JP4181184B2 - 半導体製造装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に備えられたヒータ制御手段、バルブ制御手段等の制御対象に入力する操作量をＰＩＤ（比例・積分・微分）演算による帰還処理で制御して、当該制御対象から出力される制御量を制御する制御方法に関する。

半導体製造装置は、例えば温度制御や反応ガスの流量制御を行う電気炉といったように、種々な制御を行う必要がある構成部分を有しており、これら構成部分に対する制御では目標値を迅速且つ正確に達成することが要求される。
半導体ウェーハやガラス基板等の基板に所定の処理を施すために、例えば電気炉においては、目標とする温度を迅速且つ正確に達成することが要求され、また、反応ガスの流量についても目標とするガス流量を迅速且つ正確に達成することが要求される。

このような温度やガス流量の制御は、加熱用ヒータを制御するヒータ制御手段や管路の電磁バルブを制御するバルブ制御手段に入力する操作量を制御し、これらヒータ制御手段やバルブ制御手段から加熱用ヒータや電磁バルブへ出力される制御量を制御することにより行われる。すなわち、操作量を変化させることによって制御量を所期の目標値へ変化させ、これによって、ヒータによる加熱温度や電磁バルブによるガス流量を目標とする値へ変化させている。

このような制御では、制御対象としてのヒータ制御手段等に入力する操作量をＰＩＤ演算による帰還処理できめ細かく制御し、制御対象から目標とする制御量が出力されるようにしている。
すなわち、図５に示すように、まず、図外の入力手段からＰＩＤ演算手段１へ目標とする制御量（ＳＶ）を入力して、目標値（ＳＶ）を達成するための操作量（Ｙ）をＰＩＤ演算手段１から制御対象（ヒータ制御手段）２へ入力する。そして、制御対象２から出力された制御量（ＰＶ）をＰＩＤ演算手段１へ帰還させ、目標値（ＳＶ）と実際の制御量（ＰＶ）との偏差を解消させるようにＰＩＤ演算手段１からの操作量（Ｙ）を時々刻々変化させていた。

ここで、上記のＰＩＤ手段１は目標値（ＳＶ）と実際の制御量（ＰＶ）との偏差を解消させる演算処理を行い、この演算処理の内の積分演算（Ｉ演算）は偏差の時間積分量を算出する処理である。すなわち、ＰＩＤ演算手段１で行われる積分演算処理は他の比例演算（Ｐ演算）や微分演算（Ｄ演算）に比べて時間的に遅れが生ずる処理である。

このため、図６の（ａ）に示すように、時刻（ｔ1）で制御対象２から出力される制御量（ＰＶ）が目標値（ＳＶ）と等しくなったにも拘わらず、図６の（ｂ）に示すように、時間遅れのある積分演算による操作量（ＹI）が依然として増加したり減少したりしているため、制御手段２に入力する操作量（Ｙ）にも時間遅れが生ずる。
これによって、時刻（ｔ1）以降、制御量（ＰＶ）がオーバーシュートやアンダーシュートして目標値（ＳＶ）に安定するのに長時間を要してしまうこととなり、延いては、制御対象によって制御される加熱ヒータ等を迅速且つ正確に所期の動作へ制御することができず、半導体製造装置によるプロセス処理の精度を低下させてしまうという問題があった。

本発明は上記従来の事情に鑑みなされたもので、制御対象から出力される制御量を迅速且つ正確に目標値へ変化させることができ、半導体製造装置によるプロセス処理の精度を向上させることができる半導体製造装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体製造装置の制御方法は、半導体製造装置に備えられた制御対象へ入力する操作量を変化させることにより当該制御対象による制御量を変化させ、当該操作量を変化する制御量に基づいた比例・積分・微分演算又は比例・積分演算による帰還処理を行って制御し、制御量を目標値へ変化させる半導体製造装置の制御方法において、制御対象の安定時における目標値と操作量との関係を予め求めておき、目標値と時々刻々の制御量との間に所定値以上の偏差が生じた場合に、積分演算による帰還処理で得られる操作量に換えて、当該目標値における予め求められた操作量を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加え、当該加算した操作量を制御対象へ入力することを特徴とする。

