JP7491239B2

JP7491239B2 - 真空ポンプおよび真空ポンプ制御方法

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Publication number: JP7491239B2
Application number: JP2021024429A
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Inventors: 史夏田邊
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Filing date: 2021-02-18
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Description

本発明は、真空ポンプおよび真空ポンプ制御方法に関する。

ターボ分子ポンプは種々の半導体製造装置の排気ポンプとして使用されるが、エッチングプロセス等において排気を行うと、反応生成物がポンプ内部に堆積する。そのため、ターボ分子ポンプを一定期間使用したならば、ポンプ内を洗浄して堆積物を除去するメンテナンス作業を行うのが一般的である。

特開２０２０－２０２７２号公報

しかしながら、ポンプ内に反応生成物が堆積すると、ターボ分子ポンプの排気性能が低下する（例えば、特許文献１参照）。ターボ分子ポンプの排気性能低下は発生はプロセス環境の変化の要因となるので、安定したプロセスを保証できなくなる可能性があった。

本発明の第１の態様による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを設定目標回転数で回転駆動するモータと、ポンプ内における生成物の堆積量を推定する推定部と、前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する設定目標回転数変更部と、を備える。
本発明の第２の態様による真空ポンプ制御方法は、モータによりポンプロータを設定目標回転数で駆動する真空ポンプ制御方法であって、ポンプ内における生成物の堆積量を推定し、前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する。

本発明によれば、排気速度への生成物堆積の影響を抑制することができる。

図１は本発明の真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの概略構成を示す。図２は、コントローラの一例を説明するブロック図である。図３は、プロセス処理とモータ電流値との関係を説明する図である。図４は、推定処理の一例を示すフローチャートである。図５は、相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)および相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)を説明する図である。図６は、変形例１における推定処理の一例を示すフローチャートである。図７は、変形例２を説明するブロック図である。図８は、変形例２における推定処理の一例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。図１は本発明の真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの概略構成を示す。真空ポンプ１は、真空排気を行うポンプ本体１ａと、ポンプ本体１ａを駆動制御すコントローラ１ｂとを備えている。ポンプ本体１ａは、回転翼２１と固定翼３１とで構成されるターボポンプ段と、回転円筒部２２とステータ３２とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ３２または回転円筒部２２にネジ溝が形成されている。回転翼２１および回転円筒部２２はポンプロータ２ａに形成されている。ポンプロータ２ａはシャフト２ｂに締結されている。ポンプロータ２ａとシャフト２ｂとによって回転体ユニット２が構成される。

軸方向に配置された複数段の回転翼２１に対して、複数段の固定翼３１が交互に配置されている。各固定翼３１は、スペーサリング３３を介してベース３上に載置される。ポンプケーシング３０をベース３にボルト固定すると、積層されたスペーサリング３３がベース３とポンプケーシング３０の係止部３０ａとの間に挟持され、固定翼３１が位置決めされる。

シャフト２ｂは、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４～３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト２ｂの浮上位置の変位が検出される。シャフト２ｂはモータ１０により回転駆動される。シャフト２ｂの回転状態（回転数または回転速度）は、回転センサ３８により検出される。モータ１０は、ベース３に設けられたモータステータ１０ａと、シャフト２ｂに設けられたモータロータ１０ｂとから成る。磁気軸受が動作していない時には、シャフト２ｂは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。

図２は、コントローラ１ｂの一例を説明するブロック図である。ポンプ本体１ａはコントローラ１ｂによって駆動制御される。上述したように、ポンプ本体１には磁気軸受３４～３６、モータ１０および回転センサ３８が設けられている。コントローラ１ｂは、ＣＰＵやＦＰＧＡなどの演算処理装置を備える。演算処理装置は、軸受制御部１００、モータ制御部１０１、推定部１０２として機能する。軸受制御部１００は、軸受電流を磁気軸受３４～３６に供給する。モータ制御部１０１は、回転センサ３８で検出された回転情報に基づいて、ロータ回転数が所定の目標回転数（以下では、設定目標回転数Ｎsと呼ぶ。）となるように、インバータ１０４を制御してモータ１０にモータ電流を供給する。電流センサ１０５はモータ電流値Ｉmを検出し、その検出結果は推定部１０２に入力される。なお、電流センサ１０５でモータ電流値を検出する代わりに、インバータ１０４のＰＷＭ信号のデューティ比（指令値）から電流値を算出するようにしても良い。

推定部１０２は計時機能を備え、後述する累積運転時間に基づいて、ポンプ内の生成物の堆積量Ｍを推定し、堆積量Ｍに基づく目標回転数Ｎt（後述する定格排気速度Ｓp0が達成可能な推奨回転数）を設定目標回転数Ｎsとしてモータ制御部１０１へ入力する。推定部１０２は、推定結果に基づく警報信号Ｓａを生成する。警報信号Ｓａは、コントローラ１ｂから外部に出力される。記憶部１０３には、真空ポンプ１を駆動制御するためのプログラム、堆積物の堆積量Ｍを推定するためのプログラムなどや、ポンプ制御および堆積物推定に必要なデータが記憶される。例えば、設定目標回転数Ｎs、および、設定目標回転数の初期値としての定格回転数Ｎ0がそれぞれ記憶される。設定目標回転数Ｎsは後述するように堆積量Ｍに応じて変更される。記憶部１０３に記憶された設定目標回転数Ｎsは、コントローラ１ｂに設けられた初期化部１０６を、例えばオペレータが操作することで、初期値である定格回転数Ｎ0にリセットされる。

