(57)【要約】【課題】  簡易な構成でありながら、装置を高温化することなく基板を均一に加熱して焼成することが可能な焼成炉を提供する。【解決手段】  ステンレス製の炉体１０と、基板１００の下方に配設された複数のランプヒータ１３と、これらのランプヒータ１３の下方に配設された水冷式の冷却プレート１１と、基板１００の上方に配設された複数のランプヒータ１４と、これらのランプヒータ１４の上方に配設された水冷式の冷却プレート１２とを備える。基板１００の加熱時には、断熱板２１の下部に形成された開口部２５および炉体１０の下部に形成された開口部１５から、炉体１０内の焼成空間を介して排気口１７に至る排気流が形成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼成空間内に収納した基板を加熱する焼成炉であって、
前記焼成空間を形成するためのステンレス製の炉体と、
前記焼成空間内において基板を支持する支持部材と、
前記焼成空間内に配設され、前記支持部材により支持された基板を加熱するランプヒータと、
前記炉体の下部に形成された開口部と、
前記炉体の上部に形成された排気口と、
前記開口部から前記排気口へ向かって流動することにより前記ランプヒータにより発生した輻射熱を熱排気する排気流を形成するための排気流形成手段と、
前記焼成空間内に配設され、前記排気流の前記ランプヒータへの接触を抑制する接触抑制部材と、
を備えたことを特徴とする焼成炉。
【請求項２】
請求項１に記載の焼成炉において、
前記接触抑制部材は、水冷式の冷却プレートから構成される焼成炉。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の焼成炉において、
前記支持部材により支持された基板の下方に配設された第１のランプヒータと、
前記第１のランプヒータの下方に配設された第１の接触抑制部材と、
前記支持部材により支持された基板の上方に配設された第２のランプヒータと、
前記第２のランプヒータの上方に配設された第２の接触抑制部材と、
を備える焼成炉。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の焼成炉において、
前記炉体の外周部における前記炉体の表面と所定距離離隔した位置に、断熱板を配設した焼成炉。
【請求項５】
請求項４に記載の焼成炉において、
前記断熱板には開口部が形成され、当該開口部は、前記炉体に形成された開口部から外部に向かって照射される前記ランプヒータからの光が照射されない位置に配置される焼成炉。
【請求項６】
請求項５に記載の焼成炉において、
前記炉体に形成された開口部には、当該開口部を覆う網状部材が付設される焼成炉。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の焼成炉において、
前記排気口から排出される排気流の温度を測定する温度センサを備える焼成炉。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の焼成炉において、
前記支持部材は、基板を支持する支持部と、当該支持部に接続された把持部とを備え、
前記支持部と前記把持部とは、断熱部材を介して接続される焼成炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、焼成空間内に収納した基板を加熱する焼成炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ表示装置用ガラス基板、液晶表示装置用ガラス基板、太陽電池用パネル基板、プラズマディスプレイ用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板、半導体ウエハ等の基板の処理時には、性能向上のため焼成（アニール）を行う必要がある。この焼成を行う場合において、基板を急速に加熱することが必要となる工程においては、ランプヒータを用いたランプアニールが実行される。このようなランプアニールを大気中で実行する場合においては、ランプヒータにより加熱された周辺部品からの熱や、ランプヒータ自身からの熱により、大気が加熱されてその熱がこもり、焼成炉全体が極めて高温となるという問題が生ずる。
【０００３】
このため、炉体として石英槽を用い、炉体内を真空引きして断熱したり、加熱後炉体を窒素ガスでパージして冷却することにより、外部への熱の伝達を減少させる断熱機構が採用されている。
【０００４】
