JP2011222703A - 加熱制御システム、それを備えた成膜装置、および温度制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のヒータで被加熱物を加熱するにあたり、複数のヒータ電源の特性ばらつきに依存しない加熱制御システムを実現する。
【解決手段】本発明の加熱制御システムは、被加熱物の温度を検出する熱電対６Ｍと、温度制御手段３Ｍおよび温度制御手段３Ｓ１と、電力値Ｗｍを検出する電流・電圧検出手段５Ｍおよび現在電力ＰＶｓ１を検出する電流・電圧検出手段５Ｓ１と、目標電力ＳＰｓ１を算出する目標電力算出手段１Ｓ１とを備えている。温度制御手段３Ｍは、目標温度ＳＰｍおよび現在温度ＰＶｍを入力し、現在温度ＰＶｍが目標温度ＳＰｍに合うように電力を制御し、目標電力算出手段１Ｓ１は、電力値Ｗｍを入力し、電力値Ｗｍに所定の比率を乗じて目標電力ＳＰｓ１を算出し、温度制御手段３Ｓ１は、目標電力ＳＰｓ１、および現在電力ＰＶｓ１を入力し、現在電力ＰＶｓ１が目標電力ＳＰｓ１に合うように電力を制御している。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の加熱制御システムは、被加熱物の温度を検出する熱電対６Ｍと、温度制御手段３Ｍおよび温度制御手段３Ｓ１と、電力値Ｗｍを検出する電流・電圧検出手段５Ｍおよび現在電力ＰＶｓ１を検出する電流・電圧検出手段５Ｓ１と、目標電力ＳＰｓ１を算出する目標電力算出手段１Ｓ１とを備えている。温度制御手段３Ｍは、目標温度ＳＰｍおよび現在温度ＰＶｍを入力し、現在温度ＰＶｍが目標温度ＳＰｍに合うように電力を制御し、目標電力算出手段１Ｓ１は、電力値Ｗｍを入力し、電力値Ｗｍに所定の比率を乗じて目標電力ＳＰｓ１を算出し、温度制御手段３Ｓ１は、目標電力ＳＰｓ１、および現在電力ＰＶｓ１を入力し、現在電力ＰＶｓ１が目標電力ＳＰｓ１に合うように電力を制御している。
【選択図】図１
Description
本発明は、被加熱物を複数のヒータで温度制御する加熱制御システム、それを備えた成膜装置、および温度制御方法に関する。
基板に薄膜を成膜させるプロセスの１つとして、化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vaper Deposition）法がある。このＭＯＣＶＤ法は、例えば、発光ダイオード、半導体レーザー、宇宙用ソーラーパワーデバイス、及び高速デバイスの製造において、使用される。
ＭＯＣＶＤ法では、まず、載置台上に基板を載置し、ヒータにより基板を加熱する。そして、その基板上に、成膜に寄与する原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の有機金属ガスとアンモニア（ＮＨ３ ）等の水素化合物ガスとを導入することで、気相反応させ、基板上に化合物半導体結晶を成膜させる。この成膜処理において、高い面内均一性を確保するために基板の温度を均一にする、あるいはその装置に見合った適切な温度分布パターンに設定する必要がある。このため、基板の温度制御法として、例えば特許文献１に記載のように、複数のヒータを用いて温度制御を行うゾーン制御が知られている。
図７は、上記のように複数のヒータを用いて温度制御を行うゾーン制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図７では、メインヒータＭと２つのサブヒータＳ１・Ｓ２との３つのヒータを用いたゾーン制御の場合を示す。
図７に示されるように、従来の加熱制御システムは、例えばシーケンサ等といった上位の制御機器１０１と、温度制御手段１０２と、分配器１０３と、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１・Ｓ２それぞれの電源であるヒータ電源１０４Ｍ、１０４Ｓ１および１０４Ｓ２と、熱電対（ＴＣ）１０５とを備えている。
従来の加熱制御システムでは、制御機器１０１より目標温度ＳＰｍが、温度制御手段１０２に設定される。温度制御手段１０２は、ヒータ近傍に設置された熱電対１０５の検出温度として現在温度ＰＶｍを入力する。そして、目標温度ＳＰｍと現在温度ＰＶｍとによりＰＩＤ演算された制御出力ＭＶｍを出力する。制御出力ＭＶｍは一旦、分配器１０３に入力される。そして、分配器１０３から各ヒータのヒータ電源１０４Ｍ、１０４Ｓ１および１０４Ｓ２へ出力される。
メインヒータＭ用のヒータ電源Ｍへは、分配器１０３から、温度制御手段１０２の出力値ＭＶｍが入力される。また、サブヒータＳ１およびＳ２用のヒータ電源Ｓ１およびＳ２へはそれぞれ、出力値ＭＶｓ１およびＭＶｓ２が入力される。出力値ＭＶｓ１およびＭＶｓ２はそれぞれ、下記式（１）および（２）のように、分配器１０２内部で温度制御手段１０２の出力値ＭＶｍに一定比率αｓ１およびαｓ２を乗じた値である。
ＭＶｓ１＝ＭＶｍ×αｓ１ （１）
ＭＶｓ２＝ＭＶｍ×αｓ２ （２）
このとき、ヒータ電源１０４Ｓ１および１０４Ｓ２がそれぞれ、電力制御仕様の電源であれば、サブヒータＳ１およびＳ２にはそれぞれ、メインヒータＭに供給される電力に対し一定比率（αｓ１、αｓ２）の電力が供給されることになる。
ＭＶｓ１＝ＭＶｍ×αｓ１ （１）
ＭＶｓ２＝ＭＶｍ×αｓ２ （２）
このとき、ヒータ電源１０４Ｓ１および１０４Ｓ２がそれぞれ、電力制御仕様の電源であれば、サブヒータＳ１およびＳ２にはそれぞれ、メインヒータＭに供給される電力に対し一定比率（αｓ１、αｓ２）の電力が供給されることになる。
しかしながら、ヒータ電源の出力特性（入力信号に対する出力値の関係）に個々のばらつきがある。このため、図７に示される従来の加熱制御システムでは、実際にサブヒータＳ１およびＳ２に供給される電力比率（メインヒータＭに供給される電力に対する）と設定比率（αｓ１、αｓ２）との間にずれが生じる。
