JP2010147486A - 半導体製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】目標値と制御検出値とが加算器1を介して入力されるPID調節部2と、パターン出力を算出する近似関数を有し、該近似関数のパラメータ値に応じてそのパターン出力を変化可能としたパターン発生部8と、少なくともパターン発生部8の出力を含む出力と、PID調節部2の出力とを切替えて出力する切替器6とを備えた。
【選択図】図1
Description
電気炉31と、半導体ウェハを保持するボート32と、ボート32を支持し電気炉31の投入口を塞ぐキャップ33と、入力端aからの制御信号に応じて図示しない電力供給がなされて電気炉31内を加熱するヒータ34と、電気炉31内の温度を計測し出力端bへ出力する温度センサ35とで構成され、電気炉31内の温度をある特定のパターンに追従または維持させることによって、ボート32に保持している半導体ウェハに化学的処理を施す。
操作量の入力端a1から制御量の出力端b1までの経路における要素の集合をゾーン1、a2から入力しb2へ出力する過程における要素の集合をゾーン2、以下、同様にゾーン3、ゾーン4と表現することがある。
ここで、図32を用いて、従来の熱処理炉で行われるプロセス処理の一例について説明する。図32(a)は熱処理炉で行われるプロセス処理の一例のフローチャートを示す。図32(b)はそのときの熱処理炉内の温度の概略を示したものであり、図中の符号は、図32(a)における同一の符号が付されている処理を示す。
図33に示す制御ブロックは、図28に示した構成と同様な部分として、目標値入力端INを備え、加算器1とPID調節部2と熱処理炉3を有し、さらに異なる部分として、熱処理炉3への操作量として最適と思われる信号を出力するパターン発生部5と、PID調節部2の出力とパターン発生部5の出力のうちいづれか1つを切替制御信号によって選択し、操作量として出力する切替器6と、加算器1の出力を監視し、特定の条件(例えば後述するような所定時刻、あるいは加算器1の出力の所定値以上の変動)に対応して切替器6を制御する切替制御信号を出力する切替制御部7とで構成され、熱処理炉3の出力端bから出力される温度検出値(制御量)を制御するものである。パターン発生部5と切替制御部7は、夫々内部に同一時刻を示す時計を有するとともに、温度制御の開始時間から目標値が急激に変化するまでの時間が予め記憶されており、該時刻を知ることができる。
そして、このような方法によっても、パターン発生部5の出力を第2の温度検出値(副制御検出値)のフィードバック制御により修正しつつ、熱処理炉3への操作量を出力することができるので、操作量を現実の制御対象により的確に調整しつつ制御を行い、その変動を軽減することができる。ここで、パターン発生部5の出力値は、メモリなどに格納された記憶値を出力することにより与えられる。
実施の形態1.
まず、実施の形態1の構成について図1を使って説明する。図1に示すブロック図において図33と同様の部分については同一の符号を付して説明する。
図1に示す構成は、図33に示した従来の構成と同様な部分として、入力端子INより入力される熱処理炉の温度目標値と熱処理炉3からの制御量である第1の温度検出値が入力される加算器1と、加算器1の出力側に設けられ、加算器1の出力に基づいてPID制御を行うPID調節部2と、PID調節部2の出力側に設けられ、PID調節部の出力と、後述するパターン発生部の出力とを切り替えて熱処理炉3へ操作量として入力する切替器6と、加算器1の出力側に設けられ、切替器6を切り替える制御信号を出力する切替制御部7とを備え、更に特徴部分として、加算器1の出力側に設けられたパラメータ補正値出力部9と、パラメータ補正値出力部9の出力側に設けられたパターン発生部8とを備えている。
以下、図1及び図2に示された制御ブロックによる動作説明を行う。
この実施の形態では、評価値(各評価項目における加算器の出力であって、例えば図7で示された1温度目標値と温度検出値(制御量)との偏差、2温度制御検出値(制御量)の傾き、3オーバーシュートの値に対応する値)とパターン発生部8による関数の各パラメータの値とが一次線形代数で与えられると近似して、これら評価値とパラメータの間の関係式(後述する干渉行列M)を求めておき、この干渉行列を用いて、現在の評価値を理想的な所望の評価値とするべく、各パラメータの補正値を算出するようにしたものである。
(パターン発生部8−iの出力)
