JP3854018B2

JP3854018B2 - 自動制御方法

Info

Publication number: JP3854018B2
Application number: JP26371099A
Authority: JP
Inventors: 洋文勝又; 英樹伊藤; 英則高橋; 忠大橋; 修治鳥觜; 勝行岩田
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP2001092501A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の制御量を、時間的に変化する目標値に追従させる自動制御方法に係り、特に、目標値の変化パターンに対する追従性に優れた設定値の設定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、サーボ系の制御システムにおいて、制御量（プロセス変数）の目標値の変化に応じて設定値を設定する方法の各種の例を示す。
【０００３】
図６（ａ）は、ステップ状のパターンを用いて設定値を設定した例である。この様なパターンを使用した場合、制御量に大きなオーバーシュートが発生したり、設定値の急激な変化に対して制御量が十分に追従できなくなるという問題がある。
【０００４】
図６（ｂ）は、線形のパターンを用いて設定値を設定した例である。この様なパターンを使用した場合、設定値が瞬時に変化することがないので、設定値の時間変化に制御量を正確に追従させることができる。
【０００５】
図６（ｃ）は、一次フィルタを用いて設定値を設定する例である。この様なパターンを使用した場合、全体的には応答が速く、同時に、オーバーシュートが発生しにくい。しかし、最終設定値付近での収束は遅くなる。
【０００６】
図７に、いわゆる目標値フィルタを組み入れたサーボ制御系のブロック線図の一例を示す。ここで、Ｔは時定数、ｓはラプラス演算子を表わす。この例では、ＰＩＤ制御が使用され、「目標値フィルタ付きＰＩＤ制御」とも呼ばれている。この様な制御方法は、高速で且つオーバーシュートも少なく、制御量を目標値に正確に追従させることができる。
【０００７】
（従来技術の問題点）
例えば、シリコンウエーハの様な平板状の被加熱物を昇温する際、被加熱物の全面をむらなく均一な温度分布状態で維持したまま、所定の温度まで到達させることが要求される場合がある。その様な場合、ヒータを同心円状の複数のゾーンに分割し、各ゾーンをそれぞれ独立に制御することによって被加熱物の温度分布の均一化を図るとともに、昇温過程においても、ヒータの各ゾーンに対応する被加熱物の各位置の温度を、正確に設定値に対して追従させる必要がある。
【０００８】
この様な複数のゾーンから構成されるヒータを用いた加熱装置の制御に、先に図６（ａ）から（ｃ）に示した設定値の設定用のパターンを適用した場合、以下の様な問題点がある。
【０００９】
図６（ａ）に示したステップ状のパターンを用いた場合、昇温過程は、個別の加熱ゾーンの制御特性のみに依存し、温度むらの問題は全く考慮されないことになる。
【００１０】
図６（ｂ）に示した線形のパターンを用いた場合、昇温過程を考慮することができる。しかし、制御対象の熱的特性によっては、制御量を正確に設定値に追従させるために直線の傾きを緩やかに設定しなければならず、応答が遅くなってしまう。また、パターン中の直線と直線とのつなぎ目において、制御量に振動やオーバーシュートが生じ易く、温度むらが発生する要因となる。
【００１１】
図６（ｃ）に示した一次フィルタ状のパターンを用いた場合、設定値の変化に対して制御量を高速で応答させることができるとともに、オーバーシュートが生じ難く、最終設定値付近での温度むらが小さくなる。しかし、目標値の変更直後に大きな操作量（制御入力）が必要とされる。特に、各ゾーンの制御特性に偏りがある場合には、特定のゾーンに長時間１００％以上の出力が要求される。その様な場合、被加熱物に加熱むらが発生することになる。また、先に述べた様に、全体的には応答が速いが、最終設定値付近での収束は遅くなる。
【００１２】
