JP7014123B2 - 推定装置およびバルブ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、推定装置およびバルブ制御装置に関する。

ドライエッチング等の半導体プロセスにおいては、チャンバへプロセスガスを流入させつつチャンバ内圧力を所定の圧力に維持して、プロセスが行われる。チャンバへ導入されるプロセスガスは、複数ガス種の混合比、流量Ｑなどのプロセス条件が予め定められ、その条件になるように流量制御器で調節される。また、チャンバ圧力も重要なプロセス条件の１つであり、一般的に、チャンバと真空ポンプとの間に圧力調整用の自動圧力調整バルブ（ＡＰＣバルブとも呼ばれる）が設けられる（例えば、特許文献１参照）。チャンバ圧力は真空計で計測され、予め定められた所定の圧力値になるようにバルブの弁体開度位置を制御することで、チャンバの圧力が所定圧力値に保たれる。ＡＰＣバルブでは予め真空排気装置の排気特性データが記憶され、その排気特性データ基づいて調圧動作が行われる。

特開２０１４－０９３４９７号公報

しかしながら、予め記憶されている排気特性データは、実際に使用されるプロセスガスとは異なる標準的なガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガス）に基づくものが一般的である。ＡＰＣバルブと真空ポンプとから成る排気系の排気特性はガス種にも依存するので、排気特性データのガス種とプロセスガスとが異なると、圧力調整の精度が落ちるという問題がある。

本発明の好ましい態様による推定装置は、チャンバを排気する真空ポンプと前記チャンバとの間に設けられる真空バルブの弁体を駆動するための開度信号に、前記弁体を加振するための加振信号を重畳させる加振部と、加振時のチャンバ内圧力の圧力応答に基づいて、前記真空バルブを介して排気されるガスに関する排気特性を推定する推定部とを備える。
さらに好ましい態様では、前記推定部は、前記加振信号の加振振幅、前記圧力応答、および、前記弁体の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインに基づいて、前記真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度を推定する。
さらに好ましい態様では、前記加振部は、前記弁体の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインと前記加振信号の加振振幅との積が一定となるように前記加振振幅を設定する。
さらに好ましい態様では、前記排気特性は前記真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度であって、前記加振部は、前記チャンバの容積をＶ、前記実効排気速度の推定開度範囲の上限開度における実効排気速度をＳemaxとしたときに、前記加振信号の角周波数ωをω＞Ｓemax/Ｖのように設定する。
本発明の好ましい態様によるバルブ制御装置は、真空バルブの弁体の開度信号を生成する調圧部を備え、前記調圧部は、上述した態様のいずれかに記載の推定装置により推定した実効排気速度に基づいて前記開度信号を生成する。
本発明の好ましい態様によるバルブ制御装置は、チャンバに装着される真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度およびチャンバ容積を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された実効排気速度およびチャンバ容積に基づいて前記真空バルブの弁体の開度信号を生成する調圧部と、所定分子量および所定流量のガスが導入されている前記チャンバに装着された前記真空バルブを複数の開度に制御した場合のチャンバ内圧力に基づいて、前記記憶部に記憶された実効排気速度およびチャンバ容積を校正する校正部と、上述した態様のいずれかに記載の推定装置により推定した前記排気特性に基づいて、前記ガスの分子量および流量が前記所定分子量および前記所定流量と一致するか否かを判定する判定部とを備える。

本発明によれば、真空バルブで調圧を行う際の圧力調整応答の安定性向上を図ることができる。

図１は、自動圧力制御バルブを備える真空システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、ＡＰＣバルブの調圧制御系を説明する図である。 図３は、開度θと実効排気速度Ｓｅとの関係を示す図である。 図４は、開度θと実効排気速度Ｓｅの開度微分値との関係を示す図である。 図５は、開度θとプラントゲインＧｐとの関係を示す図である。 図６は、校正処理の一例を示すフローチャートである。 図７は、校正処理時における開度θおよびチャンバ内圧力を示す図である。 図８は、開度－圧力特性を示す図である。 図９は、開度－排気速度特性を示す図である。 図１０は、開度－プラントゲイン特性を示す図である。 図１１は、校正部の詳細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。図１は、自動圧力制御バルブ（以下では、ＡＰＣバルブと記載する）を備える真空システムの概略構成を示すブロック図である。ＡＰＣバルブ１は、チャンバ３に装着されるバルブ本体１ａと、バルブ本体１ａを駆動制御するバルブ制御装置１ｂとで構成される。種々の反応プロセスが行われるチャンバ３は、バルブ本体１ａと真空ポンプ４とから成る排気系によって真空排気される。図１では、真空ポンプ４にターボ分子ポンプを用いる場合を例に示したが、真空ポンプ４としてはターボ分子ポンプに限らず種々の真空ポンプを用いることができる。

バルブ本体１ａには、バルブコンダクタンスを調整するための弁体１１と、弁体１１を駆動するモータ１２と、弁体１１の開度θを計測するためのエンコーダ１３とが設けられている。エンコーダ１３の開度計測値θｒは、バルブ制御装置１ｂおよび推定装置５に入力される。チャンバ３には、流量制御器３２を介してプロセスガス等が流入される。チャンバ３の圧力は真空計３１によって計測される。真空計３１により計測された圧力計測値Ｐｇは、バルブ制御装置１ｂおよび推定装置５に入力される。推定装置５の詳細については後述する。なお、本実施の形態では、推定装置５をＡＰＣバルブ１とは別個に独立して設けたが、推定装置５をバルブ制御装置１ｂ内に設けても良い。

