JP2004193219A - 熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御パラメータの設定および変更が容易な熱処理装置および温度制御方法を提供する。
【解決手段】ＰＩＤ制御部２１は、補正目標温度Ｓｖ’および測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰの偏差を０にするＰＩＤ演算を行い操作量Ｍｖを出力するマスタコントローラ２１６と、操作量Ｍｖおよび測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰの偏差を０にするＰＩＤ演算を行うスレイブコントローラ２１８と、ランピング中に所定の補正演算により補正目標温度Ｓｖ’を出力するＳｖ補正部２１１と、ランピング開始時に所定の積分演算用パラメータ値を含む信号をマスタコントローラ２１６の積分器へ入力するリセット発生部２１２と、ボートイン開始から終了まで所定のファジィ推論により得られる微分時間Ｔｄをマスタコントローラ２１６の微分器へ入力するファジィコントローラ２１４とを含む。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に導入されたウェーハなどの対象物に対して、酸化、拡散、アニール等の熱処理を行う熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハを熱処理するための熱処理装置においては、炉内の温度がほぼ一定に保たれた状態で炉内にウェーハが導入される。導入される多くのウェーハおよびそれらのウェーハを搭載するボートは常温であり比較的大きな熱容量を有する。そのため、これらが炉内に導入されると炉内の温度は急激に低下する。ここで、炉内の温度低下が検出されるのを待ってから炉内の温度を上昇させる制御が行われるとすると、炉の時定数が大きいため炉内の温度が目標値を大きくオーバーシュートする。その結果、炉内の温度の整定（目標温度に対し微少な温度差内で安定させること）が困難となり、半導体ウェーハの処理に要する時間が長くなってスループットが低下する。さらに、炉内の温度が整定された後に炉内の温度を所定の温度まで上昇させる処理（ランピング処理と呼ばれる）が行われる場合も、炉の時定数が大きいためその終了時に炉内の温度が所定の温度をオーバーシュートしやすく、温度の整定が困難となることがある。
【０００３】
このような温度整定の困難を回避するためには、温度制御を行うための１組のＰＩＤ制御用パラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間など）を適切な値にチューニングする方法が考えられる。しかし、これら１組のＰＩＤ制御用パラメータをどのような値に設定しても、上記全ての場合に温度整定を速やかに行うことはできない。そこで、内部にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下およびその後の大きなオーバーシュートとランピング処理の終了時におけるオーバーシュートとに基づく温度整定の遅れが生じない熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法が求められている。
【０００４】
このような要求に応えるために、例えば特開２０００−１８１５４９号公報では、内部にウェーハを導入する際には通常のＰＩＤ制御に代えて予め定められた固定された制御パターンに基づく温度制御を行う縦型熱処理装置の構成が開示されている。以下この構成を第１の従来例と称する。この構成により、炉内へのウェーハ導入の際に生じる温度低下が速やかに回復されるため温度整定時間が短縮される。また、例えば特開平５−１５２３１１号公報では、炉内温度に基づくファジー推論制御を行う温度制御装置の構成が開示されている。以下この構成を第２の従来例と称する。この構成により、炉内の温度が常に安定に保たれる。さらに、ウェーハを導入する時点からランピング処理開始時点までの期間、ランピング処理開始時点からランピング処理終了時点までの期間、およびランピング処理終了時点以降の期間（以下、これらの各期間を「制御区間」という）に対応する適切な制御パラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間など）がそれぞれ予め設定され、それぞれの制御区間毎に対応する制御パラメータに基づきＰＩＤ制御が行われる熱処理装置の構成がある。以下この構成を第３の従来例と称する。この構成では上記各制御区間に応じて適切な値にチューニングされた制御パラメータに基づくＰＩＤ制御が行われるため、上記制御区間全てにわたり予め設定された１つの制御パラメータに基づき通常のＰＩＤ制御が行われる構成に比べて整定時間が短縮される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１８１５４９号公報
【特許文献２】
特開平５−１５２３１１号公報
【特許文献３】
特開２００１−２６５４４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の従来例の熱処理装置では、適切な温度制御を行うための制御パターンが予め精密に設計される。また、上記第２の従来例の温度制御装置でも、同様に適切な全ての温度制御を行うためのファジールールが予め精密に設計される。そのため、上記制御パターンまたは上記ファジールールの作成は容易ではない。上記第３の従来例の熱処理装置は、上記各制御区間に対応する制御パラメータが個別に設定される必要があるため、これら複数の制御パラメータの作成は容易ではない。
【０００７】
また、例えば或る加熱用ヒータが経時変化により劣化した場合には適切な制御を行うための操作量が変化する。このような場合には上記制御パターンまたは上記ファジールールは、例えば装置の利用者により適切なものに変更されることが好ましい。しかし、上述のように上記制御パターンまたは上記ファジールールは精密に作成されるため、利用者によるこれらの変更は容易ではない。同様に上記第３の従来例の熱処理装置では、上記各制御区間に対応する制御パラメータ全てを変更する必要があるため、利用者によるこれらの変更は容易ではない。
【０００８】
さらに、上記第１または第３の従来例の熱処理装置は、導入すべきウェーハの大きさ・数量・配置位置、または各種処理用ガスの導入流量等の変化（以下「運転条件の変化」という）がある場合にも、固定された制御パターンまたは制御パラメータに基づく温度制御が行われる。よって、これらの装置は上記運転条件に変化がある場合、その変化に対応する温度制御を行うことができず、運転条件に変化がある毎に上記制御パターンまたは制御パラメータが適切なものとなるようにチューニングし直さなければならない。これに対し、上記第２の従来例の温度制御装置は、上記運転条件の変化に対応する温度制御を行うことが理論的には可能である。しかし、このような温度制御を含む全ての温度制御を精度よくファジー推論により実現するためには膨大なファジールールが必要とされるため、この構成を実現することはきわめて困難である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、適切な温度制御を行うための制御パラメータの設定および変更が容易なようにこの制御パラメータの初期値を１組のみとしながら、ウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下とランピング処理終了時のオーバーシュートとに基づく温度整定の遅れを生じることがない熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法を提供することである。また、本発明のさらなる目的は、上記運転条件に変化がある場合にもウェーハを導入する際に生じる炉内の温度の急激な低下とランピング処理終了時のオーバーシュートとに基づく温度整定の遅れを生じることがない熱処理装置およびそれに用いられる温度制御方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
前記対象物を加熱する加熱手段と、
前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出される温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する温度制御手段と
を備え、
前記加熱手段は、前記出力操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
前記温度制御手段は、前記対象物が導入される時点近傍からその後の所定の時点までの期間中、温度整定のために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記微分演算のためのパラメータを変更するファジィコントローラを含むことを特徴とする。
【００１１】
このような第１の発明によれば、炉内に対象物を導入する時点からファジィコントローラにより適切な微分時間等の微分演算のためのパラメータが算出され初期値から変更される構成である。この構成により、ＰＩＤ制御のための制御パラメータを初期値の１組のみとすることでこの制御パラメータを容易に設定することができ、かつ炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度下降を小さくすることができるので炉内温度の整定を短時間で行うことができる。また、この構成により、固定された制御パラメータのみを用いてＰＩＤ制御を行う従来の構成では対応できない場合、すなわち運転条件に変化がある場合にも炉内の温度変化を小さくすることができ、炉内温度の整定を短時間で行うことができる。さらに、この構成により、例えばヒータが経年変化に基づく劣化により所定の制御信号に応じて加熱すべき発熱量を発生させることができなくなった場合においても、適切な制御を行うための制御パラメータの変更を容易に行うことができる。なお、上記ヒータの劣化以外の様々な環境要因が変化した場合であっても、上記変更を行うことにより容易に対応することができる。
【００１２】
第２の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
前記対象物を加熱する加熱手段と、
前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出される温度が所定の指令値に合致するように、前記加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する温度制御手段と
を備え、
前記加熱手段は、前記出力操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
前記温度制御手段は、ランピング動作開始時点近傍から順次に受け取られる所定の目標温度群を所定の遅延時間だけ遅延させて得られる補正目標温度を前記指令値とするとともに、前記補正目標温度と順次に受け取られる前記目標温度群との差分値が所定のオーバーシュート量に基づく所定量と等しくなる時点から所定時間が経過するまで当該時点での補正目標温度を前記指令値とすることを特徴とする。
【００１３】
このような第２の発明によれば、目標温度を遅延させた補正目標温度が作成され、定値運転動作時の一定値である目標温度からオーバーシュート量に基づく所定量を差し引かれた補正目標温度が所定期間維持される構成である。この構成により、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止することができる。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明において、
前記温度制御手段は、前記所定時間経過後に、順次に受け取られる目標温度へ近づくほど単位時間あたりの増加量が減少するように前記補正目標温度を増加させ、当該補正目標温度を前記指令値とすることを特徴とする。
【００１５】
このような第３の発明によれば、目標温度に補正目標温度が近づくほど増加量が減少される構成により、不自然なこぶ状のオーバーシュートを抑制することができる。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、
前記温度制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度のオーバーシュートを抑制するために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記補正目標温度を前記所定時間経過後に増加させることを特徴とする。
