JP6798426B2 - 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

Description

本発明は、ＣＶＤ装置等の真空処理装置を真空排気する真空ポンプ用モータの回転速度制御装置であって、主にその過渡応答性を改善させた回転速度制御装置、真空ポンプに関する。

ＣＶＤ装置等の真空処理装置では、プロセスガスが導入され、プロセスに応じた圧力を保って成膜等の処理が施されるため、処理プロセスの段階（例えば、プロセス中やプロセス前後）に応じて真空室（チャンバ）内圧力が異なる。チャンバの下流には真空ポンプが装着されて、ポンプ吸込み圧力Ｐｉｎと排気速度Ｓpの特性により排気流量Ｑ（＝Ｓp＊Ｐｉｎ）でチャンバからガスが排出されるのでチャンバ内圧力を制御することができるが、通常は、チャンバと真空ポンプの間にさらにバルブが装着され、チャンバ内圧力を目標値とするバルブ制御が施されプロセスの段階別に所定のチャンバ内圧力が保たれる。このようなバルブ制御装置の例としては、特許文献１に記載のものが知られている。

特許第４６３０９９４号明細書

従来から知られている真空ポンプでは、実測したポンプモータの回転速度と定格回転速度との偏差を演算し、偏差分だけモータ電流を増減制御して定格回転速度を維持するフィードバック制御が行われる。

ところで、チャンバ内圧力を変更する目的でガス導入流量をステップ状に変化させるとチャンバ内圧力が急峻に変動し、真空ポンプの吸込み圧力（ポンプ吸気口圧力）も急激に変動する。このとき、真空ポンプのモータ負荷が急激に増減して、ポンプモータの回転速度が増減することになる。真空ポンプの排気速度の設計値は、ポンプモータが定格回転速度で定常的に回転していることを前提として設定されている。そのため、ガス導入流量の変化直後のような非定常状態では真空ポンプの実際の排気速度は設計値からずれており、回転速度がフィードバック制御により定格回転速度に戻り定常状態になると設計値通りの排気速度となる。その結果、ガス導入流量変更してからチャンバ内圧力が目的とする圧力となるまでの無駄時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明の好ましい実施形態における、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は、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いてモータ回転変化を緩和するためのモータ駆動電流増減量を生成し、前記モータ駆動電流増減量に基づいて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。
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。

本発明によれば、真空ポンプに流入するガス流量の急峻な変化に対するモータ回転速度の変動を抑制することができる。

第１の実施の形態の真空システムの概略を説明するブロック図 真空システムのポンプコントローラの詳細を示すブロック図 真空システムのバルブコントローラの詳細を示すブロック図 （ａ）は、吸気口圧力と排気速度の関係を示すグラフ、（ｂ）は、吸気口圧力と排気流量の関係を示すグラフ 従来のフィードバック制御による信号波形と、実施の形態のフィードフォーワード制御も加味した制御による信号波形を示す図 第２の実施の形態の真空システムの概略を説明するブロック図 （ａ）、（ｂ）ともに、第３の実施の形態の回転速度制御器を説明するブロック図 第４の実施の形態の回転速度制御器を説明するブロック図 第５の実施の形態のバルブコントローラを説明するブロック図 第５の実施の形態の回転速度制御器を説明するブロック図 第６の実施の形態の真空システムの概略を説明するブロック図 第７の実施の形態の真空システムの概略を説明するブロック図

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−
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。

（全体構成）
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。

(上位コントローラ)
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・ｍ^３／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。

(ポンプコントローラ)
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。

(バルブコントローラ)
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。

真空バルブ２０は、上述したように、上位コントローラ１００から送られる目標圧力と計測した実圧力との偏差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。バルブコントローラ３００は、チャンバ内圧力の目標圧力値Ｐｓと検出したチャンバ内実圧力との偏差を算出し、圧力差を低減するために必要なバルブ開度変化量を算出する。この計算結果が今回の目標開度である。

(ポンプコントローラの詳細)
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。

すなわち、回転速度制御器２０１は、定格回転速度ωａｉｍと、検出回転速度ωｄｅｔと、ガス導入流量Ｑｉｎとに基づいてモータ制御指令値Ｉｉｎｓを出力する。このモータ制御指令値Ｉｉｎｓが３相電圧生成器２０２で３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ．Ｖｗに変換される。ＰＷＭ信号生成器２０３は、変換された３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ．ＶｗからＰＷＭ駆動信号Ｕｐｗｍ、Ｖｐｗｍ、Ｗｐｗｍを生成する。ＰＷＭ駆動信号Ｕｐｗｍ、Ｖｐｗｍ、Ｗｐｗｍは、インバータ２０４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動トランジスタを駆動する。インバータ２０４によりモータ駆動電流が制御されてモータ３１が定格回転速度ωａｉｍで駆動される。

(バルブコントローラの詳細)
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。

(ポンプコントローラによるモータのフィードフォーワード制御)
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。

