JP5804739B2

JP5804739B2 - プレート型ヒーター

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Publication number: JP5804739B2
Application number: JP2011067723A
Authority: JP
Inventors: 俊秋吉村; 裕之箕輪
Original assignee: CORE TECHNOLOGY, INC.
Current assignee: CORE TECHNOLOGY, INC.
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012204147A

Description

本発明は、例えば、半導体製造工程において半導体基板を加熱したり、ＬＣＤの製造工程においてガラス基板を加熱したりする場合等に用いられるプレート型ヒーターに関する。

半導体基板等の加熱においては、その製造装置全体の生産性の向上を図るために、１枚の基板等の被加熱物毎の加熱時間（タクトタイム）を短縮化すること、及び、被加熱物に熱歪みを生じないように、被加熱物の全域を均一な速度に昇温させること、が要望される。

上述のような要望のある半導体基板等の加熱源として、従来、被加熱物の上方部にエンプ加熱装置を配置し、このランプ加熱装置の光エネルギー（電磁波）を光透過性窓を通じて被加熱物に照射して加熱するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、抵抗加熱ヒーターの上部に対向させて被加熱物を保持する均熱板を配置し、抵抗加熱ヒーターからの輻射熱を均熱板に伝達すると共に、均熱板の放熱面からの輻射熱を被加熱物に伝達して被加熱物を加熱昇温するように加熱装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−２１９５４２号公報特開２０００−５８４５５号公報特開２０００−２３５９５０号公報

しかし、特許文献１、２に記載のランプ加熱装置においては、ランプ加熱装置から放射される熱エネルギーの多くが被加熱物から外部に逃げてしまう。この熱エネルギーのロスによって、加熱効率を十分に上げることができず、タクトタイムの短縮化を図ることができないと共に、被加熱物を均一に加熱昇温することが難しい。また、熱エネルギーのロスの分、ランプ加熱装置に掛かる負荷も大きくなりやすい。

また、特許文献３に記載の加熱装置においては、均熱板の使用により被加熱物の全体を均一に加熱することが可能であるものの、抵抗加熱ヒーターからの輻射熱が一旦均熱板に吸収され、その均熱板に吸収された熱が被加熱物に伝達される。そのため、抵抗加熱ヒーターが生成する熱エネルギーの一部が均熱板に吸収されずに外部に逃げたり、均熱板に伝わった熱エネルギーが均熱板の周辺部から外部に逃げたりすることがあって、熱エネルギーのロスが非常に大きい。そのため、特許文献３に記載の加熱装置においても、特許文献１、２に記載のランプ加熱装置と同様に、高い加熱効率の確保が難しく、タクトタイムの短縮化に自ずと限界がある。また、装置のコストアップを招きやすい。

本発明は、供給エネルギーをロスなく有効に熱エルネギーに変換してタクトタイムの短縮化が図り得ると共に、被加熱物全体を熱歪みのないよう均一に加熱昇温することができ、しかも、被加熱物の品質を良好に維持することができるプレート型ヒーターを提供することを目的とする。

本発明は、エネルギーを放出する１又は複数のエネルギー発生体と、前記エネルギー発生体を包囲するように配置され、前記エネルギー発生体から放出されるエネルギーを吸収して発熱し、少なくとも表面の全域へ熱伝達すると共に、外部に熱放射する黒体材料からなる盤状加熱板部材と、前記盤状加熱板部材の表面に被覆されて、前記盤状加熱板部材の表面から放出される放出ガスを封じ込めるコーティング層と、を備えるプレート型ヒーターに関する。

前記エネルギー発生体は、ランプ又はシーズヒーターから構成されていることが好ましい。

また、前記盤状加熱板部材は、カーボン、Ｓｉ、ＳｉＣ又はＳｉを含む黒体材料から形成されていることが好ましい。

また、前記コーティング層は、ガラスコーティング層であることが好ましい。

また、前記盤状加熱板部材は、裏面の全域へも熱伝達して、表裏両面から外部に向けて熱放射し、前記コーティング層は、前記盤状加熱板部材の裏面に被覆されて、前記盤状加熱板部材の裏面から放出される放出ガスを封じ込めるよう構成されていることが好ましい。

