(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工処理管（１４）を加熱するための動力源により動力を提供される加熱要素を含む、熱反応器を制御するための方法において、
熱反応器（１２）内に熱電対装備ウエフアーを配置することによって熱反応器の熱動力学的特徴の少なくとも１組を決定すること、
刺激シークエンスを使用して加熱要素を制御することにより熱反応器を動揺させること、
該加工処理管内のプロファイル温度を測定すること、
該加熱要素の又は該加熱要素近くのスパイク温度を測定すること、
動揺により生成された温度の変化に基づいて温度プログラムモデルを開発することを含み、当該モデルが、スパイク温度に対する動力のモデル、及びプロファイル温度に対するスパイク温度のモデルを含む
ことを特徴とする、熱反応器を制御するための方法。
【請求項２】
熱電対装備ウェファーの読み取り値に対するプロファイル及びスパイク熱電対読み取り値のモデルを開発することを含む請求項１の方法。
【請求項３】
プロファイル及びスパイク熱電対読み取り値を使用するプロファイル及びスパイク温度の測定を含み、モデル工程の後に、制御モードが複数の使用できる制御モードから選択される請求項１の方法。
【請求項４】
有効な制御モードの１種類が、そこで熱反応器に提供されるエネルギーが測定され、所望のエネルギーに対して制御される熱収支モードである請求項３の方法。
【請求項５】
有用な制御モードの１種類が、熱反応器に提供されるエネルギーが、プロファイル熱電対からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数でありＴがプロファイル熱電対を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより、所望のエネルギーに対して制御される熱収支制御モードである請求項３の方法。
【請求項６】
有効な制御モードの１種類が、そこで、予測されたウェファー温度に基づいて、動力が加熱要素に制御可能に適用され、そしてスパイク及びプロファイル熱電対からの測定値に基づいてウェファー温度が予測される動力学的制御モードである請求項３の方法。
【請求項７】
有効な制御モードの１種類が、そこで、プロファイル熱電対測定値に反応して、動力が制御可能に加熱要素に供給される基礎制御モードである請求項３の方法。
【請求項８】
半導体を処理するために熱反応器を制御するために温度制御レシピーを受納することを含み、該温度制御レシピーが、時間に対する該熱反応器内の所望の温度制御点の少なくとも１組及び時間に対する該熱反応器のサブシステムを制御するための所望の制御モデルの少なくとも１組みを含む請求項１の方法。
【請求項９】
レシピーに従って１種類の制御モードから他のモードに切り替えること、異なる制御モードの温度を別々に制御することを含む請求項８の方法。
【請求項１０】
熱反応器の温度が、加工処理温度まで選択的に上昇され、そして制御モードが、温度上昇後のカスケード制御を含む常時のカスケード制御を提供することを含む請求項３の方法。
【請求項１１】
基礎制御モードの間、スパイク制御機がスパイク熱電対測定値に反応して作動し、そしてプロファイル制御機がプロファイル熱電対測定値に反応して作動してスパイク制御機を制御することを含む請求項７の方法。
【請求項１２】
熱収支モードにおいて、スパイク制御機がスパイク熱電対測定値に反応して作動し、プロファイル制御機がプロファイル熱電対測定値に反応して作動してスパイク制御機を制御し、Ｄｔ制御機が熱反応器に提供されるエネルギーを測定して所望のエネルギーに対して熱反応器に提供されるエネルギーを制御し、そしてプロファイル制御機を制御することを含む請求項４の方法。
【請求項１３】
熱収支モードにおいて、Ｄｔ制御機が、プロファイル熱電対からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数でありＴがプロファイル熱電対を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより、所望のエネルギーに対して熱反応器に提供されるエネルギーを制御することを含む請求項４の方法。
【請求項１４】
制御モードにおいて、スパイク制御機がスパイク熱電対測定値に反応して作動し、プロファイル制御機がプロファイル熱電対測定値に反応して作動して、スパイク制御機を制御し、そしてウェファー制御機が、ウェファーの温度を予測するためにオンラインのウェファー温度推定モデルを使用して予測されたウェファー温度に反応して作動し、ウェファー制御機がプロファイル制御機を制御することを含む請求項４の方法。
【請求項１５】
動力源により動力を提供される加熱要素を含む、熱反応器を制御するための制御装置であって、
スパイク熱電対読み取り値に対する動力のモデルを含む第１制御器と、
プロファイル熱電対読み取り値に対するスパイク熱電対読み取り値のモデルを含む第２制御器と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項１６】
プロファイル熱電対読み取り値に対するスパイク熱電対読み取り値のモデルを含む第３の制御器を含む請求項１５の制御装置。
【請求項１７】
熱反応器に提供されるエネルギーを測定し、所望のエネルギーに対する熱反応器に提供されるエネルギーを制御する熱収支制御器を含む請求項１５の制御装置。
【請求項１８】
熱反応器に提供されるエネルギーが、プロファイル熱電対からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数でありＴがプロファイル熱電対を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより、所望のエネルギーに対して制御する熱収支制御器を含む請求項１７の制御装置。
【請求項１９】
予測されたウェファー温度に基づいて、加熱要素に、動力を制御可能に適用し、そしてスパイク及びプロファイル熱電対から受け取った温度測定値に基づいて、ウェファー温度を予測するオンラインウェファーモデルを具備する動的制御器を含む請求項１５の制御装置。
【請求項２０】
プロフアイル熱電対による測定に応答して加熱要素に供給される動力を制御する基礎制御モード論理回路を含む請求項１５の制御装置。
【請求項２１】
ウエフアー温度を予測するオンラインモードを含む請求項１５の制御装置。
【請求項２２】
基礎制御モード論理回路が、スパイク熱電対による測定値に反応して、加熱要素に供給される動力を制御するスパイク制御機、プロファイル熱電対による測定値に反応してスパイク制御機を制御するプロファイル制御機を含む請求項１５の制御装置。
【請求項２３】
第１の制御機が、スパイク熱電対による測定値に反応して、加熱要素に供給される動力を制御するスパイク制御機であり、第２の制御機が、プロファイル熱電対による測定値に反応してスパイク制御機を制御するプロファイル制御機及びプロファイル制御機を制御するＤｔ制御機である請求項第１７項記載の制御装置。
【請求項２４】
第１の制御機が、スパイク熱電対による測定値に反応して、加熱要素に供給される動力を制御するスパイク制御機であり、第２の制御機が、プロファイル制御機を制御するＤｔ制御機を備えた、プロファイル熱電対による測定値に反応してスパイク制御機を制御するプロファイル制御機及びプロファイル制御機を制御するＤｔ制御機である請求項第１７項記載の制御装置。
【請求項２５】
予測されたウェファー温度に基づいて、加熱要素に、制御可能に動力を供給し、ウェファー温度が、スパイク及びプロファイル熱電対からの測定値に基づいて予測されるオンラインのウェファー温度モデルを含む制御機を含み、第１の制御機が、スパイク熱電対による測定値に反応して、加熱要素に供給される動力を制御するスパイク制御機であり、第２の制御機が、プロファイル熱電対による測定値に反応してスパイク制御機を制御するプロファイル制御機、及びオンラインウェファー温度モデルに反応してプロファイル制御機を制御するウェファー制御機である請求項第１９の制御装置。
