JP6375536B2

JP6375536B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP6375536B2
Application number: JP2015017276A
Authority: JP
Inventors: 俊介船路; 秀樹片山; 良弘岡崎
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP2016143510A

Description

本発明は、誘導加熱装置に係り、特に、半導体基板を熱処理する際に好適なコイル形状を備えた誘導加熱装置に関する。

半導体基板を熱処理する枚葉型の誘導加熱装置としては、特許文献１、２に開示されているようなものが知られている。いずれの文献に開示されている誘導加熱装置も、円環形状とした複数の誘導加熱コイルを同心円状、あるいは螺旋状に配置している。そして、複数の誘導加熱コイルは、いずれも中心軸回りに略対称な形態となるように構成されている。

上記特許文献に開示されている誘導加熱装置は、いずれも複数の誘導加熱コイルそれぞれに対して供給する電力を個別に制御することが可能に構成されている。しかし、同心円状に配置された誘導加熱コイルによる被誘導加熱部材の加熱では、中心部に投入される磁束が垂直方向に向う磁束のみとなり、周囲に比べて発熱量が低くなるという問題がある。

このような問題に対し、特許文献１に開示されている誘導加熱装置では、被誘導加熱部材の厚みや、誘導加熱コイルと被誘導加熱部材との距離を変化させ、被誘導加熱部材の中心部の発熱量の増大を図っている。

また、特許文献２に開示されている誘導加熱装置では、円環状の誘導加熱コイルに加え、被誘導加熱部材の中心を加熱するためのレーザ加熱手段を設けることで、被誘導加熱部材全体を均等加熱することが提案されている。

特許第４３３６２８３号公報特許第５１２７５３２号公報

上記のような特徴を持つ誘導加熱装置は、いずれも被誘導加熱部材の発熱分布を均一にする事に適していると言える。

しかし、特許文献１、２に開示されている誘導加熱装置では、いずれも、被誘導加熱部材の中心部分の発熱量を増やすために、被誘導加熱部材の形態や厚みに変化を持たせたり、誘導加熱コイル以外の加熱手段を設けるという構成を採っているため、製造コストの高騰や、制御の煩雑化を招くといった課題が残ることとなる。

そこで本発明では、上記課題を解決し、平板状の被誘導加熱部材を採用し、かつ加熱手段を誘導加熱コイルのみとした場合であっても、被誘導加熱部材中心部の発熱量の向上を図ることのできる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、被誘導加熱部材と対向するように、円環状に配置された円形誘導加熱コイルと、前記被誘導加熱部材に対向配置され、かつ前記円形誘導加熱コイルの内周側に、前記円形誘導加熱コイルの形態に沿った円環の中心軸回りに非対称な形態を持つ非対称誘導加熱コイルと、各誘導加熱コイルに対して個別に電力供給することを可能とするインバータと、を備えることを特徴とする誘導加熱装置。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置において、前記円形誘導加熱コイルは、同心円状に配置された複数の誘導加熱コイルにより構成されるようにすると良い。このような特徴を有することによれば、電力を供給する際の分解能が増し、より高精度な温度分布制御が可能となる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置では、前記被誘導加熱部材を前記円形誘導加熱コイルの中心軸回りに回転させる回動手段を備えるようにすると良い。このような特徴を有することにより、被誘導加熱部材に生じる温度分布の偏りを抑制し、より高精度な均等加熱を行うことが可能となる。

上記のような特徴を有する誘導加熱装置によれば、平板状の被誘導加熱部材を採用し、かつ加熱手段を誘導加熱コイルのみとした場合であっても、被誘導加熱部材中心部の発熱量の向上を図ることができ、被誘導加熱部材における温度分布の均等化を図ることが可能となる。

