JP4413328B2

JP4413328B2 - 伝達ゲイン行列の逆行列の取得方法及びその装置

Info

Publication number: JP4413328B2
Application number: JP27678799A
Authority: JP
Inventors: 英人山口
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP2001102317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、拡散装置やＣＶＤ装置など、半導体製造装置における半導体ウエハをバッチ処理する熱処理装置の温度制御方法に関し、特に複数の加熱源から複数の温度センサへの熱の干渉を考慮に入れて行われる制御に必要な熱の干渉行列としての伝達ゲインの逆行列を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
縦型拡散装置やＣＶＤ装置など、多数のウエハを処理するバッチ方式熱処理装置では、炉内、特に熱処理するウエハが置かれる領域の温度を均一に精度よく制御する必要がある。対象とする熱処理装置の構成は、例えば図４のように、ボートに乗せた多数のウエハ１を熱処理するための石英管２、石英管２を周囲から熱するヒータ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ（まとめて取り扱うときは、ヒータ３とする。）、ヒータの周囲の温度を計測する第１の温度センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ（添字ａ〜ｄはヒータ３と対応している。まとめて取り扱うときは、第１の温度センサ４とする）、石英管２の内部のウエハ１が置れる領域の温度を計測する第２の温度センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（添字ａ〜ｄはヒータ３と対応している。まとめて取り扱うときは、第２の温度センサ５とする）、各温度センサの目標温度を設定する温度設定部６、第１の温度センサ４と第２の温度センサ５の温度と温度設定部６の目標温度からヒータ３を個別に制御する温度制御部７とで構成される。
【０００３】
装置によっては、石英管２とヒータ３の間に図示しない均熱管があり、第２の温度センサ５が石英管２と均熱管の間にあることもあるが、その場合は均熱管内部を、炉内とする。そして、図４のような熱処理装置では、ヒータ３が分割された４つのヒータ３ａ〜３ｄからなるように、炉内を加熱する加熱源を複数に分割して、それらの加熱源を独立に操作することによって、温度制御を行っている。温度制御に際しては、炉の伝達ゲイン行列を用いて熱干渉を考慮して得られる温度目標値を、それぞれの熱源の温度設定部６に設定することによって、温度の均一性を実現してきた。
【０００４】
ここで述べている伝達ゲインとは、加熱源から温度センサへの熱の影響の度合いを示すものであり、伝達ゲイン行列とは、１つの加熱源に対する１つの温度センサの伝達ゲインを、とりうる全ての１つの加熱源と１つの温度センサとの対に対して求め、それらを行列で表したものである。図５に示すように、全ての温度センサで得られる温度は、全ての熱源の影響の和で表されるという考え方に基づいている。すなわち、たとえばヒータ３ａから第２の温度センサ５ａへの影響度は、ヒータ３ａの状態を表す第１の温度センサ４ａの温度変化のＧ₁₁倍が第２の温度センサ５ａの温度変化に現れるとし、その影響度を伝達ゲインとしてＧ₁₁で表す。そして、第１の温度センサ４ａの温度変化のＧ₁₁倍、４ｂの温度変化のＧ₂₁倍、４ｃの温度変化のＧ₃₁倍、４ｄの温度変化のＧ₄₁倍の総和が、第２の温度センサ５ａに温度変化として現れる。以下５ｂ、５ｃ、５ｄも同様である。
【０００５】
このような伝達ゲインの考え方によれば、第１の温度センサ４の変化から第２の温度センサ５への変化が、伝達ゲイン行列を用いて（１）式で表される。ΔＸは第１の温度センサ４の温度変化、ΔＹは第２の温度センサ５の温度変化を表す。
【０００６】
【数１】

【０００７】
従って、温度の均一性を得るために変化させなければいけない第２の温度センサ５の温度変化を改めてΔＹとすると、伝達ゲイン行列の逆行列による（２）式で得られるΔＸを第１の温度センサ４の温度変化として与えれば、炉内の温度均一性が得られる。
【０００８】
【数２】

