JP2001092501A

JP2001092501A - 自動制御方法

Info

Publication number: JP2001092501A
Application number: JP26371099A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Katsumata; 洋文勝又; Hideki Ito; 英樹伊藤; Hidenori Takahashi; 英則高橋; Tadashi Ohashi; 忠大橋; Shuji Torihashi; 修治鳥觜; Katsuyuki Iwata; 勝行岩田
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-04-06
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP3854018B2

Abstract

(57)【要約】【課題】制御対象の制御量を、時間的に変化する目標
値に追従させる自動制御の際、制御量を目標値に対して
正確に追従させることができる設定値の設定方法を提供
することにある。【解決手段】ＰＩＤ制御装置１の前段に、二つの一次
フィルタ２及び３が接続されている。制御量の目標値
は、一次フィルタ２及び一次フィルタ３を順に経て、フ
ィードバック制御系を構成するＰＩＤ制御装置１に入
る。図中、ｓはラプラス演算子を表わす。なお、この例
では、一次フィルタ３の時定数Ｔ１は、固定値である
が、一次フィルタ２の時定数Ｔ２は、時間毎に変化する
様に設定される。これらの機能は、マイクロコンピュー
タで実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御対象の制御量
を、時間的に変化する目標値に追従させる自動制御方法
に係り、特に、目標値の変化パターンに対する追従性に
優れた設定値の設定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に、サーボ系の制御システムにおい
て、制御量（プロセス変数）の目標値の変化に応じて設
定値を設定する方法の各種の例を示す。

【０００３】図６（ａ）は、ステップ状のパターンを用
いて設定値を設定した例である。この様なパターンを使
用した場合、制御量に大きなオーバーシュートが発生し
たり、設定値の急激な変化に対して制御量が十分に追従
できなくなるという問題がある。

【０００４】図６（ｂ）は、線形のパターンを用いて設
定値を設定した例である。この様なパターンを使用した
場合、設定値が瞬時に変化することがないので、設定値
の時間変化に制御量を正確に追従させることができる。

【０００５】図６（ｃ）は、一次フィルタを用いて設定
値を設定する例である。この様なパターンを使用した場
合、全体的には応答が速く、同時に、オーバーシュート
が発生しにくい。しかし、最終設定値付近での収束は遅
くなる。

【０００６】図７に、いわゆる目標値フィルタを組み入
れたサーボ制御系のブロック線図の一例を示す。ここ
で、Ｔは時定数、ｓはラプラス演算子を表わす。この例
では、ＰＩＤ制御が使用され、「目標値フィルタ付きＰ
ＩＤ制御」とも呼ばれている。この様な制御方法は、高
速で且つオーバーシュートも少なく、制御量を目標値に
正確に追従させることができる。

【０００７】（従来技術の問題点）例えば、シリコンウ
エーハの様な平板状の被加熱物を昇温する際、被加熱物
の全面をむらなく均一な温度分布状態で維持したまま、
所定の温度まで到達させることが要求される場合があ
る。その様な場合、ヒータを同心円状の複数のゾーンに
分割し、各ゾーンをそれぞれ独立に制御することによっ
て被加熱物の温度分布の均一化を図るとともに、昇温過
程においても、ヒータの各ゾーンに対応する被加熱物の
各位置の温度を、正確に設定値に対して追従させる必要
がある。

【０００８】この様な複数のゾーンから構成されるヒー
タを用いた加熱装置の制御に、先に図６（ａ）から
（ｃ）に示した設定値の設定用のパターンを適用した場
合、以下の様な問題点がある。

【０００９】図６（ａ）に示したステップ状のパターン
を用いた場合、昇温過程は、個別の加熱ゾーンの制御特
性のみに依存し、温度むらの問題は全く考慮されないこ
とになる。

【００１０】図６（ｂ）に示した線形のパターンを用い
た場合、昇温過程を考慮することができる。しかし、制
御対象の熱的特性によっては、制御量を正確に設定値に
追従させるために直線の傾きを緩やかに設定しなければ
ならず、応答が遅くなってしまう。また、パターン中の
直線と直線とのつなぎ目において、制御量に振動やオー
バーシュートが生じ易く、温度むらが発生する要因とな
る。

