特開 2023-48702 逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023048702

(43)【公開日】2023-04-07

(54)【発明の名称】逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/00 20070101AFI20230331BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20230331BHJP

   G05F 1/455 20060101ALI20230331BHJP

【ＦＩ】

H02M1/00 N

H02M1/08 321A

G05F1/455 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021158164

(22)【出願日】2021-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】荻野 貴史

【テーマコード（参考）】

5H420

5H740

【Ｆターム（参考）】

5H420BB14

5H420CC04

5H420DD03

5H420EA03

5H420EA44

5H420EB06

5H420FF03

5H420FF04

5H420LL01

5H420LL04

5H740BA01

5H740BB03

5H740BB08

5H740BC01

5H740JA01

5H740MM01

5H740MM11

(57)【要約】

【課題】サイリスタの故障を検出する逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力供給装置を提供する。
【解決手段】並列かつ逆向きに接続される第１サイリスタ及び第２サイリスタを有し、交流電源から負荷に供給する電力を制御する逆並列サイリスタの故障検出方法であって、前記第２サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第１サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第１検出値として検出するステップと、前記第１サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第２サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第２検出値として検出するステップと、前記第１検出値と前記第２検出値との差分に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップと、を有する、逆並列サイリスタの故障検出方法。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

並列かつ逆向きに接続される第１サイリスタ及び第２サイリスタを有し、交流電源から負荷に供給する電力を制御する逆並列サイリスタの故障検出方法であって、
前記第２サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第１サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第１検出値として検出するステップと、
前記第１サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第２サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第２検出値として検出するステップと、
前記第１検出値と前記第２検出値との差分に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップと、を有する、
逆並列サイリスタの故障検出方法。

【請求項2】

前記第１検出値と前記第２検出値との差分に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップは、
前記第１検出値と前記第２検出値との差分が所定の第１閾値以上の場合、前記逆並列サイリスタを故障と判定する、
請求項１に記載の逆並列サイリスタの故障検出方法。

【請求項3】

前記第１サイリスタ及び前記第２サイリスタの出力指令を停止して、前記負荷に供給される電圧または電流を第３検出値として検出するステップと、
前記第３検出値に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップと、を有する、
請求項１または請求項２に記載の逆並列サイリスタの故障検出方法。

【請求項4】

前記第３検出値に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップは、
前記第３検出値が所定の第２閾値以上の場合、前記逆並列サイリスタを故障と判定する、
請求項３に記載の逆並列サイリスタの故障検出方法。

【請求項5】

前記負荷は、電気絶縁性材料からなる部材内に設けられたヒータである、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の故障検出方法。

【請求項6】

並列かつ逆向きに接続される第１サイリスタ及び第２サイリスタを有し、交流電源から負荷に供給する電力を制御する逆並列サイリスタと、
前記逆並列サイリスタを制御する制御部と、を備える電力制御装置であって、
前記制御部は、
前記第２サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第１サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第１検出値として検出するステップと、
前記第１サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第２サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第２検出値として検出するステップと、
前記第１検出値と前記第２検出値との差分に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップと、を実行可能に構成される、
電力制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

基板処理装置には、基板を加熱するためのヒータが設けられている。ヒータの出力を制御する部品として、逆並列サイリスタが設けられている。

【0003】

特許文献１には、逆並列に接続される第１サイリスタ及び第２サイリスタの故障を検出する逆並列サイリスタの故障検出器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１４７９２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

逆並列サイリスタにおいて、いずれか一方のサイリスタが故障した場合に、故障を検出することが求められている。

【0006】

一の側面では、本開示は、サイリスタの故障を検出する逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力供給装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、一の態様によれば、並列かつ逆向きに接続される第１サイリスタ及び第２サイリスタを有し、交流電源から負荷に供給する電力を制御する逆並列サイリスタの故障検出方法であって、前記第２サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第１サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第１検出値として検出するステップと、前記第１サイリスタの出力指令を停止し、かつ、前記第２サイリスタに出力指令して、前記負荷に供給される電圧または電流を第２検出値として検出するステップと、前記第１検出値と前記第２検出値との差分に基づいて、前記逆並列サイリスタの故障を判定するステップと、を有する、逆並列サイリスタの故障検出方法が提供される。

