JP3888617B2

JP3888617B2 - 加熱装置

Info

Publication number: JP3888617B2
Application number: JP2001339224A
Authority: JP
Inventors: 文夫渡辺; 美津雄前原
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: JP2003139468A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱チューブに収納した加熱物をその周囲からヒータで加熱する加熱装置に関し、特に加熱時にヒータから発せられる輻射熱の有効利用による加熱効率の向上と、加熱停止時に加熱物側から放射される残熱の吸収による速やかな冷却とを図った加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおけるキーテクノロジーは、半導体ウエハ等の加熱時の高精度な熱コントロールである。大型集積回路（超ＬＳＩ）のますますの微細化と高速化、さらには低コスト化が要求されるに伴って、超ＬＳＩの製造プロセスで形成される薄膜は、さらに薄く、高品位が要求されようになっている。
【０００３】
半導体製造装置の中でも最も古くから主要装置として使われてきているバッチ式熱拡散装置（縦型拡散装置）においても、特に、目的の温度までの速やかな昇温と、加熱終了後の常温までの速やかな降温が要求される。これは、生産性向上のみならず、加熱処理工程における品質の確保のうえでも重要である。
【０００４】
従来における加熱装置は、例えば内部に加熱物を収納した状態で真空状態とすることが出来る気密な加熱チューブの周囲にヒータを配置し、このヒータで加熱チューブの中の加熱物を加熱するものである。このような加熱装置では、加熱効率の向上を図るため、加熱チューブ及びヒータを囲むように、輻射熱を反射する反射板や輻射熱を断熱する断熱材を設けている。さらに、加熱後に加熱チューブ内を常温にまで冷却するための冷却装置が周囲に設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、従来の加熱装置では、加熱時に反射板や断熱材により、ヒータで発生する熱を加熱チューブ側に集めることにより、加熱チューブの速やか加熱が図れるが、加熱終了後の冷却時には、反射板や断熱材が邪魔になって、冷却装置による冷却の効率が悪い。このため、速やかな冷却が図れないという課題がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の加熱装置における課題に鑑み、加熱時の加熱効率の向上により、速やかな昇温を図る一方で、加熱終了時には、残熱を効率的に吸収することにより、速やかな降温を図ることができる加熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、加熱時には、ヒータ１から発する輻射熱を反射する反射体２０、２２、２４が加熱チューブ１４に輻射熱を反射する位置にあり、他方加熱終了時には、少なくとも反射体２０、２２、２４の一部が加熱チューブ１４に相対しない向き或いは位置に可変するようにした。さらに、加熱終了時には、少なくとも反射体２０、２２、２４の一部に代えて、熱を吸収する吸熱体２１、２３が加熱チューブ１４側に相対するようにしたものである。
【０００８】
すなわち、本発明による加熱装置は、片面側にヒータ１から放出される輻射熱を加熱チューブ１４側に向けて反射する反射体２０が、他面側に前記加熱チューブ１４から放出される輻射熱を吸収する吸熱体２１とが設けられた反射吸熱板１８を有し、この反射吸熱板１８の加熱チューブ１４側に相対する面が可変できるようになっているものである。
例えば、反射吸熱板１８は、加熱チューブ１４及びヒータ１を囲むように円形状に配列され、且つその縦方向の中心軸の回りに回転できるように設ける。
