DE112006003678B4 - Druckregulierung in entfernt befindlichen Zonen - Google Patents

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Abstract

System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern oder Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Gehäusen durch Kanäle i verbindbar sind, durch Steuern oder Regeln des Flusses eines Fluids in jedes Gehäuse i hinein und aus diesem heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein, wobei i = 1, ..., N ist und das System umfasst: ein Druckmessungssystem, das dafür ausgelegt ist, Druck des Fluids in jeder der i Gehäuse zu messen; ein Ventilsystem, das für jedes Gehäuse i wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in das Gehäuse i hinein zu regulieren, und wenigstens ein Auslassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus dem Gehäuse i heraus zu regulieren, beinhaltet; einen Zonendruckschätzer, der mit dem Druckmessungssystem gekoppelt und dafür ausgelegt ist, für jede Zone i einen gemessenen Druck in dem Gehäuse i von dem Druckmessungssystem zu empfangen und einen geschätzten Druck innerhalb der Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in dem Gehäuse i und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i zu berechnen; und eine Steuerung oder Regelung, die dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb jeder Zone i zu steuern oder zu regeln, indem das Einlassproportionalventil und das Auslassproportionalventil jedes Gehäuses i derart betrieben werden, dass die Eingabeflussrate des Fluids in das Gehäuse i hinein und die Auslassflussrate des Fluids aus dem Gehäuse i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i von dem Zonendruckschätzer gesteuert oder geregelt werden; wobei für die Vielzahl von Gehäusen i die Steuerung oder Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine PI-Steuerung oder PI-Regelung der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate jedes Gehäuses zu bewirken; ...

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation-in-Part-Anmeldung der nachfolgenden US-Patentanmeldung, nämlich der am 9. März 2004 eingereichten mitanhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 10/796,723 (anwaltliches Aktenzeichen MKS-136) und dem Titel „System and Method for Controlling Pressure in Remote Zones„, und beansprucht die Priorität hiervon. Die mitanhängige Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/796,723 ist an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei einigen Anwendungen ist es gegebenenfalls notwendig, den Druck innerhalb entfernt befindlicher Zonen zu regulieren. Einige Maschinen und Geräte können beispielsweise Kammern beinhalten, die während des Betriebes des Gerätes druckbeaufschlagt oder evakuiert werden. Beispiele für derartige Maschinen sind unter anderem chemisch-mechanische Poliermaschinen (chemical mechanical polishing machines, CMP machines).
  • Ein Drucksensor innerhalb einer Messkammer kann nur den Druck innerhalb jener Messkammer messen, jedoch nicht innerhalb einer Zone, die sich hinsichtlich des Sensors entfernt befindet. Im Ergebnis muss ein Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem, das nur Druckmessungen mittels eines Drucksensors, der innerhalb der Messkammer befindlich ist, verwendet, davon ausgehen, dass der Druck in der Messkammer gleich dem Druck in der entfernt befindlichen Zone ist. Oftmals ist der Druck in der Messkammer jedoch gegebenenfalls nicht gleich dem Zonendruck. Treten beispielsweise örtlich begrenzte Druckübergänge in der Messkammer auf, so ist der Druck in der Messkammer gegebenenfalls nicht gleich dem Zonendruck. Dies kann zu einer wesentlichen Verschlechterung des Leistungsvermögens des Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystems führen.
  • Entsprechend besteht Bedarf an Systemen und Verfahren, die eine genaue Steuerung bzw. Regelung des Druckes innerhalb entfernt befindlicher Zonen ermöglichen.
  • Aus der Druckschrift WO 2005/093304 A1 ist ein System zu Regeln bzw. Steuern von Druck in entfernten Zonen bekannt. Das System ist zum Regeln bzw. Steuern von einem Fluidfluss durch i Linien ausgelegt, wobei die i Linien durch Rohrleitungen zu i Zonen verbindbar sind. Das System umfasst zumindest ein Ventil und einen Druckwandler in jeder der i Rohrleitungen, eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Ventile, und einen Zonendruckschätzer. Der Zonendruckschätzer is mit dem Druckwandler verbunden und ist programmiert, einen geschätzten Druck in jeder der i Zonen zu berechnen und den geschätzten Druck der Regel- bzw. Steuervorrichtung bereitzustellen.
  • Ferner ist aus der Druckschrift US 2005/0173003 A1 ein weiteres Steuer- bzw. Regelsystem zum Überwachen und/oder steuern bzw. regeln von Druck bekannt.
  • Zusammenfassung
  • Die zugrunde liegende Aufgabe wird durch das System und dem Verfahren zum aus der Ferner erfolgenden Steuern oder Regeln eines Druckes gemäß Anspruch 1 und 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein funktionelles Gesamtblockdiagramm, das ein Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem, das Druck in einer oder mehreren entfernt befindlichen Zonen reguliert, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Beschreibung in dieser Offenbarung darstellt.
