JP2011039824A

JP2011039824A - 真空圧力制御システム

Info

Publication number: JP2011039824A
Application number: JP2009187213A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Mimura; 秀一三村
Original assignee: Kitz SCT Corp
Current assignee: Kitz SCT Corp
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-08-12
Also published as: JP5237220B2

Abstract

【課題】大気圧又は大気圧に近い低真空から高真空までの広い圧力レンジを簡単に圧力制御でき、高精度に圧力制御しながらスロー排気してパーティクルの飛散を確実に防止する真空圧力制御システムを提供する。
【解決手段】真空ポンプ５を介して真空容器４内の真空圧力を変化させる開閉弁２と、真空容器４内の真空圧力を計測する真空圧力センサ３を介して開閉弁２の開度を制御する真空圧力制御システムであり、到達関数ｆ(ｘ)を算出する演算機能と、開閉弁２を任意の時間幅でオープンクローズするタイマー６０と、オープン・クローズ開度値を真空圧力センサ３の出力と到達関数ｆ(ｘ)から演算する機能とを有する制御ユニット手段１０と、開度値を駆動する駆動手段１２と、圧力低下の所要時間Ｔと到達圧力Ｐを外部からコマンド入力する入力手段１３とを設けて、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで低下させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置内の圧力をスロー排気して所定圧力に圧力制御する真空圧力制御システムに関する。

例えば、半導体製造装置のＣＶＤ装置では、ウエハと材料ガスとを反応させる場合に、反応炉（真空容器）内を大気圧から高真空状態まで圧力制御する必要がある。この場合、特に、大気圧、又は大気圧に近い低真空から目標とする真空圧力値まで到達させる際の、真空引きの過程において排気を徐々におこなう、いわゆる、スロー排気によりパーティクルの飛散を抑えることが極めて重要になっている。このため、ＣＶＤ装置では、反応炉内の空気を排気する真空ポンプと、真空ポンプによる真空引きを調節する開閉弁が設けられ、真空ポンプにより真空引きするときに、開閉弁の開度を調節して反応炉内からスロー排気により高精度に圧力調節してパーティクルの飛散を防止している。

この種の圧力調節する技術としては、例えば、特許文献１の真空圧力制御システムがある。この真空圧力制御システムでは、予め、コントローラに目標真空圧力変化ポイントと目標真空圧力変化速度とを設定しておき、これらの設定に基づいて圧力センサで測定した圧力値より真空比例開閉弁の開度を変えて、圧力低下の進行過程を制御している。
一方、特許文献２においては、弾性シール部材を備えた真空比例開閉弁を有する真空圧力制御装置が開示されている。この真空圧力制御装置は、真空比例開閉弁の弾性シール部材の弾性変形量を変化させ、弾性シール部材からの漏れ量を変化させることにより真空容器内の真空圧力を制御して、圧力を大気圧に近い低真空圧力領域にコントロールしている。

特開２００１−１４６９７５号公報特開２００２―１３２３５４号公報

しかしながら、特許文献１の真空圧力制御システムは、大気圧から所定の真空圧力まで所定時間により圧力制御する場合に、真空圧力値までの所要時間に対する真空圧量変化ポイントと目標真空圧力変化速度とを予め設定値として設定する必要があり、これらの設定値を求めるための余計な手間もかかっていた。このため、操作性が悪くなっていた。
一方、特許文献２の真空圧力制御装置は、真空圧力の制御域が大気圧に近い低真空領域に限られるため、大気圧又は大気圧に近い低真空から高真空までを制御することができず、制御性が悪くなっていた。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、大気圧又は大気圧に近い低真空から高真空までの広い圧力レンジを簡単に圧力制御でき、高精度に圧力制御しながらスロー排気してパーティクルの飛散を確実に防止する真空圧力制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、真空容器に真空ポンプを介して真空容器内の真空圧力を変化させる開閉弁と、真空容器内の真空圧力を計測する真空圧力センサを介して開閉弁の開度を制御するようにした真空圧力制御システムであって、真空容器内の圧力低下を誘導する到達関数を算出する演算機能と、開閉弁を任意の時間幅でオープンクローズするタイマーと、オープン開度値とクローズ開度値とを真空圧力センサの出力と前記到達関数から演算する機能とを有する制御ユニット手段と、開度値を駆動する駆動手段と、圧力低下の所要時間と到達圧力を外部からコマンド入力する入力手段とを設けて、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで低下させるようにした真空圧力制御システムである。

請求項２に係る発明は、到達関数を算出するとき、１次、２次或は３次関数と可変可能な演算機能を有する真空圧力制御システムである。

請求項３に係る発明は、開閉弁をオープン又はクローズさせながら開閉制御して、真空容器内の圧力を制御するときに、圧力低下に従ってクローズ開度を増加させるようにした真空圧力制御システムである。

