JP2003332024A

JP2003332024A - 光加熱装置の電源装置

Info

Publication number: JP2003332024A
Application number: JP2002132936A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yokota; 英樹横田; Toshiaki Shimizu; 稔明清水
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウエハを急速加熱する光加熱装置の加熱
源であるフラッシュランプに適した電源装置を提供する
ことである。【解決手段】主コンデンサ（１４）にエネルギーを蓄え
て、このエネルギーをフラッシュランプ（１６）に間欠
的に供給させて発光させる装置であって、トランス
（６）の一次巻線（６１）には、共振インダクタンス
（３５）と共振コンデンサ（３１，３２）からなる共振
タンク（３６）と、スイッチング素子（１０，１１）を
接続され、トランス（６）の二次巻線（６２）には、倍
電圧整流回路（１３）を介して主コンデンサ（１４）及
び前記フラッシュランプ（１６）が接続することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光加熱装置の電源
装置に関し、特に、半導体ウエハなどの基板を光照射に
より急速に加熱処理する光加熱装置用の電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハなどの基板を光照射するこ
とで加熱する光照射式加熱装置が知られている。これは
半導体製造工程においてウエハを急速加熱、高温保持、
急速冷却するものであり、成膜（ウエハ表面に酸化膜を
形成する）、拡散（ウエハ内部に不純物を拡散させる）
など広い範囲で行なわれる。拡散についていえば、半導
体ウエハの表層部分におけるシリコン結晶に、イオン注
入により不純物を導入し、この状態の半導体ウエハに、
例えば１０００℃以上の熱処理を施して当該不純物を拡
散させることによって半導体ウエハの表層部分に不純物
拡散層を形成するものである。

【０００３】半導体ウエハの熱処理を行なうためには、
ランプを加熱源として用い、この加熱源から放射される
光をウエハに対して照射することによって急速に加熱
し、その後、急速に冷却することができるＲＴＰ（Ｒａ
ｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ）装置が知ら
れている。このような装置の加熱源としてはハロゲンラ
ンプが知られていた。

【０００４】しかしながら、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ていることから、例
えば２０ｎｍ以下というレベルで不純物拡散をより一層
浅く形成することが必要となっており、ハロゲンランプ
を加熱源とした加熱装置では、このような要請に十分に
対応することが困難になっている。

【０００５】また、極めて浅い不純物拡散を達成する方
法としては、レーザ照射（ＸｅＣＬ）を用いて、このレ
ーザ光にとって数ミリメートルの照射幅で半導体ウエハ
をスキャンして熱処理を行なう装置と方法が知られてい
る。しかしながら、レーザ光を使う装置は非常に高価で
あり、また、半導体ウエハの表面上を小さなスポット径
のレーザビームでスキャンしながら熱処理するには、ス
ループットという点で問題がある。

【０００６】そこで、光照射式加熱装置の光源として、
フラッシュランプ（閃光放電ランプ）を使い、半導体ウ
エハに対して極めて短時間に加熱することが検討されて
いる。このフラッシュランプによる熱処理であれば、半
導体ウエハに対する照射時間が極めて短時間で終了する
ため、半導体ウエハの内部まで熱が伝わらず、表層部分
のみに熱が伝わる状態で加熱できることから不純物の深
いレベルへの熱拡散を抑制することもできる。

【０００７】図２はフラッシュランプを光源とした光加
熱装置の概略構成を示す。ウエハＷの直上には、複数の
フラッシュランプ１がウエハＷに対して平行に配置して
おり、さらに、放射光を効率的にウエハＷに照射するた
めに反射ミラー２と、フラッシュランプ１を発光させる
ための電源装置３を具備している。ウエハＷはステージ
４に載置されて、ステージ４内には予備加熱手段などを
有する。

【０００８】ここで、フラッシュランプそのものは、半
導体ウエハの急速加熱に限られず、例えば、ＤＶＤの貼
り合せ装置やＯＡ機器としての高速プリンターの定着装
置などに広く採用されている。このような用途における
フラッシュランプ用電源装置は、スイッチング電源によ
って主コンデンサを繰り返し充放電させるものである
が、一般にはパルス幅変調回路などを使い、トランスの
二次側には全波整流回路が使われている。さらには、ス
イッチングロスやエネルギー効率の観点からパルス幅変
調回路（ハードスイッチング）ではなく、共振型スイッ
チング回路（ソフトスイッチング）を使って駆動する方
式も知られている。