【０００９】
このような伝達ゲイン行列の逆行列を使った温度補正の方法は、温度を一定値に制御する静的な温度制御のみならず、目標値が変化する場合も、フィードバック制御では得られないような温度の追従性を得るために、使用されることもある。
【００１０】
従来、このような伝達ゲイン行列の逆行列は、温度制御部を図６に示すような構成とし、図７に示すような手順で作成される。図６に示した温度制御部は、第１の温度センサ４からの検出温度信号と、温度設定部６からの設定温度信号とが入力される制御演算部７１と、第１の温度センサ４からの検出温度信号と第２の温度センサ５からの検出温度信号とが入力されるメモリ７２とで構成される。
【００１１】
以上の構成において、制御演算部７１で第１の温度センサ４を目標温度に制御し、メモリ７２で各温度センサの温度変化を記録する。図７に示す流れ図では、全ての温度センサの温度が安定している状態から、まず第１の温度センサ４ａの目標温度をΔＸａ上昇させる（ステップＳ１０１）。次にその状態で全ての温度センサの検出温度が安定するのを待つ（ステップＳ１０２）。検出温度が安定したならば、第２の温度センサ５ａ〜５ｄの温度変化ΔＹａ〜ΔＹｄを記録する（ステップＳ１０３）。この温度変化ΔＹａ〜ΔＹｄを用いると、（３）式で示すように、伝達ゲイン行列の第１列が求まる。
【００１２】
【数３】