請求項１に係る発明によると、制御ユニット手段と、駆動手段と、入力手段とにより、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで低下させるようにしているので、コマンドを入力手段から入力するだけで広い圧力レンジで到達圧力まで簡単に自動圧力制御でき、高精度に圧力制御しながらスロー排気を実施してパーティクルの飛散を確実に防止できる。

請求項２に係る発明によると、圧力の制御開始時における圧力から所定の高真空圧力に到達するまでの時間に応じて１次、２次或は３次関数のうちの最適な到達関数に可変させて演算できるため、任意の圧力低下の所要時間に設定した場合でも、圧力低下のプロセスを変化させながら圧力制御を実施してパーティクルの発生を防ぎつつスロー排気できる。このため、パーティクルの飛散を抑えつつ、スロー排気時に必要な時間を短縮することができる。

請求項３に係る発明によると、圧力制御時に開閉弁のシール部位の接触頻度を抑えてこのシール部位の消耗や摩耗を防ぐことができ、これにより、寿命を延ばして長期に亘ってパーティクルの発生を抑えてシール性と正確な圧力制御とを維持できる。

本発明の真空圧力制御システムの一実施形態を示した模式図である。開閉弁の一例を示した断面図である。図２の開閉弁のシートリングが動作した状態を示す断面図である。本発明の真空圧力制御システムによる制御を示した説明図である。到達関数による制御波形の例を示したグラフである。（ａ）は、１次関数による制御波形の例を示したグラフである。（ｂ）は、２次関数による制御波形の例を示したグラフである。圧力低下の所要時間と圧力との関係を示したグラフである。開閉弁の弁体が動作した状態を示す断面図である。高速エア制御回路を示した模式図である。

以下に、本発明における真空圧力制御システムの一実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明の真空圧力制御システムを示した模式図である。真空圧力制御システム本体（以下、システム本体という）１は、開閉弁２と真空圧力センサ３とを有し、開閉弁２には真空容器４と真空ポンプ５とがつながっている。真空容器４は、例えば、半導体製造装置のＣＶＤ装置の一部を成し、この真空容器４に接続された真空ポンプ５により真空容器４内から排気が行なわれる。

開閉弁２は、真空容器４に真空ポンプ５を介して接続され、真空容器４内の真空圧力を変化させることが可能になっている。真空圧力センサ３は、真空容器４内につながれて真空容器４内の真空圧力を計測する。システム本体１は、開閉弁２と真空圧力センサ３とを介して開閉弁２の開度を制御するものであり、更に、このシステム本体１は、制御ユニット手段１０と、駆動手段（アクチュエータ）１２と、入力手段１３とを有し、これらの各手段を介して真空容器４内を大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで細かく圧力制御しながら圧力低下させるようにしている。これにより、システム本体１は、真空容器４内に収納された図示しないウエハに材料ガスを供給して被処理体であるウエハを対応処理する。

システム本体１において、開閉弁２は、真空容器４と真空ポンプ５と共に流路部１５に接続され、この開閉弁２の開度を開閉制御することで真空容器４内の圧力を制御する。開閉弁２は、例えば、バタフライバルブからなり、この開閉弁２のバルブ本体１６には、図２に示すように駆動手段１２が接続されている。駆動手段１２は、開閉弁２のシートリングである弁座１７を動作させる弁座制御機構２０と、開閉弁２の弁体２２を動作させる弁体制御機構２１とを備え、開閉弁２の後述するオープン開度値とクローズ開度値とを駆動する。開閉弁は、バタフライバルブに限ることなく、他の構造の開閉弁であってもよい。

バルブ本体１６は、ボデー２３を有し、このボデー２３内には流路２４が形成されている。バルブ本体１６内には、弁体２２と、シートリング１７と、ピストン２６と、スプリング２７とが内蔵されている。弁体２２は、略円板状に形成され、固着ボルト２８によって回転軸である弁軸２９に取付けられ、この弁軸２９により流路２４に対して垂直方向に回転可能になっている。更に、弁体２２の外周側には装着溝３０が形成され、この装着溝３０には、シールリングであるＯリング３１が装着されている。Ｏリング３１は、後述するシートリング１７の弁座シール部３２と当接する側に配設され、このＯリング３１により、弁座シール部３２と弁体２２との間がシール可能になっている。弁軸２９は、弁体２２の中心から偏心するように設けられる。この弁軸２９は、図示しないが、流路２４の中心から偏心させるようにしてもよい。弁軸２９には、弁体制御機構２１が接続され、この弁体制御機構２１により、弁軸２９は、回転誤差が抑えられつつ所望の回転角度で高精度に回転可能になっている。