真空ポンプの排気流量Ｑ（定常状態では、Ｑ＝Ｑｉｎ）と、モータ駆動トルクＴと、モータ駆動電流Ｉとの間には比例関係がある。すなわち、
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２の回転速度制御器２０１は、以上の発明者らの知見に基づいて設計されたものである。以下、回転速度制御器２０１の動作を詳細に説明する。

回転速度制御器２０１の偏差器２０１ａは、定格回転速度ωａｉｍと、回転速度検出器３２で検出された回転速度ωｄｅｔとの偏差Δωａ−ｄを演算する。ＰＩ制御器２０１ｂは、入力された回転速度偏差Δωａ−ｄに対してＰＩ演算を行ってモータ制御値Ｉｍｏｔを出力する。流量変化信号生成器２０１ｄは、上位コントローラ１００から入力されたガス導入流量Ｑｉｎに基づき流量変化信号ΔＱｉｎを生成して後段の電流相当信号生成器２０１ｅに出力する。電流相当信号生成器２０１ｅは、入力された流量変化信号ΔＱｉｎに相当する流量変化電流値ΔＩｑｉｎを生成する。加算器２０１ｃは、ＰＩ制御器２０１ｂから出力されるモータ制御値Ｉｍｏｔと流量変化電流値ΔＩｑｉｎとの加算値であるモータ制御指令値（電流指令値）Ｉｉｎｓを演算する。モータ制御指令値Ｉｉｎｓは３相電圧生成器２０２で３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ．Ｖｗに変換される。ＰＷＭ信号生成器２０３は、３相電圧信号Ｖｕ，Ｖｖ．Ｖｗに基づきＵＶＷ相駆動用トランジスタのＰＷＭ駆動信号Ｕｐｗｍ、Ｖｐｗｍ、Ｗｐｗｍを生成する。これらのＰＷＭ駆動信号Ｕｐｗｍ、Ｖｐｗｍ、Ｗｐｗｍによりインバータ２０４を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＦＥＴが駆動され、モータ３１には、回転速度の偏差分とガス導入流量変化分を加味したモータ駆動電流が通電される。これにより、チャンバ内へのガス導入流量が急激に変化したとき、たとえば、ステップ状に変化したとき、負荷の急変によりモータ３１の回転速度が従来のように大きく増減することがなく、モータ３１を定格回転速度近傍の速度領域で回転させることができる。すなわち、モータ回転速度の過渡応答性が向上する。

（比較例との相違）
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。

従来は、実測した回転速度と定格回転速度との偏差分をフィードバック制御することでポンプモータが定格回転速度で運転されるように制御しているが、プロセスに応じたガス流量に設定してからチャンバ内圧力が安定するまでの過渡状態が長いと、その間はプロセスを開始できないので作業効率の低下を招くことになる。
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(ａ)はガス導入流量Ｑｉｎの時間変化特性を示す。時刻ｔ１からガス導入流量Ｑｉｎが増加し始め、時刻ｔ２で一定流量となる。図５(ｂ)はモータ回転速度の時間変化特性を示す。時刻ｔ１で増加し始めたガス導入流量Ｑｉｎの影響を受け、モータ回転速度ωが時刻ｔ１から徐々に減少する。図５(ｂ)の破線は回転速度偏差に基づきフィードバック制御されたモータ回転速度特性を示す。実線は第１の実施の形態によるフィードフォーワード制御を加味した場合のモータ回転速度特性を示す。時刻ｔ１でモータ回転速度が定格回転速度から徐々に低下しているが、破線で示す従来のフィードバック制御に比べて回転速度の減少量が小さくなる。時刻ｔ２でガス導入流量の変化がなくなると、モータ回転速度が増加してやがて定格回転速度に戻る。
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。

以上説明した第１の実施の形態の真空ポンプ用モータの回転制御装置は次のような作用効果を奏することができる。
（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。

（２）上位コントローラ１００は、真空チャンバ１０内に導入されるガス流量（ガス導入流量）Ｑｉｎを流量コントローラ１１から受信してポンプコントローラ２００へ送信する。ポンプコントローラ２００は、流量変化信号生成器２０１ｄで流量変化量ΔＱ１ｎを演算し、電流相当信号生成器２０１ｅは流量変化量ΔＱｉｎを電流信号ΔＩqｉｎに変換する。このΔＩqｉｎをフィードバック制御系に加算してモータ回転速度のフィードフォーワード制御を行う。
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−
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−
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。

第３の実施の形態では、たとえば、次のようにしてフィードフォーワード制御が実行される。
（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の実施の形態は第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する他、次のような作用効果も奏する。
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−
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。

たとえば、次のようにしてガス導入流量変化量ΔＱｉｎを推定することができる。
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。

上位コントローラ１００からポンプコントローラ２００に目標圧力と計測したチャンバ内圧力を送信し、ポンプコントローラ２００において圧力差を演算するように構成してもよい。

上述したようにチャンバ内圧力差ΔＰｃに基づきルックアップテーブルを参照して得たガス導入流量変化量ΔＱｉｎは、第１〜第３の実施の形態のように流量コントローラ１１から出力された実際のガス導入流量Ｑｉｎに基づくものではないが、チャンバ内に導入されるガス導入流量の変化量を表す変化信号として使用することができる。

