(57)【要約】【課題】試料を１２００℃以上に加熱する場合でも、熱効率が高く、試料表面の面荒れを低減できる熱処理装置を提供する。【解決手段】プラズマを用いて熱処理を行う熱処理装置において、加熱処理室１００は、プラズマによって加熱されることにより試料１０１を加熱する加熱板１０３と、プラズマ生成用高周波電力が印加される電極１０２とを具備し、加熱板１０３は、梁１２５を有し、梁１２５および熱膨張吸収部材（１２６他）を介して加熱処理室１００に接続され、熱膨張吸収部材（１２６他）は弾性部材を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いて被加熱試料を熱処理する熱処理室と、
前記プラズマを形成するための高周波電力を供給する高周波電源と、
前記熱処理室内に配置され、前記高周波電力が供給される第一の電極と、
前記熱処理室内に配置されるとともに前記第一の電極と対向し、前記第一の電極との間にプラズマを形成する第二の電極と、
前記熱処理室内に配置され輻射熱を反射する反射鏡と、を備え、
前記反射鏡は、前記輻射熱と対向する面に低輻射の金属膜と保護膜とが順次形成された積層膜を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記低輻射の金属膜は、金膜であり、
前記保護膜は、石英、フッ化カルシウム、サファイア、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムの中の一つの膜であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項２記載の熱処理装置において、
前記保護膜は、石英膜であり、前記石英膜の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の値であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項３記載の熱処理装置において、
前記反射鏡を冷却する冷却手段が備えられていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記高周波電源から前記第一の電極へ高周波電力を供給する給電線が備えられ、
前記給電線は、第一の給電線と前記第一の給電線より低い熱伝導性を有する第二の給電線とを具備することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載の熱処理装置において、
前記第一の給電線は、前記第一の電極に接続され、等方性黒鉛材からなり、
前記第二の給電線は、前記第一の給電線を介して前記第一の電極に接続され、炭素繊維強化炭素複合材またはガラス状カーボンからなることを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載の熱処理装置において、
前記第二の給電線は、炭素繊維強化炭素複合材からなり、
前記炭素繊維強化炭素複合材の繊維の方向は、前記第二の給電線の長手方向に対して垂直の方向であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項８】
請求項５に記載の熱処理装置において、
前記第二の電極の熱膨張を吸収する熱膨張吸収部材が設けられ、
前記第二の電極は、梁を有し、前記梁および前記熱膨張吸収部材を介して前記加熱処理室に接続され、
前記熱膨張吸収部材は、弾性部材を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載の熱処理装置において、
前記熱膨張吸収部材は、基部を有し、
前記基部は、ステンレス製であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項１０】
被加熱試料の熱処理を行う熱処理装置において、
加熱対象であり熱膨張する第一の部材の熱膨張を吸収するとともに、前記第一の部材を加熱対象ではない第二の部材に接続する熱膨張吸収部材を備え、
前記熱膨張吸収部材は、弾性材料である弾性部材を具備することを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを製造する半導体製造装置に関するものであり、半導体基板の導電制御を目的に行われる不純物ドーピング後の活性化アニールや欠陥修復アニールおよび表面の酸化等を行う熱処理技術に関する。
【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（以下ＳｉＣと称する）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（以下Ｓｉと称する）よりも優れた物理的性質を有している。ＳｉＣは、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できる。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挙げられる。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基板向けのアニール装置として、例えば特許文献１に開示されている抵抗加熱炉が知られている。また、抵抗加熱炉方式以外には、例えば特許文献２に開示されている誘導加熱方式のアニール装置が知られている。さらに、特許文献３には、アニールによるＳｉＣ表面荒れを抑制する方法として、ＳｉＣ基板と対面する部分にＳｉＣが露出する蓋を設置する方法が開示されている。また、特許文献４には、マイクロ波により生成された大気圧プラズマにより、金属シースを介してウエハを加熱する装置が開示されている。
【０００５】
また、ＳｉＣ基板向けのアニール装置として、例えば、特許文献５に平行平板電極２、３と、これら電極間に高周波電圧を印加し放電させる高周波電源６と、これら電極間に配置される被加熱試料１の温度を計測する温度計測手段１７と、これら電極間へのガス導入手段１０と、これら電極の周囲を覆う反射鏡１３と、高周波電源６の出力を制御する制御部１８を備える熱処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３２７７４号公報
【特許文献２】特開２０１０−３４４８１号公報
【特許文献３】特開２００９−２３１３４１号公報
【特許文献４】特表２０１０−５１７２９４号公報
【特許文献５】特開２０１２−５９８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されている抵抗加熱炉で１２００℃以上の加熱を行う場合、以下に示す課題が顕著となる。
【０００８】
第１点目は、熱効率である。炉体からの放熱は輻射が支配的となり温度の四乗に比例して輻射量が増大するため、加熱領域が大きいと加熱に要するエネルギー効率が極端に低下する。抵抗加熱炉の場合、ヒーターからの汚染を回避するため、通常２重管構造が用いられ、加熱領域が大きくなる。また２重管により熱源（ヒーター）から被加熱試料が遠ざかるためヒーター部は被加熱試料の温度以上の高温にする必要があり、これもまた効率を大きく低下させる要因となる。また同様な理由から被加熱領域の熱容量が非常に大きくなり、温度の昇温や降下に時間がかかる。よって被加熱試料の搬入から搬出までに要する時間が長くなることからスループットは低下し、また高温環境下に被加熱試料を滞在させる時間が長くなり、後述する被加熱試料の表面荒れを増大させる要因ともなる。
【０００９】
第２点目は、炉材の消耗である。炉材料として、１２００〜２０００℃に対応できる材料は限られており、高融点で高純度な材料が必要となる。ＳｉＣ基板用に活用できる炉材は、グラファイト、またはＳｉＣそのものとなる。一般には、ＳｉＣ焼結体またはグラファイト基材に化学的気相成長法によりＳｉＣを表面にコーティングした材料が用いられる。これらは通常高価であり、炉体が大きい場合、交換する際に多額の費用が必要となる。また、高温であればあるほど炉体の寿命も短くなるので、通常のＳｉプロセスに比べて交換費用が高くなる。
【００１０】
第３点目は、被加熱試料の蒸発に伴う表面荒れの発生である。１８００℃程度の加熱では、被加熱試料であるＳｉＣの表面からＳｉが選択的に蒸発し表面荒れが生じたり、ドーピングした不純物が抜けたりして必要なデバイス特性が得られなくなる。この高温に伴う被加熱試料の表面荒れ等に対して従来では、被加熱試料の表面にあらかじめカーボン膜を成膜して加熱中の保護膜とする方法が用いられている。しかし、この従来方法では熱処理のために別工程でカーボン膜の成膜およびその除去が必要となり、工程数が増え、コストが増加する。
【００１１】
一方、特許文献２に記されている誘導加熱方式は、被加熱対象または被加熱対象を設置する設置手段に高周波による誘導電流を流して加熱する方式であり、先の抵抗加熱炉方式に比べ熱効率が高くなる。但し、誘導加熱の場合、被加熱対象の電気抵抗率が低いと加熱に必要な誘導電流が多くなり、誘導コイル等での熱損失が無視できなくなることから、被加熱対象に対する加熱効率は必ずしも高いわけではない。
【００１２】
また、誘導加熱方式は、被加熱試料または被加熱対象を設置する設置手段に流れる誘導電流により加熱均一性が決まるため、デバイス製造に用いるような平面円板では加熱均一性が十分得られない場合がある。加熱均一性が悪いと急加熱の際、熱応力により被加熱試料が破損する恐れがある。そのため、温度上昇の速度を応力が発生しない程度にする必要性からスループットの低下要因となる。さらに、前記抵抗炉加熱方式と同様に、超高温時のＳｉＣ表面からのＳｉ蒸発を防止するキャップ膜の生成及び除去工程が別途必要となる。
【００１３】
さらに、特許文献３に開示されているＳｉＣ表面荒れ防止方法は、高温環境下においてＳｉＣ基板表面からＳｉ原子が蒸発によって離脱するが、対向面からもＳｉ原子が蒸発するため、ＳｉＣ基板表面のＳｉが離脱した後の部分に対向面から放出されたＳｉ原子を取り込むことで、ＳｉＣ基板表面の表面荒れを防止するものである。このため、特許文献３に開示されている蓋は、誘導加熱コイルや抵抗加熱ヒーターによる加熱において、Ｓｉ原子の供給源として使用しているに過ぎない。
【００１４】
また、特許文献４に開示されているアニール装置は、上記の先行技術と異なり、被加熱試料をマイクロ波により生成させた大気圧プラズマに直接晒して加熱する方式を採用するが、プラズマが生成される領域が大きいため、加熱効率が悪い。
【００１５】
さらに、加熱源がプラズマを用いる場合、プラズマを被加熱試料に直接晒して加熱すると、一般的に結晶面にダメージを与える運動エネルギーは１０エレクトロンボルト以上であり、この値を超えるイオンの加速が生じるとダメージを与えるため、被加熱試料に入射するイオンのエネルギーを１０エレクトロンボルト以下とする必要がある。このため、プラズマの生成条件が制約を受ける。
【００１６】
本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、１２００℃以上に加熱する場合でも、熱効率が高く、被処理基板（被加熱試料）の面荒れを低減できる熱処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明はその一実施形態として、プラズマを用いて被加熱試料の熱処理を行う加熱処理室を備えた熱処理装置において、前記加熱処理室は、前記プラズマによって加熱されることにより前記被加熱試料を加熱する加熱板と、前記加熱板と対向して配置され、前記プラズマを生成するための高周波電力が印加される電極とを具備し、前記加熱板は、梁を有し、前記梁および熱膨張吸収部材を介して前記加熱処理室に接続され、前記熱膨張吸収部材は、弾性部材を有することを特徴とする熱処理装置とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱効率が高く、被処理基板の面荒れを低減できる熱処理装置を提供することができる。更に、安定したプラズマを生成できる。また、高い生産性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１に係る熱処理装置であり、（ａ）はその基本構成図、（ｂ）はＡ断面からみた上面図、（ｃ）はＢ断面からみた上面図である。
【図２】実施例１に係る熱処理装置における加熱処理室の加熱板を保持する梁の固定部を示す図であり、（ａ）は加熱前の側面図、（ｂ）は加熱時の側面図、（ｃ）は加熱後の側面図、（ｄ）は加熱前の上面図、（ｅ）は加熱時の上面図、（ｆ）は加熱後の上面図、（ｇ）は正面図である。
【図３】実施例１に係る熱処理装置における加熱処理室の加熱板を保持する梁の固定部を示す斜視図である。
【図４】実施例１に係る熱処理装置における加熱処理室の概略断面図である。
【図５】実施例１に係る熱処理装置において、試料の搬入出を説明するための加熱処理室の概略断面図である。
【図６】実施例２に係る加熱処理室の概略縦断面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図８】図６のＢ−Ｂ断面の断面図である。
【図９】上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【図１０】図６の反射鏡と異なる反射鏡を備える加熱処理室の概略縦断面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ断面の断面図である。
【図１３】図１０の加熱処理室が備える、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【図１４】実施例３に係る加熱処理室の概略縦断面図である。
【図１５】図１４のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図１６】図１４のＢ−Ｂ断面の断面図である。
【図１７】図１４の反射鏡と異なる反射鏡を備える加熱処理室の概略縦断面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図１９】図１７のＢ−Ｂ断面の断面図である。
【図２０】実施例４に係る熱処理装置の基本構成図である。
【図２１】実施例４に係る熱処理装置の中継給電線の詳細断面図であり、（ａ）は炭素繊維強化炭素複合材料を用いた場合、（ｂ）はガラス状カーボンを用いた場合を示す。
【図２２】実施例４に係る熱処理装置の中継給電線の接続図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施例について、図を参照しながら、以下、説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例に係る熱処理装置について図１〜図５を用いて説明する。プラズマにより被加熱試料を間接的に加熱することにより、被加熱試料を１２００℃以上に加熱する場合でも、熱効率が高く、被処理基板の面荒れを低減でき、更に長期安定性に優れた熱処理装置を提供することができる。
