JP6907543B2

JP6907543B2 - 真空バルブ

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Publication number: JP6907543B2
Application number: JP2017003450A
Authority: JP
Inventors: 伸幸平田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP2018112266A

Description

本発明は、真空バルブに関する。

スパッタやエッチャなどの半導体製造装置に使用される真空バルブとしては、例えば、特許文献１に記載のような真空バルブが知られている。

特許文献１に記載の真空バルブでは、通信手段を介して接続された制御装置の装置制御ユニットによりバルブ本体側の駆動装置が制御される。この制御装置には、格納手段が通信手段を介して接続される。装置制御ユニットは、半導体製造装置等の装置による生産中ＣＬＯＳＥ指令とＦＵＬＬＣＬＯＳＥ指令とからなる指令のいずれかの指令を受信し、格納手段に格納した生産中ＣＬＯＳＥ位置又はＦＵＬＬＣＬＯＳＥ位置データを参照して、生産中ＣＬＯＳＥ位置信号又はＦＵＬＬＣＬＯＳＥ位置信号を生成する。そして、その生産中ＣＬＯＳＥ位置信号又はＦＵＬＬＣＬＯＳＥ位置信号によりバルブの動作を行わせる。

特開２０１３−２３１４６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の真空バルブでは、格納手段が制御装置側に設けられているので、格納手段に格納した生産中ＣＬＯＳＥ位置又はＦＵＬＬＣＬＯＳＥ位置データと、バルブ本体側の生産中ＣＬＯＳＥ位置又はＦＵＬＬＣＬＯＳＥ位置とがバルブ本体毎に異なっている場合には、バルブ本体に対して制御装置を交換したときに、適切なバルブ動作を行わせることができないおそれがあった。

本発明の好ましい実施形態による真空バルブは、弁体および前記弁体を開閉駆動するモータを有するバルブ本体と、前記モータを駆動制御するバルブ制御装置とを備え、前記バルブ本体に対して前記バルブ制御装置が交換可能な真空バルブにおいて、前記バルブ本体は、前記バルブ本体の特性情報が記憶される第１の記憶部と、前記モータの回転位置を検出する検出部とを備え、前記特性情報は、前記検出部の検出誤差データ、前記バルブ本体の機種を示す機種情報、前記弁体の質量、前記弁体の慣性モーメント、前記弁体の全駆動範囲、および、前記弁体の初期位置とモータ回転位置との関係の少なくとも一つであって、前記バルブ制御装置は、前記特性情報を前記第１の記憶部から読み込み、前記特性情報に基づいて前記モータを駆動制御する。
本発明の好ましい実施形態による真空バルブは、弁体および前記弁体を開閉駆動するモータを有するバルブ本体と、前記モータを駆動制御するバルブ制御装置とを備え、前記バルブ本体に対して前記バルブ制御装置が交換可能な真空バルブにおいて、前記バルブ本体は、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報が記憶される第１の記憶部、および、前記モータの回転位置を検出する検出部を備え、前記特性情報は前記検出部の検出誤差データであり、前記バルブ制御装置は、前記検出誤差データに基づいて、前記検出部で検出された前記回転位置を補正する補正部を備え、前記検出誤差データを前記第１の記憶部から読み込み、前記補正部で補正された回転位置に基づいて前記モータを駆動制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記バルブ制御装置は、前記弁体の質量および／または慣性モーメントが、前記バルブ本体の複数の機種について記憶される第２の記憶部を備え、前記第１の記憶部に記憶される前記特性情報は前記バルブ本体の機種を示す機種情報であって、前記バルブ制御装置は、前記第１の記憶部から読み込まれた前記機種情報に対応する機種の前記弁体の質量および／または慣性モーメントに基づいて前記モータを駆動制御する。

本発明によれば、バルブ本体とバルブ制御装置との組み合わせを変えても、バルブ本体を適切に制御することができる。

図１は、本発明の真空バルブの一実施の形態を示す図である。図２は、真空バルブの平面図である。図３は、バルブ制御装置の一例を示すブロック図である。図４は、ズレ角度Δθを説明する図である。図５は、Ａ相コイルおよびＢ相コイルの通電電流を示す図である。図６は、バルブ制御装置を交換した場合を説明するブロック図である。