また、特許文献１においては、炉体の内部に、ランプヒータによって被加熱物を加熱処理する加熱室を配置するとともに、熱風供給手段によって炉内に熱風を供給して、炉内を所定温度に昇温させることにより、被加熱物の熱がコンベアに伝導したり、加熱室に流入した外気によって加熱室の温度が低下したりするのを抑制した加熱装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３６３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した石英槽を用いた断熱機構を採用した場合においては、装置が極めて高価となるという問題が生ずる。一方、特許文献１に記載された加熱装置においては、加熱対象物を均一に熱処理することができたとしても、装置全体が高温となることを防止することは不可能である。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成でありながら、装置を高温化することなく基板を均一に加熱して焼成することが可能な焼成炉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】
請求項１に記載の発明は、焼成空間内に収納した基板を加熱する焼成炉であって、前記焼成空間を形成するためのステンレス製の炉体と、前記焼成空間内において基板を支持する支持部材と、前記焼成空間内に配設され、前記支持部材により支持された基板を加熱するランプヒータと、前記炉体の下部に形成された開口部と、前記炉体の上部に形成された排気口と、前記開口部から前記排気口へ向かって流動することにより前記ランプヒータにより発生した輻射熱を熱排気する排気流を形成するための排気流形成手段と、前記焼成空間内に配設され、前記排気流の前記ランプヒータへの接触を抑制する接触抑制部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記接触抑制部材は、水冷式の冷却プレートから構成される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記支持部材により支持された基板の下方に配設された第１のランプヒータと、前記第１のランプヒータの下方に配設された第１の接触抑制部材と、前記支持部材により支持された基板の上方に配設された第２のランプヒータと、前記第２のランプヒータの上方に配設された第２の接触抑制部材と、を備える。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記炉体の外周部における前記炉体の表面と所定距離離隔した位置に、断熱板を配設した。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記断熱板には開口部が形成され、当該開口部は、前記炉体に形成された開口部から外部に向かって照射される前記ランプヒータからの光が照射されない位置に配置される。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記炉体に形成された開口部には、当該開口部を覆う網状部材が付設される。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の発明において、前記排気口から排出される排気流の温度を測定する温度センサを備える。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の発明において、前記支持部材は、基板を支持する支持部と、当該支持部に接続された把持部とを備え、前記支持部と前記把持部とは、断熱部材を介して接続される。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、気流形成手段により形成される排気流により、簡易な構成でありながら、装置が高温化することを防止することができる。また、接触抑制部材の作用により基板を均一に加熱して焼成することが可能となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、断熱板の作用により装置からの放熱の外部への発散を抑制することが可能となる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、ランプヒータからの光が外部に漏洩することを防止することが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明よれれば、外部からの異物が炉体内に侵入することを防止することが可能となる。
【００２０】
請求項７に記載の発明によれば、センサにより測定した排気流の温度に基づいて炉体内の温度を監視することが可能となる。これにより、警告表示等を行うことができ、また、センサにより測定した排気流の温度に基づいて排気流の流量を決定したり、制御したりすることが可能となる。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、断熱部材の作用により、把持部が高温となることを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係る焼成炉の縦断面概要図である。