【０００９】しかしながら、上記ＤＶＤの貼り合せ装置
や高速プリンター定着装置の用途に使うフラッシュラン
プは、主コンデンサに対して、せいぜい２０００Ｖ程度
の充放電を繰り返すものであり、パルス幅変調回路や共
振型スイッチング回路を全波整流回路に組み合わせる方
式で特段の問題を生じることはなかった。ところが、半
導体ウエハの急速加熱装置に使う加熱源にあっては、主
コンデンサに最低でも３０００Ｖという高い電圧レベル
で充放電を繰り返す必要があり、従来の回路構成では必
ずしも十分ではないという問題を生じた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、半導体ウエハを急速加熱する光加熱装置
の加熱源であるフラッシュランプに適した電源装置を提
供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の光加熱装置の電源装置は、主コンデンサ
にエネルギーを蓄えて、このエネルギーをフラッシュラ
ンプに間欠的に供給させて発光させる装置であって、ト
ランスの一次巻線には、共振インダクタンスと共振コン
デンサからなる共振タンクと、スイチング素子を接続さ
れ、トランスの二次巻線には、倍電圧整流回路を介して
前記主コンデンサ及び前記フラッシュランプが接続する
ことを特徴とする。

【００１２】さらに、前記主コンデンサの充電状態が低
い段階において、前記スイッチング素子の1回のターン
オンによる前記トランスの二次巻線に流れる電流の変化
率Ｉ２／Ｉ１（ハードスイッチング率）を考慮して前記
倍電圧整流回路の初段コンデンサの容量を選定するとと
もに、具体的には変化率Ｉ２／Ｉ１が０．３より小さく
なるように設定したことを特徴とする。

【００１３】さらに、前記主コンデンサの充電状態が低
い段階では、前記スイッチング素子により、１８〜２０
ＫＨｚの範囲から選ばれる周波数でスイッチング動作を
行なうことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の光加熱装置の光源
であるフラッシュランプの電源装置の概略回路構成を示
す。1は交流電源、２はダイオードブリッジ、３０は平
滑用電解コンデンサを示す。３１、３２は共振コンデン
サ、３３，３４は共振コンデンサ３１，３２の両端電圧
を平滑コンデンサ３０の両端電圧以下にクランプするた
めのダイオードを示す。３５は共振インダクタンスを示
す。３６は共振コンデンサ３１，３２及び共振インダク
タンス３５で構成される共振タンクを示す。図中、Ｖｓ
はダイオード９の両端電圧を示し、Ｖｃは共振コンデン
サ３２の両端電圧を示す。電流Ｉｐは共振インダクタン
ス３５と一次巻線６１を流れる電流を示す。

【００１５】６は電圧変換トランス（以下、トランスと
いう）で６１は一次巻線、６２は二次巻線をそれぞれ示
す。８，９はダイオード、１０，１１はスイッチング素
子であり、この場合ＭＯＳＦＥＴを使っている。１３は
倍電圧整流回路、１４は主コンデンサ、１５はコンデン
サ１４の放電電流値の波形を適正化するためのインダク
タンス、１６は負荷としてのフラッシュランプ、１７は
スイッチング素子１０，１１をオンオフ制御するための
駆動信号発生回路をそれぞれ示す。Ｖｉはダイオード２
の出力電圧を示し、Ｖｏは主コンデンサ１４の充電電圧
を示す。

【００１６】図３は倍電圧整流回路１３（通常、コック
クロフト回路ともいう）の内部構成を示すものである。
トランス６の二次巻線６２に初段コンデンサＣ１が接続
され、この初段コンデンサＣ１と直列にコンデンサＣ
２，Ｃ３，Ｃ４が接続される。また、二次巻線６２には
ダイオードＤ８のアノードが接続され、ダイオードＤ８
のカソードにダイオードＤ７のアノードが、ダイオード
Ｄ７のカソードにダイオードＤ６のアノードというよう
に，ダイオードＤ６，Ｄ５，Ｄ４，Ｄ３，Ｄ２，Ｄ１が
直列に接続される。また、ダイオードＤ８とダイオード
Ｄ７と並列にコンデンサＣ５が接続され、ダイオードＤ
６とダイオードＤ５と並列にコンデンサＣ６が接続さ
れ、ダイオードＤ４とダイオードＤ３と並列にコンデン
サＣ７が接続され、ダイオードＤ２とダイオードＤ１と
並列にコンデンサＣ８が接続されて、コンデンサＣ５，
Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８は直列に接続される。倍電圧整流回路
１３の出力端子１３ａ、１３ｂに主コンデンサ１４、イ
ンダクタンス１５およびフラッシュランプ１６が接続さ
れる。

