KR20020050015A - Control of wafer temperature uniformity in rapid thermal processing using an optimal iterative learning control technique - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for controlling the temperature uniformity of a wafer is provided to guarantee the temperature uniformity, by using an optimum input for reducing temperature variations in various positions inside the wafer. CONSTITUTION: A recognizing unit forms a time-varying linear space model from an input/output variable in a previous process. An estimating unit uses the time-varying linear space model made by the recognizing unit and obtains an output error from now on by using a reference output locus, a previous entire input/output variable and a whole input/output variable until the present. A calculating unit makes an object function by using the output error and calculates an input variable locus for minimizing the object function. A process control unit controls a target process according to the input variable locus obtained by the calculating unit.

Description

급속 열처리 장치에서 최적 학습 제어 기법을 이용한 웨이퍼의 온도 균일성 제어 방법{Control of wafer temperature uniformity in rapid thermal processing using an optimal iterative learning control technique}Control of wafer temperature uniformity in rapid thermal processing using an optimal iterative learning control technique

본 발명은 RTP 장치에서 웨이퍼의 온도 균일성을 확보하기 위한 최적 학습 제어 기법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 RTP 시스템에 대해 간단하면서도 효과적인 시변 선형 상태 공간 모델 인식 방법과, 상기 모델에 근거하여 최적 반복 학습 제어 및 되먹임 제어가 가능한 RTP 장치 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optimal learning control technique for securing the temperature uniformity of a wafer in an RTP apparatus. More specifically, a simple and effective time-varying linear state space model recognition method for an RTP system and an optimal iteration based on the model The present invention relates to an RTP device control method capable of learning control and feedback control.

RTP는 웨이퍼를 한 장씩 독립적으로 가공하는 공정으로 삽입되는 웨이퍼를 공심형으로 배열된 레이저 원이나 할로겐 램프를 사용하여 매우 짧은 시간 내에 필요한 온도까지 상승시킨 후 열 산화, 질화, 열처리, 화학 기상 증착 등의 공정을 한 장치 내에서 수행할 수 있도록 설계된 공정이다. RTP 장치는 다른 장치에 비하여 매우 작으며, 불량률을 줄일 수 있어 경제성이 높은 공정으로 부각되고 있으며, 감소된 열량 소모, 향상된 균일성과 클러스터 호환성 등의 이점이 있다. 이러한 탁월한 이점에도 불구하고 RTP 장치의 폭넓은 응용이 늦어졌던 것은, 웨이퍼 전 표면의 온도를 짧은 시간에 균일하게 상승시키고 유지되도록 하며, 온도 분포의 균일성을 요구되는 수준까지 확보하기 어렵다는 데에 있다. 최근 웨이퍼의 표준 크기가 6인치에서 8인치로 다시 12인치로 커짐에 따라, 적합한 온도 제어의 필요성이 더욱 절실해지고 있다.RTP is a process of processing wafers independently, one by one, using a laser source or halogen lamp arranged in a concentric manner to raise the required temperature in a very short time and then thermal oxidation, nitriding, heat treatment, chemical vapor deposition, etc. The process is designed to be carried out in one device. RTP devices are much smaller than other devices and can be used to reduce the defect rate, making them an economical process, and have advantages such as reduced heat consumption, improved uniformity and cluster compatibility. Despite these outstanding advantages, the widespread application of RTP devices has been delayed because it is possible to raise and maintain the temperature of the entire surface of the wafer uniformly in a short time, and to ensure the uniformity of the temperature distribution to the required level. . With the recent increase in the standard size of wafers from 6 inches to 8 inches, back to 12 inches, the need for proper temperature control is even more urgent.

RTP의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 제어기법들이 연구되고 있지만, 현재 대부분의 연구는 기존의 연속 공정 제어 기법을 응용하여 개량하는 방향으로 이루어지고 있으며, 제어 성능의 개선에 한계를 보이고 있다. RTP 시스템 제어 연구의 초기 단계에서는 다중 루프 PID 제어기가 사용되었으며, 이는 시스템의 강한 상호 작용으로 만족스러운 결과를 얻지 못하였다. 이후 관심이 MPC(Model Based Predictive Control), LQG(Linear Quadratic Gaussian Control) 그리고 IMC(Internal Model Control) 등을 포함한 모델 기반 다변수 제어 기술 쪽으로 옮겨져 갔다. 많은 연구들이 반복 학습 제어의 기초적인 형태를 이용하였으나, 온도의 공간적인 분포를 다루지는 못하였다. 모델 기반 되먹임 제어기의 성능은 필수불가결하게 모델의 품질에 의하여 그 성능이 좌우된다. RTP는 운전이 반복되면서 챔버벽이 오염됨으로 인해, RTP 시스템의 특성이 달라지므로, 기존의 모델 기반 접근 방법의 성능은 모델을 계속해서 바꾸지 않는 한 한계가 있을 수밖에 없다. 또한 되먹임을 통하여 모델 에러를 감소시키는 전형적인 적분 제어 방법은 RTP 시스템에서는 효과적이지 못하다.In order to solve this problem of RTP, many control methods have been studied, but most of the studies have been conducted to improve the existing continuous process control techniques and show limitations in improving control performance. In the early stages of the RTP system control study, a multi-loop PID controller was used, which did not yield satisfactory results due to the strong interaction of the system. Interest has since shifted to model-based multivariate control technologies, including Model Based Predictive Control (MPC), Linear Quadratic Gaussian Control (LQG), and Internal Model Control (IMC). Many studies have used a basic form of iterative learning control, but have not dealt with the spatial distribution of temperature. The performance of the model-based feedback controller is inevitably dependent on the quality of the model. Since RTP is contaminated with chamber walls as the operation is repeated, the characteristics of the RTP system are different. Therefore, the performance of the existing model-based approach is limited unless the model is continuously changed. Also, the traditional integral control method of reducing model error through feedback is not effective in RTP systems.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 RTP 시스템에 대하여 모델 기반 제어기를 위한 시변 선형 상태 공간 모델을 구성할 수 있는 방법을 제시하며, 상태 공간 모델에 근거하여 실시간으로 발생되는 외란에 대처하며, 반복되는 외란과 상당한 모델 오차가 있는 경우에도 정밀한 추적 제어를 달성하여 웨이퍼의 온도 균일성을 확보할 수 있도록 최적 학습 제어 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for constructing a time-varying linear state space model for a model-based controller for an RTP system, copes with disturbances generated in real time based on the state space model, and repeated disturbances. Even in the presence of significant model errors, precise tracking control is achieved to provide optimal learning control methods to ensure wafer temperature uniformity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최적 학습 제어 기법을 이용한 웨이퍼의 온도 균일성 제어 시스템을 나타내는 블록도이고,1 is a block diagram illustrating a temperature uniformity control system of a wafer using an optimal learning control technique according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RTP 장치를 나타내는 개략도이고,2 is a schematic diagram showing an RTP device according to an embodiment of the present invention;

