供给功率调节器和半导体制造装置的制作方法

专利名称：供给功率调节器和半导体制造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对加热器供给功率的供给功率调节器和使用了该供给功率调节器的 半导体制造装置。
背景技术：
图3表示现有的加热器用的供给功率调节器。加热器用的供给功率调节器20，在 其输入端具有与交流电源1连接的受电端子板2，在其输出端具有与加热器7连接的分配用 端子板6。在受电端子板2和分配用端子板6之间连接有电源断路器3、电源变压器4、作为 功率调节器的功率控制用晶闸管5。在加热器7内设置有温度测定用热电偶8。由受电端子板2输入交流电源1，通过电源断路器3，向电源变压器4供给功率。在 电源变压器4进行了变压的功率，由功率控制用晶闸管5控制，从分配用端子板6供给加热 器7。由此，加热器7被加热，加热器7的温度发生变化。由温度测定用热电偶8测定该加 热器温度并输入温度调节器9。温度调节器9求出由温度测定用热电偶8测定的测定温度 与设定温度之差，并根据该温度差计算应供给加热器7的功率量。该计算结果被换算为相 位控制量，作为控制信号从温度调节器9输出到功率控制用晶闸管5。功率控制用晶闸管5 将与该控制信号的时序对应的功率供给加热器7。这样，加热器用的供给功率调节器20，在检测加热器温度后由温度调节器9决定 输出控制信号的时序，并根据该时序对功率控制用晶闸管5进行相位控制，从而控制加热 器温度使其等于设定温度。该相位控制的方法示于图4。图4的(a)示出交流电源的电压波形，图4的(b) 示出控制功率控制用晶闸管的功率控制用晶闸管控制信号。在相位控制方法中，在交流电 源的每一个周期内，将从功率控制用晶闸管控制信号产生时起到电源波形的零电压时的期 间设为功率控制期间A，将从零电压时起到控制信号产生时的期间设为无功功率期间B。而 且，对电源求出比温度稳定时所需的功率大的最大功率。因此，温度稳定时的有效功率被限 制在最大功率的60% 80%左右，除此以外为无功功率，因而使电源的效率恶化。为改善这种状况，进行了各种尝试，如采用在原理上不产生无功功率的零交叉控 制、采用功率因数改善用的相位超前电容器，将有效功率的比率提高到85%以上。零交叉控制，在电路上与图3相同，但不同点在于，一般作为功率控制用元件采用 SSR(固体继电器)而不是晶闸管，并改变了其控制信号的内容。该零交叉控制的方法示于 图5。图5的(a)示出交流电源的电压波形，图5的(b)示出控制SSR的功率控制用SSR 控制信号。采用在电源波形的零电压时使SSR接通的触发方式，并将交流电源的规定时间 (A+B)作为一个周期(一个循环时间)，将在该期间内输出功率控制用SSR控制信号并通电 着的期间设为功率控制期间A，将除此以外的期间设为不消耗功率的非通电期间B。由于零交叉控制只是通/断电源，因此在原理上不产生无功功率。另外，采用相位超前电容器的控制方式示于图6。图6的(a)的实线表示供给侧交 流电源波形W1，虚线表示控制侧电源波形W2。另外，图6的(b)示出功率控制用晶闸管控 制信号。当由该控制信号控制用实线表示的供给侧交流电源波形Wl时，无功功率期间B较 大，因此，相位角Pl时的功率控制例如仅限制在70%。但是，当用功率控制用晶闸管控制信 号控制由相位超前电容器使相位超前了的用虚线表示的控制侧电源波形W2时，无功功率 期间B'减小相位角P2超前的量功率，从表面上看功率因数提高，功率控制增加到90%。但是，在零交叉控制的情况下，由于对功率控制用元件采用了与绝缘栅双极晶体 管IGBTansulated Gate Bipolar Transistor)那样的高速切换功率控制用半导体相比接 通电压较大的SSR，存在着使加热器温度的响应性恶化的问题。另外，在采用相位超前电容 器的情况下，由于有相位超前电容器的补偿，需要进行对达到最大功率之前的曲线加以限 制的功率调节。这是因为，由于进行着相位超前补偿，如突然升到最大功率就还要进行相位 滞后补偿。因此，使用的方便性恶化。

发明内容
如上所述，在现有的采用SSR作为功率控制用元件的供给功率调节器中，在对功 率控制用晶闸管进行零交叉控制来控制温度时，存在着温度的响应性恶化的问题。另外， 在采用相位超前电容器的情况下，必须进行对达到最大功率之前的曲线加以限制的功率调 节，因而使用的方便性恶化。进一步，两者虽然可以共用，但没有对电源变化和负载变化采 取任何措施，因此存在着针对电源变化和负载变化的稳定性恶化的问题。本发明是为解决上述现有技术的问题而作出的，其目的在于提供一种小型、温度 响应性优良、对电源变化和负载变化的稳定性也良好、使用方便性好的供给功率调节器和 半导体制造装置。按照本发明的方式，提供一种半导体制造装置，将装填了多个衬底的保持件送入 反应炉内进行热处理，其特征在于具有设置在上述反应炉周围的加热器和调节对上述加 热器的供给功率的供给功率调节器，上述供给功率调节器包括=IGBT变换器，将交流电源 的交流电压变换为以该交流电压的零交叉点为基准而生成的、与控制信号的频率对应的交 流功率，向上述加热器供给；温度变化检测装置，检测上述加热器的温度变化；电源变化检 测装置，从由上述交流电源供给上述供给功率调节器的交流电压中检测上述交流电源的电 源变化；负载变化检测装置，从供给上述加热器的交流功率中检测负载变化；以及频率可 变装置，根据上述温度变化检测装置、上述电源变化检测装置和上述负载变化检测装置的 各检测结果，在对上述温度变化的反馈控制中引入对上述电源变化的前馈控制和对上述负 载变化的反馈控制，控制上述控制信号的频率。