JP2013084287A - マルチ反対称最適制御性能構成を使用する流量比制御装置を含むガス送出方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】単一の質量流量を多数の流れラインに分割するための流量比制御装置を含むガス送出システム用のマルチ反対称最適（ＭＡＯ）制御アルゴリズムを開示する。
【解決手段】ＭＡＯ制御アルゴリズムでは、各流れラインには、流れセンサ１２４及びバルブ１２６が設けられている。このバルブは、ターゲット流量比設定点を得るため、線型サチュレータと組み合わせたＳＩＳＯフィードバック制御装置によって積極的に制御される。最適制御性能のため、これらのＳＩＳＯ制御装置及び線型サチュレータは実質的に同じである。各バルブ制御コマンドは、全ての他のバルブ制御コマンドに対してマルチ反対称であるということがわかっている。従って、ＭＡＯ制御アルゴリズムは、任意の時期に少なくとも一つのバルブが許容可能な最大開放位置にあり、これによって、流量比設定点の所与の組について、最大総バルブコンダクタンスに関して最適解を提供することを保証する。
【選択図】図１

Description

本願は、２００５年４月２１日にジャニュア・ディン、ジョンＡ．スミス、及びカブー・ザルカー等の名で出願された、本譲受人に譲渡された（代理人事件番号５６２３１−５２６、ＭＫＳ−１５８）、現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号の一部継続出願である。

本開示は、全体として、半導体プロセッシング機器に関し、更に詳細には、汚染のない正確に計量された量のプロセスガスを一つ又はそれ以上のプロセッシングツールの少なくとも二つの場所まで送出するための流量比制御装置に関する。更に詳細には、本開示は、単一のガスボックスからの流れを、一つ又はそれ以上のプロセッシングツールの少なくとも二つの位置に、好ましくは三つ又はそれ以上の位置に分割するためのシステム及び方法に関する。

半導体デバイスの製造では、多くの場合、真空チャンバ等のプロセッシングツールへの１ダースに及ぶガスの送出を注意深く同期すること及び正確に計測することが必要とされる。製造プロセスでは様々な方法が使用されており、多くの別個のプロセッシング工程が必要とされる。この場合、例えば、半導体デバイスの清浄化、研磨、酸化、マスキング、エッチング、ドーピング、又はメタライジングが行われる。使用された工程について、これらの工程の特定の順序及び必要とされる材料は、全て、特定のデバイスの製造に寄与する。

従って、ウェーハ製造設備は、一般的には、化学蒸着法、プラズマ蒸着、プラズマエッチング、スパッタリング、及び他の同様のガス製造プロセスが実施される領域を含むように構成されている。プロセッシングツールは、化学蒸着反応器、真空スパッタリング機、プラズマエッチング機、プラズマＣＶＤチャンバ、又は任意の他のデバイス、装置、又はシステムのいずれであっても、様々なプロセスガスが供給されねばならない。ツールには、汚染のない正確に計測した量の純粋なガスが供給されなければならない。

代表的なウェーハ製造設備では、ガスは、配管又は導管を介してガス送出システムに連結されたタンクに貯蔵されている。このガス送出システムは、汚染のない正確に計測された量の純粋な不活性の又は反応性のガスを、製造設備のタンクから、プロセッシングツール及び／又はチャンバに送出するためのガスボックスを含む。ガスボックスは、代表的には、複数のガス流ラインを含む。これらのガス流ラインの各々は流れ計測ユニットを含む。この流れ計測ユニットは、バルブ、圧力調整器及びトランスジューサー、質量流量制御装置、フィルタ／ピュアリファイヤー、等を含んでいてもよい。各ガスラインは、分離したガス源に連結するためのそれ自体の入口を有するが、全てのガス経路は、プロセスツールに連結するための単一の出口につながっている。

場合によっては、組み合わせたプロセスガスを、単一のツールの多数の位置に、又は多数のプロセッシングツールの間で送出できるように、分割し又は分離する。このような場合には、ガスボックスの単一の出口を多数の位置に二次流れラインを通して連結する。幾つかの用途では、例えば安全上の理由及び他の理由で、上流圧力を大気圧以下に（例えば１５ＰＳＩＡに）保持する必要がある場合には、流量比制御装置を使用し、ガスボックスの出口の一次流れを、予め選択された比に従って、二次流路間で分割する。流れ分割システムの例は、米国特許第４，３６９，０３１号、米国特許第５，４５３，１２４号、米国特許第６，３３３，２７２号、米国特許第６，４１８，９５４号、及び米国特許第６，７６６，２６０号、公開された米国特許出願第２００２／００３８６６９号、及び２００５年４月２１日にジャニュア・ディン、ジョンＡ．スミス、及びカブー・ザルカー等の名で出願された、本譲受人に譲渡された（代理人事件番号５６２３１−５２６、ＭＫＳ−１５８）現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号に記載されている。米国特許第６，７６６，２６０号の流量比制御装置は、各二次流れラインが別体の流れセンサ及び制御バルブによって制御されるため、特に興味深いものである。

米国特許第６，７６６，２６０号に示された種類の流量比制御装置は、初期設定を行った後、所望の分割比に合わせて安定化されるが、流れは安定化に時間を要し、幾つかの用途では、これは満足のいくものではなかった。更に、流量比制御装置の前後の圧力降下が高く、制御装置は、二次流路のうちの一つの下流閉塞を取り扱うには制御性能が乏しかった。更に、システムは、二次流れラインのバルブの固定されたバルブ位置を最初に決定するのが困難であるため、設定が困難であった。更に、二つの二次流れラインを使用する現在の実施例について、流量比制御を行うため、高流バルブ(high flow valve) を固定バルブとし、低流バルブ(low flow valve)を被制御バルブとする必要がある。

