受動素子の駆動装置及び基板加熱装置
【課題】応答性が良好で電力損失の小さな受動素子の駆動装置、及びこの装置を用いた基板加熱装置を提供する。
【解決手段】駆動装置において直流電源部４１は、高電圧端子４１１、低電圧端子４１３間に中間電位の中間端子４１２を有し、受動素子２１及び電圧平滑コンデンサ３１２の並列回路は一端側が高電圧端子４１１-中間端子４１３間に接続され、他端側にはフライホイール素子３１１、スナバ回路３１３を介して中間端子４１２間に接続される。フライホイール素子３１１、スナバ回路３１３の接続点と低電圧端子４１３との間には電流検出部３１５及びスイッチング部３１９が直列に接続される。高電圧端子４１１と中間端子４１２との間の中間電圧は、受動素子２１がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定されており、電流制御部３２は、中間電圧に加算される直流電圧により受動素子２１がオンとなるようにスイッチング部３１４を制御する。
【解決手段】駆動装置において直流電源部４１は、高電圧端子４１１、低電圧端子４１３間に中間電位の中間端子４１２を有し、受動素子２１及び電圧平滑コンデンサ３１２の並列回路は一端側が高電圧端子４１１-中間端子４１３間に接続され、他端側にはフライホイール素子３１１、スナバ回路３１３を介して中間端子４１２間に接続される。フライホイール素子３１１、スナバ回路３１３の接続点と低電圧端子４１３との間には電流検出部３１５及びスイッチング部３１９が直列に接続される。高電圧端子４１１と中間端子４１２との間の中間電圧は、受動素子２１がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定されており、電流制御部３２は、中間電圧に加算される直流電圧により受動素子２１がオンとなるようにスイッチング部３１４を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によりＬＥＤ(Light Emitting Diode)などの受動素子の出力を調節する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造においては、基板である半導体ウエハ（以下ウエハと記す）を加熱する各種の加熱処理が存在する。なかでも高速の昇温降温が可能であり、ウエハの材料であるシリコンの吸収波長に対応する波長を放出することができるＬＥＤ（発光ダイオード）を熱源として用いるものが提案されている。
【０００３】
出願人は、イオンインプランテーション後のアニール処理を行うアニール装置（基板加熱装置）において、例えば１００〜２００個のＬＥＤを直列に接続して構成されるＬＥＤアレイを用いた熱源の開発を行っている。この技術では、熱源である加熱部に複数のＬＥＤアレイを設け、各ＬＥＤアレイへの給電量を調節することにより、ＬＥＤの光量を調節して所望のタイミングでの昇温、降温を実現している（特許文献１）
【０００４】
ここでＬＥＤの出力を調整する手法の一つとしてパルス幅変調（以下、ＰＷＭという）方式により、受動素子であるＬＥＤへの給電量を制御して発光量を調節する手法がある。一方で、ＬＥＤはしきい値電圧（Ｖｆ）以上の電圧を印加するとその電圧に応じた電流が流れ始めるという電圧-電流特性を有するが、１００個以上ものＬＥＤが直列に接続されたＬＥＤアレイなどでは、電流が流れ始めるしきい値電圧の値も数百Ｖ程度まで大きくなってしまう場合がある。
【０００５】
このようにしきい値電圧の大きなＬＥＤアレイは、単純なオームの法則が適用できない非線形な制御系となるため、短時間に電力の供給、停止を繰り返して平均の出力を調節するＰＷＭ制御をこのＬＥＤアレイに適用すると、昇温降温動作における制御性が低下してしまう。また、しきい値電圧を含む高圧の電力をオン／オフする動作に耐えうる耐圧性の高いスイッチング素子（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）が必要となり、スイッチングロスが増大するといった問題が生じる。
【０００６】
ここで特許文献２には、照明用のＬＥＤのスイッチングを行うトランジスタ（半導体スイッチ素子）を備えたＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤが非通電状態となっているか否かを検出し、その状態に応じてＬＥＤへ入力される電力を調整することにより、低照度に調光した際の制御性を向上させ、電力損失を低減する技術が記載されている。しかしながら、当該技術は、トランジスタのスイッチング制御に起因する応答性の低下や電力損失を改善する技術であり、先に説明したＬＥＤアレイの電圧-電流特性に起因する問題を解決する手法は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５３２４２号公報：段落００３２〜００３４、００４４、図４、５、９
【特許文献２】特開２００９−２６６８５５号公報：請求項１、段落００２１〜００２４、図１〜３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、応答性が良好で電力損失の小さな受動素子の駆動装置、及びこの駆動装置を用いた基板加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る受動素子の駆動装置は、高電圧端子と低電圧端子との間に中間電位となる中間端子を有する直流電源部と、
前記高電圧端子にその一端側が接続された、受動素子及び電圧平滑コンデンサからなる並列回路と、
この並列回路の他端側に接続されたフライホイール素子と、
このフライホイール素子と前記中間端子との間に接続されたスナバ回路と、
このフライホイール素子及びスナバ回路の接続点と前記低電圧端子との間に接続された、電流検出部及びスイッチング部からなる直列回路と、
電流指令値と前記電流検出部にて検出された電流検出値との偏差分に基づいて前記スイッチング部のスイッチングを制御する電流制御部と、を備え、
前記高電圧端子と中間端子との間の中間電圧は、前記受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定され、
前記受動素子は、前記スイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧が前記中間電圧に加算されてオンになることを特徴とする。
【００１０】
前記受動素子の駆動装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記受動素子は複数のＬＥＤの直列回路であること。
（ｂ）前記スイッチング部及びスナバ回路はスイッチング素子であり、スイッチング部のスイッチング素子とスナバ回路のスイッチング素子とのオン／オフの状態を反転させる同期整流が行われること。
【００１１】
また、他の発明に係わる基板加熱装置は、基板を収容する処理容器と、
供給された電力に対応するエネルギーを放出することにより、処理容器内の基板を加熱するための受動素子が設けられた加熱部と、
上述したいずれかの受動素子の駆動装置と、を備え、
前記駆動装置により受動素子をオンの状態とすることにより、基板を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい中間電圧を当該受動素子に印加し、さらにスイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧を前記中間電圧に加算することにより受動素子に電流が流れてオンの状態となる。この結果、スイッチング部を利用して加算される電圧の変化幅が小さくなるので、オン／オフ動作に伴うスイッチング損失を小さくすることができる。また、スイッチング部に要求される耐圧性も低くなるので、スイッチング部を構成する機器を小型化することが可能となり、当該部における電力損失も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係わるＬＥＤドライバを適用したアニール装置の縦断側面図である。
【図２】前記アニール装置の加熱部を示す平面図である。
【図３】前記ＬＥＤアレイにおけるＬＥＤの接続状態を示す説明図である。
【図４】ＬＥＤアレイの電圧-電流特性を示す説明図である。
【図５】ＬＥＤアレイをＰＷＭ制御したときの電圧及び電流の過渡応答を示す説明図である。
【図６】ＬＥＤアレイの駆動装置の第１の構成例を示す回路図である。
【図７】ＬＥＤアレイの駆動装置の第２の構成例を示す回路図である。
【図８】比較例に係わる駆動装置の構成を示す回路図である。
【図９】スイッチングＦＥＴの温度の経時変化を示す説明図である。
【図１０】駆動装置に応じた電力消費効率を示す説明図である。
【図１１】駆動装置に応じた電力損失を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態に係わるＬＥＤアレイの駆動装置が適用される基板加熱装置であり、表面に不純物が注入されたウエハＷをアニールするアニール装置１の構成例について簡単に説明する。
