JPH0619504A - Control system - Google Patents
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- JPH0619504A JPH0619504A JP5129936A JP12993693A JPH0619504A JP H0619504 A JPH0619504 A JP H0619504A JP 5129936 A JP5129936 A JP 5129936A JP 12993693 A JP12993693 A JP 12993693A JP H0619504 A JPH0619504 A JP H0619504A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、フィードバック制御を
行う制御システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system for performing feedback control.
【0002】[0002]
【従来の技術】たとえば半導体デバイス製造におけるフ
ォトリソグラフィー工程やCVD工程等では、被処理体
である半導体ウエハを所定の温度に制御しながらプロセ
スを行うようにしている。一般に、この種の温度制御に
はフィードバック制御が用いられている。2. Description of the Related Art For example, in a photolithography process or a CVD process in manufacturing a semiconductor device, a process is performed while controlling a semiconductor wafer which is an object to be processed at a predetermined temperature. In general, feedback control is used for this type of temperature control.
【0003】従来、ウエハ温度制御用の代表的なフィー
ドバック制御法は、PIDコントローラであった。PI
Dコントローラは、比例動作(P)、積分動作(I)、
微分動作(D)を組み合わせたもので、ウエハ温度検出
値とウエハ温度設定値との差(偏差)eから操作量uを
次式から求める。 u=KP ・e+KI ∫e・dt+KD ・de/dt ……(1) ここで、係数KP 、KI 、KD はそれぞれ比例動作、積
分動作、微分動作の感度を表し、各制御系の特性に応じ
て設定される。Conventionally, a typical feedback control method for controlling the wafer temperature has been a PID controller. PI
The D controller has a proportional operation (P), an integral operation (I),
The differential operation (D) is combined, and the manipulated variable u is obtained from the following equation from the difference (deviation) e between the detected wafer temperature value and the set wafer temperature value. u = KP · e + KI ∫e · dt + KD · de / dt (1) where the coefficients KP, KI, and KD represent the sensitivities of proportional action, integral action, and derivative action, respectively, depending on the characteristics of each control system Is set.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】PIDコントローラで
は、上式(1)より求めた操作量uに基づいて、偏差e
を零にするように、つまり制御量を目標値に一致させる
ように、ウエハ加熱機構に対するエネルギ供給量を調整
する。In the PID controller, the deviation e is calculated based on the manipulated variable u obtained from the above equation (1).
Is adjusted to zero, that is, the control amount is adjusted to match the target value, the amount of energy supplied to the wafer heating mechanism is adjusted.
【0005】ところが、ウエハ温度制御の場合、ウエハ
温度検出値と実際に制御すべきウエハ温度とに時間的・
場所的な偏差がある。つまり、プロセス中のウエハの温
度を検出する場合、ウエハの処理面(表面)に熱電対等
の温度センサを取付するわけにはいかないので、ウエハ
裏面側の周縁部に温度センサを取付してウエハ温度検出
を行う。このため、温度センサより得られるウエハ温度
検出値は、ウエハ裏面側の周縁部の温度を表し、ウエハ
の処理面(表面)の温度を表すものではない。しかる
に、PIDコントローラの制御法は、そのようなウエハ
温度検出値だけをフィードバックしてそれを設定値に一
致させるような制御であるから、ウエハの処理面(表
面)の温度を目標値に一致させるのが難しかった。However, in the case of wafer temperature control, the wafer temperature detection value and the wafer temperature to be actually controlled are time-dependent.
There is a local deviation. In other words, when detecting the temperature of the wafer during processing, it is not possible to attach a temperature sensor such as a thermocouple to the processing surface (front surface) of the wafer. Detect. Therefore, the wafer temperature detection value obtained from the temperature sensor represents the temperature of the peripheral portion on the back surface side of the wafer, and does not represent the temperature of the processing surface (front surface) of the wafer. However, the control method of the PID controller is such that only such a wafer temperature detection value is fed back to match it with the set value, so that the temperature of the processing surface (surface) of the wafer is matched with the target value. It was difficult.
【0006】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、制御量と検出値との間に偏差がある場合でも、
制御量を正確に目標値に一致させることができ、さらに
はシステムの立ち上がり時にも安定した制御動作を保証
するようにした制御システムを提供することを目的とす
る。The present invention has been made in view of such problems, and even if there is a deviation between the control amount and the detected value,
It is an object of the present invention to provide a control system capable of accurately matching a control amount with a target value and guaranteeing a stable control operation even when the system starts up.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の制御システムは、制御対象に与えられる制
御入力と前記制御対象の出力とに基づいて前記制御対象
内の状態量を推定する第1のオブザーバと、前記制御入
力のみに基づいて前記制御対象内の状態量を推定する第
2のオブザーバと、前記第1のオブザーバまたは前記第
2のオブザーバを選択するオブザーバ切換手段と、前記
オブザーバ切換手段によって選択された第1または第2
のオブザーバからの状態量を前記制御対象の入力側にフ
ィードバックして前記制御入力を調整するレギュレータ
手段とを具備する構成とした。In order to achieve the above object, the control system of the present invention estimates a state quantity in the controlled object based on a control input given to the controlled object and an output of the controlled object. A first observer, a second observer for estimating a state quantity in the controlled object based only on the control input, an observer switching means for selecting the first observer or the second observer, First or second selected by the observer switching means
The regulator means for feeding back the state quantity from the observer to the input side of the controlled object to adjust the control input.
【0008】また、安定な立ち上げを行うために、前記
オブザーバ切換手段は、システムの立ち上げ時は前記第
2のオブザーバを選択し、所定の時間遅れで前記第2の
オブザーバから前記第1のオブザーバに切り換える構成
とした。Further, in order to carry out a stable start-up, the observer switching means selects the second observer when the system is started up, and after a predetermined time delay, the second observer switches from the first observer to the first observer. It is configured to switch to an observer.
