JP6967014B2 - 真空制御弁を用いた予測診断システムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は真空制御弁に関し、特には真空制御弁に関係した予測診断システムおよび方法に関する。

真空に拠る処理系の典型例としては半導体処理系などがあり、一個以上の弁と真空ポンプが処理室の下流に設けられていて、処理室内を抜ける流体の流れを制御できるようになっていることもよくある。そうした処理室内を通り抜けていく流体としては例えば、処理室内に置かれる半導体ウェハをエッチングしたり被覆したりするための反応性ガスなどが挙げられる。また真空ポンプにより、弁の上流と下流との間に差圧が生じる。弁の開閉の程度を調節することで、弁のコンダクタンスを変化させ、処理室を抜ける流体を制御できる。

蝶形弁は真空制御系で普通に使われており、半導体組立系でも用いられている。別名「フラッパー弁」とも呼ばれる蝶形弁には、弁の外殻中を通る流路内に、同軸に配された薄いフラッパーが具わっているのが通常である。この流路を横切って設置されている回転可能な弁シャフトにより、フラッパーが弁組立体に嵌まって閉塞するようになっている。つまり、この弁シャフトの回転によって、弁の外殻に対するフラッパーの位置を制御できるということである。このフラッパーの位置を開位置（100%開いている状態）から閉位置（0%開いている状態）のあいだで変化させることによって、蝶形弁のコンダクタンスを制御している。

このような処理系には、経時変化によって系の性能が落ちていく要因がいろいろとある。例えば蒸着装置内では、弁および／もしくは圧送ラインの中に蒸着の副生物が堆積してしまうことがある。こうした堆積ができると、真空系が有する一種以上の部品の流体コンダクタンスが変わってしまう場合がある。またフラッパーと弁胴部のあいだに在る可撓性シール（封止部）は経時で摩耗してしまうため、このことに因っても真空系（特に弁）のコンダクタンス性能が変化してしまうおそれがある。

第一の態様では、真空系中の弁を較正するための方法を提供する。当該方法では、弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置の関数として測定する。そして測定した弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置に対して予め計量したコンダクタンスと比較することで、当該弁のコンダクタンスマップもしくはコンダクタンス関数を決定する。そのコンダクタンスマップもしくはコンダクタンス関数を、当該弁の動作中に使用するために保存する。

弁のコンダクタンスの測定値と、角度基準弁位置に対して予め計量したコンダクタンスの値との差分を使って、コンダクタンスマップもしくはコンダクタンス関数を決定できる。動作中には、当該弁についての望ましいコンダクタンスに基づいた、角度基準弁位置の設定点を受信できる。その受信した角度基準弁位置の設定点、および、弁のコンダクタンスの測定値と角度基準弁位置に対して予め計量したコンダクタンスの値との差分に基づいて、当該弁についての実際の角度基準弁位置が定められる。また、系の実際のコンダクタンスも決定できるし、さらには、その系の実際のコンダクタンスと、その系に関する参照系のコンダクタンスとの差分も定めることができる。弁の実際の角度基準弁位置、および、系の実際のコンダクタンスとその系に関する参照系のコンダクタンスとの差分に基づいて、その系における故障の診断も行える。例えば低コンダクタンス弁を用いている場合を考えると、実際の角度基準弁位置が比較的小さめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも大きかったとすれば、それは当該低コンダクタンス弁の有するフラッパーの封止部が摩耗している旨の診断指標となりうる。また、非封止弁を用いている場合に、実際の角度基準弁位置が比較的小さめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとするならば、それは当該非封止弁の有する弁壁かフラッパーかまたはその双方において、副生物が堆積している旨の診断指標となりうる。なお、比較的小さめである角度基準弁位置とは、例えば20度未満のことであってよい。一方、低コンダクタンス弁を用いる場合に、実際の角度基準弁位置が比較的大きめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとすれば、それはその系内の導管（配管）に少なくとも部分的な塞栓が生じているか、系内のポンプが劣化しているか、またはその双方かの診断指標となりうる。また、非封止弁を用いている場合に、実際の角度基準弁位置が比較的大きめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとするならば、それはその系内の導管に少なくとも部分的な塞栓が生じているか、系内のポンプが劣化しているか、またはその双方かの診断指標となりうる。なお、比較的大きめである角度基準弁位置とは、例えば50度超のことであってよい。

別の態様では、弁を用いた真空系における診断指標を与えるための方法を提供できる。当該方法では、弁についての望ましいコンダクタンスに基づいた、角度基準弁位置の設定点を受信する。この受信した角度基準弁位置の設定点、および、測定した弁コンダクタンスと角度基準弁位置に対して予め計量したコンダクタンスとの差分に基づいて、その弁に関する実際の角度基準弁位置を設定する。系の実際のコンダクタンスを定量し、かつ、その系の実際のコンダクタンスと、その系に関する参照系のコンダクタンスとの差分も定量する。そして当該弁の実際の角度基準弁位置、および、その系の実際のコンダクタンスとその系に関する参照系のコンダクタンスとの差分に基づいて、当該系における故障の診断指標を作成する。

低コンダクタンス弁を用いている場合に、実際の角度基準弁位置が比較的小さめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも大きかったとすれば、それは当該低コンダクタンス弁の有するフラッパーの封止部が摩耗している旨の診断指標となりうる。また、非封止弁を用いている場合に、実際の角度基準弁位置が比較的小さめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとするならば、それは当該非封止弁の有する弁壁かフラッパーかまたはその双方において、副生物が堆積している旨の診断指標となりうる。なお、比較的小さめである角度基準弁位置とは、例えば20度未満のことであってよい。一方、低コンダクタンス弁を用いる場合に、実際の角度基準弁位置が比較的大きめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとすれば、それはその系内の導管に少なくとも部分的な塞栓が生じているか、系内のポンプが劣化しているか、またはその双方からの診断指標となりうる。また、非封止弁を用いている場合に、実際の角度基準弁位置が比較的大きめであって、かつ実際の系のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さかったとするならば、それはその系内の導管に少なくとも部分的な塞栓が生じているか、系内のポンプが劣化しているか、またはその双方かの診断指標となりうる。なお、比較的大きめである角度基準弁位置とは、例えば50度超のことであってよい。

