JPH11305805A

JPH11305805A - プロセス制御方法及びそれを用いる電子デバイス製造方法

Info

Publication number: JPH11305805A
Application number: JP11393498A
Authority: JP
Inventors: Hideto Yamaguchi; 英人山口; Kazuo Tanaka; 和夫田中; Kenzo Urabe; 健三占部
Original assignee: Kokusai Electric Corp
Current assignee: Kokusai Electric Corp
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】制御対象から出力される制御量を迅速、且つ
正確に目標値へ追従させることができ、プロセスのスル
ープットを向上させることができるプロセス制御方法並
びに電子デバイス製造方法を得る。【解決手段】電子デバイス製造方法において、ボート
投入等の所定の外乱、又は炉内温度の上昇等の所定の目
標値の変動に対して、予め所定の制御パターンを定めて
おき、所定の外乱発生時、又は所定の目標値の変動時に
フィードバック制御から所定の制御パターンによるオー
プンループ制御に切替え、所定の外乱、又は所定の目標
値の変動が収まったときに、フィードバック制御に復帰
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プロセス装置に
適用されるプロセス制御方法及び電子デバイス製造方法
に関し、特に、制御対象に入力される操作量をＰＩＤ演
算等の所定の演算による帰還制御を用いて当該制御対象
から出力される制御量を制御するプロセス制御方法の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロセス制御装置の一例として、例えば
電気炉を有する半導体製造装置では、炉内の温度を適切
な温度に維持し、又は炉内を指定した温度変化に追従さ
せる必要があるため、予め設定した目標温度の温度変化
パターンに基づいてヒータの制御が行われる。この温度
制御は、ウェハに成膜処理等のプロセス処理を施す場合
のみならず、電気炉内にウェハを投入する場合において
も行われている。このような温度制御を行っている半導
体製造装置は、例えば図１０や図１１のようなものが知
られている。

【０００３】図１０に示した半導体製造装置は、底部に
ウェハ投入口１ａを有する電気炉１と、ウェハを保持す
るボート２と、ボート２を電気炉１内へ投入あるいは引
き出しをおこなうボートローダ３と、電気炉１内の温度
を計測し出力する温度センサ４と、予め設定された目標
温度の温度変化パターンを出力する目標温度設定器５
と、温度センサ４からの出力と目標温度設定器５からの
出力が入力され、双方の値から後述するヒータ７が出力
すべきパワーを指示する制御装置６と、制御装置６の指
示出力に従って電気炉１を加熱するヒータ７とで構成さ
れている。

【０００４】そして、ウェハ投入口１ａよりウェハを保
持したボート２をボートローダ３の駆動によって電気炉
１内に投入し、あるいは電気炉１内より引き出す一方、
電気炉１内の温度を目標温度設定器５に予め設定された
目標温度に維持もしくは追従させるために、温度センサ
４によって電気炉１内の温度を感知し、そのデータに基
づいて制御装置６が所定の演算を行い、その演算結果に
従ってヒータ７を駆動して電気炉１の加熱を加減する構
成となっている。

【０００５】また、図１１に示した半導体製造装置は、
図１０に示した半導体製造装置と同様の部分として、電
気炉１とボート２とボートローダ３と第１の温度センサ
４と目標温度設定器５と第１の制御装置６とヒータ７と
を備え、その他に電気炉１内の温度のうち、特に熱源で
あるヒータ７近傍の温度を計測し、出力する第２の温度
センサ８と、第２の温度センサ８からの出力と第１の制
御装置６からの出力を入力し、双方の値からヒータ７が
出力すべきパワーを指示する第２の制御装置９を備えて
構成されている。

【０００６】そして、ウェハ投入口１ａよりウェハを保
持したボート２をボートローダ３の駆動によって電気炉
１内に投入し、あるいは電気炉１内より引き出す一方、
電気炉１内の温度を目標温度設定器５に予め設定された
目標温度に維持もしくは追従させるために、第１の温度
センサ４によって電気炉１内の温度を感知し、そのデー
タに基づいて第１の制御装置６がある特定の演算を行
い、次に第２の温度センサ４によって熱源であるヒータ
７近傍の温度を感知し、そのデータと第１の制御装置６
の演算結果に基づいて第２の制御装置９がある特定の演
算を行い、その演算結果にしたがってヒータ７を駆動し
て電気炉１の加熱を加減する構成となっている。

【０００７】また、図１０または図１１に示した半導体
製造装置の中の第１の制御装置６または第２の制御装置
９は、従来から図１２に示されるような構成を有するも
のがよく用いられている。

【０００８】図１２に示す制御装置について詳細に説明
する。図１２において、目標設定器１０は、図１０にお
ける目標温度設定器５に対応するものである。制御装置
１１は図１０における制御装置６に対応するものであ
る。制御対象１２は、図１０において電気炉１とボート
２とボートローダ３と温度センサ４とヒータ７に対応す
るものである。この場合、図１２における入出力Ａは、
図１０における目標温度設定器５から出力され、制御装
置６に入力される目標温度の温度変化パターンを表すも
のであり、図１２における入出力Ｂは、図１０における
温度センサ４から出力され制御装置６に入力される、電
気炉１内を計測した温度を表すものであり、図１２にお
ける入出力Ｇは、図１０における制御装置６から出力さ
れてヒータ７に入力され、ヒータ７が出力すべきパワー
を指示するものである。入出力Ａをここでは目標値、入
出力Ｂを制御量、入出力Ｇを操作量と呼ぶこととする。

【０００９】また、制御装置１１が図１１における第１
の制御装置６に対応するときは、目標設定器１０は図１
１における目標温度設定器５に対応するものであり、制
御対象１２は、図１１における電気炉１とボート２とボ
ートローダ３と第１の温度センサ４とヒータ７と第２の
温度センサ８と第２の制御装置９に対応するものであ
る。