本発明は、上記従来の問題点を鑑みなされたものであり、その目的は、複数のヒータ電源の特性ばらつきに依存しない加熱制御システム、それを備えた成膜装置、および温度制御方法を提供することにある。
本発明の加熱制御システムは、上記の課題を解決するために、被加熱物を加熱するためのメインヒータおよびサブヒータと、前記メインヒータに電力を供給するメインヒータ電源、および前記サブヒータに電力を供給するサブヒータ電源とを備え、メインヒータは、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御され、サブヒータは、メインヒータに供給される第１電力とサブヒータに供給される第２電力とが所定の比率になるように電力制御される加熱制御システムであって、被加熱物の温度を検出する温度検出手段と、メインヒータ用温度制御手段およびサブヒータ用温度制御手段と、前記第１電力を検出するメインヒータ用電力検出手段、および前記第２電力を検出するサブヒータ用電力検出手段と、前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出手段とを備え、前記メインヒータ用温度制御手段は、目標温度の設定値、および前記温度検出手段の温度検出値を入力し、該温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御し、前記目標電力算出手段は、前記メインヒータ用電力検出手段にて検出される第１電力検出値を入力し、該第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出し、前記サブヒータ用温度制御手段は、前記第２電力の目標値、およびサブヒータ用電力検出手段にて検出される第２電力検出値を入力し、該第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、第２電力を制御することを特徴としている。
本発明の加熱制御システムは、被加熱物を加熱するためのメインヒータおよびサブヒータと、前記メインヒータに電力を供給するメインヒータ電源、および前記サブヒータに電力を供給するサブヒータ電源とを備え、メインヒータは、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御され、サブヒータは、メインヒータに供給される第１電力とサブヒータに供給される第２電力とが所定の比率になるように電力制御される加熱制御、すなわちゾーン制御を行うシステムである。
上記の構成によれば、前記メインヒータ用温度制御手段は、目標温度の設定値、および前記温度検出手段の温度検出値を入力し、該温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御している。一方、前記サブヒータ用温度制御手段は、前記第２電力の目標値、およびサブヒータ用電力検出手段にて検出される第２電力検出値を入力し、該第２電力検出値が前記目標電力値に合うように、第２電力を制御している。このとき、サブヒータの第２電力の目標値は、前記目標電力算出手段により算出される。そして、前記目標電力算出手段は、メインヒータ用電力検出手段にて検出される第１電力検出値を入力し、該第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出する。
このようにサブヒータ用温度制御手段がサブヒータ用電力検出手段にて検出される第２電力検出値をフィードバックして電力制御を行うので、サブヒータ電源の出力仕様に左右されず、出力特性のばらつきを無視することができる。さらに、目標電力算出手段は、メインヒータ用電力検出手段にて検出される第１電力検出値、すなわち、実際にメインヒータに供給される第１電力を元に第２電力の目標値を算出するので、実際にメインヒータに供給される第１電力と実際にサブヒータに供給される第２電力との比率と、設定された所定の比率とのずれをなくすことができる。それゆえ、上記の構成によれば、第１電力と第２電力との比率を常に一定な状態にすることができる。
以上のように、上記の構成によれば、複数のヒータ電源の特性ばらつきに依存しない加熱制御システムを実現することが可能になる。
また、本発明の加熱制御システムにおいて、前記目標電力算出手段は、前記温度検出値と前記所定の比率との関係を示すテーブルを保持しており、入力される温度検出値と前記テーブルとを照合して前記所定の比率を決定することが好ましい。
上記の構成によれば、前記目標電力算出手段は、前記温度検出値と前記所定の比率との関係を示すテーブルを保持しており、入力される温度検出値と前記テーブルとを照合して前記所定の比率を決定するので、温度検出値に応じて第１電力と第２電力との比率を変化させることができる。これにより、温度検出手段にて検出される温度検出値における低温域から高温域に至る全温度域にわたって、適切な温度分布の加熱制御を実現することができる。
また、本発明の加熱制御システムにおいて、前記目標電力算出手段は、前記サブヒータ用温度制御手段の内部に備えられていることが好ましい。
上記の構成によれば、内部に第２電力の目標値を演算する機能を有するサブヒータ用温度制御手段を用いることにより、サブヒータ用温度制御手段のみで温度制御処理を行うことができる。それゆえ、上記の構成によれば、例えばＰＬＣ等の制御機器により第２電力の目標値を算出する場合と比較して、制御機器の処理時間に依存しない温度制御ループを構築することができる。
本発明の成膜装置は、上記の課題を解決するために、上述の加熱制御システムを備えたことを特徴としている。
上述の加熱制御システムを成膜装置に使用することにより、ヒータ交換時やヒータ抵抗の経時変化に対しても基板温度分布の再現性が確保される。よって、安定した特性の化合物半導体結晶を成膜させることができる。