【００１１】図６（ｃ）に示した一次フィルタ状のパタ
ーンを用いた場合、設定値の変化に対して制御量を高速
で応答させることができるとともに、オーバーシュート
が生じ難く、最終設定値付近での温度むらが小さくな
る。しかし、目標値の変更直後に大きな操作量（制御入
力）が必要とされる。特に、各ゾーンの制御特性に偏り
がある場合には、特定のゾーンに長時間１００％以上の
出力が要求される。その様な場合、被加熱物に加熱むら
が発生することになる。また、先に述べた様に、全体的
には応答が速いが、最終設定値付近での収束は遅くな
る。

【００１２】図８に、通常の二次フィルタのパターンを
示す。立ち上がりの部分の傾斜は、先に図６（ｃ）で示
した一次フィルタと比較して、多少は緩やかになるが、
全体としては大差がない。なお、フィルタの時定数を大
きくすれば、立ち上がり部分の傾斜を更に緩やかにする
ことができるが、それに伴い、全体的に応答が遅くなっ
てしまう。従って、二次フィルタを用いて、立ち上がり
部分だけを改善することはできない。

【００１３】ウエーハの加熱装置において、ウエーハの
温度（制御量）を非接触状態で検出するためのセンサと
して、放射温度計が用いられている。放射温度計は、測
定対象物から放射される赤外線のエネルギーを検出して
温度に変換しているが、温度の低下に伴いエネルギー量
が急速に減少するので、広い温度範囲で正確に被加熱物
の温度を測定することはできない。そのため、例えば高
温領域用の放射温度計では、５００〜１３００℃といっ
た様な測定範囲が規定されている。

【００１４】測定下限値が５００℃の放射温度計を用い
てフィードバック制御を行う場合には、設定温度の下限
値を、放射温度計の測定下限値（５００℃）よりもある
程度高い温度（例えば５５０℃程度）に設定する必要が
ある。

【００１５】図９に、ヒータ及び放射温度計（測定範
囲：５００〜１３００℃）を備えた加熱装置を用いて、
ウエーハを室温から１０００℃まで昇温したときの温度
測定結果の一例を示す。図中、破線４はウエーハの温度
の設定値、実線５は放射温度計による検出値である。

【００１６】なお、この例では、ウエーハを面内で均一
に加熱するため、ヒータを同心円上に複数のゾーンに分
割し、それぞれのゾーン毎に独立にフィードバック制御
を行っている。また、フィードバック制御は、５５０℃
以上の温度範囲で行っている。ウエーハの温度が１００
０℃に到達した後、ウエーハの温度を１０００℃に維持
し、この状態で、ウエーハ上にシリコン薄膜の堆積を行
っている。図９に示したデータは、ウエーハの表面で、
上記の複数のゾーンの内の一つに対応する位置における
データである。

【００１７】ウエーハには、面内の温度差が大きくなる
と、スリップと呼ばれる結晶転移が生じる。この様なス
リップは、当該ウエーハを用いて生産される半導体素子
の不良の原因となる。スリップは、高温になる程発生し
易いが、６００℃程度でも発生すると言われている。こ
のため、ウエーハを１０００℃まで昇温する過程におい
て、６００℃以上の状態では、ウエーハの面内の温度差
を、できる限り小さくしなければならない。

【００１８】ところで、ウエーハの温度について、フィ
ードバック制御可能な温度が５５０℃程度以上なので、
この温度を最初の設定温度とする。ウエーハの温度が５
５０℃に到達するのを待ち、５５０℃に到達した後、５
５０℃から１０００℃まで温度設定値を線形に変化させ
る。この場合、５００℃以下ではウエーハの温度が測定
できないので、温度が低い状態が続くと、ヒータ出力が
１００％に達してしまう。そのため、温度が測定可能な
５００℃以上になっても、フィードバックによるブレー
キ効果がすぐには現れず、５５０℃に到達した直後にお
けるオーバーシュートが大きくなり、面内の温度差も大
きくなる。なお、設定値を曲線状に変化させれば、オー
バーシュートや面内の温度差の減少が期待できる。しか
し、ウエーハの種類によって温度が室温から６００℃程
度まで上昇する時間が異なり、適切な設定値曲線を決め
ることは容易ではない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
放射温度計を用いた従来の温度制御方法の問題点に鑑み
なされたもので、本発明の目的は、制御対象の制御量
を、時間的に変化する目標値に対して追従させる自動制
御の際、制御量を目標値に対して正確に追従させること
ができる設定値の設定方法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の自動制御方法
は、制御対象の制御量を、時間的に変化する目標値に対
して追従させる自動制御方法において、制御量の目標値
を、複数の一次フィルタを順に介してフィードバック制
御系に入力することによって、操作量を決定する様に構
成するとともに、前記複数の一次フィルタの内の少なく
とも一つの一次フィルタの時定数を、時間毎に変更でき
る様に構成し、制御対象の追従特性に合わせて、前記少
なくとも一つの一次フィルタの時定数を時間毎に変化さ
せて設定することを特徴とする。

