JPH0663024B2 - 真空加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、真空中で加熱物を加熱して熱処理する真空加
熱装置に関する。

【従来の技術】

従来の真空加熱装置は、真空ポンプを備えるチェンバー
の中に加熱物を収納し、その周囲に配置された抵抗加熱
ヒーターや高周波加熱ヒーターにより、加熱物を加熱す
る構造を有する。通常、ヒーターの周りには反射板が配
置され、ヒーターから発生した熱が効率よく加熱物に照
射されるよう設計されている。 従来の真空加熱装置の中で、現在最も優れている装置
は、加熱物を最高１２００℃まで加熱した状態で得られ
る真空度は最高１０^−６Torrである。 今日における半導体技術や薄膜形成技術の進展に伴い、
材料を超高真空中において高い温度で熱処理する技術が
要求されている。このような技術を生産ラインに適用す
る場合、処理サイクルの時間ができるだけ短いことが要
求される。そのためには例えば、（ａ）チェンバーを必
要な真空度にまで到達させる時間、（ｂ）加熱物を必要
な温度まで加熱する時間、（ｃ）加熱された加熱物を常
温まで戻す時間等ができるだけ短いことが必要である。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、前記従来の形式の真空加熱装置の場合、
チェンバーの中にヒーターや反射板が配置されるため、
チェンバー内にガス分子を放出する壁面々積が増大する
うえ、チェンバーが総体的に大型化し、必要な真空度に
到達する迄に長い時間がかかる。さらに、ヒーターによ
って、加熱物のみならず、反射板やチェンバーの壁面が
加熱されることから、加熱物を加熱するまでに長い時間
を要すると同時に、加熱されたこれら反射板やチェンバ
ーの壁面から熱によってガス分子が放出されるため、加
熱状態下での高真空の達成はきわめて困難である。ま
た、加熱せずに常温で減圧を開始した後、ヒーターを発
熱させて加熱物の加熱を開始すると、その時点から前記
反射板やチェンバーの壁面からガス分子が急に放出され
るため、真空度が低下し、その後必要な真空度が得られ
ない。 第３図は、排気開始後の時間とチェンバーの真空到達度
の関係の一例を示すグラフである。壁面のガス分子の放
出が少ない理想的なチェンバーでは、時間の経過と共に
その中の真空度は直線的に高くなる。しかし実際には、
予め充分ベーキングされたチェンバーの壁面であって
も、真空度の低下に伴い、チェンバー壁面等からのガス
分子の放出が起こるため、常温においてもグラフ（１５
℃）のように、真空度が高くなるに従って、真空度の勾
配は次第に鈍る。さらに、チェンバーの壁面を加熱した
場合は、真空度が高くなると、それだけチェンバーの壁
面等からのガス分子の放出が相対的に大となるため、排
気しても真空度の勾配が相当鈍くなり、排気手段の能力
が充分でないときは、加熱開始前より真空度が相当悪く
なる。 このため、従来のように、加熱物を１０００℃以上の温
度に加熱する場合、チェンバーの到達真空度は、せいぜ
い１０^−６Torrが限界であった。 さらに、従来の装置では、加熱物を抵抗加熱方式のヒー
ターにより直接加熱しているため、その加熱熱量を大き
くとるために、ヒーターに大電流を流す必要がある。こ
のため、配線の抵抗による加熱を考慮して、チェンバー
の内外を通す電源配線や端子類を大型化しなければなら
ない。この点でもチェンバーの容積の大型化を招き、到
達真空度が低くなる原因となっていた。 これに加え、前記従来の形式の真空加熱装置の場合、加
熱物を加熱した後、これを室温まで冷却するのに、自然
放冷による冷却が行なわれていたため、１０００℃以上
の温度に加熱された加熱物を室温まで冷却するのに、数
十時間という長い時間がかかっていた。これは、真空状
態に維持されたチェンバーの中では、放熱が輻射による
ものにのみ得られるのに加え、その周囲に設置された反
射鏡がこの熱輻射を阻むため、単位時間当りの放熱量が
極端に小さいことによる。 そこで、加熱物の加熱後、チェンバーに冷却ガスを導入
し、このガスで加熱物の熱を吸収することも行なわれて
いる。しかしがこの場合は、その都度チェンバーの真空
状態を破って、チェンバーを大気圧に戻さなければなら
ず、再減圧に長い時間を要してしまうという課題があっ
た。 本発明は、前記従来の課題を解消して、加熱物を１００
０℃以上の温度に加熱しながら、なおかつチェンバーを
高真空に維持することができ、しかも加熱物の加熱後
は、加熱物を速やかに冷却して取り出しが可能なる真空
加熱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】

すなわち、前記目的を達成するため、本発明では、加熱
物ａが収納されるチェンバー１と、該チェンバー１を減
圧する排気手段と、前記加熱物ａを加熱する手段とを備
える真空加熱装置において、耐熱性を有し、加熱物ａを
保持する保持部３と、該保持部３を介して前記加熱物ａ
を加熱すると共に、同保持部３により前記チェンバー１
と気密に仕切られた空間側に配置された加熱手段と、前
記チャンバ１内にあって、保持部３上の加熱物ａに接
近、離間する吸熱ブロック２３と、該吸熱ブロック２３
を冷却すると共に、前記チェンバー１と気密に仕切られ
た空間側に配置された冷却手段とを有することを特徴と
する真空加熱装置を提供する。