図２は、ＡＰＣバルブ１の調圧制御の概略を説明する図である。制御システムは、図２に示すように、制御対象（プラント）と制御手段（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３１で検出されるが、この信号（圧力計測値Ｐｇ）がフィードバックされ、目標として設定される所定圧力値（圧力目標値Ｐｓ）になるように制御される。図１の構成との対応を説明すると、プラントは弁体１１の開度θを入力として圧力計測値Ｐｇを出力とするバルブ本体１ａのガス排気部である。コントローラはバルブ制御装置１ｂおよび弁体１１を駆動するモータ１２を含むアクチュエータ部で、コントローラ入力は、圧力目標値Ｐｓと圧力計測値Ｐｇとの偏差であり、コントローラ出力は開度θであってエンコーダ１３にて検出される。

図１に戻って、バルブ制御装置１ｂは、調圧部２１、モータ駆動部２２、校正部２３および記憶部２４を備えている。調圧部２１は、圧力計測値Ｐｇと圧力目標値Ｐｓと、チャンバ３の容積Ｖなどの調圧に必要な制御パラメータとに基づいて、調圧制御のための開度信号θｓをモータ駆動部２２に入力する。モータ駆動部２２は、開度信号θｓに基づいてモータ１２を駆動する。

例えば、圧力目標値Ｐｓ＝Ｐs0の状態から導入ガス流量Ｑin、Ｐｓ＝Ｐs1の状態に変更されると、調圧部２１は、次式（１）に示す排気の式に基づいてチャンバ３の圧力ＰをＰs1に近づけるような開度信号θｓを生成する。チャンバ３の圧力がＰs1の近傍となった後は、圧力目標値Ｐｓに対する圧力計測値Ｐｇの偏差がゼロとなるようにフィードバック制御が行われる。式（１）において、Ｖはチャンバ３の容積であり、Ｓｅはチャンバ構造およびバルブコンダクタンスと真空ポンプ４の排気速度で決まる実効排気速度である。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓｅ×Ｐ …（１）

調圧制御に必要な制御パラメータは記憶部２４に記憶されている。制御パラメータの具体的な構成については後述するが、制御パラメータは、ＡＰＣバルブ１が装着されているチャンバ３の容積や排気するガスの種類等に依存する。そのため、精度良い調圧制御を行うためには、ＡＰＣバルブ１と真空ポンプ４とからなる排気系をチャンバ３に装着した状態における制御パラメータを取得する必要がある。校正部２３は、記憶部２４に記憶されている制御パラメータを実際の真空系に適応した制御パラメータに校正すための校正処理を行う。

後述するように、校正処理では、実際に弁体１１を駆動して所定開度毎に必要データ（例えば、圧力値）を取得するため、長い時間を要する。そのため、日々の生産工程において頻繁に実施されることはなく、定期メンテナンス時に実施される程度の頻度で行われる。従って、プロセス条件によっては、ガス種の混合比、流量、圧力が校正時の条件と大きく異なる。そのため、従来の校正処理だけでは最適な調圧性能を発揮することができず、圧力値が所定の目標圧力近傍で振動的応答となったり、あるいは過減衰気味で所定目標圧力まで長時間を要したりするような不適切な調圧性能にとどまるおそれがあった。

そこで、本実施の形態では、プロセス時の調圧制御の際に実効排気速度等の制御パラメータを図１に示す推定装置５により推定し、その推定結果をバルブ制御装置１ｂにおける調圧制御に用いることで、調圧精度の向上を図るようにした。推定装置５は、推定部５１、加振部５２および検出部５３を備えている。制御パラメータの推定の際には、推定装置５の加振部５２からバルブ制御装置１ｂに加振振幅Δθの加振信号が入力される。その場合、調圧部２１からは、開度信号θｓに加振振幅Δθの加振信号を重畳した信号が出力される。加振振幅Δθの加振信号は、弁体１１に微小振動成分（例えば、正弦波振動や三角波振動）を与える開度信号であって、検出される圧力（圧力計測値Ｐｇ）にも加振振幅Δθに対応する圧力応答が生じる。検出部５３は、圧力計測値Ｐｇから加振振幅Δθに対応する圧力応答を抽出する。推定部５１は、検出部５３で抽出された圧力応答に基づいて制御パラメータを推定する。

（制御パラメータ推定の説明）
弁体１１の開度θと実効排気速度Ｓｅとの関係Ｓｅ(θ)は、一般に、図３に示すような単調増加曲線の関係にある。式（１）に示した排気の式を、ある平衡状態０の近傍にて微小変化量で線形化する。平衡状態０におけるチャンバ圧力Ｐ0、流量Ｑin0、実効排気速度Ｓe0、開度θ0に対して微小量変化量をそれぞれΔＰ、ΔＱin、ΔＳｅ、Δθとすると、平衡状態０の近傍では排気の式（１）にＰ＝Ｐ0＋ΔＰ、Ｑin＝Ｑin0＋ΔＱin、Ｓｅ＝Ｓe0＋ΔＳｅ、θ＝θ0＋Δθを代入すればよい。

