JP4883589B2 - アニール炉 - Google Patents

Description

本発明は、アニール炉に関し、特に磁気アニールに使用されるアニール炉に関する。

磁気抵抗素子の磁気特性をよくするために、素子をその磁性材料のキュリー温度より高くし、磁化をそろえたい方向に磁場をかけながら、温度を下げる磁気アニールという行程が知られている。この磁気アニールにおいて素子を加熱して、その磁性材料のキュリー温度より高くするためにアニール炉が使用されている（特許文献１参照）。

従来のアニール炉３０は、図５に示すように、加熱されるべき素子（サンプル）３１を収容する真空槽３２と、真空槽３２の周囲に配置されたヒータ３３と、ヒータ３３の外側に配置されたマグネット３４とを備えている。このようなアニール炉３０により、真空槽３２に入れた素子３１をヒータで加熱し、磁場をかけて磁気アニールを行う。なお、３５は断熱材を示し、３６は冷却水用パイプを示している。

特開２００４−４７０２７号公報

従来のアニール炉３０では、素子３１が真空槽３２に入っているために、真空槽３２を介して加熱、冷却を行うために、加熱、冷却に要する時間がかかり、しかも素子３１を均等に加熱、冷却できないという問題が生じる。また、ヒータ３３とマグネット３４は断熱材３５を介してはいるが、室温でかつ近傍にあるため、マグネット３４の冷却が問題になる。さらに、マグネット３４の冷却機構は、図４に示すように、通常、コイルの外部水冷用パイプ３６を巻き付け、そこに水を流して冷却する構成としているが、このような冷却機構を室温部に設置させるため、装置が大型になりやすい。

本発明は、従来のアニール炉の問題を解消することを目的とするものであり、次のようなことを課題とする。
（１）ヒータによって素子を効果的に加熱し、ヒータの熱が外部に伝わらないようにする。
（２）冷却についても、速やかに冷却が行えるようにする。
（３）素子を簡単に交換可能に支持できるようにする。

本発明は上記課題を解決するために、マグネットと、マグネットにより発生する磁場内に置かれた真空槽と、真空槽内に設けられたラジエーションシールドとを備えるとともに、ラジエーションシールド内に設けられたヒータと、冷却手段と、処理すべき素子を支持するサンプルホルダーを載置する載置台を備えていることを特徴とするアニール炉を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、マグネットと、マグネットにより発生する磁場内に置かれた真空槽と、真空槽内に設けられたラジエーションシールドと、ラジエーションシールドで囲まれた空間内に設けられたヒータと、ヒータの内側に設けられた冷却手段と、冷却手段で囲まれた空間に配置され、処理すべき素子を支持するサンプルホルダーを載置する載置台とを備えていることを特徴とするアニール炉を提供する。

サンプルホルダーは、直方体形状の金属製ブロックから構成されており、その一面に、処理すべき素子を挿入することのできるスリットが形成されていることが好ましい。サンプルホルダーに用いる金属製ブロックの材料としては、銅、銅合金、アルミ合金、チタン、チタン合金が望ましい。

載置台は、その上面に位置決め溝が形成されており、該溝にサンプルホルダーの側面の向きを選択的に変えて位置決めして載置することが可能な構成としたことが好ましい。

ヒータで素子をキューリー点以上に加熱して素子の磁化を消滅させてから、磁場をかけながら冷却手段で素子を降温することにより素子の磁化方向を揃えることが可能な構成としたことが好ましい。

本発明のアニール炉によれば、簡単な構造によって、ヒータの熱が外部に逃げることなく、素子を効果的に加熱、冷却することができ、また冷却も速やかに冷却でき、しかも素子を磁場に対して選択的に所定の方向で正確に位置決めでき、さらに簡単に交換することができる。