米国特許出願第１１／１１１，６４６号 米国特許第４，３６９，０３１号 米国特許第５，４５３，１２４号 米国特許第６，３３３，２７２号 米国特許第６，４１８，９５４号 米国特許第６，７６６，２６０号 米国特許出願第２００２／００３８６６９号

これらの従来技術の流量比制御装置は全て、ただ二つの二次流れラインの相対的な流量比を制御するように設計されている。分配を受けるシステムの二つ以上の二次流れラインの相対的流量比を制御しようとする場合には、事態が更に複雑になる。状態空間アプローチ(state space approach) を使用する、線形時不変(linear time invariant)（ＬＴＩ）システムが提供するダイナミックレンジは不十分であり、制御バルブのバルブ曲線が非線形であるため、一組の線型化モデル係数だけを使用して多チャンネル流量比制御装置（以下、「ＭＣＦＲＣ」と呼ぶ）を説明することは、不可能ではないにせよ困難である。更に、ＬＴＩシステムは、選択された変数の制御を必要とする。状態変数として使用する上での有力な候補は、圧力、温度、及び流量である。しかしながら、このような変数は常に観察できるわけではない。例えば、熱センサで絶対流量を検出する方法はない。更に、これらの状態変数の推算に利用できる圧力情報はない。最後に、高次の状態空間制御装置は、三つ又はそれ以上のラインを通る流量比を制御する必要がある分布システムに適していない。

本開示の一つの特徴によれば、多チャンネルガス送出システムは、一次チャンネルと、少なくとも二つの二次チャンネルと、一次チャンネルを通してガスを受け取り、二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を制御するように、一次チャンネル及び複数の二次チャンネルに連結された流量比制御装置とを含む。

本開示の別の特徴によれば、多チャンネルガス送出システムは、一次チャンネルと、少なくとも二つの二次チャンネルと、一次チャンネルを通してガスを受け取り、二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を制御するように、一次チャンネル及び複数の二次チャンネルに連結された流量比制御装置とを含む。流量比制御装置は、各二次チャンネル毎に流れセンサ及びバルブを含む。このバルブは、ターゲット流量比設定点を達成するため、単入力単出力（ＳＩＳＯ）フィードバック制御装置及び線型サチュレータによって積極的に制御される。全てのＳＩＳＯフィードバック制御装置は実質的に同じであり、全ての線型サチュレータは実質的に同じである。

更に、本開示の別の特徴によれば、多チャンネルガス送出システムは、ガス入口チャンネル及び少なくとも二つの二次チャンネルと、これらの二次チャンネルの各々を通る流量を制御するように構成された、流れセンサ及びバルブを含む流量計と、少なくとも二つの二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全ての二次チャンネルを通る全組み合わせ流量に対する流量比を制御するように形成されており且つ構成されたマルチ反対称最適（ＭＡＯ）制御装置とを含み、制御装置は、（ａ）二次流量の総流量に対する流量比を維持するように、二次流れライン内の質量流量の実質的に最適の制御を提供し、（ｂ）二次流れラインの各々の質量流量を制御し、この制御は、一つの流れライン内の流量が減少し、二次流れの流量比が所定の設定点から外れた場合に、制御装置が、二次流れラインを通る相対的二次流れを調節し、流量比を所定の設定点に戻すように、二次流量の流量比を所定の設定点に維持するように形成されており、バルブのうちの少なくとも一つのバルブは、作動の任意の一つの時期に、実質的に最大の許容可能なバルブコンダクタンス位置を提供し、この際、他のバルブは、対応する二次チャンネルの各々を通る流量比の所定の値を維持するように積極的に制御される。

最後に、本開示の更に別の特徴によれば、複数の二次チャンネルの各々を通る一次チャンネルからのガスの流量の、全流量に対する流量比を、任意の時期での流量比設定点｛ｒspi｝の所与の組についての実質的に最適の制御解に従って制御するためのシステム及び方法が提供される。この方法は、
（ｉ）二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を決定する工程と、
（ｉｉ）計測された総流量（ＱTm）を、二次チャンネルの各々を通る計測された流量の関数として決定する工程と、
（ｉｉｉ）二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を、対応する流量比設定点と比較し、このような二次チャンネルの各々のついてエラー信号を発生する工程と、
（ｉｖ）エラー信号の各々を対応するＳＩＳＯフィードバック制御装置に適用し、二次チャンネルの夫々を通るガスの流量を制御するのに使用される対応する制御バルブと関連したバルブ制御コマンドを発生し、対応する二次チャンネルを通る流量比設定点の所与の組を得る工程とを含む。

添付図面を参照すると、これらの図では、同じ参照番号を付したエレメントは、同様のエレメントを示す。

図１は、夫々のチャンネルを通るガスの流量を、全てのチャンネルを通して送出される総流量に対して所定の流量比で送出するように本開示に従って形成された流量比制御装置を含む、マルチチャンネルガス送出システムの好ましい実施例の概略ブロックダイヤグラムである。 図２は、代表的な常開のバルブについての、様々な上流圧力での、バルブ制御信号対流量のグラフである。 図３は、マルチチャンネル流量比制御装置（ＭＣＦＲＣ）システムの流量比の所与の組についてのマルチバルブ制御解の例のグラフである。 図４は、図１の実施例に示すようなＭＣＦＲＣ構成に対して得られた最大総許容バルブコンダクタンスを示す、ＭＣＦＲＣシステムの流量比の所与の組についての最適バルブ制御解のグラフである。 図５は、複数のチャンネルの各々を通るガスの流量の、全てのチャンネルを通る全組み合わせ流量に対する比を制御するように形成されており且つ構成された好ましいマルチ反対称最適（ＭＡＯ）制御装置の機能的ブロックダイヤグラムである。

