KR100248840B1

KR100248840B1 - 제어시스템

Info

Publication number: KR100248840B1
Application number: KR1019930007916A
Authority: KR
Inventors: 가사이시게루
Original assignee: 야마시타 히데나리; 바리안 세미컨덕터 이큅먼트 가부시키가이샤; 히가시 데쓰로; 동경 엘렉트론주식회사
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-05-08
Publication date: 2000-03-15
Also published as: US5448147A; KR940006181A

Abstract

제어시스템은, 반도체웨이퍼 온도제어기구와 같은 제어대상에 주어지는 제어입력과 이 제어대상의 출력에 의거하여 제어대상의 제1상태량을 추정하는 제1추정부와, 제어입력에만 의거하여 제어대상의 제2상태량을 추정하는 제2추정부와, 제1 및 제2추정부를 선택하는 전환부와, 제1 및 제2추정부로부터의 상태량을 제어대상의 입력부에 피드백하여 제어입력을 조정하는 서보부에 의해 구성된다.

Description

제어시스템

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 제어시스템의 블록도.

제2도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어시스템의 블록도.

제3도는 제2도의 실시예에 대응하는 제어시스템의 블록도.

제4도는 본 발명의 제어시스템을 사용한 웨이퍼 온도제어장치의 구성을 나타낸 도면.

제5도는 웨이퍼 표면온도와 열전대 검출온도와의 편차를 나타낸 도면.

제6도는 본 발명의 제어시스템에 있어서의 웨이퍼 표면온도의 상승특성을 나타낸 도면.

제7도는 본 발명의 제어시스템에 있어서 가상시스템(Pseudo System)을 사용하지 않는 경우의 표면온도 상승특성을 나타낸 도면.

제8도는 본 발명의 제어시스템에 있어서의 추정부를 전환하는 타이밍을 나타낸 도면.

제9도는 본 발명의 다른 실시예의 제어시스템의 블록도.

제10도는 제4도의 웨이퍼 온도제어장치(water temperature control appa ratus)에 적용되는 자동제어시스템의 블록회로도.

제11도는 제10도의 웨이퍼 온도측정 플랜트(water temperature measuring plant)의 응답 특성을 실측하기 위한 실험모델의 요부를 나타낸 도면.

제12도는 스텝파형입력(step wave form input)에 대한 웨이퍼 가열 플랜트( wafer heating plant)및 웨이퍼 온도측정플랜트(wafer temperature measuring plnat)의 응답 특성을 나타낸 도면.

제13도는 정규난수입력(normal random number input)에 대한 웨이퍼 가열 플랜트 및 웨이퍼 온도측정 플랜트의 응답특성을 나타낸 도면.

제14도는 자동제어된 웨이퍼 가열플랜트(indentified wafer heating plant)및 웨이퍼 온도측정 플랜트의 수학적모텔의 응답출력을 실측에 의한 응답출력과 대비하여 나타낸 검증예를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 콘트로울러 20 : 제1추정부

30 : 제2추정부 21, 61 : 적분기

22∼26, 32, 33, 62∼64 : 계수기 27, 28, 34, 52, 65, 66 : 가산기

30 : 제어대상모델 40 : 전환부

41 : 제1지연처리부 46 : 제2지연처리부

60 : 서보부 72 : 지연처리부

100 : 제어대상 102 : 진공챔버

104 : 반도체웨이퍼 104 : 자동제어용 웨이퍼

106 : 쿼츠원도우 108 : 가열램프

110a : 열전도성 캡 110 : 열전대

112 : 케이블 114 : pwm 증폭기

116 : 슬립링 118 : 모터

120, 122 : 기어 124 : 전력제어부

126 : 광 파이버 140a : D/A 변환기

140b : A/D 변환기 210 : 플랜트자동제어부

212 : 자동제어입력 발생부 214 : 자동제어출력 회수부

216 : 자동제어 연산처리부 220 : 웨이퍼 가열플랜트

222 : 웨이퍼 플랜트 230 : 온도측정 플랜트

232 : 센서플랜트 234 : 센서출력 전송부

240 : 열전대 242 : 케이브

본 발명은, 피드백 제어를 하는 제어시스템에 관한 것이다.

예를 들면, 반도체 디바이스의 제조에 있어서의 포토리소그래픽 공정이나 VCD 공정등에서는, 피처리체인 반도체웨이퍼를 소정의 온도로 제어하면서 반도체 웨이퍼를 처리하는 것이 실시되고 있다. 일반적으로, 이 종류의 온도제어에는, 피드백 제어가 사용되고 있다.

종래 웨이퍼 온도제어용의 대표적인 피드백 제어방법은, PID콘트로울러에 의거하고 있다. 이 PID콘트로울러는, 비례동작(Proportional action)(P), 적분동작( Intergral action(I) 및 미분동작(Derivative action)(D)을 조합한 것으로, 웨이퍼 온도검출기(wafer temperature detection value)와 웨이퍼 온도설정치(wafer temperature presee value)와의 차(편차; deviation)(e)에서 조작량(manipulated variable)(u)를 다음식에서 구한다.

u + Kp ㆍe + KI Se ㆍdt + KD ㆍde/dt …(1)

단, 계수(KP),(KI),(KD)는 가각 비례동작, 적분동작, 및 미분동작의 감도를 나타내고, 각 제어계의 특성에 따라서 설정된다.

PID 콘트로울러에서는, 식(1)에서 구한 조작량(u)에 의거하여, 편차(e)를 0으로 하도록, 다시말하면 제어량을 목표치에 일치시키도록 웨이퍼 가열기구(water heating arrangement)에 대한 에너지 공급량이 조경된다.

그런데, 웨이퍼 온도제어의 경우, 웨이퍼 온도검출과 실제로 제어해야 할 웨이퍼 온도에 시간적 및 장소적인 편차가 있다. 요컨대, 프로세스중의 웨이퍼의 온도를 검출할 경우, 웨이퍼의 처리면(표면)에 열전대(thermocoupler)등의 온도센서( thermal sensor)를 부착할 수 없기 때문에, 웨이퍼 뒷면의 둘레부에 온도센서를 부착하여 웨이퍼 온도가 검출된다. 이 때문에, 온도센서에 의해 얻어지는 웨이퍼 온도검출치는, 웨이퍼 뒷면 둘레부의 온도를 나타내고, 웨이퍼 처리면(표면)의 온도를 나타내지 않는다. 따라서 PID 콘트로울러의 제어법은, 그와 같은 웨이퍼 온도검출기만큼을 피드백하여 그것을 설정치에 일치시키는 제어이기 때문에, 웨이퍼 처리면(표면)의 온도를 목표치에 일치시키는 것이 어려웠다.

본 발명은, 제어량(control variable)과 검출기(detection value)와의 사이에 편차가 있는 경우라도, 제어량을 정확히 목표치에 일치시킬 수 있고, 나아가서 시스템의 상승시에도 안정된 제어동작을 보증하도록 한 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 제어입력에만 의거하여 제어대상의 상태량을 추정하는 추정부(estimation section)와, 제어대상(plant object)의 출력 및 추정부의 출력을 선택하는 전환부(switching section)와, 제어대상의 출력 및 추정부로부터의 상태량을 제어대상의 입력부와 피드백하여 제어입력을 조정하는 서보부(Servo section)에 의해 구성되는 제어시스템이 제공된다.