以下に記す詳細な説明にて、特記する図面群を参照しつつ本開示をさらに解説していくが、これはあくまで本開示に係る実施形態を非限定的に例示したものであることに留意されたい。なお類似する参照番号は、図面群に跨って存する類似の部品を表している。
図1は、類似の弁数種についての、コンダクタンス対弁位置のグラフを含む。 図2は、或る実施形態例に係る処理系のブロック模式図を含む。 図3Aは、或る実施形態例に係る弁組立体の模式図を含む。 図3Bは、或る実施形態例に係る、図3Aの弁組立体の模式的側面図を含む。 図4は、或る実施形態例に係る、フラッパー弁組立体についてのコンダクタンス対シャフト位置のグラフを含む。 図5は、図4のグラフに対応する表を含む。 図6は、例示的な低コンダクタンスのフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含んでおり、フラッパーの封止部が摩耗している場合を描いている。 図7は、例示的な非封止のフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含んでおり、弁胴壁もしくはフラッパーに堆積物ができている場合を描いている。 図8は、例示的な低コンダクタンスのフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含んでおり、圧送ラインに塞栓が生じているかもしくはポンプが劣化している場合を描いている。 図9は、例示的な非封止のフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含んでおり、圧送ラインに塞栓が生じているかもしくはポンプが劣化している場合を描いている。

本明細書に記載される実施形態では、コンダクタンスと、指示された値（フラッパー位置など。その指示された位置が外部由来か、もしくは閉ループ圧力制御などのように内部由来かは問わない）との関係について、弁同士での再現性が得られる。また本実施形態では、処理室（チャンバー）との整合性と、寸分違わぬ要件とを支持できる。これは、各弁に与えられた指示の関数として、各弁が同一の性能を出せるためである。

或る実施形態例では、弁を較正するための方法が、弁のコンダクタンスを弁位置の関数として測定するステップと、測定した弁コンダクタンスを弁位置に対して予め定量したコンダクタンスと比較することにより当該弁についてのコンダクタンス較正マップもしくはコンダクタンス較正関数を決定するステップと、を含む。また当該方法は、弁の動作中に用いるために、そのコンダクタンス較正マップもしくはコンダクタンス較正関数を保存するステップも含む。

流体コンダクタンスとは、流体の構造中または物質中の通り抜けやすさの程度を示すものである。真空系においては、パイプまたは導管を通る流体のコンダクタンス（C）は、以下の関係式から定まる。

ここでQは導管を通る流体の全質量流量であり、P₁は上流の圧力であり、P₂は下流の圧力である。

弁のコンダクタンスは通常、開位置と閉位置との間で弁の開き程度を変えることで調整可能である。弁の性能情報は通常は名目性能、最小期待性能、および最大期待性能に基づき、その製造業者から提供されている。しかしながら実際のコンダクタンスは、弁によって大幅に変わってきてしまうものである。と言うのも、弁の開閉の程度以外にも様々な特性があるので、それらが弁の実際のコンダクタンス性能に影響してくるわけである。例えば、部品の機械公差と、それらの部品群からなる組立体における偏差とが、或る弁のコンダクタンスの別の弁のそれに対する違いに大きく関わってくることもある。精確な測定仕様に基づいて部品を選んだり、組立体をカスタマイズして厳密な公差を出したりすることも一応は可能ではあるとは言え、製造現場でそういうことをやるのは非現実的である。

図1は、類似の弁数種について、コンダクタンス対弁位置でプロットしたものである。Y軸はミリTorr毎標準立方センチメートル単位であり、弁から見ての上流地点と下流地点との差圧に対応している。またX軸は弁の開き程度を表わすパーセント単位であり、0%開いている（閉）状態から100%開いている状態までの範囲である。曲線 104 は典型的な弁で想定される最大限のコンダクタンスであり、また曲線 108 はその弁想定される最小限のコンダクタンスである。曲線 116 は、生産した弁のバッチの裡から抜き出した例示的な弁のコンダクタンスを示す。また曲線 112 は、そのバッチをなす弁が有する典型的なコンダクタンス性能を示す。

半導体製造業では、同じ機能を担う複数種の処理系（装置）を用いることもよくある。特に装置の初期導入や委託をするという際には、最小限の較正もしくは準備だけで、そうした系の各々が同様に動作してくれるのを期待するわけである。例えば初期導入時や点検時において、各バルブを較正する必要無しに、同じやりかたで弁のコンダクタンスを制御できたらいい、と製造業者は期待するのである。また、位置を指定、指示、もしくは報知されたら、どの弁も同じコンダクタンスになってほしいとも期待している。一例として言うと、最大コンダクタンス（曲線 104 ）と最小コンダクタンス（曲線 108 ）との間でコンダクタンスが変化するとなると、大概の用途では望ましいところよりも振れ幅が大きすぎてしまう。一般的には各弁が同じコンダクタンス（例えばコンダクタンス曲線 116 ）を持つように動作するのが望ましく、そうしたコンダクタンスは、指示したかもしくは関知された弁位置の関数で表される。なお、この図1の例では弁位置は% open（開き%）で表されている。本明細書に記載する実施形態では、各弁について、指示した弁位置に応じた既知のコンダクタンスに拠る方法を提供する。

