特許 7198434 加熱処理方法及び光加熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-21

(45)【発行日】2023-01-04

(54)【発明の名称】加熱処理方法及び光加熱装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/26 20060101AFI20221222BHJP

   H05B 3/00 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

H01L21/26 F

H05B3/00 310B

H05B3/00 370

H01L21/26 T

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019060462

(22)【出願日】2019-03-27

(65)【公開番号】P2020161677

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2021-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】溝尻 貴文

(72)【発明者】

【氏名】上嶋 由紀夫

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０２７００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０２０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４１８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５３６０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０７７０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６０５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２４４００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２６

Ｈ０５Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱ランプ及びＬＥＤの双方に対して電力を供給し、前記加熱ランプから出射される光と、前記ＬＥＤから出射される光とを照射して加熱対象物を昇温させる工程（Ａ）と、
前記工程（Ａ）の実行後、前記加熱ランプに供給する電力を低下させる工程（Ｂ）と、
前記工程（Ｂ）の実行後、前記ＬＥＤに供給する電力を低下させることで、前記加熱対象物を降温させる工程（Ｃ）とを含むことを特徴とする加熱処理方法。

【請求項2】

前記工程（Ｂ）は、前記加熱対象物の温度を所定の温度範囲内に維持する工程であることを特徴とする請求項１に記載の加熱処理方法。

【請求項3】

前記工程（Ｂ）は、所定の時刻から前記工程（Ｃ）の開始前の間にわたって、前記ＬＥＤに供給する電力を維持する工程を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の加熱処理方法。

【請求項4】

前記工程（Ａ）は、昇温開始時から所定時間にわたって、前記加熱ランプから出射される光の強度よりも、前記ＬＥＤから出射される光の強度が高い期間を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の加熱処理方法。

【請求項5】

加熱ランプと、
ＬＥＤと、
前記加熱ランプと前記ＬＥＤに供給する電力を制御する制御部と、
加熱対象物を支持するための支持部材とを備え、
前記制御部は、
前記加熱ランプと前記ＬＥＤの双方に対して電力を供給する第一制御と、
前記第一制御の実行後に前記加熱ランプに供給する電力を低下させる第二制御と、
前記第二制御の実行後に前記ＬＥＤに供給する電力を低下させる第三制御を実行することを特徴とする光加熱装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記第二制御において、所定の時刻から前記第三制御の開始前の間にわたって、前記ＬＥＤに供給する電力を維持する制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の光加熱装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記第一制御において、昇温開始時から所定時間にわたって、前記加熱ランプから出射される光の強度よりも、前記ＬＥＤから出射される光の強度が高い期間を有するように制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の光加熱装置。

【請求項8】

前記加熱対象物の温度を測定する温度計を備え、
前記制御部は、前記温度計が測定した前記加熱対象物の温度が所定の温度に達したことを検知すると、前記第一制御から前記第二制御に切り替えることを特徴とする請求項５～７のいずれか一項に記載の光加熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加熱処理方法及び光加熱装置に関し、特に二つの異なる光源を用いた加熱処理方法及び光加熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、シリコンウェハの加熱処理には、加熱ランプによる光加熱装置が主に用いられているが、近年では、加熱ランプよりも省電力であり、加熱に適した光のスペクトルを選択できるといった特徴から、光源にＬＥＤを用いた加熱装置も検討されている。

【0003】

例えば、下記特許文献１には、シリコンウェハに対して吸収率の高い波長の光を出射するＬＥＤと、ハロゲンランプとを組み合わせた光源による光加熱装置の構成が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２０１４－５０２０１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

最近の半導体製造業においては、一つの製造拠点において年間で数十万から数百万枚ものシリコンウェハが製造されており、一枚ごとの処理にかかる時間が一秒でも短い製造装置や処理装置が期待されている。また、シリコンウェハ（以下、その他の加熱対象となるものも含めて「加熱対象物」と称する。）の加熱処理工程（例えば、成膜工程やエッチング工程等）においては、加熱処理に必要な時間よりも長く高温状態が維持されると、加熱対象物において意図しない化学反応等が起こってしまうことがあり、特に急速に降温できる光加熱装置が期待されている。

【0006】

ところが、ハロゲンランプ等の加熱ランプによる光加熱装置は、供給された電力の変化が出射する光強度の変化として表れる応答特性（以下、単に「応答性」という。）が遅く、さらに、構成するガラスやフィラメントの熱容量が大きいことから、応答性を速めることには限界があり、昇降温を速めることが困難であった。

【0007】

そこで、本発明者らは、加熱ランプよりも応答性が速く、ガラスやフィラメントを構成要素としないＬＥＤを用いることによって、加熱対象物を昇降温させる時間の短縮を検討したところ、下記の課題が存在することを見出した。以下、図面を参照しながら説明する。

【0008】

まず、加熱ランプの一例としてのハロゲンランプとＬＥＤの応答性の違いを説明する。図１０Ａは、電力供給を開始した時点（昇温時）のハロゲンランプとＬＥＤの出射光量の変化を示すグラフであり、図１０Ｂは、点灯状態から電力供給を停止した時点（降温時）のハロゲンランプとＬＥＤの出射光量の変化を示すグラフである。

