TWI408280B - 抽氣系統 - Google Patents

Description

抽氣系統

本發明係有關於抽氣系統，或泵(pump)，包括：一抽氣機構；一用以驅動該抽氣機構之馬達；以及一用以控制該馬達之驅動控制器。

抽氣系統（且特別是包括真空抽氣機構之系統）係廣泛地用於半導體處理系統中。典型的抽氣系統60係顯示於圖7中。半導體晶圓的處理會在真空，或處理反應室(chamber)62中進行。處理期間之處理反應室中的反應氣體(process gas)之壓力會藉由真空泵，或抽氣機構64而保持相當低的處理壓力。壓力通常會保持在處理壓力，持續很長的週期，並且可週期性地回到大氣壓，以修復及維持（例如）配備。未處理過的晶圓會送到處理反應室，而處理過的晶圓會經由負荷固定反應室(load lock chamber)而移出處理反應室。負荷固定反應室中的壓力會受到真空泵的控制，以致於當負荷固定反應室處於大氣壓時，晶圓可轉移到半導體處理系統，以及從半導體處理系統中移出，並且當負荷固定反應室已減為處理壓力時，晶圓會在負荷固定反應室與處理反應室或多個處理反應室之間進行轉移。當選擇用於與半導體處理系統關聯的反應室之真空泵時，必須指定泵的需求功率。會以控制泵的一馬達51之適當的需求功率來選擇包括可變速度驅動器的一驅動控制器50。通常，用於驅動器及泵的需求功率會相等。

因此，需要一種能(a)將反應室中的壓力降低為處理壓力，以及(b)維持反應室中的處理壓力之真空泵。當真空泵維持反應室中的處理壓力時，抗大氣壓會從泵的下游流入反應室。此係稱為最終運作。最終運作對泵的需求功率要求相當少。使反應室從大氣壓降低為處理壓力（排氣）之泵的運作需要相對較多的功率。

即使排氣只會花費例如是真空泵之有效壽命的2－3%，但是一般仍要選擇真空泵（還有驅動器）的功率量以符合排氣的需求之程序。即使增加的功率只需用於小百分比的運作，但是泵的驅動器之成本及大小會隨著增加的需求功率而增加。

參照圖1，係顯示先前技術的驅動控制器，其包括用以控制傳送功率到一馬達51的一可變速度驅動器50。驅動器50包括一用以監測馬達的馬達熱負載（motor thermal load，簡稱MTL）之第一模組52。如先前技術中所顯示，馬達電流(I_{m o t o r} )會輸入到該第一模組，其會估測出馬達熱負載。I_{r a t e d} 為馬達可在無過熱的情況下無限期的運作時之額定電流。第一模組會計算(I_{m o t o r} /I_{r a t e d} )的平方，並且會使用一階低通濾波器52（具有時間常數τ及拉普拉斯運算子s），來計算馬達熱負載。馬達可使用一階系統而將熱量模型化，而其溫度為輸入電流平方的函數。

模組52中所表示的一階低通濾波器為數位化，但另一種是，馬達溫度可藉由類比裝置而模型化。高階濾波器可用於較大的精確度。

第二模組54包括用以將電力傳送到馬達51的電流控制模組56，如涉及將電力傳至馬達的箭頭所表示。此功率係藉由控制送到馬達的電流來控制，其依序會藉由調整馬達中的頻率及/或電壓的振幅來控制。可程式內部驅動限流器58會將驅動限流輸出到控制模組56，用以控制傳送到馬達的功率。比較器57會將馬達熱負載MTL與預設錯誤(trip)值儲存器60中所保持的預定馬達熱負載進行比較。若決定出的馬達熱負載超過預設錯誤值，則錯誤命令會傳送到控制模組56，用以消去送到馬達的功率。錯誤(tripping)係涉及馬達功率突然及立即降為零，其目的是防止馬達受到損壞。

