(57)【要約】【課題】真空容器の内部におけるガスの流れを制御する技術を提供する。【解決手段】ガス供給部からプロセスガスの供給を受けてプロセス対象にプロセスを実行する真空容器５００におけるプロセスガスの真空圧力と流れとを真空ポンプを使用して制御する真空制御システム１０を提供する。真空制御システム１０は、真空容器５００において相互に相違する位置に配置された複数のガス排出口５６１，５６２の各々と真空ポンプ３００との間に接続されている各真空制御バルブ１００，２００と、プロセス対象に供給されるプロセスガスの真空圧力を計測する圧力計測部６３１と、計測された真空圧力に応じて複数の真空制御バルブ５６１，５６２の各々の開度を操作する制御装置６１０と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給部からプロセスガスの供給を受けてプロセス対象にプロセスを実行する真空容器におけるプロセスガスの真空圧力と流れとを真空ポンプを使用して制御する真空制御システムであって、
前記真空容器において相互に相違する位置に配置された複数のガス排出口の各々と前記真空ポンプとの間に接続されている各真空制御バルブと、
前記プロセス対象に供給されるプロセスガスの真空圧力を計測する圧力計測部と、
前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作する制御装置と、
を備える真空制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の真空制御システムであって、
前記複数のガス排出口は、前記真空容器の内部において前記プロセスが実行されるプロセス反応領域を相互に挟む位置に配置されており、
前記圧力計測部は、前記プロセス反応領域の真空圧力を計測する真空制御システム。
【請求項３】
請求項２記載の真空制御システムであって、
前記制御装置は、前記プロセス反応領域から前記各ガス排出口までのコンダクタンスの相違と、前記真空ポンプと前記真空制御バルブを含む各排気系の個体差と、の少なくとも一方を補償し、前記複数の真空制御バルブの排気流量が相互に近づくように制御する真空制御システム。
【請求項４】
請求項２記載の真空制御システムであって、
前記制御装置は、前記プロセス反応領域から前記各ガス排出口までのコンダクタンスの相違と、前記真空ポンプと前記真空制御バルブを含む各排気系の個体差と、の少なくとも一方を補償し、前記複数の真空制御バルブの前記プロセス反応領域における実行排気速度が相互に近づくように制御する真空制御システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の真空制御システムであって、
前記制御装置は、
前記相違と前記個体差の少なくとも一方を補償するオフセット値を格納するオフセット値格納部と、
前記オフセット値格納部から読み出されたオフセット値を使用して、前記複数の真空制御バルブの開度を制御するための目標値を設定する目標値設定部と、
を有する真空制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の真空制御システムであって、
前記複数の真空制御バルブは、ガスの流れを遮断する遮断機能を有し、
前記制御装置は、前記複数の真空制御バルブの各々の特性データに基づいて前記オフセット値を生成し、前記生成されたオフセット値を前記オフセット値格納部に格納する機能を有し、
前記特性データは、前記複数の真空制御バルブのうちの一つを作動させ、前記複数の真空制御バルブのうちの他のバルブを遮断した状態で取得された前記目標値を設定するためのデータである真空制御システム。
【請求項７】
請求項５または６に記載の真空制御システムであって、
前記制御装置は、
前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作するための共通の指令値である共通開度指令値を出力する共通の主制御部と、
前記共通開度指令値に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を制御するために前記真空制御バルブ毎に設けられている複数の従属制御部と、
を備え、
前記各従属制御部は、前記各真空制御バルブの開度の実測値を取得し、前記各実測値と前記共通開度指令値と前記オフセット値とに応じて前記各真空制御バルブの開度を制御する真空制御システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の真空制御システムであって、
前記複数の真空制御バルブは、作動流体によって弁開度を操作して前記真空容器内の真空圧力を制御する真空制御バルブであり、
前記真空容器と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有する制御バルブ本体と、
前記弁座との距離であるリフト量の調節による前記弁開度の操作と、前記弁座への当接による前記流路の遮断とを行う弁体と、ピストンと、前記弁体と前記ピストンとを結合するロッドと、を有する動作部と、
前記制御バルブ本体に接続され、前記ピストンを収容するシリンダと、
前記リフト量が小さくなる方向に前記動作部を付勢する付勢部と、
前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の隙間を、前記ピストンの動作に追従しつつ密閉するベロフラムと、
を備え、
前記動作部及び前記シリンダは、
前記ベロフラムによって密閉され、前記ロッドを囲む筒状の形状を有する空間であって、前記作動流体の作用圧力に応じて前記ピストンに対して前記リフト量を大きくする方向に荷重を発生させる弁開度操作室と、
前記弁開度操作室と中心軸線を共有し、前記作動流体の供給に応じて前記動作部に対して前記リフト量を小さくする方向に荷重を発生させる遮断荷重発生室と、
を備える真空制御システム。
【請求項９】
前記シリンダは、前記遮断荷重発生室に収容されている摺動凸部を有するヘッドカバーを備え、
前記真空制御バルブは、前記遮断荷重発生室と前記摺動凸部との間を封止する封止面を有し、前記遮断荷重発生室への前記作動流体の供給に応じて前記封止面の面圧が高められる封止部を備える請求項８に記載の真空制御システム。
【請求項１０】
前記摺動凸部は、前記弁開度操作室と中心軸線を共有し、前記弁開度操作室の内径よりも小さな外径の円筒状の形状を有し、
前記動作部は、前記摺動凸部の内周面に囲まれた空間において前記動作の方向に延びるガイド部を有し、
前記真空制御バルブは、前記ガイド部と前記摺動凸部との間に配置され、前記動作の方向の摺動を可能とし、前記ガイド部と前記摺動凸部の前記動作の方向と垂直な方向の位置関係を相互に拘束する軸受を備える請求項９に記載の真空制御システム。
【請求項１１】
前記遮断荷重発生室は、前記ロッドの内部に形成されている請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の真空制御システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、
前記真空容器内の真空圧力を計測する圧力センサと、
作動流体を供給するための作動流体供給部と、前記作動流体を排気するための作動流体排気部とに接続され、前記真空制御バルブに前記作動流体を供給する空気圧回路と、
前記空気圧回路から前記真空制御バルブに供給される作動流体を操作して、前記真空容器内の真空圧力を制御する制御部と、
を備える請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の真空制御システム。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記真空ポンプの停止を表す情報を含む真空ポンプ停止信号の受信に応じて前記弁開度操作室と前記作動流体排気部との間の流路を接続するとともに、前記遮断荷重発生室と前記作動流体供給部との間の流路を接続する請求項１２に記載の真空制御システム。
【請求項１４】
前記空気圧回路は、非通電状態で前記弁開度操作室と前記作動流体排気部との間の流路を接続する第１の電磁弁と、非通電状態で前記遮断荷重発生室と前記作動流体供給部との間の流路を接続する第２の電磁弁と、を有する請求項１２又は１３に記載の真空制御システム。
【請求項１５】
ガス供給部からプロセスガスの供給を受けてプロセス対象にプロセスを実行する真空容器におけるプロセスガスの真空圧力と流れとを真空ポンプを使用して制御する真空制御方法であって、
前記真空容器において相互に相違する位置に配置された複数のガス排出口の各々と前記真空ポンプとの間に接続されている各真空制御バルブを準備する工程と、
前記プロセス対象に供給されるプロセスガスの真空圧力を計測する圧力計測工程と、
前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作する制御工程と、
を備える真空制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造プロセスに使用される真空容器内の流体の挙動を真空制御バルブで制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造プロセスには、たとえば化学気相成長（ＣＶＤ）のように真空の真空容器７１０（図２０、図２１参照）の内部にプロセス対象のウェハＷを配置し、ウェハＷのプロセス面Ｗｓをプロセスガス（本明細書では、単にガスとも呼ばれる。）に暴露させる工程がある。プロセスガスは、薄膜構成元素を含んでおり、プロセス面Ｗｓ上で反応して膜物質が形成される。
【０００３】
均一な膜形成のためには、ウェハＷに対してプロセスガスのより安定した均一な供給が求められることになる。一方、従来のＣＶＤ工程では、図２０、図２１に示されるような構成によってプロセスガスを供給しつつ真空ポンプによる排気が行われる。この排気制御では、振り子７２０を移動させて開閉量を操作する振り子式バルブを使用して排気系のコンダクタンスを操作することによって一般に行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１７４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような方法では、コンダクタンスの調整のために振り子７２０の位置が移動すると、振り子７２０の移動に伴って開口部の中心が移動することになる。このような開口部の中心移動は、真空容器７１０の内部におけるガスの流れＦＬ１，ＦＬ２に偏りを生じさせ、たとえばガスの供給が滞るよどみ領域の発生といったガス供給の不均一の原因となっていた。さらに、ガスの供給の不均一は、ウェハＷの一方からガスを供給するとともに他方からガスを排気するような構成では、ウェハＷの排気側の近傍における薄膜構成元素の濃度低下として発生していた。このようなガスの供給の偏りは、プロセス面Ｗｓでの膜圧にも偏りが生じさせ、上述のような製品の高精度化や高密度化の進展に伴って影響が顕在化していた。
【０００６】
本発明は、上述の従来の課題の少なくとも一部を解決するために創作されたものであり、真空容器の内部におけるガスの流れを制御する技術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】
【０００７】