【００２１】本発明の自動制御方法によれば、前記少な
くとも一つの一次フィルタの時定数を、制御対象の系の
追従特性に合わせて、時間毎に変化させて設定すること
によって、目標値に対する制御量の追従性を向上させる
ことができる。

【００２２】なお、前記少なくとも一つの一次フィルタ
の時定数を、制御量の前記検出値に対応させて変更する
方法もある。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に基づく自動制御方
法の一例について説明する。

【００２４】図１に、本発明に基づく自動制御方法のブ
ロック線図を示す。ＰＩＤ制御装置１の前段に、二つの
一次フィルタ２及び３が直列に接続されている。制御量
の目標値は、一次フィルタ２及び一次フィルタ３を順に
経て、フィードバック制御系を構成するＰＩＤ制御装置
１に送られる。図中、ｓはラプラス演算子を表わす。な
お、この例では、前段側の一次フィルタ３の時定数Ｔ１
は、固定値であるが、後段側の一次フィルタ２の時定数
Ｔ２は、時間毎に可変に設定することができる。これら
の機能は、マイクロコンピュータで実現される。

【００２５】次に、後段側の一次フィルタ２における演
算の具体的な内容について説明する。一次フィルタ２が
図２に示す様なブロック線図で表わされる場合、マイク
ロコンピュータでは、次式に従って入力信号Ｘ（ｎ）か
ら出力信号Ｙ（ｎ）が計算される。

【００２６】Ｙ（ｎ）＝Ｙ（ｎ−１）＋（ΔＴ／Ｔ２）・Ｘ（ｎ）・・・（１）ここで、“ｎ”は現在のサンプリングナンバー、“ｎ−
１”は一つ前のサンプリングナンバー、ΔＴはサンプリ
ング時間を示す。Ｔ２は、一次フィルタ２の時定数で、
この例では、その値が時間毎に変化させることができ
る。

【００２７】図３に、時定数を時間毎に変化させる際、
刻々の時定数を算出するフローチャートの一例を示す。
このフローチャートは、目標値の変更直後の立ち上がり
を、ゆっくりと応答させる際の例である。時定数Ｔ２の
初期値をＴ２ｓ、最終値をＴ２ｅとし、Ｔ２ｓ＞Ｔ２ｅ
とする。離散値計算のサンプリングタイミング毎に一定
の値ｍをＴ２から減算して行き、Ｔ２の値がＴ２ｅより
小さくなったら、そこで減算を終了させる。なお、この
計算は、設定値変更時間より短い時間で終了してもかま
わない。

【００２８】図４に、この様にして作成された設定値の
時間変化のパターンを示す。先に図８で示した通常の二
次フィルタと比べて、立ち上がり時にも緩やかに応答さ
せることによって制御出力を抑え、温度むらを減少させ
ることができる。この様な曲線形状は、どこの位置でも
連続的なので応答が振動的になりにくく、温度むらも生
じにくくなる。また、応答速度も遅くならない。

【００２９】図４に示した例で、時定数の初期値Ｔ２ｓ
の値を、より大きく設定すれば立ち上がりが緩やかにな
って行く。また、サンプリングタイミング毎に時定数の
値から一定の値を減算して行ったが、この一定の値を大
きく取れば急速に応答が速くなる。

【００３０】なお、上記の例では、サンプリングタイミ
ング毎に時定数の減算を行っているが、数サンプリング
毎に時定数の減算を行っても良い。また、減算ではな
く、一定の値を加算して行くこともできる。その場合に
は、初めは急で、徐々にゆっくりとした応答になって行
く。また、上記の例では、設定値を増大させているか、
減少させる場合でもかまわない。

【００３１】図５に、先に図９に示した例の場合と同様
に、ヒータ及び放射温度計（測定範囲：５００〜１３０
０℃）を備えた加熱装置を用いて、ウエーハを室温から
１０００℃まで昇温したときの温度測定結果を示す。図
中、破線４はウエーハの温度の設定値、実線５は放射温
度計による検出値である。ウエーハの温度は、図１に示
したフローに従って制御される。

