JP6996289B2 - バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバと真空ポンプとの間に設けられ、真空チャンバの圧力調整に用いられるバルブ装置に関する。

エッチング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コンダクタンス可変なバルブを設けて、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。

ところで、真空チャンバの目標圧力設定を変更した場合、変更後の目標圧力値へ可能な限り速く到達および安定させることが求められる。そのような方法として特許文献２に記載の方法が知られている。特許文献２に記載の方法では、真空ポンプの下流側にガス導入手段を設けて別途ガスを導入することで、真空ポンプの排気速度を低下させて、目標圧力値を変更した際の圧力のオーバーシュート現象に対処している。

特許第４６３０９９４号公報 米国特許第８０７０４５９号明細書

しかしながら、特許文献２に記載の発明では、ガス導入手段を新たに設ける必要があることがデメリットとなる。また、ガス導入の流量および導入する期間を決定するには、既知の繰り返しプロセスであることが前提条件となる。さらに、バルブが搭載されている真空チャンバにて、予め、ガス流量および導入期間の調整や設定が必要なため、非常に煩雑である。

本発明の好ましい実施形態によるバルブ装置は、真空チャンバと真空ポンプとの間に設けられ、弁体の開度を変化させてバルブコンダクタンスを制御するバルブ装置において、
前記弁体の開度を検出する開度検出部と、前記真空チャンバの圧力値および圧力目標値が入力され、前記圧力値と前記開度検出部で検出された開度とに基づいて、前記圧力値を前記圧力目標値に近づけるように前記弁体の開度を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記圧力値および前記開度検出部で検出される検出開度に応じて、前記弁体の開度の粗調整を行うオープン制御および前記弁体の開度の微調整を行うクローズ制御の何れかを行い、前記オープン制御では、予め設定した現在から先の予測対象時間における圧力予測推定値を推定し、該圧力予測推定値と圧力目標値とに基づいて前記粗調整を行い、前記クローズ制御では、前記圧力目標値と前記圧力値とに基づいて前記微調整を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、前記圧力目標値に対応する基準開度と前記検出開度との大小関係、および前記圧力目標値と前記圧力値との大小関係に基づいて、前記オープン制御および前記クローズ制御における開度制御を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、開度座標および圧力座標で表される開度・圧力座標平面を、前記基準開度および前記圧力目標値で表される目標座標点を通る圧力座標軸および開度座標軸により第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の４つの領域に区分けし、前記検出開度および前記圧力値で表される座標点が前記第１象限から前記第４象限までのいずれにあるかに応じて開度制御を異ならせる。
さらに好ましい実施形態では、前記オープン制御においては、前記座標点の位置に応じた第１の開度制御パターン、第２の開度制御パターンおよび第３の開度制御パターンのいずれかにより開度制御が行われ、前記第１の開度制御パターンにおいては、前記第１象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加あるいは静止させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少させ、前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、前記第４象限および前記第３象限では前記弁体の開度を減少させ、前記第２の開度制御パターンにおいては、前記第３象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少あるいは静止させ、前記第４象限では前記弁体の開度を減少させ、前記第１象限および前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、前記第３の開度制御パターンにおいては、前記第１象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加あるいは静止させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少させ、前記第３象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少あるいは静止させ、前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、前記第４象限では前記弁体の開度を減少させる。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、前記目標座標点を含み所定開度閾値および所定圧力閾値によって設定された領域に、前記座標点が含まれるか否かによって前記クローズ制御および前記オープン制御のいずれを行うかを決定する。
さらに好ましい実施形態では、前記所定圧力閾値によって設定される領域は、前記圧力目標値を中心とする所定圧力偏差の範囲であって、前記制御部は、前記検出圧力値が前記所定圧力偏差内か否かにより、前記クローズ制御と前記オープン制御との間の切り替えを行い、前記オープン制御から前記クローズ制御へ切り替える場合、前記第１象限および前記第３象限における前記所定圧力偏差を、前記第２象限および前記第４象限における前記所定圧力偏差よりも小さくした。
さらに好ましい実施形態では、前記基準開度として、前記弁体の開度変化により前記圧力値が前記圧力目標値に達したと仮定したときの目標開度推定値を用いる。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、前記検出開度が前記目標開度推定値を中心とする所定開度幅内に含まれるか否かにより、前記オープン制御から前記クローズ制御への切り替えを決定し、前記目標開度推定値の推定精度が低いほど、前記所定開度幅を大きく設定する。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、前記オープン制御により前記弁体の開度を前記基準開度まで変化させた後に前記クローズ制御を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記制御部は、前記クローズ制御による微調整時に前記圧力値と前記圧力目標値との差の大きさが所定圧力閾値より大きくなると、前記クローズ制御から前記オープン制御に切り替える。
さらに好ましい実施形態では、前記圧力予測推定値は、前記検出開度から前記基準開度までの開度変化経路の内、前記予測対象時間までを仮設定した経路を表す開度計画値と、排気の式「Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ×Ｐ＝Ｑin」に従って求められた導入ガス流量推定値、あるいはバルブ装置以外から入力される導入ガス流量情報としての導入ガス流量入力値とを、前記排気の式を満たす一般解を離散化した関係式に適用して演算される、バルブ装置。ただし、Ｖは前記真空チャンバの容積、Ｐは前記真空チャンバの圧力、Ｓは開度に応じた排気速度、Ｑinは前記真空チャンバに導入されるガスの流量である。
さらに好ましい実施形態では、前記圧力予測推定値は、前記予測対象時間の間、前記検出開度の現在値を固定し、かつ、前記導入ガス流量入力値あるいは前記導入ガス流量推定値の現在における推定値を固定して設定し演算される。
さらに好ましい実施形態では、前記予測対象時間は、バルブコンダクタンスの最小値と最大値間の弁体開度変化に要する駆動時間を目安に、前記駆動時間の１倍～０．１倍に設定されている。

本発明によれば、ガス導入等の新たな手段を講じることなく、真空チャンバの圧力目標値が変更された際に、素早くかつ安定的に圧力調整することができる。

図１は、バルブ装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、バルブユニットの平面図である。 図３は、第１の実施の形態における開度調整動作を説明するフローチャートである。 図４は、制御モード判定を説明する図である。 図５は、オープン制御およびクローズ制御における開度調整動作の一例を説明する図である。 図６は、本実施の形態における開度調整の特徴を定性的に説明する図である。 図７は、図４（ｂ）に示す判定動作を詳細に説明する図である。 図８は、第２の実施の形態における座標点の軌道を示す図である。 図９は、第２の実施の形態における開度調整動作を示すフローチャートである。 図１０は、導入ガス流量の変化による座標点（θr、Ｐr）の移動を説明する図である。 図１１は、変形例における座標点移動時の制御を説明する図である。 図１２は、変形例における開度調整動作を示すフローチャートである。

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装置の第１の実施の形態を示す図であり、バルブ装置の概略構成を示すブロック図である。バルブ装置は、バルブユニット１とバルブユニット１を制御するバルブコントローラ２とから構成される。図１に示す例では、バルブユニット１は真空装置の真空チャンバ３に装着され、そのバルブユニット１に真空ポンプ４が固定されている。すなわち、真空チャンバ３は、バルブユニット１を介して真空ポンプ４により排気される。

図２は、バルブユニット１を真空チャンバ側から見た平面図である。バルブユニット１のハウジング１１内には、モータ１３により揺動駆動されるバルブプレート１２が設けられている。ハウジング１１には真空チャンバ３に固定されるフランジ面１１０ａが形成されている。図示していないが、ハウジング１１の反対側（真空ポンプ４が固定される側）には、真空ポンプ４が固定されるフランジ面が形成されている。これら一対のフランジ面に形成された各開口は同芯配置されており、ガス流路であるバルブ開口部１１１を構成している。

バルブプレート１２はモータ１３により揺動駆動され、バルブ開口部１１１の全体にバルブプレート１２が対向してコンダクタンスが最小となる全遮蔽位置Ｃ２と、バルブプレート１２がバルブ開口部１１１に全く対向せずコンダクタンスが最大となる全開放位置Ｃ１との間の任意の位置に、バルブプレート１２を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、本実施の形態のバルブユニット１は、バルブプレート１２の開度を調整することによりコンダクタンスを制御することができる。