  • 2 zeigt detaillierter eine Mehrzahl i von Zonen, die jeweils mit i Einfassungen durch i Kanäle i (i = 1, ..., N) verbindbar sind, sowie ein Druckmessungs- und Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem, das bei einem Ausführungsbeispiel des Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystems gemäß Beschreibung in dieser Offenbarung verwendet wird.
  • Detailbeschreibung
  • In der vorliegenden Offenbarung soll der Begriff „Zone„ ein eingefasstes bzw. eingeschlossenes Volumen bezeichnen. Beschrieben werden ein System und ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Druckes in entfernt befindlichen Zonen unter Verwendung einer beobachtergestützten Lösung, die den Druck jeder entfernt befindlichen Zone, deren Druck gesteuert bzw. geregelt werden soll, genau schätzt. Unter Verwendung des geschätzten Druckes in den entfernt befindlichen Zonen in dem Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem kann das Steuerungs- bzw. Regelungsleistungsvermögen mit geschlossener Schleife beträchtlich verbessert werden. So kann beispielsweise auf örtlich begrenzte Druckübergänge, die in der Messkammer, jedoch nicht in der entfernt befindlichen Zone selbst auftreten, reagiert werden.
  • 1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem 100, das Druck in einer oder mehreren entfernt befindlichen Zonen Zi (i = 1, ..., N) reguliert, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Beschreibung in dieser Offenbarung zeigt. Wie in 1 zu sehen ist, werden sämtliche Zonen Zi von einer einzigen Quelle 40 eines druckbeaufschlagten Fluids beschickt und geben an einen einzigen Vakuumabzug 30 ab. Insgesamt kann das Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem 100 ein Druckmessungs- und Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem 110 (das detaillierterer in 2 beschrieben wird) einen Zonendruckschätzer 120 und eine Steuerung bzw. Regelung 130 beinhalten.
  • Das Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem 100 kann aus der Ferne den Druck in jeder entfernt befindlichen Zone Zi unter Verwendung eines Zonendruckschätzers 120 schätzen, um den Druck innerhalb der entfernt befindlichen Zone Zi auf Grundlage des gemessenen Druckes innerhalb einer Einfassung bi (in 2 gezeigt), die mit der Zone Zi durch einen Kanal Fi (in 2 gezeigt) verbunden ist, zu schätzen sowie durch Steuern bzw. Regeln des Flusses des Fluids in die Einfassung hinein und aus dieser heraus auf Grundlage des geschätzten Druckes von dem Zonendruckschätzer 120. Üblicherweise können die Einfassungen Druckmessungskammern sein, obwohl ein beliebiger anderer Typ von eingefasstem bzw. eingeschlossenem Volumen, der das Fluid in sich einfassen bzw. einschließen kann, verwendet werden kann.
  • Das Druckmessungs- und Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem 110 kann ein Druckmessungssystem und ein Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem beinhalten. Das Druckmessungssystem 110 kann beispielsweise eine Mehrzahl von Drucksensoren beinhalten, von denen jeder mit einer Einfassung verbunden ist und die dafür ausgelegt sind, den Druck innerhalb der Einfassung zu messen. Das Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem 110 kann ein Ventilsystem beinhalten, das die Flussrate von Fluid in jede Einfassung hinein und aus dieser heraus steuert bzw. regelt.
  • Der Zonendruckschätzer 120 kann Druckmessungen von dem Druckmessungssystem empfangen und zudem (beispielsweise von einem Kunden, Bediener oder anderem Personal) physikalische Parameter des Systems 100 empfangen, die beispielsweise bekannte Kennwerte des Kanals und der Zone beinhalten können. Der Zonendruckschätzer 120 kann des Weiteren dafür ausgelegt sein, die Druckmessungen und die physikalischen Parameter zur Berechnung und Bereitstellung von Druckschätzungen für jede Zone unter Verwendung von Berechnungsverfahren, die nachstehend detaillierter beschrieben werden, zu verwenden.
  • Die Steuerung bzw. Regelung 130 kann zudem Druckeinstellpunkte für jede der entfernt befindlichen Zonen Zi empfangen und die Zonendruckschätzungen (von dem Zonendruckschätzer 120) und die Druckeinstellpunkte zur Steuerung bzw. Regelung des Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystems verwenden. Insbesondere kann die Steuerung bzw. Regelung 130 das Ventilsystem derart steuern bzw. regeln, dass die Flussrate des Fluids in jede Einfassung hinein und aus dieser heraus derart ist, dass der Druck innerhalb jeder Zone entsprechend den Druckeinstellpunkten reguliert wird.
