JP2018204448A - 真空ポンプ用モータの回転速度制御装置、真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
Description
さらに好ましい実施形態において、フィードバック制御部は、前記モータの目標回転数と実回転数の偏差に基づき前記モータの駆動電流制御値を出力する出力部を有し、前記フィードフォーワード制御部は、前記変化信号取得部で取得した前記ガス流量の変化を表す変化信号に基づく前記モータの駆動電流増減量を生成する電流信号生成器と、前記電流信号生成器で生成された前記モータの駆動電流増減量を前記出力部から出力される前記モータの前記駆動電流制御値に加算する加算器とを有する。
さらに好ましい実施形態における前記変化信号取得部は、前記真空チャンバ内に導入されるガス流量の時間変化を表す信号を前記変化信号として取得する。
さらに好ましい実施形態における前記変化信号取得部は、真空チャンバ内の圧力差を表す信号を前記変化信号として取得する、および、前記真空チャンバと前記真空ポンプ本体との間に設けられた真空バルブの開度を表す信号を前記変化信号として取得する、のいずれかである。
さらに好ましい実施形態における前記フィードフォーワード制御部は、前記変化信号取得部が取得する前記変化信号が閾値以上のときに前記フィードフォーワード制御を実行する。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、排気機能部を備える真空ポンプ本体と、上記回転速度制御装置とを備える。
−第1の実施の形態−
第1の実施の形態は、ガス導入流量の計測データを上位コントローラ経由でポンプコントローラに送信してモータ回転速度をフィードフォーワード制御するものである。
図1は本発明に係る真空システムの第1の実施の形態を説明するブロック図である。図1において、真空チャンバ10、真空バルブ20および真空ポンプ30は、真空システムを構成する要素である。本実施の形態では、真空ポンプ30にはターボ分子ポンプが用いられ、背圧側にバックポンプ(不図示)が接続される。真空ポンプ30はターボ分子ポンプに限定されない。
真空チャンバ10内でのプロセスは上位コントローラ100で管理される。真空チャンバ10には、流量コントローラ11を介してプロセスガス等のガスが導入される。ガス導入流量は、流量コントローラ11で調節される。流量コントローラ11で調節したガス導入流量Qin[Pa・m3/s]のデータは上位コントローラ100に出力される。真空チャンバ10の圧力は、真空計12によって計測される。真空計12で計測された圧力計測値Pr[Pa]のデータは上位コントローラ100に出力される。
真空ポンプ30のモータ31はポンプコントローラ200で制御され、起動および停止時の加速および減速時を除く定常状態では定格回転速度に維持される。ポンプコントローラ200には、上位コントローラ100から送られるガス導入流量Qinと、回転速度検出器32で検出したモータ回転速度ωdetとが入力される。
真空バルブ20の開度はバルブコントローラ300で制御される。真空バルブ20に設けられたバルブプレート(弁体)21は、モータ22によって開閉駆動される。モータ22にはバルブプレート21の開度を検出するためのエンコーダ23が設けられている。上位コントローラ100は、入力された圧力計測値Prとチャンバ内の目標圧力値Psをバルブコントローラ300に送信する。エンコーダ23で検出した開度計測値θrは、バルブコントローラ300に出力される。バルブコントローラ300は、圧力計測値Prと目標圧力値Psとの圧力偏差ΔPcに基づいて、チャンバ内圧力が目標圧力値Psとなるようにバルブプレート21の開度を制御する。
図1のポンプコントローラ200の詳細を図2に示す。ポンプコントローラ200は、回転速度制御器201と、3相電圧生成器202と、PWM信号生成器203と、インバータ204と、定格回転数ωaimの設定器205とを備えている。