図2には、実施形態例に係る処理系 200 の模式図を示す。処理系 200 は処理室 228 を有する。処理室 228 は導管 204 を有しており、これが処理室 228 の排出口に接続している。また処理系 200 には、導管 204 の排出口 206 に接続した弁組立体 212 も含まれている。この弁組立体 212 はまた、第二の導管 208 の注入口 210 にも接続している。さらに系 200 は、第二の導管 208 に接続したポンプ 224 も含む。ポンプ 224 が導管 208 から流体を引き込むことで、弁組立体 212 から見た上流地点 214 と下流地点 218 とのあいだに差圧が生じる。

また系 200 には、弁組立体 212 に動作可能に結合した駆動手段（アクチュエーター） 216 も含まれる。駆動手段 216 は弁組立体 212 の動作を制御し、例えば導管 204 から弁組立体 212 を抜けて導管 208 へと至る流体流量を変化させられる。或る実施形態例では、弁組立体 212 が蝶形弁を含み、駆動手段 216 が弁組立体 212 内のフラッパー位置を、弁組立体 212 内を通る流路に対して変化させることができる。こうした手法では、駆動手段 216 が弁の開閉の程度を変えることにより、弁組立体 212 のコンダクタンスへ作用を及ばせる。また系 200 は弁位置センサー 220 を含んでいてもよい。弁位置センサー 220 は例えば光学式エンコーダーまたは機械式エンコーダーであってよく、弁の動作中に変わっていくフラッパー位置を測定できる。

図3Aおよび図3Bは、或る実施形態例に係る弁組立体 300 の模式図である。弁組立体 300 はフラッパー弁組立体であって、フラッパー 304 を有している。弁組立体 300 中の流路 312 に対して横切るように伸びている回転可能弁シャフト 308 により、フラッパー 304 が弁組立体 300 に嵌まるようになっている。弁シャフト 308 の回転は破線矢印 316 で示してある。駆動手段（図2の駆動手段 216 など）による弁シャフト 308 の回転によって、弁組立体 300 内の流路 312 に対するフラッパー 308 の位置を制御できる。フラッパー 308の位置を開状態位置から閉状態位置までのあいだで変化させることで、弁組立体 300 のコンダクタンスを制御できる（図3Bでは100%閉の状態を示してある）。

図2からわかるように、系 200 は、駆動手段 216 に動作可能に接続する制御系 228 も有している。制御系 228 は、駆動手段 216 へと信号を与えると共に、多様な入力信号を受信できる。制御系 228 は、駆動手段 216 の動作を制御することにより弁組立体 212 を制御できる。制御系 228 は、動作制御手段 232 を有するほか、任意に圧力制御手段 236 を有していてもよい。或る実施形態に係る動作制御手段 232 は、種々の信号と情報の入出力を行い、且つ駆動手段 216 へと動作制御信号を出力する。任意付加要素である圧力制御手段 236 は、或る実施形態では動作制御手段 232 と共に使用でき、駆動手段 216 に与えられることになる制御信号を計算することで、弁組立体 212 の有するフラッパーの位置を変化させて処理室 228 内の圧力を制御できる。この圧力の測定は例えば、処理室 228 に結合する圧力変換器（トランスデューサー） 240 によって行える。

或る実装では、弁組立体（弁組立体 212 など）を使って、排気処理室 228 のコンダクタンスを制御できる。導管 204 と弁組立体 212 を通ってくる気体は、さらに導管 208 へと進み、再利用系 256 に送られて安全に処分できるようになっている。指示設定点 244 （この実施形態では位置設定点）を制御系 228 に伝える。なお位置設定点 244 とは、弁組立体 212 内を通る流路に対しての、弁組立体 212 の有するフラッパーに望まれる位置のことを言う。一般に位置設定点 244 は、処理室 228 が行おうとする処理工程の特定の組み合わせに対して予め定められているものであるので、特定の流量コンダクタンスが得られることになる。或る実施形態では、位置設定点 244 が、所望のフラッパー弁位置に比例する0〜10ボルトのDCアナログ信号である。ここで0ボルトは完全閉状態に、10ボルトは完全開状態に対応する。別の実施形態では、別種の信号を使ってもよい。例えば或る実施形態では、信号がデジタル信号であってその値が所望のフラッパー位置に比例するものであってもよいし、あるいは、流路に対するフラッパーの位置を増減させるために制御系が用いるデジタル信号であってもかまわない。

運転時には、気体を気体注入口 252 を介して処理室 228 へ供給する。そして制御系 228 が有する動作制御手段 232 は、位置設定点 244 を受信して、弁組立体 212 中でのフラッパーの実際の位置をその位置設定点 244 と比較する。フラッパーの実際の位置に対応する信号 260 は、弁位置センサー 220 によって制御系 228 に与えられる。しかし或る実施形態では、動作制御手段が駆動手段に以前に与えた（開ループ）位置の指示から、フラッパーの実際の位置を導き出すようにしてもよい。動作制御手段 232 は、位置設定点 244 と実際位置信号 260 との間の誤差を算出する。そして動作制御手段 232 は、指示信号を駆動手段 216 へと出力し、誤差がゼロになるまで（あるいは所望の閾値未満になるまで）、フラッパー位置を変えていく。動作制御手段 232 は、フラッパーの移動についての望ましい特性を有する信号を出力でき、例えばフラッパーの位置、速度、超過分（オーバーシュート）などといった特性を有する信号の出力が可能である。

