CN101286043A - 热处理装置、控制常数的自动调整方法和存储介质 - Google Patents

热处理装置、控制常数的自动调整方法和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供热处理装置，其中，控制部包括：规则表，使处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量和PID常数的变化率对应而生成；执行机构，反复执行根据温度检测部的温度检测值取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的差分的步骤，当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照规则表，通过与对应于差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定步骤，直至差分达到允许范围内。控制部还具有在温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量间存在差异时，根据该实测变化量，更新规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系的更新机构。

Description

热处理装置、控制常数的自动调整方法和存储介质
技术领域
本发明涉及在进行利用P(比例要素)I(积分要素)D(微分要素)控制的温度控制，对被处理体进行热处理的装置中，自动调谐PID常数的技术。
背景技术
在半导体制造装置中，有批量式或单片式热处理装置，它们是将处理气氛分割成多个区域，对每个区域进行温度控制。例如，在立式热处理装置中，立式的反应容器内沿上下分割成多个区域，每个区域设有加热器和温度控制器，且作为温度检测部，使用设在反应容器内的内部温度检测部、设在反应容器外的外部温度检测部、或配置在基板附近的曲线用温度检测部等，进行规定的温度特性的调整。在这种情况下，通常进行PID控制，但另一方面，根据各段的加热器、调谐对象(温度检测部种类)、方案(是还包括升温步骤的设定模式等的意味)，要求各种各样的温度特性结果，为此，需要采用适应要求的最优PID常数。
作为这样的实施PID常数的调谐的方法，已知有将某个大小的功率，分段式输入加热器，由例如内部温度检测部求得其输出，由此时传递函数、频率、振幅计算PID常数的方法，求得的PID的常数适用于所有方案。作为该计算的算法，有极限灵敏度法、模糊数学法、模型应用等，但存在如下所述的问题。
极限灵敏度法或模型应用在用于多级加热器时，各加热器之间的干扰大，因此不能恰到好处地进行自动调谐，它们难以适用于级联控制。此外，模糊数学法或模型应用在硬件构成或调谐方案发生变化时，需要与之相应地变更模型或评价函数的系数，为此花费的开发工时就会增加。并且，在现有方法中，无法求得与方案相应的最优PID常数，且不能调节温度控制区域之间的温度特性。且有时温度升温至目标值时的溢出、欠程、回归时间、区域间的温度差中的任一参数的如何改善因用户的需求而异。再加上实际情况是，硬件构成发生变化时调谐精度变差等，在自动调谐的实施方面尚有多项研究事项悬而未决。
另外，在日本特开昭56-153404号公报的权利要求的范围内，揭示了先是粗设定PID常数，给工艺施加扰动，求取控制性测定值，根据该测定值，变更PID常数，依次反复进行这样的操作，自动调整PID常数的方法。但是，由于该方法是与优化、恶化对应来变更PID常数，所以难以将PID收敛至适当值，且即使可以收敛也不得不进行相当多次的尝试。
发明内容
本发明就是在这样的情况下作出的发明，其目的在于，提供在进行通过PID控制的温度控制对被处理体进行热处理的装置中，能够可靠且简便地进行PID常数的调谐的技术。
根据本发明的热处理装置具备：收纳处理气氛和被处理体的反应容器；设在上述反应容器内，加热上述处理气氛的加热机构；检测利用上述加热机构加热的上述处理气氛的温度的温度检测部；和采用PID控制来控制上述加热机构的控制部，上述控制部具有：规则表，使处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量和PID常数的变化率对应而生成；执行机构，在设定PID常数后，反复执行利用上述加热机构，将处理气氛升温到目标温度，同时根据上述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的差分的步骤，和当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照上述规则表，通过与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定的步骤，直至上述差分达到允许范围内；和更新机构，参照上述规则表，变更PID常数，在温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新上述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系。
在根据本发明的热处理装置中，上述温度特性项目有多个，为将对应各温度特性项目的预测变化量的PID常数的变化率倒易时，优选在各温度特性项目之间附加优先级。
在根据本发明的热处理装置中，上述温度特性项目优选为作为上述温度检测部的温度检测值超过目标温度时的与目标温度的最大温度差的溢出值，温度检测值超过目标温度后，在低于目标温度时，为从目标温度起算的最大落差量的欠程值，和开始升温后，温度检测值相对于目标温度收敛至预定温度范围内的温度稳定时间这三者中的至少一个。
在根据本发明的热处理装置中，上述执行机构在上述温度特性项目的实测值与目标值的差分偏离允许范围且比规定值小时，优选为不使用上述规则表就变更PID常数。
在根据本发明的热处理装置中，上述温度特性项目有多个，上述执行机构在不使用规则表就变更PID常数时，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目无变化时，优选为仅变更预先设定了影响该温度特性项目的PID常数的变化率。
在根据本发明的热处理装置中，上述温度特性项目有多个，上述执行机构在不使用规则表就变更PID常数时，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目有变化时，优选为将相继的循环之间使用的PID常数的平均值作为变更后的新PID常数使用。