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。図１は、本発明の真空バルブの一実施の形態を示す図であり、真空装置に搭載された状態を示す。真空バルブ１のバルブ本体１０は、真空装置の真空チャンバ３の排気口（不図示）に装着される。真空チャンバ３の排気口にはバルブ本体１０の吸気口（不図示）が接続され、バルブ本体１０の排気口（不図示）に真空ポンプ２が接続される。バルブ本体１０のバルブプレート１００を開くと、真空チャンバ３が真空ポンプ２によって排気される。

バルブプレート１００はモータ１０１により揺動駆動され、それにより開閉動作を行う。バルブ本体１０の駆動はバルブ制御装置１１によって行われる。図１に示す真空バルブ１は、バルブ本体１０とバルブ制御装置１１とが別体で設けられており、両者はケーブル１０２によって接続される。ただし、本発明は図１に示すような別体型に限らず、バルブ本体とバルブ制御装置とが一体となった一体型の真空バルブにも適用することができる。

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。真空チャンバ３の圧力は、真空計３１によって計測される。ガス流量データおよび圧力データは、真空装置のメインコントローラ（不図示）に入力される。

図２は、真空バルブ１を真空チャンバ３側から見た平面図である。上述したように、ハウジング１０３内に設けられたバルブプレート１００は、モータ１０１により揺動駆動される。ハウジング１０３の表側には、真空チャンバ３に接続されるフランジ１０４が設けられている。図示していないが、ハウジング１０３の裏側にも、フランジ１０４と対向する位置に排気側のフランジが設けられている。そのフランジに真空ポンプ２が接続される。バルブプレート１００は、バルブ開口部１０４ａの全体に対向する全遮蔽位置Ｃ２と、バルブ開口部１０４ａ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１００によるバルブ開口部１０４ａ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１０４ａ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１００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。

バルブプレート１００を揺動駆動するモータ１０１には、一般にステッピングモータが用いられる。本実施の形態ではモータ１０１をマイクロステップ制御することにより、高精度な位置制御を行わせるようにしている。

図３は、バルブ制御装置１１の一例を示すブロック図である。ここでは、モータ１０１に２相のステッピングモータを用いる場合を例に説明する。バルブ本体１０に設けられたモータ１０１の回転位置は、エンコーダ１０６によって検出される。エンコーダ１０６には、例えば、磁気ロータリーエンコーダが用いられる。モータ１０１は、バルブ制御装置１１に設けられたインバータ１１８によって駆動される。

図４は、モータ１０１と、モータ１０１を駆動するインバータ１１８とを説明する図である。モータ１０１には、回転子２００の周囲にＡ相コイル２０１ＡおよびＢ相コイル２０１Ｂが複数配置されている。例えば、２相４極モータであればＡ相、Ｂ相、Ａ相、Ｂ相のように４つのコイルが配置されている。

回転子２００のモータ軸の軸端には、回転位置検出用の永久磁石２０２が設けられている。符号Ｊはモータ軸の軸芯を示しており、永久磁石のＮ極、Ｓ極は周方向に１８０度ピッチで配置されている。エンコーダ１０６に設けられたセンサ部１０６ａには、ホール素子が設けられている。エンコーダ１０６は、永久磁石２０２の磁極方向をセンサ部１０６ａに設けられたホールセンサで検出することにより、回転子２００の回転位置を検出している。

インバータ１１８には、４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を用いたフルブリッジ回路１１８Ａ，１１８Ｂが、Ａ相コイル２０１ＡおよびＢ相コイル２０１Ｂに対して設けられている。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはトランジスタやＩＧＢＴ等が用いられ、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはダイオードＤ１〜Ｄ４が並列接続されている。ＰＷＭ信号生成部１１７からのスイッチング信号によりインバータ１１８のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオンオフ制御することにより、Ａ相コイル２０１ＡおよびＢ相コイル２０１Ｂを通電する。

回転子２００がＡ相コイル２０１Ａの位置からＢ相コイル２０１Ｂの位置まで回転したときの角度が、基本ステップ角（フルステップ角）である。２相４極モータの場合には、基本ステップ角は９０度である。高分解能位置決めを可能にするマイクロステップ駆動は、基本ステップ角をさらに電気的に細分化して駆動するものであり、Ａ相コイル２０１ＡとＢ相コイル２０１Ｂの電流配分を徐々に変化させることで、基本ステップ角の間が複数のステップに分割される。一般的には、Ａ相コイル２０１ＡおよびＢ相コイル２０１Ｂに図５に示すような正弦波状電流が通電されるように、インバータ１１８をＰＷＭ制御する。