また、本発明の温度制御方法は、上記の課題を解決するために、メインヒータおよびサブヒータを用いて被加熱物を加熱するときに、メインヒータに供給される第１電力およびサブヒータに供給される第２電力が所定の比率になるように電力制御し、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御を行う温度制御方法であって、被加熱物の温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程にて検出された被加熱物の温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御するメインヒータ温度制御工程と、メインヒータに供給される第１電力を検出し、検出された第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出工程と、サブヒータに供給される第２電力を検出し、検出された第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、前記第２電力を制御するサブヒータ電力制御工程と、を含むことを特徴としている。
これにより、複数のヒータ電源の特性ばらつきに依存しない温度制御方法を実現することができる。
本発明の加熱制御システムは、以上のように、被加熱物を加熱するためのメインヒータおよびサブヒータと、前記メインヒータに電力を供給するメインヒータ電源、および前記サブヒータに電力を供給するサブヒータ電源とを備え、メインヒータは、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御され、サブヒータは、メインヒータに供給される第１電力とサブヒータに供給される第２電力とが所定の比率になるように電力制御される加熱制御システムであって、被加熱物の温度を検出する温度検出手段と、メインヒータ用温度制御手段およびサブヒータ用温度制御手段と、前記第１電力を検出するメインヒータ用電力検出手段、および前記第２電力を検出するサブヒータ用電力検出手段と、前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出手段とを備え、前記メインヒータ用温度制御手段は、目標温度の設定値、および前記温度検出手段の温度検出値を入力し、該温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御し、前記目標電力算出手段は、前記メインヒータ用電力検出手段にて検出される第１電力検出値を入力し、該第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出し、前記サブヒータ用温度制御手段は、前記第２電力の目標値、およびサブヒータ用電力検出手段にて検出される第２電力検出値を入力し、該第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、第２電力を制御する構成である。
また、本発明の成膜装置は、以上のように、上記加熱制御システムを備えた構成である。
また、本発明の温度制御方法は、以上のように、メインヒータおよびサブヒータを用いて被加熱物を加熱するときに、メインヒータについて、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御し、サブヒータについて、メインヒータに供給される第１電力およびサブヒータに供給される第２電力が所定の比率になるように電力制御する温度制御方法であって、被加熱物の温度を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程にて検出された被加熱物の温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御するメインヒータ温度制御工程と、メインヒータに供給される第１電力を検出し、検出された第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出工程と、サブヒータに供給される第２電力を検出し、検出された第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、前記第２電力を制御するサブヒータ電力制御工程と、を含む構成である。
それゆえ、複数のヒータ電源の特性ばらつきに依存しない加熱制御システムを実現することができるという効果を奏する。
（実施の形態１）
本発明の実施の一形態について、図１および図２に基づいて、以下に説明する。図１は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
本発明の実施の一形態について、図１および図２に基づいて、以下に説明する。図１は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
本加熱制御システムとして、メインヒータＭおよび２つのサブヒータＳ１およびＳ２を用いて、３ゾーンの温度制御を行う加熱制御システムを例に挙げて説明する。なお、本実施形態の加熱制御システムに用いられる複数のヒータは、上記の例に限定されず、メインヒータとサブヒータとを含んでいればよい。
図１に示されるように、本加熱制御システムは、制御機器１と、メインヒータＭ用の電源を制御するメインヒータ電源制御系２Ｍと、サブヒータＳ１用の電源を制御するサブヒータ電源制御系２Ｓ１と、サブヒータＳ２用の電源を制御するサブヒータ電源制御系２Ｓ２とを備えている。
制御機器１は、その内部に、サブヒータＳ１・Ｓ２のための目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２を備えている。このような制御機器１としては、例えば、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)といった制御装置が挙げられる。
