JP2005191265A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンバー内のホットプレートに載置した被熱処理基板を、簡単かつ安価な構成により、安定した温度雰囲気中で連続的に熱処理制御できるようにする。
【解決手段】 補正処理部２９には、予め、チャンバー５内のホットプレート１に載置した被熱処理基板１７を加熱処理して得られたチャンバー温度と被熱処理基板１７の表面温度との関係に基づく補正関数を格納しておく。補正処理部２９は、ホットプレート１からの基板載置検出信号Ｔが入力されると、被熱処理基板１９の本加熱処理時に得られたチャンバー温度とその補正関数から補正値Ｓを算出する。偏差出力部３１は設定値ＳＶにその補正値Ｓを加算し、測定値ＰＶとの偏差Ｅを出力する。制御演算部３７はその偏差Ｅに基づき操作量ＭＶを演算してホットプレート１の加熱制御手段側へ出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は制御装置に係り、例えば、半導体ウエハや液晶ガラス基板などの被熱処理基板を交換しながら連続的に加熱処理する加熱処理装置を制御する制御装置の改良に関する。

この種の加熱処理装置としては、例えば図９に示すような構成が知られている。

すなわち、熱伝導性の良好なホットプレート１の下面に加熱手段としてのヒータ３を配置し、断熱構造を有するチャンバー５内にそのヒータ付きホットプレート１を収納してこの上部空間を半密閉状態にするとともに、チャンバー５を形成するチャンバーカバー７の開閉（図中の矢符Ａ方向）によってその半密閉状態を解除可能に構成し、予め設定した設定値ＳＶとホットプレート１に配置した温度測定用センサ９からの測定値ＰＶとに基づき制御装置１１にて演算した操作量ＭＶでスイッチ１３をオン・オフし、交流電源１５からヒータ３への供給電力を断続制御してホットプレート１の温度を制御する構成である。

このような加熱処理装置では、制御装置１１を介してヒータ３でホットプレート１を予め加熱させた後、チャンバーカバー７を開いてホットプレート１上に被熱処理基板１７を載置し、チャンバーカバー７を閉じてその上部空間の半密閉状態を確保する。

その後、制御装置１１において、センサ９からの測定値ＰＶが所定の設定値ＳＶに近づくような操作量ＭＶを演算してスイッチ１３をオン・オフし、ホットプレート１の温度を制御してその被熱処理基板１７を加熱処理する。

加熱処理が終了すると、チャンバーカバー７を開いて被熱処理基板１７を交換し、以降それらの動作を繰り返して所定数量、例えばロット毎の被熱処理基板１７の加熱処理を連続的に行う。

ところが、加熱処理前の被熱処理基板１７は温度が比較的低いうえ、チャンバーカバー７の開閉に伴ってチャンバー５内の熱処理雰囲気温度が変動し、所定数量の被熱処理基板１７を連続的に加熱処理すると、チャンバー５内の温度が徐々に下がってしまい、ロット毎の加熱処理開始時と終了時では被熱処理基板１７の表面温度に差が生じるという問題がある。

そこで、従来は図９に示すように、チャンバーカバー７に例えばヒートパイプ１９を配置してチャンバー５自体の温度制御を行うことで、チャンバーカバー７の開閉による被熱処理基板１７の熱処理雰囲気温度の変動を抑える工夫がなされている。特許文献１はこの種のものである。
特開２００１−２３０１８４号

しかしながら、チャンバーカバー７にヒートパイプ１９を配置してチャンバー５自体の温度制御を行う構成では、チャンバーカバー７にヒートパイプ１９などの熱源を配置しなければないうえ、図９では省略したが、ヒートパイプ１９を制御するためのセンサおよび追加の制御装置なども必要で、装置のコスト上昇や、運転時における消費電力が上がるという問題がある。

