JP2001110737A - 光照射式急速加熱処理装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 力率を改善するとともに高調波歪みの影響を
除去することができ、制御遅れなく被加熱物を急速昇温
させることができる光照射式急速加熱処理装置の制御装
置を提供すること。 【解決手段】 ランプ１は、光照射式急速加熱処理装置
のランプ室内に配置され、処理室４内には加熱処理され
るワークが配置されている。ランプ１を配置した領域
は、該領域の中心からの距離に応じた複数のゾーンに分
割され、各ゾーンに少なくとも１以上のランプが設置さ
れ、電力制御ユニット１２は各ゾーンに対応して設けら
れている。制御部１１は、予め記憶された制御パターン
に基づきＰＷＭ信号を生成し各電力制御ユニット１２に
送出する。電力制御ユニット１２はスイッチング素子を
備え、上記ＰＷＭ信号によりスイッチング素子をオン／
オフし各ゾーンに属するランプ１に供給するパワーをそ
れぞれ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成膜、拡散、アニ
ール等の処理を行うため、半導体ウエハ等の被処理物に
赤外線を含む光を照射して被処理物を急速加熱する光照
射式急速加熱処理装置の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の高集積化・微細
化がますます要求され、例えばイオン注入により半導体
ウエハのＳｉ結晶に不純物を打ち込んで拡散させる工程
において、不純物の拡散層を薄くし、浅い接合面を形成
する必要性が大きくなってきている。イオン注入法によ
る不純物拡散では、イオン化した不純物を電界で加速し
てＳｉ結晶に打ち込む注入工程と、注入により結晶が受
けたダメージを回復しつつ結晶内に拡散させるアニール
工程が行われるが、浅い拡散層を形成するためには、急
速熱処理（ＲＴＰ）が必要であり、半導体ウエハの表面
温度を均一に保ちながら高速で昇温させる必要がある。
拡散層の膜厚の要求が例えば０．１３〜０．１５μｍで
あれば、１５０〜２００°Ｃ／秒の昇温速度が必要とな
る。

【０００３】フィラメントランプから放射される赤外線
を含む光を照射して半導体ウエハ等の被加熱物を加熱す
る光照射式急速加熱処理装置は上記急速加熱処理（ＲＴ
Ｐ）に好適であり、被加熱物を例えば数秒で１０００°
Ｃ以上の温度まで昇温させることが可能である。図１７
は上記した光照射式急速加熱処理装置（以下加熱処理装
置と略記する）の断面構成を示す図である。ランプ室２
に複数本のフィラメントランプ１（以下ランプと略記す
る）が配置され、ランプ１の背面にはミラー３が設けら
れている。処理室４内にはワーク保持台５が設けられ、
加熱処理される半導体ウエハ等の被加熱物（以下ワーク
Ｗという）がワーク保持台５の上に載置される。また、
ランプ室２と処理室４の間は例えば石英窓６等により区
画される。

【０００４】図１８に上記ランプ１の構成の一例を示
す。ランプ１は同図に示すように円環状の発光管１ａと
発光管１ａの端部に直角に形成された一対の導入管１ｂ
からなり、発光管１ａ内にコイル状のフィラメント１ｃ
が配置されている。導入管１ｂの端部にはシール部１ｄ
が形成され、フィラメント１ｃの端部にリード線１ｅが
モリブデン箔１ｆを介して接続されている。図１７にお
いては、上記図１８に示す円環状のランプ１を例えば同
心円状に配置しており、上記複数本のランプ１を点灯さ
せることにより、ランプ１から放射される赤外線を含む
光が石英窓６を介して処理室内に配置されたワークＷに
照射される。これにより、ワークＷは急速加熱され、ま
たランプ１を消灯させることによりワークＷは急速に冷
却する。図示しない制御装置は、ワークＷ全体が均一に
加熱されるように各ランプ１に供給される電力量を制御
し、例えばワークＷを数秒で１０００°Ｃ以上の温度ま
で昇温させる。

【０００５】図１９〜図２０は上記したランプの点灯の
制御を行う制御装置の従来の構成例を示す図である。図
１９は全体構成を示し、図２０は各ランプを制御するラ
ンプ点灯制御装置のさらに詳細な構成を示している。図
１９〜図２０において、１００はＣＰＵ等から構成され
る制御部、１０１は温度調節器（以下温調器という）、
１０２はサイリスタユニット、１はランプ、１０３は温
度検出器であり、同図に示すように温調器１０１、サイ
リスタユニット１０２、温度検出器１０３がランプ１に
対応して（もしくは複数本のランプに対応して）それぞ
れ設けられ、温度検出器１０３は、各ランプ１から放射
される光により加熱されるワークＷの温度を検出する。
温度検出器１０３により検出された温度は温調器１０１
にフィードバックされ、温調器１０１は制御部１００か
ら送られてくる温度設定値（アナログ信号もしくはデジ
タル信号）と、温度検出器１０３により検出された温度
の偏差に応じた制御信号（アナログ信号）をサイリスタ
ユニット１０２に送出する。

【０００６】ランプ１に供給される電圧、電流はそれぞ
れサイリスタユニット１０２にフィードバックされ、サ
イリスタユニット１０２は、上記制御信号に基づき、ラ
ンプ１に供給される電力量を制御する。サイリスタユニ
ット１０２は、例えば図２１に示すような構成を備え、
サイリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２のゲート電流を流すタイ
ミングを変化させることにより、ランプ１に入力する電
力を制御する。

【０００７】サイリスタによる電力制御には以下の２つ
の方式、導通角制御とゼロクロス制御があげられる。 (a) 導通角制御 図２１において、サイリスタユニット１０２に交流商用
電源２１から交流を入力する。サイリスタユニット１０
２には第１のサイリスタＳＣＲ１と、第２のサイリスタ
ＳＣＲ２とからなるランプ点灯制御回路２００を設け
る。ランプ点灯制御回路２００のサイリスタＳＣＲ１，
ＳＣＲ２のゲートＧ１，Ｇ２にゲート電流を流すと、サ
イリスタＳＣＲ１，ＳＣＲ２が導通し、サイリスタＳＣ
Ｒ１，ＳＣＲ２に供給される電流が０になるまで、サイ
リスタユニット１０２からランプ１に電流が出力され
る。

