JP6841201B2 - ガス推定装置および真空排気装置 - Google Patents
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Description
さらに好ましい態様では、前記第1推定部は、前記真空ポンプのモータ電流値、前記自動圧力調整バルブのバルブ開度、前記真空排気装置により真空排気する真空チャンバの圧力計測値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定し、前記第1推定部の推定結果を前記制御補正情報として出力する。
さらに好ましい態様では、所定流量のガス排気時における複数のバルブ開度毎の圧力計測値、前記複数のバルブ開度、前記真空ポンプのモータ電流値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定する第2推定部と、前記第2推定部により推定されるガス種に基づいて前記第1相関データを校正する校正部と、を備え、前記相関データ記憶部に記憶されている校正前の前記第1相関データは、前記校正部で校正された第1相関データにより置き換えられる。
さらに好ましい態様では、前記第2推定部で推定される流量に基づいて、複数のバルブ開度毎の圧力計測時における流量が前記所定流量か否かを判定する判定部を備える。
本発明の好ましい態様による真空排気装置は、上述の態様のいずれか一項に記載のガス推定装置と、真空ポンプと、前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、前記自動圧力調整バルブは、バルブ開度を計測する開度計測器と、前記第1推定部で推定された流量およびガス種とバルブ開度計測値と、前記相関データ記憶部に記憶されている第1相関データとに基づいて、調圧時のバルブ開度制御のゲイン値を設定するゲイン値設定部と、設定されたゲイン値と前記圧力計測値とに基づいてバルブ開度を制御するバルブ開度制御部とを備える。
本発明の好ましい態様による真空排気装置は、上述の態様のいずれか一項に記載のガス推定装置と、真空ポンプと、前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、前記真空ポンプは、前記真空ポンプにより排気されるガスのガス種と許容上限流量との相関を表す許容流量データを記憶する許容流量データ記憶部と、前記第1推定部で推定される流量が、前記許容流量データおよび前記第1推定部で推定されるガス種に基づいて取得される許容上限流量よりも大きい場合に、警報情報を出力するポンプ制御部とを備える。
本発明の好ましい態様によるガス推定装置では、前記第1推定部は、所定流量のガス排気時における複数のバルブ開度毎の圧力計測値、前記複数のバルブ開度、前記真空ポンプのモータ電流値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定し、 前記第1推定部により推定されるガス種に基づいて前記第1相関データを校正する校正部をさらに備え、前記校正部で校正された校正後第1相関データを前記制御補正情報として出力する。
本発明の好ましい態様による真空排気装置は、前記ガス推定装置と、真空ポンプと、前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、前記自動圧力調整バルブは、バルブ開度を計測する開度計測器と、予め設定されたガス種、バルブ開度計測値、および前記校正後第1相関データに基づいて、調圧時のバルブ開度制御のゲイン値を設定するゲイン値設定部と、設定されたゲイン値と前記圧力計測値とに基づいてバルブ開度を制御するバルブ開度制御部とを備える。
−第1の実施の形態−
図1は、本発明に係る真空排気装置1の一例を示す図である。真空排気装置1は、ターボ分子ポンプ2,自動圧力調整バルブ(以下では、APCバルブと呼ぶことにする)3およびガス推定器4を備えている。ターボ分子ポンプ2は、ポンプ本体21と、ポンプ本体21を駆動制御するポンプコントローラ22とを備えている。APCバルブ3は、バルブプレート311が設けられたバルブボディ31と、バルブプレート311を駆動するモータ321が設けられたモータハウジング32と、バルブコントローラ33とを備えている。なお、図示していないが、ポンプ本体21の排気側にはバックポンプが接続される。