【図２】この発明に係る焼成炉における炉体１０内の構造を支持部材としてのワークトレイ３０とともに示す斜視図である。
【図３】この発明に係る焼成炉の平面概要図である。
【図４】炉体１０の下部に形成された開口部１５と断熱板２１の下部に形成された開口部２５との配置関係を示す正面図である。
【図５】冷却プレート１１、１２を冷却するための水冷機構を示す概要図である。
【図６】焼成空間においてランプヒータ１３、１４により加熱された基板１００の温度変化を示す昇温プロファイルである。
【図７】基板１００を連続して加熱処理した場合の温度センサ２８により測定して得た排気温度と、そのときの焼成炉が配置された室温との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る焼成炉の縦断面概要図である。図２は、この発明に係る焼成炉における炉体１０内の構造を支持部材としてのワークトレイ３０とともに示す斜視図である。図３は、この発明に係る焼成炉の平面概要図である。なお、図３においては、基板１００が配置される高さ位置から平面視した平面概要を示している。
【００２４】
この発明に係る焼成炉は、太陽電池用のシリコン製角型基板１００（以下、単に「基板１００」という）を加熱することにより焼成するためのものであり、その内部に焼成空間を形成するためのステンレス製の炉体１０と、この焼成空間内において基板１００を支持する支持部材としてのワークトレイ３０と、ワークトレイ３０に支持された基板１００の下方に配設された第１のランプヒータとしての複数のランプヒータ１３と、これらのランプヒータ１３の下方に配設された第１の接触抑制部材としての水冷式の冷却プレート１１と、ワークトレイ３０により支持された基板１００の上方に配設された第２のランプヒータとしての複数のランプヒータ１４と、これらのランプヒータ１４の上方に配設された第２の接触抑制部材としての水冷式の冷却プレート１２とを備える。
【００２５】
複数のランプヒータ１３、１４は、ハロゲンランプより構成される。ランプヒータ１３とランプヒータ１４とは、互いに直交する方向に配設される。これらのランプヒータ１３、１４の外側にはリフレクタ２３（図２参照）が配設される。これらのランプヒータ１３、１４は、ワークトレイ３０により支持される基板１００に対して、上側および下側に配置されることになる。なお、ランプヒータ１３、１４や冷却プレート１１、１２等は、図２に示すフレーム２９により支持されている。
【００２６】
図１に示すように、炉体１０の外周部における炉体１０の表面と所定距離離隔した位置には、ステンレス製の断熱板２１が配設されている。これらの断熱板２１は、略立方体状をなす炉体１０における下面以外の５面に対して配設される。これらの断熱板２１は、スペーサ２２を介して、炉体１０の外周部における炉体１０の表面と所定距離離隔した位置に配設される。
【００２７】
図１に示すように、略立方体状をなす炉体１０の４つの側面の下部には、外気取り込み用の開口部１５が形成されている。この開口部１５には、網状部材１６が付設されている。また、略立方体状をなす炉体１０の４つの側面と対向配置された４枚の断熱板２１の下部には、外気取り込み用の開口部２５が形成されている。
【００２８】
図４は、炉体１０の下部に形成された開口部１５と断熱板２１の下部に形成された開口部２５との配置関係を示す正面図である。
【００２９】
図４に示すように、炉体１０の下部に形成された開口部１５は、断熱板２１の下部に形成された開口部２５より、正面視において低い位置に形成されている。このため、炉体１０に形成された開口部１５から炉体１０の外部に漏れ出したランプヒータ１３、１４からの光は、断熱板２１により遮断され、この光が断熱板２１に形成された開口部２５に照射されることはない。これにより、ランプヒータ１３、１４からの光が焼成炉の外部に漏洩することを防止することが可能となる。
【００３０】
なお、この実施形態においては、炉体１０の下部に形成された開口部１５を、断熱板２１の下部に形成された開口部２５より低い位置に形成することにより、ランプヒータ１３、１４からの光が焼成炉の外部に漏洩することを防止しているが、炉体１０に形成された開口部１５と断熱板２１に形成された開口部２５とを横方向にずらすこと等により、ランプヒータ１３、１４からの光が焼成炉の外部に漏洩することを防止してもよい。
【００３１】
図１に示すように、炉体１０の上部には、排気口１７が形成されている。この排気口１７は、図示を省略した工場排気配管に接続されている。この排気口１７内には、排気口１７を通過する排気流の温度を測定するための温度センサ２８が配設されている。工場排気配管により、この排気口１７から排気を行った場合には、断熱板２１の下部に形成された開口部２５および炉体１０の下部に形成された開口部１５から、炉体１０内の焼成空間を介して排気口１７に至る排気流が形成される。なお、この排気流形成手段として、工場排気配管のかわりに、ファンやブロアー等を利用してもよい。
