KR101360970B1 - 열처리 장치 - Google Patents

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KR101360970B1
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겐에츠 요코가와
마사토시 미야케
다카시 우에무라
마사루 이자와
사토시 사카이
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은, 피가열 시료를 1200℃ 이상으로 가열하는 경우이어도, 열효율이 높고, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 피가열 시료(101)의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 갭(108)의 영역에 형성되는 플라즈마에 의해 가열됨으로써 피가열 시료(101)를 가열하는 가열판(103)을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 반도체 기판의 도전 제어를 목적으로 행하여지는 불순물 도핑 후의 활성화 어닐이나 결함 수복 어닐 및 표면의 산화 등을 행하는 열처리 기술에 관한 것이다.
최근, 파워 반도체 디바이스의 기판 재료로서 탄화규소(이하 SiC라고 칭한다) 등의 와이드 밴드 갭을 가지는 신재료의 도입이 기대되고 있다. 와이드 밴드 갭 반도체인 SiC는, 고절연 파괴 전계, 고포화 전자 속도, 고열전도율과 같이 규소(이하 Si라고 칭한다)보다 우수한 물리적 성질을 가지고 있다. 고절연 파괴 전계 재료인 점에서, 소자의 박막화나 고농도 도프가 가능하게 되고, 고내압이면서 저저항의 소자를 만들 수 있다. 또, 밴드 갭이 크기 때문에 열 여기 전자를 억제할 수 있고, 또한, 고열전도율에 의해 방열 능력이 높은 점에서, 고온에서의 안정 동작이 가능하게 된다. 따라서, SiC 파워 반도체 디바이스가 실현되면, 전력 수송·변환, 산업용 전력 장치 및 가전 제품 등 각종 전력·전기기기의 대폭적인 효율 향상과 고성능화를 기대할 수 있다.
SiC를 기판에 사용하여 각종 파워 디바이스를 제조하는 공정은, 대략 Si를 기판에 사용하는 경우와 동일하다. 그러나, 크게 다른 공정으로서 열처리 공정을 들 수 있다. 열처리 공정이란, 기판의 도전성 제어를 목적으로 행해지는 불순물의 이온 주입 후의 활성화 어닐링이 그 대표이다. Si 디바이스의 경우, 활성화 어닐링은 800∼1200℃의 온도로 행하여진다. 한편 SiC의 경우에는, 그 재료 특성으로부터 1200∼2000℃의 온도가 필요하게 된다.
SiC 기판용 어닐 장치로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 저항 가열로가 알려져 있다. 또, 저항 가열로 방식 이외에는, 예를 들면, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 유도 가열 방식의 어닐 장치가 알려져 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, 어닐에 의한 SiC 표면 거칠어짐을 억제하는 방법으로서, SiC 기판과 대면하는 부분에 SiC가 노출되는 덮개를 설치하는 방법이 개시되어 있다. 또, 특허 문헌 4에는, 마이크로파에 의해 생성된 대기압 플라즈마에 의해, 금속 시스를 통하여 웨이퍼를 가열하는 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-32774호 공보 일본 특허 공개 제2010-34481호 공보 일본 특허 공개 제2009-231341호 공보 일본 특허 공표 제2010-517294호 공보
특허 문헌 1에 기재되어 있는 저항 가열로에서 1200℃ 이상의 가열을 행하는 경우, 이하에 나타내는 과제가 현저해진다.
첫 번째는, 열효율이다. 노체(爐體)로부터의 방열은 복사가 지배적이게 되고 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증대하기 때문에, 가열 영역이 크면 가열에 필요한 에너지 효율이 극단적으로 저하된다. 저항 가열로의 경우, 히터로부터의 오염을 회피하기 위하여, 통상 2중관 구조가 사용되고, 가열 영역이 커진다. 또, 2중관에 의해 열원(히터)으로부터 피가열 시료가 멀어지기 때문에 히터부는 피가열 시료의 온도 이상의 고온으로 할 필요가 있고, 이것도 또한 효율을 크게 저하시키는 요인이 된다. 또, 동일한 이유에서 피가열 영역의 열용량이 매우 커져서, 온도의 승온이나 강하에 시간이 걸린다. 따라서 피가열 시료의 반입에서 반출까지에 필요한 시간이 길어지기 때문에 스루풋은 저하되고, 또 고온 환경 하에 피가열 시료를 체류시키는 시간이 길어져서, 후술하는 피가열 시료의 표면 거칠어짐을 증대시키는 요인도 된다.
두 번째는, 노재(爐材)의 소모이다. 노 재료로서, 1200∼2000℃에 대응할 수 있는 재료는 한정되어 있고, 고융점이고 고순도의 재료가 필요하게 된다. SiC 기판용에 활용할 수 있는 노재는, 그라파이트, 또는 SiC 그 자체가 된다. 일반적으로는, SiC 소결체 또는 그라파이트 기재(基材)에 화학적 기상성장법에 의해 SiC를 표면에 코팅한 재료가 사용된다. 이것들은 통상 고가이고, 노체가 큰 경우, 교환할 때에 고액의 비용이 필요하게 된다. 또, 고온일수록 노체의 수명도 짧아지기 때문에, 통상의 Si 프로세스에 비해 교환 비용이 높아진다.
세 번째는, 피가열 시료의 증발에 수반하는 표면 거칠어짐의 발생이다. 1800℃ 정도의 가열에서는, 피가열 시료인 SiC의 표면으로부터 Si가 선택적으로 증발하여 표면 거칠어짐이 생기거나, 도핑한 불순물이 빠져나가서 필요한 디바이스 특성을 얻을 수 없게 된다. 이 고온에 수반하는 피가열 시료의 표면 거칠어짐 등에 대하여 종래에는, 피가열 시료의 표면에 미리 카본막을 성막하여 가열 중의 보호막으로 하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 이 종래 방법에서는 열처리를 위해 별도의 공정에서 카본막의 성막 및 그 제거가 필요하게 되어, 공정수가 늘어나고, 비용이 증가한다.
한편, 특허 문헌 2에 기재되어 있는 유도 가열 방식은, 피가열 대상 또는 피가열 대상을 설치하는 설치 수단에 고주파에 의한 유도 전류를 흐르게 하여 가열하는 방식이고, 앞의 저항 가열로 방식에 비해 열효율이 높아진다. 다만, 유도 가열의 경우, 피가열 대상의 전기 저항률이 낮으면 가열에 필요한 유도 전류가 많아지고, 유도 코일 등에서의 열손실을 무시할 수 없게 되는 점에서, 피가열 대상에 대한 가열 효율은 반드시 높은 것은 아니다.
또, 유도 가열 방식은, 피가열 시료 또는 피가열 대상을 설치하는 설치 수단에 흐르는 유도 전류에 의해 가열 균일성이 결정되기 때문에, 디바이스 제조에 사용하는 것과 같은 평면 원반에서는 가열 균일성이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다. 가열 균일성이 나쁘면 급가열 시에, 열응력에 의해 피가열 시료가 파손될 우려가 있다. 그 때문에, 온도 상승의 속도를 응력이 발생하지 않을 정도로 할 필요성이 있어 스루풋의 저하 요인이 된다. 또한, 상기 저항로 가열 방식과 마찬가지로, 초고온 시의 SiC 표면으로부터의 Si 증발을 방지하는 캡 막의 생성 및 제거 공정이 별도 필요하게 된다.
또한, 특허 문헌 3에 개시되어 있는 SiC 표면 거칠어짐 방지 방법은, 고온 환경 하에 있어서 SiC 기판 표면으로부터 Si 원자가 증발에 의해 이탈하지만, 대향면으로부터도 Si 원자가 증발하기 때문에, SiC 기판 표면의 Si가 이탈한 후의 부분에 대향면으로부터 방출된 Si 원자를 받아들임으로써, SiC 기판 표면의 표면 거칠어짐을 방지하는 것이다. 이 때문에, 특허 문헌 3에 개시되어 있는 덮개는, 유도 가열 코일이나 저항 가열 히터에 의한 가열에 있어서, Si 원자의 공급원으로서 사용하고 있는 것에 지나지 않는다.
또, 특허 문헌 4에 개시되어 있는 어닐 장치는, 상기의 선행 기술과 달리, 피가열 시료를 마이크로파에 의해 생성시킨 대기압 플라즈마에 직접 노출시켜 가열하는 방식을 채용하지만, 플라즈마가 생성되는 영역이 크기 때문에, 가열 효율이 나쁘다.
또한, 가열원이 플라즈마를 사용하는 경우, 플라즈마를 피가열 시료에 직접 노출시켜 가열하면, 일반적으로 결정면에 데미지를 주는 운동에너지는 10 일렉트론볼트 이상이며, 이 값을 넘는 이온의 가속이 생기면 데미지를 주기 때문에, 피가열 시료에 입사하는 이온의 에너지를 10 일렉트론볼트 이하로 할 필요가 있다. 이 때문에, 플라즈마의 생성 조건이 제약을 받는다.
본 발명은, 상기 서술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 피가열 시료를 1200℃ 이상으로 가열하는 경우이어도, 열효율이 높고, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 플라즈마에 의해 가열됨으로써 상기 피가열 시료를 가열하는 가열판을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 열효율이 높고, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있다.
도 1은 실시예 1과 관련되는 열처리 장치의 기본 구성도이다.
도 2는 실시예 1과 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실의 AA 단면에서 본 상면도이다.
도 3은 실시예 1과 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실에 있어서의 가열 영역의 확대도이다.
도 4는 실시예 1과 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실에 대한 반출입을 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예 2와 관련되는 열처리 장치의 기본 구성도이다.
도 6은 실시예 3과 관련되는 열처리 장치의 기본 구성도이다.
도 7은 실시예 3과 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실의 BB 단면에서 본 상면도이다.
도 8은 실시예 4와 관련되는 열처리 장치의 기본 구성도이다.
도 9는 실시예 4와 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실의 A 단면에서 본 상면도이다.
도 10은 실시예 4와 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실의 B 단면에서 본 상면도이다.
도 11은 실시예 4와 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실에 있어서의 가열 영역의 확대도이다
도 12는 실시예 4와 관련되는 열처리 장치의 가열 처리실에 대한 반출입을 설명하는 도면이다.
본 발명의 각 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서, 이하, 설명한다.
[실시예 1]
본 발명과 관련되는 열처리 장치에 있어서의 기본 구성을 도 1을 이용하여 설명한다.
본 실시예의 열처리 장치는, 플라즈마를 사용하여 피가열 시료(101)를 가열하는 가열 처리실(100)을 구비한다.
가열 처리실(100)은, 상부 전극(102)과, 상부 전극(102)과 대향하고, 가열판인 하부 전극(103)과, 피가열 시료(101)를 지지하는 지지핀(106)을 가지는 시료대(104)와, 복사열을 반사시키는 반사경(제1 복사열 억제 부재)(120)과, 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 상부 전극(102)에 공급하는 고주파 전원(111)과, 가열 처리실(100) 내에 가스를 공급하는 가스 도입 수단(113)과, 가열 처리실(100) 내의 압력을 조정하는 진공 밸브(116)를 구비한다.
피가열 시료(101)는, 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지되고, 하부 전극(103)의 하방에 근접하고 있다. 또, 하부 전극(103)은, 반사경(120)과 외주(外周)에서 접촉하고 있고, 피가열 시료(101) 및, 시료대(104)와는 접촉하고 있지 않다. 본 실시예에서는, 피가열 시료(101)로서, 4인치(φ100㎜)의 SiC 기판을 사용하였다. 상부 전극(102) 및 시료대(104)의 직경 및 두께는, 각각, 120㎜, 5㎜로 하였다.
한편, 하부 전극(103)의 직경은, 반사경(120)의 내경 이상이고, 두께는 2㎜로 하였다. 또, 하부 전극(103)은, 피가열 시료(101)의 측면을 덮도록 내통 형상을 가지는 부재를 상부 전극(102)과 대향하는 면의 반대측에 가지고 있다. 도 2에 나타내는 장치 단면도의 AA 단면의 상면도를 도 2(a)에 나타낸다. 하부 전극(103)은, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(102)과 직경이 대략 동일한 원판 형상의 부재와, 상기의 원판 형상의 부재와 반사경(120)을 접속하는 등간격으로 배치된 4개의 빔에 의해 구성된다. 원판 형상 부재의 외주부에서 빔과 빔 사이(빔의 비형성부)에는 간극이 형성되어 있지만, 도 2(a)에서는 당해 간극으로부터 하측의 보호 석영판(123)이 보이고 있는 모습으로 도시되어 있다. 또한, 상기의 빔의 수와 단면적과 두께는, 하부 전극(103)의 강도와 하부 전극(103)으로부터 반사경(120)으로의 방열을 고려하여 결정하면 된다.
