JP2009224140A - 電磁誘導流体加熱装置の制御方法および電磁誘導流体加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱すべき被加熱流体の温度が変動しても可及的速やかに目標温度に整定させることができるようにする。
【解決手段】ヒータユニット１３の発熱管の出口における薬液の出口温度に基づくＰＩＤ制御部２３によるフィードバック制御に加えて、発熱管の入口における薬液の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御部２４でフィードフォワード制御を行うので、薬液の入口温度の変動などの影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができ、これによって、薬液の出口温度を、目標温度に速やかに、かつ、高い精度で安定させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体やガスなどの被加熱流体を、電磁誘導で加熱する電磁誘導流体加熱装置の制御方法およびそれを用いた電磁誘導流体加熱システムに関し、特に、半導体製造などに使用される薬液、純水や各種のガスを加熱するのに好適な電磁誘導流体加熱装置の制御方法およびそれを用いた電磁誘導流体加熱システムに関する。

従来、半導体製造システムにおいては、現像液などの薬液を、デベロッパなどの薬液吐出ノズルに供給する際に、チラーおよびヒータの機能を有するサーキュレータを用いて薬液の温度を目標温度に制御するようにしたものがある。

図９は、かかるサーキュレータを用いた半導体製造システムの構成図である。

この半導体製造システムは、現像液等の薬液（原液）を供給する薬液供給タンク３０と、この薬液供給タンク３０からフッ素樹脂等からなる配管３１を介して供給される薬液を純水で希釈するためのユーティリティタンク３２と、このユーティリティタンク３２からの薬液を貯めるバッファタンク３３と、薬液の供給、遮断を制御する制御バルブ３４と、この制御バルブ３４と吐出ノズル３５との間を二重配管３６として、薬液の温度を目標温度に制御するサーキュレータ３７とを備えている。なお、３８はウェハを回転するモータフランジである。

サーキュレータ３７は、一次側の循環液の温度を、チラーとヒータとによる加熱冷却によって制御し、この循環液と二次側の薬液との二重配管３６における熱交換によって、薬液の温度を、間接的に目標温度に制御するものである。

このようにサーキュレータ３７では、二重配管３６での熱交換によって間接的に薬液の温度を目標温度に制御するために、熱変換効率が悪く、薬液を、目標温度にするために電力消費が大きくなるとともに、薬液の温度が目標温度になって安定するまでの時間も長くなり、その間の薬液は廃棄せざるを得ず、薬液を無駄に消費するといった課題もある。

一方、電磁誘導流体加熱装置として、図１０に示すように、両端部がそれぞれ配管に連通接続される螺旋状に曲成された発熱管４０、この発熱管４０の外側に発熱管４０を取り囲むように配設され、電気絶縁材料で円筒状に形成された被覆筒４１、この被覆筒４１に埋設され発熱管４０を取り巻くように巻装されたコイル４２、このコイル４２に高周波電流を流す電源装置部４３などを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

かかる電磁誘導流体加熱装置では、電源装置部４３を駆動させてコイル４２に高周波電流を流すことにより、磁束が発生し、トランス結合原理により発熱管（螺旋コイル管）４０に誘導起電力を生じ、発熱管（螺旋コイル管）４０の両端を短絡させている結果、短絡部を介して発熱管（螺旋コイル管）４０に短絡電流が流れる結果、この短絡電流によりジュール熱で発熱する。

被加熱流体は、この発熱して昇温した発熱管４０内を通過する間に、加熱され、コントローラ４５によって、目標温度と温度検出器４６によって検出された被加熱流体の温度とが比較され、その温度差に対応した制御信号がコントローラ４５から電源制御器４７へ出力されて、発熱管４０内から流出する流体の温度が目標温度となるように、コイル４２に流される高周波電流がフィードバック制御される。なお、コントローラ４５は、予め設定された警報温度と温度検出器４８によって検出された発熱管４０の温度とが比較され、発熱管４０の温度が警報温度を超えた時に、警報器４９を駆動する。
特開２００１−２３５２２８号公報

上記特許文献１に示される電磁誘導流体加熱装置は、誘導加熱によって発熱管４０が直接加熱されるとともに、被加熱流体は、発熱管４０内を通過するときに発熱管４０によって直接加熱されるので、循環液を加熱し、この循環液との間接熱交換によって被加熱流体である薬液を加熱するサーキュレータ３７に比べて、高速な応答が可能になるとともに、熱交換効率が高く電力消費を低減できることになる。

