JP2003195952A

JP2003195952A - 熱媒流体を用いて対象物の温度を調節するための装置及び方法

Info

Publication number: JP2003195952A
Application number: JP2001394942A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasaki; 淳佐々木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP3786871B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱媒体流体を用いて対象物の温度を所望値に
制御する場合、対象物の温度の変動を十分に小さく抑制
する。【解決手段】対象物（５）に供給される熱媒流体を冷
却又は加熱する熱電変換デバイス（６）のパワーをコン
トローラ（９）が制御する。コントローラ（９）は、熱
電変換デバイス（６）から出た熱媒流体の温度（Ｔ１）
と、対象物の温度（Ｔｓ）とを用いてフィードバック制
御動作を行なう。このフィードバック制御動作では、ま
ず、対象物（５）に外部から熱負荷が加わる前に、熱媒
体温度（Ｔ１）のみに基づいて追従制御が行われて、間
接的に対象物温度（Ｔｓ）が設定温度（ＳＶ）に整定さ
せられる。その後、対象物（５）に外部から熱負荷が加
わるようになると、現在の熱媒体温度（Ｔ１）と対象物
温度（Ｔｓ）との温度差に応じて動的に現在の目標温度
が決定され、その現在の目標温度に熱媒体温度（Ｔ１）
を制御するように追値制御が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、熱媒流体を用いて
対象物の温度を調節するための装置と方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体ウェハをプラズマ雰囲気
中で処理するためのプロセスチャンバでは、半導体ウェ
ハが載せられるテーブル（以下、「サセプタ」と呼ぶ）
の温度を制御するために、制御された温度をもった熱媒
流体が用いられる。熱媒流体は、チャンバから離れた場
所に設置された温度調節装置（例えば、チャンバから戻
ってくる高温の熱媒流体を冷却するチラー）で適当温度
にされてそこから送り出され、チャンバ内に入ってサセ
プタ内を巡り、そして、チャンバ外へ出て温度調節装置
に戻る。

【０００３】従来、この種の温度調節装置は、図１に示
すように、この装置から吐出されたばかりの熱媒体流体
の温度T１を測定し、測定された吐出温度T１が設定温度
SVになるように、熱媒体流体への冷却量又は加熱量を調
節している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した熱媒体流体の
吐出温度を設定温度に制御する従来方法によれば、プロ
セスチャンバ内でプラズマ処理が開始されてサセプタに
熱負荷（外乱）が加えられたとき、サセプタの温度が大
きく上昇してしまうことを抑制することが難しい。より
一般的な言い方をすれば、熱媒体流体の吐出温度の制御
では、温度制御の対象物に熱負荷が加わったとき、その
対象物の温度変化を十分小さく抑えることが難しい。

【０００５】また、上記吐出温度制御によれば、温度調
節装置の外部に存在する配管やチャンバにおける熱損失
や熱抵抗や無駄時間や遅れ等の影響により、サセプタの
ような温度制御対象物の温度が大きく変わることにな
る。

【０００６】また、温度制御対象物それ自体の温度を検
出して、それを設定温度にするように制御動作を行う方
法も一般に知られている。しかし、熱媒体流体を介して
間接的に温度制御対象物の温度を調節するものである以
上、温度制御対象物それ自体の温度のみに基づいて制御
作を行っても、温度制御対象物の温度変動を小さくする
ことは難しい。

【０００７】従って、本発明の目的は、熱媒体流体を用
いて温度制御対象物の温度を制御する装置において、温
度制御対象物の温度の変動を十分に小さく抑制できるよ
うにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に従う、熱媒流体
を用いて対象物の温度を調節するための装置は、対象物
に供給される熱媒流体を冷却又は加熱する冷却／加熱器
と、前記熱媒流体の現在温度を検出する熱媒体温度セン
サと、前記対象物の現在温度を検出する対象物温度セン
サと、前記熱媒体温度センサからの現在の熱媒体温度と
前記対象物温度センサからの現在の対象物温度とを入力
し、前記冷却／加熱器に対する操作量を出力するコント
ローラとを備える。そして、前記コントローラは、前記
対象物に外部から熱負荷が加わる前に、定常状態の時に
検出された前記熱媒体温度と前記対象物温度との間の温
度差と、設定温度とに基づいて固定的な目標温度を決定
し、決定された前記固定的な目標温度に現在の前記熱媒
体温度を制御するように追従制御動作を行う追従制御手
段と、前記対象物に外部から熱負荷が加わるときに、現
在の前記熱媒体温度と現在の前記対象物温度との間の温
度差と、設定温度とに基づいて現在の目標温度を動的に
決定し、決定された前記現在の目標温度に現在の前記熱
媒体温度制御するように追値制御動作を行う追値制御手
段とを有する。