永久磁石２０２は、永久磁石２０２のＮ極の位置と回転子２００のＮ極の位置とが一致するようにモータ軸に固定される。しかしながら、永久磁石２０２の取り付けに誤差が生じた場合、図４に示すように、回転子２００のＮ極と永久磁石２０２のＮ極との間に角度ズレ（ズレ角度Δθ）が発生する。その結果、モータ１０１の位置決め精度が低下してしまう。

本実施の形態では、ズレ角度Δθが、バルブ本体１０の側に設けられた不揮発性のメモリ１０７に記憶される。ズレ角度Δθは、バルブ本体１０の組立後に計測しておき、その計測された値を図３のメモリ１０７に書き込むようにする。ズレ角度Δθの計測方法としては、例えば、Ｂ相コイル２０１Ｂの通電を停止し、Ａ相コイル２０１Ａのみに通電し、ズレ角度Δθを計測する。そのように通電すると、回転子２００のＮ極はＡ相コイルに引きつけられ、回転子２００は、そのＮ極がＡ相コイル２０１Ａに対向するような位置で停止する。この状態においてエンコーダ１０５により検出される角度がズレ角度Δθであり、検出されたズレ角度Δθはメモリ１０７に記憶される。真空バルブ１の製造者によって、検出されたズレ角度Δθをメモリ１０７に記憶させておくことが一般的ではあるが、真空バルブ１のユーザによって、検出されたズレ角度Δθをメモリ１０７に記憶させることも可能である。

バルブ制御装置１１がバルブ本体１０と接続され、バルブ制御装置１１の電源がオンされると、モータ駆動制御部１１０は、バルブ本体１０側のメモリ１０７に記憶されているズレ角度Δθを読み込んで、モータ駆動制御部１１０のθ補正部１１３（図３参照）に記憶する。

エンコーダ１０６は、回転子２００の回転位置θrを検出する。検出された回転位置θrは、モータ駆動制御部１１０のθ補正部１１３およびωr生成部１１４に入力される。ωr生成部１１４は、入力された回転位置θrに基づいて回転速度ωrを算出する。θ補正部１１３は、メモリ１０７から読み込んだズレ角度Δθに基づいて、回転位置をθrc＝θr−Δθのように補正する。

マイクロステップ制御部１１５は、バルブプレート１００を位置決めする目標位置に基づいて角度位置指令および角速度指令を生成し、それらに基づく目標電流値指令ｉαs，ｉβsを出力する。電流制御器１１６には目標電流値指令ｉαs，ｉβsと計測された電流値ｉαr，ｉβrとの差分をゼロに近づけるように、電圧指令をＰＷＭ信号生成部１１７に出力する。ＰＷＭ信号生成部１１７は、電流制御器１１６から入力された電圧指令に基づいて、インバータ１１８の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４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。

以上のように、本実施の形態では、バルブ本体１０はメモリ１０７を備えており、メモリ１０７には、エンコーダ１０６で回転子２００の回転位置を検出する際の検出誤差データが、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報として記憶されている。そして、θ補正部１１３において、検出された回転位置θrを検出誤差データであるズレ角度Δθでθrc＝θr−Δθのように補正し、補正後のθrcを用いてモータ１０１を駆動制御する。

このように、ズレ角度Δθに基づいて補正された回転位置θrcを用いてモータ１０１を駆動制御するので、永久磁石２０２やエンコーダ１０６に取り付け誤差が生じた場合でも、精度良くバルブプレート１００を位置決めすることができる。

ところで、バルブ制御装置１１とバルブ本体１０とは一対一で対応付けられているわけではなく、同一機種であれば、バルブ制御装置１１を異なる機台のバルブ本体１０と組み合わせて使用することが可能である。本実施の形態では、バルブ本体１０のメモリ１０７に記憶されている角度ズレΔθをバルブ制御装置１１側に読み込み、エンコーダ１０６で検出した回転位置θrをズレ角度Δθで補正しているので、バルブ制御装置１１を交換した場合でも自動的にズレ角度Δθの補正が行われる。すなわち、バルブ本体１０とバルブ制御装置１１との組み合わせを変えた場合でも、メモリ１０７に記憶された情報に基づいてバルブ本体１０を適切に制御することができる。

