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JP6307347B2 - Semiconductor wafer temperature controller - Google Patents

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JP6307347B2
JP6307347B2 JP2014103322A JP2014103322A JP6307347B2 JP 6307347 B2 JP6307347 B2 JP 6307347B2 JP 2014103322 A JP2014103322 A JP 2014103322A JP 2014103322 A JP2014103322 A JP 2014103322A JP 6307347 B2 JP6307347 B2 JP 6307347B2
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Description

本発明は、複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度を調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置に関する。   The present invention relates to a temperature control device for a semiconductor wafer that controls the temperature of the plurality of temperature adjusting means in order to adjust the temperature of the semiconductor wafer by the plurality of temperature adjusting means.

シリコンウェーハ等の半導体ウェーハに処理を施す工程には、シリコンウェーハの温度を目標温度に制御するとともに、シリコンウェーハの面内の温度分布を所望の分布に制御しなければならない工程がある。
このため、それぞれ温度調整手段に対して独立した制御ループを設け、複数の温度調整手段によって半導体ウェーハを同時に温度制御する方法が知られている。
このような半導体ウェーハの温度制御では、それぞれの制御量を基準となる制御量に対して一定の偏差を維持しながら、目標値に到達させるとともに、外乱下においても目標値を維持することが必要であり、従来、マスタースレーブ制御法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
マスタースレーブ制御法は、複数の制御ループの内の一つをマスターとして制御し、残りのループはマスターループの制御量に追従するように、マスターループの制御量を目標値としてスレーブの制御量との偏差を算出して制御する方法である。
マスターループは、最も応答の遅い制御ループとし、他の制御ループをこれに追従させるスレーブループとするのが通常である。
The process of processing a semiconductor wafer such as a silicon wafer includes a process in which the temperature of the silicon wafer must be controlled to a target temperature and the temperature distribution in the surface of the silicon wafer must be controlled to a desired distribution.
For this reason, a method is known in which a control loop is provided independently for each temperature adjusting means, and the temperature of the semiconductor wafer is simultaneously controlled by a plurality of temperature adjusting means.
In such semiconductor wafer temperature control, it is necessary to maintain the target value while maintaining a certain deviation with respect to the reference control amount, and to maintain the target value even under disturbance. Conventionally, a master-slave control method is known (see, for example, Patent Document 1).
In the master-slave control method, one of a plurality of control loops is controlled as a master, and the remaining loops follow the control amount of the master loop. This is a method of calculating and controlling the deviation.
The master loop is usually a control loop with the slowest response, and is usually a slave loop that follows other control loops.

ところで、このようなマスタースレーブ制御法を、複数の加熱冷却ゾーンを備えたプレート型の半導体の温度調整装置に用いた場合、用途によっては、すべてのゾーンの温度を均一にするだけでなく、各ゾーンの目標温度を変えてプレートに温度勾配を持たせることもある。例えば、プレートをチャンバーで覆った場合、半導体ウェーハがチャンバーの壁の熱の影響を受けることがあり、中央部よりも端部の方が加熱されやすい場合がある。
この場合、プレート中央のゾーンの目標温度を高く設定し、プレート端部のゾーンの目標温度を低く設定する必要があるが、マスターループの温度調整手段の温度の目標値に対して、スレーブ側の温度調整手段に適切なオフセット温度を設定して、加減してやればよい。
By the way, when such a master-slave control method is used in a plate-type semiconductor temperature control apparatus having a plurality of heating and cooling zones, depending on the application, not only the temperature of all zones is uniform, The target temperature of the zone may be changed to give the plate a temperature gradient. For example, when the plate is covered with a chamber, the semiconductor wafer may be affected by the heat of the chamber wall, and the end portion may be heated more easily than the center portion.
In this case, it is necessary to set the target temperature of the zone at the center of the plate high and the target temperature of the zone at the end of the plate to be low. It is only necessary to set an appropriate offset temperature in the temperature adjusting means and adjust the temperature.

特開平7−200076号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-200076

しかしながら、詳しくは後述するが、このようなマスタースレーブ制御方法において、プレート内に温度勾配を持たせて加熱冷却をする場合、以下のような問題がある。
すなわち、加熱の際にマスターループが最も高い目標温度に設定された場合、スレーブループは、マスターループの目標温度に対して一定のオフセットを持たせた目標温度に設定されるので、加熱開始時、マスターループが加熱方向に動き始めた際、スレーブループは一定のオフセットを持たせようとして、マスターループに対して一時的に冷却方向に作用するという問題がある。
また、例えば、3つのゾーンの温度がそれぞれの目標温度(SV1,SV2,SV3)=(10℃,20℃,30℃)で整定し定常となった後目標温度を(SV1,SV2,SV3)=(30℃,20℃,10℃)と反転させた場合、真ん中のゾーンの温度は目標温度SV2が変わらないにも拘わらず、切り替えた瞬間にぶれが生じてしまうという問題がある。これらの問題は、目標温度への整定により多くの時間がかるため、スループットに悪影響を及ぼす事となる。
However, as will be described in detail later, in such a master-slave control method, when heating and cooling is performed with a temperature gradient in the plate, there are the following problems.
That is, when the master loop is set to the highest target temperature during heating, the slave loop is set to a target temperature having a certain offset with respect to the target temperature of the master loop. When the master loop starts to move in the heating direction, there is a problem that the slave loop temporarily acts on the master loop in the cooling direction so as to have a certain offset.
Further, for example, after the temperatures of the three zones are stabilized at the respective target temperatures (SV1, SV2, SV3) = (10 ° C., 20 ° C., 30 ° C.), the target temperatures are set to (SV1, SV2, SV3). = (30.degree. C., 20.degree. C., 10.degree. C.), there is a problem that the temperature in the middle zone is shaken at the moment of switching although the target temperature SV2 does not change. These problems will adversely affect throughput because it takes more time to settle to the target temperature.

本発明の目的は、マスタースレーブ制御法による温度制御装置において、スループットを向上することのできる半導体ウェーハの温度制御装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a temperature control device for a semiconductor wafer capable of improving throughput in a temperature control device based on a master-slave control method.

本発明の第1の態様は、複数の温度調整手段により半導体ウェーハの温度調整するために、前記複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置であって、
基準となる温度調整手段の温度制御を行うマスターループと、
このマスターループに追従するように他の温度調整手段の温度制御を行うスレーブループと、
前記マスターループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するマスター温度検出手段と、
前記スレーブループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの温度を検出するスレーブ温度検出手段と、
前記マスター温度調整手段で検出された温度、及び、前記スレーブ温度検出手段で検出された温度に基づいて、前記マスターループの温度調整手段に与える操作量、及び、前記スレーブループに与える操作量を演算する操作量演算手段とを備え、
前記操作量演算手段は、
目標温度変更時の前後の目標温度設定の状況に応じて、前記マスターループ及び前記スレーブループの切り替えを行うマスタースレーブ切り替え手段と、
前記マスターループ及び前記スレーブループの設定を解除するマスタースレーブ解除手段とを備えていることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a temperature control device for a semiconductor wafer that performs temperature control of the plurality of temperature adjusting means in order to adjust the temperature of the semiconductor wafer by the plurality of temperature adjusting means.
A master loop for controlling the temperature of the reference temperature adjusting means;
A slave loop for controlling the temperature of other temperature adjusting means so as to follow this master loop;
Master temperature detection means for detecting the temperature of the semiconductor wafer whose temperature is adjusted by the temperature adjustment means of the master loop;
Slave temperature detecting means for detecting the temperature of the semiconductor wafer whose temperature has been adjusted by the slave loop temperature adjusting means;
Based on the temperature detected by the master temperature adjusting means and the temperature detected by the slave temperature detecting means, the operation amount given to the temperature adjusting means of the master loop and the operation amount given to the slave loop are calculated. Operating amount calculation means for
The operation amount calculation means includes
Master-slave switching means for switching between the master loop and the slave loop according to the status of the target temperature setting before and after the target temperature change,
And a master-slave canceling unit that cancels the settings of the master loop and the slave loop.