본 발명에 의하면, 제어대상에 부여되는 제어입력과 제어대상의 출력에 의거하여 제어대상의 제1상태량을 추정하는 제1추정부와, 제어입력에만 의거하여 제어대상의 제2상태량을 추정하는 제2추정부와, 상기 제1 및 제2추정부를 선택하는 전환부와, 상기 제1 또는 제2추정부로부터의 상태량을 상기 제어대상의 입력부에 피드백하여 제어입력을 조정하는 서보부에 의해 구성되는 제어시스템이 제공된다.

본 발명에 의하면, 알려지지 않는 파라미터를 가지는 피자동제어 플랜트(to-be indentified plnat)와 알려진 파라미터를 가지는 적어도 하나의 플랜트 또는 여러 개의 관련 플랜트(related plants)로 되는 소정의 시스템에 대하여 소정의 입력을 부여하여 시스템의 출력을 측정하는 스텝과, 입력데이타와 시스템 출력의 데이타와 관련플랜트의 수학적 모델(mathematical model)의 응답특성(response characteristic)에 의거하여 피자동제어 플랜트의 파라미터를 구하는 스텝을 가지는 플랜트 자동제어 시스템이 제공된다.

[실시예]

제1도에 나타낸 1실시예에 따른 제어시스템에 의하면, 제어대상(100)을 제어하는 콘트로울러(10)는 마이크로 컴퓨터에 의해 소프트적으로 실현할 수 있는 정치라도 되고, 기능적으로는 가상부(pseudo section), 즉 제어대상 모델(30)과, 전환부(switching section)(40)와, 서보부(servo section)(60)를 가진다. 제어대상(100 )은, 서보부(60)로부터의 제어신호를 받아, 출력신호를 발생한다. 제어신호는 제어대상 모델(30)에도 입력된다. 이 제어대상모델(30)은 제어입력신호로부터 제어대상 (100)의 출력신호를 추정하여, 추정출력신호를 출력한다. 제어대상(100)의 출력신호 및 제어대상모델(30)의 추정출력신호는 전환부(40)에 입렬된다. 전환부(40)는 서서히 상승하는 특성을 가지는 지연처리부(delay process section)(41)및 서서히 하강하는 특성을 가지는 지연처리부(46)를 가진다.

따라서, 초기단계에서는, 제어대상(100)으로부터의 출력신호는 지연처리부( 41)에 의해 억제되어, 제어대상 모델(30)로부터의 추정출력신호가 지연처리부(46)를 통하여 가산기(52)에 입력된다. 바꿔말하면, 장치의 상승시에는, 제어대상모델( 30)로부터의 추정출력신호가 지연처리부(46)및 가산기(52)를 통하여 서보부에 피드백신호로서 입력되고, 제어대상(100)이 안정된 무렵에 제어대상(100)의 실제의 출력신호가 지연처리부(41) 및 가산기(52)를 통하여 서보부(60)에 입력된다. 이때, 제어대상모델(30)의 추정출력신호는 지연처리회로(46)에 억제되므로, 피드백신호에 거의 기여하지 않는다.

즉, 이 실시예에서는, 제어대상(100)의 출력신호와 제어대상모델(30)의 추정출력신호가 전환되어서 서보부에 입력된다.

다음에, 제2도에 나타낸 제1실시예에 의하면, 제어입력신호와 제어대상(100)의 출력신호가 입력되고, 이 제어입력신호와 제어대상(100)의 출력신호에 의거하여 제어대상의 상태량을 추정하는 제1추정부가 설치되어 있다. 이 제1추정부의 제1추정신호 및 제어대상모델, 즉 제2추정부(30)로부터의 제2추정출력신호가 전환부(40)의 지연처리부(41) 및 (46)에 각각 입력된다.

상기 제2실시예에 의하면, 제1추정부(20)는 제어대상(100)으로부터 얻을 수 있는, 예를 들면 웨이퍼의 뒷면온도에 관한 출력신호와 제어입력신호에 의거하여 웨이퍼의 표면온도를 추정하고, 이 표면온도에 대응하는 제1추정신호를 전환부(40)의 지연처리부(41)에 입력한다. 전환부(40)는, 장치의 상승시에는, 제2추정부(30)로부터의 제2추정신호를 제2지연처리부(46)및 가산기(52)를 통하여 서보부(60)에 입력하고, 제어대상(100)이 안정된 무렵에 제1추정신호를 제1지연처리회로(41) 및 가산기(52)를 통하여 서보부(60)에 입력한다.

즉, 제2실시예에서는, 제1추정신호와 제2추정신호가 전환되어 서보부(60)에 입력된다.

제3도는, 제2도의 실시예를 구체적으로 나타낸 블록도이며, 제3도를 참조하여 제2실시예를 상세히 설명한다. 이 제3도의 제어시스템에 의하면, 루겐버거·옵저버(Luenberger obserber), 즉, 제1추정부(20)는, 1개의 적분기(21)와 5개의 계수기(Coefioient multiplier)(22)내지 (26)과 2개의 가산기(27) 및 (28)로 구성된다.

이 제1추정부(20)에서, 계수기(22)에는, 제어대상(100)에 부여되는 제어입력신호(u)가 입력되고, 계수기(25) 및 (26)에는, 제어대상(100)의 출력신호(y)가 입력된다.

계수기(22)는, 백터로서의 정입력신호(u)에 소정의 계수매트릭스(coeficient matrix)(E)를 곱셉하고, 곱셉결과 신호를 출력한다. 계수기(25)는, 백터로서의 출력신호(y)에 소정의 계수 매트릭스(G)를 곱셉하고, 곱셉결과 신호를 출력한다.

가산기(27)는, 계수기(22)및 (25)의 곱셉결과 신호 및 피드백 계수기(23)의 출력신호를 가산하여 가산신호를 적분기(21)에 출력한다. 적분기(21)는 가산기(27)의 가산신호를 적분하고, 적분신호를 계수기(23) 및 (24)에 출력한다. 계수기(23)는 적분기(21)의 적분신호에 소정의 계수매트릭스(F)를 곱셉하여, 가산기(27)에 피드백한다. 계수는(24)는 적분기(21)의 출력신호에 소정의 계수매트릭스(H)를 곱셉하고, 곱셈결과 신호를 가산기(28)의 한쪽입력으로 입력한다. 가산기(28)의 다른쪽 입력에는, 계수기(26)로부터의 계수출력신호, 즉 제어대상(100)의 출력신호(y)에 소정의 계수매트릭스(H)를 곱셉하여 얻어지는 신호와 입력된다. 따라서, 가산기(28)는, 계수기(24) 및 (26)의 출력신호를 가산하고, 가신신호를 제1추정부 (20)의 출력신호로서 전환부(40)에 송출한다.

상기 제1추정부(20)에 있어서는, 제어대상(100)의 상태를 나타내는 상태량 또는 상태변수가 추정된다. 예를 들면, 제어대상(100)이 2차원 전달함수로 나타내는 경우는, 2개의 상태량 × 0 및 ×1이 추정되고, 4차의 전달함수로 나타내는 경우는, 4개의 상태량 ×0, ×1, ×2 및 ×3이 추정된다. 또한, 하나의 표현방법으로서의 상태량 ×0 는 열흐름(열 에너지의 시간적 변화), ×1은 웨이퍼 온도, ×2는 웨이퍼 표면으로부터의 Tc 또는 시간적 열이동량, 그리고 × 3은 상태변수(Tc 의 양)을 나타낸다.