実施形態に係る誘導加熱装置の回路構成例を示す図である。実施形態に係る誘導加熱装置において採用する誘導加熱コイルの具体的形態の例を示す平面図である。実施形態に係る誘導加熱装置における被誘導加熱部材と誘導加熱コイルとの配置形態、および磁束の発生状態を示す図であり、図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。複数の誘導加熱コイル全ての形態を中心軸回りに略対称とする従来の誘導加熱装置における誘導加熱コイルの形態を示す平面図である。誘導加熱装置に回動手段を設ける際の構成例を示す図である。図４に示す形態の誘導加熱コイルを使用して、被誘導加熱部材の均等加熱を試みた際の温度分布を示すグラフである。本実施形態に係る誘導加熱コイルを使用して、被誘導加熱部材の均等加熱を試みた際の温度分布を示すグラフである。円形誘導加熱コイルの内側に配置した非対称誘導加熱コイルの形態をＬ型とした場合の例を示す平面図である。円形誘導加熱コイルの内側に配置した非対称誘導加熱コイルの形態をＮ型とした場合の例を示す平面図である。

以下、本発明の誘導加熱装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る誘導加熱装置全体の概要について、図１を参照して説明する。図１に示す誘導加熱装置１０は、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、インバータ（逆変換回路）１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、チョッパ回路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、コンバータ（順変換回路）２６、および電源部３０を基本として構成されている。

図１に示す誘導加熱装置１０は、詳細を後述するコンバータ２６に対して、チョッパ回路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、インバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ、および誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃからなる回路が、並列に接続されることで構成されている。よって本実施形態に係る誘導加熱装置１０は、個別に電力制御可能な複数の誘導加熱回路を備えていることとなる。

誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、高周波電流を供給可能なインバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃが接続されたコイルである。本実施形態の場合、単一の被誘導加熱部材４０（例えば円盤状のグラファイト：図２、図３参照）に対して、複数（図１に示す例では３つ）の誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃを近接配置する構成としている。このような配置構成とした場合、コイルへ電力を投入した際、隣接して配置された誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ間には、相互誘導電圧Ｖｍが生ずることとなる。

図１に示す誘導加熱装置１０で採用しているインバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、電圧型インバータである。各誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃとインバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃとの間には、共振コンデンサ３２ａ，３２ｂが直列に接続されており、両者の間には、直列共振回路が構成されている。よって、図１に示す誘導加熱装置１０は、複数（３つ）の自己共振回路を構成しているということができる。

インバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、単相のフルブリッジインバータを構成している。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ１６を採用し、負荷電流を転流させるためにダイオード１８を逆並列に接続する構成としている。ブリッジ回路の前段には、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ２０と平滑コイル（ＤＣＬ：ＤＣリアクトル）２１が設けられている。

チョッパ回路２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、コンバータ２６から出力された定電圧の直流電圧をスイッチング素子であるＩＧＢＴ２４でチョッピングすることでデューティ比を変化させて、インバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃへ入力する平均電圧を変化させる役割を担う。チョッパ回路２２ａ，２２ｂ，２２ｃとコンバータ２６との間には、平滑コンデンサ２５が設けられている。

コンバータ２６は、ダイオード２８を用いて構成される三相ダイオードブリッジにより成る。電源部３０より供給された三相交流電流を直流電流に変換し、チョッパ回路２２ａ，２２ｂ，２２ｃへと供給する役割を担う。

このような構成の誘導加熱装置１０では、図示しない制御手段により、各誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに供給される電流の周波数を一致させると共に、当該電流の波形を同期させる制御を行うことで、近接配置された誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ間に生じる相互誘導（誘導起電力）の影響を回避して、各インバータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ毎に電力調整を行うことを可能とされている。なお、誘導加熱装置１０構成する誘導加熱コイル１２ａ、２ｂ，１２ｃを含む自己共振回路の数は、任意に増減させて構成したとしても、本発明の効果に影響を与えるものではない。自己共振回路の数を増やすことにより、温度分布制御を行う際の分解能が増加し、より高精度な温度分布制御を行うことが可能となる。

次に、実施形態に係る誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃの具体的な形態について、図２、図３を参照して、具体例を紹介する。まず、本実施形態に係る誘導加熱装置１０における誘導加熱コイルの基本形態は、円環状の配置形態である。図２に示す誘導加熱コイルは、円環の中心に配置された誘導加熱コイル１２ａ以外の誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃは、同じ形態となるように示している。

