JP2007095789A - 輻射加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
メンテナンスが容易であり、且つ輻射熱等を有効に利用できる熱効率の高い加熱装置を提供する。
【解決手段】
加熱ランプと、該加熱ランプより照射された加熱光を反射して被処理物を加熱させる反射ガラスと、該反射ガラスを保護する透光性の保護ガラスとを備え、前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとは、空隙を隔てて配置されてあり、前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとの空隙に空気の流入が抑制された空気断熱層が形成されてなる輻射加熱装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、輻射加熱装置に関し、特に、半導体の集積回路等に高速に加熱を行う輻射加熱装置に関する。

近年、半導体及び材料関連産業の急速な発展に伴い高度な熱処理が要求されるようになっている。これらの要求に応えるべく、強力な熱輻射からの輻射を直接加熱物に集中して加熱する輻射加熱装置が注目されている。

図４に従来の加熱装置の概略断面図を示す。
図４に示すように、該加熱装置は、加熱ランプ１０４及び加熱ランプ１０４からの加熱光を反射する反射体１０１から構成されている。
該加熱ランプ１０４は、ハロゲンランプ、キセノンランプ或いは水銀フラッシュランプ等であり、被加熱物１０３（例えば、半導体ウエハ等）に加熱光を出射するものである。
該反射体１０１としては、半球状の形状を有し、前記加熱ランプ１０４から出射された加熱光を反射するよう金属板の表面部分に反射効率を上げるための金属薄膜によるコーティングが施されたもの或いはガラス板の表面部分に反射効率を上げるための金属薄膜によるコーティングが施されたもの等が用いられていた。

前記反射体１０１として、金属板の表面部分に反射効率を上げるための金属薄膜によるコーティングが施されたものを用いた場合、金属板は熱伝導性が高いため、冷却（例えば、水冷部１０２）が必要となり、輻射熱の利用が低減され熱効率が低下するという問題を有している。
また、未使用時に冷却を続けると使用環境下によっては、コーティング部分に結露が生じて空気中の埃等を吸着し汚れるため、コーティング部分を常に清浄に保たなければ反射効率が低下するという問題も有している。

また、前記反射体１０１として、ガラス板の表面部分に反射効率を上げるための金属薄膜によるコーティングが施されたものを用いた場合、ガラス板は熱伝導性が低いため冷却が不要となる。
しかし、ガラス板表面が加熱されることで空気との間で対流が生じて、熱エネルギーが失われ熱効率が低下するという問題を有している。
更にガラス板の表面に金属薄膜がコーティングされているため、該金属薄膜のコーティングが剥がれやすくメンテナンスに最新の注意が必要であるという問題もある。

そのため、メンテナンスが容易であり、且つ輻射熱等を有効に利用できる熱効率の高い加熱装置が要望されている。

上記要望に鑑み、本発明は、メンテナンスが容易であり、且つ輻射熱等を有効に利用できる熱効率の高い加熱装置を提供することを課題とするものである。

本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討した結果、下記の発明により上記課題を解決できることを見いだし本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、加熱ランプと、該加熱ランプより照射された加熱光を反射して被処理物を加熱させる反射ガラスと、該反射ガラスを保護する透光性の保護ガラスとを備え、前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとは、空隙を隔てて配置されてあり、前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとの空隙に空気の流入が抑制された空気断熱層が形成されてなることを特徴とする輻射加熱装置を提供する。
かかる構成であれば、透光性の保護ガラスと反射ガラスとの間に空気の流入を抑制し、熱の拡散を防止する空気断熱層が形成されているため、輻射熱等を効率よく利用することができる。

また、本発明は、前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとの端部空隙が、空気の流入を抑制する多孔質性材料で封止され一体化されてなることが好ましい。
かかる構成であれば、より一層熱の拡散を防止でき、輻射熱等を効率よく利用することができる。

