真空容器のシミュレーション装置
【課題】ガスの種類、流量等で変化する真空容器内の圧力をシミュレーションし得る装置を提供する。
【解決手段】真空バルブにより真空容器内圧力を所定の処理時間間隔で制御する圧力制御装置９を具備する真空処理装置における真空容器のシミュレーション装置で、開度検出器22で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づきバルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部72と、ここで得られたコンダクタンスに、前回処理時の真空容器内圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部73と、ここで得られた排出ガス量に、ガス流量テーブルから処理経過時間に応じて得られた今回処理時における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部75と、ここで得られた圧力変化に前回処理時における真空容器内圧力を加算して今回処理時における真空容器内圧力を求める容器圧力計算部76とを具備したもの。
【解決手段】真空バルブにより真空容器内圧力を所定の処理時間間隔で制御する圧力制御装置９を具備する真空処理装置における真空容器のシミュレーション装置で、開度検出器22で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づきバルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部72と、ここで得られたコンダクタンスに、前回処理時の真空容器内圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部73と、ここで得られた排出ガス量に、ガス流量テーブルから処理経過時間に応じて得られた今回処理時における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部75と、ここで得られた圧力変化に前回処理時における真空容器内圧力を加算して今回処理時における真空容器内圧力を求める容器圧力計算部76とを具備したもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内の圧力をシミュレートするシミュレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハや液晶基板などの製造装置においては、基板の表面に成膜なとが行われるが、その表面処理は真空容器内で行われる。そして、この真空容器には、例えば真空バルブが設けられた排気管の一端部が接続されるとともに、この排気管の他端部には真空ポンプが接続されて、内部の気体（ガス）を排出し得るように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、上記真空バルブとして、ペンドロールバルブと呼ばれる振り子式のゲートバルブが用いられており、この真空バルブは真空容器と真空ポンプとの間に配置されて、真空容器内の圧力が自動的に制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７８３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体の製造装置において、製造プロセスに応じて使用されるガスとしては、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、パーフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ３）、水素（Ｈ２）などであり、多種類のガスが用いられている。また、真空容器に流入するガス流量、真空容器内の圧力も様々であり、さらに太陽電池などの製造装置においては、真空容器が大型化し、最大で６００Ｌ（リットル）以上のものも出始めている。
【０００６】
このような製造装置での排気特性は、用いられるガス種、ガス流量、真空容器内の圧力、ガス温度で大きく異なり、真空容器の容積も大型化することにより圧力の応答速度も異なる。
【０００７】
また、用いられるガスとしては扱いに注意を要する気体が多く、実際に設置される環境下での圧力制御装置の評価／検証を行うのが難しいという問題がある。
そこで、本発明は、ガス種、ガス流量、ガス温度などで変化する真空容器内の圧力の動特性をシミュレーションする真空容器のシミュレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る真空容器のシミュレーション装置は、気体の供給管路および排出管路が接続された真空容器と、上記排出管路に設けられて当該排出管路を開閉し得る真空バルブと、上記真空容器内の圧力を計測する圧力計と、真空バルブのバルブ開度を検出する開度検出器と、上記圧力計および開度検出器からの検出値を入力して真空バルブの開度を所定の処理時間間隔でもって制御して真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置とを具備する真空処理装置における上記真空容器のシミュレーション装置であって、
上記開度検出器で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部と、
このコンダクタンス取得部で得られたコンダクタンスに、前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部と、
この排出ガス量計算部で得られた排出ガス量に、処理経過時間に応じた流入ガス量を設定するガス流量テーブルにより得られた今回の処理時ｔ（ｎ）における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部と、
この圧力変化計算部で得られた圧力変化と前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力とを加算して今回の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部とを具備したものである。
【０００９】
また、請求項２に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置におけるコンダクタンス取得部に、気体の種類に応じたバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線を備えたものである。
【００１０】
また、請求項３に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置におけるコンダクタンス取得部に、コンダクタンスが既知である気体に基づき、当該既知の気体とは異なる種類の気体のコンダクタンスを推定し得る下記（Ａ）式を備えたものである。
【００１１】
【数１】
上記式中、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの気体で且つ温度Ｔにおけるコンダクタンスを表わし、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの気体で且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを表わす。
【００１２】
さらに、請求項４に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置における圧力変化計算部に、圧力変化を計算するための下記（Ｂ）式を備えたものである。
【００１３】
【数２】
上記式中、Ｔは温度、ＴＳＴＤは標準状態での温度、Ｐは圧力、ＰＳＴＤは標準状態での圧力、Ｆｓ１は流入ガス量、Ｆｓ２は排出ガス量を表わす。
【発明の効果】
【００１４】
上記請求項１に係るシミュレーション装置によると、真空処理装置における実際の真空容器の代わりとして用いることにより、ガス種、ガス流量、真空容器内圧力、ガス温度などで変化する真空容器内の圧力の動特性（動的挙動）の評価（検証）を、延いては、真空処理装置の評価（検証）を、容易に且つ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る真空処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】同真空処理装置の真空容器に設けられる真空バルブの要部平面図である。
【図３】同真空バルブにおけるバルブ開度と圧力との関係を示すグラフである。
【図４】同真空バルブにおけるバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すグラフである。
【図５】同真空容器の圧力制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】同圧力制御装置における流入ガス量推定部の概略構成を示すブロック図である。
【図７】同圧力制御装置における補正ガス量計算部の概略構成を示すブロック図である。
