(57)【要約】【課題】本発明は、熱輻射が支配的となる高温領域において、系全体の熱損失低減のみならず、熱の流れを制御することで被加熱試料の加熱効率を改善することができる熱処理装置を提供する。【解決手段】本発明は、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前記被加熱試料を加熱する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、前記第二の電極を挟んで前記第一の電極と対向し前記被加熱試料を載置する試料台とを備え、前記第一の電極の輻射率は、前記第二の電極の輻射率より小さいことを特徴とする。【選択図】図１
2015106595.tif 000002
【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前記被加熱試料を加熱する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、
前記第二の電極を挟んで前記第一の電極と対向し前記被加熱試料を載置する試料台とを備え、
前記第一の電極の輻射率は、前記第二の電極の輻射率より小さい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前記被加熱試料を加熱する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、
前記第二の電極を挟んで前記第一の電極と対向し前記被加熱試料を載置する試料台とを備え、
前記第一の電極は、前記第二の電極より熱反射が大きいことを特徴とする熱処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
前記第一の電極は、タングステン、炭化タングステン、炭化モリブデン、タンタル、またはモリブデンのいずれからなり、
前記第二の電極は、グラファイトからなることを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の熱処理装置において、
前記第一の電極は、タングステンからなり、
前記第二の電極は、グラファイト、または表面にＳｉＣが堆積されたグラファイトからなることを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱処理装置において、
前記第二の電極は、円板状の部材と前記円板状の部材の外周に設けられた梁からなり、前記梁によって前記第二の電極が前記熱処理室に固定されてい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、プラズマを用いた熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワー半導体デバイスの基板材料として炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップを有する新材料の導入が期待されている。ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣは、高絶縁破壊電界、高飽和電子速度、高熱伝導率のように珪素（Ｓｉ）よりも優れた物理的性質を有している。高絶縁破壊電界材料であることから、素子の薄膜化や高濃度ドープが可能になり、高耐圧かつ低抵抗の素子を作ることが出来る。
【０００３】
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。
【０００４】
ＳｉＣを基板に用いて各種パワーデバイスを製造する工程は、おおよそＳｉを基板に用いる場合と同様である。しかし、大きく異なる工程として熱処理工程があげられる。熱処理工程とは、基板の導電性制御を目的に行われる不純物のイオン打ち込み後の活性化アニーリングがその代表である。Ｓｉデバイスの場合、活性化アニーリングは８００〜１２００℃の温度で行われる。一方ＳｉＣの場合には、その材料特性から１２００〜２０００℃の温度が必要となる。ＳｉＣ向けのアニール装置として、特許文献１には、高周波により生成された大気圧プラズマにより被加熱試料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２０１３−１２３０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のアニール装置により、従来の抵抗加熱炉に比べて熱効率の向上、加熱応答性の向上、炉材消耗品の低コスト化等が見込まれる。しかし、この大気圧プラズマを用いた熱処理装置に関して将来、基板（被加熱試料）が大口径化した場合、基板面内の加熱温度分布の更なる向上が必要となる。
【０００７】
一方、加熱温度が高くなるにつれて、被加熱試料の電気特性に対する加熱温度分布の影響は小さくなる。このため、発明者たちは、被加熱試料の加熱効率向上を検討することにした。この被加熱試料の加熱効率の観点から特許文献１に開示された、大気圧プラズマを用いて被加熱試料を加熱するプラズマ熱処理装置を検討した結果、以下の課題があることが分かった。
【０００８】
特許文献１に開示されているプラズマ熱処理装置は、高周波電力により平行平板電極間に生成されたプラズマにより被加熱試料の加熱を行う。ＳｉＣ活性化に必要となる１２００〜２０００℃においては、熱輻射が支配的な熱損失要因となる。従って、加熱効率の向上には低輻射率の断熱材で熱源を囲うことにより熱輻射損失を低減する必要がある。しかし、特許文献１のプラズマ熱処理装置では、被加熱試料を含めた系において熱を閉じ込めるという観点での断熱構造にはなっているものの、被加熱試料を加熱するという熱の流れを十分に考慮した構造とはなっていない。