=f(t−t0,p1i,p2i,…,pNi) ………(1)
i=1,2,…,M
ここで、tは現在時刻(時間)、t0は切替制御部7−iやパターン発生部8−iに予め設定された目標値の急激な変化が発生する時刻である。またp1i,p2i,…pNiは、パターン発生部8−iの出力に関するN個のパラメータである。
ここで、図3を用いて、予め行われる干渉行列導出のため手順の一例について説明する。一連の手順は、実際のプロセス処理に先立って行われるものであり、通常ダミーウェハを用いて行われる。
pj=[pj1 pj2 …pjM ]T …………(2)
j=1,2,…,N
図3(b)において、ステップS11は、パターン発生部8−iでパラメータpjの暫定値を設定する処理であり、その初期値はこれまでの実績による平均値でもよいし、または、図31のような構成による制御を行った結果、PID調節部2−iから出力されるパターンを近似する値でもよい。また既にパラメータが更新されている場合は、その時点までに更新された値が設定される。
ej=[ej1 ej2 …ejM ]T …………(3)
j=1,2,…,N
mji=(ej−ej´)/Δpji ………………(4)
i=1,2,…,M, j=1,2,…,N
Mj=[mj1 mj2 …mjM ] ………………(5)
j=1,2,…,N
Δpj=μ×Mj-1×Δej …………(6)
今、これらのパラメータについて、評価値EYIが−α1と−α2(EYI=[−α1 −α2]T)であった場合に、次の連立一次方程式を用いてこれらパラメータと評価値とを関係付ける。
YI1×(grad1)+YI2×(grad2)+C1=−α1
YI1×(grad3)+YI2×(grad4)+C2=−α2
今、YI=[YI1+d1 YI2]TのときEYI=[−α1+β1 −α2+β2]Tが得られるとすると、
(数8)
(YI1+d1)×(grad1)+YI2×(grad2)+C1=−α1+β1
(YI1+d1)×(grad3)+YI2×(grad4)+C2=−α2+β2
次に、YI=[YI1 YI2+d2]TのときEYI=[−α1+γ1−α2+γ2]Tが得られるとすると、
(数9)
YI1×(grad1)+(YI2+d2)×(grad2)+C1=−α1+γ1
YI1×(grad3)+(YI2+d2)×(grad4)+C2=−α2+γ2
したがって、以上の関係より、YI=[YI1+x1 YI2+x2]Tと設定したとき、EYI=[0 0]Tになるとすると、
(YI1+x1)×(grad1)+(YI2+x2)×(grad2)+C1=0
(YI1+x1)×(grad3)+(YI2+x2)×(grad4)+C2=0
x1×(β1/d1)+x2×(γ1/d2)=α1
x1×(β2/d1)+x2×(γ2/d2)=α2
(数12)
MYI×[x1 x2]T=[α1 α2]T
と表され、x1、x2が(6)式に示したΔpjに該当し、α1、α2が(6)式に示したΔejに対応していることが理解される。
なお、パラメータの補正(ステップS2−1〜N)は、その次のステップ(ステップS1−2〜N)で行われる干渉行列の作成をより精度良くするために行われるものであり(補正されたパラメータによるパターン発生部出力を用いて図3(b)のステップS13やステップS13Aの評価を行うことにより精度を高めることができる)、かかる精度が不要の場合は、干渉行列作成手順(図3(a))の処理から省略しても良い。
ここで、伝達ゲインとは、定常状態において操作量の微少な変化に対して制御量が変化した割合のことである。伝達ゲインを要素とした干渉行列Mは、図2において切替器6−iをパターン発生部8−i側に常時接続している状態で、例えば図36に示す手順で得ることができる。
(数13)
u=〔u1 u2 …… uM 〕T
(数14)
y=〔y1 y2 …… yM 〕T
(数15)
mi=(y−y’)/Δui
(数16)
M=〔m1 m2 …… mM 〕
図36で示した手順で干渉行列を作成することによって、図3に示した干渉行列作成手順を省くことができ、特に時間がかかるS12、S15を省くことができ、干渉行列作成に費やす時間を大幅に短縮することができる。
また、以上のようにパラメータが更新された関数出力は、温度制御による加熱処理実行時に先だって予め算出して、図示しないメモリに記憶しておき、加熱処理時には、このメモリからの出力をもってパターン発生部からの出力としても良い。
このように制御量に基づき、パターン発生部8−iの有する近似関数のパラメータを補正することは、勿論、後述する他の実施の形態に対しても適用できる。