하부 전극(103)은, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 가는 빔에 의해 반사경(120)으로 유지되는 구조인 경우, 플라즈마에 의해 가열된 하부 전극(103)의 열이 반사경(120)으로 전열(傳熱)되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 열효율이 높은 가열판으로서 기능한다. 또한, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 생성된 플라즈마는, 빔과 빔 사이의 공간으로부터, 진공 밸브(116) 측으로 확산되지만, 피가열 시료(101)가 상기의 내통 형상을 가지는 부재에 의해 덮여 있기 때문에, 피가열 시료(101)가 플라즈마에 노출되는 일은 없다.
도 2(b)에는 하부 전극(103)의 변형예를 나타낸다. 하부 전극(103)을 도 2(b)와 같이 원판 형상의 부재의 직경을 크게 하여 빔을 설치하지 않는 구조로 하면, 플라즈마를 생성하는 플라스마 생성실과, 피가열 시료(101)를 가열하는 가열 실로 가열 처리실(100)을 분리할 수 있기 때문에, 플라즈마에 피가열 시료(101)가 노출되는 일은 없고, 플라즈마를 생성하기 위한 가스를 플라스마 생성실에만 충전할 수 있다. 이 때문에, 가스의 소비를 본 실시예의 하부 전극(103)의 구조보다 절약할 수 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 가열판으로서의 기능은, 도 2(a)에 나타내는 본 실시예의 하부 전극(103)의 구조가 도 2(b)의 구조보다 우수하다.
또, 상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104) 및 지지핀(106)은, 그라파이트 기재의 표면에 SiC를 화학적 기상성장법(이하, CVD법이라고 칭한다)에 의해 퇴적시킨 것을 사용하였다.
또, 하부 전극(103)과 상부 전극(102)의 갭(108)은, 0.8㎜로 하였다. 또한, 피가열 시료(101)는 0.5㎜∼0.8㎜ 정도의 두께를 구비하고, 또한, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 각각의 대향하는 측의 원주 모서리부는 테이퍼 혹은 라운드 형상으로 가공되어 있다. 이것은, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 각각의 모서리부에서의 전계 집중에 의한 플라즈마 국소화를 억제하기 위해서이다.
시료대(104)는, 샤프트(107)를 통하여 상하 기구(105)와 접속하고 있고, 상하 기구(105)를 동작시킴으로써, 피가열 시료(101)의 주고 받음이나, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)에 근접시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 상세한 것은 나중에 설명한다. 또, 샤프트(107)에는, 알루미나재를 사용하였다.
상부 전극(102)에는, 상부 급전선(110)을 통하여 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력이 공급된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(111)의 주파수로서 13.56MHz를 사용하였다. 하부 전극(103)은, 반사경(120)과 빔을 통하여 도통하고 있다. 또한, 하부 전극(103)은, 반사경(120)을 통하여 접지되어 있다. 상부 급전선(110)도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 구성 재료인 그라파이트로 형성되어 있다.
고주파 전원(111)과 상부 전극(102)의 사이에는, 매칭 회로(112)(또한, 도 1의 M.B는 Matching Box의 약자이다.)가 배치되어 있고, 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력을 효율적으로 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 형성되는 플라즈마에 공급하는 구성으로 되어 있다.
상부 전극(102)과 하부 전극(103)이 배치되는 가열 처리실(100) 내에는, 가스 도입 수단(113)에 의해 가스를 0.1 기압에서 10 기압의 범위로 도입할 수 있는 구조로 되어 있다. 도입하는 가스의 압력은, 압력 검출 수단(114)에 의해 모니터된다. 또, 가열 처리실(100)은, 배기구(115) 및 진공 밸브(116)에 접속되는 진공 펌프에 의해 가스 배기 가능하게 되어 있다.
가열 처리실(100) 내의 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)는, 반사경(120)으로 둘러싸이는 구조로 되어 있다. 반사경(120)은, 금속 기재의 내벽면을 광학 연마하고, 연마면에 금을 도금 혹은 증착함으로써 구성된다. 또, 반사경(120)의 금속 기재에는, 냉매 유로(122)가 형성되어 있고, 냉각수를 흐르게 함으로써 반사경(120)의 온도가 일정하게 유지되는 구조로 되어 있다. 반사경(제1 복사열 억제 부재)(120)을 구비함으로써, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 복사열이 반사되기 때문에, 열효율을 높일 수 있으나, 본 발명의 필수 구성이라는 것은 아니다.
또 상부 전극(102) 및 시료대(104)와 반사경(120)의 사이에는, 보호 석영판(123)이 배치되어 있다. 보호 석영판(123)은, 초고온의 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 방출물(그라파이트의 승화 등)에 의한 반사경(120) 면의 더러움 방지와, 반사경(120)으로부터의 피가열 시료(101)에 혼입될 가능성이 있는 오염의 방지 기능을 가진다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(102)의 플라즈마(124)에 접촉하는 표면의 반대측, 하부 전극(103)의 피가열 시료(101)의 측면을 덮고 내통 형상을 가지는 부재의 외측 및, 시료대(104)의 하면 측에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 혹은 고융점이면서 저복사율의 코팅(제2 복사열 억제 부재)(109)이 배치된다. 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 구비함으로써, 상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104)로부터의 복사열이 저감되기 때문에, 열효율을 높일 수 있다.
또한, 처리 온도가 낮은 경우에는, 이것들을 반드시 구비할 필요는 없다. 초고온 처리의 경우에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 저융점이면서 저복사율의 코팅(109)과 반사경(120) 중 어느 하나를 구비함으로써, 혹은 그 양자를 구비함으로써 소정의 온도로 가열할 수 있다. 하부 전극(103) 또는 시료대(104)의 온도는, 방사 온도계(118)에 의해 계측된다. 코팅(109)은, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 혹은 시료대(104) 등의 부재와는 독립된 별도의 부재이어도 되고, 상기 부재의 표면에 고융점이면서 저복사율의 재료를 피복한 것과 같은 것이어도 된다. 본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)에 실시된 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)으로서, 그라파이트 기재에 TaC(탄화탄탈)가 코팅된 판재를 사용하였다.
다음으로, 본 발명의 열처리 장치의 기본 동작예를, 도 1을 이용하여 설명한다.
먼저, 가열 처리실(100) 내의 He 가스를 배기구(115)로부터 배기하여, 고진공 상태로 한다. 충분히 배기가 종료된 단계에서, 배기구(115)를 닫고, 가스 도입 수단(113)으로부터 가스를 도입하며, 가열 처리실(100) 안을 0.6 기압으로 제어한다. 본 실시예에서는, 가열 처리실(100) 내에 도입한 가스에 He를 사용하였다.
예비실(도시 생략)에서 400℃로 예비 가열된 피가열 시료(101)를 반송구(117)로부터 반송하고, 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지한다. 또한, 피가열 시료(101)의 지지핀(106) 상에 대한 지지 방법의 상세는, 후술한다.
시료대(104)의 지지핀(106) 상에 피가열 시료(101)를 지지한 후, 시료대(104)를 상하 기구(105)에 의해, 소정 위치까지 상승시킨다. 본 실시예에서는, 하부 전극(103)의 하면과 피가열 시료(101)의 표면의 거리가 0.5㎜가 되는 위치를 소정 위치로 하였다.
본 실시예에서는, 하부 전극(103)의 하면과 피가열 시료(101)의 표면 사이의 거리를 0.5㎜로 하였지만, 0.1㎜에서 2㎜까지의 거리이어도 된다. 또한, 피가열 시료(101)가 하부 전극(103)의 하면에 근접할수록, 가열 효율은 좋아지지만, 근접할수록, 하부 전극(103)과 피가열 시료(101)가 접촉할 리스크가 높아지거나, 오염 등의 문제가 발생하기 때문에, 0.1㎜ 미만은 바람직하지 않다. 또, 거리가 2㎜보다 큰 경우에는, 가열 효율이 저하되어, 가열에 필요한 고주파 전력이 많아지기 때문에, 바람직하지 않다. 이 때문에, 본 발명에서의 근접이란, 0.1㎜에서 2㎜까지의 거리로 한다.
소정 위치에 시료대(104)를 승강한 후, 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력을 매칭 회로(112) 및 전력 도입 단자(119)를 통하여 상부 전극(102)에 공급하고, 갭(108) 내에 플라즈마를 생성함으로써, 피가열 시료(101)의 가열을 행한다. 고주파 전력의 에너지는, 플라즈마 내의 전자에 흡수되고, 또한, 그 전자의 충돌에 의해 원료 가스의 원자 혹은 분자가 가열된다. 또, 전리에 의해 생긴 이온은, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 시스에 발생하는 전위차로 가속되고, 원료 가스와 충돌하면서 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)에 입사된다. 이 충돌 과정에 의해, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 사이에 충전된 가스의 온도나 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 표면의 온도를 상승시킬 수 있다.
특히, 본 실시예와 같은 대기압 부근에서는, 이온이 시스를 통과할 때에 원료 가스와 빈번하게 충돌하게 되기 때문에, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 충전된 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 있다고 생각한다. 여기서, 대기압 부근이란, 0.1 기압에서 1 기압의 범위의 압력으로 한다.
이 결과, 원료 가스의 온도를 용이하게 1200∼2000℃ 정도까지 가열할 수 있다. 이 가열된 고온 가스의 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)에 대한 접촉에 의해, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또, 전자 충돌에 의해 여기된 중성 가스의 일부는, 발광을 수반하여 탈여기되고, 이때의 발광에 의해서도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또한, 고온 가스가 돌아 들어가는 것이나 가열된 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)으로부터의 복사에 의해 시료대(104) 및 피가열 시료(101)가 가열된다.
여기서, 피가열 시료(101)의 상방에 근접하여, 가열판인 하부 전극(103)이 있음으로써, 플라즈마에 의해 고온으로 가열된 가스에 의해, 하부 전극(103)이 가열된 후에, 피가열 시료(101)가 가열되기 때문에, 피가열 시료(101)를 균일하게 가열하는 효과가 얻어진다. 또, 하부 전극(103)의 하방에 시료대(104)를 설치함으로써, 피가열 시료(101)의 형상과 상관없이, 하부 전극(103)과 상부 전극(102)의 사이에 균일한 전장을 형성하고, 균일한 플라즈마를 생성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)의 하방에 배치함으로써, 피가열 시료(101)가 갭(108)에 형성된 플라즈마에 직접 노출되는 일이 없다. 또, 글로 방전으로부터 아크 방전으로 이행된 경우이어도, 피가열 시료(101)를 경유하지 않고, 하부 전극(103)으로 방전 전류가 흐르기 때문에, 피가열 시료(101)에 대한 데미지를 피할 수 있다.
가열 처리 중의 하부 전극(103) 또는 시료대(104)의 온도는 방사 온도계(118)에 의해 계측되고, 계측값을 이용하여 제어 장치(121)에 의해 소정의 온도가 되도록 고주파 전원(111)의 출력이 제어되기 때문에, 고정밀도의 피가열 시료(101)의 온도 제어가 가능하게 된다. 본 실시예에서는, 투입하는 고주파 전력을 최대 20kW로 하였다.
상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104)[피가열 시료(101)를 포함한다]의 온도를 효율적으로 상승시키기 위해서는, 상부 급전선(110)의 전열, He 가스 분위기를 통하는 전열 및 고온 영역으로부터의 복사(적외광으로부터 가시광 영역)의 억제가 필요하게 된다. 특히 1200℃ 이상의 초고온 상태에서는, 복사에 의한 방열의 영향이 매우 크고, 복사 손실의 저감이 가열 효율의 향상에 필수가 된다. 또한, 복사 손실은, 절대 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증가한다.
복사 손실 억제를 위하여, 본 실시예에서는 상기 서술한 바와 같이, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)에 배치하였다. 고융점이면서 저복사율의 재료에는 TaC를 사용하였다. TaC의 복사율은, 0.05에서 0.1 정도이고, 복사에 수반하는 적외선을 90% 정도의 반사율로 반사한다. 따라서, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)에 의해 상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104)로부터의 복사 손실이 억제되고, 피가열 시료(101)를 높은 열효율로 1200∼2000℃ 정도의 초고온으로 할 수 있다.
TaC는, 직접 플라즈마에 노출되지 않는 상태로 배치되어 있고, Ta 또는 TaC에 포함되는 불순물이 가열 처리 중에 피가열 시료(101)에 혼입되지 않게 되어 있다. 또, TaC로 구성되는 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)의 열용량은 매우 작기 때문에, 가열부의 열용량 증가를 최소한으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 배치하는 것에 의한 승온 및 강온 속도의 저하도 거의 없다.
또, 가열원의 플라즈마를 글로 방전 영역의 플라즈마로 함으로써, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 균일하게 퍼진 플라즈마를 형성할 수 있고, 이 균일하고 평면적인 플라즈마를 열원으로 하여 피가열 시료(101)를 가열함으로써 평면적인 피가열 시료(101)를 균일하게 가열하는 것이 가능해진다.