도 3은 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용하여, 10회분 운전한 후의 웨이퍼의 온도 균일성 제어를 보여주는 웨이퍼의 반경 방향 온도 분포를 나타내는 그래프이고,3 is a graph showing a radial temperature distribution of a wafer showing temperature uniformity control of the wafer after 10 runs using the controller of the present invention in the RTP process,

도 4는 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용한 것과, 표준적인 선형이차가우시안 방법을 이용한 제어기의, 10회분 운전 후의 최대 에러를 비교, 도시한 표이고,4 is a table comparing and using the controller of the present invention in the RTP process, and the maximum error after 10 runs of the controller using a standard linear secondary Gaussian method,

도 5는 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용하여, 회분이 진행될수록 공정 모델을 학습하여, 설정된 온도 궤적과의 온도 차이를 최소화하며 온도 궤적을 좇아가는 회분간 웨이퍼의 온도 추이를 나타내는 그래프이고,FIG. 5 is a graph showing the temperature trend of a wafer in the RTP process in a batch that follows a temperature trajectory while minimizing a temperature difference from a set temperature trajectory by learning a process model as the batch progresses using the controller of the present invention. ,

도 6은 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용하여, 회분이 진행될수록 공정 모델을 학습하여, 웨이퍼의 온도가 설정된 온도 궤적을 좇아가도록, 최적의 제어 출력을 계산하여 공정에 적용하는, 회분간 제어 출력을 나타내는 그래프이다.FIG. 6 illustrates the process of learning the process model as the ash progresses using the controller of the present invention in the RTP process, calculating the optimum control output and applying the process to the process so that the temperature of the wafer follows the set temperature trajectory. Graph showing control output.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 이전 공정 회분 내의 입출력 변수값으로부터 대상 공정에 대한 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 인식 수단, 상기 인식 수단에 의하여 구성된 시변 선형 상태 공간 모델을 사용하고, 기준 출력 궤적, 이전 회분의 전체 입출력 변수값, 현재 회분의 현재 시간까지의 입출력 변수값 및 외란에 근거하여 현재 회분의 전 구간에서의 출력 오차를 예측하는 예측수단, 상기 예측 수단에 의하여 구해진 현재 시간 이후의 출력 오차를 목적 함수로 만들고, 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적을 구하는 계산 수단 및 상기 계산 수단에 의하여 구해진 입력 변수 궤적에 따라 대상 공정을 제어하는 공정 제어 수단을 포함하는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 시스템을 마련한다.In order to solve this problem, the present invention uses a recognition means for constructing a time-varying linear state space model for a target process from input / output variable values in a previous process batch, and a reference output trajectory using a time-varying linear state space model configured by the recognition means. Prediction means for predicting an output error in all sections of the current batch based on total input / output variable values of the previous batch, input / output variable values up to the current time of the current batch, and disturbances, output after the current time obtained by the prediction means Optimal learning control for an RTP apparatus including calculation means for making an error function as an objective function, minimizing the objective function, and a process control means for controlling a target process according to the input variable trajectory obtained by the calculation means. Arrange the system.

이 때, 상기 인식 수단은 운전 온도 전체 범위를 유한개의 부분 범위로 나누고 각 부분 범위의 대표 온도에서 부분 공간 모델 인식 방법을 이용하여 선형 상태 공간 모델을 찾는 단계, 서로 다른 온도 범위에 대한 상태 공간 모델들을 입출력 좌표에 대하여 동일한 상태 기저를 갖는 상태 공간 모델로 변환하는 단계, 상기 기준 궤적의 시간대 온도 관계에 따라 동일한 상태 기저를 가지도록 변환된 상태 공간 모델을 내삽하여 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 단계를 거치는 것이 바람직하며, 상기 공정 제어 수단은 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적 중 최초의 입력 변수값으로 현재의 대상 공정을 제어하는 과정을 매 샘플링 시점마다 반복하는 것이 바람직하다.At this time, the recognition means divides the entire operating temperature range into a finite subrange and finds a linear state space model using a subspace model recognition method at the representative temperature of each subrange, and state space models for different temperature ranges. Converting them to a state space model having the same state basis with respect to the input / output coordinates, and constructing a time-varying linear state space model by interpolating the transformed state space model to have the same state basis according to the time zone temperature relationship of the reference trajectory. Preferably, the process control means repeats the process of controlling the current target process with the first input variable value among the input variable trajectories that minimize the objective function at every sampling time point.

