KR20090037296A - 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치 - Google Patents

Abstract

독립 급전형의 필라멘트 램프에 있어서, 각 필라멘트 코일의 온도를 소정의 온도로 하는 필라멘트 램프 및 상기 램프를 이용한 광 조사형 가열 처리 장치를 제공하는 것으로서, 일단에 실링부(31, 32)가 형성된 발광관(30)의 내부에, 코일 형상의 필라멘트(41, 42, 43)의 양단에 상기 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드(411, 412, 421, 422, 431, 432)가 연결되어서 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각각의 필라멘트(41, 42, 43)가 발광관(30)의 관축을 따라 신장하도록 설치되고, 각각의 리드가 실링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 필라멘트 램프에 있어서, 각각의 필라멘트(41, 42, 43) 중, 적어도 1개(42)가 단선으로 이루어짐과 더불어 적어도 2개(41, 43)가 묶음선으로 이루어지고, 상기 묶음선간에 상기 단선이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치{FILAMENT LAMP AND LIGHT IRRADIATION TYPE THERMAL PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 독립 급전형의 필라멘트 램프 및 이 필라멘트 램프를 복수 개 병렬 배치한 광 조사식 가열 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제조 공정에 있어서는, 실리콘 산화막 형성, 불순물 확산 등의 다양한 프로세스에 있어서, 급속 가열 처리 및 피처리체의 균일 가열이 요구된다.

특허 문헌 1에는, 피처리체에 대해서 각 필라멘트로부터의 광을 조사하여 피처리체를 가열하기 위해서, 각각의 발광관의 내부에 상호 전체 길이가 다른 코일형상의 필라멘트를 배치한 복수의 필라멘트 램프를, 필라멘트가 피처리체의 형상에 대응하여 면상 광원을 구성하도록 배치하여 구성된 광 조사식 가열 처리 장치가 기재되어 있다.

도 11은, 특허 문헌 1에 기재된, 발광관 내에 복수의 필라멘트를 배치하고, 각각의 필라멘트에 제어 가능한 전력이 공급 가능한 필라멘트 램프의 구성을 나타내는 사시도이다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 필라멘트 램프(100)의 발광관(101)의 양단에는, 금속박(103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f)이 매설된 실링부(102a, 102b)가 형성되어 있다. 발광관(101) 내에는, 코일 형상의 필라멘트(104a, 104b, 104c)와 필라멘트(104a, 104b, 104c)에 급전하기 위한 리드(105a, 105b, 105c, 105d, 105e, 105f)로 구성되는 필라멘트체가 3개 설치되어 있다. 여기서, 각 필라멘트체는, 발광관(101) 내에 복수 설치되었을 때, 필라멘트(104a, 104b, 104c)가 발광관(101)의 길이 방향으로 순차적으로 배치되도록 구성되어 있다.

발광관(101) 내의 좌측에 위치하는 제1 필라멘트(104a)의 일단에 연결되는 리드(105a)는, 발광관(101)의 일단측의 실링부(102a)에 매설된 금속박(103a)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 제1 필라멘트(104a)의 타단에 연결되는 리드(105f)는, 절연체(109a)의 관통 구멍(1091a), 다른 필라멘트체의 필라멘트(104b)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106c), 절연체(109b)의 관통 구멍(1091b), 및 다른 필라멘트체의 필라멘트(104c)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106f)을 통과하며, 발광관(101)의 타단측의 실링부(102b)에 매설된 금속박(103f)에 전기적으로 접속되어 있다.

발광관(101) 내의 중앙에 위치하는 제2 필라멘트(104b)의 일단에 연결되는 리드(105c)는, 절연체(109a)의 관통 구멍(1092a), 다른 필라멘트체의 필라멘트(104a)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106a)을 통과하여, 발광관(101)의 일단측의 실링부(102a)에 매설된 금속박(103b)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 제2 필라멘트(104b)의 타단에 연결되는 리드(105e)는, 절연체(109b)의 관통 구 멍(1092b), 및 다른 필라멘트체의 필라멘트(104c)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106e)을 통과하여, 발광관(101)의 타단측의 실링부(102b)에 매설된 금속박(103e)에 전기적으로 접속되어 있다.

발광관(101) 내의 우측에 위치하는 제3 필라멘트(104c)의 일단에 연결되는 리드(105b)는, 절연체(109b)의 관통 구멍(1093b), 다른 필라멘트체의 필라멘트(104b)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106d), 절연체(109a)의 관통 구멍(1093a), 및 다른 필라멘트체의 필라멘트(104a)와 대향하는 부분에 설치된 절연관(106b)을 통과하고, 발광관(101)의 일단측의 실링부(102a)에 매설된 금속박(103c)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 제3 필라멘트(104a)의 타단에 연결되는 리드(105d)는, 발광관(101)의 타단측의 실링부(102b)에 매설된 금속박(103d)에 전기적으로 접속되어 있다.

또, 실링부(102a, 102b)에 매설된 금속박(103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f)에 있어서, 필라멘트체의 리드(105a, 105b, 105c, 105d, 105e, 105f)가 접속된 단부와는 반대측의 단부에는, 실링부(102a, 102b)로부터 외부로 돌출되도록 외부 리드(107a, 107b, 107c, 107d, 107e, 107f)가 접속되어 있다. 따라서, 각 필라멘트체에는 금속박(103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f)을 통해 각 필라멘트체에 대응하여 2개의 외부 리드(107a, 107b, 107c, 107d, 107e, 107f)가 연결된다. 급전 장치(110, 111, 112)는, 외부 리드(107a, 107b, 107c, 107d, 107e, 107f)를 통해 각 필라멘트(104a, 104b, 104c)마다 접속된다. 이에 따라, 필라멘트 램프(100)는, 각 필라멘트체에 있어서의 필라멘트(104a, 104b, 104c)에 대해서 개별로 급전 가능하게 되어 있다.

또한, 각 필라멘트(104a, 104b, 104c)는, 발광관(101)의 내벽과 절연관(106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f)의 사이에 끼워지도록 설치된 환상의 앵커(anchor)(108)에 의해서, 발광관(101)과 접촉하지 않도록 지지되어 있다. 여기서, 필라멘트(104a, 104b, 104c)의 발광 시에, 필라멘트(104a, 104b, 104c)와 발광관(101)의 내벽이 접촉하면, 접촉 부분에 있어서의 발광관(101)의 광 투과성은, 필라멘트(104a, 104b, 104c)의 열에 의해 발광관(101)에 실투(失透)가 생기기 때문에 손상된다. 앵커(108)는 이러한 문제를 방지하기 위한 것이다. 앵커(108)는 각 필라멘트(104a, 104b, 104c)에 대해서 발광관(101)의 길이 방향으로 복수 개 설치된다. 또 필라멘트 램프(100)를 제작할 때, 복수의 필라멘트체가 발광관(101) 내에 용이하게 삽입되도록, 앵커(108)는 어느 정도 탄성을 가지고 있다. 또, 발광관(101)의 내벽과 절연관(106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f)의 사이의 공간과 앵커(108)의 사이에는, 어느 정도의 간극이 형성된다.

필라멘트 램프(100)는, 각 필라멘트(104a, 104b, 104c)를 1개의 급전 장치로 급전하는 것이 아니라, 각 필라멘트(104a, 104b, 104c)의 각각을 급전 장치(110, 111, 112)에 의해서 독립하여 급전할 수 있으므로, 온도 분포가 균일하게 되도록 방사 조도 분포를 조정하는 것이 가능해지고, 고속이고 또한 균일한 가열을 실현할 수 있다.

