(57)【要約】  温度応答性に優れ、電源変動又は負荷変動に対する安定度も良好で、使い勝手のよい供給電力調節装置を得る。  交流電源１からヒータ７に電力を供給する供給電力調節装置において、交流電源１から供給される交流を直流に整流する整流回路１０と、整流回路１０で整流された直流を制御信号に応じた交流電力に変換してヒータ７に供給する高速スイッチング電力制御用半導体インバータと、ヒータ７の温度変動を検出する温度変動検出回路２４と、整流回路１０の電力変動を検出する電源変動検出回路２２と、ヒータ７に供給される交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路２３と、温度変動検出回路２４、電源変動検出回路２２、及び負荷変動検出回路２３の検出結果からヒータ７に供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて電力制御用半導体インバータに加える制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路１５とを備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、
前記交流電源から供給される交流を直流に整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された直流を制御信号に応じた交流電力に変換して前記ヒータに供給する高速スイッチング電力制御用半導体インバータと、
前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、
前記交流電源から前記整流回路に供給される交流又は前記整流回路で整流された直流の電力変動を検出する電源変動検出回路と、
前記ヒータに供給される交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、
前記温度変動検出回路、前記電源変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御用半導体インバータに加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路と
を備えた供給電力調節装置。
【請求項２】
前記高速スイッチング電力制御用半導体インバータがＩＧＢＴから構成される請求項１に記載の供給電力調節装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の供給電力調節装置を備えた半導体製造装置。
【請求項４】
交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、
前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、
前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、
前記交流電源から前記整流回路に供給される前記第１の交流電力又は前記整流回路で整流された前記電力の電力変動を検出する電源変動検出回路と、
前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、
前記温度変動検出回路、前記電源変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路と
を備えた供給電力調節装置。
【請求項５】
交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、
前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、
前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、
前記交流電源から前記整流回路に供給される前記第１の交流電力又は前記整流回路で整流された前記電力の電力変動を検出する電源変動検出回路と、
前記温度変動検出回路、及び前記電源変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路と
を備えた供給電力調節装置。
【請求項６】
交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、
前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、
前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、
前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、
前記温度変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路と
を備えた供給電力調節装置。
【請求項７】
交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、電力制御回路で該電力制御回路に入力される制御信号に応じた第２の交流電力に変換してヒータに供給する際に、
前記ヒータの温度変動、前記第１の交流電力又は前記第２の交流電力に変換される前の整流出力の電力変動、及び前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出し、