【図８】同圧力制御装置におけるバルブ開度計算部の概略構成を示すブロック図である。
【図９】同圧力制御装置の概略構成を示す制御ブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るシミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係る真空容器のシミュレーション装置を具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例に係る真空容器は、例えば半導体製造装置としての真空処理装置に設けられて半導体素子などを製造する際に用いられるもので、具体的には、所定の真空度下でプラズマなどを発生させた状態で反応ガス（気体の一例で、以下、ガスという）を供給して、被処理物である半導体ウエハに所定の表面処理を施すために用いられるものであり、本発明に係るシミュレーション装置は、上記真空容器内の圧力をシミュレート（模擬）するためのものである。
【００１７】
まず、シミュレーション装置を用いない場合、つまり、実際の真空容器における圧力制御の基本的な考え方について説明しておく。
真空容器内の圧力は流入するガス量（以下、流入ガス量といい、供給ガス量でもある）と流出するガス量（流出ガス量といえるが、以下、排出ガス量という）との差に依存しており、したがって圧力を一定値（所定値でもある）に維持するためには、排出ガス量が流入ガス量に等しくなるように制御すればよいことになる。
【００１８】
すなわち、流入ガス量を計測し、この計測された流入ガス量に等しい量だけ、ガスを排出すればよいのであるが、真空容器内において、例えばプラズマ中に流入したガスが反応を起こすと、新たにガスが生成するため、計測値を用いた場合、大きい誤差が生じることになる。このため、計測値を用いずに、真空バルブのバルブ開度（後述する）から推定される排出ガス量に基づく（言い換えれば、排出ガス量を考慮した）ガス量を用いて計算モデル上での真空容器（以下、仮想真空容器という）内の圧力を計算にて求めるとともにこの計算による圧力（以下、計算圧力ともいう）と実際の真空容器（以下、実真空容器ともいう）での計測圧力との差に応じて求められる推定値としての流入ガス量を用いるようにしたものである。
【００１９】
ここで、真空容器を実際の容器とした場合の真空処理装置の概略全体構成を、図１および図２に基づき説明する。
この真空処理装置は、内部に例えば半導体ウエハなどが供給されて所定の処理（例えば、エッチングなど）を行い得るとともに反応ガスの供給口２およびガスの排出口３を有する真空容器１と、上記供給口２に接続されて反応ガスを供給するためのガス供給管（気体の供給管路の一例）１１と、上記排出口３に接続されるとともに円形の開口部５ａを有する（言い換えれば、弁座を有する）バルブ本体５およびこの開口部５ａを開閉し得る弁体６並びにこの弁体６を開閉させる駆動用モータ（駆動部の一例で、具体的には、ステッピングモータが用いられる）７からなる真空バルブ４と、一端部が上記真空バルブ４の吐出口に接続されるとともに他端部が真空ポンプ８に接続されたガス排出管（気体の排出管路の一例）１２と、上記真空容器１内の圧力を制御するための圧力制御装置９とから構成されている。なお、真空バルブ４を排出口３に直接設けるように説明したが、勿論、ガス排出管１２の途中に設けることもできる。
【００２０】
この圧力制御装置９は、真空容器１内の真空度すなわち圧力を計測する圧力計（必要に応じて複数個設けられるが、ここでは１個として説明する）２１と、真空バルブ４の弁体６の開度（以下、バルブ開度ともいう）を検出する開度検出器（具体的には、駆動用モータの回転量を検出するエンコーダが用いられる）２２と、上記圧力計２１にて計測された計測圧力および開度検出器２２にて検出されたバルブ開度（以下、実バルブ開度という）を入力して、真空容器１内の圧力を目標値（以下、設定圧力という）となるように真空バルブ４の駆動用モータ７を制御する制御装置本体２３とから構成されている。
【００２１】
ここで、上記真空バルブ４の弁体６の動作について説明しておく。
この真空バルブ４としては、圧力制御と真空封止の両機能を有するものが用いられる（但し、圧力制御と真空封止との両機能を有するものに限定されない）。すなわち、この真空バルブ４の弁体６が円形状の開口部５ａをスライドすることにより当該開口部５ａにおけるガスの通過流量を制御し得るものである。そして、弁体６がその開口部５ａを閉鎖した後（ここでは、一応、密閉状態ではないが、開口部全体を弁体で覆った状態という意味である）、さらに開口部５ａ周囲（所謂、弁座側である）に、つまり垂直方向に移動することにより、完全に締め切る（密閉状態）ものである。この真空バルブ４におけるバルブ開度と当該真空バルブ４により制御される被制御空間側の圧力との一般的な関係をグラフに示すと図３のようになる。
【００２２】
このグラフから、弁体６が閉動位置（ここでは、２０％）に移動した後、垂直に移動（所謂、昇降動作である）することにより、完全な密閉状態になることが分かる。すなわち、閉動位置に移動した場合には、圧力は或る程度上昇するが、その後の昇降動作により圧力は急激に上昇する（勿論、真空容器の圧力制御に適用した場合には、圧力が急激に低下することになる）。つまり、この真空バルブ４におけるバルブ開度と圧力との関係は非線形となる。
【００２３】
ところで、推定流入ガス量を求める際に仮想真空容器における計算圧力を用いるようにしており、この計算圧力を求めるのに、上述したように、推定排出ガス量に基づくガス量が用いられる。正確に言うと、ガス量として、バルブ開度から求められる推定値である推定排出ガス量と、仮想真空容器における計算圧力および実真空容器における計測圧力の圧力差に基づき求められる推定流入ガス量との差であるガス流量差が用いられる。また、推定排出ガス量を求める際に、真空バルブの特性曲線（以下、バルブ特性曲線という）が用いられる。なお、このバルブ特性曲線はバルブ開度と圧力との非線形な関係を補償するために用いられる。
【００２４】
このバルブ特性曲線は、図４に示すように、バルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すもので、具体的には、数値テーブルとして記憶部などに保持されており、例えばバルブ開度からコンダクタンスを求め得るコンダクタンス取得部（後述する）が具備されている。なお、このコンダクタンスは、ガスの流れ易さを示すもので、ガス流量を圧力で除算した値（ガス流量／圧力）である。
【００２５】
次に、圧力制御装置９の構成を図５に基づき説明する。
この圧力制御装置９は、大きく分けて、真空容器１の目標となる設定圧力（目標圧力ともいえる）を設定する圧力設定部３１、上記開度検出器２２にて検出された実バルブ開度および圧力計２１により計測された計測圧力から求められる推定排出ガス量と、後述する推定流入ガス量との差であるガス流量差に基づき仮想真空容器内の圧力を計算にて求めるとともに、この計算にて求められた計算圧力と計測圧力との差である圧力差に基づき推定流入ガス量を求める流入ガス量推定部３２、上記圧力設定部３１からの設定圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力して圧力偏差を求めるとともに当該圧力偏差に基づき補正ガス量を計算する補正ガス量計算部３３、上記流入ガス量推定部３２にて求められた推定流入ガス量に上記補正ガス量計算部３３にて求められた補正ガス量を加算して修正ガス量を得るとともに当該修正ガス量を設定排出ガス量として出力する加算器３４、およびこの加算器３４から出力された設定排出ガス量および圧力設定部３１からの設定圧力に基づき真空バルブ４での目標とするバルブ開度（以下、設定バルブ開度という）を計算するバルブ開度計算部３５から構成されている。
【００２６】
上記流入ガス量推定部３２には、図６に示すように、実バルブ開度から真空バルブ４のバルブ特性曲線に基づき当該真空バルブ４のコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部４１と、このコンダクタンス取得部４１にて得られたコンダクタンスおよび圧力計２１からの計測圧力を入力して当該コンダクタンスに計測圧力を乗算することにより排出されるガス流量の推定値を求める乗算器４２と、この乗算器４２にて求められた推定排出ガス量と推定流入ガス量（詳細については、後述する）との差であるガス流量差を入力して仮想真空容器内の圧力を計算により求める圧力計算部［具体的には積分器が用いられ；計算モデル上での伝達関数は１／（βｎｓ）で、βｎは容器の圧力ゲイン（公称値）である］４３と、この圧力計算部４３にて求められた計算圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力してその差である圧力差を求める圧力減算器４４と、この圧力減算器４４で求められた圧力差に所定ゲイン（Ｋｏｂｓ）を乗算して推定流入ガス量を求める増幅器４５とが具備されるとともに、さらに上記乗算器４２と圧力計算部４３との間に配置されて上記増幅器４５にて求められた推定流入ガス量から上記推定排出ガス量を減算してなるガス流量差を求めるガス量減算器４６とが具備されている。