シートリング１７は、図に示すように略環状に形成され、弁座シール部３２と摺動部３３とが設けられている。このうち、弁座シール部３２は、Ｏリング３１が当接してシールする部分であり、シートリング１７の内周面側に内径側から外径側に緩やかに拡径するテーパ状に形成されている。この弁座シール部３２は、テーパ状以外の形状であってもよく、例えば、円弧状であってもよい。摺動部３３は、シートリング１７全体がボデー２３内を摺動できるように形成され、この摺動部３３は、外径側に突出形成されている。摺動部３３が移動する側には、弁閉側規制面３４と弁開側規制面３５とがそれぞれ形成されている。

シートリング１７は、ボデー２３の内側に形成された装着凹部３６に摺動部３３が装着されて取付けられ、この摺動部３３と装着凹部３６との間に設けられた間隙Ｇにより流路２４の方向に往復動自在に移動し、これにより、弁座シール部３２がＯリング３１に接離可能になっている。このとき、弁閉側規制面３４が装着凹部３６に形成された環状突部３７、また、弁開側規制面３５が二次側に形成された当接面３８にそれぞれ当接することで、シートリング１７の往復時の移動量がそれぞれ規制される。

図７に示すように、ピストン２６は、略環状に形成されて装着凹部３６の二次側に設けられ、本実施形態においては２本からなる複数のシャフト３９、３９によりシートリング１７と連結されている。このため、ピストン２６は、シャフト３９を介してシートリング１７と一体に装着凹部３６を移動できるようになっている。ピストン２６の二次側のボデー２３にはエア流路４０が形成され、このエア流路４０を介して外部より装着凹部３６の二次側にエアを供給可能になっている。また、ボデー２３内のピストン２６の一次側には複数の凹状溝４１が形成され、この凹状溝４１とピストン２６との間にはスプリング４２が弾発した状態で装着されている。

ピストン２６側に設けられたエア流路４０は、エアの供給時にピストン２６が図において左方向に移動するような位置に形成され、更に、バルブ本体１６に搭載されるアクチュエータ１２の内部に設けられたエア流路部４５に接続されている。このエア流路部４５は、その途中から、第１分岐流路４６と第２分岐流路４７とに分岐されている。

このような構造により、バルブ本体１６は、通常時においては、スプリング４２の弾発力によりピストン２６が図において右方向に付勢され、このピストン２６にシャフト３９で接続されたシートリング１７も右方向、すなわち、弁体２２の方向に移動して、弁閉状態に回転した弁体２２に当接シールして流路２４を閉塞する。一方、エア流路部４５を介してエアが供給されると、ピストン２６がスプリング２７の付勢力に抗して図の左方向に移動し、シートリング１７も左側に移動して弁閉状態にある弁体２２から離間して流路２４を開放する。このように、バルブ本体１６は、通常時は閉状態にある、いわゆる、ＮＣ（ノーマリークローズ）タイプとなっている。なお、本実施形態において、スプリング２７は、ピストン２６の円周方向に等角度に８個装着されているが、必要に応じて増減させて装着してもよい。また、シャフト３９の数も必要に応じて増減させてもよい。

一方、バルブ本体１６に接続された駆動手段のうち、弁座制御機構２０は、電磁弁５０と、電空レギュレータ５１と、ポンプ５２とを有している。図２、図３に示すように、電磁弁５０と電空レギュレータ５１は、前記駆動手段１２の第１分岐流路４６と第２分岐流路４７とに対して並列状態でこの駆動手段１２の外部（又は内部）に接続されている。電磁弁５０と電空レギュレータ５１にはポンプ５２が接続され、このポンプ５２を介して操作用のエアが供給されたときに、後述するエア制御部５５によりエアを制御することで、電磁弁５０と電空レギュレータ５１とがそれぞれ操作されてシートリング１７による流路２４の開閉制御がなされる。

電磁弁５０は、弁開又は弁閉状態に操作可能になっており、各状態においてポンプ５２からのエアをエア流路４０に供給、又は、停止できるようになっている。一方、電空レギュレータ５１は、バルブ開度を調節することでポンプ５２からのエアの供給圧力を調整できるようになっている。電空レギュレータ５１は、例えば、図示しない内部のピストンにより圧力を０〜０．５ＭＰａまでの範囲内に圧力制御するようにバルブ本体１６へのエアの供給量を制御するものであればよく、または、供給圧力のＯＮ−ＯＦＦ制御により、シートリング１７の位置制御をできるものであればよい。