図１を参照すると、本開示は、流量比制御装置を含む多チャンネルガス送出システム用の新規な制御アプローチを提供する。流量比制御装置は、多チャンネルガス送出システムの二次流路即ちチャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する比を正確に制御するように構成されている。制御システム及び制御方法は、汚染がない正確に計量された量のプロセスガス及びパージガスを半導体プロセスツール、チャンバ、及び／又は他のシステム、装置、及びデバイスに送出するための計量システムとともに使用するようになっている。制御システム及び制御方法は、単一のガス流を、比較的高い上流圧力を必要とせずに、予め選択された比の既知の正確な相対的な値で多数の二次流に分割するという利点を提供する。多チャンネルガス送出システム１０２の一部として図１に参照番号１０６で示す流量比制御装置は、例えば多くのプロセスガス及びパージガスを含む個々のガス又は多数のガスの混合物を、例えば参照番号１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄで示すガス供給部（例えばガスタンク）から選択的に受け取る。ガスボックス１１２は、ガス混合物を流量比制御装置１０６に供給する。流量比制御装置１０６は、プロセスチャンバ１０８ａ、１０８ｂ、・・・、１０８ｉの夫々に連結された（別の態様では、ガスを計量して、単一のプロセスチャンバ及び／又は他のプロセスツールの様々なインジェクター又は領域に供給できる）状態で示してある。ガスボックス１１２は、複数のガススティック、例えば参照番号１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、及び１１４ｄを付したガススティックを含む。各ガススティックは、好ましくは、対応するガス供給部１０４に流動学的に連結されている。これは、対応するガス供給部１０４からのガスの流量を個々に制御するためである。図１には、四つのガス供給部１０４及び対応するガススティック１１４が示してあるが、ガス供給部１０４及びガススティック１１４の数は任意である（一つであってもよい）。各ガススティック１１４は、例えば、米国特許第６，４１８，９５４号に示すように、質量流量制御装置（ＭＦＣ）、ＭＦＣの前方に位置決めされたバルブ、及びＭＦＣの後方に位置決めされたバルブを含む。ガススティック１１４は、各々、制御可能なガス通路を提供し、そのため、汚染がない正確に計量された量のガス又はガスの組み合わせを流量比制御装置１０６に供給でき、次いでプロセスチャンバ１０８ａ、１０８ｂ、・・・、１０８ｉに予め選択された流量比で正確に分離／分割する。図示してないけれども、ガススティック１１４の各々には、ガスを監視し又は制御するための、フィルタ、ピュアリファイヤー、圧力トランスジューサー、制御装置、等のこの他の構成要素が設けられていてもよい。ガススティック１１４は、例えば、各ガススティックからのガス流を、ガスボックスから離れる前に混合できるように、出口マニホールド１１６に互いに連結されている。出口マニホールド１１６は、流量比制御装置１０６に連結されている。

流量比制御装置１０６は、二つ又はそれ以上の流路即ちライン１２２ａ、１２２ｂ、・・・１２２ｉを含む。各流路は、センサ１２４及びバルブ１２６を含む。センサ１２４は、各流路を通る質量流量を制御するように、バルブ１２６の制御で使用するための流量信号を発生する。センサ１２４及びバルブ１２６は、かくして、各流路の夫々の出力質量流量Ｑ１、Ｑ２、・・・Ｑｉ、・・・Ｑｎを制御する上で互いに使用される。流量比を、以下の数１に定義する。

ここで、ｒi は、ライン１２２ｉの流量比であり、Ｑi は、ライン１２２ｉを通る流量であり、ＱT は、以下の数２に示すように定義された全ての流れライン１２２の総流量である。

数１及び数２によれば、すべての流量比の和は１に等しく、これは以下の数３に示すように表現できる。

本明細書中に説明した実施例では、制御バルブ１２６ａ、１２６ｂ、・・・１２６ｉは常開のバルブであるが、開示のシステムは、全てが常閉のバルブであるように設計されていてもよいし、これらの二種類のバルブの組み合わせを含んでいてもよいということは理解されるべきである。各流路の出口ライン１３０ａ、１３０ｂ、・・・１３０ｉは、対応するプロセスツールに連結されている。これらのプロセスツールは、図１では、夫々、プロセッシングチャンバ１０８ａ、１０８ｂ、・・・１０８ｉである。これらのチャンバの出口は、好ましくはゲートバルブ１３２ａ、１３２ｂ、・・・１３２ｉの形態の制御バルブに連結されている。これらのゲートバルブは、ガスをタンクからチャンバを通して引き出すのに使用するため、一つ又はそれ以上の真空ポンプ１３４と流体連通している。別の態様では、出口ラインの夫々を単一のプロセスツールの同数の位置に連通していてもよいし、二つ又はそれ以上のプロセスツールの各々の一つ又はそれ以上の位置にしていてもよい。制御装置１３６は、とりわけ、各ライン１２２ｉの一つ毎に流量比設定点入力ｒspi を受け取る。流量比設定点入力ｒspi は、下文で更に明らかになるように、総流量ＱT に対するライン１２２ｉの流量の流量比の予め選択された値即ち設定点である。制御装置は、とりわけ、ライン１２２ａ、１２２ｂ、・・・１２２ｎの各々を通る（総流量に対する）質量流量比を、夫々の設定点に制御し維持するように形成されている。

図１のＭＣＦＲＣシステムは、したがって、二次流れラインの各々に提供される流量比及び流量について迅速な整定時間を提供し、流量比設定点の所与の組について、ＭＣＦＲＣシステムを通る圧力降下を最小にするように分析され、モデル化される。流量及び流量比についての整定時間は、以下の数４に定義するＭＣＦＲＣシステムの時定数τｐと比例するということがわかる。

ここで、Ｖu は、ＭＣＦＲＣシステムの上流容積である。ＣT は、以下の数４に定義するＭＣＦＲＣシステムの総バルブコンダクタンスである。

ここで、Ｃi（Ｉi）は、バルブ１２６ｉのバルブコンダクタンスであり、これは、バルブ電流Ｉi の関数である。一般的にはバルブコンダクタンスＣi は、以下の数６によって決定できる。

