JP2002515648A - 加熱反応炉の温度制御システム - Google Patents

加熱反応炉の温度制御システム

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JP2002515648A JP2000548914A JP2000548914A JP2002515648A JP 2002515648 A JP2002515648 A JP 2002515648A JP 2000548914 A JP2000548914 A JP 2000548914A JP 2000548914 A JP2000548914 A JP 2000548914A JP 2002515648 A JP2002515648 A JP 2002515648A
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    • F27B9/063—Resistor heating, e.g. with resistors also emitting IR rays

Abstract

(57)【要約】 加熱反応炉(10)の温度制御システムであって、所定の温度範囲に最適化したダイナミックモデルを利用した複数の温度制御器からなり、一つの温度制御器の温度範囲が他の制御器の温度範囲と重ならないようになっている。この制御システムは強化型温度勾配論理を利用していると共に、非バーチャル温度検出器(36、42)にハードウェアトラブルが発生すればバーチャル温度検出器を利用する。温度検出器のトラブルが検出されると、制御システムが実際の温度検出器(36、42)をバーチャル温度検出器に置き換える。また、加熱素子(30)のトラブルを検出して、制御モードを切り換える制御論理も備わっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 半導体ウェハやその他の微小電子部品の処理が、大量の回路及び部品が生産さ
れ、それに伴ってその価値が著しく高まっていることから、経済上著しい意義を
持つようになっている。競争に伴う圧力で生産が非常に大きな変化を遂げている
。その一つに、トランジスタやその他のデバイスを構成する回路及び部品の寸法
が小さくなったことが上げられる。この寸法減少は、例えば半導体ウェハやその
他の基板に沢山の回路を設けることにより回路の高集積化したり、簡素化及び複
合化し、生産費の減少させる必要性からもたらされている。
【０００２】 集積回路やその他の微小電子部品に使われている部品寸法が劇的に減少してい
るものの、それでも更に減少させる努力がなされている。部品寸法が減少するに
伴い、処理時での温度を正確に制御する重要性がますます高まっている。半導体
ウェハやその他の基板などが処理される温度は、ドーパントの拡散や材料の付着
、その他の熱作用を伴う処理においては一次的な影響がある。従って、所望の熱
処理の仕様に合わせるには、正確な温度制御のできる処理装置を用意するのが重
要である。
【０００３】 半導体装置の熱処理において発生する温度制御のフィードバック上の問題につ
いては幾つかの捉え方がある。その一つに、母材の温度をユーザが設定する処理
「処方」に合わせることが挙げられる。ここでの「処方」には、ウェハやその他の基
板に対してなすべき全体の熱処理を決定付ける設定温度、温度処理期間、温度上
昇率などがある。この処方は一般にはユーザがプログラム化しており、最終製品
を生産するのに求められる特定の熱処理要件に応じて変わる。処方の各細目につ
いては、便宜上三つの異なった段階があるものと見ることができる。一つには、
作用温度が低レベルの設定温度から高レベルの設定温度へと上昇する昇温段階、
もう一つには作用温度が高レベルの設定温度から低レベルの設定温度へと下降す
る減温段階がある。この昇温段と減温段との後には、設定処理温度を所望の一定
値に保つ期間が続いている。この一定温度段階には、昇温が終わり、一定または
ほぼ一定の温度が達成される安定期間が含まれている。これらの一定温度段階、
昇温段階、減温段階は一処理サイクル中に一回発生することもあれば、数回発生
することもある。終局的には、温度制御上の問題は、所望処方温度が達成される
かどうか、また、一生産操業から次の生産操業にかけて比較的一貫した温度を達
成できるかどうかに関係している。
【０００４】 利用する温度処方が簡単なものであるにしても、また複雑なものであるにして
も、処理の各段階は、温度と熱反応に影響のある一つかそれ以上の補助処理ガス
ないし蒸気相にある処理成分が導入されると更に複雑になることがある。この補
助処理ガスとしては一般に、ドーパントや付着材、蒸気などを含む気体がある。
【０００５】 種々の温度制御上の問題は、熱処理制御システムが益々厳しくなっている微小
電子回路製造業界からの要件を満たすものでなければならないのであれば、当該
熱処理制御システムからもたらされている。例えば一ロットのウェハ全てを一回
の熱処理サイクルにわたって同一温度条件に晒す必要がある。そのようなときに
制御しないままにしておくと、処理炉内にウェハが一列に並んでいるところ、こ
の列の両端側に置いたウェハの間では、処理炉の中間部に置いたウェハに比べて
温度変化が発生する。その他、例えば処理炉内のウェハの列に沿ってウェハ間で
予測できない温度変化が起こることもある。
【０００６】 個々のウェハないしその他の処理母材の幅方向に沿って温度変化が発生すると
言った、温度制御上の問題もある。母材の周縁の回りに配置した加熱素子からの
熱が処理容器から放熱される。従って、ウェハの内側部分に比べてその周縁部で
の熱利得が変化することがある。それに、輻射熱伝達の度合いの変化や、隣接す
るウェハが影となって発生する温度分布のむら(radiant shadowing)なども、ウ
ェハに内在する問題を複雑化している。
【０００７】 総熱処理時間を短縮することも、熱処理制御器に関わる問題点である。処理時
間を短縮すると、一般に昇温段階での温度変化率を大きくせざるを得ないことが
ある。逆に、減温段階での温度変化率を大きくせざるを得なくなることもある。
温度変化率を大きくすると、昇温段階と安定段階との間及び安定温度と比較的高
速の減温段階との間での変移期間中に処方温度を保つのが非常に困難になる。
【０００８】 従来では、半導体用加熱反応炉には、温度を制御するのに比例積分微分(PID)
型制御器が使われている。最近に至っては、Ｈ-∞制御に基づくより正確な温度
制御モデルが公表されるにいたり、微小電子回路製造用反応炉に使われるように
なっている。斯かる制御器については、発明の名称を「Model Based Temperature
Controller for Semiconductor Thermal Processors(半導体用加熱処理装置の
ためのモデルによる温度制御器)」とする国際出願公開WO98/35531に開示されてお
り、ここに本願明細書の一部をなすものとして挙げておく。
【０００９】 前述の制御システムには好ましい動作モードがあって、例えばユーザが入力す
る処方の基づく熱処理サイクルを制御するのに実験を通じて策定したダイナミッ
クモデルを用いている。このダイナミックモデルは通常、所定の温度範囲にわた
って行う実験に基づいている。一般にこの所定温度範囲は、最も頻繁に使われる
反応炉の温度を中心として選定されているのが通常である。ダイナミックモデル
を策定するに当たって利用する所定温度を選ぶに当たっては、他の方法も採用す
ることがある。
【００１０】 本願発明者らは、実際の炉温度ないし処方の設定温度が所定温度範囲から逸れ
るに伴って、単一の制御器の精度が減少するのを見つけた。単一の所定温度範囲
に単一の制御器を使うと、設定値がこの温度範囲に入っている処理処方に対して
反応炉を利用するのが限られてくる。半導体ウェハやその他の基板に対して行う
熱処理工程が複雑になるに従って、広範囲にわたるダイナミックレンジでの処理
温度にわたり熱処理を正確に制御する必要性が望まれている。
【００１１】 温度制御上の問題としては、ユーザが設定する処理処方を実行しているときで
のハードウェアのトラブルの対処方が関係している。従来では、加熱反応炉の温
度制御に利用している温度制御システムが、直線勾配で所望設定温度まで加熱反
応炉を制御している。このようにして反応炉の温度が制御されている場合での反
応炉の温度-時間特性図を図１に示す。図示のように、反応炉の温度は、温度制
御器が反応炉の温度を最終的に設定値へ調節できる前にその設定温度をオーバー
シュートしてしまう。このようにオーバーシュートすると、半導体ウェハないし
その他の母材の熱処理が好ましくない方向に著しく変わってしまうことがある。
サブミクロン級半導体装置の製造に使われている先端処理技術による加熱反応炉
システムに益々求められている要求を鑑みるに、このようなオーバーシュートは
無視できないものとなっている。
【００１２】 更に、ユーザが設定する処理処方を実行しているときでのハードウェアのトラ
ブルの対処方の如何によっては、もう一つの問題点がある。即ち、処方を実行し
ている間、温度制御器は一般に一つかそれ以上の検出温度の入力信号に応答して
、加熱素子への供給電力を制御し、かくて反応炉の温度を制御するのに必要な制
御出力信号を出力するようになっている。ところが、その一つかそれ以上の検出
温度が、例えば温度検出素子側のハードウェアトラブルに起因して不正確なもの
であれば、出力される制御出力信号も不正確なものとなる。
【００１３】 加熱反応炉の温度制御に使われる温度制御システムは、反応炉の動作をシャッ
トダウンさせてしまうことがあり、この場合、温度検出素子側のハードウェアト
ラブルを検出すると同時に処方の実行を中断してしまう。その結果、反応炉が完
全にシャットダウンしてしまうと共に、母材に対する熱処理が中断されてしまう
。ところが半導体集積回路には熱処理条件が厳しいことからして、前述のように
熱処理が中断されてしまうと処理している半導体ウェハが全て不良品になってし
まう。それに伴う損害は、特に半導体ウェハが完成間近の最終段階にあれば、結
局高くつく。このことは、半導体ウェハが大きい(例えば３００ミリ)場合にも同
様にあてはまる。
【００１４】 更にもう一つの問題点としては、加熱素子側でのトラブル発生の検出とその取
り扱いに関係した問題がある。本発明者らは、加熱素子が種々の一過的条件が原
因となって動作不良になったものの、この一過的条件がなくなるか、或いは矯正
された後に正常動作に復帰することがある知見を得ている。このような場合、加
熱素子は所望温度まで加熱するに当たり不適切な態様で駆動され、それがために
処理中の母材が損傷を受けるか、或いは、加熱素子それ自体が別のトラブル(例
えば過熱など)をもたらすことがある。
【００１５】 また、本発明者らは、前述の諸問題点を認識した上で、それぞれの問題点をユ
ニークに、しかも、効果的に解消する加熱反応炉の温度制御システムをここに開
示する次第である。
【００１６】 (発明の開示) 本明細書では、加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムを開示している
。この温度制御システムは、複数の測定入力パラメータに第１ダイナミックモデ
ルを適用して第１群の制御値を発生する第１温度制御器を備えている。第１ダイ
ナミックモデルは、第１温度範囲にわたって最適化して、この第１温度範囲にわ
たり前記第１群の制御値をほぼ最適値にするように策定されている。この温度制
御システムには、複数の測定入力パラメータに第２ダイナミックモデルを適用し
て第２群の制御値を発生する第２温度制御器も備わっている。この第２ダイナミ
ックモデルは、第２温度範囲にわたって最適化して、この第２温度範囲にわたり
前記第２群の制御値をほぼ最適値にするように策定されている。第１温度範囲は
第２温度範囲とは異なっている。加熱反応炉の温度制御に利用すべき制御値は第
１群の制御値と第２群の制御値の何れかを判定するのに、制御出力選択スイッチ
論理が設けられている。第２群の制御値を反応炉の温度制御に用いるのであれば