本発明に係るアニール炉の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明のアニール炉の実施例を示す構成である。このアニール炉１は、マグネット２と、マグネット２により発生する磁場内に置かれた真空槽３と、真空槽３内に設けられたラジエーションシールド４と、ラジエーションシールド４で囲まれた空間に設けられたヒータ５と、ヒータ５の内側に設けられたヒートパイプ（冷却手段）６と、ヒートパイプ６で囲まれた空間に配置されたサンプルホルダー７とを備えている。

真空槽３は、通常は全体的には円筒形に構成され、窒素供給源８にバルブ９及び供給配管１０を介して連通されており、さらに、排気管１１によって真空ポンプ１２に連通されている。窒素を供給して真空槽３内の洗浄を行えるが、アニール炉１の使用に際しては、真空ポンプ１２により排気して真空槽３内を真空とすることができる。

真空槽３によると、真空槽３内では空気や窒素等の気体がないために、ヒータ５の熱が外部に伝達せず、また対流が生じないので、均等かつ速やかな加熱、冷却が可能となる。

ラジエーションシールド４は、ヒータ５による加熱の際に、ヒータ５の熱が外部に逃げないように熱遮断する機能を有するものであり、それ自体は密閉性が要求されない。従って、真空ポンプ１２で真空槽３内が真空化されると、ラジエーションシールド４内も真空となる。

ヒートパイプ６は、窒素供給源８とバルブ１３及び窒素供給管１４を介して連通している。また、ヒートパイプ６には排気管１５及びバルブ１６を介して真空ポンプ１２に連通するとともに、バルブ１７を介して大気に開放するように構成されている。加熱時にヒートパイプ６は、真空排気し、断熱性を良くすることができる。冷却時には、このヒートパイプ６に窒素供給源８から窒素を供給することで、磁気アニール処理において加熱された素子を真空を保ったまま冷却することが可能である。

サンプルホルダー７は、図２（ａ）に示すように、直方体形状（例えば、２４ｍｍ立方の形状）の金属製ブロックから構成されており、その一面に奥に向かう複数のスリット１８が形成されている。サンプルホルダー７に用いる金属製ブロックの材料としては、銅、銅合金、アルミ合金、チタン、チタン合金が望ましい。

加熱する素子（サンプル）１９は、例えば、大きさが２０ｍｍ角の基板等を想定しており、このような素子１９をスリット１８内に挿入して立てた状態で、磁気アニール処理を行う。サンプルホルダー７を金属製、例えば銅製とすることで、熱伝導を良くして、加熱、冷却を効果的に行うことができる。

サンプルホルダー７をアニール炉１内に置く場合、図２（ｂ）に示すような載置台２０に置く。この載置台２０の上面には、サンプルホルダー７を、載置台２０の中心に対して周方向に４５度毎に方向を変えて載置できるような星形の位置決め溝２１が形成されている。

（作用）
本発明のアニール炉１の実施例の作用を説明する。磁気アニール処理を行う場合は、処理されるべき素子１９をサンプルホルダー７のスリット１８内に挿入する。そして、マグネット２に対して素子１９の向きが所定の方向になるように、サンプルホルダー７を載置台２０の位置決め溝２１内に入れて位置決めしてアニール炉１のヒートパイプ６の内側内に、図１に示すように装架する。

加熱に先立ち、窒素供給源８から真空槽３内に窒素を放出して炉内の窒素洗浄（窒素パージ）を行い、その後、真空ポンプ１２を動作させて、真空槽３内の窒素、空気等の気体を排気して真空槽３内を真空状態とする。

この真空状態において、ヒータ５によりサンプルホルダー７に挿入されている素子１９をその材料のキューリー点以上の温度に加熱する。素子１９は初期状態では、図３（ａ）に示すように、磁化が揃っていない状態である。しかし、キューリー点以上の温度に加熱することで、図３（ｂ）に示すように磁化が消滅する。