【００２７】
この流入ガス量推定部３２での機能を説明すると、実バルブ開度により推定された推定排出ガス量を当該流入ガス量推定部３２で得られた推定流入ガス量から減算してなるガス流量差を積分して求められた計算モデル上での仮想真空容器における計算圧力（ガス流量差を蓄積することにより容器内圧力が求められる）と実際の計測圧力との圧力差に応じて推定流入ガス量を求めるものである。言い換えれば、計測圧力に対して計算圧力がずれている場合には、その圧力差に応じて補正が行われるもので、つまり計算圧力が計測圧力に近付くようにガス流量差が求められる［計算圧力が計測圧力に追従するように計算ループ（ガス量減算器４６、圧力計算部４３、圧力減算器４４および増幅器４５より構成される演算処理ループ）が組まれている］。したがって、或る計算ループ（或る周期）にて求められた推定流入ガス量は、次の計算ループ（次の周期）に用いられるガス流量差を求める際に用いられる。なお、上記計算ループ（実バルブ開度の取得も含む）は所定周期（演算周期または制御周期で、例えば、１０msec）でもって繰り返し行われる。
【００２８】
上記補正ガス量計算部３３は、図７に示すように、圧力設定部３１からの設定圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力して圧力偏差を求める減算器（減算部）５１と、この減算器５１にて求められた圧力偏差を入力してその圧力偏差に比例したガス量を求めるとともに当該ガス量を補正ガス量として出力する比例制御器（比例制御部；比例ゲインＫｐを乗算する）５２とから構成されている。
【００２９】
また、上記バルブ開度計算部３５は、図８に示すように、加算器３４から出力された設定排出ガス量および圧力設定部２１からの設定圧力を入力してコンダクタンスを求めるコンダクタンス計算部６１と、このコンダクタンス計算部６１にて求められたコンダクタンスを入力してバルブ特性曲線（コンダクタンス取得部４１でのバルブ特性曲線とは反対の曲線となる）からバルブ開度を取得するバルブ開度取得部６２とから構成されている。
【００３０】
ところで、上記流入ガス量推定部３２にて得られる仮想真空容器の計算圧力については、推定流入ガス量から減算してなるガス流量差を積分して求めるものとして説明したが、より具体的に説明すると、今回の計算ループで求める計算圧力は、前回の計算ループにて求められた計算圧力に、今回求められるガス流量差を圧力として加算することにより求められるものである。なお、計算ループの開始に際しては、前回の計算ループは存在しないので、その開始時に計測された実真空容器内の圧力値が初期値として用いられる。
【００３１】
次に、上述した真空容器での圧力制御方法について説明する。
真空容器１内の圧力状態が或る値で安定しており、圧力設定部３１にて新たな設定圧力が設定されたものとする。
【００３２】
この状態にて、開度検出器２２から実バルブ開度が流入ガス量推定部３２に入力されると、コンダクタンス取得部４１にてコンダクタンスが得られるとともに乗算器４２にてそのコンダクタンスに計測圧力が乗算されて推定排出ガス量が求められる。そして、ガス量減算器４６にて、今回求められた推定排出ガス量が前回の演算周期にて求められた推定流入ガス量から減算されてガス流量差が求められ、このガス流量差が圧力計算部４３に入力されて計算モデルにおける仮想真空容器内の圧力すなわち計算圧力が求められる。
【００３３】
次に、この計算圧力と圧力計２１からの計測圧力との差である圧力差が求められ、増幅器４５にて所定ゲインが乗算されて新しく推定流入ガス量が求められる。この新しい推定流入ガス量が、次の計算ループつまり次回の演算周期におけるガス流量差を求めるのに用いられて、計算圧力が計測圧力に近付くように制御される。
【００３４】
一方、圧力設定部３１にて設定されている設定圧力が補正ガス量計算部３３に入力され、減算器５１において、その設定圧力と圧力計２１からの計測圧力との差である圧力偏差が求められるとともに、この圧力偏差が比例制御器５２に入力されて圧力偏差に比例ゲインが乗算されて補正ガス量が求められる。
【００３５】
そして、この補正ガス量と流入ガス量推定部３２にて新しく求められた推定流入ガス量とが加算器３４に入力されて、設定排出ガス量が求められる。
次に、この設定排出ガス量と圧力設定部３１からの設定圧力とが、バルブ開度計算部３５に入力されて、当該設定排出ガス量となるような設定バルブ開度が求められる。具体的には、設定排出ガス量と設定圧力とがコンダクタンス計算部６１に入力されてコンダクタンスが求められ、このコンダクタンスがバルブ開度取得部６２に入力されて、バルブ特性曲線からバルブ開度が求められる。このバルブ開度指令が駆動用モータ７に出力されて、所定のバルブ開度となるように弁体６が駆動される。
【００３６】
そして、上述した動作が繰り返し行われ、計算圧力が計測圧力と等しくなるか、または計算圧力が或る偏差でもって計測圧力に追従している場合には、流入ガス量推定部３２で求められた推定流入ガス量が実際の流入ガス量に等しいものであるとみなすことができる。
【００３７】
このようにして、真空容器内の圧力が一定、すなわち設定圧力となるように、制御される。
なお、上述した圧力制御系の制御ブロック図（伝達関数を用いたもの）を図９に示しておく。
【００３８】
図９中、（イ）は真空容器を表す部分である。なお、上記実施の形態においては説明しなかったが、図９に示すように、設定圧力および計測圧力の補正ガス量計算部への出力途中には、設定圧力用フィルタおよびノイズ除去用フィルタが設けられている。
【００３９】
次に、上記真空容器１の圧力制御装置９の構成を踏まえて、本発明に係るシミュレーション装置、すなわち真空容器の圧力をシミュレートするシミュレーション装置について説明する。
【００４０】
上述の説明においては、真空容器１を実際の容器として説明したが、本シミュレーション装置はこの真空容器１を数学的モデルで表わしたものであり、以下、この数学的モデルについて説明する。なお、真空容器の内部状態を表わす際に、当然ながら、上述したバルブ特性曲線が用いられるとともに、その内部状態である圧力については、圧力計ではなく、計算により求められる。また、シミュレーションは、所定の処理時間間隔（ステップ間隔でもあり、例えば制御周期と同じ１０msecである）でもって連続的に行われる。
【００４１】
図１０に示すように、このシミュレーション装置７１には、開度検出器２２で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブ４のコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部７２（コンダクタンス取得部４１と同じ構成を有するものであり、したがってこのコンダクタンス取得部４１を用いてもよい）と、このコンダクタンス取得部７２で得られたコンダクタンスに前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力を乗算して排気ガス量を求める排気ガス量計算部７３と、各処理時、つまり処理経過時間に対応して流入ガス量を設定するためのガス流量テーブル（時間−ガス流量テーブルともいう）を有するガス流量設定部７４と、上記排気ガス量計算部７３にて得られた排気ガス量およびガス流量テーブルから得られた現在（今回）の処理時ｔ（ｎ）における流入ガス量を入力して時間当たりの真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部７５と、この圧力変化計算部７５で得られた圧力変化と前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力とを加算して現在の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部７６とが具備されている。
【００４２】
勿論、容器圧力計算部７６で得られた現在の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力は、シミュレートされた計算圧力として圧力制御装置９に入力される。
上記コンダクタンス取得部７２には、上記コンダクタンス取得部４１の箇所で説明したように、バルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線が具備されており、数値テーブルとして保持されている。このバルブ特性曲線は、実際に使用するガスを流してコンダクタンスを計測することにより得られたもので、例えばバルブのサイズ、流すガス種などに応じてバルブ特性曲線が用意されている。
【００４３】
ところで、上記バルブ特性曲線として実際に計測した計測値を用いるように説明したが、或る種類のガスについて且つ或る温度で計測された既知のバルブ特性曲線を用いて、異なる種類で且つ所定温度でのガスについてのコンダクタンスを下記（１）式に基づき求めるようにしてもよい。
【００４４】