【００１５】
アニール装置１は、扁平な円筒状に形成された処理容器１１と、この処理容器１１の上面側及び下面側に形成された円形の開口部を塞ぐように当該開口部に嵌め込まれた冷却部材１２ａ、１２ｂとによって、アニール処理が行われる処理空間１０を形成している。
【００１６】
処理容器１１の側壁面には、ウエハＷの搬入出が行われる搬入出口１１１及びその開閉を行うゲートバルブ１１２が設けられている。また、処理容器１１の天井面には処理空間１０内に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを供給するためのガス供給ライン１１３が接続されている一方、処理容器１１の底面側には処理空間１０内を排気するための排気ライン１１４が接続されている。排気ライン１１４は不図示の排気手段に接続されており、アニール処理を行っている期間中の処理空間１０の圧力は例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定圧力に維持される。
【００１７】
処理空間１０内には、ウエハＷを下面側から支持する支持ピン１３１を先端部に備えた、例えば３本の支持アーム１３（図１には２本のみ示してある）が設けられており、これら支持ピン１３１を介してウエハＷを保持することができる。各支持アーム１３は不図示の昇降機構により昇降自在となっており、外部のウエハ搬送機構と上下方向に支持ピン１３１を交差させてウエハＷの受け渡しを行ったり、ウエハＷを保持する高さ位置を調整したりすることができる。
【００１８】
支持アーム１３によって保持されたウエハＷの上面及び下面と対向する冷却部材１２ａ、１２ｂの下面または上面には、凹部１２１が形成されている。この凹部１２１内にはアニール処理の熱源となる加熱部２が形成されており、加熱部２には本実施の形態の受動素子である多数個のＬＥＤ２１を備えたＬＥＤモジュール２２が配置されている。
【００１９】
図２に示すように本例のＬＥＤモジュール２２は六角形の支持基板２２１の板面に多数のＬＥＤ２１を配置した構成となっている（図２ではＬＥＤ２１の記載を省略してある）。そして各冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１内に、複数のＬＥＤモジュール２２を配置することによりウエハＷの上面及び下面を満遍なく加熱する構成となっている。
【００２０】
各ＬＥＤモジュール２２には、１００〜２００個程度のＬＥＤ２１の直列ラインが数ラインある。これらのＬＥＤ２１から射出される光の波長は、例えば紫外光〜近赤外光の範囲、好ましくは０．３６〜１．０μｍの範囲が好ましい。このような０．３６〜１．０μｍの範囲の光を射出する材料としてはＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等をベースとした化合物半導体が例示される。この中では、特に加熱対象として用いられるシリコン製のウエハＷにおける吸収率が高い８５０〜９７０ｎｍ付近の放射波長を有するＧａＡｓ系の材料からなるＬＥＤ２１がさらに好適である。
【００２１】
ＬＥＤモジュール２２は支持基板２２１の裏面側が冷却部材１２ａ、１２ｂの冷却面と接触するように冷却部材１２ａ、１２ｂに取り付けられている。また、冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１には、ウエハＷと対向する表面側からＬＥＤモジュール２２を覆うように、例えば石英などからなる光透過板１２２が取り付けられている。従って、ＬＥＤモジュール２２のＬＥＤアレイ２３から射出された光は光透過板１２２を透過してウエハＷに到達することになる。
【００２２】
また、冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１と光透過板１２２とで囲まれた空間は、処理空間１０と同様に減圧雰囲気となっており、各光透過板１２２の上-下面間の圧力差を小さくしている。これにより、凹部１２１内が大気圧である場合に比べて光透過板１２２を薄くすることが可能となり、光透過板１２２における光の吸収が抑えられる。
【００２３】
ＬＥＤモジュール２２の支持基板２２１が接触する冷却部材１２ａ、１２ｂには冷媒流路１２３が形成されており、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン（登録商標））などの冷媒を当該冷媒流路１２３内に通流させて、冷却部材１２ａ、１２ｂを０℃以下の例えば−５０℃程度に冷却することができる。図１中、１２４は冷媒供給ライン、１２５は冷媒排出ラインである。
【００２４】
以上に概略構成を説明したアニール装置１に設けられているＬＥＤモジュール２２、及びこのＬＥＤモジュール２２に電力を供給する直流電源４１並びにＬＥＤドライバ３１の電気的構成について図３、図６を参照しながら説明する。
図１、図２に示した各ＬＥＤモジュール２２には、例えば図３に示すように、１００〜２００個のＬＥＤ２１を直列に接続した直列回路からなるＬＥＤアレイ２３が設けられている。各ＬＥＤモジュール２２には、ＬＥＤアレイ２３を複数個設け、以下に説明する直流電源部４１及びＬＥＤドライバ３１に、これらのＬＥＤアレイ２３を並列に接続してもよいが、電圧-電流特性の傾きが変化する他は直流電源部４１やＬＥＤドライバ３１の作用は変わらないので、以下、１個のＬＥＤアレイ２３を駆動する場合について説明する。
【００２５】
図４に示すように、多数のＬＥＤ２１を直列に接続したＬＥＤアレイ２３は、電流が流れ始めるまでのＬＥＤアレイ２３全体のしきい値電圧Ｖｆの値が数百Ｖにもなる（図４の例では２７０Ｖ）。このため、本発明を適用する前のＰＷＭを利用した出力制御ではこのしきい値電圧を含む電圧がＬＥＤアレイ２３にオン／オフされる。
【００２６】
一般に、ＰＷＭ制御を用いたＬＥＤドライバには、電流平滑用のコイルが設けられており、図５に示すように電圧のオン／オフ動作に遅れて電流がオン／オフされる。このときＬＥＤアレイ２３におけるスイッチングロスは、電流が上昇し、電圧が降下する期間中の電流値と電圧値との積、及び電流が降下し、電圧が上昇する期間中の電流値と電圧値との積で表される。
【００２７】
このため、スイッチングにより印加される電圧値が高くなると、前記スイッチングロスも大きくなる。また高電圧が印加される場合、スイッチング素子としては耐圧性の高いＦＥＴ等が必要となるが、このようなＦＥＴはオン抵抗が大きいため、消費電力のロスも大きくなる。これに加えて耐圧性の高いＦＥＴは、オン／オフの切り替え時間も長く、図５に示したスイッチングロスが引き起こされる期間も長くなるため、この点でもスイッチングロスが大きくなる。
【００２８】
そこで本実施の形態の直流電源部４１及びＬＥＤドライバ３１は、図４に示したしきい値電圧よりも小さな中間電圧をＬＥＤ２１に常時印加しておき、この中間電圧にＰＷＭ制御用の電圧を加算してＬＥＤ２１をオンの状態にする点に特徴を有している。以下、図６を参照しながら直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１及び電流制御部３２の構成について説明する。これら直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１及び電流制御部３２は、本実施の形態に係わるＬＥＤアレイ２３（ＬＥＤ２１）の駆動装置を構成している。
【００２９】
図６に示すように、本例の直流電源部４１は高電圧端子４１１と、低電圧端子４１３と、これらの端子の中間の電位となる中間端子４１２とを備えている。直流電源部４１は例えば三相電源から供給された交流電流をＰＷＭ整流して直流電流に変換する公知の整流回路などから構成されている。一方、ＬＥＤアレイ２３は電流平滑用のコンデンサ３１２と並列回路を形成しており、当該並列回路はＬＥＤ２１の順方向、上流側の一端側が前記直流電源部４１の高電圧端子４１１に接続されている。
【００３０】
一方、前記並列回路の他端側（ＬＥＤ２１の順方向、下流側）は、電流平滑用のフライホイールコイル３１１及びスナバ回路をなすスナバダイオード３１３を介して直流電源部４１の中間端子４１２に接続されている。高電圧端子４１１と中間端子４１２との間の電位差（中間電圧）は、図４に示すしきい値電圧（ＬＥＤアレイ２３に電流が流れ始めてオンになる電圧）Ｖｆよりも小さい値である例えば２００Ｖに設定されている。そして、この中間電圧が前記並列回路（ＬＥＤアレイ２３及びコンデンサ３１２）に常時印加されている。中間電圧は、しきい値の例えば６０〜９５％、より好ましくは８０〜９５％の値に設定することにより、ＬＥＤアレイ２３の出力制御の非線形性を緩和し、またスイッチングロスを低減する効果が高くなる。
【００３１】