図１に戻って、モータ１３には、バルブプレート１２の揺動角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は、導入されるガスの流量Ｑinを検出する機能を備えており、流量検出値は真空装置に設けられている主制御部（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（以下では、圧力現在値と呼ぶ場合もある）Ｐrはバルブコントローラ２に入力される。

バルブユニット１を制御するバルブコントローラ２は、制御部２１、モータドライバ部２２および記憶部２３を備えている。制御部２１には、推定演算部２１１および調圧制御部２１２が設けられている。モータドライバ部２２によりモータ１３の回転を制御することで、バルブプレート１２の開度を制御している。

エッチングプロセスや成膜プロセスを真空チャンバ内で行う場合、各プロセスに応じた圧力（圧力目標値）で処理が行われる。そして、真空チャンバの圧力目標値の設定を変更した場合、変更後の圧力目標値へ可能な限り速く到達させ、安定させる必要がある。そのような圧力目標値の変更は、真空チャンバと真空ポンプとの間に設けられたバルブ（コンダクタンス可変型のバルブ）のコンダクタンスを変更することで行われる。もちろん、導入ガスの流量もプロセスに応じたガス流量に変更されるので、バルブのコンダクタンスを制御して所望の圧力目標値に速やかに到達させるのは容易なことではない。本発明では、以下に説明するような制御を行うことによって、圧力目標値への到達時間の短縮化を図るようにした。

図１のように、真空ポンプ４と真空チャンバ３との間にバルブユニット１を設けた場合、真空チャンバ３に対する実効排気速度Ｓeと、真空ポンプ４の排気速度Ｓpとバルブユニット１のコンダクタンスＣvとの間には次式（１）のような関係が成り立つとされている。
１／Ｓe＝１／Ｓp＋１／Ｃv ・・・（１）

そのため、実効排気速度Ｓeは次式（２）のように表される。真空チャンバ３に導入されるガスの流量をＱinとすると、圧力が安定した状態における真空チャンバ３内の圧力Ｐは、次式（３）のように表される。すなわち、バルブユニット１のコンダクタンスＣvを大きくすれば圧力Ｐは低下し、逆に、コンダクタンスＣvを小さくすることで圧力Ｐを上昇させることができる。
Ｓe＝Ｓp／｛１＋（Ｓp／Ｃv）｝ ・・・（２）
Ｐ＝Ｑin／Ｓe＝（Ｑin／Ｓp）・｛１＋（Ｓp／Ｃv）｝ ・・・（３）

次に、本実施の形態における調圧制御について説明する。詳細は後述するが、本実施の形態の調圧制御の概要を述べると、以下のようになる、
（Ａ）未来（予測対象時間とするｔ秒後：例えば０．４秒）の圧力予測推定値を逐次演算する（ここでは、逐次演算はサンプリング周期Δt1秒（例えば、１０msec）毎に行われるものとする）。
（Ｂ）算出された圧力予測推定値と圧力目標値とに基づいて、調圧制御における開度変化方向を決定する。
（Ｃ）真空計３１により計測される真空チャンバ３の現在の圧力値が圧力目標値から大きく乖離している場合には、オープン制御による粗調整を行って速やかに圧力目標値の近傍まで圧力を変化させる。一方、計測される圧力値が圧力目標値近傍領域となったならば、クローズ制御による微調整を行って現在の圧力値を圧力目標値に近づけて安定させる。

図３は、本実施の形態における開度調整動作を説明するフローチャートである。ここでは、図３を用いて、開度調整動作の一連の流れについて概略を説明し、各ステップにおける処理の詳細については後述する。バルブコントローラ２の電源がオンされると、制御部２１は図３の制御を開始する。ステップＳ１では、装置側コントローラから設定される圧力目標値Ｐsが入力されたか否かを判定し、圧力目標値Ｐsが入力されるとステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、エンコーダ１３０により計測される開度現在値θrから、圧力値が圧力目標値に到達したと仮定したときの推定開度である目標開度推定値θseまでの開度変化経路の内、ｔ秒先までの経路を開度計画値として仮設定し、その開度計画値に基づいて現在を基点とするｔ秒先の圧力予測推定値Ｐpを演算する。この圧力予測推定値および目標開度推定値の演算は、図１の推定演算部２１１で行われる。圧力予測推定値および目標開度推定値の演算の詳細は後述する。

ステップＳ３では、圧力目標値Ｐs、真空計３１で計測される圧力現在値Ｐr，エンコーダ１３０により計測される開度現在値θr，推定演算部２１１で演算された目標開度推定値θseに基づいて、開度調整の制御モードをオープン制御（Ｏ）、クローズ制御（Ｃ）および不感帯制御（Ｍ）のいずれで行うかを判定する。制御モードの判定方法の詳細については後述する。

ステップＳ３でオープン制御（Ｏ）と判定されると、ステップＳ４ヘ進みオープン制御による開度調整を行い、クローズ制御（Ｃ）と判定されるとステップＳ５へ進みクローズ制御による開度調整を行う。また、ステップＳ３において不感帯制御（Ｍ）と判定されると、開度は維持し、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、ステップＳ２の圧力予測推定値演算を開始してから所定時間Δt1が経過したか否かを判定し、所定時間Δt1が経過したと判定されるとステップＳ２へ進む。

このように、ステップＳ２からステップＳ６までの一連の処理は、サンプリング周期である所定時間Δt1間隔で繰り返し行われる。さらに、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsに到達した後も、ステップＳ２からステップＳ６までの処理は繰り返され、真空チャンバ３内の圧力（圧力現在値Ｐr）が、常に圧力目標値Ｐsに維持されるように制御される。また、圧力目標値が変更された場合、ステップＳ２の圧力予測推定値演算は変更後の圧力目標値Ｐsに基づいて行われ、速やかに圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsとなるように開度調整される。

（ステップＳ２：圧力予測推定値演算）
ステップＳ２で行われる圧力予測推定値演算の詳細について説明する。圧力予測推定値の算出には、次式（４）で表される排気の式が用いられる。式（４）において、Ｖは、真空チャンバ３の容積、Ｐは真空チャンバ３内の圧力、Ｑinは真空チャンバ３に導入されるガス流量、Ｓは実効排気速度である。
Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ×Ｐ＝Ｑin ・・・（４）

なお、実効排気速度Ｓは、上述した実効排気速度Ｓeと同じものである。実効排気速度Ｓeはバルブユニット１の開度θおよび導入ガス流量Ｑinに依存している。また、真空チャンバ３の容積Ｖは、予め求められ記憶部２３に記憶されている。例えば、真空装置全体を立ち上げた際のバルブユニット１のオートチューニング時に、チャンバ内にガスを導入してビルドアップ法により測定する。式（４）の一般解は、次式（５）のように表される。

・・・（５）

式（５）により現在を基点としたｔ秒後の圧力予測推定値Ｐpを算出する方法として、例えば、下記に示すような離散化関係式（６），（７）を用いる。式（６），（７）を用いて、現在を基点とするｔ秒先までのΔｔ刻みの漸化式を求めて、ｔ秒先の圧力予測推定値Ｐpを求める。ここで、ｋ＝１～９９とし、ｔ秒先を０．４秒とすると、Δｔ＝４ｍsecとなる。
Ｐ(Δｔ先)＝Ｃp(現在)×Ｐ(現在)
＋Ｃq(現在)×｛Ｑine(現在)＋Ａ×Δt｝・・・（６）
Ｐ((k+1)×Δt)＝Ｃp(k)×Ｐ(k×Δt)
＋Ｃq(k)×｛Ｑine(現在)＋Ａ×ｋ×Δt｝・・・（７）
ただし、
Ｃp(k)＝exp｛（－Ｓ(k×Δt)/Ｖ）×Δt｝
Ｃq(k)＝（１／Ｖ）×｛１／（－Ｓ(k×Δt)/Ｖ）｝×（Ｃp(k)－１）

式（６）、（７）を用いてt秒先の圧力予測推定値Ｐpを算出するためには、現在からt秒後までの流量推定値Ｑineと、現在からt秒後までの排気速度Ｓが必要である。例えば、式（７）では｛Ｑine(現在)＋Ａ×ｋ×Δt｝が現在からｋ×Δt秒後の流量推定値を表しており、ここでは、流量がＡ×ｋ×Δtのように変化する場合を仮定した。Ａは定数であり、Ａ＝｛Ｑine（現在）－Ｑine（過去）｝／Δt2で与えられる。ここにΔt2は一定時間である。Δt2，Ａについては後述する。なお、式（６）、（７）における排気速度Ｓ(k×Δt)は開度の計画値に依存しているので、現在からt秒後までの排気速度Ｓを得るには現在からt秒後までの開度計画値が必要となる。