  • Beinhalten kann das Ventilsystem bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für jede Einfassung wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung hinein zu regulieren, und ein Auslassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung heraus zu regulieren. Die Steuerung bzw. Regelung 130 kann dafür ausgelegt sein, Druck innerhalb jeder Zone dadurch zu regulieren, dass das Einlassproportionalventil und das Auslassproportionalventil derart betrieben werden, dass die Eingabeflussrate und die Ausgabeflussrate als Funktion des geschätzten Druckes von dem Zonendruckschätzer und eines Druckeinstellpunktes gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Wie schematisch in 1 gezeigt ist, kann die Steuerung bzw. Regelung 130 ein Eingabeflussbefehlssignal und ein Ausgabeflussbefehlssignal an das Ventilsystem innerhalb eines Blockes 110 (detaillierter in 2 beschrieben) senden, um so die Eingabeflussrate und die Ausgabeflussrate entsprechend dem Eingabeflussbefehlssignal beziehungsweise dem Ausgabeflussbefehlssignal zu steuern bzw. zu regeln. Bei einem als Beispiel angegebenen Ausführungsbeispiel kann die Steuerung bzw. Regelung dafür ausgelegt sein, eine PI-Steuerung (proportional-integral PI; nachstehend noch detaillierter beschrieben) der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate in jede Einfassung hinein beziehungsweise aus dieser heraus zu bewirken, obwohl auch andere Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren verwendet werden können. Ungeachtet dessen, dass das Steuerungs- bzw. Regelungssystem und das zugehörige Verfahren als Steuerungs- bzw. Regelungssystem und Verfahren vom PI-Typ (proportional-plus-integral) beschrieben sind, können viele andere Typen von Steuerungs- bzw. Regelungssystemen und Verfahren verwendet werden, darunter unter anderem proportional, integral, proportional-plus-ableitungsbasiert (PD) sowie proportional-plus-integral-plus-ableitungsbasiert (PID).
  • 2 zeigt detaillierter eine Mehrzahl i von Zonen, die jeweils mit i Einfassungen bi durch i Kanäle Fi (i = 1, ..., N) verbindbar sind, wobei der Druck in jeder Zone i durch Steuern bzw. Regeln des Flusses eines Fluids in jede Einfassung i hinein und aus dieser heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein reguliert wird. 2 zeigt zudem ein Druckmessungs- und Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem, das bei einem Ausführungsbeispiel des Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystems, das in dieser Offenbarung beschriebenen wird, zur Anwendung kommt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, können die entfernt befindlichen Zonen Zi, die innerhalb des Blockes 10 in 1 gezeigt sind, jeweils mit einer Mehrzahl i von Einfassungen bi durch eine Mehrzahl i von Kanälen Fi (i = 1, ..., N) verbindbar sein. Das Druckmessungs- und Fluidsteuerungs- bzw. Regelungssystem 110 beinhaltet die Mehrzahl i von Einfassungen oder Messkammern „bi„, wobei i = 1, ..., N gilt und der Anzahl von entfernt befindlichen Zonen Zi entspricht. Jede Messkammer bi beinhaltet ein Einlassventil 112, das dafür ausgelegt ist, die Eingabeflussrate des Fluids in bi hinein zu regulieren, sowie ein Auslassventil 116, das dafür ausgelegt ist, die Ausgabeflussrate des Fluids aus bi heraus zu regulieren. Jede Messkammer bi ist entlang einer Fluidflussleitung befindlich, die von der Quelle 40 des druckbeaufschlagten Fluids durch einen Einlassverteiler „L„ in das Einlassventil 112 für die Einfassung bi hinein und aus dem Einlassventil 116 für die Einfassung bi heraus durch einen Flussverengerverteiler (der in 2 mit „man„ bezeichnet ist) zu dem Vakuumabzug 30 läuft. Ein Drucksensor 114 (üblicherweise ein Wandler) ist funktionell mit jeder Messkammer bj zur Messung des Druckes innerhalb von bi verbunden.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, werden sämtliche Zonen Zi von einer einzigen Quelle 40 eines druckbeaufschlagten Fluids beschickt und geben an einen einzigen Vakuumabzug 30 ab. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Flussverengerverteiler ein Venturi-Verteiler sein, obwohl auch andere Arten von Flussverengern verwendet werden können. Die entfernt befindlichen Zonen Zi (die innerhalb des Blockes 10 in 2 gezeigt sind) können starre oder flexible Wände aufweisen und gekoppelt oder nicht gekoppelt sein. Die entfernt befindlichen Zonen mit flexiblen Wänden können Volumina aufweisen, die expansions- und kontraktionsfähig sind. Die Volumina der Zonen mit flexiblen Wänden können miteinander wechselwirken, so beispielsweise gegeneinander schieben.
