KR100310544B1 - 자동제어방법및그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동제어장치는, 제어대상(2)의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 제어대상(2)의 제어량을 최적 레귤레이터(4)에 의해 제어한다. 이 자동제어장치는, 이득을 설정하기 위한 이득설정부(48)와, 상기 목표치와 상기 제어대상의 제어량을 비교하기 위한 비교부(52) 및, 이 비교부에서 얻어진 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 것에 응답하여 상기 이득설정부의 이득에 소정의 시간내에서 0∼1까지 증가하는 중량부가를 행하여 보정 조작량을 출력하기 위한 중량제어부(50)를 구비하여 구성되고, 이 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구한 조작량에 가산한다. 이에 따라, 한정된 범위내에서만 이득을 점차 크게 한 제어를 행하여 고속으로 고정밀도의 제어를 가능하게 한다.

Description

자동제어방법 및 그 장치

본 발명은, 일반적으로 반도체 제조장치 등의 온도제어시스템에 사용되는 자동제어방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 개량된 최적 레귤레이터를 갖춘 자동제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 집적회로 등의 반도체장치를 제조하기 위해서는, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여, 고온 하에서의 성막(film forming), 산화·확산처리나 에칭처리 등을 반복해서 행해야 한다.

예컨대, 매엽식(sheet-type)의 열처리장치의 경우에 있어서는, 처리용기내의 탑재대 상에 탑재한 반도체 웨이퍼를, 예컨대 가열램프 등의 가열수단에 의해 처리 온도, 예컨대 500℃∼600℃정도까지 가열처리하고, 소정의 처리 예컨대 성막처리나 산화처리 등을 행하도록 되어 있다.

이와 같이 반도체 웨이퍼를 고온하에서 처리하는 경우에 있어서 중요한 점은, 열처리의 균일성을 확보하기 위해 웨이퍼 온도를 처리온도에서 고정밀도로 유지할 수 있는가 하는 점이나, 높은 처리능력(throughput)을 얻기 위해 웨이퍼 온도를 어떻게 처리온도까지 고속으로 승온하고 또한 오버슈트(overshoot)없이 처리온도를 유지할 수 있는가 하는 점에 있다.

웨이퍼의 온도제어에 관해서는, 1입력 1출력을 중심으로 하여 주파수 특성에 기초해서 설계된 고전 제어이론 대신에, 다입력 다출력을 가지는 시스템의 디지털 제어와 같은 복잡한 시스템에 적합한 현대 제어이론이 이용되게 되었다(예컨대, "역학 시스템 제어"; 1984년 3월 20일 오옴(ohm)사 참조).

이 현대 제어이론에서는, 주어진 사양 하에서 평가함수를 최소로 하도록 제어하는 최적 제어성과 안정성에 관한 연구가 왕성하게 행하여지고 있고, 시스템의 표현은 입출력관계뿐만 아니라 시스템의 내부 상태까지 표현하는 상태표현이 이용된다.

상태표현을 방정식으로 나타낸 상태방정식에 기초한 시스템의 제어시스템 설계방법으로서, 폐루프 제어시스템의 안정화와 과도특성의 개선을 도모하는 것을 목적으로 하는 레귤레이터(regulator)가 있다. 이 경우, 전 상태변수가 직접 측정가능한 경우는 적고, 대신에 상태관측기(state observer)가 이용된다.

여기에서, 반도체 제조장치의 온도제어시스템의 일반적인 자동제어장치에 관하여 설명한다. 도 7은 반도체 제조장치의 온도제어시스템의 일반적인 자동제어장치의 일례를 나타낸 기능 블록 구성도이다.

도면중, 참조번호 2는 반도체 제조장치내의 웨이퍼 등의 제어대상이고, 이 제어대상의 온도를 제어한다. 참조번호 4는 적당한 평가함수를 최소로 하도록 피드백(feedback)계수 행렬을 결정하여 모든 필요한 방정식의 타협점을 찾도록 이루어진 최적 레귤레이터이다. 참조번호 8은 적분기 이득, 참조번호 10은 적분기이다.

