KR20090048320A - 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치 - Google Patents

필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치 Download PDF

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KR20090048320A
KR20090048320A KR1020080104670A KR20080104670A KR20090048320A KR 20090048320 A KR20090048320 A KR 20090048320A KR 1020080104670 A KR1020080104670 A KR 1020080104670A KR 20080104670 A KR20080104670 A KR 20080104670A KR 20090048320 A KR20090048320 A KR 20090048320A
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겐지 다니노
요이치 미즈카와
신지 스즈키
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

(과제)피처리체 전체를 균일하게 가열하는 것을 가능하게 한 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치를 제공하는 것.
(해결 수단)발광관(102) 내에 관축을 따라 신장하는 코일 형상의 필라멘트가 설치되어 이루어지는 필라멘트 램프로서, 상기 필라멘트는, 상대적으로 실효 표면적이 작은 저방사 코일부(F2'')와, 그 저방사 코일부를 관축 방향으로 사이에 끼고 양측에 배치된 상대적으로 실효 표면적이 큰 고방사 코일부(F1'', F1'')가 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프(100), 및 필라멘트 램프(100)를 이용한 광 조사식 가열 처리 장치이다.

Description

필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치{FILAMENT LAMP AND LIGHT ILLUMINATING TYPE HEATING PROCESSING DEVICE}
본 발명은, 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치에 관한 것이며, 특히, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 가열하기 위해서 이용되는 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제조 공정에 있어서는, 성막, 산화, 질화, 막안정화, 실리사이드화, 결정화, 주입 이온 활성화 등의 여러가지 프로세스에 있어서, 가열 처리가 채용되고 있다. 반도체 제조 공정에 있어서의 제품 비율이나 품질의 향상을 도모하기 위해서는, 급속히 반도체 웨이퍼 등의 피처리체의 온도를 상승시키거나 하강시키거나 하는 급속 열처리(RTP：Rapid Thermal Processing)가 바람직하다. RTP에 있어서는, 백열 램프 등의 광원으로부터의 광 조사를 이용한 광 조사식 가열 처리 장치(이하, 간단히 가열 처리 장치라고도 한다)가 넓게 이용되고 있다.
여기서, 피처리체가, 예를 들면, 반도체 웨이퍼(실리콘 웨이퍼)일 때, 반도체 웨이퍼를 1050℃ 이상으로 가열할 때, 반도체 웨이퍼에 온도 분포의 불균일이 생기면, 반도체 웨이퍼에 슬립으로 불리는 현상, 즉, 결정 전이의 결함이 발생하고 불량품이 될 우려가 있다. 그 때문에, 광 조사식 가열 처리 장치를 이용해 반도체 웨이퍼의 RTP를 행하는 경우는, 반도체 웨이퍼 전면의 온도 분포가 균일해지도록, 가열, 고온 유지, 냉각을 행할 필요가 있다. 즉, RTP에 있어서는, 피처리체의 고정밀의 온도 균일성이 요구된다.
이러한 급속 열처리를 행하기 위해, 발광관의 내부에 서로 전체 길이가 다른 복수의 코일 형상의 필라멘트를 배치한 복수의 필라멘트를, 필라멘트가 피처리체의 형상으로 대응하여 면 형상 광원을 구성하도록 배치하여 구성된 광 조사식 가열 처리 장치가 사용되고 있다.
도 13은 종래 기술에 관한 광 조사식 가열 처리 장치에 적용되는 램프 유닛(200)의 구성을 나타내는 도면이다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열하기 위해, 필라멘트 램프(210)에 투입되는 전력은, 피처리체(W)의 외주 가장자리부로부터 열방사가 생기는 것을 고려하여, 피처리체(W)의 중앙부보다 외주 가장자리부의 존(zone)(Z2)에 대응하는 필라멘트 램프(210)의 필라멘트(F2)에 투입되는 전력이 커지도록 조정되어 있다. 구체적으로는, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z2)에 대응하여 배치된 필라멘트 램프(210)의 필라멘트(F2)에 있어서의 정격 전력 밀도를, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z1)에 대응하여 배치된 필라멘트 램프(210)의 필라멘트(F1)에 있어서의 정격 전력 밀도보다 크게 하고 있다.
동시에, 각 필라멘트 램프(210)는, 피처리체(W)의 각 존(Z1, Z2)마다 조사되 는 광의 강도가 균일해지도록, 각 존(Z1, Z2)에 대응하여 배치되어 있는 필라멘트(220)의 정격 전력 밀도가 각 존(Z1, Z2)에 있어서 동일해지도록 설계되어 있다. 일례를 들면, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z2)에 대응하여 배치된 필라멘트(F2)는, 그 정격 전력 밀도가 100W/㎝로 동일하고, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z1)에 대응하여 배치된 필라멘트(F1)는, 그 정격 전력 밀도가 50W/㎝로 동일해지도록 설계되어 있다.
[특허 문헌 1:일본국 특허공개 2006-279008호 공보]
그러나, 상기의 광 조사식 가열 처리 장치를 이용해 피처리체의 가열처리를 행하면, 예를 들면, 실리콘(Si) 기판 등의 피처리체의 표면 온도가 균일해지도록 가열할 수 없는 것이 판명되었다. 즉, 독립 급전되는 각 필라멘트의 단위 길이당 필라멘트의 질량과 표면적이 동일할 때, 피처리체를 균일하게 가열하기 위해, 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도를, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도보다 높게 하면, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하는 필라멘트보다, 외주 가장자리부의 존에 대응하는 필라멘트의 쪽이 방사되는 광의 스펙트럼이 단파장 측에 모여, 전방사 에너지에 차지하는 단파장측의 에너지 비율이 큰 것이 판명되었다.
도 14는 총방사 에너지를 동일하게 했을 경우(전력 밀도를 동일하게 하는 것과 등가)의 분광 방사 에너지를 비교한 도면이며, 방사되는 총에너지가 동일해도 색온도(즉, 필라멘트의 표면 온도)가 다르면 파장마다에서 본 분광 방사 에너지는 다른 것을 나타내고 있다. 또한, 색온도란 광의 색을 흑체의 온도로 표현하는 것이다. 필라멘트의 재질이 같은(본 예에서는 텅스텐) 경우, 필라멘트의 표면 온도값과 필라멘트로부터의 광의 색온도값은 1：1로 대응되어 있고, 표면 온도와 그 표면으로부터 방사되는 광의 색온도의 관계가 미리 구해지므로, 광의 색온도를 계측하여 그것을 필라멘트의 표면 온도와 치환하여 취급해도 지장없다. 즉, 단위 길이당 필라멘트의 질량과 표면적이 동일할 때, 필라멘트의 단위 길이당 급전되는 전력 밀도가 높으면 필라멘트의 온도가 상승하고, 급전되는 전력 밀도가 낮으면 필라멘트의 온도가 저하한다. 온도의 상승·저하에 따라, 예를 들면, 전력 밀도를 높게 하면 필라멘트의 온도가 상승함으로써, 도 14에 나타내는 바와 같이, 그 필라멘트로부터 방사되는 광의 파장이 단파장 측으로 시프트하는 현상이 생긴다.
