(57)【要約】【課題】プラズマを用いて大口径の被加熱試料を加熱する場合であっても、投入電力を増加することなく、電極面内温度分布を制御することが可能なプラズマ熱処理装置を提供する。【解決手段】被処理体１０１を加熱する処理室１００と、処理室内に配置された第一の電極１０２と、第一の電極１０２に対向して配置された平板状の第二の電極１０３と、第一の電極１０２または第二の電極１０３に高周波電力を供給する高周波電源１１１と、処理室内にガスを供給するガス供給手段１１３とを備えたプラズマ熱処理装置において、第一の電極１０２は開口部を有する。【選択図】図１
2014143296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を加熱する処理室と、
前記処理室内に配置された第一の電極と、
前記第一の電極に対向して配置された平板状の第二の電極と、
前記第一の電極または前記第二の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記第一の電極は、開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記開口部は、プラズマ生成領域を制限するためのものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記開口部は、円形状であり、前記第一の電極の中央部に設けられていることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記開口部は、前記第一の電極の中央部を取り囲むようにリング状に設けられていることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ熱処理装置において、
前記開口部は、前記リング状の第一開口部の内側に更に円形状の第二開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項６】
請求項４記載のプラズマ熱処理装置において、
前記開口部は、前記リング状開口部を取り囲むように更に複数のリング状開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項７】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第一の電極は、複数の部材を組み合わせて構成されたものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項８】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第一の電極は、前記開口部が形成された一枚の部材で構成されたものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項９】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
前記高周波電源は、前記第一の電極に高周波電力を供給するものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１０】
被処理体を加熱する処理室と
前記処理室内に配置された第一の電極と
前記第一の電極に対向する第二の電極と
前記第一の電極または前記第二の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給手段と、
輻射熱を抑制する輻射熱抑制部材とを備え、
前記輻射熱抑制部材は、第一の輻射熱抑制部材と第二の輻射熱抑制部材とを具備し、
前記第一の輻射熱抑制部材は前記第一の電極および前記第二の電極を取り囲むように配置され、輻射熱を反射するものであり、
前記第二の輻射熱抑制部材は、高融点かつ低輻射率の部材を含み、前記第一の電極と前記第一の輻射熱抑制部材との間、および前記第二の電極と前記第一の輻射熱抑制部材との間にそれぞれ複数層が配置されていることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１１】
請求項１０記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第一の輻射熱抑制部材は、前記第一の電極または前記第二の電極の少なくともいずれか一つからの輻射熱と前記第二の輻射熱抑制部材からの輻射熱を抑制するものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１２】
請求項１０記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第二の輻射熱抑制部材は、開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１３】
請求項１記載のプラズマ熱処理装置において、
さらに輻射熱を抑制する輻射熱抑制部材を備え、
前記輻射熱抑制部材は、第一の輻射熱抑制部材と第二の輻射熱抑制部材とを具備し、
