JP2016143510A - Induction heating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導加熱装置に係り、特に、半導体基板を熱処理する際に好適なコイル形状を備えた誘導加熱装置に関する。 The present invention relates to an induction heating apparatus, and more particularly to an induction heating apparatus having a coil shape suitable for heat treatment of a semiconductor substrate.
半導体基板を熱処理する枚葉型の誘導加熱装置としては、特許文献1、2に開示されているようなものが知られている。いずれの文献に開示されている誘導加熱装置も、円環形状とした複数の誘導加熱コイルを同心円状、あるいは螺旋状に配置している。そして、複数の誘導加熱コイルは、いずれも中心軸回りに略対称な形態となるように構成されている。 As a single wafer type induction heating apparatus for heat-treating a semiconductor substrate, those disclosed in Patent Documents 1 and 2 are known. In any of the induction heating devices disclosed in any document, a plurality of induction heating coils having an annular shape are arranged concentrically or spirally. And the some induction heating coil is comprised so that all may become a substantially symmetrical form around a central axis.
上記特許文献に開示されている誘導加熱装置は、いずれも複数の誘導加熱コイルそれぞれに対して供給する電力を個別に制御することが可能に構成されている。しかし、同心円状に配置された誘導加熱コイルによる被誘導加熱部材の加熱では、中心部に投入される磁束が垂直方向に向う磁束のみとなり、周囲に比べて発熱量が低くなるという問題がある。 The induction heating devices disclosed in the above patent documents are each configured to be able to individually control the power supplied to each of the plurality of induction heating coils. However, in the heating of the induction heating member by the induction heating coils arranged concentrically, there is a problem that the magnetic flux injected into the central portion is only the magnetic flux directed in the vertical direction, and the heat generation amount is lower than the surroundings.
このような問題に対し、特許文献1に開示されている誘導加熱装置では、被誘導加熱部材の厚みや、誘導加熱コイルと被誘導加熱部材との距離を変化させ、被誘導加熱部材の中心部の発熱量の増大を図っている。 With respect to such a problem, in the induction heating device disclosed in Patent Document 1, the thickness of the induction heating member and the distance between the induction heating coil and the induction heating member are changed, and the center portion of the induction heating member is changed. The amount of heat generated is increased.
また、特許文献2に開示されている誘導加熱装置では、円環状の誘導加熱コイルに加え、被誘導加熱部材の中心を加熱するためのレーザ加熱手段を設けることで、被誘導加熱部材全体を均等加熱することが提案されている。 In addition, in the induction heating device disclosed in Patent Document 2, in addition to the annular induction heating coil, a laser heating means for heating the center of the induction heating member is provided, so that the entire induction heating member is evenly distributed. It has been proposed to heat.
上記のような特徴を持つ誘導加熱装置は、いずれも被誘導加熱部材の発熱分布を均一にする事に適していると言える。 It can be said that any of the induction heating devices having the above features is suitable for making the heat distribution of the induction heating member uniform.
しかし、特許文献1、2に開示されている誘導加熱装置では、いずれも、被誘導加熱部材の中心部分の発熱量を増やすために、被誘導加熱部材の形態や厚みに変化を持たせたり、誘導加熱コイル以外の加熱手段を設けるという構成を採っているため、製造コストの高騰や、制御の煩雑化を招くといった課題が残ることとなる。 However, in the induction heating devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, in order to increase the calorific value of the central portion of the induction heating member, in order to increase the form and thickness of the induction heating member, Since a configuration in which a heating means other than the induction heating coil is provided is employed, there remains a problem that the manufacturing cost increases and the control becomes complicated.
そこで本発明では、上記課題を解決し、平板状の被誘導加熱部材を採用し、かつ加熱手段を誘導加熱コイルのみとした場合であっても、被誘導加熱部材中心部の発熱量の向上を図ることのできる誘導加熱装置を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, even if the above-mentioned problem is solved, a flat plate-shaped induction heating member is employed, and the heating means is only an induction heating coil, the amount of heat generated at the center of the induction heating member can be improved. An object of the present invention is to provide an induction heating device that can be realized.
