JP2015135313A - 熱処理装置およびランプ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハロゲンランプによる被処理物の熱処理を、所期の温度で確実に実行することができる熱処理装置およびランプ制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の熱処理装置は、被処理物を加熱するハロゲンランプと、前記被処理物の温度を測定する放射温度計と、前記ハロゲンランプの入力電圧を制御する制御部とを備えてなる熱処理装置であって、前記制御部は、前記ハロゲンランプの点灯時において、前記ハロゲンランプの入力電圧に対応して設定される、前記放射温度計による測定値に対するバックグラウンド補正量を記憶する記憶部を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハや車両用鋼板などの被処理物をハロゲンランプによって熱処理する熱処理装置、および熱処理装置におけるハロゲンランプを制御するランプ制御方法に関する。

ウエハや車両用鋼板などの被処理物を熱処理するための熱処理装置としては、加熱手段としてハロゲンランプを具えてなるものが知られている。例えば特許文献１には、ウエハにハロゲンランプからの光を照射することによって、ウエハを加熱する熱処理装置が開示されている。また、特許文献２には、車両用鋼板を赤外線ランプによって加熱する熱処理装置が開示されている。

このような熱処理装置においては、被処理物の熱処理中に、当該被処理物が所期の温度に加熱されていることが肝要である。このため、被処理物の温度を放射温度計によって測定し、得られた測定値に基づいてハロゲンランプの入力電圧をフィードバック制御することが行われている。ここで、ウエハや車両用鋼板などの熱処理においては、被処理物は高い温度に加熱される。例えばウエハの熱処理における加熱温度は５００〜１２００℃であり、車両用鋼板の熱処理における加熱温度は９００℃程度である。そして、被処理物の温度を測定する放射温度計においては、高い温度を高い精度で測定することが求められる。このため、放射温度計としては、短波長赤外線例えば波長２．３μｍの赤外線を検出するものが用いられている。

しかしながら、上記の熱処理装置においては、以下のような問題がある。
被処理物を加熱するためのハロゲンランプは短波長赤外線を放射するものである。このため、被処理物の熱処理中において、ハロゲンランプからの迷光が放射温度計に入射されることにより、当該放射温度計によって測定される温度には誤差が生じる。また、特許文献１に記載の熱処理装置のように、被処理物の周囲にガードリングを設けることにより、放射温度計に迷光が入射されることを低減することは可能であるが、防止することはできない。
従って、従来の熱処理装置では、被処理物の熱処理を所期の温度で確実に実行することが困難である。

特開２００２−１１０５８５号公報 特開２０１０−０４４８７５号公報

そこで、本発明の目的は、ハロゲンランプによる被処理物の熱処理を、所期の温度で確実に実行することができる熱処理装置およびランプ制御方法を提供することにある。

本発明の熱処理装置は、被処理物を加熱するハロゲンランプと、前記被処理物の温度を測定する放射温度計と、前記ハロゲンランプの入力電圧を制御する制御部とを備えてなる熱処理装置であって、
前記制御部は、前記ハロゲンランプの点灯時において、前記ハロゲンランプの入力電圧に対応して設定される、前記放射温度計による測定値に対するバックグラウンド補正量を記憶する記憶部を有することを特徴とする。

本発明の熱処理装置においては、前記被処理物を熱処理するときに、前記制御部によって、前記放射温度計からの測定値が前記バックグラウンド補正量に基づいて補正され、得られた補正温度に基づいて前記被処理物が所定温度となるように前記ハロゲンランプの入力電圧がフィードバック制御されることが好ましい。
また、前記制御部において、前記ハロゲンランプの入力電圧と、当該入力電圧に対応する前記バックグラウンド補正量との特定の関係式が求められ、前記被処理物を熱処理するときに、前記ハロゲンランプの入力電圧と、前記特定の関係式とから、当該入力電圧に対応する前記バックグラウンド補正量が演算されることが好ましい。