【数３】
ここで、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの或るガスについて温度Ｔにおけるコンダクタンスを示し、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの或るガスについて且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを示す。
【００４５】
上記ガス流量設定部７４においては、上述したように、流入ガス量を設定するためのガス流量テーブルが具備されており、例えば１０秒間隔で、流入ガス量が段階的に設定されている。例えば、０〜１０秒未満では、１００sccm、１０〜２０秒未満では、２００sccm、２０〜３０秒未満では、３００sccmに設定されている。したがって、処理経過時間に応じて流入ガス量が決定される。
【００４６】
また、上記圧力変化計算部７５においては、下記（２）式に基づき、圧力変化が求められる。
【００４７】
【数４】
この圧力変化計算部７５では、処理時間間隔当たりの真空容器内の圧力変化をリアルタイムで計算している。
【００４８】
ここで、上記（２）式の導き方について説明する。
真空容器入口のガス流量をＧ１（Kg/s）、排気系のガス流量をＧ２（Kg/s）とすると、真空容器内に滞留するガス流量ｍ（Kg）は下記（３）式にて表わされる。
【００４９】
【数５】
真空容器内の圧力をＰ（Pa）、真空容器内のガス温度をＴ（K）、真空容器の容積をＶ（m3）、真空容器内に滞留するガスの分子量をｍ（Kg）とすると、下記（４）式に示す理想気体の状態方程式が成立する。
【００５０】
【数６】
温度を一定として、（４）式の両辺を時間で微分して整理すると、下記（５）式が得られる。
【００５１】
【数７】
ここで、真空容器内での化学反応を無視し、真空容器入口のガス流量をＦｓ１（sccm）、排気系のガス流量をＦｓ２（sccm）とすると、標準状態（０℃、１気圧で、記号ＰＳＴＤ，ＴＳＴＤで表わす）でのガス密度ρ（Kg/m3）は、下記（６）式で表わされる。
【００５２】
【数８】
したがって、Ｇ１（Kg/s）およびＧ２（Kg/s）は下記（７）式にて表わされる。
【００５３】
【数９】
上記（７）式を（５）式に代入して整理すると、下記（８）式が得られる。すなわち、圧力変化を示す（２）式が得られる。
【００５４】
【数１０】
ここで、圧力変化計算部７５での計算について説明しておく。
【００５５】
１回目；
ａ１．時間ｔ＝ｔ（０）
時間ｔ＝ｔ（０）における初期値としての圧力Ｐ（０）＝Ｐ０を設定する。
【００５６】
ｂ１．ｔ＝ｔ（０）における流入ガス量（Ｆｓ１）をガス流量テーブルから取得するとともにｔ＝ｔ（０）における排出ガス量（Ｆｓ２）を計算する。
ｃ１．ｂ１で得られたＦｓ１およびＦｓ２を用いてｔ＝ｔ（０）における時間当たりの圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算する。
【００５７】
２回目；
ａ２．時間ｔ＝ｔ（１）における圧力Ｐ（１）を計算する。
ｂ２．ｔ＝ｔ（１）における流入ガス量（Ｆｓ１）をガス流量テーブルから取得するとともにｔ＝ｔ（０）における排出ガス量（Ｆｓ２）を計算する。
【００５８】
ｃ２．ｂ２で得られたＦｓ１およびＦｓ２を用いてｔ＝ｔ（１）における時間当たりの圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算する。
上述した手順にて圧力変化が順次計算されることになる。
【００５９】
次に、容器圧力計算部７６において、真空容器内の圧力を求める計算について説明する。
１回目；
時間ｔ＝ｔ（０）
圧力Ｐ（０）＝Ｐ０（初期値）
２回目；
時間ｔ＝ｔ（１）
圧力Ｐ（１）＝Ｐ０−［ｔ＝ｔ（０）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（１）−ｔ（０）｝］
３回目；
時間ｔ＝ｔ（２）
圧力Ｐ（２）＝Ｐ１＋［ｔ＝ｔ（１）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（２）−ｔ（１）｝］
４回目；
時間ｔ＝ｔ（３）
圧力Ｐ（３）＝Ｐ２＋［ｔ＝ｔ（２）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（３）−ｔ（２）｝］
ｎ回目；
時間ｔ＝ｔ（ｎ）
圧力Ｐ（ｎ）＝Ｐ（ｎ−１）＋［ｔ＝ｔ（ｎ−１）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）｝］
なお、｛ｔ（１）−ｔ（０）｝＝｛ｔ（２）−ｔ（１）｝＝｛ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）｝＝Δｔ（例えば、１０msecとしている）
ここで、真空容器における圧力シミュレーションについて具体的に説明する。
【００６０】
まず、真空バルブ４の開度検出器２２にて検出された検出開度値がコンダクタンス取得部７２に入力されてコンダクタンスが取得される。このコンダクタンスは、排ガス量計算部７３に入力されて前回の処理時ｔ（ｎ−１）に求められた圧力にコンダクタンスを掛けることにより排出ガス量（Ｆｓ２）が求められる。
【００６１】
次に、流入ガス量設定部７４においては、ガス流量テーブルに基づき処理時間に応じた流入ガス量Ｆｓ１が求められ、この流入ガス量Ｆｓ１および排出ガス量計算部７３で求められた排出ガス量（Ｆｓ２）が圧力変化計算部７５に入力されて（１０）式に基づき真空容器内における圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）が求められる。
【００６２】
次に、この圧力変化計算部７５で求められた圧力変化が容器圧力計算部７６に入力されて、前回の処理時における圧力に加算されて、現在（今回）の真空容器内の圧力が求められる。
【００６３】
そして、容器圧力計算部７６で求められた圧力が圧力制御装置９に入力されて、真空バルブ４の開度が制御されることになる。
上述したシミュレーション装置７１によると、真空容器すなわち真空処理装置の評価を簡単且つ迅速に行うことができる。
【００６４】
具体的に言うと、例えば半導体プロセスで使われるガスは多種（数十種類）に及び、このような環境下において、圧力制御装置の評価（検証）を行う場合、ガス流入系統（各ガスボンベ、マスフローコントローラ、配管など）を設置する必要があるが、プロセスガスの取り扱いや流入系統の製造コストを考えると、実際に設置することは困難である。したがって、このような場合に、上述したシミュレーション装置を用いることにより、種々のガス種および異なる条件に応じて、容易に且つ迅速に、真空処理装置の評価、特に圧力制御装置の評価を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 真空容器
４ 真空バルブ
７ 駆動用モータ
８ 真空ポンプ
９ 圧力制御装置
１１ ガス供給管
１２ ガス排出管
２１ 圧力計
２２ 開度検出器
４１ コンダクタンス取得部
７１ シミュレーション装置
７２ コンダクタンス取得部
７３ 排気ガス量計算部
７４ ガス流量設定部
７５ 圧力変化計算部
７６ 容器圧力計算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内の圧力をシミュレートするシミュレーション装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウエハや液晶基板などの製造装置においては、基板の表面に成膜なとが行われるが、その表面処理は真空容器内で行われる。そして、この真空容器には、例えば真空バルブが設けられた排気管の一端部が接続されるとともに、この排気管の他端部には真空ポンプが接続されて、内部の気体（ガス）を排出し得るように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、上記真空バルブとして、ペンドロールバルブと呼ばれる振り子式のゲートバルブが用いられており、この真空バルブは真空容器と真空ポンプとの間に配置されて、真空容器内の圧力が自動的に制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７８３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体の製造装置において、製造プロセスに応じて使用されるガスとしては、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、パーフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ３）、水素（Ｈ２）などであり、多種類のガスが用いられている。また、真空容器に流入するガス流量、真空容器内の圧力も様々であり、さらに太陽電池などの製造装置においては、真空容器が大型化し、最大で６００Ｌ（リットル）以上のものも出始めている。
【０００６】