이러한 시스템은 대상 공정에 대한 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 제1 단계, 상기 시변 선형 상태 공간 모델을 사용하고, 기준 출력 궤적, 이전 회분의 전체 입출력 변수값, 현재 회분의 현재 시간까지의 입출력 변수 및 외란의 통계적 특성에 근거하여 현재 회분 전 구간에서의 출력 오차를 예측하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 입력값의 함수로서 구해진 현재 시간 이후의 출력 오차를 목적 함수로 하여 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적을 구하는 제3 단계, 상기 제3 단계에서 구한 입력 변수 궤적에 따라 대상 공정을 제어하는 제4 단계를 포함하는 제어 방법을 사용한다.This system uses a first step in constructing a time varying linear state space model for the target process, using the time varying linear state space model, and includes a reference output trajectory, the values of all input and output variables of the previous batch, and the current time of the current batch. And a second step of predicting an output error in the entire section of the current batch based on the statistical characteristics of the disturbance, and minimizing the objective function by using the output error after the current time obtained as a function of the input value in the second step as the objective function. A control method includes a third step of obtaining an input variable trajectory, and a fourth step of controlling a target process according to the input variable trajectory obtained in the third step.

이 때, 상기 제2 단계에서는 외란을 측정 잡음과 반복되는 잡음으로 구분하고, 이 두 잡음을 구분한 형태로 확장된 상태 공간식을 표현하는 과정을 포함할 수 있다.In this case, the second step may include a process of dividing the disturbance into measurement noise and repeated noise, and expressing the expanded state space equation in the form of distinguishing the two noises.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치에서 최적 학습 제어 기법을 이용한 웨이퍼의 온도 균일성 제어 방법에 대하여 설명한다.Next, a method of controlling temperature uniformity of a wafer using an optimal learning control technique in a rapid heat treatment apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최적 학습 제어 기법을 이용한 웨이퍼의 온도 균일성 제어 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RTP 장치를 나타내는 개략도이다.1 is a block diagram showing a temperature uniformity control system of a wafer using an optimal learning control technique according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing an RTP apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제어 시스템은, 대상 공정인 RTP 장치(20)를 제어하여 온도 균일성을 확보한 제품을 생산할 수 있도록 되어 있다. RTP 장치(20)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 원료인 웨이퍼가 RTP 장치(20) 내로 투입되어 챔버 내의 회전축 지지대 위에 놓이게 되며, 동심원 할로겐 램프로 빛을 방사, 웨이퍼의 온도를 급상승 및 유지시키며, 파이로미터같은 온도 측정 장치로 웨이퍼의 각 부분의 온도를 측정하면서 상기한 제어 시스템으로 제어 연산을 수행, 온도를 정밀하게 제어함으로써 균일한 제품을 얻게 된다.As shown in Fig. 1, the control system of the present invention is capable of producing a product having a temperature uniformity by controlling the RTP apparatus 20 as a target process. As shown in Figure 2, the RTP device 20, the raw material wafer is introduced into the RTP device 20 and placed on the rotating shaft support in the chamber, radiates light with a concentric halogen lamp, the temperature of the wafer rises and maintains, A temperature measuring device, such as a pyrometer, measures the temperature of each part of the wafer while performing a control operation with the above-described control system to precisely control the temperature to obtain a uniform product.

이때, 대상 공정은 한정된 시간 간격([1,...,N])동안 N개의 샘플링 시점을 가지는 이산 시간 회분식 공정으로서, Nu개의 입력 변수, 매 샘플링 시점마다 동시에 제어되는 Ny개의 피제어 변수로 구성된다.At this time, the target process is a discrete time batch process having N sampling points for a limited time interval ([1, ..., N]), with N input variables and Ny controlled variables controlled simultaneously at every sampling time point. It is composed.

RTP 장치 내에 웨이퍼가 한 번 투입될 때마다 동일한 승온, 감온 동작이 되풀이되는데, 처음 웨이퍼가 투입되고 제품이 배출될 때를 1차 회분이라 하면, 본 최적 학습 제어 시스템은 다음 2차 회분 때 1차 회분에서 얻은 정보 및 현재 2차 회분 진행 중에 발생하는 정보를 함께 이용하여 더 정밀한 제어를 수행, 웨이퍼의 온도를 제어하게 된다.When the wafer is inserted into the RTP device once, the same temperature raising and lowering operation is repeated. When the first wafer is inserted and the product is discharged, the first batch, the optimal learning control system is the first in the second batch. The information obtained from the batch and the information generated during the present secondary batch process are used together to perform more precise control to control the temperature of the wafer.

예컨대, 1차 회분에서 실제 각 시간별 웨이퍼의 온도인 출력변수 y1(t)을 이용하여 설정 온도 궤적과의 편차를 계산하고 제어 변수 u1(t)을 결정하여 실제 온도가 온도 설정 궤적을 따라가도록 입력 변수인 가열 장치의 전력을 제어한다.For example, the deviation from the set temperature trajectory is calculated using the output variable y 1 (t), which is the actual temperature of the wafer for each time in the first batch, and the control variable u 1 (t) is determined to determine the actual temperature along the temperature set trajectory. To control the power of the heating device, which is the input variable.

2차 회분에서는 현재 시점 이전까지의 출력변수 y2(t) 및 1차 회분의 입출력 변수 y1(t), u1(t)로 이루어진 2차 프로그래밍(Quadratic Programming)을 이용하여 현재 시점의 입력변수 u2(t)을 계산한다.In the second batch, input the current time by using quadratic programming consisting of the output variables y 2 (t) up to the current time point and the input / output variables y 1 (t) and u 1 (t) of the first batch. Compute the variable u 2 (t).

3차 회분에서도 현재 시점의 입력 변수를 계산할 때 현재 시점 이전까지의 출력 변수와 입력 변수 및 현재 회분 바로 전의 회분의 입출력 변수를 이용한다.그런데 2차 회분의 입력변수에는 1차 회분의 정보가 포함되어 있으므로 3차 회분의 입력변수의 계산에는 과거 회분의 정보가 모두 포함되어 있다.In the third batch, the output variable before the current point in time and the input / output variables of the batch just before the current batch are used to calculate the input variable at the present time, but the input variable of the second batch contains the information of the first batch. Therefore, the calculation of the input variables of the third batch includes all the information of the past batch.