【０００９】この温度調節装置によれば、対象物の温度
を、その変動を小さく抑制して設定温度に制御すること
ができる。

【００１０】好適な実施形態では、前記追従制御手段
は、まず、前記設定温度に現在の前記熱媒体温度を制御
するように第1の制御動作を行い、前記第1の追従制御動
作により前記熱媒体温度が設定温度に整定する定常状態
が確立したとき、前記熱媒体温度と前記対象物温度との
間の温度差を算出し、算出された定常状態での温度差と
前記設定温度とを用いて前記固定的な目標温度を決定
し、そして、前記固定的な目標温度に現在の前記熱媒体
温度を制御するように第２の制御動作を行うようになっ
ている。

【００１１】好適な実施形態では、前記追値制御手段
は、前記追値制御動作を開始する前に、前記追値制御動
作動作中に前記対象物に外部から加わる予定の熱負荷の
大きさに関する数値を設定し、設定された前記数値を用
いて前記熱負荷の大きさに応じた前記操作量の初期値を
決定し、そして、前記追値制御動作を開始する時、決定
された前記初期値を初期的に出力するようになってい
る。

【００１２】好適な実施形態では、前記追値制御手段
は、前記追値制御動作を開始する前に、前記追従制御手
段が行った前記第２の制御動作によって定常状態が確立
されたときの前記操作量の大きさに関する値を保持し、
前記初期値を決定するとき、前記熱負荷の大きさだけで
なく前記保持された値も用いて前記初期値を調整するよ
うになっている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を説明
する。以下の実施形態は、半導体ウェアをプラズマ雰囲
気中で処理するプロセスチャンバ内の、半導体ウェハを
保持するためのサセプタの温度を一定に制御する用途で
本発明を実施した場合の一例であるが、本発明の適用対
象はこれのみに限られるものではなく、本発明は他の様
々な用途で実施することができる。

【００１４】図２は、この実施形態の全体構成を示す。

【００１５】熱媒流体を冷却するためのチラー１が、プ
ロセスチャンバ４から例えば１〜数メートルの場所に配
置される。チラー１によって温度が制御された熱媒流体
がチラー１から吐出され、配管２を通じてプロセスチャ
ンバ４に供給される。熱媒流体には、例えば、水、エチ
レングリコール又はフロリナート（登録商標）等を用い
ることができる。プロセスチャンバ４内に入った熱媒流
体は、サセプタ５内部を巡って、サセプタ５の温度を調
節する。プロセスチャンバ４内では、サセプタ５上に置
かれた半導体ウェハを処理するとき、プラズマが発生さ
れ、そのプラズマから熱がサセプタ５に加えられる。そ
のとき、熱媒流体はサセプタ５から熱を奪ってこれを冷
却し、高温になってプロセスチャンバ４から出る。その
高温の熱媒流体は、配管３を通じてチラー１に戻る。

【００１６】チラー1内には、冷却器６があって、戻っ
て来た高温の熱媒流体を冷却する。冷却器６には、例え
ば、半導体のペルチェ効果を利用したヒートポンプであ
る熱電変換デバイスが用いられる（しかし、必ずしもそ
うでなければならないわけではない）。この熱電変換デ
バイスは、π形状に電気接続されたｎ型半導体チップと
ｐ型半導体チップのペアの多数から構成されている。こ
の熱電変換デバイスは、その多数のペアが電気的に直接
接続され且つ２次元平面上に配列されて成るプレート形
状のデバイスであり、それに電流を流すと、一方の側の
主面で熱を吸収し反対側の主面で熱を放出するよう動作
する。熱電変換デバイスに流す電流の向きを反転させる
と、熱電変換デバイスが熱を移動させる方向も反転す
る。

【００１７】冷却器６は、上記プレート形状の熱電変換
デバイスの一方の側の主面にて、配管３から配管２へと
流れる熱媒流体から熱を吸収し、且つ、反対側の主面に
て、配管７から来て配管８へ出て行く冷却水へ熱を放出
する。

【００１８】上述したような熱電変換デバイスを用いて
冷却器６を構成した場合、一般的なコンプレッサをもつ
冷媒回路で冷却器６を構成した場合に比較し、チラー１
のサイズはかなり小さくでき、チラー１とプロセスチャ
ンバ４との距離も短くして熱媒流体の量も減らすことが
でき、さらに、冷却器６自体の応答速度や温度制御精度
も向上するため、より性能の良い制御が可能になる。