手段１は、ガス供給部からプロセスガスの供給を受けてプロセス対象にプロセスを実行する真空容器におけるプロセスガスの真空圧力と流れとを真空ポンプを使用して制御する真空制御システムである。本真空制御システムは、前記真空容器において相互に相違する位置に配置された複数のガス排出口の各々と前記真空ポンプとの間に接続されている各真空制御バルブと、前記プロセス対象に供給されるプロセスガスの真空圧力を計測する圧力計測部と、前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作する制御装置と、を備える。
【０００８】
手段１では、真空容器において相互に相違する位置に配置された各排出部からの排出量を操作して、真空容器内のプロセスガスの真空圧力と流れの方向を制御することができる。これにより、半導体プロセスの条件設定として、プロセスガスの圧力や流量だけでなく、第３の操作パラメータとしてプロセスガスの流れの方向の操作が可能となるので、プロセスガスの流れの方向という新たな自由度を得ることができる。
【０００９】
なお、真空ポンプは、複数の真空制御バルブから共通の真空ポンプに接続されていても良いし、複数の真空制御バルブの各々に対して一つずつ装備されていても良い。また、プロセスガスの流れの制御は、意図的に方向を操作するように実装しても良いし、以下のようにプロセス対象面上において、プロセスガスの供給部から各排気部に向かって均一なプロセスガスの流れを実現するように実装しても良い。
【００１０】
手段２は、手段１において、前記複数のガス排出口は、前記真空容器の内部において前記プロセスが実行されるプロセス反応領域を相互に挟む位置に配置されている。前記圧力計測部は、前記プロセス反応領域の真空圧力を計測する。こうすれば、プロセス反応領域における真空圧力を制御しつつ、各ガス排出口の調整による真空容器内のガスの流れのベクトルの操作量を大きくすることができる。さらに、均一な排気流量とすれば、プロセス対象面上における均一なプロセスガスの流れを簡易に実現することができる。
【００１１】
「プロセス反応領域を相互に挟む位置」とは、プロセスの対象となる平面と平行な平面内に配置される必要は無く上下方向にシフトして配置されていてもよい。さらに、ガス排出口の数が奇数の場合には、プロセスガスの供給部を中心とした環状の位置において等間隔あるいは不均一な間隔で配置されている位置も「プロセス反応領域を相互に挟む位置」に含まれる。
【００１２】
手段３は、手段２において、前記制御装置は、前記プロセス反応領域から前記各ガス排出口までのコンダクタンスの相違と、前記真空ポンプと前記真空制御バルブを含む各排気系の個体差と、の少なくとも一方を補償し、前記複数の真空制御バルブの排気流量が相互に近づくように制御する。
【００１３】
手段３によれば、前記プロセス反応領域から各排気部までのコンダクタンスの相違や各排気系に個体差があっても、プロセス対象面上においてプロセスガスの供給部から各排気部に向かって均一なプロセスガスの流れを実現することができる。さらに、コンダクタンスによる設計制限を緩和して、真空容器の内部の設計自由度を高めることもできる。
【００１４】
手段４は、手段２において、前記制御装置は、前記プロセス反応領域から前記各ガス排出口までのコンダクタンスの相違と、前記真空ポンプと前記真空制御バルブを含む各排気系の個体差と、の少なくとも一方を補償し、前記複数の真空制御バルブの前記プロセス反応領域における実行排気速度が相互に近づくように制御する。
【００１５】
手段４によれば、実測可能なガスの供給量とプロセスガスの真空圧力とに基づいて直接的に算出することが可能な実行排気速度を利用してガスの真空圧力と流れを簡易に制御することができる。
【００１６】
手段５は、手段３または手段４において、前記制御装置は、前記相違と前記個体差の少なくとも一方を補償するオフセット値を格納するオフセット値格納部と、前記オフセット値格納部から読み出されたオフセット値を使用して、前記複数の真空制御バルブの開度を制御するための目標値を設定する目標値設定部と、を有する。こうすれば、複数の真空制御バルブの開度の制御を簡易に実現することができる。
【００１７】
手段６は、手段５において、前記複数の真空制御バルブは、ガスの流れを遮断する遮断機能を有する。前記制御装置は、前記複数の真空制御バルブの各々の特性データに基づいて前記オフセット値を生成し、前記生成されたオフセット値を前記オフセット値格納部に格納する機能を有する。前記特性データは、前記複数の真空制御バルブのうちの一つを作動させ、前記複数の真空制御バルブのうちの他のバルブを遮断した状態で取得された前記目標値を設定するためのデータである。
【００１８】
手段６によれば、複数の真空制御バルブの特性データを個別に取得することができるので、ガスの流れの線形性を利用して簡易な実装が可能である。目標値を設定するためのデータは、広い意味を有し、必ずしも目標値自体を表すデータに限られず、たとえば真空制御バルブの開度を表すデータ（開度の計測値）であってもよい。
【００１９】
手段７は、手段５または手段６において、前記制御装置は、前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作するための共通の指令値である共通開度指令値を出力する共通の主制御部と、前記共通開度指令値に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を制御するために前記真空制御バルブ毎に設けられている複数の従属制御部と、を備える。前記各従属制御部は、前記各真空制御バルブの開度の実測値を取得し、前記各実測値と前記共通開度指令値と前記オフセット値とに応じて前記各真空制御バルブの開度を制御する。
【００２０】
手段７によれば、各真空制御バルブの開度の実測値に基づいて制御されるので、制御入力と開度の間の関係の線形性を確保することができる。本構成は、この線形性を利用することにより、オフセット値によって各真空制御バルブの開度範囲が相互にシフトしても主制御部による共通の制御則で制御することができる。換言すれば、本構成は、開度の実測によって開度と制御入力の線形性を確保することによって、開度範囲が相互にシフトしても真空制御バルブの特性変化の抑制を実現しているのである。
【００２１】
手段８は、手段１乃至７のいずれか一つの真空制御システムにおいて、前記複数の真空制御バルブは、作動流体によって弁開度を操作して前記真空容器内の真空圧力を制御する真空制御バルブであり、前記真空容器と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有する制御バルブ本体と、前記弁座との距離であるリフト量の調節による前記弁開度の操作と、前記弁座への当接による前記流路の遮断とを行う弁体と、ピストンと、前記弁体と前記ピストンとを結合するロッドと、を有する動作部と、前記制御バルブ本体に接続され、前記ピストンを収容するシリンダと、前記リフト量が小さくなる方向に前記動作部を付勢する付勢部と、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の隙間を、前記ピストンの動作に追従しつつ密閉するベロフラムと、を備える。前記動作部及び前記シリンダは、前記ベロフラムによって密閉され、前記ロッドを囲む筒状の形状を有する空間であって、前記作動流体の作用圧力に応じて前記ピストンに対して前記リフト量を大きくする方向に荷重を発生させる弁開度操作室と、前記弁開度操作室と中心軸線を共有し、前記作動流体の供給に応じて前記動作部に対して前記リフト量を小さくする方向に荷重を発生させる遮断荷重発生室と、を備える。
【００２２】
手段８では、ピストンの動作に追従しつつ密閉する膜状弾性体でピストンの外周面とシリンダの内周面との間の隙間を密閉する真空制御バルブで制御が行われる。このような構成の真空制御バルブは、低ヒステリシス特性を有しているので、真空制御システムの制御性能を顕著に向上させることができる。
【００２３】
手段９は、手段８において、前記シリンダは、前記遮断荷重発生室に収容されている摺動凸部を有するヘッドカバーを備える。前記真空制御バルブは、前記遮断荷重発生室と前記摺動凸部との間を封止する封止面を有し、前記遮断荷重発生室への前記作動流体の供給に応じて前記封止面の面圧が高められる封止部を備える。
【００２４】
手段９の真空制御バルブは、遮断荷重発生室への作動流体の供給に応じて封止面の面圧が高められる封止部が遮断荷重発生室に使用されている。これにより、弁開度の操作時、すなわち非遮断時においては、遮断荷重発生室の封止面の面圧を抑制して低摩擦の摺動で動かすことができる。この結果、たとえばベロフラムをしなくても、簡易な構成で低ヒステリシスでの弁開度の操作を実現することができる。
【００２５】
手段１０は、手段９において、前記摺動凸部は、前記弁開度操作室と中心軸線を共有し、前記弁開度操作室の内径よりも小さな外径の円筒状の形状を有し、前記動作部は、前記摺動凸部の内周面に囲まれた空間において前記動作の方向に延びるガイド部を有し、
前記真空制御バルブは、前記ガイド部と前記摺動凸部との間に配置され、前記動作の方向の摺動を可能とし、前記ガイド部と前記摺動凸部の前記動作の方向と垂直な方向の位置関係を相互に拘束する軸受を備える。
【００２６】
手段１０の真空制御バルブには、円筒状の摺動凸部の内周面に囲まれた空間において動作の方向に延びるガイド部が動作部に備えられているので、ベロフラムの摺動面よりも軸受に近い位置に摺動凸部の摺動面が配置されることになる。これにより、ベロフラムよりも精度要求が厳しい、遮断荷重発生室と摺動凸部との間の摺動面の隙間の精度を簡易に向上させることができる。
【００２７】
手段１１は、手段８乃至１０のいずれか一つにおいて、前記遮断荷重発生室は、前記ロッドの内部に形成されている。
【００２８】
手段１２は、手段８乃至１１のいずれか一つにおいて、前記制御装置は、前記真空容器内の真空圧力を計測する圧力センサと、作動流体を供給するための作動流体供給部と、前記作動流体を排気するための作動流体排気部とに接続され、前記真空制御バルブに前記作動流体を供給する空気圧回路と、前記空気圧回路から前記真空制御バルブに供給される作動流体を操作して、前記真空容器内の真空圧力を制御する制御部と、を備える。
【００２９】
手段１３は、手段１２において、前記制御装置は、前記真空ポンプの停止を表す情報を含む真空ポンプ停止信号の受信に応じて前記弁開度操作室と前記作動流体排気部との間の流路を接続するとともに、前記遮断荷重発生室と前記作動流体供給部との間の流路を接続する。
【００３０】
手段１３の真空制御システムでは、真空ポンプ停止信号の受信に応じて遮断荷重が印加される作動モードとなるので、真空ポンプの不測の停止によって真空ポンプ側の圧力が上昇しても遮断状態を確保することができるという利点を有している。なお、「真空ポンプ停止信号の受信」は、たとえば真空ポンプの作動状態を表す真空ポンプ側の内部接点の状態確認や真空ポンプの正常信号の不達といったものも含む広い意味を有している。
【００３１】
手段１４は、手段１２又は１３において、前記空気圧回路は、非通電状態で前記弁開度操作室と前記作動流体排気部との間の流路を接続する第１の電磁弁と、非通電状態で前記遮断荷重発生室と前記作動流体供給部との間の流路を接続する第２の電磁弁と、を有する。
【００３２】
手段１４の真空制御システムでは、非通電状態で前記弁開度操作室と前記作動流体排気部との間の流路を接続する第１の電磁弁と、非通電状態で前記遮断荷重発生室と前記作動流体供給部との間の流路を接続する第２の電磁弁とを有するので、電源オフや停電時においては必ず緊急遮断状態となる。これにより、緊急停止や停電時の安全確保を考慮したシステム設計を簡易に実現することができる。
【００３３】