（流量推定値Ｑine(現在)の演算）
流量推定値演算では、式（４）を用いて現在の流量推定値Ｑine(現在)を推定する。上述したように真空チャンバ３に対する排気速度Ｓ（実効排気速度）は、バルブユニット１の開度θに依存する。また、真空チャンバ３に流入させるガスの流量Ｑinにも依存している。記憶部２３には、このような流量Ｑinと開度θと排気速度Ｓとの関係を示す関数式あるいはそれを離散化したマップ（以下では、排気速度マップＳ(Ｑin,θ)と呼ぶことにする）が予め記憶されている。通常、装置コントローラからバルブコントローラ２へは圧力目標値Ｐsとは異なり流量Ｑinに関する情報が入力されないため、圧力予測推定値の演算に必要な流量Ｑinに関しては、バルブコントローラ２にて推定演算する必要がある。その場合、排気速度マップＳ(Ｑin,θ)を用いて推定することになる。ちなみに、特別に装置コントローラから流量Ｑinの情報（導入ガス流量入力値）が得られる場合は、得られた導入ガス流量入力値を流量Ｑinの値としてそのまま使用すればよい。

推定演算部２１１は、入力される現在の開度（開度現在値）θrと流量推定値Ｑineとから、排気速度マップＳ(Ｑin,θ)を参照して現在の排気速度Ｓ(現在)を抽出する。ここで、流量推定値Ｑineには、一回前のサンプリング周期における圧力予測推定値演算の際に用いた流量推定値Ｑine(過去)が用いられる。なお、サンプリング周期ごとに流量推定演算されるので、初回値は便宜上、Ｑine＝０としてよい。

次に、現在の圧力値Ｐr(現在)と一定時間間隔Δt1だけ前に計測された圧力値Ｐr(過去)との圧力差分値dＰ／dt(現在)を次式（８）により算出する。なお、初回の圧力予測推定値演算の場合には、dＰ／dt(現在)＝０とする。そして、この圧力差分値dＰ／dt(現在)と、抽出された排気速度Ｓ(現在)と、圧力値Ｐr(現在)とを上述した式（４）に代入することにより、次式（９）のように現在の流量推定値Ｑine(現在)を算出する。
dＰ／dt(現在)＝｛Ｐr (現在)－Ｐr (過去)｝／Δt1 ・・・（８）
Ｑine(現在)＝Ｖ×（dＰ／dt(現在)）＋Ｓ(現在) ×Ｐr(現在) ・・・（９）

（ｔ秒先までの流量推定値の演算）
まず、上述した現在の流量推定値Ｑine(現在)と、一定時間間隔Δt2だけ過去の流量推定値Ｑine(過去)との差分値を流量変化の傾きとする。流量差分値ΔＱine／Δt2は次式（１０）で算出される。なお、初回の圧力予測推定値演算の場合には、Ｑine＝０と同様に、ΔＱine／Δt2＝０とする。
ΔＱine／Δt2＝｛Ｑine(現在)－Ｑine(過去)｝／Δt2 ・・・（１０）

ここでは、流量推定値Ｑine(現在)を現在値とし、上記の流量差分値ΔＱine／Δt2を傾きとする直線外挿を行うことで、ｔ秒先までの流量推定値をΔt毎に定める。すなわち、Ｑine(現在)、Ｑine(現在)＋(ΔＱine／Δt2) ×Δt、Ｑine(現在)＋(ΔＱine／Δt2) ×２Δt、・・・のように設定する。上述した式（６），（７）ではΔＱine／Δt2を符号Ａで表した。なお、直線外挿になるため、誤差変動を考慮してΔt2としては、サンプリング周期Δt1の数回～数十回程度の比較的長い時間間隔とする。

（目標開度推定値θseの演算）
上述したように、式（６），（７）の係数Ｃp(k)，Ｃq(k)にはΔt毎の排気速度Ｓ(k×Δt)が含まれている。排気速度Ｓ(k×Δt)は開度θに依存しているので、現在からt秒後までの排気速度Ｓ(k×Δt)を求めるためには、現在からt秒後までの開度計画値が必要となる。本実施の形態では、圧力値が圧力目標値Ｐsに到達したときの開度を目標開度推定値θseとして算出する。そして、現在の開度値から目標開度推定値θseまでの開度経路の内、これから仮に設定するｔ秒先までの開度計画値を、予め把握しているモータ駆動速度に従ってΔt秒ごとに計画する。

まず、流量推定値Ｑine(現在)を圧力目標値Ｐsで除算することにより、圧力目標値Ｐsに到達したときの概略の排気速度としての排気速度推定値Ｓse（＝Ｑine(現在)／Ｐs）を算出する。上記では、圧力が圧力目標値に到達した時点でも、流量値は、現在の推定流量値からあまり変化しないものと仮定している。

さらに、現在よりも一回前の流量推定値Ｑine(過去)および排気速度推定値Ｓseと排気速度マップＳ(Ｑin,θ)を参照して開度を抽出し、抽出された開度を目標開度推定値θseとする。なお、Ｓが関数式で与えられる場合は、Ｓse=S(Ｑine(過去)、θ)を逆算出してθ（＝θse）を求める。

（ｔ秒先の圧力予測推定値Ｐpの演算）
上述したように、計測される現在開度値θrから目標開度推定値θseまでの開度経路の内、これから仮設定するｔ秒先までの開度計画値を、予め把握しているモータ駆動速度に従ってΔt秒ごとに計画する。その結果、現在からｔ秒先までΔt秒刻みで開度計画値が定まる。この開度計画値と前述したｔ秒先までの流量推定値と排気速度マップＳ(Ｑin,θ)とを用いて排気速度を抽出することにより、ｔ秒先までの排気速度Ｓ(k×Δt)をΔt秒刻みで求めることができる。Δt秒刻みで求められた流量推定値Ｑineおよび排気速度Ｓ(k×Δt)を式（６），（７）に代入することにより、Δt秒刻みの圧力予測推定値が現在から順に求まり、最終的にはｔ秒先の圧力予測推定値Ｐpが得られる。

一般に、圧力制御において、圧力値が圧力目標値にほぼ到達できる時間として、弁体が全遮蔽位置から全開放位置まで単純に揺動するに要する駆動時間と同オーダ程度は少なくとも必要になる。一方で、式（５）を離散化した式（６）、（７）は圧力に関して単純な直線外挿でないため、弁体が全遮蔽位置から全開放位置まで揺動するに要する駆動時間と同程度になるような比較的長い時間先の予測が可能である。すなわち、圧力が圧力目標値に到達するまでに要する時間と同程度まで十分に予測可能である。

［開度調整ロジックの説明］
次に、図３の開度調整動作における開度調整ロジックについて詳細に説明する。
（１．制御モード判定）
最初に、図３のステップＳ３の判定処理について説明する。ステップＳ３の判定処理では、圧力現在値Ｐr，開度現在値θr，圧力目標値Ｐsおよび目標開度推定値θseに基づいて開度調整の制御モードの判定を行う。

図４は、制御モード判定を説明する図である。制御モード判定は、図４に示すような開度値が目標開度推定値θseで、圧力値が圧力目標値Ｐsである点(θse、Ｐs)を座標原点Ｏとする（開度、圧力）座標系において、開度現在値θrおよび圧力現在値Ｐrで表される点（θr、Ｐr）（以下では、座標点と呼ぶ）がどの領域に位置するかによって行われる。図３の制御を開始してステップＳ３の処理を初めて実行する場合には、図４（ａ）に基づいて制御モード判定が行われる。

図４（ａ）において、圧力範囲が「Ｐs－ΔＰ１／２≦Ｐ≦Ｐs＋ΔＰ１／２」である領域Ｒ１は不感帯制御領域であり、圧力範囲が「Ｐs－ΔＰ１／２＞Ｐ≧Ｐs－ΔＰ２／２、および、圧力範囲が「Ｐs＋ΔＰ１／２＜Ｐ≦Ｐs＋ΔＰ２／２」である領域Ｒ２はクローズ制御領域であり、圧力範囲が「Ｐ＜Ｐs－ΔＰ２／２、および、Ｐ＞Ｐs＋ΔＰ２／２」である領域Ｒ３はオープン制御領域である。