それらの検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにしたヒータへの電力制御方法。
【請求項８】
交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、制御信号に応じた第２の交流電力に変換し、半導体製造装置の熱処理用ヒータに供給して半導体装置を製造する方法であって、
前記熱処理用ヒータの温度変動、及び前記第１の交流電力又は前記第２の交流電力に変換される前の整流出力の電力変動を検出し、
それらの検出結果から前記熱処理用ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにした半導体装置の製造方法。
【請求項９】
交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、制御信号に応じた第２の交流電力に変換し、半導体製造装置の熱処理用ヒータに供給して半導体装置を製造する方法であって、
前記熱処理用ヒータの温度変動、及び前記熱処理用ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出し、
それらの検出結果から前記熱処理用ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにした半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータに供給する電力を調節する供給電力調節装置、それを搭載した半導体製造装置、ヒータへの電力制御方法、及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２に従来のヒータ用の供給電力調節装置を示す。ヒータ用の供給電力調節装置２０は、その入力端に交流電源１に接続される受電端子台２を持ち、その出力端にヒータ７に接続される分配用端子台６を持つ。受電端子台２と分配用端子台６との間に、電源ブレーカ３、電源トランス４、電力調整器としての電力制御用サイリスタ５が接続される。ヒータ７に温度測定用熱電対８が設けられる。【０００３】
交流電源１を受電端子台２で受電し、電源ブレーカ３を通して、電源トランス４に電力を供給する。電源トランス４で変圧された電力は、電力制御用サイリスタ５で制御され、分配用端子台６からヒータ７に供給される。これによりヒータ７が加熱されて、ヒータ７の温度が変化する。このヒータ温度は熱電対８によって測定されて温度調節計９に入力される。温度調節計９は、熱電対８で測定された測定温度と設定温度との差を求め、その温度差に応じてヒータ７に供給すべき電力量を演算する。この演算結果は位相制御量に換算されて、温度調節計９から電力制御用サイリスタ５に制御信号として出力される。電力制御用サイリスタ５は、その制御信号のタイミングに応じた電力をヒータ７に供給する。
このようにヒータ用の供給電力調節装置２０は、ヒータ温度を検出してから温度調節計９で制御信号を出力するタイミングを決定し、このタイミングに応じて電力制御用サイリスタ５を位相制御することで、ヒータ７の温度が設定温度となるように制御している。【０００４】
この位相制御のやり方を図３に示す。図３（ａ）は交流電源の電源波形を示し、図３（ｂ）は電力制御用サイリスタを制御する電力制御用サイリスタ制御信号を示す。位相制御方法では、交流電源の１サイクル毎に、電力制御用サイリスタ制御信号の発生時から電源波形のゼロボルト時までの期間を電力制御期間Ａとし、ゼロボルト時から制御信号の発生時までの期間を無効電力期間Ｂとする。また、温度安定時に必要とされる電力よりも大きな最大電力が電源に求められる。したがって、温度安定時の有効電力は最大電力の６０％〜８０％程度にとどまり、それ以外は無効電力となるため、電源としての効率が悪かった。【０００５】
これを改善するために、無効電力が原理的に生じないゼロクロス制御を採用したものや、力率改善用の進相コンデンサを用いて有効電力の比率を８５％以上に高める工夫がされている。【０００６】
ゼロクロス制御は、回路的には図２と同じであるが、一般に電力制御用素子としてサイリスタではなく、ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）を採用し、その制御信号の内容を変えている点が異なる。このゼロクロス制御のやり方を図４に示す。図４（ａ）は交流電源の電源波形を示し、図４（ｂ）はＳＳＲを制御する電力制御用ＳＳＲ制御信号を示す。電源波形のゼロボルト時にＳＳＲをオンさせる点弧方式を採用し、交流電源の規定時間（Ａ＋Ｂ）を１周期（１サイクルタイム）として、その間に電力調整用ＳＳＲ制御信号が出力されて通電している期間を電力制御期間Ａとし、それ以外を電力の消費されない非通電期間Ｂとしている。ゼロクロス制御は、電源をオン／オフするだけなので、原理的に無効電力は生じない。【０００７】
また、進相コンデンサによる制御方式を図５に示す。図５（ａ）の実線が供給側交流電源波形Ｗ１を示し、点線が制御側電源波形Ｗ２を示す。また、図５（ｂ）は電力制御用サイリスタ制御信号を示す。この制御信号により実線で示す供給側交流電源波形Ｗ１を制御する場合、無効電力期間Ｂが大きいため、位相角Ｐ１のときの電力制御は例えば７０％にとどまるとものとする。しかし、進相コンデンサで位相を進ませた点線で示す制御側電源波形Ｗ２を電力制御用サイリスタ制御信号で制御するようにすると、位相角Ｐ２の進んだ分だけ無効電力期間Ｂ’が小さくなり、見かけ上の力率が向上し、電力制御は９０％に増加する。【０００８】