【００１７】
このような第４の発明によれば、所定のファジィルールによるファジィ推論に基づき増加量が減少される構成により、運転条件に変化がある場合であっても、不自然なこぶ状のオーバーシュートを抑制することができる。
【００１８】
第５の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
前記対象物を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段および前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するために前記加熱手段が目標とする温度を第１の操作量として算出する第１の温度制御手段と
前記加熱手段の温度と前記第１の温度制御手段により算出された第１の操作量との偏差に基づく演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出する第２の温度制御手段と
を備え、
前記加熱手段は、前記第２の操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
前記第１の温度制御手段は、ランピング動作開始時点近傍で前記積分演算による積分量を前記目標温度に強制的に略一致させることを特徴とする。
【００１９】
このような第５の発明によれば、ランピング動作開始時点で積分量を目標温度と強制的に等しくする構成である。この構成により、ＰＩＤ制御のための制御パラメータの初期値を１組のみとすることでこの制御パラメータを容易に設定または変更することができ、かつランピング動作開始時点で、各ゾーン間での温度のばらつきが生じることなくランピング動作を行うことができる。
【００２０】
第６の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記対象物を加熱するための出力操作量を算出する操作量出力ステップと
前記対象物が導入される時点近傍からその後の所定の時点までの期間中、温度整定のために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記微分演算のためのパラメータを変更するファジィ推論ステップと
を含むことを特徴とする。
【００２１】
第７の発明は、内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
前記対象物近傍の温度が所定の指令値に合致するように、前記対象物を加熱するための出力操作量を算出する操作量出力ステップと、
ランピング動作開始時点近傍から順次に受け取られる目標温度群に対して所定の遅延時間だけ遅延させて得られる補正目標温度を前記指令値とする遅延ステップと、
前記補正目標温度と順次に受け取られる前記目標温度群との差分値が所定のオーバーシュート量に基づく所定量と等しくなる時点から所定時間が経過するまで当該時点での補正目標温度を前記指令値とする定値出力ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００２２】
第８の発明は、内部に導入される対象物に対して所定の加熱手段により加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段が目標とする温度を第１の操作量として算出する第１の操作量出力ステップと
前記加熱手段の温度と前記第１の操作量との偏差に基づく演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出する第２の操作量出力ステップと、
を含み、
前記第１の操作量出力ステップは、ランピング動作開始時点近傍で前記積分演算の積分量を前記目標温度に強制的に略一致させるステップを含むことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．熱処理装置全体の構成および動作＞
まず、本発明に係る熱処理装置の一例としての縦型熱処理装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る縦型熱処理装置の構成を示す模式図である。この縦型熱処理装置は、熱処理を行う炉１と、その内部の温度を制御する温度制御部２０とを備える。炉１は、温度制御のために定められた３層の領域を有しており、これらの領域を上層からトップ（ＴＯＰ）ゾーン１０１、センタ（ＣＮＴ）ゾーン１０２、ボトム（ＢＴＭ）ゾーン１０３と称する。なお、このように鉛直方向に温度制御のための層構造を有する複数の加熱ゾーンが設けられる縦型熱処理装置は従来より提案されている。この装置においては、上記複数の加熱ゾーン毎に温度が検出され、それぞれの加熱ゾーンに加えられるべき熱量（すなわち発熱量）に対応する電力が調整されることで温度制御が行われる。この構成により、炉内の温度が高精度に制御される。
【００２４】
上記炉１は、石英または炭化珪素から成る反応管４と、反応管４の内部へ各種処理に用いられるガス（例えば窒素ガス）を導入するガス導入口５と、反応管４の内部からガスを排出するガス排出口６と、反応管４内の半導体ウェーハ３周囲の温度を検出するための例えば熱電対で構成されるＴＯＰプロファイル７１，ＣＮＴプロファイル７２，およびＢＴＭプロファイル７３と、反応管４外の各ヒータ近傍の温度を検出するＴＯＰスパイク８１，ＣＮＴスパイク８２，およびＢＴＭスパイク８３と、後述する出力調整器９５〜９７により供給されるべき電力が調整されることにより対応する領域を加熱するＴＯＰヒータ９１，ＣＮＴヒータ９２，およびＢＴＭヒータ９３と、開閉自在のシャッタ（図示せず）とを含む。
【００２５】
なお、反応管４の内部には熱処理の対象物である複数の半導体ウェーハ３と、ウェーハ３を搭載するボート２とが格納されている。これらのウェーハ３およびボート２は、閉じられていたシャッタが開けられる動作（以下「ボートイン開始動作」と称する）が完了した後、炉１の下方から反応管４の内部に導入され格納される（以下「ボートイン終了動作」と称する）。このようにボートイン動作が完了することにより、ウェーハ３およびボート２は、反応管４の内部に密閉された状態で格納される。さらに炉内の温度が整定された後に、炉内の温度を所定の温度まで上昇させる動作（以下「ランピング処理動作」という。なお、ランピング処理の動作期間についての正確な定義は後述する）が行われる。ランピング処理終了後、反応管４内部には処理用ガスが導入され、上記所定の温度を所定期間だけ維持する運転動作（以下「定値運転動作」という）が行われる。さらに定値運転動作終了後、排気しつつ所定の温度まで炉内の温度を下降させる動作（以下「降温動作」という）が行われる。
【００２６】
ＴＯＰヒータ９１は、トップゾーン１０１に設けられており、トップゾーン１０１の雰囲気を加熱することにより、対応する位置に格納されるウェーハ３に対して熱処理を行う。また、出力調整器９５は、後述する温度制御部２０からの制御信号Ｓｔが与えられ、当該制御信号Ｓｔが示すヒータの発熱体へ供給すべき電力を調整する。この動作により、ウェーハ３に対する加熱量（すなわち、ＴＯＰヒータ９１の発熱量）が制御される。ＴＯＰスパイク８１は、このＴＯＰヒータ９１近傍の空間に設置されており、ＴＯＰヒータ９１近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰを示す信号を温度制御部２０に与える。ＴＯＰプロファイル７１は、トップゾーン１０１の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰを示す信号を温度制御部２０に与える。
【００２７】
同様に、ＣＮＴヒータ９２は、センタゾーン１０２に設けられており、温度制御部２０からの制御信号Ｓｃを受け取る出力調整器９６により発熱量に対応する電力が制御される。ＣＮＴスパイク８２は、このＣＮＴヒータ９２近傍の空間に設置されており、ＣＮＴヒータ９２近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＣＮＴを示す信号を温度制御部２０に与える。ＣＮＴプロファイル７２は、センタゾーン１０２の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴを示す信号を温度制御部２０に与える。また、ＢＴＭヒータ９３は、ボトムゾーン１０３に設けられて、温度制御部２０からの制御信号Ｓｂを受け取る出力調整器９７により発熱量に対応する電力が制御される。ＢＴＭスパイク８３は、このＢＴＭヒータ９３近傍の空間に設置されており、ＢＴＭヒータ９３近傍の温度を測定して測定温度ＰＴＣ＿ＢＴＭを示す信号を温度制御部２０に与える。ＢＴＭプロファイル７３は、ボトムゾーン１０３の領域内のウェーハ３近傍に設置されており、その近傍の温度を測定して測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭを示す信号を温度制御部２０に与える。
【００２８】
＜２．温度制御部の構成および動作＞
次に、温度制御部２０の詳細な構成およびその温度制御動作について説明する。図２は、温度制御部２０の詳細な構成を示すブロック図である。この温度制御部２０は、トップゾーン１０１における温度制御を行うトップゾーン用ＰＩＤ制御部２１と、センタゾーン１０２における温度制御を行うセンタゾーン用ＰＩＤ制御部２２と、ボトムゾーン１０３における温度制御を行うボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２３とを含む。これらのＰＩＤ制御部２１〜２３には、後述するシーケンス制御部３０から出力される制御信号Ｓｓｃおよび目標温度Ｓｖを示す目標温度信号Ｓｓｖが与えられる。
【００２９】
トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１は、トップゾーン１０１における上記測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰおよびＭＴＣ＿ＴＯＰが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に対して比例・積分・微分演算（ＰＩＤ演算）を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰが目標温度で安定するように、ＴＯＰヒータ９１の発熱量に対応する電力を示す制御信号Ｓｔを出力する。
【００３０】
同様に、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２２は、センタゾーン１０２における上記測定温度ＰＴＣ＿ＣＮＴおよびＭＴＣ＿ＣＮＴが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴが目標温度で安定するように、ＣＮＴヒータ９２の発熱量に対応する電力を示す制御信号Ｓｃを出力する。
【００３１】
またボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２３は、ボトムゾーン１０３における上記測定温度ＰＴＣ＿ＢＴＭおよびＭＴＣ＿ＢＴＭが入力されて、測定温度と設定された目標温度との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭが目標温度で安定するように、ＢＴＭヒータ９３の発熱量に対応する電力を示す制御信号Ｓｂを出力する。
【００３２】
このように各ゾーン用ＰＩＤ制御部２１〜２３は、熱処理装置の動作中に実行される各種処理に応じて設定される温度を目標値として各ゾーンの温度を制御するが、この制御は熱処理装置が動作期間中、停止されることなく継続的に行われる。この動作期間とは、典型的にはボートイン開始動作からボートイン終了動作およびランピング処理動作を経て、定値運転動作が終了するまでの期間をいう。もちろん、この動作期間には、ボートイン開始動作前までに室温からボートイン開始動作時の所定の温度まで炉内の温度を上昇させる動作またはボートイン間のインターバルで炉内の温度を所定の温度に維持する動作（以下「スタンバイ動作」という）に対応する期間と、降温動作に対応する期間とが含まれていてもよい。
【００３３】
