KR101259779B1 - 원격 영역 내의 압력 조절 - Google Patents
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Abstract
압력 제어 시스템은 각각의 인클로져로 들어가는 유체의 유동 및 각각의 인클로져 외부로 나오는 유체의 유동을 제어함으로써, 도관을 통해 인클로져에 각각 연결되는 하나 이상의 원격 영역 내의 압력을 원격으로 제어한다. 유체의 압력은 각각의 인클로져 내에서 측정된다. 인클로져 내의 측정 압력의 함수와 도관 및 영역의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여, 각각의 영역 내의 추정 압력이 계산된다. 각각의 영역에 대하여, 각각의 인클로져의 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브는 압력 세트포인트의 함수 및 추정 압력의 함수를 이용하여, 각각의 인클로져로 들어가는 유체의 유입 유동 속도 및 인클로져 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 제어하도록 동작함으로써, 압력 세트포인트에 따라 영역 내의 압력을 조절한다.
원격 영역, 압력 조절, 인클로져, 비례 밸브, 유체 유동
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "System and Method for Controlling Pressure in Remote Zones."라는 명칭으로 2004년 3월 9일자로 출원된(변리사 명부 번호 MKS-136), 계류중인 미국특허출원 제10/796,723호의 일부계속출원(continuation-in-part)이며, 상기 미국특허출원에 대해 우선권을 청구한다. 계류중인 특허출원 제10/796,723호는 본 출원의 양수인에게 양도된다.
일부 출원에서는, 원격으로 위치되는 영역 내의 압력을 조절하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 일부 기계 및 장비는 장비가 동작하는 동안 가압되거나 진공화되는 챔버를 포함한다. 이러한 기계의 예는 이에 한정되지는 않지만, 화학적 기계 연마(chemical mechanical polishing : CMP) 기계를 포함할 수 있다.
측정 챔버 내의 압력 센서는 센서에 대해 원격으로 위치하는 영역이 아닌, 그 측정 챔버 내의 압력만을 측정할 수 있다. 그 결과, 측정 챔버 내에 위치하는 압력 센서에 의한 압력 측정값만을 이용하는 압력 제어 시스템은 측정 챔버 내의 압력이 원격 영역 내의 압력과 동일하다고 가정하여야 할 수도 있다. 그러나, 측정 챔버 내의 압력은 영역 압력과 종종 동일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 측정 챔버 내에서 국부 압력 천이(localized pressure transient)가 발생할 시에, 측정 챔버 내의 압력은 영역 압력과 동일하지 않을 수 있다. 이것은 압력 제어 시스템 성능이 상당히 저하하는 결과가 될 수 있다.
따라서, 원격으로 위치하는 영역 내의 압력이 정확히 제어되도록 허용하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
영역 내의 압력을 원격으로 제어하는 시스템은 압력 센서(pressure sensor), 밸브 시스템(valve system), 영역 압력 추정기(zone pressure estimator) 및 제어기(controller)를 포함한다. 압력 센서는, 도관(conduit)을 통해 영역에 연결 가능하고 영역으로부터 원격으로 위치하는 인클로져(enclosure)(예를 들어, 측정 챔버) 내의 압력을 측정하도록 구성된다. 밸브 시스템은 인클로져로 들어오는 유체의 유동, 및 인클로져로부터 도관을 통해 영역으로 나가는 유체의 유동을 조절하도록 구성된다. 밸브 시스템은 인클로져로 들어가는 유체의 유입 유동 속도(input flow rate)를 조절하도록 구성되는 입구 비례 밸브(inlet proportional valve), 및 인클로져 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도(output flow rate)를 조절하도록 구성되는 출구 비례 밸브(outlet proportional valve)를 적어도 포함한다. 영역 압력 추정기는 압력 센서에 의해 측정된 압력의 함수 및 도관의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 영역 내의 추정 압력을 계산하도록 구성된다. 제어기는 영역 압력 추정기로부터의 추정 압력의 함수 및 영역에 대한 압력 세트포인트(pressure set point)의 함수를 이용하여 유입 유동 속도 및 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시킴으로써 영역 내의 압력을 조절하도록 구성된다.
각각의 인클로져(i)로 들어오는 유체의 유동, 각각의 인클로져(i)로부터 각각의 도관(i)을 통해 각각의 영역(i)(i = 1, ..., N)으로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써, 도관(i)을 통해 i개의 인클로져에 각각 연결 가능한 i개의 각각의 영역 내의 압력을 원격으로 제어하는 시스템을 설명한다. 이 시스템은 압력 측정 시스템, 밸브 시스템, 영역 압력 추정기 및 제어기를 포함한다. 압력 측정 시스템은 i개의 각각의 인클로져 내의 유체 압력을 측정하도록 구성된다. 밸브 시스템은 각각의 인클로져(i)에 대하여, 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유입 유동 속도를 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 입구 비례 밸브와, 인클로져(i) 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 출구 비례 밸브를 포함한다.