回転速度制御器201は、目標値である定格回転速度ωaimと検出された回転速度ωdetとの偏差Δωa−dを演算する偏差器201aと、偏差Δωa−dが入力されPI演算を行ってモータ制御値Imotを出力するPI制御器201bと、ガス導入流量(流量情報)Qinが入力されて流量変化信号ΔQinを生成する流量変化信号生成器201dと、生成された流量変化信号ΔQinに相当する電流相当信号ΔIqinを生成する電流相当信号生成器201eと、PI制御器201bから出力されるモータ制御値Imotと電流相当信号ΔIqinとを加算してモータ制御指令値Iinsを演算する加算器201cとを備えている。
真空バルブ20を制御するバルブコントローラ300は、図3に示すように、開度制御部301、モータドライバ部302、記憶部303,入力操作部304、および表示部305を備えている。開度制御部301は、入力された目標圧力値Psと実チャンバ内圧力(圧力計測値)Prの偏差ΔPcを演算する。偏差ΔPcから目標開度θsを演算し、目標開度θsおよび実測した開度計測値θrに基づいて開度指令値θinsを設定する。モータドライバ部302は、開度指令値θinsに基づきモータ制御値を生成してモータ22を駆動制御する。記憶部303には、バルブ制御に関するソフトウェアやデータが記憶される。入力操作部304を操作することにより、バルブコントローラ300に対して各種指令を入力することができる。表示部305には、真空バルブ20の運転状態等が表示される。
モータ31は、ポンプコントローラ200の制御により、目標回転速度(定格回転速度)で回転される。従来は、実回転速度と定格回転速度の偏差を演算し、偏差がゼロとなるようにモータ回転速度をフィードバック制御している。
本発明による第1の実施の形態の制御装置では、従来の回転速度フィードバック制御に加えて、上位コントローラ100で検出したガス導入流量の変化をモータ回転速度のフィードフォーワード制御値として利用する。
T∝I∝Q (1)
また、トルク増分ΔTは回転速度ωの微分量に比例することも考慮すると、
ΔT∝ΔI∝ΔQin∝(Δω/Δt) (2)
(2)式のΔtはサンプリング間隔である。(2)式に基づき、ガス導入流量変化量ΔQinと回転速度ωの変化量Δωは下記の(3)式のように示される。
Δω∝ΔQin*Δt (3)
すなわち、回転速度変化量Δωは流量変化量ΔQinにサンプリング間隔Δtを乗じた値に比例する。
したがって、サンプリング周期Δtごとに差分演算したΔQinと、予め設定したΔIと、ΔQinの比例定数αから、
ΔI=α*ΔQin (4)
となる。したがって、モータ駆動電流をΔI増量することにより回転速度変化量Δωを緩和することができる。
図4はターボ分子ポンプの排気特性を示す図である。図4(a)は排気速度Sの特性を示したものであり、縦軸は排気速度S、横軸はポンプ吸込み圧力(吸気口圧力)Pinを表す。また、図4(b)は排気流量Qの特性を示す図であり、縦軸は排気流量Q、横軸はポンプ吸込み圧力(吸気口圧力)Pinを表す。上述したように、ターボ分子ポンプに流入するガス流量が急激に変化すると、ガス流量変化直後はモータ回転速度が一時的に変化して定格回転速度から乖離し、吸気口圧力Pinが不安定となる。しかしながら、十分な時間が経過すると、フィードバック制御によってモータ回転速度は定格回転速度に戻り、吸気口圧力Pinが安定する。図4(a)(b)に示す排気特性は、そのように吸気口圧力Pinが安定となった定常状態における特性を示している。
以下、図5を参照して、従来のフィードバック制御のみによるモータ回転速度制御と、フィードバック制御とフィードフォーワード制御を併用する第1の実施の形態のモータ回転速度制御を比較して説明する。
図5(c)は、流量変化信号ΔQinに相当する流量変化電流値ΔIqinを示す。流量変化電流値ΔIqinの大きさはガス導入流量変化分に応じた値に設定されるが、図5(a)に示す例ではサンプリング間隔ごとの流量変化信号ΔQinは一定なので、図5(c)においては各サンプリング間隔における流量変化電流値ΔIqinは同じ値になっている。
図5(d)は、速度制御器201の出力であるモータ制御指令値Iinsの制御時刻ごと(サンプリング間隔ごと)の出力を示す。サンプリング間隔でΔIqinずつモータ制御指令値Iinsが増加している。このようにモータ制御指令値Iinsが大きくなるとモータ駆動トルクが大きくなり、ガス導入流量の急激な増加に伴うポンプ負荷急増に対応することができ、モータ回転速度が従来のように大きく減少することがない。その結果、真空チャンバ内の圧力が不安定となる過渡状態の期間が従来よりも短くなり、従来よりも短い時間でプロセスを開始することができる。
