のように、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)は実効排気速度に相当しており、以下ではＳ(Ｑ,θ)を実効排気速度と呼ぶ場合もある。このような相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を用いて開度調整を行うことで、高精度な圧力調整を行うことが可能となる。

また、真空ポンプ４として用いられるターボ分子ポンプの排気速度は、バックポンプの排気性能にも依存する。さらに、排気系の排気性能は、排気系が装着される真空チャンバ３の構成（容積等）にも影響される。そこで、本実施の形態では、真空ポンプ４および真空バルブ１の性能だけでなく、真空チャンバ３やバックポンプの影響も考慮したより正確な相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を取得するためのチューニング機構を備えるようにした。

図５は相関関係Ｓ(Ｑ,θ)の一例を示したものである。図５では、複数のガス流量Ｑ0，Ｑ1，・・・，Ｑ9と複数の開度θ0，θ1，・・・，θ9の組み合わせに対する相関関係Ｓ(Ｑ,θ)をＳij（ただし、i,j＝０，１，２，・・・，９である）のように表している。なお、θ0＝０（％）、θ9＝１００（％）である。排気するガスの種類としては、一般的に窒素ガスやＡｒガスが用いられる。

例えば、Ｓ32はガス流量がＱ3で開度がθ2の場合の相関関係Ｓ(Ｑ3,θ2)を表しており、ガス流量Ｑ3および開度θ2における排気系の実効排気速度である。実効排気速度Ｓ32は、真空バルブ１の開度をθ2に設定したときのコンダクタンスＣ(θ2)と、ガス流量Ｑ3における真空ポンプ４の排気速度Ｓp(Ｑ3)を式（１）に代入することで算出される。また、予め設定された真空チャンバとバックポンプを使用し、開度θ2およびガス流量Ｑ3に設定して実験的に得られた実効排気速度をＳ32としても良い。

図１の記憶部２３には、図５に示すようなＳijの２次元マップが相関関係Ｓ(Ｑ,θ)の初期値として記憶されている。以下では、この初期値として記憶されている相関関係Ｓ(Ｑ,θ)の２次元マップを、デフォルトＳマップと呼ぶことにする。

上述のように、図５に示すデフォルトＳマップにおける実効排気速度Ｓijは、ユーザの使用条件（真空チャンバ３やバックポンプ等の条件）が考慮されていない。このデフォルトＳマップや、後述するチューニング後の校正Ｓマップは、真空バルブ１の調圧アルゴリズムに使用される調圧式（２）において用いられる。調圧式（２）において、左辺は真空チャンバ３に流入するガス流入量Ｑinを表しており、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)にはデフォルトＳマップまたは校正Ｓマップの実効排気速度Ｓijが用いられる。Ｖ［ｍ^３］は真空チャンバ３の容積、Ｐ［Ｐａ］は真空チャンバ３内の圧力である。調圧式（２）は記憶部２３に記憶されている。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ(Ｑ,θ)×Ｐ ・・・（２）

（チューニングの説明）
次に、真空チャンバ３やバックポンプの影響も考慮したより正確な相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を取得するための、チューニング動作について説明する。本実施の形態では、以下に説明するチューニング動作を行うことにより、実際の真空システムに搭載された状態における排気系（真空バルブ１および真空ポンプ４）の相関関係Ｓ(Ｑ,θ)に関する２次元マップ（以下では、校正Ｓマップと呼ぶ）を取得するようにしている。そして、上述したデフォルトＳマップに代えて校正Ｓマップを使用して調圧動作を行うことにより、より高精度な調圧が可能になる。

図６，７は、チューニング動作の一例を説明するフローチャートである。この処理は、図１のバルブコントローラ２の開度制御部２１において実行される。開度制御部２１は、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐs、開度計測値θrおよび調圧式（２）に基づいて真空バルブ１の開度を制御する。調圧式（２）の相関関係Ｓ(Ｑ,θ)にはデフォルトＳマップや校正Ｓマップが使用される。オペレータは、入力操作部２４を操作して設定画面を表示部２６に表示させ、その設定画面からチューニング動作を選択する。設定画面でチューニング動作が選択されると、図６，７のチューニング処理がスタートする。

ステップＳ１０では、流量選択画面が表示部２６に表示される。例えば、図５に示すデフォルトＳマップでは、ガス流量ＱはＱ0〜Ｑ9までの１０種類が設定されている。この場合、これら１０種類のガス流量からいずれか一つを選択させる流量選択画面を表示する。オペレータは、流量選択画面の指示に従ってガス流量を選択し、その後、選択完了操作を行う。