本発明の第2の態様は、第1の態様において、
前記マスタースレーブ切り替え手段は、
加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えることを特徴とする。
本発明の第3の態様は、第1の態様又は第2の態様において、
前記スレーブループを2以上有し、前記マスターループ及び2つの前記スレーブループ間には3段階以上の温度勾配が設定され、
前記マスタースレーブ解除手段は、設定された3段階以上の温度勾配が温度制御中に反転した際、マスターループの設定を解除することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect,
The master slave switching means is
In the heating control, the loop having the lowest target temperature is switched to the master loop, and in the cooling control, the loop having the highest target temperature is switched to the master loop.
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect,
There are two or more slave loops, and three or more temperature gradients are set between the master loop and the two slave loops,
The master-slave canceling unit cancels the master loop setting when the set three or more temperature gradients are reversed during temperature control.

本発明の第1の態様によれば、マスタースレーブ切り替え手段及びマスタースレーブ解除手段を備えていることにより、マスターループ及びスレーブループ間を均一温度にするのかあるいは温度勾配を設けるのかによって、マスタースレーブの関係を切り替えたり、マスタースレーブの設定を解除することができるので、温度制御開始時にマスターループの温度調整手段の温度上昇開始に伴い、スレーブループが温度下降方向に応答したり、マスターループの温度調整手段の温度下降開始に伴い、スレーブループが温度上昇方向に応答したりすることを防止でき、温度制御装置のスループットを向上させることができる。   According to the first aspect of the present invention, the master-slave switching unit and the master-slave canceling unit are provided, so that the master-slave switching unit and the master-slave canceling unit have a uniform temperature or a temperature gradient between the master loop and the slave loop. Since the relationship can be switched and the master / slave setting can be canceled, the temperature of the master loop can be adjusted at the start of temperature control. It is possible to prevent the slave loop from responding to the temperature rising direction with the start of temperature lowering of the means, and the throughput of the temperature control device can be improved.

本発明の第2の態様によれば、マスタースレーブ切り替え手段を備えていることにより、加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えているので、制御開始時にスレーブループで目標温度応答が逆方向に応答することがなく、温度制御装置のスループットを確実向上させることができる。   According to the second aspect of the present invention, since the master-slave switching means is provided, the loop with the lowest target temperature is switched to the master loop in the heating control, and the loop with the highest target temperature in the cooling control. Is switched to the master loop, the target temperature response does not respond in the reverse direction in the slave loop at the start of control, and the throughput of the temperature control device can be reliably improved.

本発明の第3の態様によれば、設定された3段階以上の温度勾配が温度制御中に反転しても、マスタースレーブ解除手段がマスタースレーブを解除しているので、目標温度の最高値と最低値との間で設定された目標温度のループの目標温度応答にぶれが生じることがない。   According to the third aspect of the present invention, since the master-slave canceling unit cancels the master-slave even if the set three or more temperature gradients are reversed during the temperature control, the maximum value of the target temperature is There is no fluctuation in the target temperature response of the loop of the target temperature set between the minimum value.

本発明の実施形態に係る温度調整装置を示すブロック図。The block diagram which shows the temperature control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 前記実施形態における温度調整手段及び温度センサの配置を表す断面図及び平面図。Sectional drawing and the top view showing arrangement | positioning of the temperature adjustment means and temperature sensor in the said embodiment. 前記実施形態における温度調整装置の制御を行うコントローラの構造を表すブロック図。The block diagram showing the structure of the controller which controls the temperature control apparatus in the said embodiment. 前記実施形態における操作量変換部における行列変換を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the matrix transformation | conversion in the operation amount conversion part in the said embodiment. 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the effect | action of the said embodiment. 前記実施形態の効果を確認するためのシミュレーションに用いた制御システムを表す模式図。The schematic diagram showing the control system used for the simulation for confirming the effect of the said embodiment. 前記実施形態の効果を確認するためのシミュレーションに用いた制御システムを表す平面図。The top view showing the control system used for the simulation for confirming the effect of the said embodiment. 従来のマスタースレーブ制御の構造を表すブロック図。The block diagram showing the structure of the conventional master slave control. 従来の問題点についてのシミュレーション結果を表すグラフ。The graph showing the simulation result about the conventional problem. 従来の問題点についてのシミュレーション結果を表すグラフ。The graph showing the simulation result about the conventional problem. 本実施形態によるシミュレーション結果を表すグラフ。The graph showing the simulation result by this embodiment. 本実施形態によるシミュレーション結果を表すグラフ。The graph showing the simulation result by this embodiment.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[1]温度調整装置1の構成
図1には、本発明の第1実施形態に係る温度調整装置1が示されている。温度調整装置1は、プレート状のステージ2上に載置されたシリコンウェーハWの温度を目標温度に制御し、シリコンウェーハWの面内の温度分布を制御するための装置である。この温度調整装置1は、たとえばドライプロセスに使用される。
温度調整装置1は、プレート状のステージ2であり、温度調整手段3を備えている。尚、温度調整手段3としては、加熱冷却制御を行う場合は、チラー装置や熱電素子を採用するのが好ましく、専ら加熱制御だけの場合は、加熱用ヒータを採用することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1] Configuration of Temperature Control Device 1 FIG. 1 shows a temperature control device 1 according to a first embodiment of the present invention. The temperature adjusting device 1 is a device for controlling the temperature of the silicon wafer W placed on the plate-like stage 2 to a target temperature and controlling the temperature distribution in the surface of the silicon wafer W. This temperature adjusting device 1 is used for a dry process, for example.
The temperature adjustment device 1 is a plate-like stage 2 and includes temperature adjustment means 3. As the temperature adjusting means 3, a chiller device or a thermoelectric element is preferably used when heating / cooling control is performed, and a heater for heating can be used when only heating control is performed.

ステージ2は、真空チャンバー4内に配置され、ステージ2上には、シリコンウェーハWが載置される。シリコンウェーハWは、静電気によってステージ2上に保持される。尚、ステージ2とシリコンウェーハWとの間にヘリウムガスを流し、ステージ2とシリコンウェーハWとの間の熱伝達の効率を高めるようにしてもよい。
ドライプロセス時には、真空チャンバー4内は真空引きされ、所定の低圧状態に維持される。
ステージ2内には、図2(A)、(B)に示されるように、ステージ2上に載置されたシリコンウェーハWの面内温度分布を調整できるように、複数の温度調整手段3が配置されている。
The stage 2 is disposed in the vacuum chamber 4, and a silicon wafer W is placed on the stage 2. The silicon wafer W is held on the stage 2 by static electricity. Note that helium gas may be allowed to flow between the stage 2 and the silicon wafer W to increase the efficiency of heat transfer between the stage 2 and the silicon wafer W.
During the dry process, the vacuum chamber 4 is evacuated and maintained at a predetermined low pressure state.
In the stage 2, as shown in FIGS. 2A and 2B, a plurality of temperature adjusting means 3 are provided so that the in-plane temperature distribution of the silicon wafer W placed on the stage 2 can be adjusted. Has been placed.

