JP4707680B2 - 電気ヒータの一定した電力動作を維持するためのフィードバック制御システムおよび方法 - Google Patents
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Description
米国政府は、「マイクロエレクトロニクスの製造における閉ループプロセス制御ならびにプラズマエッチングおよびクリーン反応の最適化のための、新規な薄膜化学を用いる集積MEMSリアクタガスモニタ」と題する契約第70NANB9H3018号に従って、本発明に自身の権利を有し得る。
発明の分野
本発明は、素子の電気加熱を制御し、かつ素子の一定した抵抗動作を維持するための適応フィードバック制御システムおよび方法に関し、特に、電気ガスセンサ素子を一定した電気抵抗に維持するために必要な調整量に基づいて、対象ガス種の存在および濃度を決定するためのガス検知システムおよび方法に関する。
被加熱貴金属フィラメントを含む燃焼ベースのガスセンサは、対象の可燃性ガス種の存在および濃度を検出するために広く用いられている。かかるガス種の触媒燃焼が、かかる被加熱貴金属フィラメントの表面に誘発され、結果としてかかるフィラメントの温度の検出可能な変化がもたらされる。各ガスセンサには、通常、フィラメントのマッチングペアが含まれる。すなわち、第1のフィラメント−検出器として知られている−は、対象ガス種の燃焼に能動的に触媒作用をもたらして温度変化を引き起こし、第2のフィラメント−補償器として知られている−は、触媒材料を含まず、したがって、周囲条件における変化を単に受動的に補償する。フィラメントのかかるペアがホイートストンブリッジ回路に組み込まれた場合に、不平衡信号が生成され、対象ガス種の存在を示すことができる。
本発明は、一態様において、一定した電気抵抗Rsを維持するために素子の電気加熱を制御するための方法に関し、この方法には、
(a) かかる素子を加熱するために十分な量で、かかる素子に電力を供給し、かつその電気抵抗をRsに増加させ、同時に、かかる素子のリアルタイム電気抵抗Rを、RとRsとの間のどんな差も検出するために、監視することと、
(b) RとRsとの間の差を検出すると、かかる素子に供給される電力を、
が含まれ、ここで、mは、かかる素子の熱質量であり、αρは、かかる素子における電気抵抗の温度係数であり、R0は、基準温度で測定されたかかる素子の標準電気抵抗であり、tは、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)は、最後の電力調整において測定されたかかる素子の電気抵抗であり、fsは、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である。
(a) かかる素子を加熱する電力を供給するために、かかる素子に結合された調整可能電源と、
(b) かかる素子のリアルタイム電気抵抗Rを監視するため、かつRとRsとの間の差を検出したときに、それに応じて、素子に供給される電力を、
が含まれ、ここで、mは、素子の熱質量であり、αρは、素子における電気抵抗の温度係数であり、R0は、基準温度で測定された素子の標準電気抵抗であり、tは、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)は、最後の電力調整において測定された素子の電気抵抗であり、fsは、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である。
(a) 高温で対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
(b) ガスセンサ素子に結合された、かかるガスセンサ素子を加熱する電力を供給するための調整可能電源と、
(c) ガスセンサ素子および電源に結合されたコントローラであって、一定した電気抵抗Rsを維持するために、かかるガスセンサ素子に供給される電力を調整するためのコントローラと、
(d) 一定した電気抵抗Rsを維持するために必要な電力調整に基づいて、対象ガス種の存在および濃度を決定するための、コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
が含まれ、電力は、ガスセンサ素子における電気抵抗変化の検出に基づいて、
(a) 高温で対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子を準備するステップと、
(b) 定常状態に達するために、対象ガス種がない不活性環境において、十分な期間、ガスセンサ素子を予熱するステップと、
(c) 定常状態において、かかるガスセンサ素子の電気抵抗Rsを決定するステップと、
(d) ガスセンサ素子を、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境に配置するステップと、
(e) かかるガスセンサ素子の電気抵抗をRsに維持するために、ガスセンサ素子に供給される電力を調整するステップと、
(f) 電気抵抗Rsを維持するために必要な電力調整に基づいて、かかるガス種の影響を受けやすい環境において、対象ガス種の存在および濃度を決定するステップと、
が含まれる。