제1추정부(20)에서는, 제어대상(100)의 출력신호(y)로 거두어 들이기 때문에, 제어대상(100)의 상태가 내란이나 외란(disturbance)에 의하여 변동되드라도, 그 상태를 나타내는 상태량의 추정치가 가산기(28)의 출력으로 얻어진다.

가상부, 즉 제2추정부(30)는, 제어대상(100)을 수학적으로 근사한 제어대상모델에 상당하고, 1개의 적분기(31)와 2개의 계수기(32) 및 (33)과 1개의 가산기(34)로 구성된다. 이 제2추정부(30)에서 계수기(32)는, 백터로서의 제어입력신호(u)에 소정의 계수 매트릭스(Bp)를 곱셉하고, 곱셉결을 가산기(34)에 출력한다. 가산기(34)는, 계수기(32)의 출력신호에 피드백 계수기(33)의 출력신호로를 가산하여 적분기(31)에 출력한다. 적분기(31)는, 가산기(27)의 가산신호를 적분하고, 적분출력신호를 계수기(33)에 입력함과 동시에 제2추정부(30)의 출력신호로서 전환부(40)에 출력한다.

계수기(32)및 (33)의 계수매트릭스(Bp)및 (4p)는, 소정의 자동제어 방법에 의해 제어대상(100)을 시스템 자동제어으로서 구하여 진다.

제2추정부(30)에 있어서도, 예를 들면 제어대상(100)이 4차의 전달함수에 의해 나타내어지는 경우는, 4개의 상태량 × 0, × 1, × 2 및 × 3이 추정된다.

단 제2추정부에서는, 제어대상(100)에 부여되는 제어입력신호(u)만을 거워들이고, 제어대상(100)의 출력(y)를 거둬들이지 않으므로, 제어대상(100)내의 내란 이나 외란이 관측되는 일은 없고, 제어대상(100)의 전달함수에 의하여 규정되는 상태를 나타내는 상태량의 추정치를 얻을 수 있다.

전환부(40)는, 제1추정부(20)와, 제2추정부(30)를 전환하도록 구성되며, 제1지연처리부(41)와, 제2지연처리부 및 가산부(52)에 의해 구성된다. 제1지연처리부( 41)는, 제1추정부(20)의 출력신호에 1차 지연의 무게(1-^e-t/T)를 부여하여 서서히 상승하는 특성을 가진다.

2개의 계수기(43),(44)및 1개의 가산기(45)에 의해 구성된다. 제2지연처리부 (46)는, 제2추정부(30)의 출력신호에 일시지연의 무게 θ^-t/T를 부여하여 서서히 하강하는 특성을 가지며, 가산기(52)는, 제1 및 제2지연처리부(41) 및 (46)의 출력신호를 가산한다.

전환부(40)에 있어서는, 시스템의 상승시에, 제8도에 나타낸 바와 같이 제2지연처리부(46)의 출력신호가 e^-t/T의 시간특성에 따라서 서서히 감쇠하면 동시에 제2지연처리부(46)의 출력이(e^-t/T)의 시간특성에 따라서 서서히 상승한다. 이것에 의해, 상승개시직후는 제2추정부(3)에 의해 추정된 상태량이 출력되고, 소정시간후의 안정기에는 제1추정부(20)에 의해 주어진 상태량이 출력된다. 전환기간중은 쌍방의 상태량에 각각 e^-t/T및 (1-e^-t/T) 의 중복을 더하여 맞추어서 얻어지는 상태량이 출력된다.

서보부(60)는, 전환부(40)의 출력(상태량)을 입력측에 피드백하기 위한 적분형 최적 서보이며, 1개의 적분기(61)와, 3개의 계수기(62),(63) 및 (64)와, 2개의 가산기(65) 및 (66)으로 구성된다. 가산기(65)의 한쪽 입력단자에는, 제어대상 (100)에 대한 목표치(100)가 부여되고, 다른쪽의 입력단자에는, 전환부(40)의 출력 (상태량)에 소정의 계수매트릭스(C)곱셉하여 얻어지는 1차 피드백량이 제1피드백계수기(63)에 의해 부여된다.

가산기(65)의 출력(편차)은, 소정의 계수 매트릭스(K2)를 곱셉하여 계수기 (62)및 적분기(61)를 통하여 가산기(66)의 한쪽의 입력단자에 부여된다. 가산기 (66)다른쪽 입력단자에는, 전환부(40)의 출력(상태량)에 소정의 계수매트릭스(K1)를 곱셉하여 얻어지는 2차 피드백량이 제1피드백 계수기(64)에 의해 부여된다.

또한, 계수매트릭스(K1),(K2)는, 최적 서보의 문제의 풀이로서 요구되는 피드백 매트릭스이다. 또, 계수매트릭스(C)는, 제어대상(100)의 출력이 어느 상태량과 동등한 경우에는, 생략할 수 있다.

상기 실시예의 제어시스템에 있어서, 제1추정부(20)에 의해 제어대상(100)의 내란 및 외란 등을 반영한 실제의 상태량이 추정되고, 제2추정부(30)에 의해 제어대상(100)에 고유 시뮬레이션적인 상태량이 추정된다.

전환부(40)를 통하여 제1추정부(20)또는 제2추정부(30)로부터의 상태량이 소보부(60)에 부여되고, 서보부(60)에서, 상태량에 따른 제어입력(u)이 조정된다. 이와 같이, 백터적인 상태량을 피드백하는 방식에 의하면, 제어대상의 출력만큼을 피드백하는 방식과 비교하여, 제어대상에의 상태 및 변화를 보다 상세히 입력쪽에 피드백할 수 있기 때문에, 제어대상(100)의 출력(y)과 제어량이 상이한 경우라도, 높은 제도로 제어량을 목표치에 일치시킬 수 있다.

또한, 실시예의 제어시스템에 있어서는, 최종적으로는, 제어대상(100)의 내란 및 외란등을 반영한 실제의 상태량을 추정하는 제1추정부(20)를 사용하지만, 시스템의 상승개시직후의 과도기에는, 제어대상(100)의 상태량을 시뮬레이션적으로 추정하는 제2추정부(30)가 우선적으로 사용된다. 요컨대, 제1추정부(20)가 제어대상(100)의 실제 상태랑보다더 빠르게 상태량을 추정한 경우는, 제어량의 초기치나 서보의 무게에 따라서는, 추정치가 불안정으로 되어, 상승시에 제어량이 오버슈트하거나, 언더 슈트하는 염려가 있다. 한편, 제2추정부(30)는, 제어대상(100)의 출력(y)를 관측하기 않기 때문에, 제어대상(100)내의 실제의 상태량을 추정할 수는 없으나, 상승시는, 제어대상(100)의 본래의 특성에 따른 안정된 추정치를 부여할 수가 있다. 따라서, 제1추정부(20)의 추정치가 안정하기 까지의 동안은, 제2추정부( 30)의 추정치를 잠정적으로 사용함으로써 시스템의 상승직후의 과도기간이라도 안정되고 또한 고정밀도의 피드백제어를 실시할 수가 있다.