【請求項２６】
プロファイル熱電対、スパイク熱電対及び加熱要素に接続された複数の選択可能な制御モード論理回路を含む請求項１９の制御装置。
【請求項２７】
加熱レシピーを受取る制御装置に接続された入力装置を具備し、第１及び第２の制御機が、レシピーに従って加熱装置を制御する請求項第１９の制御装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は半導体加工処理法及び加工処理機に関する。より具体的には、本発明は、主として半導体加工処理に使用される熱反応器及びその他の加工処理機における温度及びその他の可能な加工処理変数を制御するための加工処理制御機に関する。
発明の背景
半導体ウェファーの加工処理は、生産される大量の集積回路及びそれらの回路と関連する重要な価値により、経済的に著しく重要なものになってきた。競合的圧力が生産に劇的な変化をもたらした。これらの中でも、トランジスター及び、集積回路上に形成されるその他の装置を形成する、集積回路の種々の特徴物の、サイズの縮小が最も著しい。特徴物のサイズのこの縮小が、より高度の集積性、より洗練された複雑な回路を達成させ、そして生産される各ウェファー上に、より集積された回路を得ることにより生産コストを減少させてきた。
集積回路に使用される特徴物のサイズが劇的に縮小されたにもかかわらず、更なる縮小が継続的に追及されている。ウェファーを加工処理する温度は、ドープ剤の拡散、材料の付着又は、実施されるその他の熱関連の加工処理に対する一次的効果を有する。このため、所望の熱加工処理の規格を満たすために、正確な温度制御を達成することができる加工処理機をもつことは重要である。特徴物のサイズが縮小すると、加工処理期間中の正確な温度制御の重要性は更に増加する。
伝統的に、半導体の熱反応器は、温度を制御するために比例集積誘導体（Proportional-Integral-Derivative）（ＰＩＤ）制御機を使用してきた。これらの制御機は操作及び保守が容易である利点を有するが、温度制御には制約された精度を有する。この制約された精度が、集積回路の達成可能なサイズ及び生産量に制約をもたらす。
より具体的なＰＩＤ制御機のパラメーターは、ゲイン値を調整することにより実験的に調和されるか又は種々の調和規則（例えば、Ziegler-Nichols法）を使用して選択される。このような制御法は、生成される集積回路又は生産されるその他の半導体製品の生産量及び恒常性に対する関連する制約を伴って、熱反応器の温度の比較的精度の少ない制御をもたらす。
より複雑な制御案が考案されたが、それらのより複雑な案はしばしば、余りに複雑にコンピューター化されているので、オンライン操作が不可能か又は便利でない。より複雑な制御案はまた、ある場合には、生産施設における必要な制御システムの調整及び保守の達成が困難なために使用されなかった。これは、制御システムについての強力な基礎力をもたない技術者により操作される制御機に関してやや重大な関心事であった。その結果、しばしば彼らはそれらの具体的な加工処理機の性能の変動に対して制御システムを調整する時に課せられるすべての複雑性を解決することは困難である。これは時間及び変動する条件による同一の加工処理機の変動により更に悪化する。
半導体装置の熱加工処理において遭遇する温度制御の問題は、幾つかの異なる方法で考慮することができる。１種類の制御の問題は、ウェファー温度を、加工処理機の所望の全体的又は平均の標的の又はレシピーの温度に合致させることを伴う。その問題は、所望のレシピー温度を達成すること並びに、１種の生産工程からその他へ、比較的一定の温度を達成することの両者を伴う。
処理機の所望の全体的又は平均的レシピー温度は好都合には、３種類の異なる相について考えることができる。第１の相は具体的には、加工処理が開始される時の平均加工処理温度が低いレベルから増加もしくは上昇する、上昇相である。温度上昇相はその後に、具体的には、その期間中は所望の最大の又はその他の一定の加工処理温度が維持される期間が続く。このような一定温度相は、その間に変化している温度上昇が終結して、一定もしくは一定に近い温度が達成される安定期間を含む。一定温度相は加工処理周期中に１回以上起こる可能性がある。次の相は、加工処理機の平均温度が減少している、下降相である。種々の工程は、これらの３種の異なる相それぞれのうちの１相より多くの相を含む可能性があることを認識されたい。
簡単な又は比較的複雑な温度計画又はレシピーのどちらが使用されようと、それぞれの相は、温度及び熱反応に影響する１種類以上の補助的加工処理ガス又は蒸気相の加工処理成分の導入により、更に複雑にされる可能性がある。このような補助的加工処理ガスは具体的には、ドープ剤、付着材料を含むガス又は蒸気である。
もう１種の温度制御の問題は、１バッチ内で加工されるウェファー又はその他の半導体加工品それぞれに対する加工処理周期の期間中に、比較的同様な温度暴露又は履歴を達成することである。温度の変動は加工処理炉内に維持されるウェファーの列の端の近辺に配置されたウェファーに対しては日常的に起こる。更に加工処理列内に含まれるウェファーの列に沿っているような、ウェファーからウェファーへの比較的予知ができない変動が起こる可能性もある。
更なる温度制御の問題は、加工処理される個々のウェファー又はその他の半導体加工品上の温度の変動と関連している。変動性のこの領域は、処理されるウェファーの列を囲んでいる環状に形成された多数の電気加熱要素の集合を有する大部分の加工処理炉の幾何学的形態により例示される。加熱要素からの熱は、加工処理容器を通過して放散され、内側領域に比較してウェファーの周辺領域により経験される熱ゲインに関して変動が起こる可能性がある。ウェファーからウェファーに起こる放射熱伝達及び放射増影の程度の変動が更にこの問題を増強させる。
もう１種の注目すべき考慮点は、熱加工処理機により実施される具体的な一工程もしくは工程の群に影響を与えるために使用される加工処理時間を最小にするための製造的関心事である。加工処理時間を最小にすることは具体的には、上昇相の温度変化率を増加させるであろう。反対に、時間の関心はまた下降相の温度変化率をも増加させるであろう。温度変化の増加率は、上昇相と安定相との間、並びに安定温度及び比較的早急な温度下降相との間の移行経過中のレシピー温度の維持に、より大きな困難をもたらす。
これらの複雑性及びいくらか相殺する考慮点を与えられることにより、半導体ウェファーの改善された熱加工処理に実際的で作業可能の両方である、改善された制御システムを達成することには大きな困難が存在する。
図の簡単な説明
図１Ａは本発明を具体的に表す熱反応器システムの部分断面の側面立面図である。
図１Ｂは、熱電対装備ウェファーを使用しているモデル化及び特徴付け期間中の図１Ａの熱反応器システムの部分断面の側面立面図である。
図２は本発明に従う好ましい温度制御機を表すブロック図である。
図３は加工処理系列化サブシステム及びガスインターフェイスの操作を表すブロック図である。
図４は温度のサブシステムの操作を表すブロック図である。
図５は図１Ａの反応器を特徴付けるために使用される例示的疑似乱数２元列を表す波形図である。
図６は、半導体ウェファーの加工処理時に実際の使用の前に図１Ａの反応器を特徴付けるために、図２の疑似乱数２元列を使用している特徴付け制御モードの制御図である。
図７は、スパイク制御機を使用している要素制御モードの論理回路の制御図である。
図８は、図７のプロファイル制御機及びスパイク制御機を使用している基礎制御モードの論理回路の制御図である。
図９は、ウェファー制御機、図８のプロファイル制御機、及び図７のスパイク制御機を使用している、動力学的制御モードの論理回路の制御図である。
図１０は、Ｄｔ非線形制御機、図８のプロファイル制御機、及び図７のスパイク制御機を使用しているＤｔ制御モードの論理回路の制御図である。図１１は好ましい制御機の設計を表すフロー図である。
好ましい態様の詳細な説明