在根据本发明的热处理装置中，上述反应容器分为多个分割区域，上述加热机构设有多个，并且各加热机构设在每个分割区域中，这些加热机构的各个优选通过上述控制部独立受到PID控制。
在根据本发明的热处理装置中，上述执行机构在根据与各分割区域对应的温度曲线求得的温度特性项目的实测值和目标值的差分进入允许范围后，判断与各分割区域对应的温度曲线是否聚齐，如果没有聚齐，优选根据预先确定的规则，调整与多个分割区域中的至少一个分割区域对应的PID常数。
在根据本发明的热处理装置中，上述规则表的上述温度特性项目包括，开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预定的温度范围内为止的温度稳定时间，上述执行机构在与各分割区域对应的温度曲线没有聚齐时，优选为，为使其它分割区域的温度稳定时间与对应于多个分割区域中的一个分割区域的温度稳定时间聚齐，调整与该其它分割区域对应的PID常数。
在根据本发明的热处理装置中，上述执行机构求取上述其它分割区域的温度稳定时间和上述一个分割区域的温度稳定时间的时间差，参照上述规则表，利用与对应于求得的时间差的温度稳定时间的预测变化量对应的变化率，变更与该其它分割区域相关的PID常数，进行再设定，上述更新机构优选为根据变更后的PID常数，更新上述规则表。
根据本发明的控制常数的自动调整方法具备：将被处理体在处理气氛内定位的工序；利用加热机构对被处理体进行热处理的工序；通过PID控制，进行上述加热机构的温度控制的工序；检测利用上述加热机构加热的气氛的温度的工序(a)；反复实施步骤(b1)和步骤(b2)，直至差分达到允许范围内的工序(b)，其中，上述步骤(b1)，设定PID常数后，通过上述加热机构将处理气氛升温到目标温度，同时根据上述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的上述差分，上述步骤(b2)，当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照将处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量与PID常数的变化率对应而生成的规则表，通过与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定；和在通过参照上述规则表变更PID常数的温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新上述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系的更新工序(c)。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述温度特性项目有多个，优选在各温度特性项目之间附加优先级，在将对应各温度特性项目的预测变化量的PID常数的变化率倒易时，优选根据上述优先级，决定是否使任一温度特性项目优先调谐。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，作为上述温度特性项目，优选为作为上述温度检测部的温度检测值超过目标温度时的与目标温度的最大温度差的溢出值，温度检测值超过目标温度后，在低于目标温度时的从目标温度起算的最大落差量的欠程值，和开始升温后，温度检测值相对于目标温度收敛至预定温度范围内的温度稳定时间这三者中的至少一个。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述步骤(b2)在上述温度特性项目的实测值与目标值的差分偏离允许范围且比规定值小时，优选为包括不使用上述规则表就变更PID常数的步骤。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述温度特性项目有多个，上述不使用规则表就变更PID常数的步骤，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目无变化时，优选为仅变更预先设定了影响该温度特性项目的PID常数的变化率。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述温度特性项目有多个，上述不使用规则表变更PID常数的步骤，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目有变化时，优选为将相继的循环之间使用的PID常数的平均值作为变更后的新PID常数使用。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述反应容器分为多个分割区域，上述加热机构设有多个，各加热机构设在每个分割区域中，各加热机构优选独立进行PID控制。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述工序(b)在根据与各分割区域对应的温度曲线求得的温度特性项目的实测值和目标值的差分进入允许范围后，判断与各分割区域对应的温度曲线是否聚齐，如果没有聚齐，则优选根据预先确定的规则，调整与多个分割区域中的至少一个分割区域对应的PID常数。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，上述规则表的上述温度特性项目包括，开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预先设定的温度范围内为止的温度稳定时间，在与各分割区域对应的温度曲线没有聚齐时，优选为，为使其它分割区域的温度稳定时间与对应于多个分割区域中的一个分割区域的温度稳定时间聚齐，调整与该其它分割区域对应的PID常数。
在根据本发明的控制常数的自动调整方法中，优选求取上述其它分割区域的温度稳定时间和上述一个分割区域的温度稳定时间的时间差，参照上述规则表，利用与对应于求得的时间差的温度稳定时间的预测变化量对应的变化率，变更与该其它分割区域相关的PID常数，进行再设定，上述更新机构根据变更后的PID常数，更新上述规则表。