【発明の効果】

【0008】

一の側面によれば、サイリスタの故障を検出する逆並列サイリスタの故障検出方法及び電力供給装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】基板処理装置の断面図の一例。

【図2】ヒータに電力を供給する電源装置の構成を示す図の一例。

【図3】逆並列サイリスタの故障状態によるヒータに供給される電力の一例。

【図4】逆並列サイリスタの故障検出方法を説明するフローチャートの一例。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0011】

＜基板処理装置＞
本実施形態の基板処理装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、基板処理装置１００の断面図の一例である。

【0012】

基板処理装置１００は、例えばアルミニウム等により筒体に形成された処理容器１０１を有している。処理容器１０１の内部には、基板Ｗを載置する載置台１０２が配置されている。載置台１０２は、例えばアルミニウムやニッケル等からなる基部と、基部の上に配置される電気絶縁性材料（誘電体材料）からなる部材と、を有する。電気絶縁性材料からなる部材は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のセラミックスで形成される。電気絶縁性材料からなる部材の内部には、ヒータ１０３が設けられている。ヒータ１０３は、電源装置（後述する図２参照）から給電されることにより発熱し、載置台１０２及び載置台１０２に載置された基板Ｗを温度調整する。また、電気絶縁性材料からなる部材に複数の区画が形成され、各区画に独立して給電可能なヒータ１０３がそれぞれ設けられる構成であってもよい。この場合、各区画のヒータ１０３に対応して、電源装置がそれぞれ設けられる。載置台１０２には、基板搬送用の３本の基板支持ピン（図示せず）が載置台１０２の表面に対して突没可能に設けられている。

【0013】

処理容器１０１の底部には、排気口１１１が設けられている。排気口１１１には、排気管１１２が接続されている。排気管１１２には、圧力調整を行うスロットルバルブ１１３および真空ポンプ１１４が接続されており、処理容器１０１内が真空引き可能となっている。一方、処理容器１０１の側壁には、基板搬出入口１２１が形成されており、基板搬出入口１２１はゲートバルブＧにより開閉可能となっている。そして、ゲートバルブＧを開放した状態で基板Ｗの搬入出が行われる。

【0014】

処理容器１０１の天壁中央には、ガス導入口１３１が設けられている。ガス導入口１３１には、ガス供給配管１３２が接続されている。ガス供給配管１３２には、処理に用いられる処理ガスを供給するためのガス供給源１３３が接続されている。また、ガス供給配管１３２には、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部１３４が介装されている。

【0015】

このように構成される基板処理装置１００においては、ゲートバルブＧを開けて、基板Ｗを載置台１０２上に載置した後、ゲートバルブＧを閉じ、処理容器１０１内を真空ポンプ１１４により排気してスロットルバルブ１１３によって処理容器１０１内を所定の圧力に調整するとともに、ヒータ１０３により載置台１０２上の基板Ｗを所定温度に温度調整する。そして、ガス供給源１３３からガス供給配管１３２およびガス導入口１３１を介して処理容器１０１内に処理ガスを供給し、基板Ｗに所望の処理を施す。

【0016】

なお、基板処理装置１００の構成は、図１に示す構成に限られるものではない。基板処理装置１００は、処理容器１０１内にプラズマを生成して基板Ｗに処理を施すプラズマ処理装置であってもよい。

【0017】

次に、ヒータ１０３に電力を供給する電源装置について、図２を用いて説明する。図２は、ヒータ１０３に電力を供給する電源装置の構成を示す図の一例である。

【0018】

電源装置は、交流電源１０と、逆並列サイリスタ２０と、制御部３０と、を備える。逆並列サイリスタ２０および制御部３０は、交流電源１０からヒータ（負荷）１０３供給する電力を制御する電力制御装置を構成する。