【０００９】
このような加熱装置では、加熱時に反射吸熱板１８を、その反射体２０が加熱チューブ１４側に相対する向きとすることにより、ヒータ１から放出される輻射熱を加熱チューブ１４側に向けて反射することが出来る。これにより、速やかな昇温が可能となり、加熱効率の向上を図ることができる。
【００１０】
他方、加熱終了時には、反射吸熱板１８を、その吸熱体２１が加熱チューブ１４側に相対する向きとすることにより、加熱チューブ１４から放射される輻射熱を吸収することが出来る。これにより、速やかな降温が可能となり、昇温時間の短縮を図ることができる。
【００１１】
反射吸熱板１８は、特に加熱終了後の冷却時には、同反射吸熱板１８を冷却する水等の冷却液を通す冷却パイプ１９を備えるのが好ましい。反射吸熱板１８を回転させる場合、この冷却パイプ１９を、反射吸熱板１８の縦方向の中心軸の位置に設け、この冷却パイプ１９を回転軸として反射吸熱板１８を回転すると好都合である。
【００１２】
さらに、本発明による他の加熱装置は、前記ヒータ１から放出される輻射熱を加熱チューブ１４側に向けて反射する反射体２２と、前記加熱チューブ１４から放出される輻射熱を吸収する吸熱体２３とが設けられ、これら反射体２２と吸熱体２３がヒータ１及び加熱チューブ１４の陰になる位置と相対する位置との間で交互に移動可能となったものである。
【００１３】
このような加熱装置においても、ヒータ１から放出される輻射熱を加熱チューブ１４側に向けて反射する反射体２２と、加熱チューブ１４から放出される輻射熱を吸収する吸熱体２３とが、加熱時と加熱後の冷却時にそれぞれ加熱チューブ１４に相対するようにすることが出来る。これにより、前述の加熱装置と同様にして、加熱時の速やかな昇温と加熱終了後の速やかな降温とが図れる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１と図２は、本発明による加熱装置において使用するのに好適なヒータユニットの全体を示すもので、図３と図４はそれぞれその下端と上端を示す。
【００１５】
図１と図２に示すように、このヒータユニットの主要部をなすヒータ１は、薄い長尺薄板状のものであって、炭素繊維を炭素基材で結合・固定したものである。一般に炭素繊維は、エポキシ樹脂等の樹脂基材により結合・固定され、パイプ状、板状、薄板状等に成型されて使用されることが多い。本発明では、樹脂基材ではなく、炭素基材を使用して炭素繊維を結合・固定したものである。
【００１６】
例えばそのその製造方法は、炭素繊維の編成体を薄板状とした状態で、これを炭化可能な結合剤と共にホットプレス成形する。その後、この成形されたシートを約２０００℃の温度で焼成し、炭化するものである。こうして作られた薄板状のヒータ１は、炭素基材に炭素繊維が結合・固定化されたものであり、炭素繊維と炭素基材との複合材である。このようなヒータ１として使用出来る材料としては、アクロス株式会社（埼玉県蕨市）製の商品名「エクセルシー」等を挙げることができる。
【００１７】
このようなヒータ１は、炭素独特の物理的、化学的な物性を有すると共に、高強度であり、厚さ０．５ｍｍより薄いものを得ることが出来る。また、このヒータ１は熱膨張係数が極めて小さく、繊維が長手方向に揃っているか否かで異なるが、熱膨張係数は長手方向で０．６〜１．１（１０^-6／℃）である。また、熱輻射率εは、ε＝０．８〜０．９と極めて高い。
【００１８】
このようなヒータ１は、図２に示すように幅方向の中央部にその下端から上端近くまで切り込まれたスリット１６を有し、全体として縦に長い逆Ｕ字形となっている。
このヒータ１の二つに分かれた両下端部には、銅やニッケル等の金属からなる端子３、３を取り付ける。図３は、この端子３、３を取り付ける構造の例を示している。
【００１９】