ステップＳ２０では、選択完了操作の入力があったか否かを判定し、入力があるとステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、選択されたガス流量でのガス流入開始を指示する画面を表示部２６に表示する。オペレータは、画面表示に従って真空チャンバ３へガスを流入させ、チューニング動作の開始を指示する操作を入力操作部２４により行う。

ステップＳ４０では、オペレータによるチューニング動作の開始を指示する操作があったか否かを判定する。入力操作部２４により開始指示操作が入力されるとステップＳ５０へ進む。ステップＳ５０では、所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、ガス流入後の真空チャンバ３内の圧力が安定するまでの待機時間であり、予め設定されている。なお、予め設定されている所定時間が経過するまで待機する代わりに、真空チャンバ３内の圧力変化が所定閾値以下となるまで待機するようにしても良い。

ステップＳ６０では、図５の開度θ0〜θ9を開度θjと表した場合のパラメータｊを、初期値のｊ＝０に設定する。ステップＳ６０の処理が終了すると、図７のステップＳ７０へ進む。

ステップＳ７０では、真空バルブ１の開度をθjに設定する。ここで、ステップＳ６０からステップＳ７０へ進んだ場合には、ステップＳ６０でｊ＝０と設定されているので、開度θをθ0（＝０）に設定する。ステップＳ８０では、真空チャンバ３内の圧力が安定するまで所定時間待機する。ステップＳ９０では、図１の真空計３１で計測された真空チャンバ３の圧力計測値Ｐrを取得する。ステップＳ１００では、現在のｊに１を加算し、それを新たなｊとする。ステップＳ１１０ではｊ＞９か否かを判定し、ｊ＞９の場合にはステップＳ１２０へ進み、ｊが９以下の場合にはステップＳ７０に戻る。すなわち、ｊ＝０〜９まではステップＳ７０からステップＳ１１０までの処理が繰り返される。その結果、各開度θ0〜θ9における圧力計測値Ｐrがそれぞれ取得される。

ステップＳ１２０では、次式（３）を用いて各開度θ0〜θ9における実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj)を算出する。式（３）において、Ｑｉは選択したガス流量であり、Ｐr(j)は開度θjにおいて取得された圧力計測値である。この式（３）は、上述した式（２）において「ｄＰ／ｄｔ＝０」とした場合に得られる式であり、圧力が一定となっている静的な場合に適用することができる。
Ｓij(Ｑi，θj）＝Ｑi／Ｐr(j) ・・・（３）

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で算出された実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）が妥当であるか否かの判定を行う。判定方法の一例としては、デフォルトＳマップの対応する実効排気速度Ｓijと算出された実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）との差分が、予め設定した閾値以下であるならば妥当と判定する。実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）とデフォルトＳマップの実効排気速度Ｓijとの差の要因の一つとしては、真空チャンバ３の容積やバックポンプの性能が、デフォルトＳマップにおいて前提とされているチャンバ容積やバックポンプの性能と異なることがあげられる。このようなことから、実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）とデフォルトＳマップの実効排気速度Ｓeとが大きく異なることはない。

そこで、両者が大きく乖離している場合には、得られた実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）は適切でないと判断する。妥当性の判定基準である閾値は、予め記憶部２３に記憶されている。ステップＳ１３０において妥当でないと判定されると、ステップＳ１３５へ進んで表示部２６に警告表示を表示する。一方、妥当と判定された場合には、ステップＳ１３０からステップＳ１４０へ進む。

ステップＳ１３０で妥当であると判定されると、図４に示すデフォルトＳマップの、流量Ｑ0〜Ｑ9の一つに対する一行（横一列）の実効排気速度Ｓij(Ｑi，θj）（以下では、校正実効排気速度Ｓt(i,j)と呼ぶことにする）が得られたことになる。すなわち、実測値に基づく１０個の校正実効排気速度Ｓt(i,j)が得られた。ここで、ｉ（＝０〜９）はガス流量がＱiであることを表し、ｊ（＝０〜９）は開度がθjであることを表す。

ステップＳ１４０では、ガス流量Ｑiの行以外の所定領域の校正実効排気速度を、上述のように得られた校正実効排気速度Ｓt(i,j)を用いて算出する。所定領域の校正実効排気速度の計算の詳細については後述する。そして、ステップＳ１５０では、図５のデフォルトＳマップの一部をステップＳ１２０およびステップＳ１４０で取得された校正実効排気速度で置き換えたマップ（図８参照）を、校正ＳマップとしてデフォルトＳマップとは別に記憶部２３に記憶する。

