JPH11345030A - ゾーン分割ヒータの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ゾーン分割ヒータの各加熱ゾーンの定常状態及
び過渡状態における温度差が高精度に所定範囲内に収ま
りつつ、短時間でかつ最大供給電力を抑えて目標温度に
制御することができるようにする。 【解決手段】複数の隣接加熱ゾーンＡ，Ｂに分割された
平板状加熱体を、各加熱ゾーン毎に独立して個別に制御
する温度制御装置３０Ａ，３０Ｂで、各制御系は、対応
加熱ゾーンの加熱開始後の過渡状態期間には、当該加熱
ゾーンの温度に対応して複数領域に分割して、各領域毎
の最大電力供給量に対して予め設定した複数の異なる比
率値の固定電力３２Ｂ，３３Ｂを、当該温度に応じて順
次切換えて供給し、所定温度に到達以降は、当該加熱ゾ
ーンの温度をフィードバックして、目標温度とフィード
バック信号との偏差に対応して、電力可変制御３４Ａへ
切換えを行なう切換制御手段３６Ａ，３６Ｂを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は熱伝達面が複数の
ゾーンに分割されたゾーン分割ヒータによってウェハ等
の被温度制御体を加熱するゾーン分割ヒータの温度制御
装置に関し、特に過渡状態及び定常状態における被温度
制御体の温度分布を均一にすべく、ゾーン分割ヒータの
各ゾーン間の温度分布を少なくしつつ、省電力かつ短時
間に該被温度制御対象物を所定温度に整定するための改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】半導
体製造工程には、ウェハに塗布したレジスト膜に残存す
る溶剤を取り除くための加熱工程（プリベーキング）
や、エッチング前にレジストと基板との密着を容易にす
るための加熱工程（ポストベーキング）や、加熱したウ
ェハを室温レベルに冷却するクーリング工程などが含ま
れており、これらの工程の際にウェハをより効率よくか
つ高精度に温度制御することがスループットを上げる上
で重要である。すなわち、プリベーク工程の次工程は露
光であり、またポストベーク工程の次工程はエッチング
であるので、これらの工程にすぐに移行できるようにす
るためには、ウァハの温度分布にかなり厳しい条件が要
求される。

【０００３】上記ベーキング工程で用いられるウェハの
温度制御の１つの従来技術としてヒータによる直接加熱
方式があり、この方式では、加熱面全面にパターン形成
された抵抗線を樹脂などによって封入した電気加熱式な
どのプレート状のヒータ（薄膜ヒータ）の上にウェハを
載置し、ヒータによってウェハを直接的または間接的に
加熱するようにしている。

【０００４】このようなプレート状のヒータとしては、
一括通電される加熱体（抵抗線）がプレート全面に配置
されこれを１つの温度制御系で制御する通常のヒータプ
レートと、加熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに
分割され、各加熱ゾーン毎に独立に通電される加熱体を
有するゾーン分割ヒータとがあるが、ゾーン分割ヒータ
のほうが各ゾーン毎に独立に温度制御を行えることから
加熱面の温度分布をなくす上で有利である。

【０００５】しかし、このような高精度の温度制御が可
能なゾーン分割ヒータを用いるとはいっても、前述した
ように、ベーキング工程の際にはかなり厳しい温度条件
が要求されるので、これを安価で汎用的に富むＰＩＤ制
御だけで実現させるのは、非常に困難である。例えば、
上記ベーキング工程などの際には、各加熱ゾーン間の温
度差は、過渡状態で±１゜Ｃ以内、定常状態で±０．２
゜Ｃ以内が要求され、しかも３０秒程度の短時間でプレ
ート温度を整定することも要求される。

【０００６】すなわち、ＰＩＤ制御によって上記ゾーン
分割ヒータを制御する場合、各加熱ゾーン毎にＰＩＤ調
整器を設け、これら複数のＰＩＤ調整器の各ゲインをそ
れぞれ試行錯誤によって調整しなくてはならない。例え
ば、加熱ゾーンが３ゾーン存在する場合は、計９個のゲ
イン調整が必要になる。

【０００７】一方、ＰＩＤ調整器によって各加熱ゾーン
のゲイン調整が精度よく行われたとしても、プレート温
度を３０秒程度という短時間で整定するためには、図１
１に示すように、目標の入力波形１００は、立ち上げの
初期１００ａと目標温度に整定される立ち上げの後期１
００ｃにおける勾配を小さくし、立ち上げの中期１００
ｂにおける勾配を大きくした連続波形とし、これに追従
させる制御を行うなどの方法が必要である。

【０００８】しかし、このような目標入力波形１００に
追従させる制御では、立ち上げ中期１００ｂにおける波
形の勾配が大きいことから、図１２に示すように、供給
電力量は立ち上げ中期１００ｂにおいてピーク点Ｐを形
成し、このことはピーク点Ｐにおける供給電力量を確保
できる大きな容量をもった電力供給源を必要とし、装置
の小型、軽量化を妨げるという問題点があった。

【０００９】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、ゾーン分割ヒータの各加熱ゾーンの定常状態
及び過渡状態における温度差が高精度に所定範囲内に収
まりつつ、短時間でかつ最大供給電力を抑えて目標温度
に制御することができるゾーン分割ヒータの温度制御装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用効果】請求項１に
対応する発明では、平板状の加熱面が複数の異なる隣接
した加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制
御される加熱体を有するゾーン分割ヒータと、 各加熱
体を各加熱ゾーン毎に各別に制御する複数の制御系とを
有し、加熱面に載置された被温度制御体の加熱制御を行
うゾーン分割ヒータの温度制御装置において、前記複数
の制御系のそれぞれは、当該加熱ゾーンの加熱を開始し
てから当該加熱ゾーンの温度が目標温度より若干小さい
所定の温度になるまでの過渡状態期間を当該加熱ゾーン
の温度に対応して複数の領域に分割し、これら分割した
各領域毎に最大電力供給量に対する電力供給比率値を予
め設定し、これら設定された複数の異なる比率の固定電
力を当該加熱ゾーンの加熱体に対し当該加熱ゾーンの温
度に応じて順次切換え供給する第１の電力供給制御手段
と、当該加熱ゾーンの温度をフィードバックして目標温
度と前記フィードバック信号の偏差に対応して当該加熱
ゾーンの加熱体に供給する電力を可変制御する第２の電
力供給制御手段と、当該加熱ゾーンの加熱を開始してか
ら当該加熱ゾーンの温度が前記所定の温度に到達するま
では前記第１の電力供給制御手段による電力供給を行
い、当該加熱ゾーンの温度が前記所定温度に到達した以
降は前記第２の電力供給制御手段による電力供給を行な
うよう第１の電力供給制御手段から第２の電力供給制御
手段への切換えを行なう切換制御手段とを具えるように
している。

