JP5040213B2 - 熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
なお特許文献1には、ウエハボートのローディング時またはアンロード時における処理容器の膜剥がれを防止するために、温度センサの検出値と熱モデルに基づいて被処理体の温度を予測することが記載されている。
(1) 反応管の外部に設けられた外部温度検出部と、
(2) 加熱手段に供給される電力の指令値に基づいて反応管の内壁温度を予測する予測手段と、
(3) 前記蓋体と基板保持具との間に介在する断熱材の近傍に設けられた端部温度検出部と、
(4) 前記外部温度検出部で検出した温度検出値と前記予測手段で予測した内壁温度とに基づいて加熱手段への供給電力の制御を行う制御部と、を備え、
(5) 前記制御部は、
(5−1) 前記基板保持具を反応管内に搬入するローディング時に、前記予測手段で求めた内壁温度の予測値y d と前記外部温度検出部の検出値y m とを比率r(0≦r≦1)によりy d ・r+y m ・(1−r)として混合し、比率rを大きく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて加熱手段に供給される前記電力の指令値を演算する第1ステップと、比率rを小さく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて加熱手段に供給される前記電力の指令値を演算する第2ステップと、前記第1ステップと第2ステップとの間にて、ローディング終了時における反応管内の過度な温度上昇を抑えるために前記比率rを、両ステップにおける比率の間の値に設定して電力の指令値を演算する移行ステップと、を実行する電力指令値演算部と、
(5−2) 前記基板保持具が搬出されているときの前記端部温度検出部及び外部温度検出部の各温度検出値の差と、そのときの基板保持具の搬入速度に対応する単位温度当たりの時刻変化量と、に基づいて、移行ステップの開始時点を決定する手段と、を備えたことを特徴とする。
b) 予め外部温度検出部の検出値及び加熱手段に供給される電力の指令値の各時系列データを求めておき、これら時系列データに基づいて前記外部温度検出部の検出値と前記電力の指令値との関係を規定した予測演算式を作成し、予測手段はこの予測演算式と前記電力の指令値とに基づいて前記外部温度検出部の温度検出値の予測値を求め、この予測値と実際に得られた温度検出値との差分に基づいて、前記反応管の内壁温度の予測値を修正する構成
本発明方法は、複数の基板を互いに並行に基板保持具に保持して、その周囲に加熱手段が設けられた反応管内に搬入し、反応管内に処理ガスを導入して基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
反応管の外部に設けられた外部温度検出部により温度を検出する工程と、
加熱手段に供給される電力の指令値に基づいて反応管の内壁温度を予測する予測工程と、
前記外部温度検出部で検出した温度検出値と予測手段で予測した内壁温度とに基づいて加熱手段への供給電力の制御を行う工程と、を含み、
前記加熱手段への供給電力の制御を行う工程は、前記予測手段で求めた内壁温度の予測値y d と前記外部温度検出部の検出値y m とを比率r(0≦r≦1)によりy d ・r+y m ・(1−r)として混合し、比率rを大きく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて前記電力の指令値を演算する第1工程と、比率rを小さく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて前記電力の指令値を演算する第2工程と、前記第1工程と第2工程との間に実行され、ローディング終了時における反応管内の過度な温度上昇を抑えるために前記比率rを、両工程における比率の間の値に設定して電力の指令値を演算する移行工程と、を含み、
前記蓋体と基板保持具との間に介在する断熱材の近傍に設けられた端部温度検出部を用い、基板保持具が搬出されているときの前記端部温度検出部及び外部温度検出部の各温度検出値の差と、そのときの基板保持具の搬入速度に対応する単位温度当たりの時刻変化量とに基づいて、前記移行ステップの開始時点を決定することを特徴とする。
また前記ステップに続いて、前記内壁温度の予測値及び外部温度検出部の検出値を混合した値を制御対象とし、その後外部温度検出部の検出値を主たる制御対象とするステップを行うようにすれば、主たる制御対象が内壁温度の予測値からいわば穏やかに外部温度検出部の検出値に切り替わるため、ローディングを終了して蓋体により反応管を閉じた後において、加熱手段の供給電力が過大になって反応管内の温度が設定温度を大きく越えるいわゆるオーバシュートを抑えることができ、速やかな温度安定化を図ることができる。