【００３２】温度の目標値の初期値を５１０℃、最終値
を１０００℃とする。後段側の一次フィルタ２の時定数
Ｔ２の初期値を大きく取り、時間毎に徐々に減少させて
行く。また、この減少の速度もゆっくりしたものにして
おく。設定値は、制御開始時は、ゆっくりと上昇してい
く、温度計による測定値が５２０℃を超えたら、時定数
の減少速度を速くして行き、最終設定値の１０００℃ま
で連続的に時定数を変化させる。設定値の時間変化を表
す曲線がどこでも連続であるので、温度分布が発生しに
くく、制御対象（被加熱物）の特性が異なっても、事前
に設定値曲線を決めることなく、自動的に制御対象に合
った設定値曲線で温度制御をすることができる。また、
応答を速くすることもできる。

【００３３】制御対象の温度を複数のヒータゾーンで制
御する場合は、ゾーンの中でどれか１つのゾーンにおい
て設定値曲線を作成し、全てのゾーンについての共通の
設定値として用いれば温度分布を少なくすることができ
る。なお、この場合には、一番応答が速いゾーンを共通
の設定値とすればよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明の自動制御方法によれば、時間対
設定値の曲線の形状を、容易に且つ大きな自由度で定め
ることができる。更に、制御対象の状態（制御量）を検
出するセンサからの出力に連動させて時定数を変化させ
ることによって、制御対象の系の特性に合わせて時定数
を選択することができ、この結果、追従性を更に高める
ことができる。

【００３５】以上の結果、本発明の自動制御方法によれ
ば、制御対象の系の特性に合わせ、正確に設定値に追従
させてサーボ制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく自動制御方法の一例を表すブロ
ック線図。

【図２】図１中の一次フィルタ２による演算の内容を説
明する図。

【図３】図１中の一次フィルタ２の時定数Ｔ２の設定方
法の一例を示すフローチャート。

【図４】本発明の自動制御方法において生成される設定
値曲線の一例。

【図５】本発明の自動制御方法に基づいてシリコンウエ
ーハの加熱を行った時の、シリコンウエーハの温度変化
の一例。

【図６】設定値を作成する際の方法の各種の例を示す
図、（ａ）はステップ状のパターン、（ｂ）は線形のパ
ターン、（ｃ）は一次フィルタを用いたパターンを表
す。

【図７】従来のいわゆる目標値フィルタ付きＰＩＤ制御
のブロック線図。

【図８】従来の二次フィルタを用いて作成された設定値
曲線の例。

【図９】ウエーハを加熱する際、従来の線形のパターン
を用いて設定値を作成した時の温度制御結果のデータの
一例を示す図。

【符号の説明】

１・・・ＰＩＤ制御装置、２・・・時定数が可変の一次フィルタ、３・・・時定数が固定の一次フィルタ、４・・・温度設定値を示す点線、５・・・温度測定値を示す実線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤英樹静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社内 (72)発明者高橋英則静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社内 (72)発明者大橋忠神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者鳥觜修治神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者岩田勝行神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内Ｆターム(参考） 5H004 GA03 GA05 GB15 HA01 HB01 JA04 JA22 JB08 KB02 KB04 KB06 KB16 KB23 KB30 KC39 KC52 KC54 LA15 LB07 MA12 5H219 AA50 BB02 EE01 FF01 5H323 AA40 BB02 BB05 CA06 CB02 CB42 DA01 EE05 FF01 GG16 HH02 KK05 LL01 LL02 MM06 NN15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象の制御量を、時間的に変化する
目標値に対して追従させる自動制御方法において、制御量の目標値を、複数の一次フィルタを順に介してフ
ィードバック制御系に入力することによって、操作量を
決定する様に構成するとともに、前記複数の一次フィルタの内の少なくとも一つの一次フ
ィルタの時定数を、時間毎に変更できる様に構成し、制御対象の追従特性に合わせて、前記少なくとも一つの
一次フィルタの時定数を時間毎に変化させて設定するこ
とを特徴とする自動制御方法。
【請求項２】制御対象の制御量を、時間的に変化する
目標値に対して追従させる自動制御方法において、制御量の目標値を、複数の一次フィルタを順に介してフ
ィードバック制御系に入力することによって、操作量を
決定する様に構成するとともに、前記複数の一次フィルタの内の少なくとも一つの一次フ
ィルタの時定数を、時間毎に変更できる様に構成し、制御量の前記検出値に対応させて、前記少なくとも一つ
の一次フィルタの時定数を変更することを特徴とする自
動制御方法。