JP2017167702A - 電力制御装置及び電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】供給電力の力率の改善と電力制御の分解能の向上とを両立させることが可能な電力制御装置を提供すること。
【解決手段】本実施形態の電力制御装置は、交流電源をゼロクロス制御して負荷に電力を供給するゼロクロス制御手段と、交流電源を位相制御して負荷に電力を供給する位相制御手段と、交流電源の所定周期の間に負荷に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力を前記ゼロクロス制御手段によりゼロクロス制御して負荷に供給し、前記１周期に対応する電力未満の電力を前記位相制御手段により位相制御して負荷に供給する電力供給方式制御手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力制御装置及び電力制御方法に関する。

従来、ヒータ等の負荷に供給する電力を制御する電力制御装置が知られている。負荷に対する電力供給の制御においては、例えばゼロクロス制御や位相制御が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

ゼロクロス制御は、交流電源の１周期ごとのゼロボルト電圧の状態となるタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式であるため、電圧の位相と電流の位相との間にずれが生じにくい。即ち、供給電力の力率という観点で有利である。一方、位相制御は、交流電源の１周期の中の任意のタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式であるため、供給電力を連続的に制御できる。即ち、電力制御の分解能という観点で有利である。

特開２００１−２７３０４０号公報

しかしながら、ゼロクロス制御では、交流電源の周波数の１周期ごとのゼロボルト電圧の状態となるタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式であるため、電力制御の分解能が電源の周波数に依存し、任意の分解能が得られない。例えば、単位時間が１秒間、交流電源の周波数が５０Ｈｚの場合、１周期ごとにオン、オフを切り替える制御により、例えば１周期をオン、残りの４９周期をオフとなるように制御すると、供給電力は交流電源の電力の２％（１００％×１／５０）となる。また、電力供給をオンにする周期の数を増やすことで、供給電力を２％ごとに４％、６％・・・と変化させることができるが、２％未満の単位で供給電力を制御できない。

また、位相制御では、１周期の中の任意のタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式であるため、電圧の位相と電流の位相との間にずれが生じて供給電力の力率が悪化し、電力を無駄に消費してしまう。

そこで、一側面では、本発明は、供給電力の力率の改善と電力制御の分解能の向上とを両立させることが可能な電力制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電力制御装置は、交流電源をゼロクロス制御して負荷に電力を供給するゼロクロス制御手段と、交流電源を位相制御して負荷に電力を供給する位相制御手段と、交流電源の所定周期の間に負荷に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力を前記ゼロクロス制御手段によりゼロクロス制御して負荷に供給し、前記１周期に対応する電力未満の電力を前記位相制御手段により位相制御して負荷に供給する電力供給方式制御手段と、を備える。

開示の電力制御装置によれば、供給電力の力率の改善と電力制御の分解能の向上とを両立させることができる。

本実施形態の基板処理装置の一例を示す概略構成図 本実施形態の電力制御装置を説明する図 本実施形態の電力制御装置の動作を説明する図 位相制御において電力供給をオンにする位相時間を説明する図 位相制御において電力供給をオンにする位相時間を決定するために用いられるテーブルの一例を示す図 位相制御において電力供給をオンにする位相時間を決定するために用いられるテーブルの他の例を示す図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

本実施形態では、半導体製造装置の一例である縦型の基板処理装置のヒータに供給する電力を制御する電力制御装置について説明するが、これに限定されず、負荷を備える各種の装置に適用することができる。

（基板処理装置）
まず、本実施形態の基板処理装置の一例について、図１に基づき説明する。図１は、本実施形態の基板処理装置の一例を示す概略構成図である。

図１に示されるように、基板処理装置は、長手方向が垂直方向である略円筒形の処理容器４を有する。処理容器４は、円筒体の内筒６と、内筒６の外側に同心的に配置された天井を有する外筒８とを備える２重管構造を有する。内筒６及び外筒８は、石英等の耐熱性材料により形成されている。内筒６及び外筒８は、ステンレス鋼等により形成されるマニホールド１０によって、その下端部が保持されている。マニホールド１０は、例えば図示しないベースプレートに固定されている。なお、マニホールド１０は、内筒６及び外筒８と共に略円筒形の内部空間を形成しているため、処理容器４の一部を形成しているものとする。即ち、処理容器４は、石英等の耐熱性材料により形成される内筒６及び外筒８と、ステンレス鋼等により形成されるマニホールド１０とを備え、マニホールド１０は、内筒６及び外筒８を下方から保持するように処理容器４の側面下部に設けられている。

マニホールド１０は、処理容器４内に処理ガスや、パージガスを導入するガス導入部１２と、処理容器４内を排気するガス排気部１４とを有する。なお、図１では、ガス導入部１２が１つ設けられる形態を示しているが、これに限定されず、使用する処理ガスの種類等に応じて、ガス導入部１２が複数設けられていてもよい。

