(57)【要約】  光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡よりなり、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて被加熱物に照射し、該二次反射鏡に反射して被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉を提供する。それにより、集光された赤外線により加熱する装置において、回転楕円面を用いた装置であっても加熱性能はそのままに小型化することを可能にする。
2013081107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。
【請求項２】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡よりなり、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて被加熱物に照射し、該二次反射鏡に反射して被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。
【請求項３】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
【請求項４】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは異なる位置に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
【請求項５】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点を通る法線上に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面の該法線に対して斜めに位置してなる集光鏡方式加熱炉。
【請求項６】
一次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下である請求項３〜５のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項７】
二次反射鏡の楕円の２つの焦点を結ぶ直線上に光源が位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項３〜６のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項８】
一次反射鏡の楕円の２つの焦点と二次反射鏡の楕円の２つの焦点とが、同一直線上にないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項３〜６のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項９】
被加熱面表面と、二次反射鏡の楕円の２つの焦点を結ぶ線とのなす角度が２０〜７０°である請求項３〜８のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１０】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を一次反射鏡とし、回転放物面体の内面を反射面とした回転放物面鏡を二次反射鏡として組み合わせてなり、
一次反射鏡の２つある焦点の内の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の焦点と同じ位置に位置するように一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の回転放物面鏡の回転軸と、炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点が１本の直線上に位置するように集光鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の開口部が被加熱物に向けて設けられており、
二次反射鏡の該回転軸は被加熱面表面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。
【請求項１１】
一次反射鏡の焦点とその楕円面との最短距離が、二次反射鏡の焦点とその放物線との最短距離よりも大である請求項１０に記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１２】
一次反射鏡の２つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項１０又は１１に記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１３】
一次反射鏡の２つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置しないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる請求項１０又は１１に記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１４】
被加熱面の法線と、二次反射鏡の回転軸とのなす角度が２０〜７０°である請求項１０〜１３のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１５】
光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに該被加熱物は、該法線と垂直ではあるが環と交差しない平面上に設置され、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉。
【請求項１６】
該法線と、該光源と被加熱物表面中心とを結ぶ線とのなす角度が２０〜７０°である請求項１５に記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１７】
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、環状の光源を円周に沿って設置し、
該環状光源からの光を被加熱面に集中させる反射板を、その反射面が、該環状光源がつくる円周に対して垂直に設置されてなる請求項１５又は１６に記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１８】
加熱時において、該反射鏡と被加熱物との相対的な位置を可変とした請求項１〜１７のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項１９】
加熱時において、被加熱物の温度、被膜形成時の膜厚等の被加熱物の状態を、被加熱物の真上、斜め上、及び横の少なくとも１方向から確認できるようにしてなる請求項１〜１８のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【請求項２０】
加熱時において、該被加熱物を回転可能とした請求項１〜１９のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
材料の加工等に使用するための加熱炉であって、赤外線による加熱を行うための集光鏡加熱炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３に記載されているように、単結晶を製造するための装置として、対象となる酸化アルミニウム等の焼結体と種結晶とに向けて赤外線を集光することにより加熱するようにした集光鏡加熱炉は知られている。
このような集光鏡加熱炉は、垂直方向に移動するステージ上に酸化アルミニウム等の焼結体と種結晶を設置し、その種結晶を水平方向に取り囲む位置に回転楕円面からなる反射鏡を設置し、その回転楕円面の一方の焦点にハロゲンランプ等の光源を設置し、回転楕円面の他方の焦点に焼結体と種結晶を位置させる。
そして、光源から放射される赤外線を直接あるいは反射鏡の反射面を介して、該焼結体と種結晶に対して焦点を当てるようにして集光し加熱する加熱炉、及び加熱時には該ステージを下げることにより単結晶を成長させるものである。【０００３】
また、特許文献４に記載されているように、内面が回転楕円面である反射面の一方の焦点に被加熱物台を載置し、反射面内に設置した加熱ヒータを面光源として、放射された赤外線を直接及び該楕円面に反射させることにより、該被加熱物台上の被加熱物を加熱することが知られている。
さらに特許文献５に記載されているように、半導体の製造に使用する加熱炉として、シリコンウエハを石英ボードに載せ、これを石英ボードから加熱する抵抗加熱型の炉が知られている。しかしながら、熱源を赤外線とした場合であっても、炉内に石英ボードが挿入されるので、その炉内の大きさはウエハ以上の大きさのものを加熱できる大きさであり、抵抗加熱には昇温までに長時間を要し一つの加熱工程が短時間にて操作を行い得るものでもない。
さらに、ウエハ表面を加熱する際に、ウエハの口径を十分にカバーできる範囲を赤外線照射する目的で、載置したウエハ表面に対向するウエハの垂直上方位置に赤外線ランプを複数設置してなる面を、ウエハ表面と平行になるようにして設け、そのような装置によりウエハ表面を加熱する加熱処理装置も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４５６１１号公報
【特許文献２】特許第３６６８７３８号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／０７５７１３号公報
【特許文献４】特開２００８−１０７０５０号公報
