JP2015220359A - 半導体ウェーハの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マスタースレーブ制御法による温度制御装置において、スループットを向上することのできる半導体ウェーハの温度制御装置を提供すること。
【解決手段】複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置において、マスターループＭＬ及びスレーブループＳＬに操作量を与える操作量演算手段３０は、マスターループＭＬの目標温度に対して、温度勾配を持たせてスレーブループＳＬの目標温度が設定された際、マスターループＭＬ及びスレーブループＳＬを切り替えるマスタースレーブ切り替え手段３７と、マスターループＭＬ及びスレーブループＳＬの設定を解除するマスタースレーブ解除手段３７を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度を調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置に関する。

シリコンウェーハ等の半導体ウェーハに処理を施す工程には、シリコンウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、シリコンウェーハの面内の温度分布を所望の分布に制御しなければならない工程がある。
このため、それぞれ温度調整手段に対して独立した制御ループを設け、複数の温度調整手段によって半導体ウェーハを同時に温度制御する方法が知られている。
このような半導体ウェーハの温度制御では、それぞれの制御量を基準となる制御量に対して一定の偏差を維持しながら、目標値に到達させるとともに、外乱下においても目標値を維持することが必要であり、従来、マスタースレーブ制御法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
マスタースレーブ制御法は、複数の制御ループの内の一つをマスターとして制御し、残りのループはマスターループの制御量に追従するように、マスターループの制御量を目標値としてスレーブの制御量との偏差を算出して制御する方法である。
マスターループは、最も応答の遅い制御ループとし、他の制御ループをこれに追従させるスレーブループとするのが通常である。

ところで、このようなマスタースレーブ制御法を、複数の加熱冷却ゾーンを備えたプレート型の半導体の温度調整装置に用いた場合、用途によっては、すべてのゾーンの温度を均一にするだけでなく、各ゾーンの目標温度を変えてプレートに温度勾配を持たせることもある。例えば、プレートをチャンバーで覆った場合、半導体ウェーハがチャンバーの壁の熱の影響を受けることがあり、中央部よりも端部の方が加熱されやすい場合がある。
この場合、プレート中央のゾーンの目標温度を高く設定し、プレート端部のゾーンの目標温度を低く設定する必要があるが、マスターループの温度調整手段の温度の目標値に対して、スレーブ側の温度調整手段に適切なオフセット温度を設定して、加減してやればよい。

特開平７−２０００７６号公報

しかしながら、詳しくは後述するが、このようなマスタースレーブ制御方法において、プレート内に温度勾配を持たせて加熱冷却をする場合、以下のような問題がある。
すなわち、加熱の際にマスターループが最も高い目標温度に設定された場合、スレーブループは、マスターループの目標温度に対して一定のオフセットを持たせた目標温度に設定されるので、加熱開始時、マスターループが加熱方向に動き始めた際、スレーブループは一定のオフセットを持たせようとして、マスターループに対して一時的に冷却方向に作用するという問題がある。
また、例えば、３つのゾーンの温度がそれぞれの目標温度（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（１０℃，２０℃，３０℃）で整定し定常となった後目標温度を（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（３０℃，２０℃，１０℃）と反転させた場合、真ん中のゾーンの温度は目標温度ＳＶ２が変わらないにも拘わらず、切り替えた瞬間にぶれが生じてしまうという問題がある。これらの問題は、目標温度への整定により多くの時間がかるため、スループットに悪影響を及ぼす事となる。