한편, 반도체 웨이퍼(실리콘 웨이퍼)를 1050℃ 이상으로 가열 처리할 때, 반도체 웨이퍼에 온도 분포의 불균일이 생기면, 반도체 웨이퍼에 슬립(slip)이라고 불리는 현상, 즉 결정 전이의 결함이 발생하여 불량품이 될 우려가 있다. 이 때문에, 광 조사식 가열 처리 장치를 이용해 반도체 웨이퍼 등의 피처리체의 RTP(Rapid Therma1 Processing)를 행하는 경우는, 피처리체 전면의 온도 분포가 균일하게 되도록, 가열, 고온 유지, 냉각을 행할 필요가 있고, 피처리체의 RTP에 있어서는 고정밀의 온도 균일성이 요구된다. 이러한 급속 열처리를 실현하기 위해서, 각각의 발광관의 내부에 상호 전체 길이가 다른 코일 형상의 필라멘트를 배치한 복수의 필라멘트 램프를, 필라멘트가 피처리체의 형상에 대응하여 면상 광원을 구성하도록 배치하여 구성된 광 조사식 가열 처리 장치를 사용하고, 피처리체에 대해서 각 필라멘트로부터의 광을 조사하여 피처리체의 가열을 행한다.

즉, 피처리체의 표면의 온도 분포가 균일하게 되도록 피처리체를 가열하기 위해서, 필라멘트에 투입되는 전력 밀도(필라멘트 단위 길이당 투입되는 전력치)는, 피처리체의 외주 가장자리로부터 열 방사가 생기는 것을 고려하여, 피처리체의 중앙측보다 외주 가장자리측의 존에 대응하는 필라멘트에 투입되는 전력 밀도가 커지도록 조정되어 있다. 구체적으로는, 피처리체의 외주 가장자리측의 존에 대응해서 배치된 필라멘트에 있어서의 정격 전력 밀도를, 피처리체의 중앙측의 존에 대응해 배관된 필라멘트에 있어서의 정격 전력 밀도보다 크게 한다. 예를 들면, 도 11에 도시하는 것과 같은 필라멘트 램프(100)를 이용하는 경우는, 피처리체를 균일하게 가열하기 위해서, 피처리체의 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트(104a, 104c)의 전력 밀도를 피처리체의 중앙부에 대응하는 필라멘트(104b)보다 높게 할 수 있다.

[특허 문헌 1: 일본국 특허공개 2006－279008 공보]

그러나, 도 11에 도시하는 독립 급전형의 복수의 필라멘트를 가지는 필라멘트 램프(100)를 이용해도, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 균일하게 가열할 수 없는 경우가 있다. 즉, 독립 급전되는 각 필라멘트의 단위 길이당 필라멘트의 질량과 표면적이 동일할 때, 피처리체의 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트(104a, 104c)에 단위 길이당의 전력 밀도를, 피처리체를 균일하게 가열하기 위해서 중앙부에 대응하는 필라멘트(104b)보다 높게 하면, 피처리체의 중앙부에 대응하는 필라멘트(104b)보다, 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트(104a, 104c)의 쪽이, 방사되는 광의 스펙트럼이 단파장측에 치우치게 되어, 전 방사 에너지에 차지하는 단파장측의 에너지 비율이 큰 것이 판명되었다.

도 12는 총 방사 에너지를 동일하게 한 경우(전력 밀도를 동일하게 하는 것과 등가)의 분광 방사 에너지를 비교한 도면이며, 동 도면은 방사되는 총 에너지가 동일해도 색 온도(즉 필라멘트의 표면 온도)가 다르면 파장마다에서 본 분광 방사 에너지가 다른 것을 나타낸다. 또한, 색 온도는 광의 색을 흑체(黑體)의 온도로 표현하는 것이다. 필라멘트의 재질이 같은(본 예에서는 텅스텐) 경우, 필라멘트의 표면 온도치와 필라멘트로부터의 광의 색 온도치는 1：1로 대응하고 있고, 표면 온도와 그 표면으로부터 방사되는 광의 색 온도의 관계가 미리 구해지므로, 광의 색온도를 계측하여 이를 필라멘트의 표면 온도와 치환하여 취급해도 지장없다.

즉, 단위 길이당의 필라멘트의 질량과 표면적이 동일할 때, 필라멘트의 단위 길이당 급전되는 전력 밀도가 높으면 필라멘트의 온도가 상승하고, 급전되는 전력 밀도가 낮으면 필라멘트의 온도가 저하한다. 동 도면에서 명백한 바와 같이, 온도의 상승·저하에 수반하여, 예를 들면, 전력 밀도를 높게 하면 필라멘트의 온도는 상승하고, 그 필라멘트로부터 방사되는 광의 파장이 단파장측으로 이동되는 현상이 발생한다.

도 13은 Si, GaAs, Ge의 각 파장에 있어서의 투과율을 나타내는 도면이며, 세로축은 광의 투과율(％), 가로축은 광의 파장(㎛)을 나타낸다.

동 도면에 나타낸 바와 같이, 피처리체가 Si일 때는, 1㎛부터 1.2㎛에 걸쳐서 투과율이 0％에서 100％로 급격하게 변화하는 흡광도 특성(광의 파장에 대한 투과율)을 가지는 것이 알려져 있다. 즉, Si는 1.1㎛ 이하의 파장의 광을 강하게 흡수하고, 1.1㎛를 넘는 파장의 광을 대부분 투과하는 것을 알 수 있다.

따라서, 피처리체가 Si인 경우, 피처리체의 중앙부에 대응하는 필라멘트로부터 1.1㎛를 넘는 파장의 광의 방사 강도가 강하고, 피처리체의 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트로부터 1.1㎛ 이하의 파장의 방사 강도가 강할 때, 피처리체의 중앙부에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도와 피처리체의 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도의 비에 대해서, 피처리체의 외주 가장자리부와 중앙부의 가열량의 비가 비례 관계로 되지 않는다. 즉, 방사되는 광의 파장이 다르므로, 피처리체의 중앙부는 투과되는 광이 많고 흡수가 적기 때문에 천천히 가열되지만, 피처리체의 외주 가장자리부는 투과되는 광이 적고 흡수가 많기 때문에 급격하게 가열된다. 이 때문에, 피처리체의 중앙부와 외주 가장자리부 의 사이에 온도차가 발생하므로, 피처리체를 균일하게 가열할 수 없게 된다.

본 발명의 목적은, 상기의 문제점을 감안하여, 독립 급전형의 필라멘트 램프에 있어서, 각 필라멘트 코일의 온도를 소정의 온도로 하는 것을 가능하게 한 필라멘트 램프 및 이 필라멘트 램프를 이용한 광 조사형 가열 처리 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 수단을 채용했다.

제1 수단은, 적어도 일단에 실링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장하도록 설치되고, 각각의 리드가 실링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 필라멘트 램프에 있어서, 상기 각각의 필라멘트 중, 적어도 1개가 단선으로 이루어짐과 더불어 적어도 2개가 묶음선으로 이루어지고, 상기 묶음선 간에 상기 적어도 1개의 단선을 설치한 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프이다.

제2 수단은, 제1 수단에 있어서, 상기 묶음선은, 꼬여 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프이다.

제3 수단은, 제1 수단에 있어서, 상기 묶음선은, 2내지 4개의 소선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프이다.

제4 수단은, 제1 수단 내지 제3 수단 중 어느 1개의 수단에 기재된 필라멘트 램프가, 복수 개 병렬 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장 치이다.