また、前記フライホイールコイル３１１とスナバダイオード３１３の接続点と、直流電源部４１の低電圧端子４１３との間には、電流検出部をなすホールＩＣ３１５とスイッチング部であるスイッチングＦＥＴ３１４とからなる直列回路が設けられている。低電圧端子４１３と中間端子４１２との間には、例えば２００Ｖの直流電圧が印加されている。図６中に示す４２、４３は、直流電源部４１側の電圧平滑用のコンデンサである。
【００３２】
そして、スイッチングＦＥＴ３１４をオフにすると高電圧端子４１１→ＬＥＤアレイ２３→フライホイールコイル３１１→スナバダイオード３１３→中間端子４１２という回路が形成されて中間電圧のみがＬＥＤアレイ２３に印加される。一方、スイッチングＦＥＴ３１４をオンにすると高電圧端子４１１→ＬＥＤアレイ２３→フライホイールコイル３１１→スイッチングＦＥＴ３１４→低電圧端子４１３という回路が形成され、前記中間電圧に中間端子４１２−低電圧端子４１３間の直流電圧が加算される。そして、スイッチングＦＥＴ３１４のオン／オフ間隔を変化させることにより、中間電圧に加算される平均の電圧を変化させてＬＥＤ２１に印加される電圧を制御することができる。
【００３３】
低電圧端子４１３へ向けて流れる電流値は、ホールＩＣ３１５にて検出され電流値に対応する電圧値として出力された後、差動アンプ３１６にて増幅されると共に、平衡信号に変換される。Ｖ／Ｆコンバータ３１７では、前記電圧値を周波数信号に変換してからラインドライバ３１８を介して電流制御部３２へ差動出力する。
【００３４】
電流制御部３２内のラインドライバ３２１で受信された周波数信号はマイコン３２２でカウントされて、ホールＩＣ３１５で検出される線路を流れる電流の検出値に変換される。マイコン３２２では、後述する装置制御部５からの電流指令値と電流検出値とを比較し、その偏差分を解消する方向にスイッチングＦＥＴ３１４をオンにするパルス幅を増減させる制御信号をＦＥＴドライバ３１９へ向けて出力する。この制御信号の送受信もラインドライバ３２１、３１８を介して差動出力される。
【００３５】
ＦＥＴドライバ３１９は、マイコン３２２からの制御信号に基づいてスイッチングＦＥＴ３１４のオンを行う時間のデューティー比を変化させ、既述の中間電力に加算される平均の直流電圧を変化させる。
【００３６】
本例では図６に示した電気的構成のうち、コンデンサ３１２、フライホイールコイル３１１、スナバダイオード３１３、ホールＩＣ３１５、スイッチングＦＥＴ３１４、差動アンプ３１６、Ｖ／Ｆコンバータ３１７、ラインドライバ３１８、ＦＥＴドライバ３１９は、共通の基板上に設けられてＬＥＤドライバ３１を構成している。図１に示すようにＬＥＤドライバ３１は、加熱部２の各ＬＥＤモジュール２２とＬＥＤモジュール２２に電力を供給する直流電源部４１との間設けられている。
【００３７】
一方、図６に示すマイコン３２２やＬＥＤドライバ３１との間で信号の送受信を行うラインドライバ３２１を含む電流制御部３２は、ＬＥＤドライバ３１とは別体となっており、ＬＥＤドライバ３１から離れた位置に配置されている（図１）。そして、電流制御部３２は複数個、例えば４個のＬＥＤドライバ３１との間で各々電流検出値の取得、スイッチングＦＥＴ３１４の制御信号の出力を行うことが可能であり、この結果、複数のＬＥＤモジュール２２の出力制御を行うことができる。電流制御部３２は、実施の形態に係わる駆動装置の電流制御部を構成している。図１では、複数個の電流制御部３２を総括的に示してある。
【００３８】
既述のようにＬＥＤドライバ３１からは、電流値を周波数信号に変換して出力し、電流制御部３２側のマイコン３２２にて周波数信号を時間積分してから電流検出値を算出することにより、スイッチングＦＥＴ３１４のオン／オフ動作で発生するノイズに強い構成となっている。また、ＬＥＤドライバ３１と電流制御部３２との間の信号の送受信を差動で行うことにより、ＬＥＤドライバ３１から離れた位置に電流制御部３２を配置しても信頼性の高い信号の送受信ができる。この結果、直流電源部４１はＬＥＤドライバ３１の直近に配置して送電距離を短くし、少ない電線で電力を供給できる。一方、電流制御部３２との間では信号送信を行うだけなので、離れた位置からであっても細い信号線を用いてＬＥＤドライバ３１と接続すれば足り、ＬＥＤドライバ３１を小型化して、実装性を向上させている。
【００３９】
以上に説明した構成を備えたアニール装置１は当該装置全体を統括制御する装置制御部５を備えている。装置制御部５は図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部にはアニール装置１の作用、即ちウエハＷの搬入出や処理空間１０内の圧力調整、アニール処理の温度設定や処理時間などに係わる制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
【００４０】
特に電流制御部３２、ＬＥＤドライバ３１を利用したＬＥＤアレイ２３の出力調整につき装置制御部５は、処理空間１０内に配置されたウエハＷの温度を検出する不図示の温度検出部から温度検出値を取得し、アニール処理の設定温度と温度検出値とを比較し、その偏差分を解消する方向にＬＥＤアレイ２３の出力を調整するよう、各電流制御部３２に電力指令値を出力する機能を備えている。
【００４１】
上述の構成を備えたアニール装置１の動作について説明する。処理容器１１のゲートバルブ１１２を開き、搬入出口１１１から、外部のウエハ搬送機構を進入させて処理空間１０にウエハＷを搬入する。支持ピン１３１上にウエハＷを載置したら、ウエハ搬送機構を退避させ、ウエハＷの保持高さを調節する。次いで、ゲートバルブ１１２を閉じて処理容器１１内を密閉状態とし、排気ライン１１４をから処理容器１１内の排気を行う一方、ガス供給ライン１１３から不活性ガスを導入し、処理容器１１内（処理空間１０）の圧力を例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定の圧力に調節する。
一方、冷却部材１２ａ、１２ｂでは、冷媒流路１２３に冷媒を通流させ、ＬＥＤモジュール２２のＬＥＤ２１を０℃以下、好ましくは−５０℃以下の温度に冷却しておく。
【００４２】
そして、各直流電源部４１から電力の供給を開始すると共に、ＬＥＤドライバ３１を動作させてＬＥＤアレイ２３の出力調整を行う。このとき、図４、図６を用いて説明したように、ＬＥＤアレイ２３には高電圧端子４１１-中間端子４１２間に中間電圧（例えば２００Ｖ）が常時印加されている。そして、マイコン３２２からの電力指令値に基づき、中間端子４１２-低電圧端子４１３間の直流電圧がＰＷＭによって調整されて前記中間電圧に加算されることによりＬＥＤアレイ２３がオンとなり、その出力が調整される。
【００４３】
このとき、ＰＷＭにより制御される電圧（図４に示したＰＷＭ制御電圧）が、中間電圧を印加しない場合の電圧（同図に示した中間電圧とＰＷＭ制御電圧との合計）よりも小さいので、ＬＥＤアレイ２３の出力調整時の非線形性が抑えられて制御性が向上する。また、スイッチングＦＥＴ３１４でスイッチングする電圧が小さくなる結果、ＰＷＭによってオン／オフされる電圧値（図５に示した電圧値ＶＤＳ）が小さくなり、スイッチングロスを低減できる。
【００４４】
また、スイッチングＦＥＴ３１４にてオン／オフされる電圧値が小さくなることにより、スイッチングＦＥＴ３１４に要求される耐圧性を低くできる。この結果、オン抵抗が低く、切り替え時間の短いＦＥＴを採用することが可能となり、この観点でもスイッチングロスを低減できる。
【００４５】
このような駆動制御によりＬＥＤアレイ２３の出力が調整され、上下の加熱部２に設けられたＬＥＤモジュール２２から射出された光は、光透過板１２２を透過してウエハＷに到達し、当該ウエハＷに吸収されてその温度を上昇させる。この結果、ウエハＷは例えば１〜１０秒程度の短い時間で目標温度（例えば１１００℃）まで昇温され、１〜１０秒程度の短時間当該温度を保持することにより、前工程で注入されたホウ素やリンなどの不純物をシリコンと結合させる処理が行われる。
【００４６】
そして、予め設定した時間が経過したら、ＬＥＤアレイ２３への電力供給を停止し、ＬＥＤ２１からの光の射出を止めることにより、ウエハＷの加熱が停止される。ウエハＷは、処理空間１０内を流れる不活性ガスにより急速に冷却されて、アニール処理を終了する。ウエハＷの冷却後、排気ライン１１４からの排気を停止して、処理空間１０内を大気圧に戻し、搬入時とは逆の動作でウエハＷを搬出して一連の動作を終える。
一方、冷却部材１２ａ、１２ｂと接触するＬＥＤモジュール２２は、冷媒流路１２３内を流れる冷媒により冷却され、温度上昇に伴う発光量の低下を抑えつつ、次のウエハＷが搬入されるまで待機する。
【００４７】
本実施の形態に係わるＬＥＤアレイ２３の駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）によれば以下の効果がある。ＬＥＤアレイ２３のＬＥＤ２１がオンになるしきい値電圧よりも小さい中間電圧を当該ＬＥＤ２１に印加し、さらにスイッチングＦＥＴ３１４のスイッチング作用によりＰＷＭ制御される直流電圧を前記中間電圧に加算することによりＬＥＤ２１に電流が流れてオンの状態となると共にその出力が調整される。この結果、スイッチングＦＥＴ３１４を利用してＰＷＭ制御により加算される電圧の変化幅が、中間電圧を印加しない場合に比べて小さくなるので、オン／オフ動作に伴うスイッチング損失を小さくすることができる。また、スイッチングＦＥＴ３１４に要求される耐圧性も低くなるので、当該スイッチングＦＥＴ３１４を小型化することが可能となり、当該部における電力損失も低減することができる。