更に、前記盤状加熱板部材の内部に、前記エネルギー発生体を冷却するための不活性ガスを流動させるガス導入路が、設けられていることが好ましい。

本発明によれば、供給エネルギーをロスなく有効に熱エルネギーに変換してタクトタイムの短縮化が図り得ると共に、被加熱物全体を熱歪みのないよう均一に加熱昇温することができ、しかも、被加熱物の品質を良好に維持することができるプレート型ヒーターを提供することができる。

本発明の実施形態に係るプレート型ヒーターの外観を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図１に示すＸ−Ｘ線に沿った拡大断面図である。図１に示すＹ−Ｙ線に沿った拡大断面図である。本実施形態のプレート型ヒーターを用いて構成される多段式加熱装置の全体斜視図である。図４に示す多段式加熱装置の包囲部材の一部を取り外した状態の斜視図である。図４に示す多段式加熱装置の内部構造を示す正面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１から図３を参照して、本実施形態に係るプレート型ヒーター１の全体構造を説明する。図１は、本実施形態に係るプレート型ヒーター１の外観を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図２は、図１に示すＸ−Ｘ線に沿った拡大断面図である。図３は、図１に示すＹ−Ｙ線に沿った拡大断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態のプレート型ヒーター１は、光エネルギーを放出するエネルギー放出体としての複数のランプ２と、複数のランプ２の略全周を包囲するように配置される盤状加熱板部材３と、盤状加熱板部材３の表面に被覆されるコーティング層４と、を備える。

ランプ２は、８つの管状のランプであって、同一水平面内に所定の等間隔で互いに平行に並列して、配置されている。各ランプ２は、同一の長さを有する。ランプ２の長さ方向の両端部は、細径部２ａを形成している。
複数のランプ２の発光は、それぞれ独立して制御されることが好ましい。

盤状加熱板部材３は、８つのランプ２の上方部領域を覆う上部加熱板部材３Ａと、８つのランプ２の下方部領域を覆う下部加熱板部材３Ｂと、を有する。上部加熱板部材３Ａの下面部及び下部加熱板部材３Ｂの上面部には、断面視で半円状の下向き凹溝５Ａ及び上向き凹溝５Ｂが形成されている。
上部加熱板部材３Ａの下向き凹溝５Ａと下部加熱板部材３Ｂの上向き凹溝５Ｂとの間にランプ２を収容すると共に、支持部材（不図示）を介して各ランプ２の両端の細径部２ａを盤状加熱板部材３に支持させる。

上述のようにランプ２を収容し、両端の細径部２ａを支持した状態で、盤状加熱板部材３の周辺部の複数個所において、上部加熱板部材３Ａと下部加熱板部材３Ｂとは、図３に示すように、ＳｉＣ（炭化ケイ素）又はセラミック材料製の連結ボルト６と下部加熱板部材３Ｂに形成された雌ネジとにより固定されて、連結されている。なお、図面上では、連結ボルト６が設けられるのは、６箇所であるが、角部の４箇所でもよく、８箇所でもよい。

盤状加熱板部材３は、例えば、カーボン、Ｓｉ（シリコン＝ケイ素）、ＳｉＣ又はＳｉを含む黒体材料から形成されている。黒体材料からなる盤状加熱板部材３は、ランプ２から放出される光エネルギーを吸収して発熱し、上部加熱板部材３Ａの表面及び下部加熱板部材３Ｂの裏面の全域へ熱伝達すると共に、表裏両面から外部に向けて熱放射する。

コーティング層４は、盤状加熱板部材３における上部加熱板部材３Ａの下向き凹溝５Ａの内面を含む全表面、及び、下部加熱板部材３Ｂの上向き凹溝５Ｂの内面を含む全表面に被覆されて、形成されている。コーティング層４は、石英ガラス（ＳｉＯ_２）コーティング層であって、盤状加熱板部材３の表裏両面から放出される放出ガスを封じ込める。例えば、盤状加熱板部材３がカーボンやＳｉＣで形成されている場合において、盤状加熱板部材３が炭素の共有結合温度以上に加熱昇温したときには、炭素結合（Ｃ−Ｃ結合）が切れて、炭素ガスを放出することになるが、ガラスコーティング層４は、炭素ガスの外部への放出を防止する。
なお、コーティング層４は、窒化アルミコーティング層であってもよい。