(1)モータ速度制御装置であるポンプコントローラ200は、真空チャンバ内を排気する真空ポンプ30のモータ31の回転速度を制御する。このポンプコントローラ200は速度制御器201を備えている。回転速度制御器201は、モータ31の定格回転速度(目標回転速度)ωaimと実回転速度ωdetの偏差Δωa−dをフィードバックしてモータ31を定格回転速度ωaimで回転させるフィードバック制御部(201a,201b)と、真空チャンバ10に導入されるガスの流量変化量を表す変化信号ΔQinを取得する変化信号取得部201dと、変化信号ΔQinに基づいてモータ31の回転速度をフィードフォーワード制御するフィードフォーワード制御部(201c)とを有する。
より具体的には、フィードバック制御部は、モータ31の定格回転数(目標回転数)と実回転数の偏差に基づきモータ31の駆動電流制御値Imotを出力する出力部としての偏差器201aとPI制御器201bを有し、フィードフォーワード制御部は、変化信号取得部としての流量変化信号生成器201dで取得したガス流量の変化を表す変化信号に基づくモータ31の駆動電流増減量ΔIqinを生成する電流信号生成器としての電流相当信号生成器201eと、電流相当信号生成器201eで生成されたモータ31の駆動電流増減量ΔIqinを、PI制御器201bから出力されるモータ31の駆動電流制御値Imotに加算する加算器201cとを有する。
このように、従来のフィードバック制御に加えてガス導入流量の変化量に基づくフィードフォーワード制御を使用することにより、例えば、複数のプロセスが順に行われる場合でも、プロセスを切り替える期間における圧力不安定な過渡状態期間を短縮することができる。
ポンプコントローラ200で流量変化量ΔQinを演算するようにしたので、上位コントローラ100は既存のものを使用することができる。すなわち、真空ポンプ側でフィードフォーワード制御系を実装することができる。
第2の実施の形態は、ガス導入流量の計測データをポンプコントローラに直接送信するものである。
第1の実施の形態で説明した真空ポンプ用モータの回転速度制御装置では、流量コントローラ11で調節されたガス導入流量Qinを、上位コントローラ100を経由してポンプコントローラ200に送信するようにした。しかし、第2の実施の形態では、図6に示すように、流量コントローラ11からポンプコントローラ200へガス導入流量Qinを直接送信する。ポンプコントローラ200は第1の実施の形態と同様に、流量変化量ΔQinによるモータ回転速度のフィードフォーワード制御を行う。作用効果は第1の実施の形態と同様である。
第3の実施の形態は、閾値以上の流量変化量ΔQinを利用して回転速度フィードフォーワード制御を行うものである。
第1および第2の実施の形態では流量変化量ΔQinの大きさにかかわらず、流量変化量ΔQinを用いてモータ回転速度のフィードフォーワード制御を常時行うようにした。第3の実施の形態では、所定の閾値以上の流量変化量ΔQinが発生したときにのみ、フィードフォーワード制御が実行されるようにした。閾値の設定方法としては、例えば、フィードバック制御のみの場合の過渡状態期間が所定許容値となる流量変化量ΔQinを閾値に設定する。
(1)流量変化信号生成器201dで生成された流量変化信号ΔQinのうち閾値以上の信号のみを後段の電流相当信号生成器201eに送出するようにする。図7(a)は第3の実施の形態における回転速度制御器201Aの概略構成を示すブロック図であり、比較器201fAにより閾値以上のΔQinが出力される。
(2)あるいは、電流相当信号生成器201eから出力される電流相当信号ΔIqinのうち閾値以上の信号のみを後段の加算器201cに送出するようにする。図7(b)は第3の実施の形態における回転速度制御器201Bの概略構成を示すブロック図であり、比較器201fにより閾値以上のΔIqinが出力される。