このような製造装置での排気特性は、用いられるガス種、ガス流量、真空容器内の圧力、ガス温度で大きく異なり、真空容器の容積も大型化することにより圧力の応答速度も異なる。
【０００７】
また、用いられるガスとしては扱いに注意を要する気体が多く、実際に設置される環境下での圧力制御装置の評価／検証を行うのが難しいという問題がある。
そこで、本発明は、ガス種、ガス流量、ガス温度などで変化する真空容器内の圧力の動特性をシミュレーションする真空容器のシミュレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る真空容器のシミュレーション装置は、気体の供給管路および排出管路が接続された真空容器と、上記排出管路に設けられて当該排出管路を開閉し得る真空バルブと、上記真空容器内の圧力を計測する圧力計と、真空バルブのバルブ開度を検出する開度検出器と、上記圧力計および開度検出器からの検出値を入力して真空バルブの開度を所定の処理時間間隔でもって制御して真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置とを具備する真空処理装置における上記真空容器のシミュレーション装置であって、
上記開度検出器で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部と、
このコンダクタンス取得部で得られたコンダクタンスに、前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部と、
この排出ガス量計算部で得られた排出ガス量に、処理経過時間に応じた流入ガス量を設定するガス流量テーブルにより得られた今回の処理時ｔ（ｎ）における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部と、
この圧力変化計算部で得られた圧力変化と前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力とを加算して今回の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部とを具備したものである。
【０００９】
また、請求項２に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置におけるコンダクタンス取得部に、気体の種類に応じたバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線を備えたものである。
【００１０】
また、請求項３に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置におけるコンダクタンス取得部に、コンダクタンスが既知である気体に基づき、当該既知の気体とは異なる種類の気体のコンダクタンスを推定し得る下記（Ａ）式を備えたものである。
【００１１】
【数１】
上記式中、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの気体で且つ温度Ｔにおけるコンダクタンスを表わし、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの気体で且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを表わす。
【００１２】
さらに、請求項４に係る真空容器のシミュレーション装置は、請求項１に記載のシミュレーション装置における圧力変化計算部に、圧力変化を計算するための下記（Ｂ）式を備えたものである。
【００１３】
【数２】
上記式中、Ｔは温度、ＴＳＴＤは標準状態での温度、Ｐは圧力、ＰＳＴＤは標準状態での圧力、Ｆｓ１は流入ガス量、Ｆｓ２は排出ガス量を表わす。
【発明の効果】
【００１４】
上記請求項１に係るシミュレーション装置によると、真空処理装置における実際の真空容器の代わりとして用いることにより、ガス種、ガス流量、真空容器内圧力、ガス温度などで変化する真空容器内の圧力の動特性（動的挙動）の評価（検証）を、延いては、真空処理装置の評価（検証）を、容易に且つ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る真空処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】同真空処理装置の真空容器に設けられる真空バルブの要部平面図である。
【図３】同真空バルブにおけるバルブ開度と圧力との関係を示すグラフである。
【図４】同真空バルブにおけるバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すグラフである。
【図５】同真空容器の圧力制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】同圧力制御装置における流入ガス量推定部の概略構成を示すブロック図である。
【図７】同圧力制御装置における補正ガス量計算部の概略構成を示すブロック図である。
【図８】同圧力制御装置におけるバルブ開度計算部の概略構成を示すブロック図である。
【図９】同圧力制御装置の概略構成を示す制御ブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るシミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係る真空容器のシミュレーション装置を具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例に係る真空容器は、例えば半導体製造装置としての真空処理装置に設けられて半導体素子などを製造する際に用いられるもので、具体的には、所定の真空度下でプラズマなどを発生させた状態で反応ガス（気体の一例で、以下、ガスという）を供給して、被処理物である半導体ウエハに所定の表面処理を施すために用いられるものであり、本発明に係るシミュレーション装置は、上記真空容器内の圧力をシミュレート（模擬）するためのものである。
【００１７】
まず、シミュレーション装置を用いない場合、つまり、実際の真空容器における圧力制御の基本的な考え方について説明しておく。
真空容器内の圧力は流入するガス量（以下、流入ガス量といい、供給ガス量でもある）と流出するガス量（流出ガス量といえるが、以下、排出ガス量という）との差に依存しており、したがって圧力を一定値（所定値でもある）に維持するためには、排出ガス量が流入ガス量に等しくなるように制御すればよいことになる。
【００１８】
すなわち、流入ガス量を計測し、この計測された流入ガス量に等しい量だけ、ガスを排出すればよいのであるが、真空容器内において、例えばプラズマ中に流入したガスが反応を起こすと、新たにガスが生成するため、計測値を用いた場合、大きい誤差が生じることになる。このため、計測値を用いずに、真空バルブのバルブ開度（後述する）から推定される排出ガス量に基づく（言い換えれば、排出ガス量を考慮した）ガス量を用いて計算モデル上での真空容器（以下、仮想真空容器という）内の圧力を計算にて求めるとともにこの計算による圧力（以下、計算圧力ともいう）と実際の真空容器（以下、実真空容器ともいう）での計測圧力との差に応じて求められる推定値としての流入ガス量を用いるようにしたものである。
【００１９】
ここで、真空容器を実際の容器とした場合の真空処理装置の概略全体構成を、図１および図２に基づき説明する。
この真空処理装置は、内部に例えば半導体ウエハなどが供給されて所定の処理（例えば、エッチングなど）を行い得るとともに反応ガスの供給口２およびガスの排出口３を有する真空容器１と、上記供給口２に接続されて反応ガスを供給するためのガス供給管（気体の供給管路の一例）１１と、上記排出口３に接続されるとともに円形の開口部５ａを有する（言い換えれば、弁座を有する）バルブ本体５およびこの開口部５ａを開閉し得る弁体６並びにこの弁体６を開閉させる駆動用モータ（駆動部の一例で、具体的には、ステッピングモータが用いられる）７からなる真空バルブ４と、一端部が上記真空バルブ４の吐出口に接続されるとともに他端部が真空ポンプ８に接続されたガス排出管（気体の排出管路の一例）１２と、上記真空容器１内の圧力を制御するための圧力制御装置９とから構成されている。なお、真空バルブ４を排出口３に直接設けるように説明したが、勿論、ガス排出管１２の途中に設けることもできる。
【００２０】
この圧力制御装置９は、真空容器１内の真空度すなわち圧力を計測する圧力計（必要に応じて複数個設けられるが、ここでは１個として説明する）２１と、真空バルブ４の弁体６の開度（以下、バルブ開度ともいう）を検出する開度検出器（具体的には、駆動用モータの回転量を検出するエンコーダが用いられる）２２と、上記圧力計２１にて計測された計測圧力および開度検出器２２にて検出されたバルブ開度（以下、実バルブ開度という）を入力して、真空容器１内の圧力を目標値（以下、設定圧力という）となるように真空バルブ４の駆動用モータ７を制御する制御装置本体２３とから構成されている。
【００２１】
ここで、上記真空バルブ４の弁体６の動作について説明しておく。
