(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱試料が熱処理される熱処理室と、
前記熱処理室内に配置された平板状の第一の電極と、
前記第一の電極との間にプラズマを生成するとともに前記熱処理室内に配置された平板状の第二の電極と、
前記プラズマを生成するための高周波電力を前記第一の電極に供給する高周波電源と、
前記第二の電極と対向し前記被加熱試料が載置される試料台とを備え、
前記第二の電極は、前記第一の電極と前記試料台との間に配置されるとともに円板状の部材と前記円板状の部材の外周に配置された梁を具備し、さらに前記梁により固定されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
被加熱試料が熱処理される熱処理室と、
前記熱処理室内に配置された平板状の第一の電極と、
前記第一の電極との間にプラズマを生成するとともに前記熱処理室内に配置された平板状の第二の電極と、
前記プラズマを生成するための高周波電力を前記第一の電極に供給する高周波電源と、
前記第二の電極と対向し前記被加熱試料が載置される試料台とを備え、
前記第二の電極は、前記第一の電極と前記試料台との間に配置され、
前記第一の電極は、前記第二の電極と対向する面の反対側の表面に高融点かつ低輻射率の板材が配置され、
前記第二の電極の前記被加熱試料と対向する表面は、前記高融点かつ低輻射率の板材が配置されていないことを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
被加熱試料が熱処理される熱処理室と、
前記熱処理室内に配置された平板状の第一の電極と、
前記第一の電極との間にプラズマを生成するとともに前記熱処理室内に配置された平板状の第二の電極と、
前記プラズマを生成するための高周波電力を前記第一の電極に供給する高周波電源と、
前記第二の電極と対向し前記被加熱試料が載置される試料台とを備え、
前記第二の電極は、前記第一の電極と前記試料台との間に配置され、
前記第一の電極は、前記第二の電極と対向する面の反対側の表面に高融点かつ低輻射率のコーティングが施され、
前記第二の電極の前記被加熱試料と対向する表面は、前記高融点かつ低輻射率のコーティングが施されていないことを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱処理装置において、
前記第一の電極の基材と前記第二の電極の基材と前記試料台の基材は、全てグラファイトであ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、
前記第一の電極と前記第二の電極と前記試料台を取り囲むように前記熱処理室内に配置され、前記第一の電極からの輻射熱と前記第二の電極からの輻射熱を反射する反射鏡をさらに備え、
前記第二の電極は、前記梁と前記反射鏡を介して導通していることを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
被加熱試料が熱処理される熱処理室と、
前記熱処理室内に配置された平板状の第一の電極と、
前記第一の電極との間にプラズマを生成するとともに前記熱処理室内に配置された平板状の第二の電極と、
前記プラズマを生成するための高周波電力を前記第一の電極に供給する高周波電源と、
前記第二の電極と対向し前記被加熱試料が載置される試料台と、
前記第一の電極を取り囲むように配置された第一の輻射熱抑制部材と、
前記試料台における前記被加熱試料が載置される面の反対側の面に配置された第二の輻射熱抑制部材とを備え、
前記第二の電極は、前記第一の電極と前記試料台との間に配置され、
第一の輻射熱抑制部材および第二の輻射熱抑制部材は、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。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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
【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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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盤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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、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る熱処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、被加熱試料の熱処理を行う熱処理装置において、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を備えることを特徴とする熱処理装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、熱効率が高く、被処理基板の面荒れを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係る熱処理装置の基本構成図である。
【図２】実施例１に係る熱処理装置の加熱処理室のＡＡ断面からみた上面図である。
【図３】実施例１に係る熱処理装置の加熱処理室における加熱領域の拡大図である。
【図４】実施例１に係る熱処理装置の加熱処理室への搬入出を説明する図である。
【図５】実施例２に係る熱処理装置の基本構成図である。
【図６】実施例３に係る熱処理装置の基本構成図である。
【図７】実施例３に係る熱処理装置の加熱処理室のＢＢ断面からみた上面図である。
【図８】実施例４に係る熱処理装置の基本構成図である。
【図９】実施例４に係る熱処理装置の加熱処理室のＡ断面からみた上面図である。
【図１０】実施例４に係る熱処理装置の加熱処理室のＢ断面からみた上面図である。
【図１１】実施例４に係る熱処理装置の加熱処理室における加熱領域の拡大図である。
【図１２】実施例４に係る熱処理装置の加熱処理室への搬入出を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の各実施形態について、図を参照しながら、以下、説明する。
［実施例１］
本発明に係る熱処理装置における基本構成を図１を用いて説明する。
【００２０】
本実施例の熱処理装置は、プラズマ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、反射鏡１２０と外周で接触しており、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。
【００２３】
一方、下部電極１０３の直径は、反射鏡１２０の内径以上で、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。図２に示す装置断面図のＡＡ断面の上面図を図２（ａ）に示す。下部電極１０３は、図２（ａ）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反射鏡１２０を接続する等間隔に配置された４本の梁により構成される。円板状部材の外周部で梁と梁の間（梁の非形成部）には隙間が形成されているが、図２（ａ）では当該隙間から下側の保護石英板１２３が見えている様子が図示されている。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から反射鏡１２０への放熱を考慮して決めればよい。
【００２４】