図2(A)は、ステージ2の断面図であり、ベースプレート7の上に温度調整手段3が配置され、さらにその上にプレート5が載置される。プレート5内には、温度検出手段としての温度センサ6が設けられている。
図2(B)は、ステージ2の平面図であり、ステージ2は、同心円状に3つのゾーン2A、2B、2Cに分割され、各領域に温度調整手段3が配置される。また、プレート5内の温度センサ6は、温度調整手段3に応じた位置に配置される。
FIG. 2A is a cross-sectional view of the stage 2, in which the temperature adjusting means 3 is disposed on the base plate 7, and the plate 5 is further placed thereon. A temperature sensor 6 is provided in the plate 5 as temperature detecting means.
FIG. 2B is a plan view of the stage 2. The stage 2 is concentrically divided into three zones 2A, 2B, and 2C, and the temperature adjusting means 3 is disposed in each region. Further, the temperature sensor 6 in the plate 5 is arranged at a position corresponding to the temperature adjusting means 3.

温度調整手段3に通電すると、ステージ2の各ゾーン2A、2B、2Cを個別に加熱することができる。よって、各温度調整手段3への通電を調整し、温度調整手段3を制御することにより、ステージ2上のシリコンウェーハWの面内温度分布を調整することができ、ゾーン2A、2B、2C内のそれぞれの温度調整手段3は、コントローラ24によって制御される。   When the temperature adjusting means 3 is energized, each zone 2A, 2B, 2C of the stage 2 can be individually heated. Therefore, by adjusting the energization to each temperature adjusting means 3 and controlling the temperature adjusting means 3, the in-plane temperature distribution of the silicon wafer W on the stage 2 can be adjusted, and the zones 2A, 2B, 2C Each temperature adjusting means 3 is controlled by a controller 24.

[2]コントローラ24の構成
コントローラ24は、前述したように、温度センサ6で検出された温度に基づいて、温度調整手段3(マスター側3M、スレーブ側3S)を制御し、図3に示されるブロック図のように機能的に構成されている。
[2] Configuration of Controller 24 As described above, the controller 24 controls the temperature adjusting means 3 (master side 3M, slave side 3S) based on the temperature detected by the temperature sensor 6, as shown in FIG. Functionally configured as shown in the block diagram.

コントローラ24は、図2におけるゾーン2Aを加熱する温度調整手段3Mを制御するマスターループMLと、ゾーン2B及びゾーン2Cを加熱する温度調整手段3Sを制御するスレーブループSLと、温度調整手段3Mの温度を検出するマスター側温度センサ6Mと、温度調整手段3Sの温度を検出するスレーブ側温度センサ6Sと、マスターループML及びスレーブループSLの操作量を演算する操作量演算手段30とを備える。尚、スレーブループSLは、ゾーン2B、2Cに応じて2つあるが、マスターループMLに追従する構成は同様であるため、図3では図示を省略してある。
また、マスタースレーブ制御系においては、マスター側の制御量に対してスレーブ側の制御量を追従させることにより、温度分布制御を行うことが目的となる。従って、通常、最も応答が遅いループによって制御系の最大応答速度の制約を受けるため、各ゾーン2A、2B、2Cの温度を同じ目標温度に対して均一に制御する場合、最も応答の遅いループをマスターループMLに設定する。
The controller 24 includes a master loop ML for controlling the temperature adjusting means 3M for heating the zone 2A in FIG. 2, a slave loop SL for controlling the temperature adjusting means 3S for heating the zones 2B and 2C, and the temperature of the temperature adjusting means 3M. The master side temperature sensor 6M for detecting the temperature, the slave side temperature sensor 6S for detecting the temperature of the temperature adjustment means 3S, and the operation amount calculation means 30 for calculating the operation amounts of the master loop ML and the slave loop SL. Although there are two slave loops SL corresponding to the zones 2B and 2C, the configuration following the master loop ML is the same, and therefore the illustration is omitted in FIG.
Further, in the master-slave control system, the object is to perform temperature distribution control by making the control amount on the slave side follow the control amount on the master side. Therefore, since the maximum response speed of the control system is usually limited by the loop with the slowest response, when the temperature of each zone 2A, 2B, 2C is uniformly controlled with respect to the same target temperature, the loop with the slowest response is selected. Set to master loop ML.

操作量演算手段30は、マスター側制御目標値SVm、スレーブ側制御目標値SVsに基づいて、操作量MVm、MVsを温度調整手段3M、3Sに与えるものである。
この操作量演算手段30は、マスター偏差算出部31M、スレーブ偏差算出部31S、マスター制御演算部32M、スレーブ制御演算部32S、操作量変換部33、マスター操作量制限部34M、スレーブ操作量制限部34S、ゾーン2Bの目標値設定部35、ゾーン2Aの目標値設定部36、マスタースレーブ解除部、マスタースレーブ切り替え部、及び内部目標温度計算部としてのスーパーバイザー37を備える。ここで内部目標温度とは目標温度設定部で設定される各ゾーンの目標温度を使用してスーパーバイザー37で計算されるマスタースレーブ制御用の目標温度である。マスタスレーブが解除された状態では目標温度と内部目標温度は同じになる。
The operation amount calculation means 30 gives the operation amounts MVm and MVs to the temperature adjustment means 3M and 3S based on the master side control target value SVm and the slave side control target value SVs.
The operation amount calculation means 30 includes a master deviation calculation unit 31M, a slave deviation calculation unit 31S, a master control calculation unit 32M, a slave control calculation unit 32S, an operation amount conversion unit 33, a master operation amount restriction unit 34M, and a slave operation amount restriction unit. 34S, zone 2B target value setting unit 35, zone 2A target value setting unit 36, master slave release unit, master slave switching unit, and supervisor 37 as an internal target temperature calculation unit. Here, the internal target temperature is a target temperature for master-slave control calculated by the supervisor 37 using the target temperature of each zone set by the target temperature setting unit. When the master slave is released, the target temperature and the internal target temperature are the same.

マスター偏差算出部31M及びスレーブ偏差算出部31Sは前述したスーパーバイザー37で計算される内部目標温度と各ゾーンの温度センサ検出値PVm、PVsを使用してマスターループ、スレーブループ用の偏差em、esを算出する。 The master deviation calculation unit 31M and the slave deviation calculation unit 31S use the internal target temperature calculated by the supervisor 37 and the temperature sensor detection values PVm and PVs of each zone, and deviations em and es for the master loop and the slave loop. Is calculated.

マスター制御演算部32Mは、たとえばPID制御器であり、演算結果Umを、操作量変換部33に出力する。
スレーブ制御演算部32Sも同様に、演算結果Usを、操作量変換部33に出力する。
The master control calculation unit 32M is, for example, a PID controller, and outputs the calculation result Um to the operation amount conversion unit 33.
Similarly, the slave control calculation unit 32 </ b> S outputs the calculation result Us to the operation amount conversion unit 33.