また、本発明は、加熱ランプが収納される加熱ランプ収納部と被処理物が収納される被処理物収納部と内部が減圧状態に保たれてなる略球状のガラスチャンバーとからなり、前記ガラスチャンバーを介して対向するよう前記加熱ランプ収納部と前記被処理物収納部とが配されてなる照射加熱収納体と、前記照射加熱収納体との間に空隙ができるよう該照射加熱収納体を収納する反射ガラスとで構成されてなり、前記照射加熱収納体と前記反射ガラスとの空隙には、空気の流入が抑制された空気断熱層が形成されてなることを特徴とする輻射加熱装置を提供する。
かかる構成であれば、ガラスチャンバー内を減圧状態に保つことで形成される真空断熱層と、更に前記照射加熱収納体と反射ガラスとの間に空気の流入を抑制し、熱の拡散を防止する空気断熱層とが形成されているため、輻射熱等を効率よく利用することができる。

前記照射加熱収納体と前記反射ガラスとの端部空隙が、全周に亘り多孔質性材料で封止され一体化されてなることが好ましい。
かかる構成であれば、より一層空気の流入が抑制でき、熱の拡散を防止でき、より一層輻射熱等を効率よく利用することができる。

本発明の輻射加熱装置は、反射ガラス面が、外気（外部）に直接曝されていないため、該反射ガラスの表面に埃等の吸着が殆どなく、メンテナンスが容易である。
また、本発明の輻射加熱装置は、空気断熱層及び／又は真空断熱層を有しているため、輻射熱等を効率よく利用することができる熱効率が向上する。

以下、本発明の一実施例について図面を参酌しつつ説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る輻射加熱装置１の概略断面図である。
図１に示すように、第一実施形態に係る輻射加熱装置１は、加熱ランプ１０と、該加熱ランプ１０より照射される加熱光を反射して被処理物２０を加熱させる反射ガラス３０と、前記反射ガラス３０を保護する透光性の保護ガラス４０とを備えて構成される。

前記反射ガラス３０の上面には、該反射ガラス３０を保護すべく透光性の保護ガラス４０が該反射ガラス３０と空隙を隔てて配置されてなる。

前記反射ガラス３０は、平板形状或いは凹面形状であってもよい。
前記反射ガラス３０が凹面形状の場合、該凹面の形状は、適宜調整することができる。
前記反射ガラス３０が凹面形状の場合、略中央部に向かって徐々に窪んで行くもの（例えば、略お椀形状等）が好ましい。
例えば、該凹面の形状を調整することで被処理物２０にあたる前記加熱ランプ１０からの加熱光を調整でき、前記被処理物２０の温度等を調整できる。
また、被処理物２０にフラットに加熱光を照射する場合もあるため、平面形状であってもよい。

前記保護ガラス４０も前記反射ガラス３０と同様に平板状或いは凹面状であってもよい。前記保護ガラス４０は、前記反射ガラス３０の上面に位置するように構成されているため、前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との形状は、同様であることが好ましい。
例えば、前記反射ガラス３０が凹面形状であれば、同様に前記保護ガラス４０も該反射ガラス３０と同様の凹面形状であることが好ましい。
同様の形状にすることで反射ガラス４０の表面を保護することができる。

前記反射ガラス３０の凹面形状としては、被処理物２０の一点に光が集まるような焦点型の形状でもよく、或いは被処理物２０の全体に光が当たるような非焦点型の形状であってもよい。

前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との空隙は、加熱ランプ１０が点灯照射されることで、該反射ガラス３０面が加熱され高温になると生じる空気対流による外部（常温）空気の流入を抑制し、熱の拡散を防止するためのものである。
熱の拡散をより一層効果あらしめるものとするため、前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との間の空隙と外部との通気開口が遮断されることが好ましい。
前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との端部空隙は、全周に亘り多孔質性材料５０で封止されて、前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０とが一体化している。
前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との端部空隙が、全周に亘り多孔質性材料５０で封止されることで、前記空隙が空気断熱層６０として作用する
該空気断熱層６０が設けられることで、外部（常温）空気が、前記反射ガラス３０と保護ガラス４０との空隙に流入することが抑制され熱の拡散が防止でき、輻射エネルギー等を効率よく利用できる。