手段１５は、ガス供給部からプロセスガスの供給を受けてプロセス対象にプロセスを実行する真空容器におけるプロセスガスの真空圧力と流れとを真空ポンプを使用して制御する真空制御方法である。この真空制御方法は、前記真空容器において相互に相違する位置に配置された複数のガス排出口の各々と前記真空ポンプとの間に接続されている各真空制御バルブを準備する工程と、前記プロセス対象に供給されるプロセスガスの真空圧力を計測する圧力計測工程と、前記計測された真空圧力に応じて、前記複数の真空制御バルブの各々の開度を操作する制御工程と、を備える。
【００３４】
なお、半導体の製造装置に限られず、半導体の製造方法にも適用することができ、さらに、真空容器内にガスを流すプロセス装置に利用することができる。
【発明の効果】
【００３５】
第１手段によれば、プロセスガスの圧力や流量だけでなく、第３の操作パラメータとしてプロセスガスの方向の操作が可能となるので、半導体プロセスの条件設定に流れの方向という新たな自由度を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態の真空制御システム１０の構成を示す断面図。
【図２】真空制御システム１０の平面図。
【図３】真空制御システム１０の制御ブロック図。
【図４】真空制御システム１０の制御系の作動内容を示すフローチャート。
【図５】オフセット弁開度指令値取得処理の内容を示すフローチャート。
【図６】真空制御バルブ１００が単体で作動する様子を示す説明図。
【図７】有効排気速度の算出に使用される計算式を示す説明図。
【図８】変形例の真空制御システム１０ａの構成を示す断面図。
【図９】第２実施形態における非通電時（バルブ全閉）の真空制御バルブ３０の構成を示す断面図。
【図１０】非通電時の真空制御バルブ３０が有するロッドカバー８１の構成を示す拡大断面図。
【図１１】バルブ全開時の真空制御バルブ３０の構成を示す断面図。
【図１２】真空制御バルブ３０の真空圧力の制御時の作動状態を示す断面図。
【図１３】パッキン７０と内周面６３との間の摩擦面を示す拡大断面図。
【図１４】パッキン７０の装着状態を示して封止原理を説明する模式図。
【図１５】遮断荷重発生室３９の非加圧時の状態を示して封止原理を説明する模式図。
【図１６】遮断荷重発生室３９への加圧時を示して封止原理を説明する模式図。
【図１７】実施形態の真空制御システム２０の構成を示す模式図。
【図１８】実施形態の空気圧回路２２の構成と作動内容とを示す模式図。
【図１９】実施形態の真空制御システム２０の制御ブロック図。
【図２０】従来技術の真空容器７１０の内部におけるガスの流れを示す説明図。
【図２１】従来技術の真空容器７１０の内部におけるガスの流れを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を具現化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３８】
（Ａ．第１実施形態の真空制御システムの構成）
図１は、第１実施形態の真空制御システム１０の構成を示す断面図である。図２は、第１実施形態の真空制御システム１０の平面図である。真空制御システム１０は、化学気相成長（ＣＶＤ）工程を実行する真空容器５００に供給されるガスの流れを制御する。真空制御システム１０は、２個の真空制御バルブ１００，２００と、１個のターボ分子ポンプ３００と、を備えている。真空制御バルブ１００は、真空容器５００のガス排出口５６１とターボ分子ポンプ３００との間に接続されている。真空制御バルブ２００は、真空容器５００のガス排出口５６２とターボ分子ポンプ３００との間に接続されている。本実施例では、２個の真空制御バルブ１００，２００は同一の構成を有している。ターボ分子ポンプ３００には、ドライポンプ（図示省略）が直列に接続されている。
【００３９】
真空容器５００は、プロセス対象であるウェハＷを支持するウェハ台５２０と、ウェハＷのプロセス面Ｗｓに対してガスを分散して供給するガス分散部５１０と、真空制御バルブ１００，２００を保護するための遮蔽板５３０と、圧力計測部６３１と、を備えている。プロセス面Ｗｓは、本第１実施形態では、ウェハ台５２０によって水平面、すなわち重力の方向に対して垂直な面に対して平行となるように支持されている。ガス分散部５１０には、真空容器５００の外部からガスを供給するためのガス供給パイプ５１２と支持構造（図示省略）が接続されている。
【００４０】
ガス分散部５１０は、プロセス面Ｗｓに対して平行な対向面５１１を有する。対向面５１１は、プロセス面Ｗｓに対してほぼ垂直な方向からガス流ＦＬを供給する。遮蔽板５３０は、ガス排出口５６１、５６２の各々を覆う円盤状の形状を有している。圧力計測部６３１は、本第１実施形態では、水平面内においてプロセス中心Ｗｃの近傍の圧力を検知する圧力検知部６３２を有している。本明細書では、「水平面内において」とは、水平面に投影された状態においてという意味である。プロセス中心Ｗｃは、プロセスが実行される領域において予め設定された位置である。プロセスが実行される領域は、「プロセス反応領域」とも呼ばれる。プロセス反応領域においては、圧力損失がほとんど発生しないので、圧力検知部６３２は、プロセス反応領域の何処に配置してもよい。
【００４１】
真空容器５００の筐体は、図１、図２から分るように、ガス分散部５１０を格納するドーム形状を有するドーム部５５１と、２個のガス排出配管５７１，５７２と、架台５５４を介してウェハ台５２０が固定されている下部筐体５５３と、を備えている。ドーム部５５１は、水平面内においてプロセス中心Ｗｃの近傍にガス供給口Ｇｃを有している。
【００４２】
２個のガス排出配管５７１，５７２は、図２から分るように、水平面内においてプロセス反応領域を相互に挟む位置に装備されている。２個のガス排出配管５７１，５７２には、それぞれ真空制御バルブ１００，２００の各々が接続されている。２個の真空制御バルブ１００，２００も、水平面内においてプロセス反応領域を相互に挟む位置で反対向きに接続されている。
【００４３】
真空容器５００のガスの流れは以下のとおりである。ガスは、図１に示されるように、ガス供給口Ｇｃから真空容器５００に供給される。ガス供給口Ｇｃから供給されたガスは、前述のように、ガス分散部５１０の対向面５１１からプロセス面Ｗｓに対してほぼ垂直な方向からガス流ＦＬとして供給される。プロセス面Ｗｓに供給されたガスは、プロセス面ＷｓでＣＶＤ処理を実行しつつ、遮蔽板５３０を迂回してガス排出口５６１，５６２に吸い込まれる。ガス排出口５６１，５６２に吸い込まれたガスは、２個の真空制御バルブ１００，２００を介してターボ分子ポンプ３００から排出される。ターボ分子ポンプ３００は、入口３０１の近傍において有効排気速度Ｓｏａ，Ｓｏｂ（ｍ＾３／ｓｅｃ）を発生させている。有効排気速度Ｓｏａは、ガス排出口５６１を経由する流路に対する分担分である。有効排気速度Ｓｏｂは、ガス排出口５６２を経由する流路に対する分担分である。２つの有効排気速度Ｓｏａ，Ｓｏｂは第１実施形態では、相互に一致する。
【００４４】
真空制御バルブ１００は、真空容器５００のガス排出口５６１と接続された上流側流路１４１と、ターボ分子ポンプ３００に接続された下流側流路１４２と、上流側流路１４１と下流側流路１４２との間を開閉するポペット弁体１１０と、ポペット弁体１１０を閉側に付勢する付勢バネ１３３と、圧搾空気の力でポペット弁体１１０を開側に動かすシリンダ室１３５と、シリンダ室１３５に圧搾空気を誘導する空気流路１３４と、空気流路１３４に供給する圧搾空気を操作する電空制御弁１３１と、電空制御弁１３１に圧搾空気を供給するための空気ポート１３２と、電空制御弁１３１から圧搾空気を排出する排気ポート１３７（図２参照）と、を備えている。
【００４５】
下流側流路１４２には、流路内部の圧力Ｐ２ａを計測する検知面１４６を有する圧力センサ１４５が備えられている。真空制御バルブ２００にも、同様に流路内部の圧力Ｐ２ｂを計測する検知面２４６を有する圧力センサ２４５が備えられている。ポペット弁体１１０は、弾性シール部材１１２を有し、付勢バネ１３３によって弁座１４３に押し付けられることによって上流側流路１４１と下流側流路１４２との間を遮断することができる。
【００４６】
真空制御バルブ１００のコンダクタンス操作は、ポペット弁体１１０のリフト量を操作することによって行われる。リフト量とは、本明細書では、ポペット弁体１１０と弁座１４３との間の距離Ｌａを意味する。真空制御バルブ１００のコンダクタンスは、リフト量Ｌａを調整することによって上流側流路１４１と下流側流路１４２との間のコンダクタンスとして操作することができる。真空制御バルブ２００は、真空制御バルブ１００と同一の構成を有し、同様の方法でコンダクタンスを操作することができる。下流側流路１４２の内部圧力は、このようなコンダクタンスの操作によって変動する。この内部圧力Ｐ２ａは、下流側流路１４２の内部に検知面１４６を有する圧力センサ１４５によって計測され、コントローラ６１０に送られる。真空制御バルブ２００においても同様に内部圧力Ｐ２ｂが計測され、コントローラ６１０に送られる。
【００４７】
（Ｂ．第１実施形態の真空制御系の構成と作動内容）
図３は、第１実施形態の真空制御システム１０の制御ブロック図である。この制御系は、真空制御バルブ１００のポペット弁体１１０のリフト量を制御する第１スレーブループと、真空制御バルブ２００のポペット弁体２１０のリフト量を制御する第２スレーブループと、真空容器５００の内部圧力を制御するマスターループとを有する二重ループ構造のカスケード制御として構成されている。スレーブループとマスターループの各制御ループは、たとえば周知のＰＩＤ制御系として構成することができる。スレーブループとマスターループは、それぞれ主制御部と従属制御部とも呼ばれる。
【００４８】
第１スレーブループは、電空制御部１３０の電空制御弁１３１（図１参照）がシリンダ室１３５の圧力を操作して、ポペット弁体１１０の位置を目標値に近づけることを目的とする制御ループである。電空制御弁１３１は、シリンダ室１３５の内部圧力を操作し、付勢バネ１３３の付勢力とのバランスによってリフト量を操作することができる。目標値は、コントローラ６１０によってポペット弁体１１０のリフト量を表す基準弁開度指令値ｐｖ１として電空制御弁１３１に与えられる。ポペット弁体１１０のリフト量は、弁体位置センサ１３８によって計測され、電空制御弁１３１にフィードバックされる。基準弁開度指令値ｐｖ１は、共通開度指令値とも呼ばれる。
【００４９】
第１スレーブループは、フィードバック量と基準弁開度指令値ｐｖ１の偏差δ１を小さくするようにポペット弁体１１０のリフト量を操作する。これにより、第１スレーブループは、ポペット弁体１１０のリフト量をコントローラ６１０から与えられた基準弁開度指令値ｐｖ１に近づけるように制御することができる。リフト量の操作は、オリフィス径を操作することと物理的に等価である。
【００５０】
なお、リフト量の代わりにシリンダ室１３５の内部圧力を計測してフィードバック量として利用してもよい。ただし、リフト量をフィードバックすれば、マスターループからの指令値（制御入力）とリフト量（開度）の非線形性に起因する精度の低下を抑制することができる。この精度の低下は、オフセット値によって各真空制御バルブの開度範囲が相互にシフトすることによって発生する。本構成は、開度の実測によって開度と制御入力の線形性を確保することによって、開度範囲が相互にシフトしても真空制御バルブの特性変化の抑制を実現しているのである。
【００５１】