【００４８】
ここで、ＬＥＤアレイ２３の駆動装置の構成は図６に示した例に限定されるものではない。ＬＥＤアレイ２３のしきい値電圧よりも小さな中間電圧を常時印加し、この中間電圧にＰＷＭにより制御された直流電圧を加算してＬＥＤアレイ２３をオンの状態とする作用が得られれば、その構成は適宜変更できる。例えば、図７は高電圧端子４１１-中間端子４１２間に設けられるスナバ回路に、スイッチング素子としてスナバＦＥＴ３１３ａを設けた例を示している。図７において、図６に示したものと同様の構成要素には、図６と同じ符号を付してある。
【００４９】
スナバＦＥＴ３１３ａによりスナバ回路を構成する場合には、ＦＥＴドライバ３１９は同期整流機能を備え、スイッチング素子であるスイッチングＦＥＴ３１４がオンの状態のときスナバＦＥＴ３１３ａをオフの状態とし、スイッチングＦＥＴ３１４がオフの状態のときスナバＦＥＴ３１３ａをオンの状態とするスイッチング制御を行う。ここでスイッチング部やスナバ回路を構成するスイッチング素子はＦＥＴ（スイッチングＦＥＴ３１４、スナバＦＥＴ３１３ａ）によって構成する場合に限られず、例えばバイポーラトランジスタなどを用いてもよい。
【００５０】
また、図６や図７に示した受動素子の駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）は、ＬＥＤアレイ２３（ＬＥＤ２１）の駆動制御に適用する場合に限られるものではない。例えばマグネトロンは、図４に示した例と同様の電圧-電流特性を示すことが知られており、その駆動制御においても本発明は制御性を向上させ、スイッチングロスを低減する効果を得ることができる。例えばウエハＷに塗布された水分を含む塗布液にマイクロ波を照射して、当該塗布液を加熱するための加熱部に前記マグネトロンを備えた基板加熱装置などにも本発明は適用できる。この場合、特許請求の範囲に記載の「受動素子」は電力を供給されて駆動する受動装置も含んでいることになる。
【実施例】
【００５１】
（実験１）
中間電圧にＰＷＭで調整された直流電圧を加算する本発明の駆動装置、及び中間電圧を印加しない駆動装置を用いてＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を調べた。
【００５２】
Ａ．実験条件
（実施例１−１）
図６に示したスナバ回路としてスナバダイオード３１３を用いる駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）を用い、ＬＥＤアレイ２３に平均電圧１６０Ｖ、４００ｍＡの電力を供給してスイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。中間電圧は２００Ｖ、ＰＷＭ制御電圧は２００Ｖであり、ＰＷＭ制御のパルス周期は１０μｍ秒、デューティー比（ＰＷＭ％）は８０％とした。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
（実施例１−２）
図７に示したスナバ回路としてスナバＦＥＴ３１３ａを用いる駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件でＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
（比較例１−１）
図８に示す、中間電圧の印加を行わない駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件でＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。図８の駆動装置においてスナバ回路はコンデンサ３１２であり、電流検出にはシャント抵抗器３１５ａを用いた。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は６００Ｖである。
（比較例１−２）
スナバ回路としてスナバＦＥＴ３１３ａを用いた点以外は、（比較例１−１）と同様の条件でスイッチングＦＥＴ３１４の温度を計測した。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
【００５３】
Ｂ．実験結果
各実施例、比較例におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度の経時変化を図９に示す。図９には、実施例１−１を破線、実施例１−２を実線、比較例１−１を二点鎖線、比較例１−２を一点鎖線で示してある。
【００５４】
図９に示した結果によれば、実施例１−１、１−２におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅が、比較例１−１、１−２におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅よりも小さくなっている。これは、スイッチングＦＥＴ３１４に加わる電圧が小さくなったこと、耐圧性の低いスイッチングＦＥＴ３１４を使用したことに伴うスイッチングロスの減少に起因するものと評価できる。また、スナバ回路としてスナバダイオード３１３を用いる場合とスナバＦＥＴ３１３ａを用いる場合とを比べると、実施例、比較例のいずれにおいてもスナバＦＥＴ３１３ａを用いる場合の方がスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅が小さい。
【００５５】
（実験２）
実施例１−１、比較例１−１におけるＬＥＤアレイ２３の駆動実験においてＰＷＭのデューティー比（ＰＷＭ％）を変化させ、電力の使用効率及び電力損失を算出した。
【００５６】
Ａ．実験条件
（実施例２）
図６に示す駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件の下、ＰＷＭのデューティー比を０〜１００％の範囲内で変化させた。
（比較例２）
図８に示す駆動装置を用い、（比較例１−１）と同様の条件の下、ＰＷＭのデューティー比を０〜１００％の範囲内で変化させた。
【００５７】
Ｂ．実験結果
実施例２、比較例２の実験結果において、デューティー比に対する電力の使用効率の変化を図１０に示し、電力損失の変化を図１１に示す。図１０、図１１において、実施例２の結果を白丸でプロットし、比較例２の結果を黒丸でプロットした。
【００５８】
図１０に示したデューティー比が０〜３０％程度の範囲では、実施例２の方が時比較例２よりも電力の使用効率は小さいが、これ以上の範囲では実施例２の方が電力の使用効率は比較例２よりも高い。図１１に示すように、デューティー比の低い範囲では実施例２と比較例２とで電力の損失量に大きな差は見られないが、デューティー比が６０％を超えた範囲では、図６の駆動装置（実施例２）と図８の駆動装置（比較例２）とで電力の損失量の差が急激に大きくなっている。ウエハＷを短時間で高温に加熱するアニール装置１などでは、ＰＷＭのデューティー比は高くなる傾向となるので、本実施の形態の駆動装置はこのような処理に適しているといえる。
【符号の説明】
【００５９】
Ｗ ウエハ
１ アニール装置
２１ ＬＥＤ
２２ ＬＥＤモジュール
２３ ＬＥＤアレイ
３１ ＬＥＤドライバ
３１１ フライホイールコイル
３１２ コンデンサ
３１３ スナバダイオード
３１３ａ スナバＦＥＴ
３１４ スイッチングＦＥＴ
３１５ ホールＩＣ
３１９ ＦＥＴドライバ
３２ 電流制御部
３２２ マイコン
４１ 直流電源部
４１１ 高電圧端子
４１２ 中間端子
４１３ 低電圧端子
５ 装置制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によりＬＥＤ(Light Emitting Diode)などの受動素子の出力を調節する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造においては、基板である半導体ウエハ（以下ウエハと記す）を加熱する各種の加熱処理が存在する。なかでも高速の昇温降温が可能であり、ウエハの材料であるシリコンの吸収波長に対応する波長を放出することができるＬＥＤ（発光ダイオード）を熱源として用いるものが提案されている。
【０００３】
出願人は、イオンインプランテーション後のアニール処理を行うアニール装置（基板加熱装置）において、例えば１００〜２００個のＬＥＤを直列に接続して構成されるＬＥＤアレイを用いた熱源の開発を行っている。この技術では、熱源である加熱部に複数のＬＥＤアレイを設け、各ＬＥＤアレイへの給電量を調節することにより、ＬＥＤの光量を調節して所望のタイミングでの昇温、降温を実現している（特許文献１）
