JP5762209B2 - 温度制御方法、その温度制御方法を実行させるためのプログラムを記録した記録媒体、温度制御システム及び熱処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、温度制御方法、その温度制御方法を実行させるためのプログラムを記録した記録媒体、温度制御システム及び熱処理装置に関する。
半導体装置の製造においては、例えば半導体ウェハ等の基板に、酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの処理を施すために、各種の処理装置が用いられている。そして、その一つとして、一度に多数枚の被処理基板の熱処理が可能な縦型の熱処理装置が知られている。
熱処理装置には、処理容器と、ボートと、昇降機構と、移載機構とを備えているものがある。ボートは、複数の基板を上下方向に所定の間隔で保持して処理容器に搬入搬出される基板保持部である。昇降機構は、処理容器の下方に形成されたローディングエリアに設けられており、処理容器の開口を閉塞する蓋体の上部にボートを載置した状態で蓋体を上昇下降させて処理容器とローディングエリアとの間でボートを昇降させる。移載機構は、ローディングエリアに搬出されたボートと複数枚の基板を収容する収納容器との間で基板の移載を行う。
また、熱処理装置として、処理容器が縦方向に複数のゾーンに分けられ、ヒータも複数のゾーンに分けられるとともに、各ゾーンに、１つまたは複数の、例えば熱電対よりなる温度検出素子が設けられているものがある。例えば、各ゾーンであって処理容器の内部に、インナー温度検出素子が設けられており、また、各ゾーンであって処理容器の外部に、アウター温度検出素子が設けられているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、このような熱処理装置では、以下のような問題がある。
熱処理装置による熱処理工程において、あるゾーン（単位領域）の温度検出素子が故障したときは、故障した温度検出素子の検出値を、実際のサンプリング測定値から動的モデルに基づいて計算される計算値に切り替えて、温度制御が行われる。しかし、特許文献１に示す例では、動的モデルは、単位領域ごとに導出されるため、ある単位領域の温度に及ぼす他の単位領域の温度の影響が考慮されておらず、故障した温度検出素子の温度を精度良く計算することができない。
あるいは、各ゾーンのインナー温度検出素子及びアウター温度検出素子のいずれか一方が故障したときに、温度制御用の温度検出素子を、その一方の温度検出素子から他方の温度検出素子に切り替えることも考えられる。しかし、温度制御用の温度検出素子を、インナー温度検出素子及びアウター温度検出素子のいずれか一方から他方に切り替えると、切り替えた時に基板の温度が変動するおそれがある。特に、基板の温度を上昇又は下降させている時に、温度制御用の温度検出素子を、インナー温度検出素子及びアウター温度検出素子のいずれか一方から他方に切り替えると、切り替えた時に基板の温度が大きく変動するおそれがある。
また、上記した課題は、基板を上下方向に沿って保持する場合に限られず、任意の方向に沿って所定の間隔で保持する場合にも共通する課題である。更に、上記した課題は、基板を熱処理する場合に限られず、基板以外の各種の被加熱物を加熱する場合にも共通する課題である。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、温度制御用の温度検出素子が故障しても、被加熱物の温度をほとんど変動させることなく、継続して温度制御可能な温度制御方法、温度制御システム及び熱処理装置を提供する。
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
本発明の一実施例によれば、各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、被加熱物を加熱する加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記被加熱物の温度を制御する温度制御方法において、予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、温度制御方法が提供される。
また、本発明の他の一実施例によれば、各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子と、各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、被加熱物を加熱する加熱部と、前記複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、前記加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記被加熱物の温度を制御する制御部とを有し、前記制御部は、予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、温度制御装置が提供される。
また、本発明の他の一実施例によれば、基板を熱処理する熱処理装置において、処理容器と、前記処理容器内で、一の方向に沿って基板を所定の間隔で複数保持可能な基板保持部と、前記一の方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、前記処理容器内で保持されている基板を加熱する加熱部と、前記一の方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子と、前記複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、前記加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記基板の温度を制御する制御部とを有し、前記制御部は、予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記基板の温度を制御する、熱処理装置が提供される。