第２スレーブループは、目標値が基準弁開度指令値ｐｖ１でなく弁開度指令値ｐｖ２である点で、第１スレーブループと相違し、他の構成を共通とする。弁開度指令値ｐｖ２は、基準弁開度指令値ｐｖ１に対してオフセット弁開度指令値ｐｖａを加算することによって生成される指令値である。オフセット弁開度指令値ｐｖａは、補正値データ格納部６２０から読み出された値が利用される。オフセット弁開度指令値ｐｖａは、制御系全体が定常状態で安定しているときの有効排気速度Ｓａ，Ｓｂ（ｍ＾３／ｓｅｃ）が相互に一致するように設定された補正値である。補正値データ格納部６２０は、オフセット値格納部とも呼ばれる。
【００５２】
有効排気速度Ｓａ１（図３参照）は、プロセス中心Ｗｃからガス排出口５６１（図１参照）を経由するターボ分子ポンプ３００の入口３０１までの流路と、ターボ分子ポンプ３００とを一体とみなし、プロセス中心Ｗｃをターボ分子ポンプ３００の入口として取り扱ったときの排気速度を意味する。プロセス中心Ｗｃは、圧力計測部６３１による圧力計測位置である。有効排気速度Ｓａ１は、プロセス中心Ｗｃからターボ分子ポンプ３００の入口３０１までのコンダクタンスによる低減を考慮された排気速度であって、プロセス中心Ｗｃにおける有効な排気速度としての意味を有している。一方、有効排気速度Ｓｂ１（図３参照）は、プロセス中心Ｗｃからガス排出口５６２（図１参照）を経由するターボ分子ポンプ３００の入口３０１までのコンダクタンスによる低減が考慮された排気速度であって、プロセス中心Ｗｃにおける有効な排気速度としての物理的意味を有している。
【００５３】
有効排気速度Ｓａ１，Ｓｂ１（ｍ＾３／ｓｅｃ）が相互に一致するということは、コンダクタンスの操作によって、ターボ分子ポンプ３００がプロセス中心Ｗｃにおいて同一の有効排気速度を発生させていることになる。一方、プロセス中心Ｗｃでは、ガス排出口５６１を経由するルートとガス排出口５６２を経由するルートが同一の圧力を共有することになるので、同一の排気流量（Ｐａ・ｍ＾３／ｓｅｃ）が実現されることになる。これにより、プロセス反応領域を相互に挟む位置に配置された２個のガス排出口５６１、５６２から同一の排気流量でガスが排出されることになる。
【００５４】
マスターループは、コントローラ６１０が２個の真空制御バルブ１００，２００のコンダクタンスを操作して、真空容器５００のプロセス中心Ｗｃの近傍の圧力を圧力目標値Ｐ１ｔに近づけることを目的とする制御ループである。圧力目標値Ｐ１ｔは、プロセスに適した値として予め設定された固定圧力値である。弁開度指令値ｐｖ２は、基準弁開度指令値ｐｖ１に対して固定のオフセット弁開度指令値ｐｖａの加算によって補正された値なので、弁開度指令値ｐｖ２と基準弁開度指令値ｐｖ１とは、一体として変動することになる。これにより、２個の真空制御バルブ１００，２００は、オフセットしたリフト量を中心位置として一体に動くことになるので、単一の真空制御バルブによる制御に対してもほとんど即応性を損なうことが無く簡易に制御則を組むことができるという利点を有している。
【００５５】
図４は、第１実施形態の真空制御システム１０の制御系の作動内容を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、ユーザは、オフセット弁開度指令値取得処理を実行する。オフセット弁開度指令値取得処理は、２個の真空制御バルブ１００，２００の各々を個別に作動させて特性データを取得し、オフセット弁開度指令値ｐｖａを取得する処理である。オフセット弁開度指令値取得処理の内容の詳細は後述する。
【００５６】
ステップＳ２００では、ユーザは、圧力目標値入力処理を行う。圧力目標値入力処理とは、予め設定された固定目標値である圧力目標値Ｐ１ｔをコントローラ６１０に入力する処理である。圧力目標値Ｐ１ｔは、真空容器５００で実行させるプロセスに適した値として決定される。
【００５７】
ステップＳ３００では、コントローラ６１０は、基準弁開度指令値決定処理を実行する。基準弁開度指令値決定処理とは、真空容器５００の内部の計測圧力と圧力目標値Ｐ１ｔの偏差δｍに応じて基準弁開度指令値ｐｖ１を逐次算出する処理である。基準弁開度指令値ｐｖ１は、予めコントローラ６１０に格納されている制御則に基づいて決定される。基準弁開度指令値ｐｖ１は、真空制御バルブ１００を制御する第１スレーブループの目標値として利用される。
【００５８】
ステップＳ４００では、オフセット弁開度指令値加算処理が実行される。オフセット弁開度指令値加算処理とは、補正値データ格納部６２０から読み出されたオフセット弁開度指令値ｐｖａが基準弁開度指令値ｐｖ１に対して加算される処理である。この加算処理によって、弁開度指令値ｐｖ２が生成される。弁開度指令値ｐｖ２は、真空制御バルブ２００を制御する第２スレーブループの目標値として利用される。このように、２個の真空制御バルブ１００，２００は、相互にオフセットした目標値である基準弁開度指令値ｐｖ１と、弁開度指令値ｐｖ２とを目標値として一体的に制御される。
【００５９】
ステップＳ５００では、リフト量操作処理が実行される。リフト量操作処理は、２つのポペット弁体１１０、２１０の各々が基準弁開度指令値ｐｖ１と、弁開度指令値ｐｖ２とに応じて操作される処理である。これにより、実質的に真空制御バルブ１００，２００のオリフィス径が操作され、真空制御バルブ１００，２００のコンダクタンスが操作されることになる。
【００６０】
ステップＳ６００では、真空容器内圧力計測処理が実行される。真空容器内圧力計測処理とは、圧力計測部６３１によって真空容器５００の内部圧力が計測される処理である。計測位置は、真空容器５００の中のプロセス中心Ｗｃの近傍である。これにより、プロセス中心Ｗｃの近傍の圧力が圧力目標値Ｐ１ｔに近づくように制御されるとともに、真空制御バルブ１００，２００の双方から均等にガスが排出されることになる。
【００６１】
このように、本第１実施形態は、オフセット弁開度指令値ｐｖａを取得することができれば、単一の真空制御バルブによる制御に対してもほとんど即応性を損なうことが無く簡易に制御則を組むことができる。
【００６２】
（Ｃ．第１実施形態におけるオフセット弁開度指令値の取得方法）
図５は、第１実施形態のオフセット弁開度指令値取得処理の内容を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、ユーザは、真空制御バルブ２００を閉弁する。これにより、真空制御バルブ２００の作動による影響を排除して、真空制御バルブ１００による排気の特性データを取得することができる。
【００６３】
図６は、第１実施形態の真空制御バルブ１００が単体で作動する様子を示す説明図である。図６の例では、真空制御バルブ２００が閉弁されているとともに、真空制御バルブ１００が開弁状態となっているので、供給された全てのガスは、ガス排出口５６１を介して真空制御バルブ１００に吸い込まれることになる。このように、真空制御バルブ１００の特性データを取得することができる状態となっていることが分る。
【００６４】
ステップＳ１２０では、ユーザは、目標値を設定する。目標値は、プロセス中心Ｗｃの近傍の圧力目標値Ｐ１ｔと、ガス供給口Ｇｃからのガス供給量（Ｑ／２）とである。圧力目標値Ｐ１ｔは、想定されるプロセスに適した真空圧力として設定される。ガス供給量（Ｑ／２）は、想定されるプロセスに適した流量Ｑのうち、真空制御バルブ１００とターボ分子ポンプ３００とが分担する流量として半分に設定される。
【００６５】
ステップＳ１３０では、ユーザは、真空制御バルブ１００による真空制御を実行させる。この真空制御の準備として、ユーザは、ターボ分子ポンプ３００に直列に接続されたドライルポンプ（図示せず）によって真空引きを行って、真空容器５００の内部圧力を分子領域まで低下させる。次に、ターボ分子ポンプ３００を起動して安定運転状態とする。
【００６６】
真空容器５００の内部圧力が圧力目標値Ｐ１ｔの近傍に達したら、ユーザは、流量Ｑ／２でガスの供給を開始するとともに、真空制御バルブ１００による真空制御を起動させる。この制御は、図３の制御系において、マスターループと第１スレーブループとが機能し、第２スレーブループが停止した状態におけるカスケード制御として作動することになる。ガスは、本第１実施形態のガス供給制御では、ガス供給量（Ｑ／２）が設定値とされ、その設定値で安定して供給されることになる。
【００６７】
コントローラ６１０は、図８に示されるように、真空制御バルブ１００に基準弁開度指令値ｐｖ１を送信し、真空圧力Ｐ１を圧力目標値Ｐ１ｔに近づける制御を実行する。コントローラ６１０は、ターボ分子ポンプ３００の入口圧力Ｐ２ａと、リフト量Ｌａと、を真空制御バルブ１００から取得する。入口圧力Ｐ２ａは、下流側流路１４２の圧力として検知面１４６を有する圧力センサ１４５で計測され、コントローラ６１０に送信される。リフト量Ｌａは、弁体位置センサ１３８から電空制御弁１３１を介してコントローラ６１０に送信される。
【００６８】
ステップＳ１４０では、コントローラ６１０は、予め設定された安定条件を満たしたことを検知し、その検知に応じてリフト量Ｌａを補正値データ格納部６２０に格納する。安定条件は、たとえばマスターループの偏差δｍと第１スレーブループの偏差δ１の双方が一定時間だけ予め設定された閾値よりも小さいこととしてもよい。コントローラ６１０は、さらに、真空制御バルブ１００の有効排気速度Ｓａ１を算出し、補正値データ格納部６２０に格納する。
【００６９】
図７は、有効排気速度Ｓａ１の算出に使用される計算式を示す説明図である。有効排気速度Ｓａ１は以下のようにして算出される。第１に、コントローラ６１０は、計算式Ｆ２（図７参照）を用いてプロセス中心Ｗｃの近傍からターボ分子ポンプ３００の入り口までのコンダクタンスＣを算出する。第２に、コントローラ６１０は、計算式Ｆ４を用いてコンダクタンスＣと、ターボ分子ポンプ３００の排気速度Ｓａ２とから有効排気速度Ｓａ１を算出する。ここで、コンダクタンスＣは、プロセス中心Ｗｃの近傍で圧力計測部６３１によって計測される計測圧力Ｐ１ｍと、圧力センサ１２２によって計測されるターボ分子ポンプ３００の入口圧力Ｐ２ａの計測値とから算出することができる。一方、ターボ分子ポンプ３００の排気速度Ｓａ２は、連続の式Ｆ５によって算出することができる。このようにして、コントローラ６１０は、真空制御バルブ１００の有効排気速度Ｓａ１の算出し、算出結果を補正値データ格納部６２０に格納する。
【００７０】
計算式Ｆ１〜Ｆ４は、真空理論に基づくものであって以下のように決定されている。計算式Ｆ２は、計算式Ｆ１を数学的に変形して導き出されたものである。計算式Ｆ１は、コンダクタンスの定義式に対して、ガス供給量（Ｑ／２）と、ターボ分子ポンプ３００の入口圧力Ｐ２ａの計測値と、プロセス中心Ｗｃの近傍の真空圧力Ｐ１（計測値）と、を代入したものである。計算式Ｆ４は、計算式Ｆ３を数学的に変形して導き出されたものである。計算式Ｆ３は、排気速度と、コンダクタンスと、有効排気速度Ｓａ１との関係を表す理論式である。一方、計算式Ｆ５は、ガスの流れを圧縮性流体の一次元流れとして取り扱い、質量流量が一定であることを利用して決定されたものである。
【００７１】
なお、第１実施形態では、発明概念を分りやすく説明するために、ターボ分子ポンプ３００の入口圧力Ｐ２ａの計測値からコンダクタンスＣを算出している。しかしながら、第１実施形態の真空容器５００では、プロセス中心Ｗｃの近傍で圧力計測部６３１によって計測される計測圧力Ｐ１ｍが圧力目標値Ｐ１ｔに一致したときのリフト量Ｌａを取得すれば十分である。これにより、プロセスに適した流量（分担分＝Ｑ／２）において、適切な圧力Ｐ１ｔを実現するバルブリフト量Ｌａが取得できたことになるからである。換言すれば、ガス供給量（Ｑ／２）において、プロセス中心Ｗｃの近傍における適切な有効排気速度Ｓａ１を実現するバルブリフト量Ｌａが取得できたことになるからである（Ｐ１×Ｓａ１＝Ｑ／２）。このように、コンダクタンスＣの算出は必ずしも必要ない。