ここで、平衡状態０ではＱin0＝Ｓe0×Ｐ0、ｄＰ0/ｄｔ＝０であり、さらに、ΔＳｅ×ΔＰを二次微小量として無視すると、平衡状態０の近傍における線形化した排気の式は次式（２）のようになる。さらに、平衡状態０の近傍においては、ΔＳｅ＝（∂Ｓｅ/∂θ│0）×Δθと表せるので、式（２）は式（３）のように表せる。なお、「∂Ｓｅ/∂θ│0」は、平衡状態０における∂Ｓｅ/∂θであることを表している。
Ｑin＝Ｖ×(ｄＰ/ｄｔ)＋Ｓｅ×Ｐ …（１）
Ｑin0＋ΔＱin＝Ｖ×(ｄ(Ｐ0＋ΔＰ)／ｄｔ)＋(Ｓe0＋ΔＳｅ)×(Ｐ0＋ΔＰ)
ΔＱin＝Ｖ×(ｄ(ΔＰ)/ｄｔ)＋Ｓe0×ΔＰ＋Ｐ0×ΔＳｅ …（２）
ΔＱin＝Ｖ×(ｄ(ΔＰ)/ｄｔ)＋Ｓe0×ΔＰ＋Ｐ0×(∂Ｓｅ/∂θ│0)×Δθ…（３）

式（３）をラプラス変換するとｄ/ｄｔ→Ｓ（ラプラス変換の複素変数）と変換されるので、変換後の式は次式（４）のように表される。なお、式（４）では、ラプラス変換後の各量の表記は変換前と同じ表記とした。
ΔＰ/Ｐ0＝｛ΔＱin/Ｐ0－(∂Ｓｅ/∂θ│0)×Δθ｝/（Ｖ×Ｓ＋Ｓe0） …（４）

式（４）は、入力ΔＱinおよびΔθと圧力応答（圧力変動振幅）ΔＰとの関係を表している。本実施の形態では入力Δθに対する圧力応答（圧力変動振幅）ΔＰに着目しており、式（４）においてΔＱin＝０とした次式（５）を用いる。重畳される加振振幅Δθの加振信号（例えば、正弦波信号）は、通常の調圧過程では稀な信号形態であるので、ΔＱinに加振信号と同様の外乱信号が入ることは極めて稀であり、ここではΔＱinについて考慮する必要がない。
ΔＰ/Ｐ0＝｛－(∂Ｓｅ/∂θ│0) /（Ｖ×Ｓ＋Ｓe0）｝×Δθ …（５）

式（５）において、角振動数ωおよび虚数ｊを用いてＳ＝ｊωとしたときの「－(∂Ｓｅ/∂θ│0) /（Ｖ×ｊω＋Ｓe0）」は、Δθを加振入力、ΔＰ/Ｐ0を出力として観測するときの伝達関数である。伝達関数「－(∂Ｓｅ/∂θ│0) /（Ｖ×ｊω＋Ｓe0）」は実効排気速度Ｓｅを含んでいるので、伝達関数の振幅値および位相値は、同一開度においてガス種、流量が異なれば各々異なる値を取る。すなわち、基準とするガスに関して予め各開度ごとに振幅値、位相値を記憶しておき、実測された振幅値、位相値と基準ガスの振幅値、位相値と比較することで実効排気速度値Ｓｅを推測することができる。

以下では、取り扱いが簡単になるω→０の場合とω→＋∞の場合について考える。
（ω→０の場合）
この場合、伝達関数「－(∂Ｓｅ/∂θ│0) /（Ｖ×ｊω＋Ｓe0）」においてＶ×ｊωの部分はＶ×ｊω→０となるので、伝達関数の振幅値の極限値は(∂Ｓｅ/∂θ│0) /Ｓe0となる。これは、プラントゲインＧｐと呼ばれるもの（例えば、特開２０１８１－１１２２６３号公報を参照）と同じものである。すなわち、ω→０の極限で得られる伝達関数Ｇｐ＝(∂Ｓｅ/∂θ│0) /Ｓe0は静的なプラントゲインであって、伝達関数「－(∂Ｓｅ/∂θ│0) /（Ｖ×ｊω＋Ｓe0）」は動的なプラントゲインであると言える。静的なプラントゲインＧｐ(θ)はガス種および流量ごとでの差異が小さいことが判っており、差異の検出は容易でない。

（ω→＋∞の場合）
ω→＋∞の場合には(Ｖ×ω)≫Ｓe0であるから、振幅値の極限値は(∂Ｓｅ/∂θ│0) /(Ｖω)となる。図３に示すように実効排気速度Ｓｅはガスごとに差異が大きく、実効排気速度Ｓｅの開度微分値は、図４に示すように、極端にθが小さい開度領域および極端にθが大きい開度領域を除くと、実効排気速度値の大小と相関した大小関係を有する。そのため、図４の矢印で示す範囲（推定実施範囲）では実効排気速度Ｓｅの開度微分値はガスごとの差異が顕著に現れ、精度良く推定を行うことができる。

