TWI807191B - 加熱用燈絲燈 - Google Patents

Abstract

本發明的課題係提供於加熱用燈絲燈中，可一邊將燈絲燈的發光部維持為所定尺寸，一邊加快放射能量的上升速度及下降速度，可實現被處理體的急速升降溫的加熱用燈絲燈。 解決手段的特徵為具有將線圈部繞與第一基準軸不同的第二基準軸捲繞成螺旋狀所成之雙重線圈構造的燈絲；線圈部，係將分別並聯配置之複數條素線，繞第一基準軸捲繞成螺旋狀。

Description

加熱用燈絲燈

本發明係關於作為被處理體(工件)的退火處理、乾燥處理等之加熱處理用的熱源所利用的加熱用燈絲燈。

先前，於半導體製造時的加熱工程中，進行使用複數燈絲燈的加熱處理。該範例有日本特開 2002-270533號公報(專利文獻1)及日本特開2015-050174號公報(專利文獻2)等。 使用此種燈絲燈的加熱裝置，係被要求短時間且均勻地對半導體基板等之工件的表面進行加熱處理，需要更急速地使被處理體升溫及降溫的RTP(Rapid Thermal Processing)的技術。 此係由於以所定溫度所定時間加熱半導體晶圓時，升溫至所定溫度為止的時間，或從所定溫度降溫為止的時間變長的話，即使在其升降溫過程中也會加熱半導體晶圓，在所希望的加熱工程中難以高精度地處理。

為了實現更急速的升溫及降溫，需要成為熱源之燈絲燈的點燈特性的改善。例如被要求利用加快放射能量(光量)的上升時間，或加快放射能量(光量)的下降時間，實現更急速的升降溫。 另一方面，為了達成有效果的加熱，必須將從燈絲燈的各個光源放射的光線，以所定強度照射至所定範圍。但是，對於為了實現此種配光控制來說，需要將燈絲燈的發光部限制為所定尺寸(發光部的長邊方向的發光長度及發光部的寬度等)。

於圖7揭示此種加熱裝置所用的燈絲燈，例如圖7(A)所示，從燈絲燈50的發光部(燈絲)51射出的光線，係以利用反射器52反射，配光至圖中的二點劃線所示之所希望的照射範圍A1之方式設定。 此時，即使欲將改善了點燈特定的其他燈管搭載於前述加熱裝置，於其他燈管中，圖7(C)所示的發光部51的發光長度M及寬度(所形成之雙重線圈的外徑寬度)N改變的話，於圖7(B)以實線所示之照射範圍A2也會變化，有無法採用的不妥問題。 因此，因為加熱裝置的構造(例如反射器形狀及光源的設置場所)，可搭載之燈絲燈的發光部尺寸(例如發光長度及發光寬度)會受到限制，即使藉由改善了性能的燈管來代替的狀況中，也會有需要具有相同照射區域的問題。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本特開2002-270533號公報 [專利文獻2] 日本特開2015-050174號公報

[發明所欲解決之課題]

本發明所欲解決之課題，係提供於加熱用燈絲燈中，可一邊將燈絲燈的發光部維持為所定尺寸，一邊加快放射能量的上升速度及下降速度，可實現被處理體的急速升降溫的加熱用燈絲燈。 [用以解決課題之手段]

為了解決前述課題，本發明的加熱用燈絲燈，其特徵為具有：將線圈部繞與前述第一基準軸不同的第二基準軸捲繞成螺旋狀所成之雙重線圈構造的燈絲；前述線圈部，係將分別並聯配置之複數條素線，繞前述第一基準軸捲繞成螺旋狀。 又，特徵亦可為前述燈絲係將構成前述線圈部的素線數量設為n，將素線直徑設為d，將前述線圈部的外徑設為D時，關係式X=D/(n×d)為以下的範圍： (1)n=2時，2.7≦X≦4.3 (2)n=3時，2.5≦X≦4.0。

又，特徵亦可為流通於前述燈絲燈的電流值(I)，與構成前述燈絲之素線的每200mm的素線重量(MG)之比滿足後述的計算式： I/MG≧6.5。 又，特徵亦可為前述素線直徑(d)係以0.08mm～0.30 mm的範圍形成。 又，特徵亦可為前述線圈部的外徑(D)，係以0.8mm～2.0mm的範圍形成。 又，特徵亦可為於前述燈絲的上端部與下端部，分別設置有第一供電線與第二供電線，對於前述供電線，構成前述線圈部的前述各素線電性地並聯連接。 [發明的效果]

