JP4955237B2 - Control system and method for time-varying control target with dead time - Google Patents

Control system and method for time-varying control target with dead time Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To control a target to be controlled of a time-variant system having idle time with good precision. <P>SOLUTION: Set values expressing the idle time of the target 200 to be controlled, time constant, and process gain are previously set. The set value of the process gain has a predetermined time-variant property. Output value y and its first and second order time differential values are used as the state variable x of the target 200 to be controlled. A nonlinear state estimator 206 estimates the value x(t+Ld) of the state variable x at a future time point after the idle time from present time based on the present output value y and the set values of the idle time, the time constant and the process gain. A gain scheduled sliding mode controller 212 performs a gain scheduled sliding mode control operation based on the estimated value of x(t+Ld) of the state variable x at the future time point, the output deviation z(t+Ld) at the future time point, and the set values of the time constant and the process gain at the future time point so as to determine the operation quantity u<SB>T</SB>to the target 200 to be controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、無駄時間をもつ時変系制御対象のための制御システム及び方法に関し、例えばチョクラルスキー法(引上げ法)により、半導体材料のような特定物質の単結晶棒(単結晶)を製造するプロセスの制御に好適なものである。   The present invention relates to a control system and method for a time-varying control target having a dead time, and for example, a single crystal rod (single crystal) of a specific substance such as a semiconductor material is manufactured by a Czochralski method (pull-up method). It is suitable for controlling the process.

無駄時間をもつ時変系制御対象の典型例として、チョクラルスキー法(引上げ法)により、半導体材料のような特定物質の単結晶棒(単結晶)を製造するためのプロセスを取り上げて、以下説明する。   As a typical example of time-varying system control with dead time, we will take up the process for manufacturing a single crystal rod (single crystal) of a specific substance such as a semiconductor material by the Czochralski method (pull-up method). explain.

チョクラルスキー法又はその他の方法による単結晶棒の製造において、単結晶棒の結晶欠陥を低減することが非常に重要であることは言うまでもない。また、単結晶棒の直胴部の直径を所望値で一定に制御することも非常に重要である。これらの要求をより良く満たすために、例えば次のような制御方法が提案されている。   Needless to say, in the production of a single crystal rod by the Czochralski method or other methods, it is very important to reduce crystal defects of the single crystal rod. It is also very important to control the diameter of the straight body of the single crystal rod to a desired value. In order to better satisfy these requirements, for example, the following control method has been proposed.

特許文献1には、チョクラルスキー法における、単結晶棒の直胴部の直径を一定にし、そして、多結晶の発生を抑制するための方法が開示されている。この方法によると、単結晶棒が引上げられながら直胴部が形成されている間、単結晶棒の重量が測定され、測定された重量から単結晶棒の現在の外径値が計算される。計算された現在の外径値と、予め設定されている予測モデル(例えば、ステップ応答モデル)の応答関数とに基づいて、所定時間経過後の単結晶棒の外径予測値が計算される。計算された外径予測値が所定の外径目標値と比較されて両者間の偏差が計算され、その偏差に応じて、ヒータ出力が制御される。   Patent Document 1 discloses a method for making the diameter of a straight body portion of a single crystal rod constant in the Czochralski method and suppressing the occurrence of polycrystals. According to this method, while the straight body portion is formed while the single crystal rod is pulled up, the weight of the single crystal rod is measured, and the current outer diameter value of the single crystal rod is calculated from the measured weight. Based on the calculated current outer diameter value and a response function of a preset prediction model (for example, a step response model), an outer diameter prediction value of the single crystal rod after a predetermined time has elapsed is calculated. The calculated outer diameter predicted value is compared with a predetermined outer diameter target value to calculate a deviation between them, and the heater output is controlled according to the deviation.

また、例えば特許文献2には、特許文献1に開示された制御方法を改良した制御方法が開示されている。この方法によると、上記予測モデルの応答関数における時定数又は利得が、時間経過に伴って単調減少するように調整される。   Further, for example, Patent Document 2 discloses a control method obtained by improving the control method disclosed in Patent Document 1. According to this method, the time constant or gain in the response function of the prediction model is adjusted so as to monotonously decrease with time.

特許文献3には、チョクラルスキー法における、単結晶棒の直胴部の結晶を乱さないようにするための、単結晶棒の直径増大部(コーン部又は肩部)の育成方法が開示されている。この方法によると、コーン部(肩部)が育成されている間、コーン部の直径の変化率と、融液の温度とが測定される。測定されたコーン部の直径変化率と予め設定された目標値とが比較され、両者間の差に応じて温度目標値を調節される。調節された温度目標値と測定された融液温度とが比較され、両者間の偏差に応じて、ヒータへの供給電力がPID制御される。   Patent Document 3 discloses a method for growing a diameter-enlarged portion (cone portion or shoulder portion) of a single crystal rod so as not to disturb the crystal of the straight body portion of the single crystal rod in the Czochralski method. ing. According to this method, while the cone part (shoulder part) is grown, the change rate of the diameter of the cone part and the temperature of the melt are measured. The measured cone diameter change rate is compared with a preset target value, and the temperature target value is adjusted according to the difference between the two. The adjusted temperature target value and the measured melt temperature are compared, and the power supplied to the heater is PID controlled according to the deviation between the two.

特許第2813439号公報Japanese Patent No. 2813439 特開平9−165293号公報JP-A-9-165293 特公平7−77996号公報Japanese Patent Publication No. 7-77996

特許文献1,2に開示された予測モデルを使用した制御方法は、直胴部の形成に適用されるものであり、その前の肩部の形成工程には適用されない。一方、肩部の形成工程に関する特許文献3に記載の方法は、小径の単結晶棒を非常に遅い速度で引上げる場合には適用できるであろう。しかし、例えば直径200mm、300mmというような大径の単結晶棒を、シリコン単結晶引上げのように高速に引上げながら製造する場合には、肩部から直胴部の前半の形成工程におけるヒータ温度と結晶直径の間の非定常性、非線形性が顕著に現れるため、特許文献3に記載の方法では所望の肩部を形成することは困難である。   The control method using the prediction model disclosed in Patent Literatures 1 and 2 is applied to the formation of the straight body portion, and is not applied to the shoulder forming step before that. On the other hand, the method described in Patent Document 3 relating to the shoulder forming step may be applied when pulling up a single crystal rod having a small diameter at a very low speed. However, for example, when manufacturing a large-diameter single crystal rod having a diameter of 200 mm or 300 mm while pulling up at a high speed like pulling up a silicon single crystal, the heater temperature in the formation process of the first half of the straight body portion from the shoulder portion Since the unsteadiness and nonlinearity between the crystal diameters remarkably appear, it is difficult to form a desired shoulder by the method described in Patent Document 3.

このように、従来の制御法によると、チョクラルスキー法による単結晶製造装置に代表されるような、無駄時間をもつ時変系制御対象を精度良く制御することが困難である。   As described above, according to the conventional control method, it is difficult to accurately control a time-varying system control target having a dead time, as represented by a single crystal manufacturing apparatus using the Czochralski method.

従って、本発明の目的は、無駄時間をもつ時変系制御対象を精度良く制御することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to accurately control a time-varying control target having a dead time.

また、本発明の別の目的は、チョクラルスキー法による単結晶製造装置に適用された場合には、単結晶棒の肩部と直胴部の双方における直径の制御性を向上させ、かつ直胴部における結晶品質を向上させることにある。   Another object of the present invention is to improve the controllability of the diameter of both the shoulder portion and the straight body portion of the single crystal rod when applied to a single crystal production apparatus by the Czochralski method, and The purpose is to improve the crystal quality in the body.

本発明の一つの側面に従えば、無駄時間をもつ時変系制御対象のための制御システムは、制御対象の出力値に対する目標値と、前記制御対象の複数のシステムパラメータを表す複数のシステムパラメータ設定値を記憶し、前記複数のシステムパラメータ設定値のすべて又は一部が所定の時変特性をもつように設定されている記憶装置と;記憶装置に記憶されたシステムパラメータ設定値と、制御対象の現時刻における出力値と過去の入力値とに基づいて、現在より無駄時間だけ後の将来時刻における、出力値を含む所定の状態変数の値を予測する状態予測器と;記憶装置に記憶された将来時点における目標値とシステムパラメータ設定値と、状態予測器により予測された将来時刻における状態変数とに基づいて、将来時刻における状態変数を将来時刻のスライディングモードに拘束するようにスライディングモード制御動作を行ない、制御対象に印加されるべき操作値を出力するスライディングモード制御器とを備える。   According to one aspect of the present invention, a control system for a time-varying control target having dead time includes a target value for an output value of a control target, and a plurality of system parameters representing the plurality of system parameters of the control target A storage device that stores setting values and all or a part of the plurality of system parameter setting values are set to have a predetermined time-varying characteristic; a system parameter setting value stored in the storage device; and a control target A state predictor for predicting a value of a predetermined state variable including an output value at a future time after a dead time based on an output value at a current time and a past input value; stored in a storage device State variable at the future time based on the target value and system parameter setting value at the future time and the state variable at the future time predicted by the state predictor. It performs sliding mode control operation so as to restrain the coming time sliding mode, and a sliding mode controller for outputting an operation value to be applied to the controlled object.

この制御システムによれば、制御対象がもつ複数のシステムパラメータ(例えば、無駄時間、時定数及びプロセスゲイン)をそれぞれ表す複数のシステムパラメータ設定値が予め設定され記憶される。これらシステムパラメータ設定値のすべて又は一部は、制御対象の時変特性が反映された所定の時変特性をもつように設定されている。或るシステムパラメータ設定値を時変特性をもつように設定する方法として、そのシステムパラメータ設定値を、例えば、制御の進捗状況を表す所定の進捗変数又は経過時間の関数の形で設定するようにすることができる。記憶されたシステムパラメータ設定値と、制御対象から出力される現在の出力値と、制御対象に過去に入力された入力値とが、状態予測器に入力される。状態予測器は、これらの入力値に基づいて、現在より無駄時間分だけ後の将来時刻における制御対象の状態変数の値を予測する。ここで、状態変数には、制御対象の出力値およびその時間微分値などが含まれ得る。予測された将来時刻での出力値と、予め設定されている将来時刻での目標値との間の偏差が求められる。スライディングモード制御器が、その将来時刻での偏差や、予測された将来時刻での状態変数に基づいて、記憶されている将来時刻でのシステムパラメータ設定値を用いて、将来時刻における状態変数を将来時刻のスライディングモードに拘束するようにスライディングモード制御動作を行って、制御対象に印加されるべき操作値を決定する。このような、無駄時間後の状態変数値を予測する状態予測動作と、予測された無駄時間後の状態変数値をスライディングモードに拘束するように、時変的なシステムパラメータ設定値を用いて行なわれるスライディングモード制御動作との組み合わせにより、無駄時間をもつ時変制御対象の出力値を精度良く目標値に制御することができる。   According to this control system, a plurality of system parameter setting values respectively representing a plurality of system parameters (for example, dead time, time constant and process gain) possessed by the controlled object are set and stored in advance. All or some of these system parameter set values are set to have predetermined time-varying characteristics reflecting the time-varying characteristics of the controlled object. As a method of setting a certain system parameter setting value so as to have a time-varying characteristic, the system parameter setting value is set, for example, in the form of a predetermined progress variable indicating the progress of control or a function of elapsed time. can do. The stored system parameter setting value, the current output value output from the controlled object, and the input value previously input to the controlled object are input to the state predictor. Based on these input values, the state predictor predicts the value of the state variable to be controlled at a future time after the dead time from the current time. Here, the state variable may include an output value to be controlled and its time differential value. A deviation between the output value at the predicted future time and the target value at the preset future time is obtained. The sliding mode controller uses the system parameter settings at the future time stored in the future based on the deviation at the future time and the state variable at the predicted future time. A sliding mode control operation is performed so as to be constrained to the time sliding mode, and an operation value to be applied to the control target is determined. Such a state prediction operation for predicting the state variable value after the dead time and the time-varying system parameter setting value are performed so as to constrain the predicted state variable value after the dead time to the sliding mode. In combination with the sliding mode control operation, the output value of the time-varying control target having dead time can be accurately controlled to the target value.

この制御システムは、非線形性を有する無駄時間系に対して、予測された状態を将来のスライディングモードに拘束するシンプルな構造をもち、非線形モデル予測制御のような複雑な計算と最適化を必要としない。   This control system has a simple structure that constrains the predicted state to a future sliding mode against a dead time system having nonlinearity, and requires complex calculation and optimization like nonlinear model predictive control. do not do.