ω→＋∞の場合には、式（５）を振幅値に関する式に書き直すと、平衡状態０における実効排気速度Ｓｅの開度微分値は次式（６）のように表される。従って、比較的ωが高い加振振幅Δθの加振信号を与えて圧力変動振幅ΔＰを測定し、それらを式（６）に代入することで∂Ｓｅ/∂θ│0の値を取得することができる。
∂Ｓｅ/∂θ│0＝(ΔＰ/Ｐ0)×ω×Ｖ/Δθ …（６）

ただし、ωが高すぎると測定する圧力振幅がωに反比例で低減するので、検出が困難になる。従って、対象ガスの内、時定数が最も短いガス（図３に示す例ではヘリウムガス）の時定数の逆数より若干高いωで検出するのが良い。例えば、ω＝(Ｓｅ／Ｖ)×数倍程度のように設定する。Ｓｅは開度θによって異なるので、ここでのＳｅはおおよその値であって例えば平均的値である。Ｓｅとして図３に示す推定実行範囲の上限（開度θ２）における実効排気速度値Ｓemaxを用いた場合には、ω＞Ｓemax/Ｖのように設定すればよい。

バルブ制御装置１ｂの記憶部２４には、基準となる実効排気速度の開度微分値と開度との関係を表すデータセットが予め記憶されている。推定部５１は、その基準のデータセットと上述の測定データ（実効排気速度の開度微分値）とを比較することで、排気しているガスに対応する実効排気速度Ｓｅを推定する。

例えば、記憶部２４に記憶されている基準のデータセットがヘリウムガス（Ｈｅ）に関するデータセットであって、実際に排気しているガスがキセノン（Ｘｅ）であった場合を考える。図４の開度θ１において加振振幅Δθの加振信号による圧力変動振幅ΔＰが取得されたとすると、ΔθおよびΔＰを式（６）に代入することで、キセノンガスの実効排気速度の開度微分値（ここでは、（∂Ｓｅ/∂θ）Xeと記載することにする）が得られる。開度θ１におけるヘリウムガスの実効排気速度の開度微分値は（∂Ｓｅ/∂θ）Heである。

静的なプラントゲインＧｐ＝(∂Ｓｅ/∂θ) /Ｓｅは、上述したようにガスの種類の違いによる差異が小さい。ここで、ヘリウムガスのプラントゲインＧｐHeとキセノンガスのプラントゲインＧｐXeとが等しいと仮定すると、∂Ｓｅ/∂θと実効排気速度Ｓｅとの間には次式（７）の関係が成り立つ。すなわち、実効排気速度の開度微分値の比と実効排気速度の比とは、ほぼ等しいとみなすことができる。
(∂Ｓｅ/∂θ)Xe／(∂Ｓｅ/∂θ)He＝ＳｅXe／ＳｅHe …（７）

したがって、推定部５１は、取得されたデータ(∂Ｓｅ/∂θ)Xeと基準ガスのデータ(∂Ｓｅ/∂θ)Heとの比率を算出し、算出された比率を基準ガスの実効排気速度ＳｅHeに乗算することで、現実の実効排気速度ＳｅXeを算出する。算出結果（ＳｅXe）はバルブ制御装置１ｂに送信され、調圧部２１による調圧制御に用いられる。この場合、記憶部２４には、基準ガス（Ｈｅ）に関するデータ(∂Ｓｅ/∂θ)HeおよびＳｅHeが記憶されているとする。

また、記憶部２４に基準ガス（Ｈｅ）のデータとしてプラントゲインＧｐHeが記憶されている場合、ＧｐHe≒ＧｐXeの関係が成り立つので、プラントゲインＧｐHeのデータと式（６）とから実際の実効排気速度（キセノンガスに対する実効排気速度）を直接算出することができる。上述したようにＧｐ＝(∂Ｓｅ/∂θ) /Ｓｅなので、式（６）は次式（８）のように変形できる。加振に関する角周波数ωおよび加振振幅Δθと計測された圧力変動振幅ΔＰと圧力計測値Ｐｇとを式（８）に代入することで、開度θ１における現実の実効排気速度Ｓｅ（＝ＳｅXe）が得られる。
Ｓｅ＝(ΔＰ/Ｐｇ)×ω×Ｖ/（Ｇｐ×Δθ） …（８）

一方でプラントゲインＧｐは加振振幅Δθと圧力変動振幅ΔＰにも関係しており、次式（９）のように表現することもできる。なお、|(ΔＰ／Δθ)|は、(ΔＰ／Δθ)の絶対値を表している。
Ｇｐ＝｜ｄＰ/ｄθ｜/Ｐ …（９）

図５に示すように、プラントゲインＧｐ(θ)は開度の小さい領域で最大値を取ることが分かっている。図５では、プラントゲインＧｐ(θ)が最大となる開度をθ_Gp_maxのように表記している。このようにθ_Gp_maxで圧力振幅が大きくなるので、Ｇｐ感度に反比例するようにΔθ値を設定することで、開度によらず安定した圧力振幅を得ることができる。すなわち、（Ｇｐ(θ)×Δθ）の値が一定となるように加振振幅Δθを設定することで、測定する圧力振幅値ΔＰが大枠同じ程度となるので測定精度上合理的である。

