JP4593724B2 - 電力制御装置、電力制御方法及び熱処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えばヒータ等に供給する電力を制御する電力制御装置、電力制御方法及びこの電力制御装置を用いた熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造装置の一つに、熱処理をバッチ式で行う装置として縦型熱処理装置がある。
【０００３】
図９は、従来の縦型熱処理装置とこれに組み合わせて用いられる電力制御装置を示した概略図であり、以下この装置の説明を行う。図中１１は例えば石英からなる筒状の反応管１１であり、下方側から多数の半導体ウエハ（以下ウエハという）が支持された図示しないウエハボートが収納される。反応管１１の側方（周囲）は例えば３つのゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなるヒータ１２により囲まれており、前記反応管１１とヒータ１２とにより加熱炉１３を形成している。各ゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの発熱量はこれらに接続する電力制御装置により調節され、こうして反応管１１内のウエハの熱処理が行われる構成となっている。
【０００４】
電力制御装置は、固定電圧の電源トランス（変圧器）１５の一次側に設けられた電力供給源１４から電源トランス１５を介して各ゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃへと電力を分配する構成となっており、電源トランス１５の二次側に設けられる半導体スイッチ１６のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを制御することにより供給電力量の制御を行う。また電源トランス１５と半導体スイッチ１６との間には過電流保護装置（フューズ）１７ａ、１７ｂ、１７ｃが介設されている。
【０００５】
ここで半導体スイッチ１６に位相制御ＳＣＲ（silicon controlled rectifier）を用いる方法と、ゼロクロス制御ＳＣＲを用いる方法とがあり、例えば前者は加熱炉１３が例えば１００℃／分程度の昇温速度を有する高速昇温型の炉の場合に、また例えば後者は加熱炉１３が一般炉の場合に用いられる。位相制御ＳＣＲは１サイクル３６０度の中の任意のタイミングで電力供給のＯＮ、ＯＦＦを切り替えるため、高い分解能を得ることができる。一方のゼロクロス制御ＳＣＲは１サイクルごとのゼロボルト電圧の状態となるタイミングでスイッチのＯＮ、ＯＦＦを切り替える装置であり、電力周波数が例えば５０Ｈｚであれば１サイクルごとにＯＮ、ＯＦＦ制御を行い、例えば１サイクル目をＯＮ、残りの４９サイクルを全てＯＦＦとすることで最大出力の２％（１００％×１／５０）となり、以後ＯＮのサイクルを増やすことで２％ごとに２、４、６…１００％まで５０通りに電力供給量を変化させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高速昇温型に用いられるヒータは温度に対する抵抗値変化が大きく、このため安定した温度制御を行うためには高い分解能を有する位相制御ＳＣＲが好適である。しかしながら、この位相制御ＳＣＲは大きな高調波が出力されるという問題があり、このため位相制御ＳＣＲを用いた装置では大掛かりなアクティブフィルターなどを併用して前記高調波を取り除いている。このような高調波を除去するための装置は高価であるため、コスト的な問題も生じていた。
【０００７】
一方、ゼロクロス制御ＳＣＲを用いた場合には、上述の位相制御ＳＣＲを用いた場合に比較して発生する高調波は小さいが、既述のように１サイクルごとにＯＮ、ＯＦＦの制御を行って電力供給量を調整するため、この電力供給量の分解能は電力周波数に依存することとなり、きめ細かな電力制御を行うことができない。このため上述の高速昇温型の加熱炉には採用しにくい。
【０００８】
本発明は上述のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は高調波の発生を抑え、分解能の高い電力制御装置及びその方法を提供することにある。本発明の他の目的はこのような電力制御装置を用いることにより安定した温度制御を行うことのできる熱処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力制御装置は、抵抗発熱体からなるヒータを電力制御対象とする電力制御装置において、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された電力制御対象と、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択して電力制御対象の他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る電力制御方法は、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスを用い、この電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータである電力制御対象の電力を制御する方法であって、前記ヒータの温度を検出する段階と、温度設定値と前記段階で検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値を発生させる段階と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいて、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続を切替え制御する段階と、を含み、前記記憶部には、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれていることを特徴とする。なお電源トランスの一次側に複数の電圧タップを設け、上述の発明と同様にしてこの電圧タップを選択することにより交流電力供給源から電源トランスに印加される電力を切り替えるようにしてもよい。
【００１１】
以上の発明によれば高い制御分解能を得ることができるので、きめ細かな電力制御が行える。例えば電力制御対象に抵抗発熱体からなるヒータを用いた場合、抵抗値変化の高いヒータに対しても安定した温度制御を行うことができる。
【００１２】
また本発明は、電源トランスの各タップ電圧が、電圧タップの選択により負荷電力が半分ずつ小さくなるように設定することが好ましく、このようにすることで論理回路が２進数で処理を行うことができるという利点がある。電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電流、或いは負荷電圧が半分ずつ小さくなるように設定してもよく、この場合にも同様の効果がある。
【００１３】
また前記スイッチ部の切り替え（複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続の切り替えは）電源トランスの二次側の電圧波形がゼロボルトを交差したときに行うと共に、ＯＮにするスイッチ部の順番を連続する２つのサイクル間の電圧の差がなるべく小さくなるように設定することが好ましく、このようにすることで急激な電圧変化により生じる高調波を抑えることができる。
【００１４】
更に本発明に係る熱処理装置は、被処理体を熱処理するための反応容器と、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記反応容器を囲むように設けられ、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータと、前記複数の電圧タップとヒータの他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択してヒータの他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする。なお熱処理装置の発明においても、電源トランスの一次側に複数の電圧タップを設け、上述の発明と同様にしてこの電圧タップを選択することにより交流電力供給源から電源トランスに印加される電力を切り替えるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である電力制御装置を、半導体製造装置の一つである縦型熱処理装置に適用した例を示す概略図である。この縦型熱処理装置は、加熱炉２と、保持具であるウエハボート３１と、このウエハボート３１を昇降させるボートエレベータ３２とを備えている。
【００１６】