본 발명에 의하면, 필라멘트 램프의 필라멘트의 일부를 묶음선으로 함으로써, 단위 길이당 필라멘트의 표면적을 늘릴 수 있다. 이는, 예를 들면, 단위 길이당 질량이 동일한 필라멘트일 때, 즉 전기 저항값이 동등한 상태에서, 단선으로 이루어지는 필라멘트의 표면적보다, 묶음선으로 이루어지는 필라멘트의 표면적 쪽을 크게 할 수 있다. 필라멘트의 단위 길이로부터 방사되는 에너지는 필라멘트의 단위 표면적으로부터 방사되는 에너지에 필라멘트 단위 길이당의 표면적을 곱한 값이다. 한편 필라멘트의 단위 표면적으로부터 방사되는 에너지는 필라멘트의 표면 온도에 의해 변화하고, 스테판·볼츠만의 법칙에 따라 온도의 4제곱에 비례하는 것이 알려져 있다. 필라멘트의 단위 길이로부터 방사되는 에너지는 필라멘트에 투입되는 전력 밀도와 거의 등가(열 전도에 의해 필라멘트로부터 리드로 달아나는 열이나 리드와 필라멘트 등의 접합부의 저항에 의한 전력 손실 등이 차이로 된다)이므로, 피처리체의 중앙부에 대응하는 필라멘트와 피처리체의 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트의, 전력 밀도의 비와 표면적의 비를 동일하게 함으로써 필라멘트의 온도(즉 필라멘트로부터 방사되는 광의 색 온도)를 거의 동일하게 할 수 있으므로, 필라멘트로부터 방사되는 광의 스펙트럼을 근사시킬 수 있다. 이 때, 묶음선을 사용해 소선의 개수를 조정함으로써 필라멘트의 전기 저항값을 어느 정도 자유롭게 설정할 수 있으므로, 필라멘트가 과잉으로 굵어져 발광관에 접촉하거나, 필라멘트의 강성이 저하하여 코일 형상을 유지할 수 없게 되는 문제가 없어 원하는 전력 밀도 로 설계할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 묶음선을 꼬여진 꼬은 선으로 함으로써, 단순히 소선을 묶은 경우에 비해 필라멘트 단위 길이당 소선 길이를 길게 할 수 있으므로, 필라멘트의 전기 저항값을 크게 하여 전력 밀도를 올리는 것이 가능해지고, 설계의 자유도가 넓어져 다양한 피처리체에 대응할 수 있다. 또한, 가는 소선을 이용해도 필라멘트의 강성을 향상시킬 수 있으므로, 필라멘트가 자중으로 변형되는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 묶음선을 5개 이상으로 하면, 다른 묶음선에 대향하는 외주면이 증가해 버려, 필라멘트의 단위 길이당 질량에 대한 표면적이 작아져 버린다. 이 때문에, 묶음선을 2∼4개로 함으로써, 효율적으로 표면적을 크게 하면서 원하지 않는 질량의 증가를 방지할 수 있고, 전기 저항값의 원하지 않는 저하를 막음과 더불어 필라멘트의 자중에 의한 변형을 방지할 수 있다.

또, 피처리체의 외주 가장자리측의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트와, 피처리체의 중앙측의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트는, 필라멘트로부터 방사되는 광의 색 온도(즉 필라멘트의 표면 온도)가 동일하므로, 피처리체에 조사되는 광의 스펙트럼을 동일하게 할 수 있고, 피처리체의 전역에 있어서의 광의 흡수를 균일하게 할 수 있다.

또, 필라멘트 램프를 복수 개 병렬 배치한 광 조사식 가열 처리 장치를 채용함으로써, 피처리체의 급속 가열 및 균일 가열을 실현할 수 있다.

본 발명의 일실시 형태를 도 1 내지 도 10을 이용해 설명한다.

도 1은, 본 실시 형태에 관한 독립 급전형의 필라멘트 램프가 복수 병렬 배치되어 구성된 광 조사식 가열 처리 장치의 단면도, 도 2는, 도 1에 도시한 광 조사식 가열 처리 장치의 지면 위쪽으로부터 복수 병렬 배치된 필라멘트 램프를 통해 피처리체를 본 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이 광 조사식 가열 처리 장치(2)는, 광을 투과 하는, 예를 들면, 석영 유리로 이루어진 석영창(3)에 의해 램프 유닛 수용 공간(S1)과 가열 처리 공간(S2)으로 분할된 챔버(4)를 가진다. 램프 유닛 수용 공간(S1)에 배치된 제1 램프 유닛(5) 및 제2 램프 유닛(6)으로부터 방출되는 광을, 석영창(3)을 통해 가열 처리 공간(S2)에 배치되는 피처리체(7)에 조사함으로써, 피처리체(7)의 가열 처리가 실시된다.

램프 유닛 수용 공간(S1)에 수용되는 제1 램프 유닛(5)과 제2 램프 유닛(6)은, 예를 들면, 10개의 각각의 필라멘트 램프(1)를 소정의 간격으로 병렬로 배치하여 구성된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 램프 유닛(5)을 구성하는 필라멘트 램프(1)의 관축 방향은, 제2 램프 유닛(6)을 구성하는 필라멘트 램프(1)의 관축 방향에 대해서 교차하도록 배치된다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이 반드시 2단의 램프 유닛을 설치할 필요는 없고, 1단의 램프 유닛만을 구비하는 구성이어도 된다.

제1 램프 유닛(5)측의 바깥쪽(도 1의 지면 위쪽) 및 램프 유닛(5, 6)의 사방의 측면(도 1의 지면 좌우)에는 반사경(8)이 배치된다. 반사경(8)은, 예를 들면, 무산소 구리로 이루어진 모재에 금을 코팅한 구조이며, 도시하지 않은 반사 단면 이, 원의 일부, 타원의 일부, 포물선의 일부 또는 평판 등의 형상을 가진다. 반사경(8)은, 제1 램프 유닛(5) 및 제2 램프 유닛(6)으로부터 위쪽을 향해서 조사된 광을 피처리체(7)측에 반사한다. 즉, 제1 램프 유닛(5) 및 제2 램프 유닛(6)으로부터 방출되는 광은, 직접 또는 반사경(8)에서 반사되어, 피처리체(7)에 조사된다.

램프 유닛 수용 공간(S1)에는, 냉각풍 유닛(9)으로부터의 냉각풍이 챔버(4)에 설치된 냉각풍 공급 노즐(10)의 분출구(11)로부터 도입된다. 램프 유닛 수용 공간(S1)에 도입된 냉각풍은, 제1 램프 유닛(5) 및 제2 램프 유닛(6)에 있어서의 각 필라멘트 램프(1)에 분사되어, 각 필라멘트 램프(1)를 구성하는 발광관을 냉각한다. 여기서, 각 필라멘트 램프(1)의 실링부는 다른 부분에 비해 내열성이 낮다. 이 때문에, 냉각풍 공급 노즐(10)의 분출구(11)는, 각 필라멘트 램프(1)의 실링부에 대향하여 배치하고, 각 필라멘트 램프(1)의 실링부를 우선적으로 냉각하도록 구성하는 것이 바람직하다.