【0019】

交流電源１０は、逆並列サイリスタ２０を介して、ヒータ１０３に交流電力を供給する。

【0020】

逆並列サイリスタ２０は、並列かつ逆向きに接続される第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２を有する。第１サイリスタ２１は、制御部３０の温度制御部３１から出力指令によって導通（ＯＮ）して交流電源１０からの正の電圧をヒータ１０３に出力し、交流電源１０からの交流電圧が負の電圧となると遮断（ＯＦＦ）する。第２サイリスタ２２は、制御部３０の温度制御部３１から出力指令によって導通（ＯＮ）して交流電源１０からの負の電圧をヒータ１０３に出力し、交流電源１０からの交流電圧が正の電圧となると遮断（ＯＦＦ）する。

【0021】

載置台１０２には、載置台１０２の温度を検出する温度検出部４１が設けられている。また、電源装置には、ヒータ１０３に供給される交流電圧を検出する電圧検出部４２が設けられている。また、電源装置には、ヒータ１０３に供給される交流電流を検出する電流検出部４３が設けられている。

【0022】

制御部３０は、温度制御部３１と、故障判定部３２と、を有する。

【0023】

温度制御部３１は、出力指令のタイミングを制御することで、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２を制御する。これにより、温度制御部３１は、ヒータ１０３に供給する電力を制御し、ヒータ１０３の温度を制御する。温度制御部３１は、載置台１０２の目標温度が入力される。また、温度制御部３１は、温度検出部４１で検出する載置台１０２の検出温度が入力される。温度制御部３１は、目標温度及び温度検出部４１の検出温度に基づいて、検出温度が目標温度に近づくように第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２を制御する。

【0024】

故障判定部３２は、逆並列サイリスタ２０（第１サイリスタ２１、第２サイリスタ２２）の故障を判定する。故障判定部３２は、電圧検出部４２で検出するヒータ１０３の供給電圧が入力される。また、故障判定部３２は、電流検出部４３で検出するヒータ１０３の供給電流が入力される。

【0025】

ここで、逆並列サイリスタ２０の故障モードは、以下の３つに分類される。

【0026】

第１の故障モードは、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がショート（ＯＮ）故障した場合である。

【0027】

第２の故障モードは、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がオープン（ＯＦＦ）故障した場合である。

【0028】

第３の故障モードは、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の両方が故障した状態である。即ち、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の両方がオープン（ＯＦＦ）故障した場合、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の両方がショート（ＯＮ）故障した場合、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がオープン（ＯＦＦ）故障し他方がショート（ＯＮ）故障した場合である。

【0029】

図３は、逆並列サイリスタ２０の故障状態によるヒータ１０３に供給される電力の一例を示す。各グラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。また、交流電源１０の交流波形を実線で示す。また、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２がＯＮすることによりヒータ１０３に供給される電圧を網掛け（ドットのハッチング）を付して示す。なお、電圧検出部４２で検出される電圧は、網掛け（ドットのハッチング）の面積に対応する。

【0030】

また、上段は、逆並列サイリスタ２０が通常（故障なし）の状態を示す。中段は、正側の第１サイリスタ２１がショート（ＯＮ）故障した場合を示す。下段は、正側の第１サイリスタ２１がオープン（ＯＦＦ）故障した場合を示す。

【0031】

また、左列の「制御時」は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２を制御した場合を示す。中央列の「＋側出力」は、正側の第１サイリスタ２１を制御し、負側の第２サイリスタ２２をＯＦＦのままに制御した場合を示す。右列の「－側出力」は、負側の第２サイリスタ２２を制御し、正側の第１サイリスタ２１をＯＦＦのままに制御した場合を示す。

【0032】

ここで、通常時において、上段左側のグラフに示すように、温度制御部３１は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の出力指令のタイミングを制御することにより、ヒータ１０３に供給される電力を制御し、ヒータ１０３の温度を制御することができる。

【0033】

一方、一方のサイリスタ（第１サイリスタ２１）がショート故障した時において、中段左側のグラフに示すように、温度制御部３１は、第２サイリスタ２２の出力指令のタイミングを制御することで、ヒータ１０３に供給される電力を増減させることができ、ヒータ１０３の温度を制御することができる。

【0034】

また、一方のサイリスタ（第１サイリスタ２１）がオープン故障した時において、下段左側のグラフに示すように、温度制御部３１は、第２サイリスタ２２の出力指令のタイミングを制御することで、ヒータ１０３に供給される電力を増減させることができ、ヒータ１０３の温度を制御することができる。