도 15는 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 게르마늄(Ge)의 각 파장에 있어서의 흡광도 특성(광의 파장에 대한 투과율)을 나타내는 도면이며, 세로축은 광의 투과율(％), 가로축은 광의 파장(㎛)이다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 피처리체가 실리콘(Si)일 때는, 1㎛로부터 1.2㎛에 걸쳐 투과율이 0％에서 100％로 급격하게 변화하는 흡광도 특성을 나타내는 것이 알려져 있다. 즉, 실리콘(Si)은 1.1㎛ 이하의 파장의 광을 강하게 흡수하고, 1.1㎛를 넘는 파장의 광을 대부분 투과한다.
따라서, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하는 필라멘트가, 1.1㎛를 넘는 파장의 광의 방사 강도가 강하고, 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하는 필라멘트가, 1.1㎛ 이하의 파장의 방사 강도가 강할 때, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도와 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하는 필라멘트의 단위 길이당 전력 밀도의 비에 대해서, 피처리체의 외주 가장자리부의 존과 피처리체의 중앙부의 존의 가열량의 비가 비례 관계가 되지 않는다. 즉, 방사되는 광의 파장이 다르기 때문에, 피처리체의 중앙부의 존은 투과되는 광이 많아서 흡수가 적기 때문에 완만하게 가열되고, 피처리체의 외주 가장자리부의 존은 투과되는 광이 적고 흡수가 많기 때문에 급격하게 가열된다. 이 때문에, 피 처리체의 중앙부의 존과 외주 가장자리부의 존의 사이에서 온도차가 발생하므로, 피처리체의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체를 가열할 수 없었다고 생각된다.
본 발명의 목적은, 상기의 문제점을 감안하여, 피처리체 전체를 균일하게 가열하는 것을 가능하게 한 필라멘트 램프 및 광 조사식 가열 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 수단을 채용했다.
제1의 수단은, 발광관 내에 관축을 따라 신장되는 코일 형상의 필라멘트가 설치되어 이루어지는 필라멘트 램프로서, 상기 필라멘트는, 상대적으로 실효 표면적이 작은 저방사 코일부와, 그 저방사 코일부를 관축 방향으로 사이에 끼고 양측에 배치된 상대적으로 실효 표면적이 큰 고방사 코일부가 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프이다.
제2의 수단은, 적어도 일단에 시일링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장되도록 설치되고, 각각의 리드가 시일링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 필라멘트 램프로서, 상기 필라멘트 램프는, 상대적으로 실효 표면적이 작은 저방사 필라멘트와, 그 저방사 필라멘트를 관축 방향으로 사이에 끼고 양측에 위치하는 상대적으로 실효 표면적이 큰 고방사 필라멘트를 구비하는 것 을 특징으로 하는 필라멘트 램프이다.
제3의 수단은, 발광관 내에 관축을 따라 신장되는 코일 형상의 필라멘트가 설치되어 이루어지는 복수의 필라멘트 램프가, 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서, 상기 필라멘트 램프는, 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제4의 수단은, 적어도 일단에 시일링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장되도록 설치되고, 각각의 리드가 시일링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 복수의 필라멘트 램프가, 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서, 상기 필라멘트 램프는, 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제5의 수단은, 제3의 수단 또는 제4의 수단에 있어서, 상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 외경은, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제6의 수단은, 제3의 수단 또는 제4의 수단에 있어서, 상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 피치는, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제7의 수단은, 제3의 수단 또는 제4의 수단에 있어서, 상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 소선(素線) 지름은, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 소선 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제8의 수단은, 제1의 수단에 기재된 복수의 필라멘트 램프가 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서, 상기 저방사 코일부가 피처리체의 중앙부의 존에 면하여 배치되어 있음과 더불어, 상기 고방사 코일부가 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 면하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제9의 수단은, 제8의 수단에 있어서, 상기 고방사 코일부의 코일 외경이, 상기 저방사 코일부의 코일 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제10의 수단은, 제8의 수단에 있어서, 상기 고방사 코일부의 코일 피치가, 상기 저방사 코일부의 코일 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제11의 수단은, 제8의 수단에 있어서, 상기 고방사 코일부의 소선 지름이, 상기 저방사 코일부의 소선 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
제12의 수단은, 제3의 수단 내지 제11의 수단 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트, 및 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트는, 그 실효 표면적이 각각의 존마다 동일한 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치이다.
청구항 1, 2에 기재된 발명에 의하면, 저방사 코일부 및 고방사 코일부의 색온도를 일정하게 한 경우에 있어서, 저방사 코일부로부터의 방사량에 비해 고방사 코일부로부터의 방사량을 크게 할 수 있음과 더불어, 저방사 코일부에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상과 고방사 코일부에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체의 전표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체를 가열하는 것이 가능한 필라멘트 램프를 실현할 수 있다.
또, 청구항 3 내지 청구항 12에 기재된 발명에 의하면, 저방사 코일부(저방사 필라멘트) 및 고방사 코일부(고방사 필라멘트)의 색온도를 일정하게 한 경우에 있어서, 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이 작은 필라멘트부터의 방사량에 비해 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이 큰 필라멘트로부터의 방사량을 크게 할 수 있음과 더불어, 상기 양 필라멘트로부터의 방사 스펙트럼의 형상을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체의 전표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체를 가열하는 것이 가능한 광 조사식 가열 처리 장치를 실현할 수 있다.
처음에, 본 발명의 제1의 실시 형태를 도 1 내지 도 8을 이용해 설명한다.
도 1은, 제1의 실시 형태에 관한 광 조사식 가열 처리 장치의 구성을 나타내는 정면 단면도이다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 이 광 조사식 가열 처리 장치(30)는, 석영창(32)에 의해 램프 유닛 수용 공간(S1)과 가열 처리 공간(S2)으로 분할된 챔버(31)를 가진다. 챔버(31)는, 스테인리스 등의 금속 재료에 의해 구성되어 있다. 램프 유닛 수용 공간(S1)에 배치된 램프 유닛(40)으로부터 방출되는 광이, 석영창(32)을 통해 가열 처리 공간(S2)에 설치된 피처리체(W)에 조사됨으로써 가열 처리가 행해진다.
램프 유닛(40)의 상방에는 반사경(41)이 배치되어 있다. 반사경(41)은, 예를 들면, 무산소 동으로 이루어지는 모재에 금을 코트한 구조이며, 반사 단면이, 원의 일부, 타원의 일부, 포물선의 일부 또는 평판 형상 등의 형상을 가진다. 반사경(41)은, 램프 유닛(40)으로부터 상방을 향해서 조사된 광을 피처리체(W)측에 반사한다. 즉, 광 조사식 가열 처리 장치(30)에 있어서는, 램프 유닛(40)으로부터 방출된 광은, 직접 또는 반사경(41)으로 반사되어, 피처리체(W)에 조사된다.
램프 유닛 수용 공간(S1)에는, 냉각풍 유닛(45)으로부터의 냉각풍이 챔버(31)에 설치된 냉각풍 공급 노즐(46)의 취출구(46A)로부터 도입된다. 램프 유닛 수용 공간(S1)에 도입된 냉각풍은, 램프 유닛(40)에 있어서의 각 필라멘트 램프(10)에 분출되고, 각 필라멘트 램프(10)를 구성하는 발광관을 냉각한다. 여기 서, 각 필라멘트 램프(10)의 시일링부는 다른 개소에 비해서 내열성이 낮다. 그 때문에, 냉각풍 공급 노즐(46)의 취출구(46A)는, 각 필라멘트 램프(10)의 시일링부에 대향하여 배치하고, 각 필라멘트 램프(10)의 시일링부를 우선적으로 냉각하도록 구성하는 것이 바람직하다.