【００１９】チラー1に付随してコントローラ９があ
り、主として冷却器６の熱電変換デバイスに流す電流を
制御することで、冷却器６の冷却能力を制御し、それに
より、冷却器６から出る熱媒体流体の温度を適正値に制
御する。コントローラ９は、チラー１の熱媒流体吐出口
近傍に配置された吐出温度センサ１０から、チラー１か
ら吐出されるときの熱媒流体の現在温度（吐出温度）Ｔ
１を示した検出信号１１を入力する。また、コントロー
ラ９は、プロセスチャンバ４内のサセプタ５の温度を検
出するサセプタ温度センサ１２から、現在のサセプタ温
度Ｔｓを示した検出信号１３を入力する。さらに、コン
トローラ９は、プロセスチャンバ４内に高周波プラズマ
を発生させるための高周波（ＲＦ）電源装置１４から、
そのメインスイッチのオン／オフ信号やその出力パワー
レベルなどを示す運転信号１５を入力する。これらの入
力に基づいて、コントローラ９は、以下に説明するよう
な制御動作を行う。コントローラ９は、例えば、プログ
ラムされたコンピュータにより構成される。

【００２０】図３は、コントローラ９が行う全体的な制
御動作の流れを示す。

【００２１】図３に示すように、ステップＳ１でコント
ローラ９は制御動作を開始するが、この初期的な時点で
は、プロセスチャンバ４では、ＲＦ電源装置１４のメイ
ンスイッチはオフ状態にありチャンバ４でのプロセスは
開始されていない（以下、これを「アイドル状態」とい
う）。この初期的なアイドル状態において、コントロー
ラ９は、まず、ステップＳ２で、設定温度ＳＶの変更に
対処するための追従制御を行う（Ｓ２）。この追従制御
の結果として、サセプタ温度Ｔｓが設定温度ＳＶに整定
した定常状態が確立される。その後、コントローラ９
は、その定常状態を維持しつつ、プロセスチャンバ４で
プロセスが開始されるのを待つ（Ｓ３）。チャンバプロ
セスが開始すると（例えば、ＲＦ電源装置１４のメイン
スイッチのオン／オフ信号がターンオンを示すと）（Ｓ
３でＹｅｓ）、コントローラ９は、ステップＳ４に進ん
で追値制御に入り、チャンバ４内でのプラズマ発生によ
る熱負荷などの外乱を克服してサセプタ温度Ｔｓを一定
に制御するように動作する。

【００２２】ところで、チャンバプロセスにおいては、
次のような動作が、それを1周期として、多数回繰り返
し実行されていく。その1周期の動作の開始時には、Ｒ
Ｆ電源装置１４の出力パワーレベルは実質的にゼロであ
ってプラズマが発生していない状態（以下、「ＲＦ−Ｏ
ＦＦ」状態という）にある。この「ＲＦ−ＯＦＦ」状態
において、新しい半導体ウェハがプロセスチャンバ４内
に入れられてサセプタ5上に置かれる。次に、ＲＦ電源
装置１４の出力パワーレベルが規定のワット値まで増大
されて、プロセスチャンバ４内にプラズマが発生し（以
下、これを「ＲＦ−ＯＮ」状態という）、それによりチ
ャンバ４内の半導体ウェハに所定の加工が施される。こ
の「ＲＦ−ＯＮ」状態が一定時間の間継続した後、チャ
ンバ４内の状態は再び「ＲＦ−ＯＦＦ」状態に切り替わ
り、そして、加工の終えた半導体ウェハがプロセスチャ
ンバ４外へ搬出される。これで、この１周期の動作が終
わる。この１周期の動作が繰り返し実行される。1回の
チャンバプロセスの間に、上記のような動作が多数回繰
り返され、それにより、多数枚の半導体ウェハが順次に
チャンバ４内で加工される。

【００２３】上記のチャンバプロセスが継続している
間、コントローラ９は、ステップＳ４の追値制御を継続
する。途中で設定温度ＳＶの変更が行われた場合には
（このとき、チャンバプロセスは一旦終了する）（Ｓ５
でＹｅｓ）、コントローラ９は追値制御を止め、再びス
テップＳ２に戻って上述した追従制御から制御をやり直
し、その後にチャンバプロセスが再開すると再び追値制
御を行う。

【００２４】上記チャンバプロセスが終了すると（例え
ば、ＲＦ電源装置１４のメインスイッチのオン／オフ信
号がターンオフを示すと）（Ｓ６でＹｅｓ）、コントロ
ーラ９は、制御動作を終了する（Ｓ７）。

【００２５】図４は、上述した全体制御中、最初のアイ
ドル状態に行われるステップＳ２の追従制御の手順を更
に詳細に示す。また、図５は、この追従制御の中で行わ
れるフィードバック温度制御のための制御ブロック図を
示す（後述する追値制御の中で行われるフィードバック
温度制御も、このブロック図の機能を用いて行われ
る）。さらに、図６は、この追従制御による吐出温度Ｔ
１とサセプタ温度Ｔｓの変化カーブの一例を示す（な
お、縦軸の温度目盛りは設定温度ＳＶを０℃とした相対
温度を示している）。