本发明的存储介质是存储着用于使计算机执行控制常数的自动调整方法的计算机程序的存储介质，该控制常数的自动调整方法是具备将被处理体在处理气氛内定位的工序；利用加热机构对被处理体进行热处理的工序；通过PID控制，进行上述加热机构的温度控制的工序；检测利用上述加热机构加热的气氛的温度的工序(a)；反复实施步骤(b1)和步骤(b2)，直至差分达到允许范围内的工序(b)，其中，上述步骤(b1)，设定PID常数后，通过上述加热机构将处理气氛升温到目标温度，同时根据上述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的上述差分，上述步骤(b2)，当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照将处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量与PID常数的变化率对应而生成的规则表，通过与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定；和在通过参照上述规则表变更PID常数的温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新上述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系的更新工序(c)的方法。
附图说明
图1为表示本发明实施方式的立式热处理装置的纵剖侧视图。
图2为表示本发明实施方式中使用的控制部的框图。
图3为表示温度特性分析项目的说明图。
图4为表示溢出、欠程和回归的规则表的说明图。
图5为表示本发明实施方式的PID的运用流程的流程图。
图6为表示本发明实施方式的PID的运用流程的流程图。
图7为表示在温度特性与目标值的差分在规定数值以上时，计算PID常数的方法的说明图。
图8为表示溢出的规则表的更新例的说明图。
图9为表示溢出的规则表的更新例的第2说明图。
图10为表示温度特性与目标值的差分比规定数值小时，计算PID常数的方法的说明图。
图11为表示本发明实施方式的PID的运用流程的流程图。
图12为表示使最迟区域以外的区域与最迟区域一致的状态和最快区域以外的区域与最快区域一致的状态的说明图。
图13为表示按照本发明的调谐前后的温度曲线的说明图。
图14为表示按照本发明的调谐前后的温度曲线的说明图。
图15为表示按照本发明的调谐前后的温度曲线的说明图。
具体实施方式
图1为本发明应用于立式热处理装置的实施方式的整体结构图。首先，对该立式热处理装置的整体结构进行简单说明，则图1中的符号2表示例如由石英制成的立式的形成圆筒状的反应容器。在该反应容器2的下端，作为搬入搬出口(炉口)而开口，该开口部21的周边部与凸缘22形成一体。在上述反应容器2的下方，设有与凸缘22的下表面相接并气密封闭开口部21的石英制盖体23。贯穿上述盖体23的中央部，设有旋转轴24，在其上端部，搭载有作为基板保持件的晶舟25。该晶舟25呈可将多个作为基板的晶片W以搁板状保持的结构。在上述旋转轴24的下部，设有成为使该旋转轴24旋转的驱动部的电动机M，在盖体23的上面以围绕上述旋转轴24的方式设有保温单元27。
在上述反应容器2的下部的凸缘22上，设置着插入其中的用于向反应容器2内的晶片W供给气体的L字型的喷射器28，使得可通过喷射器28向反应容器2中供给成膜所需的气体。且在反应容器2的上方，形成有用于排出反应容器2内的气体的排气口，该排气口与具备形成可将反应容器2内减压排气至所希望的真空度的真空排气机构的真空泵29的排气管30连接。
上述反应容器2的周围，设有固定在基体32上的筒状的绝热层31，在该绝热层31的内侧，设有由形成加热机构的阻抗发热体构成的加热器，例如呈上下多个分开设置。在该例子中，分割数为例如4级，呈给分割的加热器从第1级依次分配41～44的符号的结构。而且晶片的加热处理气氛在进行加热控制的基础上，在上下方向上分为4个区域(上段，中上段，中下段，下段)，这些加热器41～44呈负责4个区域(分割区域)的加热的结构。
此外，在反应容器2内，在与各加热器41～44对应的高度位置，分别设有相当于内部温度检测部的例如由热电偶构成的内部温度传感器TC1～TC4。这些内部温度传感器TC1～TC4设在例如安装在盖体23上的棒4中。且与各加热器41～44对应，设有电源部(电力供给部)51～54。
该立式热处理装置具备用于实施上述4个区域的温度控制而与各级加热器的电源部51～54对应设置的4个温度控制器61～64，和用于进行各温度控制器61～64的温度设定值和PID设定等后述控制动作的控制部7。上述温度控制器61～64是将各加热器41～44负责的区域的温度设定值，与内部传感器TC1～TC4的温度检测值的偏差利用后述PID计算部61a分别计算，将各加热器41～44的电力指令值分别提供给电源部51～54(参照图2)。接着，参照图2，具体说明与控制部7相关的内容。在图2中，80表示总线。该总线80与包括调谐条件设定部81、方案执行程序82、调谐程序83、规则表84、CPU85等的构成计算机的控制部7连接。在图2中，为表现这些功能，将其以框图表示。方案执行程序82和调谐程序83存储在例如硬盘、CD、MO、存储卡等存储介质中，然后再安装到计算机中。
方案执行程序82是用于执行从预先准备的多种方案中选择的方案的程序。方案是记载着每隔一定时间处理参数(温度、压力、气体种类、气体流量)呈何种状态的信息的数据库，程序将这些内容读出，依次对控制机器进行控制。
调谐条件设定部81起到例如通过软开关，由该立式热处理装置的控制系统管理员等受理各种调谐条件的设定的功能。在该调谐条件设定部81中，设定调谐对象、调谐控制模式、各种温度特性项目的目标值及这些温度特性项目间的优先级等条件。
调谐条件设定部81的调谐对象为与已述分割成4个区域的各级加热器41～44一一对应地设在反应容器2内的4个内部温度传感器TC1～TC4。调谐条件设定部81可相对于与各内部温度传感器TC1～TC4对应的温度控制器61～64，选择是否执行PID常数的调谐。
另一方面，根据热处理装置的种类，在反应容器的外部设有与各区域的加热器41～44对应的外部温度检测器，存在根据该外部温度检测器调整温度曲线的情况。另外，如背景技术中所述那样，存在在维修保养等时，在晶片的附近，在每个区域设置曲线用温度检测器的情况。因此，调谐条件设定部81的调谐对象并非限于如本实施方式所述的内部温度传感器TC1～TC4，调谐条件设定部81可设定使用哪一类别的温度检测部。
作为调谐控制模式，可举出级联方式和比例混合控制方式等。