しかし、ゼロクロス制御の場合には、電力制御用素子に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）のような高速スイッチング電力制御用半導体と比べて、オン電圧が比較的大きいＳＳＲを用いているため、ヒータ温度の応答性が悪くなるという問題があった。また、進相コンデンサによる場合は、進相コンデンサの補正があることで最大電力に至るまでのプロフィールを制限する電力調整が必要となる。これは進相しているので、いきなり最大電力をかけると欠相するからである。したがって、使い勝手が悪かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように従来の供給電力調節装置では、電力制御用サイリスタをゼロクロス制御して温度制御する場合は、温度応答性が悪くなるという問題があった。また、進相コンデンサによる場合は、最大電力に至るまでのプロフィールを制限する電力調整が必要となり、使い勝手が悪かった。さらに、両者に共通して言えることであるが、電源変動及び負荷変動に対する措置を講じていないため、電源変動及び負荷変動に対する安定度が悪いという問題があった。【００１０】
本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解消して、温度応答性に優れ、電源変動及び負荷変動に対する安定度も良好で、使い勝手のよい供給電力調節装置、半導体製造装置、ヒータへの電力制御方法、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、前記交流電源から供給される交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路で整流された直流を制御信号に応じた交流電力に変換して前記ヒータに供給する高速スイッチング電力制御用半導体インバータと、前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、前記交流電源から前記整流回路に供給される交流又は前記整流回路で整流された直流の電力変動を検出する電源変動検出回路と、前記ヒータに供給される交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、前記温度変動検出回路、前記電源変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御用半導体インバータに加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路とを備えた供給電力調節装置である。【００１２】
温度変動検出回路で温度変動を検出し、電力制御信号発生回路でその検出結果に応じた電力量を演算し、その演算結果に応じて高速スイッチング電力制御用半導体インバータを周波数制御又はデューティ比制御することにより、温度変動に対するヒータへの供給電力をフィードバック制御している。したがって、ヒータの温度を所定の温度に良好に保つことができる。【００１３】
交流電源電圧が変動すると、その変動は整流回路の入力側と出力側に電力の変動として現れる。電源変動検出回路で、例えばこの整流回路の出力側の電力変動を検出し、電力制御信号発生回路でその検出結果に応じた電力量を演算し、その演算結果に応じて高速スイッチング電力制御用半導体インバータを周波数制御又はデューティ比制御することにより、電源電圧変動に対する供給電力をフィードフォワード制御している。したがって、良好にフィードバック制御されているときに電源電圧変動が生じて、ヒータへの供給電力量が変動してしまうことで生じるヒータ温度の乱れを抑制することができる。【００１４】
負荷が変動すると、その変動はヒータに供給される電力の変動として現れる。負荷変動検出回路でこのヒータへの電力変動を検出し、電力制御信号発生回路でその検出結果に応じた電力量を演算し、その演算結果に応じて高速スイッチング電力制御用半導体インバータを周波数制御又はデューティ比制御することにより、負荷変動に対する供給電力をフィードバック制御している。したがって、良好にフィードバック制御されているときに負荷変動が生じて、ヒータへの供給電力量の制御が負荷変動で大きく乱れてしまうことで生じるヒータ温度の乱れを抑制することができる。【００１５】
このように高速スイッチング電力制御用半導体インバータを用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御及び負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び電源変動及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。また、電力制御用素子に高速スイッチング電力制御用半導体を用いるので温度応答性に優れる。さらに、進相コンデンサの補正によらない制御なので、使い勝手がよくなる。【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、前記電力制御用半導体インバータがＩＧＢＴから構成される供給電力調節装置である。
