專利名稱：真空容器的壓力控制方法及壓力控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空容器的壓力控制方法及壓力控制裝置。
背景技術(shù)：
在制造半導(dǎo)體元件等時，在真空容器內(nèi)(即，在規(guī)定的真空度下)供給反應(yīng)氣體， 對半導(dǎo)體晶片表面進行蝕刻等處理，為了提高質(zhì)量需要高精度地進行真空容器內(nèi)的壓力控 制。以往，在這樣的半導(dǎo)體制造裝置中，將質(zhì)量流量計設(shè)置在用于向真空容器供給氣 體的氣體供給管上，并且將可變傳導(dǎo)率閥設(shè)置在用于從真空容器排出氣體的氣體排出管 上。并且，控制上述閥，以使自設(shè)置在真空容器上的壓力計的壓力成為目標(biāo)壓力(例如，參 照日本特開昭62-47719號公報)
發(fā)明內(nèi)容

但是，在上述現(xiàn)有的壓力控制中，為了使壓力偏差為零，進行反饋控制，至少需要 進行是比例積分動作即PI控制。尤其是需要I控制即積分動作，因此存在以下問題，S卩，在更改了設(shè)定壓力時，需 要調(diào)整復(fù)位條件(例如根據(jù)偏差的大小、更改使控制發(fā)揮作用的時間等條件)等，并且該控 制結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。因此，本發(fā)明的目的是提供一種在控制真空容器的壓力時，可使其控制結(jié)構(gòu)簡單 的真空容器的壓力控制方法及壓力控制裝置。為了解決上述課題，本發(fā)明的第一方面是一種真空容器的壓力控制方法，其控制 真空處理裝置的上述真空容器的壓力，上述真空處理裝置包括連接氣體的供給管路和排出 管路的真空容器、設(shè)置在上述排出管路并能開關(guān)該排出管路的真空閥、測量上述真空容器 內(nèi)的壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開度的開度檢測器，上述壓力控制方法的特征在 于，具有以下步驟第一步驟，根據(jù)由上述開度檢測器檢測的真空閥的閥開度求出推 測排出氣體量，基于考慮到該推測排出氣體量的氣體量，計算求出計算模型上的虛擬真空 容器內(nèi)的壓力；第二步驟，基于上述第一步驟中求出的計算壓力與由上述壓力計測量的實際的真 空容器的測量壓力間的壓力差，求出推測流入氣體量；和第三步驟，在上述第二步驟中求出的推測流入氣體量上，加上基于作為目標(biāo)的設(shè) 定壓力與測量壓力間的壓力偏差而得到的校正氣體量，求出設(shè)定排出氣體量， 并且，在每個規(guī)定周期反復(fù)執(zhí)行上述各步驟，控制上述真空閥的閥開度，以成為上述第三步驟中求出的設(shè)定排出氣體量，且在上述第一步驟中，關(guān)于在求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用的氣體量， 使用通過從第二步驟求出的推測流入氣體量減去推測排出氣體量而得到的氣體流量差。
本發(fā)明的第二方面是一種真空容器的壓力控制裝置，其控制真空處理裝置的上述 真空容器的壓力，上述真空處理裝置包括連接氣體的供給管路和排出管路的真空容器、設(shè) 置在上述排出管路并能開關(guān)該排出管路的真空閥、測量上述真空容器內(nèi)的壓力的壓力計以 及檢測真空閥的閥開度的開度檢測器，上述壓力控制裝置的特征在于，具有壓力設(shè)定部、流入氣體量推測部、氣體量校正部、加法部以及閥開度計算部， 其中，壓力設(shè)定部設(shè)定真空容器的作為目標(biāo)的壓力；
流入氣體量推測部根據(jù)由上述開度檢測器檢測的閥開度求出推測排出氣體量，基 于考慮到該推測排出氣體量的氣體量而求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力，并且基 于該虛擬真空容器的計算壓力與自上述壓力計的實際的真空容器中的測量壓力間的壓力 差，求出推測流入氣體量；氣體量校正部具有壓力減法部和比例控制部，壓力減法部輸入自上述壓力設(shè)定部 的設(shè)定壓力和自上述壓力計的測量壓力并求出壓力偏差，比例控制部輸入由該壓力減法部 求出的壓力偏差并乘以規(guī)定增益而求出校正氣體量；加法部將由上述流入氣體量推測部求出的推測流入氣體量與由上述氣體量校正 部求出的校正氣體量相加，而求出設(shè)定排出氣體量；閥開度計算部輸入由該加法部得到的設(shè)定排出氣體量和自上述壓力設(shè)定部的設(shè) 定壓力，而求出閥開度，并且，在上述流入氣體量推測部中，在每個規(guī)定周期執(zhí)行以下運算，S卩，基于氣體 量求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力，并且基于該虛擬真空容器的計算壓力與自上 述壓力計的實際的真空容器中的測量壓力間的壓力差而求出推測流入氣體量，進而，在上述流入氣體量推測部中，作為求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用 的氣體量，使用通過從推測流入氣體量減去推測排出氣體量而得到的氣體流量差。