【００１１】この請求項１の発明では、該加熱ゾーンの
温度が目標温度より若干小さい所定の温度になるまでの
過渡状態期間においては、電力供給を前記第１の電力供
給制御手段によって行なうことで、基本的には、最大供
給電力に対して所定の比率をとる固定電力を供給し、こ
れにより電力のピークを生じさせることなく効率的な電
力供給を行い、電源容量の削減を図るようにする。そし
て、前記電力比率としては、できるだけ大きな値を採用
することで、短時間で加熱ゾーンの温度を目標温度近辺
まで上昇させるようにする。

【００１２】そして、加熱ゾーンの温度が前記目標温度
より若干小さい所定の温度になった以降の定常状態期間
においては、電力供給を前記第２の制御手段によって行
なうことで、ＰＩ制御などのフィードバック制御を用い
て加熱体への電力供給量を制御し、加熱ゾーンの温度が
定常状態の温度差以内に収まるように制御する。

【００１３】ここで、第１の電力供給制御手段は、単純
に１種類の固定電力を供給するのではなく、前記過渡状
態期間を当該加熱ゾーンの温度に対応して複数の領域に
分割し、これら分割した各領域毎に最大電力供給量に対
する電力供給比率を予め設定し、これら設定された複数
の異なる比率の固定電力を当該加熱ゾーンの加熱体に対
し当該加熱ゾーンの温度に応じて順次切換え供給するよ
うにしている。

【００１４】これは次のような理由に基づく。すなわ
ち、各加熱ゾーン間では、加熱体の熱容量の違いや放熱
特性の違いなどがあるため、各加熱ゾーンに対し最大電
力供給量に対し同一比率の固定電力を供給するようにし
た場合、各加熱ゾーンの時間に対する温度勾配は異なる
ものとなる。また、この各加熱ゾーンでの温度勾配の異
なり方は、単純に過渡状態期間の全期間において、ゾー
ンＡの温度勾配＜ゾーンＣの温度勾配＜ゾーンＢの温度
勾配というように一定の大小関係にあるというものでは
なく、各加熱ゾーンの温度勾配の大小関係は時間帯に応
じて入れ換わるものとなる。すなわち、例えば、過渡状
態期間の前半においては、ゾーンＡの温度勾配＜ゾーン
Ｂの温度勾配の関係が成立し、過渡状態期間の後半にお
いてはゾーンＡの温度勾配＞ゾーンＢの温度勾配の関係
が成立するといったものとなる。

【００１５】そこで、第１の電力供給手段は、このよう
な各ゾーンの温度勾配の特性に応じて過渡状態期間を加
熱ゾーンの温度によって複数の領域に分割し、これら分
割した各領域毎に各ゾーンの温度勾配を一致させる電力
供給比率を予め設定し、これら設定された複数の異なる
比率の固定電力を当該加熱ゾーンの加熱体に対し当該加
熱ゾーンの温度に応じて順次切換え供給することで、各
加熱ゾーンの過渡状態における温度勾配を一致させる。

【００１６】このようにこの請求項１の発明では、各加
熱ゾーンの熱容量や放熱特性が異なったとしても各加熱
ゾーンの温度をより高精度に一致させることができ、被
温度制御体の全面を均一に加熱制御することが可能にな
る。また、過渡状態において、電力のピークを生じさせ
ることなく効率的な電力供給を行うことができ、電源容
量を削減することができる。さらに、電力比率として
は、できるだけ大きな値を採用することで、短時間で加
熱ゾーンの温度を目標温度近辺まで上昇させることがで
きる。

【００１７】請求項２に対応する発明では、請求項１の
発明の前記電力可変制御手段は、前記偏差が０のときに
零でない所定の制御量を出力するようにしている。

【００１８】したがって、この発明では、各加熱ゾーン
において、偏差が０になった場合の放熱分が補償される
ことになり、放熱分が大きい場合においても定常状態に
おいて各加熱ゾーンの温度を目標温度に対しより高精度
に許容範囲内に収めることができるようになる請求項３
に対応する発明では、請求項２の発明のゾーン分割ヒー
タは支持部材に支持されるものとし、前記零でない所定
の制御量は、当該加熱ゾーンの温度が前記所定の温度に
到達してから予め設定された所定の時間が経過するまで
は予め設定された第１の所定値が出力され、前記所定の
時間が経過した以降は、前記第１の所定値からこの第１
の所定値より小さい第２の所定値まで徐々に小さくなる
値が出力されるように設定する。

【００１９】すなわち、当該加熱ゾーンの温度が前記所
定の温度に到達してから予め設定された所定の時間が経
過するまでの期間は被温度制御体の過渡状態から定常状
態への移行期間であるため、この期間においては、ゾー
ン分割ヒータを支持する支持部材の温度は被温度制御体
に比べまだまだ低く各加熱ゾーンにおいて放熱の影響は
大きい。これに対し、支持部材の温度が整定した状態に
おいては、各加熱ゾーンにおいて放熱の影響も小さくな
る。

【００２０】そこで、この発明では、前記放熱分補償量
として、上記過渡状態から定常状態への移行期間中には
比較的大きな値（第１の所定値）を選択し、その後はこ
の値を第２の値まで徐々に小さくしていくことで、動的
に放熱量を補償し、これにより、各加熱ゾーンの温度を
目標温度に対しより高精度に許容範囲内に収めるように
している。