依據本發明的加熱用燈絲燈，因為構成發光部之燈絲的素線以複數之細素線構成，所以，可實現燈絲燈的急速升降溫。 又，構成發光部的燈絲設為雙重線圈構造。亦即，作為將使分別並聯配置之複數條素線，繞第一基準軸捲繞成螺旋狀的線圈部，繞與前述第一基準軸不同的第二基準軸捲繞成螺旋狀所成之雙重線圈構造的燈絲。藉此，即使變更了構成燈絲之素線的直徑及數量的狀況中，也可將有所形成之雙重線圈所成之發光部的發光長度及寬度(外徑寬度)調整成所希望的大小，可將來自該燈管的光照射範圍維持在所希望的範圍。

圖1係本發明之單端型的加熱用燈絲燈1的整體剖面圖，於以透光性構件構成之封體2的內部，配設有由雙重線圈所成的燈絲3(以下也有稱為發光部的狀況)，於該雙重燈絲3的上端部及下端部，設置有第一供電線4與第二供電線5，該等供電線4、5分別捲繞於內部導線6、7以固定。 該等內部導線6、7係分別連接於埋設在封止部8內的金屬箔10、11，透過該金屬箔10、11，電性連接於外部導線12、13。

於圖2揭示前述雙重燈絲3之一例的詳細內容，在此範例中，如圖2(B)所示，構成發光部的3係以2條素線3a、3b構成，各素線3a、3b捲繞成螺旋狀，形成為雙重線圈構造。 詳細說明的話，將並聯配置之2條素線3a、3b，繞第一基準軸X捲繞成螺旋狀以形成線圈部(一次線圈部)3A，進而，如圖2(A)所示，前述一次線圈部3A繞與前述第一基準軸X不同的第二基準軸Y捲繞成螺旋狀，形成為雙重線圈構造的燈絲3。 構成該等燈絲3的各素線3a、3b係以電性且成為並聯地連接於圖1所示之第一供電線4與第二供電線5。

構成該雙重燈絲3的素線並不限定於圖2所示之2條，也可更增加數量。 於圖3揭示素線數量為3條者。如圖3(B)所示，並聯配置之3條素線3c、3d、3e，繞第一基準軸X捲繞成螺旋狀以形成線圈部(一次線圈部)3B。此時，各素線3c、3d、3e的素線直徑d2小於前述2條的素線3a、3b的素線直徑d1。 然後，素線數多(3條)，素線直徑d2細的一次線圈部3B的外徑D2，係小於素線數少(2條)，素線直徑d1粗的一次線圈部3A的外徑D1為佳，此係因為為了將一次線圈部3B與一次線圈部3A的燈絲3的每單位長度之電力密度控制為同等。

將如此構成的線圈部(一次線圈部)3B，進而，如圖3(A)所示，繞與前述第一基準軸X不同的第二基準軸Y捲繞成螺旋狀，形成為雙重線圈構造的燈絲3。 此時，素線數不同之兩者的燈絲(發光部)3係以分別發光長度(燈絲長度)L及雙重線圈(燈絲)外徑M成為同等之方式一致，藉此來自該發光部3的照射區域成為同等者。

詳細說明本發明的效果的話則如下所述。發明者們進行銳意檢討，為了縮短(急速)加熱用燈絲燈之燈絲的升溫時間及降溫時間，考量可減低燈絲的熱容量，且將發光部的尺寸調整成所希望的大小的構造。但是，僅單單降低燈絲的熱容量，有相對於相同電力量，發熱量變高，燈絲的色溫會變化的懸念。色溫變化的話，加熱對象物(半導體晶圓等的工件)的光吸收量也會變化，更難以進行所希望的加熱處理。 基於以上內容，將構成燈絲的素線設為以複數條構成。