本熱処理装置はこれらの動作を含む各種処理が所定の手順で行われるように制御するシーケンス制御部３０を備えており、このシーケンス制御部３０は上記制御を行うための制御信号Ｓｓｃと、ＰＩＤ制御部２１〜２３に与えられるべき目標温度Ｓｖを示す目標温度信号Ｓｓｖとを出力する。制御信号Ｓｓｃは、上記ボートイン開始動作に対応してシャッタが開けられたことを示す信号であるボートイン開始信号と、上記ボートイン終了動作に対応してシャッタが閉められたことを示す信号であるボートイン終了信号と、ランピング動作が開始されたことを示す信号であるランピング開始信号とを含む。目標温度信号Ｓｓｖは、上記各動作に対応する所定の目標温度Ｓｖを順次に示すパルス列からなる時系列信号である。なお、目標温度信号Ｓｓｖは、例えばランピング動作中のように目標温度Ｓｖが順次に変化する場合には変化する目標温度Ｓｖを順次に示し、定値運転動作中のように目標温度Ｓｖが変化しない場合には出力されないように構成されていてもよい。ここで、本明細書中のランピング動作時とは、炉内にウェーハが導入された後、目標温度Ｓｖの上昇が開始された時点を始点とし、目標温度Ｓｖが予め定められた一定の温度となる時点（すなわち定値運転動作が開始された時点）を終点とする期間をさすものとする。
【００３４】
＜３．トップゾーン用ＰＩＤ制御部の構成および動作＞
次に、各ゾーン用ＰＩＤ制御部２１〜２３は、対応するゾーン毎に同様の温度制御を行うため同様の構成となる。そこで、以下ではトップゾーン用ＰＩＤ制御部２１の構成および動作を例示して説明し、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２２およびボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２３に関する説明は省略する。
【００３５】
図３は、トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１の詳細な構成を示すブロック図である。トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１は、Ｓｖ補正部２１１と、リセット発生部２１２と、ロジックコントロール部２１３と、ファジィコントローラ２１４と、加算器２１５，２１７と、マスタコントローラ２１６と、スレイブコントローラ２１８とを含む。なお、これらの機能の一部または全ては、コンピュータソフトウェアにより実現されてもよい。
【００３６】
図３に示すように、マスタコントローラ２１６とスレイブコントローラ２１８とによりカスケード制御が行われる構成であって、ＴＯＰヒータ９１の発熱体へ供給すべき電力が調整されることにより、ウェーハ３に対する加熱温度が制御される。このような制御系は図４のように示される。図４は、この制御系の構成を示すブロック線図である。ここで、マスタコントローラ２１６の伝達関数はＣｍ（ｓ）であり、スレイブコントローラ２１８の伝達関数はＣｓ（ｓ）であり、制御対象であるＴＯＰヒータ９１に対応する伝達関数はＰｓ（ｓ）であり、制御対象であるＴＯＰヒータ９１からウェーハ３への熱伝達に対応する伝達関数はＰｍ（ｓ）であり、目標値はＳｖ’（ｓ）であり、ＴＯＰヒータ９１の測定温度はθｐｔｃであり、ウェーハ３の測定温度はθｍｔｃであるものとする。この制御系全体の伝達関数Ｇ（ｓ）は次式（１）のように示される。
Ｇ（ｓ）＝Ｃｍ（ｓ）・Ｃｓ（ｓ）・Ｐｓ（ｓ）・Ｐｍ（ｓ）／（１＋Ｃｓ（ｓ）・Ｐｓ（ｓ）＋Ｃｍ（ｓ）・Ｃｓ（ｓ）・Ｐｓ（ｓ）・Ｐｍ（ｓ））…（１）
【００３７】
ロジックコントロール部２１３は、シーケンス制御部３０からの制御信号Ｓｓｃに基づいて、リセット発生部２１２を動作させるためのリセット動作信号Ｓｌｒと、Ｓｖ補正部２１１に所定の補正演算を開始させるためのＳｖ補正信号Ｓｌｓと、ファジィコントローラ２１４を動作させるためのファジィ動作信号Ｓｌｆとを所定の時点または期間中出力する。すなわち、リセット動作信号Ｓｌｒは、制御信号Ｓｓｃに含まれるランピング開始信号に基づきランピング開始時に出力される。Ｓｖ補正信号Ｓｌｓは、制御信号Ｓｓｃに含まれるランピング開始信号に基づきランピング動作開始時に出力される。ファジィ動作信号Ｓｌｆは、制御信号Ｓｓｃに含まれるボートイン開始信号およびボートイン終了信号に基づき、ボートイン動作の開始から終了までの期間中出力される。なお、上記各信号が出力される時点または期間は、上記時点または期間に限定されるわけではなく、その近傍の時点または期間であってもよい。
【００３８】
Ｓｖ補正部２１１は、Ｓｖ補正信号Ｓｌｓと目標温度信号Ｓｓｖが示す目標温度Ｓｖとに基づき、ランピング動作の開始時点からランピング終了時点以降の所定の時点までは所定の補正演算により得られる補正目標温度Ｓｖ’を出力し、ランピング動作の開始時点より前の期間および上記所定の時点より後の期間では目標温度Ｓｖを補正目標温度Ｓｖ’として出力する。このように、Ｓｖ補正部２１１は所定の期間所定の補正演算を行うことに特徴を有するが、その詳細な構成および動作については後述する。
【００３９】
加算器２１５は、Ｓｖ補正部２１１からの補正目標温度Ｓｖ’と、符号が反転されたＴＯＰプロファイル７１からの測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰとを加算し、偏差ｅとして出力する。すなわち、ｅ＝Ｓｖ’−ＭＴＣ＿ＴＯＰとなる。
【００４０】
マスタコントローラ２１６は、この偏差ｅを０に近づけるようにＰＩＤ演算を行い、操作量Ｍｖを出力する。このマスタコントローラ２１６の伝達関数Ｃｍ（ｓ）は、比例ゲインをＫｐ、積分時間をＴｉ、微分時間をＴｄ、ラプラス変換に基づく変数であって微分演算子に相当するものをｓとするとき次式（２）のように示される。なお、上記制御パラメータはそれぞれ適切な初期値が予め１つだけ与えらる。
Ｃｍ（ｓ）＝（１＋（１／（Ｔｉ・ｓ））＋（Ｔｄ・ｓ））・Ｋｐ …（２）
【００４１】
図５は、この制御系を示すブロック線図であり、図６は、図５に示すブロック線図に対応する、マスタコントローラ２１６の詳細な構成を示すブロック図である。ここで、図６に示す積分器２１６１は上式（２）の（１／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分演算を行い、微分器２１６２は上式（２）の（Ｔｄ・ｓ）に対応する微分演算を行い、比例器２１６４はＫｐを乗じる比例演算を行う。なお、リセット発生部２１２からリセット信号Ｓｒｍが入力される場合に行われる積分器２１６１の特有の動作については、リセット発生部２１２の詳細な動作に関する説明と併せて後述する。また、ファジィコントローラ２１４から微分時間Ｔｄが入力される場合に行われる微分器２１６２の特有の動作については、ファジィコントローラ２１４の詳細な動作に関する説明と併せて後述する。
【００４２】
加算器２１７は、マスタコントローラ２１６からの操作量Ｍｖと、符号が反転されたＴＯＰスパイク８１からの測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰとを加算し、偏差ｅ’として出力する。すなわち、ｅ’＝Ｍｖ−ＰＴＣ＿ＴＯＰとなる。
【００４３】
スレイブコントローラ２１８は、この偏差ｅ’を０に近づけるようにＰＩＤ演算を行い、制御信号Ｓｔを出力する。このスレイブコントローラ２１８の伝達関数Ｃｓ（ｓ）も上式（２）に示すマスタコントローラ２１６の伝達関数Ｃｍ（ｓ）と同様であるためその説明を省略する。
【００４４】
リセット発生部２１２は、リセット動作信号Ｓｌｒと目標温度信号Ｓｓｖが示す目標温度Ｓｖとに基づき、ランピング動作の開始時点において所定の条件が満たされる場合には、目標温度Ｓｖおよび積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量に基づき算出された所定の積分演算用パラメータ値を含むＭｖ０リセット信号Ｓｒｍをマスタコントローラ２１６の積分器２１６１へ入力する。このリセット発生部２１２の詳細な構成および動作については後述する。
【００４５】
ファジィコントローラ２１４は、ファジィ動作信号Ｓｌｆと測定温度ＰＴＣ＿ＴＯＰおよび偏差ｅとに基づき、ボートイン動作の開始時点から終了時点まで所定のファジィ推論により得られる微分時間Ｔｄを出力し、予め定められたマスタコントローラ２１６に含まれる微分器２１６２の微分時間Ｔｄを再設定する。以下、このファジィコントローラ２１４の詳細な構成および動作について説明する。
【００４６】
＜４．ファジィコントローラの構成および動作＞
図７は、ファジィコントローラ２１４の詳細な構成を示すブロック図である。このファジィコントローラ２１４は、入力処理部２１４１と、ファジィ推論部２１４２と、微分時間算出部２１４３とを含む。
【００４７】
入力処理部２１４１は、ファジィ動作信号Ｓｌｆが入力されることにより動作を開始し、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰおよび偏差ｅに基づいて、正規化された測定温度Ｐｖと正規化された偏差Ｅと正規化された測定温度Ｐｖの時間微分値ｄＰｖ／ｄｔとを出力する。ここで、正規化された測定温度Ｐｖは、ボートイン動作時における測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰの最低値および最高値をスケーリングファクタとし、−１から１までの値をとるように無次元化される。正規化された偏差Ｅおよび正規化された微分値ｄＰｖ／ｄｔも同様に、所定の最小値および最大値をスケーリングファクタとして無次元化される。なお、以下では正規化された測定温度Ｐｖおよび正規化された偏差Ｅは、単に測定温度Ｐｖおよび偏差Ｅと略称する。
【００４８】
ファジィ推論部２１４２は、入力処理部２１４１からの測定温度Ｐｖと偏差Ｅと時間微分値ｄＰｖ／ｄｔとに基づいて所定のファジィ推論を行うことによりファジィ推論値Ｇを出力する。以下、このファジィ推論について説明する。
【００４９】
図８は、測定温度ＰｖがＰＢに含まれる値をとる場合のファジィルールを表として示す図であり、図９は、その前件部および後件部のファジィ集合を示す図である。なお、図９の縦軸はメンバーシップ値であり、横軸は正規化された上記各値である。ここで、ＮＢはＮｅｇａｔｉｖｅＢｉｇ（負大）、ＮＭはＮｅｇａｔｉｖｅＭｅｄｉｕｍ（負中）、ＮＳはＮｅｇａｔｉｖｅＳｍａｌｌ（負小）、ＺＥはＺｅｒｏＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ほぼゼロ）、ＰＳはＰｏｓｉｔｉｖｅＳｍａｌｌ（正小）、ＰＭはＰｏｓｉｔｉｖｅＭｅｄｉｕｍ（正中）、ＰＢはＰｏｓｉｔｉｖｅＢｉｇ（正大）の略称であり、対応するファジィ集合を定性的に表現する名称である。また、図８に示す表は、偏差ＥがＰＢからＮＢまでの各集合に含まれる値をとる場合および微分値ｄＰｖ／ｄｔがＮＢからＰＢまでの各集合に含まれる値をとる場合のそれぞれに対応するファジィ推論値Ｇがとるべき値を含む集合を示す。なお、表中の空白部分は非制御状態としてＧ＝０であることを示す。
【００５０】
例えば、この表の１列１行目は、偏差ＥがＰＢに含まれる値をとる場合であってかつ微分値ｄＰｖ／ｄｔがＮＢに含まれる値をとる場合には、ファジィ推論値ＧがＰＢに含まれる値をとるべきことを示す。これを条件式により表現すると次式（３）のように示される。
ＩＦ Ｅ＝ＰＢ ＡＮＤ ｄＰｖ／ｄｔ＝ＮＢ ＴＨＥＮ Ｇ＝ＰＢ …（３）
ここで、隣り合うファジィ集合は互いに重なり合うため、図８に示す条件はほとんどが複数成立する。そのため、例えば公知のＭｉｎ−Ｍａｘ法や代数積−加算重心法などに基づいて非ファジィ化を行うことによりファジィ推論値Ｇが求められる。これらの方法は公知であるため、ここでは説明を省略する。
【００５１】
また、図８は測定温度ＰｖがＰＢに含まれる値をとる場合のファジィルールを示すが、測定温度ＰｖがＺＥに含まれる値をとる場合には、例えば図９を用いて表現すると、ファジィ推論値Ｇを示す全てのファジィ集合が左隣へ１つシフトされ（すなわち１グレード落とされ）、測定温度ＰｖがＮＢに含まれる値をとる場合には、全てのファジィ集合が左へ３つシフトされて（すなわち３グレード落とされて）、上記ファジィ推論が行われる。例えば、測定温度ＰｖがＺＥに含まれる値をとる場合において、偏差ＥがＰＢに含まれる値をとりかつ微分値ｄＰｖ／ｄｔがＮＢに含まれる値をとる場合、ファジィ推論値Ｇは、ＰＢから１グレード落とされたＰＭに含まれる値をとることになる。なお、図８のファジィルールおよびファジィ推論は例示であって、他のルールや他の方法に基づく推論が行われてもよい。
【００５２】
微分時間算出部２１４３は、以上のようにしてファジィ推論により得られたファジィ推論値Ｇを次式（４）に代入し、微分時間Ｔｄを出力する。
Ｔｄ ＝ Ｔｄ０＋（１＋Ｇ）ΔＴｄ …（４）
ここで、Ｔｄ０はＰＩＤパラメータの適切なチューニングに基づき予め定められた初期値の微分時間であり、ΔＴｄは予め定められた微分時間の変動幅である。また、ファジィ推論値Ｇのとりうる値の範囲は、上記ファジィ集合により規定されるため−１≦Ｇ≦１となる。