또, 평면적으로 균일하게 가열할 수 있기 때문에 급속하게 온도를 상승시켜도, 피가열 시료(101) 내에서의 온도 불균일에 수반하는 파손 등을 일으킬 리스크가 낮다. 이상으로부터 고속의 온도 상승 및 하온(下溫)이 가능해지고, 일련의 가열 처리에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 이 효과에 의해 가열 처리의 스루풋 향상이나, 피가열 시료(101)의 필요 이상의 고온 분위기에서의 체재를 억제할 수 있고, 고온에 수반하는 SiC 표면 거칠어짐 등을 저감할 수 있다.
상기의 가열 처리가 종료되면, 피가열 시료(101)의 온도가 800℃ 이하까지 저하된 단계에서, 반송구(117)로부터 피가열 시료(101)를 반출하고, 다음의 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100) 내에 반송하여 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지하며, 상기 서술한 가열 처리의 조작을 반복한다.
피가열 시료(101)를 교체할 때, 반송구(117)에 접속되는 피가열 시료 퇴피 위치(도시 생략)의 가스 분위기를 가열 처리실(100) 안과 동일한 정도로 유지함으로써, 피가열 시료(101)의 교체에 수반하는 가열 처리실(100) 내의 He 교체를 행할 필요가 없어, 사용 가스량의 감소가 가능해진다.
물론, 어느 정도, 가열 처리를 반복함으로써 가열 처리실(100) 내의 He 가스의 순도가 저하되는 경우도 있기 때문에, 그때는 정기적으로 He 가스의 교체를 실시한다. 방전 가스에 He 가스를 사용하는 경우, He 가스는, 비교적 고가의 가스이기 때문에, 그 사용량을 최대한 삭감함으로써 러닝 코스트의 억제로 이어진다. 이것은 가열 처리 중에 도입하는 He 가스량에도 적용할 수 있는 것이며, 처리 중의 가스 순도를 유지하는 데 필요 최소한의 유량으로 함으로써 가스 사용량의 삭감이 가능하게 된다. 또, 피가열 시료(101)의 냉각 시간을 이 He 가스 도입에 의해 단축하는 것도 가능하다. 즉, 가열 처리 종료 후(방전 종료 후), He 가스 유량을 증가시킴으로써, He 가스의 냉각 효과에 의해 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기 서술에서는, 800℃ 이하의 상태에서 피가열 시료(101)를 반출하였지만, 내열성이 높은 반송 아암을 사용함으로써, 피가열 시료(101)가 800℃에서 2000℃의 상태이어도, 반출이 가능해져서, 대기 시간을 단축할 수 있다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 갭(108)을 0.8㎜로 하였지만, 0.1㎜에서 2㎜의 범위에서도 동일한 효과가 있다. 0.1㎜보다 좁은 갭의 경우도 방전은 가능하지만, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이의 평행도를 유지하는 데 고정밀도의 기능이 필요하게 된다. 또, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 표면의 변질(거칠어짐 등)이 플라즈마에 영향을 주게 되기 때문에, 바람직하지 않다. 한편 갭(108)이 2㎜를 넘는 경우에는, 플라즈마의 착화성 저하나 갭 사이로부터의 복사 손실 증대가 문제가 되어 바람직하지 않다.
본 실시예에서는, 플라스마 생성하기 위한 가열 처리실(100) 내의 압력을 0.6 기압으로 하였지만, 10 기압 이하의 압력에서도 동일한 동작이 가능하다. 또한, 10 기압을 넘으면 균일한 글로 방전의 생성이 곤란하게 된다.
본 실시예에서는, 플라즈마 생성용의 원료 가스에 He 가스를 사용하였지만, 그 외에, Ar, Xe, Kr 등의 불활성 가스를 주원료로 한 가스를 사용해도 동일한 효과가 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시예에서 사용한 He 가스는, 대기압 부근에서의 플라즈마 착화성이나 안정성이 우수하지만, 가스의 열전도율이 높고, 가스 분위기를 통한 전열에 의한 열손실이 비교적 많다. 한편, Ar, Xe, Kr 가스 등의 질량이 큰 가스는, 열전도율이 낮기 때문에, 열효율의 관점에서는 He 가스보다 유리하다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)에 실시하는 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)에, 그라파이트 기재에 TaC(탄화탄탈)를 코팅한 것을 사용하였지만, 그 외에, WC(탄화텅스텐), MoC(탄화몰리브덴), Ta(탄탈), Mo(몰리브덴), W(텅스텐)를 사용해도 동일한 효과가 있다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측을 CVD법에 의한 탄화실리콘을 코팅한 그라파이트를 사용하였지만, 그 외에, 그라파이트 단체(單體), 그라파이트에 열분해 탄소를 코팅한 부재, 그라파이트 표면을 유리화 처리한 부재, 및 SiC(소결체, 다결정, 단결정)를 사용해도 동일한 효과가 있다. 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 기재가 되는 그라파이트나 그 표면에 실시되는 코팅은, 피가열 시료(101)에 대한 오염 방지의 관점에서 고순도인 것이 바람직한 것은 말할 필요도 없다.
또, 본 실시예에서는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)에 TaC를 사용하였지만, 마찬가지로 다른 고융점(사용 온도에 견디는 융점)이면서 저복사율의 재료이어도 동일한 효과가 있다. 예를 들면, Ta(탄탈) 단체, Mo(몰리브덴), W(텅스텐) 또는 WC(탄화텅스텐) 등에서도 동일한 효과가 있다.
또, 초고온 시에는, 상부 급전선(110)으로부터도 피가열 시료(101)에 대한 오염이 영향을 주는 경우도 있다. 따라서, 본 실시예에서는 상부 급전선(110)도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)과 동일한 그라파이트를 사용하였다. 또, 상부 전극(102)의 열은, 상부 급전선(110)을 전열하여 손실되게 된다. 따라서, 상부 급전선(110)으로부터의 전열을 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다.
따라서, 그라파이트로 형성되는 상부 급전선(110)의 단면적은, 가급적 작게 하고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 그러나, 상부 급전선(110)의 단면적을 극단적으로 작게 하고, 길이도 너무 길게 하면 상부 급전선(110)에서의 고주파 전력 손실이 커져서, 피가열 시료(101)의 가열 효율의 저하를 초래한다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 이상의 관점에서 그라파이트로 형성되는 상부 급전선(110)의 단면적을 12㎟, 길이 40㎜로 하였다. 동일한 효과는, 상부 급전선(110)의 단면적이 5㎟∼30㎟, 상부 급전선(110)의 길이가 30㎜∼100㎜의 범위에서도 얻어진다.
또한, 시료대(104)의 열은, 샤프트(107)를 전열하여 손실되게 된다. 따라서, 샤프트(107)로부터의 전열도 상기의 상부 급전선(110)과 마찬가지로 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다. 따라서, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적은, 가급적 작게 하고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 본 실시예에서는, 강도 등을 고려하여, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적 및 길이는, 상기의 상부 급전선(110)과 동일하게 하였다.
본 실시예에서는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)으로 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)로부터의 복사 손실을 저감시킴과 함께 반사경(120)에 의해 복사광을 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)로 되돌림으로써 가열 효율의 향상이 얻어졌다. 그러나, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)만을 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)에 실시한 경우에도 가열 효율의 향상을 기대할 수 있는 것은 물론이다. 마찬가지로, 반사경(120)만을 설치한 경우에도, 가열 효율의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 보호 석영판(123)은, 오염 방지의 효과를 기대하기 위해 설치하고 있는 것이며, 보호 석영판(123)을 사용하지 않아도, 충분한 가열 효율을 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 서술한 바와 같이 가열 효율에 영향을 미치는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 방열은, (1) 복사, (2) 가스 분위기의 전열, (3) 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)로부터의 전열이 주(主)이다. 1200℃ 이상으로 가열 처리를 행하는 경우, 이것들 중에서 가장 방열의 주요인은, (1)의 복사이다. (1)의 복사의 억제를 위해, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 설치하였다. 또, (3)의 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)로부터의 방열은, 상기 서술한 바와 같이, 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)의 단면적과 길이를 최적화함으로써, 최소한으로 억제하였다.
또, (2)의 가스 분위기의 전열에 관해서는, 가스의 전열 거리를 최적화함으로써 억제하였다. 여기서, 가스의 전열 거리란, 고온부인 각각의 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터 저온부인 실드[보호 석영판(123)] 또는 저온부인 가열 처리실(100)의 벽까지의 거리이다. 대기압 부근의 He 가스 분위기에서는, He 가스의 열전도율이 높기 때문에, 비교적 가스의 전열에 의한 방열이 높아진다. 따라서, 본 실시예에서는, 상부 전극(102) 및 시료대(104)로부터 실드[보호 석영판(123)] 또는 가열 처리실(100)의 벽까지의 거리를 각각 30㎜ 이상 확보하는 구조로 하였다. 가스의 전열 거리가 긴 쪽이 방열 억제에는 유리하지만, 가스의 전열 거리가 너무 길면 가열 영역에 대한 가열 처리실(100)의 크기가 커져서 바람직하지 않다. 가스의 전열 거리를 30㎜ 이상으로 함으로써, 가열 처리실(100)의 크기를 억제하면서, 가스 분위기의 전열에 의한 방열도 억제할 수 있다. 물론 열전도율이 낮은 Ar, Xe, Kr 가스 등을 사용함으로써, 가스 분위기의 전열에 의한 방열을 더욱 억제하는 것이 가능해지는 것은 말할 필요도 없다.
본 실시예에서는, 플라즈마 생성용의 고주파 전원(111)에 13.56MHz의 고주파 전원을 사용하였지만, 이것은, 13.56MHz가 공업 주파수이기 때문에 저비용으로 전원을 입수할 수 있고, 또한, 전자파 누설 기준도 낮기 때문에 장치 비용을 저감할 수 있기 때문이다. 그러나, 원리적으로는, 다른 주파수에서도 동일한 원리로 가열 처리를 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 특히, 1MHz 이상 100MHz 이하의 주파수가 적합하다. 1MHz보다 낮은 주파수가 되면 가열 처리에 필요한 전력을 공급할 때의 고주파 전압이 높아지고, 이상 방전(불안정한 플라즈마나 상부 전극과 하부 전극 사이 이외에서의 방전)을 일으켜서, 안정적인 플라스마 생성이 어려워진다. 또, 100MHz를 넘는 주파수에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 갭(108) 사이의 임피던스가 낮고, 플라스마 생성에 필요한 전압이 얻어지기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다.
다음으로, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(100)에 대한 반출입의 방법에 대하여 도 3, 도 4를 이용하여 설명한다. 또한, 도 3 및 도 4는 가열 처리실(100)의 가열 영역의 상세도이다. 도 3은, 가열 처리 중의 상태를 나타내고, 도 4는, 피가열 시료(101)의 반출입 시의 상태를 나타낸다.
시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지된 피가열 시료(101)를 반출하는 경우에는, 도 3의 가열 처리 상태로부터 플라즈마(124)를 정지시키고, 상하 기구(105)에 의해, 시료대(104) 위치를 내림으로써, 도 4에 나타내는 바와 같이 피가열 시료(101)와 시료대(104) 사이에 간극이 형성된다. 이 간극에 반송구(117)로부터 수평으로 반송 아암(도시 생략)을 삽입하고, 상하 기구(105)를 내림으로써 피가열 시료(101)는 반송 아암으로 인도되어, 반출할 수 있다. 또, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)로 반입하는 경우에는, 상기 서술한 피가열 시료 반출의 반대 동작을 행함으로써, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)로 반입할 수 있다.
상하 기구(105)에서, 시료대(104)의 지지핀(106)을 내린 상태에서, 피가열 시료(101)를 탑재한 반송 아암(도시 생략)으로부터 지지핀(106) 상으로 피가열 시료(101)를 반송한다. 그 후, 상하 기구(105)에 의해 시료대(104)를 상승시키고, 시료대(104)가 반송 아암으로부터 피가열 시료(101)를 수취한다. 또한, 시료대(104)를 가열 처리하기 위한 소정 위치까지 상승시킴으로써, 가열판인 하부 전극(103) 하방으로 피가열 시료(101)를 근접시킬 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)은 고정되어 있기 때문에, 갭(108)이 변동하지 않는다. 이 때문에, 피가열 시료(101)를 가열 처리할 때마다 안정적인 플라즈마를 생성할 수 있다.
이상, 상기 서술한 본 실시예의 열처리 장치를 사용하여 이온 주입을 행한 SiC 기판을 1500℃로 1분간의 열처리를 행한바, 양호한 도전 특성을 얻을 수 있었다. 또, SiC 기판 표면에 면 거칠어짐은 볼 수 없었다.
이하, 본 실시예에 나타낸 열처리 장치의 효과를 정리한다. 본 실시예와 관련되는 가열 처리에서는, 좁은 갭 사이에서 생성되는 대기압 글로 방전에 의한 가스 가열을 열원으로 하여 피가열 시료(101)를 가열한다. 본 가열 원리에 수반하는 종래 기술에 없는 이하에 나타내는 5가지 효과가 얻어진다.
