JP5765750B2 - 集光鏡加熱炉 - Google Patents
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Description
このような集光鏡加熱炉は、垂直方向に移動するステージ上に酸化アルミニウム等の焼結体と種結晶を設置し、その種結晶を水平方向に取り囲む位置に回転楕円面からなる反射鏡を設置し、その回転楕円面の一方の焦点にハロゲンランプ等の光源を設置し、回転楕円面の他方の焦点に焼結体と種結晶を位置させる。
そして、光源から放射される赤外線を直接あるいは反射鏡の反射面を介して、該焼結体と種結晶に対して焦点を当てるようにして集光し加熱する加熱炉、及び加熱時には該ステージを下げることにより単結晶を成長させるものである。
さらに特許文献5に記載されているように、半導体の製造に使用する加熱炉として、シリコンウエハを石英ボードに載せ、これを石英ボードから加熱する抵抗加熱型の炉が知られている。しかしながら、熱源を赤外線とした場合であっても、炉内に石英ボードが挿入されるので、その炉内の大きさはウエハ以上の大きさのものを加熱できる大きさであり、抵抗加熱には昇温までに長時間を要し一つの加熱工程が短時間にて操作を行い得るものでもない。
さらに、ウエハ表面を加熱する際に、ウエハの口径を十分にカバーできる範囲を赤外線照射する目的で、載置したウエハ表面に対向するウエハの垂直上方位置に赤外線ランプを複数設置してなる面を、ウエハ表面と平行になるようにして設け、そのような装置によりウエハ表面を加熱する加熱処理装置も知られている。
このような構造の場合、平面形状の被加熱物に対して専ら横方向の360°から加熱されるので、該被加熱物を水平に設置すると、該被加熱物の周面に専ら赤外線が照射されるものの、平面に対しては吸収される熱量が低下する。また、仮に被加熱物を垂直あるいは斜めに設置しても、該被加熱物の両面が専ら加熱されて、特定の片面を高い効率にて加熱することができない。
さらに、回転楕円面鏡に挟まれた場所に被加熱物を設置する構造では、上記の冷却に要する大きな設備に加えて、被加熱物の大きさに対して相当大きな回転楕円面鏡を使用することになるので、装置の小型化には限界があった。
さらに、被加熱物の上方に対向して赤外線ランプ等の加熱装置を設けると、被加熱物の上方に、加熱状態の監視、ガス供給、操作用マニピュレータ等を設置することが困難であった。
1.光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。
2.光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡よりなり、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて被加熱物に照射し、該二次反射鏡に反射して被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。
3.光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは異なる位置に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点を通る法線上に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面の該法線に対して斜めに位置してなる集光鏡方式加熱炉。
7.二次反射鏡の楕円の2つの焦点を結ぶ直線上に光源が位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる3〜6のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
8.一次反射鏡の楕円の2つの焦点と二次反射鏡の楕円の2つの焦点とが、同一直線上にないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる3〜6のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
9.被加熱面表面と、二次反射鏡の楕円の2つの焦点を結ぶ線とのなす角度が20〜70°である3〜8のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
10.光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を一次反射鏡とし、回転放物面鏡の内面を反射面とした回転放物面鏡を二次反射鏡として組み合わせてなり、