【０００８】図２２（ａ）はサイリスタユニット１０２
の入力電圧波形である。図２２（ｂ）はサイリスタＳＣ
Ｒ１，ＳＣＲ２のゲートＧ１，Ｇ２にゲート電流を流す
タイミングの例を示す図であり、は第１のサイリスタ
ＳＣＲ１のゲート電流を、は第２のサイリスタＳＣＲ
２のゲート電流を示す。図２２（ｃ）は同図（ａ）のタ
イミングでゲート電流を流したときの出力電流の波形を
示す。サイリスタユニット１０２からの出力電力は、図
２２（ｃ）の斜線部で示される出力電圧波形と出力電流
波形とを掛け合わせたものとなり、サイリスタＳＣＲ
１，ＳＣＲ２に与えるゲート電流のタイミングを変化さ
せることにより、出力電流波形及び出力電圧波形を変え
ることができ、サイリスタユニットの出力電力すなわち
ランプ入力電力を変えることができる。

【０００９】(b) ゼロクロス制御 制御回路構成は、図２１と同じであり、サイリスタＳＣ
Ｒ１，ＳＣＲ２のゲート電流を流すタイミングを図２３
（ｂ）のようにする。ここで、は第１のサイリスタＳ
ＣＲ１のゲート電流を、は第２のサイリスタＳＣＲ２
のゲート電流を示す。図２３（ｂ）のタイミングでゲー
ト電流を流したときの出力電流及び出力電圧は同図
（ｃ）のようになる。すなわち、同図（ｃ）に示すよう
に、波形が間引かれた電流・電圧を出力することによ
り、ランプ入力電力を変化させることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の制御方式には次のような問題点がある。 （１）制御遅れの問題 光照射式急速加熱処理装置により急速熱処理（ＲＴＰ）
を行うには、前記したように半導体ウエハを、その表面
温度を均一に保ちながら例えば数秒で１０００°Ｃ以上
の温度まで昇温させることが要求される。特に、半導体
ウエハの周辺部分と中心部部分では放熱特性が異なるの
で、半導体ウエハの温度が均一になるように、周辺部分
の加熱量を中心部分の加熱量よりやや大きく保ちながら
急速に昇温させる必要がある。このため、ランプ電力を
制御する制御装置は、各ランプ電力の配分を適切に保ち
ながらランプに供給する電力を高速に制御することが必
要となる。

【００１１】図１９〜図２０に示した制御方式を用いた
場合、上記のような制御を行うには次のような問題があ
った。 温度検出器１０３により検出した温度を温調器１０
１にフィードバックして温度制御を行っているため、温
度検出器１０３による検出遅れなどにより制御遅れが生
じ高速な制御が困難である。 サイリスタユニット１０２の応答が遅いため、ラン
プ電力を高速に制御することができない。また、前記し
た導通角制御を行う場合には、サイリスタ導通時に、立
ち上がりノイズと呼ばれるノイズが発生し、装置の制御
系が誤動作する原因となる場合がある。また、ランプフ
ィラメントに突入電流が流れるので、フィラメントは過
負荷な状態になり、フィラメント切れが発生しやすくな
る。 制御部１００から温調器１０１にデジタルもしくは
アナログの制御信号を送出しているが、デジタル信号を
送出する場合には温調器１０１でアナログ信号に変換す
る必要があり変換遅れが発生する。また、アナログ信号
を送出する場合には、制御部１００でデジタル信号をア
ナログ信号に変換する必要があり同様に変換遅れが生ず
る。

【００１２】（２）高調波歪みの発生 図２２に示した導通角制御を行なう場合を例に取ると、
前記したように、出力側の電力制御を行なう場合、出力
電圧と出力電流は、それぞれ図２４（ａ）（ｂ）のよう
になる。一方、サイリスタユニット１０２の入力電圧の
波形は、図２４（ｃ）のように商用交流電源２１の電圧
波形である。また、入力電流の波形は、図２４（ｄ）の
ように出力電流の波形と同じになる。入力電流がこのよ
うに波形になると次の問題が生じる。図２４（ｄ）の丸
印の波形部分が非線型な部分であり、これにより入力電
流に高調波歪みが発生する。このような高調波歪みは規
制の対象になりつつある。同様の問題は前記図２３に示
したゼロクロス制御においても生じる。図２４（ｅ）の
丸印の部分は波形が非線型であり、高調波歪みが発生す
る。

【００１３】（３）無効電力の発生 図２２において、入力電圧をＶ、入力電流をＩとし、Ｗ
を実効電力、Ｖ×Ｉを皮相電力とすると、入力電圧の波
形と入力電流の波形とが、ともに正弦波で位相差がなけ
れば、次の関係が成り立つ。 Ｖ×Ｉ＝Ｗ ここで、Ｗは出力電力（ランプ入力電力）と考えること
ができる。しかしながら、図２４（ｄ）のように、歪ん
だ波形の場合、無効電力（＝Ｖ×Ｉ−Ｗ）が必ず発生す
る。したがって、図２４（ｄ）のような歪んだ波形にお
いて、ある実効電力Ｗを出力しようとすると、波形が正
弦波のものに比べると、より大きな皮相電力Ｖ×Ｉが必
要になる。同様に、ゼロクロス制御の場合には、図２４
（ｅ）矢印部分が１周期と考えられるので無効電力が生
じる。

【００１４】上記、無効電力に関して言うと、出力電力
を制御したとたん無効電力が発生することになる。この
ことは、実用の装置を製作する場合において大きな問題
になる。即ち、以下の理由により、サイリスタユニット
１０２の出力電力は常に制御されることになるから必ず
無効電力が発生することになり力率が低下する。 実用上、光照射式急速加熱処理装置のような装置に
おいては、例えばランプ点灯装置に商用の２００Ｖを入
力する場合、１０％の電圧変動を考慮し、使用するラン
プは入力電圧よりも約１０％小さい定格の例えば１８０
Ｖ定格のものを用い、装置に余裕を持たせるのが常識で
ある。したがって、ランプを定格で点灯する場合におい
ても、ランプ点灯装置の出力は制御されることになる。 さらに、光照射式加熱処理装置では、複数本のラン
プに供給する電力を制御するが、使用するランプによっ
て、定格が異なる（フィラメントの長さが異なる）場合
がある。この場合も、常に出力電力を制御することにな
る。

