JP2014229165A

JP2014229165A - 制御装置および制御方法

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Publication number: JP2014229165A
Application number: JP2013109603A
Authority: JP
Inventors: 田中　雅人; Masahito Tanaka; 雅人田中
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】バーチャルメトロロジーとフィードバック制御とを組み合わせる際の不具合の発生を抑える。
【解決手段】制御装置は、制御対象７の出力である制御量ＰＶ＿Ｍと制御対象６，７の特性に係わる複数の計測値Ｘ１〜Ｘ３とを入力変数として、予め設定された数式により制御対象６の制御の設定値ＳＰを算出する設定値算出部３と、設定値ＳＰに対して時間遅れのフィルタリング処理を施すフィルタ部８と、フィルタリング処理後の設定値ＳＰと制御対象６の出力である制御量ＰＶ＿Ｓとに基づいてＰＩＤ制御演算により操作量ＭＶを算出して制御対象６に出力するＰＩＤコントローラ５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体製造工程における計測値を推定するバーチャルメトロロジーの技術とＰＩＤ等のフィードバック制御技術とを組み合わせた制御装置および制御方法に関するものである。

半導体製造プロセス等において、複数のリアル計測値に基づき特定の状態推定値（バーチャル計測値）を求めるバーチャルメトロロジー（Virtual Metrology、以下ＶＭ）が実用されている（特許文献１、非特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術は、温調計などの制御機器において、アクチュエータ（例えばヒータ）に流れる電流値ＣＴと制御量ＰＶ（温度）とを入力変数として、予め設定された電力推定関数式によりアクチュエータの消費電力を推定するものである。また、非特許文献１に開示された技術は、半導体の製造装置において、トランジスタのゲート周囲長などの既定のデバイス情報とヒータ電力などの装置変数からシリコン酸化膜の成膜速度を推定するものである。

このように計測値をＶＭによって高精度に推定できるようになると、その推定結果を用いた制御が可能になる。図５はＶＭとＰＩＤを組み合わせたカスケード制御を実現する制御装置の構成を示すブロック図、図６は図５の制御装置の適用対象となる成膜装置の構成を示すブロック図である。成膜装置は、制御装置１０と、ガス供給装置１１と、ヒータ１２と、温度センサ１３〜１５と、膜厚計１６とを備えている。この成膜装置は、ヒータ１２でワーク１７を加熱し、高温環境下で反応ガスを導入してワーク１７上に薄膜を形成するものである。温度センサ１３，１４は、ワーク表面の周辺温度Ｘ１，Ｘ２を計測し、温度センサ１５は、ヒータ近傍温度ＰＶ＿Ｓを計測する。ガス供給装置１１からは反応ガス流量Ｘ３の値が得られる。また、膜厚計１６は、レーザ光あるいは超音波などを用いて膜厚ＰＶ＿Ｍを計測する。

図５に示した構成は図６の制御装置１０の内部に設けられる。計測値入力部１には、リアル計測値Ｘ１〜Ｘ３が入力される。膜厚計１６によって計測された膜厚ＰＶ＿Ｍは、制御量入力部２を介して設定値算出部３に入力される。設定値算出部３は、リアル計測値Ｘ１〜Ｘ３と膜厚ＰＶ＿Ｍとを入力変数として、ＶＭにより温度設定値ＳＰを算出する。温度センサ１５によって計測されたヒータ近傍温度ＰＶ＿Ｓは、制御量入力部４を介してＰＩＤコントローラ５に入力される。

ＰＩＤコントローラ５は、温度設定値ＳＰとヒータ近傍温度ＰＶ＿Ｓに基づいて周知のＰＩＤ制御演算を行って操作量ＭＶを算出し、操作量ＭＶをヒータ１２に出力する。
このように、図５の制御装置を図６の成膜装置に適用した場合、ヒータ１２およびワーク１７の温度に係わる部分がスレーブ側の制御対象６となり、ワーク１７上の成膜速度に係わる部分がマスター側の制御対象７となる。こうして、ＶＭの推定結果を用いた膜厚制御が可能になる。