【００２１】請求項４に対応する発明では、平板状の加
熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに分割され、各
加熱ゾーン毎に独立に制御される加熱体を有するゾーン
分割ヒータと、 各加熱体を各加熱ゾーン毎に各別に制
御する複数の制御系とを有し、加熱面に載置された被温
度制御体の温度制御を行うゾーン分割ヒータの温度制御
装置において、前記複数の制御系のそれぞれは、各加熱
ゾーンに共通の所定の目標温度にしたがって当該加熱ゾ
ーンをフィードバック加熱制御する第１の制御手段と、
各加熱ゾーンの動特性を各加熱ゾーン間で共通化した動
特性モデルを有し、この動特性モデルを用いて当該加熱
ゾーンの目標温度に対応する温度変化速度を推定し、こ
の推定した温度変化速度を目標温度にフィードバックす
る第２の制御手段とを備えるようにしたことを特徴とす
る。

【００２２】この請求項４の発明では、各加熱ゾーンに
おいて、動特性モデルを用いて当該加熱ゾーンの目標温
度に対応する温度変化速度を推定し、この推定した温度
変化速度を目標温度にフィードバックするようにしてい
るので、過渡状態から定常状態への移行の際の振動状態
が抑制され、その整定時間を大幅に短縮することができ
る。

【００２３】請求項５に対応する発明では、請求項４の
発明の第１の制御手段は、各加熱ゾーン間の動特性の定
常偏差がなくなるようにゲインが予め調整されるもので
あり、前記第２の制御手段の動特性モデルは、前記第１
の制御手段のゲイン調整後の各加熱ゾーンの動特性を各
加熱ゾーン間で共通化しかつ近似低次元化したものであ
り、前記第２の制御手段は、前記目標温度に対応する当
該加熱ゾーンの出力と目標温度に対応する前記動特性モ
デルの出力との偏差をとり、この偏差を推定誤差として
目標温度にフィードバックする推定誤差フィードバック
手段を更に具えるようにしている。

【００２４】この請求項５の発明によれば、まず第１の
制御手段による例えばＰＩ制御によって各加熱ゾーンの
動特性の定常偏差をなくしておく。したがってこの状態
では、各加熱ゾーン間で過渡状態における温度差は依然
残っている。つぎに、この定常偏差をなくした状態にお
ける各加熱ゾーンの動特性を例えば、簡単な振動性二次
要素にて近似するとともに、各加熱ゾーン間で共通化し
た動特性モデルを作成する。すなわち、動特性モデル
は、各加熱ゾーン間で同一なモデルとする。また、第２
の制御手段は、外乱オブザーバとして機能し、目標温度
に対応する当該加熱ゾーンの出力と目標温度に対応する
前記動特性モデルの出力との偏差をとり、この偏差を目
標温度にフィードバックする。したがって、このような
第１の制御手段および動特性モデルが同一である第２の
制御手段を各加熱ゾーンの制御系に各別に備えるように
すれば、過渡状態における各加熱ゾーン間の温度差、構
造上の動特性の違い、モデル誤差、製作誤差などは全て
第２の制御手段から推定外乱として出力されることにな
り、この推定外乱が目標温度にフィードバックされるこ
とになるので、各加熱ゾーンの動特性は前記共通化され
たモデルの動特性に追従することになり、結果的に各加
熱ゾーンの定常状態および過渡状態における温度特性の
差をなくすことができるようになる。

【００２５】このようにこの請求項５の発明によれば、
ゾーン分割ヒータの各加熱ゾーンの定常状態および過渡
状態における温度特性の差をなくすようにしたので、各
時点においてヒータ全面に亘って温度分布が生じなくな
り、被温度制御体の全面を均一に加熱制御することが可
能になる。

【００２６】請求項６に対応する発明では、平板状の加
熱面が２つの異なる隣接した第１及び第２の加熱ゾーン
に分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御される加熱体
を有したゾーン分割ヒータと、当該加熱ゾーンの温度を
フィードバックして各加熱ゾーンで共通の所定の目標温
度と前記フィードバック信号の偏差に対応して当該加熱
ゾーンの加熱体を加熱制御する各加熱ゾーン毎に設けら
れた第１及び第２の制御系とを有し、加熱面に載置され
た被温度制御体の温度制御を行うゾーン分割ヒータの温
度制御装置において、前記２つの加熱ゾーンの温度の偏
差を求め、この偏差を前記第１および第２の制御系のう
ちのいずれか一方の制御系の目標温度にフィードバック
する手段を具えるようにしている。

【００２７】この請求項６の発明では、２つの加熱ゾー
ンの温度の偏差を求め、この偏差を前記第１および第２
の制御系のうちのいずれか一方の制御系の目標温度にフ
ィードバックするようにしているので、第１および第２
の加熱ゾーンの温度をより高精度に一致させることがで
き、被温度制御体の全面を均一に加熱制御することが可
能になる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施形態を添付図
面に従って詳細に説明する。

【００２９】図２は、ウェハ１０が載置されるゾーン分
割ヒータ２０の概略構成を示す図である。ゾーン分割ヒ
ータ２０は、円形平板状をなし、その加熱面が同心円で
区画された２つの加熱ゾーンＡ，Ｂに分割されている。
ゾーン分割ヒータ２０の加熱面上には、複数のギャップ
調整ピン２１が形成されており、これらのピン２１によ
ってヒータ２０とウェハ１０との間には極く僅か（０．
１ｍｍ程度）の隙間を形成するようにしている。従っ
て、ヒータ２０からの熱はこの隙間を介してウェハ１０
に伝達することになる。

【００３０】ゾーン分割ヒータ２０は、各ゾーンＡ，Ｂ
毎に各別に通電制御される抵抗線パターンを有し、これ
らの抵抗線パターンを樹脂等によって封入形成するよう
にしている。

【００３１】図１は、図２のゾーン分割ヒータを温度制
御する制御系の概略構成を示すブロック図である。図１
において、加熱ゾーンＡ，Ｂ毎に各別の制御系３０Ａ，
３０Ｂを有している。

