(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱サンプルと接する導電性のホットプレート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホットプレート装置において、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してあることを特徴とする電子加熱ホットプレート装置。
【請求項２】
請求項１の電子加熱ホットプレート装置において、前記カソード基板が固定されていて、ホットプレートが回転運動することを特徴とする電子加熱ホットプレート装置
【請求項３】
被加熱サンプルと接する絶縁性のホットプレート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホットプレート装置において、前記絶縁性のホットプレートが一部開口していて被加熱サンプルの導電性面が前記カソード基板方向に露出していることと、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してあることを特徴とする電子加熱ホットプレート装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかの電子加熱ホットプレート装置において、前記カソード基板の中心部分には前記カーボンナノチューブが塗布されていないことを特徴とする電子加熱ホットプレート装置。
【請求項５】
請求項１または２のいずれかの電子加熱ホットプレート装置において、前記ホットプレートが絶縁性の基材とその基材の裏面に導電性コーティング層を形成した構造であることを特徴とする電子加熱ホットプレート装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電子加熱ホットプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のホットプレートを図６に示す。ヒーター線２０に通電してそのヒーター線からの熱伝導でサンプルホルダー２１を加熱する。被加熱サンプル２２はサンプルホルダーからの熱伝導で加熱される。このヒーター線を用いた加熱方式ではヒーター線の温度がもっとも高く、次がサンプルホルダー、もっとも温度が低いのが被加熱サンプルである。例えば被加熱サンプルを６００℃に加熱したい場合にはヒーター線の温度を１０００℃にしなければならない場合がある。ヒーター線は耐熱性の高い丈夫な素材で作らなければならない。ヒーター線を丈夫に作ることからホットプレート２３全体の熱容量が大きくなる。熱容量の大きなホットプレートを昇温するためにヒーター線には大きな電力を供給する必要がある。電力消費が大きい上に熱容量が大きいことで急熱急冷も困難である。ヒーター線はまばらにしか配置できないのでサンプルホルダーの均熱性を向上させるためにリフレクター２４を配置するなどの工夫がなされているがヒーター線が近接する部分とヒーター線から遠い部分でのサンプルホルダーの温度差の解消は困難である。この温度差を減少させようとするとホットプレートの熱容量がさらに増大する傾向になるので消費電力および急熱急冷が困難という問題が顕在化する。
ヒーター線方式のホットプレートが抱える上記課題を軽減する加熱方式としてランプ加熱方式が開発されている。ランプ加熱方式のホットプレートの構成図を図７に示す。サンプルホルダー２１の上に載せた被加熱サンプルの上方にハロゲンランプ２５を配置して点灯し、このランプからの輻射光によって前記被加熱サンプルを昇温させる。サンプルホルダーの構造が単純であるので熱容量が軽く急熱急冷が行える長所を備える。特にサンプルホルダーを水冷等で強制的に低温に保ちながらランプ照射による加熱を行う際にはランプ消灯後は冷却されたサンプルホルダーからの熱伝導で被加熱サンプルを急冷することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ランプ加熱方式においてもランプ自身が被加熱サンプルと比較して高温である課題を抱えている。ランプは熱線に加えて光も放射するのでランプで消費される電力の一部しか被加熱サンプルの加熱に寄与されない。このため、被加熱サンプルの昇温には大きな電力消費がなされてしまう。サンプルホルダーが冷却されている場合にはランプからの熱線の熱量の一部がこのサンプルホルダーによって消費されてしまうので加熱のための電力消費は相対的に大きくなる。このように従来の加熱方式はヒーター加熱方式のように昇温降温速度が遅い問題やランプ加熱方式のように加熱に要する電力消費が大きいといった課題を抱えていた。昇温降温速度と加熱電力消費の両方の特性を満足することはできなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子加熱ホットプレート装置は、被加熱サンプルと接する導電性のホットプレート１とカソード基板４で構成される特徴に加えて、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してあることを第１の特徴とし、
第２に、第１の特徴に加えて前記カソード基板が固定されていて、ホットプレートが回転運動することを特徴とし、
第３に、被加熱サンプルと接する絶縁性のホットプレート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホットプレート装置において、前記絶縁性のホットプレートが一部開口していて被加熱サンプルの導電性面が前記カソード基板方向に露出していることと、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してあることを特徴とし、