座標点（θr、Ｐr）がオープン制御領域Ｒ３に含まれる場合には、後述するようなオープン制御により開度調整が行われる。座標点（θr、Ｐr）がクローズ制御領域Ｒ２に含まれる場合には、後述するようなクローズ制御により開度調整が行われる。また、座標点（θr、Ｐr）が不感帯制御領域Ｒ１に含まれる場合には、開度は変化させずに維持される。不感帯制御領域Ｒ１は、圧力現在値Ｐrがほぼ圧力目標値Ｐsであると見なされる圧力領域であって、不感帯制御領域Ｒ１の圧力幅ΔＰ１は例えば圧力目標値Ｐsの百分の１（１％）程度に設定される。また、ΔＰ２は、不感帯制御領域Ｒ１の圧力幅ΔＰ１の数倍～１００倍程度に設定される。

図３の制御を開始した後は、ステップＳ２からステップＳ６までの処理が繰り返し実行される。そのとき、初回のステップＳ３の処理においてオープン制御と判定された場合には、２回目のステップＳ３の処理においては図４（ｂ）を用いた判定が行われる。一方、初回のステップＳ３の処理においてクローズ制御または不感帯制御と判定された場合には、２回目のステップＳ３の処理においては、再び図４（ａ）を用いた判定が行われる。そして、２回目のステップＳ３の処理においてオープン制御と判定されると、３回目のステップＳ３の処理においては図４（ｂ）を用いた判定が行われる。以下同様に、クローズ制御または不感帯制御と判定された後の回のステップＳ３の判定では図４（ａ）が用いられ、オープン制御と判定された後の回のステップＳ３の判定では図４（ｂ）が用いられる。

図４（ｂ）において、領域Ｒ１１は不感帯制御領域であり、領域Ｒ２１～Ｒ２４はクローズ制御領域であり、ハッチングが施されていない領域Ｒ３１はオープン制御領域である。不感帯制御領域Ｒ１１の開度範囲は「θse－Δθ／２≦θ≦θse＋Δθ／２」である。クローズ制御領域Ｒ２１，Ｒ２４の開度範囲は「θse≦θ≦θse＋Δθ／２」である。クローズ制御領域Ｒ２２，Ｒ２３の開度範囲は「θse－Δθ／２≦θ＜θse」である。ここで、Δθはθseの１／１０倍程度に設定される。

また、クローズ制御領域Ｒ２１の圧力範囲は「Ｐs＋ΔＰ１／２＜Ｐ≦Ｐs＋ΔＰ３／２」であり、クローズ制御領域Ｒ２３の圧力範囲は「Ｐs－ΔＰ３／２≦Ｐ＜でＰs－ΔＰ１／２」である。クローズ制御領域Ｒ２２の圧力範囲は「Ｐs＋ΔＰ１／２＜Ｐ≦Ｐs＋ΔＰ２／２」であり、クローズ制御領域Ｒ２４の圧力範囲は「Ｐs－ΔＰ２／２≦Ｐ＜でＰs－ΔＰ１／２」である。ここでΔＰ３は、ΔＰ２よりも小さくて、不感帯制御領域Ｒ１の圧力幅ΔＰ１の１倍～数倍程度に設定される。

上述したように、前回のステップＳ３の判定でオープン制御と判定された後の回のステップＳ３の処理では、図４（ｂ）を用いて判定が行われる。そして、座標点（θr、Ｐr）がクローズ制御領域Ｒ２１～Ｒ２４に含まれる場合には、後述するクローズ制御により開度調整が行われる。また、座標点（θr、Ｐr）が不感帯制御領域Ｒ１１に含まれる場合には、開度は変化させず現状状態に維持される。そして、クローズ制御または不感帯制御と判定された場合、次の回のステップＳ３の判定処理では図４（ａ）を用いて判定が行われる。

一方、座標点（θr、Ｐr）がオープン制御領域Ｒ３１に含まれる場合には、後述するオープン制御により開度調整が行われる。そして、次の回におけるステップＳ３の判定処理では、再び図４（ｂ）を用いて判定が行われる。次回以降についても、オープン制御と判定されている間は図４（ｂ）が用いられ、クローズ制御または不感帯制御と判定されると、その次の回のステップＳ３では図４（ａ）が用いられる。

（２．クローズ制御）
図５は、オープン制御およびクローズ制御における開度調整動作の一例を説明する図である。座標点（θr、Ｐr）が、図４（ａ）のクローズ制御領域Ｒ２または図４（ｂ）のクローズ制御領域Ｒ２１～Ｒ２４に含まれる場合には、図５の(close)と表示された破線矩形枠内の矢印で示す方向に開度調整を行う。クローズ制御では、圧力目標値Ｐsに対して圧力現在値Ｐrの方が大きい場合には、開度が大きくなる方向に開度調整が行われる。すなわち、（圧力現在値Ｐr）＞（圧力目標値Ｐs）であって座標点（θr、Ｐr）が横軸よりも上側の第１象限および第２象限にある場合には、圧力が減少するように開度調整される。逆に、（圧力現在値Ｐr）＜（圧力目標値Ｐs）であって座標点（θr、Ｐr）が横軸よりも下側の第３象限および第４象限にある場合には、圧力が増加するように、開度が小さくなる方向に開度調整が行われる。

（３．オープン制御）
上述したクローズ制御の場合、単純に圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsよりも大きい場合には開度を大きくし、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsよりも小さい場合には開度を小さくした。一方、オープン制御の場合は、圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとに基づいて開度調整を行う。この場合、第２象限および第４象限についてはクローズ制御の場合と同様であるが、第１象限および第３象限の開度調整がクローズ制御の場合と異なっている。

座標点（θr、Ｐr）が第２象限にある場合、開度が大きくなる方向に開度調整を行う。この場合、開度を開度目標推定値θse方向に大きくすることで、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsの方向へと減少する。また、座標点（θr、Ｐr）が第４象限にある場合、開度が小さくなる方向に開度調整を行う。この場合、開度を開度目標推定値θse方向に小さくすることで、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsの方向へと増加する。

第１象限の場合には、圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとの大小関係に応じて開度調整の方向を設定する。この場合、Ｐp＞Ｐsのように圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐsよりも大きい方に乖離している場合には、開度を大きくする方向（右向きの矢印で示す方向）に開度調整を行うか、あるいは円５０で示すように開度値をそのまま維持する。逆に、Ｐp≦Ｐsであって圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐsと同程度または小さい方に乖離している場合には、開度を小さくする方向（左向きの矢印で示す方向）に開度調整を行う。第３象限の場合には、圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとの大小関係に応じて開度調整の方向を設定する。この場合、Ｐp＞Ｐsのように圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐsよりも大きい方に乖離している場合には、開度を大きくする方向（右向きの矢印で示す方向）に開度調整を行う。逆に、Ｐp≦Ｐsであって圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐsと同程度または小さい方に乖離している場合には、開度を小さくする方向（左向きの矢印で示す方向）に開度調整を行うか、あるいは円５０で示すように開度値をそのまま維持する。

上述のように、本実施の形態では、真空チャンバ３内の圧力値が圧力目標値Ｐsの近傍領域（図４（ａ）の領域Ｒ２や図４（ｂ）の領域Ｒ２１～Ｒ２４）となるまでは、圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとに基づくオープン制御により開度調整を行い、圧力値が圧力目標値Ｐsの近傍領域内となったならば、従来のようなクローズ制御を行うようにした。その結果、開度調整開始時の圧力値と圧力目標値Ｐsとが大きく乖離していた場合でも、素早く圧力目標値Ｐs近傍にまでチャンバ内圧力を変化させることができ、圧力目標値Ｐsまでの到達時間を短縮することができる。

図６は、本実施の形態における開度調整の特徴を定性的に説明する図である。ここでは、説明を簡単にするために、導入ガス流量を変化させず一定値とし、弁体の開度を調整してチャンバ内圧力をＰ１からＰ２に変化させる場合を示した。図６（ａ）は開度の変化を示し、図６（ｂ）は圧力の変化を示す。圧力Ｐ１の時の開度はθ１であり、圧力Ｐ２のときの開度はθ２である。