【００１０】また、制御装置１１が図１１における第２
の制御装置９に対応するときは、目標設定器１０は図１
１における第１の温度センサ４と目標温度設定器５と第
１の制御装置６に対応するものであり、制御対象１２
は、図１１における電気炉１とボート２とボートローダ
３とヒータ７と第２の温度センサ８に対応するものであ
る。

【００１１】そして、制御装置１１は、減算器１３と積
分演算器（図中は単に積分演算と記す）１４と比例演算
器（図中は単に比例演算と記す）１５と微分演算器（図
中は単に微分演算と記す）１６と加算器１７とから構成
されている。減算器１３は、目標値Ａと制御量Ｂを入力
し、目標値Ａから制御量Ｂを減算した値を偏差Ｃとして
算出し、積分演算器１４と比例演算器１５と微分演算器
１６へ出力するものである。

【００１２】積分演算器１４は、偏差Ｃを入力し、偏差
Ｃを時間積分演算（Ｉ演算）した結果に予め設定されて
いるパラメータＫｉを乗じた値を積分値Ｄとして出力す
るものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＣをＣ
（ｔ）、そのときの積分値ＤをＤ（ｔ）で表すと、積分
値Ｄは（１）式に従って求められる。なお、積分範囲は
０からｔまでである。

【００１３】

【数１】Ｄ（ｔ）＝Ｋｉ・∫Ｃ（ｕ）ｄｕ（１）

【００１４】比例演算器１５は、偏差Ｃが入力され、予
め設定されているパラメータＫｐを乗じた（Ｐ演算）値
を比例値Ｅとして出力するものである。ある特定の時間
ｔにおける偏差ＣをＣ（ｔ）、そのときの比例値ＥをＥ
（ｔ）で表すとすると、比例値Ｅは（２）式に従って求
められる。

【００１５】

【数２】Ｅ（ｔ）＝Ｋｐ・Ｃ（ｔ）（２）

【００１６】微分演算器１６は、偏差Ｃが入力され、偏
差Ｃを時間微分演算（Ｄ演算）した結果に予め設定され
ているパラメータＫｄを乗じた値を微分値Ｆとして出力
するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差ＣをＣ
（ｔ）、そのときの微分値ＦをＦ（ｔ）で表すと、微分
値Ｆは（３）式に従って求められる。

【００１７】

【数３】Ｆ（ｔ）＝Ｋｄ・ｄＣ（ｔ）／ｄｔ（３）

【００１８】加算器１７は、積分値Ｄと比例値Ｅと微分
値Ｆとが入力され、それらの総和を算出し操作量Ｇを出
力するものである。ある特定の時間ｔにおける偏差Ｃを
Ｃ（ｔ）、そのときの操作量ＧをＧ（ｔ）で表すとする
と、前述した（１）〜（３）式から、操作量Ｇは（４）
式に従って求められ、これをＰＩＤ演算と呼ぶ。

【００１９】

【数４】Ｇ（ｔ）＝Ｋｐ・Ｃ（ｔ）＋Ｋｉ・∫Ｃ（ｕ）ｄｕ＋Ｋｄ・ｄＣ（ｔ）／ｄｔ（４）

【００２０】また、（４）式に従って偏差Ｃから操作量
Ｇを求める部分、すなわち積分演算器１４と比例演算器
１５と微分演算器１６と加算器１７とを総称してＰＩＤ
調節器と呼ぶ。

【００２１】つまり、図１２に示すように、まず、目標
設定器１０から制御装置１１へ目標値Ａが入力され、加
えて制御対象１２からの制御量Ｂが制御装置１１へ入力
され、制御装置１１内の減算器１３で目標値Ａから制御
量Ｂを減算した偏差Ｃを出力する。積分演算器１４およ
び比例演算器１５および微分演算器１６および加算器１
７では、偏差Ｃを用いてＰＩＤ演算を行い、制御装置１
１の出力として操作量Ｇを制御対象１２に出力する。こ
うして、制御対象１２から制御装置１１に入力された制
御量Ｂは、再び制御装置１１へ帰還される。このように
制御装置１１から出力される操作量Ｇは、目標値Ａと制
御量Ｂとの偏差Ｃが零になるように、時々刻々変化す
る。

【００２２】一方、図１２で示したような構成を有する
制御装置を用いた、図１０で示した構成の半導体製造装
置は、例えば、図１３に示す温度制御手順でプロセス処
理を行っている。ここで、図１３を用いて、半導体製造
装置で行われるプロセス処理の一例について説明する。
図１３（ａ）は半導体製造装置で行われるプロセス処理
の一例のフローチャートを示し、図１３（ｂ）はそのと
きの電気炉内の温度の概略を示している。図１３（ｂ）
における符号Ｓ１〜Ｓ６は図１３（ａ）において同一の
符号が付されている処理が行われている時刻を示す。

【００２３】ステップＳ１は、電気炉１内の温度を比較
的低い温度Ｔ₀（例えば３００°Ｃ〜６００°Ｃ）に維
持および安定させる処理である。ステップＳ１では、ボ
ート２は、まだ電気炉１内へ投入されていない。ステッ
プＳ２は、ボートローダ３の駆動によってウェハを保持
しているボート２を電気炉１内に投入する処理である。
ウェハの温度は通常目標温度Ｔ₀より低いので、ボート
２を電気炉１内に投入した結果、炉内の温度は一時的に
目標温度Ｔ₀より低い温度になるが、制御装置６による
ヒータ制御が目標温度設定器５から出力される目標温度
Ｔ₀と温度センサ４から出力される炉内温度との偏差を
零にするように働くために、電気炉１内の温度はいくら
かの時間を経て再び目標温度Ｔ₀に安定する。なお、図
１３（ｂ）で示す、ボート投入時刻ｔ₀から再び目標温
度Ｔ₀に回復する時刻ｔ₁はおよそ３０分程度である。