本発明のこの明細書は米国特許法（第１条、第８節）の「科学及び有用な技術の進歩を促進するため」の憲法上の目的の促進に従って提出されている。
本発明は半導体加工品を加工処理するために使用される熱反応器又は加工処理器を制御するための制御機及び方法を提供する。具体的な熱反応器は、動力源により動力を提供される加熱要素を含み、プロファイル(profile)熱電対及びスパイク(spike)熱電対を有する。好ましい方法は、以下の段階、熱反応器の熱動力学的特徴をモデル化すること（当該モデル化の段階が、熱反応器内に熱電対装備ウェファーを提供することを含む）、刺激シークエンスを使用して加熱要素を制御することにより熱反応器を動揺させる（perturbing）こと、並びに動揺により形成された温度の変化に基づいて、モデルを開発すること、の段階を含み、当該モデルが、スパイク熱電対の読み取り値に対する動力のモデル、プロファイル熱電対の読み取り値に対するスパイク熱電対の読み取り値のモデル、並びに熱電対装備ウェファーの読み取り値に対するプロファイル及びスパイク熱電対の読み取り値のモデル、を含む。
本発明の１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持し、熱電対装備ウェファーを選択的に受納する熱反応器を制御するための制御単位装置を提供し、当該制御単位装置が、レシピーを受納するインプット装置及び、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対と連絡している複数の、選択可能な制御モードの論理回路を含んでなり、当該制御モードの論理回路が、レシピーに対して加熱要素を制御するために使用される。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持し、熱電対装備ウェファーを選択的に受納する熱反応器を制御する方法を提供し、当該方法が以下の段階、プロファイル熱電対、スパイク熱電対、及び装備ウェファーを使用して、熱反応器の熱動力学的特徴をモデル化すること、時間に関する所望の温度を含むレシピーを受納すること（そして当該レシピーが時間に関する所望の制御モードを含む）、並びにレシピーに従って、ある制御モードから他のモードに切り替えること、並びに、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対から得られた温度情報を使用して、異なる制御モードにおいて別々に温度を制御すること、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御するための制御単位装置を提供し、当該制御単位装置が、ウェファー温度を予測するオンラインのモデル並びに、オンラインのモデル、並びに、操作中のプロファイル熱電対及びスパイク熱電対から得られる温度情報に反応して加熱要素を制御する、複数の、選択可能な制御モードの論理回路、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御する方法を提供し、当該方法が、プロファイル熱電対からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数でありＴがプロファイル熱電対を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより、所望のエネルギーに対して熱反応器に提供されるエネルギーを制御すること、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御するための制御単位装置を提供し、当該制御単位装置が、プロファイル熱電対からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数でありＴがプロファイル熱電対を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより、所望のエネルギーに対して熱反応器に提供されるエネルギーを制御する熱収支制御機、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御する方法を提供し、当該方法が以下の段階、熱反応器の熱動力学的特徴をモデル化すること、時間に対する所望の温度を含むレシピーを受領すること（そして当該レシピーが時間に対する所望の制御モードを含む）、並びにレシピーに従ってある制御モードから他のモードに切り替えること、並びに、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対により提供された温度の情報を使用して、異なる制御モードにおいて別々に温度を制御すること（当該制御モードがカスケード制御機により規定される）、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御するための制御単位装置を提供し、当該制御単位装置が、ウェファー温度を予測するオンラインモデル及び、プロファイル熱電対、スパイク熱電対及びオンラインモデルのうちの１個以上に反応して加熱要素を制御する、複数の、カスケードされた、選択可能な制御モードの論理回路、を含んでなる。
本発明のもう１種の態様は、動力源により動力を提供される加熱要素、プロファイル熱電対及びスパイク熱電対を支持している熱反応器を制御する制御単位装置を提供し、当該制御単位装置が、スパイク及びプロファイル熱電対からの測定値を基礎にしてウェファー温度を予測するオンラインモデル及び、複数の選択可能な制御モードの論理回路を含んでなり、当該制御モードの論理回路が、スパイク熱電対による測定値に反応して加熱要素に供給される動力を制御するスパイク制御機、及びプロファイル熱電対による測定値に反応してスパイク制御機を制御するプロファイル制御機、を有する基礎制御モードの論理回路、熱反応器に提供されるエネルギーを測定し、所望のエネルギーに関して熱反応器に提供されるエネルギーを制御する熱収支制御モードの論理回路（当該熱収支制御モードの論理回路が、スパイク制御機及びプロファイル制御機を使用し、そして当該熱収支制御モードの論理回路が更に、プロファイル制御機を制御するＤｔ制御機を含む）及び、予測されたウェファー温度に基づいて熱反応器に提供されるエネルギーを制御する、動力学的制御モードの論理回路（当該動力学的制御モードの理論回路が、スパイク制御機、プロファイル制御機、及びオンラインモデルを使用し、当該動力学的制御モードの論理回路が更に、オンラインモデルと連絡しているウェファー制御機を含み、プロファイル制御機を制御する）を含む。
図１Ａは、本発明を表す熱反応器システム１０を示している。熱反応器システム１０は熱反応器１２を含む。熱反応器１２は配向が水平でも垂直でもどちらでもよい。
熱反応器１２は室を区画している加工処理管１４を含む。加工処理管１４は好ましくは石英又は炭化ケイ素からできている。図示の態様においては、加工処理管は開放端１６を有する中空の円筒の概括的形状を有する。加工処理管１４は縦軸に沿って伸長し実質的にそれを区画している長さを有する。熱反応器システム１０は更に、加工処理管１４中に又はそこからウェファー充填物２０を挿入又は取り出すボート充填物又はパドル１８を含む。より具体的には、ボート充填物１８は、支持部分２２及び、支持部分とともに移動可能で、支持部分２２が加工処理管中に挿入される時に加工処理管１４の開放端を閉鎖するドア部分２４を含む。ドア部分２４は加工処理管をシールし、遮断して、ウェファー充填物２０が加工処理管１４中に挿入された後の熱喪失を防止する。
ウェファー充填物２０は複数のボート２６を含む。図示の態様においては、ボート２４は石英又は炭化ケイ素から形成されている。ウェファー充填物２０は更に、複数のシリコンウェファー２６を含み、各ボート２４は複数のウェファー２６を支持している。図示の態様においては、各ボート２４上のウェファーは等間隔に配置されている。ウェファー２６のボートもしくはボート類は概括的にウェファー又はその他の半導体加工品の加工処理列を形成している。