上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、被誘導加熱部材と対向するように、円環状に配置された円形誘導加熱コイルと、前記被誘導加熱部材に対向配置され、かつ前記円形誘導加熱コイルの内周側に、前記円形誘導加熱コイルの形態に沿った円環の中心軸回りに非対称な形態を持つ非対称誘導加熱コイルと、各誘導加熱コイルに対して個別に電力供給することを可能とするインバータと、を備えることを特徴とする誘導加熱装置。 In order to achieve the above object, an induction heating apparatus according to the present invention includes a circular induction heating coil arranged in an annular shape so as to face an induction heating member, an opposite arrangement to the induction heating member, and An asymmetric induction heating coil having an asymmetric shape around the center axis of the circular ring along the shape of the circular induction heating coil and an electric power are individually supplied to each induction heating coil on the inner peripheral side of the circular induction heating coil. An induction heating device comprising: an inverter that makes it possible.
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において、前記円形誘導加熱コイルは、同心円状に配置された複数の誘導加熱コイルにより構成されるようにすると良い。このような特徴を有することによれば、電力を供給する際の分解能が増し、より高精度な温度分布制御が可能となる。 In the induction heating apparatus having the above-described features, the circular induction heating coil may be configured by a plurality of induction heating coils arranged concentrically. With such a feature, the resolution at the time of supplying electric power increases, and more accurate temperature distribution control becomes possible.
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記被加熱部材を前記円形誘導加熱コイルの中心軸回りに回転させる回動手段を備えるようにすると良い。このような特徴を有することにより、被誘導加熱部材に生じる温度分布の偏りを抑制し、より高精度な均等加熱を行うことが可能となる。 Moreover, in the induction heating apparatus having the above-described characteristics, it is preferable to include a rotating unit that rotates the member to be heated around the central axis of the circular induction heating coil. By having such characteristics, it is possible to suppress uneven temperature distribution occurring in the induction heating member and perform uniform heating with higher accuracy.
上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、平板状の被誘導加熱部材を採用し、かつ加熱手段を誘導加熱コイルのみとした場合であっても、被誘導加熱部材中心部の発熱量の向上を図ることができ、被誘導加熱部材における温度分布の均等化を図ることが可能となる。 According to the induction heating apparatus having the characteristics as described above, even if a flat induction heating member is employed and the heating means is only an induction heating coil, the amount of heat generated at the center of the induction heating member. The temperature distribution in the induction heating member can be equalized.
以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the induction heating apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本実施形態に係る誘導加熱装置全体の概要について、図1を参照して説明する。図1に示す誘導加熱装置10は、誘導加熱コイル12a,12b,12cと、インバータ(逆変換回路)14a,14b,14c、チョッパ回路22a,22b,22c、コンバータ(順変換回路)26、および電源部30を基本として構成されている。