영역 압력 추정기는 압력 측정 시스템에 커플링(coupling)된다. 영역 압력 추정기는 각각의 영역(i)에 대하여, 압력 센서 시스템으로부터 인클로져(i) 내의 측정 압력을 수신하고, 인클로져 내의 측정 압력의 함수와, 도관(i) 및 영역(i)의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 영역(i) 내의 추정 압력을 계산하도록 구성된다. 제어기는 영역(i)에 대한 압력 세트포인트의 함수 및 영역 압력 추정기로부터의 영역(i) 내의 추정 압력의 함수를 이용하여 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유입 유동 속도 및 인클로져 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 각각의 인클로져의 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시킴으로써 각각의 영역(i) 내의 압력을 제어하도록 구성된다.
각각의 인클로져로 들어오는 유체의 유동, 각각의 인클로져로부터 각각의 도관(i)을 통해 각각의 영역(i)(i = 1, ..., N)으로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써, i개의 도관을 통해 i개의 인클로져에 각각 연결 가능한 i개의 각각의 영역 내의 압력을 원격으로 제어하는 방법을 설명한다. 이 방법은 i개의 각각의 인클로져 내의 유체의 압력을 측정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 인클로져(i) 내의 측정 압력의 함수와, 도관(i) 및 영역(i)의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 각각의 영역(i) 내의 추정 압력을 계산하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 영역(i)에 대한 압력 세트포인트의 함수 및 영역(i) 내의 추정 압력의 함수를 이용하여 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유입 유동 속도 및 인클로져(i) 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 제어함으로써 압력 세트포인트에 따라 영역(i) 내의 압력을 조절하기 위하여, 각각의 영역(i)에 대하여, 각각의 인클로져(i)의 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시키는 단계를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 설명 중 하나의 실시예에 따라 하나 이상의 원격 영역 내의 압력을 조절하는 압력 제어 시스템을 예시하는 전체 기능 블럭도이다.
도 2는 i개의 도관(i)(i = 1, ..., N)을 통해 i개의 인클로져에 각각 연결 가능한 복수의 i개의 영역과, 본 발명에서 설명하는 압력 제어 시스템의 하나의 실시예에 이용되는 압력 측정 및 유체 제어 시스템을 보다 상세하게 예시하는 도면이다.
본 발명에서, 용어 영역(term zone)은 밀폐 체적(enclosed volume)을 의미할 것이다. 그 압력이 제어되는 각각의 원격 영역의 압력을 정확히 추정하는 관측기 기반 솔루션(observer-based solution)을 이용하여 원격 영역 내의 압력을 제어하는 시스템 및 방법을 설명한다. 압력 제어 시스템의 원격 영역의 추정 압력을 이용함으로써, 폐루프 제어 성능이 상당히 향상될 수 있다. 예를 들어, 측정 챔버에서는 발생하지만 원격 영역 자체에서는 발생하지 않는 국부 압력 천이가 극복될 수 있다.
도 1은 본 발명의 설명 중 하나의 실시예에 따라 하나 이상의 원격 영역(Zi)(i = 1, ..., N) 내의 압력을 조절하는 압력 제어 시스템(100)을 예시하는 기능 블럭도이다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 모든 영역(Zi)은 가압된 단일 유체원(40)에 의해 공급되고, 단일 진공 배기관(vacuume exhaust)(30)으로 배기한다. 개략적으로, 압력 제어 시스템(100)은 압력 측정 및 유체 제어 시스템(110)(도 2에 보다 상세하게 도시되어 있음), 영역 압력 추정기(120) 및 제어기(130)를 포함할 수 있다.
도관(Fi)(도 2에 도시되어 있음)을 통해 영역(Zi)에 연결되는 인클로져(bi)(도 2에 도시되어 있음) 내의 측정 압력에 기초하여 원격 영역(Zi) 내의 압력을 추정하기 위해 영역 압력 추정기(120)를 이용하고, 영역 압력 추정기(120)로부터의 추정 압력에 기초하여 인클로져로 들어오는 유체의 유동 및 상기 인클로져 외부로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써, 압력 제어 시스템(100)은 각각의 원격 영역(Zi) 내의 압력을 원격으로 제어할 수 있다. 일반적으로, 인클로져는 압력 측정 챔버일 수 있지만, 그 내부의 유체를 밀폐할 수 있는 밀폐 체적의 임의의 다른 타입이 이용될 수 있다.
압력 측정 및 유체 제어 시스템(110)은 압력 측정 시스템 및 유체 제어 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 110 내의 압력 측정 시스템은, 인클로져에 각각 연결되고 그 인클로져 내의 압력을 측정하도록 구성되는 복수의 압력 센서를 포함할 수 있다. 110 내의 유체 제어 시스템은 각각의 인클로져로 들어오는 유체의 유동 속도 및 각각의 인클로져 외부로 나가는 유체의 유동 속도를 제어하는 밸브 시스템을 포함할 수 있다.