각 필라멘트 램프(10)에 분출되고, 열교환에 의해 고온이 된 냉각풍은, 챔버(31)에 설치된 냉각풍 배출구(47)로부터 배출된다. 또한, 냉각풍의 흐름은, 열교환되어 고온이 된 냉각풍이 반대로 각 필라멘트 램프를 가열하지 않도록 고려된다. 또, 냉각풍은, 반사경(41)도 동시에 냉각하도록 바람의 흐름이 설정된다. 또한, 반사경(41)이 도시를 생략한 수냉 기구에 의해 수냉되어 있는 경우는, 반드시 반사경(41)도 동시에 냉각하도록 바람의 흐름을 설정하지 않아도 된다.
그러나, 가열되는 피처리체(W)로부터의 복사열에 의해 석영창(32)에서의 축열(蓄熱)이 발생하면, 축열된 석영창(32)에서 2차적으로 방사되는 열선에 의해, 피처리체(W)는 원하지 않은 가열 작용을 받는 일이 있다. 이 경우, 피처리체(W)의 온도 제어성의 장황화(예를 들면, 설정 온도보다 피처리체의 온도가 고온이 되는 오버 슛)나, 축열되는 석영창(32) 자체의 온도 격차에 기인하는 피처리체(W)에 있어서의 온도 균일성의 저하 등의 결함이 발생한다. 또, 피처리체(W)의 강온 속도의 향상이 어려워진다. 그 때문에, 이러한 결함을 억제하기 위해서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 냉각풍 공급 노즐(46)의 취출구(46A)를 석영창(32)의 근방에도 설치하고, 냉각풍 유닛(45)으로부터의 냉각풍에 의해 석영창(32)을 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.
램프 유닛(40)의 각 필라멘트 램프(10)는, 한 쌍의 고정대(42A, 42B)에 의해 지지된다. 고정대(42A, 42B)는, 각각 도전성 부재로 형성된 도전대(43)와, 세라믹스 등의 절연 부재로 형성된 유지대(44)로 이루어진다. 유지대(44)는, 챔버(31)의 내벽에 설치되어 도전대(43)를 유지하고 있다.
챔버(31)에는, 전원부(35)의 급전 장치로부터의 급전선이 접속되는 한 쌍의 전원 공급 포트(36A, 36B)가 설치된다. 또한, 도 1에서는 1조의 전원 공급 포트(36A, 36B)가 나타내어져 있지만, 필라멘트 램프의 개수에 따라 전원 공급 포트(36)의 개수가 정해진다. 각 전원 공급 포트(36A, 36B)는, 필라멘트 램프(10)의 외부 리드와 전기적으로 접속된 각 도전대(43)에 전기적으로 접속되어 있다. 이와 같이 구성함으로써, 램프 유닛(40)에 있어서의 각 필라멘트 램프(10)에 대해서 전원부(35)에 있어서의 각 급전 장치에 의해 급전하는 것이 가능해진다.
가열 처리 공간(S2)에는, 피처리체(W)가 고정되는 처리대(33)가 설치되어 있다. 예를 들면, 피처리체(W)가 반도체 웨이퍼인 경우, 처리대(33)는, 몰리브덴이나 텅스텐, 탄탈과 같은 고융점 금속 재료나 실리콘카바이드(SiC) 등의 세라믹 재료, 또는 석영, 실리콘(Si)으로 이루어지는 박판의 환상체이며, 그 원형 개구부의 내주부에 반도체 웨이퍼를 지지하는 단차부가 형성되어 있는 가이드 링 구조인 것이 바람직하다. 피처리체(W)인 반도체 웨이퍼는, 이 링 형상의 가이드 링의 원형 개구부에 반도체 웨이퍼를 끼워 넣도록 배치되고, 상기 단차부로 지지된다. 처리대(33)는, 스스로도 광 조사에 의해서 고온이 되어 대면하는 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리부를 보조적으로 방사 가열하고, 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리부로부터 의 열방사를 보상한다. 이로 인해, 반도체 웨이퍼의 외주 가장자리부로부터의 열방사 등에 기인하는 반도체 웨이퍼 주연부의 온도 저하가 억제된다.
처리대(33)에 설치되는 피처리체(W)의 광 조사면의 이면 측에는, 온도 측정부(51)가 피처리체(W)에 맞닿거나 근접하여 설치된다. 온도 측정부(51)는, 피처리체(W)의 온도 분포를 모니터하기 위한의 것이며, 피처리체(W)의 치수에 따라 개수, 배치가 결정된다. 온도 측정부(51)는, 예를 들면, 열전대나 방사 온도계가 사용된다. 온도 측정부(51)에 있어서 소정의 타이밍(예를 들면, 1초 마다 1회 등)에서 모니터링된 온도 정보가 온도계(50)에 송신된다. 온도계(50)는, 각 온도 측정부(51)로부터 송신된 온도 정보에 기초하여, 각 온도 측정부(51)의 측정 지점에 있어서의 온도를 산출함과 더불어, 산출된 온도 정보를 온도 제어부(52)를 통해 주제어부(55)에 송신한다.
주제어부(55)는, 온도계(50)에 의해 얻어진 피처리체(W) 상의 각 측정 지점에 있어서의 온도 정보에 기초하고, 피처리체(W) 상의 온도가 소정의 온도로 균일해지도록 지령을 온도 제어부(52)에 송신한다. 또, 온도 제어부(52)는, 주제어부(55)의 지령에 기초하여, 피처리체(W)의 후술하는 2개로 분할된 각 존(Z1, Z2)의 온도가 균일해지도록 하기 위해, 필라멘트 램프(10)에 공급하는 전력량을 조정한다.
도 2는, 도 1에 나타낸 램프 유닛(40)의 구성을 위에서 본 도면, 도 3은, 도 2에 나타낸 필라멘트 램프(10)의 구성을 나타내는 사시도, 도 4는, 도 3에 나타낸 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(20)의 필라멘트 소선을 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 필라멘트 램프(10)는, 양단부에 시일링부(21A, 21B)가 형성된, 예를 들면, 유리 재료로 이루어지는 발광관(22)을 구비하고 있고, 발광관(22)의 내부 공간에는, 예를 들면, 할로겐 가스가 봉입됨과 더불어, 예를 들면, 텅스텐으로 이루어지는 필라멘트 소선이 코일 형상으로 권회되어 형성된 코일 형상의 필라멘트(20)가, 발광관(22)의 관축을 따라 신장하도록 배치되고, 그 양단부는 리드(23A, 23B), 금속박(24A, 24B)을 통해 외부 리드(25A, 25B)에 접속되어 있다.
또, 필라멘트 소선으로부터 방사되는 광은, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이 당해 필라멘트 소선으로부터 외부에 방사되면 광과, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이 당해 필라멘트 소선으로부터 인접하는 필라멘트 소선간(당해 필라멘트 소선으로부터 본 각도(θ1, θ2, θ3···)를 통해 방사되는 광의 합으로 나타내진다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 램프 유닛(40)은, 예를 들면, 9개의 각각의 필라멘트 램프(10)를 램프 중심축이 서로 동일 평면에 위치하는 상태로 소정 간격(예를 들면, 15㎜) 이간하여 늘어서도록 설치되어 구성된다. 각 필라멘트 램프(10)에 있어서의 각 필라멘트(20)의 중심축 방향의 단부가, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 외측의 가상원(400)의 원주상까지 신장하도록 배치되어 있고, 서로 중심축 방향의 전체 길이가 다르도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 9개의 필라멘트 램프(10)가 구비하는, 서로 중심축 방향의 전체 길이가 다른 9개의 필라멘트(20)가, 동일 평면에 소정 간격으로 이간해 늘어섬으로써, 피처리체(W)와 동심원 형상의 면 형상 광원이 구성되어 있다.
