WO2006070552A1 - 温度調整方法、熱処理装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Masashi Sugishita
Masaaki Ueno
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Hitachi Kokusai Electric Inc
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1927—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors
    • G05D23/193—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors sensing the temperaure in different places in thermal relationship with one or more spaces
    • G05D23/1931—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors sensing the temperaure in different places in thermal relationship with one or more spaces to control the temperature of one space
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10P95/90—Thermal treatments, e.g. annealing or sintering
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B5/00—Anti-hunting arrangements
    • G05B5/01—Anti-hunting arrangements electric
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/06—Apparatus for monitoring, sorting, marking, testing or measuring
    • H10P72/0602—Temperature monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a temperature adjustment method, a heat treatment apparatus, and a semiconductor device manufacturing method.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-183072 (11-11-21, Fig. 1)
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a temperature adjustment method, a heat treatment apparatus, and a semiconductor device manufacturing method that can contribute to improvement in work efficiency and cost reduction. With the goal.
  • a temperature adjustment method includes a heating unit that heats a processing chamber for processing a substrate, a heating control unit that controls the heating unit, First and second temperature detecting means for detecting temperature, the first temperature detection In the heat treatment apparatus, the means is disposed closer to the substrate than the second temperature detection means, and the second temperature detection means is disposed closer to the heating means than the first temperature detection means.
  • the heating control unit controls the heating unit by performing integral calculation, differential calculation, and proportional calculation so that the temperature detected by the first temperature detection unit becomes a predetermined target temperature.
  • a first control unit for controlling the heating unit by the heating control unit based on a detected temperature detected by the first temperature detection unit in the control of the heating unit in the first step.
  • the heating control unit controls the heating means based on the detected temperature detected by the second temperature detecting means in the third step of controlling the stage and the control of the heating means in the third step.
  • the second output control pattern obtained in the fourth step as at least a part of the second manipulated variable is set by the heating control unit. It may be configured to have a fifth step of processing the substrate while controlling the heating means.
  • the fourth step includes a detection temperature detected by the second temperature detection unit in the control of the heating unit in the third step. Calculate the amount of heat from the start of temperature rise to the maximum temperature, and use the amount of heat from which the amount of heat is subtracted from the output from the proportional calculation.
  • the second output control pattern may be obtained by patterning at least a part of the quantity.
  • a heat treatment apparatus includes a heating unit that heats a processing chamber for processing a substrate, a heating control unit that controls the heating unit, and a first and a second that detect the temperature in the processing chamber.
  • Second temperature detection means the first temperature detection means is disposed closer to the substrate than the second temperature detection means, and the second temperature detection means is the first temperature detection means.
  • a heat treatment apparatus disposed closer to the heating means than the degree detection means, wherein the heating control unit is configured such that the temperature detected by the first temperature detection means becomes a target temperature from a temperature at the start of temperature increase.
  • the second output control pattern is obtained by patterning at least a part of the second operation amount for controlling the heating means.
  • the heating control unit controls the heating means using the second output control pattern as at least a part of the second manipulated variable.
  • the substrate may be processed.
  • the heating control unit may exceed a preset allowable value so that the detected temperature detected by the first temperature detecting unit exceeds the target temperature.
  • the amount of chute is large! /
  • the total amount of heat during the period until the temperature is changed from the temperature at the start of temperature rise to the target temperature and stabilized at the target temperature The amount of heat rise required for temperature rise in the total heat amount and the overshoot heat amount overshooting exceeding the target temperature are obtained, and the ratio between the total heat amount and the overshoot heat amount Configuration for obtaining the first output control pattern based on the amount of heat obtained by obtaining an overshoot temperature ratio and subtracting the amount of the overshoot temperature ratio from the temperature rise amount of heat Ru can also be.
  • the heating control unit is detected by the second temperature detection unit when the heating unit is controlled based on the first output control pattern.
  • the temperature at the start of temperature rise indicated by the detected temperature is obtained by obtaining the amount of heat up to the maximum temperature and using the amount of heat obtained by subtracting the output from the proportional calculation from the amount of heat.
  • the second output control pattern is obtained by patterning at least a part of the second operation amount.
  • the heat treatment apparatus when the substrate is processed based on the second output control pattern, during the period when the temperature is raised to the target temperature, The result of the proportional calculation and the differential calculation using the result obtained by subtracting the temperature detected by the first temperature detection means from the target temperature by the heating control unit, and the second output control pattern
  • the second manipulated variable is calculated based on the second manipulated variable force and the result obtained by subtracting the temperature detected by the second temperature detecting means is used to perform proportional calculation and differential calculation.
  • the heating means is controlled while performing the integral calculation and stabilized at the target temperature, the temperature detected by the first temperature detecting means is subtracted from the target temperature by the heating control unit.
  • the third manipulated variable is calculated based on the result of the arithmetic and integral calculations and the second output control pattern, and the second temperature detecting means detects the calculated third manipulated variable.
  • the substrate can be processed by controlling the heating means while performing a proportional operation, a differential operation, and an integration operation using the result obtained by subtracting the temperature.
  • a method for manufacturing a semiconductor device includes a heating unit that heats a processing chamber for processing a substrate, a heating control unit that controls the heating unit, and a temperature that detects the temperature in the processing chamber.
  • First and second temperature detection means wherein the first temperature detection means is disposed closer to the substrate than the second temperature detection means, and the second temperature detection means is the first temperature detection means.
  • a heat treatment apparatus disposed closer to the heating means than the temperature detection means, wherein the heating control unit integrates and differentiates so that the temperature detected by the first temperature detection means becomes a predetermined target temperature.
  • the first operation amount for controlling the heating means is patterned based on the detected temperature detected by the first temperature detecting means.
  • First output control pattern A second operation for controlling the heating means based on the detected temperature detected by the second temperature detecting means when the heating means is controlled based on the first output control pattern.
  • a method for manufacturing a semiconductor device wherein a substrate is processed using a heat treatment device for patterning at least a part of an amount to obtain a second output control pattern, the step of carrying the substrate into a processing chamber, and the heating control The part controls the heating means using the second output control pattern as at least a part of the second operation amount.
  • the method includes a step of processing a substrate carried into the processing chamber and a step of unloading the substrate from the processing chamber.
  • FIG. 1 is a functional block diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining details of a configuration around a reaction tube in the apparatus.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining processing (PID control) in a PID computing unit 23.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a PIDC computing unit.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an integral output pattern.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining power control.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the procedure of the temperature adjustment method.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining parameters obtained based on temperature characteristic basic data.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the sum of overshooted cascade temperatures.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the temperature summation from the start of evaluation to the target temperature S ′ stabilization time c.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a relationship between an operation amount and time.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a heater waveform L (t) obtained by subtracting a waveform force P motion component of k (t).
  • FIG. 13 is a diagram for explaining an integral output pattern M (t).
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a target temperature and a ramp rate when r integration pattern output steps are set at certain time intervals.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the occurrence of overshoot and undershoot when the integral output pattern is appropriate.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining an inter-zone deviation.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining a temperature adjustment procedure when there is an inter-zone deviation.
  • FIG. 18 shows the temperature change in the furnace when temperature control is performed according to the present embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing a temperature change in the furnace when the temperature control according to the present embodiment is performed.
  • FIG. 20 is a diagram showing a temperature change in the furnace when the temperature control according to the present embodiment is performed.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining parameters obtained based on temperature characteristic basic data.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the sum of overshooted cascade temperatures.
  • FIG. 24 is a diagram for explaining a temperature summation from a minimum temperature S 1 time point r to an initial temperature S stabilization time c.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining a power output pattern.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining the determination of power control starting force temperature adjustment evaluation time and the like based on temperature control basic data during power control.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining an integral output pattern M (t).
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the target temperature and ramp rate when w integral pattern output steps are set at regular intervals.
  • FIG. 29 is a diagram for explaining the occurrence of overshoot and undershoot when the integral output pattern is appropriate.
  • FIG. 30 is a diagram for explaining an inter-zone deviation.
  • FIG. 31 is a diagram for explaining temperature adjustment when there is an inter-zone deviation.
  • FIG. 32 is a diagram showing a specific example of temperature liqueur after boat loading.
  • FIG. 33 is a diagram showing a specific example of temperature liqueur after boat loading.
  • FIG. 34 is a diagram for explaining the determination of various parameters for the basic data force for temperature characteristics during power control.
  • FIG. 35 is a diagram for explaining a reduction from the operation amount obtained from the heating temperature of the power output pattern of the overshoot temperature ratio M.
  • FIG. 36 is a functional block diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 37 is a functional block diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 38 is a functional block diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 39 is a functional block diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 40 is a functional block diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 41 is a functional block diagram for describing an eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 42 is a functional block diagram for describing a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 43 is a functional block diagram for explaining a thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 44 is a functional block diagram for explaining a fourteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 45 is a functional block diagram for describing a fifteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 46 is a functional block diagram for describing a sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 47 is a functional block diagram for describing a seventeenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 48 is a diagram for explaining details of a configuration around a processing furnace in a single wafer apparatus according to a seventeenth embodiment of the present invention.
  • the manipulated variable input to the heating means is proportional to the “integral” derivative (PI
  • D It relates to an automatic temperature adjustment procedure of a control method for controlling a control amount output from the heating means using feedback control by calculation.
  • FIG. 1 is a functional block diagram for explaining the heat treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining details of the configuration around the reaction tube in the apparatus.
  • the heat treatment apparatus has a configuration including a processing furnace 91 and a main control unit 7. In FIG. 1, only the temperature controller 71 is extracted from the main controller 7 and shown.
  • the processing furnace 91 includes a heater (heating means) 1, a quartz cap la, a heater thermocouple (second temperature detection means) 2, a cascade thermocouple (first temperature detection means) 3, a boat 4, and a reaction.
  • Pipe 5, soaking pipe 6, exhaust pipe 8, boat elevator 9, base 10, gas supply pipe 11, mass flow controller (MFC) 12, pressure regulator (APC) 13, pressure sensor 14, O-ring 15, seal cap 16, A rotating shaft 17, an introduction port 18 and an exhaust port 19 are provided.
  • the main control unit 7 includes a temperature control unit (heating control unit) 71, a gas flow rate control unit 72, a pressure control unit 73, and a drive control unit 74.
  • the heat equalizing tube 6 is made of a heat-resistant material such as SiC, and is formed in a cylindrical shape having a closed upper end and an opening at the lower end.
  • reaction volume made of heat-resistant material such as quartz (SiO 2)
  • the vessel (hereinafter referred to as reaction tube 5) is formed in a cylindrical shape having an opening at the lower end, and is arranged concentrically with the soaking tube 6 in the soaking tube 6.
  • a gas supply pipe 11 and an exhaust pipe 8 having a quartz force are connected to the lower part of the reaction pipe 5, and the inlet 18 connected to the gas supply pipe 11 extends from the lower part of the reaction pipe 5 to the side of the reaction pipe 5.
  • the exhaust pipe 8 is connected to the exhaust port 19 of the reaction pipe 5.
  • the gas flows from the gas supply pipe 11 through the ceiling of the reaction pipe 5 into the reaction pipe 5 and is exhausted from the exhaust pipe 8 connected to the lower part of the reaction pipe 5.
  • a gas for treatment is supplied into the reaction tube 5 through the gas supply tube 11 at the inlet 18 of the reaction tube 5.
  • the gas supply pipe 11 is connected to a mass flow controller (MFC) 12 as a gas flow rate control means or a moisture generator (not shown).
  • MFC mass flow controller
  • the mass flow controller 12 is connected to the gas flow rate control unit 72 and can control the flow rate of the supplied gas or water vapor (H 2 O) to a predetermined amount.
  • a gas flowing in the reaction tube 5 is discharged from the exhaust port 19 of the reaction tube 5.
  • a gas exhaust pipe 8 connected to a pressure controller (for example, APC) 13 is connected to the exhaust port 19 of the reaction pipe 5, and the pressure in the reaction pipe 5 is detected by pressure detection means (hereinafter referred to as pressure sensor 14). ) And the APC 13 is controlled by the pressure control unit 73 so that the pressure in the reaction tube 5 becomes a predetermined pressure.
  • a disk-shaped holding body (hereinafter referred to as base 10) with quartz force is detachable so as to be airtightly sealed via an O-ring 15, and the base 10 is disk-shaped. It is mounted on the lid (hereinafter referred to as seal cap 16). Also on the seal cap 16 The rotating means (hereinafter referred to as rotating shaft 17) is connected to the holding body (hereinafter referred to as quartz cap la), the substrate holding means (hereinafter referred to as boat 4) and the boat 4 by the rotating shaft 17. The substrate (hereinafter referred to as wafer 4a) is rotated.
  • the seal cap 16 is connected to lifting means (hereinafter referred to as a boat elevator 9), and the boat 4 is lifted and lowered.
  • the rotary shaft 17 and the boat elevator 9 are controlled by the drive control unit 74 so as to be driven at a predetermined speed.
  • heating means (hereinafter referred to as heater 1) are arranged concentrically.
  • Heater 1 detects the temperature by means of temperature detection means (hereinafter referred to as heater thermocouple 2 and cascade thermocouple 3) so that the temperature in reaction tube 5 becomes the processing temperature set by host controller Uc, and the temperature control unit Control by 71.
  • the heater thermocouple 2 has a role of detecting the temperature of the heater 1
  • the cascade thermocouple 3 has a role of detecting the temperature between the soaking tank 6 and the reaction tank 5.
  • heater 1 is divided into a plurality of zones (for example, U zone, CU zone, CL zone, L zone, etc.) in order to control the furnace temperature with higher accuracy.
  • a power control signal is output to the heater for each heating zone based on the deviation between the temperature detection value and the temperature setting value of the heating zone forces composed of Both the heater thermocouple 2 and the cascade thermocouple 3 have a plurality of detection points so as to be detected at positions corresponding to the respective zones so as to correspond to the plurality of zones of the heater 1.
  • the cascade thermocouple 3 is installed between the reaction vessel 5 and the boat 4, and the temperature inside the reaction vessel 5 can be detected.
  • Thermocouple 2 is placed between heater 1 and wafer 4a, cascade thermocouple 3 is located closer to wafer 4a than heater thermocouple 2, and heater thermocouple 2 is heater 1 from cascade thermocouple 3. It may be arranged closer to the side.
  • boat 4 is lowered by boat elevator 9.
  • the boat 4 holds a plurality of wafers 4a.
  • the temperature in the reaction tube 5 is set to a predetermined temperature.
  • the inside of the reaction tube 5 is filled with inert gas in advance by the MFC 12 connected to the gas supply pipe 11, and the boat 4 is lifted and transferred into the reaction tube 5 by the boat elevator 9, and the internal temperature of the reaction tube 5 is increased. Maintain a predetermined processing temperature.
  • the rotary shaft 17 After maintaining the reaction tube 5 at a predetermined pressure, the rotary shaft 17
  • the boat 4 and the wafer 4a held on the boat 4 are rotated.
  • gas for processing is supplied from the gas supply pipe 11 or water vapor is supplied from the moisture generator. The supplied gas descends the reaction tube 5 and is evenly supplied to the wafer 4a.
  • the pressure is controlled by the APC 13 so as to reach a predetermined pressure through the exhaust pipe 8, and the oxidation / diffusion process is performed for a predetermined time.
  • the gas in the reaction tube 5 to be transferred to the acid / diffusion process of the next wafer 4a is replaced with an inert gas, and the pressure is increased.
  • the boat 4 is lowered by the boat elevator 9, and the boat 4 and the processed wafer 4 a are taken out from the reaction tube 5.
  • the processed wafer 4a on the boat 4 taken out from the reaction tube 5 is replaced with an unprocessed wafer 4a, and is again raised into the reaction tube 5 in the same manner as described above, so that an oxidation diffusion process is performed.
  • the temperature control unit 71 shown in FIG. 1 performs control according to the heater 1, the cascade thermocouple 3, and the heater thermocouple 2 for each of the heating zones described above, but in the following description, one of them is unless otherwise specified. The explanation shall be for the heating zone.
  • the temperature control unit 71 includes switchers 20 and 22, subtractors 21 and 25, PID calculators 23 and 26, PIDC calculator 24, and Power pattern output unit 27.
  • the switch 20 selectively switches the control method according to the set control mode. Specifically, selection switching such as PID control (described later) and Power control (described later) is performed.
  • the subtractor 21 calculates a result obtained by subtracting the control amount (detected temperature) A from the target value Sc set by the host controller Uc as a deviation F, and via the switcher 22, the PID calculator 23 or Output to PIDC calculator 24.
  • the switch 22 selectively switches the control method according to the set control mode. Specifically, selection switching between PIDC control (described later) and PID control is performed.
  • the PID calculator 23 includes an adder 30, an integral calculator 31, a proportional calculator 32, and a differential calculator 33.
  • the integral calculator 31 receives the deviation F as an input, and the deviation F
  • the value obtained by multiplying the result of time integration calculation (I calculation) by the parameter Ki set in advance is output as the integration value N. If the deviation F at a specific time t is expressed as F (t) and the integrated value N at that time is expressed as N (t), the integrated value N can be calculated according to equation (1).
  • the integration range of ⁇ F (u) du is between 0 and t.
  • the proportional calculator 32 inputs the deviation F and outputs a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • the differential calculator 33 inputs the deviation F, and outputs a value obtained by multiplying the result of the time differential calculation (D calculation) of the deviation F by a preset parameter Kd as a differential value R. If the deviation F at a specific time t is expressed as F (t) and the differential value R at that time is expressed as R (t), the differential value R can be calculated according to equation (3).
  • the adder 30 inputs the integral value N, the proportional value O, and the differential value R, calculates the sum of these, and outputs the manipulated variable X. If the deviation F at a specific time t is represented by F (t) and the manipulated variable X at that time is represented by X (t), the manipulated variable can be calculated from the above-mentioned equations (1), (2), and (3). X is obtained according to Equation (4), and such calculation processing in the PID calculator 23 is called PID calculation. In Equation (4), the integration range of ⁇ F (u) du is between 0 and t.
  • the target value (target temperature) Sc from the host controller Uc and the control amount (detected temperature) from the cascade thermocouple 3 A is input, and the subtractor 21 in the temperature control unit 71 outputs a deviation F obtained by subtracting the control amount A from the target value (target temperature) Sc.
  • the PID calculator 23 the PID calculation is performed using the deviation F, and the manipulated variable X is determined.
  • This manipulated variable X is converted to a target value X ', and this target value X' and the controlled variable (detected temperature) B from the heater thermocouple 2 are input to the subtractor 25.
  • Deviation E is output by subtracting control amount B.
  • the PID calculator 26 calculates PID using the deviation E, and outputs the manipulated variable Z as the output of the temperature control unit 71. Input to 1. Then, the control amounts A and B output from the heater 1 are returned to the temperature control unit 71 again. As described above, the manipulated variable Z output from the temperature control unit 71 is changed every moment so that the deviation F between the target value Sc and the controlled variable A becomes zero. Such a control method is called PID control.
  • the PIDC computing unit 24 includes an adder 40, an integral computing unit 41, a proportional computing unit 42, a differential computing unit 43, a switching unit 44, an integration pattern output unit 45, and an integration pattern output unit 46. Consists of.
  • the switching unit 44 performs selection switching based on a preset control switching time. Specifically, the integration pattern output unit 45, the integration pattern output unit 46, and the integration calculation unit 41 are switched at a preset time t from the start of control.
  • the integral calculator 41 receives the deviation F as an input, and outputs a value obtained by multiplying the parameter Ki, which is preset by the result of the time integral calculation (I calculation) of the deviation F, as an integral value N. . If the deviation F at a specific time t is expressed as F (t) and the integrated value N at that time is expressed as N (t), the integrated value N can be found according to Equation (5). In Equation (5), the integration range of ⁇ F (u) du is between 0 and t.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an integral output pattern.
  • the output value C, rate (Rate), and time can be set for each of multiple steps (Stepl to Step4) when performing temperature control.
  • the output value C (1-1) of the previous step is changed to the output value C (I) at the rate Rate (I) and output after reaching the output value C (I).
  • the output continues with the value C (I).
  • J (t) be the output city at a specific time t.
  • the adder 49 receives the integration pattern ⁇ ⁇ from the integration pattern output unit 46 and the integration calculation value N from the integration calculation unit 41, calculates the sum of these, and outputs the integration manipulated variable W. is there.
  • the switching unit 44 causes the integration pattern output unit 45 and the integration pattern output unit 46+
  • the integral operation amount W is obtained according to the equation (6).
  • the integral operation amount W is the sum of the integral pattern value Ci (t)) and the integral calculation value.
  • the integration range of ⁇ F (u) du is between 0 and t.
  • the proportional calculator 42 receives the deviation F and outputs a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • a value (P calculation) multiplied by a preset parameter Kp as a proportional value ⁇ .
  • the differential calculator 43 receives the deviation F as an input, and outputs a value obtained by multiplying the deviation F by a time differential calculation (D calculation) by a preset parameter Kd as a differential value R. If the deviation F at a specific time t is expressed as F (t) and the differential value R at that time is expressed as R (t), the differential value R can be calculated according to equation (8).
  • the adder 40 receives the integral manipulated variable W or integral pattern ⁇ , the proportional value O, and the differential value R, calculates the sum of these, and outputs the manipulated variable X.
  • the deviation F at a specific time t is expressed as F (t)
  • the manipulated variable X at that time is expressed as X (t)
  • Equation (8) From equation (8), manipulated variable X is obtained according to equation (9a) or equation (9b), and this is called PIDC calculation.
  • the subtracter in the temperature control unit 71 is provided.
  • the deviation F obtained by subtracting the control amount A from the target value Sc is output.
  • the PIDC calculator 24 determines the manipulated variable X using the deviation F, a preset integral pattern integral value, a proportional derivative calculator, etc. Determined.
  • This manipulated variable X is converted to a target value X, and this target value X and the control amount B from the heater thermocouple 2 are input to the subtractor 25, and the subtracter 25 subtracts the target value X 'force control amount B.
  • Deviation E is output.
  • the PID calculator 26 calculates the PID using the deviation E, outputs the manipulated variable Z as the output of the temperature control unit 71, and inputs it to the heater 1. Then, the control amount A and the control amount B output from the heater 1 are fed back to the temperature control unit 71 again. In this way, the manipulated variable Z output from the temperature control unit 71 is changed every moment so that the deviation F between the target value Sc and the controlled variable A becomes zero.
  • Such a control method is called PIDC control.
  • the power pattern includes integral calculation, differential calculation, and proportional calculation. Instead of the heater output value, the heater output value including integral, differential, and proportional calculation is previously exceeded.
  • the power pattern output unit 27 outputs an operation amount Z based on a preset pattern. Specifically, as shown in FIG. 6, for example, a certain manipulated variable Z1 is output at a certain time tl, and after a certain time t2, a certain manipulated variable Z2 is output for a certain time t2. To do. At this time, it is also possible to ram by a preset inclination (operation amount Z time) when shifting from the operation amount Z1 to the operation amount Z2.
  • a control method that determines and outputs an operation amount based on a pattern created in advance (patterned) based on time, operation amount, and inclination is called power control.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the temperature adjustment method according to the present embodiment.
