KR101297493B1

KR101297493B1 - 유도가열장치

Info

Publication number: KR101297493B1
Application number: KR1020137007417A
Authority: KR
Inventors: 나오키 우치다
Original assignee: 미쯔이 죠센 가부시키가이샤
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-08-20
Also published as: JP4980461B1; KR20130038957A; CN103155698A; WO2012086268A1; JP2012138204A; US20130264335A1; CN103155698B; TWI448207B; TW201230880A; US9287146B2

Abstract

[과제] 대경화된 웨이퍼의 가열에 배치형 가열방식을 채용하고, 또한 고정밀도의 균등 가열을 행할 수 있는 유도가열장치를 제공한다. [해결수단] 솔레노이드형 유도가열코일(18)로부터 발생하는 자속에 의해 피유도가열부재를 가열하고, 이 피유도가열부재의 발열에 의해 웨이퍼(40)를 가열하는 유도가열장치(10)이며, 유도가열코일(18)의 축심방향으로 주면이 수직이 되도록 배치된 복수의 피유도가열부재(14(14a, 14b, 14c))를 점재시킨 것을 특징으로 한다. 이와 같은 특징을 갖는 유도가열장치(10)에서는 피유도가열부재(14)를 투자성 및 열전달성을 구비한 부재에 의해 구성된 1개의 홀더(16)에 수용하여 서셉터(12)를 구성하면 된다.

Description

유도가열장치 {INDUCTION HEATING APPARATUS}

본 발명은 유도가열장치 및 유도가열방법에 관한 것으로, 특히 피가열물의 균등 가열을 행할 경우에 바람직한 유도가열장치 및 유도가열방법에 관한 것이다.

반도체 가열의 분야에 유도가열기술이 투입됨으로 인해, 웨이퍼 가열의 급속화가 가속화되어 왔다. 최근에는 가열 대상으로 하는 웨이퍼의 대경화가 눈에 띄며, 큰 것으로는 300φ에 이르는 것이 있다. 이와 같이 지름이 큰 웨이퍼에는 통상적으로 특허문헌1에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼를 가열하기 위한 발열체인 서셉터의 면을 따라서 배치된 유도가열코일에 의해 1장씩 가열되는, 이른바 매엽형 가열방식이 채용되고 있었다.

이에 반해 열처리의 효율화를 도모하기 위해서는 도 11에 도시하는 바와 같이 솔레노이드 코일 등의 측면 배치형 유도가열코일(2)을 이용한, 이른바 배치형 가열방식을 채용한 유도가열장치(1)로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 대형 웨이퍼를 측면 배치형 유도가열코일(2)을 통해서 가열하려고 하면, 표피 효과의 영향에 의해 서셉터(3)는 바깥 가장자리측의 발열량이 많아지고 중심부측의 발열량은 적어진다. 이 때문에 웨이퍼(4)의 균등 가열이 불가능하고, 실용화하는 것이 어렵다. 또한, 도 12는 종래의 유도가열장치(1)에 채용되고 있는 서셉터의 구성을 도시하는 도면이며, 예를 들어 그라파이트 등의 단일 부재에 의해 구성되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특개2006-278150호 공보

상기와 같이, 매엽형 가열방식과 배치형 가열방식에는 양자 모두 장점과 단점이 있다. 이 때문에, 열처리를 행하는데 있어서는 그 품질을 중시하는가, 효율을 중시하는가에 따라서 가열수단의 선택이 행해졌었다. 그러나, 실질적으로는 대형 웨이퍼를 배치형 가열방식으로 열처리하는 것은 어려웠다.

본 실시형태에서는 상기 문제를 해결하며, 대경화된 웨이퍼의 가열에 배치형 가열방식을 채용하고, 또한 고정밀도의 균등 가열을 행할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도가열장치는 솔레노이드 코일로부터 발생하는 자속에 의해 피유도가열부재를 가열하고, 이 피유도가열부재의 발열에 의해 파가열부재를 가열하는 유도가열장치이며, 상기 솔레노이드 코일의 축심방향으로 주면(主面)이 수직이 되도록 배치된 복수의 피유도가열부재를 점재시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 피유도가열부재를 투자성 및 열전달성을 구비한 부재에 의해 구성된 1개의 홀더에 수용하여 발열체를 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 특징을 가짐으로 인해, 발열체의 판면에는 유도가열코일로부터 발생된 자속을 투과시키는 길이 구성되게 된다. 따라서, 발열체를 적층 배치한 경우에도 발열체의 중심부 부근에 자속을 도달시킬 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 피유도가열부재를 원형으로 하고, 상기 홀더의 중심을 기점으로 하여 방사형으로 점재시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 특징을 가짐으로 인해, 발열체의 발열 분포를 안정화시킬 수 있다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 홀더의 중심에 배치된 피유도가열부재일수록 상기 홀더의 외주측에 배치된 피유도가열부재보다 직경을 크게 하는 것이 좋다.