進而，本發(fā)明的第三方面的真空容器壓力控制裝置，在本發(fā)明的第二方面所述的 真空容器的壓力控制裝置中，流入氣體量推測部還包括傳導(dǎo)率獲取部、乘法部、氣體量減法 部、壓力計算部、壓力減法部以及放大部，其中，傳導(dǎo)率獲取部基于真空閥的閥開度-傳導(dǎo)率的特性曲線，根據(jù)檢測到的閥開度求 出真空閥的傳導(dǎo)率；乘法部通過輸入由該傳導(dǎo)率獲取部得到的傳導(dǎo)率以及自壓力計的測量 壓力，并使該傳導(dǎo)率乘以測量壓力，而求出推測排出氣體量；氣體量減法部從推測流入氣體 量減去由該乘法部求出的推測排出氣體量，而求出氣體流量差；壓力計算部輸入由該氣體 量減法部求出的氣體流量差，并通過計算求出虛擬真空容器內(nèi)的壓力；壓力減法部輸入由 該壓力計算部求出的計算壓力和自壓力計的測量壓力，而求出壓力差；放大部將由該壓力 減法部求出的壓力差乘以規(guī)定增益，而求出推測流入氣體量。根據(jù)上述壓力控制方法和壓力控制裝置，通過根據(jù)真空閥的閥開度得到的推測排 出氣體量和推測流入氣體量間的氣體流量差求出真空容器的計算壓力，基于該真空容器的 計算壓力和自壓力計的測量壓力的壓力差求出推測流入氣體量，在該推測流入氣體量上加 上利用測量壓力相對設(shè)定壓力的壓力偏差求出的校正氣體量而求出設(shè)定排出氣體量，控制 閥開度以成為該設(shè)定排出氣體量，因此，在進行相對于壓力的反饋控制時只進行比例控制 即可，因此無需進行比例積分控制中那樣的復(fù)位條件等的調(diào)整，所以控制結(jié)構(gòu)也變得簡單。
S卩，為了得到設(shè)定排出氣體量而進行追蹤設(shè)定壓力的反饋控制時，通常需要PID 控制、至少需要PI控制，與此相對，由本發(fā)明的控制得到的推測流入氣體量對應(yīng)于對壓力 偏差的積分動作(I控制)，因此只進行比例控制即可。


圖1是表示本發(fā)明的實施方式的真空容器和壓力控制裝置的概略結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是設(shè)置于該真空容器的真空閥的主要部分的俯視圖。圖3是表示該真空閥的閥開度與壓力之間的關(guān)系的圖表。圖4是表示該真空閥的閥開度與傳導(dǎo)率之間的關(guān)系的圖表。圖5是表示該壓力控制裝置的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
圖6是表示該壓力控制裝置的流入氣體量推測部的概略結(jié)構(gòu)的框圖。圖7是表示該壓力控制裝置的校正氣體量計算部的概略結(jié)構(gòu)的框圖。圖8是表示該壓力控制裝置的閥開度計算部的概略結(jié)構(gòu)的框圖。圖9是表示該壓力控制裝置的概略結(jié)構(gòu)的控制框圖。圖10是表示該壓力控制裝置的主要部分結(jié)構(gòu)的控制框圖。
具體實施例方式以下，基于圖1 圖10、就本發(fā)明的實施方式的真空容器的壓力控制方法和壓力 控制裝置進行說明。本實施方式的真空容器例如是在制造半導(dǎo)體元件等時使用，具體是用于在規(guī)定的 真空度下、以產(chǎn)生等離子體等的狀態(tài)供給反應(yīng)氣體(氣體的一例)，對作為被處理物的半導(dǎo) 體晶體施行規(guī)定的表面處理。首先就本發(fā)明的真空容器的壓力控制的基本思想進行說明。真空容器的壓力取決于流入的氣體量(以下稱為流入氣體量，也是供給氣體量) 和流出的氣體量(可稱為流出氣體量，但以下稱為排出氣體量)之差，因此，為了將壓力保 持在一定值(也是規(guī)定值)，將排出氣體量控制為與流入氣體量相等即可。S卩，測量流入氣體量并排出與該測量出的流入氣體量等量的氣體即可，但在真空 容器內(nèi)，如果流入到例如等離子體中的氣體發(fā)生反應(yīng)，則新生成氣體，因此，即使使用測量 值，也是與實際的流入氣體量相背離的值。因此，不使用測量值，而使用如下求出的作為推 測值的流入氣體量，即，根據(jù)真空閥的閥開度(后述)推測排出氣體量，使用基于該排出氣 體量(換言之，考慮到該排出氣體量)的氣體量，通過計算求出計算模型上的真空容器(以 下稱為虛擬真空容器)內(nèi)的壓力，并且根據(jù)該計算的壓力(以下也稱為計算壓力)與實際 的真空容器(以下也稱為實際真空容器)中的測量壓力的差求出作為推測值的流入氣體 量。首先基于圖1和圖2、就真空處理裝置的概略整體結(jié)構(gòu)進行說明。該真空處理裝置包括真空容器1、氣體供給管11、真空閥4、氣體排出管12以及壓 力控制裝置9?？上蛘婵杖萜?的內(nèi)部供給例如半導(dǎo)體晶體等并進行規(guī)定的處理(例如蝕 刻)，該真空容器1具有反應(yīng)氣體的供給口 2和氣體排出口 3 ；氣體供給管(氣體的供給管 路的一例)11與上述供給口 2連接而用于供給反應(yīng)氣體；真空閥4包括與上述排出口 3連接并具有圓形的開口部5a(換言之具有閥座)的閥主體5、可開關(guān)該開口部5a的閥體6以及使該閥體6開關(guān)的驅(qū)動用電機(驅(qū)動部的一例，具體使用步進電機)7;氣體排出管(氣 體的排出管路的一例)12的一端部與上述真空閥4的排氣口連接，并且另一端部與真空泵 8連接；壓力控制裝置9用于控制上述真空容器1內(nèi)的壓力。另外，就將真空閥4直接設(shè)置 在排出口 3上進行了說明，當(dāng)然也可設(shè)置在氣體排出管12的中間。該壓力控制裝置9包括測量真空容器1內(nèi)的真空度即壓力的壓力計(根據(jù)需要 設(shè)置多個，但在此就一個進行說明)21 ；檢測真空閥4的閥體6的開度(以下也稱為閥開度) 的開度檢測器(具體使用檢測驅(qū)動用電機的旋轉(zhuǎn)量的編碼器)22 ；以及控制裝置主體23，輸 入由上述壓力計21測量的測量壓力和由開度檢測器22檢測的閥開度(以下稱為實際閥開 度)，使真空容器1內(nèi)的壓力成為目標(biāo)值(以下稱為設(shè)定壓力)地控制真空閥4的驅(qū)動用電 機7。