JP2011040200A - フィラメントランプ - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントとフィラメントの間に生じる非発光部により、管軸方向の照度分布が不均一になることのない、フィラメントランプを提供すること。
【解決手段】封止部１２ａ、１２ｂを有する発光管２と、該発光管２の内部に該発光管２の管軸方向に順次に並んで配設された複数のフィラメント群３０、４０、５０と、該フィラメント群を構成する電気的に接続された複数のフィラメントと、該各フィラメント群に接続された一対の内部リードと、該内部リードに電気的に接続され該封止部に埋設された複数の金属箔とを備えるフィラメントランプ１において、前記一のフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

この発明は、フィラメントランプに関し、特に、半導体ウェハの加熱や太陽電池製造過程での加熱、又は液晶の加熱処理などに用いられるフィラメントランプに係わる。

半導体製造工程における光照射式加熱装置は、成膜、拡散、アニール等、広範囲に渡って利用されており、いずれの処理も板状の被処理物等の半導体ウェハを急速に加熱し、１０００℃以上の温度まで、数秒間〜数十秒間で昇温させることが要求されている。近年はより一層の昇温高速化が要求されており、ランプに投入される電力も増加している。スパイクアニールと呼ばれる処理においては、２００℃／秒を超える高速で昇温させ、目的温度に達したら直ちに冷却することが行われている。このスパイクアニールにより非常に薄い拡散層（シャロージャンクション）を形成させることができ、半導体素子の性能を向上させることができる。

また、加熱時に、半導体ウェハの温度分布が不均一になると、半導体ウェハにスリップと呼ばれる現象、即ち、結晶転移の欠陥が発生し、不良品となるおそれがある。従って、光照射式加熱装置を用いて半導体ウェハを加熱処理する場合には、半導体ウェハの温度分布が均一になるようにすることが不可欠の要因となる。温度分布を均一にするための提案として、特開２００６−２７９００８号公報には１本の発光管内に独立に給電可能な複数のフィラメントを具備したフィラメントランプが提案されており、これにより部分的にフィラメントに入力する電力を変えることができ、高均一な温度分布になるよう調整することができる。

図６は、かかる従来のフィラメントランプ１を示す斜視図である。両端が封止部１２ａ、１２ｂで気密に封止された直管状の発光管２内には、コイル状のフィラメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃが発光管２の管軸方向に伸びるよう順次に並んで配置され、各フィラメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃの両端には、それぞれ給電用の内部リード２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂが連結されていて、図示しない個別の給電装置に接続されている。
このようなフィラメント配置とすることにより、各フィラメントは独立して給電されるため、被照射領域での温度分布の均一性を確保できるという効果を奏するものである。

特開２００６−２７９００８号

しかしながら、従来技術においては、中央に配置されたフィラメント３１ｂと、その両側に配置されたフィラメント３１ａ、３１ｂとの間には、内部リード２３ｂ、２４ａおよび内部リード２５ｂ、２５ａが配線されるので、これらの隣接する各フィラメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃを密接して配置できず、どうしても一定の間隙が形成されることになる。
そして、この間隙には発光部材が存在せず非発光部となるので、間隙の両側のフィラメント端部での重ね合わせ温度の低下が避けられず、局所的な温度低下が生じるという問題があった。特に被加熱物とランプの間の照射距離が短い場合に顕著であった。

以上により、本発明は、フィラメントとフィラメントの間に生じる非発光部により、管軸方向の照度分布が不均一になることのないフィラメントランプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、封止部を有する発光管と、該発光管の内部に該発光管の管軸方向に順次に並んで配設された複数のフィラメント群と、該フィラメント群を構成する電気的に接続された複数のフィラメントと、該各フィラメント群に接続された一対の内部リードと、該内部リードに電気的に接続され該封止部に埋設された複数の金属箔とを備えるフィラメントランプにおいて、 前記一のフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記発光管内に、管軸に沿って伸びる棒状のガラス製保持体を備え、該ガラス製保持体には、異なるフィラメント群に接続された内部リード同士が、該ガラス製保持体の内部で離隔して保持されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記発光管内に、管軸を挟んで対向する一対の前記ガラス製保持体を備え、前記フィラメントが該一対のガラス製保持体間に保持されていることを特徴とする。

本発明によれば、一のフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていることにより、フィラメントからの発光が管軸方向に照射される。その結果、互いに隣接するフィラメントからの発光が管軸方向で重畳されるので、フィラメント群間の直下の領域の照射面で、管軸方向の照度分布の不均一を解消することができる。