操作量変換部33は、入力されたマスター制御演算部32Mでの演算結果Um、及びスレーブ制御演算部32Sでの演算結果Usを、マスターループML及びスレーブループSL間の相互干渉が小さくなるように、操作量を変換する部分である。2入力Um、Usから2出力Vm、Vsへの変換は、制御対象が伝達関数行列P(s)であらわされるとき、例えば定常ゲイン行列Gp=P(0)及びマスタースレーブの操作量変換行列Gmによって求められる変換行列Hで行われ、マスター操作量Vm及びスレーブ操作量Vsを出力する。操作量の変換行列Hは、伝達関数行列P(s)が2行2列の場合、下記式(1)によって求められる。   The operation amount conversion unit 33 uses the input calculation result Um in the master control calculation unit 32M and the calculation result Us in the slave control calculation unit 32S so that mutual interference between the master loop ML and the slave loop SL is reduced. This is the part that converts the operation amount. The conversion from the 2-input Um, Us to the 2-output Vm, Vs is performed when the control target is represented by a transfer function matrix P (s), for example, a steady gain matrix Gp = P (0) and a master-slave manipulated variable conversion matrix Gm. The master operation amount Vm and the slave operation amount Vs are output with the transformation matrix H obtained by the above. The manipulated variable conversion matrix H is obtained by the following equation (1) when the transfer function matrix P (s) has 2 rows and 2 columns.

Figure 0006307347
Figure 0006307347

マスター操作量制限部34Mは、温度調整手段3Mが最小出力及び最大出力を超えないように、操作量を制限させる部分であり、操作量が飽和したと判定されたら、その旨の判定信号awmをマスター制御演算部32Mに出力する。マスター操作量制限部34Mの出力は、温度調整手段3Mに操作量MVmとして出力される。
同様に、スレーブ操作量制限部34Sは、温度調整手段3Sが最小出力及び最大出力を超えないように、操作量を制限させる部分であり、操作量が飽和したと判定されたら、その旨の判定信号awsをスレーブ制御演算部32Sに出力する。スレーブ操作量制限部34Sの出力は、温度調整手段3Sに操作量MVsとして出力される。判定信号awm及びawsはそれぞれの制御演算部でアンチワインドアップ起動信号として用いられる。
The master operation amount restricting unit 34M is a part that restricts the operation amount so that the temperature adjusting means 3M does not exceed the minimum output and the maximum output. When it is determined that the operation amount is saturated, a determination signal awm indicating that is provided. The data is output to the master control calculation unit 32M. The output of the master operation amount limiting unit 34M is output as the operation amount MVm to the temperature adjusting means 3M.
Similarly, the slave operation amount restriction unit 34S is a portion that restricts the operation amount so that the temperature adjusting unit 3S does not exceed the minimum output and the maximum output. If it is determined that the operation amount is saturated, a determination to that effect is made. The signal aws is output to the slave control calculation unit 32S. The output of the slave operation amount limiting unit 34S is output as the operation amount MVs to the temperature adjusting unit 3S. The determination signals awm and aws are used as antiwindup activation signals in the respective control calculation units.

スーパーバイザー37は、現在の目標温度と変更後の目標温度、及び現在の各ゾーンの温度の情報に基づいて、変更パターンによって変更後の各ゾーンの偏差算出部31M、31Sへの内部目標温度の出力、マスタースレーブの切り替え、及び解除指令の決定・出力、操作量変換部33における変換行列の切換指令の決定・出力を行う部分である。
このスーパーバイザー37は、後述するフローチャートにもあるように、内部目標温度を偏差算出部31M、31Sに出力する前に、マスタースレーブ切り替え及び解除処理、変換行列切り替え処理を終了しておく。制御演算部32M、32Sでは、偏差算出部31M、31Sで計算された偏差に基づいて通常の出力計算を行うが、マスタースレーブの切り替え、及び解除指令に従ってバンプレスに切り替える処理を加える。
Based on the current target temperature, the changed target temperature, and the current temperature information of each zone, the supervisor 37 sets the internal target temperature to the deviation calculation units 31M and 31S of each zone after the change according to the change pattern. This is a part for determining / outputting output, master / slave switching, and release command, and determining / outputting a conversion matrix switching command in the operation amount converter 33.
The supervisor 37 ends the master-slave switching / cancellation process and the conversion matrix switching process before outputting the internal target temperature to the deviation calculation units 31M and 31S, as shown in the flowchart described later. The control calculation units 32M and 32S perform normal output calculation based on the deviations calculated by the deviation calculation units 31M and 31S, but add a process of switching to the bumpless in accordance with the master-slave switching and the release command.

また、スーパーバイザー37は、操作量変換部33における変換行列の切り替えも行う。変換行列の切換は次のようになる。変換行列は状態量の変換行列Sとプラントの干渉を緩和する非干渉化行列Dとの積となる
H=S×D
すなわち、スーパーバイザー37は、変換行列Sを切り替えることとなる。例えば3ゾーンの場合、以下のようになる。
In addition, the supervisor 37 also performs conversion matrix switching in the operation amount conversion unit 33. The conversion matrix is switched as follows. The transformation matrix is the product of the state quantity transformation matrix S and the non-interacting matrix D that mitigates plant interference. H = S × D
That is, the supervisor 37 switches the conversion matrix S. For example, in the case of 3 zones, it is as follows.

ゾーン1がマスターの場合、ゾーン1の出力を他のスレーブ出力に加算すること等価であり、

Figure 0006307347
If zone 1 is the master, it is equivalent to adding the output of zone 1 to the other slave outputs,
Figure 0006307347

ゾーン3がマスターの場合、ゾーン3の出力を他のスレーブ出力に加算することと等価であり、

Figure 0006307347
If zone 3 is the master, it is equivalent to adding the output of zone 3 to the other slave outputs,
Figure 0006307347

マスタースレーブ解除の場合、各出力を独立に扱うことであり、

Figure 0006307347
となる。操作量変換部33は、この3つをスーパーバイザー37からの指令によって切り替える。 In the case of master-slave cancellation, each output is handled independently.

Figure 0006307347
It becomes. The operation amount conversion unit 33 switches between the three according to a command from the supervisor 37.

次にバンプレス切り替えについて説明する。
3入力3出力系の操作量変換部33の出力は、図4(A)のように、マスターループをゾーン1、スレーブループをゾーン2及びゾーン3とし、切り替え前の定常状態での各コントローラの出力をU1、U2、U3とすると、操作量変換部33の出力は、変換行列Hの内部で状態変換後、非干渉化行列Dによって非干渉化される。切り替え前の操作量変換部33の出力U1、U2、U3が状態変換されると、各ゾーンの出力は以下のようになる。
ゾーン1:U1
ゾーン2:U2+U1・・・・(5)
ゾーン3:U3+U1
Next, bumpless switching will be described.
As shown in FIG. 4 (A), the output of the 3-input 3-output manipulated variable conversion unit 33 is set to zone 1 for the master loop, zone 2 to zone 3 for the slave loop, and each controller in the steady state before switching. Assuming that the outputs are U1, U2, and U3, the output of the manipulated variable conversion unit 33 is made non-interfering by the non-interacting matrix D after state conversion inside the conversion matrix H. When the state of the outputs U1, U2, U3 of the operation amount conversion unit 33 before switching is changed, the output of each zone is as follows.
Zone 1: U1
Zone 2: U2 + U1 (5)
Zone 3: U3 + U1

マスターループをゾーン1からゾーン3に切り替えたとき、図4(B)のように、切り替わった後も操作量変換部33が定常状態を保つことのできる出力をそれぞれV1、V2、V3とすると、状態変換後の各ゾーンの出力は以下のようになる。
ゾーン1:V1+V3
ゾーン2:V2+V3・・・・(6)
ゾーン3:V3
When the master loop is switched from zone 1 to zone 3, as shown in FIG. 4B, if the manipulated variable conversion unit 33 can maintain the steady state even after switching, the outputs are V1, V2, and V3, respectively. The output of each zone after state conversion is as follows.
Zone 1: V1 + V3
Zone 2: V2 + V3 (6)
Zone 3: V3