一次反射鏡の2つある焦点の内の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の焦点と同じ位置に位置するように一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡である回転放物面鏡の回転軸と、炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点が1本の直線上に位置するように集光鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の開口部が被加熱物に向けて設けられており、
二次反射鏡の該回転軸は被加熱面表面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
12.一次反射鏡の2つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる10又は11に記載の集光鏡方式加熱炉。
13.一次反射鏡の2つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置しないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる10又は11に記載の集光鏡方式加熱炉。
14.被加熱面の法線と、二次反射鏡の回転軸とのなす角度が20〜70°である10〜13のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
15.光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに該被加熱物は、該法線と垂直ではあるが環と交差しない平面上に設置され、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉。
17.環状の該一次反射鏡を形成する環内に、環状の光源を円周に沿って設置し、
該環状光源からの光を被加熱面に集中させる反射板を、その反射面が、該環状光源がつくる円周に対して垂直に設置されてなる15又は16に記載の集光鏡方式加熱炉。
19.加熱時において、被加熱物の温度、被膜形成時の膜厚等の被加熱物の状態を、被加熱物の真上、斜め上、及び横の少なくとも1方向から確認できるようにしてなる1〜18のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
20.加熱時において、該被加熱物を回転可能とした1〜19のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
例えば、CVD炉とする際には、CVDにより処理される被加熱物表面の正面からガスを流して当てることができ、加熱された被加熱物上にCVDによる良質な薄膜を成膜させることができる。
特に第2の集光鏡方式加熱炉は、二次反射鏡の他方の焦点が加熱炉内に載置された被加熱物の非加熱面の中心点に位置するようにしてもよく、また、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは別の場所、例えば被加熱物表面の中心点を通る法線上に位置するようにしてもよい。
そして、一次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下とすることにより、光源である赤外線ランプをより球に近い回転楕円体の一方の焦点に置くことができるので、一次反射鏡に反射した後に二次反射鏡の反射面に向かう成分をより多くさせることが可能になる。
一次反射鏡の楕円の2つの焦点と二次反射鏡の楕円の2つの焦点とが、同一直線上にないように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させると、二次反射鏡に対する一次反射鏡の向きを任意に変更させることが可能になり、反射鏡装置を小型化させることや、集光鏡方式加熱炉の全体の形状に応じて、反射鏡装置の形状を任意に変更させることが可能になる。
ここで、一次反射鏡と二次反射鏡の接合部の開口部の大きさは大きくてもよい。この開口部が大きいほど、一次反射鏡に反射しない成分が多くなる。
反対に開口部が小さいほど、赤外線ランプ等の光源から放射された光を、一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させつつ被加熱物表面を加熱させる成分を多くすることが可能となる。
第2の集光鏡方式加熱炉に対して、第3の集光鏡方式加熱炉は、二次反射鏡に反射してなる光の成分は互いに平行な成分であるから、被加熱物表面において、光が焦点を結ぶことがないばかりか、被加熱物表面に照射される光が平行光である成分を含むので、被加熱物の表面をより均一に加熱することが可能である点で特徴的である。