제4도는, 상기 실시예의 제어시스템에 있어서의 제어대상(100)을 웨이퍼 온도제어기구로한 예를 나타내고 있다. 이것에 의하면, 웨이퍼 온도제어기구는, 예를 들면 CVD 장치에 사용된다. 도면 중, 콘트로울러(10)를 제외한 부분이 제어대상 (100)에 상당한다.

제4도의 온도제어기구에서, 진공챔버(102)내에는, 피처리체로서 반도체웨이퍼(104)의 소정의 지지부재(Support member)(도시않음)에 의하여 소정위치에 배치되고, 웨이퍼(104)의 아래쪽 챔버 바닥부에 쿼츠원도우(Quart window)(106)가 배설된다. 챔버(102)의 외부에 가열램프(108)가 배설되고, 가열램프(108)로부터의 광은 퀴츠원도우(108)를 통하여, 웨이퍼(104)의 뒷면을 조사하고, 그 광에너지에 의하여 웨이퍼(104)가 가열된다. 웨이퍼(104)의 표면(상면)은 피처리면이며, 이 피처리면 끝온도가 제어량이다.

웨이퍼의 뒷면 둘레부에는, 온도센서로서의 열전대(110)가 부착되고, 이 열전대(110)의 출력전압은 제어대상(100)의 출력(y)으로서 케이블(112)을 통하여 콘트로울러(100)에 부여된다. 또한 열전대(110)에 광램프(108)로부터의 광이 입사하지 않도록 도시하지 않는 차폐판에 의해 열전대(110)는 차폐된다.

가열램프(108)는, PWM증폭기(114)로부터의 전력을 슬립링(1160을 통하여 수취하고, 모터(118) 및 기어(120) 및 (122)로 되는 회전구동기구에 의하여 회전축( 124)과 일체적으로 회전하면서 웨이퍼(104)에 광을 조사한다.

PWM증폭기(114)는, 콘트로울러(10)로부터의 온도 제어전압을 제어입력(u)으로하고, 온도제어전압을 전력증폭하고 나서 PWM신호로서 가열램프(108)에 공급한다. 전력제어부(124)는, 상승시나 이상시에 PWM증폭기(114)를 온·오프 제어한다.

또한, 진공챔버(102)에서, 웨이퍼(104)와 쿼츠윈도우(106)와의 사이에는, 광파이버(126)의 한쪽끝단이 통되어 있고, 이 광파이버(126)의 다른 끝단을 광속(강도)를 광 파이버(126)를 통하여 검출된다.

광속검출치는 유리 파괴 인터록수(glass destroy interlock scetion)(103)에 부여된다. 퀴츠원도우(106)가 흐려져 있으면, 이 쿼츠윈도우(106)에 의해 흡수되는 광이 증대되는 분량만큼, 웨이퍼(114)에 공급되는 광 에너지가 감소되는 동시에 퀴츠원도우(106)가 피괴될 위험성이 높아진다. 그래서, 광속모니터치가 소정치까지 감소했을 때는, 글라스 파괴 인터록부(130)로부터 가열정지신호가 PWM증폭기(114)에 부여되고, 가열램프(108)가 소등된다.

상기 구성의 웨이퍼 온도제어기구에서, 제어대상(100)의 출력(y)은 웨이퍼 (104)의 뒷면온도를 나태내고, 제어량인 웨이퍼(104)의 표면(피처리면)의 온도를 나타내지 않는다. 제5도는 제어량(웨이퍼 표면온도), 이 웨이퍼 온도제어기구를 상승한 경우의 웨이퍼(104)의 표면온도가 열전대검출온도(웨이퍼(104)의 뒷면 둘레부의 온도)의 시간특성의 1예를 나타내고 있다. 제5도에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 온도와 열절대 검출온도와의 사이에는 시간지연이 존재한다. 또한, 제5도는, 추정부를 사용하지 않는 경우의 특성을 나타내고 있고, 웨이퍼 표면온도의 상승속도가 지연되고 있는 것을 알 수 있다.

본 실시예에서는, 제어량(웨이퍼 표면온도은 제어 대상(100)내의 1개의 상태량으로서 모델화 되어도 된다. 또, 가열램프(108)의 발광 에너지로부터 웨이퍼 (104)의 뒷면 중심부의 온도까지의 계를 2차지연의 계 및 웨이퍼(104)의 뒷면중심부의 온도로부터 웨이퍼 표면온도를 통하여 웨이퍼 뒷면 둘레부의 온도, 요켠대 열전대(110)의 검출온도(y)까지의 계를 2차 지연의 계로 하고, 그들 2개의 2차지연의 계가 케스케이드 접속된 계로 하여 이 제어대상(100)을 4개의 계로 모델화 하여도 된다. 이 경우, 4개의 상태량 × 0, × 1, × 2 및 × 3이 정의 되어, 그중 예를 들면 × 1이 제어량(웨이퍼 표면온도)에 대응하고, 예를 들면 × 3이 출력(y)에 대응한다.

본 실시예의 콘트로울러(10)는, 제1추정부(20)와, 제2추정부(30)를 변용함으로써, 제어량을 목표치에 일치시키기 위한 온도제어를 시스템 상승 개시직후부터 안정되게 또한 고정밀도를 실시할 수가 있다.

제6도는 이 실시예의 제어시스템의 동작특성을 나타낸다. 제5도의 경우, 즉 제1 및 제2추정부(20) 및 (30)을 사용하지 않는 경우와 비교하여, 위는 표면온도의 상승속도가 현격하게 빨라지고 있다.

또, 오버슈트나 언더슈트가 발생할 염려가 없다.

제7도는, 가상시스템, 즉 제2추정부(30)를 사용하지 않고, 시스템의 상승개시부터 제1추정부(20)를 동작시킨 경우의 특성을 나태내고 있다. 제7도에서 알 수 있듯이, 제1추정부(20)의 경우, 제어대상(100)의 실제의 상태보다도 빠르게 상태량을 추정하게 되면, 제어량의 초기치나 서보의 무게에 따라서는, 역응답하여서 추정치가 대폭으로 틀리게 되어, 상승시에 제어량이 오버슈트하거나, 언더슈트할 염려가 있다.

상기 실시예는, 웨이퍼 온도제어기구에 적용한 것으로서 본 발명을 설명하였으나, 다른 온도제어기구나 각종 제어기구에 본 발명의 제어시스템은 적용할 수 있다.

또, 상기 실시예에서는, 시스템 상승시에 제2추정부(30)로부터 제1추정부( 20)로 전환이 실시되고 있으나, 그 밖의 때일지라도 필요에 따라서 조건적으로 제2추정부로부터 제1추정부로 및 그 반대로 전환을 실시할 수가 있다. 또한 상기 실시예에서는, 1차 지연요소가 전환되고 있으나, 2차, 3차등의 여러차의 지연요소를 전환하여도 되고, 선형시스템 조사가능이라는 필요조건이 충족되고 있으면 된다.

서보부(60)의 구성은 임의로 변형하여도 된다.

또, 제1 및 제2추정부(20) 및 (30)은 루겐버거 옵저버 및 가상시스템에 각각 한정되지 않고, 다른 형의 옵저버에 의해 구성되어도 된다.