  • ramp-up means ramp-up, that is, a temperature raising process.
  • the temperature control unit 71 controls the heater so that the temperature detected by the cascade thermocouple becomes a predetermined target temperature. Temperature control is performed (first step), and temperature characteristic basic data (temperature data detected by the cascade thermocouple) is acquired (SI la).
  • the temperature adjustment evaluation time A1 [min] from the ramp-up start (temperature rise start) (based on the temperature measured by the cascade thermocouple)
  • the maximum overshoot time of the temperature indicated by the cascade thermocouple 3 (r Start-up force Time until overshoot reaches maximum) a [min], target temperature S 'arrival time b [min], target temperature S' stabilization time c [min], manipulated variable when target temperature is stable d [% ]
  • Equation (10) and Equation (11) Force Using the calculated Bl and C1, the calorific value obtained by the following formula (12) is defined as the heat-up value Dl [% * min].
  • the amount of heat obtained by PID calculation from the initial temperature to the desired target temperature S 'until the temperature stabilizes until the target temperature is stabilized is set to the amount of heat necessary to keep the target temperature S' stable and the target temperature. It contains two types of heat, the amount of heat necessary to raise the temperature while following the value.
  • the amount of heat required to raise the temperature can be calculated by subtracting the stable heat amount assuming that the manipulated variable when the target temperature is stable is continuously output from the total heat amount obtained by equation (10). Heating heat can be obtained.
  • the temperature is raised while following the set value from the start of the temperature rise to the target temperature.
  • the overshoot will continue even if the target temperature is exceeded. Ute is generated.
  • This overshoot is an unnecessary phenomenon in temperature control and should be eliminated as much as possible.
  • the cause of the overshoot is hidden within the heat-up amount of heat that is not the stable heat amount of the total heat, and the overshoot that is hidden within this heat-up amount of heat is hidden.
  • the integration range of ⁇ g (t) dt is between 0 and c.
  • This overshoot temperature ratio H component force is the ratio of the amount of heat of the overshoot factor hidden in the heat-up temperature D1. Therefore, by reducing the heat-up heat amount D1 by the overshoot temperature ratio H, by reflecting it in the heat-up heat amount D1, it is possible to suppress overshoot and quickly stabilize the interior of the furnace to an ideal temperature. If the heating temperature after reducing the overshoot temperature ratio H is D1 ', D1' can be calculated by the following equation (16).
  • the power output pattern pattern (corresponding to the first output control pattern) is obtained using a, d, and Dl 'obtained as described above (second step), and the power control is performed.
  • the operation amount (first operation amount) for controlling the heater is patterned (the operation amount shown in FIG. 11).
  • the first output control pattern is obtained, and the heater is controlled based on the first output control pattern. That is, based on the temperature data detected by the cascade thermocouple, an operation that defines the POWER output pattern. Pattern the first manipulated variable, which is the output, and obtain the POWER output pattern.
  • the power output pattern is the pattern shown in FIG. 11 (Sl lb).
  • each parameter in Fig. 11 can be obtained by the following equations (17) to (20).
  • E0 is the heating output D1 'as a constant output
  • D1' is divided by the time T1 to reach the target temperature S 'from the initial temperature S
  • the manipulated variable d (% ) (Ie, manipulated variable at T1).
  • S indicates the initial temperature.
  • the temperature indicated by the heater thermocouple 2 during power control at each time point within f3 ⁇ 4Ul during temperature adjustment evaluation (hereinafter referred to as the heater waveform) is k (t) [° C]
  • the temperature indicated by cascade thermocouple 3 Let the temperature be m (t) [° C].
  • the integral output pattern (corresponding to the second output control pattern) M (t) as shown in Fig. 13 is obtained based on the heater waveform L (t) obtained by subtracting the P operation from the waveform of (t) (fourth output) (S15). That is, based on the heater waveform L (t), at least a part of the second manipulated variable (see the manipulated variable shown in FIG. 5) that defines the integral output pattern is patterned, and the integral output pattern Ask for.
  • k (t) is a Power output based on the output calculated by PID calculation during PID control. Since the pattern is created and acquired, this waveform is the sum of the P (proportional) output, 1 (integral) output, and D (differential) output.
  • a desired integral output pattern M (t) can be obtained by subtracting the P output and the D output.
  • the D output is generally negligible, so the D output can be ignored.
  • the heater temperature waveform L (t) force after subtracting P operation is further subtracted from k (0), and the evaluation starting force is also the amount of heat for the time until the maximum heater temperature point j indicated by the heater waveform k (t). Ask for. Let's say Q. In equation (21), the integration range of ⁇ L (t) dt is between 0 and j.
  • the evaluation starting force is also step 1 between the maximum temperature point j indicated by the heater thermocouple during power control, PID control from the maximum heater temperature point j during power control (indicated by the heater thermocouple)
  • Step 2 is the maximum cascade temperature time a.
  • Step 1 If the above-described triangle height and inclination are applied, the temperature becomes an appropriate integrated output pattern up to the maximum temperature point j indicated by the heater thermocouple during the evaluation start force power control.
  • the heater thermocouple maximum time during power control is the time when the output for raising the temperature by heating the heater, that is, the temperature detected by the heater thermocouple is no longer affected by the amount of temperature rise. It is appropriate to create an integrated output pattern so that the temperature is raised to the maximum.
  • the temperature detected by the cascade thermocouple is not affected by fluctuations in heater heating. In other words, if the cascade temperature reaches the target temperature S ′ at this point, then it stabilizes at the target temperature S ′ without overshooting. In other words, when the maximum temperature indicated by the cascade thermocouple is reached, the output for raising the temperature by heating the heater, that is, the temperature at which the temperature detected by the cascade thermocouple is no longer affected by the temperature rise, the temperature rises to this point. It is appropriate to create an integral output pattern to warm.
  • step 2 the appropriate integral output pattern of step 2 can be obtained. It is sufficient to linearly pattern from step 1 target temperature V to heater temperature k (n) at time n when the heater thermocouple is sufficiently stable. Note that the temperature detected by the cascade thermocouple during power control may be maximized, not during PID control.
  • Fig. 12 and Fig. 13 The parameters in Fig. 12 and Fig. 13 are L (t) [° C] (heater temperature minus P), V [° C] (STEP target temperature in Fig. 13), T [° CZmin] (Fig. STEP1 slope in 13) and U [° CZmin] (STEP2 slope in Fig. 13) can be obtained by the following formulas (23) to (26).
  • V [° C] (jL (t) dt / j) X2---(24)
  • the integration range of ⁇ L (t) dt is between 0 and j.
  • an initial value, a target value, a rate, and a time are set for each step and output along the step.
  • the integral output pattern can be created using more steps than the previous two steps in the transition period.
  • Vr [° C] (i L (r * q) dtZq) * 2
  • the heat treatment apparatus in the present embodiment needs to greatly improve the deviation between heating zones when the overshoot and undershoot are large even when PIDC control is performed with the above-described integral output pattern. In some cases, it has a function to adjust these. For example, by using the integral output pattern, excessive integral calculation values are excluded.
  • the integrated output during the temperature transition period is patterned, and during the temperature stable period, the integration output is integrated.
  • An integral output pattern is created so that the output is stable, and the temperature is adjusted in addition to the integral calculation output.
  • the integral calculation output is used because the adverse effects of slight temperature changes such as unpredictable disturbances are likely to be more noticeable than when the temperature rises. This is because the incompatibility cannot be handled by using the integral calculation output.
  • this P output W1 is an extra output and appears to be a deviation p at the switching point between Step 1 and Step 2.
  • the temperature transition period is Step 1 to Step 2, and this adjustment amount W1 is subtracted from Step 1 target temperature V force, and Step 1 slope T and Step 2 slope U are recalculated, and the temperature transition period is reached. That is, the operation amount of step 1 to step 2 can be adjusted to an appropriate value. In other words, if undershooting, overshoot the amount of integral operation during the temperature transition period to a large extent! /, Otherwise reduce the amount of integral operation during the temperature transition period to reduce step 2 and step. Deviation between the target temperature S 'at the switching point of 3 and the temperature indicated by the cascade thermocouple can be reduced, and overshoot and undershoot can be improved.
  • step 1 target temperature V If the adjustment amount Wl, integrated output initial temperature k (O), step 1 target temperature V, step 1 time step 2 time (aj), heater stable temperature (step 3 target temperature) k (n),
  • the adjusted step 1 target temperature V, step 1 ramp rate T, and step 2 ramp rate U can be obtained from the following equations (30) to (32).
  • V ' V-W1---(30)
  • the manipulated variable is created and adjusted for each heating zone, so there are early and late zones until the target temperature stabilizes. Deviations may affect the film thickness in some cases.
  • the target temperature stabilization is delayed according to zone 902 by delaying each step of the integrated output pattern of zone 901 by dev ⁇ t.
  • T is the gradient T [° C / min] in Step 1 described above.
  • the target temperature can be stabilized quickly by delaying the integral output pattern by the time deviation dev—t.
  • the inter-zone deviation is not larger than the preset allowable value (S18, No)
  • the temperature adjustment process is terminated.
  • the temperature control using the above-described second output control pattern is performed as at least a part of the operation amount of the heater, thereby performing the heat treatment on the substrate. (Fifth step).
  • the host controller Uc sets the integrated output pattern for each heating zone, and sets the output value, rate, and time for each step.
  • the switching time of the switch 44 is set. Note that the switching time of the switch 44 is set to a time for shifting to the stable state after the temperature rise is completed (for example, the time for shifting from step 2 to step 3 in FIG. 17).
  • temperature control is performed using the PIDC computing unit 24, the PID computing unit 26, etc., and the substrate is processed.
  • the temperature control unit 71 performs cascade thermoelectric with respect to the target value Sc (for example, Step 2 target temperature k (n) in FIG. 17) during the temperature increase (for example, Step 1 and Step 2 in FIG. 17).
  • the operation amount (second operation amount) X is calculated by the proportional operation unit 42, the differentiation operation unit 43, and the integration pattern output unit 45.
  • the manipulated variable X is converted to the target value X, and the control variable B from the heater thermocouple 2 is subtracted by the subtractor 25, and the deviation (first deviation) E is output. Thereafter, the PID calculator 26 uses the deviation E to perform PID calculation, outputs the manipulated variable Z as the output of the temperature control unit 71, and controls the heater 1.
  • the control amounts A and B output from the heater 1 are fed back to the temperature control unit 71 again.
  • the manipulated variable Z is controlled so that the deviation F between the target value Sc and the controlled variable A becomes zero.
  • the control amount A from the cascade thermocouple 3 is set to the target value Sc. Subtract the result F from the subtractor 21 and calculate the manipulated variable (third manipulated variable) X using the proportional calculator 42, derivative calculator 43, integral pattern output 46, and integral calculator 41.
  • the manipulated variable X is converted to the target value X ', and the controlled variable B from the heater thermocouple 2 is subtracted by the subtractor 25, and the deviation (second deviation) E is output.
  • the PID calculator 26 performs PID calculation using the deviation E, and outputs the operation amount Z as the output of the temperature control unit 71 to control the heater.
  • the control amounts A and B output from the data 1 are fed back to the temperature control unit 71 again.
  • the manipulated variable Z is controlled so that the deviation F between the target value Sc and the controlled variable A becomes zero.
  • the substrate is heat-treated while controlling the temperature in this way.
  • FIG. 18, FIG. 19, and FIG. 20 show temperature changes in the furnace when the temperature control according to the present embodiment is performed.
  • FIG. 18 and FIG. 19 are specific examples during ramp-up.
  • PID control which is the conventional method shown in Fig. 18
  • overshoot is about 40 ° C, and it takes 35 minutes to stabilize at the target temperature ⁇ 3 ° C.
  • overshoot is about 2 ° C and about 17 minutes until it stabilizes within the target temperature ⁇ 3 ° C. .
  • the present invention is effective during ramp-up.
  • FIG. 20 shows the improvement results of the inter-zone deviation during ramp-up.
  • the heat treatment apparatus according to the present embodiment has the same configuration as the heat treatment apparatus according to the first embodiment described above. This embodiment differs from the first embodiment in the process of the temperature adjustment method when overshoot or undershoot occurs (S16, Yes).
  • S16, Yes overshoot or undershoot occurs
  • FIG. 21 is a flowchart for explaining the temperature adjustment procedure in the present embodiment.
  • the integrated output in the temperature transition period is patterned, and the temperature is adjusted so that the integrated output amount becomes that in the stable state during the temperature stabilization period.
  • Step 1 to Step 2 are the temperature transition period
  • Step 3 is the stable period.
  • adjustment is performed using the overshoot temperature ratio instead of the adjustment using the temperature adjustment of S17a.
  • the overshoot temperature ratio H is expressed by the above-described equations (13) to (13).
  • the calculated overshoot temperature ratio H is the heat ratio of the overshoot factor concealed in the integral output pattern of Step 1 to Step 2. Therefore, by reducing the step 1 target temperature V force overshoot temperature ratio H, it is reflected in the integrated output pattern of the temperature transition period, and the furnace can be quickly stabilized at the ideal temperature (S17b).
  • Step 1 target temperature V after reduction of H, step 1 ramp rate T, and ramp rate U ′ of step 2 can be obtained by the following formulas (35) to (37).
  • V, V * (1—H) ⁇ ⁇ ⁇ (35)
  • the heat treatment apparatus has the same configuration as the heat treatment apparatus according to the first embodiment described above. There is a difference in the heat treatment process between the present embodiment and the first embodiment.
  • the process is mainly from the ramp-up until the target temperature is stabilized.
  • it is mainly a boat up recovery process.
  • the boat-up cover is about the temperature of the boat and wafer at room temperature (about 25 ° C) when the boat filled with wafers to be heat-treated next time is lifted by the boat elevator and loaded into the reaction tube.
  • the temperature in the reaction tube decreases (for example, 200 ° C), but this reduced temperature in the reaction tube is repaired, and the original temperature (in this case, 200 ° C) with the wafer and boat transferred to the reaction tube It refers to the process of returning the temperature in the reaction tube.
  • Calculation process of heating amount D The process is also different up to the improvement adjustment of the inter-zone deviation (step S19 in the first embodiment).
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the temperature characteristic basic data force obtained by PID control also determines the temperature adjustment evaluation time Al [min] of the ramp-up start force, and the temperature indicated by the cascade thermocouple 3
  • the maximum overshoot time a [min], initial temperature S return time b [min], initial temperature S stabilization time c [min], and manipulated variable d [%] when initial temperature is stable are obtained.
  • the manipulated variable e (t) [%] at each time point within the temperature adjustment evaluation time A1 the temperature f (t) [° C] indicated by the heater thermocouple 2, and the temperature g (t indicated by the cascade thermocouple 3 ) Calculate [° C]. Also, let s [min] be the time until g (t) starts to decrease.
  • Equation (38) the integration range of ⁇ (d ⁇ e (t)) dt is between b and c.
  • the formula (10) and formula (11) shown in the first embodiment are applied to the basic temperature characteristics data shown in Fig. 22 above, and the total heat quantity Bl calculated from formula (38), stable Using the calorific value Cl and the missing calorific value Y, the calorific value obtained by the following formula (39) is defined as the heating calorific value Dl [% * min].
  • the total amount of heat obtained by PID calculation until the boat stabilizes to an initial temperature S is considered to include the amount of heat necessary to keep stable at the initial temperature S.
  • boat-up aprican can be thought of as a ramp-up from the lowest cascade temperature S1 to the initial temperature S when the evaluation starting force is also reduced by boat-up after rl.
  • the amount of heat required to keep stable at the initial temperature S described above is the temperature required to raise the initial cascade temperature S1 from the lowest cascade temperature S1 that has decreased due to boat-up. It is divided into the amount of heat and the amount of heat to keep stable at the initial temperature s.
  • the amount of operation when the cascade temperature is stabilized after boat-up is output as the amount of heat to stably maintain the total calorific force initial temperature S obtained by applying Equation (10) as described above.
  • the amount of stable heat By subtracting the amount of stable heat when it is assumed that the heat has continued, the amount of heat required to raise the temperature and the amount of raised heat can be obtained.
  • T2 a-Tl -T0---(46)
  • E0 is the initial temperature stabilization by dividing the heating temperature D1 'by the time T1 so that it is output at a constant output. The operation amount d of the hour is added. Thereafter, only the manipulated variable d when the target temperature is stable is output until the maximum overshoot time a is reached.
  • the basic data force for temperature characteristics during power control is also determined as f3 ⁇ 4Ul [min] at the time of temperature adjustment evaluation from the start of power control, and the heater thermocouple 2 is shown for each zone.
  • the evaluation start force is the step 0 until the output start point s for the temperature rise amount of heat output, step 1 from the point s to the maximum heater temperature point j during power control, the maximum heater temperature during power control Step 2 is from the time point j to the maximum cascade temperature time a during PID control.
  • Step 0 Since the temperature is not affected by the boat up yet, stabilize at the temperature at the start of the evaluation.
  • Step 1 temperature is considered to be an appropriate integrated output pattern up to the maximum heater temperature point j indicated by the heater thermocouple during the evaluation starting power control if the above-described triangle height and inclination are applied.
  • the maximum cascade time at the time of PID control which is the end time of Step 2 is considered to have no influence on the cascade temperature after this time, such as disturbance in the temperature transition period. In other words, if the cascade temperature reaches the initial temperature S at this point, it will be stable at the initial temperature S without overshooting thereafter.
  • the above formula force also creates an integrated output pattern and performs PIDC control.
  • the integration range of ⁇ L (t) dt is between s and j. Specifically, as shown in Fig. 27, the initial value, target value, rate, and time are set for each step and output along the steps. It is also possible to create an integrated output pattern using more steps than the three steps described above during the transition period.
  • Vw [° C] (i L (w * q) dtZq) X 2
  • the integrated output in the temperature transition period is patterned, and in the stable temperature period, the integrated output pattern is created so that the integrated output amount becomes that in the stable state, and the temperature is adjusted. .
  • the stable period starts from Step 3, and the deviation between the initial temperature S and the temperature indicated by the cascade thermocouple is set to 0 at the time of switching between Step 2 and Step 3. After that, the temperature will stabilize and this is considered to be an appropriate adjustment
  • the deviation force adjustment amount between the initial temperature S at the switching point between step 2 and step 3 and the temperature indicated by the cascade thermocouple may be obtained.
  • this P output W1 is an extra output, and it appears that the deviation p appears at the switching point between Step 1 and Step 2. Therefore, overshoot and undershoot This improvement can be realized by adjusting this extra P output Wl with the integral output pattern.
  • the temperature transition period is step 1 to step 2, and this adjustment amount W is subtracted from step 1 target temperature V force, and step 1 slope T and step 2 slope U are recalculated, and the temperature transient period is reached. That is, the operation amount of step 1 to step 2 can be adjusted to an appropriate value. In other words, if undershooting, overshoot the temperature transition integral operation amount by a large overshoot! / If you speak, reduce the temperature transient integration operation amount to reduce the switching point between step 2 and step 3. The deviation between the initial temperature S and the temperature indicated by the cascade thermocouple can be reduced, and overshoot and undershoot can be improved.
  • the target temperature is k (n)
  • the adjusted step 1 target temperature V, step 1 ramp rate T, and step 2 ramp rate U can be obtained from the following formulas (56) to (58).
  • V ' V-W I (56)
  • the manipulated variable is created and adjusted for each heating zone.Therefore, an early and a slow are generated until the target temperature stabilizes. Deviation may affect film thickness in some cases. Therefore, by adjusting the integral output pattern, the target temperature stabilization is slowed down according to the slow speed, and the inter-zone deviation is improved.
  • the target temperature stabilization is delayed according to zone 904 by delaying each step of the integrated output pattern of zone 903 by dev ⁇ t.
  • the norm can be obtained by the equations (33) to (34) shown in the first embodiment. Where T is the slope T [° C / min] of step 1 above.
  • FIG. 32 and FIG. 33 are specific examples of temperature recovery after boat up is completed.
  • the overshoot is about 10 ° C, and it is not stable within the target temperature ⁇ 5 ° C even about 100 minutes after boat-up.
  • the procedure of the present invention is a natural phenomenon, measured temperature, manipulated variable, time, and so on. It can be obtained by a calculation formula, temperature adjustment can be performed quickly and surely, and time and cost can be reduced.
  • the heat treatment apparatus according to this embodiment has the same configuration as the heat treatment apparatus according to the third embodiment described above. This embodiment is different from the third embodiment in the process of the temperature adjustment method, and the processing when overshoot or undershoot occurs is different.
  • the same components as those in the third embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the integrated output during the temperature transition period is patterned, and the temperature is adjusted so that the integrated output amount becomes that when the temperature is stable during the temperature stabilization period.
  • Step 1 to Step 2 are the temperature transition period
  • Step 3 is the stable period.
  • overshoot and undershoot adjustment during PIDC control in the third embodiment are adjusted using the overshoot temperature ratio instead of adjustment using temperature adjustment.
  • the overshoot temperature ratio H is expressed by the above equations (59) to (59).
  • Equations (59) to (61) and their explanations are described again below.
  • the calculated overshoot temperature ratio H is the heat ratio of the overshoot factor concealed in the integrated output pattern of Step 1 to Step 2. Therefore, by reducing the step 1 target temperature V force overshoot temperature ratio H, it is reflected in the integrated output pattern in the temperature transition period, and the furnace can be quickly stabilized at the ideal temperature.
  • V, V * (1— H) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (62)
  • the heat treatment apparatus according to the present embodiment has the same configuration as the heat treatment apparatus according to the first embodiment described above.
  • the present embodiment and the first embodiment differ in the calculation method for determining the amount of operation to be ramped up when determining the output pattern of power control in the procedure of the temperature adjustment method.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a power output pattern is obtained using a, d, D1 ′ obtained in the same manner as in the first embodiment, and power control is performed.
  • the first half increases the heater temperature to ramp up, and the second half power heater temperature starts to decrease.
  • this is a period in which the cascade temperature rises with a delay, and the first half of the period for outputting the power required for temperature rise, that is, the half at the time of maximum overshoot, is appropriate.
  • [0156] 10 is obtained by adding the manipulated variable d when the target temperature is stable to the manipulated variable when the temperature rise D 'is output at a constant output and half the overshoot maximum time a.
  • the temperature data basic data force during power control also determines the temperature adjustment evaluation time Al [min] from the start of power control, and the target temperature S 'arrival time b [min] , The target temperature S 'stabilization time c [min], the maximum temperature j2 [de] that the heater thermocouple shows, and the maximum temperature time a2 [min].
  • the temperature f (t) [° C] indicated by the heater thermocouple 2 and the temperature g (t) [° C] indicated by the cascade thermocouple 3 at each time point within the temperature adjustment evaluation time A1 are obtained.
  • K can be calculated by the following equation (69).
  • the integration range of ⁇ m (t) dt is between b and c.
  • the total temperature during the target temperature S 'stabilization time c is obtained. If this is the temperature sum L1, L1 can be calculated by the following equation (70).
  • the integration range of ⁇ g (t) dt is between 0 and c.