另外，本发明提供一种供给功率调节器，用于调节对设置在半导体制造装置的反 应炉的周围的加热器的供给功率，其特征在于，上述供给功率调节器包括=IGBT变换器，将 交流电源的交流电压变换为以该交流电压的零交叉点为基准而生成的、与控制信号的频率 对应的交流功率，向上述加热器供给；温度变化检测装置，检测上述加热器的温度变化；电 源变化检测装置，从由上述交流电源供给上述供给功率调节器的交流功率中检测上述交流 电源的电源变化；负载变化检测装置，从供给上述加热器的交流功率中检测负载变化；以及频率可变装置，根据上述温度变化检测装置、上述电源变化检测装置和上述负载变化检 测装置的各检测结果，在对上述温度变化的反馈控制中引入对上述电源变化的前馈控制和 对上述负载变化的反馈控制，控制上述控制信号的频率。另外，本发明提供一种基于本发明的半导体制造装置的半导体器件的制造方法， 该半导体制造装置将装填了多个衬底的保持件送入反应炉内，将交流电源的交流电压变换 为以该交流电压的零交叉点为基准而生成的、与控制信号的频率对应的交流功率，将该变 换功率向设于上述反应炉的周围的加热器供给来进行热处理，该半导体器件的制造方法的 特征在于检测上述加热器的温度变化；从由上述交流电源供给上述供给功率调节器的交 流电压中检测上述交流电源的电源变化；从供给上述加热器的交流功率中检测负载变化； 根据上述温度变化的检测结果、上述电源变化的检测结果以及上述负载变化的检测结果， 在对上述温度变化的反馈控制中引入对上述电源变化的前馈控制和对上述负载变化的反 馈控制，控制上述控制信号的频率。另外，本发明提供一种功率用IGBT转换器，其包括切换电路，该切换电路具有上 下两级串联层叠的上级IGBT和下级IGBT，通过脉宽调制控制来对上述上级IGBT和上述下 级IGBT的开闭进行控制，从而切换从交流电源输出的交流电压，并调整从上述交流电源提 供给负载的功率。另外，本发明提供一种再生用IGBT转换器，其包括切换电路，该切换电路具有上 下两级串联层叠的上级IGBT和下级IGBT，从交流电源向负载提供功率，来将上述负载侧产 生的反电动势用上述上级IGBT和上述下级IGBT进行切换，从而得到再生功率，并将该再生 功率返回给上述交流电源。另外，本发明提供一种供给功率调节器，其包括功率用IGBT转换器和再生用IGBT 转换器，其中，上述功率用IGBT转换器，包括具有上下两级串联层叠的上级功率用IGBT和 下级功率用IGBT的切换电路，用上述上级功率用IGBT切换从交流电源输出的交流电压的 正半波和负半波的一者，用上述下级功率用IGBT切换另一者，从而调整从上述交流电源提 供给负载的功率，上述再生用IGBT转换器，包括具有上下两级串联层叠的上级再生用IGBT 和下级再生用IGBT的切换电路，用上述上级再生用IGBT切换从负载侧产生的反电动势的 正半波和负半波的一者，用上述下级再生用IGBT切换另一者而得到再生功率，将该再生功 率返回给上述交流电源。按照本发明的实施方式，可以得到一种小型、温度响应性优良、针对电源变化和负 载变化的稳定性也良好、使用方便性好的供给功率调节器和半导体制造装置。


图1是本发明一个实施方式的供给功率调节器的框图。图2是本发明一个实施方式的供给功率调节器的主要部分的具体的框图。图3是现有例的供给功率调节器的框图。图4是现有的基于相位控制的功率供给方法的说明图。图5是现有技术和实施例共用的基于零交叉控制的功率供给方法的说明图。图6是现有的基于相位超前电容器方式的功率因数改善的说明图。图7是本发明一个实施方式的供给功率调节器的主要部分图。
图8是表示本发明一个实施方式的供给功率调节器的主要部分的切换动作和各 点的电压波形的图。图9是本发明一个实施方式的电源变化检测装置22、负载变化检测装置23和频率 可变电路15的具体的说明图。图10是表示本发明一个实施方式的作为制造半导体的工序之一的对半导体衬底 进行热处理用的热处理装置的一例的斜视图。图11是表示本发明一个实施方式的反应炉的一例的剖视图。
具体实施例方式作为实现上述目的研究成果，本发明人在对IGBT考虑了功率消耗、高速切换等情 况下，发现了最适合上述目的技术方案，进而得到了如果由IGBT对交流电压进行直接切换 就无需具有整流电路的见解，从而导致本发明的创立。以下，说明本发明的供给功率调节器的一个实施方式。本实施方式的供给功率调节器，将进行高速切换动作的变换器的输出作为功率供 给加热器，对该变换器的器件使用了作为高速切换功率控制用元件的IGBT。由IGBT对交流 电源的交流电压进行直接切换并将进行了脉冲调制的交流功率供给加热器，使无功功率几 乎为零，从而有效地利用了电源。如图1所示，从交流电源1向加热器7供给功率的供给功率调节器21，在其输入端 具有与交流电源1连接的受电端子板2，在其输出端具有与加热器7连接的分配用端子板 6。交流电源1例如为频率50/60Hz、AC200V的单相工业电源。加热器7例如为二硅化钼制 的电阻加热器。在受电端子板2上连接电源断路器3，进而根据需要连接电源变压器4。在受电端 子板2输入交流电源1，通过电源断路器3，将功率供给电源变压器4。根据加热器7的规 格，有时也不使用该电源变压器4。