JP6034231B2 - 半導体製造装置用温度調整装置、半導体製造におけるｐｉｄ定数演算方法、及び半導体製造装置用温度調整装置の運転方法 - Google Patents

半導体製造装置用温度調整装置、半導体製造におけるｐｉｄ定数演算方法、及び半導体製造装置用温度調整装置の運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体製造装置用温度調整装置、半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法、及び半導体製造装置用温度調整装置の運転方法に関する。
従来、半導体製造装置において、エッチング等の薬液槽内の薬液の温度調整や、半導体の枚葉洗浄装置等で使用される薬液の温度調整には、ＰＩＤ制御を利用した温度調整装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
このＰＩＤ制御では、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間ＴｄというＰＩＤ定数を決定し、決定されたＰＩＤ定数に基づいて温度調整装置の制御を行うこととなる。
ＰＩＤ定数の決定方法としては、従来、（１）手動で試行錯誤を繰り返しながら決定する方法、（２）実験を行って決定する方法、（３）温度調整装置に設けられたオートチューニング機能を用いて決定する方法、及び（４）温度調整装置に備えられたセルフチューニング機能を使って運転中に調整する方法が知られている。
特開平０５−８０８０６号公報
しかしながら、前記（１）〜（３）に記載の決定方法は、操業前にチューニングのための工程を実施しなければならず、操業までに時間がかかるという問題がある。
また、（４）に記載の決定方法は、ステップ応答法がベースとなっているため、適切な計測区間が必要となり、通常比例帯以上の加熱しろを必要とし、さらに運転中の調整のため、必ずしも運転直後から最適値となるとは限らず、オーバーシュートのような過渡特性に対応が困難であるという問題がある。
特に、半導体製造において、温度制御対象となる薬液等のレシピが変更される場合にはレシピ毎に最適なＰＩＤ定数のチューニングが必要となるため、このような問題が顕著となる。
本発明の目的は、新たにＰＩＤ定数の調整が必要な場合であっても、ＰＩＤ定数を速やかに決定することができ、短時間で操業を可能とすることのできる半導体製造装置用温度調整装置、半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法、及び半導体製造装置用温度調整装置の運転方法を提供することにある。
本発明の第１の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、
半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置であって、
前記流体の物性値、及び前記流体の温度を測定する温度センサの時定数に基づいて、ＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数を演算するＰＩＤ定数演算手段と、
前記ＰＩＤ定数演算手段で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御演算手段とを備えていることを特徴とする。
本発明の第２の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第１の態様において、
前記半導体製造装置用温度調整装置は、温度調整された流体を処理後に排出するオープン型半導体製造装置に用いられ、
前記ＰＩＤ定数演算手段は、
前記流体の流量と、前記流体の密度及び比熱と、前記熱交換部の熱交換部容積とに基づいて、ＰＩＤ定数を演算することを特徴とする。
本発明の第３の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第１の態様において、
前記半導体製造装置用温度調整装置は、半導体を処理する処理槽に温度調整した流体を供給し、処理後の流体を前記処理槽から回収して、再度温度調整を行うクローズ型半導体製造装置に用いられ、
前記ＰＩＤ定数演算手段は、
前記流体の循環流量と、前記流体の密度及び比熱と、前記熱交換部の熱交換部容積と、前記流体の目標温度及び雰囲気温度の差の関数として与えられる放熱係数と、前記流体が流通する前記半導体製造装置の配管の配管容積と、前記処理槽の処理槽容積とに基づいて、ＰＩＤ定数を演算することを特徴とする。
本発明の第４の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第１の態様乃至第３の態様のいずれかの態様において、
前記温度調整手段は、シース管内部にハロゲンガスが密閉封入され、フィラメントが内挿されたハロゲンランプヒータであることを特徴とする。
本発明の第５の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第１の態様乃至第３の態様のいずれかの態様において、
前記温度調整手段は、シース管内部にニクロム線が内挿されたシースヒータであることを特徴とする。
本発明の第６の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第１の態様乃至第３の態様のいずれかの態様において、
前記温度調整手段は、ペルチェ素子を備えていることを特徴とする。
本発明の第７の態様に係る半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法は、
半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置を用いた半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法であって、