その第3の集光鏡方式加熱炉において、一次反射鏡の焦点とその楕円面との最短距離が、二次反射鏡の焦点とその放物面との最短距離よりも大であることによると、光源である赤外線ランプをより球に近い回転楕円体の一方の焦点に置くことができるので、一次反射鏡に反射した後に二次反射鏡の反射面に向かう成分をより多くさせることが可能になる。
一次反射鏡の楕円の2つの焦点と二次反射鏡の該回転軸とが、同一直線上にないように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させると、二次反射鏡に対する一次反射鏡の向きを任意に変更させることが可能になり、反射鏡装置を小型化させることや、集光鏡方式加熱炉の全体の形状に応じて、反射鏡装置の形状を変更させることが可能になる。
具体的には、該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに、該反射鏡の外であって、環を含む平面上でない位置に被加熱物を設置できるようにし、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉である。
なお、その二次反射鏡の反射面は楕円や放物線を該回転軸により回転されてなる面の一部であってもよく、その場合には、該楕円や該放物線の焦点は光源の場所に位置させることができる。
そして、該楕円の被加熱物から近くない方に位置する焦点に光源を設け、もう一つの焦点が二次反射鏡を構成する楕円又は放物線の焦点と共通させることにより、光源から放射された光をより効率よく、二次反射鏡に反射させると共に、被加熱物表面に照射させることができる。
なお、図9において該共通の焦点を、楕円の被加熱物に近い方の焦点とすることもできる。
その光源は点光源を円周上に配列したものや、半円型を2つ使用するもの、あるいは円形のものを使用することができる。
そのとき、被加熱物表面上のある一箇所からみた光源までの距離は、ある方向の光源には比較的遠いが、その逆方向の光源には比較的近くなり、その傾向は被加熱物表面上のどの箇所においても同じである。そうすると、結局のところ、被加熱物表面上のどの箇所においても、多方向から照射された光を積算してなるエネルギーは均一であるので、被加熱物表面上のどの箇所においても均一に加熱されることになる。
このように、被加熱物表面に対して、実質的に斜め上方360°の方向から加熱を行うことができるので、より均一に加熱を行うことが可能である。
また、第4の集光鏡方式加熱炉によると、より360°に近い方向から加熱を行うことによって、第1〜3の集光鏡方式加熱炉よりも多方向からの加熱を行うことができる。そのとき、反射鏡全体が受ける全熱量が第1〜3の集光鏡方式加熱炉と変わらないとしても、反射鏡自体の容積が大きいので、加熱温度はより低温になり、冷却装置が簡便になる点において優れる。
被加熱面に光源の焦点を結ぶときには加熱にむらが生じる傾向が顕著となるが、被加熱面に光源の焦点を結ばないときには、ぼやけた光源の像が被加熱物表面に表れることにより、被加熱物表面はより均一に加熱されやすい。しかしながら、被加熱面に照射されない成分が出るので光源から放射された光が効率よく被加熱面表面にあたらない可能性がある。
焦点が結ばれていないいわゆるデフォーカスされた状態で光が照射される場合には、該フィラメントの像が被加熱物上に結ばれることがない。そうすると、被加熱物上にてフィラメントの形状を反映させたような光の照射むらを生じることがなく、この点においても、被加熱物表面をより均一に加熱することが可能となる。
この場合には上記の第2の集光鏡方式加熱炉においてデフォーカスされた状態と同様に、第2及び3の集光鏡方式加熱炉によって、被加熱物上にデフォーカスされた状態で光を照射する結果として均一に加熱することができる。
また、従来の被加熱物の上方ではなく水平位置に360°取り囲むようにして設置される回転楕円体を反射面とする場合と比較して、反射面全体の径を小径化することができるので、装置全体もより小型化することが可能である。
2・・・赤外線ランプ
3・・・被加熱物
4・・・一次反射鏡と二次反射鏡の接続部
5・・・開口部
6・・・石英管
7・・・集光鏡装置
M1・・・一次反射鏡
M2・・・二次反射鏡
M3・・・一次反射鏡
M4・・・二次反射鏡
M5・・・二次反射鏡
M6・・・二次反射鏡
M7・・・環状反射面
M8・・・二次反射鏡
F1・・・一次反射鏡の一方の焦点
F2・・・一次反射鏡の他方の焦点
F3・・・二次反射鏡の一方の焦点
F4・・・二次反射鏡の他方の焦点
F5・・・二次反射鏡の焦点
F6・・・二次反射鏡の焦点
101・・・集光鏡方式加熱炉
102・・・被加熱物
103・・・赤外線ランプ
104・・・ガス
105・・・ハウジング