下部電極１０３は、図２（ａ）に示すように細い梁により反射鏡１２０で保持される構造の場合、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。
【００２５】
図２（ｂ）には下部電極１０３の変形例を示す。下部電極１０３を図２（ｂ）のように円板状の部材の直径を大きくして梁を設けない構造にすると、プラズマを生成するプラズマ生成室と、被加熱試料１０１を加熱する加熱室とに加熱処理室１００を分離できるため、プラズマに被加熱試料１０１が曝されることはなく、プラズマを生成するためのガスをプラズマ生成室だけに充填できる。このため、ガスの消費を本実施例の下部電極１０３の構造より節約できる。しかし、上述した通り、加熱板としての機能は、図２（ａ）に示す本実施例の下部電極１０３の構造が図２（ｂ）の構造より優れている。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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（第１輻射熱抑制部材）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、本発明の必須の構成というわけではない。
【００３３】
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、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。
【００３４】
図３に示すように、上部電極１０２のプラズマ１２４に接触する表面の反対側、下部電極１０３の被加熱試料１０１の側面を覆い内筒形状を有する部材の外側および、試料台１０４の下面側には、高融点かつ低輻射率の板材あるい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）１０９が配置される。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１０９を備えることにより、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。
【００３５】
なお、処理温度が低い場合には、これらを必ずしも備える必要はない。超高温処理の場合には、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１０９と反射鏡１２０のいずれか一者を備えることにより、あるいはその両者を備えることにより所定の温度に加熱することができる。下部電極１０３または試料台１０４の温度は、放射温度計１１８により計測される。コーティング１０９は、上部電極１０２、下部電極１０３あるいは試料台１０４等の部材とは独立した別部材であってもよいし、上記部材の表面に高融点かつ低輻射率の材料を被覆したようなものであってもよい。本実施例では、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４に施された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１０９として、グラファイト基材にＴａＣ（炭化タンタル）がコーティングされた板材を用いた。
【００３６】
次に本発明の熱処理装置の基本動作例を、図１を用いて説明する。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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℃以上の超高温状態では、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。
【００４７】
輻射損失抑制のため、本実施例では上述したように、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１０９を上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４に配置した。高融点かつ低輻射率の材料にはＴａＣを用いた。ＴａＣの輻射率は、０．０５から０．１程度であり、輻射に伴う赤外線を９０％程度の反射率で反射する。よって、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１０９により上部電極１０２、下部電極１０３、試料台１０４からの輻射損失が抑制され、被加熱試料１０１を高い熱効率で１２００〜２０００℃程度の超高温にすることができる。
【００４８】
ＴａＣは、直接プラズマに曝されない状態で配置されており、ＴａまたはＴａＣに含まれる不純物が加熱処理中に被加熱試料１０１に混入しないようになっている。また、ＴａＣで構成される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１０９の熱容量は極めて小さいことから、加熱部の熱容量増加を最小限に留められる。このため、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１０９を配置することによる昇温および降温速度の低下もほとんどない。
【００４９】
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。
【００５０】
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下温が可能となり、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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気圧以下の圧力でも同様の動作が可能である。なお、１０気圧を超えると均一なグロー放電の生成が困難となる。
【００５７】
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。
【００５８】
本実施例では、上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４に施す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１０９に、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）、Ｗ（タングステン）を用いても同様な効果がある。
【００５９】
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。
【００６０】
また、本実施例では、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１０９にＴａＣを用いたが、同様に他の高融点（使用温度に耐える融点）かつ低輻射率な材料でも同様な効果がある。例えば、Ｔａ（タンタル）単体、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）またはＷＣ（炭化タングステン）等でも同様な効果がある。
【００６１】
また、超高温時には、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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
本実施例では、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１０９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、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１０９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。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。