【００５３】
なお、微分時間算出部２１４３は、微分演算のためのパラメータとしての上記微分時間Ｔｄを出力する構成であるが、微分器２１６２の微分演算に用いられるパラメータであれば微分時間Ｔｄ以外の他のパラメータ（例えば微分ゲインなど）を出力する構成であってもよい。
【００５４】
このように、ボートイン動作の開始時点から終了時点まで、ファジィコントローラ２１４の上記ファジィ推論により得られる微分時間Ｔｄに基づき、予め定められたマスタコントローラ２１６に含まれる微分器２１６２の微分時間Ｔｄが再設定される構成により、ボートイン動作時における炉内温度の急激な低下およびその後のオーバーシュートを比較的短い時間で抑制する作用を有しつつ、制御パラメータの設定および変更が容易な熱処理装置が実現される。以下、前述した第３の従来例の熱処理装置と本発明の一実施形態に係る熱処理装置との動作を比較することにより、ファジィコントローラ２１４の動作が行われる場合の上記温度低下およびオーバーシュートの抑制について図１０および図１１を参照して説明する。
【００５５】
図１０は、前述した第３の従来例の熱処理装置におけるウェーハを導入してから温度が整定されるまでの炉内の温度変化を示す図である。この従来の熱処理装置は、温度制御部２０の動作が異なる点を除き、本発明の実施形態に係る熱処理装置と同様の構成である。すなわち、この従来の熱処理装置では、ウェーハを導入する時点からランピング処理終了時点以降までの前述した各制御区間毎に対応する適切な制御パラメータ（比例ゲイン、積分時間、微分時間など）が予め設定されており、それぞれの制御区間毎に対応する適切な制御パラメータに基づきＰＩＤ制御が行われる点が、本発明の実施形態に係る熱処理装置とは異なる。また、図１１は、本発明の一実施形態に係る熱処理装置におけるウェーハを導入してから温度が整定されるまでの炉内の温度変化を示す図である。なお、これらの熱処理装置は、以下の点では同一の運転条件で動作している。すなわち、ボート２は搭載可能である最大数（６０枚）のウェーハ３を搭載しており（以下この状態を「フルチャージ状態」という）、処理用の窒素ガスの流量は２５ＳＬＭ（ＳｔａｎｄａｒｄＬｉｔｅｒ／Ｍｉｎ）である点で同一である。
【００５６】
まず、図１０を参照すると、ウェーハ３近傍に設置される各プロファイル７１〜７３の測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から約５分以降に少し上昇したあと急激に最大約２５度低下する。それは常温で熱容量の大きいボート２およびウェーハ３が炉内に導入されたことによる。数分後、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭが上昇に転じると、各ヒータ９１〜９３の発熱量は減少するように制御される。ここで、もし各制御区間に対応する適切な制御パラメータに基づきＰＩＤ制御が行われなければ、炉の時定数が大きいことにより測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度を大きくオーバーシュートすることになる。これに対し、この従来例の熱処理装置はボートイン動作開始から終了までの温度整定に適した制御パラメータに基づきＰＩＤ制御が行われるためオーバーシュートは小さく抑えられている。しかし、ボートイン動作開始後の急激な温度低下を抑えることはできない。その結果、時定数の大きな炉の温度上昇に時間がかかるため、ボートイン開始動作時点から５０〜５５分が経過した時点でようやく測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度である４００度付近でほぼ安定した値をとる。このように、ボートイン動作に応じて適切にチューニングされた固定値の制御パラメータが用いられるＰＩＤ制御による温度制御を行う方法では、炉内の温度が急激に大きく下降するため炉内温度の整定が困難になり、処理時間が長くかかることになる。
【００５７】
次に、図１１を参照すると、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは、ボートイン開始動作時点から約３００秒後に上昇または下降し始め、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰは最大約１３度上昇する。しかし、温度の下降は図１０に示す場合よりも小さく、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭが約５度程度下降するにとどまっている。その後、若干の温度変動が見られるものの、ボートイン開始動作時点から３５〜４０分が経過した時点で、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭは目標温度５００度付近で安定した値をとる。このように、本温度制御部２０では、炉内の温度が大きく下降する前に微分要素が適切な値に変更されるような上記ファジィ推論に基づくＰＩＤ制御による温度制御が行われるため炉内の温度上昇に時間がかかることがなく、結果として炉内温度の整定が速やかになされるため処理時間が短くなる。
【００５８】
さらに、上記ファジィ推論について説明する。図８に示すように、時間微分値ｄＰｖ／ｄｔが同じである場合には、偏差Ｅが大きくなるほど（すなわちＺＥに含まれる値からＰＢに含まれる値に近づくほど）ファジィ推論値Ｇは大きくなる。また、偏差Ｅが同じである場合には、時間微分値ｄＰｖ／ｄｔの絶対値が大きくなるほど（すなわちＺＥに含まれる値からＰＢまたはＮＢに含まれる値に近づくほど）ファジィ推論値Ｇは大きくなる。したがって、偏差Ｅまたは時間微分値ｄＰｖ／ｄｔの絶対値が大きくなるほど微分時間Ｔｄが大きくなる。そのため、炉内の温度が急激に大きく下降しようとする際、微分時間Ｔｄが大きくなることにより速やかに温度が整定される。
【００５９】
＜５．リセット発生部の構成および動作＞
図１２は、リセット発生部２１２の詳細な構成を示すブロック図である。リセット発生部２１２は、リセット決定部２１２１と、パラメータ算出部２１２２とを含む。リセット決定部２１２１は、リセット動作信号Ｓｌｒが入力された時点におけるマスタコントローラ２１６の積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量Ｕｍ＿ｉと目標温度Ｓｖとが次式（５）の条件関係を満たすか否かを判断する。
Ｓｖ／Ｓｍａｘ−Ｕｍ＿ｉ／Ｕｍａｘ≧Ｃ …（５）
ここで、Ｃは定数（＝０．１）であり、Ｓｖをその最大値Ｓｍａｘにより除算することにより得られる値は正規化（無次元化）されており、Ｕｍ＿ｉをその最大値Ｕｍａｘにより除算することにより得られる値も同様に正規化されている。ここで例えば、上記最大値Ｓｍａｘは、炉内の最高温度である８００（度）である。
【００６０】
なお、上記積分項に対応する積分量が目標温度Ｓｖから所定値以上大きく下回っている場合には、マスタコントローラ２１６から出力される操作量Ｍｖが目標温度Ｓｖから所定値以上大きく下回っているため、上式（５）に代えて、例えばＳｖ−Ｍｖ≧Ｃ’（ここでＣ’は定数）のような条件式が用いられてもよい。
【００６１】
上式（５）を満たす場合、すなわち積分項に対応する積分量が目標温度Ｓｖから所定値以上大きく下回っている場合、リセット決定部２１２１は、パラメータ算出部２１２２を動作させるための信号Ｓｒｐを出力する。この信号Ｓｒｐが入力されることにより動作状態となったパラメータ算出部２１２２は、積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量を目標温度Ｓｖに等しくするために必要な値を算出し、当該算出値を含むＭｖ０リセット信号Ｓｒｍをマスタコントローラ２１６の積分器２１６１へ入力する。
【００６２】
積分器２１６１は、Ｍｖ０リセット信号Ｓｒｍが入力される場合、積分演算用パラメータをリセットして、Ｍｖ０リセット信号Ｓｒｍに含まれる上記算出値を初期値として代入する。この動作により、Ｍｖ０リセット信号Ｓｒｍが入力される前の積分項に対応する積分量にかかわらず、積分量は目標温度Ｓｖと強制的に等しくさせられる。その後、積分器２１６１は上記算出値を初期値として積分演算を継続する。
【００６３】
このような構成によれば、積分項に対応する積分量が目標温度Ｓｖより大きく下回っている場合であっても、積分器２１６１にＭｖ０リセット信号Ｓｒｍが入力されることにより、瞬時にマスタコントローラ２１６から出力される操作量Ｍｖの値が目標温度Ｓｖにほぼ等しくなる。ここで、操作量Ｍｖの値が目標温度Ｓｖと完全に等しくならないのは操作量Ｍｖの値に微分項に対応する微分量と比例項に対応する比例量とが加算されているためであるが、微分項および比例項に対応する微分量および比例量はほとんど０であり問題とはならない。なぜなら、通常、ランピング動作開始時には見かけ上ほぼ温度が整定されていることから、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰと目標温度Ｓｖとの偏差ｅはほぼ０であるため比例項に対応する比例量は０に近く、また温度変化もほとんど無いため微分項に対応する微分量も０に近いからである。したがって、この構成により、ランピング開始時における積分項に対応する積分量の大きな低下による悪影響が排除される作用が実現される。なお、上記作用が実現されるためには、積分器２１６１にＭｖ０リセット信号Ｓｒｍが入力される時点がランピング動作開始時点と完全に一致する必要はなく、また積分器２１６１へ入力される積分量は必ずしも目標温度Ｓｖと完全に一致しなくてもよい。次に、リセット発生部２１２および積分器２１６１が動作しない場合と動作する場合とを比較することにより、ランピング動作開始時に上記動作が行われる場合の温度整定作用について図１３および図１４を参照して説明する。
【００６４】
図１３は、本熱処理装置に含まれるリセット発生部２１２が動作しない場合のランピング処理開始時点近傍の炉内の温度変化と、マスタコントローラ２１６の出力操作量Ｍｖおよび積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量の変化とを示す図である。図１４は、上記リセット発生部２１２が動作する場合のランピング処理開始時点近傍の炉内の温度変化と、マスタコントローラ２１６の出力操作量Ｍｖおよび積分項に対応する積分量の変化とを示す図である。
【００６５】
まず、図１３を参照すると、ボートイン動作開始時から約５分が経過した時点以降、トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１に含まれるマスタコントローラ２１６の操作量Ｍｖの値が減少しているにもかかわらず、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰは上昇している。これは、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭの下降を防ぐためにセンタゾーン１０２およびボトムゾーン１０３に対して与えられた熱量の影響を受け、トップゾーン１０１の温度が上昇する（あおられる）ためである。その結果、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰはオーバーシュートを生じるため、マスタコントローラ２１６の積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量は大きく減少し、マスタコントローラ２１６の出力操作量Ｍｖは目標温度Ｓｖおよび測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰを大きく下回る。その後、ランピング動作が開始されることにより目標温度Ｓｖは所定の増加率で上昇するが、上記積分量はそれまでに大きく落ち込んでいるため或る程度の値に回復するまでには時間がかかる。したがって、マスタコントローラ２１６の出力操作量Ｍｖが測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰを超えるまではトップゾーン用ＰＩＤ制御部２１は制御状態（ここでの制御状態とはＴＯＰヒータ９１を加熱する制御状態をいう）に入ることがなく、その結果、ランピング動作中に測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰが目標温度Ｓｖより大きく下回ることになり、各ゾーン間での温度のばらつきが生じる。このような温度のばらつきは、ウェーハ３の品質にばらつきを生じさせる要因となり、また炉全体の温度整定にも困難を生じさせるため、好ましくない。