前記第一の輻射熱抑制部材は前記第一の電極および前記第二の電極を取り囲むように配置され、輻射熱を反射するものであり、
前記第二の輻射熱抑制部材は、高融点かつ低輻射率の部材を含み、前記第一の電極と前記第一の輻射熱抑制部材との間、および前記第二の電極と前記第一の輻射熱抑制部材との間にそれぞれ複数層が配置されていることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第一の輻射熱抑制部材は、前記第一の電極または前記第二の電極の少なくともいずれか一つからの輻射熱と前記第二の輻射熱抑制部材からの輻射熱を抑制するものであることを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【請求項１５】
請求項１３記載のプラズマ熱処理装置において、
前記第二の輻射熱抑制部材は、開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワー半導体デバイスの基板材料として炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップを有する新材料の導入が期待されている。ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣは、高絶縁破壊電界、高飽和電子速度、高熱伝導率のように珪素（Ｓｉ）よりも優れた物理的性質を有している。高絶縁破壊電界材料であることから、素子の薄膜化や高濃度ドープが可能になり、高耐圧かつ低抵抗の素子を作ることが出来る。また、バンドギャップが大きいために熱励起電子を抑制でき、さらに高熱伝導率により放熱能力が高いことから、高温での安定動作が可能になる。従って、ＳｉＣパワー半導体デバイスが実現すれば、電力輸送・変換、産業用電力装置及び家電製品など各種の電力・電気機器の大幅な効率向上と高性能化が期待できる。
【０００３】
ＳｉＣを基板に用いて各種パワーデバイスを製造する工程は、おおよそＳｉを基板に用いる場合と同様である。しかし、大きく異なる工程として熱処理工程があげられる。熱処理工程とは、基板の導電性制御を目的に行われる不純物のイオン打ち込み後の活性化アニーリングがその代表である。Ｓｉデバイスの場合、活性化アニーリングは８００〜１２００℃の温度で行われる。一方ＳｉＣの場合には、その材料特性から１２００〜２０００℃の温度が必要となる。
【０００４】
ＳｉＣ向けのアニール装置として、特許文献１には、高周波により生成された大気圧プラズマによりウエハを加熱する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２０１２−２１６７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の装置により、従来の抵抗加熱炉に比べて熱効率の向上、加熱応答性の向上、炉材消耗品の低コスト化等が見込まれる。そこで、この大気圧プラズマを用いた熱処理装置に関し、将来基板（ウエハ）が大口径化した場合の観点で検討を行った。その結果、大気圧プラズマを用いてウエハを加熱する場合、ウエハ面内の温度分布の観点から以下の課題があることが分かった。
【０００７】
特許文献１に開示されているアニール装置は、高周波により平行平板電極間に生成されたプラズマにより加熱を行う。プラズマが平行平板電極間において均一に分布し、電極への入熱が均一である場合、ＳｉＣ活性化に必要となる１２００〜２０００℃においては電極外周における温度が低下し、電極中心部の温度が高い温度分布となる。この理由は、特許文献１の構造の場合、高温において熱損失の支配的要因となる熱輻射損失が、特に電極外周部において大きくなるためである。この様な温度分布の場合には、熱応力に起因する電極へのクラックの発生やウエハ面内において活性化のばらつきが発生し、十分なデバイス特性が得られなくなる恐れがある。特に、ウエハが大口径化した場合にはこの傾向が顕著になると思われる。ウエハ面内の温度分布の均一性を改善するためには、処理ウエハ径に対して十分大きな電極を使用することが考えられる。しかしながら、この場合には、電極からの輻射損失が増大するために大電力を投入する必要が発生してしまう。一方、電極の温度分布を制御するためには、熱源であるプラズマの分布を制御することが有効であるが、放電安定性の観点から処理圧力や電極間隔等の変更によってプラズマ分布を極端に大きく変動させることが出来ない。
【０００８】
本発明の目的は、プラズマを用いて大口径の被加熱試料を加熱する場合であっても、投入電力を増加することなく、電極面内温度分布を制御することが可能なプラズマ熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するための一実施形態として、被処理体を加熱する処理室と、
前記処理室内に配置された第一の電極と、
前記第一の電極に対向して配置された平板状の第二の電極と、
前記第一の電極または前記第二の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給手段とを備え、