一般而言，馬達及驅動器能無限期地以100%的額定功率來運作。然而，在很短時間的有限期間內，通常可超載200%（或更大）的額定功率。

圖2係顯示可變速度驅動器50之電流(I_{m o t o r} )對時間的圖形。虛線62係表示馬達熱負載超過預設值的時候，及因此錯誤動作發生的時候。虛線係根據電流與馬達熱負載之間的關係而繪示出來。馬達的額定功率為馬達可在不會過熱（因此不會產生錯誤的情況下）無限期地運作之功率。以額定功率、額定電壓及額定頻率所運作的馬達可得出以上關於圖1之相關的額定電流I_{r a t e d} 。

圖2係顯示100%的額定電流I_{r a t e d} ，其為可在不會使馬達過熱的情況下，無限期地持續之電流。如將會從圖2中所得知的，當驅動控制器50操作於200%的電流之超載情況中時，馬達的錯誤動作會在t_{t r i p} (200%)的時間發生，並且X%的電流之超載情況中的運作會導致馬達在t_{t r i p} (X%)的時間時之錯誤動作。因此，將會了解的是，錯誤的時間係取決於超載電流的量（亦即，電流超過額定電流的程度）。

因此，可使馬達運作於超載的情況中，以減少例如是半導體處理系統中的真空泵之排氣時間。然而，這樣的缺點是若超載保持太長或太高，則驅動器會產生錯誤。這樣是不利的，因為若馬達停止，則會損害半導體處理晶圓。

本發明係在無任何可能的錯誤之情況下，藉由謹慎地使系統運作於超載情況中的暫態週期，而尋求改善抽氣系統的效能。

在第一觀點中，本發明係提出一種抽氣系統，包括：抽氣機構；用以驅動該抽氣機構之馬達；用以控制該馬達之驅動控制器；以及用以監測系統內的至少一個狀態之裝置；其中，為了改善系統的效能，驅動控制器會使該系統運作在超載情況中數個暫態週期，其會導致該監測狀態超過預定運作限制，並且當運作在該超載情況中時，該驅動控制器會取決於該監測狀態的位準，來控制送到馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。抽氣機構可為真空抽氣機構。

較佳而言，此效能係藉由該驅動控制器將送到馬達的功率增加到會導致該監測狀態超過一預定運作限制之位準而改善。較佳而言，當馬達上的負載需要增加送到馬達的功率時，驅動控制器會使系統運作在超載情況中。

較佳而言，驅動控制器不會限制該功率，除非該狀態超過一預定下限。在該預定下限之上，該驅動控制器會取決於該監測狀態，而逐漸地降低或增加功率。

較佳而言，該驅動控制器包括增益電路，其可採用：1的增益，藉此不會限制馬達功率；0的增益，藉此會將馬達功率限制為0；以及介於1與0之間的任意增益，該增益電路會根據與該狀態的預定關係，來控制該增益。

在較佳具體實施例中，該驅動控制器係藉由調整送到馬達之電壓的頻率及/或電壓的振幅，來限制送到馬達的電流，而控制馬達的功率。該驅動控制器包括用以設定該馬達中的最大可容許電流之可程式裝置，藉此可設定該系統可超載的程度。

該狀態可為該系統內的溫度。該狀態可為馬達或驅動器或抽氣機構中的任何部分之熱負載的一計算結果。在此情況中，該驅動控制器會估測馬達熱負載，係根據： 其中，I_{m o t o r} 為該馬達中的電流，I_{r a t e d} 為額定電流，在其之上，該馬達係正運作於該超載情況中，τ為時間常數，而s為拉普拉斯運算子。

另一種是，該系統內的該監測狀態為壓力；電流；電壓；阻抗，或溫度中的任何一個或多個。該驅動控制器會包括用以接收來自於一個或多個感測器的輸入之裝置，用以監測該系統內的該一個或多個狀態，並且當該驅動控制器使該系統運作在超載情況中數個暫態週期時，送到該馬達的功率會受到控制，而避免該一個或多個狀態超過該預定運作限制。例如，該一個或多個感測器可用以感測該系統內的氣體壓力、溫度、電壓、或阻抗中的一個或多個。