そこで、サーキュレータ３７に代えて、電磁誘導流体加熱装置を使用することが考えられるが、次のような課題がある。

すなわち、電磁誘導流体加熱装置は、サーキュレータに比べて、加熱を開始してから目標温度に到達して安定するまでの時間が短くできるので、図９の制御バルブ３４をオンしてから目標温度に到達して安定するまでの時間が長いサーキュレータでは、問題にならなかった加熱前の薬液の温度の変動の影響を無視することができず、かかる加熱前の薬液の温度の変動の影響を低減することが望まれる。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、加熱すべき被加熱流体の温度が変動しても可及的速やかに目標温度に整定させることができるようにすることを目的とする。

（１）本発明の電磁誘導流体加熱装置の制御方法は、被加熱流体が流通する曲成された発熱管と、該発熱管を取り囲むように巻回されたコイルと、該コイルに対して高周波電力を供給する高周波電源部とを備え、前記高周波電力を前記コイルに供給して、電磁誘導によって前記発熱管を発熱させて前記被加熱流体を加熱する電磁誘導流体加熱装置を制御する方法であって、前記発熱管の出口における被加熱流体の出口温度に基づいて、フィーバック制御を行うとともに、前記発熱管の入口における被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うものである。

本発明の電磁誘導流体加熱装置の制御方法によると、発熱管の出口における被加熱流体の出口温度に基づくフィーバック制御に加えて、発熱管の入口における被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うので、被加熱流体の入口温度の変動などの影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができ、これによって、被加熱流体の出口温度を、目標温度に速やかに、かつ、高い精度で安定させることができる。

（２）本発明の電磁誘導流体加熱装置の制御方法の一つの実施形態では、前記被加熱流体は、前記流通と滞留とを繰り返すものであり、前記フィードバック制御では、前記被加熱流体の前記出口温度と目標温度との偏差に応じたフィードバック操作量を生成し、前記フィードフォワード制御では、前記被加熱流体の入口温度と設定温度との偏差に応じたフィードフォワード操作量を生成し、前記両操作量に基づいて、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御するものである。

流通と滞留とを繰り返すとは、例えば、発熱管への被加熱流体の供給と、供給の停止とが繰り返されることによって、被加熱流体が、発熱管を流通し、あるいは、滞留することをいう。

フィードフォワード制御における前記設定温度は、フィードバック制御における前記目標温度と等しいのが好ましいが、異なるものとしてもよい。

この実施形態によると、流通と滞留との繰り返しによって、入口温度が変動しやすい被加熱流体であっても、フィードフォワード制御によって入口温度の変動の影響を効果的に抑制することができる。

（３）上記（２）の実施形態では、前記被加熱流体が、半導体製造に使用される薬液、純水あるいはガスであって、該被加熱流体の前記流通と前記滞留とに応じて、前記発熱管による加熱と加熱停止とを繰り返すようにしてもよい。

半導体製造に使用される薬液とは、例えば、現像液、レジスト液、剥離液、オゾン水等の各種の薬液をいい、ガスとは、窒素ガス、キャリアガス、各種の成膜ガスなどをいう。また、純水には、超純水を含む。

かかる被加熱流体は、例えば、配管に設置された制御バルブの開閉によって、発熱管への供給と停止とが繰り返され、それに応じて、発熱管による被加熱流体の加熱と停止とが繰り返される。

また、薬液等の被加熱流体では、発熱管による加熱が開始されて目標温度に到達して安定するまでは、使用されず、廃棄されることになる。

半導体製造の処理能力を高めるとともに、薬液等の被加熱流体の廃棄量を低減するには、発熱管による被加熱流体の加熱が開始されて目標温度に到達して安定するまでの時間を短縮する必要があるが、この実施形態によると、被加熱流体の入口温度の変動の影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができるので、被加熱流体の出口温度を、目標温度に速やかに安定させることができる。

（４）上記（２）または（３）の実施形態では、前記フィードバック制御が、ＰＩＤ制御であって、前記発熱管における加熱によって前記被加熱流体の前記出口温度が、前記目標温度に到達するまでの立ち上げ時に、前記ＰＩＤ制御のＰＩＤパラメータを切換えるようにしてもよい。