【0035】

このように、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の一方が故障している場合であっても、表面上は、ヒータ１０３の温度を制御することができる。このような第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の一方が故障している状態で、ヒータ１０３の使用を継続すると、ヒータ１０３が破損するおそれがある。このため、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の一方が故障した場合でも、逆並列サイリスタ２０の故障を検出する故障検出方法が求められる。

【0036】

＜故障検出方法＞
逆並列サイリスタ２０の故障検出方法について、図４を用いて説明する。図４は、逆並列サイリスタ２０の故障検出方法を説明するフローチャートの一例である。なお、以下に示す処理は、基板処理装置１００が基板Ｗに処理を施すタイミングとは異なるタイミング（例えば、基板処理装置１００のアイドル中、載置台１０２の昇温処理中等）に実行される。

【0037】

ステップＳ１０１において、制御部３０の温度制御部３１は、ヒータ１０３の温度を制御する。温度制御部３１は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の出力指令のタイミングを制御することで、ヒータ１０３に供給される電力を制御し、ヒータ１０３の温度を制御する。

【0038】

ステップＳ１０２において、制御部３０の故障判定部３２は、ヒータ１０３の温度が制御可能か否かを判定する。ヒータ１０３の温度が制御可能でない場合（Ｓ１０２・ＮＯ）、制御部３０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、ヒータ１０３の温度が制御可能である場合（Ｓ１０２・ＹＥＳ）、制御部３０の処理はステップＳ１０４に進む。

【0039】

ステップＳ１０３において、制御部３０の故障判定部３２は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２の両方が故障（第３の故障モード）したと判定する。そして、制御部３０の故障検出処理を終了する。

【0040】

ステップＳ１０４において、制御部３０の温度制御部３１は、ヒータ１０３の出力を停止する。即ち、温度制御部３１は、所定の時間、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２への出力指令を停止する。制御部３０の故障判定部３２は、この状態における電圧検出部４２で検出される電圧（第３検出値）及び電流検出部４３で検出される電流（第３検出値）を記憶する。

【0041】

なお、電圧検出部４２、電流検出部４３がコンデンサを有する構成において、コンデンサの放電時間を考慮して、停止時間を決定する。

【0042】

ステップＳ１０５において、制御部３０の故障判定部３２は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２が正常に動作しているか否かを判定する。ここで、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がショート（ＯＮ）故障している場合、電圧検出部４２で検出される電圧（第３検出値）及び電流検出部４３で検出される電流（第３検出値）がゼロ付近とはならない。このため、故障判定部３２は、電圧検出部４２で検出される電圧（第３検出値）が所定の閾値（第２閾値）未満の場合、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２が正常に動作していると判定する。一方、故障判定部３２は、電圧検出部４２で検出される電圧（第３検出値）が所定の閾値（第２閾値）以上の場合、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２が正常に動作していないと判定する。なお、電圧検出部４２で検出される電圧に代えて、電流検出部４３で検出される電流に基づいて判定してもよい。第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２が正常に動作していない場合（Ｓ１０５・ＮＯ）、制御部３０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２が正常に動作している場合（Ｓ１０５・ＹＥＳ）、制御部３０の処理はステップＳ１０７に進む。

【0043】

ステップＳ１０６において、制御部３０の故障判定部３２は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がショート故障（第１の故障モード）したと判定する。そして、制御部３０の故障検出処理を終了する。

【0044】

ステップＳ１０７において、制御部３０の温度制御部３１は、一方の第１サイリスタ２１のみをＯＮとなるように出力指令し、他方の第２サイリスタ２２はＯＦＦとなるように出力指令を停止する。制御部３０の故障判定部３２は、この状態における電圧検出部４２で検出される電圧（第１検出値）及び電流検出部４３で検出される電流（第１検出値）を記憶する。

【0045】

ステップＳ１０８において、制御部３０の温度制御部３１は、他方の第２サイリスタ２２のみをＯＮとなるように出力指令し、一方の第１サイリスタ２１はＯＦＦとなるように出力指令を停止する。制御部３０の故障判定部３２は、この状態における電圧検出部４２で検出される電圧（第１検出値）及び電流検出部４３で検出される電流（第１検出値）を記憶する。