【００２２】
平行平板電極の間で発生したプラズマを加熱源として用い、当該電極を輻射反射鏡で覆うことにより低熱容量の装置構成で高温加熱が可能となり熱効率を高めることができる。更に被処理基板が直接プラズマに接しないように上部電極、或いは下部電極を介して被処理基板を配置することにより、被処理基板の面荒れを低減することができる。しかしながら、このような構成では、十分な長期安定性が得られないことが分かった。
【００２３】
長期安定性を損なう要因について先ず説明する。上記構成において、高い熱効率を得るために対向カーボン電極（上部電極、下部電極）を高い反射率を有する輻射反射鏡で覆う構造となっている。放電を形成する雰囲気は純度の高いＨｅ雰囲気を用いるが、高温処理のため熱処理中はＨｅガスの熱処理室への供給は停止、或いは流すにしても微量である。上部電極及び下部電極の材料であるカーボン電極はその内部に水素や酸素または水分を含んでおり、加熱初期にはそれらガスが電極より放出される。放出される際、前記ガスは炭化水素、一酸化炭素および水素の形態で放出され、それら放出ガスはプラズマ中で解離や合成を繰り返すことで煤状の異物を形成する恐れがある。この煤状異物が、輻射反射鏡に付着すると反射率が低下し、加熱効率の低下をもたらす恐れがある。そこで、次に上記要因を抑制或いは防止するための構成について説明する。
【００２４】
本実施例に係る熱処理装置における基本構成について図１を用いて説明する。
本実施例の熱処理装置は、プラズマを用いて被加熱試料（被処理基板）１０１を、下部電極１０３を介して間接的に加熱する加熱処理室１００を具備する。
【００２５】
加熱処理室１００は、上部電極１０２と、上部電極１０２と対向し、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（第１輻射熱抑制部材）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。なお、上部電極と共に、或いは上部電極に代えて、加熱板である下部電極１０３に高周波電源からの電力を供給することもできる。
【００２６】
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（加熱板）１０３の下方に近接して配置される。また、下部電極１０３は、加熱処理室１００の側壁部で保持されており、反射鏡１２０、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。
【００２７】
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は必須の構成というわけではないが、これ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からの輻射熱が反射されるため、熱効率を高めることができる。
【００２８】
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。
【００２９】
下部電極１０３の直径は上部電極と同じで、下部電極１０３を支える梁の先端を加熱処理室１００の側壁部の内部にまで延ばす構成とし、梁を含め厚さは２ｍｍとした。また、下部電極１０３は、被加熱試料１０１の側面を覆うような内筒形状の部材を上部電極１０２と対向する面の反対側に有している。図１（ａ）の中に記載したＡ断面およびＢ断面における上面図をそれぞれ図１（ｂ）、図１（ｃ）に示す。下部電極１０３は、図１（ｂ）に示すように、上部電極１０２と直径が略同じ円板状の部材と、上記の円板状の部材と加熱処理室１００の側壁部を接続する等間隔に配置された４本の梁とからなる。尚、上記の梁の数と断面積と厚さは、下部電極１０３の強度と下部電極１０３から加熱処理室１００への放熱を考慮して決めればよい。
【００３０】
上部電極１０２、下部電極１０３、被加工試料１０１および試料台１０４を取り囲むように熱シールド（高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング：第２輻射熱抑制部材）４０１が反射鏡（第１輻射熱抑制部材）１２０との中間に配置されている。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。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４０１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。また本実施例では、熱シールド４０１を厚さ０．１ｍｍのタングステン箔で形成した。本実施例の熱シールド４０１はその周辺部に端部側壁を有する。この端部側壁は必須ではないが、設けることにより、より熱効率を高めることができる。端部側壁は熱シールド本体と一体加工で形成してもよいが、別体で加工して結合することもできる。なお、本実施例の熱シールド４０１は、プラズマで直接加熱される部材（上部電極１０２や下部電極１０３）と直接接触する部分を有さず、全て離間して配置されている。これにより、熱シールドの加熱温度を低くすることができるため熱的な劣化による輻射率の長期的な劣化や不純物の放出等を抑制することが可能となる。また、熱シールドは高温となる上部電極と下部電極とを取り囲むように配置されるため、これら電極起因の煤状異物が発生しても熱シールドの表面側に回り込むのを抑制・防止することができ、煤状異物の熱シールド表面や反射鏡表面への付着を抑制・防止することができる。これにより、長期的な熱シールドの輻射率の低下や反射鏡の反射率の低下を抑制することができる（詳細については後述する）。
【００３１】
下部電極１０３は、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように細い梁を介して加熱処理室１００の側壁で保持される構造であるため、プラズマにより加熱された下部電極１０３の熱が加熱処理室１００の側壁に伝熱することを抑制でき、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を上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。
【００３２】
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。
また、下部電極１０３と上部電極１０２とのギャップは、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。
【００３３】
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、詳細は後で説明する。また、シャフト１０７には、アルミナ材を用いた。
【００３４】
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。
【００３５】
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８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１２４に供給する構成となっている。  
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によりガスを０．１気圧から１０気圧の範囲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。
【００３６】
次に本実施例の熱処理装置の基本動作例を説明する。  
まず、加熱処理室１００内のＨｅガスを排気口１１５より排気し、高真空状態とする。十分排気が終了した段階で、排気口１１５を閉め、ガス導入手段１１３よりガスを導入し、加熱処理室１００内を０．６気圧に制御する。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。  
予備室（図示せず）で４００℃に予備加熱された被加熱試料１０１を搬送口１１７から搬送し、試料台１０４の支持ピン１０６上に支持する。尚、被加熱試料１０１の支持ピン１０６上への支持方法の詳細は、後述する。
【００３７】
試料台１０４の支持ピン１０６上に被加熱試料１０１を支持後、試料台１０４を上下機構１０５により、所定位置まで上昇させる。本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面との距離が０．５ｍｍとなる位置を所定位置とした。
【００３８】
本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面間の距離を０．５ｍｍとしたが、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離でも良い。なお、被加熱試料１０１が下部電極１０３の下面に近接するほど、加熱効率は良くなるが、近接するほど、下部電極１０３と被加熱試料１０１が接触するリスクが高まったり、汚染等の問題が発生するため、０．１ｍｍ未満は好ましくない。また、距離が２ｍｍより大きい場合は、加熱効率が低下してしまい、加熱に必要な高周波電力が多くなるため、好ましくない。このため、本実施例における近接とは、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離とする。
【００３９】
所定位置に試料台１０４を昇降した後、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、下部電極１０３を介して被加熱試料１０１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。  
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。ここで、大気圧付近とは、０．１気圧から１気圧の範囲の圧力のこととする。
【００４０】
この結果、原料ガスの温度を容易に１２００〜２０００℃程度まで加熱することができる。この加熱された高温ガスの上部電極１０２および下部電極１０３への接触により、上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。また、電子衝突によって励起された中性ガスの一部は、発光を伴って脱励起し、この時の発光によっても上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。さらに高温ガスが回り込むことや加熱された上部電極１０２および下部電極１０３からの輻射により試料台１０４および被加熱試料１０１が加熱される。
【００４１】
ここで、被加熱試料１０１の上方に近接して、加熱板である下部電極１０３があることで、プラズマによって高温に加熱されたガスにより、下部電極１０３が加熱された後に、被加熱試料１０１が加熱されるため、被加熱試料１０１を均一に加熱する効果が得られる。また、下部電極１０３の下方に試料台１０４を設けることにより、被加熱試料１０１の形状に関わらず、下部電極１０３と上部電極１０２との間に均一な電場を形成し、均一なプラズマを生成することが可能になる。さらに被加熱試料１０１を下部電極１０３の下方に配置することにより、被加熱試料１０１がギャップ１０８に形成されたプラズマに直接曝されることがない。また、グロー放電からアーク放電に移行してしまった場合でも、被加熱試料１０１を経由することなく、下部電極１０３に放電電流が流れることから、被加熱試料１０１へのダメージを避けることができる。
【００４２】
次に、梁１２５から加熱処理室１００までの導通部の詳細を図２、３を用いて説明する。梁１２５はボルト１２８（ａ）により中継ブロック（基部）１２６と固定されており、中継ブロック１２６はボルト１２８（ｂ）により弾性材料（薄板バネ）１２７と固定されており、弾性材料（薄板バネ）１２７はボルト１２８（ｃ）により加熱処理室１００と固定されている（図２（ｇ）、図３）。つまり、梁１２５は中継ブロック１２６と、弾性材料（薄板バネ）１２７を介して、加熱処理室１００と接地している。梁１２５、中継ブロック１２６、弾性材料（薄板バネ）１２７および加熱処理室１００はボルト１２８により、それぞれが固定されているため、十分な導通を得ることができる。
【００４３】
次に、前記梁１２５と加熱処理室１００の接地部の加熱前、加熱時、加熱後の動きについて説明する。
【００４４】
加熱前は図２（ａ）、（ｄ）に示すように、梁１２５、中継ブロック１２６、および中継ブロックと締結している側の弾性材料（薄板バネ）１２７は加熱処理室１００内の前方の空間に待機している。
【００４５】
加熱時、直径２００ｍｍの下部電極１０３が２０００℃に上昇すると、径方向に２ｍｍ程度、熱膨張する。なお、下部電極１０３の前記熱膨張は、弾性材料（薄板バネ）１２７が変形することで、膨張分を吸収するようになっている（図２（ｂ）、（ｅ））。加熱時は下部電極１０３が熱膨張することで、梁１２５および梁１２５と締結している中継ブロック１２６が後方に移動しようとする力が加わり、その後、弾性材料（薄板バネ）１２７が変形し、梁１２５、中継ブロック１２６および中継ブロック１２６と締結している側の弾性材料（薄板バネ）１２７が加熱処理室１００内の後方の空間に移動する。
【００４６】
加熱後は、下部電極１０３が冷却されると同時に、下部電極１０３が熱膨張前の状態に戻ろうとするため、梁１２５と中継ブロック１２６が前方に戻ろうとする力が加わり、その後、弾性材料（薄板バネ）が元の形状に戻ろうとするため、梁１２５、中継ブロック１２６および中継ブロック１２６と締結している側の弾性材料（薄板バネ）１２７が加熱処理室１００内の前方の空間に移動し、加熱前の状態に戻る（図２（ｃ）、（ｆ））。
【００４７】
なお、本実施例では、弾性材料（薄板バネ）１２７と中継ブロック１２６とボルト１２８の材料には、価格が安価で且つ、比較的融点が高い、ステンレス材を用いたが、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ等の高融点の金属でも良い。また、弾性材料を有する熱膨張吸収部材は、プラズマを用いた熱処理に限らず、高温となり熱膨張する部材と、それよりも低温のために熱膨張が小さな部材との間の良好な電気的導通を必要とする場合に用いることができる。
【００４８】