本発明によれば、温度制御用の温度検出素子が故障しても、被加熱物の温度をほとんど変動させることなく、継続して温度制御可能である。
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
最初に、本発明の実施の形態に係る熱処理装置について説明する。熱処理装置１０は、後述する縦型の熱処理炉６０を備えており、ウェハＷをボートに縦方向に沿って所定の間隔で保持、一度に多数枚収容し、収容したウェハＷに対して酸化、拡散、減圧ＣＶＤ等の各種の熱処理を施すことができる。以下では、例えば水蒸気よりなる処理ガスを、後述する処理容器６５内に設置されている基板に供給することによって、基板の表面を酸化処理する熱処理装置に適用した例について説明する。
図１は、本実施の形態に係る熱処理装置１０を概略的に示す縦断面図である。図２は、ローディングエリア４０を概略的に示す斜視図である。図３は、ボート４４の一例を概略的に示す斜視図である。
熱処理装置１０は、載置台（ロードポート）２０、筐体３０、及び制御部１００を有する。
載置台（ロードポート）２０は、筐体３０の前部に設けられている。筐体３０は、ローディングエリア（作業領域）４０及び熱処理炉６０を有する。ローディングエリア４０は、筐体３０内の下方に設けられており、熱処理炉６０は、筐体３０内であってローディングエリア４０の上方に設けられている。また、ローディングエリア４０と熱処理炉６０との間には、ベースプレート３１が設けられている。
載置台（ロードポート）２０は、筐体３０内へのウェハＷの搬入搬出を行うためのものである。載置台（ロードポート）２０には、収納容器２１、２２が載置されている。収納容器２１、２２は、前面に図示しない蓋を着脱可能に備えた、複数枚例えば５０枚程度のウェハＷを所定の間隔で収納可能な密閉型収納容器（フープ）である。
また、載置台２０の下方には、後述する移載機構４７により移載されたウェハＷの外周に設けられた切欠部（例えばノッチ）を一方向に揃えるための整列装置（アライナ）２３が設けられていてもよい。
ローディングエリア（作業領域）４０は、収納容器２１、２２と後述するボート４４との間でウェハＷの移載を行い、ボート４４を処理容器６５内に搬入（ロード）し、ボート４４を処理容器６５から搬出（アンロード）するためのものである。ローディングエリア４０には、ドア機構４１、シャッター機構４２、蓋体４３、ボート４４、基台４５ａ、４５ｂ、昇降機構４６、及び移載機構４７が設けられている。
なお、蓋体４３及びボート４４は、本発明における基板保持部に相当する。
ドア機構４１は、収納容器２１、２２の蓋を取外して収納容器２１、２２内をローディングエリア４０内に連通開放するためのものである。
シャッター機構４２は、ローディングエリア４０の上方に設けられている。シャッター機構４２は、蓋体４３を開けているときに、後述する炉口６８ａから高温の炉内の熱がローディングエリア４０に放出されるのを抑制ないし防止するために炉口６８ａを覆う（又は塞ぐ）ように設けられている。
蓋体４３は、保温筒４８及び回転機構４９を有する。保温筒４８は、蓋体４３上に設けられている。保温筒４８は、ボート４４が蓋体４３側との伝熱により冷却されることを防止し、ボート４４を保温するためのものである。回転機構４９は、蓋体４３の下部に取り付けられている。回転機構４９は、ボート４４を回転するためのものである。回転機構４９の回転軸は蓋体４３を気密に貫通し、蓋体４３上に配置された図示しない回転テーブルを回転するように設けられている。
昇降機構４６は、ボート４４のローディングエリア４０から処理容器６５に対する搬入、搬出に際し、蓋体４３を昇降駆動する。そして、昇降機構４６により上昇させられた蓋体４３が処理容器６５内に搬入されているときに、蓋体４３は、後述する炉口６８ａに当接して炉口６８ａを密閉するように設けられている。そして、蓋体４３に載置されているボート４４は、処理容器６５内でウェハＷを水平面内で回転可能に保持することができる。
なお、熱処理装置１０は、ボート４４を複数有していてもよい。以下、本実施の形態では、図２を参照し、ボート４４を２つ有する例について説明する。
ローディングエリア４０には、ボート４４ａ、４４ｂが設けられている。そして、ローディングエリア４０には、基台４５ａ、４５ｂ及びボート搬送機構４５ｃが設けられている。基台４５ａ、４５ｂは、それぞれボート４４ａ、４４ｂが蓋体４３から移載される載置台である。ボート搬送機構４５ｃは、ボート４４ａ、４４ｂを、蓋体４３から基台４５ａ、４５ｂに移載するためのものである。
ボート４４ａ、４４ｂは、例えば石英製であり、大口径例えば直径３００ｍｍのウェハＷを水平状態で上下方向に所定の間隔（ピッチ幅）で搭載するようになっている。ボート４４ａ、４４ｂは、例えば図３に示すように、天板５０と底板５１の間に複数本例えば３本の支柱５２を介設してなる。支柱５２には、ウェハＷを保持するための爪部５３が設けられている。また、支柱５２と共に補助柱５４が適宜設けられていてもよい。
移載機構４７は、収納容器２１、２２とボート４４ａ、４４ｂの間でウェハＷの移載を行うためのものである。移載機構４７は、基台５７、昇降アーム５８、及び、複数のフォーク（移載板）５９を有する。基台５７は、昇降及び旋回可能に設けられている。昇降アーム５８は、ボールネジ等により上下方向に移動可能（昇降可能）に設けられ、基台５７は、昇降アーム５８に水平旋回可能に設けられている。
図４は、熱処理炉６０の構成の概略を示す断面図である。
熱処理炉６０は、例えば、複数枚の被処理基板例えば薄板円板状のウェハＷを収容して所定の熱処理を施すための縦型炉とすることができる。
熱処理炉６０は、ジャケット６２、ヒータ６３、空間６４、処理容器６５を備えている。