そこで、本発明者は種々の実験検討を行った結果、加熱処理において一番重要になるのは被熱処理基板１７の表面温度であり、これはホットプレート１の制御温度とチャンバー５の温度バランスによって決まることに着目し、予め連続処理する過程で得られた被熱処理基板１７の表面温度およびチャンバー５の温度との関係から、ホットプレート１の制御温度を補正する補正関数を求め、これに基づき補正すれば、交換しながら連続処理する被熱処理基板１７の表面温度の変化を抑えることが可能になる点を見出し、本発明を完成させた。

本発明はそのような課題を解決するためになされたもので、簡単かつ安価な構成により、安定した温度雰囲気中で複数の被熱処理基板を交換しながら連続的に熱処理制御することが可能な制御装置の提供を目的とする。

そのような課題を解決するために本発明は、チャンバー内のホットプレートに載置される複数の被熱処理基板を交換しながら加熱処理する加熱処理装置の温度制御をする制御装置において、予め被熱処理基板を試験的加熱処理して得られるチャンバーの温度と被熱処理基板の表面温度との関係に基づく補正関数が格納されるとともに、それら被熱処理基板を本加熱処理するとき得られるそれらチャンバー温度と補正関数から補正値を算出する補正処理部と、そのホットプレート温度である測定値と所定の設定値との偏差であってその補正値で補正した偏差を出力する偏差出力部と、その偏差が小さくなるよう操作量を演算してそのホットプレートの加熱手段側に出力する制御演算部とを具備して構成されている。

そして、本発明では、上記補正値を設定値に加えてその偏差を出力するよう上記偏差出力部を形成することが可能である。

また、本発明では、上記補正値を測定値から減算してその偏差を出力するよう上記偏差出力部を形成することが可能である。

さらに、本発明では、上記ホットプレートは上記被熱処理基板が載置されたとき基板載置検出信号を出力するよう形成され、上記補正処理部は所定の固定値を切り換え出力可能に形成するとともに、その基板載置検出信号が入力されたとき、当該基板載置検出信号入力時の補正値に切り換えこれをホールド出力するよう形成しても良い。

さらにまた、本発明では、上記ホットプレートはその被熱処理基板が載置されたとき基板載置検出信号を出力するよう形成され、上記補正処理部は所定の固定値を切り換え出力可能に形成するとともに、その基板載置検出信号が入力されたとき、常にその補正値を切り換え出力するよう形成することが可能である。

このような構成を有する本発明の制御装置では、予め、補正処理部にそのチャンバー温度と被熱処理基板の表面温度との関係に基づく補正関数を格納し、本熱処理時のチャンバー温度とその補正関数から補正値を補正処理部で算出し、そのホットプレートの測定値と所定の設定値との偏差であってその補正値で補正した偏差を偏差出力部から出力し、制御演算部ではその偏差が小さくなるよう操作量を演算してそのホットプレートの加熱手段側に出力する構成としたから、簡単かつ安価な構成により、安定した温度雰囲気中で複数の被熱処理基板を連続的に熱処理制御することが可能となる。

そして、上記補正値を設定値に加えてその偏差を出力するよう上記偏差出力部を形成する構成では、制御演算部を微分先行型ＰＩＤ（ＰＩ−Ｄ）制御や、比例・微分先行型ＰＩＤ（Ｉ−ＰＤ）制御とした場合、出力の急変が少なく穏やかな補正が行えるという効果を有する。

また、上記補正値を測定値から減算してその偏差を出力するよう上記偏差出力部を形成する構成では、制御演算部をＰＩＤ制御とした場合、どのような構成にしても、より積極的な補正を行えるという効果を有する。

さらに、上記ホットプレートが基板載置検出信号を出力するよう形成され、その基板載置検出信号が入力されたとき、上記補正処理部が当該基板載置検出信号入力時のその補正値に切り換えホールド出力する構成では、補正値が頻繁に変化しないため、より安定した制御を行いながら被熱処理基板の表面温度を一定にできる効果を有する。

さらにまた、上記ホットプレートが基板載置検出信号を出力するよう形成され、その基板載置検出信号が入力されたとき、上記補正処理部が常にその補正値を切り換え出力する構成では、きめ細やかな処理温度の変更により、被熱処理基板の表面温度をより安定に制御できるという効果を有する。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して説明する。なお、従来例と共通する部分には同一の符号を付す。