在此就上述真空閥4的閥體6的動作進行說明。作為該真空閥4，使用具有壓力控制和真空密封兩種功能的閥(但不局限于具有 壓力控制和真空密封兩種功能的閥)。即，通過該真空閥4的閥體6通過在圓形的開口部 5a滑動，可控制該開口部5a中的氣體的通過流量。在閥體6關(guān)閉了該開口部5a后(這里 的意思是并非密封狀態(tài)而是用閥體覆蓋了整個開口部的狀態(tài))，通過進一步向開口部5a周 圍(就是所謂的閥座側(cè))即垂直方向移動，從而完全封閉(密封狀態(tài))。圖3表示了該真空 閥4的閥開度和由該真空閥4控制的被控制空間側(cè)的壓力之間的一般關(guān)系。由該圖表可知，閥體6向關(guān)閉動作(閉動)位置(在此為20% )移動之后垂直地 移動(就是所謂的升降動作)，從而成為完全密封的狀態(tài)。即，在移動到關(guān)閉動作位置時，壓 力上升一定的程度，通過之后的升降動作，壓力急速上升(當(dāng)然，在適用于真空容器的壓力 控制時，壓力急速降低)。S卩，該真空閥4的閥開度與壓力之間的關(guān)系呈非線形。但是，在本發(fā)明中，在求推測流入氣體量時，使用虛擬真空容器中的計算壓力，但 如上所述，為了求出該計算壓力，使用基于推測排出氣體量的氣體量。確切地說，作為氣體 量使用推測排出氣體量和推測流入氣體量的差即氣體流量差，其中推測排出氣體量即根據(jù) 閥開度求出的推測值，推測流入氣體量基于虛擬真空容器中的計算壓力與實際真空容器中 的測量壓力的壓力差求出。另外，在求推測排出氣體量時，使用真空閥的特性曲線。為了補 償閥開度和壓力之間的非線形關(guān)系而使用該特性曲線。如圖4所示，該閥特性曲線表示了閥開度和傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，具體作為數(shù)據(jù)表 保存在存儲部等中。該傳導(dǎo)率表示氣體的易流動性，是氣體流量除以壓力的值(氣體流量 /壓力)。接著，基于圖5就壓力控制裝置9的結(jié)構(gòu)進行說明。該壓力控制裝置9大致包括壓力設(shè)定部31、流入氣體量推測部32、校正氣體量計 算部33、加法器(加法部)34以及閥開度計算部35構(gòu)成。其中，壓力設(shè)定部31設(shè)定作為 真空容器1目標(biāo)的設(shè)定壓力(也稱為目標(biāo)壓力)；流入氣體量推測部32根據(jù)由上述開度檢 測器22檢測的實際閥開度和由壓力計21測量的測量壓力求出推測排出氣體量，基于上述 推測排出氣體量和后述推測流入氣體量的差即氣體流量差，而計算求出虛擬真空容器內(nèi)的 壓力，并且基于作為由該計算求出的計算壓力和測量壓力之差的壓力差求出推測流入氣體 量；校正氣體量計算部33輸入自上述壓力設(shè)定部31的設(shè)定壓力和自壓力計21的測量壓力，而求出壓力偏差，并且基于該壓力偏差計算校正氣體量；加法器(加法部)34在由上述 流入氣體量推測部32求出的推測流入氣體量上加上由上述校正氣體量計算部求出的校正 氣體量，而得到修正氣體量，并且將該修正氣體量作為設(shè)定排出氣體量輸出；閥開度計算部 35基于從該加法器34輸出的設(shè)定排出氣體量和自壓力設(shè)定部31的設(shè)定壓力，計算真空閥 4的作為目標(biāo)的閥開度(以下稱為設(shè)定閥開度)。如圖6所示，上述流入氣體量推測部32具有傳導(dǎo)率獲取部41、乘法器(乘法 部)42、壓力計算部43、壓力減法器(減法部)44以及放大器(放大部)45。其中，傳導(dǎo)率獲 取部41基于真空閥4的特性曲線、根據(jù)實際閥開度求出真空閥4的傳導(dǎo)率；乘法器(乘法 部)42輸入由該傳導(dǎo)率獲取部41得到的傳導(dǎo)率以及自壓力計21的測量壓力，在該傳導(dǎo)率 上乘以測量壓力，從而求出排出的氣體流量的推測值；壓力計算部[具體是使用積分器；計 算模型上的傳遞函數(shù)為1/(βη8)，βη是容器的壓力增益(額定值)]43輸入由該乘法器42 求出的推測排出氣體量和推測流入氣體流量(具體如后所述)的差即氣體流量差，計算求 出虛擬真空容器內(nèi)的壓力；壓力減法器(減法部)44輸入由該壓力計算部43求出的計算壓 力和自壓力計21的測量壓力，求出作為其差的壓力差；放大器(放大部)45在由該壓力減 法器44求出的壓力差上乘以規(guī)定增益(K。bs)，從而求出推測流入氣體量。上述流入氣體量 推測部32還具備氣體量減法器(減法部)46，其設(shè)置在上述乘法器42和壓力計算部43之 間，從由上述放大器45求出的推測流入氣體量減去上述推測排出氣體量，而求出氣體流量 差。