첫 번째는, 열효율이다. 갭(108) 사이의 가스는 열용량이 매우 적고, 또한, 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)에 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 배치한 것에 의해 복사에 수반하는 가열손실이 매우 적은 체계로 피가열 시료(101)를 가열할 수 있다.
두 번째는, 가열 응답성과 균일성이다. (피가열 시료를 직접 가열하는 기능을 담당하는) 가열부의 열용량이 매우 작기 때문에, 급속한 승온 및 강온이 가능해진다. 또, 글로 방전에 의한 가스 가열을 가열원으로 사용하기 때문에, 글로 방전의 확대에 의해 평면적으로 균일한 가열이 가능해진다. 온도 균일성이 높은 것에 의해 가열 처리에 수반하는 피가열 시료(101) 면 내에서의 디바이스 특성 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 급격한 승온 등을 행하였을 때에 피가열 시료(101) 면 내의 온도차에 수반하는 열응력에 의한 손상도 억제할 수 있다.
세 번째는, 가열 처리에 수반하는 소모 부품의 저감이다. 본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)에 각각 접촉하는 가스를 직접 가열하기 때문에, 고온화하는 영역은, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 매우 근방에 배치되는 부재로 한정되고, 또한, 그 온도도 피가열 시료(101)와 동등하다. 따라서, 부재의 수명이 길고, 또한, 부품 열화에 수반하는 교환의 영역도 적다.
네 번째는, 피가열 시료(101)의 표면 거칠어짐의 억제이다. 본 실시예에서는, 앞서 기재한 효과에 의해 승온 및 강온 시간을 짧게 할 수 있는 점에서 피가열 시료(101)를 고온 환경 하에 노출시키는 시간을 필요 최저한으로 단축할 수 있기 때문에, 표면 거칠어짐을 억제할 수 있다. 또, 본 실시예에서는, 대기압 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로서 사용하지만, 피가열 시료(101)는, 플라즈마에 직접 노출되는 경우는 없다. 이것에 의해 열처리 장치와는 별도의 장치로 행하는 보호막의 형성 및 제거 공정이 불필요하게 되어, SiC 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감이 가능해진다.
다섯 번째는, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(100)에 대한 반출입의 간소화이다. 본 실시예에서는, 시료대(104)의 상하 기구 동작만으로, 피가열 시료(101)의 반송 아암(도시 생략)으로부터 시료대(104)로의 주고 받음, 또는, 피가열 시료(101)의 시료대(104)로부터 반송 아암(도시 생략)으로의 주고 받음을 할 수 있다. 또, 상기의 주고 받음을 행하기 위한 복잡한 기구도 필요로 하지 않기 때문에, 가열 처리실(100) 내의 구성 부품의 점수를 저감할 수 있고, 심플한 장치 구성으로 할 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 열처리 장치에 예비 가열실(200)을 더 배치한 열처리 장치에 대하여 설명한다.
[실시예 2]
도 5는, 실시예 1의 열처리 장치에 예비 가열실(200)을 더 배치한 기본 구성을 나타내는 도면이다.
또한, 도 5에 있어서 실시예 1과 동일한 부호를 붙인 것은, 실시예 1과 동등한 기능을 가지기 때문에, 설명을 생략한다.
본 실시예의 열처리 장치는, 가열 처리실(100)의 하방에 게이트 밸브(202)를 통하여 예비 가열실(200)이 연결되어 있다. 가열 처리실(100) 및 예비 가열실(200)은, 게이트 밸브(202)를 닫음으로써, 각각 기밀하게 폐색된다. 또, 게이트 밸브(202)를 엶으로써, 가열 처리실(100) 및 예비 가열실(200)을 연통시킨다.
또, 예비 가열실(200)은, 배기구(203) 및 진공 밸브(204)에 접속된 진공 펌프(도시 생략)에 의해 배기된다.
피가열 시료(101)는, 실시예 1에서 서술한 반출입 방법과 동일한 방법으로, 반송구(205)로부터 피가열 시료(101)를 예비 가열실(200)로 반입하고, 반송 아암(도시 생략)으로부터 시료대(104)의 지지핀(106) 상으로 피가열 시료(101)의 주고 받음을 행한다.
지지핀 상에 지지된 피가열 시료(101)는, 히터(201)에 의해 원하는 온도까지 가열된다. 본 실시예에서는, 피가열 시료(101)를 400℃까지 가열하였다. 다음으로, 게이트 밸브(202)를 엶과 함께 상하 기구(105)를 상승시키고, 원하는 온도까지 가열된 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)로 반입하여 가열 처리를 행한다.
본 실시예에 의해, 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한, 가열 처리실(100)에서의 가열 처리 시간을 단축할 수 있기 때문에, 가열 처리실(100) 내의 소모 부재의 수명을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 실시예 1에서 서술한 상부 전극(102), 하부 전극(103)을 각각, 가열판인 상부 전극(303), 플라스마 생성용의 고주파 전력이 공급되는 하부 전극(302)으로 한 본 발명의 실시 형태에 대하여 이하에 설명한다.
[실시예 3]
실시예 3과 관련되는 열처리 장치의 기본 구성을 도 6을 이용하여 설명한다.
본 실시예의 열처리 장치는, 플라즈마를 이용하여 피가열 시료(301)를 가열하는 가열 처리실(300)을 구비한다.
가열 처리실(300)은, 피가열 시료(301)를 상면에 재치(載置)하고 가열판인 상부 전극(303)과, 상부 전극(303)과 대향하는 하부 전극(302)과, 복사열을 반사시키는 반사경(제1 복사열 억제 부재)(308)과, 플라스마 생성용의 고주파 전력을 하부 전극(302)에 공급하는 고주파 전원(311)과, 가열 처리실(300) 내에 가스를 공급하는 가스 도입 수단(313)과, 가열 처리실(300) 내의 압력을 조정하는 진공 밸브(316)를 구비한다.
본 실시예에서는, 피가열 시료(301)로서 4인치(φ100㎜)의 SiC 기판을 사용하였다.
하부 전극(302)의 직경 및 두께는, 각각, 120㎜, 5㎜로 하였다. 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)은, 그라파이트 기재의 표면에 SiC[즉 피가열 시료(301)와 동일한 재료]를 CVD법에 의해 퇴적한 것을 사용하였다. 하부 전극(302)과 상부 전극(303)의 갭(304)은, 0.8㎜로 하였다.
한편, 상부 전극(303)의 직경은, 반사경(308)의 내경 이상으로, 두께는 2㎜로 하고, 또한, 상부 전극(303)은, 피가열 시료(301)를 상면에 재치하고, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이에 생성된 플라즈마에 의해 가열된 상부 전극(303)의 열을 피가열 시료로 전열한다. 즉, 상부 전극(303)은, 피가열 시료(301)에 대한 가열판으로서의 역할도 담당하고 있다.
도 7에 나타내는 장치 단면도의 BB 단면의 상면도를 도 7(a), 7(b)에 나타낸다. 상부 전극(303)은, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 하부 전극(302)과 직경이 대략 동일한 원판 형상의 부재와, 상기의 원판 형상의 부재와 반사경(308)을 접속하는 등간격으로 배치된 4개의 빔으로 이루어진다. 또한, 상기의 빔의 수와 단면적과 두께는, 상부 전극(303)의 강도와 상부 전극(303)으로부터 반사경(308)으로의 방열을 고려하여 결정하면 된다.
본 실시예의 상부 전극(303)은, 도 7(a)에 나타내는 구조이기 때문에, 플라즈마에 의해 가열된 상부 전극(303)의 열이 반사경(308)으로 전열하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 열효율이 높은 가열판으로서 기능한다. 또한, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이에 생성된 플라즈마는, 빔과 빔 사이의 공간으로부터 확산되나, 플라즈마의 대부분은, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이로부터 진공 밸브(316) 측으로 확산되기 때문에, 피가열 시료(301)가 플라즈마에 노출되는 경우는 거의 없다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 달리, 시료 지지핀(106)을 거치지 않고 피가열 시료(301)가 직접, 상부 전극(303)에 재치되어 있기 때문에, 시료 지지핀(106) 상에 재치되는 경우보다, 피가열 시료(301)를 피가열 시료(301)의 면 내에서 균일하게 가열할 수 있다.
또한, 상부 전극(303)을 도 7(b)와 같은 구조로 하면, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성실과, 피가열 시료(301)를 가열하는 가열실로 가열 처리실(300)을 분리할 수 있기 때문에, 플라즈마에 피가열 시료(301)가 노출되는 일은 없고, 플라즈마를 생성하기 위한 가스를 플라스마 생성실에만 충전할 수 있다. 이 때문에, 가스의 소비를 도 7(a)에 나타내는 본 실시예의 상부 전극(303)의 구조보다 절약할 수 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 가열판으로서의 기능은, 도 7(a)에 나타내는 본 실시예의 상부 전극(303)의 구조가 도 7(b)의 구조보다 우수하다.
하부 전극(302)에는, 하부 급전선(305)을 통하여 고주파 전원(311)으로부터의 고주파 전력이 공급된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(311)의 주파수로서 13.56MHz를 사용하였다. 상부 전극(303)은, 반사경(308)과 외주에서 도통하고 있고, 또한, 상부 전극(303)은, 반사경(308)을 통하여 접지되어 있다. 하부 급전선(305)도, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)의 구성 재료인 그라파이트로 형성되어 있다.
고주파 전원(311)과 하부 전극(302) 사이에는 매칭 회로(312)(또한, 도 6의 M.B는, Matching Box의 약자이다.)가 배치되어 있고, 고주파 전원(311)으로부터의 고주파 전력을 효율적으로 하부 전극(302)과 상부 전극(303) 사이에 형성되는 플라즈마에 공급하는 구성으로 되어 있다.
가열 처리실(300) 내에는, 가스 도입 수단(313)에 의해 가스를 0.1 기압에서 10 기압의 범위로 도입할 수 있는 구성으로 되어 있다. 가열 처리실(300) 내로 도입하는 가스의 압력은, 압력 검출 수단(314)에 의해 모니터된다. 또, 가열 처리실(300)은, 배기구(315) 및 진공 밸브(316)에 접속되는 진공 펌프(도시 생략)에 의해 배기된다.
가열 처리실(300) 내의 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)은, 반사경(308)으로 둘러싸이는 구조로 되어 있다. 반사경(308)은, 금속 기재의 내벽면을 광학 연마하고, 연마면에 금을 도금 혹은 증착함으로써 구성된다. 또, 반사경(308)의 금속 기재에는, 냉매 유로(310)가 형성되어 있고, 냉각수를 흐르게 함으로써 반사경(308)의 온도가 일정하게 유지되는 구조로 되어 있다. 반사경(제1 복사열 억제 부재)(308)을 구비함으로써, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)으로부터의 복사열이 반사되기 때문에, 열효율을 높일 수 있으나, 본 발명의 필수 구성이라는 것은 아니다.
또, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)과 반사경(308)의 사이에는, 보호 석영판(307)이 배치되어 있다. 보호 석영판(307)은, 초고온의 상부 전극(303) 및 하부 전극(302)으로부터의 방출물(그라파이트의 승화 등)에 의한 반사경(308) 면의 더러움 방지와, 반사경(308)으로부터 피가열 시료(301)로 혼입될 가능성이 있는 오염의 방지 기능을 가진다.
하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(제2 복사열 억제 부재)(309)이 배치된다. 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 구비함으로써, 하부 전극(302)으로부터의 복사열을 저감할 수 있기 때문에, 열효율을 높일 수 있다. 또한, 가열 처리 온도가 낮은 경우에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 반드시 구비할 필요는 없다. 초고온 처리의 경우에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)과 반사경(308) 중 어느 하나를 구비함으로써, 혹은, 그 양자를 구비함으로써 소정의 온도로 가열할 수 있다. 피가열 시료(301)의 온도는, 방사 온도계(318)에 의해 계측된다. 본 실시예에서는, 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에 실시된 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)에, 그라파이트 기재에 TaC(탄화탄탈)를 코팅한 판재를 사용하였다.
다음으로 본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작예를 설명한다.
먼저, 가열 처리실(300) 내의 He 가스를 배기구(315)로부터 배기하여, 고진공 상태로 한다. 충분히 배기가 종료된 단계에서, 배기구(315)를 닫고, 가스 도입 수단(313)으로부터 가스를 도입하여, 가열 처리실(300) 내의 압력을 0.6 기압으로 한다. 본 실시예에서는, 가열 처리실(300) 내에 도입하는 가스에 He 가스를 사용하였다. 예비실(도시 생략)에서 400℃로 예비 가열된 피가열 시료(301)를 반송구(317)로부터, 도시 생략한 반송 수단으로, 가열판인 상부 전극(303) 상에 재치한다.