【００６５】
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、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１０９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。
【００６６】
また、（２）のガス雰囲気の伝熱に関しては、ガスの伝熱距離を最適化することにより抑制した。ここで、ガスの伝熱距離とは、高温部であるそれぞれの上部電極１０２、下部電極１０３および試料台１０４から低温部であるシールド（保護石英板１２３）または低温部である加熱処理室１００の壁までの距離のことである。大気圧付近のＨｅガス雰囲気では、Ｈｅガスの熱伝導率が高いため、比較的ガスの伝熱による放熱が高くなる。よって、本実施例では、上部電極１０２および試料台１０４からシールド（保護石英板１２３）または加熱処理室１００の壁までの距離をそれぞれ３０ｍｍ以上確保する構造とした。ガスの伝熱距離が長い方が放熱抑制には有利であるが、ガスの伝熱距離が長すぎると加熱領域に対する加熱処理室１００の大きさが大きくなり好ましくない。ガスの伝熱距離を３０ｍｍ以上とすることにより、加熱処理室１００の大きさを抑制しつつ、ガス雰囲気の伝熱による放熱も抑制できる。もちろん熱伝導率の低いＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒガス等を用いることにより、さらにガス雰囲気の伝熱による放熱を抑制することが可能となることは言うまでもない。
【００６７】
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。
【００６８】
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３、図４を用いて説明する。尚、図３および図４は加熱処理室１００の加熱領域の詳細図である。図３は、加熱処理中の状態を示し、図４は、被加熱試料１０１の搬入出時の状態を示す。
【００６９】
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３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、試料台１０４位置を下げることで、図４に示すように被加熱試料１０１と試料台１０４の間に隙間が形成される。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。
【００７０】
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。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。
【００７１】
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を生成することができる。
【００７２】
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ったＳｉＣ基板を１５００℃で１分間の熱処理を行ったところ、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。
【００７３】
以下、本実施例に示した熱処理装置の効果を纏める。本実施例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５つの効果が得られる。
【００７４】
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１０９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。
【００７５】
第２点目は、加熱応答性と均一性である。（被加熱試料を直接加熱する機能を担う）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。
【００７６】
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。
【００７７】
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を加熱源として用いるが、被加熱試料１０１は、プラズマ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。
【００７８】
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。
【００７９】
次に、本実施例の熱処理装置にさらに予備加熱室２００を配置した熱処理装置について説明する。
［実施例２］
図５は、実施例１の熱処理装置にさらに予備加熱室２００を配置した基本構成を示す図である。
【００８０】
尚、図５において実施例１と同符号を付したものは、実施例１と同等の機能を有するため、説明を省略する。
【００８１】
本実施例の熱処理装置は、加熱処理室１００の下方にゲートバルブ２０２を介して予備加熱室２００が連結されている。加熱処理室１００および予備加熱室２００は、ゲートバルブ２０２を閉じることにより、それぞれ気密に閉塞する。また、ゲートバルブ２０２を開くことにより、加熱処理室１００および予備加熱室２００を連通させる。
【００８２】
また、予備加熱室２００は、排気口２０３および真空バルブ２０４に接続された真空ポンプ（図示せず）により排気される。
【００８３】
被加熱試料１０１は、実施例１にて上述した搬入出方法と同様な方法で、搬送口２０５から被加熱試料１０１を予備加熱室２００に搬入し、搬送アーム（図示せず）から試料台１０４の支持ピン１０６上に被加熱試料１０１の受け渡しを行う。
【００８４】
支持ピン上に支持された被加熱試料１０１は、ヒーター２０１によって所望の温度まで加熱される。本実施例では、被加熱試料１０１を４００℃まで加熱した。次に、ゲートバルブ２０２を開けるとともに上下機構１０５を上昇させ、所望の温度まで加熱された被加熱試料１０１を加熱処理室１００に搬入して加熱処理を行う。
【００８５】
本実施例により、実施例１と同様な効果を得ることができ、さらに加熱処理室１００での加熱処理時間を短縮できるため、加熱処理室１００内の消耗部材の寿命を向上させることができる。
【００８６】
次に、実施例１で上述した上部電極１０２、下部電極１０３をそれぞれ、加熱板である上部電極３０３、プラズマ生成用の高周波電力が供給される下部電極３０２とした本発明の実施形態について以下説明する。
［実施例３］
実施例３に係る熱処理装置の基本構成を図６を用いて説明する。
【００８７】
本実施例の熱処理装置は、プラズマを用いて被加熱試料３０１を加熱する加熱処理室３００を具備する。
【００８８】
加熱処理室３００は、被加熱試料３０１を上面に載置し加熱板である上部電極３０３と、上部電極３０３と対向する下部電極３０２と、輻射熱を反射させる反射鏡（第１輻射熱抑制部材）３０８と、プラズマ生成用の高周波電力を下部電極３０２に供給する高周波電源３１１と、加熱処理室３００内にガスを供給するガス導入手段３１３と、加熱処理室３００内の圧力を調整する真空バルブ３１６とを備える。
【００８９】
本実施例では、被加熱試料３０１として４インチ（φ１００ｍｍ）のＳｉＣ基板を用いた。
【００９０】
下部電極３０２の直径および厚さは、それぞれ、１２０ｍｍ、５ｍｍとした。下部電極３０２および上部電極３０３は、グラファイト基材の表面にＳｉＣ（すなわち被加熱試料３０１と同じ材料）をＣＶＤ法により堆積したものを用いた。下部電極３０２と上部電極３０３とのギャップ３０４は、０．８ｍｍとした。