、第１群の制御値を第２群の制御値へと駆動するために監視者利得フィードバッ
クシステム(observer gain feedback system)を用いる。同様に、この監視者利
得フィードバックシステムは、第１群の制御値を反応炉の温度制御に用いる場合
に、第２群の制御値を第１群の制御値へと駆動するためにも利用する。斯かる監
視者利得フィードバックシステムは、制御出力選択スイッチ論理が反応炉温度の
制御を第１及び第２温度制御器との間で切り換える場合に、反応炉温度の制御を
最適化するようになっている。また、他に温度制御器を追加して、他の温度範囲
をカバーするようにしてもよく、その場合、温度制御器の追加に応じて監視者利
得フィードバックを拡張する。
【００１７】 他の面での制御システムによれば、バーチャル温度センサーを設けて、それに
対応する非バーチャル温度センサーのハードウェアトラブルに備えている。非バ
ーチャル温度センサーにおけるトラブルを検出すると、温度制御システムが非バ
ーチャル温度センサーからバーチャル温度センサーに切り換えて制御システム入
力が与えられるようになっている。即ち、バーチャル温度センサーの論理回路が
、一つかそれ以上の入力変数を受けて、これらの入力変数をダイナミックモデル
に適用する。このダイナミックモデルは、測定入力変数を、当該測定入力変数に
より表された条件の下での非バーチャル温度センサーの値に近似したバーチャル
温度センサーの出力値に相関付けるようになっている。このようにして、処理処
方の実行を続行することができ、従ってハードウェアトラブルにより不良品とな
りかねない母材の数を減少させることができるのである。
【００１８】 別の面での温度制御システムにあっては、強化型温度勾配論理回路(enhanced
ramp trajectory logic)を備えている。
【００１９】 また別の面での温度制御システムにあっては、加熱素子がトラブルを起こした
場合にシステムの制御モードを切り換える制御論理回路が備わっている。このた
めに、一つかそれ以上の加熱素子が故障した場合に一ロットのウェハが全て駄目
になるの虞を最小限にすることができる。
【００２０】 （発明を実施するための最良の形態） ここに開示する加熱反応路用温度制御システムは、前述した諸問題を解消すべ
くなされたものである。ある一面でのここに開示する制御システムは、複数の温
度制御器を利用している。各温度制御器では、所定温度範囲に対して最適化した
一つかそれ以上のダイナミックモデルが利用されている。複数ある温度制御器の
内のある特定の温度制御器が最適化される温度範囲には、その他の温度制御器が
最適化される温度範囲が含まれていないのが望ましい。従って、反応炉の温度制
御に複数の制御器が利用できる。どの制御器を反応炉の温度制御に利用すべきか
は、温度制御システムへの一つかそれ以上の入力パラメータにもよる。各制御器
には、複数の制御器を互いに連繋させるフィードバック論理回路に対する監視者
利得が含まれている。この監視者利得フィードバック論理回路が、制御器の出力
をして反応炉の温度制御に使われている制御器の出力を追跡するようになってい
る。
【００２１】 他の面での制御システムには、バーチャル温度センサーが設けられており、そ
れに対応する非バーチャル温度センサーのハードウェアトラブルに備えている。
非バーチャル温度センサーにおけるトラブルが検出されると、温度制御システム
がそのシステムに対する入力として、非バーチャル温度センサーをバーチャル温
度センサーに自動的に切り換えるようになっている。即ち、バーチャル温度セン
サーの論理回路は一つかそれ以上の入力変数が供給されると、当該測定入力変数
により表された条件の下での非バーチャル温度センサーの値に近似したバーチャ
ル温度センサーの出力値に測定入力変数を相関付けるダイナミックモデルにこれ
らの入力変数を適用する。このようにして、処理処方の実行を続行することがで
き、従ってハードウェアトラブルにより不良品となりかねない母材の数を減少さ
せることができるのである。
【００２２】 また別の面での制御システムには、バーチャル熱電対論理回路が設けられてい
る。一つかそれ以上の熱電対素子おけるトラブル発生が検出されると、このバー
チャル熱電対論理回路が不良熱電対素子を置換するようになっている。これによ
り、一つかそれ以上の温度検出回路のトラブルで一ロットのウェハが全て無駄に
なる虞を最小限にしている。
【００２３】 更に別の面での制御システムには、加熱素子がトラブルを起こした場合にシス
テムの制御モードを切り換える制御論理回路が備わっている。このために、一つ
かそれ以上の加熱素子が故障した場合に一ロットのウェハが全て駄目になるの虞
を最小限にすることができる。
【００２４】 前述した本発明の諸様相は全て単一の温度制御器に組み込むこともできる。別
の方法としては、これらの温度制御システムの改良点を、本発明の他の様相とは
無関係に個々の素子に組み込むこともできる。
【００２５】 典型的な温度制御器 図１Ａは、本発明の温度制御システムで制御される加熱反応炉システム１０の
一実施の態様を示している。加熱反応炉システム１０は加熱反応炉１２からなる
。図１Ａに示しているのは縦配置型ではあるが、加熱反応炉１２としては横配置
型であっても、また、縦配置型であってもよい。
【００２６】 この加熱反応炉１２は、反応室を有する処理管１４からなる。この処理管１４
は石英または炭化珪素でできているのが望ましい。図示の実施の形態では、処理
管は、開放端１６を有するほぼ円筒形中空体にして、長手軸に沿ってある長さを
有するものとしてある。加熱反応炉システム１０には、処理管１４に対してウェ
ハ群２０を出し入れするボートローダないしパドル１８が含まれている。詳述す
れば、このボートローダ１８は、支持板２２と、該支持板と共に移動自在で、そ
の支持板２２が処理管に挿入されると処理管１４の開放端を閉鎖する扉２４とか
らなる。扉２４は、ウェハ群２０を処理管１４の処理室に装填した後、熱損を惹
起しないように処理管を封止遮断するようになっている。
【００２７】 ウェハ群２０は、例えば石英ないし炭化珪素製の複数のボート２６と、各ボー
ト２６に載置した複数のシリコンウェハ２６とからなる。各ウェハ群２０は、複
数のシリコンウェハ２６からなり、各ボート２４に複数のシリコンウェハ２６が
配置されている。図示の実施の形態では、各ボート２４におけるウェハは互いに
隔離されており、ウェハ２６のあるこれらのボートがウェハ処理列ないし半導体
母材処理列を構成している。
【００２８】 加熱反応炉１２には一つかそれ以上の加熱素子３０が備わっていて、これらの
加熱素子３０が処理管１４を囲繞している。図示の実施の形態では、これらの加
熱素子３０は抵抗加熱コイルからなり、処理管１４の長手軸と平行に処理室の長
さにわたって延在している。この加熱素子３０は複数の独立して制御しうる加熱
ゾーン３２を画成するように区画されているのが望ましく、これは加熱コイルを
独立して制御しうるゾーンに区画すべくその加熱コイルの長さ方向に沿って接続
部を設けることにより達成できる。これらのゾーンは、ゾーン毎のコイル、また
は、より大型コイルの各部分に両端に電力を供給することにより、互いに独立し
て制御できるようになっている。特に図４に示すように、加熱反応炉システム１
０には、各加熱ゾーン３２に制御された電力を供給するために高電流電圧トラン
ス３３とシリコン制御式整流素子(ＳＣＲｓ)３４とが備わっている。
【００２９】 加熱素子３０はセラミック断熱材３５に取り込まれている。この断熱材はウェ
ハ列の方へと熱を反射させるか、そうではなくとも仕向けるようになっていると
共に、処理列から離れたところでの熱流束の変動を最小限にするより均一な層を
成している。
【００３０】 処理温度を制御する際に利用する温度フィードバックと温度入力の何れか一方
、または両方は少なくとも二つの出力源、即ち、複数のスパイク熱電対３６と複
数のプロファイル熱電対４２とから入力されるようになっている。本願明細書に
おいて用いる熱電対なる用語は、熱電対のより特定の意味を含む種々の温度セン
サーを含むものと解すべきである。別の温度センサー構成も、この熱電対なる用
語を用いて説明する。
【００３１】 スパイク熱電対３６は、加熱素子３０と処理管１４との間の如くの適当な箇所
に配置されていて、それぞれのゾーンにおける加熱素子の温度を測定するように
なっている。これらのスパイク熱電対３６は加熱素子３０の長手方向に沿って隔
置されているが、各加熱ゾーン３２には少なくとも一つのスパイク熱電対３６が
臨むように配置されている。これらのスパイク熱電対３６はそれぞれの加熱ゾー
ンの温度もしくはそれぞれの加熱ゾーンにおける加熱素子の温度を表す特定的か
つ正確な情報を出力する。
【００３２】 プロファイル熱電対４２は、プロファイル棒４０に沿って配置されていると共
に、処理管１４内を延在する套管３８内に収容されている。この套管は好ましく
は石英ないし炭化珪素製であるのが望ましい。プロファイル棒４０は処理管１４
の長手方向に沿って平行に延在している。各加熱ゾーン３２には少なくとも一つ
の熱電対４２が配置されている。しかし、これらのプロファイル熱電対４２は必
ずしもスパイク熱電対３６と位置を合わせておく必要はない。これらのプロファ
イル熱電対４２は処理管１４の内部温度を測定して、それぞれの加熱ゾーンにお
けるウェハ群２０の温度を表す情報を出力する。
【００３３】 所望によっては、加熱反応炉のモデリング時に複数の熱電対付きウェハ４４を
利用してもよい。図１Ａに示した加熱反応炉１２に、そのモデリング時に熱電対
付きウェハ４４を収容させた加熱反応炉を図１Ｂに示す。これらの熱電対付きウ
ェハ４４はウェハ群１６に等間隔置きに隔離されていて、ウェハ２８の実際の温
度が正確に測定できるようにしている。各熱電対付きウェハ４４は、シリコンウ
ェハと二個の熱電対４６とからなり、この熱電対４６はシリコンウェハの縁部と
中心部とにそれぞれ貼り付けられている。各熱電対付きウェハ４４への熱電対４
６の貼り付けは、実際の温度が正確に得られるように例えばセラミック接着材を
用いて行う。
【００３４】 この基本構成の加熱反応システム１０は、広範囲の微小電子回路製造プロセス
に合わせて拡張することもできる。例えば、シリコンウェハ２８の表面において
材料を成長、拡散、或いは付着させるために処理管１４に調節された量の処理ガ
スをガス供給装置５０から選択的に注入する場合ではガス供給システムないしガ
ス供給制御盤４８をこの加熱反応炉システム１０に設けてもよい。図３に示すよ
うにこのガス供給制御盤４８には、弁５２とマスフロー制御器５４とが備わって
いる。マスフロー制御器５２は、処理管１４への処理ガスの流量を測定すると共
に、それを制御するのに使われている。尚、加熱反応炉１２にはトーチ６２が備
わっているが、このトーチ６２はしょり管１４の内側にあってもよく、外側にあ
ってもよい。このトーチ６２は、水素と酸素との混合気を燃焼させて処理管１４
内に蒸気を発生させて行う湿式酸化法で利用するものである。
【００３５】 他の実施形態では、処理管１４は低圧化学蒸着(ＬＰＣＶＤ)法がおこなえるよ
うに内部圧力が調節できるように構成されていてもよい。そのために、図３に示
す斯かる加熱反応炉システム１０には、圧力制御器５６と、処理管内の圧力を測
定して、前記圧力制御器５６に測定圧力を出力するバラトロン(baratron)ないし
その他の適当な圧力検出装置５８が備わっている。また、これらの実施の形態で
は、ポンプ類や弁類６０も、前記圧力制御器５６と連繋した状態で加熱反応炉シ
ステム１０に設けられていて、ＬＰＣＶＤ法においては処理管１４内の圧力を書
も内に調節できるようにしている。
【００３６】 前述のハードウェアの動作の制御は、ユーザがプログラム化した処方を入力、
実行するのに適したプログラマブル制御システムと当該ハードウェアとのインタ
ーフェースを介して行われるのが望ましい。図２において、加熱反応炉システム
１０は、加熱反応炉１２における温度とその他の処理プロセスを制御する制御シ