【特許文献５】特開２０００−２２３４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の集光鏡方式加熱炉は、楕円鏡である凹面の一方の焦点に赤外線の光源を設け、該光源から該凹面に反射させて、かつ直接に他方の焦点に設置した被加熱物を上方又は側方より加熱するものである。【０００６】
また特許文献１〜３に記載された発明のように、切断された回転楕円面の一方の焦点に光源を設け、他方の焦点に被加熱物を設置する構造にすると、共通の焦点である被加熱物を中心として、その周囲に一方の焦点から形成される円が形成される。
このような構造の場合、平面形状の被加熱物に対して専ら横方向の３６０°から加熱されるので、該被加熱物を水平に設置すると、該被加熱物の周面に専ら赤外線が照射されるものの、平面に対しては吸収される熱量が低下する。また、仮に被加熱物を垂直あるいは斜めに設置しても、該被加熱物の両面が専ら加熱されて、特定の片面を高い効率にて加熱することができない。【０００７】
その結果、被加熱物以外の装置も加熱されて高温になるので、それを冷却するための空冷又は水冷の冷却システムとしては、より大がかりなものが必要になってしまい、結果的に冷却に要するエネルギーや空気や水を供給するための設備も大きくならざるを得ない。特に加熱源を冷却するために空気を流す場合であっても、回転楕円面に囲まれた比較的容積の大きい空間に空気を流してもその空気の一部が直接加熱源に触れて冷却する能力を発揮するに留まるので効率のよい冷却が困難であった。
さらに、回転楕円面鏡に挟まれた場所に被加熱物を設置する構造では、上記の冷却に要する大きな設備に加えて、被加熱物の大きさに対して相当大きな回転楕円面鏡を使用することになるので、装置の小型化には限界があった。【０００８】
載置したウエハ等の表面に対向する、ウエハの垂直上方位置に赤外線ランプを複数設置してなる加熱装置によれば、ウエハを比較的均一に加熱することは可能であるが、加熱中にウエハ表面にガスを供給して処理するためにウエハの上方に設けるべきガスの供給手段を、赤外線の照射を阻害することなくウエハ表面に対向して設けることができなかった。また、均一に加熱するために、被加熱物よりも赤外線ランプの設置面を大きくする必要があった。このため、特に加熱装置の周縁部に設置された赤外線ランプから放射されたエネルギーの大部分は被加熱物のみに照射されず、被加熱物の周辺の部材をも加熱することになる。そして、被加熱物の加熱には、赤外線ランプからの放射だけでなく、加熱された周辺部材からの伝導による加熱も無視できない程度に寄与してしまい、その結果、被加熱物の加熱温度の制御が困難になる。さらにこのため制御をより正確に行うためには、加熱炉の内部空間を大きくする必要があり結果的に加熱炉全体が必要以上に大型化する。
さらに、被加熱物の上方に対向して赤外線ランプ等の加熱装置を設けると、被加熱物の上方に、加熱状態の監視、ガス供給、操作用マニピュレータ等を設置することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（第１の集光鏡方式加熱炉）
１．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。
２．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡よりなり、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて被加熱物に照射し、該二次反射鏡に反射して被加熱物表面に照射される光は、該被加熱物表面に対して垂直に照射されない、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉。【００１０】
（第２の集光鏡方式加熱炉）
３．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。【００１１】
４．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは異なる位置に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円体の長軸は該被加熱面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。【００１２】
５．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を２つ組み合わせてなり、そのうちの一方の回転楕円体鏡を一次反射鏡、他方を二次反射鏡とし、
一次反射鏡の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の一方の焦点と同じ位置に位置するように、一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡の他方の焦点が、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点を通る法線上に位置するように反射鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の他方の焦点側に被加熱面に向けて光が通過できる開口部が設けられており、
二次反射鏡を構成する楕円の長軸は該被加熱面の該法線に対して斜めに位置してなる集光鏡方式加熱炉。【００１３】
６．一次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下である３〜５のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
７．二次反射鏡の楕円の２つの焦点を結ぶ直線上に光源が位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる３〜６のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
８．一次反射鏡の楕円の２つの焦点と二次反射鏡の楕円の２つの焦点とが、同一直線上にないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる３〜６のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
９．被加熱面表面と、二次反射鏡の楕円の２つの焦点を結ぶ線とのなす角度が２０〜７０°である３〜８のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。【００１４】
（第３の集光鏡方式加熱炉）
１０．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
光源が内部に設置された反射鏡装置を１つ以上有し、
該反射鏡装置は、回転楕円体の内面を反射面とした回転楕円体鏡を一次反射鏡とし、回転放物面鏡の内面を反射面とした回転放物面鏡を二次反射鏡として組み合わせてなり、
一次反射鏡の２つある焦点の内の一方の焦点に光源が位置するように一次反射鏡に光源を設置すると共に、他方の焦点が二次反射鏡の焦点と同じ位置に位置するように一次反射鏡に設けた開口部と、二次反射鏡に設けた開口部を互いに接続し、二次反射鏡である回転放物面鏡の回転軸と、炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点が１本の直線上に位置するように集光鏡装置を設け、光が被加熱面に照射されるように二次反射鏡の開口部が被加熱物に向けて設けられており、
二次反射鏡の該回転軸は被加熱面表面に対して垂直ではない集光鏡方式加熱炉。【００１５】
１１．一次反射鏡の焦点とその楕円面との最短距離が、二次反射鏡の焦点とその放物線との最短距離よりも大である１０に記載の集光鏡方式加熱炉。
１２．一次反射鏡の２つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置するように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる１０又は１１に記載の集光鏡方式加熱炉。
１３．一次反射鏡の２つの焦点が回転放物面鏡である二次反射鏡の回転軸の延長線上に位置しないように、一次反射鏡と二次反射鏡を接続してなる１０又は１１に記載の集光鏡方式加熱炉。
１４．被加熱面の法線と、二次反射鏡の回転軸とのなす角度が２０〜７０°である１０〜１３のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。【００１６】
（第４の集光鏡方式加熱炉）
１５．光源から放射された光を反射鏡装置により反射させて被加熱物に照射させ、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉であって、
該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに該被加熱物は、該法線と垂直ではあるが環と交差しない平面上に設置され、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉。【００１７】
１６．該法線と、該光源と被加熱物表面中心とを結ぶ線とのなす角度が２０〜７０°である１５に記載の集光鏡方式加熱炉。
１７．環状の該一次反射鏡を形成する環内に、環状の光源を円周に沿って設置し、
該環状光源からの光を被加熱面に集中させる反射板を、その反射面が、該環状光源がつくる円周に対して垂直に設置されてなる１５又は１６に記載の集光鏡方式加熱炉。【００１８】
１８．加熱時において、該反射鏡と被加熱物との相対的な位置を可変とした１〜１７のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
１９．加熱時において、被加熱物の温度、被膜形成時の膜厚等の被加熱物の状態を、被加熱物の真上、斜め上、及び横の少なくとも１方向から確認できるようにしてなる１〜１８のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