熱反応器１２は加工処理管１４を囲む加熱要素３０を含む。図示の態様においては、加熱要素３０は加工処理管１４の長さに平行な加工処理室の長さに沿って伸長する電気抵抗加熱コイルもしくはコイル類である。加熱要素３０は複数の別々に制御可能な加熱区域３２に副分割されている。区域３２は、別々に制御可能な区域にコイルもしくはコイル類を分割するためにコイルに沿って連結部を提供することにより区画されている。次に区域は、各区域の反対側の端に接続されたコイル又はより大きいコイルの一部に動力を提供することにより、別々に制御可能である。より具体的には、熱反応器システム１０は更に、各加熱区域３２に制御可能に動力を提供するための高電圧変換器３３及びシリコン制御整流器（ＳＣＲ）３４を含む（図４）。
熱反応器１２は更に、加熱要素３０を囲むセラミック遮蔽物３５を含む。遮蔽物はまた、熱を、反射しあるいはウェファーの列の方向に向ける役目を果し、そしてより均一な層を提供して、加工処理列から出る熱の流れの変動を最小にする役目を果す。
熱反応器１２は更に、複数のスパイク熱電対３６を含む。本明細書で使用される熱電対の語は、より具体的な意味の熱電対を含む種々の温度感知器を包含する可能性がある。代替的温度感知構造物は熱電対の語の使用により意図される。スパイク熱電対３６は加熱要素３０と加工処理管１４との間のような適切な位置に配置されている。スパイク熱電対３６は加熱要素３０の長さに沿って離して配置され、スパイク熱電対３６は各加熱区域３２の中に配置されている。スパイク熱電対３６は各加熱区域の加熱要素におけるもしくはそれの温度の最も特定されたそして反応的な値を提供する。
熱反応器１２は更に、加工処理管１４内に伸長しているプロファイル温度感知シース３８を含む。加工処理管１４は基底面を有し、加工処理管１４は加工処理管の長さに平行な配向で加工処理管１４の基底面上に支持されている。シース３８は各加熱区域３２の少なくとも一部の上に伸長している。図示の態様においては、シース３８は石英又は炭化ケイ素から形成されている。
熱反応器１２は更に、シース３８中に支持されている、細長いプロファイルロッド４０を含む。プロファイルロッド４０は加工処理管１４の長さに平行な長さを有する。プロファイルロッド４０はロッド４０の長さに沿って等間隔で配置された複数の熱電対４２を含み、１個の熱電対が各加熱区域３２内に配置されている。熱電対４２は必ずしも、加工処理管１４の長さの方向にスパイク熱電対３６と同芯的に配列されてはいない。プロファイルロッド４０は加工処理管１４内の温度を測定し、各加熱区域内のウェファー充填物２０の温度の値を提供する。
熱反応器のモデル化時には、熱電対装備の、複数のウェファー４４が場合により使用される。図１Ｂはモデル化時に熱電対装備ウェファー４４を受納する図１Ａの熱反応器１２を示している。これらの熱電対装備ウェファー４４はウェファー２８の実際の温度の正確な測定値を提供するために、ウェファー充填物１６上に均一に間隔をあけて配置されている。ウェファー又はその他の加工品は、シリコン又は加工処理されるその他の半導体材料から形成されている。例示された熱電対装備ウェファー４４はそれぞれ、シリコンウェファー及び、１個はウェファーの端に、そして１個はウェファーの中央部に接着された２個の熱電対４６を含む。熱電対装備の各ウェファー４４の熱電対４６はセラミックの接着剤によるようにシリコンウェファーに接着されて、正確な温度測定値を提供する。
熱反応器システム１０は更に、ガス分配システム又は、シリコンウェファー２８の表面上に材料を成長、拡散又は付着させるために、加工処理管１４中に選択可能なガス供給体５０からの加工処理ガスを制御可能に注入するガスパネル４８、を含む。ガスパネル４８は弁５２及び素材流量制御機５４を含む（図３）。素材流量制御機５４は、加工処理管１４中への加工処理ガスの流量を測定及び制御するために使用される。
幾つかの態様においては、加工処理管１４は低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）のために加圧される。これらの態様においては、熱反応器１２は更に、圧力制御機５６を含む（図３）。これらの態様においては、熱反応器システム１０は更に、加工処理管内の圧力を測定し、測定された圧力を圧力制御機５６に連絡するバラトロン又はその他の適切な圧力感知装置５８を含む。更に、これらの態様においては、熱反応器システム１０は更に、加工処理管１４内に所望の圧力を達成するための、圧力制御機５６と連絡しているポンプ及び弁６０を含む。
幾つかの態様においては、熱反応器１２は更に、加工処理管１４の内側又は外側のトーチ６２を含む（図３）。トーチ６２は、ある比率の水素及び酸素を燃焼させることにより加工処理管１４内に蒸気を生成する湿式酸化法のために使用される。
熱反応器システム１０は熱反応器１２を制御する制御システム６４を含む（図２）。制御システム６４は２種のサブシステム、加工処理順序付けのための加工処理系列化サブシステム６６及び温度制御のための温度サブシステム６８を含む。各サブシステム６４及び６６は、Intel PC、286、386、486、Pentium、又はそれらより高度の、又はそれらのクローンのようなマイクロプロセッサー、又はMotorola 6800、68000又はそれら以上の、又はその他のマイクロプロセッサーを含む。
その他のマイクロプロセッサーを使用することはできるが、図示された態様においては、加工処理系列化サブシステム６６は6800マイクロプロセッサー７０を使用している。加工処理系列化サブシステムはランダムアクセス記憶装置７２及び制御機論理を記憶する、プログラム可能なEPROM 74を含む。加工処理系列化サブシステム６６は更に、複数のアナログインプット及びアウトプットチャンネル７８のみならず、複数のディジタルインプット及びアウトプットチャンネル７６を含む。加工処理系列化サブシステム６６は更に、外部連絡が所望される場合は、外部（リモート）連絡のための複数の逐次インプット及びアウトプットチャンネル８０を含む。加工処理系列化サブシステム６６はユーザーが規定した加工処理レシピーに従う。より具体的には、熱反応器システム１０は更に、インプット装置を規定するユーザーインターフェイス８２を含む。その他のユーザーインターフェイスを使用することはできるが、図示された態様においては、ユーザーインターフェイス８２は、ユーザーが、ユーザー規定の加工処理レシピーを入力することができるタッチスクリーン端末インターフェイスを含んでなる。加工処理レシピー中で、ユーザーは段階毎に、段階の時間、ガスの流量、室圧、温度設定値、及び上昇率を規定することができる。
その他のマイクロプロセッサーを使用することができるが、図示の態様においては、温度サブシステム６８は４８６マイクロプロセッサー８４を含む。温度サブシステム６８は更に、マイクロプロセッサー８４とともに使用するための動力学的ランダムアクセス記憶装置８６を含む。例えば、図示された態様においては、温度サブシステム６８制御単位装置は４メガバイトの動力学的ランダムアクセス記憶装置を含む。図示された態様の温度サブシステム６８の制御単位装置は更に、２メガバイトのフラッシュディスク８８、デュアルポートランダムアクセス記憶装置９０、ディジタル変換器９２に対する１６ビットのアナログ及びＰＣ／１０４バス９４を含む。温度サブシステムは炉及びウェファーの経験的に誘導されたモデルとともに、強靭な（robust）最適な制御理論を使用して構成された、複数の多変数の制御機９６、９８、１００及び１０２を含む。より具体的には、図示された態様においては、多変数の制御機９６、９８、１００及び１０２は、Ｈ−無限大制御理論を使用して構成される。
図示された態様においては、制御システム６４は更に、ガスパネル４８と加工処理系列化サブシステム６８との間に連結されたガスパネルインターフェイス１０４を含む（図３）。ガスパネルインターフェイス１０４は素材流量制御機５４、ガスの弁５２、内部又は外部トーチ６２、圧力制御機５６、ボート充填体１８、等と連絡するためのインターフェイスを制御システム６４に提供する。更に、ガスパネルインターフェイス１０４は、熱反応器のための（例えば適切な酸素対水素比を伴う水素流量を確保するため、トーチ６２からの炎を検出するため、等に）複数のハードウェアの安全性インターロックを含む。