ＰＩＤパラメータの切換えでは、比例、積分、微分のすべてのパラメータを切換えるのが好ましいが、少なくとも比例ゲインは切換える。

切換え前のＰＩＤパラメータは、切換え後のＰＩＤパラメータに比べて、ＰＩＤ制御の働きを弱めるパラメータである。

被加熱流体の出口温度が目標温度に到達して整定した状態では、被加熱流体の入口温度の変動に対してはフィードフォワード制御によってその影響を抑えることができるので、ＰＩＤ制御としては、入口温度が一定として制御すればよいが、被加熱流体の出口温度が目標温度に到達するまでの立ち上げ時には、ＰＩＤ制御とフィードフォワード制御とのバランスが重要となり、フィードフォワード制御によって操作量が加算されるので、整定した状態に比べて、ＰＩＤ制御を弱めるのが好ましい。

この実施形態では、立ち上げ時と整定時とでＰＩＤパラメータを切換えるので、ＰＩＤ制御とフィードフォワード制御とのバランスを調整して安定した制御が可能となる。

（５）上記（２）〜（４）のいずれかの実施形態では、前記被加熱流体は、前記発熱管に供給される前段で前記目標温度未満に冷却されるようにしてもよい。

この実施形態によると、目標温度が、被加熱流体の温度よりも低い場合には、被加熱流体を、発熱管の前段で目標温度未満に冷却しておき、その後、発熱管で目標温度でまで加熱することができる。

（６）本発明の電磁誘導流体加熱システムは、被加熱流体が流通する曲成された発熱管、該発熱管を取り囲むように巻回されたコイル、および、該コイルに対して高周波電力を供給する高周波電源部を有し、前記高周波電力を前記コイルに供給して、電磁誘導によって前記発熱管を発熱させて前記被加熱流体を加熱する電磁誘導流体加熱装置と、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御して、前記被加熱流体の温度を制御する温度制御装置とを備える電磁誘導流体加熱システムあって、前記温度制御装置は、前記発熱管の出口における前記被加熱流体の出口温度に基づいて、フィーバック制御を行うフィードバック制御部と、前記発熱管の入口における前記被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部とを有している。

本発明の電磁誘導流体加熱システムによると、発熱管の出口における被加熱流体の出口温度に基づくフィーバック制御に加えて、発熱管の入口における被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うので、被加熱流体の入口温度の変動などの影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができ、これによって、被加熱流体の出口温度を、目標温度に速やかに、かつ、高い精度で安定させることができる。

（７）本発明の電磁誘導流体加熱システムの一つの実施形態では、前記被加熱流体は、前記流通と滞留とを繰り返すものであり、前記フィードバック制御部は、前記被加熱流体の前記出口温度と目標温度との偏差に応じたフィードバック操作量を生成し、前記フィードフォワード制御部は、前記被加熱流体の入口温度と設定温度との偏差に応じたフィードフォワード操作量を生成し、前記制御装置は、前記両操作量に基づいて、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御するものである。

この実施形態によると、流通と滞留との繰り返しによって、入口温度が変動しやすい被加熱流体であっても、フィードフォワード制御によって入口温度の変動の影響を効果的に抑制することができる。

（８）上記（７）の実施形態では、前記被加熱流体が、半導体製造に使用される薬液、純水あるいはガスであり、前記制御装置は、前記被加熱流体の前記流通と前記滞留とに応じて、前記高周波電源部を制御することにより、前記発熱管による加熱と加熱停止とを繰り返すようにしてもよい。

この実施形態によると、被加熱流体の入口温度の変動の影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができるので、被加熱流体の出口温度を、目標温度に速やかに安定させることができ、これによって、半導体製造の処理能力を高めるとともに、薬液等の被加熱流体の廃棄量を低減することができる。

（９）上記（７）または（８）の実施形態では、前記フィードバック制御部が、ＰＩＤ制御部であり、前記制御装置は、前記発熱管における加熱によって前記被加熱流体の前記出口温度が、前記目標温度に到達するまでの立ち上げ時に、前記ＰＩＤ制御部のＰＩＤパラメータを切換えるパラメータ切換部を有するようにしてもよい。

この実施形態によると、立ち上げ時と整定時とでＰＩＤパラメータを切換えるので、ＰＩＤ制御とフィードフォワード制御とのバランスを調整して安定した制御が可能となる。

（１０）上記（７）〜（９）のいずれかの実施形態では、前記被加熱流体を、前記発熱管に供給される前段で前記目標温度未満に冷却する冷却手段を備えるようにしてもよい。

この実施形態によると、目標温度が、被加熱流体の温度よりも低い場合には、被加熱流体を、発熱管の前段の冷却手段によって目標温度未満に冷却しておき、その後、発熱管で目標温度でまで加熱することができる。