  • Die Kopplung zwischen den verschiedenen Zonen Zi kann auf eine Mehrzahl von Arten verwirklicht sein. Eine volumetrische Kopplung in einer Zone, die Wände aufweist, die flexibel sind (und die damit expansions- und kontraktionsfähig sind), kann aufgrund einer Volumenexpansion/-kontraktion und einer Volumen-zu-Volumen-Wechselwirkung auftreten. Die Wechselwirkung kann beispielsweise dadurch auftreten, dass eine Zone eine Expansion erfährt und gegen eine weitere Zone drückt, wodurch der Druck innerhalb der zweiten Zone vergrößert wird.
  • Eine Auslasskopplung an dem Abzug kann auftreten, wenn eine Drift des Vakuumdruckpegels stattfindet, was eine Änderung der Auslassflüsse bewirkt und was in extremen Fällen zu Flüssen führt, die zwischen gedrosselt und ungedrosselt übergeben. Dies kann insbesondere für den Fall einer Venturi-Pumpe kritisch sein, bei der ein starker Fluss in die Venturi-Leitung abgegeben wird. In diesem Fall können die Zonenwände starr oder flexibel sein.
  • Eine Einlasskopplung kann wiederum auftreten, wenn der Einstellpunkt in einer Zone ausreichend hoch eingestellt ist, dass ein merklicher Flussstoß in diesen Verteiler hinein auftritt, was zu einem Leitungsdruckabfall, das heißt einem Übergangsverhalten, führt. Der Leitungsdruckabfall kann Auswirkungen auf die anderen von der Quelle beschickten Zonen haben. Wiederum können die Zonenwände starr oder flexibel sein.
  • Ein System mit nur einer Zone und starren Wänden kann als „nicht gekoppeltes, einzoniges System„ betrachtet werden. Mehrere Beispiele für eine derartige starre Zone, die von unabhängigen Einlässen beschickt werden und in unabhängige Abzüge abgeben, können ein Beispiel für ein „nicht gekoppeltes, mehrzoniges System„ darstellen. Eine einzelne Zone mit flexiblen Wänden, die expansions- oder kontraktionsfähig ist, kann als „gekoppeltes, einzoniges System„ betrachtet werden. Die in 1 und 2 gezeigten illustrativen Beispiele können „gekoppelte mehrzonige Systeme„ sein, bei denen der Pegel der Kopplung auf Grundlage einer Einlass-, Auslass und volumetrischen Kopplung quantifiziert werden kann.
  • Der Zonendruckschätzer 120 kann den Druck in jeder der Zonen Zi unter Verwendung der Druckmessungen der Drucksensoren 114, der physikalischen Parameter jeder Einfassung (beispielsweise jeder Messkammer) und jeder Zone sowie eines modellgestützten Algorithmus (nachstehend beschrieben) schätzen, um den Druck der Zonen Zi genau zu schätzen. Als direkte Folge hiervon kann ein Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem, das den Zonendruckschätzer 120 in einer geschlossenen Schleife zur Steuerung bzw. Regelung des Druckes in den Zonen Zi verwendet, örtlich beschränkte. Druckübergänge in den Messkammern ausgleichen, die gegebenenfalls in den Zonen Zi selbst nicht auftreten. Auf diese Weise kann das Steuerungs- bzw. Regelungsleistungsvermögen mit geschlossener Schleife des Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystems merklich verbessert werden.
  • Der Zonendruckschätzer 120 kann leicht zu einem weiterentwickelten Steuerungs- bzw. Regelungssystem integriert werden und mehrere Zonen Zi ausgleichen, die statische und/oder dynamische Kopplungen von Einlassdruck-/Fluss-, Auslassdruck-/Fluss- und Zonenvolumenwechselwirkungen zeigen. Der Zonendruckschätzer 120 legt den entfernt befindlichen Zonen Zi keinerlei Einschränkungen hinsichtlich Größe oder Volumen auf.
  • Der Zonendruckschätzer 120 gilt für verschiedene Bereiche von Druckeinstellpunkten und zeigt, wenn er in ein weiterentwickeltes Messsteuerungs- bzw. Regelungssystem eingebaut ist, einen konsistenten Übergang und ein stabiles Verhalten.