또, 참조번호 12는 상태안정기 이득이고, 참조번호 14는 상태관측기이다. 상태피드백에 의한 제어에 있어서는, 상태가 시스템의 동작을 결정하는 필요 최소한의 정보량이라는 것을 생각하면 이 시스템이 가장 기본적인 것이다. 이 시스템에서는, 상태변수의 값을 직접 측정할 수 없는 경우도 있다. 그러한 경우에는, 상기 상태관측기(14)에 의해 제어대상의 직접 측정가능한 출력으로부터 상태변수의 값이 추정된다.

제어대상(2)으로부터 열전쌍을 매개로 하여 얻어진 온도, 즉 제어량은 피드백되어 가산기(6)에 마이너스부호로 부가되어 얻어진 온도와 목표치인 설정온도와의 차분(差分)이 구해진다. 이 차분에 적분기 이득(8)의 이득이 가미되어 적분기(10)에서 적분됨으로써 조작량이 구해진다.

한편, 측정된 제어량에 기초하여 상태관측기(14)에 의해 측정 불가능한 상태 변수가 구해지고, 구해진 상태변수 및 측정된 상태변수에 상태안정기 이득(12)의 이득이 가미되어 조작량이 얻어진다. 여기서 얻어진 조작량은, 앞의 적분기(10)에서 얻어진 조작량과 가산기(16)에서 가산되고, 이 가산량에 기초하여 제어대상(2)의 온도가 제어되게 된다. 더욱이, 이들 동작은 전부 마이크로컴퓨터 등에 의해 소프트웨어로 처리된다.

그런데, 이 종류의 제어시스템에 있어서는, 일반적으로 단일의 이득을 설정하고 있고, 더욱이 실제의 시스템은 대부분이 비선형 시스템이다. 이들 시스템에 있어서는, 전 제어영역에 있어서 안정한 응답을 나타낼 필요가 있기 때문에, 설정되는 이득은 안정동작이 가능한 보수적인 이득을 선택하지 않을 수 없었다.

즉, 제어시스템의 상태변화의 속도가 빠른 제어영역에서는 제어의 불안정한 요소로 되어 버리기 때문에, 대단히 빠른 상태변화에 대해서는 즉시 응답하지 않는 이득을 설정하지 않을 수 없었다.

그 때문에, 제어대상의 제어량이 목표치 근방에 도달하고 나서 이것이 안정화될 때까지 많은 시간이 걸리게 되어 충분히 빠른 제어를 행할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

또, 이러한 문제점에 대처하기 위해 종래와 같이 각 온도대역마다 개별 이득을 설정하는 것은, 수많은 파라미터(상태변수 × 온도대역 + α)를 갖지 않으면 안되어 복잡한 설계문제로 되어 버린다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점에 주목하여 이것을 유효하게 해결하고자 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 제어량을 고속이면서 고정밀도로 제어할 수 있는 자동제어방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

제1도는 제어대상으로 되는 반도체 제조장치를 나타낸 개략구성도이고,

제2도는 제1도의 장치에 이용되는 자동제어장치를 나타낸 블록구성도,

제3a 및 3b도는 이득의 변화상태를 나타낸 그래프로, 제3a도는 이득설정부에서 미리 설정해 둔 이득(K)에 0∼1까지, 예컨대 10초간 걸려서 점차 증가하는 중량부가를 행하고, 이 증가된 이득에 기초한 조작량을 출력할 때의 상태이득의 변화상태를 나타낸 그래프이며, 도 3b는 높은 이득의 제어 도중에 있어서 목표치의 설정이 변화한다거나, 혹은 외란이 입력되어 목표치의 소정 범위내를 이탈한 경우에, 중량제어부로부터 출력되는 보정 조작량은 0(제로)으로 하고, 절환부를 절환하여 제어부의 출력을 적분기에 부가하여 제어의 불연속점을 없애도록 한 상태의 이득의 변화상태를 나타낸 그래프,