또, 제9도에 나타내 바와 같이, 제1추정부(20)에서, 계수기(22) 및 (23)에 제2추정부(30)의 계수 매트릭스[BP],[AP]를 각각 설정하여 그들 계수가 (22) 및 (23)와 적분기로 제2추정부(30)를 겸용시키도록 해도 된다.

이 경우, 제어대상(100)의 출력(y)은, 전환부의 가산기(70) 및 지연처리부 (72)를 통하여 제1 및 제2추정부(20) 및 (30)에 부여된다. 제1 및 제2추정부(20) 및 (30)의 출력은, 가산기(70)의 다른쪽 입력단자에 부여되는 동시에 서보부(60)에 부여된다.

시스템 상승시, 제어대상(100)의 출력(y)은 제1지연처리부(41)를 경유함으로써(1-e^-t/T)의 시간지연으로, 제1추정부(20)에 부여됨으로써, 제1추정부(20)의 출력은 (1-e^-t/T)의 시간지연으로 상승한다.

한편, 제2추정부(30)의 출력은, 제2지연처리부(46)를 경유함으로써, -e^-t/T의 시간지연으로 감쇠한다.

이것에 의해, 전환부(40)의 가산기(52)로부터, 상승 개시직후는, 제2추정부 (30)에 의해 추정된 상태량이 출력되고, 소정시간후의 안정기에서는 제1추정부(20)에 의해 추정된 상태량이 출력되고, 전환기간중의 쌍방의 상태량에 각각 -e^-t/T및 (1-e^-t/T)의 중복을 첨가해서 맞춘 상태량이 출력된다.

다음에, 제4도에 나타낸 바와 같은 웨이퍼 온도제어기구와 같은 피자동제어 플랜트의 응답특성을 직접 조사하는 것이 곤란 또는 불가능하더라도, 혹은 피동적 플랜트가 변경된 경우라도, 용이하게 목적하는 피자동제어 플랜트를 자동제어할 수 있는 자동제어시스템을, 제10도에 침조하여 설명한다.

플랜트 자동제어부(plant identification section)(210)은, 아미트로 컴퓨터로 되고, 기능적으로는, 자동제어입력 발생부(iidentfication input generation section)(212), 자동제어출력회수부(identfication output recovery section)(214) 및 자동제어연산처리부(identfication arithmetic process section)(216)를 가진다. 자동제어입력발생부(212)는, 플랜트 자동제어을 위한 입력신호, 예를 들면 스텝신호(step signal), 정규난수 신호(normal random number signal)등을 발생한다. 자동제어 출력회수부(214)는, 플랜트의 응답출력 또는 시스템출력을 거뒤들이고, 그 출력데이타를 예를 들면 ROM으로 되는 룩업테이블에 의하여 선형근사하게 한 위에서, 기억장치에 유지한다. 자동제어연산처리부(216)는, 후술하는 바와 같은 제어제어처리의 연산을 실행하여, 피자동제어 플랜트의 파라미터를 구한다.

웨이퍼 가열플랜트(220)는, 제4도의 웨이퍼 온도제어기구(100)에서, 콘트로울러(10)로부터의 조작량에 따라서 웨이퍼(104)의 표면온도를 가열하는 부분에 상당하는 내부플랜트이다. 이 웨이퍼 가열플랜트(220)는, 가열램프(108)로부터 웨이퍼(104)의 표면(피처리면)까지 열전달계로서의 웨이퍼 플랜트(222)외에 전기신호 처리계의 PWM증폭기(114) 및 콘트로울러(10)내의 출력부 D/A 변환기(140a)등을 포함하고 있다.

웨이퍼 온도측정 플랜트(230)는, 제4도의 웨이퍼 제어기구(100)에서, 웨이퍼 (104)의 온도를 콘트로울러(10)에 피드백하는 부분에 상당하는 내부 플랜트이다.

이 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)는, 웨이퍼(104)의 표면으로부터 웨이퍼 뒷면 둘레부에 눌러 접해져서, 그 온도를 검지하는 열전대(110)의 출력단자까지의 열전달, 열변환계로서의 센서플랜트(232)외에, 센서출력신호(y)를 전송하는 케이블(112)등의 센서출력전송부(sensor output transmisson section)(234)및 콘트로울러(10)내의 입력부의 A/D변환기(140b)등을 포함하고 있다. 센서출력전송부 (234)에는, 열전달(110)의 출력신호와, 후술하는 바와 같은 실측에 의한 자동제어용 열전대(identification thermocoupler)(240)(제11도)의 출력신호를 전환하기 위한 스위치 또는 멀티플렉서가 포함되어 있다.

웨이퍼 온도제어기구(100)에서, 웨이퍼가 가열플랜트(220)및 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)는 각각 선형의 내부플랜트이다. 또, 양 플랜트(220)및 (230)는, 직렬로 결합되어 있고, 서로 관련하고 있다.

다음에, 제10도의 자동제어시스템의 동작을 설명한다.

이 자동제어시스템은, 알려지지 않은 파라미터를 가졌을 때의 가열플랜트 (220)의 자동제어에 적용된다. 플랜트 자동제어시스템을 실시함에 있어서, 웨이퍼 가열플랜트(20)에 관련하는 플랜트인 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)의 파라미터가 기지이고, 그 수학적 모델이 확정되어 있을 필요가 있다. 그래서, 실측에 의하여 미리 온도측정플랜트(230)가 자동제어된다. 이 자동제어을 행하기 위하여, 제11도에 나타낸 바와 같이 자동제어용 웨이퍼(104')가 진공챔버(102)내에 배치되고, 웨이퍼(104')의 표면 중심부에는, 자동제어용 열전대(240)가 부착된다.

이 열전대(240)의 출력단자는, 케이블(242)을 통하여 센서 출력전송부(234)내의 전환스위치의 다른쪽 입력단자에 접속된다. 웨이퍼(104')의 뒷면 둘레부에는 CVD 공정시와 같은 열전대(110)가 열전도성 캡(110a)을 통하여 접촉된다. 이 열전도성 캡(110a)은, 열전대(110)와 웨이퍼(104)와의 접촉상태를 안정화하고 또한 CVD 공정시에 열전대(110)의 감온부가 분위기 가스로부터 받는 열적영향을 적게하는 작용이 있다.

최초에, 웨이퍼 가열플랜트(220)의 응답특성이 실측된다. 이 때문에, 센서출력전송부(234)는 자동제어용 열전대(240)로 전환된다. 플랜트 자동제어부(210)의 자동제어입력 발생부(212)에서 자동제어용의 입력으로서의 소정의 디지탈신호(Sin)가 발생된다. 이 디지탈 자동제어입력신호(Sin)는, D/A변환기(140a)에 의해 아날로그신호로 변환되어서 PWM 증폭기(114)에 온도제어 전압으로서 입력된다. PWM증폭기 (114)는, 온도제어전압에 따른 PWM신호(전력)을 램프(108)에 공급한다.

