科学研究 - 东京农工大利用无极灯实现半导体快速加热

日本东京农工大学与ORC制作所和Techno Research公司合作，通过微波远程加热无极发热灯的半导体快速加热技术，实现了非晶硅薄膜的高品质结晶。无需电热丝的无极发热灯具有优异的节能性、耐久性和易维护性，今后有望应用于采用创新型无极灯的加热装置及单元。

在各类产品的制造现场不可或缺的加热处理装置中，电热元件是通过电热丝等提供的大电力发热来加热目标物的。在当前重视环境保护的情况下，需要采用节省电力的方法。另外，传统电热方式还存在一个问题，就是电极和电热丝与电线之间的连接部位会受到较大的热应力，加热装置容易发生断线故障，需要定期更换部等件。很多时候不但修理费用昂贵，修理时间也比较长。

此次，研发小组开发了将碳颗粒和氩气一起封入石英管的无极灯——碳加热管（CHT）。向CHT照射微波，碳颗粒就会吸收微波发热。CHT利用仅有家用微波炉三分之一左右的电力（200W）就能加热至1279℃，能发出均匀的强光（图1）。CHT没有电极，无需布线，所以耐久性强。另外，也不会发生热量通过布线消散的情况，可以说是一款前所未有的节能型加热灯。除此之外，CHT无需使用以往的加热灯和加热器使用的昂贵的稀有金属，还能低成本制造。

图1：碳加热管（CHT）

此次，研发小组利用这款CHT作为无极发热灯，试制了如图2所示的半导体快速加热装置。通过波导管被导入到上部为圆柱型、下部为半球型的铝制壳体内的微波，被壳体内设置的CHT高效吸收。另外，还安装了利用红外辐射温度计实时测量CHT的温度，以控制振荡器的微波输出的温度调节功能。

图2：CHT快速加热装置的概念图

研发小组利用该加热装置，在长60mm的CHT的正下方设置了在石英玻璃基板上形成的非晶硅薄膜样品，并利用驱动台移动样品（图2），样品整个表面的颜色均发生了变化（图3）。颜色发生变化是因为非晶硅薄膜随着加热而结晶的缘故。通过对分光反射率光谱和拉曼散射光谱的测量结果进行解析发现，样品整个表面均匀结晶，而且形成了结晶率高达0.92的高品质结晶膜，与在多硅薄膜晶体管中用激光形成结晶膜的结果不相上下。（日文发布全文 https://www.tuat.ac.jp/documents/tuat/outline/disclosure/pressrelease/2019/20190415_01.pdf）