本発明の目的は、マスタースレーブ制御法による温度制御装置において、スループットを向上することのできる半導体ウェーハの温度制御装置を提供することにある。

本発明の第１の態様は、複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置であって、
基準となる温度調整手段の温度制御を行うマスターループと、
このマスターループに追従するように他の温度調整手段の温度制御を行うスレーブループと、
前記マスターループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するマスター温度検出手段と、
前記スレーブループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するスレーブ温度検出手段と、
前記マスター温度調整手段で検出された温度、及び、前記スレーブ温度検出手段で検出された温度に基づいて、前記マスターループの温度調整手段に与える操作量、及び、前記スレーブループに与える操作量を演算する操作量演算手段とを備え、
前記操作量演算手段は、
目標温度変更時の前後の目標温度設定の状況に応じて、前記マスターループ及び前記スレーブループの切り替えを行うマスタースレーブ切り替え手段と、
前記マスターループ及び前記スレーブループの設定を解除するマスタースレーブ解除手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、
前記マスタースレーブ切り替え手段は、
加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様において、
前記スレーブループを２以上有し、前記マスターループ及び２つの前記スレーブループ間には３段階以上の温度勾配が設定され、
前記マスタースレーブ解除手段は、設定された３段階以上の温度勾配が温度制御中に反転した際、マスターループの設定を解除することを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、マスタースレーブ切り替え手段及びマスタースレーブ解除手段を備えていることにより、マスターループ及びスレーブループ間を均一温度にするのかあるいは温度勾配を設けるのかによって、マスタースレーブの関係を切り替えたり、マスタースレーブの設定を解除することができるので、温度制御開始時にマスターループの温度調整手段の温度上昇開始に伴い、スレーブループが温度下降方向に応答したり、マスターループの温度調整手段の温度下降開始に伴い、スレーブループが温度上昇方向に応答したりすることを防止でき、温度制御装置のスループットを向上させることができる。

本発明の第２の態様によれば、マスタースレーブ切り替え手段を備えていることにより、加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えているので、制御開始時にスレーブループで目標温度応答が逆方向に応答することがなく、温度制御装置のスループットを確実向上させることができる。

本発明の第３の態様によれば、設定された３段階以上の温度勾配が温度制御中に反転しても、マスタースレーブ解除手段がマスタースレーブを解除しているので、目標温度の最高値と最低値との間で設定された目標温度のループの目標温度応答にぶれが生じることがない。

本発明の実施形態に係る温度調整装置を示すブロック図。 前記実施形態における温度調整手段及び温度センサの配置を表す断面図及び平面図。 前記実施形態における温度調整装置の制御を行うコントローラの構造を表すブロック図。 前記実施形態における操作量変換部における行列変換を説明するための模式図。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 前記実施形態の効果を確認するためのシミュレーションに用いた制御システムを表す模式図。 前記実施形態の効果を確認するためのシミュレーションに用いた制御システムを表す平面図。 従来のマスタースレーブ制御の構造を表すブロック図。 従来の問題点についてのシミュレーション結果を表すグラフ。 従来の問題点についてのシミュレーション結果を表すグラフ。 本実施形態によるシミュレーション結果を表すグラフ。 本実施形態によるシミュレーション結果を表すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［１］温度調整装置１の構成
図１には、本発明の第１実施形態に係る温度調整装置１が示されている。温度調整装置１は、プレート状のステージ２上に載置されたシリコンウェーハＷの温度を目標温度に制御し、シリコンウェーハＷの面内の温度分布を制御するための装置である。この温度調整装置１は、たとえばドライプロセスに使用される。
温度調整装置１は、プレート状のステージ２であり、温度調整手段３を備えている。尚、温度調整手段３としては、加熱冷却制御を行う場合は、チラー装置や熱電素子を採用するのが好ましく、専ら加熱制御だけの場合は、加熱用ヒータを採用することができる。

ステージ２は、真空チャンバー４内に配置され、ステージ２上には、シリコンウェーハＷが載置される。シリコンウェーハＷは、静電気によってステージ２上に保持される。尚、ステージ２とシリコンウェーハＷとの間にヘリウムガスを流し、ステージ２とシリコンウェーハＷとの間の熱伝達の効率を高めるようにしてもよい。
ドライプロセス時には、真空チャンバー４内は真空引きされ、所定の低圧状態に維持される。
ステージ２内には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、ステージ２上に載置されたシリコンウェーハＷの面内温度分布を調整できるように、複数の温度調整手段３が配置されている。