ヒータ１の両下端部に通孔１１を設け、この部分を両側からグラファイト製のヒータホルダ４ａ、４ｂで挟む。この一方のヒータホルダ４ａには、前記ヒータ１の両下端部に通孔１１に嵌合される突起９を有しており、他方のヒータホルダ４ｂには、前記一方のヒータホルダ４ａの突起９を密に嵌合する凹部１０を有している。さらに、双方のヒータホルダ４ａ、４ｂには、下方にいくに従って厚みが増すようなテーパ１３ａ、１３ｂが形成されている。また端子３は、上端が二股状に分かれており、その上端内面には、前記ヒータホルダ４ａ、４ｂのテーパ１３ａ、１３ｂに対応する逆方向のテーパ１２ａ、１２ｂが形成されている。
【００２０】
前記の一対のヒータホルダ４ａ、４ｂでヒータ１の下端部を挟むと共に、一方のヒータホルダ４ａの突起９を、ヒータ１の下端部の通孔１１に嵌め込み、さらにこの突起９を他方のヒータホルダ４ｂの凹部１０に嵌め込んで固定する。次に、端子３の上端側の二股状になった部分を図３に矢印で示すように押し拡げ、この上端部を前記ヒータホルダ４ａ、４ｂを両側から挟むように嵌め込む。これにより端子３、３がヒータホルダ４ａ、４ｂを介してヒータ１の下端部に取り付けられる。
【００２１】
このようにして端子３、３を取り付けたヒータ１を図１と図２に示すような管２に収納する。この管２は、石英ガラス等からなる扁平なもので、上端部に近い部分が厚さ方向に折れ曲がり、く字形となっている。この折れ曲がった部分に窒化ホウ素等からなる棒状のガイド１０が設けられている。
【００２２】
ヒータ１は管２の内部に収納されると共に、その一対の端子３、３が管２の下端部に互いに絶縁した状態で封止される。そしてヒータ１の上端側は、前記の折れ曲がり部分でガイド１０により案内されて、管３の屈曲角度と同じ角度で折り曲げられ、上端が管３の上端部に達している。
【００２３】
図４にも示すように、管３の上端部には、バネ室１７が設けられ、ここに圧縮性のバネ６が収納されている。このバネ６の中には、上端にフランジを有するピン７が嵌め込まれ、上端のフランジがバネ６の上端を受けた状態で、ピン７の下端側がバネ室１７の底壁の孔を通してヒータ１側に引き出されている。そして、バネ６が圧縮された状態で、ピン７の下端のフックがヒータ１の上端の小孔に掛けられている。これにより、ヒータ１は、バネ６の弾力でガイド１０により折り曲げられた状態で張られ、管３の中に収納される。
【００２４】
さらに、管３の下端部の端子３、３の間とバネ室１７の上端部には、図２に矢印で示すように、管３の中にＮ₂ガス等の不活性ガスを導入し、排出するガスポート５、６が設けられている。下方のガスポート５から管３の中に導入された不活性ガスは、管３の中をそのガス雰囲気に維持しながら、上方のガスポート６から排出される。
【００２５】
図５と図６は、前記のヒータユニットを使用した本発明の一実施形態による加熱装置を示すものである。
この加熱装置では、ベース１５の上に設けた真空チューブ１４の中の半導体ウエハ等の加熱物（図示せず）を加熱するため、真空チューブ１４の周囲に前述のヒータユニットを６組み円筒状に並べて配置している。ヒータユニット６は、端子５、５を介して直列に接続し、１２０゜間隔で三相電源に接続し、ヒータ１に電力を供給する。また、下方のガスポート５から不活性ガスを管３の中に導入し、この不活性ガスを上方のガスポート６から排出することにより、排出管３の中を不活性ガス雰囲気に維持しながら、ヒータ１を加熱し、ヒータ１の焼失を防止する。
【００２６】
図５から明らかなように、ヒータ１はく字形に曲げてあり、その下側の部分を真空チューブ１の周囲に配置し、上側の斜めになった部分を真空チューブ１４の上に配置している。これにより、真空チューブ１４を周囲からだけでなく、その上方からも加熱することができる。
【００２７】
さらに、加熱チューブ１４とその周囲のヒータユニットを囲むように、１２個の反射吸熱板１８が加熱チューブ１４の中心から何れも同じ距離に３０゜間隔で配置されている。
この反射吸熱板１８は、片面側がアルミニウム等の金属板の表面を鏡面とした反射体２０となっている。この反射体２０の表面の有効輻射率はε＝０．０３程度と極めて低い。反射吸熱板１８の他面側は、暗色系のセラミック層からなる吸熱体２１となっている。この吸熱体２１の表面の有効輻射率はε＝０．９程度と極めて高い。