前記半導体製造値用温度調整装置は、半導体を処理する処理槽に温度調整した流体を供給し、処理後の流体を前記処理槽から回収して、再度温度調整を行うクローズ型半導体製造装置に用いられ、
熱交換部容積：Ｖ１（ｍ３）
温度調整手段出力：Ｐ（ｋＷ）
温度調整手段の種類に応じた係数：γ（≧１）
温度センサ時定数：Ｔsen（sec）
処理槽の放熱係数：α（１／sec）
流体の循環流量：q（ｍ３／sec）
処理槽内の流体量：Ｖb（ｍ３）
流体の比熱：Ｃp（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
流体の密度：ρ（ｋｇ／ｍ３）
流体の設定温度：Ｓｖ（Ｋ）
装置周囲の雰囲気温度：Ｔｒ（Ｋ）
装置配管容積：Vp（ｍ３）
としたときに、これらの値に基づいて、下記式（１）に示される伝達関数Ｇ１（ｓ）を用いてＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数（比例ゲイン：Ｋｐ、積分時間：Ｔｉ、微分時間：Ｔｄ）を演算することを特徴とする。
本発明の第８の態様に係る半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法は、
半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置を用いた半導体製造におけるＰＩＤ定数演算方法であって、
前記半導体製造値用温度調整装置は、温度調整された流体を処理後に排出するオープン型半導体製造装置に用いられ、
熱交換部容積：Ｖ１（ｍ３）
温度調整手段出力：Ｐ（ｋＷ）
温度調整手段の種類に応じた係数：γ（≧１）
温度センサ時定数：Ｔsen（sec）
流体の流量：q（ｍ３／sec）
流体の使用量：Ｖb（ｍ３）
流体の比熱：Ｃp（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
流体の密度：ρ（ｋｇ／ｍ３）
流体の設定温度：Ｓｖ（Ｋ）
装置周囲の雰囲気温度：Ｔｒ（Ｋ）
熱交換部出口から温度センサまでの配管容積：Vp（ｍ３）
としたときに、下記式（２）に示される伝達関数Ｇ２（ｓ）を用いてＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数（比例ゲイン：Ｋｐ、積分時間：Ｔｉ、微分時間：Ｔｄ）を演算することを特徴とする。
本発明の第９の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置は、第３の態様において、
前記ＰＩＤ定数演算手段でＰＩＤ定数を算出するために用いられた伝達関数モデルを用い、前記処理槽内の流体量を変化させて、複数の伝達関数モデルを生成する伝達関数モデル生成手段と、
前記ＰＩＤ定数演算手段で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記ＰＩＤ制御演算手段が前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行ったときに、所定間隔時間毎に前記処理槽内の流体の温度とＰＩＤ制御演算手段が算出した操作量を記憶する入出力データ記憶手段と、
前記伝達関数モデル生成手段で生成されたそれぞれの伝達関数モデルに対して前記入出力データ記憶手段に記憶された操作量を入力した時の出力結果、及び、前記入出力データ記憶手段に記憶された前記処理槽内の流体の温度の偏差を算出し、最も偏差の少ない伝達関数モデルを選択する伝達関数モデル選択手段と、
前記伝達関数モデル選択手段で選択された伝達関数モデルに基づいて、伝達関数モデルを修正する伝達関数モデル修正手段とを備えていることを特徴とする。
本発明の第１０の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置の運転方法は、
半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置の運転方法であって、
前記半導体製造装置用温度調整装置は、半導体を処理する処理槽に温度調整した流体を供給し、処理後の流体を前記処理槽から回収して、再度温度調整を行うクローズ型半導体製造装置に用いられ、
熱交換部容積：Ｖ１（ｍ３）
温度調整手段出力：Ｐ（ｋＷ）
温度調整手段の種類に応じた係数：γ（≧１）
温度センサ時定数：Ｔsen（sec）
処理槽の放熱係数：α（１／sec）
流体の循環流量：q（ｍ３／sec）
処理槽内の流体量：Ｖb（ｍ３）
流体の比熱：Ｃp（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
流体の密度：ρ（ｋｇ／ｍ３）
流体の設定温度：Ｓｖ（Ｋ）
装置周囲の雰囲気温度：Ｔｒ（Ｋ）
装置配管容積：Ｖp（ｍ３）
としたときに、これらの値に基づいて、下記式（１）に示される伝達関数Ｇ１（ｓ）を用いてＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数（比例ゲイン：Ｋｐ、積分時間：Ｔｉ、微分時間：Ｔｄ）を演算する手順と、
前記式（１）の処理槽内の流体量Ｖb（ｍ３）を変化させて複数の伝達関数モデルを生成する手順と、
前記ＰＩＤ定数演算手段で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行ったときに、所定時間毎に前記処理槽内の流体の温度および操作量を計測および記憶する手順と、
演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記半導体製造装置用温度調整装置を運転する手順と、
生成された複数の伝達関数モデルのそれぞれの出力結果と、計測された前記処理槽内の流体の温度との偏差を算出し、最も偏差の少ない伝達関数モデルを選択する手順と、
選択された伝達モデル関数に基づいて、演算されたＰＩＤ定数を補正する手順とを実施することを特徴とする。
本発明の第１１の態様に係る半導体製造装置用温度調整装置の運転方法は、第１０の態様において、