図２（Ａ）は、ステージ２の断面図であり、ベースプレート７の上に温度調整手段３が配置され、さらにその上にプレート５が載置される。プレート５内には、温度検出手段としての温度センサ６が設けられている。
図２（Ｂ）は、ステージ２の平面図であり、ステージ２は、同心円状に３つのゾーン２Ａ、２Ｂ、２Ｃに分割され、各領域に温度調整手段３が配置される。また、プレート５内の温度センサ６は、温度調整手段３に応じた位置に配置される。

温度調整手段３に通電すると、ステージ２の各ゾーン２Ａ、２Ｂ、２Ｃを個別に加熱することができる。よって、各温度調整手段３への通電を調整し、温度調整手段３を制御することにより、ステージ２上のシリコンウェーハＷの面内温度分布を調整することができ、ゾーン２Ａ、２Ｂ、２Ｃ内のそれぞれの温度調整手段３は、コントローラ２４によって制御される。

［２］コントローラ２４の構成
コントローラ２４は、前述したように、温度センサ６で検出された温度に基づいて、温度調整手段３（マスター側３Ｍ、スレーブ側３Ｓ）を制御し、図３に示されるブロック図のように機能的に構成されている。

コントローラ２４は、図２におけるゾーン２Ａを加熱する温度調整手段３Ｍを制御するマスターループＭＬと、ゾーン２Ｂ及びゾーン２Ｃを加熱する温度調整手段３Ｓを制御するスレーブループＳＬと、温度調整手段３Ｍの温度を検出するマスター側温度センサ６Ｍと、温度調整手段３Ｓの温度を検出するスレーブ側温度センサ６Ｓと、マスターループＭＬ及びスレーブループＳＬの操作量を演算する操作量演算手段３０とを備える。尚、スレーブループＳＬは、ゾーン２Ｂ、２Ｃに応じて２つあるが、マスターループＭＬに追従する構成は同様であるため、図３では図示を省略してある。
また、マスタースレーブ制御系においては、マスター側の制御量に対してスレーブ側の制御量を追従させることにより、温度分布制御を行うことが目的となる。従って、通常、最も応答が遅いループによって制御系の最大応答速度の制約を受けるため、各ゾーン２Ａ、２Ｂ、２Ｃの温度を同じ目標温度に対して均一に制御する場合、最も応答の遅いループをマスターループＭＬに設定する。

操作量演算手段３０は、マスター側制御目標値ＳＶｍ、スレーブ側制御目標値ＳＶｓに基づいて、操作量ＭＶｍ、ＭＶｓを温度調整手段３Ｍ、３Ｓに与えるものである。
この操作量演算手段３０は、マスター偏差算出部３１Ｍ、スレーブ偏差算出部３１Ｓ、マスター制御演算部３２Ｍ、スレーブ制御演算部３２Ｓ、操作量変換部３３、マスター操作量制限部３４Ｍ、スレーブ操作量制限部３４Ｓ、ゾーン２Ｂの目標値設定部３５、ゾーン２Ａの目標値設定部３６、マスタースレーブ解除部、マスタースレーブ切り替え部、及び内部目標温度計算部としてのスーパーバイザー３７を備える。ここで内部目標温度とは目標温度設定部で設定される各ゾーンの目標温度を使用してスーパーバイザー３７で計算されるマスタースレーブ制御用の目標温度である。マスタスレーブが解除された状態では目標温度と内部目標温度は同じになる。

マスター偏差算出部３１Ｍ及びスレーブ偏差算出部３１Ｓは前述したスーパーバイザー３７で計算される内部目標温度と各ゾーンの温度センサ検出値ＰＶｍ、ＰＶｓを使用してマスターループ、スレーブループ用の偏差ｅｍ、ｅｓを算出する。

マスター制御演算部３２Ｍは、たとえばＰＩＤ制御器であり、演算結果Ｕｍを、操作量変換部３３に出力する。
スレーブ制御演算部３２Ｓも同様に、演算結果Ｕｓを、操作量変換部３３に出力する。