피가열 시료(301)를 상부 전극(303) 상에 재치한 후, 고주파 전원(311)으로부터 매칭 회로(312) 및 전력 도입 단자(306)를 통하여 고주파 전력을 하부 전극(302)에 공급하고, 갭(304) 내에 플라즈마를 생성함으로써 피가열 시료(301)의 가열을 행한다. 고주파 전력의 에너지는, 플라즈마 내의 전자에 흡수되고, 또한, 그 전자의 충돌에 의해 원료 가스의 원자 혹은 분자가 가열된다. 또, 전리에 의해 생긴 이온은, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 시스에 발생하는 전위차로 가속되어, 원료 가스와 충돌하면서 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)에 입사한다. 이 충돌 과정에 있어서, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이에 충전된 가스 온도나 하부 전극(302) 및 상부 전극(303) 표면의 온도를 상승시킬 수 있다.
특히, 본 실시예와 같은 대기압 부근에서는, 이온이 시스를 통과할 때에 원료 가스와 빈번하게 충돌하게 되기 때문에, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이에 충전된 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 있다고 생각한다. 여기서, 대기압 부근이란, 0.1 기압으로부터 1 기압의 범위의 압력인 것으로 한다.
이 결과, 원료 가스의 온도를 용이하게 1200∼2000℃ 정도로 가열할 수 있다. 이 가열된 고온 가스의 접촉에 의해, 상부 전극(303) 및 하부 전극(302)이 가열된다. 또, 전자 충돌에 의해 여기된 중성 가스의 일부는, 발광을 수반하여 탈여기되고, 이때의 발광에 의해서도 상부 전극(303) 및 하부 전극(302)이 가열된다. 또한, 고온 가스가 돌아 들어가는 것이나 가열된 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)으로부터 복사와, 상부 전극(303)으로부터의 전열에 의해, 피가열 시료(301)가 가열된다.
여기서, 상부 전극(303) 상에 피가열 시료(301)가 재치됨으로써, 고온 가스에 의해 상부 전극(303)이 가열된 후, 피가열 시료(301)가 가열되기 때문에, 피가열 시료(301)를 효율적이고 또한 균일하게 가열하는 효과가 얻어진다.
또, 피가열 시료(301)를 상부 전극의 플라즈마에 접촉하지 않는 측에 재치함으로써, 피가열 시료(301)의 형상과 상관없이, 하부 전극(302)과 상부 전극(303) 사이에 균일성이 높은 전장을 형성하고, 균일한 플라즈마를 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 피가열 시료(301)를 상부 전극(303) 상에 재치함으로써, 피가열 시료(301)가 갭(304)에 형성된 플라즈마에 직접 노출되는 일이 없다. 또, 글로 방전으로부터 아크 방전으로 이행된 경우에도, 피가열 시료(301)를 경유하지 않고, 하부 전극(302)에 방전 전류가 흐르기 때문에, 피가열 시료(301)에 대한 데미지를 피할 수 있다.
가열 처리 중의 피가열 시료(301)의 온도는, 방사 온도계(318)에 의해 계측되고, 계측값을 이용하여 제어 장치(319)에 의해 소정의 온도가 되도록 고주파 전원(311)의 출력이 제어되기 때문에, 고정밀도의 피가열 시료(301)의 가열 온도의 제어가 가능해진다. 본 실시예에서는, 투입하는 고주파 전력을 최대 20kW로 하였다.
하부 전극(302), 상부 전극(303)[피가열 시료(301)를 포함한다]의 온도를 효율적으로 상승시키기 위해서는, 하부 급전선(305)의 전열, He 가스 분위기를 통한 전열 및 고온 영역으로부터 복사(적외광으로부터 가시광 영역)의 억제가 필요하게 된다. 특히, 1200℃ 이상의 초고온 상태에서는, 복사에 의한 방열이 매우 크고, 복사 손실의 저감이 가열 효율의 향상에 필수가 된다. 또한, 복사 손실은, 절대 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증가한다.
복사 손실 억제를 위하여, 본 실시예에서는 상기 서술한 바와 같이, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에 배치하였다. 고융점이면서 저복사율의 재료에는, TaC를 사용하였다. TaC의 복사율은, 0.05-0.1 정도이고, 복사에 수반하는 적외선을 90% 정도의 반사율로 반사한다. 이 때문에, 하부 전극(302)으로부터의 복사 손실이 억제되고, 피가열 시료(301)를 높은 열효율로 1200∼2000℃ 정도의 초고온으로 할 수 있다.
TaC는, 직접 플라즈마에 노출되지 않는 상태로 배치되어 있고, Ta 또는 TaC에 포함되는 불순물이 피가열 시료(301)의 가열 처리 중에 혼입되지 않게 되어 있다. 또, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)인 TaC의 열용량은 매우 작기 때문에, 가열부의 열용량 증가를 최소한으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 배치함으로써 승온 및 강온의 속도가 저하되는 일은 거의 없다.
또, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 사이에 생성하는 플라즈마를 글로 방전 영역의 플라즈마로 함으로써, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)의 사이에 균일하게 퍼진 플라즈마를 생성할 수 있고, 이 평면적인 플라즈마를 열원으로 하여 피가열 시료(301)를 가열함으로써 평면적인 피가열 시료(301)를 균일하게 가열할 수 있다.
또, 평면적으로 균일하게 가열할 수 있는 점에서 급속하게 온도를 상승시켜도, 피가열 시료(301) 내에서의 온도 불균일에 수반하는 파손 등이 발생할 리스크가 낮다. 이 때문에, 고속의 온도 상승 및 강온이 가능해지고, 일련의 가열 처리에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 이 효과에 의해, 가열 처리의 스루풋 향상이나, 피가열 시료(301)의 필요 이상의 고온 분위기에서의 체재를 억제할 수 있고, 고온에 수반하는 SiC 표면 거칠어짐 등을 저감할 수 있다.
상기 서술한 가열 처리가 종료된 후, 피가열 시료(301)의 온도가 800℃ 이하가 될 때까지 저하시키고, 반송구(317)로부터 피가열 시료(301)를 반출하며, 다음의 피가열 시료(301)를 반송 수단(도시 생략)에 의해, 상부 전극(303) 상에 재치하고, 가열 처리의 일련의 조작을 반복한다.
피가열 시료(301)를 교체할 때, 반송구(317)에 접속되는 피가열 시료 퇴피 위치(도시 생략)의 가스 분위기를 가열 처리실(300) 안과 동일한 정도로 유지함으로써, 피가열 시료(301)의 교체에 수반하는 가열 처리실(300) 내의 He 가스의 교체를 행할 필요가 없고, He 가스의 사용량의 삭감이 가능해진다. 물론, 어느 정도 가열 처리를 반복함으로써 가열 처리실(300) 내의 He 가스의 순도가 저하되는 경우도 있기 때문에, 그때는 정기적으로 He 가스의 교체를 실시한다.
플라스마 생성용 가스에 He 가스를 사용하는 경우, He 가스는, 비교적 고가의 가스이기 때문에, He 가스의 사용량을 최대한 삭감함으로써 열처리 장치의 러닝 코스트의 억제로 이어진다. 이것은, 가열 처리 중에 도입되는 He 가스의 양에도 적용되는 것이고, 가열 처리 중의 He 가스의 순도를 유지하는 데 필요 최소한의 유량으로 함으로써 He 가스의 사용량의 삭감을 할 수 있다.
또, 피가열 시료(301)의 냉각 시간을 He 가스의 도입에 의해 단축하는 것도 가능하다. 즉, 가열 처리 종료 후(플라즈마 정지 후) He 가스의 유량을 증가시킴으로써, He 가스의 냉각 효과에 의해 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 800℃ 이하의 상태에서 피가열 시료(301)를 반출하였으나, 내열성이 높은 반송 아암을 사용함으로써, 피가열 시료(301)가 800℃에서 2000℃의 상태이어도, 반출이 가능해져서, 대기 시간을 단축할 수 있다.
본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작에서는, 갭(304)을 0.8㎜로 하였지만, 0.1㎜에서 2㎜의 범위이어도 동일한 효과가 있다. 0.1㎜보다 좁은 갭의 경우도 플라스마 생성은 가능하지만, 하부 전극(302)과 상부 전극(303) 사이의 평행도를 유지하는 데 고정밀도의 구성이 필요하게 되고, 또한, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)의 표면의 변질(거칠어짐 등)이 플라즈마에 영향을 주게 되기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 갭(304)이 2㎜를 넘는 경우에는, 플라즈마의 착화성 저하 또는 갭 사이로부터의 복사 손실 증대가 문제가 되기 때문에 바람직하지 않다.
본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작에서는, 플라즈마를 형성하기 위한 압력을 0.6 기압이라고 하였지만, 10 기압 이하의 범위이어도 된다. 또한, 10 기압을 넘으면 균일한 글로 방전의 발생이 곤란해진다.
본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작에서는, 플라스마 생성의 원료 가스에 He 가스를 사용하였지만, Ar 가스, Xe 가스, Kr 가스 등의 불활성 가스를 주원료로 한 가스를 사용해도 동일한 효과가 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시예에서 사용한 He 가스는, 대기압 부근에서의 플라즈마 착화성이나 안정성이 우수하지만, 가스의 열전도율이 높기 때문에, 가스 분위기를 통한 전열에 의한 열손실이 비교적 많다. 한편, Ar 가스, Xe 가스, Kr 가스 등의 질량이 큰 가스는, 열전도율이 낮기 때문에, 열효율의 관점에서는 유리하다.
본 실시예에서는, 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에 실시된 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)에, 그라파이트 기재에 TaC(탄화탄탈)를 코팅한 판재를 사용하였지만, 그 외에, WC(탄화텅스텐), MoC(탄화몰리브덴), Ta(탄탈), Mo(몰리브덴), W(텅스텐)를 사용해도 된다.
본 실시예에서는, 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측을 CVD법에 의한 탄화실리콘을 코팅한 그라파이트를 사용하였지만, 그 외에, 그라파이트 단체, 그라파이트에 열분해 탄소를 코팅한 부재, 그라파이트 표면을 유리화 처리한 부재, 및 SiC(소결체, 다결정, 단결정)를 사용해도 동일한 효과가 있다. 하부 전극(302)의 기재가 되는 그라파이트나 그 표면에 실시된 코팅은, 피가열 시료(301)에 대한 오염 방지의 관점에서 고순도인 것이 바람직하다.
또, 초고온 시에는 하부 급전선(305)으로부터도 피가열 시료(301)에 대한 오염이 영향을 주는 경우도 있다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 하부 급전선(305)도 하부 전극(302)과 동일한 그라파이트를 사용하였다. 또, 하부 전극(302)의 열은, 하부 급전선(305)을 전열하고, 손실되게 된다. 따라서, 하부 급전선(305)으로부터의 전열을 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다.
이 때문에, 그라파이트로 형성되는 하부 급전선(305)의 단면적은, 가급적 작고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 그러나, 하부 급전선(305)의 단면적을 극단적으로 작게 하고, 길이도 너무 길게 하면 하부 급전선(305)에서의 고주파 전력의 손실이 커져서, 피가열 시료(301)의 가열 효율의 저하를 초래한다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 그라파이트로 형성되는 하부 급전선(305)의 단면적 및 길이를 각각, 12㎟, 40㎜로 하였지만, 하부 급전선(305)의 단면적 및 길이를 각각, 5㎟∼30㎟, 30㎜∼100㎜로 하여도 된다.
본 실시예에서는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)에 의해 하부 전극(302)으로부터의 복사 손실을 저감시킴과 함께 반사경(308)에 의해 복사광을 상부 전극(303) 및 하부 전극(302)으로 되돌림으로써 가열 효율의 향상이 얻어졌으나, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)만을 설치한 경우에도 가열 효율의 향상을 기대할 수 있는 것은 물론이다. 마찬가지로, 반사경(308)만을 배치한 경우에도, 가열 효율의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 보호 석영판(307)은, 오염 방지의 효과를 기대하기 위하여 배치하고 있는 것이기 때문에, 보호 석영판(307)을 사용하지 않아도, 충분한 가열 효율을 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 서술한 바와 같이 가열 효율에 영향을 미치는, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)의 방열은, (1) 복사, (2) 가스 분위기의 전열, (3) 하부 급전선(305)으로부터의 전열이 주이다. 1200℃ 이상에서의 가열 처리인 경우, 이것들 중에서 가장 방열의 주요인은, (1)의 복사이다.
(1)의 복사의 억제를 위하여, 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 설치하였다. 또, (3)의 하부 급전선(305)으로부터의 방열은, 상기 서술한 단면적 및 길이를 최적화함으로써 최소한으로 억제하였다.
또, (2)의 가스 분위기의 전열에 관해서는, 가스의 전열 거리의 최적화에 의해 억제하였다. 여기서, 가스의 전열 거리란, 고온부인, 각각의 하부 전극(302), 상부 전극(303)으로부터 저온부인 보호 석영판(307) 또는 저온부인 가열 처리실(300)의 벽까지의 거리이다.