제4도는 본 발명에 따른 자동제어방법의 제어동작을 나타낸 플로우차트,

제5도는 종래의 방법에 의해 제어했을 때의 제어대상의 측정된 온도측정치와 공급전력을 나타낸 그래프,

제6도는 본 발명에 따른 자동제어방법에 의해 제어했을 때의 제어대상의 온도 측정치와 공급전력을 나타낸 그래프,

제7도는 일반적인 자동제어장치의 일례를 나타낸 블록구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 제어대상 4 : 최적 레귤레이터

8 : 적분기 이득 10 : 적분기

12 : 상태안정기 이득 14 : 상태관측기

18 : 처리용기 22 : 탑재대

24 : 열전쌍 26 : 텅스텐 램프

44 : 자동제어장치 46 : 온도검출부

48 : 이득설정부 50 : 중량제어부

52 : 비교부

본원 발명자는, 현대 제어이론에 대해 예의 연구한 결과, 제어량이 목표치에가까운 좁은 제어영역에 들어가면, 제어대상의 제어량을 선형으로 간주할 수 있기 때문에 높은 이득을 설정할 수 있다는 점에 착안하여, 본 발명에 이른 것이다.

즉, 본 발명은, 제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 제어를 행하는 자동제어장치를 제공한다. 이 자동제어장치는, 제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 조작량을 제어하는 최적 레귤레이터와, 상기 목표치와 상기 제어대상의 제어량을 비교하여 상기 목표치와 상기 제어량의 차분을 구하는 비교부, 이 비교부에 의해 얻어진 차분을 증폭하기 위한 이득을 설정하는 이득설정부 및, 이 이득설정부에 의해 설정된 이득에 소정시간내에서 중량이 0∼1까지 증가하도록 중량부가를 행하고, 상기 비교부에서 얻어진 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 것에 응답하여 상기 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 후의 시각에서 중량부가된 이득에 의해 차분을 증폭하여 보정 조작량을 구하며, 이 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구해진 조작량에 가산되도록 출력하는 중량제어부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 제어대상의 제어량이 목표치의 소정의 범위 외에 있어서는, 종래 방법과 마찬가지로 제어된다. 이에 대해, 제어량이 목표치의 소정의 범위내에 들어가면, 중량제어부는 중량을 0으로부터 1까지 소정의 시간내에서 서서히 증가시켜 이득설정부에 설정되어 있는 이득에 대해 중량부가를 행하고, 이것에 기초한 조작량을 출력한다. 이 때문에, 이 좁은 제어영역에서만 한정적으로 높은 이득을 설정할 수 있고, 게다가 제어의 불연속점을 발생시키는 일이 없으므로 고속이면서 고정밀도로 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

또, 이러한 높은 이득에서의 제어 중에 외란(disturbance)의 입력이나 목표치의 변화 등에 의해 차분이 소정의 범위 외로 이탈한 때에는, 이 중량제어부로부터의 출력을 최적 레귤레이터의 적분기로 입력시키도록 하면, 불연속점이 발생되는 일도 없다.

이와 같은 제어대상으로서, 예컨대 반도체 제조장치를 이용할 수 있고, 제어량으로는 이 장치내의 예컨대 피처리체로서의 반도체 웨이퍼의 온도가 대응한다.

본 발명의 자동제어방법 및 그 장치에 의하면, 다음과 같이 우수한 작용·효과를 발휘할 수 있다.

제어대상의 제어량이 선형으로 간주되는 좁은 영역에서만, 최적 레귤레이터에 의한 제어를 가하여 한정적으로 서서히 증가하는 큰 이득으로 제어하도록 했으므로, 고속이면서 고정밀도로 안정한 제어를 행할 수 있고, 게다가 제어의 불연속점이 발생하는 일도 없다.

또, 외란 등에 의해 차분이 소정의 범위를 이탈한 경우에 있어서도, 즉시 중량제어부로부터의 조작량을 0으로 하여 적분기에 가하도록 했으므로, 제어의 불연속점이 발생하는 일이 없다.

특히, 본 발명을 반도체 제조장치의 온도제어시스템에 적용함으로써, 신속하게 피처리체의 온도를 안정시킬 수 있어, 그만큼 처리능력을 향상시킬 수 있다.