まず、APCバルブ3における調圧制御について説明する。APCバルブ3の制御システムは、図3に示すように制御対象(プラント)と制御器(コントローラ)に分けられる。プラント出力であるチャンバ圧力は真空計6により計測される。この圧力計測値Prがフィードバックされ、チャンバ圧力が目標圧力値Psになるように制御される。ここで、図3に示すプラントは、バルブプレート311の開度θを入力とし、圧力計測値Prを出力とするAPCバルブ3のガス排気部である。図3のコントローラは、バルブコントローラ33およびモータ321を含むアクチュエータ部で、コントローラ入力は目標圧力値Psと圧力計測値Prとの偏差であり、コントローラ出力はエンコーダ322により検出される開度θである。
Δθ=(1/P)・(1/Gp)・K・ΔP …(1)
ところで、開度θの変化Δθと圧力の変化ΔPとの関係は、式(2)に示す排気の式に基づいて与えられる。式(2)において、V[m3]は真空チャンバ5の容積であり、P[Pa]は真空チャンバ5内の圧力である。また、Seはターボ分子ポンプ2の排気速度SpとAPCバルブ3のコンダクタンスCから決まる実効排気速度であり、式(3)により算出される。
Q=V・(ΔP/Δt)+P・Se …(2)
(1/Se)=(1/Sp)+(1/C) …(3)
Δθ=−{(1/P)・Se/(ΔSe/Δθ)}・ΔP …(4)
Gp=−(ΔP/Δθ)/P=(ΔSe/Δθ)/Se …(5)
図7は、実効排気速度Seの開度依存性を示す図である。図7において、縦軸は排気速度またはコンダクタンス[L/s]を表し、横軸は開度θ(%)を表す。ラインL1は実効排気速度Seを示し、ラインL2はAPCバルブ3のコンダクタンスCを示し、ラインL3はターボ分子ポンプ2の排気速度Spを示す。ターボ分子ポンプ2の排気速度Spは開度θに関係なく一定の値である。
ところで、図4に示したプラントゲインGpは、式(5)に示したように真空排気装置1の実効排気速度Seを用いて表される。開度θの小さな領域ではAPCバルブ3のコンダクタンスCが支配的であり、同一開度におけるコンダクタンスCは分子量が大きいほど小さいので、分子量の大きなガス種ほどプラントゲインGpは大きい傾向にある。逆に、開度θの大きな領域ではターボ分子ポンプ2の排気速度Spが支配的なので、分子量の大小ではなく、排気速度Spが小さなガス種ほどプラントゲインGpは大きい傾向にある。
上述したように、ガス推定器4の記憶部42には、逆数感度(1/Gp)に関する初期データユニット群GDU1と、実効排気速度Seに関する初期データユニット群GDU2と、ターボ分子ポンプ2のモータ電流値Iを一定に維持した場合のガスの分子量Mと流量Qとの相関に関する初期データユニット群GDU3とが記憶される。これらの初期データユニット群GDU1〜GDU3は、メーカーにおいて、真空排気装置1に予め定められたチャンバを装着して取得されたものであり、図1に示す真空処理装置の真空チャンバ5に必ずしも対応していない。
上述したように、記憶部42に予め記憶されている初期データユニット群GDU1〜GDU3は、特定の真空チャンバに基づいて取得されたものである。そのため、APCバルブ3による圧力調整を精度良く行うためには、初期データユニット群GDU1〜GDU3を、真空排気装置1が実際に装着される真空系(真空チャンバ)に即したデータユニット群に校正する必要がある。なお、校正処理は、例えば排気システムを真空処理装置に装着したときにオペレータの指示により行われ、その後は定期メンテナンス時やプロセス条件が大きく異なるような場合にオペレータの指示により行われる。
Qtemp(Mi,θj)=Se(Q0,Mi,θj)×Pr(Q0,θj) …(6)
RMS(Mi)=√{(ΔQ12+ΔQ22+ΔQ32+・・・+ΔQ192+ΔQ202)/20}
…(7)
Scal(Mest,Q0,θj)=Q0/Pr(Q0,θj) …(8)
α(θj)=Scal(Mest,Q0,θj)/Se(Mest,Q0,θj) …(9)
Secal(Mi,Qk,θj)=α(θj)・Se(Mi,Qk,θj) …(10)
1/Gp=Se/|(ΔSe/Δθ)| …(11)