図８に、通常の二次フィルタのパターンを示す。立ち上がりの部分の傾斜は、先に図６（ｃ）で示した一次フィルタと比較して、多少は緩やかになるが、全体としては大差がない。なお、フィルタの時定数を大きくすれば、立ち上がり部分の傾斜を更に緩やかにすることができるが、それに伴い、全体的に応答が遅くなってしまう。従って、二次フィルタを用いて、立ち上がり部分だけを改善することはできない。
【００１３】
ウエーハの加熱装置において、ウエーハの温度（制御量）を非接触状態で検出するためのセンサとして、放射温度計が用いられている。放射温度計は、測定対象物から放射される赤外線のエネルギーを検出して温度に変換しているが、温度の低下に伴いエネルギー量が急速に減少するので、広い温度範囲で正確に被加熱物の温度を測定することはできない。そのため、例えば高温領域用の放射温度計では、５００〜１３００℃といった様な測定範囲が規定されている。
【００１４】
測定下限値が５００℃の放射温度計を用いてフィードバック制御を行う場合には、設定温度の下限値を、放射温度計の測定下限値（５００℃）よりもある程度高い温度（例えば５５０℃程度）に設定する必要がある。
【００１５】
図９に、ヒータ及び放射温度計（測定範囲：５００〜１３００℃）を備えた加熱装置を用いて、ウエーハを室温から１０００℃まで昇温したときの温度測定結果の一例を示す。図中、破線４はウエーハの温度の設定値、実線５は放射温度計による検出値である。
【００１６】
なお、この例では、ウエーハを面内で均一に加熱するため、ヒータを同心円上に複数のゾーンに分割し、それぞれのゾーン毎に独立にフィードバック制御を行っている。また、フィードバック制御は、５５０℃以上の温度範囲で行っている。ウエーハの温度が１０００℃に到達した後、ウエーハの温度を１０００℃に維持し、この状態で、ウエーハ上にシリコン薄膜の堆積を行っている。図９に示したデータは、ウエーハの表面で、上記の複数のゾーンの内の一つに対応する位置におけるデータである。
【００１７】
ウエーハには、面内の温度差が大きくなると、スリップと呼ばれる結晶転移が生じる。この様なスリップは、当該ウエーハを用いて生産される半導体素子の不良の原因となる。スリップは、高温になる程発生し易いが、６００℃程度でも発生すると言われている。このため、ウエーハを１０００℃まで昇温する過程において、６００℃以上の状態では、ウエーハの面内の温度差を、できる限り小さくしなければならない。
【００１８】
ところで、ウエーハの温度について、フィードバック制御可能な温度が５５０℃程度以上なので、この温度を最初の設定温度とする。ウエーハの温度が５５０℃に到達するのを待ち、５５０℃に到達した後、５５０℃から１０００℃まで温度設定値を線形に変化させる。この場合、５００℃以下ではウエーハの温度が測定できないので、温度が低い状態が続くと、ヒータ出力が１００％に達してしまう。そのため、温度が測定可能な５００℃以上になっても、フィードバックによるブレーキ効果がすぐには現れず、５５０℃に到達した直後におけるオーバーシュートが大きくなり、面内の温度差も大きくなる。なお、設定値を曲線状に変化させれば、オーバーシュートや面内の温度差の減少が期待できる。しかし、ウエーハの種類によって温度が室温から６００℃程度まで上昇する時間が異なり、適切な設定値曲線を決めることは容易ではない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な放射温度計を用いた従来の温度制御方法の問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、制御対象の制御量を、時間的に変化する目標値に対して追従させる自動制御の際、制御量を目標値に対して正確に追従させることができる設定値の設定方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の自動制御方法は、
使用される放射温度計の測定可能範囲の下限値よりも低い温度から制御対象の加熱を開始し、制御対象の温度が、前記下限値の近傍で前記下限値よりも高く設定された所定の温度に到達した後、制御対象の温度を前記放射温度計で測定し、その出力を主フィードバック信号として用いて、制御対象の温度を、時間的に変化する目標値に対して追従させる自動制御方法であって、
前記目標値を、複数の一次フィルタを順に介してフィードバック制御系に入力することによって、操作量を決定する様に構成するとともに、