【０００４】
ここでＬＥＤの出力を調整する手法の一つとしてパルス幅変調（以下、ＰＷＭという）方式により、受動素子であるＬＥＤへの給電量を制御して発光量を調節する手法がある。一方で、ＬＥＤはしきい値電圧（Ｖｆ）以上の電圧を印加するとその電圧に応じた電流が流れ始めるという電圧-電流特性を有するが、１００個以上ものＬＥＤが直列に接続されたＬＥＤアレイなどでは、電流が流れ始めるしきい値電圧の値も数百Ｖ程度まで大きくなってしまう場合がある。
【０００５】
このようにしきい値電圧の大きなＬＥＤアレイは、単純なオームの法則が適用できない非線形な制御系となるため、短時間に電力の供給、停止を繰り返して平均の出力を調節するＰＷＭ制御をこのＬＥＤアレイに適用すると、昇温降温動作における制御性が低下してしまう。また、しきい値電圧を含む高圧の電力をオン／オフする動作に耐えうる耐圧性の高いスイッチング素子（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）が必要となり、スイッチングロスが増大するといった問題が生じる。
【０００６】
ここで特許文献２には、照明用のＬＥＤのスイッチングを行うトランジスタ（半導体スイッチ素子）を備えたＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤが非通電状態となっているか否かを検出し、その状態に応じてＬＥＤへ入力される電力を調整することにより、低照度に調光した際の制御性を向上させ、電力損失を低減する技術が記載されている。しかしながら、当該技術は、トランジスタのスイッチング制御に起因する応答性の低下や電力損失を改善する技術であり、先に説明したＬＥＤアレイの電圧-電流特性に起因する問題を解決する手法は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５３２４２号公報：段落００３２〜００３４、００４４、図４、５、９
【特許文献２】特開２００９−２６６８５５号公報：請求項１、段落００２１〜００２４、図１〜３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、応答性が良好で電力損失の小さな受動素子の駆動装置、及びこの駆動装置を用いた基板加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る受動素子の駆動装置は、高電圧端子と低電圧端子との間に中間電位となる中間端子を有する直流電源部と、
前記高電圧端子にその一端側が接続された、受動素子及び電圧平滑コンデンサからなる並列回路と、
この並列回路の他端側に接続されたフライホイール素子と、
このフライホイール素子と前記中間端子との間に接続されたスナバ回路と、
このフライホイール素子及びスナバ回路の接続点と前記低電圧端子との間に接続された、電流検出部及びスイッチング部からなる直列回路と、
電流指令値と前記電流検出部にて検出された電流検出値との偏差分に基づいて前記スイッチング部のスイッチングを制御する電流制御部と、を備え、
前記高電圧端子と中間端子との間の中間電圧は、前記受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定され、
前記受動素子は、前記スイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧が前記中間電圧に加算されてオンになることを特徴とする。
【００１０】
前記受動素子の駆動装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記受動素子は複数のＬＥＤの直列回路であること。
（ｂ）前記スイッチング部及びスナバ回路はスイッチング素子であり、スイッチング部のスイッチング素子とスナバ回路のスイッチング素子とのオン／オフの状態を反転させる同期整流が行われること。
【００１１】
また、他の発明に係わる基板加熱装置は、基板を収容する処理容器と、
供給された電力に対応するエネルギーを放出することにより、処理容器内の基板を加熱するための受動素子が設けられた加熱部と、
上述したいずれかの受動素子の駆動装置と、を備え、
前記駆動装置により受動素子をオンの状態とすることにより、基板を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい中間電圧を当該受動素子に印加し、さらにスイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧を前記中間電圧に加算することにより受動素子に電流が流れてオンの状態となる。この結果、スイッチング部を利用して加算される電圧の変化幅が小さくなるので、オン／オフ動作に伴うスイッチング損失を小さくすることができる。また、スイッチング部に要求される耐圧性も低くなるので、スイッチング部を構成する機器を小型化することが可能となり、当該部における電力損失も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係わるＬＥＤドライバを適用したアニール装置の縦断側面図である。
【図２】前記アニール装置の加熱部を示す平面図である。
【図３】前記ＬＥＤアレイにおけるＬＥＤの接続状態を示す説明図である。
【図４】ＬＥＤアレイの電圧-電流特性を示す説明図である。
【図５】ＬＥＤアレイをＰＷＭ制御したときの電圧及び電流の過渡応答を示す説明図である。
【図６】ＬＥＤアレイの駆動装置の第１の構成例を示す回路図である。
【図７】ＬＥＤアレイの駆動装置の第２の構成例を示す回路図である。
【図８】比較例に係わる駆動装置の構成を示す回路図である。
【図９】スイッチングＦＥＴの温度の経時変化を示す説明図である。
【図１０】駆動装置に応じた電力消費効率を示す説明図である。
【図１１】駆動装置に応じた電力損失を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態に係わるＬＥＤアレイの駆動装置が適用される基板加熱装置であり、表面に不純物が注入されたウエハＷをアニールするアニール装置１の構成例について簡単に説明する。
【００１５】
アニール装置１は、扁平な円筒状に形成された処理容器１１と、この処理容器１１の上面側及び下面側に形成された円形の開口部を塞ぐように当該開口部に嵌め込まれた冷却部材１２ａ、１２ｂとによって、アニール処理が行われる処理空間１０を形成している。
【００１６】
処理容器１１の側壁面には、ウエハＷの搬入出が行われる搬入出口１１１及びその開閉を行うゲートバルブ１１２が設けられている。また、処理容器１１の天井面には処理空間１０内に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを供給するためのガス供給ライン１１３が接続されている一方、処理容器１１の底面側には処理空間１０内を排気するための排気ライン１１４が接続されている。排気ライン１１４は不図示の排気手段に接続されており、アニール処理を行っている期間中の処理空間１０の圧力は例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定圧力に維持される。
【００１７】
処理空間１０内には、ウエハＷを下面側から支持する支持ピン１３１を先端部に備えた、例えば３本の支持アーム１３（図１には２本のみ示してある）が設けられており、これら支持ピン１３１を介してウエハＷを保持することができる。各支持アーム１３は不図示の昇降機構により昇降自在となっており、外部のウエハ搬送機構と上下方向に支持ピン１３１を交差させてウエハＷの受け渡しを行ったり、ウエハＷを保持する高さ位置を調整したりすることができる。
【００１８】
支持アーム１３によって保持されたウエハＷの上面及び下面と対向する冷却部材１２ａ、１２ｂの下面または上面には、凹部１２１が形成されている。この凹部１２１内にはアニール処理の熱源となる加熱部２が形成されており、加熱部２には本実施の形態の受動素子である多数個のＬＥＤ２１を備えたＬＥＤモジュール２２が配置されている。
【００１９】
図２に示すように本例のＬＥＤモジュール２２は六角形の支持基板２２１の板面に多数のＬＥＤ２１を配置した構成となっている（図２ではＬＥＤ２１の記載を省略してある）。そして各冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１内に、複数のＬＥＤモジュール２２を配置することによりウエハＷの上面及び下面を満遍なく加熱する構成となっている。
【００２０】
各ＬＥＤモジュール２２には、１００〜２００個程度のＬＥＤ２１の直列ラインが数ラインある。これらのＬＥＤ２１から射出される光の波長は、例えば紫外光〜近赤外光の範囲、好ましくは０．３６〜１．０μｍの範囲が好ましい。このような０．３６〜１．０μｍの範囲の光を射出する材料としてはＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等をベースとした化合物半導体が例示される。この中では、特に加熱対象として用いられるシリコン製のウエハＷにおける吸収率が高い８５０〜９７０ｎｍ付近の放射波長を有するＧａＡｓ系の材料からなるＬＥＤ２１がさらに好適である。