각 필라멘트 램프(1)에 분사되어, 열 교환에 의해 고온이 된 냉각풍은, 챔버(4)에 설치된 냉각풍 배출구(12)로부터 배출된다. 또한, 냉각풍의 흐름은 열 교환되어 고온으로 된 냉각풍이 반대로 각 필라멘트 램프(1)를 가열하지 않도록 고려된다. 냉각풍은, 반사경(8)도 동시에 냉각하도록 바람의 흐름이 설정된다. 또한, 반사경(8)이 도시를 생략한 수냉 기구에 의해 수냉되는 경우는, 반드시 반사경(8)도 동시에 냉각하도록 바람의 흐름을 설정하지 않아도 된다.

그런데, 가열되는 피처리체(7)로부터의 복사열에 의해 석영창(3)에서의 축열이 발생한다. 축열된 석영창(3)으로부터 2차적으로 방사되는 열선에 의해, 피처리 체(7)는 원하지 않는 가열 작용을 받는 경우가 있다. 이 경우, 피처리체(7)의 온도 제어성의 장황성(예를 들면, 설정 온도보다 피처리체(7)의 온도가 고온이 되는 오버 슛)이나, 축열되는 석영창(3) 자체의 온도의 편차에 기인하는 피처리체(7)에 있어서의 온도 균일성의 저하 등의 문제가 발생한다. 또, 피처리체(7)의 강온 속도의 향상이 어려워진다. 따라서, 이러한 문제를 억제하기 위해, 도 1에 도시하는 냉각풍 공급 노즐(10)의 분출구(11)를 석영창(3)의 근방에도 형성하고, 냉각풍 유닛(9)으로부터의 냉각풍에 의해 석영창(3)을 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.

제1 램프 유닛(5)의 각 필라멘트 램프(1)는, 한 쌍의 제1 고정대(13, 14)에 의해 지지된다. 제1 고정대(13, 14)는 도전성 부재로 형성된 도전대(15)와, 세라믹스 등의 절연 부재로 형성된 유지대(16)로 이루어진다. 유지대(16)는, 챔버(4)의 내벽에 설치되어 도전대(15)를 유지하고 있다. 제1 램프 유닛(5)을 구성하는 필라멘트 램프(1)의 개수를 n1, 필라멘트 램프(1)가 가지는 필라멘트의 개수를 m1으로 하고, 각 필라멘트 전체에 독립으로 급전되는 경우, 한 쌍의 제1 고정대(13, 14)의 조(組) 수는, n1×m1조가 된다. 한편, 제2 램프 유닛(6)의 각 필라멘트 램프(1)는, 도시하지 않은 제2 고정대에 의해 지지된다. 제2 고정대는, 제1 고정대(13, 14)와 마찬가지로, 도시하지 않은 도전대, 유지대로 이루어진다. 제2 램프 유닛(6)을 구성하는 필라멘트 램프(1)의 개수를 n2, 필라멘트 램프(1)가 가지는 필라멘트의 개수를 m2로 하고, 각 필라멘트의 전체에 독립으로 급전되는 경우, 한 쌍의 제2 고정대의 조 수는, n2×m2조가 된다.

챔버(4)에는, 전원부(17)의 급전 장치로부터의 급전선이 접속되는 한 쌍의 전원 공급 포트(18, 19)가 설치된다. 또한, 도 1에서는 1조의 전원 공급 포트(18, 19)가 나타나 있는데, 필라멘트 램프(1)의 개수, 각 필라멘트 램프(1) 내의 필라멘트의 개수 등에 따라, 전원 공급 포트의 개수는 결정된다. 도 1에서, 전원 공급 포트(18, 19)는, 제1의 램프 고정대(13, 14)의 도전대(15)와 전기적으로 접속된다. 제1의 램프 고정대(13, 14)의 도전대(15)는, 예를 들면, 외부 리드와 전기적으로 접속된다. 이와 같이 구성함으로써, 전원부(17)에 있어서의 급전 장치로부터, 제1 램프 유닛(5)에 있어서의 1개의 필라멘트 램프(1)의 필라멘트에의 급전이 가능해진다. 또한, 필라멘트 램프(1)의 다른 필라멘트, 또 제1 램프 유닛(5)에 있어서의 다른 필라멘트 램프(1)의 각 필라멘트, 제2 램프 유닛(6)의 각 필라멘트 램프(1)의 각 필라멘트에 대해서도, 다른 한 쌍의 전원 공급 포트에서, 각각 동일한 전기적 접속이 이루어진다.

또, 가열 처리 공간(S2)에는, 피처리체(7)가 고정되는 처리대(20)가 설치되어 있다. 예를 들면, 피처리체(7)가 반도체 웨이퍼인 경우, 처리대(20)는, 몰리브덴이나 텅스텐, 탄탈과 같은 고융점 금속 재료나 실리콘 카바이트(SiC) 등의 세라믹 재료, 또는 석영, 실리콘(Si)으로 이루어진 박판의 환상체이며, 그 원형 개구부의 내주부에 반도체 웨이퍼를 지지하는 단차부가 형성되어 있는 가드링(guardring) 구조인 것이 바람직하다. 피처리체(7)인 반도체 웨이퍼는, 이 원환상의 가드링의 원형 개구부에 반도체 웨이퍼를 끼워넣도록 배치되고, 상기 단차부로 지지된다. 처리대(20)는, 스스로도 광 조사에 의해서 고온이 되어 대면하는 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리를 보조적으로 방사 가열하고, 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리로부터의 열 방사를 보상한다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리로부터의 열 방사 등에 기인하는 반도체 웨이퍼 외주 가장자리부의 온도 저하가 억제된다.

처리대(20)에 설치되는 피처리체(7)의 광 조사면의 이면측에는, 온도 측정부(21)가 피처리체(7)에 근접하여 설치되어 있다. 온도 측정부(21)는, 피처리체(7)의 온도 분포를 모니터하기 위한 것으로, 피처리체(7)의 치수에 따라 개수가 배치 설정된다. 온도 측정부(21)는, 예를 들면, 열 전대나 방사 온도계가 사용된다. 온도 측정부(21)에 의해 모니터된 온도 정보는, 온도계(22)에 송출된다. 온도계(22)는, 각 온도 측정부(21)에 의해 송출된 온도 정보에 의거해, 각 온도 측정부(21)의 측정 지점에 있어서의 온도를 산출함과 더불어, 산출된 온도 정보를 온도 제어부(23)를 통해 주 제어부(24)에 송출한다. 주 제어부(24)는, 피처리체(7) 상의 각 측정 지점에 있어서의 온도 정보에 의거해, 피처리체(7) 상의 온도가 소정의 온도로 균일하게 되도록 지령을 온도 제어부(23)에 송출한다. 온도 제어부(23)는, 이 지령에 의거해, 전원부(17)로부터 각 필라멘트 램프(1)의 필라멘트에 공급되는 전력을 제어한다. 예를 들면, 주 제어부(24)는, 어느 측정 지점의 온도가 소정의 온도에 비해 낮다고 하는 온도 정보를 온도 제어부(23)로부터 얻은 경우, 당해 측정 지점에 근접하는 필라멘트의 발광부로부터 방사되는 광이 증가하도록, 당해 필라멘트 코일에 대한 급전량을 증가시키도록 온도 제어부(23)에 대해서 지령을 송출한다. 온도 제어부(23)는, 주 제어부(24)로부터 송출된 지령에 의거하여, 전원부(17)로부터 당해 필라멘트에 접속된 전원 공급 포트(18, 19)에 공급되는 전력을 증가시킨다. 또한, 온도 제어부(23)에 의한 온도 제어는, 어느 소정의 온도 범위 에서의 미조정용이며, 후술하는 피처리체(7)의 중앙부에 대응한 필라멘트와 외주 가장자리부에 대응한 필라멘트의 전력비와 같은 큰 전력차를 조정하는 것은 아니다.