図１は本発明に係る制御装置の実施の形態を示すブロック図であり、図２はその制御装置をこれによって制御される加熱処理装置とともに図示したものである。便宜上、図２から説明する。

図２において、被熱処理基板１７が載置されるホットプレート１は熱伝導性の良好な材料からなる従来公知のものであり、その下面には加熱手段としてのヒータ３が配置されている。

ホットプレート１には、この温度を測定するセンサ９に加えて、被熱処理基板１７が載置されたときこれを検出して基板載置検出信号Ｔを出力するセンサ２１が配置されており、後述する制御装置２３に接続されている。

センサ２１は、ホットプレート１に被熱処理基板１７が載置されたとき載置中これを機械的に検出して基板載置検出信号Ｔを載置期間中にわたって出力し続けるスイッチなどであり、詳細な図示は省略する。

ヒータ付きホットプレート１は、断熱構造を有する従来公知のチャンバー５内に適当な支持手段によって収納支持されており、ホットプレート１の上部空間が半密閉状態になっており、チャンバー５を形成するチャンバーカバー２５の開閉（図２中の矢符Ａ方向）によってその上部空間の半密閉状態が解除可能になっている。チャンバーカバー２５の開閉手段の図示は省略する。

チャンバーカバー２５には、この温度を測定してチャンバー温度ＣＴを出力する温度測定用のセンサ２７が埋設されており、制御装置２３に接続されている。

このセンサ２７はチャンバー温度ＣＴとしてチャンバーカバー２５の内面温度を、上記したセンサ９はホットプレート１の載置表面温度を各々正確に測定可能に埋設されている。

ホットプレート１は、制御装置２３によってヒータ３を介して供給電力を断続制御してホットプレート１の温度が制御されており、本発明は主にその制御装置２３の構成に特徴がある。

図１は本発明に係る制御装置２３に関し本発明に関する部分の構成を示すブロック図である。

図１において、補正処理部２９は、予め、ホットプレート１に複数の被熱処理基板１７を順次交換しながら載置し、チャンバー５内の加熱雰囲気内で好ましい加熱処理を施したとき、チャンバー温度ＣＴ例えばセンサ２７から得られたチャンバーカバー２５の温度と被熱処理基板１７の表面温度との関係から、個々の被熱処理基板１７にあって加熱処理終了点のチャンバー温度ＣＴと基板温度ＷＴとの関係を関数化した補正関数Ｈ（ＣＴ）を格納したものである。被熱処理基板１７の表面温度の測定手段は従来公知の直接的又は間接的な温度測定手段であるが、図示は省略した。

補正関数Ｈ（ＣＴ）の求め方としては、まず、試験的に所定のインターバルで連続処理を行った時のチャンバー温度ＣＴと基板温度から、個々の被熱処理基板１７の加熱処理終了時のチャンバー温度ＣＴと基板温度ＷＴの関係を、次式のように関数化する。

ＷＴ＝Ｆ（ＣＴ）

次に、チャンバー温度（ＣＴ）と基板温度（ＷＴ）の関係を表現した関数Ｆ（ＣＴ）を、線形近似又は多項式近似等により次式の右項のように求める。

Ｆ（ＣＴ）＝α×ＣＴ＋β …… 線形近似
Ｆ（ＣＴ）＝α×ＣＴ＾２＋β×ＣＴ＋γ …… 多項式近似

ここで、符号α、β、γはパラメータであり、線形近似又は多項式近似等により求められる値である。

図３は、予め、ホットプレート１に複数の被熱処理基板１７を順次交換しながら載置して加熱処理を施したとき、チャンバー温度と基板温度の変化を示すグラフであり、図４は、個々の被熱処理基板１７が加熱処理された終了時点、例えば図３中においてチャンバー温度（Ｂ）と基板温度（ｂ）の変化から、例えば線形近似で求められた関数Ｆ（ＣＴ）である。