영역 압력 추정기(10)는 압력 측정 시스템으로부터 압력 측정값을 수신할 수 있고, (예를 들어, 고객(customer), 오퍼레이터(operator) 또는 다른 사람들로부터) 시스템(100)의 물리적 파라미터를 수신할 수도 있으며, 이것은 예를 들어 도관 및 영역의 잘 알려진 특성을 포함할 수 있다. 영역 압력 추정기(120)는 아래에 상 세하게 설명하는 계산 방법을 이용하여 각각의 영역에 대한 압력 추정값을 계산 및 제공하기 위해 압력 측정값 및 물리적 파라미터를 이용하도록 구성될 수도 있다.
제어기(130)는 각각의 원격 영역(Zi)에 대한 압력 세트포인트를 수신할 수도 있고, (영역 압력 추정기(120)로부터의) 영역 압력 추정값 및 압력 세트포인트를 이용하여 유체 제어 시스템을 제어할 수 있다. 특히, 각각의 인클로져로 들어오는 유체의 유동 속도 및 각각의 인클로져 외부로 나가는 유체의 유동 속도는 압력 세트포인트에 따라 각각의 영역 내의 압력이 조절되도록 하기 위하여, 제어기(130)가 밸브 시스템을 조절할 수 있다.
예시되는 실시예에서, 밸브 시스템은 각각의 인클로져에 대하여, 인클로져로 들어가는 유체의 유입 유동 속도를 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 입구 비례 밸브 및 인클로져 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 조절하도록 구성되는 출구 비례 밸브를 포함할 수 있다. 제어기(130)는 영역 압력 추정기로부터의 추정 압력의 함수 및 압력 세트포인트의 함수를 이용하여 유입 유동 속도 및 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시킴으로써 각각의 영역 내의 압력을 조절하도록 구성될 수 있다.
도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 제어기(130)는 유입 유동 명령 신호 및 유출 유동 명령 신호에 따라 유입 유동 속도 및 유출 유동 속도를 각각 제어하기 위해, (도 2에서 보다 상세하게 설명하는) 블럭(110) 내의 밸브 시스템으로 유입 유동 명령 신호 및 유출 유동 명령 신호를 송신할 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 제어기는 각각의 인클로져로의 유입 유동 속도 및 각각의 인클로져로부터의 유출 유동 속도의 비례 적분(Proportional-Integral : PI) 제어(아래에서 보다 상세하게 설명함)를 수행하도록 구성될 수 있지만, 다른 제어 방법이 이용될 수도 있다. 제어 시스템 및 방법을 비례 적분(a_proportional-plus-integral : PI) 타입의 제어 시스템 및 방법으로서 설명하지만, 많은 다른 타입의 제어 시스템 및 방법이 이용될 수 있고, 이것은 다음에 한정되지 않지만, 비례, 적분, 비례 미분(proportional-plus-derivative : PD) 및 비례 미적분(proportional-plus-integral-plus-derivative : PID) 타입의 피드백 제어 시스템 및 방법을 포함한다.
도 2는 i개의 도관(Fi)(i = 1, ..., N)을 통해 i개의 인클로져(bi)에 각각 연결 가능한 복수의 i개의 영역을 보다 상세하게 예시하고, 각각의 영역(i) 내의 압력은 각각의 인클로져(i)로 들어오는 유체의 유동, 각각의 인클로져(i)로부터 각각의 도관(i)을 통해 각각의 영역(i)으로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써 조절된다. 또한, 도 2는 본 발명에서 설명하는 압력 제어 시스템의 하나의 실시예에 이용되는 압력 측정 및 유체 제어 시스템을 예시한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 도 1의 블럭(10) 내에 도시되어 있는 원격 영역(Zi)은 복수의 i개의 도관(Fi)(i = 1, ..., N)을 통해 복수의 i개의 인클로져(bi)에 각각 연결 가능할 수 있다. 압력 측정 및 유체 제어 시스템(110)은 복수의 i개의 인클로져 또는 측정 챔버 "bi"를 포함하고, i = 1 내지 N이며, i는 원격 영 역(Zi)의 수에 대응한다. 각각의 측정 챔버(bi)는 bi로 들어가는 유체의 유입 유동 속도를 조절하도록 구성되는 입구 밸브(112), 및 bi 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 조절하도록 구성되는 출구 밸브(116)를 포함한다. 각각의 측정 챔버(bi)는, 가압된 유체원(40)으로부터 입구 매니폴드(inlet manifold) "L"을 통해 인클로져(bi)에 대한 입구 밸브(112)로 지나가고 인클로져(bi)에 대한 출구 밸브(116)로부터 유동 수축기 매니폴드(flow constrictor manifold)(도 2에 "man"으로 도시되어 있음)를 통해 진공 배기관(30)으로 지나가는 유체 유동 관로(fluid flow line)를 따라 위치한다. 압력 센서(114)(일반적으로, 변환기(transducer))는 bi 내의 압력을 측정하도록 각각의 측정 챔버(bj)에 효율적으로 연결된다.