本発明のランプ制御方法は、被処理物を熱処理するためのハロゲンランプの入力電圧を、放射温度計によって測定された前記被処理物の温度に基づいてフィードバック制御するランプ制御方法であって、
前記被処理物を熱処理する前において、前記ハロゲンランプの点灯時における当該ハロゲンランプの入力電圧と、前記放射温度計によって測定された被処理物の温度とにより、前記ハロゲンランプの入力電圧に対応する、前記放射温度計による測定値に対するバックグラウンド補正量を求め、
前記被処理物を熱処理するときに、前記放射温度計による測定値を前記バックグラウンド補正量に基づいて補正し、得られた補正温度に基づいて前記被処理物が所定温度となるように前記ハロゲンランプの入力電圧をフィードバック制御する
ことを特徴とする。

本発明においては、被処理物を熱処理するときに、放射温度計による測定値を、ハロゲンランプの入力電圧に対応して設定されるバックグラウンド補正量に基づいて補正することができる。この補正温度においては、ハロゲンランプからの迷光による誤差が排除されている。
従って、本発明によれば、得られた補正温度に基づいてハロゲンランプの入力電圧をフィードバック制御することにより、ハロゲンランプによる被処理物の熱処理を、所期の温度で確実に実行することができる。

本発明の熱処理装置の一例における構成の概略を説明図である。 図１に示す熱処理装置における熱処理部の構成を示す説明図である。 バックグラウンド補正量の取得工程を示すフロー図である。 ハロゲンランプからの迷光が放射温度計に入射される状態を示す説明図である。 ハロゲンランプの入力電圧とバックグラウンド補正量である分光放射輝度との特定の関係式（近似式）を示すグラフである。 被処理物の熱処理工程を示すフロー図である。 実施例に係る熱処理装置における熱処理中の被処理物の温度変化を示すグラフである。

以下、本発明の熱処理装置の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の熱処理装置の一例における構成の概略を説明図である。図２は、図１に示す熱処理装置における熱処理部の構成のを示す説明図である。
図１に示す熱処理装置は、ウエハや車両用鋼板などの板状の被処理物Ｗを熱処理するためのものである。この熱処理装置は、複数のハロゲンランプ２０を具えた熱処理部１０と、熱処理部１０におけるハロゲンランプ２０に電力を供給する給電部３０と、熱処理部１０のハロゲンランプ２０の入力電圧を制御する制御部４０とによって構成されている。

熱処理部１０においては、被処理物Ｗが配置される処理室Ｓを形成する処理室形成材１１が設けられている。処理室Ｓ内には、被処理物Ｗを水平に支持する支持部材１２が設けられている。
処理室Ｓ内に配置された被処理物Ｗの下方位置には、放射温度計１５が配置されている。この放射温度計１５は、被処理物Ｗから放射される短波長赤外線、例えば波長２．３μｍの赤外線の輝度を測定することによって当該被処理物Ｗの温度を測定するものである。 処理室Ｓの上方位置には、複数のハロゲンランプ２０を有する光源ユニット２５が配置されている。この光源ユニット２５においては、複数のハロゲンランプ２０が水平方向に沿って並ぶよう配置されている。
ハロゲンランプ２０の仕様の一例を示すと、ランプ定格電圧が３６０Ｖ、ランプ電力が７０２０Ｗ、発光長が５４０ｍｍ、全長が約７００ｍｍ、バルブ径が１３ｍｍである。また、ハロゲンランプ２０の総数は６０本（上下各３０本）である。

制御部４０は、ハロゲンランプ２０の点灯時において、放射温度計１５による測定値に対するバックグラウンド補正量などを演算する演算部４１と、演算部４１によって演算されたバックグラウンド補正量などを記憶する記憶部４２とを有する。バックグラウンド補正量は、ハロゲンランプ２０の入力電圧に対応して設定されるものである。