[실시예]

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 자동제어방법 및 그 장치의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 제어대상으로 되는 반도체 제조장치를 나타낸 개략구성도이고, 도 2는 도 1의 장치에 이용되는 자동제어장치를 나타낸 블록구성도이며, 도 3은 이득의 변화상태를 나타낸 그래프이다.

본 실시예에 있어서는, 본 발명의 자동제어장치를 반도체 제조장치의 반도체웨이퍼의 온도를 제어하는 온도제어시스템에 적용한 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 도 7에 있어서 나타낸 구성부분과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.

우선, 도 1에 나타낸 반도체 제조장치에 대해 설명하면, 도면중 참조번호 18은 예컨대 알루미늄제의 원통체(圓筒體 : cylindrical body) 상의 처리용기로, 내부는 진공펌프(도시하지 않음)에 의해 진공배기가 가능하게 설계되어 있다. 이 처리용기(18)의 바닥에는, 열선을 통과하는 예컨대 투명석영제의 투과창(20)이 설치되고, 그 위쪽에는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)를 탑재하는 예컨대 얇은 흑연(graphite)제의 탑재대(22)가 설치되어 있다.

그리고, 이 탑재대(22)내에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 간접적으로 검출하기 위한 온도검출수단으로서, 예컨대 열전쌍(24)이 삽입되어 있다. 도시의 예에서는 1개의 열전쌍(24)을 나타내고 있지만, 통상은 복수개, 예컨대 3개 정도 설치된다.

또, 상기 투과창(20)의 아래쪽에는, 가열수단으로서 예컨대 복수의 텅스텐 램프(26)가 램프 테이블(28)상에 부착 고정되어 있고, 이 램프 테이블(28)의 하면에는 종동기어(30)가 끼워져 있는 회전축(32)의 선단이 부착 고정되어 있다. 이종동기어(30)에는 회전모터(34)의 구동축에 연결된 구동기어(36)가 맞물려져, 웨이퍼 처리 중에 램프 테이블(28)을 회전시키도록 되어 있다.

또, 이 회전축(32)에는 슬립 링(slip ring; 38)이 설치되어 있고, 전원(42)으로부터의 전력을 램프전력 제어장치(40) 및 이 슬립 링(38)을 매개로 상기 램프(26)에 공급하도록 되어 있다.

이 램프전력 제어장치(40)는, 예컨대 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어진 본 발명에 따른 자동제어장치(44)로부터 출력된 명령에 의해 공급전력을 제어한다. 이 자동제어장치(44)에는, 열전쌍(24)의 온도를 검출하는 온도검출부(46)로부터의 검출 온도치(제어량)가 입력되는 외에, 이 반도체 제조장치 전체의 동작을 제어하는 도시하지 않은 호스트 컴퓨터로부터의 목표치(설정온도)도 입력되도록 되어 있다.

다음에는 상기 자동제어장치(44)의 기능블록의 구성을 도 2에 기초하여 설명한다.

본 발명의 주요한 특징은, 도 7에 나타낸 일반적인 자동제어장치에, 특정의 좁은 제어영역에 있어서만 동작하는 이득설정부(48)와 중량제어부(50)를 부가한 점에 있다. 즉, 도면중 참조번호 2는 반도체 제조장치내의 웨이퍼 등의 제어대상이고, 이 제어대상의 온도를 제어한다.

참조번호 4는 적당한 평가함수를 최소로 하도록 피드백 계수 행렬을 결정하여 모든 필요한 식의 타협점을 찾도록 이루어진 최적 레귤레이터이다. 참조번호 8은 적분기 이득이고, 참조번호 10은 적분기이다.

또, 참조번호 12는 상태안정기 이득이고, 참조번호 14는 상태관측기이다. 상태 피드백에 의한 제어에 있어서는, 상태가 시스템의 동작을 결정하는 필요최소한의 정보량인 것을 생각하면 이 시스템이 가장 기본적인 것이다. 이 시스템에서는, 환경에 따라서는 상태변수의 값을 직접 측정할 수 없는 경우도 있다. 그러한 경우에는, 제어대상의 직접 측정가능한 출력에 기초하여 상기 상태관측기(14)에 의해 상태변수의 값을 추정한다.