【００３２】
炉体１０の側面には、炉体１０内の焼成空間に基板１００を挿入するための搬入搬出口１８が形成されている。この搬入搬出口１８の前面には、シャッター１９が配設されている。このシャッター１９は、図１において実線で示す搬入搬出口１８の閉鎖位置と、仮想線で示す搬入搬出口１８の解放位置との間を揺動可能となっている。
【００３３】
図２に示すように、炉体１０内の焼成空間内において基板１００を支持する支持部材としてのワークトレイ３０は、基板１００を支持した状態で、図１に示す搬入搬出口１８を介して炉体１０内に侵入する。このワークトレイ３０は、図２に示すように、枠体３１と基板１００の支持アーム３２とを備え基板１００を支持する支持部と、この支持部に接続されたステンレス製の棒状部材３３、断熱性を有する棒状部材３４およびステンレス製の棒状部材３５とから構成される。ステンレス製の棒状部材３５は、この発明に係る把持部を構成する。断熱性を有する棒状部材３４は、例えば、低熱伝導セラミック等の断熱部材から構成される。基板１００は、このワークトレイ３０における支持部により支持された状態で、炉体１０の搬入搬出口１８を介して、炉体１０内の焼成空間に搬入され、ワークトレイ３０における支持部に支持された状態で加熱される。
【００３４】
図５は、上述した冷却プレート１１、１２を冷却するための水冷機構を示す概要図である。
【００３５】
冷却プレート１１と冷却プレート１２とは、管路４２、４３、４４を介して水冷方式の冷却装置であるチラー４１と接続されている。チラー４１で冷却された冷却水は、管路４２を介して冷却プレート１２に送液され、冷却プレート１２を冷却した後に、管路４３を介して冷却プレート１１に送液される。この冷却水は、冷却プレート１１を冷却した後、管路４４を介してチラー４１に送液され、再度、チラー４１において冷却される。
【００３６】
次に、以上のような構成を有する焼成炉を利用して基板１００を加熱することにより焼成する焼成動作について説明する。
【００３７】
上述した焼成炉を利用して基板１００を焼成する場合においては、最初に、シャッター１９を、図１において仮想線で示す解放位置に移動させる。そして、図２に示すように、ワークトレイ３０を、基板１００を支持した状態で炉体１０における焼成空間内に配置する。この状態においては、ワークトレイ３０における枠体３１が支持部２７により支持される。そして、シャッター１９を図１において実線で示す閉鎖位置に移動させる。このときには、シャッター１９とワークトレイ３０における棒状部材３３と干渉を避けるため、シャッター１９には図示しない切欠等が形成されている。
【００３８】
この状態において、ランプヒータ１３、１４を点灯させ、基板１００を加熱する。このときには、炉体１０内の排気が同時に実行される。すなわち、排気口１７に連結された工場排気配管の作用により、図１および図３において矢印Ｌで示すように、断熱板２１の下部に形成された開口部２５および炉体１０の下部に形成された開口部１５から、炉体１０内の焼成空間を介して排気口１７に至る排気流が形成される。この排気流により、ランプヒータ１３、１４により発生した輻射熱が熱排気され、炉体１０の温度が過度の高温となることが防止される。また、炉体１０の温度がある程度上昇したとしても、炉体１０の表面に対して所定距離離隔した位置に配設された断熱板２１の作用により、焼成炉全体から外部領域への熱の放出を小さなものとすることが可能となる。
【００３９】
このときに、排気口１７から外部に排出される排気流の温度は、温度センサ２８により測定される。そして、温度センサ２８により測定された温度が設定温度以上となったときには、エラーメッセージ等が表示される。なお、排気口１７と工場排気配管との間に、ダンパ等の流量調整機構を設け、温度センサ２８により測定した排気流の温度に基づいて、排気流の流量を制御するようにしてもよい。また、基板１００の焼成を実行する前に、この温度センサ２８により測定された温度に基づいて、排気流の流量設定を行うようにしてもよい。
【００４０】
ワークトレイ３０に支持された基板１００の下方に配設された複数のランプヒータ１３の下方には冷却プレート１１が配設されており、ワークトレイ３０により支持された基板１００の上方に配設された複数のランプヒータ１４の上方には水冷式の冷却プレート１２が配設されている。このため、炉体１０内の焼成空間を通過する排気流が、ランプヒータ１３およびランプヒータ１４に接触することを防止することが可能となる。これにより、ランプヒータ１３およびランプヒータ１４の冷却が防止される。また、これらの冷却プレート１１、１２の作用により、炉体１０内の温度上昇を防止することが可能となる。
【００４１】
このとき、冷却プレート１１はランプヒータ１３に対して基板１００とは逆側に配設されるとともに、冷却プレート１２はランプヒータ１４に対して基板１００とは逆側に配設されている。このため、冷却プレート１１、１２の作用による冷却効果が、ランプヒータ１３、１４による基板１００の加熱作用に影響を与えることはない。