대기압 부근의 He 가스 분위기에서는, He 가스의 열전도율이 높기 때문에, 비교적 가스의 전열에 의한 방열이 높아진다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 하부 전극(302)으로부터 보호 석영판(307) 또는 하부 전극(302)으로부터 반사경(308)까지의 거리를 각각 30㎜ 이상 확보하는 구조로 하였다. 가스의 전열 거리가 긴 쪽이 방열 억제에는 유리하지만, 가열 영역에 대한 반사경(308)의 크기가 커져서 바람직하지 않다. 가스의 전열 거리를 30㎜ 이상으로 함으로써, 가열 처리실(300)의 크기를 억제하면서 가스 분위기의 전열에 의한 방열도 억제할 수 있다. 물론, 열전도율이 낮은 Ar 가스, Xe 가스, Kr 가스 등을 사용함으로써 더욱 가스 분위기의 전열에 의한 방열을 억제하는 것이 가능해지는 것은 말할 필요도 없다.
본 실시예에서는, 플라스마 생성에 13.56MHz의 고주파 전원을 사용하였지만, 13.56MHz는, 공업 주파수이기 때문에, 저비용으로 전원을 입수할 수 있고, 또한, 전자파 누설 기준도 낮기 때문에 열처리 장치의 비용을 저감할 수 있기 때문이다. 그러나, 원리적으로는, 다른 주파수에서도 동일한 원리로 플라스마 가열할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 특히, 1MHz 이상 100MHz 이하의 주파수가 적합하다.
1MHz보다 낮은 주파수가 되면, 가열에 필요한 고주파 전력을 공급할 때의 고주파 전압이 높아지고, 이상 방전[불안정한 방전이나 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이 이외에서의 방전]을 일으켜서, 안정적인 동작이 어려워지기 때문에 적합하지 않다. 또, 100MHz를 넘는 주파수는, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)의 갭(304) 사이의 임피던스가 낮고, 플라스마 생성에 필요한 전압을 얻기 어려워지기 때문에 적합하지 않다.
또, 본 실시예에서는, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)은 고정되어 있고, 갭(304)이 변동하지 않는다. 이 때문에, 피가열 시료(301)를 가열 처리할 때마다 안정적인 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 실시예의 열처리 장치를 사용하여 이온 주입을 행한 SiC 기판을 1500℃에서 1분간의 가열 처리를 행한바, 양호한 도전 특성을 얻을 수 있었다. 또, SiC 기판 표면에는, 면 거칠어짐은 보이지 않았다.
이하, 본 실시예의 효과를 정리한다. 본 실시예와 관련되는 가열 처리에서는, 좁은 갭 사이에서 생성하는 대기압 글로 방전에 의한 가스 가열을 열원으로 하여 피가열 시료(301)를 가열한다. 본 가열 원리에 수반하는 종래 기술에 없는 이하에 나타내는 4가지 효과가 얻어진다.
첫 번째는, 열효율이다. 갭(304) 사이의 가스는 열용량이 매우 적고, 또한, 하부 전극(302)에 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 배치한 것에 의해 복사에 수반하는 가열손실이 매우 적은 체계로 피가열 시료(301)를 가열할 수 있다.
두 번째는, 가열 응답성과 균일성이다. 가열부의 열용량이 매우 작기 때문에, 급속한 승온 및 강온이 가능해진다. 또, 글로 방전에 의한 가스 가열을 가열원으로 사용하기 때문에, 글로 방전의 확대에 의해 평면적으로 균일한 가열이 가능해진다. 온도 균일성이 높은 것에 의해 가열 처리에 수반하는 피가열 시료(301) 면 내에서의 디바이스 특성 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 급격한 승온 등을 행하였을 때에 피가열 시료(301) 면 내의 온도차에 수반하는 열응력에 의한 손상도 억제할 수 있다.
세 번째는, 가열 처리에 수반하는 소모 부품의 저감이다. 본 실시예에서는, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)에 각각 접촉하는 가스를 직접 가열하기 때문에, 고온화되는 영역은, 상부 전극(303)과 하부 전극(302)의 매우 근방에 배치되는 부재로 한정되고, 또한, 그 온도도 피가열 시료(301)와 동등하다. 따라서, 부재의 수명이 길고, 또한, 부품 열화에 수반하는 교환의 영역도 적다.
네 번째는, 피가열 시료(301)의 표면 거칠어짐의 억제이다. 본 실시예에서는, 앞서 기재한 효과에 의해 승온 및 강온 시간을 짧게 할 수 있는 점에서 피가열 시료(301)를 고온 환경 하에 노출시키는 시간을 필요 최저한으로 단축할 수 있기 때문에, 표면 거칠어짐을 억제할 수 있다. 또, 본 실시예에서는, 대기압 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로서 사용하지만, 피가열 시료(301)는, 플라즈마에 직접 노출되는 일은 없다. 이것에 의해 열처리 장치와는 별도의 장치로 행하는 보호막의 형성 및 제거 공정이 불필요하게 되고, SiC 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감이 가능해진다.
[실시예 4]
실시예 4와 관련되는 열처리 장치에 대하여 도 8 내지 도 12를 이용하여 설명한다. 또한, 본 실시예에 기재하지 않은 실시예 1∼3 중 어느 기재의 사항은 특별한 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다. 상기 실시예에서 나타내는 바와 같이, 플라즈마에 의해 피가열 시료를 간접적으로 가열함으로써, 피가열 시료를 1200℃ 이상으로 가열하는 경우에도, 열효율이 높고, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것이 가능해진다. 본 실시예에서는, 더욱 장기 안정성이 우수한 열처리 장치에 대하여 설명한다.
장기 안정성을 손상시키는 요인에 대하여 먼저 설명한다. 상기 실시예에 있어서, 높은 열효율을 얻기 위하여 대향 카본 전극(상부 전극, 하부 전극)을 높은 반사율을 가지는 복사 반사경으로 덮는 구조로 되어 있다. 방전을 형성하는 분위기는 순도가 높은 He 분위기를 사용하지만, 상부 전극 및 하부 전극의 재료인 카본 전극은 그 내부에 수소나 산소 또는 수분을 포함하고 있고, 가열 초기에는 그들 가스가 전극으로부터 방출된다. 방출될 때, 상기 가스는 탄화수소, 일산화탄소 및 수소의 형태로 방출되고, 그들 방출 가스는 플라즈마 중에서 해리나 합성을 반복함으로써 그을음 상태의 이물을 형성할 우려가 있다. 이 그을음 상태의 이물이, 복사 반사경이나 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅에 부착되면 반사율이 저하되고, 가열 효율의 저하를 초래할 우려가 있다. 또, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅은, 상부 전극이나 하부 전극에 접촉하여 배치되어 있는 부분이 있고 이들 전극과 대략 동일한 온도가 된다. 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅의 재질은, 이러한 고온화에서 장시간 노출되면 그 재질 그 자체가 열적으로 변질되고, 이것도 반사율의 장기적인 열화를 수반할 우려가 있다. 또한, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅의 재질은, 일반적으로 불순물을 포함한다. 고온화에서 장시간 노출되면 이들 불순물이 방출되어, 피가열 시료를 오염시킬 가능성도 있다. 그래서, 본 실시예에서는 상기 요인을 억제 혹은 방지하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
본 실시예와 관련되는 열처리 장치에 있어서의 기본 구성에 대하여 도 8을 이용하여 설명한다.
본 실시예의 열처리 장치는, 플라즈마(124)를 사용하여 피가열 시료(101)를, 하부 전극(103)을 통하여 간접적으로 가열하는 가열 처리실(100)을 구비한다.
가열 처리실(100)은, 상부 전극(102)과, 상부 전극(102)과 대향하고, 가열판인 하부 전극(103)과, 피가열 시료(101)를 지지하는 지지핀(106)을 가지는 시료대(104)와, 복사열을 반사시키는 반사경(제1 복사열 억제 부재)(120)과, 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 상부 전극(102)에 공급하는 고주파 전원(111)과, 가열 처리실(100) 내에 가스를 공급하는 가스 도입 수단(113)과, 가열 처리실(100) 내의 가스를 조정하는 진공 밸브(116)를 구비한다. 또한, 상부 전극과 함께, 혹은 상부 전극 대신, 가열판인 하부 전극에 고주파 전원으로부터의 전력을 공급할 수도 있다.
피가열 시료(101)는, 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지되고, 하부 전극(103)의 하방에 근접하여 배치된다. 또, 하부 전극(103)은, 반사경(120)으로 유지되어 있고, 피가열 시료(101) 및, 시료대(104)와는 접촉하고 있지 않다. 본 실시예에서는, 피가열 시료(101)로서, 4인치(φ100㎜)의 SiC 기판을 사용하였다. 상부 전극(102) 및 시료대(104)의 직경 및 두께는, 각각, 120㎜, 5㎜로 하였다.
가열 처리실(100) 내의 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)는, 반사경(120)으로 둘러싸이는 구조로 되어 있다. 반사경(120)은, 금속 기재의 내벽면을 광학 연마하고, 연마면에 금을 도금 혹은 증착함으로써 구성된다. 또, 반사경(120)의 금속 기재에는, 냉매 유로(122)가 형성되어 있고, 냉각수를 흐르게 함으로써 반사경(120)의 온도가 일정하게 유지되는 구조로 되어 있다. 반사경(120)은 필수적인 구성이라는 것은 아니지만, 이것을 구비함으로써, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 복사열이 반사되기 때문에, 열효율을 높일 수 있다.
또, 상부 전극(102) 및 시료대(104)와 반사경(120)의 사이에는, 보호 석영판(123)이 배치되어 있다. 보호 석영판(123)은, 1200℃ 이상의 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 방출물(그라파이트의 승화 등)에 의한 반사경(120) 면의 더러움 방지와, 반사경(120)으로부터의 피가열 시료(101)에 혼입될 가능성이 있는 오염의 방지 기능을 가진다.
하부 전극(103)의 직경은 상부 전극과 동일하고, 하부 전극(103)을 지지하는 빔의 선단을 반사경(120)의 내부에까지 연장시키는 구성으로 하며, 빔을 포함하여 두께는 2㎜로 하였다. 또, 하부 전극(103)은, 피가열 시료(101)의 측면을 덮도록 내통 형상의 부재를 상부 전극(102)과 대향하는 면의 반대측에 가지고 있다. 도 8 중에 기재한 A 단면 및 B 단면에 있어서의 상면도를 각각 도 9, 도 10에 나타낸다. 하부 전극(103)은, 도 9, 도 10에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(102)과 직경이 대략 동일한 원판 형상의 부재와, 히기의 원판 형상의 부재와 반사경(120)을 접속하는 등간격으로 배치된 4개의 빔으로 이루어진다. 또한, 상기 빔의 수와 단면적과 두께는, 하부 전극(103)의 강도와 하부 전극(103)으로부터 반사경(120)으로의 방열을 고려하여 결정하면 된다.
상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가공 시료(101) 및 시료대(104)를 둘러싸도록 열 실드(고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅 : 제2 복사열 억제 부재)(109)가 반사경(제1 복사열 억제 부재)(120)과의 중간에 배치되어 있다. 열 실드(109)는 상부와 하부로 분할되어 있고, 상부의 열 실드(109)는, 고정 부품(402)에 의해 반사경(120)에 고정되어 있으며, 하부의 열 실드(109)는 시료대(104)에 고정되어 있다. 상부의 열 실드를 고정하는 고정 부품(402)은, 가는 막대 형상의 부재로 석영 또는 세라믹으로 형성되어 있다. 고정 부품(402)의 재료는 열전도율이 가급적 낮은 재료를 선택비로 하고, 열 실드(109)를 고정하는 데 필요 최소한의 크기로 함으로써, 열 실드(109)로부터 반사경(120)으로의 전열손실을 낮게 억제하는 구조로 되어 있다. 또, 본 실시예 4에서는, 열 실드(109)를 두께 0.1㎜의 텅스텐박으로 형성하였다. 본 실시예의 열 실드(109)는 그 주변부에 단부측벽을 가진다. 이 단부측벽은 필수는 아니지만, 설치함으로써, 더욱 열효율을 높일 수 있다. 단부측벽은 열 실드 본체와 일체 가공하여 형성해도 되지만, 별체로 가공하여 결합할 수도 있다. 또한, 본 실시예의 열 실드(109)는, 실시예 1과 달리 플라즈마로 직접 가열되는 부재[상부 전극(102)이나 하부 전극(103)]와 직접 접촉하는 부분을 가지지 않고, 모두 이간하여 배치되어 있다. 이것에 의해, 열 실드의 가열 온도를 낮게 할 수 있기 때문에 열적인 열화에 의한 복사율의 장기적인 열화나 불순물의 방출 등을 억제하는 것이 가능해진다. 또, 열 실드는 고온이 되는 상부 전극과 하부 전극을 둘러싸도록 배치되기 때문에, 이들 전극 기인의 그을음 상태의 이물이 발생해도 열 실드의 표면 측으로 돌아 들어가는 것을 억제·방지할 수 있고, 그을음 상태의 이물의 열 실드 표면이나 반사경 표면으로의 부착을 억제·방지할 수 있다. 이것에 의해, 장기적인 열 실드의 복사율의 저하나 반사경의 반사율의 저하를 억제할 수 있다(상세에 대해서는 후술한다).