【0046】

ステップＳ１０９において、制御部３０の故障判定部３２は、ステップＳ１０６において検出した電圧（第１検出値）とステップＳ１０７において検出した電圧（第１検出値）との差分は閾値以内か否かを判定する。または、制御部３０の故障判定部３２は、ステップＳ１０６において検出した電流（第１検出値）とステップＳ１０７において検出した電流（第１検出値）との差分は閾値以内か否かを判定する。差分は閾値（第１閾値）以内でない場合（Ｓ１０９・ＮＯ）、制御部３０の処理はステップＳ１１０に進む。一方、差分は閾値（第１閾値）以内である場合（Ｓ１０９・ＹＥＳ）、制御部３０の処理はステップＳ１１１に進む。

【0047】

ステップＳ１１０において、制御部３０の故障判定部３２は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のうち一方がオープン故障（第２の故障モード）したと判定する。そして、制御部３０の故障検出処理を終了する。

【0048】

ステップＳ１１１において、制御部３０の故障判定部３２は、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２に異常なし（故障なし）と判定する。そして、制御部３０の故障検出処理を終了する。

【0049】

このように、本実施形態に係る逆並列サイリスタ２０の故障検出方法によれば、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のいずれか一方が故障した場合であっても、サイリスタの故障を検出することができる。これにより、ヒータ１０３が破損することを防止することができる。

【0050】

例えば、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２に故障がない場合、ステップＳ１０７において検出される電圧は、図３の上段中央列のグラフの網掛け部の面積に対応する。また、ステップＳ１０８において検出される電圧は、図３の上段右列のグラフの網掛け部の面積に対応する。このため、ステップＳ１０７の第１検出値とステップＳ１０８の第２検出値との差分は、ゼロに近づく。

【0051】

一方、第１サイリスタ２１のオープン故障時において、ステップＳ１０７において検出される電圧は、図３の下段中央列のグラフに示すようにゼロとなる。一方、ステップＳ１０８において検出される電圧は、図３の下段右列のグラフの網掛け部の面積に対応する。このため、ステップＳ１０７の第１検出値とステップＳ１０８の第２検出値との差分は大きくなる。このため、制御部３０の故障判定部３２は、これらの差分をに基づいて、逆並列サイリスタ２０の故障を判定することができる。

【0052】

なお、第１サイリスタ２１のショート故障時において、ステップＳ１０７の処理で検出される電圧は、図３の中段中央列のグラフの網掛け部の面積に対応する。また、ステップＳ１０８において検出される電圧は、図３の中段右列のグラフの網掛け部の面積に対応する。このため、ステップＳ１０７の第１検出値とステップＳ１０８の第２検出値との差分は大きくなる。このため、ステップＳ１０７からステップＳ１０９に示す処理によって、第１サイリスタ２１のショート故障も判定することができる。

【0053】

また、電気絶縁性材料からなる部材に複数の区画が形成され、各区画に独立して給電可能なヒータ１０３がそれぞれ設けられるマルチヒータにおいて、いずれかのヒータに対応する逆並列サイリスタ２０に故障が派生した場合、電気絶縁性材料からなる部材内に温度差が生じて電気絶縁性材料からなる部材やヒータ１０３が破損するおそれがある。本実施形態に係る逆並列サイリスタ２０の故障検出方法によれば、第１サイリスタ２１及び第２サイリスタ２２のいずれか一方の故障も検出することができるので、電気絶縁性材料からなる部材やヒータ１０３が破損することを防止することができる。

【0054】

なお、ステップＳ１０４において、電圧検出部４２で検出される電圧（第３検出値）及び電流検出部４３で検出される電流（第３検出値）のうち、一方が閾値（第２閾値）未満であって、他方が閾値（第２閾値）以上である場合、電圧検出部４２または電流検出部４３の検出値にオフセットが発生していると検出することができる。

【符号の説明】

【0055】

１００ 基板処理装置
１０２ 載置台
１０３ ヒータ
１０ 交流電源
２０ 逆並列サイリスタ
２１ 第１サイリスタ
２２ 第２サイリスタ
３０ 制御部
３１ 温度制御部
３２ 故障判定部
４１ 温度検出部
４２ 電圧検出部
４３ 電流検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】