JP2016020810A - 連続式加熱炉及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射温度計の測定温度から処理物のピーク温度を正確に確定することができるようにする。
【解決手段】壁面１１〜１６で包囲された炉室１内における測定位置Ｐ１に受光面８Ａが対向するように放射温度計８を固定的に配置し、測定位置Ｐ１を挟んで受光面８Ａが対向する位置に対向部材９を配置する。対向部材９は、処理物１００よりも低い赤外線放射率を恒常的に維持する。処理物１００の加熱処理の開始から終了までの間における放射温度計８の測定温度プロファイルにおいて、急激に低下する直前の温度が処理物１００のピーク温度となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、加熱炉内にそれぞれの間に間隔を設けて搬入及び搬出される複数の処理物を所定の温度に加熱する連続式加熱炉及び連続式加熱炉における温度測定方法に関し、特に加熱処理中の処理物の温度を正確に測定できる連続式加熱炉及び連続式加熱炉における温度測定方法に関する。

連続式加熱炉は、例えばウォーキングビーム方式の搬送手段を備え、未処理の処理物を搬入口から炉内に搬入して所定の温度に加熱処理した後の処理物を搬出口から外部に搬出する工程を繰り返し行う。連続式加熱炉では、炉内に配置されたヒータの駆動を制御して処理物を所定の温度まで加熱するために、炉内の温度及び処理物の搬入出のタクトタイムを制御する必要がある。このため、処理物に熱電対を装着し、炉の搬入口から搬出口まで処理物を搬送する間の温度プロファイルを測定している。

ところが、太陽電池に用いられるシリコンウェハ等の軽量の処理物は昇温速度が早く、熱電対を装着するための治具の質量が温度の測定結果に影響を与え、処理物の温度を正確に測定することができない。

そこで、放射温度計を用いて炉内の処理物の温度を測定することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。炉内における処理物の搬送経路の一部に向けて放射温度計を設置することで、固定された測定位置で処理物の温度を測定でき、熱電対及び治具を必要とすることがなく、処理物の温度を正確に測定できるとされている。

特開２０１０−６６１３２号公報

しかし、連続式加熱炉における処理物の温度測定に放射温度計を適用した場合、処理物の温度を正確に測定できない問題がある。つまり、測定位置を固定した状態で炉内に設置された放射温度計は、処理済の処理物が測定位置を通過した後、未処理の処理物が測定位置に達するまでの間に、炉内の壁面の温度を測定することになる。一般的に、炉内の壁面に使用される断熱材やセラミックボードの放射率は処理物の放射率よりも高い。このため、処理物の温度と壁面の温度とが近接している場合、放射温度計による搬出直前の処理物からの測定温度と壁面からの測定温度との差が明確にならず、処理物のピーク温度を正確に確定できない。

この発明の目的は、炉内で放射温度計の受光面が対向する壁面を放射率が低い材料で構成することにより、放射温度計の測定温度から処理物のピーク温度を正確に確定することができる連続式加熱炉及び温度測定方法を提供することである。

この発明の連続式加熱炉は、炉室、ヒータ、搬送機構、放射温度計を備えている。炉室は、壁面で包囲された空間であり、処理物の搬入口及び搬出口を備えている。搬送機構は、搬入口及び搬出口を経由する搬送経路に沿って、未処理の処理物を炉室内に搬入し、所定時間が経過した後に処理済の処理物を炉室外に搬出する工程を繰り返し実行する。ヒータは、炉室内を加熱する。放射温度計は、受光面が炉室内における搬送経路の一部である測定位置に対向するように固定的に配置される。壁面の少なくとも受光面に対向する対向部分は、処理物よりも放射率が恒常的に低い低放射率材料、例えば鏡面処理されたシリコンで構成されている。

放射温度計は、処理物の加熱処理中であって炉室内に処理物が搬入されている状態では処理物の表面温度を測定し、処理物の加熱処理が終了して炉室内から処理物が搬出された状態では壁面の温度を測定する。放射温度計は、測定対象から放射される赤外線量に応じて測定対象の温度を測定するため、同一温度であっても放射率の低い物体の測定温度は放射率の高い物体の測定温度よりも低くなる。加熱処理の開始から終了までの放射温度計の測定温度は、受光面が処理物に対向している間に処理物の温度上昇に伴って上昇し、処理物がピーク温度となった後に処理物の後端が測定位置を通過して受光面が壁面に対向した時に急激に低下する。したがって、放射温度計の測定温度プロファイルが急激に低下する直前の測定温度が、処理物のピーク温度となる。

この構成において、放射温度計の受光面に、外部から壁面を貫通して炉室内の測定位置に対向する部分に達する遮光筒を備えることが好ましい。放射温度計を炉室外に配置することができる。