特開２００９−２２９３８２号公報

今井伸一、安田哲，"ナノスケール半導体デバイスにおけるヴァーチャルメトロロジー技術を用いた最先端製造技術の実用化"，パナソニック技報，Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．３，２００９年

ＶＭのアルゴリズムを多変量解析による多項式係数で設定する場合、多変量解析の対象になるリアル計測値としては、整定状態における静的特性のデータが収集しやすい（収集されやすい）。このようなリアル計測値を図５に示した制御装置への入力として用いると、制御特有の過渡状態において、入力変数の時定数差などの影響を受けて、全く予期せぬ設定値ＳＰが出力される可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＶＭとＰＩＤ等のフィードバック制御とを組み合わせる際の不具合の発生を抑えることができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、第１の制御対象および第１の制御対象の出力を入力とする第２の制御対象の２つの制御対象を、前記第１の制御対象に与える操作量によって制御する制御装置であって、前記第２の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｍと前記第１、第２の制御対象の特性に係わる複数の計測値とを入力変数として、予め設定された数式により前記第１の制御対象の制御の設定値ＳＰを算出する設定値算出手段と、前記設定値ＳＰに対して時間遅れのフィルタリング処理を施すフィルタ手段と、前記フィルタリング処理後の設定値ＳＰと前記第１の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｓとに基づいてフィードバック制御演算により操作量ＭＶを算出して前記第１の制御対象に出力する制御演算手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の制御装置の１構成例は、さらに、前記制御演算手段の制御パラメータに基づいて前記フィルタ手段の時定数を決定するフィルタ時定数決定手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明は、第１の制御対象および第１の制御対象の出力を入力とする第２の制御対象の２つの制御対象を、前記第１の制御対象に与える操作量によって制御する制御方法であって、前記第２の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｍと前記第１、第２の制御対象の特性に係わる複数の計測値とを入力変数として、予め設定された数式により前記第１の制御対象の制御の設定値ＳＰを算出する設定値算出ステップと、前記設定値ＳＰに対して時間遅れのフィルタリング処理を施すフィルタリング処理ステップと、前記フィルタリング処理後の設定値ＳＰと前記第１の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｓとに基づいてフィードバック制御演算により操作量ＭＶを算出して前記第１の制御対象に出力する制御演算ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、設定値算出手段と制御演算手段との間にフィルタ手段を設けることにより、設定値ＳＰの予期せぬ算出が起こり得る時間帯を削減することができ、主として静的特性を扱う設定値算出手段（ＶＭ）と動的特性を扱う制御演算手段とを組み合わせる際の不具合の発生を抑えることができる。

また、本発明では、フィルタ時定数決定手段を設けることにより、フィルタ手段の時定数の調整の手間を省くことができる。

本発明の原理を説明する図である。本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。ＶＭとＰＩＤを組み合わせたカスケード制御を実現する制御装置の構成を示すブロック図である。図５の制御装置の適用対象となる成膜装置の構成を示すブロック図である。

［発明の原理］
本発明の原理を図１を参照して説明する。多変量解析の対象になるリアル計測値としては、制御の整定状態における静的特性のデータが利用される。図１では、このようなリアル計測値として、変数Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を例に挙げている。上記のとおり、変数Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は制御の整定状態で収集され、スレーブＳＰの算出に利用される。したがって、変数Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３からＶＭによりスレーブＳＰを算出するときに、整定状態の間に制御の過渡状態が収まっている状況（図１のＡまたはＢの状況）では、スレーブＳＰの予期せぬ算出は起こり難い。しかし、整定状態間から外れる範囲に制御の過渡状態が到達している状況（図１のＣまたはＤの状況）では、スレーブＳＰの予期せぬ算出が起こり易くなる。

ただし、整定状態間から外れる範囲に制御の過渡状態が到達している状況を時間軸上で見ると、ある整定状態から異なる整定状態への移行の際に一時的に発生する時間帯に過ぎないので、時間遅れ伝達関数タイプのフィルタにより、スレーブＳＰの予期せぬ算出が起こり得る時間帯を削減することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は本実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、計測値入力部１と、制御量入力部２と、設定値算出部３と、制御量入力部４と、制御演算手段となるＰＩＤコントローラ５と、フィルタ部８とを備えている。