2002年10月17日に出願された「半導体処理システムにおいてフッ素種を検知するための装置およびプロセス(APPARATUS AND PROCESS FOR SENSING FLUORO SPECIES IN SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEMS)」なる名称の米国特許出願第10/273,036号明細書、およびリッコ(Ricco)らの米国特許第5,834,627号明細書が、あらゆる目的のためにその全体において、参照により本明細書に援用されている。
Tc=Ta+ηW=Ta+η・Ic 2Rc=Ta+η・Ic 2R0・[1+αρ(Tc−T0)]
であり、ここで、Rcは、定常状態における被加熱素子の電気抵抗である。
ε=αρηI2R0
Ta’=(Ta−εT0)/(1−ε)、η’=η/(1−ε)、W’=I2R0+Wperturbationであり、
Ta,cおよびηcは、Tcが決定された時の周囲温度および加熱効率である。一定した抵抗動作のためのそれぞれの設定値Rsは、好ましくは被加熱素子の定常状態抵抗値Rcに等しいかまたは近いものとして、同時に決定することができる。
本発明のこの簡略化された実施形態において、被加熱素子は、非常に小さな電力および温度変動を伴って、常に準定常状態(QSS)にあり、その結果、定常状態動作を支配する方程式を適用できると仮定されている。この枠内において、Ta,c≒Tおよびηc≒η
の間は、一定した電力動作および一定した抵抗動作は、機能的に等価である。さらに、Wperturbationは、現時点と次の電力調整との間で時不変と見なすことができるように、経時的に非常にゆっくり変化すると仮定されている。
受動AFCアルゴリズムを改善するために、下記のアルゴリズムを提供して、既に生じた抵抗変化だけでなく、現時点と将来時刻との間に生じるであろう抵抗変化もまた能動的に補償するのに必要なΔWを見積もるようにする。
本実施形態において、被加熱素子を通過する電流(I)が、電力における調整ΔWを達成するために、量(ΔI)だけ調整され、ここで、
ΔW=(I+ΔI)2・Rs−I2R≒I2・(Rs−R)+2ΔI・IRs
である。
Claims (21)
- 一定した電気抵抗Rsを維持するために、素子の電気加熱を制御するための方法であって、前記方法が、
(a) 前記素子を加熱してその電気抵抗をRsに増加させるのに十分な量で、前記素子へ電力を供給し、同時に、前記素子のリアルタイム電気抵抗Rを監視して、RとRsとの間のどんな差も検出するようにすることと、
(b) RとRsとの間の差を検出すると、前記素子に供給される前記電力を、
を含み、ここで、mが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、R0が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、tが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、fsが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である方法。 - 前記素子が、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境を監視するための電気ガスセンサを含み、前記ガスセンサが、高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらすための触媒表面を含み、結果として、前記対象ガス種の存在が、前記ガスセンサにおいて温度変化ならびに電気抵抗変化を引き起こし、それに応じて、前記ガスセンサに供給される電力の調整が達成され、前記電力調整が、前記環境における前記対象ガス種の存在および濃度と相関し、かつそれらを示す、請求項1に記載の方法。
- 前記電気ガスセンサが、化学的に不活性な電気絶縁材料で形成されたコアと、導電性の触媒材料で形成されたコーティングとを有する1つまたは複数のフィラメントを含む、請求項6に記載の方法。
- 各ガス検知サイクルが、
(1) 定常状態に達するために、前記対象ガス種がない不活性環境において、十分な期間、前記ガスセンサを予熱するステップと、
(2) 前記定常状態において前記ガスセンサの電気抵抗を測定し、それを前記一定値(Rs)として設定するステップと、
(3) 続いて、前記ガスセンサを、前記対象ガス種の存在に影響を受けやすい前記環境に曝すステップと、
(4) 前記ガスセンサに供給される前記電力を調整することによって、前記ガスセンサの電気抵抗をRsに維持するステップと、
(5) 電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するステップと、
を含む、請求項6に記載の方法。 - 素子の電気加熱を制御して前記素子を一定した電気抵抗Rsに維持するためのシステムであって、前記システムが、
(a) 前記素子を加熱する電力を供給するために、前記素子に結合された調整可能電源と、
(b) 前記素子のリアルタイム電気抵抗Rを監視するため、かつRとRsとの間の差を検出すると、それに応じて、前記素子に供給される前記電力を、