接着，参照图3，说明该调谐条件设定部81中设定的各种温度特性项目。图3为使用实施方式的温度控制器61～64进行加热器41～44的温度控制的结果，模式地表示利用内部温度传感器TC1～TC4检测出的反应容器2内的温度曲线(温度变迁数据)。例如，当进行将该反应容器2内的温度(工艺温度)从预热温度升温至预先决定的目标值的温度控制(PID控制)时，表现出反应容器内温度在温度控制开始后立即上升，一旦超过目标值以后，徘徊于目标值下方或上方，并逐渐向目标温度收敛的变化。
对于这样的典型的温度曲线，在本实施方式中，对(1)表示超过目标值的反应容器内温度与目标值的最大差(绝对值)的“溢出值”(相当于图中的温度差“a”)、(2)表示一旦超过目标值后，低于目标值的反应容器内温度与目标值的最大差的“欠程值”(相当于图中的温度差“b”)、(3)表示反应容器内温度的温度变化收敛至目标温度范围(以目标值为中心值的预先设定的，例如中心值±1℃的温度范围)内为止的时间的“回归时间”(相当于图中的时间“c”)和(4)表示分成4部分的区域间的最大温度差的“区域间温度差”的4种温度特性项目设定目标值，根据设定的目标值，可自动调谐各温度控制器61～64的PID常数。
另外，如果对这些各温度特性项目设定目标值，根据该目标值调谐PID常数时，则也会产生最优调谐结果随温度特性项目而不同，即与温度特性项目的预测变化量对应的PID常数的变化率倒易的情况。为此，在这种情况下，决定任一温度项目是否优先调谐的温度特性项目间的优先级，也可在调谐条件设定部81设定。
回到图2的控制部7的说明，调谐程序83构成为执行在决定PID常数的各值，进行升温运转(RUN)后，根据来自该升温运转中的内部温度传感器TC1～TC4的温度检测值，生成温度曲线(温度变迁数据)，参照分析该温度曲线的结果和后述的规则表84，调整PID常数的各值的一连串处理。
规则表84是如图4(a)～图4(c)所示，将各温度特性项目的变化量的预测值(预测变化量)与PID常数的变化率进行对应的表。规则表84设有每一个温度特性项目，对这些各温度特性项目，在每一个例如以100℃为单位划分工艺温度的目标值的工艺温度带上设置规则表84。在此，图4(a)为与溢出的温度特性项目相关的规则表84a，图4(b)为与欠程相关的规则表84b，图4(c)为与回归时间相关的规则表84c。
对于温度特性项目之一的溢出(工艺温度带400℃)的规则表84a，参照图4(a)，说明具体例。规则表84a当以最左一列为第1列时，在第1列中，记载有该规则表84a所适用的工艺温度带，第2列记载着溢出的变化量的预测值，第3列～第5列记载着与第2列的预测值对应的PID常数的变化率。
例如，当着眼于该规则表84a的第3行时，I的变化率为0.55时，溢出的变化量的预测值为3℃，预测溢出可减小3℃。在此，变化率是指乘以预先决定的PID常数的标准值计算出的比率，例如，如果I的标准值为1000，则1000×0.55(＝550)就为下一次RUN时温度控制器61～64进行PID计算时使用的I值。
另外，调谐程序83具备根据使用规则表84执行RUN的结果，实施将规则表84修正为更恰当的值的学习功能的程序。该学习功能简而言之，就是预测已有的规则表84a中的溢出可能是减小3℃进行RUN时，实际上减小2℃时，根据实际的RUN结果，将规则表84a的3℃的地方变更为2℃的功能。
实际的RUN结果呈图4(a)所示的预测值之间的值的情况较多，在这样的情况下，插补根据得到的RUN结果变更的预测值，或根据预先决定的规则修正，对此，在整体流程的说明的部分进行详细说明。且调谐程序83此外还具备根据通过RUN得到的温度曲线，将PID常数的调整作业的内容分成各种场合执行的功能。
另外，权利要求的范围中的执行机构相当于方案执行程序82和调谐程序83的一部分，更新机构相当于调谐程序83的一部分。
下面，根据图5所示的流程图，对利用上述调谐程序83执行的自动调谐动作的内容进行说明。
PID常数的自动调谐是在例如装置组装时，或维修保养等之后，在开始立式热处理装置的运转等之际进行，利用已述的调谐条件设定部81，设定调谐条件(步骤S1)。
在调谐条件的设定中，选择作为本次调谐对象的内部温度传感器TC1～TC4。然后，对各内部温度传感器TC1～TC4(以下也称为系统)，对溢出、欠程、回归时间和区域间温度差的例如所有4个温度特性项目的目标值进行设定，再对这些温度特性项目间的优先级进行设定。在此，在目标值的设定中，也进行允许范围的设定，以下，将温度特性项目在以目标值为中心的允许范围内的情况表示为“在目标值以内”。
在结束这些设定后，将标准晶片载置在晶舟25上，通入例如非活性气体并执行将反应容器2内的温度从例如200℃升温到目标值400℃的方案，取得该升温动作中的温度曲线(步骤S2)。在实际的热处理中，在将晶片搬入反应容器2内以后，待机至反应容器2内的温度稳定，然后向工艺温度(目标温度)升温之后，即使在自动调谐阶段，升温开始的状态也为反应容器2内的温度处于稳定的状态。此时，各区域的温度通过与各内部温度传感器TC1～TC4连接的温度控制器61～64进行PID控制，该PID计算是作为PID常数使用已述标准值(例如图4所示的规则表84a中，设定为P＝1000，I＝1000，D＝1000)进行。
在这样取得各区域的温度曲线后，根据取得的温度曲线，对各种温度特性项目进行分析(步骤S3)。即，由与4个系统分别相关的温度曲线，求取溢出、欠程、回归时间，至于区域间温度差，则是在例如上述方案的执行中，互相比较每隔一定间隔取样的4个系统的温度，进行求取其中的最高温度和最低温度的温度差的计算，将这样得到的温度差曲线的最大值作为区域间温度差。
在完成上述温度特性项目的分析以后，确认4个系统各自的溢出、欠程、回归时间(以下称为溢出等)是否达到目标值以内(步骤S4)。当就整个系统而言，这些溢出等的实测值在目标值以内时(步骤S4；Y)，进一步确认区域间温度差是否也达到目标值以内(步骤S6)，当该结果在目标值以内时(步骤S6；Y)，由于不需要调谐，所以，不变更PID常数的标准值，结束自动调谐动作(结束)。
另一方面，对于溢出等任一项温度特性项目，在连1个系统都没有在目标值以内时(步骤S4；N)，计算出与未达到目标值以内的温度特性项目对应的PID常数的再设定值(步骤S5)，向偏离目标值的温度控制器61～64反馈其再设定结果(步骤S8)。
这样，在结束对温度控制器61～64的PID常数的再设定后，反复实施方案的执行和温度曲线的取得(步骤S2)、温度特性项目的分析(步骤S3)、溢出等的实测值与目标值比较的动作(步骤S4)，直至整个系统的温度特性项目的实测值在目标值以内(步骤S4：Y)。