【作用】

前記本発明による真空加熱装置では、加熱物ａを加熱す
るとき、この加熱物ａから吸熱ブロック２３を離した状
態で、加熱手段により、保持部３を介して加熱物ａ加熱
する。このとき、加熱手段は、加熱物ａが配置されたチ
ェンバー１とは保持部３により気密に仕切られているた
め、保持部３からの熱放射以外は、加熱物ａが配置され
たチェンバー１に熱的な影響が殆ど及ばない。しかも、
吸熱ブロック２３により、チャンバー１内が冷却される
ため、チャンバー１の壁面からのガス放出が抑えられ、
その中を容易に高真空に維持することができる。 そして、加熱終了後この吸熱ブロック２３を保持部３上
の加熱物ａに接近させる。すると、保持部３の熱が吸熱
ブロック２３に吸収され、さらにこの熱が吸熱ブロック
２３を介して冷却手段に奪われる。このため、加熱物ａ
が保有する熱が吸熱ブロック２３を介して放熱され、チ
ェンバーの真空状態を維持したまま短時間で加熱物ａを
冷却することができる。 また、加熱手段へ電力を供給するための配線を、保持部
３で分離されたチェンバー１の外側で配線することがで
きるので、配線も大型にならない。

【実施例】

次に、図面を参照しながら、本発明の実施例について詳
細に説明する。 第１図で示すように、図示の実施例では、加熱物ａが配
置される第一のチェンバー１と、これに隣接する第二の
チェンバー２とを備える。第一のチェンバー１は、フラ
ンジ６を介して排気手段であるところのターボ分子ポン
プ等の真空ポンプ１８に接続され、この真空ポンプ１８
での排気により、同第一のチャンバー１の中が減圧され
る。また、第二のチェンバー２は、円筒形の第一の隔壁
１９とこれに連続する第二の隔壁２０及び前記第一の隔
壁１９の上端を塞ぐように取り付けられた円板状の保持
部３とにより、前記第一のチェンバー１と気密に区画さ
れている。 前記第一のチェンバー１の隔壁及び第二のチェンバー２
の第二の隔壁２０は、比較的熱伝導良好な例えばアルミ
ニウム等で形成されており、第二のチェンバー２の第一
の隔壁１９は、これより熱伝導の悪い例えばチタンやス
テンレス等で形成されている。第１図と第２図で示され
た保持部３は、モリブデン等の導電性高融点材料からな
る円板状のもので、円筒形の隔壁１９の上端面を閉じる
ように取り付けられている。 前記第第一のチェンバー１の保持部３の真上に立ち上が
った円筒部の上面にフランジ７が形成され、このフラン
ジ７にガスケットを介して別のフランジ２２が取り付け
られ、これにスクリューシャフト１０が螺合されてい
る。同スクリューシャフト１０の上端には、これを手動
回転させるためのハンドル１１が取り付けられ、同シャ
フト１０の下端には、吸熱ブロック２３が取り付けら
れ、これが保持部３の真上に配置されている。この吸熱
ブロック２３は、アルミニウムや銅等の熱伝導良好な金
属で形成され、スクリューシャフト１０を最も下げたと
き、その下面の周囲から下方に突出された先端部分が、
保持部３の周辺部に接触する。スクリューシャフト１０
を囲むようにしてベローズ９が設けられ、その上端と下
端とがフランジ２２と吸熱ブロック２３に各々固着され
ている。これにより、ベローズ９の中は、チェンバー１
に対して気密に仕切られている。前記フランジ２２に冷
却水の導入パイプ８ａと排出パイプ８ｂとが取り付けら
れ、これらがベローズ９の中に導入されている。さら
に、これらパイプ８ａ、８ｂは、冷却器２１に接続され
ている。チェンバー１の前記保持部３の側方には、ビュ
ーイングポート１２が設けられ、ここで保持部３の状態
を監視することができる。 他方、第二のチェンバー２側には、電源１５で与えられ
る電流により、熱電子を放出する電子銃４が配置されて
おり、電源１５と電子銃４との接続は、チェンバー２の
下端に設けた端子１３、１３′を介して行なわれてい
る。この電子銃４の下には、負電圧に印加された反射板
５が配置されていると共に、前記保持部３は正電圧に維
持され、前記電子銃４との間に加速電圧２４が印加され
る。これにより前記電子銃４から発射された熱電子は、
保持部３側にのみ放出される。電子銃４から放出された
熱電子が保持部３の下面に入射すると、熱電子の衝撃エ
ネルギーにより、保持部３が加熱される。その時の熱量
は、電子銃４に与えられる電流と電子銃４に対して保持
部３に加えられる加速電圧との積に比例する。 この装置を使用して加熱物ａを加熱する場合は、まず保
持部３の上に加熱物ａを載せ、真空ポンプ１７、１８を
作動させて第一と第二のチェンバー１、２を各々排気、
減圧する。そして、各々のチェンバー１、２が適当な真
空度に達したとき、電子銃４に電流を流すと共に、保持
部３と電子銃４との間に加速電圧を印加することによ
り、保持部３を電子衝撃により加熱し、その上の加熱物
ａを加熱する。 このとき、吸熱ブロック２３は、第１図及び第２図で示