を含み、ここで、mが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、R0が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、tが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、fsが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるシステム。 - 前記コントローラが少なくとも1つの電気抵抗計を含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記コントローラが、少なくとも1つの電流計および少なくとも1つの電圧計を含む、請求項9に記載のシステム。
- 前記素子が、対象ガス種の存在に影響を受けやすい環境を監視するための電気ガスセンサを含み、前記ガスセンサが、高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらすための触媒表面を含み、結果として、前記対象ガス種の存在が、前記ガスセンサにおいて温度変化ならびに電気抵抗変化を引き起こし、それに応じて、前記ガスセンサに供給される電力の調整が達成され、前記電力調整が、前記環境における前記対象ガス種の存在および濃度と相関し、かつそれらを示す、請求項9に記載のシステム。
- 前記電気ガスセンサが、化学的に不活性な電気絶縁材料から形成されたコアと、導電性の触媒材料から形成されたコーティングとを有する1つまたは複数のフィラメントを含む、請求項16に記載のシステム。
- 対象ガス種を検出するためのガス検知システムであって、前記システムが、
(a) 高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
(b) 前記ガスセンサ素子を加熱する電力を供給するために、前記ガスセンサ素子に結合された調整可能電源と、
(c) 前記ガスセンサ素子に供給される前記電力を調整して一定した電気抵抗Rsを維持するために、前記ガスセンサ素子および前記電源に結合されたコントローラと、
(d) 前記一定した電気抵抗Rsを維持するために必要な電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するための、前記コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
を含み、前記電力が、前記ガスセンサ素子において電気抵抗変化が検出されると、
- 一定した電気抵抗Rsを維持するために、素子の電気加熱を制御するための方法であって、前記方法が、
(a) 前記素子を加熱してその電気抵抗をRsに増加させるのに十分な量で、前記素子へ電力を供給し、同時に、前記素子のリアルタイム電気抵抗Rを監視して、RとRsとの間のどんな差も検出するようにすることと、
(b) RとRsとの間の差を検出すると、前記素子に供給される前記電力を、
を含み、ここでrが、約0.1〜約10の範囲における比例定数であり、mが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、R0が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、tが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、fsが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度である方法。 - 素子の電気加熱を制御して前記素子を一定した電気抵抗Rsに維持するためのシステムであって、前記システムが、
(a) 前記素子を加熱する電力を供給するために、前記素子に結合された調整可能電源と、
(b) 前記素子のリアルタイム電気抵抗Rを監視するため、かつRとRsとの間の差を検出すると、それに応じて、前記素子に供給される前記電力を、
を含み、ここで、rが、約0.1〜約10の範囲における比例定数であり、mが、前記素子の熱質量であり、αρが、前記素子における電気抵抗の温度係数であり、R0が、基準温度で測定された前記素子の標準電気抵抗であり、tが、電気抵抗差の現在の検出と最後の電力調整との間の時間間隔であり、R(0)が、最後の電力調整において測定された前記素子の電気抵抗であり、fsが、電力調整が周期的に実行される所定の頻度であるシステム。 - 対象ガス種を検出するためのガス検知システムであって、前記システムが、
(a) 高温で前記対象ガス種の発熱または吸熱反応をもたらす触媒表面を有する電気ガスセンサ素子と、
(b) 前記ガスセンサ素子を加熱する電力を供給するために、前記ガスセンサ素子に結合された調整可能電源と、
(c) 前記ガスセンサ素子に供給される前記電力を調整して一定した電気抵抗Rsを維持するために、前記ガスセンサ素子および前記電源に結合されたコントローラと、
(d) 前記一定した電気抵抗Rsを維持するために必要な電力調整に基づいて、前記対象ガス種の存在および濃度を決定するための、前記コントローラに接続されたガス組成解析プロセッサと、
を含み、前記電力が、前記ガスセンサ素子において電気抵抗変化が検出されると、
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