図２に示すように、盤状加熱板部材３の内部には、ガス導入路７が設けられている。ガス導入路７は、ランプ２の外側の空間であって、上部加熱板部材３Ａの下向き凹溝５Ａと下部加熱板部材３Ｂの上向き凹溝５Ｂとの間の空間に、形成される。ランプ２の長手方向一端部の近傍の下部加熱板部材３Ｂには、ガス導入ポート８が形成されている。ガス導入路７内には、ガス導入ポート８から、Ｈｅ（ヘリウム）、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ_２（窒素）等の不活性ガスが導入される。ガス導入路７に導入された不活性ガスは、図２中の矢印に示すように流動し、これにより、ランプ２を冷却すると共に、ランプ２から放射される光エネルギーの減衰を抑制する。

特に、プレート型ヒーター１を大気中で用いる場合に、ガス導入路７に不活性ガスを導入する（流通させる）ことが効果的である。これにより、ガス導入路７の内部に存在する（光エネルギーの減衰作用が比較的大きい）大気をガス導入路７から排除して、光エネルギーの減衰抑制効果を、更に向上させることができる。

以上のように構成された本実施形態のプレート型ヒーター１は、盤状加熱板部材３における上部加熱板部材３Ａの表面上に載置される半導体基板等の被加熱物（不図示）を直接的に加熱するように、用いられる。

このとき、ランプ２から放射される全ての波長の光エネルギーは、黒体材料からなる盤状加熱板部材３により吸収されて、熱エネルギーに転換される。そして、熱エネルギーは、盤状加熱板部材３が有する優れた熱伝導特性により、盤状加熱板部材３における上部加熱板部材３Ａの表面に伝達され、上部加熱板部材３Ａの表面の全域は、均等に且つ急速に昇温される。複数のランプ２の発光をそれぞれ独立して制御することにより、盤状加熱板部材３の均一な昇温を、一層容易に実現することができる。
これにより、上部加熱板部材３Ａの表面上に載置された半導体基板等の被加熱物を、熱ロスを少なく、急速に加熱して、タクトタイムの短縮化が図り得ると共に、被加熱物の全体を熱歪みのないよう均一に加熱昇温することができる。

また、盤状加熱板部材３が炭素の共有結合温度以上に加熱昇温されることに伴って、炭素結合（Ｃ−Ｃ結合）が切れて、炭素ガスを発生することになる。ところが、その炭素ガスは、上部加熱板部材３Ａの表面に被覆されたガラスコーティング層４により封じ込められており、外部へ放出されることがない。そのため、半導体基板等の被加熱物が、炭素ガスにより汚染されたり、性能や品質を劣化されたりすることがない。これによって、被加熱物の性能や品質を良好に維持することができる。

更に、ランプ２の外周部のガス導入路７に不活性ガスを導入して流動させることにより、ランプ２を冷却してランプ２の過熱損傷による寿命の低下を抑制できると共に、ランプ２から放射される光エネルギーの減衰を抑制して、常に高い加熱効率を確保することができる。

次に、図４から図６を参照して、上述した本実施形態のプレート型ヒーター１を応用して構成される多段式加熱装置について説明する。
図４は、多段式加熱装置１０の全体を外観的に示す斜視図である。図５は、図４に示す多段式加熱装置１０の包囲部材１１の一部を取り外した状態の斜視図である。図６は、多段式加熱装置１０の拡大正面図である。

図４及び図５に示すように、多段式加熱装置１０は、盤状で、表裏両面から熱放射が可能な複数のプレート型ヒーター１と、これら複数のプレート型ヒーター１の全外周部を取り囲む筺状の包囲部材１１と、被加熱物の出し入れ用開口１２と、を備える。

