(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が封止されたガラス材料よりなる発光管内に当該発光管の軸線に沿ってフィラメントが配置されてなる棒状の赤外発光ランプを備えた光放射部を有する熱処理装置において、
前記光放射部は、前記赤外発光ランプの外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路を形成する外管をさらに備えてなる熱源エレメントを複数備えており、前記複数の熱源エレメントの外管の各々には、前記赤外発光ランプの長さ方向における両端に冷却風入口が形成されていると共に、前記冷却風入口の各々から導入される冷却風が前記赤外発光ランプの長さ方向における中央部から排出されるよう、前記赤外発光ランプの長さ方向における中央部のみに冷却風出口が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
両端が封止されたガラス材料よりなる発光管内に当該発光管の軸線に沿ってフィラメントが配置されてなる棒状の赤外発光ランプを備えた光放射部を有する熱処理装置において、
前記光放射部は、前記赤外発光ランプの外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路を形成する外管をさらに備えており、当該外管には、前記赤外発光ランプの長さ方向における一端に冷却風入口が形成されていると共に、他端部側の外周面に冷却風出口が形成されており、
前記赤外発光ランプの長さ方向における当該外管の冷却風出口と前記赤外発光ランプの他端側封止部との間の位置に、遮風部が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物を赤外発光ランプによって熱処理する熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体製造工程における、成膜、酸化拡散、不純物拡散、窒化、膜安定化、シリサイド化、結晶化、イオン注入活性化といった様々なプロセスにおいては、赤外発光ランプによる光照射を用いた熱処理装置が広く用いられている。例えば、特許文献１には、赤外ランプからの光を半導体基板に照射することによって半導体基板を加熱する熱処理装置が開示されている。この熱処理装置においては、赤外発光ランプの表面に冷却風を吹き付けることによって赤外発光ランプを冷却する冷却機構が設けられている。具体的には、赤外発光ランプの上方側に位置される反射板に孔を設け、この孔を介して、赤外発光ランプの中心軸が位置される水平面の法線方向に冷却風を流す構成とされている。
【０００３】
近年では、金属加工分野においても、赤外光を利用した熱処理方法が注目されている。例えば特許文献２には、車体部材に用いられる金属板を赤外線ランプからの光によって加熱する熱処理装置（赤外炉）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２３３３７０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４９１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
而して、例えば金属板などの被処理物の熱処理においては、被処理物を比較的高い温度に加熱することが必要とされる。例えば、従前の半導体基板の熱処理に必要とされる加熱温度は４００℃程度であるのに対して、金属板の熱処理においては、被処理物を１０００℃以上の加熱温度とすることが求められている。このため、金属板などの熱処理において用いられる赤外発光ランプは、高出力なものであることが必要となる。また、半導体基板の熱処理においても、高温の熱処理の要請がある。
【０００６】
赤外発光ランプの高出力化によって、ランプ点灯時における発光管の温度も上昇することとなる。発光管が高温に晒されると、発光管を構成する例えばガラス材料から不純ガス（Ｏ2 ）が発光管内に放出され、この不純ガスによって、例えばタングステンよりなるフィラメントが酸化され、場合によっては断線してしまう、という問題がある。
このような問題を解消するためには、ランプ点灯時における発光管の温度を不純ガスが発生しない程度の温度まで冷却させる必要がある。
しかしながら、例えば特許文献１に記載されるような冷却機構では、赤外ランプにおける冷却風が直接的に吹きつけられる部分は冷却することができるものの、赤外ランプ全体を効率的に冷却することが困難である。また、冷却効率を向上させるためには、大量の冷却風を導入することが考えられるが、単に、冷却風の風量を多くしても、十分な冷却効果が得られないことが明らかになった。