제어대상(2)으로부터 열전쌍(24)을 매개로 하여 얻어진 온도인 제어량은, 피드백되어 가산기(6)에 마이너스의 부호로 부가되어 얻어진 온도와 목표치인 설정온도와의 차분이 구해진다. 이 차분에 적분기 이득(8)의 이득이 가미되어 적분기(10)에서 적분됨으로써 조작량이 구해진다.

한편, 측정된 제어량에 기초하여 상태관측기(14)에 의해 측정 불가능한 상태변수가 구해지고, 구해진 상태변수 및 측정된 상태변수에 상태안정기 이득(12)의 이득이 가미되어 조작량이 얻어진다. 여기서 얻어진 조작량은, 앞의 적분기(10)에서 얻어진 조작량과 가산기(16)에서 가산되고, 이 가산량에 기초하여 제어대상(2)의 온도를 제어하게 된다.

본 발명에 의하면, 이와 같이 구성된 장치에 상기 이득설정부(48) 및 중량제어부(50) 등이 부가된다.

즉, 비교부(52)는 목표치와 열전쌍(24)에서 검출된 제어량을 비교하여 그 차분을 구하는 가산기이다. 이 차분은 상기 중량제어부(50)로 입력된다. 이득설정부(48)는 오퍼레이터(operator)가 미리 제어시스템에 따라 설정된 높은 이득(K)을 임의로 설정하도록 한다.

상기 중량제어부(50)는, 상기 비교부(52)에서 얻어진 차분이 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 것, 예컨대 목표치의 절대치의 10%의 범위내에 들어간 것에 응답하여 상기 이득(K)에 소정의 시간내에서 예컨대 10초내에서 0으로부터 1까지 증가하는 중량부가를 하여 보정 조작량을 출력하는 것이다.

이와 같이, 목표치의 절대치의 예컨대 10%내의 범위내라고 하는 아주 좁은 제어영역에서는 제어대상의 제어량의 변화를 선형으로 간주할 수 있는 것이다.

따라서, 이러한 좁은 제어영역에서는 보수적인 안정제어가 가능한 이득에 의해 최적 레귤레이터(4)에 의해 구한 조작량에 부가하여, 높은 이득에 의해 구한 보정 조작량을 부가해도 안정한 응답을 얻을 수 있는 것이 가능하게 되는 것이다.

본원 발명은 이 점에 주목해서 얻어진 것이다.

이 경우, 제어의 불연속성이 발생하는 것을 방지하기 위해, 높은 이득(K)을 직접 부가하는 것이 아니라, 제어시스템의 시정수에 따른 시간내에서, 예컨대 이경우는 10초내에서 0으로부터 1까지 증가하는 중량부가를 행하여 이득을 조금씩 K까지 상승시키고 있다.

이 중량제어부(50)에 의해 얻어진 보정 조작량은, 절환부(54)를 매개로 제어 대상(2)의 전단의 가산기(16)로 입력되도록 되어 있다. 이 절환부(54)는, 이 동작도중에 있어서, 목표치의 변화나 외란 등의 입력에 의해 상기 차분이 소정의 범위내, 예컨대 목표치의 ± 10%를 넘어 이탈한 때에는 즉시 절환하여 적분기(10)측으로 입력시키도록 되어 있고, 이에 따라 제어의 연속성을 확보하도록 되어 있다.

다음에는 이상과 같이 구성된 장치예의 동작을 설명한다.

우선, 도 1에 나타낸 바와 같이, 미처리의 반도체 웨이퍼(W)가 처리용기(18)내의 탑재대(22)상에 로드(load)되면, 처리용기(18)의 내부는 밀폐됨과 더불어 소정의 처리압까지 진공배기되고, 이와 동시에 텅스텐 램프(26)로부터 강력한 열선이 탑재대(22)로 투입되어 웨이퍼(W)를 간접 가열하게 된다.

그리고, 웨이퍼(W)의 온도가 처리온도에 도달하면, 도시하지 않은 가스공급시스템으로부터 처리가스가 공급되고, 소정의 처리, 예컨대 성막처리 등이 행해지게 된다.