【００１７】ところで，従来の電源装置は、トランス６
の二次側に倍電圧整流回路ではなく、全波整流回路を使
うのが一般的であった。そして、トランス６の二次巻線
を複数（例えば４個）あるいはトランス自体を複数個設
けて、各々の二次巻線に全波整流回路を接続させ、各全
波整流回路を積み上げて出力電圧を合算させることで高
電圧を獲得する方法を採用していた。しかし、このよう
な全波整流回路を積み上げる構成を光加熱装置の電源に
採用した場合、最上段（最も高電圧側）に接続された全
波整流回路の出力電圧は極めて高くなり、トランスの１
次巻線と２次巻線の絶縁耐圧が大きな問題となってしま
う。そこで、光加熱装置の光源（フラッシュランプ）用
電源では、トランスの二次巻線に、全波整流回路を接続
するのではなく、倍電圧整流回路を接続することにして
いる。

【００１８】倍電圧整流回路１３を採用した場合、図３
にも示すように、トランス６の二次巻線６２そのものに
は低い電圧しか発生せず、この出力電圧を倍電圧整流回
路１３内において高電圧化している。もっと言えば、全
波整流回路を採用する場合にはトランスが複数必要にな
って、必要とする出力電圧をトランス数で割り当てる必
要があるのに対し、倍電圧整流回路はトランスの出力電
圧そのものは低くても二次側回路のコンデンサとダイオ
ード組み合わせで高電圧を生成する点で回路構成が相違
するからである。そして、このような倍電圧整流回路が
光加熱装置の光源であるフラッシュランプの電源装置と
して優れていることを見出したのである。

【００１９】また、トランス６の一次側は、パルス幅変
調回路ではなく共振型スイッチング回路を採用してい
る。これは、パルス幅変調回路の場合、トランス６の一
次巻線６１に流れる電流Ｉｐ（所定値）が大きな値でス
イッチング駆動（ターンオフ）するためスイッチングロ
スが大きいという問題がある。一方、共振型スイッチン
グの場合は、コンデンサ３１，３２とインダクタンス３
５の共振を利用するものであるため、電流値Ｉｐは、電
流値がゼロになるタイミングでスイッチングオフするこ
とでロスの少ないスイッチング駆動をすることができ
る。

【００２０】ところで、本発明の電源装置は、主コンデ
ンサ１４の充放電を、例えば１分間に０．５〜２．０
回、具体的には１回の割合で繰り返し、主コンデンサ１
４には、例えば、３０００〜５０００Ｖ、具体的には４
５００Ｖ、１２００〜７５００Ｊ、具体的には６０００
Ｊものエネルギーの充放電を繰り返すこととなる。図４
は主コンデンサ１４の充電電圧と充電時間との関係を示
すが、充電時間がＴ１、Ｔ２、Ｔ３と経過するに従い、
充電電圧Ｖ０が上昇する。なお、現実には主コンデンサ
１４は複数個、例えば３０個程度を並べて使用するもの
である。

【００２１】図５は、図４に示す各充電時間（Ｔ１，Ｔ
２，Ｔ３）における共振型スイッチング回路のスイッチ
ング素子１０，１１の１回のターンオンにおけるトラン
ス６の二次側電流Ｉ0の変化する状態を示すものであ
る。（ａ）は主コンデンサ１４の充電時間Ｔ１における
電流Ｉ0の変化を示し、（ｂ）は充電時間Ｔ２における
電流Ｉ0の変化を示し、（ｃ）は充電時間Ｔ３における
電流Ｉ0の変化を示す。時間ｔ0においてスイッチング素
子がオンすると、時間ｔ１まで共振動作を行い，その後
は共振インダクタンス３５に蓄積されたエネルギーが電
流として放出される。ここで、エネルギーの利用効率を
考えるならば、放出される全ての電流を使い切った時点
でスイッチング素子をターンオフすることが好ましく、
これを実現するためには主コンデンサ１４の充電電圧の
状態に応じてスイッチング素子のターンオフの時点を決
めることになり、すなわち、スイッチング周波数を変化
させなければならないということになる。具体的には、
主コンデンサ１４の充電初期Ｔ１（フラッシュランプの
発光直後）においてゼロ電流スイッチングするための動
作周波数が１４〜１５KＨｚであるのに対し、主コンデ
ンサ１４の充電中期Ｔ２の動作周波数が３０〜５０ＫＨ
ｚであり、主コンデンサ１４の充電末期Ｔ３（フラッシ
ュランプの発光直前）の動作周波数は８０〜１００ＫＨ
ｚとなる。