【０００７】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、赤外発光ランプを効率よく冷却することができて、発光管の温度が高くなりすぎることによる不具合が生ずることを回避することのできる熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の熱処理装置は、両端が封止されたガラス材料よりなる発光管内に当該発光管の軸線に沿ってフィラメントが配置されてなる棒状の赤外発光ランプを備えた光放射部を有する熱処理装置において、
前記光放射部は、前記赤外発光ランプの外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路を形成する外管をさらに備えてなる熱源エレメントを複数備えており、前記複数の熱源エレメントの外管の各々には、前記赤外発光ランプの長さ方向における両端に冷却風入口が形成されていると共に、前記冷却風入口の各々から導入される冷却風が前記赤外発光ランプの長さ方向における中央部から排出されるよう、前記赤外発光ランプの長さ方向における中央部のみに冷却風出口が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の熱処理装置は、両端が封止されたガラス材料よりなる発光管内に当該発光管の軸線に沿ってフィラメントが配置されてなる棒状の赤外発光ランプを備えた光放射部を有する熱処理装置において、
前記光放射部は、前記赤外発光ランプの外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路を形成する外管をさらに備えており、当該外管には、前記赤外発光ランプの長さ方向における一端に冷却風入口が形成されていると共に、他端部側の外周面に冷却風出口が形成されており、
前記赤外発光ランプの長さ方向における当該外管の冷却風出口と前記赤外発光ランプの他端側封止部との間の位置に、遮風部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱処理装置によれば、冷却風を赤外発光ランプの外周面における周方向の全周にわたって接触させることができると共に外管による整風作用によって冷却風を赤外発光ランプの外周面に沿って流通させることができるため、赤外発光ランプを効率よく冷却することができる。これにより、発光管内に不純ガス（Ｏ2 ）が発生することを回避することができ、フィラメントが酸化することを防止することができる。しかも、赤外発光ランプの冷却に寄与して高温となった冷却風がその流通方向の下流側に位置される封止部に吹き付けられることが回避されるため、ランプ点灯時において封止部の温度が高くなりすぎることを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱処理装置の一例における構成を概略的に示す、赤外発光ランプの中心軸に沿った断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示す熱処理装置における光放射部を構成する熱源エレメントの構成の一部を示す斜視図である。
【図４】図３に示す熱源エレメントにおける、赤外発光ランプおよび外管の支持構造を説明するための斜視図である。
【図５】本発明の熱処理装置の光放射部を構成する熱源エレメントの他の例における構成を概略的に示す、赤外発光ランプの中心軸に沿った断面図である。
【図６】本発明の熱処理装置の光放射部を構成する熱源エレメントの更に他の例における構成を概略的に示す、赤外発光ランプの中心軸に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の熱処理装置の一例における構成を概略的に示す、赤外発光ランプの中心軸に沿った断面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１に示す熱処理装置における熱源エレメントの構成の一部を示す斜視図である。
この熱処理装置は、例えば金属板などの被処理物Ｗに対して赤外光を照射する光放射部１０を備えている。
【００１３】
光放射部１０は、下方に開口部を有する略直方体の箱型形状の筐体１１を備えている。筐体１１の開口部には、赤外線透過性を有する平板状の窓部材１２が当該開口部を塞ぐよう設けられている。窓部材１２を構成する材料としては、例えば石英ガラスを用いることができる。
【００１４】
筐体１１の内部には、各々棒状の赤外発光ランプ２１および赤外発光ランプ２１の外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路Ｆを形成する外管３０により構成された複数の熱源エレメント２０が配置されている。各々の熱源エレメント２０は、赤外発光ランプ２１の中心軸が同一水平面内において互いに平行に延びるよう、例えば等間隔毎に並列に配置されている。