이와 같은 특징을 가짐으로 인해, 유도가열코일에 공급하는 전류의 주파수의 높낮이에 의해 발열체면 내에서의 발열 비율을 변화시킬 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 홀더의 중심에 배치된 피유도가열부재일수록 상기 홀더의 외주측에 배치된 피유도가열부재보다 두께를 두껍게 하는 것이 좋다.

이와 같은 특징을 가짐으로 인해, 발열체면 내에서의 열 용량을 변화시킬 수 있다. 따라서, 발열되기 어려운 중심부의 열 용량을 높임으로써 균등 가열에 유리해진다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 원형의 피유도가열부재 각각의 중심부에 관통구멍을 형성하고, 각 피유도가열부재의 형상을 링형상으로 해도 된다.

이와 같은 특징을 가짐으로 인해 자속의 투과로를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 홀더의 중심에 원형의 피유도가열부재를 배치하고, 이 원형의 피유도가열부재의 주위에 부채꼴 형상의 피유도가열부재를 복수 배치하도록 해도 된다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고, 상기 제1 피유도가열부재는 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 했을 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있도록 하면 된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도가열장치는 솔레노이드 코일로부터 발생하는 자속에 의해 피유도가열부재를 가열하고, 이 피유도가열부재의 복사열에 의해 웨이퍼를 가열하는 유도가열장치이며, 상기 솔레노이드 코일의 축심방향으로 주면이 수직이 되도록 배치된 피유도가열부재를 배치하고, 이 피유도가열부재에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성하고, 상기 피유도가열부재를 투자성 및 열전달성을 갖춘 부재에 의해 구성된 홀더에 수용하여 발열체를 구성한 것을 특징으로 하는 것이어도 된다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치에서는 상기 발열체를 상기 포위 공간 속에 평행하게 복수 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도가열방법은 솔레노이드 코일에 전류를 투입하고, 상기 솔레노이드 코일의 포위 영역에 배치된 발열체를 가열하여 피가열부재의 가열을 행하는 유도가열방법이며, 상기 발열체를 균등 가열 가능한 전류 주파수를 기준 주파수로 하고, 상기 기준 주파수보다 낮은 주파수의 전류를 상기 솔레노이드 코일에 투입한 경우에는 상기 발열체의 중앙을 가열하고, 상기 기준 주파수보다 높은 주파수의 전류를 상기 솔레노이드 코일에 투입한 경우에는 상기 발열체의 외주를 가열하여, 상기 웨이퍼의 온도 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 특징을 갖는 유도가열방법에서는 상기 솔레노이드 코일의 포위 영역에 상기 발열체를 복수 평행하게 배치하고, 상기 솔레노이드 코일을 상기 발열체의 배치방향을 따라서 분할하고, 분할한 각 솔레노이드 코일에 투입하는 전류의 주파수 및 위상을 일치시켜, 상기 각 솔레노이드 코일에 투입하는 전류를 제어하도록 하면 된다.

이와 같은 특징을 가지게 되면, 인접되어 배치된 유도가열코일 사이에 발생하는 상호 유도의 영향을 회피하고, 유도가열코일에 대한 공급 전류의 제어를 행할 수 있게 된다.