此外，供给功率调节器21，有时也准备多个IGBT变换器 11，以便能够将加热器7划分为多个区域并分别进行功率控制。在电源变压器4的二次侧，还具有输入侧滤波电路10、IGBT变换器11、电源变化检 测装置22、负载变化检测装置23、温度变化检测装置M、频率可变装置(以下称为频率可变 电路)15、输出侧滤波电路30。由电源变压器4变压后的功率，通过输入侧滤波电路10供 给由频率可变电路15控制的IGBT变换器11，并通过输出侧滤波电路30施加于连接在分配 用端子板6上的加热器7。以下，用图7所示的供给功率调节器的主要部分图来说明输入侧滤波电路10、输 出侧滤波电路30和IGBT变换器11。输入侧滤波电路10是按滤波方式使用了 LC的低通滤波器，具有将滤波要素按CLC 的顺序配置的结构。线圈L分割为Ll-I和L1-2并插入输入线路和公共线路。此外，LC前 的电容器C1-1，用于除去电源波形中载有的高频分量和用于降低损耗，最好是电容非常小 的电容器。低通滤波器的截止频率，从电源波形、噪声的观点来考虑，设定为切换频率(为 IGBT在1秒钟内导通/截止的次数，在本实施例中为20KHz。)的1/10 l/40(500Hz 2KHz)。因此，能够截止高的频率分量而将作为目的工业频率(50Hz或60Hz)左右的功率可 靠地供给加热器7。
输入侧滤波电路10抑制因使IGBT变换器11以高速、高频进行切换动作而产生的 电磁噪声。因此，能够抑制在与交流电源1侧连接的IGBT变换器11的输入线路中感应的 电磁噪声，因而能够防止在交流电源中产生噪声故障。输出侧滤波电路30与输入侧滤波电路10同样地，是按滤波方式使用了 LC的低通 滤波器，具有将滤波要素按LCC的顺序配置的结构。线圈L分割为L2-1和L2-2并插入输 出线路和公共线路。此外，LC后的电容器C2-2，也如在输入侧滤波电路10中所述的那样， 是用于除去电源波形中载有的高频分量的电容器。进而，该低通滤波器的截止频率也同样 为 500Hz 2KHz。输出侧滤波电路30对由IGBT变换器11进行切换而得到的输出进行滤波(使其 平滑)，并且有效地除去输出中所含有的高频分量。IGBT变换器11具有功率用IGBT变换器Ila和再生用IGBT变换器lib。由于IGBT 变换器11分别进行正的电压·电流和负的电压·电流的切换，因此最好为双臂型。功率用 IGBT变换器Ila由高速整流电路FRDl和具有IGBT2的斩波部构成。斩波部具有施加斩波 部PWM信号的上臂和下臂。再生用IGBT变换器lib具有IGBT3和高速整流电路FRD2。由上述IGBT2以高速、高频的基本载频对交流进行直接切换。例如基于PWM方式 的切换时刻，从供给源的交流检测零交叉点，以该零交叉点为基准，校准控制信号(PWM信 号)。然后，以校准后的载频切换供给源的交流并得到脉冲调制波，将其通过输出侧滤波电 路30供给加热器7。从频率可变电路15输出的控制信号，根据变化(温度、功率、负载)改 变施加到IGBT的栅极(臂)上的控制信号的占空比。图8是示出图7所示的供给功率调节器的主要部分的切换动作、以及各点((a) (e)、(f) (i))的电压波形的图。用图8详细说明IGBT变换器11的作用。首先，如(a) 所示将工业频率交流电源的电压波形A供给端子板TBI。将通过臂对IGBT变换器11施加 的PWM信号的输入频率固定在20KHz (50 μ sec)。对IGBT2的上臂和下臂分别施加如(b)、 (c)所示的斩波部PWM信号。IGBT变换器11的输出电压波形B，仅当IGBT2导通时(施加 PWM信号时)使工业频率交流电源通电，当IGBT2截止时将工业频率交流电源通电切断，因 此成为(d)那样的输出波形。该输出由输出侧滤波电路30进行平滑滤波，并从输出侧滤波 电路30通过分配用端子板(TB》输出(e)那样的失真小的工业频率的电压波形C。这样， 通过改变IGBT2导通着的时间来控制输出到最终的负载的供给电压的电压峰值。因此，利 用对IGBT变换器11中使用的对IGBT2施加的PWM信号，可以不改变供给电压的频率而只 将峰值控制在0 70%的范围内并向负载输出。此外，当如(f)、(g)那样使施加在IGBT2的上臂和下臂的斩波部PWM信号的脉宽 大于上述(b)、(c)所示的脉宽时，IGBT变换器11的输出电压波形B成为(h)那样的波形， 对最终的负载输出的供给电压的电压波形C，可以如(i)那样使电压峰值大于上述(e)的峰值。由于通过组装在IGBT变换器11内的IGBT2对交流电压进行直接切换，因此在 IGBT变换器11的输入侧不需要二极管全波整流电路。作为构成该IGBT变换器11的切换元件的IGBT2，是将电压驱动的栅极进行了组合 的双极功率晶体管，栅极驱动功率消耗少适用于高速切换。而且，由于是高频且大容量的元 件，导通电压比MOSFET(SSR)大幅度地减小。为了减小无功功率而以高频控制该IGBT2。