【0009】

図１０Ａが示すように、電力供給開始時において、ハロゲンランプは、最大出力の９０％に到達するのに約０．５秒を要している。それに対して、ＬＥＤは約０．０２秒で最大出力に到達している。また、図１０Ｂが示すように、電力供給停止時について、ハロゲンランプは、最大出力から最大出力の１０％まで低下するのに約０．４秒を要している。それに対して、ＬＥＤは約０．０１秒でほぼ０％となっている。

【0010】

このことからわかるように、ＬＥＤは、ハロゲンランプに対して応答性が速いため、光加熱装置の加熱用の光源としてＬＥＤを用いることは、処理工程の時間短縮に非常に有効であると考えられる。

【0011】

ところが、ＬＥＤは、電力を供給しすぎると自己発熱によって消灯や破壊が起きてしまうことから、供給できる電力に限界がある。そのため、ＬＥＤのみで構成された光加熱装置は、ハロゲンランプで構成された光加熱装置が出射する光と同等のエネルギーの光を出射することができない。ＬＥＤのみで構成された光加熱装置は、例えば、シリコンウェハの成膜処理工程等においては、シリコンウェハを約８００℃付近まで昇温させる必要があるところ、約４００～５００℃までしか昇温できない。

【0012】

そこで、ＬＥＤの速い応答性を活用しつつ、高い温度まで加熱対象物を昇温させるべく、上記特許文献１のように、ＬＥＤとハロゲンランプ等の加熱ランプとを組み合わせることが考えられる。

【0013】

しかしながら、単純に加熱ランプとＬＥＤを組み合わせただけでは昇降温時間の短縮にはつながらない。特に降温時間は、ハロゲンランプの遅い応答性があるため、降温時間を短縮させるためには、ハロゲンランプの影響を受けず、ＬＥＤの応答性によって急速に降温できるように、それぞれの光源を適切に制御する必要がある。

【0014】

本発明は、上記課題に鑑み、加熱ランプとＬＥＤを組み合わせた光源によって、加熱対象物を急速に昇降温させる加熱処理方法及び光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】

【0015】

本発明の加熱処理方法は、
加熱ランプ及びＬＥＤの双方に対して電力を供給し、前記加熱ランプから出射される光と、前記ＬＥＤから出射される光とを照射して加熱対象物を昇温させる工程（Ａ）と、
前記工程（Ａ）の実行後、前記加熱ランプに供給する電力を低下させる工程（Ｂ）と、
前記工程（Ｂ）の実行後、前記ＬＥＤに供給する電力を低下させることで、前記加熱対象物を降温させる工程（Ｃ）とを含むことを特徴とする。

【0016】

加熱対象物を昇温させる工程（Ａ）は、加熱ランプとＬＥＤの双方に対して電力を供給し、両方の光源からの光を加熱対象物に照射させて加熱対象物を所定の温度まで昇温させる。昇温開始直後は、ＬＥＤの応答性の速さによって、ＬＥＤから出射される光で昇温可能な温度まで急速に昇温される。そして、加熱ランプの出力が徐々に大きくなってくると、ＬＥＤによって昇温されている温度から、加熱ランプによって出射される光によってさらに昇温され、最終的に加熱ランプとＬＥＤの双方から出射される光によって目標温度付近まで昇温される。

【0017】

上記の方法によれば、加熱ランプとＬＥＤの双方から出射される光によって加熱対象物を昇温させることで、ＬＥＤの速い応答性によって昇温開始直後の昇温が速まり、目標温度に到達するまでの昇温時間が短縮される。

【0018】

工程（Ａ）によって、所定の温度に到達した後、もしくは所定の温度に達すると想定される時間が経過した後は、加熱ランプに供給する電力を低下させる工程（Ｂ）を行い、加熱ランプが出射する光の強度を低下させる。

【0019】

工程（Ｂ）の実行後、工程（Ｃ）は、ＬＥＤに供給する電力を低下させ、ＬＥＤが出射する光の強度を低下させることで加熱対象物を降温させる。かかる方法によれば、降温時にはすでに加熱ランプの出力が低下しているため、加熱対象物が加熱ランプの遅い応答性の影響を受けることなく、ＬＥＤの速い応答性によって降温され、降温時間が短縮される。

【0020】

なお、工程（Ｂ）における、「加熱ランプに供給する電力を低下させる」とは、加熱ランプに対して供給する電力を制御して小さくする方法であってもよく、電力を停止させる方法や、スイッチによって供給経路を遮断する方法であってもよい。また、工程（Ｃ）における、「ＬＥＤに供給する電力を低下させる」についても同様である。

【0021】

上記加熱処理方法において、
前記工程（Ｂ）は、前記加熱対象物の温度を所定の温度範囲内に維持する工程であっても構わない。

【0022】

また、上記加熱処理方法において、
前記工程（Ｂ）は、所定の時刻から前記工程（Ｃ）の開始前の間にわたって、前記ＬＥＤに供給する電力を維持する工程を含んでいても構わない。