주 제어부(24)는, 제1 및 제2 램프 유닛(5, 6)에 있어서의 필라멘트 램프(1)의 점등 중, 냉각풍 유닛(9)에 지령을 송출함으로써, 발광관, 석영창(3)이 고온 상태가 되지 않도록 제어한다. 또, 가열 처리의 종류에 따라, 가열 처리 공간(S2)에는, 프로세스 가스를 도입·배기하는 프로세스 가스 유닛(25)에 접속해도 된다. 예를 들면, 열 산화 프로세스를 행하는 경우는, 가열 처리 공간(S2)에 산소 가스, 및 가열 처리 공간(S2)을 퍼지하기 위한 퍼지 가스(예를 들면, 질소 가스)를 도입·배기하는 프로세스 가스 유닛(25)을 접속한다. 프로세스 가스 유닛(25)으로부터의 프로세스 가스, 퍼지 가스는 챔버(4)에 설치된 가스 공급 노즐(26)의 분출구(27)로부터 가열 처리 공간(S2)에 도입된다. 또, 배기는 배출구(28)로부터 행해진다.

도 3은, 도 1에 도시한 광 조사식 가열 처리 장치(2)에 이용되는 필라멘트 램프(1)의 구성을 나타내는 사시도이다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 필라멘트 램프(1)는 예를 들면, 석영 유리 등의 광 투과성 재료로 이루어지는 직관형상의 발광관(30)을 구비하고, 발광관(30)의 양단부에 있어서 원주상의 시일용 절연체(33, 34)와 발광관(30)을 용착함으로써 기밀하게 실링된 실링부(31, 32)가 형성되어 있다. 발광관(30)의 내부에는, 할로겐 가스가 봉입되고, 코일 형상의 필라멘트(41, 42, 43)를 가지는 복수의 필라멘트체 가 발광관(30)의 관축 방향으로 순차적으로 나란히 설치되어 있다

필라멘트(41, 42, 43)의 각각의 양단에는 막대 형상의 내부 리드(413, 423, 433, 414, 424, 434)가 전기적으로 접속된다. 내부 리드(413, 423, 433, 414, 424, 434)는 발광관(30)의 관축 방향을 따라서 설치되고, 실링부(31, 32)에 매설된, 예를 들면, 몰리브덴으로 이루어지는 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)과 전기적으로 접속된다. 실링부(31, 32)의 단부에서는 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)에 전기적으로 접속된 외부 리드(417, 418, 427, 428, 437, 438)가 돌출하도록 설치된다.

필라멘트체는, 관축 방향으로 신장하도록 코일 형상으로 감겨진 필라멘트(41, 42, 43)와, 필라멘트(41, 42, 43)의 양단에 연결된 급전용의 리드(411, 412, 421, 422, 431, 432)로 구성되어 있다. 각 리드(411, 412, 421, 422, 431, 432)는, 필라멘트(41, 42, 43)의 단부에 연결되어 관축에 직교하는 방향으로 신장하고, 내부 리드(413, 423, 433, 414, 424, 434)에 접속된다. 이러한 필라멘트체의 개수는 피처리체의 치수·물리 특성 등에 따라 적절히 조정된다.

각 필라멘트체는, 각 필라멘트(41, 42, 43)가 발광관(30)의 중심축 상에 위치하도록 장착되어 있고, 구체적으로는, 각 필라멘트(41, 42, 43)는, 발광관(30)의 내부에 있어서, 발광관(30)의 내벽에 가압되도록 설치된 도시하지 않은 환상의 앵커에 의해서, 발광관(30)의 내벽과 접촉하지 않도록 지지되어 있다. 이러한 앵커를 설치함으로써, 발광 시에 고온이 되는 각 필라멘트(41, 42, 43)가 발광관(30)의 내벽에 접촉하는 것에 기인하여 발광관(30)이 실투하는 문제의 발생을 방지할 수 있다.

발광관(30)의 양단에 형성된 실링부(31, 32)는, 예를 들면, 석영 유리로 이루어진 원주상의 시일용 절연체(33, 34)를 발광관(30)의 내부에 삽입하여 배치한 상태에서, 발광관(30)의 내부를 감압하고, 발광관(30)의 외주면을 버너 등으로 가열함으로써, 다른 부분보다 외경이 작아진 쉬링크(shrink) 구조로 한다. 각 시일용 절연체(33, 34)의 외주면에는, 필라멘트체의 개수와 동일 수의, 예를 들면, 3개의 금속박(415, (도시하지 않은 425) 435, 416,(도시하지 않은 426), 436)이 대략 등간격으로 시일용 절연체(33, 34)의 길이 방향을 따라서 평행하게 설치된다. 각 금속박(415, 416, (도시하지않은 425, 426), 435, 436)은, 구부러지는 것을 회피하기 위해, 시일용 절연체(33, 34)보다 관축 방향의 전체 길이가 작은 것이 이용된다. 또, 각 필라멘트(41, 42, 43)에 독립 급전을 행하기 위해, 각 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)은 전기적으로 떨어져 설치된다.

실링부(31, 32)에서는, 각 필라멘트체에 있어서의 각 리드(411, 412, 421, 422, 431, 432)에 연결되는 각 내부 리드(413, 414, 423, 424, 433, 434)와, 도시하지 않은 각 급전 장치에 접속되는 각 외부 리드(417, 418, 427, 428, 437, 438)가 각 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)에 접속된 상태로 고정되어 있다. 각 내부 리드(413, 414, 423, 424, 433, 434)는, 기단측이 실링부(31, 32)에 매설됨과 더불어 각 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)의 선단측에, 예를 들면, 용접에 의해 접속되어 있고, 발광관(30) 내에 돌출된 선단측이 각 리드(411, 412, 421, 422, 431, 432)에, 예를 들면, 용접에 의 해 접속되어 있다. 각 외부 리드(417, 418, 427, 428, 437, 438)는, 선단측이 실링부(31, 32)에 매설됨과 더불어 각 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)의 기단측에, 예를 들면, 용접에 의해 접속되어 있고, 기단측이 발광관(30)의 외측으로부터 관축 방향 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 또한, 내부 리드(413, 414, 423, 424, 433, 434)와 금속박(415, 416, (도시하지 않은 425, 426), 435, 436)과 외부 리드(417, 418, 427, 428, 437, 438)로 도전성 부재가 구성된다.

도 4(a)는 도 3에 도시한 필라멘트(42)의 일부 확대도, 도 4(b)는 도 3에 도시한 필라멘트(41, 43)의 일부 확대도이다.

도 3에 도시한 필라멘트 램프(1)의 발광관(30)의 양단에 위치하는 필라멘트(41, 43)는, 도 4(b)에 도시하는, 단선의 소선을 복수 개(예를 들면, 4개) 묶은 묶음선을 코일 형상으로 감은 것이다. 또, 발광관(30)의 중앙부에 위치함과 더불어, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41)와 필라멘트(43)의 사이에는, 도 4(a)에 도시한 것과 같은 단선을 코일 형상으로 감은 필라멘트(42)가 설치된다.

도 5(a)는, 도 3에 도시한 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리드(413, 414, 433, 434)의 접속부의 측면 확대도, 도 5(b)는 도 5(a)의 접속부를 지면 아래쪽에서 본 도면이다.