温度变化检测装置M检测加热器7的温度变化，将与该变化对应的反馈信号输出 到频率可变电路15。该温度变化检测装置M具有作为温度传感器的温度测定用热电偶8、 和用于调节加热器温度的温度调节器9。温度测定用热电偶8在加热器7附近设置所需个数，根据热电动势测定加热器温 度。温度调节器9求出由温度测定用热电偶8测定到的加热器7的测定温度与设定温度的 温度差(温度变化)，根据该温度差计算应供给加热器7的功率量，并将计算结果作为反馈 信号输出到频率可变电路15。另外，当检测到温度异常时，温度调节器9还输出报警信号。电源变化检测装置22检测来自输入侧滤波电路10的输出功率的变化，将与该变 化对应的前馈信号输出到频率可变电路15。该电源变化检测装置22具有测定在输入侧滤 波电路10的输出端流过的电流的电流变换器12、测定输入侧滤波电路10的输出线的电 压的电压测定线路13、以及电源电压·电流前馈电路14。为检测输出功率的变化，电源电 压·电流前馈电路14求出由电流变换器12测定的测定电流与设定电流之差、和由电压测 定线路13测定的测定电压与设定电压之差。这些差的乘积(功率)就是电源变化。将该 电源变化作为前馈信号输出到频率可变电路15。负载变化检测装置23检测供给加热器7的输出功率的变化，并将与该变化对应的 反馈信号输出到频率可变电路15。该负载变化检测装置23具有测定输出侧滤波电路30的 输出线间电压的电压测定线路17、测定流过加热器7的电流的电流变换器18、以及控制电 压·电流反馈电路16。为了检测负载变化，控制电压·电流反馈电路16求出由电压测定线 路17测定的测定电压与设定电压之差、和由电流变换器18测定的测定电流与设定电流之 差。这些差的乘积(功率)就是负载变化。将该负载变化作为反馈信号输出到频率可变电 路15。此外，为了高精度地测量负载电流的变化，也可以将电流变换器18设置在靠分配 用端子板6外侧的加热器7 —侧。频率可变电路15根据电源变化检测装置22和负载变化检测装置23的变化结果， 对IGBT变换器11进行频率控制。具体来说，频率可变电路15根据从电源变化检测装置22 的电源电压·电流前馈电路14输出的变化信号、从负载变化检测装置23的控制电压·电 流反馈电路16输出的变化信号、以及从温度变化检测装置M的温度调节计9输出的信号， 将具有与应供给加热器7的功率量对应的频率的栅极控制信号施加到构成IGBT变换器11 的各IGBT的栅极上。通过对IGBT进行频率控制并使频率大致连续地变化，从而控制施加到加热器7上 的功率。频率可变幅度越大功率的控制性越好。基于频率可变电路15的频率控制，从改变频率这一点上，与VVVF控制的VF (可变 频率)控制相同。在本频率控制中，还包括使基本载频恒定而控制占空比的PWM控制。VF 控制、PWM控制的每一个都是在0电压时使IGBT导通，因此都是零交叉控制。在上述实施方式的供给功率调节器21中，温度调节器9和频率可变电路15，按如 下方式进行控制以使加热器7的温度成为设定温度。温度调节器9求出测定温度与设定温度的温度差，根据该温度差，计算应供给加 热器7的功率量，并将计算结果输出到频率可变电路15。频率可变电路15，将具有与温度 调节器9的输出值对应的频率的栅极控制信号施加到IGBT变换器11。IGBT变换器11将从输入侧滤波电路10输出的交流功率变换为与频率可变电路15的栅极控制信号对应的频 率的交流功率，并通过输出侧滤波电路30供给加热器7。通过向加热器7供给功率，加热器 7的温度发生改变。通过这样的温度变化检测一控制计算一输出值的输出一温度的变化一温度变化 的检测一...这样的闭合环路进行反馈控制。由于在检测温度状态后由温度调节器9和频 率可变电路15决定输出量，从而能够良好地进行反馈控制。因此，可以通过校正加热器的 温度变化而向加热器7供给稳定的功率，并能将加热器7保持在预定的温度。而且，由于频 率控制是零交叉控制，因此能够进行没有无功功率的高效率的控制。当如上述那样对加热器温度良好地进行反馈控制时，如果交流电源1的电压发生 变化，则该电压变化将在输入侧滤波电路10的输出中表现为电流变化和电压变化。该电流 变化和电压变化，由电流变换器12和电压测定线路13测定，并由电源电压 电流前馈电路 14检测。从电源电压·电流前馈电路14向频率可变电路15输入与该功率变化对应的控制 信号。频率可变电路15利用该信号，输出与电源功率和设定功率之差对应的频率的栅极控 制信号。将该栅极控制信号施加到IGBT变换器11来对IGBT变换器11进行频率控制。因 此，能够校正交流电源1的电压变化来向加热器7供给稳定的功率。而且，由于频率控制是 零交叉控制，因而能够进行没有无功功率的高效率的控制。通过该前馈控制，改善了从输入 侧滤波电路(交流电源)10到温度测定用热电偶8的响应特性。另外，当如上述那样对加热器温度良好地进行反馈控制时，如果加热器7上出现 紊乱(例如接触到外部的空气等)、或加热器的性质稍有变化而使负载发生变化，则表现为 IGBT变换器11的输出功率的变化。即，流过加热器7的负载电流和施加于加热器7的负载 电压发生变化。该电流变化和电压变化，由电流变换器18和电压测定线路17检测，并由控 制电压 电流反馈电路16测定。从控制电压·电流反馈电路16向频率可变电路15输入与 该功率变化对应的信号。频率可变电路15利用该信号，输出与电源功率和设定功率之差对 应的频率的栅极控制信号。将该栅极控制信号施加于IGBT变换器11并进行频率控制。因 此，能够校正负载变化来向加热器7供给稳定的功率。而且，由于频率控制是零交叉控制， 能够进行没有无功功率的高效率的控制。该负载变化控制，与通过紊乱一加热器温度变化一热电偶检测这3个步骤的温度 变化控制相比，为紊乱一功率变化检测这2个步骤，因此能够省略热电偶检测的步骤，从而 加快响应速度。