若對在該流入氣體量推測部32的功能進行說明，則為從由該流入氣體量推測部 32得到的推測流入氣體量中減去根據(jù)實際閥開度推測的推測排出氣體量而得到氣體流量 差，根據(jù)對該氣體流量差進行積分而求出的計算模型上的虛擬真空容器中的計算壓力(通 過積累氣體流量差求出容器內(nèi)壓力)與實際的測量壓力之間的壓力差，求出推測流入氣體 量。換言之，在計算壓力偏離測量壓力時，根據(jù)其壓力差進行校正，即，使計算壓力接近測量 壓力地求出氣體流量差[使計算壓力追蹤測量壓力地組成計算循環(huán)(由氣體量減法器46、 壓力計算部43、壓力減法器44以及放大器45構(gòu)成的運算處理循環(huán))]。因此，由某個計算 循環(huán)(某個周期)求出的推測流入氣體量被用于求下一個計算循環(huán)(下一個周期)所使用 的氣體流量差。以規(guī)定的周期(運算周期或控制周期，例如10msec)反復(fù)進行上述計算循 環(huán)(也包括獲取實際閥開度)。以上說明了對從推測流入氣體量減去后得到的氣體流量差進行積分，從而求出由 上述流入氣體量推測部32得到的虛擬真空容器的計算壓力。但若更具體地說明，在本次計 算循環(huán)中求的計算壓力，是通過將本次求出的氣體流量差作為壓力與上次計算循環(huán)中求出 的計算壓力相加而求出的。另外，在計算循環(huán)開始時，由于不存在上次的計算循環(huán)，因此將 該開始時測量的實際真空容器內(nèi)的壓力值作為初始值使用。即，如圖6所示，在上述計算循環(huán)中，在每個規(guī)定的運算周期進行以下步驟用氣 體量減法器46求出氣體流量差的步驟；通過將該氣體流量差輸入壓力計算部43進行積 分，而求出虛擬真空容器中的計算壓力的步驟；用壓力減法器44求出作為虛擬真空容器的 計算壓力和實際真空容器內(nèi)的測量壓力之差的壓力差的步驟；以及將該壓力差輸入放大器 45而求出推測流入氣體量，并且將該推測流入氣體量輸入上述氣體量減法器46的步驟。輸 入在某個運算周期中求出的推測流入氣體量以用于求出下一個運算周期的在氣體量減法器46中的氣體流量差。即，作為用于求出虛擬真空容器中的計算壓力的氣體量，使用通過 從在上次運算周期中求出的推測流入氣體量中減去為了本次運算周期而求出的推測排出 氣體量而得到的氣體流量差。如圖7所示，上述校正氣體量計算部33包括減法器(減法部)51和比例控制器 (比例控制部，乘以比例增益KP)52。其中，減法器51輸入自壓力設(shè)定部31的設(shè)定壓力和 自壓力計21的測量壓力，求出壓力偏差；比例控制器52輸入由該減法器51求出的壓力偏 差，求出與該壓力偏差成比例的氣體量，并且將該氣體量作為校正氣體量輸出。另外，如圖8所示，上述閥開度計算部35包括傳導(dǎo)率計算部61和閥開度獲取部 62。其中，傳導(dǎo)率計算部61輸入從加法器34輸出的設(shè)定排出氣體量和自壓力設(shè)定部31的 設(shè)定壓力，求出傳導(dǎo)率；閥開度獲取部62輸入由該傳導(dǎo)率計算部61求出的傳導(dǎo)率，根據(jù)閥 的特性曲線(與傳導(dǎo)率獲取部41的特性曲線相反的曲線)獲取閥開度。上述壓力控制裝置9由計算機裝置構(gòu)成，通過軟件實現(xiàn)上述計算部等各結(jié)構(gòu)部件 的功能。例如，在計算機裝置上作為與真空容器具有相同功能的計算模型，組裝了流入氣體 量推測部32。接著，就真空容器的壓力控制方法進行說明。真空容器1內(nèi)的壓力狀態(tài)在某個值下穩(wěn)定，由壓力設(shè)定部31設(shè)定了新的設(shè)定壓 力。在該狀態(tài)下，如果從開度檢測器22向流入氣體量推測部32輸入實際閥開度，則由 傳導(dǎo)率獲取部41得到傳導(dǎo)率，并且由乘法器42在該傳導(dǎo)率上乘以測量壓力，而求出推測排 出氣體量。然后由氣體量減法器46從在上次運算周期中求出的推測流入氣體量中減去本 次求出的推測排出氣體量，而求出氣體流量差，并將該氣體流量差輸入壓力計算部43，求出 計算模型中的虛擬真空容器內(nèi)的壓力即計算壓力。然后求出作為該計算壓力和自壓力計21的測量壓力之差的壓力差，在放大器45 中乘以規(guī)定增益，而新求出推測流入氣體量。該新的推測流入氣體量用于求下一個計算循 環(huán)即下次運算周期中的氣體流量差，以使計算壓力接近測量壓力。另一方面，向校正氣體量計算部33輸入由壓力設(shè)定部31設(shè)定的設(shè)定壓力，在減法 器51中求出該設(shè)定壓力與壓力計21的測量壓力之差即壓力偏差，并且將該壓力偏差輸入 比例控制器52，在壓力偏差上乘以比例增益，而求出校正氣體量。然后，將該校正氣體量和由流入氣體量推測部32新求出的推測流入氣體量輸入 加法器34，而求出設(shè)定排出氣體量。接著，將該設(shè)定排出氣體量和自壓力設(shè)定部31的設(shè)定壓力輸入到閥開度計算部 35，求出成為該設(shè)定排出氣體量的設(shè)定閥開度。具體是將設(shè)定排出氣體量和設(shè)定壓力輸入 到傳導(dǎo)率計算部61而求出傳導(dǎo)率，并將該傳導(dǎo)率輸入到閥開度獲取部62，根據(jù)閥的特性曲 線求出閥開度。向驅(qū)動用電機7輸入該閥開度指令，驅(qū)動閥體6以成為規(guī)定的閥開度。然后反復(fù)上述動作，在計算壓力與測量壓力相等或計算壓力以某偏差追蹤測量壓 力時，可視為由流入氣體量推測部32求出的推測流入氣體量與實際的流入氣體量相等。在此，就數(shù)值的具體例進行說明。在真空容器1中的設(shè)定壓力值以及在實際的真空容器1中的壓力值都是90mT、流入氣體量在lOOsccm下穩(wěn)定的狀態(tài)下，使設(shè)定壓力從90mT更改到IOOmT時，推測流入氣體量仍然為lOOsccm，在設(shè)定壓力值從90mT變化到IOOmT的瞬間，測量壓力值為90mT，校正氣 體量為-10sccm[ = -1(比例增益)X (100-90)mT]0因此，設(shè)定排出氣體量為90sCCm，傳導(dǎo) 率從1.0變?yōu)?.9 (90/100)，閥體6向關(guān)閉方向移動，壓力上升。