  • the manipulated variable 10 can be reduced to an appropriate manipulated variable by reducing this overshoot temperature ratio M by the manipulated variable calculated from the heating temperature of the power output pattern. If the manipulated variable 10 after reducing the overshoot temperature ratio H is 10 ', 10' can be calculated by the following equation (72).
  • I0, (I0— I1) * (1—M) + I1 (72)
  • the present embodiment is a modification of the configuration within the temperature control unit described in the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable X is calculated by switching between PID calculation and P1DC calculation at a preset time
  • the manipulated variable Z is calculated at a preset time of PID calculation and P1DC calculation.
  • the power output pattern force is calculated by switching with or.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable X is calculated by PIDC calculation
  • the manipulated variable Z is calculated by switching between P1D calculation and PIDC calculation at a preset time or Power output.
  • the pattern force is also calculated.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable Z is configured to calculate the force calculated by P1DC calculation or the Power output pattern force.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those of the apparatus configuration and processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable X is calculated by PID calculation
  • the manipulated variable Z is configured to calculate the power calculated by the P1DC calculation or the Power output pattern force.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the operation amount X is calculated by the PIDC calculation
  • the operation amount Z is calculated by the force calculated by the PID calculation or the Power output pattern force.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable X is calculated by PIDC calculation
  • the manipulated variable Z is also calculated by the power calculated by P1DC calculation or the Power output pattern force.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • control amount A of the cascade thermocouple is ignored, and the deviation E between the control amount B of the heater thermocouple and the target value Sc is used.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the control amount A of the cascade thermocouple is ignored, and the deviation E between the control amount B of the heater thermocouple and the target value Sc is used.
  • the operation amount Z is configured to calculate the force calculated by P1DC calculation or the power output pattern force.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the manipulated variable Z is a force calculated by switching three of P1D calculation, PIDC calculation, and Power output pattern at a preset time or Power output pattern force The configuration is to calculate.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the operation amount Z is calculated from the force calculated by switching the PIDC calculation and the Power output pattern at a preset time or the Power output pattern. ing.
  • the present embodiment is a modification of the above-described first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment and the processing contents are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the operation amount Z is calculated by switching the P1D calculation and the Power output pattern at a preset time, or calculating the power output pattern. It has become.
  • the heat treatment apparatus according to the present embodiment has a single-wafer apparatus configuration that is not the same as the vertical apparatus structure of the heat treatment apparatus according to each of the above-described embodiments.
  • the heat treatment apparatus according to the present embodiment includes a temperature control unit having the same configuration and function as temperature control unit 71 in the first embodiment shown in FIG. .
  • the processing furnace 86 is a single wafer type CVD furnace (single wafer type cold wall type CVD furnace).
  • a chamber 223 in which a processing chamber 201 for processing a wafer (semiconductor wafer) 85 as a substrate to be processed is formed is provided.
  • the chamber 223 is formed by combining an upper cap 224, a cylindrical cup 225, and a lower cap 226, and is formed in a cylindrical shape in which the upper and lower end surfaces are closed.
  • a wafer loading / unloading port 250 that is opened and closed by a gate valve 244 is opened horizontally in the middle of the cylindrical wall of the cylindrical cup 225 of the chamber 223, and the wafer loading / unloading port 250 is a substrate to be processed.
  • a certain wafer 85 is formed in the processing chamber 201 so that it can be carried in and out by a wafer transfer device (not shown in FIG. 48). That is, the wafer 85 is transported through the wafer loading / unloading port 250 and is loaded into and unloaded from the processing chamber 201 while being mechanically supported from below by the wafer transfer device.
  • An exhaust port 235 connected to an exhaust device (not shown) such as a vacuum pump is formed at the upper portion of the wall surface of the cylindrical cup 225 facing the wafer loading / unloading port 250 so as to communicate with the processing chamber 201.
  • the inside of the processing chamber 201 is exhausted by an exhaust device.
  • an exhaust buffer space 249 communicating with the exhaust port 235 is formed in an annular shape in the upper part of the cylindrical cup 225.
  • cover plate 248 extends on a part of the susceptor (substrate holding means) 84 so as to cover the edge portion of the wafer 85, and is a CVD film formed on the edge portion of the wafer 85. Used to control
  • a disc-shaped shower plate (hereinafter referred to as a plate) 240 is fixed horizontally at a distance from the gas supply pipe 232 on the lower surface of the upper cap 2 24. Air outlets (hereinafter referred to as air outlets) 247 have been established so that they are evenly distributed over the entire surface and circulate through the upper and lower spaces!
  • a buffer chamber 237 is formed by an inner space defined by the inner surface of the upper cap 224 and the upper surface of the plate 240, and the notch chamber 237 includes the processing gas 230 introduced into the gas supply pipe 232 as a whole. The air is diffused evenly, and the air is blown out uniformly from each outlet 247 in the form of a shower.
  • a through hole 278 is formed in a circular shape at the center of the lower cap 226 of the chamber 223, and a support shaft 276 formed in a cylindrical shape on the center line of the through hole 278 is disposed below the processing chamber 201.
  • the mosquito is also known.
  • the support shaft 276 is raised and lowered by an elevating mechanism (elevating means) 268 using an air cylinder device or the like.
  • a heating unit 251 is concentrically arranged at the upper end of the support shaft 276 and fixed horizontally.
  • the heating unit 251 is moved up and down by the support shaft 276. That is, the heating unit 251 includes a support plate 258 formed in a disc shape, and the support plate 258 is fixed concentrically to the upper end opening of the support shaft 276.
  • a plurality of electrodes 253 that also serve as support columns are vertically erected on the upper surface of the support plate 258, and a heater (heating means) that is formed in a disk shape between the upper ends of these electrodes 253 and is controlled to be divided into a plurality of regions. ) 81 is cross-linked and fixed. The electrical wiring 257 for these electrodes 253 is passed through the hollow portion of the support shaft 276.
  • a reflector 252 is fixed to the support plate 258 below the heater 81, and heat generated from the heater 81 is reflected to the susceptor 84 side, which is efficient and acts on the heating.
  • radiation thermometers 87 and 88 which are temperature detection means, are introduced from the lower end of the support shaft 276, and the tips of the radiation thermometers 87 and 88 provide a predetermined gap with respect to the back surface of the susceptor 84.
  • the radiation thermometers 87 and 88 are composed of a combination of a rod having a quartz force and an optical fiber, and detect radiation emitted from the back surface of the susceptor 84 (for example, the back surface corresponding to the divided area of the heater 81). It is used to calculate the backside temperature (it is possible to calculate the temperature of the wafer 85 based on the relationship between the temperature of the wafer 85 and the susceptor 84 acquired in advance). Based on this calculation result, the heating condition of the heater 81 is controlled. Yes.
  • a rotating shaft 277 formed in a cylindrical shape having a diameter larger than that of the support shaft 276 is concentrically arranged so as to enter the processing chamber 201 from below.
  • the rotating shaft 277 is moved up and down together with the support shaft 276 by a lifting mechanism 268 using an air cylinder device or the like.
  • a rotating drum 227 is concentrically arranged at the upper end of the rotating shaft 277 and is fixed horizontally. The rotating drum 227 is rotated by the rotating shaft 277.
  • the rotating drum 227 includes a rotating plate 229 formed in a donut-shaped flat plate and a rotating cylinder 228 formed in a cylindrical shape, and the inner peripheral edge of the rotating plate 229 is a cylindrical rotating shaft 277.
  • a rotating cylinder 228 is fixed to a concentric circle on the outer peripheral edge of the upper surface of the rotating plate 229 and is fixed to the upper end opening.
  • the upper end of the rotating cylinder 228 of the rotating drum 227 is covered with a susceptor 84 formed in a disk shape using silicon carbide, aluminum nitride or the like so as to close the upper end opening of the rotating cylinder 228.
  • a wafer elevating device 275 is installed on the rotary drum 227.
  • the wafer lifting device 275 is composed of two lifting rings formed in a circular ring shape and protruding pins (substrate protruding means) 266 and 274, respectively.
  • the lower lifting ring ( Hereinafter, the rotation side ring is disposed on the rotating plate 229 of the rotating drum 227 concentrically with the support shaft 276.
  • On the lower surface of the rotation side ring a plurality of (three in the present embodiment) protruding pins (hereinafter referred to as rotation side pins) 274 are arranged at equal intervals in the circumferential direction so as to face downward in the vertical direction.
  • Each rotation-side pin 274 is slidably fitted in each guide hole 255 that is arranged on the rotation plate 229 on a line concentric with the rotation cylinder 228 and opened in the vertical direction.
  • the lengths of the rotation-side pins 274 are set to be equal to each other so that the rotation-side ring can be pushed up horizontally, and are set to correspond to the push-up amount of the wafer susceptor.
  • the lower end of each rotation-side pin 274 faces the bottom surface of the processing chamber 201, that is, the upper surface of the lower cap 226 so as to be separable.
  • a heater side ring On the support plate 258 of the heating unit 251, another elevating ring (hereinafter referred to as a heater side ring) formed in a circular ring shape is disposed concentrically with the support shaft 276.
  • a plurality of (three in the present embodiment) protruding pins hereinafter referred to as heater-side pins 266 are arranged at equal intervals in the circumferential direction and vertically downward.
  • Each heater side pin 266 is arranged on a support plate 258 on a line concentric with the support shaft 276 and is slidably fitted in each guide hole 254 opened in the vertical direction.
  • These heater-side pins 266 are set equal to each other so that the heater-side ring can be pushed up horizontally, and the lower ends thereof are opposed to each other with a moderate air gap on the upper surface of the rotation-side ring. . In other words, these heater side pins 266 do not interfere with the rotating side ring when the rotating drum 227 rotates!
  • protruding upper portions 266 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the upper surface of the heater side ring.
  • the upper end of the projecting upper portion 266 is opposed to the heater 81 and the through hole 256 of the susceptor 84.
  • the lengths of these protrusions 266 are set to be equal to each other so that the wafer 85 placed on the susceptor 84 passes through the through hole 256 of the heater 81 and the susceptor 84 and the wafer 85 placed on the susceptor 84 is floated horizontally from the susceptor 84.
  • protruding upper portions 266 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the upper surface of the heater side ring.
  • the upper end of the projecting upper portion 266 is opposed to the heater 81 and the through hole 256 of the susceptor 84.
  • the lengths of these protrusions 266 are set to be equal to each other so that the wafer 85 placed on the susceptor 84 passes through the through hole
  • the lengths of the protrusions 266 are set so that the upper end of the heater-side ring does not protrude even when the heater-side ring is seated on the support plate 258. That is, these protrusions 266 do not interfere with the susceptor 84 when the rotating drum 227 rotates, and do not prevent the heater 81 from being heated.
  • the chamber 223 is horizontally supported by a plurality of support columns 280.
  • Each of the elevating blocks 281 is fitted to these columns 280 so as to be movable up and down, and between these elevating blocks 281 is moved up and down by an elevating drive device (not shown) using an air cylinder device or the like.
  • a stand 282 is installed.
  • a susceptor rotating device is installed on the lifting platform 282, and a bellows 279 is interposed between the susceptor rotating device and the chamber 223 so as to hermetically seal the outside of the rotating shaft 277.
  • a brushless DC motor is used for the susceptor rotating mechanism (rotating means) 267 installed on the lifting platform 282, and the output shaft (motor shaft) is formed as a hollow shaft to be used as a rotating shaft 277. It is configured.
  • the susceptor rotating mechanism 267 includes a housing 283, and the housing 283 is installed on the lifting platform 282 vertically upward.
  • a stator (stator) 284 composed of an electromagnet (coil) is fixed to the inner peripheral surface of the housing 283. That is, the stator 284 is configured by a coil wire (enamel-coated copper wire) 286 being mounted on an iron core (core) 285.
  • the coil wire 286 is electrically connected to a lead wire (not shown) through an insertion hole (not shown) formed in the side wall of the housing 283, and the stator 284 is a brushless DC motor (not shown). Is supplied to the coil wire 286 through a lead wire to form a rotating magnetic field.
  • a rotor (rotor) 289 is arranged concentrically with an air gap (gap) set, and the rotor 289 is arranged on the housing 283 via upper and lower ball bearings 293. It is supported rotatably. That is, the rotor 289 includes a cylindrical main body 290, an iron core (core) 291, and a plurality of permanent magnets 292. A rotating shaft 277 is fixed to the main body 290 so as to rotate integrally with a bracket 288. Yes.
  • the iron core 291 is fitted and fixed to the main body 290, and a plurality of permanent magnets 292 are fixed to the outer periphery of the iron core 291 at equal intervals in the circumferential direction.
  • a plurality of magnetic poles arranged in an annular shape are formed by an iron core 291 and a plurality of permanent magnets 292, and the rotating magnetic field formed by the stator 284 cuts off the magnetic fields of the plurality of magnetic poles, that is, the permanent magnets 292.
  • Child 289 is designed to rotate.
  • the upper and lower ball bearings 293 are respectively installed at the upper and lower ends of the main body 290 of the rotor 289, and the upper and lower ball bearings 293 are appropriately provided with a gap for absorbing the thermal expansion of the main body 290. Yes.
  • the gap of the ball bearing 293 is set to 5 to 50 / ⁇ ⁇ in order to absorb the thermal expansion of the main body 290 and suppress the minimum rattling.
  • the ball bearing gap means a gap generated on the opposite side when the ball is brought to either the outer race or the inner race.
  • the outer and inner cover members 287 constituting the double cylindrical wall are opposed to each other, and the inner peripheral surface of the housing 283 and the main body 290 are opposed to each other.
  • a predetermined air gap (gap) is set between each cover 287 and each cover 287.
  • Cover 287 is made of non-magnetic stainless steel.
  • the cylindrical wall is formed in an extremely thin cylindrical shape, and is securely and uniformly fixed to the housing 283 and the main body 290 at the upper and lower opening ends of the cylinder by electron beam welding.
  • the cover 287 is made of stainless steel, which is a non-magnetic material, and is extremely thin.
  • the cover 287 prevents the magnetic flux from diffusing and prevents the motor efficiency from decreasing. Corrosion of the permanent magnet 292 can be prevented, and contamination of the inside of the processing chamber 201 by the coil wire 286 and the like can be reliably prevented.
  • the cover 287 surrounds the stator 284 in an airtight seal so that the internal force of the processing chamber 201 in which the stator 284 is in a vacuum atmosphere is completely isolated.
  • a magnetic rotary encoder 294 is installed in the susceptor rotating device.
  • the magnetic rotary encoder 294 includes a detection ring 296 as a detection target that also has magnetic force, and the detection ring 296 is formed in a circular ring shape using a magnetic material such as iron. .
  • a large number of teeth as a detected part are arranged in an annular shape.
  • a magnetic sensor 295 for detecting each tooth which is a detected portion of the detected ring 296 is installed at a position opposite to the detected ring 296 of the housing 283.
  • the clearance (sensor gap) between the tip surface of the magnetic sensor 295 and the outer peripheral surface of the ring 296 to be detected is set to 0.06 to 0.17 mm.
  • the magnetic sensor 295 is configured to detect the change in magnetic flux at these opposing positions with the rotation of the ring 296 to be detected by a magnetoresistive element.
  • the detection result of the magnetic sensor 295 is transmitted to the drive control unit of the brushless DC motor, that is, the susceptor rotation mechanism 267, and is used for position recognition of the susceptor 84 and used to control the rotation amount of the susceptor 84.
  • the processing furnace 86 includes a main control unit 7 including a gas flow rate control unit 72, a drive control unit 74, a heating control unit 71a, a temperature detection unit 71b, and the like.
  • the temperature control unit 71 includes a heating control unit 71a and a temperature detection unit 71b.
  • the temperature control unit 71 includes heater thermocouples 82 and 83 for detecting the temperature of the heater 81.
  • the gas flow rate control unit 72 is connected to the MFC 241 and the on-off valve 243, and controls the gas flow rate and supply.
  • the drive control unit 74 is connected to the susceptor rotating mechanism 267 and the lifting block 281 and controls these drives.
  • the heating control unit 71a is connected to the heater 81 through the wiring 257 and is connected to the heater 81. The heating condition of the data 81 is controlled.
  • the temperature detector 7 lb is connected to radiation thermometers 87 and 88, detects the temperature of the susceptor 84, and is used for heating control of the heater 81 in cooperation with the heating controller 71a.
  • the rotary drum 227 and the heating unit 251 are lowered to the lower limit position by the rotary shaft 277 and the support shaft 276. Then, the lower end of the rotation-side pin 274 of the wafer lifting device 275 abuts the bottom surface of the processing chamber 201, that is, the upper surface of the lower cap 226, so that the rotation-side ring rises relative to the rotation drum 227 and the heating unit 251. .
  • the raised rotating ring raises the heater side ring by pushing up the heater side pin 266.
  • wafer lifting device 275 brings wafer 85 into a state where the upper surface force of susceptor 84 is also lifted, an insertion space is formed between the lower space of wafer 85, that is, the lower surface of wafer 85 and the upper surface of susceptor 84. Therefore, a twister which is a substrate holding plate provided in a wafer transfer machine (not shown in FIG. 48) is inserted into the insertion space of the wafer 85 from the wafer loading / unloading port 250. The twister inserted below the wafer 85 moves up to receive the wafer 85. The twister that has received the wafer 85 moves back the wafer loading / unloading port 250 and unloads the wafer 85 from the processing chamber 201. Then, the wafer transfer machine that unloads the wafer 85 by the twister transfers the wafer 85 to a predetermined storage location such as an empty wafer cassette outside the processing chamber 201.
  • a twister which is a substrate holding plate provided in a wafer transfer machine (not shown in FIG. 48) is
  • the wafer transfer device receives the wafer 85 to be subjected to the next film formation process by the twister and carries it into the processing chamber 201 through the wafer loading / unloading port 250.
  • the twister conveys the wafer 85 above the susceptor 84 to a position where the center of the wafer 85 coincides with the center of the susceptor 84.
  • the twister is slightly lowered to transfer the wafer 85 to the susceptor 84.
  • Wafer 8 The twister that has transferred 5 to the wafer lift 275 exits the processing chamber 201 from the wafer loading / unloading port 250.
  • the wafer loading / unloading port 250 is closed by a gate valve (gate valve) 244.
  • the gate valve 244 When the gate valve 244 is closed, the rotary drum 227 and the heating unit 251 are raised by the elevator 282 via the rotary shaft 277 and the support shaft 276 with respect to the processing chamber 201. As the rotating drum 227 and the heating unit 251 are raised, the thrust pins 266 and 274 are lowered relative to the rotating drum 227 and the heating unit 251, and the wafer 85 is moved to the susceptor 84 as shown in FIG. Completely transferred to the top. The rotating shaft 277 and the supporting shaft 276 are stopped at a position where the rotating shaft 277 and the supporting shaft 276 are close to the lower surface of the upper end force heater 81 of the protrusion 266.
  • the processing chamber 201 is exhausted by an exhaust device (not shown) connected to the exhaust port 235. At this time, the vacuum atmosphere in the processing chamber 201 and the external atmospheric pressure atmosphere are isolated by the bellows 279.
  • the rotating drum 227 is rotated by the susceptor rotating mechanism 267 via the rotating shaft 277. That is, when the susceptor rotating mechanism 267 is operated, the rotating magnetic field of the stator 284 cuts the magnetic field of the plurality of magnetic poles of the rotor 289, so that the rotor 289 rotates, so that the rotation fixed to the rotor 289
  • the rotating drum 227 is rotated by the shaft 277.
  • the rotational position of the rotor 2 89 is detected from moment to moment by the magnetic rotary encoder 294 installed in the acceptor rotation mechanism 267 and transmitted to the drive control unit 74. Etc. are controlled.
  • the rotating drum 227 While the rotating drum 227 is rotating, the rotating side pin 274 is separated from the bottom surface force of the processing chamber 201, and the heater side pin 266 is also separated from the rotating side ring force.
  • the heating unit 251 can maintain the stop state even if the lifting / lowering device 275 hinders it. That is, in the wafer elevating device 275, the rotation side ring and the rotation side pin 274 are rotated together with the rotation drum 227, and the heater side ring and the heater side pin 266 are stopped together with the heating unit 251.
  • the processing gas 230 blown out in a shower form from the outlets 247 is evenly distributed over the entire surface of the wafer 85. It will be in the state which contacts. Since the processing gas 230 contacts the entire surface of the wafer 85 evenly, the film thickness distribution and film quality distribution of the CVD film formed on the wafer 85 by the processing gas 230 are uniform over the entire surface of the wafer 85.
  • the temperature distribution of the wafer 85 heated by the heating unit 251 while being rotated by the rotating drum 227 is uniform over the entire surface. Controlled. As described above, the temperature distribution of the wafer 85 is uniformly controlled over the entire surface, so that the film thickness distribution and film quality distribution of the CVD film formed on the wafer 85 by the thermochemical reaction are uniformly controlled over the entire surface of the wafer 85. Is done.
  • the configuration shown in the sixteenth embodiment for the force of the first embodiment described above is also a force for a vertical heat treatment apparatus, but is not limited to this.
  • the configuration of the sixteenth embodiment can be applied to a heat treatment apparatus as a single wafer apparatus as shown in the present embodiment.
  • the control amount by the heating means is changed, and the operation amount is changed.
  • the temperature control to maintain or follow the controlled variable to the target value by controlling the feedback by proportional / integral / derivative calculation based on the controlled variable that changes the value, set the appropriate manipulated variable output in advance.
  • a means for selecting and switching the control that outputs the manipulated variable according to the proportional 'integral' / derivative operation, and appropriately switching between the appropriate manipulated value and the manipulated variable according to the proportional / integral / derivative operation is possible to provide a temperature control method characterized by being input to the heating means.
  • the temperature control method having the above-described configuration may be automatically adjusted to an optimum operation amount by repeatedly executing the temperature control method several times.
  • the temperature control method having the above-described configuration may be programmed and installed on a computer.
  • the calculation method of the target temperature in the integration pattern output shown in each of the above-described embodiments is an exemplification, and may be calculated by, for example, a calculation method as shown in Expression (27)
  • the present invention can be applied to the interior of the processing chamber during ramp-up or boat-up recovery.
  • the temperature fluctuates first, operate by PID control from the initial temperature until it stabilizes at the target temperature, acquire basic data at that time, and stabilize at the target temperature from the initial temperature in the basic data Divide the amount of heat consumed in the process into a stable heat amount and a heated heat amount, and obtain an output control pattern.
  • the present invention is applied to the vertical apparatus and the single wafer apparatus.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. Needless to say, this is applicable.
  • the procedure of the present invention is a natural phenomenon, measured temperature, manipulated variable, time, and so on. It can be obtained by a calculation formula, temperature adjustment can be performed quickly and surely, and time and cost can be reduced.