【００２４】ステップＳ３は、上述の目標温度Ｔ₀から
ウェハに成膜処理等のプロセス処理を施すための目標温
度Ｔ₁（例えば７００°Ｃ〜１０００°Ｃ）まで徐々に
電気炉１内の温度を上昇させる処理である。ステップＳ
４はウェハにプロセス処理を施すために電気炉１内の温
度を目標温度Ｔ₁に維持および安定させる処理である。
なお、このステップＳ４の処理時間は時刻ｔ₂から時刻
ｔ₃までの数時間であるが、図１３（ｂ）では、その時
間的長さを一部省略して示している。ステップＳ５は、
ステップＳ３の処理とは逆に、目標温度Ｔ₁から再び比
較的低い目標温度Ｔ₀まで徐々に電気炉１内の温度を下
降させる処理である。

【００２５】ステップＳ６は、プロセス処理が施された
ウェハを保持しているボート２をボートローダ３の駆動
によって電気炉１内から引き出す処理である。ステップ
Ｓ７は、半導体製造装置内のすべてのウェハにプロセス
処理が施されたかを判断する処理であり、もし、すべて
のウェハにプロセス処理が施されたと判断された場合は
一連の温度制御処理を終了し、もし、すべてのウェハに
プロセス処理が施されていないと判断された場合は、再
びステップＳ１に戻り手順を繰り返すようになってい
る。

【００２６】ステップＳ１からステップＳ６までの処理
は、いずれも電気炉１内の温度が目標温度に対し予め定
められた許容温度範囲内にあり、且つ予め定められた時
間にわたってその状態が続くといった安定状態を得た
後、次の処理へ進むようになっている。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
に示すような構成を有する、従来の制御装置によるプロ
セス制御方法では、制御対象１２内で比較的大きな外乱
が生じた場合、あるいは目標値Ａの大きな変動が生じた
場合、制御量Ｂが目標値Ａの値を維持できなくなるか、
あるいは制御量Ｂが目標値Ａに追従する際に遅れが生
じ、その結果として制御量Ｂが目標値Ａに対し所定の許
容範囲内を維持する安定状態を得るまでに多くの時間を
要してしまうという問題点がある。

【００２８】例えば、図１０に示した半導体製造装置に
おいて、図１３に示した温度制御手順を行った場合、図
１２に示すような構成を有する従来の制御装置を用いて
制御を行うと、特にボートを投入するステップＳ２にお
いて、大きな外乱が発生し、また、炉内の温度を上昇さ
せるステップＳ３において、目標値を大きく変動させる
と、電気炉１内の温度が目標温度に対して安定状態（す
なわち炉内温度が目標値に対して所定の温度許容範囲内
にあり、且つ予め定められた時間にわたって、その状態
が続くといった安定状態）を得るまでに多くの時間を必
要とし、半導体製造装置全体のスループットに大きな悪
影響を及ぼすこととなる。

【００２９】ここで、ボートを投入するステップＳ２に
おける炉内温度のふるまいの一例を図１４に示す。この
場合、図１２に示した構成を有する制御装置では、偏差
Ｃが大きくなったことを認識した後、操作量Ｇを変化さ
せるという後追い制御を余儀なくされる一方、外乱が存
続している間にわたり積分演算器１４はその偏差を蓄積
してしまうため、結果として、大きなオーバーシュート
あるいはアンダーシュートが発生してしまい、その結
果、安定状態を得るまで多くの時間を要してしまう。

【００３０】しかし、これらボート投入や炉内温度の上
昇処理等においては、その外乱、目標値の変動により、
制御対象が受ける影響は経験的に把握されており、しか
もその発生時刻は、運転スケジュールにより既知であ
る。したがって、これらの対策においては、従来のよう
にクローズド（フィードバック）ループ制御によらず、
オープンループ制御で行うことができ、このような制御
において操作量を適当に形成すれば、オーバーシュート
およびアンダーシュートを軽減でき、フィードバック制
御に比べ、安定状態を得るまでの時間の短縮化を図るこ
とができる。

【００３１】そこで、この発明の目的は、上述したよう
に、制御対象内で比較的大きな所定の外乱が生じる場
合、あるいは目標値が所定の変動をする場合に、安定状
態を得るまでに多くの時間を要してしまうという従来の
問題点を解決し、制御対象から出力される制御量を迅
速、且つ正確に目標値へ追従させることができ、プロセ
スのスループットを向上させることができるプロセス制
御方法並びに電子デバイス製造方法を提供することにあ
る。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、この発明は、プロセス装置（実施の形態において
は半導体製造装置）における制御対象（実施の形態にお
ける一例では図１１における電気炉１とボート２とボー
トローダ３と第１の温度センサ４とヒータ７と第２の温
度センサ８と第２の制御装置９）へ入力される操作量Ｇ
を変化させることにより、前記制御対象による制御量Ｂ
を変化させ、変化した制御量に基づいた演算を行って操
作量を制御し、前記制御量を目標値Ａへ維持もしくは追
従させるプロセス制御方法において、所定の出力パター
ン（例えば図７、図９に示す）に基づく操作量を出力す
る手段（パターン発生器１８）と、前記演算に従った操
作量と前記所定の出力パターンに基づく操作量とを選択
切替する選択切替手段（切替器１９と切替制御器２０又
は２１）とを備え、前記演算に従った操作量と前記所定
の出力パターンに基づく操作量とを、適宜選択切替して
前記制御対象に入力するようにしたものである。

【００３３】このような構成によれば、所定の外乱発生
時、および目標値の所定変動時は所定の出力パターンに
基づいて制御を行い、安定時、および予測不能な外乱発
生時には演算に従った制御を行うことができ、従って、
制御対象内で比較的大きな所定の外乱が生じる場合、あ
るいは目標値が比較的大きな所定の変動をする場合で
も、制御対象から出力される制御量を迅速、且つ正確に
目標値へ追従させることができる。なお、演算に従った
操作量と所定の出力パターンに基づく操作量との適宜選
択切替は、後述するように時間に基づいて行うようにし
ても良いし、あるいは、制御対象等の変化の検出に基づ
いて行うようにしても良い。