このような三者の関係を取得する際の制御手法としては、1段目のヒータ31に対応するPID演算部61では、温度設定値と内壁温度検出値yd1 との偏差分を演算し、2段目、3段目のヒータ32、33に対応するPID演算部62、63では、温度設定値と内壁温度検出値yd2 との偏差分を演算してこれを制御対象としてもよい。
y(k)=−P1y(k−1)−・・・−Pny(k−n)+Q1u(k−1)+・・・+Qnu(k−n)+e(k) …(数1)
kはコンピュータとデータを取り込むサンプリングのタイミングであり、(k−1)はk番目のサンプリングの一つ前のタイミングを意味する。またe(k)は外乱である。この予測式において、ヒータ及び温度センサーは共に複数存在するため、yとuとを必要な入出力数分のベクトルで表現すると、次のように表される。
y=[ym1 ym2 ym3 ym4 ym5 yd1 yd2]T
u=[u1 u2 u3 u4 u5]T
θ=[P1・・・Pn Q1・・・Qn]とおくと、
φ(k)=[−y(k−1)・・・−y(k−n) u(k−1)・・・u(k−n)]T …(数3)
y(k)=θφ(k)+e(k) …(数4)
となる。
(表1)
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k) …(数5)
y(k)=Cx(k) …(数6)
kは既述のようにコンピュータにおけるデータのサンプリングのタイミングであり、k=1,2,・・・となる。Aはシステム行列(n×n)、Bは制御行列(n×5)、Cは出力行列(7×n)である。ARXモデルから状態空間行列への変換は、MATLABの ”system Identification Toolbox”から提供される関数を利用して求める。このようにして得られた状態空間モデルによって、ヒータ出力(電力指令値)から、内壁温度検出値yd1、yd2 と、外部温度センサーTC1〜TC5の温度検出値ym1 〜ym5 との各予測値を得ることができる。
として表される。図5における各部の入出力値は行列で表される値であり、加算部53で得られる出力はΔy、即ちym1^−ym1 、ym2^−ym2 、ym3^−ym3 、ym4^−ym4 、ym5^−ym5 の各値からなる行列で表される値である。またDは例えば制御行列(5×n)である。
なお本発明では、Δyについては考慮せず、数5の式に基づいて、つまり加算部53及びブロックDを含まないブロックに基づいて内壁温度の予測値yd1 ^、yd2^を求めるようにしてもよいが、外部温度センサーTC1〜TC5にて実際に得られた温度検出値(実測値)ym1 〜ym5とその予測値ym1^〜ym5^との差分を考慮するようにすれば、予測演算を実際の装置で起こっている現象に合わせ込むことができるので、内壁温度の予測精度をより一層高めることができるため好ましい。
このように内壁温度センサーは前記温度差が大きい部位に設けられるものであるから、その位置及び個数は上述の例に限られるものではなく、1個であってもよいし、あるいは3個以上であってもよい。
そこでこの実施の形態では、熱交換完了時刻を予測して比率rを1から減少させていくタイミングを調整するようにしている。この熱交換完了時刻とは、内部温度センサー201及び202の温度検出値が降下状態から上昇に転じる時刻である。炉体の下方側におけるウエハ搬送領域内の温度やRun時間による初期値変動(ウエハや断熱ユニット(保温筒)16の初期温度変動)においては、熱伝導速度は変化しないため、予測モデルを複数持つ必要はない。ただし、熱エネルギーの総量が変動するため、時系列で比率rを最適化する場合、このパラメータの熱交換完了時刻を考慮する必要がある。初期値変動に対応するために、図1に示すように蓋体11とウエハボート17との間に介在している熱容量の大きな断熱ユニット16の近傍に端部温度検出部をなす底部温度検出部としての底部温度センサーBTCを設けて、その温度検出値を考慮した場合の比率rの算出方法の一例を図7に示す。前記底部温度センサーBTCは例えば熱電対により構成され、蓋体11に起立して設けられたロッドの先端部に取り付けられている。底部温度センサーBTCの実測温度をybとしてプラント出力に追加するが、制御対象になるわけではなく、あくまでも比率rの時系列変化のトリガーとしてのみ機能する。
まず、熱交換完了時刻kbは、単位温度当りの時刻変化量をkbtとすると以下のように表される。
kb=kbtybt