Landscapes

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Description

明 細 書
温度調整方法、熱処理装置、半導体装置の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、温度調整方法、熱処理装置および半導体装置の製造方法に関するも のである。
背景技術
[0002] 従来、半導体製造装置では、炉内の温度を適切な温度に維持し若しくは炉内を指 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 ターンに基づいて制御装置がヒータの制御を行っている（例えば、特許文献 1参照。
) o
特許文献 1 :特開 2000— 183072号公報 (第 11一 21頁、第 1図）
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 従来技術である PID演算による帰還制御を用いると、目標値（目標温度）と実測値 との偏差が大きくなつたことを認識した後で操作量を変化させるという後追い制御で あるため、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場合がある。そのため、熟練した 作業者により、目標温度との誤差を少なくするための調整 (PID演算のために予め設 定するパラメータの調整)を繰り返し行うため、多くの調整時間や費用を要しており、 作業効率の向上およびコストダウンの妨げとなっている。
[0004] 本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、作業効率の向上 およびコストダウンに寄与することのできる温度調整方法、熱処理装置および半導体 装置の製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 上述した課題を解決するため、本発明に係る温度調整方法は、基板を処理する処 理室内を加熱する加熱手段と、該加熱手段を制御する加熱制御部と、前記処理室 内の温度を検出する第一および第二の温度検出手段とを備え、該第一の温度検出 手段は前記第二の温度検出手段よりも前記基板に近い位置に配置され、該第二の 温度検出手段は前記第一の温度検出手段よりも前記加熱手段に近い位置に配置さ れる熱処理装置における温度調整方法であって、前記加熱制御部により、前記第一 の温度検出手段による検出温度が所定の目標温度となるように、積分演算、微分演 算および比例演算を行って前記加熱手段を制御する第一の工程と、前記第一のェ 程おける前記加熱手段の制御において前記第一の温度検出手段により検出される 検出温度に基づき、前記加熱制御部によって前記加熱手段を制御するための第一 の操作量をパターンィ匕し第一の出力制御パターンを求める第二の工程と、前記第二 の工程で求めた第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱制御部により前記カロ 熱手段を制御する第三の工程と、前記第三の工程における前記加熱手段の制御に おいて前記第二の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱制 御部によって前記加熱手段を制御するための第二の操作量の少なくとも一部をバタ ーン化し第二の出力制御パターンを求める第四の工程とを有することを特徴とするも のである。
[0006] また、上述のような構成の温度調整方法において、前記加熱制御部により、前記第 二の操作量の少なくとも一部として前記第四の工程で求めた前記第二の出力制御パ ターンを用いて、前記加熱手段を制御しつつ前記基板を処理する第五の工程を有 する構成としてちよい。
[0007] また、上述のような構成の温度調整方法において、前記第四の工程は、前記第三 の工程における前記加熱手段の制御において前記第二の温度検出手段により検出 される検出温度の、昇温開始時から最大温度時までの間の熱量を求め該熱量の中 力 前記比例演算による出力分を差し引いた熱量を用いて前記昇温開始時力 最 大温度時までの前記第二の操作量の少なくとも一部をパターン化することにより前記 第二の出力制御パターンを求める構成とすることもできる。
[0008] また、本発明に係る熱処理装置は、基板を処理する処理室内を加熱する加熱手段 と、該加熱手段を制御する加熱制御部と、前記処理室内の温度を検出する第一およ び第二の温度検出手段とを備え、該第一の温度検出手段は前記第二の温度検出手 段よりも前記基板に近い位置に配置され、該第二の温度検出手段は前記第一の温 度検出手段よりも前記加熱手段に近い位置に配置される熱処理装置であって、前記 加熱制御部は、前記第一の温度検出手段による検出温度が昇温開始時の温度から 目標温度となるように積分演算、微分演算および比例演算を行って前記加熱手段を 制御した際に、前記第一の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記 加熱手段を制御するための第一の操作量をパターンィ匕して第一の出力制御パター ンを求め、該第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱手段を制御した際の前 記第二の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱手段を制御 するための第二の操作量の少なくとも一部をパターンィ匕し第二の出力制御パターン を求めることを特徴とするものである。
[0009] また、上述のような構成の熱処理装置において、前記加熱制御部は、前記第二の 操作量の少なくとも一部として前記第二の出力制御パターンを用いて、前記加熱手 段を制御しつつ前記基板を処理するようにすることもできる。
[0010] また、上述のような構成の熱処理装置において、前記加熱制御部は、前記第一の 温度検出手段により検出された検出温度が前記目標温度を超えるよう予め設定され た許容値よりもオーバーシュート量が大き!/、場合には、該オーバーシュート量を低減 させるよう、前記昇温開始時の温度から前記目標温度へ変化させ前記目標温度に 安定させるまでの過程における期間中の総熱量と、該総熱量中の昇温するために必 要な昇温熱量と、前記目標温度を超えてオーバーシュートしているオーバーシュート 熱量とを求め、前記総熱量と該オーバーシュート熱量との比であるオーバーシュート 温度比率を求め、前記昇温熱量から前記オーバーシュート温度比率分を差し引いて 求めた熱量に基づいて、前記第一の出力制御パターンを求める構成とすることもでき る。
[0011] また、上述のような構成の熱処理装置において、第一の出力制御パターンに基づ いて前記加熱制御部は、前記加熱手段を制御した際の前記第二の温度検出手段に より検出される検出温度が示す昇温開始時力 最大温度時までの熱量を求め該熱 量の中から前記比例演算による出力分を差し引いた熱量を用いて前記昇温開始時 力も最大温度時までの前記第二の操作量の少なくとも一部をパターンィ匕することによ り前記第二の出力制御パターンを求める構成とすることが好ましい。 [0012] また、上述のような構成の熱処理装置において、前記第二の出力制御パターンに 基づいて前記基板の処理を行う際には、前記目標温度へ昇温している期間中は、前 記加熱制御部により、前記第一の温度検出手段にて検出された温度を前記目標温 度から減算した結果を用いて、比例演算および微分演算を行った結果と、前記第二 の出力制御パターンとに基づいて前記第二の操作量を演算し、該演算された第二の 操作量力 前記第二の温度検出手段にて検出された温度を減算して得られる結果 を用いて比例演算、微分演算、および積分演算しつつ、前記加熱手段を制御し、前 記目標温度で安定した際には、前記加熱制御部により、前記第一の温度検出手段 にて検出された温度を前記目標温度から減算した結果を用いて、比例演算、微分演 算および積分演算を行った結果と、前記第二の出力制御パターンとに基づいて第三 の操作量を演算し、該演算された第三の操作量から前記第二の温度検出手段にて 検出された温度を減算して得られる結果を用いて比例演算、微分演算、および積分 演算しつつ、前記加熱手段を制御し前記基板を処理する構成とすることもできる。
[0013] また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板を処理する処理室内を加熱す る加熱手段と、該加熱手段を制御する加熱制御部と、前記処理室内の温度を検出 する第一および第二の温度検出手段とを備え、該第一の温度検出手段は前記第二 の温度検出手段よりも前記基板に近い位置に配置され、該第二の温度検出手段は 前記第一の温度検出手段よりも前記加熱手段に近い位置に配置される熱処理装置 であって、前記加熱制御部は、前記第一の温度検出手段による検出温度が所定の 目標温度となるように積分演算、微分演算および比例演算を行って前記加熱手段を 制御した際に、前記第一の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記 加熱手段を制御するための第一の操作量をパターンィ匕して第一の出力制御パター ンを求め、該第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱手段を制御した際の前 記第二の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱手段を制御 するための第二の操作量の少なくとも一部をパターンィ匕し第二の出力制御パターン を求める熱処理装置を用いて基板の処理を行う半導体装置の製造方法であって、基 板を処理室内に搬入する工程と、前記加熱制御部が前記第二の操作量の少なくとも 一部として前記第二の出力制御パターンを用いて前記加熱手段を制御しつつ前記 処理室内に搬入された基板を処理する工程と、前記基板を処理室から搬出するェ 程とを有することを特徴とする。
図面の簡単な説明
[図 1]本発明の第 1の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 2]同装置における反応管周辺の構成の詳細について説明するための図である。
[図 3]PID演算器 23における処理 (PID制御）について説明するための図である。
[図 4]PIDC演算器について説明するための図である。
[図 5]積分出力パターンについて説明するための図である。
[図 6]Power制御について説明するための図である。
[図 7]温度調整方法の手順について説明するためのフローチャートである。
[図 8]温度特性基本データに基づいて求めるパラメータについて説明するための図 である。
[図 9]オーバーシュートしたカスケード温度の総和について説明するための図である
[図 10]評価開始から目標温度 S '安定時間 cの間の温度総和について説明するため の図である。
[図 11]操作量と時間との関係について説明するための図である。
[図 12]k(t)の波形力 P動作分を差し引いたヒータ波形 L (t)について説明するため の図である。
[図 13]積分出力パターン M (t)について説明するための図である。
[図 14]ある一定の時間毎に積分パターン出力のステップを r個設定した場合の目標 温度とランプレートについて説明するための図である。
[図 15]積分出力パターンは適切である場合におけるオーバーシュートおよびアンダ 一シュートの発生について説明するための図である。
[図 16]ゾーン間偏差について説明するための図である。
[図 17]ゾーン間偏差がある場合における温度調整手順について説明するための図 である。
[図 18]本実施の形態による温度制御を行った場合における、炉内の温度変化を示す 図である。
圆 19]本実施の形態による温度制御を行った場合における、炉内の温度変化を示す 図である。
[図 20]本実施の形態による温度制御を行った場合における、炉内の温度変化を示す 図である。
圆 21]第 2の実施の形態における温度調整手順について説明するためのフローチヤ ートである。
[図 22]温度特性基本データに基づいて求めるパラメータについて説明するための図 である。
[図 23]オーバーシュートしたカスケード温度の総和について説明するための図である
[図 24]最低温度 S 1時点 rから初期温度 S安定時間 cの間の温度総和について説明 するための図である。
[図 25]Power出力パターンについて説明するための図である。
[図 26]Power制御時温度特性基本データに基づく Power制御開始力 の温度調整 評価時間等の決定について説明するための図である。
[図 27]積分出力パターン M (t)について説明するための図である。
[図 28]—定の時間毎に積分パターン出力のステップを w個設定した場合の目標温度 およびランプレートについて説明するための図である。
[図 29]積分出力パターンが適切である場合における、オーバーシュートおよびアンダ 一シュートの発生について説明するための図である。
[図 30]ゾーン間偏差について説明するための図である。
[図 31]ゾーン間偏差がある場合における温度調整について説明するための図である
[図 32]ボートロード後の温度リカノ リの具体例を示す図である。
[図 33]ボートロード後の温度リカノ リの具体例を示す図である。
[図 34]Power制御時温度特性基本データ力もの各種パラメータの決定について説 明するための図である。 [図 35]オーバーシュート温度比率 Mの Power出力パターンの昇温熱量から求めた操 作量からの削減について説明するための図である。
[図 36]本発明の第 6の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 37]本発明の第 7の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 38]本発明の第 8の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 39]本発明の第 9の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 40]本発明の第 10の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 41]本発明の第 11の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 42]本発明の第 12の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 43]本発明の第 13の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 44]本発明の第 14の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 45]本発明の第 15の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 46]本発明の第 16の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 47]本発明の第 17の実施の形態について説明するための機能ブロック図である。
[図 48]本発明の第 17の実施の形態について枚葉装置における処理炉周辺の構成 の詳細について説明するための図である。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本発明は、熱処 理装置での温度制御における、加熱手段に入力する操作量を比例 '積分'微分 (PI
D)演算による帰還制御を用いて、当該加熱手段から出力される制御量を制御する 制御方式の自動温度調整手順に関するものである。
[0016] (第 1の実施の形態）
図 1は本発明の第 1の実施の形態による熱処理装置について説明するための機能 ブロック図、図 2は同装置における反応管周辺の構成の詳細について説明するため の図である。
[0017] 本実施の形態による熱処理装置は、処理炉 91および主制御部 7を備えてなる構成 となっている。なお、図 1では主制御部 7について温度制御部 71のみを抜き出して表 示している。 [0018] 処理炉 91は、ヒータ (加熱手段） 1、石英キャップ la、ヒータ熱電対 (第二の温度検 出手段） 2、カスケード熱電対 (第一の温度検出手段） 3、ボート 4、反応管 5、均熱管 6、排気管 8、ボートエレベータ 9、ベース 10、ガス供給管 11、マスフローコントローラ (MFC) 12、圧力調節器 (APC) 13、圧力センサ 14、 Oリング 15、シールキャップ 16 、回転軸 17、導入口 18および排気口 19を備えている。
[0019] 主制御部 7は、温度制御部 (加熱制御部） 71、ガス流量制御部 72、圧力制御部 73 および駆動制御部 74を備えて 、る。
[0020] 均熱管 6は例えば SiC等の耐熱性材料力 なり、上端が閉塞され、下端に開口を有 する円筒状に形成されている。例えば石英（SiO )等の耐熱性材料からなる反応容
2
器 (以下、反応管 5)は、下端に開口を有する円筒状に形成され、均熱管 6内に均熱 管 6と同心円状に配置されている。反応管 5の下部には例えば石英力もなるガス供給 管 11と排気管 8が連結されていて、ガス供給管 11と連結される導入口 18は反応管 5 下部から、反応管 5側部に添って例えば細管状に立ち上がり、天井部分で反応管 5 の内部に至る構成となっている。排気管 8は、反応管 5の排気口 19に接続される。ガ スはガス供給管 11から反応管 5の天井部を経て、反応管 5の内部に流入し、反応管 5下部に接続された排気管 8から排気されるようになっている。
[0021] 反応管 5の導入口 18には、ガス供給管 11により、処理用のガスが反応管 5内に供 給されるようになって 、る。このガス供給管 11はガスの流量制御手段としてのマスフ ローコントローラ（MFC) 12若しくは不図示の水分発生器に連結されている。マスフ ローコントローラ 12は、ガス流量制御部 72に接続されており、供給するガス若しくは 水蒸気 (H O)の流量を所定の量に制御し得る構成となって 、る。
2
[0022] 反応管 5の排気口 19からは、反応管 5内を流れるガスが排出される。反応管 5の排 気口 19には、圧力調節器 (例えば APC) 13に連結されたガスの排気管 8が接続され ており、反応管 5内の圧力を圧力検出手段 (以下、圧力センサ 14)により検出し、反 応管 5内の圧力を所定の圧力にするように圧力制御部 73により APC13を制御する。
[0023] 反応管 5の下端開口部には、例えば石英力 なる円盤状の保持体 (以下、ベース 1 0)力 Oリング 15を介して気密シール可能に着脱自在にあり、ベース 10は円盤状の 蓋体（以下、シールキャップ 16)の上に取り付けられている。又、シールキャップ 16に は、回転手段 (以下、回転軸 17)が連結されており、回転軸 17により、保持体 (以下、 石英キャップ la)および基板保持手段（以下、ボート 4)、ボート 4上に保持されている 基板 (以下、ウェハ 4a)を回転させる。又、シールキャップ 16は昇降手段（以下、ボー トエレベータ 9)に連結されており、ボート 4が昇降される構成となっている。回転軸 17 およびボートエレベータ 9は、所定のスピードで駆動するように、駆動制御部 74により 制御される。
[0024] 反応管 5の外周には加熱手段 (以下、ヒータ 1)が同心円状に配置されている。ヒー タ 1は、反応管 5内の温度を上位コントローラ Ucで設定された処理温度にするよう温 度検出手段 (以下、ヒータ熱電対 2、カスケード熱電対 3)により温度を検出し、温度 制御部 71により制御する。ここでヒータ熱電対 2はヒータ 1の温度を、カスケード熱電 対 3は均熱菅 6と反応菅 5の間の温度を検出する役割を有している。具体的には、ヒ ータ 1は、炉内温度をより高精度に制御するために複数のゾーン (例えば、 Uゾーン、 CUゾーン、 CLゾーン、 Lゾーンなど）に分割されており、ヒータ 1により構成される複 数の加熱ゾーン力 の温度検出値と温度設定値との偏差に基づいて、加熱ゾーン毎 にヒータへのパワー制御信号が出力され、温度制御が行われる。なお、ヒータ熱電対 2もカスケード熱電対 3も、ヒータ 1の複数のゾーンに対応するようにそれぞれのゾー ンに応じた位置で検出するように複数の検出点を有する。
[0025] ここではカスケード熱電対 3は反応菅 5とボート 4の間に設置され、反応菅 5内の温 度を検出することもできるような構成となっているが、カスケード熱電対 3とヒータ熱電 対 2の配置は、ヒータ 1とウェハ 4aとの間にそれぞれ配置され、カスケード熱電対 3は ヒータ熱電対 2よりウェハ 4aにより近く配置され、ヒータ熱電対 2は、カスケード熱電対 3よりヒータ 1側により近く配置されればよい。
[0026] 次に、処理炉 91における酸化、拡散処理方法の一例を説明する。まず、ボートエレ ベータ 9によりボート 4を下降させる。ボート 4は、複数枚のウェハ 4aを保持する。次い で、ヒータ 1により加熱しながら、反応管 5内の温度を所定の温度にする。ガス供給管 11に接続された MFC12により予め反応管 5内を不活性ガスで充填しておき、ボート エレベータ 9により、ボート 4を上昇させて反応管 5内に移し、反応管 5の内部温度を 所定の処理温度に維持する。反応管 5内を所定の圧力に保った後、回転軸 17により 、ボート 4およびボート 4上に保持されているウェハ 4aを回転させる。同時にガス供給 管 11から処理用のガスを供給若しくは水分発生器から水蒸気を供給する。供給され たガスは、反応管 5を下降し、ウェハ 4aに対して均等に供給される。
[0027] 酸化'拡散処理中の反応管 5内では、排気管 8を介して排気され、所定の圧力にな るよう APC13により圧力が制御され、所定時間、酸化 ·拡散処理を行う。
[0028] このようにして酸ィ匕 ·拡散処理が終了すると、次のウェハ 4aの酸ィ匕 ·拡散処理に移 るべぐ反応管 5内のガスを不活性ガスで置換するとともに、圧力を常圧にし、その後 、ボートエレベータ 9によりボート 4を下降させて、ボート 4および処理済のウェハ 4aを 反応管 5から取り出す。反応管 5から取り出されたボート 4上の処理済のウェハ 4aは、 未処理のウェハ 4aと交換され、再度前述同様にして反応管 5内に上昇され、酸化' 拡散処理が成される。
[0029] 次に、図 1に示す温度制御部 71について説明する。なお、温度制御部 71は、前述 の加熱ゾーンごとに、ヒータ 1、カスケード熱電対 3、ヒータ熱電対 2それぞれに応じて 制御するが、以下の説明では、特別説明のない限り、そのうちの 1つの加熱ゾーンに 対しての説明であるものとする。
[0030] 温度制御部 71は切替え器 20および 22、減算器 21および 25、 PID演算器 23およ び 26、 PIDC演算器 24および Powerパターン出力器 27から構成される。
[0031] 切替え器 20は設定される制御モードによって制御方式を選択切り替えするもので ある。具体的には PID制御（後述）と Power制御（後述)等の選択切替えを行う。
[0032] 減算器 21は上位コントローラ Ucで設定される目標値 Scから制御量 (検出温度) A を減算した結果を偏差 Fとして算出し、切替え器 22を経由して PID演算器 23あるい は PIDC演算器 24へ出力する。
[0033] 切替え器 22は設定される制御モードによって制御方式を選択切り替えするもので ある。具体的には PIDC制御（後述）と PID制御との選択切替えを行う。
[0034] 続いて、 PID演算器 23における処理 (PID制御）について図 3に基づいて説明する
[0035] 図 3に示すように、 PID演算器 23は、加算器 30、積分演算器 31、比例演算器 32 および微分演算器 33とから構成される。積分演算器 31は、偏差 Fを入力とし、偏差 F を時間積分演算 (I演算)した結果に予め設定されて ヽるパラメータ Kiを乗じた値を積 分値 N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 Fを F(t)、そのとき の積分値 Nを N(t)で表すとすると、積分値 Nは式（1)に従って求められる。なお式（ 1)において、 ί F(u)duの積分範囲は 0から tの間である。
N(t)=Ki- J F(u)du ··· (1)
比例演算器 32は、偏差 Fを入力とし、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 Οとして出力するものである。ある特定時間 tにおける偏差 Fを F (t) 、そのときの比例値 Oを O(t)で表すと、比例値 Oは式（2)に従って求められる。
0(t)=Kp-F(t) ·'·(2)
微分演算器 33は、偏差 Fを入力とし、偏差 F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 R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 Fを F (t)、そのときの微分値 Rを R (t)で表すとすると、 微分値 Rは式（3)に従って求められる。
R(t)=Kd-dF(t)/dt ··· (3)