【００３４】また、この発明において、前記選択切替手
段は、例えば図１３のステップＳ２に示されるように、
所定の目標値の変動（例えば、炉内温度のＴ₀（３００
〜６００°Ｃ）からＴ₁（７００〜１０００°Ｃ）へ上
昇）、又は図１４に示されるような所定の外乱（例えば
ボート投入による温度低下）が発生すると予定されてい
る時刻（ｔ₀）に基づいて、前記制御対象へ入力される
操作量を、前記演算に従った操作量から前記所定の出力
パターンに基づく操作量へ切替えるものである（図２参
照）。

【００３５】このような構成によれば、外乱発生、およ
び目標値の変動に対して速やかに、最適な制御を行うこ
とができる。

【００３６】また、この発明において、前記選択切替手
段は、前記所定の出力パターンに基づく操作量の出力に
よって前記目標値の変動、又は所定の外乱に起因する目
標値と制御量との偏差が許容値（例えば、ε１＝３°Ｃ
以内）まで軽減されると予定されている時刻（ｔ₁）に
基づいて、前記制御対象へ入力される操作量を、前記所
定の出力パターンに基づく操作量から前記演算に従った
操作量へ切替えるものである（図２参照）。

【００３７】このような構成によれば、安定状態におけ
る通常のフィードバック制御が可能となり、予測不能な
小さな外乱等に対して安定した制御を行うことができ
る。

【００３８】また、この発明において、前記選択切替手
段は、前記制御量、又は前記目標値と制御量との偏差を
検出する手段（例えば図３、図５の切替制御器２１）を
有し、前記制御量、又は前記目標値と制御量との偏差が
特定の条件に適合したときに、前記制御対象へ入力され
る操作量を、前記出力パターンに基づく操作量から前記
演算に従った操作量へ切替えるものである。

【００３９】このような構成によれば、所定の外乱、目
標値の変動が収まったあと、フィードバック制御へ自動
的に復帰することができる。

【００４０】また、この発明は、前記選択切替手段の切
替のための前記特定の条件として、図４のステップＳ１
４、Ｓ１５に示されるように、制御量が目標値に対する
所定の許容値範囲（ε₁）内にあり、又は目標値と制御
量の偏差が所定の許容値範囲（ε₁）内にあり、かつ制
御量、又は目標値と制御量との偏差の時間的変化率が所
定の許容範囲（ε₂）内にあることを条件としている。

【００４１】このような構成によれば、上述したと同
様、所定の外乱、目標値の変動が収まったあと、フィー
ドバック制御へ自動的に復帰することができる。

【００４２】また、この発明において、前記演算は、比
例・積分・微分演算、又は比例・積分演算としたもので
ある。

【００４３】このような構成によれば、微分演算制御が
過度特性を改善し、積分演算制御は定常特性を改善す
る。

【００４４】また、この発明において、前記積分演算に
よる出力値は、前記選択切替手段により、所定の出力パ
ターンに基づく操作量（Ｈ２）から、演算に従った操作
量へ操作量（Ｈ１）を切り替えるときに、予め設定され
た所定の値となるよう初期化されているものである。

【００４５】このような構成によれば、スムーズにフィ
ードバック制御に復帰させることができる。また、この
初期化値を加減することにより、所定の出力パターンに
対する、各制御機器、制御対象等のばらつきを容易に修
正することができる。

【００４６】また、この発明において、前記予め設定さ
れた所定の値は、前記出力パターンに基づく操作量から
演算に従った操作量へ操作量を切り替えた後において、
制御量が目標値に対して安定したと見なせる時（例え
ば、前記特定の条件が満たされる時）の積分演算の出力
値である。

【００４７】このような構成によれば、上述したように
スムーズにフィードバック制御に復帰させることができ
る。

【００４８】また、この発明においては、上述したプロ
セス制御方法を電子デバイス製造方法に用いたものであ
る。

【００４９】この発明の実施の形態は、この発明のプロ
セス制御方法を半導体製造装置に適用したものであり、
電子デバイスのための製造方法にも適用できることは明
白である。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を半
導体制御装置におけるプロセス制御方法に例をとり、図
面を用いて説明する。実施の形態１．まず、この発明の実施の形態１における
プロセス制御方法を用いた制御装置の構成について図１
を使って説明する。図１は、実施の形態１の制御方法を
実施する制御装置を示すブロック図である。図１におい
て、図１２と同様の部分については同一の記号を付して
説明する。

【００５１】図１に示す目標設定器１０と制御対象１２
は、図１２に示したものと同様であり、ここでの説明を
省略する。制御装置１１Ａは、図１２に示した従来の制
御装置と同様な部分として、減算器１３と積分演算器１
４と比例演算器１５と微分演算器１６と加算器１７とを
備え、更に特徴部分として、パターン発生器（図中はパ
ターン発生と記す）１８と切替制御器（図中は切替制御
と記す）２０とを備えている。

【００５２】次に、図１に示した制御装置１１Ａの各部
について具体的に説明する。図１２に示した従来の制御
装置と同様な部分は説明を省略する。パターン発生器１
８は、予め設定された出力パターンを予め設定された時
刻に出力するものであり、出力パターンＨ２は、切替器
１９の一方の入力端に入力されるようになっている。

【００５３】ここで、「予め設定される出力パターン」
とは、制御対象１２内で比較的大きな外乱が生じた場
合、あるいは目標値Ａが大きくに変化した場合におい
て、もっとも速やかに制御量Ｂを目標値Ａへ復帰維持さ
せるか、あるいは制御量Ｂを目標値Ａに追従させること
ができる出力パターンを予め選択し入力したものであ
り、この実施の形態においては、比較的大きな外乱とし
て、図１０や図１１に示した電気炉１内にボート２を投
入した場合に発生する外乱を対象としている。また、目
標値Ａが大きく変化する場合として、図１３にステップ
Ｓ３で示したように、電気炉１内の温度を徐々に上昇
（あるいは下降）させるような場合を対象としている。