以下、本実施の形態の制御装置の動作を説明する。図３は制御装置の動作を示すフローチャートである。ここでは、制御装置の適用対象を図６に示した成膜装置とする。この場合、図２に示した構成は図６の制御装置１０の内部に設けられる。

計測値入力部１には、制御対象６，７の特性に係わるリアル計測値Ｘ１〜Ｘ３が入力される（図３ステップＳ１００）。マスター側の制御対象７の制御量ＰＶ＿Ｍは、センサによって検出され、制御量入力部２を介して設定値算出部３に入力される（図３ステップＳ１０１）。図６の成膜装置の場合、Ｘ１，Ｘ２はワーク表面の周辺温度、Ｘ３は反応ガス流量、ＰＶ＿Ｍは膜厚である。

設定値算出部３は、計測値入力部１から入力されたリアル計測値Ｘ１〜Ｘ３と制御量入力部２から入力された制御量ＰＶ＿Ｍとを入力変数として、予め設定された多項式によりスレーブ側の設定値ＳＰを算出する（図３ステップＳ１０２）。図６の成膜装置の場合、ＳＰは温度設定値である。

フィルタ部８は、設定値ＳＰに対して、以下の伝達関数式で表される時間遅れのフィルタリング処理を施した設定値ＳＰ’を算出する（図３ステップＳ１０３）。
ＳＰ’＝ＳＰ／（１＋Ｔｓ）・・・（１）
式（１）において、Ｔはフィルタ時定数、ｓはラプラス演算子である。フィルタ時定数Ｔは適宜調整できるようにしておくことが望ましい。

式（１）では、１次遅れのフィルタリング処理の例を挙げているが、フィルタ部８が設定値ＳＰに対して２次遅れのフィルタリング処理を施す場合には、例えば以下のような伝達関数式となる。
ＳＰ’＝ＳＰ／（１＋Ｔｓ）² ・・・（２）

次に、スレーブ側の制御対象６の制御量ＰＶ＿Ｓは、センサによって検出され、制御量入力部４を介してＰＩＤコントローラ５に入力される（図３ステップＳ１０４）。図６の成膜装置の場合、ＰＶ＿Ｓはヒータ近傍温度である。

ＰＩＤコントローラ５は、フィルタ部８から入力された設定値ＳＰ’と制御量入力部４から入力された制御量ＰＶ＿Ｓに基づいて周知のＰＩＤ制御演算（フィードバック制御演算）を行い、設定値ＳＰ’と制御量ＰＶ＿Ｓとが一致するように操作量ＭＶを算出する。そして、ＰＩＤコントローラ５は、算出した操作量ＭＶをスレーブ側の制御対象６に出力する（図３ステップＳ１０５）。図６の成膜装置の場合、操作量ＭＶの実際の出力先はヒータ１２となる。

以上のようなステップＳ１００〜Ｓ１０５の処理が例えばオペレータによって制御の終了が指示されるまで（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、制御周期毎に繰り返し実行される。
本実施の形態では、設定値算出部３とＰＩＤコントローラ５との間にフィルタ部８を設けることにより、スレーブ側の設定値ＳＰの予期せぬ算出が起こり得る時間帯を削減することができ、主として静的特性を扱う設定値算出部３（ＶＭ）と動的特性を扱うＰＩＤコントローラ５とを組み合わせる際の不具合の発生を抑えることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本実施の形態に係る制御装置の構成を示すブロック図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の制御装置は、第１の実施の形態の制御装置に対してフィルタ時定数決定部９を追加したものである。

フィルタ時定数決定部９以外の構成の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。フィルタ部８はＰＩＤ制御ループの動的特性に対応する緩衝機能を実現するものとして設けられているので、フィルタ時定数ＴはＰＩＤ制御ループの動的特性に連動して自動決定されるようにしておくと、便利であり都合がよい。