상기와 같은 특징을 갖는 유도가열장치 및 방법에 의하면, 대경화된 웨이퍼의 가열에 배치형 가열방식을 채용한 경우에도 고정밀도의 균등 가열을 행할 수 있게 된다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 유도가열장치의 정면 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 유도가열장치에 채용하는 서셉터의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 3은 서셉터에서의 제1 응용형태를 도시하는 평면도이다.
도 4는 서셉터에서의 제2 응용형태를 도시하는 평면도이다.
도 5는 서셉터에서의 제3 응용형태를 도시하는 평면도이다.
도 6은 서셉터에서의 제4 응용형태를 도시하는 평면도이다.
도 7은 제4 응용형태에 따른 서셉터의 평면도이다.
도 8은 제2 실시형태에 따른 유도가열장치의 정면 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 제2 실시형태에 따른 유도가열장치에서의 전원부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 제2 실시형태에 따른 유도가열장치에서 인버터로서 직렬 공진 인버터를 채용한 경우의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래의 배치형 가열방식을 채용한 유도가열장치의 구성을 도시하는 정면도이다.
도 12는 종래의 유도가열장치에 채용되고 있는 서셉터의 평면 구성을 도시하는 도면이다.

이하에서 본 발명의 유도가열장치 및 유도가열방법에 따른 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

우선, 도 1, 도 2를 참조하여 본 발명의 유도가열장치에 따른 제1 실시형태에 대해서 상세히 설명한다. 여기서, 도 1은 본 실시형태에 따른 유도가열장치의 정면 구성을 도시하는 블록도이다. 또한, 도 2는 유도가열장치를 구성하는 서셉터의 평면 구성을 도시하는 도면이다.

본 실시형태에 따른 유도가열장치(10)는 적어도 발열체로서의 서셉터(12), 유도가열코일(18) 및 전원부(20)를 갖는다. 본 실시형태에 따른 서셉터(12)는 피유도가열부재(14(14a~14c))와 홀더(16)로 이루어지는 원형 평판이며, 이것에 피가열물인 반도체 웨이퍼(이하 단순히 웨이퍼(40)라고 칭한다)를 얹어 놓고, 열전달 및 열전도의 작용에 의해 얹어 놓은 웨이퍼(40)를 가열하는 역할을 한다. 피유도가열부재(14)는 내열성 및 도전성을 구비한 저항부재이면 되고, 예를 들어 그라파이트 등에 의해 구성된 원형 평판이다. 본 실시형태의 경우, 피유도가열부재(14)는 서셉터(12)에 비해 작은 지름으로 형성된 원판에 의해 구성되고, 이것을 홀더(16) 내에 점재시킴으로써 서셉터(12)가 구성된다. 홀더(16)는 내열성 및 투자성을 구비한 열전도율이 높은 부재이면 되고, 예를 들어 SiC 등에 의해 구성되어 있으며, 점재 배치된 피유도가열부재(14)를 코팅함으로써 홀더(16)의 본체를 이룬다. SiC는 열전도율이 높기 때문에, 피유도가열부재(14)를 점재시킨 경우라 해도 이것에 기인하여 발열 분포에 치우침이 발생하는 일은 없다. 또한, 각 피유도가열부재(14)는 상세를 후술하는 유도가열코일(18)에서의 권회 중심(축심방향)에 대해서 주면이 직교하도록 배치된다. 이에 의해, 피유도가열부재(14)의 주면에 대해서 자속이 수직으로 투입되게 되고, 피유도가열부재(14)의 판면에 대해서 평행하게 과전류가 여기되게 된다. 따라서, 발열 효율이 양호해진다.

본 실시형태의 경우, 도 2에 도시하는 바와 같이, 직경이 다른 복수의 피유도가열부재(14)를 이용하여 서셉터(12)를 구성하고 있다. 구체적으로는 대, 중, 소의 3종류의 직경을 갖는 피유도가열부재(14) 중 중심에 직경 '대'의 피유도가열부재(14a)를 배치하고, 그 주위에 방사형으로 직경 '중'의 피유도가열부재(14b)를 배치한다. 나아가 직경 '중'의 피유도가열부재(14b)를 배치한 외주에 직경 '소'의 피유도가열부재(14c)를 방사형으로 배치하고 있다. 여기서, 서셉터(12)의 직경을 300φ으로 한 경우, 예를 들어 직경 '대'의 피유도가열부재(14a)의 직경은 50φ, 직경 '중'의 피유도가열부재(14b)는 30φ, 직경 '소'의 피유도가열부재(14c)는 20φ 등으로 할 수 있다.