如果壓力達到IOOmT,則校 正氣體量為零，設(shè)定排出氣體量為lOOsccm，傳導(dǎo)率成為1.0，壓力穩(wěn)定。這樣，在真空容器中，在排出與流入氣體量相等的排出氣體量并進行壓力控制時， 關(guān)于流入氣體量，使用如下的新的推測流入氣體量根據(jù)實際閥開度求出推測排出氣體量， 并且從由流入氣體量推測部求出的推測流入氣體量中減去該推測排出氣體量而得到氣體 流量差，輸入該氣體流量差并進行積分，從而求出計算模型中的虛擬真空容器內(nèi)的計算壓 力，上述新的推測流入氣體量對應(yīng)于作為該計算壓力與實際真空容器中的測量壓力之差的 壓力差。S卩，基于從上次求出的推測流入氣體量中減去根據(jù)真空閥的閥開度得到的推測排 出氣體量而得到氣體流量差，求出虛擬真空容器中的計算壓力，根據(jù)該計算壓力和實際真 空容器中的測量壓力之間的壓力差，求出新的推測流入氣體量，在該推測流入氣體量上加 上利用測量壓力相對于設(shè)定壓力的壓力偏差而求出的校正氣體量，而求出設(shè)定排出氣體 量，控制閥開度以成為該設(shè)定排出氣體量，因此，進行比例控制就可完成對壓力的反饋控 制，因此無需進行比例積分控制中那樣的復(fù)位條件等的調(diào)整，控制結(jié)構(gòu)也變得簡單。
換言之，為了得到設(shè)定排出氣體量而進行追隨設(shè)定壓力的反饋控制時，本來需要 進行PID控制、至少需要進行PI控制，與此相對，由于由流入氣體量推測部得到的推測流入 氣體量與相對壓力偏差的積分動作(I控制)對應(yīng)，因此在反饋控制系統(tǒng)中只進行比例控制 即可。例如，在設(shè)置了 PI控制，尤其是積分動作時，需要加入復(fù)位條件(根據(jù)偏差的大小 更改使控制起作用的時間等的條件)，需要通過試誤法決定該復(fù)位條件。如果要在邏輯上實 際安裝這樣的復(fù)位條件，則將伴隨非常繁瑣的作業(yè)(處理)，但是，由流入氣體量推測部求 出的推測流入氣體量發(fā)揮與由該積分動作得到的積分值相同的作用，不需要繁瑣的積分動 作。當(dāng)然，進行真空容器的壓力控制也不需要測量流入氣體量。以下，以步驟的形式說明上述的壓力控制方法的主要部分。該壓力控制方法，控制真空處理裝置的上述真空容器的壓力，上述真空處理裝置 包括連接氣體的供給管路和排出管路的真空容器、設(shè)置在上述排出管路并能開關(guān)該排出 管路的真空閥、測量上述真空容器內(nèi)的壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開度的開度檢測 器，其中，具有以下步驟第一步驟，根據(jù)由上述開度檢測器檢測的真空閥的閥開度求出推 測排出氣體量，基于考慮到該推測排出氣體量的氣體量，計算求出計算模型上的虛擬真空 容器內(nèi)的壓力；第二步驟，基于上述第一步驟中求出的計算壓力與由上述壓力計測量的實際的真 空容器的測量壓力間的壓力差，求出推測流入氣體量；和第三步驟，在上述第二步驟中求出的推測流入氣體量上，加上基于作為目標(biāo)的設(shè) 定壓力與測量壓力間的壓力偏差而得到的校正氣體量，求出設(shè)定排出氣體量，并且，在每個規(guī)定周期反復(fù)執(zhí)行上述各步驟，控制上述真空閥的閥開度，以成為上述第三步驟中求出的設(shè)定排出氣體量，
且在上述第一步驟中，關(guān)于在求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用的氣體量， 使用通過從上次周期中的第二步驟中求出的推測流入氣體量減去推測排出氣體量而得到 的氣體流量差。另外，就上述壓力控制裝置的主要部分進行以下說明。S卩，該壓力控制裝置，控制真空處理裝置的上述真空容器的壓力，上述真空處理裝 置包括連接氣體的供給管路和排出管路的真空容器、設(shè)置在上述排出管路并能開關(guān)該排出 管路的真空閥、測量上述真空容器內(nèi)的壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開度的開度檢測 器，上述壓力控制裝置的特征在于，具有壓力設(shè)定部、流入氣體量推測部、氣體量校正部、加法部以及閥開度計算部， 其中，壓力設(shè)定部設(shè)定真空容器的作為目標(biāo)的壓力；
流入氣體量推測部根據(jù)由上述開度檢測器檢測的真空閥的閥開度求出推測排出 氣體量，基于考慮到該推測排出氣體量的氣體量而求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓 力，并且基于該虛擬真空容器的計算壓力與自上述壓力計的實際的真空容器中的測量壓力 間的壓力差，求出推測流入氣體量；氣體量校正部具有壓力減法部和比例控制部，壓力減法部輸入自上述壓力設(shè)定部 的設(shè)定壓力和自上述壓力計的測量壓力并求出壓力偏差，比例控制部輸入由該壓力減法部 求出的壓力偏差并乘以規(guī)定增益而求出校正氣體量；加法部將由上述流入氣體量推測部求出的推測流入氣體量與由上述氣體量校正 部求出的校正氣體量相加，而求出設(shè)定排出氣體量；閥開度計算部輸入由該加法部得到的設(shè)定排出氣體量和自上述壓力設(shè)定部的設(shè) 定壓力，而求出閥開度，并且，在上述流入氣體量推測部中，在每個規(guī)定周期執(zhí)行以下運算，S卩，基于氣體 量求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力，并且基于該虛擬真空容器的計算壓力與自上 述壓力計的實際的真空容器中的測量壓力間的壓力差而求出推測流入氣體量，進而，在上述流入氣體量推測部中，作為求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用 的氣體量，使用通過從在上次的運算周期中求出的推測流入氣體量減去推測排出氣體量而 得到的氣體流量差。