加熱炉２は、反応容器である例えば石英からなり、外管３１ａと内管３１ｂとから構成される二重管構造の反応管２１、この反応管２１の側方周囲を囲むように設けられた抵抗発熱体からなるヒータ２２などからなり、反応管２１の底部にはガス供給管３３及び排気管３４が接続されている。反応管２１の外管３１ａの内側から内管３１ｂの天井部のガス穴３１ｃを介して当該内管３１ｂの中にガスが流れるようになっている。３５は均熱用容器である。前記ウエハボート３１は多数枚のウエハＷを棚状に保持するように構成され、加熱炉２の下端の開口部を開閉する蓋体３６の上に保温筒３７を介して設けられており、ボートエレベータ３２が昇降することにより加熱炉２に対しウエハボート３１の搬入出が行われる。
【００１７】
ヒータ２２は複数、例えば上段、中段、下段の３つのゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに分割されており、交流電力供給源３から電力制御部４（４ａ、４ｂ、４ｃ）を介して夫々ゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃへ電力が供給されるように構成されている。また例えば反応管２１の外壁面の各ゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応する部位には例えば熱電対からなる温度検出手段２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）が設けられており、各電力制御部４ａ、４ｂ、４ｃはこれら温度検出手段２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）の温度検出値に基づいてフィードバック制御を行う構成となっている。
【００１８】
次に本実施の形態における主要部である電力制御部４について説明する。この実施の形態の具体的な構成は図３に示すが、その前にこの実施の形態の基本的な手法を図２を用いて説明しておく。図２中では、電力制御部４に相当する箇所はヒータ２２及び交流電力供給源３を除く部分であり、また先に図１で示した３つの電力制御部４ａ、４ｂ、４ｃは同様の構成を成すものであるため、ここでは電力制御部４の一つのみを取り上げて説明を行う。
【００１９】
図２において、４１は二次側に複数の電圧タップを備えた電源トランスであり、一次側に交流電力供給源３が接続されている。この電源トランス４１の二次側は、一端側の端子部４１ａがヒータ２２の一端側（端子部２２ａ）へと接続され、他端側は４箇所の電圧タップ４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）を有する。この電圧タップ４２ａ〜４２ｄは夫々配線４３（４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ）を介してヒータ２２の他端側（端子部２２ｂ）へと接続されており、この配線４３ａ〜４３ｄには夫々過電流保護のためのヒューズ４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ）と、前記ヒータ２２へ電力供給を行う電圧タップを切り替えるための例えばサイリスタよりなるスイッチ部４５（４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ）とが介設されている。また、スイッチ部４５ａ〜４５ｄには各々のＯＮ、ＯＦＦを制御するためのスイッチコントローラ５０が接続されている。
【００２０】
上記の各電圧タップ４２ａ〜４２ｄは、電源トランス４１の一次側の巻き線と、電源トランス４１の二次側に設けられた各電圧タップ４２ａ〜４２ｄの位置に応じた巻き線との巻き線比に応じた電圧が出力されるように構成されている。電圧タップ４２ａ〜４２ｄの各電圧は、定電力制御方式においては後述する電力制御において２進数で制御しやすいように負荷電力が１００％、５０％、２５％、１２．５％の順で半分となるように設定する。またこれと同様に定電流制御方式の場合には負荷電流を、定電圧制御方式の場合には負荷電圧を、１００％、５０％、２５％、１２．５％と順に半分となるように夫々設定する。
【００２１】
定電力制御を例に具体的に説明すると、１００Ｖを１００％出力とした場合、電源トランス４１の途中に設けられる３つの電圧タップ（４２ｂ〜４２ｄ）のうちｎ番目のタップ電圧Ｖｎは以下の（１）式となる。ここでＶｍａｘは１００％電圧、Ｖｄはヒューズ４４、スイッチ部４５、配線４３による電圧降下分である。
Ｖｎ＝（Ｖｍａｘ／√（２のｎ乗））＋Ｖｄ … （１）
（１）式のＶｄを無視すれば、図２における各タップ電圧は５０％出力の電圧が７０．７Ｖ（ｎ＝１）、２５％出力の電圧が５０Ｖ（ｎ＝２）、１２．５％出力の電圧が３５．４Ｖ（ｎ＝３）となる。実際には上述のＶｄも加味してＶｎを決めることが望ましく、特に大電流で電圧降下の影響がある場合は、この電圧降下分だけトランス電圧を高くすることが好ましい。
【００２２】
電圧タップ４２ａ〜４２ｄから延びる配線４３ａ〜４３ｄの電気的な接続のＯＮ、ＯＦＦはスイッチ部４５ａ〜４５ｄにより制御され、スイッチ部４５ａ〜４５ｄの切り替えのタイミングはゼロクロス制御と同様に電源トランス４１の二次側電圧波形がゼロボルトを交差するとき（ゼロクロス）に行う。従って電力制御分解能は１サイクルだけで考えると、上述の例においては１００％、５０％、２５％、１２．５％の４種類しか使えない。そこでこの実施の形態では数サイクルを一つの制御単位として、その中でスイッチ部４５ａ〜４５ｄを切り替えることにより制御分解能を高くするようにしている。
【００２３】
各スイッチ部４５ａ〜４５ｄの切り替えについては、出力設定値と一つの制御単位における各サイクル毎の電圧タップとを対応付けたパターンテーブルを前記スイッチコントローラ５０内に予め格納しておき、出力設定値に応じた各サイクル毎の電圧タップ（これはスイッチ部４５ａ〜４５ｄに対応する）を読み出して、読み出されたスイッチ部４５をＯＮすることによって行われる。このような手法によれば、一つの制御単位における各サイクルに割り当てた電圧タップの組み合わせに応じて電力制御を行えるので制御分解能が高いという効果がある。
【００２４】
以上説明した図２の構成例は本実施の形態の基本的な手法を説明するために掲げたが、以下に実際の装置により適した実施の形態を図３を参照しながら説明する。この例は定電力制御方式の電力制御装置であるが、ここではスイッチ制御の説明などの都合上、電源トランス４１にその二次側の他端側として５つの電圧タップ４２ａ〜４２ｅを設けるものとし、図２で示した電力制御部４の場合と同様に電圧タップ４２から延びる配線４３（４３ａ〜４３ｅ）にヒューズ４４（４４ａ〜４４ｅ）、スイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）が介設されるものとする。以後、図３に示す実施の形態における電圧タップ４２ａ〜４２ｅの各出力は、上記の理由から大出力側から順に１２８％（１１３．１Ｖ）、６４％（８０Ｖ）、３２％（５６．６Ｖ）、１６％（４０Ｖ）、８％（２８．３Ｖ）となるものとして説明を行う。
【００２５】
また図１にて説明した温度検出手段２５を図３では省略しているが、この温度検出手段の温度検出信号は電力制御部４（図１参照）内の温度コントローラ６（図３参照）と接続されており、温度コントローラ６にて温度検出値と温度目標値との比較結果が出力設定値として出力される。この出力設定値は例えば０〜１００％の電力出力に対応した４−２０ｍＡの電流で出力される。
【００２６】
スイッチコントローラ５０は、温度コントローラ６からのアナログ信号である出力設定値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５１と、スイッチ部４５の切り替えタイミングの基準信号を得るためのゼロクロス検出器５２と、出力設定値に対応して各スイッチ部４５ａ〜４５ｅのＯＮ、ＯＦＦを切り替えを行うためのパターンテーブルを記憶するための記憶部であるパターンメモリ５３と、前記パターンテーブルに基づいて生成されたスイッチ部４５ａ〜４５ｅのゲート信号を出力するゲートドライバ５４と、データ処理部であるＣＰＵ５５と、電力制御のプログラム等を格納しているＲＯＭ５６、及び作業メモリであるＲＡＭ５７がバス５８を介して接続されて構成されている。なおこの例ではゼロクロス検出器５２、ゲートドライバ５４、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６及びＲＡＭ５７はスイッチ制御部５に相当する。
【００２７】
ここでパターンメモリ５３に記憶されているパターンテーブルについて図４を用いて説明を行う。本実施の形態は電力制御対象の使用において問題が生じない程度に数サイクルの電圧をひとつの制御単位としてスイッチ部４５の切り替えパターンを設定し、この切り替えパターンに応じて電力供給量の制御を行うものであり、ここでは８サイクルを１単位とする切り替えパターンを用いるものとする。図４に示すパターンテーブルは横方向に８サイクル分の切り替えパターンを、縦の行を１％間隔で１〜１００％で表される各出力％に割り当てたものである。この出力％は、例えば上述した温度コントローラ６から出力される出力設定値に応じてＣＰＵ５５が一の切り替えパターンを選択する際のインデックス（アドレス）に相当する。なおスイッチ部４５の切り替えは図４の右側に示す第１サイクルから順次第８サイクルまで行うものとする。