피처리체(W)를 가열 처리 함에 있어서는, 피처리체(W)를, 예를 들면, 외주 가장자리부의 존(Z1)과 중앙부의 존(Z2)의 2개의 존으로 분할하고, 각 존(Z1, Z2)마다 소정의 온도 분포가 얻어지도록, 각 필라멘트 램프(10)의 점등 제어를 행한다. 이러한 피처리체(W) 상의 온도 분포 제어를 행하기 위해, 램프 유닛(40)은, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)과 중앙부의 존(Z2)에 걸쳐서 배치된 복수개의 필라멘트 램프(10)로 이루어지는 램프 그룹(G1)과, 램프 그룹(G1)의 양측에 배치된, 각각 복수개의 필라멘트 램프(10)로 이루어지는 램프 그룹(G2, G3)으로 구성된다.
램프 그룹(G1)에 속하는 각 필라멘트 램프(10)의 각 필라멘트(F2)에 있어서의 단위 길이당 실효 표면적(S)에 비교해서, 램프 그룹(G2, G3)에 속하는 각 필라멘트 램프의 각 필라멘트(F1)에 있어서의 단위 길이당 실효 표면적(S)이 커지도록 구성되어 있다. 실효 표면적(S)은, 필라멘트(20)의 중심축 방향에 있어서의 단위 길이당 필라멘트 외부로부터 보이는 표면적의 값이다. 즉, 필라멘트(20)의 전표면 중, 필라멘트 자체에서 차단되는 일 없이 필라멘트(20)의 밖으로 방사되는 광에 기여하는 표면의 면적이다(이 점에 대해서는 뒤에 상술한다). 여기서, 필라멘트(F2)의 실효 표면적에 비해서 필라멘트(F1)의 실효 표면적을 크게 하는 것은, 이하의 이유에 의한다.
상술과 같이, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W) 의 급속 열처리를 행하기 위해서는, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대해서 조사되는 광의 강도를, 중앙부의 존(Z2)보다 크게 하는 것이 필요하다. 그런데, 종래에 있어서는, 상술과 같이, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 면하여 배치된 각 필라멘트(F1)의 정격 전력 밀도를 동일하게 함과 더불어, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)에 면해서 배치된 각 필라멘트(F2)의 정격 전력 밀도를 동일하게 하고, 또한, 각 필라멘트(F2)에 비교해 각 필라멘트(F1)의 정격 전력 밀도를 크게 함으로써 대응하고 있었지만, 존(Z1)과 존(Z2)에서 온도차가 발생하기 때문에, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 없다고 하는 결함이 생겼다. 본 발명은, 필라멘트(20)로부터 방사되는 광의 방사량이, 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 나타내는 바와 같이, 정격 전력 밀도라고 하는 요인과는 완전히 다른 요인에 의존하여 변화한다고 하는 지견을 얻고, 이 지견에 기초하여 고안된 것이다.
즉, 필라멘트로부터의 단위 길이당 방사량(E)은, 수학식 1에 나타내는 바와 같이, 주로, 필라멘트의 실효 표면적(S)과, 필라멘트 램프를 점등 구동시켰을 때의 필라멘트의 색온도(T)라고 하는 2개의 요인에 의존하여 결정된다. 수학식 1에 나타내는 ε는, 물질에 의존하는 고유값으로 부터 얻어지는 것이며,σ는, 슈테판·볼츠만 정수(5.6697×10-8W/㎡·K)이다. 따라서, 수학식 1에 있어서, 필라멘트의 색온도(T)를 일정하게 하면, 필라멘트로부터의 방사량(E)은, 필라멘트의 실효 표면적(S)에 비례하게 된다.
E=S×ε×σ×T4
한편, 파장 마다의 방사 에너지는 프랭크 분포의 식에서 주어지고,
B(λ)=(2hc2/λ5)×(1/(ehc/λkT-1))
B(λ)는 파장(λ)에 있어서의 흑체 방사 강도, λ는 파장, h는 프랭크 정수, c는 광속, k는 볼츠만 정수이다.
즉, 램프 유닛(40)에 있어서, 동일한 존에 속하는 모든 필라멘트(20)의 온도를 균일, 즉, 필라멘트(20)로부터 방사되는 광의 색온도를 균일하게 하고, 또한, 각 필라멘트(F1, F2)의 실효 표면적(SF1, SF2)을 이하의 관계 1을 만족하도록 설정함으로써, 각 필라멘트(F2)로부터의 방사량(EF2)에 비해 각 필라멘트(F1)로부터의 방사량(EF1)을 크게 할 수 있음과 더불어, 각 필라멘트(F1)에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상과 각 필라멘트(F2)에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상(도 14 참조)을 동일하게 할 수 있다.
(관계 1)
·각 필라멘트(F1)의 실효 표면적(SF1)＞각 필라멘트(F2)의 실효 표면적(SF2)
또한, 램프 유닛(40)에 있어서 각 필라멘트(F1)의 색온도와 각 필라멘트(F2) 의 색온도를 동일하게 하기 위해서는, 상기의 수학식 1에 있어서의 방사량은 필라 멘트에 투입되는 정격 전력 밀도와 거의 등가인 것으로부터, 이하의 관계 2를 만족하도록 각 필라멘트(F1, F2)의 정격 전력 밀도를 설정하면 된다.
(관계 2)
·각 필라멘트(F1)의 정격 전력 밀도(MF1)＞각 필라멘트(F2)의 정격 전력 밀도(MF2)
·MF1/MF2=SF1/SF2
여기서, 실효 표면적(SF1, SF2)의 값은, 이하의 수학식 3 및 수학식 4에 기초하여 결정된다.
S=2πRL×K
R은 필라멘트 소선의 반경, L은 필라멘트 소선의 전체 길이
K=180°/360°+(θ1+θ2+……+θn)/180°
또한, θ1, θ2…에 대해서는, 도 4의 (b)를 참조.
수학식 3은, 필라멘트 소선을 코일 형상이 되도록 권회함으로써 구성된 필라멘트의, 단위 길이당 실효 표면적을 나타내고 있다. 필라멘트의 실효 표면적(S)은, 직경 방향의 단면이 원형인 필라멘트 소선의 표면적인 2πRL에 대해서, 수학식 4에서 주어지는 계수(K)를 곱함으로써 결정된다.
수학식 4는, 직경 방향의 단면이 원형인 필라멘트 소선을, 그 중심점을 통과 하는 직선으로 2개로 등분한 경우에, 필라멘트 코일의 바깥쪽 측에 위치하는 필라멘트 소선으로부터 방사되는 광의 비율과, 필라멘트 코일의 안쪽 측에 위치하는 필라멘트 소선으로부터 방사되는 광의 비율의 총계를 나타내고 있다. 상세히는, 수학식 4의 전반 부분이, 필라멘트 코일의 바깥쪽 측에 위치하는 필라멘트 소선으로부터 방사되는 광의 비율을 나타내고, 수학식 4의 후반 부분이, 필라멘트 코일의 안쪽 측에 위치하는 필라멘트 소선으로부터 방사되는 광 중, 광 진행 방향에 위치하는 필라멘트 소선에 차단되는 일 없이 필라멘트의 바깥쪽을 향해서 방사되는 광의 비율을 나타내고 있다.