【０００９】
すなわち、特許文献1に開示されている対向する平行平板電極の材料は、同じ材料によって構成されているため、電極の輻射率は等しく、それぞれの電極から同等の熱輻射が発生する。つまり、被加熱試料を加熱する方向への熱輻射と同等の熱輻射が被加熱試料設置側とは反対の方向に散逸していることになり、加熱効率の観点から好ましくない。
【００１０】
このため、本発明は、熱輻射が支配的となる高温領域において、系全体の熱損失低減のみならず、熱の流れを制御することで被加熱試料の加熱効率を改善することが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】
【００１１】
本発明は、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前記被加熱試料を加熱する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、前記第二の電極を挟んで前記第一の電極と対向し前記被加熱試料を載置する試料台とを備え、前記第一の電極の輻射率は、前記第二の電極の輻射率より小さいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、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前記被加熱試料を加熱する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、前記第二の電極を挟んで前記第一の電極と対向し前記被加熱試料を載置する試料台とを備え、前記第一の電極は、前記第二の電極より熱反射が大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高温領域において、被加熱試料の加熱効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る熱処理装置の基本構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す熱処理装置のＡ−Ａ’ラインにおける断面の第二の電極側から見た図である。
【図３】被加熱試料の温度分布についての計算結果を示す図である。
【図４】輻射率の異なる平行平板電極との間での輻射のやり取りを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ＳｉＣ活性化に必要となる１２００〜２０００℃における熱のやり取りは、熱伝導や熱伝達に対して熱輻射が支配的となる。従来は、熱輻射による損失を如何に抑制するかという点に主眼が置かれていたが、本来の目的である被加熱試料を効率良く加熱するために、熱輻射による熱の流れを意識した設計が重要である。すなわち、被加熱試料方向への熱輻射は積極的に行い、被加熱試料以外の方向への熱輻射は抑制することが望ましい。
【００１６】
本発明は前記知見に基づいて生まれたものであり、被加熱試料に近接する第二の電極の輻射率に対して対向する第一の電極の輻射率を小さくすることにより、被加熱試料の存在しない第一の電極側への熱の移動を抑制し、被加熱試料側への熱輻射を大きくすることで効率良く被加熱試料を加熱できる構成とした。本発明はこのような構成を備えることにより、被加熱試料の加熱効率を改善できる。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
本発明に係る熱処理装置について図１〜図３を用いて説明する。尚、各図において同一符号は同一構成要素を示す。先ず図１は、本実施例に係る熱処理装置の基本構成を示す断面図である。本熱処理装置は、第一の電極１０２と第二の電極１０３との間に発生するプラズマを用いて加熱された第二の電極１０３により間接的に、被処理体である被加熱試料１０１を加熱する加熱処理室１００を具備する。
【００１８】
加熱処理室１００は、第一の電極１０２と、第一の電極１０２と対向して配置された加熱板である第二の電極１０３と、被加熱試料１０１を支持する支持ピン１０６を有する試料台１０４と、輻射熱を反射させる反射鏡１２０と、プラズマ生成用の高周波電力を第一の電極１０２に供給する高周波電源１１１と、加熱処理室１００内にガスを供給するガス導入手段１１３と、加熱処理室１００内の圧力を調整する真空バルブ１１６とを備える。符号１１７は被加熱試料の搬送口を示す。なお、プラズマ生成用の高周波電力を第二の電極１０３に供給することもできる。
【００１９】
被加熱試料１０１は、試料台１０４の支持ピン１０６上に支持され、第二の電極１０３の下方に近接して配置されている。また、第二の電極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。第一の電極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。
【００２０】
また、第一の電極１０２は、タングステンからなり、第二の電極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。１２００〜２０００℃における熱輻射の支配的な波長領域である赤外及び可視光領域の輻射率は、タングステンの場合には約０．３であり、一方、ＳｉＣの輻射率は約０．８である。
【００２１】