加算器 30は、積分値 N、比例値 Oおよび微分値 Rを入力とし、これらの総和を算出 して操作量 Xを出力するものである。ある特定の時間 tにおける偏差 Fを F(t)、そのと きの操作量 Xを X(t)で表すとすると、前述した式（1)、式 (2)、式 (3)から操作量 Xは 式 (4)に従って求められ、このような PID演算器 23における演算処理を PID演算と呼 ぶ。なお式 (4)において、 ί F(u)duの積分範囲は 0から tの間である。
X(t)=Kp-F(t)+Ki- J F(u)du+Kd-dF(t)/dt · · · (4)
つまり図 1で示すように、主制御部 7における温度制御部 71に対して、上位コント口 ーラ Ucからの目標値（目標温度) Scおよびカスケード熱電対 3からの制御量 (検出温 度) Aが入力され、温度制御部 71内の減算器 21では目標値（目標温度) Scから制御 量 Aを減算した偏差 Fが出力される。 PID演算器 23では、偏差 Fを用いて PID演算 が行われ、操作量 Xが決定される。この操作量 Xは目標値 X'に変換され、この目標 値 X'とヒータ熱電対 2からの制御量 (検出温度) Bが減算器 25に入力され、減算器 2 5では目標値 X'力も制御量 Bを減算した偏差 Eが出力される。 PID演算器 26では偏 差 Eを用いて PID演算され、温度制御部 71の出力として操作量 Zが出力され、ヒータ 1に入力される。そしてヒータ 1から出力された制御量 A、 Bは再び温度制御部 71に 帰還される。このように温度制御部 71から出力される操作量 Zを、目標値 Scと制御量 Aとの偏差 Fが零になるように時々刻々と変化させている。このような制御方式を PID 制御と呼ぶ。
[0036] 続、て、 PIDC演算器にっ 、て図 4に基づ 、て説明する。
[0037] 図 4に示すように、 PIDC演算器 24は、加算器 40、積分演算器 41、比例演算器 42 、微分演算器 43、切替え器 44、積分パターン出力器 45、積分パターン出力器 46か ら構成される。
[0038] 切替え器 44は、予め設定される制御切替え時間に基づいて選択切替えを行うもの である。具体的には制御開始から予め設定された時間 tのタイミングで、積分パター ン出力器 45か積分パターン出力器 46+積分演算器 41かの切替えを行う。
[0039] 積分演算器 41は偏差 Fを入力とし、偏差 Fを時間積分演算 (I演算)した結果に予 め設定されて ヽるパラメータ Kiを乗じた値を積分値 N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 Fを F (t)、そのときの積分値 Nを N (t)で表すとすると、積 分値 Nは式（5)に従って求められる。なお式（5)において、 ί F (u) duの積分範囲は 0 から tの間である。
N (t) =Ki- ί F (u) du · · · (5)
ここで、積分出力パターンとは、積分演算分の代わりに、予め積分演算分の出力値 を過程に合わせて設定するものであり、積分パターン出力器 45および 46は、予め設 定されている出力パターンに基づいて、積分パターン銜を出力するものである。図 5 は、積分出力パターンを例示する図である。上位コントローラ Ucでは、温度制御を行 う際の複数のステップ（Stepl〜Step4)毎に出力値 C、レート（Rate)、時間 timeを設 定することができる。あるステップを Iステップ目とすると、前ステップの出力値 C (1- 1 )からレート Rate (I)で出力値 C (I)に向力つて変化させ、出力値 C (I)到達後は出力 値は C (I)のまま出力を続ける。 Iステップ開始後、時間 time (I)経過時点で次ステップ 1+ 1ステップ目に移行する。ある特定の時間 tにおける出力街を J (t)とする。
[0040] 加算器 49は、積分パターン出力器 46からの積分パターン銜と積分演算器 41から の積分演算値 Nとを入力とし、これらの総和を算出し積分操作量 Wを出力するもので ある。
[0041] つまり、ある特定時間 tにおける偏差 Fを F(t)、そのときの積分操作量 Wを W(t)で 表すと、切替え器 44によって積分パターン出力器 45と積分パターン出力器 46+積 分演算器 41の切替えが行われるとき、積分操作量 Wは式 (6)に従って求められる。 積分操作量 Wは、積分パターン値 Ci(t))と積分演算値との和になっている。なお式（
6)において、 ί F(u)duの積分範囲は 0から tの間である。
W(t)=j(t)+Ki- J F(u)du ·'·(6)
比例演算器 42は偏差 Fを入力とし、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 Οとして出力するものである。ある特定時間 tにおける偏差 Fを F (t) 、そのときの比例値 Oを O(t)で表すと、比例値 Oは式（7)に従って求められる。
0(t)=Kp-F(t) ·'·(7)
微分演算器 43は、偏差 Fを入力とし、偏差 F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 R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 Fを F(t)、そのときの微分値 Rを R(t)で表すとすると 、微分値 Rは式 (8)に従って求められる。
R(t)=Kd-dF(t)/dt ··· (8)
[0042] 加算器 40は、積分操作量 Wもしくは積分パターン銜と比例値 Oと微分値 Rを入力 とし、これらの総和を算出して操作量 Xを出力するものである。ある特定の時間 tにお ける偏差 Fを F(t)、そのときの操作量 Xを X(t)で表すとすると、前述した式 (6)、式（
7)、式（8)から操作量 Xは式（9a)もしくは式（9b)に従って求められ、これを PIDC演 算と呼ぶ。
X(t) =W(t) +Kp-F(t) +Kd-dF(t) /dt · · · (9a)
X (t) = J (t) + Kp · F (t) + Kd · dF (t) /dt · · · ( 9b)
つまり図 1で示すように、温度制御部 71へに対して、上位コントローラ Ucからの目 標値 Scおよびカスケード熱電対 3からの制御量 Aが入力されると、温度制御部 71内 の減算器 21では目標値 Scから制御量 Aを減算した偏差 Fが出力される。切替え器 2 2により PIDC演算器 24に偏差 Fが入力されたとき、 PIDC演算器 24では、偏差 Fと 予め設定された積分パターン積分値と比例微分演算器等を用いて、操作量 Xが決 定される。この操作量 Xは目標値 X，に変換され、この目標値 X，とヒータ熱電対 2から の制御量 Bが減算器 25に入力され、減算器 25では目標値 X'力 制御量 Bを減算し た偏差 Eが出力される。 PID演算器 26では偏差 Eを用いて PID演算され、温度制御 部 71の出力として操作量 Zが出力され、ヒータ 1に入力される。そしてヒータ 1から出 力された制御量 Aおよび制御量 Bは、再び温度制御部 71に帰還される。このように 温度制御部 71から出力される操作量 Zを、目標値 Scと制御量 Aとの偏差 Fが零にな るように時々刻々と変化させている。このような制御方式を PIDC制御と呼ぶ。
[0043] 次に、 Powerパターン出力器 27について説明する。
[0044] ここで、 Power (パワー)パターンとは、積分演算分、微分演算分、比例演算分を含 む、ヒータ出力値の代わりに予め積分、微分、比例演算分を含むヒータ出力値を過 程に合わせて設定するものであり、 Powerパターン出力器 27は、予め設定されたパ ターンに基づいて操作量 Zを出力するものである。具体的には、例えば図 6に示すよ うに、ある特定の時間 tlはある一定の操作量 Z1を出力し、 tl経過後、ある特定の時 間 t2の間はある一定の操作量 Z2を出力する。このとき、操作量 Z1から操作量 Z2〖こ 移行する際に予め設定された傾き (操作量 Z時間）によってランビングさせることも可 能である。このように予め時間と操作量と傾きによって作られる（パターンィ匕される)パ ターンに基づ 、て操作量を決定し、出力する制御方式を Power制御と呼ぶ。
[0045] 図 7は、本実施の形態による温度調整方法について説明するためのフローチャート である。ここでは、初期温度 Sから目標温度 S'にランプアップさせ安定工程に至るま での場合について述べる。なお、ここでランプアップとは、立ち上げ (ramp— up)、す なわち昇温工程を意味する。
[0046] はじめに PID制御で前述の標準的な PIDパラメータ (Ki、 Kp、 Kd)を使用して、温 度制御部 71によってカスケード熱電対による検出温度が所定の目標温度となるようヒ ータの温度制御を行 、 (第一の工程)、温度特性基本データ (カスケード熱電対によ り検出される温度データ）を取得する（SI la)。
[0047] 次に、図 8に示すようにこの温度特性基本データに基づいて、ランプアップ開始 (昇 温開始)からの (カスケード熱電対の測定する温度に基づく）温度調整評価時間 A1 [ min]を決定し、また、カスケード熱電対 3の示す温度の最大オーバーシュート時間（ラ ンプアップ開始力 オーバーシュートが最大になるまでの時間） a[min]、目標温度 S' 到達時間 b [min]、目標温度 S'安定時間 c [min]、目標温度安定時の操作量 d[%]を 求める。また、温度調整評価時間 A1内の各時点での操作量 e (t) [%]、ヒータ熱電 対 2の示す温度 f(t) [°C] (図示せず)、カスケード熱電対 3の示す温度 g (t) [°C]を求 める。
[0048] 次に、カスケード熱電対 3の示す温度 (以下、カスケード温度ともいう）の温度調整 評価時間 A1中の総熱量 Bl [% * min]を求める。なお式（10)において、 ί e (t) dtの 積分範囲は 0から A1の間である。
Bl = J e (t) dt …（10)
また温度調整評価時間 A1中全域で目標温度 S 'の温度で安定して 、ると仮定し、 目標温度 S '安定時の操作量 dのみを出力したと仮定した場合の温度調整評価時間 A1中の総熱量を安定熱量 CI [% * min]とすると C1は以下の式（11)で求められる。 Cl = d *Al · · · (11)
式（10)および式（11)力 求めた Bl、 C1を用いて、以下の式（12)で求められる熱 量を昇温熱量 Dl [% * min]とする。
D1 = B1— C1 · · · (12)
ここで、昇温熱量について説明する。初期温度から所望の目標温度 S 'に昇温し始 めて力 安定するまでの PID演算によって求められた熱量には、目標温度 S'で安定 保持するために必要な熱量と、目標温度まで設定値に追従しつつ昇温するために必 要な熱量の 2種類の熱量が含まれて 、る。
[0049] そこで、式（10)で求めた総熱量から目標温度に安定しているときの操作量を出力 し続けたと仮定した場合の安定熱量を減算すれば、昇温するために必要な熱量、昇 温熱量が得られる。
[0050] 前述のように、昇温し始めてから目標温度までは、設定値に追従しつつ昇温するが 、このとき昇温熱量が大きすぎると、目標温度を越えても昇温しつづけるオーバーシ ユートが発生してしまう。このオーバーシュートは温度制御上不必要な現象であり、極 力無くす必要がある。ここで、総熱量のうち安定熱量ではなぐ昇温熱量内にオーバ 一シュートの要因がひそんでいることとなり、この昇温熱量内にひそむオーバーシュ ート要因の熱量比率を反映させた出力パターンを用いることで、炉内を理想的な温 度に素早く安定させることができることとなる。
[0051] 次に図 9の斜線部に示すように、評価開始から目標温度 S'到達時間 bから目標温 度 S，安定時間 cの間オーバーシュートしたカスケード温度の総和を求める。これをォ 一バーシュート温度総和 F，とすると F，は以下の式（ 13)で求められる。なお式（13) において、 ί g(t)dtの積分範囲は bから cの間である。
F，= _f g(t)dt— S， * (c b) ·'·(13)
[0052] 次に図 10の斜線部に示すように評価開始から目標温度 S'安定時間 cの間の温度 総和を求める。これを温度総和 Gとすると Gは以下の式（14)で求められる。なお式（1
4)において、 ί g(t)dtの積分範囲は 0から cの間である。
G= ί g(t)dt— S*c ·'·(14)
[0053] 次に、オーバーシュート温度比率 Η [百分率]を求める。これは、図 10に示すような 温度総和 Gに対するオーバーシュート温度総和 F'の割合である。よって以下の式（1
5)で求められる。
H = F'/G ··· (15)
[0054] このオーバーシュート温度比率 H分力 昇温熱量 D1にひそむオーバーシュート要 因の熱量の比率である。よって昇温熱量 D1からオーバーシュート温度比率 H分だけ 削減することにより昇温熱量 D1に反映させることで、オーバーシュートを抑制し、炉 内を理想的な温度に素早く安定させることができる。オーバーシュート温度比率 Hを 削減後の昇温熱量を D1 'とすると D1 'は以下の式（16)で求められる。
D1，=D1*(1— H) ··· (16)
[0055] そして、上述のようにして求めた a、 d、 Dl'を用いて Power出力パターンのパター ン (第一の出力制御パターンに相当）を求め（第二の工程)、 Power制御を行う（第三 の工程)。すなわち、第一の工程におけるヒータの制御においてカスケード熱電対に より検出される検出温度に基づき、ヒータを制御するための操作量 (第一の操作量） をパターンィ匕し（図 11に示す操作量を参照）、第一の出力制御パターンを求め、当 該第一の出力制御パターンに基づいてヒータの制御を行う。すなわち、カスケード熱 電対により検出される温度データに基づ 、て、 POWER出力パターンを規定する操 作量である第一の操作量をパターン化し、 POWER出力パターンを求める。
[0056] Power出力パターンは図 11に示すパターンを求める（Sl lb)。昇温ランプレート（ °CZmin)を hとすると図 11中の各パラメータは以下の式（17)〜式（20)で求められる 。なお、ここでのランプレートとは、温度変化の速度 (傾き）を意味し、例えば 100°Cか ら 200°Cに 5分間で昇温させたい時のランプレートは、（200°C— 100°C) Z5分 = 20 °CZ分となる。
E0= (Dl ' /Tl) +d · · · (17)
El = d · · · (18)
Tl = (S' -S) /h · · · (19)
T2 = a-Tl - - - (20)
ここで、 E0は昇温熱量 D1 'を一定の出力量として、 D1 'を、初期温度 Sから目標温 度 S 'に到達させる時間 T1の時間で割り、 目標温度安定時の操作量 d (%)を加えた もの（すなわち、 T1のときの操作量)である。また、 Sは初期温度を示す。
[0057] T1以降は、カスケード温度の最大温度に達する時間（最大オーバーシュート時間） a (min)に達するまでは目標温度安定時の操作量 dしか出力しな 、ようにする。
[0058] この Power出力パターンを用いることによってランプレート hに追従し、かつ素早く 安定させることのできるヒータ熱電対 2の示す温度波形を得ることができる。これを Po wer制御時温度特性データとして取得する（S 12)。
[0059] 続!、て、 Power制御時基本温度特性データのオーバーシュート量の判定を行!、 ( S13)、あら力じめ設定されたオーバーシュート許容値よりオーバーシュート量が大き い場合 (S13, Yes)、前述の式（13)〜（20)を用い、温度波形全体とオーバーシュ ートした部分との比率力 Power出力パターンを修正し、オーバーシュートを軽減さ せるように調整を行う（S 14)。そして、このようにして修正された Power出力パターン により再度 Power制御し (第三の工程）、その制御時の温度特性データを取得する（ S12) 0
[0060] 次に、オーバーシュート量があら力じめ設定されたオーバーシュート許容値より大き くない場合 (S13, No)、図 12に示すように、第一の工程の際取得した PID制御時の カスケード熱電対に対する温度推移 (温度波形)、第三の工程の際取得した Power 制御時温度特性基本データ力も Power制御開始力もの温度調整評価時 f¾Ul [min] を決定し、また、ヒータ熱電対 2の示す最大温度時の時間 j [min]、ヒータ熱電対 2が 示す温度が十分に安定した時間 n[min]を求める。ここで、温度調整評価時 f¾Ul内の 各時点での Power制御時のヒータ熱電対 2の示す温度（以下、ヒータ波形とも 、う)を k (t) [°C]、カスケード熱電対 3の示す温度を m (t) [°C]とする。
[0061] これらのデータから図 12に示すような Power制御時のヒータ熱電対 2の示す温度 k
(t)の波形から、 P動作分を差し引いたヒータ波形 L (t)を基に図 13に示すような積分 出力パターン (第二の出力制御パターンに相当） M (t)を求める（第四の工程） (S15 )。すなわち、ヒータ波形 L (t)に基づいて、積分出力パターンを規定する操作量であ る第二の操作量 (図 5に示す操作量を参照)の少なくとも一部をパターンィ匕し、積分 出力パターンを求める。
[0062] ここでヒータ熱電対 2の示す温度 k(t)の波形力も P (比例)動作分引く理由は、 k (t) は PID制御時に PID演算によって算出された出力を基にして Power出力パターンを 作成し、取得しているため、この波形は P (比例）出力、 1 (積分）出力、 D (微分）出力 の総和によるものである。
[0063] そのため P出力と D出力分を差し引けば所望の積分出力パターン M (t)が求められ る。ここで、一般的に昇温時には D出力は微小であるため D出力は無視できる。
[0064] 次に P動作分を差し引いたヒータ温度波形 L (t)力もさらに k(0) を差し引いた、評 価開始力もヒータ波形 k (t)が示す最大ヒータ温度時点 jまでの時間の熱量を求める。 仮に Qとする。なお式（21)において、 ί L (t) dtの積分範囲は 0から jの間である。
Q = J L (t) dt-k (0) -j · ' · (21)
この Qを最大ヒータ温度時点 jまでの時間で割ることで、評価開始から j時点まで Qと 面積 (熱量）が同じでヒータ温度が一定の値 Mを求めることができる。
(底辺 高さ Mの長方形の面積 (熱量） =Qの面積 (熱量)）
M = Q/j - - - (22)
この Mを 2倍すると、 Qの面積 (熱量）と等しい底辺 j高さ M * 2の三角形を求めること ができる。この三角形の高さと傾きと k(0) を用いることにより、ヒータ熱電対が示す P 動作分を除いたヒータ熱電対の示す温度 (以下、ヒータ熱電対温度ともいう）による熱 量と同じ熱量となる適切な積分出力パターンである。
[0065] 図 13に示すように評価開始力も Power制御時のヒータ熱電対の示す最大温度時 点 jの間をステップ 1、 Power制御時 (ヒータ熱電対の示す)最大ヒータ温度時点 jから PID制御時最大カスケード温度時間 aの間をステップ 2とする。
[0066] ステップ 1温度は前述の三角形の高さと傾きを適用すれば、評価開始力 Power 制御時のヒータ熱電対の示す最大温度時点 jまでの適切な積分出力パターンになる 。すなわち、 Power制御時のヒータ熱電対最大時点には、ヒータ加熱による昇温させ るための出力、すなわち昇温熱量によるヒータ熱電対の検出する温度への影響がな くなる時点であり、この時点まで昇温させるよう積分出力パターンを作成するのが適 切である。
[0067] ステップ 2の終了時点である PID制御時のカスケード熱電対の示す最大温度到達 時点以降は、カスケード熱電対の検出する温度としては、ヒータ加熱の変動の影響 等が無くなる。つまりこの時点でカスケード温度が目標温度 S 'に到達すれば、その後 はオーバーシュートすることなぐ目標温度 S'で安定する。すなわち、カスケード熱電 対の示す最大温度到達時点では、ヒータ加熱による昇温させるための出力、すなわ ち昇温熱量によるカスケード熱電対の検出する温度への影響がなくなる時点であり、 この時点まで昇温させるよう積分出力パターンを作成するのが適切である。
[0068] よって積分出力パターンにつ 、ても PID制御時におけるカスケード熱電対の検出 する温度が最大となる時点で安定時の出力になるようにパターンィ匕すれば、ステップ 2の適切な積分出力パターンであり、ステップ 1目標温度 Vからヒータ熱電対が十分 に安定した時間 nのヒータ温度 k (n)へ線形でパターンィ匕すれば良い。なお、 PID制 御時とせず、 Power制御時におけるカスケード熱電対の検出温度が最大となるように してちよい。
[0069] 図 12および図 13におけるパラメータである L (t) [°C] (P分差し引いたヒータ温度）、 V[°C] (図 13における STEPl目標温度）、 T[°CZmin] (図 13における STEPl傾き）お よび U[°CZmin] (図 13における STEP2傾き）は以下の式（23)〜（26)で求められる
L (t) [°C] = (ヒータ波形 P動作出力分）
=k(t)一 [P定数 Kp * (目標温度 S， 一 POWER制御時のカスケード温度 m (t) ) ] •••(23)
式（21)および式（22)より
V[°C]= (jL(t)dt/j)X2 - - - (24)
T[°C/min]= (V-k(0))/j · · · (25)
U[°C/min]= (k(n)-V)/(a-j) · · · (26)
以上のような式力も積分出力パターンを作成し、 PIDC制御を行う（S15)。なお式（
24)において、 ί L(t)dtの積分範囲は 0から jの間である。
[0070] 具体的には図 13に示すようにステップ毎に初期値、 目標値、レート、時間を設定し ステップに沿って出力していくものである。また積分出力パターンについては過渡期 において前述の 2ステップでなぐより多くのステップを用いて作成することもできる。
[0071] 図 14に示すように、例えば温度過渡期において、ある一定の時間 q[min]毎に積分 パターン出力のステップを r個設定すると、各ステップ STEP (r)の目標温度 Vrとランプ レート（傾き) Yrは以下の式（27)および式（28)で求められる。
Vr[°C] = (i L(r*q)dtZq) *2 · · · (27)
Yr[°C/min] = (V(r-l) -V(r))/q · · · (28)
[0072] 以上のように積分出力パターンを作成することにより、温度過渡期における積分出 力の増大を防ぐことができ、また Power制御の波形をベースにすることによって最短 で炉内を目標温度 S 'に安定させることができる。
[0073] さらに本実施の形態における熱処理装置は、前述の積分出力パターンで PIDC制 御を実施してもオーバーシュート、アンダーシュートが大きい場合、あるいは加熱ゾー ン間での偏差が大きく改善する必要がある場合にはこれらを調整する機能を備える。 例えば、積分出力パターンを用いることによって、過剰な積分演算値は除外されるが
、一方、その影響により、昇温するタイミングが遅くなり、比例演算値等が余計に大き くなつてしまうことがある。そのため、これらを調整する必要がある場合が出てくる。
[0074] 以下、オーバーシュート、アンダーシュートの改善調整について説明する。前述の 通り、本発明では温度過渡期の積分出力をパターンィ匕し、また温度安定期には積分 出力量が安定時のそれとなるように積分出力パターンを作成し、積分演算出力に加 えて温度調整している。ここで、温度安定期に、積分演算出力を用いているのは、予 想不可能な外乱等の少々の温度変化による悪影響が昇温時に比べて比較的顕著 になりやすいので、積分出力パターンのみでは対応できないのを積分演算出力をも 用いることで対応するためである。
[0075] つまり、例えば図 13に示す温度制御においては、ステップ 3からは安定期であり、 ステップ 2とステップ 3の切り替え時点で目標温度 S 'とカスケード熱電対の示す温度 との偏差を 0にすれば、その後温度は安定し、これが適切な調整になると考えられる
[0076] よって、オーバーシュートあるいはアンダーシュートが発生した場合（S 16, Yes)は ステップ 2とステップ 3の切替え点（PID制御切替え時点）での目標温度 S 'とカスケ一 ド熱電対の示す温度との偏差から積分出力パターンを修正し、オーバーシュートある いはアンダーシュートを軽減するよう調整する（S 17a)。
[0077] 図 15に示すようにステップ 2とステップ 3の切替え点でのカスケード熱電対が示す温 度と目標温度 S'との偏差を pとすると、積分出力パターンは適切であるにも関わらず 、オーバーシュート、アンダーシュートが発生するのは、過渡期における P出力の影 響が大きいと考えられる。ステップ 2とステップ 3の切替え点での偏差 p力 算出された P出力 W1は、式（7)と同様に式（29)で求められる。
Wl = Kp-p · · · (29)
つまりこの P出力 W1分が余分な出力であり、ステップ 1とステップ 2の切替え点で偏 差 pとなって表れて!ヽると考えられる。
[0078] よってオーバーシュート、アンダーシュート改善は、積分出力パターンでこの余分な P出力 W1を調整することによって実現できると考えられる。