（校正Ｓマップの説明）
図８は、図５のデフォルトＳマップに対応する校正Ｓマップの一例を示す図である。ガス流量Ｑ6に関して校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69が取得されており、図８におけるガス流量Ｑ6の行の横一列は、デフォルトの実効排気速度Ｓ60〜Ｓ69に換えて、実測値に基づく校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69が表示されている。なお、図８の校正Ｓマップでは、校正実効排気速度Ｓt(i,j)をＳtijのように表示した。

また、図８の太線で囲まれた領域Ｒ１の校正実効排気速度Ｓt59，Ｓt76〜Ｓt79，Ｓt84〜Ｓt89およびＳt93〜St99は、実測値に基づく校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69を用いて算出した実効排気速度である。そして、ガス流量がＱ6である行、および領域Ｒ１を除くその他の実効排気速度については、デフォルトＳマップの実効排気速度を使用する。

次に、計算で求める校正実効排気速度Ｓt59，Ｓt76〜Ｓt79，Ｓt84〜Ｓt89およびＳt93〜St99について説明する。上述したように、図５に示すデフォルトＳマップでは、実効排気速度として、真空ポンプ４の排気速度が定格排気速度であると仮定した場合の実効排気速度が用いられている。または、予め設定された所定の真空チャンバおよびバックポンプを使用して実測または算出された実効排気速度が用いられている。

しかしながら、予め設定された真空チャンバおよびバックポンプの性能を使用した場合には次のような問題がある。すなわち、吸気口圧力が高い領域における真空ポンプ４の性能低下（図４参照）は考慮されていても、ユーザの装置構成と異なる真空チャンバおよびバックポンプを前提としているので、それらの影響により実効排気速度にずれが生じる。さらに、真空ポンプ４の排気速度が定格排気速度であると仮定した場合には、前提となる装置構成が異なるだけでなく、吸気口圧力が高い領域における真空ポンプ４の性能低下が全く考慮されてない。

そこで、図８に示す校正Ｓマップでは、ガス流量Ｑ6に関しては、開度θ0〜θ9に対する校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69を実測値に基づいて算出する。これらの校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69には、吸気口圧力が高い領域における真空ポンプ４の性能低下の影響と、実際に使用する真空チャンバ３およびバックポンプの影響とが含まれている。なお、これらの影響の度合いを比較した場合、主として真空ポンプ４の性能低下が影響する。

図５，８に示す２次元マップにおいて、開度θが小さい領域では、真空バルブ１のコンダクタンスＣが真空ポンプ４の排気速度Ｓpよりも小さくなり、式（１）で算出される実効排気速度Ｓeは、コンダクタンスＣが支配的となる。そのため、実効排気速度の変化はほぼ開度θの変化に依存している。一方、開度θが大きな領域では、真空バルブ１のコンダクタンスＣが真空ポンプ４の排気速度Ｓpよりも大きくなり、実効排気速度の変化は排気速度Ｓpの変化に支配されることになる。そのため、ガス流量が大きくなる領域では、排気速度Ｓpの低下の影響が顕著になる。そこで、本実施の形態では、排気速度Ｓpの低下の影響が特に顕著な領域Ｒ１において、校正実効排気速度Ｓt60〜Ｓt69を利用した校正処理を行うようにした。

具体的には、次のように行う。例えば、図５の実効排気速度Ｓ78を図８の校正実効排気速度Ｓt78に校正する場合には、先ず、同じ開度θ8における校正実効排気速度Ｓt68と実効排気速度Ｓ68との比（Ｓt68／Ｓ68）を計算する。そして、校正実効排気速度Ｓt78と実効排気速度Ｓ78も同じ比になるものと考える。すなわち、次式（４）により校正実効排気速度Ｓt78を算出する。
Ｓt78＝(Ｓt68／Ｓ68)×Ｓ78 ・・・（４）

同一開度θ8の校正実効排気速度Ｓt88，Ｓt98についても、実効排気速度Ｓ88，Ｓ98に係数(Ｓt68／Ｓ68)を乗算することにより得られる。同様に、開度θ6に関する校正実効排気速度Ｓt76，Ｓt86，Ｓt96については、実効排気速度Ｓ76，Ｓ86，Ｓ96に係数(Ｓt66／Ｓ66)を乗算すれば良い。