本発明によれば、発熱管の出口における被加熱流体の出口温度に基づくフィーバック制御に加えて、発熱管の入口における被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うので、被加熱流体の入口温度の変動などの影響を、フィードフォワード制御によって抑制することができ、これによって、被加熱流体の出口温度を、目標温度に速やかに、かつ、高い精度で安定させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電磁誘導流体加熱システムを備える半導体製造システムの構成図である。

この半導体製造システムは、現像液等の薬液（原液）を供給する薬液供給タンク１と、この薬液供給タンク１からフッ素樹脂等からなる配管２を介して供給される薬液を純水で希釈するためのユーティリティタンク３と、このユーティリティタンク３からの薬液を貯めるバッファタンク４と、薬液の供給、遮断を制御する制御バルブ５と、この制御バルブ５からの薬液の流量を一定流量に制御する流量コントローラ６と、この流量コントローラ６と吐出ノズル７との間の配管２に設置されて、薬液の温度を目標温度、例えば、２３℃に加熱する電磁誘導流体加熱装置８と、この電磁誘導流体加熱装置８を制御する制御装置としての温度調節器９と、半導体製造システム全体を制御する図示しないコントローラとを備えている。ユースポイントである吐出ノズル７は、モーターフランジ１０によって回転されるウェハへ薬液を吐出する。

ユーティリティタンク３およびバッファタンク４には、冷却手段として、純水が流通する配管１１，１２が導入され、純水との熱交換によって薬液の温度が、目標温度未満の温度、例えば、１８℃に冷却される。

電磁誘導流体加熱装置８は、ヒータユニット１３とドライバユニット１４とを備えており、図２に示すように、ヒータユニット１３は、薬液が流れる配管２に対して両端部を連通接続した、例えばステンレス製の螺旋状に曲成された発熱管１５と、この発熱管１５の外側に取り囲むように配設され電気絶縁材料からなる円筒状の被覆筒１６と、この被覆筒１６に埋設されて、発熱管１５を取り巻くように巻装されたコイル１７と、発熱管１５の両端部を電気的に接続する短絡棒１８とを備えている。

高周波電源部としてのドライバユニット１４は、高周波電源１９に接続されるとともに、図１の温度調節器９に接続されており、このドライバユニット１４によって、ヒータユニット１３のコイル１７に、高周波電流を流すことで発熱管１５を電磁誘導で加熱し、その結果、発熱管１５を流れる薬液を加熱する。

発熱管１５の入口および出口には、薬液の温度をそれぞれ検出する第１，第２の温度センサ２０，２１がそれぞれ設置されており、各センサ２０，２１の検出出力が、温度調節器９に与えられる。

この実施形態の電磁誘導流体加熱システム２２は、図１に示すように、ヒータユニット１３およびドライバユニット１４を備えるとともに、第１，第２の温度センサ２０，２１の検出温度に基づいて、ドライバユニット１４を介してヒータユニット１３の発熱管１５の発熱量を制御することにより、薬液の温度を制御する上述の温度調節器９を備えている。

図１の半導体製造システムでは、制御バルブ５をオンして薬液の供給を開始すると、電磁誘導流体加熱装置８によって、薬液の加熱が開始されるとともに、吐出ノズル７から薬液が吐出されるが、薬液の温度が目標温度に安定するまでの薬液は廃棄され、目標温度に安定した後に、ウェハへ薬液を吐出する。必要量の薬液の吐出が終了すると、制御バルブ５をオフして薬液の供給を遮断するとともに、電磁誘導流体加熱装置８による加熱を停止する。

このように、制御バルブ５をオンオフして薬液の供給、遮断および電磁誘導流体加熱装置８による加熱、加熱停止を繰り返して行うものであり、無駄に廃棄される薬液の量を減らして処理能力を高めるには、電磁誘導流体加熱装置８による加熱を開始してから薬液の温度が目標温度に安定するまでの時間を短くすることが望まれる。