操作量変換部３３は、入力されたマスター制御演算部３２Ｍでの演算結果Ｕｍ、及びスレーブ制御演算部３２Ｓでの演算結果Ｕｓを、マスターループＭＬ及びスレーブループＳＬ間の相互干渉が小さくなるように、操作量を変換する部分である。２入力Ｕｍ、Ｕｓから２出力Ｖｍ、Ｖｓへの変換は、制御対象が伝達関数行列Ｐ(s)であらわされるとき、例えば定常ゲイン行列Ｇｐ＝Ｐ（０）及びマスタースレーブの操作量変換行列Ｇｍによって求められる変換行列Ｈで行われ、マスター操作量Ｖｍ及びスレーブ操作量Ｖｓを出力する。操作量の変換行列Ｈは、伝達関数行列Ｐ(s)が２行２列の場合、下記式（１）によって求められる。

マスター操作量制限部３４Ｍは、温度調整手段３Ｍが最小出力及び最大出力を超えないように、操作量を制限させる部分であり、操作量が飽和したと判定されたら、その旨の判定信号ａｗｍをマスター制御演算部３２Ｍに出力する。マスター操作量制限部３４Ｍの出力は、温度調整手段３Ｍに操作量ＭＶｍとして出力される。
同様に、スレーブ操作量制限部３４Ｓは、温度調整手段３Ｓが最小出力及び最大出力を超えないように、操作量を制限させる部分であり、操作量が飽和したと判定されたら、その旨の判定信号ａｗｓをスレーブ制御演算部３２Ｓに出力する。スレーブ操作量制限部３４Ｓの出力は、温度調整手段３Ｓに操作量ＭＶｓとして出力される。判定信号ａｗｍ及びａｗｓはそれぞれの制御演算部でアンチワインドアップ起動信号として用いられる。

スーパーバイザー３７は、現在の目標温度と変更後の目標温度、及び現在の各ゾーンの温度の情報に基づいて、変更パターンによって変更後の各ゾーンの偏差算出部３１Ｍ、３１Ｓへの内部目標温度の出力、マスタースレーブの切り替え、及び解除指令の決定・出力、操作量変換部３３における変換行列の切換指令の決定・出力を行う部分である。
このスーパーバイザー３７は、後述するフローチャートにもあるように、内部目標温度を偏差算出部３１Ｍ、３１Ｓに出力する前に、マスタースレーブ切り替え及び解除処理、変換行列切り替え処理を終了しておく。制御演算部３２Ｍ、３２Ｓでは、偏差算出部３１Ｍ、３１Ｓで計算された偏差に基づいて通常の出力計算を行うが、マスタースレーブの切り替え、及び解除指令に従ってバンプレスに切り替える処理を加える。

また、スーパーバイザー３７は、操作量変換部３３における変換行列の切り替えも行う。変換行列の切換は次のようになる。変換行列は状態量の変換行列Ｓとプラントの干渉を緩和する非干渉化行列Ｄとの積となる
Ｈ＝Ｓ×Ｄ
すなわち、スーパーバイザー３７は、変換行列Ｓを切り替えることとなる。例えば３ゾーンの場合、以下のようになる。

ゾーン１がマスターの場合、ゾーン1の出力を他のスレーブ出力に加算すること等価であり、

ゾーン３がマスターの場合、ゾーン3の出力を他のスレーブ出力に加算することと等価であり、

マスタースレーブ解除の場合、各出力を独立に扱うことであり、

となる。操作量変換部３３は、この３つをスーパーバイザー３７からの指令によって切り替える。

次にバンプレス切り替えについて説明する。
３入力３出力系の操作量変換部３３の出力は、図４（Ａ）のように、マスターループをゾーン１、スレーブループをゾーン２及びゾーン３とし、切り替え前の定常状態での各コントローラの出力をＵ１、Ｕ２、Ｕ３とすると、操作量変換部３３の出力は、変換行列Ｈの内部で状態変換後、非干渉化行列Ｄによって非干渉化される。切り替え前の操作量変換部３３の出力Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３が状態変換されると、各ゾーンの出力は以下のようになる。
ゾーン１：Ｕ１
ゾーン２：Ｕ２＋Ｕ１・・・・（５）
ゾーン３：Ｕ３＋Ｕ１