図8に示される熱処理炉3Bは、図29(b)に示したものと同じであり、第1の温度検出値(制御量)が出力される端子bと第2の温度検出値(副制御量)が出力される端子cとを有する。そして、これら2つの端子a,bからの第1及び第2の温度検出値が平均化処理部17を介して加算器1に入力されている。
図9、図10は実施の形態2を示す制御ブロック図であり、図1、図2と同一または相当物には同一数字符号を付している。
図9に示される制御ブロックは、図1に示された制御ブロックにおける切替器の後段にさらにPID調節部12を備えるとともに、切替器6とPID調節部12の間に加算器4を設けてフィードバックループ20を構成してカスケード制御を実行する構造としたものである。
実施の形態2におけるパターン発生部8A(または8A−i)は、例えば、次の近似関数およびパラメータをパターン出力のために用いることができる。
なお、実施の形態2では、パターン発生部8A−iの後段のPID調節部12−iにおいて、微分要素をもつため、近似関数に矩形状の変化部分(実施の形態1のMax:パラメータTIiに相当する)を持たせなかったが、PID調節部12−iが積分と比例要素のみからなる場合は、実施の形態1と同様の近似関数を用いるようにしてもよい。
この変形例における第1変形例は、図17に示されるように、切替制御部7´によって、切替器6の出力をパターン発生部8A´の出力からPID調節部2´の出力に切り替える際、切替直前のパターン発生部8A´からの出力の値に応じて切り替え直後のPID調節部2´の出力の値を調整するようにしたものである。
f(t−t0,YIi,YGi)
=YIi+YGi×(t−t0)
t0≦t,i=1,2,・・・M (9)
第2変形例は、切替制御部7´´によって、切替器6の出力をPID調節部2´´の出力からパターン発生部8A´´の出力に切り替える際に、切替直前のPID調節部2´´からの出力値に応じて、切替直後のパターン発生部8A´´の出力値を調整するようにしたものである。
なお、このパターン発生部8A´´の調整は、後述する式(8)´、(9)´によって行われる。
以上で述べた実施の形態2の変形例、即ち、切替器6−iの出力の切替の際に、切替直前において該切替器から出力されていた出力値に基づいて、切替直後の切替器からの出力値を調整することは、他の実施の形態においても適用できることは、勿論である。
図19、図20は実施の形態3を示す制御ブロック図であり、図1、図2と同一または相当物には同一符号を付している。 図19に示される制御ブロックは、図1に示された制御ブロックにおける切替器6の入力側とパターン発生部8との間に加算器4AおよびPID調節部12Aを備えるようにしたものであり、この加算器4AとPID調節部12Aとによりフィードバックループ21を構成する構造としたものである。
実施の形態3におけるパターン発生部8B(または8B−i)は、実施の形態2と同様、次の近似関数およびパラメータをパターン出力のために用いている。
図21に示す構成は、第1変形例を示すブロック図であり、図19に示した構成に破線で示したデータおよびデータの流れを付け加えている。
このようにPID調節部の出力値を切替時に調節することによって、切替前後の熱処理炉3Dへの入力端aの入力値(操作量)が不適当にならないようにしている。
図22においては、切替器6がPID調節部2´の出力からPID調節部12A´の出力へ切り替えるとき、切替制御部7´からの切替制御のタイミングで切り替え直前の熱処理炉の出力端cからの出力値(第2の温度検出値)を受け取ってパターン発生部8B´の切替直後の出力値を調節するよう構成されている。このような構成によって、切替器6が、PID調節部2´の出力からPID調節部12A´の出力へ切り替えるとき、切替時のパターン発生部8B´の出力値を最適値にすることができ、もって周囲(設備)環境や熱処理の特性が長期的に変化した場合に発生する第2の温度検出値の長期的な変動を補償することができる。このような構成によれば、環境状況に変動が生じても、安定した温度制御を行うことができる。
図23は実施の形態4を示すブロック図である。