이 전력공급을 받아서 가열램프(108)는 발광하고, 가열램프(108)에서 조사되는 광에너지에 의하여 웨이퍼(104')가 가열된다. 그 결과, 웨이퍼 플랜트(222)에 고유의 시간지연으로 웨이퍼(104')의 표면온도가 상승한다. 이 웨이퍼 표면온도는 열전대(240)에 의하여 검출된다. 열전대(240)의 출력신호는, 센서출력전송부(234)를 통하여 A/D변환기(140b)에 보내져서 디지탈 신호로 변환되어, 웨이퍼 가열 플랜트(220)의 응답출력(Sout)으로서 플랜트 자동제어수(210)의 자동제어출력회수부( 214)에 거둬들어진다. 이 자동제어출력회수부(214)에 거둬들어진, 웨이퍼 가열플랜트(220)의 응답출력 데이타(Sout)는, 자동제어출력 회수부(214)내의 기억 장치에 기억된다.

다음에, 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)의 응답특성이 실측된다. 이 실측을 위하여, 센서출력전송부(234)는 통상의 온도검출용 열전대(110)로 전환된다.

플랜트자동제어부(210)의 자동제어입력발생부(212)로부터 상기와 같은 디지탈 자동제어입력신호(Sin)가 웨이퍼 가열플랜트(220)가 D/A 변화기(140a)에 부여된다. 이것에 의해, 램프(108)가 발광하고,그 광에너지에 의하여 웨이퍼(104')가 가열되고, 웨이퍼 플랜트(222)에 고유의 시간 지연으로 웨이퍼(104')의 표면온도가 상승한다. 웨이퍼(104')의 뒷면 둘레부의 온도가 열전대(110)에 의하여 검출된다. 열전대(110)의 출력신호는, 센서출력전송부(234)를 통하여 A/D변환기(140b)에 보내져서, 디지탈 신호로 변환된다. 이 디자탈신호는 웨이퍼 가열플랜트(230)와 웨이퍼 온도측정플랜트(230)를 포함한 시스템의 출력(Sout)으로서 플랜트 자동제어부(210)의 자동제어출력회수부(214)에 거둬들어진다. 이 경우, 웨이퍼 온도측정플랜트 (230)는, 웨이퍼 가열플랜트(220)의 출력(Sout)을 입력으로서 받고, 출력(Sout)을 낸다. 웨이퍼 가열플랜트(220)의 출력(S)은, 앞서의 웨이퍼 가열플랜트(220)의 응답특성의 실측에서 자동제어출력회수부(214)내의 기억장치에 유지되어 있다.

따라서, 웨이퍼 온도측정플랜트(230)에서의 입력(S)과 출력(Sout)의 데이타가 정돈되어, 웨이퍼 온도측정플랜트(230)의 응답특성이 실측된 것이 된다.

자동제어연산처리부(216)는, 그 응답특성을 기초로 소정의 파라미터 산정법, 예를 들면 최소자승법(least square method)을 사용하여 웨이퍼 온도측정 플랜트 (230)의 파라미터를 구한다. 이와 같이 하여 웨이퍼 온도측정플랜트(230)의 파라미터가 구하여 짐으로써 웨이퍼 온도측정플랜트(230)가 자동제어되고, 그 숫자모델이 확정된다.

웨이퍼 가열플랜트(220)에 있어서도, 그 응답출력(S)에 의거하여 파라미터를 구할 수가 있다. 단, 실제의 CVD 공정에서의 웨이퍼(104)가 자동 제어용 웨이퍼 (104')로 틀리거나, 혹은 가열램프(108)나 PWM 증폭기(114)등이 변경 또는 개조된 경우는, 웨이퍼 가열 플랜트(220)의 파라미터가 변하게 된다. 이점, 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)에서는, 자동제어용 웨이퍼(104')가 실제의 웨이퍼(104)로 바꿔옮겨지더라도 응답특성에 영향이 미치는 일도 없고, 또 장치회로의 변형 또는 개조도 거의 행해지지 않으므로, 파라미터 알려진 참조 웨이퍼를 사용하여 후술하는 방법에 의해 재자동제어할 수가 있다. 따라서, 상기와 같이 실험모델을 사용하여 구하여진 웨이퍼 온도측정플랜트(230)의 파라미터 및 수학적 모델은, 실제의 CVD 공정시에 있어서도 그대로 적용할 수 있다.

제12도 및 제13도는, 상기와 같은 실측에 의해서 얻어지는 웨이퍼 가열 플랜트(220)의 웨이퍼 온도 측정플랜트(230)의 응답 특성예를 나태내고 있다. 제12도는 입력신호(Sin)로서 스텝파형 신호를 사용한 경우의 특성을 나타내고, 제13도는 입력신호(Sin)로서 정규난수(定規亂數)를 사용한 경우의 특성을 나타낸다.

상기와 같은 이유에 의해 웨이퍼 가열플랜트(220)의 파라미터가 바뀐 경우, 이 실시예에 의한 플랜트 자동제어시스템이 사용된다. 이 자동제어시스템에서는, 자동제어용 열전대(240)를 사용하지 않는다. 따라서 센서 출력전송부(234)는 통상의 온도검출용 열전대(110)에 접속된다. 플랜트자동제어부(210)의 자동제어입력 발생부(212)는, 자동제어용 입력 신호로서 적당한 디지탈 신호(Sin)를 발생한다. 이 디지탈신호(Sin)는, 상기 실측에 의한 자동제어에서 사용한 신호와 같은 신호이거나, 다른 신호라도 된다. 이 디지탈 자동제어입력 신호(Sin)는 D/A 변환기(140a)에 의해 아날로그 신호로 변환된 PWM 증폭기(114)에 온도제어전압으로서 입력된다. PWN 증폭기(14)는 그 온도제어전압에 따른 PWM 신호(전력)를 램프(108)에 공급한단.

이 전력공급을 받아서 가열램프(108)가 발광하고, 가열램프(108)에서 조사되는 광에너지에 의하여 웨이퍼(104)에 가열된다. 그 결과, 웨이퍼 가열플랜트(220)에 고유의 시간지연으로 웨이퍼(104)의 표면온도가 상승한다. 웨이퍼(104)의 뒷면 둘레부의 온도가 열전대(110)에 의하여 검출된다. 열전대(110)의 출력신호는 센서출력 전송부(234)를 통하여 A/D변환기(140b)에 보내져서 디지탈 신호로 변환되어, 웨이퍼 가열플랜트(220) 및 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)를 포함한 시스템의 출력(Sout)으로서 플랜트 자동제어부(210)의 자동제어출력회수부(214)에 거둬 들여진다.

이 실시예에서는, 플랜트 자동제어부(210)의 자동제어연산 처리부(216)에서, 다음과 같은 알고리즘에 의해 알려지지 않은 파라미터를 가지는 웨이퍼 가열 플랜트(220)를 자동제어한다. 제10도에 나타낸 바와 같이 웨이퍼 가열플랜트(220)와 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)는 내부 플랜트로서 서로 직렬로 결합되어 있으므로, 플랜트(220) 및 (230)에 대응하는 수학적 모델 G1(Z^-1) 및 G2(Z^-1)도 서로 직렬로 결합된 것으로서 나타나게 된다.

이들 수학적 모델 G1(Z^-1) 및 G2(Z^-1)는, 예를 들면 이산 ARMA(자기회기 이동평균 : )모델을 사용하면 다음식과 같이 나타내게 된다.