このような機台毎の誤差としては、上記ズレ角度Δθとは別に、バルブプレート１００の初期位置（基準位置）とモータ回転位置との関係などがあり、その場合も同様に適用することができる。

（変形例１）
上述した実施の形態では、同一機種の間でバルブ制御装置１１とバルブ本体１０との組み合わせを変更した場合でも、正確なバルブ制御（バルブプレートの位置決め制御）を行うことができることについて説明した。変形例１では、機種の異なるバルブ本体１０とバルブ制御装置１１とを接続して用いる場合について説明する。

例えば、機種Ａのバルブ本体１０Ａと機種Ｂのバルブ本体１０Ｂを、機種Ａのバルブ制御装置１１Ａに接続する場合について考える。この場合、バルブ本体１０Ａのメモリ１０７Ａおよびバルブ本体１０Ｂのメモリ１０７Ｂには、回転位置の検出誤差である角度ズレΔθと、バルブプレート１００の開閉駆動に関する駆動特性とが、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報として記憶されている。

バルブプレート１００の開閉駆動に関する駆動特性としては、バルブプレート１００の質量や回転軸に関する慣性モーメント等がある。変形例１では、バルブプレート１００が搖動駆動されるので、慣性に関する情報としてバルブプレート１００の慣性モーメントが記憶されている。ここでは、バルブ本体１０Ａの慣性モーメントをＩaとし、バルブ本体１０Ｂの慣性モーメントをＩb（＞Ｉa）とする。

図６は、バルブ本体１０Ｂにバルブ制御装置１１Ａを接続して使用する場合を示すブロック図である。ここでは、モータ１０１の仕様は、バルブ本体１０Ａ，１０Ｂで同一であるとする。メモリ１０７Ｂには、角度ズレΔθbとバルブプレート１００の慣性モーメントＩbが記憶されている。図示していないが、同様に、バルブ本体１０Ａには角度ズレΔθaと慣性モーメントＩaが記憶されている。

角度ズレΔθbに関する補正は上述した実施の形態と同様であり、説明は省略する。メモリ１０７Ｂから読み出された慣性モーメントＩaは、マイクロステップ制御部１１５に設けられた不揮発性のメモリ１１５ａに記憶される。マイクロステップ制御部１１５は、角度位置指令および角速度指令に対して目標電流値指令ｉαs，ｉβsを生成する場合、バルブプレート１００の慣性モーメントの大きさに応じた制御パラメータに基づいて目標電流値指令ｉαs，ｉβsを生成する。例えば、慣性モーメントＩaの場合には制御パラメータＰＡが選択され、慣性モーメントＩb（＞Ｉa）の場合には、慣性モーメントＩaの場合よりも大きなモータ電流が流れるような制御パラメータＰＢが選択される。その結果、バルブプレート１００の慣性モーメントが異なるバルブ本体１０Ａ，１０Ｂのいずれが接続された場合でも、バルブプレート１００の動作を同一とすることができる。

変形例１では、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報として、角度ズレΔθとバルブプレート１００の慣性に関する情報とがメモリ１０７Ｂに記憶されているが、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報としては種々のものが考えられる。例えば、機種が異なるとバルブプレート１００のフルストローク（開度０％から開度１００％までの回転角度）が異なる場合がある。その場合には、特性情報としてフルストロークを記憶させれば良い。

（変形例２）
変形例２も、変形例１の場合と同様に、機種の異なるバルブ本体１０とバルブ制御装置１１とを接続して用いる構成に関する。変形例２では、図６のバルブ本体１０側のメモリ１０７には、バルブ本体１０の機種に関するデータ、すなわち機種を区別するデータ（以下では、機種情報と呼ぶことにする）が記憶されている。一方、バルブ制御装置１１のマイクロステップ制御部１１５のメモリ１１５ａには、バルブ本体１０の弁体開閉駆動に関する駆動特性（例えば、バルブプレート１００の慣性モーメント）が複数の機種について記憶されている。ここでは、２種類の機種Ａ，Ｂの慣性モーメントＩa，Ｉbに関する制御パラメータＰＡ，ＰＢが記憶されているとして説明する。

