DE112006003678T5 - Druckregulierung in entfernt befindlichen Zonen - Google Patents

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Abstract

System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb einer Zone, wobei das System umfasst:
einen Drucksensor, der dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb einer Einfassung zu messen, die mit der Zone durch einen Kanal verbindbar und entfernt von der Zone befindlich ist;
ein Ventilsystem, das dafür ausgelegt ist, Fluss eines Fluids in die Einfassung hinein und aus dieser heraus sowie durch den Kanal in die Zone hinein zu regulieren, wobei das Ventilsystem 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, beinhaltet;
einen Zonendruckschätzer, der dafür ausgelegt ist, einen geschätzten Druck innerhalb der Zone als Funktion des durch den Drucksensor gemessenen Druckes und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals zu berechnen; und
eine Steuerung bzw. Regelung, die...

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.
  • Zusammenfassung
  • Ein System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb einer Zone beinhaltet einen Drucksensor, ein Ventilsystem, einen Zonendruckschätzer und eine Steuerung bzw. Regelung. Der Drucksensor ist dafür ausgelegt, Druck innerhalb einer Einfassung (so beispielsweise einer Messkammer) zu messen, die mit der Zone durch einen Kanal verbindbar und entfernt von der Zone befindlich ist. Das Ventilsystem ist dafür ausgelegt, den Fluss eines Fluids in die Einfassung hinein und aus dieser heraus sowie durch den Kanal in die Zone hinein zu regulieren. Das Ventilsystem beinhaltet wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung hinein zu regulieren, und ein Ausgabeproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung heraus zu regulieren. Der Zonendruckschätzer ist dafür ausgelegt, einen geschätzten Druck innerhalb der Zone als Funktion des von dem Drucksensor gemessenen Druckes sowie als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals zu berechnen. Die Steuerung bzw. Regelung ist dafür ausgelegt, Druck innerhalb der Zone zu regulieren, indem 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 für die Zone gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Beschrieben wird zudem ein System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Einfassungen durch Kanäle i verbindbar sind, indem ein Fluss eines Fluids in jede Einfassung i hinein und aus dieser heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein (i = 1, ..., N) gesteuert bzw. geregelt wird. Das System beinhaltet ein Druckmessungssystem, ein Ventilsystem, einen Zonendruckschätzer und eine Steuerung bzw. Regelung. Das Druckmessungssystem ist dafür ausgelegt, Druck des Fluids in jeder der i Einfassungen zu messen. Das Ventilsystem beinhaltet für jede Einfassung i wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein zu regulieren, und wenigstens ein Auslassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus zu regulieren.
  • Der Zonendruckschätzer ist mit dem Druckmessungssystem gekoppelt. Der Zonendruckschätzer ist dafür ausgelegt, für jede Zone i einen gemessenen Druck in der Einfassung i von dem Drucksensorsystem zu empfangen und einen geschätzten Druck innerhalb der Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in der Einfassung i sowie als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i zu berechnen. Die Steuerung bzw. Regelung ist dafür ausgelegt, Druck innerhalb jeder Zone i zu steuern bzw. zu regeln, indem das Einlassproportionalventil und das Auslassproportionalventil jeder Einfassung i betätigt werden, um so die Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein und die Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i von dem Zonendruckschätzer zu berechnen.
  • Beschrieben wird zudem ein Verfahren zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Einfassungen durch i Kanäle verbindbar sind, indem der Fluss eines Fluids in jede Einfassung i hinein und aus dieser heraus sowie durch jeden Kanal i in jede Zone i hinein (i = 1, ..., N) gesteuert bzw. geregelt wird. Das Verfahren beinhaltet das Messen des Druckes des Fluids innerhalb jeder der i Einfassungen. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Berechnen eines geschätzten Druckes innerhalb jeder Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in der Einfassung i sowie als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren für jede Zone i das Betreiben eines Einlassproportionalventils und eines Auslassproportionalventils jeder Einfassung i derart, dass die Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein und die Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i gesteuert bzw. geregelt werden, um so Druck innerhalb der Zone i entsprechend dem Druckeinstellpunkt zu regulieren.
  • 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) + κlin∫(Pt – Pz,i)dtwährend das Ausgabeflussbefehlssignal von der Steuerung bzw. Regelung an das Auslassproportionalventil der Einfassung bi gegeben sein kann durch: Qout,i = κPout(Pt – Pz,i) + κlout∫(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, κlin eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, κPout eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, κlout 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 00100001
  • 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 dorifice,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 00110001
  • 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 00120001
  • 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 00120002
  • 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 00130001
  • 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 00130002
  • 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 00130003
  • 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.
  • Ein Drucksteuerungs- bzw. Regelungssystem steuert aus der Ferne einen Druck innerhalb einer oder mehrerer entfernt befindlicher Zonen, von denen jede jeweils mit einer Einfassung durch einen Kanal verbunden ist, durch Steuern bzw. Regeln eines Flusses eines Fluids in jede Einfassung hinein und aus dieser heraus. Der Druck des Fluids wird innerhalb jeder Einfassung gemessen. Ein geschätzter Druck innerhalb jeder Zone wird als Funktion des gemessenen Druckes in der Einfassung und bekannter Kennwerte des Kanals und der Zone berechnet. Für jede Zone werden ein Einlassproportionalventil und ein Auslassproportionalventil jeder Einfassung derart betrieben, dass die Eingabeflussrate des Fluids in die jeweilige Einfassung hinein und die Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes und des geschätzten Druckes gesteuert bzw. geregelt werden, wodurch der Druck innerhalb der Zone entsprechend dem Druckeinstellpunkt reguliert wird.