本発明の熱処理装置においては、先ず、制御部４０において、ハロゲンランプ２０の入力電圧に対応して、放射温度計１５による測定値に対するバックグラウンド補正量が取得され、当該バックグラウンド補正量が記憶部４２に記憶される。
以下、バックグラウンド補正量の取得工程について、図３を参照しながら説明する。

〈ｓｔｅｐ１−１：被処理物の配置〉
被処理物Ｗが処理室Ｓ内の所定の位置に配置される。
〈ｓｔｅｐ１−２：非点灯時の温度測定〉
ハロゲンランプ２０が点灯していない状態で、放射温度計１５によって被処理物Ｗの見掛け上の温度が測定される。ここで、例えば波長２．３μｍの赤外線の放射強度を測定することによって温度を測定する放射温度計においては、測定可能な温度の下限が例えば２００℃程度であるため、被処理物Ｗが加熱されていないときでも、２００℃程度の温度を示す。
〈ｓｔｅｐ１−３：ハロゲンランプの点灯〉
制御部４０からの制御信号により、給電部３０によって所定電圧値の入力電圧でハロゲンランプ２０が点灯される。ここで、制御部４０には、予め複数の所定電圧値が設定されており、例えば最も低い所定電圧値が選択される。

〈ｓｔｅｐ１−４：点灯時の温度測定〉
ハロゲンランプ２０を点灯してから所定の時間が経過するまでに、放射温度計１５によって被処理物Ｗの見掛け上の温度が測定される。
ここで、放射温度計１５においては、被処理物Ｗからの放射光と共に、図４に示すように、ハロゲンランプ２０からの迷光Ｌが入射される。しかしながら、被処理物Ｗからの放射光の放射輝度は、放射温度計１５によって検出されない程度に小さいため、測定された被処理物Ｗの見掛け上の温度は、ハロゲンランプ２０からの迷光Ｌによるものとみなすことができる。
また、所定の時間は、ハロゲンランプ２０を点灯してから被処理物Ｗの温度が放射温度計１５によって測定可能な温度に達するまでの時間を考慮して適宜設定される。

〈ｓｔｅｐ１−５：バックグラウンド補正量の演算〉
制御部４０の演算部４１において、ｓｔｅｐ１−４で測定された被処理物Ｗの見掛け上の温度から、ハロゲンランプ２０の入力電圧に対応する、放射温度計１５による測定値に対するバックグラウンド補正量である分光放射輝度が演算される。具体的には、バックグラウンド補正量である分光放射輝度は、下記式（１）により算出される。

上記式（１）において、Ｌｔは分光放射輝度（Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3）、Ｔは被処理物Ｗの温度（℃）、λは放射温度計１５の測定波長（ｍ）、Ｃ１は放射一次定数［＝５．９５４８×１０^-17 ］（Ｗ・ｍ² ）、Ｃ２は放射二次定数［＝１．４３８８×１０^-2］（ｍ・Ｋ）である。

〈ｓｔｅｐ１−６：バックグラウンド補正量の記憶〉
制御部４０の記憶部４２に、ｓｔｅｐ１−５で算出されたバックグラウンド補正量が記憶される。
〈ｓｔｅｐ１−７〉
全ての所定電圧値について、バックグラウンド補正量の演算が終了したか否かが確認される。終了していない場合には、ハロゲンランプ２０の入力電圧を他の所定電圧値を変更し、ｓｔｅｐ１−２からｓｔｅｐ１−６までを繰り返す。
このようにして、全ての所定電圧値について、当該所定電圧値の入力電圧でハロゲンランプ２０を点灯したときのバックグラウンド補正量が記憶部４２に記憶される。
〈ｓｔｅｐ１−８：特定の関係式の取得〉
制御部４０の演算部４１において、所定電圧値の各々と、当該所定電圧値の入力電圧でハロゲンランプ２０を点灯したときのバックグラウンド補正量とから、入力電圧と当該入力電圧に対応するバックグラウンド補正量との特定の関係式（近似式）が求められる。
〈ｓｔｅｐ１−９：特定の関係式の記憶〉
ｓｔｅｐ１−８で求められた特定の関係式が制御部４０の記憶部４２に記憶される。

