(57)【要約】【課題】形状を複雑化することなく、被加熱物をムラなく加熱する発熱体を提供する。【解決手段】発熱管１２０には、カーボン粉粒体１７０Ｍと、カーボン粉粒体１７０Ｍに不活性な希ガスとが封入される。発熱管１２０は半円状に形成され、カーボン粉粒体１７０Ｍが全体的に充填されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材と、
マイクロ波を透過し、前記発熱材が内部に配置される少なくとも１つの管状の容器とを備え、
前記発熱材に対して不活性な気体が前記容器内に含まれ、
前記容器の少なくとも一部が、弧状に形成されていることを特徴とする発熱体。
【請求項２】
前記発熱材が、前記容器の弧状の部分に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱体。
【請求項３】
前記容器の弧状の部分に、前記発熱材を入れる導入管が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱体。
【請求項４】
前記容器が、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発熱体。
【請求項５】
前記容器が、半円状に形成され、両端部が同一方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発熱体。
【請求項６】
前記容器が、径の異なる半円状容器を互いに隣接させた半ディスク状の容器を向い合せてディスク状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発熱体。
【請求項７】
前記容器が、端部を互いに向かい合わせて円状に形成される複数の円弧状容器（以下、円状容器群という）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発熱体。
【請求項８】
前記容器が、それぞれ径の異なる前記円状容器群を互いに隣接させて、ディスク状またその一部形状に構成されることを特徴とする請求項７に記載の発熱体。
【請求項９】
隣り合う前記円状容器群の間で、円弧状容器間の端面対向部分の位置がずれていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の発熱体。
【請求項１０】
前記容器が、径方向断面円状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発熱体。
【請求項１１】
前記発熱材が、カーボン粉粒体から成り、
前記カーボン粉粒体と前記気体とが、石英ガラスから成る前記容器に封入されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の発熱体。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の発熱体を備えたことを特徴とする加熱装置。
【請求項１３】
管状の容器の少なくとも一部を弧状に形成し、
マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材を前記容器に入れ、
前記発熱材に対して不活性な気体を、前記容器に導入し、
前記容器を封止することを特徴とする発熱体の製造方法。
【請求項１４】
前記容器を、半円状もしくはＣ状に形成し、管軸方向に沿った中央付近に導入管を形成することを特徴とする請求項１３に記載の発熱体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理を行う加熱装置に関し、特に、熱源となる発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体に対する熱処理を行う加熱装置の熱源（発熱体）として、放電ランプが使用されている。半導体ウェハーを一方向から照射すると、半導体ウェハーの温度が不均一となり、反りなどが生じる。そこで、半導体ウェハーを均一に加熱するため、放電ランプをリング状に形成している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１０６８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