（生成物堆積量の推定方法）
従来の真空ポンプの場合、ポンプ回転数は一定の定格回転数Ｎ0に制御されており、前述したように、ポンプ内に生成物が堆積すると排気速度が低下する。すなわち、堆積量Ｍがゼロの時の排気速度を定格排気速度Ｓp0とした場合、堆積量Ｍ（≠０）のときの排気速度は定格排気速度Ｓp0よりも小さくなる。本実施の形態では、堆積量Ｍを推定し、堆積量Ｍに応じた分だけ設定目標回転数Ｎsを増加させることで、排気速度を定格排気速度Ｓp0に維持するようにした。以下では、累積運転時間に基づいて堆積量を推定する場合について説明する。

（累積運転時間）
推定部１０２は、計時機能により計測される累積運転時間に基づいて、ポンプ内の生成物堆積量を推定する。真空ポンプ１は、半導体製造装置のプロセスチャンバに装着される。プロセスチャンバに搬入された基板に対するプロセス処理は１種類とは限らず、複数のプロセス処理が行われる場合がある。例えば、図３に示すように、搬入された基板に対してＡ，Ｂ，Ｃの３種類の処理を順に行う場合がある。図３は、プロセス処理Ａ，Ｂ，Ｃが行われる場合のモータ電流値Ｉmの時間的変化を模式的に示したものである。Ｗinは基板が搬入されるタイミングを示し、Ｗoutは基板が搬出されるタイミングを示す。
なお、複数のプロセス処理はレシピとして各種設定され、真空処理に応じたレシピを呼び出して真空処理が実施される。

各プロセス処理Ａ，Ｂ，Ｃは、ガスの種類、ガス流入量、処理圧力、処理時間がそれぞれ異なっているためポンプ負荷がそれぞれ異なり、モータ電流値Ｉma、Ｉmb、Ｉmcもそれぞれ異なる。ガス流入量および処理圧力が安定するとモータ電流値Ｉmも一定の値に安定し、その安定状態（符号Ａ，Ｂ，Ｃで示す期間）においてプロセス処理が行われる。プロセス処理と次のプロセス処理との間の期間においては処理ガスの流入が停止され、チャンバ内圧力が低下する。そのため、この期間においてはモータ電流値Ｉmがプロセス中のモータ電流値Ｉma、Ｉmb、Ｉmcよりも低下する。ポンプ内における生成物の堆積のほとんどは、プロセス処理Ａ，Ｂ，Ｃが行われているときに生じる。

累積運転時間の算出方法としては、単純に、回転開始指令が入力されるポンプスタートから回転停止指令が入力されるポンプストップまでの時間を累積したものを、累積運転時間とする第１の方法がある。第２の方法としては、モータ電流値Ｉmが図３の閾値Ｉth以上である時間を累積したものを累積運転時間とする方法がある。第２の方法の場合には、生成物堆積が少ないガス流入停止期間を累積運転時間から除外することができる。なお、プロセスチャンバの圧力変化も、図３のモータ電流値の場合と同様の変化を示す。従って、真空ポンプ１にチャンバ圧力データが入力されるような構成の場合には、チャンバ圧力が所定閾値以上である時間を累積したものを累積運転時間としても良い。

累積運転時間から生成物堆積量を推定するためには、所定時間における堆積量データが必要である。例えば、図３のように複数のプロセス処理Ａ，Ｂ，Ｃが行われる場合、各プロセス処理における堆積速度が異なる。そこで、本実施の形態では、真空ポンプが装着されたプロセスチャンバに基板が搬入（Ｗin）されてから、プロセス処理Ａ，Ｂ，Ｃの後に基板がプロセスチャンバから搬出（Ｗout）されるまでの時間ΔＴと、その時間ΔＴにおける堆積増加量ΔＭとを、運転時間と堆積量との関係を表すデータとして記憶部１０３に記憶しておく。真空ポンプ１の累積運転時間をＴとすると、累積運転時間Ｔにおける堆積量Ｍは、次式（１）により算出される。
Ｍ＝（Ｔ／ΔＴ）×ΔＭ …（１）

プロセス条件はユーザに応じて異なるので、ポンプが装着される装置のプロセス条件における運転時間と堆積量との関係を表すデータ（ΔＴ、ΔＭ）を予め取得し、記憶部１０３に記憶しておく。換言すると、レシピごとに運転時間と堆積量との関係を表すデータ（ΔＴ、ΔＭ）が記憶される。また、記憶部１０３には、堆積量Ｍと排気速度Ｓpとの相関関係を表す相関データまたは相関関数も記憶されている。堆積量Ｍと排気速度Ｓpとの相関関係としては、例えば、堆積量Ｍとその堆積量Ｍの時に定格排気速度Ｓp0を満足する目標回転数Ｎtとの相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)である。この相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)を、実験等により予め取得しておき、記憶部１０３に記憶させておく。

図４は、推定部１０２における推定処理の一例を示すフローチャートである。推定部１０２は、回転開始指令が入力されると推定処理を開始し、所定時間間隔で堆積量Ｍを推定する。ステップＳ１０では、運転開始または前回の推定から所定時間間隔が経過したか否かを判定する。ステップＳ１０で所定時間間隔が経過したと判定されると、ステップＳ２０へ進んで、上述した累積運転時間Ｔを算出する。ステップＳ３０では、算出した累積運転時間Ｔに基づいて、上述した式（１）によりに堆積量Ｍを算出する。
Ｍ＝（Ｔ／ΔＴ）×ΔＭ …（１）