ステム６４を備えている。この制御システムは好ましくは二つのサブシステム、
即ち、処理シーケンスを受け入れて実行する処理シーケンスシステム６６と、前
記処理シーケンスに従って温度制御を行う温度サブシステム６８とに区画してあ
るのが望ましい。処理シーケンスサブシステム６６と温度制御サブシステム６８
との両方は、例えばユーザインターフェース８２を介して入力されるユーザ定義
処理処方に従うようになっている。
【００３７】 図示の実施形態では、処理シーケンスサブシステムには、ランダムアクセスメ
モリ７２と、制御論理を記憶するプログラマブルＥＰＲＯＭ７４と、複数のデジ
タル入出力チャンネル７６と、複数のアナログ入出力チャンネル７８と、ユーザ
インターフェース８２とインターフェースするマイクロプロセッサが含まれてい
る。外部(遠隔)通信が必要な場合では、該通信に備えて複数のシリアル入出力チ
ャンネル８０を含ませてもよい。その他のユーザインターフェースを利用するこ
とも可能ではあるが、図示の実施形態のおけるユーザインターフェース８２は、
ユーザがユーザ定義処理処方を入力できるタッチスクリーン型端末インターフェ
ースからなる。この処理処方では、ユーザは、処理工程毎に工程時間、ガス流量
、チャンバー圧、温度設定値、温度勾配などを定義する。温度制御に必要なパラ
メータ類は、入力パラメータとして温度制御サブシステム６８に伝えられるが、
この温度制御サブシステム６８はこの入力パラメータを利用して処方における温
度制御を実行する。このようなパラメータ入出力路を８７で示す。図示の実施形
態では、斯かるパラメータは、少なくともユーザが処方に従って入力する温度設
定値からなる。
【００３８】 前述したように、加熱反応炉システム１０には、ガス供給システムと圧力制御
システムの何れか一方、または、両方の如く、膜形成ないし照明(light)のため
に使われる拡張機器が備わっていてもよい。このようなシステムには、処理シー
ケンスサブシステム６６と、ガス供給システムと圧力制御システムの何れか一方
、または、両方とのインターフェースを司る図３に示す制御システムインターフ
ェースが備わっていてもよい。図３において、ガス供給制御盤インターフェース
１０４は、ガス供給制御盤４８と処理シーケンスサブシステム６８との間に介在
している。このガス供給制御盤インターフェース１０４は、マスフロー制御器５
４、ガス弁類５２、内部ないし外部トーチ６２、圧力制御器５６、ボートローダ
１８などと制御システム６４との間のインターフェースを行うようになっている
。更に、このガス供給制御盤インターフェース１０４は、加熱反応炉のためのハ
ードウェア安全インターロック(例えば、適切な混合比での酸素が混合している
水素の供給、トーチ６２の火炎の検出など)が備わっていてもよい。
【００３９】 温度制御システム６８は、ユーザ定義処方に従って加熱反応炉１２内の温度を
制御するようになっている。この温度制御は、所望の温度状態が測定可能なシス
テムパラメータによりモデル化されている加熱反応炉１２のダイナミックモデリ
ングに基づくものであるのが望ましい。動作においては、処方は、加熱反応炉１
２と所望の温度状態へと駆動するための一つかそれ以上のダイナミックモデルに
より使われる温度設定値からなる。
【００４０】 温度制御器を複数有する加熱反応炉 図４に戻って、温度制御サブシステム６８には、各加熱ゾーン毎に二つの入力
信号、即ち、各加熱ゾーンのプロファイル熱電対における温度が判断しうるプロ
ファイル熱電対入力と、各加熱ゾーンのスパイク熱電対における温度が反電子得
るスパイク熱電対入力との二つの入力信号が供給されるようになっている。これ
らのプロファイル及びスパイク熱電対温度は、図示の熱電対インターフェース１
３０を介して線２１５に沿って供給されて、線１３５における温度設定値入力と
共に、線１４０から出力される一つかそれ以上の加熱素子出力制御値を生成する
ために使われる。線１４０における出力制御値は加熱素子制御インターフェース
１４５の入力端に供給されて、線１５０を介してそれぞれの加熱ゾーンの素子に
供給する電力を制御するのに使われる。
【００４１】 図４は、温度制御サブシステム６８の一実施形態を示すに過ぎない。図示のよ
うに、複数の多変数制御器９６、９８、１００を用いている。各制御器９６、９
８、１００は、好ましくは他の制御器の温度範囲とは重複しない所定温度範囲に
わたって制御精度を最適化するために実験データから得られる一つかそれ以上の
ダイナミックモデルに基づいて構成されているのが望ましい。そのために、制御
器９６は低レベル温度範囲にわたって温度制御を最適化でき、また、制御器９８
は中レベル温度範囲にわたって温度制御を最適化でき、制御器１００は高レベル
温度範囲にわたって温度制御を最適化できるように、それぞれ構成されている。
制御器が担う温度範囲は一般に一つの範囲しか設けていないが、それぞれの温度
範囲が幾らか重複しているのが望ましい場合があり得る。システムに一実施形態
によれば、低レベル温度範囲は約５００℃を中心とし、中レベル温度範囲は約８
００℃を中心とし、高レベル温度範囲は約１０５０℃を中心としていてもよい。
各制御器が稼働する温度範囲は、これらの範囲の中心温度に対して大ざっぱに±
１５０°の拡がりを持っていることになる。
【００４２】 各制御器９６、９８、１００は、炉と加熱すべき母材の経験により導出したモ
デルに確固とした最適化制御理論を用いることにより構築されている。詳述すれ
ば、図示の実施形態においては、多変数制御器９６、９８、１００は、Ｈ-無限
制御理論を用いて構築されているのが望ましい。これらの制御器９６、９８、１
００において用いるモデルの導出に仕方については、前掲した国際出願公開WO98
/35531に開示されている。この国際出願公開に開示されているように、各制御器
の構成には二つのダイナミックモデル、即ち、スパイク出力に対するパワー入力
に関するモデルと、プロファイル出力に対するスパイク入力に関するモデルとの
二つのダイナミックモデルが使われているのが望ましい。しかしながら、他の多
変数制御論理を用いることも可能である。
【００４３】 図４に示した制御論理フローは、各制御器９６、９８、１００を構成するのに
用いた特定の制御理論とはほぼ無関係である。一般に求められている唯一の要件
は、各制御器９６、９８、１００としては一つかそれ以上の測定変数入力に基づ
いて正確な制御出力を発生できることである。
【００４４】 図示のシステムにおいては、各制御器への変数入力は設定値入力と、熱電対３
６、４２により検出された温度を表す一つかそれ以上の温度データ入力とからな
る。論理ブロック１５５として図示している設定値入力は、達成すべき設定温度
値を保持している。この値は、システム１０により実行されるべき特定の処方に
より求まり、各制御器９６、９８、１００の入力端に同時に供給される。同様に
、各制御器９６、９８、１００には、熱電対３６、４２が検出する温度値を表す
複数のデータ値が同時に入力されるようになっている。設定温度値と熱電対デー
タ値とは各制御器９６、９８、１００にそれぞれ対応するダイナミックモデルに
供給されて、線１６０、１６５、１７０を介してそれぞれ出力される出力制御値
を発生するようになっている。
【００４５】 前述したように、各制御器が利用するダイナミックモデルは、他の制御器のダ
イナミックモデルに策定してある温度範囲をほぼ除外した温度範囲にわたって利
用できるように最適化されている。従って、線１６０、１６５、１７０における
出力制御値で、反応炉１２を所望設定温度へ駆動するのに利用できる実用的な可
能性が得られる。しかしながらこの可能性の一つだけは、制御器が利用するモデ
ルはモデル毎に異なっていて、所定温度範囲に対してのみ最適化されていること
から、所定の反応炉条件に対して最適化されていると言ったことがあり得る。従
って、温度サブシステム６８は、どの組の制御値を加熱素子、ひいては反応炉温
度を制御するために加熱素子点火インターフェース１４５に供給すべきかを選択
できるようでなければならない。
【００４６】 図示のシステムでは、どの組の制御値をインターフェース１４５に供給すべき
かの選択は、１７５を以て示した制御出力選択スイッチ論理回路により行われる
。図示のように、線１６０、１６５、１７０における制御値は制御出力選択スイ
ッチ１７５の入力端に供給され、斯かるスイッチ１７５が選択した組の制御値を
所定選択基準に基づいて制御値出力線１４０に出力する。選択基準は、制御器９
６、９８、１００を引き出すのに使用するどれかのダイナミックモデルが所定条
件下では最適なものであることを示す測定可能な入力値の基づいて策定されてい
るのが望ましい。
【００４７】 加熱素子点火インターフェース１４５に供給すべきどれかの制御値を選択する
に当たり制御出力選択スイッチ１７５が利用する基準の一つとしては、１３５に
おける設定値入力値がある。線１３５で示したように、設定値入力値は、制御出
力選択スイッチ１７５への入力として出力されていてもよい。線１６０、１６５
、１７０に示した制御値の内で制御出力選択スイッチ１７５の出力端に現れる制
御値の組は、線１３５における特定の温度設定値入力値によって変わる。
【００４８】 あるモードでの動作にあっては、温度設定値入力値の値に依存する切換え論理
は、各制御器９６、９８、１００に対して上限及び／又は下限設定温度閾値を割
り当てることになる。例えば、低レベル温度制御器９６の出力値１６０は、設定
温度値が所定の閾値ＴLow以下であればそれが選択されて出力線１６０へ出力さ
れる。又、設定温度値がＴLow以上だが、別の閾値ＴHigh以下であれば、中レベ
ル温度制御器９８の制御値１６５が選択されて出力線１６０に出力される。更に
、設定温度値がＴHigh以上であれば、高レベル温度制御器１００の制御値１７０
が選択されて出力線１６０に出力される。この例にあっては、ＴLowの値として
は、低レベル温度制御器９６が利用するダイナミックモデルが正確か、最適の少
なくとも何れかとなる上限温度値に近似するように選定されているのが望ましい
。別の方法としては(或いは、それに加わって)ＴLowの値としては、中レベル温
度制御器９８が利用するダイナミックモデルが正確か、最適の少なくとも何れか
となる下限温度値に近似するように選定されているのが望ましい。ＴHighの値と
しては、中レベル温度制御器９８が利用するダイナミックモデルが正確か、最適
の少なくとも何れかとなる上限温度値に近似するように選定されているのが望ま
しい。別の方法としては(或いは、それに加わって) ＴHighの値としては、高レ
ベル温度制御器１００が利用するダイナミックモデルが正確か、最適の少なくと
も何れかとなる下限温度値に近似するように選定されているのが望ましい。
【００４９】 加熱素子点火インターフェース１４５に供給すべきどれかの制御値を選択する
に当たり制御出力選択スイッチ１７５が利用する別の基準としては、一つかそれ
以上の熱電対３６、４２が検出する熱電対温度入力値がある。線１８０で示した
ように、熱電対温度入力値は、制御出力選択スイッチ１７５の入力として供給さ
れていてもよい。制御出力選択スイッチ１７５の出力として出されるのは、線１
６０、１６５、１７０における制御値の内どの組の制御値であるかは、線１８０
に出現する特定の熱電対温度入力値に依存する。好ましくは、図２におけるスパ
イク熱電対３６ａの如くの反応室の中間部近傍に設けた熱電対を利用して、熱電
対温度入力値を定めるのが望ましい。反応室の中間部近傍に配置されている熱電
対からは、反応室全体の平均的な温度を再現した温度入力が得られる。
【００５０】 動作に当たっては、熱電対温度入力値の値に依存する切換え論理は、各制御器
９６、９８、１００を出力に選択する温度範囲を割り当てることになる。熱電対
入力値が所定閾値ＴLow以下の範囲にある温度を表しているのであれば、低レベ
ル温度制御器９６の線１６０における制御値の組が選択されて出力線１４０に出
てくる。熱電対入力値がＴLow以上ではあるが、別の閾値ＴHigh以下での範囲に
ある温度を表しているのであれば、中レベル温度制御器９８の線１６５における