First, the outline | summary of the whole induction heating apparatus which concerns on this embodiment is demonstrated with reference to FIG. An induction heating apparatus 10 shown in FIG. 1 includes
図1に示す誘導加熱装置10は、詳細を後述するコンバータ26に対して、チョッパ回路22a,22b,22c、インバータ14a,14b,14c、および誘導加熱コイル12a,12b,12cからなる回路が、並列に接続されることで構成されている。よって本実施形態に係る誘導加熱装置10は、個別に電力制御可能な複数の誘導加熱回路を備えていることとなる。
In the induction heating apparatus 10 shown in FIG. 1, a circuit composed of
誘導加熱コイル12a,12b,12cは、高周波電流を供給可能なインバータ14a,14b,14cが接続されたコイルである。本実施形態の場合、単一の被誘導加熱部材40(例えば円盤状のグラファイト:図2、図3参照)に対して、複数(図1に示す例では3つ)の誘導加熱コイル12a,12b,12cを近接配置する構成としている。このような配置構成とした場合、コイルへ電力を投入した際、隣接して配置された誘導加熱コイル12a,12b,12c間には、相互誘導電圧Vmが生ずることとなる。
The
図1に示す誘導加熱装置10で採用しているインバータ14a,14b,14cは、電圧型インバータである。各誘導加熱コイル12a,12b,12cとインバータ14a,14b,14cとの間には、共振コンデンサ32a,32bが直列に接続されており、両者の間には、直列共振回路が構成されている。よって、図1に示す誘導加熱装置10は、複数(3つ)の自己共振回路を構成しているということができる。
インバータ14a,14b,14cは、単相のフルブリッジインバータを構成している。スイッチング素子としては、IGBT16を採用し、負荷電流を転流させるためにダイオード18を逆並列に接続する構成としている。ブリッジ回路の前段には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ20と平滑コイル(DCL:DCリアクトル)21が設けられている。
チョッパ回路22a,22b,22cは、コンバータ26から出力された定電圧の直流電圧をスイッチング素子であるIGBT24でチョッピングすることでデューティ比を変化させて、インバータ14a,14b,14cへ入力する平均電圧を変化させる役割を担う。チョッパ回路22a,22b,22cとコンバータ26との間には、平滑コンデンサ25が設けられている。
The
コンバータ26は、ダイオード28を用いて構成される三相ダイオードブリッジにより成る。電源部30より供給された三相交流電流を直流電流に変換し、チョッパ回路22a,22b,22cへと供給する役割を担う。
The
このような構成の誘導加熱装置10では、図示しない制御手段により、各誘導加熱コイル12a,12b,12cに供給される電流の周波数を一致させると共に、当該電流の波形を同期させる制御を行うことで、近接配置された誘導加熱コイル12a,12b,12c間に生じる相互誘導(誘導起電力)の影響を回避して、各インバータ14a,14b,14c毎に電力調整を行うことを可能とされている。なお、誘導加熱装置10構成する誘導加熱コイル12a、2b,12cを含む自己共振回路の数は、任意に増減させて構成したとしても、本発明の効果に影響を与えるものではない。自己共振回路の数を増やすことにより、温度分布制御を行う際の分解能が増加し、より高精度な温度分布制御を行うことが可能となる。
In the induction heating apparatus 10 having such a configuration, the control means (not shown) controls the frequencies of the currents supplied to the
次に、実施形態に係る誘導加熱コイル12a,12b,12cの具体的な形態について、図2、図3を参照して、具体例を紹介する。まず、本実施形態に係る誘導加熱装置10における誘導加熱コイルの基本形態は、円環状の配置形態である。図2に示す誘導加熱コイルは、円環の中心に配置された誘導加熱コイル12a以外の誘導加熱コイル12b,12cは、同じ形態となるように示している。
Next, specific examples of the specific forms of the
すなわち、誘導加熱コイル12b,12cは、それぞれ、平面視した際に、円環部が、その中心軸回りに対称(例えば中心線Aを基準とした場合には、略線対称)となるように形成されている。また、誘導加熱コイル12b,12cによって形成される円環部は、それぞれ同心円状に形成されるようにする。被誘導加熱部材40であるグラファイト等は、誘導加熱コイル12b,12cの外周形状と同様に円盤型に形成されている。このため、誘導加熱コイル12b,12cを同心円状に形成配置することで、被誘導加熱部材40を均等加熱しやすくなる。なお、誘導加熱コイル12b,12cを側面側から見た配置形態は、図3に示すように、平板状に形成された被誘導加熱部材40の板面に沿う形態としている。
That is, each of the
円環状に形成された誘導加熱コイル12b,12cの内側に配置される誘導加熱コイル12aは、誘導加熱コイル12b,12cにより構成される円環の中心軸回りに非対称な形態(例えば中心線Aを基点として線対称とならない形態)となるように構成されている。通常、図4に示すように、中心に配置される誘導加熱コイル12a1を円環状(対称形態)とした場合、被誘導加熱部材40の中心に作用する磁束は、そのほとんどが垂直方向の磁束であり、磁束の進行方向回りに生じる渦電流の発生が少なくなる。このため、被誘導加熱部材40を均等加熱しようとした場合であっても、図6に示すように、中心付近の発熱量が極めて低い状態となってしまう傾向があり、被誘導加熱部材40の形態を工夫するなどの対策が必要とされてきた。
The