またプラズマにより上部電極１０２および下部電極１０３を加熱した際、上部電極１０２および下部電極１０３間で電極部材の昇華等により煤状の異物が形成される恐れがある。この煤状の異物は加熱に伴う加熱処理室１００の気流に運ばれて、反射鏡１２０の保護石英板１２３等に付着する。煤状の異物が保護石英板１２３等に付着すると、反射鏡１２０の実効的な反射率が低下し、上部電極１０２および下部電極１０３の加熱効率の低下やその経時変化をもたらし、安定かつ高効率な被加熱試料１０１の加熱処理の阻害要因となる。しかし、本実施例では、加熱領域（上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４）と反射鏡１２０の中間に熱シールド（高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング）４０１を配置している。そのため、プラズマ中で煤状の異物が発生したとしても当該煤状の異物は、熱シールド４０１の内側面（上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４に対面する面）に付着することで反射鏡１２０面や熱シールド４０１の外側面（反射鏡と対面する面）への付着を防止することができる。加熱領域（上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４）の加熱効率は反射鏡１２０面と熱シールドの外側面（反射鏡と対面する面）の輻射率で決まるため、熱シールド４０１の内側面（上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４に対面する面）に煤状の異物が付着して輻射率が変化しても大きく変化することは無い。よって、加熱領域の熱効率を長期に亘って安定に保つことが可能となる。
【００４９】
熱シールド４０１を設置した場合、加熱領域は熱シールド４０１を含むその内側が加熱領域となる。よって、加熱部の熱容量には熱シールド４０１の熱容量も含まれることになる。しかし、本実施例で示したように熱シールド４０１を０．１ｍｍ程度の薄いタングステンで形成することで熱シールド４０１部の熱容量を非常に小さくすることができ、熱容量増加に伴う温度応答性の低下を最小限に抑制することが可能となる。即ち、熱シールド４０１により形成される容積によって加熱処理室１００の熱容量を制御できる。また前記したように、熱シールド４０１の内側面は煤状の異物等が付着して輻射率が変化しても、熱シールド４０１を含む加熱領域全体（熱シールド４０１の内側に配置される上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４）の加熱効率に与える影響は少ない。厳密には、熱シールド４０１内側の熱応答性が熱シールド４０１の熱容量分変化するが、熱シールド４０１の熱容量を、加熱領域全体（熱シールド４０１、上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４）の熱容量に対して非常に小さくすることでその影響は無視できる。しかし、熱シールド４０１の内側面の輻射率を初めから高くしておくことで、煤付着による変化を相対的に小さくでき、煤状異物の付着等による加熱応答性の経時変化をさらに小さくすることが可能である。具体的には、熱シールド４０１の外側面は研磨し、輻射率を低くするが、内側面は研磨等ほどこさない等することで前記効果を得ることができる。
【００５０】
熱シールド４０１の温度は、上部電極１０２および下部電極１０３の温度と、冷却されている反射鏡１２０の保護石英板１２３との中間温度となる。具体的には、上部電極１０２および下部電極１０３が１８００℃のとき、保護石英板１２３は冷却された反射鏡に近接するため１００℃程度となり、そのちょうど中間に熱シールド４０１を配置した場合、熱シールド４０１の温度は１８００℃と２００℃の平均である約１０００℃になる。熱シールド４０１を上部電極１０２および下部電極１０３側に近づけると熱シールルド４０１の温度は上部電極１０２および下部電極１０３に近づき、逆に保護石英板１２３に近づけると保護石英板１２３に近づく。本実施例では、上部電極１０２および下部電極１０３の温度が１８００℃の場合、熱シールド４０１は、その温度が１４００℃程度になる位置に配置した。熱シールド４０１の温度を熱処理に必要な上部電極１０２および下部電極１０３の温度に比べて低く保つことで、熱シールド４０１の材質の高温に伴う変質と汚染物質の放出を防止することができる。熱シールド４０１を処理温度である１８００℃程度に維持すると、その材質であるタングステンの再結晶化に伴う変質や、内部に微量含まれる不純物の放出を招く。また熱シールド４０１が直接プラズマに触れると、これも熱シールド４０１からの汚染物質放出や材質変質のリスクが増加する。よって、図１に示す熱シールドを上部電極１０２および下部電極１０３からある距離を隔てて、反射化鏡１２０との間に配置する構成により、熱シールド４０１の輻射率変化や汚染物質の放出抑制が可能となる。
【００５１】
図１に示す熱シールド４０１の外側面（反射鏡１２０と対面する面）の輻射率をεｓ、反射鏡１２０の輻射率をεｍとすると図１の構成における加熱領域（熱シールド４０１、上部電極１０２、下部電極１０３、被加熱試料１０１および試料台１０４）の輻射損失ＴＬｏｓｓは式（１）で表される。
【００５２】
【数１】
2014158009.tif 000003
【００５３】
式（１）から分かるように加熱領域の輻射損失ＴＬｏｓｓは輻射率εｓ、εｍが共に小さいほど小さくなり、熱効率を高くできることがわ分かる。反射鏡１２０は金（Ａｕ）の鏡面等を用いることで輻射率εｓを０．１以下にすることができる。一方、熱シールドはある程度の高温に耐えかつ、汚染を極力抑制しなければならないため材料的に選択肢が限られる。本実施例では熱シールドとしてタングステン箔を用いており、このタングステン箔の少なくとも外側面（反射鏡１２０と対面する面）を研磨面とすることで輻射率εｍを０．１〜０．５程度にすることが可能である。例えば、熱シールド（高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング）４０１を用いずに反射鏡１２０のみを用いた場合の加熱領域の熱損失は、反射鏡を用いない場合の１／９（反射鏡１２０の輻射率０．１、上部電極および下部電極の輻射率１の場合）程度の損失抑制であるが、熱シールド４０１を設置し、かつタングステンの外側面（反射鏡１２０と対面する面）の輻射率を０．１程度に仕上げた場合、輻射損失は１／１９と反射鏡１２０のみの場合に比べて加熱領域の熱損失を半分程度に減らすことが可能となり、加熱効率を高めることができる。
【００５４】
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１２００℃以上の高温状態では、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。よって、前記した反射鏡１２０および熱シールド４０１を用いることで、加熱領域の熱効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００５５】
加熱処理中の下部電極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、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。
【００５６】
また、加熱源のプラズマをグロー放電域のプラズマとすることで、上部電極１０２と下部電極１０３間に均一に広がったプラズマを形成でき、この均一で平面的なプラズマを熱源として被加熱試料１０１を加熱することで平面的な被加熱試料１０１を均一に加熱することが可能となる。  
また、平面的に均一に加熱できることから急速に温度を上昇させても、被加熱試料１０１内での温度不均一に伴う破損等を生じるリスクが低い。以上から高速な温度上昇および降温が可能となり、一連の加熱処理に必要な時間を短縮できる。この効果により加熱処理のスループット向上や、被加熱試料１０１の必要以上な高温雰囲気での滞在を抑制でき、高温に伴うＳｉＣ表面荒れ等を低減できる。
【００５７】
上記の加熱処理が終了したら、被加熱試料１０１の温度が８００℃以下まで低下した段階で、搬送口１１７から被加熱試料１０１を搬出し、次の被加熱試料１０１を加熱処理室１００内に搬送して試料台１０４の支持ピン１０６上に支持し、上述した加熱処理の操作を繰り返す。
【００５８】
被加熱試料１０１を入れ替える際、搬送口１１７に接続される被加熱試料退避位置（図示せず）のガス雰囲気を加熱処理室１００内と同程度に保つことで、被加熱試料１０１の入れ替えに伴う加熱処理室１００内のＨｅ入れ替えを行う必要がなく、使用ガス量の削減が可能となる。
【００５９】
もちろん、ある程度、加熱処理を繰り返すことにより加熱処理室１００内のＨｅガスの純度が低下することもあるので、その際は定期的にＨｅガスの入れ替えを実施する。放電ガスにＨｅガスを用いる場合、Ｈｅガスは、比較的高価なガスであるため、その使用量を極力削減することでランニングコストの抑制につながる。これは加熱処理中に導入するＨｅガス量にも言えることであり、処理中のガス純度を保つのに必要最小限な流量とすることでガス使用量の削減が可能となる。また被加熱試料１０１の冷却時間をこのＨｅガス導入により短縮することも可能である。つまり、加熱処理終了後（放電終了後）、Ｈｅガス流量を増加させることで、Ｈｅガスの冷却効果により冷却時間を短縮できる。
【００６０】
なお、上述では、８００℃以下の状態で被加熱試料１０１を搬出したが、耐熱性の高い搬送アームを使用することにより、被加熱試料１０１が８００℃から２０００℃の状態であっても、搬出が可能となり、待機時間を短縮することができる。
【００６１】
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１２４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１２４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。
【００６２】
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０．６気圧としたが、１０気圧以下の大気圧でも同様の動作が可能である。なお、１０気圧を越えると均一なグロー放電の生成が困難となる。
【００６３】
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。
【００６４】
本実施例では、熱シールド（高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング）４０１の材質にタングステンを用いたが、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。
【００６５】
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。
【００６６】
また、１２００℃以上の熱処理時には、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。  
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の加熱高率の低下を招く。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。
【００６７】
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からの伝熱も上記の上部給電線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、上記の上部給電線１１０と同様とした。
【００６８】
本実施例では，熱シールド４０１で上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４からの輻射損失を低減させるとともに反射鏡１２０によって輻射光を熱シールド４０１に戻すことにより加熱効率の向上が得られた。しかし、熱シールド４０１のみを上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４の周辺に施した場合でも加熱効率の向上を期待できるのは勿論である。同様に，反射鏡１２０のみを設置した場合でも，加熱効率の向上を期待できる。さらに，保護石英板１２３は，汚染防止の効果を期待するために設置しているものであり，保護石英板１２３を使用しなくても，十分な加熱効率を得ることができる。
【００６９】
本実施例では、上述したように加熱効率に影響を及ぼす、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４からの放熱は、（１）輻射、（２）ガス雰囲気の伝熱、（３）上部給電線１１０およびシャフト１０７からの伝熱が主である。１２００℃以上で加熱処理を行う場合、これらの中で最も大きい放熱の主要因は、（１）の輻射である。（１）の輻射の抑制のために、反射鏡１２０および熱シールド４０１を設けた。また、（３）の上部給電線１１０およびシャフト１０７からの放熱は、上述した通り、上部給電線１１０およびシャフト１０７の断面積と長さを最適化することによって、最小限に抑制した。
【００７０】
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。
【００７１】
次に、被加熱試料１０１の加熱処理室１００への搬入出の方法について図４、図５を用いて説明する。尚、図４および図５は加熱処理室１００の加熱領域の詳細図である。図４は、加熱処理中の状態を示し、図５は、被加熱試料１０１の搬入出時の状態を示す。
【００７２】
試料台１０４の支持ピン１０６上に支持された被加熱試料１０１を搬出する場合は、図４の加熱処理状態からプラズマ１２４を停止し、上下機構１０５によりシャフト１０７を介して試料台１０４位置を下げることで、図５に示すように隙間を有する被加熱試料１０１と試料台１０４の間の端部が開放される。この隙間に搬送口１１７から水平に搬送アーム（図示せず）を挿入し、上下機構１０５を下げることにより被加熱試料１０１は搬送アームに引き渡され、搬出することができる。また、被加熱試料１０１を加熱処理室１００に搬入する場合は、上述した被加熱試料の搬出の逆の動作を行うことにより、被加熱試料１０１を加熱処理室１００に搬入することができる。
【００７３】
上下機構１０５にて、試料台１０４の支持ピン１０６を下げた状態で、被加熱試料１０１を搭載した搬送アーム（図示せず）より支持ピン１０６上に被加熱試料１０１を搬送する。その後、上下機構１０５により試料台１０４を上昇させ、試料台１０４が搬送アームから被加熱試料１０１を受け取る。搬送アームを引き出した後、さらに試料台１０４を加熱処理するための所定位置まで上昇させることにより、加熱板である下部電極１０３下方に被加熱試料１０１を近接させることができる。