【００７２】
ステップＳ１５０では、ユーザは、真空制御バルブ１００による制御を停止して閉弁する。真空制御バルブ１００の閉弁は、ガス供給を停止してから実行する。ターボ分子ポンプ３００の停止は、ターボ分子ポンプ３００の破損を防止するために、真空制御バルブ１００の閉弁後に実行する。
【００７３】
ステップＳ１６０では、ユーザは、真空制御バルブ２００の目標値を設定する。設定目標値は、真空制御バルブ２００の目標値と同一である。すなわち、目標値は、プロセス中心Ｗｃの近傍の圧力目標値Ｐ１ｔと、ガス供給口Ｇｃからのガス供給量（Ｑ／２：真空制御バルブ２００の分担分）とである。
【００７４】
ステップＳ１７０では、ユーザは、真空制御バルブ２００による真空制御を実行させる。真空制御の方法は、真空制御バルブ１００による真空制御（ステップＳ１３０）と同一である。ステップＳ１８０では、コントローラ６１０は、予め設定された安定条件を満たしたことを検知し、その検知に応じてリフト量Ｌｂを補正値データ格納部６２０に格納する。リフト量Ｌｂの取得方法は、リフト量Ｌａの取得方法と同一である。
【００７５】
これにより、各分担流量（Ｑ／２）において、プロセス中心Ｗｃの圧力目標値Ｐ１ｔに一致したときの真空制御バルブ１００のリフト量Ｌａとこの時の指令値Ｃａと、真空制御バルブ２００のリフト量Ｌｂとこの時の指令値Ｃｂと、がそれぞれ取得できたことになる。リフト量Ｌａは、分担流量（Ｑ／２）において、プロセス中心Ｗｃの圧力を圧力目標値Ｐ１ｔとするための真空制御バルブ１００のリフト量である。リフト量Ｌｂは、分担流量（Ｑ／２）において、プロセス中心Ｗｃの圧力を圧力目標値Ｐ１ｔとするための真空制御バルブ２００のリフト量である。
【００７６】
したがって、双方の真空制御バルブ１００、２００による真空制御を機能させれば、ガス供給量Ｑにおいて、双方に同一の分担流量（Ｑ／２）で排気されることになる。この真空制御は、真空制御バルブ１００、２００の各々のコンダクタンス操作によって、ガス排出口５６１を経由するルートとガス排出口５６２を経由するルートによってプロセス中心Ｗｃにおいて発生させている有効排気速度Ｓａ１，Ｓｂ１（ｍ＾３／ｓｅｃ）を相互に一致させる制御として把握することもできる。オフセット弁開度指令値ｐｖａは、指令値Ｃａと指令値Ｃｂの差として算出することができる。
【００７７】
このように、第１実施形態の真空制御システム１０は、半自動的にオフセット弁開度指令値ｐｖａを算出し、補正値データ格納部６２０に格納することができる。これにより、第１実施形態の制御系を機能させることができる。この結果、プロセス面Ｗｓにおけるガスの流れが真空制御系における真空制御バルブの作動に影響を抑制して、プロセス面Ｗｓの近傍で均一な流れを実現させることができる。
【００７８】
第１実施形態では、特に２個の真空制御バルブ１００，２００が一体として動き、バルブの開口部の中心も重力方向に対して同様に動くので、バルブの開口部の中心移動に起因するガスの流れの偏りも効果的に抑制されることになる。
【００７９】
なお、上述の実施形態では、真空制御バルブ１００側において、圧力センサ１４５（図６参照）で下流側流路において流路内部の圧力を計測する構成としているが、図８に示される変形例のようにガス排出口５６１、５６２の各々で圧力を計測する構成としてもよい。この変形例では、ガス排出口５６１の内部に圧力検知面５８２ａを有する圧力センサ５８１ａでガス排出口５６１の圧力を計測している。なお、真空制御バルブ２００側においては、同様に流路内部の圧力Ｐ２ｂを計測する検知面５８２ｂを有する圧力センサ５８１ｂが備えられている。このような構成においても、計算式Ｆ１〜Ｆ５を使用して上述の実施形態と同様の取り扱いが可能だからである。
【００８０】
このように、圧力の計測位置は、ガス排出口５６１とターボ分子ポンプの入口３０１の間のいずれかの位置と、ガス排出口５６２とターボ分子ポンプの入口３０１の間のいずれかの位置と、に装備されていればよい。ただし、上述の実施例のように真空制御バルブ１００、２００の下流で圧力Ｐ２ａ，Ｐ２ｂを計測すれば、バルブリフト量に対して鋭敏に圧力Ｐ２ａ，Ｐ２ｂが変動するので、高い精度でオフセット弁開度指令値を取得することができるという利点がある。
【００８１】
（Ｄ．第２実施形態の真空制御システム２０の構成）
第２実施形態の真空制御システム２０は、低ヒステリシス特性を有する複数の真空制御バルブ３０を使用している点で第１実施形態の真空制御システム１０と相違する。真空制御バルブ３０は、低ヒステリシス特性を有するので、高応答性且つ精密なコンダクタンス操作を可能とし、これにより反応ガスの流れのベクトル操作性を顕著に向上させることができる。
【００８２】
なお、以下の説明では、単一の真空制御バルブ３０と、単一の真空制御バルブ３０を操作するシステムが説明されているが、本発明への適用に当たっては第１実施形態の真空制御バルブ１００，２００の各々に置き換えられることになる。
【００８３】
図９は、非通電時（バルブ全閉）の真空制御バルブ３０の構成を示す断面図である。図１０は、非通電時の真空制御バルブ３０が有するロッドカバー８１の構成を示す拡大断面図である。図１１は、バルブ全開時の真空制御バルブ３０の構成を示す断面図である。真空制御バルブ３０は、制御バルブ本体４３と、シリンダチューブ３１と、動作部材３２とを備えている。制御バルブ本体４３は、動作部材３２の移動方向（軸線方向）に延びる円筒状の形状を有している。制御バルブ本体４３には、軸線方向においてシリンダチューブ３１側に開口する略円柱状の凹部である弁箱４５が形成されている。弁箱４５の開口部は、動作部材３２が摺動可能に貫通している貫通孔８２を有するロッドカバー８１によって塞がれている。
【００８４】
動作部材３２は、弁箱４５において真空制御バルブ３０の弁開度を操作する弁体３３と、貫通孔８２を貫通するロッド３２ｒと、ロッド３２ｒの端部に接続されているピストン５１とを備えている。弁体３３は、ロッド３２ｒに接続されており、動作部材３２を軸方向に移動させてリフト量Ｌａを変化させることができる。リフト量Ｌａは、本実施形態では、弁開度に相当する。動作部材３２は、動作部に相当する。
【００８５】
弁体３３は、制御バルブ本体４３に形成されている弁座４２に当接することによって流路を遮断する機能を有している。流路の遮断は、弁箱４５の内部において弁体３３を弁座４２に当接させて二次側ポート４４を弁箱４５から隔離することによって行われる。遮断時の封止は、弁体３３からその一部が突出したＯリング７５を弁座４２に当接させて潰すことによって実現されている。弁座４２は、たとえば弁体３３に対して軸線方向に対向する環状の領域であって、二次側ポート４４との接続口の周囲に形成されている表面粗さが小さな領域である。Ｏリング７５は、弁座４２に対して軸線方向に対向する位置に環状の形状を有している。
【００８６】
ピストン５１は、シリンダチューブ３１の内周面５３に向かって半径方向に延びる環状の形状を有し、シリンダチューブ３１の内周面５３において密閉された弁開度操作室３６（図１１参照）を形成している。ピストン５１の外周端部には、軸線方向において弁開度操作室３６の反対側に延びる円筒状の形状を有する筒状部材５１ｖが接続されている。ピストン５１には、弁開度操作室３６を密封するベロフラム３４が接続されている。
【００８７】
弁開度操作室３６は、ベロフラム３４と、ロッドカバー８１と、ロッド３２ｒと、ピストン５１（ベロフラムリテーナ５２）と、によって囲まれている容積が可変のドーナツ状の密閉空間として形成されている。ベロフラム３４は、その内周側の端部がピストン５１とベロフラムリテーナ５２の間において螺子５４で締結されている。一方、ベロフラム３４は、その外周側の端部３４ａがシリンダチューブ３１とロッドカバー８１との間で挟まれている。これにより、ベロフラム３４とロッドカバー８１との間と、ベロフラム３４とシリンダチューブ３１との間と、が密閉（封止）されている。弁開度操作室３６は、ベロフラム３４によって内周面５３によって形成されている内部空間を区画することによって形成されている。弁開度操作室３６には、開弁用空気流路３７と接続流路８７とを介して操作エアを供給することができる。なお、操作エアの供給方法については後述する。操作エアは作動流体に相当する。
【００８８】
ベロフラム３４は、シルクハット型の形状を有し、長い行程（ストローク）で追従あるいは転動（折り返し部分の移動）することが可能な可堯性の空間区画部材である。ベロフラム３４は、ピストン５１の外周面５１ｓ（図１１参照）とシリンダチューブ３１の内周面５３との間の隙間を、ピストン５１の動作に追従しつつ密閉するベロフラムである。ベロフラム３４は、転動型ダイアフラムとも呼ばれ、動作部材３２と弁開度操作室３６との間に摩擦の要因となる面接触を形成しないので、摺動抵抗が極めて小さく低ヒステリシス特性や微小圧力応答性、高い密封性といった固有の特性を有している。ベロフラム３４は、円滑に転動が行えるように、リニアベアリング６５によって外周面５１ｓと内周面５３との隙間を確保するように構成されている。リニアベアリング６５の詳細については後述する。
【００８９】
ベロフラム３４は、真空制御バルブ３０において最も直径の大きなシリンダチューブ３１の内周面５３とピストン５１との間の摺動部を密封しているので、摩擦面を排除して顕著に動作部材３２の摺動摩擦抵抗を小さくすることができる。これにより、電空制御弁２６から開弁用空気流路３７に供給される操作エアの圧力操作によって、低ヒステリシス特性において高い応答性でのリフト量Ｌａの調節が実現される。なお、動作部材３２は、電動モータを使用して移動させる構成としても良い。
【００９０】
一方、図１０に示すように、ロッド３２ｒとロッドカバー８１との間の封止は以下のように構成されている。ロッドカバー８１の貫通孔８２には、弁箱４５の側に近い位置に装着凹部８３が形成され、装着凹部８３よりもシリンダチューブ３１側に近い位置に装着溝８４が形成されている。装着凹部８３には、比較的に耐圧性が低く動摩擦抵抗の小さな第１段軽荷重シール７６と第２段軽荷重シール７７とが装備されている。装着溝８４には、比較的に耐圧性の高いパッキン７４が装備されている。一方、ロッドカバー８１には、パッキン７４と第１段軽荷重シール７６との間で装着凹部８３に連通し、外部に貫通するリーク検出用ポート８５が形成されている。
【００９１】
リーク検出用ポート８５は、パッキン７４における漏洩と、第１段軽荷重シール７６及び第２段軽荷重シール７７における漏洩とを検知することができる。パッキン７４における漏洩は、操作エアの漏洩として検知することができる。第１段軽荷重シール７６及び第２段軽荷重シール７７における漏洩は、リーク検出用ポート８５にヘリウムガスを注入する一方、ヘリウムリークディテクタ（図示省略）に接続されている弁箱４５を真空状態とすることによって検出することができる。
【００９２】
ピストン５１は、付勢バネ５５によって付勢されている。付勢バネ５５は、動作部材３２のピストン５１に対して、リフト量Ｌａと弁開度操作室３６の容積とがいずれも小さくなる方向に付勢力を印加している。付勢バネ５５は、シリンダチューブ３１の内周面５３と環状の形状を有するヘッドカバー６１に囲まれた空間に収容されている。付勢バネ５５の一方は、ピストン５１に対して弁開度操作室３６とは軸線方向に反対側（裏側）において当接している。付勢バネ５５の他方は、ヘッドカバー６１に当接している。
【００９３】