【0023】

加熱対象物の加熱処理、例えば、加熱対象物（シリコンウェハ）の成膜処理のような工程では、成膜処理を進行させるために、昇温させた加熱対象物を約６００℃以上や８００℃以上といった温度範囲内で所定の時間だけ維持させる必要がある。この場合、加熱対象物の温度が下がらないように、エネルギーを供給し続けなければならない。

【0024】

しかしながら、加熱対象物の温度を維持する場合は、昇温させる場合とは異なり、加熱対象物から放出される熱エネルギーに相当するエネルギーの光を照射すれば、加熱対象物の温度を維持することができるため、昇温時と同等のエネルギーを必要とはしない。例えば、上記方法のように、所定の時刻から工程（Ｃ）の開始前の間にわたって、ＬＥＤに供給する電力が維持する工程を含むことでも、加熱対象物の温度を維持することができる。

【0025】

なお、上述のとおり、加熱対象物から放出される熱エネルギーに相当するだけの光を照射できればよいため、ＬＥＤに供給する電力は、工程（Ａ）で供給していた電力と同じ電力で維持されなくても構わない。

【0026】

上記加熱処理方法において、
前記工程（Ａ）は、昇温開始時から所定時間にわたって、前記加熱ランプから出射される光の強度よりも、前記ＬＥＤから出射される光の強度が高い期間を有する工程であっても構わない。

【0027】

工程（Ａ）が、昇温開始時において、加熱ランプよりもＬＥＤの光の強度が高い期間を有することで、昇温開始時は、ＬＥＤから出射される光によって急速に昇温されるため、目標温度に到達するまでの昇温時間が短縮される。

【0028】

本発明の光加熱装置は、加熱対象物を加熱するための装置であって、
加熱ランプと、
ＬＥＤと、
前記加熱ランプと前記ＬＥＤに供給する電力を制御する制御部と、
前記加熱対象物を支持するための支持部材とを備え、
前記制御部は、
前記加熱ランプと前記ＬＥＤの双方に対して電力を供給する第一制御と、
前記第一制御の実行後に前記加熱ランプに供給する電力を低下させる第二制御と、
前記第二制御の実行後に前記ＬＥＤに供給する電力を低下させる第三制御を実行することを特徴とする。

【0029】

本発明に係る光加熱装置は、支持部材に支持された加熱対象物に対して、加熱ランプとＬＥＤから出射される光を照射することで加熱する構成であって、制御部が加熱ランプとＬＥＤに供給する電力を制御して加熱対象物の昇温と降温を行う。

【0030】

制御部は、加熱ランプとＬＥＤの双方に対して電力を供給する第一制御を実行し、各光源から出射される光が加熱対象物に照射されて、加熱対象物が昇温される。第一制御を実行し、加熱対象物にそれぞれの光源からの光を照射することで、所定の温度に到達した後、もしくは所定の温度に達すると想定される時間が経過した後、制御部は、加熱ランプに供給する電力を低下させる第二制御を実行する。第二制御の実行後は、ＬＥＤに供給する電力を低下させる第三制御を実行して、ＬＥＤが出射する光の強度を低下させることで加熱対象物を降温させる。

【0031】

制御部が第一制御を実行すると、昇温開始直後は、ＬＥＤの応答性の速さによって、ＬＥＤから出射される光で昇温可能な温度まで急速に昇温される。そして、加熱ランプの出力が徐々に大きくなってくると、ＬＥＤによって昇温されている温度から、加熱ランプによって出射される光によってさらに昇温され、最終的に加熱ランプとＬＥＤの双方から出射される光によって目標温度付近まで昇温される。

【0032】

上記の構成によれば、加熱ランプとＬＥＤの双方から出射される光によって加熱対象物を昇温させることで、ＬＥＤの速い応答性によって昇温開始直後の昇温が速まり、目標温度に到達する時間が短くなり、昇温時間が短縮される。

【0033】

また、降温時については、ＬＥＤに供給する電力を低下させ、ＬＥＤが出射する光の強度を低下させることで加熱対象物を降温させる。この時、第二制御によってすでに加熱ランプに供給される電力は低下しており、加熱ランプから出射される光の強度が低下しているため、加熱ランプの遅い応答性の影響を受けることなく、ＬＥＤの速い応答性によって降温され、降温時間が短縮される。

【0034】

なお、「加熱ランプに供給する電力を低下させる」とは、加熱ランプに対して供給する電力を小さくする制御であってもよく、電力を停止させる制御や、スイッチによって供給経路を遮断する制御であってもよい。また、「ＬＥＤに供給する電力を低下させる」についても同様である。

【0035】

上記光加熱装置において、
前記制御部は、前記第二制御において、所定の時刻から前記第三制御の開始前の間にわたって、前記ＬＥＤに供給する電力を維持する制御を行うものであっても構わない。