ここで、Ｐu は、ＭＣＦＲＣシステムの上流圧力である。更に、上流圧力Ｐu は以下の数７によって決定できるということがわかる。

数４及び数７からわかるように、流量及び流量比に対して整定時間を短くするため、及び上流圧力を最小にするため、従って、ＭＣＦＲＣシステムを通る圧力降下を最小にするため、ＭＣＦＲＣシステムの総バルブコンダクタンスＣT を最大にしなければならない。従って、制御アルゴリズムによって、任意の時期に、流量比設定点の所与の組に対して総バルブコンダクタンスを最大にできる場合には、流量比制御装置は、流量及び流量比に対する整定時間を最も速くし、流量比制御装置を通る圧力降下を最小にすること関して最適の制御性能を達成する。

下文に示すように、常開のバルブを持つＭＣＦＲＣシステムの流量比設定点の所与の組｛ｒi｝ についての最大総バルブコンダクタンスに関し、一つの及び唯一の最適の解が存在する。この結果は、常閉のバルブを持つＭＣＦＲＣシステムにも適用される。図２は、二次流れラインの各々に位置決めされ得る種類の典型的な常開のバルブについてのバルブ制御電流Ｉiに対する流量Ｑiのグラフである。バルブ電流の上下の計測値を含む例示の四組のバルブ曲線を、四つの上流圧力５０トール、１００トール、１５０トール、及び２００トールでの代表的な常開のバルブについて示すが、下流圧力はほぼ０トールである。図示のように、常開のバルブについては、バルブコンダクタンスは、バルブ電流の増大に従って減少する。Ｉ＝０で、即ちこの常開のバルブについてバルブが全開で最大バルブコンダクタンスが得られる。

補助流量比(auxiliary flow ratios)即ちαiは、以下の数８に示すように定義される。

ここで、αi は、流れチャンネルｉと流れチャンネルｌの間の流量比である（Ｑl≠０と仮定する）。流量比の所与の組｛ｒi｝は、対応する補助流量比の組｛αi｝を提供する。図３は、バルブ電流（Ｉi）に対してプロットした変更流量（Ｑi／αi）の全ての変更バルブ曲線を示す。図３に示すように、横線が全ての変更バルブ曲線と交差する場合には、交点は、数９−１を満たさなければならない。

これは、まさに、補助流量比の所与の組｛αi｝、又は流量比の所与の組｛ｒi｝を満たす状態である。交点と対応するバルブ電流の組｛Ｉi｝ は、ＭＣＦＲＣシステムについての、流量比の所与の組｛ｒi｝ を得るための解を提供する。図示のように、これらの変更バルブ曲線と任意の横線との交点は、流量比の所与の組｛ｒi｝ を満たすためのバルブ電流｛Ｉi｝ の一組の解を提供する。換言すると、ＭＣＦＲＣシステムについて、流量比の所与の組を得る上で多数の解が存在する。これらの多数の解間の相違は、総バルブコンダクタンスＣT である。図３に示すように、横線が高ければ高い程、総バルブコンダクタンスが高くなる。横線が全ての変更バルブ曲線と交点を持たなくなるまで横線の高さを上げることによって総バルブコンダクタンス解を高くする。

図４は、ＭＣＦＲＣシステムについての、流量比の所与の組｛ｒi｝ を得るための最大総バルブコンダクタンスに関する最適解を示す。最適解は、バルブｊが全開位置にあるとき、即ちＩj＝０ のときに得られる。横線の高さをこれ以上上げると解が得られなくなる。これは、有効解が、横線と全ての変更バルブ曲線との交点であるためである。従って、図４に示すように、ＭＣＦＲＣシステムに関し、流量比の所与の組｛ｒi｝ を得るための一つの及び唯一の最適解が存在する。最適解は、バルブｊが全開位置にあるとき、即ちＩj＝０ のときに得られる。他方、ＭＣＦＲＣシステムの一つのバルブが全開位置にあり、即ちＩj＝０ であり、流量比の所与の組｛ｒi｝ が得られた場合には、ＭＣＦＲＣシステムは、最大総バルブコンダクタンスの最適解の状態にある。

下文において、図５に示すマルチ反対称最適（ＭＡＯ）制御アルゴリズムは、任意の所与の時期で最適解がある、即ち常開のバルブを持つＭＣＦＲＣシステムについてバルブが常に全開位置にある、即ちＩi＝０ であるように示してある。この結果は、常閉のバルブを持つＭＣＦＲＣシステムにも適用される。

好ましくは、ＭＣＦＲＣシステムは、全てのバルブ１２６がＭＣＦＲＣ制御装置１３６で同時に制御されるように形成されている。ＭＣＦＲＣ制御装置１３６は、ホスト制御装置１４０から流量比設定点の組｛ｒspi｝ を受け取り、計測された実際の流量比｛ｒmi｝及び他のＭＣＦＲＣ状態情報を報告し、ホスト制御装置１４０に戻す。ＭＣＦＲＣ制御装置１３６で実行されるＭＡＯ制御アルゴリズムの詳細を図５に示す。流れセンサ１２４の出力｛Ｑmi｝を集め、加算することによって、計測した総流量ＱTmを接合部１７２のところに発生する。次いで、計測された流量比｛ｒmi＝Ｑmi／ＱTm｝を計算し、流量比設定点の組｛ｒspi｝ と比較し、エラー信号｛ｅi＝ｒspi−ｒmi｝を発生する。次いで、エラー信号｛ｅi｝ を同じ信号入力及び信号出力（ＳＩＳＯ）制御装置１６４に供給し｛Ｋi（ｓ）｝ 、バルブ制御コマンド｛Ｉci｝を発生する。制御装置１６４は、ＰＩＤ制御装置、進み遅れ制御装置、モデルベースト制御装置等の任意の種類のＳＩＳＯ制御装置であってもよいが、ＳＩＳＯ制御装置１６４は、最適の性能結果を得るため、同じ、即ち種類及び制御パラメータが同じである。バルブ１２６に加えられる最終的バルブ駆動電流｛Ｉi｝は、第１に接合部１６５のところで最適のバイアス電流Ｉo によってバルブ制御コマンド｛Ｉci｝を差し引くことによって得られ、次いで、線型サチュレータ１６６によって下限Ｉo及び上限Ｉmで修正する。線型サチュレータ１６６は、各々、以下の数９に示すように定義される。