【0009】[0009]
【作用】制御対象が制御入力に応じて動作する時、第1
のオブザーバは、制御入力と制御対象の出力とに基づい
て制御対象内の内乱や外乱等を反映した実際の状態を示
す状態量を推定する。一方、第2のオブザーバは、制御
入力のみに基づいて内乱や外乱等を考慮することなく制
御対象の本来の状態を示す状態量を推定する。When the controlled object operates according to the control input, the first
The observer estimates the state quantity indicating the actual state reflecting the internal disturbance or the external disturbance in the controlled object based on the control input and the output of the controlled object. On the other hand, the second observer estimates the state quantity indicating the original state of the controlled object based on only the control input without considering the internal disturbance and the external disturbance.
【0010】切換部は、条件的に第1のオブザーバまた
は第2のオブザーバを選択し、それぞれの状態量を選択
的にレギュレータ手段に与える。たとえば、システムの
立ち上げ開始直後は第2のオブザーバを選択し、所定の
時間遅れで次第に第1のオブザーバに移行させる。レギ
ュレータ手段は、切換部から送られてきた状態量または
その状態量に対応したフィードバック量と目標値との偏
差を生成し、その偏差を零にするように制御入力を調整
する。The switching unit conditionally selects the first observer or the second observer, and selectively supplies the respective state quantities to the regulator means. For example, the second observer is selected immediately after the start-up of the system, and gradually shifts to the first observer with a predetermined time delay. The regulator means generates a deviation between the state quantity sent from the switching unit or the feedback quantity corresponding to the state quantity and the target value, and adjusts the control input so that the deviation becomes zero.
【0011】このように、オブザーバで推定したベクト
ル的な状態量をフィードバックすることで、観測可能な
制御対象の出力が観測不可の制御量と異なるものであっ
ても制御量を正確に目標値に一致させることが可能であ
る。また、第1のオブザーバの推定値が安定するまでの
間は第2のオブザーバの推定値を暫定的に用いること
で、システム立ち上げ直後の過渡期間でも高精度なフィ
ードバック制御を行い、制御量を安定・高速に立ち上げ
ることができる。Thus, by feeding back the vector-like state quantity estimated by the observer, even if the observable output of the controlled object is different from the unobservable control quantity, the control quantity is accurately set to the target value. It is possible to match. In addition, by temporarily using the estimated value of the second observer until the estimated value of the first observer stabilizes, highly accurate feedback control is performed even during the transient period immediately after the system is started, and the control amount is controlled. It is possible to start up stably and at high speed.
【0012】[0012]
【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図1は本発明の一実施例による制御システムの
構成を示すブロック図である。この制御システムにおい
て、制御対象100を制御するコントローラ10は、マ
イクロコンピュータによってソフトウェハ的に実現され
るものでよく、機能的には仮想部または制御対称モデル
30と切換部40とサーボ部60とを有する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a control system according to an embodiment of the present invention. In this control system, the controller 10 for controlling the controlled object 100 may be realized as a software wafer by a microcomputer, and functionally includes a virtual portion or control symmetry model 30, a switching portion 40, and a servo portion 60. Have.
【0013】制御対称100は、サーボ部60からの制
御入力信号を受け、出力信号を発生する。サーボ部60
からの制御入力信号は制御対称モデル30にも入力され
る。この制御対称モデル30は、制御入力信号から制御
対称100の出力信号を推定し、推定出力信号を発生す
る。制御対称100の出力信号および制御対称モデル3
0の推定出力信号は切換部40に入力される。切換部4
0は、入力信号(制御対称100の出力信号)を徐々に
立ち上げる入出力特性を有する遅延処理部41と、入力
信号(制御対称モデル30の推定出力信号)を徐々に立
ち下げる入出力特性を有する遅延処理部46とを有す
る。これにより、初期の段階では、制御対称100から
の出力信号が遅延処理部41により抑制(ミュート)さ
れる一方、制御対称モデル30からの推定出力信号が遅
延処理部46を素通りして加算器52に入力される。し
たがって、装置の立ち上がり時には、制御対称モデル3
0からの推定出力信号が遅延処理部46および加算器5
2を通ってサーボ部60に入力される。そして、制御対
称100が安定した頃には、制御対称モデル30からの
推定出力信号が遅延処理部46により抑制(ミュート)
される一方、制御対称100の実際の出力信号が遅延処
理部41および加算器52を通ってサーボ部60に入力
される。このようにして、制御対称100の出力信号お
よび制御対称モデル30の推定出力信号が切換部40に
より切り換えられてサーボ部60に入力される。The control symmetry 100 receives a control input signal from the servo section 60 and generates an output signal. Servo unit 60
The control input signal from is also input to the control symmetry model 30. The control symmetry model 30 estimates the output signal of the control symmetry 100 from the control input signal and generates an estimated output signal. Output signal of control symmetry 100 and control symmetry model 3
The estimated output signal of 0 is input to the switching unit 40. Switching unit 4
0 indicates a delay processing section 41 having an input / output characteristic that gradually raises the input signal (output signal of the control symmetry 100) and an input / output characteristic that gradually lowers the input signal (estimated output signal of the control symmetry model 30). And the delay processing unit 46. As a result, in the initial stage, the output signal from the control symmetry 100 is suppressed (muted) by the delay processing unit 41, while the estimated output signal from the control symmetry model 30 passes through the delay processing unit 46 and is added by the adder 52. Entered in. Therefore, the control symmetry model 3
The estimated output signal from 0 is the delay processing unit 46 and the adder 5
It is input to the servo unit 60 through the line 2. Then, when the control symmetry 100 becomes stable, the estimated output signal from the control symmetry model 30 is suppressed (muted) by the delay processing unit 46.