次に第二の電極１０３の構造について図２を用いて説明する。図１のＡＡ’断面における第二の電極側を図２に示す。第二の電極１０３は、円板状の部材１０３Ａと、前記円板状の部材１０３Ａと反射鏡１２０を接続する等間隔に配置された４本の梁１０３Ｂとを備える。第二の電極１０３の主構成である円板状の部材１０３Ａの厚さは２ｍｍとした。尚、前記の梁１０３Ｂの数と断面積と厚さは、第二の電極１０３の強度と第二の電極１０３から反射鏡１２０への放熱を考慮して決めればよい。また、第二の電極１０３は、被加熱試料１０１の上部に設けられている。被加熱試料１０１の側面まで覆う構造ではないため、第二の電極１０３の表面積を小さくできるため第二の電極１０３からの放熱を低減することができる。なお、被加熱試料１０１の側面を覆うように、内筒形状を有する部材を第二の電極１０３の下側（第一の電極１０２と対向する面の反対側）に配置してもよい。この場合、円筒形状を有する部材を含めた第二の電極からの放熱は多くなるが、被加熱試料からの放熱を低減することができる。
【００２２】
第二の電極１０３と第一の電極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、第一の電極１０２と第二の電極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、第一の電極１０２と第二の電極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。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を第二の電極１０３に近接させることが可能となる。なお、詳細は後述する。また、シャフト１０７には、アルミナ材を用いた。
【００２３】
第一の電極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。第二の電極１０３は、反射鏡１２０と梁を介して導通している。さらに第二の電極１０３は、反射鏡１２０を介して接地されている。上部給電線１１０は第二の電極１０３の構成材料であるグラファイトで形成されている。高周波電源１１１と第一の電極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第一の電極１０２と第二の電極１０３間に形成されるプラズマに供給する構成となっている。本実施例では高周波電源１１１はマッチング回路を介して第一の電極に接続されているが、マッチング回路を介して第二の電極にも、又は第二の電極のみに接続することもできる。
【００２４】
加熱処理室１００内の第一の電極１０２、第二の電極１０３および試料台１０４は、反射鏡１２０で囲まれる構造となっている。反射鏡１２０は、金属基材の内壁面を光学研磨し、研磨面に金をメッキあるいは蒸着することで構成される。また、反射鏡１２０の金属基材には、冷媒流路１２２が形成されており、冷却水を流すことにより反射鏡１２０の温度が一定に保てる構造となっている。反射鏡１２０を備えることにより、第一の電極１０２、第二の電極１０３及び試料台１０４（及び後述の熱シールド）の少なくともいずれか一つからの輻射熱が反射されるため、輻射熱が抑制され熱効率を高めることができるが、熱処理温度が中低温の場合には省略することができる。
【００２５】
また、第一の電極１０２および試料台１０４と反射鏡１２０との間には、保護石英板１２３が配置されている。保護石英板１２３は、１２００℃以上の高温になる第一の電極１０２、第二の電極１０３および試料台１０４からの放出物（グラファイトの昇華等）による反射鏡１２０面の汚れ防止と、反射鏡１２０からの被加熱試料１０１に混入する可能性がある汚染の防止機能を有する。
【００２６】
第一の電極１０２と第二の電極１０３が配置される加熱処理室１００内には、ガス導入手段１１３およびガス導入ノズル１３１によりガスを１０気圧まで導入できる構造となっている。導入するガスの圧力は、圧力検出手段１１４によりモニタされる。また、加熱処理室１００は、排気口１１５および真空バルブ１１６に接続される真空ポンプによりガス排気可能となっている。ガス導入ノズル１３１の先端は、第一の電極１０２と第二の電極１０３との間の高さに配置することが望ましい。
【００２７】
ガス導入ノズル１３１の先端は、先細形状となっており、電極間に勢い良くガスを吹き付けることが可能な構造となっている。ガス導入ノズル１３１の位置は可変になっている。また、第一の電極１０２とガス導入ノズル１３１との間の放電を避けるため、ガス導入ノズル１３１には絶縁体を使用することが望ましい。本実施例では、ガス導入ノズル１３１にアルミナを用いた。また、第一の電極１０２と第二の電極１０３との間の高さに内部排気口１３０があり、上下電極間から内部排気口１３０までのコンダクタンスを低減することで、効率良く電極間のガスを排気することができる。
【００２８】
これにより、それぞれの電極から放出された煤も加熱処理室内に停滞することなく速やかに排出される。また、ガス導入ノズル１３１は、第二の電極１０３の梁上方に配置することで、導入したガスが第二の電極１０３の下側へのガス流れを抑制し、第一の電極１０２と第二の電極１０３の間に効率良くガスを流すことが可能である。尚、内部排気口１３０は、ガス導入ノズル１３１に対向する位置に配置することで、上下電極間のガスの置換を容易にしている。
【００２９】
本実施例では、加熱処理室１００内に導入したガスにＨｅを用いた。加熱処理室１００内のガス圧力が安定した時点で、高周波電源１１１からの高周波電力をマッチング回路１１２および電力導入端子１１９を介して第一の電極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、第一の電極１０２および第二の電極１０３の加熱を行う。高周波電力のエネルギーは、プラズマ内の電子に吸収され、さらにその電子の衝突により原料ガスの原子あるは分子が加熱される。