次に、処理したい被熱処理基板１７の表面温度ＷＴref と関数Ｆ（ＣＴ）により求まる基板温度の差を補正関数Ｈ（ＣＴ）とする。

Ｈ（ＣＴ）＝ＷＴref −Ｆ（ＣＴ）

補正処理部２９は、その補正関数Ｈ（ＣＴ）を記憶格納しているとともに、基板載置検出信号Ｔが入力されると、実際に本加熱処理する被熱処理基板１７がホットプレート１に載置されたとき、予め格納してある補正関数Ｈ（ＣＴ）と実際に測定されたチャンバー温度とを用い、チャンバー温度に対応する補正値Ｓを算出して偏差出力部３１へ出力する機能を有している。

偏差出力部３１は、被熱処理基板１７を加熱する設定温度である設定値ＳＶと補正処理部２９からの補正値Ｓとを加算する加算部３３と、この加算出力からホットプレート１の測定温度である測定値ＰＶを減算して偏差Ｅを演算出力する減算部３５を有してなり、制御演算部３７に接続されている。

すなわち、偏差出力部３１は、ホットプレート１の測定温度ＰＶと設定値ＳＶとの偏差Ｅであって補正値Ｓで補正した偏差Ｅを出力するものである。

制御演算部３７は、偏差出力部３１からの偏差Ｅを例えばＰＩＤ演算などを行い、偏差Ｅが小さくなるような操作量ＭＶを演算するとともに２値信号にして出力するものであり、図２のようにスイッチ１３に接続され、このスイッチ１３のオンオフを制御するようになっている。

スイッチ１３は、１回路２接点構成を有し、交流電源１５とヒータ３間に直列的に挿入接続され、制御演算部３７からの操作量（２値信号）ＭＶによってオンオフ制御される公知のものであり、制御装置２３からみた操作量ＭＶの加えられる制御対象はヒータ３やホットプレート１である。

操作量ＭＶをヒータ３に加える構成としては、スイッチ１３によるオンオフ制御に限らず、一般的な位相制御などのように電力調整装置を用いることも可能である。

次に、上述した本発明に係る制御装置の動作を簡単に説明する。

まず、予め補正処理部２９に補正関数Ｈ（ＣＴ）を格納しておく。

すなわち、複数の被熱処理基板１７をホットプレート１に順次交換しながら載置し、チャンバー５内で好ましい加熱処理を施しながらチャンバー温度ＣＴと被熱処理基板１７の表面温度を測定し、各被熱処理基板１７の試験的な加熱処理におけるチャンバー温度ＣＴと基板温度ＷＴの関係を、この関係から線形近似又は多項式近似等により、図４のような関数Ｆ（ＣＴ）を求め、更に、処理したい被熱処理基板１７の表面温度ＷＴref と関数Ｆ（ＣＴ）により求まる基板温度の差を補正関数Ｈ（ＣＴ）として求めて補正処理部２９に格納しておく。

その後、本加熱処理したい複数の被熱処理基板１７を載置して制御開始し、基板載置検出信号Ｔが入力されると、偏差出力部３１が予め格納してある補正関数Ｈ（ＣＴ）と実際に測定されたチャンバー温度ＣＴとを用いて補正値Ｓを算出して偏差出力部３１の加算部３３へ出力する。

偏差出力部３１では、予め設定された被熱処理基板１７の設定温度である設定値ＳＶに加算部３３が補正値Ｓを加算して減算部３５へ出力し、この加算出力を減算部３５がホットプレート１の測定値ＰＶから減算して偏差Ｅを制御演算部３７へ出力する。

制御演算部３７では、その偏差Ｅに基づき偏差Ｅが小さくなるような操作量ＭＶをＰＩＤ演算し、２値信号にして制御対象側すなわち図２のスイッチ１３側へ出力する。

スイッチ１３は、制御演算部３７からの操作量（２値信号）ＭＶによって交流電源１５からの供給電源をオンオフ制御してヒータ３へ加え、その被熱処理基板１７を加熱処理する。以降、複数の被熱処理基板１７を順次交換しながら載置し、これを繰り返す。