전술한 바와 같이, 모든 영역(Zi)은 가압된 단일 유체원(40)에 의해 공급되고, 단일 진공 배기관(30)으로 배기한다. 하나의 실시예에서, 유동 수축기 매니폴드는 벤츄리 매니폴드(venturi manifold)일 수 있지만, 다른 타입의 유동 수축기(flow constrictor)가 이용될 수도 있다. 원격 영역(Zi)(도 2의 블럭(10) 내에 도시되어 있음)은 견고한 벽(rigid wall) 또는 유연한 벽(flexible wall)을 가질 수 있고, 커플링(coupling)되거나 커플링되지 않을 수 있다. 유연한 벽을 가지는 원격 영역은 팽창 및 수축될 수 있는 체적을 가질 수 있다. 유연한 벽을 가지는 영역의 체적은 서로 상호작용 예를 들어, 서로 밀어낼 수 있다.
여러 영역(Zi) 사이의 커플링은 다수의 방식으로 발생할 수 있다. 유연한 (그에 따라 팽창 및 수축할 수 있는) 벽을 가지는 영역에서의 체적 연결(volumetric coupling)은 체적 팽창/수축 및 체적 대 체적의 상호작용으로 인해 발생할 수 있다. 예를 들어, 팽창하여 다른 영역을 밀어냄에 따라 제2 영역 내의 압력을 증가시키는 하나의 영역에 의해 상호작용이 발생할 수 있다.
진공 압력 레벨이 변화할 경우, 배기관에서의 출구 커플링이 발생할 수 있고, 이것은 출구 유동의 변화를 일으키며, 극단적인 경우에 유동이 초크(choked) 및 언초크(unchoked) 사이에서 전이하는 결과가 된다. 이것은 벤츄리 관로(venturi line)로 배기되는 고속 유동을 가지는 벤츄리 펌프의 경우에 특히 심각할 수 있다. 이러한 경우, 영역 벽은 견고해지거나 유연해질 수 있다.
관로 압력의 하강 즉, 천이 거동(transient behavior)을 일으키는 매니폴드로의 유동의 충분한 돌입(in-rush)이 존재하도록 하나의 영역 내의 세트포인트가 충분히 높게 설정되는 경우, 입구 커플링이 발생할 수 있다. 이 관로 압력 하강은 압력원에 의해 공급되는 다른 모든 영역에 영향을 미칠 수 있다. 다시, 영역 벽은 견고해지거나 유연해질 수 있다.
단지 하나의 영역 및 견고한 벽을 가지는 시스템은 "커플링되지 않은 단일 영역 시스템"으로서 구성될 수 있다. 독립적인 입구에 의해 공급되고 독립적인 배기관으로 배기하는 이러한 견고한 영역의 다양한 예는 "커플링되지 않은 다수 영역 시스템"의 예일 수 있다. 팽창 또는 수축할 수 있는 유연한 벽을 가지는 단일 영역 은 "커플링된 단일 영역 시스템"이 되도록 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 예시적인 실시예는 "커플링된 다수 영역 시스템"일 수 있고, 여기서 커플링의 레벨은 입구, 출구 및 체적 커플링에 기초하여 정량화될 수 있다.
영역 압력 추정기(120)는 압력 센서(114)의 압력 측정값, 각각의 인클로져(예를 들어, 측정 챔버) 및 각각의 영역의 물리적 파라미터, 및 영역(Zi)의 압력을 정확하게 추정하는 모델 기반 알고리즘(아래에서 설명함)을 이용함으로써 각각의 영역(zi) 내의 압력을 추정할 수 있다. 직접적인 결과로서, 영역(Zi) 내의 압력을 제어하는 폐루프 내의 영역 압력 추정기(120)를 사용하는 압력 제어 시스템은 영역(Zi) 내에서 자체적으로 발생하지 않을 수 있는 측정 챔버에서의 국부 압력 천이를 해소할 수 있다. 이러한 방식으로, 압력 제어 시스템의 폐루프 제어 성능은 충분히 향상될 수 있다.
영역 압력 추정기(120)는 진보된 제어 시스템으로 용이하게 통합할 수 있고, 입구 압력/유동, 출구 압력/유동, 및 영역 체적 상호작용의 정적 및/또는 동적 커플링을 나타내는 다수의 영역(Zi)을 보상할 수 있다. 영역 압력 추정기(120)는 원격 영역(Zi)의 크기 또는 체적에 제한을 가하지 않는다. 영역 압력 추정기(120)는 상이한 범위의 압력 세트포인트에 대해 유효하고, 진보된 제어 시스템으로 통합되는 경우에 일관된 천이 및 정상상태 거동을 보장할 것이다.