２０．加熱時において、該被加熱物を回転可能とした１〜１９のいずれかに記載の集光鏡方式加熱炉。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の集光鏡方式加熱炉は、反射鏡装置として一次反射鏡及び二次反射鏡からなる装置を採用し、光源から放射された光を一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させて、最終的には被加熱物表面に対して垂直ではない方向から照射することにより、被加熱物を加熱するための集光鏡方式加熱炉である。さらに、その垂直ではない方向であっても、被加熱物表面に平行な方向から照射するものでもない。【００２０】
本発明は、従来の回転楕円面に赤外線を反射させてなり、被加熱物の側方からの加熱を行う装置の構造でもないので、加熱されている被加熱物の側方又は被加熱物表面の延長線上には加熱のための装置が位置しないことにより側方より被加熱物の状態を確認でき、加熱中においてもＣＶＤ炉や単結晶育成装置の運転状況を把握することが可能である。【００２１】
さらに、被加熱物表面に対して垂直ではない方向より赤外線を照射して加熱するので、赤外線ランプ及び環状反射面の位置を被加熱物表面の真正面ではない場所に位置させることが可能となり、反射鏡装置の大きさは従来の回転楕円面を採用した場合と比較して小さく、赤外線ランプ及び環状反射面と被加熱物との間をより狭くすることができる。【００２２】
このように、装置を小型化した場合、赤外線ランプの出力が小さくなり、それと共に反射鏡の大きさも小さくなるが、しかしながら、元来、被加熱物自体を加熱するに要するエネルギーは変わらないので、結局、被加熱物自体が受けるエネルギーの密度は変わらないか、むしろ増大する。
例えば、ＣＶＤ炉とする際には、ＣＶＤにより処理される被加熱物表面の正面からガスを流して当てることができ、加熱された被加熱物上にＣＶＤによる良質な薄膜を成膜させることができる。【００２３】
第２の集光鏡方式加熱炉は、一次反射鏡及び二次反射鏡は回転楕円体の内面を反射面としてなる２つの反射鏡からなる反射鏡装置を有する。その一次反射鏡の回転楕円鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下である。
特に第２の集光鏡方式加熱炉は、二次反射鏡の他方の焦点が加熱炉内に載置された被加熱物の非加熱面の中心点に位置するようにしてもよく、また、加熱炉内に載置された被加熱物の被加熱面の中心点とは別の場所、例えば被加熱物表面の中心点を通る法線上に位置するようにしてもよい。【００２４】
第２の集光鏡方式加熱炉によれば、被加熱物表面の特に必要とする箇所を均一に加熱することが可能であるし、また、被加熱物表面に対して光の焦点を合わせない状態で照射することもでき、この場合には、被加熱物表面をより均一に加熱することができる。
そして、一次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比は、二次反射鏡を構成する楕円の短径に対する長径の比以下とすることにより、光源である赤外線ランプをより球に近い回転楕円体の一方の焦点に置くことができるので、一次反射鏡に反射した後に二次反射鏡の反射面に向かう成分をより多くさせることが可能になる。【００２５】
つまり、一次反射鏡が二次反射鏡よりも焦点近くの楕円面がより長い半径の球に近い面であるので、一次反射鏡に光源のランプを設置した場合に、二次反射鏡の焦点に直接光源を設置した場合と比較して、ランプから放射される光をより多くの反射面に反射させることができ、そのためにより強い光を被加熱物に照射することが可能であり、効率良く加熱することができる。【００２６】
また、二次反射鏡の楕円の２つの焦点を結ぶ直線上に光源が位置するように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させることによって、光源からいずれの反射鏡にも反射せずに直接被加熱物に照射される光の成分が多くなり、より効率よく被加熱物表面を加熱することができる。
一次反射鏡の楕円の２つの焦点と二次反射鏡の楕円の２つの焦点とが、同一直線上にないように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させると、二次反射鏡に対する一次反射鏡の向きを任意に変更させることが可能になり、反射鏡装置を小型化させることや、集光鏡方式加熱炉の全体の形状に応じて、反射鏡装置の形状を任意に変更させることが可能になる。【００２７】
そして、いずれの方式の集光鏡方式加熱炉も、被加熱物表面の被加熱面が水平になるようにして形成され、設置されてもよいが、被加熱物の被加熱面が水平でない状態で載置されていてもよい。
ここで、一次反射鏡と二次反射鏡の接合部の開口部の大きさは大きくてもよい。この開口部が大きいほど、一次反射鏡に反射しない成分が多くなる。
反対に開口部が小さいほど、赤外線ランプ等の光源から放射された光を、一次反射鏡及び二次反射鏡に順に反射させつつ被加熱物表面を加熱させる成分を多くすることが可能となる。【００２８】
また、第３の集光鏡方式加熱炉は、二次反射鏡を回転放物面鏡からなるものとした点で第２の集光鏡方式加熱炉と異なる他は第２の集光鏡方式加熱炉と共通する。
第２の集光鏡方式加熱炉に対して、第３の集光鏡方式加熱炉は、二次反射鏡に反射してなる光の成分は互いに平行な成分であるから、被加熱物表面において、光が焦点を結ぶことがないばかりか、被加熱物表面に照射される光が平行光である成分を含むので、被加熱物の表面をより均一に加熱することが可能である点で特徴的である。
その第３の集光鏡方式加熱炉において、一次反射鏡の焦点とその楕円面との最短距離が、二次反射鏡の焦点とその放物面との最短距離よりも大であることによると、光源である赤外線ランプをより球に近い回転楕円体の一方の焦点に置くことができるので、一次反射鏡に反射した後に二次反射鏡の反射面に向かう成分をより多くさせることが可能になる。【００２９】
さらに、第２の集光鏡方式加熱炉と同様に、二次反射鏡の回転放物面の回転軸の延長線上に光源が位置するように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させることによって、光源からいずれの反射鏡にも反射せずに直接被加熱物に照射される光の成分が多くなり、より効率よく被加熱物表面を加熱させることができる。
一次反射鏡の楕円の２つの焦点と二次反射鏡の該回転軸とが、同一直線上にないように一次反射鏡と二次反射鏡を接続させると、二次反射鏡に対する一次反射鏡の向きを任意に変更させることが可能になり、反射鏡装置を小型化させることや、集光鏡方式加熱炉の全体の形状に応じて、反射鏡装置の形状を変更させることが可能になる。【００３０】
第４の集光鏡方式加熱炉は、内面が反射面である環状の一次反射鏡及び二次反射鏡からなる反射鏡装置の構造と、被加熱物の被加熱面との位置関係に特徴を有する。
具体的には、該反射鏡装置は、該被加熱面の中心を通る法線と同一の平面にあり、該法線と交差しない閉じた曲線を該法線を回転軸として回転させてなる環の内面の一部を反射面とした一次反射鏡を有し、
環状の該一次反射鏡を形成する環内に、光源を該環の円周方向の一部又は全部にわたって設置し、
さらに、該反射鏡の外であって、環を含む平面上でない位置に被加熱物を設置できるようにし、該被加熱面の中心と該光源を結ぶ最短の直線と、該反射面との交点付近の該反射面に光を被加熱物に照射するためのスリットを設け、
該スリットを形成する第一反射面の端部には、第二反射面を形成する反射面を接続してなる集光鏡方式加熱炉である。【００３１】
第４の集光鏡方式加熱炉において、環状の一次反射鏡に反射した光がスリットを通って二次反射鏡に反射し、その後被加熱物表面に照射されることにより、該被加熱物表面に対して多方向から光を照射することになる。このため、ある一方向からの光のみでは該被加熱物表面を均一に加熱することが困難な場合であっても、多方向からの加熱によって、より均一に加熱を行うことが可能になる。
なお、その二次反射鏡の反射面は楕円や放物線を該回転軸により回転されてなる面の一部であってもよく、その場合には、該楕円や該放物線の焦点は光源の場所に位置させることができる。【００３２】
また該閉じた曲線が楕円である場合には、その楕円の２つの焦点を結ぶ線の被加熱物方向に向けた延長線が、被加熱物表面中心にあたるように傾けてなる楕円と、その延長線と楕円の交点を中心に楕円に開口部を設ける。さらに、該２つの焦点のうちの被加熱物からみて遠いほうの楕円の焦点を共通の焦点とする放物線の一部を該開口部から被加熱物に向けて開口するように複合させてなるスリットを設ける。
そして、該楕円の被加熱物から近くない方に位置する焦点に光源を設け、もう一つの焦点が二次反射鏡を構成する楕円又は放物線の焦点と共通させることにより、光源から放射された光をより効率よく、二次反射鏡に反射させると共に、被加熱物表面に照射させることができる。
なお、図９において該共通の焦点を、楕円の被加熱物に近い方の焦点とすることもできる。【００３３】
この第４の集光鏡方式加熱炉において、該閉じた平面が楕円である場合には、その結果、得られた反射鏡は、被加熱物中心を通る法線に垂直であって、該楕円及び該放物線の外にある垂直軸により回転させてなる内面が反射面である楕円体鏡と放物面鏡が複合してなる反射鏡であると共に、その共通の焦点を示し、かつ垂直軸を中心とする円周上にわたって光源を設置してなる集光鏡を有することができる。
その光源は点光源を円周上に配列したものや、半円型を２つ使用するもの、あるいは円形のものを使用することができる。【００３４】