放電ランプなどの発熱体をリング状にすると、給電線を含む電極部分が、ランプ自体の熱で加熱されてしまう。これを避けるためにランプ両端部分の形状は複雑化し、加工が困難となる。また、複雑なランプ形状のため、破損などの恐れがある。
【０００５】
したがって、形状を複雑化することなく、被加熱物をムラなく加熱する発熱体を提供することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発熱体は、マイクロ波を用いた加熱装置に適用可能であって、マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材と、マイクロ波を透過し、発熱材が内部に配置される管状の容器とを備える。例えば、発熱材は、カーボン粉粒体から成り、カーボン粉粒体と気体とが、石英ガラスから成る容器に封入されている。容器内には、発熱材に対して不活性な気体が含まれている。容器は、径方向断面円状に形成することができる。
【０００７】
本発明では、容器の少なくとも一部が、弧状に形成されている。弧状の部分に合わせて被加熱物が配置されることで、被加熱物の周囲全体が加熱される。発熱材は、容器の弧状の部分に配置することができる。この場合、容器の弧状の部分に、発熱材を入れる導入管を設けるのがよい。
【０００８】
管状の容器は様々な弧状で構成することが可能であり、例えば、中心角度が２０°〜３４０°の円弧状の容器で構成され、半円状、Ｃ状などに形成することができる。半円状の場合、両端部を同一方向に向けることができる。また、容器は、径の異なる半円状容器を互いに隣接させてエリアを満たす半ディスク状の容器を向い合せて、ディスク状の容器として構成することができる。一方で、容器は、複数の円弧状容器の端部を互いに向かい合わせて円状に形成する（以下、円状容器群という）こともできる。例えば、容器が、それぞれ径の異なる円状容器群を互いに隣接させて、ディスク状あるいはその一部形状に構成してもよい。また、隣り合う円状容器群の間で、円弧状容器間の端面対向部分の位置がずれている。
【０００９】
本発明の他の態様である発熱体の製造方法は、管状の容器の少なくとも一部を弧状に形成し、マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材を容器に入れ、発熱材に対して不活性な気体を、容器に導入し、容器を封止する。例えば、容器を、半円状もしくはＣ状に形成し、管軸方向に沿った中央付近に導入管を形成すればよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、形状を複雑化することなく、被加熱物をムラなく加熱する発熱体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】マイクロ波加熱装置の概略的構成図である。
【図２】第１の実施形態である発熱管の概略的断面図である。
【図３】第２の実施形態である発熱管の概略的平面図である。
【図４】第３の実施形態である発熱管の概略的平面図である。
【図５】第４の実施形態である発熱管の概略的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、第１の実施形態であるマイクロ波加熱装置の概略的構成図である。図２は、発熱管の概略的断面図である。
【００１４】
マイクロ波多重反射型加熱装置（マイクロ波焼成炉ともいう。以下では、「マイクロ波加熱装置」と称す）１０は、マイクロ波を利用して被加熱物を加熱、焼成あるいは乾燥する装置であり、耐熱性のある矩形状のマイクロ波反射容器（以下、反射容器という）４０を備える。反射容器４０の異なる側面にはマイクロ波発振機（マグネトロン）５０が装着されており、反射容器内の発熱管２０に向けてマイクロ波が発振される。
【００１５】