この真空バルブ４としては、圧力制御と真空封止の両機能を有するものが用いられる（但し、圧力制御と真空封止との両機能を有するものに限定されない）。すなわち、この真空バルブ４の弁体６が円形状の開口部５ａをスライドすることにより当該開口部５ａにおけるガスの通過流量を制御し得るものである。そして、弁体６がその開口部５ａを閉鎖した後（ここでは、一応、密閉状態ではないが、開口部全体を弁体で覆った状態という意味である）、さらに開口部５ａ周囲（所謂、弁座側である）に、つまり垂直方向に移動することにより、完全に締め切る（密閉状態）ものである。この真空バルブ４におけるバルブ開度と当該真空バルブ４により制御される被制御空間側の圧力との一般的な関係をグラフに示すと図３のようになる。
【００２２】
このグラフから、弁体６が閉動位置（ここでは、２０％）に移動した後、垂直に移動（所謂、昇降動作である）することにより、完全な密閉状態になることが分かる。すなわち、閉動位置に移動した場合には、圧力は或る程度上昇するが、その後の昇降動作により圧力は急激に上昇する（勿論、真空容器の圧力制御に適用した場合には、圧力が急激に低下することになる）。つまり、この真空バルブ４におけるバルブ開度と圧力との関係は非線形となる。
【００２３】
ところで、推定流入ガス量を求める際に仮想真空容器における計算圧力を用いるようにしており、この計算圧力を求めるのに、上述したように、推定排出ガス量に基づくガス量が用いられる。正確に言うと、ガス量として、バルブ開度から求められる推定値である推定排出ガス量と、仮想真空容器における計算圧力および実真空容器における計測圧力の圧力差に基づき求められる推定流入ガス量との差であるガス流量差が用いられる。また、推定排出ガス量を求める際に、真空バルブの特性曲線（以下、バルブ特性曲線という）が用いられる。なお、このバルブ特性曲線はバルブ開度と圧力との非線形な関係を補償するために用いられる。
【００２４】
このバルブ特性曲線は、図４に示すように、バルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すもので、具体的には、数値テーブルとして記憶部などに保持されており、例えばバルブ開度からコンダクタンスを求め得るコンダクタンス取得部（後述する）が具備されている。なお、このコンダクタンスは、ガスの流れ易さを示すもので、ガス流量を圧力で除算した値（ガス流量／圧力）である。
【００２５】
次に、圧力制御装置９の構成を図５に基づき説明する。
この圧力制御装置９は、大きく分けて、真空容器１の目標となる設定圧力（目標圧力ともいえる）を設定する圧力設定部３１、上記開度検出器２２にて検出された実バルブ開度および圧力計２１により計測された計測圧力から求められる推定排出ガス量と、後述する推定流入ガス量との差であるガス流量差に基づき仮想真空容器内の圧力を計算にて求めるとともに、この計算にて求められた計算圧力と計測圧力との差である圧力差に基づき推定流入ガス量を求める流入ガス量推定部３２、上記圧力設定部３１からの設定圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力して圧力偏差を求めるとともに当該圧力偏差に基づき補正ガス量を計算する補正ガス量計算部３３、上記流入ガス量推定部３２にて求められた推定流入ガス量に上記補正ガス量計算部３３にて求められた補正ガス量を加算して修正ガス量を得るとともに当該修正ガス量を設定排出ガス量として出力する加算器３４、およびこの加算器３４から出力された設定排出ガス量および圧力設定部３１からの設定圧力に基づき真空バルブ４での目標とするバルブ開度（以下、設定バルブ開度という）を計算するバルブ開度計算部３５から構成されている。
【００２６】
上記流入ガス量推定部３２には、図６に示すように、実バルブ開度から真空バルブ４のバルブ特性曲線に基づき当該真空バルブ４のコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部４１と、このコンダクタンス取得部４１にて得られたコンダクタンスおよび圧力計２１からの計測圧力を入力して当該コンダクタンスに計測圧力を乗算することにより排出されるガス流量の推定値を求める乗算器４２と、この乗算器４２にて求められた推定排出ガス量と推定流入ガス量（詳細については、後述する）との差であるガス流量差を入力して仮想真空容器内の圧力を計算により求める圧力計算部［具体的には積分器が用いられ；計算モデル上での伝達関数は１／（βｎｓ）で、βｎは容器の圧力ゲイン（公称値）である］４３と、この圧力計算部４３にて求められた計算圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力してその差である圧力差を求める圧力減算器４４と、この圧力減算器４４で求められた圧力差に所定ゲイン（Ｋｏｂｓ）を乗算して推定流入ガス量を求める増幅器４５とが具備されるとともに、さらに上記乗算器４２と圧力計算部４３との間に配置されて上記増幅器４５にて求められた推定流入ガス量から上記推定排出ガス量を減算してなるガス流量差を求めるガス量減算器４６とが具備されている。
【００２７】
この流入ガス量推定部３２での機能を説明すると、実バルブ開度により推定された推定排出ガス量を当該流入ガス量推定部３２で得られた推定流入ガス量から減算してなるガス流量差を積分して求められた計算モデル上での仮想真空容器における計算圧力（ガス流量差を蓄積することにより容器内圧力が求められる）と実際の計測圧力との圧力差に応じて推定流入ガス量を求めるものである。言い換えれば、計測圧力に対して計算圧力がずれている場合には、その圧力差に応じて補正が行われるもので、つまり計算圧力が計測圧力に近付くようにガス流量差が求められる［計算圧力が計測圧力に追従するように計算ループ（ガス量減算器４６、圧力計算部４３、圧力減算器４４および増幅器４５より構成される演算処理ループ）が組まれている］。したがって、或る計算ループ（或る周期）にて求められた推定流入ガス量は、次の計算ループ（次の周期）に用いられるガス流量差を求める際に用いられる。なお、上記計算ループ（実バルブ開度の取得も含む）は所定周期（演算周期または制御周期で、例えば、１０msec）でもって繰り返し行われる。
【００２８】
上記補正ガス量計算部３３は、図７に示すように、圧力設定部３１からの設定圧力および圧力計２１からの計測圧力を入力して圧力偏差を求める減算器（減算部）５１と、この減算器５１にて求められた圧力偏差を入力してその圧力偏差に比例したガス量を求めるとともに当該ガス量を補正ガス量として出力する比例制御器（比例制御部；比例ゲインＫｐを乗算する）５２とから構成されている。
【００２９】
また、上記バルブ開度計算部３５は、図８に示すように、加算器３４から出力された設定排出ガス量および圧力設定部２１からの設定圧力を入力してコンダクタンスを求めるコンダクタンス計算部６１と、このコンダクタンス計算部６１にて求められたコンダクタンスを入力してバルブ特性曲線（コンダクタンス取得部４１でのバルブ特性曲線とは反対の曲線となる）からバルブ開度を取得するバルブ開度取得部６２とから構成されている。
【００３０】
ところで、上記流入ガス量推定部３２にて得られる仮想真空容器の計算圧力については、推定流入ガス量から減算してなるガス流量差を積分して求めるものとして説明したが、より具体的に説明すると、今回の計算ループで求める計算圧力は、前回の計算ループにて求められた計算圧力に、今回求められるガス流量差を圧力として加算することにより求められるものである。なお、計算ループの開始に際しては、前回の計算ループは存在しないので、その開始時に計測された実真空容器内の圧力値が初期値として用いられる。
【００３１】
次に、上述した真空容器での圧力制御方法について説明する。
真空容器１内の圧力状態が或る値で安定しており、圧力設定部３１にて新たな設定圧力が設定されたものとする。
【００３２】
この状態にて、開度検出器２２から実バルブ開度が流入ガス量推定部３２に入力されると、コンダクタンス取得部４１にてコンダクタンスが得られるとともに乗算器４２にてそのコンダクタンスに計測圧力が乗算されて推定排出ガス量が求められる。そして、ガス量減算器４６にて、今回求められた推定排出ガス量が前回の演算周期にて求められた推定流入ガス量から減算されてガス流量差が求められ、このガス流量差が圧力計算部４３に入力されて計算モデルにおける仮想真空容器内の圧力すなわち計算圧力が求められる。
【００３３】
次に、この計算圧力と圧力計２１からの計測圧力との差である圧力差が求められ、増幅器４５にて所定ゲインが乗算されて新しく推定流入ガス量が求められる。この新しい推定流入ガス量が、次の計算ループつまり次回の演算周期におけるガス流量差を求めるのに用いられて、計算圧力が計測圧力に近付くように制御される。
【００３４】
一方、圧力設定部３１にて設定されている設定圧力が補正ガス量計算部３３に入力され、減算器５１において、その設定圧力と圧力計２１からの計測圧力との差である圧力偏差が求められるとともに、この圧力偏差が比例制御器５２に入力されて圧力偏差に比例ゲインが乗算されて補正ガス量が求められる。