電磁誘導流体加熱装置８は、誘導加熱によって発熱管１５が直接加熱されるとともに、薬液は、発熱曲管１５内を通過するときに発熱管１５によって直接加熱されるので、循環液を加熱し、この循環液との熱交換によって薬液を加熱するサーキュレータに比べて、高速な応答が可能になるので、薬液の廃棄量を削減できるとともに、熱交換効率が高く電力消費を低減できることになる。

このように電磁誘導流体加熱装置８では、サーキュレータに比べて、制御バルブ５をオンして加熱を開始してから目標温度に到達して安定するまでの時間が短くできるので、制御バルブをオンしてから目標温度に到達して安定するまでの時間が長いサーキュレータでは、問題にならなかった加熱前の薬液の温度の変動の影響を無視することができない。

すなわち、サーキュレータあるいはヒータユニット１３に供給される加熱前の薬液の温度は、純水によって冷却されて、例えば、１８±１℃となっており、約２℃の温度範囲で変動する。

現像装置や洗浄装置などの薬液等を使用する半導体製造装置の場合、化学反応の法則（アレニウスの法則＝温度律則）で、微細加工、微細処理を必要とする程、高精度温度制御を必要とすることが知られている。このため、このように温度が変動する薬液等を、例えば、２３℃±０．１℃の目標温度の範囲に加熱して安定させるまでの時間を、可及的に短くして、薬液の廃棄量を減らして処理能力を高めるには、加熱前の薬液の温度の変動の影響を抑制する必要がある。

そこで、この実施形態では、温度調節器９によって、ヒータユニット１３の発熱管１５の入口の薬液の温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うようにしている。

図３は、この実施形態の温度調節器９のブロック図である。

この実施形態の温度調節器９は、目標値フィルタ型の２自由度ＰＩＤ制御を行なうものであり、目標値フィルタ５０を介して与えられる薬液の内部目標温度と第２の温度検出センサ２１からの薬液の出口温度との偏差に基づいて、ＰＩＤ演算を行って操作量を出力するフィードバック制御部としてのＰＩＤ制御部２３と、第１の温度センサ２０からの薬液の入口温度に基づいて、薬液の入口温度の変動を修正するように操作量を出力するフィードフォワード（以下「ＦＦ」ともいう）制御部２４と、ＰＩＤ制御部２３からのフィードバック操作量とフィードフォワード制御部２４からのＦＦ操作量を加算してドライバユニット１４に与える加算部２５とを備えている。

フィードフォワード制御部２４は、例えば、次式に従ってフィードフォワード用のＦＦ操作量を演算する。

ＦＦ操作量＝ＦＦゲイン×流量×（設定温度−入口温度）
なお、ＰＩＤ操作量とＦＦ操作量とのバランスの調整のために、必要であれば、ＦＦ操作量を、上限および下限の各リミット値で制限してもよい。

また、本発明の他の実施形態として、上記算出式に代えて、進み遅れ要素を加えた下記の算出式を用いてもよい。

ＦＦ操作量＝｛ＦＦゲイン×（１＋Ｔ１ｓ）／（１＋Ｔ２ｓ）｝×流量
×（設定温度−入口温度）
Ｔ１：進み時定数、Ｔ２：遅れ時定数、ｓ：ラプラス演算子
ここで、フィードフォワード用のＦＦゲインは、例えば、或る流量、或る温度差において、その温度差をなすために必要な操作量を実験的に求めて決定してもよく、この場合、温度調節器にＦＦゲインを自動的に算出する機能を持たせてもよい。また、このＦＦゲインは、薬液の比熱や発熱管との接触面積などから設計的に決定してもよい。

上記ＦＦ操作量の算出式において、流量は、図１の流量コントローラ６によって一定の流量に制御しているので、この一定の流量を温度調節器９に設定すればよい。あるいは、流量センサを設けて流量を検出するようにしてもよい。

また、上記算出式における設定温度は、ＰＩＤ制御部２３の目標温度と同じ温度であるのが好ましいが、異なる温度としてもよい。

この実施形態では、ヒータユニット１３の発熱管１５の入口の薬液の温度を検出し、薬液の入口温度の変動の影響をなくすように、フィードフォワード制御を行っているので、発熱管１５の出口の薬液の温度を高い精度で制御することができる。

図４は、この実施形態の制御性能を示す図であり、破線は発熱管１５の入口における薬液の温度を、実線は発熱管１５の出口における薬液の温度をそれぞれ示している。

また、図５には、比較のために、フィードフォワード制御部２４を設けることなく、発熱管１５の出口の薬液の温度に基づいて、２自由度ＰＩＤ制御のみを行った場合の制御性能を示しており、破線は発熱管１５の入口における薬液の温度を、実線は発熱管１５の出口における薬液の温度をそれぞれ示している。