電磁弁５０と電空レギュレータ５１の内部構造は省略するが、電磁弁５０は、オンオフ用の開閉弁、電空レギュレータ５１は、流量調節可能な流量調節弁であれば、その構造にこだわることはなく、適宜の形態のバルブを用いることが可能である。また、これらは、第１・第２分岐流路４６、４７にそれぞれ所定量のエアを供給可能であれば、バルブ本体１６と一体、又は近接して設ける必要はなく、管路の任意の位置に設けることが可能である。

また、駆動手段１２のうちの弁体制御機構２１は、ステッピングモータ５６とモータドライバ５７とを有している。図２、図３に示すように、ステッピングモータ５６は、アクチュエータ１２内に搭載され、その出力軸５８が弁軸２９に接続されている。モータドライバ５７は、図１においてステッピングモータ５６に接続されている。弁体制御機構２０は、後述する弁体制御部５９によりモータドライバ５７を制御することでステッピングモータ５６を回転制御し、弁軸２９に接続された弁体２２を所定角度に制御できるようになっている。

システム本体１における制御ユニット手段１０は、エア制御部５５と弁体制御部５９とを有し、基板等からなる図示しないＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ等の内部部品により構成されている。この制御ユニット手段１０は、真空容器４内の圧力低下を誘導する到達関数ｆ(ｘ)を算出する演算機能（以下、到達関数演算機構という）と、開閉弁２を任意の時間幅でオープンクローズするタイマー６０と、開閉弁２が開閉動作するときのオープン開度値とクローズ開度値とを真空圧力センサ３の出力と到達関数ｆ(ｘ)から演算する機能（以下、弁開度演算機能という）とを有している。

エア制御部５５は、弁座制御機構２０に接続され、この弁座制御手段２０の電空レギュレータ５１内部の図示しない弁体の弁開度を制御し、電空レギュレータ５１にポンプ５２からエアが供給されたときのエア流路４０へのエア量（エア圧力）を制御する。これにより、エア制御部５５によって弁座制御機構２０を介して駆動手段１２の第１分岐流路４６と第２分岐流路４７へのエアの供給・停止、又はエアの供給量を調節し、シートリング１７の移動量を制御してシートリング１７による弁開度を制御してスロー排気できるようにしている。上記において、電空レギュレータ５１の位置には、この電空レギュレータ５１と同一の機能を有するバルブを設けるようにしてもよい。このバルブとしては、例えば、図示しないが、オリフィス流路を有する流量制御弁がある。

弁体制御部５９は、弁体制御機構２１に接続され、この弁体制御機構２１においてモータドライバ５７を介してステッピングモータ５６を回転制御して、弁軸２９を介して弁体２２を所定角度に回転制御できるようにしている。弁体制御部５９は、ステッピングモータ５６の回転方向や回転速度等を細かく制御して弁体２２を高精度に回転制御できるようになっている。

バルブ本体１６は、弁座制御機構２０によりエア流路４０にエアが供給され、このエアによりシートリング１７が弁体２２のＯリング３１から離間し、さらに、シートリング１７が開放した状態から弁体制御機構２１により弁体２２を無摺動で回転させるようになっている。また、弁体制御機構２１によって、弁体２２を弁閉状態に回転し、この状態で弁座制御機構２０によりエア流路４０にエアを供給し、このエア供給４０とスプリング４２の付勢力とにより弁体２２にシートリング１７を接離させて流路２４内の流量（圧力）を制御する。このとき、上記したように弁座制御機構２０がエア制御部５５、弁体制御機構２１が弁体制御部５９によって高精度に制御される。

また、システム本体１は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等からなる入力手段１３を備え、この入力手段１３により、真空容器４内を所定の圧力まで圧力低下させるときの所要時間、いわゆる、圧力低下の所要時間Ｔと、このとき所要時間Ｔにより到達する圧力、いわゆる、到達圧力Ｐを外部からコマンド入力することが可能になっている。入力手段１３は、制御ユニット手段１０に接続され、コマンド入力された命令は、制御ユニット手段１０を介して駆動手段１２に伝達される。