制御値の組が選択されて出力線１４０に出てくる。同様に、熱電対入力値がＴHi gh 以上の範囲にある温度を表しているのであれば、高レベル温度制御器１００の
線１７０における制御値の組が選択されて出力線１４０に出てくる。この例にあ
っては、ＴLowの値としては、低レベル温度制御器９６が利用するダイナミック
モデルが正確か、最適の少なくとも何れかとなる上限温度値に近似するように選
定されているのが望ましいが、別の方法としては(或いは、それに加わって)、中
レベル温度制御器９８が利用するダイナミックモデルが正確か、最適の少なくと
も何れかとなる下限温度値に近似するように選定されていてもよい。同様に、Ｔ High の値としては、中レベル温度制御器９８が利用するダイナミックモデルが正
確か、最適の少なくとも何れかとなる上限温度値に近似するように選定されてい
るのが望ましいが、別の方法としては(或いは、それに加わって)、高レベル温度
制御器１００が利用するダイナミックモデルが正確か、最適の少なくとも何れか
となる下限温度値に近似するように選定されていてもよい。
【００５１】 本発明者らは、特定の制御器の制御値が出力線１４０において利用されていな
くても、全ての制御器９６、９８、１００がそれぞれのダイナミックモデルに基
づく算出制御値を有するのが望ましいこと知見を得ている。しかし、以前に使わ
れなかった制御器に対する切換え基準が制御出力選択切換え論理１７５において
一旦満たされるとその使われなかった制御器の制御値出力へ切り換えるようなこ
とがあれば、制御システム６８が反応炉１２を次善(sub-optimal)の態様で所望
の設定温度値へと駆動することになることも本発明者らには判明している。これ
は、未使用の制御器で利用するダイナミックモデルが、制御値切換え前に使われ
た制御器のダイナミックモデルとは異なっているからである。このように異なっ
たダイナミックモデルにより、出力線１４０における出力にほぼ異なった制御値
が得られるのである。
【００５２】 制御値の組を切り換えているときに反応炉１２を次善に駆動(sub-optimal dri
ving)するの減少するために、各制御器９６、９８、１００を論理的に監視者利
得フィードバック論理装置１８５、１９０、１９５と温度制御論理装置２００、
２０５、２１０に区分けしている。各温度制御論理装置２００、２０５、２１０
は、設定値入力値１５５と、線２１５に現れる複数の熱電対データ値と、線２２
０、２２５、２３０を経て供給される監視者利得フィードバック論理装置からの
監視者利得フィードバック出力値との基づいたダイナミックモデルをそれぞれ実
行するようになっている。各監視者利得フィードバック論理装置１８５、１９０
、１９５には、対応する温度制御論理装置１８５、１９０、１９５に供給する監
視者利得フィードバック出力値を生成するのに利用する一つかそれ以上の入力値
が供給されている。図示の実施形態では、各監視者利得フィードバック論理装置
１８５、１９０、１９５には、対応する温度制御論理装置２００、２０５、２１
０により算出された一つかそれ以上の制御器出力値が線２３５、２４０、２４５
を介して供給されていると共に、制御出力選択スイッチ論理１７５から供給され
るフィードバック値が線２５０、２５５、２６０を介して供給されている。線２
３５、２４０、２４５における制御器出力値は好ましくは、最終的には制御器出
力における制御値を算出するために、温度制御論理装置内において監視者フィー
ドバック路で使われる対応する温度制御論理装置内にて算出されるデータ値であ
るのが望ましい。制御出力選択スイッチ論理１７５から出力される監視者フィー
ドバック値は、出力線１４０への出力として選択された特定の制御器の制御出力
を示す含んでいる。
【００５３】 動作について言えば、特定の制御器に対する線２２０、２２５、２３０におけ
る監視者利得フィードバック値は、特定の制御器の制御値出力が加熱素子点火イ
ンターフェース１４５への出力に備えて出力線１４０に供給されているかどうか
に応じて、線２３５、２４０、２４５における所定組の制御器出力値ごとに異な
っている。例えば、線２５０における値入力が、線１６０における制御器９６の
出力が出力線１４０に出されたことを示した場合、線２３５における所定組の低
温度制御器出力値で一組の制御値Ｘが線１６０を介して出力される。又、線２５
０における値入力が、線１６０における制御器９６の出力が出力線１４０に出さ
れていないことを示した場合、線２３５における前記所定組の低温度制御出力値
で別の一組の制御値Ｙが線１６０を介して出力される。このため、線２５０、２
５５、２６０におけるアナログの監視者フィードバック値を除外した線２３５、
２４０、２４５における制御器出力モデルは、特定の制御器の制御値出力が出力
線１４０を介して供給されるのであれば、対応する監視者利得フィードバック論
理装置１８５、１９０、１９５による第１制御マトリックス計算の対象とするが
、特定の制御器の制御値出力が出力線１４０を介して供給されるようなことがな
い場合では、対応する監視者利得フィードバック論理装置による第２マトリック
ス計算の対象となるのが望ましい。これらの値はその後、対応する監視者利得フ
ィードバック論理装置１８５、１９０、１９５の出力線２２０、２２５、２３０
を介して対応する温度制御論理装置に供給される。第１利得制御マトリックス計
算の利得制御マトリックス定数としては、特定の制御器が、そのダイナミックモ
デルが策定されている温度範囲内で最善態様にて動作し得るように選定されてい
るのが望ましい。第２里と熊トリック助遺産には別の利得マトリックス定数を用
いる。この第２利得マトリックスは、特定の制御器の制御値出力が通常、制御出
力選択スイッチ１７５により選択された制御器の制御値出力を追跡できるように
選定されているのが望ましい。従って、各制御器は、制御出力選択スイッチが出
力線１４０にその制御値を出力したときに、その出力端に最適制御値を出力する
が、他の制御器のどれかの制御値が出力線１４０に出された場合では一つかそれ
以上の他の制御器の制御値出力を追跡する制御値が出力されるようになっている
のが望ましい。特定の温度制御器９６、９８、１００に対する第１及び第２利得
マトリックス計算での定数は、他の温度制御器で使われる対応する定数とは異な
っていてもよい(一般に、異なっているのが通常である)。
【００５４】 前述したように、図４に示した実施形態は、一般に、温度制御器９６、９８、
１００が利用する特定の多変数制御器とは無関係である。しかし、図５には、ス
パイク出力に対するパワー入力に関するモデルと、プロファイル出力に対するス
パイク入力に関するモデルとの二つのダイナミックモデルを利用する温度制御器
を実現する一態様が示されている。ダイナミックモデルは、特にプロファイル及
びスパイク熱電対が出力する温度値を利用するように策定されている。制御論理
アーキテクチャは図４に示した温度制御サブシステムで利用するのに適している
。図５のアーキテクチャは、低レベル温度制御器の符号９６で示してあるけれど
も、各温度制御器９６、９８、１００の構成において利用するのに適しているも
のである。
【００５５】 図示のように、９６を以て示す制御器は、線１３５における温度設定値と線３
００を介して入力されるプロファイル熱電対値との比較結果に基づいて線２９５
に出力されるプロファイルエラー値を生成するプロファイルエラー信号発生器２
９０を備えている。同様に、スパイクエラー信号発生器３０５は、線３１０を介
してスパイクエラー値を出力する。線２９５におけるプロファイルエラー値はプ
ロファイル制御器３２０の入力端３１５に、又、線３１０におけるスパイクエラ
ー値はスパイク制御器３３０の入力端３２５にそれぞれ供給される。このような
構成は国際出願公開WO98/35531に開示されているので、便宜上その詳細な説明は
ここでは行わないものとする。
【００５６】 親出願における基本的な温度制御器とは異なって、制御器９６は、図４に示し
たシステムアーキテクチャと前述のそれに対応した開示内容に従って監視者利得
フィードバック論理を実現している。そのために、非最終(anti-windup)利得計
算マトリックス３３５と、利得スケジュール計算マトリックス３４０と、監視者
モードスイッチ３４５とを利用して、入力端３１５に供給するパラメータの値を
算出している。非最終利得計算マトリックス３３５は、第１組の利得パラメータ
を用いて算出した出力値を線３５５を介して出力する。利得スケジュール計算マ
トリックス３４０は、第２組の利得パラメータを用いて算出した出力値を線３６
０を介して出力する。出力線３５５、３６０におけるそれぞれの出力値は、監視
者モードスイッチ３４５の入力端に供給される。この監視者モードスイッチ３４
５は出力線３５５、３６０を介して供給されるそれぞれの出力値の何れかを選択
して、選択した出力値をプロファイル制御器３２０の入力端３１５に供給する。
即ち、２５０で示した信号の値が制御器９６の出力１６０における制御値が加熱
素子点火インターフェース１４５に供給されていると示した場合では、監視者モ
ードスイッチ３４０は線３５５における非最終利得計算マトリックス３３５の出
力値を選択する。同様に、２５０で示した信号の値が制御器９６の出力１６０に
おける制御値が加熱素子点火インターフェース１４５に供給されていないものと
示した場合、この監視者モードスイッチ３４０は線３６０における監視者利得計
算マトリックス３３５の出力値を選択する。
【００５７】 同様な論理アーキテクチャがスパイク制御器３３０にも設けられている。図示
にように、非最終利得計算マトリックス３７０と、利得スケジュール計算マトリ
ックス３７５と、監視者モードスイッチ３８０とが、入力３２５に供給されるパ
ラメータの値を算出するのに用いられている。非最終利得計算マトリックス３７
０が、第１組の利得パラメータを利用して算出した出力値を線３８５に出力する
。利得スケジュール計算マトリックス３７５は、第２組の利得パラメータを利用
して算出した出力値を線３９０に出力する。線３８５、３９０におけるそれぞれ
の出力値は、監視者モードスイッチ３８０の入力端に供給される。この監視者モ
ードスイッチ３８０は出力線３８５、３９０を介して供給されるそれぞれの出力
値の何れかを選択して、選択した出力値をスパイク制御器３３０の入力端３２５
に供給する。即ち、２５０で示した信号の値が制御器９６の出力１６０における
制御値が加熱素子点火インターフェース１４５に供給されていると示した場合で
は、監視者モードスイッチ３８０は線３８５における非最終利得計算マトリック
ス３７０の出力値を選択する。同様に、２５０で示した信号の値が制御器９６の
出力１６０における制御値が加熱素子点火インターフェース１４５に供給されて
いないものと示した場合、この監視者モードスイッチ３８０は線３９０における
監視者利得計算マトリックス３７５の出力値を選択する。
【００５８】 図５に示した論理アーキテクチャを利用して、非連結切離し式(de-coupled)監
視者フィードバックシステムを実行することもできる。斯かるシステムでは、丸
印をつけた入力値に対応する利得はゼロに設定されている。
【００５９】 尚、広範囲のシステム論理アーキテクチャが、加熱素子点火インターフェース
１４５に選択的に供給すべき制御値を算出するためにプロファイル及びスパイク
熱電対データ値の両方を利用するものであって、個々に開示した監視者利得フィ
ードバック論理を含む温度制御システムを実行するに利用できる。例えば、スパ
イク及びプロファイル制御器を同一温度範囲に対して設計されている制御器を用
いるよりはむしろ、異なった温度範囲にごとの複数のプロファイル制御器の一つ
からの一組の出力値が単一で共通のスパイク制御器の入力に選択的に供給される
ように、温度制御システムを設計することも可能である。斯かるシステムでは、
開示されている監視者モードフィードバック論理は各プロファイル制御器だけに
適用されることになる。