マスターループをゾーン１からゾーン３に切り替えたとき、図４（Ｂ）のように、切り替わった後も操作量変換部３３が定常状態を保つことのできる出力をそれぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ３とすると、状態変換後の各ゾーンの出力は以下のようになる。
ゾーン１：Ｖ１＋Ｖ３
ゾーン２：Ｖ２＋Ｖ３・・・・（６）
ゾーン３：Ｖ３

切り替え前後で（５）＝（６）であれば、出力が変わらないから、ゾーン３は、
Ｖ３＝Ｕ３＋Ｕ１
となる。
ゾーン１は、Ｖ１＋Ｖ３＝Ｕ１より、
Ｖ１＝Ｕ１―Ｖ３＝Ｕ１―（Ｕ３＋Ｕ１）＝−Ｕ３・・・（７）
となる。
また、ゾーン２は、Ｖ２＋Ｖ３＝Ｕ２＋Ｕ１より、
Ｖ２＝Ｕ２＋Ｕ１−Ｖ３＝Ｕ２＋Ｕ１−（Ｕ３＋Ｕ１）＝Ｕ２−Ｕ３・・・（８）
と表すことができる。他の切り替えについても同様の考え方でバンプレス切り替えが実現できる。

図１におけるゾーン２Ａをゾーン１、ゾーン２Ｂをゾーン２、ゾーン２Ｃをゾーン３として、３ゾーンの温度制御系での切り替え処理を、ＰＩＤアルゴリズムで実行する場合を示す。但し簡単のため微分項は省略する（ＰＩ制御）。

＜記号の説明＞
以下のＰＩＤアルゴリズムにおける各記号は、以下を意味する。
MV1k_1、Kp_1、errk_1：ゾーン１の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV1k_2、Kp_2、errk_2：ゾーン２の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV1k_3、Kp_3、errk_3：ゾーン３の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV2k_1、MV3k_1、Ki_1：ゾーン１の今回の積分項の値、前回の積分項の値、積分時間
MV2k_2、MV3k_2、Ki_2：ゾーン２の今回の積分項の値、前回の積分項の値、積分時間
MV2k_3、MV3k_3、Ki_3：ゾーン３の今回の積分項の値 前回の積分項の値 積分時間
istop1、istop2、istop3：各ゾーンのアンチワインドアップ指令
buf：バッファ（一時退避）
MVfinal_1：ゾーン１操作量
MVfinal_2：ゾーン２操作量
MVfinal_3：ゾーン３操作量

＜アルゴリズム＞
% P項の計算
MV1k_1 = Kp_1*errk_1;
MV1k_2 = Kp_2*errk_2;
MV1k_3 = Kp_3*errk_3;
% I項の計算
MV2k_1 = MV3k_1+Kp_1*Ki_1*errk_1;
MV2k_2 = MV3k_2+Kp_2*Ki_2*errk_2;
MV2k_3 = MV3k_3+Kp_3*Ki_3*errk_3;
% アンチワインドアップ
if(istop_1==1 )
MV2k_1 = MV3k_1;
end
if(istop_2==1 )
MV2k_2 = MV3k_2;
end

% マスタースレーブ切換・解除処理 操作量出力
if（ゾーン3のマスタースレーブを解除する場合）
MV2k_1 = MV3k_1+MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2+MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
if（ゾーン1のマスタースレーブを解除する場合）
MV2k_1 = MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2+MV3k_1;
MV2k_3 = MV3k_3+MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;

else if(解除状態からゾーン3をマスターとする場合)
MV2k_1 = MV3k_1-MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if(解除状態からゾーン1をマスターとする場合)
MV2k_3 = MV3k_3-MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;

else if(ゾーン3からゾーン1をマスターとする場合)
buf = MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1+MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_3 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if(ゾーン1からゾーン3をマスターとする場合)
buf = MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3+MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_1 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else(切換の無い場合)
MVfinal_1 = MV1k_1+MV2k_1;
MVfinal_2 = MV1k_2+MV2k_2;
MVfinal_3 = MV1k_3+MV2k_3;
end