【００４２】
なお、上述した排気流による炉体１０の冷却時には、炉体１０の側面の下部に形成された外気取り込み用の開口部１５を介して外気が取り込まれる。この開口部１５には、上述したように、網状部材１６が付設されている。このため、炉体１０内の焼成空間に外部から異物が侵入することを防止することができ、基板１００を清浄な状態で焼成することが可能となる。
【００４３】
図６は、焼成空間においてランプヒータ１３、１４により加熱された基板１００の温度変化を示す昇温プロファイルである。この図において縦軸は基板１００の温度（°Ｃ）を示し、横軸は時間（秒）を示している。
【００４４】
ランプヒータ１３、１４を点灯させた後、基板１００の温度は摂氏４００度程度まで緩やかに上昇し、その温度が一定時間維持される。そして、時間ｔの間だけランプヒータ１３、１４を最大出力とする。これにより、基板１００の温度は、摂氏８００度程度まで急激に上昇する。しかる後、ランプヒータ１３、１４の出力を下げ、基板１００の温度を緩やかに低下させる。そして、時間Ｔ経過後にランプヒータ１３、１４を消灯して、１サイクルの基板１００の加熱による焼成工程を終了する。なお、上述した時間ｔは、例えば、４秒程度であり、時間Ｔは、例えば、６０秒程度である。
【００４５】
一枚の基板１００に対する加熱処理が終了すれば、シャッター１９を図１において実線で示す位置から仮想線で示す位置まで移動させ、焼成が終了した基板１００をワークトレイ３０とともに炉体１０内の焼成空間から取り出す。このときには、ワークトレイ３０における基板１００の支持部を構成する枠体３１には、ステンレス製の棒状部材３３と、断熱性を有する棒状部材３４と、この発明に係る把持部を構成するステンレス製の棒状部材３５とがこの順で接続されている。このため、断熱性を有する棒状部材３４の作用により把持部としての棒状部材３５の温度が上昇することを防止することが可能となる。このため、オペレータは、棒状部材３５を把持することにより、基板１００を容易に炉体１０内から取り出すことが可能となる。そして、オペレータは、次に焼成すべき基板１００を、ワークトレイ３０を利用して炉体１０内の焼成空間に搬入する。
【００４６】
図７は、基板１００を連続して加熱処理した場合の温度センサ２８により測定して得た排気温度と、そのときの焼成炉が配置された室温との関係を示すグラフである。この図において縦軸は温度（°Ｃ）を示し、横軸は時間（秒）を示している。また、この図において符合Ａはランプヒータ１３、１４を点灯した時点を、符合Ｂは基板１００の搬入・搬出のためシャッター１９を開放した時点を、また、符合Ｃはランプヒータ１３、１４を消灯した時点を示している。
【００４７】
この図に示すように、ランプヒータ１３、１４を点灯することにより排気温度は上昇し、ランプヒータ１３、１４を消灯することにより排気温度は下降する。なお、シャッター１９を開放したときには、炉体１０内におけるランプヒータ１３とランプヒータ１４間の高温の気体が排気されることから、排気温度は一時的に上昇する。このときには、基板１００の加熱処理は終了していることから、これが基板１００の処理結果に影響を与えることはない。
【００４８】
この図に示すように、この発明に係る焼成炉によれば、排気温度の上昇を防止することが可能となる。なお、基板１００の加熱処理をさらに継続した場合、ランプヒータ１３、１４の点灯前における排気流の温度は、摂氏２５度程度の温度で飽和する。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては、この発明を太陽電池用のシリコン製角型基板１００を一枚ずつ加熱することにより焼成する焼成炉に適用した場合について発明したが、この発明を、太陽電池用基板以外の基板を焼成する焼成炉や、多数の基板を一括して焼成する焼成炉に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０    炉体
１１    冷却プレート
１２    冷却プレート
１３    ランプヒータ
１４    ランプヒータ
１５    開口部
１６    網状部材
１７    排気口
１８    搬入搬出口
１９    シャッター
２１    断熱板
２２    スペーサ
２５    開口部
２８    温度センサ
３０    ワークトレイ
３１    枠体
３２    支持アーム
３４    棒状部材
３５    棒状部材
４１    チラー
４２    管路
４３    管路
４４    管路
１００  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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