切り替え前後で(5)=(6)であれば、出力が変わらないから、ゾーン3は、
V3=U3+U1
となる。
ゾーン1は、V1+V3=U1より、
V1=U1―V3=U1―(U3+U1)=−U3・・・(7)
となる。
また、ゾーン2は、V2+V3=U2+U1より、
V2=U2+U1−V3=U2+U1−(U3+U1)=U2−U3・・・(8)
と表すことができる。他の切り替えについても同様の考え方でバンプレス切り替えが実現できる。
If (5) = (6) before and after switching, the output will not change, so zone 3
V3 = U3 + U1
It becomes.
Zone 1 is from V1 + V3 = U1,
V1 = U1-V3 = U1-(U3 + U1) =-U3 (7)
It becomes.
Zone 2 has V2 + V3 = U2 + U1,
V2 = U2 + U1-V3 = U2 + U1- (U3 + U1) = U2-U3 (8)
It can be expressed as. The bumpless switching can be realized with the same concept for other switching.

図1におけるゾーン2Aをゾーン1、ゾーン2Bをゾーン2、ゾーン2Cをゾーン3として、3ゾーンの温度制御系での切り替え処理を、PIDアルゴリズムで実行する場合を示す。但し簡単のため微分項は省略する(PI制御)。   FIG. 1 shows a case where zone 2A is zone 1, zone 2B is zone 2, and zone 2C is zone 3, and the switching process in the three-zone temperature control system is executed by the PID algorithm. However, for simplicity, the differential term is omitted (PI control).

<記号の説明>
以下のPIDアルゴリズムにおける各記号は、以下を意味する。
MV1k_1、Kp_1、errk_1:ゾーン1の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV1k_2、Kp_2、errk_2:ゾーン2の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV1k_3、Kp_3、errk_3:ゾーン3の比例項の値、比例ゲイン、偏差
MV2k_1、MV3k_1、Ki_1:ゾーン1の今回の積分項の値、前回の積分項の値、積分時間
MV2k_2、MV3k_2、Ki_2:ゾーン2の今回の積分項の値、前回の積分項の値、積分時間
MV2k_3、MV3k_3、Ki_3:ゾーン3の今回の積分項の値 前回の積分項の値 積分時間
istop1、istop2、istop3:各ゾーンのアンチワインドアップ指令
buf:バッファ(一時退避)
MVfinal_1:ゾーン1操作量
MVfinal_2:ゾーン2操作量
MVfinal_3:ゾーン3操作量
<Explanation of symbols>
Each symbol in the following PID algorithm means the following.
MV1k_1, Kp_1, errk_1: Zone 1 proportional term value, proportional gain, deviation
MV1k_2, Kp_2, errk_2: Zone 2 proportional term value, proportional gain, deviation
MV1k_3, Kp_3, errk_3: Zone 3 proportional term value, proportional gain, deviation
MV2k_1, MV3k_1, Ki_1: Current integration term value, previous integration term value, integration time in zone 1
MV2k_2, MV3k_2, Ki_2: The current integral term value, the previous integral term value, and integration time in zone 2
MV2k_3, MV3k_3, Ki_3: Current integration term value in zone 3 Previous integration term value Integration time
istop1, istop2, istop3: Anti-windup command for each zone
buf: Buffer (temporary save)
MVfinal_1: Zone 1 manipulated variable
MVfinal_2: Zone 2 manipulated variable
MVfinal_3: Zone 3 manipulated variable

<アルゴリズム>
% P項の計算
MV1k_1 = Kp_1*errk_1;
MV1k_2 = Kp_2*errk_2;
MV1k_3 = Kp_3*errk_3;
% I項の計算
MV2k_1 = MV3k_1+Kp_1*Ki_1*errk_1;
MV2k_2 = MV3k_2+Kp_2*Ki_2*errk_2;
MV2k_3 = MV3k_3+Kp_3*Ki_3*errk_3;
% アンチワインドアップ
if(istop_1==1 )
MV2k_1 = MV3k_1;
end
if(istop_2==1 )
MV2k_2 = MV3k_2;
end
<Algorithm>
% P term calculation
MV1k_1 = Kp_1 * errk_1;
MV1k_2 = Kp_2 * errk_2;
MV1k_3 = Kp_3 * errk_3;
% I term calculation
MV2k_1 = MV3k_1 + Kp_1 * Ki_1 * errk_1;
MV2k_2 = MV3k_2 + Kp_2 * Ki_2 * errk_2;
MV2k_3 = MV3k_3 + Kp_3 * Ki_3 * errk_3;
% Anti-windup
if (istop_1 == 1)
MV2k_1 = MV3k_1;
end
if (istop_2 == 1)
MV2k_2 = MV3k_2;
end

% マスタースレーブ切換・解除処理 操作量出力
if(ゾーン3のマスタースレーブを解除する場合)
MV2k_1 = MV3k_1+MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2+MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
if(ゾーン1のマスタースレーブを解除する場合)
MV2k_1 = MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2+MV3k_1;
MV2k_3 = MV3k_3+MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
% Master-slave switching / cancellation processing Manipulation output
if (when releasing the master / slave of zone 3)
MV2k_1 = MV3k_1 + MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2 + MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
if (when canceling master slave of zone 1)
MV2k_1 = MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2 + MV3k_1;
MV2k_3 = MV3k_3 + MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;

else if(解除状態からゾーン3をマスターとする場合)
MV2k_1 = MV3k_1-MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if(解除状態からゾーン1をマスターとする場合)
MV2k_3 = MV3k_3-MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if (when zone 3 is the master from the release state)
MV2k_1 = MV3k_1-MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if (when zone 1 is the master from the release state)
MV2k_3 = MV3k_3-MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;

else if(ゾーン3からゾーン1をマスターとする場合)
buf = MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1+MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_3 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if(ゾーン1からゾーン3をマスターとする場合)
buf = MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3+MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_1 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else(切換の無い場合)
MVfinal_1 = MV1k_1+MV2k_1;
MVfinal_2 = MV1k_2+MV2k_2;
MVfinal_3 = MV1k_3+MV2k_3;
end
else if (from zone 3 to zone 1 as master)
buf = MV3k_1;
MV2k_1 = MV3k_1 + MV3k_3;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_3 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else if (when zone 1 to zone 3 is the master)
buf = MV3k_3;
MV2k_3 = MV3k_3 + MV3k_1;
MV2k_2 = MV3k_2-buf;
MV2k_1 = -buf;
MVfinal_1 = MV2k_1;
MVfinal_2 = MV2k_2;
MVfinal_3 = MV2k_3;
else (when there is no switching)
MVfinal_1 = MV1k_1 + MV2k_1;
MVfinal_2 = MV1k_2 + MV2k_2;
MVfinal_3 = MV1k_3 + MV2k_3;
end

[3]実施形態の作用
次に、本実施形態の作用を図5に示されるフローチャートに基づいて説明する。尚、以下の説明では、ゾーン3をマスターループMLとして説明する。
まず、スーパーバイザー37は、ゾーン2Bの目標温度設定部35及びゾーン2Aの目標値設定部36における目標温度を確認し(手順S1)、目標温度の変更があったか否かを判定する(手順S2)。
目標温度に変更がない場合、スーパーバイザー37は、前回の状態を保持する(手順S11)。
目標温度に変更があった場合、スーパーバイザー37は、変更後の目標温度を確認する(手順S3)。
[3] Operation of Embodiment Next, the operation of the present embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG. In the following description, the zone 3 will be described as the master loop ML.
First, the supervisor 37 checks the target temperature in the target temperature setting unit 35 of the zone 2B and the target value setting unit 36 of the zone 2A (procedure S1), and determines whether or not the target temperature has been changed (procedure S2). .
If there is no change in the target temperature, the supervisor 37 maintains the previous state (step S11).
When the target temperature is changed, the supervisor 37 confirms the changed target temperature (step S3).