  • Steuerungs- bzw. Regelungsalgorithmus
  • Die Steuerung bzw. Regelung 130 ist dafür ausgelegt, den Druckeinstellpunkt jeder der i Zonen zu empfangen, die Zonendruckschätzung für jede der i Zonen von dem Zonendruckschätzer 120 zu empfangen und den Druck in jeder Zone entsprechend dem Druckeinstellpunkt zu regulieren, indem die Einlass- und Auslassproportionalventile durch Steuern bzw. Regeln des Flusses des Fluids in die Messkammer, die mit der Zone i verbunden ist, hinein und aus dieser heraus betrieben werden.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann die Steuerung bzw. Regelung 130 ein Eingabeflussbefehlssignal an das Eingabeproportionalventil der Einfassung bi und ein Ausgabeflusssteuerungssignal an das Ausgabeproportionalventil der Einfassung bi senden, um so die Eingabeflussrate in die Einfassung bi hinein und die Ausgabeflussrate aus der Einfassung bi heraus entsprechend dem Eingabeflussbefehlssignal beziehungsweise dem Ausgabeflussbefehlssignal zu steuern.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann für eine oder mehrere der Einfassungen bi die Steuerung bzw. Regelung eine PI-Steuerung bzw. PI-Regelung der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate bewirken, obwohl andere Arten von Proportionalventilsteuerung bzw. -regelung ebenfalls zur Anwendung kommen können. Ist eine PI-Steuerung bzw. PI-Regelung implementiert, so kann das Eingabeflussbefehlssignal von der Steuerung bzw. Regelung an das Einlassproportionalventil einer Einfassung i gegeben sein durch: Qin,i = κPin(Pt – Pz,i) + κIin∫(Pt – Pz,i)dt während das Ausgabeflussbefehlssignal von der Steuerung bzw. Regelung an das Auslassproportionalventil der Einfassung bi gegeben sein kann durch: Qout,i = κPout(Pt – Pz,i) + κIout∫(Pt – Pz,i)dt
  • In den vorstehenden Gleichungen bezeichnet Qin,i die Eingabeflussrate in die Einfassung i hinein, Qout,i die Ausgabeflussrate aus der Einfassung bi heraus, κPin eine Proportionalverstärkung für die Eingabeflussrate, eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, κPout eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, κIout eine Integralverstärkung für die Ausgabeflussrate, Pz,i den geschätzten Druck innerhalb der Zone Zi, Pt eine gewünschte Drucktrajektorie von einem Druckeinstellpunkt zu einem anderen Druckeinstellpunkt, und Pt – Pz,i einen Mitverfolgungsfehler. Die Drucktrajektorien Pt können unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken konstruiert werden, darunter, jedoch nicht hierauf beschränkt, Polynome und Lösungen von Differenzialgleichungen erster oder höherer Ordnung.
  • Obwohl bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ein Steuerungs- bzw. Regelungssystem und ein zugehöriges Verfahren vom PI-Typ dargestellt und beschrieben werden, ist für einen Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet einsichtig, dass zahlreiche Änderungen und Abwandlungen auftreten können, darunter beispielsweise die Einbeziehung von Vorwärtskopplungstermen, die modellgestützt sein können. Entsprechend sollen die beigefügten Ansprüche all diese Änderungen und Abwandlungen, so sie dem Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung entsprechen, mitumfassen.
  • Ein Beispiel für ein modellgestütztes Berechnungsverfahren, das zum Betreiben des Zonendruckschätzers 120 zur Schätzung des Druckes in jeder Zone verwendet wird, wird nachstehend beschrieben. Das modellgestützte Berechnungsverfahren kann auf dem dynamischen Verhalten der Messkammern wie auch auf dem dynamischen Verhalten der volumetrischen Kopplung der entfernt befindlichen Zonen Zi beruhen.
  • Dynamisches Verhalten der Messkammer
  • Der effektive Druck innerhalb jeder Messkammer bzw. Einfassung bi ist folgendermaßen definiert:
    Figure DE112006003678B4_0002
  • Hierbei ist Pb,i der Druck, der durch den Druckwandler 114 in der Messkammer für die i-te Zone gemessen wird, PSTP ist der Druck bei STP-Bedingungen (Standardtemperatur und Standarddruck), Qin,i bezeichnet den Eingabefluss, und Qo,i und Qz,i bezeichnen die Ausgabeflüsse. Insbesondere ist Qo,i der Fluss aus der i-ten Messkammer bi zu dem Venturi-Verteiler, und Qz,i ist der Fluss in die i-te Zone hinein. Gemäß (1) bezeichnet Vb,i das Volumen der Messkammer bi für die i-te Zone.
  • Der Ausgabefluss in den Flussverenger oder Venturi-Verteiler „man„ hinein kann folgendermaßen dargestellt werden: Qo,i = f(Pb,i, Pman, dorifice,i) ∀i = 1, 2, ..., N (2)
  • Hierbei bezeichnet dorfice,i den Durchmesser der festen Düsenöffnung in der Messkammer, die den Venturi-Verteiler beschickt, während Pman den Druck in dem Venturi-Verteiler bezeichnet, der mit dem Vakuumabzug 30 verbunden ist. Der Fluss durch die Öffnung kann gedrosselt oder ungedrosselt sein, was vom Druckdifferenzial über der festen Düsenöffnung abhängt.
  • Dynamisches Verhalten der Zonen und volumetrische Kopplung
  • Der Fluss in jede Zone Zi hin kann durch die nachfolgende dynamische Gleichung beschrieben werden (die aus den Navier-Stokes-Gleichungen abgeleitet ist).