すなわち、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃは、それぞれ、平面視した際に、円環部が、その中心軸回りに対称（例えば中心線Ａを基準とした場合には、略線対称）となるように形成されている。また、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃによって形成される円環部は、それぞれ同心円状に形成されるようにする。被誘導加熱部材４０であるグラファイト等は、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃの外周形状と同様に円盤型に形成されている。このため、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃを同心円状に形成配置することで、被誘導加熱部材４０を均等加熱しやすくなる。なお、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃを側面側から見た配置形態は、図３に示すように、平板状に形成された被誘導加熱部材４０の板面に沿う形態としている。

円環状に形成された誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃの内側に配置される誘導加熱コイル１２ａは、誘導加熱コイル１２ｂ，１２ｃにより構成される円環の中心軸回りに非対称な形態（例えば中心線Ａを基点として線対称とならない形態）となるように構成されている。通常、図４に示すように、中心に配置される誘導加熱コイル１２ａ１を円環状（対称形態）とした場合、被誘導加熱部材４０の中心に作用する磁束は、そのほとんどが垂直方向の磁束であり、磁束の進行方向回りに生じる渦電流の発生が少なくなる。このため、被誘導加熱部材４０を均等加熱しようとした場合であっても、図６に示すように、中心付近の発熱量が極めて低い状態となってしまう傾向があり、被誘導加熱部材４０の形態を工夫するなどの対策が必要とされてきた。

これに対し、本実施形態に係る誘導加熱装置では、図２、図３に示すように、中心軸回りに非対称な形態（図２に示す形態はＩ型）としたことで、被誘導加熱部材４０の中心付近にも、水平方向へ進行する磁束を投入することが可能となる（図３参照）。このため、被誘導加熱部材４０の中心付近において磁束回りに生じる渦電流の発生量が増大し、図７に示すように、被誘導加熱部材の中心付近における発熱量の改善を図ることができる。よって、被誘導加熱部材の形態に工夫を凝らすことなく、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに投入する電力の制御だけで、被誘導加熱抜材４０の温度分布を高精度に均等化することが可能となる。

また、上記のような特徴を有する誘導加熱装置１０では、被誘導加熱部材４０に対し、回動手段５０を設けるようにすると良い。誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより加熱される被誘導加熱部材４０自体を中心軸回りに水平回転させることで、発熱量に偏りが生じ難くなる。よって、被誘導加熱部材４０を加熱する際の温度分布をより均等なものとすることが可能となる。回動手段５０の具体的な構成としては、例えば図５に示すようなものであれば良い。すなわち、被誘導加熱部材４０を支持するための爪５２と、回転軸を構成すると共に、誘導加熱コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに接続された導電線を装置外部に引き回すための回転筒５４、および回転筒５４の外周に設けられた歯車５６に噛み合って動力を伝達する回転軸を備えた駆動手段５８を備えるようなものであれば良い。

また、誘導加熱コイル１２ａの形態としては、中心軸回りに非対称な形態（例えば中心線Ａを基点として線対称でない形態）であれば、図８に示すようなＬ型形状や、図９に示すようなＮ型形状としても良い。いずれの形態の場合であっても、被誘導加熱部材４０の中心に到達する磁束に、水平方向の磁束を加えることが可能となるからである。

１０………誘導加熱装置、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ………誘導加熱コイル、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ………インバータ、１６………ＩＧＢＴ、１８………ダイオード、２０………平滑コンデンサ、２１………平滑コイル、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ………チョッパ回路、２４………ＩＧＢＴ、２５………平滑コンデンサ、２６………コンバータ、２８………ダイオード、３０………電源部、４０………被誘導加熱部材、５０………回動手段、５２………爪、５４………回転筒、５６………歯車、５８………駆動手段。

Claims

被誘導加熱部材と対向するように、円環状に配置された円形誘導加熱コイルと、
前記被誘導加熱部材に対向配置され、かつ前記円形誘導加熱コイルの内周側に、前記円形誘導加熱コイルの形態に沿った円環の中心軸回りに非対称な形態を持つ非対称誘導加熱コイルと、
各誘導加熱コイルに対して個別に電力供給することを可能とするインバータと、
前記被誘導加熱部材を前記円形誘導加熱コイルの中心軸回りに回転させる回動手段と、を備えることを特徴とする誘導加熱装置。
前記円形誘導加熱コイルは、同心円状に配置された複数の誘導加熱コイルにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。