【００９１】
一方、上部電極３０３の直径は、反射鏡３０８の内径以上で、厚さは２ｍｍとし、また、上部電極３０３は、被加熱試料３０１を上面に載置し、上部電極３０３と下部電極３０２の間に生成されたプラズマにより加熱された上部電極３０３の熱を被加熱試料に伝熱する。つまり、上部電極３０３は、被加熱試料３０１に対する加熱板としての役割も担っている。
【００９２】
図７に示す装置断面図のＢＢ断面の上面図を図７（ａ）（ｂ）に示す。上部電極３０３は、図７（ａ）に示すように、下部電極３０２と直径が略同じ円板状の部材と、上記の円板状の部材と反射鏡３０８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、上部電極３０３の強度と上部電極３０３から反射鏡３０８への放熱を考慮して決めればよい。
【００９３】
本実施例の上部電極３０３は、図７（ａ）に示す構造であるため、プラズマにより加熱された上部電極３０３の熱が反射鏡３０８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３０３と下部電極３０２の間に生成されたプラズマは、梁と梁の間の空間から拡散するが、プラズマのほとんどは、上部電極３０３と下部電極３０２の間から真空バルブ３１６側に拡散するため、被加熱試料３０１がプラズマに曝されることはほとんどない。
本実施例では、実施例１と異なり、試料支持ピン１０６を介せずに被加熱試料３０１が直接、上部電極３０３に載置されているため、試料支持ピン１０６上に載置される場合より、被加熱試料３０１を被加熱試料３０１の面内で均一に加熱することができる。
【００９４】
さらに、上部電極３０３を図７（ｂ）のような構造にすると、プラズマを生成するプラズマ生成室と、被加熱試料３０１を加熱する加熱室とに加熱処理室３００を分離できるため、プラズマに被加熱試料３０１が曝されることはなく、プラズマを生成するためのガスをプラズマ生成室だけに充填できる。このため、ガスの消費を図７（ａ）に示す本実施例の上部電極３０３の構造より節約できる。しかし、上述した通り、加熱板としての機能は、図７（ａ）に示す本実施例の上部電極３０３の構造が図７（ｂ）の構造より優れている。
【００９５】
下部電極３０２には、下部給電線３０５を介して高周波電源３１１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３１１の周波数として１３．５６ＭＨｚを用いた。上部電極３０３は、反射鏡３０８と外周で導通しており、さらに上部電極３０３は、反射鏡３０８を介して接地されている。下部給電線３０５も、下部電極３０２および上部電極３０３の構成材料であるグラファイトで形成されている。
【００９６】
高周波電源３１１と下部電極３０２間にはマッチング回路３１２（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３１１からの高周波電力を効率良く下部電極３０２と上部電極３０３間に形成されるプラズマに供給する構成となっている。
【００９７】
加熱処理室３００内には、ガス導入手段３１３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成となっている。加熱処理室３００内へ導入するガスの圧力は、圧力検出手段３１４によりモニタされる。また、加熱処理室３００は、排気口３１５および真空バルブ３１６に接続される真空ポンプ（図示せず）により排気される。
【００９８】
加熱処理室３００内の下部電極３０２及び上部電極３０３は、反射鏡３０８で囲まれる構造となっている。反射鏡３０８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３０８の金属基材には、冷媒流路３１０が形成されており、冷却水を流すことにより反射鏡３０８の温度が一定に保てる構造となっている。反射鏡（第１輻射熱抑制部材）３０８を備えることにより、下部電極３０２及び上部電極３０３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、本発明の必須の構成というわけではない。
【００９９】
また、下部電極３０２および上部電極３０３と反射鏡３０８との間には、保護石英板３０７が配置されている。保護石英板３０７は、超高温の上部電極３０３および下部電極３０２からの放出物（グラファイトの昇華等）による反射鏡３０８面の汚れ防止と、反射鏡３０８から被加熱試料３０１に混入する可能性がある汚染の防止機能を有する。
【０１００】
下部電極３０２のプラズマに接触する表面の反対側には、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）３０９が配置される。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３０９を備えることにより、下部電極３０２からの輻射熱を低減できるため、熱効率を高めることができる。なお、加熱処理温度が低い場合には、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３０９を必ずしも備える必要はない。超高温処理の場合には、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３０９と反射鏡３０８のいずれか一者を備えることにより、あるいは、その両者を備えることにより所定の温度に加熱することができる。被加熱試料３０１の温度は、放射温度計３１８により計測される。本実施例では、下部電極３０２のプラズマに接触する表面の反対側に施された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３０９に、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板材を用いた。
【０１０１】
次に本実施例の熱処理装置の基本動作例を説明する。
【０１０２】
まず、加熱処理室３００内のＨｅガスを排気口３１５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３１５を閉め、ガス導入手段３１３よりガスを導入し、加熱処理室３００内の圧力を０．６気圧とする。本実施例では、加熱処理室３００内へ導入するガスにＨｅガスを用いた。予備室（図示せず）で４００℃に予備加熱された被加熱試料３０１を搬送口３１７から、図示しない搬送手段で、加熱板である上部電極３０３の上に載置する。
【０１０３】
被加熱試料３０１を上部電極３０３上に載置した後、高周波電源３１１からマッチング回路３１２および電力導入端子３０６を介して高周波電力を下部電極３０２に供給し、ギャップ３０４内にプラズマを生成することにより被加熱試料３０１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、下部電極３０２および上部電極３０３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下部電極３０２および上部電極３０３に入射する。この衝突過程において、上部電極３０３と下部電極３０２の間に充填されたガス温度や下部電極３０２および上部電極３０３表面の温度を上昇させることができる。
【０１０４】
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３０３と下部電極３０２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。