電力制御用半導体インバータをＩＧＢＴで構成したので、特に過渡応答性に優れる。また、ＩＧＢＴの周波数制御は、ゼロクロス制御であるので、電源の効率を向上できる。【００１７】
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明の供給電力調節装置を備えた半導体製造装置である。ヒータ温度に高い安定性が得られる第１の発明又は第２の発明の供給電力調節装置を備えているので、高性能な半導体装置を製造することができる。【００１８】
第４の発明は、交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、前記交流電源から前記整流回路に供給される前記第１の交流電力又は前記整流回路で整流された前記電力の電力変動を検出する電源変動検出回路と、前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、前記温度変動検出回路、前記電源変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路とを備えた供給電力調節装置である。
電力制御回路を用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御及び負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、電源変動、及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。【００１９】
第５の発明は、交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、前記交流電源から前記整流回路に供給される前記第１の交流電力又は前記整流回路で整流された前記電力の電力変動を検出する電源変動検出回路と、前記温度変動検出回路、及び前記電源変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路とを備えた供給電力調節装置である。
電力制御回路を用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び電源変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。【００２０】
第６の発明は、交流電源からヒータに電力を供給する供給電力調節装置において、前記交流電源から供給される第１の交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路で整流された電力を制御信号に応じた第２の交流電力に変換して前記ヒータに供給する電力制御回路と、前記ヒータの温度変動を検出する温度変動検出回路と、前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出する負荷変動検出回路と、前記温度変動検出回路、及び前記負荷変動検出回路の検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記電力制御回路に加える前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御する電力制御信号発生回路とを備えた供給電力調節装置である。
電力制御回路を用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。【００２１】
第７の発明は、交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、電力制御回路で該電力制御回路に入力される制御信号に応じた第２の交流電力に変換してヒータに供給する際に、前記ヒータの温度変動、前記第１の交流電力又は前記第２の交流電力に変換される前の整流出力の電力変動、及び前記ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出し、それらの検出結果から前記ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにしたヒータへの電力制御方法である。
電力制御回路を用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御及び負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。【００２２】
第８の発明は、交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、制御信号に応じた第２の交流電力に変換し、半導体製造装置の熱処理用ヒータに供給して半導体装置を製造する方法であって、前記熱処理用ヒータの温度変動、及び前記第１の交流電力又は前記第２の交流電力に変換される前の整流出力の電力変動を検出し、それらの検出結果から前記熱処理用ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにした半導体装置の製造方法である。
温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び電源変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。【００２３】