【００６６】
次に、図１４を参照すると、ランピング動作が開始されるまでは図１３と同じ運転条件であるため同様の変化を生じる。すなわち、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰがオーバーシュートを生じるため、マスタコントローラ２１６の積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量は大きく減少し、マスタコントローラ２１６の出力操作量Ｍｖは目標温度Ｓｖおよび測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰを大きく下回る。なお、図１３に示す場合と図１４に示す場合とで各値がやや異なるのは、ボートイン開始時の各ゾーンの温度にそれぞれ微妙な差があり、それぞれの場合において完全に同一の条件とはならないためである。ランピング動作開始時点では、上述のようにマスタコントローラ２１６の積分項（Ｋｐ／（Ｔｉ・ｓ））に対応する積分量Ｕｍ＿ｉと目標温度Ｓｖとが式（５）の条件関係を満たすか否かが判断される。図１４に示す積分量は目標温度Ｓｖから大きく下回っているため式（５）の条件が満たされ、積分量は目標温度Ｓｖと強制的に等しくさせられる。ここでは、トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１に含まれる積分器２１６１の他、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２２およびボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２３に含まれる積分器の積分量も目標温度Ｓｖと強制的に等しくさせられる。したがって、ランピング動作開始時点では、各ＰＩＤ制御部２１〜２３が各ヒータを加熱する制御状態に入るため、各ゾーン間での温度のばらつきがほとんど生じることなくランピング動作が行われる。なお、上記場合ではトップゾーン用ＰＩＤ制御部２１に含まれる積分器２１６１のみの積分量が目標温度Ｓｖと強制的に等しくさせられる構成であってもほぼ同様の結果が得られる。
【００６７】
＜６．Ｓｖ補正部の構成および動作＞
図１５は、Ｓｖ補正部２１１の詳細な構成を示すブロック図である。このＳｖ補正部２１１は、所定の場合に目標温度信号Ｓｓｖを遅延させる遅延部２１１１と、所定の場合に所定の一定値を出力するピーク解消部２１１２と、所定の場合に補正目標温度Ｓｖ’を目標温度Ｓｖへ復帰させる定値復帰部２１１３と、これらを制御する補正制御部２１１４とを含む。
【００６８】
遅延部２１１１は、目標温度信号Ｓｓｖが入力され、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ１に基づく動作期間中は当該目標温度信号Ｓｓｖを予め定められた遅延時間Ｔａだけ遅延させて得られる第１の中間目標温度Ｓｖ’ａを出力し、それ以外の期間は目標温度信号Ｓｓｖが示す目標温度Ｓｖをそのまま第１の中間目標温度Ｓｖ’ａとして出力する。なお、上記制御信号Ｓｃ１が与えられてから上記遅延時間Ｔａ経過時点までの間、遅延部２１１１は、上記制御信号Ｓｃ１が与えられた時点の目標温度Ｓｖをそのまま第１の中間目標温度Ｓｖ’ａとして出力する。
【００６９】
ピーク解消部２１１２は、遅延部２１１１からの第１の中間目標温度Ｓｖ’ａを受け取り、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ２に基づく動作期間中は所定の一定値を第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂとして出力し、それ以外の期間は第１の中間目標温度Ｓｖ’ａをそのまま第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂとして出力する。典型的には、ピーク解消部２１１２は、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ２が入力された時点での第１の中間目標温度Ｓｖ’ａの値をラッチすることにより当該値を第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂとして出力する。
【００７０】
定値復帰部２１１３は、ピーク解消部２１１２からの第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂを受け取り、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ３に基づく動作期間中は所定のパターンで目標温度Ｓｖまで変化する温度を補正目標温度Ｓｖ’として順次に出力し、それ以外の場合には第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂをそのまま補正目標温度Ｓｖ’として出力する。例えば、定値復帰部２１１３は、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ３が入力された時点での第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂの値を起点として、所定の増加率で目標温度Ｓｖまで変化する温度を補正目標温度Ｓｖ’として順次に出力するように構成される。また、別例として、定値復帰部２１１３は、補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ３が入力された時点での第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂの値を起点として、当該値に対して所定のファジィ推論により得られるべき上昇温度が加算された補正目標温度Ｓｖ’を順次に出力するように構成される。この別例の構成および動作については、変形例として後述する。
【００７１】
補正制御部２１１４は、図示されないタイマを含み、所定の場合に上記制御信号Ｓｃ１〜Ｓｃ３を出力することにより、遅延部２１１１、ピーク解消部２１１２、および定値復帰部２１１３の動作を制御する。図１６は、この補正制御部２１１４の処理手順を示すフローチャートである。なお、当初より遅延部２１１１、ピーク解消部２１１２、および定値復帰部２１１３の動作は停止しているものとする。
【００７２】
補正制御部２１１４は、ロジックコントロール部２１３からのＳｖ補正信号Ｓｌｓが入力されたか否かを判断し（ステップＳ１０）、入力されない場合（Ｎｏの場合）には当該ステップＳ１０の判断が繰り返される。Ｓｖ補正信号Ｓｌｓが入力された場合（Ｙｅｓの場合）には遅延部２１１１を動作させるように制御信号Ｓｃ１を出力する（ステップＳ１２）。
【００７３】
ステップＳ１４において、補正制御部２１１４は、定値復帰部２１１３からの補正目標温度Ｓｖ’と予め定められたオーバーシュート量Ｖ（典型的にはＳｖ補正部２１１が動作しない場合に発生すべきオーバーシュート量であるが、その近傍値であってもよい）との合算値が目標温度信号Ｓｓｖに示される目標温度Ｓｖ以上であるか否かを判断し、目標温度Ｓｖ未満である場合（Ｎｏの場合）には上記合算値が目標温度Ｓｖ以上になるまでステップＳ１４の判断が繰り返される。上記合算値が目標温度Ｓｖ以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、上記タイマから出力される経過時間を示すタイマー値Ｔｘをリセットし（ステップＳ１６）、ピーク解消部２１１２を動作させるように制御信号Ｓｃ２を出力する（ステップＳ１８）。
【００７４】
ステップＳ２０において、上記タイマー値Ｔｘが予め定められた定値時間Ｔｂ（典型的には目標温度に対する応答遅延時間を２〜４倍した値であって、この遅延時間が大きいほど小さくなるように定められる値であるが、その近傍値であってもよい）以上であるか否かを判断し、定値時間Ｔｂ未満である場合（Ｎｏの場合）には上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂ以上になるまでステップＳ２０の判断が繰り返される。上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂ以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、定値復帰部２１１３を動作させるように制御信号Ｓｃ３を出力する（ステップＳ２２）。定値復帰部２１１３は、この制御信号Ｓｃ３を受け取ることにより、この時点における一定値となった目標値Ｓｖからオーバーシュート量Ｖが差し引かれた値を開始値とし、予め定められたピーク時間Ｔｐ（典型的にはランピング動作終了時点からオーバーシュートのピーク時点までの時間であるが、その近傍値であってもよい）が経過した時点での目標値Ｓｖを終了値とするように、所定の増加率で増加する補正目標値Ｓｖ’を順次出力する。
【００７５】
ステップＳ２４において、上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂに予め定められたピーク時間Ｔｐを加えた時間以上であるか否かを判断し、当該時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）未満である場合（Ｎｏの場合）には上記タイマー値Ｔｘが当該時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）以上になるまでステップＳ２４の判断が繰り返される。上記タイマー値Ｔｘが時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、遅延部２１１１、ピーク解消部２１１２、および定値復帰部２１１３の動作を停止させるように、制御信号Ｓｃ１〜Ｓｃ３を出力し、処理を終了する（ステップＳ２６）。なお、上記時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）に代えて、オーバーシュート時間Ｔｏｖ（典型的にはＳｖ補正部２１１が動作しない場合に発生すべきオーバーシュートの発生時間であるが、その近傍値であってもよい）が用いられてもよい。なお、オーバーシュート量Ｖ、定値時間Ｔｂ、ピーク時間Ｔｐ、およびオーバーシュート時間Ｔｏｖは必ずしも上記値に限定されない。
【００７６】
図１７（ａ）は、Ｓｖ補正部２１１が動作しない場合の目標温度Ｓｖと測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰとの時間変化を示す図であり、図１７（ｂ）は、Ｓｖ補正部２１１が動作する場合の目標温度Ｓｖと補正目標温度Ｓｖ’と測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰとの時間変化を示す図である。１点鎖線は目標温度Ｓｖの時間変化を示し、実線は補正目標温度Ｓｖ’の時間変化を示し、点線は測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭの時間変化を示す。図１７（ａ）に示されるように、Ｓｖ補正部２１１が動作しない場合、時刻ｔ１にランピング処理が開始されると、時刻ｔ１から本制御系における目標温度に対する応答遅延時間Ｔｒだけ遅れて測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰが上昇を開始する。その後ランピング処理が終了しても、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰは時刻ｔ７で目標温度Ｓｖに合致した後もさらに上昇し続け、時刻ｔ７からピーク時間Ｔｐが経過した時刻ｔ８の時点でオーバーシュートのピーク値となった後、時刻ｔ７からオーバーシュート時間Ｔｏｖが経過した時刻ｔ９の時点で目標温度Ｓｖに合致し整定される。なお、応答遅延時間Ｔｒは、正確にはランピング処理終了時点から測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰが目標温度Ｓｖに達する時点までの時間であるものとする。次に、Ｓｖ補正部２１１の動作について、図１７（ｂ）を参照して説明する。
【００７７】