본 발명은 대상 공정을 수식화한 공정 모델 함수를 이용하고, 이전 회분의 전체 입출력 변수값 및 현재 회분의 현재 시간까지의 입출력 변수 및 외란에 근거하여 현 회분의 전구간에서의 출력 변수 및 오차()를 예측하는 예측기(42)가 있으며, 상기 오차의 예측치는 이를 최소화하는 입력 변수를 구하기 위하여 목적함수로 변형되며, 계산 수단(43)은 공정 변수의 여러 가지 제약 조건을 만족하며 상기 목적 함수를 최소화하는 최적화된 제어입력 변화량()을 계산하며, 이 값에 이전 회분의 입력값을 더하여 현재 시간 이후의 최적 입력 변수 궤적()을 구한다. 여기서 목적함수는 이차 프로그래밍으로 계산된다. 최적 입력 변수 궤적 중 최초의 값만을 RTP 공정(20)에 적용하고, 다음의 샘플링 시점에서 다시 위의 과정을 거치며 제어를 지속하여 회분이 진행될수록 온도 오차를 계속 줄여 웨이퍼의 온도 균일성을 확보할 수 있게 된다.The present invention utilizes a process model function that formulates the target process, and based on the total I / O variable values of the previous batch and the I / O variables and disturbances up to the current time of the current batch, The predictor 42 predicts the error, and the predictive value of the error is transformed into an objective function to obtain an input variable that minimizes the error. The calculation means 43 satisfies various constraints of the process variable and calculates the objective function. Optimized control input variation to minimize ), And add the previous batch's input to this value to track the best input variable trajectory since the current time ( ) Here the objective function is calculated by quadratic programming. Only the first value of the optimum input variable trajectory is applied to the RTP process (20), and the control is continued after the above process again at the next sampling point. As the batch progresses, the temperature error is continuously reduced to ensure the temperature uniformity of the wafer. It becomes possible.

그러면 구체적인 구현 방법을 설명한다.This explains the specific implementation method.

Nu개의 입력과 Ny개의 출력으로 이루어지고 N개의 샘플링 시점을 갖는 이산 시간 회분식 반복 공정을 고려한다.Consider a discrete time batch iterative process with Nu inputs and Ny outputs, with N sampling points.

제안된 제어 기술을 적용하기 위해서는 설정치 궤적을 따라 인식된 시변 선형 상태 공간 모델을 필요로 한다. 시변 선형 상태 공간 모델을 구하기 위하여서, 본 발명에서는 둘 또는 그 이상의 운전 지점에서 인식된 시불변 상태 공간 모델들을 내삽하는 기술을 사용하였다. 이 기술은 각기 다른 온도 범위에 대응하는 복수개의 시변 모델을 간편하게 얻을 수 있으므로 RTP 시스템에 대해 매우 유용하다. 전체적인 단계는 아래와 같다.In order to apply the proposed control technique, we need a time-varying linear state space model that is recognized along the set point trajectory. In order to obtain a time varying linear state space model, the present invention employs a technique for interpolating time-invariant state space models recognized at two or more operating points. This technique is very useful for RTP systems because it is easy to obtain multiple time-varying models for different temperature ranges. The overall steps are as follows:

단계 1: 운전 온도의 전체 범위를 유한개의 부분 범위로 나눈다. 각 부분 범위의 대표 온도에서 시스템 인식으로, 부분공간 모델 인식 방법(N4SID)을 이용하여 선형 상태 공간 모델을 찾는다.Step 1: Divide the full range of operating temperatures into a finite number of subranges. With system recognition at the representative temperature of each subrange, we find a linear state space model using the subspace model recognition method (N4SID).

단계 2: 다른 온도 범위들을 위한 상태 공간 모델들을 입출력 좌표에 대해 같은 상태 기저를 갖는 상태 공간 모델로 변환한다. 같은 상태 기저를 갖기 때문에, 서로 다른 상태 공간 모델로 점프 없이 유연하게 전환이 가능하다.Step 2: Convert the state space models for different temperature ranges to a state space model with the same state basis for input and output coordinates. Since they have the same state basis, they can be flexibly switched to different state space models without jumping.

단계 3: 설정치 궤적의 시간 대 온도 관계에 따라 변환된 모델들을 내삽하여 시변(Time-Varying) 선형 상태 공간 모델을 구성한다.Step 3: Construct a time-variable linear state space model by interpolating the transformed models according to the time-to-temperature relationship of the setpoint trajectory.

단계 1에서 부분 공간 모델 인식 방법(N4SID)을 통해 균형을 이룬 형태로, 다음과 같은 통계적 상태 공간 모델을 구한다.In step 1, the following statistical state space model is obtained in a balanced form through subspace model recognition method (N4SID).

여기에서, u는 램프 파워(Watt), y는 온도 측정치(°K), x는 시스템 상태 그리고 v는 측정 잡음을 나타낸다. 부분 공간 인식 방법(N4SID)은 개환 실험을 통해 얻은 입출력 데이터를 사용하여 최소 차수의 균형을 이룬 상태 공간 모델을 찾게 해주는 부분 상태 공간 인식 기술이다. 다른 온도 범위에서 구한 상태 공간 모델들은 입출력에 대하여 다른 상태 기저를 갖게 되므로 같은 상태 기저를 갖도록 변환이 필요하다. 따라서 이러한 이유로 단계 2의 유사 변환이 필요하며 다음은 그 변환 방법이다.Where u is the lamp power (Watt), y is the temperature measurement (° K), x is the system state and v is the measurement noise. The partial space recognition method (N4SID) is a partial state space recognition technology that uses the input and output data obtained through the ring-opening experiment to find a state space model with a balanced minimum order. State-space models obtained at different temperature ranges have different state basis for input and output and therefore need to be transformed to have the same state basis. For this reason, a similar transformation of step 2 is necessary and the following is the transformation method.

