JP2005136022A - Substrate processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板処理装置に関し、特にその熱源制御系において、昇温時と温度安定時の必要電力に大きな差がある場合に、昇温時は大きな電力を供給できると共に、温度安定時は細かな制御を行うことができるようにする基板処理装置に関するものである。 The present invention relates to a substrate processing apparatus, and in particular, in the heat source control system, when there is a large difference in required power at the time of temperature rise and temperature stabilization, large power can be supplied at the time of temperature rise and fine at temperature stabilization. The present invention relates to a substrate processing apparatus that enables easy control.
従来の基板処理装置の一例として、半導体製造工程で使用される熱処理装置の一つであるRTP(Rapid Thermal Process:急速加熱処理)装置を例に説明する。RTP装置の特長として、熱源にランプを使用し、短い時間でウェーハを急速に加熱(例えば、数十秒で1000℃加熱)できることがあげられる。その温度制御系は、ウェーハの温度を測定し、電力調整器(SCR)を用いて加熱手段としてのランプをフィードバック制御している。 As an example of a conventional substrate processing apparatus, an RTP (Rapid Thermal Process) apparatus, which is one of heat treatment apparatuses used in a semiconductor manufacturing process, will be described as an example. As a feature of the RTP apparatus, a lamp is used as a heat source, and the wafer can be rapidly heated (for example, heated at 1000 ° C. for several tens of seconds) in a short time. The temperature control system measures the temperature of the wafer and feedback-controls a lamp as a heating means using a power regulator (SCR).
図8は、その制御ブロックの一例を示す図である。図に示されるように、ウェーハ1は熱処理室2内で石英のサセプタ3により支持されランプ4により赤外線4aを受けて加熱される。ウェーハ1の温度は熱電対や光温度計などの温度測定素子5により検出され、温度測定器6により温度信号に変換されてコントローラ7のPID調節計7aにフィードバックされる。PID調節計7aは設定値7bと測定温度が一致するようにSCR8を調整することで、ランプ4に供給される電源9からの電力をフィードバック制御する。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the control block. As shown in the figure, the
以上の構成において、熱処理室2には、サセプタ3をはじめ、石英等で構成された種々の部品が備えられている。熱処理プロセスを行うと、ランプ4から放出された赤外線は、ウェーハ1に照射されるのみならず、その周辺の部品にも照射される。従ってウェーハ1を加熱しようとすると、周辺部品も同時に加熱されることとなる。ところで、RTP装置は急速加熱を行えることが特長であり、昇温時には、短時間に大きなエネルギをウェーハ1に供給する必要があり、ランプ4に大電流を流す必要がある。このため、SCR8には大容量のものが使用されている。昇温時においては、電力制御における高い精度は要求されない。
In the above configuration, the
しかし、温度安定時においては、設定値7bに対して偏差が少ない精度の高い温度制御が要求される。温度制御の精度を高めるには、ランプ電力(電流)を細かく制御する必要があり、ひいてはSCR8の調整(制御)を細かく行う必要がある。温度制御の精度を求めていくと、コントローラ7の出力分解能が問題になる。SCR8への制御信号は通常4〜20mA、0〜5Vなどといった制御信号が使われる。この制御信号は図9に示すように、コントローラ7でPID演算された結果をDA(デジタル−アナログ)変換器7cによりDA変換して出力する。コントローラ7のDA変換の分解能はDA変換器7cの性能で定められる。ここでは一例としてDA変換器7cの分解能を1/4000とし、急速昇温をするために、最大電流60AのSCRを使用しているとして、従来の問題点を説明する。
However, when the temperature is stable, highly accurate temperature control with a small deviation from the
SCR8への制御信号はDA変換器の分解能以下では制御できないので、この場合60A/4000=0.15Aとなる。つまり、この制御系では、最大電流60A/0.015A単位の制御ができるに止まる。しかし、実際には、ランプ出力が少し変化しただけでウェーハ1の温度が変化するため、0.01%以下の0.006A以下の制度で制御を行いたいという要望がある。
Since the control signal to the
PID演算では、0.01%まで細かく演算できても、DA変換器7cの限界により制御精度が粗くなる。その結果、温度安定時に温度のハンチングが収まらないという問題がある。
In the PID calculation, even if the calculation is fine up to 0.01%, the control accuracy becomes rough due to the limit of the
そこで、0.006A以下の分解能で制御するため、最大電流24A以下(0.006A以下×4000分解能)の小容量SCRを使用することが考えられるが、これでは昇温レートが性能的に満たせない。
以上では、例として0.006A単位の精度が必要としたが、温度制御性をさらに向上させるには、0.001A単位の制御なども必要になる。
Therefore, it is conceivable to use a small-capacity SCR with a maximum current of 24 A or less (0.006 A or less × 4000 resolution) in order to control with a resolution of 0.006 A or less, but this does not satisfy the temperature increase rate in terms of performance. .