Meanwhile, the actual output signal of the control symmetry 100 is input to the servo unit 60 through the delay processing unit 41 and the adder 52. In this way, the output signal of the control symmetry 100 and the estimated output signal of the control symmetry model 30 are switched by the switching unit 40 and input to the servo unit 60.
【0014】図2は、本発明の別の実施例による制御シ
ステムの構成を示すブロック図である。この制御システ
ムでは、サーボ部60からの制御入力信号と制御対象1
00の出力信号とに基づいて制御対称100の状態量を
推定する第1推定部20が設けられ、この第1推定部2
0の出力信号つまり第1推定出力信号が切換部40の第
1遅延処理部41に入力される。また、制御対象モデル
または第2推定部30からの第2推定出力信号が切換部
40の第2遅延処理部46に入力される。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a control system according to another embodiment of the present invention. In this control system, the control input signal from the servo unit 60 and the control target 1
A first estimation unit 20 that estimates the state quantity of the control symmetry 100 based on the output signal of 00 is provided.
The output signal of 0, that is, the first estimated output signal is input to the first delay processing unit 41 of the switching unit 40. Further, the controlled object model or the second estimated output signal from the second estimation unit 30 is input to the second delay processing unit 46 of the switching unit 40.
【0015】図3は、図2の制御システムの具体的構成
例を示すブロック図である。この制御システムにおい
て、制御対象100を除く部分が本制御システムのコン
トローラ(制御装置)10である。このコントローラ1
0は、第1推定部であるルーゲンバーガ・オブザーバ2
0と、第2推定部である仮想システム30と、切換部4
0と、サーボ部であるレギュレータ部60とからなる。FIG. 3 is a block diagram showing a concrete example of the configuration of the control system shown in FIG. In this control system, the part excluding the controlled object 100 is the controller (control device) 10 of the present control system. This controller 1
0 is the first estimator Rugenberga Observer 2
0, the virtual system 30 that is the second estimation unit, and the switching unit 4
0 and a regulator unit 60 which is a servo unit.
【0016】ルーゲンバーガ・オブザーバ20は、1つ
の積分器21と5つの係数器22〜26と2つの加算器
27,28とから構成される。このルーゲンバーガ・オ
ブザーバ20において、係数器22には制御対象100
に与えられる制御入力uが入力され、係数器25,26
には制御対象100の出力yが入力される。係数器22
は、ベクトルとしての制御入力uに所定の係数マトリク
ス[E]を乗算して出力する。係数器25はベクトルと
しての出力yに所定の係数マトリクス[G]を乗算して
出力する。加算器27は、それらの係数器22,25の
出力およびフィードバック係数器23の出力を加算して
出力する。積分器21は加算器27の出力を積分する。
積分器21の出力は係数器23,24に入力される。係
数器23は積分器21の出力に係数マトリクス[F]を
乗算して加算器27にフィードバックし、係数器24は
積分器21の出力に所定の係数マトリクス[H]を乗算
して加算器28に与える。係数器26は、制御対象10
0の出力yに所定の係数マトリクス[H]を乗算して加
算器28に与える。加算器28は、係数器24の出力と
係数器26の出力とを加算し、その加算値をルーゲンバ
ーガ・オブザーバ20の出力として切換部40に与え
る。The Rugenberger observer 20 is composed of one integrator 21, five coefficient units 22 to 26, and two adders 27 and 28. In the Rugenberger observer 20, the coefficient unit 22 has a controlled object 100
Control input u given to the coefficient units 25, 26
The output y of the controlled object 100 is input to. Coefficient unit 22
Outputs a control input u as a vector by multiplying it by a predetermined coefficient matrix [E]. The coefficient unit 25 multiplies the output y as a vector by a predetermined coefficient matrix [G] and outputs the result. The adder 27 adds the outputs of the coefficient multipliers 22 and 25 and the output of the feedback coefficient multiplier 23 and outputs the result. The integrator 21 integrates the output of the adder 27.
The output of the integrator 21 is input to the coefficient units 23 and 24. The coefficient unit 23 multiplies the output of the integrator 21 by the coefficient matrix [F] and feeds it back to the adder 27. The coefficient unit 24 multiplies the output of the integrator 21 by a predetermined coefficient matrix [H] and the adder 28. Give to. The coefficient unit 26 controls the controlled object 10
The output y of 0 is multiplied by a predetermined coefficient matrix [H] and given to the adder 28. The adder 28 adds the output of the coefficient unit 24 and the output of the coefficient unit 26, and supplies the added value to the switching unit 40 as the output of the Rugenberger observer 20.
【0017】このルーゲンバーガ・オブザーバ20にお
いては、制御対象100の状態を表す状態量または状態
変数が推定される。たとえば制御対象100が2次の伝
達関数で表される場合は2つの状態量x0,x1 が推定さ
れ、4次の伝達関数で表される場合は、4つの状態量x
0,x1,x2,x3 が推定される。ルーゲンバーガ・オブザ
ーバ20では、制御対象100の出力yを取り込むた
め、制御対象100の状態が内乱や外乱によって変動し
ても、その状態を表す状態量の推定値が加算器28の出
力に得られる。In this Rugenberger observer 20, the state quantity or state variable representing the state of the controlled object 100 is estimated. For example, when the controlled object 100 is expressed by a quadratic transfer function, two state quantities x0, x1 are estimated, and when it is expressed by a quaternary transfer function, four state quantities x
0, x1, x2, x3 are estimated. Since the Rugenberger observer 20 takes in the output y of the controlled object 100, even if the state of the controlled object 100 changes due to an internal disturbance or an external disturbance, the estimated value of the state quantity representing the state is obtained at the output of the adder 28.