好適な実施形態では、上記の構成に加えて、状態予測器により予測された将来時刻における出力値と目標値との間の偏差を求め、その偏差を積分して、将来時刻における偏差積分値を得る積分器を更に備えられる。そして、スライディングモード制御器は、1型サーボ系として構成され、状態予測器からの将来時刻における状態変数に、積分器からの将来時刻における偏差積分値を付加して成る拡張された状態変数を用いて、スライディングモード制御動作を行なう。これにより、定常偏差が抑制されるので、制御精度が一層向上する。   In a preferred embodiment, in addition to the above configuration, the deviation between the output value at the future time predicted by the state predictor and the target value is obtained, and the deviation is integrated to obtain the deviation integrated value at the future time. A further integrator is provided. The sliding mode controller is configured as a type 1 servo system, and uses an expanded state variable formed by adding a deviation integral value at a future time from the integrator to a state variable at a future time from the state predictor. Then, the sliding mode control operation is performed. Thereby, since the steady deviation is suppressed, the control accuracy is further improved.

無駄時間をもつ時変的な制御対象の一例として、チョクラルスキー法により特定物質の単結晶棒を引上げる単結晶引上機を挙げることができる。本発明の別の側面に従う単結晶製造装置は、制御対象としての上記単結晶引上機と、これを制御するための上述した構成を持つ制御システムとを備える。この単結晶製造装置では、単結晶引上機の出力値として、単結晶引上機で引上げられる単結晶棒の直径値が採用される。なお、ここでいう「直径値」とは、文字通りの直径値であってもよいし、あるいは、引き上げ中の単結晶棒の重量の時間微分値(この明細書では「擬似直径」という)であってもよい。また、状態変数として、単結晶棒の直径値と、その直径値の時間による1階と2階の微分値とが採用できる。さらに、単結晶引上機に加えられる操作値として、坩堝内の融液温度又は融液を加熱するヒータの温度を操作するための数値が採用できる。また、単結晶引上機における単結晶棒の引上げ速度は、時間の関数として予め設定された引上げ速度設定値に従って制御するようにすることができる。また、単結晶引上機のシステムパラメータには無駄時間、時定数およびプロセスゲインが含まれるが、そのうち、少なくとも時定数とプロセスゲインの設定値は、所定の時変特性をもつように、例えば、引上げられる単結晶棒の長さ又は経過時間の関数という形で設定することができる。   As an example of a time-varying control target having a dead time, a single crystal pulling machine that pulls a single crystal rod of a specific substance by the Czochralski method can be cited. A single crystal manufacturing apparatus according to another aspect of the present invention includes the single crystal pulling machine as a control target and a control system having the above-described configuration for controlling the single crystal pulling machine. In this single crystal manufacturing apparatus, the diameter value of the single crystal rod pulled up by the single crystal puller is adopted as the output value of the single crystal puller. The “diameter value” here may be a literal diameter value or a time differential value of the weight of the single crystal rod being pulled (referred to as “pseudo diameter” in this specification). May be. Moreover, the diameter value of a single crystal rod and the differential value of the 1st floor and the 2nd floor by the time of the diameter value are employable as a state variable. Furthermore, as an operation value applied to the single crystal puller, a numerical value for operating the melt temperature in the crucible or the temperature of the heater for heating the melt can be adopted. Further, the pulling speed of the single crystal rod in the single crystal pulling machine can be controlled according to a pulling speed setting value set in advance as a function of time. In addition, the system parameters of the single crystal puller include dead time, time constant and process gain. Among them, at least the time constant and process gain set values have predetermined time-varying characteristics, for example, It can be set in the form of a function of the length of the single crystal rod pulled up or the elapsed time.

引上げ速度設定値は、望ましくは、坩堝内での単結晶棒の固体と融液の液体との界面における温度勾配を適正値に維持するようなものが好ましい。また、プロセスゲイン設定値は、単結晶棒の肩部と直胴部の形成過程で単結晶棒の長さに応じて変化し、特に直胴部の形成過程では単結晶棒の引上速度の変化に応じて変化するように設定することができる。このような形で単結晶引上機に適用された制御システムにより、単結晶棒の肩部と直胴部の双方における直径の制御性が向上し、また直胴部での結晶品質が向上する。   The pulling speed set value is preferably such that the temperature gradient at the interface between the solid of the single crystal rod and the liquid of the melt in the crucible is maintained at an appropriate value. In addition, the process gain setting value changes according to the length of the single crystal rod in the process of forming the shoulder portion and the straight body portion of the single crystal rod, and particularly in the process of forming the straight body portion, the pulling speed of the single crystal rod is changed. It can be set to change in response to changes. The control system applied to the single crystal pulling machine in this way improves the controllability of the diameter of both the shoulder and the straight body of the single crystal rod, and improves the crystal quality in the straight body. .

本発明のまた別の側面に従えば、無駄時間をもつ時変系制御対象のための制御システムは、制御対象の出力値に対する目標値と、比例ゲイン設定値、積分ゲイン設定値及び微分ゲイン設定値とを含む制御ゲイン設定値とを記憶し、制御ゲイン設定値のうち少なくとも比例ゲイン設定値は所定の時変特性をもつように設定されている記憶装置と;予め所定の時変特性をもつように設定されている第1の操作値を出力するフィードフォワード補償器と;記憶装置に記憶された目標値と、制御対象からの出力値との間の偏差を計算する減算器と;減算器からの偏差と、記憶装置に記憶された制御ゲイン設定値とに基づいて、PID制御動作を行ない、第2の操作値を出力するゲインスケジュールドPID制御器と;フィードフォワード補償器からの第1の操作値と、ゲインスケジュールドPID制御器からの第2の操作値とを入力して、制御対象に印加されるべき第3の操作値を出力する合成器とを備える。   According to another aspect of the present invention, a control system for a time-varying control target having dead time includes a target value for an output value of the control target, a proportional gain setting value, an integral gain setting value, and a differential gain setting. And a storage device in which at least the proportional gain setting value of the control gain setting values is set to have a predetermined time-varying characteristic; and has a predetermined time-varying characteristic in advance. A feedforward compensator for outputting a first operation value set in such a manner; a subtractor for calculating a deviation between a target value stored in a storage device and an output value from a controlled object; and a subtractor A gain scheduled PID controller that performs a PID control operation and outputs a second operation value based on a deviation from the control gain and a control gain setting value stored in a storage device; a first from a feedforward compensator; Operation of A synthesizer that inputs a value and a second operation value from the gain scheduled PID controller and outputs a third operation value to be applied to the controlled object.

この制御システムによれば、フィードフォワード補償器が、予め所定の時変特性をもつように(例えば、制御の進捗状況又は経過時間の関数の形で)設定されている第1の操作値を出力する。この第1の操作値には、制御対象の出力値を目標値に制御する目的において経験的に求められた操作値を採用することができる。フィードフォワード補償器の他に、第2の操作値を出力するゲインスケジュールドPID制御器が設けられる。ゲインスケジュールドPID制御器で使用される比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインなどの制御ゲインが、予め設定され記憶される。これらの制御ゲイン設定値は、予め調べられた制御対象のシステムパラメータに基づいて決定されることができ、そのうち、少なくとも比例ゲイン設定値は、制御対象のシステムパラメータスの時変特性が反映された、所定の時変特性を持つように(例えば、制御の進捗状況又は経過時間の関数の形で)設定される。ゲインスケジュールドPID制御器は、制御対象の出力値と目標値との間の偏差に対して、所定の時変特性をもつ比例ゲイン設定値を含む制御ゲイン設定値を用いて、ゲインスケジュールドPID制御動作を行い、第2の操作値を出力する。第1の操作値と第2の操作値とから、第3の操作値が合成され、第3の操作値が制御対象に印加される。このように、予め設定されている第1の操作値が、制御対象の時変特性が反映されたゲインスケジュールドPID制御動作により求められた第2の操作値により修正され、修正された操作値(第3の操作値)により制御対象が操作される。これにより、無駄時間をもつ時変系制御対象の出力値を精度良く目標値に制御することができる。   According to this control system, the feedforward compensator outputs a first operation value that is set in advance to have a predetermined time-varying characteristic (for example, in the form of a function of control progress or elapsed time). To do. As the first operation value, an operation value obtained empirically for the purpose of controlling the output value to be controlled to the target value can be employed. In addition to the feedforward compensator, a gain scheduled PID controller that outputs the second operation value is provided. Control gains such as proportional gain, integral gain, and differential gain used in the gain scheduled PID controller are preset and stored. These control gain setting values can be determined based on the system parameters of the controlled object examined in advance, and at least the proportional gain setting value reflects the time-varying characteristics of the controlled system parameters. Are set to have predetermined time-varying characteristics (eg, in the form of a function of control progress or elapsed time). The gain-scheduled PID controller uses a control gain setting value that includes a proportional gain setting value with a predetermined time-varying characteristic for the deviation between the output value to be controlled and the target value. A control operation is performed and a second operation value is output. The third operation value is synthesized from the first operation value and the second operation value, and the third operation value is applied to the control target. Thus, the preset first operation value is corrected by the second operation value obtained by the gain scheduled PID control operation in which the time-varying characteristic of the control target is reflected, and the corrected operation value is obtained. The control target is operated by (third operation value). As a result, the output value of the time-varying control target having dead time can be accurately controlled to the target value.

本発明は、チョクラルスキー法による単結晶引上機だけでなく、他の種々の非線形性を有する無駄時間系の制御対象にも適用可能である。   The present invention can be applied not only to a single crystal pulling machine based on the Czochralski method but also to a control target of a dead time system having various other nonlinearities.

本発明によれば、無駄時間をもつ時変系制御対象を精度良く制御することができる。本発明の制御システムは、チョクラルスキー法による単結晶引上機に適用された場合には、単結晶棒の肩部と直胴部の双方における直径の制御性を向上させ、直胴部における結晶品質を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to accurately control a time-varying control target having a dead time. When applied to a single crystal pulling machine using the Czochralski method, the control system of the present invention improves the controllability of the diameter of both the shoulder and the straight body of the single crystal rod, Crystal quality can be improved.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明が適用された、チョクラルスキー法により特定物質、例えばシリコン、の単結晶棒を製造するための単結晶製造装置の一実施形態の全体構成を示す。   FIG. 1 shows an overall configuration of an embodiment of a single crystal manufacturing apparatus for manufacturing a single crystal rod of a specific substance, for example, silicon by the Czochralski method to which the present invention is applied.

図1に示すように、単結晶製造装置100は、チョクラルスキー法による単結晶引上機の炉本体(以下、「CZ機」と略称する)102と、このCZ機102の動作を制御するコントローラ104とを有する。コントローラ104は、後述する制御演算を行うコンピュータ(図示せず)及びそのコンピュータとCZ機102やオペレータとの間の各種の入出力インタフェースである各種の電気・電子回路とを有する。   As shown in FIG. 1, a single crystal manufacturing apparatus 100 controls a furnace body (hereinafter, abbreviated as “CZ machine”) 102 of a single crystal pulling machine by the Czochralski method and the operation of the CZ machine 102. Controller 104. The controller 104 includes a computer (not shown) that performs control calculation described later, and various electric / electronic circuits that are various input / output interfaces between the computer and the CZ machine 102 and an operator.

CZ機102は、チャンバ106を有し、チャンバ106内部の空気は図示しない真空ポンプにより除去され、そして、アルゴンなどの不活性ガス107がチャンバ106内部に所定流量で供給される。チャンバ106内には、坩堝108が設置され、坩堝108の周囲には、坩堝108を加熱するためのヒータ110が配置され、それらを外側から断熱材111が包囲する。それらを包囲するように、チャンバ106の外側に磁場発生装置114があり、これが坩堝108内に磁場を提供する。坩堝108内には原料物質、例えばシリコンが入っており、それはヒータ110により加熱されて融液112となる。坩堝108は坩堝回転/昇降装置113により水平に回転させられ、また、融液112の液面高さを一定に維持するように上昇させられる。   The CZ machine 102 has a chamber 106, air inside the chamber 106 is removed by a vacuum pump (not shown), and an inert gas 107 such as argon is supplied into the chamber 106 at a predetermined flow rate. A crucible 108 is installed in the chamber 106, and a heater 110 for heating the crucible 108 is disposed around the crucible 108, and a heat insulating material 111 surrounds them from the outside. To surround them, there is a magnetic field generator 114 outside the chamber 106, which provides a magnetic field in the crucible 108. The crucible 108 contains a raw material such as silicon, which is heated by the heater 110 to become a melt 112. The crucible 108 is rotated horizontally by the crucible rotating / lifting device 113 and raised so as to maintain the liquid level of the melt 112 constant.

CZ機102の上部からワイヤ117によりシード115が吊り下げられる。CZ機102の上部に配置された引上げモータ118が、ワイヤ117を操作して、シード115を坩堝108内の融液112内に浸け、その後に、シード115を所定速度で引き上げる。また、回転モータ120がワイヤ117を操作してシード115を所定速度で回転させる。コントローラ104により、シード115の引上げ速度と回転速度、ヒータ110の温度(融液112の温度)、坩堝108の回転速度などが制御される。それにより、シード115の引上げに伴って、シード115の下に単結晶棒116が形成されていく。   A seed 115 is suspended from the top of the CZ machine 102 by a wire 117. A pulling motor 118 disposed at the top of the CZ machine 102 operates the wire 117 to immerse the seed 115 in the melt 112 in the crucible 108, and then pulls up the seed 115 at a predetermined speed. Further, the rotary motor 120 operates the wire 117 to rotate the seed 115 at a predetermined speed. The controller 104 controls the pulling speed and rotation speed of the seed 115, the temperature of the heater 110 (temperature of the melt 112), the rotation speed of the crucible 108, and the like. Thereby, as the seed 115 is pulled up, the single crystal rod 116 is formed under the seed 115.