ステップＳ４０では、算出された堆積量Ｍと記憶部１０３に記憶されている相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)とから、目標回転数Ｎtを算出する。ステップＳ５０では、算出された目標回転数Ｎtが、真空ポンプ１の上限回転数Ｎuより大きいか否かを判定する。ステップＳ５０でＮt＞Ｎuと判定されると、ステップＳ６０に進んで設定目標回転数Ｎsを上限回転数Ｎuに変更する。上限回転数Ｎuは、予め記憶部１０３に記憶されている。その後、ステップＳ７０において、真空ポンプの設定目標回転数Ｎsが上限回転数Ｎuに達したことを報知する警報信号をコントローラ１ｂの外部へ出力する。

一方、ステップＳ５０でＮt＞Ｎuでないと判定された場合には、ステップＳ６５へ進んで、モータ制御部１０１における設定目標回転数Ｎsを算出された目標回転数Ｎtに変更し、その後、ステップＳ８０へ進む。なお、Ｍ＝０である運転開始時の設定目標回転数Ｎsは、ポンプ仕様の定格回転数Ｎ0である。定格回転数Ｎ0は予め記憶部１０３に記憶されている。記憶部１０３には、定格回転数Ｎ0とは別に、設定目標回転数Ｎsの記憶領域が設けられていて、真空ポンプの初期状態においては定格回転数Ｎ0が格納されている。設定目標回転数Ｎsとして目標回転数Ｎtが設定されると、設定目標回転数Ｎsの記憶領域のデータがその目標回転数Ｎtで書き換えられる。

ステップＳ８０では、堆積量Ｍが上限値Ｍu以上か否かを判定し、Ｍ≧Ｍuの場合にはステップＳ９０へ進み、Ｍ≧Ｍuでない場合にはステップＳ１０へ戻る。ステップＳ９０では、堆積量Ｍが上限値Ｍuに達したことを報知する警報信号をコントローラ１ｂの外部へ出力する。なお、設定目標回転数Ｎsの記憶領域のデータは、堆積物除去のメンテナンス後に初期値（定格回転数Ｎ0）にリセットされる。

上述したように、本実施の形態では、堆積量Ｍが増加した場合でも、真空ポンプ１の排気速度Ｓpが定格排気速度Ｓp0に維持されるように、堆積量Ｍの増加に応じて設定目標回転数Ｎtを変更するようにしている。その結果、生成物の堆積量Ｍの影響を受けることなく、安定したプロセス処理を保証することができる。
なお、上述した実施の形態では、堆積量Ｍを式（１）により算出したが、複数のプロセス処理はレシピに応じて、累積時間Ｔと堆積量Ｍとの相関関係Ｍ＝Ｈ(Ｔ)を予め記憶しておき、この相関関係Ｍ＝Ｈ(Ｔ)に累積時間Ｔを代入して堆積量Ｍを推定しても良い。

（変形例１）
上述した実施の形態では、生成物の堆積量の指標として、ポンプ運転状態を示す運転状態量の一つである累積運転時間を用いる場合について説明した。堆積量の指標として使用できる運転状態量としては種々の量が考えられ、例えば、モータ電流値やモータ電力値（例えば、特開２０２０－２０２７２号公報参照）、ポンプ背圧（例えば、特開２０２０－１７６５５５号公報参照）、ロータ振れ回り量（例えば、特開２０１７－１６６４５８号公報参照）などがある。いずれの運転状態量も、生成物の堆積量の変化に応じて変化する。変形例１では、運転状態量としてモータ電流値を用いる場合について説明する。変形例１では、図２に示した推定部１０２は、検出されたモータ電流値Ｉmに基づいて堆積量Ｍを推定し、その堆積量Ｍに基づいて目標回転数Ｎtを算出する。目標回転数Ｎtはモータ制御部１０１へ入力される。

モータ電流値により堆積量を推定する方法の場合、原理的には、堆積量Ｍとモータ電流値Ｉmおよびポンプ回転数Ｎとの間の相関関係Ｍ＝Ｆ(Ｎ，Ｉm)を表す関数Ｆが、任意の堆積量Ｍに関して予め得られていれば、計測されたモータ電流値Ｉmおよびポンプ回転数Ｎから堆積量Ｍを算出することができる。そして、上述した相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)と算出された堆積量Ｍとに基づいて、目標回転数Ｎtが算出できる。

しかし、任意の堆積量Ｍに関してＭ＝Ｆ(Ｎ，Ｉm)を予め取得しておくのは難しく、現実的ではないので、変形例１では、複数の堆積量Ｍk（ｋ＝０，１，２，・・・，ｎ）に関して、Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)のような関数Ｆkを予め取得しておき、複数の相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)を記憶部１０３に記憶しておく。なお、複数の相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)には、堆積量Ｍの上限値Ｍuに関するＭu＝Ｆu(Ｎ，Ｉm)が含まれる。また、上述した堆積量Ｍと目標回転数Ｎtとの相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)も、記憶部１０３に記憶しておく。

図５は、相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)および相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)を説明する図である。横軸は回転数Ｎまたは目標回転数Ｎtで、縦軸はモータ電流値Ｉmである。ラインＬ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれｋ＝０，１，２，３の場合の相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)を表しており、Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)を満足する回転数Ｎとモータ電流値Ｉmとの関係を示している。ラインＬ０は堆積量Ｍがゼロ（Ｍ0＝０）の場合であり、定格回転数Ｎ0におおけるモータ電流値はＩm00になる。堆積量Ｍ1（＞０）の場合には、回転数Ｎとモータ電流値Ｉmとの関係はラインＬ１のようになっており、堆積量Ｍ2（＞Ｍ1）の場合には、回転数Ｎとモータ電流値Ｉmとの関係はラインＬ２のようになっている。ラインＬ３は、堆積量Ｍが上限値Ｍu（＝Ｍ3＞Ｍ2）の場合の相関関係である。