【００１５】特に、光照射式急速加熱処理装置を前記し
た急速加熱処理（ＲＴＰ）に適用する場合には、ワーク
の温度を数秒で約１０００°Ｃまで急速昇温させる必要
があり、ランプ１に供給する電力量は全体で数十ｋＷ〜
２００ｋＷという極めて大きな値となり、入力電流も非
常に大きな値となる。このため無効電力の発生を極力小
さくして効率を向上させ、入力電流を減少させて省エネ
ルギー化を図る必要がある。本発明は上記した事情に鑑
みなされたものであって、本発明の目的は、表面温度を
均一に保ちながら制御遅れなく被加熱物を急速昇温させ
ることができ、また、力率を低下させることなく、さら
に高調波歪みが発生することない光照射式急速加熱処理
装置の制御装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明においては上記課
題を次のようにして解決する。 （１）複数のフィラメントランプを有し、該フィラメン
トランプから放射される赤外線を含む光を被処理物に照
射することにより、被処理物を急速加熱する光照射式急
速加熱処理装置の制御装置において、上記複数のフィラ
メントランプを配置した領域を、該領域の中心からの距
離に応じた複数のゾーンに分割し、各ゾーンに少なくと
も１以上のフィラメントランプを設置する。そして、上
記制御装置を、上記ゾーンに対応してそれぞれ設けられ
交流電源から供給される交流正弦波もしくはその全波整
流波をスイッチングするスイッチング素子を具備した複
数のランプ電力制御ユニットと、制御部とから構成す
る。該制御部は、上記複数のランプ電力制御ユニットの
それぞれのスイッチング素子のオン／オフ信号のデュー
ティを変化させ、上記各ゾーンに属するフィラメントラ
ンプに供給される電力をそれぞれ制御する。 （２）上記（１）において、被処理物の放熱特性と各ゾ
ーンに属するフィラメントランプの相互干渉を考慮し
て、各ゾーンのスイッチング素子のオン／オフ信号のデ
ューティ比の時間的変化パターンを求めて、該時間的変
化パターンを上記制御部に予め記憶させておき、制御部
は該時間的変化パターンを読み出して、各ゾーンに属す
るフィラメントランプに供給される電力をそれぞれ制御
する。 （３）上記（１）（２）において、交流電源の位相を検
出する位相検出手段を設け、上記制御部が、上記位相検
出手段により検出された交流電源のゼロクロス点で、各
ゾーンのスイッチング素子のオン／オフ信号のデューテ
ィ比を変更する。 （４）上記（１）（２）において、前記交流電源の位相
を検出する位相検出手段を設け、上記ランプ電力制御ユ
ニットが、上記位相検出手段により検出された交流電源
の位相信号に同期して、交流電源から供給される交流正
弦波をスイッチングする。

【００１７】本発明の請求項１の発明においては、上記
（１）のように構成したので、制御遅れなく被処理物の
温度を制御することができる。また、電力制御ユニット
のそれぞれのスイッチング素子のオン／オフ信号のデュ
ーティを変化させ、各ゾーンに属するフィラメントラン
プに供給される電力をそれぞれ制御しているので、高調
波を減少させ力率の改善を図ることができ、効率を向上
させることができる。本発明の請求項２の発明において
は、上記（２）のように構成したので、高速な制御が可
能になるとともに、被処理物の温度を均一に制御するこ
とが可能となる。本発明の請求項３，４の発明において
は、上記（３）（４）のように構成したので、高調波を
一層低減化し、力率を改善することができ、効率を向上
させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例の光照射式
急速加熱処理装置用制御装置の概略構成を示す図であ
る。同図において、１１はＣＰＵ等から構成される制御
部、１２はランプ１に供給する電力を制御するランプ電
力制御ユニット（以下電力制御ユニットと略記する）で
あり、制御部１１から出力されるＰＷＭ信号が各電力制
御ユニット１２に与えられる。電力制御ユニット１２に
はスイッチング素子が設けられており、上記制御部１１
が出力するＰＷＭ信号によりスイッチング素子のオン時
間とオフ時間の比率（以下デューティという）を変化さ
せ、ランプ１に供給する電力を制御する。

【００１９】ランプ１は、前記図１７に示したようにラ
ンプ室２内に配置され、処理室４内にはワーク保持台５
が設けられ、加熱処理されるワークＷがワーク保持台５
の上に載置される。また、ランプ１を配置した領域は、
該領域の中心からの距離に応じた複数のゾーンに分割さ
れ、各ゾーンに少なくとも１以上のランプが設置されて
いる。電力制御ユニット１２は各ゾーンに対応して設け
られており、各電力制御ユニット１２により各ゾーンに
属するランプ１に供給するパワーをそれぞれ制御する。

【００２０】図２，図４，図５はランプの配置例を示す
図である。図２は、図３に示すように半円状のランプ
１，１’を２本合わせて円環状に形成し、これらを同心
円に配置した場合を示している。ランプ１，１’は図３
に示すように、発光管１ａと発光管１ａの端部に直角に
形成された一対の導入管１ｂからなる半円状のランプ
１，１’を２本合わせて、円環状としたものであり、発
光管１ａ内にコイル状のフィラメント１ｃが配置され、
導入管１ｂの端部にはシール部１ｄが形成され、フィラ
メント１ｃの端部にリード線１ｅがモリブデン箔１ｆを
介して接続されている。これらのランプを配置した領域
は、図２に示すように同心円状のゾーン１〜４に分けら
れており、前記電力制御ユニット１２は、上記ゾーン毎
に設けられ、各ゾーンに属する１ないし複数本のランプ
に供給される電力を制御する。なお、図２、図３では半
円状のランプ１，１’を２本合わせて円環状に形成した
場合について示しているが、前記図１８に示した円環状
のランプを同心円状に配置したものを使用することもで
きる。