[３]実施形態の作用
次に、本実施形態の作用を図５に示されるフローチャートに基づいて説明する。尚、以下の説明では、ゾーン３をマスターループＭＬとして説明する。
まず、スーパーバイザー３７は、ゾーン２Ｂの目標温度設定部３５及びゾーン２Ａの目標値設定部３６における目標温度を確認し（手順Ｓ１）、目標温度の変更があったか否かを判定する（手順Ｓ２）。
目標温度に変更がない場合、スーパーバイザー３７は、前回の状態を保持する（手順Ｓ１１）。
目標温度に変更があった場合、スーパーバイザー３７は、変更後の目標温度を確認する（手順Ｓ３）。

次にスーパーバイザー３７は、目標温度の変更パターンを確認する（手順Ｓ４）。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、均一から均一である場合、スーパーバイザー３７は、設定を変更することなくゾーン３のマスターループ設定を維持する（手順Ｓ５）。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、均一から勾配の状態に、又は勾配から均一の状態に変更されている場合、スーパーバイザー３７は、加熱制御であるのか、冷却制御であるのかを判定する（手順Ｓ６）。
加熱制御である場合、スーパーバイザー３７は、最も低い目標温度に設定されたゾーンをマスターループＭＬに設定する（手順Ｓ７）。一方、冷却制御である場合、スーパーバイザー３７は、最も高い目標温度に設定されたゾーンをマスターループＭＬに設定する（手順Ｓ８）。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、勾配の状態から勾配の状態に変更されている場合、スーパーバイザー３７は、勾配が反転されているか否かを判定する（手順Ｓ９）。
勾配の状態が反転されている場合、スーパーバイザー３７は、マスタースレーブの設定を解除する（手順Ｓ１０）。
一方、勾配の状態が非反転である場合、前回の状態を保持する（手順Ｓ１１）。

以上の判定及びマスタースレーブの設定処理が終了したら、スーパーバイザー３７は、設定に応じた指令を制御演算部３２に出力する（手順Ｓ１２）。
続けて、スーパーバイザー３７は、変換行列切り替え指令を操作量変換部３３に出力する（手順Ｓ１３）。
最後にスーパーバイザー３７は、それぞれのゾーンにおける内部目標温度を計算し、偏差計算部３１、制御演算部３２Ｍ、３２Ｓに出力する（手順Ｓ１４）。
各ゾーンの偏差計算部３１は、スーパーバイザー３７から出力された内部目標温度に基づいて、偏差を計算し（手順Ｓ１５）、制御演算部３２はＰＩＤ制御におけるＰ項、Ｉ項、Ｄ項を計算する（手順Ｓ１６）。
各ゾーンの制御演算部３２は、スーパーバイザー３７から出力された指令に基づいて、マスタースレーブの切り替え、解除処理を実行する（手順Ｓ１７）。
各ゾーンの制御演算部３２は、操作量を計算して操作量変換部３３に出力する（手順Ｓ１８）。
操作量変換部３３は、スーパーバイザー３７から出力された変換行列切り替え指令に基づいて、変換行列の切り替えを行う（手順Ｓ１９）。

[４]シミュレーションによる効果の確認
[4-1]シミュレーションにおける制御システムの構成
３入力３出力系のマスタースレーブ制御を、図６に示した制御システムをモデル化したシミュレーション結果を例に説明する。この制御システムは、図７に示されるように、４００×１５０×ｔ４のアルミプレートの温度を制御するシステムであり、アクチュエータとして加熱・冷却可能なサーモモジュールを、３個を使用している。アルミプレートの温度はモジュールの近くに配した３つのＫ熱電対によって測定する。サーモモジュール及び熱電対はプレート長手方向に対してわざと非対称になるように配置しており図７にその寸法詳細を示す。左からゾーン１、２、３とする。各ゾーンの動特性を表１に示す。ただし、本説明では説明を簡単にするため冷却側のゲインは加熱側ゲインの１／３、時定数、無駄時間は加熱側と同じとする。