ラインＬ１０は、堆積量Ｍと、堆積量Ｍのときに定格排気速度Ｓp0が達成可能な目標回転数Ｎtとの相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)を表している。ラインＬ１０は、ポンプ状態（Ｎ0，Ｉm00，Ｍ0）である点ａ０においてラインＬ０と交差し、ポンプ状態（Ｎ1，Ｉm11，Ｍ1）である点ａ１においてラインＬ１と交差し、ポンプ状態（Ｎ2，Ｉm22，Ｍ2）である点ａ２においてラインＬ２と交差する。すなわち、ラインＬ１０は、堆積量Ｍ0＝０における目標回転数ＮtはＮ0で、堆積量Ｍ1＝０における目標回転数ＮtはＮ1で、堆積量Ｍ2＝０における目標回転数ＮtはＮ2であることを表している。

交点ａ０におけるポンプ状態（Ｎ0，Ｉm00，Ｍ0）からポンプ運転を開始した場合、プロセス処理が行われることによって堆積量Ｍが増加し、それに伴ってモータ電流値Ｉmも増加することになり、Ｍ＝Ｍ1となったときにＩm＝Ｉm10となる。同様に、ポンプ状態が交点ａ１の状態（Ｍ1，Ｎ1，Ｉm11）であった場合に、堆積量ＭがＭ1からＭ2へと増加するとモータ電流ＩmがＩm11からＩm21へと増加し、ポンプ状態（Ｍ2，Ｎ2，Ｉm21）へと変化する。Ｉm(k+1)kは、Ｍk+1＝Ｆk+1(Ｎ，Ｉm)にＮkを代入して算出されるＩmであり、例えば、ラインＬ1を表すＭ1＝Ｆ1(Ｎ，Ｉm)にＮ0を代入することで、Im10が算出される。

なお、図５に示す例では、堆積量Ｍが上限値Ｍuに達するよりも前に、設定目標回転数Ｎsが上限値Ｎuに達する場合を示したが、上限値Ｍuに関する相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)が二点鎖線で示すようなラインである場合には、設定目標回転数Ｎsが上限値Ｎuに達する前に堆積量Ｍが上限値Ｍuに達することになる。

図６は、変形例１における推定処理の一例を示すフローチャートである。以下では、図５を参照しつつ説明する。コントローラ１ｂに回転開始を指示するスタート信号が入力されると、推定部１０２において図６の処理が開始される。図５の点ａ０が、運転開始時のポンプ状態（Ｎ，Ｉm，Ｍ）＝（Ｎ0，Ｉm00，Ｍ0）を表している。

（ステップＳ１００～ステップＳ１５０）
ステップＳ１００では、ｋ＝０と設定する。ステップＳ１１０では、現在の設定目標回転数Ｎs（＝Ｎk）を相関関係Ｍk+1＝Ｆk+1(Ｎ，Ｉm)のＮに代入して、現在のｋに対するモータ電流値Ｉm(k+1)kを算出する。ステップＳ１２０では、堆積量Ｍが上限値Ｍuである相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)に、現在の設定目標回転数Ｎs（＝Ｎk）を代入して、設定目標回転数Ｎsにおける堆積量Ｍの上限値Ｍuに対応するモータ電流値Ｉmukを算出する。ステップＳ１３０では、モータ電流値Ｉmを計測する。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１２０で算出されたモータ電流値ＩmukとステップＳ１３０で計測されたモータ電流値Ｉmとを比較し、Ｉm≧Ｉmukか否かを判定する。ステップＳ１４０でＩm≧Ｉmukと判定された場合には、ステップＳ２２０へ進んで、堆積量Ｍが上限値Ｍuに達したことを報知する警報信号をコントローラ１ｂの外部へ出力する。一方、ステップＳ１４０でＩm≧Ｉmukでない（すなわちＩm＜Ｉmus）と判定された場合には、ステップＳ１５０へ進む。ステップＳ１５０では、計測されたモータ電流値ＩmとステップＳ１１０で算出されたモータ電流値Ｉm(k+1)kとを比較して、Ｉm≧Ｉm(k+1)kか否かを判定する。ステップＳ１５０においてＩm≧Ｉm(k+1)kと判定されるとステップＳ１６０へ進み、Ｉm≧Ｉm(k+1)kでないと判定されるとステップＳ１１０へ戻る。

図５を参照して、ステップＳ１１０からステップＳ１５０までの処理を具体的に説明する。運転開始時のポンプ状態は、図５の点ａ０のポンプ状態（Ｎ0，Ｉm00，Ｍ0）である。運転開始時の設定目標回転数Ｎsは定格回転数Ｎ0であり、ステップＳ１１０では、定格回転数Ｎ0を相関関係Ｍ1＝Ｆ1(Ｎ，Ｉm)のＮに代入して、図５の点ｂ１におけるモータ電流値Ｉm10を算出する。ステップＳ１２０では、堆積量Ｍが上限値Ｍu（＝Ｍ3）である相関関係Ｍ3＝Ｆ3(Ｎ，Ｉm)に、現在の設定目標回転数Ｎs（＝Ｎ0）を代入して、回転数Ｎ0における堆積量Ｍの上限値Ｍuに対応するモータ電流値Ｉmu0、すなわち、点ｃ０におけるモータ電流値Ｉmu0を算出する。