処理容器６５は、ボート４４に保持されたウェハＷを収納して熱処理するためのものである。処理容器６５は、例えば石英製であり、縦長の形状を有している。
処理容器６５は、下部のマニホールド６８を介してベースプレート６６に支持されている。また、マニホールド６８から処理容器６５へは、インジェクタ７１を通して処理ガスが供給される。インジェクタ７１は、ガス供給源７２と接続されている。また、処理容器６５に供給された処理ガスやパージガスは、排気ポート７３を通して減圧制御が可能な真空ポンプを備えた排気系７４に接続されている。
前述したように、蓋体４３は、ボート４４が処理容器６５内に搬入されているときに、マニホールド６８下部の炉口６８ａを閉塞する。前述したように、蓋体４３は、昇降機構４６により昇降移動可能に設けられており、蓋体４３の上部には保温筒４８が載置されており、保温筒４８の上部には、ウェハＷを多数枚上下方向に所定の間隔で搭載するボート４４が設けられている。
ジャケット６２は、処理容器６５の周囲を覆うように設けられているとともに、処理容器６５の周囲に空間６４を画成している。処理容器６５が円筒形状を有しているため、ジャケット６２も、円筒形状を有している。ジャケット６２は、ベースプレート６６に支持されている。ジャケット６２の内側であって、空間６４の外側には、例えばグラスウールよりなる断熱材６２ａが設けられていてもよい。
ヒータ６３は、処理容器６５の周囲を覆うように設けられており、処理容器６５を加熱するとともに、ボート４４に保持されたウェハＷ、すなわち処理容器６５内の被加熱物を加熱するためのものである。ヒータ６３は、ジャケット６２の内側であって空間６４の外側に設けられている。ヒータ６３は、例えばカーボンワイヤ等の発熱抵抗体よりなり、空間６４の内部を流れる気体の温度を制御するとともに、処理容器６５内を所定の温度例えば５０〜１２００℃に加熱制御可能である。ヒータ６３は、処理容器６５及びウェハＷを加熱する加熱部として機能する。
空間６４及び処理容器６５内の空間は、縦方向に沿って複数の単位領域、例えば１０の単位領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８、Ａ９、Ａ１０に分割されている。そして、ヒータ６３も、上下方向に沿って単位領域と１対１に対応するように、６３−１、６３−２、６３−３、６３−４、６３−５、６３−６、６３−７、６３−８、６３−９、６３−１０に分割されている。ヒータ６３−１〜６３−１０の各々は、例えばサイリスタよりなるヒータ出力部８６により、単位領域Ａ１〜Ａ１０の各々に対応して独立に出力を制御できるように構成されている。ヒータ６３−１〜６３−１０は、本発明における発熱素子に相当する。
なお、本実施の形態では、空間６４及び処理容器６５内の空間を上下方向に沿って１０の単位領域に分割した例について説明するが、単位領域の分割数は１０に限られず、空間６４は１０以外の数により分割されてもよい。また、本実施の形態では均等に分割しているが、これに限らず、温度変化の大きい炉口６８ａ付近を細かい領域に分割しても良い。
また、ヒータ６３は、縦方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられていればよい。従って、ヒータ６３は、単位領域Ａ１〜Ａ１０の各々に１対１に対応して設けられていなくてもよい。
空間６４には、単位領域Ａ１〜Ａ１０の各々に対応して温度を検出するためのヒータ温度センサＡｏ１〜Ａｏ１０が設けられている。また、処理容器６５内の空間にも、単位領域Ａ１〜Ａ１０の各々に対応して温度を検出するための処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ１０が設けられている。ヒータ温度センサＡｏ１〜Ａｏ１０及び処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ１０は、縦方向に沿った温度分布を検出するために温度を検出する。
ヒータ温度センサＡｏ１〜Ａｏ１０からの検出信号、及び、処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ１０からの検出信号は、それぞれライン８１、８２を通して制御部１００に導入される。検出信号が導入された制御部１００では、ヒータ出力部８６の設定値を計算し、計算した設定値をヒータ出力部８６に入力する。そして、設定値が入力されたヒータ出力部８６は、入力された設定値をヒータ出力ライン８７及びヒータ端子８８を介してヒータ６３−１〜６３−１０の各々へ出力する。例えばＰＩＤ制御によりヒータ出力部８６の設定値を計算することによって、制御部１００は、ヒータ出力部８６のヒータ６３−１〜６３−１０の各々への出力、すなわちヒータ６３−１〜６３−１０の各々の発熱量を制御する。
なお、制御部１００におけるヒータ出力部８６の設定値の計算方法、すなわち温度制御方法については、図５及び図６を用いて後述する。
なお、ヒータ温度センサＡｏ及び処理容器内温度センサＡｉは、処理容器６５内の縦方向に沿った温度分布を検出するために、縦方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられていればよい。従って、ヒータ温度センサＡｏ及び処理容器内温度センサＡｉは、単位領域Ａ１〜Ａ１０の各々に１対１に対応して設けられていなくてもよい。
また、図４に示すように、ウェハＷとともにロード・アンロードされる可動温度センサＡｐ１〜Ａｐ１０が設けられていてもよく、可動温度センサＡｐ１〜Ａｐ１０からの検出信号が、ライン８３を通して制御部１００に導入されるようにしてもよい。
また、熱処理炉６０は、処理容器６５を冷却するための冷却機構９０を備えていてもよい。冷却機構９０は、例えば、送風機（ブロワ）９１、送風管９２及び排気管９４を有するものとすることができる。