前記第一の電極は、開口部を有することを特徴とするプラズマ熱処理装置とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プラズマを用いて大口径の被加熱試料を加熱する場合であっても、電極面内温度分布を制御することが可能なプラズマ熱処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係るプラズマ熱処理装置の基本構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示すプラズマ熱処理装置のＡ−Ａ’ラインにおける上面図である。
【図２Ｂ】図１に示すプラズマ熱処理装置のＢ−Ｂ’ラインにおける上面図である。
【図３】本発明の実施例１に係るプラズマ熱処理装置（リング状上部電極）と従来装置（円板状上部電極）における下部電極温度分布の比較結果を示す。
【図４】本発明の実施例２に係るプラズマ熱処理装置の基本構成を示す断面図である。
【図５Ａ】図４に示すプラズマ熱処理装置のＡ−Ａ’ラインにおける上面図である。
【図５Ｂ】図４に示すプラズマ熱処理装置のＢ−Ｂ’ラインにおける上面図である。
【図６】本発明の実施例２に係るプラズマ熱処理装置（二重リング状上部電極）と実施例１に係るプラズマ熱処理装置（リング状上部電極）における下部電極温度分布の比較結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
プラズマ熱処理装置ではプラズマを発熱体として利用しているため、プラズマの生成領域に偏りが発生すると電極ならびにウエハに温度分布が発生するものと思われる。そこで、本発明者等は、温度分布の偏りの発生の有無について放射温度計による電極面内の温度分布測定やシリコン試料の加熱処理後のシート抵抗の面内分布測定を行った。その結果、１０００℃域において僅かではあるが電極温度ならびにシート抵抗において電極の径方向に対して温度分布の偏りが認められた。更にＳｉＣの活性化に必要となる１２００℃以上に温度を上昇させたところ、電極外周部の温度が電極中心部に比べて低下することがわかった。この様な電極面内における温度分布の偏りの発生は、大口径ウエハ処理の観点から対策が必要と考え、その原因を検討した。その結果、１２００℃以上における熱のやり取りは熱輻射が支配的となり、プラズマからの入熱分布、加熱された電極からの熱輻射とそれを取り囲む断熱材やミラーとの熱収支バランスにより温度分布が決まるものと考えられる。本発明は前記知見に基づいて生まれたものであり、電極形状を変化させることによりプラズマ生成領域を制限し、プラズマからの入熱分布が制御可能となる構成とした。また、電極外周部の断熱板を複数枚にし、電極外周部からの熱輻射損失を低減させる構造にした。これらの対策により、ウエハ面内に温度分布の偏りが発生する場合であっても、電極面内温度分布の悪化を抑制できるプラズマ熱処理装置を提供することができる。
以下実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の第１の実施例について図１〜図３を用いて説明する。図１は本実施例に係るプラズマ熱処理装置の基本構成を示す断面図である。本プラズマ熱処理装置は、上部電極１０２と下部電極１０３との間に発生するプラズマを用いて加熱された下部電極１０３により間接的に、被加熱試料（被処理体）１０１を加熱する加熱処理室１００を具備する。
【００１４】
加熱処理室１００は、中心部が空洞となっているリング状上部電極１０２と、上部電極１０２と対向して配置された加熱板である下部電極１０３と、被加熱試料１０１を支持する支持ピン１０６を有する試料台１０４と、輻射熱を反射させる反射鏡１２０と、プラズマ生成用の高周波電力を上部電極１０２に供給する高周波電源１１１と、加熱処理室１００内にガスを供給するガス導入手段１１３と、加熱処理室１００内の圧力を調整する真空バルブ１１６とを備える。符号１１７は被加熱試料の搬送口を示す。なお、各図において同一符号は同一構成要素を示す。
【００１５】
被加熱試料１０１は、試料台１０４の支持ピン１０６上に支持され、下部電極１０３の下方に近接して配置されている。また、下部電極１０３は、反射鏡１２０で保持されており、被加熱試料１０１及び、試料台１０４とは接触していない。本実施例では、被加熱試料１０１として、４インチ（φ１００ｍｍ）のＳｉＣ基板を用いた。上部電極１０２および試料台１０４の直径及び厚さは、それぞれ、１２０ｍｍ、５ｍｍとした。また、上部電極中心の空洞部の直径（リング状上部電極の内径）は２０ｍｍとした。
【００１６】
上部電極および下部電極については図２Ａ、図２Ｂを用いて説明する。図１のＡＡ’ラインにおける上面図を図２Ａに示す。下部電極１０３は、円板状の部材１０３Ａと、前記円板状の部材１０３Ａと反射鏡１２０を接続する等間隔に配置された４本の梁１０３Ｂとを備える。下部電極１０３の厚さは２ｍｍとした。尚、前記の梁１０３Ｂの数と断面積と厚さは、下部電極１０３の強度と下部電極１０３から反射鏡１２０への放熱を考慮して決めればよい。また、下部電極１０３は、被加熱試料１０１の側面を覆い、内筒形状を有する部材を上部電極１０２と対向する面の反対側に有している。