前記反射ガラス３０に使用できる材質としては、ガラス、セラミック等が挙げられる。
ガラス、セラミックス等は、高温に耐え且つ表面加工性がよいためである。
該反射ガラス３０の厚み等は適宜調整することができる。

また、前記反射ガラス３０には、前記保護ガラス４０と対向する面に金属薄膜３１が設けられている。該金属薄膜３１を設けることで、前記加熱ランプ１０より照射された加熱光及び輻射エネルギー等を効率よく反射し、被処理物２０を効率よく加熱することができる。

前記金属薄膜３１としては、金、白金、銅、アルミ等が挙げられ、これらの中でも金が好適に用いられる。
金が好適に用いられるのは、高温でも酸化されず、且つ反射率が高いためである。
前記金属薄膜の厚さは、３０〜１５０ｎｍであり、５０〜１００ｎｍが好ましい。
前記反射ガラスの一面に金属薄膜を設ける方法としては、例えば、ＣＶＤ蒸着法、有機金属化合物をコーティングした後、焼成焼き付けする（ＭＯＤ）法等の従来公知の方法が用いられる。

前記透光性の保護ガラス４０に使用できる材質としては、石英、パイレックス（Ｒ）等が挙げられる。石英、パイレックス（Ｒ）等は高温耐久性があり、且つ透明性にも優れている。
該透光性の保護ガラス４０は、前記金属薄膜３１が設けられた反射ガラス３０の上面に位置するように配置されるものであるため、高い透明性が要求される。

前記透光性の保護ガラス４０は、前記反射ガラス３０の一面に設けられた金属薄膜３１を保護するためのものでもある。前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０との空隙に設けられた空気断熱層６０により、前記金属薄膜３１の表面に埃等が付着することが防止される。
また、外部に接している保護ガラス面に埃等が付着した場合には、容易に取り除くことができるため、メンテナンスが容易となる。

前記多孔質性材料５０としては、例えば、アルカリ金属ケイ酸塩系、リン酸塩系、ケイ酸ソーダ系（水ガラス）、シリカゾル系、リン酸セメント、リサージセメント、石膏、ポルトランドセメント、アルミナセメント、マグネシウムセメント、鉄セメント、硫黄セメント、低融点ガラス、結晶性低融点ガラス、アルミナゾル系、粘土系充填剤などが挙げられる。
前記多孔質性材料５０が使用される箇所は、高温（例えば、１,０００℃以上）になるため、耐熱性のあるアルミナ繊維や石英繊維を線状或いは布状にした材料のものが好ましい。

前記多孔質性材料５０には、微小な空洞があるため、前記空気断熱層６０と外部とを完全に遮断するものではなく、例えば、空気断熱層６０内の圧力が上昇した際には、外部との圧力差を緩和することができる。
尚、反射ガラス３０等が高温になったときに生じる熱対流による空気断熱層６０内への外部（常温）空気の流入を阻止することができ、熱効率の低下を防止できる。

前記加熱ランプ１０としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ或いは水銀フラッシュランプの何れかを用いることができる。
前記加熱ランプ１０は、前記保護ガラス４０と前記被処理物２０との間に設けられている。

＜第二実施形態＞
図２は、本発明の第二実施形態に係る輻射加熱装置１の概略断面図である。
図２に示すように第二実施形態に係る輻射加熱装置１の構成は、前記第一実施形態の構成と同様であるが、加熱ランプ１０が収納されている加熱ランプ収納部１１が、反射ガラス３０及び保護ガラス４０と一体化している点が相違する。

図２に示すように、第二実施形態に係る輻射加熱装置１は、加熱ランプ１０が収納された加熱ランプ収納部１１が、反射ガラス３０及び保護ガラス４０の凹部中央部を貫き、立設されて設けられている。
即ち、前記加熱ランプ収納部１１を取り囲むように前記反射ガラス３０と前記保護ガラス４０とが配置されている。
加熱ランプ収納部１１は、前記保護ガラス４０の上面に突き出るように立設されている。
該突き出るように立設されている先端部分には、前記加熱ランプ１０が収納されている。