この結果、原料ガスの温度を容易に１２００〜２０００℃程度に加熱することができる。この加熱された高温ガスの接触により、上部電極３０３および下部電極３０２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３０３および下部電極３０２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下部電極３０２および上部電極３０３からの輻射と、上部電極３０３からの伝熱により、被加熱試料３０１が加熱される。
【０１０５】
ここで、上部電極３０３の上に被加熱試料３０１が載置されることにより、高温ガスにより上部電極３０３が加熱された後、被加熱試料３０１が加熱されるため、被加熱試料３０１を効率良く且つ均一に加熱する効果が得られる。
【０１０６】
また、被加熱試料３０１を上部電極のプラズマに接触しない側に載置することにより、被加熱試料３０１の形状に関わらず、下部電極３０２と上部電極３０３との間に均一性の高い電場を形成し、均一なプラズマを形成することが可能になる。さらに、被加熱試料３０１を上部電極３０３の上に載置することにより、被加熱試料３０１がギャップ３０４に形成されたプラズマに直接曝されることが無い。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３０１を経由することがなく、下部電極３０２に放電電流が流れることから、被加熱試料３０１へのダメージを避けることができる。
【０１０７】
加熱処理中の被加熱試料３０１の温度は、放射温度計３１８により計測され、計測値を用いて制御装置３１９により所定の温度になるように高周波電源３１１の出力が制御されるため、高精度な被加熱試料３０１の加熱温度の制御が可能となる。本実施例では、投入する高周波電力を最大２０ｋＷとした。
【０１０８】
下部電極３０２、上部電極３０３（被加熱試料３０１を含む）の温度を効率良く上昇させるには、下部給電線３０５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℃以上の超高温状態では、輻射による放熱が非常に大きく、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。
【０１０９】
輻射損失抑制のため、本実施例では上述したように、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３０９を下部電極３０２のプラズマに接触する表面の反対側に配置した。高融点かつ低輻射率の材料には、ＴａＣを用いた。ＴａＣの輻射率は、０．０５−０．１程度であり、輻射に伴う赤外線を９０％程度の反射率で反射する。このため、下部電極３０２からの輻射損失が抑制され、被加熱試料３０１を高い熱効率で１２００〜２０００℃程度の超高温にすることができる。
【０１１０】
ＴａＣは、直接プラズマに曝されない状態で配置されており、ＴａまたはＴａＣに含まれる不純物が被加熱試料３０１の加熱処理中に混入しないようになっている。また、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３０９であるＴａＣの熱容量は極めて小さいことから、加熱部の熱容量増加を最小限に留められる。このため、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３０９を配置することにより昇温および降温の速度が低下することはほとんどない。
【０１１１】
また、上部電極３０３と下部電極３０２の間に生成するプラズマをグロー放電域のプラズマとすることにより、下部電極３０２と上部電極３０３の間に均一に広がったプラズマを生成でき、この平面的なプラズマを熱源として被加熱試料３０１を加熱することにより平面的な被加熱試料３０１を均一に加熱することができる。
【０１１２】
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３０１内での温度不均一に伴う破損等が発生するリスクが低い。このため、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３０１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。
【０１１３】
上述した加熱処理が終了後、被加熱試料３０１の温度が８００℃以下になるまで低下させ、搬送口３１７から被加熱試料３０１を搬出し、次の被加熱試料３０１を搬送手段（図示せず）により、上部電極３０３の上に載置し、加熱処理の一連の操作を繰り返す。
【０１１４】
被加熱試料３０１を入れ替える際、搬送口３１７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３００内と同程度に保つことにより、被加熱試料３０１の入れ替えに伴う加熱処理室３００内のＨｅガスの入れ替えを行う必要がなく、Ｈｅガスの使用量の削減が可能となる。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３００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。
【０１１５】
プラズマ生成用ガスに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、Ｈｅガスの使用量を極力削減することにより熱処理装置のランニングコストの抑制につながる。このことは、加熱処理中に導入されるＨｅガスの量にも言えることであり、加熱処理中のＨｅガスの純度を保つのに必要最小限な流量とすることによりＨｅガスの使用量の削減ができる。
【０１１６】
また、被加熱試料３０１の冷却時間をＨｅガスの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（プラズマ停止後）Ｈｅガスの流量を増加させることにより、Ｈｅガスの冷却効果により冷却時間を短縮できる。
【０１１７】
なお、本実施例では、８００℃以下の状態で被加熱試料３０１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３０１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。
【０１１８】
本実施例の熱処理装置の基本動作では、ギャップ３０４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プラズマ生成は可能であるが、下部電極３０２と上部電極３０３の間の平行度を維持するのに高精度な構成が必要となり、また、下部電極３０２と上部電極３０３の表面の変質（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３０４が２ｍｍを超える場合は、プラズマの着火性低下またはギャップ間からの輻射損失増大が問題となるため好ましくない。
【０１１９】
本実施例の熱処理装置の基本動作では、プラズマを形成するための圧力を０．６気圧としたが、１０気圧以下の範囲でも良い。なお、１０気圧を超えると均一なグロー放電の発生が困難となる。
【０１２０】
本実施例の熱処理装置の基本動作では、プラズマ生成の原料ガスにＨｅガスを用いたが、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス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。本実施例で使用した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いため、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ガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス等の質量の大きいガスは、熱伝導率が低いため、熱効率の観点では有利である。
【０１２１】