【００６０】 強化型温度勾配論理回路を有する温度制御システム 図６に、強化型温度勾配論理回路を有する温度制御システム６８の実施する一
態様を示す。図示のように、制御器１１４０には、熱電対３６、４２で測定した
温度値に対応する複数のデータ値が線１１３５を介して供給されるようになって
いる。また、昇温／減温温度値発生器１１４５からも温度出力値Ｔoutputが供給
されるようにもなっている。後述するように、温度値発生器１１４５は、処理処
方の一部として例えばユーザが入力する、１１５０を以て論理的に示した温度設
定値入力値に少なくとも応答して制御器１１４０に温度出力値Ｔoutputを供給す
る。加熱反応炉１２における温度オーバーシュートを防ぐのに役立っている温度
出力値Ｔoutputを発生するのは、昇温／減温温度値発生器が行う論理動作による
ものである。
【００６１】 制御器１１４０は、炉と加熱すべき母材の経験により導出したモデルに確固と
した最適化制御理論を用いることにより構築されている。詳述すれば、図示の実
施形態においては、制御器１１４０は、Ｈ-無限制御理論を用いて構築されたダ
イナミックモデルを利用する多変数制御器である。この制御器１１４０において
用いるダイナミックモデルの導出に仕方については、発明の名称を「Model Based
Temperature Controller for Semiconductor Thermal Reactor」とする、前掲の
国際出願公開WO98/35531に開示されており、この国際出願公開を本願明細書の一
部を構成するものとして、ここに挙げておく。しかしながら、他の多変数制御論
理構成をを用いることも可能である。従って、図６に示した制御論理フローは、
制御器を構成するのに利用される特定の制御理論とは無関係である。一般に求め
られている唯一の要件は、制御器１１４０としては一つかそれ以上の測定変数入
力に基づいてダイナミックモデルを実行できることである。
【００６２】 制御器１１４０は、線１１５５からの温度出力値と線１１３５からの熱電対デ
ータ値とをそのダイナミックモデルに適用する。この制御器１１４０はこれらの
入力値を利用して、加熱素子点火インターフェース１１６５の入力端に連なる出
力線１１６０に出力する複数の制御値からなる出力を生成する。点火インターフ
ェース１１６５は、制御値の値に基づいて出力線１１７０を介して制御した電力
を出力するが、それにより各ゾーンにおける熱の量を調節して反応炉温度を調節
する。
【００６３】 ここで、制御器１１４０にはそのダイナミックモデルへの直接入力として設定
値入力が供給されていない。むしろ、温度設定値入力値は温度値発生器１１４５
に供給され、この温度値発生器１１４５から制御器１１４０に、当該制御器１１
４０が加熱反応炉１２の温度制御に利用する増分温度出力値Ｔoutputが供給され
る。温度出力値Ｔoutputは、時間経過に伴う修正温度勾配関数(modified ramp f
unction)を形成する。この修正昇温関数を形成する温度出力値で、昇温段階の一
部の間に温度設定値入力値Ｔspへと最大昇温率(maximum ramp rate)で、或いは
、それに近い率で制御器１１４０が駆動される。しかしながら、この修正温度勾
配関数の昇温率は、温度制御を改善するとか、ウェハのスリップを避けるとかな
どのために、温度設定値に近づくに伴って減少されるようにしてもよい。
【００６４】 温度値発生器１１４５の修正温度勾配関数を実施するには幾つかの新規な態様
がある。図７にその一つを示す。
【００６５】 図７において、温度値発生器１１４５の目標は、制御器１１４０を駆動する、
即ち、反応炉温度を初期温度Ｔinitialから温度設定入力値Ｔspへと駆動する温
度出力値Ｔoutputのシーケンスを出すことにある。その過程で温度値発生器１１
４５は、時間経過に伴う修正温度勾配関数を形成する温度出力値Ｔoutputを出力
する。斯かる修正温度勾配関数を線１１７８で示す。
【００６６】 １１７８で示したように、温度値発生器１１４５には時刻ｔ1において温度設
定値入力値が供給され、最大昇温率Ｒmaxに対応する増分温度出力値Ｔoutputが
制御器１１４０に供給される。最大昇温率Ｒmaxの値はユーザが入力する値に基
づくものであってもよいし、または、所定のシステム定数であってもよい。
【００６７】 温度出力値Ｔoutputの値が温度設定入力値Ｔspに近づくにつれて、温度値発生
器１１４５は制御器１１４０に対して最小昇温率Ｒminに対応する温度出力値Ｔo utput を供給し始める。この最小昇温率は、温度値発生器１１４５から供給され
た温度出力値Ｔoutputが温度設定入力値Ｔspと等しくなるまで使われる。この最
小昇温率Ｒmaxはユーザが入力する値に基づくものであってもよいし、または、
所定のシステム定数であってもよい。それは好ましくは、母材を処理許容範囲内
で加熱処理するのが損なわれない程度、加熱反応炉１２で最大許容温度のオーバ
ーシュートをもたらす最小昇温率に設定されているのが望ましい。
【００６８】 温度値発生器１１４５が最大昇温率Ｒmaxから最小昇温率Ｒminへ切り換える時
点は幾つかの方法で設定できる。例えば、温度値が閾値と等しくなるか、または
それを越えた場合に温度値発生器１４５が最小昇温率に切り換えるようであって
もよい。この閾値は、温度設定入力値Ｔspの百分率Ｘに基づくものであってもよ
い。Ｘの値はユーザが入力する処方の一部であってもよいし、または、所定のシ
ステム定数であってもよい。同様に、温度値発生器１１４５は、昇温段階の所定
時間において最小昇温率へ切り換えるようであってもよい。この場合での所定の
時間値は、全昇温時間(ｔ2-ｔ1)の所定の百分率Ｚに基づくものであってもよい
。
【００６９】 図８は、温度値発生器１１４５が実施する別の修正温度勾配関数を示す。関数
線１１８２で示すように、温度値発生器１１４５は、昇温段階が始まったばかり
の時点において制御器１１４０を最小昇温率Ｒminで駆動する温度出力値Ｔoutpu t を発生する。温度設定入力値Ｔsp、または、初期温度値Ｔinitialの百分率Ｙの
如くの所定時点で、制御器１１４０を最大昇温率Ｒmaxで駆動する温度出力値Ｔo utput が温度値発生器１１４５から発生する。そして温度設定値Ｔsp、または、
初期温度値Ｔinitialの別の所定時点においては、温度出力値が温度設定入力値
Ｔspに達するまで最小昇温率Ｒminで制御器１１４０を駆動する温度出力値Ｔout put が温度値発生器１１４５から発生する。このように、昇温率の切り替えは、
全昇温時間や、ユーザ定義処方値、所定のシステム定数などに基づいて行うよう
にしてもよい。
【００７０】 温度値発生器１１４５が実施するまた別の修正温度勾配関数を図９に示す。こ
の例にあっては、制御器１１４０が利用する昇温率Ｒcurrentは昇温段階にわた
って変化しているが、最小昇温率Ｒminを下回るようなことはない。
【００７１】 Ｒcurrent = (Ｔtarget − Ｔoutput)／τ Ｒcurrent = δＴoutput／δτ 但し、τは時定数(ユーザ定義またはシステム定数)であり、
【００７２】 但し、Ｔspは、温度設定値であり、 ΔＴ = |Ｔsp − Ｔinitial|
【００７３】 Ｔspについて下記のシステムを解くことにより温度勾配(ramp trajectory)が
得られる。
【００７４】
【００７５】 定義 Ｔsp: 温度勾配を定義する時間依存設定値 Ｔsp new: 新目標設定値 Ｔsp old: 旧目標設定値 ΔＴ: Ｔsp new −Ｔsp old ｔ: 昇温開始から測定した時間変数 τ: 昇温時間定数 Ｔinput: その後フィルターされる入力温度勾配
【００７６】 前述の昇温率の計算の結果、最小昇温率Ｒminよりも小さい値が得られたのであ
れば、Ｒcurrent=Ｒminであり、従って、温度値発生器が利用する昇温率は最小
昇温率以下になるようなことはない。
【００７７】 図９に示したように、前述のようにして生成された温度出力値Ｔoutputで、昇
温段階にわたって最小昇温率と最大昇温率との間の変移を円滑にすることができ
る。このように変移を円滑にすれば、制御器１１４０は加熱反応炉１２の温度を
より正確に制御できる。
【００７８】 図１０は、所定の最小昇温率値Ｒminの値が温度出力値Ｔoutputにもたらす影
響を示すものである。この図において、線１２１０は、大きい最小昇温率Ｒmin
を利用した場合での温度出力値Ｔoutputを示すグラフである。線１２１５は、線
１２１０で示した温度出力値を得るのに利用した最小昇温率よりも小さい最小昇
温率Ｒminを利用した場合での温度出力値Ｔoutputのグラフを示す。同様に、線
１２１８、１２２０は、更に小さい最小昇温率を利用した場合での温度出力値を
それぞれ表している。図１０から分かるように、小さい最小昇温率では、温度設
定値Ｔspに最終的に達するまで時間がかかるが、その値に達するまでの変移は円
滑であることから、加熱反応炉１２における温度のオーバーシュートを阻止、も
しくは、除去することができる。時定数τを変えても同様な効果を奏することが
できる。時定数が大きければ、最小昇温率と最大昇温率との間での変移が円滑と
なると共に、温度出力値が温度設定値Ｔspに達するに従って円滑な変移を得るこ
とができる。
【００７９】 温度オーバーシュートを避けることができる他に、非線形温度勾配を利用する
ことには下記の利点も得られる。 １． 全体にわたる良好な制御挙動とゾーンとゾーンとの整合性 ２． ウェハの可塑変形限界以下の昇温速度での単一温度勾配の仕様。別に は、互いに組み合わされる(piece)煩雑な組の線形昇温セグメントがある
。
【００８０】 典型的には、異なった制御目的に間で妥協しなければならないところがある。
好ましい実施形態では、強力な妨害排除特性を有する高帯域幅制御器を選定する
(ＳＰ変動を妨害と見ることができる)。従って、線形昇温は、強力な制御器の応
答性をもたらす大きな妨害となりうる。非線形昇温なら妨害を平滑化でき、制御
器応答性も平滑化できる。
【００８１】 前述した修正温度勾配関数は温度昇温段階で使われるものとして説明したが、
温度減温段階においても同様に使えることは明らかであろう。斯かる温度減温段
階で利用する場合では、修正温度勾配動作の目的の一つとしては、反応炉の温度
が新たに適用した設定温度以下に下がらないようにすることにある。
【００８２】 バーチャル温度検出器を有する温度制御システム 図１１に、バーチャル温度検出器を備えた温度制御システム６８の一実施態様
を示す。図示のように、制御器２１６０は、複数の入力データ値が供給されるよ
うに接続されている。この制御器２１６０は、炉と加熱すべき母材の経験により
導出したモデルに確固とした最適化制御理論を用いることにより構築されている
。詳述すれば、図示の実施形態においては、制御器２１６０は、Ｈ-無限制御理
論を用いて構築されているダイナミックモデルを利用する多変数制御器であるの
が望ましい。この制御器１４０において用いるダイナミックモデルの導出に仕方
については、発明の名称を「Model Based Temperature Controller for Semicond
uctor Thermal Reactor」とする、前掲の国際出願公開WO98/35531に開示されてお
り、この国際出願公開を本願明細書の一部を構成するものとして、ここに挙げて
おく。しかしながら、他の多変数制御論理構成をを用いることも可能である。従
って、図１１に示した制御論理フローは、制御器を構成するのに利用される特定
の制御理論とは無関係である。一般に求められている唯一の要件は、制御器２１
６０としては一つかそれ以上の測定変数入力に基づいてダイナミックモデルを実
行できることである。
【００８３】 制御器２１６０には線２１６５を介して、熱電対３６、４２が測定した温度値
に対応するデータ値が供給される。これらの値は熱電対切換え論理回路２１７０
を介して熱電対インターフェース２１３０からスルー出力されている。この制御
器２１６０には線２１３５を介して、喩えｈばゆーざにより処理処方の一部とし