【００２８】
この反射吸熱板１８の縦方向の中心軸に沿って冷却液を通す冷却パイプ１９が貫通しており、この冷却パイプ１９に冷却液を通すことにより、反射吸熱板１８が冷却される。また、この冷却パイプ１９は、回転軸を兼ねており、その下端側に設けた歯車機構（図示せず）により、１２個の反射吸熱板１８が縦方向の中心軸の回りに同時に回転される。１２個の反射吸熱板１８は、加熱チューブ１４の中心軸に対して何れも同じ方向を向いており、図５と図６に示した状態では、１２個の反射吸熱板１８の全てが、反射吸熱板１８の反射体２０の表面を加熱チューブ１４の中心軸に正対する方向となっている。
【００２９】
このような加熱装置では、まずヒータ１により加熱する時は、反射吸熱板１８を図５と図６に示す向きに向けておく。これにより、ヒータ１の輻射熱は加熱チューブ１４に直接照射される他、反射吸熱板１８の反射体２０の表面で反射された輻射熱もまた加熱チューブ１４に照射される。このため、ヒータ１の熱を加熱チューブ１４に集中することができ、効率の良い加熱が可能となり、急速加熱が可能となる。
【００３０】
他方、この加熱装置において、ヒータ１への電力の供給を停止し、加熱を停止した時は、反射吸熱板１８を図５と図６に示す向きから１８０゜回転させる。これにより、反射吸熱板１８の吸熱体２１の表面が加熱チューブ１４の中心軸に正対する。このため、加熱チューブ１４から放射される残熱は、反射吸熱板１８の吸熱体２１の表面で吸収される。さらにこの吸収された熱は、冷却パイプ１９の中を通る冷却液に吸収され、反射吸熱板１８から徐冷される。これにより、効率の良い放熱が可能となり、急速冷却が可能となる。
【００３１】
次に、図７に示した実施形態について説明すると、この実施形態による加熱装置は、ヒータユニットとその内側の加熱チューブ１４の部分は図６と同様である。図７では、前述した図６と対応する横断平面を示している。
この実施形態による加熱装置において図５と図６に示した実施形態のものと異なる点は、加熱体２２、２４と反射体２３の配置とそれらの動きである。
【００３２】
図７に示すように、ヒータユニットの外側の位置であって、隣接するヒータユニットの間に板状の反射体２４がその表面を加熱チューブ１４の中心軸方向に向けて設置されている。従って、この反射体２４は、加熱チューブ１４の中心軸の回りに６０゜間隔で６つ設けられている。この反射体２４は、アルミニウム等の金属板の表面を鏡面としたものであり、この反射体２４の表面の有効輻射率はε＝０．０３程度と極めて低い。この反射体２４の裏面側には、放熱用のフィンが突設されている。
【００３３】
さらに、この反射体２０の外側には、６つの板状の反射体２２と、やはり６つの板状の吸熱体２３とが、加熱チューブ１４の中心軸の回りの円周方向に３０゜間隔で配置されている。これらの反射体２２と吸熱体２３とは、何れもそれらの表面が加熱チューブ１４の中心軸に正対する向きとなっている。反射体２２は、基本的には前述した反射体２２と同様のものであるが、吸熱体２３は、暗色系のセラミック板からなり、その表面の有効輻射率はε＝０．９程度と極めて高い。これらの反射体２２と吸熱体２３の裏面側にも、放熱用のフィンが突設されている。
【００３４】
これらの反射体２２と吸熱体２３とは、それらの相対的位置が固定された状態で、回転機構（図示せず）により、加熱チューブ１４の中心軸の回りに矢印で示すように３０゜の角度だけ回転される。図７に示した状態では、吸熱体２３がその内側にある反射体２２の陰に隠れており、反射体２２がヒータユニット及び加熱チューブ１４側に相対している。次に、この位置から３０゜図において右または左方向に回転すると今度は、反射体２２がその内側にある反射体２２の陰に隠れ、吸熱体２３がヒータユニット及び加熱チューブ１４側に相対する位置に移動してくる。
【００３５】