（加振条件の具体例）
次に、具体的な数値を用いて加振の条件について説明する。記憶部２４には基準ガスに関する制御パラメータが記憶されているが、実際にチャンバ３に導入されるプロセスガスは一般的に基準ガスとは異なっている。ここでは基準ガスがヘリウムガスで、実際に流されるガスがキセノンガスである場合について説明する。チャンバ３に導入するガスの流量Ｑinが１００[sccm]程度である場合、弁体１１は比較的小さな開度領域で制御される。

ＡＰＣバルブ１と真空ポンプ４とからなる排気系の実効排気速度Ｓｅは、弁体開度が小さい領域ではＡＰＣバルブ１のコンダクタンスが支配的となる。ガスの分子量をＭとしたとき、ＡＰＣバルブ１のコンダクタンスは１／√Ｍに比例するので、コンダクタンスが支配的な領域においては実効排気速度Ｓｅもほぼ１／√Ｍに比例することになる。ヘリウムガスの分子量は４でキセノンガスの分子量は１３１なので、ヘリウムガスに対する実効排気速度ＳｅHeはキセノンガスに対する実効排気速度ＳｅXeの６倍程度となる。一方、バルブ開度が大きい領域では真空ポンプ４の排気速度が支配的になるので、実効排気速度の比ＳｅHe／ＳｅXeは真空ポンプ４の排気速度Ｓｐの比ＳｐHe／ＳｐXeとほぼ等しくなる。しかし、ここでは説明を簡単にするために、実効排気速度の比ＳｅHe／ＳｅXeは、バルブ開度が大きい領域でもほぼ相似的に６倍程度という関係が維持されるものと仮定する。

なお、プロセスガスとして複数種類のガスを含む混合ガスが導入される場合には、混合ガスに含まれるガスの各々の分子量を平均化したものが使用される。

ここでは、基準ガスにおける最小開度から最大開度までの実効排気速度ＳｅHeを３０[Ｌ/ｓ]～３０００[Ｌ/ｓ]とし、校正時に取得されたチャンバ３の容積ＶをＶ＝１００[Ｌ]とする。加振の角周波数ωを上述したようにω＝(Ｓｅ／Ｖ)×数倍程度と設定する場合、時定数Ｖ／Ｓｅはキセノンガスよりもヘリウムガスのほうが短いので、ヘリウムガスの時定数によって角周波数ωの上限が決まる。すなわち、ＳｅHeは３０[Ｌ/ｓ]～３０００[Ｌ/ｓ]なので、ＳｅHe/Ｖ＝０．３～３０[rad/s]である。加振する角周波数ωをその２倍に設定するとω＝０．６～６０[rad/s]となる。

さらに、(∂Ｓｅ/∂θ)Heの値を３～３００[Ｌ/(ｓ・％)] とすると、伝達関数の振幅値「(∂Ｓｅ/∂θ)He/（Ｖ×ω）」は(∂Ｓｅ/∂θ)He/（Ｖ×ω）＝（３～３００）/（１００×（０．６～６０））＝１/（２０～２０００）となる。一般に、圧力目標値Ｐｓへの収束誤差が±１％以内（1/100以下）であれば調圧完了と見なしても良い場合が多いので、ΔＰ/Ｐ０の圧力変動の悪影響が調圧に対して十分に無視でき（収束誤差よりも小さいこと）、かつ圧力変動が観測可能な０．１％とすると、０．００１＝ΔＰ/Ｐ０＝Δθ/（２０～２０００）である。これを満たすには、Δθ＝０．０２～２％（Ｘｅでは１/６の値の範囲）であり、弁体１１の加振は通常の駆動機構でも可能であることが分かる。

また、調圧条件およびシステムの振動条件がシビアな場合、例えば、許容される収束誤差が厳しく加振周波数付近に構造物の共振点が存在するような場合、調圧完了まで加振するのでなく、例えば、調圧イベントの開始時点など圧力変動が小さいタイミングで短時間加振するだけでも検出可能である。ω＝６０[rad/s]の場合、１周期は１００ｍｓ程度なので数周期（例えば、２周期程度（２００ｍｓ））程度の加振でも良い。調圧過程にあって、加振する振動数ωよりも遅い応答で圧力変動が大きい場合でも、フィルタにてω成分を抽出すれば検出可能である。

上述のように、本実施の形態ではガス排気中に∂Ｓｅ/∂θを推定することができる。そのため、校正処理中にも∂Ｓｅ/∂θを推定し、その推定結果を校正処理が適切に行われているか否かの判定に利用することができる。まず、校正処理について説明し、次いで校正処理における推定結果の利用方法について説明する。

（校正処理）
図１１は、校正部２３の詳細を示すブロック図である。校正部２３は、開度生成部２３１、演算部２３２および判定部２３３を備えている。開度生成部２３１は、モータ駆動部２２に校正用の開度信号θｃを出力する。演算部２３２は、開度信号θｃにより開閉制御したときに得られる圧力計測値Ｐｇから開度－圧力特性を取得し、実効排気速度Ｓｅ(θ)、開度－プラントゲイン特性、チャンバ３の容積Ｖを算出する。判定部２３３は、チャンバ３に導入されているガスのガス種および流量に関する判定を行う。なお、本実施の形態では、校正処理を行う校正部２３をＡＰＣバルブ１のバルブ制御装置１ｂに設けたが、校正部２３をＡＰＣバルブ１内ではなく独立した校正装置として設けても良い。