도 5는, 도 2에 있어서의 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(F1, F2)의 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
관계 1에서 설명한 바와 같이, 각 필라멘트(F1)의 실효 표면적(SF1)은, 각 필라멘트(F2)의 실효 표면적(SF2)에 비해 커지도록 구성된다. 그러기 위해서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F2)의 코일 외경에 비해서 각 필라멘트(F1)의 코일 외경이 커지도록 한다. 여기서, 「코일 외경」이란, 그 도면에 나타내는 바와 같이, 필라멘트를 그 중심축을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 필라멘트의 외부 가장자리를 2개의 평행선 사이에 끼웠을 때의 2개의 평행선간의 거리를 의미한다.
구체적으로는, 각 필라멘트(F1)와 각 필라멘트(F2)는, 각 필라멘트(F1)의 코일 외경을 DF1로 하고, 각 필라멘트(F2)의 코일 외경을 DF2로 했을 때, DF1/DF2=1.53~2.45의 관계를 만족하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 당해 범위를 밑도는 경우에는, 원하는 표면적을 확보하지 못하고, 투입 전력 부족이 되어 웨이퍼 엣지부의 온도가 저하된다고 하는 결함을 일으킨다. 또, 당해 범위를 웃도는 경우에는, 필라멘트(F1)의 코일 외경(DF1)이 너무 커져서 무거워지기 때문에 필라멘트 소선이 그 중량에 견디지 못하고 코일이 변형되고, 조도 균일도에 악영향을 미친다. 또한 극단적으로 큰 경우는 변형에 의해 코일간에서 쇼트를 일으켜 단선한다고 하는 결함을 일으킨다.
이와 같이 구성된 램프 유닛(40)을 구비하는 광 조사식 가열 처리 장치에 있어서는, 피처리체(W)를 소정의 수단에 의해서 원주 방향으로 회전시킨 상태로, 램프 유닛(40)의 각 필라멘트 램프(10)를 점등 구동시킨다. 피처리물(W)을 회전시키는 것은, 피처리체(W)의 존(Z1)의 필라멘트(F1)에 면하는 개소의 온도와, 피처리체(W)의 존(Z1)의 필라멘트(F2)에 면하는 개소의 온도를 동일하게 하기 위해서이다. 이와 같이 구성함으로써, 각 필라멘트(F2)로부터의 방사량(EF2)에 비해서 각 필라멘트(F1)로부터의 방사량(EF1)을 크게 할 수 있음과 더불어, 각 필라멘트(F1)에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상과 각 필라멘트(F2)에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상(도 14 참조)을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체(W)의 전표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 있다.
또한, 이 광 조사식 가열 처리 장치에 있어서는, 하기의 관계 3에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F1)의 실효 표면적을 동일하게 함과 더불어 각 필라멘 트(F2)의 실효 표면적을 같게 함으로써, 각 존(Z1, Z2)에 대해서 방사되는 단위 면적당 방사량이 각 존(Z1, Z2)마다 존 내에서 동일해지므로, 피처리체(W)의 온도 분포가 더 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 있다.
(관계 3)
·각 필라멘트(F1)의 실효 표면적이 서로 동일하다.
·각 필라멘트(F2)의 실효 표면적이 서로 동일하다.
이 광 조사식 가열 처리 장치에 있어서는, 이하의 사정으로부터, 상기의 관계 3을 만족하는 쪽이 보다 바람직하다고 생각된다. 즉, 이 광 조사식 가열 처리 장치에 있어서, 각 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트는, 서로 전체 길이가 다른 것이면서, 각각의 정격 전력 밀도가 동일해지도록, 각각의 코일 외경, 코일 피치, 코일의 소선 지름 등이 서로 다르도록 설계되어 있다. 그 때문에, 예를 들면, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)에 면해서 배치되어 있는 필라멘트(F2)끼리라도, 그 실효 표면적이 각각 미묘하게 다르므로, 각각의 필라멘트(F2)의 색온도가 미묘하게 다름에 따라서, 각각의 필라멘트(F2)로부터 방사되는 방사량(E)이 미묘하게 다른 것도 상정된다. 이 경우에는, 예를 들면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 존(Z1)에 있어서, 미세한 차이지만, 국소적으로 피처리체(W)의 온도가 상대적으로 높은 영역(X)과 상대적으로 낮은 영역(Y)이 형성되고, 피처리체(W)의 표면의 균일한 온도 분포가 미묘하게 손상되는 것도 상정된다.
따라서, 피처리체의 표면 온도의 균일성이 엄격하게 요구되는 경우에는, 상기의 관계 3에 나타내는 바와 같이, 외주 가장자리부의 존(Z1)에 면하는 각 필라멘 트(F1)의 실효 표면적(S)을 균등하게 함과 더불어, 중앙부의 존(Z2)에 면하는 각 필라멘트(F2)의 실효 표면적(S)을 균등하게 설정하면 된다. 물론, 피처리체의 표면 온도의 균일성이 엄격하게 요구되지 않는 것이면, 관계 3을 만족하는 것은 필수는 아니다.
도 6 및 도 7은, 도 5에 나타낸 실시예와 다른, 도 3에 있어서의 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(20)를 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이며, 도 2에 있어서의 필라멘트(F1)와 필라멘트(F2)를 비교한 도면이다.
도 6에 있어서는, 각 필라멘트(F1) 및 각 필라멘트(F2)는, 필라멘트(F2)의 코일 피치에 비해 각 필라멘트(F1)의 코일 피치의 쪽이 작게 구성되어 있다. 이와 같이 구성함으로써, 각 필라멘트(F2)의 실효 표면적(SF2)에 비해 각 필라멘트(F1)의 실효 표면적(SF1)을 크게 할 수 있다.
여기서, 「코일 피치」란, 필라멘트를 그 중심축을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 서로 인접하는 필라멘트 소선의 중심점끼리를 직선으로 묶었을 때, 당해 직선간의 거리를 의미한다.
구체적으로, 각 필라멘트(F1)와 각 필라멘트(F2)는, 각 필라멘트(F1)의 코일 피치를 PF1으로 하고, 각 필라멘트(F2)의 코일 외경을 PF2로 했을 때, PF1/PF2=0.5~0.85의 관계를 만족하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 당해 범위를 밑도는 경우에는, 코일의 권선의 간격이 너무 작아져서 쇼트하여 단선한다고 하는 결함이 생긴다. 당해 범위를 웃도는 경우에는, 원하는 표면적을 확보하지 못하 고, 투입 전력 부족이 되어 웨이퍼 엣지부의 온도가 저하된다고 하는 결함이 생긴다.
도 7에 있어서는, 각 필라멘트(F1) 및 각 필라멘트(F2)는, 필라멘트(F2)의 필라멘트 소선의 외경에 비해서, 필라멘트(F1)의 필라멘트 소선의 외경이 커지도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성함으로써, 필라멘트(F2)의 실효 표면적에 비해서 필라멘트(F1)의 실효 표면적을 크게 할 수 있다.
여기서, 「필라멘트 소선의 외경」이란, 필라멘트를 그 중심축을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 필라멘트 소선의 외부 가장자리를 2개의 평행선 사이에 끼웠을 때의, 2개의 평행선간의 거리를 의미한다.