제어 알고리즘
제어기(130)는, i개의 영역 각각에 대한 압력 세트포인트를 수신하고, 영역 압력 추정기(120)로부터 i개의 영역 각각에 대한 영역 압력 추정값을 수신하며, 입구 및 출구 비례 밸브를 동작시켜 영역(i)에 연결된 측정 챔버로 들어오는 유체의 유동 및 상기 측정 챔버 외부로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써 각각의 영역 내의 압력을 압력 세트포인트에 따라 조절하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 제어기(130)는 유입 유동 명령 신호 및 유출 유동 명령 신호에 따라 인클로져(i)로 들어오는 유입 유동 속도 및 인클로져(bi) 외부로 나가는 유출 유동 속도를 각각 제어하기 위해, 인클로져(bi)의 입구 비례 밸브로 유입 유동 명령 신호를 송신하고, 인클로져(bi)의 출구 비례 밸브로 유출 유동 명령 신호를 송신할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나 이상의 인클로져(bi)에 대하여, 제어기는 유입 유동 속도 및 유출 유동 속도의 PI 제어를 수행하지만, 다른 타입의 비례 밸브 제어 시스템이 이용될 수도 있다. PI 제어가 구현될 경우, 제어기로부터 인클로져(i)의 입구 비례 밸브로의 유입 유동 명령 신호는 다음의 식에 의해 주어질 수 있고,
제어기로부터 인클로져(bi)의 출구 비례 밸브로의 유출 유동 명령 신호는 다음의 식에 의해 주어질 수 있다.
상기 등식에서, Qin ,i는 인클로져(i)로 들어가는 유입 유동 속도를 나타내고, Qout ,i는 인클로져(bi)로부터 나가는 유출 유동 속도를 나타내며, 은 유입 유동 속도에 대한 비례 이득을 나타내고, 은 유입 유동 속도에 대한 적분 이득을 나타내며, 은 유출 유동 속도에 대한 비례 이득을 나타내고, 은 유출 유동 속도에 대한 적분 이득을 나타내며, Pz ,i는 영역(Zi) 내의 추정 압력을 나타내고, Pt는 하나의 압력 세트포인트로부터 다른 압력 세트포인트로의 희망하는 압력 궤도(pressure trajectory)이며, Pt-Pz ,i는 추종 오차(tracking error)를 나타낸다. 압력 궤도(Pt)는 다음으로 한정되지는 않지만, 다항식(polynomial), 1차 또는 보다 높은 차수의 미분 방정식을 포함하는 다수의 기술을 이용하여 구성될 수 있다.
PI 타입 제어 시스템 및 방법은 본 발명의 특정 실시예에서 예시 및 설명되어 있으므로, 당업자는 다수의 변화 및 변경 - 예를 들어, 모델 기반일 수 있는 피드포워드 항(feedforward term)을 포함 - 이 발생할 것이라는 점을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 정확한 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 변화 및 변경을 포함하도록 한다.
각각의 영역 내의 압력을 추정하는 영역 압력 추정기(120)를 동작시키기 위해 이용되는 모델 기반 계산 방법의 하나의 예는 아래에서 설명한다. 이 모델 기반 계산 방법은 아래에서 설명하는 원격 영역(zi)의 역학 및 체적 커플링뿐만 아니라, 측정 챔버의 역학(dymanics)에 기초할 수 있다.
측정
챔버
역학
각각의 측정(bi) 내의 효과적인 압력은 다음과 같이 정의된다.
여기서, Pb ,i는 i번째 영역에 대한 측정 챔버 내의 압력 변환기(114)에 의해 측정되는 압력이고, PSTP는 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서의 압력이며, Qin ,i는 유입 유동을 나타내고, Qo ,i 및 Qz ,i는 유출 유동을 나타낸다. 특히, Qo ,i는 i번째 측정 챔버(bi)로부터 벤츄리 매니폴드로의 유동이고, Qz ,i는 i번째 영역으로의 유동이다. (1)에서, Vb ,i는 i번째 영역에 대한 측정 챔버(bi)의 체적을 나타낸다.
유동 수축기 또는 벤츄리 매니폴드 "man"으로의 유출 유동은 다음과 같이 표현될 수 있다
dorifice ,i는 벤츄리 매니폴드에 제공하는 측정 챔버 내의 고정된 오리피스(orifice)의 직경을 나타내고, Pman은 진공 배기관(30)에 연결되는 벤츄리 매니폴드 내의 압력을 나타낸다. 오리피스를 통한 유동은 고정된 오리피스를 통한 압력 차에 따라 초크 또는 언초크될 수 있다.
영역 역학 및 체적 커플링
각각의 영역(Zi)으로의 유동은 (Navier-Stokes 방정식으로부터 유래된) 다음의 역학 방정식에 의해 설명될 수 있고,
여기서, Qz ,i 및 Pz ,i는 i번째 영역으로의 입구 유동 및 i번째 영역 내의 압력을 각각 나타내고, Ctube ,i 및 τtube ,i는 영역(Zi)으로 측정 챔버(bi)를 연결하는 도관(Fi)에 관련되는 상수(constant)이다. 특히, Ctube ,i는 SI 단위[(m3/s) / (s-Pa)]에 의해 도관(Fi)의 전도성을 나타내고, τtube ,i는 SI 단위에 의해 도관에서의 유동 평형 시간 상수(flow equilibration time constant)를 나타낸다.