図４および図５においては、薬液の流量を一定流量、目標温度を２３．７℃とし、ＰＩＤ制御部２３のＰＩＤパラメータは、オートチューニングによって決定し、比例ゲインＰ＝２．２２％、積分時間Ｉ＝９．７ｓ、微分時間Ｄ＝１．５ｓとしている。

また、フィードフォワード制御を行う図４では、上述のＦＦゲインを５．０とした。

フィードフォワード制御を行わず、ＰＩＤ制御のみを行う図５では、破線で示される発熱管１５の入口における薬液の温度変動の影響を受けて、発熱管１５の出口における薬液温度が、目標温度２３．７℃±０．１℃の範囲に収まらず、大きく変動している。

これに対して、ＰＩＤ制御に加えて、フィードフォワード制御を行う本実施形態では、破線で示される発熱管１５の入口における薬液の温度変動の影響を修正し、発熱管１５の出口における薬液温度が、目標温度２３．７℃±０．１℃の範囲に収まっている。

このように発熱管１５の入口の薬液の温度を検出してフィードフォワード制御を行うことによって、入口での薬液の温度の変動の影響を抑制することができ、図５に比べて、発熱管１５の出口における薬液の温度を、より早く目標温度に安定されることができ、これによって、薬液の廃棄量を減らして処理能力を高めることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の他の実施の形態の温度調節器９−１のブロック図であり、上述の実施の形態１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

この実施の形態の温度調節器９−１は、ＰＩＤ制御部２３のＰＩＤパラメータを切換えるＰＩＤパラメータ切換部２６を備えている。その他の構成は、上述の実施の形態と同様である。

図１の半導体製造システムでは、上述のように制御バルブ５をオンオフして薬液の供給、遮断および電磁誘導流体加熱装置８による加熱、加熱停止を繰り返して行うものであり、無駄に廃棄される薬液の量を減らして処理能力を高めるには、電磁誘導流体加熱装置８による加熱を開始してから薬液の温度が目標温度に安定するまでの時間を短くすることが望まれる。

図７は、上述の実施の形態１の電磁誘導流体加熱装置８によって加熱を開始したときのヒータユニット１３の発熱管１５の入口および出口における薬液の温度変化を示す図であり、破線は、発熱管１５の入口における薬液の温度を、実線は、発熱管１５の出口における薬液の温度をそれぞれ示しており、薬液の流量を一定流量、目標温度を２３．７℃としている。

この図７に示される上述の実施の形態１では、ＰＩＤ制御部２３のＰＩＤパラメータは、オートチューニングによって決定されたＰＩＤパラメータ、具体的には、比例ゲインＰ＝２．２２％、積分時間Ｉ＝９．７ｓ、微分時間Ｄ＝１．５ｓを使用している。

この図７に示されるように、薬液の出口温度が、目標温度に近づくと、温度の上昇にブレーキがかかり、温度が低下した後、再び上昇する現象が生じている。このため、薬液の出口温度が目標温度に到達して安定するまでの立ち上げ時間、具体的には、目標温度±０．０３℃に到達して、以後、目標温度±０．１℃以内に収まるまでの時間Ｔ１＝３３ｓとなっている。

ＰＩＤ制御とフィードフォワード制御とを行うために、加熱を開始した立ち上げ時においては、両制御のバランスが重要となる。

ＰＩＤ制御の側からすると、フィードフォワード制御によって操作量が加算されるので、制御が強まったのと同じ効果に見える。

したがって、ＰＩＤ制御単独である場合のオートチューニングによって求めたＰＩＤパラメータをそのまま適用すると、ＰＩＤ制御が強すぎることになり、このため、図７のようなブレーキがかかったような現象が生じると考えられる。

そこで、この実施の形態では、ＰＩＤパラメータ切換部２６によって、立ち上げ時と整定時とでＰＩＤ制御部２３におけるＰＩＤパラメータを切換えるようにしている。

すなわち、整定時は、上述の実施の形態１と同様に、オートチューニングによって求まるＰＩＤパラメータを使用する一方、立ち上げ時には、整定時よりもＰＩＤ制御を弱めるようにＰＩＤパラメータを切換える。