下記表１は、所定電圧値の入力電圧でハロゲンランプ２０を点灯したときのバックグラウンド補正量である分光放射輝度の演算結果の一例である。下記表１においては、上記ｓｔｅｐ１−３で例えば２００Ｖの入力電圧でハロゲンランプ２０を点灯させたときに、上記ｓｔｅｐ１−４で測定された被処理物Ｗの見掛け上の温度が４２３℃であり、ｓｔｅｐ１−５で算出されたバックグラウンド補正量である分光放射輝度が２．３１６×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3であることが示されている。

図５は、表１に示す演算結果から求められた、ハロゲンランプの入力電圧とバックグラウンド補正量である分光放射輝度との特定の関係式（近似式）を示すグラフである。図５において、横軸はハロゲンランプ２０の入力電圧を示す。また、縦軸は、放射温度計１５による測定温度と上記式（１）とから算出された分光放射輝度を示す。この図に示すように、表１の例では、バックグラウンド補正量である分光放射輝度は、入力電圧にほぼ比例して上昇する。このことから、バックグラウンド補正量である分光放射輝度をＬｔ（Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3）、ハロゲンランプ２０の入力電圧をＥ（Ｖ）としたとき、入力電圧とバックグラウンド補正量である分光放射輝度との特定の関係式は、下記式（２）となる。
式（２） Ｌｔ＝０．０１４×１０⁸ Ｅ−０．５２２１×１０⁸

本発明の熱処理装置においては、被処理物Ｗを熱処理するときに、制御部４０によって、放射温度計１５からの測定値がバックグラウンド補正量に基づいて補正され、得られた補正温度に基づいて被処理物Ｗが所定温度となるようにハロゲンランプ２０の入力電圧がフィードバック制御される。
以下、本発明の熱処理装置における被処理物Ｗの熱処理工程を図６を参照しながら説明する。

〈ｓｔｅｐ２−１：被処理物の配置〉
被処理物Ｗが処理室Ｓ内の所定の位置に配置される。
〈ｓｔｅｐ２−２：加熱レシピの設定〉
制御部４０に、昇温速度、所定温度の保持時間などの被処理物Ｗの熱処理パターン（加熱レシピ）が設定される。
〈ｓｔｅｐ２−３：ハロゲンランプの点灯〉
制御部４０からの制御信号により、設定された加熱レシピに基づいてハロゲンランプ２０が点灯される。例えば、被処理物Ｗが車両用鋼板である場合には、昇温速度が定められており、その昇温速度となるようにハロゲンランプ２０の入力電圧が設定される。
〈ｓｔｅｐ２−４：被処理物の温度測定〉
制御部４０からの制御信号により、放射温度計１５によって被処理物Ｗの温度が測定される。
〈ｓｔｅｐ２−５：バックグラウンド補正量の演算〉
制御部４０の記憶部４２から特定の関係式が読み出され、演算部４１において、特定の関係式とハロゲンランプ２０の入力電圧とから、当該入力電圧に対応するバックグラウンド補正量が演算される。

〈ｓｔｅｐ２−６：補正温度の演算〉
制御部４０の演算部４１において、ｓｔｅｐ２−５で算出されたバックグラウンド補正量に基づいてｓｔｅｐ２−４で測定された温度が補正される。具体的には、先ず、ｓｔｅｐ２−４で測定された温度と上記式（１）とから、放射温度計１５によって検出される見掛け上の分光放射輝度が演算される。次いで、この見掛け上の分光放射輝度から、ｓｔｅｐ２−５で算出されたバックグラウンド補正量である分光放射輝度を減ずることにより、補正された分光放射輝度が求められる。そして、補正された分光放射輝度と、上記式（１）とから、補正温度が得られる。