另一方面，尽管溢出等的实测值达到目标值以内(步骤S4；Y)，在仅是区域间温度差未达到目标值以内时(步骤S6；N)，计算出与该温度区域间温度差对应的PID常数的再设定值(步骤S7)，在偏离目标值的温度控制器61～64上反馈该结果(步骤S8)，与溢出等实测值从目标值以内偏离时同样，反复实施温度曲线的再取得和温度特性项目的分析(步骤S2～S4；Y，S6)，直至该区域间温度差在目标值以内(步骤S6；Y)。
这样，本实施方式的调谐程序83直至温度特性项目的实测值达到目标值以内为止，对温度控制器61～64反复实施PID常数的再设定。下面，对实施该再设定时采用的PID常数的计算方法，分为(1)与溢出等对应的PID常数的计算方法，和(2)与区域间温度差对应的PID常数的计算方法进行说明。
(1)与溢出等对应的PID常数的计算方法
图6表示计算与溢出等对应的PID常数的动作流程(与图5的步骤S5对应)。如上所述，在图5的步骤S4中，在存在溢出等温度特性项目的实测值偏离目标值的系统时，即存在温度特性项目的实测值与目标值的差分偏离允许范围的系统时(步骤S4；N)，判断偏离的温度特性项目的实测值与目标值之差是否达到预先规定的规定值以下(步骤S501)。
在此，规定值是进行在后述3种PID常数的计算方法中，是否使用任一方法的判断的基准之一，设定为比相对于目标值的已述允许范围大的值。而且，在上述温度特性项目的实测值和目标值之差比规定值大时(步骤S501；N)，有必要大幅度变更取得该温度曲线之际使用的PID常数，利用上述规则表84，计算出PID常数(步骤S502～S504)。另一方面，当该差在规定值以下时(步骤S501；Y)，由于无需大幅度变更PID常数，所以使用PID常数的变化较小的计算方法(步骤S505～S508)。下面，对该PID常数的计算方法，参照图6的流程图和图7～图10的说明图顺序说明。
首先，对利用规则表84的情况进行说明，在温度特性项目的实测值和目标值之差大于规定值时(步骤S501；N)，确认当时RUN的是否为第1次(步骤S502)。当该RUN为使用规则表84修正PID常数的第1次的RUN时(步骤S502；Y)，就直接参照规则表84，向计算PID常数的步骤推进(步骤S504)。另一方面，当该RUN为使用规则表84修正PID常数的第2次以后的RUN时(步骤S502；N)，利用这些多次RUN取得的温度曲线，实施将规则表84更新为更适当的值的学习功能以后(步骤S503)，根据更新的规则表84，进行PID常数的计算(步骤S504)。
在根据规则表84的PID常数的计算(步骤S504)中，如图4(a)中采用溢出例已说明的内容那样，对于未达到目标值以内的温度特性项目，为使这些项目与目标值一致，需要使必要的变化量一定，将与该变化量对应的变化率乘以PID常数的标准值计算得到的值作为修正后的PID常数。
在图7中，再次记录了图4(a)所示的规则表84a。按照该规则表84a，在必要的变化量为1.5℃、3℃时，可采用各行所述的变化率，计算出PID常数。另一方面，当必要的变化量与这些值不一致时，如图7所示，根据记载于规则表84a的3点数据，通过例如最小二乘法等生成近似式，通过将上述变化量代入该近似式，得到变化率。
例如，在图7所示的例子中，根据温度带400℃的溢出的规则表84a得到的近似式为y＝0.0556x2-0.3167x+1。其中，“x”为溢出的变化量，“y”为I值的变化率。
此时，由执行某次RUN取得的温度曲线，使溢出与目标值一致所需的变化量为2℃。由于2℃的变化量与1.5℃、3℃的哪一个都不一致，因此将“x＝2”代入上述近似式进行计算，以所得值“y＝0.59”为I的变化率，反馈PID常数的修正。
当根据以上说明的方法计算PID常数的再设定值时(步骤S504)，该再设定值反馈到温度控制器61～64，再次进行温度曲线的取得(图5，步骤S8～S3)。然后，当在第2次以后的RUN时，温度特性项目值同样未达到目标值以内(图5的步骤S4；N)，且该温度特性项目的实测值与目标值之差超出规定值时(图6的步骤S501；N，S502；N)，使用由本次RUN得到的温度曲线，实施学习功能(步骤S503)。
关于该学习功能，参照图8、图9说明变更图4(a)所示的规则表84a的操作顺序。图8为仅修正规则表84a的变化量的案例的操作顺序。图9为需要对变化量和与之相应的变化率两者都进行修正的案例的操作顺序。另外，以下所示的溢出等实测值是为便于说明规则表84a的更新操作顺序而表示的量，而不是严格表示例如执行图6的流程图所示的动作时所得的值的量。
首先对图8的案例进行说明，首先，如上所述，以PID常数为标准值进行第1次的RUN后，溢出为3℃。此时，使溢出与目标值一致所需的变化量为3℃，因此，选择图8(a)的表中第3行的变化率0.55。
在根据该变化率对温度控制器61～64的I值进行再设定，执行了第2次的RUN后，在依然有1℃的溢出时，可知，I值乘以0.55的变化率计算得到的变化量，实际上为2℃。在此，为了将规则表84a修正为更恰当的值，如图8(b)所示，将与变化率0.55对应的变化量修正为2℃。在仅修正变化量时，学习功能按照这样的操作顺序实施(步骤S503)。而且，根据修正的规则表84a，生成新的近似式，将上述第2次的RUN的溢出1℃作为下一次的变化量而输入到该近似式，根据这样得到的变化率，计算出执行第3次的RUN时的PID常数(步骤S504)。
接着，对图9的案例进行说明。在图9(a)中，执行第1次的RUN后的结果，在溢出为3℃时，作为I值的变化率选择0.55这一点与图8(a)同样。该变化率在执行了第2次的RUN后，在依然有2℃的溢出时，I值乘以0.55的变化率计算得到的变化量，实际上为1℃。
此时，判断修正图9(a)的规则表84a中的任一行是否适当。由于规则表84a中记载的0℃、1.5℃、3℃的3点中，与第2次RUN时实际所得变化量最接近的值为第2行的1.5℃，所以修正该第2行的变化量。另外，第2行设定的I值的变化率为0.65，所以该值也必须修正为0.55。其结果是，如图9(b)所示，变化量、变化率这两个值修正为实际所得的值。
执行这样的修正后，使得图9(b)中，在第2行和第3行中，I值的变化率最终为同样的值。这样保持下去，则不能在变化量的预测值和I值的变化率之间形成一一对应关系，因此，进一步进行第3行的修正。在此，在本实施方式中，例如，在图9(a)的第2行和第3行之间成立的相对于变化量的变化的I值的变化的斜率，假设为修正后也没有变化，以保持该关系的方式修正第3行的I值(图9(c))。在将变化量和与之对应的变化率的双方进行修正时，采用这样的操作顺序实施学习功能(步骤S503)。下面，由于根据经过修正的规则表84a进行PID常数的再设定的步骤S504的操作顺序与图8(a)的案例同样，因此省略说明。