在上述实施方式中，供给功率调节器21中具有电源变化检测装置22、负载变化检 测装置23、温度变化检测装置24、频率可变电路15，但不论该方式如何，作为例如调节向负 载(加热器)供给功率的众所周知的功率调节器和输出控制信号的装置，可以设置电源变 化检测装置22、负载变化检测装置23、温度变化检测装置M、频率可变电路15并将其组合 使用。用图9就另一个实施方式说明频率可变电路15根据来自电源变化检测装置22、负 载变化检测装置23、温度变化检测装置M的变化信号对IGBT输出栅极控制信号的处理。电源变化检测装置22，分别由AC/DC转换器22a、22b将电流变换器12测定的电 流、电压测定线路13测定的电压从有效值(RMS)转换为DC，由计算器22c进行电流(DC) X 电压(DC)=—次侧功率的计算，并作为一次侧电源变化反馈信号FB 1输入到频率可变电路15。负载变化检测装置23，分别由AC/DC转换器23a、2 将电流变换器18测定的电 流、电压测定线路17测定的电压从有效值(RMS)转换为DC，由计算器23c进行电流(DC) X 电压(DC) = 二次侧功率的计算，并作为二次侧电源变化反馈信号FB2输入到频率可变电路 15。温度变化检测装置M将从温度调节器9输出的信号作为功率设定信号输入到频 率可变电路15。频率可变电路15，在内部有二个功率增益调节器15a、1 和一个功率设定增益调 节器15c，通过可以单独调节的模拟运算或CPU运算，进行各信号的信号电平的电平调节。 然后，将进行了电平调节的各信号输入到加法器15f进行加法运算。该加法运算也通过模 拟运算或CPU运算进行。在如上所述的结构中，当对频率可变电路15分别输入一次侧电源变化反馈信号 FBl和二次侧负载变化反馈信号FB2时，一次侧电源变化反馈信号FBl和二次侧负载变化反 馈信号FB2，由功率增益调节器15a、1 调整增益，并由反相器15d、lk反转为负后输入到 加法器15f。然后，在加法器15f中，将预先输出功率设定信号时的反馈信号FBI' (FB2') 与反馈信号FBl(ra2)进行比较，其差值作为电源变化(负载变化)与功率设定信号相加。当从温度变化检测装置M向频率可变电路15输出功率设定信号时，功率设定信 号由功率设定增益调节器15c进行增益调节并输入到加法器15f。当发生电源变化或负载 变化时，频率可变电路15将如上述那样进行了增益调节的一次侧电源变化反馈信号FBl和 二次侧负载变化反馈信号FB2的变化部分在加法器15f内与功率设定信号相加，并将最佳 的功率设定信号作为栅极控制信号(IGBT频率设定信号)输出。如这样地使用高频且大容量的IGBT作为构成高速切换功率控制用半导体变换器 的元件、并在对温度变化的反馈控制中引入了对电源变化的前馈控制和对负载变化的反馈 控制，所以温度稳定性、对电源变换和负载变化的稳定性极其优良，因而可以使加热器温度 获得很高的稳定性。尤其是，除温度变化以外还引入了电源电压变化和负载变化这一点，由 于采用作为高频且大容量元件的IGBT才首次成为可能。图2是上述的输入侧滤波电路10、IGBT变换器11、输出侧滤波电路30的具体的 说明图。输入侧滤波电路10和输出侧滤波电路30都是由常规滤波电路构成。即，输入侧滤 波电路10由与输入线路31串联连接的扼流圈ACL1、和在扼流圈ACLl的靠功率用IGBT变 换器Ila —侧的输入线路31和公共线路33之间并联连接的多个电容器CFl CF6构成。 当由常规滤波电路构成输入侧滤波电路10时，可以有效地使从IGBT变换器11向输入侧漏 泄的电磁噪声衰减。另外，输出侧滤波电路30由与输入线路32串联连接的扼流圈ACL2、和在扼流圈 ACL2的靠加热器7 —侧的输出线路32和公共线路33之间并联连接的多个电容器CF7 CF12构成。当由常规滤波电路构成输出侧滤波电路30时，可以有效地将从IGBT变换器11 输出的交流功率中所含有的高频分量除去。而且，如果是在公共线路33上不设元件的常规 滤波器，就可以有效地使高频的尖峰信号分量(反电动势)通过加热器7从公共线路33返 回再生用IGBT变换器lib。其结果是，在公共线路33上没有能量释放，可以有效地进行功率再生，因而能提高交流电源1的能量效率。IGBT变换器11由作为进行主电路的通/断的主电路切换元件部的功率用IGBT变 换器11a、和当主电路切换元件断开时进行动作的再生用IGBT变换器lib构成，各自一体化 而构成封装组件。各元件由正的电压·电流用和负的电压·电流用的二个系统构成，为防 止反向电流，还分别配置高速整流元件。功率用IGBT变换器Ila由高速整流电路FRD1、串联上下两级的前级切换电路 IGBT1、缓冲电路CRF1、串联上下两级的后级切换电路IGBT2(扼流圈的一部分)构成。在图 2中，因流过电流很多而准备了二个IGBT。作为切换方法，功率用IGBT变换器11a，如上述 那样通过PWM控制(脉宽调制)进行通/断控制。再生用IGBT变换器lib进行电源电压 的正负的判断动作。最好是可以通过负载是纯电阻负载或具有电感性负载的纯电阻负载在 切换动作中计入延迟时间进行调节的电路结构。高速整流电路FRDl由在中心抽头连接输入线路31的中心抽头型的高速整流元件 构成，将从输入线路31施加的供给源的交流整流为正的半波和负的半波，并根据极性分配 到前级切换电路IGBTl的上级和下级。前级切换电路IGBTl和后级切换电路IGBT2，都是由串联上下两级组成的双臂型 的IGBT构成。