第９の発明は、交流電源から供給される第１の交流電力を整流した後、制御信号に応じた第２の交流電力に変換し、半導体製造装置の熱処理用ヒータに供給して半導体装置を製造する方法であって、前記熱処理用ヒータの温度変動、及び前記熱処理用ヒータに供給される前記第２の交流電力の変動を検出し、それらの検出結果から前記熱処理用ヒータに供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じて前記制御信号の周波数又はデューティ比を制御するようにした半導体装置の製造方法である。
温度制御に対するフィードバック制御に、負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、温度応答性に優れ、電源変動又は負荷変動に対する安定度も良好で、使い勝手のよい装置や方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に本発明の供給電力調節装置の実施の形態について説明する。【００２６】
実施の形態の供給電力調節装置は、コントローラでの制御演算結果に基づきヒータに電力を供給するものであり、そのコントローラの電力制御回路に例えばＩＧＢＴのような高速スイッチング電力制御用素子インバータを用いたものである。交流電源を一度直流に整流して、その整流された直流をＩＧＢＴインバータを用いて周波数制御またはデューティ比制御して得た電力をヒータに供給し、無効電力をほとんどゼロにして電源を有効利用できる。あるいは、交流電源を半波整流した後、ＩＧＢＴインバータにより周波数制御又はデューティ比制御された電力に変換してヒータに供給することもできる。【００２７】
図１に示すように、交流電源１からヒータ７に電力を供給する供給電力調節装置２１は、その入力端に交流電源１に接続する受電端子台２を備え、その出力端にヒータ７に接続する分配用端子台６とを備える。交流電源１は、第１の交流電力を供給する、例えば周波数５０／６０Ｈｚ、ＡＣ２００Ｖの商用電源である。ヒータ７は、例えばニケイ化モリブデン製の抵抗加熱ヒータである。【００２８】
受電端子台２には、電源ブレーカ３が接続され、さらに必要に応じて電源トランス４が接続される。交流電源１を受電端子台２で受電し、電源ブレーカ３を通して、電源トランス４に電力を供給するようになっている。この電源トランス４は、ヒータ７の仕様により、使われない場合もある。なお、供給電力調節装置によっては、ヒータ７を複数の領域に分割して個別に電力制御が可能なように、電力制御用半導体インバータ１１を複数用意しているものもある。【００２９】
電源トランス４の２次側には、さらに整流回路１０と、電力制御回路、例えば電力制御用半導体インバータ１１と、電源変動検出回路２２と、負荷変動検出回路２３と、温度変動検出回路２４と、電力制御信号発生回路１５とを備える。電源トランス４で変圧された電力は、整流回路１０を通して、電力制御信号発生回路１５により制御される電力制御用半導体インバータ１１へ供給され、分配用端子台６に接続されたヒータ７に加えられるようになっている。【００３０】
整流回路１０は、交流電源１の交流を直流に整流する。一度直流に整流してからインバータ１１で再び交流にした上でヒータ７に電力を供給するためである。【００３１】
電力制御用半導体インバータ１１は、整流回路１０で整流された直流を第２の交流電力に変換してヒータ７に供給する。この高速スイッチング電力制御用半導体インバータは、電力制御信号発生回路１５から加えられる制御信号の周波数又はデューティ比に応じた交流電力をヒータ７に供給する。高速スイッチング電力制御用半導体インバー１１で用いる半導体素子は、高周波かつ大容量の素子であり、オン電圧がＭＯＳＦＥＴ（ＳＳＲ）より大幅に小さい半導体素子、例えばＩＧＢＴ素子を用いている。このＩＧＢＴインバータ１１ａは無効電力を低減するために周波数変換する。【００３２】
温度変動検出回路２４は、ヒータ７の温度変動を検出して、その変動に応じたフィードバック信号を電力制御信号発生回路１５に出力する。この温度変動検出回路２４は、温度センサとしての温度測定用熱電対８と、ヒータ温度を調節するための温度調節計９とを有する。
温度測定用熱電対８は、ヒータ７の近傍に必要数設けられ、熱起電力によりヒータ温度を測定する。温度調節計９は、熱電対８で測定されたヒータ７の測定温度と設定温度との温度差（温度変動）を求める。この温度差に応じて、ヒータ７に供給すべき電力量を演算し、電力制御信号発生回路１５に演算結果をフィードバック信号として出力する。また、温度調節計９は、温度異常を検出した時は、アラームを出力する。温度調節計９は、その出力を一旦、電力制御信号発生回路１５に加えるようにしているので、プログラムを変えるだけで、従来のものをそのまま用いることが可能である。【００３３】
電源変動検出回路２２は、整流回路１０の出力電力の変動を検出して、その変動に応じたフィードフォワード信号を電力制御信号発生回路１５に出力する。この電源変動検出回路２２は、整流回路１０の出力に流れる電流を測定するカレントトランス１２と、整流回路１０の出力線間電圧を測定する電圧測定ライン１３と、電源電圧・電流フィードフォワード回路１４とを有する。出力電力の変動を検出するために、電源電圧・電流フィードフォワード回路１４は、カレントトランス１２で測定した測定電流と設定電流との差、及び電圧測定ライン１３で測定した測定電圧と設定電圧との差を求める。これらの差が電源変動となる。この電源変動に応じて、ヒータ７に供給すべき電力量を演算し、電力制御信号発生回路１５に演算結果をフィードフォワード信号として出力する。なお、電源変動検出回路２２は、整流回路１０の出力側ではなく、入力側、すなわち、交流電源１と整流回路１０との間に設けることもできる。【００３４】