【００７４】
また、本実施例では、上部電極１０２と下部電極１０３は固定されているため、ギャップ１０８が変動しない。このため、被加熱試料１０１の加熱処理の度に安定したプラズマ１２４を生成することができる。
【００７５】
以上、上述した本実施例の熱処理装置を用いてイオン打ち込みを行なったＳｉＣ基板を１５００℃で１分間の熱処理を行なったところ、良好な導電特性を得ることができた。また、ＳｉＣ基板表面に面荒れは見られなかった。この処理を繰り返して実施しても熱効率の劣化はほとんど認められなかった。また、安定したプラズマを生成することができ、高い生産性が得られた。なお、安定したプラズマ生成の観点からは、反射鏡や熱シールドは必ずしも必要ではないが、より高温での処理が可能となる。
【００７６】
以下、本実施例の効果を纏める。本実施例に係る加熱処理装置では、狭ギャップ間で生成するプラズマを間接的な熱源として被加熱試料１０１を加熱する。前記プラズマは、均一性の観点から大気圧グロー放電で生成することが望ましい。本加熱原理に伴い従来技術に無い以下に示す７つの効果が得られる。
【００７７】
第１点目は、熱効率である。ギャップ１０８間のガスは熱容量が極めて少なく、また、上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４に高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング４０１を配置したことにより輻射に伴う加熱損失が極めて少ない体系にて被加熱試料１０１を加熱できる。
【００７８】
第２点目は、加熱応答性と均一性である。加熱部の熱容量が極めて小さいため、急速な昇温および降温が可能となる。また、グロー放電によるガス加熱を加熱源に用いるため、グロー放電の広がりにより平面的に均一な加熱が可能となる。温度均一性が高いことにより加熱処理に伴う被加熱試料１０１面内でのデバイス特性バラツキを抑制できるとともに、急激な昇温等を行った際に被加熱試料１０１面内の温度差に伴う熱応力による損傷も抑制できる。
【００７９】
第３点目は、加熱処理に伴う消耗部品の低減である。本実施例では、上部電極１０２と下部電極１０３にそれぞれ接触するガスを直接加熱するため、高温化する領域は、上部電極１０２と下部電極１０３の極めて近傍に配置される部材に限定され、かつその温度も被加熱試料１０１と同等である。よって、部材の寿命が長く、また、部品劣化に伴う交換の領域も少ない。
【００８０】
第４点目は、被加熱試料１０１の表面荒れ抑制である。本実施例では、先に記した効果により昇温および降温時間が短くできることから被加熱試料１０１を高温環境下に曝す時間が必要最低限に短縮できるため、表面荒れを抑制できる。また、本実施例では、大気圧グロー放電によるプラズマ１２４を加熱源として用いるが、被加熱試料１０１は、プラズマ１２４に直接曝されることはない。これにより熱処理装置とは別装置で行う保護膜の形成および除去工程が不要となり、ＳｉＣ基板を用いた半導体装置の製造コストの低減が可能となる。
【００８１】
第５点目は、被加熱試料１０１の加熱処理室１００への搬入出の簡素化である。本実施例では、試料台１０４の上下機構動作のみで、被加熱試料１０１の搬送アーム（図示せず）から試料台１０４への受け渡し、または、被加熱試料１０１の試料台１０４から搬送アーム（図示せず）への受け渡しができる。また、上記の受け渡しを行うための複雑な機構も必要としないため、加熱処理室１００内の構成部品の点数を減らすことができ、シンプルな装置構成とすることができる。
【００８２】
第６点目は、熱シールド４０１を上部電極１０２および下部電極１０３と反射鏡１２０間に配置する図１の構成により、加熱領域の熱容量増加を最小限にとどめながら加熱効率の向上とその長期安定化および被加熱試料１０１への汚染防止が可能となる。
【００８３】
第７点目は、安定したプラズマの生成である。本実施例では、下部電極１０３から加熱処理室１００までの接地に、梁１２５、中継ブロック１２６および弾性材料（薄板バネ）１２７用いることで、下部電極１０３の熱膨張を吸収しつつ、十分な導通を得ることができるため、安定したプラズマを生成することができ、生産性の高い装置が提供できる。また、プラズマ加熱処理に限らず、一般的な熱処理においても熱膨張の程度が異なる部材間の電気的導通が良好な装置を提供することができる。また、そのための熱膨張吸収部材を提供することができる。
【００８４】
以上、各実施例において上述したとおり、本発明は、プラズマを加熱源として間接的に被加熱試料を加熱する熱処理装置であると言える。また、言い換えると、本発明は、被加熱試料を加熱処理する加熱処理室を備え、前記加熱処理室は、加熱板と、前記加熱板と対向する電極と、前記プラズマ生成用の高周波電力を前記電極に供給する高周波電源とを具備し、前記電極と前記加熱板との間にプラズマを生成し、前記電極と前記加熱板との間に生成されたプラズマを加熱源として間接的に前記被加熱試料を加熱することを特徴とする熱処理装置とも言える。なお、プラズマはグロー放電で生成することが望ましい。
【実施例２】
【００８５】
発明者等が検討した結果、特許文献５に開示されたアニール装置はプラズマを用いたアニール装置であり、抵抗加熱炉等他の熱処理装置に比べれば熱効率は高いものの、１２００℃以上の加熱を行う場合、以下のような課題があることが判った。
【００８６】
第１点目は、熱効率である。１２００℃以上の加熱処理の際、放熱は、輻射が支配的となり、温度の四乗に比例して増大する。このため、特許文献５に開示されたアニール装置は、輻射を抑制するために反射鏡を用いて輻射損失を抑制し、反射鏡の保護及び反射鏡の汚染対策として、反射鏡の内側に保護石英を設置している。
【００８７】
しかし、溶融石英は、一般的に可視光から近赤外線の波長領域（０．３〜３．０μｍ）において、８０％以上の高い透過率を示すが、中波長以上の波長領域（約３．０μｍ〜）においては大幅に透過率が低下するような光学特性を示す。また、１２００〜１８００℃の処理温度の領域では、近赤外線から短波長赤外線の波長領域（０．７５〜３．０μｍ）付近の輻射が主要な輻射となるが、３．０μｍ以上の波長の輻射も絶対量としては、熱効率を考える上で、保護材としての石英の輻射損失も無視できなくなってくる。
【００８８】
また、石英が輻射を吸収する量は、石英の厚みに比例して増加するため、放熱として輻射熱が主になる温度領域においては、石英が厚くなるほど、熱効率が大幅に低下してしまい、処理温度に必要な投入電力が増加してしまう。
また、熱効率を低下させる他の要因として、電極間以外での放電は、事実上、被加熱試料を加熱するための投入電力のロスにつながるため、上記同様に熱効率を低下させる要因となる。
【００８９】
第２点目は、歩留まりである。上述した通り、特許文献５に開示されたアニール装置は、反射鏡の保護及び反射鏡の汚染対策として、保護石英を設置しているが、汚染源となり得る反射鏡表面と保護石英の間には隙間があるため、汚染源となり得る異物が反射鏡から発生した場合、被加熱試料に混入してしまう可能性があり、歩留まりが低下する要因となる。また、反射鏡で放電が発生した場合、反射鏡からの汚染のリスクが高まり、上記同様、歩留まりが低下する要因となる。
【００９０】
以上の課題を鑑みて、本実施例では、被加熱試料を熱処理する熱処理装置において、熱効率を高くするとともに歩留まりを高くすることができる熱処理装置について説明する。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ない限り本実施例にも適用することができる。
【００９１】
本実施例に係る熱処理装置の基本構成を図６ないし図９を用いて説明する。
本実施例に係る熱処理装置は、プラズマ１２４を用いて被加熱試料１０１を加熱する加熱処理室１００を具備する。図６は、加熱処理室１００の概略縦断面図である。
【００９２】
図６に示すように加熱処理室１００は、第一の電極である上部電極１０２と、上部電極１０２と対向し、加熱板である下部電極１０３と、第二の電極である下部電極１０３を支持する梁１２５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、輻射損失を低減させる断熱シールド４０１と、輻射損失低減部材である断熱シールド４０１を支持する支柱４０２と、輻射熱を反射させ第一の反射鏡である上部の反射鏡１２０ａと、輻射熱を反射させ第二の反射鏡である側面の反射鏡１２０ｂと、輻射熱を反射させ第三の反射鏡である下部の反射鏡１２０ｃ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。
【００９３】
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の下方に近接している。また、下部電極１０３は、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、６インチ（φ１５０ｍｍ）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、２００ｍｍ、５ｍｍとした。
【００９４】
一方、下部電極１０３の直径は、側面の反射鏡１２０ｂの内径以下であり、厚さを２ｍｍとした。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。下部電極１０３は、図７に示すように、上部電極１０２と直径が略同じ円板状の部材と、上記の円板状の部材と加熱処理室１００を接続する等間隔に配置された４本の梁１２５とからなる。尚、図７は、図６のＡ−Ａ断面の断面図である。また、上記の梁１２５の数と断面積と厚さは、下部電極１０３の強度と下部電極１０３から加熱処理室１００への放熱を考慮して決めればよい。
【００９５】
下部電極１０３は、図６に示す構造であるため、プラズマ１２４により加熱された下部電極１０３の熱が上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃと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。さらに、上部電極１０２と下部電極１０３の間に生成されたプラズマ１２４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を上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１２４に曝されることはない。
【００９６】
また、上部電極１０２、上部給電線１１０、下部電極１０３、梁１２５、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。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の厚さは、０．５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の厚さである。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の角部は、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。
【００９７】
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。また、シャフト１０７には、アルミナ材を用いた。
【００９８】
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。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。
【００９９】
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。
【０１００】
下部電極１０３は、梁１２５を介して加熱処理室１００と導通している。さらに下部電極１０３は、梁１２５と加熱処理室１００を介して接地されている。上部給電線１１０、上部電極１０２、下部電極１０３および梁１２５の構成材料は、グラファイトで形成されている。
【０１０１】
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６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１２４に供給する構成となっている。
【０１０２】
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によりガスを０．１気圧から１０気圧の範囲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。
【０１０３】
さらに上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４は、図８に示すように支柱４０２に支持され、円板状の断熱シールド４０１で覆われている。また、上記断熱シールド４０１は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃとによって囲まれる構造となっている。尚、図８は、図６のＢ−Ｂ断面の断面図である。本実施例では、上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれがプラズマ１２４に曝される表面の反対側に断熱シールド４０１を備えているため、上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの輻射熱を低減でき、熱効率を高めることができる。
【０１０４】
高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティングである断熱シールド４０１は、上部と下部に分割されており、上部の断熱シールド４０１は、支柱４０２により上部の反射鏡１２０ａに固定されており、下部の断熱シールド４０１は、試料台１０４に固定されている。上部の断熱シールド４０１を支持する支柱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。支柱４０２の材料は熱伝導率のなるべく低い材料を選択比し、断熱シールド４０１を支持するのに必要最小限の大きさとすることで、断熱シールド４０１から上部の反射鏡１２０ａへの伝熱損失を低く抑える構造となっている。
【０１０５】
また、本実施例では、断熱シールド４０１を厚さ０．１ｍｍのタングステン箔で形成した。本実施例の断熱シールド４０１は、その周辺部に端部側壁を有する。この端部側壁は必須ではないが、設けることにより、より熱効率を高めることができる。端部側壁は、断熱シールド本体と一体加工で形成してもよいが、別体で加工して結合することもできる。なお、本実施例の断熱シールド４０１は、プラズマで直接加熱される部材（上部電極１０２や下部電極１０３）と直接接触する部分を有さず、全て離間して配置されている。