藉由以複數條素線構成燈絲，在以相同電力點燈時，選擇各素線的直徑細者。詳細說明的話，選擇各素線直徑細者，使燈絲整體的每單位長度的電力密度與具有以單一素線構成的燈絲之先前燈管同等地一致。此時，以複數條素線構成的燈絲，係表面積大於以單一素線構成的燈絲，故溫度容易降低，該燈絲的發熱溫度也會降低。 考慮該狀況，利用縮小該燈絲的各素線的直徑(讓素線變細)，可調整為與單一素線的燈絲相同程度的發熱溫度。另一方面，素線的剖面積變小的話，素線的電阻增加，會導致電力的降低，故需要縮短素線的長度，對合電阻值。

藉由該等，以相同電力密度、發熱溫度比較時，相對於以單一素線構成的燈絲，以複數條素線構成的燈絲，係可減少該燈絲整體的總量，可減低熱容量。藉此，可實現加快燈絲的升溫速度及降溫速度的燈絲燈。

進而，藉由以雙重線圈形狀構成燈絲，可不受到構成燈絲之素線的直徑及數量的變更影響，維持成所希望之發光部尺寸的大小，故也可將光照射區域控制在所希望的範圍。 如此，本發明係藉由對於雙重線圈構造的燈絲，將構成該燈絲的素線設為複數條並並聯配置，可一邊維持與先前相同程度的發熱溫度，一邊作為結果，可減低燈絲整體的總量(熱容量)，且可一邊以複數條構成素線，一邊將發光部的尺寸維持為相同程度，具有可維持所希望之光照射區域的優點。再者，本發明的燈絲係例如可使用發光長度(L)為20mm～40mm，外徑(M)為4mm～10mm的大小者。

本發明的加熱用燈絲燈的最大特徵，係利用以複數條素線構成構成發光部的燈絲，可實現急速升降溫之處。 但是，可知相較於以單一素線構成燈絲的狀況，欲以複數條素線形成雙重線圈的燈絲的狀況，係該雙重線圈的形狀穩定度及加工性大幅不同。

根據以構成燈絲之素線的素線直徑(d)、繞第一基準軸捲繞成螺旋狀所成之線圈部(一次線圈)的外徑(D)、構成燈絲的素線數量(n)所決定之指標[D/(n×d)]之值，針對雙重線圈(二次線圈)之形狀的穩定度、加工性進行評估之後，可知以單一素線形成為雙重線圈的燈絲，係指標[D/(n×d)]之值為4.6～5.9。 該指標低於4.6時，非常難以加工成線圈狀，容易導致素線的應變及斷線。又，指標超過5.9時，設為雙重線圈構造時的形狀變得不穩定，會發生燈絲的位置偏離及彎曲，有脫離允許範圍的問題。

另一方面，如本發明，燈絲以複數條素線形成為雙重線圈(二次線圈)時，線圈部(一次線圈)的外徑(D)成為更小的範囲為佳。又，以與先前相同之所定電力密度、發熱溫度使用燈絲時，隨著構成該燈絲的素線數量(n)增加，則選擇決定素線的素線直徑(d)細者。因此，相對於單一素線的燈絲，以複數條構成之燈絲的指標[D/(n×d)]係不同的數值範圍為佳。

依據前述的指標[D/(n×d)]的數值，針對將燈絲以複數條素線(n=2、3)形成為雙重線圈構造時之線圈形狀的穩定性與加工性實施評估。於表1、2揭示評估結果。 在此，所謂雙重線圈的形狀穩定性係確認了線圈的形狀維持的程度者，雙重線圈的加工性係確認了加工成線圈狀時的加工限度者。分別藉由後述的步驟進行三階段評估。

(線圈形狀的穩定性評估) ○：可不變形地維持形狀者。 △：形狀可在允許範圍內保持者。 ×：無法將形狀維持在允許範圍內者。 (線圈的加工性評估) ○：可加工成雙重線圈形狀者。 △：根據加工條件，可加工成雙重線圈形狀者。 ×：加工時破損者。