前記複数の一次フィルタの内の少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、時間毎に変更できる様に構成し、
前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数の初期値と最終値を設定し、
制御対象の温度が前記所定の温度に到達した後、前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、時間経過に従って前記初期値から前記最終値まで次第に増大または減少するように、時間毎に変更すること、を特徴とする
【００２１】
本発明の自動制御方法によれば、制御対象の温度が前記所定の温度に到達した後、前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、時間経過に従って前記初期値から前記最終値まで次第に増大または減少するように、時間毎に変更することによって、前記目標値が連続した曲線状に変換される。その結果、目標値に対する制御量の追従性を向上させることができる。
【００２２】
なお、前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、制御量の検出値に対応させて変更する方法もある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく自動制御方法の一例について説明する。
【００２４】
図１に、本発明に基づく自動制御方法のブロック線図を示す。ＰＩＤ制御装置１の前段に、二つの一次フィルタ２及び３が直列に接続されている。制御量の目標値は、一次フィルタ２及び一次フィルタ３を順に経て、フィードバック制御系を構成するＰＩＤ制御装置１に送られる。図中、ｓはラプラス演算子を表わす。なお、この例では、前段側の一次フィルタ３の時定数Ｔ１は、固定値であるが、後段側の一次フィルタ２の時定数Ｔ２は、時間毎に可変に設定することができる。これらの機能は、マイクロコンピュータで実現される。
【００２５】
次に、後段側の一次フィルタ２における演算の具体的な内容について説明する。一次フィルタ２が図２に示す様なブロック線図で表わされる場合、マイクロコンピュータでは、次式に従って入力信号Ｘ（ｎ）から出力信号Ｙ（ｎ）が計算される。
【００２６】
Ｙ（ｎ）＝Ｙ（ｎ−１）＋（ΔＴ／Ｔ２）・Ｘ（ｎ）・・・（１）
ここで、“ｎ”は現在のサンプリングナンバー、“ｎ−１”は一つ前のサンプリングナンバー、ΔＴはサンプリング時間を示す。Ｔ２は、一次フィルタ２の時定数で、この例では、その値が時間毎に変化させることができる。
【００２７】
図３に、時定数を時間毎に変化させる際、刻々の時定数を算出するフローチャートの一例を示す。このフローチャートは、目標値の変更直後の立ち上がりを、ゆっくりと応答させる際の例である。時定数Ｔ２の初期値をＴ２ｓ、最終値をＴ２ｅとし、Ｔ２ｓ＞Ｔ２ｅとする。離散値計算のサンプリングタイミング毎に一定の値ｍをＴ２から減算して行き、Ｔ２の値がＴ２ｅより小さくなったら、そこで減算を終了させる。なお、この計算は、設定値変更時間より短い時間で終了してもかまわない。
【００２８】
図４に、この様にして作成された設定値の時間変化のパターンを示す。先に図８で示した通常の二次フィルタと比べて、立ち上がり時にも緩やかに応答させることによって制御出力を抑え、温度むらを減少させることができる。この様な曲線形状は、どこの位置でも連続的なので応答が振動的になりにくく、温度むらも生じにくくなる。また、応答速度も遅くならない。
【００２９】
図４に示した例で、時定数の初期値Ｔ２ｓの値を、より大きく設定すれば立ち上がりが緩やかになって行く。また、サンプリングタイミング毎に時定数の値から一定の値を減算して行ったが、この一定の値を大きく取れば急速に応答が速くなる。
【００３０】
なお、上記の例では、サンプリングタイミング毎に時定数の減算を行っているが、数サンプリング毎に時定数の減算を行っても良い。また、減算ではなく、一定の値を加算して行くこともできる。その場合には、初めは急で、徐々にゆっくりとした応答になって行く。また、上記の例では、設定値を増大させているか、減少させる場合でもかまわない。
【００３１】
