JP5411895B2 - 被処理物の熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理物を熱処理する被処理物の熱処理装置及び方法に関し、例えば拡散装置やＣＶＤ装置など半導体製造装置における半導体ウェハをバッチ処理する熱処理装置及び方法に関するもので、特に熱処理炉の温度制御に適用するものである。

拡散装置やＣＶＤ装置など、例えば電気炉を有する熱処理装置に対しては、通常、短時間で多くの処理を行い得る性能と、処理そのものの質を高める性能が要求される。これを、炉内部の温度制御の性能について言い換えれば、前者は、冷えた被処理物を炉内に設置したために下がってしまった炉内の温度をある特定の温度にすばやく回復させる、または、ある特定段階の処理温度から次段階の処理温度へ炉内温度をすばやく変化させるという、追従性を向上させることに相当する。後者は、ある特定温度で炉内が平衡状態に落ち着いた後、温度制御以外の要因による変化が炉内にあっても、その温度を維持するという、定常特性を向上させることに相当する。

このような要求を満たすため、従来の温度制御は、例えば図６に示すように、複数の制御系を設計し、それらの制御系を切り替える方法を採用している。すなわち、図６を詳細に説明すれば、操作量（例えば、電力供給制御信号）を入力端から入力し、制御量（例えば、温度）を出力端から出力する熱処理炉４と、熱処理炉４を制御するために、設定値（例えば、処理温度）と制御部選択信号を出力するシーケンサ１と、シーケンサ１からの設定値と熱処理炉４からの制御量を入力し適切な操作量を出力する第１の制御部２Ａと、同じく第２の制御部２Ｂと、２つの制御部から出力される制御量のうち１つをシーケンサ１からの制御部選択信号に従って選択し出力する切替器３とで構成されている

図６に示す構成では、操作量や制御量は１本の線で描かれているが、それが複数であることを含んでいる。それは、半導体ウェハの熱処理装置にたとえるなら、操作量は、抵抗ヒータヘの電力供給信号であったり、空冷口の開閉制御信号であったりする。制御量は、炉内の温度であったり、抵抗ヒータの温度であったりする。

そして、例えば、制御部２Ａを追従性を重視して設計する一方、制御部２Ｂを定常特性を重視して設計しておき、追従性が重視される場合には、制御部２Ａによる制御系を構成するように、定常特性が重視される場合には、制御部２Ｂによる制御系を構成するようにして、制御部選択信号を出力することによって、所望の制御性能を確保することができる。

このような考え方は、制御系ループが複数の場合にも適用され、ある一定の効果を得ている。すなわち、図７は、３系統の操作量と制御量がある場合において、図６の構成が３つ並列して、それぞれ制御系に第１の制御部２Ａと第２の制御部２Ｂ及び切替器３が含まれた構成になっており、図６と同様に制御構成を切り替えることによって、所望の目的を満たすことを意図したものである。以後、複数の制御系ループを、ゾーン１、ゾーン２、・・・と書き表すこととし、図７では、第１の制御部２Ａ、第２の制御部２Ｂ、切替器３のそれぞれの構成要素にハイフォンとゾーン番号を付記している。

しかしながら、上記に示した制御性能を実現する際、従来では、シーケンサ１の内部に、表１に示すような制御切替テーブルが設定され、これを用いて運用するようになされているため、制御性能に対する最近の厳しい要求に応えられなくなっている。

表１は、左端項のＮｏ．１の段、Ｎｏ．２の段、と順番に上段から下段へ実行していくものであり、各段の設定項目には、制御構成と各ゾーンの目標値と傾きと時間がある。制御構成とは、第１の制御部２Ａを選ぶか第２の制御部２Ｂを選ぶかを設定する項目である。目標値と傾きの項目により、設定値がどの値まで（目標値）どのような速さで変化するのか（傾き）を決定する。時間とは、各段が継続する時間である

すなわち、表１の制御切替テーブルによる運用では、例えば、Ｎｏ．１段においては、全てのゾーンで同じく制御部２Ａを選択しなければいけない。または、ある特定ゾーンで制御部２Ｂを選択すべきときは、同じく全ゾーンで制御部２Ｂを選択しなければならないなどという弊害があった。

図８には、表１の制御切替テーブルを使用したときの、制御結果の一例が示されている。図８は、ゾーン１の制御量に対して、追従性と定常特性を満たすよう、制御切替を行ったときのものである。図８に示すように、ゾーン２の制御量は、制御部２Ａの間に設定値に追従できなかったため、制御性能の悪化を招いている。逆に、ゾーン２の制御量に対して追従性と定常特定を満たすよう制御切替を行った場合、ゾーン１の制御量にオーバーシュートが発生し、同様に、制御性能が悪化することが予想される。