次にスーパーバイザー37は、目標温度の変更パターンを確認する(手順S4)。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、均一から均一である場合、スーパーバイザー37は、設定を変更することなくゾーン3のマスターループ設定を維持する(手順S5)。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、均一から勾配の状態に、又は勾配から均一の状態に変更されている場合、スーパーバイザー37は、加熱制御であるのか、冷却制御であるのかを判定する(手順S6)。
加熱制御である場合、スーパーバイザー37は、最も低い目標温度に設定されたゾーンをマスターループMLに設定する(手順S7)。一方、冷却制御である場合、スーパーバイザー37は、最も高い目標温度に設定されたゾーンをマスターループMLに設定する(手順S8)。
各ゾーンの目標温度の変更パターンが、勾配の状態から勾配の状態に変更されている場合、スーパーバイザー37は、勾配が反転されているか否かを判定する(手順S9)。
勾配の状態が反転されている場合、スーパーバイザー37は、マスタースレーブの設定を解除する(手順S10)。
一方、勾配の状態が非反転である場合、前回の状態を保持する(手順S11)。
Next, the supervisor 37 confirms the change pattern of the target temperature (step S4).
When the change pattern of the target temperature in each zone is uniform to uniform, the supervisor 37 maintains the master loop setting of the zone 3 without changing the setting (step S5).
When the change pattern of the target temperature of each zone is changed from the uniform state to the gradient state or from the gradient to the uniform state, the supervisor 37 determines whether the control is heating control or cooling control ( Procedure S6).
In the case of heating control, the supervisor 37 sets the zone set at the lowest target temperature in the master loop ML (step S7). On the other hand, in the case of the cooling control, the supervisor 37 sets the zone set to the highest target temperature as the master loop ML (step S8).
When the change pattern of the target temperature in each zone is changed from the gradient state to the gradient state, the supervisor 37 determines whether or not the gradient is inverted (step S9).
When the gradient state is reversed, the supervisor 37 cancels the master / slave setting (step S10).
On the other hand, if the gradient state is non-inverted, the previous state is held (step S11).

以上の判定及びマスタースレーブの設定処理が終了したら、スーパーバイザー37は、設定に応じた指令を制御演算部32に出力する(手順S12)。
続けて、スーパーバイザー37は、変換行列切り替え指令を操作量変換部33に出力する(手順S13)。
最後にスーパーバイザー37は、それぞれのゾーンにおける内部目標温度を計算し、偏差計算部31、制御演算部32M、32Sに出力する(手順S14)。
各ゾーンの偏差計算部31は、スーパーバイザー37から出力された内部目標温度に基づいて、偏差を計算し(手順S15)、制御演算部32はPID制御におけるP項、I項、D項を計算する(手順S16)。
各ゾーンの制御演算部32は、スーパーバイザー37から出力された指令に基づいて、マスタースレーブの切り替え、解除処理を実行する(手順S17)。
各ゾーンの制御演算部32は、操作量を計算して操作量変換部33に出力する(手順S18)。
操作量変換部33は、スーパーバイザー37から出力された変換行列切り替え指令に基づいて、変換行列の切り替えを行う(手順S19)。
When the above determination and master / slave setting process are completed, the supervisor 37 outputs a command corresponding to the setting to the control calculation unit 32 (step S12).
Subsequently, the supervisor 37 outputs a conversion matrix switching command to the operation amount conversion unit 33 (step S13).
Finally, the supervisor 37 calculates the internal target temperature in each zone, and outputs it to the deviation calculator 31 and the control calculators 32M and 32S (step S14).
The deviation calculation unit 31 of each zone calculates the deviation based on the internal target temperature output from the supervisor 37 (step S15), and the control calculation unit 32 calculates the P term, I term, and D term in PID control. (Procedure S16).
The control calculation unit 32 of each zone executes master-slave switching / cancellation processing based on the command output from the supervisor 37 (step S17).
The control calculation unit 32 of each zone calculates the operation amount and outputs it to the operation amount conversion unit 33 (step S18).
The manipulated variable conversion unit 33 switches the conversion matrix based on the conversion matrix switching command output from the supervisor 37 (step S19).

[4]シミュレーションによる効果の確認
[4-1]シミュレーションにおける制御システムの構成
3入力3出力系のマスタースレーブ制御を、図6に示した制御システムをモデル化したシミュレーション結果を例に説明する。この制御システムは、図7に示されるように、400×150×t4のアルミプレートの温度を制御するシステムであり、アクチュエータとして加熱・冷却可能なサーモモジュールを、3個を使用している。アルミプレートの温度はモジュールの近くに配した3つのK熱電対によって測定する。サーモモジュール及び熱電対はプレート長手方向に対してわざと非対称になるように配置しており図7にその寸法詳細を示す。左からゾーン1、2、3とする。各ゾーンの動特性を表1に示す。ただし、本説明では説明を簡単にするため冷却側のゲインは加熱側ゲインの1/3、時定数、無駄時間は加熱側と同じとする。
[4] Confirmation of effect by simulation
[4-1] Configuration of Control System in Simulation The master-slave control of the three-input three-output system will be described using a simulation result obtained by modeling the control system shown in FIG. 6 as an example. As shown in FIG. 7, this control system is a system for controlling the temperature of a 400 × 150 × t4 aluminum plate, and uses three thermo-modules that can be heated and cooled as actuators. The temperature of the aluminum plate is measured by three K thermocouples placed near the module. The thermo module and the thermocouple are intentionally arranged so as to be asymmetric with respect to the longitudinal direction of the plate, and the dimensional details are shown in FIG. Zone 1, 2, and 3 from the left. Table 1 shows the dynamic characteristics of each zone. However, in this description, in order to simplify the description, the gain on the cooling side is 1/3 of the gain on the heating side, the time constant, and the dead time are the same as those on the heating side.

Figure 0006307347
Figure 0006307347

[4-2]従来型のマスタースレーブ制御における問題点
従来のマスタースレーブ制御を実現できるコントローラは、図8に示されるように、最も応答の遅い制御ループをマスターループMLとして設定し、他の制御ループをスレーブループSLとして設定し、スレーブループSLをマスターループに追従するように制御している。
これは、すべての目標温度を均一に設定した場合、応答速度の遅い制御ループが他の制御ループに追従できないからである。
[4-2] Problems in conventional master-slave control As shown in Fig. 8, the controller that can realize conventional master-slave control sets the control loop with the slowest response as the master loop ML, and performs other control. The loop is set as a slave loop SL, and the slave loop SL is controlled to follow the master loop.
This is because when all target temperatures are set uniformly, a control loop with a slow response speed cannot follow other control loops.