【００３２】制御系３０Ａは、電力供給部３１Ａを有
し、この電力供給部３１Ａによって加熱ゾーンＡの加熱
ヒータ（抵抗線パターン）３２Ａに電力が供給される。
電力供給部３１Ａは、供給する固定電力を設定する第１
固定電力供給部３３Ａおよび第２固定電力供給部３４Ａ
と、供給する可変電力を設定する可変電力供給部３５Ａ
を有し、加熱ゾーンＡのゾーン加熱ヒータ３１Ａに対す
るこれらの電力供給は、切換部３６Ａによって切り換え
制御される。但し、電力供給部３７Ａの構成は１つであ
り、第１及び第２固定電力供給部３２Ａ，３３Ａは固定
電力出力の設定を行い、可変電力供給部３４ＡはＰＩ調
整器３７Ａの制御のもとに可変電力出力の設定を行な
う。

【００３３】切換部３６Ａは、加熱開始時点には第１固
定電力供給部３２Ａ側に接続されるよう動作し、それ以
後は加熱ゾーンＡの温度に基づいて切換え動作を実行す
る。すなわち、切換部３６Ａは加熱ヒータ３１Ａによっ
て加熱される加熱ゾーンＡの温度Ｙ1を検出しており、
この検出温度Ｙ1が予め設定され第１の所定温度Ｔ1にな
るまでは第１固定電力供給部３１Ａを選択し、前記検出
温度Ｙ1が第２の所定温度Ｔ2（Ｔ1＜Ｔ2）になるまで、
すなわちＴ1＜Ｙ1≦Ｔ2の範囲では、第２固定電力供給
部３２Ａを選択し、前記検出温度Ｙ1が第２の所定温度
Ｔ2を超えると可変電力供給部３４Ａを選択する。

【００３４】ここで、ＰＩ調整器３６Ａは、可変電力供
給部３５Ａとともに動作するもので、加熱ゾーンＡの温
度Ｙ1をフィードバックして、指令値Ｕ1（目標温度Ｔ
c、Ｔ2＜Ｔc）とフィードバック信号Ｙ1との偏差Ｕ1−
Ｙ1が零になるようにＰＩ制御を実行する。すなわち、
ＰＩ調整器３６Ａは、ＰＩ制御によって可変電力供給部
３４Ａが供給する電力量を制御し、加熱ゾーンＡの温度
を目標温度に整定する制御を行う。

【００３５】オブザーバ４０Ａは、ロバスト制御におけ
る状態観測器に対応し、当該プラントの動特性と一致す
る数学モデルを有している。このオブザーバ４０Ａに構
築される動特性モデルに関しては、後で詳述する。オブ
ザーバ４０Ａでは、温度指令値Ｕ1に対応する当該プラ
ント（加熱ゾーンＡ）の出力Ｙ1と温度指令値Ｕ1（正確
にはＵ1−ｄ＾）に対応する前記動特性モデルの出力の
偏差、即ち推定外乱ｄ＾を求め、この推定外乱ｄ＾を温
度指令値Ｕにフィードバックする。したがって、この制
御系によれば、推定外乱ｄ＾がなくなるように、当該プ
ラント（ゾーンＡ）の動特性はオブザーバ４０Ａの構築
された動特性モデルの動特性に追従していくことにな
る。

【００３６】さらに、このオブザーバ４０Ａでは、前記
記憶された動特性モデルを用いて加熱ゾーンＡの温度変
化速度を推定し、この推定した温度変化速度（推定速
度）Ｙ1´＾を目標値Ｕ1にフィードバックするようにし
ている。

【００３７】制御系３０Ｂは、加熱ゾーンＢの温度制御
を行い、制御系３０Ａと同様に、第１固定電力供給部３
２Ｂ、第２固定電力供給部３３Ｂおよび可変電力供給部
３４Ｂを有する電力供給部３１Ｂと、切換部３６Ｂと、
ＰＩ調整器３７Ｂと、オブザーバ４０Ｂなどを有してい
る。制御部３０Ｂに入力される温度指令値Ｕ2の目標温
度（整定温度）は、制御部３０Ａに入力される温度指令
値Ｕ1の整定温度と同一である。

【００３８】まず、各制御系３０Ａ，３０Ｂでの切換え
部３６Ａ、３６Ｂの切換え制御に関して説明する。

【００３９】この場合、電力供給部３１Ａ、３１Ｂに供
給される電力はトータルで例えば６ＫＷであり、各ゾー
ンＡ、Ｂの出力を最大（１００％）にしたときに、ゾー
ンＡにはほぼ４．５ＫＷが供給され、ゾーンＢにはほぼ
１．５ＫＷが供給されるようにしている。

【００４０】ここで、図３(a)に示すように、各ゾーン
Ａ，Ｂに最大電力量（１００％）を供給したとすると、
各ゾーンＡ，Ｂの熱容量の違いや各ゾーンの放熱特性の
違いによって、各ゾーンの過渡状態における温度勾配は
異なったものとなる。図２の構成においては、ゾーンＢ
の周縁部を図示しないクランプ部材などでクランプ支持
し、このクランプ部材を経由して装置筐体に熱が放熱す
るため、ゾーンＡに比べゾーンＢの方が放熱の影響を大
きく受ける。このことなどを原因として、図３(a)の場
合には、過渡状態において、最初はゾーンＢのほうが温
度勾配が大きいが、しばらくするとこれらの温度勾配は
逆転している。

【００４１】そこで、図３(b)に示すように、ゾーンＡ
に対しては最大電力量（１００％）を継続して供給する
が、ゾーンＢに対しては加熱開始からゾーンＢの温度が
Ｔ1になるまでは９７％の電力を供給し、ゾーンＢの温
度がＴ1になった後に最大電力量（１００％）を供給す
るようにすれば、加熱開始からゾーンＡ，Ｂの温度がＴ
1になるまでの温度勾配を一致させることができる。こ
の場合には、ゾーンＡ，Ｂの温度がＴ1になった後の温
度勾配は依然不一致である。