このようにしてなる本発明の第４の集光鏡方式加熱炉は、内面に一次反射面を構成する断面が楕円等の形状の環状体と、二次反射面を構成する反射面が複合してなり、該環状体内に設置された光源から放射された光を直接、あるいは該一次反射面及び又は二次反射面に反射して、被加熱物台上の被加熱物に向けて照射する集光鏡方式加熱炉である。【００３５】
この第４の集光鏡方式加熱炉によれば、被加熱物表面に対してより多方向からの加熱を行うことができるので、被加熱物表面をより均一に加熱することができる。【００３６】
これら、第１〜第４の４種の方式の加熱炉は、いずれも被加熱物の斜め上方に加熱のための光源が位置し、斜め上方より被加熱物表面を加熱するので、被加熱物の真上方向、下方及び側方に空間を形成することができる。このため、上方に例えば石英管を設けて処理のためのガスを流したり、温度等の測定や制御手段を設けることが可能である。また、側方に設けられた空間に、被加熱物を移送する手段を設置すること等が可能になり、被加熱物周囲の空間を有効に活用することが可能となり、被加熱物を装置内に導入する段階から、装置外に取り出す段階に至る一連の動作をより効率良く行うことが可能となる。【００３７】
また、これらの集光鏡方式加熱炉によれば、被加熱物の斜め上方に複数の光源を設けることができ、それにより光源から放射されたエネルギーの大部分は被加熱物表面に照射され、かつ、斜め上方を一周するように、各方向から被加熱物に向けて光を放射できる。
そのとき、被加熱物表面上のある一箇所からみた光源までの距離は、ある方向の光源には比較的遠いが、その逆方向の光源には比較的近くなり、その傾向は被加熱物表面上のどの箇所においても同じである。そうすると、結局のところ、被加熱物表面上のどの箇所においても、多方向から照射された光を積算してなるエネルギーは均一であるので、被加熱物表面上のどの箇所においても均一に加熱されることになる。【００３８】
また、第１〜３の集光鏡方式加熱炉によると、使用する光源は環状ではないから、例えば集光鏡装置を３セット使用すると、各セットは１２０°の間隔をもって設置されるので、被加熱物表面に対しても斜め上方の３方向から光が照射されることになり、実質的にむらがない加熱が可能となる点において、実質的に３６０°の全方向から光を照射することと変わりがない。
このように、被加熱物表面に対して、実質的に斜め上方３６０°の方向から加熱を行うことができるので、より均一に加熱を行うことが可能である。
また、第４の集光鏡方式加熱炉によると、より３６０°に近い方向から加熱を行うことによって、第１〜３の集光鏡方式加熱炉よりも多方向からの加熱を行うことができる。そのとき、反射鏡全体が受ける全熱量が第１〜３の集光鏡方式加熱炉と変わらないとしても、反射鏡自体の容積が大きいので、加熱温度はより低温になり、冷却装置が簡便になる点において優れる。【００３９】
つまり、一方向の斜め上方から被加熱物に光が照射される場合、被加熱物表面には光源からの距離が近い箇所と遠い箇所が生じることになる。その結果として被加熱物の光源から近い箇所には、光のエネルギー密度が比較的高い部分が照射され、被加熱物の光源から遠い箇所には光のエネルギー密度が比較的低い部分が照射されるので、結果的に被加熱物の光源に近い箇所は速やかにかつ高温に加熱されることになるものの、遠い箇所は温度が上昇する速度が相対的に小さく、結局被加熱物上の被加熱面において、加熱にむらが生じる可能性がある。
被加熱面に光源の焦点を結ぶときには加熱にむらが生じる傾向が顕著となるが、被加熱面に光源の焦点を結ばないときには、ぼやけた光源の像が被加熱物表面に表れることにより、被加熱物表面はより均一に加熱されやすい。しかしながら、被加熱面に照射されない成分が出るので光源から放射された光が効率よく被加熱面表面にあたらない可能性がある。【００４０】
このような機構による被加熱物の均一な加熱に加えて、通常光源はフィラメントの加熱により発光しており、フィラメントは完全に点光源ではないので、本発明において、被加熱物上に二次反射鏡の焦点が厳密に結ばれても、結ばれなくてもよいことがわかる。
焦点が結ばれていないいわゆるデフォーカスされた状態で光が照射される場合には、該フィラメントの像が被加熱物上に結ばれることがない。そうすると、被加熱物上にてフィラメントの形状を反映させたような光の照射むらを生じることがなく、この点においても、被加熱物表面をより均一に加熱することが可能となる。【００４１】
もちろん、被加熱物上に回転楕円面の焦点が結ばれた場合には、フィラメントの像が被加熱物上に結ばれる可能性はあるが、デフォーカスされた場合を含めて複数方向から光を被加熱物上に照射すると、それぞれの焦点が結んだことによる像が重なり、結果的に被加熱物上に均一に光を照射させることができる。
この場合には上記の第２の集光鏡方式加熱炉においてデフォーカスされた状態と同様に、第２及び３の集光鏡方式加熱炉によって、被加熱物上にデフォーカスされた状態で光を照射する結果として均一に加熱することができる。【００４２】
本発明によると、被加熱物は均一に加熱されると共に、被加熱物からみて光源が上方の斜方に存在するので、被加熱物の直上、側方及び下方、及び光源と反射鏡以外の斜方には空間を設けることができ、その空間を利用して石英管の設置、気体の導入、加工・移動用治具の配置とその操作、被加熱物の移動、温度、気体の供給量等の検知と制御等の操作が可能になる。さらにＣＶＤ等のように水平に設置された被加熱物の上面を加熱することが可能になる。【００４３】
加えて従来の回転楕円面を使用した加熱装置では被加熱物の横方向、あるいは完全に垂直方向からのみの加熱に留まり、単結晶成長装置等の用途に限定されるが、本発明のように被加熱物の斜め上方からの加熱を行うと、そのような用途に加えて、さらにＣＶＤ等のように水平に設置された被加熱物の上面を加熱することが可能になる。
また、従来の被加熱物の上方ではなく水平位置に３６０°取り囲むようにして設置される回転楕円体を反射面とする場合と比較して、反射面全体の径を小径化することができるので、装置全体もより小型化することが可能である。【００４４】
さらにウエハ等の被加熱物を回転させてもよく、させなくてもよい。また石英管内にてウエハ等にガス（メインガス、サポートガス）を当てても、被加熱物以外は加熱されないために、ガスの分解による石英管内壁の堆積物を削減できる。【００４５】
かつ、使用するエネルギーが少なくて済み、しかも、反射面等の加熱に消費されるエネルギーもより少量であるから、冷却システムを小さく、装置全体をより小型化することが可能となる。しかも、第４の集光鏡方式加熱炉によれば、光源は環状反射面内の比較的狭い空間に設置されるが、その環状反射面内に空気を導入すると、効率良く空気を光源と接触させて冷却することができる。【００４６】
なお、光源として赤外線ランプ、光として赤外線を使用することが可能であるが、光としては、赤外線に限定されず、被加熱物を照射することによって、被加熱物が加熱されることになる光であればよい。また、そのような光を放射するための光源としても赤外線ランプに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１（ａ）】本発明の第１及び第２の集光鏡方式加熱炉
【図１（ｂ）】本発明の第１及び第２の集光鏡方式加熱炉の概念図
【図２】反射鏡装置を３つ使用した第１及び第２の集光鏡方式加熱炉を上方より見た図
【図３】本発明の集光鏡方式加熱炉に使用する一次反射鏡と光源の関係を示した図
【図４】本発明の集光鏡方式加熱炉に使用する一次反射鏡と光源の関係を示した図
【図５】本発明の第１及び第２の集光鏡方式加熱炉
【図６（ａ）】本発明の第１及び第３の集光鏡方式加熱炉
【図６（ｂ）】本発明の第１及び第３の集光鏡方式加熱炉の概念図
【図７】本発明の第１及び第３の集光鏡方式加熱炉
【図８】本発明の第１及び第４の集光鏡方式加熱炉
【図９】本発明の第４の集光鏡方式加熱炉における光路図
【図１０】本発明の第４の集光鏡方式加熱炉の上面図
【図１１】本発明の第４の集光鏡方式加熱炉の上面図
【図１２】本発明の装置を用いてなる結晶成長装置の模式図
【符号の説明】
【００４８】
１・・・集光鏡方式加熱炉
２・・・赤外線ランプ
３・・・被加熱物
４・・・一次反射鏡と二次反射鏡の接続部
５・・・開口部
６・・・石英管
７・・・集光鏡装置
Ｍ１・・・一次反射鏡
Ｍ２・・・二次反射鏡
Ｍ３・・・一次反射鏡
Ｍ４・・・二次反射鏡
Ｍ５・・・二次反射鏡
Ｍ６・・・二次反射鏡
Ｍ７・・・環状反射面
Ｍ８・・・二次反射鏡
Ｆ１・・・一次反射鏡の一方の焦点
Ｆ２・・・一次反射鏡の他方の焦点
Ｆ３・・・二次反射鏡の一方の焦点
Ｆ４・・・二次反射鏡の他方の焦点
Ｆ５・・・二次反射鏡の焦点
Ｆ６・・・二次反射鏡の焦点
１０１・・・集光鏡方式加熱炉
１０２・・・被加熱物
１０３・・・赤外線ランプ
１０４・・・ガス
１０５・・・ハウジング
１０６・・・環状反射面
１０７・・・管
θ１及び２・・・各モードにおける加熱に寄与する赤外線が放射される角度
１１１・・・スリット
１１２・・・電源コード
１１３・・・冷却ジャケット
１１４・・・蓋部材
１１５・・・冷却水供給パイプ
１１６・・・冷却水供給ポート
１１７・・・冷却水排水パイプ
１１８・・・冷却水排水ポート
２０３・・・赤外線ランプ
２０６・・・環状反射面
２０７・・・石英管
２０８・・・固定手段
２０９・・・原料棒
２１０・・・種結晶棒
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、光源を赤外線ランプとし、光を赤外線とした場合について、図面を参照しつつ本発明を説明する。他の光源や他の光を採用した場合においても、本発明の構造を採用することが可能である。
被加熱物の物性や材料によっては、赤外線以外の光によっても加熱され得るものがあるので、この場合において本発明にて使用される光は赤外線以外の光を包含する。
【００５０】
（第１の集光鏡方式加熱炉）
第１の集光鏡方式加熱炉は、以下に説明する第２〜第４の集光鏡方式加熱炉を包含する構造を備えた集光鏡方式加熱炉である。