    Figure DE112006003678B4_0003
  • Hierbei bezeichnen Qz,i und Pz,i den Einlassfluss in die i-te Zone beziehungsweise den Druck in der i-ten Zone, während Ctube,i und τtube,i Konstanten sind, die dem Kanal Fi zugeordnet sind, der die Messkammer bi mit der Zone Zi verbindet. Insbesondere stellt Ctube,i die Konduktanz des Kanals Fi in SI-Einheiten [(m3/s)/(s-Pa)] dar, während τtube,i eine Flussgleichgewichtsherstellungszeitkonstante in dem Kanal, ebenfalls in SI-Einheiten, darstellt.
  • Das dynamische Druckverhalten innerhalb jeder Zone Zi kann folgendermaßen beschrieben werden.
    Figure DE112006003678B4_0004
  • Hierbei wird das Volumen jeder Zone Zi mit Vz,i bezeichnet, wobei die dynamische volumetrische Wechselwirkung aufgrund der Kopplung zwischen mehreren Zonen Zi mathematisch folgendermaßen beschrieben werden kann.
    Figure DE112006003678B4_0005
  • Hierbei ist Vz0,i das Anfangsvolumen jeder Zone unter STP-Bedingungen (Standardtemperatur und Standarddruck), τv ist die Volumenexpansions-/Kontraktionszeitkonstante, γii ist der Expansions-/Kontraktionskoeffizient, und γij stellt den Kopplungskoeffizienten zwischen der Zone i und der Zone j dar. Massenträgheitseffekte sollen als nicht vernachlässigbar angenommen werden.
  • Zonendruckschätzer
  • Wie vorstehend erläutert worden ist, besteht das Steuerungs- bzw. Regelungsziel bei der Steuerung bzw. Regelung 130 darin, die Drücke innerhalb der entfernt befindlichen Zonen Zi zu regulieren. Gleichwohl ist der Druckwandler 114 für bi in der Messkammer bi und nicht in der Zone Zi untergebracht. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Messkammern bi von den entfernt befindlichen Zonen Zi durch Kanäle Fi getrennt.
  • Das beobachtergestützte Modell für den Drucksteuerungs- bzw. Regelungsalgorithmus kann auf ein Mehrzahl von Arten entwickelt werden. So kann beispielsweise ein Flusssensor (so beispielsweise ein Anemometer, ein wärmegestützter Sensor, ein druckgestützter Sensor und dergleichen mehr) verwendet werden, um den Fluss Qz,i in den vorstehenden Gleichungen zu bestimmen. Ein weiterer Lösungsansatz kann darin bestehen, einen Zwischenflussbeobachter durch Umschreiben der Zonenflussgleichung in ihre diskrete Form zu entwickeln.
    Figure DE112006003678B4_0006
  • Hierbei bezeichnet Q ^ (n) / z,i die n-te Probe der Flussschätzung in die i-te Zone, während Pb der Druck ist, der von dem Flussleitungsdruckwandler 114 gemessen wird.
  • Eine diskrete Lösung für den Ausdruck gemäß (5) ergibt sich folgendermaßen.
    Figure DE112006003678B4_0007
  • Hierbei bezeichnet V ^ (n) / z,i die n-te Probe der Volumenschätzung in die i-te Zone. Auf Grundlage der vorstehenden Gleichungen wird der Algorithmus für den Druckschätzer 120 folgendermaßen gebildet.
    Figure DE112006003678B4_0008
  • Hierbei bezeichnet P ^ (n) / z,i die n-te Probe einer Druckschätzung der i-ten Zone, Q ^ (n) / z,i wird aus der Flussschätzung gemäß Definition in (6) ermittelt oder kann durch die direkte Flussmessung Qz, so diese zur Verfügung steht, ersetzt werden, während sich V ^ (n) / z,i aus (7) ergibt.
  • Beschrieben werden insgesamt ein System und ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Druckes in entfernt befindlichen Zonen durch genaues Schätzen des Druckes der entfernt befindlichen Zone, deren Druck gesteuert bzw. geregelt wird. Das Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem und das zugehörige Verfahren gemäß vorstehender Beschreibung können in zahlreichen Anwendungen, darunter unter anderem in einer CMP-Maschine, verwendet werden.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele eines Systems und eines Verfahrens zum Steuern bzw. Regeln eines Druckes in entfernt befindlichen Zonen beschrieben worden sind, ist einsichtig, dass die diesen Ausführungsbeispielen inhärenten Konzepte bei anderen Ausführungsbeispielen ebenfalls zum Einsatz kommen können. Der Schutz dieser Anmeldung ist einzig durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt.