上述した校正処理によって、初期データユニット群GDU1,GDU2は校正後データユニット群CGDU1,CGDU2に校正される。APCバルブ3のバルブコントローラ33は、ガス推定器4から入力された校正後データユニット群CGDU1の逆数感度(1/Gp)に基づいて調圧制御を行う。ところで、校正時に用いられるガスのガス種はプロセス時のガス種と異なるので、調圧制御を行う際には、プロセス時のガス種を逐次推定し、推定されたガス種に基づく逆数感度(1/Gp)を用いて調圧制御を行う必要がある。そのため、制御部41の第1推定部411では、APCバルブ3で調圧制御を行う際のガス種および流量すなわち調圧時推定値(Mest2,Qest2)の推定を行う。
Qtemp(Mi,Qk,θr)=Secal(Mi,Qk,θr)×Pr(θr)
+V×(ΔP/Δt) …(12)
(変形例1)
変形例1では、ガス推定器4の演算負荷軽減の一例について説明する。逆数感度(1/Gp)は、流量よりもガス種依存性が大きいことを考慮すると、流量については予め代表的な流量に固定し、ガス種のみをパラメータとして実効排気速度Seのデータユニット、逆数感度(1/Gp)のデータユニットを構成しても良い。さらに、ガス種のパラメータについても3つとし、その3つの中から選択するように構成する。
上述した実施形態では、図1に示したように、ガス推定器4を、ポンプコントローラ22およびバルブコントローラ33とは別に設ける構成としたが、ガス推定器4をバルブコントローラ33やポンプコントローラ22に組み込んでも良い。ガス推定器4をバルブコントローラ33に組み込んだ場合、バルブコントローラ33とポンプコントローラ22との間で、調圧時推定値(Mest2,Qest2)およびモータ電流値Irのデータの送受信が行われる。また、ガス推定器4をポンプコントローラ22に組み込んだ場合、調圧時推定値(Mest2,Qest2)およびモータ電流値Irをポンプコントローラ22からバルブコントローラ33へと送信する。
上述した図9では、プラントゲインGpのガス種による差異傾向を示した。一方で、図9に示した通り、ガス種が異なっても、プラントゲインGpが最大になる開度θ_Gp_maxはほぼ同じ位置になる。この特性は、ガス種依存性を緩和する特性でもある。例えば、プロセス条件がごく短時間で変化して、常時圧力変動が大きい場合、上述の調圧時のガス種およびガス流量推定が容易でない。そのような場合は、調圧時のガス種およびガス流量推定が正確でない場合の副作用を考慮して、上述の制御性改善の効果には及ばないまでもGpのガス種依存性が弱い面を利用し、初期校正で得られた校正後プラントゲインデータ(校正後データユニット群CGDUの逆数感度(1/Gp))の内、予め決めておいた特定のガス種条件のプラントゲインデータをガス推定器4からAPCバルブ3のバルブコントローラ33へ送信する。バルブコントローラ33は、プロセス条件(ガス種)にかかわらず、この特定データを常に適用して調圧制御のゲイン設定を行う。
上述した第1の実施の形態では、ガス推定器4の調圧時推定値(Mest2,Qest2)に基づいてAPCバルブ3の調圧制御を行った。第2の実施の形態では、ターボ分子ポンプ2の制御部221は、ガス推定器4から入力される調圧時推定値(Mest2,Qest2)に基づいて、図1の真空排気装置1に設けられたターボ分子ポンプ2の予防保全動作を行う。
(C1)図1,6,10に示すように、ガス推定器4は、APCバルブ3の開度制御ゲイン値1/Gpに関する相関データである初期データユニット群GDU1および真空排気装置1の実効排気速度Seに関する相関データである初期データユニット群GDU2を含む第1相関データと、ターボ分子ポンプ2における流量Q、ガス種Mおよびモータ電流値Iの間の相関関係を表す初期データユニット群GDU3である第2相関データとを記憶する記憶部42と、少なくとも第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、真空排気装置1により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定する第1推定部と、を備え、第1推定部の推定結果に基づいて、APCバルブ3の制御に用いられる制御補正情報を出力する。
Claims (8)
- 真空ポンプと、前記真空ポンプの吸気口に接続された自動圧力調整バルブを備える真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定するガス推定装置であって、
前記自動圧力調整バルブの開度制御ゲイン値に関する相関データおよび前記真空排気装置の実効排気速度に関する相関データを含む第1相関データと、前記真空ポンプにおける流量、ガス種およびモータ電流値の間の相関関係を表す第2相関データとを記憶する相関データ記憶部と、