反射容器４０の空間領域４０Ｍにおける中央部には、発熱管２０が支持部材（図示せず）によって設置されており、その傍には、被加熱物３０が保持部材（図示せず）によって保持されている。被加熱物としては、例えば、セラミックス、半導体、有機物である。さらに、マイクロ波加熱装置１０は、マイクロ波発振機５０を制御可能な電源回路（図示せず）と、発熱管２０の温度を測定するサーモメータ（放射温度計）（図示せず）を備え、電源回路は、サーモメータによって検出される発熱管２０の温度に基づいてマイクロ波発振機５０を制御する。
【００１６】
図２に示すように、発熱管（以下、発熱体ともいう）２０は、発熱材を配置する容器であり、ここでは、一方の端部に導入管２２が形成された密閉性のある有底管状容器で構成され、マイクロ波を透過する石英材によって加熱成形されている。ただし、容器構成はこれに限らず、例えば軸長さに対して内径が大きい円板状容器にしてもよい。発熱管２０内には、カーボン発熱材７０が発熱管２０内部全体をほぼ満たすように充填されている。
【００１７】
カーボン発熱材７０は、ここでは流動可能なカーボン粉粒体７０Ｍで構成されている。カーボン粉粒体７０Ｍは、塊状のカーボン素材を粉砕することで得られ、いわゆる粗砕あるいは中砕によって、所定の粒径をもつ粒子の集合体であるカーボン粉粒体７０Ｍを生成する。
【００１８】
カーボン粉粒体７０Ｍの各粒子は不規則な凹凸表面を有するため、カーボン粉粒体７０Ｍを発熱管２０内に入れたとき、粒子間に隙間が生じる。粒子間の隙間はカーボン発熱材７０全体に存在する。発熱管２０の内径、カーボン粉粒体７０Ｍの充填率は、後述するように、マイクロ波吸収による発熱が支配的となるように定められている。
【００１９】
図２に示すように、カーボン発熱材７０と発熱管内面２０Ｕの鉛直方向に沿った上端面との間には、管軸方向全体に渡って希ガスで満たされた空間領域Ｓが形成されている。ただし、図２では空間領域Ｓのサイズを誇張して描いているため、カーボン粉粒体７０Ｍから構成されるカーボン発熱材７０の全体厚さは発熱管２０の内径と略等しい。また、発熱管２０の端部に形成された導入管２２の内部には、カーボン粉粒体７０Ｍを充填させておらず、希ガスで満たされた空間領域が形成されている。
【００２０】
カーボン発熱材７０を除く発熱管２０内の残余の空間領域は、希ガスによって満たされている。ここでは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノンのいずれかのガス、あるいはこれら二種類以上のガスが封入されている。希ガスは、カーボン発熱材７０に対して不活性であり、石英ガラスから成る発熱管２０に対しても不活性である。
【００２１】
粒子間に隙間のあるカーボン粉粒体７０Ｍおよび希ガスを気密封入した発熱管２０に対してマイクロ波を照射すると、マイクロ波がカーボン粉粒体７０Ｍ全体に対して到達する。特に、発熱管２０の中心（軸）付近にあるカーボン粉粒体にも到達する。
【００２２】
その結果、短時間で高温状態に到達することができる。特に、希ガスが発熱管２０内に封入されることによって、カーボン粉粒体７０Ｍが大気中の酸素との反応により二酸化炭素化して減量し充填量が少なくなることを防止できる。
【００２３】
カーボン粉粒体７０Ｍが発熱すると、中心付近のカーボン粉粒体７０Ｍで発生する熱が発熱管２０外部へ放出される。その結果、発熱管２０全体としての熱放射が高まり、被加熱物を短時間で高温状態に到達させることができる。
【００２４】
発熱管２０の内径、カーボン粉粒体７０Ｍの充填率は、マイクロ波に照射されるカーボン発熱材７０の表面積を増やすことで、短時間による昇温を実現するように定められている。発熱管２０の内径が小さすぎるとカーボン粉粒体７０Ｍの量が少なくなり、発熱効果が小さくなる。一方、発熱管２０の内径（カーボン発熱材７０の全体厚さ）が大きすぎると、発熱管２０の中心付近までマイクロ波が届かず、熱伝導による昇温が支配的となって短時間で高温状態にならない。例えば、発熱管２０の内径として、１ｍｍ〜１００ｍｍに設定することが可能である。
【００２５】