【0018】仮想システム30は、制御対象100を数
学的に近似したオブザーバであり、1つの積分器31と
2つの係数器32,33と1つの加算器34とから構成
される。この仮想システム30において、係数器32に
は制御対象100に与えられる制御入力uが入力され
る。係数器32は、ベクトルとしての制御入力uに所定
の係数マトリクス[BP ]を乗算して出力する。加算器
34は、係数器32の出力にフィードバック係数器33
の出力を加算して出力する。積分器31は加算器27の
出力を積分する。積分器21の出力は、係数器33に入
力されるとともに仮想システム30の出力として切換部
40に与えられる。係数器32,33の係数マトリクス
[BP ]、[AP ]は、所定の同定方法で制御対象10
0をシステム同定して求められる。The virtual system 30 is an observer that mathematically approximates the controlled object 100, and is composed of one integrator 31, two coefficient units 32 and 33, and one adder 34. In this virtual system 30, a control input u given to the controlled object 100 is input to the coefficient unit 32. The coefficient unit 32 multiplies the control input u as a vector by a predetermined coefficient matrix [BP] and outputs it. The adder 34 outputs the feedback coefficient unit 33 to the output of the coefficient unit 32.
The output of is added and output. The integrator 31 integrates the output of the adder 27. The output of the integrator 21 is input to the coefficient unit 33 and is also given to the switching unit 40 as the output of the virtual system 30. The coefficient matrices [BP] and [AP] of the coefficient units 32 and 33 are controlled by the predetermined identification method.
0 is obtained by system identification.
【0019】この仮想システム30においても、たとえ
ば制御対象100が4次の伝達関数で表される場合は4
つの状態量x0,x1,x2,x3 が推定される。ただし、仮
想システム30では、制御対象100に与えられる制御
入力uのみを取り込み、制御対象100の出力yを取り
込まないので、制御対象100内の内乱や外乱を観測す
ることはなく、制御対象100の伝達関数によって規定
される状態を表す状態量の推定値が得られる。Also in this virtual system 30, if the controlled object 100 is represented by a transfer function of the fourth order, for example, 4
Two state quantities x0, x1, x2, x3 are estimated. However, in the virtual system 30, since only the control input u given to the controlled object 100 is taken in and the output y of the controlled object 100 is not taken in, the internal disturbance and the external disturbance in the controlled object 100 are not observed, and the controlled object 100's An estimated value of the state quantity representing the state defined by the transfer function is obtained.
【0020】切換部40は、ルーゲンバーガ・オブザー
バ20と仮想システム30とを切り換えるためのもの
で、第1の遅延器(遅延処理部)41と、第2の遅延器
(遅延処理部)46と、加算器52とから構成される。
第1の遅延器41は、入力信号(ルーゲンバーガ・オブ
ザーバ20の出力)を一時遅れの重み(1−e-t/T)に
よって徐々に立ち上げる特性を有する。第2の遅延器4
6は、入力信号(仮想システム30の出力)を一時遅れ
の重みe-t/Tによって徐々に減衰させる特性を有する。
加算器52は、第1の遅延器41の出力と第2の遅延器
46の出力とを加算する。The switching unit 40 is for switching between the Rugenberger observer 20 and the virtual system 30, and includes a first delay device (delay processing unit) 41, a second delay device (delay processing unit) 46, And an adder 52.
The first delay device 41 has the characteristic that the input signal (the output of the Rugenberger observer 20) is gradually raised by the weight of the temporary delay (1-e −t / T ). Second delay device 4
6 has a characteristic that the input signal (output of the virtual system 30) is gradually attenuated by the weight e −t / T of the temporary delay.
The adder 52 adds the output of the first delay device 41 and the output of the second delay device 46.
【0021】この切換部40においては、システムの立
ち上げ時に、図8に示すように、第2の遅延器46の出
力がe-t/Tの時間特性で徐々に減衰すると同時に、第1
の遅延器41の出力が(1−e-t/T)の時間特性で徐々
に立ち上がる。これにより、立ち上げ開始直後は仮想シ
ステム30で推定された状態量が出力され、所定時間後
の安定期ではルーゲンバーガ・オブザーバ20で推定さ
れた状態量が出力される。そして、切換期間中は双方の
状態量にそれぞれe-t/T、(1−e-t/T)の重みを付け
て加え合わせたものが出力される。In the switching unit 40, when the system is started up, as shown in FIG. 8, the output of the second delay device 46 is gradually attenuated by the time characteristic of e −t / T , and at the same time, the first
The output of the delay device 41 of (1) gradually rises with the time characteristic of (1-e- t / T ). As a result, the state quantity estimated by the virtual system 30 is output immediately after the start of the startup, and the state quantity estimated by the Rugenberger observer 20 is output during the stable period after a predetermined time. Then, during the switching period, both state quantities are added with weights of e −t / T and (1−e −t / T ) added, respectively.