  • In den Ansprüchen soll die Nennung eines Elementes in der Einzahl – außer dies ist explizit anders angegeben – nicht „eines und nur eines„, sondern „eines oder mehrere„ bedeuten. Diejenigen sämtlichen strukturellen und funktionellen Äquivalente zu Elementen bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus der Beschreibung in dieser Offenbarung, die bekannt sind oder einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet später noch bekannt werden, sind explizit durch Verweisung hier mitaufgenommen und sollen durch die Ansprüche mitumfasst sein. Darüber hinaus soll nichts von dem hier Offenbarten als Verzicht zugunsten der Öffentlichkeit verstanden werden, und zwar unabhängig davon, ob das Offenbarte explizit in den Ansprüchen niedergelegt ist oder nicht. Kein Element eines Anspruches soll gemäß den Vorschriften von 35 U.S.C. § 112, Absatz 6 beschränkt sein, außer das Element wird explizit mittels der Wendung „Mittel für/zum/zur„ oder für den Fall eines Verfahrensanspruches mittels der Wendung „Schritt für/zum/zur„ beschrieben.

Claims (16)

  1. System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern oder Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Gehäusen durch Kanäle i verbindbar sind, durch Steuern oder Regeln des Flusses eines Fluids in jedes Gehäuse i hinein und aus diesem heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein, wobei i = 1, ..., N ist und das System umfasst: ein Druckmessungssystem, das dafür ausgelegt ist, Druck des Fluids in jeder der i Gehäuse zu messen; ein Ventilsystem, das für jedes Gehäuse i wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in das Gehäuse i hinein zu regulieren, und wenigstens ein Auslassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus dem Gehäuse i heraus zu regulieren, beinhaltet; einen Zonendruckschätzer, der mit dem Druckmessungssystem gekoppelt und dafür ausgelegt ist, für jede Zone i einen gemessenen Druck in dem Gehäuse i von dem Druckmessungssystem zu empfangen und einen geschätzten Druck innerhalb der Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in dem Gehäuse i und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i zu berechnen; und eine Steuerung oder Regelung, die dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb jeder Zone i zu steuern oder zu regeln, indem das Einlassproportionalventil und das Auslassproportionalventil jedes Gehäuses i derart betrieben werden, dass die Eingabeflussrate des Fluids in das Gehäuse i hinein und die Auslassflussrate des Fluids aus dem Gehäuse i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i von dem Zonendruckschätzer gesteuert oder geregelt werden; wobei für die Vielzahl von Gehäusen i die Steuerung oder Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine PI-Steuerung oder PI-Regelung der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate jedes Gehäuses zu bewirken; wobei das Eingabeflussbefehlssignal von der Steuerung oder Regelung zu dem Einlassproportionalventil des Gehäuses i umfasst: κPin(Pt – Pz,i) + κIin∫(Pt – Pz,i)dt wobei das Ausgabeflussbefehlssignal von der Steuerung oder Regelung zu dem Auslassproportionalventil des Gehäuses i gegeben ist durch: Qout,i = κPout(Pt – Pz,i) + κIout∫(Pt – Pz,i)dt wobei gilt: Qin,i bezeichnet die Eingabeflussrate in das Gehäuse i hinein, Qout,i bezeichnet die Ausgabeflussrate aus dem Gehäuse i heraus, kPin bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Eingabeflussrate, kIin bezeichnet eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, kPout bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, kIout bezeichnet eine Integralverstärkung für die Ausgabeflussrate, Pz,i bezeichnet den geschätzten Druck innerhalb der Zone i, Pt bezeichnet eine gewünschte Drucktrajektorie von einem Druckeinstellpunkt zu einem anderen Druckeinstellpunkt, und Pt – Pz,i bezeichnet einen Mitverfolgungsfehler.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Druckmessungssystem eine Mehrzahl von Drucksensoren umfasst, wobei jeder der Drucksensoren jeweils angeschlossen ist, um Druck innerhalb der i Gehäuse zu messen.
  3. System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Quelle eines druckbeaufschlagten Fluids, die mit den Einlassproportionalventilen der i Gehäuse verbunden ist, und einen Vakuumabzug, der mit den Auslassproportionalventilen der i Gehäuse verbunden ist.
  4. System nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend einen Flussverenger zwischen jedem Auslassproportionalventil und dem Vakuumabzug.
  5. System nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend einen Druckverteiler zwischen der Quelle des druckbeaufschlagten Fluids und den Einlassproportionalventilen.
  6. System nach Anspruch 4, wobei der Flussverenger ein Venturi-Element umfasst.
  7. System nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der i Zonen starre Wände aufweisen.
  8. System nach Anspruch 7, wobei wenigstens einige der i Zonen flexible Wände aufweisen, die den Zonen mit den flexiblen Wänden das Expandieren und Kontrahieren ermöglichen.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der Zonendruckschätzer des Weiteren dafür ausgelegt ist, ein geschätztes Volumen von jeder der Zonen mit flexiblen Wänden zu berechnen, um so den geschätzten Druck innerhalb der Gehäuse, die mit den Zonen mit flexiblen Wänden verbunden sind, zu berechnen.
