TWI409604B - 具最佳效能之壓力控制系統 - Google Patents

Description

具最佳效能之壓力控制系統

本發明係關於一種控制系統，尤其是關於一種用於控制腔室中流體壓力的壓力控制系統。

在半導體製程等應用中，壓力控制系統可用以控制腔室中之壓力，常使用於壓力控制系統中的壓力控制閥包含但不侷限於鐘擺閥、蝶形閥、及節流閥。

可使用不同的控制演算法的控制器來控制這些閥。特別地，可基於壓力設定點軌跡(pressure setpoint trajectory)而使用模型基底(model based)控制演算法來控制閥，並對閥的位置作出補償動作，以確保實際之壓力係沿著壓力設定點軌跡。當閥的控制器使用模型基底控制演算法，需了解各種系統參數以最佳化壓力控制之效能。這些系統參數可包含但不侷限於腔室的容積，該腔室係用以封入欲控制壓力之流體；及閥的泵速率曲線，其標繪出系統的泵速率係閥位置之一函數(當系統由閥所控制時)。

壓力控制系統一般會要求終端使用者手動輸入腔室容積。然而，使用者可能不知道腔室容積的準確數值。如果使用者輸入不正確的容積數值，可能降低壓力控制之效能，而可能會產生次佳的壓力控制效能，包含較長的安定時間(settling time)，及較大的超越量(overshoot)或不足量(undershoot)。

若閥的控制器使用現有的演算法而不經修改時，實際上取得的泵速率曲線可能有近似於零之斜率。此近似零之斜率使閥的動作控制器需要高的頻寬。然而，閥動作控制器之實際頻寬有限將導致不適當且擺盪無法穩定之反應。

因而需要一種可估計適當腔室容積，並用以最佳化泵速率曲線以改善壓力控制之效能的系統及方法。

一種用以控制一腔室中一流體之壓力的壓力控制系統，包含一壓力感測器，其經組態以測量該腔室中該流體之壓力；及一閥，其經組態以藉由調整來自該腔室之該流體的流動，而控制該腔室中該流體之壓力。該壓力控制系統更包含一控制器，該控制器經組態以估計腔室之容積，並產生該閥的一泵速率曲線。該控制器經進一步組態以監視並修改該泵速率曲線，以便維持該泵速率曲線之一斜率為至少一最小數值。該控制器並依據該壓力感測器所測得之壓力量測值，而使用該經修改之泵速率曲線來調整該閥之位置，以維持該腔室中該流體之壓力於一所需之壓力設定點。

一種用以控制一腔室中之壓力的壓力控制閥，其中該閥之一泵速率曲線係可藉由一控制器而經調整，以便維持該泵速率曲線之一斜率為至少一最小數值，而維持該腔室中之壓力於一所需之壓力設定點。

一種用以最佳化一壓力控制系統之效能的方法，該壓力控制系統係用以控制一腔室中一流體之壓力。該壓力控制系統包含一壓力感測器，用以測量於一腔室中之一流體之壓力，一閥，其經組態以藉由調整來自該腔室之該流體的流動來控制在該腔室中該流體之壓力，及該閥之一控制器。該最佳化之方法可包含估計該腔室之一容積，並使用經估計之該容積以及該壓力感測器於該閥之複數個位置處由所測得之壓力量測值，以產生一泵速率曲線。該最佳化之方法可另包含修改該泵速率曲線，以使該泵速率曲線之該斜率具有經計算之一最小數值。該最佳化之方法可另包含使用該經修改之泵速率曲線以調整該閥之位置，而將該腔室中壓力維持於一所需之壓力設定點。

壓力控制系統之壓力控制的效能係經最佳化，腔室容積可被精確估計，且壓力控制閥之泵速率曲線可經修改，將近似零之斜率增加成為一最小斜率數值。

圖1為壓力控制系統100之一實施例之示意圖，壓力控制系統100控制在腔室105中之流體的壓力。在此整體系統中，壓力控制系統100包含壓力感測器110，壓力感測器110經組態以測量在腔室105中流體之壓力；閥120，其經組態以藉由調整來自腔室105之流體的流動來控制在腔室105中流體之壓力；及用以控制閥120之控制器140。閥120藉由改變閥之位置以調整來自腔室105之流體的流動，即藉由在閥之完全關閉位置(最小流出量)至閥之完全打開位置(最大流出量)間移動閥之位置。泵系統(圖式中未顯示)可自腔室105經由閥120抽吸出流體。