ヘッドカバー６１は、円筒状の形状を有する筒部６１ｂと、筒部６１ｂよりも小さな直径を有する円筒状の形状を有する摺動凸部６１ａとを有している。ヘッドカバー６１は、摺動凸部６１ａ及び筒部６１ｂと中心軸線を共有している。摺動凸部６１ａと筒部６１ｂの直径差は、行程制限面６１ｅを形成している。行程制限面６１ｅは、ピストン５１に形成されている行程制限端部５１ｅに当接することによってピストン５１の上昇量を制限する当接面である。これにより、ピストン５１の行程は、上昇方向（リフト量Ｌａ増大方向）が行程制限面６１ｅによって制限される一方、下降方向（リフト量Ｌａ減少方向）が弁座４２によって制限されていることになる。
【００９４】
摺動凸部６１ａは、動作部材３２の内部に形成されている遮断荷重発生室３９に収容されている。遮断荷重発生室３９は、動作部材３２の動作方向に延びる中心線に対し、弁開度操作室３６の内側に形成されている。これにより、遮断荷重発生室３９は、動作部材３２の動作方向において弁開度操作室３６に対して重なる位置に装備されていることになる。この結果、遮断荷重発生室３９の装備に起因する真空制御バルブ３０の大型化（特に動作部材３２の動作方向の大型化）を抑制することができる。さらに、ヘッドカバー６１の摺動半径を小さくすることができるので、遮断荷重発生室３９の装備に起因する摺動抵抗の発生を抑制することもできる。
【００９５】
遮断荷重発生室３９による遮断荷重の印加は、真空制御バルブ３０の製造性を向上させることもできる。製造時における付勢バネ５５のセット時荷重（弁閉時の荷重）を軽減して製造を容易とすることができるからである。すなわち、付勢バネ５５は、従来技術では、遮断時（リフト量Ｌａがゼロの場合）において要請された遮断荷重を発生させるようなバネ係数と初期荷重（プリロード）を発生させる初期たわみ量で装備することが要請される。
【００９６】
これにより、真空制御バルブ３０の口径の大型化に伴ってバネ係数と初期たわみ量の双方が過大となるので、真空制御バルブ３０の大型化だけでなく、製造も困難となることが本発明者によって見出された。しかしながら、本構成では、ヘッドカバー６１と遮断荷重発生室３９とで遮断荷重を発生させることによって、付勢バネ５５の初期荷重を軽減させることができるからである。
【００９７】
リニアベアリング６５は、ヘッドカバー６１とガイドロッド５６の間の半径方向（軸線方向に垂直な方向）の位置関係を拘束しつつ、小さな摩擦で軸線方向（動作部材３２の移動方向）への相対的な往復動を可能とする軸受である。リニアベアリング６５は、円筒状の形状を有する摺動凸部６１ａの内周面の内側の空間であって、ガイドロッド５６の外周面の外側に配置されている。
【００９８】
ガイドロッド５６は、動作部材３２に接続されているので、リニアベアリング６５は、ピストン５１と内周面５３との間の位置関係（隙間）をも維持（拘束）することができる。これにより、ベロフラム３４は、その折り返し部分を円滑に移動させることによってほとんど摩擦を生じさせることなく、シリンダチューブ３１に対して動作部材３２を移動させることができる。
【００９９】
ガイドロッド５６には、ヘッドカバー６１に対するガイドロッド５６の動作量を計測するための弁体位置センサ３５が装備されている。ガイドロッド５６には、弁体位置センサのプローブ３５ａが挿入される挿入管３５ｂがアダプタ３５ｃを介して接続されている。弁体位置センサ３５は、挿入管３５ｂへのプローブ３５ａの挿入長さに応じた電気信号を発生させることができる。ヘッドカバー６１に対するガイドロッド５６の動作量は、挿入長さの変動量として図ることができるので、その変動量に応じてリフト量Ｌａを計測することができる。弁体位置センサ３５には、たとえばリニアパルスコーダ（登録商標）などが利用可能である。
【０１００】
ヘッドカバー６１は、中心軸線を共有する２つの筒状の摺動面を有している。第１の摺動面は、摺動凸部６１ａの外周面６１ａｓと内周面６３との間の摺動面である。第２の摺動面は、摺動凸部６１ａの内周面６２ａｓとガイドロッド５６との間の摺動面である。第１の摺動面及び第２の摺動面のクリアランス（隙間）は、リニアベアリング６５によって正確に維持している。
【０１０１】
リニアベアリング６５は、前述のように摺動凸部６１ａとガイドロッド５６との間に配置されているとともに、摺動凸部６１ａとリニアベアリング６５との間の相互の位置関係も動作部材３２の動作に関わらず維持されている。これにより、簡易に遮断荷重発生室３９と摺動凸部６１ａとの間の隙間の精度を向上させることができる。一方、リニアベアリング６５は、貫通孔８２に装備されているパッキン７４との位置関係についても動作部材３２の動作に関わらず維持され、ベロフラム３４で密閉されているピストン５１と内周面５３との間の摺動面よりも近傍に維持されている。これにより、摺動面の隙間の精度要求が厳しい摺動面がリニアベアリング６５の近傍に配置されていることになるので、簡易に封止性能の向上と摺動抵抗の低減の両立を図ることができる。
【０１０２】
第１の摺動面において、外周面６１ａｓには、その外周の全周に渡って凹形状を有する装着溝７８（図１０参照）が形成され、その装着溝７８にＶ字状のパッキン７０ｂが装着されている。第２の摺動面において、内周面６２ａｓには、その内周に渡って凹形状を有する装着溝７９が形成され、その装着溝７９にＶ字状のパッキン７０ａが装着されている。Ｖ字状のパッキン７０ａ，７０ｂは、Ｖパッキンとも呼ばれる。
【０１０３】
次に、図１２を参照して、真空制御バルブ３０のリフト量Ｌａを操作する方法について説明する。図１２は、真空制御バルブ３０の真空圧力の制御時の作動状態を示す断面図である。真空制御バルブ３０は、前述のように、弁体３３と弁座４２との間の距離であるリフト量Ｌａを弁開度として調節することによって一次側ポート４１と二次側ポート４４との間のコンダクタンスを操作することができる。リフト量Ｌａは、弁座４２に対して動作部材３２の位置を相対的に移動させることによって調節される。コンダクタンスは、流路における流体の流れやすさを意味している。
【０１０４】
リフト量Ｌａは、動作部材３２への駆動力と、その駆動力に相反する付勢バネ５５の付勢力とのバランスによって操作される。動作部材３２への駆動力は、弁開度操作室３６の内部の操作エアの圧力の作用によって生じる。リフト量Ｌａの制御においては、動作部材３２とシリンダチューブ３１との間の相対的な移動に起因する摩擦力の低減が望まれる。摩擦力は、ヒステリシスの原因となって精密な制御を阻害する大きな要因となるからである。
【０１０５】
動作部材３２は、図１０に示すように、シリンダチューブ３１との間に３箇所の摩擦面を有している。第１の摩擦面は、装着溝７８に装着されているパッキン７０ｂと、内周面６３との間の摩擦面である。第２の摩擦面は、装着溝７９に装着されているパッキン７０ａと、ガイドロッド５６との間の摩擦面である。第３の摩擦面は、ロッドカバー８１の貫通孔８２に装着されているパッキン７４とロッド３２ｒの外周面との間の摩擦面である。
【０１０６】
第３の摩擦面は、主として弁開度操作室３６の操作圧力を低減させることによって摺動抵抗が低減されている。弁開度操作室３６の操作圧力の低減は、本実施形態では、上述のように付勢バネ５５のセット時荷重（弁閉時の荷重）を小さくすることよって実現可能となっている。また、本発明者の実験によれば、ロッド３２ｒの外周面の表面粗さＲａを０．２程度とすることによって、摺動抵抗の低減と必要な真空リーク特性の両立が確保できることが確認されている。なお、第３の摩擦面は、ベローズで動作部材３２を覆うことによって封止するように構成してもよい。
【０１０７】
図１３は、第１の摩擦面、すなわち、装着溝７８に装着されているパッキン７０と、内周面６３との間の摩擦面を示す拡大断面図である。パッキン７０は、ヒール部７１と二股に分かれている一対のリップ部７２ａ、７２ｂとを有するＶ字状のパッキンである。パッキン７０ｂは、一対のリップ部７２ｂ側が遮断荷重発生室３９に向けられており、遮断荷重発生室３９からの圧力を受けて面圧が高くなるように構成されている。第２の摩擦面は、第１の摩擦面と同様に封止されている。
【０１０８】
摺動部の設計においては、摺動部のクリアランスＳ２と、装着溝７８の深さＳ１とパッキン７０ｂの一対のリップ部７２ａ、７２ｂの幅方向の大きさの差の関係と、が設計パラメータとなる。本実施形態では、弁体３３が弁座４２に当接して遮断荷重を発生させるときにのみ遮断荷重発生室３９の気密性が要求されるので、後述するようにパッキン７０ｂの潰し量を小さくすることができる。これにより、パッキン７０ｂと内周面６３との間の摩擦量を低減させてヒステリシスを低減させることができる。
【０１０９】
次に、図１４乃至図１６を参照して、パッキン７０ｂによる封止メカニズムを詳細に説明する。図１４は、パッキン７０ｂの装着状態を示して封止原理を説明する模式図である。図１５は、遮断荷重発生室３９の非加圧時の状態を示して封止原理を説明する模式図である。図１６は、遮断荷重発生室３９への加圧時を示して封止原理を説明する模式図である。図１４及び図１６においては、パッキン７０ｂの面圧分布Ｐｄ１、Ｐｄ２が示されている。真空制御バルブ３０は、遮断荷重発生室３９への加圧が遮断時にのみ行われるので、リフト量Ｌａの制御が行われている状態では、遮断荷重発生室３９への加圧が行われない。
【０１１０】
図１５に示されるように、パッキン７０ｂは、潰し量Ｑで弾性変形させられた状態で装着溝７８に装着されている。非加圧時には、パッキン７０ｂの接触面圧と面圧領域とは、面圧分布Ｐｄ１として示されるように極めて小さい。面圧分布Ｐｄ１は、一対のリップ部７２ａ、７２ｂの剛性と潰し量Ｑに起因して発生する面圧分布だからである。これにより、電空制御弁２６による真空制御が行われている状態（遮断荷重発生室３９の非加圧時）においては、遮断荷重発生室３９とヘッドカバー６１との間には、極めて小さな動摩擦が発生することになる。
【０１１１】
一方、図１６に示されるように、遮断荷重発生室３９は、遮断荷重の印加時には、面圧分布Ｐｄ２によって示されるように十分な封止性能を実現することができる。さらに、遮断荷重の印加においては、弁体３３が弁座４２に当接する遮断状態なので、遮断荷重発生室３９とヘッドカバー６１との間に相対的な移動は必要なく、制御状態でも無いので動摩擦の発生は何らの問題も生じさせいないことが分る。さらに、本発明者は、摺動時の漏れが許容可能なので、面圧分布Ｐｄ１をも低減させることが可能であることをも見出した。これにより、遮断荷重の発生機能を装備するために、遮断荷重発生室３９と摺動凸部６１ａとを設けても、その摺動が新たにヒステリシスの原因とならない設計を実現することができることが見出された。
【０１１２】
次に、図１７乃至１９を参照して、真空制御バルブ３０を使用する真空制御システム２０について説明する。
【０１１３】
図１７は、実施形態の真空制御システム２０の構成を示す模式図である。真空制御システム２０は、エッチングプロセスを実行するための真空容器９０と、真空制御バルブ３０と、コントローラ２１と、空気圧回路２２と、ターボ分子ポンプ３００と、ターボ分子ポンプ３００に直列に接続されている真空引き用のドライポンプと、を備えている。真空容器９０には、一定の供給量で反応性ガスＧが供給されつつ、真空制御バルブ３０を介してターボ分子ポンプ３００によって排気される。真空容器９０の真空圧力は、真空制御バルブ３０のコンダクタンスを操作することによって制御される。ターボ分子ポンプ３００は、真空ポンプに相当する。
【０１１４】