このｓｔｅｐ２−６について、上記表１の例を挙げて具体的に示すと、以下の通りである。
上記ｓｔｅｐ２−３におけるハロゲンランプ２０の入力電圧が２００Ｖである場合には、上記式（２）から、バックグラウンド補正量である分光放射輝度は、２．３１６×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3である。一方、上記ｓｔｅｐ２−４で測定された被処理物Ｗの温度が例えば５００℃である場合には、上記式（１）から、見掛け上の分光放射輝度は５．６６８×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3となる。この見掛け上の分光放射輝度（５．６６８×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3）からバックグラウンド補正量である分光放射輝度（２．３１６×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3）を減ずることにより、補正された分光放射輝度は、３．３５２×１０⁸ （＝５．６６８×１０⁸ −２．３１６×１０）Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3となる。そして、補正された分光放射輝度（３．３５２×１０⁸ Ｗ・Ｓｒ^-1・ｍ^-3）と、上記式（１）とから、補正温度は４５９．２℃となる。

〈ｓｔｅｐ２−７：補正温度による入力電圧の制御〉
制御部４０によって、ｓｔｅｐ２−６で得られた補正温度に基づいて被処理物Ｗが所定温度となるようにハロゲンランプ２０の入力電圧がフィードバック制御される。具体的には、ｓｔｅｐ２−６で得られた補正温度と加熱レシピにおける所定温度とを対比し、当該補正温度と当該所定温度との差が小さくなるように、ハロゲンランプ２０の入力電圧がフィードバック制御される。
〈ｓｔｅｐ２−８〉
加熱レシピによる熱処理が終了したか否かを確認する。終了していない場合には、ｓｔｅｐ２−４からｓｔｅｐ２−７までを繰り返す。
以上のようにして、ハロゲンランプ２０の入力電圧が制御部４０によってフィードバック制御されることにより、ハロゲンランプ２０による被処理物Ｗの熱処理が実行される。

上記の熱処理装置においては、被処理物Ｗを熱処理するときに、放射温度計１５による測定値を、ハロゲンランプ２０の入力電圧に対応して設定されるバックグラウンド補正量に基づいて補正することができる。この補正温度においては、ハロゲンランプ２０からの迷光Ｌによる誤差が排除されている。
従って、上記の熱処理装置によれば、得られた補正温度に基づいてハロゲンランプ２０の入力電圧をフィードバック制御することにより、ハロゲンランプ２０による被処理物Ｗの熱処理を、所期の温度で確実に実行することができる。

本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えばバックグラウンド補正量や、入力電圧とバックグラウンド補正量との特定の関係式は、予め制御部４０の記憶部４２に記憶されていてもよい。但し、熱処理装置が配置される場所の環境や、被熱処理物Ｗの種類および形状などによって、バックグラウンド補正量が変化する可能性がある。このため、被処理物Ｗを処理する直前に、その被処理物Ｗを配置した状態で、バッググランド補正量や特定の関係式を取得する工程を行うことが好ましい。
また、本発明において特定の関係式を取得することは必須ではない。例えばハロゲンランプ２０の入力電圧０．５〜２Ｖ毎の多数のバックグラウンド補正量を制御部４０の記憶部４２に記憶し、被処理物Ｗを熱処理するときに、バックグラウンド補正量を記憶部４２に記憶されたものの中から選択してもよい。但し、このような手段においては、バックグラウンド補正量の取得工程に相当に長い時間を要するため、特定の関係式を取得し、この特定の関係式からバックグラウンド補正量を求めることが好ましい。