【００２６】図４に示すように、コントローラ９は、追
従制御を開始する（Ｓ１１）と最初に、吐出温度Ｔ１の
みに基づくフィードバック温度制御（吐出温度制御）を
行う(Ｓ１２)。この吐出温度制御は、図５のブロック図
において、スイッチ２０７を開き、オフセット部２０８
から出力されるオフセット値をゼロに初期設定した状態
で行われる。ここで、ブロック２０１〜２０３と２０６
〜２０８がコントローラ９が行う演算処理であり、ブロ
ック２０４は冷却器６の伝達関数であり、ブロック２０
５はサセプタ５の伝達関数である。また、図５内の変数
に付いているサフィックスｎは、制御演算をデジタル処
理するときのサンプリングの回数目を示している。しか
し、このような時間離散的なサンプリングを行うデジタ
ルコントローラに代えて、時間連続的な演算を行なうア
ナログコントローラを用いても良いことは勿論である。
この実施形態では、フィードバック温度制御の方法とし
て、図５のブロック２０３に示すようにＩ−ＰＤ制御を
用いる。しかし、Ｉ−ＰＤ制御は説明のための例示に過
ぎず、他の制御方法を用いることも可能である。

【００２７】この吐出温度制御では、図５に示すよう
に、コントローラ９は、検出された吐出温度Ｔ１とその
目標温度としての設定温度ＳＶ（オフセット値がゼロな
ので、SV＝SV＊）との間の偏差ｅを求め（２０２，２０
２）、この偏差eに対してＩ−ＰＤ演算を行い（２０
３）、その演算結果に従って冷却器６（２０４）の熱電
変換デバイスのパワーを操作する。それにより、吐出温
度Ｔ１は、図６に示す時刻ｔ０からｔ１までの区間Ａの
ように、設定温度ＳＶに実質的に一致するように制御さ
れる。一方、サセプタ温度Tsは、吐出温度Ｔ１を追うよ
うに変化するものの、吐出温度Ｔ１との間に若干の温度
差を有するから、設定温度ＳＶには一致しない。

【００２８】再び図４を参照して、上述したステップＳ
１２の吐出温度制御により、吐出温度Ｔ１が所定のレデ
ィ条件（例えば、設定温度ＳＶの近傍範囲内に所定時間
に亘って安定して留まる）を満たすと（Ｓ１３でＹｅ
ｓ）、コントローラ９は、吐出温度Ｔ１が定常状態にな
ったものと判断する（Ｓ１４）。その判断は、図６では
例えば時刻Ｂ（ｔ１）でなされる。そう判断した時刻B
で、コントローラ９は、この定常状態におけるサセプタ
温度Ｔｓと吐出温度Ｔ１の間の温度差−ΔＴ（＝Ｔ１−
Ｔｓ）を算出する（Ｓ１５）。そして、コントローラ９
は、その温度差−ΔＴをオフセット値として設定温度Ｓ
Ｖに加算する。そして、時刻Ｂ以降、その加算値（＝Ｓ
Ｖ−ΔＴ）を、吐出温度Ｔ１の新たな目標温度ＳＶ＊と
して用いて（Ｓ１６）、図４のＩ―ＰＤ制御を更に実行
する（Ｓ１７）。このステップＳ１５〜Ｓ１７の動作を
図５のブロック図で説明すると、まず、時刻Ｂでスイッ
チ２０７を閉じて時刻Ｂの温度差−ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ
ｓ）をオフセット部２０８に入力して記憶させ、続い
て、直ちにスイッチ２０７を開き、そして以後、スイッ
チ２０７は開いた状態で、オフセット部２０８に保持さ
れた時刻Ｂのオフセット値−ΔＴを設定温度ＳＶに加算
して目標温度ＳＶ＊とし、その目標温度ＳＶ＊に一致す
るように吐出温度Ｔ１をＩ−ＰＤ制御する。この制御動
作は、間接的にサセプタ温度Ｔｓを設定温度ＳＶに一致
させるように制御することを意味する。これにより、図
６に示す時刻Ｂ以降のカーブのように、サセプタ温度Ｔ
ｓが設定温度ＳＶに制御される。

【００２９】再び図４を参照して、上記ステップＳ１７
の吐出温度制御により、サセプタ温度Ｔｓが所定のレデ
ィ条件（例えば、設定温度ＳＶの近傍範囲内に所定時間
に亘って安定して留まる）を満たしたら（Ｓ１８でＹｅ
ｓ）、コントローラ９は、サセプタ温度Ｔｓが定常状態
になったものと判断する（Ｓ１９）。この判断は、図６
に示す例えば時刻Ｃ（ｔ２）でなされる。