可使用許多不同形式的壓力控制閥，包含但並非限於鐘擺閥、蝶形閥及節流閥。美國專利第6,776,394號，“鐘擺閥組合件”係一鐘擺閥的範例，為本案受讓人所共同擁有，並於此將其全文併入參考。

控制器140係經組態以最佳化該壓力控制系統100之壓力控制的效能，其藉由1)精確地估計腔室105之容積、2)產生該閥120之泵速率曲線及3)最佳化該泵速率曲線。特別地，控制器140係經組態以計算該泵速率曲線之一最小斜率之閥，以維持腔室中壓力於所需之壓力設定點。控制器140監控並修改該泵速率曲線，以便維持該泵速率曲線之斜率於最小斜率值。

泵速率曲線係將閥的流通量表示為閥位置之函數，即閥位置開放程度之函數。一般來說，閥可為閘式閥(gate－type valve)，其中閥之閘的位置可表示為θ_j ,i＝1,...max，其中θ₁ 表示閥之完全關閉位置，而θ_max 表示閥之完全開放位置。

泵速率曲線之細節可能依系統而各有不同，舉例來說，泵速率曲線可能因為使用一較大的泵或是一較小的泵而有不同。壓力控制系統通常皆可提供學習功能，使顧客能於運轉該壓力控制系統之前發出一命令，使閥針對該壓力控制系統產生一對應之泵速率曲線。

容積估計

在需要使用者手動輸入腔室容積的壓力控制系統中，如果使用者不知道腔室容積而作出不精確的猜測，壓力控制之效能可能因此降低，其中腔室容積亦包含腔室及閥之間的管路容積。壓力控制系統100藉由準確地估計腔室容積來避免此問題，其原理係基於腔室105中的壓力動力學，而不需上述之學習功能。

最初，控制器140計算閥120位於關閉位置(θ＝θ₁ )之容積V，由於位於關閉位置之泵速率C(θ₁ )(即當此壓力控制系統由閥控制時之泵速率)係為一已知數值。C(θ₁ )係由設計所決定，例如可藉由機械設計並容許一些誤差。C(θ₁ )一般具有一小的非零數值(軟關閉閥，soft－closed valve)，C(θ₁ )也可為零(硬封閉閥，hard－sealed valve)。然後，控制器140使用一描述腔室中105之壓力動力學的方程式，以計算其他未知泵速率之閥位置(θ_i ,i＝1,...max)之容積。特別是，腔室容積能基於壓力動力學方程式(1)而估計： 其中，P表示腔室中的流體壓力(舉例來說，以Torr為單位)；()表示流體壓力之時間微分，V表示腔室之容積，Q_i 表示流體進入腔室之質量流動率，θ表示閥的位置，其中閥之範圍係由閥之完全關閉位置θ＝θ₁ 至閥之閥完全開放位置θ＝θ_max ，C(θ)係將泵速率表示為閥之位置θ之函數(舉例來說，以liters/sec為單位)，及C(θ)*P表示來自腔室之流體的質量流動率。

控制器140藉由經過一離散時間間隔△t之一壓力差異△P來代替壓力之時間微分，以近似模擬壓力動力學方程式，其中△P＝P_n －P_n－1 ，P_n ＝壓力感測器於時間t_n 所量測之壓力值，P_n－1 ＝壓力感測器於時間t_n－1 所量測之壓力值，及△t＝t_n －t_n－1 。

控制器140使用該近似方程式以估計容積V。藉由使用當閥位於完全關閉位置之閥泵速率的已知值C(θ₁ )，以及由壓力感測器所測得之壓力量測P_n 及P_n－1 ，根據方程式(2)來計算容積V：

上述方程式中，下標符號n對應該數值於n^th 時間點之讀數。如果係以△t＝100ms為間隔取樣資料並取平均值時，上述之容積估計將可更精確，例如，取20筆間隔為10ms之資料取樣值，而計算差異值P₁₁ －P₁ 、P₁₂ －P₂ 等。

產生泵速率曲線

控制器140可使用經估計之腔室容積，而產生閥120之泵速率曲線。首先，閥120可經移動至完全開放位置，且腔室中之壓力可因而處於一穩定狀態。接著將閥移動至完全關閉位置，即閥位置將處於0%開放位置。於此初始位置，當腔室中的壓力隨著閥關閉而上升時，控制器140使壓力感測器110量測複數個壓力量測(如範例中取11個)，然後儲存壓力量測資料。