負荷変動検出回路２３は、ヒータ７に供給される出力電力の変動を検出して、その変動に応じたフィードバック信号を電力制御信号発生回路１５に出力する。この負荷変動検出回路２３は、ＩＧＢＴインバータ１１ａの出力線間電圧を測定する電圧測定ライン１７と、ＩＧＢＴインバータ１１ａの出力に流れる電流を測定するカレントトランス１８と、制御電圧・電流フィードバック回路１６とを有する。負荷変動を検出するために、制御電圧・電流フィードバック回路１６は、電圧測定ライン１７で測定した測定電圧と設定電圧との差、及びカレントトランス１８で測定した測定電流と設定電流との差を求める。これらの差が負荷変動となる。この負荷変動に応じて、ヒータ７に供給すべき電力量を演算し、電力制御信号発生回路１５に演算結果をフィードバック信号として出力する。
なお、カレントトランス１８は負荷電流の変動を精度良く測定するために、分配用端子台６よりも外側（出力側）のヒータ７側に設けるのが好ましいが、分配用端子台６の入力側に設けることもできる。【００３５】
電力制御信号発生回路１５は、温度変動検出回路２４、電源変動検出回路２２、及び負荷変動検出回路２３の変動結果に応じてＩＧＢＴインバータ１１ａを周波数又はデューティ比制御する。具体的には、電力制御信号発生回路１５は、温度変動検出回路２４の温度調節計９、電源変動検出回路２２の電源電圧・電流フィードフォワード回路１４、及び負荷変動検出回路２３の制御電圧・電流フィードバック回路１６から出力される信号から、ヒータ７に供給するべき電力量を演算して、その演算結果に応じた周波数又はデューティ比をもつゲート制御信号をＩＧＢＴインバータ１１ａに加える。
ＩＧＢＴを周波数制御する場合は、出力周波数を連続的に変化させることで、ヒータ７に投入される電力を制御している。周波数可変幅が大きいほど電力の制御性が良くなる。このため電力制御信号発生回路１５から出力されるゲート制御信号は、周波数ゼロから電源周波数より高い周波数（例えば３００Ｈｚ）に連続的に変化させることが可能になっている。なお、交流電源１の交流を整流回路１０で一旦直流に変換し、ＩＧＢＴで再度交流に変換する場合は、周波数が３００Ｈｚよりも高くなると、負荷のインダクタンス要素に起因して発生する逆起電力の影響が無視できなくなるため好ましくない。また、電力制御信号発生回路１５による周波数制御は、周波数を変化させるという点で、ＶＶＶＦ制御のＶＦ（可変周波数）制御と同じである。ＩＧＢＴは、ベース周波数を一定としてデューティ比を制御するＰＷＭ制御をすることもできる。ＶＦ制御、ＰＷＭ制御のいずれも、ゼロボルト時にＩＧＢＴがオンするのでゼロクロス制御となる。【００３６】
上述した実施の形態による供給電力調節装置２１において、温度調節計９及び電力制御信号発生回路１５は、次のようにしてヒータ７の温度を設定温度となるように制御する。【００３７】
温度調節計９は、測定温度と設定温度との温度差を求め、この温度差に応じて、ヒータ７に供給すべき電力量を演算し、電力制御信号発生回路１５に演算結果を出力する。電力制御信号発生回路１５は、温度調節計９からの出力値に応じた周波数又はデューティ比を持つゲート制御信号をＩＧＢＴインバータ１１ａに加える。ＩＧＢＴインバータ１１ａは、整流回路１０からの直流電力を、電力制御信号発生回路１５のゲート制御信号に応じた周波数又はデューティ比の交流電力に変換してヒータ７に供給する。ヒータ７に電力が供給されることにより、ヒータ７の温度が変化する。【００３８】
このような温度変動検出→制御演算→出力値の出力→温度の変化→温度変動の検出→…という閉じたループによりフィードバック制御を行う。温度状態を検出してから、温度調節計９及び電力制御信号発生回路１５により出力量を決定するので、良好にフィードバック制御することができる。したがって、ヒータの温度変動が補正されてヒータ７に安定した電力を供給し、ヒータ７を所定の温度に保持できる。また、周波数制御又はデューティ比制御はゼロクロス制御であるため、無効電力がなく、効率の高い制御ができる。【００３９】
上述したようにヒータ温度が良好にフィードバック制御されているときに、交流電源１の電圧が変動すると、その電圧変動は整流回路１０の出力に、電流変動及び電圧変動となってあらわれる。この電流変動及び電圧変動は、カレントトランス１２と電圧測定ライン１３で測定され、電源電圧・電流フィードフォワード回路１４で検出される。電源電圧・電流フィードフォワード回路１４から、その電力変動に応じた制御信号が電力制御信号発生回路１５に入力される。電力制御信号発生回路１５は、電源電力と設定電力との差に応じた周波数又はデューティ比のゲート制御信号を出力する。そのゲート制御信号をＩＧＢＴインバータ１１ａに加えてＩＧＢＴインバータを周波数制御又はデューティ比制御する。したがって、交流電源１の電圧変動が補正されてヒータ７に安定した電力を供給できる。また、周波数制御はゼロクロス制御であるため、無効電力がなく、効率の高い制御ができる。このフィードフォワード制御によって、整流回路（直流電源）１０から熱電対８までの応答特性が改善される。【００４０】