在各IGBT中并联连接着续流二极管。前级切换电路IGBTl和后级切换电 路IGBT2并联运行，分别由上级的IGBT对由高速整流电路FRDl分配的正的半波、由下级的 IGBT对负的半波进行直接切换。缓冲电路CRFl同样由双臂型构成，与前级切换电路IGBTl和后级切换电路IGBT2 公共连接，用于使构成这些电路的各IGBT截止时在电路内产生并通过续流二极管FWD流过 的电流作为热量消耗掉。功率用IGBT变换器Ila由高速整流电路FRDl根据极性分配施加于输入电路31 的交流，通过前级切换电路IGBTl和后级切换电路IGBT2进行切换而得到交流功率，将该交 流功率施加于输出侧滤波电路30。另外，由缓冲电路CRFl将在功率用IGBT变换器Ila内 产生的反电动势变为热消耗。再生用IGBT变换器lib由在中心抽头连接公共线路33的中心抽头型的高速整流 电路FRD2、串联上下两级的双臂型的切换电路IGBT3、与切换电路IGBT3的各级并联连接的 两个单臂型的缓冲电路CRF2、CRF3构成。在该再生用IGBT变换器lib中，由高速整流电路FRD2根据极性分配在IGBT变 换器11以外产生并从公共线路33返回来的反电动势，由切换电路IGBT3的各级根据极性 直接对交流进行切换而得到再生功率，并将该再生功率通过功率用IGBT变换器11a、输入 侧滤波电路10返回交流电源1。另外，在缓冲电路CRF2、CRF3中，将在再生用IGBT变换器 lib内产生的反电动势变为热消耗。图10示出本发明一个实施方式的作为制造半导体的工序之一的对半导体衬底进 行热处理用的半导体制造装置的热处理装置110的一例的斜视图。该热处理装置110为分 批式纵向型热处理装置，具有配置主要部分的壳体112。在壳体112内的背面上侧配置有反应炉140。将装填了多个衬底的衬底保持件130 送入该反应炉140内并进行热处理。图11示出反应炉140的剖视图的一例。该反应炉140具有石英制的反应管142。该反应管142为上端部封闭而下端部敞开的圆筒形状。在该反应管142的下方配置有石英 制的连接部144以支承反应管142。由反应管142和连接部144构成反应容器143。另外， 在反应容器143中的除连接部144以外的反应管142的周围配置有加热器146。由反应管142和连接部144形成的反应容器143的下部敞开，以便插入衬底保持 件130。该敞开部分(炉口部)通过使炉口密封板148与连接部144下端部突缘的下表面 抵接而被密封闭。炉口密封板148被设置成支承衬底保持件130，并可与衬底保持件130 — 起升降。衬底保持件130以大致水平的状态隔开间隙地多层支承多个、例如25 100个衬 底154，并装填在反应管142内。在连接部144上与连接部144 一体地设置有气体供给口 156和气体排出口 159。 分别在气体供给口 156上连接有气体导入管160、在气体排出口 159上连接有排气管162。从气体导入管160导入气体供给口 156的处理气体，通过设置在连接部144侧壁 部的气体导入通路164、喷嘴166供给到反应管142内。下面，说明如上述那样构成的热处理装置110的作用。此外，在以下的说明中，构成热处理装置110、即用于进行热处理的衬底处理装置 的各部的动作由控制器170进行控制。首先，在将收存了多个衬底154的容器116放置在容器承载台114上时，由容器输 送装置118将容器116从容器承载台114输送到容器搁板120，堆放在该容器搁板120上。 接着，由容器输送装置118，将堆放在该容器搁板120上的容器116输送并放置在容器开启 器122上，由该容器开启器122将容器116的盖打开，并由衬底个数检测器IM检测存放在 容器116内的衬底154的个数。然后，由衬底转装机1 的钳子132( , 4 一廿)从处于容器开启器122的位置的 容器116中取出衬底IM并转装到槽口位置对准器128。在槽口位置对准器128，一边使衬 底1 旋转，一边检测并对准槽口。接着，由衬底转装机1 的钳子132从槽口位置对准器 128中取出衬底154，并转装到衬底保持件130上。这样，在将一批衬底IM转装到衬底保持件130后，将装填了多个衬底IM的衬底 保持件130插入到例如设定为600°C左右温度的反应炉140(反应容器140)内，并由炉口密 封板148将反应炉140内密封。然后，将炉内温度升温到热处理温度，并从气体导入管160 通过气体供给口 156、设置在连接部144侧壁部的气体导入通路164和喷嘴166将处理气体 导入到反应管142内。当对衬底巧4进行热处理时，将衬底巧4加热到例如1000°C的设定 温度。当为了达到设定温度而调节对加热器的供给功率时，将实施方式的供给功率调节器 作为上述控制器170的一部分使用。当衬底154的热处理结束时，在将炉内温度降温到例如600°C左右的温度后，将支 承热处理后的衬底154的衬底保持件130从反应炉140内取出，在由衬底保持件130支承 的所有衬底1 冷却的期间，使衬底保持件130在预定位置待机。接着，当待机的衬底保持 件130的衬底154冷却到预定温度时，由衬底转装机126从衬底保持件130取出衬底154， 输送并收存在放置在容器开启器122上的空的容器116内。然后，由容器输送装置118将 收存了衬底154的容器116输送到容器搁板120、或容器承载台114，从而完成一系列的处 理。如上所述，按照实施方式的供给功率调节器，能够得到如下效果。