【００５４】そして、パターン発生器１８には、これら
の外乱及び目標値Ａの大きな変化に対して、上述した条
件を満たす最適な出力パターンが、それぞれ実験的（あ
るいは経験的）に求められて設定される。この出力パタ
ーンの具体的形状例については、図６〜図９において後
述する。

【００５５】なお、パターン発生器１８に設定される出
力パターンは、そのパターンを形成するためのデータを
図示しないメモリ等に直接記憶させるようにしても良い
し、あるいは、選択した出力パターンを簡単な関数で近
似させ、その関数発生手段をソフトウエア等により構成
して出力させるようにしても良い。後者のように出力パ
ターンを関数近似させて出力するようにした場合は、パ
ターン発生器１８の構成を簡素化することができる利点
がある。

【００５６】また、上述した、パターン発生器１８より
出力パターンが出力される「予め設定された時刻」と
は、制御対象１２への外乱や目標値Ａの急激な変化が発
生するであろうと予定されている時刻であり、この実施
の形態において、この時刻は、電気炉１内にボート２を
投入する投入開始時刻と、そのボート投入後、電気炉１
内の温度を上昇させて行く場合の上昇開始時刻であり、
これら投入開始時刻と上昇開始時刻とは、半導体製造装
置が運転され、一連の処理が開始されるときに、運転ス
ケジュールとして、予めプログラム的に設定されている
時刻である。

【００５７】切替器１９は、加算器１７からのＰＩＤ演
算に従って求められた仮の操作量Ｈ１とパターン発生器
１８からの出力パターンＨ２のいずれかを、切替制御器
２０からの制御出力Ｉにしたがって選択し、操作量Ｇと
して出力するものである。

【００５８】切替制御器２０は、制御出力Ｉを出力し切
替器１９で行われる切替を制御するものである。

【００５９】次に、実施の形態１の動作について、具体
的に説明する。制御装置１１Ａでは、目標設定器１０か
ら入力された目標値Ａと制御対象１２から出力された制
御量Ｂが減算器１３に入力され、偏差Ｃが算出される。
偏差Ｃは積分演算器１４と比例演算器１５と微分演算器
１６と加算器１７によって（４）式にしたがってＰＩＤ
演算され、仮操作量Ｈ１が出力される。一方、パターン
発生器１８からは、予め設定された上述の時刻であるボ
ート投入開始時刻（図６及び図７のｔ＝０）、又は電気
炉の温度上昇開始時刻（図８及び図９のｔ＝０（ｍｉ
ｎ））に予め設定されたパターン出力Ｈ２が出力され
る。

【００６０】仮の操作量Ｈ１とパターン出力Ｈ２が切替
器１９に入力され、切替器１９によって２つの入力のう
ちのいずれか一方が選択されて操作量Ｇが出力される。
この操作量Ｇは、制御装置１１から出力され制御対象１
２に入力される。切替制御器２０による切替器１９の選
択の制御は、切替制御器２０から出力される制御出力Ｉ
によって行われる。そして、切替制御器２０から出力さ
れる制御出力Ｉは、例えば、図２に示される手順によっ
て出力され、切替器１９にＨ１またはＨ２を選択させ
る。

【００６１】ここで、図２に示される手順について説明
する。図２において、ｔは現在時刻、ｔ₀は制御対象へ
の外乱や目標値の急激な変化が発生するであろうと予定
されている時刻（予定スケジュール時刻であり、図６等
のｔ＝０に対応）である。ｔ₁は、制御対象への外乱や
目標値の急激な変化が終了し、パターン発生器１８から
の出力パターンに従った操作量を制御対象２に入力する
ことによって、外乱その他に起因する偏差のうちの大部
分が消去するであろうと予定されている時刻（図６等の
ｔ＝１０ｍｉｎ）であって、ｔ₀＜ｔ₁である。なお、
この時刻ｔ₁は、この発明の実施の形態を用いることに
より、外乱発生から安定状態に達するまでに所要する時
間を実験的に求め、予定されている外乱等の発生時刻ｔ
₀に加えたものである。

【００６２】ステップＳ８は現在時刻ｔがｔ₀以後かど
うかを判定する処理であり、現在時刻ｔがｔ₀以後なら
ばステップＳ９へ進み、現在時刻ｔがｔ₀以前ならばス
テップＳ１１へ進むようになっている。ステップＳ９
は、現在時刻ｔがｔ₁以前かどうかを判定する処理であ
り、現在時刻がｔ₁以前ならばステップＳ１０へ進み、
現在時刻がｔ₁以後ならばステップＳ１１へ進むように
なっている。ステップＳ１０は、切替器１９にＨ２側を
選択させる処理である。ステップＳ１１は、切替器１９
にＨ１側を選択させる処理である。すなわち、切替器１
９は時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までＨ２側を選択し、それ以
外の時刻でＨ１側を選択するようになっている。なお、
切替制御器２０での制御を正確にするため、図２に示し
た処理は微少時間（例えば１秒）毎に周期的に繰り返し
行われる。

【００６３】実施の形態２．以下、この発明の実施の形
態２について説明する。実施の形態２は、この発明の制
御方法を実施の形態１とは異なる構成を有する制御装置
に適用した場合について説明するものである。図３は、
実施の形態２に係る制御装置の構成を示すブロック図で
ある。図１と同様の部分については同一の記号を付して
説明する。

【００６４】図３に示す目標設定器１０と制御対象１２
は、図１に示したものと同様であり説明を省略する。制
御装置１１Ｂは、図１に示した制御装置と同様な部分と
して、減算器１３と積分演算器１４と比例演算器１５と
微分演算器１６と加算器１７とパターン発生器１８と切
替器１９とを備え、更に特徴部分として、第２の切替制
御器（図中は切替制御と記す）２１を備えている。

【００６５】次に、図３に示した制御装置１１Ｂの各部
について具体的に説明する。図１に示した制御装置１１
Ａと同様な部分は説明を省略する。第２の切替制御器２
１は、減算器１３からの偏差Ｃを入力し、偏差Ｃの状態
によって異なる制御出力Ｉを出力し、切替器１９で行わ
れる切替を制御するものである。