【0036】

上述の通り、加熱対象物の加熱処理を行う場合、加熱対象物における成膜処理等が完了までは、処理を進行させるために所定の温度範囲内に維持する必要がある。そこで、制御部は、加熱対象物が所定の温度まで上昇した後は、加熱対象物の温度が必要な時間だけ所定の範囲内に維持されるだけエネルギーの光、すなわち、加熱対象物から放出される熱エネルギーに相当するだけの光を照射するように、ＬＥＤに供給される電力を維持するように制御すればよい。なお、ＬＥＤは、制御部の制御に応じて光の強度を微調整しやすいため、制御部によって簡易的で、かつ高精度に加熱対象物の温度を維持することができる。

【0037】

上記光加熱装置において、
前記制御部は、前記第一制御において、昇温開始時から所定時間にわたって、前記加熱ランプから出射される光の強度よりも、前記ＬＥＤから出射される光の強度が高い期間を有するように制御するものであっても構わない。

【0038】

昇温開始時において、制御部が加熱ランプよりもＬＥＤの光の強度が高い期間を有するように制御することで、上述の通り、加熱対象物は、昇温開始時に応答性の速いＬＥＤによって急速に昇温されるため、昇温時間がさらに短縮される。

【0039】

昇温開始時に、加熱ランプよりもＬＥＤの光の強度が高い期間を有するようにするために、制御部は、昇温開始時においてＬＥＤのみに加熱用の電力を供給するように制御するものであってもよく、ＬＥＤと加熱ランプにほぼ同時に加熱用の電力を供給するように制御するものであってもよい。

【0040】

上記光加熱装置において、
前記加熱対象物の温度を測定する温度計を備え、
前記制御部は、前記温度計が測定した前記加熱対象物の温度が所定の温度に達することを検知すると、前記第一制御から前記第二制御に切り替えるものであっても構わない。

【0041】

上記の構成とすることで、加熱対象物が所定の温度に到達したことに合わせて、制御部は、第一制御から第二制御へと切り替えることができる。従って、第一制御から第二制御への切り替えのタイミングを最適化することができ、無駄な昇温と消費電力を抑えることができる。

【0042】

加熱対象物の温度を測定する温度計としては、例えば、熱電対や放射温度計等を用いることができる。

【発明の効果】

【0043】

本発明によれば、加熱ランプとＬＥＤを組み合わせた光源によって、加熱対象物を急速に昇降温させる加熱処理方法及び光加熱装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1A】光加熱装置の第一実施形態の模式的な側面断面図である。

【図1B】図１Ａの光加熱装置の加熱ランプとＬＥＤを加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図2】光加熱装置の第一実施形態の加熱ランプとＬＥＤの光出力変化と加熱対象物の温度変化を示したグラフである。

【図3A】光加熱装置の第一実施形態と加熱ランプのみで構成された光加熱装置とＬＥＤのみで構成された光加熱装置の昇温時における加熱対象物の温度変化を示すグラフである。

【図3B】光加熱装置の第一実施形態と加熱ランプのみで構成された光加熱装置の降温時における加熱対象物の温度変化を示すグラフである。

【図4A】光加熱装置の第二実施形態の模式的な側面断面図である。

【図4B】図４Ａの光加熱装置の加熱ランプの加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図4C】図４Ａの光加熱装置のＬＥＤを加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図5A】光加熱装置の第三実施形態の模式的な側面断面図である。

【図5B】図５Ａの光加熱装置の模式的な上図面である。

【図6A】第四実施形態の光加熱装置の模式的な全体斜視図である。

【図6B】第四実施形態の光加熱装置の加熱ランプとＬＥＤを加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図7】第五実施形態の光加熱装置の加熱ランプとＬＥＤを加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図8】第六実施形態の光加熱装置の加熱ランプとＬＥＤを加熱対象物側から見たときの模式的な図面である。

【図9A】光加熱装置の別実施形態の模式的な側面図である。

【図9B】図９Ａの光加熱装置の模式的な上面図である。

【図10A】電力供給開始時のハロゲンランプとＬＥＤの出射光量の変化を示すグラフである。

【図10B】電力供給停止時のハロゲンランプとＬＥＤの出射光量の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本発明の加熱処理方法及び光加熱装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。

【0046】

［第一実施形態］
図１Ａは、光加熱装置１の第一実施形態の模式的な側面断面図である。図１Ａに示すように、第一実施形態の光加熱装置１は、加熱ランプ１０と、ＬＥＤ１１と、電力を制御する制御部１２と、加熱対象物２の温度を測定する温度計１３と、加熱対象物２を支持する支持部材１４とを備える。

【0047】

ここで、以下の説明において、加熱対象物２の第一照射面２ａと平行な面をＸＹ平面とし、加熱対象物２の第一照射面２ａに直交する方向をＺ方向とする。なお、加熱対象物２の第一照射面２ａの裏面は、第二照射面２ｂとする。

【0048】

加熱ランプ１０は、一方向に延伸する管体１０ａの内部にフィラメント１０ｂを配置させてなる、直管形状の加熱ランプ１０である。なお、加熱ランプ１０は、電球形状のものであってもよい。