【００３５】
そして、この補正ガス量と流入ガス量推定部３２にて新しく求められた推定流入ガス量とが加算器３４に入力されて、設定排出ガス量が求められる。
次に、この設定排出ガス量と圧力設定部３１からの設定圧力とが、バルブ開度計算部３５に入力されて、当該設定排出ガス量となるような設定バルブ開度が求められる。具体的には、設定排出ガス量と設定圧力とがコンダクタンス計算部６１に入力されてコンダクタンスが求められ、このコンダクタンスがバルブ開度取得部６２に入力されて、バルブ特性曲線からバルブ開度が求められる。このバルブ開度指令が駆動用モータ７に出力されて、所定のバルブ開度となるように弁体６が駆動される。
【００３６】
そして、上述した動作が繰り返し行われ、計算圧力が計測圧力と等しくなるか、または計算圧力が或る偏差でもって計測圧力に追従している場合には、流入ガス量推定部３２で求められた推定流入ガス量が実際の流入ガス量に等しいものであるとみなすことができる。
【００３７】
このようにして、真空容器内の圧力が一定、すなわち設定圧力となるように、制御される。
なお、上述した圧力制御系の制御ブロック図（伝達関数を用いたもの）を図９に示しておく。
【００３８】
図９中、（イ）は真空容器を表す部分である。なお、上記実施の形態においては説明しなかったが、図９に示すように、設定圧力および計測圧力の補正ガス量計算部への出力途中には、設定圧力用フィルタおよびノイズ除去用フィルタが設けられている。
【００３９】
次に、上記真空容器１の圧力制御装置９の構成を踏まえて、本発明に係るシミュレーション装置、すなわち真空容器の圧力をシミュレートするシミュレーション装置について説明する。
【００４０】
上述の説明においては、真空容器１を実際の容器として説明したが、本シミュレーション装置はこの真空容器１を数学的モデルで表わしたものであり、以下、この数学的モデルについて説明する。なお、真空容器の内部状態を表わす際に、当然ながら、上述したバルブ特性曲線が用いられるとともに、その内部状態である圧力については、圧力計ではなく、計算により求められる。また、シミュレーションは、所定の処理時間間隔（ステップ間隔でもあり、例えば制御周期と同じ１０msecである）でもって連続的に行われる。
【００４１】
図１０に示すように、このシミュレーション装置７１には、開度検出器２２で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブ４のコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部７２（コンダクタンス取得部４１と同じ構成を有するものであり、したがってこのコンダクタンス取得部４１を用いてもよい）と、このコンダクタンス取得部７２で得られたコンダクタンスに前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力を乗算して排気ガス量を求める排気ガス量計算部７３と、各処理時、つまり処理経過時間に対応して流入ガス量を設定するためのガス流量テーブル（時間−ガス流量テーブルともいう）を有するガス流量設定部７４と、上記排気ガス量計算部７３にて得られた排気ガス量およびガス流量テーブルから得られた現在（今回）の処理時ｔ（ｎ）における流入ガス量を入力して時間当たりの真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部７５と、この圧力変化計算部７５で得られた圧力変化と前回の処理時ｔ（ｎ−１）における真空容器内の圧力とを加算して現在の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部７６とが具備されている。
【００４２】
勿論、容器圧力計算部７６で得られた現在の処理時ｔ（ｎ）における真空容器内の圧力は、シミュレートされた計算圧力として圧力制御装置９に入力される。
上記コンダクタンス取得部７２には、上記コンダクタンス取得部４１の箇所で説明したように、バルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線が具備されており、数値テーブルとして保持されている。このバルブ特性曲線は、実際に使用するガスを流してコンダクタンスを計測することにより得られたもので、例えばバルブのサイズ、流すガス種などに応じてバルブ特性曲線が用意されている。
【００４３】
ところで、上記バルブ特性曲線として実際に計測した計測値を用いるように説明したが、或る種類のガスについて且つ或る温度で計測された既知のバルブ特性曲線を用いて、異なる種類で且つ所定温度でのガスについてのコンダクタンスを下記（１）式に基づき求めるようにしてもよい。
【００４４】
【数３】
ここで、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの或るガスについて温度Ｔにおけるコンダクタンスを示し、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの或るガスについて且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを示す。
【００４５】
上記ガス流量設定部７４においては、上述したように、流入ガス量を設定するためのガス流量テーブルが具備されており、例えば１０秒間隔で、流入ガス量が段階的に設定されている。例えば、０〜１０秒未満では、１００sccm、１０〜２０秒未満では、２００sccm、２０〜３０秒未満では、３００sccmに設定されている。したがって、処理経過時間に応じて流入ガス量が決定される。
【００４６】
また、上記圧力変化計算部７５においては、下記（２）式に基づき、圧力変化が求められる。
【００４７】
【数４】
この圧力変化計算部７５では、処理時間間隔当たりの真空容器内の圧力変化をリアルタイムで計算している。
【００４８】
ここで、上記（２）式の導き方について説明する。
真空容器入口のガス流量をＧ１（Kg/s）、排気系のガス流量をＧ２（Kg/s）とすると、真空容器内に滞留するガス流量ｍ（Kg）は下記（３）式にて表わされる。
【００４９】
【数５】
真空容器内の圧力をＰ（Pa）、真空容器内のガス温度をＴ（K）、真空容器の容積をＶ（m3）、真空容器内に滞留するガスの分子量をｍ（Kg）とすると、下記（４）式に示す理想気体の状態方程式が成立する。
【００５０】
【数６】
温度を一定として、（４）式の両辺を時間で微分して整理すると、下記（５）式が得られる。
【００５１】
【数７】
ここで、真空容器内での化学反応を無視し、真空容器入口のガス流量をＦｓ１（sccm）、排気系のガス流量をＦｓ２（sccm）とすると、標準状態（０℃、１気圧で、記号ＰＳＴＤ，ＴＳＴＤで表わす）でのガス密度ρ（Kg/m3）は、下記（６）式で表わされる。
【００５２】
【数８】
したがって、Ｇ１（Kg/s）およびＧ２（Kg/s）は下記（７）式にて表わされる。
【００５３】
【数９】
上記（７）式を（５）式に代入して整理すると、下記（８）式が得られる。すなわち、圧力変化を示す（２）式が得られる。
【００５４】
【数１０】
ここで、圧力変化計算部７５での計算について説明しておく。
【００５５】
１回目；
ａ１．時間ｔ＝ｔ（０）
時間ｔ＝ｔ（０）における初期値としての圧力Ｐ（０）＝Ｐ０を設定する。
【００５６】
ｂ１．ｔ＝ｔ（０）における流入ガス量（Ｆｓ１）をガス流量テーブルから取得するとともにｔ＝ｔ（０）における排出ガス量（Ｆｓ２）を計算する。
ｃ１．ｂ１で得られたＦｓ１およびＦｓ２を用いてｔ＝ｔ（０）における時間当たりの圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算する。
【００５７】
２回目；
ａ２．時間ｔ＝ｔ（１）における圧力Ｐ（１）を計算する。
ｂ２．ｔ＝ｔ（１）における流入ガス量（Ｆｓ１）をガス流量テーブルから取得するとともにｔ＝ｔ（０）における排出ガス量（Ｆｓ２）を計算する。
【００５８】
ｃ２．ｂ２で得られたＦｓ１およびＦｓ２を用いてｔ＝ｔ（１）における時間当たりの圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算する。
上述した手順にて圧力変化が順次計算されることになる。
【００５９】
次に、容器圧力計算部７６において、真空容器内の圧力を求める計算について説明する。
１回目；
時間ｔ＝ｔ（０）
圧力Ｐ（０）＝Ｐ０（初期値）
２回目；
時間ｔ＝ｔ（１）
圧力Ｐ（１）＝Ｐ０−［ｔ＝ｔ（０）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（１）−ｔ（０）｝］
３回目；
時間ｔ＝ｔ（２）
圧力Ｐ（２）＝Ｐ１＋［ｔ＝ｔ（１）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（２）−ｔ（１）｝］
４回目；
時間ｔ＝ｔ（３）
圧力Ｐ（３）＝Ｐ２＋［ｔ＝ｔ（２）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（３）−ｔ（２）｝］