該驅動控制器會包括可變速度驅動器，其會取決於該監測狀態的位準，來控制送到馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。

該驅動控制器會包括類比裝置，其會取決於該監測狀態的位準，來控制送到該馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。

驅動控制器可運作用以防止該系統運作在超載的情況中。

在第二觀點中，本發明係提出一種控制抽氣系統之方法，該系統包括：抽氣機構；用以驅動該抽氣機構之馬達；以及用以控制送到該馬達的功率之驅動控制器；其中該方法包括藉由使該系統運作於會使該監測狀態超過預定運作限制之超載情況中數個暫態週期，來改善該系統的效能，並且當運作在該超載情況中時，會取決於該監測狀態的位準，來控制送到馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。

與本發明的系統觀點相關之上述的特性同樣可應用於本發明之方法觀點，且反之亦然。

圖3係顯示根據本發明的第一具體實施例之以可變速度驅動器8的形式之驅動控制器。第一模組10及第二模組12係與圖1中所顯示的第一模組52及第二模組54類似。第一模組10係使用上述I_{m o t o r} 、I_{r a t e d} 、τ與s之間的關係來監測馬達熱負載MTL。馬達熱負載會輸入至增益電路單元14。單元14係根據與馬達熱負載的預定關係而計算出增益，並且會將此增益輸出至乘法器32，其也可會接收來自於可程式內部驅動限流單元20之輸入。乘法器32會將調整過的限流輸出至電流控制模組16。從乘法器32輸出的限流會限制馬達30的功率。

增益電路單元14會根據與馬達熱負載MTL的預定關係而決定出輸出至乘法器32的增益。此關係係以演算法來實現，其一例係繪示於圖3a中（底下會進一步地詳細說明）。

圖4係顯示驅動器8之電流對時間的圖形。圖4中的虛線62係表示馬達熱負載超過預定運作限制的時候，因此在先前技術中已發生錯誤的時候，可防止馬達的損害（如圖2中所顯示）。實線40係表示根據本具體實施例之馬達的運作之邊界。實線40會與虛線62隔開，以產生安全邊限。

驅動控制器18中的增益電路單元14會藉由降低電流而限制送到馬達的功率。增益電路可採用不會限制馬達功率之增益1；沒有功率會送到馬達之增益0；以及會將送到馬達的功率調整在「無限制」與「無功率」之間之介於1與0之間的增益。因此，送到馬達的電流會受到控制，以致於馬達熱負載不會超過預定運作限制（亦即，不會超過虛線62）。

如圖3a中所顯示，當馬達熱負載低於預定下限時，單元14的增益為1。當增益為1時，不會限制送到馬達的功率。在圖4中，虛線62與實線40之間的安全邊限係由已選定的下限來決定。根據圖3a中所顯示之馬達熱負載與增益之間的關係，當馬達熱負載增加到超過下限時，單元14會逐漸降低。在所顯示的例子中，在0.5的增益時，會達到穩定點（當I_{m o t o r} ＝I_{r a t e d} 時）。當馬達熱負載高於穩定點時，不許可馬達運作於超載情況中。當馬達熱負載到達預定上限時，增益會逐漸地降低為零。因此，（當馬達熱負載低於穩定點時）驅動控制器8會使馬達在超載的情況中，持續運作數個暫態週期，然後會使馬達功率降低為不會使馬達發生錯誤之可持續的值。