第3の実施の形態のポンプコントローラ200は、流量変化量ΔQinが閾値以上の場合のみ回転速度のフィードフォーワード制御を行う。したがって、モータ負荷の影響が大きくないガス導入量の変動に対するフィードフォーワード制御を行わないので、不必要なフィードフォーワード制御処理が実行されず、制御系の処理負荷を小さくすることができる。
また、式(4)に示した比例定数αの誤差が避けられない場合や、後述する推定ガス流量Qinesを用いる場合に適用することで、より適切な取り扱いとなる。
第4の実施の形態は、ガス導入流量と等価な物理量を使用する実施の形態であり、チャンバ目標圧力と実圧力の偏差に基づきガス導入流量を推定する。
第1および第2の実施の形態で説明した真空ポンプ用モータの回転速度制御装置では、流量コントローラ11で調節されたガス導入流量Qinに基づきフィードフォーワード制御を行うようにした。しかし、流量コントローラ11から出力されるガス導入流量Qinと等価な物理量を使用してポンプコントローラ200でモータ回転速度をフィードフォーワード制御してもよい。
上位コントローラ100は、真空チャンバ10内の目標圧力と検出した実チャンバ内圧力との偏差(圧力差)を算出する。分かり易い想定ケースとしては、目標圧力値はそのままの状態で突発的にガスを導入した場合に実チャンバ内圧が上昇する例がある。このような圧力差の発生は、ガス導入に限らず、チャンバ内部自体のみでも発生する。実際、CVDプロセスなどのプロセスでは、チェンバ内でプラズマを点灯させて成膜が行われるが、その点灯の際にガス分子が解離してガス分子数が突発的に増大して圧力上昇するようなケースがある。また、プラズマが点灯すると、成膜処理したいウエハなどに予め塗布されているレジスト材からプラズマからのイオン衝撃によりガス放出が増大するようなケースもある。この圧力差はポンプコントローラ200に送信される。
図8は第4の実施の形態の回転速度制御器201Cの一例を示す。上位コントローラ100から出力される圧力差は比較器201fCに入力される。比較器201fCは、閾値以上の圧力差を選択して出力する。ここで、閾値以上の圧力差はガス導入流量Qinの変化に基づくものと仮定する。閾値は、真空ポンプ30が非定常状態で運転された状態のときに生じ得るチャンバ内圧差に基づいて設定される。比較器201fCから出力された閾値以上の圧力差は、流量変化信号生成器201dCに入力される。流量変化信号生成器201dCは、閾値以上の圧力差からガス導入流量変化量ΔQinを推定演算して後段の電流相当信号生成器201eに出力する。
たとえば、流量変化信号生成器201dCは、閾値以上のチャンバ内圧力差とガス導入流量変化量ΔQinとを対応づけたルックアップテーブルを実装している。チャンバ内圧差ΔPcを引数としてルックアップテーブルを参照してガス導入流量変化量ΔQinを推定演算する。
第5の実施の形態は、ガス導入流量と等価な物理量を使用する実施の形態であり、バルブ開度の変化量が閾値以上のときにその値に基づきフィードバック制御を実行する。
真空バルブ20は、上述したように、チャンバ内圧力差ΔPcに基づきバルブ開度を調節する自動調圧機能を備えている。自動調圧機能を備えている真空バルブ20の場合には、ポンプコントローラ200は、バルブ開度の変化量に基づいてフィードフォーワード制御を実行することができる。
目標開度θsはサンプリング間隔ごとに算出され、サンプリング間隔毎に開度θが制御される。バルブコントローラ300Aは、サンプリング間隔ごとに算出される目標開度θsをポンプコントローラ200に送信する。
開度比較器201fDは、バルブ開度変化量Δθsが閾値以上のときにそのΔθsを出力する、出力されたΔθsは、電流相当信号生成器201eDで電流値ΔIsに変換される。電流値ΔIsは、加算器201cに入力され、PI制御器201bの出力Imotと加算される。すなわち、回転速度制御器201Dは、開度変化量Δθsに基づくフィードフォーワード制御を行う。
Δθsの閾値の設定方法としては、例えば、フィードバック制御のみの場合の過渡状態期間が所定許容値となるΔθsを閾値に設定する。
第6の実施の形態は、真空バルブを省略して真空チャンバと真空ポンプを直接接続するようにした実施の形態である。