メインヒータ電源制御系２Ｍは、温度制御手段３Ｍ（メインヒータ用温度制御手段）と、メインヒータＭ用の電源であるメインヒータ電源４Ｍと、メインヒータ電源４Ｍから出力される電流値および電圧値を検出する電流・電圧検出手段５Ｍ（メインヒータ用電力検出手段）と、メインヒータＭと、メインヒータＭ近傍に設置された熱電対（ＴＣ）６Ｍ（温度検出手段）とを備えている。
また、サブヒータ電源制御系２Ｓ１は、温度制御手段３Ｓ１（サブヒータ用温度制御手段）と、サブヒータＳ１用の電源であるサブヒータ電源４Ｓ１と、サブヒータ電源４Ｓ１から出力される電流値および電圧値を検出する電流・電圧検出手段５Ｓ１（サブヒータ用電力検出手段）と、サブヒータＳ１とを備えている。また、サブヒータ電源制御系２Ｓ２は、温度制御手段３Ｓ２（サブヒータ用温度制御手段）と、サブヒータＳ２用の電源であるサブヒータ電源４Ｓ２と、サブヒータ電源４Ｓ２から出力される電流値および電圧値を検出する電流・電圧検出手段５Ｓ２（サブヒータ用電力検出手段）と、サブヒータＳ２とを備えている。
次に、加熱制御システムによる本実施形態の温度制御方法（以下、本温度制御方法と記す）について説明する。本温度制御方法は、メインヒータＭについて、熱電対６Ｍの検出温度が目標温度となるように温度制御し、サブヒータＳ１・Ｓ２について、メインヒータＭに供給される電力値ＷｍおよびサブヒータＳ１・Ｓ２に供給される現在電力ＰＶｓ１・ＰＶｓ２が所定の比率になるように電力制御し、被加熱物の温度が目標温度ＳＰｍになるように温度制御を行うための方法である。本温度制御方法は、熱電対６Ｍにより被加熱物の温度を検出する温度検出工程と、メインヒータ温度制御工程と、目標電力算出工程と、サブヒータ電力制御工程とを含む。
メインヒータ温度制御工程では、メインヒータＭの電源制御により、熱電対６Ｍの検出温度が目標温度ＳＰｍになるように現在温度ＰＶｍを制御する。まず、制御機器１より、メインヒータ電源制御系２Ｍの温度制御手段３Ｍに目標温度ＳＰｍが設定される。また、温度制御手段３Ｍは、メインヒータＭの近傍に設置された熱電対６Ｍの検出温度を現在温度ＰＶｍとして入力する。温度制御手段３Ｍは、入力された目標温度ＳＰｍおよび現在温度ＰＶｍを元に、ＰＩＤ演算により、メインヒータ電源４Ｍに出力する制御出力ＭＶｍを算出する。メインヒータ電源４Ｍは、制御出力ＭＶｍを入力すると、該制御出力ＭＶｍに対応する電流・電圧をメインヒータＭへ供給する。メインヒータ電源制御系２Ｍにおいては、メインヒータＭへ供給する電流値および電圧値は、電流・電圧検出手段５Ｍにより検出される。電流・電圧検出手段５Ｍにより検出された電流値Ｉｍおよび電圧値Ｖｍ（電力値Ｗｍ＝Ｉｍ×Ｖｍ）は、制御機器１に入力される。
サブヒータ電力制御工程では、サブヒータＳ１・Ｓ２に供給される現在電力ＰＶｓ１・ＰＶｓ２を検出し、サブヒータＳ１・Ｓ２の電源制御により、現在電力ＰＶｓ１・ＰＶｓ２が目標電力ＳＰｓ１・ＳＰｓ２に合うように電力制御する。サブヒータＳ１の電力制御方法は、サブヒータＳ２の電力制御方法と基本的に同じである。ここでは、サブヒータＳ１の電力制御方法について、説明する。
まず、制御機器１より、サブヒータ電源制御系２Ｓ１の温度制御手段３Ｓ１に目標電力ＳＰｓ１が設定される。また、温度制御手段３Ｓ１は、サブヒータＳ１へ供給される電力を現在電力ＰＶｓ１として入力する。なお、現在電力ＰＶｓ１は、電流・電圧検出手段５Ｓ１により検出される。温度制御手段３Ｓ１は、入力する目標電力ＳＰｓ１および現在電力ＰＶｓ１を元に、ＰＩＤ演算により、サブヒータ電源４Ｓ１に出力する制御出力ＭＶｓ１を算出する。サブヒータ電源４Ｓ１は、制御出力ＭＶｓ１を入力すると、該制御出力ＭＶｓ１に対応する電流・電圧をサブヒータＳ１へ供給する。
ここで、サブヒータＳ１・Ｓ２の目標電力ＳＰｓ１・ＳＰｓ２は、目標電力算出工程にて、制御機器１内部の目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２により算出される。目標電力算出工程では、メインヒータＭに供給される電力値Ｗｍを検出し、電力値Ｗｍに所定の比率を乗じて目標電力ＳＰｓ１・ＳＰｓ２を算出する。
目標電力算出手段１Ｓ１は、電流・電圧検出手段５Ｍにより検出された電力値Ｗｍを入力する。目標電力算出手段１Ｓ１は、電力値Ｗｍ（メインヒータＭの電力値）に対するサブヒータＳ１の電力値の比率αｓ１を保持しており、電力値Ｗｍに比率αｓ１を乗じて目標電力ＳＰｓ１を算出する。目標電力ＳＰｓ１は、下記式（３）として表わされる。
ＳＰｓ１＝Ｗｍ×αｓ１ （３）
また、目標電力算出手段１Ｓ２は、目標電力算出手段１Ｓ１と同様に、電流・電圧検出手段５Ｍにより検出された電力値Ｗｍを入力する。目標電力算出手段１Ｓ２は、電力値Ｗｍ（メインヒータＭの電力値）に対するサブヒータＳ２の電力値の比率αｓ２を保持しており、電力値Ｗｍに比率αｓ２を乗じて目標電力ＳＰｓ２を算出する。目標電力ＳＰｓ２は、下記式（４）として表わされる。
ＳＰｓ２＝Ｗｍ×αｓ２ （４）
図２は、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１・Ｓ２における制御信号の関係を示し、図２（ａ）はメインヒータＭの制御信号を出力する温度制御手段３Ｍの入出力信号を説明する模式図であり、図２（ｂ）はサブヒータＳ１（Ｓ２）の制御信号を出力する温度制御手段３Ｓ１（３Ｓ２）の入出力信号を説明する模式図であり、図２（ｃ）はメインヒータＭおよびサブヒータＳ１について、温度制御手段に入力される信号および出力信号を示した表である。なお、図２（ａ）〜（ｃ）では、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１について、制御器または目標電力算出手段から温度制御手段に入力される入力信号を「ＳＰ」、温度制御手段にフィードバックして入力される入力信号を「ＰＶ」、温度制御手段の出力信号を「ＭＶ」として、標記を統一している。
ＳＰｓ１＝Ｗｍ×αｓ１ （３）