묶음선으로 이루어지는 필라멘트(41, 43)에 연결된 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리드(413, 414, 433, 434)는, 도 5(a), 5(b)에 도시한 바와 같이, 내부 리드(413, 414, 433, 434)를 되꺾어 리드(411, 412, 431, 432)의 단부를 코킹(caulking)함으로써 전기적으로 접속된다. 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리 드(413, 414, 433, 434)의 접속부에서는, 도 5(a), 5(b)에 도시한 바와 같이, 리드(411, 412, 431, 432)를 구성하는 묶음선을 나누어 복수(예를 들면 4개)의 소선이 각각 내부 리드(413, 414, 433, 434)에 코킹되어 있다.

도 6은, 도 5의 접속부와 구성이 다른 도 3에 도시한 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리드(413, 414, 433, 434)의 접속부의 확대도이다.

도 5(a), 5(b)에 도시한 접속부의 구성에 대신하여, 도 6에 도시한 바와 같이, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리드(413, 414, 433, 434)의 전기적 접속은, 묶은 채로 내부 리드(413, 414, 433, 434)에 코킹해도 된다.

도 7은, 도 4(b)에 도시한 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 구성과 다른 필라멘트(41, 43)의 일부 확대도이다.

도 4(b)에 도시한 묶음선의 구성에 대신하여, 도 7에 도시한 바와 같이, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)에 꼬은 선을 이용해도 된다. 즉, 필라멘트(41, 43)는 소선을 평행하게 배열한 묶음선을, 예를 들면, 비틀듯이 꼬은 꼬은 선으로 하고, 이 꼬은 선을 코일 형상으로 감은 것이다. 꼬은 묶음선은 단순히 소선을 묶은 경우에 비해, 필라멘트 단위 길이당의 소선 길이를 길게 할 수 있으므로, 필라멘트의 전기 저항값을 크게할 수 있어 전력 밀도를 올리는 것이 가능해지고, 설계의 자유도가 넓어져 다양한 피처리체에 대응할 수 있게 된다. 또, 가는 소선을 이용해도 필라멘트의 강성을 향상시킬 수 있으므로, 필라멘트가 자중으로 변형하는 문제를 방지할 수 있다.

또, 도 7에 도시한 바와 같이, 필라멘트(41, 43)에 꼬은 묶음선을 이용하면, 필라멘트(41, 43)의 단위 길이당의 표면적을 크게 할 수 있다. 예를 들면, 필라멘트(41, 42, 43)의 단위 길이당의 질량이 동일할 때, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 표면적보다, 꼬은 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 표면적 쪽을 크게 할 수 있다. 즉, 단위 길이당 표면적이 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 꼬은 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43) 쪽이 큰 필라멘트 램프(1)로서, 단위 길이당의 정격 전력 밀도가 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43) 쪽이 크기 때문에, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 온도(즉, 필라멘트(42)로부터 방사되는 광의 색 온도)와 꼬인 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 온도(즉, 필라멘트(41, 43)로부터 방사되는 광의 색 온도)를 근사시킬 수 있다. 이에 수반해, 단선 및 꼬은 묶음선의 필라멘트(41, 42, 43)로부터 방사되는 광의 스펙트럼을 근사시킬 수 있다.

도 8(a)는, 도 3에 도시한 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)를 구성하는 소선의 적절한 개수를 나타내는 필라멘트(41, 43)의 단면도, 도 8(b)는, 도 8(a)와 대비하기 위해서, 도 3에 도시한 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)를 구성하는 소선의 개수로서 부적절한 개수를 나타내는 필라멘트(41, 43)의 단면도이다.

도 8(a)에 도시한 바와 같이, 묶음선을 2∼4개의 소선으로 구성함으로써, 필라멘트 단위 길이당의 질량에 대해서, 발광관(30)의 내벽에 대향하는 필라멘트 표면의 표면적을 매우 적합하게 크게 할 수 있다. 이는 도 8(b)의 비교예에 나타낸 바와 같이, 5개 이상의 소선을 묶으면, 소선 간에서 대향하는 표면적이 증가하므로, 단위 길이당 질량에 대해서, 발광관(30)의 내벽에 대향하는 표면적이 2∼4개의 묶음선보다 작아져 버린다. 즉, 5개 이상의 소선을 묶은 필라멘트 램프(1)와 2∼4개의 소선을 묶은 필라멘트 램프(1)의 발광관(30)의 내벽에 대향하는 표면적을 동일하게 한 경우, 5개 이상의 소선을 묶은 필라멘트 램프(1)는 단위 길이당 질량이 커져 버린다. 단위 길이당 질량이 크면, 필라멘트(41, 43)가 자중에 의해 변형되어 버릴 우려가 있다.

또, 필라멘트 단위 길이당 질량이 커지면 필라멘트선의 총 단면적이 증가하는 것을 의미하고, 필라멘트의 단위 길이당의 전기 저항값이 작아지게 된다. 동일한 전력 밀도에서는 전기 저항값이 작은 쪽이 대전류가 흐르게 되므로, 과잉으로 질량이 커지면 필라멘트에 대전류가 흐르고, 램프 실링부의 금속박에 규정 이상의 대전류가 흘러 수명이 짧아지거나 단선 불량을 일으키는 문제가 발생한다. 이 때문에, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)는, 2∼4개의 소선을 묶음으로써, 필라멘트(41, 43)의 변형과 원하지 않는 저항값의 저하를 방지함과 더불어, 필라멘트(41, 43)의 점등 시의 필라멘트 단위 길이당 방사되는 방사 에너지를 매우 적합하게 늘릴 수 있다.

즉, 묶음선의 소선수를 5개 이상으로 하면, 소선 간에 대향하는 외주면이 증가해 버려, 필라멘트(41, 43)의 단위 길이당 질량에 대한 표면적이 작아져 버리므로, 묶음선의 소선 수를 2∼4개로 함으로써, 필라멘트(41, 43)의 원하지 않는 질량의 증가를 방지할 수 있고, 필라멘트(41, 43)의 자중에 의한 변형과 원하지 않는 저항값의 저하를 방지할 수 있다.

도 9는, 도 2에 도시한 제1 램프 유닛(5)을 생략하고, 제2 램프 유닛(6)으로부터 피처리체(7)를 본 도면이다.

본 발명의 광 조사식 가열 처리 장치(2)에 있어서는, 피처리체(7)를 가열 처리할 때, 피처리체(7)의 외주 가장자리측에 대응한 존(zone)(바퀴형상 존)(Z1)과 피처리체(7)의 중앙부측에 대응한 존(원형상 존)(Z2)의 2개의 존으로 분할하고, 피처리체(7)에 소정의 온도 분포가 얻어지도록, 각 존(Z1, Z2)마다 각 필라멘트 램프(1k∼1t)의 점등 제어를 행한다. 본 발명에 관한 필라멘트 램프(1)는, 도 9에 도시한 각 존(Z1, Z2)의 필라멘트 램프(1m∼1r)에 이용된다. 즉, 외주 가장자리측의 존(Z1)에는, 도 3에 도시한 필라멘트 램프(1)의 묶음선으로 이루어지는 필라멘트(41, 43)가 배치되고, 그 중앙부의 존(Z2)에는 단선으로 이루어지는 필라멘트(42)가 배치된다.

피처리체(7)의 전면에 균일한 방사 조도로 광을 조사한 경우, 피처리체(7)의 외주부는, 단면으로부터의 방사에 의한 열의 방출이 있기 때문에 중앙부보다 온도가 저하한다. 이 때문에, 외주 가장자리부의 존(Z1)은 중앙부의 존(Z2)보다 큰 방사 조도로 조사할 필요가 있다. 따라서, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)에는, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다, 단위 길이당 전력 밀도가 커지도록 급전된다.

묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)는 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 필라멘트 단위 길이당 표면적이 커지므로, 동일한 필라멘트 온도에 있어서 묶음 선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)로부터의 필라멘트 단위 길이당 방사되는 방사 에너지가 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 필라멘트 단위 길이당 방사되는 방사 에너지보다 커진다. 필라멘트 단위 길이당 표면적을 피처리체(7)의 단면으로부터의 방열에 의한 온도 저하분을 보충하도록 크게 설정함으로써, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 온도(즉, 필라멘트(42)로부터 방사되는 광의 색 온도)와 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 온도(즉, 필라멘트(41, 43)로부터 방사되는 광의 색 온도)를 근사시킬 수 있고, 방사되는 광의 스펙트럼도 근사시킬 수 있다. 이 때, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)로부터의 필라멘트 단위 길이당 방사되는 방사 에너지는, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)로부터의 방사 에너지보다 크기 때문에, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)가 배치된 피처리체(7)의 외주 가장자리부는 그 중앙부보다 큰 방사 조도로 가열할 수 있다. 이에 따라, 피처리체(7) 전체가 균일한 온도가 되도록 가열할 수 있다.

또한, 피처리체(7)의 외주 가장자리부를 가열하는 필라멘트(41, 43)가 묶음선으로 형성됨으로써, 묶음선이 구성하는 코일의 내경 치수를 크게 하지 않아도 표면적을 크게 할 수 있으므로, 발광관(30)의 내경 치수를 원하지 않게 확대할 필요가 없다. 이에 따라, 도 2에 도시한 필라멘트 램프(1)끼리 밀접하게 배치할 수 있으므로, 방사 조도를 높게 할 수 있어 피처리체(7)의 급속 가열을 실현할 수 있다.

도 1에 있어서, 필라멘트 램프(1)의 점등 시, 주 제어부(24)는, 온도계(22)에 의해 얻어진 피처리체(7) 상의 각 측정 지점에 있어서의 온도 정보에 의거해, 피처리체(7) 상의 온도가 소정의 온도로 균일하게 되도록 지령을 온도 제어부(23) 에 송신한다. 상세하게는, 피처리체(7)의 중앙부와 외주 가장자리부의 온도가 균일하게 되도록 하기 위해, 2개로 분할된 각 존(Z1, Z2)의 각 필라멘트에 공급하는 전력량을 미(微)조정한다. 온도 제어부(23)에는, 도달 목표가 되는 온도 정보를 미리 설정할 수 있다.

본 발명에 관한 필라멘트 램프(1)에 있어서는, 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대응하는 각 필라멘트 램프(1m∼1r)의 묶음선으로 이루어진 각 필라멘트(41, 43)의 단위 길이당 방사 에너지가 동일해짐과 동시에 스펙트럼도 동등하게 된다. 또, 중앙부의 존(Z2)에 대응하는 각 필라멘트 램프(1m∼1r)의 단선으로 이루어진 각 필라멘트(42)의 단위 길이당 방사 에너지가 동일해짐과 동시에 스펙트럼도 동등하게 된다. 나아가, 존(Z1)의 각 필라멘트의 전력 밀도를 존(Z2)의 각 필라멘트의 전력 밀도보다 크게 할 수 있는 동시에 스펙트럼을 동등하게 할 수 있다. 따라서, 피처리체(7)의 외주 가장자리부와 중앙부에 있어서의 광의 흡수율을 동등하게 유지한 상태로 외주 가장자리부의 방사 조도가 중앙부보다 강해지도록 방사 조도를 설정할 수 있어, 피처리체(7)의 표면의 온도 분포가 균일하게 되도록 가열할 수 있다.

본 발명에 관한 필라멘트 램프(1)는, 1개의 발광관(30)과, 발광관(30)의 내부에 설치됨과 더불어 독립하여 급전되는 적어도 3개의 필라멘트(41, 42, 43)로 구성되고, 필라멘트(41, 42, 43)의 적어도 1개가 단선으로 이루어짐과 더불어 적어도 2개가 묶음선으로 이루어지고, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 사이에 단선으로 이루어진 필라멘트(42)를 적어도 1개 설치하고, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 정격 전력 밀도보다 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 정격 전력 밀도가 높은 것을 특징으로 한다. 그 결과, 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 단위 길이당 표면적을 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 크게 할 수 있으므로 높은 전력 밀도로 해도 필라멘트 온도를 단선의 필라멘트(42)와 동등하게 할 수 있다.

즉, 단위 길이당 표면적이 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43) 쪽이 큰 필라멘트 램프(1)로서, 단위 길이당 정격 전력 밀도가 단선으로 이루어진 필라멘트(42)보다 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)쪽이 표면적의 비율과 동등분 크게 함으로써, 단선으로 이루어진 필라멘트(42)의 온도(즉, 필라멘트(42)로부터 방사되는 광의 색 온도)와 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)의 온도(즉, 필라멘트(41, 43)로부터 방사되는 광의 색 온도)를 근사시킬 수 있다. 이에 수반해, 단선 및 묶음선의 필라멘트(41, 42, 43)로부터 방사되는 광의 스펙트럼을 근사시킬 수 있다.

본 발명에 관한 광 조사식 가열 처리 장치(2)에 있어서는, 내부에 복수 개의 필라멘트 램프(1)를 병렬 배치했으므로, 피처리체(7)의 급속 가열 및 균일 가열을 실현할 수 있다. 또한, 램프 유닛(5, 6)에 속하는 모든 필라멘트의 온도(즉, 필라멘트로부터 방사되는 광의 색 온도)가 균일하게 되는 소정의 조건으로, 램프 유닛(5, 6)에 속하는 모든 필라멘트 램프(1)가 점등 구동된다. 이 때문에, 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대응하는 각 필라멘트 램프(1k∼1t)의 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43, 44, 45)는, 단위 길이당 방사 에너지가 동일해짐과 동시에 스펙트럼도 동등하게 된다. 또, 중앙부의 존(Z2)에 대응하는 각 필라멘트 램프(1m∼ 1r)의 단선으로 이루어진 필라멘트(42)는, 단위 길이당 방사 에너지가 동일하게 됨과 동시에 스펙트럼도 동등하게 된다. 또한, 존(Z1)의 각 필라멘트의 전력 밀도를 존(Z2)의 각 필라멘트의 전력 밀도보다 크게 할 수 있는 동시에 스펙트럼은 동등하게 할 수 있다. 따라서, 피처리체(7)의 외주 가장자리부와 중앙부에 있어서의 광의 흡수율을 동등하게 유지한 상태에서 외주 가장자리부의 방사 조도가 중앙부보다 강해져, 피처리체(7)의 표면의 온도 분포를 균일하게 되도록 피처리체(7)를 가열할 수 있다.

도 10은, 도 9에 대신하여, 도 2에 도시한 제1 램프 유닛(5)을 생략하고, 제2 램프 유닛(6)으로부터 피처리체(7)를 본 도면이며, 피처리체(7)의 가열 존이 외주 가장자리부에 대응하는 존(바퀴형상 존)(Y1)과 피처리체(7)의 중간부에 대응하는 존(바퀴형상 존)(Y2)과 중앙부에 대응하는 존(원형상 존)(Y3)으로 분할되어 있는 경우의 제2 램프 유닛을 나타내는 도면이다.