【００３０】
また、電離によって生じたイオンは、第一の電極１０２および第二の電極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第一の電極１０２および第二の電極１０３に入射する。この衝突過程により、第一の電極１０２と第二の電極１０３の間に充填されたガスの温度や第一の電極１０２および第二の電極１０３表面の温度を上昇させることができる。なお、加熱の際、加熱処理室１００内へのＨｅガスの導入を停止、又は導入量を略ゼロとすることにより、より高温にまで電極を加熱することができる。
【００３１】
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、第一の電極１０２と第二の電極１０３の間に充填された原料ガスを効率的に加熱できると考える。この結果、これらの電極温度は上昇する。これらの電極温度が上昇すると熱輻射等による損失が増大し、やがてこれらの電極への入熱とこれらの電極からの熱損失がバランスし、これらの電極温度は、ほぼ飽和してくる。
【００３２】
次に投入された高周波電力は１３ｋWとし、第一の電極１０２と第二の電極１０３が対向する面が均一に加熱されたと仮定した場合における被加熱試料の温度分布についての計算結果を図３に示す。第一の電極１０２と第二の電極１０３の輻射率が等しく０．８である場合（特許文献１に開示された電極の構成）の温度分布を示す３１０では、被加熱試料の中心ほど高温になり、被加熱試料の中心温度は１７７７℃、被加熱試料の外周温度は１６２８℃となった。
【００３３】
これに対し、第一の電極の輻射率を０．３に小さくした場合(本発明の構成と同様)の温度分布を示す３２０では、被加熱試料１０１の中心温度は１８５３℃、被加熱試料１０１の外周温度は１６６６℃であった。この様に、第一の電極１０２の輻射率を第二の電極１０３の輻射率より小さくすることにより、被加熱試料１０１の到達温度が上昇する。
【００３４】
次に、上記の加熱効率向上のメカニズムについて説明する。１２００℃以上の高温域における熱の輸送は、熱輻射が支配的であることから、ここでは熱伝達や熱伝導による影響は無視する。また、放射された熱輻射は、電極において透過しないものと仮定した。まず、加熱された物体からの熱輻射強度Eは、ステファン・ボルツマンの法則より数１で表され、材料の輻射率および温度で決まる。
【００３５】
【数１】
2015106595.tif 000003
数１中のσは、ステファン・ボルツマン係数、εは、材料の輻射率、Tは、材料の温度を示す。ここで、図４に示すように輻射率の異なる平行平板電極との間での輻射のやり取りを考える。
【００３６】
上部電極４１０の輻射率をε1、上部電極４１０の温度をT1とすると、上部電極４１０からの単位面積あたりの輻射Ｅ1は、
【００３７】
【数２】
2015106595.tif 000004
となる。
【００３８】
同様に、下部板電極４２０の輻射率ε2、温度をT2とすると、下部電極４２０からの単位面積あたりの輻射Ｅ2は、数３となり、それぞれの電極からは熱輻射によって熱が散逸することになる。
【００３９】
【数３】
2015106595.tif 000005
【００４０】
但し、熱輻射を考える電極面に近接する他の電極がある場合、例えば上部電極４１０に対向する下部電極４２０がある場合、下部電極４２０に面する上部電極４１０から放射された熱輻射Ｅ1は、下部電極４２０において反射率（１−ε2）で反射し、再び上部電極４１０に入射する。この時、上部電極４１０では（１−ε2）ε1Ｅ1が吸収され、さらに（１−ε2）（１−ε1）Ｅ1が上部電極４１０において反射し、再び下部電極４２０に入射する。この様に、近接する電極が対向する面からの熱輻射は、対向する電極との間で反射を繰り返しながら減衰する。ここで、熱輻射Ｅ1における上部電極４１０から下部電極４２０への正味の輻射Ｅnet1は、数４のように表すことができる。
【００４１】
【数４】
2015106595.tif 000006
【００４２】
同様に、熱輻射Ｅ2における下部電極４２０から上部電極４１０への正味の輻射Ｅnet2は、数５のように表すことができる。
【００４３】
【数５】
2015106595.tif 000007
【００４４】
従って、上部電極４１０から下部電極４２０への熱の移動Qnet12は、数６から求められる。
【００４５】
【数６】
2015106595.tif 000008
【００４６】
いま、上部電極４１０および下部電極４２０に等しい熱量が投入されたとする。特許文献１に開示された電極構造のように上部電極の輻射率ε1と下部電極の輻射率ε2が等しい場合、それぞれの電極からの熱輻射は等しくなるため、電極温度も等しくなる。このため、上部電極４１０から下部電極４２０への熱の移動Qnet12は無い。
【００４７】
一方、本発明のように上部電極の輻射率ε1が、下部電極の輻射率ε2よりも小さい場合、上部電極４１０からの熱輻射Ｅ1は抑制される。すなわち、上部電極４１０における熱損失が低減するため、上部電極４１０の温度Ｔ1は下部電極４２０の温度Ｔ2よりも高くなる。従って、上部電極４１０から下部電極４２０への熱の移動Qnet12は正となり、上部電極４１０から下部電極４２０への熱輻射による熱の流れができる。
【００４８】
図１に示すプラズマ熱処理装置のように、下部電極４２０よりも下側に被加熱試料がある場合には、上部電極４１０から下部電極４２０への熱の流れが増加することにより、特許文献１に開示されたプラズマ熱処理装置よりも加熱効率が上昇し、被加熱試料の到達温度が上昇する。