図６（ａ）のラインＬ１は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ１までの間に開度をθ１からθ２に変化させた場合を示す。図６（ｂ）のラインＬ１１は、ラインＬ１のように開度を変化させた場合の圧力変化を示したものである。開度を短時間の内にθ１からθ２に変化させた場合でも、チャンバ内圧力は急激には圧力Ｐ１から圧力Ｐ２へと変化できず、圧力Ｐ２に達するまでにある程度の時間を要する。なお、従来のようにクローズ制御で圧力Ｐ１から圧力Ｐ２まで変化させる場合には、チャンバ内圧力と目標圧力Ｐ２との差分に基づいて開度を調整するので、一点鎖線のラインＬ２で示すように、ラインＬ１の場合よりも緩やかに開度が変化する。そのため、圧力のラインＬ２１も、ラインＬ１１に比べて穏やかに上昇する。

また、図６（ｂ）の圧力Ｐ３は、開度θ２よりも大きな開度θ３に変化させた場合の圧力である。図６（ａ）のラインＬ３のように、時刻ｔ＝０から時刻ｔ１までの間に開度をθ１からθ３に変化させた場合、圧力は図６（ｂ）のラインＬ３１のように変化する。ここで、時刻ｔ２までの圧力変化を見ると、ラインＬ１１よりもラインＬ３１の方が大きい。そのため、図６（ａ）の破線で示すラインＬ４のように開度を変化させることで、図６（ｂ）のラインＬ４１のようにチャンバ内圧力をより速く圧力Ｐ２へと到達させることができる。ラインＬ４では、時刻ｔ＝０から時刻ｔ１までの間に開度をθ１からθ３まで変化させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで開度θ３に維持した後、開度をθ２へ減少させた。その結果、チャンバ内圧力は、圧力Ｐ４まで急速に上昇した後に、圧力Ｐ４から圧力Ｐ２まで緩やかに変化する。

本実施の形態では、図４，５に示すようなオープン制御を含む制御ロジックで開度調整を行うことにより、図６（ａ）のラインＬ４に示すような開度調整が行われ、図６（ｂ）のラインＬ４１のようにチャンバ内圧力を所望の目標圧力Ｐ２に速やかに到達させることができる。

なお、ここでは、開度計画値として、説明を容易にするため、現在を基点としてｔ秒後まで現在開度位置にとどまったと仮設定して圧力予測推定値Ｐpを演算した（演算詳細は省略）。上記のような現在開度位置にとどまる設定は、弁体駆動速度が速いバルブにおいて特に有効である。なぜなら、予測したｔ時間後に実際に弁体を現在開度位置から目標開度推定値の開度位置まで十分に駆動可能であるからである。

一般的に、開度調整開始時の圧力現在値Ｐrは圧力目標値Ｐsと大きく乖離しており、開度に関しても開度現在値θrは開度目標推定値θseから大きく乖離している場合が多い。そのため、開度調整開始時の座標点（θr、Ｐr）は、図４（ａ）の第２象限または第４象限のオープン制御領域Ｒ３に含まれる。例えば、図７に示すように第４象限のクローズ制御領域Ｒ２４の近くに位置する座標点Ａ(θr、Ｐr)の場合、図５に示すようにオープン制御により開度を小さくする方向に開度調整すると、座標点（θr、Ｐr）の位置はクローズ制御領域Ｒ２４内へ移動する。その後は、座標点（θr、Ｐr）がこのクローズ制御領域Ｒ２４からオープン制御領域Ｒ３１に移動しない限り、クローズ制御によって圧力は圧力目標値Ｐs方向へと増加する。

また、クローズ制御領域Ｒ２４から離れている座標点Ｂ１(θr、Ｐr)の場合、オープン制御により開度を小さくする方向に開度調整したときに、第３象限のオープン制御領域Ｒ３１に移動することになる。例えば、図５に示すような第４象限のオープン制御によって、座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)や座標点Ｂ２ｂ(θr、Ｐr)のような位置へ移動する。

座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)に移動した場合は、圧力目標値に比較的近く圧力上昇率が大きいためＰp＞Ｐsであり、次回開度を大きくする方向に開度調整する場合である。そのため、圧力上昇率が減少しながら目標開度推定値θse方向へ移動している。この場合、座標点Ｂ３ａ(θr、Ｐr)は第４象限のクローズ制御領域Ｒ２４に含まれ、座標点（θr、Ｐr）がこのクローズ制御領域Ｒ２４からオープン制御領域Ｒ３１に移動しない限り、クローズ制御により圧力が圧力目標値Ｐsへと達する。

座標点Ｂ２ｂ(θr、Ｐr)に移動した場合は圧力目標値から遠く離れて圧力上昇率が小さいためＰp≦Ｐsであり、次回開度を小さくする方向に調整する。この場合、座標点Ｂ３ｂ(θr、Ｐr)からは、Ｐp≦Ｐsの関係がＰp＞Ｐsの関係へ反転するまでさらにオープン制御による開度を小さくする調整を何回か行うことになる。その過程で、開度下限の全遮蔽位置まで達すれば、それ以上開度を小さくすることはできないため、開度０％位置を維持することになる（点Ｂ４）。その場合、Ｐp≦Ｐsが継続する間は開度０％が維持され、徐々に圧力が上昇し、Ｐp＞Ｐsに変化した時点（点Ｂ５）で開度を大きくする調整方向となる。オープン制御にて開度を大きくする過程（点Ｂ６）で圧力の上昇率が緩和されながら、最終的には第３象限のクローズ制御領域Ｒ２３に移動する（点Ｂ７）。ここから第３象限あるいは第４象限のクローズ制御で圧力目標値Ｐsへ近づく。以上、図７に示す点Ｂ１→Ｂ２ｂ→Ｂ３ｂ→Ｂ４→Ｂ５→Ｂ６→Ｂ７における現在開度値θrおよび圧力現在値Ｐrは各々図６のＬ４，Ｌ４１曲線上の点となる（不図示）。なお、図７では、点Ｂ４として開度下限（開度位置０％）のケースを示したが、図６のθ３と同様に０％よりも大きい開度値にて維持しても良い。

－第２の実施の形態－
図８，９は本発明の第２の実施の形態を説明する図である。上述した第１の実施の形態では、図４に示すように、点(θse、Ｐs)を座標原点Ｏとする（開度、圧力）座標系に不感帯制御領域Ｒ１、クローズ制御領域Ｒ２およびオープン制御領域Ｒ３を設定し、座標点（θr、Ｐr）がどの領域に含まれるかによって制御モードを選択するようにした。一方、第２の実施の形態では、図８に示すように（θr、Ｐr）座標系に上述のような領域Ｒ１～Ｒ３を設定せず、オープン制御によって開度現在値θrの値が目標開度推定値θseに達したならばクローズ制御に切り替えて調圧を行う。

図８において、開度調整開始が第４象限の座標点Ｂ１（θr、Ｐr）であった場合、オープン制御により開度を小さくする方向に開度が調整され、例えば、第３象限の座標点Ｂ２ａ（θr、Ｐr）へ移動する。座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)に移動した場合は、圧力目標値に比較的近く圧力上昇率が大きいため、座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)を基点として算出されるｔ秒後の圧力予測推定値ＰpはＰp＞Ｐsとなる。そのため、座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)からの開度調整は開度を大きくする方向に行われ、圧力上昇率が減少しながら目標開度推定値θse方向へ移動している。座標点Ｂ２ａ(θr、Ｐr)からの移動先Ｂ３ａの開度θrが目標開度推定値θseに達したら、オープン制御を終了しクローズ制御に切り替える。

また、オープン制御により座標点Ｂ１（θr、Ｐr）から第３象限の座標点Ｂ２ｂ（θr、Ｐr）へ移動した場合には、図５において説明したように、算出される圧力予測推定値ＰpがＰp≦Ｐsの間は開度を小さくする方向に開度調整を行うか、あるいは開度値をそのまま維持する。Ｐp＞Ｐsとなったならば、開度を大きくする方向に開度調整を行う。このようなオープン制御により座標点（θr、Ｐr）はＢ２ｂ→Ｂ３ｂ→Ｂ４→Ｂ５→Ｂ６のように移動し、さらに移動先Ｂ８の開度が目標開度推定値θseに達したら、オープン制御を終了しクローズ制御に切り替える。図示は省略したが、調圧開始時（圧力目標値変更時）の座標点（θr、Ｐr）が第１および第２象限にある場合にも、図５のロジックに従って基準開度である目標開度推定値θseへ達する軌道をとる。