また、目標電力算出手段１Ｓ２は、目標電力算出手段１Ｓ１と同様に、電流・電圧検出手段５Ｍにより検出された電力値Ｗｍを入力する。目標電力算出手段１Ｓ２は、電力値Ｗｍ（メインヒータＭの電力値）に対するサブヒータＳ２の電力値の比率αｓ２を保持しており、電力値Ｗｍに比率αｓ２を乗じて目標電力ＳＰｓ２を算出する。目標電力ＳＰｓ２は、下記式（４）として表わされる。
ＳＰｓ２＝Ｗｍ×αｓ２ （４）
図２は、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１・Ｓ２における制御信号の関係を示し、図２（ａ）はメインヒータＭの制御信号を出力する温度制御手段３Ｍの入出力信号を説明する模式図であり、図２（ｂ）はサブヒータＳ１（Ｓ２）の制御信号を出力する温度制御手段３Ｓ１（３Ｓ２）の入出力信号を説明する模式図であり、図２（ｃ）はメインヒータＭおよびサブヒータＳ１について、温度制御手段に入力される信号および出力信号を示した表である。なお、図２（ａ）〜（ｃ）では、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１について、制御器または目標電力算出手段から温度制御手段に入力される入力信号を「ＳＰ」、温度制御手段にフィードバックして入力される入力信号を「ＰＶ」、温度制御手段の出力信号を「ＭＶ」として、標記を統一している。
図２（ａ）および（ｃ）に示されるように、メインヒータ電源制御系２Ｍの温度制御手段３Ｍには、信号ＳＰとして目標温度の値が入力され、フィードバック信号ＰＶとしてメインヒータＭ近傍に設置された熱電対６Ｍの検出温度の値（現在温度）が入力される。
また、図２（ｂ）および（ｃ）に示されるように、サブヒータ電源制御系２Ｓ１（２Ｓ２）の温度制御手段３Ｓ１（３Ｓ２）には、信号ＳＰとして目標電力の値が入力され、フィードバック信号ＰＶとして電流・電圧検出手段５Ｓ１（５Ｓ２）にて検出された電流・電圧の値（現在電力）が入力される。
このように、本加熱制御システムにおいては、メインヒータ電源制御系２Ｍは、メインヒータＭ近傍に設置された熱電対６Ｍの検出温度を温度制御手段３Ｍへフィードバックして温度制御を行う。また、サブヒータ電源制御系２Ｓ１・２Ｓ２はそれぞれ、電流・電圧検出手段５Ｓ１・５Ｓ２の検出電力をフィードバックして電力制御を行うので、サブヒータ電源Ｓ１・Ｓ２の出力仕様に左右されず、出力特性のばらつきを無視することができる。
また、本加熱制御システムによれば、メインヒータＭの電力値は、電圧・電流検出手段５Ｍにより検出され、制御器１に入力される構成になっている。そして、制御器１に入力されたメインヒータＭの電力値に基づいてサブヒータＳ１・Ｓ２それぞれの目標電力が設定される。サブヒータＳ１・Ｓ２それぞれの目標電力は、メインヒータＭの電力値の変動に応じて、設定比率αｓ１・αｓ２で設定されることになる。このように各サブヒータの目標電力がメインヒータの電力の一定比率で算出されることより、メインヒータと各サブヒータとの電力比率は、設定比率αｓ１・αｓ２とずれが生じず、常に一定に制御される。
また、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１・Ｓ２の各ヒータの抵抗値の劣化は、使用環境や個々のヒータで異なる。このため、従来の加熱制御システムでは、各ゾーンにおけるヒータの抵抗値の径時変化が同じ割合にならず、ＰＩＤ制御におけるＰ値、Ｉ値、Ｄ値等の初期設定した制御調整値が合わなくなる。その結果、温度安定性が悪くなるという問題が生じる。
本加熱制御システムによれば、メインヒータ電源制御系２Ｍ、およびサブヒータ電源制御系２Ｓ１・２Ｓ２にそれぞれ、ＰＩＤ制御を行う温度制御手段（３Ｍ、３Ｓ１、３Ｓ２）が備えられている。それゆえ、メインヒータＭおよびサブヒータＳ１・Ｓ２の各ヒータの抵抗値の経時変化により抵抗値のバランスが変わった場合でも、温度制御手段３Ｍ・３Ｓ１・３Ｓ２について、制御パラメータ（Ｐ値、Ｉ値、Ｄ値）を個別に調整することで、温度制御性を安定に維持して被加熱物の面内温度分布のばらつきを抑えることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の他の形態について、図３に基づいて以下に説明する。図３は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
本発明の実施の他の形態について、図３に基づいて以下に説明する。図３は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
図３に示されるように、本加熱制御システムは、制御器１にメインヒータＭ近傍に設置された熱電対６Ｍの検出温度の値が入力される構成になっている。制御器１は、入力された検出温度の値を、現在温度ＰＶｍとして温度制御手段３Ｍへ出力する。温度制御手段３Ｍは、入力された目標温度ＳＰｍおよび現在温度ＰＶｍを元に、ＰＩＤ演算により、メインヒータ電源４Ｍに出力する制御出力ＭＶｍを算出する。
また、本加熱制御システムでは、目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２は、熱電対６Ｍの検出温度の値（現在温度ＰＶｍ）と比率αｓ１・αｓ２との関係を示すテーブルＴを保持している。目標電力算出手段１Ｓ１は、制御器１に検出温度の値（現在温度）が入力されると、この検出温度の値とテーブルＴとを照合し、現在温度に対応する比率αｓ１を決定する。そして、入力されるメインヒータＭの電力値Ｗｍに比率αｓ１を乗じて、目標電力ＳＰｓ１を算出する。また、目標電力算出手段１Ｓ２は、目標電力算出手段１Ｓ１と同様に、制御器１に検出温度の値（現在温度）が入力されると、この検出温度の値とテーブルＴとを照合し、現在温度に対応する比率αｓ２を決定する。そして、入力されるメインヒータＭの電力値Ｗｍに比率αｓ２を乗じて、目標電力ＳＰｓ２を算出する。