以上のような手順で図８の校正Ｓマップが得られたならば、上述したように校正Ｓマップを記憶部２３に記憶する。そして、調圧制御においては校正Ｓマップに基づいてバルブ開度が制御される。なお、この校正Ｓマップは、図１に示す真空システムにおいてガス流量Ｑ6で使用する場合の校正Ｓマップであるので、他のガス流量でプロセスを行う場合には、そのガス流量においてチューニング動作を再度行う必要がある。例えば、ガス流量Ｑ4で他のプロセスを行う場合、ガス流量Ｑ4でチューニング動作を行い、実効排気速度Ｓ40〜Ｓ49に代わる校正実効排気速度Ｓt40〜Ｓt49を求める。そして、記憶部２３に記憶されている校正Ｓマップのガス流量Ｑ4の行の実効排気速度Ｓ40〜Ｓ49を校正実効排気速度Ｓt40〜Ｓt49で書き換える。

このように、デフォルトＳマップに対してチューニング処理を行うことで、真空システム毎に最適な校正Ｓマップが設定される。その結果、より高精度なバルブ制御を行うことが可能となる。

図９は、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を使用したバルブ制御（調圧制御）を説明する図である。相関関係Ｓ(Ｑ,θ)としては、上述したデフォルトＳマップまたは校正Ｓマップが用いられる。図９（ａ）は開度θの時間変化を示し、図９（ｂ）は圧力計測値Ｐrの変化を示す。図９では、開度θ10で圧力Ｐ10の状態から、圧力目標値Ｐs（＞Ｐ10）の状態に制御する場合を示している。開度θsは、圧力計測値Ｐrが圧力目標値Ｐsで安定したときの開度である。例えば、ガス流入量Ｑinに対して目標とする排気速度ＳはＳ＝Ｑin／Ｐsとなり、ガス流量がＱinで排気系の実効排気速度がこの排気速度Ｓと等くなる箇所をＳマップで探し、その実効排気速度における開度θが目標とする開度θsである。

曲線Ｌ１１およびＬ１２は、圧力の差分ΔＰ＝Ｐs−Ｐrをフィードバックして開度θを徐々に目標開度θsに近づけた場合を示す。一方、曲線Ｌ２１，Ｌ２２で示す制御では、開度θを、いったん目標開度θsよりも小さな値まで絞った後に、目標開度θs近づけるような開度制御を行っている。そのような制御を行うことで、圧力目標値Ｐsまでの時間をより短縮することができる。

ただし、曲線L２１，Ｌ２２のような制御を行うためには、曲線Ｌ１１，Ｌ１２の場合に比べてより高精度な相関関係Ｓ(Ｑ,θ)が必要となる。相関関係Ｓ(Ｑ,θ)の精度が低いと、予測した実効排気速度と実際の実効排気速度とのズレが大きくなる。例えば、曲線Ｌ３１，Ｌ３２のような開度変化および圧力変化となってしまい、圧力目標値Ｐsに安定するまでの時間が延びてしまうことになる。

なお、一定の圧力Ｐ10から圧力目標値Ｐsに安定するまでの過渡的な状態においては、式（２）における（ｄＰ／ｄｔ）が、（ｄＰ／ｄｔ）≠０となるので、図８におけるガス流量Ｑ6（真空チャンバ３へのガス流入量）以外のガス流量における実効排気速度が必要となる。そのため、高精度な圧力調整を行う場合には、図５，８に示すような２次元的なマップで表される相関関係Ｓ(Ｑ,θ)が必要となる。

なお、上述した実施の形態では、オペレータが図１に示すバルブコントローラ２の入力操作部２４を操作してチューニング動作を行う構成としたが、真空システム側からリモート操作してチューニング動作を行わせるようにしても良い。その場合、バルブコントローラ２に設けられたリモート端子（不図示）を介してチューニング指令が入力される。

（Ｃ１）以上説明したように、バルブコントローラ２の記憶部２３には、真空バルブ１の複数の開度θjおよび真空バルブ１を流れる複数のガス流量Ｑiに関して、真空バルブ１および真空ポンプ４から成る排気系の実効排気速度Ｓijと開度θjおよびガス流量Ｑiとの相関が設定されている相関マップ、すなわちデフォルトＳマップまたは校正マップが記憶されている。そして、真空バルブ１の開度を制御する開度制御部２１は、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐsおよび相関マップに基づいて、真空バルブ１の開度を制御する。

このような相関マップを使用することにより、実効排気速度に対して真空ポンプ４の実際の排気速度特性や真空チャンバ等の影響が反映され、開度を制御することによる圧力調整をより高精度に行うことが可能となる。