なお、座標点Ａ１のように開度軸により近い位置から開度調整が開始される場合、図５のロジックに従って座標点Ａ１から開度が減少する方向へ調整を開始するが、圧力予測推定値Ｐpが既にＰp＞Ｐsの状態なので、第３象限にも入れず第３象限と第４象限との境界（開度が目標開度推定値θseである圧力軸）の座標点Ａ２まででオープン制御が終了となる。図示は省略するが、第２象限でＰp≦Ｐsの状態の場合でも同様に、第１および第２象限の境界まででオープン制御が終了となる。ちなみにオープン制御が終了とは、オープン制御による出力開度が一定に保持された状態でクローズ制御が開始される事を補足しておく。

図８のＡ１→Ａ２のケースは、適切な駆動速度で開度が減少されている場合である。仮に、同ケースにおいて、極端に遅い駆動速度で開度が減少している場合、第４象限は目標開度推定値θseの右側に位置するので、圧力目標値Ｐsへの到達が緩慢になる可能性がある。そのような稀なケースに備え、例えば、圧力予測推定値Ｐpの信号が圧力目標値Ｐs以下で、かつ極大値を取る（つまりほぼ圧力上昇が０になるような信号）と判定した場合には、速やかに駆動速度をアップして目標開度推定値（圧力軸）へ到達させることで応答悪化を避けることができる。第２象限における稀なケースでも同様に対処すればよい。すなわち、圧力予測推定値Ｐpの信号が圧力目標値Ｐs以上で、かつ極小値を取る（つまりほぼ圧力減少が０になるような信号）と判定した場合には、速やかに駆動速度をアップして目標開度推定値（圧力軸）へ到達させる。

第２の実施の形態においては、第１の実施の形態の図３に示したフローチャートは、例えば図９のように変更される。図９において、ステップＳ１およびステップＳ２は、図３のステップＳ１およびステップＳ２の処理と同様である。すなわち、ステップＳ１で圧力目標値Ｐsが入力されたと判定されてステップＳ２へ進むと、ステップＳ２において目標開度推定値θseおよび圧力予測推定値Ｐpが算出される。続くステップＳ１０の処理は図３のステップ４の処理と同様であって、オープン制御による開度調整が行われる。オープン制御による開度調整は第１の実施の形態の場合と同様で、図５に基づいて開度調整の方向が決定される。

ステップＳ１１では、ステップＳ２の圧力予測推定値演算を開始してから所定時間Δt1が経過したか否かを判定し、所定時間Δt1が経過したと判定されると次のステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、移動先の開度（開度現在値θr）が目標開度推定値θseに達し、かつ、圧力予測推定値ＰpがＰp＞Ｐsを満足しているか否かを判定する。ステップＳ１２においていずれも満足する（Ｙｅｓ）と判定されるとステップＳ１３へ進み、いずれかが満足されない（Ｎｏ）場合にはステップＳ２へ戻る。例えば、図８の点Ｂ１から第３象限方向に移動してθr＝θseとなった場合にはＰp≦Ｐsなので、ステップＳ１２からステップＳ２へ進む。一方、点Ｐ６から点Ｐ８へ移動した場合には、θr＝θseでかつＰp＞Ｐsなので、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３の処理は図３のステップ４の処理と同様であって、クローズ制御による開度調整が行われる。ステップＳ１４では、ステップＳ１４の処理開始（すなわち開度変更開始）から所定時間Δt1が経過したか否かを判定し、所定時間Δt1が経過したと判定されるとステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５では、圧力目標値Ｐsが変更されたか否かを判定する。圧力目標値Ｐsが変更された場合にはステップＳ１５からステップＳ２へ戻り、再びオープン制御による開度調整を行う。一方、圧力目標値Ｐsが変更されない場合には、ステップＳ１３へ戻りクローズ制御を継続する。

図８で示した座標点Ｂ１から開度調整が開始されると、図９のステップＳ２からステップＳ１２までの処理が繰り返されＢ１→Ｂ２ｂ→Ｂ３ｂ→Ｂ４→Ｂ５→Ｂ６→Ｂ８のように移動する。座標点Ｂ８に移動すると図９のステップＳ１２で開度現在値θrが目標開度推定値θseに達したと判定され、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進む。その後、ステップＳ１３→ステップＳ１４→ステップＳ１５→ステップＳ１３・・・のようにクローズ制御による開度調整が繰り返され、座標原点（θse、Ｐs）に到達する。理想的には圧力軸上を通って目標とする座標原点（θse、Ｐs）に到達するが、目標開度推定値θseに推定誤差があった場合でも圧力軸近傍を通って座標原点（θse、Ｐs）に到達する。

前述した第１の実施の形態では、例えば図４（ｂ）のようにオープン制御の領域Ｒ３１とクローズ制御の領域Ｒ２１～Ｒ２４を設定しているので、具体的な閾値を決定しなければならない。一方、第２の実施の形態ではそのような領域を設定せず、オープン制御により開度を基準開度（すなわち目標開度推定値θse）まで変化させたならクローズ制御を行うようにしているので、実用的な汎用性という点で優っている。

（変形例）
上述した第２の実施の形態では、θr＝θse、Ｐr＝Ｐsに到達した後もクローズ制御によりその状態が維持される。その後、圧力目標値Ｐsが変更されると、図９のステップＳ１５の処理によりステップＳ２へ進み、新たな条件（圧力目標値Ｐs）によるオープン制御が開始される。ところで、圧力目標値Ｐsが変更されない場合においても、ガス導入量やプラズマの点灯・消灯等の環境条件が変化すると現在の状態を示す座標点（θr、Ｐr）が座標原点からずれることになる。

図１０は、導入されるガスの流量が変化することによる座標点（θr、Ｐr）の移動を説明する図である。図１０（ａ）は導入ガス流量が増加した場合を示す。点線で示す円は流量増加前の座標点（θr、Ｐr）であり、黒丸は流量増加後の座標点（θr、Ｐr）である。導入ガス流量が増加すると、計測される圧力現在値Ｐrが増加して圧力目標値Ｐsよりも大きくなる。そのため、座標点（θr、Ｐr）を示す黒丸は、矢印で示すように開度軸（横軸）から図示上方へ移動する。また、流量Ｑinの増加は、その流量に基づいて算出される目標開度推定値θseを増加させる。そのため、圧力軸（縦軸）が白抜き矢印で示すように図示右側へ移動する。その結果、座標点（θr、Ｐr）は第２象限に移動することになる。

一方、図１０（ｂ）は導入ガス流量が減少した場合を示す。導入ガス流量が減少すると計測される圧力現在値Ｐrが低下するので、黒丸で表される座標点（θr、Ｐr）は矢印で示すように開度軸（横軸）から図示下方へ移動する。また、流量Ｑinが減少すると算出される目標開度推定値θseが低下するので、圧力軸（縦軸）が白抜き矢印で示すように図示左側へ移動する。その結果、現在の状態を表す座標点（θr、Ｐr）は第４象限に移動することになる。

上述した第２の実施の形態の場合、座標点（θr、Ｐr）が原点（θse、Ｐs）に達した後は図９のステップＳ１３からステップＳ１５までの処理が繰り返されるので、図１０のように座標点（θr、Ｐr）が第２象限または第４象限に移動したときには、クローズ制御によって開度調整が行われる。しかしながら、圧力変動が過大な場合は座標点が開度軸（横軸）から大きく離れるため、クローズ制御では応答性が悪く適切に対応できないおそれがある。

変形例では、圧力現在値Ｐrと圧力目標値Ｐsとの差ΔＰ＝｜Ｐr－Ｐs｜の大きさに応じて、開度調整の制御方法を異ならせるようにした。図１１（ａ）に示すようにガス導入量減少により第４象限に座標点（θr、Ｐr）が移動したとき、圧力変化である差ΔＰが予め設定した閾値ΔＰ１に対してΔＰ≦ΔＰ１である場合にはクローズ制御を継続し、クローズ制御により圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsとなるように開度調整を行う。

一方、図１１（ｂ）のようにΔＰ＞ΔＰ１である場合には、オープン制御による開度調整に切り替える。その結果、上述した第２の実施の形態の場合と同様にオープン制御で開度調整を開始し、開度θrが目標開度推定値θseに達し、かつ、圧力予測推定値ＰpがＰp＞Ｐsの場合にはクローズ制御に切り替えられ、クローズ制御により圧力目標値Ｐsへと開度調整が行われる。その結果、圧力変動が過大な場合であっても素早く圧力目標値Ｐsへと調圧することができる。なお、閾値ΔＰ１の目安としては、圧力目標値Ｐsの１０％程度である。