단계 2에서는 현재 시간이 t 라고 하면 현재 시간 t 에 대해 다음과 같이 과거의 입력, 출력 벡터와 미래의 입력, 출력 벡터를 정의할 수 있다.In step 2, if the current time is t, then, for the current time t, past input and output vectors and future input and output vectors can be defined as follows.

여기서은 상태 차수 n에 비해 충분히 큰 값으로 가정한다.here Is assumed to be large enough for the state order n.

또한, 미래의 출력은 현재의 상태와 미래의 입력의 선형 조합으로 표현된다.In addition, the future output is represented by a linear combination of the current state and the future input.

여기서는 나머지 항을 말하고 O는 아래와 같이 정의되는 확장된 업저버빌리티(observability) 행렬이다.here Is the remaining term, and O is the extended observability matrix defined as

또한 칼만 필터식에 따라, 현재 상태는 과거 입력과 과거 출력의 선형 조합에 의해 표현된다.Also according to the Kalman filter equation, the current state is represented by a linear combination of past input and past output.

따라서 미래의 출력은 다음과 같이 표현될 수 있다.Thus, the future output can be expressed as

개루프 실험을 통해 데이터를 구하면, 미래의 에러는 다른 회귀자와 상관 관계가 없어지므로 최소 자승법에 의해,,을 얻을 수 있다. 최소 자승 추정을 위해, s개의 데이터를 가지고 있다고 가정하고, 다음의 벡터를 정의할 수 있다.When data is obtained through open-loop experiments, future errors are not correlated with other regressors, so the least-squares method , , Can be obtained. For the least squares estimation, assuming that we have s data, we can define the following vector:

그러면, 수학식 6은 수학식 7에 의해 다음 식으로 표현될 수 있다.Then, Equation 6 may be expressed by the following equation.

따라서, 다음의 식이 유도된다.Thus, the following equation is derived.

상태의 선택은 유사 변환 하에서 임의로 할 수 있다는 점과, OX와 LP의 치역(range space)이 같아야 한다는 것이 유일한 조건이라는 점에서, OX는 LP의 특이치 분해(Singular Value Decomposition)를 통해 결정할 수 있다. 다음은 특이치 분해식이다.OX can be determined through LP's Singular Value Decomposition, in that the choice of states can be arbitrary under similar transformations, and that the only condition is that the range of OX and LP should be the same. . The following is an outlier decomposition equation.

최소 시스템 차수 n은 LP의 계수(rank)와 같으므로, S의 대각항의 개수로 선택할 수 있다. 또한 확장된 업저버빌리티(observability) 행렬 O와 상태 X는 다음과 같이 결정할 수 있다.Since the minimum system order n is equal to the rank of LP, it can be chosen as the number of diagonal terms in S. In addition, the extended observability matrix O and state X can be determined as follows.

다른 명목(nominal) 온도에 대한 데이터 집합들로 얻어진 LP행렬은, 실제적인 입력과 출력값으로 정의되었으므로 같은 기저를 갖고 있다.  한편 상태 X는 다른 명목 온도에서는 다른 기저로 정의될 수 있다. 상태 차수가 같다면 두 개의 명목 온도에 대해 다음과 같이 표현될 수 있다.The LP matrix, obtained from data sets for different nominal temperatures, has the same basis because it is defined as the actual input and output values. State X, on the other hand, can be defined as a different basis at different nominal temperatures. If the state orders are the same, two nominal temperatures can be expressed as

는 같은 기저를 가지므로 두 개의 상태 사이에는 다음과 같은 유사 변환이 존재한다. Wow Has the same basis, so there are similar transformations between the two states:

따라서() 을 i번째의 명목 온도에서 인식한 시스템 행렬이라고 하자. 그러면 () 을 기준 온도에서 사용된 기저로 표현하는 변환은 다음과 같이 주어진다.therefore( Let) be the system matrix recognized at the i-th nominal temperature. then ( ) Is given by

이상과 같은 과정을 거쳐 다른 온도 범위들을 위한 상태 공간 모델들을 입출력 좌표에 대해 같은 상태 기저를 갖는 상태 공간 모델로 변환한 후에는, 단계 3으로, 설정치 궤적의 시간 대 온도 관계에 따라 변환된 모델들을 내삽하여 시변 선형 상태 공간 모델을 구성한다.After converting the state space models for the different temperature ranges to the state space model having the same state basis for the input and output coordinates through the above process, in step 3, the models transformed according to the time versus temperature relationship of the setpoint trajectory Interpolate to construct a time-varying linear state space model.

모델 시스템 행렬들은 유한개의 온도에 대해서 인식될 수 있다. 이 모델들을 이용하여 시변 모델을 구성하기 위해서 여러 중간 온도에 대한 추가적인 모델을 생성해야 한다. 이를 위해서 본 발명에서는 선형 내삽을 적용한다.Model system matrices can be recognized for a finite number of temperatures. To construct time-varying models using these models, additional models for several intermediate temperatures must be created. To this end, the present invention applies linear interpolation.

를 이웃하는 온도라고 하고,을 기저가 조정된 시스템 행렬이라고 하자. 또한사이의 다음 식을 만족하는 온도라고 하자. and Is called the neighboring temperature, Let be the basis of the adjusted system matrix. Also To and Assume that the temperature satisfies the following equation.

입력에서 상태로의 주파수 이득은로 나타나며, 병행시스템은으로 나타난다. 이 두 이득을 선형으로 내삽하는, 온도에서의 시스템행렬은 다음의 두 주파수 이득에 관한 관계식을 풂으로써 얻어질 수 있다.The frequency gain from the input to the state The parallel system is Appears. Temperature, interpolating these two gains linearly The system matrix in can be obtained by knowing the relation of the following two frequency gains.

위 식은 선정된 주파수 범위에서 유효하며, 최소자승법으로 내삽된 행렬을 결정할 수 있다.The above equation is valid in the selected frequency range and the interpolation matrix can be determined by the least-squares method.

을 식의 전후에 곱함으로서, 위 식은 다음과 같이 정리된다. By multiplying before and after the equation, the above equation is summarized as follows.