【００２１】図４は、加熱処理を行うワークの形状が例
えば４角形である場合に対応して、直線状のランプ１、
直角状に曲げられたランプ１’を組み合わせて、ランプ
を矩形状に配置した場合を示しており、この場合もラン
プ１，１’を配置した領域は、同図に示すように領域の
中心からの距離に応じた複数のゾーン１〜５に分けら
れ、電力制御ユニット１２は、上記ゾーン毎に設けら
れ、各ゾーンに属する１ないし複数本のランプに供給さ
れる電力を制御する。図５（ａ）は、シール部が１ケ所
のシングルエンドと呼ばれる図５（ｂ）に示すランプ１
を用いた場合を示しており、各ランプ１には例えば図５
（ｂ）に示すように碗状のミラー３が取り付けられ、各
ランプが図５（ａ）に示すように同心円状に配置され
る。この場合もランプ１，１’を配置した領域は、同図
に示すように領域の中心からの距離に応じた複数のゾー
ン１〜ｎに分割されている。

【００２２】図６は、図１に示した制御部１１の具体的
構成例を示す図である。同図において、１１は制御部で
あり、制御部１１はＣＰＵ１３とＰＷＭ制御回路１４か
ら構成されており、ＣＰＵ１３とＰＷＭ制御回路１４は
バス１５を介して接続されている。ＰＷＭ制御回路１４
には各電力制御ユニット１２に対応したチャンネルＣＨ
１〜ＣＨ４のＰＷＭカウンタ１４ｃが設けられており、
各ＰＷＭカウンタ１４ｃから出力されるＰＷＭ信号によ
り各電力制御ユニット１２は各ゾーンに属するランプの
パワーを制御する（この例ではゾーンが４の場合を示し
ている）。また、位相検出回路１６が設けられており、
位相検出回路１６により電源２１の電圧位相を検出す
る。

【００２３】図７は位相検出回路１６の構成例を示す図
であり、位相検出回路１６は同図に示すように例えばフ
ォトカプラＰｈ１，Ｐｈ２と抵抗Ｒ１〜Ｒ３、シュミッ
トトリガインバータＩＮＶから構成される。そして、電
源１７の電圧が正位相になるとフォトカプラＰｈ１が導
通し、また負位相になるとフォトカプラＰｈ２が導通す
る。このため、シュミットトリガインバータＩＮＶの入
力は電源電圧が正位相のときハイレベル、負位相のとき
ローレベルとなり、シュミットトリガインバータＩＮＶ
の出力には電源位相に応じてハイレベル、ローレベルの
出力が発生する。すなわち、電源電圧のゼロクロス点で
位相検出回路１６の出力はハイレベル→ローレベルもし
くはローレベル→ハイレベルに変化する。

【００２４】図６に戻り、制御部１１のＣＰＵ１３に
は、後述するように予め各ゾーンに属するランプ１に供
給するパワーの時間的変化パターン等が記憶されてお
り、加熱処理が開始されるとＣＰＵ１３は各ゾーンの属
するランプに供給するパワーに対応したデジタルデータ
をアドレス信号と共に出力する。上記アドレス信号はア
ドレスデコーダ１４ｂによりデコードされ、そのデコー
ド結果に応じて、ＣＰＵ１３が出力するデジタルデータ
は、ＰＷＭ制御回路１４に設けられたレジスタ１４ａの
上記アドレス信号に対応した領域にセットされる。

【００２５】一方、位相検出回路１６の出力はエッジ検
出同期回路１４ｆに入力され、エッジ検出同期回路１４
ｆは位相検出回路１６が出力する位相信号の立ち上が
り、立ち下がりエッジ（電源電圧のゼロクロス点）を検
出する。そして、電源電圧のゼロクロス点で、エッジ検
出同期回路１４ｆはＰＷＭデータセット信号を出力す
る。上記ＰＷＭデータセット信号が出力されると、前記
レジスタ１４ａの各領域にセットされていたデジタルデ
ータが各ＰＷＭカウンタ１４ｃに転送されプリセットさ
れる。なお、デジタルデータを高速に転送するため、レ
ジスタ１４ａとＰＷＭカウンタ１４ｃ間は例えば１２ビ
ットの並列転送ラインで接続されている。また、発振器
１４ｄが出力するクロックパルスが分周器１４ｅにより
分周され、ＰＷＭカウンタスタート信号としてＰＷＭカ
ウンタ１４ｃに与えられる。ＰＷＭカウンタ１４ｃに上
記ＰＷＭカウンタスタート信号が入力されると、ＰＷＭ
カウンタ１４ｃは図示しないクロック信号のカウントを
開始し、カウント値が前記プリセット値に達するとゼロ
リセットされる。そして、次のＰＷＭカウンタスタート
信号が入力されると再びカウントを開始し、以下同様の
動作を繰り返す。

【００２６】ＰＷＭカウンタ１４ｃがカウントをしてい
る期間、ＰＷＭカウンタ１４ｃはハイレベルの出力を発
生する。このため、ＰＷＭカウンタ１４ｃから、前記Ｐ
ＷＭデータセット信号によりセットされたプリセット値
に応じた時間幅のパルス信号が、分周器１４ｅが出力す
るＰＷＭカウンタスタート信号の周期で繰り返し出力さ
れ、この信号は各電力制御ユニット１２に与えられる。
図８はＰＷＭ制御回路１４の出力信号を示す図であり、
同図に示すように、ＰＷＭ制御回路１４は、例えば２０
ｋＨｚの繰り返し周期（ＰＷＭカウンタスタート信号の
周期）で前記レジスタ１４ａにセットされたデジタルデ
ータに応じたデューティのパルス信号を出力する。ここ
で、前記したようにＰＷＭデータセット信号は電源電圧
のゼロクロス点で出力されるので、電源電圧の半周期の
間はＰＷＭカウンタ１４ｃが出力するＰＷＭ信号のデュ
ーティは変化しない。このため、各電力制御ユニット１
２に流入する電流値は各半周期において略正弦波状に変
化する。これにより、高調波歪みを低減化させることが
でき、力率の低下を防ぐことができる。