[0079] ここで、温度過渡期はステップ 1〜ステップ 2であり、この調整量 W1をステップ 1目 標温度 V力 減算しステップ 1傾き T、ステップ 2傾き Uを再算出することによって温度 過渡期、つまりステップ 1〜ステップ 2の操作量を適切なものに調整することができる。 つまりアンダーシュートしているなら温度過渡期の積分操作量を大きぐオーバーシ ユートして!/、るなら温度過渡期の積分操作量を小さくすることで、ステップ 2とステップ 3の切替え点での目標温度 S 'とカスケード熱電対の示す温度との偏差を少なくでき、 オーバーシュート、アンダーシュートを改善することができる。
[0080] 調整量 Wl、積分出力初期温度 k (O)、ステップ 1目標温度 V、ステップ 1の時間 ステップ 2の時間（a j)、ヒータ安定温度 (ステップ 3目標温度) k (n)とすると、調整後 のステップ 1目標温度 V，、ステップ 1ランプレート T，、ステップ 2ランプレート U，は以 下の式（30)〜式（32)で求められる。
V' =V-W1 - - - (30)
T ' [°C/min] = (V' -k (0) ) /j …（31)
U ' [°C/min] = (k (n) V， ) / (a— j) · · · (32)
[0081] 図 16に示すように温度調整が適切であっても加熱ゾーン毎に操作量を作成、調整 しているため、目標温度安定まで早いゾーンと遅いゾーンが発生してしまい、これが ゾーン間偏差となり場合によっては膜厚に影響を与えることがある。
[0082] そこで、ゾーン間偏差があらかじめ設定された許容値より大きい場合 (S 18, Yes)、 積分出力パターンを調整することによって目標温度安定が早!ヅーンを遅 ゾーン に合わせて遅くし、ゾーン間偏差を改善する（S 19)。
[0083] ある目標温度安定が早いゾーン 901と目標温度安定が遅いゾーン 902との間の最 大ゾーン間偏差最大時点での時間偏差 dev—t [min]を求める。
[0084] これはゾーン間偏差最大時点でのゾーン 902の温度 B 'を求め、ゾーン 901が温度
B 'になった時点とゾーン間偏差最大時点との差分が時間偏差 dev—tとして求められ る。
[0085] 次に図 17で示すようにゾーン 901の積分出力パターンの各ステップを dev—tだけ 遅くすることによって目標温度安定をゾーン 902に合わせて遅くする。
[0086] 図 17に示す各パラメータは以下の式（33)および式（34)で求められる。
ここで Tは前述のステップ 1の傾き T [°C/min]である。
a = a + dev― t · · · \α3)
k (0)，=k (0) +T' dev—t - - - (34)
以上のように、積分出力パターンを時間偏差 dev— t分遅くすることによって目標温 度安定が早 ヽゾーンを遅くすることができる。 [0087] 一方、ゾーン間偏差があらかじめ設定された許容値より大きくはない場合 (S18, N o)、温度調整処理を終了する。
[0088] このように、本実施の形態による半導体装置の製造方法では、ヒータの操作量の少 なくとも一部として上述の第二の出力制御パターンを用いた温度制御を行うことにより 基板に対する熱処理を行う（第五の工程)。
[0089] 具体的には、上述の求めた積分出力パターンにより、上位コントローラ Ucにて、加 熱ゾーン毎に積分出力パターンを複数のステップ毎に出力値、レート、時間を設定し
、さらに切替え器 44の切替えの時間を設定する。なお、切替え器 44の切替えの時間 は、昇温終了後安定時に移る時間（例えば図 17のステップ 2からステップ 3へ移行す る時間）に設定する。
[0090] 設定後、 PIDC演算器 24および PID演算器 26等を用い、温度制御を実施し、基板 を処理する。具体的には、温度制御部 71は、昇温時 (例えば図 17のステップ 1およ びステップ 2)は、目標値 Sc (例えば図 17の Step2目標温度 k (n) )に対し、カスケード 熱電対 3からの制御量 Aを減算器 21にて減算した結果 Fに基づき、比例演算器 42 および微分演算器 43、積分パターン出力器 45にて操作量 (第二の操作量) Xを演算 し、その後、操作量 Xを目標値 X，に変換し、ヒータ熱電対 2からの制御量 Bを減算器 25にて減算し、偏差 (第一の偏差) Eを出力する。その後、 PID演算器 26で、偏差 E を用 、て PID演算し、温度制御部 71の出力として操作量 Zを出力しヒータ 1を制御す る。
[0091] そして、ヒータ 1から出力された制御量 Aおよび Bは、再び、温度制御部 71に帰還さ れる。このようにして、操作量 Zを目標値 Scと制御量 Aとの偏差 Fが零になるように制 御する。また、昇温終了後安定時 (例えば図 17のステップ 3)には、昇温終了後、切 替え器 44により、切替えをし、目標値 Scに対し、カスケード熱電対 3からの制御量 A を減算器 21にて減算した結果 Fを、比例演算器 42および微分演算器 43、積分バタ ーン出力器 46、積分演算器 41にて操作量 (第三の操作量) Xを演算し、その後、操 作量 Xを目標値 X'に変換し、ヒータ熱電対 2からの制御量 Bを減算器 25にて減算し 、偏差 (第二の偏差) Eを出力する。その後、 PID演算器 26で、偏差 Eを用いて PID 演算し、温度制御部 71の出力として操作量 Zを出力しヒータを制御する。そして、ヒ ータ 1から出力された制御量 Aおよび Bは、再び、温度制御部 71に帰還される。この ときも、操作量 Zを目標値 Scと制御量 Aとの偏差 Fが零になるように制御する。このよ うな温度制御をしつつ、基板に対する熱処理を行う。
[0092] 本実施の形態による温度制御を行った場合における、炉内の温度変化を図 18、図 19、図 20に示す。
[0093] 図 18、図 19はランプアップ時の具体的な例である。図 18で示す従来の手法である PID制御によるランプアップ時ではオーバーシュートが約 40°C、目標温度 ± 3°Cに 安定するまで 35分である。図 19で示す本発明（図 12)の手順に基づいて温度調整 した PIDC制御によるランプアップ時では、オーバーシュートが約 2°C、目標温度 ± 3 °C以内に安定するまで約 17分である。このように、ランプアップ時において本発明が 有効であることは明らかである。
[0094] 図 20はランプアップにおけるゾーン間偏差の改善結果である。
ゾーン間偏差調整前にはゾーン間偏差が約 50°Cある。本発明の手順に基づいてゾ ーン間調整した結果、ゾーン間偏差を約 20°C以内に低減することができた。
[0095] 図 20から本発明のゾーン間偏差調整手順はゾーン間偏差を低減するのに有効で あることは明らかである。
[0096] (第 2の実施の形態）
続いて、本発明の第 2の実施の形態について説明する。
[0097] 本実施の形態による熱処理装置は、上述の第 1の実施の形態による熱処理装置と 同じ構成となっている。本実施の形態と第 1の実施の形態とは、温度調整方法の手 順において、オーバーシュートあるいはアンダーシュートが発生した場合（S16, Yes )における処理が異なる。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。 図 21は、本実施の形態における温度調整手順について説明するためのフローチヤ ートである。
[0098] 上述の第 1の実施の形態では温度過渡期の積分出力をパターンィ匕し、また温度安 定期には積分出力量が安定時のそれとなるように作成し、温度調整している。
つまり、ステップ 1〜ステップ 2は温度過渡期であり、ステップ 3は安定期である。 [0099] ここで、第 2の実施の形態については、 S17aの温度調整を用いた調整に代えて、 オーバーシュート温度比率を用いて調整する。
[0100] 第 2の実施の形態についても、オーバーシュート温度比率 Hを前述の式（13)〜式
(15)を用いて、 S15の PIDC制御結果を基に求める。算出したオーバーシュート温 度比率 H分がステップ 1〜ステップ 2の積分出力パターンにひそむオーバーシュート 要因の熱量比率である。よってステップ 1目標温度 V力 オーバーシュート温度比率 H分だけ削減することで温度過渡期の積分出力パターンに反映させ、炉内を理想的 な温度に素早く安定させることができる（S17b)。
[0101] 初期温度 k(0)、ステップ 1目標温度 V、ステップ 1時間 ステップ 2時間（a—j)、ヒ ータ安定温度 (ステップ 3目標温度) k (n)とすると、オーバーシュート温度比率 Hを削 減後のステップ 1目標温度 V，、ステップ 1ランプレート T，、ステップ 2のランプレート U 'は、以下の式（35)〜式（37)で求められる。
V，=V* (1— H) · · · (35)
T' [°C/min] = (V' -k (0) ) /j · · · (36)
U， [°C/min] = (k (n) V， ) / (a-j) · · · (37)
以上の手順を実行することによって、熟練した作業者でなくとも、早く確実に、適切 な温度調整を行うことができる（S17b)。
[0102] (第 3の実施の形態）
続いて、本発明の第 3の実施の形態について説明する。
[0103] 本実施の形態による熱処理装置は、上述の第 1の実施の形態による熱処理装置と 同じ構成となっている。本実施の形態と第 1の実施の形態とは、熱処理工程の相違が あり、第 1の実施の形態では、主にランプアップから目標温度安定時までの工程であ り、第 3の実施の形態では、主にボートアップリカバリエ程である。尚、ボートアツプリ カバリェ程とは、次回に熱処理しようとウェハを充填したボートをボートエレベータに より上昇させて反応管内に搬入する際に、室温 (約 25°C)状態のボートおよびウェハ の熱影響により、反応管内の温度 (例えば 200°C)が低下するが、この低下した反応 管内の温度を修復し、ウェハおよびボートが反応管内に移された状態で元の温度 (こ の場合 200°C)に反応管内の温度を戻す工程のことをいう。昇温熱量 Dの算出処理 力もゾーン間偏差の改善調整 (第 1の実施の形態におけるステップ S19)までの処理 が異なる。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における装置構成ゃ処 理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0104] まず、図 22に示すように、 PID制御で得られた温度特性基本データ力もランプアツ プ開始力 の温度調整評価時間 Al [min]を決定し、また、カスケード熱電対 3の示 す温度の最大オーバーシュート時間 a [min]，初期温度 S戻り時間 b[min]、初期温度 S安定時間 c[min]、初期温度安定時の操作量 d[%]を求める。また、温度調整評価 時間 A1内の各時点での操作量 e (t) [%]、ヒータ熱電対 2の示す温度 f(t) [°C]、カス ケード熱電対 3の示す温度 g (t) [°C]を求める。また、 g(t)が低下しはじめるまでの時 間を s [min]とする。
[0105] オーバーシュートしている間出力されな力つた安定熱量を欠落熱量 Y[% * min]と すると、 Yは式（38)で求められる。なお式（38)において、 ί (d— e (t) ) dtの積分範 囲は bから cの間である。
Y= J (d— e (t) ) dt · ' · (38)
第 1の実施の形態にて示した式（ 10)および式（ 11 )を前述の図 22に示す温度特 性基本データに適用して求め、式（38)とから求めた総熱量 Bl、安定熱量 Cl、欠落 熱量 Yを用いて、以下の式（39)で求められる熱量を昇温熱量 Dl [% * min]とする。
D1 = B1— C1 +Y · · · (39)
ここで、昇温熱量と欠落熱量について説明する。ボートアップ後、ある初期温度 Sに 安定するまでの PID演算によって求められた総熱量には、初期温度 Sで安定保持す るために必要な熱量が含まれると考えられる。
[0106] しかし、後追い制御であるため、ボートアップによって初期温度 Sからある程度温度 が低下し、初期温度と実測値との偏差が大きくなつてから、初期温度 Sに安定保持す るため PID演算の出力が大きくなる。
[0107] ここでボートアップによって低下したときの最低カスケード温度 Sl、評価開始から S
1までの時間を rlとすると、ボートアツプリカノリは評価開始力も rl経過後にボートァ ップによって低下したときの最低カスケード温度 S1から初期温度 Sへのランプアップ と考えることができる。 [0108] SIから Sへのランプアップと考えた場合、前述の初期温度 Sで安定保持するために 必要な熱量は、ボートアップによって低下した最低カスケード温度 S1から初期温度 S に昇温するための熱量と初期温度 sで安定保持するための熱量に分けられる。
[0109] そこで、式（10)を前述のように適用することによって求めた総熱量力 初期温度 S で安定保持するための熱量として、ボートアップ後、カスケード温度が安定したときの 操作量を出力し続けたと仮定した場合の安定熱量を減算すれば、昇温するために必 要な熱量、昇温熱量が得られる。
[0110] し力し、低温（例えば 50°C〜200°Cの温度帯）でのボートアップリカバリの場合、力 スケード温度オーバーシュート後、目標温度に到達してから安定するまでの時間（c b)があまりに大きくなつてしまう。カスケード温度が十分安定するまでを温度調整評 価時間 A1とすると、（c b)と同じように温度調整評価時間 A1も大きくなり、式（11) を適用することで求めた安定熱量が式（10)を適用することで求めた総熱量より大きく なってしまい、昇温熱量が正しく求められない。
[0111] そこで、式（38)で示すようにオーバーシュートしている（c b)間において、安定時 の操作量と操作量の実測値の差分の熱量を式（10)を適用することにより求めた総熱 量に加えることによって、 (c-b)間で失われた安定熱量分である欠落熱量を補正す ることができ、正しい昇温熱量を求めることができる。
[0112] 一方、この昇温熱量が大きすぎると、初期温度 Sに安定保持しょうとするが、オーバ 一シュートしてしまうと考えられる。つまりこの昇温熱量内にひそむオーバーシュート 要因の熱量比率を反映させた出力パターンを用いることで、炉内を理想的な温度に 素早く安定させることができると考えられる。
[0113] 次に図 23の斜線部に示すように初期温度 S到達時間 bから初期温度 S安定時間 c の間オーバーシュートしたカスケード温度の総和を求める。これをオーバーシュート 温度総和 F"とすると F"は以下の式 (40)で求められる。なお式 (40)において、 ί g (t ) dtの積分範囲は bから cの間である。
F" = J g (t) dt-S (c-b) - - - (40)
次に図 24の斜線部に示すように最低温度 SI時点 rlから初期温度 S安定時間 cの 間の温度総和を求める。これを温度総和 Gとすると Gは以下の式 (41)で求められる。 なお式 (41)において、 ί g (t) dtの積分範囲は rl力も cの間である。
G= J g (t) dt-SKc-rl) · ' · (41)
次にオーバーシュート温度比率 Ηおよびオーバーシュート温度比率 Ηを削減後の 昇温熱量 D1 'を求める。なお、オーバーシュート温度比率 Ηおよび昇温熱量 D1 'の 算出については、上述の第 1の実施の形態と同様であるため、説明は割愛する。
[0114] 以上から、図 25に示す Power出力パターンを求め、 Power制御を行う。図 25中の 各パラメータは以下の式 (42)〜式 (46)で求められる。
E0= (Dl ' /Tl) +d - - - (42)
El = d - - - (43)
T0 = s - - - (44)
Tl = (rl -s) - - - (45)
T2 = a-Tl -T0 - - - (46)
続いて、 TOについて説明する。ボートアップ時には加熱ゾーンごとに大きく影響が 異なり、特に Lゾーンと Uゾーンでは大きく異なる。 Lゾーンの場合、ボートアップ時に は、常に常温のウェハ、ボート等が順次上がって来る入り口側になるため、ボートアツ プによる温度低下が激し!/、。一方 Uゾーンでは L〜CUゾーンの間をボートアップす る間にある程度ウエノ、、ボート等が温められるため、 Lゾーンと比較すると温度低下が 比較的緩い。したがって、ボートアップ開始 (評価開始）と同時に Lゾーン、 CLゾーン 、 CUゾーンおよび Uゾーンそれぞれ安定時操作量に適切な昇温熱量を加えたとす ると、 Uゾーンにおいては特にボートアップの影響、つまり Uゾーン付近にウエノ、、ボ ート等が到達する際に生じるカスケード温度が低下する前に昇温することになり、無 駄な熱量 (例えば、オーバーシュート）が発生する。
[0115] そこで各ゾーンにおいてボートアップの影響によってカスケード温度が低下しはじ めるまで、例えば 1分間で 1°C低下するまでは昇温熱量は出力しないというように予め 設定しておく。
[0116] これによつて、ゾーン毎に昇温熱量分の出力を開始する時間に差ができ、ゾーン毎 に適切な温度調整が可能になる。
[0117] E0は昇温熱量 D1 'を一定の出力量で出力するよう時間 T1で割り、初期温度安定 時の操作量 dを加えたものである。その後は最大オーバーシュート時間 aに達するま で目標温度安定時の操作量 dしか出力しな 、ようにする。
[0118] この Power出力パターンを用いることによって炉内を初期温度 Sに素早く安定させ ることのできるヒータ熱電対 2の示す温度波形を得ることができる。これを Power制御 時温度特性データとして取得する。
[0119] 次に図 26に示すようにこの Power制御時温度特性基本データ力も Power制御開 始からの温度調整評価時 f¾Ul [min]を決定し、また、ゾーン毎にヒータ熱電対 2の示 す最高温度の時間 j [min]、ヒータ熱電対 2が示す温度が十分に安定した時間 n[min ]を求める。また、温度調整評価時 f¾Ul内の各時点でのヒータ熱電対 2の示す温度 k (t) [°C]、カスケード熱電対 3の示す温度 m(t) [°C]とする。
[0120] これらのデータから図 26に示すような k(t)の波形力 P動作分を差し引いたヒータ 波形し (t)を基に 図 27に示すような積分出力パターン M (t)を求める。ここでヒータ 熱電対 2の示す温度 k(t)の波形から P動作分引く理由は、 k (t)は PID制御時に PID 演算によって算出された出力を基にして Power出力パターンを作成し、取得している ため、この波形は P (比例）出力、 1 (積分）出力、 D (微分）出力の総和によるものであ る。そのため P出力と D出力分を差し引けば所望の積分出力パターン M (t)が求めら れる。ここで、一般的に昇温時には、 D出力は微小であるため D出力は無視できる。
[0121] 次に P動作分を差し引いたヒータ温度波形 L (t)の昇温熱量分出力開始時点 sから 最大ヒータ温度時点 j (P分引 、て 、な 、実測値)までの面積 (熱量)を求める。仮に Q とする。なお式 (47)において、 ί L (t) dtの積分範囲は sから jの間である。
Q = J L (t) dt-k (0) - (j-s) - - - (47)
この Q 、最大ヒータ温度時点までの時間で割ることで、 s時点から j時点まで Qと面 積 (熱量）が同じでヒータ温度が一定の値 Mを求めることができる（底辺 (j一 、高さ Mの長方形の面積 (熱量） = Qの面積 (熱量) )。
M = Q/ (j-s) - - - (48)
この Mを 2倍すると、 Qの面積 (熱量）と等しい底辺 (j s)、高さ M * 2の三角形を求 めることができる。この三角形の高さと傾きと、 k- (j— s)を用いることにより、ヒータ熱 電対が示す P動作分を除いたヒータ熱電対の示す温度による熱量と同じ熱量となる。 [0122] 図 27に示すように評価開始力 昇温熱量分出力開始時点 sまでをステップ 0、 s時 点から Power制御時最大ヒータ温度時点 jの間をステップ 1、 Power制御時最大ヒー タ温度時点 jから PID制御時最大カスケード温度時間 aの間をステップ 2とする。
[0123] ステップ 0温度はまだボートアップによる影響が出ない期間であるため、評価開始 時の温度で安定させる。
[0124] ステップ 1温度は前述の三角形の高さと傾きを適用すれば、評価開始力 Power 制御時のヒータ熱電対の示す最大ヒータ温度時点 jまでの適切な積分出力パターン であると考えられる。
[0125] ステップ 2の終了時点である PID制御時最大カスケード時点は、カスケード温度に 対して、この時点以降は温度過渡期における外乱等の影響が無くなると考えられる。 つまりこの時点でカスケード温度が初期温度 Sに到達すれば、その後はオーバーシ ユートすることなぐ初期温度 Sで安定すると考えられる。
[0126] 図 26、図 27におけるパラメータ L (t) [°C] (P分差し引いたヒータ温度）、 V[°C] (ST EPl目標温度）、 T[°CZmin] (STEPl傾き）および U[°CZmin] (STEP2傾き）は以下 の式（49)〜式（52)で求められる。
L (t) [°C] = (ヒータ波形 P動作出力分）
=k (t) [P定数 Kp * (初期温度 S POWER制御時のカスケード温度 m (t) ) ] · · · ( 49)
V[°C] = [ j L (t) dt/ (j-s) ] X 2 - - - (50)
T [°C/min] = (V-k (0) ) / (j s) · · · (51)
U[°C/min] = (k (n) -V) / (a-j) · · · (52)
以上のような式力も積分出力パターンを作成し、 PIDC制御を行う。なお式（50)に おいて、 ί L (t) dtの積分範囲は sから jの間である。具体的には図 27に示すようにス テツプ毎に初期値、 目標値、レート、時間を設定しステップに沿って出力していくもの である。また積分出力パターンについては過渡期において前述の 3ステップでなぐ より多くのステップを用いて作成することも考えられる。
[0127] 図 28に示すように例えば温度過渡期においてある一定の時間 q毎 [min]に積分パ ターン出力のステップを w個設定すると、各ステップ STEP (w)の目標温度 Vwとラン プレート（傾き) Ywは以下の式（53)および式（54)で求められる。
Vw[°C] = ( i L (w* q) dtZq) X 2 · · · (53)
Yw[。C,min] = (V(w- l) -V (w) ) /q · · · (54)
以上のように積分出力パターンを作成することにより、温度過渡期における積分出 力の増大を防ぐことができ、また Power制御の波形をベースにすることによって最短 で炉内を初期温度 Sに安定させることができる。
[0128] さらに本発明では前述の積分出力パターンで PIDC制御を実施してもオーバーシ ユート、アンダーシュートが大きい場合、あるいはゾーン間偏差が大きく改善する必要 力 Sある場合にはこれらを調整する機能を備える。
[0129] 以下、オーバーシュート、アンダーシュートの改善調整について説明する。
[0130] 前述の通り、本発明では温度過渡期の積分出力をパターンィ匕し、また温度安定期 には積分出力量が安定時のそれとなるように積分出力パターンを作成し、温度調整 している。
[0131] つまり、例えば図 27に示す温度制御方法において、ステップ 3からは安定期であり 、ステップ 2とステップ 3の切り替え時点で初期温度 Sとカスケード熱電対の示す温度 との偏差を 0にすれば、その後温度は安定し、これが適切な調整になると考えられる
[0132] よってオーバーシュートある 、はアンダーシュートが発生した場合はステップ 2とス テツプ 3の切替え点での初期温度 Sとカスケード熱電対の示す温度との偏差力 調整 量を求めればよい。
[0133] 図 29に示すようにステップ 2とステップ 3の切替え点でのカスケード熱電対が示す温 度と初期温度 Sとの偏差を pとすると、積分出力パターンは適切であるにも関わらず、 オーバーシュート、アンダーシュートが発生するのは、過渡期における P出力の影響 が大きいと考えられる。ステップ 2とステップ 3の切替え点での偏差 p力も算出された P 出力 W1は、式（7)と同様に式（55)で求められる。
Wl = Kp-p · · · (55)
つまりこの P出力 W1分が余分な出力であり、ステップ 1とステップ 2の切替え点で偏 差 pとなって表れていると考えられる。よって、オーバーシュートおよびアンダーシユー トの改善は、積分出力パターンでこの余分な P出力 Wlを調整することによって実現 できると考えられる。
[0134] ここで、温度過渡期はステップ 1〜ステップ 2であり、この調整量 Wをステップ 1目標 温度 V力 減算しステップ 1傾き T、ステップ 2傾き Uを再算出することによって温度過 渡期、つまりステップ 1〜ステップ 2の操作量を適切なものに調整することができる。つ まりアンダーシュートしているなら温度過渡期の積分操作量を大きぐオーバーシュ ートして!/ヽるなら温度過渡期の積分操作量を小さくすることで、ステップ 2とステップ 3 の切替え点での初期温度 Sとカスケード熱電対の示す温度との偏差を少なくでき、ォ 一バーシュート、アンダーシュートを改善することができる。
[0135] 調整量 Wl、積分出力初期温度 k(O)、ステップ 0時間 s、ステップ 1目標温度 V、ス テツプ 1時間 (j s)、ステップ 2時間（a— j)、ヒータ安定温度 (ステップ 3目標温度) k( n)とすると、調整後のステップ 1目標温度 V，、ステップ 1ランプレート T，、ステップ 2ラ ンプレート U，は以下の式（56)〜式（58)で求められる。