In the above, an accuracy of 0.006 A unit is required as an example, but in order to further improve temperature controllability, control of 0.001 A unit or the like is also required.
なお、この問題の一つの解決方法として、DA変換器7cの分解能を1/10000以上に細かくするという方法があるが、DA変換器7cの分解能を上げるという解決方法では、更に制御精度の向上が求められる場合に追従できない虞がある。また、大容量SCRを昇温時用SCRとして、また小容量SCRを温度安定時用SCRとして切替えて使用するということも考えられるが、この手法ではPID制御中に突然制御系が切替わることによる制御の乱れが生じるという問題がある。
As one solution to this problem, there is a method in which the resolution of the
本発明は、DA変換器の調整分解能を上げることなく、且つ昇温レートを下げることなく、昇温時も温度安定時も一定した精度の高い温度制御を行うことができる基板処理装置を提供することを目的としている。 The present invention provides a substrate processing apparatus capable of performing constant and highly accurate temperature control both at the time of temperature increase and at the time of temperature stabilization without increasing the adjustment resolution of the DA converter and without decreasing the temperature increase rate. The purpose is that.
上述した課題を解決するため、本発明に係る基板処理装置は、電力供給を受けて基板を加熱する加熱手段と、前記基板の温度を測定する温度測定手段と、前記加熱手段に供給される電力を調整するために設けられた電力調整器(SCR)と、前記温度測定手段からの温度測定信号に基づき前記電力調整器に制御信号を出力する制御手段(コントローラ)とを備えた基板処理装置において、前記電力調整器を複数並列に設けると共に、前記電力調整器の数よりも少ない、少なくとも一つの積分器を設け、前記複数の電力調整器の少なくとも一つは、前記積分器を介して前記制御手段からの制御信号が入力されることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a substrate processing apparatus according to the present invention includes a heating unit that heats a substrate by receiving power supply, a temperature measurement unit that measures the temperature of the substrate, and power supplied to the heating unit. In a substrate processing apparatus, comprising: a power regulator (SCR) provided for adjusting the power; and a control means (controller) for outputting a control signal to the power regulator based on a temperature measurement signal from the temperature measurement means. A plurality of the power regulators are provided in parallel, and at least one integrator less than the number of the power regulators is provided, and at least one of the plurality of power regulators is controlled by the integrator. The control signal from the means is input.
なお、実施の形態において、前記SCRは温度安定時に精度良く温度制御するためのSCR(小容量SCR)を1個有している。また、前記SCRは前記小容量SCRをバイアスするためのSCR(大容量SCR)を少なくとも1個有している。更に、前記制御手段としてのコントローラは、出力を行うDA変換器が前記SCRと同じ数だけ接続される。 In the embodiment, the SCR has one SCR (small capacity SCR) for accurately controlling the temperature when the temperature is stable. The SCR has at least one SCR (large capacity SCR) for biasing the small capacity SCR. Further, the controller as the control means is connected to the same number of DA converters that perform output as the SCR.
更に、前記積分器は大容量のSCRの入力側のみに設けられている。また、更に微分器を設けることもできる。この場合も、微分器は大容量のSCRの入力側のみに設けられることができる。また、積分器と微分器は並列に設けることができる。更に、積分器には不感帯を設けることができる。また、前記加熱手段は、小容量SCRと大容量SCRとの出力側に1個又は1組(1ゾーン)設けられ、小容量SCRと大容量SCRの合成電力により制御されることを特徴とする。 Further, the integrator is provided only on the input side of the large-capacity SCR. Further, a differentiator can be provided. In this case, the differentiator can be provided only on the input side of the large-capacity SCR. Further, the integrator and the differentiator can be provided in parallel. Furthermore, the integrator can be provided with a dead zone. The heating means is provided in one or one set (one zone) on the output side of the small-capacity SCR and the large-capacity SCR, and is controlled by the combined power of the small-capacity SCR and the large-capacity SCR. .
以上に詳述したように本発明によれば、DA変換器の調整分解能を上げることなく、昇温レートを下げることなく、昇温時も温度安定時も一定した精度の高い温度制御を行うことができる基板処理装置を提供することができる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to perform temperature control with a constant and high accuracy at the time of temperature increase and at the time of temperature stabilization without increasing the adjustment resolution of the DA converter, without decreasing the temperature increase rate. The substrate processing apparatus which can be provided can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<実施の形態1>
図1は本実施の形態1による基板処理装置の温度制御構成を示す機能ブロック図である。なお、基板処理装置の全体的構成は、図8に示したものと同様であり、ここでの説明を省略する。
<
FIG. 1 is a functional block diagram showing a temperature control configuration of the substrate processing apparatus according to the first embodiment. The overall configuration of the substrate processing apparatus is the same as that shown in FIG. 8, and a description thereof is omitted here.