そこで、例として図１（ａ）を基に第１の集光鏡方式加熱炉を説明する。
本発明の第１の集光鏡方式加熱炉は、被加熱物３表面に光源から放射された光を反射鏡装置により反射させることにより照射して加熱を行うための加熱炉である。
反射鏡装置は一次反射鏡Ｍ１及び二次反射鏡Ｍ２からなる装置であり、赤外線ランプ２等の光源を一次反射鏡Ｍ１内に設け、該光源から放射された光を一次反射鏡Ｍ１内面で反射させ、その反射光は二次反射鏡Ｍ２内に導かれて、その二次反射鏡Ｍ２内面の反射面にて反射されて開口部５から出て被加熱物３の表面に照射される。
このとき、二次反射鏡Ｍ２は被加熱物３の表面の真正面に、その一部でも位置しないので、二次反射鏡Ｍ２の開口部５から放射された光は全て被加熱物３の表面に対して垂直に照射されることがない。
【００５１】
以下の点は続く第２〜４の集光鏡装置にも共通していえる事項である。
本発明の集光鏡方式加熱炉は、ＣＶＤ装置、結晶成長装置等加熱を伴う処理を行うための装置一般に使用することができる。特に光により加熱を行っている用途に対して使用することができる。
及び二次反射鏡の反射面で反射して被加熱物３に照射することにより被加熱物３を加熱する加熱炉である。このような加熱と共に、あるいは加熱の前後に被加熱物に向けて上方よりガス１０４を供給したり、図示しないが治具を用いて加工したり、あるいは側方に窓を設けることにより任意の条件下にて被加熱物３を加熱しながら加熱中の被加熱物１０２の状態を確認することが可能となる。
【００５２】
結晶育成装置とする際には、模式図１２に示すように、集光鏡装置の間に石英管２０７を挿入し、該管内にて多結晶の原料棒２０９と種結晶棒２１０をそれぞれ上下の固定手段２０８に固定しこれを駆動させる。そして、図１（ａ）の装置と同様に赤外線ランプ２０３から放射された赤外線が一次反射鏡及び二次反射鏡に反射して、上記多結晶の原料棒２０９と種結晶棒２１０を加熱しつつ、これらの原料棒２０９と種結晶棒２１０が下方に移動しながら単結晶を生成させることができる。
【００５３】
本発明において使用される集光鏡方式加熱炉は、光を放射する光源を用い、その放射される光によって被加熱物を加熱する装置である。
その光源としては赤外線ランプを使用することが一般的であるが、それに限定されず、光により加熱を行う加熱炉にて使用することができる光源を任意に使用することができる。
【００５４】
本発明における反射鏡装置は一次反射鏡及び二次反射鏡から構成され、該光源が一次反射鏡の内部にフィラメント等が位置するように設けられる。その一次反射鏡と二次反射鏡とは、光が通過することができるように互いに設けられた開口部によって接続される。このため、光源から放射された光は、多くの成分が一次反射鏡にて反射され、その後二次反射鏡にて反射されることによって反射鏡装置外に放射されて、被加熱物表面に照射される。
つまり、一次反射鏡は光源から放射された光が、最初に反射するための反射鏡であり、二次反射鏡は一次反射鏡により反射された光が次いで反射されるための反射鏡である。
【００５５】
もちろん、光源から放射された光の一部が一次反射鏡にて反射されず、直接二次反射鏡にて反射されて、被加熱物表面に照射されてもよい。
また、反射鏡装置の構造によっては、光源から放射された光の一部が一次反射鏡にて反射されず、直接二次反射鏡にも反射されることなく、直接被加熱物表面に照射されることもあり得る。
これらの反射鏡に関しても公知の材料から成るものでよく、金属基材そのもの、あるいは金属基材内面に反射面として別の金属層を設けたもの等、公知の反射性を有する構造を採用することができる。
【００５６】
また、一次及び二次反射鏡及び、これらからなる反射鏡装置としては、金属等のブロックから削り出し等の製造方法で製造してもよいが、複数のブロックに分け、このブロック毎に製造して、これらブロックを組み立てることにより製造してもよい。
【００５７】
さらに本発明においては、被加熱物表面に対して垂直方向から光が照射されないことが必要である。このときの垂直方向から光が照射されないとは、被加熱物表面に対して斜め方向から、言い換えれば有限の角度をもって光が照射されることを示している。
仮に被加熱物表面に対して垂直方向から光を照射すると、二次反射鏡はその一部でも被加熱物表面に対向した真正面の位置に置くことになる。ＣＶＤ等のように、被加熱物表面を加熱しつつガス等を供給して処理する場合には、その被加熱物表面の真正面の位置に二次反射鏡の一部でも存在すると、そのガスの供給を円滑に行うことが困難になる。
【００５８】
このため、本発明では、被加熱物表面に対して垂直方向から光を照射しないことによって、ＣＶＤ等を円滑に行うことができる。
もちろん、本発明において被加熱物表面に対して通常は真横から、つまり、被加熱物表面を含む平面方向から光の主成分が照射されることはない。このような場合、被加熱物表面が効率良く加熱されることがないからである。
【００５９】
（第２の集光鏡方式加熱炉）
図１（ａ）及び２は本発明の第２の集光鏡方式加熱炉に関する図であって、図１（ａ）はその断面図であり、集光鏡装置７を２セット又は４セット使用してなる集光鏡方式加熱炉の例である。赤外線ランプ２から放射された赤外線を反射するために内面が反射面である回転楕円体を一次反射鏡Ｍ１及び二次反射鏡Ｍ２として使用する。
この第２の集光鏡方式加熱炉に使用される反射鏡装置の概念を図１（ｂ）に示す。この図１（ｂ）においては、反射面が回転楕円体である一次反射鏡Ｍ１の一方の焦点Ｆ１に光源が位置する。この光源から放射された光は一次反射鏡Ｍ１により反射して、他方の焦点Ｆ２にて結像する。この焦点Ｆ２は反射面が回転楕円体である二次反射鏡Ｍ２の焦点Ｆ３と共通であり、この焦点Ｆ２かつＦ３にて結合した光は再度拡散する。
その後、二次反射鏡の他方の焦点Ｆ４にて再度光が結像することになるが、その焦点Ｆ４は被加熱物３の表面上に位置するようにできる。
この場合には、焦点Ｆ４を被加熱物上に位置させるが、別の態様においては、Ｆ４を被加熱物上に位置させないこと、中でも被加熱物表面の法線上に位置させることもできる。このように、これら一次及び二次反射鏡はいずれも楕円体の長軸を回転軸としてなる回転楕円体の内面を反射面としてなる反射鏡であり、一次反射鏡の焦点Ｆ１に設けられた赤外線ランプ２から被加熱物に向けて放射された赤外線が、直接及び反射面に反射して被加熱物に照射される。
【００６０】
図１（ａ）に示す本発明の集光鏡方式加熱炉１は、一次反射鏡Ｍ１の２つの焦点と二次反射鏡Ｍ２の２つの焦点が１本の直線上にあるような装置であり、一次反射鏡と二次反射鏡とを直線的に接続した形式の図である。
一次反射鏡Ｍ１内において、赤外線ランプ２から放射された赤外線はまず主に一次反射鏡Ｍ１の内面において反射する。赤外線ランプ２のフィラメントが一次反射鏡Ｍ１の一方の焦点Ｆ１に位置するように、一次反射鏡Ｍ１内に赤外線ランプ２が設けられている。一次反射鏡Ｍ１の内面にて反射された赤外線は回転楕円体の他方の焦点Ｆ２にて一旦収束する。
【００６１】
この収束された位置である他方の焦点Ｆ２は、二次反射鏡Ｍ２の一方の焦点Ｆ３と同じ位置であるから、二次反射鏡Ｍ２についてみると、あたかも該一方の焦点Ｆ３に赤外線ランプのフィラメントを設けたかのようになる。該一方の焦点Ｆ３にて一旦収束した赤外線は、再び発散されて二次反射鏡Ｍ２の内面にて反射される。
そして回転楕円体である二次反射鏡Ｍ２の内面にて反射されてなる赤外線は、二次反射鏡Ｍ２の他方の焦点Ｆ４において再び収束される。
【００６２】
このとき、二次反射鏡Ｍ２の他方の焦点Ｆ４に被加熱物３を位置させると、該被加熱物は収束された赤外線によって急速に、かつ高温に加熱されることになる。
このため、一次反射鏡Ｍ１には赤外線ランプ２を設けるために穴を開ける必要があり、さらに二次反射鏡Ｍ２との間で光路を形成するに必要な、一次反射鏡と二次反射鏡の接続部４を設ける必要もある。
【００６３】
同様に二次反射鏡Ｍ２には一次反射鏡Ｍ１から赤外線を導入するに必要な光路を設けるために一次反射鏡Ｍ１との間の接続部４を設けなくてはならないし、二次反射鏡Ｍ２の他方の焦点Ｆ４が被加熱物３表面上に位置するか、あるいは被加熱物表面の中心と二次反射鏡Ｍ２の一方の焦点Ｆ３とを結ぶ直線上に位置するように、二次反射鏡Ｍ２には、被加熱物３に向けて赤外線を照射するための開口部５を設けなくてはならない。
【００６４】
上記の構成において、一次反射鏡Ｍ１及び二次反射鏡Ｍ２には、それらの内面に設けた反射面の面積を可能な限り大きくすることが、赤外線ランプ２から発生する赤外線を、被加熱物３を加熱するためのエネルギーとして有効に利用するために必要である。そして照射対象の物質が小さい場合には特に、二次反射鏡に設けた開口部５による開口は小さいほど良い。そのために二次反射鏡Ｍ２はなるべく細長い形状とすることが好ましい。
【００６５】
このため、一次反射鏡Ｍ１の一方の焦点Ｆ１に赤外線ランプ２を設置する際に、一次反射鏡Ｍ１の楕円の短軸に対する長軸の比が可能な限り１に近いほど、図３に示すように焦点から放射された赤外線の一部が赤外線ランプ２自身が障害となることによって赤外線ランプ自身によって吸収されるか、あるいは本来の反射をしない光線の量が少ない。そのため一次反射鏡Ｍ１の内面により多くの赤外線が当たり、反射されて二次反射鏡Ｍ２に向けることが可能になる。しかし、上記の比が１に近すぎると一次反射鏡Ｍ１が球に近くなるので、二次反射鏡Ｍ２に向けて十分な光量の赤外線を供給できる程度の楕円形状を保てないない可能性がある。
【００６６】
模式的に示す図３は、一次反射鏡Ｍ１の楕円の短径に対する長径の比が小さくてより１に近い例であり、一方の焦点Ｆ１に設けた赤外線ランプのフィラメントから放射された赤外線は６０°より明らかに小さい角度θ１に向けた成分のみが赤外線ランプ２自身に向けて放射され、残りの３００°を超えるような広い範囲の赤外線成分を一次反射鏡Ｍ１の内面に反射させることが可能である。