図６は、バルブ制御装置１ｂの校正部２３で実行される校正処理の一例を示すフローチャートである。また、図７は、校正処理時における開度θおよびチャンバ内圧力を示す図である。図７においてラインＬ３１は開度計測値θｒ（％）を示し、ラインＬ３２は真空計３１により計測される圧力計測値Ｐｇ（Ｐａ）を示す。

図６のステップＳ１では、指定されたガス種のガスを所定流量Ｑinだけ流量制御器３２からチャンバ３内に流入させる。そして、圧力計測値Ｐｇが安定するまで待つ。校正処理時のガス種や所定流量Ｑinについては、例えば、ＡＰＣバルブ１のマニュアル等に設定されており、オペレータはマニュアルの記載に従って所定のガスを所定流量Ｑinだけチャンバ３に流入させる。

ステップＳ２では、複数の開度計測値θｒ(i)における圧力を取得する処理を行う。なお、ｉ＝１～Ｎ（正の整数）である。校正処理においては、校正部２３の指令により校正用の開度信号θｃが開度生成部２３１からモータ駆動部２２へ入力される。図７に示す例では、θｒ＝１００％であって圧力計測値Ｐｇが安定している時刻ｔ１において、開度信号θｃを１００％から０％へと変更する。

開度変更により圧力計測値Ｐｇは上昇するが、圧力計測値Ｐｇが安定してほぼ一定値となったならば、真空計３１の圧力計測値Ｐｇ(1)を取得する。同様に、図７の時刻ｔ２，ｔ３，・・・，ｔＮにおいて開度信号θｃをθｃ(2)，θｃ(3)，・・・，θｃ(N)の順に出力し、複数の開度計測値θｒ(2)，θｒ(3)，・・・，θｒ(N)＝１００％に対して圧力計測値Ｐｇ(2)，Ｐｇ(3)，・・・，Ｐｇ(N)を取得する。

ステップＳ３では、ビルドアップ法によりチャンバ３の容積Ｖを求める。具体的には、図７の時刻ｔａにおいて開度信号θｃを１００％→０％と変更し、変更後の圧力計測値Ｐｇを複数取得する。開度は０％なので、チャンバ３の圧力Ｐとガス流入量Ｑinと容積Ｖとの間には次式（１０）の関係が成り立つ。そのため、時刻ｔａの後に計測される圧力計測値Ｐｇの変化からチャンバ３の容積Ｖを算出することができる。
Ｑin＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ） …（１０）

ステップＳ４では、ＡＰＣバルブ１の開度θにおける実効排気速度Ｓｅ(θ)を算出する。チャンバ３に流入するガスの流量値ＱinとステップＳ２で取得した開度θｒ(1)～θｒ (N)における圧力計測値Ｐｇ(2)～Ｐｇ(N)とに基づいて、図８に示すような開度－圧力特性（すなわち、Ｐ(θ)）が得られる。実効排気速度Ｓｅ(θ)は、平衡状態では次式（１１）の関係が成り立つ。図８に示す開度－圧力特性（すなわち、Ｐ(θ))と式（１１）とから図９に示す開度－実効排気速度特性（すなわち、Ｓｅ(θ))が得られる。
Ｓｅ(θ)＝Ｑin／Ｐ(θ) …（１１）

ステップＳ５では、図８に示す開度－圧力特性と式（９）とからプラントゲインＧｐ(θ)を算出する。その結果、図１０に示すような開度－プラントゲイン特性が得られる。ステップＳ６では、校正処理によって取得された制御パラメータ、すなわち、チャンバ３の容積Ｖ、開度－実効排気速度特性（Ｓｅ(θ))および開度－プラントゲイン特性（Ｇｐ(θ)）を、ＡＰＣバルブ１の記憶部２４に記憶する。記憶部２４に予め制御パラメータが記憶されている場合には、その制御パラメータを校正処理により取得された制御パラメータで補正したり、あるいは、そのまま書き替える。

（校正処理における推定結果の利用）
校正処理の精度を上げるためには、上述したように指定された通りの流量Ｑinをチャンバ３へ導入する必要があり、ガス種についても指定されたガスを流入させるのが好ましい。そうすることで、チャンバ容積Ｖや実効排気速度Ｓｅの校正を精度よく行うことができる。以下では、加振振幅Δθの加振信号を開度信号に与えて圧力変動振幅ΔＰを取得することで、校正用ガスのガス種（ガスの分子量）および流量を推定装置５で推定させる。校正部２３の判定部２３３では、その推定結果に基づいて適切なガスが適切な流量で導入されているかを判定し、その判定結果をオペレータに提示するようにした。その結果、不適切な校正処理が行われるのを防止できる。

図１１に示したように、校正部２３には、ガス種および流量に関する判定を行う判定部２３３が設けられている。判定を行う際には、校正部２３は、加振振幅Δθの加振信号の出力を要求し、推定装置５による実効排気速度Ｓｅの推定を行わせる。判定部２３３は、推定装置５により推定された実効排気速度Ｓｅに基づいて、チャンバ３に導入されているガスのガス種および流量が、マニュアルに設定されているガス種および流量か否かを判定する。

