JP5423179B2 - ランプ点灯装置およびフィラメントランプ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハの加熱等に用いられるランプ点灯装置およびフィラメントランプに関する。

半導体製造工程における光照射式加熱装置は、成膜、拡散、アニール等、広範囲に渡って利用されており、いずれの処理も板状の被処理物等の半導体ウェハを急速に加熱することができ、１０００℃以上にまで数秒間〜数十秒間で昇温させるものである。近年は更に高速で昇温させることが要求されてきており、ランプに投入される電力が大電力化してきている。これはスパイクアニールと呼ばれており、２００℃／秒を超える高速で昇温させ、目的温度に達したら直ちに冷却することが行われる。このスパイクアニールにより非常に薄い拡散層（シャロージャンクション）を形成させることができ、半導体素子の性能を向上させることができる。

光照射式加熱装置としては、フィラメントランプを平行に複数並べたものが利用されている。フィラメントランプは、非接触過熱でありながら瞬時に高温まで加熱できる高速反応性を有しているため、半導体製造工程での急速加熱のための光源に適している。しかし、光照射式加熱装置に組み込まれるフィラメントランプの一部が断線して不点灯になると、半導体ウェハの温度分布が不均一になり、半導体ウェハにスリップと呼ばれる現象、即ち、結晶転移の欠陥が発生し、不良品となるおそれがある。

そのため、光照射式加熱装置に組み込まれるフィラメントランプの断線は、早期に精度よく検出する必要がある。しかし、光照射式加熱装置の放射光は非常に強いため、照度計を用いて測定してもフィラメントランプが１本断線しただけでは検出不可能である。また、照射エリアは非常に高温になるため、照度モニターを配置することもできない。そのため、個々のフィラメントランプの断線を検知する必要がある。

フィラメントランプの断線を検知するためには種々の方法があるが、特公平６−６５１７２号公報では、カレントトランスを用いてヒータ線とインバータをつなぐ回路を電流検知する手法が記載されている。カレントトランスは、計器用変流器とも呼ばれ、交流電流値を測定することができる。フィラメントランプが断線すると電流が流れなくなるため、カレントトランスの電流検出値が零に等しくなることで、フィラメントランプの断線を検知することができる。

また、特開平２−１８６５８１号公報では、ヒータの断線を検出するために、ヒータと電源をつなぐ回路に電流検出器を直列につないでいる。電流検出器から得られた数値と基準値を比較して、検出値が基準値以下の場合にヒータが破断しているものと判断している。
特公平６−６５１７２号公報 特開平２−１８６５８１号公報

しかしながら、カレントトランスを用いて断線検知するためには、フィラメントランプ一本に対して１つのカレントトランスを必要とするため、フィラメントランプを多数本並列に配置する光照射式加熱装置では、装置全体が大型化するという不具合がある。また、フィラメントランプ一本一本にカレントトランスを取り付けるため、製作コストが上昇するという不都合もある。

また、電源とフィラメントランプとをつなぐ給電ラインに直列に電流検出器を接続しても、電流検出のために給電ラインに抵抗を取り付けることになり、電力ロスとなる。電流検出器によって電圧が発生し、電流検出器の抵抗によってエネルギーが消費され、余分な電力消費が発生するためである。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、装置全体を大型化させないままで、余計な電力も消費させずにフィラメントランプの断線を検知できるランプ点灯装置およびフィラメントランプを提供することを目的とする。