前記加熱ランプ収納部１１と前記反射ガラス３０とは、直接固着されていてもよく或いは前記多孔質性材料５０を介して固着されていてもよい。
また、加熱ランプ収納部１１と前記保護ガラス４０とは、直接固着されていてもよく或いは前記多孔質性材料５０を介して固着されていてもよい。
尚、図２では、反射ガラス３０は多孔質性材料５０を介して加熱ランプ収納部１１と固着され、保護ガラス４０は直接加熱ランプ収納部１１と固着している実施形態を示してある。

前記加熱ランプ収納部１１は、一端側が閉じられており、該一端側が被処理物２０に向かうよう前記保護ガラス４０の上面に立設されている。
前記加熱ランプ収納部１１は、石英、パイレックス（Ｒ）、結晶性アルミナ等の高温耐久性があり、且つ透明性の高い材質で構成されている。該加熱ランプ収納部１１は、前記反射ガラス３０及び／又は前記保護ガラス４０と直接固着されるため、前記反射ガラス３０及び／又は前記保護ガラス４０と同様の材質で構成されていることが好ましい。

また、前記加熱ランプ収納部１１には、前記加熱ランプ１０を冷却するための冷却部１２（水冷装置或いは空冷装置）が設けられていてもよい。
該冷却部１２を設けることで加熱ランプ１０の過熱が防止でき、ランプ寿命を延ばすことができる。

＜第三実施形態＞
図３は、本発明の第三実施形態に係る輻射加熱装置１の概略断面図である。
図３に示すように、第三実施形態に係る輻射加熱装置１は、加熱ランプ１０が収納される加熱ランプ収納部１１と被処理物２０が収納される被処理物収納部２１と内部が減圧状態に保たれてなる略球状のガラスチャンバー７０とからなり、前記ガラスチャンバー７０を介して対向する前記加熱ランプ収納部１１と前記被処理物収納部２１とが配されてなる照射加熱収納体８０と、該照射加熱収納体８０との間に空隙ができるよう該照射加熱収納体８０を収納する反射ガラス９０とを備えて構成される。

前記加熱ランプ収納部１１と前記被処理物収納部２１とは、内部が減圧状態に保たれてなる略球状のガラスチャンバー７０を介して対向して配されており、これで前記照射加熱収納体８０を構成している。
加熱ランプ収納部１１と前記ガラスチャンバー７０とは、加熱ランプ収納部１１の先端部が前記ガラスチャンバー７０の表面部分で固着されていてもよく或いは前記加熱ランプ収納部１１の先端部分がガラスチャンバー７０に貫入した状態で固着されていてもよい。
また、被処理物収納部２１とガラスチャンバー７０も、上記と同様に固着されていてもよい。
上記のように固着されることで、前記ガラスチャンバー７０を介して前記加熱ランプ収納部１１と前記被処理物収納部２１とが、略直線状に設けられている。

前記第一及び第二実施形態においては、反射ガラスは、平板形状或いは凹面形状であったが、第三実施形態では、反射ガラス９０は、前記照射加熱収納体８０を該反射ガラス９０の内部に収納でき、かつ前記照射加熱収納体８０と前記反射ガラス９０との間に空隙ができる略筒状である。
該反射ガラスの形状を略筒状にすることで、加熱ランプ１０から照射された加熱光を外部に逃がすことなく有効に利用できる。
該照射加熱収納体８０と該反射ガラス９０との間にある空隙は、前記第一実施形態及び前記第二実施形態における空気断熱層６０に相当するものである。