【００１７】
図１のＢＢ’ラインにおける上面図を図２Ｂに示す。上部電極１０２は、前記リング状の部材で構成され、上部給電線１１０を接続する等間隔に配置された４本の支持棒２０２により支持されている。前記支持棒２０２は、上部給電線１１０と上部電極１０２を導通させる必要があるため、グラファイトを使用した。前記支持棒２０２の数と断面積は、上部電極１０２の強度と上部給電線１１０から上部電極１０２への電流と支持棒２０２からの熱輻射を考慮して決めれば良い。
【００１８】
下部電極１０３は、図２Ａに示すように梁を有する構造であるため、円板状の下部電極１０３の周辺が直接反射鏡に接触する構造に比し、プラズマにより加熱された下部電極１０３の熱が反射鏡１２０に伝熱することを抑制できるため、熱効率の高い加熱板として機能する。尚、上部電極１０２と下部電極１０３の間に生成されたプラズマは、梁と梁の間の空間から、真空バルブ１１６側に拡散するが、被加熱試料１０１は前記の内筒形状を有する部材により覆われているため、被加熱試料１０１がプラズマに曝されることはない。
【００１９】
また、上部電極１０２、下部電極１０３、試料台１０４および支持ピン１０６は、グラファイト基材の表面にＳｉＣを化学的気相成長法（以下、ＣＶＤ法と称する）により堆積させたものを用いた。
【００２０】
また、下部電極１０３と上部電極１０２とのギャップ１０８は、０．８ｍｍとした。なお、被加熱試料１０１は０．５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の厚さを備え、また、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれの対向する側の円周角部はテーパーあるいはラウンド状に加工されている。これは、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれの角部での電界集中によるプラズマ局在を抑制するためである。
【００２１】
試料台１０４は、シャフト１０７を介して上下機構１０５と接続しており、上下機構１０５を動作させることで、被加熱試料１０１の受け渡しや、被加熱試料１０１を下部電極１０３に近接させることが可能となる。なお、詳細は後述する。また、シャフト１０７には、アルミナ材を用いた。
【００２２】
上部電極１０２には、上部給電線１１０を介して高周波電源１１１からの高周波電力が供給される。本実施例では、高周波電源１１１の周波数として１３．５６ＭＨｚを用いた。下部電極１０３は、反射鏡１２０と梁を介して導通している。さらに下部電極１０３は、反射鏡１２０を介して接地されている。上部給電線１１０も上部電極１０２および下部電極１０３の構成材料であるグラファイトで形成されている。
【００２３】
高周波電源１１１と上部電極１０２の間には、マッチング回路１１２（なお、図１のＭ．Ｂは、Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｂｏｘの略である。）が配置されており、高周波電源１１１からの高周波電力を効率良く上部電極１０２と下部電極１０３間に形成されるプラズマに供給する構成となっている。本実施例では高周波電源１１１はマッチング回路を介して上部電極に接続されているが、マッチング回路を介して下部電極にも、又は下部電極のみに接続することもできる。
【００２４】
加熱処理室１００内の上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４は、反射鏡１２０で囲まれる構造となっている。反射鏡１２０は、金属基材の内壁面を光学研磨し、研磨面に金をメッキあるいは蒸着することで構成される。また、反射鏡１２０の金属基材には、冷媒流路１２２が形成されており、冷却水を流すことにより反射鏡１２０の温度が一定に保てる構造となっている。反射鏡１２０を備えることにより、上部電極１０２、下部電極１０３及び試料台１０４（及び後述の熱シールド）の少なくともいずれか一つからの輻射熱が反射されるため、輻射熱が抑制され熱効率を高めることができるが、熱処理温度が中低温の場合には省略することができる。
【００２５】
また上部電極１０２および試料台１０４と反射鏡１２０との間には、保護石英板１２３が配置されている。保護石英板１２３は、１２００℃以上の高温になる上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４からの放出物（グラファイトの昇華等）による反射鏡１２０面の汚れ防止と、反射鏡１２０からの被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染の防止機能を有する。
【００２６】