また、上述したようにヒータ温度が良好にフィードバック制御されているときに、ヒータ７に外乱（例えば外気が当たる等）が生じたり、ヒータの性質が多少変化したりして負荷が変動すると、それはＩＧＢＴインバータ１１ａの出力電力の変動として現れる。すなわちヒータ７に流れる負荷電流、及びヒータ７に加わる負荷電圧が変動する。この電流変動及び電圧変動は、カレントトランス１８と電圧測定ライン１７で検出され、制御電圧・電流フィードバック回路１６で測定される。制御電圧・電流フィードバック回路１６から、その電力変動に応じた制御信号が電力制御信号発生回路１５に入力される。電力制御信号発生回路１５は、電源電力と設定電力との差に応じた周波数又はデューティ比のゲート制御信号を出力する。そのゲート制御信号をＩＧＢＴインバータ１１ａに加えて周波数制御又はデューティ比制御する。したがって、負荷変動が補正されてヒータ７に安定した電力を供給できる。また、周波数制御又はデューティ比制御はゼロクロス制御であるため、無効電力がなく、効率の高い制御ができる。
この負荷変動制御は、外乱→ヒータ温度変化→熱電対検出の３ステップを経る温度変動制御と比べて、外乱→電力変動検出と２ステップであり、熱電対検出のステップが省略できるので、応答特性が速い。【００４１】
このように高速スイッチング電力制御用半導体インバータを構成する素子として高周波かつ大容量のＩＧＢＴを用いて、温度制御に対するフィードバック制御に、電源変動に対するフィードフォワード制御及び負荷変動に対するフィードバック制御を取り込むようにしたので、温度安定度、及び電源変動及び負荷変動に対する安定度が極めて優れ、ヒータ温度に高い安定性が得られる。特に、温度変動に加えて電源電圧変動及び負荷変動を取り込むことは、高周波かつ大容量の素子であるＩＧＢＴを採用することで可能になる。【００４２】
図６に、本発明の実施の形態に係る半導体装置を製造するプロセスの一つである、半導体基板に熱処理を行うための熱処理装置１１０の一例を示す。この熱処理装置１１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筐体１１２を有する。【００４３】
筐体１１２内の背面側上部には反応炉１４０が配置されている。この反応炉１４０内に、複数枚の基板を装填した基板支持具１３０が搬入され熱処理が行われる。【００４４】
図７に反応炉１４０の一例を示す。この反応炉１４０は、石英製の反応管１４２を有する。この反応管１４２は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしている。この反応管１４２の下方には反応管１４２を支持するよう石英製のアダプタ１４４が配置される。この反応管１４２とアダプタ１４４により反応容器１４３が形成されている。また、反応容器１４３のうち、アダプタ１４４を除いた反応管１４２の周囲には熱処理用ヒータ（以下、単にヒータ１４６）が配置されている。【００４５】
反応管１４２とアダプタ１４４により形成される反応容器１４３の下部は、基板支持具１３０を挿入するために開放され、この開放部分（炉口部）は炉口シールキャップ１４８がアダプタ１４４の下端部フランジの下面に当接することにより密閉されるようにしてある。炉口シールキャップ１４８は基板支持具１３０を支持し、基板支持具１３０と共に昇降可能に設けられている。基板支持具１３０は、多数枚、例えば２５〜１００枚の基板１５４を略水平状態で隙間をもって多段に支持し、反応管１４２に装填される。【００４６】
アダプタ１４４には、アダプタ１４４と一体にガス供給口１５６とガス排気口１５９とが設けられている。ガス供給口１５６にはガス導入管１６０が、ガス排気口１５９には排気管１６２がそれぞれ接続されている。
ガス導入管１６０からガス供給口１５６に導入された処理ガスは、アダプタ１４４の側壁部に設けられたガス導入経路１６４、ノズル１６６を介して反応管１４２内に供給される。【００４７】
次に上述したように構成された熱処理装置１１０の作用について説明する。
なお、以下の説明において、熱処理装置１１０、すなわち、熱処理を行うための基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ１７０により制御される。【００４８】
まず、ポッドステージ１１４に複数枚の基板１５４を収容したポッド１１６がセットされると、ポッド搬送装置１１８によりポッド１１６をポッドステージ１１４からポッド棚１２０へ搬送し、このポッド棚１２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１１８により、このポッド棚１２０にストックされたポッド１１６をポッドオープナ１２２に搬送してセットし、このポッドオープナ１２２によりポッド１１６の蓋を開き、基板枚数検知器１２４によりポッド１１６に収容されている基板１５４の枚数を検知する。【００４９】
次に、基板移載機１２６により、ポッドオープナ１２２の位置にあるポッド１１６から基板１５４を取出し、ノッチアライナ１２８に移載する。このノッチアライナ１２８においては、基板１５４を回転させながら、ノッチを検出し、整列させる。次に基板移載機１２６により、ノッチアライナ１２８から基板１５４を取出し、基板支持具１３０に移載する。【００５０】