上述真空容器的壓力控制裝置，在上述流入氣體量推測部還包括傳導(dǎo)率獲取部、 乘法部、氣體量減法部、壓力計算部、壓力減法部以及放大部，其中，傳導(dǎo)率獲取部基于真空閥的閥開度-傳導(dǎo)率的特性曲線，根據(jù)檢測到的閥開度求 出真空閥的傳導(dǎo)率；乘法部通過輸入由該傳導(dǎo)率獲取部得到的傳導(dǎo)率以及自壓力計的測量 壓力，并使該傳導(dǎo)率乘以測量壓力，而求出推測排出氣體量；氣體量減法部從推測流入氣體 量減去由該乘法部求出的推測排出氣體量，而求出氣體流量差；壓力計算部輸入由該氣體 量減法部求出的氣體流量差，并通過計算求出虛擬真空容器內(nèi)的壓力；壓力減法部輸入由 該壓力計算部求出的計算壓力和自壓力計的測量壓力，而求出壓力差；放大部將由該壓力 減法部求出的壓力差乘以規(guī)定增益，而求出推測流入氣體量。圖9表示上述壓力控制系統(tǒng)的控制框圖(使用了傳遞函數(shù))。在圖9中，(A)是表示真空容器的部分。另外，雖然在上述實施方式中未進行說明，但如圖9所示，在設(shè)定壓力和測量壓力的向校正氣體量計算部輸出的途中設(shè)置有設(shè)定壓力 用過濾器和噪聲除去用濾波器。在此，基于圖10就上述壓力控制系統(tǒng)中、尤其是流入氣體量推測部與反饋控制系 統(tǒng)的比例控制器間的壓力響應(yīng)(根據(jù)傳遞函數(shù))進行說明。圖10是表示流入氣體量推測 部32和校正氣體量計算部33的控制框圖。實際的控制系統(tǒng)通過設(shè)定排出氣體量和設(shè)定壓力求出傳導(dǎo)率，然后根據(jù)特性曲線 求出閥開度，并且以成為該閥開度的方式進行操作而排出氣體。在此，用G(表示排出氣體 量的設(shè)定值和實際流量之間的關(guān)系的非線形函數(shù))表示該部分的設(shè)定排出氣體量和排出 氣體量的之間傳遞函數(shù)。另外，將表示事先測量的閥開度與傳導(dǎo)率之間的關(guān)系的特性曲線 例如作為表進行存儲，通過現(xiàn)在的閥開度推測現(xiàn)在的傳導(dǎo)率，將其與壓力相乘，從而推測并 使用排出氣體量。另外，用H表示實際排出氣體量與推測排出氣體量之間的傳遞函數(shù)。以下的公式(1)表示從比例控制器的輸出u到壓力P的開循環(huán)的傳遞函數(shù)。[數(shù)學(xué)式1]<formula>formula see original document page 12</formula>
在數(shù)學(xué)式(1)中，若G = H= l、p/ (Kobs) ￥0 (即，若增大K。bs的值)，則成為
以下的數(shù)學(xué)式(2)。[數(shù)學(xué)式2]<formula>formula see original document page 12</formula>在數(shù)學(xué)式(2)中，T= β n/ (Kobs)。由此可知，相對于設(shè)定排出氣體量和實際排出氣體量的壓力變化可忽略實際的壓 力時間常數(shù)β的影響，由額定值βη決定。換言之，表示是否連接有虛擬真空容器之類的 舉動。在上述數(shù)學(xué)式(2)中包含的傳遞函數(shù)(Ι/α+Ts))的截止頻率以下的區(qū)域中，設(shè)定 壓力(Pref)和氣體流量(Fin)與壓力P之間的傳遞函數(shù)如以下的數(shù)學(xué)式(3)所示。[數(shù)學(xué)式3]
<formula>formula see original document page 12</formula>基于上述數(shù)學(xué)式(3)，如果求時間響應(yīng)(根據(jù)拉普拉斯逆變換)則形成如下。a ；使設(shè)定壓力值階梯式變化后(Pref = 1/s, Fin = 0)[數(shù)學(xué)式4]
<formula>formula see original document page 13</formula>
根據(jù)數(shù)學(xué)式(4)可明確，本發(fā)明的控制方式相對于設(shè)定壓力值的階梯式變化，穩(wěn) 態(tài)偏差(t—⑴)為零，且不產(chǎn)生過沖。另外，如果將β n調(diào)整為與實際真空容器的壓力增 益大致相等，則通過更改KP，就可調(diào)整該壓力響應(yīng)特性。b ；使氣體流量值階梯式變化后(Fin = 1/s, Pref = 0)將Fin = 1/s、Pref = 0代入上述數(shù)學(xué)式(3)整理后，得到以下數(shù)學(xué)式(5)。[數(shù)學(xué)式5]<formula>formula see original document page 13</formula>