すように、保持部３から離しておく。また、ベローズ９
の中にパイプ８ａ、８ｂを通して冷却器２１から冷却水
を循環させて、吸熱ブロック２３を予め冷却しておく。 前記加熱物ａの加熱処理を終わり、これを冷却するとき
は、まず電子銃４への電流の供給を停止し、さらにスク
リューシャフト１１を回転して吸熱ブロック２３を下
げ、これを保持部３に接触させる。すると、加熱物ａ及
び保持部３の熱が吸熱ブロック２３に吸収され、これが
ベローズ９の中に循環する冷却水に吸収されて、チェン
バー１の外の冷却器２１側に送られる。このため、加熱
物ａ及び保持部３の温度が急激に低下し、これらを室温
まで短時間に冷却できる。 第１図に示す装置において、最大径φ７０、厚さ１０ｍ
ｍのモリブデン製保持部３の上に、６０φ、厚さ５ｍｍ
のシリコン製加熱物ａを載せて加熱処理する場合におい
て、第一のチェンバー１を予め１０^−１０Torrまで減圧
した状態で保持部３の加熱を開始すると、保持部３の温
度が１２００℃に達するまでに第一のチェンバー１の真
空度は、約１０^−７Torrまで低下する。しかし、そのま
ま加熱を続けながら、第一のチェンバー１を減圧する
と、３分程で再び１０^−９Torrの真空度に戻る。さら
に、加熱物ａの加熱終了後、吸熱ブロック２３を保持部
３に接触させると、加熱物ａを１２００℃から常温まで
約５分で冷却することができる。 これは、実際の処理サイクルの一例であるが、前記装置
を用いた場合、保持部３を１５００℃まで加熱した状態
で、第一のチェンバー１を、１０^−８Torrの真空度とす
ることが可能である。この場合、第二のチェンバー２
は、電子衝撃により、保持部３を加熱できる程度の１０
^−６Torr以上の真空度に維持されていればよい。 第４図に、本発明の他の実施例を示す。ここでは、保持
部３′はセラミクスからなる凹形の容器状となってお
り、この中に加熱物が収納される。また、熱源として
は、前述のような電子銃の代わりに、主として輻射によ
る熱伝導手段を用いる場合で、フィラメントは、前記保
持部３′の外側を囲むように形成されている。 本発明は、以上説明した実施例に限られず、例えば、第
二のチェンバー２は、真空ポンプ１７等の排気手段を備
えるものに限られず、電子衝撃により、保持部３を加熱
できる真空状態が得られれば、例えばガラス等に真空状
態を封じ込めた真空管であってもよい。さらに、加熱手
段は、電子銃の他、抵抗加熱や高周波加熱手段を採用す
ることもできる。この場合は、第二のチェンバー２は必
ずしも必要ではなく、加熱手段を大気圧中に置くことも
可能である。吸熱ブロック２３を冷却する手段も、ベロ
ーズ９を用いた冷却水の循環系を用いているが、例え
ば、ヒートパイプをチェンバー１の中に導入して冷却す
る等、他の冷却手段を採用しても差し支えない。また、
図示の実施例では、手動操作を前提とする装置に具体化
されているが、当然のことながら、一連の操作が自動化
された装置にも適用できる。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、加熱物ａを高温に
加熱しながら、同加熱物ａが配置されたチェンバー１を
１０^−９Torrという高真空に維持することが可能であ
る。さらに、加熱終了後は、加熱物を速やかに冷却して
取り出すことが可能であるため、加熱物ａの加熱処理が
能率よく行える。また、チェンバー１の小型化が可能と
なり、必要な真空度まで減圧する時間を短縮することが
可能な真空加熱装置を提供することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す要部断面図、第２図
は、同実施例の要部拡大断面図、第３図は、真空加熱装
置における排気時間と到達真空度の関係の例を示すグラ
フ、第４図は、本発明の他の実施例を示す要部拡大断面
図である。 １…第一のチェンバー、２…第二のチェンバー、３、
３′…保持部、４…電子銃、２１…冷却器、２３…吸熱
ブロック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱物ａが収納されるチェンバー１と、該
   チェンバー１を減圧する排気手段と、前記加熱物ａを加
   熱する手段とを備える真空加熱装置において、耐熱性を
   有し、加熱物ａを保持する保持部３と、該保持部３を介
   して前記加熱物ａを加熱すると共に、同保持部３により
   前記チェンバー１と気密に仕切られた空間側に配置され
   た加熱手段と、前記チャンバ１内にあって、保持部３上
   の加熱物ａに接近、離間する吸熱ブロック２３と、該吸
   熱ブロック２３を冷却すると共に、前記チェンバー１と
   気密に仕切られた空間側に配置された冷却手段とを有す
   ることを特徴とする真空加熱装置。