【0049】

ここで、加熱ランプ１０は、例えば、加熱対象物２の吸収波長帯に応じて、ハロゲンランプ、カーボンヒータ、カンタルヒータ、セラミックヒータ等の赤外線の波長帯を放射するランプを適宜採用することができ、ＬＥＤ１１は、加熱対象物２の吸収率が高い波長帯の光を出射するものを選択して配置することができる。また、図１Ａには詳細が図示されてはいないが、加熱ランプ１０は、両端部に導電部材と発光管（ガラス管）を気密封止するためのシール部が形成されており、Ｚ方向に対して直角の方向に取り出せるように構成されている。

【0050】

制御部１２は、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１に供給する電力の制御を行う。図１に示す制御部１２の配置位置は、模式的に示したものであって、実際にはどこに配置されていても構わない。

【0051】

温度計１３は、第一実施形態においては放射温度計であって、Ｚ方向から傾斜した方向から、受光部１３ａが加熱対象物２の第一照射面２ａに向くように配置されている。温度計１３の配置位置は、一例であって、加熱対象物２の温度を適切の測定できるのであれば、どこに配置されていても構わない。

【0052】

図１Ｂは、図１Ａの光加熱装置１の加熱ランプ１０とＬＥＤ１１を加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図１Ｂが示すように、第一実施形態においては、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１から出射される光が、いずれも加熱対象物２の第一照射面２ａに照射されるように、ＸＹ平面上に配置されている。また、中央部側に直管形状の加熱ランプ１０が円形状を呈するように配置され、その周辺に加熱ランプ１０を囲むように構成された円環状の基板１５上にＬＥＤ１１が配置されている。

【0053】

次に、第一実施形態の光加熱装置１における、加熱対象物２の加熱処理方法について説明する。図２は、光加熱装置１の第一実施形態の加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の光出力変化と加熱対象物２の温度変化を示したグラフである。第一実施形態の制御部１２は、加熱ランプ１０及びＬＥＤ１１に対して供給される電力を制御することで、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の光出力を、図２に示すような変化パターンにする。

【0054】

制御について、より詳細には、図２に示すように、第一実施形態の制御部１２は、加熱ランプ１０から出射される光と、ＬＥＤ１１から出射される光とを照射して加熱対象物２を昇温させる第一制御と、加熱ランプ１０に供給する電力を低下させる第二制御と、ＬＥＤ１１に供給する電力を低下させるようにする第三制御を実行する。以下、それぞれの制御について詳細を説明する。

【0055】

まず、図２の時間軸に沿って、制御部１２が行う制御について説明する。加熱対象物２が、支持部材１４によって支持され、所定の位置に配置されると、制御部１２によって、第一制御が実行される。第一制御は、図２において期間Ａ１にわたって実行される制御に対応する。

【0056】

制御部１２によって第一制御が実行されると、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の光出力が上昇し、加熱対象物２が昇温し始める。ＬＥＤ１１は、供給された電力に応じて出射できる最大出力まで急速に立ち上がるが、加熱ランプ１０は、供給された電力に応じて徐々に光出力が立ち上がる。つまり、所定時間にわたって、加熱ランプ１０から出射される光の強度よりも、ＬＥＤ１１から出射される光の強度が高い期間Ａ１ａを有することとなる。

【0057】

加熱対象物２は、加熱ランプ１０の光出力が徐々に立ち上がるのに応じて温度が上昇する。そして、加熱対象物２が所定の温度に到達すると（時刻ｔ１）、制御部１２は、加熱ランプ１０の電力を低下させる第二制御に切り替える。すなわち、第一制御は、加熱対象物２の温度を所定の温度Ｔ１まで昇温させるための制御である。

【0058】

第一実施形態では制御部１２は、例えば温度計１３によって測定された加熱対象物２の温度に関する情報が入力される構成であり、この情報に基づいて加熱対象物２の温度がＴ１に達したことを検知できる。なお、ここでいう温度Ｔ１は、加熱対象物２の加熱目的に応じて適宜設定される。図２では、この温度Ｔ１が８００℃に設定されている場合が図示されている。

【0059】

第二制御は、図２において期間Ａ２にわたって実行される制御に対応する。時刻ｔ１において、制御部１２によって第一制御から第二制御に切り替えられると、加熱ランプ１０の光出力が低下し、加熱対象物２に照射される光の強度が徐々に低下する。これにより、加熱対象物２は、ほとんど昇温されなくなる。

【0060】

しかし、加熱対象物２から放熱される熱エネルギーや、対流や伝導で奪われる熱エネルギーに相当するエネルギーの光がＬＥＤ１１から照射されていれば、加熱対象物２の加熱処理に必要な温度を維持することができる。この必要な温度とは、第一制御から第二制御に切り替える基準となる前記所定の温度Ｔ１から一定の範囲内を示す温度であり、加熱対象物２の加熱目的に応じて適宜設定される。

【0061】

例えば、この必要な温度は、温度Ｔ１の９０％以上、１１０％以下の範囲内であり、好ましくは温度Ｔ１の９５％以上、１０５％以下の範囲内であり、より好ましくは、温度Ｔ１の９８％以上、１０２％以下の範囲内である。ここで加熱処理とは、例えば、加熱対象物２がある一定温度以上になることで発生する化学反応や成膜処理等である。