前記反射ガラス９０と前記照射加熱収納体８０との両端部は、前記空気断熱層６０を形成するために、多孔質性材料５０で封止されている。
該空気断熱層６０は、前記第一及び第二実施形態で記載したのと同様に、外部（常温）空気が、前記反射ガラス９０とガラスチャンバー７０との空隙に流入することが抑制され熱の拡散が防止でき、輻射エネルギー等を効率よく利用できる。
尚、前記多孔質性材料５０には、微小な空洞があり外部と連通しているため、前記空気断熱層６０と外部とを完全に遮断するものではなく、例えば、空気断熱層６０内の圧力が上昇した際には、外部との圧力差を緩和することができる。
前記多孔質性材料５０も前記実施形態で用いたものと同様のものを用いることができる。

前記ガラスチャンバー７０は、略球状をしており、該ガラスチャンバー７０の内部は、減圧状態に保たれている。
該ガラスチャンバー７０の内部を減圧状態に保つことで所謂、真空断熱層１００を形成し、加熱ランプ１０で該ガラスチャンバー７０が加熱されても、熱対流が防止でき熱効率を向上できる。
該ガラスチャンバー７０に使用できる材質としては、石英、パイレックス（Ｒ）、結晶性アルミナ等が挙げられる。
該ガラスチャンバー７０は、加熱ランプ１０から照射された光を被処理物にまでロスなく届けるため、透明性が高い材料で形成されていることが好ましい。

前記加熱ランプ収納部１１及び前記被処理物収納部２１は、一端側が閉じられており、該両者の該一端側が前記ガラスチャンバー７０を介して向かい合うように設けられている。
該被処理物収納部２１に使用できる材質としては、石英、パイレックス（Ｒ）、結晶性アルミナ等が挙げられる。
該加熱ランプ収納部１１に使用できる材質としては、前記第二実施形態に記載したのと同様の材質を用いることができる。
該被処理物収納部２１には、被処理物を入れて加熱処理を行う。
尚、前記加熱ランプ収納部１１、前記被処理物収納部２１及び前記ガラスチャンバー７０は、同一の材質で構成されていることが好ましい。
該加熱ランプ収納部１１に収納する加熱ランプ１０も前記実施形態と同様のものを用いることができ、また、該加熱ランプ１０に冷却装置を付けることもできる。

前記反射ガラス９０は、略筒状体であり、前記照射加熱収納体８０と対向する一面に金属薄膜３１が設けられている。該金属薄膜３１を設けることで、前記加熱ランプ１０より照射された輻射エネルギー等を効率よく反射し、被処理物２０を効率よく加熱することができる。
該反射ガラス９０としては、前記照射加熱収納体８０と同様の形状で且つ該照射加熱収納体８０を内部に収納できる形状であることが好ましい。
同様の形状にすることで、反射ガラス９０と前記部材との間に形成される空隙が、ほぼ一定の間隔になり、効果的な空気遮断層となる。
また、反射ガラス９０の形状を調整することで、被処理物に光が集中ようにすることもできる。
該反射ガラス９０に使用できる材質としては、前記第一実施形態に記載したのと同様の材質を用いることができる。また、該反射ガラスの表面に金属薄膜を設ける際の、金属材料及び金属薄膜を設ける方法も、前記実施形態と同様である。

本発明の第三実施形態に係る輻射加熱装置１は、以下の方法で製造することができる。 まず、両端側に開口部と側面側に減圧用の開口部とを有する楕円球状のガラスチャンバー７０の両端側一方開口部に、加熱ランプ収納部１１の閉じられた一端を挿入して固着し、両端側他方開口部に、被処理物収納部２１の閉じられた一端を挿入して固着させる。
次に、側面側減圧用開口部からガラスチャンバー７０内部を減圧にし、該側面側減圧用開口部を溶着して閉じる。
略筒状の反射ガラスを半分にした略筒状の第１反射ガラスと略筒状の第２反射ガラスとを用いる。
前記加熱ランプ収納部１１の開口している他端側から、第１反射ガラスを挿入し、加熱ランプ収納部１１と第１反射ガラスとの両端部で空隙部分を多孔質性材料で封止する。
次に、前記被処理物収納部２１の開口している他端側から、第２反射ガラスを挿入し、被処理物収納部２１と第２反射ガラスとの両端部で空隙部分を多孔質性材料で封止する。
そして、第１反射ガラスと第２反射ガラスとの端面を付き合わせて溶融接合し、反射ガラス９０を形成する。
これにより、前記第三実施形態に係る輻射加熱装置１が得られる。