上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４を取り囲むように熱シールド４０１が配置されている。熱シールド４０１は上部と下部に分割されており、上部の熱シールド４０１は、固定部品４０２により反射鏡１２０に固定されており、下部の熱シールド４０１は試料台１０４に固定されている。
【００２７】
また、熱シールド４０１の外周部は複層構造になっており、外周部の輻射損失をより効果的に低減できる構造となっている。上部の熱シールドを固定する固定部品４０２は、細い棒状の部材で石英またはセラミックで形成されている。固定部品４０２の材料は熱伝導率のなるべく低い材料を選択比し、熱シールド４０１を固定するのに必要最小限大きさとすることで、熱シールドから反射鏡１２０への伝熱損失を低く抑える構造となっている。また図１では、熱シールド４０１を厚さ０．１ｍｍのタングステン箔で形成した。
【００２８】
上部電極１０２と下部電極１０３が配置される加熱処理室１００内には、ガス導入手段１１３およびガス導入ノズル１３１によりガスを１０気圧まで導入できる構造となっている。導入するガスの圧力は、圧力検出手段１１４によりモニタされる。また、加熱処理室１００は、排気口１１５および真空バルブ１１６に接続される真空ポンプによりガス排気可能となっている。ガス導入ノズル１３１の先端は、上部電極１０２と下部電極１０３との間の高さに配置することが望ましい。ガス導入ノズル１３１の先端は先細形状となっており、電極間に勢い良くガスを吹き付けることが可能な構造となっている。ガス導入ノズル１３１の位置は可変になっている。また、上部電極１０２とガス導入ノズル１３１との間の放電を避けるため、ガス導入ノズル１３１には絶縁体を使用することが望ましい。本実施例では、ガス導入ノズル１３１にアルミナを用いた。また、上部電極１０２と下部電極１０３との間の高さに内部排気口１３０があり、上下電極間から内部排気口１３０までのコンダクタンスを低減することで、効率良く電極間のガスを排気することが出来る。これにより、それぞれの電極から放出された煤も加熱処理室内に停滞することなく速やかに排出される。また、ガス導入ノズル１３１は、下部電極１０３の梁上方に配置することで、導入したガスが下部電極１０３の下側へのガス流れを抑制し、上部電極１０２と下部電極１０３の間に効率良くガスを流すことが可能である。尚、内部排気口１３０は、ガス導入ノズル１３１に対向する位置に配置することで、上下電極間のガスの置換を容易にしている。
【００２９】
本実施例では、加熱処理室１００内に導入したガスにＨｅを用いた。加熱処理室１００内のガス圧力が安定した時点で、高周波電源１１１からの高周波電力をマッチング回路１１２および電力導入端子１１９を介して上部電極１０２に供給し、ギャップ１０８内にプラズマを生成することにより、上部電極１０２および下部電極１０３の加熱を行う。高周波電力のエネルギーは、プラズマ内の電子に吸収され、さらにその電子の衝突により原料ガスの原子あるは分子が加熱される。また電離によって生じたイオンは、上部電極１０２および下部電極１０３のプラズマに接触する表面のシースに発生する電位差で加速され、原料ガスと衝突しながら上部電極１０２および下部電極１０３に入射する。この衝突過程により、上部電極１０２と下部電極１０３の間に充填されたガスの温度や上部電極１０２および下部電極１０３表面の温度を上昇させることができる。なお、加熱の際、加熱処理室１００内へのＨｅガスの導入を停止、又は導入量を略ゼロとすることにより、より高温にまで電極を加熱することができる。
【００３０】
特に、本実施例のような大気圧付近では、イオンがシースを通過する際に原料ガスと頻繁に衝突することになるので、上部電極１０２と下部電極１０３の間に充填された原料ガスを効率的に加熱できると考える。この結果、これらの電極温度は上昇する。これらの電極温度が上昇すると熱輻射等による損失が増大し、やがてこれらの電極への入熱とこれらの電極からの熱損失がバランスし、これらの電極温度はほぼ飽和してくる。
【００３１】
図３に中心部を空洞にした上部電極（リング状上部電極）を使用した際の下部電極面内の温度分布を示す。上部電極と下部電極の面積が等しい構成とした場合（従来の円形状上部電極の構成、図示せず）の温度分布３１０では、１２００℃以上の高温処理においてウエハ中心ほど高温になり、今後ウエハが大口径化した場合、或いは更なる熱処理温度の均一性が要求された場合には問題となることが危惧される。プラズマから電極への入熱が一定であったとしても、外周ほど電極からの熱輻射損失が大きくなるために、結果として外周部の温度が低くなるためである。これに対し、上部電極をリング状とした場合、リング状上部電極１０２の外周と下部電極１０３との間には強い電界が発生し、プラズマを生成することが出来る。一方、リング状上部電極１０２の中心部の電界は弱く、プラズマは発生しないために、下部電極１０３の中心部の加熱を抑制することが出来る。即ち、本実施例における電極構造により、リング状のプラズマを形成することが可能になり、最も温度が上昇しやすい中心部分の温度を低下させることが可能になる。また、上部電極面積が小さくなることにより、プラズマ生成領域が減少し、上部電極外周部に投入される電力密度が増加するため外周部の温度は上昇する。この結果、ウエハ中心部の温度を低下させ、一方で外周の温度を上昇させることで、ウエハ面内の温度差を低減することが可能になる（温度分布３２０）。特に、低下したウエハ中心部の温度と上昇した外周部の温度が等しくなるようにリング状上部電極のリング内径を設定することにより、電極温度分布の均一性をより向上することができる。なお、上部電極に開口部を設けることにより電極面内温度分布を制御することが可能であるが、例えばリング状上部電極の場合、リング内径は１０ｍｍφ以上とすることが望ましい。開口領域が狭すぎると十分な温度制御が困難となるためである。