本発明は、上記実情に鑑みて為されたもので、制御の追従性と定常特性の向上を図ることができる被処理物の熱処理装置及び方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る被処理物の熱処理装置は、被処理物を熱処理するための熱処理炉と、所定の設定値と前記熱処理炉からの制御量とに基づいて操作量を出力する複数の制御部と、該複数の制御部から出力される操作量のうち１つを選択する制御部選択信号に従って前記熱処理炉に出力する切替器と、前記複数の制御部のうちのいずれか一つの制御部を選択する項目と該選択された制御部に対する設定値と該設定値が所定の値まで変化する速さを示す傾きを設定する項目とを含む設定手段を有するシーケンサとを備えたものである。

ここで、前記設定手段は、前記制御部が選択されてから切替えられるまでの継続時間を設定する項目を含む。また、前記複数の制御部と前記切替器とで構成される複数の制御系ループを有し、前記制御系ループ毎に前記設定手段が設けられる。さらに、前記複数の制御部は、追従性を重視した制御部と、定常特性を重視した制御部とを含む。

以上のような構成の本発明によれば、複数の制御系ループが存在する場合でも、それぞれ独立して複数の制御構成を任意に選択し、その長所を生かした制御を行うことができるので、制御の追従性と定常特性の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る被処理物の熱処理装置を説明するための構成図である。 本発明の制御結果の一例を示す説明図である。 図１の制御部の一例を示す構成図である。 図１の制御部の他の例を示す構成図である。 図１の制御部のさらに他の例を示す構成図である。 従来技術の一例を表す構成図である。 従来技術の他の例を表す構成図である。 従来技術の制御結果の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る被処理物の熱処理装置及び方法を説明するための構成図である。図１において、図７に示す従来例と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として
、１０は、本発明におけるシーケンサを示し、このシーケンサ１０は、複数の制御系ループにそれぞれ独立して制御構成を指示する、後述するテーブルを有し、複数の制御系ループの制御構成の切替をそれぞれ独立して行うものである。

すなわち、本発明における被処理物の熱処理方法においては、被処理物を熱処理する熱処理炉４に対し、複数の制御部（図１では２つ）と切替部とでなる複数の制御系ループを有し、各制御系ループは、シーケンサ１０からの設定値と熱処理炉４から出力される制御量とに基づいて複数の制御部から出力される操作量のうち１つをシーケンサ１０からの制御部選択信号に従つて選択して熱処理炉４に出力するようにした被処理物の熱処理方法において、複数の制御系ループに対し、時間経過に伴い各制御系ループにおける制御構成をそれぞれ独立して切り替えるようにするものである。

以下詳細に説明すると、本発明の実施の形態においては、まず、図７に示す場合と同様に、複数のゾーンが存在し、複数の制御系ループを切り替える場合、表２のような制御切替テーブルをシーケンサ１０に持つ。

表２は、左端項のＮｏ．１の段、Ｎｏ．２の段、と順番に上段から下段へ実行していくものであり、各段の設定項目には、時間と、各ゾーンに対応する制御構成と目標値及び傾きがある。制御構成の項目が、各ゾーンで独立に設定できるところが、表１と異なる点である。

または、表３のような制御切替テーブルをシーケンサに持つ。

表３は、各ゾーン毎に独立して制御切替テーブルを持っていることを示している。それぞれのテーブルは、左端項のＮｏ，１の段、Ｎｏ．２の段、と順番に上段から下段へ実行していくものであり、各段の設定項目には、各ゾーンに対応する制御構成、目標値、傾き及び時間がある。制御構成の項目が、各ゾーンで独立に設定できるところが、表１と異なる点であり、また、機能的には変わらないものの、時間の項目を各ゾーン毎に設定できるため、制御切替の流れを理解しやすくなった点が、表２と異なる点である。

そして、表２や表３を実現するため、図１に示す構成を採用する。すなわち、図１に示す構成において、本実施の形態に係るシーケンサ１０から出力される制御切替信号は、ゾーン数だけあり、各ゾーンの制御構成の切替は独立して行うことができるようにしたものである。図１に示す構成でも、操作量や制御量は１本の線で描かれているが、それが複数であることを含んでいる。それは、半導体ウェハの熱処理装置にたとえるならば、操作量は、抵抗ヒータヘの電力供給信号であったり、空冷口の開閉制御信号であったりする。制御量は、炉内の温度であったり、抵抗ヒータの温度であったりする。また、これまで、制御構成の選択肢を２つとしてきたが、選択肢を２つ以上にしても本発明は適用でき、さらなる性能の向上が期待できる。

図２には、シーケンサ１０が表２または表３に示す制御切替テーブルを使用したときの、制御結果の一例が示されている。ゾーン１の制御量に対して、追従性と定常特性を満たすよう、制御切替を行うことができ、同時に、ゾーン２の制御量に対しても、追従性と定常特性を満たすよう、制御切替を行い得るので、図８で発生したような、制御性能の悪化を避けることができる。