処理ガスの種類としては、特に限定されず、成膜する膜の種類等に応じて適宜選択することができる。例えば、ウエハＷ等の基板にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成する場合、処理ガスとしては、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ）及びオゾン（Ｏ_３）を用いることができる。

パージガスの種類としては、特に限定されず、例えば窒素（Ｎ_２）ガス等の不活性ガスを用いることができる。

ガス導入部１２には、各種ガスを処理容器４内に導入するための導入配管１６が接続される。なお、導入配管１６には、ガス流量を調整するための図示しないマスフローコントローラ等の流量調整部や図示しないバルブ等が介設されている。

また、ガス排気部１４には、処理容器４内を減圧制御可能な真空ポンプ１８、開度可変弁２０等を含む排気配管２２が接続されている。

マニホールド１０の下端部には、炉口２４が形成されており、炉口２４には、例えばステンレス鋼等により形成される円盤状の蓋体２６が設けられている。蓋体２６は、例えばボートエレベータとして機能する昇降機構２８により昇降可能に設けられており、炉口２４を気密に封止可能に構成されている。

蓋体２６の上には、例えば石英製の保温筒３０が設置されている。保温筒３０の上には、例えば５０枚から１７５枚程度のウエハＷを、水平状態で所定の間隔で多段に保持する、例えば石英製のウエハボート３２が載置されている。

ウエハボート３２は、昇降機構２８を用いて、蓋体２６を上昇させることで処理容器４内へとロード（搬入）され、蓋体２６を下降させることで処理容器４内からアンロード（搬出）される。

ウエハボート３２は、長手方向に複数の支持溝を有し、ウエハＷは、それぞれ水平な状態で上下に間隔をおいて支持溝に載置される。ウエハボート３２に載置される複数枚のウエハは、１つのバッチを構成し、バッチ単位で各種の基板処理が行われる。

処理容器４の外周側には、処理容器４を所定の温度に加熱制御可能な、例えば円筒形状のヒータ３４が設けられている。ヒータ３４は、電力制御装置１００により制御された交流電源１５０からの電力が供給されることで出力が制御される。ヒータ３４は、負荷の一例である。

（電力制御装置）
次に、本実施形態の電力制御装置１００について、図２に基づき説明する。図２は、本実施形態の電力制御装置を説明する図である。

図２に示されるように、電力制御装置１００は、ゼロクロス制御手段１０２と、位相制御手段１０４と、電力供給方式制御手段１０６と、記憶手段１０８と、を有する。

ゼロクロス制御手段１０２は、交流電源１５０をゼロクロス制御してヒータ３４に電力を供給する。ゼロクロス制御とは、交流電源１５０の１周期ごとのゼロボルト電圧の状態となるタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式である。このため、交流電源１５０をゼロクロス制御してヒータ３４に電力を供給する場合、電圧の位相と電流の位相との間にずれが生じにくい。即ち、供給電力の力率という観点で有利である。

位相制御手段１０４は、交流電源１５０を位相制御してヒータ３４に電力を供給する。位相制御とは、１周期の中の任意のタイミングで電力供給のオン、オフを切り替える方式であり、例えば交流電流の周期ごとのオン時間の割合をサイリスタにより変化させることにより実現される。このため、交流電源１５０を位相制御してヒータ３４に電力を供給する場合、供給電力を連続的に制御することができ、電力制御の分解能という観点で有利である。

電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０によりヒータ３４に電力を供給する際、電力供給方式を切り替える手段である。電力供給方式は、ゼロクロス制御手段１０２により交流電源１５０をゼロクロス制御する方式と、位相制御手段１０４により交流電源１５０を位相制御する方式とを含む。

具体的には、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給し、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力のうち１周期に対応する電力未満の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給するように、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力に対するゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給する電力の割合を演算する。また、電力供給方式制御手段１０６は、演算した割合で、ゼロクロス制御手段１０２により交流電源１５０をゼロクロス制御してヒータ３４に電力を供給する。また、電力供給方式制御手段１０６は、演算した割合で、位相制御手段１０４により交流電源１５０を位相制御してヒータ３４に電力を供給する。

記憶手段１０８は、電力供給方式制御手段１０６が電力供給方式を切り替える際に参照する各種のテーブル等を記憶する。なお、テーブルの詳細については後述する。

（電力制御装置の動作）
次に、本実施形態の電力制御装置１００の動作について、図３から図６に基づき説明する。図３は、本実施形態の電力制御装置の動作を説明する図である。図４は、位相制御における電力供給をオンにする位相時間を説明する図である。なお、図３及び図４において、横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸は出力を任意単位（ａ．ｕ．）で示している。

本実施形態の電力制御装置１００は、電力供給方式制御手段１０６が、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給する。また、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力のうち１周期に対応する電力未満の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給する。