由于由IGBT变换器直接切换交流电源的交流电压，因而不需要IGBT变换器前级 的二极管全波整流电路，从而能够实现小型的供给功率调节器。例如，虽然全波整流电路也取决于其容量，但在200A等级中尺寸大约为 200 (W) X 350 (D) X 100 (H)。具有这样的全波整流电路的供给功率调节器的总体尺寸大约为 600 (W) X800 (D) X 1200 (H)。在本实施方式中，由于没有全波整流电路，因而供给功率调节 器的整体大小可以减小到大约其尺寸的80%。另外，在IGBT变换器中产生的电磁噪声，由输入侧滤波电路抑制，所以能够防止 电磁噪声混入交流电源。因此，能够防止在交流电源中发生噪声故障。而且，能够抑制在从 交流电源到IGBT变换器的输入电缆中感应电磁噪声。另外，IGBT变换器的输出中含有的高频分量由输出侧滤波电路抑制，因此能够衰 减供给加热器的交流功率中的高频分量。另外，由于具有再生用IGBT变换器并将在IGBT变换器以外产生的反电动势再生 并返回交流电源，因此能够提高交流电源的能量效率。尤其是，IGBT变换器以高速 高频 进行切换动作，反电动势的发生次数也相应地增多，因而频繁地进行功率再生，所以非常有 助于能量效率的提高。由于在温度变化的反馈控制中引入了对电源电压变化进行前馈控制、对负载变化 进行反馈控制，因此能够提供温度稳定性优良的控制系统。而且，可以进行稳定的功率控 制，使用的方便性得到改善。由于是零交叉控制，在原理上没有无功功率，因而可以有效利用电源功率，并能提 供高效率的供给功率调节器。由于采用原有的温度调节器9、将其输出施加到频率可变电路15、并输出IGBT的 栅极控制信号，因而与现有系统具有互换性，仅稍加变更就可以很容易地从现有系统变更 为本系统。此外，也可以不对温度调节器使用原有的调节器，而与电源变化或负载变化的情 况同样地将计算功能移植到频率可变电路15内，使温度调节器构成为只检测温度变化的 电路。通过采用高速切换元件，能够节省功率并可以无浪费地得到所需的功率。尤其是， 由于使用作为高频元件的IGBT，因而温度响应性优良，而且适合于厌恶噪声的器械操作线 路附近的加热器控制。此外，在上述的实施方式中，除对温度变化进行控制之外，还引入了对电源电压变 化和负载变化两者的控制，但也可以在温度变化控制中只对电源电压变化进行控制、或在 温度变化控制中只对负载变化进行控制。对于前者，可以校正供给电源的电压变化从而得 到稳定的功率。对于后者，可以抑制加热器的负载变化。按照本发明的实施方式，能够减小成为使用设备的误动作 损坏、进而成为外围设 备的误动作的原因的高速切换时产生的浪涌电流或高频噪声，因而可以输出失真小的优良 的正弦波。另外，上述实施方式的供给功率调节器21，可以用于具有由加热器加热的反应炉 的半导体制造装置。反应炉由石英管和从外部对该石英管进行加热的筒状的反应器构成。 为了加热该加热器而使用实施方式的供给功率调节器。如在半导体制造装置中使用上述的 供给功率调节器，就能够得到稳定的加热器温度，因此能够得到高性能的半导体器件。
以下，附记本发明的优选方式。第一方式是一种供给功率调节器，其特征在于，包括IGBT变换器，将交流电源的 交流电压变换为与控制信号的频率对应的交流功率，并将该交流功率供给加热器；输入侧 滤波电路，设置在上述IGBT变换器的输入侧，用于抑制在上述IGBT变换器中产生的电磁噪 声；输出侧滤波电路30，设置在上述IGBT变换器的输出侧，用于抑制从上述IGBT变换器输 出的交流功率中含有的高频分量；温度变化检测装置，检测上述加热器的温度变化；电源 变化检测装置，从由上述交流电源供给上述IGBT变换器的交流电压中检测上述交流电源 的电源变化；负载变化检测装置，从由上述IGBT变换器供给上述加热器的交流功率中检测 负载变化；以及频率可变装置，根据上述温度变化检测装置、上述电源变化检测装置和上述 负载变化检测装置的各检测结果，计算应供给上述加热器的功率量，并根据该计算结果控 制施加于上述IGBT变换器的上述控制信号的频率。按照本方式，由于由IGBT变换器直接切换交流电源的交流电压，因而不需要IGBT 变换器前级的整流电路，因而可以实现小型的电源。另外，能够由输入侧滤波电路抑制在IGBT变换器中产生的电磁噪声，因而能够防 止电磁噪声混入交流电源。另外，由输出侧滤波电路30抑制IGBT变换器的输出中含有的高频分量，因而能够 防止在供给加热器的交流功率中含有高频分量。另外，通过由温度变化检测装置检测温度变化、由频率可变装置计算与该检测结 果对应的功率量，并根据该计算结果对IGBT变换器进行频率控制，因而能够与温度变化对 应地对加热器的供给功率进行反馈控制。因此，能够将加热器的温度良好地保持在预定的 温度。另外，当交流电源变化时，该变化在IGBT变换器的输入侧表现为功率的变化。通 过由电源变化检测装置检测该功率变化、由频率可变装置计算与该检测结果对应的功率量 并根据该计算结果对IGBT变换器进行频率控制，从而可以对针对电源变化的供给功率进 行前馈控制。因此，能够抑制在良好地进行反馈控制时，由于电源发生变化并使对加热器的 供给功率量发生变化而产生的对加热器温度的紊乱。另外，当负载变化时，该变化表现为对加热器供给的功率的变化。