【００２１】
ＬＥＤモジュール２２は支持基板２２１の裏面側が冷却部材１２ａ、１２ｂの冷却面と接触するように冷却部材１２ａ、１２ｂに取り付けられている。また、冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１には、ウエハＷと対向する表面側からＬＥＤモジュール２２を覆うように、例えば石英などからなる光透過板１２２が取り付けられている。従って、ＬＥＤモジュール２２のＬＥＤアレイ２３から射出された光は光透過板１２２を透過してウエハＷに到達することになる。
【００２２】
また、冷却部材１２ａ、１２ｂの凹部１２１と光透過板１２２とで囲まれた空間は、処理空間１０と同様に減圧雰囲気となっており、各光透過板１２２の上-下面間の圧力差を小さくしている。これにより、凹部１２１内が大気圧である場合に比べて光透過板１２２を薄くすることが可能となり、光透過板１２２における光の吸収が抑えられる。
【００２３】
ＬＥＤモジュール２２の支持基板２２１が接触する冷却部材１２ａ、１２ｂには冷媒流路１２３が形成されており、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン（登録商標））などの冷媒を当該冷媒流路１２３内に通流させて、冷却部材１２ａ、１２ｂを０℃以下の例えば−５０℃程度に冷却することができる。図１中、１２４は冷媒供給ライン、１２５は冷媒排出ラインである。
【００２４】
以上に概略構成を説明したアニール装置１に設けられているＬＥＤモジュール２２、及びこのＬＥＤモジュール２２に電力を供給する直流電源４１並びにＬＥＤドライバ３１の電気的構成について図３、図６を参照しながら説明する。
図１、図２に示した各ＬＥＤモジュール２２には、例えば図３に示すように、１００〜２００個のＬＥＤ２１を直列に接続した直列回路からなるＬＥＤアレイ２３が設けられている。各ＬＥＤモジュール２２には、ＬＥＤアレイ２３を複数個設け、以下に説明する直流電源部４１及びＬＥＤドライバ３１に、これらのＬＥＤアレイ２３を並列に接続してもよいが、電圧-電流特性の傾きが変化する他は直流電源部４１やＬＥＤドライバ３１の作用は変わらないので、以下、１個のＬＥＤアレイ２３を駆動する場合について説明する。
【００２５】
図４に示すように、多数のＬＥＤ２１を直列に接続したＬＥＤアレイ２３は、電流が流れ始めるまでのＬＥＤアレイ２３全体のしきい値電圧Ｖｆの値が数百Ｖにもなる（図４の例では２７０Ｖ）。このため、本発明を適用する前のＰＷＭを利用した出力制御ではこのしきい値電圧を含む電圧がＬＥＤアレイ２３にオン／オフされる。
【００２６】
一般に、ＰＷＭ制御を用いたＬＥＤドライバには、電流平滑用のコイルが設けられており、図５に示すように電圧のオン／オフ動作に遅れて電流がオン／オフされる。このときＬＥＤアレイ２３におけるスイッチングロスは、電流が上昇し、電圧が降下する期間中の電流値と電圧値との積、及び電流が降下し、電圧が上昇する期間中の電流値と電圧値との積で表される。
【００２７】
このため、スイッチングにより印加される電圧値が高くなると、前記スイッチングロスも大きくなる。また高電圧が印加される場合、スイッチング素子としては耐圧性の高いＦＥＴ等が必要となるが、このようなＦＥＴはオン抵抗が大きいため、消費電力のロスも大きくなる。これに加えて耐圧性の高いＦＥＴは、オン／オフの切り替え時間も長く、図５に示したスイッチングロスが引き起こされる期間も長くなるため、この点でもスイッチングロスが大きくなる。
【００２８】
そこで本実施の形態の直流電源部４１及びＬＥＤドライバ３１は、図４に示したしきい値電圧よりも小さな中間電圧をＬＥＤ２１に常時印加しておき、この中間電圧にＰＷＭ制御用の電圧を加算してＬＥＤ２１をオンの状態にする点に特徴を有している。以下、図６を参照しながら直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１及び電流制御部３２の構成について説明する。これら直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１及び電流制御部３２は、本実施の形態に係わるＬＥＤアレイ２３（ＬＥＤ２１）の駆動装置を構成している。
【００２９】
図６に示すように、本例の直流電源部４１は高電圧端子４１１と、低電圧端子４１３と、これらの端子の中間の電位となる中間端子４１２とを備えている。直流電源部４１は例えば三相電源から供給された交流電流をＰＷＭ整流して直流電流に変換する公知の整流回路などから構成されている。一方、ＬＥＤアレイ２３は電流平滑用のコンデンサ３１２と並列回路を形成しており、当該並列回路はＬＥＤ２１の順方向、上流側の一端側が前記直流電源部４１の高電圧端子４１１に接続されている。
【００３０】
一方、前記並列回路の他端側（ＬＥＤ２１の順方向、下流側）は、電流平滑用のフライホイールコイル３１１及びスナバ回路をなすスナバダイオード３１３を介して直流電源部４１の中間端子４１２に接続されている。高電圧端子４１１と中間端子４１２との間の電位差（中間電圧）は、図４に示すしきい値電圧（ＬＥＤアレイ２３に電流が流れ始めてオンになる電圧）Ｖｆよりも小さい値である例えば２００Ｖに設定されている。そして、この中間電圧が前記並列回路（ＬＥＤアレイ２３及びコンデンサ３１２）に常時印加されている。中間電圧は、しきい値の例えば６０〜９５％、より好ましくは８０〜９５％の値に設定することにより、ＬＥＤアレイ２３の出力制御の非線形性を緩和し、またスイッチングロスを低減する効果が高くなる。
【００３１】
また、前記フライホイールコイル３１１とスナバダイオード３１３の接続点と、直流電源部４１の低電圧端子４１３との間には、電流検出部をなすホールＩＣ３１５とスイッチング部であるスイッチングＦＥＴ３１４とからなる直列回路が設けられている。低電圧端子４１３と中間端子４１２との間には、例えば２００Ｖの直流電圧が印加されている。図６中に示す４２、４３は、直流電源部４１側の電圧平滑用のコンデンサである。
【００３２】
そして、スイッチングＦＥＴ３１４をオフにすると高電圧端子４１１→ＬＥＤアレイ２３→フライホイールコイル３１１→スナバダイオード３１３→中間端子４１２という回路が形成されて中間電圧のみがＬＥＤアレイ２３に印加される。一方、スイッチングＦＥＴ３１４をオンにすると高電圧端子４１１→ＬＥＤアレイ２３→フライホイールコイル３１１→スイッチングＦＥＴ３１４→低電圧端子４１３という回路が形成され、前記中間電圧に中間端子４１２−低電圧端子４１３間の直流電圧が加算される。そして、スイッチングＦＥＴ３１４のオン／オフ間隔を変化させることにより、中間電圧に加算される平均の電圧を変化させてＬＥＤ２１に印加される電圧を制御することができる。
【００３３】
低電圧端子４１３へ向けて流れる電流値は、ホールＩＣ３１５にて検出され電流値に対応する電圧値として出力された後、差動アンプ３１６にて増幅されると共に、平衡信号に変換される。Ｖ／Ｆコンバータ３１７では、前記電圧値を周波数信号に変換してからラインドライバ３１８を介して電流制御部３２へ差動出力する。
【００３４】
電流制御部３２内のラインドライバ３２１で受信された周波数信号はマイコン３２２でカウントされて、ホールＩＣ３１５で検出される線路を流れる電流の検出値に変換される。マイコン３２２では、後述する装置制御部５からの電流指令値と電流検出値とを比較し、その偏差分を解消する方向にスイッチングＦＥＴ３１４をオンにするパルス幅を増減させる制御信号をＦＥＴドライバ３１９へ向けて出力する。この制御信号の送受信もラインドライバ３２１、３１８を介して差動出力される。
【００３５】
ＦＥＴドライバ３１９は、マイコン３２２からの制御信号に基づいてスイッチングＦＥＴ３１４のオンを行う時間のデューティー比を変化させ、既述の中間電力に加算される平均の直流電圧を変化させる。
【００３６】
本例では図６に示した電気的構成のうち、コンデンサ３１２、フライホイールコイル３１１、スナバダイオード３１３、ホールＩＣ３１５、スイッチングＦＥＴ３１４、差動アンプ３１６、Ｖ／Ｆコンバータ３１７、ラインドライバ３１８、ＦＥＴドライバ３１９は、共通の基板上に設けられてＬＥＤドライバ３１を構成している。図１に示すようにＬＥＤドライバ３１は、加熱部２の各ＬＥＤモジュール２２とＬＥＤモジュール２２に電力を供給する直流電源部４１との間設けられている。
【００３７】
一方、図６に示すマイコン３２２やＬＥＤドライバ３１との間で信号の送受信を行うラインドライバ３２１を含む電流制御部３２は、ＬＥＤドライバ３１とは別体となっており、ＬＥＤドライバ３１から離れた位置に配置されている（図１）。そして、電流制御部３２は複数個、例えば４個のＬＥＤドライバ３１との間で各々電流検出値の取得、スイッチングＦＥＴ３１４の制御信号の出力を行うことが可能であり、この結果、複数のＬＥＤモジュール２２の出力制御を行うことができる。電流制御部３２は、実施の形態に係わる駆動装置の電流制御部を構成している。図１では、複数個の電流制御部３２を総括的に示してある。