【００３０】そう判断すると、コントローラ９は、その
定常状態におけるコントローラ９の出力値（冷却器６へ
の操作量）（以下、アイドル値という）と、予め定めら
れた標準の出力値との間の差を算出し、算出した出力差
を記憶する（Ｓ１９−２）。ここで、上記標準出力値と
は、コントローラ９を設計する際の前提となった標準の
制御系条件（冷却水温度、気温、及び、冷却器６や配管
２、３やサセプタ５などの制御系構成要素のもつ各種特
性、など）の下で上述した吐出温度制御を実施した場合
において、サセプタ温度Ｔｓが定常状態になっていると
きにコントローラ９から出力されることになる出力値の
ことである。この標準出力値は、上記の標準の制御系条
件の下でのみ正しい値である。従って、上記ステップＳ
１９−２で算出したアイドル値と標準出力値との差は、
実際の制御系条件の下でのコントローラ９の出力値の過
不足量を意味する。この過不足量は記憶され、そして、
後の追値制御において、コントローラ９の出力値の過不
足を修正するために利用されることになる。

【００３１】続いて、コントローラ９は、ステップＳ２
０で制御を図３に示したステップＳ３に進ませ、プロセ
スチャンバ４のプロセスが開始するのを待つ（待ってい
る間、図４のステップＳ１７の吐出温度制御は継続す
る）。

【００３２】なお、上述した図４の追従制御の流れの中
で、ステップＳ１５で検出した温度差が不適切、もしく
は検出後の外乱によって適当でなくなり設定温度ＳＶに
整定できなかった場合には、それ以降のステップＳ１７
の吐出温度制御では、時々（例えば、３０秒間隔で）吐
出温度Ｔ１の目標温度を微調整しつつサセプタ温度Ｔｓ
を診て、そのサセプタ温度Ｔｓが設定温度ＳＶに整定す
るように、その目標温度の微調整を繰り返していく。

【００３３】さて、上述した追従制御が終了すると、既
に図３を参照して説明したとおり、コントローラ９は、
ＲＦ電源装置１４のメインスイッチのターンオンに応答
して、プロセスチャンバ４のプロセスが開始したと判断
し(Ｓ３でＹｅｓ)、ステップＳ４の追値制御を開始し、
チャンバプロセスが行われている間、その追値制御を継
続する。

【００３４】図７は、チャンバプロセス中に実行される
追値制御の流れを更に詳細に示している。前述した図５
の制御機能は、その追値制御の中で行われるフィードバ
ック温度制御でも用いられる。さらに、図８は、追値制
御によるサセプタ温度Ｔｓの変化カーブの一例を示して
いる（なお、温度目盛りは設定温度ＳＶを０℃とした相
対温度を示している）。

【００３５】図７に示すように、コントローラ９は、チ
ャンバプロセスの開始に応答して追値制御を開始するが
（Ｓ２１）、その時点では、ＲＦ電源装置１４の出力パ
ワーレベルは実質的にゼロであってチャンバ４の状態は
「ＲＦ−ＯＦＦ」状態にある。この最初の「ＲＦ−ＯＦ
Ｆ」状態は、図８のカーブでは左端の温度０（＝ＳＶ）
の区間Ｃに相当する。この状態において、コントローラ
９は、ＲＦ電源装置１４の出力パワーレベルを診てチャ
ンバ４の状態が「ＲＦ−ＯＮ」状態に切り替わるのを待
つ（Ｓ２２）。ＲＦ電源装置１４の出力パワーレベルが
規定ワット値に立ち上がって「ＲＦ−ＯＮ」状態が開始
すると（Ｓ２２でＹｅｓ）(図８で時刻ｔ３)、コントロ
ーラ９は、ステップＳ２３のＲＦ−ＯＮ領域処理を開始
し、以後、「ＲＦ−ＯＮ」状態が続く間（図８で区間
Ｄ）、そのＲＦ−ＯＮ領域処理を継続する。このＲＦ−
ＯＮ領域処理では、後述するように、吐出温度Ｔ１とサ
セプタ温度Ｔｓの双方を使用して温度制御が行われる。
その後、チャンバ４の状態が「ＲＦ−ＯＦＦ」状態に戻
ると（Ｓ２４でＹｅｓ）（図８で時刻ｔ５）、コントロ
ーラは、ステップＳ２５のＲＦ−ＯＦＦ領域制御を開始
し、以後、「ＲＦ−ＯＦＦ」状態が続く間（図８の2番
目の区間Ｃ）、そのＲＦ−ＯＦＦ領域処理を継続する。
このＲＦ−ＯＦＦ領域処理では、後述するように、図４
に示した追従制御の方法と同様に原則的に吐出温度Ｔ１
のみを使用した吐出温度制御が行われる。以後、ＲＦ電
源装置１４の「ＲＦ−ＯＮ」と「ＲＦ−ＯＦＦ」の繰り
返しに同期して、上述したステップ２３のＲＦ−ＯＮ領
域処理とステップＳ２５のＲＦ−ＯＦＦ領域処理も繰り
返し実行されることになる。