如圖4中所顯示，例如，若泵上的負載相當高（例如，在半導體系統中的排氣時），則驅動器8在時間t_{o v e r l o a d ( 2 0 0 % )} 的期間，會將200%的馬達額定電流之電流送到馬達，因此可從增加的功率及改善的系統效能中獲益。在時間t_{o v e r l o a d ( 2 0 0 % )} 時，增益電路單元14會根據馬達熱負載與增益之間的預定關係，而偵測出馬達熱負載已超出預定下限，並且會使輸出至乘法器32的增益逐漸地降低到低於「1」。因此，控制模組16會限制馬達30中的功率，因此可使馬達熱負載及馬達功率穩定在額定點。當系統負載降低且馬達熱負載降低時，增益電路單元14會使增益增加（若可能的話，可到達「1」），以致於當需要時，可再一次地將較大功率傳送到馬達30。

同樣地，在增益電路單元14偵測出馬達熱負載已超過預定限制且使增益降低之前，X%的超載電流（介於100%與200%之間）會供應較長的時間t_{o v e r l o a d ( X % )} 。

圖5係顯示用以繪示此具體實施例的優點之轉矩(Nm)對馬達速度(RPM)之圖形。繪示出馬達轉矩對旋轉速度的曲線，並且顯示出最大超載轉矩Tmax。將會得知的是，馬達額定轉矩（在此時，馬達可在不會受損的情況下，無限期地運作）會相當低於Tmax。圖1中所顯示之先前技術的驅動控制器係限制使馬達運作在低於驅動額定轉矩的區域中，否則馬達會有錯誤之風險。然而，驅動器8可藉由使馬達運作在例如是低於表示200%轉矩之線的區域中來改善系統效能，因此可在無損害風險或系統失誤的情況下，從增加的轉矩及功率中獲益。當馬達上的負載需增加對馬達的電源供應時（例如在真空反應室的排氣期間），驅動器8會使（或故意迫使）馬達運作在超載的情況之下。

雖然增益電路單元14已顯示用來調整送到馬達的功率量，但是可取決於馬達、驅動器及/或泵的特定需求而使用任何合適的裝置。

在此具體實施例中，馬達熱負載會用來選擇適當的增益輸出。因此，此具體實施例能在馬達不會過熱且不會使馬達錯誤的情況下，使馬達運作在超載的情況中。然而，除了馬達熱負載之外，或取代馬達熱負載，本發明會考慮抽氣系統的運作，以防止驅動器、馬達或泵的其他狀態（如電壓、電流、功率、頻率或阻抗）超過其各自的運作限制。特定言之，可變速度驅動器本身可運作在超載的情況（通常可到達200%的額定功率）中，並且可藉由決定與以上在此詳細的說明之馬達熱負載(MTL)類似的驅動熱負載（Drive Thermal Load，簡稱DTL）而受到保護。

第一具體實施例係藉由使用量測出的馬達電流而採用所謂的「間接」配置，以決定馬達熱負載，因此可決定出馬達溫度。然而，另一種是，驅動控制器可藉由使用抽氣系統內所相嵌的感測器之回授（如直接量測馬達線圈溫度、泵本體溫度、排氣壓、氣體溫度、前級壓力(foreline pressure)等等），而以「直接」配置來運作。

圖6係顯示採用這樣的直接配置之第二具體實施例。此配置可決定出抽氣系統的內部狀態，並且會控制馬達功率，以防止此狀態超過預定的運作限制。例如，抽氣機構的溫度可藉由位於泵內的感測器來監測，以防止此機構過熱。感測的狀態可用來調整限流，因此可調整馬達功率，藉此可防止抽氣機構過熱。

圖6係顯示以可變速度驅動器28的形式之驅動控制器，用以將電力傳送到馬達30，以驅動泵（特別為真空泵）的抽氣機構。驅動器28與驅動器8類似，除了一個或多個調節器26係用以決定來自於抽氣系統中之一個或多個各自的感測器24之感測器資訊。來自於感測器24的資料會經由各自的調節器26（其用以將資料轉換成可理解的資訊），而饋入驅動器28。感測器24會監測泵內的內部狀態（如泵本體溫度、排氣壓或馬達線圈溫度）。調節過的感測器資訊會輸入到增益電路，或其他合適的調整裝置，其中決定出的增益係用以限制馬達功率30。