このような本発明の制御装置２３では、予め、チャンバー５内のホットプレート１に被熱処理基板１７を載置して試験的加熱処理して得られたチャンバー温度ＣＴと被熱処理基板１７の表面温度との関係に基づく補正関数Ｈ（ＣＴ）を補正処理部２９に格納しておき、この補正処理部２９では、ホットプレート１から被熱処理基板１７の基板載置検出信号Ｔが入力されると、実際に被熱処理基板１７を本加熱処理する時に得られたチャンバー温度ＣＴとその補正関数Ｈ（ＣＴ）から補正値Ｓを算出して偏差出力部３１へ出力し、この偏差出力部３１では設定値ＳＶに補正値Ｓを加算するとともに測定値ＰＶとの偏差Ｅを制御演算部３７に加え、制御演算部３７ではその偏差Ｅに基づき偏差Ｅが小さくなるような操作量ＭＶを演算し、ホットプレート１の加熱制御手段たるヒータ３を制御するスイッチ１３側に出力する構成とした。

そのため、被熱処理基板１７が順次交換載置されたりチャンバーカバー７が開閉されても、チャンバー５内の被熱処理基板１７の表面温度を一定の温度雰囲気に制御可能となり、図５に示すように、所定数量の被熱処理基板１７を連続的に安定して加熱処理することが可能となる。

しかも、従来のようにチャンバーカバー７にヒートパイプ１９を配置してチャンバー５自体の温度制御を行う必要がないから、装置のコスト上昇や、運転時における消費電力が低く抑えることも可能である。

また、偏差出力部３１が補正値Ｓを設定値ＳＶに加えてその偏差Ｅを出力する構成であるから、制御演算部３７を微分先行型ＰＩＤ（ＰＩ−Ｄ）制御や、比例・微分先行型ＰＩＤ（Ｉ−ＰＤ）制御とした場合、出力の急変が少なく穏やかな補正が行える。

上述した本発明の構成では、偏差出力部３１において、設定値ＳＶに補正値Ｓを加算するとともに測定値ＰＶとの偏差Ｅを出力する構成であったが、本発明の制御装置ではこれに限定されない。

例えば、図６に示すように、偏差出力部３９を減算部４１、４３から形成し、減算部４１で測定値ＰＶから補正値Ｓを減算し、更に、この減算出力を減算部４３で設定値ＳＶから減算して偏差Ｅを出力して制御演算部３７へ出力する構成も可能である。他の構成は図１と同様である。

このように、補正値Ｅを測定値ＰＶから減算して設定値ＳＶとの偏差を出力する構成では、制御演算部３７をＰＩＤ制御とした場合、どのような構成にしてもより積極的な補正が行える利点がある。

すなわち、本発明では、そのホットプレート１の測定温度と所定の設定値ＳＶとの偏差Ｅであってその補正値Ｓで補正した偏差Ｅを出力する偏差出力部３１、３９を形成すれば良い。

また、上述した本発明の制御装置２３は、補正処理部２９から補正値Ｓのみを偏差出力部３１、３９へ出力する構成であったが、本発明では図７および図８に示すように変更可能である。

すなわち、図７に示す補正処理部２９は、上述した補正処理部２９における補正値出力機能を有する補正値算出部４５をスイッチ４７の固定接点Ｐ１に接続し、例えばレベル「０」の固定値を固定接点Ｐ２に接続し、可動接点Ｐ３をホールド部４９に接続し、ホットプレート１から基板載置検出信号Ｔが入力されないとき、スイッチ４７の可動接点Ｐ３が固定接点Ｐ２を選択し、ホールド部４９がレベル「０」の固定値をホールドして偏差出力部３１、３９へ出力し、基板載置検出信号Ｔが入力されると、スイッチ４７の可動接点Ｐ３が固定接点Ｐ１を選択し、ホールド部４９がスイッチ４７の切り換え時の補正値Ｓをホールドして固定の補正値Ｓを出力する構成である。