각각의 영역(Zi) 내의 압력 역학은 다음과 같이 설명될 수 있고,
여기서, 각각의 영역(Zi)의 체적은 Vz ,i로 나타내고, 다수의 영역(Zi) 사이의 커플링으로 인한 동적 체적 상호작용은 다음과 같이 수학적으로 설명될 수 있으며,
여기서, Vz0 ,i는 표준 온도 및 압력(STP) 조건 하에서의 각 영역의 최초 체적이고, τv는 체적 팽창/수축 시간 상수이며, 는 팽창/수축 계수를 나타내고, 는 영역(i) 및 영역(j) 사이의 커플링 계수를 나타낸다. 질량/관성 효과(mass/inertial effect)를 무시하는 것으로 가정될 수 있다.
영역 압력
추정기
전술한 바와 같이, 제어기(130)에 대한 제어 목적은 원격 영역(Zi) 내의 압력을 조절하는 것이다. 그러나, bi에 대한 압력 변환기(114)는 영역(Zi) 내에서와는 반대로, 측정 챔버(bi) 내에 실장된다. 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 측정 챔버(bi)는 도관(Fi)에 의해 원격 영역(Zi)으로부터 분리된다.
압력 제어 알고리즘에 대한 관측기 기반 모델은 다수의 방식으로 전개될 수 있다. 예를 들어, 유동 센서(예를 들어, 풍속계(anemometer), 열 기반 센서, 압력 기반 센서 등)는 상기 방정식 내의 유동(Qz ,i)을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 다른 방법은 다음과 같이 이산 형태로 영역 유동 방정식을 다시 표현함으로써 중간 유동 관측기를 전개하는 것일 수 있다.
그 후, (5)의 표현식에 대한 이산 솔루션은 다음과 같이 획득될 수 있고,
여기서, 는 i번째 영역의 압력 추정값의 n번째 샘플을 나타내고, 는 (6)에서 정의되는 유동 추정값으로부터 획득되거나, 이용가능할 경우 직접적인 유동 측정값(Qz)에 의해 대체될 수 있으며, 는 (7)로부터 획득된다.
즉, 압력이 제어되는 원격 영역의 압력을 정확히 추정함으로써, 원격 영역 내의 압력을 제어하는 시스템 및 방법을 설명하였다. 전술한 압력 제어 시스템 및 방법은 CMP 기계를 포함하는 다수의 어플리케이션에서 이용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
원격 영역 내의 압력을 제어하는 시스템 및 방법의 특정 실시예가 설명되었지만, 이러한 실시예에 내재하는 개념이 다른 실시예에서도 이용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 이러한 어플리케이션의 보호는 단지 다음의 청구 범위로 제한된다.
이러한 청구 범위에서, 단수의 구성요소에 대한 언급은 특별히 지정되지 않은 경우, "하나 및 단지 하나"가 아닌, "하나 이상"을 의미하도록 한다. 당업자에게 이미 알려진 또는 이후에 알려질 본 발명을 통해 설명되는 다양한 실시예의 구성요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 청구 범위에 포함되는 것으로 한다. 또한, 이러한 발명이 청구 범위에 명백하게 기술되는지 여부에 관계없이, 본 발명에 개시된 어느 것도 공공에 헌정되지 않는 것으로 한다. 청구항의 구성요소는 "~하기 위한 수단(means for)"이라는 구절, 방법 발명인 경우에는 "~하기 위한 단계(step for)"라는 구절을 이용하여 기재되지 않는 한, 35 U.S.C. 112조의 6번째 단락의 조항에 의해 해석되어서는 안된다.