また、本発明によれば、管軸に沿って伸びる棒状のガラス製保持体を備え、このガラス製保持体の内部では、異なるフィラメント群に接続された内部リード同士が、ガラス製保持体の内部で離隔して保持されていることにより、管軸方向に並んだ複数のフィラメント群に対して、各々に独立に給電するための複数の内部リード同士を、確実に絶縁するとともに、簡便に保持することが出来る。

また、本発明によれば、管軸を挟んで対向する一対のガラス製保持体を備え、フィラメントが該一対のガラス製保持体間に保持されていることにより、フィラメントを管軸に対して交差させて配置することが容易であり、かつ確実に保持することができる。

本発明にかかるフィラメントランプの全体を示す斜視図である。 （ａ）は本発明にかかるフィラメント群の要部拡大図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。 フィラメントの照射領域について説明するための模式図である。 本発明にかかるフィラメント配置についての実験結果である。 本発明にかかるフィラメントランプの全体を示す斜視図である。 従来例にかかるフィラメントランプの全体を示す斜視図である。

図１は、本発明にかかるフィラメントランプの全体構成を示す概略図である。
フィラメントランプ１は、両端に封止部１２ａ、１２ｂを有する発光管２を有している。発光管２の内部には、ハロゲンガスと不活性ガスが封入されており、フィラメント群３０、４０、５０が発光管２の管軸Ｌ方向（以下単に管軸方向ともいう）に順次に並んで配設されている。

各フィラメント群３０、４０、５０は、例えばタングステンよりなる、コイル状の複数のフィラメントが電気的に接続されて構成されている。これらのフィラメント群は、直列接続、もしくは並列接続、またはこれらの組み合わせによって構成されている。

発光管２は、例えば石英ガラスなどの光透過性材料からなる、断面円形状のものあり、両端の封止部１２ａ、１２ｂは、例えばピンチシールによって形成される。なお、発光管２の形状はこれに限られず、断面矩形状で角型の中空容器でもよい。同様に、封止方法はピンチシールに代えてシュリンクシールを行うこともできる。

各フィラメント群３０、４０、５０の両端には、一対の内部リードである２３ａおよび２３ｂと、２４ａおよび２４ｂと、２５ａおよび２５ｂがそれぞれ接続されており、１つのフィラメント群ごとに独立して給電することができる。各内部リードは封止部１２ａ、１２ｂに埋設された金属箔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃの発光管側の一端に固定され、電気的に接続される。また、金属箔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃの他端側には、発光管２の外部に導出される外部リード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃがそれぞれ接続されている。外部リード１０ａと１１ａの間、１０ｂと１１ｂの間、１０ｃと１１ｃとの間には、互いに独立して給電できる不図示の電源が接続される。各内部リードは、金属線材、棒材などであり、例えばタングステン棒である。

発光管２の一端側の封止部１２ａの直近に配置された、フィラメント群３０には、一対の内部リード２３ａ、２３ｂが、封止部１２ａから延在してフィラメント群３０の両端に接続されている。これら内部リード２３ａ、２３ｂは、ともに同一の封止部１２ａにおいて金属箔１４ｂ、１４ｃと接続するように保持されている。
他端側の封止部１２ｂの直近に配置されたフィラメント群５０についても、上記と同様にその内部リード２５ａ、２５ｂが両端に接続されており、ともに同一の封止部１２ｂ内で金属箔１５ａ、１５ｂと接続するように保持されている。
一方、管軸方向の中央に位置するフィラメント群４０の両端に接続された内部リード２４ａ、２４ｂは、両端の封止部１２ａ、１２ｂ方向に延在し、互いに異なる封止部で金属箔１４ａ、１５ｃと接続するように保持されている。

各フィラメントの接続、および保持について、図２を用いて説明する。図２（ａ）はフィラメント群の要部拡大図であり、図２（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。
発光管２の内部には、各フィラメントを保持するための一対のガラス製保持体１７、１８が、管軸Ｌを挟んで、発光管径方向において対向するように配置されている。このガラス製保持体１７は、例えば棒状、円柱状などの形状で、管軸方向に伸びるように配置されており、２つのガラス部材１７ａ、１７ｂが溶着されて一体となったものである。

図２（ｂ）のように、ガラス製保持体１７を構成する２つのガラス部材１７ａ、１７ｂの間には、内部リード２４ａ、２３ａが挟まれて溶着され、保持されている。この同一のガラス製保持体１７内に配される内部リード２４ａと、２３ａは、異なるフィラメント群に給電するリード線であるために、ある程度離隔して絶縁するよう埋設される。対向する他方のガラス製保持体１８も同様に構成されており、内部リード２３ｂが配置されている。

各フィラメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、その両端に備えるフック部を、２つのガラス製保持体１７、１８より突出する内部リードや中継リードの端部に設けられたフック部に吊り下げることで保持される。各フィラメント群に接続された全ての内部リードは、この一対のガラス製保持体１７、１８によって保持することで、各内部リードとの互いの位置関係がずれることなく安定して確実に保持される。

ここで、フィラメントからの発光の照射方向について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、コイル状のフィラメントをコイル軸方向に直交する面で切断した断面図を用いた模式図であり、（ｂ）は従来のフィラメント配置を、管軸方向に対して直交する真上から見た模式図、（ｃ）は本発明のフィラメント配置を、管軸方向に対して直交する真上から見た模式図である。
図３（ａ）において、フィラメント３１ａの直下に水平な照射面ＲＦがあるとき、フィラメント３１ａの中心から照射面ＲＦへの垂線をＰ１とする。この垂線Ｐ１上で交わる２つの外接線ＴＬ１、ＴＬ２がフィラメント３１ａに対して引かれている。また、フィラメント３１ｂについても同様に、垂線Ｐ２、外接線ＴＬ３、ＴＬ４が引かれている。この場合において、垂線Ｐ１を中心としてフィラメント３１ａの周方向に所定の入射角θで光が照射される領域を、フィラメントからの有効照射領域とする。

有効照射領域が上記のとおりであることは、以下の理由による。光が照射面ＲＦに対して斜めに入射する場合における、照射面ＲＦでの放射照度Ｉは、光が垂直（入射角０度）に入射した場合の放射照度をＩ０、光の入射角をθとすると、Ｉ＝Ｉ０ｃｏｓθである。したがって、入射角θが大きくなるほど放射照度Ｉは小さくなる傾向にある。加熱処理においては、温度不均一が生ずることを防止するために、ピーク値（Ｉ０）に対する放射照度の低下の程度が一定の割合以下であることが必要とされ、これに基づいて、使用される光の入射角θの範囲が設定される。

例えば、半導体ウェハの加熱処理を行う場合においては、要求温度精度が一番緩いプロセス、例えばドナーキラー処理などであっても、ピーク値に対する放射照度の低下の程度は最大で３０％程度（ピーク温度に対する温度の低下の程度に換算すると２０％程度）であり、この値に応じた光の入射角θの臨界値は例えば４５度程度となる。なお、温度低下の程度が放射照度の低下の程度より緩和されるのは、半導体ウェハは熱伝導率が高いために半導体ウェハ内部で熱が拡散されて低下の程度が緩和されるためである。

従って、実際上は、図３における入射角θの臨界値は例えば４５度に設定され、この角度範囲内の領域にフィラメントから放射される光が、有効かつ局所的な落ち込みが生ずることなく均一に利用することができるものである。以上の理由から、照射が有効であるといえるのは、フィラメント３１ａの直下から周方向に所定の角度までの、径方向への発光によるものである。

図３（ｂ）において、フィラメント３１ａ、フィラメント３１ｂは仮想の管軸Ｌ´に沿って配置されている。これは、従来例における、互いに独立して給電されるフィラメント同士の位置関係を表している。
上記のように、フィラメントからの発光は、直下から周方向に所定の角度までの領域が有効照射領域であり、図中に模式的に矢印で示した方向に対して有効である。すると、フィラメント３１ａとフィラメント３１ｂとの間は非発光部Ｎとなり、管軸方向での照度分布が不均一になる。この問題は、フィラメントを途切れることなく管軸に沿って配置することで解決できるが、異なるフィラメントに独立した給電を行おうとすると、配線の配置や、絶縁性の確保のためにフィラメント間に必ず非発光部が形成される。

しかし、このような非発光部による照度不均一は、各フィラメントを、その長手方向が管軸Ｌに対して交差させた状態で配置することにより、防ぐことができる。図３（ｃ）においては、フィラメント３１ａ、フィラメント３１ｂは、仮想の管軸Ｌ´に対して、その長手方向が交差して配置されている。これにより、管軸とフィラメントとの角度が変位しているため、コイル径方向への発光が管軸方向成分をもつこととなるので、各フィラメントからの発光を管軸方向に照射することができる。すると、フィラメント間にある非発光部の直下にも光が照射されて、隣接するフィラメントからの発光が重畳されるため、温度低下を防ぐことができる。