ステップＳ１４０ではＩm≧Ｉmu0か否かを判定する。図５に示す例では、運転開始直後はＩm＜Ｉmu0なのでステップＳ１５０へ進む。ｋ＝０の場合、ステップＳ１５０においてＩm≧Ｉm10か否かが判定されるが、運転開始直後はＭ＝Ｍ0＝０なので計測されるモータ電流値ＩmはＩm10よりも小さく、ステップＳ１５０でｎｏと判定される。そして、モータ電流値Ｉmが点ｂ１における電流値Ｉm10に達するまでは、ステップＳ１１０からステップＳ１５０までの処理が繰り返される。プロセスガスの排気により堆積量Ｍが増加すると、モータ電流値Ｉmが図５の点ａ０における電流値Ｉm00から増加し、モータ電流値Ｉmが点ｂ１における電流値Ｉm10に達すると、ステップＳ１５０でＩm≧Ｉm10と判定される。すなわち、ステップＳ１５０の処理は、計測されるモータ電流値Ｉmに基づいて、堆積量ＭがＭkからＭk+1まで増加したか否かを判定する処理である、と言い換えることができる。ポンプ状態が点ｂ１のポンプ状態に達すると、ステップＳ１５０からステップＳ１６０へ進む。

（ステップＳ１６０～ステップＳ２２０）
ステップＳ１６０では、現在のポンプ状態（Ｎ，Ｉm，Ｍ）を表す点（Ｎk，Ｉm(k+1)k，Ｍk）が乗っているラインＬk+1とラインＬ１０との交点に関して、交点における目標回転数Ｎt（＝Ｎk+1）が、真空ポンプ１の上限回転数Ｎuより大きいか否かを判定する。ステップＳ１６０でＮk+1＞Ｎuと判定された場合には、ステップＳ１７０へ進む。一方、ステップＳ１６０でＮt＞Ｎuでないと判定された場合には、ステップＳ１６２へ進んで設定目標回転数ＮsをＮkからＮk+1に変更し、ステップＳ１６４でｋの値を１だけ増加させて、ステップＳ１１０へ戻る。ステップＳ１６２で設定目標回転数ＮsがＮkからＮk+1に変更されると、回転数Ｎが現在のＮkからＮk+1へと増加するように制御される。

ステップＳ１６０においてＮk+1＞Ｎuと判定されてステップＳ１７０へ進んだ場合には、ステップＳ１７０において、設定目標回転数Ｎsを上限回転数Ｎuに変更する。その結果、真空ポンプ１の回転数Ｎは上限回転数Ｎuに制御される。ステップＳ１８０では、真空ポンプ１の設定目標回転数Ｎsが上限回転数Ｎuに達したことを報知する警報信号を、コントローラ１ｂの外部へ出力する。ステップＳ１９０では、堆積量Ｍが上限値Ｍuである相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)に、現在の設定目標回転数Ｎs（＝Ｎu）を代入して、上限回転数Ｎuにおける、堆積量Ｍの上限値Ｍuに対応するモータ電流値Ｉmuを算出する。ステップＳ２００では、モータ電流値Ｉmを計測する。ステップＳ２１０では、ステップＳ２００で計測されたモータ電流値Ｉmと上限値Ｍuに対応するモータ電流値Ｉmu（＝Ｉmuu）とを比較し、Ｉm≧Ｉmuか否かを判定する。ステップＳ２１０でＩm≧Ｉmuと判定されると、ステップＳ２２０へ進んで堆積量Ｍが上限値Ｍuに達したことを報知する警報信号をコントローラ１ｂの外部へ出力する。

図５を参照して、ステップＳ１６０からステップＳ２２０までの処理を具体的に説明する。堆積量Ｍの増加により、ポンプ状態（Ｎ，Ｉm，Ｍ）が点ａ０の状態（Ｎ0，Ｉm00，Ｍ0）から点ｂ１の状態（Ｎ0，Ｉm10，Ｍ1）になると、ステップＳ１５０からステップＳ１６０へ進む。図５ではＮ1＜Ｎuなので、ステップＳ１６０でｎｏと判定されてステップＳ１６２で設定目標回転数ＮsがＮ0からＮ1に変更され、ステップＳ１６４でｋ＝１に設定される。ステップＳ１６２で設定目標回転数ＮsがＮ0からＮ1に変更されると、回転数Ｎが設定目標回転数Ｎs（＝Ｎ１）となるように制御され、ポンプ状態（Ｎ，Ｉm，Ｍ）はラインＬ１上を点ｂ１（Ｎ0，Ｉm10，Ｍ1）から点ａ１（Ｎ1，Ｉm11，Ｍ1）へと移動するように変化する。

その後、ステップＳ１１０へ戻って、ステップＳ１１０からステップＳ１５０までの処理が繰り返し実行され、堆積量Ｍの増加に従ってモータ電流値Ｉmが増加し、ポンプ状態が点ａ１の状態（Ｎ1，Ｉm11，Ｍ1）から点ｂ２の状態（Ｎ1，Ｉm21，Ｍ2）まで変化する。モータ電流値ＩmがＩm21に達すると、ステップＳ１５０からステップＳ１６０へ進んでＮ2＞Ｎuか否かの判定が行われる。図５ではＮ2＞Ｎuなので、ステップＳ１６０でｙｅｓと判定されてステップＳ１７０へ進み、設定目標回転数Ｎsとして上限回転数Ｎuが設定される。その結果、真空ポンプ１の回転数Ｎは上限回転数Ｎuに制御され、図５の点ｂ２のポンプ状態（Ｎ2，Ｉm21，Ｍ2）から点ｃ２のポンプ状態（Ｎu，Ｉm2u，Ｍ2）となり、真空ポンプの設定目標回転数Ｎsが上限回転数Ｎuに達したことを報知する警報信号が出力される（ステップＳ１８０）。