CZ機102の上部に設けられた重量・位置測定器119が、引き上げが行われている間、単結晶棒116の重量(これから単結晶棒116の直径が把握できる)とシードの位置(これから単結晶棒116の長さが把握できる)を測定して、結晶重量信号126とシード位置信号128をコントローラ104に与える。また、チャンバ106のヒータ110を観察するための窓に配置された光学的なヒータ温度検出器132が、ヒータ110の温度を測定し、ヒータ温度信号134をコントローラ104に提供する。さらに、チャンバ106の単結晶棒116を観察するための窓に配置された光学的な直径計測器138が、単結晶棒116の直径を計測し、結晶直径信号140をコントローラ104に出力する。この実施形態では、単結晶棒116の直径は、基本的に結晶重量信号126に基づいて計算されるが、結晶重量信号126に基づいて単結晶棒116の直径を精度良く把握することが困難である引上げ初期の頃の小さい直径(例えば、40mm以下の直径)は、直径計測器138を代用して計測されることができる。なお、変形例として、終始、直径計測器138を用いて直径を計測するようにしてもよい。   While the weight / position measuring device 119 provided at the top of the CZ machine 102 is being pulled up, the weight of the single crystal rod 116 (from which the diameter of the single crystal rod 116 can be grasped) and the position of the seed (from now on) The crystal weight signal 126 and the seed position signal 128 are supplied to the controller 104. An optical heater temperature detector 132 disposed in a window for observing the heater 110 of the chamber 106 measures the temperature of the heater 110 and provides a heater temperature signal 134 to the controller 104. Further, an optical diameter measuring device 138 disposed in a window for observing the single crystal rod 116 in the chamber 106 measures the diameter of the single crystal rod 116 and outputs a crystal diameter signal 140 to the controller 104. In this embodiment, the diameter of the single crystal rod 116 is basically calculated based on the crystal weight signal 126, but it is difficult to accurately grasp the diameter of the single crystal rod 116 based on the crystal weight signal 126. A small diameter at an early stage of pulling (for example, a diameter of 40 mm or less) can be measured using the diameter measuring device 138 instead. As a modification, the diameter may be measured using the diameter measuring instrument 138 from beginning to end.

コントローラ104は、上述した結晶重量信号126、シード位置信号128、ヒータ温度信号134及び結晶直径信号140を入力し、それらの信号の値を用いて、後に詳述するような制御動作を行なう。その制御動作の結果として、コントローラ104は、引上げ制御信号124を引上げモータドライバ122に出力して、引上げモータ118による単結晶棒116の引上げ速度を制御する。また、コントローラ104は、その制御動作の結果として、加熱制御信号136をヒータ電源回路130に出力して、ヒータ110への供給電力を制御し、それにより、ヒータ110の温度を制御する。さらに、コントローラ104は、回転モータ120による単結晶棒116の回転速度や、坩堝回転/昇降装置113による坩堝108の回転速度や昇降速度や、アルゴン107の流量を制御する。CZ機102が本実施形態のように磁場発生装置114を有する場合には、コントローラ104は、さらに、磁場発生装置114による磁場強度も制御する。   The controller 104 inputs the crystal weight signal 126, the seed position signal 128, the heater temperature signal 134, and the crystal diameter signal 140 described above, and performs control operations described in detail later using the values of these signals. As a result of the control operation, the controller 104 outputs a pulling control signal 124 to the pulling motor driver 122 to control the pulling speed of the single crystal rod 116 by the pulling motor 118. In addition, as a result of the control operation, the controller 104 outputs a heating control signal 136 to the heater power supply circuit 130 to control the power supplied to the heater 110, thereby controlling the temperature of the heater 110. Further, the controller 104 controls the rotation speed of the single crystal rod 116 by the rotation motor 120, the rotation speed and lifting speed of the crucible 108 by the crucible rotation / lifting device 113, and the flow rate of the argon 107. When the CZ machine 102 includes the magnetic field generation device 114 as in the present embodiment, the controller 104 further controls the magnetic field intensity by the magnetic field generation device 114.

コントローラ104には、特定のプロセス条件が予め設定される。プロセス条件に含まれる主な変数には、単結晶棒116の回転速度と引上げ速度、坩堝108の回転速度、アルゴン107の流量、及び磁場の強度などがある。これらのプロセス条件変数の値は、それぞれ、引き上げられた単結晶棒116の長さ(又は引上げ開始からの経過時間)の関数(特に、非線形関数)として(よって、単結晶棒長さ又は経過時間に応じて変化するような値の時系列として)、コントローラ104に設定され得る(一部の変数を固定値として設定してもよい)。引上げ速度の設定値の経過時間又は単結晶棒長さに応じた変化の仕方は、単結晶棒116の固体と融液112の液体との界面における温度勾配(界面に垂直方向の温度勾配)を適正値に維持するように選ばれている。コントローラ104は、単結晶棒116の引上げが行われている間、上述したプロセス条件変数を、単結晶棒長さ(又は経過時間)に応じて、それぞれの設定値になるように可変制御する。   Specific process conditions are preset in the controller 104. The main variables included in the process conditions include the rotational speed and pulling speed of the single crystal rod 116, the rotational speed of the crucible 108, the flow rate of the argon 107, and the strength of the magnetic field. The values of these process condition variables are each as a function (particularly a non-linear function) of the length (or elapsed time from the start of pulling) of the pulled single crystal rod 116 (hence the single crystal rod length or elapsed time). Can be set in the controller 104 (some variables may be set as fixed values). The method of changing the set value of the pulling rate according to the elapsed time or the length of the single crystal rod is determined by the temperature gradient at the interface between the solid of the single crystal rod 116 and the liquid of the melt 112 (temperature gradient in the direction perpendicular to the interface). It is chosen to keep it at a reasonable value. While the single crystal rod 116 is being pulled up, the controller 104 variably controls the above-described process condition variables so as to have respective set values according to the single crystal rod length (or elapsed time).

プロセス条件を上記のように設定通りに制御することに加え、コントローラ104は、後に詳述するような「非線形状態予測スライディングモード制御」法により、ヒータ110の温度(ひいては融液112の温度)を制御する(以下、「スライディングモード制御」を「SMC」と略称する)。ヒータ温度(融液温度)の制御動作は、基本的に、単結晶棒116の重量を時間で微分した重量微分値を、予め設定された目標値に制御するように行われる。ここで、上記重量微分値は、引上げ速度が一定である場合には単結晶棒116の直径に相当する変数であり、以下、これを「擬似直径」とよぶ。   In addition to controlling the process conditions as set above, the controller 104 controls the temperature of the heater 110 (and thus the temperature of the melt 112) by a “nonlinear state prediction sliding mode control” method as will be described in detail later. (Hereinafter, “sliding mode control” is abbreviated as “SMC”). The control operation of the heater temperature (melt temperature) is basically performed so that the weight differential value obtained by differentiating the weight of the single crystal rod 116 with time is controlled to a preset target value. Here, the weight differential value is a variable corresponding to the diameter of the single crystal rod 116 when the pulling speed is constant, and this is hereinafter referred to as “pseudo diameter”.

非線形状態予測SMC法によるヒータ温度(融液温度)の制御動作には、「非線形状態予測」という動作と、「ゲインスケジュールドSMC」という動作とが含まれる。非線形状態予測動作では、制御対象であるCZ機102のもつ長い無駄時間が考慮されて、擬似直径に関する状態変数ベクトル(すなわち、擬似直径それ自体、それの時間による1階微分値及び2階微分値の3つの状態変数のセット)が、それぞれ、現時刻から無駄時間経過後の将来時刻にどのような値になるかが予測される。そして、予測された上記将来時刻での擬似直径を、上記将来時刻での擬似直径の目標値に一致させるように、現在のヒータ温度(融液温度)についてゲインスケジュールドSMC動作が実行される。   The operation of controlling the heater temperature (melt temperature) by the nonlinear state prediction SMC method includes an operation called “nonlinear state prediction” and an operation called “gain scheduled SMC”. In the non-linear state prediction operation, the long dead time of the CZ machine 102 to be controlled is taken into consideration, and the state variable vector related to the pseudo diameter (that is, the pseudo diameter itself, the first and second derivative values depending on the time). It is predicted that each of the three state variable sets) will have a value at the future time after the dead time has elapsed from the current time. Then, the gain scheduled SMC operation is executed for the current heater temperature (melt temperature) so that the predicted pseudo diameter at the future time matches the target value of the pseudo diameter at the future time.

ゲインスケジュールドSMC動作では、制御対象であるCZ機102のもつ複数のシステムパラメータ(プロセスゲイン、時定数、無駄時間)の時変特性(例えば、単結晶棒の肩部から直胴部の前部を形成する過程で、プロセスゲインが顕著に変化したり、時定数が変化したりする)が考慮される。すなわち、システムパラメータ(プロセスゲイン、時定数、無駄時間)の全て又は一部(とりわけ、プロセスゲインや時定数)が、それぞれ所定の時変特性をもつように、単結晶棒長さ(又は経過時間)の非線形関数として予め設定されている(なお、この実施形態では、後述するように、無駄時間だけは、時変的な値ではなく一定値(Ld)に設定されるが、これは単なる例示に過ぎず、無駄時間も、プロセスゲインや時定数と同様に時変的な値に設定されてよい。)。そして、上記非線形状態予測動作によって予測された上記将来時刻における状態変数ベクトルをその将来時刻においてスライディングモードに拘束するように、予め設定された時変的なシステムパラメータの上記将来時刻における設定値を使用して、SMCの演算が行われて、ヒータ温度(融液温度)の現在の操作値が決定される。   In gain-scheduled SMC operation, the time-varying characteristics of the system parameters (process gain, time constant, dead time) of the CZ machine 102 to be controlled (for example, from the shoulder of the single crystal rod to the front part of the straight body part) In the process of forming, the process gain changes significantly or the time constant changes). That is, the single crystal rod length (or elapsed time) so that all or part of the system parameters (process gain, time constant, dead time) (especially process gain and time constant) each have a predetermined time-varying characteristic. (In this embodiment, as will be described later, only the dead time is set to a constant value (Ld) instead of a time-varying value. However, the dead time may also be set to a time-varying value like the process gain and time constant. Then, the set value at the future time of the time-varying system parameter set in advance is used so as to constrain the state variable vector at the future time predicted by the nonlinear state prediction operation to the sliding mode at the future time. Then, the SMC is calculated, and the current operation value of the heater temperature (melt temperature) is determined.

以下、上に概説した非線形状態予測SMC法によるヒータ温度(融液温度)の制御について、より詳細に説明する。   Hereinafter, the control of the heater temperature (melt temperature) by the nonlinear state prediction SMC method outlined above will be described in more detail.

図2は、非線形状態予測SMC法によるヒータ温度(融液温度)の制御を行うための制御システムの全体構成を示す。   FIG. 2 shows the overall configuration of a control system for controlling the heater temperature (melt temperature) by the nonlinear state prediction SMC method.

図2において、ブロック200は制御対象(すなわち、図1に示したCZ機102)を示す。他のブロック202〜212は、コントローラ104により実行される制御動作を示す。すなわち、コントローラ104は、引上げ速度設定器202、不完全微分器204、非線形状態予測器206、減算器208、積分器210、及びゲインスケジュールドSMC器212として動作する。なお、コントローラ104は、ヒータ温度(融液温度)の制御だけでなく、上述したようなプロセス条件の諸変数の制御も並行して行うのであるが、図2では、それらのプロセス条件変数のうち引上げ速度を制御する機能だけが図示され、他の変数を制御するための機能は図示省略されている。制御対象200のシステムパラメータ(プロセスゲインk0、時定数T、無駄時間L)は、コントローラ104に予め設定されて記憶されている。この実施形態では、制御対象である図1のCZ機102がたまたまそういう伝達特性をもっているがゆえに、プロセスゲインk0と時定数Tはそれぞれ所定の時変特性をもつように設定され、他方、無駄時間Lは一定値Ld設定される。しかし、これは単なる例示に過ぎず、プロセスゲインk0、時定数T、無駄時間Ldの全てがそれぞれ、制御対象の特性に合わせて時変特性をもように設定されることができる。 In FIG. 2, a block 200 indicates a control target (that is, the CZ machine 102 shown in FIG. 1). Other blocks 202-212 show control operations performed by the controller 104. That is, the controller 104 operates as the pulling speed setting unit 202, the incomplete differentiator 204, the nonlinear state predictor 206, the subtractor 208, the integrator 210, and the gain scheduled SMC unit 212. The controller 104 not only controls the heater temperature (melt temperature) but also controls the various process condition variables as described above. In FIG. Only the function for controlling the pulling speed is shown, and the function for controlling other variables is not shown. The system parameters (process gain k 0 , time constant T, dead time L) of the control target 200 are preset and stored in the controller 104. In this embodiment, since the CZ machine 102 of FIG. 1 that is the control target happens to have such a transfer characteristic, the process gain k 0 and the time constant T are set to have predetermined time-varying characteristics, respectively, and on the other hand, The time L is set to a constant value Ld. However, this is merely an example, and all of the process gain k 0 , time constant T, and dead time L d can be set to have time-varying characteristics according to the characteristics of the controlled object.