여기서,는 실수행렬(Real Matrix)을 나타낸다. 위 식은 다시 다음으로 정리된다.here, Wow Represents a real matrix. The above equation is summarized as follows.

는 첫 번째와 두 번째 식에 의해 바로 구해진다. 또한,는 상기 식의 세 번째, 네 번째 식을 사용하여 최소자승법에 의하여 구하여질 수 있다. Is directly obtained by the first and second equations. Also, Can be obtained by the least square method using the third and fourth equations.

따라서 위와 같은 과정을 거쳐, 내삽을 통해 아래와 같은 시변 선형 상태 공간 모델을 구할 수 있다.Therefore, through the above process, the time-varying linear state space model can be obtained through interpolation.

그러면 이상에서 구한 시변 선형 상태 공간 모델을 이용하여 최적 반복 학습 제어를 수행하는 과정을 설명한다.Next, a process of performing optimal iterative learning control using the time-varying linear state space model obtained above will be described.

회분식 공정이나 반복 운전 공정에서는 현재 운전 중인 회분에 대한 입력 궤적은 현재 회분에서 측정한 정보뿐만이 아니라 과거 회분의 정보도 함께 이용하여 수정된다. 최적 반복 학습 제어는 과거 회분 운전의 측정값을 사용하여 최적으로 입력 궤적을 수정하는 입력 수정 알고리즘을 지칭한다.In a batch process or a repetitive operation process, the input trajectory for the currently running ash is corrected using information from past ashes as well as information measured in the current ash. Optimal iterative learning control refers to an input correction algorithm that optimally modifies the input trajectory using the measurements of past batch operations.

이전 회분에서의 오차 정보를 제어기가 사용하기 위해서는, 시변 상태 공간식에 이전 회분에서의 외란에 대한 정보와 다음 회분에서의 외란에 대한 정보를 연관시켜야 할 필요성이 있다. 이를 위한 첫 번째 단계는 외란의 속성에 대한 타당한 가정을 도입하여, 그 가정에 근거하여 한 회분에서 다음 회분으로의 전이 모델을 구성하는 것이다. 이하에서,는 회분 지표를 가리킨다.In order for the controller to use the error information in the previous batch, it is necessary to associate the information on the disturbance in the previous batch with the information on the disturbance in the next batch in a time-varying state space equation. The first step to this is to introduce a reasonable assumption about the nature of disturbance and to build a model for the transition from one batch to the next based on that assumption. In the following, Indicates an ash index.

시변 상태 공간식에서 측정 잡음는 시간에 대해 독립적이며 일정하게 분포된 시퀀스이나, 서로 다른 회분에서의는 중요한 상관 관계를 보여준다. 실제로, 회분 지표 k에 대하여는 랜덤한 분포 이외에, 지속적인 특성과 표류하는 특성을 보여준다. 그러한 측정잡음()의 동특성은 지속적인 특성을 보여주는()과, 표류하는 특성을 보여주는 ()의 합으로 다음 식과 같이 표현되어질 수 있다.Measurement noise in time-varying state-space equation Is a sequence that is independent of the time and is uniformly distributed, but in different batches Shows an important correlation. In fact, for the ash index k In addition to the random distribution shows the continuous and drift characteristics. Such measurement noise ( ) Shows dynamic characteristics ( ), And showing drifting characteristics ) Can be expressed as

즉, 여기서,는 독립적인 평균 0의 랜덤한 시퀀스이다. 즉, bar는 모든 미래의 회분에서 지속적으로 나타나는 오차항이며,는 사라지는 오차항이다.That is, here Wow Is a random sequence of independent mean zeros. I.e. bar Is the error term that continues to occur in all future batches, Is the missing error term.

이제, 시변 상태 공간식을로 추진되는 한 부분과,로 추진되는 또 다른 한 부분으로 나눌 수 있다.Now, the time-varying state space expression Wow With one part being pushed into, It can be divided into another part that is promoted by.

물론, 측정변수는 다음을 만족한다.Of course, the measurement variable Satisfies

또한,의 설정궤적을 r(t)로 표현하면, 오차는 다음 식으로 표현된다.Also, When the set trajectory of is expressed as r (t), the error is expressed by the following equation.

위의 식을 외부 잡음이 t와 k에 대해서 독립적인 시퀀스가 되도록 표준형으로 변환하려면, 이어지는 회분 사이의 두 식들의 차를 취하여 다음의 식을 유도할 수 있다.To convert the above equation into a standard form so that the external noise is an independent sequence for t and k, we can derive the following equation by taking the difference between the two equations between the subsequent batches.

또한, 수학식 21에 의해는 다음과 같이 표현될 수 있다.In addition, by equation (21) Can be expressed as follows.

항을 포함시키기 위해서, 먼저를 다음과 같이 정의한다. To include the term, first Define as

그러면, 위의 식으로부터 다음의 수학식이 얻어진다Then, the following equation is obtained from the above equation.

이제, 다음과 같이를 정의한다.Now, as follows Define.

위의 수학식의 정의에 의하면, bar의 t+1번째의 요소는과 같다. 이제, 상태 공간식 21, 24에를 포함시키면 다음의 확장된 상태 공간식을 얻을 수 있다.According to the definition above, bar The t + 1th element of Same as Now, in state space 21, 24 If you include, you get the following expanded state-space expression:

여기서, H(t)는의 t+1번째 요소를 추출하는 행렬이다. 따라서, 다음 식을 만족한다.Where H (t) is Matrix to extract the t + 1th element of. Therefore, the following equation is satisfied.

한 회분에서 다음 회분으로의 전이는 다음의 수학식으로 표현된다.The transition from one batch to the next is represented by the following equation.

이러한 상태 공간식을 이용하여 입력 변수를 계산하는 방법을 설명한다.This method describes how to calculate input variables using this state-space equation.