【００３２】
被加熱試料を加熱処理している際の下部電極１０３または試料台１０４の温度は、放射温度計１１８により計測され、この計測値を用いて制御装置１２１により所定の温度になるように高周波電源１１１の出力が制御されるため、高精度な被加熱試料１０１の温度制御が可能となる。本実施例では、投入する高周波電力を最大２０ｋＷとした。
【００３３】
上部電極１０２、下部電極１０３、試料台１０４（被加熱試料１０１を含む）の温度を効率良く上昇させるには、上部給電線１１０の伝熱、Ｈｅガス雰囲気を介する伝熱および高温域からの輻射（赤外光から可視光域）の抑制が必要となる。特に高温状態では、輻射による放熱の影響が非常に大きく、輻射損失の低減が加熱効率の向上に必須となる。尚、輻射損失は、絶対温度の四乗に比例して輻射量が増加する。
【００３４】
本実施例では、上部電極１０２と下部電極１０３のギャップ１０８を０．８ｍｍとしたが、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲でも同様な効果がある。０．１ｍｍより狭いギャップの場合も放電は可能であるが、上部電極１０２と下部電極１０３との間の平行度を維持するのに高精度な機能が必要となる。また、上部電極１０２および下部電極１０３表面の変質（荒れ等）がプラズマに影響するようになるため、好ましくない。一方ギャップ１０８が２ｍｍを超える場合は、プラズマの着火性低下やギャップ間からの輻射損失増大が問題となり好ましくない。
【００３５】
本実施例では、プラズマ生成するための加熱処理室１００内の圧力を０．１気圧としたが、１０気圧以下において同様の動作が可能である。特に、０．０１気圧以上０．１気圧以下のガス圧力が好適である。０．００１気圧以下になるとシース部分でのイオンの衝突頻度が低下し、大きなエネルギーを持つイオンが電極に入射するようになり、電極表面がスパッタされる等の懸念がある。また、本実施例で想定している様に上部電極１０２と下部電極１０３のギャップ１０８の範囲が０．１ｍｍから２ｍｍの場合、パッシェンの法則からガス圧力が０．０１気圧以下では放電維持電圧が上昇するため望ましくない。一方、１０気圧以上になると、異常放電（不安定なプラズマや上部電極と下部電極間以外での放電）が発生するリスクが高くなるため望ましくない。また、本実施例では、ガス流量を変化させることでガス圧力を制御したが、ガス排気量を変化させることでガス圧力を調整しても同様の効果が得られる。尚、ガス流量およびガス排気量を同時に変化させることにより、圧力制御しても良いのは勿論である。
【００３６】
本実施例では、プラズマ生成用の原料ガスにＨｅガスを用いたが、他に、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等の不活性ガスを主原料としたガスを用いても同様の効果があることは言うまでもない。本実施例で用いたＨｅガスは、大気圧近辺でのプラズマ着火性や安定性に優れるが、ガスの熱伝導率が高く、ガス雰囲気を介した伝熱による熱損失が比較的多い。一方、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒガス等の質量の大きいガスは、熱伝導率が低いため、熱効率の観点ではＨｅガスより有利である。
【００３７】
本実施例では、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４のプラズマに接触する表面の反対側をＣＶＤ法による炭化シリコンをコーティングしたグラファイトを用いたが、他に、グラファイト単体、グラファイトに熱分解炭素をコーティングした部材、グラファイト表面をガラス化処理した部材、およびＳｉＣ（焼結体、多結晶、単結晶）を用いても同様な効果がある。上部電極１０２および下部電極１０３の基材となるグラファイトやその表面に施されるコーティングは、被加熱試料１０１への汚染防止の観点から高純度なものが望ましいのは言うまでもない。さらに下部電極１０３は、熱伝導率が高いほど面内温度分布差が発生しにくく、被加熱処理体の温度分布差を小さく出来ることは言うまでもない。
【００３８】
また、高温時には、上部給電線１１０からも被加熱試料１０１への汚染が影響する場合もある。よって、本実施例では上部給電線１１０も上部電極１０２および下部電極１０３と同様なグラファイトを用いた。また、上部電極１０２の熱は、上部給電線１１０を伝熱し損失となる。よって上部給電線１１０からの伝熱を必要最小限に留める必要がある。