図2に示すように、引上げ速度設定器202は、単結晶棒116の引上げ速度を、単結晶棒長さ(又は経過時間)の非線形関数として設定された引上げ速度の設定値に従って、単結晶棒長さ(又は経過時間)に応じて変化させる。既に述べたように、引上げ速度の設定値の単結晶棒長さ(又は経過時間)に応じた変化の仕方は、単結晶棒116の固体と融液112の液体との界面の温度勾配を適正値に保つようなものに選ばれている。一般に、引上げられた単結晶棒116内にできる結晶欠陥の密度は、上記界面の温度勾配と結晶の成長速度により決まる。単結晶棒116を引上げている間、上記界面の温度勾配を適正値に維持することにより、結晶欠陥の発生を抑制して高品質の単結晶棒116を製造することが容易になる。   As shown in FIG. 2, the pulling speed setting unit 202 sets the pulling speed of the single crystal bar 116 according to the set value of the pulling speed set as a nonlinear function of the single crystal bar length (or elapsed time). Change according to length (or elapsed time). As described above, the method of changing the set value of the pulling rate according to the length (or elapsed time) of the single crystal rod is suitable for the temperature gradient at the interface between the solid of the single crystal rod 116 and the liquid of the melt 112. It is chosen to keep the value. In general, the density of crystal defects formed in the pulled single crystal rod 116 is determined by the temperature gradient of the interface and the crystal growth rate. By maintaining the temperature gradient of the interface at an appropriate value while the single crystal rod 116 is being pulled up, it becomes easy to manufacture a high quality single crystal rod 116 while suppressing the generation of crystal defects.

不完全微分器204は、制御対象(CZ機)200から検出される結晶重量w(図1に示す結晶重量信号126)を入力して、現時刻の結晶重量の時間tによる1階微分値を計算する。重量wの時間tによる1階微分値は、既に述べたように、引上げ速度が一定である場合には単結晶棒116の直径に相当し、この明細書では「擬似直径」と呼ばれ、図2では記号y(t)で示されている。ところで、不完全微分器204は、擬似直径y(t)を計算する場合に、結晶重量wに対して完全微分を施すのでなく、所定の時定数Lf1をもった不完全微分のローパスフィルタを施す。それにより、検出された結晶重量w(結晶重量信号126)に含まれるノイズの影響が除去される。 The incomplete differentiator 204 inputs the crystal weight w (crystal weight signal 126 shown in FIG. 1) detected from the control target (CZ machine) 200, and calculates the first-order differential value of the current crystal weight according to the time t. calculate. As described above, the first-order differential value of the weight w by the time t corresponds to the diameter of the single crystal rod 116 when the pulling speed is constant, and is referred to as “pseudo diameter” in this specification. In FIG. 2, it is indicated by the symbol y (t). By the way, when calculating the pseudo-diameter y (t), the incomplete differentiator 204 does not perform full differentiation on the crystal weight w, but uses an incomplete differentiation low-pass filter having a predetermined time constant L f1. Apply. Thereby, the influence of noise included in the detected crystal weight w (crystal weight signal 126) is removed.

非線形状態予測器206は、現時刻tにおける擬似直径y(t)とヒータ温度(融液温度)の操作値uTとを入力して、予め記憶されているシステムパラメータ(プロセスゲインk0、時定数T、無駄時間Ld)の設定値を用いて、現時刻tから所定の無駄時間Ld経過後の将来時刻(t+Ld)における擬似直径に関する状態変数ベクトルx(t+Ld)を予測計算する。ここで、状態変数ベクトルx(t+Ld)は、無駄時間Ld後の将来時刻(t+Ld)における擬似直径y(t+Ld)と、擬似直径y(t+Ld)の時間による1階微分値y'(t+Ld)と、同じく2階微分値y''(t+Ld)の3つの状態変数のセット(換言すれば、将来時刻(t+Ld)における結晶重量w(t+Ld)の時間による1階微分値、2階微分値及び3階微分値のセット)から構成される。 The non-linear state predictor 206 inputs the pseudo diameter y (t) at the current time t and the operation value u T of the heater temperature (melt temperature), and stores system parameters (process gain k 0 , hour) constant T, by using the dead time set value of L d), a future time after a predetermined dead time L d elapses from the current time t (t + L d) states for the pseudo diameter at the variable vector x (t + L d) Predictive calculation. Here, the state variable vector x (t + L d) includes a pseudo diameter y (t + L d) in the dead time L d after the future time (t + L d), the pseudo diameter y (t + L d) A set of three state variables of the first derivative y ′ (t + L d ) and the second derivative y ″ (t + L d ) according to the time (in other words, the future time (t + L d ) In the crystal weight w (t + L d ) over time, a set of first-order derivative values, second-order derivative values, and third-order derivative values).

減算器208は、非線形状態予測器206で予測された将来時刻(t+Ld)における擬似直径y(t+Ld)と、将来時刻(t+Ld)における擬似直径の目標値r(t+Ld)とを入力して、目標値r(t+Ld)と擬似直径y(t+Ld)との間の偏差e(t+Ld)を計算する。ここで、擬似直径の目標値r(t+Ld)は、引上げられた単結晶棒116の長さ(又は引上げ開始後の経過時間)の非線形関数としてコントローラ104に予め設定されて記憶されている。 Subtracter 208, a future time predicted by the nonlinear state predictor 206 (t + L d) pseudo diameter at y (t + L d), the target value r of the pseudo diameter at future time (t + L d) ( t + L d) inputs an, calculates the deviation e (t + L d) between the target value r (t + L d) the pseudo diameter y (t + L d). Here, the target value r (t + L d ) of the pseudo diameter is preset and stored in the controller 104 as a nonlinear function of the length of the pulled single crystal rod 116 (or the elapsed time after the start of pulling). Yes.

積分器210は、減算器208からの偏差e(t+Ld)を入力して、この偏差e(t+Ld)を時間で積分して、引き上げ開始から現時刻までの間に減算器208から出力された偏差e(t+Ld)の積分値z(t+Ld)を求める。 The integrator 210 inputs the deviation e (t + L d ) from the subtracter 208, integrates this deviation e (t + L d ) with time, and subtracts from the start of the pulling up to the current time. An integral value z (t + L d ) of the deviation e (t + L d ) output from 208 is obtained.

ゲインスケジュールドSMC器212は、非線形状態予測器206からの状態変数ベクトルx(t+Ld)と、積分器210からの偏差e(t+Ld)の積分値z(t+Ld)とを入力し、予め記憶されているシステムパラメータ(プロセスゲインk0、時定数T、無駄時間Ld)の将来時刻(t+Ld)での設定値を用いて、状態変数として状態変数ベクトルx(t+Ld)に偏差積分値z(t+Ld)が追加された1型サーボ系のSMC動作を実行し、それにより、ヒータ温度(融液温度)の操作値uTを決定する。この操作値uTは、引上げ開始時のヒータ温度から、現時刻のヒータ温度の目標値までの温度差を示している。図1に示すように、上記操作値uTに応じた加熱制御信号136がコントローラ104からヒータ電源回路130に与えられ、それにより、実際のヒータ温度(融液温度)が、上記操作値uTにより指定されるヒータ温度(融液温度)目標値に一致するように制御される。 The gain scheduled SMC unit 212 is an integrated value z (t + L d ) of the state variable vector x (t + L d ) from the nonlinear state predictor 206 and the deviation e (t + L d ) from the integrator 210. And the state variable vector as the state variable using the set values at the future time (t + L d ) of the system parameters (process gain k 0 , time constant T, dead time L d ) stored in advance Executes SMC operation of type 1 servo system with deviation integrated value z (t + L d ) added to x (t + L d ), thereby determining the operating value u T of the heater temperature (melt temperature) To do. The actuation value u T is the heater temperature at the start of pulling, shows the temperature difference to the target value of the heater temperature at the current time. As shown in FIG. 1, a heating control signal 136 corresponding to the operation value u T is given from the controller 104 to the heater power supply circuit 130, whereby the actual heater temperature (melt temperature) is changed to the operation value u T. The heater temperature (melt temperature) specified by is controlled to coincide with the target value.

次に、図2に示した非線形状態予測SMC法によるヒータ温度(融液温度)の制御システムの具体例について一層詳細に説明する。   Next, a specific example of a heater temperature (melt temperature) control system based on the nonlinear state prediction SMC method shown in FIG. 2 will be described in more detail.

1. 制御対象200のモデリング
結晶成長のメカニズムは非常に複雑であり、物理法則からモデルを導出できない。そこで、同定実験で得た入出力データに拡大最小2乗法を適用するこで、制御対象200のモデルを導出することができる。
1. Modeling of controlled object 200 The mechanism of crystal growth is very complex, and a model cannot be derived from the laws of physics. Therefore, the model of the controlled object 200 can be derived by applying the expanded least square method to the input / output data obtained in the identification experiment.

1・1 同定実験
同定実験は、引き上げ中の正確な動特性を把握するため、図3に示すような開ループの同定システムを用いて行うことができる。図3に示された同定システムでは、引き上げ速度と融液温度のPID制御が除去された状態で、フィードフォワード温度補償器220からフィードフォワード補償信号が出力され、また、同定入力信号uTiが手動入力され、両信号が加算されてヒータ温度(融液温度)の操作値uTとなり、この操作値uTに従ってヒータ温度(融液温度)が操作される。そして、図2に示したものと同様の引上げ速度設定器202から提供される、単結晶棒長さ (又は経過時間)の非線形関数である引上げ速度設定値に従った引上げ速度で、単結晶棒116が引き上げられる。ここで、上記フィードフォワード補償信号は、単結晶棒116の直径を所定の目標値に制御するために、経験的に求められ予め設定されたヒータ温度(融液温度)の操作値である。しかし、上記フィードフォワード補償信号だけでは、単結晶棒116の直径を所定の目標値に良好に維持することが難しい。そこで、上記フィードフォワード補償信号をより適正値に調整するために、同定入力信号uTiが、引き上げプロセス全般において約1時間毎に手動操作で与えられる。同定入力信号uTiの大きさは、例えば-3.0〜+3.0[℃]の範囲内である。上記フィードフォワード補償信号と上記同定入力信号uTiとによって、引上げられる単結晶棒116の直径が所定の目標値に良好に維持されることになる。この同定実験により、予め設定された引上げ速度(結晶成長速度)で単結晶棒116が引き上がるときの動作点近傍での入出力データが得られる。ここで、入力データはヒータ温度(融液温度)の操作値uTであり、出力データは引き上げられた単結晶棒116の擬似直径(重量wの微分値)dw/dtであり、いずれも、単結晶棒長さ(又は経過時間)の関数として得られる。
1.1 Identification Experiments Identification experiments can be performed using an open-loop identification system as shown in Fig. 3 in order to grasp the exact dynamic characteristics during pulling. In the identification system shown in FIG. 3, the feedforward compensation signal is output from the feedforward temperature compensator 220 with the pulling speed and the melt temperature PID control removed, and the identification input signal u Ti is manually set. is inputted, the operation value u T next to both signals are added to produce the heater temperature (the melt temperature), the heater temperature (the melt temperature) is operated in accordance with the operation value u T. Then, the pulling speed according to the pulling speed set value which is a nonlinear function of the single crystal bar length (or elapsed time) provided from the pulling speed setting unit 202 similar to that shown in FIG. 116 is pulled up. Here, the feedforward compensation signal is an operation value of a heater temperature (melt temperature) that is empirically obtained and preset in order to control the diameter of the single crystal rod 116 to a predetermined target value. However, it is difficult to satisfactorily maintain the diameter of the single crystal rod 116 at a predetermined target value only with the feedforward compensation signal. Therefore, in order to adjust the feedforward compensation signal to a more appropriate value, the identification input signal uTi is given by manual operation about every hour in the entire pulling process. The magnitude of the identification input signal u Ti is, for example, in the range of −3.0 to +3.0 [° C.]. By the said feed-forward compensation signal and the identification input signal u Ti, the diameter of the pulled up single crystal ingot 116 is to be satisfactorily maintained to a predetermined target value. By this identification experiment, input / output data in the vicinity of the operating point when the single crystal rod 116 is pulled up at a preset pulling rate (crystal growth rate) is obtained. Here, the input data is the operation value u T of the heater temperature (melt temperature), and the output data is the pseudo diameter (differential value of the weight w) dw / dt of the pulled single crystal rod 116. Obtained as a function of single crystal rod length (or elapsed time).