一般に、被熱処理基板１７の熱処理が終了したり、被熱処理基板１７の交換時間が長いと、チャンバー５内の温度が序々に上昇する心配がある。

この点、図７に示す構成では、基板載置検出信号Ｔが出力されないとき、すなわち被熱処理基板１７の加熱処理が終了したり被熱処理基板１７の交換の間に、補正値Ｓではなくレベル「０」の固定値をホールドして出力することにより、それを回避できる利点があり、チャンバー５内の温度を安定に保ち易い。

また、図８に示す補正処理部２９は、図７の構成からホールド部４９を省略したもので、ホットプレート１から基板載置検出信号Ｔが入力されると、スイッチ４７の可動接点Ｐ３が固定接点Ｐ１を選択して補正値Ｓを出力する構成であり、補正値Ｓが変化すれば出力も変化する構成である。

ところで、上述した被熱処理基板１７の有無を検出して基板載置検出信号Ｔを出力する手段は、図２のセンサ２１に限らず、図示しない熱処理終了信号や設定された処理時間のタイムアップ信号を用いることも可能である。

本発明に係る制御装置の実施の形態を示すブロック図である。 本発明の制御装置を用いる加熱処理装置をその制御装置とともに示す図である。 予め測定されたチャンバー温度と被熱処理基板の表面温度との関係を示す図である。 チャンバー温度と被熱処理基板の表面温度との関係から得られた関数Ｆ（ＣＴ）を示す図である。 本発明の制御装置によって補正されたチャンバー温度と被熱処理基板の表面温度との関係を示す図である。 本発明に係る制御装置の他の実施の形態を示すブロック図である。 本発明に係る制御装置の更に他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 本発明に係る制御装置の更に他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 加熱処理装置を従来の制御装置とともに示す図である。

符号の説明

１ ホットプレート（制御対象）
３ ヒータ（加熱手段、制御対象）
５ チャンバー
７、２５ チャンバーカバー
９、２１、２７ センサ
１１、２３ 制御装置
１３、４７ スイッチ
１５ 交流電源
１７ 被熱処理基板
１９ ヒートパイプ
２９ 補正処理部
３１、３９ 偏差出力部
３３ 加算部
３５、４１、４３ 減算部
３７ 制御演算部
４５ 補正値演算部
４９ ホールド部
Ｐ１、Ｐ２ 固定接点
Ｐ３ 可動接点

Claims (5)

1. チャンバー内のホットプレートに載置される複数の被熱処理基板を交換して加熱処理する加熱処理装置の温度制御をする制御装置において、
   予め前記被熱処理基板を試験的加熱処理して得られた前記チャンバーの温度と被熱処理基板の表面温度との関係に基づく補正関数が格納され、前記被熱処理基板を本加熱処理するとき得られる前記チャンバー温度と前記補正関数から補正値を算出する補正処理部と、
   前記ホットプレート温度である測定値と所定の設定値との偏差であって前記補正値で補正した偏差を出力する偏差出力部と、
   前記偏差が小さくなるよう操作量を演算して前記ホットプレートの加熱手段側に出力する制御演算部と、
   を具備することを特徴とする制御装置。
2. 前記偏差出力部は、前記補正値を設定値に加えて前記偏差を出力するものである請求項１記載の制御装置。
3. 前記偏差出力部は、前記補正値を測定値から減算して前記偏差を出力するものである請求項１記載の制御装置。
4. 前記ホットプレートは前記被熱処理基板が載置されたとき基板載置検出信号を出力するよう形成され、前記補正処理部は、所定の固定値を切り換え出力可能に形成されるとともに、前記基板載置検出信号が入力されたとき、算出された当該基板載置検出信号入力時の前記補正値に切り換えてこれをホールド出力するものである請求項２又は３記載の制御装置。
5. 前記ホットプレートは前記被熱処理基板が載置されたとき基板載置検出信号を出力するよう形成され、前記補正処理部は、所定の固定値を切り換え出力可能に形成されるとともに、前記基板載置検出信号が入力されたとき、前記補正値を切り換え出力するものである請求項２又は３記載の制御装置。

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