このように、フィラメントは、その長手方向が管軸に対して交差するように配置されれば、管軸方向の照射を行うことができる。したがって、複数のフィラメント群が管軸方向に順次に並んで配設されているとき、少なくともフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていれば、フィラメント群間にも光が照射されて、管軸方向の照度分布の不均一を解消することができる。

図３（ｃ）は、本発明の一例であり、フィラメントの配置は管軸に対して直交関係に限られるものではないが、直交である場合は隣接するフィラメントの配置方向が互いに平行であるから、フィラメント間の直下で光が均等に重畳されるため、照度分布を均一化するために有効であるといえる。
なお、各フィラメントの間の管軸方向での間隔は、照射面ＲＦにおいて２つのフィラメントからの管軸方向での有効照射領域が重なるように適宜設定される。

上記のフィラメント配置の効果について、比較実験例を示す。図４は、2種類のフィラメント配置と照射面での光の強度分布についての測定結果を示す図である。（ａ）は従来のように、仮想の管軸Ｌ´に沿って２つのフィラメントが照射面の真上に、水平な状態で配置されていることを示す配置図であり、（ｃ）は、（ａ）における照射面での光の強度を示す分布図である。（ｂ）は本発明の一例である、仮想の管軸Ｌ´に対して直交するように２つのフィラメントが照射面の真上、水平な状態で配置されていることを示す配置図であり、（ｄ）は同様に光の強度の分布を示す分布図である。
フィラメントの外径は２ｍｍφであり、２つのフィラメントの距離ｄは、（ａ）、（ｂ）ともに等しく設定されており、ｄ＝１０ｍｍである。また、照射面からフィラメントまでの高さはｈ＝５０ｍｍである（不図示）。分布図には、フィラメント配置位置に対応する箇所を点線で示し、光の強度が等しい場所を線で結んで示した。光の強度はその標準偏差の値をもって分布を表し、標準偏差の値が大きい線ほど、照射される光の強度が高いことを示している。

図４（ｃ）においては、２つのフィラメント間に、強度の低い領域が発生していることがわかる。これは、２つのフィラメントからの発光が管軸方向へ照射されておらず、非発光部による照射の不足分を補填できていないためである。
一方、図４（ｄ）においては、管軸方向のフィラメント間で強度が低下することなく、互いに隣接するフィラメントからの発光が管軸方向で重畳されることによって、強度が高くなっていることがわかる。

フィラメントの具体的な配置および接続については以下に示す。
フィラメント群のフィラメントを直列接続により構成する場合は、図１の様に、電流経路が２つのガラス製保持体１７、１８の間を往復するように構成する。フィラメントを保持する手段については、図２（ａ）を用いて以下に示す。

一方の封止部１２aより導出された内部リード２３ａが、一方のガラス製保持体１７の内部を管軸方向に向かって伸び、所定の位置で外部に突出してフック部２３ａｆを形成する。このフック部２３ａｆと、他方のガラス製保持体１８に埋設された中継リード３９ａのフック部３９ａｆとの間に、フィラメント３１aが吊り下げられて保持される。中継リード３９ａはガラス製保持体１８の内部を管軸方向に向かって伸び、所定の位置で外部に突出して他方のフック部３９ａｆを形成する。この他方のフック部３９ａｆに次のフィラメント３１ｂが接続される。このような接続を繰り返すことにより、直列接続されたフィラメントによる電流経路が、２つのガラス製保持体１７、１８間を梯子状、またはジグザグ状に往復して進行していく。

他方、内部リード２３ｂは、ガラス製保持体１８の内部を、中継リード３９aよりも管軸中心から外側を通過して伸び、所定の位置で外部に突出してフック部２３ｂｆを形成する。このフック部２３ｂｆに、中継リード等を介してガラス製保持体１７、１８の間を往復してきた、内部リード２３ａに直列接続された最後のフィラメント３１ｇが接続されることにより、直列接続回路を構成する。

各フィラメントが、このように管軸を挟んで対向する一対のガラス製保持体１７、１８間に保持されていると、自ずと同一平面状、またはそれに近い状態に配置されることとなり、面状に発光することが出来るため、照度分布を均一にするのに有利である。また、管軸に対して交差させて配置することも容易であり、確実に保持することもできる。

この配置は他方の封止部１２ｂの直近に配置されるフィラメント群５０についても同様である。また、中央に位置するフィラメント群４０においても、フィラメントと中継リードの配置、接続については同様であり、給電は異なる封止部１２ａ、１２ｂよりそれぞれ１本ずつ導出された内部リード２４ａ、２４ｂを用いてすることになる。このような配置は、発光管の中央部を通過する内部リードの本数を減らすことができるので、遮光される光を減ずる事ができる。