웨이퍼(W)의 온도는 탑재대(22)에 삽입한 열전쌍(24)에 의해 감지되어 온도검출부(46)에 의해 구해지고, 구해진 온도는 제어량으로서 자동제어장치(44)로 입력된다. 그리고, 이 제어량은 호스트 컴퓨터 등으로부터 지시되는 목표치와 비교되고, 이 비교결과에 의해 얻어지는 차분을 없애도록 램프전력 제어장치(40)가 램프(26)로의 공급전력을 제어하게 된다.

다음에는 웨이퍼의 온도가 상승할 때의 램프로의 급전량의 제어에 관해 설명한다. 여기에서는 웨이퍼 온도의 목표치로서 500℃를 설정하고, 이득(K)에 대한 중량부가의 증가를 개시하는 시점을, 제어량인 검출치가 450℃, 즉 목표치의 ± 10%의 범위 내에 들어간 시점으로 한다. 또, 중량이 0으로부터 1까지 증가하는 시간을 10초로 설정한 것으로 가정한다.

우선, 처리용기(18)내로 상온의 웨이퍼(W)가 도입되면, 열전쌍(24)에 의해 검출된 온도가 450℃보다도 월등히 낮다. 이 온도가 450℃에 도달하기까지는, 통상의 종래 행해지고 있던 최적 레귤레이터(4)에 의한 온도제어가 수행된다. 즉, 이 사이에 있어서는, 목표치와 제어량과의 차분의 절대치가 50℃ 이상이므로, 중량제어부(50)로부터의 조작량은 '0'이다.

그리고, 웨이퍼(W)의 온도가 점차 상승하여 이 온도가 450℃에 도달하면, 중량제어부(50)는 이득설정부(48)에서 미리 설정해 둔 이득(K)에 0∼1까지, 예컨대 10초간 걸려서 서서히 증가하는 중량부가를 행하고, 이 증가된 이득에 기초한 조작량을 출력한다.

도 3a는 이 때의 상태를 나타내고 있다. 도 3a에 나타낸 바와 같이, 열전쌍(24)이 450℃를 검출한 것에 응답하여 이득을 0∼K까지 10초간 걸려서 서서히 연속적으로 증가시키고 있다. 그리고, 이 이득에 의해 구해진 보정 조작량은 절환부(54)를 매개로 가산기(16)로 입력됨으로써, 적분기(10)나 상태안정기 이득(12)측으로부터 입력되는 조작량에 가산된다.

이와 같은 목표치의 예컨대 ± 10%의 범위 내라고 하는 좁은 제어영역내에 있어서는, 전술한 바와 같이 제어대상의 제어량의 변화는 선형으로 간주된다. 따라서, 이 좁은 제어영역에서 상기 중량제어부(50)를 한정적으로 동작시킴으로써, 이영역에만 높은 이득을 설정할 수 있고, 고속이면서 고정밀도로 안정성이 우수한 제어를 행하는 것이 가능하게 된다. 게다가, 제어의 불연속성도 발생하는 일이 없다.

또, 이러한 높은 이득의 제어 도중에 있어서, 목표치의 설정이 변화한다거나, 혹은 외란이 입력되어 상기 목표치의 ± 10%의 범위내를 이탈한 경우에는, 중량제어부(50)로부터 출력되는 보정 조작량은 '0'으로 되고, 지금까지의 제어량은 적분기(10)에 축적되어 있으므로, 절환부(54)를 절환하여 중량제어부(50)의 출력을 적분기(10)에 부가하여 제어의 불연속점을 없애도록 한다.

도 3b는 이러한 상태의 일례를 나타내고 있다. 예컨대 450℃를 검출한 3초후에 외란이 입력된 상태를 나타내고 있고, 이 시점에서 중량제어부(50)의 출력은 '0'으로 되며, 이 출력이 적분기(10)측으로 입력된다.

이상의 동작이 모두 소프트웨어상에서 처리되는 것은 전술한 바와 같다.

이상의 동작을 도 4에 나타낸 플로우차트를 참조하여 설명한다.