【0022】レギュレータ部60は、切換部40の出力
(状態量)を入力側にフィードバックするための積分型
最適レギュレータで、1つの積分器61と、3つの係数
器62,63,64と、2つの加算器65,66とから
構成される。加算器65の一方の入力端子には制御対象
100に対する目標値u0 が与えられ、他方の入力端子
には切換部40の出力(状態量)に所定の係数マトリク
ス[C]を乗算した一次フィードバック量が第1のフィ
ードバック係数器63より与えられる。加算器65の出
力(偏差)は、所定の係数マトリクス[K2 ]を乗算す
る係数器62、および積分器61を介して加算器66の
一方の入力端子に与えられる。加算器66の他方の入力
端子には、切換部40の出力(状態量)に所定の係数マ
トリクス[K1 ]を乗算した二次フィードバック量が第
2のフィードバック係数器64より与えられる。加算器
66の出力(偏差)は制御入力uとして制御対象100
に与えられる。なお、係数マトリクス[K1 ]は、最適
レギュレータ問題の解として求められるフィードバック
・マトリクスである。また、係数マトリクス[C]は、
制御対象100の出力がいずれかの状態量と等しい場合
には、省略可能なものである。The regulator unit 60 is an integral type optimum regulator for feeding back the output (state quantity) of the switching unit 40 to the input side, and one integrator 61, three coefficient units 62, 63, 64, and 2 It is composed of two adders 65 and 66. The target value u0 for the controlled object 100 is given to one input terminal of the adder 65, and the other input terminal has a primary feedback amount obtained by multiplying the output (state amount) of the switching unit 40 by a predetermined coefficient matrix [C]. Is given by the first feedback coefficient unit 63. The output (deviation) of the adder 65 is given to one input terminal of an adder 66 via a coefficient unit 62 for multiplying a predetermined coefficient matrix [K2] and an integrator 61. To the other input terminal of the adder 66, the secondary feedback amount obtained by multiplying the output (state amount) of the switching unit 40 by a predetermined coefficient matrix [K1] is given from the second feedback coefficient unit 64. The output (deviation) of the adder 66 is used as the control input u and is controlled by the control target 100.
Given to. The coefficient matrix [K1] is a feedback matrix obtained as a solution to the optimal regulator problem. The coefficient matrix [C] is
When the output of the controlled object 100 is equal to any state quantity, it can be omitted.
【0023】本実施例の制御システムにおいては、ルー
ゲンバーガ・オブザーバ20により制御対象100内の
内乱および外乱等を反映した実際の状態量が推定され、
仮想システム30により制御対象100固有のシュミレ
ーション的な状態量が推定される。そして、切換部40
を介してルーゲンバーガ・オブザーバ20または仮想シ
ステム30からの状態量がレギュレータ60に与えら
れ、レギュレータ60において状態量に応じた制御入力
uの調整が行われる。このように、ベクトル的な状態量
をフィードバックする方式によれば、制御対象の出力だ
けをフィードバックする方式と比較して、制御対象内の
状態・変化をより詳細に入力側にフイードバックできる
ため、制御対象100の出力yと制御量とが異なる場合
でも、高い精度で制御量を目標値に一致させることがで
きる。In the control system of the present embodiment, the Rugenberger observer 20 estimates the actual state quantity reflecting the internal disturbance and the external disturbance in the controlled object 100,
The virtual system 30 estimates a simulation-like state quantity unique to the control target 100. Then, the switching unit 40
The state quantity from the Rugenberger observer 20 or the virtual system 30 is given to the regulator 60 via the, and the regulator 60 adjusts the control input u according to the state quantity. As described above, according to the method of feeding back the vector-like state quantity, compared with the method of feeding back only the output of the controlled object, the state / change in the controlled object can be fed back in more detail to the input side, Even if the output y of the target 100 and the control amount are different, the control amount can be matched with the target value with high accuracy.
【0024】さらに、本実施例の制御システムにおいて
は、定常的には制御対象100内の内乱および外乱等を
反映した実際の状態量を推定するルーゲンバーガ・オブ
ザーバ20を用いるが、システム立ち上げ開始直後の過
渡期には制御対象100の状態量をシュミレーション的
に推定する仮想システム30を優先的に用いる。つま
り、ルーゲンバーガ・オブザーバ20にあっては、制御
対象100の実際の状態よりも早く状態量を推定した場
合は、制御量の初期値やレギュレータの重みによって
は、推定値が不安定になり、立ち上げ時に制御量がオー
バーシュートしたりアンダーシュートするおそれがあ
る。一方、仮想システム30にあっては、制御対象10
0の出力yを観測しないため、制御対象100内の実際
の状態量を推定することはできないが、立ち上げ時は制
御対象100の本来の特性に応じた安定な推定値を与え
ることができる。したがって、ルーゲンバーガ・オブザ
ーバ20の推定値が安定するまでの間は仮想システム3
0の推定値を暫定的に用いることで、システム立ち上げ
直後の過渡期間でも安定・高精度なフィードバック制御
を行うことができる。Further, in the control system of the present embodiment, the Rugenberger observer 20 for estimating the actual state quantity reflecting the internal disturbance and the external disturbance in the controlled object 100 is used steadily, but immediately after the start of the system startup. During the transitional period, the virtual system 30 that estimates the state quantity of the controlled object 100 by simulation is preferentially used. That is, in the Rugenberger observer 20, when the state quantity is estimated earlier than the actual state of the controlled object 100, the estimated value becomes unstable depending on the initial value of the control amount and the weight of the regulator, and The control amount may overshoot or undershoot during raising. On the other hand, in the virtual system 30, the controlled object 10
Since the output y of 0 is not observed, the actual state quantity in the controlled object 100 cannot be estimated, but a stable estimated value according to the original characteristics of the controlled object 100 can be given at startup. Therefore, until the estimated value of the Rugenberger observer 20 stabilizes, the virtual system 3
By temporarily using the estimated value of 0, stable and highly accurate feedback control can be performed even in the transient period immediately after the system is started.
【0025】図4は、本実施例の制御システムにおける
制御対象100の具体例としてウエハ温度制御機構の構
成を示す。このウエハ温度制御機構は、たとえばCVD
装置に用いられる。図中、コントローラ10を除く部分
が制御対象100である。FIG. 4 shows the structure of a wafer temperature control mechanism as a specific example of the controlled object 100 in the control system of this embodiment. This wafer temperature control mechanism is, for example, a CVD
Used in equipment. In the figure, the part excluding the controller 10 is the controlled object 100.