이 램프 유닛은 필라멘트 램프(1)의 필라멘트가 묶음선만으로 이루어진 필라멘트 램프(1아∼1우, 1노∼1히)와, 필라멘트 램프(1)의 필라멘트가 1개의 묶음선과 1개의 묶음선의 사이에 단선이 배치된 필라멘트 램프(1에∼1오, 1누∼1네)와, 필라멘트 램프(1)의 필라멘트가 1개의 묶음선과 1개의 묶음선의 사이에 3개의 단선이 배치된 필라멘트 램프(1카∼1니)를 나타내고 있다.

피처리체(7)의 크기가 큰 경우, 중앙부와 외주 가장자리부의 2개의 존에서는 온도의 균일도의 정밀도가 부족한 경우가 있다. 그 이유는 예를 들면, 가열 처리 공간(S2)에 도입하는 프로세스 가스의 흐름의 영향(가스 유속 분포나 가스의 온도 등)의 피처리체 상에 있어서의 장소적 편차나, 피처리체(7)의 대형화에 수반해 대형화하는 석영창(3)의 냉각의 편차에 의해서 발생하는 석영창(3)의 축열의 장소적 편차 등을 생각할 수 있다. 상기와 같은 편차 요인이 있으면, 피처리체(7)의 중앙부를 더욱 분할하여 온도를 미(微)조정할 필요가 생긴다.

도 10은 피처리체(7)가 특히 큰 경우에, 중앙부와 외주 가장자리부에 추가하여 그 중간에 중간부를 형성하고 3개의 동심원상의 존(Y1, Y2, Y3)으로 한 경우의 일예이다. 이와 같이 중앙부를 더욱 분할하여 중간부의 존(Y2)을 형성함으로써, 피처리체(7)가 큰 경우에 필요하게 되는 온도 균일도의 미조정을 행할 수 있다. 중앙부에 배열된 필라멘트 램프(1카∼1니)는 그 내부에 5개의 필라멘트, 그 외측의 중간부의 필라멘트 램프(1에∼1오, 1누∼1네)는 3개의 필라멘트, 외주 가장자리부에 대응하는 필라멘트 램프(1아∼1우, 1노∼1히)는 1개의 필라멘트를 각각 설치하고 있다. 이 경우, 5개의 필라멘트가 설치된 필라멘트 램프에서는, 그 중앙의 3개의 필라멘트는 통상의 단선에 의한 필라멘트로 구성되고, 양단의 2개의 필라멘트가 묶음선으로 구성되어 있다. 상술과 같이, 중앙부와 중간부는 온도의 미조정을 행하기 위해 분할된 존(Y2, Y3)이며, 미조정에 필요한 전력차는 수％정도이므로, 중앙부에 대응한 필라멘트와 외주 가장자리부에 대응한 필라멘트의 전력비와 같은 큰 전력차는 불필요하다. 따라서, 중앙부에 대응한 필라멘트도 중간부에 대응한 필라멘트도 단선으로 이루어지는 필라멘트로서 구성하고, 전원부로부터 공급되는 전력을 미조정함으로써, 필라멘트로부터 방사되는 광의 색 온도를 크게 바꾸지 않고 충분한 온도의 미조정을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 독립 급전형의 필라멘트 램프가 복수 병렬 배치하여 구성된 광 조사식 가열 처리 장치(2)의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 광 조사식 가열 처리 장치(2)의 지면 위쪽으로부터 복수 병렬 배치된 필라멘트 램프를 통해 피처리체를 본 도면이다.

도 3은 도 1에 도시한 광 조사식 가열 처리 장치(2)에 이용되는 필라멘트 램프(1)의 구성을 도시하는 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시한 필라멘트(41, 42, 43)의 일부 확대도이다.

도 5는 도 3에 도시한 리드(411, 412, 431, 432)와 내부 리드(413, 414, 433, 434)의 접속부의 측면 확대도 및 지면 아래쪽에서 본 접속부의 확대도이다.

도 6은 도 5의 접속부와 구성이 다른 도 3에 도시한 리드(411)(412, 431, 432)와 내부 리드(413)(414, 433, 434)의 접속부의 확대도이다.

도 7은 도 4에 도시한 묶음선으로 이루어지는 필라멘트(41, 43)의 구성과 다른 필라멘트(41, 43)의 일부 확대도이다.

도 8은 도 3에 도시한 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)를 구성하는 소선의 적절한 개수를 나타내는 필라멘트(41, 43)의 단면도, 및 대비하기 위해서 도 3에 도시한 묶음선으로 이루어진 필라멘트(41, 43)를 구성하는 소선의 개수로서 부적절한 개수를 나타내는 필라멘트(41, 43)의 단면도이다.

도 9는 도 2에 도시한 제1 램프 유닛(5)을 생략하고, 제2 램프 유닛(6)으로부터 피처리체(7)를 본 도면이다.

도 10은 도 9에 대신하여, 도 2에 도시한 제1 램프 유닛(5)을 생략하고, 제2 램프 유닛(6)으로부터 피처리체(7)를 본, 피처리체(7)의 외주 가장자리부에 대응하는 존(Y1)과 중간부에 대응하는 존(Y2)과 중앙부에 대응하는 존(Y3)으로 분할되어 있는 경우의 제2 램프 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.

도 11은 종래 기술에 관한 발광관 내에 복수의 필라멘트를 배치하고, 각각의 필라멘트에 제어 가능한 전력이 공급 가능한 필라멘트 램프의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 12는 총 방사 에너지를 동일하게 한 경우(전력 밀도를 동일하게 하는 것과 등가)의 분광 방사 에너지를 비교한 도면이다.

도 13은 Si, GaAs, Ge의 각 파장에 있어서의 투과율을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 필라멘트 램프 2 : 광 조사식 가열 처리 장치

3 : 석영창 4 : 챔버

5 : 제1 램프 유닛 6 : 제2 램프 유닛

7 : 피처리체 8 : 반사경

9 : 냉각풍 유닛 10 : 냉각풍 공급 노즐

11 : 분출구 12 : 냉각풍 배출구

13, 14 : 고정대 15 : 도전대

16 : 유지대 17 : 전원부

18, 19 : 전원 공급 포트 20 : 처리대

21 : 온도 측정부 22 : 온도계

23 : 온도 제어부 24 : 주 제어부

25 : 프로세스 가스 유닛 26 : 가스 공급 노즐

27 : 분출구 28 : 배출구

30 : 발광관 31, 32 : 실링부

33, 34 : 시일용 절연체 41, 42, 43 : 필라멘트

411, 412, 421, 422,431, 432 : 리드

413, 423, 433, 414, 424, 434 : 내부 리드

415, 416, 425, 426, 435, 436 : 금속박

417, 418, 427, 428, 437, 438 : 외부 리드

1k∼1t : 필라멘트 램프 1아∼1히 : 필라멘트 램프

S1 : 램프 유닛 수용 공간 S2 : 가열 처리 공간

Z1, Z2 : 존 Y1∼Y3 : 존

Claims (4)

1. 실링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장하도록 설치되고, 각각의 리드가 실링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 필라멘트 램프에 있어서,

   상기 필라멘트체는, 단선으로 이루어지는 필라멘트와, 묶음선으로 이루어지는 필라멘트를 가지고,

   단선으로 이루어지는 필라멘트의 양단에, 묶음선으로 이루어지는 필라멘트가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 묶음선은, 꼬여있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 묶음선은, 2 내지 4개의 소선(素線)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프.
4. 청구항 1에 기재된 필라멘트 램프가, 복수 개 병렬 배치되어 있는 것을 특징 으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.

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