本願第１の発明は、内部にフィラメントが配設された発光管と、該フィラメントの両端に連結された内部リードと、該内部リードが接続されて、発光管の封止部に設けられた給電用金属箔と、該給電用金属箔に接続された外部リードとを備えるフィラメントランプと、
前記外部リードに接続された電源とからなるフィラメントランプ点灯装置において、前記内部リードまたは前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを接続し、該外部検出リードと前記外部リードとの間を電圧検出器を介して接続したことを特徴とする。
また、本願第２の発明は、内部にフィラメントが配設された発光管と、該フィラメントの両端に連結された内部リードと、該内部リードが接続されて、発光管の封止部に設けられた給電用金属箔と、該給電用金属箔に接続された外部リードを備えるフィラメントランプにおいて、前記内部リードまたは前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを設けたことを特徴とする
また、本願第３の発明は、本願第２のフィラメントランプにおいて、前記検出用金属箔は、前記給電用金属箔よりも幅が小さいことを特徴とする。
また、本願第４の発明は、本願第２のフィラメントランプにおいて、前記発光管の内部に独立して給電される複数のフィラメントを有し、少なくとも１つのフィラメントには、前記検出用金属箔または前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを設けたことを特徴とする。

本願第１の発明に係るフィラメントランプ点灯装置および本願第２の発明にかかるフィラメントランプによれば、検出用金属箔を介して外部に検出用リードを導出し、給電用金属箔と並列に電圧検出器を接続する簡単な構成で、フィラメントランプの断線検出ができる。また、カレントトランスによる検出ではカレントトランスの他に電流計も必要とするが、本発明のフィラメントランプ点灯装置では電圧検出器のみで検出できるので、部品点数を少なくでき、装置を小型化できる。その上、電圧検出器はカレントトランスに比べて安価なため、製作コストを抑えることもできる。
その上、フィラメントランプの断線検知のために直列に電流検出用の抵抗を余分につけないため、電力消費も発生しない。

本願第３の発明にかかるフィラメントランプによれば、給電用金属箔に流れる電流は大きく、検出用内部リードが接続する検出用金属箔に流れる電流はごくわずかとなる。給電用金属箔は、電気容量を大きくするために幅を大きくする必要があるが、検出用金属箔は幅を小さくすることができる。検出用金属箔の幅を小さくすることによって、封止部の形状をあまり大きくしなくても検出用金属箔を追加して配置することができる。

本願第４の発明にかかるフィラメントランプによれば、複数のフィラメントが配置されたフィラメントランプでは、それぞれの回路の断線を検知するために検出器が必要となるため、検出器を小型化させることによって、装置全体を大幅に小さくできる。また、最も断線しやすいフィラメントだけに電圧検出器を取り付けることによって、装置の効果的に小型化できる。

第１の実施形態のフィラメントランプを示す説明図 第１の実施形態のフィラメントランプの変形例を示す説明図 第２の実施形態のフィラメントランプを示す説明図 第３の実施形態のフィラメントランプを示す説明図

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態のランプ点灯装置を示す説明用断面図である。
ランプ点灯装置は、フィラメントランプ１０と、フィラメントランプ１０に給電するための電源１００と、フィラメントランプ１の外部リード６ａと並列に接続される電圧検出器１０１とを備えて構成される。
フィラメントランプ１０には、両端から導出される外部リード６ａ、６ｂに定格１００Ｗ〜１００００Ｗの交流電源が接続されている。電源１００は、一方の封止部２１ａから導出される外部リード６ａと他方の封止部２１ｂから導出される外部リード６ｂとを接続し、フィラメント３に交流電流を供給している。

フィラメントランプ１０は、石英ガラスよりなる直管状の発光管２の内部にコイル状のフィラメント３が、管軸方向に伸びるように配置されて構成されている。フィラメント３の両端から、それぞれタングステン（Ｗ）またはモリブデン（Ｍｏ）よりなる内部リード４ａ、４ｂが管軸に沿って伸びるように連結されている。発光管２の両端はピンチシールされて封止部２１ａ、２１ｂが形成され、モリブデン（Ｍｏ）よりなる給電用金属箔５ａ、５ｂを介して発光管２の内部を気密に封止している。給電用金属箔５ａ、５ｂの一端には内部リード４ａ、４ｂが接続され、給電用金属箔５ａ、５ｂの他端には銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）よりなる外部リード６ａ、６ｂが接続され、フィラメントランプ１０の外部から気密空間の内部のフィラメント３に給電できるように構成されている。