少なくとも前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定する第1推定部と、を備え、
前記開度制御ゲイン値に関する相関データは、前記開度制御ゲイン値、前記真空排気装置により真空排気するガスのガス種と流量、および前記自動圧力調整バルブのバルブ開度の間の相関関係を表し、
前記実効排気速度に関する相関データは、前記実効排気速度、前記真空排気装置により真空排気するガスのガス種と流量、および前記自動圧力調整バルブのバルブ開度の間の相関関係を表し、
前記第1推定部の推定結果に基づいて、前記自動圧力調整バルブの制御に用いられる制御補正情報を出力する、ガス推定装置。 - 請求項1に記載のガス推定装置において、
前記第1推定部は、前記真空ポンプのモータ電流値、前記自動圧力調整バルブのバルブ開度、前記真空排気装置により真空排気する真空チャンバの圧力計測値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定し、
前記第1推定部の推定結果を前記制御補正情報として出力する、ガス推定装置。 - 請求項2に記載のガス推定装置において、
所定流量のガス排気時における複数のバルブ開度毎の圧力計測値、前記複数のバルブ開度、前記真空ポンプのモータ電流値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定する第2推定部と、
前記第2推定部により推定されるガス種に基づいて前記第1相関データを校正する校正部と、を備え、
前記相関データ記憶部に記憶されている校正前の前記第1相関データは、前記校正部で校正された第1相関データにより置き換えられる、ガス推定装置。 - 請求項3に記載のガス推定装置において、
前記第2推定部で推定される流量に基づいて、複数のバルブ開度毎の圧力計測時における流量が前記所定流量か否かを判定する判定部を備える、ガス推定装置。 - 請求項2から請求項4までのいずれか一項に記載のガス推定装置と、
真空ポンプと、
前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、
前記自動圧力調整バルブは、
バルブ開度を計測する開度計測器と、
前記第1推定部で推定された流量およびガス種とバルブ開度計測値と、前記相関データ記憶部に記憶されている第1相関データとに基づいて、調圧時のバルブ開度制御のゲイン値を設定するゲイン値設定部と、
設定されたゲイン値と前記圧力計測値とに基づいてバルブ開度を制御するバルブ開度制御部とを備える、真空排気装置。 - 請求項2から請求項4までのいずれか一項に記載のガス推定装置と、
真空ポンプと、
前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、
前記真空ポンプは、
前記真空ポンプにより排気されるガスのガス種と許容上限流量との相関を表す許容流量データを記憶する許容流量データ記憶部と、
前記第1推定部で推定される流量が、前記許容流量データおよび前記第1推定部で推定されるガス種に基づいて取得される許容上限流量よりも大きい場合に、警報情報を出力するポンプ制御部とを備える、真空排気装置。 - 請求項1に記載のガス推定装置において、
前記第1推定部は、所定流量のガス排気時における複数のバルブ開度毎の圧力計測値、前記複数のバルブ開度、前記真空ポンプのモータ電流値、前記第1相関データおよび前記第2相関データに基づいて、前記真空排気装置により真空排気されるガスの流量およびガス種を推定し、
前記第1推定部により推定されるガス種に基づいて前記第1相関データを校正する校正部をさらに備え、
前記校正部で校正された校正後第1相関データを前記制御補正情報として出力する、ガス推定装置。 - 請求項7に記載のガス推定装置と、
真空ポンプと、
前記真空ポンプの吸気口側に接続される自動圧力調整バルブと、を備え、
前記自動圧力調整バルブは、
バルブ開度を計測する開度計測器と、
予め設定されたガス種、バルブ開度計測値、および前記校正後第1相関データに基づいて、調圧時のバルブ開度制御のゲイン値を設定するゲイン値設定部と、
設定されたゲイン値と前記圧力計測値とに基づいてバルブ開度を制御するバルブ開度制御部とを備える、真空排気装置。
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