送風機（ブロワ）９１は、ヒータ６３が設けられている空間６４内に、例えば空気よりなる冷却ガスを送風して処理容器６５を冷却するためのものである。送風管９２は、送風機９１からの冷却ガスをヒータ６３に送るためのものである。送風管９２は、噴出孔９２ａ−１〜９２ａ−１０の各々に接続されている。すなわち、冷却ガスは、噴出孔９２ａ−１〜９２ａ−１０の各々を介して空間６４に供給される。図４に示す例では、噴出孔９２ａ−１〜９２ａ−１０は、縦方向に沿って設けられている。
排気管９４は、空間６４内の空気を排出するためのものである。空間６４には、冷却ガスを空間６４から排気するための排気口９４ａが設けられており、排気管９４は、一端が排気口９４ａに接続されている。
また、図４に示すように、排気管９４の途中に熱交換器９５を設けるとともに、排気管９４の他端を送風機９１の吸引側に接続してもよい。そして、排気管９４により排気した冷却ガスを工場排気系に排出せずに、熱交換器９５で熱交換した後、送風機９１に戻し、循環使用するようにしてもよい。また、その場合、図示しないエアフィルタを介して循環させてもよい。あるいは、空間６４から排出された冷却ガスは、排気管９４から熱交換器９５を介して工場排気系に排出されるようになってもよい。
また、送風機（ブロワ）９１は、制御部１００からの出力信号により、例えばインバータよりなる電力供給部９１ａから供給される電力を制御することによって、送風機９１の風量を制御できるように構成されていてもよい。
制御部１００は、例えば、演算処理部１００ａ、及び、図示しない演算処理部、記憶部及び表示部を有する。演算処理部１００ａは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するコンピュータである。記憶部は、演算処理部１００ａに、各種の処理を実行させるためのプログラムを記録した、例えばハードディスクにより構成されるコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。表示部は、例えばコンピュータの画面よりなる。演算処理部１００ａは、記憶部に記録されたプログラムを読み取り、そのプログラムに従って、熱処理装置を構成する各部に制御信号を送り、後述するような熱処理を実行する。
そして、制御部１００には、処理容器６５内の被加熱物であるウェハＷの温度が効率よく設定温度（所定温度）に収束するように、ヒータ６３に供給する電力を制御するためのプログラム（シーケンス）が組み込まれている。
本実施の形態では、制御部１００は、複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、ウェハＷの温度を制御する。そして、いずれの温度検出素子も故障していないときに、正常時のカルマンフィルタにより、複数の温度検出素子の各々の温度を予測し、一部の温度検出素子が故障したときに、異常時のカルマンフィルタにより、複数の温度検出素子の各々の温度を推定する。正常時のカルマンフィルタは、いずれの温度検出素子も故障していないときに、複数の温度検出素子の各々の温度が温度を検出した検出値に基づいて、準備されたものである。異常時のカルマンフィルタは、いずれの温度検出素子も故障していないときに、前記一の温度検出素子以外の温度検出素子の各々が温度を検出した検出値に基づいて、準備されたものである。
次に、演算処理部１００ａの構成及び本実施の形態に係る温度制御方法の詳細について説明する。
本実施の形態に係る温度制御方法は、制御対象の状態変数である温度についてフィードバック制御を行う場合において、一部の温度が検出できなくなったときに、例えばカルマンフィルタを用いた推定アルゴリズムにより、検出できない温度の推定値を復元するものである。
なお、以下では、ヒータ温度センサＡｏ及び処理容器内温度センサＡｉを代表して、処理容器内温度センサＡｉのいずれかが故障したときに、正常時のカルマンフィルタから異常時のカルマンフィルタに切り替える例について説明する。また、説明を容易にするために、単位領域がＡ１〜Ａ５の５つに分かれている場合について説明する。すなわち、Ａｉ１〜Ａｉ５の５つの処理容器内温度センサが設けられており、６３−１〜６３−５の５つのヒータが設けられている例について説明する。
図５は、演算処理部１００ａの構成の概略を模式的に示す図である。
図５に示すように、演算処理部１００ａは、故障検知部１０１、予測部１０２、演算部１０３を有する。
故障検知部１０１は、例えば処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ５と演算処理部１００ａの予測部１０２とを接続するライン８２とは別に、図示しないラインにより処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ５と接続されている。そして、故障検知部１０１は、例えば電気的な方法により、処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ５のいずれかが断線しているか否かを検知する。
演算部１０３は、予測部１０２が予測した予測値に基づいて、ヒータ６３に出力する出力値を演算する。
予測部１０２は、カルマンフィルタにより、Ａｉ１〜Ａｉ５の５つの処理容器内温度センサの温度を予測する。
次に、カルマンフィルタを準備する方法、及び、準備されたカルマンフィルタにより、予測部１０２が、いずれかの処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ５の温度を予測する方法について説明する。
初めに、いずれの処理容器内温度センサも故障していないときに用いる正常時のカルマンフィルタを準備する方法について説明する。なお、正常時のカルマンフィルタは、本発明における第２のカルマンフィルタに相当する。
推定対象とする線形システムを下記式（１）に示すように、