【００２８】
切り替えパターンと出力％との関係について具体的に説明すると、一の切り替えパターンには各サイクルごとにＯＮにする一のスイッチ部４５が設定されており、本実施の形態では７ビット信号を用いるものとすると、１２８通りの切り替えパターンを用意することができる。ここで図４のパターンテーブルの内部には、上記１単位（８サイクル）中での各サイクルにおける選択すべき電圧タップ４２の各出力％が記載されており、実際のデータとしては、例えばその出力％が得られる電圧タップを選択するためのスイッチ部に相当する識別コードが記載される。
【００２９】
もう少し詳しく説明すると、図３の例では電圧タップ４２ａを選択したときに最大出力が得られ、この最大出力の値を便宜上１２８％として割り当てることにすると、電圧タップ４２ｂを選択したときの出力は電圧タップ４２ａを選択したときの半分なので、便宜上の出力は６４％となり、同様に電圧タップ４２ｃ、４２ｄ、４２ｅを選択したときには夫々３２％、１６％、８％となる。これら電圧タップ４２ａ〜４２ｅに割り当てた「％」は１サイクルで見た場合である。一方図４の縦列の出力％は１単位である８サイクル分の出力の最大値から見た値であり、８サイクル分の出力の最大値は、８サイクルの各サイクル全てにおいて電圧タップ４２ａを選択したときであって、その値は（８サイクル）×（この電圧タップ４２ａに割り当てた便宜上の出力％である１２８％）＝１０２４％である。このことは８サイクル分の最大出力値に「１０２４」という数字を割り当てたことと同じであり、もしこの「１０２４」を８サイクル分の出力１００％とするならば８サイクル分の出力１％は１０２４÷１００＝１０．２４になる。しかしこれでは電圧タップの組み合わせで各出力％の出力値が得られないことから、「１０２４」という値を１２８％と見ている。このようにすれば８サイクル分の出力１％は１０２４÷１２８＝８になる。つまり８サイクルのうちの１サイクルだけ、１サイクルから見た８％の出力が得られる電圧タップ４２ｅを選択しかつ残りの７サイクルを０％つまりどの電圧タップも選択しないようにすればよい。同様に８サイクル分の出力２％は、８サイクルのうちの２サイクルだけ８％の出力が得られる電圧タップを選択しかつ残りの６サイクルを０％とすればよいことになる。こうして切り替えパターンは例えば出力の小さなものから順に１番目では、第１サイクルはスイッチ部４５ａ（出力８％）をＯＮ、第２〜第８サイクルはＯＦＦとし８サイクルで合計８％出力、２番目では第１及び第２サイクルはスイッチ部４５ａをＯＮ、第３〜第８サイクルはＯＦＦ、とし８サイクルで合計１６％出力となるように設定し、各切り替えパターンの８サイクルの合計出力が１％ずつ大きくなるようにする。なおここでいうスイッチ部４５に対応する出力％（パターンテーブルの各サイクルに記載された出力％）とは、既述のように１サイクルにおける最大出力から見た数値である。
【００３０】
そして、これを前記７ビット信号に割り当てて、７ビット信号のうち電力制御に必要な部分、例えば上述のようにして各切り替えパターンを出力１％刻みで対応させる場合には、１〜１００％までの切り替えパターンを表す部分の信号を使用する。即ち７ビット信号で各サイクルの出力％を組み合わせると、１〜１２８％（８サイクルの合計分でいえば８％刻みで１〜１０２４％）でデータ上は作成することができ、そのうち１〜１００％（８サイクルの合計分でいえば８％刻みで１〜８００％）を使用しているのである。
【００３１】
上述のようにして各切り替えパターンごとにどのスイッチ部４５を何サイクル分ＯＮにするかが決定される。この場合、一の切り替えパターン内において第１〜第８までの各サイクルに割り当てられるスイッチ部４５のＯＮの順番はどのような組み合わせであってもよいが、連続する２サイクル間で選択される電圧タップ４２のタップ電圧の差がなるべく小さくなるように設定されることが好ましい。例えば出力９７％に対応する切り替えパターンで第４〜第８までの各サイクルにおいてＯＮにするスイッチ部４５の順番は、１２８％、８％、１２８％、６４％、１２８％という順番よりも１２８％、１２８％、６４％、８％、６４％の順番とした方が急激な電圧変化が避けられ、高次の高調波電流を小さくできる。また出力が小さい７％以下ではスイッチ部４５ｅ（出力８％）のみが選択されるため、「従来の技術」で説明したゼロクロス制御ＳＣＲと同じ動作になるが、電流が小さい領域なので高調波電流も小さくなる。
【００３２】
続いてこのような実施の形態における作用について説明を行う。先ず、ウエハボート３１上に多数のウエハＷを棚状に保持して反応管２１内に搬入し、ヒータ２２に電力を供給して反応管２１内を目標温度まで昇温し、その後処理ガス例えば酸素ガスを反応管２１内に供給してウエハＷ上のシリコン膜を酸化し、シリコン酸化膜を形成する。ヒータ２２の電力制御については温度検出手段２５により検出される例えば反応管２１の外壁温度の検出値が温度コントローラ６へと送信され、当該温度コントローラ６では温度目標値と、前記温度検出値との差を求めて既述のように４−２０ｍＡの電流で表される出力設定値（アナログ信号）として出力される。
【００３３】
この出力設定値はＡ／Ｄコンバータ５１にて７ビットのデジタル信号に変換され、ＣＰＵ５５は、この信号のデジタル値をアドレスとしてパターンメモリ５３内のパターンテーブル（図４参照）から、対応する８サイクル分（１単位）に係るスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）のＯＮ、ＯＦＦのデータを読み出す。読み出されたデータは例えば出力２０％であれば、１サイクル及び２サイクル目はスイッチ部４５ｃがＯＮ、３サイクルから８サイクル目まではスイッチ部４５ｄがＯＮであるという内容に相当するものであり、一旦バッファメモリ例えばＲＡＭ５７に書き込まれる。そしてゼロクロス検出器５２により例えば電源トランス４１の二次側電圧波形に基づいて電圧の位相０度を検出し、この検出信号が出力される度にＣＰＵ５５の処理に割り込みをかけて、ＲＡＭ５７に記憶しておいた上述の読み出しデータの１サイクル目から順に各サイクルにおけるＯＮすべきスイッチ部４５に係るコード信号をゲートドライバ５４に送り、ゲートドライバ５４はこのコード信号に基づいて、対応するスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）にゲート信号を出力する。こうして前記パターンテーブルに書き込まれたスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）の切り替えパターン通りにスイッチ部が切り替えられ、出力設定値に応じた電力量がヒータ２２に供給される。
【００３４】
図５にデータが読み出される様子及び電圧波形を対応付けて模式的に示しておく。そして先の８サイクル分のデータ処理が終了すると、例えば終了後に温度コントローラ６から出力された出力設定値に応じた次の８サイクル分の切り替えパターンがパターンテーブルから読み出され、同様にしてゼロクロス検出器５２からの検出信号により割込みがかかって、スイッチ部４５からのＯＮ、ＯＦＦ制御が行われる。
【００３５】
従ってこのような実施の形態によれば、電源トランス４１に複数の電圧タップ４２を設け、数サイクルを一制御単位とする切り替えパターンに応じて出力制御を行うようにし、この切り替えパターンは各サイクルごとに使用する電圧タップ４２を選択するように配列しているため、電圧タップの数と切り替えパターンのサイクル数とを自由に組み合わせることにより、電力制御の分解能を高くすることができる。
【００３６】
なお一般的にヒータのように大きな熱容量を持っているものは数秒単位でゼロクロス制御により電力をＯＮ、ＯＦＦしても炉内部の温度変化は使用上問題のない大きさであり、この例では８サイクルを一つの制御単位としており、例えば５０Ｈｚの場合８サイクルは０．１６秒であるから制御性については問題がない。
【００３７】
このようにきめ細かい電力制御ができるので反応管２１内の処理雰囲気を速やかに目標温度に安定化させることができるし、また温度の安定性も高く、均熱性の高い処理雰囲気を形成できる。更に制御分解能が高いことから、高速昇温型の加熱炉のように温度変化に対して抵抗値変化の高いヒータに対しても安定した温度制御を行うことができる。
【００３８】
更に本実施の形態は、電圧タップ４２の切り替えは電圧がゼロボルトを交差（ゼロクロス）するときに行われているため、「発明が解決しようとする課題」で位相制御について述べたような大きな高調波が発生しにくい。またパターンメモリ５３には上述のように出力設定値に対応した例えば８サイクルごとの切り替えパターンを設けると共に、当該切り替えパターン内に配列されるＯＮにするスイッチ部４５の順番を連続する２つのサイクル間の電圧の差がなるべく小さくなるように設定しているため、急激な電圧変化により生じる高調波を抑えることができる。
【００３９】