図１および図２の構成に従って熱処理装置を作成した。この熱処理装置におけるハロゲンランプの仕様は、ランプ定格電圧が３６０Ｖ、ランプ電力が７０２０Ｗ、発光長はが４０ｍｍ、全長が約７００ｍｍ、バルブ径が１３ｍｍである。また、ハロゲンランプ２０の総数は６０本（上下各３０本）である。また、放射温度計としては、波長２．３μｍの赤外線を検出して温度を測定するもの（測定可能温度が２００〜１２００℃）を使用した。 また、この熱処理装置について、所定電圧値の入力電圧でハロゲンランプを点灯したときの分光放射輝度（バックグラウンド補正量）を演算したところ、上記表１の通りであった。

被処理物として寸法が３００ｍｍ×３００ｍｍ×１．６ｍｍの鋼板を用い、上記の熱処理装置によって被処理物の熱処理を行った。そして、熱処理中において、熱電対によって被処理物の実際の温度を測定した。
図７は、上記の熱処理装置における熱処理中の被処理物の温度変化を示すグラフである。この図において、Ｔ０は熱電対によって測定された被処理物の温度、Ｔ１は放射温度計による測定温度、Ｔ２はバックグラウンド補正量に基づいて補正された補正温度である。 図７に示すように、補正温度Ｔ２は、放射温度計による測定温度Ｔ１に比較して、被処理物の実際の温度すなわち熱電対によって測定された被処理物の温度Ｔ０に近い温度であることが理解される。特に、ハロゲンランプからの迷光による誤差の影響が大きい２００〜５００℃の温度範囲においても、補正温度Ｔ２は、被処理物の実際の温度に近い温度である。従って、補正温度Ｔ２に基づいてハロゲンランプの入力電圧をフィードバック制御することにより、被処理物の熱処理を、所期の温度で確実に実行することができる。

１０ 熱処理部
１１ 処理室形成材
１２ 支持部材
１５ 放射温度計
２０ ハロゲンランプ
２５ 光源ユニット
３０ 給電部
４０ 制御部
４１ 演算部
４２ 記憶部
Ｗ 被処理物
Ｓ 処理室
Ｌ 迷光

Claims (4)

1. 被処理物を加熱するハロゲンランプと、前記被処理物の温度を測定する放射温度計と、前記ハロゲンランプの入力電圧を制御する制御部とを備えてなる熱処理装置であって、
   前記制御部は、前記ハロゲンランプの点灯時において、前記ハロゲンランプの入力電圧に対応して設定される、前記放射温度計による測定値に対するバックグラウンド補正量を記憶する記憶部を有することを特徴とする熱処理装置。
2. 前記被処理物を熱処理するときに、前記制御部によって、前記放射温度計からの測定値が前記バックグラウンド補正量に基づいて補正され、得られた補正温度に基づいて前記被処理物が所定温度となるように前記ハロゲンランプの入力電圧がフィードバック制御されることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記制御部において、前記ハロゲンランプの入力電圧と、当該入力電圧に対応する前記バックグラウンド補正量との特定の関係式が求められ、前記被処理物を熱処理するときに、前記ハロゲンランプの入力電圧と、前記特定の関係式とから、当該入力電圧に対応する前記バックグラウンド補正量が演算されることを特徴とする請求項２に記載の熱処理装置。
4. 被処理物を熱処理するためのハロゲンランプの入力電圧を、放射温度計によって測定された前記被処理物の温度に基づいてフィードバック制御するランプ制御方法であって、
   前記被処理物を熱処理する前において、前記ハロゲンランプの点灯時における当該ハロゲンランプの入力電圧と、前記放射温度計によって測定された被処理物の温度とにより、前記ハロゲンランプの入力電圧に対応する、前記放射温度計による測定値に対するバックグラウンド補正量を求め、
   前記被処理物を熱処理するときに、前記放射温度計による測定値を前記バックグラウンド補正量に基づいて補正し、得られた補正温度に基づいて前記被処理物が所定温度となるように前記ハロゲンランプの入力電圧をフィードバック制御する
   ことを特徴とするランプ制御方法。

Images