本実施例では、下部電極３０２のプラズマに接触する表面の反対側に施された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３０９に、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板材を用いたが、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）、Ｗ（タングステン）を用いても良い。
【０１２２】
本実施例では、下部電極３０２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。下部電極３０２の基材となるグラファイトやその表面に施されたコーティングは、被加熱試料３０１への汚染防止の観点から高純度なものが望ましい。
【０１２３】
また、超高温時には下部給電線３０５からも被加熱試料３０１への汚染が影響する場合もある。このため、本実施例では、下部給電線３０５も下部電極３０２と同様のグラファイトを用いた。また、下部電極３０２の熱は、下部給電線３０５を伝熱し、損失となる。よって、下部給電線３０５からの伝熱を必要最小限に留める必要がある。
【０１２４】
このため、グラファイトで形成される下部給電線３０５の断面積は、なるべく小さく、長さを長くする必要がある。しかし、下部給電線３０５の断面積を極端に小さくし、長さも長くしすぎると下部給電線３０５での高周波電力の損失が大きくなり、被加熱試料３０１の加熱高率の低下を招く。このため、本実施例では、グラファイトで形成される下部給電線３０５の断面積および長さをそれぞれ、１２ｍｍ２、４０ｍｍとしたが、下部給電線３０５の断面積および長さをそれぞれ、５ｍｍ２〜３０ｍｍ２、３０ｍｍ〜１００ｍｍとしても良い。
【０１２５】
本実施例では、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３０９により下部電極３０２からの輻射損失を低減させるとともに反射鏡３０８により輻射光を上部電極３０３および下部電極３０２に戻すことによって加熱効率の向上が得られたが、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３０９のみを設け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３０８のみを配置した場合でも、加熱効率の向上を期待できる。さらに、保護石英板３０７は、汚染防止の効果を期待するために配置しているものであるため、保護石英板３０７を使用しなくても、十分な加熱効率を得ることができる。
【０１２６】
本実施例では、上述したように加熱効率に影響を及ぼす、下部電極３０２および上部電極３０３の放熱は、（１）輻射、（２）ガス雰囲気の伝熱、（３）下部給電線３０５からの伝熱が主である。１２００℃以上での加熱処理の場合、これらの中で最も放熱の主要因は、（１）の輻射である。
【０１２７】
（１）の輻射の抑制のため、下部電極３０２のプラズマに接触する表面の反対側に、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３０９を設けた。また、（３）の下部給電線３０５からの放熱は、上述した断面積および長さを最適化することにより最小限に抑制した。
【０１２８】
また、（２）のガス雰囲気の伝熱に関しては、ガスの伝熱距離の最適化により抑制した。ここで、ガスの伝熱距離とは、高温部である、それぞれの下部電極３０２、上部電極３０３から低温部である保護石英板３０７または低温部である加熱処理室３００の壁までの距離のことである。
【０１２９】
大気圧付近のＨｅガス雰囲気では、Ｈｅガスの熱伝導率が高いため、比較的ガスの伝熱による放熱が高くなる。このため、本実施例では、下部電極３０２から保護石英板３０７または下部電極３０２から反射鏡３０８までの距離をそれぞれ３０ｍｍ以上確保する構造とした。ガスの伝熱距離が長い方が放熱抑制には有利であるが、加熱領域に対する反射鏡３０８の大きさが大きくなり好ましくない。ガスの伝熱距離を３０ｍｍ以上とすることにより、加熱処理室３００の大きさを抑制しつつガス雰囲気の伝熱による放熱も抑制できる。もちろん、熱伝導率の低いＡｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス等を用いることによりさらにガス雰囲気の伝熱による放熱を抑制することが可能となることは言うまでもない。
【０１３０】
本実施例では、プラズマ生成に１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いたが、１３．５６ＭＨｚは、工業周波数であるため、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熱処理装置の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プラズマ加熱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。
【０１３１】
１ＭＨｚより低い周波数になると、加熱に必要な高周波電力を供給する際の高周波電圧が高くなり、異常放電（不安定な放電や上部電極３０３と下部電極３０２の間以外での放電）を生じ、安定な動作が難しくなるためふさわしくない。また、１００ＭＨｚを超える周波数は、下部電極３０２と上部電極３０３のギャップ３０４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好適でない。
【０１３２】
また、本実施例では、下部電極３０２と上部電極３０３は固定されており、ギャップ３０４が変動しない。このため、被加熱試料３０１の加熱処理の度に安定したプラズマを生成することができる。
【０１３３】
本実施例の熱処理装置を用いてイオン打ち込みを行ったＳｉＣ基板を１５００℃で１分間の加熱処理を行ったところ、良好な導電特性を得ることができた。また、ＳｉＣ基板表面には、面荒れは見られなかった。
【０１３４】
以下、本実施例の効果を纏める。本実施例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３０１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４つの効果が得られる。
【０１３５】
第１点目は、熱効率である。ギャップ３０４間のガスは熱容量が極めて少なく、また、下部電極３０２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３０９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３０１を加熱できる。
【０１３６】
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３０１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３０１面内の温度差に伴う熱応力による損傷も抑制できる。
【０１３７】
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３０３と下部電極３０２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３０３と下部電極３０２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３０１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。
【０１３８】