하부 전극(103)은, 도 9, 도 10에 나타내는 바와 같이 가는 빔을 통하여 반사경으로 유지되는 구조이기 때문에, 플라즈마(124)에 의해 가열된 하부 전극(103)의 열이 반사경(120)으로 전열하는 것을 억제할 수 있고, 열효율이 높은 가열판으로서 기능한다. 또한, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 사이에 생성된 플라즈마(124)는, 빔과 빔 사이의 공간으로부터, 진공 밸브(116) 측으로 확산되지만, 피가열 시료(101)가 상기의 내통 형상을 가지는 부재에 의해 덮여 있기 때문에, 피가열 시료(101)가 플라즈마(124)에 노출되는 일은 없다.
또, 상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104) 및 지지핀(106)은, 그라파이트 기재의 표면에 SiC를 화학적 기상성장법(이하, CVD법이라고 칭한다)에 의해 퇴적시킨 것을 사용하였다.
또, 하부 전극(103)과 상부 전극(102)의 갭은, 0.8㎜로 하였다. 또한, 피가열 시료(101)는 0.5㎜∼0.8㎜ 정도의 두께를 구비하고, 또한, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 각각의 대향하는 측의 원주 모서리부는 테이퍼 혹은 라운드 형상으로 가공되어 있다. 이것은, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 각각의 모서리부에서의 전계 집중에 의한 플라즈마 국소화를 억제하기 위해서이다.
시료대(104)는, 샤프트(107)를 통하여 상하 기구(105)와 접속하고 있고, 상하 기구(105)를 동작시킴으로써, 피가열 시료(101)의 주고 받음이나, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)에 근접시키는 것이 가능해진다. 또한, 상세한 것은 나중에 설명한다. 또, 샤프트(107)에는, 알루미나재를 사용하였다.
상부 전극(102)에는, 상부 급전선(110)을 통하여 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력이 공급된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(111)의 주파수로서 13.56MHz를 사용하였다. 하부 전극(103)은, 반사경(120)과 빔을 통하여 도통하고 있다. 또한, 하부 전극(103)은, 반사경(120)을 통하여 접지되어 있다. 상부 급전선(110)도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 구성 재료인 그라파이트로 형성되어 있다.
고주파 전원(111)과 상부 전극(102)의 사이에는, 매칭 회로(112)(또한, 도 8의 M.B는, Matching Box의 약자이다.)가 배치되어 있고, 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력을 효율적으로 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 형성되는 플라즈마(124)에 공급하는 구성으로 되어 있다.
상부 전극(102)과 하부 전극(103)이 배치되는 가열 처리실(100) 내에는, 가스 도입 수단(113)에 의해 가스를 0.1 기압에서 10 기압의 범위로 도입할 수 있는 구조로 되어 있다. 도입하는 가스의 압력은, 압력 검출 수단(114)에 의해 모니터된다. 또, 가열 처리실(100)은, 배기구(115) 및 진공 밸브(116)에 접속되는 진공 펌프에 의해 가스 배기 가능하게 되어 있다.
다음으로 본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작예를 설명한다.
먼저, 가열 처리실(100) 내의 He 가스를 배기구(115)로부터 배기하여, 고진공 상태로 한다. 충분히 배기가 종료된 단계에서, 배기구(115)를 닫고, 가스 도입 수단(113)으로부터 가스를 도입하며, 가열 처리실(100) 안을 0.6 기압으로 제어한다. 본 실시예에서는, 가열 처리실(100) 내에 도입한 가스에 He를 사용하였다.
예비실(도시 생략)에서 400℃로 예비 가열된 피가열 시료(101)를 반송구(117)로부터 반송하고, 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지한다. 또한, 피가열 시료(101)의 지지핀(106) 상으로의 지지 방법의 상세는, 후술한다.
시료대(104)의 지지핀(106) 상에 피가열 시료(101)를 지지한 후, 시료대(104)를 상하 기구(105)에 의해, 소정 위치까지 상승시킨다. 본 실시예에서는, 하부 전극(103)의 하면과 피가열 시료(101)의 표면의 거리가 0.5㎜가 되는 위치를 소정 위치로 하였다.
본 실시예에서는, 하부 전극(103)의 하면과 피열처리 시료(101)의 표면 사이의 거리를 0.5㎜로 하였지만, 0.1㎜에서 2㎜까지의 거리이어도 된다. 또한, 피가열 시료(101)가 하부 전극(103)의 하면에 근접할수록, 가열 효율은 좋아지나, 근접할수록, 하부 전극(103)과 피가열 시료(101)가 접촉할 리스크가 높아지거나, 오염 등의 문제가 발생하기 때문에, 0.1㎜ 미만은 바람직하지 않다. 또, 거리가 2㎜보다 큰 경우에는, 가열 효율이 저하되어, 가열에 필요한 고주파 전력이 많아지기 때문에, 바람직하지 않다. 이 때문에, 본 실시예에 있어서의 근접이란, 0.1㎜에서 2㎜까지의 거리로 한다.
소정 위치에 시료대(104)를 상승시킨 후, 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력을 매칭 회로(112) 및 전력 도입 단자(119)를 통하여 상부 전극(102)에 공급하고, 갭 내에 플라즈마(124)를 생성함으로써, 피가열 시료(101)의 가열을 행한다. 고주파 전력의 에너지는, 플라즈마(124) 내의 전자에 흡수되고, 또한, 그 전자의 충돌에 의해 원료 가스의 원자 혹은 분자가 가열된다. 또, 전리에 의해 생긴 이온은, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 플라즈마(124)에 접촉하는 표면의 시스에 발생하는 전위차로 가속되고, 원료 가스와 충돌하면서 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)에 입사한다. 이 충돌 과정에 의해, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 충전된 가스의 온도나 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 표면의 온도를 상승시킬 수 있다. 특히, 본 실시예와 같은 대기압 부근에서는, 이온이 시스를 통과할 때에 원료 가스와 빈번하게 충돌하게 되기 때문에, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 충전된 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 있다고 생각한다. 여기서, 대기압 부근이란, 0.1 기압에서 1 기압의 범위의 압력인 것으로 한다.
이 결과, 원료 가스의 온도를 용이하게 1200∼2000℃ 정도까지 가열할 수 있다. 이 가열된 고온 가스의 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)에 대한 접촉에 의해, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또, 전자 충돌에 의해 여기된 중성 가스의 일부는, 발광을 수반하여 탈여기되고, 이때의 발광에 의해서도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또한, 고온 가스가 돌아 들어가는 것이나 가열된 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)으로부터의 복사에 의해 시료대(104) 및 피가열 시료(101)가 가열된다.
여기서, 피가열 시료(101)의 상방에 근접하여, 가열판인 하부 전극(103)이 있음으로써, 플라즈마(124)에 의해 고온으로 가열된 가스에 의해, 하부 전극(103)이 가열된 후에, 피가열 시료(101)가 가열되기 때문에, 피가열 시료(101)를 균일하게 가열하는 효과가 얻어진다. 또, 하부 전극(103)의 하방에 시료대(104)를 설치함으로써, 피가열 시료(101)의 형상과 상관없이, 하부 전극(103)과 상부 전극(102)의 사이에 균일한 전장을 형성하고, 균일한 플라즈마(124)를 생성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)의 하방에 배치함으로써, 피가열 시료(101)가 갭(108)에 형성된 플라즈마(124)에 직접 노출되는 일이 없다. 또, 글로 방전으로부터 아크 방전으로 이행된 경우에도, 피가열 시료(101)를 경유하지 않고, 하부 전극(103)에 방전 전류가 흐르는 점에서, 피가열 시료(101)에 대한 데미지를 피할 수 있다.
또, 플라즈마(124)에 의해 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)을 가열하였을 때, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 사이에서 전극 부재의 승화 등에 의해 그을음 상태의 이물이 형성될 우려가 있다. 이 그을음 상태의 이물은 가열에 수반하는 가열 처리실(100)의 기류에 운반되어, 반사경(120)의 보호 석영판(123) 등에 부착된다. 그을음 상태의 이물이 보호 석영판(123) 등에 부착되면, 반사경(120)의 실효적인 반사율이 저하되고, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 가열 효율의 저하나 그 경시(經時) 변화를 초래하며, 안정적이고 또한 고효율의 피가열 시료(101)의 가열 처리의 저해 요인이 된다. 그러나, 본 실시예에서는, 가열 영역[상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)]과 반사경(120)의 중간에 열 실드(고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅)(109)를 배치하고 있다. 그 때문에, 플라즈마(124) 중에서 그을음 상태의 이물이 발생하였다고 해도 당해 그을음 상태의 이물은, 열 실드(109)의 내측면[상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)에 대면하는 면]에 부착됨으로써 반사경(120) 면이나 열 실드(109)의 외측면(반사경과 대면하는 면)으로의 부착을 방지할 수 있다. 가열 영역[상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)]의 가열 효율은 반사경(120) 면과 열 실드의 외측면(반사경과 대면하는 면)의 복사율로 결정되기 때문에, 열 실드(109)의 내측면[상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)에 대면하는 면]에 그을음 상태의 이물이 부착되어 복사율이 변화되어도 크게 변화되는 일은 없다. 따라서, 가열 영역의 열효율을 장기에 걸쳐 안정적으로 유지하는 것이 가능해진다.
열 실드(109)를 설치한 경우, 가열 영역은 열 실드(109)를 포함하는 그 내측이 가열 영역이 된다. 따라서, 가열부의 열용량에는 열 실드(109)의 열용량도 포함되게 된다. 그러나, 본 실시예에서 나타내는 바와 같이 열 실드(109)를 0.1㎜ 정도의 얇은 텅스텐으로 형성함으로써 열 실드(109)부의 열용량을 매우 작게 할 수 있고, 열용량 증가에 수반하는 온도 응답성의 저하를 최소한으로 억제하는 것이 가능해진다. 즉, 열 실드(109)에 의해 형성되는 용적에 의해 가열 처리실(100)의 열용량을 제어할 수 있다. 또, 상기한 바와 같이, 열 실드(109)의 내측면은 그을음 상태의 이물 등이 부착되어 복사율이 변화되어도, 열 실드(109)를 포함하는 가열 영역 전체[열 실드(109)의 내측에 배치되는 상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)]의 가열 효율에 주는 영향은 적다. 엄밀하게는, 열 실드(109) 내측의 열응답성이 열 실드(109)의 열용량만큼 변화되지만, 열 실드(109)의 열용량을, 가열 영역 전체[열 실드(109), 상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)]의 열용량에 대하여 매우 작게 함으로써 그 영향은 무시할 수 있다. 그러나, 열 실드(109)의 내측면의 복사율을 처음부터 높게 해 둠으로써, 그을음 부착에 의한 변화를 상대적으로 작게 할 수 있고, 그을음 상태의 이물의 부착 등에 의한 가열 응답성의 경시 변화를 더욱 작게 하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 열 실드(109)의 외측면은 연마하고, 복사율을 낮게 하지만, 내측면은 연마 등을 실시하지 않는 등으로 함으로써 상기 효과를 얻을 수 있다.
열 실드(109)의 온도는, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 온도와, 냉각되어 있는 반사경(120)의 보호 석영판(123)의 중간 온도가 된다. 구체적으로는, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 1800도일 때, 보호 석영판(123)은 냉각된 반사경에 근접하기 때문에 100℃ 정도가 되고, 그 정확히 중간에 열 실드(109)를 배치한 경우, 열 실드(109)의 온도는 1800℃와 200℃의 평균인 약 1000℃가 된다. 열 실드(109)를 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 측에 근접시키면 열 실드(109)의 온도는 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)에 근접하고, 반대로 보호 석영판(123)에 근접시키면 보호 석영판(123)에 가까워진다. 실시예 1에서는, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 온도가 1800℃인 경우, 열 실드(109)는, 그 온도가 1400℃ 정도가 되는 위치에 배치하였다. 열 실드(109)의 온도를 열처리에 필요한 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 온도에 비해 낮게 유지함으로써, 열 실드(109)의 재질의 고온에 수반하는 변질과 오염 물질의 방출을 방지할 수 있다. 열 실드(109)를 처리 온도인 1800℃ 정도로 유지하면, 그 재질인 텅스텐의 재결정화에 수반하는 변질이나, 내부에 미량 포함되는 불순물의 방출을 초래한다. 또 열 실드(109)가 직접 플라즈마(124)에 접촉하면, 이것도 열 실드(109)로부터의 오염 물질 방출이나 재질 변질의 리스크가 증가한다. 따라서, 도 8에 나타내는 열 실드를 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)으로부터 어느 거리를 두고, 반사경(120)과의 사이에 배치하는 구성에 의해, 열 실드(109)의 복사율 변화나 오염 물질의 방출의 억제가 가능하게 된다.