発光管２の内部に配置される内部リード４ａ、４ｂは、一方の封止部２１ａの近傍から分岐して、検出用内部リード７が形成されている。一方の封止部２１ａには、給電用金属箔５ａと検出用金属箔８とが埋設されており、フィラメント３に接続する内部リード４ａが給電用金属箔８に接続され、内部リード４ａから分岐する検出用内部リード７が検出用金属箔８に接続されている。検出用金属箔８からは外部検出リード９が伸びており、外部検出リード９には電圧検出器１０１が直列に接続されている。電圧検出器１０１から導出された外部検出リード９は外部リード６ａに接続される。

このように検出用内部リード７を用いることによって、給電用金属箔５ａに接続する内部リード４ａおよび外部リード６ａと、検出用金属箔８と電圧検出器１０１とに接続する検出用内部リード７と外部検出リード９とが、並列に接続されることになる。そのため、給電用金属箔５ａで発生する電圧降下分を電圧検出器１０１で検出することができる。また、電圧検出器１０１は、一般に内部抵抗ができる限り大きくなるように設計されているので、検出用金属箔８と電圧検出器１０１とが直列に接続されている分岐された回路の抵抗値は非常に大きくなって、電流が流れにくいため、電圧検出器で発生する電圧降下分は、ほとんど無視することができる。

このような理由から、フィラメント３に流れた電流は、検出用内部リード７に分岐せず、ほとんど内部リード６ａにそのまま流れることになる。したがって、内部リード６ａが接続する給電用金属箔５ａに流れる電流は大きく、検出用内部リード７が接続する検出用金属箔８に流れる電流はごくわずかとなる。給電用金属箔５ａは、電気容量を大きくするためには、幅を大きくする必要があるため、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度の幅を必要とする。一方、検出用金属箔８は、封止部２１ａを気密に封止できればいいので、給電用金属箔５ａより幅を小さくすることができ、１ｍｍ〜２ｍｍ程度の幅でも十分である。

フィラメント３に比べて給電用金属箔５ａ、５ｂの抵抗値は５ｍΩ〜１０ｍΩであり、非常に小さいため、通常は給電用金属箔５ａ、５ｂにおける電圧降下は意識しないが、完全にないわけではない。フィラメント３に電流が３Ａ〜２０Ａ程度流れると、内部リード６ａ、６ｂにほとんどの電流が流れて、給電用金属箔５ａ、５ｂにおいて１５ｍＶ〜２００ｍＶ程度電圧降下する。

検出用金属箔８と電圧検出器１０１とが接続されている回路も、給電用金属箔５ａによる電圧降下分と同等の電圧差が発生する。また、検出用金属箔８と電圧検出器１０１とが接続されて回路に流れる電流値は非常に小さいため、検出用金属箔８での電圧降下分は非常に小さくなる。そのため、給電用金属箔５ａで発生する電圧降下分を、電圧検出器１０１で検知することができる。

電圧検出器１０１は、給電用金属箔５ａと並列に接続することによって、給電用金属箔５ａの電圧降下の有無を検知して、給電用金属箔５ａに電流が流れているかどうかを検出することができる。給電用金属箔５ａに電流が流れていなければ、給電用金属箔５ａの電圧降下もなくなり、電圧検出器１０１の測定値もほぼ零となる。給電用金属箔５ａに電流が流れていないと検出されれば、フィラメントランプ１０は断線しており、交換すべきものと判断できる。

第１の実施形態のランプ点灯装置では、検出用金属箔８を介して外部に検出用リード９を導出し、給電用金属箔５ａと並列に電圧検出器１０１を接続する簡単な構成で、フィラメントランプ１０の断線検出ができる。また、電圧検出器１０１で測定する電圧は、給電用金属箔５ａにおける電圧降下分なので、１５ｍＶ〜２００ｍＶ程度で非常に小さい。また、カレントトランスによる検出ではカレントトランスの他に電流計も必要とするが、本発明のフィラメントランプ点灯装置では電圧検出器１０１のみで検出できるので、部品点数を少なくでき、装置を小型化できる。その上、電圧検出器１０１はカレントトランスに比べて安価なため、製作コストを抑えることもできる。
また、電圧検出器１０１は、フィラメントランプ１０の断線検知のために直列に電流検出用の抵抗を余分につけないため、余分な電力消費も発生しない。