ここで、Ｉoは下飽和限度として使用され、Ｉmは上飽和限度として使用される。
ＭＡＯ制御アルゴリズムの線型サチュレータ１６６は、ソフトウェア又はハードウェアのいずれかで実施できる。多くのバルブ駆動回路は、下出力限度及び上出力限度を有する。最適バイアス電流Ｉoが、常開のバルブについての下出力限度又は常閉のバルブについての上出力限度として加えられた場合には、線型サチュレータ１６６をファームウェア又はソフトウェアで実施する必要はない。

最適バイアス電流Ｉoは、最大バルブコンダクタンスを提供する許容可能な電流である。図２に示す常開のバルブについて、最適バイアス電流はゼロである。即ち、Ｉo＝０である。理解されるように、各流れチャンネルは、流れセンサ、ＳＩＳＯ制御装置、及び流れバルブを含む同じフィードバック制御ループ構造を有する。

図５に示すＭＡＯ制御アルゴリズムは、任意の時期に流量比設定点の所与の組｛ｒspi｝についての最適制御解を得ることができるように示すことができる。即ち、常に、常開のバルブを持つＭＣＦＲＣシステムについて全開位置即ちＩj＝０ にあるバルブ１２６ｊがある。線型サチュレータ１６６の前の任意の流れチャンネルｉのバルブ制御コマンドＩci（ｉ＝１、２、・・・Ｎ）は、数１０に示すように、全ての他のバルブ制御コマンドＩcj（ｊ＝１、２、・・・Ｎ、ｊ≠ｉ）の和に対して反対称であるということがわかる。

この特性をマルチ反対称(multiple antisymmetry)と呼ぶ。更に、線型サチュレータ１６６の後に少なくとも一つのバルブ駆動電流Ｉk が存在し、この電流が、数１１に示すように、最適バイアス電流Ｉo と等しいということがわかる。

従って、図５に示す制御アルゴリズムを、本明細書中、「マルチ反対称最適」（又は「ＭＡＯ」）制御と呼ぶ。ＭＡＯ制御アルゴリズムは、ＭＣＦＲＣシステムについて、任意の時期に最適解が得られることを保証する。上文中に論じたように、最適解では、総バルブコンダクタンスが最大であり、整定時間及びＭＣＦＲＣの前後の圧力降下の両方が最小である。

ＭＡＯ制御アルゴリズムは、いずれのバルブが全開位置にあるのかを明らかに表示しないが、全ての流れバルブのうちの少なくとも一つのバルブが全開位置にあることを保証する。これは、上文中に論じたように、上掲の数１０のマルチ反対称特性のためである。図１に示すように、全ての流れバルブは、同じ入口１２２を共有するため、上流圧力条件が同じである。全ての流れバルブの下流圧力条件が同じである場合には、最高流量のバルブが全開位置になければならない。しかしながら、低流れチャンネルのうちの一つで重大な下流閉塞の問題点が生じた場合、ＭＡＯ制御アルゴリズムは、当該下流閉塞流れチャンネルの流れバルブを駆動し、更に大きく開放する。これは、必要であれば、全開位置で停止する。流量比設定点を満たさない場合には、ＭＡＯ制御アルゴリズムは、最高流れバルブを、その全開位置から比較的閉鎖された位置まで駆動する。これは、ターゲット流量比設定点に達するためである。このようにして、ＭＡＯ制御アルゴリズムは、様々な流れチャンネル間の重大な下流閉塞の問題点を自動的に取り扱うことができる。

ＭＡＯ制御アルゴリズムは、２チャンネル流量比制御装置の特殊な場合にも適用される。このような構成は、２００５年４月２１日にジャニュア・ディン、ジョンＡ．スミス、及びカブー・ザルカー等の名で出願された、本譲受人に譲渡された（代理人事件番号５６２３１−５２６、ＭＫＳ−１５８）、現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号に記載されたＤＡＯ制御アルゴリズムと異なる。現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号に開示されたＤＡＯ制御アルゴリズムは、両二次チャンネルを制御するため、単一のＳＩＳＯ制御装置を使用するが、本発明のＭＡＯ制御アルゴリズムは、最適の性能を得るため、二つの二次チャンネルの各々に一つづつの二つの同じ制御装置を必要とする。ＭＡＯ制御アルゴリズム又はＤＡＯ制御アルゴリズムのいずれについて、バルブ制御コマンドＩc1及びＩc2は、数１４に示す反対称特性を有する。

ＭＡＯ制御アルゴリズムを２チャンネル流量比制御装置に適用した場合、二つのＳＩＳＯ制御装置が同じである。数１４によって示唆されているように、ＭＡＯ制御アルゴリズムに必要なＳＩＳＯ制御装置の一方を取り外し、負の制御出力コマンド−Ｉc を他方のバルブ制御ループに逸らすことができる。このようにして、現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号に記載された２チャンネル流量比制御装置については、ＭＡＯ制御アルゴリズムはＤＡＯ制御アルゴリズムと同じになる。しかしながら、以下に説明するように、例えば最適以下の性能を許容できる場合には、二つの異なるＳＩＳＯ制御装置又は二つの異なる線型サチュレータを使用しようとする場合がある。