【００３６】図７のステップＳ２３のＲＦ−ＯＮ領域処
理は、図５に示したブロック図においてスイッチ２０７
が閉じた状態で行われる。これは、吐出温度Ｔ１とサセ
プタ温度Ｔｓの双方を用いたＩ−ＰＤ制御である。すな
わち、図５に示すように、現在の吐出温度Ｔ１と現在の
サセプタ温度Ｔｓとの間の温度差がオフセット値として
設定温度ＳＶに加算されて（２０１）、その加算値が吐
出温度Ｔ１に対する現在の目標温度ＳＶ＊となる。現在
の吐出温度Ｔ１と現在のサセプタ温度Ｔｓとの間の温度
差（オフセット値）は時々刻々と変化し、それに応じ
て、この目標温度ＳＶ＊も時々刻々と変換する。このよ
うに、目標温度ＳＶ＊は、現在の吐出温度Ｔ１とサセプ
タ温度Ｔｓの温度差に応じて動的に決定される。そし
て、このような動的な目標温度ＳＶ＊と現在の吐出温度
Ｔ１との偏差ｅが計算され（２０２）、その偏差ｅに対
してＩ−ＰＤ演算が行われ、その演算結果が操作量(コ
ントローラ９の出力値)として冷却器６に加えられる。

【００３７】一方、図７のステップＳ２５のＲＦ−ＯＦ
Ｆ領域処理は、図５のブロック図においてスイッチ２０
７が開いた状態で、オフセット部２０８からは先に記憶
しておいた追従制御の定常状態でのオフセット値を出力
して行われる。これは、図４に示した追従制御における
ステップＳ１６のＩ−ＰＤ制御と同様である。

【００３８】以下、上述した追値制御中のＲＦ−ＯＮ領
域処理とＲＦ−ＯＦＦ領域処理について、更に詳細に説
明する。

【００３９】また、図９は、ＲＦ−ＯＮ領域処理の流れ
を詳細に示している。図１０は、そのＲＦ−ＯＮ領域処
理の最初に行われる初期出力処理の流れを詳細に示して
いる。

【００４０】図９に示すように、コントローラ９は、Ｒ
Ｆ−ＯＮ領域処理を開始する（Ｓ３１）と最初に、その
時の制御系条件と設定温度ＳＶとプラズマ発生による熱
負荷の大きさなどに合った適正な初期出力を決定して出
力する（Ｓ３２）。この初期出力の処理では、図１０に
示すように、コントローラ９はまず、所定の初期出力導
関数Ｆを用いて、その時のＲＦ電源装置１４の出力パワ
ーレベル（これは、プラズマ発生時にサセプタ５に加わ
る予定の熱負荷の大きさに対応する）と設定温度ＳＶと
に適合した標準の初期出力を算出する（Ｓ４２）。ここ
で、初期出力導関数Ｆとは、ＲＦ電源装置１４の出力パ
ワーレベルと設定温度ＳＶとに対する関数として、前述
した標準的な制御系条件の下におけるＲＦ−ＯＮ領域処
理での初期出力の最適値（標準の初期出力：コントロー
ラ９の設計段階で実験的に求められたもの）を表したも
のである。この初期出力導関数Ｆは、例えば、ＲＦ電源
装置１４の出力パワーレベルの一次関数であり、その一
次関数の傾きと切片とがそれぞれ設定温度ＳＶの線形多
項式になっているようなものであり、ルックアップテー
ブルやサブルーチンなどの形でコントローラ９に実装す
ることができる。こうして標準の初期出力を求めると、
コントローラ９は次に、図４の追従制御のステップＳ１
９−２で記憶したアイドル値と標準出力との間の出力差
を読み出し、この出力差を標準の初期出力に加算するこ
とで、標準の初期出力がもつ過不足分を補正して、この
補正された初期出力値を出力する（Ｓ４３）。これによ
り、コントローラ９は、実際の制御系条件に合った適正
な初期出力値を出力することになる。

【００４１】再び図９を参照して、初期出力を出力する
と直ちに、コントローラ９は、図５に示したブロック２
０３のＩ−ＰＤ制御の応答が若干鈍くなるように、Ｉ−
ＰＤ制御のゲインを初期値より若干小さくした（Ｓ３
３）上で、図５に示したスイッチ２０７を閉じて、吐出
温度Ｔ１とサセプタ温度Ｔｓの双方を用いたＩ−ＰＤ温
度制御を行う（Ｓ３４）。ここでＩ−ＰＤ制御の応答を
若干鈍くする理由は、サセプタ５の熱伝導率の悪さのた
めに、上記初期出力の結果がサセプタ温度Ｔｓに現れる
までにある程度の時間がかかるが、この遅れ時間の間に
Ｉ−ＰＤ制御が効き過ぎてサセプタ５を冷やし過ぎてし
まわないようにするためである。