【００２７】図９は、ワークＷを急速加熱する際の昇温
パターンと電力制御ユニット１２に与えられるデューテ
ィ信号の一例を示す図である。ワークＷを急速加熱する
際には、同図（ａ）に示すように、まずワークＷを同図
Ａ点まで上昇させた後、所定時間その温度に保つ。この
ためＰＷＭ制御回路１４は同図（ｂ）に示すようにＡ点
までは比較的デューティの大きなＰＷＭ信号を出力し、
Ａ点に達するとＰＷＭ信号のデューティを小さくする。
同図（ａ）のＢ点に達すると再びワークＷの温度を上昇
させる。このためＰＷＭ制御回路１４が出力するＰＷＭ
信号のデューティは同図（ｃ）に示すように大きくな
る。ワークＷの温度が再び上昇しＣ点に達すると所定時
間その温度に保つ。このためＰＷＭ制御回路１４が出力
するＰＷＭ信号のデューティは、Ｃ点で同図（ｄ）に示
すように小さくなる。ワークＷの温度を所定時間一定に
保ったのち、Ｄ点に達するとワークＷの温度を低下させ
る。ＰＷＭ制御回路１４が出力するＰＷＭ信号のデュー
ティは、同図（ｅ）に示すようにＤ点で０となりランプ
は消灯する。

【００２８】図９では、電力制御ユニット１２に供給す
るＰＷＭ信号の典型例を示したが、ワークＷは端面から
放熱し、またランプ１からの光は相互に干渉する。した
がって、これらを考慮して各ゾーンに属するランプに供
給するパワーを配分する必要がある。すなわち、複数の
ランプ１からワークＷに光が照射されるため図１０
（ａ）に示すように光が相互に干渉する（同図のハッチ
ング部分）。このため、各ランプから放出される光量を
等しくしたのではワークＷの表面を必ずしも一定の温度
にすることはできない。また、ワークＷは端面から放熱
するため、ワークＷの放熱特性は同図（ｂ）に示すよう
になる。したがって、ワークＷの温度を一定にするには
その分だけ周辺部のランプのパワーを大きくする必要が
ある。しかし、周辺部のランプパワーを大きくするとそ
の内側のワーク表面の温度が上昇するので、その部分の
ランプパワーはやや低下させる必要がある。

【００２９】以上のことから、ランプ１に供給する電力
比を、例えば図１０（ｃ）のようにすることにより、ワ
ークＷの表面温度を図１０（ｄ）に示すように略一定の
温度とすることができる。上記した各ランプに供給する
パワーの時間的変化パターン、各ゾーンのランプのパワ
ー配分等は、実験あるいは理論式等により求めることが
でき、予め実験、理論式等によりワークＷの加熱処理量
に応じた各ゾーンに属するランプに供給する電力量を定
める。そして、ＣＰＵ１３の図示しない記憶部に対応す
る制御信号を記憶させておき、設定電力が入力されると
ＣＰＵ１３はそれに対応した制御信号を読み出して、前
記したＰＷＭ制御回路１４に出力する。

【００３０】本実施例においては、以上のようにＣＰＵ
１３に予め記憶されたデジタルデータをバス１５を介し
てＰＷＭ制御回路１４に送出し、ＰＷＭ制御回路１４に
おいてＰＷＭ信号を生成して各電力制御ユニットに送出
しているので、前記した従来例のようにフィードバック
遅れによる制御遅れが発生することがなく、また、デジ
タルデータをアナログ信号に変換する際の変換遅れ等が
発生することがない。このため、高速な制御が可能とな
る。

【００３１】次に上記電力制御ユニットについて説明す
る。図１１は図１、図６に示したランプ電力制御ユニッ
ト１２の構成例を示す図である。同図において、２１は
交流電源、２２はランプ点灯制御回路（以下点灯制御回
路と略記する）である。点灯制御回路２２のスイッチン
グ素子はゲート信号発生回路２２ａから与えられるゲー
ト信号により制御され、交流電源２１から供給される交
流入力を制御して、ランプ１に電力を供給する。ゲート
信号発生回路２２ａは、前記したＰＷＭ制御回路１４の
出力に基づき、スイッチング信号を発生し、各点灯制御
回路２２のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせる。

【００３２】すなわち、図１２（ａ）に示す入力電圧
（電流）を同図（ｂ）に示すスイッチング信号でＯＮ／
０ＦＦし、同図（ｃ）に示す出力電流を得る。なお、同
図は、デューテイが略５０％の場合を示しており、負荷
に並列に転流用のスイッチング回路を設けるとともに、
ランプ１に直列にインダクタンスを設け、入力側に直列
に接続されたスイッチング回路がオフになったとき、上
記転流用のスイッチング回路をオンにして、出力電流を
上記転流回路を介して継続的に流すように構成した場合
を示している。同図（ｃ）に示す波形でもスイッチング
信号の周波数を高くすれば、正弦波に近い波形を得るこ
とができるが、同図（ｃ）に示す出力電流を更にフィル
タリングすることにより、同図（ｄ）に示す正弦波出力
を得ることができる。また、入力電流もローパスフィル
タを通すことにより正弦波とすることができる。

【００３３】次に、図１１に示した点灯制御回路の動作
について説明する。図１３は図１１に示した本実施例の
点灯制御回路の構成を示す図であり、同図は、図１１に
示した点灯制御回路２２の一つを抜き出して示したもの
である。同図において、２２は点灯制御回路、２１は交
流電源、Ｔｒ１〜Ｔｒ４はスイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ
４はダイオード、Ｃ１はコンデンサ、Ｌ１はインダクタ
ンス、１はランプである。スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔ
ｒ４は図１１に示したゲート信号発生回路２２ａが発生
するゲート信号により前記図１２に示したように所定の
駆動周波数でＯＮ／ＯＦＦする。この駆動周波数は所定
の高周波、例えば前記したように２０ｋＨｚ程度に選定
される。この周波数は低くしすぎると出力側に設けたコ
ンデンサＣ１の容量が大きくなり、また音を発するよう
になる。一方、高くしすぎるとスイッチング素子におけ
る効率が悪化するので、両者の間の領域で適宜設定すれ
ば良い。

【００３４】図１３において、点灯制御回路２２は次の
ように動作する。点灯制御回路２２に交流電源２１から
商用交流電源を供給する。入力電流は図１３のＡ方向に
流れる場合と、Ｂ方向に流れる場合とがある。それぞれ
の場合に図１４に示すように各スイッチング素子を制御
する。 （１）入力電流がＡ方向に流れる場合 第１および第３のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３
をＯＮ、スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４はＯＦＦとす
る。出力電流は、第１のスイッチング素子Ｔｒ１→イン
ダクタンスＬ１→ランプ４→第４のダイオードＤ４と流
れる。 第３のスイッチング素子をＯＮにしたまま、第１の
スイッチング素子Ｔｒ１をＯＦＦとし、ほかのスイッチ
ング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４はＯＦＦのままとする。インダ
クタンスＬ１に残留する電流が、インダクタンスＬ１→
ランプ４→第３のスイッチング素子Ｔｒ３→第２のダイ
オードＤ２→インダクタンスＬ１と流れる。 上記
の組み合わせのスイッチングを繰り返す。