次に、目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２が保持するテーブルＴについて、具体的に説明する。図４は、目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２が保持するテーブルＴを示し、図４（ａ）は、テーブルＴに記憶されている現在温度ＰＶｍと比率αｓ１およびαｓ２との対応関係を示す表であり、図４（ｂ）は、現在温度ＰＶｍと比率αｓ１およびαｓ２との対応関係を示すグラフである。
図４（ａ）（ｂ）に示されるテーブルＴにおいて、例えば現在温度ＰＶｍが３００℃である場合、目標電力算出手段１Ｓ１は、比率αｓ１＝０．１６と決定し、目標電力算出手段１Ｓ２は、比率αｓ２＝０．２３と決定する。そして、この決定された比率αｓ１・αｓ２を電力値Ｗｍに乗じて目標電力ＳＰｓ１・ＳＰｓ２が算出される。すなわち、本加熱制御システムにおいては、メインヒータＭの電力値Ｗｍに対するサブヒータＳ１・Ｓ２の電力値の比率はそれぞれ、現在温度ＰＶｍの関数（αｓ１（ＰＶｍ）、αｓ２（ＰＶｍ）とする）として表わされる。よって、目標電力ＳＰｓ１は、下記式（５）のような、ＰＶｍの関数として定義される。
ＳＰｓ１＝Ｗｍ×αｓ１（ＰＶｍ） （５）
また、目標電力ＳＰｓ２は、目標電力ＳＰｓ１と同様に、下記式（６）のような、ＰＶｍの関数として定義される。
ＳＰｓ２＝Ｗｍ×αｓ２（ＰＶｍ） （６）
このようにメインヒータＭの電力値Ｗｍに対するサブヒータＳ１・Ｓ２の電力値の比率が、現在温度ＰＶｍの関数として表わされるので、熱電対６Ｍの検出温度の温度域に合わせて、サブヒータＳ１・Ｓ２の電力値の比率を調整することが可能になる。それゆえ、本加熱制御システムによれば、熱電対６Ｍで検出される全温度域において、３ゾーンを同じ温度分布に調整することが可能になる。
ＳＰｓ１＝Ｗｍ×αｓ１（ＰＶｍ） （５）
また、目標電力ＳＰｓ２は、目標電力ＳＰｓ１と同様に、下記式（６）のような、ＰＶｍの関数として定義される。
ＳＰｓ２＝Ｗｍ×αｓ２（ＰＶｍ） （６）
このようにメインヒータＭの電力値Ｗｍに対するサブヒータＳ１・Ｓ２の電力値の比率が、現在温度ＰＶｍの関数として表わされるので、熱電対６Ｍの検出温度の温度域に合わせて、サブヒータＳ１・Ｓ２の電力値の比率を調整することが可能になる。それゆえ、本加熱制御システムによれば、熱電対６Ｍで検出される全温度域において、３ゾーンを同じ温度分布に調整することが可能になる。
（実施の形態３）
本発明の実施のさらに他の形態について、図５に基づいて以下に説明する。図５は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
本発明の実施のさらに他の形態について、図５に基づいて以下に説明する。図５は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
図５に示されるように、本加熱制御システムは、温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２内部に目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２を備えた構成になっている。このような温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２としては、例えば山武（株）製のＤＭＣ５０等のようなプログラマブルな調温器を使用することができる。
本加熱制御システムでは、サブヒータ電源制御系２Ｓ１の温度制御手段３Ｓ１に、メインヒータの電力値Ｗｍ、およびサブヒータＳ１へ供給されている現在電力ＰＶｓ１が入力される。目標電力算出手段１Ｓ１は、比率αｓ１を保持している。温度制御手段３Ｓ１にメインヒータＭの電力値Ｗｍが入力されると、目標電力算出手段１Ｓ１は、電力値Ｗｍに比率αｓ１を乗じてサブヒータＳ１の目標電力を算出する。温度制御手段３Ｓ１は、内部の目標電力算出手段１Ｓ１により算出された目標電力、および現在電力ＰＶｓ１を元に、ＰＩＤ演算により、サブヒータ電源４Ｓ１に出力する制御出力ＭＶｓ１を算出する。
このように、本加熱制御システムにおいては、サブヒータＳ１の目標電力は、制御機器１内部でなく、温度制御手段３Ｓ１内部で算出される。それゆえ、サブヒータＳ１の電源制御は、制御機器１を介さずに行われるので、制御機器１の処理時間に依存することなく、サブヒータＳ１の温度制御処理を実行することが可能になる。また、加熱するゾーン数を増やす（サブヒータの数を増やす等）場合には、制御機器１のプログラム変更なしに対応することが可能になる。したがって、本加熱制御システムによれば、温度制御処理時間の短縮が可能になる。
（実施の形態４）
本発明の実施のさらに他の形態について、図６に基づいて以下に説明する。図６は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
本発明の実施のさらに他の形態について、図６に基づいて以下に説明する。図６は、本実施形態の加熱制御システム（以下、本加熱制御システムと記す）の構成を示すブロック図である。
図６に示されるように、本加熱制御システムは、温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２内部に目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２を備え、かつ、メインヒータＭ近傍に設置された熱電対６Ｍの検出温度の値（現在温度ＰＶｍ）が温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２に入力される構成になっている。