【０１０６】
これにより、断熱シールド４０１の加熱温度を低くすることができるため熱的な劣化による輻射率の長期的な劣化や不純物の放出等を抑制することが可能となる。また、断熱シールド４０１は、高温となる上部電極１０２と下部電極１０３とを取り囲むように配置されるため、これら電極起因の煤状異物が発生しても断熱シールド４０１の表面側に回り込むのを抑制・防止することができ、煤状異物の断熱シールド４０１の表面や上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの表面への付着を抑制・防止することができる。これにより、長期的な断熱シールド４０１の輻射率の低下や上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの反射率の低下を抑制することができる。
【０１０７】
上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれは、図９に示すように金属基材４３２からなり、多くの輻射熱が発生する面と対向している金属基材４３２の面は、光学研磨されている。また、光学研磨された面には、低輻射の金属膜４２９がメッキあるいは蒸着によりコーティングされている。本実施例では、低輻射の金属膜４２９として可視光領域から赤外線領域において反射率の高いＡｕ(金)膜を用いたが、Ａｇ(銀)膜、Ｃｕ(銅)膜、銀合金膜等を用いてもＡｕ(金)膜と同様の効果が得られる。
【０１０８】
さらに低輻射の金属膜４２９の上に保護膜４３０がコーティングされている。また、多くの輻射熱が発生している面と対向していない金属基材４３２の面は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの加熱処理室１００に組み付ける面を除いて、金属基材４３２の面に保護膜４３０がコーティングされている。尚、図９は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【０１０９】
また、本実施例では、保護膜４３０として高透過率であり、絶縁材料である石英(ＳｉＯ２)を用いたが、フッ化カルシウム(ＣａＦ２)、サファイア(Ａｌ２Ｏ３)、フッ化バリウム(ＢａＦ２)、フッ化リチウム(ＬｉＦ)、フッ化マグネシウム(ＭｇＦ２)を用いても石英(ＳｉＯ２)と同様の効果が得られる。
【０１１０】
一般的に伝熱の機構としては、(１)熱伝導、(２)輻射、(３)対流伝熱の３つに分けるとことができるが、温度が約７００℃以上からは、(２)輻射による伝熱が主要となってくる。また、輻射熱の特徴として、温度が低温の際は、遠赤外線の領域の輻射が主であるが、高温になるに従い、次第に短波長領域の輻射が主となるが、長波長領域の絶対量も増加していく。
【０１１１】
因みに、石英の光学特性は、材料や製造方法によっても、当然異なってくるが、例えば、電気溶融品等の石英は、可視光から近赤外線の波長領域（０．３〜３．０μｍ）の場合、透過率が８０％以上と高いが、中波長以上の波長領域（約３．０μｍ〜）の場合、大幅に透過率が低下するような光学特性を示す。
【０１１２】
このため、１２００〜１８００℃の温度領域で被加熱試料１０１を熱処理すると、近赤外線から短波長赤外線の波長領域（０．７５〜３．０μｍ）付近の波長の輻射が主要な輻射となるが、３．０μｍ以上の波長の輻射も絶対量としては、かなり存在しているため、熱効率を考える上では、保護材としての石英での輻射損失も無視できなくなってくる。また、石英が輻射を吸収する量は、石英の厚みに比例して増加するため、輻射熱が主になる温度領域においては、石英が厚くなるほど、加熱効率は大幅に低下してしまう。
【０１１３】
このようなことから本実施例では、保護膜４３０の膜厚を５μｍ程度としたが、０．１μｍから１０μｍの範囲の膜厚でも良い。なお、保護膜４３０の膜厚が薄くなるほど、加熱効率は良くなるが、保護膜４３０の厚さが０．１μｍ以下になると、例えば、上部給電線１１０と上部の反射鏡１２０ａとの間に放電が発生するリスクが高まり、汚染等の問題が発生するため、好ましくない。また、保護膜４３０の膜厚が１０μｍより大きい場合は、輻射損失が多くなり、加熱効率を下げることになるため、好ましくない。このため、本発明では、保護膜４３０の膜厚を０．１μｍ〜１０μｍとする。
【０１１４】
さらに、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれには、冷媒流路１２２が形成されており、冷却水を冷媒流路１２２に流すことによって、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの温度を所望の温度以下に保つことできる。このため、低輻射の金属膜４２９と保護膜４３０のそれぞれが剥がれにくい構造となっている。
【０１１５】
加熱処理室１００は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃを備えるため、上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの輻射熱を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれによって反射することができる。このため、熱効率を高めることができる。
【０１１６】
また、保護膜４３０は、低輻射の金属膜４２９の表面が超高温の上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの昇華物によって汚れることを防止する。また、保護膜４３０は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれから被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染を防止する保護材として機能する。
【０１１７】
また、特に、多くの輻射熱が発生している面と対向していない金属基材４３２の面にコーティングされた保護膜４３０は、近傍の高電位の箇所(例えば、上部給電線１１０)と金属基材４３２との間に放電が発生することを防止する機能も併せ持つ。この機能により、高周波電源１１１から供給される高周波電力が上部電極１０２と下部電極１０３との間に形成されるプラズマ１２４の生成のために効率的に消費される。また、例えば、上部給電線１１０と上部の反射鏡１２０ａとの間に放電が発生すると異物や汚染が懸念されるが、この放電の発生を抑制できるため、上記の異物や汚染を懸念する必要がない。
【０１１８】
以上のことから、保護膜４３０で上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれを全面的に覆うことにより、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれと高電位との間での放電のリスクを低減することができるとともに超高温の上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの昇華物による汚れと、被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染とを防止することができる。さらに熱効率の低下も抑制することができる。
【０１１９】
また、汚染防止用の保護材として、石英の加工品を使用する場合、加工性や操作性を考慮すると、厚みは１〜３ｍｍ程度必要とされるが、本実施例では、保護材として保護膜４３０を低輻射の金属膜４２９または金属基材４３２の上にコーティングしているため、石英の厚みを０．１〜１０μｍ程度に抑えることができる。このため、本実施例での保護膜４３０の厚みを石英の加工品の厚みと比較すると、保護膜４３０の厚さが石英の加工品より約１／１００〜１／３００００に薄くなり、保護材による輻射損失を最低限に抑えることができる。
【０１２０】
次に本実施例の熱処理装置の基本動作例を説明する。先ず、加熱処理室１００内のＨｅガスを排気口１１５より排気し、高真空状態とする。十分排気が終了した段階で、排気口１１５を閉め、ガス導入手段１１３よりガスを導入し、加熱処理室１００内を０．６気圧に制御する。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。
【０１２１】
予備室（図示せず）で４００℃に予備加熱された被加熱試料１０１を搬送口１１７から搬送し、試料台１０４の支持ピン１０６上に支持する。試料台１０４の支持ピン１０６上に被加熱試料１０１を支持後、試料台１０４を上下機構１０５により、所定位置まで上昇させる。本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面との距離が０．５ｍｍとなる位置を所定位置とした。
【０１２２】
本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面間の距離を０．５ｍｍとしたが、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離でも良い。なお、被加熱試料１０１が下部電極１０３の下面に近接するほど、加熱効率は良くなるが、近接するほど、下部電極１０３と被加熱試料１０１が接触するリスクが高まったり、汚染等の問題が発生するため、０．１ｍｍ未満は好ましくない。また、距離が２ｍｍより大きい場合は、加熱効率が低下してしまい、加熱に必要な高周波電力が多くなるため、好ましくない。このため、本発明での近接とは、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離とする。
【０１２３】
所定位置に試料台１０４を上昇させた後、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１２４を生成することにより、被加熱試料１０１の加熱を行う。高周波電力のエネルギーは、プラズマ１２４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１２４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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
この結果、原料ガスの温度を容易に１２００〜２０００℃程度まで加熱することができる。この加熱された高温ガスの上部電極１０２および下部電極１０３への接触により、上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。また、電子衝突によって励起された中性ガスの一部は、発光を伴って脱励起し、この時の発光によっても上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。さらに高温ガスが回り込むことや加熱された上部電極１０２および下部電極１０３からの輻射により試料台１０４および被加熱試料１０１が加熱される。
【０１２６】
ここで、被加熱試料１０１の上方に近接して、加熱板である下部電極１０３があることで、プラズマ１２４により高温に加熱されたガスにより、下部電極１０３が加熱された後に、被加熱試料１０１が加熱されるため、被加熱試料１０１を均一に加熱する効果が得られる。また、下部電極１０３の下方に試料台１０４を設けることにより、被加熱試料１０１の形状に関わらず、下部電極１０３と上部電極１０２との間に均一な電場を形成し、均一なプラズマ１２４を生成することが可能になる。
【０１２７】
さらに被加熱試料１０１を下部電極１０３の下方に配置することにより、被加熱試料１０１がギャップ１０８に形成されたプラズマ１２４に直接曝されることがない。また、グロー放電からアーク放電に移行してしまった場合でも、被加熱試料１０１を経由することなく、下部電極１０３に放電電流が流れることから、被加熱試料１０１へのダメージを避けることができる。
【０１２８】
加熱処理中の下部電極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、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。
【０１２９】
また、加熱源のプラズマ１２４をグロー放電域のプラズマとすることで、上部電極１０２と下部電極１０３間に均一に広がったプラズマ１２４を形成でき、この均一で平面的なプラズマ１２４を熱源として被加熱試料１０１を加熱することで平面的な被加熱試料１０１を均一に加熱することが可能となる。上記の加熱処理が終了したら、被加熱試料１０１の温度が８００℃以下まで低下した段階で、搬送口１１７から被加熱試料１０１を搬出し、次の被加熱試料１０１を加熱処理室１００内に搬送して試料台１０４の支持ピン１０６上に支持し、上述した加熱処理の操作を繰り返す。
【０１３０】
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０．６気圧としたが、１０気圧以下の大気圧でも同様の動作が可能である。なお、１０気圧を越えると均一なグロー放電の生成が困難となる。また、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。
【０１３１】
さらに、本実施例では，断熱シールド４０１により上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの輻射損失を低減させるとともに上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれによって輻射光を上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４に戻すことにより加熱効率を向上させることができた。また、断熱シールド４０１のみを上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４に適用した場合でも加熱効率の向上を期待できるのは勿論である。同様に，上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのみを適用した場合でも，加熱効率の向上を期待できる。 
本実施例での、加熱効率に影響を及ぼす、上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれからの放熱は、(１)輻射、(２)ガス雰囲気の伝熱、(３)上部給電線１１０とシャフト１０７と梁１２５のそれぞれからの伝熱が主である。また、１２００℃以上で加熱処理を行う場合、これらの中で最も放熱の主要因は、(１)の輻射となる。