【００４２】そこで、図３(c)に示すように、ゾーンＡ
に対しては、加熱開始からゾーンＡの温度がＴ1´にな
るまでは最大電力量（１００％）を供給し、ゾーンＡの
温度がＴ1´になってからＴ2になるまでの間は９０％の
電力を供給するようにするとともに、ゾーンＢに対して
は加熱開始からゾーンＢの温度がＴ1になるまでは９７
％の電力を供給し、ゾーンＢの温度がＴ1になった後に
最大電力量（１００％）を供給するようにすれば、加熱
開始からこれらゾーンＡ，Ｂの温度が目標温度Ｔcより
僅かに小さい所定温度Ｔ2になるまでのゾーンＡ，Ｂの
過渡状態における温度勾配を一致させることができる。

【００４３】したがって、ゾーンＡ，Ｂが図３に示した
ような、過渡特性を有するものとすれば、図１のゾーン
Ａの第１固定電力供給部３２Ａには、供給すべき固定電
力の最大電力供給量に対する比率として１００％を設定
し、第２固定電力供給部３３Ａには、同比率として９０
％を設定する。

【００４４】同様に、ゾーンＢの第１固定電力供給部３
２Ｂには、前記電力比率として９７％を設定し、第２固
定電力供給部３３Ｂには同比率として１００％を設定す
る。なお、これらの電力比率としては、できるだけ大き
な値のなかでゾーンＡ，Ｂの温度勾配を一致させること
をできる値を選択することで、立上がり時間をできるだ
け短時間となるようにする。

【００４５】図４は、制御系３０Ａにおける切換部３６
の切換え制御を示すフローチャートである。

【００４６】すなわち、加熱が開始されると、制御系３
０Ａの切換部３６Ａは、第１固定電力供給部３２Ａを選
択し、これにより固定電力比率を１００％とした最大供
給電力量での電力供給がゾーンＡの加熱ヒータ３１Ａに
対して実行される。この電力比率１００％での固定電力
供給はゾーンＡの温度Ｙ1がＴ1になるまで続行される
（ステップ２００〜２１０）。

【００４７】この後、ゾーンＡの温度Ｙ1がＴ1に到達す
ると、切換部３６Ａはその接点を第２固定電力供給部３
３Ａに切り換える（ステップ２２０）。この結果、今度
は固定電力比率を９０％とした電力供給がゾーンＡの加
熱ヒータ３１Ａに対して実行される。この電力比率９０
％での固定電力供給はゾーンＡの温度Ｙ1がＴ2゜Ｃにな
るまで続行される（ステップ２３０）。

【００４８】この後、ゾーンＡの温度Ｙ1がＴ2に到達す
ると、切換部３６Ａはその接点を可変電力供給部３４Ａ
に切り換える（ステップ２４０）。この結果、これ以降
は、温度Ｙ1をフィードバックしたＰＩ制御およびオブ
ザーバによる可変電力供給が行われ、これによりゾーン
Ａの温度は過渡状態から定常状態に整定していくことに
なる（ステップ２５０）。

【００４９】制御系３０Ｂも上記と同様に動作する。

【００５０】すなわち、加熱が開始されると、制御系３
０Ｂの切換部３６Ｂは、第１固定電力供給部３２Ｂを選
択し、これにより固定電力比率を９７％とした電力供給
がゾーンＢの加熱ヒータ３１Ｂに対して実行される。こ
の電力比率９７％での固定電力供給はゾーンＢの温度Ｙ
2がＴ1´になるまで続行される。

【００５１】この後、ゾーンＢの温度Ｙ2がＴ1´に到達
すると、切換部３６Ｂはその接点を第２固定電力供給部
３３Ｂに切り換える。この結果、今度は固定電力比率を
１００％とした電力供給がゾーンＢの加熱ヒータ３１Ｂ
に対して実行される。この電力比率１００％での固定電
力供給はゾーンＢの温度Ｙ2がＴ2゜Ｃになるまで続行さ
れる。

【００５２】この後、ゾーンＢの温度Ｙ2がＴ2に到達す
ると、切換部３６Ｂはその接点を可変電力供給部３４Ｂ
に切り換える。この結果、これ以降は、温度Ｙ2をフィ
ードバックしたＰＩ制御およびオブザーバによる可変電
力供給が行われ、これによりゾーンＢの温度は過渡状態
から定常状態に整定していくことになる。

【００５３】図５は、図１に示した温度制御を行った場
合の供給電力の時間変化を示し、図６は、従来のＰＩ制
御のみよる温度制御を行った場合の供給電力の時間変化
を示している。図５及び図６の温度制御はともに、使用
できる最大供給電力を６ｋＷとしている。

【００５４】また、図７の実線グラフは、図１に示した
本発明の実施の形態によって温度制御された加熱ゾーン
Ａ，Ｂとウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレ
ーションした結果を示す図であり、図８は、従来のＰＩ
Ｄ制御のみによって温度制御された加熱ゾーンＡ，Ｂと
ウェハ１０の温度の時間変化についてシミュレーション
した結果を示す図である。これらの温度制御ではウェハ
１０を２０℃から１５０℃に加熱する。この場合、目標
指令値Ｕ1の目標温度は１５４゜Ｃ、Ｔ1，Ｔ1´＝８０
〜１００゜Ｃ、Ｔ2＝１５０゜Ｃ程度に設定している。

【００５５】ここで、図７に示すように本発明の実施形
態による温度制御の場合は、図８に示す従来の温度制御
に比べ、その立上がり時間が１０秒程度短くなると共
に、目標温度への整定時間も大幅に短くなっている。す
なわち、同一電力量を消費するという条件もとで本発明
の実施の形態とＰＩＤ制御のみの従来の温度制御とを比
較すると、本発明の実施の形態の方が、短時間で目標温
度に整定できることがわかる。

【００５６】逆に、このことから、同じ整定時間にウェ
ハ１０を目標温度に整定する場合、本発明の実施の形態
を用いると消費される最大電力が少なくて済むことにな
る。これは、例えば図６に示す加熱ゾーンＢに供給され
た電力を時間軸に押し潰した矩形（固定電力）とするこ
とにより、最大固定電力供給量を小さくすることができ
るからである。