ｎ回目；
時間ｔ＝ｔ（ｎ）
圧力Ｐ（ｎ）＝Ｐ（ｎ−１）＋［ｔ＝ｔ（ｎ−１）におけるｄＰ／ｄｔ×｛ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）｝］
なお、｛ｔ（１）−ｔ（０）｝＝｛ｔ（２）−ｔ（１）｝＝｛ｔ（ｎ）−ｔ（ｎ−１）｝＝Δｔ（例えば、１０msecとしている）
ここで、真空容器における圧力シミュレーションについて具体的に説明する。
【００６０】
まず、真空バルブ４の開度検出器２２にて検出された検出開度値がコンダクタンス取得部７２に入力されてコンダクタンスが取得される。このコンダクタンスは、排ガス量計算部７３に入力されて前回の処理時ｔ（ｎ−１）に求められた圧力にコンダクタンスを掛けることにより排出ガス量（Ｆｓ２）が求められる。
【００６１】
次に、流入ガス量設定部７４においては、ガス流量テーブルに基づき処理時間に応じた流入ガス量Ｆｓ１が求められ、この流入ガス量Ｆｓ１および排出ガス量計算部７３で求められた排出ガス量（Ｆｓ２）が圧力変化計算部７５に入力されて（１０）式に基づき真空容器内における圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）が求められる。
【００６２】
次に、この圧力変化計算部７５で求められた圧力変化が容器圧力計算部７６に入力されて、前回の処理時における圧力に加算されて、現在（今回）の真空容器内の圧力が求められる。
【００６３】
そして、容器圧力計算部７６で求められた圧力が圧力制御装置９に入力されて、真空バルブ４の開度が制御されることになる。
上述したシミュレーション装置７１によると、真空容器すなわち真空処理装置の評価を簡単且つ迅速に行うことができる。
【００６４】
具体的に言うと、例えば半導体プロセスで使われるガスは多種（数十種類）に及び、このような環境下において、圧力制御装置の評価（検証）を行う場合、ガス流入系統（各ガスボンベ、マスフローコントローラ、配管など）を設置する必要があるが、プロセスガスの取り扱いや流入系統の製造コストを考えると、実際に設置することは困難である。したがって、このような場合に、上述したシミュレーション装置を用いることにより、種々のガス種および異なる条件に応じて、容易に且つ迅速に、真空処理装置の評価、特に圧力制御装置の評価を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 真空容器
４ 真空バルブ
７ 駆動用モータ
８ 真空ポンプ
９ 圧力制御装置
１１ ガス供給管
１２ ガス排出管
２１ 圧力計
２２ 開度検出器
４１ コンダクタンス取得部
７１ シミュレーション装置
７２ コンダクタンス取得部
７３ 排気ガス量計算部
７４ ガス流量設定部
７５ 圧力変化計算部
７６ 容器圧力計算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の供給管路および排出管路が接続された真空容器と、上記排出管路に設けられて当該排出管路を開閉し得る真空バルブと、上記真空容器内の圧力を計測する圧力計と、真空バルブのバルブ開度を検出する開度検出器と、上記圧力計および開度検出器からの検出値を入力して真空バルブの開度を所定の処理時間間隔でもって制御して真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置とを具備する真空処理装置における上記真空容器のシミュレーション装置であって、
上記開度検出器で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部と、
このコンダクタンス取得部で得られたコンダクタンスに、前回の処理時における真空容器内の圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部と、
この排出ガス量計算部で得られた排出ガス量に、処理経過時間に応じた流入ガス量を設定するガス流量テーブルにより得られた今回の処理時における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部と、
この圧力変化計算部で得られた圧力変化と前回の処理時における真空容器内の圧力とを加算して今回の処理時における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部とを具備したことを特徴とする真空容器のシミュレーション装置。
【請求項２】
コンダクタンス取得部に、気体の種類に応じたバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【請求項３】
コンダクタンス取得部に、コンダクタンスが既知である気体に基づき、当該既知の気体とは異なる種類の気体のコンダクタンスを推定し得る下記（Ａ）式を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【数１】
上記式中、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの気体で且つ温度Ｔにおけるコンダクタンスを表わし、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの気体で且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを表わす。
【請求項４】
圧力変化計算部に、圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算するための下記（Ｂ）式を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【数２】
上記式中、Ｔは温度、ＴＳＴＤは標準状態での温度、Ｐは圧力、ＰＳＴＤは標準状態での圧力、Ｆｓ１は流入ガス量、Ｆｓ２は排出ガス量を表わす。
【請求項１】
気体の供給管路および排出管路が接続された真空容器と、上記排出管路に設けられて当該排出管路を開閉し得る真空バルブと、上記真空容器内の圧力を計測する圧力計と、真空バルブのバルブ開度を検出する開度検出器と、上記圧力計および開度検出器からの検出値を入力して真空バルブの開度を所定の処理時間間隔でもって制御して真空容器内の圧力を制御する圧力制御装置とを具備する真空処理装置における上記真空容器のシミュレーション装置であって、
上記開度検出器で検出されたバルブ開度を入力してバルブ特性曲線に基づき真空バルブのコンダクタンスを求めるコンダクタンス取得部と、
このコンダクタンス取得部で得られたコンダクタンスに、前回の処理時における真空容器内の圧力を乗算して排出ガス量を求める排出ガス量計算部と、
この排出ガス量計算部で得られた排出ガス量に、処理経過時間に応じた流入ガス量を設定するガス流量テーブルにより得られた今回の処理時における流入ガス量を入力して真空容器内の圧力変化を求める圧力変化計算部と、
この圧力変化計算部で得られた圧力変化と前回の処理時における真空容器内の圧力とを加算して今回の処理時における真空容器内の圧力を求める容器圧力計算部とを具備したことを特徴とする真空容器のシミュレーション装置。
【請求項２】
コンダクタンス取得部に、気体の種類に応じたバルブ開度とコンダクタンスとの関係を示すバルブ特性曲線を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【請求項３】
コンダクタンス取得部に、コンダクタンスが既知である気体に基づき、当該既知の気体とは異なる種類の気体のコンダクタンスを推定し得る下記（Ａ）式を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【数１】
上記式中、Ｃ（Ｍ，Ｔ）は分子量Ｍの気体で且つ温度Ｔにおけるコンダクタンスを表わし、Ｃａ（Ｍａ，Ｔａ）は分子量Ｍａの気体で且つ温度Ｔａにおけるコンダクタンスを表わす。
【請求項４】
圧力変化計算部に、圧力変化（ｄＰ／ｄｔ）を計算するための下記（Ｂ）式を備えたことを特徴とする請求項１に記載の真空容器のシミュレーション装置。
【数２】
上記式中、Ｔは温度、ＴＳＴＤは標準状態での温度、Ｐは圧力、ＰＳＴＤは標準状態での圧力、Ｆｓ１は流入ガス量、Ｆｓ２は排出ガス量を表わす。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２８２２４３（Ｐ２０１０−２８２２４３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３２６１８（Ｐ２００９−１３２６１８）
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（０００１４１３４７）株式会社ブイテックス (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（０００１４１３４７）株式会社ブイテックス (8)
【Ｆターム（参考）】
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