【０１３２】
このようなことから、本実施例では、(１)の輻射を抑制するために、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４のそれぞれのプラズマ１２４に曝される表面の反対側に断熱シールド４０１を設けるとともに、輻射損失を最低限に抑えるため、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれからの汚染を防止するための保護材である保護膜４３０を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれにコーティングした。
【０１３３】
また、本実施例の構成により、(１)の輻射による熱効率低下を抑制するとともに上部電極１０２と下部電極１０３との間以外に発生する放電による熱効率低下も抑制できる。このため、熱処理条件によって上部電極１０２と下部電極１０３との間以外に発生する放電を抑制できる場合は、図１０に示すような構成にすることにより、(１)の輻射による熱効率低下を抑制することができ、輻射損失を最低限に抑えることができる。尚、図１０は、加熱処理室１００の概略縦断面図であり、図５において、図１と同符号を付したものは、本実施例の図６の加熱処理室１００と同等の機能を有するため、説明を省略する。
【０１３４】
図１０に示す加熱処理室１００と図６に示す加熱処理室１００との相違点は、図１０に示す加熱処理室１００内に設けられた上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれが図１０ないし図１３に示すように多くの輻射熱が発生する面と対向している金属基材４３２の面のみが光学研磨され、上記の光学研磨された面には、低輻射の金属膜４２９がメッキあるいは蒸着によりコーティングされていることである。さらに低輻射の金属膜４２９の上に保護膜４３０がコーティングされている。尚、図１１は、図１０のＡ−Ａ断面の断面図であり、図１２は、図１０のＢ−Ｂ断面の断面図である。また、図１３は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【０１３５】
以下、本実施例に係る本発明の効果を纏める。本発明の熱処理装置は、狭ギャップ間で生成された大気圧のグロー放電によるガス加熱を熱源として被加熱試料１０１を加熱する。この加熱原理に伴い、従来技術に無い以下に示す２つの効果が得られる。
【０１３６】
第１点目は、熱効率である。ギャップ１０８間のガスは、熱容量が極めて少ない。また、上部電極１０２と下部電極１０３と試料台１０４のそれぞれと、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれとの間に断熱シールド４０１を配置し、且つ、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれからの汚染を防止するための保護材として保護膜４３０を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの表面にコーティングすることによって、輻射に伴う加熱損失を極めて少なくした体系にて被加熱試料１０１を加熱できる。
【０１３７】
第２点目は、生産性である。本発明の熱処理装置は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれにおいて、汚染源の可能性となりうる、メッキあるいは蒸着された低輻射の金属膜４２９の表面に保護膜４３０をコーティングすることにより、直接的に汚染源を覆うことができ、汚染を防止し、歩留まり性を向上することが可能となる。
【０１３８】
以上のことより、本発明の熱処理装置は、被加熱試料を１２００℃以上に加熱する場合でも熱効率及び歩留まり性を高くすることができる。
【実施例３】
【０１３９】
実施例２は、被加熱試料がプラズマから間接的に加熱される加熱処理装置に本発明を適用した例であったが、本実施例では、被加熱試料がプラズマから直接加熱される加熱処理装置に本発明を適用した例について説明する。以下、本実施例に係る熱処理装置の基本構成を図９と図１４ないし図１６を用いて説明する。
【０１４０】
本実施例に係る熱処理装置は、プラズマ１２４を用いて被加熱試料１０１を加熱する加熱処理室１００を具備する。図１４は、加熱処理室１００の概略縦断面図である。図１４に示すように加熱処理室１００は、第一の電極である上部電極１０２と、被加熱試料１０１を載置し、上部電極１０２と対向し、第二の電極である下部電極１０３と、輻射損失を低減させる断熱シールド４０１と、輻射損失低減部材である断熱シールド４０１を支持する支柱４０２と、輻射熱を反射させ第一の反射鏡である上部の反射鏡１２０ａと、輻射熱を反射させ第二の反射鏡である側面の反射鏡１２０ｂと、輻射熱を反射させ第三の反射鏡である下部の反射鏡１２０ｃ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。
【０１４１】
本実施例では、被加熱試料１０１として、６インチ（φ１５０ｍｍ）のＳｉＣ基板を用いた。また、図１５に示すように上部電極１０２および下部電極１０３は円板状であり、上部電極１０２および下部電極１０３の直径及び厚さは、それぞれ、２００ｍｍ、５ｍｍとした。さらに被加熱試料１０１は０．５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の厚さを備え、被加熱試料１０１を載置する下部電極１０３にはこの被加熱試料１０１を載せるための窪みが設けられている。尚、図１５は、図１４のＡ−Ａ断面の断面図である。
【０１４２】
上部電極１０２および下部電極１０３は、図１４に示すように上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃとで囲われている構造のため、加熱処理室１００は、熱効率の高い熱処理ができる。また、上部電極１０２、上部給電線１１０および下部電極１０３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。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。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の角部は、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。
【０１４３】
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、下部電極１０３は、下部給電線１０３と接地している。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。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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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６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１２４に供給する構成となっている。
【０１４６】
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によりガスを０．１気圧から１０気圧の範囲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。
【０１４７】
さらに上部電極１０２と下部電極１０３は、図１６に示すように支柱４０２に支持され、円板状の断熱シールド４０１で覆われている。また、上記断熱シールド４０１は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃとによって囲まれる構造となっている。尚、図１６は、図１４のＢ−Ｂ断面の断面図である。本実施例では、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれがプラズマ１２４に曝される表面の反対側に断熱シールド４０１を備えているため、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの輻射熱を低減でき、熱効率を高めることができる。
【０１４８】
高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティングである断熱シールド４０１は、上部と下部に分割されており、上部の断熱シールド４０１は、支柱４０２により上部の反射鏡１２０ａに固定されており、下部の断熱シールド４０１は、支柱４０２により下部の反射鏡１２０ｃに固定されている。上部および下部の断熱シールド４０１を支持する支柱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。支柱４０２の材料は熱伝導率のなるべく低い材料を選択比し、断熱シールド４０１を支持するのに必要最小限の大きさとすることで、断熱シールド４０１から上部の反射鏡１２０ａへの伝熱損失を低く抑える構造となっている。
【０１４９】
また、本実施例では、断熱シールド４０１を厚さ０．１ｍｍのタングステン箔で形成した。本実施例の断熱シールド４０１は、その周辺部に端部側壁を有する。この端部側壁は必須ではないが、設けることにより、より熱効率を高めることができる。端部側壁は、断熱シールド本体と一体加工で形成してもよいが、別体で加工して結合することもできる。なお、本実施例の断熱シールド４０１は、プラズマで直接加熱される部材（上部電極１０２や下部電極１０３）と直接接触する部分を有さず、全て離間して配置されている。
【０１５０】
これにより、断熱シールド４０１の加熱温度を低くすることができるため熱的な劣化による輻射率の長期的な劣化や不純物の放出等を抑制することが可能となる。また、断熱シールド４０１は、高温となる上部電極１０２と下部電極１０３とを取り囲むように配置されるため、これら電極起因の煤状異物が発生しても断熱シールド４０１の表面側に回り込むのを抑制・防止することができ、煤状異物の断熱シールド４０１の表面や上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの表面への付着を抑制・防止することができる。これにより、長期的な断熱シールド４０１の輻射率の低下や上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの反射率の低下を抑制することができる。
【０１５１】
上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれは、図９に示すように金属基材４３２からなり、多くの輻射熱が発生する面と対向している金属基材４３２の面は、光学研磨されている。また、光学研磨された面には、低輻射の金属膜４２９がメッキあるいは蒸着によりコーティングされている。本実施例では、低輻射の金属膜４２９として可視光領域から赤外線領域において反射率の高いＡｕ(金)膜を用いたが、Ａｇ(銀)膜、Ｃｕ(銅)膜、銀合金膜等を用いてもＡｕ(金)膜と同様の効果が得られる。
【０１５２】
さらに低輻射の金属膜４２９の上に保護膜４３０がコーティングされている。また、多くの輻射熱が発生している面と対向していない金属基材４３２の面は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの加熱処理室１００に組み付ける面を除いて、金属基材４３２の面に保護膜４３０がコーティングされている。尚、図９は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【０１５３】
また、本実施例では、保護膜４３０として高透過率であり、絶縁材料である石英(ＳｉＯ２)を用いたが、フッ化カルシウム(ＣａＦ２)、サファイア(Ａｌ２Ｏ３)、フッ化バリウム(ＢａＦ２)、フッ化リチウム(ＬｉＦ)、フッ化マグネシウム(ＭｇＦ２)を用いても石英(ＳｉＯ２)と同様の効果が得られる。
【０１５４】
一般的に伝熱の機構としては、(１)熱伝導、(２)輻射、(３)対流伝熱の３つに分けるとことができるが、温度が約７００℃以上からは、(２)輻射による伝熱が主要となってくる。また、輻射熱の特徴として、温度が低温の際は、遠赤外線の領域の輻射が主であるが、高温になるに従い、次第に短波長領域の輻射が主となるが、長波長領域の絶対量も増加していく。
【０１５５】
因みに、石英の光学特性は、材料や製造方法によっても、当然異なってくるが、例えば、電気溶融品等の石英は、可視光から近赤外線の波長領域（０．３〜３．０μｍ）の場合、透過率が８０％以上と高いが、中波長以上の波長領域（約３．０μｍ〜）の場合、大幅に透過率が低下するような光学特性を示す。
【０１５６】
このため、１２００〜１８００℃の温度領域で被加熱試料１０１を熱処理すると、近赤外線から短波長赤外線の波長領域（０．７５〜３．０μｍ）付近の波長の輻射が主要な輻射となるが、３．０μｍ以上の波長の輻射も絶対量としては、かなり存在しているため、熱効率を考える上では、保護材としての石英での輻射損失も無視できなくなってくる。また、石英が輻射を吸収する量は、石英の厚みに比例して増加するため、輻射熱が主になる温度領域においては、石英が厚くなるほど、加熱効率は大幅に低下してしまう。
【０１５７】
このようなことから本実施例では、保護膜４３０の膜厚を５μｍ程度としたが、０．１μｍから１０μｍの範囲の膜厚でも良い。なお、保護膜４３０の膜厚が薄くなるほど、加熱効率は良くなるが、保護膜４３０の厚さが０．１μｍ以下になると、例えば、上部給電線１１０と上部の反射鏡１２０ａとの間に放電が発生するリスクが高まり、汚染等の問題が発生するため、好ましくない。また、保護膜４３０の膜厚が１０μｍより大きい場合は、輻射損失が多くなり、加熱効率を下げることになるため、好ましくない。このため、本発明では、保護膜４３０の膜厚を０．１μｍ〜１０μｍとする。
【０１５８】
さらに、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれには、冷媒流路１２２が形成されており、冷却水を冷媒流路１２２に流すことによって、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの温度を所望の温度以下に保つことできる。このため、低輻射の金属膜４２９と保護膜４３０のそれぞれが剥がれにくい構造となっている。
【０１５９】