て入力される、２１７５で示した温度設定入力から温度設定値が入力されるよう
にもなっている。
【００８４】 制御器２１６０はそのダイナミックモデルに線２１３５における温度設定値と
線２１６５における熱電対データ値とが適用される。この制御器２１６０はこれ
らの入力値を利用して、加熱素子点火インターフェース２１４５の入力端に連な
る出力線２１４０に出力する複数の制御値からなる出力を生成する。点火インタ
ーフェース２１４５は、制御値の値に基づいて出力線２１５０を介して制御した
電力を出力するが、それにより各ゾーンにおける熱の量を調節して反応炉温度を
調節する。
【００８５】 理解されるように、ハードウェアにトラブルが発生して熱電対の測定値が不正
確になると、制御器２１６０のダイナミックモデルは、線２１４０に論理的に示
した制御出力値に対して不適切な解を出してしまう。従来の方法では、温度制御
システムは、トラブル状態が検出されると直ちにシャットダウンする。このよう
な従来の方法とは違って、本発明の温度制御システムでは、トラブルにあった入
力値の代わりにバーチャル温度検出器が動作して、プログラム化されている処方
に従って反応炉の動作を続行するか、または、母材への損傷を最小限にすべく整
然とシステムをシャットダウンさせるようになっている。
【００８６】 図１１に示した制御システムの実施形態では、トラブルにあった入力値に代わ
ってバーチャル温度検出器を動作させるのに少なくとも三つの論理部品を用いて
いる。そのために、熱電対インターフェース２１３０の出力端２１８０にプロフ
ァイル熱電対値とスパイク熱電対値とが供給されるようにしている。これらの値
は熱電対トラブル検出論理２１８５とバーチャル熱電対論理２１９０と熱電対切
換え論理２１７０とに供給される。
【００８７】 熱電対トラブル検出論理２１８５は熱電対データ値をモニターして、ハードウ
ェアトラブルを示す一つかそれ以上の値の変化を検出する。一般に、ハードウェ
アトラブルは、特定の熱電対からの入力値を供給する一つかそれ以上の構成部品
におけるトラブルであって、熱電対そのもののトラブルとは必ずしも限られない
。種々の状態変化で斯かるトラブルが発生したことが分かる。例えば、熱電対ト
ラブル検出論理２１８５が各熱電対の入力値をモニターしていたところ、その値
が所定の上限閾値を越えたかどうか、または、所定の下限閾値を下がったかどう
か判断することがある。そのような限度は熱電対ないし関連構成部品の回路開成
状態ないし短絡状態を表すものであってもよい。また、各熱電対の入力値が示す
温度変化速度を上限ないし下限速度閾値と比較して、熱電対ないし関連構成部品
のトラブル状態を検出するようにしてもよい。熱電対入力値の一つかそれ以上の
トラブルが検出されると、検出論理２１８５から、トラブル状態を表し、かつ、
トラブルが発生した熱電対入力の一つかそれ以上を識別するトラブル出力信号が
２１９５で示した線に出力される。
【００８８】 バーチャル熱電対論理２１９０には熱電対データ値も供給されるようになって
いて、これらの値を複数のダイナミック熱電対モデル、線２１６５を介して制御
器２１６０に供給すべき各熱電対データ値入力にそれぞれ関連する少なくとも一
つのモデルへの入力として利用する。各ダイナミック熱電対モデルは、ある特定
の熱電対入力にハードウェアトラブルがなかった場合に当該特定の熱電対入力に
ついて制御器２１４０への熱電対入力があるべき姿を正確に再現するようになっ
ている。ここに開示の実施形態にあっては、特定の熱電対入力用ダイナミックモ
デルとしては、制御システムで利用する一つかそれ以上の他の熱電対からの熱電
対入力値に対してモデルが策定されている熱電対入力値に関係しているものが望
ましい。スパイク熱電対とプロファイル熱電対との両方が制御器２１６０のダイ
ナミックモデルにより利用されるようになっている実施形態においては、プロフ
ァイル熱電対だけモデル化されている。バーチャル熱電対出力値は、線２２００
で論理的に示した熱電対切換え論理２１７０の入力端に供給される。
【００８９】 論理的に線２１３５で示した熱電対入力値は、熱電対トラブル検出論理２１８
５のトラブル出力２１９５の状態に依存する。線２１８０における熱電対入力値
が熱電対３６、４２の温度を正確に反映している正常動作状態のもとでは、熱電
対切換え論理２１７０は線２１６５を介して制御器２１６０への入力としてこれ
らの値をスルー出力する。プロファイル熱電対またはそれに対応する構成部品が
故障すると、このトラブルが熱電対トラブル検出論理２１８５により検出されて
、この検出論理から線２１９５を介してトラブル出力が少なくとも熱電対切換え
論理２１７０に出力される。熱電対切換え論理２１７０は線２１９５におけるト
ラブル出力に応答して、故障した熱電対入力のスルー出力を阻止する一方、線２
１６５における故障熱電対入力に対応するバーチャル熱電対入力に置換して制御
器２１６０がそれを利用できるようにする。好ましくは、線２１９５におけるト
ラブル出力は制御器２１６０にも供給されるようにして、制御器２１６０が適切
な動作をとれるようにトラブル状態を知ることができるようにするのが望ましい
。斯かる適切な動作としては、反応炉システムの整然としたシャットダウン、処
方の続行、処方の修正実行などが挙げられる。制御器論理がどの動作をとるべき
かは、例えばどの熱電対入力がトラブルを伴っているかにもよる。
【００９０】 前述した如くのバーチャル温度検出器は、前述した温度制御システムにおいて
も利用できる。また、所定の、一般に重なり合っていない温度範囲にわたって利
用する一つかそれ以上のダイナミックモデルを最適化する原理は、バーチャル温
度検出器を利用した構成においても適用できる。そのようなシステムを図１２に
示す。
【００９１】 図示のように、２１９０で示したバーチャル熱電対論理は、論理線２１８０ａ
で示したスパイク温度入力値が供給されるようになっていて、バーチャルプロフ
ァイル熱電対値を生成する。このスパイク温度入力値は少なくとも二つの予想プ
ロファイル値モデル２２１０、２２１５の入力端に供給される。予想プロファイ
ル値モデル２２１０は、予想プロファイル値モデル２２１５が最適化されている
温度範囲よりも高い温度範囲に最適化されている。各モデル２２１０、２２１５
の予想プロファイル熱電対値は予想プロファイル選択器２２２０の入力端に供給
される。この予想プロファイル選択器２２２０は、加熱反応炉が稼働している、
或いは、稼働すべき温度範囲を表す一つかそれ以上の入力信号に応答して、線２
２２５または線２２３０における適当な予想プロファイル値を選択してこれを線
２２００に出力する。好ましい実施形態では、予想プロファイル選択器２２２０
は、加熱反応炉１２の中間部に配置されているスパイク熱電対が検出する温度を
表す線２１８０ｂにおけるスパイク温度入力値に応答するようにしている。従っ
て、検出した温度が高温予想プロファイル値モデル２２１０の最適範囲内に下降
すると線２２２５における予想プロファイル値が選択されて線２２００に出力さ
れる。同様に、検出温度が定温予想プロファイル値モデル２２１５の最適範囲内
に下降すると、線２２３０における予想プロファイル値が選択されて線２２００
に出力される。線２１３５(図１１)における温度設定入力の値が、予想プロファ
イル選択器２２２０に供給されて、所定条件の下では最適なモデルは予想プロフ
ァイル値モデル２２１０、２２１５の何れかを選択する基準として了されていて
もよい。温度設定入ｃひょくが高温予想プロファイル値モデル２２１０の最適範
囲内に下降するのであれば、線２２２５における予想プロファイル値が選択され
て線２２００から出力される。同様に、温度設定入力の値が低温予想プロファイ
ル値モデル２２１５の最適範囲内に下降すれば、線２２３０における予想プロフ
ァイル値が選択されて線２２００から出力される。
【００９２】 尚、ここまで説明したバーチャル温度検出器置換システムを行うのに、図１１
と図１２を参照して説明したそれぞれの論理アーキテクチャ以外に、広範囲の論
理アーキテクチャが利用できるのは言うまでもない。従って、このような考えら
れるシステムも本発明の範囲に含まれるべきである。
【００９３】 加熱素子トラブル制御 温度制御システム６８は、ユーザがプログラム化した処方に従って加熱反応炉
１２内の温度を制御する。この温度制御は、所望の温度状態が測定可能なシステ
ムパラメータに基づいてモデル化されている加熱反応炉１２のダイナミックモデ
リングに基づいているのが望ましい。動作時には、処方としては、加熱反応炉１
２を所望温度状態へと駆動するために一つかそれ以上のダイナミックモデルが利
用する温度設定値からなる。
【００９４】 図１３を参照して、温度制御サブシステム６８には、各所定加熱ゾーン毎に二
つの入力信号、即ち、その加熱ゾーンにおけるプロファイル熱電対の温度が判定
されるプロファイル熱電対入力と、当該加熱ゾーンにおけるスパイク熱電対の温
度が判定されるスパイク熱電対入力との二つの入力信号が供給される。これらの
プロファイル温度とスパイク温度とは線３２１５で示したように熱電対インター
フェース３１３０を介して出力され、線３１３５における温度設定入力と共に、
線３１４０を介して一つかそれ以上の加熱素子出力制御値を出力するのに利用さ
れる。線３１４０における出力制御値は、加熱素子制御インターフェース３１４
５の入力端に供給されて、線３１５０を介してそれぞれの加熱ゾーン素子に供給
する電力を制御するのに利用される。
【００９５】 制御器９６、９８、１００、１０２を設計するプロセスについては、発明の名
称を「Model Based Temperature Controller for Semiconductor Thermal Proces
sors」とする前掲国際出願公開WO98/35531に開示されており、ここに本願明細書
の一部をなすものとして挙げておく。その国際出願に開示されている加熱反応炉
の一実施形態においては、オフライン式とオンライン式の二種のモデルがつくら
れている。「オフライン式モデル」とは、制御システム構成のつくられたモデルを
意味し、「オンライン式モデル」とは、実際の半導体ウェハ２８を処理する如く、
加熱反応炉１２の動作中にアクティブになるモデルを意味する。
【００９６】 前述の国際出願に開示されている実施形態では、電力設定-スパイク熱電対モ
デルと、スパイク熱電対-プロファイル熱電対モデルと、プロファイル及びスパ
イク熱電対-熱電対付きウェハモデルとの三種のオフライン式モデルが開発され
ている。各オフライン式モデルは、温度サブシステムにおける制御器９６、９８
、１００、１０２を構成するのに使われている。
【００９７】 加熱反応炉１２の稼働中でのウェハ温度を予測するのに単一ノンライン型モデ
ルを展開する。オンライン式モデルは、スパイク及びプロファイル熱電対３６、
４２からの実際の温度測定値を利用してウェハ２８の実際の温度を予測する。全
体の加熱反応炉１２のモデリングは複雑で、時間の経過に伴って非常に変動しや
すく、また、管理維持操作を要することから、ウェハ温度と測定プロファイル及
びスパイク温度との間の関係を簡単にモデリングすることで、温度のダイナミッ
ク変化中でのウェハ温度を正確に表すようにしている。また、安定状態のもとで
は、プロファイル温度はウェハ２８の実際の温度を表しているものと想定してい
る。
【００９８】 モデリング後、三つのオフライン式モデルを利用して、スパイク制御器９６と
プロファイル制御器９８とウェハ制御器１００との三つの独立した、固有の制御
器をつくる。スパイク制御器９６は入力としてスパイク熱電対測定値とスパイク
設定値との差を利用して、点火インターフェース１０８に電力設定値を出力する
。プロファイル制御器９８は入力としてプロファイル測定値とプロファイル設定
値との差を利用して、スパイク制御器９６にスパイク設定値を出力する。ウェハ
制御器１００は入力としてオンライン式ウェハ温度モデルの予測値とウェハ設定
値との差を利用して、プロファイル制御器９８にプロファイル設定値を出力する