前記処理槽内の流体を目標温度に整定させた後、前記温度調整手段への入力操作量を取得する手順と、
取得した前記温度調整手段への入力操作量に基づいて、前記処理槽の放熱係数αを補正する手順とを実施することを特徴とする。
本発明の第１の態様によれば、ＰＩＤ定数演算手段を備えていることにより、半導体製造装置の操業前に、シミュレーションを行ってＰＩＤ定数を演算することができるので、操業前のチューニング等で時間を取られることなく、速やかに半導体製造装置の操業を開始することができる。
特に、流体のレシピが頻繁に行われるような半導体製造装置においては、その効果は顕著である。
本発明の第２の態様によれば、オープン型の半導体製造装置に本発明の半導体製造装置用温度調整装置を用いることにより、例えば、枚葉型のスピン洗浄装置等に好適に利用することができる。
本発明の第３の態様によれば、クローズ型の半導体製造装置に本発明の半導体製造装置用温度調整装置を用いることにより、例えば、バッチ式のエッチング処理槽等に好適に利用することができる。
本発明の第４及び第５の態様によれば、ハロゲンヒータ、シースヒータは比較的手に入りやすく、安価であるため、出力の異なるヒータを適宜変更することによって、半導体製造装置用温度調整装置の調整温度範囲を変更することができる。
本発明の第６の態様によれば、温度調整手段がペルチェ素子を備えていることにより、熱交換部において、ペルチェ素子に流す電流の極性を反転させることで流体の加熱、冷却を自由に行うことができるため、半導体製造装置用温度調整装置による流体の温度調整を速やかにかつ高精度に行うことができる。
本発明の第７の態様及び第８の態様によれば、前述した第１の態様と同様の作用及び効果を享受することができる。
本発明の第９の態様によれば、伝達モデル生成手段で複数の伝達関数モデルを生成し、実際の温度調整時の処理槽内の流体の温度を計測し、伝達関数モデル選択手段で実際の流体の温度変化と最も偏差の少ない伝達関数モデルを選択し、ＰＩＤ定数演算手段が伝達関数モデル修正手段によって修正された伝達関数モデルによってＰＩＤ定数を補正することができる。従って、半導体製造装置用温度調整装置のＰＩＤ制御の精度を一層向上させることができ、半導体製造装置の初期立ち上げ時間の短縮、運転中の段取り替え時間の短縮、処理槽のレシピ変更時の時間の短縮を図ることができる。
本発明の第１０の態様によれば、第９の態様と同様の作用及び効果を享受することができる。
本発明の第１１の態様によれば、実際に流体を目標温度に整定させた後、温度調整手段への入力操作量を取得し、この入力操作量に基づいて、処理槽の放熱係数αを補正しているので、次回装置立ち上げ時の初期立ち上げ時間の短縮を図ることができる上、季節変動等の外乱要因に応じた放熱係数αを採用して、ＰＩＤ制御の精度をさらに向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る半導体製造装置の構造を表す模式図。 前記実施形態におけるリミットサイクル法によりＰＩＤ定数を求める方法を説明するためのグラフ。 前記実施形態におけるＰＩＤ制御演算手段の構造を表す模式図。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る半導体製造装置の構造を表す模式図。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 本発明の第３実施形態に係る半導体製造装置の構造を表す模式図。 前記実施形態における伝達関数モデル生成手段によって生成される複数の伝達関数モデルを表すグラフ。 前記実施形態における伝達関数モデル選択手段による伝達関数モデルの選択方法を表すグラフ。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 前記実施形態における放熱係数αを補正する整定後の入力操作量を説明するためのグラフ。 前記実施形態におけるＰＩＤ定数を補正しない場合と、補正した場合における処理槽内の流体を目標温度に整定させるまでの時間変化を表すグラフ。 前記実施形態における放熱係数αを補正した場合と、補正しない場合における処理槽内の流体を目標温度に整定させるまでの時間変化を表すグラフ。 本発明の第１実施形態の変形となる限界感度法によりＰＩＤ定数を求める方法を説明するためのグラフ。 本発明の第１実施形態の変形となるステップ応答法によりＰＩＤ定数を求める方法を説明するためのグラフ。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る半導体製造装置としての処理装置１が示されている。処理装置１は、半導体ウェハＷが浸漬される処理槽２と、処理槽２に温度調整された薬液を供給する温度調整装置３とを備え、処理槽２及び温度調整装置３は、ポンプ４及び配管５によって接続される。
この処理装置１は、温度調整装置３によって温度調整された流体である薬液を処理槽２の下部から供給し、処理槽２からオーバーフローした薬液を回収して、再度温度調整装置３によって温度調整して、処理槽２に供給するクローズ型の処理装置である。
処理槽２内には、水、硫酸等の薬液が貯留され、半導体ウェハＷは、処理槽２の内部の薬液に浸漬されることによって、洗浄、エッチング等の処理がされる。
また、処理槽２内には、温度センサ６が設けられ、薬液の温度を検出し、検出値を電気信号として温度調整装置３に出力する。
温度調整装置３は、薬液の温度調整を行う熱交換部７と、熱交換部７に電力を供給する電力供給部８とを備える。
熱交換部７は、石英からなる熱交換管７１と、この熱交換管７１の略中央に内挿される温度調整手段７２とを備える。
熱交換管７１は、両端面が石英板によって封止され、下部の一端に薬液導入用の孔（図示略）と、上部の他端に温度調整された薬液排出用の孔（図示略）が形成され、これらの孔に配管５が接続される。尚、図示を略したが、熱交換管７１の外周には断熱材が設けられ、温度調整手段７２から放射された熱が、熱交換管７１内の薬液に効率的に伝導できるようになっている。