すると、状態推定問題は、時刻ｋ＋ｈにおける状態ｘ（ｋ＋ｈ）の最小分散推定値を求めること、すなわち、下記式（５）に示すように、評価関数
そして、推定誤差の共分散行列を、下記式（７）に示すように、
すると、制御入力を受ける場合のカルマンフィルタは、下記式（８）から下記式（１２）に示すようになる。
フィルタ方程式の観測更新の式（式（９））を、フィルタ方程式の時間更新の式（式（８））に代入すると、下記式（１３）に示すように、
共分散行列が定常の場合、カルマンゲインＫは、下記式（１５）に示すように、
また、共分散方程式の観測更新の式（式（１１））を、共分散方程式の時間更新の式（式（１０））に代入すると、下記式（１６）に示すように、
次に、ある処理容器内温度センサ（以下、単に「温度センサ」という。）が故障したときに用いる異常時のカルマンフィルタを準備する方法について説明する。なお、異常時のカルマンフィルタは、本発明における第１のカルマンフィルタに相当する。
以下では、１番目の温度センサが故障した場合を想定してカルマンフィルタを設計する。
観測できる変数ｙ０から１番目の温度センサからの出力を除いたものをｙ１とすると、正常時のカルマンフィルタについての式（２）に相当する式は、下記式（１９）に示すように、
上記システムに対して温度センサの定常時と同様にカルマンフィルタを設計する。
カルマンフィルタのフィルタ方程式は、下記式（２０）に示す通りである。
そして、代数リカッチ方程式は、下記式（２２）に示すように、
同様にして、i番目の温度センサが故障した場合のフィルタ方程式を求めると、下記式（２３）に示すように、
それぞれの代数リカッチ方程式は、下記式（２５）に示すように、
次に、正常時及び異常時のカルマンフィルタの準備の方法について説明する。図６は、単位領域の数を少なくして簡略化した、熱処理装置の模式的な断面図である。図７は、予測部１０２の構成を模式的に示すブロック線図である。
図６に示すように、例えば、熱処理装置が５つの単位領域Ａ１〜Ａ５に分割されているものとする。そして、５つの単位領域Ａ１〜Ａ５の各々に対応して６３−１〜６３−５の５つのヒータが設けられており、５つの単位領域Ａ１〜Ａ５の各々に対応してＡｉ１〜Ａｉ５の５つの処理容器内温度センサが設けられているものとする。そして、５つの単位領域Ａ１〜Ａ５の各々に対応して、ボート４４に保持されているウェハＷの中心に相当する位置に、５つの中心用温度センサＡｃ１〜Ａｃ５が設けられているものとする。また、５つの単位領域Ａ１〜Ａ５の各々に対応して、ボート４４に保持されているウェハＷの周縁に相当する位置に、５つの周縁用温度センサＡｅ１〜Ａｅ５が設けられているものとする。すると、前述した次元数ｎ等は、
次元数ｎ＝２０
出力数ｍ＝１５
入力数ｒ＝５
観測数ｏ＝５
となる。なお、中心用温度センサＡｃ１〜Ａｃ５は、ボート４４に設けられていてもよく、カルマンフィルタを準備するときに、中心部に熱電対が付けられたウェハＷを保持することによって設けてもよい。また、周縁用温度センサＡｅ１〜Ａｅ５は、ボート４４に設けられていてもよく、カルマンフィルタを準備するときに、周縁部に熱電対が付けられたウェハＷを保持することによって設けてもよい。
次元数ｎ＝２０
出力数ｍ＝１５
入力数ｒ＝５
観測数ｏ＝５
となる。なお、中心用温度センサＡｃ１〜Ａｃ５は、ボート４４に設けられていてもよく、カルマンフィルタを準備するときに、中心部に熱電対が付けられたウェハＷを保持することによって設けてもよい。また、周縁用温度センサＡｅ１〜Ａｅ５は、ボート４４に設けられていてもよく、カルマンフィルタを準備するときに、周縁部に熱電対が付けられたウェハＷを保持することによって設けてもよい。
このとき、ｎ行×１列の状態ベクトルｘは、下記式（２６）に示すように、２０行×１列の
また、ｍ行×１列の出力ベクトルｙは、下記式（２８）に示すように、１５行×１列の
また、ｏ行×１列の観測ベクトルｙ０は、下記式（２９）に示すように、５行×１列の
また、（ｏ−１）行×１列の観測ベクトルｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４、ｙ５は、下記式（３０）〜式（３４）に示すように、４行×１列の
また、ｎ行×ｎ列の状態行列Ａは、下記式（３５）に示すように、２０行×２０列の
また、（ｏ−１）行×ｍ列の観測値選択行列Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５は、下記式（３９）〜式（４３）に示すように、４行×１５列の
また、ｎ行×ｏ列の正常時のカルマンゲインＫは、下記式（４４）に示すように、２０行×５列の
図７に示すように、予測部１０２は、伝達要素Ｔｍ１〜Ｔｍ２１、加え合わせ点Ａｄ１〜Ａｄ７、マルチポートスイッチＭｐｓ、入力点Ｉｐ１〜Ｉｐ３、出力点Ｏｐ１により構成される。
処理容器内温度センサＡｉ１〜Ａｉ５からの温度の検出信号ｙｉｎｎｅｒ，１〜ｙｉｎｎｅｒ，５よりなるｙ０は、入力点Ｉｐ１から入力される。入力点Ｉｐ１から入力されたｙ０は、直接加え合わせ点Ａｄ１に入力されるか、５つの引き出し点Ｗｄ１〜Ｗｄ５で引き出される。
直接加え合わせ点Ａｄ１に入力されたｙ０は、加え合わせ点Ａｄ１において伝達要素Ｔｍ１から入力された、時刻ｋにおける信号と加減算された後、伝達要素Ｔｍ２で正常時のカルマンフィルタが乗算され、マルチポートスイッチＭｐｓに入力される。
一方、引き出し点Ｗｄ１〜Ｗｄ５で引き出されたｙ０は、伝達要素Ｔｍ３〜Ｔｍ７を介して、加え合わせ点Ａｄ２〜Ａｄ６に入力される。伝達要素Ｔｍ３〜Ｔｍ７では、ｙ０の５つの検出信号ｙｉｎｎｅｒ，１〜ｙｉｎｎｅｒ，５から、いずれか１つを除いた４つの検出信号を選択し、４つの検出信号よりなる式（３０）〜式（３４）に示すｙ１〜ｙ５として、加え合わせ点Ａｄ２〜Ａｄ６に出力する。加え合わせ点Ａｄ２〜Ａｄ６に入力されたｙ１〜ｙ５は、加え合わせ点Ａｄ２〜Ａｄ６において伝達要素Ｔｍ８〜Ｔｍ１２から入力された、時刻ｋにおける信号と加減算される。そして、その後、伝達要素Ｔｍ１３〜Ｔｍ１７で、それぞれ異常時のカルマンフィルタＫ１〜Ｋ５が乗算され、マルチポートスイッチＭｐｓに入力される。