図示された態様においては、制御システム６４は更に、熱電対３６、４２及び４４及び温度のサブシステム６８との間に連結された温度インターフェイスを含む（図４）。より具体的には、図示された態様においては、温度のインターフェイスは熱電対増幅インターフェイス板１０６を含んでなる。図示された態様においては、温度のサブシステムは２個までの熱電対増幅インターフェイス、１個はスパイク及びプロファイル熱電対３６及び４２を測定するためのもの、もう１個は熱電対装備ウェファー４４の熱電対４６を測定するためのもの（熱電対装備ウェファーが使用される場合）、と連絡している。図示された態様においては、制御システム６４は更に、加熱要素３０と温度のサブシステム６８との間に連結された、要素燃焼インターフェイス１０８を含む（図４）。要素燃焼インターフェイス１０８は区画された加熱区域３２それぞれに対して１個の燃焼板を含む。これらの燃焼板は電圧の波形のゼロ交錯点において動力を適用又は停止させるためのゼロ点切り替え法を使用している。
制御機９６、９８、１００及び１０２の設計法は図１１に詳細に示されている。
特徴付け制御モードにおいては（図６及び、図１１の段階１１０）、熱反応器の熱動力学的特徴が、ランダム又はその他の刺激シークエンスを使用する励起期間中の（図５）スパイク、プロファイル及びウェファー温度並びに動力設定値を使用してモデル化される。図示された態様においては、疑似乱数２元列（ＰＲＢＳ）が使用されている。より具体的には、特徴付け制御モードにおいては（図６）熱反応器を操作温度にもっていき、次に疑似乱数２元列を使用して動揺させて、熱反応器内に徐々に温度の変動を引き起こす。段階１１２ａ〜ｄにおいては、モデルは動揺により引き起こされる温度の変化に基づいて生成される。図示された態様はおいては、すべてのモデルが線形最小２乗最短距離システム識別法を使用して誘導される。図示された態様においては、すべてのモデルが状態−空間形態で表され、インプリメントされる。
図示された態様においては、２種類のモデル、オフライン及びオンラインのモデルが形成される。「オフラインのモデル」により、制御システムの設計のために形成されるモデルを意味する。「オンラインモデル」により、実際の半導体ウェファー２８を加工処理するためのように、熱反応器１２の操作中に活動しているモデルを意味する。
図示された態様においては、３種のオフラインのモデル、スパイク熱電対に対する動力設定値のモデル、プロファイル熱電対に対するスパイク熱電対のモデル並びに、熱電対装備ウェファーに対するプロファイル及びスパイク熱電対のモデル、が開発されている。各オフラインのモデルは温度サブシステム中の制御機９６、９８、１００及び１０２を設計するために使用される。
図示された態様においては、単一のオンラインのモデル１１４が熱反応器１２の操作中のウェファー温度を推定するために開発されている。オンラインのモデル１１０はスパイク及びプロファイル熱電対３６及び４２からの実際の温度測定値を使用してウェファー２８の実際の温度を予測する。全体の熱反応器１２のモデル化は複雑で、変動及び長期の保守操作に非常に感受性なので、ウェファーの温度及び測定されたプロファイル及びスパイク温度との間の関係の単純なモデル化が実施されて、温度の動力学的変化期間中のウェファー温度の正確な値を提供する。更に、定常状態下ではプロファイル温度がウェファー２８の実際温度を表すと推定される。
モデル化後に、段階１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｃにおいて（図１１）、３種のオフラインのモデルが使用されて、３種の別々で独特な制御機、スパイク制御機９６、プロファイル制御機９８及びウェファー制御機１００を形成する。スパイク制御機９６は、インプットとしてのスパイクの設定値とスパイクの熱電対測定値との間の差を使用し、次いで燃焼インターフェイス１０８に対して動力設定値をアウトプットする。プロファイル制御機９８は、インプットとしてのプロファイル設定値とプロファイル測定値との間の差を使用し、次いでスパイク制御機９６にスパイク設定値をアウトプットする。ウェファー制御機１００はインプットとしてのウェファー設定値とオンラインのウェファー温度のモデルの予測値との間の差を使用し、次いでプロファイル制御機９８にプロファイル設定値をアウトプットする。図示された態様においては、各制御機９６、９８及び１００はＨ−無限大の、強力な、最適の制御論理を使用して設計される。より具体的には、図示された態様においては、これらの各制御機は多変数的で、そこでは、それぞれ加熱区域の間の相互作用が考慮に入れられて、所望の上昇又は設定値に対する改善された温度反応を提供する。
今度は、制御機９６、９８及び１００の設計をより詳細に説明する。制御機９６、９８及び１００は識別実験から得られるデータを使用して設計される。設計方法は２種の段階、すなわちシステムの識別及び制御機の設計を含んでなる。好ましい態様は、モデル化及び制御機設計において、MATLAB(TM)及びSIMULINK(TM)のような高性能の数値分析ソフトウェアを使用している。
システムの識別又は特徴付け
システムの識別又は特徴付けの段階は、既知の温度インプットに反応する加工処理機の温度反応の特徴の経験的測定を実施することを伴う。反応は、スパイク熱電対３６、プロファイル熱電対４２及び温度感知用ウェファー４６により測定される。測定された反応データを適切な分析法を使用して分析し、ウェファーの実際の加工処理中に測定することができるスパイク及びプロファイル熱電対温度に基づいたウェファー温度の予測値をもたらすモデルもしくはモデル類を達成する。しかし、必要なシステムの熱反応の特徴付けを実施するためには、実際の操作加工処理が開始する前に、温度感知用ウェファー４６又は、少なくともこの時点で別々の特徴付け相において実施しなければならないその他の測定法を使用することが必要である。
特徴付けの情報を引き出すための１種類の好ましい方法は、温度反応の特徴を反映するシステムパラメーターの推定値を得るために最小２乗パラメーター推定アルゴリズムを使用することを伴う。本段階の主要目的は、インプット−アウトプットのデータを説明するシステムのモデルの識別及び、モデルにおける信頼性を説明する不確かさの上下限の推定である。この目的のために、概括的な状態−空間モデル、
＝Ａｘ＋Ｂｕ；ｙ＝Ｃｘ＋Ｄｕ
［式中、
ｘは状態のベクトルであり、
ｕはｍのインプット数を有するインプットのベクトルであり、そして
ｙはｎのアウトプット数を有するアウトプットベクトルである］
により表わされるシステムが考えられる。マトリックスＡはディメンションｎ×ｎを有する。マトリックスＢはディメンションｎ×ｍを有する。マトリックスＣはディメンションｍ×ｎを有する。そしてマトリックスＤはディメンションｍ×ｍを有する。マトリックスの係数は、モデルの成功した操作を最適にするために開発される具体的なモデルのために誘導され、潜在的に調整されるパラメーターである。
（Ａ，Ｃ）が可観測性である（状態−空間方程式のすべてのモードはアウトプットにおいて可観測性である）と仮定すると、前記のモデルは、
＝（Ａ−ＬＣ）ｘ＋（Ｂ−ＬＤ）ｕ＋Ｌｙ；ｙ＝Ｃｘ＋Ｄｕ
［ここで、Ａ−ＬＣはフルウィッツ（Hurwitz）のマトリックスである（Kailath, T., Linear Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1980のような制御理論に関する種々の教科書を参照されたい）］
と書くことができる。
これは、前記の線形システムが
＝Ｆｘ＋Θ1ｕ＋Θ2ｙ；ｙ＝ｑｘ＋ｄｕ
［ここで、（Ｆ，ｑ）は可観測であり、
Ｆはフルウィッツマトリックスでありそして
Θ1、Θ2、及びｄはモデルの調整可能なパラメーターを表すマトリックスである］
により記載することができることを意味する。
前記の方程式のラプラス変換を採ることにより、