【００１３】
そして次に、第１の温度センサ４ｂの目標温度をΔＸｂ上昇させて（ステップＳ１０４）、再び全ての温度センサの検出温度を安定させる（ステップＳ１０５）。ΔＹａ〜ΔＹｄを記録する（ステップＳ１０６）。このようにして、ステップＳ１１２まで行えば、（１）式を得ることができる。次に得られた行列の逆行列演算をすること（ステップＳ１１３）により、得られた伝達ゲイン行列の逆行列を得ることができる。
【００１４】
しかしながら、上述した図７に示すような手順では、伝達ゲイン行列を作成するのに多くの時間を費やしてしまう。図８にＳ１０１からＳ１０３までの温度変化を示している。ｔ₀はＳ１０１を行った時刻である。ｔ₁は、第１の温度センサ４が全て安定した時刻である。そして、ｔ₂は第２の温度センサ５が全て安定した時刻である。炉内の温度の変化は通常ヒータ３の周辺の温度の変化よりも遅れが大きい（温度が変化するのが遅い）ため、たとえ第１の温度センサ４の温度が例えば１０分くらいで、早く安定したとしても、第２の温度センサ５の温度が安定する時間それよりもはるかに長く、例えば２時間くらいかかってしまう。このように、従来の伝達ゲインの逆行列の取得方法では、まず伝達ゲイン行列を求め、次に求められた伝達ゲイン行列から逆行列を求めるようにしているが、この伝達ゲインを求めるのに長時間要してしまうという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明は、上記実情に鑑みて為されたもので、伝達ゲイン行列の逆行列を従来よりも短時間で得られる伝達ゲインの逆行列の取得方法を得ることを目的とする。
【００１６】
上述した課題を解決するため、本発明は、複数に分離された加熱源と、分離された前記加熱源それぞれに対応して、前記加熱源周辺と炉内とにそれぞれ設けられる複数の第１の温度センサ及び第２の温度センサとを有し、前記複数の第１、第２の温度センサの検出温度に基いて前記炉の温度制御を行う熱処理装置における伝達ゲインの逆行列を求める取得方法において、前記複数の第１、第２の温度センサが温度安定状態にあるときに、前記複数の第２の温度センサの内の１つが異なる温度で安定状態になるよう温度制御を行って前記複数の第１、第２の温度センサが再び温度安定状態となったときに、前記複数の第１の温度センサのそれぞれについて温度変化分を求めるステップを、前記複数の第２の温度センサのそれぞれについて行うことにより、前記伝達ゲイン行列の逆行列を作成するようにしたものである。
【００１７】
熱処理装置の構成上、第１の温度センサは、第２の温度センサ５より遅れが小さく反応が速いので、まず、第２の温度センサの出力が安定状態となるよう温度制御を行い、第１の温度センサの出力が安定状態になるまでの時間は、その逆、即ち、第１の温度センサの出力が安定状態となるよう温度制御を行い、第２の温度センサの出力が安定状となるまでの時間よりも短くなり、よって、伝達ゲイン行列の逆行列を短時間で得ることができる。また、従来のように、逆行列を演算する必要もなく、演算処理が簡単となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図を用いて説明する。
図１は実施の形態を示すブロック図であり、伝達ゲイン行列の逆行列を作成する場合の温度制御部の構成を示している。なお、熱処理装置の構成は図６に示したものと同一であり、ここでの説明は省略する。
この温度制御部７Ａは、温度設定部６からの目標温度と、第１の温度センサ４からの第１検出温度と、第２の温度センサ５からの第２検出温度が入力される制御演算部７１Ａと、これら第１検出温度と第２検出温度を記憶するメモリ７２を用いて構成される。
【００１９】
制御演算部７１Ａは、第２の温度センサ５を速やかに安定させるべく、第２の温度センサ５の温度を早く追従させるために、例えば、主制御量を第２の温度センサ５とし、副制御量を第１の温度センサ４とするカスケード制御を行う。この実施の形態において、カスケード制御は、主制御量を目標値に追従させる「手段」として副制御量を扱う構成となっており、まず主制御量が定常状態になった後、徐々に副制御量を定常状態にする。すなわち、遅れが大きい第２の温度センサ５を主制御量とすることによって、第２の温度センサ５が目標温度に到達できるだけの熱量(操作量)を速やかに入力する。このとき一般的に第１の温度センサ４はオーバーシュートし（図３（ａ）を参照)、第２の温度センサ５が定常状態になった後、徐々に定常状態になることとなるが、第１の温度センサ４は、第２の温度センサ５より遅れが小さく反応が速いので、従来技術より早く両方の温度センサが定常状態になることができる。
【００２０】
そして、伝達ゲイン行列の逆行列は、図２に示す手順で得る。すなわち、全ての温度センサの温度が安定している状態から、上述のカスケード制御を用い、まず第２の温度センサ５ａの目標温度をΔＹａ上昇させる（ステップＳ２０１）。次にその状態で全ての温度センサの温度が安定するのを待つ（ステップＳ２０２）。温度が安定したならば、第１の温度センサ４ａ〜４ｄの温度変化ΔＸａ〜ΔＸｄを記録する（ステップＳ２０３）。この温度変化ΔＸａ〜ΔＸｄを用いると、ΔＸａ／ΔＹａ，ΔＸｂ／ΔＹａ，ΔＸｃ／ΔＹａ，ΔＸｄ／ΔＹａにより伝達ゲイン行列の逆行列の第１列が直接求まる。
【００２１】
そして次に、第２の温度センサ５ｂの目標温度をΔＹｂ上昇させ（ステップＳ２０４）、再び安定させる（ステップＳ２０５）。そして、ΔＸａ〜ΔＸｄを記録する（ステップＳ２０６）。このようにして、ステップＳ２１２まで行えば、（２）式を直接得ることができる。
【００２２】
図３にはＳ２０１からＳ２０３までの温度変化を描いた。ｔ₀はＳ２０１を行った時刻である。ｔ₃は第２の温度センサ５が全て安定した時刻である。そしてｔ₄は、第１の温度センサ４が全て安定した時刻である。炉内の温度の変化は通常ヒータ３の周辺の温度の変化よりも遅れが大きいため、ｔ₃は前述のｔ₁よりも遅くなるが、ｔ₄はｔ₂より例えば１時間くらいで、早く収束する。従って、図３の（ａ）の手順と（ｂ）の手順を比較すれば、（ｂ）は（ａ）の半分以下の時間で目的を達成できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明は、複数に分離された加熱源と、分離された前記加熱源それぞれに対応して、前記加熱源周辺と炉内とにそれぞれ設けられる複数の第１の温度センサ及び第２の温度センサとを有し、前記複数の第１、第２の温度センサの検出温度に基いて前記炉の温度制御を行う熱処理装置における伝達ゲインの逆行列を求める取得方法において、前記複数の第１、第２の温度センサが温度安定状態にあるときに、前記複数の第２の温度センサの内の１つが異なる温度で安定状態になるよう温度制御を行って前記複数の第１、第２の温度センサが再び温度安定状態となったときに、前記複数の第１の温度センサのそれぞれについて温度変化分を求めるステップを、前記複数の第２の温度センサのそれぞれについて行うことにより、前記伝達ゲイン行列の逆行列を作成するようにしたため、伝達ゲイン行列の逆行列を従来よりも短時間で得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における温度制御部を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態における第１、第２の温度センサの検出温度を示すタイムチャートである。
【図４】熱処理装置の全体構成を示す側面図である。
【図５】熱処理装置の伝達ゲインを示すブロック図である。
【図６】従来の温度制御部を示すブロック図である。
【図７】従来のゲイン行列の逆行列を求める動作を示すフローチャートである。
【図８】従来の第１、第２の温度センサの検出温度を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄヒータ
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ第１の温度センサ
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ第２の温度センサ
６温度設定部
７Ａ温度制御部
７１Ａ制御演算部
７２メモリ