首先，作為成為評估對象的雙重線圈型燈絲，分別準備指標[D/(n×d)]為2.4～4.5的樣本。各樣本係全部設為燈絲的發光長度(L)為30mm，外徑(M)為7mm，設計成流通於該燈絲的電力密度及發熱溫度分別同等。 接著，為了調查各燈絲的形狀穩定性，確認將各燈絲垂直豎立時形狀是否被保持。然後，將燈絲沿著垂直方向不變位地保持者設為評估○，對於垂直方向稍微傾斜但收斂於允許範圍的程度保持形狀者設為評估△。更具體來說，將燈絲垂直豎立時之一端部與另一端部的變位量收斂於2mm以內的狀況設為評估△。又，將變位量對於垂直方向大於2mm之未被認定形狀保持者設為評估×，分別進行判定。 又，關於加工性，將在加工成線圈狀的過程中素線破損者設為評估×，將在加工成線圈狀的過程中素線容易破損，但可藉由改變加工條件(繞制線圈的工程、熱處理條件等)加工成線圈形狀者設為評估△，將不依存加工條件，可加工成所希望的線圈形狀者設為評估○。又，無法加工成線圈狀者無法實施針對形狀穩定性的評估，故設為「-」。

根據表1、2所示的結果，本發明的燈絲係根據以構成燈絲之素線的素線直徑(d)、繞第一基準軸捲繞成螺旋狀所成之線圈部(一次線圈)的外徑(D)、構成燈絲的素線數量(n)所決定之指標[D/(n×d)]之值，需要因應素線數量而在後述的範圍內。 (1)n=2時，2.7≦X≦4.3 (2)n=3時，2.5≦X≦4.0 又，可知素線數量不同時，2.7≦X≦4.0也表示共通的適當範圍。

又，燈絲燈係因為流通於燈管的電流值(I)，與構成燈絲的素線重量(MG)的關係，該燈絲的溫度上升不同，影響從燈絲發生之光量的上升時間。在此，將構成燈絲的素線重量(MG)設為每200mm的素線重量(MG)時，流通於燈管的電流值(I)，與構成燈絲之每200mm的素線重量(MG)之比，係與該燈絲的光量上升時間相關。

詳細說明的話，可使用每200mm的素線重量(MG)低的素線的話，利用相同電阻值之素線的重量輕量化，素線的熱容量降低，燈絲的溫度容易上升，可獲得加快光量的上升速度的效果。同樣地，因為素線的熱容量降低，燈絲的溫度容易下降，可獲得加快光量的上升速度的效果。 然後，對於為了使用素線重量(MG)低的素線來說，需要以複數素線構成燈絲。

如上所述，可理解燈管電流值與素線重量之比(I/MG)係表示與燈絲的上升時間有所相關。然後，隨著增大I/MG之值，可期待升溫性能的提升。

圖4係針對圖1所示的加熱用燈絲燈中，以分別不同的7種規格(電力值、電流值、色溫)設計的燈絲，揭示分別使素線數量不同時地I/MG比、光量上升時間者。 又，圖5係揭示燈管電流值與燈絲素線重量之比(I/MG)，與該燈絲的光量上升時間[ms]的關係。 再者，光量的上升時間係使成為對象的燈絲燈持續點燈60秒鐘，將60秒鐘後的光量值設為100%，將開始燈絲燈的點燈後光量到達90%為止的時間，作為光量上升時間來進行測定。

如圖4所示，可知隨著構成燈絲的素線數量增加，I/MG值也變大。此係因為隨著素線數量變多，構成燈絲的各素線可選擇素線重量輕者。又，燈絲的總重量也隨著素線數量增加而變輕，故可期待升溫性能的提升。

又，如圖5所示，觀察燈管電流值與燈絲素線重量之比(I/MG)，與該燈絲的光量上升時間[ms]的變化時，可知隨著I/MG值變大，燈絲的光量上升時間變快。又，顯示可藉由將I/MG值調整為6.5以上，大幅縮短光量上升時間。因此，本發明的燈絲係將I/MG值設為6.5以上為佳。再者，如圖4所示，對於為了將I/MG值控制成6.5以上來說，需要將構成燈絲的素線數量設為2條以上。

進而，圖6係揭示燈絲燈之構成燈絲(發光部)的素線數量的變化(n=1條～3條)所致之光量的上升速度的相異。如圖6所示，相較於以1條素線構成的燈絲，如本發明般，以複數條素線構成的燈絲，光量上升速度變快，進而說明的話，可知素線數量多，光量上升速度會變快。

然而，適用於本發明的燈絲燈係供給最少也500W以上的電力，更具體來說500～2000W的電力者。 根據該觀點，素線直徑(d)係以0.08mm～0.30mm的範圍形成為佳。 此係由於素線直徑(d)低於0.08mm的話，流通於素線3a～3e的電流值變小，加熱效率會降低，又，另一方面，超過0.30mm的話，素線變得太粗，加工成雙重線圈形狀時難以成形為所希望的燈絲形狀。