sIx(s)-x(0)=Fx(s)+Θ1u(s)+Θ2y(s); y(s)=qx(s)+du(s)
［ここで、
Ｉは識別マトリックスであり、そして
ｘ（ｏ）は状態の最初の条件（condition）である］
が得られる。
次に、状態（state）について解くことにより、
x(s)=(sI-Fx)-1[Θ1u(s)+Θ2y(s)+x(0)]
を得る。
次に前記の状態方程式を使用してアウトプットについて解くと、
y(s)=q(sI-Fx)-1[Θ1u(s)+Θ2y(s)+x(0)]+du(s)
を得る。
共通項に再構成すると、前記の方程式は
y(s)=[q(sI-Fx)-1Θ1+d]u(s)+q(sI-F)-1Θ2y(s)+q(sI-F)-1x(0)
になる。
すべてはスカラ変換関数であるので、それらは移項することができて、
y(s)=Θ1T(sI-FT)-1qTu(s)+Θ2T(sI-FT)-1qTy(s)+du(s)+x(0)T(sI-FT)-1qT
が得られる。
単一のインプット、単一のアウトプットシステムに対しては、最後の方程式はパラメーター推定の線形モデル形態に対して好都合に、
ｙ＝ΘTｗ
［ここで、
Θは調整可能なパラメーター，Θ1、Θ2、ｄ並びに可能な未知の初期条件ｘ（０）を含むベクトルであり、一方
ｗは信号、(sI-FT)-1qTu、(sI-FT)-1qTy、u、及び(sI-FT)-1qTを含む］
と書くことができる。
従って、基礎的なシステムの識別段階は以下の副段階を含んでなる。
１．  インプット−アウトプット時間シークエンスを生成するための実験を実施する。
２．  フィルターにかけた信号ｗを計算する。
３．  線形モデルｙ＝ΘTｗのパラメーターを推定する。
４．  識別されたシステムの対応する状態−空間表現［Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ］を計算する。
５．  必要な場合は、識別されたシステムの次数を下げる。
６．  識別されたシステムに対する誤差上下限（不確かさ）を計算する。
次に、システムの識別のこれらの副段階を、より詳細に説明する。
識別又は特徴付けの実験は、そのパラメーターの信頼性のある識別を可能にするために熱反応器に十分な励起をもたらすインプット信号の発生に依存する。幾つかの種類の励起信号が文献に提唱されている（例えば、Ljung, L., System Identification: Theory for the User, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1980を参照されたい）。デザインの簡便性の理由で、示された態様は所望の励起を提供するために疑似乱数２元列（ＰＲＢＳ）を使用している。更に、励起のサイズの選択における集中的実験の必要性を回避するために、識別は閉じたループで実施される。すなわち、簡単な制御機を設計するために、識別される熱反応器についての以前の情報が使用される（例えば比例又は比例−積分）。次に、疑似乱数２元列が制御機に対する参照インプットとして供給され（設定値）、生成する対照インプット及び熱反応器アウトプットが測定される。
このような方法は、それが制御機の準備的設計を必要とする点で制約的であるが、実際にはこの要求事項は余り厳格ではない。具体的には、熱反応器の初歩的な洗練されていないモデルが利用可能であるか又は容易に誘導可能であるか又は、しばしば起こるように、単純な制御機が既にインプリメントされている。実際的経験により、識別の結果は、その帯域及び性能が合理的である限りにおいて、使用された制御機に対して余り感受性が高くはないことが示される。もちろん、これが起こらない場合は、適切な性能が得られるまで、識別及び制御機設計段階は次の識別実験において新規の制御機を使用して繰り返すことができる。
疑似乱数２元列の設計は、より高度の注意が必要である。この種類の励起は、熱反応器の標準的操作条件についての参照コマンドの段階変化のシークエンスとしてインプリメントされる。疑似乱数２元列は２個のベクトル、
「ｔ1，ｔ2，Λ］、［ｍ1，ｍ2，Λ］
［ここで、第１のベクトルは切り替え時間を意味し、そして
第２のベクトルは標準的設定値からの偏差（±最大偏差レベル）を表す］
により定義することができる。疑似乱数２元列におけるランダム性は、ｔi+1−ｔiがランダムの数字である切り替え時間に入力する。各パルスの最大レベル並びに最小及び最大時間が疑似乱数２元列の設計パラメーターである。概して、レベルは、良好な信号対ノイズ比率（ＳＮＲ）を提供するほど十分に大きいが、しかし既存のプラントの非線形性から干渉を導くような、標準操作条件からの大きな偏りを回避するように十分小さく選択しなければならない。これが正に、粗い制御機ですら標準的条件の周囲のプラントの反応を、概してＰＲＢＳレベル内に維持するであろうため、閉じたループの識別が利点を有する点である。各々の疑似乱数２元列のパルスの時間は、生成されるシークエンスが、反応器のモデルが信頼性でなければならない、所望の閉じたループの帯域（及び閉じたループ交錯点）の近辺に、その動力の大部分を有するようでなければならない。最後に疑似乱数２元列の全長は記憶装置及び実験時間の制約により制限されるが、それは十分な数の振動数におけるノイズの平均化及び、プラントの反応の観察を可能にするのに十分長くなければならない。概して、親指の法則が、その時間が前記の基準に従って選択される、７〜１０のＰＲＢＳパルスに対する熱反応器の反応を観察することができる。
多変数システムの識別のためには各チャンネルごとに１個ずつの、多数のＰＲＢＳインプットをもたらさなければならない。これらは更に、生成する回帰ベクトルが十分に条件調整された共分散マトリックスを有する意味において、相互に独立するように制約されなければならない。この条件は、長いシークエンスを使用する時には問題を呈しない。しかし、実際的には、制約された長さのシークエンスは、条件が合わない場合は、この仮説の有効性を検討しなければならず、ＰＰＢＳを再度もたらさなければならないことを暗示している。
前記のように、前記の方程式に従う状態−空間マトリックスの入力値を計算するために後に使用される、線形モデルのパラメーターを推定するために、標準最小２乗アルゴリズムが使用される。これに加えて、パラメーター推定アルゴリズムは、その信頼性及び、与えられた振動数領域内（加重値を与えた最小２乗値）におけるプラントの特徴の適合性を強調する推定値をもたらすその能力を改善するために修正される。後者は、所望の振動数反応を有するフィルターにより、インプット−アウトプットデータを数字的にフィルターにかけることにより直接的方法で達成される。例えば、低い通過フィルターは高い振動数のノイズにより劣化されたデータの場合に使用することができ、一方、帯通過フィルターは所望の閉じたループの帯域の近辺で識別されたモデルの信頼性を高めるために使用することができるであろう。これらのフィルターの識別の成功及び可能な再設計は、続いて考察される「不確かさ」の上下限を基礎にして判定される。パラメーター推定段階において幾つかの繰り返しが必要かも知れないが、これらは必ずしも識別実験の繰り返しを必要とはしないことは強調されなければならない。
更に、そして推定体の数字的信頼性を改善するために、最小２乗解析を計算するために特異値分解法が使用される。これに加えて、１種類の態様においては、推定段階が以下の問題
0003775753.tif 000002
［ここで、Ｈは加重値を与えたマトリックスであり、
ρは閾値パラメーターでありそして
ＥLSは最小２乗の解答に対応するエラーである］