然後，可將閥120之閘逐步移動。舉例來說，閘可先以1%之增量而逐步移動至最高20%，然後以2%、5%及10%之增量逐步移動。當然，閥位置可以各種不同的增量來移動。閘式閥由完全關閉位置移動至完全開放位置，並於移動至每個閥位置時，當腔室中壓力動力學改變時，壓力感測器量測壓力資料，並將壓力資料儲存在記憶體。

然後，控制器140可計算於每個閥位置θ_i 之泵速率C(θ_i )，藉此產生實際的泵速率曲線。特別是，控制器140可經組態以計算於每個閥位置θ_i 之泵速率C(θ_i )，其係藉由壓力感測器在N個時間點t_n (n＝1,...N)之每一個時間點，皆進行壓力量測P_n (n＝1,...N)，接著藉由方程式(3)計算於每一個時間點t_n 之泵速率C(θ_i )_n 之值，：

最後，控制器140可平均於全部N個時間點t_n (n＝1,...N)之泵速率數值以獲得C(θ_i )，如方程式(4)：

修改泵速率曲線

獲得閥之泵速率曲線後，控制器140可藉由修改泵速率曲線，以改善並最佳化壓力控制系統100之壓力控制的效能。特別是，控制器140可修改泵速率曲線以確保能有一最小之軟關閉值(即非零C(θ₁ ))的泵速率曲線，並確保能有一最小曲線斜率以達到更佳之控制效能。

圖2A及2B顯示依據本發明揭示之實施例的系統及方法而修改之閥的泵速率曲線，以及經學習功能而得之閥的泵速率曲線。

典型地，當閥的位置由完全關閉位置移動至完全開放位置，泵速率曲線應成為單調變化且單調遞增之曲線。然而，由於泵之限制或其他量測之不精確性，實際地泵速率曲線可能會飽和，成為一具有非零斜率但更為水平之曲線。

特定的模型基底控制演算法可用以決定所需之壓力設定點，使控制器140可經組態以計算其泵速率為所需之壓力設定點時之閥位置。一般而言，終端使用者設定一壓力設定點，接著控制器140調整閥的位置，以使實際的壓力符合終端使用者所設定的壓力設定點。

閘式閥之移動速度係有實際限制，這些限制可包含但不限於馬達能產生的最大轉矩及閘的重量。由於這些限制，如果壓力控制系統運作於泵速率曲線之較平坦的區域時，可能導致不滿意的效能。例如，閥可能不斷前後移動，試圖移動至一確切位置而使壓力系統能達到穩定狀態(steady state)，但由於閥移動所需之頻寬係高於其實際之頻寬而無法達成。

為了克服這些問題，控制器140藉由增加泵速率曲線之斜率，以修改泵速率曲線至控制器140所計算之至少一最小斜率值。藉由增加泵速率曲線之斜率，當閥120接近壓力設定點時，其移動較為平順且緩慢。

如曲線為水平線，即便是泵速率產生細微變化，閥亦將產生一大範圍的移動，其導致閥過度移動。閘可能因過量變動而使壓力在所需之壓力設定點擺盪。如大型之閥移動太多時，可能導致搖動及震動。

藉由改變泵速率曲線的某些斜率，由於閥的速率被限制，閘變動量可因此減少，因此，可更加穩定的進行控制。套用上述最小斜率條件至泵速度曲線後，控制器140可將經修改的泵速率曲線儲存於記憶體。

在一實施例中，控制器140可計算泵速率曲線的最小斜率，其係與完全開放位置時及完全關閉位置時之兩泵速率的差值成正比。控制器140使用方程式(5)計算最小斜率m_min ：m_min ＝[C(θ_max )－C(θ₁ )]*k (5)

上述方程式中，係數k可為依經驗選擇之一係數，且可與壓力控制系統的現有頻寬有關。

接著，控制器140可檢查泵速率曲線之斜率是否大於上述由控制器140所計算之最小斜率，該最小斜率係基於0%數值之泵速率及100%數值之泵速率所計算。控制器140沿著泵速率曲線的每一點驗證最小斜率之條件。如斜率係大於最小斜率，則曲線不需修正。如斜率係小於最小斜率，曲線係經修改以增加該點之斜率。

換言之，對每個位置點θ_i ，其中i的範圍從i＝1到i＝max，控制器140可比較泵速率C(θ_i )與已知的C(θ₁ )，如果C(θ_i )小於C(θ₁ )，則設定C(θ_i )＝C(θ₁ )。