구체적으로, 각 필라멘트(F1)와 각 필라멘트(F2)는, 각 필라멘트(F1)의 필라멘트 소선의 외경을 φF1으로 하고, 각 필라멘트(F2)의 필라멘트 소선의 외경을 φF2로 했을 때, φF1/φF2=1.07~1.30의 관계를 만족하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 당해 범위를 밑도는 경우에는, 원하는 표면적을 확보하지 못하고, 투입 전력 부족이 되어 웨이퍼 엣지부의 온도가 저하된다고 하는 결함을 일으킨다. 당해 범위를 웃도는 경우에는, 코일 소선간의 간극이 너무 작아져서 쇼트하고 단선한다고 하는 결함을 일으킨다.
도 8은, 도 2에 나타낸 램프 유닛(40)의 구성에 대신하여, 도 2에 나타내는 램프 유닛(40)을 상하단에 서로 우물 정자 형상으로 배치하여 구성된 램프 유닛(60)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 램프 유닛(40)에 의하면, 각 필라멘트 램프(10)의 관축이 동일 평면 상에 위치하도록 복수의 필라멘트 램프(10)를 병렬로 배치하여 이루어지는 램프 유닛(40)을 이용하고, 피처리체(W)를 둘레 방향으로 회전시킨 상태로 각 필라멘트 램프를 점등 구동함으로써, 피처리체(W)의 온도가 균일해지도록 피처리체를 가열하고 있다. 그에 대해, 도 8에 나타낸 램프 유닛(60)에 의하면, 피처리체(W)를 회전시키는 일 없이, 피처리체(W)의 온도를 균일해지도록 가열할 수 있다.
즉, 도 8에 나타내는 램프 유닛(60)에 있어서는, 각 필라멘트 램프(10)의 관축이 동일 평면 상에 위치하도록 복수의 필라멘트 램프(10)를 병렬로 배치하여 이루어지는 제1의 면 형상 광원부(60A)의 상방측(피처리체(W)의 반대측)에, 각 필라멘트 램프(10＇)의 관축이 동일 평면상에 위치함과 더불어 각 필라멘트 램프(10＇)의 관축이 각 필라멘트 램프(10)의 관축에 직교하는 상태로, 복수의 필라멘트(10＇)를 병렬로 배치하여 이루어지는 제2의 면 형상 광원부(60B)가 배치하도록 구성되어 있다. 즉, 램프 유닛(60)은, 복수의 필라멘트 램프(10 및 10＇)가, 소위 우물 정자 형상으로 배치하도록 구성되어 있다. 또, 각 필라멘트 램프(10, 10＇)에 있어서의 각 필라멘트의 중심축 방향의 단부가, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 외측의 가상원(600)의 원주상까지 신장하도록 배치되어 있고, 서로 중심축 방향의 전체 길이가 다르도록 구성되어 있다.
제1의 면 형상 광원부(60A)에 있어서는, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)과 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)의 쌍방에 면해 있는 필라멘트(F2)의 실효 표면적(SF2)에 비해, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에만 면해 있는 필라멘트(F1)의 실효 표면적(SF1)이 커지도록 구성되어 있다. 제2의 면 형상 광원부(60B)에 있어서는, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)과 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)의 쌍방에 면해 있는 필라멘트(F2＇)의 실효 표면적(SF2)에 비해서, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에만 면해 있는 필라멘트(F1＇)의 실효 표면적(SF1')이 커지도록 구성되어 있다. 또한, 필라멘트(F1)의 실효 표면적(SF1)과 필라멘트(F1＇)의 실효 표면적(SF1')은 동일해지도록 구성되어 있다. 또, 마찬가지로, 필라멘트(F2)의 실효 표면적(SF2)과 필라멘트(F2＇)의 실효 표면적(SF2')은 동일해지도록 구성되어 있다.
도 8에 나타내는 램프 유닛(60)은, 상기의 관계 1, 2를 만족하도록 각 필라멘트의 실효 표면적과 정격 전력 밀도가 설정되어 있다. 이러한 램프 유닛(60)에 속하는 모든 필라멘트 램프(10, 10＇)를, 각 필라멘트의 색온도가 균등해지도록 점등 구동함으로써, 존(Z1)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량을, 존(Z2)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량보다 크게 할 수 있음과 더불어, 각 필라멘트에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상(도 14 참조)을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 있다. 또한, 상기의 관계 3에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F1, F1')의 실효 표면적을 균등하게 함과 더불어, 각 필라멘트(F2, F2＇)의 실효 표면적을 균등하게 한 경우에는, 각 존(Z1, Z2)에 대해서 방사되는 단위 면적당 조사량을 각 존(Z1, Z2) 마다 존 내에서 균등하게 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2의 실시 형태를 도 9 및 도 10을 이용해 설명한다.
도 9는, 본 실시 형태에 관해서, 도 1에 나타낸 광 조사식 가열 처리 장치와 같은 장치에 적용되고, 도 2에 나타낸 램프 유닛(40)과는 다른 구성을 갖는 램프 유닛(70)의 구성을 나타내는 도면, 도 10은, 도 9에 나타낸 필라멘트 램프(100)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 램프 유닛(70)은, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)과 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)의 쌍방에 면하여 배치된 복수개의 필라멘트 램프(100)로 이루어지는 램프 그룹(G1)과, 램프 그룹(G1)의 양측에 위치하고, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에만 면하여 배치된 복수개의 필라멘트 램프(10)로 이루어지는 램프 그룹(G2, G3)으로 구성된다. 여기서 필라멘트 램프(10, 100)에 있어서의 각 필라멘트(20, 110)의 중심축 방향의 단부는, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 외측의 가상원(700)의 원주 상까지 신장하도록 배치되어 있고, 서로 중심축 방향의 전체 길이가 다르도록 구성되어 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 램프 그룹(G1)에 속하는 각 필라멘트 램프(100)는, 필라멘트의 구성이 다른 것을 제외하면, 도 3에 나타낸 필라멘트 램프(10)와 같은 구성을 가지고 있다. 즉, 필라멘트 램프(100)의 발광관(102)의 내부에 배치된 코일 형상의 필라멘트(110)는, 발광관(102)의 관축 방향에 있어서 중앙부에 위치하는 중앙측 필라멘트(F2'')와, 중앙측 필라멘트(F2'')의 양단에 연속 하는, 중앙측 필라멘트(F2'')보다 코일 외경이 커지도록 형성된 한 쌍의 단부측 필라멘트(F1'')에 의해 구성되어 있고, 중앙측 필라멘트(F2'')의 단위 길이당 실효 표면적(SF2'')에 비해 단부측 필라멘트(F1'')의 단위 길이당 실효 표면적(SF1'')의 쪽이 커지도록 구성되어 있다. 각 단부측 필라멘트(F1'')의 단부에는, 각각 금속박(104A, 104B)에 접속되는 리드(103A, 103B)가 접속되어 있다. 필라멘트(110)는, 중앙측 필라멘트(F2'')의 양단에, 각각 각 단부측 필라멘트(F1'')의 일단을 용접함으로써 형성되고, 중앙측 필라멘트(F2'')와 각 단부측 필라멘트(F1'')의 사이에는 용접부(M)가 형성되고, 용접부(M)는 비발광부가 된다. 여기서, 관축 방향에 있어서 중앙에 위치하는 중앙측 필라멘트(F2'')가 저방사 코일부가 되고, 단부에 위치하는 단부측 필라멘트(F1'')가 고방사 코일부가 된다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 복수의 필라멘트 램프(100)로 이루어지는 램프 그룹(G1)에 있어서는, 단부측 필라멘트(F1'')가 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 면하여 배치됨과 더불어, 중앙측 필라멘트(F2'')가 피처리체(W)의 중앙측의 존(Z2)에 면하여 배치되어 있다.