を解決する。この問題は閉じた形態では容易に解くことができるが、その解答は幾つかの興味深い特性を有する。すなわち、閾値パラメーターを十分に「小さく」（例えば、０．５）選択することにより、推定エラーにより測定された推定パラメーターの質は、最大（１＋ρ）の因子まで制御された態様で劣化する。これが、柔軟性に、より微妙な推定対象を反映するように推定パラメーターを調整させる。例えば、加重値を与えたマトリックスＨを適切に選択することにより、前記の最小化の解答は識別モデルの分解（decoupling）及び／又は安定性を強調することができる。この能力は、ノイズが反応器を「実際に」そうであるよりもより結合しているように見せる可能性があるノイズの多いデータの場合に有益であることが判明した。代替的には、反応器モデルは制御器の設計を簡略にさせ、そして反応器の変動に対するその強度を改善する可能性があるように、できるだけ切り離されていることが望ましい可能性がある。
次に、得られた反応器のモデルは標準リダクションアルゴリズムスを使用して最小性（minimality）につき検討され（Chiang, R. and M. Safonov, Robust Control Toolbox: User's Manual (For use with MATLAB), The Mathworks Inc., Natick, MA, 1992及びその中の引用物を参照されたい）、そしてモデルの信頼性を残差（residuals）の分析により定量化する。この段階はモデルの信頼性を定量化し、制御器の設計段階の期間に遭遇されなければならない拘束を提供する。特に推定エラーについて分光分析を実施することは、有効な倍増性及びフィードバックの不確かさの推定値を提供する（Alexander, C. and K.S. Tsakalis, “Control of an Inverted Pendulum: A Classical Experiment Revisited,” Proc. 1995 Western Multiconference, Society for Computer Simulation, Las Vegas, 1995を参照されたい）。これらの推定値は、設計された制御機が実際の反応器を安定化させるであろうように、閉じたループの感受性及び補完的感受性が満たさなければならない制約を表している。計算は、これらの制約の推定値のみを提供することが指摘されなければならない。厳密な意味において、閉じたループの安定性を保証することはできない。しかし、これらの制限値と有効な制御機の設計との間には非常に強力な相関が存在するように見える。
制御機の設計
制御機設計法の中心は、制御機のリダクション及び良好な配置（well-posedness）の検討により拡張された、Ｈ∞設計法（Chiang, R. and M. Safonov, Robust Control Toolbox: User's Manual (For use with MATLAB), The Mathworks Inc., Natick, MA, 1992を参照されたい）である。より具体的には、感受性及び補完的感受性の重み（weights）を定義するために、システム識別段階からもたらされる不確かさの上下限が使用される。これらは、識別された反応器とともに、積分機（integrators）により拡大されて、標準Ｈ∞計算ソフトウェアにより要求されるフォーマットにおいていわゆるスーパー−プラントを形成する。具体的には、もたらされるＨ∞制御機は高い次元のものであり、その性能に本質的に無関係な重さによる状態を含み、そしてその信頼性、強靭性及び打ち切り性を潜在的に劣化させる可能性がある。このため、リダクションを３段階で実施する。
第１段階は非常に早いモード、例えば閉じたループの帯域の２次倍の大きさを超えるものに対応する状態を除去することである。具体的には、このようなモードは制御機の安定性又は性能に無関係であるが、それらの不連続的時間の近似化には高い試料収集率が必要なので、ディジタルインプリメンテイションにおいては問題を生ずる。次の段階はこれも全体的な閉じたループの動態には非常に僅かしか寄与しない、非常に遅いモードを除去することである。このようなモードは具体的には、ｊｗ−軸の周辺の「ポール−ゼロ消去（pole-zero cancellation）」と関連しており、それが維持される場合は、トラッキング性能に僅かであるが緩徐に破壊的エラーの出現をもたらす可能性がある。最後に、標準モデルの次元のリダクション（加重値を与えられてもそうでなくても）は、有意でない貢献度を有するその他の制御機の状態を排除するために実施される。リダクション段階は、重み（weights）選択段階を簡素化させるために払われる代価である。リダクションがどんな有意な性能の劣化をも引き起こさなかったという証明がなされるとしても、この証明は比較的簡単であり、標準の計算手段により容易に実施することができる（例えば、Chiang, R. and M. Safonov, Robust Control Toolbox: User's Manual (For use with MATLAB), The Mathworks Inc., Natick, MA, 1992及びZhou, K., J. Doyle and K. Glover, Robust and Optimal Control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996を参照されたい）。
前記の方法は、反応器の線形化モデルによる良好な性能を示す適度な次元の制御機を算出する。すなわち、実際のシステムは操作点の周囲で局所的に同様な性能を示すことが期待される。しかし、有効な制御機のインプリメンテイションのためには、すべてのアクチュエーター、例えば加熱要素中に不変的に存在する飽和の非線形性を考慮しなければならない。このような飽和により引き起こされる主要な問題はいわゆる積分機のワインド−アップである。具体的なワインド−アップ抑制修正物は、制御機のアウトプット（対照インプット）が飽和レベルを超える時に、不動帯タイプの非線形性により作動される代償器の周囲の安定化フィードバックの使用を含む（Astrom, K.J. and B. Hagglund, PID Controllers: Theory, Design and Tuning, ISA Research Triangle Park, NC, 1994を参照されたい）。
多変数の場合にこれを達成する簡単な方法は、
ｖ＝Ｌｕｄ（ｕ）
［ここで、ｕは対照インプットであり、
ｄ（ｕ）は、飽和のレベルを量的に表す不動帯様のスカラ信号であり（対照が飽和されていない時はｄ（ｕ）＝０））、そして
Ｌは、制御機の閉じたループシステム及びＬが安定であるようなマトリックスゲインである］
として計算された補助信号「ｖ」を代償器にフィードバックさせることによることである。Ｌの有効な設計は観測機のゲインとして得ることができる（Anderson, B.D.O. and J.B. Moore, Optimal Control: Linear Quadratic Methods, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1990を参照されたい）。この場合、制御機−観測機ゲインシステムは、制御機のアウトプットに、飽和非線形性で構成された制御機からなるシステムのアウトプットをトラックさせる観測機の構成として好都合に説明することができる。これは、制御機の最小性（minimality）とともに、その状態及びなかでも積分機と連結したものは、制限なく増大することができないことを確実にしている。更に、観測機ゲインの設計において、制御機の指向性は出来るだけ保持することができ、そのため制御機の飽和は線形の設計により達成されるアウトプットの分解（decoupling）を完全には破壊しない。
最後に、制御機の設計法における最後の段階として、アクチュエーターの飽和とともに、打ち切り制御機及び識別反応器の非線形シミュレーションにより、推定段階が実施される。この推定は、可能な設計の制約を暴露し、そして、例えば達成可能な上昇率における制御機の能力を算定するのに非常に有用であった。実際的経験により、閉じたループシステムの疑似動態が、実物の、非常に良好な近似物であることが示される。
設計後に、段階１１８において、スパイク、プロファイル及びウェファー制御機９６、９８及び１００及びオンラインウェファーのモデルが、温度サブシステム６８のハードウェアにインプリメントされる。