【００４９】
被加熱試料を加熱処理している際の第二の電極１０３または試料台１０４の温度は、放射温度計１１８により計測され、この計測値を用いて制御装置１２１により所定の温度になるように高周波電源１１１の出力が制御されるため、高精度な被加熱試料１０１の温度制御が可能となる。本実施例では、投入する高周波電力を最大２０ｋＷとした。
【００５０】
本実施例では、第一の電極１０２と第二の電極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、第一の電極１０２と第二の電極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、第一の電極１０２および第二の電極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。
【００５１】
本実施例では、プラズマ生成するための加熱処理室１００内の圧力を０．１気圧としたが、１０気圧以下において同様の動作が可能である。特に、０．０１気圧以上０．１気圧以下のガス圧力が好適である。０．００１気圧以下になるとシース部分でのイオンの衝突頻度が低下し、大きなエネルギーを持つイオンが電極に入射するようになり、電極表面がスパッタされる等の懸念がある。また、本実施例で想定している様に第一の電極１０２と第二の電極１０３のギャップ１０８の範囲が０．１ｍｍから２ｍｍの場合、パッシェンの法則からガス圧力が０．０１気圧以下では放電維持電圧が上昇するため望ましくない。
【００５２】
一方、１０気圧以上になると、異常放電（不安定なプラズマや第一の電極と第二の電極間以外での放電）が発生するリスクが高くなるため望ましくない。また、本実施例では、ガス流量を変化させることでガス圧力を制御したが、ガス排気量を変化させることでガス圧力を調整しても同様の効果が得られる。尚、ガス流量およびガス排気量を同時に変化させることにより、圧力制御しても良いのは勿論である。
【００５３】
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。
【００５４】
本実施例では、第一の電極１０２の材料にタングステンを用いたが、高融点かつ低輻射率の部材なら使用することができ、例えば、他に、ＷＣ（炭化タングステン）、ＭｏＣ（炭化モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、あるいはグラファイト基材にＴａＣ（炭化タンタル）をコーティングしたものを用いても同様な効果がある。
【００５５】
一方、第二の電極１０３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、またはＳｉＣ（焼結体、多結晶、単結晶）を用いても同様な効果がある。第一の電極１０２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場合のコーティングおよび第二の電極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。
【００５６】
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。
【００５７】
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第一の電極と第二の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、第一の電極１０２と第二の電極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。
【００５８】
また、本実施例での本発明は、被加熱試料に近接する第二の電極の輻射率に対して対向する第一の電極の輻射率を小さくした熱処理装置であったが、輻射率が小さい場合、熱反射が大きくなるため、本発明は、被加熱試料に近接する第二の電極に対向するとともに前記第二の電極より熱反射が大きい第一の電極を備える熱処理装置とも言える。
【００５９】
以上、本実施例によれば、プラズマを用いて大口径の被加熱試料を加熱する場合、熱輻射が支配的となる高温領域において、系全体の熱損失低減のみならず、熱の流れを制御することで被加熱試料の加熱効率を改善することができる。なお、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、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】
【００６０】
１００…加熱処理室
１０１…被加熱試料
１０２…第一の電極
１０３…第二の電極
１０３Ａ…円板状の部材
１０３Ｂ…梁
１０４…試料台
１０５…上下機構
１０６…支持ピン
１０７…シャフト
１０８…ギャップ
１１０…上部給電線
１１１…高周波電源
１１２…マッチング回路
１１３…ガス導入手段
１１４…圧力検出手段
１１５…排気口
１１６…真空バルブ
１１７…搬送口
１１８…放射温度計
１１９…電力導入端子
１２０…反射鏡
１２１…制御装置
１２２…冷媒流路
１２３…保護石英板
１３０…内部排気口
１３１…ガス導入ノズル
４１０…上部電極
４２０…下部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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