通过由负载变化 检测装置检测该功率变化、由频率可变装置计算与该检测结果对应的功率量并根据该计算 结果对IGBT变换器进行频率控制，从而可以对针对负载变化的供给功率进行反馈控制。因 此，能够抑制在良好地进行反馈控制时，负载发生变化并因负载变化使对加热器的供给功 率量的控制产生很大紊乱而出现的加热器温度的紊乱。这样，由于采用IGBT变换器、并在对温度变化的反馈控制中引入了对电源变化的 前馈控制和对负载变化的反馈控制，所以温度稳定性、针对电源变换和负载变化的稳定性 极其优良，因而可以使加热器温度获得很高的稳定性。另外，由于在IGBT变换器中进行高 速切换动作，温度响应性优良。而且，由于是不用相位超前电容器的补偿的控制，使用的方 便性也得到改善。进而，由于用IGBT构成变换器，瞬态响应性特别优良。而且，由于IGBT 的频率控制是零交叉控制，能够提高电源的效率。第二方式是另一种供给功率调节器，其特征在于，上述IGBT变换器具有将因该 IGBT变换器的切换动作而产生的反电动势再生并返回上述交流电源的再生用IGBT变换
15器。由于IGBT变换器具有再生用IGBT变换器并将作为热能放出的反电动势再生后返 回交流电源，能够提高交流电源的能量效率。第三方式是将第一方式或第二方式的供给功率调节器用作加热器用电源的半导 体制造装置。由于具有使加热器温度获得高的稳定性的第一方式或第二方式的供给功率调 节器，从而能够制造高性能的半导体器件。
权利要求
1.一种功率用IGBT转换器，其包括切换电路，该切换电路具有上下两级串联层叠的上 级IGBT和下级IGBT，通过脉宽调制控制来对上述上级IGBT和上述下级IGBT的开闭进行控 制，从而切换从交流电源输出的交流电压，并调整从上述交流电源提供给负载的功率。
2.根据权利要求1所述的功率用IGBT转换器，其特征在于 还包括整流电路，利用该整流电路，将上述交流电压整流成正半波和负半波，根据极性将上述正半波和 上述负半波分给上述上级IGBT和上述下级IGBT，利用上述上级IGBT来切换上述正半波和上述负半波中的一者，利用上述下级IGBT来切换另一者。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的功率用IGBT转换器，其特征在于 还包括缓冲电路，利用该缓冲电路，将在上述上级IGBT和上述下级IGBT关闭时产生的反电动势作为热 能而消耗。
4.根据权利要求3所述的功率用IGBT转换器，其特征在于 还具有与上述上级IGBT和上述下级IGBT并联连接的续流二极管，利用上述缓冲电路，将在上述上级IGBT和上述下级IGBT关闭时流过上述续流二极管 的电流作为热能而消耗。
5.根据权利要求1所述的功率用IGBT转换器，其特征在于 设有多个上述切换电路，上述多个切换电路被串联连接。
6.根据权利要求5所述的功率用IGBT转换器，其特征在于上述多个切换电路为2个切换电路，这2个切换电路为前级的切换电路和后级的扼流 圈的一部分。
7.—种再生用IGBT转换器，其包括切换电路，该切换电路具有上下两级串联层叠的上 级IGBT和下级IGBT，用上述上级IGBT和上述下级IGBT对通过从交流电源向负载提供功率 而在上述负载侧产生的反电动势进行切换，从而得到再生功率，并将该再生功率返回给上 述交流电源。
8.一种供给功率调节器，其包括功率用IGBT转换器和再生用IGBT转换器，其中， 上述功率用IGBT转换器，包括具有上下两级串联层叠的上级功率用IGBT和下级功率用IGBT的功率用切换电路，用上述上级功率用IGBT转换器切换从交流电源输出的交流电 压的正半波和负半波中的一者，用上述下级功率用IGBT转换器切换另一者，从而调整从上 述交流电源提供给负载的功率，上述再生用IGBT转换器，包括具有上下两级串联层叠的上级再生用IGBT和下级再 生用IGBT的切换电路，用上述上级再生用IGBT转换器切换在上述负载侧产生的反电动势 的正半波和负半波中的一者，用上述下级再生用IGBT转换器切换另一者，从而得到再生功 率，并将该再生功率返回给上述交流电源。
9.根据权利要求8所述的供给功率调节器，其特征在于 还包括整流电路，利用该整流电路将上述交流电压整流成正半波和负半波，根据极性将该正半波和负半 波分给上述上级功率用IGBT和上述下级功率用IGBT，利用上述上级功率用IGBT来切换上述正半波和上述负半波中的一者，利用上述下级 功率用IGBT切换另一者。
10.根据权利要求8所述的供给功率调节器，其特征在于上述功率用IGBT转换器具有多个上述切换电路，该多个切换电路被串联连接。
11.一种半导体制造装置，具有权利要求8-10中任一项所述的供给功率调节器。
全文摘要
本发明提供一种供给功率调节器和半导体制造装置。在将装填了多个衬底的衬底保持件送入反应炉内进行热处理的半导体制造装置中，具有设置在上述反应炉周围的加热器和调节对上述加热器的供给功率的供给功率调节器，上述供给功率调节器由将交流电源的交流电压变换为与控制信号的频率对应的交流功率并供给上述加热器的功率用IGBT变换器、和将因该IGBT变换器的切换动作而产生的反电动势再生并返回交流电源的再生用IGBT变换器构成。
文档编号H02M5/293GK102122892SQ20101054662
公开日2011年7月13日 申请日期2006年4月3日 优先权日2005年4月4日
发明者石津秀雄, 铃木雅行 申请人:株式会社三幸, 株式会社国际电气半导体技术服务