このような加熱装置では、まずヒータ１により加熱する時は、外側の反射体２２と吸熱体２３とを図７に示す位置にしておく。これにより、ヒータ１の輻射熱は加熱チューブ１４に直接照射される他、外側の反射体２２と内側の反射体２４表面で反射された輻射熱も加熱チューブ１４に照射される。このため、ヒータ１の熱を加熱チューブ１４に集中することができ、効率の良い加熱が可能となり、急速加熱が可能となる。
【００３６】
他方、この加熱装置において、ヒータ１への電力の供給を停止し、加熱を停止した時は、外側の反射体２２と吸熱体２３とを図７に示す位置から３０゜だけシフトした位置に変える。これにより、外側の反射体２２が内側の反射体２４の陰に隠れ、その代わりに吸熱体２３がヒータ１と加熱チューブ１４の方向に向く。このため、ヒータ１と加熱チューブ１４から放射される残熱は、吸熱体２３の表面で吸収され、さらにこの吸収された熱は、強制空冷により放熱用のフィンから放熱される。これにより、効率の良い放熱が可能となり、急速冷却が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による加熱装置では、ヒータユニットによる加熱時と加熱の停止時におけいて、反射体２０、２２と吸熱体２１、２３を移動させることにより、効率的な加熱と冷却が可能となる。これにより、加熱時の速やかな昇温と、加熱終了時の速やかな降温という相反する課題を共に達成することが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による加熱装置によりヒータとして使用するヒータユニットの例を示す縦断側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】前記ヒータユニットの下端の端子部分の拡大分解縦断側面図である。
【図４】前記ヒータユニットの上端のバネ部分の拡大縦断側面図である。
【図５】本発明の一実施形態による加熱装置を示す背景を省略した縦断側面図である。
【図６】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による加熱装置を示す図５のＢ−Ｂ線位置に対応する横断平面図である。
【符号の説明】
１ヒータ
１４加熱チューブ
１８反射吸熱板
１９反射吸熱板の冷却パイプ
２０反射体
２１吸熱体
２２反射体
２３吸熱体

Claims

加熱物を収納する加熱チューブ（１４）と、この加熱チューブ（１４）に向けて配置されたヒータ（１）とを有する加熱装置において、片面側に前記ヒータ（１）から放出される輻射熱を加熱チューブ（１４）側に向けて反射する反射体（２０）が、他面側に前記加熱チューブ（１４）から放出される輻射熱を吸収する吸熱体（２１）とが設けられた反射吸熱板（１８）を有し、この反射吸熱板（１８）の加熱チューブ（１４）側に相対する面が可変できるようになっていることを特徴とする加熱装置。
反射吸熱板（１８）は、加熱チューブ（１４）及びヒータ（１）を囲むように円形状に配列され、且つその縦方向の中心軸の回りに回転できるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
反射吸熱板（１８）の縦方向の中心軸の位置に冷却液を通す冷却パイプ（１９）が設けられ、この冷却パイプ（１９）が回転軸を兼ねていることを特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
加熱物を収納する加熱チューブ（１４）と、この加熱チューブ（１４）に向けて配置されたヒータ（１）とを有する加熱装置において、前記ヒータ（１）から放出される輻射熱を加熱チューブ（１４）側に向けて反射する反射体（２２）と、前記加熱チューブ（１４）から放出される輻射熱を吸収する吸熱体（２３）とが設けられ、これら反射体（２２）と吸熱体（２３）がヒータ（１）及び加熱チューブ（１４）の陰になる位置と相対する位置との間で交互に移動可能であることを特徴とする加熱装置。