前記第三実施形態に係る輻射加熱装置においては、内部が減圧状態のガラスチャンバー７０及び前記照射加熱収納体８０と反射ガラス９０との間に形成された空気断熱層６０により熱対流の発生が抑制され、熱効率が向上する。また、長時間加熱を続けると加熱ランプ部等の輻射加熱装置が耐久温度以上に加熱されることになるが、その際でも、内部が減圧状態のガラスチャンバー７０及び前記照射加熱収納体８０と反射ガラス９０との間に形成された空気断熱層６０により熱対流の発生が抑制されることで過度の加熱が防止できる。

また、前記第三実施形態に係る輻射加熱装置１においては、前記反射ガラス９０を、加熱ランプから照射された加熱光が被処理物に集中するような焦点集光ミラー形状にすることも可能である。更に、前記反射ガラス９０を、加熱ランプから照射された光が、反射ガラス３０の金属薄膜面で何度も反射を繰り返し徐々に被処理物に集まるような非焦点集光ミラー形状にすることも可能である。

本発明の輻射加熱装置は、金属薄膜が形成されている反射ガラス面が、外部に直接曝されていないため、該金属薄膜表面に埃等の吸着が殆どなく、メンテナンスが容易である。 また、本発明の輻射加熱装置は、空気断熱層及び／又は真空断熱層を有しているため、輻射エネルギー等を効率よく利用することができる熱効率が向上し、更に空気断熱層及び／又は真空断熱層を有しているため、熱対流が抑制され過度に該輻射加熱装置が加熱されることが防止でき長時間の使用が可能となる。

図１は、第一実施形態に係る輻射加熱装置の概略断面図である。 図２は、第二実施形態に係る輻射加熱装置の概略断面図である。 図３は、第三実施形態に係る輻射加熱装置の概略断面図である。 図４は、従来の射加熱装置の概略断面図である。

符号の説明

１…輻射加熱装置
１０…加熱ランプ
１１…加熱ランプ収納部
１２…加熱ランプ冷却部
２０…被処理物
２１…被処理物収納部
３０、９０…反射ガラス
３１…金属薄膜
４０…保護ガラス
５０…多孔質性材料
６０…空気断熱層
７０…ガラスチャンバー
８０…照射加熱収納体
１００…真空断熱層

Claims (4)

1. 加熱ランプと、該加熱ランプより照射された加熱光を反射して被処理物を加熱させる反射ガラスと、該反射ガラスを保護する透光性の保護ガラスとを備え、
   前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとは、空隙を隔てて配置されてあり、
   前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとの空隙に空気の流入が抑制された空気断熱層が形成されてなることを特徴とする輻射加熱装置。
2. 前記反射ガラスと前記透光性の保護ガラスとの端部空隙が、空気の流入を抑制する多孔質性材料で封止され一体化されてなることを特徴とする請求項１に記載の輻射加熱装置。
3. 加熱ランプが収納される加熱ランプ収納部と被処理物が収納される被処理物収納部と内部が減圧状態に保たれてなる略球状のガラスチャンバーとからなり、前記ガラスチャンバーを介して対向するよう前記加熱ランプ収納部と前記被処理物収納部とが配されてなる照射加熱収納体と、
   前記照射加熱収納体との間に空隙ができるよう該照射加熱収納体を収納する反射ガラスとで構成されてなり、
   前記照射加熱収納体と前記反射ガラスとの空隙には、空気の流入が抑制された空気断熱層が形成されてなることを特徴とする輻射加熱装置。
4. 前記照射加熱収納体と前記反射ガラスとの端部空隙が、全周に亘り多孔質性材料で封止され一体化されてなることを特徴とする請求項３に記載の輻射加熱装置。

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