続いて、第１の実施形態の変形例を説明する。図２は、第１の実施形態に関して、給電用金属箔５ａと並列に接続される検出用金属箔８の他の接続例を示した拡大図である。
図２（ａ）に示すように、給電用金属箔５ａに接続する内部リード４ａの先端を、Ｌ字状に曲げて形成し、給電用金属箔５ａと検出用金属箔８との両方に接続させている。このように内部リード４ａだけで給電用金属箔５ａと検出用金属箔８とを通電させ、検出用金属箔８から導出された外部検出リード９に接続される電圧検出器を、給電用金属箔５と並列に接続することもできる。

また、図２（ｂ）に示すように、内部リード４ａと外部リード６ａが接続された給電用金属箔５ａと、外部検出リード９が接続された検出用金属箔８とを用意し、給電用金属箔５ａと検出用金属箔８とを接続リード８０によって導通させている。このように接続しても、検出用金属箔８から導出された外部検出リード９に接続される電圧検出器を、給電用金属箔５ａと並列に接続することができる。

続いて、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態のランプ点灯装置を示す説明用断面図である。
第１の実施形態のフィラメントランプ１０は、発光管２の両端に封止部２１ａ、２１ｂが形成された、いわゆるダブルエンドフィラメントランプであるが、第２の実施形態のフィラメントランプ１１は、発光管２の一端に封止部２２が形成された、いわゆるシングルエンドフィラメントランプである。フィラメント３の両端に接続された内部リード４ａ、４ｂは、封止部２２に向かって同一方向に平行に伸び、封止部２２に埋設された給電用金属箔５ａ、５ｂに接続されている。外部リード６ａ、６ｂには、定格１０Ｗ〜５０００Ｗの電源１００が接続され、フィラメント３に直流電流を供給している。

一方の内部リード４ａは、封止部２２の近傍から分岐して、検出用内部リード７が形成されている。封止部２２には、一対の給電用金属箔５ａ、５ｂに加えて、検出用金属箔８が埋設されており、検出用内部リード７が検出用金属箔８に接続されている。検出用金属箔８からは外部検出リード９が伸びており、外部検出リード９には電圧検出器１０１が直列に接続されている。電圧検出器１０１から導出された外部検出リード９が外部リード６ａに接続されている。

電圧検出器１０１が給電用金属箔５ａと並列に接続されているので、電圧検出器１０１で給電用金属箔５ａによる電圧降下分と同等の電圧差を検出することができる。給電用金属箔５ａに電流が流れていなければ、給電用金属箔５ａの電圧降下もなくなり、電圧検出器１０１の測定値もほぼ零となる。そのため、電圧検出器１０１の測定値によって給電用金属箔５ａの電圧降下が無いと検出されれば、給電用金属箔５ａに電流が流れておらず、フィラメントランプ１１は断線しており、交換すべきものと判断できる。

続いて、第３の実施形態について説明する。図４は、第３の実施形態のランプ点灯装置を示す説明用断面図である。
第１の実施形態のフィラメントランプ１０は、発光管２の内部にフィラメント３が１つだけ配置されていたが、第３の実施形態のフィラメントランプ１２は、発光管２の内部に独立して給電できるフィラメント３１、３２，３３が３つ配置されている。封止部３ａ、３ｂの直近に配置されたフィラメント３１、３３は、両端に接続された内部リードが、それぞれ同一の封止部方向に延在している。一方、中央部に位置するフィラメント３２に接続された内部リードは、それぞれ両端の封止部２１ａ、２１ｂ方向に延在し、当該封止部２１ａ、２１ｂで給電用金属箔５２ａ、５２ｂと接続するように保持されている。