ステップＳ１９０では、上限値Ｍu（＝Ｍ3）の相関関係Ｍ3＝Ｆ3(Ｎ，Ｉm)のＮに、現在の設定目標回転数Ｎuを代入することで、点ｃ３（Ｎu，Ｉmuu，Ｍu）におけるモータ電流値Ｉmuuがモータ電流値Ｉmuとして算出される。堆積量Ｍが増加して点ｃ２のＭ2から点ｃ３のＭ3に達すると、すなわち、モータ電流値ＩmがＩm2uからＩmuuに上昇すると、ステップＳ２１０でＩm≧Ｉmu（＝Ｉmuu）と判定され、堆積量Ｍが上限値Ｍuに達したことを報知する警報信号が出力される（ステップＳ２２０）。

（変形例２）
図７，８は、変形例２を説明する図である。ターボ分子ポンプのようにポンプロータが高速回転する真空ポンプでは、ポンプロータは遠心力によって高引張応力の状態となる。また、多量のガスを排気する場合、ポンプロータは排気に伴うガスの圧縮熱や摩擦熱によって高温状態となる。このような高温でかつ高引張応力の状態では、ポンプロータにクリープ変形が生じる。一般に、クリープ変形は、一定の荷重または応力の下に時間の経過とともに歪みが増加する塑性変形である。クリープ変形は温度と密接な関係にあり、通常、材料により定まる所定の温度以上において顕著となる。

定常クリープ挙動に関するノートン則によれば、材料により定まる所定温度以上において、歪み速度ｕ（＝ｄε／ｄｔ）は、ｕ＝Ａ・σ^ｎで表される。発生するクリープ変形量εは、次式（２）に示すように、歪み速度ｕと時間ｔの積で表される。なお、σは応力であり、Ａ，ｎは材料及び温度により異なる材料定数である。
ε＝ｕ×ｔ＝Ａσ^ｎｔ …（２）
式（２）は予め記憶部１０３に記憶されている。応力σは遠心力に比例、すなわち、回転数の２乗に比例するので、クリープ変形量εは回転数Ｎの関数ε(N)＝Ａσ(N)^ｎｔのように表すことができる。

変形例２では、図７に示すように、推定部１０２は、生成物の堆積量を推定する堆積量推定部１０２Ａと、ポンプロータ２ａのクリープ変形量ε(Ｎ)に起因するポンプの寿命を推定するポンプ寿命推定部１０２Ｂとを備える。堆積量推定部１０２Ａは、上述した実施の形態や変形例１における推定部１０２と同様の処理を行う。ポンプ寿命推定部１０２Ｂでは、クリープ変形量εの推定と、その推定結果に基づくポンプ寿命の推定を行う。ポンプ本体１ａには、ポンプロータ２ａの温度を検出する温度センサ４０が設けられている。温度センサ４０には、例えば、赤外線温度センサ等が用いられる。

ポンプロータ２ａに生じるクリープ変形量が増加すると、ポンプロータ２ａの各部（特に、応力が大きい部分）の径寸法が大きくなる。その結果、ポンプロータ２ａと静止部（固定翼３１，ステータ３２等）との隙間が小さくなり、最終的には、ポンプロータ２ａと静止部とが接触するおそれがある。そのため、クリープ変形量の許容値εthを予め設定して記憶部１０３に記憶しておき、ポンプ寿命推定部１０２Ｂは推定されるクリープ変形量εが許容値εthに達したならば、ポンプ寿命であると判断し警報（警報信号Ｓａ）を発生する。

クリープ変形量εの演算は、ポンプロータ２ａの温度が上記所定温度以上の場合に行われる。例えば、図７のように温度センサ４０を備えている場合には、式（２）の時間ｔとして、温度センサ４０の検出温度が所定温度以上となっている時間の累積時間を使用する。また、温度センサ４０を備えない構成においては、上述した真空ポンプ１の運転時間を累積した累積運転時間Ｔを、式（２）の時間ｔとして用いても良い。一般的に、プロセス中は上記所定温度以上で運転されているので、時間ｔとして累積運転時間Ｔを使用しても、クリープ変形量εの演算誤差に与える影響が小さい。

図８は、変形例２における推定処理（堆積量推定およびポンプ寿命推定）の一例を示すフローチャートである。ここでは、式（２）の時間ｔとして累積運転時間Ｔを使用する場合を例に説明する。図８は、図７に示すフローチャートに、ポンプ寿命推定に関するステップＳ３００～Ｓ３２０を追加したものである。以下では、ステップＳ３００～Ｓ３２０の処理のみについて説明し、その他のステップの処理については上述した通りなので、説明を省略する。

ステップＳ７０で設定目標回転数Ｎsが上限回転数Ｎuに達したことを報知する警報信号を出力したならば、または、ステップＳ６５で設定目標回転数Ｎsを目標回転数Ｎtに変更したならば、ステップＳ３００へ進み、設定目標回転数Ｎsと、ステップＳ２０で算出された累積運転時間Ｔと、式（２）とに基づいて、クリープ変形量ε(Ns)＝Ａσ(N)^ｎＴを算出する。ステップＳ３１０では、算出されたクリープ変形量ε(Ns)が許容値εth以上か否かを判定する。ステップＳ３１０でε(Ns)≧εthと判定された場合には、ステップＳ３２０へ進んで、クリープ変形量εがポンプ寿命に相当する量に達したことを報知する警報信号を、コントローラ１ｂの外部に出力する。一方、ステップＳ３１０でε(Ns)≧εthでないと判定された場合には、ステップＳ８０へ進んで堆積量Ｍに関する処理を行う。