。図示の実施形態では、各制御器９６、９８、１００はＨ-無限最適制御理論を
用いることにより構築されている。詳述すれば、図示の実施形態においては、各
制御器は、加熱ゾーン間での相互作用を考慮して、所望昇温ないし設定値に対す
る改良された温度レスポンスを出すようになっている多変数制御器である。しか
しながら、他の制御論理を用いて各制御器を構築することもできるのは言うまで
もない。
【００９９】 図示の実施形態において、制御モード論理回路は、素子制御モードを規定する
素子制御モード論理回路(図１３)や、基本制御モードを規定する基本制御モード
論理回路(図１４)や、ダイナミック制御モードを規定するダイナミック制御モー
ド論理回路(図１５)、Ｄｔ制御モードを規定するＤｔ制御モード論理回路(図１
６)を含む種々の制御モード論理回路から選択できる。各制御モード論理回路は
、制御器９６、９８、１００のどれか一つ、または、組合せからなる。
【０１００】 詳述すれば、温度サブシステム６８は素子制御モード(図１３)にスパイク制御
器９６を利用している。温度サブシステム６８は基本制御モード(図１４)にプロ
ファイル制御器９８とスパイク制御器９６との組合せを利用している。更に、温
度サブシステム６８は、ダイナミック制御モード(図１５)にウェハ制御器１００
とプロファイル制御器９８とスパイク制御器９６の組合せを利用している。最後
に、温度サブシステム６８はＤｔ制御モード(図１６)に非線形Ｄｔせいぎょき１
０２をプロファイル制御器９８とスパイク制御器９６と共に利用している。
【０１０１】 ユーザは複数工程からなり、各工程でどれかの制御モードを利用する処方を用
意する。例えば、ユーザは、半導体処理のある段階で一方の制御モードから他の
制御モードへ切り換える処方を用意する。そのための一つの方法としては、温度
の昇温に先立つ反応炉のチェックとボート１８の装填の時には基本制御モードを
、温度昇温と温度安定時にはウェハ制御モードを、ウェハ処理工程ではＤｔ制御
モードを、そしてボート取出し時には基本制御モードをそれぞれ利用することが
考えられる。処理工程全般にわたって基本制御モードを利用する方法もあり得る
。
【０１０２】 素子制御モード０は一般に維持モード(例えば、素子で加熱)である。この素子
制御モードでは、スパイク制御器がスパイク熱電対温度に基づいて制御する。こ
のモードはウェハの正常処理では利用されない。
【０１０３】 基本制御モード(図１４)はデフォルトの動作モードであって、加熱素子のトラ
ブルに関係のあるモードでもある。この基本制御モードにおいては、プロファイ
ル制御器９８がプロファイル誤差に基づいてスパイク設定制御信号を出力する。
プロファイル誤差は、プロファイル温度設定値と、プロファイル熱電対４２のプ
ロファイル温度測定値との差に基づく。スパイク制御器９８は、スパイク誤差に
基づいて加熱反応炉への電力を制御する。スパイク誤差はスパイク設定値とスパ
イク熱電対３６のスパイク温度測定値との差異に基づく。基本制御モードで、プ
ロセスの改良された一貫性と、高速安定化時間の起因するサイクルタイムの減少
をもたらす正確な制御ができる。基本制御モード論理回路は、プロファイル制御
器とスパイク制御器とをカスケードすることにより両者を同時に利用している。
【０１０４】 図２に示したように、１０１で示した加熱素子トラブル論理から制御器６８に
一つかそれ以上の加熱素子トラブル信号が供給される。論理線１０３で示した加
熱素子トラブル信号は、加熱ゾーンのどれか一つにおける特定の加熱素子の故障
を表すものである。斯かるトラブルは幾つかの方法で検出できる。例えば、時間
の経過に伴って特定の加熱ゾーンについて得られる測定スパイク熱電対値の導関
数(derivative)をモニターしてトラブルを検出することもできる。この導関数の
絶対値が特定のスパイク熱電対について所定の閾値を越えた場合、当該ゾーンに
対応する加熱素子が故障しているものと見ることができる。その場合、加熱素子
トラブル信号が制御器６８に対して出力されて対応する加熱素子のトラブルを報
知するようにしてもよい。
【０１０５】 加熱素子トラブルを検出する他の方法としては、スパイク設定値とスパイク熱
電対の測定温度との差を測定することが挙げられる。この場合、その差が特定の
ゾーンの所定閾値を越えた場合、そのゾーンの加熱素子が故障しているものと報
知するのに利用できる。
【０１０６】 加熱素子のトラブルを検出する他の方法としては、特定の加熱ゾーンにおける
加熱素子に印加されている電流ないし電圧を測定することがある。電流が特定の
加熱素子についての所定閾値を下った場合、その加熱素子にトラブルが発生して
いることとなる。同様に、特定の加熱素子に印加されている電圧が所定閾値を越
えた場合でも、その加熱素子にトラブルが発生していることとなる。
【０１０７】 制御器６８が一つかそれ以上の加熱ゾーンにおける加熱素子にトラブルが発生
したと検出すると、制御器６８は図１３に示した素子制御モードに切り換える。
また、この素子制御モードにあったは、トラブルを起こしている加熱素子のある
加熱ゾーンのスパイク設定値が下がる。好ましくは、このトラブルの発生してい
る加熱ゾーンに対するスパイク設定値はスパイク熱電対３６の測定値でドロップ
されているのが望ましい。
【０１０８】 このように加熱素子のトラブルに対処すれば、幾つかの利点が得られる。例え
ば、このようなトラブル対処法で、加熱素子がトラブルから直って電力供給が再
開されたときに、常軌を逸していきなり高温度になるのを防ぐことができる。こ
のようの高温度の発生を防ぐことができれば、トラブルから回復したときに加熱
素子が直ちに設定値へと駆動されるときに発生しがちな温度オーバーシュートに
伴って起こるウェハのスリップを防ぐことができ、また、温度オーバーシュート
に伴って起こる過熱状態が再発するのを防ぐこともできる。更に、加熱素子にト
ラブルがあっても、母材２８の損傷を防いだり、回収することもできる。
【０１０９】 プロファイル熱電対は負荷の端(at the edge of a load)で温度に対処できな
い。このような問題の解消法としては、プロファイル熱電対を短縮(shorten)し
て、当該プロファイル熱電対が発生する測定値で負荷の端での温度に対処するこ
とが挙げられる。ダイナミックないしウェハ制御モード(図１５)は、プロファイ
ル熱電対を変えたり、或いは、ユーザの処方を調整したりするような必要もなく
前述の問題に対処することができる。
【０１１０】 ダイナミック制御モードでは、ウェハ制御器１００がウェハ２８の予測温度を
出力して、ウェハ２８を所望ないし処方ウェハ温度に達するように制御する。こ
のダイナミック制御モードは、昇温段階と安定段階において利用してこそ最も好
都合である。このダイナミック制御モードでは、前述したようにモデリング時に
熱電対付きウェハ４４を予め利用する必要がある。モデリング後では、制御シス
テムを利用しているときに、オンライン式温度予測モデル１１４を利用して予測
ウェハ温度に基づいてダイナミック制御モードで加熱反応炉１２を制御する。オ
ンライン式ウェハ温度予測モデル１１４は、スパイク及びプロファイル熱電対３
６、４２からの測定値に基づいてウェハ温度を出す。特に、ウェハ温度はスパイ
ク及びプロファイル熱電対３６、４２からの測定値と、熱電対付きウェハ４４か
ら取り出した測定値(ウェハ温度を表している)とスパイク及びプロファイル熱電
対３６、４２から取り出した測定値とのモデリング時の関係とに基づいて出され
る。
【０１１１】 このダイナミック制御モードでは、ウェハ制御器１００はウェハエラーに基づ
いてプロファイル設定値を出す。このウェハエラーは、プロファイル温度設定値
と、プロファイル熱電対４２によるプロファイル温度測定値との差に基づいてい
る。プロファイル制御器はプロファイル誤差に基づいてスパイク設定制御信号を
出す。プロファイル誤差は、ウェハ制御器１００が出すプロファイル温度設定値
とプロファイル熱電対によるプロファイル温度測定値との差に基づいている。ス
パイク制御器は、スパイク誤差に基づいて加熱反応炉への電力を制御する。この
スパイク誤差は、スパイク設定値とスパイク熱電対３６によるスパイク温度測定
値との差に基づいている。ダイナミック制御モードでは、互いにカスケード接続
したスパイク制御器９６、プロファイル制御器９８、ウェハ制御器１００とが用
いられる。
【０１１２】 Ｄｔないし熱供給モード(Dt or thermal budget mode)では、Ｄｔ制御器１０
２が熱爆射量ないし照射熱エネルギーを測定して、設定値ないし所望エネルギー
に対してエネルギーを制御する。熱供給量(thermal budget)は、プロファイル熱
電対４２による測定値を利用して、ｋをボルツマン定数、Ｔをプロファイル熱電
対４２による温度測定値とするｅ(-2/kT)の積分をとることにより、Ｄｔ値が所
望エネルギーとなるように制御される。加熱反応炉に出力すべきエネルギーの計
算を行って、この加熱反応炉に出力するエネルギーを制御する。この熱供給モー
ドは、Ｄｔ値を一貫して負荷降下時と操業毎(both down the load and run-to-r
un)に維持するために重量な処理工程時に熱供給量を制御するのに最も有意的に
利用される。
【０１１３】 Ｄｔ制御モード(図８)においては、Ｄｔ制御器１０２がエネルギー誤差に基づ
いてプロファイル設定値を出す。このエネルギー誤差は、エネルギー設定値と測
定エネルギーとの差に基づいている。プロファイル制御器９８はプロファイル誤
差に基づいてスパイク設定制御信号を出す。プロファイル誤差は、Ｄｔ制御器が
出すプロファイル温度設定値とプロファイル熱電対４２によるプロファイル温度
測定値との差に基づいている。スパイク制御器９６は、スパイク誤差に基づいて
加熱反応炉への電力を制御する。このスパイク誤差は、スパイク設定値とスパイ
ク熱電対３６によるスパイク温度測定値との差に基づいている。
【０１１４】 ここまで説明したシステムには、本発明が示唆する基本的構成から逸脱するこ
となく種々の改変が考えられる。本発明は一つかそれ以上の特定の実施形態につ
いて詳述したが、当業者には本発明の請求の範囲から逸脱することなく、種々の
改変が想到できるところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の温度制御システムを利用した場合に通常発生する温度オー
バーシュートを示す反応炉温度-時間特性図。
【図１Ａ】 本発明の温度制御システムを用いて制御しうる加熱反応炉の部
分断面側面図。
【図１Ｂ】 熱電対付きウェハを用いた、モデリング及び特定化時に制御さ
れる図１Ａの加熱反応炉システムの部分断面側面図。
【図２】 本発明の温度制御システムを含む制御システム全体の好ましいア
ーキテクチャを示すブロック図。
【図３】 図２の制御システムと共に利用しうる処理シーケンスシステムと
ガス供給インターフェースとの一実施形態を示す概略ブロック図。
【図４】 本発明の一実施形態により構成した温度制御システムの動作を示
す論理フローチャート。
【図５】 図４のシステムを構成するのに利用しうる、Ｈ-無限制御論理を
利用した制御器の動作を示す論理フローチャート。
【図６】 温度オーバーシュートを有する温度制御システムの一実施態様の
動作を示す論理フローチャート。
【図７】 昇温段階に温度オーバーシュートを制限するために温度制御シス
テムの制御器の入力端に適用する修正温度勾配関数の一実施形態を示すグラフ。
【図８】 昇温段階に温度オーバーシュートを制限するために温度制御シス
テムの制御器の入力端に適用する修正温度勾配関数の別実施形態を示すグラフ。
【図９】 昇温段階に温度オーバーシュートを制限するために温度制御シス
テムの制御器の入力端に適用する修正温度勾配関数のまた別の実施形態を示すグ
ラフ。
【図１０】 図９に示した曲線の形状に対する最小勾配値の影響を示すグラ
フ。
【図１１】 バーチャル熱電対論理を有する温度制御システムの一実施形態
の動作を示す論理フローチャート。
【図１２】 図１１に示したシステム全体で利用するのに適したバーチャル