温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２内部の目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２は、熱電対６Ｍの検出温度の値（現在温度ＰＶｍ）と比率αｓ１・αｓ２との関係を示すテーブルＴを保持している。目標電力算出手段１Ｓ１は、温度制御手段３Ｓ１に検出温度の値（現在温度）が入力されると、この検出温度の値とテーブルＴとを照合し、現在温度に対応する比率αｓ１を決定する。そして、入力されるメインヒータＭの電力値Ｗｍに比率αｓ１を乗じて、サブヒータＳ１の目標電力を算出する。また、目標電力算出手段１Ｓ２は、目標電力算出手段１Ｓ１と同様に、温度制御手段３Ｓ２に検出温度の値（現在温度）が入力されると、この検出温度の値とテーブルＴとを照合し、現在温度に対応する比率αｓ２を決定する。そして、入力されるメインヒータＭの電力値Ｗｍに比率αｓ２を乗じて、サブヒータＳ２の目標電力を算出する。
温度制御手段３Ｓ１は、内部の目標電力算出手段１Ｓ１により算出された目標電力、および現在電力ＰＶｓ１を元に、ＰＩＤ演算により、サブヒータ電源４Ｓ１に出力する制御出力ＭＶｓ１を算出する。また、温度制御手段３Ｓ２は、内部の目標電力算出手段１Ｓ２により算出された目標電力、および現在電力ＰＶｓ２を元に、ＰＩＤ演算により、サブヒータ電源４Ｓ２に出力する制御出力ＭＶｓ１を算出する。
本加熱制御システムによれば、サブヒータＳ１・Ｓ２の目標電力は、制御機器１内部でなく、温度制御手段３Ｓ１・３Ｓ２内部で算出される。それゆえ、サブヒータＳ１・Ｓ２の電源制御は、制御機器１を介さずに行われるので、制御機器１の処理時間に依存することなく、サブヒータＳ１・Ｓ２の温度制御処理を実行することが可能になる。また、加熱するゾーン数を増やす（サブヒータの数を増やす等）場合には、制御機器１のプログラム変更なしに対応することが可能になる。
さらには、目標電力算出手段１Ｓ１・１Ｓ２は、熱電対６Ｍの検出温度の値（現在温度ＰＶｍ）と比率αｓ１・αｓ２との関係を示すテーブルＴを保持しているので、熱電対６Ｍで検出される全温度域において、３ゾーンを同じ温度分布に調整することが可能になる。
（成膜装置）
上述した本加熱制御システムは、基板に薄膜を成膜させる成膜装置に適用することができる。本加熱制御システムを適用し得る成膜装置は、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ装置が好適である。本加熱制御システムを適用し得るＭＯＣＶＤ装置は、基板をゾーン加熱する従来公知の装置であればよい。
上述した本加熱制御システムは、基板に薄膜を成膜させる成膜装置に適用することができる。本加熱制御システムを適用し得る成膜装置は、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ装置が好適である。本加熱制御システムを適用し得るＭＯＣＶＤ装置は、基板をゾーン加熱する従来公知の装置であればよい。
図８は、本加熱制御システムを適用した成膜装置の一例であるＭＯＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。
ＭＯＣＶＤ装置１００は、図８に示されるように、内部を大気側と隔離して気密状態を保持する成長室としての反応室１１を有する反応炉１０と、反応室１１内に設けられ複数の被処理基板１２を載置する基板保持部材１３と、基板保持部材１３と対向する位置に設けられ、被処理基板１２に向けて複数の原料ガスを供給するガス供給部２０とを備えている。
基板保持部材１３は、回転伝達部材１４の一端に備え付けられており、回転伝達部材１４は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。また、基板保持部材１３の下側には、基板加熱ヒータ１５が設けられている。
ＭＯＣＶＤ装置１００にて被処理基板１２の主表面に薄膜を形成するときは、原料ガスをガス供給部２０から反応室１１へ導入する。このとき基板加熱ヒータ１５により、基板保持部材１３を介して被処理基板１２が加熱され、被処理基板１２上での成膜化学反応が促進されることにより、被処理基板１２上に薄膜が形成される。被処理基板１２上を通過したガスは、ガス排出口１１ａより排出される。また、反応炉１１の上側に設けられたガス供給部２０は、略円筒形状になっている。
また、基板加熱ヒータ１５は、メインヒータＭ、サブヒータＳ１、およびサブヒータＳ２を備えている。メインヒータＭ、サブヒータＳ１、およびサブヒータＳ２はともに、回転伝達部材１４を軸とした同心円形状になっており、回転伝達部材１４から外側へこの順に設けられている。
ＭＯＣＶＤ装置１００においては、被処理基板１２の温度を均一にするためにメインヒータＭ、サブヒータＳ１、およびサブヒータＳ２によりゾーン制御が行われる。このゾーン制御のために、本実施形態の加熱制御システムが適用される。
本発明の加熱制御システムは、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、被加熱物を加熱するメインヒータと複数のサブヒータ、各ヒータに電力を供給するヒータ電源、各ヒータ電源を制御する温度制御手段、複数のヒータへ供給される電流、電圧を検出する電流・電圧検出手段、被加熱物の近傍に位置する温度検出手段、及び、各サブヒータの目標電力を算出する目標電力算出手段を備え、前記メインヒータを前記温度検出手段の温度検出値に基づいて、目標温度に制御するとともに、各サブヒータは、メインヒータへ供給される電流・電圧の検出値と予め定められた比率から目標電力算出手段により算出される目標電力値に、各サブヒータへ供給される電流・電圧値（電力値）を制御することを特徴としていると換言することができる。また、上記の構成において、各サブヒータの目標電力値を算出する比率は、現在温度により可変できることが好ましい。また、上記の構成において、前記温度制御手段は、内部に目標電力算出手段を含むが好ましい。