第４点目は、被加熱試料３０１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３０１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を加熱源として用いるが、被加熱試料３０１は、プラズマ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。
［実施例４］
実施例４に係る熱処理装置について図８〜図１２を用いて説明する。なお、本実施例に未記載で実施例１〜３の何れかに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。上記実施例で示したように、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る熱処理装置を提供することが可能となる。本実施例では、更に長期安定性に優れた熱処理装置について説明する。
【０１３９】
長期安定性を損なう要因について先ず説明する。上記実施例において、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、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、輻射反射鏡や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。また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は、上部電極や下部電極に接触して配置されている部分がありこれら電極とほぼ同じ温度となる。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の材質は、このような高温化で長時間曝されるとその材質そのものが熱的に変質し、これも反射率の長期的な劣化を伴う恐れがある。さらに、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の材質は、一般的に不純物を含む。高温化で長時間さらされるとこれら不純物が放出され、被加熱試料を汚染する可能性もある。そこで、本実施例では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。
【０１４０】
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８を用いて説明する。  
本実施例の熱処理装置は、プラズマ１２４を用いて被加熱試料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。
【０１４１】
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に高周波電源からの電力を供給することもできる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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反射鏡１２０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８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９、図１０に示す。下部電極１０３は、図９、図１０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反射鏡１２０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から反射鏡１２０への放熱を考慮して決めればよい。
【０１４６】
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）１０９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１０９は上部と下部に分割されており、上部の熱シールド１０９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１０９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１０９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１０９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４では、熱シールド１０９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１０９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１０９は、実施例１と異なり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）。
【０１４７】
下部電極１０３は、図９、図１０に示すように細い梁を介して反射鏡で保持される構造であるため、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、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
本実施例では、下部電極１０３の下面と被熱処理試料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。
【０１５５】
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。  
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
またプラズマ１２４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）１０９を配置している。そのため、プラズマ１２４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１０９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１０９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１０９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。
【０１５９】
熱シールド１０９を設置した場合、加熱領域は熱シールド１０９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１０９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１０９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１０９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１０９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１０９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１０９を含む加熱領域全体（熱シールド１０９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１０９内側の熱応答性が熱シールド１０９の熱容量分変化するが、熱シールド１０９の熱容量を、加熱領域全体（熱シールド１０９、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１０９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１０９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。