また本実施の形態では電源トランス４１に設ける電圧タップ４２はスイッチ部４５の切り替えにより負荷電力が最大電力の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように設定されているので、論理回路で扱う２進数で制御しやすい。
【００４０】
このように本実施の形態は少ない電圧タップでも電力制御の分解能を高くとることができるが、前記分解能を上げるには電圧タップの数を増やす方法を採ってもよいし、一の切り替えパターンにまとめるサイクル数を増やす方法を採ってもよい。例えば上述の実施の形態では一制御単位をなす切り替えパターンのサイクル数を８としたが、例えば熱容量の大きなヒータならば数１０サイクルを一単位としても十分性能を発揮することができ、このように電力制御対象に応じてより分解能を上げることも可能である。
【００４１】
以上の実施の形態では、電源トランス４１の二次側に電圧タップを設けているが、図６に示すように電源トランス４１の一次側に電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）を設けてもよい。この例では交流電力供給源３の一端側に電源トランス４１の一端側の端子部７０が接続されており、各電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）は夫々配線７２（７２ａ〜７２ｄ）及びスイッチ部７３（７３ａ〜７３ｄ）を介して交流電力供給源３の他端側に接続されている。
【００４２】
このような実施の形態では、各スイッチ部７３（７３ａ〜７３ｄ）により選択された電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）の位置に応じた電圧が二次側から出力される。従って例えば定電力制御方式では、電圧タップ７１ａ〜７１ｄを夫々選択したときの負荷電力が例えば１００％、５０％、２５％、１２.５％ と順に半分となるように設定することにより２進数で制御しやすくなる。このような実施の形態においても既述の図２の実施の形態のように例えば電圧タップ７１を５個設けて、同様な制御を行ってもよいことは勿論である。
【００４３】
更に本発明では一次巻線と二次巻線とを設けて両者を互に絶縁した電源トランス４１に限られず、一次巻線と二次巻線とを共通にした、即ち一つの巻線に電源側及び負荷側の配線を接続するタイプのオートトランスを用いてもよい。このような実施の形態を図７及び図８に示しておく。図７の例はオートトランス８の二次側に電圧タップ４２（４２ａ〜４２ｄ）を設けた例であり、図８の例はオートトランス８の一次側に電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）を設けた例である。
【００４４】
なおスイッチ部４５、７３の切り替えタイミングは、厳密にゼロクロスである必要はないが、ゼロ点からの位相のずれは、例えばスイッチ部４５、７３の切り替えを行った際に発生する高調波を例えば電力制御対象などに影響が生じない程度に抑えられるように設定する。
【００４５】
更に電力制御対象は、本実施の形態で説明したヒータ２２に限定されるものではなく、例えばモータのように電力を力に変換する装置であってもよし、例えばランプのような電力を光に変換する装置であってもよい。
【００４６】
また本実施の形態は、電源トランス４１に設ける電圧タップ４２をスイッチ部４５、７３の切り替えにより負荷電流が最大電流の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように、または負荷電圧が最大電圧の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように設定すると共に、温度コントローラ６からの出力設定値を電圧設定値（あるいは電流設定値）とし、パターンテーブルの縦の列には最大電圧（あるいは最大電流）についての割合（％）を記載するようにしてもよい。この場合にも前述の実施の形態と同様に論理回路で扱う２進数で制御しやすいという利点がある。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電力制御装置によれば高調波の発生が抑えられ、高い制御分解能が得られる。また本実施の形態によれば処理雰囲気内の温度を安定して制御することができ、安定した熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力制御装置を縦型熱処理装置に適用した実施の形態を示す全体図である。
【図２】上述実施の形態における電力制御部を説明するための概略説明図である。
【図３】前記電力制御部及びこれに含まれるスイッチコントローラの構造について説明する概略説明図である。
【図４】前記スイッチコントローラ内のパターンメモリの構造について説明した説明図である。
【図５】本発明に係る実施の形態における一の実施例について説明した説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図８】本発明の更にまた他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図９】従来発明に係る電力制御装置の概略説明図である。
【符号の説明】
Ｗ ウエハ
２ 加熱炉
２１ 反応管
２２ ヒータ
２５ 温度検出手段
３ 交流電力供給源
３１ ウエハボート
４ 電力制御部
４１ 電源トランス
４２ 電圧タップ
４３ 配線
４４ ヒューズ
４５ スイッチ部
５ スイッチ制御部
５１ Ａ／Ｄコンバータ
５２ ゼロクロス検出器
５３ パターンメモリ
５４ ゲートドライバ
６ 温度コントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は例えばヒータ等に供給する電力を制御する電力制御装置、電力制御方法及びこの電力制御装置を用いた熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造装置の一つに、熱処理をバッチ式で行う装置として縦型熱処理装置がある。
【０００３】
図９は、従来の縦型熱処理装置とこれに組み合わせて用いられる電力制御装置を示した概略図であり、以下この装置の説明を行う。図中１１は例えば石英からなる筒状の反応管１１であり、下方側から多数の半導体ウエハ（以下ウエハという）が支持された図示しないウエハボートが収納される。反応管１１の側方（周囲）は例えば３つのゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなるヒータ１２により囲まれており、前記反応管１１とヒータ１２とにより加熱炉１３を形成している。各ゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの発熱量はこれらに接続する電力制御装置により調節され、こうして反応管１１内のウエハの熱処理が行われる構成となっている。
【０００４】
電力制御装置は、固定電圧の電源トランス（変圧器）１５の一次側に設けられた電力供給源１４から電源トランス１５を介して各ゾーンヒータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃへと電力を分配する構成となっており、電源トランス１５の二次側に設けられる半導体スイッチ１６のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを制御することにより供給電力量の制御を行う。また電源トランス１５と半導体スイッチ１６との間には過電流保護装置（フューズ）１７ａ、１７ｂ、１７ｃが介設されている。
【０００５】
ここで半導体スイッチ１６に位相制御ＳＣＲ（silicon controlled rectifier）を用いる方法と、ゼロクロス制御ＳＣＲを用いる方法とがあり、例えば前者は加熱炉１３が例えば１００℃／分程度の昇温速度を有する高速昇温型の炉の場合に、また例えば後者は加熱炉１３が一般炉の場合に用いられる。位相制御ＳＣＲは１サイクル３６０度の中の任意のタイミングで電力供給のＯＮ、ＯＦＦを切り替えるため、高い分解能を得ることができる。一方のゼロクロス制御ＳＣＲは１サイクルごとのゼロボルト電圧の状態となるタイミングでスイッチのＯＮ、ＯＦＦを切り替える装置であり、電力周波数が例えば５０Ｈｚであれば１サイクルごとにＯＮ、ＯＦＦ制御を行い、例えば１サイクル目をＯＮ、残りの４９サイクルを全てＯＦＦとすることで最大出力の２％（１００％×１／５０）となり、以後ＯＮのサイクルを増やすことで２％ごとに２、４、６…１００％まで５０通りに電力供給量を変化させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高速昇温型に用いられるヒータは温度に対する抵抗値変化が大きく、このため安定した温度制御を行うためには高い分解能を有する位相制御ＳＣＲが好適である。しかしながら、この位相制御ＳＣＲは大きな高調波が出力されるという問題があり、このため位相制御ＳＣＲを用いた装置では大掛かりなアクティブフィルターなどを併用して前記高調波を取り除いている。このような高調波を除去するための装置は高価であるため、コスト的な問題も生じていた。