赤外発光ランプ２１は、両端が封止された発光管２２の内部にフィラメント２５が発光管２２の軸線に沿って配置されてなるフィラメントランプにより構成されている。
【００１５】
この例における熱源エレメント２０は、赤外発光ランプ２１が円筒状の長尺な外管３０の内部に挿入状態で配置されて構成されており、赤外発光ランプ２１の外周面と外管３０の内周面との間に冷却風路Ｆが形成されている。そして、外管３０の一端側開口および他端側開口がそれぞれ冷却風入口３１，３１とされている。また、外管３０の長さ方向における途中位置、例えば長さ方向における中央部には、開口３２が形成されており、当該開口３２が冷却風出口３３とされている。
【００１６】
冷却風路Ｆは、所定の風量の冷却風を流通させることができる大きさとされていればよい。また、外管３０における冷却風出口３３は、その開口面積が冷却風路Ｆの断面積より大きく形成されていればよい。
具体例を示すと、冷却風路Ｆの厚み（発光管２２の外周面と外管２０の内周面との間の距離）は、例えば０．５〜５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１〜３ｍｍである。
冷却風出口３３の軸方向における寸法は、例えば１０〜１５０ｍｍであることが好ましく、より好ましくは３０〜１００ｍｍである。
【００１７】
赤外発光ランプ２１は、例えば石英ガラスなどの透光性材料よりなり、両端に封止部２３ａ，２３ｂが形成された直管状の発光管２２を備えている。発光管２２の内部には、例えばタングステンからなるフィラメント２５がその中心軸が発光管２２の管軸上に位置されて配設されている。フィラメント２５の両端部は、封止部２３ａ，２３ｂに気密に埋設された例えばモリブデンからなる金属箔２６を介して、封止部２３ａ，２３ｂから軸方向外方に突出して延びる外部リード２７に電気的に接続されている。また、発光管２２の内部には、例えば不活性ガスが封入されている。
外管３０は、例えば石英ガラスなどの透光性材料により構成されている。
【００１８】
各々の熱源エレメント２０において、赤外発光ランプ２１は、その両端部がランプ支持部材４０によって支持されて、外管３０の内部に配置されている。
この例においては、図４にも示すように、ランプ支持部材４０として、例えば、赤外発光ランプ２１における発光管２２の外周面に接して当該赤外発光ランプ２１を支持するランプ受容支持部４１を有する板状（ブロック状）のものが用いられている。ランプ支持部材４０が、外管３０の両端部の各々に形成された外周面に開口するランプ支持部材装着用開口部３５に装着されることによって、ランプ受容支持部４１が外管の内部に露出された状態とされる。これにより、赤外発光ランプ２１が外管３０に対して位置決めされた状態でランプ支持部材４０によって支持される。赤外発光ランプ２１は、その中心軸が外管３０の管軸上に位置された状態とされている。
【００１９】
各々の熱源エレメント２０は、外管３０の両端部が外管支持部材４５によって支持されて配置されている。この例においては、外管支持部材４５として、例えばＶ字ブロックが用いられており、外管３０をその管軸が水平に延びる姿勢で支持する。
【００２０】
この熱処理装置においては、光放射部１０を構成する筐体１１の側壁に、熱源エレメント２０における冷却風路Ｆに冷却風を導入する給気ダクト１５が設けられている。具体的には、熱源エレメント２０の長さ方向に位置される互いに対向する一対の側壁の各々に、複数の熱源エレメント２０の各々に対応する複数の給気ダクト１５が設けられている。各々の給気ダクト１５の先端部は、対応する熱源エレメント２０における外管３０の冷却風入口３１（一端側開口および他端側開口）を介して外管３０内に挿入されている。なお、給気ダクト１５は図示しない冷却風供給源に接続されている。
また、光放射部１０を構成する筐体１１の上壁には、各々の熱源エレメント２０から排出された冷却風を光放射部１０の外部に排出するための排気ダクト１６が設けられている。
【００２１】
上記の熱処理装置においては、赤外発光ランプ２１の点灯時において、給気ダクト１５を介して供給される冷却風（図１および図２において白抜きの矢印で示す。）が、各々の熱源エレメント２０における冷却風入口３１より冷却風路Ｆ内に導入される。これにより、冷却風が赤外発光ランプ２１の外周面に沿って軸方向に流通されることで赤外発光ランプ２１が冷却される。冷却風は冷却風出口３３を介して排出され、排気ダクト１６から光放射部１０の外部に排気される。