【００２２】通常の共振型スイッチング回路は、常時、
同じ動作周波数で駆動できるため、スイッチングロスの
小さいタイミングを設定してスイッチング素子を駆動で
きる。具体的には、主コンデンサ１４の充電末期Ｔ３
（フラッシュランプの発光直前）の状態に合わせて動作
周波数を設定することができる。しかしながら、主コン
デンサの充電電圧がランプ発光に伴って大きく変化する
本発明の電源装置にあっては、この充電電圧状態との関
係を考慮してスイッチングの駆動タイミングを設定しな
ければならない。

【００２３】このような方法を、半導体ウエハの急速加
熱装置において採用すると、前記したように主コンデン
サの充電初期の動作周波数は、概ね１４〜１５ＫＨｚと
なる。しかし、この動作周波数は、いわゆる可聴周波数
に該当するため実用的には採用することはできない。こ
のため、可聴周波数を概ね外れるように、例えば１８Ｋ
Ｈｚ以上の駆動周波数を設定する必要があるが、前記し
たように電流値Ｉ0がゼロではない状態でスイッチング
ターンしなければならない。この状態を図５（ａ）で説
明するならば、時間ｔ２でスイッチングをターンオフす
ると可聴周波数での駆動になってしまうため、それより
も高い周波数となる時間ｔ３においてターンオフするこ
とになり、この場合、可聴周波数を外れるという点で効
果を有するものの、スイッチングロスを生じることにな
ってしまう。

【００２４】そこで、本発明の請求項２に係る発明は、
主コンデンサ１４の充電状態が低い段階において、スイ
ッチング素子１０，１１による１回のスイッチングオン
におけるトランス６の二次巻線６２に流れる電流Ｉ０の
変化率に着目したものである。そして、この変化率が倍
電圧整流回路１３の初段コンデンサＣ１の容量によって
変化することを見出し、この変化率によってスイッチン
グロスを低減させることとしたものである。つまり、倍
電圧整流回路の初段コンデンサの容量を最適値に設定す
ることに、主コンデンサの充電初期において、可聴周波
数帯域でのスイッチングを外すという課題とスイッチン
グロスを生じないという課題をともに解決できるという
わけである。

【００２５】図６は、主コンデンサ１４の充電初期、具
体的には到達充電電圧に対する２〜３％の充電時におけ
るスイッチング素子１０のターンオンによって生じる二
次巻線６２に流れる電流Ｉ0の波形を表すものであり、
倍電圧整流回路１３の初段コンデンサＣ1の容量との関
係を表すものである。縦軸は電流値（１０Ａ／ｄｉｖ）
を表し、横軸は時間（５μｓ／ｄｉｖ）を表す。なお、
この実験では、ランプ１６は、定格電圧４．５ＫＶ、電
極間距離５００ｍｍ、主コンデンサ１４８００Ｆであ
り、発光周波数１Ｈｚ、１回のフラッシュ発光のエネル
ギー８１００Ｊ、図１における電圧Ｖｉは３７０Ｖ、電
圧Ｖｏは５０Ｖである。

【００２６】図６において、（ａ）は初段コンデンサＣ
１が０．７３μＦの場合の電流波形を示し、（ｂ）は初
段コンデンサＣ１が１１μＦの場合の電流波形を示し、
（ｃ）は初段コンデンサＣ１が１．１μＦの場合の電流
波形を示し、（ｄ）は初段コンデンサＣ１が２．２μＦ
の場合の電流波形を示す。また、図７は電流波形を規定
するための定義を示すものであり、スイッチング素子を
ターンオン（ｔ_ＯＮ）した後の最大電流値がＩ1、スイ
ッチング素子をターンオフ（ｔ_ＯＦＦ）するときの電流
値をＩ2とするものである。

【００２７】図６より、（ａ）においては、Ｉ1＝２４
Ａ、Ｉ2＝５Ａでハードスイッチング率（Ｉ1／Ｉ2）
＝０．２１，（ｂ）においては、Ｉ1＝２３Ａ、Ｉ2＝１
３Ａでハードスイッチング率（Ｉ1／Ｉ2）＝０．６，
（ｃ）においては、Ｉ1＝２４Ａ、Ｉ2＝６Ａでハード
スイッチング率（Ｉ1／Ｉ2）＝０．２５，（ｄ）におい
ては、Ｉ1＝２４Ａ、Ｉ2＝８Ａでハードスイッチング
率（Ｉ1／Ｉ2）＝０．３３となった。つまり、この実施
例においては、倍電圧回路の初段コンデンサＣ１を１．
１μＦより小さい値に設定することで変化率（Ｉ1／Ｉ
2）を０．３より小さくすることができ、これによりス
イッチングロスが十分に小さい駆動を可能とする。な
お、０．３という数値を基準値として選定した根拠は、
実用上スイッチングロスの影響を無視できるからであ
る。