以下、電力制御装置１００の動作について、交流電源１５０の周波数が５０Ｈｚ、電力制御の単位時間が１ｓ、電力制御の単位時間における制御電力が１００Ｗの５１％（５１Ｗ）である場合を例として、第１実施形態及び第２実施形態により具体的に説明する。

なお、交流電源１５０の周波数が５０Ｈｚ、電力制御の単位時間が１ｓである場合、単位時間には、５０周期（５０Ｈｚ／１ｓ）が含まれるため、交流電源１５０の１周期に対応する電力（以下「制御単位電力」ともいう。）は、１００Ｗの２％（１００％×１／５０）の２Ｗとなる。

［第１実施形態］
第１実施形態では、電力供給方式制御手段１０６は、単位時間における制御電力（５１Ｗ）のうち制御単位電力（２Ｗ）の倍数分の電力（２Ｗ×２５＝５０Ｗ）をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給する。また、電力供給方式制御手段１０６は、制御単位電力（２Ｗ）未満の電力（１Ｗ）を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給する。

なお、単位時間に含まれる所定周期（５０周期）のうちゼロクロス制御及び位相制御を行う順番については特に限定されないが、例えば図３に示されるように、初めの４９周期においてゼロクロス制御を行い、残りの１周期において位相制御を行うことができる。また、初めの１周期において位相制御を行い、残りの４９周期においてゼロクロス制御を行ってもよい。

また、ゼロクロス制御において電力供給をオンにするタイミングは、単位時間にできるだけ均等に供給電力を配分することが好ましく、例えばレートマルチプライヤで使用されているアルゴリズムにより実現することができる。第１実施形態では、図３に示されるように、ゼロクロス制御を行う４９周期において、１周期ごとに電力供給のオン、オフを交互に切り替えることが好ましい。

また、図４に示されるように、位相制御において電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは、記憶手段１０８に記憶されたテーブルに基づいて決定することが好ましい。

記憶手段１０８に記憶されたテーブルの一例について、図５に基づき説明する。図５は、位相制御において電力供給をオンにする位相時間を決定するために用いられるテーブルの一例を示す図である。

図５に示すテーブルでは、単位時間にヒータ３４に供給する電力に対する位相制御してヒータ３４に供給する電力の割合（以下「位相制御出力ともいう。」）と、位相制御において電力供給をオンにする位相時間と、が対応付けられている。具体的には、例えば位相制御出力が０．５％である場合、電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは６．３ｍｓｅｃとなる。また、例えば位相制御出力が１．５％である場合、電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは３．７ｍｓｅｃとなる。なお、図５では、位相制御出力と電力供給をオンにする位相時間との関係を示すテーブルを交流電源１５０の周波数が５０Ｈｚの場合を１つの例として示しているが、例えば交流電源１５０の周波数ごとに複数のテーブルを用意しておくことが好ましい。

このように、第１実施形態では、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力のうち１周期では、位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に電力を供給する。また、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期のうち残りの周期では、ゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に電力を供給する。これにより、ヒータ３４に供給する電力のうち大部分の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給するため、供給電力の力率を改善することができる。また、ゼロクロス制御手段１０２によって制御できない残りの部分の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給するため、高い分解能を得ることができる。その結果、供給電力の力率の改善と電力制御の分解能の向上とを両立させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、交流電源１５０の所定周期（５０周期）を１単位として所定周期の間にヒータ３４に供給する電力Ｐを制御単位電力ｐで除算することにより得られる整数の商と、制御単位電力ｐと、を乗算した第１の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給する。また、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力Ｐから第１の電力を減算することにより得られる第２の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給する。

このとき、制御単位電力ｐは、例えば以下の（１）式を用いて算出することができる。

Ｖａ^２／（Ｒａ・ｆ） ・・・（１）
ここで、Ｖａはヒータ３４に印加される電圧の実効値、Ｒａはヒータ３４の抵抗、ｆは交流電源１５０の周波数であり、Ｖａとしては実測した値を用いることができ、Ｒａとしてはヒータ３４の種類に応じて定められる値を用いることができる。

また、図４に示されるように、位相制御において電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは、記憶手段１０８に記憶されたテーブルに基づいて決定することが好ましい。

記憶手段１０８に記憶されたテーブルの一例について、図６に基づき説明する。図６は、位相制御において電力供給をオンにする位相時間を決定するために用いられるテーブルの他の例を示す図である。