各弁組立体の製造時にバラつきがあると、弁組立体 212 において所望の位置設定点 244 に応じた位置へとつけた後でも、所望の弁コンダクタンスが得られないことがある。こうしたことは、系の使用と摩耗が要因となっても起きることがある。例えば、処理室 228 、ポンプ 224 、導管／導路 204, 208 、弁胴部、および／もしくはフラッパーなどといった系 200 の種々の構成部品における副生物の堆積や、フラッパーの封止部の摩耗、導管／導路 204, 208 の閉塞、および／またはポンプ 224 の劣化、といった要因が挙げられる。そうした弁組立体間におけるバラつきは、弁組立体 212 でのコンダクタンスのバラつきにつながる。したがって制御系 228 が位置設定点 244 を修正することで、制御系 228 から駆動手段 216 へ与えられる信号が、弁組立体 212 のコンダクタンスのバラつきを補償できるようになっていることが望まれるわけである。

図4に含めてあるのは、或る実施形態例に係る、コンダクタンスに対するフラッパー弁組立体におけるシャフト位置の関係を示すグラフである。このY軸はコンダクタンスを示す。またX軸はシャフト位置を示しており、0%（完全閉状態）から100%（完全開状態）までの範囲である。曲線 404 は、弁の所望のコンダクタンスであって、シャフト位置の関数として示してある。本明細書で述べたようなバラつき要因があるために、このような特定のコンダクタンス性能は、各弁では得られない。曲線 404 に示したような望ましいコンダクタンスには整合しない特定の弁のコンダクタンスを、曲線 408 に示してある。

図5は、図4のプロットに対応する表 500 である。表 500 のA列は、シャフト位置を示す。なおここでは、説明をわかりやすくするために値のうちの一部だけを挙げてあることには留意されたい。示してある値は、0%開（完全に閉の状態）から35%開までと、95%開から100%開（完全に開の状態）までである。また表 500 のB列は、弁に望まれるコンダクタンス性能（図4の曲線 404 に対応）であって、「最良の装置」とも称する。表 500 のC列には、特定の弁のコンダクタンス性能を示す（図4の曲線 408 に対応）。

一例として、10%開のシャフト位置（引出し線 504 で示す）になるように特定の弁に指示した場合には、そのコンダクタンスは1.02になり（C列で引出し線 512 で示した箇所）、望ましいコンダクタンス値の10.02（B列で引出し線 508 で示した箇所）にはならない。つまり、弁組立体 212 が望ましいコンダクタンス値の10.02を得るためには、制御系 228 が駆動手段 216 に対して別の信号を出力して、弁位置が10%ではない別の値となるように指示してやる必要があるわけである。このためには駆動手段 216 が、その特定の弁について弁位置を約31.62（引出し線 516 で示した箇所）とするように動いて、その特定の弁のコンダクタンス値が10.02（引出し線 516 で示した箇所）に達するようにしてやらなくてはならない。表 500 のD列中の値（コンダクタンス較正係数）は、図4の曲線 404 に示す所望のコンダクタンスを弁組立体 212 が発揮できるようにするために、駆動手段 216 が弁組立体 212 に与えるべき位置を表している。或る実施形態では、制御系 228 が有する探索表（ルックアップテーブル）にこのD列の値を格納しておき、ユーザーが入力する位置設定点 244 に応じて、弁組立体 212 中の弁位置を合わせるように、制御系 228 が駆動手段 216 へと信号を出力する。

この実施形態においては制御系 228 が種々の信号を出力し、そうした信号には例えば実際の弁位置信号 264 （位置信号 260 と同じ）およびコンダクタンス整合位置信号 268 が含まれる。或る実施形態例では、コンダクタンス整合位置信号 268 がコンダクタンス設定点 244 に等しい。それゆえ本開示の手法は、既知かつ再現性のある位置の出力変数と、弁が発揮する実際のコンダクタンスとの関係を知りたい末端ユーザーの要求に応えられるものである。また弁が閉ループ圧力制御をしている場合には、末端ユーザーは弁から報知される位置を監視して制御できるようにしているのが普通である。例えば既知のSPC制御に、SPC Company of Torrance（米国加州）が製造販売する弁を関連づけるようにできる。それとは対照的に、従来の弁では通常、弁の有するフラッパーの実際のシャフト位置を知らせられるだけにとどまる。本実施形態例に係るコンダクタンス整合位置信号 268 は、稼働中の動作制御系からわかる実際のシャフト位置を検出することによって生成可能である。ここに開示する内部較正データから、弁が発揮する実際のコンダクタンスを決定できる。弁は、「最良の」弁のコンダクタンス対位置を保存してある参照表を参照する。そして弁は、コンダクタンス整合位置信号 268 中のコンダクタンス整合位置を報告する。このコンダクタンス整合位置とは、当該弁がその時点で発揮しているコンダクタンスを、「最良の」弁であれば出せる筈の位置にあたる。

実施形態例では、弁を位置制御手段として使う場合は、コンダクタンス整合信号 268 が、コンダクタンス設定点 244 に等しいコンダクタンス整合位置に関連する。また弁を圧力制御手段として使う場合には、コンダクタンス整合位置はコンダクタンス設定点 244 とは等しくない。なぜなら、この場合のコンダクタンス設定点 244 は、圧力設定点の指示になるからである。この場合にはその代わり、コンダクタンス整合位置信号 268 を、上記で詳述した手法に則って生成する。

あるいは別の手法として、D列の値を、駆動手段 216 または弁組立体 212 が有するメモリー（探索表など）に保存することで、指示設定点 244 に応じた弁の動作を補償するように構成できるとも考えられる。或る実施形態では、指示設定点 244 の値の関数として、D列の値を近似できるような方程式を生成するようにしてもよく、そうすると探索表は不要になる。この場合には、指示設定点 244 の値の関数である方程式に基づいて、制御系 228 が駆動手段 216 に与える信号を何にするかを判断できる。こうした方程式は例えば、内挿法や曲線フィッティング法などによって得られる。