kb(ybt)の入力は、温度差(ybt=ym1−yb)である。実際には、単位温度当りの時刻変化量kbtは、運用される搬入速度毎に設ける必要があるため、2条件の搬入速度で時刻変化量を測定しておき、中間値は線形補間でカバーする。ウエハボート17の搬入速度に対応するには、搬入速度(s)を入力に追加し、kbt(s)を求めると、kbt(s)=Ks(s−s0)+Kso となる。
s0はベース条件におけるウエハボート17の搬入速度、ksoはベース条件の単位温度当りの時刻変化量である。よって、熱交換完了時刻導出関数kb(ybt,s)は以下式のようになる。ここでベース条件とは、前記2条件の搬入速度のうちのどちらか一方の条件である。
kb(ybt,s)=kbt(s)ybt
このように求められた時刻(kb)を、外部温度センサーTC1〜3の実測値ym1 、(ym1 、ym3 )と内壁の温度予測値yd1 ^(yd2^)との混合開始時点とし、図7のr(kb,k)にて時刻(k>kb)の条件で徐々にrを下げていく。
更に上述の例では、ローディング時に内壁の温度予測値から外部温度センサーの温度検出値(実測値)に制御対象を移行する移行ステップは、比率rを直線的に徐々に小さくしていくことに限らず、階段状に例えば1段階あるいは2段階以上で小さくしていくようにしてもよい。また内壁の温度予測値を主たる制御とする第1ステップにおいては、比率rは100%でなくても、また外部温度センサーの温度検出値を主たる制御とする第1ステップにおいては、比率rは0%でなくても、本発明の技術的範囲に含まれる。
1b 外管
11 蓋体
17 ウエハボ−ト
23 マニホ−ルド
31〜35 ヒ−タ
41〜45 電源部
5 制御部
51 予測手段
201、202 内壁温度センサー
300 熱処理装置本体
Claims (13)
- 複数の基板を互いに並行に保持した基板保持具を、その周囲に加熱手段が設けられた反応管内に炉口から搬入して、蓋体により当該炉口を閉じ、反応管内に処理ガスを導入して基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
(1) 反応管の外部に設けられた外部温度検出部と、
(2) 加熱手段に供給される電力の指令値に基づいて反応管の内壁温度を予測する予測手段と、
(3) 前記蓋体と基板保持具との間に介在する断熱材の近傍に設けられた端部温度検出部と、
(4) 前記外部温度検出部で検出した温度検出値と前記予測手段で予測した内壁温度とに基づいて加熱手段への供給電力の制御を行う制御部と、を備え、
(5) 前記制御部は、
(5−1) 前記基板保持具を反応管内に搬入するローディング時に、前記予測手段で求めた内壁温度の予測値y d と前記外部温度検出部の検出値y m とを比率r(0≦r≦1)によりy d ・r+y m ・(1−r)として混合し、比率rを大きく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて加熱手段に供給される前記電力の指令値を演算する第1ステップと、比率rを小さく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて加熱手段に供給される前記電力の指令値を演算する第2ステップと、前記第1ステップと第2ステップとの間にて、ローディング終了時における反応管内の過度な温度上昇を抑えるために前記比率rを、両ステップにおける比率の間の値に設定して電力の指令値を演算する移行ステップと、を実行する電力指令値演算部と、
(5−2) 前記基板保持具が搬出されているときの前記端部温度検出部及び外部温度検出部の各温度検出値の差と、そのときの基板保持具の搬入速度に対応する単位温度当たりの時刻変化量と、に基づいて、移行ステップの開始時点を決定する手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。 - 前記第1ステップにおける比率rは100%であることを特徴とする請求項1記載の熱処理装置。
- 前記第2ステップにおける比率rは0%であることを特徴とする請求項1または2記載の熱処理装置。