【０１６０】
熱シールド１０９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度のとき、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１０９を配置した場合、熱シールド１０９の温度は１８００℃と２００℃の平均である約１０００℃になる。熱シールド１０９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１０９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。実施例１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１０９は、その温度が１４００℃程度になる位置に配置した。熱シールド１０９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１０９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１０９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１０９が直接プラズマ１２４にふれると、これも熱シールド１０９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８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１０９の輻射率変化や汚染物質の放出抑制が可能となる。
【０１６１】
図８の実施例に示す熱シールド１０９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８の実施例における加熱領域（熱シールド１０９、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。
【０１６２】
【数１】
0005977986.tif 000002
【０１６３】
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）１０９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１０９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。
【０１６４】
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１０９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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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）１０９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１０９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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
本実施例では，熱シールド１０９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１０９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１０９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。
【０１７９】
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１０９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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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１１、図１２を用いて説明する。尚、図１１および図１２は加熱処理室１００の加熱領域の詳細図である。図１１は、加熱処理中の状態を示し、図１２は、被加熱試料１０１の搬入出時の状態を示す。
【０１８２】
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１１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、試料台１０４位置を下げることで、図１２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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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６つの効果が得られる。
【０１８７】
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１０９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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
第５点目は、被加熱試料１０１の加熱処理室１０１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１０１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。
【０１９２】
第６点目は、熱シールド１０９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８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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
このため、本発明により、各実施例で上述した効果を奏することができる。
【０１９５】
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】
【０１９６】
１００、３００…加熱処理室、１０１、３０１…被加熱試料、１０２、３０３…上部電極、１０３、３０２…下部電極、１０４…試料台、１０５…上下機構、１０６…支持ピン、１０７…シャフト、１０８、３０４…ギャップ、１０９、３０９…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）、１１０…上部給電線、１１１、３１１…高周波電源、１１２、３１２…マッチング回路、１１３、３１３…ガス導入手段、１１４、３１４…圧力検出手段、１１５、２０３、３１５…排気口、１１６、２０４、３１６…真空バルブ、１１７、２０５、３１７…搬送口、１１８、３１８…放射温度計、１１９、３０６…電力導入端子、１２０、３０８…反射鏡、１２１、３１９…制御装置、１２２、３１０…冷媒流路、１２３…保護石英板（シールド）、１２４…プラズマ、２００…予備加熱室、２０１…ヒーター、２０２…ゲートバルブ、３０５…下部給電線、３０７…保護石英板、４０２…固定部品。
【図１】
0005977986.tif 000003
【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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