次に、制御ユニット手段１０における、到達関数演算機能と、弁開度演算機能の各機能を詳細に説明する。
到達関数演算機能は、真空容器４内の真空圧力を制御するときに、制御開始からの時間の経過と真空容器４内の圧力との関係を、到達関数ｆ(ｘ)として算出する機能である。到達関数ｆ(ｘ)は、１次、２次或は３次関数のうちの何れかの関数であり、各到達関数ｆ_１(ｘ)、ｆ_２(ｘ)、ｆ_３(ｘ)は、真空容器４内の圧力が制御開始時の圧力（開始圧力）から時間の経過に伴って低下する勾配となることから、それぞれ、ｆ_１(ｘ)＝ｙ_１＝−ａ_１ｘ＋ｂ_１、ｆ_２(ｘ)＝ｙ_２＝−ａ_２ｘ^２＋ｂ_２、ｆ_３(ｘ)＝ｙ_３＝−ａ_３ｘ^３＋ｂ_３の関係に表される。この式において、−ａ_１、ｂ_１、−ａ_２、ｂ_２、−ａ_３、ｂ_３は定数であり、これらの定数−ａ_１、ｂ_１、−ａ_２、ｂ_２、−ａ_３、ｂ_３をそれぞれ算出することで、１次、２次、３次における到達関数がそれぞれ求められる。

このとき、定数ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３は、制御開始時（到達時間＝０）のときの圧力（開始圧力）であり、上記の各関数にｘ＝０を代入したときのｙ_１、ｙ_２、ｙ_３の値となる。定数−ａ_１、−ａ_２、−ａ_３は、上式から算出した定数ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、目標の真空圧力にするまでの所要時間Ｔ、目標となる到達圧力（所定の高真空圧力値）Ｐの値をそれぞれ上式のｘ、ｙに代入することで求められる。その結果、１次、２次、３次の到達関数ｆ_１(ｘ)、ｆ_２(ｘ)、ｆ_３(ｘ)が決定される。

この到達関数ｆ(ｘ)を算出するときに、設定する所要時間Ｔに対応して、１次、２次或は３次関数と可変可能な演算機能を有しており、到達時間ｔに対応して１次、２次或は３次関数のうちの適切な関数が制御ユニット手段１０により自動選択される。図５においては、到達関数ｆ(ｘ)による制御波形の例を示しており、図５（ａ）では１次関数による到達関数ｆ_１(ｘ)の制御波形の例を示しており、図５（ｂ）においては、２次関数による到達関数ｆ_２(ｘ)の制御波形の例を示している。３次関数による制御波形の例は省略するが、到達関数ｆ(ｘ)は、乗数が増加するにつれてｘの値に対するｙの値がより増加するグラフとなることから、所要時間Ｔを短く設定した場合に、乗数の大きい到達関数が選択され、短い時間でのパーティクルの飛散を防止したスロー排気が可能になっている。

この場合、変数である次数をコマンドにより指定することも可能であり、例えば、０〜３までの数字を、０：所要時間Ｔにより次数を自動選択、１：１次到達関数を指定、２：２次到達関数を指定、３：３次到達関数を指定するコマンドとし、何れかの数字を入力手段１３から入力することで次数を自動選択、或は、任意の次数に指定することもできる。

弁開度演算機能は、真空容器４内の圧力が大気圧又は任意の圧力から目標とする到達圧力Ｐまで低下するときに、所定の経過時間における真空圧力センサ３による測定値と到達関数演算機能から算出された到達関数ｆ(ｘ)との間の誤差から、開閉弁２の弁開時の開度（オープン開度値）、弁閉時の開度（クローズ開度値）を演算する。
具体的には、図４において、真空容器内の圧力ＰをＰ_０からＰｎまで低下させるときの任意の時間をｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、…ｔｎとしたときに、各時間ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、…ｔｎにおいて真空圧力センサ３により測定される圧力値Ｐ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、…Ｐｎを、到達関数ｆ(ｘ)に基づいて得られる理論上の圧力値ｐと比較し、その結果により、各時間における開閉弁２のオープン開度値、クローズ開度値を演算するものである。

上記の弁開度演算機能により演算されたオープン開度とクローズ開度は、タイマー６０により開閉弁２を任意の時間幅で開閉指示することで伝達され、これにより、システム本体１は、開閉弁２の開度を制御して真空容器４内のパーティクルの巻き上げを防ぎつつ、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力（到達圧力）Ｐまで低下させるようにスロー排気する。このとき、弁開度演算機能により演算されたオープン開度値、クローズ開度値によって開閉弁２が開閉指示されて、所定の経過時間に対する真空容器４内の圧力値の誤差の発生が防がれる。
その際、開閉弁２をオープン又はクローズさせながら開閉制御して、真空容器４内の圧力を制御するときに、圧力低下に従ってクローズ開度を増加させるようにしている。
上記において、真空容器４内を所定圧力に到達させるまでの時間ｔｎと、到達する所定圧力ｐとは、入力手段１３を介してコマンド入力される。