図６のように、機種Ａのバルブ制御装置１１Ａに機種Ｂのバルブ本体１０Ｂが接続された場合、バルブ制御装置１１Ａの電源を起動すると、メモリ１０７Ｂから機種Ｂという機種情報がバルブ制御装置１１Ａに設けられたマイクロステップ制御部１１５に読み込まれる。そして、読み込んだ機種情報が機種Ｂであると認識されると、機種Ｂの慣性モーメントＩbに対応する制御パラメータＰＢが選択され、制御パラメータＰＢに基づいて目標電流値指令ｉαs，ｉβsが生成される。

以上のように、変形例１では、バルブ本体１０Ｂ側のメモリ１０７Ｂに駆動特性である慣性モーメントＩbを記憶させて、それをバルブ制御装置１１Ａに読み込んでモータ１０１を駆動制御するようにした。一方、変形例２では、バルブ制御装置１１Ａ側のメモリ１１５ａに機種Ａ，Ｂの制御パラメータＰＡ，ＰＢが記憶され、バルブ本体１０Ｂ側のメモリ１０７Ｂに記憶された機種情報（機種Ｂというデータ）を読み込んで、その機種Ｂに対応する制御パラメータＰＢを基づいてモータ１０１を駆動制御する。いずれの場合も、バルブ本体に対してバルブ制御装置を交換して使用しても、バルブ本体の駆動特性に応じて適切に制御することができる。

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。例えば、揺動式の真空バルブを例に説明したが、弁体が直線的にスライドする真空バルブや、さらには、スライド式以外の方式で開閉する真空バルブにも適用することができる。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、１０，１０Ａ，１０Ｂ…バルブ本体、１１，１１Ａ…バルブ制御装置、１０１…モータ、１０６…エンコーダ、１０６ａ…センサ部、１０７，１０７Ａ，１０７Ｂ…メモリ、１１０…モータ駆動制御部、１１３…補正部、１１４…ωｒ生成部、１１５…マイクロステップ制御部、１１６…電流制御器、１１７…ＰＷＭ信号生成部、１１８…インバータ、２００…回転子、２０２…永久磁石

Claims

弁体および前記弁体を開閉駆動するモータを有するバルブ本体と、前記モータを駆動制御するバルブ制御装置とを備え、前記バルブ本体に対して前記バルブ制御装置が交換可能な真空バルブにおいて、
前記バルブ本体は、バルブ本体毎の駆動特性の差異を表す特性情報が記憶される第１の記憶部、および、前記モータの回転位置を検出する検出部を備え、
前記特性情報は前記検出部の検出誤差データであり、
前記バルブ制御装置は、
前記検出誤差データに基づいて、前記検出部で検出された前記回転位置を補正する補正部を備え、
前記検出誤差データを前記第１の記憶部から読み込み、前記補正部で補正された回転位置に基づいて前記モータを駆動制御する、真空バルブ。
弁体および前記弁体を開閉駆動するモータを有するバルブ本体と、前記モータを駆動制御するバルブ制御装置とを備え、前記バルブ本体に対して前記バルブ制御装置が交換可能な真空バルブにおいて、
前記バルブ本体は、前記バルブ本体の特性情報が記憶される第１の記憶部と、前記モータの回転位置を検出する検出部とを備え、
前記特性情報は、前記検出部の検出誤差データ、前記バルブ本体の機種を示す機種情報、前記弁体の質量、前記弁体の慣性モーメント、前記弁体の全駆動範囲、および、前記弁体の初期位置とモータ回転位置との関係の少なくとも一つであって、
前記バルブ制御装置は、前記特性情報を前記第１の記憶部から読み込み、前記特性情報に基づいて前記モータを駆動制御するものであり、
前記バルブ制御装置は、前記弁体の質量および／または慣性モーメントが、前記バルブ本体の複数の機種について記憶される第２の記憶部を備え、
前記第１の記憶部に記憶される前記特性情報は前記バルブ本体の機種を示す機種情報であって、
前記バルブ制御装置は、前記第１の記憶部から読み込まれた前記機種情報に対応する機種の前記弁体の質量および／または慣性モーメントに基づいて前記モータを駆動制御する、真空バルブ。