피유도가열부재(14)는 전류침투깊이(δ)나 유도가열코일(18)에 공급되는 전류의 값, 및 주파수에 기인하여 발열량(Q)이 다르고, 일반적으로 전류 주파수가 낮을수록 직경이 큰 피유도가열부재의 발열 효율(발열 밀도)가 높아지고, 전류 주파수가 높을수록 직경이 작은 피유도가열부재의 발열 효율이 높아진다. 따라서, 상기와 같이 직경이 다른 피유도가열부재를 중심으로부터 바깥 가장자리에 걸쳐서 복수 배치함으로써, 전류 주파수의 설정에 따라서 서셉터면 내에서의 유효 가열부위를 선택할 수 있게 된다. 또한, 대, 중, 소로 한 피유도가열부재의 수는 각 피유도가열부재를 배치한 에어리어의 발열 분포가 균등해지도록 각각 수량, 배치 밸런스를 결정하면 된다.

또한, 본 실시형태에서는 이와 같이 구성되는 서셉터(12)를 복수 적층방향으로 배치함으로써 배치형 가열방식을 채용하도록 하고 있다.

유도가열코일(18)은 본 실시형태의 경우, 상기와 같이 적층 배치한 복수의 서셉터(12)를 포위하도록 두루 감은 이른바 솔레노이드형 코일을 채용하고 있다. 이와 같이 배치된 유도가열코일(18)을 채용한 경우, 유도가열코일(18)에 전력이 공급됨으로써 발생하는 자속은 도 1에 도시하는 바와 같이, 서셉터(12)의 적층방향에 따르게 된다.

유도가열코일(18)로부터 발생하는 자속은 서셉터를 구성하는 도전성 저항부재(예를 들어 그라파이트)를 투과할 때의 저항에 의해 감쇠되게 된다. 그렇기 때문에 종래의 서셉터를 이용한 경우에는 적층 배치된 서셉터 중심 부근은 전자 유도에 의한 가열이 불충분해졌다.

이에 반해, 본 실시형태에서는 도전성 저항부재에 의해 구성된 피유도가열부재(14)를 투자성 부재에 의해 구성된 홀더(16) 내에 점재시키도록 하고 있으므로 서셉터(12)의 내부영역에 자속의 투과로를 형성할 수 있다. 그렇기 때문에 홀더(16) 내에 점재된 피유도가열부재(14)는 각각의 바깥 가장자리 부분의 가열 비율이 높아지게 되어, 결과적으로 적층 배치된 서셉터(12) 전체의 면내 발열분포가 개선되게 된다.

실시형태에 따른 유도가열코일(18)의 바람직한 형태로서는, 내열성을 갖는 도전성 부재에 의해 구성된 외곽과, 냉각부재를 삽입 관통 가능한 내부공간을 구비한 부재(예를 들어 중공 구리관)로 하면 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 전자 유도에 의해 서셉터(12)에 발생한 열의 복사로 인한 유도가열코일(18) 자체의 과가열을 방지할 수 있다. 또한 바람직하게는 유도가열코일(18)의 외주에 내열성 절연부재를 피복하면 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써 뜻하지 않은 접촉으로 인한 단락을 방지할 수 있기 때문이다.

전원부(20)는 적어도 공급 전류의 제어를 가능하게 하는 인버터와, 이 인버터에 전력을 공급하는 전원을 갖는다(인버터와 전원의 관계에 대해서는 제2 실시형태에서 설명하기로 한다. : 도 9, 도 10을 참조). 인버터로서는 공진형 인버터 외에 비공진형 인버터도 채용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 공진형 인버터로서는 직렬 공진형 인버터를 들 수 있다. 또한, 비공진형 인버터로서는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 들 수 있다.

전원으로서는 교류전원이 채용된다. 구체적으로는 3상 교류전원 등을 들 수 있다. 또한, 인버터로서 직렬 공진형 인버터를 채용한 경우에는 전원과 인버터 사이에 컨버터나 초퍼를 마련하도록 하면 된다. 또한, 컨버터는 3상 교류전원으로부터 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 역할을 한다. 초퍼는 컨버터에 의해 정류된 직류 전류의 전압을 조정하는 역할을 한다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 직렬 공진형 인버터에서는 미리 정해진 공진주파수로 출력하는 전류의 조정을 행하는 역할을 하기만 하면 된다. 한편, PWM 인버터를 채용한 경우에는 전원과 인버터 사이에 적어도 컨버터를 마련하도록 하면 된다. 여기서, 컨버터는 직렬 공진형 인버터를 채용한 경우와 마찬가지로, 교류 전류로부터 직류 전류로의 변환을 행하는 역할을 한다. PWM 인버터는 컨버터로부터 출력된 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 유도가열코일에 공급하는 역할을 한다. 여기서, PWM 인버터는 입력된 직류 전류의 ON·OFF 제어에 의해 교류 전류를 구성함과 동시에, 각 펄스 폭의 듀티비에 의해 정해지는 등가 전압을, 지령 주파수로서 부여되는 신호에 따른 정현파 형상으로 출력함으로써 주파수와 전압을 조정할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서 이용하면 PWM 인버터는 전류 조정도 행할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 유도가열장치(10)에 의하면, 대경화된 웨이퍼(40)를 배치형 가열방식으로 가열하는 경우에도 균등 가열을 행할 수 있게 된다.