【００３８】
既述のようにＬＥＤドライバ３１からは、電流値を周波数信号に変換して出力し、電流制御部３２側のマイコン３２２にて周波数信号を時間積分してから電流検出値を算出することにより、スイッチングＦＥＴ３１４のオン／オフ動作で発生するノイズに強い構成となっている。また、ＬＥＤドライバ３１と電流制御部３２との間の信号の送受信を差動で行うことにより、ＬＥＤドライバ３１から離れた位置に電流制御部３２を配置しても信頼性の高い信号の送受信ができる。この結果、直流電源部４１はＬＥＤドライバ３１の直近に配置して送電距離を短くし、少ない電線で電力を供給できる。一方、電流制御部３２との間では信号送信を行うだけなので、離れた位置からであっても細い信号線を用いてＬＥＤドライバ３１と接続すれば足り、ＬＥＤドライバ３１を小型化して、実装性を向上させている。
【００３９】
以上に説明した構成を備えたアニール装置１は当該装置全体を統括制御する装置制御部５を備えている。装置制御部５は図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部にはアニール装置１の作用、即ちウエハＷの搬入出や処理空間１０内の圧力調整、アニール処理の温度設定や処理時間などに係わる制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
【００４０】
特に電流制御部３２、ＬＥＤドライバ３１を利用したＬＥＤアレイ２３の出力調整につき装置制御部５は、処理空間１０内に配置されたウエハＷの温度を検出する不図示の温度検出部から温度検出値を取得し、アニール処理の設定温度と温度検出値とを比較し、その偏差分を解消する方向にＬＥＤアレイ２３の出力を調整するよう、各電流制御部３２に電力指令値を出力する機能を備えている。
【００４１】
上述の構成を備えたアニール装置１の動作について説明する。処理容器１１のゲートバルブ１１２を開き、搬入出口１１１から、外部のウエハ搬送機構を進入させて処理空間１０にウエハＷを搬入する。支持ピン１３１上にウエハＷを載置したら、ウエハ搬送機構を退避させ、ウエハＷの保持高さを調節する。次いで、ゲートバルブ１１２を閉じて処理容器１１内を密閉状態とし、排気ライン１１４をから処理容器１１内の排気を行う一方、ガス供給ライン１１３から不活性ガスを導入し、処理容器１１内（処理空間１０）の圧力を例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定の圧力に調節する。
一方、冷却部材１２ａ、１２ｂでは、冷媒流路１２３に冷媒を通流させ、ＬＥＤモジュール２２のＬＥＤ２１を０℃以下、好ましくは−５０℃以下の温度に冷却しておく。
【００４２】
そして、各直流電源部４１から電力の供給を開始すると共に、ＬＥＤドライバ３１を動作させてＬＥＤアレイ２３の出力調整を行う。このとき、図４、図６を用いて説明したように、ＬＥＤアレイ２３には高電圧端子４１１-中間端子４１２間に中間電圧（例えば２００Ｖ）が常時印加されている。そして、マイコン３２２からの電力指令値に基づき、中間端子４１２-低電圧端子４１３間の直流電圧がＰＷＭによって調整されて前記中間電圧に加算されることによりＬＥＤアレイ２３がオンとなり、その出力が調整される。
【００４３】
このとき、ＰＷＭにより制御される電圧（図４に示したＰＷＭ制御電圧）が、中間電圧を印加しない場合の電圧（同図に示した中間電圧とＰＷＭ制御電圧との合計）よりも小さいので、ＬＥＤアレイ２３の出力調整時の非線形性が抑えられて制御性が向上する。また、スイッチングＦＥＴ３１４でスイッチングする電圧が小さくなる結果、ＰＷＭによってオン／オフされる電圧値（図５に示した電圧値ＶＤＳ）が小さくなり、スイッチングロスを低減できる。
【００４４】
また、スイッチングＦＥＴ３１４にてオン／オフされる電圧値が小さくなることにより、スイッチングＦＥＴ３１４に要求される耐圧性を低くできる。この結果、オン抵抗が低く、切り替え時間の短いＦＥＴを採用することが可能となり、この観点でもスイッチングロスを低減できる。
【００４５】
このような駆動制御によりＬＥＤアレイ２３の出力が調整され、上下の加熱部２に設けられたＬＥＤモジュール２２から射出された光は、光透過板１２２を透過してウエハＷに到達し、当該ウエハＷに吸収されてその温度を上昇させる。この結果、ウエハＷは例えば１〜１０秒程度の短い時間で目標温度（例えば１１００℃）まで昇温され、１〜１０秒程度の短時間当該温度を保持することにより、前工程で注入されたホウ素やリンなどの不純物をシリコンと結合させる処理が行われる。
【００４６】
そして、予め設定した時間が経過したら、ＬＥＤアレイ２３への電力供給を停止し、ＬＥＤ２１からの光の射出を止めることにより、ウエハＷの加熱が停止される。ウエハＷは、処理空間１０内を流れる不活性ガスにより急速に冷却されて、アニール処理を終了する。ウエハＷの冷却後、排気ライン１１４からの排気を停止して、処理空間１０内を大気圧に戻し、搬入時とは逆の動作でウエハＷを搬出して一連の動作を終える。
一方、冷却部材１２ａ、１２ｂと接触するＬＥＤモジュール２２は、冷媒流路１２３内を流れる冷媒により冷却され、温度上昇に伴う発光量の低下を抑えつつ、次のウエハＷが搬入されるまで待機する。
【００４７】
本実施の形態に係わるＬＥＤアレイ２３の駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）によれば以下の効果がある。ＬＥＤアレイ２３のＬＥＤ２１がオンになるしきい値電圧よりも小さい中間電圧を当該ＬＥＤ２１に印加し、さらにスイッチングＦＥＴ３１４のスイッチング作用によりＰＷＭ制御される直流電圧を前記中間電圧に加算することによりＬＥＤ２１に電流が流れてオンの状態となると共にその出力が調整される。この結果、スイッチングＦＥＴ３１４を利用してＰＷＭ制御により加算される電圧の変化幅が、中間電圧を印加しない場合に比べて小さくなるので、オン／オフ動作に伴うスイッチング損失を小さくすることができる。また、スイッチングＦＥＴ３１４に要求される耐圧性も低くなるので、当該スイッチングＦＥＴ３１４を小型化することが可能となり、当該部における電力損失も低減することができる。
【００４８】
ここで、ＬＥＤアレイ２３の駆動装置の構成は図６に示した例に限定されるものではない。ＬＥＤアレイ２３のしきい値電圧よりも小さな中間電圧を常時印加し、この中間電圧にＰＷＭにより制御された直流電圧を加算してＬＥＤアレイ２３をオンの状態とする作用が得られれば、その構成は適宜変更できる。例えば、図７は高電圧端子４１１-中間端子４１２間に設けられるスナバ回路に、スイッチング素子としてスナバＦＥＴ３１３ａを設けた例を示している。図７において、図６に示したものと同様の構成要素には、図６と同じ符号を付してある。
【００４９】
スナバＦＥＴ３１３ａによりスナバ回路を構成する場合には、ＦＥＴドライバ３１９は同期整流機能を備え、スイッチング素子であるスイッチングＦＥＴ３１４がオンの状態のときスナバＦＥＴ３１３ａをオフの状態とし、スイッチングＦＥＴ３１４がオフの状態のときスナバＦＥＴ３１３ａをオンの状態とするスイッチング制御を行う。ここでスイッチング部やスナバ回路を構成するスイッチング素子はＦＥＴ（スイッチングＦＥＴ３１４、スナバＦＥＴ３１３ａ）によって構成する場合に限られず、例えばバイポーラトランジスタなどを用いてもよい。
【００５０】
また、図６や図７に示した受動素子の駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）は、ＬＥＤアレイ２３（ＬＥＤ２１）の駆動制御に適用する場合に限られるものではない。例えばマグネトロンは、図４に示した例と同様の電圧-電流特性を示すことが知られており、その駆動制御においても本発明は制御性を向上させ、スイッチングロスを低減する効果を得ることができる。例えばウエハＷに塗布された水分を含む塗布液にマイクロ波を照射して、当該塗布液を加熱するための加熱部に前記マグネトロンを備えた基板加熱装置などにも本発明は適用できる。この場合、特許請求の範囲に記載の「受動素子」は電力を供給されて駆動する受動装置も含んでいることになる。
【実施例】
【００５１】
（実験１）
中間電圧にＰＷＭで調整された直流電圧を加算する本発明の駆動装置、及び中間電圧を印加しない駆動装置を用いてＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を調べた。
【００５２】
Ａ．実験条件
（実施例１−１）