以上，对温度特性项目与目标值之差比规定值大时的情况(步骤S501；N)的PID常数的计算方法，说明使用规则表84a的方法。接着，对上述的差在规定值以下时(步骤S501；Y)的PID常数的计算方法，参照图6的流程图和图10进行说明。
在该情况下，接着上述的判断(步骤S501；Y)，确认当前的RUN是否为第1次(步骤S505)。当该RUN为微调PID常数的第1次的RUN时(步骤S505；Y)，对应的PID常数减小很少量，例如将I的标准值1000减小2～3％左右(步骤S507)，根据该再设定值，执行第2次的RUN。
另一方面，当该RUN为微调PID常数第2次以后的RUN时(步骤S505；N)，进行在上一次RUN和这一次的RUN之间，偏离目标值的温度特性项目是否变化的判断(步骤S506)。在温度特性项目无变化时(步骤S506；N)，除了与第1次同样地加上上一次的变更以外，还将PID常数缩小2～3％，进行下一次的RUN(步骤S507)。
在此，偏离目标值的温度特性项目没有变化是指，如图10(a)所示，相对于上一次(第n-1次)的RUN时取得的温度曲线，这一次(第n次)的RUN中取得的温度曲线的温度特性项目(例如，图10(a)中的溢出)渐渐得到改善。而且，通过下一次(第n+1次)的RUN也继续微调，可在避免PID常数变动过大从而导致调谐结果离散的危险的同时，改善温度曲线。
反之，当上一次的RUN和这一次的RUN之间，偏离目标值的温度特性项目发生变化时(步骤S506；Y)，将上一次、这一次的各RUN中使用的PID常数的平均值作为再设定值，执行下一次的RUN(步骤S508)。
偏离目标值的温度特性项目发生变化是指，如图10(b)所示，相对于上一次(第n-1次)的RUN时取得的温度曲线，这一次(第n次)的RUN中取得的温度曲线的温度特性项目发生大变化的可能性大(图10(b)中，不是指溢出消失，而是指回归时间增长)。在此，下一次(第n+1次)的RUN通过将第n次、第n+1次的RUN中使用的PID常数的平均值作为再设定值，可得到溢出、回归时间均达到良好程度的值的温度曲线的可能性很高。
这样，如果上述温度特性项目的实测值和目标值的差分偏离允许范围且比规定值大时，使用上述规则表84；当该差分比规定值小时，不使用上述规则表84，而是将PID常数例如如上所述那样进行变更，则可以防止PID常数的变化率变得过大而导致离散的现象。另外，微调PID常数的方法并不限于已述的案例。
(2)与区域间温度差对应的PID常数的计算方法
图11表示计算与区域间温度差对应的PID常数的动作流程(与图5的步骤S7对应)。如上所述，当尽管溢出等温度特性项目的实测值达到目标值以内(步骤S4；Y)，仅区域间温度差不在目标值以内时(步骤S6；N)，对4个区域的温度曲线彼此之间进行比较，对回归时间最迟的区域(以下称为最迟区域)的温度曲线进行溢出与目标值之差是否达到第2规定值以下的确认(步骤S601)。
由于通过先行的动作，使溢出等温度特性项目已变为在目标值以内(即，比图6的流程图中使用的规定值小的值)，因此，第2规定值设定为例如比允许误差小的值。而且，溢出与其目标值之差达到规定值以下时(步骤S601；Y)，以使最迟区域以外的3个区域的回归时间与最迟区域一致的方式计算PID常数的再设定值(步骤S602)。具体而言，例如与图4(c)所例示的回归时间相关的规则表84c设在每一个区域中，使用这些规则表84c，计算出延迟回归时间的P值。回归时间的计算例如可按照图7所说明的与溢出相关的PID常数的再设定值的计算同样的操作顺序进行。
其结果是，如图12(a)中模式地说明那样，关于溢出，可不变更受到良好调谐的最迟区域的次迟区域的PID常数，减小区域间的温度曲线的离散。另外，在图12中，为方便图示，仅表示了3个区域间温度曲线。
另一方面，在即使使用规则表84c进行PID常数再设定，也不能使区域间的温度差达到目标值以内时，与使用图8、图9说明的溢出的情况同样，通过学习功能，将规则表84c修正至更恰当。这样之后，反复进行使用修正过的规则表84c再设定PID常数，并执行下一次的RUN，直至区域间温度差达到目标值以内的该动作。
反之，在最迟区域的温度曲线中的溢出与目标值之差未达到第2规定值以下时(步骤S601；N)，与步骤S603相反，以使最快区域以外的3个区域的回归时间与最快区域一致的方式计算PID常数(步骤S603)。此时，也可以在计算PID常数时使用规则表84c，但由于变化量的调整方向为相反方向，所以，通过将规则表84c的近似式外插至回归时间的相反方向，可特定加速回归时间的变化率。
其结果是，在最迟区域的溢出未达到第2规定值以下时，如图12(b)所示，即使经过回归时间进行控制，溢出的调谐结果也不会有在此之上的改善，因此，进行使温度曲线的收敛优先，且减小区域间的温度曲线的偏差的调谐。且在该动作中，在即使使用规则表84c进行PID常数再设定，区域间温度差也未达到目标值以内时，反复实施将规则表84c修正至更恰当的学习功能，和PID常数的再设定，直至区域间温度差达到目标值以内。
这样，当对应各区域的温度曲线没有聚齐时，为使与多个区域中之一的区域(最快区域或最迟区域等)对应的回归时间，与其它的区域的回归时间聚齐，通过调整与该其它的区域对应的PID常数，可使区域间的温度曲线聚齐。按照上述实施方式，设定PID常数后，将处理气氛升温，取得温度曲线，一旦温度特性项目的实测值与目标值的差分超出允许范围，则参照规则表84，通过与对应于该差分的该温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定，然后，反复同样的步骤，直至上述差分达到允许范围内。而且，根据使用上述规则表84后的温度特性项目的实测变化量，为更新规则表84中的PID常数与该温度特性项目的实测变化量的对应关系而使规则表具备学习功能，因此可以可靠并简便地将PID常数自动设定至适当值。且由于具备减少区域间的温度差的功能，所以可抑制基板间的处理的偏差，有助于提高合格率。此外，可根据执行自动调谐的方案和温度检测器的种类等进行调谐，因此可执行符合客户需要的调谐。
实施例
接着说明为了确认本发明的效果而进行的实验。
(实施例1)