Claims (24)

  1. System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb einer Zone, wobei das System umfasst: einen Drucksensor, der dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb einer Einfassung zu messen, die mit der Zone durch einen Kanal verbindbar und entfernt von der Zone befindlich ist; ein Ventilsystem, das dafür ausgelegt ist, Fluss eines Fluids in die Einfassung hinein und aus dieser heraus sowie durch den Kanal in die Zone hinein zu regulieren, wobei das Ventilsystem 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, beinhaltet; einen Zonendruckschätzer, der dafür ausgelegt ist, einen geschätzten Druck innerhalb der Zone als Funktion des durch den Drucksensor gemessenen Druckes und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals zu berechnen; und eine Steuerung bzw. Regelung, die dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb der 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 für die Zone gesteuert bzw. geregelt werden.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung bzw. Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, ein Eingabeflussbefehlssignal an das Einlassproportionalventil und ein Ausgabeflussbefehlssignal an das Ausgabeproportionalventil zu senden, sodass die Eingabeflussrate und die Ausgabeflussrate entsprechend dem Eingabeflussbefehlssignal beziehungsweise dem Ausgabeflussbefehlssignal gesteuert bzw. geregelt werden.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung bzw. Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine PI-Steuerung bzw. PI-Regelung (proportional-integral PI) der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate zu bewirken; wobei das Eingabeflussbefehlssignal gegeben ist durch: Qin = κPin(Pt – Pz) + κlin∫(Pt – Pz)dtwobei das Ausgabeflussbefehlssignal gegeben ist durch: Qout = κPout(Pt – Pz) + κlout∫(Pt – Pz)dtwobei gilt: Qin bezeichnet die Eingabeflussrate, Qout bezeichnet die Ausgabeflussrate, κPin bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Eingabeflussrate, κlin bezeichnet eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, κPout bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, κlout bezeichnet eine Integralverstärkung für die Ausgabeflussrate, Pz bezeichnet den geschätzten Druck innerhalb der Zone, Pt bezeichnet eine Drucktrajektorie für den Druckeinstellpunkt, und Pt – Pz bezeichnet einen Mitverfolgungsfehler.
  4. System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Quelle eines druckbeaufschlagten Fluids, die mit dem Einlassproportionalventil verbunden ist, und einen Vakuumabzug, der mit dem Auslassproportionalventil verbunden ist.
  5. System nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend einen Flussverenger zwischen dem Auslassproportionalventil und dem Vakuumabzug.
  6. System nach Anspruch 1, wobei die Zone flexible Wände aufweist und wobei der Zonendruckschätzer des Weiteren dafür ausgelegt ist, ein geschätztes Volumen der Zone als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals und des von dem Drucksensor gemessenen Druckes zu berechnen, um so den geschätzten Druck innerhalb der Einfassung zu berechnen.
  7. System zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Einfassungen durch Kanäle i verbindbar sind, 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, wobei i = 1, ..., N ist und das System umfasst: ein Druckmessungssystem, das dafür ausgelegt ist, Druck des Fluids in jeder der i Einfassungen zu messen; ein Ventilsystem, das für jede Einfassung i wenigstens ein Einlassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein zu regulieren, und wenigstens ein Auslassproportionalventil, das dafür ausgelegt ist, eine Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus zu regulieren, beinhaltet; einen Zonendruckschätzer, der mit dem Druckmessungssystem gekoppelt und dafür ausgelegt ist, für jede Zone i einen gemessenen Druck in der Einfassung i von dem Druckmessungssystem zu empfangen und einen geschätzten Druck innerhalb der Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in der Einfassung i und als Funktion von bekannten Kennwerten des Kanals i und der Zone i zu berechnen; und eine Steuerung bzw. Regelung, die dafür ausgelegt ist, Druck innerhalb jeder Zone i zu steuern bzw. zu regeln, indem das Einlassproportionalventil und das Auslassproportionalventil jeder Einfassung i derart betrieben werden, dass die Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein und die Auslassflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i von dem Zonendruckschätzer gesteuert bzw. geregelt werden.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das Druckmessungssystem eine Mehrzahl von Drucksensoren umfasst, wobei jeder der Drucksensoren jeweils angeschlossen ist, um Druck innerhalb der i Einfassungen zu messen.