以上のように、変形例２では、堆積量に基づく回転数の変更をクリープ寿命推定に反映することにより、設定目標回転数Ｎsの変更によるクリープ寿命判定の精度低下を防止するようにした。

なお、上述した実施の形態では、推定に使用する相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)および相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)を関数の形で記憶部１０３に格納しているが、数値データ（データテーブル）の形で格納するようにしても良い。

上述した例示的な実施の形態および変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係る真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを設定目標回転数で回転駆動するモータと、ポンプ内における生成物の堆積量を推定する推定部と、前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する設定目標回転数変更部と、を備える。
例えば、推定部１０２は、上述した式（１）により堆積量Ｍを推定し、その推定した堆積量Ｍに応じて、設定目標回転数Ｎsを少なくとも大きな値に変更する。その結果、ポンプ回転数が上昇し、生成物堆積による排気速度低下を抑制することができる。

［２］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記推定部が、ポンプ内における生成物の堆積量を、前記堆積量に応じて変化するポンプの運転状態量に基づいて推定し、推定された堆積量に基づいて所定の定格排気速度が達成可能な推奨回転数を推定し、前記設定目標回転数変更部は、推定された推奨回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定する。
例えば、図４に示すように、堆積量Ｍに基づいて、目標回転数Ｎtを定格排気速度Ｓp0が達成可能な推奨回転数として算出し（ステップＳ４０）、設定目標回転数Ｎsを算出された目標回転数Ｎtに設定するので、真空ポンプの回転数が目標回転数Ｎtに上昇し、真空ポンプの排気速度が定格排気速度Ｓp0に維持される。

［３］上記［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記運転状態量は、ポンプ駆動累積時間、モータ電流値、モータ電力値、前記ポンプロータの振れ回り量、ポンプ背圧のいずれかを含む。
上述した実施の形態および変形例では、運転状態量がポンプ駆動累積時間またはモータ電流値の場合について説明したが、モータ電力値、ポンプロータの振れ回り量、ポンプ背圧を運転状態量として用いることもできる。

［４］上記［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記運転状態量はポンプ駆動累積時間であって、前記推定部は、ポンプ駆動累積時間と、真空ポンプが装着されたチャンバへの試料の搬入から搬出までの処理時間と、その処理時間における生成物の基準堆積量とに基づいて堆積量を推定し、定格排気速度が達成可能な回転数と堆積量との相関関係と、前記推定された堆積量とに基づいて前記推奨回転数を推定する。
例えば、上述した実施の形態に示すように、ポンプ駆動累積時間である累積運転時間Ｔ、試料の搬入から搬出までの処理時間ΔＴおよび堆積増加量ΔＭを用いて、堆積量Ｍを「Ｍ＝（Ｔ／ΔＴ）×ΔＭ」で算出し、堆積量Ｍと記憶部１０３に記憶されている相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)とから、推奨回転数としての目標回転数Ｎtを算出する。このように、運転状態量である累積運転時間Ｔから推奨回転数を求めることができる。

［５］上記［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記運転状態量はモータ電流値であって、前記推定部は、堆積量、モータ電流値およびポンプ回転数の間の第１の相関関係と、設定目標回転数と、計測されるモータ電流値とに基づいて、ポンプ内の堆積量を推定し、定格排気速度が達成可能な回転数と堆積量との第２の相関関係と、前記推定された堆積量とに基づいて、前記推奨回転数を推定する。
例えば、上述した変形例１（図５，６）では、堆積量Ｍk、モータ電流値Ｉmおよびポンプ回転数Ｎの間の第１の相関関係Ｍk＝Ｆk(Ｎ，Ｉm)に現在（ｋ＝０）の設定目標回転数Ｎ0を代入して、堆積量Ｍ1（ラインＭ1）に対応するモータ電流値Ｉm10（ラインＭ1上の点ｂ１のモータ電流値）を推定し（ステップＳ１１０）、計測されるモータ電流値Ｉmが推定したモータ電流値Ｉm10に達したか否か、すなわち、ポンプ内の堆積量が推定した堆積量Ｍ1に達したか否かをステップＳ１５０で判定する。達したと判定されると、定格排気速度Ｓp0が達成可能な目標回転数Ｎtと堆積量Ｍとの第２の相関関係Ｎt＝Ｇ(Ｍ)（図５のラインＬ１０）と、推定されたモータ電流値Ｉm10に対応する堆積量Ｍ1とに基づいて推定される推奨回転数Ｎ1を、設定目標回転数Ｎsに設定する（ステップＳ１６２）。

［６］上記［２］から［５］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記推定部は、前記推奨回転数が所定上限回転数以上の場合には、前記推奨回転数に代えて前記所定上限回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定する。
例えば、図４に示すように、推奨回転数として推定された目標回転数Ｎtが回転数の上限値Ｎu以上であった場合には、上限回転数Ｎuを設定目標回転数Ｎsに設定する（ステップＳ５０およびステップＳ６０）。このような制御を行うことで、堆積量Ｍに応じて設定目標回転数を変更する場合においても、真空ポンプ１の回転数Ｎが許容上限値Ｎuを越えることがない。

［７］上記［１］から［６］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記設定目標回転数をポンプ出荷時の初期値にリセットする初期化部を、さらに備える。
例えば、ポンプ内の堆積物を除去するメンテナンスの後に、図２の初期化部１０６を操作することで、記憶部１０３に記憶された設定目標回転数Ｎsは、初期値である定格回転数Ｎ0にリセットされる。その結果、設定目標回転数Ｎsは堆積量Ｍ＝０に対応する定格回転数Ｎ0に設定され、真空ポンプの排気速度は定格排気速度Ｓp0に維持される。