温度調整手段７２は、熱交換管７１の略中央を貫通して設けられ、端部に電極が設けられている（図示略）。この電極には、電力供給部８から引き出された電気配線が接続され、電力供給部８からの電力が供給されて、加熱するようになっている。
本実施形態では、温度調整手段７２としては、石英製のシース管内部にハロゲンガスを密閉封入し、さらに略中央にフィラメントを内挿したハロゲンランプを採用している。尚、温度調整手段７２は、これに限られず、シース管内部にニクロム線を螺旋状に内挿したシースヒータを採用することもできるし、シース管内部にペルチェ素子を内挿したものを採用することもできる。ペルチェ素子を採用した場合、電力供給部８から供給される電流の極性を変化させれば、温度調整手段７２は、薬液加熱及び薬液冷却を行うことができ、高精度に薬液の温度調整を迅速に行うことができる、という利点がある。
電力供給部８は、熱交換部７の温度調整手段７２に電力を供給する部分であり、入力手段８１と、コントローラ８２と、電力供給回路８３とを備える。
入力手段８１は、タッチパネル、操作スイッチ等で構成され、薬液の温度設定、ポンプ４の流量等のオペレーターが設定値を入力する部分であり、後述する処理装置１の各種条件設定や、薬液の物性値等も入力できるようになっている。
コントローラ８２は、熱交換部７の温度調整手段７２のＰＩＤ制御を行う部分であり、メモリ８４、ＰＩＤ定数演算手段８５、及びＰＩＤ制御演算手段８６を備える。
メモリ８４内部には、温度調整装置３の固有の各種設定値が記憶されている。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、メモリ８４内部に記憶された各種設定値、入力手段８１で入力された薬液の物性値等に基づいて、処理装置１全体のモデルを生成し、ＰＩＤ定数を演算する。
具体的には、表１に示される各種値に基づいて、処理装置１全体のモデルを生成する。表１中入力時点が運転開始時とあるのは、処理装置１の運転開始時点で入力手段８１に直接入力して設定する。処理装置立ち上げ時となるのは、処理装置１の設定時に入力手段８１を用いて入力し、メモリ８４内に記憶保存する。温度調整装置設計時とあるのは、温度調整装置３の設計時に予めメモリ８４内に記憶保存しておく。
尚、放熱係数αは、処理装置１の設計時に実験又はシミュレーションで決定することができ、設定温度Ｓｖと雰囲気温度Ｔｒの差の関数で表され、具体的には、温度定常出力をＰss、定常時槽温度をＴss、雰囲気温度をＴｒとすると、下記式（３）により算出することができる。
処理装置１全体の伝達関数をＧ１（ｓ）とすると、伝達関数は式（４）のようなむだ時間＋三次遅れ系の伝達関数として表現することができ、ＰＩＤ定数演算手段８５は、下記式（４）に示される伝達関数Ｇ１（ｓ）に、表１の各種設定値を代入し、処理装置１全体のモデルを構築する。
なお、γは温度調整手段７２の種類によって替える係数（γ≧１）である。
ここで、式（４）の導出は、熱交換部７の熱収支の条件に基づいて演算することができる。
熱交換部７の入口側配管５に流入する薬液の時間ｔにおける温度をＴa（ｔ）℃、出口側配管５から排出される薬液の時間ｔにおける温度をＴb（ｔ）℃とすると、熱交換部７内における熱収支の条件は、下記式（５）で表される。
一方、処理槽２における熱収支の条件は、下記式（６）で表される。
式（５）及び式（６）より求められる伝達関数を結合し、温度調整手段７２（ここではランプ出力）の動特性を温度伝達特性のγ倍の時定数を持つ1次遅れ系の伝達関数として挿入し、さらに、処理槽２の温度を測定する温度センサ６の伝達関数（時定数をＴsen（ｓｅｃ）とする一次遅れ系として考える）及び循環に関わるむだ時間Ｌ（ｓｅｃ）を追加すると、式（４）を求めることができる。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、式（４）のモデルに対して、１９８４年にAstromによって提案されたリミットサイクル法、限界感度法をベースとしたZiegler&Nichols調整則を用いてシミュレーションによってＰＩＤ定数を演算する。
具体的には、リミットサイクル法は、図２（Ａ）に示されるように、制御対象の前段にリレー要素を挿入し、図２（Ｃ）に示されるようなＯＮ／ＯＦＦ的な信号を入力し、図２（Ｂ）のような出力を得ることで、限界ゲインＫｃ、限界周期Ｔｃを求める方法である。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、図２（Ｂ）から限界周期Ｔｃを演算するとともに、図２（Ｃ）における入力振幅Ｍ、出力振幅Ｘから、限界ゲインＫｃを下記式（７）によって演算する。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、図２（Ｂ）から求められた限界周期Ｔｃ、式（７）により演算された限界ゲインＫｃに基づいて、下記のようにＰＩＤ定数を演算する。
比例ゲイン：Ｋｐ＝０．６Ｋｃ
積分時間：Ｔｉ＝０．５Ｔｃ
微分時間：Ｔｄ＝０．１２５Ｔｃ
ＰＩＤ制御演算手段８６は、図３に示されるように、オペレーターが設定した温度の目標値と、温度センサ６で検出された温度の現在値との偏差を、比例項では定数倍、積分項では加算、微分項では変化率を計算し、これらを足し合わせて操作量とする。
この際、ＰＩＤ制御では、比例項、積分項、微分項のそれぞれを、どの程度働かせるかの重み付けを行う必要があり、この重み付けとして、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄを用いて操作量を演算する。
ＰＩＤ制御演算手段８６は、演算した操作量を電力供給回路８３に出力し、電力供給回路８３は、制御量をアナログ変換して、温度調整手段７２に電気信号として出力する。
次に、本実施形態の作用を、図４に示されるフローチャートに基づいて説明する。
