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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1993
- 1993-05-06 JP JP5129936A patent/JP3028448B2/en not_active Expired - Fee Related
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