［８］上記［１］から［７］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記ポンプロータのクリープ変形量を前記設定目標回転数に応じて推定し、推定されたクリープ変形量に基づいてポンプ寿命を推定するポンプ寿命推定部をさらに備える。
例えば、変形例２（図７，８）では、ポンプロータ２ａのクリープ変形量ε(Ｎ)を設定目標回転数Ｎsに応じて推定し（ステップＳ３００）、推定されたクリープ変形量ε(Ｎs)に基づいてポンプ寿命を推定する（ステップＳ３１０）。その結果、堆積量Ｍに応じて設定目標回転数Ｎsを変更しても、クリープ寿命の判定を適切に行うことができる。

［９］一態様に係る真空ポンプ制御方法は、モータによりポンプロータを設定目標回転数で駆動する真空ポンプ制御方法であって、ポンプ内における生成物の堆積量を推定し、前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する。

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。例えば、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプを例に説明したが、ステータとロータ円筒部とで構成されるネジ溝ポンプのみを有する真空ポンプにも、本発明は適用できる。

１…真空ポンプ、１ａ…ポンプ本体、１ｂ…コントローラ、２ａ…ポンプロータ、１０…モータ、３８…回転センサ、４０…温度センサ、１００…軸受制御部、１０１…モータ制御部、１０２…推定部、１０２Ａ…堆積量推定部、１０２Ｂ…ポンプ寿命推定部、１０３…記憶部、１０５…電流センサ、１０６…初期化部

Claims

ポンプロータと、
前記ポンプロータを設定目標回転数で回転駆動するモータと、
ポンプ内における生成物の堆積量を推定する推定部と、
前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となり、かつ、前記設定目標回転数が所定の定格回転数よりも大となるよう、前記設定目標回転数を変更する設定目標回転数変更部と、を備え、
前記設定目標回転数変更部によって変更された前記設定目標回転数に基づいて、前記推定した堆積量に応じて、前記モータが、前記定格回転数よりも大きな回転数で回転する、
真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記推定部が、ポンプ内における生成物の堆積量を、前記堆積量に応じて変化するポンプの運転状態量に基づいて推定し、推定された堆積量に基づいて所定の定格排気速度が達成可能な推奨回転数を推定し、
前記設定目標回転数変更部は、推定された推奨回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定する、真空ポンプ。
請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記運転状態量は、ポンプ駆動累積時間、モータ電流値、モータ電力値、前記ポンプロータの振れ回り量、ポンプ背圧のいずれかを含む、真空ポンプ。
ポンプロータと、
前記ポンプロータを設定目標回転数で回転駆動するモータと、
ポンプ内における生成物の堆積量を推定する推定部と、
前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する設定目標回転数変更部と、を備え、
前記推定部が、ポンプ内における生成物の堆積量を、前記堆積量に応じて変化するポンプの運転状態量に基づいて推定し、推定された堆積量に基づいて所定の定格排気速度が達成可能な推奨回転数を推定し、
前記設定目標回転数変更部は、推定された推奨回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定し、
前記運転状態量はポンプ駆動累積時間であって、
前記推定部は、
ポンプ駆動累積時間と、真空ポンプが装着されたチャンバへの試料の搬入から搬出までの処理時間と、その処理時間における生成物の基準堆積量とに基づいて堆積量を推定し、
定格排気速度が達成可能な回転数と堆積量との相関関係と、前記推定された堆積量とに基づいて前記推奨回転数を推定する、真空ポンプ。
ポンプロータと、
前記ポンプロータを設定目標回転数で回転駆動するモータと、
ポンプ内における生成物の堆積量を推定する推定部と、
前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となるよう、前記設定目標回転数を変更する設定目標回転数変更部と、を備え、
前記推定部が、ポンプ内における生成物の堆積量を、前記堆積量に応じて変化するポンプの運転状態量に基づいて推定し、推定された堆積量に基づいて所定の定格排気速度が達成可能な推奨回転数を推定し、
前記設定目標回転数変更部は、推定された推奨回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定し、
前記運転状態量はモータ電流値であって、
前記推定部は、
堆積量、モータ電流値およびポンプ回転数の間の第１の相関関係と、設定目標回転数と、計測されるモータ電流値とに基づいて、ポンプ内の堆積量を推定し、
定格排気速度が達成可能な回転数と堆積量との第２の相関関係と、前記推定された堆積量とに基づいて、前記推奨回転数を推定する、真空ポンプ。
請求項２から請求項５までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記推定部は、前記推奨回転数が所定上限回転数以上の場合には、前記推奨回転数に代えて前記所定上限回転数を前記ポンプロータの設定目標回転数に設定する、真空ポンプ。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記設定目標回転数をポンプ出荷時の初期値にリセットする初期化部を、さらに備える真空ポンプ。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプロータのクリープ変形量を前記設定目標回転数に応じて推定し、推定されたクリープ変形量に基づいてポンプ寿命を推定するポンプ寿命推定部をさらに備える、真空ポンプ。
モータによりポンプロータを設定目標回転数で駆動する真空ポンプ制御方法であって、
ポンプ内における生成物の堆積量を推定し、
前記推定した堆積量に応じて、堆積量が増加するほど前記設定目標回転数が大となり、かつ、前記設定目標回転数が所定の定格回転数よりも大となるよう、前記設定目標回転数を変更し、
変更された前記設定目標回転数に基づいて、前記推定した堆積量に応じて、前記モータが、前記定格回転数よりも大きな回転数で回転する、
真空ポンプ制御方法。