まず、オペレーターがコントローラ８２の電源をオンにすると（手順Ｓ１）、ＰＩＤ定数演算手段８５は、メモリ８４内に記憶された表１の処理装置立ち上げ時及び温度調整装置の設計時の固定パラメータを読み込む（手順Ｓ２）。
次に、オペレーターが入力手段８１を操作して、表１の運転開始時のパラメータを設定すると、ＰＩＤ定数演算手段８５は、設定されたパラメータを読み込む（手順Ｓ３）。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、読み込まれた各パラメータを式（３）の伝達関数Ｇ１（ｓ）に代入し、処理装置１全体のモデルを構築する（手順Ｓ４）。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、処理装置１全体のモデルに対して、シミュレーションによってリミットサイクル法を開始して（手順Ｓ５）、限界ゲインＫｃ及び限界周期Ｔｃを演算する（手順Ｓ６）。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、限界ゲインＫｃ及び限界周期Ｔｃに基づいて、比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄを演算し（手順Ｓ７）、ＰＩＤ制御演算手段８６に転送する（手順Ｓ８）。
ＰＩＤ制御演算手段８６は、転送された比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ、微分時間Ｔｄの値で重み付けを行い、温度調整手段７２のＰＩＤ制御演算を開始する（手順Ｓ９）
本実施形態によれば、ＰＩＤ定数演算手段８５を備えていることにより、処理装置１の操業前に、伝達関数Ｇ１（ｓ）に基づく処理装置１全体のモデルでシミュレーションを行ってＰＩＤ定数を演算できるので、演算されたＰＩＤ定数により速やかに処理装置１の操業を開始することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、以下の説明では、既に説明した部材、部分等と同一のものについては、同一符号を付してその説明を省略する。
前記第１実施形態に係る処理装置１は、クローズ型の処理装置に対して、本発明を適用したものであった。
これに対して、本実施形態に係る処理装置１０は、図５に示されるように、温度調整装置３により温度調整された薬液を、枚様式のスピン洗浄装置１１に適用したものであり、処理後の薬液を温度調整装置３に戻さないオープン型の処理装置に本発明を適用した点が相違する。
また、前記第１実施形態では、ＰＩＤ定数演算手段８５は、Ziegler&Nichols調整則を
用いてＰＩＤ定数を演算していた。
これに対して、本実施形態では、ＰＩＤ定数演算手段１５が、ＩＭＣ（Internal Model
Control）−ＰＩＤ調整則を用いて、ＰＩＤ定数を演算している点が相違する。
以下、本実施形態について詳述する。
枚葉式のスピン洗浄装置１１は、図５に示されるように、回転軸１２上に基台１３が設けられ、基台１３上に半導体ウェハＷが設置される。
洗浄に際しては、回転軸１２を回転させ、半導体ウェハＷを回転させた状態で、回転軸１２の上方から洗浄水や、エッチング処理液等の薬液をノズル１４から供給すると、半導体ウェハＷ上の薬液は、回転の遠心力により、半導体ウェハＷの外周に拡散し、半導体ウェハＷの表面全体を処理した後、外部に排出される。
電力供給部８のＰＩＤ定数演算手段１５は、メモリ８４内部に記憶された各種設定値、入力手段８１で入力された薬液の物性値等に基づいて、処理装置全体のモデルを生成し、ＰＩＤ定数を演算する。
具体的には、表２に示される各種値に基づいて、モデルの生成を行う。
処理装置１０全体の伝達関数をＧ２（ｓ）とすると、伝達関数は式（８）のようなむだ時間＋二次遅れ系の伝達関数として表現することができ、ＰＩＤ定数演算手段１５は、下記式（８）に示される伝達関数Ｇ２（ｓ）に、表２の各種設定値を代入し、処理装置１０全体のモデルを構築する。
なお、γは温度調整手段７２の種類によって替える係数である（γ≧１）。
ここで、本実施形態は、薬液を循環させる構成ではないので、熱交換部７における熱収支の条件となる第１実施形態における式（５）から伝達関数を求めると下記式（９）となる。
熱交換部７の入口側配管５のＴａ（ｓ）（℃）を平衡点として０℃とすると、式（１０）のようになる。
式（１０）では、入力がＰ（ｓ）（Ｗ）となっているので、コントローラ８２の入力ｕ（ｓ）＝０〜１で０〜Ｐ（Ｐmax）に対応させ、さらに温度調整手段72の動特性を式（１０）より求まる時定数のγ倍とすると、式（１１）のようになる。
出口側配管５に時定数Ｔsenの温度センサ６を接続し、さらに熱交換部出口から温度センサまでのむだ時間Ｌ＝Ｖｐ／ｑを考慮すると、式（１１）は、下記式（１２）のようになり、式（８）に示される伝達関数Ｇ２（ｓ）が導出される。
このようにして得られた式（８）の分母・分子に１／ｑρＣｐをかけると、式（８）は式（１３）のように変形される。

式（１３）は、例えば、ＩＭＣ−ＰＩＤ調整則の下記式（１４）で表されるモデルＭ（ｓ）と対応する。
すなわち、式（１４）におけるＴ１、Ｔ２、Ｋは、下記のように演算される。
Ｔ１＝γＶ１／ｑ
Ｔ２＝Ｔsen
Ｋ＝Ｐ／ｑρＣｐ
そして、ＩＭＣ−ＰＩＤ調整則を適用すると、ＰＩＤ定数は、下記式（１５）のように演算される。尚λは、ＩＭＣ−ＰＩＤ調整則における調整フィルタの時定数であり、Ｔ１の１／２程度とする。
次に、本実施形態の作用を図６に示されるフローチャートに基づいて、説明する。
まず、第１実施形態と同様にコントローラの電源がオンされると（手順Ｓ１）、ＰＩＤ定数演算手段１５は、メモリ８４から表２の運転開始時以外の固定パラメータを読み込み（手順Ｓ２）、さらにオペレーターが入力した運転開始時のパラメータを読み込む（手順Ｓ３）。
ＰＩＤ定数演算手段１５は、読み込まれた各パラメータを式（６）の伝達関数Ｇ２（ｓ）に代入し、処理装置１０全体の連続伝達時間系伝達関数を構築する（手順Ｓ１１）。