熱電対論理の一実施形態を示す論理フローチャート。
【図１３】 スパイク制御器を利用する素子制御モードの一実施形態を示す
制御図。
【図１４】 図１３のスパイク制御器とプロファイル制御器とを利用する基
本制御モードの一実施形態を示す制御図。
【図１５】 図１３のスパイク制御器と図１４のプロファイル制御器とウェ
ハ制御器とを利用するダイナミック制御モード論理回路の一実施形態を示す制御
図。
【図１６】 図１４のプロファイル制御器と図１５のスパイク制御器とＤｔ
制御器とを利用するＤｔ制御モード論理回路の一実施形態を示す制御図。
【符号の説明】
１０…加熱反応システム １２…加熱反応炉 ２６…ウェハ ３０…加熱素子 ３２…加熱ゾーン ３６…スパイク熱電対 ４２…プロファイル熱電対
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年８月２１日（２０００．８．２１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｂ 3/00 ３１０ Ｈ０５Ｂ 3/00 ３１０Ｄ (31)優先権主張番号 ６０／０８５，２５７ (32)優先日 平成10年５月13日(1998．5．13) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ６０／０８６，９３２ (32)優先日 平成10年５月27日(1998．5．27) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＮ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＳＧ，ＵＳ (72)発明者 コンスタンティノス・ツァカリス アメリカ合衆国85226アリゾナ州チャンド ラー、ウエスト・アイバンホー・ストリー ト3516番 Ｆターム(参考） 3K058 AA12 BA19 CA12 CA69 CB13 4K056 AA09 CA18 FA02 FA13 5F045 AA06 AA20 AF03 BB20 EK09 EK22 EK27 EM08 EN05 GB05 GB06 GB16 5H323 AA27 AA40 BB05 CA06 CB02 CB42 DA01 EE05 FF01 FF10 GG02 KK05 LL11 LL12 LL18 LL22 LL27 MM06 QQ02 SS02 TT10

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 第１温度範囲にわたって第１組の制御出力値を算出するために最適化した第１
    温度制御器と、 前記第１温度範囲とは異なる第２温度範囲にわたって第２組の制御出力値を算
    出するために最適化した第２温度制御器と、 加熱反応炉の温度を制御するに当たって何れの組の制御値を利用すべきかを判
    定する制御出力選択論理とからなる温度制御システム。
  2. 【請求項２】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 第１温度範囲にわたって第１組の制御出力値を算出するために最適化した第１
    温度制御器と、 前記第１温度範囲とは異なる第２温度範囲にわたって第２組の制御出力値を算
    出するために最適化した第２温度制御器と、 反応炉の温度を制御するのに前記第２組の制御値を利用した場合に前記第２温
    度制御器の制御値へと前記第１温度制御器の制御値を駆動するが、反応炉の温度
    を制御するのに前記第１組の制御値を利用した場合に前記第１温度制御器の制御
    値へと前記第２温度制御器の制御値を駆動する監視者利得フィードバックシステ
    ムとからなる温度制御システム。
  3. 【請求項３】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 第１温度範囲にわたって第１組の制御値をほぼ最適値とするために前記第１温
    度範囲にわたって最適化されている第１ダイナミックモデルを複数の測定入力パ
    ラメータに適用して前記第１組の制御値を生成する第１温度制御器と、 前記第１温度範囲とは異なる第２温度範囲にわたって第２組の制御値をほぼ最
    適値とするために前記第２温度範囲にわたって最適化されている第２ダイナミッ
    クモデルを複数の測定入力パラメータに適用して前記第２組の制御値を生成する
    第２温度制御器と、 加熱反応炉の温度を制御するに当たって何れの組の制御値を利用すべきかを判
    定する制御出力選択論理とからなる温度制御システム。
  4. 【請求項４】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 第１温度範囲にわたって第１組の制御値をほぼ最適値とするために前記第１温
    度範囲にわたって最適化されている第１ダイナミックモデルを複数の測定入力パ
    ラメータに適用して前記第１組の制御値を生成する第１温度制御器と、 前記第１温度範囲とは異なる第２温度範囲にわたって第２組の制御値をほぼ最
    適値とするために前記第２温度範囲にわたって最適化されている第２ダイナミッ
    クモデルを複数の測定入力パラメータに適用して前記第２組の制御値を生成する
    第２温度制御器と、 反応炉の温度を制御するのに前記第２組の制御値を利用した場合に前記第２温
    度制御器の制御値へと前記第１温度制御器の制御値を駆動するが、反応炉の温度
    を制御するのに前記第１組の制御値を利用した場合に前記第１温度制御器の制御
    値へと前記第２温度制御器の制御値を駆動する監視者利得フィードバックシステ
    ムとからなる温度制御システム。
  5. 【請求項５】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 加熱反応炉の一つかそれ以上の加熱素子を制御するために一つかそれ以上の温
    度入力値に応答する制御器と、 加熱処方に対応する温度勾配変移の設定値を出す温度設定入力論理と、 前記設定入力論理に応答して前記制御器に一つかそれ以上の温度入力値を出す
    温度値発生器とからなる温度制御システム。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のものであって、前記温度値発生器が少なく
    とも最大昇温値に基づいて制御器に対する一つかそれ以上の温度入力値を判定す
    ることよりなる温度制御システム。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載のものであって、前記温度値発生器が少なく
    とも最小昇温値に基づいて制御器に対する一つかそれ以上の温度入力値を判定す
    ることよりなる温度制御システム。
  8. 【請求項８】 請求項５に記載のものであって、前記温度値発生器が少なく
    とも最大減温値に基づいて制御器に対する一つかそれ以上の温度入力値を判定す
    ることよりなる温度制御システム。
  9. 【請求項９】 請求項５に記載のものであって、前記温度値発生器が少なく
    とも最小減温値に基づいて制御器に対する一つかそれ以上の温度入力値を判定す
    ることよりなる温度制御システム。
  10. 【請求項１０】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 加熱反応炉の一つかそれ以上の加熱素子を制御するために一つかそれ以上の温
    度入力値に応答する制御器と、 加熱処方に対応する温度勾配変移の設定値を出す温度設定入力論理と、 前記設定入力論理に応答して前記制御器に一つかそれ以上の温度入力値を出す
    温度値発生器とからなり、前記一つかそれ以上の温度入力値が、加熱昇温サイク
    ルの中間時では最大昇温限度により、また、加熱昇温サイクルの終了もしくは開
    始時の何れか一方、または、両方においては最小昇温限度によりそれぞれ定まる
    ことよりなる温度制御システム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のものであって、前記最大昇温限度は、
    加熱処方を入力することによりプログラム化しうることよりなる温度制御システ
    ム。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載のものであって、前記最小昇温限度は、
    加熱処方を入力することによりプログラム化しうることよりなる温度制御システ
    ム。
  13. 【請求項１３】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 加熱反応炉に関連する温度を測定するように配置した複数の温度検出器と、 前記複数の温度検出器の内の少なくとも一つのトラブルを検出するように配置
    した温度検出器トラブル論理と、 前記複数の温度検出器の内の少なくとも一つの温度検出器を、残りの温度検出
    器からの入力に基づいて追跡する少なくとも一つの出力を有するバーチャル温度
    検出器モデルと、 前記複数の温度検出器に応答する制御器と、 温度検出器トラブル論理による少なくとも一つの温度検出器によるトラブル検
    出に応答して、トラブルを起こした温度検出器に代わってバーチャル温度検出器
    モデル回路に置換して前記制御器に入力させる置換論理回路とからなる温度制御
    システム。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載のものであって、前記複数の温度検出器
    が熱電対からなる温度制御システム。
  15. 【請求項１５】 請求項１３に記載のものであって、前記複数の温度検出器
    がプロファイル検出器とスパイク検出器とからなる温度制御システム。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載のものであって、前記バーチャル温度検
    出器モデル回路がプロファイル検出器をモデルにしてなる温度制御システム。
  17. 【請求項１７】 請求項１５に記載のものであって、前記バーチャル温度検
    出器モデル回路が、スパイク検出器からの入力に基づいてプロファイル検出器を
    モデルにしてなる温度制御システム。
  18. 【請求項１８】 加熱反応炉の温度を制御する温度制御システムであって、 基本制御モードと素子制御モードとを有する制御器と、 加熱反応炉の一つかそれ以上の加熱素子のトラブルを検出するように配置され
    た加熱素子トラブル検出器とからなり、前記制御器は加熱素子トラブル検出器に
    応答して、一つかそれ以上の加熱素子のトラブルの検出時に素子制御モードで動
    作することよりなる温度制御システム。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載のものであって、前記加熱素子トラブル
    検出器が、加熱素子に供給される電力を表す一つかそれ以上の信号をモニターす
    ることにより、加熱素子のトラブルを検出することよりなる温度制御システム。
  20. 【請求項２０】 請求項１８に記載のものであって、前記加熱素子トラブル
    検出器が、加熱反応炉内の特定の加熱ゾーンに対して出力される測定スパイク温
    度検出器の導関数を算出して、算出した導関数の絶対値を所定の閾値と比較する
    ことにより加熱素子のトラブルを検出することよりなる温度制御システム。
  21. 【請求項２１】 請求項１８に記載のものであって、前記加熱素子トラブル
    検出器が、スパイク設定値とスパイク温度検出器により測定された温度との差を
    算出して、当該差を所定の閾値と比較することにより加熱素子のトラブルを検出
    することよりなる温度制御システム。
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