106・・・環状反射面
107・・・管
θ1及び2・・・各モードにおける加熱に寄与する赤外線が放射される角度
111・・・スリット
112・・・電源コード
113・・・冷却ジャケット
114・・・蓋部材
115・・・冷却水供給パイプ
116・・・冷却水供給ポート
117・・・冷却水排水パイプ
118・・・冷却水排水ポート
203・・・赤外線ランプ
206・・・環状反射面
207・・・石英管
208・・・固定手段
209・・・原料棒
210・・・種結晶棒
被加熱物の物性や材料によっては、赤外線以外の光によっても加熱され得るものがあるので、この場合において本発明にて使用される光は赤外線以外の光を包含する。
第1の集光鏡方式加熱炉は、以下に説明する第2〜第4の集光鏡方式加熱炉を包含する構造を備えた集光鏡方式加熱炉である。
そこで、例として図1(a)を基に第1の集光鏡方式加熱炉を説明する。
本発明の第1の集光鏡方式加熱炉は、被加熱物3表面に光源から放射された光を反射鏡装置により反射させることにより照射して加熱を行うための加熱炉である。
反射鏡装置は一次反射鏡M1及び二次反射鏡M2からなる装置であり、赤外線ランプ2等の光源を一次反射鏡M1内に設け、該光源から放射された光を一次反射鏡M1内面で反射させ、その反射光は二次反射鏡M2内に導かれて、その二次反射鏡M2内面の反射面にて反射されて開口部5から出て被加熱物3の表面に照射される。
このとき、二次反射鏡M2は被加熱物3の表面の真正面に、その一部でも位置しないので、二次反射鏡M2の開口部5から放射された光は全て被加熱物3の表面に対して垂直に照射されることがない。
本発明の集光鏡方式加熱炉は、CVD装置、結晶成長装置等加熱を伴う処理を行うための装置一般に使用することができる。特に光により加熱を行っている用途に対して使用することができる。
及び二次反射鏡の反射面で反射して被加熱物3に照射することにより被加熱物3を加熱する加熱炉である。このような加熱と共に、あるいは加熱の前後に被加熱物に向けて上方よりガス104を供給したり、図示しないが治具を用いて加工したり、あるいは側方に窓を設けることにより任意の条件下にて被加熱物3を加熱しながら加熱中の被加熱物102の状態を確認することが可能となる。
その光源としては赤外線ランプを使用することが一般的であるが、それに限定されず、光により加熱を行う加熱炉にて使用することができる光源を任意に使用することができる。
つまり、一次反射鏡は光源から放射された光が、最初に反射するための反射鏡であり、二次反射鏡は一次反射鏡により反射された光が次いで反射されるための反射鏡である。
また、反射鏡装置の構造によっては、光源から放射された光の一部が一次反射鏡にて反射されず、直接二次反射鏡にも反射されることなく、直接被加熱物表面に照射されることもあり得る。
これらの反射鏡に関しても公知の材料から成るものでよく、金属基材そのもの、あるいは金属基材内面に反射面として別の金属層を設けたもの等、公知の反射性を有する構造を採用することができる。
仮に被加熱物表面に対して垂直方向から光を照射すると、二次反射鏡はその一部でも被加熱物表面に対向した真正面の位置に置くことになる。CVD等のように、被加熱物表面を加熱しつつガス等を供給して処理する場合には、その被加熱物表面の真正面の位置に二次反射鏡の一部でも存在すると、そのガスの供給を円滑に行うことが困難になる。
もちろん、本発明において被加熱物表面に対して通常は真横から、つまり、被加熱物表面を含む平面方向から光の主成分が照射されることはない。このような場合、被加熱物表面が効率良く加熱されることがないからである。
図1(a)及び2は本発明の第2の集光鏡方式加熱炉に関する図であって、図1(a)はその断面図であり、集光鏡装置7を2セット又は4セット使用してなる集光鏡方式加熱炉の例である。赤外線ランプ2から放射された赤外線を反射するために内面が反射面である回転楕円体を一次反射鏡M1及び二次反射鏡M2として使用する。
この第2の集光鏡方式加熱炉に使用される反射鏡装置の概念を図1(b)に示す。この図1(b)においては、反射面が回転楕円体である一次反射鏡M1の一方の焦点F1に光源が位置する。この光源から放射された光は一次反射鏡M1により反射して、他方の焦点F2にて結像する。この焦点F2は反射面が回転楕円体である二次反射鏡M2の焦点F3と共通であり、この焦点F2かつF3にて結合した光は再度拡散する。
その後、二次反射鏡の他方の焦点F4にて再度光が結像することになるが、その焦点F4は被加熱物3の表面上に位置するようにできる。