【００６７】
しかしながら、同じく模式的に示す図４のように、一次反射鏡Ｍ１の楕円の短径に対する長径の比が大きい場合には、一次反射鏡Ｍ１の形状は細長いものとなり、焦点と内面が接近した形状を呈する。そのため、一方の焦点Ｆ１に赤外線ランプ２を設置すると、図３にて示す例よりも明らかに放射された赤外線の多く、つまりθ２のより広角に放射された成分が反射面に到達せず、図４においてはおよそ２５０°の範囲の程度の赤外線しか反射面に到達しないことがわかる。
【００６８】
その結果、一次反射鏡Ｍ１の楕円の短径に対する長径の比を可能な限り小さくすることが、赤外線ランプ２から放射された赤外線を加熱のために有効に活用すること、つまり被加熱物をより効率よく加熱するために必要であることが解る。そして、赤外線ランプ自体が吸収する熱量が削減されるために、集光鏡装置自体の温度上昇も抑制される傾向にある。
また、このような短径に対する長径の比を小さくすることにより、結果的に赤外線ランプ２と一次反射鏡Ｍ１の内面との距離が長くなるので、一次反射鏡Ｍ１が局所的に加熱される温度をより低くすることができる。
この一次反射鏡Ｍ１の短径に対する長径の比は、好ましくは１．１〜２．０であり、より好ましくは１．１〜１．５である。
【００６９】
さらに、二次反射鏡Ｍ２は上記のように被加熱物３に向けて赤外線を放射するための開口部５が設けられている。
例えば被加熱物３に対してガスを供給しつつ処理を行うために、被加熱物３の上方から下方にかけて石英管６等を設ける場合には、二次反射鏡Ｍ２と該石英管６等が干渉することは避けなければならない事項である。
【００７０】
そのため、二次反射鏡Ｍ２に設ける該開口部５は、単に赤外線を放射するために設けるのではなく、該石英管６等の大きさや位置、移動範囲等を考慮して設けることが求められる。このような事項を考慮して設けられる該開口部５は、可能な限り小さくすることが好ましい。それにより、反射鏡Ｍ２から出た赤外線が発散して被加熱物３に照射されない成分を削減することができ、より多くの赤外線を被加熱物３に照射して、温度上昇に寄与させることができる。加えて、被加熱物３に照射されず、その周囲を加熱する赤外線成分も削減することが可能となる。
このように、該石英管に限らず、被加熱物に加熱以外の何らかの処理を行う場合には、その処理手段と二次反射鏡Ｍ２が干渉しない程度に開口部５を設けることができる。
【００７１】
本発明の集光鏡式加熱炉１において、二次反射鏡Ｍ２の他方の焦点Ｆ４が被加熱物上に位置するように二次反射鏡Ｍ２を設けてもよいし、あるいは、二次反射鏡Ｍ２の２つの焦点を結ぶ直線上に被加熱物表面３の中央部を位置させる限りにおいて、必ずしもＦ４が被加熱物３上に位置しないようにしてもよい。
つまり、赤外線ランプ２のフィラメントが被加熱物３表面に結像して、均一に加熱することが困難である場合には、フィラメントの像が結像しない範囲にて、より均一に加熱を行うために、他方の焦点Ｆ４が被加熱物３上に位置せず、あえてデフォーカスさせるように、被加熱物３の中心、及び二次反射鏡Ｍ２の２つの焦点Ｆ３及びＦ４を結ぶ直線上に被加熱物３の中央部を位置させると共に、二次反射鏡Ｍ２の他方の焦点が位置しないようにすることもできる。
【００７２】
図２は本発明の他の例の集光鏡方式加熱炉の上面図の概要ではあるが、集光鏡装置７を３つ設け、これらの集光鏡装置７及び又は被加熱物を図示しない手段により任意に垂直方向及び水平方向に移動可能とすることにより、被加熱物表面の中心部と二次反射鏡の他方の焦点との位置関係を調整することが可能となる。また図２においては３つの集光鏡装置７の間には空間が形成されるので、この空間には必要に応じて集光鏡装置７を冷却するための装置、あるいは被加熱物の搬送、処理等のための装置を設置してもよい。
【００７３】
図５に、本発明の集光鏡方式加熱炉の別の態様を示す。この図５にて示す集光鏡方式加熱炉は、図１（ａ）及び２にて示す集光鏡方式加熱炉とは基本的な構造において共通するものの、一次反射鏡Ｍ３と二次反射鏡Ｍ４との接続の態様において異なる形式を有する。つまり、一次反射鏡Ｍ３と二次反射鏡Ｍ４とは、これらを構成する回転楕円体のそれぞれの焦点が１つの直線上に位置せず、二次反射鏡Ｍ４に対して一次反射鏡Ｍ３は上方に折れるようにして接続されることにより、一次反射鏡Ｍ３の楕円の焦点を結ぶ直線と、二次反射鏡Ｍ４の楕円の焦点を結ぶ直線の２つの直線が同一直線上にない例である。
【００７４】
この例は図１（ａ）及び２に記載されているような２つの直線が同一直線上にある装置とは異なる。このような形式を備えることにより、集光鏡方式加熱炉１の幅方向の大きさをより小さくすることが可能となるし、一次反射鏡Ｍ３及び使用する赤外線ランプ２を垂直に設置することによって、赤外線ランプ２の交換等の装置のメンテナンス等を上方から行い得るのでより容易になり、冷却のための装置を設置する際の作業性も向上する。
また、図５に示すように一次反射鏡Ｍ３を立てるのではなく、横に寝かせるように設ける場合には、反射鏡装置全体の高さを低くすることができ、しかも、赤外線ランプを一次反射鏡Ｍ３に対して真横から設置することも可能となり、横からのメンテナンスが容易となり、冷却のための装置を設置する際の作業性も同様に向上する。
【００７５】
（第３の集光鏡方式加熱炉）
本発明の第３の集光鏡方式加熱炉に関して、図６（ａ）及び７に示すように、図面にて見る限り、その構成が第２の集光鏡方式加熱炉と同じ図１（ａ）及び５で示す構成を基本とするが、第３の集光鏡方式加熱炉１は、第２の集光鏡方式加熱炉１にて使用した二次反射鏡Ｍ２及びＭ４を、回転楕円鏡ではなく回転放物面鏡Ｍ５又はＭ６に置き換えることにより第３の集光鏡方式加熱炉１としている。
この第３の集光鏡方式加熱炉に使用される反射鏡装置の概念を図６（ｂ）に示す。この図６（ｂ）においては、反射面が回転楕円体である一次反射鏡Ｍ１の一方の焦点Ｆ１に光源が位置する。この光源から放射された光は一次反射鏡Ｍ１により反射されて、他方の焦点Ｆ２にて結像する。この焦点Ｆ２は反射面が回転放物面体である二次反射鏡Ｍ２の焦点Ｆ３と共通であり、この焦点Ｆ２かつＦ３にて結合した光は再度拡散する。
その後、二次反射鏡にて反射することにより光は平行光となり、その平行光の状態にて被加熱物３の表面上に照射される。
該回転放物面鏡Ｍ５及びＭ６の焦点Ｆ５は一次反射鏡Ｍ１及びＭ３の他方の焦点と共通しているので、第２の集光鏡方式加熱炉と同じようにして、赤外線ランプから放射された赤外線は回転放物面鏡である二次反射鏡Ｍ５又はＭ６に導入される。一旦この二次反射鏡Ｍ５及びＭ６の回転放物面鏡の焦点に導入された赤外線は、直接これらの二次反射鏡Ｍ５又はＭ６の被加熱物側開口部５から放射されたり、又は、二次反射鏡Ｍ５又はＭ６の内面にて反射した後に被加熱物側開口部５から放射される。
【００７６】
この第３の集光鏡方式加熱炉１についても、第２の集光鏡方式加熱炉１と同様に、二次反射鏡Ｍ５及びＭ６に設ける該被加熱側開口部５は、単に赤外線を放射するために設けるのではなく、該石英管等の装置に付属する部材や設備の大きさや位置あるいは移動等を考慮して設けることが求められる。このような事項を考慮して設けられる該被加熱側開口部５は、可能な限り焦点から遠い位置に設けることが、二次反射鏡Ｍ５及び６から出た赤外線の発散する量を削減させ、より多くの赤外線を被加熱物に照射して、温度上昇に寄与させる点からみて好ましい。
本発明の第３の集光鏡方式加熱炉１においても、第２の集光鏡方式加熱炉１と同様に集光鏡装置７の間には空間が形成されるので、この空間には必要に応じて集光鏡装置７を冷却するための装置、あるいは被加熱物の搬送、処理等のための装置を設置してもよい。
【００７７】
（第４の集光鏡方式加熱炉）
第４の集光鏡方式加熱炉については、図８を示して説明をする。
まず、このような集光鏡方式加熱炉１０１において環状反射面１０６を構成する曲面について述べる。
【００７８】
本発明の第４の集光鏡方式加熱炉は、集光鏡方式加熱炉において、楕円面等の閉じた空間からなる一次反射鏡を形成する環状反射面を形成し、赤外線ランプが閉じた空間内に設置される。それと共に赤外線ランプと被加熱物の間を結ぶ直線と、環状反射面が交差する箇所の環状反射面に、放物線面等を構成する形状の二次反射面を形成するスリットを形成して、赤外線ランプ１０３から放射された赤外線を直接被加熱物に照射する、あるいは環状反射面及び又は放物面からなる鏡に反射して被加熱物に照射するようにした装置を基本とする。加えて、反射面がガスの流路若しくは石英管等の管１０７を囲むように環状に形成される構造としてもよい。
【００７９】
図８は第４の集光鏡方式加熱炉の一つの例の断面の概念図であり、赤外線ランプ１０３から放射された赤外線を反射するための内面が反射面である。図８で示す断面が楕円面等の閉じた反射面１０６と、断面が放物線からなる放物面１１１が複合してなる環状体（以下、「環状反射面」という。）は一部しか示されていないが、図示された反射面１０６は環状反射面の一部であり、被加熱物に向けて赤外線ランプ１０３から放射された赤外線が直接及び環状反射面に反射して被加熱物１０２に照射される。
【００８０】
この楕円面等の反射面１０６や放物面等からなるスリット１１１は、上記の第２及び第３の集光鏡方式加熱炉とは異なり、楕円の２つの焦点を結ぶ線や放物線の対称軸を中心に回転させてなる回転楕円面や回転放物面ではなく、楕円と交差しない回転軸や放物線の対称軸に対して斜めに交差する軸を中心に回転してなる楕円面等のドーナツ状の空間や回転されてなる放物面である。
【００８１】
この第４の集光鏡方式加熱炉においても、被加熱物１０２の全面が均一に加熱されることが必要であるから、楕円面等の反射面１０６に反射された赤外線は被加熱物１０２の面にて焦点を結ぶのではなく、ある程度の拡がりを持った光とすることもできる。また、焦点を結んだ場合でも被加熱物１０２の全面を均一に加熱可能であれば、被加熱物上にて焦点を結ぶようにしてもよい。