そして、ゲイン、フィルタの時定数をＩＭＣ−ＰＩＤ調整則に適用し、式（９）で与えられる比例ゲインＫｐ、時間積分Ｔｉ、微分時間Ｔｄを演算する（手順Ｓ１２）。
ＰＩＤ定数演算手段１５は、演算されたＰＩＤ定数（Ｋｐ、Ｔｉ、Ｔｄ）をＰＩＤ制御演算手段８６に転送し（手順Ｓ８）、ＰＩＤ制御演算手段８６は、熱交換部７の温度制御を開始する（手順Ｓ９）。
このような本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を享受することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。尚、以下の説明では、第１実施形態で説明した構成、手順については、第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
前述した第１実施形態では、コントローラ８２は、ＰＩＤ定数演算手段８５及びＰＩＤ制御演算手段８６を備えた構成であった。
これに対して、本実施形態に係るコントローラ９０は、図７に示されるように、ＰＩＤ定数演算手段８５及びＰＩＤ制御演算手段８６に加え、入出力データ記憶手段９１、伝達関数モデル生成手段９２、伝達関数モデル選択手段９３、及び伝達関数モデル修正手段９４を備えている点が相違する。
入出力データ記憶手段９１は、処理槽２内に設けられた温度センサ６によって計測された処理槽２内の温度データ及びその温度データによってＰＩＤ制御演算手段８６で算出された操作量を記憶する。
伝達関数モデル生成手段９２は、ＰＩＤ定数（比例ゲイン：Ｋｐ、積分時間：Ｔｉ、微分時間：Ｔｄ）を演算するために用いた下記式（１６）において、処理槽２内の槽液量（流体量）Ｖｂ（ｍ３）をｎ個の変動水準［Ｖｂ１，Ｖｂ２，・・・Ｖｂｎ］として、ｎ個の連続時間系伝達関数モデル［Ｇ１（ｓ），Ｇ２（ｓ），・・・，Ｇｎ（ｓ）］を作成し、それぞれを離散時間系伝達関数モデルに変換したものであるＧ１（ｚ），・・・，Ｇｎ（ｚ）の集合を生成する。
伝達関数モデル選択手段９３は、入出力データ記憶手段９１に実際の運転開始後における、実機における入出力データとして、入力操作量ｕｒ（０），・・・・，ｕｒ（Ｎ）と、温度センサ６で計測された処理槽２内の流体温度ｙｒ（０），・・・，ｙｒ（Ｎ）の取り込みを行う。
次に伝達関数モデル選択手段９３は、伝達関数モデル生成手段９２で生成したｎ個の伝達関数モデルＧ１（ｚ），・・・，Ｇｎ（ｚ）に対して入出力データ記憶手段91に記憶された入力操作量ｕｒ（０），・・・・ｕｒ（Ｎ）を入力し、ｎ個の出力データ列ｙ１（ｚ），・・・，ｙｎ（ｚ）の集合を下記式（１７）によって算出する。具体的には図8に示されるように加熱時間と出力である処理槽2内の流体の温度との関係を与えるグラフとして得られる。
伝達関数モデル選択手段９３は、図９に示されるように、実機における出力データｙｒ（０），・・・ｙｒ（Ｎ）と、式（１７）で求めたｎ個の出力データ列ｙ１（０），・・・，ｙ１（Ｎ），・・・，ｙｎ（０），・・・，ｙｎ（Ｎ）のそれぞれとの偏差の2乗平均ｄ（ｉ）ｉ=１・・・ｎとして、下記式（１８）を得る。
伝達関数モデル選択手段９３は、得られた偏差ｄ（１），・・・，ｄ（ｎ）のうち、偏差の最も小さい伝達関数モデルを選択し、選択された伝達関数モデルの処理槽２内の流体量Ｖｂを伝達関数モデル修正手段９４に出力する。尚、本実施形態では、式（１８）により偏差を求めているが、これに限らず、統計処理的に用いられる偏差の算出方法であれば、種々の方法を採用できる。
伝達関数モデル修正手段９４は、前記第１実施形態で説明したメモリ８４内に記憶された表１の槽液量（流体量）Ｖｂを、伝達関数モデル選択手段９３から出力された選択された伝達関数モデルの処理槽２内の流体量Ｖｂに書き替える。
また、詳しくは後述するが、伝達関数モデル修正手段９４は、表１における放熱係数α、式（１）のむだ時間Ｌも、補正後の放熱係数α、温度センサ６によって計測されたむだ時間Ｌに書き替える。
次に、本発明の作用を図１０及び図１１のフローチャートに基づいて説明する。
手順Ｓ１乃至手順Ｓ９については、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
ＰＩＤ制御演算手段８６により温度調整手段７２の制御が開始されたら（手順Ｓ９）、入出力データ記憶手段９１は、所定時間毎に温度センサ６からの電気信号取得し、むだ時間Ｌを計測する（図１０参照）。計測方法は例えば加熱開始から処理槽2内の温度がある微小温度だけ上昇するのにかかった時間を計測し、むだ時間Ｌとみなす。むだ時間Ｌが計測されたら、伝達関数モデル修正手段９４は、メモリ８４に格納された式（１６）中のむだ時間Ｌを、計測された実機のむだ時間Ｌに書き替える（手順Ｓ２０）。
伝達関数モデル生成手段９２は、ＰＩＤ定数演算手段８５で用いられた式（１６）の伝達関数を用い、処理槽２内の流体量Ｖｂを変化させ、複数の伝達関数モデルＧ１（ｚ），・・・，Ｇｎ（ｚ）の集合を生成する（手順Ｓ２１）。
伝達関数モデル選択手段９３は、所定のサンプリング周期Δｔで、入力操作量ｕｒ（０），・・・・，ｕｒ（Ｎ）と、温度センサ６で計測された処理槽２内の流体温度ｙｒ（０），・・・，ｙｒ（Ｎ）とを入出力データとして入出力データ記憶手段91に取り込み（手順Ｓ２２）、所定の数、例えば、Ｎ個のデータが取り込まれるまで繰り返す（手順Ｓ２３）。
伝達関数モデル選択手段９３は、伝達関数モデル生成手段９２で生成された複数の伝達関数モデルＧ１（ｚ），・・・，Ｇｎ（ｚ）から、所定の入力量ｕｒ（０），・・・，ｕｒ（N）に対する出力データ列［ｙ１（０），・・・，ｙ1（N）］，・・・，［ｙｎ（０），・・・ｙｎ（Ｎ）］の集合を式（１７）によって算出する。
続けて、伝達関数モデル選択手段９３は、実機における処理槽２内の流体温度ｙｒ（０），・・・，ｙｒ（Ｎ）と、出力データ列ｙ１（０），・・・，ｙ１（Ｎ）との偏差ｄ（１），・・・，出力ｙｎ（０），・・・，ｙｎ（Ｎ）との偏差ｄ（ｎ）を例えば２乗平均により求め、式（１８）を得る。