第1〜第5の実施の形態の真空システムは、真空チャンバ10と、真空バルブ20と、真空ポンプ30を含んで構成されていると説明した。しかし、真空バルブ20を省略して単なる管路により真空チャンバ10と真空ポンプ30とを接続する真空システムでもよい。
真空チャンバ10のフランジ10Fには真空ポンプ30のフランジ30Fが接続され両者は互いに連結されている。フランジ10F,30Fで接続された箇所の内部は排気される気体分子が流れる管路である。
第6の実施の形態においては、第1〜第3の実施形態の場合と同様に、従来のフィードバック制御に加えて、上位コントローラ100または流量コントローラ11から入力されるガス導入流量Qinに基づくフィードフォーワード制御が実行される。フィードフォーワード制御の内容は第1〜第3の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第7の実施の形態は、第1の実施の形態と同様の真空システムに適用するものである。図12は第7の実施の形態の真空システムの一例を示すブロック図であり、第1の実施の形態との相違点は、流量コントローラ11で検出されるガス導入流量Qinに代えて、真空バルブ20のバルブコントローラ300Bで算出されるガス導入流量Qinの推定値Qinesを用いてフィードフォーワード制御を行うことにある。真空バルブ20は、動的に変化するチャンバ内圧力に最適なバルブ開度制御を行う。その際、真空バルブ20はガス導入流量Qinの推定値Qinesを演算してバルブ開度を制御する。
推定ガス流量Qines[Pa・m3/s]は式(5)で示される。
Qines=V×(dP/dt)+S(Q,θ)×Pr (5)
V[m3]は真空チャンバ10の容積、Pr[Pa]は真空チャンバ10内の圧力検出値、S(Q,θ)は真空バルブ20と真空ポンプ30とから成る排気系の排気速度(以下では、実効排気速度と呼ぶ)
右辺の第2項は排気系のガス流量である。真空チャンバ10の圧力値が変化しない静的な状態では、第1項はゼロとなりQinesと右辺第2項とが等しくなる。
1/S=1/Sp+1/C ・・・(6)
式(6)において、Spは真空ポンプ30の排気速度である。Cは真空バルブ20のコンダクタンスである。真空バルブ20のコンダクタンスCはバルブ開度θに依存しており、コンダクタンスCと開度θとの関係を予めC(θ)のように求めておく。C(θ)を用い、開度θが決定されるとコンダクタンスCが決定される。
また、真空ポンプ30の排気速度Spは、圧力領域によっては真空ポンプ30を流れるガス流量に依存することがある。そのため、式(6)で算出される実効排気速度Sは、真空バルブ20の開度θと真空ポンプ30を流れるガス流量Qに依存することになる。実効排気速度S(Q,θ)は開度θガス流量Qをパラメータとするマップとして記憶部303Bに記憶されている。または、排気速度Sp(Q)およびコンダクタンスC(θ)のテーブルを記憶しておき、式(6)により実効排気速度S(Q,θ)を算出するようにしても良い。
S=Qin/Ps (7)
真空バルブ20の記憶部303Bには、真空バルブ20のコンダクタンスCと開度θとの関係をC(θ)として表すルックアップテーブルと、真空ポンプ30の排気速度S(Q)のルックアップテーブルとが記憶されている。または、上述した実効排気速度S(Q,θ)がルックアップテーブルとして記憶部303Bに記憶されていても良い。
上述したように、バルブコントローラ300Bは、式(5)により推定ガス流量Qinesが算出されるたびに、その推定ガス流量Qinesをポンプコントローラ200に出力する。ポンプコントローラ200は、推定ガス流量Qinesを流量情報Qinとして用いてモータ回転速度のフィードフォーワード制御を行う。
第7の実施の形態の制御装置では、真空チャンバの実圧力と目標圧力に基づきバルブコントローラ300Bで行うバルブ開度制御において推定ガス流量Qinesを演算する。バルブコントローラ300Bは、この推定ガス流量Qinesを使用してバルブ開度を制御する。さらに、ポンプコントローラ200は、推定ガス流量Qinesを用いてモータ回転速度のフィードフォーワード制御を行う。したがって、上位コントローラ100からガス導入流量Qinに関する情報が入手できない場合でも、モータ回転速度のフィードフォーワード制御を行うことができる。また、推定ガス流量Qinesを用いるとプラズマなどによるチャンバ内自体で発生するガス量の変化のモニタも可能なためモータ回転速度のフィードフォーワード制御の入力として有効である。