【0062】

加熱対象物２から放熱される熱エネルギーに対して、第一制御においてＬＥＤ１１に供給されている電力が大きい場合には、図２に示すように、第二制御の実行時（期間Ａ２）において、ＬＥＤ１１に供給されている電力を低下させても構わない。このような制御を行っても、加熱対象物２を上記の必要な温度に維持させることができる。

【0063】

なお、この第二制御の実行時において、温度計１３で測定された加熱対象物２の温度の情報に応じて、制御部１２がＬＥＤ１１に供給される電力をフィードバック制御することで、加熱対象物２の温度が所定の温度範囲内に維持されるように調整するものとしても構わない。

【0064】

また、図２には、比較のために、第二制御において、加熱ランプ１０と併せて、ＬＥＤ１１に供給する電力も、ＬＥＤ１１がほとんど光を照射しない程度まで低下させた場合（比較例１）の温度変化も併記している。図２の比較例１の曲線が示すように、加熱ランプ１０と併せて、ＬＥＤ１１に供給する電力も低下させた場合は、加熱対象物２が所定の温度に到達する時刻ｔ１から、加熱ランプ１０の応答性に応じて温度が低下していく。そのため、加熱対象物２を所定の温度範囲内に短時間しか維持させることができず、加熱対象物２を十分に加熱処理できない事態が生じ得る。

【0065】

制御部１２は、加熱対象物２に対する必要な加熱処理が完了したことを検知すると、ＬＥＤ１１の電力を低下させる第三制御に切り替える。例えば、制御部１２は不図示のタイマー機能を有しており、第二制御が開始した時刻ｔ１から予め定められた温度維持処理時間が経過したことを検知すると、第二制御から第三制御に切り替えるものとして構わない。

【0066】

図２では、時刻ｔ２においてこの第二制御から第三制御への切り替えが実行されたことが示されている。すなわち第三制御は、図２において時刻ｔ２以後に（ここでは期間Ａ３にわたって）実行される制御に対応する。

【0067】

制御部１２によって第三制御が実行されると、ＬＥＤ１１の光出力が低下し、加熱対象物２に照射される光の強度が急速に低下する。この時、加熱ランプ１０に供給される電力は第二制御によってすでに低下させられているため、加熱ランプ１０の遅い応答性の影響を受けることなく、加熱対象物２が急速に降温される。

【0068】

第一実施形態に係る光加熱装置１によれば、図２に示すように、第一制御の実行時、すなわち昇温時に、加熱ランプ１０よりもＬＥＤ１１の光の強度が高い期間Ａ１ａが生じる。そのため、昇温開始直後に加熱対象物２がＬＥＤ１１によって急速に昇温されるため、所定の温度Ｔ１に到達する時間ｔ１が短くなり、昇温時間が短縮される。

【0069】

「課題を解決するための手段」の項で上述したように、ＬＥＤ１１は、供給する電力を高めても、光出力がある閾値以上には高めることができない。このため、ＬＥＤ１１のみで光加熱装置を構成した場合には、高々４００～５００℃までしか加熱することができない。

【0070】

これに対し、第一実施形態に係る光加熱装置１によれば、加熱ランプ１０も備えていることで、ＬＥＤ１１のみで構成された光加熱装置では、到達させることが難しい約８００℃～１０００℃まで加熱対象物２を昇温させることができる。

【0071】

また、第一実施形態の光加熱装置１では、加熱対象物２を所定の温度まで昇温させた状態で維持する場合は、ＬＥＤ１１に供給される電力を調整することで実現しており、加熱ランプ１０の光強度は制御していない。ＬＥＤ１１は、供給される電力に対する応答性が速く、制御部１２の制御に応じて光の強度を微調整しやすいことから、加熱ランプ１０によって加熱対象物２の温度を維持させるよりも、簡易的で、かつ高精度に温度を維持することができる。

【0072】

降温時については、加熱ランプ１０に供給されている電力がすでに昇温時に対して低下されているため、加熱対象物２は、加熱ランプ１０の遅い応答性の影響を受けることなく、ＬＥＤ１１の応答性に応じて降温される。従って、降温時間は、大幅に短縮される。

【0073】

図３Ａは、光加熱装置１の第一実施形態と加熱ランプ１０のみで構成された光加熱装置とＬＥＤ１１のみで構成された光加熱装置の昇温時における加熱対象物２の温度変化を示すグラフである。図３Ｂは、第一実施形態と加熱ランプ１０のみで構成された光加熱装置の降温時における加熱対象物２の温度変化を示すグラフである。

【0074】

図３Ａについては、それぞれの光加熱装置において、それぞれの光源に対して電力の供給を開始した直後から、加熱対象物２が８００℃に昇温されるまでの時間に対する温度変化を示している。なお、上述の通り、ＬＥＤ１１のみの光加熱装置では、８００℃程度まで加熱対象物２を昇温できない。