この発明の温度測定方法は、連続式加熱炉の炉室を構成する壁面において、少なくとも処理物を挟んで放射温度計と反対側における放射温度計の受光面に対向する部分を、処理物よりも放射率が恒常的に低い材料で構成し、処理物の加熱処理の開始から終了までの間における放射温度計の測定温度プロファイルにおいて急激に低下する直前の温度を処理物のピーク温度とする。

本発明によれば、放射温度計の測定温度から処理物のピーク温度を正確に確定することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る連続式加熱炉の概略を示す側面部分断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ−Ｘ部の断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、同連続式加熱炉における加熱処理開始から終了までの間における温度測定方法の一例を示す図である。 同連続式加熱炉における放射温度計の測定温度プロファイルの一例である。

以下に、この発明の実施形態に係る連続式加熱炉及び温度測定方法について、図面を参照しつつ説明する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この発明の実施形態に係る連続式加熱炉１０は、６面を壁面１１〜１６で包囲された炉室１を備えている。壁面１１〜１６は、セラミックボード等の断熱材料を素材とする。前側の壁面１１には搬入口２が形成されており、後側の壁面１２には搬出口３が形成されている。搬入口２及び搬出口３は、互いに対向している。

搬入口２から炉室１内を経由して搬出口３に至る処理物１００の搬送経路に沿って、ウォーキングビーム４が配置されている。ウォーキングビーム４は、矩形平板形状を呈する処理物１００における搬送方向に平行な２つの側端部近傍のそれぞれに裏面側から当接するように２列に配置され、処理物１００をその主面を水平にして搬送する。ウォーキングビーム４は、この発明の搬送機構に相当するが、これに限るものではなく、処理物１００を搬送経路に沿って搬送できることを条件に、ローラハース等の他の構成とすることもできる。

炉室１の上部には、一例として５本のランプヒータ５が配置されている。また、炉室１の下面を構成する壁面１６の上部にはボトムヒータ６及び底板１７が設置されている。ランプヒータ５及びボトムヒータ６は、この発明のヒータに相当し、炉室１内に搬入された処理物１００を加熱する。なお、ヒータは、ランプヒータ５とボトムヒータ６との組み合わせに限るものではない。

炉室１の上面を構成する上側の壁面１５には、遮光筒７が垂直に貫通している。遮光筒７は、例えばセラミックチューブで構成されており、周面において少なくとも赤外線を遮蔽する。壁面１５の上面には、放射温度計８が取り付けられている。放射温度計８は、受光面８Ａが遮光筒７の真上に位置するように固定されている。遮光筒７は、上下の開放端を受光面８Ａと後述する測定位置Ｐ１との間に位置させ、長手方向を鉛直方向に沿って配置されている。放射温度計８の受光面８Ａは、遮光筒７の内部を経由して炉室１内において鉛直下方に位置する部材の表面から照射された赤外線を受光する。放射温度計８は、受光面における赤外線の受光量（赤外線量）に基づいて温度を測定する。

底板１７の上面において放射温度計８の受光面８Ａに対向する部分には、対向部材９が配置されている。したがって、放射温度計８の受光面８Ａは、搬送経路の一部である測定位置Ｐ１を経て対向部材９の上面における対向位置Ｐ２に対向する。放射温度計８は、測定位置Ｐ１にある処理物１００の表面から放射された赤外線、又は対向部材９の上面における対向位置Ｐ２から放射された赤外線を受光し、赤外線量に基づいて温度を測定する。

対向部材９は、例えばシリコンの鏡面加工品で構成されている。鏡面加工されたシリコンの赤外線放射率は、処理物１００の表面の赤外線放射率よりも十分に低い。また、シリコンは、酸化し難い。このため、対向位置Ｐ２は、処理物１００の表面よりも十分に低い赤外線放射率を恒常的に維持する。

なお、底板１７をシリコンの鏡面加工品で構成し、底板１７の全体を対向部材９としてもよい。

図２（Ａ）に示すように、連続式加熱炉１０における処理物１００の加熱処理時には、ランプヒータ５及びボトムヒータ６を駆動して炉室１内を所定温度に昇温した状態で、放射温度計８による温度測定を開始する。このとき、測定位置Ｐ１に処理物１００が存在しないため、放射温度計８は対向部材９上の対向位置Ｐ２の温度を測定することになる。

炉室１の内部に処理物１００の搬送路を挟んで上下にランプヒータ５及びボトムヒータ６を配置しているため、特にボトムヒータ６によって処理物１００の下側の温度を一定にでき、加熱不足を解消できる。

図２（Ｂ）に示すように、第１の処理物１００が炉室１内に搬入され、処理物１００の前端が測定位置Ｐ１に達すると、放射温度計８は処理物１００の温度測定を開始することになる。処理物１００の温度は、炉室１内に搬入された直後には炉室１内の温度よりも低いが、図２（Ｃ）に示すように、炉室１内の搬送経路を搬出口３に向かって搬送されていく間に徐々に上昇する。