マルチポートスイッチＭｐｓには故障検知部１０１からの検出信号が入力点Ｉｐ２を介して入力されている。いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していないときは、マルチポートスイッチＭｐｓには、いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していない旨の信号が入力される。このとき、マルチポートスイッチＭｐｓは、伝達要素Ｔｍ２から入力された信号を出力側に出力する。
マルチポートスイッチＭｐｓから出力された信号は、加え合わせ点Ａｄ７に入力される。また、加え合わせ点Ａｄ７には、入力点Ｉｐ３から入力されたヒータ出力部８６の出力ｕ１〜ｕ５よりなる、式（２７）に示す入力ベクトルｕに、伝達要素Ｔｍ１８において式（３６）に示す入力行列Ｂが乗算されてなる信号が入力される。また、加え合わせ点Ａｄ７には、加え合わせ点Ａｄ７から出力された信号が伝達要素Ｔｍ１９において、１単位時間遅延された後、伝達要素Ｔｍ２０において、式（３５）に示す状態行列Ａが乗算されてなる信号が入力される。
加え合わせ点Ａｄ７においてこれら３つの信号が加減算されてなる信号は、加え合わせ点Ａｄ７から出力され、伝達要素Ｔｍ１９を介した後、伝達要素Ｔｍ２１において、式（３７）に示す出力行列Ｃが乗算される。出力行列Ｃが乗算された信号は、出力ベクトルｙとして出力点Ｏｐ１から出力される。なお、出力ベクトルｙは、時刻ｋ＋１における信号として、伝達要素Ｔｍ２、Ｔｍ８〜Ｔｍ１２にも入力され、時刻ｋ＋１における出力ベクトルｙの予測に用いられる。
なお、いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していないときに、正常時のカルマンフィルタを用いて出力ベクトルｙを予測する推定アルゴリズムは、本発明における第２の推定アルゴリズムに相当する。
一方、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障したときは、故障検知部１０１は，故障した処理容器内温度センサＡｉがＡｉ１〜Ａｉ５のいずれの温度センサであるかをマルチポートスイッチＭｐｓに伝える。そして、故障検知部１０１からの検出信号に基づいて、マルチポートスイッチＭｐｓは、故障した温度センサ以外の４つの検出信号よりなるｙ１〜ｙ５のいずれかをマルチポートスイッチＭｐｓから出力する。そして、いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していないときと同様に、出力ベクトルｙとして出力点Ｏｐ１から出力される。
なお、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障したときに、異常時のカルマンフィルタを用いて出力ベクトルｙを予測する推定アルゴリズムは、本発明における第１の推定アルゴリズムに相当する。
本実施の形態では、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障したときに、故障した処理容器内温度センサＡｉ以外の処理容器内温度センサＡｉの各々が温度を検出した検出値に基づいて、異常時のカルマンフィルタにより、複数の処理容器内温度センサＡｉの各々の温度を推定する。すなわち、予め、処理容器内温度センサＡｉのいずれも故障していないときに、処理容器内温度センサＡｉのうち、選択された処理容器内温度センサＡｉ以外の処理容器内温度センサＡｉの各々が温度を検出した検出値に基づいて、異常時のカルマンフィルタを準備しておく。そして、選択された処理容器内温度センサＡｉが故障したときに、準備した異常時のカルマンフィルタにより、処理容器内温度センサＡｉの各々の温度を推定する。従って、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障しても、ウェハの温度をほとんど変動させることなく、継続して温度制御することができる。
また、いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していないときにも、信号ｙ０に基づいて、正常時のカルマンフィルタにより、出力ベクトルｙを予測する。正常時も異常時も同一の状態空間モデルを用いるため、状態変数ｘが共通しており、継続して計算できる。従って、異常時に出力ベクトルｙを予測する方法を切り替えても、ウェハの温度をほとんど変動させることなく、継続して温度制御することができる。
また、定常時と異常時とで同一のオブザーバ（観測器）を用いるため、異常時のオブザーバとして新たなオブザーバを作成する必要がない。異常時の状態予測モデルと作成する際に、例えばＫ１〜Ｋ５のカルマンゲインが増える程度であるので、モデルサイズが増加することを抑制することができる。
なお、オブザーバとして、カルマンフィルタの他、最小次元オブザーバ、ＶＳＳオブザーバ等を用いてもよい。
なお、本実施の形態では、いずれの処理容器内温度センサＡｉも故障していないときに、信号ｙ０に基づいて、出力ベクトルｙを予測する例について説明した。しかし、図５の点線ｉで示すように、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障していないときには、カルマンフィルタにより出力ベクトルｙを予測せず、信号ｙ０を直接用いて、演算部１０３により、ヒータ出力部８６における設定値を設定してもよい。
次に、本実施の形態に係る熱処理装置を用いた熱処理方法について説明する。
図８は、本実施の形態に係る熱処理装置を用いた熱処理方法における各工程の手順を説明するためのフローチャートである。