Claims

複数の分離された加熱源と、分離された前記加熱源それぞれに対応して、前記加熱源周辺と炉内とにそれぞれ設けられる複数の第１の温度センサ及び複数の第２の温度センサとを有し、前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサの検出温度に基づいて前記炉の温度制御を行う熱処理装置における伝達ゲインの逆行列を求める取得方法において、
前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサがそれぞれ第１の温度安定状態にあるときに、前記複数の第２の温度センサのうちの１つが異なる温度で安定状態になるよう主制御量を第２の温度センサとし、副制御量を第１の温度センサとするカスケード制御を行って前記複数の第１の温度センサを変化させ、前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサがそれぞれ第２の温度安定状態となったときに、前記複数の第１の温度センサのそれぞれについて前記第１の温度安定状態から前記第２の温度安定状態への温度変化分と前記複数の第２の温度センサのうちの１つの温度センサの前記第１の温度安定状態から前記第２の温度安定状態への温度変化分から、前記伝達ゲインの逆行列の列を求めるステップを、前記複数の第２の温度センサのそれぞれについて行うことにより、前記伝達ゲインの逆行列を作成するようにした伝達ゲイン行列の逆行列の取得方法。
複数の分離された加熱源と、分離された前記加熱源それぞれに対応して、前記加熱源周辺と炉内とにそれぞれ設けられる複数の第１の温度センサ及び複数の第２の温度センサとを有し、前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサの検出温度に基づいて前記炉の温度制御を行う制御演算部を構成する熱処理装置において、
前記制御演算部は、前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサがそれぞれ第１の温度安定状態にあるときに、前記複数の第２の温度センサのうちの１つが異なる温度で安定状態になるよう主制御量を第２の温度センサとし、副制御量を第１の温度センサとするカスケード制御を行って前記複数の第１の温度センサを変化させ、前記複数の第１の温度センサ、前記複数の第２の温度センサがそれぞれ第２の温度安定状態となったときに、前記複数の第１の温度センサのそれぞれについて前記第１の温度安定状態から前記第２の温度安定状態への温度変化分と前記複数の第２の温度センサのうちの１つの温度センサの前記第１の温度安定状態から前記第２の温度安定状態への温度変化分から、伝達ゲインの逆行列の列を求めるステップを、前記複数の第２の温度センサのそれぞれについて行うことにより、前記伝達ゲインの逆行列を作成する熱処理装置。