【００３９】
よって、グラファイトで形成される上部給電線１１０の断面積は、なるべく小さくし、長さを長くする必要がある。しかし、上部給電線１１０の断面積を極端に小さくし、長さも長くしすぎると上部給電線１１０での高周波電力損失が大きくなり、被加熱試料１０１の加熱効率の低下を招く。このため、本実施例では、以上の観点からグラファイトで形成される上部給電線１１０の断面積を１２ｍｍ２、長さを４０ｍｍとした。同様な効果は、上部給電線１１０の断面積が５ｍｍ２〜３０ｍｍ２、上部給電線１１０の長さが３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲でも得られる。
【００４０】
さらに、試料台１０４の熱は、シャフト１０７を伝熱し損失となる。よって、シャフト１０７からの伝熱も前記の上部給電線１１０同様に必要最小限に留める必要がある。よって、アルミナ材で形成されるシャフト１０７の断面積は、なるべく小さくし、長さを長くする必要がある。本実施例では、強度等を考慮し、アルミナ材で形成されるシャフト１０７の断面積および長さは、前記の上部給電線１１０と同様とした。
【００４１】
本実施例では、熱シールド４０１の材質にタングステンを用いたが、高融点かつ低輻射率の部材なら使用することができ、例えば他に、ＷＣ（炭化タングステン）、ＭｏＣ（炭化モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、あるいはグラファイト基材にＴａＣ（炭化タンタル）をコーティングしたものを用いても同様な効果がある。また同様に本実施例では熱シールド４０１の厚みを０．１ｍｍのタングステンを用いたが、1ｍｍ以下の材質を用いても同様な効果がある。１ｍｍより厚い材質では、熱容量の増加が相対的に大きくなりまたコストも増大するため好ましくない。
【００４２】
本実施例では、プラズマ生成用の高周波電源１１１に１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いたが、これは、１３．５６ＭＨｚが工業周波数であるために低コストで電源が入手でき、かつ電磁波漏洩基準も低いので装置コストが低減できるためである。しかし、原理的には、他の周波数でも同様な原理で加熱処理ができることは言うまでもない。特に、１ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数が好適である。１ＭＨｚより低い周波数になると加熱処理に必要な電力を供給する際の高周波電圧が高くなり、異常放電（不安定なプラズマや上部電極と下部電極間以外での放電）を生じ、安定なプラズマ生成が難しくなる。また、１００ＭＨｚを超える周波数では、上部電極１０２と下部電極１０３のギャップ１０８間のインピーダンスが低く、プラズマ生成に必要な電圧が得にくくなるため望ましくない。
【００４３】
以上本実施例によれば、プラズマを用いて大口径の被加熱試料を加熱する場合であっても、投入電力を増加することなく、電極面内温度分布を制御することが可能なプラズマ熱処理装置を提供することができる。これにより、加熱効率を低下させること無く、面内温度分布を改善することが出来る。
【実施例２】
【００４４】
本発明の第２の実施例について図４〜図６を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。図４は本実施例に係るプラズマ熱処理装置の基本構成を示す断面図であり、図５Ａ、図５Ｂは本実施例に係る上部電極および下部電極を示したものである。上部電極については図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図４のＡＡ’ライン及びＢＢ’ラインにおける上面図をそれぞれ図５Ａ、図５Ｂに示す。分割リング状上部電極（二重リング上部電極）１５２は、第一のリング状の部材１５２Ａと、第二のリング状の部材１５２Ｂと、前記第一のリング状の部材１５２Ａと前記第二のリング状の部材１５２Ｂとを接続するための梁１５２Ｃとを備える。上部給電線１１０と前記第一のリング状の部材１５２Ａは、等間隔に配置された４本の支持棒２０２により接続されている。前記支持棒２０２および前記梁１５２Ｃは、上部給電線１１０と第一のリング状の部材１５２Ａと第二のリング状の部材１５２Ｂとを導通させる必要があるため、グラファイトを使用した。前記支持棒２０２および前記梁１５２Ｃの数と断面積は、分割リング状上部電極１５２の強度と上部給電線１１０から前記分割リング状上部電極１５２への電流と前記支持棒２０２および前記梁１５２Ｃからの熱輻射を考慮して決めれば良い。
【００４５】