【0075】

電力の供給開始直後にてＬＥＤ１１から出射される光によって、加熱対象物２が４００℃付近まで急速に昇温される。その後、加熱ランプの光出力が徐々に高まり、８００℃に到達している。図３Ａからもわかるように、昇温開始の時点で、ＬＥＤ１１によって加熱対象物２を急速に昇温させられるため、加熱ランプ１０だけで構成された光加熱装置に対して、昇温時間を短縮させることができる

【0076】

図３Ｂは、それぞれの光加熱装置において、加熱対象物２を８００℃に昇温させている状態から、供給している電力を停止させたときの時間に対する温度変化を示している。応答性の速いＬＥＤ１１は、電力の供給が停止されたことによって、加熱対象物２へ照射される光も急速に停止し、エネルギーが供給されなくなった加熱対象物２は、自己放熱によって降温する。

【0077】

それに対して、加熱ランプ１０は、応答性が遅いため、加熱対象物２へ照射される光が急速に停止せず、徐々に光出力が弱まる。従って、僅かながらにも、加熱対象物２は、加熱ランプ１０から出射される光によって、エネルギーが供給されてしまい、降温に時間がかかってしまい、半分の温度に下がるまでの時間が長くなってしまう。なお、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１を組み合わせた構成で、双方の電力を同時に低下させることで降温する場合も、加熱ランプ１０の遅い応答性が支配的であるため、加熱ランプ１０のみで構成された光加熱装置とほぼ同じ温度変化を示す。

【0078】

以上のことから、図３Ａ及び図３Ｂが示すように、昇温時は加熱ランプ１０とＬＥＤ１１に電力を供給して昇温し、降温時は、先に加熱ランプ１０の電力を低下させておき、その後、ＬＥＤ１１の電力を低下させることで降温させる、第一実施形態の制御によれば、加熱対象物２を加熱するために所定の温度範囲内に維持させる時間を十分に確保しながらも、昇降温時間を短縮させ、加熱処理に要する時間を短縮できることがわかる。

【0079】

［第二実施形態］
本発明の光加熱装置１の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0080】

図４Ａは、光加熱装置１の第二実施形態の模式的な側面断面図である。図４Ｂは、図４Ａの光加熱装置１の加熱ランプ１０の加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図４Ｃは、図４Ａの光加熱装置１のＬＥＤ１１を加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図４Ａ～図４Ｃに示すように、直管形状の加熱ランプ１０が、加熱対象物２の第二照射面２ｂ側において円形状を呈するように配置され、ＬＥＤ１１は、加熱対象物２の第一照射面２ａ側において円形状の基板１５上に配置されている。

【0081】

加熱ランプ１０とＬＥＤ１１は、加熱対象物２に対して、第一照射面２ａ側と第二照射面２ｂ側とに分けて配置されているため、各照射面（２ａ，２ｂ）側から、それぞれの光源（１０ａ，１０ｂ）によって光を照射できる。そして、第二実施形態は、加熱対象物２の第一照射面２ａ側と第二照射面２ｂ側の両方に光源を配置しているため、第一実施形態より加熱対象物２に照射できる光量が大きくなる。従って、第一実施形態と比較して、より高速に加熱対象物２を昇降温させることができる。

【0082】

また、加熱対象物２の第一照射面２ａと第二照射面２ｂのいずれに対しても光を照射するため、第一実施形態と比較して各照射面（２ａ，２ｂ）間の温度差が小さくなるため、加熱対象物２の熱膨張率の関係等によって、亀裂や割れと言った破損が生じにくい。

【0083】

また、上記の構成とすることで、加熱ランプ１０から出射される光は、加熱対象物２に遮られ、ＬＥＤ１１には直接照射されない。従って、ＬＥＤ１１が加熱ランプ１０から出射される光を吸収して昇温されないため、消灯や破壊の発生を抑えることができる。

【0084】

［第三実施形態］
本発明の光加熱装置１の第三実施形態の構成につき、第一実施形態及び第二実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0085】

第三実施形態は、第二実施形態と比較すると、加熱ランプ１０の配置に関しては同じであるが、ＬＥＤ１１を配置する基板１５の形状が第二実施形態とは異なる。

【0086】

図５Ａは、光加熱装置１の第一実施形態の模式的な側面断面図である。図５Ｂは、図５Ａの光加熱装置１の模式的な上図面である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ＬＥＤ１１は、加熱対象物２の第一照射面２ａ側において円環状の基板１５上に配置され、光加熱装置１をＺ方向に向かって見たときに、加熱対象物２よりも外側に配置されている。

【0087】

光の強度が高い加熱ランプ１０は、加熱対象物２の中央部に光を照射することで、加熱対象物２を高い温度まで昇温させる。応答性の速いＬＥＤ１１は、加熱対象物２の端部に光を照射することで、加熱対象物２の端部を昇温させながら、加熱対象物２の端部から放熱される熱エネルギー分を供給する。

【0088】

［第四実施形態］
本発明の光加熱装置１の第四実施形態の構成につき、第一実施形態～第三実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0089】