웨이퍼의 온도 균일성을 확보하기 위한 입력 변수인 램프 파워는 다음과 같이 입력 변수의 움직임을 가능하면 억제시키며, 피제어 변수의 전체 회분 구간에 대한 추적 오차를 최소화시키기 위해, 다음과 같이, 목적 함수를 최소화하도록 결정된다.The lamp power, an input variable to ensure temperature uniformity of the wafer, suppresses the movement of the input variable if possible, and minimizes the tracking error of the entire batch of controlled variables as follows. Is determined to minimize.

여기에서, M, Q, R은 가중치 행렬을 나타내며, 이들의 선택에 의해 시스템의 성능을 조율할 수 있다. 위의 목적 함수는 입력 변수, 피제어 변수에 대한 제약 조건을 포함하도록 구성할 수도 있다. 표준형의 최적해를 구할 수 있으며, 이는 다음 수학식과 같이 칼만 필터식에 의해 구하여진 상태추정과 선형 이차 레귤레이터(LQR)의 조합으로 주어진다.Here, M, Q, and R represent weighting matrices, and their selection can tune the performance of the system. The objective function above can also be configured to include constraints on input variables and controlled variables. The optimal solution of the standard form can be found, which is estimated by the Kalman filter equation and the linear quadratic regulator (LQR). Given by the combination of.

여기서, 추정된 상태값은 아래와 같이 구해진다.Here, the estimated state value is obtained as follows.

매 샘플링 시간마다, 즉, 측정이 이루어질 때마다 이와 같이 표준적인 최적해인의 첫 번째 항 값만이 공정에 적용된다. 따라서 회분이 반복될수록 웨이퍼내의 여러 지점의 온도 편차들은 감소하게 하는 최적 입력이 공정에 적용되기 때문에, 웨이퍼의 온도 균일성을 확보할 수 있게 된다.This is the standard optimal solution every sampling time, i.e. every time a measurement is made. Only the first term value of is applied to the process. Thus, as the batch is repeated, an optimum input is applied to the process that reduces the temperature deviations of the various points in the wafer, thereby ensuring temperature uniformity of the wafer.

도 3은 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용하여, 10회분 운전한 이후의 웨이퍼의 반경 방향 온도 분포를 보여주는 그래프이고, 도 4는 본 발명을 이용한 제어기와 또한 표준적인 선형이차가우시안 방법을 이용한 제어기와의 성능 비교로 10회분 운전 후의 반경 방향으로 최대 오차를 도시한 표이다.Figure 3 is a graph showing the radial temperature distribution of the wafer after 10 runs using the controller of the present invention in an RTP process, Figure 4 is a controller using the present invention and also using a standard linear secondary Gaussian method. This is a table showing the maximum error in the radial direction after 10 cycles of operation compared with the controller.

도 3을 보면, 웨이퍼의 반경 방향으로 온도의 편차가 크지 않게 고르게 분포되어 있는 것을 볼 수 있으며, 도 4는 본 발명을 이용한 제어기가 표준적인 선형이차가우시안 방법을 이용한 제어기보다 훨씬 나은 성능을 보여주는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the temperature variation in the radial direction of the wafer is not evenly distributed, and FIG. 4 shows that the controller using the present invention shows much better performance than the controller using the standard linear secondary Gaussian method. can see.

도 5은 RTP 공정에서, 본 발명의 제어기를 이용하여, 회분이 진행될수록 최적으로 공정 모델을 학습하여, 설정된 출력궤적을 오차를 최소화하여 좇아가는 과정을 보여주는 웨이퍼의 온도 추이 그래프이고, 도 6는 RTP 공정에서, 회분이 진행될수록 공정 모델을 학습하여, 상기 도5의 최적의 웨이퍼의 온도 추이를 보이도록 최적의 제어출력인 가열 램프에 공급하는 전력을 계산, 회분간 이의 추이를 보여주는 전력 궤적이다.FIG. 5 is a graph illustrating a temperature trend of a wafer showing a process of optimally learning a process model as the batch progresses in an RTP process and minimizing errors by following a set output trajectory. In the RTP process, as the ash progresses, the process model is learned to calculate the power supplied to the heating lamp, which is the optimum control output, to show the temperature change of the optimum wafer of FIG. .

도 5을 보면, 제2회분 공정 궤적은 기준 궤적에서 상당히 벗어나 있으나 회분이 거듭될수록 기준 설정 궤적에 가깝게 보정되어 가는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 5, the second batch process trajectory is considerably deviated from the reference trajectory, but as the batch is repeated, the second batch process trajectory is corrected closer to the reference setting trajectory.

본 발명을 통하여 RTP 공정에 대하여 고급 제어 기법 중의 하나인 최적 학습 제어를 이용하여 웨이퍼의 온도 균일성을 확보하는 시스템을 제공하였다. 제공된 시스템은 시변 공정 모델을 구성할 수 있는 방법을 제시하고 있으며, 최적 학습 제어 기능에 의하여 공정 변수가 회분 단위로 되먹임됨으로써 상당한 모델 오차에도 불구하고 회분이 반복됨에 따라 보다 정밀한 제어를 수행, 웨이퍼의 온도 균일성을 확보하는 구조를 가지고 있다. 또한 여러 외란에 대응하는 능력을 갖추고 있다. 이에 더하여 제공된 제어 시스템은 공정 변수의 각종 제약 조건을 만족하며 설정된 목적 함수의 성능 지수를 최적으로 만족하도록 구성되어 있다.The present invention provides a system for ensuring temperature uniformity of wafers by using optimal learning control, which is one of the advanced control techniques for the RTP process. The system provided provides a method for constructing a time-varying process model, and the optimum learning control function feeds back process variables in batches to perform more precise control as the ash is repeated despite significant model errors. It has a structure to ensure temperature uniformity. It also has the ability to respond to various disturbances. In addition, the provided control system is configured to satisfy various constraints of the process variable and to optimally satisfy the performance index of the set objective function.