図１２は、変形例の場合の制御フローの一例を示したものである。図９に示したフローチャートにステップＳ２０を追加している。ステップＳ２０では、ΔＰ＝｜Ｐr－Ｐs｜≦ΔＰ１の状態から偏差ΔＰがΔＰ１を越えたか、すなわちΔＰ＝｜Ｐr－Ｐs｜＞ΔＰ１になるか否かを判定し、ΔＰ≦ΔＰ１のまま、あるいは、ΔＰ＞ΔＰ１からΔＰ≦ΔＰ１への状態変化と判定された場合にはステップＳ１３へ進んでクローズ制御を継続する。一方、ΔＰ≦ΔＰ１からΔＰ＞ΔＰ１へと状態が変化したと判定された場合には、ステップＳ２へ進みオープン制御に切り替える。

第２の実施の形態の場合と同様に、ステップＳ１２でＹｅｓと判定されてステップＳ１３へ進むとオープン制御からクローズ制御に切り替わり、ステップＳ１３、ステップＳ１４およびステップＳ１５の処理が順に実行される。圧力目標値Ｐsが変更されなければステップＳ１５からステップＳ２０へ進んで、ステップＳ２０の判定処理が実行される。例えば、ガス流量の増加や減少が無い場合には図１０に示すような座標点の移動は生じないので、ΔＰ≦ΔＰ１のままと判定されステップＳ２０からステップＳ１３へ進みクローズ制御が継続される。以上のように、変形例では、クローズ制御継続中に流量変動等によりΔＰ≦ΔＰ１からΔＰ＞ΔＰ１へとなった場合には、ステップＳ２へ進んでオープン制御に切り替わり、圧力目標値Ｐsが変更された場合にはステップＳ１５からステップＳ２へ進んでオープン制御に切り替わる。

なお、図１１では座標点（θr、Ｐr）が第４象限に移動した場合について説明したが、図１０（ｂ）のように座標点（θr、Ｐr）が第２象限に移動した場合にも同様の処理が行われる。

（目標開度推定値θseの誤差に関する説明）
図４，５における座標原点Ｏ(θse，Ｐs)の目標開度推定値θseは、前述したように流量推定値Ｑine(現在) に基づいて算出される。そのため、開度調整動作中の導入ガス流量が変化しない場合には、安定した目標開度推定値θseが算出されるが、実際には真空チャンバ３内に導入されるガスの流量Ｑinは変化するので、繰り返し演算の度に目標開度推定値θseの演算結果が異なる。すなわち、この演算誤差の範囲内で、図４，５の縦軸は左右に振れることになる。そのように目標開度推定値θseが変化した場合、座標点（θr、Ｐr）の位置が第３象限になったり第４象限になったりする。第１象限と第２象限との間でも同様である。そのため、座標原点Ｏ(θse，Ｐs)のθseとして、目標開度推定値θseの平均値（移動平均値）等を用いることで、圧力座標軸（縦軸）の振れを小さくすることができる。

また、目標開度推定値θseと圧力目標値Ｐsとに基づく点（θse，Ｐs）を座標原点Ｏに用いる代わりに、一定の基準開度θsと圧力目標値Ｐsとに基づく点（θs，Ｐs）を座標原点Ｏに用いても良い。例えば、圧力目標値Ｐsではこの程度の開度で使用するということが分かっている場合には、その開度を基準開度θsとして用いても良い。具体的な一例としては、装置コントローラから導入ガス流量値がバルブコントローラへ入力される場合、導入ガス流量は既知量（導入ガス流量入力値）となるため推定が不要となり、θｓは、圧力目標値および流量設定が変更されない限り一定値となる。

さらにまた、目標開度推定値θseが演算毎に変化して図４．５の縦軸が左右に大きく振れた場合、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsに収束しないおそれがある。そのため、目標開度推定値θseの振れの大きさに応じて、図４（ｂ）の閾値Δθを設定するようにしても良い。例えば、逐次算出される目標開度推定値θseの移動平均を求め、それを座標原点Ｏ（θse，Ｐs）の開度θseとして使用し、さらに、目標開度推定値θseの標準偏差を算出する。そして、標準偏差が大きいほど閾値Δθを大きくし、早い段階でオープン制御からクローズ制御へ移行させる。

以上説明したように、バルブ装置の制御部を構成するバルブコントローラ２は、バルブプレート１２の開度を検出するエンコーダ１３０と、真空チャンバ３の圧力現在値Ｐrおよび圧力目標値Ｐsが入力され、圧力現在値Ｐrとエンコーダ１３０で検出された開度現在値θrとに基づいて、圧力現在値Ｐrを圧力目標値Ｐsに近づけるようにバルブプレート１２の開度を制御する。バルブコントローラ２は、圧力現在値Ｐrおよびエンコーダ１３０で検出される開度現在値θrに応じて、バルブプレート１２の開度の粗調整を行うオープン制御およびバルブプレート１２の開度の微調整を行うクローズ制御の何れかを行う。

そして、オープン制御では、予め設定した現在を基点としたｔ時間先である予測対象時間における圧力予測推定値Ｐpを推定し、該圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとに基づいて粗調整を行うようにした。このように、推定された圧力予測推定値Ｐpと圧力目標値Ｐsとに基づいて粗調整を行うことにより、真空チャンバ内の圧力を素早く圧力目標値Ｐsの近傍まで変化させることができる。

なお、図４に示すように、圧力目標値Ｐsに対応する基準開度（図４では目標開度推定値θse）と開度現在値θrとの大小関係、および圧力目標値Ｐsと圧力現在値Ｐrとの大小関係に基づいて、オープン制御およびクローズ制御における開度制御を行うのが好ましい。このような制御を行うことで、圧力現在値Ｐrが圧力目標値Ｐsに到達する制御を確実に行うことができる。

例えば、図５に示すように、開度座標および圧力座標で表される開度・圧力座標平面を、基準開度および圧力目標値で表される座標点を通る圧力座標軸および開度座標軸により第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の４つの領域に区分けし、開度現在値θrおよび圧力現在値Ｐrで表される点が前記第１～第４象限のいずれにあるかに応じて開度制御を異ならせるようにする。

さらに、オープン制御において、座標点（θr、Ｐr）が第１象限にある場合、圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐs以上のときにはバルブプレート１２の開度を増加あるいは静止させ、圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐs未満のときにはバルブプレート１２の開度を減少させ、座標点（θr、Ｐr）が第３象限にある場合、圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐs以上のときにはバルブプレート１２のの開度を増加させ、圧力予測推定値Ｐpが圧力目標値Ｐs未満のときにはバルブプレート１２の開度を減少あるいは静止させ、座標点（θr、Ｐr）が第２象限にある場合にはバルブプレート１２の開度を増加させ、座標点（θr、Ｐr）が第４象限にある場合にはバルブプレート１２の開度を減少させるようにするのが好ましい。このような制御を行うことで、座標点（θr、Ｐr）が第１象限または第３象限にある場合でも、確実にクローズ制御に移行させて真空チャンバ内圧力を圧力目標値Ｐsへと到達させることができる。

各象限においてクローズ制御および前記オープン制御のいずれを行うかについては、基準開度（例えば、目標開度推定値θse）および圧力目標値Ｐsで表される点を含み、所定開度閾値および所定圧力閾値によって設定される領域に、座標点（θr、Ｐr）が含まれるか否かによって決定されるのが好ましい。

例えば、所定圧力閾値によって設定される領域を、圧力目標値Ｐsを中心とする所定圧力偏差の範囲とし、オープン制御から前記クローズ制御へ切り替える場合には、図４（ｂ）のように第１象限および第３象限における所定圧力偏差（ΔＰ３）を、第２象限および第４象限における所定圧力偏差（ΔＰ２）よりも小さくするのが好ましい。このように設定することで、第１象限および第３象限からすみやかに確実に圧力目標値Ｐsへと収束させることができる。