第四実施形態の光加熱装置１は、光加熱装置１が備える支持部材１４が、加熱対象物２をＸＹ平面上で回転可能に構成されている。支持部材１４が加熱対象物２をＸＹ平面上で回転させることで、加熱ランプ１０からの光と、ＬＥＤ１１からの光が、加熱対象物２に対して周方向において均一に照射され、加熱対象物２の加熱ムラを抑えることができる。以下の第四実施形態～第六実施形態は、支持部材１４が加熱対象物２をＸＹ平面上で回転させる構成である。

【0090】

図６Ａは、第四実施形態の光加熱装置１の模式的な全体斜視図である。図６Ｂは、第四実施形態の光加熱装置１の加熱ランプ１０とＬＥＤ１１を加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図６Ｂに示すように、加熱対象物２の中心を通る直線で加熱対象物２を二分したときの、第一領域６１に直管形状の加熱ランプ１０が、第二領域６２にＬＥＤ１１が配置されている。

【0091】

上記の構成とすることで、加熱対象物２が回転し、加熱対象物２全体にわたって、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の両方から出射される光を照射することができる。さらに、加熱対象物２において同心円上に照射される光の均一性を向上させることができる。

【0092】

［第五実施形態］
本発明の光加熱装置１の第五実施形態の構成につき、第一実施形態～第四実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0093】

図７は、第五実施形態の光加熱装置１の加熱ランプ１０とＬＥＤ１１を加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図７に示すように、加熱対象物２の中心を通る直線で加熱対象物２を二分したときの、第一領域６１に電球形状の加熱ランプ１０が、第二領域６２にＬＥＤ１１が配置されている。

【0094】

第五実施形態も第四実施形態と同様に、支持部材１４が加熱対象物２を回転させると、加熱対象物２全体にわたって、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の両方から出射される光を照射することができる。さらに、加熱対象物２において同心円上に照射される光の均一性を向上させることができる。

【0095】

［第六実施形態］
本発明の光加熱装置１の第六実施形態の構成につき、第一実施形態～第五実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

【0096】

図８は、第六実施形態の光加熱装置１の加熱ランプ１０とＬＥＤ１１を加熱対象物２側から見たときの模式的な図面である。図８に示すように、電球形状の加熱ランプ１０と複数のＬＥＤ１１が配置されたＬＥＤユニット２０がＸ方向とＹ方向において交互に配置されている。

【0097】

第六実施形態も第四実施形態及び第五実施形態と同様に、支持部材１４が加熱対象物２を回転させると、加熱対象物２全体にわたって、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１の両方から出射される光を照射することができる。さらに、加熱対象物２において同心円上に照射される光の均一性を向上させることができる。

【0098】

第六実施形態の光加熱装置１は、加熱対象物２の照射面（２ａ，２ｂ）の特定の位置に対して、加熱ランプ１０から出射される光と、ＬＥＤ１１から出射される光とが短い周期で切り替わるため、加熱対象物２に照射される光の均一性をより向上させることができる。

【0099】

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

【0100】

〈１〉 図９Ａは、光加熱装置１の別実施形態の模式的な側面図である。図９Ｂは、図９Ａの光加熱装置１の模式的な上面図である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、複数の加熱対象物２が、Ｚ方向において多段に配置され、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１は、加熱対象物２の側面側に配置される構成としても構わない。

【0101】

上記の構成とすることで、一度に複数の加熱対象物２の加熱処理が可能となり、加熱処理工程の時間を大幅に短縮することができる。また、ＬＥＤ１１は、出力する光の波長を選択することができるため、加熱対象物２を透過しやすい波長を選択することで、加熱対象物２の中央部側と端部側とで温度差が小さくなるように昇降温させることができる。

【0102】

〈２〉 光加熱装置１は、加熱対象物２と各光源（１０，１１）の間に、全面又は一部において加熱対象物２の吸収波長帯の赤外線に対して透過性を有するガラスを配置しても構わない。加熱対象物２と各光源（１０，１１）の間にガラスが配置されることによって、加熱対象物２を加熱するための赤外線の照射を遮ることなく、加熱対象物２の加熱対象面に塵や埃等が付着してしまうことを回避することができる。

【0103】

〈３〉 上述した光加熱装置１が備える構成は、あくまで一例であり、本発明は、図示された各構成に限定されない。例えば、本発明の加熱処理方法及び光加熱装置１の制御は、上記特許文献１に記載されている構成の光加熱装置に対しても適用することができる。

【0104】

〈４〉 本発明において、加熱対象物２は、加熱ランプ１０とＬＥＤ１１から出射される光によって加熱される対象物である限りにおいて任意である。

【符号の説明】

【0105】

１ ： 光加熱装置
２ ： 加熱対象物
２ａ ： 第一照射面
２ｂ ： 第二照射面
１０ ： 加熱ランプ
１０ａ ： 管体
１０ｂ ： フィラメント
１１ ： ＬＥＤ
１２ ： 制御部
１３ ： 温度計
１３ａ ： 受光部
１４ ： 支持部材
１５ ： 基板
２０ ： ＬＥＤユニット
６１ ： 第一領域
６２ ： 第二領域
ｔ１，ｔ２ ： 時刻
Ａ１，Ａ１ａ，Ａ２，Ａ３ ： 期間
Ｔ１ ： 温度

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】