このような制御を用いるプレート型の加熱冷却においては、用途によっては温度を均一にするだけでなく、各ゾーンの目標温度を変えてプレートに温度勾配を持たせることがある。
この場合スレーブ側の目標値に適切なオフセット温度を加減してやればよいが、従来型のようにマスターループMLを固定して使用すると次のような問題が生じる。
In plate-type heating and cooling using such control, not only the temperature is made uniform depending on the application, but also the target temperature of each zone is changed to give the plate a temperature gradient.
In this case, an appropriate offset temperature may be added to or subtracted from the target value on the slave side. However, when the master loop ML is fixed and used as in the conventional type, the following problem occurs.

<第1の問題点>
図9(A)には、各ゾーンの目標温度を0℃から、
(SV1,SV2,SV3)=(10℃,20℃,30℃)
と設定した場合のシミュレーションによる目標値応答の結果が示されている。
また、図9(B)には、各ゾーンの目標温度を30℃から、
(SV1,SV2,SV3)=(30℃,20℃,10℃)
と設定した場合のシミュレーションによる目標値応答の結果が示されている。
いずれの場合も加熱(冷却)開始時にゾーン1が逆応答を示しており、その結果立ち上がり時間に無駄を生じている。これは加熱時(冷却時)に目標温度が一番高い(低い)ゾーンをマスターループMLにしているためである。例えば、加熱開始によってマスターループMLが加熱方向に動き始めたときスレーブループSLは、マスターループMLに対して、オフセットを持たせようとするのでマスターループMLに対して、一時的に冷却方向に作用する。通常、マスターループMLは、スレーブループSLより応答が遅いためよりその現象がさらに顕著となる。
<First problem>
In FIG. 9A, the target temperature of each zone is changed from 0 ° C.
(SV1, SV2, SV3) = (10 ° C., 20 ° C., 30 ° C.)
The result of the target value response by simulation is shown.
Further, in FIG. 9B, the target temperature of each zone is changed from 30 ° C.
(SV1, SV2, SV3) = (30 ° C., 20 ° C., 10 ° C.)
The result of the target value response by simulation is shown.
In either case, zone 1 shows a reverse response at the start of heating (cooling), resulting in wasted rise time. This is because the zone with the highest (low) target temperature is set as the master loop ML during heating (during cooling). For example, when the master loop ML starts to move in the heating direction due to the start of heating, the slave loop SL tries to have an offset with respect to the master loop ML, so that the master loop ML temporarily acts in the cooling direction. To do. Normally, the master loop ML has a slower response than the slave loop SL, and the phenomenon becomes more remarkable.

<第2の問題点>
図10には、各ゾーンの目標温度が、
(SV1,SV2,SV3)=(30℃,20℃,10℃)
で定常となっている状態で、時刻1000秒に目標温度を、
(SV1,SV2,SV3)=(10℃,20℃,30℃)
切り替え、さらに、時刻2000秒に目標温度を、
(SV1,SV2,SV3)=(30℃,20℃,10℃)
に切り替えた時の応答が示されている。
マスターループMLはゾーン3である。ゾーン2は、目標温度が常に20℃であるにもかかわらず、目標温度を切り替えるたびに大きな変動が生じている。
<Second problem>
In FIG. 10, the target temperature of each zone is
(SV1, SV2, SV3) = (30 ° C., 20 ° C., 10 ° C.)
The target temperature is set to 1000 seconds at time
(SV1, SV2, SV3) = (10 ° C., 20 ° C., 30 ° C.)
Switch to the target temperature at 2000 seconds,
(SV1, SV2, SV3) = (30 ° C., 20 ° C., 10 ° C.)
The response when switching to is shown.
Master loop ML is zone 3. In zone 2, although the target temperature is always 20 ° C., a large fluctuation occurs every time the target temperature is switched.

これは、マスタースレーブの温度設定法に問題がある。上述したようにマスタースレーブの目標温度設定はマスターループにはそれ自身の目標温度を設定するが、スレーブ側はマスターループに対するオフセットを設定している。
例えば、マスターループMLがゾーン3で、各ゾーンの目標温度が、
(SV1,SV2,SV3)=(30℃,20℃,10℃)
の場合、ゾーン3の内部目標温度はマスターのため10℃だが、スレーブとなるゾーン2の内部目標温度はゾーン3の内部目標温度に対してオフセット量が+10℃となるため、+10℃、同様にゾーン1の内部目標温度はゾーン3の内部目標温度に対してオフセット量が+20℃となるため+20℃となる。
This has a problem in the temperature setting method of the master slave. As described above, the master / slave target temperature setting sets its own target temperature for the master loop, but the slave side sets an offset for the master loop.
For example, the master loop ML is zone 3, and the target temperature of each zone is
(SV1, SV2, SV3) = (30 ° C., 20 ° C., 10 ° C.)
In this case, the internal target temperature of zone 3 is 10 ° C. for the master, but the internal target temperature of zone 2 that is the slave is + 10 ° C. because the offset amount is + 10 ° C. relative to the internal target temperature of zone 3 The internal target temperature of zone 1 is + 20 ° C. because the offset amount is + 20 ° C. relative to the internal target temperature of zone 3.

ここで、目標温度を、
(SV1,SV2,SV3)=(10℃,20℃,30℃)
に切り替えた場合、ゾーン3の内部目標温度は30℃となるため、上記と同様に考えればゾーン2の内部目標温度は、−10℃、ゾーン1の内部目標温度は、−20℃となる。
このため目標温度切り替え前後でゾーン2の目標温度は20℃のままであるにも拘わらず、内部目標温度は+10℃から−10℃に切り替わっている。すなわち、目標温度が切り替わった瞬間、偏差が+10−(−10)=20℃発生し、操作量として制御対象に影響を与えるのである。
以上説明したとおり、従来型のマスタースレーブ制御ではマスターループ、スレーブループが固定されていることによって、上記のような問題が生じ、実プロセスにおいてはスループットの悪化につながる。
Where the target temperature is
(SV1, SV2, SV3) = (10 ° C., 20 ° C., 30 ° C.)
Since the internal target temperature of the zone 3 is 30 ° C. when switching to, the internal target temperature of the zone 2 is −10 ° C., and the internal target temperature of the zone 1 is −20 ° C.
For this reason, the internal target temperature is switched from + 10 ° C. to −10 ° C. even though the target temperature of the zone 2 remains 20 ° C. before and after the target temperature switching. That is, at the moment when the target temperature is switched, a deviation of +10 − (− 10) = 20 ° C. occurs, and the control target is affected as an operation amount.
As described above, in the conventional master-slave control, since the master loop and the slave loop are fixed, the above-mentioned problems occur, and the actual process leads to deterioration of the throughput.

問題点1を解決するために、加熱制御の場合は、目標温度の一番低いゾーンをマスターループMLとしてやり、冷却制御の場合は、目標温度の一番高いゾーンをマスターループMLとしてやる。
例えば、前記の図9(A)、(B)で説明した例では、図9(A)の加熱制御では、目標温度の一番低い、図9(B)の冷却制御では、目標温度の一番高いゾーン1をマスターループMLに設定する。
これにより、加熱制御の場合はゾーン1が下からゾーン2,3を押し上げるように加熱することになり、また冷却制御の場合も上から押し下げるように冷却することとなる。
すなわち、すべてのゾーンが同じ方向に応答しようとするので、より安定した応答が得られる。
図11(A)、(B)には、図9(A)、(B)と同じ条件でゾーン1をマスターループMLにした結果が示されている。ゾーン3がマスターループMLの場合に比較して、安定した応答となっているのがわかる。
In order to solve the problem 1, in the case of heating control, the zone with the lowest target temperature is used as the master loop ML, and in the case of cooling control, the zone with the highest target temperature is used as the master loop ML.
For example, in the example described in FIGS. 9A and 9B, the target temperature is the lowest in the heating control in FIG. 9A, and the target temperature is lower in the cooling control in FIG. 9B. The highest zone 1 is set as the master loop ML.
Thereby, in the case of heating control, the zone 1 is heated so as to push up the zones 2 and 3 from the bottom, and in the case of cooling control, cooling is performed so as to push down from above.
That is, since all zones try to respond in the same direction, a more stable response can be obtained.
FIGS. 11A and 11B show the results of making zone 1 the master loop ML under the same conditions as in FIGS. 9A and 9B. It can be seen that the response is more stable than when the zone 3 is the master loop ML.