- 前記移行ステップにおける比率rは、時間と共に徐々に小さくなっていくことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 予め反応管の内壁に内壁温度検出部を取り付け、内壁温度検出部の検出値及び加熱手段に供給される電力の指令値の各時系列データを求めておき、これら時系列データに基づいて内壁温度検出部の検出値と前記電力の指令値との関係を規定した予測演算式を作成し、予測手段はこの予測演算式を用いて反応管の内壁温度を予測することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 予め外部温度検出部の検出値及び加熱手段に供給される電力の指令値の各時系列データを求めておき、これら時系列データに基づいて前記外部温度検出部の検出値と前記電力の指令値との関係を規定した予測演算式を作成し、予測手段はこの予測演算式と前記電力の指令値とに基づいて前記外部温度検出部の温度検出値の予測値を求め、この予測値と実際に得られた温度検出値との差分に基づいて、前記反応管の内壁温度の予測値を修正することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 複数の基板を互いに並行に基板保持具に保持して、その周囲に加熱手段が設けられた反応管内に搬入し、反応管内に処理ガスを導入して基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
反応管の外部に設けられた外部温度検出部により温度を検出する工程と、
加熱手段に供給される電力の指令値に基づいて反応管の内壁温度を予測する予測工程と、
前記外部温度検出部で検出した温度検出値と予測手段で予測した内壁温度とに基づいて加熱手段への供給電力の制御を行う工程と、を含み、
前記加熱手段への供給電力の制御を行う工程は、前記予測手段で求めた内壁温度の予測値y d と前記外部温度検出部の検出値y m とを比率r(0≦r≦1)によりy d ・r+y m ・(1−r)として混合し、比率rを大きく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて前記電力の指令値を演算する第1工程と、比率rを小さく設定した混合値と反応管内の設定温度とに基づいて前記電力の指令値を演算する第2工程と、前記第1工程と第2工程との間に実行され、ローディング終了時における反応管内の過度な温度上昇を抑えるために前記比率rを、両工程における比率の間の値に設定して電力の指令値を演算する移行工程と、を含み、
前記蓋体と基板保持具との間に介在する断熱材の近傍に設けられた端部温度検出部を用い、基板保持具が搬出されているときの前記端部温度検出部及び外部温度検出部の各温度検出値の差と、そのときの基板保持具の搬入速度に対応する単位温度当たりの時刻変化量とに基づいて、前記移行ステップの開始時点を決定することを特徴とする熱処理方法。 - 前記比率rを大きく設定した第1工程における比率rは100%であることを特徴とする請求項7記載の熱処理方法。
- 前記比率rを小さく設定した第2工程における比率rは0%であることを特徴とする請求項7または8記載の熱処理方法。
- 前記移行工程における比率rは、時間と共に徐々に小さくなっていくことを特徴とする請求項7ないし9のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 予め反応管の内壁に内壁温度検出部を取り付け、内壁温度検出部の検出値及び加熱手段に供給される電力の指令値の各時系列データを求めておき、これら時系列データに基づいて内壁温度検出部の検出値と前記電力の指令値との関係を規定した予測演算式を作成し、前記予測工程はこの予測演算式を用いて反応管の内壁温度を予測することを特徴とする請求項7ないし10のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 予め外部温度検出部の検出値及び加熱手段に供給される電力の指令値の各時系列データを求めておき、これら時系列データに基づいて前記外部温度検出部の検出値と前記電力の指令値との関係を規定した予測演算式を作成し、前記予測工程はこの予測演算式と前記電力の指令値とに基-づいて前記外部温度検出部の検出値の予測値を求め、この予測値と実際に得られた検出値との差分に基づいて、前記反応管の内壁温度の予測値を修正することを特徴とする請求項7ないし11のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 複数の基板を互いに並行に基板保持具に保持して、その周囲に加熱手段が設けられた反応管内に搬入し、反応管内に処理ガスを導入して基板に対して熱処理を行う熱処理装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体であって、
前記プログラムは、請求項7ないし12のいずれか一つに記載の熱処理方法を実施するためのステップ群が組み込まれていることを特徴とする記憶媒体。
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