【００３５】（２）入力電流がＢ方向に流れる場合 第２および第４のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４
をＯＮ、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３はＯＦＦとす
る。出力電流は、第４のスイッチング素子Ｔｒ４→ラン
プ４→インダクタンスＬ１→第１のダイオードＤ１と流
れる。 第２のスイッチング素子Ｔｒ２をＯＮにしたまま、
第４のスイッチング素子Ｔｒ４をＯＦＦとし、スイッチ
ング素子Ｔｒ１，ＴＲ３はＯＦＦのままとする。インダ
クタンスＬ１に残留する電流が、インダクタンスＬ１→
第２のスイッチング素子Ｔｒ２→第３のダイオードＤ３
→ランプ４ーインダクタンスＬ１と流れる。 上記の組み合わせのスイッチングを繰り返す。

【００３６】上記のように制御することにより、点灯制
御回路２２の各部の波形は前記図１２に示したようにな
る。なお、ここでは、点灯制御回路２２には、５０Ｈｚ
の商用交流電源が入力され、スイッチング素子Ｔｒ１〜
Ｔｒ４のスイッチング周波数は２０ｋＨｚであるとす
る。入力電圧の波形は、前記図１２（ａ）に示した波形
であり、スイッチングを約５０％のデューティで行なっ
た場合、スイッチング信号は前記図１２（ｂ）に示した
ようになる。ここで、同図中は回路が上記（１）の
動作をしているとき、は（１）の動作をしていると
きを示す。も同様に、回路が（２）の動作をし
ているときである。上記スイッチングを行うことによ
り、点灯制御回路２２の出力電流波形は、前記図１２
（ｃ）のようになる。

【００３７】すなわち、図１２（ｂ）の時は、交流商
用電源からの電流がそのまま出力され、ランプの電流値
は徐々に増加する。また、図１２（ｂ）に移ると出力
側は交流商用電源から切り離されることになるが、イン
ダクタンスＬ１に電流が残っているためにランプ４に流
れる電流が徐々に小さくなる。残留する電流が０になる
前に再び上記となるようにすれば、出力電流は再び増
加する。これはについても同様である。なお、図１
２（ｃ）では説明のため凹凸を極端に示しているが、実
際には例えば２０ｋＨｚでスイッチングを行なうと、凹
凸はきわめて小さくなり、出力波形は出力側にフィルタ
回路を設けなくとも略正弦波となる。必要であれば、例
えば出力側に設けたコンデンサＣ１により平坦化すれ
ば、図１２（ｄ）に示すようによりきれいな正弦波とな
る。

【００３８】ここで、デューティーが１のときは、の
みでありランプヘの入力波形はランプ点灯装置に入力さ
れる波形と同じになり、一方、デューティーが０のとき
は、のみでランプヘの入力０となる。したがって、ス
イッチングのデューティを０から１の間で変えることに
より、０≦〔出力電流のピーク値Ｉｐ’〕≦〔入力電流
のピーク値Ｉｐ〕の範囲でピーク値が可変の正弦波であ
る波形の出力電流を得ることができる。すなわち、ラン
プ４に対し連続的に変化可能な電流を与えることができ
る。一方、点灯制御回路２２への入力電流の波形は、ス
イッチング素子のデューティによってＯＮ／ＯＦＦが繰
り返されているので、前記図１２（ａ）のようになり
（同図中の斜線部分参照）、入力電流は高調波歪みの大
きな波形となる。そこで、点灯制御回路２２の入力側に
図１１に示すようにインダクタンスＬ２とコンデンサＣ
２を設ける。これにより、入力電流を平滑化し高調波歪
みを低減化することができる。ここで、インダクタンス
Ｌ２については、特定の素子を設けず配線のインダクタ
ンスを利用することもできる。なお、本出願人が先に提
案したように（特願平１０−２７３３４２号参照）、各
点灯制御回路２２のスイッチング素子を時間差を設けて
順番に動作させても、同様に入力電流の高調波歪みを低
減化し力率を改善することができる。

【００３９】以上のように、入力電圧（電流）をスイッ
チング回路によりチョッピングし、出力電圧（電流）を
制御することにより、出力電流・出力電圧・入力電流の
波形を略正弦波にすることができ、高調波歪みを低減化
することができる。また、無効電力を発生させることな
く、入力の力率を改善してランプに大きな突入電流を流
さず、かつ、応答速度が迅速で連続的に制御を行うこと
ができる。すなわち、前記したように位相検出手段を設
けて、電源位相を検出し、電源位相に同期したＰＷＭ信
号を発生させ、電源位相に同期させてスイッチング素子
を動作させているので無効電力を発生させることなく入
力の力率を改善し、高調波歪みを低減することができ
る。すなわち、交流電源から供給される交流正弦波が正
位相の半周期であるか負位相の半周期であるかを検出す
ることで、電力制御ユニットはそれに応じて所定のスイ
ッチング素子を駆動することができる。さらに、ＰＷＭ
信号のデューティを変更させるときは、点灯制御回路の
スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号のデューティ比
を、交流電源のゼロクロス点で変更するようにしている
ので、入力電流波形が略正弦波状になり高調波歪みの発
生を防止することができる。このため、無効電力の発生
を抑えることができ、入力電流を減少させることができ
るとともに、高調波歪みを減少させることが可能とな
る。

【００４０】図１５はランプ電力制御ユニットの他の構
成例を示す図である。図１５において、２２はランプ点
灯制御回路（以下点灯制御回路と略記する）、２１は交
流電源、２３は全波整流回路、Ｔｒ１０はスイッチング
素子、Ｄ１０はダイオード、Ｌ１はインダクタンス、Ｃ
１はコンデンサ、１はランプ、２２ａはゲート信号発生
回路である。同図に示すスイッチング素子Ｔｒ１０はゲ
ート信号発生回路２２ａが発生するゲート信号により所
定の駆動周波数でＯＮ／ＯＦＦする。この駆動周波数
は、前記した図１１と同様、所定の高周波、例えば２０
ｋＨｚ程度に選定される。