Claims (24)
- 영역(a zone) 내의 압력을 원격으로 제어하는 시스템에 있어서,도관을 통해 상기 영역에 연결 가능하고 상기 영역으로부터 원격으로 위치하는 인클로져 내의 압력을 측정하도록 구성되는 압력 센서;상기 인클로져로 들어오는 유체의 유동, 및 상기 인클로져로부터 도관을 통해 상기 영역으로 나가는 유체의 유동을 조절하도록 구성되는 밸브 시스템 - 상기 밸브 시스템은 상기 인클로져로 들어가는 유체의 유입 유동 속도를 조절하도록 구성되는 입구 비례 밸브, 및 상기 인클로져 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 조절하도록 구성되는 출구 비례 밸브를 적어도 포함함 - ;상기 압력 센서에 의해 측정된 압력의 함수 및 상기 도관의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 상기 영역 내의 추정 압력을 계산하도록 구성되는 영역 압력 추정기; 및상기 영역 압력 추정기로부터 추정 압력의 함수 및 상기 영역에 대한 압력 세트포인트의 함수를 이용하여 유입 유동 속도 및 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 상기 입구 비례 밸브 및 상기 출구 비례 밸브를 동작시킴으로써 상기 영역 내의 압력을 조절하도록 구성되는 제어기를 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어기는, 유입 유동 명령 신호 및 유출 유동 명령 신호에 따라 상기 유입 유동 속도 및 상기 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 상기 입구 비례 밸브로 상기 유입 유동 명령 신호 및 상기 출구 비례 밸브로 상기 유출 유동 명령 신호를 송신하도록 더 구성되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어기는 상기 유입 유동 속도 및 상기 유출 유동 속도의 비례 적분(Proportional-Integral : PI) 제어를 수행하도록 더 구성되고,상기 유입 유동 명령 신호는에 의해 주어지고,상기 유출 유동 명령 신호는에 의해 주어지며,여기서, Qin는 상기 유입 유동 속도를 나타내고,Qout는 상기 유출 유동 속도를 나타내며,Pz는 상기 영역 내의 추정 압력을 나타내고,Pt는 상기 압력 세트포인트에 대한 압력 궤도이며,Pt-Pz는 추종 오차를 나타내는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 입구 비례 밸브에 연결되는 가압된 유체원 및 상기 출구 비례 밸브에 연결되는 진공 배기관을 더 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 출구 비례 밸브 및 상기 진공 배기관 사이의 유동 수축기를 더 포함하 는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 영역은 유연한 벽을 가지고,상기 영역 압력 추정기는 상기 인클로져 내의 추정 압력을 계산하도록, 상기 도관의 잘 알려진 특성의 함수 및 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력의 함수를 이용하여 상기 영역의 추정된 체적을 계산하도록 더 구성되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 각각의 인클로져(i)로 들어오는 유체 유동, 각각의 인클로져로부터 각각의 도관(i)을 통해 각각의 영역(i)으로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써, 도관(i)을 통해 i개의 인클로져에 각각 연결 가능한 i개의 각각의 영역 내의 압력을 원격으로 제어하는 시스템 - 여기서, 상기 i = 1, ..., N - 에 있어서,i개의 각각의 인클로져 내의 유체 압력을 측정하도록 구성되는 압력 측정 시스템;각각의 인클로져(i)에 대하여, 상기 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유입 유동 속도를 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 입구 비례 밸브 및 상기 인클로 져(i) 외부로 나가는 유체의 유출 유동 속도를 조절하도록 구성되는 적어도 하나의 출구 비례 밸브를 포함하는 밸브 시스템;상기 압력 측정 시스템에 커플링(coupling)되고, 각각의 영역(i)에 대하여, 상기 압력 측정 시스템으로부터 상기 인클로져(i) 내의 측정 압력을 수신하고 상기 인클로져(i) 내의 측정 압력의 함수와, 상기 도관(i) 및 상기 영역(i)의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 상기 영역(i) 내의 추정 압력을 계산하도록 구성되는 영역 압력 추정기; 및상기 영역(i)에 대한 압력 세트포인트의 함수 및 상기 영역 압력 추정기로부터의 상기 영역(i) 내의 추정 압력의 함수를 이용하여 상기 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유입 유동 속도 및 상기 인클로져(i)로부터 나가는 유체의 출구 유동 속도를 제어하기 위해, 각각의 인클로져(i)의 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시킴으로써 각각의 영역(i) 내의 압력을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 압력 측정 시스템은 복수의 압력 센서를 포함하고,상기 압력 센서의 각각은 상기 i개의 인클로져 내의 압력을 측정하도록 각각 연결되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,각각의 영역(i)에 대하여, 상기 제어기는 유입 유동 명령 신호 및 유출 유동 명령 신호에 따라 인클로져(i)로 들어가는 유입 유동 속도 및 인클로져(i) 외부로 나가는 유출 유동 속도를 각각 제어하기 위해, 인클로져(i)의 입구 비례 밸브로 상기 유입 유동 명령 및 인클로져(i)의 출구 비례 밸브로 상기 유출 유동 명령 신호를 송신하도록 더 