このように磁化が消滅した状態となったら、ヒータ５による加熱を停止して、磁化を揃えたい方向にマグネット２により磁場をかけながら降温する。この降温は、バルブ１３、１７を開いて窒素供給源８から窒素をヒートパイプ６内に供給、通過させてサンプルホルダー７を冷却することにより行う。この時、真空槽３は、真空状態に保たれたままであり、高温時に窒素ガス（又は空気）を導入することによるサンプルの窒化、酸化の影響を防ぐことができる。

処理すべき素子１９のキューリー点により異なるが、通常は、５００℃位に加熱された素子１９が１００℃位になるまで降温する。このようなアニール処理をすることで、図３（ｃ）に示すように、素子１９の磁化の方向を揃えることができる。

本発明のアニール炉１の実施例の作用は以上のとおりであるが、このような構成のアニール炉１によれば、ヒータ５も真空槽３内に設けられているので、素子１９の加熱、冷却のレスポンス（応答性）がきわめてよい。また、真空槽３内にラジエーションシールド４を設けたので、ヒータ５による加熱の際に、ヒータ５の熱が外部に逃げないように熱遮断することができ、効果的な加熱、冷却が可能となる。

また、真空槽３内にヒートパイプ６を設けたので、冷却の際に、窒素（空気でも良い）で真空槽３内の真空を保ったまま、速やかに冷却を行うことが可能となる。そして、サンプルホルダー７を金属製として、スリット１８内に素子１９を挿入可能な構成とすることで、素子１９に対するヒータ５及びヒートパイプ６の熱伝達を向上させることができる。

以上、本発明に係るアニール炉の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明は、以上のような構成であるから、磁気アニールに使用されるアニール炉１としての利用に最適であるが、その他の目的における素子１９や材料の熱処理にも適用可能である。

本発明のアニール炉の実施例の構成を説明する図である。 上記実施例の、サンプルホルダー及びその載置台の構成を説明する図である。 磁気アニールの処理工程を説明する図である。 アニール炉の従来例の構成を説明する図である。

符号の説明

１ アニール炉
２ マグネット
３ 真空槽
４ ラジエーションシールド
５ ヒータ
６ ヒートパイプ（冷却手段）
７ サンプルホルダー
８ 窒素供給源
９、１３、１６、１７ バルブ
１０ 供給配管
１１ 排気管
１２ 真空ポンプ
１８ スリット
１９ 素子（サンプル）
２０ 載置台
２１ 位置決め溝
３０ アニール炉
３１ 素子（サンプル）
３２ 真空槽
３３ ヒータ
３４ マグネット
３５ 断熱材
３６ 冷却水用パイプ

Claims (5)

1. マグネットと、前記マグネットにより発生する磁場内に置かれた真空槽と、前記真空槽内に設けられたラジエーションシールドと、前記ラジエーションシールドで囲まれた空間内に設けられたヒータと、前記ヒータの内側に設けられたヒートパイプを備える冷却手段と、前記冷却手段で囲まれた空間に配置され、処理すべき素子を支持するサンプルホルダーを載置する載置台とを備え、
   前記ヒータにより加熱された前記素子を真空状態に保ったまま前記ヒートパイプにより冷却することを特徴とするアニール炉。
2. 前記ヒートパイプによる冷却は、真空排気された前記ヒートパイプ内に窒素又は空気供給源から窒素又は空気を供給することによることを特徴とする請求項１記載のアニール炉。
3. 前記サンプルホルダーは、直方体形状の金属製ブロックから構成されており、その一面に、処理すべき前記素子を挿入することのできるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアニール炉。
4. 前記載置台は、その上面に位置決め溝が形成されており、該溝に前記サンプルホルダーの側面の向きを選択的に変えて位置決めして載置することが可能な構成としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアニール炉。
5. 前記ヒータで前記素子をキューリー点以上に加熱して前記素子の磁化を消滅させてから、磁場をかけながら前記冷却手段で前記素子を降温することにより前記素子の磁化方向を揃えることが可能な構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアニール炉。

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