한편, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 면해 있는 램프 그룹(G2, G3)에 속하는 필라멘트 램프(10)는, 도 3에 나타내는 필라멘트 램프와 같은 구성을 가지고 있다. 필라멘트 램프(10)가 구비하는 필라멘트(F1)의 단위 길이당 실효 표면적(SF1)은, 단부측 필라멘트(F1'')의 실효 표면적(SF1'')과 같으며, 중앙측 필라멘트(F2'')의 단위 길이당 실효 표화적(SF2'')보다 크다.
이러한 램프 유닛(70)에 의하면, 상기의 관계 1, 2를 만족하도록 각 필라멘트의 실효 표면적과 정격 전력 밀도가 설정되어 있다. 그 결과, 램프 유닛(70)에 속하는 모든 필라멘트(10, 100)는, 각 필라멘트의 색온도가 균일해지도록 점등 구동된다. 이 램프 유닛(70)에 의해서 피처리체(W)를 가열하면, 피처리체(W)를 회전시킬 필요는 없다.
이 램프 유닛(70)에 의하면, 램프 유닛(70)의 바로 아래에 있어서는, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량에 비해서, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량이 커짐과 더불어, 각 필라멘트에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상(도 14 참조)을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 있다. 또한, 상기의 관계 3에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F1, F1'')의 실효 표면적을 균등하게 함과 더불어, 각 필라멘트(F2'')의 실효 표면적을 균등하게 한 경우에는, 각 존(Z1, Z2)에 대해서 방사되는 단위 면적당 조사량을 각 존(Z1, Z2)마다 존 내에서 균등하게 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제3의 실시 형태를 도 11 및 도 12를 이용해 설명한다.
도 11은, 본 실시 형태에 관한 필라멘트 램프(120)의 구성을 나타내는 사시도, 도 12는 도 1에 나타낸 광 조사식 가열 처리 장치와 같은 장치에 적용되고, 램프 유닛으로서 도 11에 나타낸 필라멘트 램프(120)를 적용한 램프 유닛(80)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11에 나타내는 필라멘트 램프(120)는, 발광관(112)의 내부에, 코일 형상 으로 형성된 필라멘트(130)와, 필라멘트(130)의 양단에 연결된 한 쌍의 리드(112A, 112B)로 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각 필라멘트(130)가 발광관(112)의 관축을 따라 차례차례 늘어서도록 배치된 구성을 갖고 있다. 발광관(112)의 양단에는, 발광관(112)의 내부에 배치된 시일용 절연체(115A, 115B)와, 발광관(112)의 내표면이, 시일용 절연체(115A, 115B)의 외주면에 적당한 간격으로 이간해 관축을 따라 신장하도록 배치된, 필라멘트체의 2배의 개수를 가지는 금속박(113A, 113B)을 통해 밀착함으로써, 기밀로 시일링된 시일링부(111A, 111B)가 형성되어 있다. 각 금속박(113A, 113B)의 일단에는, 각 내부 리드(112A, 112B)가 접속되고, 각 금속박(113A, 113B)의 타단에는, 발광관(112)의 외단면에서 바깥쪽으로 신장해 나옴과 더불어 도시를 생략한 급전 장치에 연결되는 각 외부 리드(114A, 114B)가 접속되고, 이로 인해, 각 외부 리드(114A, 114B), 각 금속박(113A, 113B), 각 내부 리드(112A, 112B)를 통해, 각 필라멘트체에 대해서 각 급전 장치로부터 급전이 행해진다. 이러한 필라멘트 램프(120)에 있어서는, 각 필라멘트(130)에 대해서 독립하여 급전할 수 있다.
이러한 필라멘트 램프(120)에 있어서는, 발광관(112)의 관축 방향에 있어서 중앙에 위치하는 필라멘트(F2'')의 실효 표면적에 비해, 관축 방향의 단부에 위치하는 필라멘트(F1'')의 실효 표면적이 크다. 즉, 도 5 내지 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F2'')의 코일 외경에 비해 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 외경을 크게 하거나, 또, 각 필라멘트(F2'')의 코일 피치에 비해, 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 피치를 작게 하거나, 또한, 각 필라멘트(F2'')의 코일 소선 지름에 비해 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 소선 지름을 크게 한다. 여기서, 관축 방향에 있어서 중앙에 위치하는 필라멘트(F2'')가 저방사 필라멘트가 되고, 단부에 위치하는 필라멘트(F1'')가 고방사 필라멘트가 된다.
도 12에 나타내는 램프 유닛(80)은, 도 11에 나타낸 구성을 가지는 5개의 필라멘트 램프(120)의 양옆에, 도 3에 나타낸 구성을 가지는 필라멘트 램프(10)가 2개씩 배치되어 이루어지고, 각각의 필라멘트 램프(10, 120)의 관축이 서로 동일 평면에 위치된 상태로 소정의 간격(예를 들면, 15㎜)으로 이간해 늘어서도록 설치되어 구성되어 있다. 구체적으로는, 도 3에 나타낸 구성을 가지는 필라멘트 램프(10)가, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대응하여 배치되고, 발광관 내에 복수의 필라멘트가 설치된 구성을 가지는 필라멘트 램프(120)가, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1) 및 중앙부의 존(Z2)에 대응하여 배치된다.
이러한 램프 유닛(80)에 의하면, 이하와 같이 하여, 필라멘트 램프(120) 및 필라멘트 램프(10)가 피처리체(W)에 대해서 배치된다. 즉, 각 필라멘트 램프(120)는, 관축 방향에 있어서 중앙부에 위치하는 각 필라멘트(F2'')가 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)에 대응하여 배치되고, 관축 방향에 있어서 필라멘트(F2'')의 양단에 위치해 있는 필라멘트(F1'')가, 피처리체(W)의 존(Z1)에 대응하여 배치된다. 필라멘트 램프(10)는, 필라멘트(20)(필라멘트(F1)라고 한다)가 피처리체(W)의 존(Z1)에 대응하여 배치된다.
각 필라멘트 램프(120)의 각 필라멘트(F2'')는, 서로 관축 방향의 전체 길이가 다르고, 각각의 필라멘트(F2'')의 관축 방향의 단부를 묶어 형성되는 가상 원(801)이, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)의 외주 가장자리와 일치하도록 피처리체(W)에 대해서 배치되어 있다. 또, 각 필라멘트 램프(120)의 각 필라멘트(F1'')와 각 필라멘트 램프(10)의 각 필라멘트(F1)는, 각각 서로 관축 방향의 전체 길이가 다르고, 각 필라멘트(F1'')의 일단이 가상원(801)의 외주원 상 및 타단이 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 외측에 형성되는 가상원(802)의 외주원 상에 위치함과 더불어, 각 필라멘트(F1)의 양단이 가상원(802)의 외주원 상에 위치하도록, 피처리체(W)에 대해서 배치되어 있다.
또, 램프 유닛(80)을 구성하는 필라멘트 램프(120)의 필라멘트는, 도 5 내지 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F2'')의 코일 외경에 비해 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 외경을 크게 하거나, 또, 각 필라멘트(F2'')의 코일 피치에 비해, 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 피치를 작게 하거나, 또한, 각 필라멘트(F2'')의 코일 소선 지름에 비해 각 필라멘트(F1, F1'')의 코일 소선 지름을 크게 한다.