カーボン粉粒体７０Ｍの充填率が小さすぎると、充填量の少なさによって熱放射が低下するとともに、発熱管２０内でのカーボン粉粒体７０Ｍの径方向あるいは軸方向の偏りによって不均一な高温状態となり、発熱管２０への負荷が大きくなる。一方、充填率が大き過ぎると、発熱管２０の中心付近へマイクロ波が届きにくくなり、短時間での高温状態への到達が難しい。充填率は、ここでは０．０５〜０．２の範囲に定められている。ただし、充填率は、発熱管２０内の空間体積に対するカーボン粉粒体７０Ｍの体積割合を表す。
【００２６】
希ガス、カーボン発熱材７０を封入した発熱管２０は、以下のように製造することができる。マイクロ波を透過する石英材を加熱して一端に導入管を設けた有底筒状容器に対し、マイクロ波を吸収して発熱するカーボン材（カーボン粉粒体）を導入管から容器内に充填する。その後、カーボン材に対して不活性である希ガスを、所定範囲となるように導入管から封入する。例えば、１ｋＰａ〜４０ｋＰａの範囲に定められる。そして、導入管を加熱軟化させて封止することで容器を密閉する。
【００２７】
希ガスの封入ガス圧は容器の耐圧特性と気圧がガスの絶対温度に比例する関係から決めることができる。例えば、最初常温３００Ｋの発熱管をマイクロ波加熱して２０００Ｋの高温度に上げ、そのときの発熱管内の圧力が大気圧と同じにする設計条件のときは、発熱管の常温でのガス圧力は１５．１９５ｋＰａとなる。また、常温３００Ｋの発熱管をマイクロ波加熱して８００Ｋの中温度に上げ、そのときの発熱管内の圧力が大気圧と同じにする設計条件のときは、発熱管の常温でのガス圧力を３７．９８８ｋＰａと大きくすることができる。
【００２８】
このように本実施形態のマイクロ波加熱装置は、気密性のある石英製の発熱管２０と、発熱管２０を格納する反射容器４０と、反射容器４０内にマイクロ波を発振するマイクロ波発振機５０とを備え、発熱管２０の管内には、カーボン粉粒体７０Ｍからなるカーボン発熱材７０が充填されるとともに、希ガスが封入されている。
【００２９】
このような構成により、発熱管２０が短時間で昇温し、被加熱物３０を高速加熱、焼成することが可能となる。また、従来の電気炉などと比べて消費電力の低減をもたらす。また、熱源となる発熱管２０を容易に交換する構成が可能となり、メンテナンスが簡素化する。
【００３０】
上述したマイクロ波加熱装置（マイクロ波焼成炉）では、矩形状の反射容器が採用されているが、円筒状や略球状であってもよい。また、反射容器内では発熱体である発熱管２０の傍に被加熱物を配置する構成であるが、発熱管２０に囲われた状態で被加熱物を設置する構成にしてもよい。例えば、複数の発熱管２０に囲まれたマッフル炉として構成することが可能である。あるいは、他の熱処理装置の熱源としても使用可能である。
【００３１】
カーボン発熱材の構成としては、塊状カーボン発熱部材を代わりに適用することも可能であり、例えば、カーボン板を軸方向に並べた塊状カーボン発熱部材を配置することが可能である。また、発熱管内に流入した気体（希ガス）を送ってカーボン発熱材によって加熱し、昇温された気体を放出するように構成することも可能である。さらに、中空円筒状（二重管構造）の発熱管に対し、その中空部に被加熱物を配置して加熱することも可能である。
【００３２】
発熱管の素材は石英以外でもよく、マイクロ波を透過し、希ガスなどの気体に反応しなければよい。さらに、希ガス以外の気体であって、カーボン発熱材に不活性な気体を適用してもよい。例えば温室効果ガスなどが適用できる。容器内に含まれるガスとしては、カーボン発熱材に対して不活性なガスで満たさず、一部活性なガスが含まれるように構成してもよい。
【００３３】
次に、図３を用いて第２の実施形態である発熱管について説明する。第２の実施形態では、発熱管が円弧状に形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。
【００３４】
図３は、第２の実施形態における発熱管を示した平面図である。
【００３５】
発熱管（発熱体）１２０には、カーボン粉粒体１７０Ｍおよび希ガスが内部に封入されている。発熱管１２０は、ここでは、その径方向断面形状が円状である管状容器で構成され、第１の実施形態と同様に石英ガラスから成る。
【００３６】
