(57)【要約】適応制御方法を用いた高速熱処理システムの温度制御装置及びその制御方法について開示している。本発明の装置は、全体として制御器、非線型動力学推定器、パラメーター適応器からなる。パラメーター適応器で所望する出力と実際の出力との追従誤差を反映してパラメーターを変え、これを用いて非線形動力学推定器でシステムの動力学特性をリアルタイムで識別する。そして、制御器で推定値に基づいて制御入力を求め制御を行なう。本発明によると、高速熱処理システムの温度制御に際して、システムのモデルを正確に知ることができないか時系列にその特性が変わる時に、システムの動力学特性をリアルタイムに識別して適応制御することにより、精度良く参照軌道に追従することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速熱処理システムにおけるウエハーの温度が製造工程において定められた温度曲線に追従し、且つ、ウエハーにおける部位によらず一様な温度分布を有し最小の温度差を有するようにすべくランプのパワーを調節する温度制御装置であって、
近似フィードバック線形化方法を用いて適切なランプのパワーを算出する制御器と、
前記温度制御装置の知られていない動力学部分をリアルタイムで推定する非線形動力学推定器と、
前記非線形動力学推定器のパラメーターを適応させるためのパラメーター適応器とを含むことを特徴とする高速熱処理システムの温度制御装置。
【請求項２】
前記非線型動力学推定器は、汎用関数近器を用いることを特徴とする請求項１に記載の高速熱処理システムの温度制御装置。
【請求項３】
局部関数と測定温度と局部区間の中間点から構成された関数と出力誤差とを乗じた値の一定割合を関数推定器のパラメーターの変化率とする適応器を有することを特徴とする請求項１に記載の高速熱処理システムの温度制御装置。
【請求項４】
入力に乗じる関数を推定するパラメーターの適応値が予め定めれた関数値の範囲外または範囲の境界値から変化率が範囲の外に向かう場合に適応を中止する適応器を有することを特徴とする請求項３に記載の高速熱処理システムの温度制御装置。
【請求項５】
請求項２に記載の高速熱処理システムの温度制御装置を用いた温度制御方法であって、
前記パラメーター適応器で所望する出力と実際の出力との追従誤差を反映してパラメーターを変えるステップと、
前記パラメーターを用いて非線形動力学推定器で温度制御装置の動力学特性をリアルタイムで識別するステップと、
前記推定値に基づいて前記制御器で制御入力を求め、高速熱処理システムの温度制御を行うステップとを含むことを特徴とする高速熱処理システムの温度制御方法。
【請求項６】
前記汎用関数近似器で参照温度に基づいて区間を分割し各局部区間の中間点を中心にして測定温度を変数とするガウシアン関数を正規化して局部領域を表す局部関数を生成するステップと、
前記局部領域において線形関数で近似するステップと、
前記線形関数と局部関数とを乗じて合算した関数を推定関数と表すステップとを含むことを特徴とする請求項５に記載の高速熱処理システムの温度制御方法。
【請求項７】
前記汎用関数近似器で参照温度に基づいて区間を分割し各局部区間の中間点を中心にして測定温度を変数とするガウスの関数を正規化して局部領域を表す局部関数を生成するステップと、
前記局部領域において常数パラメーターで近似するステップと、
前記常数パラメーターと局部関数とを乗じて合算した関数を推定関数と表すステップとを含むことを特徴とする請求項６に記載の高速熱処理システムの温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適応制御方法を用いた高速熱処理システムの温度制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速熱処理システム（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）は、単一タイプのウエハーの加工装置であって、半導体工程において必要な各種の工程をウエハー毎に高速で処理可能な装置である。従って、高速熱処理システムでは、ウエハーの温度を短時間内に精度良く制御する必要がある。高速熱処理システムの温度制御の目的は、ウエハーの温度が製造工程における定められた温度曲線に正確に追従し、且つ、ウエハーにおける部位によらず一様な温度分布を有し、最小の温度差となるようにするためである。
【０００３】
従来、前記高速熱処理システムの制御方法としては、単一ランプ群と単一センサーを取り付け、ＰＩＤ制御を行なうのが精一杯であった。その後、多変数制御技法の発達に伴い、ランプ群を分離し始め、ウエハーの温度感知も複数の部分で行い始めたが、この代表的な研究がスタンフォード大学を中心にして行われ発展してきていた。Ｎｏｒｍａｎは、参考文献１で３重リングからなるランプ構造を提案しており、この数学的モデルに線形計画法を適用してシステムの誤差限界を分析した（参考文献１：Ｓ.Ａ. Ｎｏｒｍａｎ，“Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｆｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，”Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ、Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｕｎｅ，１９９１）。しかしながら、この方法は、的確な数学的モデルに基づいているため、実際のシステムへの適用時、モデルと実際のシステム間の差による性能の低下が生じ得る。
【０００４】
一方、Ｓｃｈａｐｅｒ等は、参考文献２でオンライン上で制御入力を予測するフィードフォワード制御器、モデリング誤差及び外乱を補償するためのフィードバック制御器、非線形性を克服するためのゲインスケジューリング（ｇａｉｎ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）方法等を組合わせた制御器を提案している（参考文献２：Ｃ．Ｓｃｈａｐｅｒ，Ｙ．Ｃｈｏ，Ｐ．Ｐａｒｋ，Ｓ．Ｎｏｒｍａｎ，Ｐ．Ｇｙｕｇｙｉ，Ｇ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ，Ｓ．Ｂａｌｅｍｉ，Ｓ．Ｂｏｙｄ，Ｇ．Ｆｒａｎｋｌｉｎ，Ｔ．Ｋａｉｌａｔｈ，ａｎｄ Ｋ．Ｓａｒａｓｗａｔ，“Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”Ｉｎ ＳＰＩＥ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｓｅｐ., １９９１）。かかる制御器の性能は、制御器のパラメーターにより左右されるが、このパラメーターを決める体系的な方法がなく、システムの特性が変わる時に効率良く対応し難い。