プレート型ヒーター１は、図１から図３を用いて前述した通りの構成を有する。このプレート型ヒーター１の６つを、図６に示すように、上下方向に間隔を置いて平行に多段に配置すると共に、各プレート型ヒーター１をそれらの周辺部において脚部材１３を介して支持する。これにより、上下に隣接するプレート型ヒーター１，１の対向面、即ち、盤状加熱板部材３における下部加熱板部材３Ｂの裏面と上部加熱板部材３Ａの表面との間にそれぞれ加熱処理室１４が形成される。

筺状の包囲部材１１は、図６に示すように、多段に積み重ね配置されたプレート型ヒーター１の全外周部を取り囲むことにより、上下に複数の加熱処理室１４の周囲を包囲する。筺状の包囲部材１１は、例えば、ＳＵＳの反射板から構成されている。このように構成されることで、包囲部材１１は、プレート型ヒーター１から加熱処理室１４に向けて放射される熱エネルギーの外部への漏れ出しを防ぐと共に、周辺へ放射される熱エネルギーを加熱処理室１４側に反射させる熱反射機能を有する。

また、各加熱処理室１４には、各加熱処理室１４の加熱温度を個別に制御可能とするための熱電対１５が設けられている。
また、被加熱物の出し入れ用開口１２は、筺状の包囲部材１１の前面板部材１６を着脱自在に構成することにより、開閉可能とされている。

上述のように構成された多段式加熱装置１０においては、半導体基板等の複数の被加熱物（不図示）を、各加熱処理室１４内に挿入して、プレート型ヒーター１の上面に載置する。これにより、複数の被加熱物を一挙に、そして、急速に且つ均一に加熱処理することが可能となり、タクトタイムの大幅な短縮化が図れると共に、各被加熱物を熱歪みのない高い品質のものに熱処理することができる。

以上、本発明の好適な実施形態及び応用形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施して応用することができる。
例えば、前述の実施形態においては、盤状加熱板部材３における上部加熱板部材３Ａ及び下部加熱板部材３Ｂの表裏両面が共に加熱面であるとして説明したが、これに制限されない。下部加熱板部材３Ｂの下部に断熱層を形成して、上部加熱板部材３Ａの表面のみを加熱面としてもよい。

また、前述の実施形態においては、エネルギー発生体として、複数の管状ランプ２を並列配置したが、複数のシーズヒーターを並列配置してもよい。複数のシーズヒーターの発熱は、それぞれ独立して制御されることが好ましい。また、単一のランプ２又はシーズヒーターを用いてもよい。

１……プレート型ヒーター
２……ランプ（エネルギー発生体）
３……盤状加熱板部材
４……コーティング層
７……不活性ガス導入路

Claims

エネルギーを放出する１又は複数のエネルギー発生体と、
前記エネルギー発生体を包囲するように配置され、前記エネルギー発生体から放出されるエネルギーを吸収して発熱し、少なくとも表面の全域へ熱伝達すると共に、外部に熱放射する黒体材料からなる盤状加熱板部材と、
前記盤状加熱板部材の表面に被覆されて、前記盤状加熱板部材の表面から放出される放出ガスを封じ込めるコーティング層と、を備え、
前記コーティング層は、ガラスコーティング層であり、
前記盤状加熱板部材は、裏面の全域へも熱伝達して、表裏両面から外部に向けて熱放射し、
前記コーティング層は、前記盤状加熱板部材の裏面に被覆されて、前記盤状加熱板部材の裏面から放出される放出ガスを封じ込める
プレート型ヒーター。
前記エネルギー発生体は、ランプ又はシーズヒーターから構成されている
請求項１に記載のプレート型ヒーター。
前記盤状加熱板部材は、カーボン、Ｓｉ、ＳｉＣ又はＳｉを含む黒体材料から形成されている
請求項１又は２に記載のプレート型ヒーター。
前記盤状加熱板部材の内部に、前記エネルギー発生体を冷却するための不活性ガスを流動させるガス導入路が、設けられている
請求項１から３のいずれか１項に記載のプレート型ヒーター。