【００５７】なお、図７及び図８に示すように、本発明
の実施の形態及びＰＩＤ制御のみの温度制御のいずれ
も、プレート目標温度（各加熱ゾーンＡ，Ｂの目標温
度）は、ウェハ１０の目標温度より、４℃高い温度に設
定している。これは、加熱ゾーンの熱が全てウェハ１０
に伝達されないからであり、その温度差が約４℃という
実験値に基づく。

【００５８】また、上述した本発明の実施の形態では、
実際に制御したいのは、プレート温度ではなく、プレー
トに載置されたウェハ１０の温度であるため、フィード
バック制御を施すプレート温度は、ウェハの温度を高速
に整定するために若干オーバーシュートさせるようにし
ている（図７参照）。これは、ウェハの温度がプレート
の温度に対して一次遅れであるので、プレートの温度が
若干オーバーシュートしても、ウェハの温度はオーバー
シュートしないことを利用している。

【００５９】次に、図１に示す各制御系３０Ａ，３０Ｂ
のオブザーバ４０Ａ，４０Ｂに関して説明する。

【００６０】この場合、これらのオブザーバ４０Ａ，４
０Ｂからは、推定外乱ｄ＾と推定速度Ｙ1´＾が出力さ
れる。

【００６１】ここで、図１に示した本システムの制御系
においては、外乱オブザーバの４０Ａ、４０Ｂ内のモデ
ルを構築するために次のような手法を実行する。

【００６２】すなわち、まず、各制御系３０Ａ、３０Ｂ
のＰＩ調整器３７Ａ、３７ＢのＰＩゲインを調整して、
図９に示すように、各加熱ゾーンの動特性間に、定常状
態において偏差が発生しないようにしておく。勿論、こ
のＰＩ調整器３１Ａ、３０Ｂによる調整では、過渡状態
における温度差もなくすことは困難であり、図９にも示
すように、各加熱ゾーン間で過渡状態における温度差は
存在していることになる。

【００６３】つぎに、このように定常偏差をなくした状
態における各加熱ゾーンの動特性を、例えば、簡単な振
動性二次要素にて近似低次元化（ステップ応答波形によ
る）した下式に示すような動特性モデルを作成する。

【００６４】 ただし、これら近似した各加熱ゾーンの動特性モデル
は、各加熱ゾーンで共通とする。すなわち、近似低次元
化した各加熱ゾーンの動特性モデルは同一とし、この同
一の動特性モデルを各加熱ゾーンの制御系の外乱オブザ
ーバ４０Ａ、４０Ｂに記憶するようにする。

【００６５】前述したように、各制御系のオブザーバ４
０Ａ、４０Ｂでは、温度指令値Ｕに対応する当該加熱ゾ
ーンの出力Ｙと、温度指令値Ｕに対応する自オブザーバ
内の動特性モデルの出力の偏差、即ち推定外乱ｄ＾を求
め、この推定外乱ｄ＾を温度指令値Ｕにフィードバック
するようにしたので、各制御系では、推定外乱ｄ＾がな
くなるように、当該加熱ゾーンの動特性が自オブザーバ
内の動特性モデルの動特性に追従していくことになる。

【００６６】ここで、前述したように、各オブザーバ内
の動特性モデルは共通化されているので、各加熱ゾーン
の制御系ではそれぞれの動特性が共通化されたモデルの
動特性に追従することになり、結果的に各加熱ゾーンの
定常状態および過渡状態における温度特性の差をなくす
ことができるようになる。

【００６７】すなわち、各加熱ゾーンの動特性は異なる
ので、これらの各加熱ゾーンの動特性モデルは本来別々
に最適のものを採用するべきであるが、本システムで
は、各加熱ゾーンの動特性を一致させることを主眼にお
いて、これら各加熱ゾーンの動特性モデルを共通化して
ロバスト制御を行うようにしているのである。すなわ
ち、本システムでは、各加熱ゾーン間で、過渡状態にお
ける温度差、構造上の動特性の違い、モデル誤差、製作
誤差などが存在したとしても、これらは全て外乱とみな
されて温度指令値Ｕにフィードバックされることにな
る。

【００６８】一方、各制御系３０Ａ，３０Ｂのオブザー
バ４０Ａ，４０Ｂでは、前記記憶された動特性モデルを
用いて、各加熱ゾーンＡ，Ｂの温度変化速度を推定し、
この推定した温度変化速度（推定速度）Ｙ1´＾，Ｙ2´
＾を各ゾーンＡ，Ｂの目標値Ｕ1、Ｕ2にフィードバック
するようにしている。

【００６９】図７のグラフにおいて、実線で示したもの
が推定速度Ｙ1´＾，Ｙ2´＾をフィードバックした場合
であり、破線で示すものが推定速度Ｙ1´＾，Ｙ2´＾を
フィードバックしていない場合である。これらの比較か
らも判るように、この実施形態では、各加熱ゾーンＡ，
Ｂの温度変化速度を推定し、この推定した温度変化速度
をフィードバックするようにしているので、プレート温
度をオーバーシュートさせた場合でも、過渡状態から定
常状態への移行の際の振動状態が抑制され、その整定時
間を大幅に短縮することができる。

【００７０】次に、図１の実施形態においては、加算点
５０でゾーンＡのプレート温度Ｙ1とゾーンＢのプレー
ト温度Ｙ2との偏差（Ｙ1−Ｙ2）を求め、この偏差（Ｙ1
−Ｙ2）をゾーンＡの指令値にフィードバックするよう
にしている。したがって、ＰＩ調整器３７Ａ、３７Ｂが
動作するプレート温度がＴ2以上の期間において、加熱
ゾーンＡ，Ｂの温度をより高精度に一致させることがで
きるようになる。

【００７１】なお、同心円の加熱ゾーンが図２のように
２ゾーンではなく、内側ゾーン、中間ゾーン、外側ゾー
ンと３ゾーン存在する場合は、中間ゾーンを基準ゾーン
とし、内側ゾーンのプレート温度から中間ゾーンのプレ
ート温度を引いた偏差を内側ゾーンにフィードバック
し、外側ゾーンのプレート温度から中間ゾーンのプレー
ト温度を引いた偏差を外側ゾーンにフィードバックする
ようにすればよい。