このようにして、１バッチ分の基板１５４を基板支持具１３０に移載すると、例えば６００℃程度の温度に設定された反応炉１４０（反応容器１４３）内に複数枚の基板１５４を装填した基板支持具１３０を挿入し、炉口シールキャップ１４８により反応炉１４０内を密閉する。次に、炉内温度を熱処理温度まで昇温させて、ガス導入管１６０からガス供給口１５６、アダプタ１４４側壁部に設けられたガス導入経路１６４、及びノズル１６６を介して反応管１４２内に処理ガスを導入する。基板１５４を熱処理する際、基板１５４は例えば１０００℃の設定温度に加熱される。設定温度にするために、ヒータ１４６への供給電力を調節する際に、本発明の供給電力調節装置が前記コントローラ１７０の一部として用いられる。【００５１】
基板１５４の熱処理が終了すると、例えば炉内温度を６００℃程度の温度に降温した後、熱処理後の基板１５４を支持した基板支持具１３０を反応炉１４０からアンロードし、基板支持具１３０に支持された全ての基板１５４が冷えるまで、基板支持具１３０を所定位置で待機させる。次に、待機させた基板支持具１３０の基板１５４が所定温度まで冷却されると、基板移載機１２６により、基板支持具１３０から基板１５４を取り出し、ポッドオープナ１２２にセットされている空のポッド１１６に搬送して収容する。次に、ポッド搬送装置１１８により、基板１５４が収容されたポッド１１６をポッド棚１２０、またはポッドステージ１１４に搬送して一連の処理が完了する。【００５２】
以上述べたように、実施の形態の供給電力調節装置によれば次のような効果を奏する。【００５３】
（１）電源電圧変動をフィードフォワード制御として、及び負荷変動をフィードバック制御として、温度変動のフィードバック制御に取り込んだので、温度安定性に優れた制御システムが提供可能となる。また、安定した電力制御が可能となり、使い勝手がよい。
（２）ゼロクロス制御であるため、原理的に無効電力のない、電源電力を有効利用でき、高効率な供給電力調節装置を提供することができる。【００５４】
（３）既存の温度調節計９を用いて、その出力を電力制御信号発生回路１５に加えて、ＩＧＢＴのゲート制御信号を出力するようにしたので、従来のシシステムと互換性を持たせることができ、僅かな変更を加えるだけで、従来システムから本システムに容易に変更できる。【００５５】
（４）電力制御回路に高速スイッチング電力半導体インバータを採用することで省電力化され、無駄なく必要な電力を得ることが可能となる。特に、高周波の素子であるＩＧＢＴを用いているので、温度応答性に優れ、またノイズを嫌う計装ライン近辺のヒータ制御に好適である。【００５６】
なお、上述した実施の形態では、温度変動に加えて電源電圧変動及び負荷変動の両方を制御に取り込むようにしたが、温度変動制御に電源電圧変動のみを制御に取り込むようにしたり、あるいは温度変動制御に負荷変動のみを制御に取り込むようにしても良い。前者では供給電源の電圧変動を補正して、安定した供給電力を得ることが可能となる。後者では、ヒータの負荷変動に対応して適切な電力を供給することが可能となる。【００５７】
また、上述した実施の形態の供給電力調節装置２１は、図６に示す反応炉を備える半導体製造装置に搭載することが可能である。反応炉１４０は、石英管１４２と、この石英管１４２を外部から加熱する筒状のヒータ１４６とから構成される。このヒータ１４６を加熱するために実施の形態の供給電力調節装置を用いる。上述した供給電力調節装置を半導体製造装置に搭載すれば、ヒータ温度の安定性が得られるので、高性能な半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施の形態による供給電力調節装置のブロック図である。
【図２】従来例による供給電力調節装置のブロック図である。
【図３】従来の位相制御による電力の与え方の説明図である。
【図４】従来と実施例とに共通したゼロクロス制御による電力の与え方の説明図である。
【図５】従来の進相コンデンサ方式による力率改善の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体装置を製造するプロセスの一つである、半導体基板に熱処理を行うための熱処理装置の一例を示す透視斜視図である。
【図７】反応炉１４０の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    交流電源
７    ヒータ
８    温度測定用熱電対
９    温度調節計
１０    整流回路
１１    高速スイッチング電力制御用半導体インバータ（電力制御回路）
１１ａ  ＩＧＢＴインバータ
２１    供給電力調節装置
１４    電源電圧・電流フィードフォワード回路
１６    制御電圧・電流フィードバック回路
１５    電力制御信号発生回路
２２    電源変動検出回路
２３    負荷変動検出回路
２４    温度変動検出回路
【図１】
2006019056.tif 000002
【図２】
2006019056.tif 000003
【図３】
2006019056.tif 000004
【図４】
2006019056.tif 000005
【図５】
2006019056.tif 000006
【図６】
2006019056.tif 000007
【図７】
2006019056.tif 000008
【国際調査報告】
2006019056.tif 000009
2006019056.tif 000010
2006019056.tif 000011