例えば、赤外発光ランプ２１として出力が７ｋＷであるもの用いたときの冷却条件を示すと、冷却風の風量は、例えば２５０〜１０００リットル／分である。また、一端側の冷却風入口３１および他端側の冷却風入口３１から導入される冷却風の風量は、例えば同じ量である。
【００２２】
而して、上記の熱処理装置においては、赤外発光ランプ２１の外周面に沿ってランプ長さ方向に延びる冷却風路Ｆを形成する外管３０を備えており、外管３０の両端に形成された冷却風入口３１から導入された冷却風が赤外発光ランプ２１の長さ方向における途中位置に形成された冷却風出口３３より排出される構成とされている。これにより、冷却風を赤外発光ランプ２１の外周面における周方向の全周にわたって接触させることができると共に外管３０による整風作用によって冷却風を赤外発光ランプ２１の外周面に沿って流通させることができる。このため、赤外発光ランプ２１を効率よく冷却することができる。従って、例えば金属板の熱処理やその他の比較的高い加熱温度が必要とされる被処理物の熱処理において、赤外発光ランプとして高出力のもの、例えば電力密度が１０Ｗ／ｍｍ以上であるものが用いられる場合であっても、発光管２２の温度が高くなりすぎることによって発光管２２内に不純ガス（Ｏ2 ）が発生することを回避することができ、フィラメント２５が酸化することを防止することができる。しかも、赤外発光ランプ２１の冷却に寄与して高温となった冷却風がその流通方向の下流側に位置される封止部に吹き付けられることが回避される。このため、ランプ点灯時において封止部２３ａ，２３ｂの温度が高くなりすぎることを確実に防止することができ、金属箔１６の酸化などに起因して封止部２３ａ，２３ｂが破損することを回避することができる。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の熱処理装置の光放射部を構成する熱源エレメントの他の例における構成を概略的に示す、赤外発光ランプの中心軸に沿った断面図である。
この熱源エレメント２０ａにおいては、赤外発光ランプ２１が円筒状の長尺な外管３０の内部に挿入状態で配置されて構成されており、赤外発光ランプ２１の外周面と外管３０の内周面との間に冷却風路Ｆが形成されている。外管３０の一端側開口が冷却風入口３１とされている。また、外管３０の他端部の周面に開口３２ａが形成されており、当該開口３２ａが冷却風出口３３とされている。赤外発光ランプ２１および外管３０の支持構造は、上記第１の実施形態に係る熱源エレメント２０と同様である。
【００２４】
この熱源エレメント２０ａにおいては、赤外発光ランプ２１の長さ方向における、冷却風出口３３と赤外発光ランプ２１における他方の封止部２３ｂとの間の位置に、遮風部５０が形成されている。この例においては、赤外発光ランプ２１の長さ方向における、冷却風出口３３と赤外発光ランプ２１における他方の封止部２３ｂとの間の位置に、冷却風路Ｆを閉塞する閉塞部材５１が設けられることによって、遮風部５０が形成されている。
【００２５】
而して、このような熱源エレメント２０ａを備えた熱処理装置においては、赤外発光ランプ２１の点灯時において、給気ダクト１５を介して供給される冷却風が、熱源エレメント２０ａにおける冷却風入口３１より冷却風路Ｆ内に導入される。これにより、冷却風が赤外発光ランプ２１の外周面に沿って軸方向に流通されることで赤外発光ランプ２１が冷却される。赤外発光ランプ２１の冷却によって高温となった冷却風は、遮風部５０を構成する閉塞部材５１によって外管３０の他端側開口に向かって流れることが阻害されて周面に開口する冷却風出口３３を介して排出される。
【００２６】
上記構成の熱源エレメント２０ａを備えた熱処理装置によれば、第１の実施形態に係るものと同様の効果を得ることができる。すなわち、冷却風を赤外発光ランプ２１の外周面における周方向の全周にわたって接触させることができると共に外管３０による整風作用によって冷却風を赤外発光ランプ２１の外周面に沿って流通させることができるため、赤外発光ランプ２１を効率よく冷却することができる。しかも、赤外発光ランプ２１の冷却に寄与して高温となった冷却風がその流通方向の下流側に位置される他方の封止部２３ｂに吹き付けられることが遮風部５０によって回避されるため、ランプ点灯時において封止部２３ａ，２３ｂの温度が高くなりすぎることを確実に防止することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、熱源エレメントは、図６に示すように、２つの外管３０ａ，３０ｂが、赤外発光ランプ２１の長さ方向における途中位置が外部に露出されるよう、離間して配置された構成とされていてもよい。この熱源エレメント２０においては、一方の外管３０ａの一端側開口および他方の外管３０ｂの他端側開口が冷却風入口３１とされる。また、一方の外管３０ａの他端側開口および他方の外管３０ｂの一端側開口が冷却風出口３３とされる。