図5の表 500 のE列は、所与のシャフト位置をとる特定の弁と同じコンダクタンスを、最良ユニットが出せると考えられる位置を示す。任意付加要素である圧力制御手段 236 が稼動していて、弁組立体 212 のシャフト位置を閉ループ制御中に修正するようになっているような場合には、弁から得られている実際のコンダクタンスを、「最良の」弁であれば得るであろう換算位置を出力するために、E列を使用できる。

上で詳述したような処理系では、系の性能を経時劣化させるさまざまな要因が考えられる。例えば蒸着装置では、弁内および／もしくは圧送ライン（配管や導管）内に、蒸着の副生物が堆積することがある。このような堆積が生じると、圧送ライン径が減ってしまったり、ポンプ性能が落ちてしまったり、またはその双方が起きたりすることにつながる。すると、真空系をなす部品群のうちの一種以上における流体コンダクタンスが変化してしまうことがあり、ひいては体積流量が落ちてしまうことにもつながりうる。このような劣化に応じ、非封止弁では、弁開位置が大きくなるように設定して補償することもできる。また非封止弁ではこうした堆積が、フラッパーと弁口もしくは流路の壁との間の空隙（ギャップ）を狭めていくこともあり、そうなると弁コンダクタンスも減ってしまい、ときにはコンダクタンスがゼロ近くにまで落ちてしまうこともある。こうした場合には、弁は閉まり具合を緩めて（すなわち、弁角度がさらに小さくなるように設定することで）補償可能である。また封止弁の場合は、フラッパーの外縁に設けられる可撓性封止部が、フラッパーと弁胴口もしくは流路の壁との間に来るようになっているが、この可撓性封止部は経時で摩耗するおそれがある。そうなると、真空系のコンダクタンス性能までもが変化してしまいうる。この場合、堆積および／または弁封止部の摩耗が発生することによって、通常の弁角度設定では弁のコンダクタンスをゼロにできなくなってしまうこともある。そのような場合には弁の閉まり具合をきつくして（すなわち、弁角度がさらに小さくなるように設定することで）補償可能である。したがって本開示によれば、これらの場合すべてにおいて、弁位置を、系の有する一種以上の部品における劣化の程度と相関させることができるのである。

或る実施形態例ではコンダクタンス整合位置信号 268 を、位置報知技術として使用できる。これは、室の整合ならびに欠陥を抱える他の部品における故障の検出と分類のための予測診断変数として、絞り弁の位置を末端ユーザーが使えるようにするための手法である。この手法によれば、弁が発揮している実際のコンダクタンスとは対照的に、既知かつ再現性のある位置出力変数を得たいという末端ユーザーのよくある要求を満足できるのである。

別の有用な出力としては「%コンダクタンス」（% Conductance）がある。この変数は、N₂換算のコンダクタンス（l/s）であり、特定の試験条件下で各位置に設定された弁からそれぞれ得られる値のことであると考えてよい。つまり%コンダクタンス変数とは、特定の条件下の標準気体（N₂など）に対して正規化された出力である。例えば或るサイズの弁に対して、N₂での100%開コンダクタンスが100l/sであるとする。80%開では90l/sで、以下同様であるとする。すると、弁が物理的に100%開状態であってコンダクタンスが100l/sのときは、「%コンダクタンス」は100%になる。そして弁が物理的に80%開状態であって90l/sのときは、「%コンダクタンス」は90%になるわけである。これを「%コンダクタンス」と表記し、ただの「コンダクタンス」とは呼ばないのは、末端ユーザーは種々の気体や混合気体に対してこの弁を使うわけであり、測定されるコンダクタンスは気体の種類の関数になるからという理由である。つまり出力を絶対単位（l/s）で出すのは避けて、正規化された「%コンダクタンス」を選ぶわけである。この特性により、他の環境でも使えて再現可能な基準をユーザーが得ることができる。そしてその基準を使えばユーザーは、その弁が既知の較正済性能を発揮できているかどうかを検証できるわけである。このコンダクタンスは一次変数としても興味を惹くものではあるが、弁同士でのコンダクタンス対位置の変動が生じてくるおそれもまだある。その一方で、コンダクタンス対コンダクタンス整合位置については、弁同士での再現性を非常に厳密に持ちえる。

弁から得られる位置報知変数であってさらに典型的なものとしては、「ステップ数に基づく位置」および「エンコーダーに基づく位置」が利用可能である。これらを使うことで、実際のシャフト位置対コンダクタンスの二次依存（存在するのであれば）を、末端ユーザーが監視できる。しかしながら、上述したようにコンダクタンス整合位置を介するのであれば、報知位置対コンダクタンスにおける弁同士での一次再現性が得られるという重大な利益が得られるのである。

下流圧力制御系における圧力動態は、下記式のように表せる。

式中、
V_chamber は室体積、
P_chamber は室内の圧力、
P_pump はポンプ入力における圧力、
Q_inlet は注入気体流量、
S_system は結合系コンダクタンス
を示す。
なお通常の条件下では、ポンプにおける圧力は、室内での制御された圧力よりも実質的に小さくなるので、無視できる。

結合系コンダクタンス S_system は、下流圧力制御系（すなわち室、弁、補助真空側配管（フォアライン）、およびポンプ）を含む要素群についての個別のコンダクタンスを直列接続したものとして表せる。すなわち下記式のように表せる。