図１に示した、第１の制御部２Ａ（２Ａ−１，２Ａ−２，２Ａ−３を総称する）や、第２の制御部２Ｂ（２Ｂ−１，２Ｂ−２，２Ｂ−３を総称する）の構成は、例えば図３や図４や図５で表される。図３に示す制御部２（第１の制御部２Ａと第２の制御部２Ｂを総称する）は、入力される設定値と制御量の差を出力する減算器２１（２つ）と、第１および第２のＰＩＤ調節部２２、２３で構成される。制御量はａとｂの２つがあり、制御量ａは、制御の対象であって主制御量と呼ぶべきものであり、制御量ｂは、副制御量と呼ぶべきものである。例えば半導体ウェハの熱処理装置などでは、制御量ａは炉内温度、制御量ｂはヒータ温度または抵抗ヒータヘの負荷電力などにあてはまる。すなわち、図３に示す制御部２は、制御量ａと設定値の差をＰＩＤ演算し、その出力を制御量ｂの設定値として扱い、その値と制御量ｂの差をＰＩＤ演算した結果を操作量として出力することにより、制御量ａを制御する構成である。

また、図４に示す制御部２は、減算器２１と、第３のＰＩＤ調節部２４と、定常値補正部２５で構成される。定常値補正部２５は、制御量ａがある特定の設定値に迫従して整定状態にあるとき、制御量ａと制御量ｂの差をあらかじめ記憶しておき、その値を制御量ｂに加えるものである。すなわち、図４に示す制御部２は、本来は制御量ａを制御したいが、制御量ａを実際には検知し得ない場合に、制御量ｂを用いて制御量ａを制御する構成である。

さらに、図５に示す制御部２は、減算器２１と第４のＰＩＤ調節部２６とで構成される。この図５に示す制御部２は、設定値と制御量ａの差をＰＩＤ演算した結果を操作量として出力することにより、制御量ａを制御する構成である。

図１に示した、第１の制御部２Ａや、第２の制御部２Ｂは、例に挙げた図３や図４や図５に示す構成や、または、その他の構成であってもよい。このように、制御パラメータのみが異なるだけでなく、制御の構成そのものが異なることが、本発明の特徴である。

２Ａ−１，２Ａ−２，２Ｂ−１，２Ｂ−２，２Ｃ−１，２Ｃ−２ 制御部
３−１，３−２，３−３ 切替器
４ 熱処理炉

Claims (7)

1. 被処理物を熱処理するための熱処理炉と、所定の設定値と前記熱処理炉からの制御量とに基づいて操作量を出力する複数の制御部と、該複数の制御部から出力される操作量のうち１つを選択する制御部選択信号に従って前記熱処理炉に出力する切替器と、前記複数の制御部のうちいずれか一つの制御部に対する設定値と該設定値が所定の値まで変化する速さを示す傾きを設定する項目とを含む制御切替テーブルを有するシーケンサと、を備え、
   前記制御切替テーブルは、各段に継続時間や、各ゾーンに対応する前記制御部の構成である制御構成と前記設定値及び前記傾きがそれぞれ設定されている熱処理装置。
2. 被処理物を熱処理するための熱処理炉と、所定の設定値と前記熱処理炉からの制御量とに基づいて操作量を出力する複数の制御部と、該複数の制御部から出力される操作量のうち１つを選択する制御部選択信号に従って前記熱処理炉に出力する切替器と、前記複数の制御部のうちいずれか一つの制御部に対する設定値と該設定値が所定の値まで変化する速さを示す傾きを設定する項目とを含む制御切替テーブルを有するシーケンサと、を備え、
   前記制御切替テーブルは、各段に各ゾーンに対応する前記制御部の構成である制御構成や前記設定値及び前記傾きや継続時間がそれぞれ設定されている熱処理装置。
3. 前記シーケンサは、前記制御切替テーブルを順番に上段から下段へと順次実行して、各ゾーン毎に制御切替信号を出力し、前記制御構成の切替を独立して行う請求項１または請求項２記載の熱処理装置。
4. 前記複数の制御部は、追従性を重視した制御部と、定常特性を重視した制御部とを含む請求項１または請求項２に記載の熱処理装置。
5. 前記シーケンサは、各ゾーンに制御切替信号を有し、前記制御構成の切替を独立して行う請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の熱処理装置。
6. 更に、前記複数の制御部と前記切替器とで構成される複数の制御系ループを有し、前記シーケンサは、前記複数の制御系ループの各々に前記制御構成の切替を独立して行う請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の熱処理装置。
7. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の前記シーケンサによる熱処理装置の制御方法。