問題点2を解決するために、勾配を持った設定温度から、温度勾配が逆転するような設定温度の場合はマスタースレーブの関係を解除する。
解除することによって目標温度と内部目標温度が一致し、勾配反転時に発生する偏差の急激な変化が緩和され、応答への影響が軽減される。
図9には、図10の場合と同じ条件でマスタースレーブを解除した場合の結果が示されている。ゾーン2のオーバーシュート、アンダーシュートが大幅に緩和されているのがわかる。
以上のように、前述の方法により、目標値応答中の逆応答や応答の乱れが緩和されるので、実プロセスにおいてスループットが向上するということが、シミュレーションによって確認された。
In order to solve the problem 2, the master-slave relationship is canceled when the set temperature is such that the temperature gradient is reversed from the set temperature having a gradient.
By canceling, the target temperature and the internal target temperature coincide with each other, a sudden change in deviation that occurs at the time of gradient reversal is mitigated, and the influence on the response is reduced.
FIG. 9 shows the result when the master slave is released under the same conditions as in FIG. It can be seen that the overshoot and undershoot in Zone 2 have been greatly relaxed.
As described above, it has been confirmed by simulation that the reverse response during response to the target value and the disturbance of the response are alleviated by the above-described method, so that the throughput is improved in the actual process.

1…温度調整装置、2…ステージ、24…コントローラ、2A、2B、2C…ゾーン、3、3M、3S…温度調整手段、4…真空チャンバー、5…プレート、6、6M、6S…温度センサ、7…ベースプレート、30…操作量演算手段、31M…マスター偏差算出部、31S…スレーブ偏差算出部、32M…マスター制御演算部、32S…スレーブ制御演算部、33…操作量変換部、34M…マスター操作量制限部、34S…スレーブ操作量制限部、35…ゾーン2Bの目標値設定部、35A…オフセット設定部、36…ゾーン2Aの目標値設定部、37…スーパーバイザー、ML…マスターループ、SL…スレーブループ、W…シリコンウェーハ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Temperature control apparatus, 2 ... Stage, 24 ... Controller, 2A, 2B, 2C ... Zone, 3, 3M, 3S ... Temperature adjustment means, 4 ... Vacuum chamber, 5 ... Plate, 6, 6M, 6S ... Temperature sensor, 7 ... Base plate, 30 ... Operation amount calculation means, 31M ... Master deviation calculation unit, 31S ... Slave deviation calculation unit, 32M ... Master control calculation unit, 32S ... Slave control calculation unit, 33 ... Operation amount conversion unit, 34M ... Master operation Amount limiter, 34S ... Slave operation amount limiter, 35 ... Target value setting unit for zone 2B, 35A ... Offset setting unit, 36 ... Target value setting unit for zone 2A, 37 ... Supervisor, ML ... Master loop, SL ... Slave loop, W ... silicon wafer

Claims (3)

半導体ウェーハが載置されるステージ上に設けられ、前記半導体ウェーハの温度調整する複数の温度調整手段の温度制御を行う半導体ウェーハの温度制御装置であって、
前記ステージの中央に設けられ、基準となる温度調整手段の温度制御を行うマスターループと、
前記マスターループの外側に少なくとも1つの同心円状に配置され、前記マスターループに追従するように他の温度調整手段の温度制御を行うスレーブループと、
前記マスターループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの中央部の温度を検出するマスター温度検出手段と、
前記スレーブループの温度調整手段で温度調整された半導体ウェーハの外周部の温度を検出するスレーブ温度検出手段と、
前記マスター温度検出手段で検出された温度、及び、前記スレーブ温度検出手段で検出された温度に基づいて、前記マスターループの温度調整手段を制御する操作量、及び、前記スレーブループの温度調整手段制御する操作量を演算する操作量演算手段とを備え、
前記操作量演算手段は、
現在の目標温度と変更後の目標温度に基づいて、前記マスターループ及び前記スレーブループの切り替えを行うマスタースレーブ切り替え手段と、
前記マスターループの目標温度に対して、温度勾配を持たせて前記スレーブループの目標温度が設定された際、前記マスターループ及び前記スレーブループの設定を解除するマスタースレーブ解除手段とを備えていることを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
A temperature control device for a semiconductor wafer, which is provided on a stage on which a semiconductor wafer is mounted, and performs temperature control of a plurality of temperature adjusting means for adjusting the temperature of the semiconductor wafer,
A master loop that is provided in the center of the stage and controls the temperature of the temperature adjusting means serving as a reference;
A slave loop that is arranged at least one concentric circle outside the master loop and controls the temperature of other temperature adjusting means so as to follow the master loop;
Master temperature detection means for detecting the temperature of the central portion of the semiconductor wafer temperature adjusted by the temperature adjustment means of the master loop,
Slave temperature detecting means for detecting the temperature of the outer periphery of the semiconductor wafer whose temperature is adjusted by the temperature adjusting means of the slave loop;
Based on the temperature detected by the master temperature detecting means and the temperature detected by the slave temperature detecting means, an operation amount for controlling the temperature adjusting means of the master loop, and a temperature adjusting means of the slave loop and an operation amount calculating means for calculating a manipulated variable control to,
The operation amount calculation means includes
Master-slave switching means for switching between the master loop and the slave loop based on the current target temperature and the changed target temperature ;
A master-slave releasing unit for releasing the setting of the master loop and the slave loop when the target temperature of the slave loop is set with a temperature gradient with respect to the target temperature of the master loop; A semiconductor wafer temperature control device.
請求項1に記載の半導体ウェーハの温度制御装置において、
前記マスタースレーブ切り替え手段は、
加熱制御においては、目標温度の最も低いループをマスターループに切り替え、冷却制御においては、目標温度の最も高いループをマスターループに切り替えることを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
In the temperature control apparatus of the semiconductor wafer of Claim 1,
The master slave switching means is
A semiconductor wafer temperature control apparatus characterized in that a loop having the lowest target temperature is switched to a master loop in heating control, and a loop having the highest target temperature is switched to a master loop in cooling control.
請求項1又は請求項2に記載の半導体ウェーハの温度制御装置において、
前記スレーブループを2以上有し、前記マスターループ及び2つの前記スレーブループ間には3段階以上の温度勾配が設定され、
前記マスタースレーブ解除手段は、設定された3段階以上の温度勾配が温度制御中に反転した際、マスターループの設定を解除することを特徴とする半導体ウェーハの温度制御装置。
In the temperature control apparatus of the semiconductor wafer of Claim 1 or Claim 2,
There are two or more slave loops, and three or more temperature gradients are set between the master loop and the two slave loops,
The master-slave canceling unit cancels the master loop setting when the set three or more temperature gradients are reversed during the temperature control.
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