【００４２】その後、図８の区間ｔ３〜ｔ４や区間ｔ６
〜ｔ７に示すように、プラズマ発生によってサセプタ温
度Ｔｓは乱れて若干上昇するが、上記のＩ−ＰＤ制御の
効果が現れてきて、サセプタ温度Ｔｓはじきに下降に転
じる。コントローラ９は、サセプタ温度Ｔｓが上昇から
下降に転じるピーク時（図８の時刻ｔ４、ｔ７）（Ｓ３
５でＹｅｓ）に、ステップＳ３３で鈍くさせたＩ−ＰＤ
制御の応答性を僅かに初期値の方へ戻すように、Ｉ−Ｐ
Ｄ制御のゲインを僅かに増やし（Ｓ３６）、そして、サ
セプタ温度Ｔｓの乱れのピーク値（図８のＴｓｐ）に設
定温度ＳＶをシフトさせた上で、上述した吐出温度Ｔ１
とサセプタ温度Ｔｓの双方を用いたＩ−ＰＤ温度制御を
継続する（Ｓ３７）。ここでＩ−ＰＤ制御の応答性を僅
かに初期値の方へ戻す理由は、応答性を上げることで設
定温度ＳＶに速やかに到達するためである。また、サセ
プタ温度Ｔｓの乱れのピーク値（図８のＴｓｐ）に設定
温度ＳＶをシフトさせる理由は、既に上昇してしまった
サセプタ温度Ｔｓを再び元の設定温度ＳＶまで低下させ
るより、むしろ、上昇後のピーク値で一定に保持した方
が、チャンバ４内で処理されている半導体ウェハの品質
を一定に制御するのに好ましいからである。以後、チャ
ンバ４の状態が「ＲＦ−ＯＦＦ」状態に切り替わるま
で、ステップＳ３７の制御が継続する。

【００４３】チャンバ４の状態が「ＲＦ−ＯＦＦ」状態
に切り替わると（図８の時刻約２２０秒、４７０秒
で）、コントローラ９は、上述したＲＦ−ＯＮ領域処理
を終了し、ＲＦ−ＯＦＦ領域処理を開始する。

【００４４】図１１は、ＲＦ−ＯＦＦ領域処理の流れを
詳細に示している。

【００４５】図１１に示すように、コントローラ９は、
ＲＦ−ＯＦＦ領域処理を開始する（Ｓ５５）と、ＲＦ−
ＯＮ領域処理で蓄積されたＩ−ＰＤ演算の積分（Ｉ）要
素をゼロにリセットし（Ｓ５２）、そして、ＲＦ−ＯＮ
領域処理では初期値より少し小さかったＩ−ＰＤ制御の
ゲインを、初期値に戻す（Ｓ５３）。そうした上で、コ
ントローラ９は、図４に示したチャンバプロセス開始前
の追従制御のステップＳ１６で用いた吐出温度Ｔ１の目
標温度ＳＶ＊（＝ＳＶ−ΔＴ）を再び用いて、追従制御
のステップＳ１６と同様の方法で、間接的にサセプタ温
度Ｔｓを設定温度ＳＶに制御する。

【００４６】再びチャンバ４の状態が「ＲＦ−ＯＮ」状
態になるまで、ＲＦ−ＯＦＦ領域処理が継続する。

【００４７】以上説明したコントローラ９の制御によ
り、サセプタ温度Ｔｓの変動は従来よりも抑制され、良
好な制御結果が得られる。

【００４８】以上、本発明の実施形態を説明したが、こ
れは本発明の説明のための例示であり、この実施形態の
みに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本
発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態
で実施することが可能である。

【００４９】以上、本発明の実施形態を説明したが、こ
れは本発明の説明のための例示であり、この実施形態の
みに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本
発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態
で実施することが可能である。

【００５０】例えば、図２に示した構成から、吐出温度
Ｔ１をフィードバックする部分を除去し、サセプタ温度
Ｔｓのみをコントローラ９にフィードバックし、コント
ローラ９は、直接的にサセプタ温度Ｔｓを目標温度に制
御するような演算を行って、その演算結果に従い熱伝変
換デバイスのパワーをコントロールして熱媒流体の温度
を制御するような構成に対しても、本発明の原理は適用
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の吐出温度Ｔ１のみに基づく制御の方法
を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施形態の全体構成を示すブロッ
ク図。