時刻ｔ１において、ランピング処理が開始されることにより、補正制御部２１１４は、遅延部２１１１へ制御信号Ｓｃ１を出力する（Ｓ１０，Ｓ１２）。この制御信号Ｓｃ１が入力されたことにより動作状態となった遅延部２１１１により、補正目標温度Ｓｖ’は時刻ｔ１から遅延時間Ｔａだけ遅れた時刻ｔ２まで一定値を維持された後、目標温度Ｓｖと同じ増加率で遅延時間Ｔａだけ遅れてランピングされる。時刻ｔ３において、定値運転動作が開始され、一定値となった目標温度Ｓｖと未だ上昇中である補正目標温度Ｓｖ’との差は時刻ｔ３から徐々に小さくなり、時刻ｔ４において、補正目標温度Ｓｖ’とオーバーシュート量Ｖとの合算値が目標温度Ｓｖに達する。補正目標温度Ｓｖ’が目標温度Ｓｖに対して遅延されるように構成されるのは、この状態を生じさせるためである。この時点で、ピーク解消部２１１２は補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ２が入力されることにより動作状態となり、定値時間Ｔｂが経過して時刻ｔ５になるまで、所定の値である目標温度Ｓｖと逆符号のオーバーシュート量Ｖとの合算値を補正目標温度Ｓｖ’として出力する（Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８，Ｓ２０）。このように補正目標温度Ｓｖ’が上昇状態から一定値に転ずる時点からその近傍の所定時点までの期間（以下「肩部分」という）の補正目標温度Ｓｖ’を目標温度Ｓｖより低くすることにより、発生すべきオーバーシュートのピーク付近に対応する期間の温度を下げ、結果的にオーバーシュートを解消または抑制する。また、当該期間中の温度変化（温度の微分値）が０となることにより、マスタコントローラ２１６の微分器２１６２による補正目標温度Ｓｖ’の上昇が防止される。
【００７８】
時刻ｔ５において、定値復帰部２１１３は補正制御部２１１４からの制御信号Ｓｃ３が入力されることにより動作状態となり、時刻ｔ５からピーク時間Ｔｐが経過して時刻ｔ６になるまで、時刻ｔ６において目標温度Ｓｖと一致するように予め設定された増加率で変化する補正目標温度Ｓｖ’を連続して出力する（Ｓ２２，Ｓ２４）。時刻ｔ６において、補正目標温度Ｓｖ’が目標温度Ｓｖと等しくなると、遅延部２１１１、ピーク解消部２１１２、および定値復帰部２１１３の動作が停止され、Ｓｖ補正部２１１による補正演算が終了する（Ｓ２６）。
【００７９】
このように、温度制御部２０に対して予め全動作期間に対応する目標温度Ｓｖが与えられることなく、パルス列からなる時系列信号である目標温度信号Ｓｓｖにより目標温度Ｓｖが逐次与えられる構成であっても、遅延させた補正目標温度Ｓｖ’が作成され、目標温度Ｓｖが定値運転動作時の一定値に達する前にオーバーシュート量Ｖを差し引かれた補正目標温度Ｓｖ’が所定期間維持される構成では、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生が防止される作用がある。以下、前述した第３の従来例の熱処理装置と本発明の一実施形態に係る熱処理装置とを比較することにより、Ｓｖ補正部２１１の動作が行われる場合の上記オーバーシュートの抑制について図１８および図１９を参照して説明する。
【００８０】
図１８は、第３の従来例の熱処理装置における、ウェーハを導入してからランピング動作を経て定値運転動作時の上記肩部分までの炉内の温度変化を示す図である。図１９は、本発明に係る一実施形態の熱処理装置における、ウェーハを導入してからランピング動作を経て肩部分近傍までの炉内の温度変化を示す図である。なお、上記従来の熱処理装置は、図１０に示す場合と同様に、前述した各制御区間毎に対応する適切な制御パラメータが予め設定されており、それぞれの制御区間毎に対応する適切な制御パラメータに基づきＰＩＤ制御が行われるが、図１０に示す場合よりも炉の時定数が小さく運転条件もやや異なる。しかし、図１８に示す温度変化は、同一の炉および運転条件で得られるべき温度変化と大きく変わらないことから、ここでは図１８を参照して説明する。
【００８１】
まず、図１８を参照すると、ウェーハを導入してからランピング動作開始までの温度変化は、図１０に示す温度変化とほぼ同様であり、ランピング動作開始時点近傍の温度変化は、図１３に示す温度変化とほぼ同様であるため、説明は省略する。その後、定値運転動作開始直前までにゾーン間の温度のばらつきはほぼ解消されるが、肩部分では最大４．７度のオーバーシュートが生じている。このオーバーシュートは、目標温度がＰＩＤ制御部に順次に与えられるため定値運転動作に移行したときに直ちに追従することができないことにより生じる。よって、このオーバーシュートはＰＩＤ制御のための制御パラメータの調整によっては十分に解消することができない。
【００８２】
次に、図１９を参照すると、ウェーハを導入してからランピング動作開始までの温度変化は、図１１に示す温度変化と類似して大きな温度の下降は見られず、最大の温度低下は測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴの４．５度低下にとどまる。これは上述したファジィコントローラ２１４の作用による。ランピング動作開始時点近傍の温度変化は、図１４に示す温度変化とほぼ同様であるため、説明は省略する。なお、ランピング動作中の中間時点でのゾーン間の最大温度がが０．８度にとどまり、ランピング動作終了直前時点でのゾーン間の最大温度差が０．５度にとどまっているのは、上述したリセット発生部２１２の作用による。その後、定値運転動作開始後の肩部分のオーバーシュートは、Ｓｖ補正部２１１の作用により小さくなる。すなわち、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰの目標温度Ｓｖからの上昇温度は、最大で２．４度にとどまり、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴの上昇温度は最大で３．５度にとどまり、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭの上昇温度は最大で１．６度にとどまる。このように、パルス列からなる時系列信号により目標温度Ｓｖが逐次与えられる構成であっても、Ｓｖ補正部２１１の上記構成では、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止する作用がある。
【００８３】
なお、図２０は、本発明に係る一実施形態の熱処理装置における、ウェーハを導入してからランピング動作を経て定値運転動作に移るまでの炉内の温度変化の別例を示す図である。図１９に示す場合と異なり、図２０では炉内温度が５００度でボートイン動作を行い、７５０度までランピングして定値運転動作を行う場合の温度変化の例が示されている。図２０に示すように、定値運転動作開始後の肩部分のオーバーシュートは、Ｓｖ補正部２１１の作用により小さくなっている。すなわち、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰの目標温度Ｓｖからの上昇温度は、最大で２度にとどまり、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴの上昇温度も最大で２度にとどまり、測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭの上昇温度は最大で２．４度にとどまっている。このように、ウェーハ導入時および定値運転動作時の目標温度Ｓｖが異なる場合であっても、Ｓｖ補正部２１１の上記構成では、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止する作用がある。
【００８４】
＜７．一実施形態の効果＞
以上のように上記一実施形態では、炉内にウェーハを導入する時点からファジィコントローラ２１４により適切な微分時間Ｔｄを演算し、当該演算値により予め定められたマスタコントローラ２１６に含まれる微分器２１６２の微分時間Ｔｄが初期値から変更される構成である。この構成により、ＰＩＤ制御のための制御パラメータを初期値を１組のみとすることでこの制御パラメータを容易に設定することができ、かつ炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度下降を小さくすることができるので炉内温度の整定を短時間で行うことができる。
【００８５】
また、上記一実施形態では、ランピング動作開始時点で、トップゾーン用ＰＩＤ制御部２１に含まれる積分器２１６１と、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２２およびボトムゾーン用ＰＩＤ制御部２３に含まれる積分器とにおける各積分項に対応する積分量をリセット発生部２１２により目標温度Ｓｖと強制的に等しくする構成である。この構成により、ＰＩＤ制御のための制御パラメータの初期値を１組のみとすることでこの制御パラメータを容易に設定することができ、かつランピング動作開始時点で、各ゾーン間での温度のばらつきが生じることなくランピング動作を行うことができる。
【００８６】
さらに、上記一実施形態では、Ｓｖ補正部２１１によりパルス列からなる時系列信号である目標温度信号Ｓｓｖに含まれる目標温度Ｓｖから遅延させた補正目標温度Ｓｖ’が作成され、定値運転動作時の一定値である目標温度Ｓｖからオーバーシュート量Ｖを差し引かれた補正目標温度Ｓｖ’が所定期間維持される構成である。この構成により、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止することができる。
【００８７】
さらにまた、上記一実施形態では、予め定められた１組のＰＩＤ制御のための制御パラメータが適宜適切な値に変更される構成である。この構成により、固定された制御パラメータのみを用いてＰＩＤ制御を行う従来の構成では対応できない場合、すなわち導入すべきウェーハの数量や処理ガスの流量等の運転条件に変化がある場合にも各ゾーン用ＰＩＤ制御部２０１〜２０３により適切な温度制御が行われる。そのため、運転条件に変化がある場合にも、炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度変化を小さくすることができ、またその定値運転動作開始後の肩部分のオーバーシュートを小さくして炉内温度の整定を短時間で行うことができる。以下、図２１および図２２を参照して、上記効果について説明する。
【００８８】
図２１は、図１９に示す場合よりも処理ガスの流量を増加した場合の本熱処理装置における炉内の温度変化を示す図である。ここでの処理ガスの流量は５０ＳＬＭであり、図１９に示す場合の５倍である。そのほかの条件は同一である。図２１に示すように、ボートイン動作時の温度低下の最大値は測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭの４．５度であり、ランピング動作中の中間時点でのゾーン間の最大温度差は０．４度であり、肩部分のオーバーシュートの最大値は測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰの３．２度であるから、図１９に示す場合とほとんど効果に差がないといえる。なお、図２１に示すように、ボートイン動作中に測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰだけでなく、測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴもまた設定温度を下回っているため、リセット発生部によりトップゾーン用ＰＩＤ制御部２１に含まれる積分器２１６１の他、センタゾーン用ＰＩＤ制御部２２に含まれる積分器の積分量も目標温度Ｓｖと強制的に等しくさせられる構成により、各ゾーン間での温度のばらつきが生じることなくランピング動作を行うことができる。
【００８９】
次に、図２２は、図１９に示す場合よりもボート２に搭載するウェーハ３の量を減少させた場合の本熱処理装置における炉内の温度変化を示す図である。ここでのウェーハの数は図１９に示すフルチャージ状態の半数（ハーフチャージ状態）である。そのほかの条件は同一である。図２２に示すように、ボートイン動作時の温度低下の最大値は測定温度ＭＴＣ＿ＢＴＭの４．５度であり、肩部分のオーバーシュートの最大値は測定温度ＭＴＣ＿ＣＮＴの３度であるから、図１９に示す場合とほとんど効果に差がないといえる。ただし、ランピング動作開始直後近傍の時点でのゾーン間の温度には図１９に示す場合よりもややばらつきが見られるが、ランピング動作中の中間時点でのゾーン間の最大温度差は１度であるため、短時間で温度のばらつきは解消されている。以上より、本熱処理装置は運転条件に変化がある場合にも、炉内温度の整定を短時間で行うことができるといえる。また同時に、ボートイン完了時にゾーン間に温度差があっても、ランピング動作開始後すみやかに炉内温度を揃えることが可能であるため、いかなる状態からでもランピング動作を開始することが可能となり、スループットの向上に寄与するといえる。