この場合には、焦点F4を被加熱物上に位置させるが、別の態様においては、F4を被加熱物上に位置させないこと、中でも被加熱物表面の法線上に位置させることもできる。このように、これら一次及び二次反射鏡はいずれも楕円体の長軸を回転軸としてなる回転楕円体の内面を反射面としてなる反射鏡であり、一次反射鏡の焦点F1に設けられた赤外線ランプ2から被加熱物に向けて放射された赤外線が、直接及び反射面に反射して被加熱物に照射される。
一次反射鏡M1内において、赤外線ランプ2から放射された赤外線はまず主に一次反射鏡M1の内面において反射する。赤外線ランプ2のフィラメントが一次反射鏡M1の一方の焦点F1に位置するように、一次反射鏡M1内に赤外線ランプ2が設けられている。一次反射鏡M1の内面にて反射された赤外線は回転楕円体の他方の焦点F2にて一旦収束する。
そして回転楕円体である二次反射鏡M2の内面にて反射されてなる赤外線は、二次反射鏡M2の他方の焦点F4において再び収束される。
このため、一次反射鏡M1には赤外線ランプ2を設けるために穴を開ける必要があり、さらに二次反射鏡M2との間で光路を形成するに必要な、一次反射鏡と二次反射鏡の接続部4を設ける必要もある。
また、このような短径に対する長径の比を小さくすることにより、結果的に赤外線ランプ2と一次反射鏡M1の内面との距離が長くなるので、一次反射鏡M1が局所的に加熱される温度をより低くすることができる。
この一次反射鏡M1の短径に対する長径の比は、好ましくは1.1〜2.0であり、より好ましくは1.1〜1.5である。
例えば被加熱物3に対してガスを供給しつつ処理を行うために、被加熱物3の上方から下方にかけて石英管6等を設ける場合には、二次反射鏡M2と該石英管6等が干渉することは避けなければならない事項である。
このように、該石英管に限らず、被加熱物に加熱以外の何らかの処理を行う場合には、その処理手段と二次反射鏡M2が干渉しない程度に開口部5を設けることができる。
つまり、赤外線ランプ2のフィラメントが被加熱物3表面に結像して、均一に加熱することが困難である場合には、フィラメントの像が結像しない範囲にて、より均一に加熱を行うために、他方の焦点F4が被加熱物3上に位置せず、あえてデフォーカスさせるように、被加熱物3の中心、及び二次反射鏡M2の2つの焦点F3及びF4を結ぶ直線上に被加熱物3の中央部を位置させると共に、二次反射鏡M2の他方の焦点が位置しないようにすることもできる。
また、図5に示すように一次反射鏡M3を立てるのではなく、横に寝かせるように設ける場合には、反射鏡装置全体の高さを低くすることができ、しかも、赤外線ランプを一次反射鏡M3に対して真横から設置することも可能となり、横からのメンテナンスが容易となり、冷却のための装置を設置する際の作業性も同様に向上する。
本発明の第3の集光鏡方式加熱炉に関して、図6(a)及び7に示すように、図面にて見る限り、その構成が第2の集光鏡方式加熱炉と同じ図1(a)及び5で示す構成を基本とするが、第3の集光鏡方式加熱炉1は、第2の集光鏡方式加熱炉1にて使用した二次反射鏡M2及びM4を、回転楕円鏡ではなく回転放物面鏡M5又はM6に置き換えることにより第3の集光鏡方式加熱炉1としている。
この第3の集光鏡方式加熱炉に使用される反射鏡装置の概念を図6(b)に示す。この図6(b)においては、反射面が回転楕円体である一次反射鏡M1の一方の焦点F1に光源が位置する。この光源から放射された光は一次反射鏡M1により反射されて、他方の焦点F2にて結像する。この焦点F2は反射面が回転放物面体である二次反射鏡M2の焦点F3と共通であり、この焦点F2かつF3にて結合した光は再度拡散する。
その後、二次反射鏡にて反射することにより光は平行光となり、その平行光の状態にて被加熱物3の表面上に照射される。
該回転放物面鏡M5及びM6の焦点F5は一次反射鏡M1及びM3の他方の焦点と共通しているので、第2の集光鏡方式加熱炉と同じようにして、赤外線ランプから放射された赤外線は回転放物面鏡である二次反射鏡M5又はM6に導入される。一旦この二次反射鏡M5及びM6の回転放物面鏡の焦点に導入された赤外線は、直接これらの二次反射鏡M5又はM6の被加熱物側開口部5から放射されたり、又は、二次反射鏡M5又はM6の内面にて反射した後に被加熱物側開口部5から放射される。
本発明の第3の集光鏡方式加熱炉1においても、第2の集光鏡方式加熱炉1と同様に集光鏡装置7の間には空間が形成されるので、この空間には必要に応じて集光鏡装置7を冷却するための装置、あるいは被加熱物の搬送、処理等のための装置を設置してもよい。
第4の集光鏡方式加熱炉については、図8を示して説明をする。
まず、このような集光鏡方式加熱炉101において環状反射面106を構成する曲面について述べる。
反射面106の断面が楕円面の場合、赤外線ランプ103が楕円の焦点のうちの被加熱物から遠いほうの焦点にあると、より被加熱物に近い位置にある他の焦点に放射された赤外線が焦点を結ぶ。この結果、仮に被加熱物102の面を他の焦点とするとして該被加熱物にて焦点を結ぶ場合、被加熱物102の面で加熱温度のばらつきが発生して、適切な処理を行うことができない。