式中、
C_chamber は室のコンダクタンス、
C_foreline は補助真空側配管のコンダクタンス、
C_pump はポンプのコンダクタンス（すわなち体積流量）、
C_valve は絞り弁のコンダクタンス
を示す。
弁コンダクタンス C_valve は、下記式のように弁角度θの高非線形関数になり、0%開状態から100%開状態まで変化する。

典型的な下流圧力制御用途に対しては、種々の系構成部品同士の間で下記の関係が成立することになる。

事例 I: θ ≦ 10%開、弁角度が比較的小さい場合。この事例では、系コンダクタンスは弁コンダクタンスのみに支配される。すなわち、

この場合、方程式(3)は下記のように近似できる。

この関係を考慮すると、通常利用可能な変数であるところの弁角度と系のコンダクタンス S_system を知っていれば、系の診断を行えることになる。したがって弁角度が小さい場合には、 S_system が実質的に変化すると弁コンダクタンスの変化に帰すると考えられる。具体的に言うと、低コンダクタンスの絞り弁（F-seal弁やQ-seal弁など）については、図6に示したとおり、封止要素の損傷または摩耗によって系のコンダクタンスが大きくなることになる。つまり、これを弁寿命のin-situ診断に使えるというわけである。

図6には、例示的な低コンダクタンスのフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含めてある。ここではフラッパーの封止部が摩耗している場合を描いている。図6からは、フラッパー封止部の摩耗によって、系のコンダクタンスが変動することがわかる。図6には、実際の系のコンダクタンス S_system を示す曲線 602 と、参照コンダクタンスを示す曲線 604 を含めてある。図6に示したとおり、フラッパー封止部が摩耗していると、弁開き角度が小さい範囲において、系のコンダクタンス S_system が、予想される参照コンダクタンスよりも高く出ることがわかる。

非封止弁については、図7に示したように、開きが少ない状態において系のコンダクタンス S_system が参照値よりも小さくなったならば、稼働中に化学物質が弁胴部に堆積して汚染が進んだことがわかる。図7には、例示的な非封止のフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含めてある。ここでは弁胴壁もしくはフラッパーに堆積物ができている場合を描いている。図7からは、非封止弁の有するフラッパーと胴部での汚染に因り、系のコンダクタンスが変動することがわかる。図7には、実際の系のコンダクタンス S_system を示す曲線 608 と、参照コンダクタンスを示す曲線 606 を含めてある。図7に示したとおり、非封止弁の有する弁胴部壁もしくはフラッパーに堆積が生じると、弁開き角度が小さい範囲において、系のコンダクタンス S_system が、予想される参照コンダクタンスよりも低く出ることがわかる。

事例 II: θ ≧ 60%開、弁の開きが比較的大きい場合。この事例では、補助真空側配管（すなわち配管、導管、パイプ）のコンダクタンスおよびポンプのコンダクタンスが、弁のコンダクタンスおよび室のコンダクタンスよりもかなり小さくなる。系のコンダクタンスは、補助真空側配管（すなわち配管、導管、パイプ）のコンダクタンスおよびポンプのコンダクタンスに支配されることになる。この場合、近似として下記の方程式(3)を立てられる。

封止部の影響は、弁の開きが大きい際には無視できる。つまり低コンダクタンスの蝶形弁と非封止の蝶形弁の双方において、測定される系のコンダクタンスが減少したならば、それはポンプ性能の劣化か、または配管（導管、パイプ）の閉塞かに起因すると考えることができるわけである。図8、図9を参照されたい。

図8には、例示的な低コンダクタンスのフラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含めてある。ここでは配管（すなわち導管やパイプ）に塞栓が生じているか、もしくはポンプが劣化している場合を描いている。図8からは、低コンダクタンス弁において管閉塞やポンプ劣化に因り、系のコンダクタンスが変化することがわかる。図8には、実際の系のコンダクタンス S_system を示す曲線 612 と、参照コンダクタンスを示す曲線 610 を含めてある。図8に示したとおり、低コンダクタンス弁にて管閉塞やポンプ劣化が起きると、弁開き角度が比較的大きい範囲において、系のコンダクタンス S_system が、予想される参照コンダクタンスよりも低く出ることがわかる。

図9には、例示的な非封止フラッパー弁における、コンダクタンス対フラッパー位置のグラフを含めてある。ここでは圧送ラインに塞栓が生じているかもしくはポンプが劣化している場合を描いている。図9からは、非封止弁における管閉塞またはポンプ劣化の発生に因り、系のコンダクタンスが変化することがわかる。図9には、実際の系のコンダクタンス S_system を示す曲線 616 と、参照コンダクタンスを示す曲線 614 を含めてある。図9に示したとおり、非封止弁にて管閉塞やポンプ劣化が起きると、弁開き角度が比較的大きい範囲において、系のコンダクタンス S_system が、予想される参照コンダクタンスよりも低く出ることがわかる。

したがって一般に末端ユーザーは、コンダクタンス曲線のどの部分が変化しているのかを観察することにより、弁汚染、フラッパー封止部の摩耗、補助真空側配管の閉塞、および／もしくはポンプの劣化などといった故障をつきとめる診断ができるようになる。

或る実施形態例に係る実装では、以下に挙げるように装置の動作と協調することになる時間標識トリガーのレシピを利用できる。
・装置がベースライン工程を走らせる。
・弁のI/Oが、時間標識トリガー（RecordMark1、RecordMark2）を刻んだ入力を受け付ける。
・各標識の時点において、弁の位置、記録圧力、および当初に推定した工程パラメータ（気体流量）を、弁が記録してメモリーに保存する。
・ウェハ製造の際に、レシピが元と同じ標識時点（ReadMark1、ReadMark2）を通過していることを示す別のトリガーを、装置から弁が受け付ける。
・各標識の時点において、弁がロジックを適用し、コンダクタンス曲線 S_system が、何らかの閾値を超える点の方へシフトしたかどうかを判断する。そしてその変化を示す何らかの指標と、その変化の原因として考えられるものとを含めた警告を、弁が装置へと返す。