（Ｃ２）圧力調整においては、記憶部２３に記憶された相関関係Ｓ(Ｑ,θ)および圧力計測値Ｐrに基づいて真空チャンバ３に導入されるガス流入量Ｑinを開度制御部２１で推定し、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐs、推定されたガス流入量ＱinおよびデフォルトＳマップに基づいて真空バルブ１の開度θを制御する。このように、ガス流入量Ｑinに関する情報が得られない場合においても、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)に基づいてガス流入量Ｑinを推定して開度調整を行うので、高精度な圧力調整が可能となる。

もちろん、真空チャンバ３へのガス流入量Ｑinに関するガス流入量情報が外部からバルブコントローラ２に入力される構成の場合には、ガス流入量の推定値のかわりにガス流入量情報を用いて開度制御を行うことができる。

（Ｃ３）さらに、入力操作部２４にデフォルトＳマップの校正を指示する校正指令が入力された場合に、真空バルブ１を異なる複数の開度θ0〜θ9に順に変更させ、各開度における圧力計測値Ｐrに基づくデフォルトＳマップの修正を、校正部２５に行わせるようにしても良い。校正部２５は、圧力計測値Ｐrに基づく校正実効排気速度Ｓt(i,j）を算出し、デフォルトＳマップの実効排気速度Ｓijを校正実効排気速度Ｓt(i,j）で置き換えることにより、デフォルトＳマップを校正Ｓマップに校正する。

このように、真空システムに搭載した状態における圧力計測値Ｐrに基づいて、デフォルトＳマップが校正Ｓマップに校正されるので、個々の真空システムに応じた校正Ｓマップを取得することができ、真空バルブ１による圧力調整をより高精度に行うことができる。また、入力操作部２４に校正指令を入力するだけで、複数の開度θ0〜θ9に対応した実効排気速度が校正されるので、デフォルトＳマップの校正処理作業を簡単に行うことができる。

なお、開度制御部２１による開度変更の際の真空チャンバ３へのガスの流量を、所定のガス流量Ｑ6に設定させる指令を、表示部２６に表示させるようにしても良い。それにより、所望の流量に対応する実効排気速度の校正を、簡単に行うことができる。

また、所定流量Ｑ6および複数の開度θ0〜θ9における実効排気速度算出値に基づいて、領域Ｒ１における流量Ｑ6以外の校正実効排気速度を算出するのが好ましい。それにより、圧力調整時における種々の状況に対応することができ、圧力調整をより高精度に行うことができる。

−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、真空ポンプ４の実際の排気速度特性や真空チャンバ等の影響を考慮して校正Ｓマップを設定し、その校正Ｓマップを用いた調圧式を調圧アルゴリズムに使用するようにした。それにより、従来よりも高精度なバルブ制御を行えるようになる。

ところで、圧力が高い低真空状態から圧力の低い高真空状態に調圧する場合、図１０（ｂ）の曲線Ｌ４２の領域Ｒ10に示すように、目標の圧力Ｐa2に到達する過程において、圧力Ｐが圧力Ｐa2を大きくアンダーシュートすることがある。これには種々の原因があるが、例えば、以下のような原因が考えられる。

なお、図１０は開度調整の過渡状況を説明する図であり、図１０（ａ）は開度変化を示し、図１０（ｂ）は圧力変化を示す。図１０（ａ）の曲線Ｌ４１のように開度を調整すると、図１０（ｂ）の曲線Ｌ４２のように真空チャンバ３の圧力Ｐが変化する。

図１１は、低真空から高真空に調圧する場合のアンダーシュートを説明する図である。図１１（ａ）は、ガス流入量Ｑinおよび開度θ1とされ、真空チャンバ３の圧力が低真空の場合を示す。図１１（ｂ）は、ガス流入量Ｑinおよび開度θ2とされ、真空チャンバ３の圧力が高真空の場合を示す。また、バルブプレート１２よりも上側のチャンバ容積をＶa、バルブプレート１２と真空ポンプ４との間の容積をＶbとする。

真空チャンバ３の圧力を低真空から高真空に調圧する場合、一般的にバルブ開度を変更すると共にガス流入量も変更する。しかし、ここでは説明を簡単にするために、ガス流入量Ｑinを一定に維持した状態でバルブ開度を大きくして低真空→高真空とする場合について説明する。また、真空ポンプ４と真空バルブ１とを合わせた排気系の実効排気速度Ｓeを、Ｓp×θ／１００と簡略化して考える。真空ポンプ４の排気速度をＳpとし、真空バルブ１の開度をθとする。

真空バルブ１の開度θは、図１１（ａ）に示す低真空状態では小さな値θ1に設定され、図１１（ｂ）の高真空状態ではより大きな開度θ2に設定される。上述したように、排気系の実効排気速度ＳeはＳe＝Ｓp×θ／１００で与えられると仮定したので、容積Ｖaにおける圧力をＰa1とすると、ガス流入量Ｑinは次式（５）のように表される。
Ｑin＝Ｐa1×Ｓp×θ1／１００ ・・・（５）