例えばヒータ制御手段では、加熱用ヒータを或る温度で安定させるための制御量と、当該制御量を出力させるために制御対象としてのヒータ制御手段に入力する操作量との関係を、操作量と制御対象の安定時の制御量との関係として予め求めておく。そして、加熱ヒータの温度を或る値に変更する場合に、当該温度に対応する制御量の目標値と実際にヒータ制御手段が出力する制御量との偏差を求め、この偏差が予め設定した所定値以上の場合には、積分演算による帰還処理ではなく、目標値として設定した制御量を安定して実現するものとして予め求められている操作量を他の比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加え、この操作量でヒータ制御手段を制御する。

ここで、偏差が大きくなるに従って帰還処理による操作量の変化幅も大きくなるが、このように操作量に大きな制御を加える場合に積分演算を用いると、時間的な遅れに起因した制御量のオーバーシュートやアンダーシュートが顕著となる。そこで、このような場合には、本発明では積分演算による操作量を用いることなく制御を実行して、制御量のオーバーシュートやアンダーシュートを防止する。

なお、本発明で対象としている半導体製造装置の電気炉等は、同一条件での安定温度や安定バルブ開度が或る程度一定しており、操作の毎にあまり温度条件や開度条件が変更されないため、幾度かの試行処理により、操作量と制御対象の安定時の制御量との関係は容易且つ正確に求めることができる。
また、本発明は、基本的に比例演算（Ｐ演算）、積分演算（Ｉ演算）及び微分演算（Ｄ演算）を行う場合のみならず、基本的に比例演算（Ｐ演算）及び積分演算（Ｉ演算）を行う場合にも適用することができ、いずれの場合にも偏差が所定値以上の時には積分演算による帰還処理ではなく予め求めてある操作量を用いればよい。

以上説明したように、本発明に係る半導体製造装置の制御方法によれば、
目標値と時々刻々の制御量との間に所定値以上の偏差が生じた場合に、積分演算による処理に換えて予め求められた操作量に基づく処理を行い、得られた操作量を制御対象へ入力するようにしたため、積分演算処理に起因したオーバーシュートやアンダーシュートを防止して、制御量を目標値に迅速且つ正確に変化させることができる。
このため、半導体製造装置の電気炉等を所定の温度や所定の反応ガス流量に迅速且つ正確に制御することができ、半導体製造装置によるプロセス処理の精度を向上させることができる。

本発明の一実施例に係る半導体製造装置の制御方法を図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して本実施例の制御方法を実施する制御装置を説明する。
なお、本実施例では、制御対象２は電気炉の加熱ヒータを制御するヒータ制御手段としており、制御対象は加熱用ヒータへの供給電圧を制御量（ＰＶ）として出力する。

本実施例の制御装置は、制御対象２からの制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）の偏差（ｅ）を求める加算減算器１１と、偏差（ｅ）に基づいて比例・微分演算を行って操作量（ＹPD）を出力するＰＤ演算手段１２と、偏差（ｅ）に基づいて積分演算を行って操作量（ＹI）を出力するＩ演算手段１３と、制御対象２が安定して出力する制御量（ＰＶ）とその時に制御対象２に与えられる操作量（ＹS）との関係を格納したメモリ１４と、目標値（ＳＶ）となる制御量に対応した操作量（ＹS）をメモリ１４から読み出すＹS取得手段１５と、偏差（ｅ）の絶対値の大きさに応じてＩ演算手段１３側の端子ａとＹS取得手段１５側の端子ｂとの切替を行うスイッチ手段１６と、スイッチ手段１６からの操作量（ＹI）又は（ＹS）とＰＤ演算手段１２からの操作量（ＹPD）とを加算して制御対象２への操作量（Ｙ）とする加算器１７とを備えている。

次に、図４の（ａ）に示すように制御対象２からの制御量（ＰＶ）を時刻（ｔ0）で目標値（ＳＶ）へ変化させる場合に、上記構成の制御装置により実施される制御方法を説明する。
まず、制御処理を開始するに先立って、試行処理を行って、制御対象２が安定して出力する制御量（ＰＶ）とその時に制御対象２に与えられる操作量（Ｙ）との関係を求め、これをメモリ１４に格納しておく。
このような準備の後に、図２に示す手順の制御処理が開始され、まず、制御対象２から出力される制御量（ＰＶ）と目標値（ＳＶ）との偏差（ｅ）を加算減算器１１で算出される（ステップＳ１）。