在數(shù)學(xué)式(5)中，如果忽略高次(二次)項，則得到以下的數(shù)學(xué)式(6)。[數(shù)學(xué)式6]<formula>formula see original document page 13</formula>如果將數(shù)學(xué)式(6)轉(zhuǎn)換為時間函數(shù)，則得到以下的數(shù)學(xué)式(7)。[數(shù)學(xué)式7]<formula>formula see original document page 13</formula>根據(jù)數(shù)學(xué)式(7)可明確，本發(fā)明的控制方式相對于氣體流量值的階梯式變化，穩(wěn) 態(tài)偏差(t—⑴)為零。另外，如果將β n調(diào)整為與實際真空容器的壓力增益大致相等，則 Kp由調(diào)整壓力響應(yīng)特性的調(diào)整來決定，因此通過更改K。bs就可調(diào)整干擾抑制特性。在該壓力控制系統(tǒng)中，也包括真空室內(nèi)的等離子體進行的氣體反應(yīng)部分，對于流 入真空室的氣體量的變化，由流入氣體量推測部作為推測流入氣體量捕捉其變化，并且指 令排出流入的氣體流量，據(jù)此，可抑制相對于氣體流量變化的壓力變化(干擾抑制性)。另 一方面，對于壓力設(shè)定值的更改，通過壓力設(shè)定值與壓力值的偏差的比例控制，發(fā)出對于推 測流入氣體量的校正氣體量的指令，據(jù)此使壓力追蹤壓力設(shè)定值。即，可單獨調(diào)整相對于壓 力設(shè)定值的壓力響應(yīng)特性和相對于氣體流量變化的抑制特性即干擾抑制特性。簡單地說，雖然只利用PI控制(或者PID控制)不能同時優(yōu)化相對于壓力設(shè)定值 的壓力追蹤特性和相對于氣體流量變化的抑制特性是眾所周知的，但可以解決該問題。在上述實施方式中，就計算循環(huán)的步驟進行了說明，即，用氣體減法器求出氣體流 量差后，在壓力計算部中在通過上次的計算循環(huán)求出的計算壓力上加上與氣體流量差對應(yīng) 的壓力，從而求出虛擬真空容器內(nèi)的計算壓力，然后用壓力減法器從計算壓力減去實際真 空容器中的測量壓力而求出壓力差后，利用放大器根據(jù)壓力差求出推測流入氣體量(即， 將“用氣體減法器求出氣體流量差”作為計算循環(huán)的開始)。但實際上是從“用壓力減法器 從計算壓力減去實際真空容器中的測量壓力而求出壓力差”開始。以下是逐條表示上述兩個步驟。
(1)實施方式中說明的步驟第一次虛擬真空容器內(nèi)的壓力初始值一P0實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pkla.氣體量減法器一初次無運算b.壓力計算部一PJG1X (1/β n) X At = P1G1 氣體流量差(G1 = 0 無基于氣體流量差的壓力的相加)At:控制周期c.壓力減法器一P1-Pkl = AP1d.放大器一AP1乘以增益、求出推測流入氣體流量Fp第二次進入第二次計算循環(huán)時的虛擬真空容器內(nèi)的壓力值是Pp實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pk2a.氣體量減法器一推測流入氣體流量F1-推測排出氣體流量H2 = G2b.壓力計算部一P^G2X (1/β n) X At = P2c.壓力減法器一P2-Pk2 = Δ P2d.放大器一Δ P2乘以增益、求出推測流入氣體流量F2。第三次(第四次以后也一樣)進入第三次計算循環(huán)時的虛擬真空容器內(nèi)的壓力值是P2。實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pk3a.氣體量減法器一推測流入氣體流量F2-推測排出氣體流量H3 = G3b.壓力計算部一P2+G3X (1/βη) X At = P3c.壓力減法器一P3-Pk3 = AP3d.放大器一Δ P3乘以增益、求出推測流入氣體流量F3。(2)實際的步驟第一次虛擬真空容器內(nèi)的壓力初始值一P1實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pkla.壓力減法器一P1-Pkl = AP1b.放大器一AP1乘以增益、求出推測流入氣體流量F1c.氣體量減法器一推測流入氣體流量F1-推測排出氣體流量H1 = G1d.壓力計算部一P^G1X (1/β n) X At = P2將該Ρ2存儲在存儲器中，用于第二次計算。第二次進入第二次計算循環(huán)時的虛擬真空容器內(nèi)的壓力值是Ρ2。實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pk2a.壓力減法器一P2-Pk2 = Δ P2b.放大器一Δ P2乘以增益、求出推測流入氣體流量F2。c.氣體量減法器一推測流入氣體流量F2-推測排出氣體流量H2 =G2
d.壓力計算部一P2+G2X (1/βη) X At = P3
第三次(第四次以后也一樣)進入第三次計算循環(huán)時的虛擬真空容器內(nèi)的壓力值是P3。實際真空容器內(nèi)的測量壓力值一Pk3a.壓力減法器一P3-Pk3 = AP3b.放大器一Δ P3乘以增益、求出推測流入氣體流量F3。c.氣體量減法器一推測流入氣體流量F3-推測排出氣體流量H3 = G3d.壓力計算部一P3+G3X (1/βη) X At = P4S卩，為了更容易理解地說明本發(fā)明，按照(1)的步驟進行了說明，但實際上如(2) 中所說明的，從壓力減法的步驟開始。權(quán)利要求的范圍也是按照(1)的步驟進行記載，但由于進行計算循環(huán)，當(dāng)然也包 括⑵的步驟。
權(quán)利要求