【図３】コントローラ９が行う全体的な制御動作の流
れを示すフローチャート。

【図４】図３中の追従制御の流れを示すフローチャー
ト。

【図５】この実施形態で用いられるフィードバック温
度制御のための構成を示すブロック図。

【図６】図４の追従制御による吐出温度Ｔ１とサセプ
タ温度Ｔｓの変化カーブの例を示す図。

【図７】図３中の追値制御の流れを示すフローチャー
ト。

【図８】図７の追値制御によるサセプタ温度Ｔｓの変
化カーブの一例を示す図。

【図９】図７中のＲＦ−ＯＮ領域処理の流れを示すフ
ローチャート。

【図１０】図９中の初期出力を出力する処理の流れを
示すフローチャート。

【図１１】図７中のＲＦ−ＯＦＦ領域処理の流れを示
すフローチャート。

【符号の説明】

１チラー２、３熱媒流体を循環させる配管４プロセスチャンバ５サセプタ６熱電変換デバイスを用いた冷却器７、８冷却水を循環させる配管９コントローラ１０吐出温度Ｔ１を検出する温度センサ１１吐出温度Ｔ１の検出信号１２サセプタ温度Ｔｓを検出する温度センサ１３サセプタ温度Ｔｓの検出信号１４高周波（ＲＦ）電源装置１５高周波電源装置の運転信号２０３コントローラ９のＩ−ＰＤ演算部２０４冷却器２０５サセプタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物（５）に供給される熱媒流体を冷
却又は加熱する冷却／加熱器（６）と、前記熱媒流体の現在温度を検出する熱媒体温度センサ
（１０）と、前記対象物（５）の現在温度を検出する対象物温度セン
サと（１２）、前記熱媒体温度センサからの現在の熱媒体温度（Ｔ１）
と前記対象物温度センサからの現在の対象物温度（Ｔ
ｓ）とを入力し、前記冷却／加熱器（６）に対する操作
量を出力するコントローラ（９）とを備え、前記コントローラ（９）は、前記対象物（５）に外部から熱負荷が加わる前に、定常
状態の時に検出された前記熱媒体温度（Ｔ１）と前記対
象物温度（Ｔｓ）との間の温度差と、設定温度（ＳＶ）
とに基づいて固定的な目標温度を決定し、決定された前
記固定的な目標温度に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）を
制御するように追従制御動作を行う追従制御手段と、前記対象物（５）に外部から熱負荷が加わるときに、現
在の前記熱媒体温度（Ｔ１）と現在の前記対象物温度
（Ｔｓ）との間の温度差と、設定温度（ＳＶ）とに基づ
いて現在の目標温度を動的に決定し、決定された前記現
在の目標温度に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）制御する
ように追値制御動作を行う追値制御手段とを有する、熱
媒流体を用いて対象物の温度を調節するための装置。
【請求項２】前記追従制御手段は、まず、前記設定温
度（ＳＶ）に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）を制御する
ように第1の制御動作を行い、前記第1の追従制御動作に
より前記熱媒体温度（Ｔ１）が設定温度（ＳＶ）に整定
する定常状態が確立したとき、前記熱媒体温度（Ｔ１）
と前記対象物温度（Ｔｓ）との間の温度差を算出し、算
出された定常状態での温度差と前記設定温度（ＳＶ）と
を用いて前記固定的な目標温度を決定し、そして、前記
固定的な目標温度に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）を制
御するように第2の制御動作を行う、請求項１記載の装
置。
【請求項３】前記追値制御手段は、前記追値制御動作
を開始する前に、前記追値制御動作中に前記対象物
（５）に外部から加わる予定の熱負荷の大きさに関する
数値を設定し、設定された前記数値を用いて前記熱負荷
の大きさに応じた前記操作量の初期値を決定し、そし
て、前記追値制御動作を開始する時、決定された前記初
期値を初期的に出力する、請求項１記載の装置。
【請求項４】前記追値制御手段は、前記追値制御動作
を開始する前に、前記追従制御手段が行った前記第２の
制御動作によって定常状態が確立されたときの前記操作
量の大きさに関する値を保持し、前記初期値を決定する
とき、保持された前記値を用いて前記初期値を調整す
る、請求項３記載の装置。
【請求項５】対象物（５）に供給される熱媒流体を冷
却又は加熱するステップと、前記熱媒流体の現在温度を検出するステップと、前記対象物（５）の現在温度を検出するステップと、検出された現在の熱媒体温度（Ｔ１）と現在の対象物温
度（Ｔｓ）とを入力し、前記熱媒流体の冷却／加熱の量
をコントロールするステップとを備え、前記コントロールするステップは、前記対象物（５）に外部から熱負荷が加わる前に、定常
状態の時に検出された前記熱媒体温度（Ｔ１）と前記対
象物温度（Ｔｓ）との間の温度差と、設定温度（ＳＶ）
とに基づいて固定的な目標温度を決定し、決定された前
記固定的な目標温度に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）を
制御するように追従制御動作を行うステップと、前記対象物（５）に外部から熱負荷が加わるときに、現
在の前記熱媒体温度（Ｔ１）と現在の前記対象物温度
（Ｔｓ）との間の温度差と、設定温度（ＳＶ）とに基づ
いて現在の目標温度を動的に決定し、決定された前記現
在の目標温度に現在の前記熱媒体温度（Ｔ１）制御する
ように追値制御動作を行うステップとを有する、熱媒流
体を用いて対象物の温度を調節するための方法。