이러한 램프 유닛(80)에 의하면, 상기의 관계 1, 2를 만족하도록 각 필라멘트의 실효 표면적과 정격 전력 밀도가 설정된다. 이러한 램프 유닛(80)에 속하는 모든 필라멘트 램프(10, 120)는, 각 필라멘트의 색온도가 균일해지도록 점등 구동되고, 이 램프 유닛(80)에 의해서 피처리체를 가열하면, 피처리체(W)를 회전시킬 필요는 없다.
따라서, 본 실시 형태의 광 조사식 가열 처리 장치에 의하면, 램프 유닛(80)의 바로 아래에 있어서는, 피처리체(W)의 중앙부의 존(Z2)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량에 비해서, 피처리체(W)의 외주 가장자리부의 존(Z1)에 대해서 조사되는 단위 면적당 조사량이 커짐과 더불어, 각 필라멘트에 있어서의 방사 스펙트럼의 형상(도 14 참조)을 동일하게 할 수 있으므로, 피처리체(W)의 표면의 온도 분포가 균일해지도록 피처리체(W)를 가열할 수 있다. 또한, 상기한 관계 3에 나타내는 바와 같이, 각 필라멘트(F1, F1'')의 실효 표면적을 균등하게 함과 더불어, 각 필라멘트(F2'')의 실효 표면적을 균등하게 한 경우에는, 각 존(Z1, Z2)에 대해서 방사되는 단위 면적당 조사량을 각 존(Z1, Z2)마다 존 내에서 균등하게 할 수 있다.
도 1은 제1의 실시 형태에 관한 광 조사식 가열 처리 장치의 구성을 나타내는 정면 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 램프 유닛(40)의 구성을 위에서 본 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 필라멘트 램프(10)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(20)의 필라멘트 소선을 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
도 5는 도 2에 있어서의 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(F1, F2)의 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 실시예와 다른, 도 2에 있어서의 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(F1, F2)를 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
도 7은 도 5에 나타낸 실시예와 다른, 도 2에 있어서의 코일 형상으로 권회되어 형성된 필라멘트(F1, F2)를 관축을 통과하는 면으로 절단해서 본 도면이다.
도 8은 도 2에 나타낸 램프 유닛(40)의 구성에 대신하여, 도 2에 나타내는 램프 유닛(40)을 상하단에 서로 우물 정자 형상으로 배치하여 구성된 램프 유닛(60)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 제2의 실시 형태에 관한 램프 유닛(70)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 나타낸 필라멘트 램프(70)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 11은 제3의 실시 형태에 관한 필라멘트 램프(120)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 1에 나타낸 광 조사식 가열 처리 장치와 같은 장치에 적용되고, 램프 유닛으로서 도 11에 나타낸 필라멘트 램프(120)를 적용한 램프 유닛(80)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 기술에 관한 광 조사식 가열 처리 장치에 적용되는 램프 유닛(200)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는 총방사 에너지를 동일하게 한 경우(전력 밀도를 동일하게 하는 것과 등가)의 분광 방사 에너지를 비교한 도면이다.
도 15는 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 게르마늄(Ge)의 각 파장에 있어서의 흡광도 특성(광의 파장에 대한 투과율)을 나타내는 도면이다.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
10, 10＇, 100, 120:필라멘트 램프 20, 110, 130:필라멘트
21A, 21B, 101A, 101B, 111A, 111B:시일링부
22, 102, 112:발광관 23A, 23B, 103A, 103B:리드
24A, 24B, 104A, 104B, 113A, 113B:금속박
25A, 25B, 105A, 105B, 114A, 114B:외부 리드
30:광 조사식 가열 처리 장치 31:챔버
32:석영창 33:처리대
35:전원부 36A, 36B:전원 공급 포트
40, 60, 70, 80:램프 유닛 41:반사경
42A, 42B:고정대 43:도전대
44:유지대 45:냉각풍 유닛
46:냉각풍 공급 노즐 46A:취출구
47:냉각풍 배출구 50:온도계
51:온도 측정부 52:온도 제어부
55:주제어부 60A:제1의 면 형상 광원부
60B:제2의 면 형상 광원부 112A, 112B:내부 리드
115A, 115B:시일용 절연체
400, 600, 700, 801, 802:가상원 W:피처리체
Z1, Z2:존 G1, G2, G3:램프 그룹
S1:램프 유닛 수용 공간 S2:가열 처리 공간
F1, F2, F1', F2', F1'', F2'':필라멘트 S, SF1, SF2:실효 표면적
MF1, MF2:정격 전력 밀도 DF1, DF2:코일 외경
EF1, EF2:방사량 PF1, PF2:코일 피치
φF1, φF2:필라멘트 소선의 외경 M:용접부

Claims (12)

  1. 발광관 내에 관축을 따라 신장되는 코일 형상의 필라멘트가 설치되어 이루어지는 필라멘트 램프로서,
    상기 필라멘트는, 상대적으로 실효 표면적이 작은 저방사 코일부와, 그 저방사 코일부를 관축 방향으로 사이에 끼고 양측에 배치된 상대적으로 실효 표면적이 큰 고방사 코일부가 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프.
  2. 적어도 일단에 시일링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가, 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장되도록 설치되고, 각각의 리드가 시일링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 필라멘트 램프로서,
    상기 필라멘트 램프는, 상대적으로 실효 표면적이 작은 저방사 필라멘트와, 그 저방사 필라멘트를 관축 방향으로 사이에 끼고 양측에 위치하는 상대적으로 실효 표면적이 큰 고방사 필라멘트를 구비하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프.
  3. 발광관 내에 관축을 따라 신장되는 코일 형상의 필라멘트가 설치되어 이루어지는 복수의 필라멘트 램프가, 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서,
    상기 필라멘트 램프는, 피처리체의 외주 가장자리부의 존(zone)에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  4. 적어도 일단에 시일링부가 형성된 발광관의 내부에, 코일 형상의 필라멘트의 양단에 당해 필라멘트에 전력을 공급하는 한 쌍의 리드가 연결되어 이루어지는 복수의 필라멘트체가 각각의 필라멘트가 발광관의 관축을 따라 신장되도록 설치되고, 각각의 리드가 시일링부에 설치된 각각의 도전성 부재에 대해서 전기적으로 접속된 복수의 필라멘트 램프가, 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서,
    상기 필라멘트 램프는, 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적이, 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 필라멘트의 단위 길이당 실효 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 외경은, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 피치는, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 코일 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 필라멘트 램프는, 상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 소선(素線) 지름은, 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트의 소선 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  8. 청구항 1에 기재된 복수의 필라멘트 램프가 면 형상 광원을 구성하도록 배치되어 이루어지는 광 조사식 가열 처리 장치로서,
    상기 저방사 코일부가 피처리체의 중앙부의 존에 면하여 배치되어 있음과 더불어, 상기 고방사 코일부가 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 면하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 고방사 코일부의 코일 외경이, 상기 저방사 코일부의 코일 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 고방사 코일부의 코일 피치가, 상기 저방사 코일부의 코일 피치보다 작은 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 고방사 코일부의 소선 지름이, 상기 저방사 코일부의 소선 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
  12. 청구항 3 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피처리체의 외주 가장자리부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트, 및 상기 피처리체의 중앙부의 존에 대응하여 배치된 각각의 필라멘트는, 그 실효 표면적이 각각의 존마다 동일한 것을 특징으로 하는 광 조사식 가열 처리 장치.
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