【００４１】図１５において、点灯制御回路は次のよう
に動作する。図１６は図１５に示す点灯制御回路２２の
各部の波形を示す図であり、同図により本実施例の点灯
制御回路の動作を説明する。点灯制御回路２２に交流電
源２１から商用交流電源を供給する。入力電圧は全波整
流回路２３により全波整流され、スイッチング素子Ｔｒ
１０には図１６（ａ）に示す全波整流電圧が供給され
る。 ゲート信号発生回路２２ａからスイッチング素子Ｔ
ｒ１０にオン信号が供給され、スイッチング素子Ｔｒ１
０がオンになると、出力電流は、全波整流回路２３→ス
イッチング素子Ｔｒ１０→インダクタンスＬ１→ランプ
１→全波整流回路２３と流れる。 次いで、スイッチング素子Ｔｒ１０がオフになる
と、インダクタンスＬ１に残留する電流が、インダクタ
ンスＬ１→ランプ１→ダイオードＤ１０→インダクタン
スＬ１と流れる。 上記の組み合わせのスイッチングを繰り返す。

【００４２】上記のように制御することにより、点灯制
御回路２２の各部の波形は図１６に示したようになる。
なお、ここでは、点灯制御回路には、５０Ｈｚの商用交
流電源が入力され、スイッチング素子Ｔｒ１０のスイッ
チング周波数は２０ｋＨｚであるとする。入力電圧の波
形は、図１６（ａ）に示した波形であり、スイッチング
を約５０％のデューティで行なった場合、点灯制御回路
の出力電流波形は、前記図１６（ｂ）のようになる。す
なわち、スイッチング素子Ｔｒ１０がオンになったとき
は、交流商用電源からの電流がそのまま出力され、ラン
プ１の電流値は徐々に増加する。また、スイッチング素
子Ｔｒ１０がオフになると、出力側は全波整流回路２３
から切り離されることになるが、インダクタンスＬ１に
電流が残っているためにランプ１に流れる電流が徐々に
小さくなる。残留する電流が０になる前に再びスイッチ
ング素子Ｔｒ１０をオンにすれば、出力電流は再び増加
する。

【００４３】なお、図１６（ｂ）では説明のため凹凸を
極端に示しているが、実際には例えば２０ｋＨｚでスイ
ッチングを行なうと、第１の実施例と同様凹凸はきわめ
て小さくなり、出力波形は出力側にフィルタ回路を設け
なくとも略正弦波となる。必要であれば、例えば出力側
に設けたコンデンサＣ１により平坦化すれば、図１６
（ｄ）に示すようによりきれいな正弦波となる。したが
って、スイッチング素子Ｔｒ１０のスイッチングのデュ
ーティを０から１の間で変えることにより、前記したよ
うにピーク値が可変の全波整流波形の出力電流を得るこ
とができる。すなわち、ランプ１に対し連続的に変化可
能な電流を与えることができる。

【００４４】一方、点灯制御回路２２への入力電流の波
形は、スイッチング素子Ｔｒ１０のデューティによって
ＯＮ／ＯＦＦが繰り返されているので、前記図１６
（ｃ）のようになり、点灯制御回路の入力電流は、高調
波歪みの大きな波形となる。そこで、この場合にも、前
記したように点灯制御回路２２の入力側に図１５に示す
ようにインダクタンスＬ２とコンデンサＣ２を設ける。
これにより、入力電流を平滑化し高調波歪みを低減化す
ることができる。ここで、インダクタンスＬ２について
は、特定の素子を設けず配線のインダクタンスを利用す
ることもできる。なお、前記したように各点灯制御回路
２２のスイッチング素子を時間差を設けて順番に動作さ
せ、入力側の高調波歪みを小さくすることもできる。

【００４５】図１５に示す点灯制御回路を用いることに
より、前記図１１に示したものと同様な効果を得ること
ができる。また、１個のスイッチング素子で点灯制御装
置を構成することができ、回路構成を簡単にすることが
でき、さらに、交流入力の半サイクル毎にランプへの出
力電流が略０に近い値まで低下するので、交流点灯の場
合と同様に、ランプのフィラメント切れが発生したとし
ても直流で点灯させた場合のように切れたフィラメント
間でアークが持続することもない。ＰＷＭ信号のデュー
ティを変化させるときは、交流電源のゼロクロス点にお
いて、電力制御ユニットのスイッチング素子を駆動する
ＰＷＭ信号のデューティ比を変更しているので、電力制
御ユニット１２の入力電流波形が略全波整流波形とな
り、交流電源の入力電流は略交流正弦波であり、高調波
歪みの発生を防止できる。また、無効電力の発生を抑え
て入力の力率を改善することもできる。なお、本実施例
においては、常に同一位相である全波整流波形に対し
て、電力制御ユニットのスイッチング素子がオン／オフ
駆動するので、交流電源からの交流正弦波が正位相であ
るか負位相であるかを検知する必要はない。なお、以上
の説明では、ワークＷの温度を検出する温度検出素子を
設けず、ＣＰＵ１３に予め記憶された制御信号（ＰＷＭ
信号の時間的変化パターン）のみに基づきランプに供給
するパワーを制御する場合について説明したが、ワーク
Ｗの温度を検出する温度検出素子を設け、該温度検出素
子で検出されたワークＷの温度をＣＰＵ１３に取り込ん
で、ワークＷが所定の温度まで上昇したか等の確認を行
うようにしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
以下の効果を得ることができる。 （１）複数のフィラメントランプを配置した領域を、該
領域の中心からの距離に応じた複数のゾーンに分割し、
各ゾーンに少なくとも１以上のフィラメントランプを設
置し、該フィラメントランプに供給する電力を制御する
制御装置を、上記ゾーンに対応してそれぞれ設けられ交
流電源から供給される交流正弦波もしくはその全波整流
波をスイッチングするスイッチング素子を具備した複数
のランプ電力制御ユニットと、上記複数のランプ電力制
御ユニットのそれぞれのスイッチング素子のオン／オフ
信号のデューティを変化させ、上記各ゾーンに属するフ
ィラメントランプに供給される電力をそれぞれ制御する
制御部とから構成したので、制御遅れなく被処理物の温
度を制御することができる。また、高調波を減少させ力
率の改善を図ることができ、効率を向上させることがで
きる。 （２）被処理物の放熱特性と各ゾーンに属するフィラメ
ントランプの相互干渉を考慮して、各ゾーンのスイッチ
ング素子のオン／オフ信号のデューティ比の時間的変化
パターンを求めて、該時間的変化パターンを上記制御部
に予め記憶させておき、制御部が該時間的変化パターン
を読み出して、各ゾーンに属するフィラメントランプに
供給される電力をそれぞれ制御するようにしたので、高
速な制御が可能になるとともに、被処理物の温度を均一
に制御することができる。 （３）交流電源の位相を検出する位相検出手段を設け、
上記制御部が、上記位相検出手段により検出された交流
電源のゼロクロス点で、各ゾーンのスイッチング素子の
オン／オフ信号のデューティ比を変更するようにしたの
で、高調波を一層低減化し、力率を改善することができ
る。 （４）交流電源の位相を検出する位相検出手段を設け、
上記ランプ電力制御ユニットが、上記位相検出手段によ
り検出された交流電源の位相信号に同期して、交流電源
から供給される交流正弦波をスイッチングするようにし
たので、高調波を低減化し力率を改善することができ、
入力電流を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の概略構成を示す図である。