在併入多個感測器輸入的配置中，指示器可將警告提供給使用者，以表示那一個感測器正產生受到控制的功率輸出。此資訊可用來將預先警告提供給先前技術中已導致系統錯誤所形成的問題。

以上所顯示的具體實施例能選擇可持續運作在超載的情況中數個暫態週期（例如，在排氣期間）之驅動控制器及馬達，因此，選擇用於特定抽氣需求之馬達/驅動器組件的實用會低於先前技術的馬達/驅動器組件之情況。再者，如圖5中所顯示之增加的轉矩可容許較高的啟始轉矩及較佳的污物處理能力。關於已選定之商用真空泵之第一具體實施例與先前技術的馬達/驅動器之比較係包含於底下的表1中。

在以上的例子中，將可得知的是，可使效能明顯的改善。

在上述的具體實施例中，驅動控制器係採用數位可變速度驅動器的形式。然而，驅動控制器可包括一個或多個類比裝置（如類比電路），用以決定系統內的狀態及控制馬達功率。

會想要使驅動控制器用來防止此系統免於運作在超載的情況中。因此，切換裝置可用以在根據本發明的運作與如參考以上先前技術所述的運作之間進行切換。若在某些應用中，不想要使系統運作在超載的情況中，則可使用這樣的配置。

總括來說，將會了解到的是，在所有以上的具體實施例及上述的修改中，取代當系統狀態超過運作限制時（亦即，錯誤）會將送到馬達的功率切為零的是，驅動控制器會控制功率，以致於其會逐漸地降低，直到達到可承受的運作。因此，這些具體實施例可使馬達或抽氣系統（馬達或可變速度驅動器或抽氣機構）在不會使泵產生錯誤因而停止運作的情況下，可以過量的方式（例如在排氣的期間）運行。將會了解到的是，上述的具體實施例僅為例子，並且其他的修改係在後附的申請專利範圍之範圍內。

8．．．可變速度驅動器

10．．．第一模組

12．．．第二模組

14．．．增益電路單元

18．．．驅動控制器

20．．．可程式內部驅動限流單元

24．．．感測器

26．．．調節器

28．．．可變速度驅動器

30．．．馬達

32．．．乘法器

40．．．實線

50．．．驅動控制器

51．．．馬達

52．．．第一模組

54．．．第二模組

56．．．電流控制模組

57．．．比較器

58．．．可程式內部驅動限流器

60．．．抽氣系統

62．．．處理反應室（圖7）

62．．．虛線（圖2及圖4）

64．．．抽氣機構

為了使本發明能立即地更為了解，其二個具體實施例（其僅作為例子）現在將配合附圖進行說明，其中：圖1係顯示抽氣系統中的驅動控制器之已知的配置；圖2係顯示已知的驅動控制器之電流對時間的圖形；圖3係顯示根據本發明的第一具體實施例之驅動控制器；圖3a係顯示與馬達電流及馬達熱負載有關之增益函數的圖形表示；圖4係顯示第一具體實施例之電流對時間的圖形；圖5係顯示轉矩對馬達的速度之圖形，用以將傳統系統的馬達效能與根據本發明的具體實施例之配置進行比較；圖6係繪示本發明之第二具體實施例；以及圖7係抽氣系統的概圖。

8‧‧‧可變速度驅動器

10‧‧‧第一模組

12‧‧‧第二模組

14‧‧‧增益電路單元

18‧‧‧驅動控制器

20‧‧‧可程式內部驅動限流單元

32‧‧‧乘法器

51‧‧‧馬達

56‧‧‧電流控制模組

Claims (18)