これに対し、本実施形態に係る誘導加熱装置では、図2、図3に示すように、中心軸回りに非対称な形態(図2に示す形態はI型)としたことで、被誘導加熱部材40の中心付近にも、水平方向へ進行する磁束を投入することが可能となる(図3参照)。このため、被誘導加熱部材40の中心付近において磁束回りに生じる渦電流の発生量が増大し、図7に示すように、被誘導加熱部材の中心付近における発熱量の改善を図ることができる。よって、被誘導加熱部材の形態に工夫を凝らすことなく、誘導加熱コイル12a,12b,12cに投入する電力の制御だけで、被誘導加熱抜材40の温度分布を高精度に均等化することが可能となる。
On the other hand, in the induction heating apparatus according to the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the induction heating member has an asymmetric form around the central axis (the form shown in FIG. 2 is an I type). The magnetic flux traveling in the horizontal direction can also be applied near the center of 40 (see FIG. 3). For this reason, the generation amount of eddy current generated around the magnetic flux increases near the center of the
また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置10では、被誘導加熱部材40に対し、回動手段50を設けるようにすると良い。誘導加熱コイル12a,12b,12cにより加熱される被誘導加熱部材40自体を中心軸回りに水平回転させることで、発熱量に偏りが生じ難くなる。よって、被誘導加熱部材40を加熱する際の温度分布をより均等なものとすることが可能となる。回動手段50の具体的な構成としては、例えば図5に示すようなものであれば良い。すなわち、被誘導加熱部材40を支持するための爪52と、回転軸を構成すると共に、誘導加熱コイル12a,12b,12cに接続された導電線を装置外部に引き回すための回転筒54、および回転筒54の外周に設けられた歯車56に噛み合って動力を伝達する回転軸を備えた駆動手段58を備えるようなものであれば良い。
In addition, in the induction heating device 10 having the above-described characteristics, it is preferable to provide the rotation means 50 for the
また、誘導加熱コイル12aの形態としては、中心軸回りに非対称な形態(例えば中心線Aを基点として線対称でない形態)であれば、図8に示すようなL型形状や、図9に示すようなN型形状としても良い。いずれの形態の場合であっても、被誘導加熱部材40の中心に到達する磁束に、水平方向の磁束を加えることが可能となるからである。
Moreover, as a form of the
10………誘導加熱装置、12a,12b,12c………誘導加熱コイル、14a,14b,14c………インバータ、16………IGBT、18………ダイオード、20………平滑コンデンサ、21………平滑コイル、22a,22b,22c………チョッパ回路、24………IGBT、25………平滑コンデンサ、26………コンバータ、28………ダイオード、30………電源部、40………被誘導加熱部材、50………回動手段、52………爪、54………回転筒、56………歯車、58………駆動手段。 10 ......... Induction heating device, 12a, 12b, 12c ......... Induction heating coil, 14a, 14b, 14c ......... Inverter, 16 ......... IGBT, 18 ......... Diode, 20 ......... Smoothing capacitor, 21 ......... Smooth coil, 22a, 22b, 22c ......... Chopper circuit, 24 ......... IGBT, 25 ......... Smoothing capacitor, 26 ......... Converter, 28 ......... Diode, 30 ......... Power supply, 40 ………… Induction heating member, 50 ……… Rotating means, 52 ……… Nail, 54 ………… Rotating cylinder, 56 ……… Gear, 58 ……… Drive means.
Claims (3)
前記被誘導加熱部材に対向配置され、かつ前記円形誘導加熱コイルの内周側に、前記円形誘導加熱コイルの形態に沿った円環の中心軸回りに非対称な形態を持つ非対称誘導加熱コイルと、
各誘導加熱コイルに対して個別に電力供給することを可能とするインバータと、
を備えることを特徴とする誘導加熱装置。 A circular induction heating coil arranged in an annular shape so as to face the induction heating member;
An asymmetric induction heating coil disposed opposite to the induction heating member and having an asymmetric shape around a central axis of an annulus along the shape of the circular induction heating coil on the inner peripheral side of the circular induction heating coil;
An inverter capable of individually supplying power to each induction heating coil;
An induction heating apparatus comprising:
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