【０００７】
一方、ゼロクロス制御ＳＣＲを用いた場合には、上述の位相制御ＳＣＲを用いた場合に比較して発生する高調波は小さいが、既述のように１サイクルごとにＯＮ、ＯＦＦの制御を行って電力供給量を調整するため、この電力供給量の分解能は電力周波数に依存することとなり、きめ細かな電力制御を行うことができない。このため上述の高速昇温型の加熱炉には採用しにくい。
【０００８】
本発明は上述のような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は高調波の発生を抑え、分解能の高い電力制御装置及びその方法を提供することにある。本発明の他の目的はこのような電力制御装置を用いることにより安定した温度制御を行うことのできる熱処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力制御装置は、抵抗発熱体からなるヒータを電力制御対象とする電力制御装置において、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された電力制御対象と、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択して電力制御対象の他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係る電力制御方法は、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスを用い、この電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータである電力制御対象の電力を制御する方法であって、前記ヒータの温度を検出する段階と、温度設定値と前記段階で検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値を発生させる段階と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいて、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続を切替え制御する段階と、を含み、前記記憶部には、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれていることを特徴とする。なお電源トランスの一次側に複数の電圧タップを設け、上述の発明と同様にしてこの電圧タップを選択することにより交流電力供給源から電源トランスに印加される電力を切り替えるようにしてもよい。
【００１１】
以上の発明によれば高い制御分解能を得ることができるので、きめ細かな電力制御が行える。例えば電力制御対象に抵抗発熱体からなるヒータを用いた場合、抵抗値変化の高いヒータに対しても安定した温度制御を行うことができる。
【００１２】
また本発明は、電源トランスの各タップ電圧が、電圧タップの選択により負荷電力が半分ずつ小さくなるように設定することが好ましく、このようにすることで論理回路が２進数で処理を行うことができるという利点がある。電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電流、或いは負荷電圧が半分ずつ小さくなるように設定してもよく、この場合にも同様の効果がある。
【００１３】
また前記スイッチ部の切り替え（複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続の切り替えは）電源トランスの二次側の電圧波形がゼロボルトを交差したときに行うと共に、ＯＮにするスイッチ部の順番を連続する２つのサイクル間の電圧の差がなるべく小さくなるように設定することが好ましく、このようにすることで急激な電圧変化により生じる高調波を抑えることができる。
【００１４】
更に本発明に係る熱処理装置は、被処理体を熱処理するための反応容器と、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記反応容器を囲むように設けられ、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータと、前記複数の電圧タップとヒータの他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択してヒータの他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする。なお熱処理装置の発明においても、電源トランスの一次側に複数の電圧タップを設け、上述の発明と同様にしてこの電圧タップを選択することにより交流電力供給源から電源トランスに印加される電力を切り替えるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である電力制御装置を、半導体製造装置の一つである縦型熱処理装置に適用した例を示す概略図である。この縦型熱処理装置は、加熱炉２と、保持具であるウエハボート３１と、このウエハボート３１を昇降させるボートエレベータ３２とを備えている。
【００１６】
加熱炉２は、反応容器である例えば石英からなり、外管３１ａと内管３１ｂとから構成される二重管構造の反応管２１、この反応管２１の側方周囲を囲むように設けられた抵抗発熱体からなるヒータ２２などからなり、反応管２１の底部にはガス供給管３３及び排気管３４が接続されている。反応管２１の外管３１ａの内側から内管３１ｂの天井部のガス穴３１ｃを介して当該内管３１ｂの中にガスが流れるようになっている。３５は均熱用容器である。前記ウエハボート３１は多数枚のウエハＷを棚状に保持するように構成され、加熱炉２の下端の開口部を開閉する蓋体３６の上に保温筒３７を介して設けられており、ボートエレベータ３２が昇降することにより加熱炉２に対しウエハボート３１の搬入出が行われる。
【００１７】
ヒータ２２は複数、例えば上段、中段、下段の３つのゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに分割されており、交流電力供給源３から電力制御部４（４ａ、４ｂ、４ｃ）を介して夫々ゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃへ電力が供給されるように構成されている。また例えば反応管２１の外壁面の各ゾーンヒータ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対応する部位には例えば熱電対からなる温度検出手段２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）が設けられており、各電力制御部４ａ、４ｂ、４ｃはこれら温度検出手段２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）の温度検出値に基づいてフィードバック制御を行う構成となっている。
【００１８】
次に本実施の形態における主要部である電力制御部４について説明する。この実施の形態の具体的な構成は図３に示すが、その前にこの実施の形態の基本的な手法を図２を用いて説明しておく。図２中では、電力制御部４に相当する箇所はヒータ２２及び交流電力供給源３を除く部分であり、また先に図１で示した３つの電力制御部４ａ、４ｂ、４ｃは同様の構成を成すものであるため、ここでは電力制御部４の一つのみを取り上げて説明を行う。
【００１９】
図２において、４１は二次側に複数の電圧タップを備えた電源トランスであり、一次側に交流電力供給源３が接続されている。この電源トランス４１の二次側は、一端側の端子部４１ａがヒータ２２の一端側（端子部２２ａ）へと接続され、他端側は４箇所の電圧タップ４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）を有する。この電圧タップ４２ａ〜４２ｄは夫々配線４３（４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ）を介してヒータ２２の他端側（端子部２２ｂ）へと接続されており、この配線４３ａ〜４３ｄには夫々過電流保護のためのヒューズ４４（４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ）と、前記ヒータ２２へ電力供給を行う電圧タップを切り替えるための例えばサイリスタよりなるスイッチ部４５（４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ）とが介設されている。また、スイッチ部４５ａ〜４５ｄには各々のＯＮ、ＯＦＦを制御するためのスイッチコントローラ５０が接続されている。
【００２０】
上記の各電圧タップ４２ａ〜４２ｄは、電源トランス４１の一次側の巻き線と、電源トランス４１の二次側に設けられた各電圧タップ４２ａ〜４２ｄの位置に応じた巻き線との巻き線比に応じた電圧が出力されるように構成されている。電圧タップ４２ａ〜４２ｄの各電圧は、定電力制御方式においては後述する電力制御において２進数で制御しやすいように負荷電力が１００％、５０％、２５％、１２．５％の順で半分となるように設定する。またこれと同様に定電流制御方式の場合には負荷電流を、定電圧制御方式の場合には負荷電圧を、１００％、５０％、２５％、１２．５％と順に半分となるように夫々設定する。