図６に示した校正処理では、ステップＳ２において複数の開度計測値θｒ(i)における圧力を取得しているが、その圧力取得の際に加振振幅Δθの加振信号を与えて実効排気速度を推定装置５に推定させる。例えば、開度計測値θｒ(i)の圧力計測値Ｐｇ(i)を取得した後に加振部５２から所定時間だけ加振信号を出力させ、加振振幅Δθiおよび計測された圧力変動振幅ΔＰiに基づいて実効排気速度の開度微分値を算出する。算出後は開度を開度計測値θｒ(i+1)に変更し、同様に圧力計測値Ｐｇ(i+1)と実効排気速度の開度微分値を算出する。その結果、複数の開度計測値θｒ(2)，θｒ(3)，・・・，θｒ(N)に対して、実効排気速度の開度微分値がそれぞれ取得されることになる。実効排気速度の推定は、１～Ｎのいずれか１つのタイミングで行えばよい。

説明の前提条件として、ＡＰＣバルブ１の出荷時には、記憶部２４にアルゴンガスに関する制御パラメータ（実効排気速度Ｓｅ(θ)Ar）が記憶されていると仮定する。また、ＡＰＣバルブ１のマニュアルには、校正時の設定条件としてガス種はアルゴンガスで流量はＱinに設定することが記載されているとする。

推定装置５は、校正部２３から加振の指令が入力されると、加振部５２から加振振幅Δθの加振信号を出力させる。推定装置５の推定部５１は、実効排気速度Ｓｅを推定する。開度計測値θｒ(i)における圧力計測値Ｐｇ(i)と、加振時の角周波数ω、加振振幅Δθiおよび圧力変動振幅ΔＰiとを前述した式（６）に代入することで、開度計測値θｒ(i)における実効排気速度の開度微分値(∂Ｓｅ/∂θ)iが次式（１２）のように算出される。このように、開度計測値θｒ(i)において、圧力計測値Ｐｇ(i)と実効排気速度の開度微分値(∂Ｓｅ/∂θ)iとが取得される。
(∂Ｓｅ/∂θ)i＝(ΔＰi/Ｐｇ(i))×ω×Ｖ/Δθi …（１２）

さらに、推定部５１は、バルブ制御装置１ｂの記憶部２４に記憶されている基準データとしての実効排気速度Ｓｅ(θi)Arを読み出し、開度θiにおける開度微分値(ｄＳｅ/ｄθ)Ar(θi)を離散的に算出する。そして、次式（１３）により、データΔＰi取得時の開度計測値θｒ(i)における実効排気速度Ｓｅ(i)を算出する。算出された実効排気速度Ｓｅ(i)は、校正部２３に出力される。
Ｓｅ(i)＝{(∂Ｓｅ/∂θ)i／(ｄＳｅ/ｄθ)Ar(θi)}×Ｓｅ(θi)Ar …（１３）

校正部２３の判定部２３３は、実測データである実効排気速度Ｓｅ(i)に基づいて次式（１４）によりチャンバに導入されているガスの流量Ｑin(i)を算出する。さらに、式（１５）により、導入されているガスの分子量Ｍｉを算出する。
Ｑin(i)＝Ｓｅ(i)×Ｐｇ(i) …（１４）
Ｍｉ＝ＭAr×｛Ｓｅ(θi)Ar/Ｓｅ(i)｝^２ …（１５）

校正時にチャンバ３に導入されているガスがマニュアルの指示通りアルゴンガスであれば、式（１５）で算出される分子量Ｍｉは、アルゴンガスの分子量ＭArにほぼ等しい値となる。バルブのコンダクタンスが支配的な小さい開度領域においては、理想的にはＭｉ＝ＭArとなるはずであるが、検出誤差等により若干ずれた値のＭｉが算出される。判定部２３３は、式（１５）で算出される分子量Ｍｉとアルゴンガスの分子量ＭAr＝４０との差が許容範囲内であれば、導入されている校正用のガスはマニュアル通りのアルゴンガスである、すなわち一致すると判定する。また、式（１４）により算出される流量Ｑin(i)とマニュアルに設定されている流量Ｑinとの差が許容範囲内であれば、マニュアル通りの流量に設定されている、すなわち一致すると判定する。

一方、分子量Ｍｉとアルゴンガスの分子量ＭAr＝４０との差が許容範囲を超える場合には、および、流量Ｑin(i)と流量Ｑinとの差が許容範囲を超える場合には、校正部２３から警報を出力し、オペレータにガス種や流量の設定が不適切であることを知らせる。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）図１に示す推定装置５は、チャンバ３を排気する真空ポンプ４とチャンバ３との間に設けられるＡＰＣバルブ１の弁体１１を駆動するための開度信号θｓに、弁体１１を加振するための加振信号を重畳させる加振部５２と、加振時のチャンバ内圧力の圧力応答（例えば、圧力変動振幅ΔＰ）に基づいて、ＡＰＣバルブ１を介して排気されるガスに関する排気特性を推定する推定部５１とを備える。排気特性としては、例えば、実効排気速度Ｓｅや、実効排気速度の開度微分値∂Ｓｅ/∂θや、プラントゲインＧｐや、ガスの分子量などがある。