第４に、第１から第３のいずれかの特徴に加えて、前記カソード基板の中心部分には前記カーボンナノチューブが塗布されていないことを、第５に、第１または第２のいずれかの特徴に加えて、前記ホットプレートが絶縁性の基材とその基材の裏面に導電性コーティング層を形成した構造であることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の電子加熱ホットプレート装置において、被加熱サンプルと接する導電性のホットプレート１とカソード基板４で構成される特徴に加えて、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してある第１の特徴を備えている場合には、電子の電界放出材料として放出閾値電界を下げる効果がある先鋭な構造を備えるカーボンナノチューブをカソード基板に塗布する。この塗布されたカーボンナノチューブの一部の結晶はホットプレートの方向に起立配向している。カソード基板とホットプレートとを略平行対向配置させてホットプレートに対してカソード基板を負電位にすることでカーボンナノチューブの先鋭な構造の端部から電子を放出させて放出した電子を前記負電位による電界で加速させてホットプレートに照射する。照射されたホットプレートは電子が持つエネルギーによって加熱する。ホットプレートは加速した電子が照射されることで加熱されるが、電子を放出するカソード基板は電子を出すだけであるので加熱されない。ホット電子が抜き取られるという現象に注目するともしろ冷却される。カソード基板は抜き取られる電子がカソード基板中やカーボンナノチューブを伝導する際に発生するジュール熱や隣接するホットプレートからの熱輻射によって昇温する。これらの冷却や昇温の作用の大小関係によって若干降温したり昇温したりする。
第２に、第１の特徴に加えて前記カソード基板が固定されていて、ホットプレートが回転運動する特徴を備える場合には、電子放出源であるカソード基板とホットプレート（アノード電極）とが接触している必要がないので互いに独立に移動させられる。ホットプレートを回転させることもできる。この場合、ホットプレートの電位を定めるためにホットプレートには電極を接しておく必要はある。
第３に、被加熱サンプルと接する絶縁性のホットプレート１とカソード基板４で構成される電子加熱ホットプレート装置において、前記絶縁性のホットプレートが一部開口していて被加熱サンプルの導電性面が前記カソード基板方向に露出していることと、前記カソード基板の表面にカーボンナノチューブを塗布してある特徴を備える場合には、電子が導電性の電極（アノード電極）に集まる性質を利用して被加熱サンプルの一部を導電性として前記サンプルの他の部分およびホットプレートを絶縁性にすることで前記導電性の部分だけに電子を集中させてその部分だけを集中的に加熱する。
第４に、第１から第３のいずれかの特徴に加えて、前記カソード基板の中心部分には前記カーボンナノチューブが塗布されていない特徴を備える場合には最も温度が上昇しやすい中心部分に対応するカソード基板中心部分に電子源を配置しないことで中心部分には電子加熱を作用させない。
第５に、第１または第２のいずれかの特徴に加えて、前記ホットプレートが絶縁性の基材とその基材の裏面に導電性コーティング層を形成した構造である特徴を備える場合には、被加熱サンプルを搭載するホットプレート表面は絶縁性であり、裏面は導電性のコーティング層が形成されている。この構造は、コーティング層ではカソード基板から放出された電子を加速して受け止める機能を分担して、絶縁基材では電子を被加熱サンプルに漏らさずに加熱だけを行う機能を分担する。
【０００６】
【実施例】
本発明の実施例１について図１を用いて説明する。図１は真空装置内で半導体基板を加熱処理するためのホットプレート１を描いたものである。３００ミリメートル直径のシリコンウェハ１００が加熱ステージ２の上に固定されている。この加熱ステージは外径が３４０ｍｍで高さが２ｍｍの略円筒形である。曲面状の側面と円盤状の天板で構成されている。モリブデンの厚み０．３ｍｍの材料で形成した。この側面の下端はアルミナ絶縁物製の絶縁スペーサー２に気密接続されている。絶縁スペーサの高さは５ｍｍである。この絶縁スペーサの下端は外径３４０ｍｍ、厚み２ｍｍのステンレス製で円盤状の底板３に接続されている。この底板３の上にはカソード基板４が固定されている。カソード基板はステンレス製の円盤で厚みが４ｍｍである。上面にはカーボンナノチューブがスクリーン印刷で全面塗布されている。このカーボンナノチューブは直径は数ナノメートルから数十ナノメートルの範囲のチューブが約５０ミクロン間隔でほぼ垂直方向に起立配向している。図の容器は真空容器になっている。ゲッター７を内蔵していて１０＾−５Ｐａ台の真空度を維持している。カソード電極にマイナス高圧を印加して、接地（ゼロ）電位のホットプレート１との間に電界を発生させる。カソード基板から放出された電子１０は等電位面に沿って加速されてホットプレートに照射される。照射されたホットプレートは電子の持つエネルギーで加熱される。本実施例では対向したカソード基板とホットプレートとの距離は約３ｍｍである。カソード基板に−３ｋＶの電位を与えると電子が放出し始めて−１０ｋＶの電位を与えると１００ｍＡ／ｃｍ＾２の電子が放出される。この電子によって単位平方センチメートル当たり１ｋＷの電力がホットプレートに供給されてこの電力によってホットプレートが加熱される。