かくして、ＭＡＯ制御装置は、下記の事項を提供するように形成される。即ち、
（ａ）総流量に対する二次流れの流量比を所定の設定点流量比に維持するように、二次流れラインの質量流量の反対称最適制御を行い、
（ｂ）少なくとも一つのバルブが最適バルブ電流Ｉoにあり、これにより作動の任意の一つの時点で最大許容可能バルブコンダクタンス点を提供し、この際、他方のバルブは、流量比の所定の設定値を維持するように能動的に制御され、
（ｃ）一方の流れラインの流れが減少したため、二次流れの流量比が、予め選択された設定点からずれた場合、制御装置が、二次流れラインを通る二次流れを相対的に調節し、流量比を予め選択された設定点に戻すように、二次流れの流量比を所定の設定点に維持するように二次流れラインの質量流量を制御する。

かくして、本開示に従って提供された新規であり且つ改良されたガス送出システム及び方法を説明した。本明細書中に説明した例示の実施例は、限定でなく例示として提供されたものであって、当業者は、添付の特許請求の範囲に記載された本開示の広い特徴から、その精神及び範囲のいずれからも逸脱することなく、様々な変形、変更、及び代替を行うことができる。例えば、本明細書中の大部分において、バルブを常開のバルブとして説明したが、常閉のバルブであってもよい。更に、上文中に説明したように最適制御性能について、制御装置１６４は同じＳＩＳＯフィードバック制御装置である。即ち、これらの制御装置は、同じ種類であり、同じ制御パラメータを有する。更に、最適制御性能について同じ線型サチュレータを必要とする。しかしながら、多くの用途において、最適下限の、即ち実質的に最適の性能を受け入れることができ、そのため、ＳＩＳＯフィードバック制御装置、及び／又は線型サチュレータは同じでなく、及び／又は作動中にバルブのいずれも完全には開放しない（この場合、最大バルブコンダクタンスは提供されない）。本明細書中では、「実質的に最適」という用語は、最適性能に数％足りず、１００％よりも低いけれども、所望の結果を得るのに十分に高いということを意味する。例えば、このような実質的に最適の性能は、幾つかの用途では、最適値の９５％であってもよく、それでも満足のいく結果を提供する。二つの二次流れラインだけの流量比を制御する場合には、ＳＩＳＯフィードバック制御装置及び／又は線型サチュレータは同じである必要がなく、実質的に同じであるに過ぎず、様々な実施を提供する二つのフィードバック制御装置が必要とされる。これらの二つのフィードバック制御装置は、現在継続中の米国特許出願第１１／１１１，６４６号に開示されたＤＡＯと異なる態様で作動する。

本明細書中に開示した本開示のガス送出システム及び方法、及びその全てのエレメントが、添付の特許請求の範囲のうちの少なくとも一つの範囲内に含まれる。本開示のシステム及び方法のエレメントのうち、特許請求の範囲から外されるものはなく、或いは特許請求の範囲の解釈を必然的に制限しようとするものはない。これらの特許請求の範囲において、単数のエレメントに対する言及は、特段の記載のない限り、「一つ及び唯一の」を意味しようとするものではなく、むしろ、「一つ又はそれ以上の」を意味する。本開示に亘って説明した様々な実施例のエレメントの構造的に及び機能的に等価の、当業者に現在周知の又は後に知られるようになる全てのものは、特に、本明細書の開示の一部とされ、特許請求の範囲に含まれる。更に、本明細書中に開示されたものは、こうした開示が特許請求の範囲に明快に記載されているかどうかに関わらず、公共に帰せられるものではない。特許請求の範囲に記載されたエレメントは、「ための手段」という言い方を使用して言及されない限り、又は方法についての特許請求の範囲の場合に「ための工程」という言い方を使用して言及されない限り、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２第６項の下で解釈されるべきではない。

１０２ 多チャンネルガス送出システム
１０４ ガス供給部
１０６ 流量比制御装置
１０８ プロセスチャンバ
１１２ ガスボックス
１１４ ガススティック
１１６ 出口マニホールド
１２２ 流路即ちライン
１２６ バルブ
１３０ 出口ライン
１３２ ゲートバルブ
１３４ 真空ポンプ

本願発明の実施例は、例えば、以下の通りである。
［形態１］
多チャンネルガス送出システムにおいて、
一次チャンネルと、
少なくとも二つの二次チャンネルと、
前記一次チャンネルを通してガスを受け取り、前記二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を制御するように、前記一次チャンネル及び前記複数の二次チャンネルに連結された流量比制御装置とを含む、システム。
［形態２］
形態１に記載のシステムにおいて、
前記流量比制御装置は、対応する二次チャンネルを通るガスの流量を制御するため、前記二次チャンネルの各々に流量計を含む、システム。
［形態３］
形態２に記載のシステムにおいて、
各流量計はセンサ及びバルブを含み、前記センサは、夫々の二次チャンネルを通る流量の流量比を制御するように、前記流量計の対応するバルブの制御で使用するための流量信号を提供する、システム。
［形態４］
形態３に記載のシステムにおいて、
前記バルブは常開のバルブである、システム。
［形態５］
形態３に記載のシステムにおいて、
前記バルブは常閉のバルブである、システム。
［形態６］
形態１に記載のシステムにおいて、
前記流量比制御装置は、流量比設定点入力を受け取るための入力を前記二次チャンネルの各々に一つずつ含む、システム。
［形態７］
形態１に記載のシステムにおいて、
前記二次チャンネルを通る流量及び流量比についての整定時間を最も速くし、前記流量比制御装置を通る圧力降下を最小にするように、前記システムの前記バルブの総バルブコンダクタンスを最大にする、システム。
［形態８］
形態７に記載のシステムにおいて、
前記バルブのうちの一つのバルブは常に完全に開放している、システム。
［形態９］
形態１に記載のシステムにおいて、
全てのバルブが同時に制御される、システム。
［形態１０］
形態１に記載のシステムにおいて、
ホスト制御装置を更に含み、
前記ホスト制御装置及び前記流量比制御装置は、前記ホスト制御装置が、前記流量比制御装置に、前記二次チャンネルの各々について一つずつの一組の流量比設定点の組を提供し、前記流量比制御装置が、前記ホスト制御装置に、実際に計測した流量比を提供するように形成されている、システム。
［形態１１］
形態１０に記載のシステムにおいて、
前記流量比制御装置は、対応する前記二次チャンネルを通るガスの流量を制御するため、前記二次チャンネルの各々に設けられた流量計を含み、各センサの出力は、対応する二次チャンネルを通る実際の流量の計測値を提供し、全てのセンサの出力の和が総流量の計測値を提供する、システム。
［形態１２］
形態１１に記載のシステムにおいて、
二次チャンネルの各々を通る実際の流量の計測値の前記総流量の計測値に対する比が、対応する二次チャンネルを通る実際の流量比の計測値を提供し、前記流量比制御装置は、実際の流量比を流量比設定点の組と比較し、これと対応して前記二次チャンネルのバルブを制御し、実際の流量比を対応する流量比設定点の組と等しいように維持する、システム。
添付図面を参照すると、これらの図では、同じ参照番号を付したエレメントは、同様のエレメントを示す。