圧力一定な平衡状態においてはガス流入量Ｑinと真空ポンプ４の排気流量Ｑpとは等しいので、真空チャンバ３の圧力Ｐa1と容積Ｖbにおける圧力Ｐb1とは、次式（６）を満たす。
Ｓp×Ｐb1＝Ｐa1×Ｓp×θ1／１００
Ｐb1＝Ｐa1×θ1／１００ ・・・（６）

一方、図１１（ｂ）に示す状態では、ガス流入量Ｑinは次式（７）のように表され、容積Ｖbにおける圧力Ｐb2は次式（８）のように表される。
Ｑin＝Ｐa2×Ｓp×θ2／１００ ・・・（７）
Ｐb2＝Ｐa2×θ2／１００ ・・・（８）

ところで、バルブプレート１２の開度θがθ1からθ2へと急激に変化した場合、変化直後における容積Ｖbの領域の圧力は圧力Ｐa1と同程度となる。図１１（ａ）の状態では、容積Ｖaにおけるガス量はＶa・Ｐa1で、容積Ｖbにおけるガス量はＶb・Ｐb1となり、合計はＶa・Ｐa1＋Ｖb・Ｐb1となる。一方、開度θがθ1から図１１（ｂ）のθ2へと瞬時に変化して、容積Ｖaおよび容積Ｖbにおける圧力が瞬時に同一となり、かつ、容積（Ｖa＋Ｖb）に対してガスの流入および流出が未だ生じていないと仮定した場合には、容積（Ｖa＋Ｖb）の圧力ＰabはＰab＝（Ｖa×Ｐa1＋Ｖb×Ｐb1）／（Ｖa＋Ｖb）となる。

例えば、図１１（ａ）においてＶa＝１００（ｌ）、Ｖb＝１０（ｌ）とし、Ｐb1＝Ｐa1／１００であったとした場合、図１１（ｂ）の容積（Ｖa＋Ｖb）の圧力Ｐabは、次式（９）のようになる。
Ｐab＝（１００＋０．１）Ｐa1／（１００＋１０）
＝０．９１Ｐa1 ・・・（９）

この場合、開度θ2における排気系の実効排気速度ＳeはＳe＝Ｓp×θ2／１００なので、式（５）から得られる関係「Ｐa1×Ｓp＝Ｑin×(１００／θ１)」を用いると、実効排気速度Ｓeに対応する実効排気流量Ｑeは次式（１０）のようになる。例えば、θ1＝１０（％）、θ2＝５０％の場合には、実効排気流量Ｑeはガス流入量Ｑinの約４．６倍となる。
Ｑe＝Ｓe×Ｐab
＝Ｓp×Ｐab×(θ2／１００)
＝０．９１Ｓp×Ｐa1×(θ2／１００)
＝０．９１Ｑin×(１００／θ1)×(θ2／１００)
＝０．９１Ｑin×(θ2／θ1) ・・・（１０）

また、真空ポンプ４の吸気口圧力はＰabなので、真空ポンプ４の排気流量Ｑpは次式（１１）のようになる。ここでも、式（５）から得られる関係「Ｐa1×Ｓp＝Ｑin×(１００／θ1）」を用いて、最後の式変形を行った。θ1＝１０（％）の場合には、排気流量Ｑpはガス流入量Ｑinの９．１倍となり、排気系の実効排気流量Ｑeよりも大きくなっている。
Ｑp＝Ｓp・Ｐab
＝０．９１Ｓp×Ｐa1
＝０．９１Ｑin×(１００／θ1） ・・・（１１）

このように、容積（Ｖa＋Ｖb）の圧力Ｐabが瞬時に（Ｖa・Ｐa1＋Ｖb・Ｐb1）／（Ｖa＋Ｖb）に変化した場合には、開度変更直後の排気系の実効排気流量Ｑeがガス流入量Ｑinのほぼ（θ2／θ1）倍まで大きくなる。その結果、図１０（ｂ）の領域Ｒ10に示すようなアンダーシュートが発生することになる。