次に、上記の真空圧力制御システムにおいて、具体例として一次関数（ｆ(ｘ)＝−ａｘ＋ｂ）が到達関数として選択された場合を説明する。開閉弁２は、弁開状態から排気する際には、スロー排気制御とプロセスガス圧力制御により排気する。スロー排気制御は、初期の開始圧力Ｐ_０から高真空圧力Ｐ_ｎまで圧力制御するものであり、プロセスガス圧力制御は、この後に弁体２２の開閉により圧力制御するものである。

スロー排気制御は、前述したように、弁座制御機構２０をエア制御部４５で制御して大気圧又は任意の圧力で締め切られた真空容器４内を徐々に除圧して目標とする到達圧力Ｐまでスロー排気するものである。スロー排気の前には、予め、外部の入力手段１３より制御ユニット手段１０に真空容器４内を所定圧力に到達させるときの到達時間Ｔと到達時の所定圧力（到達圧力）Ｐとをコマンド入力する。到達時間Ｔは、大気圧又は任意の圧力から到達圧力Ｐまで減圧するときに、真空容器４内にパーティクルの発生が起こるにくくなる時間に設定するものとし、真空容器４の大きさや処理するウエハの数、材料ガスの種類等に応じて適宜の値に設定する。
このように、到達時間Ｔ、到達圧力Ｐと、真空容器４内の開始圧力が決定すると、到達関数演算機能によって、到達時間をｘ、到達圧力をｙ、開始圧力をｂとしたものが１次関数ｙ＝−ａｘ＋ｂに代入されて定数ａが求められ、更に、この結果が前記１次関数に代入されて到達関数ｆ(ｘ)が決定される。

続いて、この到達関数ｆ(ｘ)をもとに、弁開度演算機能によりオープン開度値とクローズ開度値とが演算され、図３に示すように、電磁弁５０の閉状態が維持されながら、エア制御部５５により電空レギュレータ５１の弁開度が制御されてシートリング１７の開度が制御される。電空レギュレータ５１の制御によりエア流路４０へのエア供給圧力が調節されて、弁体２２に対するシートリング１７のオープン開度とクローズ開度の移動量が細かく制御され、シートリング１７と弁体２２との隙間量が制御される。更に、真空容器４内の圧力低下に従ってクローズ開度を徐々に増加させることで、シートリング１７に接するＯリング３１の接触頻度を低下させ、Ｏリング３１の寿命を延ばすことが可能になっている。

引き続き、スロー排気時には、到達関数演算機能により求められたパーティクルの発生が防がれる到達関数ｆ(ｘ)に対して弁開度演算機能によりオープン開度とクローズ開度とが演算され、この演算結果に応じてタイマー６０により開閉弁２が任意の時間幅でオープンクローズされることで流量が制御され、その経過時間における到達圧力Ｐに実際の圧力が近づけられる。

例えば、図４の弁開度演算機能において、各時間における制御をステップ０、ステップ１、ステップ２、…ステップＮとしたときに、制御ユニット手段１０は、各ステップにおいて、到達関数ｆ(ｘ)に近づけるようにオープン開度、クローズ開度を変化させながら、その開度を徐々に大きくする方向にシフトして真空容器４内の圧力を制御する。更に、各ステップにおける制御を詳述すると、動作開始時におけるステップ０での真空圧力センサ３で測定した初期圧力をＰ_０、オープン開度を開始開度ＥｖＳｔ、クローズ開度を最小開度ＥｖＣｌｓとすると、開閉弁２は、前記のようにクローズ開度を徐々に増加させながら開閉動作の繰り返しを開始する。

ステップ１では、真空圧力センサ３により圧力Ｐ_１を測定し、制御ユニット手段１０により到達時間ｔ_０からｔ_１に達したときの図示しない圧力の傾きＡ_１（＝−圧力Ｐ_１／圧力Ｐ_０）を算出し、この圧力の傾きＡ_１を到達関数演算機能により算出された到達関数ｆ(ｘ)の傾きａと比較し、かつ、圧力Ｐ_１の値と到達関数ｆ(ｘ)で算出された図示しない計算圧力ｐ_１との乖離と、開始開度、クローズ最小開度の開度補正値、オープン開度値、クローズ開度値を演算し、これらの演算結果をもとに、エア制御部５５により、圧力の傾きＡ_１と到達関数の傾きａ、測定圧力Ｐ_１と計算圧力ｐ_１を次回のステップ（ステップ２）で近づけるように開閉弁２がスロー排気制御される。