図８は、この実施の形態の電磁誘導流体加熱装置によって加熱を開始したときのヒータユニット１３の発熱管１５の入口および出口における薬液の温度変化を示す図であり、上述の図７に対応するものである。

この図８では、立ち上げ時の比例ゲインＰ＝９．５％、積分時間Ｉ＝７．６ｓ、微分時間Ｄ＝１．２ｓとし、整定時は、図７と同様に、比例ゲインＰ＝２．２２％、積分時間Ｉ＝９．７ｓ、微分時間Ｄ＝１．５ｓとしている。

また、ＰＩＤパラメータの切換え時を、薬液の出口温度が、目標温度よりも０．３℃低い温度に達した時点としている。なお、切換え時点は、アプリケーションなどに応じて適宜選択すればよい。

この実施の形態によれば、上述の実施の形態１のようなブレーキがかかるような現象は認められず、円滑に目標温度に到達して安定している。

上述の実施の形態１に比べて、目標温度で安定するまでに要する時間Ｔ２＝１６ｓとなり、約半分に短縮されている。

なお、整定時におけるＰＩＤパラメータが、オートチューニングによるＰＩＤパラメータでよい理由は、整定状態を起点にすると、入口温度の変動に対しては、フィードフォワード制御によって出口温度への影響を抑えるため、ＰＩＤ制御としては入口温度が一定の場合と同じと考えて良いからである。

ここで、２自由度ＰＩＤ制御を用いた場合の効果について説明する。

ＰＩＤ制御の働きの中でも特に重要なのが、積分動作の働きの調整である。

整定状態で必要な操作量は、フィードフォワード制御の有無に関係なく一定である。そして、定常状態（現在温度ＰＶ=目標温度ＳＰでかつ現在温度ＰＶが安定している）では、操作量は次の２つの合計となる。

(１）ＰＩＤ制御の積分値
（２）ＦＦ操作量
（２）のＦＦ操作量は、薬液の入口温度に対応して一意に決まるため、主として(１）のＰＩＤ制御の積分値で調整することになる。

積分動作の調整については、ＰＩＤ制御の方式によって考え方が異なる。

整定状態で必要な操作量は、上記（２）のＦＦ操作量で与えるというのが、上記実施形態のＦＦ制御の基本的考え方であるため、(１）のＰＩＤ制御の積分値は、（２）のＦＦ操作量の誤差をカバーするように働くことが望ましい。しかし、通常のＰＩＤ制御では、立ち上げ期間中の目標温度ＳＰ＞現在温度ＰＶの間は、積分値は増加することしかできないため、調整機能としては不十分である。このため、通常のＰＩＤ制御では、対応として、（２）のＦＦ操作量を控えめにして、(１）のＰＩＤ制御の積分値の増加量で調整するような方法となる。

これに対して、２自由度ＰＩＤ制御の場合を、目標値フィルタ型の例で説明する。

立ち上げ期間中の目標温度ＳＰ＞現在温度ＰＶの間でも、目標値フィルタを施した内部ＳＰと現在温度ＰＶの関係が、内部ＳＰ＜現在温度ＰＶとなれば、積分値を減少させることができる。

すなわち、積分値をプラスとマイナスの両方向に調整することができるので、上記ＦＦ操作量を控えめにする必要がなく、フィードフォワード制御の効果を最大限発揮させることができる。

このように２自由度ＰＩＤ制御では、フィードフォワード制御の効果を最大限に発揮させることができる。

したがって、ＰＩＤ制御として、２自由度ＰＩＤ制御、例えば、目標値フィルタ型の２自由度ＰＩＤ制御を、本発明のフィードバック制御に用いるのが好ましい。

本発明は、半導体製造システムなどの薬液やガスなどを所要の温度に加熱する用途などに有用である。

本発明の一つの実施の形態に係る電磁誘導流体加熱システムを備える半導体製造システムの構成図である。 電磁誘導流体加熱装置の構成図である。 温度調節器のブロック図である。 図１の実施形態の入口温度の変動に対する制御性能を示す図である。 比較例の制御性能を示す図である。 本発明の他の実施形態の温度調節器のブロック図である。 図１の実施形態の立ち上げ時の制御性能を示す図である。 図６の実施形態の立ち上げ時の制御性能を示す図である。 従来例の半導体製造システムの構成図である。 電磁誘導流体加熱装置の構成図である。