その結果、実際に排気しているガスの排気特性、例えば実効排気速度Ｓｅを取得することができる。推定装置５により推定された実効排気速度を用いてＡＰＣバルブ１による調圧を行うことで、プロセスガスに対応する制御パラメータを予め用意されていなかった場合でも、圧力調整応答の安定性向上を図ることができる。

（２）さらに、加振信号の加振振幅Δθ、圧力応答である圧力変動振幅ΔＰ、および、弁体１１の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインＧｐに基づいて、ＡＰＣバルブ１を介して排気されるガスに関するＡＰＣバルブ１の実効排気速度Ｓｅを式（８）により推定するようにしても良い。

（３）弁体１１の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインＧｐ(θ)と加振信号の加振振幅Δθとの積（Ｇｐ(θ)×Δθ）が一定となるように加振振幅Δθを設定することで、開度によらず同程度の値の安定した圧力振幅値ΔＰを得ることができる。

（４）加振振幅Δθの加振信号を与えて圧力変動振幅ΔＰを取得する場合には、比較的ωが高い加振振幅Δθの加振信号を与えて圧力変動振幅ΔＰを測定するのが好ましい。しかし、ωが高すぎると測定する圧力振幅がωに反比例で低減し検出が困難になるので、チャンバ３の容積をＶ、実効排気速度の推定開度範囲（図３に示す推定実施範囲）の上限開度θ２における実効排気速度をＳemaxとしたときに、加振信号の角周波数ωをω＞Ｓemax/Ｖのように設定するのが望ましい。

（５）バルブ制御装置１ｂは、チャンバ３に装着されるＡＰＣバルブ１の実効排気速度Ｓｅおよびチャンバ容積Ｖを記憶する記憶部２４と、記憶部２４に記憶された実効排気速度Ｓｅおよびチャンバ容積Ｖに基づいてＡＰＣバルブ１の弁体１１の開度信号θｓを生成する調圧部２１と、所定分子量および所定流量Ｑinのガスが導入されているチャンバ３に装着されたＡＰＣバルブ１を複数の開度に制御した場合のチャンバ内圧力（圧力計測値Ｐｇ）に基づいて、記憶部２４に記憶された実効排気速度Ｓｅおよびチャンバ容積Ｖを校正する校正部２３と、推定装置５により推定した実効排気速度に基づいて、ガスの分子量および流量が所定分子量および所定流量と一致するか否かを判定する判定部２３３とを備える。

判定部２３３の判定結果を利用することで、校正用ガスをチャンバ３に導入して行う校正処理が正しい設定条件（ガス種、流量）で行われているか否かを認識することができる。それにより、記憶部２４に記憶された実効排気速度Ｓｅおよびチャンバ容積Ｖの校正を精度よく行うことができ、圧力調整応答の安定性向上を図ることができる。

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。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…自動圧力制御バルブ（ＡＰＣバルブ）、１ａ…バルブ本体、１ｂ…バルブ制御装置、３…チャンバ、４…真空ポンプ、５…推定装置、１１…弁体、２１…調圧部、２３…校正部、５１…推定部、５２…加振部、２３１…開度生成部、２３２…演算部、２３３…判定部

Claims (6)

1. チャンバを排気する真空ポンプと前記チャンバとの間に設けられる真空バルブの弁体を駆動するための開度信号に、前記弁体を加振するための加振信号を重畳させる加振部と、
   加振時のチャンバ内圧力の圧力応答に基づいて、前記真空バルブを介して排気されるガスに関する排気特性を推定する推定部とを備える、推定装置。
2. 請求項１に記載の推定装置において、
   前記推定部は、
   前記加振信号の加振振幅、前記圧力応答、および、前記弁体の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインに基づいて、前記真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度を推定する、推定装置。
3. 請求項１または２に記載の推定装置において、
   前記加振部は、前記弁体の開度変化とチャンバ内圧力の変化との関係を表すプラントゲインと前記加振信号の加振振幅との積が一定となるように前記加振振幅を設定する、推定装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の推定装置において、
   前記排気特性は前記真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度であって、
   前記加振部は、前記チャンバの容積をＶ、前記実効排気速度の推定開度範囲の上限開度における実効排気速度をＳemaxとしたときに、前記加振信号の角周波数ωをω＞Ｓemax/Ｖのように設定する、推定装置。
5. 真空バルブの弁体の開度信号を生成する調圧部を備え、
   前記調圧部は、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の推定装置により推定した前記排気特性に基づいて前記開度信号を生成する、バルブ制御装置。
6. チャンバに装着される真空バルブを介して排気されるガスに関する実効排気速度およびチャンバ容積を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された実効排気速度およびチャンバ容積に基づいて前記真空バルブの弁体の開度信号を生成する調圧部と、
   所定分子量および所定流量のガスが導入されている前記チャンバに装着された前記真空バルブを複数の開度に制御した場合のチャンバ内圧力に基づいて、前記記憶部に記憶された実効排気速度およびチャンバ容積を校正する校正部と、
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の推定装置により推定した前記排気特性に基づいて、前記ガスの分子量および流量が前記所定分子量および前記所定流量と一致するか否かを判定する判定部とを備える、バルブ制御装置。

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