【００７２】次に、ＰＩ調整器３７Ａ，３７Ｂで行われ
る動的な放熱補償制御について説明する。

【００７３】すなわち、各ゾーンＡ，Ｂを加熱する際、
放熱の影響が大きい場合、指令値Ｕとフィードバック信
号Ｙとの偏差ｅが０のとき、その制御量を０にした場合
は、放熱によって温度が降下する場合が考えられる。特
に、前述したように、外側ゾーンＢにおいては、その周
縁部で装置筐体に支持されているので、装置筐体を介し
ての放熱の影響が大きい。そこで、図１のＰＩ調整器３
７Ａ，３７Ｂにおいては、上記偏差ｅが０のときも制御
量をある程度確保する、謂ゆる比例帯制御を行なうこと
で、放熱の影響をキャンセルするようにしている。

【００７４】ここで、放熱の影響を経時的に考えた場
合、過渡状態から定常状態に移行するまでの移行期間に
おいては、装置筐体側の温度もまだ低く放熱の影響が大
きい。しかし、この移行期間を経た後は装置筐体の温度
も上昇し、放熱の影響も徐々に小さくなる。そこで、図
１のＰＩ調整器３７Ａ，３７Ｂにおいては、図１０に示
すように、放熱量が大きい前記移行期間には上記比例帯
制御の制御量として大きな値Ｄ1を設定し、前記移行期
間を経た後はこの制御量を上記設定値Ｄ1から値Ｄ2（＜
Ｄ1）まで徐々に小さくするようにしている。

【００７５】すなわち、ＰＩ調整器３７Ａ，３７Ｂに
は、加熱開始から所定の時間ｔ1が経過するまでの比例
帯制御量としてＤ1（例えば電力比率で６０％）が設定
され、時間ｔ1が経過した後は時間ｔ2が経過する間に設
定値Ｄ1から値Ｄ2（例えば電力比率で４０％）まで直線
的に減少する比例帯制御量が設定されている。勿論、こ
れらの比例帯制御量は、ゾーンＡ，Ｂ毎に最適な値が設
定されている。

【００７６】したがって、加熱開始から時間ｔ2が経過
するまでに、前記偏差ｅが０になった場合はＰＩ調整器
から制御量Ｄ1が出力され、その後は偏差が０になった
時点に対応する制御量α（Ｄ1≦α≦Ｄ2)が出力され
る。

【００７７】このように、各ゾーンのＰＩ調整器３７
Ａ，３７Ｂにおいては、指令値とフィードバック信号の
偏差ｅが０になったときの比例帯制御量を放熱特性に応
じて動的に可変するようにしたので、放熱分を動的に補
償することができるようになり、これにより、各加熱ゾ
ーンの温度を目標温度に対しより高精度に許容範囲内に
収めることができる。

【００７８】なお、上記説明では、比例帯制御量をＤ1
とする時間として、加熱開始からの時間ｔ1を計時する
ようにしたが、各プレート温度が前記設定温度Ｔ2にな
るまでは前記偏差が０になることはないので、比例帯制
御量をＤ1とする時間として、プレート温度が設定温度
Ｔ2になってからの時間ｔ3を計時するようにしてもよ
い。

【００７９】また、上記実施例では、切換部３６Ａ、３
６Ｂは、過渡状態に供給する固定電力として、２つの異
なる電力比率の固定電力を設定するようにしたが、各ゾ
ーンの熱容量、放熱特性によっては、３つ以上の異なる
固定電力を各ゾーン毎に設定するようにしたほうが各ゾ
ーンの立上がり特性を共通にする上で望ましい場合もあ
り、このような場合は、固定電力切換え用の設定温度と
して２つ以上の異なる温度を設定し、これらの設定温度
に基づく切換えによって３つ以上の異なる固定電力を切
換え供給するようにしてもよい。

【００８０】また、上記実施例において、ゾーン分割ヒ
ータ２０は、同心円状にゾーンが分割されるようにした
が、その分割ゾーンの配置態様、形状、分割数などは任
意である。

【００８１】また、上記実施例においては、ゾーン分割
ヒータ２のみによってウェハ１０を加熱する構成を前提
としたが、ウェハ１０が載置されるゾーン分割ヒータ２
０の下に流体が通過する温度制御室を形成し、この温度
制御室に高温流体および低温流体を供給し、該供給した
高温または低温流体を温度制御室内に設けた複数の流体
噴出孔を介して温度制御室の上部内壁面に対して噴出す
るようなシステムに本発明を適用するようにしてもよ
い。この場合、ゾーン分割ヒータ２０は、ヒータ２０の
下方から供給された流体による熱をウェハに伝達する中
間熱媒体としても機能することになる。

【００８２】また、上記実施例では、オブザーバ４０
Ａ、４０Ｂ内に構築されるモデルとして二次遅れ要素を
採用するようにしたが、ＰＩ制御を含めたシステムモデ
ルを近似低次元化できるモデルであれば、任意の数学モ
デルを採用するようにしてもよい。

【００８３】また、上記実施例では、ＰＩ調整器を採用
するようにしたが、ＰＩＤ調整器の比例要素、微分要
素、積分要素の任意の要素を組み合せたり、あるいは単
独要素で調整器を構成するようにしてもよい。

【００８４】また、ゾーン分割プレート２０としては、
平板状の加熱面が複数の異なる隣接した加熱ゾーンに分
割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御される加熱体を有
するものであれば、その加熱方式は電熱方式に限らず任
意である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック線図。