【００９０】
さらにまた、上記一実施形態によれば、上記各制御区間毎にＰＩＤ制御用の制御パラメータが用意されているわけではなく、初期値として与えられる１組の制御パラメータのみが予め用意される構成である。この構成により、例えば各ヒータ９１〜９３が経年変化に基づく劣化により所定の制御信号に応じて加熱すべき発熱量を発生させることができなくなった場合においても、適切な制御を行うための制御パラメータの変更を容易に行うことができる。このような変更は、例えば熱処理装置を使用する者に十分な専門知識がない場合であっても簡単に行うことができる。なお、上記ヒータの劣化以外の様々な環境要因が変化した場合であっても、上記変更を行うことにより容易に対応することができる。
【００９１】
＜８．変形例＞
上記実施形態では、ファジィコントローラ２１４、リセット発生部２１２、およびＳｖ補正部２１１を全て含む構成であるが、これらのうちの任意の１つまたは２つが省略される構成であってもよい。すなわち、ファジィコントローラ２１４により適切な微分時間Ｔｄを演算して微分器の微分時間を再設定する構成のみを有する熱処理装置であっても、炉内にウェーハを導入する際に生じる炉内の温度下降を小さくする作用を有する。また、ランピング動作開始時点で積分器の積分量をリセット発生部２１２により目標温度Ｓｖと強制的に等しくする構成のみを有する熱処理装置であっても、ランピング動作中に各ゾーン間での温度のばらつきが生じることを抑制する作用を有する。さらに、Ｓｖ補正部２１１により目標温度Ｓｖから遅延させた補正目標温度Ｓｖ’が与えられ、目標温度Ｓｖが定値運転動作時の一定値に達する前にオーバーシュート量Ｖを差し引かれた補正目標温度Ｓｖ’が所定期間維持される構成のみを有する熱処理装置であっても、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止する作用を有する。なお、この場合、マスタコントローラ２１６に対してＳｖ補正部２１１により補正された補正目標温度Ｓｖ’が順次に与えられ、目標温度Ｓｖに一致するように炉内の温度を制御する制御方式であれば、ここでのマスタコントローラ２１６は必ずしもＰＩＤ制御を行う必要はなく、ファジィ制御、ニューロ制御、遺伝子アルゴリズムに基づく制御、または現代制御理論に基づく制御などを行うものであってもよい。
【００９２】
次に上記実施形態では、Ｓｖ補正部２１１に含まれる定値復帰部２１１３が所定の増加率で目標温度Ｓｖまで変化する温度を補正目標温度Ｓｖ’として順次に出力する構成を例示した。しかし、この構成によれば、所定の傾きで上昇する補正目標温度Ｓｖ’が一定値である目標温度Ｓｖに達した瞬間に急激に傾きが０となるため、炉内の温度が不自然なこぶ状に若干オーバーシュートすることがある。したがって、増加する補正目標温度Ｓｖ’が一定値である目標温度Ｓｖに近づくほどその増加率を徐々に小さくするように構成すれば、傾きが急減に変化することがないためオーバーシュートの発生を防止することができる。この構成例としては、徐々に上記増加率（傾き）が小さくなる曲線を予め定値復帰部２１１３に記憶させておく構成などが考えられるが、この構成では運転条件の変化には必ずしも柔軟に対応することができない。そこで、増加する補正目標温度Ｓｖ’が目標温度Ｓｖに近づくほどその増加率を徐々に小さくする構成をファジィ推論により実現する変形例としての構成および動作について以下に説明する。
【００９３】
定値復帰部２１１３は、ファジィコントローラ２１４に含まれる入力処理部２１４１に対して、オーバーシュート量Ｖと、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰと、偏差ｅとを与える。なお、ここでのファジィコントローラ２１４（およびそれに含まれる入力処理部２１４１およびファジィ推論部２１４２）は、前述したファジィコントローラ２１４とは異なる後述の入力動作および出力動作が行われるが、説明の便宜のためにこれらの動作が前述の動作に併せて行われるものとする。入力処理部２１４１は、測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰおよび偏差ｅに基づいて、オーバーシュート量Ｖにより正規化された変数Ｓおよび変化量ΔＵを出力する。ここで、変数Ｓは次式（６）のように示される。
Ｓ＝ｅ／Ｖ …（６）
また、変化量ΔＵは次式（７）のように示される。
ΔＵ＝（Ｖ−Ｕ）／Ｖ …（７）
ここで増分値Ｕは、ピーク解消部２１１２の出力値である一定値すなわち定値復帰部２１１３の初期入力値から補正目標温度Ｓｖ’がどれだけ増加したかを示す値である。よって、補正目標温度Ｓｖ’が定値運転動作時の一定値に達すれば、増分値Ｕはオーバーシュート量Ｖと等しくなる。この増分値Ｕは、次式（８）のように与えられる。
Ｕ＝Σ（１＋Ｇ）・（Ｖ／Ｔｐ） …（８）
ここで、Ｇは後述のファジィ推論値（−１≦Ｇ≦１）、Ｔｐはピーク時間である。また、Σの記号は定値復帰部２１１３の動作開始時から現在時点まで積算する演算を示すものとする。したがって、ファジィ推論値Ｇが常に０であるならば、定値復帰部２１１３の動作終了時点ではＵ＝Ｖとなる。
【００９４】
ファジィ推論部２１４２は、入力処理部２１４１からの変数Ｓと変化量ΔＵとに基づいて所定のファジィ推論を行うことによりファジィ推論値Ｇを出力する。図２３はファジィルールを表として示す図である。各ファジィ集合については前述と同様であり説明を省略する。もっとも、変数Ｓに対応するファジィ集合は、ＮＢ、ＮＳ、ＺＥ、ＰＳ、ＰＢの５つ（５グレード）である点は異なる。また、この表では変化量ΔＵに対応する７つのファジィ集合のうち、ＮＳ、ＮＭ、ＮＢが省略されているが、増分値Ｕがオーバーシュート量Ｖを超えないことからΔＵ≧０となるため、これらの集合を省略して非制御状態（Ｇ＝０）としてよい。この表に示されるように、ΔＵが小さくなるほどＧが小さくなるため、補正目標温度Ｓｖ’が目標温度Ｓｖに近づくほど補正目標温度Ｓｖ’の増加率が小さくなることがわかる。ファジィ推論部２１４２は、この表に示される条件に適合するように非ファジィ化を行うことによりファジィ推論値Ｇを出力する。出力されたファジィ推論値Ｇは、微分時間算出部２１４３ではなく、定値復帰部２１１３に入力されるものとする。なお、図２３のファジィルールは例示であって、他のルールによるファジィ推論が行われてもよい。
【００９５】
定値復帰部２１１３は、以上のようにしてファジィ推論により得られたファジィ推論値Ｇを式（８）に代入して増分値Ｕを算出し、目標温度Ｓｖ（ここでは第２の中間目標温度Ｓｖ’ｂ）に増分値Ｕを加えた値を補正目標温度Ｓｖ’として出力する。なお、この変形例では、上記ステップＳ２４において増分値Ｕがオーバーシュート量Ｖ以上であるか否かが判断されるものとする。すなわち、増分値Ｕがオーバーシュート量Ｖ以上になるまでステップＳ２４の判断が繰り返され、増分値Ｕがオーバーシュート量Ｖ以上となった場合にはステップＳ２６の処理が行われ処理が終了する。さらに、タイマー時間Ｔｘがオーバーシュート時間Ｔｏｖ以上となった場合には、上記条件判断処理にかかわらずステップＳ２６の処理が行われ処理が終了するように構成されてもよい。
【００９６】
このように、ファジィコントローラ２１４の上記ファジィ推論により得られるファジィ推論値Ｇに基づき、一定値となった目標温度Ｓｖに補正目標温度Ｓｖ’が近づくほど増分値Ｕを小さくする構成により、制御パラメータを容易に設定または変更することができ、かつ不自然なこぶ状のオーバーシュートを抑制することができる。
【００９７】
次に、上記実施形態では、Ｓｖ補正部２１１の詳細な構成を図１５に例示したが、この構成例に限定されるわけではなく、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止する作用を実現するために、遅延させた補正目標温度Ｓｖ’が与えられ、目標温度Ｓｖが定値運転動作時の一定値に達する前にオーバーシュート量Ｖを差し引かれた補正目標温度Ｓｖ’が所定期間一定値に維持され、その後当該補正目標温度Ｓｖ’が目標温度Ｓｖに一致する構成であればよい。
【００９８】
図２４は、Ｓｖ補正部２１１の変形例であるＳｖ補正部３１１の詳細な構成例を示すブロック図である。このＳｖ補正部３１１は、目標温度信号Ｓｓｖを所定の遅延時間だけ遅延させる遅延部３１１１と、所定の条件に基づいてこの遅延部３１１１へ上記遅延時間を与える遅延制御部３１１２とを含む。
【００９９】
遅延部３１１１は、目標温度信号Ｓｓｖが入力され、遅延制御部３１１２からの遅延制御信号Ｓｃｄに示される所定の遅延時間だけ遅延させて得られる補正目標温度Ｓｖ’を出力する。なお遅延部３１１１は、遅延時間が０の場合には、目標温度信号Ｓｓｖが示す目標温度Ｓｖをそのまま補正目標温度Ｓｖ’として出力し、所定の遅延時間に達するまでの間は、上記制御信号Ｓｃｄが与えられた時点の目標温度Ｓｖをそのまま補正目標温度Ｓｖ’として出力する。
【０１００】
遅延制御部３１１２は、所定の場合に所定の遅延時間を示す上記遅延制御信号Ｓｃｄを出力することにより、遅延部３１１１の動作を制御する。図２５は、この遅延制御部３１１２の動作手順を示すフローチャートである。なお、初期状態では、遅延制御部３１１２は遅延部３１１１へ遅延時間として０を与えるものとする。
【０１０１】
遅延制御部３１１２は、ロジックコントロール部２１３からのＳｖ補正信号Ｓｌｓが入力されたか否かを判断し（ステップＳ５０）、入力されない場合（Ｎｏの場合）には当該ステップＳ５０の判断が繰り返される。Ｓｖ補正信号Ｓｌｓが入力された場合（Ｙｅｓの場合）、遅延制御部３１１２は、遅延部３１１１に対して所定の遅延時間Ｔａを与えることにより、目標温度信号Ｓｓｖを遅延時間Ｔａだけ遅延させて得られる補正目標温度Ｓｖ’を出力させるように遅延部３１１１を制御する（ステップＳ５２）。
【０１０２】
ステップＳ５４において、遅延制御部３１１２は、遅延部３１１１から出力される補正目標温度Ｓｖ’と予め定められたオーバーシュート量Ｖとの合算値が目標温度信号Ｓｓｖに示される目標温度Ｓｖ以上であるか否かを判断し、目標温度Ｓｖ未満である場合（Ｎｏの場合）には上記合算値が目標温度Ｓｖ以上になるまでステップＳ５４の判断が繰り返される。上記合算値が目標温度Ｓｖ以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、経過時間を示すタイマー値Ｔｘをリセットし（ステップＳ５６）、遅延時間Ｔａに対してさらに定値時間Ｔｂを加えた遅延時間（Ｔａ＋Ｔｂ）を遅延部３１１１に与える（ステップＳ５８）。その結果、補正目標温度Ｓｖ’は定値時間Ｔｂの間一定値となる。
【０１０３】
ステップＳ６０において、上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂ以上であるか否かを判断し、定値時間Ｔｂ未満である場合（Ｎｏの場合）には上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂ以上になるまでステップＳ６０の判断が繰り返される。上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂ以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、遅延時間Ｔａに対して所定の制御周期毎に増加する増加遅延時間Ｔｃを加算して得られる値を遅延時間として遅延部３１１１に与える定値復帰処理が行われる（ステップＳ６２）。この増加遅延時間Ｔｃは制御周期毎に所定の変化率で定値時間Ｔｂからオーバーシュート時間Ｔｏｖまで変化するものとする。なお、上記変化率は必ずしも一定である必要はなく、徐々に大きくなるように変化することが好ましい。そうすれば、増加する補正目標温度Ｓｖ’が一定値である目標温度Ｓｖに近づくほどその増加率が徐々に小さくなるため、小さなこぶ状の上記オーバーシュートの発生を防止することができる。さらに、増加遅延時間Ｔｃは上述のファジィ推論により算出されてもよい。
【０１０４】
ステップＳ６４において、上記タイマー値Ｔｘが定値時間Ｔｂにピーク時間Ｔｐを加えた時間以上であるか否かを判断し、当該時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）未満である場合（Ｎｏの場合）には、上記タイマー値Ｔｘが時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）以上になるまで制御周期毎にステップＳ６２の処理が繰り返される。上記タイマー値Ｔｘが時間（Ｔｂ＋Ｔｐ）以上となった場合（Ｙｅｓの場合）には、遅延部３１１１へ遅延時間として０を与え、処理を終了する（ステップＳ６６）。