【００２１】
定電力制御を例に具体的に説明すると、１００Ｖを１００％出力とした場合、電源トランス４１の途中に設けられる３つの電圧タップ（４２ｂ〜４２ｄ）のうちｎ番目のタップ電圧Ｖｎは以下の（１）式となる。ここでＶｍａｘは１００％電圧、Ｖｄはヒューズ４４、スイッチ部４５、配線４３による電圧降下分である。
Ｖｎ＝（Ｖｍａｘ／√（２のｎ乗））＋Ｖｄ … （１）
（１）式のＶｄを無視すれば、図２における各タップ電圧は５０％出力の電圧が７０．７Ｖ（ｎ＝１）、２５％出力の電圧が５０Ｖ（ｎ＝２）、１２．５％出力の電圧が３５．４Ｖ（ｎ＝３）となる。実際には上述のＶｄも加味してＶｎを決めることが望ましく、特に大電流で電圧降下の影響がある場合は、この電圧降下分だけトランス電圧を高くすることが好ましい。
【００２２】
電圧タップ４２ａ〜４２ｄから延びる配線４３ａ〜４３ｄの電気的な接続のＯＮ、ＯＦＦはスイッチ部４５ａ〜４５ｄにより制御され、スイッチ部４５ａ〜４５ｄの切り替えのタイミングはゼロクロス制御と同様に電源トランス４１の二次側電圧波形がゼロボルトを交差するとき（ゼロクロス）に行う。従って電力制御分解能は１サイクルだけで考えると、上述の例においては１００％、５０％、２５％、１２．５％の４種類しか使えない。そこでこの実施の形態では数サイクルを一つの制御単位として、その中でスイッチ部４５ａ〜４５ｄを切り替えることにより制御分解能を高くするようにしている。
【００２３】
各スイッチ部４５ａ〜４５ｄの切り替えについては、出力設定値と一つの制御単位における各サイクル毎の電圧タップとを対応付けたパターンテーブルを前記スイッチコントローラ５０内に予め格納しておき、出力設定値に応じた各サイクル毎の電圧タップ（これはスイッチ部４５ａ〜４５ｄに対応する）を読み出して、読み出されたスイッチ部４５をＯＮすることによって行われる。このような手法によれば、一つの制御単位における各サイクルに割り当てた電圧タップの組み合わせに応じて電力制御を行えるので制御分解能が高いという効果がある。
【００２４】
以上説明した図２の構成例は本実施の形態の基本的な手法を説明するために掲げたが、以下に実際の装置により適した実施の形態を図３を参照しながら説明する。この例は定電力制御方式の電力制御装置であるが、ここではスイッチ制御の説明などの都合上、電源トランス４１にその二次側の他端側として５つの電圧タップ４２ａ〜４２ｅを設けるものとし、図２で示した電力制御部４の場合と同様に電圧タップ４２から延びる配線４３（４３ａ〜４３ｅ）にヒューズ４４（４４ａ〜４４ｅ）、スイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）が介設されるものとする。以後、図３に示す実施の形態における電圧タップ４２ａ〜４２ｅの各出力は、上記の理由から大出力側から順に１２８％（１１３．１Ｖ）、６４％（８０Ｖ）、３２％（５６．６Ｖ）、１６％（４０Ｖ）、８％（２８．３Ｖ）となるものとして説明を行う。
【００２５】
また図１にて説明した温度検出手段２５を図３では省略しているが、この温度検出手段の温度検出信号は電力制御部４（図１参照）内の温度コントローラ６（図３参照）と接続されており、温度コントローラ６にて温度検出値と温度目標値との比較結果が出力設定値として出力される。この出力設定値は例えば０〜１００％の電力出力に対応した４−２０ｍＡの電流で出力される。
【００２６】
スイッチコントローラ５０は、温度コントローラ６からのアナログ信号である出力設定値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ５１と、スイッチ部４５の切り替えタイミングの基準信号を得るためのゼロクロス検出器５２と、出力設定値に対応して各スイッチ部４５ａ〜４５ｅのＯＮ、ＯＦＦを切り替えを行うためのパターンテーブルを記憶するための記憶部であるパターンメモリ５３と、前記パターンテーブルに基づいて生成されたスイッチ部４５ａ〜４５ｅのゲート信号を出力するゲートドライバ５４と、データ処理部であるＣＰＵ５５と、電力制御のプログラム等を格納しているＲＯＭ５６、及び作業メモリであるＲＡＭ５７がバス５８を介して接続されて構成されている。なおこの例ではゼロクロス検出器５２、ゲートドライバ５４、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６及びＲＡＭ５７はスイッチ制御部５に相当する。
【００２７】
ここでパターンメモリ５３に記憶されているパターンテーブルについて図４を用いて説明を行う。本実施の形態は電力制御対象の使用において問題が生じない程度に数サイクルの電圧をひとつの制御単位としてスイッチ部４５の切り替えパターンを設定し、この切り替えパターンに応じて電力供給量の制御を行うものであり、ここでは８サイクルを１単位とする切り替えパターンを用いるものとする。図４に示すパターンテーブルは横方向に８サイクル分の切り替えパターンを、縦の行を１％間隔で１〜１００％で表される各出力％に割り当てたものである。この出力％は、例えば上述した温度コントローラ６から出力される出力設定値に応じてＣＰＵ５５が一の切り替えパターンを選択する際のインデックス（アドレス）に相当する。なおスイッチ部４５の切り替えは図４の右側に示す第１サイクルから順次第８サイクルまで行うものとする。
【００２８】
切り替えパターンと出力％との関係について具体的に説明すると、一の切り替えパターンには各サイクルごとにＯＮにする一のスイッチ部４５が設定されており、本実施の形態では７ビット信号を用いるものとすると、１２８通りの切り替えパターンを用意することができる。ここで図４のパターンテーブルの内部には、上記１単位（８サイクル）中での各サイクルにおける選択すべき電圧タップ４２の各出力％が記載されており、実際のデータとしては、例えばその出力％が得られる電圧タップを選択するためのスイッチ部に相当する識別コードが記載される。
【００２９】
もう少し詳しく説明すると、図３の例では電圧タップ４２ａを選択したときに最大出力が得られ、この最大出力の値を便宜上１２８％として割り当てることにすると、電圧タップ４２ｂを選択したときの出力は電圧タップ４２ａを選択したときの半分なので、便宜上の出力は６４％となり、同様に電圧タップ４２ｃ、４２ｄ、４２ｅを選択したときには夫々３２％、１６％、８％となる。これら電圧タップ４２ａ〜４２ｅに割り当てた「％」は１サイクルで見た場合である。一方図４の縦列の出力％は１単位である８サイクル分の出力の最大値から見た値であり、８サイクル分の出力の最大値は、８サイクルの各サイクル全てにおいて電圧タップ４２ａを選択したときであって、その値は（８サイクル）×（この電圧タップ４２ａに割り当てた便宜上の出力％である１２８％）＝１０２４％である。このことは８サイクル分の最大出力値に「１０２４」という数字を割り当てたことと同じであり、もしこの「１０２４」を８サイクル分の出力１００％とするならば８サイクル分の出力１％は１０２４÷１００＝１０．２４になる。しかしこれでは電圧タップの組み合わせで各出力％の出力値が得られないことから、「１０２４」という値を１２８％と見ている。このようにすれば８サイクル分の出力１％は１０２４÷１２８＝８になる。つまり８サイクルのうちの１サイクルだけ、１サイクルから見た８％の出力が得られる電圧タップ４２ｅを選択しかつ残りの７サイクルを０％つまりどの電圧タップも選択しないようにすればよい。同様に８サイクル分の出力２％は、８サイクルのうちの２サイクルだけ８％の出力が得られる電圧タップを選択しかつ残りの６サイクルを０％とすればよいことになる。こうして切り替えパターンは例えば出力の小さなものから順に１番目では、第１サイクルはスイッチ部４５ａ（出力８％）をＯＮ、第２〜第８サイクルはＯＦＦとし８サイクルで合計８％出力、２番目では第１及び第２サイクルはスイッチ部４５ａをＯＮ、第３〜第８サイクルはＯＦＦ、とし８サイクルで合計１６％出力となるように設定し、各切り替えパターンの８サイクルの合計出力が１％ずつ大きくなるようにする。なおここでいうスイッチ部４５に対応する出力％（パターンテーブルの各サイクルに記載された出力％）とは、既述のように１サイクルにおける最大出力から見た数値である。
【００３０】
そして、これを前記７ビット信号に割り当てて、７ビット信号のうち電力制御に必要な部分、例えば上述のようにして各切り替えパターンを出力１％刻みで対応させる場合には、１〜１００％までの切り替えパターンを表す部分の信号を使用する。即ち７ビット信号で各サイクルの出力％を組み合わせると、１〜１２８％（８サイクルの合計分でいえば８％刻みで１〜１０２４％）でデータ上は作成することができ、そのうち１〜１００％（８サイクルの合計分でいえば８％刻みで１〜８００％）を使用しているのである。
【００３１】