それぞれのフィラメント３１、３２、３３に接続する一方の内部リード４１ａ、４２ｂ、４３ｂに、封止部２１ａ、２１ｂの近傍から分岐して、検出用内部リード７１、７２、７３が形成されている。封止部２１ａ、２１ｂには、給電用金属箔５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂに加えて、検出用金属箔８１、８２、８３が埋設されているため、一方の封止部２１ａには、３枚の給電用金属箔５２ａ、５３ａ、５３ｂと１枚の検出用金属箔８３が埋設され、他方の封止部２１ｂには、３枚の給電用金属箔５１ａ、５１ｂ、５２ｂと２枚の検出用金属箔８１、８２が埋設されている。一方の封止部２１ａには、１本の検出用内部リード７３が検出用金属箔８３に接続され、他方の封止部２１ｂには、２本の検出用内部リード７１、７２が検出用金属箔８１、８２に接続されている。

それぞれ検出用金属箔８１、８２、８３からは外部検出リード９１、９２、９３が伸びており、各々の外部検出リード９１、９２、９３には電圧検出器１１１、１２１、１３１が直列に接続されている。一方の封止部２１ａから伸びる外部検出リード９３は、一方の封止部２１ａの直近に位置するフィラメント３３の断線を検出する。他方の封止部２１ｂから伸びる２本の外部検出リード９１、９２は、それぞれ、他方の封止部２１ｂの直近に位置するフィラメント３１の断線と、中央部に位置するフィラメント３２の断線を検出する。

電圧検出器１１１、１２１、１３１がそれぞれのフィラメント３１、３２、３３に導通する給電用金属箔５１ａ、５２ｂ、５３ｂと並列に接続されているので、電圧検出器１１１、１２１、１３１の測定値によって、発光管２の内部に配置されたフィラメント３１、３２、３３のどれが断線したか検出することができる。発光管２の内部に独立給電される複数のフィラメント３１、３２、３３が配置されたフィラメントランプ１２では、それぞれの回路の断線を検知するために検出器が必要となるため、検出器を小型化させることによって、装置全体を大幅に小さくできる。
なお、経験等により、発光管２の内部に配置されたフィラメント３１、３２、３３のうち、負荷がかかりやすく切れやすいフィラメントがわかっている場合には、最も断線しやすいフィラメントだけに電圧検出器を取り付けることも、装置の小型化の観点において有用である。

１０ フィラメントランプ
２ 発光管
２１ａ、２１ｂ 封止部
３ フィラメント
４ａ、４ｂ 内部リード
５ａ、５ｂ 給電用金属箔
６ａ、６ｂ 外部リード
７ 検出用内部リード
８ 検出用金属箔
９ 外部検出リード
１００ 電源
１０１ 電圧検出器

Claims (4)

1. 内部にフィラメントが配設された発光管と、該フィラメントの両端に連結された内部リードと、該内部リードが接続されて、発光管の封止部に設けられた給電用金属箔と、該給電用金属箔に接続された外部リードとを備えるフィラメントランプと、
   前記外部リードに接続された電源とからなるフィラメントランプ点灯装置において、
   前記内部リードまたは前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを接続し、該外部検出リードと前記外部リードとの間を電圧検出器を介して接続したことを特徴とするフィラメントランプ点灯装置。
2. 内部にフィラメントが配設された発光管と、該フィラメントの両端に連結された内部リードと、該内部リードが接続されて、発光管の封止部に設けられた給電用金属箔と、該給電用金属箔に接続された外部リードを備えるフィラメントランプにおいて、
   前記内部リードまたは前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを設けたことを特徴とするフィラメントランプ。
3. 前記検出用金属箔は、前記給電用金属箔よりも幅が小さいことを特徴とする請求項２に記載のフィラメントランプ。
4. 前記発光管の内部に独立して給電される複数のフィラメントを有し、少なくとも１つのフィラメントには、前記検出用金属箔または前記給電用金属箔に接続された検出用金属箔を発光管の封止部に設け、該検出用金属箔に外部検出リードを設けたことを特徴とする請求項２に記載のフィラメントランプ。

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