実施の形態1では、PID演算出力をそのままDA変換器7c−1を介して入力するSCR8−1を設けると共に、PID演算出力を積分する積分器11を設け、その積分器11の出力をDA変換器7c−2を介して入力するSCR8−2を設けるようにする。すなわち、ランプ電流を制御するSCRとして、最大電流20AのSCR8−1,8−2を2つ用いる。PID演算結果の操作量(MV)は、DA変換されSCR8−1へ出力される。同時にPID演算結果(MV)は積分器11に入力される。積分器11の出力MV(I)はDA変換されSCR2へ出力される。ランプへの供給電流(電力)は、SCR1+SCR2の合成電流(電力)となる。
In the first embodiment, the SCR 8-1 that directly inputs the PID calculation output via the
以下に動作を説明する。
まず、温度安定時の制御精度を確保するため、最大電流20AのSCRを使用している。このSCRの最大容量は制御精度を確保できる容量と目安に決定されている。一方、最大電流20AのSCR一個では、昇温時にPID演算結果が100%以上出力しようとしても、SCRの限界で実際にはランプ電流が流せないことが問題となり、これでは昇温性能を満たすことができない。そこで、SCR8−2をSCR8−1と並列接続で設け、SCR8−2には積分器11の出力MV(I)を出力することにすることにより、昇温時は2個のSCR8−1,8−2を最大限近くの出力状態とし、一方、温度安定時は、一つのSCR8−1により細かく制御できるようにしている。このように二つの組からなるSCRを効率良く使い分けることにより、昇温性能及び温度安定制御の精度を満たしている。
The operation will be described below.
First, an SCR with a maximum current of 20 A is used to ensure control accuracy when the temperature is stable. The maximum capacity of the SCR is determined based on a capacity and a standard that can ensure control accuracy. On the other hand, with one SCR with a maximum current of 20A, even if an attempt is made to output a PID calculation result of 100% or more at the time of temperature rise, there is a problem that the lamp current cannot actually flow at the limit of the SCR, and this satisfies the temperature rise performance. I can't. Therefore, by providing the SCR 8-2 in parallel with the SCR 8-1 and outputting the output MV (I) of the
なお、図2に示されるように、MV(I)は50%を基準値として、MV−50%の偏差を積分する(なお、図2は二つのSCRへの出力の関係を示すものであり、実測値を示すものではない)。このMV(I)をSCR8−2に出力することで、SCR8−1をバイアスすることになり、その結果PID演算結果MVは小さくなり、PID調節計7aの制御範囲内で操作することが可能となり、制御精度を落とすことなく温度制御を行うことができる。つまり、図3に示すように、制御系の出力範囲が最大電流40A/0.005A単位での制御が可能となる。
なお、積分器11の出力は零が下限リミットとされており、積分器11は負の値が出力されないように構成されている。
As shown in FIG. 2, MV (I) integrates the deviation of MV-50% with 50% as a reference value (note that FIG. 2 shows the relationship between outputs to two SCRs. , Does not indicate actual measurements). By outputting this MV (I) to the SCR 8-2, the SCR 8-1 is biased. As a result, the PID calculation result MV becomes smaller and can be operated within the control range of the
The output of the
<実施の形態2>
図4は本実施の形態2による基板処理装置の温度制御構成を示す機能ブロック図である。実施の形態2では、昇温時に実施の形態1の場合よりも大きなランプ電流(電力)を必要とし、且つ温度安定時により高い精度を求める場合について説明する。
<
FIG. 4 is a functional block diagram showing a temperature control configuration of the substrate processing apparatus according to the second embodiment. In the second embodiment, a case will be described in which a higher lamp current (electric power) is required than when the first embodiment is used at the time of temperature rise, and higher accuracy is required when the temperature is stable.