對每個位置點θ_i ，其中i的範圍從i＝2到i＝max，控制器140可計算對應於該位置的泵速率曲線斜率。如果經計算之斜率小於最小數值m_min ，則設定C(θ_i )＝C(θ_i－1 )＋m_min *(θ_i －θ_i－1 )。泵速率曲線斜率可藉由方程式(6)計算：slope＝[C(θ_i )－C(θ_i－1 )]/(θ_i －θ_i－1) ] (6)

此壓力設定點可為一固定值，在此例中壓力控制系統運作在一穩定狀態下。處於穩定狀態時，較陡峭的斜率可使閥較小量移動，其或許有益。

另一方面，所需的壓力設定點也許是變動的，在此例下當壓力設定點改變時，壓力控制系統可監視腔室中流體之壓力的暫態反應。此例中，陡峭的斜率可使壓力控制系統速度減緩。

總之，本發明揭示如何最佳化一控制腔室中流體之壓力的壓力控制系統的效能。腔室的容積係經估計，使用該經估計之容積以及於多個閥位置所測得之壓力量測來產生泵速率曲線。計算泵速率曲線之斜率的一最小數值，以維持腔室中壓力於所需之壓力設定點。壓力控制之效能藉此而穩定且得以最佳化。

上述之實施例描述了某些用以最佳化壓力控制器之壓力控制的效能之系統及方法，然而隱含於這些實施例中之概念亦可被應用於其他實施例。本申請案之保護係僅受限於後述的申請專利範圍。

於申請專利範圍中，除非特別說明，否則以單數表示之元件並非意圖表示“一個或僅一個”而是“表示一個或多個”。於此揭露中各種實施例之元件的所有結構或功能等價物，為習知此技藝者已知或後來可知者，皆於此表明併入參考，且包含於申請專利範圍。再者，此揭露並沒有任何意圖係欲貢獻予大眾，無論此揭露是否明確敘述於申請專利範圍中。基於美國專利法第112條(35 U.S.C.§112)之第6段解釋，除非該元件以“以...之手段”的用語表述，或是於一方法項申請項，該元件以“以...之步驟”的用語表述，否則表示申請專利範圍並未侷限於任何對應之元素。

105．．．腔室

110．．．壓力感測器

120．．．閥

140．．．控制器

圖1為壓力控制系統之實施例的示意圖。

圖2A及2B顯示依據本發明之實施例的系統及方法而修改之閥泵速率曲線。

105．．．腔室

110．．．壓力感測器

120．．．閥

140．．．控制器

Claims (15)