伝達関数モデル選択手段９３は、得られた偏差ｄ（１），・・・，ｄ（ｎ）のうち、偏差の最も小さい伝達関数モデルを選択し（手順Ｓ２４）、選択された伝達関数モデルで設定された処理槽２内の流体量Ｖｂを伝達関数モデル修正手段９４に出力する。
伝達関数モデル修正手段９４は、メモリ８４内に記憶された表１の槽液量（流体量）Ｖｂを、伝達関数モデル選択手段９３から出力された処理槽２内の流体量Ｖｂに書き替える（手順Ｓ２５）。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、書き替えられた伝達関数モデルに基づいて、再度リミットサイクル法によるシミュレーションを開始し（手順Ｓ２６）、限界ゲインＫｃ、限界周期Ｔｃを演算する（手順Ｓ２７）。
ＰＩＤ定数演算手段８５は、演算された限界ゲインＫｃ、限界周期Ｔｃから比例ゲインＫｐ、時間積分Ｔｉ、微分時間Ｔｄを算出し、ＰＩＤ制御演算手段８６に転送する（手順Ｓ２９）。
ＰＩＤ制御演算手段８６は、補正された比例ゲインＫｐ、時間積分Ｔｉ、微分時間Ｔｄに基づいて、温度調整手段７２の制御を開始する（手順Ｓ３０）。
ＰＩＤ制御演算手段８６は、温度センサ６から出力される処理槽２内の流体の温度データに基づいて、処理槽２内の流体の温度が目標温度に整定したかを監視し（手順Ｓ３１）、目標温度に整定したと判定されたら、伝達関数モデル修正手段９４にその旨の電気信号を出力する。
伝達関数モデル修正手段９４は、目標温度に整定した旨の電気信号を受け取ったら、その際の入力操作量ＭＶｓｓ（％）を取得する（手順Ｓ３２）。
具体的には、処理槽２内の流体が目標温度に整定されても、制御を停止すれば、処理槽２からの放熱により、処理槽２内の流体の温度が下がってしまう。そこで、ＰＩＤ制御演算手段８６は、図１２に示されるように、放熱によって減少する熱量を、整定後の入力操作量ＭＶssとして補完し、処理槽２内の流体の温度を維持するのである。
伝達関数モデル修正手段９４は、取得した整定後の入力操作量ＭＶss、ランプ出力Ｐ（ｋＷ）、設定温度（目標温度）Ｓv（Ｋ）、及び雰囲気温度Ｔr（Ｋ）に基づいて、下記式（１９）により放熱係数αを算出し（手順Ｓ３３）、メモリ８４内に格納された放熱係数αを書き替える（手順Ｓ３４）。尚、書き替えられた放熱係数αは、次回運転時の放熱係数として式（１６）で用いられる。
本実施形態によれば、伝達関数モデル修正手段９４を備えることにより、図１３のグラフに示されるように、処理槽２内の流体の温度を目標温度に整定させるまでの時間をさらに短縮することができるので、処理装置１の初期立ち上げ時間の短縮、運転中の段取り替え時間の短縮、処理槽２内の流体のレシピ変更時の時間の短縮を図ることができる。
また、伝達関数モデル修正手段９４により、処理槽２内の流体の温度を目標温度に整定させた後の入力操作量ＭＶssに基づいて、放熱係数αの補正を行うことにより、図１４に示されるように、目標温度への整定までの時間をさらに短縮することができるので、次回装置立ち上げ時の初期立ち上げ時間のさらなる短縮を図ることができる上、季節変動等の外乱要因に応じた放熱係数αを採用して、ＰＩＤ制御の精度をさらに向上させることができる。
［実施形態の変形］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第１実施形態では、リミットサイクル法により、限界ゲインＫｃ及び限界周期Ｔｃを演算していたが、これに限らない。すなわち、図１５に示すように、プロセスの比例ゲインＫｐを徐々に上げていき、応答波形が発散する時点をもって限界ゲインＫｃ及びその際の波形の周期を限界周期Ｔｃとして求めてもよい。
また、図１６に示すように、プロセスにステップ信号を入力し、応答波形の特徴量からＰＩＤ定数を求めるステップ応答法を採用してもよい。この場合、応答曲線の変曲点を通る接線を引き、接線の傾きを求め、さらに時間軸との交点からむだ時間Ｌを求めることにより、ＰＩＤ定数を求めることができる。この場合、ＰＩＤ定数は、
Ｋｐ＝１．２／ＲＬ
Ｔｉ＝２Ｌ
Ｔｄ＝０．５Ｌ
で演算することができる。
さらに、前記各実施形態では、Ziegler&Nichols調整則、ＩＭＣ−ＰＩＤ調整則により
ＰＩＤ定数を求めていたが、これに限らず、ＣＨＲ（Chien,Hrones,Reswick-Method）調
整則等、他の調整則によりＰＩＤ定数を求めてもよい。
また、前記各実施形態では、ＰＩＤ定数を温度調整装置３のコントローラ８２で演算していたがこれに限らず、本発明のＰＩＤ定数演算手段１５、８５をパーソナルコンピュータ、スマートフォン等の端末にプログラムとして入力し、演算結果であるＰＩＤ定数をコントローラ８２に入力して、温度制御を開始してもよい。
さらに、前記実施形態では、予め固定パラメータがメモリ８４に記憶されていたが、これに限られず、運転開始の都度、すべてのパラメータを、入力手段８１を用いて入力してもよい。また、流量のようにセンサを使って検出できるものは、その値を使用してパラメータ入力をしてもよい。
１…処理装置、２…処理槽、３…温度調整装置、４…ポンプ、５…配管、６…温度センサ、７…熱交換部、８…電力供給部、１０…処理装置、１１…スピン洗浄装置、１２…回転軸、１３…基台、１４…ノズル、１５…ＰＩＤ定数演算手段、７１…熱交換管、７２…温度調整手段、８１…入力手段、８２、９０…コントローラ、８３…電力供給回路、８４…メモリ、８５…ＰＩＤ定数演算手段、８６…ＰＩＤ制御演算手段、９１…入出力データ記憶手段、９２…伝達関数モデル生成手段、９３…伝達関数モデル選択手段、９４…伝達関数モデル修正手段

Claims (6)

  1. 半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置であって、
    前記半導体製造装置用温度調整装置は、半導体を処理する処理槽に温度調整した流体を供給し、処理後の流体を前記処理槽から回収して、再度温度調整を行うクローズ型半導体製造装置に用いられ、