또한, 이와 같은 구성의 유도가열장치(10)를 이용하여 웨이퍼(40)의 가열을 행하는 경우에는 직경 '대', 직경 '중', 직경 '소'의 피유도가열부재(14)를 균등 가열할 수 있는 전류 주파수를 미리 조사하고, 이 조사에 의해 얻어진 전류의 주파수를 기준 주파수로 하여 운전하면 된다. 이와 같은 기준 주파수를 가지게 되면, 유도가열코일(18)에 투입하는 전류의 주파수를 기준 주파수보다 낮게 함으로써 서셉터(12)의 중앙부측의 가열 비율을 높일 수 있다. 한편, 유도가열코일(18)에 투입하는 전류의 주파수를 기준 주파수보다 높게 하면, 서셉터(12)의 외주부측의 가열 비율을 높일 수 있고, 투입하는 전류 주파수의 제어에 의해 가열 대상으로 하는 웨이퍼(40)의 면 내 온도분포를 제어할 수 있게 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 서셉터를 구성하는 피유도가열부재(14)의 형태는 원판형으로 했었다. 그러나 도 3에 도시하는 바와 같이, 피유도가열부재(14d)의 구성을 링형상으로 해도 된다. 피유도가열부재(14d)의 구성을 이와 같이 하여 서셉터(12a)를 구성함으로써 유도가열코일(18)로부터의 자속의 투과로가 증가되게 되고, 피유도가열부재(14d) 내의 온도 분포의 치우침을 한층 억제할 수 있게 된다.

또한, 실시형태에서는 피유도가열부재(14)의 두께는 모두 동일하도록 나타냈다. 그러나 피유도가열부재(14)의 두께는 그 종별에 따라서 변경하도록 해도 된다. 예를 들어, 중앙부에 배치된 큰 지름의 피유도가열부재(14a)로부터 바깥 가장자리측에 배치된 작은 지름의 피유도가열부재(14c)에 걸쳐서 그 두께를 단계적으로 얇게 하도록 구성해도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 자속이 도달하기 어려운 중앙부에서의 발열량을 얻을 수 있고, 서셉터(12) 전체로서의 균열화에 기여할 수 있게 된다. 또한 당연히 단일 피유도가열부재(14) 내에서 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분을 갖도록 구성해도 된다. 이 경우, 각 피유도가열부재(14)에서의 중심의 두께를 두껍게 하고, 외주측의 두께를 얇게 하면 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 홀더(16)의 형태는 원판형으로 하고 있다. 이에 반해, 서셉터(12b)의 외형 형상은 도 4에 도시하는 바와 같은 직사각형이어도 된다. 서셉터(12b)를 이와 같은 형태로 한 경우, 예를 들어 태양전지에 이용되는 웨이퍼와 같은 직사각형 웨이퍼의 에피택셜 성장을 행할 때의 균등 가열에 유리해진다.

또한, 서셉터(12c)의 외관 형상을 직사각형으로 한 경우, 도 5에 도시하는 바와 같이, 직사각형을 구성하는 네 모퉁이에 배치되는 피유도가열부재(14e)의 평면 형태를 부채꼴로 해도 된다. 유도가열에서 자속은 에지 부분에 집중되는 특성이 있다. 이 때문에, 직사각형 서셉터(12c)의 네 모퉁이에, 에지를 직사각형의 꼭지점 부분으로 향하게 한 부채꼴의 피유도가열부재(14e)를 배치함으로써, 발열량이 많은 꼭지점 부분(네 모퉁이)의 발열 저하를 억제할 수 있다.