Claims (29)

1. 多チャンネルガス送出システムにおいて、
   一次チャンネルと、
   少なくとも二つの二次チャンネルと、
   前記一次チャンネルを通してガスを受け取り、前記二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を制御するように、前記一次チャンネル及び前記複数の二次チャンネルに連結された流量比制御装置とを含む、システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記流量比制御装置は、対応する二次チャンネルを通るガスの流量を制御するため、前記二次チャンネルの各々に流量計を含む、システム。
3. 請求項２に記載のシステムにおいて、
   各流量計はセンサ及びバルブを含み、前記センサは、夫々の二次チャンネルを通る流量の流量比を制御するように、前記流量計の対応するバルブの制御で使用するための流量信号を提供する、システム。
4. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記バルブは常開のバルブである、システム。
5. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記バルブは常閉のバルブである、システム。
6. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記流量比制御装置は、流量比設定点入力を受け取るための入力を前記二次チャンネルの各々に一つずつ含む、システム。
7. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記二次チャンネルを通る流量及び流量比についての整定時間を最も速くし、前記流量比制御装置を通る圧力降下を最小にするように、前記システムの前記バルブの総バルブコンダクタンスを最大にする、システム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記バルブのうちの一つのバルブは常に完全に開放している、システム。
9. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   全てのバルブが同時に制御される、システム。
10. 請求項１に記載のシステムにおいて、
    ホスト制御装置を更に含み、
    前記ホスト制御装置及び前記流量比制御装置は、前記ホスト制御装置が、前記流量比制御装置に、前記二次チャンネルの各々について一つずつの一組の流量比設定点の組を提供し、前記流量比制御装置が、前記ホスト制御装置に、実際に計測した流量比を提供するように形成されている、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、
    前記流量比制御装置は、対応する前記二次チャンネルを通るガスの流量を制御するため、前記二次チャンネルの各々に設けられた流量計を含み、各センサの出力は、対応する二次チャンネルを通る実際の流量の計測値を提供し、全てのセンサの出力の和が総流量の計測値を提供する、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    二次チャンネルの各々を通る実際の流量の計測値の前記総流量の計測値に対する比が、対応する二次チャンネルを通る実際の流量比の計測値を提供し、前記流量比制御装置は、実際の流量比を流量比設定点の組と比較し、これと対応して前記二次チャンネルのバルブを制御し、実際の流量比を対応する流量比設定点の組と等しいように維持する、システム。
13. 多チャンネルガス送出システムにおいて、
    一次チャンネルと、
    少なくとも二つの二次チャンネルと、
    前記一次チャンネルを通してガスを受け取り、前記二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を制御するように、前記一次チャンネル及び前記複数の二次チャンネルに連結された流量比制御装置とを含み、
    前記流量比制御装置は、二次チャンネルの各々について、流れセンサ及びバルブを含み、前記バルブは、ターゲット流量比設定点を達成するため、単入力単出力（ＳＩＳＯ）フィードバック制御装置によって積極的に制御される、多チャンネルガス送出システム。
14. 請求項１３に記載の多チャンネルガス送出システムにおいて、
    前記ＳＩＳＯフィードバック制御装置は、ＰＩＤ制御装置、進み遅れ制御装置、モデルベースト予測制御装置のうちの少なくとも一つを含む、多チャンネルガス送出システム。
15. 請求項１３に記載の多チャンネルガス送出システムにおいて、
    各二次チャンネルは、センサ、バルブ、及びフィードバック制御装置を含む二次チャンネル制御ループを含み、前記システムは、更に、各二次チャンネル制御ループの各々に線型サチュレータを含む、多チャンネルガス送出システム。
16. 請求項１５に記載の多チャンネルガス送出システムにおいて、
    全てのＳＩＳＯフィードバック制御装置は実質的に同じであり、全ての線型サチュレータは実質的に同じである、多チャンネルガス送出システム。
17. 多チャンネルガス送出システムにおいて、
    ガス入口チャンネル及び少なくとも二つの二次チャンネルと、
    前記二次チャンネルの各々を通る流量を制御するように構成された、流れセンサ及びバルブを含む流量計と、
    少なくとも二つの二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全ての前記二次チャンネルを通る全組み合わせ流量に対する流量比を制御するように形成されており且つ構成されたマルチ反対称最適（ＭＡＯ）制御装置とを含み、
    前記制御装置は、
    （ａ）前記二次流量の前記総流量に対する流量比を維持するように、前記二次流れライン内の質量流量の実質的に最適の制御を提供し、
    （ｂ）前記二次流れラインの各々の質量流量を制御し、この制御は、一つの流れライン内の流量が減少し、前記二次流れの流量比が前記所定の設定点から外れた場合に、前記制御装置が、前記二次流れラインを通る相対的二次流れを調節し、前記流量比を所定の設定点に戻すように、前記二次流れの流量比を所定の設定点に維持するように形成されており、
    前記バルブのうちの少なくとも一つのバルブは、作動の任意の一つの時期に、実質的に最大の許容可能なバルブコンダクタンス位置を提供し、この際、他のバルブは、対応する二次チャンネルの各々を通る流量比の所定の値を維持するように積極的に制御される、多チャンネルガス送出システム。
18. 多チャンネル流量比制御装置システムにおいて、
    （ａ）前記制御装置システムを一次チャンネルに連結するように形成されており且つ構成された入力と、
    （ｂ）前記制御装置システムを対応する多くの二次チャンネルに連結するように形成されており且つ構成された複数の出力と、
    （ｃ）対応する複数の流れセンサ、制御バルブ、及びＳＩＳＯ制御装置とを含む流量比制御装置を含み、
    （ｉ）流れセンサ、（ｉｉ）制御バルブ、及び（ｉｉｉ）ＳＩＳＯ制御装置は、各二次チャンネルを通る流れを制御するために設けられており、
    前記流量比制御装置は、前記一次チャンネルを通してガスを受け取り、前記二次チャンネルの各々を通るガスの流量の全流量に対する流量比を制御し、流量比設定点の所与の組｛ｒspi｝ についての実質的に最適の制御解を任意の時期に得るように形成されており且つ構成されており、前記実質的に最適の制御解は、
    （ｉ）前記二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を決定し、
    （ｉｉ）計測された総流量｛ＱTm｝を代表する値として前記流れセンサの前記出力｛Ｑmi｝の和を決定し、
    （ｉｉｉ）前記二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を、対応する流量比設定点と比較し、このような二次チャンネルの各々についてのエラー信号を発生し、
    （ｉｖ）前記エラー信号の各々をＳＩＳＯフィードバック制御装置に適用し、対応する制御バルブと関連したバルブ制御コマンドを発生し、対応する二次チャンネルを通る流量比設定点の所与の組を得る、多チャンネル流量比制御装置システム。
19. 請求項１８に記載のシステムにおいて、更に、
    各バルブと一つずつ関連した複数の線型サチュレータを含み、前記解は、更に、
    前記バルブの各々について、最終バルブ駆動電流｛Ｉi｝を、対応するバルブ制御コマンドよりも小さい、各バルブと関連した最適バイアス電流の関数として発生し、
    各最終駆動電流を、下限｛Ｉo｝及び上限｛Ｉm｝を持つ対応する線型サチュレータで修正し、各線型サチュレータは、以下の数９によって定義され、
    