【０００７】
本発明の実施例２を説明する。図２にその構成図を示した。真空容器に内蔵したホットプレートの例である。真空容器内部に固定された底板３の上に銅製のカソード基板４が載せてある。このカソード基板表面には予めＣＶＤ法でＣＮＴが配向成長されている。このカソード基板上方には回転式のホットプレート１が配置されている。ホットプレートの上には１２インチサイズのシリコン基板が被加熱サンプル１００として搭載されている。略円筒形ホットプレート１の側面にはスプリング電極５が接している。カソード基板は接地（ゼロ）電位であり、ホットプレート１にはスプリング電極５を介して正電位が与えられる。スプリング電極には５ｋＶを与える。ホットプレートとカソード電極の対向ギャップは２ｍｍに調整してある。この実施例ではカソード電極近傍は真空容器が大気状態では大気状態で、真空状態では真空状態である。特別に真空にするための機能を備えていないホットプレートの例である。
【０００８】
本発明の実施例３を説明する。ホットプレートが絶縁性サンプルホルダー９を備えていることが特徴である。図３に構成図を示す。マザーボードとして機能する回路を備えたシリコン基板（被加熱サンプル１００）に小さな導電性突起８を接合させる装置の例である。図２において、絶縁性のホットプレートのところどころに貫通向が設けてある。カソードを飛び出した電子１０は導電性突起に集められる。結果として導電性突起部分が集中的に加熱される。シリコン基板の特定の数箇所に導電性突起を融着する場合に適用される。この例に類似した例として絶縁性サンプルホルダーの中央付近を大きく開口しておいて被加熱サンプル自身に導電性パターンをレイアウトしておく例がある。本ホットプレートでは外部電極に接続して正の高電圧を印加した導電性パターン部分だけに集中的に加速された電子を集めて局部加熱することができる。導電性パターンを微細加工しておけばその微細加工に応じた局所過熱が可能である。
【０００８】
本発明の実施例４を図４に描いた。カソード基板４の上のＣＮＴ塗布パターンについて描いたものである。導電性のカソード基板の上に同心円状に三重にＣＮＴをスクリーン印刷で塗布した。加熱するホットプレート（図は省略）を均一に加熱するためにカソード基板の中心の部分の電子密度を下げて（中心にはＣＮＴを塗布しない）ＣＮを塗布していることと、ＣＮＴを塗布した３つの円状パターンが互いに接していないことに特徴がある。
【０００９】
本発明の実施例５を図５に描いた。完全絶縁性サンプルホルダー２６の表面に被加熱サンプル１００を搭載して、前記ホルダーの裏面には金属コーティング層２７が形成されていることを特徴とした例である。前記金属コーティング層に対向する位置には５ｍｍの距離を隔ててカソード基板４が配置されていてこのカソード基板表面にはエミッター材料としてカーボンナノチューブが塗布されている。前記完全絶縁性ホルダーはその上に搭載した被加熱サンプルと前記コーティング層とが完全に絶縁されているという意味である。その基材としえはＳｉＯ２（石英）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などの耐熱性を備えた絶縁物が使用される。前記金属コーティング層にはニッケルなどのメッキ層を用いる場合もあるし、グラファイト粉をガラスペーストに混入させて導電性を持たせたものを塗布する場合もある。カソード基板は導電性の素材を用いる。銅やステンレスを用いる場合がある。カソード基板から放出された電子はカソード基板と前記コーティング層の間に印加された電圧で加速されて前記コーティング層に突入してそのエネルギーで前記完全絶縁性ホルダーが昇温する。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の電子加熱ホットプレート装置を用いると均一な加熱、急速な昇温降温、低消費電力での加熱の条件を全て満たした加熱を行える。被加熱サンプルを回転させながら加熱する場合にも単純で低コストな構造で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は実施例１のホットプレートの構成図
【図２】は実施例２のホットプレートの構成図
【図３】は実施例３のホットプレートの構成図
【図４】は実施例４のホットプレートの構成図
【図５】は実施例５のホットプレートの構成図
【図６】は従来のヒーター線方式のホットプレートの構成図
【図７】は従来のランプ加熱方式のホットプレートの構成図
【符号】１はホットプレート、２はスペーサ、３は底板、４はカソード基板、５はスプリング電極、６はＣＮＴ塗布パターン、７はゲッター、８は導電性突起、９は絶縁性サンプルホルダー、１０は電子、１１は等電位面、２０はヒーター線、２１はサンプルホルダー、２２は被加熱サンプル、２３はホットプレート、２４はレフレクター、２５はハロゲンランプ、２６は完全絶縁性サンプルホルダー、２７は金属コーティング層、１００は被加熱サンプルである。
【図１】
0003864088.tif 000002
【図２】
0003864088.tif 000003
【図３】
0003864088.tif 000004
【図４】
0003864088.tif 000005
【図５】
0003864088.tif 000006
【図６】
0003864088.tif 000007
【図７】
0003864088.tif 000008