Claims (7)

이전 공정 회분 내의 입출력 변수값으로부터 대상 공정에 대한 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 인식 수단,Recognition means for constructing a time-varying linear state space model for the target process from input / output variable values in the previous process batch, 상기 인식 수단에 의하여 구성된 시변 선형 상태 공간 모델을 사용하고, 기준 출력 궤적, 이전 회분의 전체 입출력 변수값, 현재 회분의 현재 시간까지의 전체 입출력 변수값으로부터 현재 시간 이후의 출력 오차를 구하는 예측 수단,Prediction means for calculating an output error after a current time using a time-varying linear state-space model configured by the recognition means, and obtaining an output error after the current time from a reference output trajectory, all input / output variable values of the previous batch, and all input / output variable values up to the current time of the current batch; 상기 예측 수단에 의하여 구해진 현재 시간 이후의 출력 오차를 목적 함수로 만들고, 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적을 구하는 계산 수단,Calculation means for making an output error after the current time obtained by the prediction means into an objective function and obtaining an input variable trajectory that minimizes the objective function; 상기 계산 수단에 의하여 구해진 입력 변수 궤적에 따라 대상 공정을 제어하는 공정 제어 수단Process control means for controlling the target process according to the input variable trajectory obtained by the calculation means 을 포함하는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 시스템.Optimal learning control system for RTP device comprising a. 제1항에서,In claim 1, 상기 인식 수단은The recognition means 운전 온도 전체 범위를 유한개의 부분 범위로 나누고 각 부분 범위의 대표 온도에서 부분 공간 모델 인식 방법을 이용하여 선형 상태 공간 모델을 찾는 단계,Dividing the entire operating temperature range into finite subranges and finding a linear state space model using subspace model recognition at the representative temperature of each subrange, 서로 다른 온도 범위에 대한 상태 공간 모델들을 입출력 좌표에 대하여 동일한 상태 기저를 갖는 상태 공간 모델로 변환하는 단계,Converting the state space models for different temperature ranges into a state space model having the same state basis for input and output coordinates, 상기 기준 궤적의 시간대 온도 관계에 따라 동일한 상태 기저를 가지도록 변환된 상태 공간 모델을 내삽하여 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 단계를 거치는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 시스템.And a step of constructing a time-varying linear state space model by interpolating the transformed state space model to have the same state basis according to the time zone temperature relationship of the reference trajectory. 제2항에서,In claim 2, 상기 공정 제어 수단은 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적 중 최초의 입력 변수값으로 현재의 대상 공정을 제어하는 과정을 매 샘플링 시점마다 반복하는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 시스템.And the process control means repeats the process of controlling the current target process with the first input variable value among the input variable trajectories that minimize the objective function at every sampling time point. 대상 공정에 대한 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 제1 단계,A first step in constructing a time varying linear state space model for the target process, 상기 시변 선형 상태 공간 모델을 사용하고, 기준 출력 궤적, 이전 회분의 전체 입출력 변수값, 현재 회분의 현재 시간까지의 입출력 변수 및 외란의 통계적 특성에 근거하여 현재 회분 전 구간에서의 출력 오차를 구하는 제2 단계,The output error of the current batch section is calculated by using the time-varying linear state space model and based on the reference output trajectory, the total input / output variable value of the previous batch, the input / output variable up to the current time of the current batch, and the statistical characteristics of the disturbance. Step 2, 상기 제2 단계에서 입력값의 함수로서 구해진 현재 시간 이후의 출력 오차를 목적 함수로 하여 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적을 구하는 제3 단계,A third step of obtaining an input variable trajectory for minimizing the objective function by using an output error after a current time obtained as a function of an input value as the objective function in the second step, 상기 제3 단계에서 구한 입력 변수 궤적에 따라 대상 공정을 제어하는 제4 단계A fourth step of controlling the target process according to the input variable trajectory obtained in the third step 를 포함하는 RTP 장치의 최적 학습 제어 방법.Optimal learning control method of the RTP device comprising a. 제4항에서,In claim 4, 상기 제2 단계에서는 외란을 측정 잡음과 반복되는 잡음으로 구분하고, 이 두 잡음을 구분한 형태로 확장된 상태 공간식을 표현하는 과정을 포함하는 RTP 장치의 최적 학습 제어 방법.In the second step, the disturbance is divided into measurement noise and repetitive noise, and the extended learning of a state space equation in the form of dividing the two noises comprises the step of optimal learning control method of the RTP device. 제4항에서,In claim 4, 상기 제1 단계는The first step is 운전 온도 전체 범위를 유한개의 부분 범위로 나누고 각 부분 범위의 대표 온도에서 부분 공간 모델 인식 방법을 이용하여 선형 상태 공간 모델을 찾는 단계,Dividing the entire operating temperature range into finite subranges and finding a linear state space model using subspace model recognition at the representative temperature of each subrange, 서로 다른 온도 범위에 대한 상태 공간 모델들을 입출력 좌표에 대하여 동일한 상태 기저를 갖는 상태 공간 모델로 변환하는 단계,Converting the state space models for different temperature ranges into a state space model having the same state basis for input and output coordinates, 상기 기준 궤적의 시간대 온도 관계에 따라 동일한 상태 기저를 가지도록 변환된 상태 공간 모델을 내삽하여 시변 선형 상태 공간 모델을 구성하는 단계를 포함하는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 방법.And interpolating the transformed state space model to have the same state basis according to the time-zone temperature relationship of the reference trajectory to construct a time-varying linear state space model. 제4항에서,In claim 4, 상기 제4 단계에서는 상기 목적 함수를 최소화하는 입력 변수 궤적 중 최초의 입력 변수값으로 현재의 대상 공정을 제어하는 과정을 매 샘플링 시점마다 반복하는 RTP 장치에 대한 최적 학습 제어 방법.In the fourth step, the optimal learning control method for the RTP device to repeat the process of controlling the current target process with the first input variable value of the input variable trajectory that minimizes the objective function at every sampling time point.
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