上述した調圧式（２）に用いられている相関関係Ｓ(Ｑ,θ)には、静的な状況における実効排気速度Ｓeと開度θとの相関関係を表すデフォルトＳマップや校正Ｓマップが用いられている。調圧式（２）の右辺第１項は、真空チャンバ３の圧力の変化に依存する項であり、上述した過渡状況においてはマイナス方向に増大する。しかしながら、排気流量に相当する右辺第２項「Ｓ(Ｑ,θ)×Ｐ」は、静的な相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を用いているので、上述した実効排気流量Ｑeのように増加せず、左辺のＱinが実際のガス流入量から乖離してしまう。その結果、調圧式（２）を調圧アルゴリズムに用いた場合、上述のような過渡状況における動的な変化に対しては正確に対応できずに、アンダーシュートが発生してしまうことになる。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ(Ｑ,θ)×Ｐ ・・・（２）

そこで、第２の実施の形態では、次式（１２）に示すように、静的なＳ(Ｑ，θ)×Ｐを補正するための動的補正項Ｄ(ω)を追加した調圧式を、真空バルブ１の調圧アルゴリズムに使用するようにした。本実施の形態では、動的補正項Ｄ(Δω)は、真空ポンプ４のロータ回転速度ωの変化Δωに依存する量とした。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ(Ｑ，θ)×Ｐ＋Ｄ(Δω) ・・・（１２）

式（１２）の右辺第１項は、真空チャンバ３の圧力の変化に依存する項であり、上述した過渡状況においてはマイナス方向に増大する。一方、動的補正項Ｄ(Δω)は過渡状況における実効排気流量Ｑｅの増加を表しており、右辺第１項のマイナス方向の増加を打ち消す働きをする。それにより、左辺のガス流入量Ｑinが実際の値と一致するようになる。その結果、調圧式（１２）を調圧アルゴリズムに使用することにより、過渡状況における圧力が図１０（ｂ）の曲線Ｌ５２のように変化するように、図１０（ａ）の曲線Ｌ５１のような開度調整を行うことが可能となる。

（動的補正項Ｄ(Δω)について）
上述した過渡状況において、真空ポンプ４の吸気口圧が急上昇すると、真空ポンプ４のロータ回転速度が定格の回転速度から若干低下することが分かった。過渡状況におけるロータ回転速度ωの低下はそのときのガス負荷量に依存し、ガス負荷量が大きいほど回転速度低下が大きくなる。すなわち、調圧時のアンダーシュートの程度は、回転速度低下の大きさによって推定することができる。

そこで、ロータ回転速度ωの低下Δωを検出し、その検出結果に基づいて動的補正項Ｄ(Δω)を与えるようにした。動的補正項Ｄ(Δω)の設定方法の一例としては、実際に調圧試験を行い、そのときの圧力変化と回転速度変化Δωとを計測する。そして、計測された圧力変化から「Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）」の変化量を算出する。このようなデータのセットを複数取得し、それらに基づいて、「Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）」の変化量を打ち消す項としての動的補正項Ｄ(Δω)を設定する。

動的補正項Ｄ(Δω)は、Δω＝０の場合にＤ(Δω)＝０となるように設定される。すなわち、Δω＝０の場合には、調圧式（１２）は第１の実施の形態の調圧式（２）と同じになる。

図１２は、第２の実施の形態における真空システムの概略構成を示すブロック図である。真空ポンプ４にはターボ分子ポンプが用いられ、真空ポンプ４は、ロータ４０を有するポンプユニット４Ａと、ポンプユニット４Ａを駆動制御するコントロールユニット４Ｂとを備えている。

ポンプユニット４Ａには、ロータ４０の回転を検出する回転検出センサ４１が設けられている。回転検出センサ４１で検出された回転情報は、コントロールユニット４Ｂの回転速度検出回路４２に入力される。回転速度検出回路４２は、入力された回転情報に基づいてロータ４０のロータ回転速度ωを算出する。図１２に示すバルブコントローラ２は、回転速度検出回路４２で算出されたロータ回転速度ωが入力される入力部２７を備えており、その他の構成は図１に示すバルブコントローラと同様である。

なお、図１では図示を省略したが、回転検出センサ４１および回転速度検出回路４２は図１に示す真空ポンプ４にも設けられており、検出されたロータ回転速度ωに基づいてロータ回転制御が行われている。

バルブコントローラ２の記憶部２３には、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)に関するデフォルトＳマップや校正Ｓマップが記憶されると共に、第１の実施の形態の調圧式（２）に代えて調圧式（１２）および動的補正項Ｄ(Δω)が記憶されている。開度制御部２１は、ロータ回転速度ω、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐs、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)および調圧式（１２）に基づいて、上述した調圧制御を行う。すなわち、定格回転速度ω0とロータ回転速度ωとの差分Δωを調圧式（１２）の動的補正項Ｄ(Δω)の代入することにより、開度θの変化により圧力が変化する過渡状況においては、図１０（ａ）の曲線Ｌ５２で示すような開度制御が行われ、曲線Ｌ４２に示すようなアンダーシュートの発生を防止することができる。