発熱管１２０は、第１の実施形態で示した直状の容器とは異なり、側面方向から見て半円状に形成され、その両端部１２０Ｅ１、１２０Ｅ２は同一方向を向いている。図示しないマイクロ波加熱装置では、例えば、発熱管１２０は、棒状の被加熱物３０’がその中央付近で囲むように配置される。これによって、被加熱物をムラなく加熱させることができる。特に、発熱管１２０の径方向断面が円状であるため、マイクロ波の吸収に偏りがなく、光、熱を一様に放出し、ムラのない加熱を実現することができる。
【００３７】
カーボン粉粒体１７０Ｍは、発熱管１２０全体に渡って充填されている。充填率は、第１の実施形態と同様、０．０５〜０．２の範囲に定められている。また、希ガスも、第１の実施形態と同様の封入圧で封入されている。発熱管１２０の管軸方向に沿った中央付近、すなわち発熱管１２０を略二等分する箇所には、容器１２０を真空に引き、カーボン粉粒体１７０Ｍおよびガスを封入するための導入管１８０が形成されている。
【００３８】
発熱管１２０はマイクロ波を吸収して発熱するため、電極が不要であり、発熱管１２０を半円状に形成しても、放電ランプのように管形状を複雑化する必要がなく、電極部分の加熱防止を考慮する必要もない。したがって、発熱管１２０は、その全体を（導入管１８０を除いて）半円状に形成することが可能であり、電極部分に当てた部分を発熱管１８０に設ける必要がない。また、給電線の取り回しなどによって設計が制限されることもなく、発熱管１２０の両端部１２０Ｅ１、１２０Ｅ２を同一方向に向ける構造を採用することができる。
【００３９】
すなわち、発熱管１２０全体を半円状に形成するという簡易な加工によって製造することができ、コストや電力消費を抑えることができる。特に、発熱管１２０が石英ガラスから成るため、半円形状を容易に形成することが可能である。また、発熱管１２０の破損の危険性も抑えられる。
【００４０】
カーボン粉粒体１７０Ｍが発熱管１２０全体に渡って充填されているため、発熱管１２０全体が短時間で昇温し、被加熱物３０’を全体的に高速加熱することができる。一方で、導入管１８０が発熱管１２０の弧状部分、特に管軸方向に沿った中央付近に設けられているため、カーボン粉粒体１７０Ｍが途中で詰まることなく、全体的に充填させることができる。特に、両端１２０Ｅ１、１２０Ｅ２の側までカーボン粉粒体１７０Ｍを容易に入れることができる。
【００４１】
このような発熱管１２０は、以下の方法で製造することができる。マイクロ波を透過する石英材からなる管状の容器を加熱し、曲げ加工して、半円状に形成する。そして、管軸方向に沿った中央付近の箇所に導入管を設ける。
【００４２】
次に、マイクロ波を吸収して発熱するカーボン粉粒体を、導入管から容器内に充填する。その後、カーボン粉粒体に対して不活性である希ガスを、封入圧が所定範囲となるように導入管から封入する。例えば、１ｋＰａ〜４０ｋＰａの範囲に定められる。そして、導入管を加熱軟化させて封止することで容器を密閉する。
【００４３】
第２の実施形態では１つの発熱管１２０をマイクロ波加熱装置内に配置しているが、２つの発熱管１２０を対向配置して環状の発熱体を構成してもよい。あるいは、両端部が互いに向かい合う有端環状（Ｃ字状）や、両端部のない円状（ドーナツ状）の発熱体を構成してもよい。この場合においても、放電ランプのように電極部分を考慮する必要がなく、発熱管を容易に製造することができる。
【００４４】
さらに発熱管１２０については、半円状、有端環状（Ｃ字状）、円状以外の円弧形状にすることも可能である。例えば、中心角度１２０°の３つの円弧状発熱管を環状に配置することも可能である。また、円弧以外で湾曲形状を構成するなど、弧状に形成すればよい。そして、発熱管１２０の一部だけを弧状に形成してもよい。この場合においても、カーボン粉粒体などの発熱材を弧状部分に配置すればよい。
【００４５】
次に、図４を用いて第３の実施形態である発熱管について説明する。第３の実施形態では、それぞれ径の異なる複数の半円状発熱管をディスク状に構成している（なお、以下ではディスク状の構成も発熱管と称している）。
【００４６】
図４は、第３の実施形態である発熱管を示した平面図である。
【００４７】