そして、スイッチ手段１６が偏差（ｅ）の絶対値を予め設定した値α及びβを比較し（ステップＳ２、Ｓ３）、偏差（ｅ）の絶対値が所定値αより大きい場合には後述する端子ｂ側へ経路を切り換えた処理で操作量（Ｙ0）を求め（ステップＳ４）、偏差（ｅ）の絶対値が所定値βより小さい場合には後述する端子ａ側へ経路を切り換えた処理で操作量（Ｙ0）を求める（ステップＳ５）。なお、これら所定値の関係は、α＞βに設定してある。
ここで、偏差（ｅ）の絶対値が所定値α以下で所定値β以上である場合には、現在の経路が端子ａ側であるか端子ｂ側であるかをスイッチ手段１６が判断し（ステップＳ６）、現在の端子接続状態の処理（ステップＳ４又はＳ５）を行う。

なお、制御処理の開始時点ではスイッチ手段１６の経路は端子ａ側に設定されており、偏差（ｅ）の絶対値が所定値αより大きくなった時点で、端子ｂ側へ経路を切り換えた処理（ステップＳ４）が開始される。
また、制御量（ＰＶ）の時々刻々の変化に対応するために、図２に示す処理は周期的に繰り返し行われ、偏差（ｅ）の絶対値が所定値αを上回って開始された端子ｂ側へ切り換えた処理（ステップＳ４）が端子ａ側へ切り換えた処理（ステップＳ５）へ戻るのは、偏差（ｅ）の絶対値が所定値β以下となった時点である。すなわち、端子ｂ側へ切り換えた処理（ステップＳ４）は、偏差（ｅ）の絶対値が比較的大きいときに開始され、制御処理によって偏差（ｅ）の絶対値が比較的小さくなったところで終了する。

そして、ＰＤ演算手段１２が偏差（ｅ）を消去するように比例・微分演算を行って操作量（ＹPD）を算出し（ステップＳ７）、この操作量（ＹPD）と上記の操作量（Ｙ0）とを加算器１７が加算して操作量（Ｙ）として制御対象２へ入力する（ステップＳ８）。

上記したスイッチ端子がａ側の処理（ステップＳ５）は図３の（ａ）に示す手順で行われ、これによって操作量（Ｙ0）を求める。この処理においてはＩ演算手段１３が起動し、Ｉ演算手段１３が偏差（ｅ）を消去するように積分演算を行って操作量（ＹI）を算出し（ステップＳ５１）、この操作量（ＹI）を上記の操作量（Ｙ0）とする（ステップＳ５２）。
すなわち、偏差（ｅ）が比較的小さな場合には、従来と同様に積分演算による帰還処理を用いて操作量（Ｙ0）を求める。

一方、上記したスイッチ端子がｂ側の処理（ステップＳ４）は図３の（ｂ）に示す手順で行われ、これによって操作量（Ｙ0）を求める。この処理においてはＹS取得手段１５が起動し、ＹS取得手段１５がメモリ１４から目標値（ＳＶ）に対応する操作量（ＹS）を取得し（ステップＳ４１）、この操作量（ＹS）を上記の操作量（Ｙ0）とする（ステップＳ４２）。
すなわち、偏差（ｅ）が比較的大きな場合には、積分演算による帰還処理に換えて、予め求めておいた操作量を操作量（Ｙ0）として用い、積分演算の時間的な遅れに起因した制御量のオーバーシュートやアンダーシュートを防止する。

すなわち、図４の（ａ）に示すように時刻（ｔ0）で加熱温度３５０℃に対応する制御量（ＰＶ）を４００℃に対応する目標値（ＳＶ）に変化させる場合、スイッチ端子がｂ側の処理（ステップＳ４）によると、同図の（ｂ）に示すように操作量（Ｙ0）は一定して積分演算による時のような時間的遅れが生じない。したがって、制御対象２に操作量（Ｙ）に遅れて更なる操作量が入力されるようなことはなく、図４の（ａ）に示すように、制御対象２からの制御量（ＰＶ）は比較的短時間の内に時刻（ｔ2）で目標値（ＳＶ）を達成する。