【図２】ランプの配置例（１）を示す図である。

【図３】半円状のランプを２本合わせて円環状としたラ
ンプの構成例を示す図である。

【図４】ランプの配置例（２）を示す図である。

【図５】ランプの配置例（３）を示す図である。

【図６】制御部の具体的構成例を示す図である。

【図７】位相検出回路の構成例を示す図である。

【図８】ＰＷＭ制御回路から出力されるＰＷＭ信号を示
す図である。

【図９】昇温パターンとデューティ信号の一例を示す図
である。

【図１０】ランプから放出される光の相互干渉、ワーク
の放熱特性、ランプに供給する電力比を説明する図であ
る。

【図１１】ランプ電力制御ユニットの構成例を示す図で
ある。

【図１２】図１１に示すランプ電力制御ユニットの各部
の波形を示す図である。

【図１３】図１１におけるランプ点灯制御回路の構成を
示す図である。

【図１４】各スイッチング素子を駆動するゲート信号を
説明する図である。

【図１５】ランプ電力制御ユニットの他の構成例を示す
図である。

【図１６】図１５に示すランプ電力制御ユニットの各部
の波形を示す図である。

【図１７】光照射式急速加熱処理装置の断面構成を示す
図である。

【図１８】円環状に形成されたランプの一例を示す図で
ある。

【図１９】ランプの点灯の制御を行う制御装置の従来の
構成例を示す図である。

【図２０】図１９におけるランプ点灯制御装置の詳細構
成を示す図である。

【図２１】図１９、図２０に示すサイリスタユニットの
構成を示す図である。

【図２２】サイリスタの導通角制御を行った場合の各部
の波形を示す図である。

【図２３】サイリスタのゼロクロス制御を行った場合の
各部の波形を示す図である。

【図２４】導通角制御、ゼロクロス制御を行った場合の
入力、出力電流、電圧波形を示す図である。

【符号の説明】

１ フィラメントランプ ２ ランプ室 ３ ミラー ４ 処理室 ５ ワーク保持台 １１ 制御部 １２ ランプ電力制御ユニット １３ ＣＰＵ １４ ＰＷＭ制御回路 １４ａ レジスタ １４ｂ アドレスデコーダ １４ｃ ＰＷＭカウンタ １４ｄ 発振器 １４ｅ 分周器 １４ｆ エッジ検出同期回路 １５ バス １６ 位相検出回路 ２１ 交流電源 ２２ ランプ点灯制御回路 ２２ａ ゲート信号発生回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のフィラメントランプを有し、該フ
   ィラメントランプから放射される赤外線を含む光を被処
   理物に照射することにより、被処理物を急速加熱する光
   照射式急速加熱処理装置の制御装置であって、 上記複数のフィラメントランプを配置した領域を、該領
   域の中心からの距離に応じた複数のゾーンに分割し、各
   ゾーンには少なくとも１以上のフィラメントランプを設
   置し、 上記制御装置を、 上記ゾーンに対応してそれぞれ設けられ交流電源から供
   給される交流正弦波もしくはその全波整流波をスイッチ
   ングするスイッチング素子を具備した複数のランプ電力
   制御ユニットと、 上記複数のランプ電力制御ユニットのそれぞれのスイッ
   チング素子のオン／オフ信号のデューティを変化させ、
   上記各ゾーンに属するフィラメントランプに供給される
   電力をそれぞれ制御する制御部とから構成したことを特
   徴とする光照射式急速加熱処理装置の制御装置。
2. 【請求項２】 上記制御部には、被処理物の放熱特性と
   各ゾーンに属するフィラメントランプの相互干渉を考慮
   して定めた、各ゾーンのスイッチング素子のオン／オフ
   信号のデューティ比の時間的変化パターンが予め記憶さ
   れており、 制御部は上記デューティ比の時間的変化パターンを読み
   出して、上記各ゾーンに属するフィラメントランプに供
   給される電力をそれぞれ制御することを特徴とする請求
   項１の光照射式急速加熱処理装置の制御装置。
3. 【請求項３】 前記交流電源の位相を検出する位相検出
   手段を備え、 上記制御部は、上記位相検出手段により検出された交流
   電源のゼロクロス点で、各ゾーンのスイッチング素子の
   オン／オフ信号のデューティ比を変更することを特徴と
   する請求項１または請求項２の光照射式急速加熱処理装
   置の制御装置。
4. 【請求項４】 前記交流電源の位相を検出する位相検出
   手段を備え、上記ランプ電力制御ユニットは、上記位相
   検出手段により検出された交流電源の位相信号に同期し
   て、交流電源から供給される交流正弦波をスイッチング
   することを特徴とする請求項１または請求項２の光照射
   式急速加熱処理装置の制御装置。