우선, 목표치가 입력되어(S1) 온도제어가 개시되면, 열전쌍(24)에 의해 웨이퍼(W)의 온도가 항시 검출된다(S2). 이 검출된 온도치는 비교부(52)에서 목표치와 비교되어 검출된 온도와 목표치의 차분이 절대치로서 구해진다(S3). 다음에, 최적 레귤레이터(4)만에 의한 제어를 행한다(S4). 다음에, 상기 차분이 중량제어부(50)에서 목표치의 소정의 비율, 예컨대 ± 10%의 범위 내에 들어가는지의 여부를 판단한다(S5). NO의 경우, 즉 차분이 소정의 영역보다도 큰 경우에는, 중량제어부(50)에 의한 제어는 수행되지 않는다.

이에 대해, S5에 있어서 YES의 경우, 즉 웨이퍼(W)의 온도가 상승하여 차분이 작아져서 소정의 영역에 들어간 경우에는, 중량(g)을 0으로부터 1까지 소정의 시간, 예컨대 10초동안 조금썩 증가시킨다. 그후, S5에서 YES의 사이에 중량(g)은 1로 된다(S6). 그리고, 중량(g)과 미리 설정된 이득(K)을 승산하여 그 때의 이득(g·K)을 구하고(S7), 이 얻어진 이득(g·K)으로부터 구해진 보정 조작량을 출력한다(S8). 이 출력된 보정 조작량은 최적 레귤레이터(4)의 적분기(10)의 후단에 설치된 가산기(16)에 입력되어 최적 레귤레이터(4)에 의해 구해진 다른 조작량과 가산되게 된다(S9).

한편, 외란 등에 의해 상기 차분이 소정의 영역을 이탈한 경우에는(S10의 YES), 즉시 중량(g)이 '0'으로 되고, 중량제어부(50)의 보정 조작량도 '0'으로 된다. 그후, 그 출력은 적분기(10)에 부가되어(S11), 제어의 불연속점을 없애도록 동작하게 된다.

다음에, 종래 방법에 의해 제어한 경우의 온도변화와, 본 발명에 의해 제어한 경우의 온도변화를 실제로 측정한 것으로, 그 측정결과에 대해 검토한다.

도 5는 종래 방법에 의해 제어한 때의 웨이퍼 온도 측정치와 공급전력을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 방법에 의해 제어한 때의 웨이퍼 온도 측정치와 공급전력을 나타낸 그래프이다. 이들 그래프에서, 목표치로 설정된 온도는440℃이다.

도 5에 나타낸 종래 방법의 경우에는, 웨이퍼(W)가 처리용기 내에 로드되면 측정 온도가 저하하므로, 공급전력이 증가하지만, 그 증가량은 완만하여 피크치(peak value)에서 풀 전력의 70%정도이다. 게다가, 장시간(50초 정도)에 걸쳐 공급전력의 증가상태가 계속되므로, 오버슈트(overshoot)가 발생할 뿐만 아니라, 웨이퍼 온도가 안정될 때까지 110초 정도나 소요되고 있다.

이에 대해, 도 6에 나타낸 본 발명에 따른 방법의 경우에는, 웨이퍼(W)가 로드되고 검출온도가 약간 저하하면, 즉시 공급전력이 증가하여 피크치는 풀 전력으로 된다. 게다가, 단시간(30초 정도)으로 공급전력은 원래의 값으로 저하하고 있다. 그 때문에, 웨이퍼 검출온도는 20초 정도에서 안정되고 있는 바, 종래 방법과 비교하여 1/5∼1/6 정도의 짧은 시간으로 웨이퍼 온도를 안정시킬 수 있다.

상기 실시예에서의 목표치, 중량제어부가 동작하는 온도범위(영역) 및 중량이 0으로부터 1까지 증가하는데 필요한 시간 등은 단순히 일례를 나타낸 것에 지나지 않는 바, 이것에 한정되지 않는 것은 물론이고, 제어대상으로 되는 처리장치의 제어시스템에 따라서 적절히 변경될 수 있다.

또, 본 실시예에서는 제어량으로서 웨이퍼의 온도를 제어하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 압력이나 유량 등 각종의 제어량에도 적용할 수 있다.