【００２８】また、本発明においては、前記主コンデン
サの充電状態が低い段階では、スイッチング素子によ
り、１８〜２０ＫＨｚの範囲から選ばれる周波数でスイ
ッチング動作を行なうことが好ましい。これは、当該周
波数範囲を下回るといわゆる可聴周波数域での駆動にな
ってしまうからであり、また、上記周波数範囲を上回る
とスイッチングロスが大きくなりすぎ、上記スイッチン
グ率（Ｉ１／Ｉ２）を考慮して初段コンデンサの容量を
決めることもできないからである。

【００２９】以上、説明したように本発明の光加熱装置
の電源装置においては、トランスの一次巻線に共振型ス
イッチング回路を採用するとともに、トランスの二次巻
線に倍電圧整流回路を採用することで極めて高いエネル
ギを放出する電源回路であってもトランスの耐圧やスイ
ッチング素子のロスを十分に低減させた構造を提供する
ことができる。

【００３０】また、主コンデンサの充電状態が低い段階
において、共振型スイッチング回路のスイッチング素子
による１回のスイッチングオンによって前記トランスの
二次巻線に流れる１パルスの電流波形は、ターンオン後
の最大値Ｉ１からターンオフ時における値Ｉ２に向かっ
て曲線状に減衰する波形を生じ、そのスイッチング率Ｉ
２／Ｉ１を考慮して前記倍電圧整流回路の初段コンデン
サの容量を設定することで、可聴周波数帯域において使
用することなく、また、スイッチングロスの小さい駆動
を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフラッシュランプ用電源装置の概
略回路構成を示す。

【図２】フラッシュランプを光源とした光加熱装置の概
略構成を示す。

【図３】本発明の電源装置における倍電圧回路の内部構
成を示す。

【図４】主コンデンサの充電電圧と充電時間との関係を
示す。

【図５】本発明に係るトランスの二次側電流の波形を示
す。

【図６】本発明に係るトランスの二次側電流の波形を示
す。

【図７】本発明に係るトランスの二次側電流の波形を示
す。

【符号の説明】

１交流電源２ダイオードブリッジ６トランス１０スイッチング素子１１スイッチング素子１３倍電圧整流回路１４主コンデンサ１５インダクタンス１６フラッシュランプ３０コンデンサ３１共振コンデンサ３２共振コンデンサ３３ダイオード３４ダイオード３５共振インダクタンスＣ１初段コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3K058 AA02 BA19 CD01 CE01 3K098 AA10 BB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主コンデンサにエネルギーを蓄えて、この
エネルギーをフラッシュランプに間欠的に供給させて発
光させる方式の光加熱装置の電源装置において、トランスの一次巻線には、共振インダクタンスと共振コ
ンデンサからなる共振タンクと、スイッチング素子が接
続され、トランスの二次巻線には、倍電圧整流回路を介して前記
主コンデンサ及び前記フラッシュランプが接続すること
を特徴とする光加熱装置の電源装置。
【請求項２】前記主コンデンサの充電状態が低い段階に
おいて、前記スイッチング素子による１回のスイッチン
グ動作によって前記トランスの二次巻線に流れる１パル
スの電流波形は、ターンオン後の最大値Ｉ１からターン
オフ時における値Ｉ２に向かって曲線状に減衰する波形
を生じ、その変化率Ｉ２／Ｉ１を考慮して前記倍電圧整
流回路の初段コンデンサの容量を設定したことを特徴と
する請求項１に記載の光加熱装置の電源装置。
【請求項３】前記変化率Ｉ２／Ｉ１が０．３より小さく
なるように初段コンデンサの容量を選定したことを特徴
とする請求項２に記載の光加熱装置の電源装置。
【請求項４】前記主コンデンサの充電状態が低い段階で
は、前記スイッチング素子により、１８〜２０ＫＨｚの
範囲から選ばれる周波数でスイッチング動作を行なうこ
とを特徴とする請求項２に記載の光加熱装置の電源装
置。