この同定実験で使用されるプロセス条件は、この同定実験の結果に基づいて設計される図2に示した制御システムで使用されるプロセス条件と同じものである。このプロセス条件の具体例を挙げると次のとおりである。引き上げ速度は0.8〜0.4 [mm/min]の範囲で変化し、単結晶棒回転数は6〜15[rpm]の範囲で変化し、アルゴン供給流量は20〜100[l/min]の範囲で変化し、磁場強度は0.1〜0.4[T](=1000〜4000[G])の範囲で変化し、また、坩堝回転速度は0.8〜3[rpm]の範囲で変化する。既に説明したように、引き上げ速度は、固体と液体の界面での温度勾配が適正値になるように予め設定された速度設定値の時系列に従って、引き上げられた単結晶棒の長さ(あるいは経過時間)とともに変化させられる。上記のプロセス条件の数値は一例にすぎず、別の数値のプロセス条件を用いることもでき、以下の説明では採用される1種又はそれ以上の種類のプロセス条件をpi (i=0, 1, 2,・・・)で表す。 The process conditions used in this identification experiment are the same as those used in the control system shown in FIG. 2 designed based on the results of this identification experiment. Specific examples of the process conditions are as follows. The pulling speed varies in the range of 0.8 to 0.4 [mm / min], the single crystal rod rotation speed varies in the range of 6 to 15 [rpm], and the argon supply flow rate is in the range of 20 to 100 [l / min]. The magnetic field strength changes in the range of 0.1 to 0.4 [T] (= 1000 to 4000 [G]), and the crucible rotation speed changes in the range of 0.8 to 3 [rpm]. As already explained, the pulling speed is determined by the length of the single crystal rod pulled up (or the elapsed time) according to a time series of speed setting values set in advance so that the temperature gradient at the solid-liquid interface becomes an appropriate value. Change with time). The numerical values of the above process conditions are only examples, and other numerical values of process conditions can be used. In the following description, one or more types of process conditions adopted are represented by p i (i = 0, 1 , 2, ...).

1・2 モデル構造
上記同定手法を用いて得られるモデルは、制御系設計を考慮したモデルでなくてはならない。これに対して、複雑な非線形性や時変の特性を有する制御対象を、区分的線形システムの集合として記述する手法や、Just-In-Timeモデリング手法、ローカルモデリング手法等が提案されている。非常に複雑な非線形性を有するCZ装置も、次式のように記述することができる。
1.2 Model structure The model obtained using the above identification method must be a model that takes control system design into consideration. On the other hand, a method for describing a control target having complicated nonlinearity and time-varying characteristics as a set of piecewise linear systems, a just-in-time modeling method, a local modeling method, and the like have been proposed. A CZ device with very complex nonlinearities can also be described as:

Figure 0004955237
ここで、G(s)は制御対象200の伝達関数である。k0{・}、 T{・}、 L{・}は、それぞれ制御対象200のプロセスゲイン、時定数、むだ時間である。Δk0、 ΔT、 ΔLは、各システムパラメータの不確かさであり、γk0、γT、γLによって上界値が定義される。l(t)は引き上げられた単結晶棒116の長さ、pi (i=0, 1, 2,・・・)はプロセス条件、tは時間である。引き上げ速度のPID制御を除去した状態では、単結晶棒116の長さl(t) は予め時間の関数として与えられる。これより、(1)式は、時変系と考えることができる。
Figure 0004955237
Here, G (s) is a transfer function of the controlled object 200. k 0 {•}, T {•}, and L {•} are the process gain, time constant, and dead time of the control target 200, respectively. Δk 0 , ΔT, ΔL are the uncertainties of each system parameter, and the upper bound value is defined by γ k0 , γ T , γ L. l (t) is the length of the pulled single crystal rod 116, p i (i = 0, 1, 2,...) is the process condition, and t is the time. In a state where the PID control of the pulling rate is removed, the length l (t) of the single crystal rod 116 is given in advance as a function of time. From this, equation (1) can be considered as a time-varying system.

1・3 拡大最小2乗法の適用
未知外乱の存在する状況下での時変システムパラメータの同定手法として、忘却係数を用いた逐次型の拡大最小二乗法を用いることができる。ただし、入力であるヒータ温度(融液温度)の指令値uTは、種しぼりにおいて無転位になったときの温度(一定値;単結晶棒育成の初期温度;肩開始温度)を平衡点とする。γk0、γT、γLによって定義される不確かさの上界値は、それぞれ0.25(25[%])程度である。
1.3 Application of extended least square method As an identification method of time-varying system parameters in the presence of unknown disturbances, it is possible to use a sequential extended least square method using a forgetting factor. However, the command value u T of the heater temperature is input (melt temperature), the temperature at which became dislocation in squeezing seeds and equilibrium point (fixed value; shoulder start temperature; initial temperature of the single crystal ingot grown) To do. The upper bounds of the uncertainties defined by γ k0 , γ T and γ L are about 0.25 (25 [%]), respectively.

2. 非線形状態予測スライディングモード制御
CZ機の大きなむだ時間と非線形性に対して、従来のPID制御に基づく制御手法では、ヒータ温度(融液温度)の制御だけで高い直径制御性能を実現できない。また、従来の制御手法は、異なるオペレータ間の運転技術の違いや、異なるCZ機間の性能差や、様々なプロセス条件の違いに対するロバスト性及び適応性が低い。そこで、この実施形態では、外乱やモデル化誤差に対して高いロバスト性及び適応性をもつSMCを応用して、非線形モデルに基づき予測した無駄時間後の状態を切換超平面に拘束するような非線形状態予測SMCを採用する。
2. Nonlinear state prediction sliding mode control
In contrast to the large dead time and nonlinearity of CZ machines, the conventional control method based on PID control cannot achieve high diameter control performance only by controlling the heater temperature (melt temperature). In addition, the conventional control method has low robustness and adaptability to the difference in operation technology between different operators, the difference in performance between different CZ machines, and the difference in various process conditions. Therefore, in this embodiment, an SMC having high robustness and adaptability to disturbances and modeling errors is applied, and a nonlinear state that constrains the state after the dead time predicted based on the nonlinear model to the switching hyperplane. Adopt state prediction SMC.

2・1 制御対象の記述
SMCの観測ノイズによって生じるチャタリングを低減するため、不確かさを除去した前述の(1)式に対して、次式のように2つのローパスフィルタを付加する。
2.1 Description of control target
In order to reduce chattering caused by SMC observation noise, two low-pass filters are added to the above equation (1) from which uncertainty has been removed as shown in the following equation.

Figure 0004955237
ここで、Lf1は、計測された重量を擬似直径に変換する不完全微分のローパスフィルタ(図2に示したブロック204)の時定数である。Lf2は、後述の非線形状態予測器の内部に設けられたローパスフィルタの時定数である。
Figure 0004955237
Here, Lf1 is a time constant of an incomplete differential low-pass filter (block 204 shown in FIG. 2) that converts the measured weight into a pseudo diameter. Lf2 is a time constant of a low-pass filter provided in a nonlinear state predictor described later.

上述した同定実験の結果から得られるプロセスゲインk0{l(t), pi}、時定数T{l(t), pi}及びむだ時間L{l(t), pi}は、例えば図4に示すような特性を示す(それぞれの縦軸は、それぞれの数値の所定の可変範囲に対する百分率で表してある)。図4において、単結晶棒長さl(t)が50mmに満たない引上げ初期の領域(ハッチングを付した領域)は、最小二乗法の計算途中の段階であるため信頼できず、50mmを越えた領域での同定結果が信頼できるものである。また、破線で示した位置(例えばl(t)=約120mm)は、直胴部の形成が開始される位置である。図4からわかるように、プロセスゲインk0{l(t), pi}は単結晶棒長さl(t)に応じて変化し、とりわけ、単結晶棒116の肩部から直胴部の前部までの間(例えばl(t)=0−約300mm)に顕著に変化する。すなわち、プロセスゲインk0{l(t), pi}は、肩部を育成する過程では、直胴部に入る少し手前の位置までは低下し、その後に上昇して直胴部の前部が育成され終わった段階(例えば、l(t)=約300mm)以降はほぼ一定値とみなすことができる。ここで、プロセスゲインk0{l(t), pi}の直胴部での変化は、引上速度の変化に伴うものと考えられる。また、時定数T {l(t), pi}は、肩部の育成過程では上昇し、直胴部に入った後はほぼ一定値とみなすことができる。また、むだ時間L{l(t), pi}は、終始、単結晶棒長さl(t)に依存しない一定値Ld{pi}とみなすことができる。なお、図4に示したプロセスゲインk0{l(t), pi}、時定数T{l(t), pi}及びむだ時間L{l(t), pi}の特性は一つの例示にすぎず、制御対象やプロセス条件などが異なればそれらの特性は異なってくる。例えば、むだ時間L{l(t), pi}も、一定値ではなく、プロセスゲインk0{l(t), pi}や時定数T{l(t), pi}と同様に、或る時変特性をもつ場合があり得る。あるいは、プロセスゲインk0{l(t), pi}または時定数T{l(t), pi}が一定とみなせる場合もあり得る。 The process gain k 0 {l (t), pi}, the time constant T {l (t), pi} and the dead time L {l (t), pi} obtained from the result of the identification experiment described above are shown in FIG. (Each vertical axis is expressed as a percentage of a predetermined variable range of each numerical value). In FIG. 4, the initial pulling area (hatched area) where the single crystal rod length l (t) is less than 50 mm is in the middle of the calculation of the least square method and is not reliable and exceeds 50 mm. The identification result in the region is reliable. A position indicated by a broken line (for example, l (t) = about 120 mm) is a position where the formation of the straight body portion is started. As can be seen from FIG. 4, the process gain k 0 {l (t), pi} varies depending on the length of the single crystal rod l (t), and in particular, from the shoulder of the single crystal rod 116 to the front of the straight body portion. It changes remarkably in the interval (for example, l (t) = 0−about 300 mm). In other words, the process gain k 0 {l (t), pi} decreases to a position just before entering the straight body part in the process of growing the shoulder part, and then rises to increase the front part of the straight body part. After the stage of growth (for example, l (t) = about 300 mm), it can be regarded as a substantially constant value. Here, it is considered that the change in the straight body portion of the process gain k 0 {l (t), pi} is accompanied by the change in the pulling speed. Further, the time constant T {l (t), pi} rises during the shoulder growing process, and can be regarded as a substantially constant value after entering the straight body part. In addition, the dead time L {l (t), pi} can be regarded as a constant value Ld {pi} that does not depend on the single crystal rod length l (t) throughout. The characteristics of the process gain k 0 {l (t), pi}, the time constant T {l (t), pi} and the dead time L {l (t), pi} shown in FIG. However, if the control target and process conditions are different, their characteristics will be different. For example, the dead time L {l (t), pi} is not a constant value, but is similar to the process gain k 0 {l (t), pi} and the time constant T {l (t), pi}. It can have time-varying characteristics. Alternatively, the process gain k 0 {l (t), pi} or the time constant T {l (t), pi} may be considered constant.

(2)式を正準系の状態方程式に書き換えると次の(3)−(6)式のようになる。ただし、プロセス条件piは既知であるため、ここでは、k0{l(t), pi}≡k0(t)、T{l(t), pi} ≡T(t)、Ld{pi}≡Ldと表す。 Rewriting equation (2) into a canonical system equation of state gives the following equations (3)-(6). However, since the process condition pi is known, here k 0 {l (t), pi} ≡k 0 (t), T {l (t), pi} ≡T (t), Ld {pi} ≡Ld.

Figure 0004955237
2・2 制御系設計
まず、定常偏差を除去するために、(3)式の状態変数x(t)に目標値r(t)と出力y(t)との差の積分値z(t)を付加した拡張状態変数xs(t)を用いる1型サーボ系(拡大系)を以下のように構成する。
Figure 0004955237
2.2 Control system design A type 1 servo system (enlarged system) using the extended state variable x s (t) with the added is configured as follows.

Figure 0004955237
つぎに、(7)式を用いて、等価制御系を設計する。むだ時間Ldが存在する場合、等価制御系は、一般に無限個の極をもち、後述するSでそれらすべてを調整することができない。そこで、(7)式の時間を無駄時間Ldだけ進めた次式を用いて等価制御系を設計する。
Figure 0004955237
Next, an equivalent control system is designed using equation (7). When the dead time Ld exists, the equivalent control system generally has an infinite number of poles and cannot adjust all of them with S described later. Therefore, an equivalent control system is designed using the following equation obtained by advancing the time of equation (7) by the dead time Ld.

Figure 0004955237
ここで、時間をLdだけ進めた切換関数σ(t+Ld)は、次式のように定義する。
Figure 0004955237
Here, the switching function σ (t + Ld) in which the time is advanced by Ld is defined as the following equation.

Figure 0004955237
連続時間系のスライディングモードにおいては、
Figure 0004955237
In continuous time sliding mode,

Figure 0004955237
から、等価制御入力ueq(t)は外乱を考慮しないとすれば、
Figure 0004955237
Therefore, if the equivalent control input ueq (t) does not consider disturbance,

Figure 0004955237
となり、等価制御系は次式で表される。
Figure 0004955237
Thus, the equivalent control system is expressed by the following equation.