実施の形態4は、熱処理炉3の温度目標値と熱処理炉3からの第1の温度検出値とが加算器1を介して入力されるI要素を含むI調節部201(第3の調節部)、及びI要素を含まないPD調節部202(第4の調節部)とを備え、パターン出力を算出する近似関数を有し、近似関数のパラメータに応じてパターン出力を変化させるパターン発生部8Eと、加算器1の出力側に接続され、加算器1の出力に基づいてパターン発生部8Eのパラメータ補正値を出力するパラメータ補正値出力部9Eと、I調節部201の出力をパターン発生部8Eの出力に切替えることにより、I調節部201の出力とPD調節部202の出力との加算出力を、パターン発生部8Eの出力とPD調節部202の出力とが加算された出力に切り替えるための切替器203及び加算器204からなる切替手段と、該切替手段の出力(加算器204の出力)と熱処理炉3からの第2の温度検出値とが加算器4Eを介して入力され、熱処理炉3への操作量を出力する調節部12E(第2の調節部)とを備えている。
M=(Eu+GKp)-1・G …(10)
図24は実施の形態5を示すブロック図である。
実施の形態5は実施の形態4のI調節部201をPID調節部201Aで構成したものである。
実施の形態4では、切替器203によりI調節部201の出力からパターン発生部8Eの出力に切り替えた後に、該パターン発生部8Eの出力にPD調節部202の出力を加算するよう、切替器203と加算器204から成る切替手段が構成されているが、実施の形態5では、パターン発生部8Eの出力とPD調節部202の出力を加算したものを、PID調節部201Aの出力に切り替えるように、切替器6と加算器205から成る切替手段が構成されている。
図25は実施の形態6を示すブロック図である。
実施の形態6は、熱処理炉3の温度目標値と熱処理炉3からの第1の温度検出値とが加算器1を介して入力され調節部出力を出力するI要素を含むPID調節部201A、及びI要素を含まないPD調節部202を備え、更に、PD調節部202の出力とパターン発生部8Eの出力とを加算する加算器205と、この加算器205の出力を熱処理炉3からの第2の温度検出値と加算する加算器4Eと、この加算器4Eの出力が入力されるPID調節部12Eとを備え、更にPID調節部12Eの出力とPID調節部201Aの出力を切替える切替器6とを備えて構成されている。
そして、このような構成によっても、実施の形態4や実施の形態5と同様な効果を有する。
図26は実施の形態7を示すブロック図である。
実施の形態7は、熱処理炉3の温度目標値と熱処理炉3からの第1の温度検出値とが加算器1を介して入力されるPID調節部201A、及びI要素を含まないPD調節部202を備え、3段階の切替段(sw1〜sw3)を有する切替器6Eにより、PID調節部201Aの第1出力(sw1への切替による)と、PD調節部202の出力とパターン発生部8Eの出力とが加算された第2出力(sw2への切替による)と、パターン発生部8Eの第3出力(sw3への切替による)とを切り替えるよう構成したものである。
この場合ランプアップ時の制御を対象としており、図27(C)に示すタイムチャートにおいて、目標値の時間的変化が相対的に大きくほぼ一定であるランプアップ時(パターンがYIiからYFiに達するまでの間)は第2出力を用いるようにし、前記目標値の時間的変化が相対的に大きい場合から小さい場合に移行する場合(ランプアップ終了時であるYFi到達以降、図27(A)のt2以降)は第3出力を用い、それ以外の目標値の時間的変化が相対的に小さい場合は第1の出力を用いて温度制御を実行するようにする。
なお、ランプアップ時に図27(C)に示されるように、YIiからYFiまで直線的に温度が上昇し、YFiから直線的に所定時間t3まで直線的に下降するようなパターンを使用しているが、YFiより水平となる、図12で示したパターンを用いることもできることは言うまでもない。
以上のように、図27(C)に示されるように、パターンの時間的変化が比較的大きくても、一定でなく、変化するような場合も、変化後、所定時間の間はパターン発生部の出力のみを用いるようにすれば、応答性を効率的に高めることができる。
Claims (4)
- プロセス処理を施す温度よりも低い温度T0で維持及び安定させるステップと、ウェハを保持するボートを熱処理炉内に投入するステップと、前記ウェハにプロセス処理を施す温度に上昇させるステップと、前記プロセス処理を施す温度から前記熱処理炉内の温度を下降させるステップと、前記ボートを前記熱処理炉内より引き出すステップとを有する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、
前記熱処理炉への温度目標値と前記熱処理炉からの第1の温度検出値とが加算器を介して入力される第1の調節部と、