【００６６】以下、実施の形態２の動作について説明す
る。制御装置１１Ｂでは、目標設定器１０から入力され
た目標値Ａと制御対象１２から出力された制御量Ｂが減
算器１３に入力され、偏差Ｃが算出される。偏差Ｃは、
積分演算器１４と比例演算器１５と微分演算器１６と加
算器１７によって（４）式にしたがってＰＩＤ演算さ
れ、仮操作量Ｈ１が出力される。一方、パターン発生器
１８からは、予め設定された時刻ｔ₀に予め設定された
パターン出力Ｈ２が出力される。

【００６７】仮操作量Ｈ１とパターン出力Ｈ２は切替器
１９に入力され、切替器１９によって２つのうちのいず
れか一方が選択され操作量Ｇが出力される。そして、操
作量Ｇは制御装置１１から出力され、制御対象１２に入
力される。切替器１９の選択の制御は、偏差Ｃの状態に
よって変化する切替制御器２１から出力される制御出力
Ｉによって行われる。切替制御器２１から出力される制
御出力Ｉは、例えば図４に示す手順によって出力され、
切替器１９にＨ１またＨ２を選択させる。

【００６８】ここで図４に示す手順について説明する。
図２と同様にｔは現在時刻、ｔ₀は上述したと同様、制
御対象への外乱や目標値の急激な変化が発生するであろ
うと予定されている時刻である。ε₁は偏差Ｃに対する
許容幅であり、この実施の形態では、例えば３°Ｃと定
めている。ε₂は偏差Ｃの時間微分ｄＣ／ｄｔに対する
許容幅であり、この実施の形態では、例えば１分当たり
３°Ｃと定めている。図４において、ステップＳ８、ス
テップＳ１０、ステップＳ１１は図２で説明した処理と
同様であるのでここでの説明を省略する。

【００６９】ステップＳ１２は切替器１９の選択切替後
の誤動作を防ぐための処理であり、具体的にはフラグオ
ンが設定されているかどうかを判定する処理である。そ
してフラグオンならばステップＳ１１へ進み、そうでな
ければステップＳ１３へ進むようになっている。ステッ
プＳ１３は切替器１９が現在どちら側を選択しているか
どうかを判定する処理であり、Ｈ２側である場合はステ
ップＳ１４に進み、Ｈ１側である場合はステップＳ１０
に進むようになっている。

【００７０】ステップＳ１４は、偏差Ｃが許容幅ε₁以
内であるかどうか判定する処理であり、偏差Ｃが許容幅
ε₁以内である場合はステップ１４に進む、偏差Ｃが許
容幅ε₁以内でない場合は、ステップ１０に進むように
なっている。ステップＳ１５は、偏差Ｃの時間微分ｄＣ
／ｄｔが許容幅ε₂以内であるかどうか判定する処理で
あり、ｄＣ／ｄｔが許容幅ε₂以内である場合は、ステ
ップＳ１６に進み、ｄＣ／ｄｔが許容幅ε₂以内でない
場合は、ステップＳ１０に進むようになっている。

【００７１】ステップＳ１６は切替器１９の選択切替後
の誤動作を防ぐための処理であり、具体的にはフラグオ
ンを設定する処理である。図４に示した一連の処理、と
くにステップＳ１４とステップＳ１５は、制御対象１２
への比較的大きな外乱または目標値Ａの急激な変化が終
了し、目標値Ａが時刻によって変化しないような場合あ
るいは目標値Ａが比較的緩やかに変化する場合に適用さ
れる。すなわちステップＳ１３によって切替器１９がＨ
２を選択した後、パターン発生器１８からのパターン出
力によって偏差の大部分が消去され、制御量Ｂが目標値
Ａにある程度近づき、且つその変化量がある程度小さい
場合のみ、再び切替器１９がＨ１を選択するようになっ
ている。

【００７２】そして、その後はフラグオンの設定のため
に切替器１９が再びＨ２を選択することはない。なお、
切替制御器２１での制御を正確にするため、図４に示し
た処理は微少時間（例えば１秒）毎に周期的に繰り返し
行わなければならない。

【００７３】実施の形態３．以下、この発明の実施の形
態３について説明する。実施の形態３は、この発明の制
御方法を実施の形態１及び２とは異なる構成を有する制
御装置に適用した場合について説明するものである。図
５は、実施の形態３に係る制御装置の構成を示すブロッ
ク図である。図１または図３と同様の部分については同
一の記号を付して説明する。また、図５に示す目標設定
器１０と制御対象１２は、図１に示したものと同様であ
り説明を省略する。

【００７４】制御装置１１Ｃは、図３に示した制御装置
と同様な部分として、減算器１３と比例演算器１５と微
分演算器１６と加算器１７とパターン発生器１８と切替
器１９と切替制御器２１とを備え、更に特徴部分とし
て、プリセット積分演算器２２を備えている。

【００７５】次に、図５に示した制御装置１１Ｃの各部
について具体的に説明する。図１または図３に示した制
御装置と同様な部分は説明を省略する。プリセット積分
演算器２２は、一方の入力端２２ａに偏差Ｃが入力さ
れ、（１）式にしたがって求めた積分値Ｄを出力する
が、他方の入力端２２ｂに切替制御器２１からの制御出
力Ｉが入力され、切替制御器２１が切替器１９における
入力端Ｈ２を選択してパターン発生器１８からの出力を
制御対象１２に出力している間は、その選択に連動して
積分値Ｄを予め設定されたプリセット値に再初期化さ
れ、切替器１９の切替直後は、そのプリセット値を出力
するものである。