  10. System nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der i Zonen gekoppelt sind.
  11. System nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der i Zonen nicht gekoppelt sind.
  12. System nach Anspruch 2, wobei wenigstens einige der i Zonen flexible Wände aufweisen, die den Zonen mit den flexiblen Wänden das Expandieren und Kontrahieren ermöglichen, wobei wenigstens einige der i Zonen gekoppelt sind, und wobei die bekannten Kennwerte der i Kanäle Konstanten Ctube,i und τtube,i beinhalten, die jedem Kanal i, der die Leitung i mit der Zone i verbindet, zugeordnet sind, wobei Ctube,i eine Konduktanz des Kanals darstellt und τtube,i eine Flussgleichgewichtsherstellungszeitkonstante über den Kanal darstellt; und wobei die bekannten Kennwerte der i Zonen ein Anfangsvolumen (Vz0,i) jeder Zone i unter STP-Bedingungen (Standardtemperatur und Standarddruck STP), eine Volumenexpansions-/Kontraktionszeitkonstante (τv), einen Expansions-/Kontraktionskoeffizienten (γii) der Zone i und einen Kopplungskoeffizienten (γij) zwischen der Zone i und der Zone j beinhalten, wobei j = 1, ..., N ist.
  13. System nach Anspruch 12, wobei für jede Zone i der Zonendruckschätzer derart programmiert ist, dass er eine n-te Probe P ^ (n) / z,i des geschätzten Druckes der Zone i, eine n-te Probe V ^ (n) / z,i eines geschätzten Volumens der Zone i und eine n-te Probe Q ^ (n) / z,i einer geschätzten Eingabeflussrate in die Einfassung i hinein berechnet; wobei gilt:
    Figure DE112006003678B4_0009
    wobei Pbi denjenigen Druck bezeichnet, der von dem Drucksensor gemessen wird, der mit dem Gehäuse i verbunden ist, wobei Qzi eine Eingabeflussrate des Fluids in die Zone i hinein bezeichnet, die durch eine Differenz zwischen der Eingabeflussrate Qin,i des Fluids in das Gehäuse i hinein und der Ausgabeflussrate Qout,i des Fluids aus dem Gehäuse i heraus gegeben ist.
  14. Maschine, beinhaltend das System von Anspruch 13 und des Weiteren beinhaltend diejenigen i Zonen, die jeweils mit den i Gehäusen verbunden sind.
  15. Maschine nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend einen CMP-Trägerkopf, der die i Zonen enthält.
  16. Verfahren zum aus der Ferne erfolgenden Steuern oder Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Gehäusen durch i Kanäle verbunden sind, durch Steuern oder Regeln des Flusses eines Fluids in jedes Gehäuse i hinein und aus dieser heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein, wobei i = 1, ..., N ist, umfassend: Messen des Druckes des Fluids innerhalb jeder der i Gehäuse; Berechnen eines geschätzten Druckes innerhalb jeder Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in dem Gehäuse i und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i; und für jede Zone i erfolgendes Betreiben eines Einlassproportionalventils und eines Auslassproportionalventils jedes Gehäuses i derart, dass die Eingabeflussrate des Fluids in das Gehäuse i hinein und die Ausgabeflussrate des Fluids aus dem Gehäuse i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i gesteuert oder geregelt werden, wodurch der Druck innerhalb der Zone i entsprechend dem Druckeinstellpunkt reguliert wird; wobei für die Vielzahl von Gehäusen i die Steuerung oder Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine PI-Steuerung oder PI-Regelung der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate jedes Gehäuses zu bewirken; wobei das Eingabeflussbefehlssignal von der Steuerung oder Regelung zu dem Einlassproportionalventil des Gehäuses i umfasst: Qin,i = κPin(Pt – Pz,i) + κIin∫(Pt – Pz,i)dt wobei das Ausgabeflussbefehlssignal von der Steuerung oder Regelung zu dem Auslassproportionalventil des Gehäuses i gegeben ist durch: Qout,i = κPout(Pt – Pz,i) + κIout∫(Pt – Pz,i)dt wobei gilt: Qin,i bezeichnet die Eingabeflussrate in das Gehäuse i hinein, Qout,i bezeichnet die Ausgabeflussrate aus dem Gehäuse i heraus, kPin bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Eingabeflussrate, kIin bezeichnet eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, kPout bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, kIout bezeichnet eine Integralverstärkung für die Ausgabeflussrate, Pz,i bezeichnet den geschätzten Druck innerhalb der Zone i, Pt bezeichnet eine gewünschte Drucktrajektorie von einem Druckeinstellpunkt zu einem anderen Druckeinstellpunkt, und Pt – Pz,i bezeichnet einen Mitverfolgungsfehler.
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