G1((Z^-1) = (a1lZ-1 += …a1nZ^-1)/(1+ b1lZ^-1+…b1nZ^-1)… (1)

G2(Z^-1) = (a2lZ^-1+= …a2nZ^-1)/(1+ b2lZ^-1+…b2nZ^-1)… (2)

여기서, 웨이퍼 가열플랜트(220)는 피자동제어 플랜트이므로 수학적 모델G1(Z^-1)의 파라미터 all,…, a2n, b21,…, b2n는 기지인 것이다. 이들의 수학적 모델 G1(Z^-1) 및 G2(Z^-1)은 각각 선형 모델이므로, 수학적 모델 G1(Z^-1) 및 G2(Z^-1)가 서로 바꿔옮겨지더라도, 동일한 입력신호(Sin)에 대하여 바꿔옮기지 않는 경우와 같은 출력신호(Sout)가 얻어진다. 따라서, [입력 Sin]에 대한 웨이퍼 온도 측정플랜트(230)의 수학적 모델 G2(Z^-1)의 응답출력[Sout(30)]은 다음식에 의해 구하여진다.

[Sout(30)] = G2(Z^-1) ㆍSin … (3)

여기서, [Sin]은 상기 그 방법에 의해 자동제어입력발생부(212)에서 발생된 디지탈 신호(Sin)의 값(데이타)이다.

상기식(3)에 의해 구하여진 모델 G2(Z^-1)의 응답출력[Sout(30)]은 웨이퍼 가열플랜트(220)의 수학적 모델 G1(Z^-1) 의 입력이 된다. 따라서, 수학적 모델 G1(Z^-1) 에 대해서는 다음식이 성립된다.

G1(Z^-1) ㆍ[Sout(30)] = [Sout(30,20)] = Sout(20,30) … (4)

여기서 [Sout(30, 20)]은 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)의 경우의 응답출력이며, [Sout(30, 20)]은, 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)의 경우의 응답출력이며, 상기 실측에 의해 자동제어출력회수부(214)에 거둬들여진 시스템출력(Sout)(20,30)의 값이다.

모델 G1(Z^-1) 의 알려지지 않은 파라미터 all,…, a1n, b1l,…,b1n의 개수가 2n개의 경우, [Sout(30)]과 그것에 대응하는 [Sout(20,30)]이 조합이 2n개 주어진다면, 상기식(4)에서 2n개의 방정식을 얻을 수 있으므로, 그들 방정식을 풀도록 함으로써, 미리 파라미터 all,…,a1n, b11,…, b1n를 전부 구할 수가 있다.

보다 정도높은 파라미터를 구할 경우는 예를 들면 최소 자승법이나 카르만·필터(Kalman filter)등에 의한 파라미터 산정법을 사용해도 된다.

상기와 같이하여 구하여진 파라미트 all,…,a1n,b1l,…b1n에 의하여 웨이퍼 가열플랜트(220)의 수학적 모델 G1(Z^-1) 이 확정된다. 이 수학적 모델 G1(Z^-1)을 기초로 설계된 추정부, 예를 들면 동일차원 추정부 혹은 최소차원 추정부는 제4도의 콘트로울러(10)에 짜 넣어지고, 또 최적 피드백 파라미터가 결정된다. 이것에 의해, 웨이퍼 온도제어기구(100)에 있어서는, 웨이퍼(104)의 피치리면(표면)온도를 목표치에 일치시키는 최적 피드백제어가 행해진다.

웨이퍼 가열플랜트(220)에서, 예를 들면 웨이퍼(104)이 종류가 바뀌고, 파라미터가 바뀐경우, 상술한 실시예의 플랜트 자동제어방법을 재차 실시하면 된다.

이 실시예의 경우, 상기 실시예의 플랜트 자동제어시스템은 실험모델을 사용하지 않고 기지파라미터를 가진 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)의 수학적 모델 G1(Z^-1) 을 사용하여 알고리즘에 의하여 웨이퍼 가열플랜트 (220)의 파라미터를 구하므로, 용이하게 실시할 수가 있다.

또, 시스템 전체를 하나의 플랜트로서 자동제어하는 것이 아니고, 웨이퍼 가열플랜트(220) 및 웨이퍼 온도측정플랜트(230)의 내부 플랜트로 나누어서 피자동제어플랜트(웨이퍼 가열플랜트(220)를 쥐어짜듯이 넣고 자동제어하므로, 정밀도 높은 파라미터를 얻을 수 있고, 따라서, 추정능력 1 높은 추정부를 설계할 수 있다.

제14도에는, 웨이퍼 가열플랜트(220)의 수학적 모델 G1(Z^-1) 의 응답출력을, 플랜트(220)의 실측에 의한 응답출력과, 대비한 검증예를 나타내고 있다.

수학적 모델 G1(Z^-1) 의 응답출력[Sout(30)]은, 다음식에 의해 연산된 값이다.

[Sout(20)] = G1(Z^-1) ㆍ[Sin] … (5)

한편, 실측에 의한 플랜트(220)의 응답출력(Sout)(20)은, 제11도에 나타낸 바와 같은 실험모델을 사용하여 자동제어용 열전대(240)로부터 얻어지는 실측치이다. 제13도에 나타낸 바와 같이 수학적 모델 G1(Z^-1) 의 응답출력 [Sout(20)]은, 실측에 의한 플랜트(20)의 응답출력(Sout)(20)에 잘 근사하고 있다. 또한 제13도에서는, 센서 플랜트가 변경된 경우, 알려진 G1(Z^-1) 를 사용하여 G2(Z^-1)를 추정했을 때의 파라미터에 의한 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)의 G2(Z^-1)의 응답출력[Sout(20, 30)]을 실측에 의한 플랜트(220) 및 (230)의 응답출력(열전대(110)의 검출온도 )(Sout)(20,30)와 대비한 검증예도 나타나 있다.

상기 실시예에서는, 웨이퍼 온도 제어기구(100)를 웨이퍼 가열플랜트(220)와 웨이퍼 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)와의 2개의 내부플랜트로 나타냈으나, 다른 내부플랜트를 고려하는 것도 가능하다. 예를 들면, 피드백용 열전대(110)에 가열램프 (108)에 가열램프(108)로부터의 광이 직접 조사하는 경우는, 이 바이패스분의 열전달계가 "열전달 플랜트"로서 웨이퍼 가열 플랜트(220)및 웨이퍼 측정플랜트(230)의 직렬 플랜트에 병렬로 결합되어도 된다. 이 경우, 직접 열전달 플랜트의 응답특성은, 웨이퍼(104)를 떼어낸 상태에서의 자동제어입력발생부(212)로부터의 입력(Sin)에 대한 열전대(110)의 출력신호(Sout(50)로서 실측할 수 있다. 이 실측에 의한 응답특성에서 직접열전달 플랜트의 파라미터가 구하여진다.

직접 열전달플랜트는, 웨이퍼 가열플랜트(220) 및 웨이퍼 온도측정플랜트(230)의 직렬 플랜트에 병렬로 결합된 내부플랜트이므로 입력(Sin)에 대한 웨이퍼 가열플랜트(220)및 웨이퍼 온도 측정플랜트(230)의 양출력(Sout)(20,30)과 입력(Sin)에 대한 직접 열전달 플랜트의 응답출력(Sout)(50)이 가산된 출력이 시스템전체의 응답출력(열전대(110)의 응답출력)(Sout)(20,30/50)으로서 얻어진다. 따라서, 이 실시예어서, 알고리즘에 의해 웨이퍼 가열플랜트(220)를 자동제어하는 경우는 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)의 직력모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)에, 직접 열전달 플랜트의 수학적 모델 G3(Z^-1) 이 병렬로 결합되어 이 수학적 모델 G3(Z^-1)에서의 파라미터 a3l,…,a3n,b3l,…b3n는 상기와 같은 실측에서 구하여지고 있으며,알려진 파라미터이다.