又，線圈部3A、3B的外徑(D)係以0.8mm～2.0mm的範圍形成為佳。 線圈部的外徑(D)低於0.8mm，或超過2.0mm的話，成形為所希望的雙重線圈形狀會變得非常困難。 本發明的燈管係考量與先前燈管的互換性者，於作為本發明的對象的燈絲燈中，雙重線圈(燈絲)，係對照先前燈管的發光尺寸(燈絲)者。 但是，一次線圈(線圈部)的外徑(D)低於0.8mm變得過小的話，雙重線圈(燈絲)的長度會變長，又，超過2.0mm變得過大的話，雙重線圈(燈絲)的長度會變短。亦即，此係由於線圈部的外徑(D)是偏離0.8mm～2.0mm的範圍者的話，會變得無法以所希望的外徑與長度作成雙重線圈，無法保證與先前燈管的互換性。

如以上所說明般，依據本發明，藉由將加熱用燈絲燈之燈絲，設為將使分別並聯配置之複數條素線，繞第一基準軸捲繞成螺旋狀的線圈部，繞與前述第一基準軸不同的第二基準軸捲繞成螺旋狀所成之雙重線圈構造，發揮可實現燈絲燈的急速升降溫的效果。 又，即使變更了構成燈絲之素線的直徑及數量的狀況中，也可將發光部(燈絲)的發光長度及寬度(形成之雙重線圈的外徑)調整成所希望的大小，也具有可將來自該燈管的光照射範圍維持在所希望的範圍之效果。

1:加熱用燈絲燈

2:封體

3:燈絲

3a~3e:素線

d,d1,d2:素線直徑

3A,3B:線圈部(一次線圈)

D,D1,D2:線圈部的外徑

L:發光長度(燈絲長度)

M:燈絲(雙重線圈)外徑

4:第一供電線

5:第二供電線

6,7:內部導線

8:封止部

10,11:金屬箔

12,13:外部導線

X:第一基準軸

Y:第二基準軸

[圖1] 本發明的加熱用燈絲燈的剖面圖。 [圖2] 本發明的加熱用燈絲燈之發光部的第1構造例。 [圖3] 本發明的加熱用燈絲燈之發光部的第2構造例。 [圖4] 表示不同之素線數量的I/MG比、光量上升時間的表。 [圖5] 表示燈絲的I/MG值與光量上升時間的關係的圖表。 [圖6] 表示素線數量與光量上升時間的關係的圖表。 [圖7] 先前的加熱用燈絲燈的說明圖。

1:加熱用燈絲燈

2:封體

3:燈絲

4:第一供電線

5:第二供電線

6,7:內部導線

8:封止部

10,11:金屬箔

12,13:外部導線

Claims (5)

1. 一種加熱用燈絲燈，其特徵為具有：雙重線圈構造的燈絲，係將使分別並聯配置之複數條素線，繞第一基準軸捲繞成螺旋狀的線圈部，繞與前述第一基準軸不同的第二基準軸捲繞成螺旋狀所成；前述燈絲，係將構成前述線圈部的素線數量設為n，將素線直徑設為d，將前述線圈部的外徑設為D時，關係式X=D/(n×d)為以下的範圍：(1)n=2時，2.7≦X≦4.3 (2)n=3時，2.5≦X≦4.0。
2. 如請求項1所記載之加熱用燈絲燈，其中，流通於前述燈絲燈的電流值(I)，與構成前述燈絲之素線的每200mm的素線重量(MG)之比滿足後述的計算式：I/MG≧6.5。
3. 如請求項1所記載之加熱用燈絲燈，其中，前述素線直徑(d)，係以0.08mm~0.30mm的範圍形成。
4. 如請求項1所記載之加熱用燈絲燈，其中，前述線圈部的外徑(D)，係以0.8mm~2.0mm的範圍形成。
5. 如請求項1所記載之加熱用燈絲燈，其 中，於前述燈絲的上端部與下端部，分別設置有第一供電線與第二供電線，對於前述供電線，構成前述線圈部的前述各素線電性地並聯連接。