第４の実施の形態は第１および第３の実施の形態と同様の作用効果を奏する。

−第５の実施の形態−
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。

図９は第５の実施の形態の構成を示す図である。バルブコントローラ３００Ａの開度制御部３０１Ａは、真空チャンバ１０内の目標圧力値Ｐｓと検出した実チャンバ内圧力（圧力計測値）Ｐｒとの偏差（圧力差）ΔＰｃに基づき目標開度θｓを算出する。算出された目標開度θｓと実バルブ開度θｒの偏差Δθをフィードバックしてバルブ開度が目標開度θｓになるように制御する。
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。

図１０は第５の実施の形態の回転速度制御器２０１Ｄを示す図である。ポンプコントローラ２００の回転速度制御器２０１Ｄは、開度変化信号生成器２０１ｇと、開度比較器２０１ｆＤとを有する。開度変化信号生成器２０１ｇは目標開度θｓの変化量Δθｓを算出する。変化量Δθｓはサンプリング間隔の間における開度変化を表しているが、真空ポンプ３０に流れ込むガス流量の変化は変化量Δθｓが大きいほど大きいと考えられる。すなわち、変化量Δθｓはガス流量の変化量の代わりに使用することができる。
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。

上述したようにバルブ開度変化量Δθｓに基づくフィードフォーワード制御は、第１〜第４の実施の形態のように流量コントローラ１１から出力された実際のガス導入流量Ｑｉｎに基づくフィードフォーワード制御ではないが、バルブ開度変化量Δθｓは、チャンバ内に導入されるガス導入流量の変化量を表す変化信号として使用することができる。

−第６の実施の形態−
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。

図１１は第６の実施の形態の真空システムの一例を示す真空システムの構成を示すブロック図である。図１と同様な箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
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−
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。

バルブ開度制御はたとえば特願２０１６−２５０６５９号明細書に記載したバルブ制御を採用する。以下詳細に説明する。
推定ガス流量Ｑｉｎｅｓ［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］は式（５）で示される。
Ｑｉｎｅｓ＝Ｖ×（ｄＰ／ｄｔ）＋Ｓ（Ｑ，θ）×Ｐｒ （５）
Ｖ[ｍ^３]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。

実効排気速度Ｓ（Ｑ，θ）は、真空チャンバ１０に導入されるガス導入流量Ｑｉｎと真空バルブ２０の開度θに依存する。一般に、実効排気速度Ｓは次式（６）で表される。
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。

真空バルブ２０は、入力される目標圧力値Ｐｓと圧力計測値Ｐｒとに基づいて真空チャンバ１０の圧力を目標圧力値Ｐｓに調整する調圧バルブとして機能する。調圧の際には、式（５）を用いて推定ガス流量Ｑｉｎｅｓを算出し、その推定ガス流量Ｑｉｎｅｓと目標圧力値Ｐｓとから推定される排気速度Ｓを式（７）により算出する。
Ｓ＝Ｑｉｎ／Ｐｓ （７）

式（７）で算出される排気速度Ｓと推定ガス流量Ｑｉｎｅｓと実効排気速度Ｓ（Ｑ，θ）のマップとから、開度θが求まる。バルブコントローラ３００Ｂは、真空バルブ２０を開度θに制御すると共に、算出された推定ガス流量Ｑｉｎｅｓをポンプコントローラ２００へ出力する。バルブコントローラ３００Ｂは、このような式（５）による推定ガス流量Ｑｉｎｅｓの計算と、推定ガス流量Ｑｉｎｅｓに基づく開度θの計算とを所定時間間隔で繰り返し実行することで、真空バルブ２０を目標圧力値Ｐｓとなる目標開度θｓへ制御する。なお、式（５）の実効排気速度Ｓ（Ｑ，θ）のガス流量Ｑには、一回前に算出された推定ガス流量Ｑｉｎｅｓが用いられる。

上述したように、バルブコントローラ３００Ｂは推定ガス流量Ｑｉｎｅｓをポンプコントローラ２００に送信する。図２を参照して説明すると、ポンプコントローラ２００の回転速度制御器２０１は、バルブコントローラ３００Ｂから送られた推定ガス流量Ｑｉｎｅｓを流量情報Ｑｉｎとして取り込み、図２で説明したと同様のフィードフォーワード制御を行う。

図１２のブロック図において、図１と同様な箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
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。

バルブコントローラ３００Ｂは、真空チャンバ１０の圧力計測値Ｐｒおよび目標圧力値Ｐｓに基づいて真空バルブ２０の開度を制御する。制御部３０１Ｂは、圧力計測値Ｐｒ、目標圧力値Ｐｓおよび記憶部３０３Ｂのルックアップテーブルに基づいて、真空バルブ２０の目標開度θｓを演算してバルブ開度を制御する。
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の実施の形態は第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する他、次のような作用効果も奏する。
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。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
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。

１０…真空チャンバ １１…流量コントローラ
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)

1. 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いてモータ回転変化を緩和するためのモータ駆動電流増減量を生成し、前記モータ駆動電流増減量に基づいて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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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