【図２】ゾーン分割ヒータの概略構成を示す図。

【図３】固定電力切換えよる各ゾーンの立上がり特性の
変化を示す図。

【図４】切換部３６Ａの切換え動作を示すフローチャー
ト。

【図５】本発明の実施形態で温度制御を行った場合の供
給電力の時間変化を示す図。

【図６】従来技術で温度制御を行った場合の供給電力の
時間変化を示す図。

【図７】本発明の実施形態によって温度制御された各加
熱ゾーンとウェハの温度の時間変化についてシミュレー
ションした結果を示す図。

【図８】従来技術で温度制御を行った場合の各加熱ゾー
ンとウェハの温度の時間変化についてシミュレーション
した結果を示す図。

【図９】定常偏差がなく過渡偏差が存在する温度特性波
形を示す図。

【図１０】比例帯制御による放熱量の動的制御を説明す
る図。

【図１１】ＰＩＤ制御によって温度制御を行う場合の目
標入力波形の一例を示す図。

【図１２】図１１に示す目標入力波形によって制御する
場合の供給電力の時間変化を示す図。

【符号の説明】

１０…ウェハ ２０…ゾーン分割ヒータ ３０Ａ，
３０Ｂ…制御系 ３１Ａ，３１Ｂ…電力供給部 ３２Ａ，３２Ｂ…第１固
定電力供給部 ３３Ａ，３３Ｂ…第２固定電力供給部 ３４Ａ，３４Ｂ…可変電力供給部 ３６Ａ，３６Ｂ…切
換部 ３７Ａ，３７Ｂ…ＰＩ調整器 ４０Ａ，４０Ｂ…オブザーバ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状の加熱面が複数の異なる隣接した加
   熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御され
   る加熱体を有するゾーン分割ヒータと、 各加熱体を各加熱ゾーン毎に各別に制御する複数の制御
   系とを有し、 加熱面に載置された被温度制御体の加熱制御を行うゾー
   ン分割ヒータの温度制御装置において、 前記複数の制御系のそれぞれは、 当該加熱ゾーンの加熱を開始してから当該加熱ゾーンの
   温度が目標温度より若干小さい所定の温度になるまでの
   過渡状態期間を当該加熱ゾーンの温度に対応して複数の
   領域に分割し、これら分割した各領域毎に最大電力供給
   量に対する電力供給比率値を予め設定し、これら設定さ
   れた複数の異なる比率の固定電力を当該加熱ゾーンの加
   熱体に対し当該加熱ゾーンの温度に応じて順次切換え供
   給する第１の電力供給制御手段と、 当該加熱ゾーンの温度をフィードバックして目標温度と
   前記フィードバック信号の偏差に対応して当該加熱ゾー
   ンの加熱体に供給する電力を可変制御する第２の電力供
   給制御手段と、 当該加熱ゾーンの加熱を開始してから当該加熱ゾーンの
   温度が前記所定の温度に到達するまでは前記第１の電力
   供給制御手段による電力供給を行い、当該加熱ゾーンの
   温度が前記所定温度に到達した以降は前記第２の電力供
   給制御手段による電力供給を行なうよう第１の電力供給
   制御手段から第２の電力供給制御手段への切換えを行な
   う切換制御手段と、 を具備したことを特徴とするゾーン分割ヒータの温度制
   御装置。
2. 【請求項２】前記第２の電力供給制御手段は、前記偏差
   が０のときに零でない所定の制御量を出力するようにし
   たことを特徴とする請求項１記載のゾーン分割ヒータの
   温度制御装置。
3. 【請求項３】前記ゾーン分割ヒータは支持部材によって
   支持されるものであり、 前記零でない所定の制御量は、 当該加熱ゾーンの温度が前記所定の温度に到達してから
   予め設定された所定の時間が経過するまでは予め設定さ
   れた第１の所定値が出力され、 前記所定の時間が経過した以降は、前記第１の所定値か
   らこの第１の所定値より小さい第２の所定値まで徐々に
   小さくなる値が出力されるように設定されている請求項
   ２記載のゾーン分割ヒータの温度制御装置。
4. 【請求項４】平板状の加熱面が複数の異なる隣接した加
   熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン毎に独立に制御され
   る加熱体を有するゾーン分割ヒータと、 各加熱体を各加熱ゾーン毎に各別に制御する複数の制御
   系とを有し、 加熱面に載置された被温度制御体の温度制御を行うゾー
   ン分割ヒータの温度制御装置において、 前記複数の制御系のそれぞれは、 当該加熱ゾーンの温度をフィードバックして各加熱ゾー
   ンに共通の所定の目標温度にしたがって当該加熱ゾーン
   をフィードバック加熱制御する第１の制御手段と、 各加熱ゾーンの動特性に対応する動特性モデルを有し、
   この動特性モデルを用いて当該加熱ゾーンの目標温度に
   対応する温度変化速度を推定し、この推定した温度変化
   速度を目標温度にフィードバックする第２の制御手段
   と、 を備えるようにしたことを特徴とするゾーン分割ヒータ
   の温度制御装置。
5. 【請求項５】前記第１の制御手段は、各加熱ゾーン間の
   動特性の定常偏差がなくなるようにゲインが予め調整さ
   れるものであり、 前記第２の制御手段の動特性モデルは、前記第１の制御
   手段のゲイン調整後の各加熱ゾーンの動特性を各加熱ゾ
   ーン間で共通化しかつ近似低次元化したものであり、 前記第２の制御手段は、前記目標温度に対応する当該加
   熱ゾーンの出力と目標温度に対応する前記動特性モデル
   の出力との偏差をとり、この偏差を推定誤差として目標
   温度にフィードバックする推定誤差フィードバック手段
   を更に具えるようにしたことを特徴とする請求項４記載
   のゾーン分割ヒータの温度制御装置。
6. 【請求項６】平板状の加熱面が少なくとも２つの隣接し
   た第１及び第２の加熱ゾーンに分割され、各加熱ゾーン
   毎に独立に制御される加熱体を有したゾーン分割ヒータ
   と、 当該加熱ゾーンの温度をフィードバックして各加熱ゾー
   ンで共通の所定の目標温度と前記フィードバック信号の
   偏差に対応して当該加熱ゾーンの加熱体を加熱制御する
   各加熱ゾーン毎に設けられた第１及び第２の制御系とを
   有し、 加熱面に載置された被温度制御体の温度制御を行うゾー
   ン分割ヒータの温度制御装置において、 前記２つの加熱ゾーンの温度の偏差を求め、この偏差を
   前記第１および第２の制御系のうちのいずれか一方の制
   御系の目標温度にフィードバックする手段を具えるよう
   にしたことを特徴とするゾーン分割ヒータの温度制御装
   置。