すなわち、被加熱物を加熱するメインヒータと複数のサブヒータ、各ヒータに電力を供給するヒータ電源、各ヒータ電源を制御する温度制御手段、複数のヒータへ供給される電流、電圧を検出する電流・電圧検出手段、被加熱物の近傍に位置する温度検出手段、及び、各サブヒータの目標電力を算出する目標電力算出手段を備え、前記メインヒータを前記温度検出手段の温度検出値に基づいて、目標温度に制御するとともに、各サブヒータは、メインヒータへ供給される電流・電圧の検出値と予め定められた比率から目標電力算出手段により算出される目標電力値に、各サブヒータへ供給される電流・電圧値（電力値）を制御することを特徴としていると換言することができる。また、上記の構成において、各サブヒータの目標電力値を算出する比率は、現在温度により可変できることが好ましい。また、上記の構成において、前記温度制御手段は、内部に目標電力算出手段を含むが好ましい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、成膜装置などといった、被加熱物を複数のヒータで加熱する装置において、温度制御する場合に利用可能である。
１ 制御機器
１Ｓ１，１Ｓ２ 目標電力算出手段
２Ｍ メインヒータ電源制御系
３Ｍ 温度制御手段（メインヒータ用温度制御手段）
４Ｍ メインヒータ電源
５Ｍ 電流・電圧検出手段（メインヒータ用電力検出手段）
６Ｍ 熱電対（温度検出手段）
２Ｓ１，２Ｓ２ サブヒータ電源制御系
３Ｓ１，３Ｓ２ 温度制御手段（サブヒータ用温度制御手段）
４Ｓ１，４Ｓ２ サブヒータ電源
５Ｓ１，５Ｓ２ 電流・電圧検出手段（サブヒータ用電力検出手段）
ＳＰｍ 目標温度（目標温度の設定値）
ＰＶｍ 現在温度（温度検出値）
Ｗｍ 電力値（第１電力検出値）
ＳＰｓ１，ＳＰｓ２ 目標電力（第２電力の目標値）
ＰＶｓ１，ＰＶｓ２ 現在電力（第２電力検出値）
Ｔ テーブル
１Ｓ１，１Ｓ２ 目標電力算出手段
２Ｍ メインヒータ電源制御系
３Ｍ 温度制御手段（メインヒータ用温度制御手段）
４Ｍ メインヒータ電源
５Ｍ 電流・電圧検出手段（メインヒータ用電力検出手段）
６Ｍ 熱電対（温度検出手段）
２Ｓ１，２Ｓ２ サブヒータ電源制御系
３Ｓ１，３Ｓ２ 温度制御手段（サブヒータ用温度制御手段）
４Ｓ１，４Ｓ２ サブヒータ電源
５Ｓ１，５Ｓ２ 電流・電圧検出手段（サブヒータ用電力検出手段）
ＳＰｍ 目標温度（目標温度の設定値）
ＰＶｍ 現在温度（温度検出値）
Ｗｍ 電力値（第１電力検出値）
ＳＰｓ１，ＳＰｓ２ 目標電力（第２電力の目標値）
ＰＶｓ１，ＰＶｓ２ 現在電力（第２電力検出値）
Ｔ テーブル
Claims (5)
- 被加熱物を加熱するためのメインヒータおよびサブヒータと、
前記メインヒータに電力を供給するメインヒータ電源、および前記サブヒータに電力を供給するサブヒータ電源とを備え、メインヒータは、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御され、サブヒータは、メインヒータに供給される第１電力とサブヒータに供給される第２電力とが所定の比率になるように電力制御される加熱制御システムであって、
被加熱物の温度を検出する温度検出手段と、
メインヒータ用温度制御手段およびサブヒータ用温度制御手段と、
前記第１電力を検出するメインヒータ用電力検出手段、および前記第２電力を検出するサブヒータ用電力検出手段と、
前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出手段とを備え、
前記メインヒータ用温度制御手段は、目標温度の設定値、および前記温度検出手段の温度検出値を入力し、該温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御し、
前記目標電力算出手段は、前記メインヒータ用電力検出手段にて検出される第１電力検出値を入力し、該第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出し、
前記サブヒータ用温度制御手段は、前記第２電力の目標値、およびサブヒータ用電力検出手段にて検出される第２電力検出値を入力し、該第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、第２電力を制御することを特徴とする加熱制御システム。 - 前記目標電力算出手段は、前記温度検出値と前記所定の比率との関係を示すテーブルを保持しており、入力される温度検出値と前記テーブルとを照合して前記所定の比率を決定することを特徴とする請求項１に記載の加熱制御システム。
- 前記目標電力算出手段は、前記サブヒータ用温度制御手段の内部に備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱制御システム。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載の加熱制御システムを備えたことを特徴とする成膜装置。
- メインヒータおよびサブヒータを用いて被加熱物を加熱するときに、メインヒータについて、被加熱物の温度が目標温度になるように温度制御し、サブヒータについて、メインヒータに供給される第１電力およびサブヒータに供給される第２電力が所定の比率になるように電力制御する温度制御方法であって、
被加熱物の温度を検出する温度検出工程と、
前記温度検出工程にて検出された被加熱物の温度検出値が目標温度の設定値に合うように、前記第１電力を制御するメインヒータ温度制御工程と、
メインヒータに供給される第１電力を検出し、検出された第１電力検出値に所定の比率を乗じて前記第２電力の目標値を算出する目標電力算出工程と、
サブヒータに供給される第２電力を検出し、検出された第２電力検出値が前記第２電力の目標値に合うように、前記第２電力を制御するサブヒータ電力制御工程と、を含むことを特徴とする温度制御方法。
Priority Applications (7)
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