図２（Ｄ）に示すように、第１の処理物１００の後端が測定位置Ｐ１に達すると、次の処理物１００の前端が測定位置Ｐ１に達するまで、放射温度計８は対向部材９の対向位置Ｐ２の温度を測定する。

図３中に破線で示すように、対向部材９のない従来の連続式加熱炉では、時間Ｔ１から時間Ｔ２までを除く間には、放射温度計８は断熱部材の底板１７から放射される赤外線量を測定する。底板１７の赤外線放射率は、処理物１００の赤外線放射率よりも高い。このため、処理物１００の温度と底板１７の温度とが等しい状態では、底板１７の赤外線放射量は処理物１００の赤外線の放射量より多く、放射温度計８による底板１７の測定温度は処理物１００の測定温度よりも高くなる。この結果、放射温度計８の測定温度が、時間Ｔ２以後に処理物１００のピーク温度よりも高くなり、処理物１００のピーク温度を正確に測定できない。

これに対して、図３中に実線で示すように、連続式加熱炉１０では、放射温度計８の測定温度プロファイルは、時間Ｔ１で処理物１００の前端が測定位置Ｐ１に達した時に、対向部材９上の対向位置Ｐ２の温度から十分に加熱されていない処理物１００の温度まで低下する。この後、時間Ｔ２で処理物１００の後端が測定位置Ｐ１を通過するまで、処理物１００の温度上昇に伴って放射温度計８の測定温度プロファイルも上昇する。時間Ｔ２で処理物１００の後端が測定位置Ｐ１を通過すると、放射温度計８の測定温度プロファイルは急激に低下する。

時間Ｔ１から時間Ｔ２までを除く間には、放射温度計８は対向部材９から放射される赤外線量を測定する。対向部材９の赤外線放射率は、処理物１００の赤外線放射率よりも十分に小さい。このため、処理物１００の温度と対向部材９の温度とが等しい状態では、対向部材９の赤外線放射量は処理物１００の赤外線の放射量より少なく、放射温度計８による対向部材９の測定温度は処理物１００の測定温度よりも低くなる。この結果、処理物１００のピーク温度を正確に測定することができる。

なお、対向部材９は必須ではない。放射温度計８の受光面８Ａが対向する壁面の一部に、処理物１００の表面よりも十分に低い赤外線放射率を恒常的に維持する部材を配置することもできる。また、上記の実施形態では、鉛直方向を測定方向とする放射温度計８を前提としたが、水平方向を測定方向とする放射温度計を用いる場合にもこの発明を同様に適用することができる。この場合には、炉室１の側面を構成する壁面１３又は１４の一方の外側に放射温度計８を配置し、受光面８Ａが対向する壁面１４又は１３の内側に対向部材９を配置するか、又は受光面８Ａが対向する壁面１４又は１３の内側の全面を対向部材９とする。さらに、測定方向が鉛直方向又は水平方向から傾斜した放射温度計８を用いる場合であっても、処理物の搬送炉を挟んで受光面８Ａに対向する位置に対向部材９を配置することで、この発明を同様に適用できる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１−炉室
２−搬入口
３−搬出口
４−ウォーキングビーム（搬送機構）
５−ランプヒータ
６−ボトムヒータ
７−遮光筒
８−放射温度計
９−対向部材
１０−連続式加熱炉
１１〜１６−壁面

Claims (5)

1. 壁面で包囲された空間であって処理物の搬入口及び搬出口を有する炉室と、
   前記搬入口及び前記搬出口を経由する搬送経路に沿って、未処理の処理物を前記炉室内に搬入し、所定時間が経過した後に処理済の処理物を前記炉室外に搬出する工程を繰り返し実行する搬送機構と、
   前記炉室内を加熱するヒータと、
   受光面が前記炉室内における前記搬送経路の一部である測定位置に対向するように固定的に配置され、前記受光面における赤外線受光量に応じた温度を測定する放射温度計と、を備え、
   前記壁面の少なくとも受光面に対向する対向部分を、処理物よりも赤外線放射率が恒常的に低い低放射率材料で構成した連続加熱炉。
2. 前記炉室内で前記受光面に対向する位置に、低放射率材料で構成した対向部材を備えた請求項１に記載の連続式加熱炉。
3. 前記対向部材は、鏡面加工したシリコンである請求項２に記載の連続式加熱炉。
4. 前記受光面と前記測定位置との間に両端が位置する遮蔽筒であって、周面において少なくとも赤外線を遮蔽する遮光筒を備えた請求項１〜３の何れかに記載の連続式加熱炉。
5. 受光面が炉室内における処理物の測定位置に対向するように放射温度計を固定的に配置するとともに、前記炉室を構成する壁面において前記受光面が前記測定位置を挟んで対向する部分に、処理物よりも赤外線放射率が恒常的に低い部材を配置し、
   処理物の加熱処理の開始から終了までの間における放射温度計の測定温度プロファイルにおいて急激に低下する直前の温度を処理物のピーク温度とする連続式加熱炉の温度測定方法。

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