図６に示したスナバ回路としてスナバダイオード３１３を用いる駆動装置（直流電源部４１、ＬＥＤドライバ３１、電流制御部３２）を用い、ＬＥＤアレイ２３に平均電圧１６０Ｖ、４００ｍＡの電力を供給してスイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。中間電圧は２００Ｖ、ＰＷＭ制御電圧は２００Ｖであり、ＰＷＭ制御のパルス周期は１０μｍ秒、デューティー比（ＰＷＭ％）は８０％とした。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
（実施例１−２）
図７に示したスナバ回路としてスナバＦＥＴ３１３ａを用いる駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件でＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
（比較例１−１）
図８に示す、中間電圧の印加を行わない駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件でＬＥＤアレイ２３に電力を供給し、スイッチングＦＥＴ３１４の温度変化を計測した。図８の駆動装置においてスナバ回路はコンデンサ３１２であり、電流検出にはシャント抵抗器３１５ａを用いた。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は６００Ｖである。
（比較例１−２）
スナバ回路としてスナバＦＥＴ３１３ａを用いた点以外は、（比較例１−１）と同様の条件でスイッチングＦＥＴ３１４の温度を計測した。スイッチングＦＥＴ３１４の耐圧能力は３００Ｖである。
【００５３】
Ｂ．実験結果
各実施例、比較例におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度の経時変化を図９に示す。図９には、実施例１−１を破線、実施例１−２を実線、比較例１−１を二点鎖線、比較例１−２を一点鎖線で示してある。
【００５４】
図９に示した結果によれば、実施例１−１、１−２におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅が、比較例１−１、１−２におけるスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅よりも小さくなっている。これは、スイッチングＦＥＴ３１４に加わる電圧が小さくなったこと、耐圧性の低いスイッチングＦＥＴ３１４を使用したことに伴うスイッチングロスの減少に起因するものと評価できる。また、スナバ回路としてスナバダイオード３１３を用いる場合とスナバＦＥＴ３１３ａを用いる場合とを比べると、実施例、比較例のいずれにおいてもスナバＦＥＴ３１３ａを用いる場合の方がスイッチングＦＥＴ３１４の温度上昇幅が小さい。
【００５５】
（実験２）
実施例１−１、比較例１−１におけるＬＥＤアレイ２３の駆動実験においてＰＷＭのデューティー比（ＰＷＭ％）を変化させ、電力の使用効率及び電力損失を算出した。
【００５６】
Ａ．実験条件
（実施例２）
図６に示す駆動装置を用い、（実施例１−１）と同様の条件の下、ＰＷＭのデューティー比を０〜１００％の範囲内で変化させた。
（比較例２）
図８に示す駆動装置を用い、（比較例１−１）と同様の条件の下、ＰＷＭのデューティー比を０〜１００％の範囲内で変化させた。
【００５７】
Ｂ．実験結果
実施例２、比較例２の実験結果において、デューティー比に対する電力の使用効率の変化を図１０に示し、電力損失の変化を図１１に示す。図１０、図１１において、実施例２の結果を白丸でプロットし、比較例２の結果を黒丸でプロットした。
【００５８】
図１０に示したデューティー比が０〜３０％程度の範囲では、実施例２の方が時比較例２よりも電力の使用効率は小さいが、これ以上の範囲では実施例２の方が電力の使用効率は比較例２よりも高い。図１１に示すように、デューティー比の低い範囲では実施例２と比較例２とで電力の損失量に大きな差は見られないが、デューティー比が６０％を超えた範囲では、図６の駆動装置（実施例２）と図８の駆動装置（比較例２）とで電力の損失量の差が急激に大きくなっている。ウエハＷを短時間で高温に加熱するアニール装置１などでは、ＰＷＭのデューティー比は高くなる傾向となるので、本実施の形態の駆動装置はこのような処理に適しているといえる。
【符号の説明】
【００５９】
Ｗ ウエハ
１ アニール装置
２１ ＬＥＤ
２２ ＬＥＤモジュール
２３ ＬＥＤアレイ
３１ ＬＥＤドライバ
３１１ フライホイールコイル
３１２ コンデンサ
３１３ スナバダイオード
３１３ａ スナバＦＥＴ
３１４ スイッチングＦＥＴ
３１５ ホールＩＣ
３１９ ＦＥＴドライバ
３２ 電流制御部
３２２ マイコン
４１ 直流電源部
４１１ 高電圧端子
４１２ 中間端子
４１３ 低電圧端子
５ 装置制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧端子と低電圧端子との間に中間電位となる中間端子を有する直流電源部と、
前記高電圧端子にその一端側が接続された、受動素子及び電圧平滑コンデンサからなる並列回路と、
この並列回路の他端側に接続されたフライホイール素子と、
このフライホイール素子と前記中間端子との間に接続されたスナバ回路と、
このフライホイール素子及びスナバ回路の接続点と前記低電圧端子との間に接続された、電流検出部及びスイッチング部からなる直列回路と、
電流指令値と前記電流検出部にて検出された電流検出値との偏差分に基づいて前記スイッチング部のスイッチングを制御する電流制御部と、を備え、
前記高電圧端子と中間端子との間の中間電圧は、前記受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定され、
前記受動素子は、前記スイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧が前記中間電圧に加算されてオンになることを特徴とする受動素子の駆動装置。
【請求項２】
前記受動素子は複数のＬＥＤの直列回路であることを特徴とする請求項１に記載の受動素子の駆動装置。
【請求項３】
前記スイッチング部及びスナバ回路はスイッチング素子であり、スイッチング部のスイッチング素子とスナバ回路のスイッチング素子とのオン／オフの状態を反転させる同期整流が行われることを特徴とする請求項１または２に記載の受動素子の駆動装置。
【請求項４】
基板を収容する処理容器と、
供給された電力に対応するエネルギーを放出することにより、処理容器内の基板を加熱するための受動素子が設けられた加熱部と、
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の受動素子の駆動装置と、を備え、
前記駆動装置により受動素子をオンの状態とすることにより、基板を加熱することを特徴とする基板加熱装置。
【請求項１】
高電圧端子と低電圧端子との間に中間電位となる中間端子を有する直流電源部と、
前記高電圧端子にその一端側が接続された、受動素子及び電圧平滑コンデンサからなる並列回路と、
この並列回路の他端側に接続されたフライホイール素子と、
このフライホイール素子と前記中間端子との間に接続されたスナバ回路と、
このフライホイール素子及びスナバ回路の接続点と前記低電圧端子との間に接続された、電流検出部及びスイッチング部からなる直列回路と、
電流指令値と前記電流検出部にて検出された電流検出値との偏差分に基づいて前記スイッチング部のスイッチングを制御する電流制御部と、を備え、
前記高電圧端子と中間端子との間の中間電圧は、前記受動素子がオンになるしきい値電圧よりも小さい値に設定され、
前記受動素子は、前記スイッチング部のスイッチング作用により制御される直流電圧が前記中間電圧に加算されてオンになることを特徴とする受動素子の駆動装置。
【請求項２】
前記受動素子は複数のＬＥＤの直列回路であることを特徴とする請求項１に記載の受動素子の駆動装置。
【請求項３】
前記スイッチング部及びスナバ回路はスイッチング素子であり、スイッチング部のスイッチング素子とスナバ回路のスイッチング素子とのオン／オフの状態を反転させる同期整流が行われることを特徴とする請求項１または２に記載の受動素子の駆動装置。
【請求項４】
基板を収容する処理容器と、
供給された電力に対応するエネルギーを放出することにより、処理容器内の基板を加熱するための受動素子が設けられた加熱部と、
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の受動素子の駆動装置と、を備え、
前記駆動装置により受動素子をオンの状態とすることにより、基板を加熱することを特徴とする基板加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−８７２７（Ｐ２０１３−８７２７Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８５６２（Ｐ２０１１−１３８５６２）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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