使用上述立式热处理装置，使加热器的设定温度为300℃，搬入保持有标准晶片的晶舟25。在将晶舟25搬入反应容器2内以后，待机6分钟左右，使反应容器2内的温度稳定。之后，将加热器的设定温度上升到800℃。此时反应容器2内呈非活性气体的减压气氛。图13(a)为第1次RUN中由各内部温度传感器TC1～TC4得到的温度曲线。图13(b)为根据图5所示的流程图，至第3次RUN为止，执行自动调谐得到的温度曲线。如果将图13(a)、图13(b)进行比较，随着RUN次数增加，例如可减小上段的内部温度传感器TC1的溢出，此外可减小各温度传感器TC1～TC4的温度曲线的偏差，执行良好的自动调谐。由此可知，在反应容器2内的处理区域中，解除温度斜度，使处理区域的温度均匀。
(实施例2)
除了在将晶舟25搬入反应容器2内之际，使加热器的设定温度为400℃，在使反应容器2内的温度稳定后，使加热器的设定温度为600℃以外，按照与实施例1同样的设定条件，进行第1次RUN。图14(a)为第1次RUN中由内部温度传感器TC1～TC4得到的温度曲线，图14(b)为执行第4次RUN之后的结果。如果将图14(a)和图14(b)进行比较，则第1次RUN观察到的上段的内部温度传感器TC1的溢出量减小，各区域的温度曲线的偏差也减小。
(实施例3)
除了在将晶舟25搬入反应容器2内之际，使加热器的设定温度为400℃，使反应容器2内的温度稳定后，将加热器的设定温度设定为760℃，如实施方式所述那样进行自动调谐，将溢出、欠程和回归时间收敛至目标值，但区域间温度差未收敛至规定值内时的温度曲线的一例表示在15(a)中。而且再进行图11所示的调谐后，区域间的温度差收敛至规定值内的状态的温度曲线表示在图15(b)中。根据该结果，本发明人也可以充分理解到图11的步骤是有效的这一结论。

Claims (21)

1.一种热处理装置，其特征在于，包括：
收纳处理气氛和被处理体的反应容器；
设在所述反应容器内，加热所述处理气氛的加热机构；
检测利用所述加热机构加热的所述处理气氛的温度的温度检测部；和
通过PID控制来控制所述加热机构的控制部，其中，
所述控制部包括：
规则表，其是使处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量和PID常数的变化率对应而生成的；
执行机构，反复执行在设定PID常数后，利用所述加热机构将处理气氛升温到目标温度，同时根据所述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的差分的步骤，和当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照所述规则表，根据与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，并进行再设定的步骤，直至所述差分达到允许范围内；和
更新机构，其在参照所述规则表变更PID常数的温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新所述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系。
2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，
为将对应各温度特性项目的预测变化量的PID常数的变化率倒易时，在各温度特性项目之间附加优先级。
3.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述温度特性项目是作为所述温度检测部的温度检测值超过目标温度时的与目标温度的最大温度差的溢出值；温度检测值超过目标温度后，作为在低于目标温度时的从目标温度起算的最大落差量的欠程值；和开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预定温度范围内的温度稳定时间这三者中的至少一个。
4.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述执行机构在所述温度特性项目的实测值与目标值的差分偏离允许范围且比规定值小时，不使用所述规则表，变更PID常数。
5.如权利要求4所述的热处理装置，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，
所述执行机构在不使用规则表变更PID常数时，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目无变化时，仅变更预先设定影响该温度特性项目的PID常数的变化率。
6.如权利要求4所述的热处理装置，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，
所述执行机构在不使用规则表变更PID常数时，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目有变化时，将相继的循环之间使用的PID常数的平均值作为变更后的新PID常数使用。
7.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述反应容器分为多个分割区域，
所述加热机构设有多个，并且各加热机构设在每个分割区域中，
这些加热机构的每个通过所述控制部独立进行PID控制。
8.如权利要求7所述的热处理装置，其特征在于：
所述执行机构，在根据与各分割区域对应的温度曲线求得的温度特性项目的实测值和目标值的差分进入允许范围后，判断与各分割区域对应的温度曲线是否聚齐，如果没有聚齐，则根据预先确定的规则，调整与多个分割区域中的至少一个分割区域对应的PID常数。
9.如权利要求8所述的热处理装置，其特征在于：
所述规则表的所述温度特性项目包括，开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预定的温度范围内为止的温度稳定时间，
所述执行机构，当与各分割区域对应的温度曲线没有聚齐时，为使其它分割区域的温度稳定时间与对应于多个分割区域中的一个分割区域的温度稳定时间聚齐，调整与该其它分割区域对应的PID常数。
10.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于：
所述执行机构，求取所述其它分割区域的温度稳定时间与所述一个分割区域的温度稳定时间的时间差，参照所述规则表，利用与对应于求得的时间差的温度稳定时间的预测变化量对应的变化率，变更与该其它分割区域相关的PID常数，进行再设定，