図示された態様においては、制御モードの論理回路は、要素制御モードを規定する要素制御モードの論理回路（図７）、基礎制御モードを規定する基礎制御モードの論理回路（図８）、動力学的制御モードを規定する動力学的制御モードの論理回路（図９）、並びにＤｔ制御モードを規定するＤｔ制御モードの論理回路（図１０）、を含む異なる可能な制御モードの論理回路の中から選択可能である。これらの制御モードの論理回路のそれぞれは、制御機９６、９８及び１００のうちの１基又は組み合わせにより規定される。
温度サブシステム６８は、より具体的には、要素制御モードに対してはスパイク制御機９６を使用する（図７）。温度サブシステム６８は特徴付け制御モードに対しては疑似乱数２元列により注入されたスパイク制御機９６を使用する（図６）。温度サブシステム６８は基礎制御モードに対してはプロファイル制御機９８及びスパイク制御機９６の組み合わせを使用する（図８）。温度サブシステム６８は動力学的制御モードに対しては、ウェファー制御機１００、プロファイル制御機９８、及びスパイク制御機９６の組み合わせを使用する（図９）。温度サブシステム６８は、Ｄｔ制御モードを提供するためには、プロファイル制御機９８及びスパイク制御機９６とともに非線形のＤｔ制御機１０２を使用する（図１０）。
ユーザーは、多数の段階を含んでなり、各段階に制御モードのいずれか１個を使用しているレシピーを提供することができる。例えば、ユーザーは、半導体加工処理のある段階において、ある制御モードからもう１種の段階に切り替わるレシピーを提供することができる。１種の提案される方法は、温度の上昇の前の、炉の点検及びボート１８の押し込み期間中は、基礎制御モードを使用すること、温度上昇及び温度安定化期間中は、ウェファー制御モードを使用すること、ウェファー加工処理段階の期間には、Ｄｔ制御モードを使用すること、そしてボート押し出し期間中は基礎制御モードを使用すること、である。もう１種の提案される方法は、すべての加工処理段階の期間中、基礎制御モードを使用することである。
要素制御モードは具体的には、維持モード（例えば要素を燃焼させるため）である。要素制御モードにおいては、スパイク制御機はスパイク熱電対の温度を基礎にして制御する。そのモードはウェファーの通常の加工処理には使用されない。
基礎制御モード（図８）は操作の省略（default）モードである。基礎制御モードにおいては、プロファイル制御機９８はプロファイルエラーに基づいたスパイク設定値制御信号を提供する。プロファイルエラーはプロファイル温度設定値と、プロファイル熱電対４２によるプロファイル温度測定値との間の差に基づいている。スパイク制御機９８はスパイクエラーに基づいて熱反応器への動力を制御する。スパイクエラーはスパイク設定値と、スパイク熱電対３６によるスパイク温度測定値との間の差に基づいている。基礎制御機モードは、より早い安定化時間によるものとされる、改善された加工処理の均一性及び周期時間の減少をもたらす正確な制御を提供する。基礎制御モードの論理回路は、プロファイル及びスパイク制御機を、それらをともにカスケードすることにより同時に使用する。
プロファイル熱電対は充填物の端の温度に合致しない。ユーザーはこれを補償するために彼らのレシピーを変更しないことを好む。この問題に対する１種の解答は、プロファイル熱電対を短くすることで、それによりプロファイル熱電対によりもたらされた読み取り値を充填物の端の温度に、より正確に合致させる。動力学的又はウェファー制御モード（図９）は、プロファイル熱電対の修正又はユーザーのレシピーの調整を必要とせずに、問題に解答を与える。
動力学的制御モードにおいては、ウェファー制御機１００は、ウェファー２８の温度の予測又は推定並びに、所望の又はレシピーのウェファー温度に近付くウェファー２８のための温度を達成するための制御を提供する。動力学的制御モードは、温度上昇及び安定化段階の期間に最も好都合に使用することができる。動力学的制御モードは、前記のように、モデル化期間中に熱電対装備ウェファー４４の前以ての使用を伴う。モデル化の後、制御システムの使用中に、動力学的制御モードはオンラインのウェファー温度推定モデル１１４を使用して、予測されたウェファー温度を基礎にして熱反応器１２を制御する。オンラインのウェファー温度推定モデル１１４は、スパイク及びプロファイル熱電対３６及び４２からの測定値に基づいてウェファー温度を予測する。より具体的には、ウェファー温度は、スパイク及びプロファイル熱電対３６及び４２からの測定値、並びに熱電対装備ウェファー４４により採られた測定値（ウェファー温度を表している）及び、モデル化の期間にプロファイル及びスパイク熱電対３６及び４２により採られた測定値との間の相関に基づいて予測される。
動力学的制御モードにおいては、ウェファー制御機１００は、ウェファーエラーに基づいてプロファイル設定値を提供する。ウェファーエラーは、プロファイル温度設定値と、プロファイル熱電対４２によるプロファイル温度測定値との間の差に基づいている。プロファイル制御機はプロファイルエラーに基づいてスパイク設定値の制御信号を提供する。プロファイルエラーは、ウェファー制御機１００により生成されたプロファイル温度設定値と、プロファイル熱電対によるプロファイル温度測定値との間の差に基づいている。スパイク制御機は、スパイクエラーに基づいて熱反応器への動力を制御する。スパイクエラーはスパイク設定値と、スパイク熱電対３６によるスパイク温度の測定値との間の差に基づいている。動力学的制御モードはスパイク制御機９６、プロファイル制御機９８、及び、一緒にカスケードされているウェファー制御機１００を使用している。
Ｄｔ又は熱収支モードにおいては、Ｄｔ制御機１０２は、温度暴露又は適用された熱エネルギーを測定し、設定値又は所望のエネルギーに対してエネルギーを制御する。熱収支は、所望のエネルギーに従うＤｔ値を維持するために、プロファイル熱電対４２からの測定値を使用し、そのｋがボルツマン定数であり、Ｔがプロファイル熱電対４２を使用して測定された温度であるｅ(-2/KT)の積分を採ることにより制御される。計算は熱反応器中に送られるエネルギーから実施されて、熱反応器中に送られるエネルギーが制御される。熱収支モードは好都合には、ダウンロード及びランからラン（run-to-run）の両者において一定のＤｔ値を維持するために臨界的加工処理段階の期間中の熱収支を制御するために使用される。
Ｄｔ制御モード（図１０）においては、Ｄｔ制御機１０２はエネルギーエラーに基づいてプロファイル設置値を提供する。エネルギーエラーはエネルギー設定値と、測定されたエネルギーとの間の差に基づいている。プロファイル制御機９８はプロファイルエラーに基づいてスパイク設定値制御信号を提供する。プロファイルエラーはＤｔ制御機により生成されるプロファイル温度設定値と、プロファイル熱電対４２によるプロファイル温度測定値との間の差に基づいている。スパイク制御機９６はスパイクのエラーに基づいて熱反応器への動力を制御する。スパイクのエラーはスパイクの設定値と、スパイク熱電対３６によるスパイク温度の測定値との間の差に基づいている。
付属文書に従って、本発明は構造的及び方法論的特徴物に関して多少とも具体的な言語で説明されてきた。しかし、本明細書に公表された手段は本発明を実行に移す、好ましい形態を含んでなるので、本発明は、示され、説明された具体的な特徴物に限定されないことを理解することができる。従って本発明は、同類物の主題に従って適切に説明された付記の請求の範囲の適切な範囲内のあらゆるその形態又は修正体において請求されている。
【図１Ａ】
0003775753.tif 000003
【図１Ｂ】
0003775753.tif 000004
【図２】
0003775753.tif 000005
【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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