【0026】この温度制御機構において、真空チャンバ
102内には、被処理体として半導体ウエハ104が所
定の支持部材(図示せず)によって所定位置に配置さ
れ、ウエハ104の下方のチャンバ底部にクォーツウィ
ンドウ106が配設される。チャンバ102の外部に加
熱ランプ108が配設され、加熱ランプ108からの光
はクォーツウィンドウ106を通ってウエハ104の裏
面に照射し、その光エネルギによってウエハ104が加
熱される。ウエハ104の表面(上面)は被処理面であ
り、この被処理面の温度が制御量である。ウエハの裏面
周縁部には温度センサとして熱電対110が取付され、
この熱電対110の出力電圧は制御対象100の出力y
としてケーブル112を介してコントローラ100に与
えられる。なお、図示しない遮蔽板により、熱電対11
0には光ランプ108からの光が照射しないようになっ
ている。In this temperature control mechanism, in the vacuum chamber 102, a semiconductor wafer 104 as an object to be processed is arranged at a predetermined position by a predetermined supporting member (not shown), and a quartz window is provided below the wafer 104 at the bottom of the chamber. 106 is provided. A heating lamp 108 is disposed outside the chamber 102, and light from the heating lamp 108 passes through the quartz window 106 and irradiates the back surface of the wafer 104, and the light energy heats the wafer 104. The surface (upper surface) of the wafer 104 is a surface to be processed, and the temperature of the surface to be processed is a controlled variable. A thermocouple 110 as a temperature sensor is attached to the periphery of the back surface of the wafer.
The output voltage of this thermocouple 110 is the output y of the controlled object 100.
Is given to the controller 100 via the cable 112. In addition, the thermocouple 11 is provided by a shield plate (not shown).
The light from the optical lamp 108 is not emitted to 0.
【0027】加熱ランプ108は、PWM増幅器114
からの電力をスリップリング116を介して受け取り、
モータ118および歯車120,122からなる回転駆
動機構によって回転軸124と一体に回転しながらウエ
ハ104側に光を放射するように構成されている。The heating lamp 108 has a PWM amplifier 114.
Receives power from the slip ring 116,
A rotation drive mechanism including a motor 118 and gears 120 and 122 is configured to emit light toward the wafer 104 side while rotating integrally with the rotation shaft 124.
【0028】PWM増幅器114は、コントローラ10
0からの温度制御電圧を制御入力uとして入力し、温度
制御電圧を電力増幅した上でPWM信号として加熱ラン
プ108に供給する。電力制御部124は立ち上げ時や
異常時にPWM増幅器114のオン・オフ制御を行う。The PWM amplifier 114 is used in the controller 10
A temperature control voltage from 0 is input as a control input u, and the temperature control voltage is power-amplified and then supplied to the heating lamp 108 as a PWM signal. The power control unit 124 performs on / off control of the PWM amplifier 114 at the time of start-up or abnormality.
【0029】なお、真空チャンバ102において、ウエ
ハ104とクォーツウィンドウ106との間には、光フ
ァイバ126の一端が臨んでおり、この光ファイバ12
6の他端は光束モニタ128に接続されている。光束モ
ニタ128は、ウエハ104に供給される光の光束(強
度)を光ファイバ126を介して検出し、その光束検出
値をガラス破壊インターロック部130に与える。クォ
ーツウィンドウ106が濁ってくると、そこで吸収され
る光が増大する分、ウエハ114に供給される光エネル
ギが減少するとともに、クォーツウィンドウ06が破壊
する危険性が高まる。そこで、光束モニタ値が所定値ま
で減少した時は、ガラス破壊インターロック部130よ
り加熱停止信号がPWM増幅器114に与えられ、加熱
ランプ108が消灯するようになっている。In the vacuum chamber 102, one end of an optical fiber 126 faces between the wafer 104 and the quartz window 106. This optical fiber 12
The other end of 6 is connected to the luminous flux monitor 128. The light flux monitor 128 detects the light flux (intensity) of the light supplied to the wafer 104 via the optical fiber 126, and supplies the detected light flux value to the glass breaking interlock unit 130. When the quartz window 106 becomes turbid, the amount of light absorbed therein increases, so the light energy supplied to the wafer 114 decreases, and the risk of the quartz window 06 breaking increases. Therefore, when the light flux monitor value decreases to a predetermined value, the glass break interlock unit 130 gives a heating stop signal to the PWM amplifier 114, and the heating lamp 108 is turned off.
【0030】かかる構成のウエハ温度制御機構におい
て、制御対象100の出力yはウエハ104の裏面の温
度を表すものであって、制御量であるウエハ104の表
面(被処理面)の温度を表すものではない。図5は、制
御量(ウエハ表面温度)の目標値を300゜Cに設定し
てこのウエハ温度制御機構を立ち上げた場合のウエハ1
04の表面温度と熱電対検出温度(ウエハ104の裏面
周縁部の温度)の時間特性の一例を示す。図5に示すよ
うに、ウエハ表面温度と熱電対検出温度との間には時間
遅れが存在する。なお、図5はオブザーバを用いない場
合の特性図であって、ウエハ表面温度の立ち上がり速度
が遅くなっている。In the wafer temperature control mechanism having such a configuration, the output y of the controlled object 100 represents the temperature of the back surface of the wafer 104, and represents the temperature of the front surface (processed surface) of the wafer 104 which is a controlled variable. is not. FIG. 5 shows the wafer 1 when the target value of the control amount (wafer surface temperature) is set to 300 ° C. and the wafer temperature control mechanism is started up.
An example of time characteristics of the surface temperature of No. 04 and the thermocouple detection temperature (the temperature of the peripheral portion of the back surface of the wafer 104) is shown. As shown in FIG. 5, there is a time delay between the wafer surface temperature and the thermocouple detection temperature. Note that FIG. 5 is a characteristic diagram when no observer is used, and the rising speed of the wafer surface temperature is slow.