또한, 서셉터에 따른 그 외의 참고 형태로서, 도 6, 도 7에 도시하는 바와 같은 구성을 들 수 있다. 구체적으로는 서셉터(12d)와 동등한 크기로 구성한 얇은 두께의 피유도가열부재(14f)(예를 들어 그라파이트)와, 이 얇은 두께로 형성한 피유도가열부재(14f)에서 웨이퍼(40)를 얹어 놓는 면과 반대측의 면에 상술한 직경 '대', 직경 '중', 직경 '소'의 두꺼운 두께의 피유도가열부재(14a~14c)를 배치하는 것이다. 여기서, 피유도가열부재(14f)의 두께는 서셉터(12d)의 적층방향을 따라서 투과하는 자속의 흐름을 방해하지 않을 정도로 얇게 하면 된다. 이와 같은 구성으로 한 경우에도 상기 실시형태에 기재한 서셉터(12)와 동일한 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

다음, 본 발명의 유도가열장치에 따른 제2 실시형태에 대해서 도 8, 도 9를 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 도 8은 본 실시형태에 따른 유도가열장치의 정면 구성을 도시하는 블록도이고, 도 9는 전원부의 구체적인 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

본 실시형태에 따른 유도가열장치(10a)의 대부분의 구성은 상술한 제1 실시형태에 따른 유도가열장치(10)와 동일하다. 따라서, 그 기능을 동일하게 하는 부분에는 도면에 동일한 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다. 제1 실시형태에 따른 유도가열장치(10)와 상이한 점으로는 제1 실시형태에 따른 유도가열장치(10)보다 서셉터(12)의 적층 수를 더 증가시킨 점, 및 서셉터(12)의 적층 수의 증가에 맞추어서 이 서셉터(12)를 포위하는 유도가열코일(18)의 수를 증가시킨 점이 있다. 도 8, 도 9에 도시하는 예에서는 서셉터(12)의 적층방향에 맞추어서 3개의 유도가열코일(18a, 18b, 18c)를 근접되게 배치하고 있다. 다시 말하면, 본 실시형태에 따른 유도가열코일(18a, 18b, 18c)은 1개의 유도가열코일을 서셉터(12)의 적층방향에 따라서 3개로 분할한 형태라고 말할 수 있다.

여기서, 복수의 유도가열코일(18a, 18b, 18c)을 근접되게 배치한 경우에는 서로 인접하는 유도가열코일(18a, 18b, 18c) 사이에서의 상호 유도의 영향에 의해 전원부(20)로부터 공급되는 전류의 제어가 어려워지는 경우가 있다. 그러므로 본 실시형태에 따른 유도가열장치(10a)에서는 전원부(20)에 위상제어부(28)를 구비함과 동시에, 각 유도가열코일(18a, 18b, 18c)에 대해서 각각 개별적으로 인버터(26a, 26b, 26c)를 접속하는 구성으로 하고 있다. 또한, 도 9에 도시하는 형태는 인버터(26a, 26b, 26c)로서 PWM 인버터를 채용한 경우의 예를 도시하는 것이다.

위상제어부(28)는 인버터(26a, 26b, 26c)로부터 유도가열코일(18a, 18b, 18c)로 출력되는 전류를 검출하고, 당해 전류의 주파수를 일치시킴과 동시에 이 출력전류의 위상을 검출하고, 각 인버터(26a, 26b, 26c)로부터 출력되는 전류의 위상차가 0 또는 미리 정해진 위상차를 유지하도록 제어하는 역할을 한다. 또한, 전류 위상의 조정은 출력 전류의 주파수를 순시적으로 변화시킴으로써 행하도록 해도 된다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 서셉터(12)의 적층 수를 증가시킨 경우에도, 적층방향으로 분할된 각 유도가열코일(18a, 18b, 18c)의 가열영역 단위에서의 온도분포 제어가 가능해진다.