また、図４（ｂ）に示すように、開度現在値θrが目標開度推定値θseを中心とする所定開度幅（±Δθ／２）内に含まれるか否かにより、オープン制御からクローズ制御への切り替えを決定する場合において、目標開度推定値θseの推定精度が高いほど、前記所定開度幅（±Δθ／２）を小さく設定するのが好ましい。目標開度推定値θseの推定誤差が大きい場合には、前記所定開度幅（±Δθ／２）を大きく設定し、より確実に圧力目標値Ｐsに収束するように、早めにクローズ制御が選択されることになる。

圧力予測推定値Ｐpは、前記検出開度から前記目標開度推定値までの開度変化経路の内、前記予測対象時間までを仮設定した経路を表す開度計画値と、排気の式「Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ×Ｐ＝Ｑin」に従って求められた導入ガス流量推定値とを、排気の式を満たす一般解を離散化した関係式に適用して演算されるのが好ましい。そのような演算を行うことにより、より精度の高い圧力予測推定値Ｐpを推定することができる。

また、開度計画値に関しては設定の自由度が大きいが、もっともシンプルな開度計画値の与え方としては、検出開度の現在値を固定し、かつ、前記導入ガス流量推定値の現在における推定値、あるいは導入ガス流量入力値を固定する場合が考えられる。なお、このように検出開度および導入ガス流量を両者とも現在値に固定する場合は、開度計画の概念は不要で、前記予測対象時間の間、検出開度および導入ガス流量を固定して前記圧力予測推定値を演算すれば良い。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述したバルブ装置ではバルブプレート１２をスライド移動して開度を変化させたが、開度を変化させてコンダクタンスを制御するタイプのバルブ装置であれば本発明は適用できる。

なお、図５に示した開度制御パターンでは、第１象限および第３象限において圧力予測推定値を用いた特徴的な判定を行うようにしたが、オープン制御における開度制御パターンは、図５に示す開度制御パターンに限定されない。例えば、図５の第３象限の開度制御を、第４象限の場合と同様の開度を減少させるような制御に置き換えた開度制御パターンを用いても良いし、図５の第１象限の開度制御を、第２象限の場合と同様の開度を減少させるような制御に置き換えた開度制御パターンを用いても良い。また、上述した圧力予測推定値を用いた特徴的な判定において、圧力予測推定値の予測対象時間を適宜変更して設定しても良い。

また、クローズ制御について圧力現在値と圧力目標値の偏差に対する比例制御（Ｐ制御）例を示したが、従来の比例積分制御（ＰＩ制御）比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）でも良く、さらにクローズ制御として、本発明のオープン制御で使用する圧力予測推定値をクローズ制御の微分制御に代えて適用しても良い。

１…バルブユニット、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、１３…モータ、２１…制御部、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、２１１…推定演算部、２１２…調圧制御部、Ｐp…圧力予測推定値、Ｐr…圧力現在値、Ｐs…圧力目標値、Ｒ３，Ｒ３１…オープン制御領域、Ｒ２，Ｒ２１～Ｒ２４…クローズ制御領域、Ｒ１，Ｒ１１…不感帯制御領域

Claims (12)

1. 真空チャンバと真空ポンプとの間に設けられ、弁体の開度を変化させてバルブコンダクタンスを制御するバルブ装置において、
   前記弁体の開度を検出する開度検出部と、
   前記真空チャンバの圧力値および圧力目標値が入力され、前記圧力値と前記開度検出部で検出された開度とに基づいて、前記圧力値を前記圧力目標値に近づけるように前記弁体の開度を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記圧力値および前記開度検出部で検出される検出開度に応じて、前記弁体の開度の粗調整を行うオープン制御および前記弁体の開度の微調整を行うクローズ制御の何れかを行い、
   前記オープン制御では、予め設定した現在から先の予測対象時間における圧力予測推定値を推定し、該圧力予測推定値と圧力目標値との大小関係に基づいて前記粗調整を行い、
   前記クローズ制御では、前記圧力目標値と前記圧力値とに基づいて前記微調整を行う、バルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置において、
   前記制御部は、前記圧力目標値に対応する基準開度と前記検出開度との大小関係、および前記圧力目標値と前記圧力値との大小関係に基づいて、前記オープン制御および前記クローズ制御における開度制御を行う、バルブ装置。
3. 請求項２に記載のバルブ装置において、
   前記制御部は、
   開度座標および圧力座標で表される開度・圧力座標平面を、前記基準開度および前記圧力目標値で表される目標座標点を通る圧力座標軸および開度座標軸により第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の４つの領域に区分けし、
   前記検出開度および前記圧力値で表される座標点が前記第１象限から前記第４象限までのいずれにあるかに応じて開度制御を異ならせる、バルブ装置。
4. 請求項３に記載のバルブ装置において、
   前記オープン制御においては、前記座標点の位置に応じた第１の開度制御パターン、第２の開度制御パターンおよび第３の開度制御パターンのいずれかにより開度制御が行われ、
   前記第１の開度制御パターンにおいては、前記第１象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加あるいは静止させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少させ、前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、前記第４象限および前記第３象限では前記弁体の開度を減少させ、
   前記第２の開度制御パターンにおいては、前記第３象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少あるいは静止させ、前記第４象限では前記弁体の開度を減少させ、前記第１象限および前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、
   前記第３の開度制御パターンにおいては、前記第１象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加あるいは静止させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少させ、前記第３象限では、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値を上回るときには前記弁体の開度を増加させ、前記圧力予測推定値が前記圧力目標値以下のときには前記弁体の開度を減少あるいは静止させ、前記第２象限では前記弁体の開度を増加させ、前記第４象限では前記弁体の開度を減少させる、バルブ装置。
5. 請求項３または４に記載のバルブ装置において、
   前記制御部は、前記目標座標点を含み所定開度閾値および所定圧力閾値によって設定された領域に、前記座標点が含まれるか否かによって前記クローズ制御および前記オープン制御のいずれを行うかを決定する、バルブ装置。
6. 請求項５に記載のバルブ装置において、
   前記所定圧力閾値によって設定される領域は、前記圧力目標値を中心とする所定圧力偏差の範囲であって、
   前記制御部は、前記圧力値が前記所定圧力偏差内か否かにより、前記クローズ制御と前記オープン制御との間の切り替えを行い、
   前記オープン制御から前記クローズ制御へ切り替える場合、前記第１象限および前記第３象限における前記所定圧力偏差を、前記第２象限および前記第４象限における前記所定圧力偏差よりも小さくした、バルブ装置。
7. 請求項３乃至６のいずれか一項に記載のバルブ装置において、
   前記基準開度として、前記弁体の開度変化により前記圧力値が前記圧力目標値に達したと仮定したときの目標開度推定値を用いる、バルブ装置。
8. 請求項７に記載のバルブ装置において、
   前記制御部は、
   前記検出開度が前記目標開度推定値を中心とする所定開度幅内に含まれるか否かにより、前記オープン制御から前記クローズ制御への切り替えを決定し、
   前記目標開度推定値の推定精度が低いほど、前記所定開度幅を大きく設定する、バルブ装置。
9. 請求項４に記載のバルブ装置において、
   前記制御部は、前記オープン制御により前記弁体の開度を前記基準開度まで変化させた後に前記クローズ制御を行う、バルブ装置。
10. 請求項９に記載のバルブ装置において、
    前記制御部は、前記クローズ制御による微調整時に前記圧力値と前記圧力目標値との差の大きさが所定圧力閾値より大きくなると、前記クローズ制御から前記オープン制御に切り替える、バルブ装置。
11. 請求項２乃至１０のいずれか一項に記載のバルブ装置において、
    前記圧力予測推定値は、前記検出開度から前記基準開度までの開度変化経路の内、前記予測対象時間までを仮設定した経路を表す開度計画値と、排気の式「Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ×Ｐ＝Ｑin」に従って求められた導入ガス流量推定値、あるいはバルブ装置以外から入力される導入ガス流量情報としての導入ガス流量入力値とを、前記排気の式を満たす一般解を離散化した関係式に適用して演算される、バルブ装置。ただし、Ｖは前記真空チャンバの容積、Ｐは前記真空チャンバの圧力、Ｓは開度に応じた排気速度、Ｑinは前記真空チャンバに導入されるガスの流量である、バルブ装置。
12. 請求項１１に記載のバルブ装置において、
    前記圧力予測推定値は、前記予測対象時間の間、前記検出開度の現在値を固定し、かつ、前記導入ガス流量入力値あるいは前記導入ガス流量推定値の現在における推定値を固定して設定し演算される、バルブ装置。

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