【００２８】
以下、本発明の効果を確認するための実験例について説明する。
【００２９】
＜実験例１＞
図１および図２に示す構成に従って、本発明に係る熱処理装置を作製した。この熱処理装置における赤外発光ランプの仕様は、ランプ定格電圧が３６０Ｖ、ランプ電力が７ｋＷ（電力密度が１３Ｗ／ｍｍ）、発光長が５４０ｍｍ、全長が約８００ｍｍである。
発光管の材質は石英ガラスであり、発光管の外径はφ１３ｍｍ、内径はφ１０．５ｍｍである。封止部はピンチシール法によって形成し、金属箔としてはモリブデン箔を用いた。
外管は、全長が９５０ｍｍ、外径がφ２３ｍｍ、内径がφ２０ｍｍである。冷却風出口を構成する開口は、外管の長さ方向における中央位置に形成した。当該開口のランプ長さ方向の寸法は１００ｍｍ、開口面積は約２０００ｍｍ2 である。冷却風路の厚みは３．５ｍｍである。熱源エレメントの数は３０本である。
【００３０】
この熱処理装置について、各々の熱源エレメントに対して冷却風を２８０リットル／分の風量（一方の冷却風入口および他方の冷却風入口より供給される冷却風の風量は１４０リットル／分）で冷却風路に供給しながら、赤外発光ランプを所定電圧値の入力電圧で連続点灯させたときの、冷却風による赤外発光ランプの冷却機能についての評価を行った。
赤外発光ランプの冷却機能についての評価は、すべての赤外発光ランプについて、発光管（直管状部分）の最大温度が８００℃未満であり、封止部の温度が３００℃未満である場合を「○」、いずれかの赤外発光ランプの発光管の最大温度が８００℃以上である場合、あるいはいずれかの赤外発光ランプの封止部の温度が３００℃以上である場合を「×」とした。発光管についての温度基準は、発光管を構成する石英ガラスから不純ガスが発生するときの温度に基づいて設定されたものである。また、封止部についての温度基準は、封止部の耐熱温度に基づいて設定されたものである。温度測定は、温度測定は各々の測定箇所に熱電対を取り付けて行った。結果を下記表１に示す。
【００３１】
＜比較実験例１＞
冷却風路を形成する外管を設けなかったことの他は実験例１と同一の構成を有する比較用の熱処理装置を作製した。
この熱処理装置について、赤外発光ランプの点灯時において、冷却風を１３００リットル／分の風量で供給したことの他は実験例１と同様にして、冷却風による赤外発光ランプの冷却機能について評価を行った。結果を下記表１に示す。
【００３２】
＜比較実験例２＞
外管における赤外発光ランプの長さ方向の途中位置に冷却風出口を構成する開口を形成せずに、外管の一端側開口を冷却風入口とし、外管の他端側開口を冷却風出口としたことの他は実験例１と同一の構成を有する比較用の熱処理装置を作製した。
この熱処理装置について、実験例１と同様の方法により、冷却風による赤外発光ランプの冷却機能について評価を行った。結果を下記表１に示す。
【００３３】
【表１】
0006720511.tif 000002
【００３４】
以上の結果から明らかなように、実験例１に係る熱処理装置においては、冷却風の供給量を増大させることなく、赤外発光ランプを効率よく冷却することができることが確認された。
一方、冷却風路を形成する外管を有さない比較実験例１に係る熱処理装置においては、大量の冷却風を供給しているにも拘わらず、十分な冷却効果を得ることができないことが確認された。また、外管の他端側開口を冷却風出口とした比較実験例２に係る熱処理装置においては、冷却風出口側に位置される封止部の温度が高くなりすぎ、十分な冷却効果を得ることができないことが確認された。
【符号の説明】
【００３５】
１０    光放射部
１１    筐体
１２    窓部材
１５    給気ダクト
１６    排気ダクト
２０    熱源エレメント
２０ａ  熱源エレメント
２１    赤外発光ランプ
２２    発光管
２３ａ  封止部
２３ｂ  封止部
２５    フィラメント
２６    金属箔
２７    外部リード
３０    外管
３０ａ  一方の外管
３０ｂ  他方の外管
３１    冷却風入口
３２    開口
３２ａ  開口
３３    冷却風出口
３５    ランプ支持部材装着用開口部
４０    ランプ支持部材
４１    ランプ受容支持部
４５    外管支持部材
５０    遮風部
５１    閉塞部材
Ｆ      冷却風路
Ｗ      被処理物
【図１】
0006720511.tif 000003
【図２】
0006720511.tif 000004
【図３】
0006720511.tif 000005
【図４】
0006720511.tif 000006
【図５】
0006720511.tif 000007
【図６】
0006720511.tif 000008