    前記流体の循環流量と、前記流体の密度及び比熱と、前記熱交換部の熱交換部容積と、前記流体の目標温度及び雰囲気温度の差の関数として与えられる放熱係数と、前記流体が流通する前記半導体製造装置の配管の配管容積と、前記処理槽内の流体量と、前記流体の温度を測定する温度センサの時定数に基づいて、ＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数を演算するＰＩＤ定数演算手段と、
    前記ＰＩＤ定数演算手段で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御演算手段と、
    前記ＰＩＤ定数演算手段でＰＩＤ定数を算出するために用いられた伝達関数モデルを用い、前記処理槽内の流体量を変化させて、複数の伝達関数モデルを生成する伝達関数モデル生成手段と、
    前記ＰＩＤ定数演算手段で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記ＰＩＤ制御演算手段が前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行ったときに、所定時間毎に前記処理槽内の流体の温度を計測する温度センサによって計測された温度データと対応する操作量を記憶する入出力データ記憶手段と、
    前記伝達関数モデル生成手段で生成されたそれぞれの伝達関数モデルに対して前記入出力データ記憶手段に記憶された操作量を入力した時の出力結果、及び、前記入出力データ記憶手段に記憶された前記処理槽内の流体の温度の偏差を算出し、最も偏差の少ない伝達関数モデルを選択する伝達関数モデル選択手段と、
    前記伝達関数モデル選択手段で選択された伝達関数モデルに基づいて、伝達関数モデルを修正する伝達関数モデル修正手段とを備え、
    前記ＰＩＤ定数演算手段は、前記伝達関数モデル修正手段によって修正された伝達関数モデルに基づいてＰＩＤ定数を補正する
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置。
  2. 請求項１に記載の半導体製造装置用温度調整装置において、
    前記温度調整手段は、シース管内部にハロゲンガスが密閉封入され、フィラメントが内挿されたハロゲンランプヒータである
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置。
  3. 請求項１に記載の半導体製造装置用温度調整装置において、
    前記温度調整手段は、シース管内部にニクロム線が内挿されたシースヒータである
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置。
  4. 請求項１に記載の半導体製造装置用温度調整装置において、
    前記温度調整手段は、ペルチェ素子を備えている
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置。
  5. 半導体製造装置に用いられる流体の温度を調整するために、内部に前記流体を加熱冷却する温度調整手段を有し、流入した前記流体及び前記温度調整手段の間で熱交換を行う熱交換部を備えた半導体製造装置用温度調整装置の運転方法であって、
    前記半導体製造装置用温度調整装置は、半導体を処理する処理槽に温度調整した流体を供給し、処理後の流体を前記処理槽から回収して、再度温度調整を行うクローズ型半導体製造装置に用いられ、
    熱交換部容積：Ｖ１（ｍ３）
    温度調整手段出力：Ｐ（ＫＷ）
    温度調整手段の種類に応じた係数：γ（≧１）
    温度センサ時定数：Ｔsen（sec）
    処理槽の放熱係数：α（１／sec）
    流体の循環流量：q（ｍ３／sec）
    処理槽内の流体量：Ｖb（ｍ３）
    流体の比熱：Ｃp（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
    流体の密度：ρ（ｋｇ／ｍ３）
    流体の設定温度：Ｓｖ（Ｋ）
    装置周囲の雰囲気温度：Ｔｒ（Ｋ）
    装置配管容積：Ｖp（ｍ３）
    としたときに、これらの値に基づいて、下記式（１）に示される伝達関数Ｇ１（ｓ）を用いてＰＩＤ制御用のＰＩＤ定数（比例ゲイン：Ｋｐ、積分時間：Ｔｉ、微分時間：Ｔｄ）を演算する手順と、
    演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記半導体製造装置用温度調整装置を運転する手順と、
    前記式（１）の処理槽内の流体量Ｖb（ｍ３）を変化させて複数の伝達関数モデルを生成する手順と、
    前記ＰＩＤ定数を演算する手順で演算されたＰＩＤ定数に基づいて、前記温度調整手段のＰＩＤ制御を行ったときに、所定時間毎に前記処理槽内の流体の温度を計測する手順と、
    生成された複数の伝達関数モデルのそれぞれの出力結果と、計測された前記処理槽内の流体の温度との偏差を算出し、最も偏差の少ない伝達関数モデルを選択する手順と、
    選択された伝達モデル関数に基づいて、演算されたＰＩＤ定数を補正する手順とを実施する
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置の運転方法。
  6. 請求項５に記載の半導体製造装置用温度調整装置の運転方法において、
    前記処理槽内の流体を目標温度に整定させた後、前記温度調整手段への入力操作量を取得する手順と、
    取得した前記温度調整手段への入力操作量に基づいて、前記処理槽の放熱係数αを補正する手順とを実施する
    ことを特徴とする半導体製造装置用温度調整装置の運転方法。
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