입력[Sin]에 대한 수학적모델 G3(Z^-1) 의 응답출력[Sout(50)]을 시스템 출력(Sout)(20,30/50)에서 감산함으로서 웨이퍼 가열플랜트(220) 및 웨이퍼 온도측정 플랜트(230)의 응답출력(Sout)(20,30)이 구하여진다. 이 후는, 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1) 의 경우와 같은 처리로 되고, 또, 수학적 모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1)와 같이 시스템 입력(Sin)과 시스템출력(Sout)(20,30)과 알려진 모델 G2(Z^-1)의 응답특성을 기초로 모델 G1(Z^-1)의 응답특성 및 파라미터 all,…a1n,b1l,…b1n를 구할 수가 있다.

이와 같이, 다수의 플랜트가 포함되어서도, 피자동제어 플랜트이외의 모든 플랜트가 알려진 파라미터를 가지는 것이라면, 시스템의 입출력의 데이타와 그들 다른 플랜트의 수학적 모델의 응답특성에 의거하여 피자동제어 플랜트의 수학적모델의 응답특성을 구하여, 그 수학적모델의 응답특성에서 소정의 파라미터 산정법에의하여 피자동제어 플랜트의 파라미터를 구할 수가 있다.

상기 실시예에 있어서의 알고리즘의 자동제어처리에서는, 수학적모델 G2(Z^-1) · G1(Z^-1)과 같이 가지의 모델 G2(Z^-1)에 입력 [Sin]을 부여했을 때의 응답출력 [Sout(30)]을 연산하고, 그 응답출력[Sout(30)]을 알려지지 않은 모델 G1(Z^-1) 의 알려진 입력으로하고, 이 알려진 입력[Sout(30)]과 알려진 시스템 출력(Sout )(20,30)에 대응하는 모델 G1(Z^-1) 의 응답출력[(Sout(30,20)]으로부터 알려지지 않은 모델 G1(Z^-1)의 응답특성을 구하였다. 이 방법은, 연산처리가 간단하다는 이점이 있다. 그러나, 수학적모델 G1(Z^-1) · G2(Z^-1) 이 경우에는, 알려지지 않은 모델 G1(Z^-1) 의 응답특성 및 파라미터를 구하는 것도 할 수 있다.

즉, 기지모델 G2(Z^-1)의 파라미터와 알려진 시스템출력(Sout)(20,30)으로부터 모델 G2(Z^-1)의 입력을 역산하여, 그 역산한 모델 G2(Z^-1)의 입력을 알려진 입력[Sin]에 대한 알려지진 않는 모델 G1(Z^-1) 의 응답출력[Sout(20)]으로 하는 것으로, 모델 G1(Z^-1) 의 응답특성 및 파라미터를 구할 수가 있다.

상기 실시예에서는, 웨이퍼 온도제어기구에 본 발명을 적용하고 있으나, 본 발명의 자동제어시스템은, 다른 온도제어기구나 각종 제어기구에 적용할 수 있다.

본 발명의 자동제어시스템에 의하면, 피자동제어플랜트와 동일한 시스템에 포함되는 관련 플랜트의 알려진 수학적모델을 이용하여 피자동제어 플랜트의 파라미터를 구할 수 있으므로, 피자동제어플랜트의 응답특성을 직접 조사하는 것이 곤란 또는 불가능하더라도, 혹은 피자동제어 플랜트가 변경된 경우라도, 용이하게 피자동제어 플랜트를 자동제어할 수가 있다.

Claims

제어입력에만 의거하여 제어대상의 상태량을 추정하는 추정부와, 상기 제어대상의 출력 및 상기 추정부의 출력중 하나를 선택하는 전화부와, 상기 제어대상의 출력 및 상기 추정부의 상태량을 상기 제어대상의 입력부에 피드백하여 상기 제어입력을 조정하는 서보부로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제1항에 있어서, 상기 전환부는, 제어시스템의 상승시에 추정부를 선택하고, 소정시간 경과한 후 상기 제어대상을 선택하는 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제2항에 있어서, 상기 전환부는, 상기 제어대상의 출력을 입력받아 점진적으로 상승하는 특성을 가지는 제1지연처리부와, 상기 추정부로부터의 상태량을 입력받아 점진적으로 하강하는 특성을 가지는 제2지연처리부를 구비함을 특징으로 하는 제어시스템.
제어대상에 제공되는 제어입력과 상기 제어대상으로부터의 출력에 의거하야 상기 제어대상의 제1상태량을 추정하는 제1추정부와, 제어입력에만 의거하여 상기 제어대상의 제2상태량을 추정하는 제2추정부와, 상기 제1 및 제2추정부중 하나를 선택하는 전환부와, 상기 제1 및 제2추정부중 하나로부터의 상태량을 상기 제어대상의 입력부에 피드백하여 상기 제어입력을 조정하는 서보부로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 전환부는, 제어시스템의 상승시에 제2추정부를 선택하고, 소정시간 경과한 후 상기 제1추정부를 선택하는 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제5항에 있어서, 상기 전환부는, 상기 제2추정부로부터의 상태량을 입력받아 점진적으로 상승하는 특성을 가지는 제1지연처리부와, 상기 제1추정부로부터의 상태량을 입력받아 점진적으로 하강하는 특성을 가지는 제2지연처리부를 구비함을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 제1추정부는, 상기 제어대상에 인가되는 제어입력과 상기 제어대상으로부터 출력되는 제어출력을 수신하여, 그에 따라서 상기 제어대상의 상태량을 추정하는 루겐버거·옵저버(Luenberger observer)로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 제2추정부는, 상기 제어입력에 응답하여 상기 제어대상에 수학적으로 근사한 상태량을 출력하는 가상 제어대상부로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 서보부는, 상기 전환부로부터의 출력을 상기 제어대상에 피드백하는 적분형 최적서보로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 서보부는, 상기 전환부를 통한 상태량에 소정의 제1계수 매트릭스를 곱셈하여 얻어지는 1차 피드백량을 피드백하는 제1피드백 계수수단과, 상기 전환부를 통한 상태량에 소정의 제2계수 매트릭스를 곱셈하여 얻어지는 2차 피드백량을 피드백하는 제2피드백 계수수단과, 목표치와 상기 1차 피드백량과의 편차를 구하는 제1가산수단과, 상기 제1가산수단으로부터의 편차에 소정의 제3계수 매트릭스를 곱셈하는 계수기와, 상기 계수기로부터의 출력을 적분하는 적분기와, 상기 적분기로부터의 적분출력과 상기 2차 피드백량을 가산하고, 상기 제어입력을 출력하는 가산기로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
제4항에 있어서, 상기 제어대상은 반도체 웨이퍼를 처리하는 웨이퍼 처리장치의 웨이퍼 온도제어기구인 것을 특징으로 하는 제어시스템.