Figure 0004955237
切換超平面の設計には、等価制御系の入力の数だけ低次元化された3次元システムの極λ1、 λ2、 λ3を希望の特性に指定することができる極配置法を適用する。このとき、閉ループ系の特性方程式は、s3+S3s2+S2s-S1=0となる。ここで注目すべきことは、この特性方程式は時変システムパラメータを含まず、容易に設計可能である。
Figure 0004955237
For the design of the switching hyperplane, a pole placement method is applied in which the poles λ1, λ2, and λ3 of the three-dimensional system reduced in number by the number of inputs of the equivalent control system can be designated as desired characteristics. At this time, the characteristic equation of the closed loop system is s 3 + S3s 2 + S2s−S1 = 0. It should be noted that this characteristic equation does not include time-varying system parameters and can be easily designed.

最後に、スライディングモードコントローラを設計する。制御入力u(t)は、次式のように等価制御入力ueq(t)と非線形制御入力unl(t)の2つの独立した制御入力から構成されているとする。   Finally, design a sliding mode controller. The control input u (t) is assumed to be composed of two independent control inputs, an equivalent control input ueq (t) and a nonlinear control input unl (t) as in the following equation.

Figure 0004955237
SBs(t+Ld)>0のときK>0、SBs(t+Ld)<0のときK<0と選べば、時間をLdだけ進めたスライディングモードが存在する条件
Figure 0004955237
If K> 0 when SBs (t + Ld)> 0, and K <0 when SBs (t + Ld) <0, there is a condition that there is a sliding mode that advances the time by Ld

Figure 0004955237
を満足する。
Figure 0004955237
Satisfied.

2・3 非線形状態予測器
(3)式のように表される非線形プロセスの無駄時間Ldだけ先の状態は、以下のように導出することができる。
2.3 Nonlinear state predictor
The state ahead by the dead time Ld of the nonlinear process expressed by the equation (3) can be derived as follows.

Figure 0004955237
(18)式の両辺を時間t〜t+Ldで積分すると、次式のようになる。
Figure 0004955237
When both sides of equation (18) are integrated at time t to t + Ld, the following equation is obtained.

Figure 0004955237
これより、時間Ldだけ先の状態をxM(t+Ld)とすると、
Figure 0004955237
From this, if the state ahead by time Ld is xM (t + Ld),

Figure 0004955237
となる。ただし、(20)式は、システムパラメータの変化の仕方が予めわかっているという前提のもとで導出された式である。さらに、(20)式に対して、現時刻tでの実測値x(t)と予測値xM(t)との差を用いて、モデル化誤差や外乱等の影響を補正する。これより、10分以上の大きなむだ時間を有する実プロセスにも適用が可能となる。
Figure 0004955237
It becomes. However, Expression (20) is an expression derived on the assumption that the method of changing the system parameters is known in advance. Further, with respect to the equation (20), the influence of modeling error, disturbance, etc. is corrected using the difference between the actual measurement value x (t) and the predicted value xM (t) at the current time t. Thus, it can be applied to an actual process having a large dead time of 10 minutes or more.

Figure 0004955237
ただし、(21)式の実測値x(t)と予測値xM(t)との差に対しては、実プロセスに適用した際の観測ノイズやモデル化誤差に対するロバスト安定性を高めるため、むだ時間Ldよりも十分大きな時定数のローパスフィルタを適用する。
Figure 0004955237
However, the difference between the measured value x (t) and the predicted value xM (t) in Eq. (21) is a waste because it increases robust stability against observation noise and modeling errors when applied to an actual process. A low-pass filter having a time constant sufficiently larger than the time Ld is applied.

以上のようにして設計される非線形状態予測SMCの制御システムが、既に説明した図2に示したものである。図2の制御システムにおいて、擬似直径の目標値r(t+Ld)、引上げ速度の設定値urは、単結晶棒長さl(t)(又は引上げ開始からの経過時間t)の非線形関数として、予めコントローラ104に設定されコントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。単結晶棒長さl(t)は、引上げ開始からの経過時間tの関数として、予めコントローラ104に設定されコントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。プロセスゲインk0{l(t), pi}及び時定数T {l(t), pi}も、単結晶棒長さl(t)(又は引上げ開始からの経過時間t)の非線形関数として、予めコントローラ104に設定されコントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。むだ時間L{l(t), pi}も、単結晶棒長さl(t)(又は引上げ開始からの経過時間t)の非線形関数とすることができるが、この実施形態では、一定値Ld{pi}として、予めコントローラ104に設定されコントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。プロセス条件piも、単結晶棒長さl(t)(又は引上げ開始からの経過時間t)の非線形関数として(或いは、一部のプロセス条件変数は一定値である場合もある)予めコントローラ104に設定されコントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。 The non-linear state prediction SMC control system designed as described above is shown in FIG. In the control system of FIG. 2, the target value r (t + Ld) of the pseudo diameter and the set value u r of the pulling speed are a nonlinear function of the single crystal rod length l (t) (or the elapsed time t from the start of pulling). Is preset in the controller 104 and stored in the memory 104A in the controller 104. The single crystal rod length l (t) is set in advance in the controller 104 and stored in the memory 104A in the controller 104 as a function of the elapsed time t from the start of pulling. The process gain k 0 {l (t), pi} and the time constant T {l (t), pi} are also expressed as a nonlinear function of the single crystal rod length l (t) (or elapsed time t from the start of pulling), It is set in advance in the controller 104 and stored in the memory 104A in the controller 104. The dead time L {l (t), pi} can also be a non-linear function of the single crystal rod length l (t) (or the elapsed time t from the start of pulling), but in this embodiment, a constant value Ld {pi} is set in advance in the controller 104 and stored in the memory 104A in the controller 104. The process condition pi is also stored in advance in the controller 104 as a nonlinear function of the single crystal rod length l (t) (or the elapsed time t from the start of pulling) (or some process condition variables may be constant values). It is set and stored in the memory 104 A in the controller 104.

図2に示した制御システムは、単結晶棒116の重量wを制御するのではなく、擬似直径dw/dtを制御する。制御したいのは直径であり、重量の積分特性による位相の遅れを微分要素で進めて安定性を高めるため、このような擬似直径制御系が採用される。なお、引上げ初期の単結晶棒直径が小さい(例えば、40mm以下)のときには、重量wを微分して直径を精度良く把握することが困難であるため、代わりに、図1に示した光学的な直径計測器138で直径を把握することができる。また、この制御システムでは、引上げ速度のPID制御と実験結果から経験的に求めなければならない融液温度のフィードフォワード補償は除去される。SMCは、希望の特性を切換超平面として設計すれば、制御対象は等価的に希望の特性に拘束され適応していく。これより、希望の目標値応答を1自由度制御系にて容易に得ることができ、ヒータ温度(融液温度)のフィードフォワード補償は除去できる(因みに、H∞制御等では、2自由度制御系を要する)。   The control system shown in FIG. 2 does not control the weight w of the single crystal rod 116 but controls the pseudo diameter dw / dt. It is the diameter to be controlled, and such a pseudo-diameter control system is employed in order to increase the stability by advancing the phase lag due to the integral characteristic of the weight by the differential element. When the diameter of the single crystal rod at the initial stage of pulling is small (for example, 40 mm or less), it is difficult to differentiate the weight w and accurately grasp the diameter. Instead, the optical crystal shown in FIG. The diameter can be grasped by the diameter measuring instrument 138. This control system also eliminates feed-forward compensation for melt temperature, which must be determined empirically from PID control of pulling speed and experimental results. If the desired characteristic is designed as a switching hyperplane, the SMC is equivalently constrained and adapted to the desired characteristic. As a result, the desired target value response can be easily obtained with a one-degree-of-freedom control system, and feed-forward compensation of the heater temperature (melt temperature) can be eliminated. System required).

図5は、図2に示した制御システムの動作試験で得られた制御結果の一例を示す。なお、図5AとBの縦軸は、それぞれの変量の所定の変化範囲に対する百分率で表してあり、図5Cの縦軸は、直胴部の目標直径Dとの対比で示してある。   FIG. 5 shows an example of the control result obtained in the operation test of the control system shown in FIG. 5A and 5B is expressed as a percentage of a predetermined change range of each variable, and the vertical axis in FIG. 5C is shown in comparison with the target diameter D of the straight body portion.

図5Aにおいて、実線グラフは単結晶棒116の成長に伴う引上げ速度の変化を示し、一点鎖線グラフは坩堝回転速度の変化を示す。引上げ速度は、肩部の育成過程の前半では一定であったが、後半に入って直胴部に入る位置より若干手前の所定位置から、それ以降は、単結晶棒長さlの増加に伴い徐々に低下させられた。また、坩堝回転速度は、肩部の育成過程の前半では一定であったが、上述した直胴部に入る位置より若干手前の所定位置から、単結晶棒長さlの増加に伴い徐々に増加させられ、そして、単結晶棒長さlが所定値に達すると(例えば、約300mmであり、これは、図4Aに示したプロセスゲインk0がほぼ一定値になる位置とほぼ一致する)、それ以後は一定値に維持された。この引上げ速度の変化は、前述したように、単結晶棒116の個体と融液112の液体との界面での温度勾配を適正値する維持するように予め設定された速度設定値に従ったものである。単結晶棒116が長くなるにつれて、上方への熱の逃げが少なくなり温度勾配が小さくなるが、それを補うために、図示のように引上げ速度を低下させる。 In FIG. 5A, the solid line graph shows a change in pulling speed accompanying the growth of the single crystal bar 116, and the alternate long and short dash line graph shows a change in crucible rotation speed. The pulling speed was constant during the first half of the shoulder growth process, but from a predetermined position slightly before the position where it entered the straight body part in the second half, and thereafter, as the length l of the single crystal rod increased. It was gradually lowered. In addition, the crucible rotation speed was constant in the first half of the shoulder growth process, but gradually increased as the length of the single crystal rod l increased from a predetermined position slightly before the position where the straight body was entered. And when the single crystal rod length l reaches a predetermined value (for example, about 300 mm, which substantially coincides with the position where the process gain k 0 shown in FIG. 4A is substantially constant). After that, it was kept constant. As described above, the change in the pulling speed is in accordance with a speed setting value set in advance so as to maintain the temperature gradient at the interface between the single crystal rod 116 and the liquid of the melt 112 at an appropriate value. is there. As the single crystal rod 116 becomes longer, the upward heat escape becomes smaller and the temperature gradient becomes smaller. In order to compensate for this, the pulling speed is reduced as shown in the figure.

図5Bに示すように、ヒータ温度(融液温度)は、引上げ開始から低下させられていったが、肩部の形成過程の後半で一時的に上昇させられ、上述した直胴部に入る位置より若干手前の所定位置で極大値となり、その後再び低下させられた。そして、単結晶棒長さlが上記所定値に達すると(例えば、約300mm)、ヒータ温度(融液温度)は、徐々に増加させられた。このようなヒータ温度(融液温度)の変化により、図5Cに示すように、単結晶棒直径が目標値に精度良く制御され、特に直胴部では、直胴部での目標値Dとほぼ同じ値でほぼ一定に制御された。   As shown in FIG. 5B, the heater temperature (melt temperature) has been lowered from the start of pulling, but is temporarily raised in the latter half of the shoulder formation process, and enters the above-described straight body portion. It reached a maximum at a predetermined position slightly before, and then decreased again. When the length l of the single crystal rod reached the predetermined value (for example, about 300 mm), the heater temperature (melt temperature) was gradually increased. Due to such a change in heater temperature (melt temperature), the single crystal rod diameter is accurately controlled to the target value as shown in FIG. 5C. In particular, in the straight body portion, the target value D in the straight body portion is almost the same. It was controlled almost constant at the same value.

また、上記の制御結果からわかるように、引上げ速度は肩部か直胴部の全域において、所定の適正値の近傍範囲に維持され、そして、固体と液体の界面の温度勾配もほぼ適正値に維持される。その結果、直胴部の結晶品質も良好なものとなる。すなわち、一般的に、引上げ速度をV、上記界面の温度勾配をGとすると、例えばシリコンの単結晶棒116の場合、単結晶棒116内の結晶欠陥の密度は、V/Gによって決まることが知られている。上記制御結果によれば、直胴部でのV/Gは大きく変動せずに適正値近傍に安定的に維持されるので、結晶欠陥の密度の変動が小さく、結晶品質が良好になる。   Further, as can be seen from the above control results, the pulling speed is maintained in the vicinity of a predetermined appropriate value in the entire region of the shoulder portion or the straight body portion, and the temperature gradient at the interface between the solid and the liquid is also substantially appropriate. Maintained. As a result, the crystal quality of the straight body part is also good. That is, generally, when the pulling rate is V and the temperature gradient of the interface is G, for example, in the case of a silicon single crystal rod 116, the density of crystal defects in the single crystal rod 116 is determined by V / G. Are known. According to the above control result, V / G in the straight body portion is not fluctuated greatly and is stably maintained in the vicinity of the appropriate value, so that variation in the density of crystal defects is small and crystal quality is improved.