구성되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 인클로져(i) 중 적어도 하나에 대하여, 상기 제어기는상기 적어도 하나의 인클로져의 상기 유입 유동 속도 및 상기 유출 유동 속도의 PI 제어를 수행하도록 더 구성되고,상기 제어기로부터 상기 인클로져(i)의 입구 비례 밸브로의 상기 유입 유동 명령 신호는을 포함하고,상기 제어신호로부터 상기 인클로져(i)의 출구 비례 밸브로의 상기 유출 유동 명령 신호는에 의해 주어지며,여기서,Qin ,i는 인클로져(i)로 들어가는 유입 유동 속도를 나타내고,Qout ,i는 인클로져(bi) 외부로 나가는 유출 유동 속도를 나타내며,Pz ,i는 영역(Zi) 내의 추정 압력을 나타내고,Pt는 하나의 압력 세트포인트로부터 다른 압력 세트포인트로의 희망하는 압력 궤도이며,Pt-Pz ,i는 추종 오차를 나타내는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 i개의 인클로져의 입구 비례 밸브에 연결되는 가압된 유체원 및i개의 인클로져의 상기 출구 비례 밸브에 연결되는 진공 배기관을 더 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 11 항에 있어서,각각의 출구 비례 밸브 및 상기 진공 배기관 사이의 유동 수축기를 더 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 가압된 유체원 및 상기 입구 비례 밸브 사이의 압력 매니폴드를 더 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 12 항에 있어서,상기 유동 수축기는 벤츄리를 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 견고한 벽을 가지는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 유연한 벽을 가지고,상기 유연한 벽은 상기 유연한 벽을 가지는 상기 영역이 팽창 및 수축하도록 허용하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 16 항에 있어서,상기 영역 압력 추정기는 유연한 벽을 가지는 상기 영역에 연결되는 상기 인클로져 내의 추정 압력을 계산하도록, 상기 유연한 벽을 가지는 각각의 영역의 추 정된 체적을 계산하도록 더 구성되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 커플링되는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 커플링되지 않는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 유연한 벽을 가지고 - 상기 유연한 벽은 상기 유연한 벽을 가지는 상기 영역이 팽창 및 수축하도록 허용함 - ,상기 i개의 영역 중 적어도 일부는 커플링되고,상기 i개의 도관의 잘 알려진 특성은 상기 영역(i)에 관로(i)를 연결하는 각 각의 도관(i)에 관련된 상수(Ctube ,i 및 τtube ,i)를 포함하고 - Ctube ,i는 상기 도관의 전도성을 나타내고, τtube ,i는 상기 도관에서의 유동 평형 시간 상수(flow equilibration time constant)를 나타냄 -,상기 i개의 영역의 잘 알려진 특성은 표준 온도 및 압력(Standard Temperature and Pressure : STP) 조건 하에서의 각각의 영역(i)의 최초 체적(Vz0 ,i), 체적 팽창/수축 시간 상수(τv), 상기 영역(i)의 팽창/수축 계수(), 상기 영역(i) 및 영역(j)(j = 1, ..., N) 사이의 커플링 계수()를 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 20 항에 있어서,각각의 영역(i)에 대하여, 상기 영역 압력 추정기는 상기 영역(i)의 추정 압력의 n번째 샘플(), 상기 영역(i)의 추정된 체적의 n번째 샘플(), 및 상기 인클로져(i)로 들어가는 추정된 유입 유동 속도의 n번째 샘플()을 계산하도록 프로그램되고,여기서,여기서, Pbi는 인클로져(i)에 연결되는 상기 압력 센서에 의해 측정된 압력을 나타내고,상기 Qzi는 인클로져(i)로 들어가는 상기 유체의 유입 유동 속도(Qin ,i) 및 인클로져(i) 외부로 나가는 상기 유체의 유출 유동 속도(Qout ,i) 사이의 차에 의해 주어지는 상기 영역(i)으로 들어가는 상기 유체의 유입 유동 속도를 나타내는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 시스템.
- 제 21 항에 기재된 시스템을 포함하고,i개의 인클로져에 각각 연결되는 i개의 영역을 더 포함하는것을 특징으로 하는 기계.
- 제 22 항에 있어서,i개의 영역을 포함하는 CMP 캐리어 헤드(CMO carrier head)를 더 포함하는것을 특징으로 하는 기계.
- 각각의 인클로져(i)로 들어가는 유체의 유동, 각각의 인클로져(i)로부터 각각의 도관(i)을 통해 각각의 영역(i)으로 나가는 유체의 유동을 제어함으로써, 도관(i)을 통해 i개의 인클로져로 각각 연결 가능한 i개의 각각의 영역 내의 압력을 원격으로 제어하는 방법 - 여기서, 상기 i = 1, ..., N - 에 있어서,i개의 각각의 인클로져 내의 유체의 압력을 측정하는 과정;상기 인클로져(i) 내의 측정 압력의 함수와 상기 도관(i) 및 영역(i)의 잘 알려진 특성의 함수를 이용하여 각각의 영역(i) 내의 추정 압력을 계산하는 과정; 및각각의 영역(i)에 대하여, 상기 영역(i)에 대한 압력 세트포인트의 함수 및 상기 영역(i) 내의 추정 압력의 함수를 이용하여 상기 인클로져(i)로 들어가는 상 기 유체의 유입 유동 속도 및 상기 인클로져(i) 외부로 나가는 상기 유체의 유출 유동 속도를 제어하기 위해, 각각의 인클로져(i)의 입구 비례 밸브 및 출구 비례 밸브를 동작시킴에 따라, 상기 압력 세트포인트에 따라 상기 영역(i) 내의 압력을 조절하는 과정을 포함하는것을 특징으로 하는 압력을 원격으로 제어하는 방법.
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