【００７６】次に、実施の形態３の動作について説明す
る。図５に示した制御装置１１Ｃでは、目標設定器１０
から入力された目標値Ａと制御対象１２から出力された
制御量Ｂとが減算器１３に入力され、偏差Ｃが算出され
る。偏差Ｃは、プリセット積分演算器２２と比例演算器
１５と微分演算器１６と加算器１７によって（４）式に
従ってＰＩＤ演算され、仮操作量Ｈ１が出力される。あ
るいは切替制御器２１からの制御出力Ｉによってプリセ
ット積分演算器２２から予め定められたプリセット値が
出力されるため、そのプリセット値と比例値Ｅと微分値
Ｆの和が仮操作量Ｈ１として出力される。一方、パター
ン発生器１８からは、予め設定された時刻ｔ₀に予め設
定されたパターン出力Ｈ２が出力される。

【００７７】仮の操作量Ｈ１とパターン出力Ｈ２は切替
器１９に入力され、切替器１９によって２つのうちの一
方が選択され操作量Ｇが出力される。そして、操作量Ｇ
は制御装置１１Ｃから出力され、制御対象１２に入力さ
れる。切替器１９の選択の制御およびプリセット積分演
算器２２のプリセット制御は、偏差Ｃの状態によって変
化する切替制御器２１からの制御出力Ｉによって行われ
る。切替器１９が入力端Ｈ１を選択している間、プリセ
ット積分演算器２２は（１）式に従って積分演算を行
い、切替器１９が入力端Ｈ２を選択している間、プリセ
ット積分演算器２２は再初期化を行いプリセット値を出
力する。

【００７８】プリセット積分演算器２２で予め設定され
るプリセット値は、制御対象１２内で生じる所定の外乱
あるいは目標値Ａの所定の変化が終わった後、目標値Ａ
が特定温度に維持される場合、制御量Ｂが目標値Ａに復
帰し安定状態になったとき、定常偏差を取り除くため
に、制御装置１１Ｃが出力していなければならない値、
すなわち定常時のプリセット積分演算器２２の出力に対
応する値であり、図示しないメモリ等に記憶させた値で
ある。このプリセット値は、制御対象１２に対して出力
パターンと同様、実験的に求められる。

【００７９】ところで、実験的に求められた出力パター
ンを同種の制御対象に一般的に用いようとした場合は、
各制御対象について、ハード的なばらつきに起因する誤
差が生じる。そこで、このばらつきを解消するため、各
制御対象のばらつきに応じて、プリセット値を実験的に
求めて加減するように設定すれば、同じ出力パターンを
複数の同種の制御対象に用いる場合の修正を容易に行う
ことができ、出力パターンを同種の制御対象に用いるた
めの一般化が容易となる。なお、各制御対象のばらつき
に対するプリセット値の加減量は２〜３％以内に収ま
る。

【００８０】そして、所定の外乱あるいは目標値Ａの所
定の変化がほぼ終わると、切替器１９は入力端Ｈ１を選
択しＰＩＤ演算による帰還制御を行うが、その際プリセ
ット積分演算器２２をその値にプリセットしておくと、
速やかに制御装置１１Ｃの出力が定常安定時の出力に近
い値となり、その結果、速やかに制御量Ｂを目標値Ａへ
復帰維持させることができる。

【００８１】パターン発生器１８からの出力パターン
は、パターン発生器１８の簡素化を図るため、選択した
出力パターンを簡単な関数で近似できる。例えば、図４
に示した切替制御手順をおこなう切替制御器２１を有す
る、図５に示した構成の制御装置を用い、図１０に示し
た構成の半導体製造装置で行われる図１３で示した温度
制御手順のうちのステップＳ２の処理で温度制御を行う
場合においては、パターン発生器１８からの出力パター
ンに０次関数またはそれらの合成関数を用いるようにし
ても良い。

【００８２】以上に説明した実施の形態における具体的
な動作結果を図６乃至図９において説明する。図６及び
図７は所定の外乱に対する動作結果を示すもので、図６
は炉内温度のふるまいを示す図、図７はそのときの操作
量（出力パターン形状）Ｇを電力パラメータとして示す
図である。図６において、Ｔ₀はステップＳ２の処理に
おいて維持すべき温度（例えば５００°Ｃ）である。図
６と図７において、Ｈ１、Ｈ２は切替器１９がＨ１側を
選択しているか、Ｈ２側を選択しているかを示してい
る。

【００８３】図７に示すように、出力パターン形状（操
作量Ｇ）はボート投入前半においてＬ１（定数）を、ボ
ート投入後半においてＬ２（定数）を出力するようにな
っている。この場合Ｌ１は、定常時に比べて大きな値を
有する矩形状となっており、一方、Ｌ２は、定常時に比
べて小さく、Ｌ１の高さの５分の１程度定常時より負側
に突出する矩形状となっている。

【００８４】そして、このとき、図６より明らかなよう
に、ボート投入後炉内温度がＴ₀（５００°Ｃ）に復帰
し、且つ安定状態を得るまでの時間は、従来を示す図１
４（図６の点線に相当する）の場合が約３０分であった
のに対し、この発明による場合は約１５分となってお
り、およそ半分程度短くなっている。また、外乱によ
る、定常時からの下降の程度も、従来がＴｂ（３５０°
Ｃ）であるのに対してこの発明の場合はＴｃ（４００°
Ｃ）となっており、さらに、オーバーシュート量でも、
従来がＴａ（５５０°Ｃ）であるのに対して、この発明
の場合はほとんどオーバーシュート量が認められないま
で大幅に改善されている。

【００８５】また、図８及び図９は目標値の所定の変動
に対する動作結果を示すもので、図８は炉内温度のふる
まいを示す図、図９はそのときの操作量（出力パターン
形状）Ｇを電力パラメータとして示す図である。図８に
おいて、炉内温度目標値をＴ₀からＴ₁におよそ３５分
の所要時間で変動させるとき、操作量である出力パター
ンは、図９の（ａ）のような形状が用いられる。

【００８６】図９（ａ）の出力パターンはｔ＝０におい
て、定数Ｌ１を４分ほど出力させた後（ａ１部）、直線
状に増加する形状出力（ｂ１部）を３０分程度出力さ
せ、その後、初期（ｔ＝０以前）の定常値より小さな操
作量Ｌ２を４分ほど出力させる（ｃ１部）ような形状と
なっている。