真空容器９０は、反応性ガスＧが供給される反応ガス供給孔９１と、排気孔９３と、真空圧力センサ９２と、を備えている。反応ガス供給孔９１には、マスフローセンサ（図示省略）で計測された一定量の反応性ガスＧが供給される。排気孔９３には、真空制御バルブ３０の一次側ポート４１が接続されている。真空圧力センサ９２は、真空容器９０の内部の真空圧力を計測して電気信号をコントローラ２１に送信する。真空圧力は、コントローラ２１による真空制御バルブ３０の操作に使用される。
【０１１５】
弁開度操作室３６の内部圧力は、空気圧回路２２から開弁用空気流路３７を介して操作エアが供給あるいは排気されることによって操作される。空気圧回路２２は、操作エアを供給するための高圧側の作動流体供給部９５と、操作エアを排気するための低圧側の作動流体排気部９６とに接続されている。
【０１１６】
遮断用荷重は、空気圧回路２２から遮断用空気流路３８に操作エアが供給されることによって、弁体３３を弁座４２まで移動させ、その移動後に弁体３３を弁座４２に押し付ける荷重として機能する。遮断用荷重は、付勢バネ５５による付勢荷重との合力として作用する。
【０１１７】
遮断用荷重は、本実施形態では、たとえばコントローラ２１がターボ分子ポンプ３００から真空ポンプ停止信号を受信し、真空制御システム２０を緊急停止させる際に印加される。以下では、緊急停止を含む各作動モードにおける作動内容について説明する。コントローラ２１は、制御部に相当する。真空ポンプ停止信号は、たとえば真空ポンプ停止信号が停止した場合、あるいはターボ分子ポンプ３００の回転数が異常に低下した場合に発信される信号である。
【０１１８】
次に、図１８を参照して空気圧回路２２と真空制御バルブ３０の作動内容を説明する。図１８は、実施形態の空気圧回路２２の構成と作動内容とを示す模式図である。空気圧回路２２は、コントローラ２１からの指令に応じて操作エアを供給し、これにより真空制御バルブ３０を操作する回路である。空気圧回路２２は、電空制御弁２６と、３個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３とを備えている。電空制御弁２６は、操作エアの高圧側に接続されている給気弁２６ａと、操作エアの排気側に接続されている排気弁２６ｂとを有している。
【０１１９】
コントローラ２１は、本実施形態では、２個のＰＩＤ制御回路２４ａ，２４ｂを内蔵するプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）として構成されている。プログラマブルロジックコントローラ２１は、たとえばラダー・ロジックを使用して高い信頼性を有する制御を実現することができる論理回路である。２個のＰＩＤ制御回路２４ａ，２４ｂは、詳細については後述するが、真空容器９０の真空圧力のフィードバック制御に使用される。コントローラ２１は、３個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の各々へのオンオフ指令と、電空制御弁２６へのパルス幅変調信号と、を空気圧回路２２に送信する。電磁弁ＳＶ２と電磁弁ＳＶ３とは、それぞれ第１の電磁弁と第２の電磁弁とも呼ばれる。
【０１２０】
電空制御弁２６は、たとえば周知のパルス幅変調方式で給気弁２６ａと排気弁２６ｂの開弁時間（デューティ）を操作することによって、外部から供給される圧縮空気の開弁用空気流路３７への供給圧力を操作することができる。電空制御弁２６は、給気弁２６ａの開弁時間（デューティ）を大きくし、排気弁２６ｂの開弁時間を小さくすることによって弁開度操作室３６で動作部材３２に作用するエア圧力を高くすることができる。これにより、弁体３３のリフト量Ｌａを大きくすることが可能となる。
【０１２１】
一方、電空制御弁２６は、給気弁２６ａの開弁時間（デューティ）を小さくし、排気弁２６ｂの開弁時間を大きくすることによって弁開度操作室３６で動作部材３２に作用するエア圧力を低くすることができる、これにより、付勢バネ５５からの荷重によって弁体３３のリフト量Ｌａを小さくすることができる。
【０１２２】
電磁弁ＳＶ１は、電磁弁ＳＶ２に接続される流路を、電空制御弁２６と作動流体供給部９５のいずれかに切り替える電磁弁であり、非通電時には、電空制御弁２６に接続される。電磁弁ＳＶ２は、開弁用空気流路３７に接続される流路を、電磁弁ＳＶ１と作動流体排気部９６のいずれかに切り替える電磁で弁であり、非通電時には、作動流体排気部９６に接続される。電磁弁ＳＶ３は、遮断用空気流路３８に接続される流路を、作動流体供給部９５と作動流体排気部９６のいずれかに切り替える電磁で弁であり、非通電時には、作動流体供給部９５に接続される。
【０１２３】
次に、表Ｔを参照して、空気圧回路２２の各作動モードの内容を説明する。表Ｔは、各作動モードにおける３個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の通電状態を示す表である。表Ｔでは、オンとオフをそれぞれ「ＯＮ」と「ＯＦＦ」で表記している。
【０１２４】
真空制御システム２０の緊急停止時の作動モードでは、電空制御弁２６及び３個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３が全てオフとなる。緊急停止は、真空制御システム２０のシステム設計で定義されるワーストケースとしての作動モードであって、たとえばコントローラ２１がドライポンプ（図示省略）から真空ポンプ停止信号を受信した場合の作動モードである。ドライポンプは、ターボ分子ポンプ３００に直列に接続され、真空引き使用されるポンプである。本作動モードでは、大気開放状態の二次側ポート４４と、真空側の一次側ポート４１との間には、大気圧の全てが差圧として印加されることになる。この差圧荷重は、弁体３３に対してリフト量Ｌａを増大させる方向に印加され、弁体３３を弁座４２から離して真空容器９０に大気を逆流させる方向に働くことになる。本実施形態の緊急停止では、遮断荷重によって上述の差圧に対抗して逆流を防止することができる。
【０１２５】
このように、高圧側の作動流体供給部９５が遮断用空気流路３８に接続されるとともに、排気側の作動流体排気部９６が開弁用空気流路３７に接続されることになる。これにより、遮断荷重を印加する遮断荷重発生室３９の空気圧が上昇し、開弁側（リフト量Ｌａ増大）の荷重を印加する弁開度操作室３６の室内が大気圧まで低下することになる。この結果、動作部材３２に接続されている弁体３３が弁座４２の方向に急速に移動して、真空制御バルブ３０を閉状態（遮断）とするとともに遮断荷重の印加を継続する。
【０１２６】
なお、電磁弁ＳＶ３は、非通電時には、遮断用空気流路３８に接続される流路を作動流体排気部９６に接続されるように構成しても良い。ただし、上述のように、非通電時において作動流体供給部９５に接続されるように構成すれば、停電時において、空気圧回路２２への電力供給が停止されるので、表Ｔの矢印に示されるように、緊急停止時と同一の作動内容の作動モードとすることができる。
【０１２７】
このように、真空制御システム２０の停電あるいは緊急停止においては、いずれの作動モードにおいても、真空制御バルブ３０を閉弁するとともに遮断荷重を印加することができる。この結果、本実施形態の真空制御システム２０では、空気圧回路２２への電力供給が停止された状態においては、付勢バネ５５の付勢力と遮断荷重発生室３９の加圧とによって弁体３３が弁座４２に移動し、遮断荷重が印加されるように空気回路が構成されていることになる。
【０１２８】
このような構成では、電源オフや停電時においても必ず遮断状態となることが確保されているので、緊急停止や停電時の安全確保を考慮したシステム設計を簡易に実現することができるという利点がある。さらに、本実施形態では、コントローラ２１は、真空ポンプ停止信号の受信に応じて、緊急停止の作動モードとなるので、ターボ分子ポンプ３００の不測の停止によって仮に二次側ポート４４の圧力が上昇しても遮断状態を確保することができるという利点をも有している。
【０１２９】
次に、真空制御バルブ３０を閉状態とする作動モードでは、２個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３がオンとなる一方、電磁弁ＳＶ３がオフとなっている。この作動モードは、ターボ分子ポンプ３００が正常な運転状態において、真空制御バルブ３０を閉状態とする。この作動モードでは、正常な運転状態において真空制御バルブ３０を閉状態するために適切な潰し量でＯリング７５を潰す程度の荷重が付勢バネ５５によって印加されるように設定されている。これにより、Ｏリング７５の耐久性を高めることができる。
【０１３０】
このように、本実施形態は、緊急時に対応するための遮断荷重を発生させる機構を備えているので、通常の運転に適した潰し量でＯリング７５を潰す程度に付勢バネ５５の付勢力を設定することができるという設計自由度を提供することもできる。
【０１３１】
一方、真空制御バルブ３０を開状態とする作動モードでは、３個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の全てがオンとなる。これにより、高圧側の作動流体供給部９５は、オン状態の２個の電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２を経由して開弁用空気流路３７に流路が接続される。一方、排気側の作動流体排気部９６は、オン状態の電磁弁ＳＶ３を経由して遮断用空気流路３８に流路が接続される。一方、電空制御弁２６は、オン状態の電磁弁ＳＶ１によって開弁用空気流路３７から流路が切り離された状態となっている。これにより、電空制御弁２６の作動状態に関わらず、真空制御バルブ３０を急速に開状態（リフト量Ｌａが最大の状態）とすることができる。
【０１３２】
最後に、真空制御バルブ３０で真空圧力を制御する作動モードでは、電磁弁ＳＶ１がオフとなる一方、２個の電磁弁ＳＶ２，ＳＶ３がいずれもオンとなる。これにより、高圧側の作動流体供給部９５は、電空制御弁２６とオフ状態の電磁弁ＳＶ１とオン状態の電磁弁ＳＶ２とを順に経由して開弁用空気流路３７に流路が接続される。一方、排気側の作動流体排気部９６は、オン状態の電磁弁ＳＶ３を通過して、遮断用空気流路３８に流路が接続される。これにより、電空制御弁２６は、開弁用空気流路３７から操作エアを供給して弁開度操作室３６の内部圧力を操作し、リフト量Ｌａを調節することができる。
【０１３３】
次に、図１９を参照して真空制御システム２０の制御内容を説明する。図１９は、実施形態の真空制御システム２０の制御ブロック図である。この制御系は、真空制御バルブ３０の弁体３３のリフト量Ｌａを制御するスレーブループＳＬと、真空容器９０の内部圧力を制御するマスターループＭＬとを有する二重ループ構造のカスケード制御として構成されている。スレーブループＳＬとマスターループＭＬの各制御ループは、たとえば周知のＰＩＤ制御系として構成することができる。
【０１３４】
スレーブループＳＬは、電空制御弁２６によって弁開度操作室３６の内部圧力を操作して、弁体３３のリフト量Ｌａを弁開度指令値Ｖｐに近づけることを目的とする制御ループである。スレーブループＳＬでは、ＰＩＤ制御回路２４ｂは、弁開度指令値Ｖｐ（目標値）とリフト量Ｌａ（計測値）の偏差δｍに応じて制御信号を生成し、パルス幅変調信号を電空制御弁２６に送信する。電空制御弁２６は、パルス幅変調信号に応じて弁開度操作室３６の内部圧力を操作して弁体３３が装着されている動作部材３２への駆動力を調節する。
【０１３５】
リフト量Ｌａは、弁体位置センサ３５によって計測され、ＰＩＤ制御回路２４ｂによってフィードバック量として使用される。これにより、真空制御バルブ３０は、リフト量Ｌａをフィードバック制御することができる。これにより、真空容器９０とターボ分子ポンプ３００との間の流路のコンダクタンスを調節することができる。