反射面１０６の断面が楕円面の場合、赤外線ランプ１０３が楕円の焦点のうちの被加熱物から遠いほうの焦点にあると、より被加熱物に近い位置にある他の焦点に放射された赤外線が焦点を結ぶ。この結果、仮に被加熱物１０２の面を他の焦点とするとして該被加熱物にて焦点を結ぶ場合、被加熱物１０２の面で加熱温度のばらつきが発生して、適切な処理を行うことができない。
よって、必ずしも被加熱物１０２表面にて焦点を結ぶ必要がないので、楕円を楕円外に設けた回転軸により回転させてなる回転楕円面を基本に環状反射面を構成して、被加熱物表面に焦点を結ぶことなく赤外線を照射することができる。
なお、もちろん楕円に限定されるものではなく、任意の閉じた曲線等の閉じた線であればよい。
【００８２】
そして、図８の断面図に示すように、本発明の集光鏡方式加熱炉１０１の反射面１０６は、回転楕円鏡と回転放物鏡が複合してなる環状反射面であって、その間の中心を通り環に垂直な平面により切断されてなる断面において、赤外線ランプ１０３を囲むように閉じた曲線を示している。
なお、この赤外線ランプ１０３はランプ内のフィラメントから赤外線を放射するようにされてなり、フィラメントは点光源ではなくある程度の面光源あるいは線光源である。回転楕円鏡と回転放物鏡が複合してなる環状反射面は、該楕円が被加熱物に向けて傾斜されることにより、該放物線も被加熱物に向けて開口するように傾斜された状態とされる。
【００８３】
図８において、赤外線ランプ１０３が設けられた楕円の一方の焦点と他方の焦点及び被加熱物１０２の中心とを結ぶ線上と、楕円を示す線の交点付近の箇所に、赤外線が通過できるように回転放物面からなるスリット１１１が設けられ、このスリット１１１の箇所において該楕円が途切れており、赤外線ランプ１０３からみてスリット１１１の延長線上に被加熱物が設置されている。
【００８４】
図８において、赤外線ランプ１０３から各方向に放射された光は、なるべく少ない環状反射面１０６への反射回数にて被加熱物１０２に照射されることが、エネルギー効率向上の点から望ましい。このため環状反射面１０６の切断面の一部は上記の通り楕円形状とするのが望ましいが、類似する任意の形状を有していてもよい。
また、当然に図８で示される放物面を構成する該スリット１１１の壁面に反射して被加熱物１０２に照射されるような光路をたどる赤外線があってもよい。
【００８５】
このような装置においての第２及び第３の集光鏡方式加熱炉と同様に、石英管等の管１０７を集光鏡方式加熱炉１０１の中央部で環状反射面の管の中心を貫通するように設置することができる。管１０７を設置することにより、加熱と共に、あるいは加熱の前後に被加熱物に向けて管１０７内の上方又は下方よりガス１０４を供給することができる。
もちろん、この管１０７内に被加熱物が位置するようにしてもよいし、被加熱物の上方、又は下方に管１０７の端部が位置するようにしてもよい。図示しないが治具を用いて被加熱物を加工したり、あるいは側方に窓を設けることにより任意の条件下にて被加熱物１０２を加熱しながら加熱中の被加熱物１０２の状態を確認することが可能となる。
【００８６】
図８に示された集光鏡方式加熱炉１０１において使用される具体的な反射面の一例を模式図として図９に示す。
図９に示す反射面は、（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｆ５とＦ６を焦点とする断面が楕円の楕円鏡等の環状反射面１０６と、該楕円の焦点の１つであるＦ６を焦点として共有する断面が図８における放物線の二次反射鏡Ｍ８である放物面鏡等のスリット１１１を複合してなる形状を有している。
【００８７】
例えば、環状反射面Ｍ７を楕円とした場合、環状反射面Ｍ７において実線で示される部分は赤外線を反射させるための鏡を構成した部分であるが、破線で示される部分は実際には鏡とはなっておらず、開口部を形成しており、図９における楕円鏡であることを表すために描いた楕円の一部分である。
同様に図８に示す放物面鏡を示すＭ８のスリット１１１のうち、実線で示される部分は赤外線を反射させるための鏡を構成した部分であるが、破線で示される部分は実際には鏡にはなっておらず、放物線を構成するものの、図９においてスリット１１１が放物面鏡であることを示すために描いた放物線の一部である。
【００８８】
図９においては、Ｆ５に設置した赤外線ランプから放射された赤外線が、どの経路を辿って反射鏡から被加熱物に向けて放射されるのかを場合分けして示している。（ａ）に示すように、赤外線ランプから放射された赤外線の一部は、該スリット１１１内面で反射せずに、あるいは反射して平行光となってスリット１１１を通過して直接被加熱物に照射される。
また、赤外線ランプから放射された赤外線のほとんどは、（ｂ）及び（ｃ）のように環状反射面Ｍ７に当たり、これが二次反射鏡であるＭ８の回転放物面にて１回以上反射して該スリット１１１を通過して被加熱物１０２に照射される。
【００８９】
（ｂ）においては、Ｆ５に設置した赤外線ランプからスリット１１１とは反対側に向けて放射された赤外線が、楕円鏡等の環状反射面Ｍ７で１度反射された後、直接、あるいはスリット１１１に反射されて被加熱物に向けて進む光路の場合が示されている。
【００９０】
（ｃ）においては、Ｆ５に設置した赤外線ランプから赤外線ランプ側方の（ａ）又は（ｂ）の方向でない方向に向けて赤外線が放射された場合であって、赤外線が楕円鏡等の環状反射面Ｍ７で１度反射されて、その後直接被加熱物に照射されるのではなく、スリット１１１にて１回以上反射した後に被加熱物に照射される光路を辿る場合が示されている。
【００９１】
上記のように、環状反射面Ｍ７の切断面は環状反射面とスリットが複合してなり、赤外線ランプ１０３がその楕円等の環状反射面の焦点、あるいは焦点ではなくても焦点に近いものの位置に設置されている。しかしながら、被加熱物は該楕円の他方の焦点等に位置してないので、環状反射面Ｍ７にて反射された光は被加熱物１０２の加熱面にて焦点を結ぶことがなく、被加熱物１０２の表面に均一に当たることになり、被加熱物１０２は赤外線ランプのコイルの形状を映すことがない。
このような（ａ）〜（ｃ）に示されるように、赤外線ランプから放射された赤外線の多くを、被加熱物に照射させることができるので、赤外線ランプから放射されたエネルギーの多くを加熱に費やすことが可能となり、加熱効率が向上することが明らかである。
もちろん、図８及び９における環状反射面は楕円ではあるが、その楕円形状を基本として、一部の面が直線等の楕円でない形状を呈するものでもよい。
さらに、図９にて示す事項は本発明の第１〜３の集光鏡方式加熱炉における光の光路についても準じていえる事項である。
【００９２】
図１０は環状反射面を構成するための部材を組合せたものを下から見た図であって、特に右半分は赤外線ランプ１０３の部分で切断した図である。
図１０においては環状反射面は完全に閉じた環ではなく、電源コードに接続された２つの赤外線ランプ１０３を、それぞれ１つずつ収容できる略半分の環状反射面１０６を２つ備えてもよく、それぞれの赤外線ランプ１０３は図示されていない部材により固定されている。このように、環状といっても装置の組み立て上、あるいは赤外線ランプの構造上、３６０°にわたる完全な環になっておらず、赤外線ランプの屈曲部付近は環が途切れている場合もあるが、その環の途切れは３６０度のうちの一部に留め、被加熱物表面に加熱ムラを生じないようにする必要がある。
【００９３】
加えて、その赤外線ランプ１０３の固定部に、環状反射面１０６で構成される区域内に冷却用空気の供給口と排出口を設けておくことにより加熱時の高温加熱路自体の過熱が防止される。
さらに、図１０には示されていないが、下面にはスリットが形成され、環状反射面の環の周方向に沿って延びている。
【００９４】
本発明における環状反射面１０６は、反射面が構成する環の径が１２０〜１６０ｍｍ、環状反射面の環の中心を通り環に垂直な面による切断面の長軸方向は４５〜５５ｍｍ、短軸方向は３５ｍｍ〜４５ｍｍである。どちらもあまり小さいと赤外線ランプが反射面との十分な距離を保持して挿入できないこと、あまりに大きいと集光鏡方式加熱炉自体の小型化が困難になる可能性があるし、そもそも、赤外線ランプの出力にもよるが、数秒以内に２０００℃以上に加熱する場合でもこの大きさの反射面で十分である。
【００９５】
環状反射面１０６を構成する部材はアルミニウム合金等でよく、安定で熱膨張性が小さく、耐熱性に優れた金属部材からなる。よって、その環状反射面１０６を構成する部材も環状の金属部材であり、赤外線の反射効率が高い金によりメッキされていることが好ましい。このためにその環の中心に石英管等を挿入して、石英管内にて単結晶の生成等を行うことができる。また、ＣＶＤ等の処理を行うことも可能である。
【００９６】
そのような処理が可能なように、該環状金属部材自体の外径が１９０〜２３０ｍｍ、好ましくは２００〜２２０ｍｍ、その厚さは６０〜８０ｍｍ、好ましくは６５〜７５ｍｍ、その中心の穴部分の径は３０〜４０ｍｍである。外径の範囲は中に形成する環状反射面１０６の大きさを反映し、それに金属部材の肉厚等を加えたものであり、厚さも同様に環状反射面１０６の厚さに金属部材の肉厚等を加えたものである。該環状金属部材の中心の穴の外径は中に石英管等の部材を貫通できる大きさが必要である。
【００９７】
環状反射面１０６に設けた上記のスリットは、被加熱物を均一に加熱できるように放物線により形成されており、具体的には、赤外線ランプ１０３と被加熱物を結ぶ線が通過できるように設けられている。そして該スリットの内面にも赤外線が反射できるように環状反射面１０６の表面と共に、赤外線の反射率が高い金等の材料でメッキ等の手段により被覆されている。
そして該スリットは、可能な限り被加熱物まで延ばされることが、より赤外線を被加熱物に照射させるために必要である。このため、環状金属部材のスリットを構成する下部の部分が延びるように形成されている。