上述のようにして各切り替えパターンごとにどのスイッチ部４５を何サイクル分ＯＮにするかが決定される。この場合、一の切り替えパターン内において第１〜第８までの各サイクルに割り当てられるスイッチ部４５のＯＮの順番はどのような組み合わせであってもよいが、連続する２サイクル間で選択される電圧タップ４２のタップ電圧の差がなるべく小さくなるように設定されることが好ましい。例えば出力９７％に対応する切り替えパターンで第４〜第８までの各サイクルにおいてＯＮにするスイッチ部４５の順番は、１２８％、８％、１２８％、６４％、１２８％という順番よりも１２８％、１２８％、６４％、８％、６４％の順番とした方が急激な電圧変化が避けられ、高次の高調波電流を小さくできる。また出力が小さい７％以下ではスイッチ部４５ｅ（出力８％）のみが選択されるため、「従来の技術」で説明したゼロクロス制御ＳＣＲと同じ動作になるが、電流が小さい領域なので高調波電流も小さくなる。
【００３２】
続いてこのような実施の形態における作用について説明を行う。先ず、ウエハボート３１上に多数のウエハＷを棚状に保持して反応管２１内に搬入し、ヒータ２２に電力を供給して反応管２１内を目標温度まで昇温し、その後処理ガス例えば酸素ガスを反応管２１内に供給してウエハＷ上のシリコン膜を酸化し、シリコン酸化膜を形成する。ヒータ２２の電力制御については温度検出手段２５により検出される例えば反応管２１の外壁温度の検出値が温度コントローラ６へと送信され、当該温度コントローラ６では温度目標値と、前記温度検出値との差を求めて既述のように４−２０ｍＡの電流で表される出力設定値（アナログ信号）として出力される。
【００３３】
この出力設定値はＡ／Ｄコンバータ５１にて７ビットのデジタル信号に変換され、ＣＰＵ５５は、この信号のデジタル値をアドレスとしてパターンメモリ５３内のパターンテーブル（図４参照）から、対応する８サイクル分（１単位）に係るスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）のＯＮ、ＯＦＦのデータを読み出す。読み出されたデータは例えば出力２０％であれば、１サイクル及び２サイクル目はスイッチ部４５ｃがＯＮ、３サイクルから８サイクル目まではスイッチ部４５ｄがＯＮであるという内容に相当するものであり、一旦バッファメモリ例えばＲＡＭ５７に書き込まれる。そしてゼロクロス検出器５２により例えば電源トランス４１の二次側電圧波形に基づいて電圧の位相０度を検出し、この検出信号が出力される度にＣＰＵ５５の処理に割り込みをかけて、ＲＡＭ５７に記憶しておいた上述の読み出しデータの１サイクル目から順に各サイクルにおけるＯＮすべきスイッチ部４５に係るコード信号をゲートドライバ５４に送り、ゲートドライバ５４はこのコード信号に基づいて、対応するスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）にゲート信号を出力する。こうして前記パターンテーブルに書き込まれたスイッチ部４５（４５ａ〜４５ｅ）の切り替えパターン通りにスイッチ部が切り替えられ、出力設定値に応じた電力量がヒータ２２に供給される。
【００３４】
図５にデータが読み出される様子及び電圧波形を対応付けて模式的に示しておく。そして先の８サイクル分のデータ処理が終了すると、例えば終了後に温度コントローラ６から出力された出力設定値に応じた次の８サイクル分の切り替えパターンがパターンテーブルから読み出され、同様にしてゼロクロス検出器５２からの検出信号により割込みがかかって、スイッチ部４５からのＯＮ、ＯＦＦ制御が行われる。
【００３５】
従ってこのような実施の形態によれば、電源トランス４１に複数の電圧タップ４２を設け、数サイクルを一制御単位とする切り替えパターンに応じて出力制御を行うようにし、この切り替えパターンは各サイクルごとに使用する電圧タップ４２を選択するように配列しているため、電圧タップの数と切り替えパターンのサイクル数とを自由に組み合わせることにより、電力制御の分解能を高くすることができる。
【００３６】
なお一般的にヒータのように大きな熱容量を持っているものは数秒単位でゼロクロス制御により電力をＯＮ、ＯＦＦしても炉内部の温度変化は使用上問題のない大きさであり、この例では８サイクルを一つの制御単位としており、例えば５０Ｈｚの場合８サイクルは０．１６秒であるから制御性については問題がない。
【００３７】
このようにきめ細かい電力制御ができるので反応管２１内の処理雰囲気を速やかに目標温度に安定化させることができるし、また温度の安定性も高く、均熱性の高い処理雰囲気を形成できる。更に制御分解能が高いことから、高速昇温型の加熱炉のように温度変化に対して抵抗値変化の高いヒータに対しても安定した温度制御を行うことができる。
【００３８】
更に本実施の形態は、電圧タップ４２の切り替えは電圧がゼロボルトを交差（ゼロクロス）するときに行われているため、「発明が解決しようとする課題」で位相制御について述べたような大きな高調波が発生しにくい。またパターンメモリ５３には上述のように出力設定値に対応した例えば８サイクルごとの切り替えパターンを設けると共に、当該切り替えパターン内に配列されるＯＮにするスイッチ部４５の順番を連続する２つのサイクル間の電圧の差がなるべく小さくなるように設定しているため、急激な電圧変化により生じる高調波を抑えることができる。
【００３９】
また本実施の形態では電源トランス４１に設ける電圧タップ４２はスイッチ部４５の切り替えにより負荷電力が最大電力の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように設定されているので、論理回路で扱う２進数で制御しやすい。
【００４０】
このように本実施の形態は少ない電圧タップでも電力制御の分解能を高くとることができるが、前記分解能を上げるには電圧タップの数を増やす方法を採ってもよいし、一の切り替えパターンにまとめるサイクル数を増やす方法を採ってもよい。例えば上述の実施の形態では一制御単位をなす切り替えパターンのサイクル数を８としたが、例えば熱容量の大きなヒータならば数１０サイクルを一単位としても十分性能を発揮することができ、このように電力制御対象に応じてより分解能を上げることも可能である。
【００４１】
以上の実施の形態では、電源トランス４１の二次側に電圧タップを設けているが、図６に示すように電源トランス４１の一次側に電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）を設けてもよい。この例では交流電力供給源３の一端側に電源トランス４１の一端側の端子部７０が接続されており、各電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）は夫々配線７２（７２ａ〜７２ｄ）及びスイッチ部７３（７３ａ〜７３ｄ）を介して交流電力供給源３の他端側に接続されている。
【００４２】
このような実施の形態では、各スイッチ部７３（７３ａ〜７３ｄ）により選択された電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）の位置に応じた電圧が二次側から出力される。従って例えば定電力制御方式では、電圧タップ７１ａ〜７１ｄを夫々選択したときの負荷電力が例えば１００％、５０％、２５％、１２.５％ と順に半分となるように設定することにより２進数で制御しやすくなる。このような実施の形態においても既述の図２の実施の形態のように例えば電圧タップ７１を５個設けて、同様な制御を行ってもよいことは勿論である。
【００４３】
更に本発明では一次巻線と二次巻線とを設けて両者を互に絶縁した電源トランス４１に限られず、一次巻線と二次巻線とを共通にした、即ち一つの巻線に電源側及び負荷側の配線を接続するタイプのオートトランスを用いてもよい。このような実施の形態を図７及び図８に示しておく。図７の例はオートトランス８の二次側に電圧タップ４２（４２ａ〜４２ｄ）を設けた例であり、図８の例はオートトランス８の一次側に電圧タップ７１（７１ａ〜７１ｄ）を設けた例である。
【００４４】
なおスイッチ部４５、７３の切り替えタイミングは、厳密にゼロクロスである必要はないが、ゼロ点からの位相のずれは、例えばスイッチ部４５、７３の切り替えを行った際に発生する高調波を例えば電力制御対象などに影響が生じない程度に抑えられるように設定する。
【００４５】
更に電力制御対象は、本実施の形態で説明したヒータ２２に限定されるものではなく、例えばモータのように電力を力に変換する装置であってもよし、例えばランプのような電力を光に変換する装置であってもよい。
【００４６】