一種真空容器的壓力控制方法，用于控制真空處理裝置的上述真空容器的壓力，上述真空處理裝置包括連接氣體的供給管路和排出管路的真空容器、設(shè)置在上述排出管路并能開關(guān)該排出管路的真空閥、測量上述真空容器內(nèi)的壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開度的開度檢測器，上述壓力控制方法的特征在于，具有以下步驟第一步驟，根據(jù)由上述開度檢測器檢測的真空閥的閥開度求出推測排出氣體量，基于考慮到該推測排出氣體量的氣體量，計算求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力；第二步驟，基于在上述第一步驟中求出的計算壓力與由上述壓力計測量的實際的真空容器的測量壓力間的壓力差，求出推測流入氣體量；和第三步驟，在上述第二步驟中求出的推測流入氣體量上，加上基于作為目標(biāo)的設(shè)定壓力與測量壓力間的壓力偏差而得到的校正氣體量，求出設(shè)定排出氣體量，并且，在每個規(guī)定周期反復(fù)執(zhí)行上述各步驟，控制上述真空閥的閥開度，以成為上述第三步驟中求出的設(shè)定排出氣體量，且在上述第一步驟中，關(guān)于在求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用的氣體量，使用通過從第二步驟求出的推測流入氣體量減去推測排出氣體量而得到的氣體流量差。
2.一種真空容器的壓力控制裝置，用于控制真空處理裝置的上述真空容器的壓力，上 述真空處理裝置包括連接氣體的供給管路和排出管路的真空容器、設(shè)置在上述排出管路并 能開關(guān)該排出管路的真空閥、測量上述真空容器內(nèi)的壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開 度的開度檢測器，上述壓力控制裝置的特征在于，具有壓力設(shè)定部、流入氣體量推測部、氣體量校正部、加法部以及閥開度計算部，其中， 壓力設(shè)定部設(shè)定真空容器的作為目標(biāo)的壓力；流入氣體量推測部根據(jù)由上述開度檢測器檢測的閥開度求出推測排出氣體量，基于考 慮到該推測排出氣體量的氣體量而求出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力，并且基于該 虛擬真空容器的計算壓力與自上述壓力計的實際的真空容器中的測量壓力間的壓力差，求 出推測流入氣體量；氣體量校正部具有壓力減法部和比例控制部，壓力減法部輸入自上述壓力設(shè)定部的設(shè) 定壓力和自上述壓力計的測量壓力并求出壓力偏差，比例控制部輸入由該壓力減法部求出 的壓力偏差并乘以規(guī)定增益而求出校正氣體量；加法部將由上述流入氣體量推測部求出的推測流入氣體量與由上述氣體量校正部求 出的校正氣體量相加，而求出設(shè)定排出氣體量；閥開度計算部輸入由該加法部得到的設(shè)定排出氣體量和自上述壓力設(shè)定部的設(shè)定壓 力，而求出閥開度，并且，在上述流入氣體量推測部中，在每個規(guī)定周期執(zhí)行以下運算，即，基于氣體量求 出計算模型上的虛擬真空容器內(nèi)的壓力，并且基于該虛擬真空容器的計算壓力與自上述壓 力計的實際的真空容器中的測量壓力間的壓力差而求出推測流入氣體量，進而，在上述流入氣體量推測部中，作為求出虛擬真空容器中的計算壓力時使用的氣 體量，使用通過從推測流入氣體量減去推測排出氣體量而得到的氣體流量差。
3.如權(quán)利要求2所述的真空容器的壓力控制裝置，其特征在于，流入氣體量推測部還包括傳導(dǎo)率獲取部、乘法部、氣體量減法部、壓力計算部、壓力減法部以及放大部，其中， 傳導(dǎo)率獲取部基于真空閥的閥開度-傳導(dǎo)率的特性曲線，根據(jù)檢測到的閥開度求出真 空閥的傳導(dǎo)率；乘法部通過輸入由該傳導(dǎo)率獲取部得到的傳導(dǎo)率以及自壓力計的測量壓 力，并使該傳導(dǎo)率乘以測量壓力，而求出推測排出氣體量；氣體量減法部從推測流入氣體量 減去由該乘法部求出的推測排出氣體量，而求出氣體流量差；壓力計算部輸入由該氣體量 減法部求出的氣體流量差，并通過計算求出虛擬真空容器內(nèi)的壓力；壓力減法部輸入由該 壓力計算部求出的計算壓力和自壓力計的測量壓力，而求出壓力差；放大部將由該壓力減 法部求出的壓力差乘以規(guī)定增益，而求出推測流入氣體量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種真空處理裝置的真空容器的壓力控制方法，真空處理裝置具有設(shè)置在真空容器的氣體排出管的真空閥、測量真空容器內(nèi)壓力的壓力計以及檢測真空閥的閥開度的開度檢測器，其中，基于根據(jù)真空閥的實際閥開度求出的推測排出氣體量和在上次運算周期求出的推測流入氣體量間的氣體流量差，通過計算求出虛擬真空容器中的壓力，基于該求出的計算壓力與壓力計測量的實際的真空容器的測量壓力之差求出當(dāng)前的推測流入氣體量，在該推測流入氣體量上加上基于作為目標(biāo)的設(shè)定壓力與測量壓力間的壓力偏差得到的校正氣體量，求出設(shè)定排出氣體量，并控制真空閥的閥開度以成為該設(shè)定排出氣體量。
文檔編號G05D16/20GK101836173SQ20088011262
公開日2010年9月15日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者佐伯敏朗, 齋藤英樹 申請人:日立造船株式會社