この実施形態例では、装置と弁のあいだで用いられる通信方式は、表1に示したようなものであってよい。
表1: 指示と装置に対するインターフェイスの案

或る実施形態例では、実装例の別の拡張として、気体についての情報を、装置と弁のあいだでやりとりする態様が含まれる。こうすることで、系コンダクタンスの三次元テーブルを使用可能となり、下記のような弁位置と気体組成（gas composition）の非線形関数としてコンダクタンスを扱うことができる。

或る実施形態例では、本明細書に詳述した診断手法のなおも別の拡張例として、上流の圧力と下流の圧力の情報、すなわち上記式(2)における P_chamber と P_pump の双方を使い、その結果を利用できる。上流側の圧力変換器は、弁の注入口のすぐ傍に置くのが効果的である。また下流側の圧力変換器は弁の排出口に儲けるのが効果的である。このように圧力変換器を配置することで、上流側配管が下流側配管に比べて詰まりが発生していることと、ポンプの劣化との見分けがさらにつきやすくなる。

或る実施形態例では、時間標識の別手法として、装置の遊休時間内に、完全系学習ルーチンを行うこともできる。これによって、上述したようにプロットされた完全系コンダクタンス曲線 S_system を生成できる。この手法の利点としては、特定の動作点で時間標識法を使って得られるものに比べ、より連続的な曲線が得られるということがある。

本出願においては、下記の定義も含め、「モジュール」という用語または「制御手段（コントローラー）」という用語を、「回路」という用語で置き換えてもよい。「モジュール」という語は、以下に列挙するものであってもよく、その一部であってもよく、あるいはそれらを含むものであってもよい：特定用途向け集積回路（ASIC）。デジタル、アナログ、もしくはアナログ／デジタル混合の離散回路。デジタル、アナログ、もしくはアナログ／デジタル混合の集積回路。組合せ論理回路。フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）。コードを実行するプロセッサ回路（共有、専用、もしくは集合）。プロセッサ回路によって実行されるコードを記憶するメモリ回路（共有、専用、もしくは集合）。記載した機能を提供できる他の適切なハードウェア構成要素。あるいは、システムオンチップ（system-on-chip）などにおける、上記の一部または全部の組み合わせ。

上述したような用語「コード」には、ソフトウェア、ファームウェア、および／もしくはマイクロコードが含まれてよく、またプログラム、ルーチン、関数、クラス、データストラクチャ、および／もしくはオブジェクトを指していてもよい。用語「共有プロセッサ回路」とは、複数のモジュールからのコードの一部もしくは全てを実行できる単独のプロセッサ回路のことを包含する。用語「グループプロセッサ回路」とは、付加的なプロセッサ回路と協働して、一個以上のモジュールからのコードの一部もしくは全てを実行できるプロセッサ回路のことを包含する。なお複数のプロセッサ回路とは、分散ダイ上の複数のプロセッサ回路、単独ダイ上の複数のプロセッサ回路、単独のプロセッサ回路が有する複数のコア、単独のプロセッサ回路が有する複数のスレッド、またはこれらの組み合わせをも包摂する。用語「共有メモリ回路」とは、複数のモジュールからのコードの一部もしくは全てを保存できる単独のメモリ回路のことを包摂する。用語「グループメモリ回路」とは、付加的なメモリと協働して、一個以上のモジュールからのコードの一部もしくは全てを保存できるメモリ回路のことを包含する。

メモリ回路という用語は、コンピュータ可読媒体という用語の部分集合である。本明細書で使われるコンピュータ可読媒体という用語には、媒体を通過する一過性の電気信号もしくは電磁気信号（搬送波上のものなど）は含まれない。すなわちコンピュータ可読媒体という用語は、有形かつ非一過性のものを指すと捉えてよい。非一過性かつ有形のコンピュータ可読媒体の非限定的な例としては、不揮発性メモリ回路（フラッシュメモリ回路、EEPROM回路、マスクROM回路など）、揮発性メモリ回路（SRAM回路、DRAM回路など）、磁気記憶媒体（アナログ磁気テープ、デジタル磁気テープ、ハードディスクドライブなど）、光学記憶媒体（CD、DVD、Blu-ray（登録商標）ディスクなど）が挙げられる。

汎用コンピュータをコンピュータプログラムとして具現化した特定の一種以上の機能を実行するように構成することで作成できる特定用途向けコンピュータによって、本出願において記載された装置および方法は部分的にかまたは完全に実施可能である。上述した機能ブロックおよびフローチャート要素は、ソフトウェア仕様としても使え、当該技術分野の技術者またはプログラマーの日常業務の一環として、コンピュータプログラムに落し込むことが可能である。

本発明の構想について、その実施形態例を参照しながらここまで具体的に提示し記載してきた。しかしながら、後述する特許請求の範囲により定義される本発明の構想の精髄から逸脱することなく、形態と細部に種々の変形を加えることもできる旨も、当業者が理解するところである。

Claims (22)