本実施の形態では、最大電流10AのSCR8−3と最大電流60AのSCR8−4を使用している。またSCR8−4への出力を演算する積分器は位相進みを防止して制御が不安定となることを防止するために不感帯付積分器12とする。不感帯付積分器12は、図5に示すように、外部から設定される上限値と下限値を有しており、MV<下限値の時は[下限値−MV]を、MV>上限値の時は[MV−上限値]の積分演算を行い、その結果MV(I)を出力する。この積分器はPID演算のI定数のような係数を持って積分動作を行うようにしてもよく、例えば不感帯においては、I定数が零、不感帯外部では、I定数が所定値となるように積分動作を行うようにしても良い。
In the present embodiment, an SCR 8-3 having a maximum current of 10A and an SCR 8-4 having a maximum current of 60A are used. Further, the integrator for calculating the output to the SCR 8-4 is the
以下、動作について、図5、図6を用いて説明すると、昇温時に大きな電力が必要な場合は、MVが不感帯上限を超えたところからMVが積分されMV(I)が大きくなり、SCR8−3をバイアスする動作となる。このMV(I)は60AのSCRに接続されているので、SCR8−3に比べて6倍大きな挙動を起こすことができる。大電力が必要な昇温時は、SCR8−4の出力が増え、大きなランプ電流を流すことができる。 The operation will be described below with reference to FIGS. 5 and 6. When a large amount of electric power is required at the time of temperature rise, MV is integrated from the point where MV exceeds the dead band upper limit, and MV (I) is increased, and SCR8− 3 is biased. Since this MV (I) is connected to the SCR of 60A, the MV (I) can behave 6 times larger than that of the SCR 8-3. At the time of temperature rise requiring a large amount of power, the output of the SCR 8-4 increases and a large lamp current can flow.
次に、温度安定時になったときは、MVが不感帯下限値を超えたところから減少し、SCR8−4の出力は小さくなってゆき、最終的にはSCR8−3のみの制御となる。これにより、SCR8−3の分解能の制御が可能となる。つまり、制御系の出力範囲が最大電流70A/0.0025A単位での制御が可能となる。 Next, when the temperature becomes stable, the MV decreases from the point where the dead zone lower limit is exceeded, the output of the SCR 8-4 decreases, and finally only the SCR 8-3 is controlled. As a result, the resolution of the SCR 8-3 can be controlled. In other words, the output range of the control system can be controlled in units of the maximum current of 70 A / 0.0025 A.
<実施の形態3>
図7は本実施の形態3による基板処理装置の温度制御構成を示す機能ブロック図である。
実施の形態3では、実施の形態2で示した構成に加え、更にMVの出力を微分する微分器14を設け、この出力値を不感帯付積分器13の出力に加算してDA変換器7c−2に入力するようにしている。
<Third embodiment>
FIG. 7 is a functional block diagram showing a temperature control configuration of the substrate processing apparatus according to the third embodiment.
In the third embodiment, in addition to the configuration shown in the second embodiment, a differentiator 14 for differentiating the output of the MV is further provided, and this output value is added to the output of the
この構成はMVの変化に対する応答を改善するため、MVの微分値を加えることで、より迅速に供給電力を高め、昇温レートを向上させるようにしたものである。即ち、MVが大きく変化した場合、積分量のみでは反応が遅いが、微分器13を設けることにより、MVが大きく変化した場合にSCR8−4の出力もMVの変化量に応じてすばやく変化できるようになる。
In this configuration, in order to improve the response to changes in MV, by adding a differential value of MV, the supply power is increased more quickly and the temperature increase rate is improved. That is, when the MV changes greatly, the reaction is slow only with the integration amount, but by providing the
1 ウェーハ、2 熱処理室、4 ランプ、5 温度測定素子、6 温度測定器、7 コントローラ、7a PID調節計、7c,7c−1,7c−2, DA変換器、8,8−1,8−2,8−3,8−4 SCR、9 電源、11 積分器、12 不感帯付積分器、13 微分器。 1 wafer, 2 heat treatment chamber, 4 lamps, 5 temperature measuring element, 6 temperature measuring device, 7 controller, 7a PID controller, 7c, 7c-1, 7c-2, DA converter, 8, 8-1, 8- 2,8-3,8-4 SCR, 9 power supply, 11 integrator, 12 dead zone integrator, 13 differentiator.
Claims (1)
前記電力調整器を複数並列に設けると共に、前記電力調整器の数よりも少ない、少なくとも一つの積分器を設け、前記複数の電力調整器の少なくとも一つは、前記積分器を介して前記制御手段からの制御信号が入力されることを特徴とする基板処理装置。 Heating means for heating the substrate in response to power supply, temperature measuring means for measuring the temperature of the substrate, a power regulator provided for adjusting the power supplied to the heating means, and the temperature measuring means A substrate processing apparatus comprising control means for outputting a control signal to the power regulator based on a temperature measurement signal from
A plurality of power regulators are provided in parallel, and at least one integrator less than the number of power regulators is provided, and at least one of the plurality of power regulators is connected to the control means via the integrator. A substrate processing apparatus, wherein a control signal from is input.
Priority Applications (1)
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JP2003368360A JP2005136022A (en) | 2003-10-29 | 2003-10-29 | Substrate processing apparatus |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103677015A (en) * | 2013-11-29 | 2014-03-26 | 北京七星华创电子股份有限公司 | Temperature control system and method for semiconductor process heat treatment device |
-
2003
- 2003-10-29 JP JP2003368360A patent/JP2005136022A/en not_active Withdrawn
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