発熱管２２０は、径の異なる複数の半円状発熱管を組み合わせて構成される。ここでは、径がそれぞれ段階的に小さくなっている９つの半円状発熱管２２０Ａ〜２２０Ｉを互いに隣接させ、半ディスク領域を満たす発熱管を構成し、また、同様に径の異なる９つの半円状発熱管２２０Ｊ〜２２０Ｒによって半ディスク領域を満たす発熱管を構成する。そして、これら２つを向い合せることによって、円領域を満たすディスク状の発熱管２２０が構成される。
【００４８】
発熱管２２０は、円状基板などの被加熱物３０”の上方もしくは下方に配置することができる。これによって、ディスク状（円板状）の被加熱物３０”を全体的にムラなく加熱することができる。なお、半円状発熱管の本数は任意であり、また、中心付近にあたる半円状発熱管２２０Ｉ、２２０Ｒを球形の発熱管で構成してもよい。
【００４９】
次に、図５を用いて第４の実施形態である発熱管について説明する。第４の実施形態では、径および中心角度の異なる円弧状発熱管を組み合わせでディスク状に構成する。
【００５０】
図５は、第４の実施形態である発熱管を示した平面図である。
【００５１】
発熱管３２０は、それぞれ径が異なり、周方向に円弧状発熱管を並べて円状に形成した発熱管（以下、発熱管群という）Ｖ１〜Ｖ２１と球形発熱管Ｖ２２とから構成され、ディスク状に形成されている。
【００５２】
発熱管群Ｖ１〜Ｖ６は、それぞれ中心角度９０度の４つの円弧状発熱管を端面同士向かい合わせて連ねることで、円状に形成されている。円弧状発熱管の端面は、周方向に隣り合う円弧状発熱管の端面と接しているか、もしくはわずかに隙間が形成されている。発熱管群Ｖ１〜Ｖ６の隣り合う発熱管群との間では、この周方向に沿った発熱管の端面の位置が、径方向に隣り合わせとならないように、互いにずれている。
【００５３】
発熱管群Ｖ７〜Ｖ１３は、それぞれ中心角度１２０度の円弧状発熱管から構成され、発熱管群Ｖ１〜Ｖ６と同様、隣り合う発熱管群の間で発熱管端面の位置が互いにずれている。発熱管群Ｖ１４〜Ｖ２１は、それぞれ中心角度１８０度の円弧状発熱管から構成され、発熱管群Ｖ１〜Ｖ１３と同様、隣り合う発熱管群の間で発熱管端面の位置が互いにずれている。
【００５４】
このように中心角度の異なる、すなわち円弧長さの異なる円弧状発熱管を組み合わせることによって、ディスク状発熱管のレイアウトの自由度が増す。また、径の大きな発熱管に対して中心角度を比較的小さくし、径の小さな発熱管に対して中心角度を大きくすることによって、円弧状状発熱管の製造工程が容易となる。
【００５５】
円弧状発熱管は、その端面において熱低減が生じやすい。本実施形態では、円弧状発熱管の互いに向かい合う端面位置を径方向に隣り合う発熱管の端面位置とはずらすことによって、熱の低減部分の偏りが生じるのを抑えることができる。なお、隣り合う発熱管端面の位置ずれ量（オフセット量）をここでは一定としているが、一定としなくてもよく、発熱管端面の位置がディスク全体に渡って偏りなく散在するように構成すればよい。また、ディスクの一部分を構成するようにしてもよい。
【実施例】
【００５６】
実施例である発熱管は、第２の実施形態に応じた発熱管であり、内径６ｍｍの半円状の発熱管に対してカーボン粉粒体を充填率０．０８で充填し、アルゴンガスを１０Ｔｏｒｒで封入している。第１の実施形態に応じたマイクロ波加熱装置において、４００Ｗのマイクロ波を照射し、発熱実験を行った。発熱管表面温度の測定は、放射温度計を用いた。
【００５７】
実験の結果、３０秒で１２００℃に到達し、短時間での昇温を実現した。また、発熱管全体から強い光を目視で確認することができた。これにより、被加熱物の周囲全体に渡って加熱することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０  マイクロ波加熱装置
２０、１２０、２２０、３２０  発熱管（発熱体）
３０  被加熱物
４０  反射容器
７０  カーボン発熱材（発熱材）
７０Ｍ、１７０Ｍ  カーボン粉粒体
１８０  導入管
【図１】
2020053336.tif 000003
【図２】
2020053336.tif 000004
【図３】
2020053336.tif 000005
【図４】
2020053336.tif 000006
【図５】
2020053336.tif 000007