実施の形態（実施例）では、処理開始後、ステップＳ１１として、処理容器６５内にウェハＷを搬入する（搬入工程）。図１に示した熱処理装置１０の例では、例えばローディングエリア４０において、移載機構４７により収納容器２１からボート４４ａへウェハＷを搭載し、ウェハＷを搭載したボート４４ａをボート搬送機構４５ｃにより蓋体４３に載置することができる。そして、ボート４４ａを載置した蓋体４３を昇降機構４６により上昇させて処理容器６５内に挿入することにより、ウェハＷを搬入することができる。
次に、ステップＳ１２では、処理容器６５の内部を減圧する（減圧工程）。排気系７４の排気能力又は排気系７４と排気ポート７３との間に設けられている図示しない流量調整バルブを調整することにより、排気ポート７３を介して処理容器６５を排気する排気量を増大させる。そして、処理容器６５の内部を所定圧力に減圧する。
次に、ステップＳ１３では、ウェハＷの温度を、ウェハＷを熱処理するときの所定温度（熱処理温度）まで上昇させる（リカバリ工程）。
ボート４４ａを処理容器６５の内部に搬入した直後は、処理容器６５に設けられた温度、すなわち例えば可動温度センサＡｐ１〜Ａｐ１０の温度は、室温近くまで下がっている。そのため、ヒータ６３に電力を供給することによって、ボート４４ａに搭載されているウェハＷの温度を熱処理温度まで上昇させる。
また、ヒータ６３の発熱量と冷却機構９０の冷却量とをバランスさせることにより、ウェハＷの温度が熱処理温度に収束するように、制御してもよい。
次に、ステップＳ１４では、ヒータ６３により加熱することによって、ボート４４に保持されているウェハＷを熱処理する（熱処理工程）。
ボート４４により、縦方向に沿ってウェハＷを所定の間隔で複数保持し、ヒータ６３により処理容器６５を加熱することによって、ウェハＷの温度を所定温度に保持する。この状態で、ガス供給源７２からインジェクタ７１を介して処理ガスを処理容器６５内に供給し、ウェハＷ表面を熱処理する。例えば水蒸気ガスよりなる処理ガスを供給してウェハＷの表面を酸化する。また、ウェハＷの熱処理としては、酸化処理に限られず、拡散、減圧ＣＶＤ等の各種の熱処理を行ってもよい。
次に、ステップＳ１５では、冷却機構９０により、複数の噴出孔９２ａ−１〜９２ａ−１０の各々を介して空間６４に冷却ガスを供給することによって、処理容器６５を冷却し、ウェハＷの温度を熱処理温度から下降させる（冷却工程）。このとき、送風機９１により供給される冷却ガスが、空間６４に供給されることによって、熱処理したウェハＷを冷却する。
次に、ステップＳ１６では、処理容器６５の内部を大気圧に復圧する（復圧工程）。排気系７４の排気能力又は排気系７４と排気ポート７３との間に設けられている図示しない流量調整バルブを調整することにより、処理容器６５を排気する排気量を減少させ、例えば窒素（Ｎ２）パージガスを導入して処理容器６５の内部を大気圧に復圧する。
次に、ステップＳ１７では、処理容器６５からウェハＷを搬出する（搬出工程）。図１に示した熱処理装置１０の例では、例えばボート４４ａを載置した蓋体４３を昇降機構４６により下降させて処理容器６５内からローディングエリア４０に搬出することができる。そして、移載機構４７により、搬出した蓋体４３に載置されているボート４４ａから収納容器２１へウェハＷを移載することによって、ウェハＷを処理容器６５から搬出することができる。そして、ウェハＷを処理容器６５から搬出することによって、熱処理作業は終了する。
なお、複数のバッチについて連続して熱処理作業を行うときは、更に、ローディングエリア４０において、移載機構４７により収納容器２１からウェハＷをボート４４へ移載し、再びステップＳ１１に戻り、次のバッチの熱処理作業を行う。
以上の熱処理方法においても、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障したときに、その処理容器内温度センサＡｉ以外の処理容器内温度センサＡｉの各々が温度を検出した検出値に基づいて、異常時のカルマンフィルタにより、複数の処理容器内温度センサＡｉの各々の温度を推定する。従って、いずれかの処理容器内温度センサＡｉが故障しても、ウェハの温度をほとんど変動させることなく、継続して温度制御することができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、実施の形態では、基板を上下方向に沿って保持する場合について説明した。しかし、基板を保持する方向は上下方向に限定されず、任意の方向に沿って所定の間隔で保持する場合にも適用可能である。また、本実施の形態に係る温度制御方法を行う温度制御システムは、基板を処理容器内で保持して熱処理する場合に限られず、基板以外の各種の被加熱物を加熱する場合にも適用可能である。そして、各々が異なる位置に設けられた温度センサ（温度検出素子）のうち、いずれかの温度センサが故障したときに、その温度センサ以外の温度センサの各々が温度を検出した検出値に基づいて、異常時のカルマンフィルタにより、複数の温度センサの各々の温度を推定してもよい。そして、推定した推定値に基づいて、被加熱物の温度を温度制御してもよい。
１０ 熱処理装置
４４ ボート
６０ 熱処理炉
６３、６３−１〜６３−１０ ヒータ
６５ 処理容器
８６ ヒータ出力部
１００ 制御部
１０１ 故障検知部
１０２ 予測部
１０３ 演算部
Ａｉ１〜Ａｉ１０ 処理容器内温度センサ
４４ ボート
６０ 熱処理炉
６３、６３−１〜６３−１０ ヒータ
６５ 処理容器
８６ ヒータ出力部
１００ 制御部
１０１ 故障検知部
１０２ 予測部
１０３ 演算部
Ａｉ１〜Ａｉ１０ 処理容器内温度センサ
Claims (16)
- 各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、被加熱物を加熱する加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記被加熱物の温度を制御する温度制御方法において、