図５は、フィラメント群を構成する各フィラメントを並列接続する場合を示す斜視図である。この図において、発光管２、封止部１２ａ、１２ｂ、金属箔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃについては上記と同様であるから説明を省略する。

発光管２の内部には、封止部１２ａに埋設された金属箔１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、にそれぞれ接続された内部リード２３ａ、２３ｂ、２４ａが導出されている。同様にして、他方の封止部１２ｂからも内部リード２４ｂ、２５ａ、２５ｂが発光管２内に導出されている。
各内部リードは所定の太さにすることで剛性を有しているとともに、２つのガラス部材からなる一対のガラス製保持体１７、１８に挟まれて、それぞれ保持されている。そのため、発光管２が水平に配置されても、内部リードは自重によって湾曲したり、他の部材と接触したりすることなく、姿勢を維持することができる。

フィラメント群３０は、管軸方向に沿って平行に伸びる、２つ内部リード２３ａ、２３ｂ間に並列接続された、複数のフィラメント３１ａ〜３１ｇにより構成されている。各フィラメントは、内部リードに固定されたフック３８ａ〜３８ｍに吊り下げられて保持されている。各フックは金属線材等からなり、かしめられて内部リードに固定されている。
また、フィラメント群４０、５０についても同様に構成されている。このように配置することで、並列接続においても、フィラメントを管軸Ｌに対して交差させた状態で配置することができる。

以上のように、一のフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていることにより、フィラメントからの発光が管軸方向に照射される。その結果、互いに隣接するフィラメントからの発光が管軸方向で重畳されるので、フィラメント群間の直下の領域の照射面で、管軸方向の照度分布の不均一を解消することができる。

なお、便宜のために上記ではフィラメント群が３つの場合を例にして説明したが、フィラメント群が２つ以上であればこれに限られるものではない。

１ フィラメントランプ
２ 発光管
１０ａ 外部リード
１０ｂ 外部リード
１０ｃ 外部リード
１１ａ 外部リード
１１ｂ 外部リード
１１ｃ 外部リード
１２ａ 封止部
１２ｂ 封止部
１４ａ 金属箔
１４ｂ 金属箔
１４ｃ 金属箔
１５ａ 金属箔
１５ｂ 金属箔
１５ｃ 金属箔
１７ ガラス製保持体
１７ａ ガラス部材
１７ｂ ガラス部材
１８ ガラス製保持体
１８ａ ガラス部材
１８ｂ ガラス部材
２３ａ 内部リード
２３ｂ 内部リード
２４ａ 内部リード
２４ｂ 内部リード
２５ａ 内部リード
２５ｂ 内部リード
３０ フィラメント群
３１ａ フィラメント
３１ｂ フィラメント
３１ｃ フィラメント
３１ｇ フィラメント
３８ａ フック
３８ｂ フック
３８ｃ フック
３８ｄ フック
３８ｅ フック
３８ｆ フック
３８ｍ フック
３９ａ 中継リード
３９ａｆ フック部
３９ａｆ フック部
３９ｂ 中継リード
３９ｃ 中継リード
４０ フィラメント群
５０ フィラメント群
Ｌ 管軸
Ｌ´ 仮想の管軸
Ｎ 非発光部
Ｐ１ 垂線
Ｐ２ 垂線
ＴＬ１ 外接線
ＴＬ２ 外接線
ＴＬ３ 外接線
ＴＬ４ 外接線

Claims (3)

1. 封止部を有する発光管と、該発光管の内部に該発光管の管軸方向に順次に並んで配設された複数のフィラメント群と、該フィラメント群を構成する電気的に接続された複数のフィラメントと、該各フィラメント群に接続された一対の内部リードと、該内部リードに電気的に接続され該封止部に埋設された複数の金属箔とを備えるフィラメントランプにおいて、
   前記一のフィラメント群を構成するフィラメントのうち、管軸方向で端に位置し、他のフィラメント群と隣接するフィラメントが、管軸に対して交差して配置されていることを特徴とするフィラメントランプ。
2. 前記発光管内に、管軸に沿って伸びる棒状のガラス製保持体を備え、
   該ガラス製保持体には、異なるフィラメント群に接続された内部リード同士が、該ガラス製保持体の内部で離隔して保持されていることを特徴とする請求項１に記載のフィラメントランプ。
3. 前記発光管内に、管軸を挟んで対向する一対の前記ガラス製保持体を備え、
   前記フィラメントが該一対のガラス製保持体間に保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィラメントランプ。

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