【０１０５】
以上の変形例のように遅延させた補正目標温度Ｓｖ’が与えられ、目標温度Ｓｖが定値運転動作時の一定値に達する前にオーバーシュート量Ｖを差し引かれた補正目標温度Ｓｖ’が所定期間維持される構成により、定値運転動作開始時の肩部分における大きなオーバーシュートの発生を防止する作用が実現される。
【０１０６】
次に、上記一実施形態では、３つのゾーン（トップゾーン１０１、センタゾーン１０２、およびボトムゾーン１０３）における温度制御を行う構成であるが、ゾーンの数は２つであってもよいし、４つであっても、それ以上であってもよい。また、上記一実施形態では、各ゾーンにおける温度制御は別個に行われるように構成されるが、各ゾーン間の熱干渉を考慮して一体的に行われるように構成されてもよい。さらに、上記一実施形態では、温度制御部２０が各出力調整器９５〜９７に対して制御信号Ｓｔ，Ｓｃ，Ｓｂを与えて各ヒータ９１〜９３の発熱体に供給すべき電力を制御する構成であるが、温度制御部２０が各ヒータ９１〜９３に対して制御信号Ｓｔ，Ｓｃ，Ｓｂを与えてヒータの発熱体に供給すべき電力を制御してもよいし、温度制御部２０が発熱体に供給すべき電力を各ヒータ９１〜９３に対して直接与えるように構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る縦型熱処理装置の構成を示す模式図である。
【図２】上記一実施形態に係る温度制御部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】上記一実施形態に係るトップゾーン用ＰＩＤ制御部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】上記一実施形態に係る制御系の構成を示すブロック線図である。
【図５】上記一実施形態に係るマスタコントローラの制御系を示すブロック線図である。
【図６】上記一実施形態に係るマスタコントローラの詳細な構成を示すブロック図である。
【図７】上記一実施形態に係るファジィコントローラの詳細な構成を示すブロック図である。
【図８】測定温度ＰｖがＰＢに含まれる値をとる場合のファジィルールを表として示す図である。
【図９】図８のファジィルールの前件部および後件部のファジィ集合を示す図である。
【図１０】上記一実施形態と比較するための第３の従来例の熱処理装置におけるウェーハを導入してから温度が整定されるまでの炉内の温度変化を示す図である。
【図１１】上記一実施形態に係る熱処理装置におけるウェーハを導入してから温度が整定されるまでの炉内の温度変化を示す図である。
【図１２】上記一実施形態に係るリセット発生部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１３】上記一実施形態に係るリセット発生部が動作しない場合のランピング処理開始時点近傍の炉内の温度変化と、マスタコントローラの出力操作量Ｍｖおよび積分項に対応する積分量の変化とを示す図である。
【図１４】上記一実施形態に係るリセット発生部が動作する場合のランピング処理開始時点近傍の炉内の温度変化と、マスタコントローラの出力操作量Ｍｖおよび積分項に対応する積分量の変化とを示す図である。
【図１５】上記一実施形態に係るＳｖ補正部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１６】上記一実施形態に係る補正制御部の動作手順を示すフローチャートである。
【図１７】目標温度Ｓｖと補正目標温度Ｓｖ’と測定温度ＭＴＣ＿ＴＯＰとの時間変化を示す図である。
【図１８】上記一実施形態と比較するための第３の従来例の熱処理装置におけるウェーハを導入してからランピング動作を経て定値運転動作時の上記肩部分までの炉内の温度変化を示す図である。
【図１９】上記一実施形態に係る熱処理装置における、ウェーハを導入してからランピング動作を経て肩部分近傍までの炉内の温度変化を示す図である。
【図２０】上記一実施形態に係る熱処理装置における、ウェーハを導入してからランピング動作を経て定値運転動作に移るまでの炉内の温度変化の別例を示す図である。
【図２１】上記一実施形態に係る熱処理装置において、処理ガスの流量を増加した場合の炉内の温度変化を示す図である。
【図２２】上記一実施形態に係る熱処理装置において、ボートに搭載するウェーハの量を減少させた場合の炉内の温度変化を示す図である。
【図２３】上記一実施形態の変形例に係るファジィルールを表として示す図である。
【図２４】上記一実施形態の変形例に係るＳｖ補正部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図２５】上記一実施形態の変形例に係る遅延制御部の動作手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ …炉
２ …ボート
３ …ウェーハ
２０ …温度制御部
２１〜２３ …ＰＩＤ制御部
３０ …シーケンス制御部
７１〜７３ …プロファイル
８１〜８３ …スパイク
９１〜９３ …ヒータ
９５〜９７ …出力調整器
１０１ …トップ（ＴＯＰ）ゾーン
１０２ …センタ（ＣＮＴ）ゾーン
１０３ …ボトム（ＢＴＭ）ゾーン
２１１，３１１ …Ｓｖ補正部
２１２ …リセット発生部
２１３ …ロジックコントロール部
２１４ …ファジィコントローラ
２１５，２１７ …加算器
２１６ …マスタコントローラ
２１８ …スレイブコントローラ
２１１１ …遅延部
２１１２ …ピーク解消部
２１１３ …定値復帰部
２１１４ …補正制御部
２１２１ …リセット決定部
２１２２ …パラメータ算出部
２１４１ …入力処理部
２１４２ …ファジィ推論部
２１４３ …微分時間算出部
２１６１ …積分器
２１６２ …微分器
２１６４ …比例器
３１１１ …遅延部
３１１２ …遅延制御部
ＰＴＣ＿ＴＯＰ，ＰＴＣ＿ＣＮＴ，ＰＴＣ＿ＢＴＭ，
ＭＴＣ＿ＴＯＰ，ＭＴＣ＿ＣＮＴ，ＭＴＣ＿ＢＴＭ …測定温度
Ｓｖ …目標温度
Ｓｖ’…補正目標温度
Ｍｖ …操作量
Ｖ …オーバーシュート量
Ｔｏｖ …オーバーシュート時間
Ｔｐ …ピーク時間
Ｔｂ …定値時間

Claims (8)

1. 内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
   前記対象物を加熱する加熱手段と、
   前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出される温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する温度制御手段と
   を備え、
   前記加熱手段は、前記出力操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
   前記温度制御手段は、前記対象物が導入される時点近傍からその後の所定の時点までの期間中、温度整定のために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記微分演算のためのパラメータを変更するファジィコントローラを含むことを特徴とする、熱処理装置。
2. 内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
   前記対象物を加熱する加熱手段と、
   前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出される温度が所定の指令値に合致するように、前記加熱手段の発熱量を制御するための出力操作量を算出する温度制御手段と
   を備え、
   前記加熱手段は、前記出力操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
   前記温度制御手段は、ランピング動作開始時点近傍から順次に受け取られる所定の目標温度群を所定の遅延時間だけ遅延させて得られる補正目標温度を前記指令値とするとともに、前記補正目標温度と順次に受け取られる前記目標温度群との差分値が所定のオーバーシュート量に基づく所定量と等しくなる時点から所定時間が経過するまで当該時点での補正目標温度を前記指令値とすることを特徴とする、熱処理装置。
3. 前記温度制御手段は、前記所定時間経過後に、順次に受け取られる目標温度へ近づくほど単位時間あたりの増加量が減少するように前記補正目標温度を増加させ、当該補正目標温度を前記指令値とすることを特徴とする、請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記温度制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度のオーバーシュートを抑制するために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記補正目標温度を前記所定時間経過後に増加させることを特徴とする、請求項３に記載の熱処理装置。
5. 内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置であって、
   前記対象物を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段および前記対象物近傍の温度を検出する温度検出手段と、
   前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するために前記加熱手段が目標とする温度を第１の操作量として算出する第１の温度制御手段と
   前記加熱手段の温度と前記第１の温度制御手段により算出された第１の操作量との偏差に基づく演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出する第２の温度制御手段と
   を備え、
   前記加熱手段は、前記第２の操作量に応じた発熱量で前記対象物を加熱し、
   前記第１の温度制御手段は、ランピング動作開始時点近傍で前記積分演算による積分量を前記目標温度に強制的に略一致させることを特徴とする、熱処理装置。
6. 内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
   前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記対象物を加熱するための出力操作量を算出する操作量出力ステップと
   前記対象物が導入される時点近傍からその後の所定の時点までの期間中、温度整定のために予め定められたファジィルールによるファジィ推論に基づき前記微分演算のためのパラメータを変更するファジィ推論ステップと
   を含むことを特徴とする、温度制御方法。
7. 内部に導入される対象物に加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
   前記対象物近傍の温度が所定の指令値に合致するように、前記対象物を加熱するための出力操作量を算出する操作量出力ステップと、
   ランピング動作開始時点近傍から順次に受け取られる目標温度群に対して所定の遅延時間だけ遅延させて得られる補正目標温度を前記指令値とする遅延ステップと、
   前記補正目標温度と順次に受け取られる前記目標温度群との差分値が所定のオーバーシュート量に基づく所定量と等しくなる時点から所定時間が経過するまで当該時点での補正目標温度を前記指令値とする定値出力ステップと、
   を含むことを特徴とする、温度制御方法。
8. 内部に導入される対象物に対して所定の加熱手段により加熱処理を行う熱処理装置の温度制御方法であって、
   前記対象物近傍の温度と所定の目標温度との偏差に基づく比例・積分・微分演算すなわちＰＩＤ演算を行うことにより、前記加熱手段が目標とする温度を第１の操作量として算出する第１の操作量出力ステップと
   前記加熱手段の温度と前記第１の操作量との偏差に基づく演算を行うことにより、前記加熱手段の発熱量を制御するための第２の操作量を算出する第２の操作量出力ステップと、
   を含み、
   前記第１の操作量出力ステップは、ランピング動作開始時点近傍で前記積分演算の積分量を前記目標温度に強制的に略一致させるステップを含むことを特徴とする、温度制御方法。

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