[4-2]従来型のマスタースレーブ制御における問題点
従来のマスタースレーブ制御を実現できるコントローラは、図８に示されるように、最も応答の遅い制御ループをマスターループＭＬとして設定し、他の制御ループをスレーブループＳＬとして設定し、スレーブループＳＬをマスターループに追従するように制御している。
これは、すべての目標温度を均一に設定した場合、応答速度の遅い制御ループが他の制御ループに追従できないからである。

このような制御を用いるプレート型の加熱冷却においては、用途によっては温度を均一にするだけでなく、各ゾーンの目標温度を変えてプレートに温度勾配を持たせることがある。
この場合スレーブ側の目標値に適切なオフセット温度を加減してやればよいが、従来型のようにマスターループＭＬを固定して使用すると次のような問題が生じる。

＜第１の問題点＞
図９（Ａ）には、各ゾーンの目標温度を０℃から、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（１０℃，２０℃，３０℃）
と設定した場合のシミュレーションによる目標値応答の結果が示されている。
また、図９（Ｂ）には、各ゾーンの目標温度を３０℃から、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（３０℃，２０℃，１０℃）
と設定した場合のシミュレーションによる目標値応答の結果が示されている。
いずれの場合も加熱（冷却）開始時にゾーン１が逆応答を示しており、その結果立ち上がり時間に無駄を生じている。これは加熱時（冷却時）に目標温度が一番高い（低い）ゾーンをマスターループＭＬにしているためである。例えば、加熱開始によってマスターループＭＬが加熱方向に動き始めたときスレーブループＳＬは、マスターループＭＬに対して、オフセットを持たせようとするのでマスターループＭＬに対して、一時的に冷却方向に作用する。通常、マスターループＭＬは、スレーブループＳＬより応答が遅いためよりその現象がさらに顕著となる。

＜第２の問題点＞
図１０には、各ゾーンの目標温度が、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（３０℃，２０℃，１０℃）
で定常となっている状態で、時刻１０００秒に目標温度を、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（１０℃，２０℃，３０℃）
切り替え、さらに、時刻２０００秒に目標温度を、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（３０℃，２０℃，１０℃）
に切り替えた時の応答が示されている。
マスターループＭＬはゾーン３である。ゾーン２は、目標温度が常に２０℃であるにもかかわらず、目標温度を切り替えるたびに大きな変動が生じている。

これは、マスタースレーブの温度設定法に問題がある。上述したようにマスタースレーブの目標温度設定はマスターループにはそれ自身の目標温度を設定するが、スレーブ側はマスターループに対するオフセットを設定している。
例えば、マスターループＭＬがゾーン３で、各ゾーンの目標温度が、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（３０℃，２０℃，１０℃）
の場合、ゾーン３の内部目標温度はマスターのため１０℃だが、スレーブとなるゾーン２の内部目標温度はゾーン３の内部目標温度に対してオフセット量が＋１０℃となるため、＋１０℃、同様にゾーン１の内部目標温度はゾーン３の内部目標温度に対してオフセット量が＋２０℃となるため＋２０℃となる。

ここで、目標温度を、
（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３）＝（１０℃，２０℃，３０℃）
に切り替えた場合、ゾーン３の内部目標温度は３０℃となるため、上記と同様に考えればゾーン２の内部目標温度は、−１０℃、ゾーン１の内部目標温度は、−２０℃となる。
このため目標温度切り替え前後でゾーン２の目標温度は２０℃のままであるにも拘わらず、内部目標温度は＋１０℃から−１０℃に切り替わっている。すなわち、目標温度が切り替わった瞬間、偏差が＋１０−(−１０)＝２０℃発生し、操作量として制御対象に影響を与えるのである。
以上説明したとおり、従来型のマスタースレーブ制御ではマスターループ、スレーブループが固定されていることによって、上記のような問題が生じ、実プロセスにおいてはスループットの悪化につながる。