（Ｃ４）このように、第２の実施の形態では、バルブコントローラ２の入力部２７に真空ポンプ４からロータ回転速度ωが入力され、開度制御部２１は、過渡状況において排気系の実効排気速度Ｓeが実際の実効排気速度から乖離してしまうのを補正するための動的補正項Ｄ(Δω)と、相関関係Ｓ(Ｑ,θ)と圧力計測値Ｐrとに基づいて真空チャンバ３に導入されるガス流入量Ｑinを推定し、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐs、推定されたガス流入量Ｑinおよび相関関係Ｓ(Ｑ,θ)に基づいて真空バルブ１の開度を制御する。その結果、ガス流入量Ｑinの推定が適切に行われ、図１０（ｂ）の曲線Ｌ４２で示すような圧力のアンダーシュートを防止することができる。

（変形例）
上述した第２の実施の形態では、動的補正項Ｄ(Δω)を用いた調圧式の補正は、第１の実施の形態で説明した相関関係Ｓ(Ｑ,θ)を用いた調圧式に適用したが、動的補正項Ｄ(Δω)による補正は、次式（１３）のように、式（１）による従来の実効排気速度Ｓ(θ)を用いる調圧式にも適用することができる。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ(θ)×Ｐ＋Ｄ(Δω) ・・・（１３）
ただし、Ｓ(θ)＝Ｓp×Ｃ(θ)／｛Ｓp＋Ｃ(θ)｝である。

（５）すなわち、排気系の実効排気速度の変化が真空バルブ１のコンダクタンスＣの変化だけに依存するとした場合でも、記憶部２３に真空バルブ１のコンダクタンスＣと開度θとの相関Ｃ(θ)が記憶され、動的補正項を導入した調圧式（１３）によりガス流入量Ｑinをより精度良く推定し、圧力計測値Ｐr、圧力目標値Ｐs、推定されたガス流入量Ｑinおよび相関Ｃ(θ)に基づいて真空バルブ１の開度を制御することで、過渡状況においてアンダーシュートの生じない、より適切な開度制御を行うことができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

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、４Ａ…ポンプユニット、４Ｂ…コントロールユニット、１２…バルブプレート、２１…開度制御部、２２…モータドライバ部、２３…記憶部、２４…入力操作部、２５…校正部、２６…表示部、３１…真空計、３２…流量コントローラ、４０…ロータ、４１…回転検出センサ、４２…回転速度検出回路

Claims (4)

1. 真空バルブを介して真空ポンプが接続されたチャンバの圧力計測値および圧力目標値に基づいて、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、
   前記真空バルブの複数の開度および前記真空バルブを流れる複数のガス流量に関して、前記真空バルブおよび前記真空ポンプから成る排気系の実効排気速度と前記開度および前記ガス流量との相関が設定されている相関マップを記憶している記憶部と、
   前記圧力計測値、前記圧力目標値および前記相関マップに基づいて、前記真空バルブの開度を制御する制御部と、を備えるバルブ制御装置。
2. 請求項１に記載のバルブ制御装置において、
   前記相関マップおよび前記圧力計測値に基づいて前記チャンバに導入されるガスのガス流入量を推定する推定部を備え、
   前記制御部は、前記圧力計測値、前記圧力目標値、前記推定部で推定されたガス流入量および前記相関マップ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１または２に記載のバルブ制御装置において、
   前記相関マップの校正を指示する校正指令が入力される校正指令入力部と、
   前記圧力計測値に基づく前記排気系の実効排気速度である実効排気速度算出値を算出し、前記実効排気速度算出値に基づいて前記相関マップを校正する校正部と、を備え、
   前記制御部は、前記校正指令入力部に前記校正指令が入力されると、前記真空バルブを異なる複数の開度に順に変更させ、各開度における前記圧力計測値に基づく前記相関マップの修正を前記校正部に行わせる、バルブ制御装置。
4. 請求項２に記載のバルブ制御装置において、
   前記真空ポンプはロータを回転駆動させてガスを排気するターボ分子ポンプであり、
   前記ターボ分子ポンプから前記ロータの回転速度が入力される入力部を備え、
   前記推定部は、前記排気系の実効排気速度を前記ロータの回転速度に応じて補正するための動的補正項、前記相関マップおよび前記圧力計測値に基づいて前記ガス流入量を推定する、バルブ制御装置。

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