よって、必ずしも被加熱物102表面にて焦点を結ぶ必要がないので、楕円を楕円外に設けた回転軸により回転させてなる回転楕円面を基本に環状反射面を構成して、被加熱物表面に焦点を結ぶことなく赤外線を照射することができる。
なお、もちろん楕円に限定されるものではなく、任意の閉じた曲線等の閉じた線であればよい。
なお、この赤外線ランプ103はランプ内のフィラメントから赤外線を放射するようにされてなり、フィラメントは点光源ではなくある程度の面光源あるいは線光源である。回転楕円鏡と回転放物鏡が複合してなる環状反射面は、該楕円が被加熱物に向けて傾斜されることにより、該放物線も被加熱物に向けて開口するように傾斜された状態とされる。
また、当然に図8で示される放物面を構成する該スリット111の壁面に反射して被加熱物102に照射されるような光路をたどる赤外線があってもよい。
もちろん、この管107内に被加熱物が位置するようにしてもよいし、被加熱物の上方、又は下方に管107の端部が位置するようにしてもよい。図示しないが治具を用いて被加熱物を加工したり、あるいは側方に窓を設けることにより任意の条件下にて被加熱物102を加熱しながら加熱中の被加熱物102の状態を確認することが可能となる。
図9に示す反射面は、(a)〜(c)に示すように、F5とF6を焦点とする断面が楕円の楕円鏡等の環状反射面106と、該楕円の焦点の1つであるF6を焦点として共有する断面が図8における放物線の二次反射鏡M8である放物面鏡等のスリット111を複合してなる形状を有している。
同様に図8に示す放物面鏡を示すM8のスリット111のうち、実線で示される部分は赤外線を反射させるための鏡を構成した部分であるが、破線で示される部分は実際には鏡にはなっておらず、放物線を構成するものの、図9においてスリット111が放物面鏡であることを示すために描いた放物線の一部である。
また、赤外線ランプから放射された赤外線のほとんどは、(b)及び(c)のように環状反射面M7に当たり、これが二次反射鏡であるM8の回転放物面にて1回以上反射して該スリット111を通過して被加熱物102に照射される。
このような(a)〜(c)に示されるように、赤外線ランプから放射された赤外線の多くを、被加熱物に照射させることができるので、赤外線ランプから放射されたエネルギーの多くを加熱に費やすことが可能となり、加熱効率が向上することが明らかである。
もちろん、図8及び9における環状反射面は楕円ではあるが、その楕円形状を基本として、一部の面が直線等の楕円でない形状を呈するものでもよい。
さらに、図9にて示す事項は本発明の第1〜3の集光鏡方式加熱炉における光の光路についても準じていえる事項である。
図10においては環状反射面は完全に閉じた環ではなく、電源コードに接続された2つの赤外線ランプ103を、それぞれ1つずつ収容できる略半分の環状反射面106を2つ備えてもよく、それぞれの赤外線ランプ103は図示されていない部材により固定されている。このように、環状といっても装置の組み立て上、あるいは赤外線ランプの構造上、360°にわたる完全な環になっておらず、赤外線ランプの屈曲部付近は環が途切れている場合もあるが、その環の途切れは360度のうちの一部に留め、被加熱物表面に加熱ムラを生じないようにする必要がある。
さらに、図10には示されていないが、下面にはスリットが形成され、環状反射面の環の周方向に沿って延びている。
そして該スリットは、可能な限り被加熱物まで延ばされることが、より赤外線を被加熱物に照射させるために必要である。このため、環状金属部材のスリットを構成する下部の部分が延びるように形成されている。
この距離が大きくなると効率よい加熱及び小型化が困難になり、小さい場合には、装置の運転、均一な加熱が困難になる可能性がある。
このようなそれぞれの部材等の大きさを考慮すると、本発明の集光鏡方式加熱炉は、水平に設置された被加熱物表面が20〜70°の角度で照射される赤外線により加熱されるように構成されるようにすることが好ましい。この角度が30°未満であると、環状反射面から放射される赤外線を効率よく被加熱物に照射させることができず、赤外線が被加熱物を外れて他の部材に照射されることになる恐れを生じる。またこの角度が70°以上であると、被加熱物の垂直上に治具を設置したり、ガスを供給する装置を設けることができる空間を確保することが困難になる。