具体的には、本実施の形態のフィルタ時定数決定部９は、ＰＩＤコントローラ５に設定されるＰＩＤパラメータ（制御パラメータ）のうちの積分時間ＴｉをＰＩＤ制御ループの動的特性の指標として、以下のようにフィルタ部８のフィルタ時定数Ｔを決定する。
Ｔ＝α×Ｔｉ・・・（３）
式（３）において、αは定数であり１．０以上の値である。フィルタ時定数決定部９は、図３に示した制御が実施される前に、このようなフィルタ時定数Ｔの決定を予め行っておけばよい。

なお、式（３）は、フィルタ部８が式（１）に示した１次遅れのフィルタリング処理を行う場合に対応したフィルタ時定数Ｔの決定式である。式（２）に示したようにフィルタ部８が設定値ＳＰに対して２次遅れのフィルタリング処理を施す場合には、フィルタ時定数決定部９は以下のようにフィルタ時定数Ｔを決定すればよい。
Ｔ＝β×Ｔｉ・・・（４）
式（４）におけるβは１次遅れの等価時定数換算を考慮した定数であり、０．７０７以上の値である。

本実施の形態では、フィルタ時定数決定部９を設けることにより、例えば製造装置メーカがＶＭを実装して製造装置ユーザに出荷する場合に、一般に知られているＰＩＤパラメータ調整方法に基づいて製造装置ユーザがＰＩＤコントローラ５のＰＩＤパラメータを現場で調整すれば、フィルタに関する専門的な知識を必要とせずにフィルタ時定数Ｔを自動決定することができる。すなわち、本実施の形態では、単純に時定数調整の手間が省けるだけでなく、製造装置のメーカとユーザ間のビジネスプロセスを円滑にすることが可能となる。

第１、第２の実施の形態で説明した制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、プロセス制御技術に適用することができる。

１…計測値入力部、２，４…制御量入力部、３…設定値算出部、５…ＰＩＤコントローラ、６，７…制御対象、８…フィルタ部、９…フィルタ時定数決定部。

Claims

第１の制御対象および第１の制御対象の出力を入力とする第２の制御対象の２つの制御対象を、前記第１の制御対象に与える操作量によって制御する制御装置であって、
前記第２の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｍと前記第１、第２の制御対象の特性に係わる複数の計測値とを入力変数として、予め設定された数式により前記第１の制御対象の制御の設定値ＳＰを算出する設定値算出手段と、
前記設定値ＳＰに対して時間遅れのフィルタリング処理を施すフィルタ手段と、
前記フィルタリング処理後の設定値ＳＰと前記第１の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｓとに基づいてフィードバック制御演算により操作量ＭＶを算出して前記第１の制御対象に出力する制御演算手段とを備えることを特徴とする制御装置。
請求項１記載の制御装置において、
さらに、前記制御演算手段の制御パラメータに基づいて前記フィルタ手段の時定数を決定するフィルタ時定数決定手段を備えることを特徴とする制御装置。
第１の制御対象および第１の制御対象の出力を入力とする第２の制御対象の２つの制御対象を、前記第１の制御対象に与える操作量によって制御する制御方法であって、
前記第２の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｍと前記第１、第２の制御対象の特性に係わる複数の計測値とを入力変数として、予め設定された数式により前記第１の制御対象の制御の設定値ＳＰを算出する設定値算出ステップと、
前記設定値ＳＰに対して時間遅れのフィルタリング処理を施すフィルタリング処理ステップと、
前記フィルタリング処理後の設定値ＳＰと前記第１の制御対象の出力である制御量ＰＶ＿Ｓとに基づいてフィードバック制御演算により操作量ＭＶを算出して前記第１の制御対象に出力する制御演算ステップとを含むことを特徴とする制御方法。
請求項３記載の制御方法において、
さらに、前記フィードバック制御演算に用いる制御パラメータに基づいて前記フィルタリング処理の時定数を決定するフィルタ時定数決定ステップを含むことを特徴とする制御方法。