【0031】本実施例では、制御量(ウエハ表面温度)
は制御対象100内の1つの状態量としてモデル化され
てよい。また、加熱ランプ108の発光エネルギからウ
エハ104の裏面中心部の温度までの系を二次遅れの
系、ウエハ104の裏面中心部の温度からウエハ表面温
度を介してウエハ裏面周縁部の温度つまり熱電対110
の検出温度(y)までの系を二次遅れの系とし、それら
2つの二次遅れの系がカスケード接続されたものとし
て、この制御対象100を4次の系とモデル化してよ
く、その場合は4つの状態量x0,x1,x2,x3 が定義さ
れ、その中のたとえばx1 が制御量(ウエハ表面温度)
に対応し、たとえばx3 が出力yに対応したものとな
る。In this embodiment, the controlled variable (wafer surface temperature)
May be modeled as one state quantity in the controlled object 100. In addition, the system from the light emission energy of the heating lamp 108 to the temperature of the central portion of the back surface of the wafer 104 is a system with a secondary delay, and the temperature of the peripheral portion of the wafer rear surface, that is, the thermoelectric power, from the temperature of the central portion of the rear surface of the wafer 104 to the wafer front surface temperature. Pair 110
Assuming that the system up to the detection temperature (y) of 2 is a second-order lag system and these two second-order lag systems are cascade-connected, this controlled object 100 may be modeled as a fourth-order system, in which case Is defined as four state quantities x0, x1, x2, x3, of which x1 is a controlled quantity (wafer surface temperature).
, X3 corresponds to the output y, for example.
【0032】本実施例のコントローラ10は、上記した
ように、ルーゲンバーガ・オブザーバ20と仮想システ
ム30とを併用することにより、制御量を目標値に一致
させるための温度制御をシステム立ち上げ開始直後から
安定・高精度に行うことができる。As described above, the controller 10 of the present embodiment uses the Rugenberger observer 20 and the virtual system 30 in combination, so that the temperature control for matching the control amount with the target value is started immediately after the system is started. It can be performed stably and with high accuracy.
【0033】図6は、本実施例の作用の一例を示す特性
図である。図5の場合(オブザーバ20,30を用いな
い場合)と比較して、ウエハ表面温度の立ち上げ速度が
格段に速くなっている。また、オーバシュートやアンダ
ーシュートが発生するおそれもない。図7は、仮想シス
テム30を用いないで、システム立ち上げ開始からルー
ゲンバーガ・オブザーバ20を動作させた場合の特性図
(参考図)である。この図7の例に示すように、ルーゲ
ンバーガ・オブザーバ20の場合、制御対象100の実
際の状態よりも早く状態量を推定してしまうと、制御量
の初期値やレギュレータの重みによっては、逆応答して
推定値が大幅に狂い、立ち上げ時に制御量がオーバーシ
ュートしたり、あるいはアンダーシュートするおそれが
ある。FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the operation of this embodiment. As compared with the case of FIG. 5 (when the observers 20 and 30 are not used), the rising speed of the wafer surface temperature is remarkably high. In addition, there is no risk of overshoot or undershoot. FIG. 7 is a characteristic diagram (reference diagram) in the case where the Rugenberger observer 20 is operated from the start of system startup without using the virtual system 30. As shown in the example of FIG. 7, in the case of the Rugenberger observer 20, if the state quantity is estimated earlier than the actual state of the controlled object 100, an inverse response may occur depending on the initial value of the control quantity and the weight of the regulator. As a result, the estimated value may significantly change, and the control amount may overshoot or undershoot at startup.
【0034】以上、ウエハ温度制御機構について説明し
たが、他の温度制御機構や各種制御機構に本発明の制御
システムは適用可能である。また、上記実施例では、シ
ステム立ち上げ時に仮想システム30からルーゲンバー
ガ・オブザーバ20に切り換えるようにしたが、それ以
外の時でも必要に応じて条件的に仮想システム30から
ルーゲンバーガ・オブザーバ20へ、あるいはルーゲン
バーガ・オブザーバ20から仮想システム30へ切り換
えるようにしてもよい。さらに、上記実施例では1次遅
れ要素切換であったが、2次、3次等の多次遅れ要素切
換であっても可能であり、線形システムという必要条件
が満たされていればよい。Although the wafer temperature control mechanism has been described above, the control system of the present invention can be applied to other temperature control mechanisms and various control mechanisms. Further, in the above-described embodiment, the virtual system 30 is switched to the Rugenberger observer 20 when the system is started up. -The observer 20 may be switched to the virtual system 30. Further, although the first-order lag element switching is performed in the above-described embodiment, it is possible to use the second-order, third-order, etc. multi-order lag element switching as long as the necessary condition of the linear system is satisfied.
【0035】レギュレータ部60の構成も任意に変形す
ることが可能である。また、上記実施例では第1のオブ
ザーバをルーゲンバーガ・オブザーバ20で構成し、第
2のオブザーバを仮想システム30で構成したが、これ
らの構成に限定されるものではなく、他の型のオブザー
バで構成することも可能である。The configuration of the regulator section 60 can be modified arbitrarily. Further, in the above embodiment, the first observer is constituted by the Rugenberger observer 20 and the second observer is constituted by the virtual system 30, but the present invention is not limited to these constitutions, and is constituted by another type of observer. It is also possible to do so.