図8には、環状反射面106を構成する環状金属部材を冷却するために、予め環状金属部材の外面に冷却水を通す冷却ジャケット113のための溝部を設けておき、取り付けた蓋部材114との間で形成された冷却ジャケット113を設け、これに冷却水供給パイプ115を冷却水供給ポート116を介して接続されている。環状金属部材の上面にのみ冷却水を通しているが、環状金属部材の周等の他の部分にも冷却水を通過させる構造を設けてもよい。
冷却水供給パイプ115から冷却水供給ポート116を介して冷却ジャケット113に供給された水は冷却ジャケット113内を流れ、冷却ジャケット113内にて環状金属部材を冷却し、次いで冷却水排水ポート118を介して冷却水排水パイプ117から排出される。
もちろん、ラジエータに供給して循環させずに外部から新たに冷却水を供給してもよいが、冷却水を装置外部から供給するためのパイプを接続する必要が生じるので、加熱炉の配置箇所が制限されかねず、このためラジエータ等の冷却装置を介してポンプにより冷却水を循環させるのが好ましい。
さらに、必要性を鑑みて、例えば赤外線ランプ103を環状反射面106に固定するための部材に、環状反射面106内を冷却するための空気を導入、排出するための開口部を設けることもできる。その場合、冷却用空気は赤外線ランプ103と環状反射面との間隙を通過してこれらを冷却できるので、供給された冷却用空気が効率よく冷却に使用されることになる。
さらに、フレームカバーに覗き窓を設けると被加熱物を装置外より観察することができる。
本発明の集光鏡方式加熱炉を収納した該フレームカバーは、架台上に設置され得る。架台には加熱炉の電源やコントローラー、ラジエーター、冷却水の循環装置、冷却用空気の供給装置、被加熱物の移動装置等、加熱炉を運転するための各種装置を設置してもよい。
このように、本発明では、従来の回転楕円面に赤外線を反射させてなる側方からの加熱を行う装置の構造ではないので、加熱されている被加熱物の側方から被加熱物を確認でき、加熱中においてもCVD炉や単結晶育成装置の運転状況を把握することが可能である。
この状態において、赤外線ランプ203の電源を入れて加熱を開始し、温度を管理しながら、所定の処理を行った時点において加熱温度を下げる。処理後には、被加熱物を石英管207の下端より取り出し、次の処理工程に向けて搬送を行う。
続いて、加熱処理を行う場合には、冷却のための水や空気の供給はそのまま止めることなく、次の被加熱物を石英管207の下端より挿入し、固定した後に加熱を行うものである。もちろん、石英管207は必ずしも使用しなくてはならないものではなく、必要により使用の有無を任意に決定することができる。
具体的には蒸着装置、CVD炉、単結晶製造装置等の加熱を伴う装置として使用することができる。
これらの用途によって被加熱物の大きさがある程度決定するが、本発明では任意の大きさの被加熱物を処理可能であり、好ましくは径が50mm以下、さらに好ましくは30mm以下、特に好ましくは15mm以下が適切である。
そして、被加熱物の形状としては、光が照射される面が平面であればよく、また、本発明の目的を逸脱しない範囲において平面でない面でもよい。
また、本発明の集光鏡方式加熱炉によれば、加熱開始から数秒後には被加熱物表面の温度を2000℃以上に加熱することができ、被加熱物を加熱処理する速度を向上させることができる。
Claims (21)
- 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡よりなり、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて被加熱物に照射し、該二次反射鏡に反射して被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。 - 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。 - 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは異なる位置に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。 - 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を2つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点を通る法線上に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面の該法線に対して斜めに位置してなる集光鏡方式加熱炉。 - 一次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下である請求項2〜4のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 二次反射鏡の楕円の2つの焦点を結ぶ直線上に光源が位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項2〜5のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 一次反射鏡の楕円の2つの焦点と二次反射鏡の楕円の2つの焦点とが、同一直線上にないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項2〜5のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 被加熱面表面と、二次反射鏡の楕円の2つの焦点を結ぶ線とのなす角度が20〜70°である請求項2〜7のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を1つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を一次反射鏡とし、回転放物面体の内面を反射面とした回転放物面鏡を二次反射鏡として組み合わせてなり、
一次反射鏡の2つある焦点の内の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の焦点と同じ位置に位置するように一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の回転放物面鏡の回転軸と、炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点が1本の直線上に位置するように集光鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の開口部が被加熱物に向けて設けられており、
二次反射鏡の該回転軸は被加熱面表面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。 - 一次反射鏡の焦点とその楕円面との最短距離が、二次反射鏡の焦点とその放物線との最短距離よりも大である請求項9に記載の集光鏡方式加熱炉。
- 一次反射鏡の2つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項9又は10に記載の集光鏡方式加熱炉。
- 一次反射鏡の2つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置しないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項9又は10に記載の集光鏡方式加熱炉。
- 被加熱面の法線と、二次反射鏡の回転軸とのなす角度が20〜70°である請求項9〜12のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに該被加熱物は、該法線と垂直ではあるが環と交差しない平面上に設置され、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉。 - 該法線と、該光源と被加熱物表面中心とを結ぶ線とのなす角度が20〜70°である請求項14に記載の集光鏡方式加熱炉。
- 環状の該一次反射鏡を形成する環内に、環状の光源を円周に沿って設置し、
該環状光源からの光を被加熱面に集中させる反射板を、その反射面が、該環状光源がつくる円周に対して垂直に設置されてなる請求項14又は15に記載の集光鏡方式加熱炉。 - 加熱時において、該反射鏡と被加熱物との相対的な位置を可変とした請求項1〜16のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 加熱時において、被加熱物の温度、被膜形成時の膜厚等の被加熱物の状態を、被加熱物の真上、斜め上、及び横の少なくとも1方向から確認できるようにしてなる請求項1〜17のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 加熱時において、該被加熱物を回転可能とした請求項1〜18のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 被加熱物を内部に設けるようにした管を囲むように、反射鏡を設けてなる請求項1〜19のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
- 被加熱物表面に集光鏡の焦点が位置しない請求項1〜20のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
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