図５に、先に図９に示した例の場合と同様に、ヒータ及び放射温度計（測定範囲：５００〜１３００℃）を備えた加熱装置を用いて、ウエーハを室温から１０００℃まで昇温したときの温度測定結果を示す。図中、破線４はウエーハの温度の設定値、実線５は放射温度計による検出値である。ウエーハの温度は、図１に示したフローに従って制御される。
【００３２】
温度の目標値の初期値を５１０℃、最終値を１０００℃とする。後段側の一次フィルタ２の時定数Ｔ２の初期値を大きく取り、時間毎に徐々に減少させて行く。また、この減少の速度もゆっくりしたものにしておく。設定値は、制御開始時は、ゆっくりと上昇していく、温度計による測定値が５２０℃を超えたら、時定数の減少速度を速くして行き、最終設定値の１０００℃まで連続的に時定数を変化させる。設定値の時間変化を表す曲線がどこでも連続であるので、温度分布が発生しにくく、制御対象（被加熱物）の特性が異なっても、事前に設定値曲線を決めることなく、自動的に制御対象に合った設定値曲線で温度制御をすることができる。また、応答を速くすることもできる。
【００３３】
制御対象の温度を複数のヒータゾーンで制御する場合は、ゾーンの中でどれか１つのゾーンにおいて設定値曲線を作成し、全てのゾーンについての共通の設定値として用いれば温度分布を少なくすることができる。なお、この場合には、一番応答が速いゾーンを共通の設定値とすればよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の自動制御方法によれば、時間対設定値の曲線の形状を、容易に且つ大きな自由度で定めることができる。更に、制御対象の状態（制御量）を検出するセンサからの出力に連動させて時定数を変化させることによって、制御対象の系の特性に合わせて時定数を選択することができ、この結果、追従性を更に高めることができる。
【００３５】
以上の結果、本発明の自動制御方法によれば、制御対象の系の特性に合わせ、正確に設定値に追従させてサーボ制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく自動制御方法の一例を表すブロック線図。
【図２】図１中の一次フィルタ２による演算の内容を説明する図。
【図３】図１中の一次フィルタ２の時定数Ｔ２の設定方法の一例を示すフローチャート。
【図４】本発明の自動制御方法において生成される設定値曲線の一例。
【図５】本発明の自動制御方法に基づいてシリコンウエーハの加熱を行った時の、シリコンウエーハの温度変化の一例。
【図６】設定値を作成する際の方法の各種の例を示す図、（ａ）はステップ状のパターン、（ｂ）は線形のパターン、（ｃ）は一次フィルタを用いたパターンを表す。
【図７】従来のいわゆる目標値フィルタ付きＰＩＤ制御のブロック線図。
【図８】従来の二次フィルタを用いて作成された設定値曲線の例。
【図９】ウエーハを加熱する際、従来の線形のパターンを用いて設定値を作成した時の温度制御結果のデータの一例を示す図。
【符号の説明】
１・・・ＰＩＤ制御装置、
２・・・時定数が可変の一次フィルタ、
３・・・時定数が固定の一次フィルタ、
４・・・温度設定値を示す点線、
５・・・温度測定値を示す実線。

Claims

使用される放射温度計の測定可能範囲の下限値よりも低い温度から制御対象の加熱を開始し、制御対象の温度が、前記下限値の近傍で前記下限値よりも高く設定された所定の温度に到達した後、制御対象の温度を前記放射温度計で測定し、その出力を主フィードバック信号として用いて、制御対象の温度を、時間的に変化する目標値に対して追従させる自動制御方法であって、
前記目標値を、複数の一次フィルタを順に介してフィードバック制御系に入力することによって、操作量を決定する様に構成するとともに、
前記複数の一次フィルタの内の少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、時間毎に変更できる様に構成し、
前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数の初期値と最終値を設定し、
制御対象の温度が前記所定の温度に到達した後、前記少なくとも一つの一次フィルタの時定数を、時間経過に従って前記初期値から前記最終値まで次第に増大または減少するように、時間毎に変更することを特徴とする自動制御方法。