1. 真空系中の第一の弁を較正するための方法であって、
   第二の参照弁のコンダクタンスを、角度基準の第二の参照弁の位置の関数として測定することで、所望のコンダクタンスの参照プロファイルに対する角度基準弁位置を決定するステップと、
   前記第一の弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置の関数として測定するステップと、
   角度基準弁位置の関数として測定した前記第一の弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置に対する前記所望のコンダクタンスの参照プロファイルと比較することで、前記第一の弁のコンダクタンス較正マップもしくはコンダクタンス較正関数を決定するステップと、
   前記第一の弁の動作中に使用するために、前記コンダクタンス較正マップもしくは前記コンダクタンス較正関数を保存するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 測定した前記第一の弁のコンダクタンスと、角度基準弁位置に対する前記所望のコンダクタンスの参照プロファイルとの差分を、前記コンダクタンス較正マップもしくは前記コンダクタンス較正関数を決定するために使うことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
3. さらに
   動作中に、前記第一の弁についての望ましいコンダクタンスに基づいた角度基準弁位置の設定点を受信するステップと、
   受信した角度基準弁位置の設定点、および、測定した前記第一の弁のコンダクタンスと角度基準弁位置に対する前記所望のコンダクタンスの参照プロファイルとの差分に基づいて、前記第一の弁についての実際の角度基準弁位置を設定するステップと
   を含む、請求項2に記載の方法。
4. さらに
   系の実際のコンダクタンスを定量するステップと、
   系の実際のコンダクタンスと、前記系に関する参照系のコンダクタンスとの差分を定量するステップと
   を含む、請求項3に記載の方法。
5. さらに
   前記系内での故障の診断指標を生成するステップ
   を含み、
   前記診断指標が、前記第一の弁についての前記実際の角度基準弁位置、および、前記系の実際のコンダクタンスと前記系に関する参照系のコンダクタンスとの差分に基づく
   ことを特徴とする、請求項4に記載の方法。
6. 前記第一の弁が低コンダクタンス弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的小さく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも大きい場合に、前記診断指標が、前記第一の弁の有するフラッパー封止部が摩耗していることである、請求項5に記載の方法。
7. 前記第一の弁の比較的小さい角度基準弁位置が、20度未満であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
8. 前記第一の弁が非封止弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的小さく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、前記第一の弁の有する弁壁およびフラッパーのうちの少なくとも一方に対して、副生物が堆積していることである、請求項5に記載の方法。
9. 前記第一の弁の比較的小さい角度基準弁位置が、20度未満であることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
10. 前記第一の弁が低コンダクタンス弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的大きく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、
    前記系の有する導管に少なくとも部分的な塞栓が生じていること、および
    前記系の有するポンプが劣化していること
    のうちの少なくとも一種以上である、請求項5に記載の方法。
11. 前記第一の弁の比較的大きい角度基準弁位置が、50度超であることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
12. 前記第一の弁が非封止弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的大きく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、
    前記系の有する導管に少なくとも部分的な塞栓が生じていること、および
    前記系の有するポンプが劣化していること
    のうちの少なくとも一種以上である、請求項5に記載の方法。
13. 前記第一の弁の比較的大きい角度基準弁位置が、50度超であることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
14. 第一の弁を用いた真空系における診断指標を提供するための方法であって、
    第二の参照弁のコンダクタンスを、角度基準の第二の参照弁の位置の関数として測定することで、所望のコンダクタンスの参照プロファイルに対する角度基準弁位置を決定するステップと、
    前記第一の弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置の関数として測定するステップと、
    角度基準弁位置の関数として測定した前記第一の弁のコンダクタンスを、角度基準弁位置に対する前記所望のコンダクタンスの参照プロファイルと比較することで、前記第一の弁のコンダクタンス較正マップもしくはコンダクタンス較正関数を決定するステップと、
    前記第一の弁の動作中に使用するために、前記コンダクタンス較正マップもしくは前記コンダクタンス較正関数を保存するステップと、
    前記第一の弁についての所望のコンダクタンスに基づいて、角度基準弁位置の設定点を受信するステップと、
    受信した角度基準弁位置の設定点、および、測定した前記第一の弁のコンダクタンスと、角度基準弁位置に対する前記所望のコンダクタンスの参照プロファイルとの差分に基づいて、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置を設定するステップと、
    系の実際のコンダクタンスを定量するステップと、
    前記系の実際のコンダクタンスと、前記系に関する参照系のコンダクタンスとの差分を定量するステップと、
    前記系における故障の診断指標を生成するステップと
    を含み、
    前記診断指標が、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置、および、前記系の実際のコンダクタンスと前記系に関する参照系のコンダクタンスとの差分に基づくものである
    ことを特徴とする、方法。
15. 前記第一の弁が低コンダクタンス弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的小さく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも大きい場合に、前記診断指標が、前記第一の弁の有するフラッパー封止部が摩耗していることである、請求項14に記載の方法。
16. 前記第一の弁の比較的小さい角度基準弁位置が、20度未満であることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
17. 前記第一の弁が非封止弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的小さく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、前記第一の弁の有する弁壁およびフラッパーのうちの少なくとも一方に対して、副生物が堆積していることである、請求項14に記載の方法。
18. 前記第一の弁の比較的小さい角度基準弁位置が、20度未満であることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
19. 前記第一の弁が低コンダクタンス弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的大きく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、
    前記系の有する導管に少なくとも部分的な塞栓が生じていること、および
    前記系の有するポンプが劣化していること
    のうちの少なくとも一種以上である、請求項14に記載の方法。
20. 前記第一の弁の比較的大きい角度基準弁位置が、50度超であることを特徴とする、請求項19に記載の方法。
21. 前記第一の弁が非封止弁であって、前記第一の弁の実際の角度基準弁位置が比較的大きく、かつ系の実際のコンダクタンスが参照系のコンダクタンスよりも小さい場合に、前記診断指標が、
    前記系の有する導管に少なくとも部分的な塞栓が生じていること、および
    前記系の有するポンプが劣化していること
    のうちの少なくとも一種以上である、請求項14に記載の方法。
22. 前記第一の弁の比較的大きい角度基準弁位置が、50度超であることを特徴とする、請求項21に記載の方法。

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