図６に示すテーブルでは、制御単位電力ｐに対する位相制御によりヒータ３４に供給する電力の割合と、位相制御において電力供給をオンにする位相時間と、が対応付けられている。具体的には、例えば制御単位電力ｐに対する位相制御してヒータ３４に供給する電力の割合が２５％である場合、電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは６．３ｍｓｅｃとなる。また、例えば制御単位電力ｐに対する位相制御してヒータ３４に供給する電力の割合が７５％である場合、電力供給をオンにする位相時間Ｔｏｎは３．７ｍｓｅｃとなる。なお、図６では、制御単位電力ｐに対する位相制御によりヒータ３４に供給する電力の割合と、電力供給をオンにする位相時間との関係を示すテーブルを、交流電源１５０の周波数が５０Ｈｚの場合を１つの例として示しているが、例えば交流電源１５０の周波数ごとに複数のテーブルを用意しておくことが好ましい。

このように、第２実施形態では、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力を交流電源１５０の１周期に対応する電力で除算することにより得られる整数の商と、交流電源１５０の１周期に対応する電力と、を乗算した第１の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給する。また、電力供給方式制御手段１０６は、交流電源１５０の所定周期の間にヒータ３４に供給する電力から第１の電力を減算することにより得られる第２の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給する。これにより、ヒータ３４に供給する電力のうち大部分の電力をゼロクロス制御手段１０２によりゼロクロス制御してヒータ３４に供給するため、供給電力の力率を改善することができる。また、ゼロクロス制御手段１０２によって制御できない残りの部分の電力を位相制御手段１０４により位相制御してヒータ３４に供給するため、高い分解能を得ることができる。その結果、供給電力の力率の改善と電力制御の分解能の向上とを両立させることができる。

特に、第２実施形態では、実測値に基づいて、制御単位電力ｐ、ゼロクロス制御を行う周期の数及び位相制御における電力供給をオンにする位相時間を定める。これにより、交流電源１５０の電圧に変動があった場合であってもヒータ３４に供給する電力の変動を抑制することができる。

以上、電力制御装置及び電力制御方法を上記実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

本実施形態では、ゼロクロス制御と位相制御とを組み合わせるときの所定周期の１単位が５０周期の場合について説明したが、これに限定されない。例えば、所定周期は５０周期未満であってもよく、５１周期以上であってもよい。

３４ ヒータ
１００ 電力制御装置
１０２ ゼロクロス制御手段
１０４ 位相制御手段
１０６ 電力供給方式制御手段
１０８ 記憶手段
１５０ 交流電源

Claims (6)

1. 交流電源をゼロクロス制御して負荷に電力を供給するゼロクロス制御手段と、
   交流電源を位相制御して負荷に電力を供給する位相制御手段と、
   交流電源の所定周期の間に負荷に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力を前記ゼロクロス制御手段によりゼロクロス制御して負荷に供給し、前記１周期に対応する電力未満の電力を前記位相制御手段により位相制御して負荷に供給する電力供給方式制御手段と、
   を備える、電力制御装置。
2. 前記電力供給方式制御手段は、
   前記所定周期のうち１周期では、前記位相制御手段により位相制御して負荷に電力を供給し、
   前記所定周期のうち残りの周期では、前記ゼロクロス制御手段によりゼロクロス制御して負荷に電力を供給する、
   請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記所定周期の間に前記負荷に供給する電力に対する前記位相制御して負荷に供給する電力の割合と、前記位相制御において電力供給をオンにする位相時間と、の関係を示すテーブルが記憶された記憶手段を備え、
   前記位相制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記テーブルに基づいて定められる時間で電力供給をオンにするように位相制御を行う、
   請求項２に記載の電力制御装置。
4. 前記電力供給方式制御手段は、
   前記所定周期の間に負荷に供給する電力を前記１周期に対応する電力で除算することにより得られる整数の商と、前記１周期に対応する電力と、を乗算することにより得られる第１の電力を前記ゼロクロス制御手段によりゼロクロス制御して負荷に供給し、
   前記所定周期の間に負荷に供給する電力から前記第１の電力を減算することにより得られる第２の電力を前記位相制御手段により位相制御して負荷に供給する、
   請求項１に記載の電力制御装置。
5. 前記１周期に対応する電力に対する前記位相制御して負荷に供給する電力の割合と、前記位相制御において電力供給をオンにする位相時間と、の関係を示すテーブルが記憶された記憶手段を備え、
   前記位相制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記テーブルに基づいて定められる時間で電力供給をオンにするように位相制御を行う、
   請求項４に記載の電力制御装置。
6. 交流電源の所定周期の間に負荷に供給する電力のうち１周期に対応する電力の倍数分の電力をゼロクロス制御により前記負荷に供給すると共に、前記１周期に対応する電力未満の電力を位相制御により前記負荷に供給するように、前記負荷に供給する電力に対する前記ゼロクロス制御により前記負荷に供給する電力の割合を演算するステップと、
   前記演算するステップで演算された前記割合で、前記ゼロクロス制御により前記負荷に電力を供給するステップと、
   前記演算するステップで演算された前記割合で、前記位相制御により前記負荷に電力を供給するステップと、
   を有する、電力制御方法。

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