상기 실시형태에서는 인버터(26(26a, 26b, 26c))에 대해서 PWM 인버터를 주체로 하여 설명했다. 이에 반해, 인버터를 직렬 공진형으로 한 경우에는 도 10에 도시하는 바와 같은 형태로 하면 된다. 즉, 각 유도가열코일(18a, 18b, 18c)에 대해서 인버터(26a1, 26b1, 26c1) 및 초퍼(27a, 27b, 27c)를 접속한다. 각 초퍼(27a, 27b, 27c)는 전원(22)에 접속된 컨버터(24)에 대해서 병렬이 되도록 접속한다. 각 인버터(26a1, 26b1, 26c1)에는 균등 가열용 기준 주파수, 외주부측 가열용 고주파수, 및 중앙부 가열용 저주파수 각각에 대응한 주파수에 맞춘 공진 콘덴서(32)를 직렬 접속이 되도록 병렬로 배치하고, 스위치(30) 등에 의해 선택적으로 전환 가능한 구성으로 한다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 인버터를 PWM 인버터로 바꾸어서 직렬 공진형 인버터(26a1, 26b1, 26c1)로 한 경우에도 동일한 효과를 이룰 수 있게 된다.

10 : 유도가열장치 12 : 서셉터
14(14a, 14b, 14c) : 피유도가열부재 16 : 홀더
18 : 유도가열코일 20 : 전원부

Claims

솔레노이드 코일로부터 발생하는 자속에 의해 피유도가열부재를 가열하고, 당해 피유도가열부재의 발열에 의해 피가열부재를 가열하는 유도가열장치이며,
상기 솔레노이드 코일의 축심방향으로 주면이 수직이 되도록, 복수 점재시켜 배치한 피유도가열부재, 및
투자성 및 열전달성을 구비한 부재에 의해 구성되고, 복수의 상기 피유도가열부재를 수용하여 발열체를 구성하는 1개의 홀더를 구비하고,
상기 피유도가열부재를 원형으로 하고, 상기 홀더의 중심을 기점으로 하여 방사형으로 점재시킨 것과 동시에, 상기 홀더의 중심에 배치된 피유도가열부재일수록 상기 홀더의 외주측에 배치된 피유도가열부재보다 직경을 크게 한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항에 있어서,
상기 홀더의 중심에 배치된 피유도가열부재일수록 상기 홀더의 외주측에 배치된 피유도가열부재보다 두께를 두껍게 한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항에 있어서,
상기 원형의 피유도가열부재 각각의 중심부에 관통구멍을 형성하고, 각 피유도가열부재의 형상을 링형상으로 한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제2항에 있어서,
상기 원형의 피유도가열부재 각각의 중심부에 관통구멍을 형성하고, 각 피유도가열부재의 형상을 링형상으로 한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항에 있어서,
상기 홀더의 중심에 원형의 피유도가열부재를 배치하고, 상기 원형의 피유도가열부재의 주위에 부채꼴 형상의 피유도가열부재를 복수 배치한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항에 있어서,
상기 피유도가열부재 각각에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제2항에 있어서,
상기 피유도가열부재 각각에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제3항에 있어서,
상기 피유도가열부재 각각에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제4항에 있어서,
상기 피유도가열부재 각각에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제5항에 있어서,
상기 피유도가열부재 각각에 두께가 얇은 부분과 두꺼운 부분을 형성한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제2항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제3항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제4항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제5항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제6항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제7항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제8항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제9항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제10항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
솔레노이드 코일로부터 발생하는 자속에 의해 피유도가열부재를 가열하고, 당해 피유도가열부재의 발열에 의해 피가열부재를 가열하는 유도가열장치이며,
상기 솔레노이드 코일의 축심방향으로 주면이 수직이 되도록, 복수 점재시켜 배치한 피유도가열부재, 및
투자성 및 열전달성을 구비한 부재에 의해 구성되고, 복수의 상기 피유도가열부재를 수용하여 발열체를 구성하는 1개의 홀더를 구비하고,
상기 피유도가열부재를 상기 홀더의 중심을 기점으로 하여 방사형으로 점재시키는 것과 동시에, 상기 홀더의 중심에 배치된 피유도가열부재일수록 상기 홀더의 외주측에 배치된 피유도가열부재보다 두께를 두껍게 한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제21항에 있어서,
상기 발열체의 중심측에 배치되는 피유도가열부재를 제1 피유도가열부재, 상기 발열체의 외주측에 배치되는 피유도가열부재를 제2 피유도가열부재로 하고,
상기 제1 피유도가열부재는, 상기 제2 피유도가열부재보다 상기 솔레노이드 코일에 투입되는 전류 주파수를 낮게 한 경우에, 상기 제2 피유도가열부재보다 높은 발열 밀도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
제1항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 발열체를 상기 솔레노이드 코일에 의한 포위 공간 속에 평행하게 복수 배치한 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
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