더욱이, 본 실시예에서는 매엽식의 반도체 처리장치를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 배치(batch)식 반도체 처리장치, 흑은 반도체 처리장치 이외의 다른 제어시스템에 있어서도 광범위하게 적용할 수 있다.

본 발명의 자동제어방법 및 그 장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 거둘 수 있다.

제어대상의 제어량이 선형으로 간주되는 좁은 영역에서만, 최적 레귤레이터에 의한 제어를 가하여 한정적으로 서서히 증가하는 큰 이득으로 제어하도록 했으므로, 고속이면서 고정밀도로 안정한 제어를 행할 수 있고, 게다가 제어의 불연속점이 발생하는 일도 없다.

또, 외란 등에 의해 차분이 소정의 범위를 이탈한 경우에 있어서도, 즉시 중량제어부로부터의 조작량을 0으로 하여 적분기에 부가하도록 했으므로, 제어의 불연속점이 발생하는 일이 없다.

특히, 본 발명을 반도체 제조장치의 온도제어시스템에 적용함으로써, 신속하게 피처리체의 온도를 안정시킬 수 있어, 그만큼 처리능력을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 제어를 행하는 자동제어장치에 있어서,

   제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되로록 조작량을 구하는 최적 레귤레이터와,

   상기 목표치와 상기 제어대상의 제어량을 비교하여 상기 목표치와 상기 제어량의 차분을 구하는 비교부,

   상기 비교부에 의해 얻어진 차분을 증폭하기 위한 이득을 설정하는 이득설정부 및,

   상기 이득설정부에 의해 설정된 이득에 소정의 시간 내에서 중량이 0∼1까지 증가하도록 중량부가를 행하고, 상기 비교부에서 얻어진 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 것에 응답하여 상기 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 후의 시각에서 중량부가된 이득에 의해 상기 차분을 증폭하여 보정 조작량을 구하며, 이 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구해진 조작량에 가산되도록 출력하는 중량제어부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 목표치의 변화 또는 외란 등에 의해 상기 차분이 상기 소정의 비율의 범위를 이탈한 때에, 상기 중량제어부에 의해 구해진 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구해진 조작량에 가산하는 것을 정지하고, 정지한 때의 상기 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터의 적분기로 입력하도록 절환하는 절환부를 더 구비할 것을 특징으로 하는 자동제어장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어대상은 반도체 제조장치이고, 상기 제어량이 상기 반도체 제조장치에서 검출되는 온도인 것을 특징으로 하는 자동제어장치.
4. 제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 제어를 행하는 자동제어방법에 있어서,

   최적 레귤레이터에 의해 제어대상의 제어량이 소정의 목표치로 되도록 조작량을 구하는 단계와,

   비교부에 의해 상기 목표치와 상기 제어대상의 제어량을 비교하여 상기 목표치와 상기 제어량의 차분을 구하는 단계,

   이득설정부에 의해 상기 비교부에서 얻어진 차분을 증폭하기 위한 이득을 설정하는 단계,

   상기 이득설정부에 의해 설정된 이득에 소정의 시간 내에서 중량이 0∼1까지 증가하도록 중량부가를 행하는 단계,

   상기 비교부에서 얻어진 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 것에 응답하여 상기 차분이 상기 목표치의 소정의 비율의 범위내에 들어간 후의 시각에서 중량부가된 이득에 의해 상기 차분을 증폭하여 보정 조작량을 구하는 단계 및,

   상기 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구해진 조작량에 가산되도록 출력하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 자동제어방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 목표치의 변화 또는 외란 등에 의해 상기 차분이 상기 소정의 비율의 범위를 이탈한 때에, 상기 중량제어부에 의해 구해진 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터에 의해 구해진 조작량에 가산하는 것을 정지하고, 정지한 때의 상기 보정 조작량을 상기 최적 레귤레이터의 적분기로 입력하도록 절환하는 단계를 더 구비한 특징으로 하는 자동제어방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제어대상은 반도체 제조장치이고, 상기 제어량이 상기 반도체 제조장치에서 검출되는 온도인 것을 특징으로 하는 자동제어방법.

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