【００８７】この場合、炉内温度が目標値に達するま
で、従来ではおよそ６０分必要であったところが、およ
そ４５分程度に短縮され、またオーバーシュートの量も
若干低く抑えられていることが明らかである。

【００８８】なお、上述した目標値の変動において使用
される出力パターンは、一例に過ぎず、例えば、図９
（ｂ）に示すような出力パターンを用いることもでき
る。この場合の出力パターンは、定数Ｌ１に急峻に立ち
あげられ、その後曲線状に下降する形状部ａ２部と、そ
の後直線状に増加する部分ｂ２と、その後、（ａ）の場
合と同様、初期の定常値より小さな操作量Ｌ２を約４分
ほど出力させる（ｃ２）のような形状となっている。

【００８９】以上は、この発明を半導体製造装置の温度
制御プロセスに適用した場合について説明したが、この
発明の制御方法の有用性は他のプロセス制御一般にも適
用できることは自明である。

【００９０】

【発明の効果】以上に詳述したように、この発明によれ
ば、制御対象内で所定の外乱が生じた場合あるいは目標
値が所定の変動をした場合、速やかに制御量を目標値へ
復帰維持させるか、あるいは制御量を目標値に追従させ
ることができる出力パターンを予め設定し、所定の外乱
あるいは目標値の変動に対応する所定の時刻から、フィ
ードバック制御出力の代わりに操作量として出力し、さ
らに外乱及び目標値の変動に起因する偏差のうちの大部
分が消去したとき、再びフィードバック制御出力を操作
量として出力するようにしたため、制御対象から出力さ
れる制御量を迅速且つ正確に目標値へ変化させることが
でき、速やかに制御量を目標値へ復帰維持させるか、あ
るいは制御量を目標値に追従させることができ、プロセ
スのスループットを向上させることができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示すブロック図であ
る。

【図２】切替制御器２０で行われる切替制御手順を表す
フローチャートである。

【図３】この発明の実施の形態２を示すブロック図であ
る。

【図４】切替制御器２１で行われる切替制御手順を表す
フローチャートである。

【図５】この発明の実施の形態３を示すブロック図であ
る。

【図６】この発明の実施の形態によるステップＳ２での
温度変化を表す図である。

【図７】この発明の実施の形態によるステップＳ２での
操作量の変化を表す図である。

【図８】この発明の実施の形態において、目標値の変動
による動作を示す図である。

【図９】目標値の変動に対する出力パターンを示す図で
ある。

【図１０】半導体製造装置の第１の構成例を示す概略図
である。

【図１１】半導体製造装置の第２の構成例を示す概略図
である。

【図１２】従来技術を示すブロック図である。

【図１３】半導体製造装置で行われる温度制御手順を表
すフローチャートである。

【図１４】図１３におけるステップＳ２での温度変化を
表す図である。

【符号の説明】

１０目標設定器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ制御装置１２制御対象１３減算器１４積分演算（器）１５比例演算（器）１６微分演算（器）１７加算器１８パターン発生器１９切替器２０切替制御（器）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロセス装置における制御対象へ入力さ
れる操作量を変化させることにより、前記制御対象によ
る制御量を変化させ、変化した制御量に基づいた演算を
行って操作量を制御し、前記制御量を目標値へ維持もし
くは追従させるプロセス制御方法において、所定の出力パターンに基づく操作量を出力する手段と、
前記演算に従った操作量と前記所定の出力パターンに基
づく操作量とを選択切替する選択切替手段とを備え、前記演算に従った操作量と前記所定の出力パターンに基
づく操作量とを、適宜選択切替して前記制御対象に入力
するようにしたことを特徴とするプロセス制御方法。
【請求項２】前記選択切替手段は、所定の目標値の変
動、又は所定の外乱が発生すると予定されている時刻に
基づいて、前記制御対象へ入力される操作量を、前記演
算に従った操作量から前記所定の出力パターンに基づく
操作量へ切替えることを特徴とする請求項１記載のプロ
セス制御方法。
【請求項３】前記選択切替手段は、前記所定の出力パ
ターンに基づく操作量の出力によって前記目標値の変
動、又は所定の外乱に起因する目標値と制御量との偏差
が許容値まで軽減されると予定されている時刻に基づい
て、前記制御対象へ入力される操作量を、前記所定の出
力パターンに基づく操作量から前記演算に従った操作量
へ切替えることを特徴とする請求項２記載のプロセス制
御方法。
【請求項４】前記選択切替手段は、前記制御量、又は
前記目標値と制御量との偏差を検出する手段を有し、前
記制御量、又は前記目標値と制御量との偏差が特定の条
件に適合したときに、前記制御対象へ入力される操作量
を、前記出力パターンに基づく操作量から前記演算に従
った操作量へ切替えることを特徴とする請求項２記載の
プロセス制御方法。
【請求項５】前記特定の条件として、制御量が目標値
に対する所定の許容値範囲内にあり、又は目標値と制御
量の偏差が所定の許容値範囲内にあり、かつ制御量、又
は目標値と制御量との偏差の時間的変化率が所定の許容
範囲内にあることを条件とすることを特徴とする請求項
４記載のプロセス制御方法。
【請求項６】前記演算は、比例・積分・微分演算、又
は比例・積分演算である請求項１乃至請求項５のいずれ
かに記載のプロセス制御方法。
【請求項７】前記積分演算出力値は、前記選択切替手
段により、所定の出力パターンに基づく操作量から、演
算に従った操作量へ操作量を切り替えるときに、予め設
定された所定の値となるよう初期化されることを特徴と
する請求項６記載のプロセス制御方法。
【請求項８】前記予め設定された所定の値は、前記出
力パターンに基づく操作量から演算に従った操作量へ操
作量を切り替えた後、制御量が目標値に対して安定した
と見なせる時の積分演算の出力値であることを特徴とす
る請求項７記載のプロセス制御方法。
【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれかに記載
のプロセス制御方法を用いる電子デバイス製造方法。