1. 一種抽氣系統，包括：一抽氣機構；用以驅動該抽氣機構之一馬達；用以控制該馬達之一驅動控制器；以及用以監測該系統內至少一個狀態之裝置；其中，為了改善該系統的效能，該驅動控制器會使該系統運作在一超載情況中數個暫態週期，其會導致一監測狀態超過一預定運作限制，並且當運作在該超載情況中時，該驅動控制器會取決於該監測狀態的位準，來控制送到該馬達的功率，使該功率下降直到可持續的操作為止，而非切斷送到該馬達的功率到零值，藉此可避免該監測狀態超過該運作限制，並且，若該監測狀態，在送到該馬達的功率被下降到一額定值後，向其上限向上提高，則該送到該馬達的功率下降至該額定值以下；其中該驅動控制器包括增益電路，其可採用：1的增益，藉此不會限制馬達功率；0的增益，藉此會將馬達功率限制為0；以及介於1與0之間的任意增益，該增益電路會根據與該狀態的一預定關係，來控制該增益。
2. 如請求項1之系統，其中該效能係藉由該驅動控制器將送到該馬達的功率增加到會導致該監測狀態超過一預定運作限制之一位準而改善。
3. 如請求項1之系統，其中當該馬達上的一負載需要增加送到該馬達的功率時，該驅動控制器會使該系統運作在一超 載情況中。
4. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器不會限制該功率，除非該狀態超過一預定下限。
5. 如請求項4之系統，其中在該預定下限之上，該驅動控制器會取決於該監測狀態，而逐漸地改變功率。
6. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器係藉由調整送到該馬達之電壓，來限制送到該馬達的電流，而控制該馬達的功率。
7. 如請求項6之系統，其中該驅動控制器包括用以設定該馬達中的一最大可容許電流之可程式裝置，藉此可設定該系統可超載的程度。
8. 如請求項1之系統，其中該狀態為該系統內的一溫度。
9. 如請求項1之系統，其中該狀態為該馬達或驅動器或該抽氣機構中的任何部分之熱負載的一函數。
10. 如請求項9之系統，其中該驅動控制器會估測該馬達熱負載，係根據： 其中：I_motor 為該馬達中的電流；I_rated 為一額定電流，在其之上，該馬達係正運作於該超載情況中；τ為一時間常數；以及s為拉普拉斯運算子。
11. 如請求項1之系統，其中該系統內的該監測狀態係選自一包含一壓力；一電流；一電壓；一阻抗，或一溫度中之參數族群。
12. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器包括用以接收來自於一感測器的輸入之裝置，其係用以監測該系統內的該至少一個狀態，並且當該驅動控制器使該系統運作在一超載情況中數個暫態週期時，送到該馬達的功率會受到控制，而避免該至少一個狀態超過該預定運作限制。
13. 如請求項12之系統，其中該感測器係用以感測該系統內的一參數，其係選自包含：該系統內氣體壓力、溫度、電壓、或阻抗之族群。
14. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器包括一可變速度驅動器，其會取決於該監測狀態的位準，來控制送到該馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。
15. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器包括類比裝置，其會取決於該監測狀態的位準，來控制送到該馬達的功率，藉此可避免該狀態超過該運作限制。
16. 如請求項1之系統，其中該驅動控制器可運作用以防止該系統運作在一超載情況中。
17. 如請求項1之系統，其中該抽氣機構為一真空抽氣機構。
18. 一種控制抽氣系統之方法，該系統包括：一抽氣機構；用以驅動該抽氣機構之一馬達；以及用以控制送到該馬達的功率之一驅動控制器；其中該方法包括： 藉由使該系統運作於會使該系統內之一溫度負載之一監測狀態超過一預定運作限制之一超載情況中數個暫態週期，來改善該系統的效能，並且當運作在該超載情況中時，取決於該監測狀態的位準，來控制送到該馬達的功率，使該功率下降直到可持續的操作為止，而非切斷送到該馬達的功率到零值，藉此可避免該監測狀態超過該運作限制，並且，若該監測狀態，在送到該馬達的功率被下降到一額定值後，向其上限向上提高，則該送到該馬達的功率被下降至該額定值以下。