V' =V-W I · · · (56)
T， [°C/min] = (V— k (0) ) Z (j-s) · · · (57)
U， [°C/min] = (k (n) V， ) / (a— j) · · · (58)
続いて、ゾーン間偏差の改善調整について説明する。図 30に示すように温度調整 が適切であっても加熱ゾーン毎に操作量を作成、調整している為、目標温度安定ま で早 ーンと遅 ヅーンが発生してしま 、、これがゾーン間偏差となり場合によつ ては膜厚に影響を与えることがある。そこで積分出力パターンを調整することによって 目標温度安定が早 ヅーンを遅 ヅーンに合わせて遅くし、ゾーン間偏差を改善す る。
[0136] ある目標温度安定が早いゾーン 903と目標温度が遅いゾーン 904との間の最大ゾ ーン間偏差最大時点での時間偏差 dev— t[min]を求める。これはゾーン間偏差最大 時点でのゾーン 904の温度 B'を求め、ゾーン 903が温度 B'になった時点とゾーン間 偏差最大時点との差分が時間偏差 dev— tとして求められる。
[0137] 次に図 31で示すようにゾーン 903の積分出力パターンの各ステップを dev— tだけ 遅くすることによって目標温度安定をゾーン 904に合わせて遅くする。図 31に示す各 ノ ラメータは第 1の実施の形態にて示した式（33)〜式（34)で求められる。ここで Tは 前述のステップ 1の傾き T [°C/min]である。
[0138] 以上のように、積分出力パターンを時間偏差 dev—t分遅くすることによって目標温 度安定が早いゾーンを遅くすることができる。以上が、本実施の形態における温度調 整方法の説明である。
[0139] 以上の手順を実行する事によって、熟練した作業者でなくとも、早く確実に、適切な 温度調整を行うことができる。具体的な炉内のふるまいを図 32、図 33に示す。
[0140] 図 32および図 33はボートアップ終了後の温度リカバリの具体的な例である。図 32 に示す従来の手法である PID制御によるボートアップリカバリでは、オーバーシュート が約 10°C、ボートアップ後約 100分でも目標温度 ± 5°C以内に安定はしていない。
[0141] 図 33に示す本発明の手順に基づいて温度調整した PIDC制御によるボートアップ リカノくリでは、オーバーシュートは約 3°C、ボートアップ終了後約 15分で目標温度士 5°C以内に安定している。図 32、図 33からボートアップリカバリにおいて本発明は有 効であることは明らかである。
[0142] 本発明によれば、制御対象である炉内に比較的大きな外乱が生じた場合でも、そ の外乱を含んだ操作量の総和からもっとも速やかに制御量を目標値に追従させるこ とができる積分出力パターンを予め設定し、特定の時刻から積分演算の代わりに積 分値をパターン出力し、さらに外乱その他に起因する偏差のうちの大部分が消滅し たと思われる時点から再び積分演算を行い積分値を出力するため、制御対象力 出 力される制御量を迅速かつ正確に初期値ヘリカノリすることができる。
[0143] また、本発明の手順は、自然現象である、実測温度、操作量、時間と!/ヽつたこれま で温度調整時に熟練者の経験と勘に頼っていた大部分をある特定の計算式によつ て求めることができ、早く確実に温度調整を行うことができ、時間、費用の削減をする ことができる。
[0144] また、本発明の手順をプログラム化し、温度コントローラなどにソフトウェアとして組 み込むことによって、作業者の介入を必要とせず、適切な温度調整を行うことも可能 である。
[0145] (第 4の実施の形態） 続いて、本発明の第 4の実施の形態について説明する。
[0146] 本実施の形態による熱処理装置は、上述の第 3の実施の形態による熱処理装置と 同じ構成となっている。本実施の形態と第 3の実施の形態とは、温度調整方法の手 順にお 、て、オーバーシュートある 、はアンダーシュートが発生した場合における処 理が異なる。以下、本実施の形態において、第 3の実施の形態における装置構成や 処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0147] 上述の第 3の実施の形態では温度過渡期の積分出力をパターンィ匕し、また温度安 定期には積分出力量が安定時のそれとなるように作成し、温度調整している。
つまり、ステップ 1〜ステップ 2は温度過渡期であり、ステップ 3は安定期である。
[0148] つまり、第 3の実施の形態についての、 PIDC制御時のオーバーシュートやアンダ 一シュートの調整を温度調整を用いた調整に代えて、オーバーシュート温度比率を 用いて調整する。
[0149] 第 3の実施の形態についても、オーバーシュート温度比率 Hを前述の式（59)〜式
(61)を用いて PIDC制御結果を基に求める。以下に式（59)〜式 (61)とその説明を 再度記述する。
[0150] 図 23の斜線部に示すように初期温度 S到達時間 bから初期温度 S安定時間 cの 間オーバーシュートしたカスケード温度の総和を求める。これをオーバーシュート温 度総和 F"とすると F"は以下の式（59)で求められる。なお式（59)において、 ί g (t) d tの積分範囲は bから cの間である。
F" = J g (t) dt-S (c-b) · ' · (59)
次に図 24の斜線部に示すように最低温度 SI時点 rlから初期温度 S安定時間 cの 間の温度総和を求める。これを温度総和 Gとすると Gは以下の式（60)で求められる。 なお式（60)において、 ί § (1:) (11:の積分範囲は1：1カら(：の間でぁる。
G= J g (t) dt-S' (c-rl) - - - (60)
次にオーバーシュート温度比率 H [百分率]を求める。これは図 24に示す温度総和 Gに対する図 23で示すオーバーシュート温度総和 F"の割合である。よって以下の式 (61)で求められる。
H=F"/G · · · (61) 算出したオーバーシュート温度比率 H分がステップ 1〜ステップ 2の積分出力パタ ーンにひそむオーバーシュート要因の熱量比率である。よってステップ 1目標温度 V 力 オーバーシュート温度比率 H分だけ削減することで温度過渡期の積分出力バタ ーンに反映させ、炉内を理想的な温度に素早く安定させることができる。
[0151] 初期温度 k(0)、ステップ 0時間 s、ステップ 1目標温度 V、ステップ 1時間 (j s)、ス テツプ 2時間（a— j)、ヒータ安定温度 (ステップ 3目標温度) k (n)とすると、オーバーシ ユート温度比率 Hを削減後のステップ 1目標温度を V，、ステップ 1ランプレートを T，、 ステップ 2のランプレートを U，は以下の式（62)〜式（64)で求められる。
V，=V* (1— H) · · · (62)
T， [°C/min] = (V k (0) ) Z (j-s) · · · (63)
U， [°C/min] = (k (n) V， ) / (a— j) · · · (64)
[0152] (第 5の実施の形態）
続いて、本発明の第 5の実施の形態について説明する。
[0153] 本実施の形態による熱処理装置は、上述の第 1の実施の形態による熱処理装置と 同じ構成となっている。本実施の形態と第 1の実施の形態とは、温度調整方法の手 順において、 Power制御の出力パターンを求める際のランプアップする操作量を求 める際の計算方法が異なる。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態にお ける装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する
[0154] まず、上述の第 1の実施の形態と同様に求めた a、 d、 D1 'を用いて Power出力パタ ーンを求め、 Power制御を行う。
[0155] 図 35中の各パラメータは以下の式（65)〜式（68)で求められる。
I0= (Dl ' /Tl) +d · · · (65)
Il = d · · · (66)
Tl = a/2 · · · (67)
T2 = a · · · (68)
したがい、 PID制御時の最大オーバーシュート時点までの期間を二分割すると、前 半がランプアップのためにヒータ温度を上げる期間、後半力ヒータ温度が下がり始め るが遅れてカスケード温度が上がってくる期間であると考え、昇温に必要な Powerを 出力する期間は前半、つまり最大オーバーシュート時点での半分が適切であると考 え、ノラメータを設定する。
[0156] 10は昇温熱量 D'を一定の出力量でオーバーシュート最大時間 aの半分の時間で 出力する場合の操作量に目標温度安定時の操作量 dを加えたものである。
この Power出力パターンを用いて Power制御時温度特性データを取得する。
[0157] 次に図 34に示すように、この Power制御時温度特性基本データ力も Power制御 開始からの温度調整評価時間 Al[min]を決定し、また、目標温度 S'到達時間 b[min ]、目標温度 S'安定時間 c[min]、ヒータ熱電対の示す最高温度 j2 [で]、その最高温 度の時間 a2[min]を求める。また、温度調整評価時間 A1内の各時点でのヒータ熱電 対 2の示す温度 f (t) [°C],カスケード熱電対 3の示す温度 g(t) [°C]を求める。
[0158] 次に図 9で示すように目標温度 S'到達時間 bから目標温度 S'安定時間 cの間ォー バーシュートした温度の総和を求める。これをオーバーシュート温度総和 Kとすると K は以下の式（69)で求められる。なお式（69)において、 ί m(t)dtの積分範囲は bか ら cの間である。
K= _f g(t)dt— S， * (c b) ·'·(69)
次に図 10に示すように目標温度 S'安定時間 cの間の温度総和を求める。これを温 度総和 L1とすると L1は以下の式（70)で求められる。なお式（70)において、 ί g(t) dtの積分範囲は 0から cの間である。
Ll= _f g(t)dt - - - (70)
次にオーバーシュート温度比率 M [百分率]を求める。これは温度総和 L1に対する オーバーシュート温度総和 Kの割合である。よって以下の式（71)で求められる。 M = K/L1 ··· (71)
次に図 35に示すようにこのオーバーシュート温度比率 Mを Power出力パターンの 昇温熱量から求めた操作量カゝら削減することで操作量 10を適切な操作量にすること ができる。オーバーシュート温度比率 Hを削減後の操作量 10を 10'とすると 10'を以下 の式（72)で求められる。
I0， = (I0— I1) * (1—M)+I1 ··· (72) 以上の式（69)〜式（72)で求められる図 35に示すようなオーバーシュート温度比 率分削減し、再び Power制御で温度特性データを取得し、同じ手順を数回繰り返す ことによって適切な操作量を求めることができ、温度の租調整をすることができる。
[0159] (第 6の実施の形態）
次に、第 6の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態にて説明した温度制御部内の構成の変形例である。以下、本実施の形態に おいて、第 1の実施の形態における装置構成や処理内容と同様なものについては同 一符号を付し、説明は割愛する。
[0160] 図 36に示すように、本実施の形態では、操作量 Xは PID演算と P1DC演算を予め 設定した時間で切り替えて算出し、操作量 Zは PID演算と P1DC演算を予め設定した 時間で切り替えて算出するか、または Power出力パターン力 算出する構成となって いる。
[0161] (第 7の実施の形態）
次に、第 7の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0162] 図 37に示すように、本実施の形態では、操作量 Xは PIDC演算で算出し、操作量 Z は P1D演算と PIDC演算を予め設定した時間で切り替えて算出する力 または Powe r出力パターン力も算出する構成となっている。
[0163] (第 8の実施の形態）
次に、第 8の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0164] 図 38に示すように、本実施の形態では、操作量 Zは P1DC演算で算出する力 また は Power出力パターン力も算出する構成となっている。
[0165] (第 9の実施の形態）
次に、第 9の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0166] 図 39に示すように、本実施の形態では、操作量 Xは PID演算で算出し、操作量 Zは P1DC演算で算出する力、または Power出力パターン力も算出する構成となっている
[0167] (第 10の実施の形態）
次に、第 10の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0168] 図 40に示すように、本実施の形態では、操作量 Xは PIDC演算で算出し、操作量 Z は PID演算で算出する力、または Power出力パターン力 算出する構成となってい る。
[0169] (第 11の実施の形態）
次に、第 11の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0170] 図 41に示すように、本実施の形態では、操作量 Xは PIDC演算で算出し、操作量 Z は P1DC演算で算出する力、または Power出力パターン力も算出する構成となって いる。
[0171] (第 12の実施の形態）
次に、第 12の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0172] 図 42に示すように、本実施の形態では、カスケード熱電対の制御量 Aは無視して、 ヒータ熱電対の制御量 Bと目標値 Scとの偏差 Eを用いる。
[0173] (第 13の実施の形態）
次に、第 13の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。 [0174] 図 43に示すように、本実施の形態では、カスケード熱電対の制御量 Aは無視して、 ヒータ熱電対の制御量 Bと目標値 Scとの偏差 Eを用いる。操作量 Zは P1DC演算で算 出する力、または Power出力パターン力も算出する構成となっている。
[0175] (第 14の実施の形態）
次に、第 14の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0176] 図 44に示すように、本実施の形態では、操作量 Zは P1D演算と PIDC演算と Powe r出力パターンの 3つを予め設定した時間で切り替えて算出する力 または Power出 力パターン力 算出する構成となっている。
[0177] (第 15の実施の形態）
次に、第 15の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0178] 図 45に示すように、本実施の形態では、操作量 Zは PIDC演算と Power出力パタ ーンを予め設定した時間で切り替えて算出する力、または Power出力パターンから 算出する構成となっている。
[0179] (第 16の実施の形態）
次に、第 16の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の第 1の実施 の形態の変形例である。以下、本実施の形態において、第 1の実施の形態における 装置構成や処理内容と同様なものについては同一符号を付し、説明は割愛する。
[0180] 図 46に示すように、本実施の形態では、操作量 Zは P1D演算と Power出力パター ンを予め設定した時間で切り替えて算出する力、または Power出力パターンカも算 出する構成となっている。
[0181] (第 17の実施の形態）
続いて、本発明の第 17の実施の形態について説明する。
[0182] 本実施の形態による熱処理装置は、上述の各実施の形態による熱処理装置のよう な縦型装置の構成ではなぐ枚葉装置の構成となっている。以下、本実施の形態に おいて、上述の各実施の形態において述べた部分と同一の機能を有する構成部分 については同一符号を付し、説明は割愛する。なお図 47に示すように、本実施の形 態による熱処理装置は、図 1に示した第 1の実施の形態における温度制御部 71と同 様な構成および機能を有する温度制御部を備えている。
[0183] 具体的に、本実施の形態による熱処理装置は、図 47および図 48に示されているよ うに、処理炉 86が、枚葉式 CVD炉 (枚葉式コールドウォール形 CVD炉）として構成 されており、被処理基板としてのウェハ（半導体ウェハ） 85を処理する処理室 201を 形成したチャンバ 223を備えている。チャンバ 223は上側キャップ 224と円筒カップ 2 25と下側キャップ 226とが組み合わされて、上下の端面がいずれも閉塞した円筒形 状に形成されている。
[0184] チャンバ 223の円筒カップ 225の円筒壁の中間部にはゲートバルブ 244によって 開閉されるウェハ搬入搬出口 250が水平方向に横長に開設されており、ウェハ搬入 搬出口 250は被処理基板であるウェハ 85を処理室 201に図 48に図示しないウェハ 移載装置によって搬入搬出し得るように形成されている。すなわち、ウェハ 85はゥェ ハ移載装置によって下から機械的に支持された状態で、ウェハ搬入搬出口 250を搬 送されて処理室 201に対して搬入搬出されるようになって 、る。
[0185] 円筒カップ 225のウェハ搬入搬出口 250と対向する壁面の上部には、真空ポンプ 等からなる排気装置（図示せず）に接続された排気口 235が処理室 201に連通する ように開設されており、処理室 201内は排気装置によって排気されるようになって 、る
[0186] また、円筒カップ 225の上部には排気口 235に連通する排気バッファ空間 249が 円環状に形成され、カバープレート 248とともにウェハ 85の前面に対し、均一に排気 が行われるように作用して 、る。
[0187] なお、カバープレート 248は、ウェハ 85のエッジ部を覆うように一部のサセプタ（基 板保持手段） 84上に延在しており、ウェハ 85のエッジ部に成膜される CVD膜を制御 するために用いられる。
[0188] チャンバ 223の上側キャップ 224には処理ガスを供給するシャワーヘッド 236がー 体的に組み込まれている。すなわち、上側キャップ 224の天井壁にはガス供給管 23 2が挿入されており、各ガス供給管 232には例えば原料ガスやパージガス等の処理 ガス 241a、処理ガス 24 lbを導入するため開閉バルブ 243、流量制御装置（マスフ口 一コントローラ = MFC) 241から成るガス供給装置が接続されている。上側キャップ 2 24の下面には円板形状に形成されたシャワープレート（以下、プレートという。） 240 がガス供給管 232から間隔を置いて水平に固定されており、プレート 240には複数 個のガス吹出口（以下、吹出口という。） 247が全面にわたって均一に配置されて上 下の空間を流通させるように開設されて!、る。
[0189] 上側キャップ 224の内側面とプレート 240の上面とが画成する内側空間によってバ ッファ室 237が形成されており、ノ ッファ室 237はガス供給管 232に導入された処理 ガス 230を全体的に均等に拡散させて各吹出口 247から均等にシャワー状に吹き出 させるようになつている。
[0190] チャンバ 223の下側キャップ 226の中心には揷通孔 278が円形に開設されており、 揷通孔 278の中心線上には円筒形状に形成された支持軸 276が処理室 201に下方 カも揷通されている。支持軸 276はエアシリンダ装置等が使用された昇降機構 (昇降 手段） 268によって昇降されるようになって 、る。
[0191] 支持軸 276の上端には加熱ユニット 251が同心に配されて水平に固定されており、 加熱ユニット 251は支持軸 276によって昇降されるようになっている。すなわち、加熱 ユニット 251は円板形状に形成された支持板 258を備えており、支持板 258は支持 軸 276の上端開口に同心円に固定されている。支持板 258の上面には支柱を兼ね る複数本の電極 253が垂直に立脚されており、これら電極 253の上端間には円板形 状に形成され複数領域に分割制御されるヒータ (加熱手段) 81が架橋されて固定さ れている。これら電極 253に対する電気配線 257は支持軸 276の中空部内を揷通さ れている。
[0192] また、ヒータ 81の下方には反射板 252が支持板 258に固定されて設けられ、ヒータ 81から発せられた熱をサセプタ 84側に反射させて、効率の良 、加熱に作用して 、る
[0193] また、温度検出手段である放射温度計 87および 88が、支持軸 276の下端から導 入され、放射温度計 87および 88の先端がサセプタ 84の裏面に対し所定の隙間を設 けて設置されている。放射温度計 87および 88は、石英力も成るロッドと光ファイバと の組合せから構成され、サセプタ 84の裏面 (例えばヒータ 81の分割領域に対応する 裏面)から発せられる放射光を検出し、サセプタ 84の裏面温度を算出するのに用い られ (予め取得したウェハ 85とサセプタ 84の温度の関係によりウェハ 85の温度を算 出することも可能）、この算出結果に基づきヒータ 81の加熱具合を制御している。
[0194] 下側キャップ 226の揷通孔 278の支持軸 276の外側には、支持軸 276よりも大径 の円筒形状に形成された回転軸 277が同心円に配置されて処理室 201に下方から 挿通されており、回転軸 277はエアシリンダ装置等が使用された昇降機構 268によつ て支持軸 276と共に昇降されるようになって 、る。回転軸 277の上端には回転ドラム 227が同心に配されて水平に固定されており、回転ドラム 227は回転軸 277によって 回転されるようになっている。すなわち、回転ドラム 227はドーナツ形の平板に形成さ れた回転板 229と、円筒形状に形成された回転筒 228を備えており、回転板 229の 内周縁辺部が円筒形状の回転軸 277の上端開口に固定されて、回転板 229の上面 の外周縁辺部に回転筒 228が同心円に固定されている。回転ドラム 227の回転筒 2 28の上端には炭化シリコンゃ窒化アルミニウム等が使用されて円板形状に形成され たサセプタ 84が回転筒 228の上端開口を閉塞するように被せられている。
[0195] 図 48に示されているように、回転ドラム 227にはウェハ昇降装置 275が設置されて いる。ウェハ昇降装置 275は円形リング形状に形成された 2つの昇降リングのそれぞ れに突上ピン (基板突上手段） 266、 274を突設したものから構成されており、下側の 昇降リング (以下、回転側リングという。）は回転ドラム 227の回転板 229の上に支持 軸 276と同心円に配置されている。回転側リングの下面には複数本 (本実施の形態 においては三本とする。）の突上ピン (以下、回転側ピンという。） 274が周方向に等 間隔に配置されて垂直方向下向きに突設されており、各回転側ピン 274は回転板 2 29に回転筒 228と同心円の線上に配置されて垂直方向に開設された各ガイド孔 25 5にそれぞれ摺動自在に嵌入されている。各回転側ピン 274の長さは回転側リングを 水平に突き上げ得るように互いに等しく設定されて 、るとともに、ウェハのサセプタ上 力もの突き上げ量に対応するように設定されて 、る。各回転側ピン 274の下端は処 理室 201の底面すなわち下側キャップ 226の上面に離着座自在に対向されている。 [0196] 加熱ユニット 251の支持板 258には円形リング形状に形成されたもう一つの昇降リ ング (以下、ヒータ側リングという。）が支持軸 276と同心円に配置されている。ヒータ 側リングの下面には複数本 (本実施の形態においては三本とする。）の突上ピン（以 下、ヒータ側ピンという。） 266が周方向に等間隔に配置されて垂直方向下向きに突 設されており、各ヒータ側ピン 266は支持板 258に支持軸 276と同心円の線上に配 置されて垂直方向に開設された各ガイド孔 254にそれぞれ摺動自在に嵌入されてい る。これらのヒータ側ピン 266の長さはヒータ側リングを水平に突き上げ得るように互 いに等しく設定されているとともに、その下端が回転側リングの上面に適度のエアギ ヤップを置いて対向されている。つまり、これらのヒータ側ピン 266は回転ドラム 227の 回転時に回転側リングに干渉しな 、ようになって!/、る。
[0197] また、ヒータ側リングの上面には複数本 (本実施の形態においては三本とする。 )の 突上ピン (以下、突上部という。） 266が、周方向に等間隔に配置されて垂直方向上 向きに突設されており、突上部 266の上端はヒータ 81およびサセプタ 84の揷通孔 2 56に対向するようになっている。これらの突上部 266の長さはヒータ 81およびサセプ タ 84の揷通孔 256を下カも揷通してサセプタ 84に載置されたウェハ 85をサセプタ 8 4から水平に浮力せるように互いに等しく設定されている。また、これらの突上部 266 の長さはヒータ側リングが支持板 258に着座した状態において、その上端がヒータ 81 の上面力も突出しないように設定されている。つまり、これらの突上部 266は回転ドラ ム 227の回転時にサセプタ 84に干渉しないように、かつ、ヒータ 81の加熱を妨げな いようになっている。