このように加熱温度３５０℃に対応する制御量（ＰＶ）を４００℃に対応する目標値（ＳＶ）に変化させる例では、例えば、所定値αを１．０℃、所定値βを０．３℃とし、偏差（ｅ）が５０℃ある制御処理開始の初期から、スイッチ端子がｂ側の処理（ステップＳ４）を行い、偏差（ｅ）が０．３℃未満という極小さくなったところで積分演算をも用いた処理（ステップＳ５）に切り換えるようにする。このように偏差（ｅ）が小さくなったところで積分演算をも用いた処理を行っても、積分演算に起因した時間遅れの影響は殆どなく、返って、ＰＩＤ演算処理による目標値（ＳＶ）への収斂効果が得られ、目標値の達成が容易となる。

なお、上記の実施例では所定値α、βとして異なる２つの値を用いたが、これら値を同じとして当該値を境に処理を切り換えるようにしてもよい。
また、上記の実施例ではＰＩＤ演算処理を基本としたが、ＰＤ演算手段１２に換えて比例演算のみを行うＰ演算手段を用い、ＰＩ演算処理を基本とした場合にも本発明は適用することができる。

本発明の一実施例に係る制御方法を実施する制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係る制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施例に係る切り換え利用される処理の手順を示すフローチャートであり、（ａ）は積分演算を用いた処理、（ｂ）は予め求めた操作量を用いた処理である。 本発明に係る制御方法の作用を説明するグラフであり、（ａ）は制御量の時間変化、（ｂ）は操作量の時間変化である。 従来の制御方法を実施する制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の制御方法の作用を説明するグラフであり、（ａ）は制御量の時間変化、（ｂ）は操作量の時間変化である。

符号の説明

２ 制御対象、
ＰＶ 制御量、
ＳＶ 目標値、
ｅ 偏差、
Ｙ 加算された操作量、
ＹS 予め求められた操作量、
ＹI 積分演算による操作量、
ＹPD 比例・微分演算による操作量、

Claims (4)

1. 半導体製造装置に備えられた制御対象へ入力する操作量を変化させることにより当該制御対象による制御量を変化させ、当該制御量を目標値へ変化させることにより基板に所定の処理を施す半導体製造方法において、
   目標値と制御量との偏差が第１所定値より大きい場合には、予め求められた操作量を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算するように半導体製造装置に備えられた切替手段の端子接続状態の切替を行い、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させ、前記偏差が第１所定値より小さい第２所定値より小さい場合には、当該偏差の積分演算により得られる操作量を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算するように前記端子接続状態の切替を行い、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させ、前記偏差が第１所定値以下で第２所定値以上の場合には、前記端子接続状態の切替を行わずに、前記予め求められた操作量か前記偏差の積分演算により得られる操作量のいずれか一方を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算し、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させる半導体製造方法であって、
   前記予め求められた操作量は、前記制御対象が前記目標値で安定しているときの制御量を出力するための操作量であることを特徴とする半導体製造方法。
2. 自装置に備えられた制御対象へ入力する操作量を変化させることにより当該制御対象による制御量を変化させ、当該制御量を目標値へ変化させて基板に所定の処理を施す半導体製造装置において、
   目標値と制御量との偏差が第１所定値より大きい場合には、予め求められた操作量を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算するように半導体製造装置に備えられた切替手段の端子接続状態の切替を行い、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させ、前記偏差が第１所定値より小さい第２所定値より小さい場合には、当該偏差の積分演算により得られる操作量を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算するように前記端子接続状態の切替を行い、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させ、前記偏差が第１所定値以下で第２所定値以上の場合には、前記端子接続状態の切替を行わずに、前記予め求められた操作量か前記偏差の積分演算により得られる操作量のいずれか一方を比例・微分演算又は比例演算による帰還処理で得られる操作量に加算し、当該加算により得られた操作量を前記制御対象へ入力して前記制御量を目標値へ変化させる半導体製造装置であって、
   前記予め求められた操作量は、前記制御対象が前記目標値で安定しているときの制御量を出力するための操作量であることを特徴とする半導体製造装置。
3. 前記制御対象による制御量は温度であって、第１所定値と第２所定値は１℃以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 第２所定値は０．３℃以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。

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