問題点１を解決するために、加熱制御の場合は、目標温度の一番低いゾーンをマスターループＭＬとしてやり、冷却制御の場合は、目標温度の一番高いゾーンをマスターループＭＬとしてやる。
例えば、前記の図９（Ａ）、（Ｂ）で説明した例では、図９（Ａ）の加熱制御では、目標温度の一番低い、図９（Ｂ）の冷却制御では、目標温度の一番高いゾーン１をマスターループＭＬに設定する。
これにより、加熱制御の場合はゾーン１が下からゾーン２，３を押し上げるように加熱することになり、また冷却制御の場合も上から押し下げるように冷却することとなる。
すなわち、すべてのゾーンが同じ方向に応答しようとするので、より安定した応答が得られる。
図１１（Ａ）、（Ｂ）には、図９（Ａ）、（Ｂ）と同じ条件でゾーン１をマスターループＭＬにした結果が示されている。ゾーン３がマスターループＭＬの場合に比較して、安定した応答となっているのがわかる。

問題点２を解決するために、勾配を持った設定温度から、温度勾配が逆転するような設定温度の場合はマスタースレーブの関係を解除する。
解除することによって目標温度と内部目標温度が一致し、勾配反転時に発生する偏差の急激な変化が緩和され、応答への影響が軽減される。
図９には、図１０の場合と同じ条件でマスタースレーブを解除した場合の結果が示されている。ゾーン２のオーバーシュート、アンダーシュートが大幅に緩和されているのがわかる。
以上のように、前述の方法により、目標値応答中の逆応答や応答の乱れが緩和されるので、実プロセスにおいてスループットが向上するということが、シミュレーションによって確認された。

１…温度調整装置、２…ステージ、２４…コントローラ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…ゾーン、３、３Ｍ、３Ｓ…温度調整手段、４…真空チャンバー、５…プレート、６、６Ｍ、６Ｓ…温度センサ、７…ベースプレート、３０…操作量演算手段、３１Ｍ…マスター偏差算出部、３１Ｓ…スレーブ偏差算出部、３２Ｍ…マスター制御演算部、３２Ｓ…スレーブ制御演算部、３３…操作量変換部、３４Ｍ…マスター操作量制限部、３４Ｓ…スレーブ操作量制限部、３５…ゾーン２Ｂの目標値設定部、３５Ａ…オフセット設定部、３６…ゾーン２Ａの目標値設定部、３７…スーパーバイザー、ＭＬ…マスターループ、ＳＬ…スレーブループ、Ｗ…シリコンウェーハ

Claims (3)

1. 複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置であって、
   基準となる温度調整手段の温度制御を行うマスターループと、
   このマスターループに追従するように他の温度調整手段の温度制御を行うスレーブループと、
   前記マスターループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するマスター温度検出手段と、
   前記スレーブループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するスレーブ温度検出手段と、
   前記マスター温度検出手段で検出された温度、及び、前記スレーブ温度検出手段で検出された温度に基づいて、前記マスターループの温度調整手段に与える操作量、及び、前記スレーブループに与える操作量を演算する操作量演算手段とを備え、
   前記操作量演算手段は、
   目標温度変更時の前後の目標温度設定の状況に応じて前記マスターループ及び前記スレーブループの切り替えを行うマスタースレーブ切り替え手段と、
   前記マスターループの目標温度に対して、温度勾配を持たせて前記スレーブループの目標温度が設定された際、前記マスターループ及び前記スレーブループの設定を解除するマスタースレーブ解除手段とを備えていることを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
2. 請求項１に記載の半導体ウェーハの温度制御装置において、
   前記マスタースレーブ切り替え手段は、
   加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えることを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体ウェーハの温度制御装置において、
   前記スレーブループを２以上有し、前記マスターループ及び２つの前記スレーブループ間には３段階以上の温度勾配が設定され、
   前記マスタースレーブ解除手段は、設定された３段階以上の温度勾配が温度制御中に反転した際、マスターループの設定を解除することを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。

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