【０００５】
その他にも多くの研究が行われてきたが、その大半がシステムのモデルに依存しており、実際の適用時、モデリング誤差及び時変特性による性能の低下が発生し得るという不具合がある。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、前記高速熱処理システムにおける温度制御に際し、システムのモデルが正確には判らないか、または時系列にその特性が変わる時、システムの動力学特性をリアルタイムに識別して適応制御することにより、精度良く参照軌道に追従することが可能な温度制御装置及びその方法を提供することである。
【０００７】
本発明に係る高速熱処理システムの温度制御装置は、高速熱処理システムにおけるウエハーの温度が製造工程において定められた温度曲線に追従し、且つ、ウエハーにおける部位によらず一様な温度分布を有し、最小の温度差を有するようにすべくランプのパワーを調節するものであって、近似フィードバック線形化方法を用いて適宜のランプのパワーを算出する制御器と、前記システムの知られていない動力学部分をリアルタイムで推定する非線形動力学推定器と前記非線形動力学推定器のパラメーターを適応させるためのパラメーター適応器とを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の温度制御方法は、前記装置を用いて行われ、パラメーター適応器で所望する出力と実際の出力との追従誤差を反映してパラメーターを変えるステップと、前記パラメーターを用いて非線形動力学推定器でシステムの動力学特性をリアルタイム識別するステップと前記推定値に基づいて前記制御器で制御入力を求め、高速熱処理システムの温度制御を行うステップとを含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る高速熱処理システム用の温度制御装置のブロック線図である。
【図２】一般の高速熱処理システムを示す概略の断面図である。
【図３】ａは、本発明の実施例の３重リング形態の高速熱処理システムを示す全体の構造図である。ｂは、図３ａの高速熱処理システムに含まれるランプリング（ｌａｍｐ  ｒｉｎｇ）の底面から見た図及びシステムの概略の断面を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例を検証するための温度の参照軌道を示すグラフである。
【図５】第１の実施例における３ヶ所の出力誤差の平均をオンタイムに示すグラフである。
【図６】第１の実施例におけるそれぞれの入力を示すグラフである。
【図７】第１の実施例における温度の均一度の誤差を示すグラフである。
【図８】システムの変動が存在する場合における、提案した制御器の適応能を検証するためにシステムのモデルパラメーターに１０％の変位を与え、本発明の第１の実施例の温度制御装置を適用した結果を示す図である。
【図９】第２の実施例において、所望する参照出力の正常状態の温度が１０００℃の場合における、参照出力と実際の出力とを共に示すグラフである。
【図１０】図９の場合の入力を示すグラフである。
【図１１】参照出力の正常状態の温度が９００℃の場合の実際の出力を示すグラフである。
【図１２】図１１の場合の入力を示すグラフである。
【図１３】参照出力の正常状態の温度が８００℃の場合の実際の出力を示すグラフである。
【図１４】図１３の場合の入力を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。
本発明の装置は、図１に示すように、制御器、非線形動力学推定器、パラメーター適応器とから構成されている。以下、それらの構成要素について説明する。
【００１１】
［制御器］
図２は、一般の高速熱処理システムの概略の断面を示す。このようなシステムにおいてウエハーの温度をｎ個所で測定し、ランプ、即ち、入力の個数をｍ個とすると、ウエハー上のｎ箇所での温度は、次の数式１のようにアフィン非線形システム（ａｆｆｉｎｅ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｓｙｓｔｅｍ）形態でモデリングされる。
【００１２】
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【００１３】
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【００１４】
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【００１５】
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【００１６】
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【００１７】
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【００１８】
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【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
図１１と図１２には、参照出力の正常状態の温度が９００℃である場合における、実際の出力とこの時の入力をそれぞれ示す。
一方、図１３と図１４には、参照出力の正常状態の温度が８００℃である場合における、実際の出力とこの時の入力をそれぞれ示す。
前記図面から分かるように、各種の参照出力の正常状態の温度に対し本発明の第２の実施例は一義的に良い効果を示している。また、図９、図１１及び図１３に示すように、同じ軌道を２回繰り返すが、２回目の軌道の場合は、１回目の軌道が進行する最中に生じたランプ熱等によりシステムに若干の変動が発生した状態である。本発明の装置及び方法では、このような場合でも適応制御を用いて所望する出力に精度良く追従している。即ち、実際のシステムでもシステムの変動に対し適切に対処していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
高速熱処理システムは、非線型に強いことから参照軌道の動作点に沿って制御器の係数をチューニングする必要がある。また、オフライン状態でチューニングを行なっても時変特性によりその性能を維持することができない。本発明によると、動作点及び時変特性にかかわらず、リアルタイム適応して定められた温度曲線に精度良く追従することにより、高性能の制御能力を維持することができる長所がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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