    

    ここで、Ｉoは、下飽和限度として使用され、Ｉmは、上飽和限度として使用される、システム。
20. 請求項１９に記載のシステムにおいて、
    前記線型サチュレータは、ソフトウェアで実施される、システム。
21. 請求項１９に記載のシステムにおいて、
    前記線型サチュレータは、ハードウェアで実施される、システム。
22. 請求項１９に記載のシステムにおいて、
    前記バルブ制御コマンドは、前記ＳＩＳＯ制御装置から、前記バルブの各々の前記線型サチュレータが数１０のマルチ反対称特性を持つ前に発生され、
    

    

    ここで、Ｎは二次流れチャンネルの総数である、システム。
23. 請求項１９に記載の方法において、
    少なくとも一つのバルブが、任意の時期に許容可能な最大開放位置にある、方法。
24. 一次チャンネルから複数の二次チャンネルの各々を通るガスの流量の、全流量に対する流量比を、任意の時期に、流量比設定点の所与の組｛ｒspi｝ についての実質的に最適の制御解に従って制御する方法において、
    （ｉ）前記二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を決定する工程と、
    （ｉｉ）計測された総流量（ＱTm）を、前記二次チャンネルの各々を通る計測された流量の関数として決定する工程と、
    （ｉｉｉ）前記二次チャンネルの各々を通る計測された流量比を、対応する流量比設定点と比較し、このような二次チャンネルの各々のついてエラー信号を発生する工程と、
    （ｉｖ）前記エラー信号の各々を対応するＳＩＳＯフィードバック制御装置に適用し、前記二次チャンネルの夫々を通るガスの流量を制御するのに使用される対応する制御バルブと関連したバルブ制御コマンドを発生し、対応する二次チャンネルを通る流量比設定点の所与の組を得る工程とを含む、方法。
25. 請求項２４に記載の方法において、更に、
    前記制御バルブの各々について、最終バルブ駆動電流｛Ｉi｝を、対応するバルブ制御コマンドよりも小さい、各制御バルブと関連した最適バイアス電流の関数として発生し、
    各最終駆動電流を、下限｛Ｉo｝及び上限｛Ｉm｝を持つ対応する線型サチュレータで修正し、各線型サチュレータは、以下の数９によって定義され、
    

    

    ここで、Ｉoは、下飽和限度として使用され、Ｉmは、上飽和限度として使用される、方法。
26. 請求項２５に記載の方法において、
    各最適駆動電流の修正はソフトウェアで実行される、方法。
27. 請求項２５に記載の方法において、
    各最適駆動電流の修正はハードウェアで実行される、方法。
28. 請求項２５に記載の方法において、
    前記バルブ制御コマンドは、前記ＳＩＳＯ制御装置から、各バルブの前記線型サチュレータが数１０のマルチ反対称特性を持つ前に発生され、
    

    

    ここで、Ｎは二次流れチャンネルの総数である、方法。
29. 請求項２５に記載の方法において、
    少なくとも一つのバルブが、任意の時期に許容可能な最大開放位置にある、方法。

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