図6は、この実施形態において図2の構成に代えて採用することができる制御システムの変形例を示す。なお、図6に示す制御システムにおいても、上述した引上げ速度やその他の変数からなるプロセス条件は、図2に示した制御システムと同様に制御される。   FIG. 6 shows a modification of the control system that can be employed in this embodiment instead of the configuration of FIG. In the control system shown in FIG. 6 as well, the process conditions including the above-described pulling speed and other variables are controlled in the same manner as in the control system shown in FIG.

図6に示された制御システムは、上述した非線形状態予測SMCに代えて、ゲインスケジュールドPID制御を使用する。すなわち、この制御システムでは、制御対象(CZ機)200から検出される単結晶棒重量wと、予めコントローラ104に設定されメモリ104Aに記憶されている単結晶棒重量目標値wrefにローパスフィルタ230を適用した後の重量目標値とが、減算器232に入力されて、重量偏差eが計算され、その重量偏差に不完全微分器234が適用されて擬似直径偏差が計算される。そして、その擬似直径偏差に対して、ゲインスケジュールドPID制御器236が適用される。ゲインスケジュールドPID制御器236の比例ゲインKp、積分ゲインTI及び微分ゲインTpは、それぞれ、図4に例示した制御対象200がもつ単結晶棒長さl(t)(又は経過時間)に応じて変化するプロセスゲインk0(t)、時定数T(t)、及び無駄時間L(t)(前述したように、無駄時間L(t)は一定値Ldとみなせる)に基づいて、単結晶棒長さl(t) (又は経過時間)の関数として予め決定され、コントローラ104に設定され、コントローラ104内のメモリ104Aに記憶されている。ゲインスケジュールドPID制御器236は、単結晶棒長さl(t) (又は経過時間)に応じて変化するゲインKp、TI、Tpを用いてPID演算を行なう。なお、これら3つの制御ゲインのうち、比例ゲインKpだけを単結晶棒長さl(t) (又は経過時間)の関数として設定し、積分と微分のゲインTI、Tpには一定値を設定してもよい。 The control system shown in FIG. 6 uses gain scheduled PID control instead of the above-described nonlinear state prediction SMC. That is, in this control system, the single crystal bar weight w detected from the control target (CZ machine) 200 and the single crystal bar weight target value w ref previously set in the controller 104 and stored in the memory 104A are reduced to the low pass filter 230. The weight target value after applying is input to the subtractor 232, the weight deviation e is calculated, and the incomplete differentiator 234 is applied to the weight deviation to calculate the pseudo diameter deviation. Then, a gain scheduled PID controller 236 is applied to the pseudo diameter deviation. The proportional gain K p , integral gain T I, and differential gain T p of the gain scheduled PID controller 236 are the single crystal rod length l (t) (or elapsed time) of the controlled object 200 illustrated in FIG. Based on the process gain k 0 (t), the time constant T (t), and the dead time L (t) (which is considered to be a constant value Ld as described above) It is determined in advance as a function of the single crystal rod length l (t) (or elapsed time), set in the controller 104, and stored in the memory 104 </ b> A in the controller 104. The gain scheduled PID controller 236 performs PID calculation using gains K p , T I and T p that change according to the single crystal rod length l (t) (or elapsed time). Among these three control gain, proportional gain K p only was set as a function of the single crystal ingot length l (t) (or elapsed time), integral and differential gain T I, the T p a constant value May be set.

ゲインスケジュールドPID制御器236から出力されるPID演算結果値と、フィードフォワード温度補償器220から出力される温度補償値とが、加算器238で加算され、その加算値がヒータ温度(融液温度)の操作値uTとして制御対象(CZ機)200に印加される。ここで、フィードフォワード温度補償器220は、図3に示された同定システムで用いられたフィードフォワード温度補償器220と同様なものであり、予め経験的に求められて設定されている、単結晶棒長さl(t) (又は経過時間)に応じて変化する温度補償値を出力する。フィードフォワード温度補償器220から出力される温度補償値だけでは単結晶棒重量wを重量標値wrefに一致させ得ないところを、ゲインスケジュールドPID制御器236が補なうことにより、単結晶棒重量wが重量標値wrefにより精度良く制御されることになる。 The PID calculation result value output from the gain scheduled PID controller 236 and the temperature compensation value output from the feedforward temperature compensator 220 are added by an adder 238, and the added value is the heater temperature (melt temperature). ) of the controlled object as the operation value u T (applied to CZ machine) 200. Here, the feedforward temperature compensator 220 is the same as the feedforward temperature compensator 220 used in the identification system shown in FIG. 3, and is a single crystal obtained and set in advance by experience. A temperature compensation value that changes according to the rod length l (t) (or elapsed time) is output. The gain scheduled PID controller 236 compensates for the fact that the single crystal bar weight w cannot be matched with the weight standard value w ref only by the temperature compensation value output from the feedforward temperature compensator 220, whereby the single crystal The rod weight w is accurately controlled by the weight mark value w ref .

図7は、図6に示した制御システムによって実際に行われた制御動作の結果の一例を示す。なお、図7AとBの縦軸は、それぞれの変量の所定の変化範囲に対する百分率で表してあり、図7Cの縦軸は、直胴部の目標直径Dとの対比で示してある。   FIG. 7 shows an example of the result of the control operation actually performed by the control system shown in FIG. 7A and 7B represents the percentage of each variable with respect to a predetermined change range, and the vertical axis in FIG. 7C represents the comparison with the target diameter D of the straight body portion.

図7Aに示すように、ゲインスケジュールドPID制御器236の比例ゲインKpは、引上げ開始から単結晶棒長さlが前述した所定値(例えば300mm)になるまでの間(つまり、図4Aに示したプロセスゲインk0、が変動している間)は増加させられ、その後(つまり、図4Aに示したプロセスゲインk0、がほぼ一定値に安定した後)には、一定値に維持された。図7Bに示すように、ヒータ温度は、引上げ開始から低下させられていったが、肩部の形成過程の後半で一時的に上昇させられ、直胴部に入る位置より若干手前の所定位置で極大値となり、その後再び低下させられ、そして、単結晶棒長さlが上記所定値に達した後は、徐々に増加させられた。この変化の仕方は、図5Bに示した非線形状態予測SMCによるヒータ温度の変化の仕方と基本的に同様であった。その結果、図7Cに示すように、単結晶棒直径は良好に制御された。ただし、図5Cと比較してわかるように、非線形状態予測SMCの方が、より優れた直径の制御性が得られた。 As shown in FIG. 7A, the proportional gain K p of the gain scheduled PID controller 236 is from the start of pulling until the single crystal rod length l reaches the predetermined value (for example, 300 mm) (that is, in FIG. 4A). (While the indicated process gain k 0 is fluctuating) is increased and thereafter maintained at a constant value (ie after the process gain k 0 shown in FIG. 4A has stabilized to a substantially constant value). It was. As shown in FIG. 7B, the heater temperature was lowered from the start of pulling up, but it was temporarily raised in the second half of the shoulder formation process, and at a predetermined position slightly before the position where it enters the straight body section. The maximum value was reached and then decreased again, and after the single crystal rod length l reached the predetermined value, it was gradually increased. The manner of this change was basically the same as the way of changing the heater temperature by the nonlinear state prediction SMC shown in FIG. 5B. As a result, as shown in FIG. 7C, the single crystal rod diameter was well controlled. However, as can be seen from comparison with FIG. 5C, the non-linear state prediction SMC obtained better controllability of the diameter.

この制御結果によって、引上げ速度をV、上記界面の温度勾配をGとしたときのV/Gは直胴部において大きく変動せずに適当値近傍に安定的に維持されるので、単結晶棒116の結晶品質は良好である。   According to this control result, V / G when the pulling speed is V and the temperature gradient of the interface is G is stably maintained in the vicinity of an appropriate value without largely fluctuating in the straight body portion. The crystal quality of is good.

以上、本発明の一実施形態を説明したが、これは例示に過ぎず、これに様々な変形を適用することもできる。例えば、上述の実施形態のようにフィードバック制御によりヒータ温度(融液温度)を制御する方法に代えて、図5B又は図7Bに例示したようなヒータ温度(融液温度)の変化のパターンを、単結晶棒長さ又は経過時間の関数として設定しておき、この温度設定値に従って単結晶棒長さ又は経過時間に応じてヒータ温度(融液温度)を変化させるような制御方法を採用することもできる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this is only an illustration and various deformation | transformation can also be applied to this. For example, instead of the method of controlling the heater temperature (melt temperature) by feedback control as in the above-described embodiment, the heater temperature (melt temperature) change pattern illustrated in FIG. 5B or FIG. A control method is adopted in which the temperature is set as a function of the single crystal rod length or elapsed time, and the heater temperature (melt temperature) is changed according to the single crystal rod length or elapsed time according to this temperature set value. You can also.

また、本発明に従う制御システムの制御対象は、上述した単結晶引上装置だけに限られるわけではなく、無駄時間及び/又は時変特性をもつ他の様々な制御対象にも適用が可能であることは言うまでもない。例えば、通信ネットワークを通じてロボットや作業機械のマニピュレータを遠隔操作するシステムでは、通信ネットワークの通信遅延や、油圧回路の応答遅延などが、無駄時間として存在する。このようなマニピュレータ操作システムにも本発明の制御システムは好適である。あるいは、半導体製造工程のシリコンウェハ洗浄法として広く使われている米国RCA(Radio Corporation of America)開発にかかるRCA洗浄システムでは、洗浄液の温度制御において大きい無駄時間や非線形時変特性が存在する。このRCA洗浄システムにも本発明の制御システムは好適である。   In addition, the control target of the control system according to the present invention is not limited to the single crystal pulling apparatus described above, and can be applied to various other control targets having dead time and / or time-varying characteristics. Needless to say. For example, in a system that remotely controls a manipulator of a robot or work machine via a communication network, communication delay of the communication network, response delay of the hydraulic circuit, etc. exist as dead time. The control system of the present invention is also suitable for such a manipulator operating system. Alternatively, in the RCA cleaning system for RCA (Radio Corporation of America) development widely used as a silicon wafer cleaning method in a semiconductor manufacturing process, there is a large dead time and nonlinear time-varying characteristics in temperature control of the cleaning liquid. The control system of the present invention is also suitable for this RCA cleaning system.

図8は、本発明に従う非線形状態予測SMC法による制御システムの汎用的な全体構成を示す。   FIG. 8 shows a general-purpose overall configuration of a control system based on the nonlinear state prediction SMC method according to the present invention.

図8において、ブロック300は制御対象(上述したように、様々なシステムであり得る)を示す。制御システムは、ブロック302〜308を有する。制御対象300のシステムパラメータ(プロセスゲイン、時定数、無駄時間など)をそれぞれ表すシステムパラメータ設定値と、制御目標値とが、この制御システムに予め記憶されている。これらのシステムパラメータ設定値と制御目標値のすべてが、それぞれ制御対象300に応じた所定の時変特性をもつように、例えば経過時間又は制御の進捗状況を示す所定の変数の関数として、設定されることができる(勿論、一部のシステムパラメータが一定値に設定されてよい場合もあり得る)。非線形状態予測器302は、制御対象300の出力値y(t)と入力値u(t)とを入力して、予め記憶されているシステムパラメータの設定値を用いて、現時刻tから所定の無駄時間L(t)経過後の将来時刻{t+L(t)}における所定の状態変数ベクトルx{t+L(t)}を予測計算する。ここで、状態変数ベクトルx(t)には、制御対象300の出力値y(t)と、出力値y(t)の時間による1階からN階までの微分値が含まれ得る。   In FIG. 8, block 300 shows the controlled object (which can be various systems as described above). The control system has blocks 302-308. System parameter setting values each representing system parameters (process gain, time constant, dead time, etc.) of the control target 300 and control target values are stored in advance in this control system. These system parameter set values and control target values are all set as functions of predetermined variables indicating, for example, elapsed time or control progress so as to have predetermined time-varying characteristics corresponding to the controlled object 300, respectively. (Of course, some system parameters may be set to constant values). The non-linear state predictor 302 inputs the output value y (t) and the input value u (t) of the control object 300, and uses a preset value of the system parameter stored in advance, to determine a predetermined value from the current time t. A predetermined state variable vector x {t + L (t)} at a future time {t + L (t)} after the dead time L (t) has elapsed is predicted and calculated. Here, the state variable vector x (t) can include the output value y (t) of the controlled object 300 and the differential values from the first floor to the Nth floor according to the time of the output value y (t).

減算器304は、非線形状態予測器302で予測された将来時刻{t+L(t)}における出力値y{t+L(t)}と、将来時刻{t+L(t)})における制御目標値r{t+L(t)}とを入力して、両者間の偏差e{t+L(t)}を計算する。積分器306は、減算器306からの偏差e{t+L(t)}を入力して、この偏差e(t+Ld)を時間で積分して、制御開始から現時刻までの間に減算器304から出力された偏差e{t+L(t)}の積分値z{t+L(t)}を求める。 The subtractor 304 outputs the output value y {t + L (t)} at the future time {t + L (t)} predicted by the nonlinear state predictor 302 and the future time {t + L (t)}). The control target value r {t + L (t)} is input, and a deviation e {t + L (t)} between them is calculated. The integrator 306 inputs the deviation e {t + L (t)} from the subtractor 306, integrates the deviation e (t + L d ) with time, and starts from the control start to the current time. An integral value z {t + L (t)} of the deviation e {t + L (t)} output from the subtractor 304 is obtained.