符号の説明

８ 電磁誘導流体加熱装置
９ 温度調節器
１３ ヒータユニット
１４ ドライバユニット
１５ 発熱管
２０，２１ 第１，第２の温度センサ
２２ 電磁誘導流体加熱システム
２３ ＰＩＤ制御部
２４ フィードフォワード制御部

Claims (10)

1. 被加熱流体が流通する曲成された発熱管と、該発熱管を取り囲むように巻回されたコイルと、該コイルに対して高周波電力を供給する高周波電源部とを備え、前記高周波電力を前記コイルに供給して、電磁誘導によって前記発熱管を発熱させて前記被加熱流体を加熱する電磁誘導流体加熱装置を制御する方法であって、
   前記発熱管の出口における被加熱流体の出口温度に基づいて、フィーバック制御を行うとともに、前記発熱管の入口における被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うことを特徴とする電磁誘導流体加熱装置の制御方法。
2. 前記被加熱流体は、前記流通と滞留とを繰り返すものであり、
   前記フィードバック制御では、前記被加熱流体の前記出口温度と目標温度との偏差に応じたフィードバック操作量を生成し、前記フィードフォワード制御では、前記被加熱流体の入口温度と設定温度との偏差に応じたフィードフォワード操作量を生成し、前記両操作量に基づいて、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御する請求項１に記載の電磁誘導流体加熱装置の制御方法。
3. 前記被加熱流体が、半導体製造に使用される薬液、純水あるいはガスであって、該被加熱流体の前記流通と前記滞留とに応じて、前記発熱管による加熱と加熱停止とを繰り返す請求項２に記載の電磁誘導流体加熱装置の制御方法。
4. 前記フィードバック制御が、ＰＩＤ制御であって、前記発熱管における加熱によって前記被加熱流体の前記出口温度が、前記目標温度に到達するまでの立ち上げ時に、前記ＰＩＤ制御のＰＩＤパラメータを切換える請求項２または３に記載の電磁誘導流体加熱装置の制御方法。
5. 前記被加熱流体は、前記発熱管に供給される前段で前記目標温度未満に冷却される請求項２〜４のいずれか一項に記載の電磁誘導流体加熱装置の制御方法。
6. 被加熱流体が流通する曲成された発熱管、該発熱管を取り囲むように巻回されたコイル、および、該コイルに対して高周波電力を供給する高周波電源部を有し、前記高周波電力を前記コイルに供給して、電磁誘導によって前記発熱管を発熱させて前記被加熱流体を加熱する電磁誘導流体加熱装置と、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御して、前記被加熱流体の温度を制御する温度制御装置とを備える電磁誘導流体加熱システムあって、
   前記温度制御装置は、前記発熱管の出口における前記被加熱流体の出口温度に基づいて、フィーバック制御を行うフィードバック制御部と、前記発熱管の入口における前記被加熱流体の入口温度に基づいて、フィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部とを有することを特徴とする電磁誘導流体加熱システム。
7. 前記被加熱流体は、前記流通と滞留とを繰り返すものであり、
   前記フィードバック制御部は、前記被加熱流体の前記出口温度と目標温度との偏差に応じたフィードバック操作量を生成し、前記フィードフォワード制御部は、前記被加熱流体の入口温度と設定温度との偏差に応じたフィードフォワード操作量を生成し、前記制御装置は、前記両操作量に基づいて、前記高周波電源部の前記高周波電力を制御する請求項６に記載の電磁誘導流体加熱システム。
8. 前記被加熱流体が、半導体製造に使用される薬液、純水あるいはガスであり、前記制御装置は、前記被加熱流体の前記流通と前記滞留とに応じて、前記高周波電源部を制御することにより、前記発熱管による加熱と加熱停止とを繰り返す請求項７に記載の電磁誘導流体加熱システム。
9. 前記フィードバック制御部が、ＰＩＤ制御部であり、
   前記制御装置は、前記発熱管における加熱によって前記被加熱流体の前記出口温度が、前記目標温度に到達するまでの立ち上げ時に、前記ＰＩＤ制御部のＰＩＤパラメータを切換えるパラメータ切換部を有する請求項７または８に記載の電磁誘導流体加熱システム。
10. 前記被加熱流体を、前記発熱管に供給される前段で前記目標温度未満に冷却する冷却手段を備える請求項７〜９のいずれか一項に記載の電磁誘導流体加熱システム。

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