所述更新机构根据变更后的PID常数，更新所述规则表。
11.一种控制常数的自动调整方法，其特征在于，包括：
将被处理体在处理气氛内定位的工序；
利用加热机构对被处理体进行热处理的工序；
通过PID控制，进行所述加热机构的温度控制的工序；
检测利用所述加热机构加热的气氛的温度的工序(a)；
反复实施步骤(b1)和步骤(b2)，直至差分达到允许范围内的工序(b)，其中，所述步骤(b1)，设定PID常数后，通过所述加热机构将处理气氛升温到目标温度，并且根据所述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的所述差分，所述步骤(b2)，当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照将处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量与PID常数的变化率对应而生成的规则表，通过与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定；和
在参照所述规则表变更PID常数的温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新所述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系的更新工序(c)。
12.如权利要求11所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，在各温度特性项目之间附加优先级，
在将对应各温度特性项目的预测变化量的PID常数的变化率倒易时，根据所述优先级，决定是否使任一温度特性项目优先进行调谐。
13.如权利要求11所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
作为所述温度特性项目，使用作为所述温度检测部的温度检测值超过目标温度时的与目标温度的最大温度差的溢出值；温度检测值超过目标温度后，作为在低于目标温度时的从目标温度起算的最大落差量的欠程值；和开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预定温度范围内的温度稳定时间这三者中的至少一个。
14.如权利要求11所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述步骤(b2)包括，在所述温度特性项目的实测值与目标值的差分偏离允许范围且比规定值小时，不使用所述规则表，变更PID常数的步骤。
15.如权利要求14所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，
所述不使用规则表变更PID常数的步骤，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目无变化时，仅变更预先设定了影响该温度特性项目的PID常数的变化率。
16.如权利要求14所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述温度特性项目有多个，
所述不使用规则表变更PID常数的步骤，在相继的循环之间，在偏离目标值的温度特性项目有变化时，将相继的循环之间使用的PID常数的平均值作为变更后的新PID常数使用。
17.如权利要求11所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述反应容器分为多个分割区域，所述加热机构设有多个，各加热机构设在每个分割区域中，对各加热机构独立进行PID控制。
18.如权利要求17所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述工序(b)，在根据与各分割区域对应的温度曲线求得的温度特性项目的实测值和目标值的差分进入允许范围后，判断与各分割区域对应的温度曲线是否聚齐，如果没有聚齐，根据预先确定的规则，调整与多个分割区域中的至少一个分割区域对应的PID常数。
19.如权利要求18所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
所述规则表的所述温度特性项目包括，开始升温后，至温度检测值相对于目标温度收敛于预定的温度范围内为止的温度稳定时间，
当与各分割区域对应的温度曲线没有聚齐时，为使其它分割区域的温度稳定时间与对应于多个分割区域中的一个分割区域的温度稳定时间聚齐，调整与该其它分割区域对应的PID常数。
20.如权利要求19所述的控制常数的自动调整方法，其特征在于：
求取所述其它分割区域的温度稳定时间和所述一个分割区域的温度稳定时间的时间差，参照所述规则表，利用与对应于求得的时间差的温度稳定时间的预测变化量对应的变化率，变更与该其它分割区域相关的PID常数，进行再设定，
所述更新机构根据变更后的PID常数，更新所述规则表。
21.一种存储介质，其存储有用于使计算机执行控制常数的自动调整方法的计算机程序，其特征在于：
该控制常数的自动调整方法包括：
将被处理体在处理气氛内定位的工序；
利用加热机构对被处理体进行热处理的工序；
通过PID控制，进行所述加热机构的温度控制的工序；
检测利用所述加热机构加热的气氛的温度的工序(a)；
反复实施步骤(b1)和步骤(b2)，直至差分达到允许范围内的工序(b)，其中，所述步骤(b1)为，设定PID常数后，通过所述加热机构将处理气氛升温到目标温度，同时根据所述温度检测部的温度检测值，取得温度曲线，根据该温度曲线，求取温度特性项目的实测值和目标值的所述差分，所述步骤(b2)为，当该差分偏离允许范围且比规定值大时，参照将处理气氛升温到目标值时的温度特性项目的预测变化量与PID常数的变化率对应而生成的规则表，通过与对应于该差分的温度特性项目的预测变化量对应的变化率，变更PID常数，进行再设定；和
在参照所述规则表变更PID常数的温度特性项目的实测变化量和上一次循环中预测的该温度特性项目的预测变化量之间存在差异时，根据该实测变化量，更新所述规则表中的PID常数和该温度特性项目的预测变化量的对应关系的更新工序(c)。
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