ゲインスケジュールドSMC器308は、非線形状態予測器302からの将来時刻{t+L(t)}における状態変数ベクトルx{t+L(t)}と、積分器306からの偏差e{t+L(t)}の積分値z{t+L(t)}とを入力し、将来時刻{t+L(t)}での状態変数ベクトルx{t+L(t)}に偏差積分値z{t+L(t)}が追加された拡張された状態変数を用い、予め記憶されているシステムパラメータの将来時刻{t+L(t)}での設定値(プロセスゲイン設定値k0{t+L(t)}、時定数設定値T{t+L(t)}、無駄時間設定値L{t+L(t)} )を用いて、1型サーボ系のSMC動作を実行する。それにより、将来時刻{t+L(t)}での状態変数ベクトルx{t+L(t)}がスライディングディングモードに拘束される。このSMC動作により、現在の操作値u(t)が決定されて制御対象300に印加される。 The gain scheduled SMC unit 308 includes a state variable vector x {t + L (t)} at a future time {t + L (t)} from the nonlinear state predictor 302 and a deviation e {t + from the integrator 306. Enter the integral value z {t + L (t)} of L (t)} and the deviation integral value at the state variable vector x {t + L (t)} at the future time {t + L (t)} Using the expanded state variable to which z {t + L (t)} is added, the system parameter value stored in advance at the future time {t + L (t)} (process gain setting value k 0 Execute SMC operation of type 1 servo system using {t + L (t)}, time constant set value T {t + L (t)}, dead time set value L {t + L (t)}) To do. Thereby, the state variable vector x {t + L (t)} at the future time {t + L (t)} is constrained to the sliding mode. By this SMC operation, the current operation value u (t) is determined and applied to the controlled object 300.

本発明の範囲は、上述した実施形態にのみ限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。   The scope of the present invention is not limited to the embodiment described above. The present invention can be implemented in various other modes without departing from the gist thereof.

本発明の一実施形態が適用された単結晶製造装置の全体構成を示す図。The figure which shows the whole structure of the single-crystal manufacturing apparatus with which one Embodiment of this invention was applied. コントローラ104により行われる融液温度の非線形状態予測スライディングモード制御のための制御システムの全体構成を示すブロック線図。The block diagram which shows the whole structure of the control system for the nonlinear state prediction sliding mode control of the melt temperature performed by the controller 104. FIG. 制御対象200のモデリングのための同定システムの構成を示すブロック線図。The block diagram which shows the structure of the identification system for modeling of the control object 200. FIG. 同定実験から得られる制御対象200のプロセスゲイン、時定数及びむだ時間の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the process gain, time constant, and dead time of the control object 200 obtained from an identification experiment. 図2に示された制御システムの動作試験で得られた制御結果の一例を示す図。The figure which shows an example of the control result obtained by the operation test of the control system shown by FIG. 制御システムの変形例を示すブロック線図。The block diagram which shows the modification of a control system. 図6に示した制御システムの動作試験で得られた制御結果の一例を示す図。The figure which shows an example of the control result obtained by the operation test of the control system shown in FIG. 本発明に従う非線形状態予測SMC法による制御システムの汎用的な全体構成を示すブロック線図。The block diagram which shows the general purpose whole structure of the control system by the nonlinear state prediction SMC method according to this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 単結晶製造装置
102 チョクラルスキー法単結晶引上機炉本体(CZ機)
104 コントローラ
106 チャンバ
108 坩堝
110 ヒータ
112 融液
113 坩堝回転/昇降装置
114 磁場発生装置
116 単結晶棒
118 引上げモータ
119 重量・位置測定器
130 ヒータ電源回路
200 制御対象(CZ機)
202 引き上げ速度設定器
204 不完全微分器
206 非線形状態予測器
208 減算器
210 積分器
212 ゲインスケジュールドSMC(スライディングモード制御)器
220 フィードフォワード温度補償器
230 ローパスフィルタ
232 減算器
234 不完全微分器
236 ゲインスケジュールドPID制御器
300 制御対象
302 非線形状態予測器
304 減算器
306 積分器
308 ゲインスケジュールドSMC(スライディングモード制御)器
100 Single crystal production equipment 102 Czochralski method single crystal pulling machine furnace body (CZ machine)
104 controller 106 chamber 108 crucible 110 heater 112 melt 113 crucible rotating / lifting device 114 magnetic field generator 116 single crystal rod 118 pulling motor 119 weight / position measuring device 130 heater power supply circuit 200 controlled object (CZ machine)
202 Pull-up speed setting device 204 Incomplete differentiator 206 Non-linear state predictor 208 Subtractor 210 Integrator 212 Gain scheduled SMC (sliding mode control) device 220 Feedforward temperature compensator 230 Low-pass filter 232 Subtractor 234 Incomplete differentiator 236 Gain scheduled PID controller 300 Control target 302 Non-linear state predictor 304 Subtractor 306 Integrator 308 Gain scheduled SMC (sliding mode control) unit

Claims (5)

無駄時間をもつ時変系制御対象(200)のための制御システムにおいて、
前記制御対象(200)の出力値に対する目標値(r)と、前記制御対象(200)の複数のシステムパラメータを表す複数のシステムパラメータ設定値を記憶し、前記複数のシステムパラメータ設定値のすべて又は一部が所定の時変特性をもつように設定されている記憶装置(104A)と、
前記記憶装置(104A)に記憶された前記システムパラメータ設定値と、前記制御対象(200)の現時刻における出力値と過去の入力値(uT)とに基づいて、現在より前記無駄時間だけ後の将来時刻(t+L)における、前記出力値を含む所定の状態変数(x)の値を予測する状態予測器(206)と、
前記記憶装置(104A)に記憶された将来時刻(t+L)における前記目標値(r)と前記システムパラメータ設定値と、前記状態予測器(206)により予測された将来時刻(t+L)における前記状態変数(x)とに基づいて、将来時刻(t+L)における前記状態変数(x)を将来時刻(t+L)のスライディングモードに拘束するようにスライディングモード制御動作を行ない、前記制御対象(200)に印加されるべき操作値(u)を出力するスライディングモード制御器(212)と
を備えた制御システム。
In a control system for a time-varying control target (200) having dead time
A target value (r) for the output value of the control object (200) and a plurality of system parameter setting values representing a plurality of system parameters of the control object (200) are stored, and all or a plurality of the system parameter setting values are stored. A storage device (104A), some of which are set to have predetermined time-varying characteristics;
Based on the system parameter setting value stored in the storage device (104A), the output value at the current time of the control target (200), and the past input value (u T ), the dead time after the present time. A state predictor (206) for predicting a value of a predetermined state variable (x) including the output value at a future time (t + L) of
The target value (r) and the system parameter set value at the future time (t + L) stored in the storage device (104A), and the future time (t + L) predicted by the state predictor (206) Based on the state variable (x), the sliding mode control operation is performed so as to constrain the state variable (x) at the future time (t + L) to the sliding mode at the future time (t + L), A control system comprising a sliding mode controller (212) for outputting an operation value (u) to be applied to the controlled object (200).
請求項1記載のシステムにおいて、
前記状態予測器(206)により予測された将来時刻(t+L)における前記出力値と、前記目標値(r)との間の偏差(e)を積分して、将来時刻(t+L)における偏差積分値(z)を得る積分器(210)を更に備え、
前記スライディングモード制御器(212)は、前記状態予測器(206)からの将来時刻(t+L)における前記状態変数(x)に、前記積分器(210)からの将来時刻(t+L)における前記偏差積分値(z)を付加して成る拡張された状態変数(xs)を用いて、スライディングモード制御動作を行なう制御システム。
The system of claim 1, wherein
By integrating the deviation (e) between the output value predicted by the state predictor (206) at the future time (t + L) and the target value (r), the future time (t + L) An integrator (210) for obtaining a deviation integral value (z) at
The sliding mode controller (212) adds the future time (t + L) from the integrator (210) to the state variable (x) at the future time (t + L) from the state predictor (206). A control system for performing a sliding mode control operation using an expanded state variable (x s ) formed by adding the deviation integral value (z) in FIG.
請求項1記載の制御システムと、前記制御システムにより制御される単結晶引上機とを備えた、チョクラルスキー法により単結晶棒を製造する単結晶製造装置において、
前記出力値は、前記単結晶引上機で引上げられる単結晶棒の直径値であり、
前記所定の時変特性をもつシステムパラメータ設定値は、前記単結晶引上機で引上げられる単結晶棒の長さ又は経過時間に応じて変化するように設定されており、
前記状態変数(x)は、前記直径値と、前記直径値の時間による1階と2階の微分値とを含み、
前記操作値(u)は、前記単結晶製造装置の融液温度又は融液を加熱するヒータの温度を操作する数値であり、
前記無駄時間は、前記制御システムから前記単結晶製造装置に入力される前記操作値(u)が変化してから前記出力値の変化が始まるまでの時間(L)であり、
前記単結晶棒の引上げ速度を、時間の関数として予め設定された引上げ速度設定値に従って制御する引上げ速度設定器(202)を更に備えた単結晶製造装置。
A single crystal manufacturing apparatus for manufacturing a single crystal rod by the Czochralski method, comprising the control system according to claim 1 and a single crystal pulling machine controlled by the control system.
The output value is a diameter value of a single crystal rod pulled up by the single crystal pulling machine,
The system parameter setting value having the predetermined time-varying characteristic is set to change according to the length or elapsed time of the single crystal rod pulled up by the single crystal pulling machine,
The state variable (x) includes the diameter value and differential values of the first and second floors according to the time of the diameter value,
The operation value (u) is a numerical value for operating the melt temperature of the single crystal production apparatus or the temperature of a heater for heating the melt,
The dead time is a time (L) from when the operation value (u) input from the control system to the single crystal manufacturing apparatus changes until the change of the output value starts,
The single crystal manufacturing apparatus further comprising a pulling speed setting device (202) for controlling the pulling speed of the single crystal rod according to a pulling speed setting value set in advance as a function of time.
請求項記載の単結晶製造装置において、
前記所定の時変特性をもつシステムパラメータ設定値の一つがプロセスゲイン設定値(k0)であり、前記プロセスゲイン設定値(k0)が前記単結晶棒の肩部と直胴部の形成過程で前記単結晶棒の長さに応じて変化し、前記直胴部の形成過程では前記単結晶棒の引上速度の変化に応じて変化するように設定されている単結晶製造装置。
In the single crystal manufacturing apparatus according to claim 3 ,
One of the system parameter setting values having the predetermined time-varying characteristic is a process gain setting value (k 0 ), and the process gain setting value (k 0 ) is a process of forming a shoulder portion and a straight body portion of the single crystal rod The single crystal manufacturing apparatus is set so as to change in accordance with the length of the single crystal rod and to change in accordance with the change in the pulling speed of the single crystal rod in the process of forming the straight body portion.
無駄時間をもつ時変系制御対象(200)のための制御方法において、
前記制御対象(200)の出力値に対する目標値(r)と、前記制御対象(200)の複数のシステムパラメータを表す複数のシステムパラメータ設定値とを記憶し、前記複数のシステムパラメータ設定値のすべて又は一部が所定の時変特性をもつように設定されているステップと、
記憶された前記システムパラメータ設定値と、前記制御対象(200)の現時刻における出力値と過去の入力値(uT)とに基づいて、現在より前記無駄時間だけ後の将来時刻(t+L)における、前記出力値を含む所定の状態変数(x)の値を予測するステップと、
記憶された将来時刻(t+L)における前記目標値(r)と前記システムパラメータ設定値と、前記予測された将来時刻(t+L)における前記状態変数(x)とに基づいて、将来時刻(t+L)における前記状態変数(x)を将来時刻(t+L)のスライディングモードに拘束するようにスライディングモード制御動作を行ない、前記制御対象(200)に印加されるべき操作値(u)を出力するステップと
を備えた制御方法。
In a control method for a time-varying control target (200) having a dead time,
A target value (r) for the output value of the control object (200) and a plurality of system parameter setting values representing a plurality of system parameters of the control object (200) are stored, and all of the plurality of system parameter setting values are stored. Or a step that is set to have a predetermined time-varying characteristic;
Based on the stored system parameter setting value, the output value at the current time of the control target (200), and the past input value (u T ), the future time (t + L) after the dead time from the present time ) Predicting a value of a predetermined state variable (x) including the output value;
Based on the target value (r) and the system parameter setting value at the stored future time (t + L), and the state variable (x) at the predicted future time (t + L) A sliding mode control operation is performed so as to constrain the state variable (x) at (t + L) to a sliding mode at a future time (t + L), and an operation value (u) to be applied to the controlled object (200) And a step of outputting the control method.
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