予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、温度制御方法。 - 前記複数の温度検出素子のいずれかが故障したときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項１に記載の温度制御方法。
- 前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子の各々が検出した検出値に基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定する第２の推定アルゴリズムにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、請求項１又は請求項２に記載の温度制御方法。
- 前記第２の推定アルゴリズムは、第２のカルマンフィルタを用いて前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項３に記載の温度制御方法。
- 前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項４に記載の温度制御方法。
- コンピュータに請求項１から請求項５のいずれかに記載の温度制御方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子と、
各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、被加熱物を加熱する加熱部と、
前記複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、前記加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記被加熱物の温度を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、温度制御装置。 - 前記複数の温度検出素子のいずれかが故障したときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項７に記載の温度制御装置。
- 前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子の各々が検出した検出値に基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定する第２の推定アルゴリズムにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記被加熱物の温度を制御する、請求項７又は請求項８に記載の温度制御装置。
- 前記第２の推定アルゴリズムは、第２のカルマンフィルタを用いて前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項９に記載の温度制御装置。
- 前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項１０に記載の温度制御装置。
- 基板を熱処理する熱処理装置において、
処理容器と、
前記処理容器内で、一の方向に沿って基板を所定の間隔で複数保持可能な基板保持部と、
前記一の方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられた複数の発熱素子を含み、前記処理容器内で保持されている基板を加熱する加熱部と、
前記一の方向に沿って各々が互いに異なる位置に設けられた複数の温度検出素子と、
前記複数の温度検出素子が温度を検出した検出値に基づいて、前記加熱部における前記発熱素子の発熱量を制御することによって、前記基板の温度を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、予め、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子のうち、選択された温度検出素子以外の温度検出素子が検出した検出値に基づいて、第１のカルマンフィルタを準備しておき、選択された前記温度検出素子が故障したときに、準備した前記第１のカルマンフィルタにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記基板の温度を制御する、熱処理装置。 - 前記制御部は、前記複数の温度検出素子のいずれかが故障したときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項１２に記載の熱処理装置。
- 前記制御部は、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記複数の温度検出素子の各々が検出した検出値に基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定する第２の推定アルゴリズムにより、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定し、推定した推定値に基づいて、前記基板の温度を制御する、請求項１２又は請求項１３に記載の熱処理装置。
- 前記第２の推定アルゴリズムは、第２のカルマンフィルタを用いて前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項１４に記載の熱処理装置。
- 前記制御部は、前記複数の温度検出素子のいずれも故障していないときに、前記検出値と、各々が前記複数の温度検出素子の各々に対応して設けられた前記複数の発熱素子の各々の発熱量とに基づいて、前記複数の温度検出素子の各々の温度を推定するものである、請求項１５に記載の熱処理装置。
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