したがって、本発明は、真空チャンバに導入されるガス流量の変化を表す変化信号を取得する変化信号取得部と、真空チャンバ内を排気する真空ポンプ本体のモータの目標回転速度と実回転速度の偏差によるフィードバック制御部と、変化信号に基づくフィードフォーワード制御部と有する種々の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置に適用することができる。
12…真空計 20…真空バルブ
21…バルブプレート 30…真空ポンプ
31…モータ 32…回転速度検出器
100…上位コントローラ
200,200A,200B…ポンプコントローラ
201,201A,201B,201C,201D…回転速度制御器
201a…偏差器 201b…PI制御器
201c…加算器 201d…流量変化信号生成器
201e…電流相当信号生成器
201f、201fA、201fC、201fD…比較器
201g…開度変化信号生成器
300,300A,300B…バルブコントローラ
301,301A,301B…開度制御部 302…モータドライバ部
303、303A,300B…記憶部 304…入力操作部
305…表示部
Claims (6)
- 真空チャンバ内を排気する真空ポンプ本体に設けたモータの回転速度を制御するモータ回転速度制御装置において、
前記真空チャンバに導入されるガス流量の変化を表す変化信号を取得する変化信号取得部と、
前記モータの目標回転速度と実回転速度の偏差によるフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
前記変化信号に基づくフィードフォーワード制御を行うフィードフォーワード制御部とを備える真空ポンプ用モータの回転速度制御装置。 - 請求項1に記載の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置において、
前記フィードバック制御部は、前記モータの目標定格回転数と実回転数の偏差に基づき前記モータの駆動電流制御値を出力する出力部を有し、
前記フィードフォーワード制御部は、前記変化信号取得部で取得した前記ガス流量の変化を表す変化信号に基づく前記モータの駆動電流増減量を生成する電流信号生成器と、前記電流信号生成器で生成された前記モータの駆動電流増減量を前記出力部から出力される前記モータの前記駆動電流制御値に加算する加算器とを有する、真空ポンプ用モータの回転速度制御装置。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置において、
前記変化信号取得部は、前記真空チャンバ内に導入されるガス流量の時間変化を表す信号を前記変化信号として取得する真空ポンプ用モータの回転速度制御装置。 - 請求項1から3までのいずれか1項に記載の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置において、
前記変化信号取得部は、前記真空チャンバ内の圧力差を表す信号を前記変化信号として取得する、および、前記真空チャンバと前記真空ポンプ本体との間に設けられた真空バルブの開度偏差を表す信号を前記変化信号として取得する、のいずれかである真空ポンプ用モータの回転速度制御装置。 - 請求項1から4までのいずれか1項に記載の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置において、
前記フィードフォーワード制御部は、前記変化信号取得部が取得する前記変化信号が閾値以上のときに前記フィードフォーワード制御を実行する真空ポンプ用モータの回転速度制御装置。 - 排気機能部を備える真空ポンプ本体と、
請求項1から5までのいずれか1項に記載の真空ポンプ用モータの回転速度制御装置とを備える真空ポンプ。
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