続いて、ステップ２においても、ステップ１の場合と同様に、真空圧力センサ３により圧力Ｐ_２を測定し、経過時間ｔ_１から経過時間ｔ_２に達したときの到達関数ｆ(ｘ)の圧力の傾きＡ_２（＝−圧力Ｐ_２／圧力Ｐ_１）を算出し、この圧力の傾きＡ_２を到達関数ｆ(ｘ)の傾きａと比較し、かつ、圧力Ｐ_２の値と到達関数ｆ(ｘ)で算出された計算圧力ｐ_２との乖離と、開始開度、クローズ最小開度の開度補正値、オープン開度値、クローズ開度値を演算し、これらの演算結果をもとに、圧力の傾きＡ_２と到達関数の傾きａ、測定圧力Ｐ_２と計算圧力ｐ_２を次回のステップ（ステップ３）で近づけるように開閉弁２がスロー排気制御される。

以下、ステップＮまでの制御が同様に行なわれ、ステップＮにおいて真空容器４内の圧力が到達圧力Ｐに達すると、シートリング１７がフルオープンの状態になり、制御ユニット手段１０のエア制御部５５によるシートリング１７のスロー排気制御が終了となる。このエア制御部５５によるスロー排気が終了する際には、電空レギュレータ５１が閉状態になると同時に電磁弁５０が開状態に制御されてエア流路４０にエアが供給され、シートリング１７が完全に開状態となる。

続いて、エア制御部５５による弁座制御機構２０の制御から弁体制御部５９による弁体制御機構２１の制御に切り換わる。図７に示すように、開閉弁２の弁体２２は、弁体制御部５９により弁体制御機構２１のステッピングモータ５６が回転制御されることにより開閉制御され、これにより、目標とする任意の圧力まで真空容器４内のプロセスガス圧力制御が行なわれる。

なお、上記においては、到達関数ｆ(ｘ)を１次関数として真空圧力制御システムを制御する場合を説明したが、到達関数ｆ(ｘ)は、２次関数や３次関数であっても同様に制御できる。この到達関数ｆ(ｘ)は、設定する圧力低下の所要時間Ｔの長さに応じて到達関数演算機能により適宜可変されて最適な乗数の関数が選択される。何れの関数の場合であっても、制御時におけるステップを細かく設定しておくことで、開始時の圧力から到達圧力Ｐに達するまで各ステップごとに細かくオープンクローズ動作を繰り返して圧力制御でき、これにより、到達関数ｆ(ｘ)に対する測定圧力の誤差を少なくして高精度に制御することが可能となる。

ここで、例えば、図６において、実線は、上記した真空圧力制御により圧力制御したときの関数の曲線を示している。この場合、弁開度値演算機能によるステップ数を増やして曲線を到達関数ｆ(ｘ)の曲線に近づけることができるため、より正確に圧力制御することができる。一方、図における破線は、特許文献１により圧力制御したときのグラフを示している。この場合、図に示すように、事前に設定する目標真空圧力変化ポイントと目標真空圧力変化速度とを設定する必要があり、しかも、このように設定数（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）が少ない場合には、理想となる到達関数から離れた形状のグラフになる。このため、設定ポイントを増やす必要があり、その結果、各設定値を予め求める手間が増大することになる。上述した本発明の真空圧力制御システムでは、所要時間Ｔと到達圧力Ｐのみをコマンド入力するだけでよいので、手間がかかることがない。

上述したように、本発明の真空圧力制御システムは、到達関数演算機能と、タイマー６０と、弁開度演算機能とを有する制御ユニット手段１０と、駆動手段１２と、入力手段１３とを設けて、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで低下させるようにしているので、設定値などを計算により予め求めておく必要がなく、所望の所要時間Ｔと到達圧力Ｐとを入力しておくだけで大気圧又は大気圧に近い低真空から高真空までパーティクルの飛散を抑えつつ簡単かつ正確に圧力制御できる。

しかも、弁座制御機構２０をエア制御部５５によりスロー排気制御しているので、より高精度に圧力制御でき、更には、スロー排気後に弁体制御機構２０を弁体制御部５９によりプロセスガス圧力制御しているので、微小流量から大流量までを正確に流量制御することができる。この場合、特に、微小流量時において高精度に圧力制御することができ、スロー排気時におけるパーティクルの飛散を確実に抑えることができる。

なお、モータ制御状態から再度バルブ本体１６を全閉状態にする場合には、弁体２２を全閉位置まで回転させ、電磁弁５０をＯＦＦにしてのエア流路４０からエアを排気すると、スプリング４２がシートリング１７をＯリング３１に押し付けてシールさせ、流路２４が閉状態となる。

更には、図８に示した高速エア制御流路７０を利用することで、バルブ本体１６を弁閉状態に高速遮断することもできる。図において、エア遮断流路７０には、電空レギュレータ７１、３方電磁弁７２、圧力スイッチ７３、２方エアバルブ７４が設けられ、このエア制御流路７０は、図２におけるボデー２３のシリンダである装着凹部３６から続くエア流路４０に接続されている。