上部電極と下部電極の面積が等しい構成とした場合（従来構成、図示せず）に対して、実施例１ではリング状上部電極１０２を用いることにより、面内温度差を減少させることが出来る。しかしながら、実施例１の対策をとった場合においても、面内温度差が所望の範囲よりも大きい場合には、さらに温度差を小さくする必要がある。図５Ａ、図５Ｂに示す上部電極と実施例１の図２Ａ、図２Ｂで示したものとの違いは、リング状上部電極１０２が内側と外側に二分割され、その間に間隙１５３を設けている点である（二重リング構造）。第一のリング状の部材１５２Ａおよび第二のリング状の部材１５２Ｂと下部電極１０３との間には強い電界が発生し、プラズマを生成することが出来る。一方、前記第一のリング状の部材１５２Ａおよび前記第二のリング状の部材１５２Ｂとの間隙１５３と下部電極１０３との間の電界は弱くなり、プラズマからの入熱は減少する。また、間隙１５３に対向する下部電極面から前記間隙１５３への熱輻射による熱通過量は増加することから、下部電極１０３の隙間１５３に対向する部分の温度は低下する。尚、前記間隙１５３を通過する下部電極からの熱輻射は、熱シールド４０１により遮蔽されているため、系全体としての熱損失は増加することはない。即ち、下部電極温度分布において、高温となる部分に対向する上部電極に間隙を作ることによって、系全体としての加熱効率を損なうこと無く、選択的に温度を低下させ、下部電極面内の温度分布を均一にすることが出来る。
【００４６】
図６に分割リング状上部電極１５２を用いた場合の下部電極面内の温度分布を示す。実施例１で示したように下部電極中心と下部電極外周との中間が高温となるような温度分布３２０の場合に対して、実施例２の様に下部電極の高温部に対向する位置に分割リング状上部電極１５２の隙間１５３がある場合には、その部分の温度を低下することができる（温度分布３３０）。また、実施例１の場合と同様に、上部電極面積が小さくなることにより、プラズマ生成領域が減少し、上部電極外周部に投入される電力密度が増加するため外周部の温度は上昇する。また、上部電極の隙間１５３を通過する熱輻射は熱シールド４０１により系全体としての熱損失を防ぐことが出来る。この結果、系全体としての熱損失を伴うことなく、下部電極において高温部分の温度を低下させ、下部電極面内の温度分布を均一化することが可能になる。
【００４７】
本実施例では、二分割されたリング状電極を用いることで間隙を設けたが、下部電極温度分布が不十分である場合には、さらに電極を分割し間隙を増やすことで、下部電極の温度分布を改善することが出来る。なお、本実施例においては上部電極中央部に電極部材が配置されていないが、電極部材を配置することもできる。これにより、中央部での温度が低下し過ぎるのを抑制することができる。
【００４８】
本実施例では、複数のリング状の部材１５２Ａ、１５２Ｂを組み合わせることで間隙１５３を設けて上部電極としたが、一枚の部材に隙間１５３に対応する溝を形成することで複数のリング部を備えた上部電極としても同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、一枚の部材を加工した場合には、複数の部材を組み合わせた場合に比べて開口部の位置精度を高めることができる。但し、複数の部材を組み合わせる場合には互いに異なった材料の部材を用いることができる。また、リングの数を３つ以上とすることもできる。また、所望の形状の部材を組み合わせることにより、或いは一枚の部材に所望の形状の開口を設けることにより、電極面内において所望の温度分布に制御することが可能となる。
以上、本実施例によれば、系全体としての熱損失を伴うことなく、下部電極において高温部分の温度を低下させ、下部電極面内の温度分布を改善可能なプラズマ熱処理装置を提供することができる。また、電極面内温度分布を制御することが可能なプラズマ熱処理装置を提供することができる。
【００４９】
なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…加熱処理室、１０１…被加熱試料（被処理体）、１０２…リング状上部電極、１０３…下部電極、１０３Ａ…円板状の部材、１０３Ｂ…梁、１０４…試料台、１０５…上下機構、１０６…支持ピン、１０７…シャフト、１０８…ギャップ、１１０…上部給電線、１１１…高周波電源、１１２…マッチング回路、１１３…ガス導入手段、１１４…圧力検出手段、１１５…排気口、１１６…真空バルブ、１１７…搬送口、１１８…放射温度計、１１９…電力導入端子、１２０…反射鏡、１２１…制御装置、１２２…冷媒流路、１２３…保護石英板（シールド）、１３０…内部排気口、１３１…ガス導入ノズル、１５２…分割リング状上部電極（二重リング上部電極）、１５２Ａ…第一のリング状の部材、１５２Ｂ…第二のリング状の部材、１５２Ｃ…梁、１５３…間隙、２０２…支持棒、３１０…円形状上部電極（従来）の場合の温度分布、３２０…リング状上部電極（実施例１）の場合の温度分布、３３０…二重リング状上部電極（実施例２）の場合の温度分布、４０１…熱シールド、４０２…固定部品。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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