1. 一種用以控制在一腔室中一流體之壓力之壓力控制系統，包括：一壓力感測器，其經組態以測量在該腔室中該流體之壓力；一閥，其經組態藉由移動於一打開位置與一關閉位置之間以調整來自該腔室之該流體的流動；及一控制器，其經組態以產生該閥的一泵速率曲線(pump speed curve)，其中，當經該閥控制時，該泵速率曲線顯示該系統之泵速率C，且做為該閥之位置θ之一函數，該控制器經進一步組態以監視並修改該泵速率曲線以便維持該泵速率曲線之一斜率為至少一最小數值，該控制器經進一步組態以使用該經修改之泵速率曲線來調整該閥之位置，以對該壓力感測器所測得之壓力量測作出反應，以便維持在該腔室中該流體之壓力於一所需的壓力設定點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓力控制系統，其中，該控制器經進一步組態以估計該腔室之一容積，並使用該經估計容積連同於該閥的複數個位置處所產生之壓力量測來產生一泵速率曲線。
3. 如申請專利範圍第2項所述之壓力控制系統，其中，該控制器經進一步組態以基於在腔室中的壓力動態來估計該腔室之容積，該壓力動態係表示為： 其中，P表示在該腔室中該流體之壓力，表示該壓力之一時間微分，V表示該腔室之容積，Q_i 表示該流體進入該腔室之流動速率，θ表示該閥之位置及當該閥係完全關閉之θ=θ₁ 至該閥係完全開放之θ=θ_max 之範圍；C(θ)表示當經該閥控制時，該系統之該泵速率曲線，作為該閥之位置θ之一函數；及C(θ)*P表示來自該腔室之該流體之流動速率。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓力控制系統，其中，該控制器係經組態以藉由於一離散時間間隔△t之一壓力差△P來代替壓力之時間微分來接 近該壓力動態方程式，其中△P=P_n -P_n-1 ，P_n =壓力感測器於時間t_n 所量測之壓力，P_n-1 =壓力感測器於時間t_n-1 所量測之壓力，及△t=t_n -t_n-1 ；及其中，該控制器係經進一步組態以估計該容積V_c ，藉由使用處於閥完全關閉位置之閥泵速率之已知值C(θ₁ )，連同由壓力感測器所提供之壓力量測P_n 及P_n-1 ，並根據下列方程式來計算該容積V：
5. 如申請專利範圍第4項所述之壓力控制系統，其中，該控制器係進一步經組態以產生該泵速率曲線藉由： 於複數個閥位置(θ_i ,i=1,...max)之每一位置處定位該閥，其中θ₁ 表示該閥之完全關閉位置，且θ_max 表示該閥之完全開放位置；及於每一閥位置θ_i 處，計算處於該位置之泵速率C(θ_i )。
6. 如申請專利範圍第5項所述之壓力控制系統，其中該控制器係經組態以於每一θ_i 處計算C(θ_i )，藉由：使該壓力感測器於N個時間點t_n (n=1,...N)之每一點處產生壓力量測P_n (n=1,...N)； 於每個時間點t_n ，藉由方程式來計算於t_n 之泵速率C(θ_i )_n 數值；及平均於全部N個時間點t_n (n=1,...N)之泵速率數值以獲得由下式所給定之C(θ_i )：
7. 如申請專利範圍第1項所述之壓力控制系統，其中該控制器係進一步經組態以計算該泵速率曲線斜率之最小數值，該最小數值為維持該腔室中壓力於該所需之壓力設定點所需。
8. 如申請專利範圍第7項所述之壓力控制系統，其中該控制器係進一步經組態以下列方程式來計算該斜率之最小數值：m_min =[C(θ_max )-C(θ₁ )]*k其中，k可為一經驗係數； m_min 表示泵速率曲線斜率的最小數值；C(θ_max )表示於閥完全開放之閥位置θ_max 上泵速率；C(θ₁ )表示於閥完全關閉之閥位置θ₁ 上泵速率。
9. 如申請專利範圍第8項所述之壓力控制系統，其中該控制器係進一步經組態以監視並修改該泵速率曲線，藉由：對每一θ_i ，其中i的範圍從i=1到i=max，比較該泵速率C(θ_i )與已知的C(θ₁ )，且如C(θ_i )小於C(θ₁ )，則設定C(θ_i )=C(θ₁ )；對每一θ_i ，其中i的範圍從i=2到i=max，計算於該位置上的泵速率曲線斜率，如該經計算斜率小於該最小數值m_min ，則設定C(θ_i )=C(θ_i-1 )+m_min *(θ_i -θ_i-1 )，其中，該泵速率曲線之斜率可藉由下列方程式而經計算：slope=[C(θ_i )-C(θ_i-1 )]/(θ_i -θ_i-1 )]。
10. 如申請專利範圍第4項所述之壓力控制系統，其中C(θ₁ )之該已知值為零。
11. 如申請專利範圍第4項所述之壓力控制系統，其中C(θ₁ )之該已知值為非零。
12. 如申請專利範圍第1項所述之壓力控制系統，其中該所需壓力設定點係固定的，且該壓力控制系統操作於一穩定狀態。
13. 如申請專利範圍第1項所述之壓力控制系統，其中該所需壓力設定點係變動的，且該壓力控制系統跟隨著該壓力設定點。
14. 一種用以控制一腔室中壓力之壓力控制閥，其中該閥之一泵速率曲線係可藉由一控制器而經調整，以便維持該泵速率曲線之一斜率為至少一最小數值，該最小數值為維持該腔室中壓力於一所需壓力設定點所必需，及其中該控制器估計該腔室之一容積，並使用該經估計容積調整該泵速率曲線。
15. 一種用以最佳化一壓力控制系統之效能之方法，該壓力控制系統用以控制一腔室中流體之壓力，該壓力控制系統包含一壓力感測器用以測量於一腔室中之一流體壓力、一閥，其經組態以藉由調整來自該腔室之該流體流動來控制在該腔室中該流體之壓力、及一該閥的控制器，此方法包括：估計該腔室之一容積；使用該經估計容積連同於該閥之複數個位置處由該壓力感測器所產生之壓力量測來產生一泵速率曲線；修改該泵速率曲線，藉此該泵速率曲線之曲線具有一經計算最小數值；及使用該經修改泵速率曲線以調整該閥之位置，用以維持該腔室中壓力於一所需壓力設定點。