また本実施の形態は、電源トランス４１に設ける電圧タップ４２をスイッチ部４５、７３の切り替えにより負荷電流が最大電流の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように、または負荷電圧が最大電圧の１／２、１／４、１／８と以下半分ずつ小さくなるように設定すると共に、温度コントローラ６からの出力設定値を電圧設定値（あるいは電流設定値）とし、パターンテーブルの縦の列には最大電圧（あるいは最大電流）についての割合（％）を記載するようにしてもよい。この場合にも前述の実施の形態と同様に論理回路で扱う２進数で制御しやすいという利点がある。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電力制御装置によれば高調波の発生が抑えられ、高い制御分解能が得られる。また本実施の形態によれば処理雰囲気内の温度を安定して制御することができ、安定した熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力制御装置を縦型熱処理装置に適用した実施の形態を示す全体図である。
【図２】上述実施の形態における電力制御部を説明するための概略説明図である。
【図３】前記電力制御部及びこれに含まれるスイッチコントローラの構造について説明する概略説明図である。
【図４】前記スイッチコントローラ内のパターンメモリの構造について説明した説明図である。
【図５】本発明に係る実施の形態における一の実施例について説明した説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図８】本発明の更にまた他の実施の形態を示す概略説明図である。
【図９】従来発明に係る電力制御装置の概略説明図である。
【符号の説明】
Ｗ ウエハ
２ 加熱炉
２１ 反応管
２２ ヒータ
２５ 温度検出手段
３ 交流電力供給源
３１ ウエハボート
４ 電力制御部
４１ 電源トランス
４２ 電圧タップ
４３ 配線
４４ ヒューズ
４５ スイッチ部
５ スイッチ制御部
５１ Ａ／Ｄコンバータ
５２ ゼロクロス検出器
５３ パターンメモリ
５４ ゲートドライバ
６ 温度コントローラ
Claims (14)
- 抵抗発熱体からなるヒータを電力制御対象とする電力制御装置において、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された電力制御対象と、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択して電力制御対象の他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする電力制御装置。
- 抵抗発熱体からなるヒータを電力制御対象とする電力制御装置において、二次側に電力制御対象が設けられると共に、一次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記電源トランスの一次側の一端側の端子部に一端側が接続された交流電力供給源と、前記複数の電圧タップと交流電力供給源の他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択して交流電力供給源の他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする電力制御装置。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電力が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の電力制御装置。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電流が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の電力制御装置。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電圧が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の電力制御装置。
- スイッチ部の切り替えは電源トランスの二次側の電圧波形がゼロボルトを交差したときに行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力制御装置。
- 一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスを用い、この電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータである電力制御対象の電力を制御する方法であって、前記ヒータの温度を検出する段階と、温度設定値と前記段階で検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値を発生させる段階と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいて、前記複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続を切替え制御する段階と、を含み、前記記憶部には、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれていることを特徴とする電力制御方法。
- 一次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスを用い、この電源トランスの一次側の一端側の端子部に交流電力供給源の一端側を接続し、前記電源トランスの二次側に接続された抵抗発熱体からなるヒータである電力制御対象の電力を制御する方法であって、前記ヒータの温度を検出する段階と、温度設定値と前記段階で検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値を発生させる段階と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいて、前記複数の電圧タップと交流電力供給源の他端側との間の接続を切替え制御する段階と、を含み、前記記憶部には、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれていることを特徴とする電力制御方法。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電力が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項７または８記載の電力制御方法。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電流が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項７または８記載の電力制御方法。
- 電源トランスの各タップ電圧は、電圧タップの選択により負荷電圧が半分ずつ小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項７または８記載の電力制御方法。
- 複数の電圧タップと電力制御対象の他端側との間の接続の切り替えは電源トランスの二次側の電圧波形がゼロボルトを交差したときに行われることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の電力制御方法。
- 被処理体を熱処理するための反応容器と、一次側に交流電力供給源が設けられると共に、二次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記反応容器を囲むように設けられ、前記電源トランスの二次側の一端側の端子部に一端側が接続された抵抗発熱体からなるヒータと、前記複数の電圧タップとヒータの他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択してヒータの他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする熱処理装置。
- 被処理体を熱処理するための反応容器と、一次側の一端側に端子部を備え、また他端側に複数の電圧タップを備えた電源トランスと、前記電源トランスの一次側の一端側の端子部に一端側が接続された交流電力供給源と、前記反応容器を囲むように設けられ、前記電源トランスの二次側に接続された抵抗発熱体からなるヒータと、前記複数の電圧タップと交流電力供給源の他端側との間に設けられ、複数の電圧タップの中の一つを選択して交流電力供給源の他端側に接続するためのスイッチ部と、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記交流電力供給源の周波数の複数サイクルを一つの制御単位として当該複数サイクルの各サイクルに、選択された電圧タップを割り当てて、前記複数サイクルにより電圧タップの組み合わせパターンである切り替えパターンを形成し、温度設定値と前記温度検出手段により検出した温度検出値との偏差に応じた出力設定値に対応させて前記切り替えパターンが書き込まれた記憶部と、前記出力設定値をアドレスとして前記記憶部の中から切り替えパターンを読み出して、この切り替えパターンに基づいてスイッチ部を切替え制御するためのスイッチ制御部と、を備えてなることを特徴とする熱処理装置。
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