加熱処理室１００は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃを備えるため、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの輻射熱を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれによって反射することができる。このため、熱効率を高めることができる。
【０１６０】
また、保護膜４３０は、低輻射の金属膜４２９の表面が超高温の上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの昇華物によって汚れることを防止する。また、保護膜４３０は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれから被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染を防止する保護材として機能する。
【０１６１】
また、特に、多くの輻射熱が発生している面と対向していない金属基材４３２の面にコーティングされた保護膜４３０は、近傍の高電位の箇所(例えば、上部給電線１１０)と金属基材４３２との間に放電が発生することを防止する機能も併せ持つ。この機能により、高周波電源１１１から供給される高周波電力が上部電極１０２と下部電極１０３との間に形成されるプラズマ１２４の生成のために効率的に消費される。また、例えば、上部給電線１１０と上部の反射鏡１２０ａとの間に放電が発生すると異物や汚染が懸念されるが、この放電の発生を抑制できるため、上記の異物や汚染を懸念する必要がない。
【０１６２】
以上のことから、保護膜４３０で上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれを全面的に覆うことにより、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれと高電位との間での放電のリスクを低減することができるとともに超高温の上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの昇華物による汚れと、被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染とを防止することができる。さらに熱効率の低下も抑制することができる。
【０１６３】
また、汚染防止用の保護材として、石英の加工品を使用する場合、加工性や操作性を考慮すると、厚みは１〜３ｍｍ程度必要とされるが、本実施例では、保護材として保護膜４３０を低輻射の金属膜４２９または金属基材４３２の上にコーティングしているため、石英の厚みを０．１〜１０μｍ程度に抑えることができる。このため、本実施例での保護膜４３０の厚みを石英の加工品の厚みと比較すると、保護膜４３０の厚さが石英の加工品より約１／１００〜１／３００００に薄くなり、保護材による輻射損失を最低限に抑えることができる。
【０１６４】
次に本発明の熱処理装置の基本動作例を説明する。先ず、加熱処理室１００内のＨｅガスを排気口１１５より排気し、高真空状態とする。十分排気が終了した段階で、排気口１１５を閉め、ガス導入手段１１３よりガスを導入し、加熱処理室１００内を０．６気圧に制御する。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。
【０１６５】
予備室（図示せず）で４００℃に予備加熱された被加熱試料１０１を下部電極１０３に載置した後、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１２４を生成することにより、被加熱試料１０１の加熱を行う。高周波電力のエネルギーは、プラズマ１２４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。
【０１６６】
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１２４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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
この結果、原料ガスの温度を容易に１２００〜２０００℃程度まで加熱することができる。この加熱された高温ガスの上部電極１０２および下部電極１０３への接触により、上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。また、電子衝突によって励起された中性ガスの一部は、発光を伴って脱励起し、この時の発光によっても上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。さらに高温ガスが回り込むことや加熱された上部電極１０２および下部電極１０３からの輻射により被加熱試料１０１が加熱される。
【０１６９】
加熱処理中の下部電極１０３の温度は、放射温度計１１８により計測され、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。
【０１７０】
また、加熱源のプラズマ１２４をグロー放電域のプラズマとすることで、上部電極１０２と下部電極１０３間に均一に広がったプラズマ１２４を形成でき、この均一で平面的なプラズマ１２４を熱源として被加熱試料１０１を加熱することで平面的な被加熱試料１０１を均一に加熱することが可能となる。上記の加熱処理が終了したら、被加熱試料１０１の温度が８００℃以下まで低下した段階で、加熱処理室１００から被加熱試料１０１を搬出し、次の被加熱試料１０１を加熱処理室１００内に搬送し、上述した加熱処理の操作を繰り返す。
【０１７１】
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０．６気圧としたが、１０気圧以下の大気圧でも同様の動作が可能である。なお、１０気圧を越えると均一なグロー放電の生成が困難となる。また、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。
【０１７２】
さらに、本実施例では，断熱シールド４０１により上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの輻射損失を低減させるとともに上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれによって輻射光を上部電極１０２と下部電極１０３に戻すことにより加熱効率を向上させることができた。また、断熱シールド４０１のみを上部電極１０２と下部電極１０３に適用した場合でも加熱効率の向上を期待できるのは勿論である。同様に，上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのみを適用した場合でも，加熱効率の向上を期待できる。
【０１７３】
本実施例での、加熱効率に影響を及ぼす、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれからの放熱は、(１)輻射、(２)ガス雰囲気の伝熱、(３)上部給電線１１０と下部給電線１０３のそれぞれからの伝熱が主である。また、１２００℃以上で加熱処理を行う場合、これらの中で最も放熱の主要因は、(１)の輻射となる。
【０１７４】
このようなことから、本実施例では、(１)の輻射を抑制するために、上部電極１０２、下部電極１０３のそれぞれのプラズマ１２４に曝される表面の反対側に断熱シールド４０１を設けるとともに、輻射損失を最低限に抑えるため、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれからの汚染を防止するための保護材である保護膜４３０を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれにコーティングした。
【０１７５】
また、本実施例の構成により、(１)の輻射による熱効率低下を抑制するとともに上部電極１０２と下部電極１０３との間以外に発生する放電による熱効率低下も抑制できる。このため、熱処理条件によって上部電極１０２と下部電極１０３との間以外に発生する放電を抑制できる場合は、図１７に示すような構成にすることにより、(１)の輻射による熱効率低下を抑制することができ、輻射損失を最低限に抑えることができる。尚、図１７は、加熱処理室１００の概略縦断面図であり、図１７において、図１４と同符号を付したものは、本実施例の図１４の加熱処理室１００と同等の機能を有するため、説明を省略する。
【０１７６】
図１７に示す加熱処理室１００と図１４に示す加熱処理室１００との相違点は、図１７に示す加熱処理室１００内に設けられた上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれが図１３と図１７ないし図１９に示すように多くの輻射熱が発生する面と対向している金属基材４３２の面のみが光学研磨され、上記の光学研磨された面には、低輻射の金属膜４２９がメッキあるいは蒸着によりコーティングされていることである。さらに低輻射の金属膜４２９の上に保護膜４３０がコーティングされている。尚、図１８は、図１７のＡ−Ａ断面の断面図であり、図１９は、図１７のＢ−Ｂ断面の断面図である。また、図１３は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの模式図である。
【０１７７】
以下、本実施例に係る本発明の効果を纏める。本発明の熱処理装置は、狭ギャップ間で生成された大気圧のグロー放電によるガス加熱を熱源として被加熱試料１０１を加熱する。この加熱原理に伴い、従来技術に無い以下に示す２つの効果が得られる。
【０１７８】
第１点目は、熱効率である。ギャップ１０８間のガスは、熱容量が極めて少ない。また、上部電極１０２と下部電極１０３のそれぞれと、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれとの間に断熱シールド４０１を配置し、且つ、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれからの汚染を防止するための保護材として保護膜４３０を上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれの表面にコーティングすることによって、輻射に伴う加熱損失を極めて少なくした体系にて被加熱試料１０１を加熱できる。
【０１７９】
第２点目は、生産性である。本発明の熱処理装置は、上部の反射鏡１２０ａと側面の反射鏡１２０ｂと下部の反射鏡１２０ｃのそれぞれにおいて、汚染源の可能性となりうる、メッキあるいは蒸着された低輻射の金属膜４２９の表面に保護膜４３０をコーティングすることにより、直接的に汚染源を覆うことができ、汚染を防止し、歩留まり性を向上することが可能となる。
【０１８０】
以上のことより、本発明の熱処理装置は、被加熱試料を１２００℃以上に加熱する場合でも熱効率及び歩留まり性を高くすることができる。
【実施例４】
【０１８１】
本実施例では、上部給電線に着目した。上部給電線に使用している部材の等方性黒鉛材は、鉄と同程度の比較的に高い熱伝導率であるため、上部電極からの熱伝導による熱損失が大きくなる。また、処理室の内外を接続している電力導入端子は耐熱性が低いため、上部給電線の部品内で、大きな温度勾配ができるようにしないと、電力導入端子が熱により劣化してしまい、安定的に稼働できなくなる。
【０１８２】
以上の課題を鑑みて、本実施例では、被加熱試料を１２００℃以上に加熱する場合でも、熱効率及び歩留まり性が高い熱処理装置について説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
【０１８３】
本実施例に係る熱処理装置における基本構成について図２０を用いて説明する。
本熱処理装置は、プラズマ１２４を用いて被加熱試料１０１を加熱する加熱処理室１００を具備する。
【０１８４】
加熱処理室１００は、上部電極１０２と、上部電極１０２と対向し、加熱板である下部電極１０３と、下部電極１０３を支持する梁１２５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、輻射損失を低減させる断熱シールド４０１と、断熱シールドを支持する支柱４０２、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。
【０１８５】
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の下方に近接している。また、下部電極１０３は、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、６インチ（φ１５０ｍｍ）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、２００ｍｍ、５ｍｍとした。
【０１８６】
一方、下部電極１０３の直径は、反射鏡１２０の内径以下で、厚さは２ｍｍとし、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。下部電極１０３は、図２０のＡ−Ａ断面図に示すように、上部電極１０２と直径が略同じ円板状の部材と、上記の円板状の部材と加熱処理室１００を接続する等間隔に配置された４本の梁１２５とからなる。尚、上記の梁１２５の数と断面積と厚さは、下部電極１０３の強度と下部電極１０４から加熱処理室１００への放熱を考慮して決めればよい。
【０１８７】
下部電極１０３は、図２０に示す構造であるため、プラズマ１２４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１２４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を上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１２４に曝されることはない。
【０１８８】
また、上部電極１０２、上部給電線１１０、下部電極１０３、梁１２５、試料台１０４および支持ピン１０６は、等方性黒鉛基材の表面に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。
【０１８９】
図２１に中継給電線４１２の詳細図を示す。中継給電線４１２には等方性黒鉛材に比べ低熱伝導の黒鉛材である、炭素繊維強化炭素複合材料（図２１（a））、ガラス状カーボン（図２１（ｂ））のどちらかの部材を用い、中心が雌ネジに加工されている。
【０１９０】
一般的に等方性黒鉛材の熱伝導率は７０〜１４０Ｗ/(Ｋ・ｍ)程度である。