パターン出力を算出する近似関数を有し、該近似関数のパラメータ値に応じて前記パターン出力を変化可能としたパターン発生部と、
前記パターン発生部の出力と、前記第1の調節部の出力とを切替えて前記熱処理炉への操作量として出力する切替器と、
前記第1の温度検出値に基づいて、前記パターン発生部の有する近似関数のパラメータを補正するための補正値を出力するパラメータ補正値出力部を有する温度制御装置を備えた半導体製造装置。 - プロセス処理を施す温度よりも低い温度T0で維持及び安定させるステップと、ウェハを保持するボートを熱処理炉内に投入するステップと、前記ウェハにプロセス処理を施す温度に上昇させるステップと、前記プロセス処理を施す温度から前記熱処理炉内の温度を下降させるステップと、前記ボートを前記熱処理炉内より引き出すステップとを有する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、
前記熱処理炉への温度目標値と前記熱処理炉からの第1の温度検出値とが第1の加算器を介して入力される第1の調節部と、
パターン出力を算出する近似関数を有し、該近似関数のパラメータ値に応じて前記パターン出力を変化可能としたパターン発生部と、
前記パターン発生部の出力と、前記第1の調節部の出力とを切替えて前記熱処理炉への操作量として出力する切替器と、
前記第1の温度検出値に基づいて、前記パターン発生部の有する近似関数のパラメータを補正するための補正値を出力するパラメータ補正値出力部と、
前記切替器の出力側に設けられ、前記切替器からの出力と前記熱処理炉からの第2の温度検出値とが第2の加算器を介して入力されて前記熱処理炉への操作量として出力する第2の調節部とを有する温度制御装置を備えた半導体製造装置。 - プロセス処理を施す温度よりも低い温度T0で維持及び安定させるステップと、ウェハを保持するボートを熱処理炉内に投入するステップと、前記ウェハにプロセス処理を施す温度に上昇させるステップと、前記プロセス処理を施す温度から前記熱処理炉内の温度を下降させるステップと、前記ボートを前記熱処理炉内より引き出すステップとを有する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、
前記熱処理炉への温度目標値と前記熱処理炉からの第1の温度検出値とが第1の加算器を介して入力される、I要素を含む第3の調節部及びI要素を含まない第4の調節部と、
パターン出力を算出する近似関数を有し、該近似関数のパラメータ値に応じて前記パターン出力を変化可能としたパターン発生部と、
少なくとも前記第3の調節部の出力と、前記第4の調節部の出力と前記パターン発生部の出力とが加算された出力とを切り替える切替手段と、
前記第1の温度検出値に基づいて、前記パターン発生部の有する近似関数のパラメータを補正するための補正値を出力するパラメータ補正値出力部と、
前記切替手段の出力と前記熱処理炉からの第2の温度検出値とが第2の加算器を介して入力され、前記熱処理炉への操作量として出力する第2の調節部とを有する温度制御装置を備えた半導体製造装置。 - プロセス処理を施す温度よりも低い温度T0で維持及び安定させるステップと、ウェハを保持するボートを熱処理炉内に投入するステップと、前記ウェハにプロセス処理を施す温度に上昇させるステップと、前記プロセス処理を施す温度から前記熱処理炉内の温度を下降させるステップと、前記ボートを前記熱処理炉内より引き出すステップとを有する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、
前記熱処理炉への温度目標値と前記熱処理炉からの第1の温度検出値とが第1の加算器を介して入力される、I要素を含む第3の調節部及びI要素を含まない第4の調節部と、
パターン出力を算出する近似関数を有し、該近似関数のパラメータ値に応じて前記パターン出力を変化可能としたパターン発生部と、
前記第3の調節部の出力と、前記第4の調節部の出力と前記パターン発生部の出力とが加算された出力と、前記パターン発生部の出力とを切り替える切替器と、
前記第1の温度検出値に基づいて、前記パターン発生部の有する近似関数のパラメータを補正するための補正値を出力するパラメータ補正値出力部と、
前記切替器の出力と前記熱処理炉からの第2の温度検出値とが第2の加算器を介して入力され、前記熱処理炉への操作量として出力する第2の調節部とを有する温度制御装置を備えた半導体製造装置。
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