[0198] 図 48に示されているように、チャンバ 223は複数本の支柱 280によって水平に支持 されている。これらの支柱 280には各昇降ブロック 281がそれぞれ昇降自在に嵌合さ れており、これら昇降ブロック 281間にはエアシリンダ装置等が使用された昇降駆動 装置（図示せず）によって昇降される昇降台 282が架設されている。昇降台 282の上 にはサセプタ回転装置が設置されており、サセプタ回転装置とチャンバ 223との間に はべローズ 279が、回転軸 277の外側を気密封止するように介設されている。
[0199] 昇降台 282に設置されたサセプタ回転機構（回転手段） 267にはブラシレス DCモ ータが使用されており、出力軸 (モータ軸）が中空軸に形成されて回転軸 277として 構成されている。サセプタ回転機構 267はハウジング 283を備えており、ハウジング 2 83が昇降台 282の上に垂直方向上向きに据え付けられている。ハウジング 283の内 周面には電磁石（コイル）によって構成された固定子 (ステータ） 284が固定されてい る。すなわち、固定子 284はコイル線材 (エナメル被覆銅線） 286が鉄心（コア） 285 に卷装されて構成されている。コイル線材 286には図示しないリード線がハウジング 2 83の側壁に開設された図示しない挿通孔を揷通して電気的に接続されており、固定 子 284はブラシレス DCモータのドライノく（図示せず）から電力をコイル線材 286にリ 一ド線を通じて供給されることにより、回転磁界を形成するように構成されている。
[0200] 固定子 284の内側には回転子（ロータ） 289がエアギャップ（隙間）を設定されて同 心円に配置されており、回転子 289はハウジング 283に上下のボールベアリング 293 を介して回転自在に支承されている。すなわち、回転子 289は円筒形状の本体 290 と鉄心 (コア） 291と複数個の永久磁石 292とを備えており、本体 290には回転軸 27 7がブラケット 288によって一体回転するように固定されている。鉄心 291は本体 290 に嵌合されて固定されており、鉄心 291の外周には複数個の永久磁石 292が周方 向に等間隔に固定されている。鉄心 291と複数個の永久磁石 292とによって環状に 配列された複数の磁極が形成されており、固定子 284の形成する回転磁界が複数 個の磁極すなわち永久磁石 292の磁界を切ることにより、回転子 289が回転するよう になっている。
[0201] 上下のボールベアリング 293は回転子 289の本体 290の上下端部にそれぞれ設 置されており、上下のボールベアリング 293には本体 290の熱膨張を吸収するため の隙間が適宜設定されている。このボールベアリング 293の隙間は本体 290の熱膨 張を吸収する一方で、最小のがたつきに抑制するために、 5〜50 /ζ πιに設定されて いる。なお、ボールベアリングの隙間とはボールをァウタレースまたはインナレースの いずれか片側に寄せた場合に反対側に発生する隙間を意味している。
[0202] 固定子 284と回転子 289との対向面には二重筒壁を構成する外側と内側の囲い部 材であるカバー 287とが互いに対向されて、ハウジング 283の内周面と本体 290の外 周面とにそれぞれ固定されており、それぞれのカバー 287との間には所定のエアギ ヤップ（隙間）が設定されている。カバー 287は非磁性体であるステンレス鋼が使用さ れて、筒壁の厚さが極薄い円筒形状にそれぞれ形成されており、円筒の上下開口端 においてハウジング 283および本体 290に電子ビーム溶接によって全周にわたって 確実かつ均一に固着されている。カバー 287は非磁性体であるステンレス鋼で極薄 く形成されているため、磁束の拡散を防止してモータ効率の低下を防止するば力りで なぐ固定子 284のコイル線材 286および回転子 289の永久磁石 292の腐食を防止 することができ、かつまた、コイル線材 286等による処理室 201の内部の汚染を確実 に防止することができる。カバー 287は固定子 284を気密シール状態に囲うことによ り、固定子 284を真空雰囲気となる処理室 201の内部力も完全に隔絶している。
[0203] また、サセプタ回転装置には磁気式ロータリーエンコーダ 294が設置されている。
すなわち、磁気式ロータリーエンコーダ 294は磁性体力もなる被検出体としての被検 出リング 296を備えており、被検出リング 296は鉄等の磁性体が使用されて円形リン グ形状に形成されている。被検出リング 296の外周には被検出部としての歯が多数 個環状に配列されている。
[0204] ハウジング 283の被検出リング 296の対向位置には被検出リング 296の被検出部 である各歯を検出する磁気センサ 295が設置されて 、る。磁気センサ 295の先端面 と被検出リング 296の外周面との隙間（センサギャップ）は、 0. 06〜0. 17mmに設 定されている。磁気センサ 295は被検出リング 296の回転に伴うこれらの対向位置に おける磁束変化を磁気抵抗素子によってそれぞれ検出するように構成されている。 磁気センサ 295の検出結果はブラシレス DCモータすなわちサセプタ回転機構 267 の駆動制御部に送信されて、サセプタ 84の位置認識に使用されるとともに、サセプタ 84の回転量の制御に使用される。なお、処理炉 86は、ガス流量制御部 72、駆動制 御部 74、加熱制御部 71a、温度検出部 71b、等から構成される主制御部 7を有する 。また、加熱制御部 71aおよび温度検出部 71bから温度制御部 71が構成されており 、温度制御部 71においてヒータ 81の温度を検知するためのヒータ熱電対 82および 8 3を備えている。
[0205] ガス流量制御部 72は MFC241、開閉バルブ 243に接続され、ガス流量、供給を 制御する。駆動制御部 74はサセプタ回転機構 267、昇降ブロック 281に接続され、 これらの駆動を制御する。加熱制御部 71aは配線 257を介しヒータ 81に接続され、ヒ ータ 81の加熱具合を制御する。温度検出部 7 lbは放射温度計 87および 88に接続 され、サセプタ 84の温度を検出し、加熱制御部 71aと連携してヒータ 81の加熱制御 に用いられる。
[0206] 次に、本実施の形態における熱処理装置での半導体装置の製造方法における成 膜工程について説明する。
[0207] ウェハ 85の搬出搬入に際しては、回転ドラム 227および加熱ユニット 251が回転軸 277および支持軸 276によって下限位置に下降される。すると、ウェハ昇降装置 275 の回転側ピン 274の下端が処理室 201の底面すなわち下側キャップ 226の上面に 突合するため、回転側リングが回転ドラム 227および加熱ユニット 251に対して相対 的に上昇する。上昇した回転側リングはヒータ側ピン 266を突き上げることにより、ヒ ータ側リングを持ち上げる。ヒータ側リングが持ち上げられると、ヒータ側リングに立脚 された三本の突上部 266がヒータ 81およびサセプタ 84の揷通孔 256を揷通して、サ セプタ 84の上面に載置されたウェハ 85を下方力も支持してサセプタ 84から浮き上が らせる。
[0208] ウェハ昇降装置 275がウェハ 85をサセプタ 84の上面力も浮き上がらせた状態にな ると、ウェハ 85の下方空間すなわちウェハ 85の下面とサセプタ 84の上面との間に揷 入スペースが形成された状態になるため、図 48に図示しないウェハ移載機に設けら れた基板保持プレートであるツイ一ザがウェハ搬入搬出口 250からウェハ 85の挿入 スペースに挿入される。ウェハ 85の下方に挿入されたツイ一ザは上昇することにより ウェハ 85を移載して受け取る。ウェハ 85を受け取ったツイ一ザはウェハ搬入搬出口 250を後退してウェハ 85を処理室 201から搬出する。そして、ツイ一ザによってゥェ ノ、 85を搬出したウェハ移載機は、処理室 201の外部の空ウェハカセット等の所定の 収納場所にウェハ 85を移載する。
[0209] 次いで、ウェハ移載機は実ウェハカセット等の所定の収納場所力 次回に成膜処 理するウェハ 85をツイ一ザによって受け取って、ウェハ搬入搬出口 250から処理室 2 01に搬入する。ツイ一ザはウェハ 85をサセプタ 84の上方においてウェハ 85の中心 がサセプタ 84の中心と一致する位置に搬送する。ウェハ 85を所定の位置に搬送す ると、ツイ一ザは若干下降することによりウェハ 85をサセプタ 84に移載する。ウェハ 8 5をウェハ昇降装置 275に受け渡したツイ一ザは、ウェハ搬入搬出口 250から処理 室 201の外へ退出する。ツイ一ザが処理室 201から退出すると、ウェハ搬入搬出口 2 50はゲートバルブ (仕切弁） 244によって閉じられる。
[0210] ゲートバルブ 244が閉じられると、処理室 201に対して回転ドラム 227および加熱 ユニット 251が回転軸 277および支持軸 276を介して昇降台 282によって上昇される 。回転ドラム 227および加熱ユニット 251の上昇により、突上ピン 266、 274が回転ド ラム 227および加熱ユニット 251に対し相対的に下降し、図 48に示されているように 、ウェハ 85はサセプタ 84の上に完全に移載された状態になる。回転軸 277および支 持軸 276は突上部 266の上端力ヒータ 81の下面に近接する高さになる位置にて停 止される。
[0211] 一方、処理室 201が排気口 235に接続された排気装置（図示せず）によって排気さ れる。この際、処理室 201の真空雰囲気と外部の大気圧雰囲気とはべローズ 279に よって隔絶されている。
[0212] 続いて、回転ドラム 227が回転軸 277を介してサセプタ回転機構 267によって回転 される。すなわち、サセプタ回転機構 267が運転されると、固定子 284の回転磁界が 回転子 289の複数個の磁極の磁界を切ることにより、回転子 289が回転するため、 回転子 289に固定された回転軸 277によって回転ドラム 227が回転する。この際、サ セプタ回転機構 267に設置された磁気式ロータリーエンコーダ 294によって回転子 2 89の回転位置が時々刻々と検出されて駆動制御部 74に送信され、この信号に基づ V、て回転速度等が制御される。
[0213] 回転ドラム 227の回転中には、回転側ピン 274は処理室 201の底面力も離座し、ヒ ータ側ピン 266は回転側リング力も離座しているため、回転ドラム 227の回転がゥェ ハ昇降装置 275に妨げられることはなぐし力も、加熱ユニット 251は停止状態を維持 することができる。すなわち、ウェハ昇降装置 275においては、回転側リングと回転側 ピン 274が回転ドラム 227と共に回転し、ヒータ側リングとヒータ側ピン 266が加熱ュ ニット 251と共に停止した状態になっている。
[0214] ウェハ 85の温度が処理温度まで上昇し、排気口 235の排気量および回転ドラム 22 7の回転作動が安定した時点で、図 48に実線矢印で示されているように、処理ガス 2 30が供給管 232に導入される。ガス供給管 232に導入された処理ガス 230は、ガス 分散空間として機能するバッファ室 237に流入するとともに、径方向外向きに放射状 に拡散して、シャワープレート 240の各ガス吹出口 247からそれぞれが略均等な流 れになって、ウェハ 85に向力つてシャワー状に吹き出す。吹出口 247群からシャワー 状に吹き出した処理ガス 230はカバープレート 248の上方空間を通って、排気バッフ ァ空間 249を経由して排気口 235に吸 、込まれて排気されて行く。
[0215] この際、回転ドラム 227に支持されたサセプタ 84の上のウェハ 85は回転しているた め、吹出口 247群からシャワー状に吹き出した処理ガス 230はウェハ 85の全面にわ たって均等に接触する状態になる。処理ガス 230がウェハ 85の全面にわたって均等 に接触するため、ウェハ 85に処理ガス 230によって形成される CVD膜の膜厚分布 や膜質分布はウェハ 85の全面にわたって均一になる。
[0216] また、加熱ユニット 251は支持軸 276に支持されることにより回転しない状態になつ ているため、回転ドラム 227によって回転されながら加熱ユニット 251によって加熱さ れるウェハ 85の温度分布は全面にわたって均一に制御される。このようにウェハ 85 の温度分布が全面にわたつて均一に制御されることにより、ウェハ 85に熱化学反応 によって形成される CVD膜の膜厚分布や膜質分布はウェハ 85の全面にわたって均 一に制御される。
[0217] 予め選定された所定の処理時間が経過すると、サセプタ回転機構 267の運転が停 止される。この際、サセプタ 84すなわち回転子 289の回転位置はサセプタ回転機構 267に設置された磁気式ロータリーエンコーダ 294によって時々刻々と監視されてい るため、サセプタ 84は予め設定された回転位置において正確に停止される。すなわ ち、突上部 266とヒータ 81およびサセプタ 84の揷通孔 256は正確かつ再現性よく合 致される。
[0218] サセプタ回転機構 267の運転が停止されると、前述に示されて 、るように、回転ドラ ム 227および加熱ユニット 251は回転軸 277および支持軸 276を介して昇降台 282 によって搬入搬出位置に下降される。前述したように、下降の途中において、ウェハ 昇降装置 275の作用によりウェハ 85をサセプタ 84の上力も浮き上げる。この際、突 上部 266とヒータ 81およびサセプタ 84の揷通孔 256とは正確かつ再現性よく合致さ れているため、突上部 266がサセプタ 84およびヒータ 81を突き上げる突き上げミスが 発生することはない。
[0219] 以降、前述した作業が繰り返されることにより、次のウェハ 85に CVD膜が成膜処理 されて行く。
[0220] 上述の第 1の実施の形態力も第 16の実施の形態において示した構成は、縦型の 熱処理装置についてのものである力 これに限られるものではなぐ上述の第 1の実 施の形態力も第 16の実施の形態の構成は、本実施の形態において示したような枚 葉装置としての熱処理装置に対しても適用可能である。
[0221] このように、上述した各実施の形態によれば、熱処理装置に備えられた加熱手段へ 入力する操作量を変化させることにより、当該加熱手段による制御量を変化させ、当 該操作量を変化する制御量に基づいた比例 ·積分 ·微分演算による帰還処理を行つ て制御し、制御量を目標値へ維持もしくは追従させる温度制御において、適当な操 作量の出力を予め設定しておく制御と前記比例 '積分'微分演算にしたがった操作 量を出力する制御を選択切り替えする手段を備え、前記適当な操作量と前記比例 · 積分 ·微分演算にしたがった操作量を適宜選択切り替えして加熱手段に入力するこ とを特徴とする温度制御方法を提供することができる。
[0222] また、上述のような構成の温度制御方法を、数回繰り返し実行することにより最適な 操作量に自動調整するようにしてもよい。この他、上述のような構成の温度制御方法 を、プログラム化し計算機上に実装するようにしてもよ 、ことは言うまでもな 、。
[0223] なお、上述の各実施の形態で示した積分パターン出力における目標温度の算出 方法は例示であり、例えば、式（27)に示したような算出方法によって算出しても良い
[0224] また、 PID動作させた結果の出力量に基づき、出力制御パターンを作成し、その出 力制御パターンにてヒータを出力制御した際のヒータ熱電対の検出する温度波形か ら、 I動作分を求めるために P動作分を差し引き (P動作分のみならず、 D動作分も差 し引いても良い。）、差し引いたヒータ熱電対の検出する温度波形により近い積分出 力パターンをより早く効率的に求めることができれば良い。
[0225] 以上のように、本発明は、ランプアップ時やボートアップリカバリ時等、処理室内の 温度が変動する工程時、まず、初期温度から目標温度にて安定するまで PID制御に より動作させ、そのときの基本データを取得し、その基本データの中の初期温度から 目標温度にて安定するまでに費やす熱量を安定熱量と昇温熱量とに分け、出力制 御パターンを求める。このようにして求めた出力制御パターンに基づく温度制御を行 Vヽ、このとき熱電対により検知される基本データから P動作分 (もしくは P動作分およ び、動作分)を減算し、積分出力パターンを求める構成となっている。
[0226] なお、上述の各実施の形態では、本発明を縦型装置および枚葉装置に対して適 用した例を示したが、これに限られるものではなぐ横型装置としての熱処理装置に 対しても適用可能であることは言うまでもない。
[0227] 上述のような構成により、制御対象である炉内に比較的大きな外乱が生じた場合で も、その外乱を含んだ操作量の総和力ももつとも速やかに制御量を目標値に追従さ せることができる積分出力パターンを予め設定し、特定の時刻から積分演算の代わり に積分値をパターン出力し、さらに外乱その他に起因する偏差のうちの大部分が消 去したと思われる時点から再び積分演算を行い積分値を出力するため、制御対象か ら出力される制御量を迅速かつ正確に目標値へ変化させることができる。
[0228] また、本発明の手順は、自然現象である、実測温度、操作量、時間と!/ヽつたこれま で温度調整時に熟練者の経験と勘に頼っていた大部分をある所定の計算式によつ て求めることができ、早く確実に温度調整を行うことができ、時間、費用の削減をする ことができる。
[0229] また、本発明の手順をプログラム化し、温度コントローラなどにソフトウェアとして組 み込むことによって、作業者の介入を必要とせず、適切な温度調整を行うことも可能 である。
[0230] 本発明を特定の態様により詳細に説明した力 本発明の精神および範囲を逸脱し ないかぎり、様々な変更および改質がなされ得ることは、当業者には自明であろう。 産業上の利用可能性
[0231] 以上に詳述したように本発明によれば、作業効率の向上およびコストダウンに寄与 することのできる温度調整方法、熱処理装置および半導体装置の製造方法を提供 することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板を処理する処理室内を加熱する加熱手段と、該加熱手段を制御する加熱制 御部と、前記処理室内の温度を検出する第一および第二の温度検出手段とを備え、 該第一の温度検出手段は前記第二の温度検出手段よりも前記基板に近い位置に配 置され、該第二の温度検出手段は前記第一の温度検出手段よりも前記加熱手段に 近い位置に配置される熱処理装置における温度調整方法であって、
前記加熱制御部により、前記第一の温度検出手段による検出温度が所定の目標 温度となるように、積分演算、微分演算および比例演算を行って前記加熱手段を制 御する第一の工程と、
前記第一の工程おける前記加熱手段の制御において前記第一の温度検出手段 により検出される検出温度に基づき、前記加熱制御部によって前記加熱手段を制御 するための第一の操作量をパターンィ匕し第一の出力制御パターンを求める第二のェ 程と、
前記第二の工程で求めた第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱制御部に より前記加熱手段を制御する第三の工程と、
前記第三の工程における前記加熱手段の制御において前記第二の温度検出手 段により検出される検出温度に基づき、前記加熱制御部によって前記加熱手段を制 御するための第二の操作量の少なくとも一部をパターンィ匕し第二の出力制御パター ンを求める第四の工程と
を有する温度調整方法。
[2] 請求項 1に記載の温度調整方法にぉ 、て、
前記加熱制御部により、前記第二の操作量の少なくとも一部として前記第四の工程 で求めた前記第二の出力制御パターンを用いて、前記加熱手段を制御しつつ前記 基板を処理する第五の工程を有する温度調整方法。
[3] 請求項 1に記載の温度調整方法にぉ 、て、
前記第四の工程は、前記第三の工程における前記加熱手段の制御において前記 第二の温度検出手段により検出される検出温度の、昇温開始時から最大温度時まで の間の熱量を求め該熱量の中から前記比例演算による出力分を差し引いた熱量を 用いて前記昇温開始時力 最大温度時までの前記第二の操作量の少なくとも一部 をパターンィ匕することにより前記第二の出力制御パターンを求める温度調整方法。
[4] 基板を処理する処理室内を加熱する加熱手段と、該加熱手段を制御する加熱制 御部と、前記処理室内の温度を検出する第一および第二の温度検出手段とを備え、 該第一の温度検出手段は前記第二の温度検出手段よりも前記基板に近い位置に配 置され、該第二の温度検出手段は前記第一の温度検出手段よりも前記加熱手段に 近!、位置に配置される熱処理装置であって、
前記加熱制御部は、前記第一の温度検出手段による検出温度が昇温開始時の温 度から目標温度となるように積分演算、微分演算および比例演算を行って前記加熱 手段を制御した際に、前記第一の温度検出手段により検出される検出温度に基づき 、前記加熱手段を制御するための第一の操作量をパターンィ匕して第一の出力制御 ノターンを求め、該第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱手段を制御した 際の前記第二の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱手段 を制御するための第二の操作量の少なくとも一部をパターン化し第二の出力制御パ ターンを求める熱処理装置。
[5] 請求項 4に記載の熱処理装置において、
前記加熱制御部は、前記第二の操作量の少なくとも一部として前記第二の出力制 御パターンを用いて、前記加熱手段を制御しつつ前記基板を処理する熱処理装置。
[6] 請求項 4に記載の熱処理装置において、
前記加熱制御部は、前記第一の温度検出手段により検出された検出温度が前記 目標温度を超えるよう予め設定された許容値よりもオーバーシュート量が大きい場合 には、該オーバーシュート量を低減させるよう、前記昇温開始時の温度から前記目標 温度へ変化させ前記目標温度に安定させるまでの過程における期間中の総熱量と、 該総熱量中の昇温するために必要な昇温熱量と、前記目標温度を超えてオーバー シュートしているオーバーシュート熱量とを求め、前記総熱量と該オーバーシュート 熱量との比であるオーバーシュート温度比率を求め、前記昇温熱量力 前記オーバ 一シュート温度比率分を差し引いて求めた熱量に基づいて、前記第一の出力制御 パターンを求める熱処理装置。
[7] 請求項 4に記載の熱処理装置において、
前記加熱制御部は、第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱手段を制御し た際の前記第二の温度検出手段により検出される検出温度が示す昇温開始時から 最大温度時までの熱量を求め該熱量の中から前記比例演算による出力分を差し引 V、た熱量を用いて前記昇温開始時から最大温度時までの前記第二の操作量の少な くとも一部をパターンィ匕することにより前記第二の出力制御パターンを求める熱処理 装置。
[8] 請求項 4に記載の熱処理装置において、
前記基板の処理を行う際には、
前記目標温度へ昇温している期間中は、前記加熱制御部により、前記第一の温度 検出手段にて検出された温度を前記目標温度から減算した結果を用いて、比例演 算および微分演算を行った結果と前記第二の出力制御パターンとに基づいて前記 第二の操作量を演算し、該演算された第二の操作量から前記第二の温度検出手段 にて検出された温度を減算して得られる結果を用いて比例演算、微分演算および積 分演算しつつ、前記加熱手段を制御し、
前記目標温度で安定した際には、前記加熱制御部により、前記第一の温度検出手 段にて検出された温度を前記目標温度から減算した結果を用いて、比例演算、微分 演算および積分演算を行った結果と前記第二の出力制御パターンとに基づいて第 三の操作量を演算し、該演算された第三の操作量から前記第二の温度検出手段に て検出された温度を減算して得られる結果を用いて比例演算、微分演算および積分 演算しつつ、前記加熱手段を制御し前記基板を処理する熱処理装置。
[9] 基板を処理する処理室内を加熱する加熱手段と、該加熱手段を制御する加熱制 御部と、前記処理室内の温度を検出する第一および第二の温度検出手段とを備え、 該第一の温度検出手段は前記第二の温度検出手段よりも前記基板に近い位置に配 置され、該第二の温度検出手段は前記第一の温度検出手段よりも前記加熱手段に 近!、位置に配置される熱処理装置であって、
前記加熱制御部は、前記第一の温度検出手段による検出温度が所定の目標温度 となるように積分演算、微分演算および比例演算を行って前記加熱手段を制御した 際に、前記第一の温度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱手段 を制御するための第一の操作量をパターンィ匕して第一の出力制御パターンを求め、 該第一の出力制御パターンに基づいて前記加熱手段を制御した際の前記第二の温 度検出手段により検出される検出温度に基づき、前記加熱手段を制御するための第 二の操作量の少なくとも一部をパターンィ匕し第二の出力制御パターンを求める熱処 理装置を用いて基板の処理を行う半導体装置の製造方法であって、
基板を処理室内に搬入する工程と、
前記加熱制御部が前記第二の操作量の少なくとも一部として前記第二の出力制御 パターンを用いて前記加熱手段を制御しつつ前記処理室内に搬入された基板を処 理する工程と、
前記基板を処理室から搬出する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
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