【００９８】
効率のよい加熱及び装置の小型化のために、赤外線ランプ１０３と被加熱物中心の最短の直線距離は７０〜９５ｍｍ、好ましくは７５〜９０ｍｍ、スリット上部からは３０〜４０ｍｍである。
この距離が大きくなると効率よい加熱及び小型化が困難になり、小さい場合には、装置の運転、均一な加熱が困難になる可能性がある。
このようなそれぞれの部材等の大きさを考慮すると、本発明の集光鏡方式加熱炉は、水平に設置された被加熱物表面が２０〜７０°の角度で照射される赤外線により加熱されるように構成されるようにすることが好ましい。この角度が３０°未満であると、環状反射面から放射される赤外線を効率よく被加熱物に照射させることができず、赤外線が被加熱物を外れて他の部材に照射されることになる恐れを生じる。またこの角度が７０°以上であると、被加熱物の垂直上に治具を設置したり、ガスを供給する装置を設けることができる空間を確保することが困難になる。
【００９９】
図１０において電源コード１１２を備えた赤外線ランプ１０３は環状反射面の半分ずつに１つ設置されており、赤外線ランプ１０３はその両端において加熱炉に固定されている。このような構成によると、２つの赤外線ランプ１０３を設置した状態において被加熱物に対してほぼ全方向から赤外線の照射を行うことができる。赤外線ランプ１０３は２つでなくてもよく、なるべく全周にわたって赤外線ランプ１０３を設置できる範囲において１つ、あるいは３つ以上に分けて設置されていてもよい。
【０１００】
環状反射面１０６及び環状金属部材は運転中に赤外線ランプからの赤外線を吸収して加熱されるため、集光鏡方式加熱炉には冷却装置を設置することが不可欠である。図８にもどり、環状反射面１０６等の装置に関して説明する。
図８には、環状反射面１０６を構成する環状金属部材を冷却するために、予め環状金属部材の外面に冷却水を通す冷却ジャケット１１３のための溝部を設けておき、取り付けた蓋部材１１４との間で形成された冷却ジャケット１１３を設け、これに冷却水供給パイプ１１５を冷却水供給ポート１１６を介して接続されている。環状金属部材の上面にのみ冷却水を通しているが、環状金属部材の周等の他の部分にも冷却水を通過させる構造を設けてもよい。
【０１０１】
図１１において本発明の集光鏡方式加熱炉１０１の上面を示す。円形を示す集光鏡方式加熱炉１０１の上面には冷却水供給パイプ１１５及び冷却水排水パイプ１１７がそれぞれ冷却水供給ポート１１６及び冷却水排水ポート１１８を介して接続されている。図１１に記載された破線の中で最も大きい区域を取り囲む線は上面からはみえないが環状反射面１０６の位置を示し、その内側の破線で囲まれた区域は冷却ジャケット１１３を示している。
冷却水供給パイプ１１５から冷却水供給ポート１１６を介して冷却ジャケット１１３に供給された水は冷却ジャケット１１３内を流れ、冷却ジャケット１１３内にて環状金属部材を冷却し、次いで冷却水排水ポート１１８を介して冷却水排水パイプ１１７から排出される。
【０１０２】
排水された水が図示されていないラジエータに供給されて、そこで冷却用空気により空冷されることにより冷却される。その冷却された水は再度加熱炉に接続された冷却水供給パイプを介して冷却ジャケットに供給されるという循環経路をたどることになる。
もちろん、ラジエータに供給して循環させずに外部から新たに冷却水を供給してもよいが、冷却水を装置外部から供給するためのパイプを接続する必要が生じるので、加熱炉の配置箇所が制限されかねず、このためラジエータ等の冷却装置を介してポンプにより冷却水を循環させるのが好ましい。
【０１０３】
本発明の第２〜３の集光鏡方式加熱炉において、赤外線ランプ１０３は公知の赤外線ランプを使用できるが、好ましくはハロゲンランプであり、赤外線ランプ１０３はフィラメントにより赤外線を放射する形式であってもよい。
さらに、必要性を鑑みて、例えば赤外線ランプ１０３を環状反射面１０６に固定するための部材に、環状反射面１０６内を冷却するための空気を導入、排出するための開口部を設けることもできる。その場合、冷却用空気は赤外線ランプ１０３と環状反射面との間隙を通過してこれらを冷却できるので、供給された冷却用空気が効率よく冷却に使用されることになる。
【０１０４】
また図示はしないが、本発明の第２〜３の集光鏡方式加熱炉は公知の加熱炉と同様に、フレームカバー内において支持部材により支持された構造を有し、集光鏡方式加熱炉を収納するフレームカバーは天板、前扉、側板、背板、底板からなり、該前扉の開閉により被加熱物等の挿入、取り出しを行う。天板には単結晶を生成する際に使用する石英管等の長尺部材を挿入するための開口部を設けてもよく、また、天板、側板、背板、底板には、赤外線ランプのための電源コード、冷却水の供給、排出のためのパイプ、及び集光鏡方式加熱炉内に処理用気体を流通させるための気体の供給及び排出のためのパイプを通す開口部、赤外線ランプと反射面を共に冷却用空気で冷却する場合には、その冷却用空気を供給、排出するためのパイプを通す開口部を設けることができる。
さらに、フレームカバーに覗き窓を設けると被加熱物を装置外より観察することができる。
本発明の集光鏡方式加熱炉を収納した該フレームカバーは、架台上に設置され得る。架台には加熱炉の電源やコントローラー、ラジエーター、冷却水の循環装置、冷却用空気の供給装置、被加熱物の移動装置等、加熱炉を運転するための各種装置を設置してもよい。
【０１０５】
単結晶育成装置とする際には、模式図である図１２に示すように、環状反射面２０６の環の中心を貫通するように石英管２０７を挿入し、該管内にて多結晶の原料棒２０９と種結晶棒２１０をそれぞれ上下の固定手段２０８に固定しこれを駆動させる。そして、赤外線ランプ２０３から放射された赤外線が環状反射面２０６に反射して、上記多結晶の原料棒２０９と種結晶棒２１０を加熱しつつ、これらの原料棒２０９と種結晶棒２１０が下方に移動しながら単結晶を生成させていくことができる。
このように、本発明では、従来の回転楕円面に赤外線を反射させてなる側方からの加熱を行う装置の構造ではないので、加熱されている被加熱物の側方から被加熱物を確認でき、加熱中においてもＣＶＤ炉や単結晶育成装置の運転状況を把握することが可能である。
【０１０６】
さらに、被加熱物に対して斜め上方より赤外線を照射して加熱するので、赤外線ランプ２０３及び環状反射面２０６の位置を被加熱物の上方に位置させることが可能となり、環状反射面２０６自体の大きさは従来の回転楕円面を採用した場合と比較して小さく、赤外線ランプ２０３及び環状反射面２０６と被加熱物との間をより狭くすることができる。
【０１０７】
このような集光鏡方式加熱炉を用いて処理する方法を示す。例えば図１２において環状反射面２０６が設けられた環状金属部材の中心部の穴に石英管２０７を挿入し、例えば該石英管２０７の下部側の開口端より被加熱物を挿入固定して、赤外線ランプ２０３からの赤外線が放射される位置に固定する。必要により該石英管２０７内を処理気体で置換・気体を供給した状態とし、また、冷却ジャケットに冷却水を供給、流通させ、赤外線ランプ２０３の固定部より赤外線ランプ２０３を冷却するための空気を導入して流通させる。
この状態において、赤外線ランプ２０３の電源を入れて加熱を開始し、温度を管理しながら、所定の処理を行った時点において加熱温度を下げる。処理後には、被加熱物を石英管２０７の下端より取り出し、次の処理工程に向けて搬送を行う。
続いて、加熱処理を行う場合には、冷却のための水や空気の供給はそのまま止めることなく、次の被加熱物を石英管２０７の下端より挿入し、固定した後に加熱を行うものである。もちろん、石英管２０７は必ずしも使用しなくてはならないものではなく、必要により使用の有無を任意に決定することができる。
【０１０８】
本発明の集光鏡方式加熱炉により加熱される被加熱物としては、ガラス、半導体材料、金属、セラミック、樹脂等通常加熱により加工される物であれば対象となる。ＬＳＩ、ＭＥＭＳ等の製造工程の一部等にも使用することが可能である。
具体的には蒸着装置、ＣＶＤ炉、単結晶製造装置等の加熱を伴う装置として使用することができる。
これらの用途によって被加熱物の大きさがある程度決定するが、本発明では任意の大きさの被加熱物を処理可能であり、好ましくは径が５０ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以下、特に好ましくは１５ｍｍ以下が適切である。
そして、被加熱物の形状としては、光が照射される面が平面であればよく、また、本発明の目的を逸脱しない範囲において平面でない面でもよい。
また、本発明の集光鏡方式加熱炉によれば、加熱開始から数秒後には被加熱物表面の温度を２０００℃以上に加熱することができ、被加熱物を加熱処理する速度を向上させることができる。
【図１（ａ）】
2013081107.tif 000003
【図１（ｂ）】
2013081107.tif 000004
【図２】
2013081107.tif 000005
【図３】
2013081107.tif 000006
【図４】
2013081107.tif 000007
【図５】
2013081107.tif 000008
【図６（ａ）】
2013081107.tif 000009
【図６（ｂ）】
2013081107.tif 000010
【図７】
2013081107.tif 000011
【図８】
2013081107.tif 000012
【図９】
2013081107.tif 000013
【図１０】
2013081107.tif 000014
【図１１】
2013081107.tif 000015
【図１２】
2013081107.tif 000016
【国際調査報告】
2013081107.tif 000017
2013081107.tif 000018
2013081107.tif 000019
2013081107.tif 000020