  9. System nach Anspruch 7, wobei für jede Zone i die Steuerung bzw. Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, ein Eingabeflussbefehlssignal an das Einlassproportionalventil der Einfassung i und ein Ausgabeflussbefehlssignal an das Ausgabeproportionalventil der Einfassung i zu senden, um so die Eingabeflussrate in die Einfassung i hinein und die Ausgabeflussrate aus der Einfassung i heraus entsprechend dem Eingabeflussbefehlssignal beziehungsweise dem Ausgabeflussbefehlssignal zu steuern bzw. zu regeln.
  10. System nach Anspruch 7, wobei für wenigstens eine von den Einfassungen i die Steuerung bzw. Regelung des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine PI-Steuerung bzw. PI-Regelung der Eingabeflussrate und der Ausgabeflussrate der wenigstens einen Einfassung zu bewirken; wobei das Eingabeflussbefehlssignal von der Steuerung bzw. Regelung zu dem Einlassproportionalventil der Einfassung i umfasst: Qin,i = κPin(Pt – Pz,i) + κlin∫(Pt – Pz,i)dtwobei das Ausgabeflussbefehlssignal von der Steuerung bzw. Regelung zu dem Auslassproportionalventil der Einfassung i gegeben ist durch: Qout,i = κPout(Pt – Pz,i) + κlout∫(Pt – Pz,i)dtwobei gilt: bezeichnet die Eingabeflussrate in die Einfassung i hinein, Qout,i bezeichnet die Ausgabeflussrate aus der Einfassung i heraus, κPin bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Eingabeflussrate, κlin bezeichnet eine Integralverstärkung für die Eingabeflussrate, κPout bezeichnet eine Proportionalverstärkung für die Ausgabeflussrate, κlout 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.
  11. System nach Anspruch 7, des Weiteren umfassend eine Quelle eines druckbeaufschlagten Fluids, die mit den Einlassproportionalventilen der i Einfassungen verbunden ist, und einen Vakuumabzug, der mit den Auslassproportionalventilen der i Einfassungen verbunden ist.
  12. System nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend einen Flussverenger zwischen jedem Auslassproportionalventil und dem Vakuumabzug.
  13. System nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend einen Druckverteiler zwischen der Quelle des druckbeaufschlagten Fluids. und den Einlassproportionalventilen.
  14. System nach Anspruch 12, wobei der Flussverenger ein Venturi-Element umfasst.
  15. System nach Anspruch 7, wobei wenigstens einige der i Zonen starre Wände aufweisen.
  16. 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.
  17. System nach Anspruch 16, 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 Einfassungen, die mit den Zonen mit flexiblen Wänden verbunden sind, zu berechnen.
  18. System nach Anspruch 7, wobei wenigstens einige der i Zonen gekoppelt sind.
  19. System nach Anspruch 7, wobei wenigstens einige der i Zonen nicht gekoppelt sind.
  20. System nach Anspruch 8, 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.
  21. System nach Anspruch 20, 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 00210001
    wobei Pbi denjenigen Druck bezeichnet, der von dem Drucksensor gemessen wird, der mit der Einfassung i verbunden ist, wobei Qzi eine Eingabeflussrate des Fluids in die Zone i hinein bezeichnet, die durch eine Differenz bzw. ein Differenzial zwischen der Eingabeflussrate Qin,i des Fluids in die Einfassung i hinein und der Ausgabeflussrate Qout,i des Fluids aus der Einfassung i heraus gegeben ist.
  22. Maschine, beinhaltend das System von Anspruch 21 und des Weiteren beinhaltend diejenigen i Zonen, die jeweils mit den i Einfassungen verbunden sind.
  23. Maschine nach Anspruch 22, des Weiteren umfassend einen CMP-Trägerkopf, der die i Zonen enthält.
  24. Verfahren zum aus der Ferne erfolgenden Steuern bzw. Regeln eines Druckes innerhalb jeder von i Zonen, die jeweils mit i Einfassungen durch i Kanäle verbunden sind, 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, wobei i = 1, ..., N ist, umfassend: Messen des Druckes des Fluids innerhalb jeder der i Einfassungen; Berechnen eines geschätzten Druckes innerhalb jeder Zone i als Funktion des gemessenen Druckes in der Einfassung 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 jeder Einfassung i derart, dass die Eingabeflussrate des Fluids in die Einfassung i hinein und die Ausgabeflussrate des Fluids aus der Einfassung i heraus als Funktion eines Druckeinstellpunktes für die Zone i und des geschätzten Druckes innerhalb der Zone i gesteuert bzw. geregelt werden, wodurch der Druck innerhalb der Zone i entsprechend dem Druckeinstellpunkt reguliert wird.
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