エア制御流路７０は、エア供給側流路７５とエア排気側流路７６とにより並列に設けられ、このエア供給側流路７５とエア排気側流路７６との間には、第１バイパス流路７７、第２バイパス流路７８が設けられている。そして、エア供給側流路７５には、シリンダ３６側から順に、電空レギュレータ７１、３方電磁弁７２、圧力スイッチ７３が直列に配設され、一方、エア排気側流路７６には、２方エアバルブ７４が設けられている。

電空レギュレータ７１は、エア供給側流路７５と第１バイパス流路７７とを接続する位置に設けられ、エア供給側流路７５からシリンダ３６内に供給するエアの流量を調節可能で、かつ、シリンダ３６からの排気エアを、第１バイパス流路７７を介してエア排気側流路７６に流すことが可能になっている。３方電磁弁７２は、エア供給側流路７５と第１パイパス流路７７とを接続する位置に設けられ、供給エアをシリンダ３６側に供給するか、又は、シリンダ３６からの排気エアを、第２バイパス流路７８を介してエア排気側流路７６に流すように切り換え可能になっている。圧力スイッチ７３は、エア供給側流路７５内の圧力を感知するために設けられている。

２方エアバルブ７４は、エア排気側流路７６に設けられ、この２方エアバルブ７４には、エア供給側流路７５から第３バイパス流路７９が接続されている。この２方エアバルブ７４は、ノーマリーオープンタイプのバルブであり、通常時にはシリンダ３６からのエアを排気できるようになっており、一方、エア供給側流路７５からエアが供給されたときには第３バイパス流路７９を介してエアが供給されて弁閉状態となる構造になっている。

エア制御流路７０において、３方電磁弁７２を開状態にしてエアを供給すると、第３バイパス流路７９を介して２方エアバルブ７４内にエアが流れ、２方エアバルブ７４は、閉状態になってシリンダ３６からの排気が防がれた状態になる。この状態で電空レギュレータ７１に、例えば、０〜５Ｖの入力信号を入力すると、この入力信号に比例して供給側からの操作圧力が０〜０．５ＭＰａの大きさで出力される。この操作圧力により、シリンダ３６内の図示しないシートリングが電空レギュレータ７１の出力圧力に比例して、例えば、０〜２．５ｍｍのストロークにより往復動してバルブ本体１６を開閉する。

バルブ本体１６を閉止状態に遮断するときには、３方電磁弁７２を切り換えることでシリンダ３６からの排気エアが第２バイパス流路７８に流れて排気され、かつ、エア供給側流路７５へのエア供給も停止する。このとき、電空レギュレータ７１への入力信号を０Ｖにして排気した際に、通常の回路ではシリンダ３６が弁閉動作するまでに１．５秒程度掛かることになるが、このエア遮断回路７０では、エア供給側流路７５に並列に配管されたエア排気側流路７６の２方エアバルブ７４が開状態となることで、排気エアが２方エアバルブ７４と電空レギュレータ７１・３方電磁弁７２とを介してエア排気側流路７６から排気されるため、１秒以下の高速で遮断することができ、遮断時間を大幅に短縮することが可能になる。

１システム本体
２開閉弁
３真空圧力センサ
４真空容器
５真空ポンプ
１０制御ユニット手段
１２駆動手段
６０タイマー
６１入力手段
ｆ(ｘ) 到達関数
Ｐ到達圧力
Ｔ所要時間

Claims

真空容器に真空ポンプを介して真空容器内の真空圧力を変化させる開閉弁と、前記真空容器内の真空圧力を計測する真空圧力センサを介して前記開閉弁の開度を制御するようにした真空圧力制御システムであって、前記真空容器内の圧力低下を誘導する到達関数を算出する演算機能と、前記開閉弁を任意の時間幅でオープンクローズするタイマーと、前記オープン開度値とクローズ開度値とを前記真空圧力センサの出力と前記到達関数から演算する機能とを有する制御ユニット手段と、前記開度値を駆動する駆動手段と、圧力低下の所要時間と到達圧力を外部からコマンド入力する入力手段とを設けて、大気圧又は任意の圧力から目標とする任意の圧力まで低下させるようにしたことを特徴とする真空圧力制御システム。
前記到達関数を算出するとき、１次、２次或は３次関数と可変可能な演算機能を有する請求項１に記載の真空圧力制御システム。
前記開閉弁をオープン又はクローズさせながら開閉制御して、前記真空容器内の圧力を制御するときに、圧力低下に従ってクローズ開度を増加させるようにした請求項１又は２に記載の真空圧力制御システム。