【0036】また、図9に示すように、ルーゲンバーガ
・オブザーバ20において、係数器22,23に仮想シ
ステムの係数マトリクス[BP ],[AP ]をそれぞれ
設定して、それらの係数器22,23と積分器21とで
仮想システム30を兼用させるようにしてもよい。この
場合、制御対象100の出力yは、切換部の加算器70
および遅延器72を介してオブザーバ20,30に与え
られる。オブザーバ20,30の出力は、加算器70の
他方の入力端子に与えられるとともに、レギュレータ部
60に与えられる。Further, as shown in FIG. 9, in the Rugenberger observer 20, coefficient matrices [BP] and [AP] of the virtual system are set in the coefficient units 22 and 23, respectively. The integrator 21 may also be used as the virtual system 30. In this case, the output y of the controlled object 100 is the adder 70 of the switching unit.
And to the observers 20 and 30 via the delay device 72. The outputs of the observers 20 and 30 are given to the other input terminal of the adder 70 and the regulator section 60.
【0037】システム立ち上げ時、制御対象100の出
力yは第1の遅延器41を経由することで(1−
e-t/T)の時間遅れでルーゲンバーガ・オブザーバ20
に与えられることにより、ルーゲンバーガ・オブザーバ
20の出力は(1−e-t/T)の時間遅れで立ち上がる。
一方、仮想システム30の出力は、第2の遅延器46を
経由することでe-t/Tの時間遅れで減衰する。これによ
り、切換部40の加算器52より、立ち上げ開始直後は
仮想システム30で推定された状態量が出力され、所定
時間後の安定期ではルーゲンバーガ・オブザーバ20で
推定された状態量が出力され、切換期間中は双方の状態
量にそれぞれe-t/T、(1−e-t/T)の重みを付けて加
え合わせたものが出力される。When the system is started up, the output y of the controlled object 100 passes through the first delay device 41 ((1-
e- t / T ) with a delay, Rugenberga Observer 20
The output of the Rugenberger observer 20 rises with a time delay of (1-e- t / T ).
On the other hand, the output of the virtual system 30 is attenuated with a time delay of e −t / T by passing through the second delay device 46. As a result, the state quantity estimated by the virtual system 30 is output from the adder 52 of the switching unit 40 immediately after the start-up, and the state quantity estimated by the Rugenberger observer 20 is output during the stable period after a predetermined time. During the switching period, both state quantities are weighted with e −t / T and (1−e −t / T ) and added, and the sum is output.
【0038】[0038]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の制御シス
テムによれば、制御対象に与えられる制御入力と制御対
象の出力とに基づいて制御対象内の状態量を推定する第
1のオブザーバと、制御入力のみに基づいて制御対象内
の状態量を推定する第2のオブザーバとを併用し、両オ
ブザーバで推定された状態量を選択的にフィードバック
することで、安定・高精度な制御を行うことができる。As described above, according to the control system of the present invention, the first observer for estimating the state quantity in the controlled object based on the control input given to the controlled object and the output of the controlled object is provided. , The second observer that estimates the state quantity in the controlled object only based on the control input is used together, and the state quantity estimated by both observers is selectively fed back to perform stable and highly accurate control. be able to.
【図1】本発明の一実施例による制御システムの構成を
示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control system according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の別の実施例による制御システムの構成
を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a control system according to another embodiment of the present invention.
【図3】図2の実施例による制御システムの具体的構成
例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a specific configuration example of a control system according to the embodiment of FIG.
【図4】実施例の制御システムにおける制御対象の一例
としてのウエハ温度制御機構の構成を示すブロック図で
ある。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a wafer temperature control mechanism as an example of a controlled object in the control system of the embodiment.
【図5】ウエハ表面温度と熱電対検出温度との偏差を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a deviation between a wafer surface temperature and a thermocouple detection temperature.
【図6】実施例の制御システムにおけるウエハ表面温度
の立ち上がり特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the rising characteristics of the wafer surface temperature in the control system of the embodiment.
【図7】実施例の制御システムにおいて仮想システムを
用いない場合のウエハ表面温度の立ち上がり特性を示す
図である。FIG. 7 is a diagram showing a rise characteristic of a wafer surface temperature when a virtual system is not used in the control system of the embodiment.
【図8】実施例の制御システムにおける切換部の切換タ
イミングを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a switching timing of a switching unit in the control system of the embodiment.
【図9】実施例の制御システムの一変形例の構成を示す
ブロック図である。FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a modified example of the control system of the embodiment.
10 コントローラ 20 第1推定部(ルーゲンバーガ・オブザーバ) 30 第2推定部(仮想システム) 40 切換部 60 サーボ部(レギュレータ部) 100 制御対象 102 半導体ウエハ 10 Controller 20 1st estimation part (Ruenberger observer) 30 2nd estimation part (virtual system) 40 Switching part 60 Servo part (regulator part) 100 Control object 102 Semiconductor wafer
Claims (2)
御対象の出力とに基づいて前記制御対象の状態量を推定
する第1のオブザーバと、 前記制御入力のみに基づいて前記制御対象の状態量を推
定する第2のオブザーバと、 前記第1のオブザーバまたは前記第2のオブザーバを選
択するオブザーバ切換手段と、 前記オブザーバ切換手段によって選択された第1または
第2のオブザーバからの状態量を前記制御対象の入力側
にフィードバックして前記制御入力を調整するレギュレ
ータ手段と、を具備することを特徴とする制御システ
ム。1. A first observer for estimating a state quantity of the controlled object based on a control input given to the controlled object and an output of the controlled object, and a state quantity of the controlled object based only on the control input. A second observer for estimating the above, an observer switching means for selecting the first observer or the second observer, and a state quantity from the first or second observer selected by the observer switching means for controlling the state quantity. And a regulator means for adjusting the control input by feeding back to the input side of the target.
立ち上げ時は前記第2のオブザーバを選択し、所定の時
間遅れで前記第2のオブザーバから前記第1のオブザー
バに切り換えることを特徴とする請求項1に記載の制御
システム。2. The observer switching means selects the second observer when the system is started up, and switches from the second observer to the first observer with a predetermined time delay. The control system according to item 1.
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