【０１３６】
マスターループＭＬでは、ＰＩＤ制御回路２４ａは、予め設定された目標圧力値Ｐｔと計測圧力値Ｐｍとの偏差δｐに応じて、弁開度指令値Ｖｐを決定してＰＩＤ制御回路２４ｂに送信する。計測圧力値Ｐｍは、真空圧力センサ９２によって計測される真空容器９０の内部の圧力である。ＰＩＤ制御回路２４ａは、計測圧力値Ｐｍが目標圧力値Ｐｔに近づくように弁開度指令値Ｖｐを調節する。
【０１３７】
なお、リフト量Ｌａのフィードバックループを削除し、偏差δｐをゼロに近づけるように弁開度操作室３６の内部圧力を操作する簡易なシングルループ制御として構成してもよい。ただし、リフト量Ｌａをフィードバックする二重ループ構成とすれば、マスターループＭＬからの指令値（制御入力）とリフト量（開度）の非線形性に起因する精度の低下を抑制することができる。この精度の低下は、オフセット値によって各真空制御バルブの開度範囲が相互にシフトすることによって発生する。本構成は、開度の実測によって開度と制御入力の線形性を確保することによって、いずれの開度範囲においても真空制御バルブの特性がフラットとなるように構成されている。
【０１３８】
真空制御システム２０は、さらに、動作部材３２を介して弁体３３に対して遮断用荷重を印加するオープンループＡＬを有している。プログラマブルロジックコントローラ２１は、２個の電磁弁ＳＶ２，ＳＶ３をいずれもオフ状態とすることによって、遮断荷重発生室３９（図１０参照）に空気圧を印加することによって遮断用荷重を発生させる。遮断用荷重の大きさは、電磁弁ＳＶ１のオンオフに関わらず、遮断荷重発生室３９の内径やヘッドカバー６１の外形を適切に設定することによって予め設定することができる。
【０１３９】
以上詳述した本実施形態は以下の利点を有する。
【０１４０】
第２本実施形態の真空制御バルブ３０では、最も直径が大きな主シリンダの内周面と主ピストンの外周面との間がベロフラムによって封止されているので、摺動抵抗を低減させてヒステリシスを緩和させることができる。これにより、第２実施形態の真空制御バルブ３０は、低ヒステリシスでの正確な作動と、その作動状態の正確な計測を簡易に実現することができるので、精密かつ高い応答性の真空制御を実現することができる。
【０１４１】
さらに、本実施形態の真空制御バルブ３０では、作動流体の供給によって遮断荷重を発生させる遮断荷重発生室３９が動作部に形成されているので、動作部材３２の占有空間を有効利用して遮断荷重発生室３９を装備することができる。さらに、動作部の内部に遮断荷重発生室を形成することによって、遮断荷重発生室３９の直径を小さくする方向の設計自由度を提供することができる。これにより、遮断荷重発生室３９の装備に起因する真空制御バルブの大型化を抑制するとともに、遮断荷重発生室３９の摺動面積を小さくして遮断荷重発生室３９の摩擦に起因するヒステリシスを低減させることができる。
【０１４２】
本実施形態の真空制御システム２０では、全ての電磁弁への電力供給が停止された状態においては、直ちに弁体３３が弁座４２に移動し、遮断荷重が印加されるように空気回路が構成されている。これにより、緊急停止や停電時の安全確保を考慮したシステム設計を簡易に実現することができる。
【０１４３】
本実施形態の真空制御システム２０では、全ての電磁弁への電力供給が停止された状態においては、直ちに弁体３３が弁座４２に移動し、遮断荷重が印加されるように空気回路が構成されている。これにより、緊急停止や停電時の安全確保を考慮したシステム設計を簡易に実現することができる。
【０１４４】
なお、第２実施形態では、遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１との間がパッキンで封止されているが、遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１との間をベロフラムで封止するように構成しても良い。ただし、遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１との間をパッキンで封止すれば、真空制御バルブの構成を簡易とすることができるとともに小型化を図ることもできる。
【０１４５】
また、第２実施形態では、遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１との間を封止する封止面には、Ｖ字状のパッキンが使用されているが、たとえばＯリングでもよい。Ｏリングも遮断荷重発生室３９への作動流体の供給に応じて接触面圧が高くなる性質を有しているからである。遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１との間の封止には、一般に、遮断荷重発生室３９への作動流体の供給に応じて封止面の面圧が高められる封止部を使用すれば真空制御バルブのヒステリシスを低下させることができる。ただし、Ｖ字状のパッキンを使用すれば、非加圧時の動摩擦力を小さくすることができる。
【０１４６】
第２実施形態では、動作部材３２の内側に遮断荷重発生室３９が形成され、付勢バネの内側に遮断用ピストン６１が配置されているが、遮断荷重発生室３９と遮断用ピストン６１とが逆転された配置としてもよい。ただし、遮断荷重発生室３９を動作部材３２遮断用ピストン６１の内部に形成する構成とすれば、動作部材３２の内部空間を利用して遮断荷重発生室３９を形成することができるので、真空制御バルブの小型化を図ることができる。
【０１４７】
第２実施形態では、一次側ポート（真空容器側接続口）を低圧側として二次側ポート（真空ポンプ側接続口）を高圧側として真空制御バルブが接続され、その差圧荷重に対抗する遮断荷重によって遮断状態を維持する形態として構成されている。しかし、高圧側と低圧側とを逆方向としても良い。こうすれば、遮断状態を維持する方向の差圧荷重に対抗して開状態することができる。さらに、真空容器だけでなく高圧容器の圧力制御にも利用可能である。
【０１４８】
（Ｅ．変形例）
なお、上述した各実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【０１４９】
（ａ）上述の各実施形態では、ガス排出口５６１を経由するルートとガス排出口５６２を経由するルートからのガス排出を単一のターボ分子ポンプ３００で実行しているが、たとえば各ルートにターボ分子ポンプを装備するようにしてもよい。こうすれば、ターボ分子ポンプからガス排出口までの流路を短くして有効排気速度を高くして高いポンプ効率を実現することができる。
【０１５０】
（ｂ）上述の各実施形態では、プロセス反応領域を相互に挟む位置に配置された２個のガス排出口を利用する構成としているが、たとえば３個以上であってもよく、複数個のガス排出口を利用するものであればよい。さらに、４個のターボ分子ポンプの各々が各真空制御バルブ（真空制御バルブの数は４個）を介して各ガス排出口（ガス排出口の数は４個）に接続する構成でもよい。
【０１５１】
ガス排出口が奇数個（たとえば３個）の場合には、プロセスの供給部やプロセス中心Ｗｃを中心とした環状の位置において等間隔に配置することが好ましい。「プロセス反応領域を相互に挟む位置」とは、水平面内、すなわち、プロセスの対象となる平面と平行な平面内に配置される必要は無く上下方向にシフトして配置されていてもよい。具体的には、双方の排気口が真空容器の側面（第１実施形態）ではなく下面あるいは上面に配置されていてもよく、一方が下面で他方が上面でもよい。さらに、ガス排出口の数が奇数の場合には、プロセスガスの供給部を中心とした環状の位置において等間隔あるいは不均一な間隔で配置されている位置も「プロセス反応領域を相互に挟む位置」に含まれる。
【０１５２】
（ｃ）上述の各実施形態では、第１スレーブループと第２スレーブループの目標値の差を補正値として利用しているが、たとえば基準値に対して、第１スレーブループと第２スレーブループの双方の目標値が補正値を有するような構成としてもよい。このような構成は、たとえば真空制御バルブ側に補正値を格納するような構成で有効である。
【０１５３】
（ｄ）圧力センサを各ガス排出口に追加して装備（上述の実施形態では計５個のセンサ）するようにしてもよい。こうすれば、ターボ分子ポンプの入口とガス排出口の間のコンダクタンスを取得して、排気系側の個体差を補償する補正、あるいはプロセス中心Ｗｃからガス排出口までの真空容器内のコンダクタンスの相違を補償する補正と、を別個に実現することもできる。一般に、ガス供給部から各排気部までのコンダクタンスの相違と、真空ポンプと真空制御バルブを含む各排気系の個体差と、の少なくとも一方を補償するようなものであればよい。
【０１５４】
（ｅ）上述の各実施形態では、化学気相成長（ＣＶＤ）の工程への実装を例示しているが、たとえばエッチング処理やスパッタのような工程にも利用可能である。一般に、ガスを供給しつつ真空状態を維持する制御が要請される真空容器の真空制御に利用可能である。
【０１５５】
上述の各実施形態は、エッチング処理において顕著な効果を奏する。エッチング処理では、たとえば真空の真空容器の内部にプロセス対象のウェハＷを配置し、ウェハＷのプロセス面をエッチングガスに暴露させる工程がある。たとえば反応性イオンエッチングでは、真空容器の内部でエッチングガスを放電電離などでプラズマ化し、ウェハＷを置く陰極で高周波磁界を発生させる。これにより、プラズマ中のイオン種やラジカル種がウェハＷの方向に加速されて衝突する。この結果、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスの化学反応が同時に起こるので、微細加工に適した高い精度でのエッチングが行える。
【０１５６】
このような高精度のエッチングは、ＭＥＭＳ（メムス、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）にも応用され、機械要素部品やセンサ、アクチュエータ、電子回路といった集積化されたデバイスの実用化が実現している。高精度のエッチングでは、ウェハＷに対してエッチングガスのより安定した均一な供給が求められることになるからである。
【０１５７】
（ｆ）上述の各実施形態では、プロセス反応領域を相互に挟む位置に配置されているが、相違する位置に配置されていればよい。これにより、半導体プロセスの条件設定として、プロセスガスの圧力や流量だけでなく、第３の操作パラメータとしてプロセスガスの方向の操作が可能となるので、プロセスガスの流れの方向という新たな自由度を得ることができるからである。プロセスガスの方向の操作は、たとえばプロセスの状態に基づいてフィードバックするようにしてもよい。
【０１５８】
（ｇ）上述の各実施形態では、真空ポンプとしてターボ分子ポンプとドライポンプ等が使用されているが、たとえばドライポンプを単独で使用する構成であってもよく、広く一般に真空ポンプを使用するものであればよい。
【０１５９】
（ｈ）上述の各実施形態では、半導体の製造プロセスに真空容器が利用されているが、他の用途であってもよい。ただし、半導体の製造プロセスでは、ガスの流れの微小な変動によるプロセスへの影響が大きいので、顕著な効果を奏することができる。
【符号の説明】
【０１６０】
１０…真空制御システム、１００、２００…真空制御バルブ、３００…ターボ分子ポンプ、６１０…コントローラ、正値データ格納部…６２０。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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