それに対し、炭素繊維強化炭素複合材料は異方性の材料で、繊維に垂直方向の熱伝導率は５〜１５Ｗ/(Ｋ・ｍ)、繊維に平行方向の熱伝導率は３０〜６０Ｗ/(Ｋ・ｍ)と、繊維と垂直方向が特に低熱伝導のため、炭素繊維強化炭素複合材料で中継給電線４１２を製作する際は、長手方向が繊維と垂直になるようにした。
また、ガラス状カーボンは等方性の材料で熱伝導率が５〜１０Ｗ/(Ｋ・ｍ)である。
どちらも等方性黒鉛材に比べ、約５〜２５倍、熱伝導率が低いため、上部給電線１１０からの熱損失を低減することができる。
また、低熱伝導の黒鉛材を使用するとことで、上部電極１０２か電力導入端子１１９間に伝熱される熱損失を抑制し、且つ、低熱伝導材を使用することで、中継給電線４１２の部品内で大きな温度勾配ができるため、電力導入端子１１９の温度上昇を避けることができ、熱による劣化を防ぐことができる。
また、中継給電線４１２と上部給電線１１０の位置が入れ替わっても同等の効果が得られる。
【０１９１】
図２２に中継給電線４１２の接続図を示す。電力導入端子１１９と上部給電線１１０は中継給電線４１２側に雄ネジ加工がされており、中継給電線４１２の雌ネジと連結している。
上部電極１０２の熱は、上部給電線１１０、中継給電線４１２を伝熱し損失の原因となる。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。
よって、等方性黒鉛材で形成される上部給電線１１０と、ガラス状カーボンで形成される中継給電線４１２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、中継給電線４１２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、中継給電線４１２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。
【０１９２】
また、ガラス状カーボンは、等方性黒鉛材に比べ、コストが高いため、中継給電線１２をむやみに長くしすぎると、コスト高になる。
また、炭素繊維強化炭素複合材料は、繊維を重ね合わせて製作して行く部材で、且つ、長手方向に向かって繊維を厚くしていくのが苦手な部材なため、炭素繊維強化複合材料は、あまり長い中継給電線４１２は製作するのが困難である。
このため、本実施例では、以上の観点からガラス状炭素カーボンまたは炭素繊維強化炭素複合材料で形成される中継給電線４１２の断面積を１２ｍｍ２、長さを４０ｍｍとした。
同様な効果は、中継給電線４１２の断面積が５０ｍｍ２〜１７０ｍｍ２、中継給電線４１２の長さが２０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲でも同様の効果が得られる。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。また、シャフト１０７には、アルミナ材を用いた。
【０１９５】
上部電極１０２には、中継給電線４１２、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。
【０１９６】
本実施例において、反射鏡１２０の上面の角部は、保護石英板（シールド）１２３と絶縁円板で覆うことにより、角部で発生しやすい放電を抑制している。
下部電極１０３は、梁１２５を介し加熱処理室１００と導通している。さらに下部電極１０３は、梁１２５と加熱処理室１００を介して接地されている。
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２０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１２４に供給する構成となっている。
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によりガスを０．１気圧から１０気圧の範囲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。
【０１９７】
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、断熱シールド４０１で囲まれる構造となっており、前記断熱シールド４０１は、反射鏡１２０によって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からの輻射熱が反射されるため、熱効率を高めることができるが、必須の構成というわけではない。
【０１９８】
また断熱シールド４０１と反射鏡１２０との間には、保護石英板（シールド）１２３が配置されている。保護石英板（シールド）１２３は、超高温の上部電極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。
【０１９９】
一般的に伝熱の機構としては（１）熱伝導、（２）輻射、（３）対流伝熱の３つに分けるとことができるが、温度が７００℃以上ぐらいからは（２）輻射による伝熱が主要となってくる。
【０２００】
さらに本実施例では、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４のプラズマ１２４に接触する表面の反対側に断熱シールド４０１を備えることで、上部電極１０２、下部電極１０３、試料台１０４からの輻射熱が低減されるため、熱効率を高めることができる。
【０２０１】
次に本実施例の熱処理装置の基本動作例を説明する。
まず、加熱処理室１００内のＨｅガスを排気口１１５より排気し、高真空状態とする。十分排気が終了した段階で、排気口１１５を閉め、ガス導入手段１１３よりガスを導入し、加熱処理室１００内を０．６気圧に制御する。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。
【０２０２】
予備室（図示せず）で４００℃に予備加熱された被加熱試料１０１を搬送口１１７から搬送し、試料台１０４の支持ピン１０６上に支持する。
試料台１０４の支持ピン１０６上に被加熱試料１０１を支持後、試料台１０４を上下機構１０５により、所定位置まで上昇させる。本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面との距離が０．５ｍｍとなる位置を所定位置とした。
本実施例では、下部電極１０３の下面と被加熱試料１０１の表面間の距離を０．５ｍｍとしたが、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離でも良い。なお、被加熱試料１０１が下部電極１０３の下面に近接するほど、加熱効率は良くなるが、近接するほど、下部電極１０３と被加熱試料１０１が接触するリスクが高まったり、汚染等の問題が発生するため、０．１ｍｍ未満は好ましくない。また、距離が２ｍｍより大きい場合は、加熱効率が低下してしまい、加熱に必要な高周波電力が多くなるため、好ましくない。このため、本実施例での近接とは、０．１ｍｍから２ｍｍまでの距離とする。
【０２０３】
所定位置に試料台１０４を昇降した後、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１２４を生成することにより、被加熱試料１０１の加熱を行う。高周波電力のエネルギーは、プラズマ１２４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１２４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。
【０２０４】
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。
【０２０５】
この結果、原料ガスの温度を容易に１２００〜２０００℃程度まで加熱することができる。この加熱された高温ガスの上部電極１０２および下部電極１０３への接触により、上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。また、電子衝突によって励起された中性ガスの一部は、発光を伴って脱励起し、この時の発光によっても上部電極１０２および下部電極１０３が加熱される。さらに高温ガスが回り込むことや加熱された上部電極１０２および下部電極１０３からの輻射により試料台１０４および被加熱試料１０１が加熱される。
【０２０６】
ここで、被加熱試料１０１の上方に近接して、加熱板である下部電極１０３があることで、プラズマ１２４により高温に加熱されたガスにより、下部電極１０３が加熱された後に、被加熱試料１０１が加熱されるため、被加熱試料１０１を均一に加熱する効果が得られる。また、下部電極１０３の下方に試料台１０４を設けることにより、被加熱試料１０１の形状に関わらず、下部電極１０３と上部電極１０２との間に均一な電場を形成し、均一なプラズマ１２４を生成することが可能になる。さらに被加熱試料１０１を下部電極１０３の下方に配置することにより、被加熱試料１０１がギャップ１０８に形成されたプラズマ１２４に直接曝されることがない。また、グロー放電からアーク放電に移行してしまった場合でも、被加熱試料１０１を経由することなく、下部電極１０３に放電電流が流れることから、被加熱試料１０１へのダメージを避けることができる。
【０２０７】
加熱処理中の下部電極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、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。
【０２０８】
また、加熱源のプラズマ１２４をグロー放電域のプラズマとすることで、上部電極１０２と下部電極１０３間に均一に広がったプラズマ１２４を形成でき、この均一で平面的なプラズマ１２４を熱源として被加熱試料１０１を加熱することで平面的な被加熱試料１０１を均一に加熱することが可能となる。
【０２０９】
上記の加熱処理が終了したら、被加熱試料１０１の温度が８００℃以下まで低下した段階で、搬送口１１７から被加熱試料１０１を搬出し、次の被加熱試料１０１を加熱処理室１００内に搬送して試料台１０４の支持ピン１０６上に支持し、上述した加熱処理の操作を繰り返す。
【０２１０】
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０．６気圧としたが、１０気圧以下の大気圧でも同様の動作が可能である。なお、１０気圧を越えると均一なグロー放電の生成が困難となる。
【０２１１】
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。
【０２１２】
本実施例では，断熱シールド４０１で上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４からの輻射損失を低減させるとともに反射鏡１２０によって輻射光を上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４に戻すことにより加熱効率の向上が得られた。しかし、断熱シールド４０１のみを上部電極１０２、下部電極１０３、および試料台１０４に施した場合でも加熱効率の向上を期待できるのは勿論である。同様に，反射鏡１２０のみを設置した場合でも，加熱効率の向上を期待できる。 
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。
【０２１３】
以下、本実施例に示した本発明の効果を纏める。本発明に係る加熱処理では、狭ギャップ間で生成する大気圧グロー放電によるガス加熱を熱源として被加熱試料１０１を加熱する。本加熱原理に伴い従来技術に無い以下に示す２つの効果が得られる。
【０２１４】
第１点目は、熱効率である。上部電極１０２と電力導入端子１１９の間に低熱伝導のカーボン材を配置することで、上部電極からの伝熱を抑制することができ、効率良く加熱することができる。
【０２１５】
第２点目は、生産性である。上部電極１０２と電力導入端子１１９の間に低熱伝導のカーボン材を配置することで、中継給電線４１２内で大きな温度勾配をつくることができ、電力投入端子の熱による劣化を防ぐことができる。
【０２１６】
このため、本発明により上述した効果を奏することができる。
【０２１７】
以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。  
（１）プラズマを用いて被加熱試料を熱処理する熱処理室と、
前記プラズマを形成するための高周波電力を供給する高周波電源と、
前記熱処理室内に配置され、前記高周波電力が供給される第一の電極と、
前記熱処理室内に配置されるとともに前記第一の電極と対向し、前記第一の電極との間にプラズマを形成する第二の電極と、
前記熱処理室内に配置され輻射熱を反射する反射鏡と、を備え、
前記反射鏡は、前記輻射熱と対向する面に低輻射の金属膜と保護膜とが順次形成された積層膜を有することを特徴とする熱処理装置。
（２）被加熱試料の熱処理を行う熱処理装置において、
加熱対象であり熱膨張する第一の部材の熱膨張を吸収するとともに、前記第一の部材を加熱対象ではない第二の部材に接続する熱膨張吸収部材を備え、
前記熱膨張吸収部材は、弾性材料である弾性部材を具備することを特徴とする熱処理装置。
【０２１８】
なお、本発明は上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、上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、ある構成の一部を他の構成に置き換えることも可能であり、また、ある構成に他の構成を加えることも可能である。また、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】
【０２１９】
１００…加熱処理室、１０１…被加熱試料、１０２…上部電極、１０３…下部電極（加熱板）、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、１２０ａ…上部の反射鏡、１２０ｂ…側面の反射鏡、１２０ｃ…下部の反射鏡、１２１…制御装置、１２２…冷媒流路、１２３…保護石英板（シールド）、１２４…プラズマ、１２５…梁、１２６…中継ブロック（基部）、１２７…弾性材料（薄板バネ）、１２８，１２８（ａ），１２８（ｂ），１２８（ｃ）…ボルト、４０１…高融点かつ低輻射率の板材または高融点かつ低輻射率のコーティング（熱シールド、断熱シールド）、４０２…固定部品（支柱）、４１２…中継給電線、４２９…低輻射の金属膜、４３０…保護膜。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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