도 8의 실시예에 나타내는 열 실드(109)의 외측면[반사경(120)과 대면하는 면]의 복사율을 εs, 반사경(120)의 복사율을 εm이라고 하면 도 8의 실시예에 있어서의 가열 영역[열 실드(109), 상부 전극(102), 하부 전극(103), 피가열 시료(101) 및 시료대(104)]의 복사 손실 TLoss는 식 (1)로 나타내진다.
Figure 112012057522503-pat00001
식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이 가열 영역의 복사 손실 TLoss는 복사율 εs, εm이 모두 작을수록 작아져서, 열효율을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 반사경(120)은 금(Au)의 경면 등을 사용함으로써 복사율εs를 0.1 이하로 할 수 있다. 한편, 열 실드는 어느 정도의 고온에 견디고, 또한, 오염을 최대한 억제해야 하기 때문에 재료적으로 선택지가 한정된다. 본 실시예에서는 열 실드로서 텅스텐박을 사용하고 있고, 이 텅스텐박의 적어도 외측면[반사경(120)과 대면하는 면]을 연마면으로 함으로써 복사율 εm을 0.1∼0.5 정도로 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 열 실드(고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅)(109)를 사용하지 않고 반사경(120)만을 사용한 경우의 가열 영역의 열손실은, 반사경을 사용하지 않는 경우의 1/9[반사경(120)의 복사율 0.1, 상부 전극 및 하부 전극의 복사율 1의 경우] 정도의 손실 억제이지만, 열 실드(109)를 설치하고, 또한, 텅스텐의 외측면[반사경(120)과 대면하는 면]의 복사율을 0.1 정도로 마무리한 경우, 복사 손실은 1/19로 반사경(120)만의 경우에 비해 가열 영역의 열손실을 절반 정도로 저감하는 것이 가능해져서, 가열 효율을 높일 수 있다.
상부 전극(102), 하부 전극(103), 시료대(104)[피가열 시료(101)를 포함한다]의 온도를 효율적으로 상승시키기 위해서는, 상부 급전선(110)의 전열, He 가스 분위기를 통하는 전열 및 고온 영역으로부터의 복사(적외광으로부터 가시광 영역)의 억제가 필요하게 된다. 특히 1200℃ 이상의 고온 상태에서는, 복사에 의한 방열의 영향이 매우 크고, 복사 손실의 저감이 가열 효율의 향상에 필수가 된다. 또한, 복사 손실은, 절대 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증가한다. 따라서, 상기한 반사경(120) 및 열 실드(109)를 사용함으로써, 가열 영역의 열효율을 대폭 향상시키는 것이 가능해진다.
가열 처리 중의 하부 전극(103) 또는 시료대(104)의 온도는 방사 온도계(118)에 의해 계측되고, 계측값을 이용하여 제어 장치(121)에 의해 소정의 온도가 되도록 고주파 전원(111)의 출력이 제어되기 때문에, 고정밀도의 피가열 시료(101)의 온도 제어가 가능해진다. 본 실시예에서는, 투입하는 고주파 전력을 최대 20kW로 하였다.
또, 가열원의 플라즈마(124)를 글로 방전 영역의 플라즈마로 함으로써, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 균일하게 퍼진 플라즈마(124)를 형성할 수 있고, 이 균일하고 평면적인 플라즈마(124)를 열원으로 하여 피가열 시료(101)를 가열함으로써 평면적인 피가열 시료(101)를 균일하게 가열하는 것이 가능해진다.
또, 평면적으로 균일하게 가열할 수 있기 때문에 급속하게 온도를 상승시켜도, 피가열 시료(101) 내에서의 온도 불균일에 수반하는 파손 등을 일으킬 리스크가 낮다. 이상으로부터 고속의 온도 상승 및 강온이 가능해져서, 일련의 가열 처리에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 이 효과에 의해 가열 처리의 스루풋 향상이나, 피가열 시료(101)의 필요 이상의 고온 분위기에서의 체재를 억제할 수 있고, 고온에 수반하는 SiC 표면 거칠어짐 등을 저감할 수 있다.
상기의 가열 처리가 종료되면, 피가열 시료(101)의 온도가 800℃ 이하까지 저하된 단계에서, 반송구(117)로부터 피가열 시료(101)를 반출하고, 다음의 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100) 내에 반송하여 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지하며, 상기 서술한 가열 처리의 조작을 반복한다.
피가열 시료(101)를 교체할 때, 반송구(117)에 접속되는 피가열 시료 퇴피 위치(도시 생략)의 가스 분위기를 가열 처리실(100) 안과 동일한 정도로 유지함으로써, 피가열 시료(101)의 교체에 수반하는 가열 처리실(100) 내의 He 교체를 행할 필요가 없어, 사용 가스량의 삭감이 가능해진다.
물론, 어느 정도, 가열 처리를 반복함으로써 가열 처리실(100) 내의 He 가스의 순도가 저하하는 경우도 있기 때문에, 그때는 정기적으로 He 가스의 교체를 실시한다. 방전 가스에 He 가스를 사용하는 경우, He 가스는, 비교적 고가의 가스이기 때문에, 그 사용량을 최대한 삭감함으로써 러닝 코스트의 억제로 이어진다. 이것은 가열 처리 중에 도입하는 He 가스량에도 적용할 수 있는 것이고, 처리 중의 가스 순도를 유지하는 데 필요 최소한의 유량으로 함으로써 가스 사용량의 삭감이 가능해진다. 또, 피가열 시료(101)의 냉각 시간을 이 He 가스 도입에 의해 단축하는 것도 가능하다. 즉, 가열 처리 종료 후(방전 종료 후), He 가스 유량을 증가시킴으로써, He 가스의 냉각 효과에 의해 냉각 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기 서술에서는, 800℃ 이하의 상태로 피가열 시료(101)를 반출하였지만, 내열성이 높은 반송 아암을 사용함으로써, 피가열 시료(101)가 800℃에서 2000℃의 상태이어도, 반출이 가능하게 되어, 대기 시간을 단축할 수 있다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 갭(108)을 0.8㎜로 하였지만, 0.1㎜에서 2㎜의 범위에서도 동일한 효과가 있다. 0.1㎜보다 좁은 갭의 경우도 방전은 가능하지만, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이의 평행도를 유지하는 데 고정밀도의 기능이 필요하게 된다. 또, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103) 표면의 변질(거칠어짐 등)이 플라즈마(124)에 영향을 주게 되기 때문에, 바람직하지 않다. 한편 갭(108)이 2㎜를 넘는 경우에는, 플라즈마(124)의 착화성 저하나 갭 사이로부터의 복사 손실 증대가 문제가 되어 바람직하지 않다.
본 실시예에서는, 플라스마 생성하기 위한 가열 처리실(100) 내의 압력을 0.6 기압으로 하였지만, 10 기압 이하의 대기압에서도 동일한 동작이 가능하다. 또한, 10 기압을 넘으면 균일한 글로 방전의 생성이 곤란해진다.
본 실시예에서는, 플라스마 생성용의 원료 가스에 He 가스를 사용하였지만, 그 외에, Ar, Xe, Kr 등의 불활성 가스를 주원료로 한 가스를 사용해도 동일한 효과가 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시예에서 사용한 He 가스는, 대기압 부근에서의 플라즈마 착화성이나 안정성이 우수하나, 가스의 열전도율이 높고, 가스 분위기를 통한 전열에 의한 열손실이 비교적 많다. 한편, Ar, Xe, Kr 가스 등의 질량이 큰 가스는, 열전도율이 낮기 때문에, 열효율의 관점에서는 He 가스보다 유리하다.
본 실시예에서는, 열 실드(고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅)(109)의 재질에 텅스텐을 사용하였지만, 그 외에, WC(탄화텅스텐), MoC(탄화몰리브덴), Ta(탄탈), Mo(몰리브덴), 혹은 그라파이트 기재에 TaC(탄화탄탈)를 코팅한 것을 사용해도 동일한 효과가 있다. 또, 동일한 본 실시예에서는 열 실드(109)의 두께를 0.1㎜의 텅스텐을 사용하였지만, 1㎜ 이하의 재질을 사용해도 동일한 효과가 있다. 1㎜보다 두꺼운 재질에서는, 열용량의 증가가 상대적으로 커지고 또한 비용도 증대하기 때문에 바람직하지 않다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)의 플라즈마(124)에 접촉하는 표면의 반대측을 CVD법에 의한 탄화실리콘을 코팅한 그라파이트를 사용하였지만, 그 외에, 그라파이트 단체, 그라파이트에 열분해 탄소를 코팅한 부재, 그라파이트 표면을 유리화 처리한 부재, 및 SiC(소결체, 다결정, 단결정)를 사용해도 동일한 효과가 있다. 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)의 기재가 되는 그라파이트나 그 표면에 실시되는 코팅은, 피가열 시료(101)에 대한 오염 방지의 관점에서 고순도인 것이 바람직한 것은 말할 필요도 없다.
또, 1200℃ 이상의 열처리 시에는, 상부 급전선(110)으로부터도 피가열 시료(101)에 대한 오염이 영향을 주는 경우도 있다. 따라서, 본 실시예에서는 상부 급전선(110)도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)와 동일한 그라파이트를 사용하였다. 또, 상부 전극(102)의 열은, 상부 급전선(110)을 전열하여 손실되게 된다. 따라서, 상부 급전선(110)으로부터의 전열을 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다.
따라서, 그라파이트로 형성되는 상부 급전선(110)의 단면적은, 가급적 작게 하고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 그러나, 상부 급전선(110)의 단면적을 극단적으로 작게 하고, 길이도 너무 길게 하면 상부 급전선(110)에서의 고주파 전력 손실이 커져서, 피가열 시료(101)의 가열 효율의 저하를 초래한다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 이상의 관점에서 그라파이트로 형성되는 상부 급전선(110)의 단면적을 12㎟, 길이를 40㎜로 하였다. 동일한 효과는, 상부 급전선(110)의 단면적이 5㎟∼30㎟, 상부 급전선(110)의 길이가 30㎜∼100㎜의 범위에서도 얻어진다.
또한, 시료대(104)의 열은, 샤프트(107)를 전열하여 손실되게 된다. 따라서, 샤프트(107)로부터의 전열도 상기의 상부 급전선(110)과 마찬가지로 필요 최소한으로 억제할 필요가 있다. 따라서, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적은, 가급적 작게 하고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 본 실시예에서는, 강도 등을 고려하여, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적 및 길이는, 상기의 상부 급전선(110)과 동일하게 하였다.
본 실시예에서는, 열 실드(109)로 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)로부터의 복사 손실을 저감시킴과 함께 반사경(120)에 의해 복사광을 열 실드(109)로 되돌림으로써 가열 효율의 향상을 얻을 수 있었다. 그러나, 열 실드(109)만을 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)의 주변에 실시한 경우에도 가열 효율의 향상을 기대할 수 있는 것은 물론이다. 마찬가지로, 반사경(120)만을 설치한 경우에도, 가열 효율의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 보호 석영판(123)은, 오염 방지의 효과를 기대하기 위하여 설치하고 있는 것이고, 보호 석영판(123)을 사용하지 않아도, 충분한 가열 효율을 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 서술한 바와 같이 가열 효율에 영향을 미치는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 방열은, (1) 복사, (2) 가스 분위기의 전열, (3) 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)로부터의 전열이 주이다. 1200℃ 이상으로 가열 처리를 행하는 경우, 이것들 중에서 가장 큰 방열의 주요인은, (1)의 복사이다. (1)의 복사의 억제를 위해, 반사경(120) 및 열 실드(109)를 설치하였다. 또, (3)의 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)로부터의 방열은, 상기한 바와 같이, 상부 급전선(110) 및 샤프트(107)의 단면적과 길이를 최적화함으로써, 최소한으로 억제하였다.
본 실시예에서는, 플라즈마 생성용의 고주파 전원(111)에 13.56MHz의 고주파 전원을 사용하였지만, 이것은, 13.56MHz가 공업 주파수이기 때문에 저비용으로 전원을 입수할 수 있고, 또한, 전자파 누설 기준도 낮기 때문에 장치 비용을 저감할 수 있기 때문이다. 그러나, 원리적으로는, 다른 주파수에서도 동일한 원리로 가열 처리를 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 특히, 1MHz 이상 100MHz 이하의 주파수가 적합하다. 1MHz보다 낮은 주파수가 되면 가열 처리에 필요한 전력을 공급할 때의 고주파 전압이 높아지고, 이상 방전(불안정한 플라즈마나 상부 전극과 하부 전극 사이 이외에서의 방전)을 일으켜, 안정적인 플라스마 생성이 어려워진다. 또, 100MHz를 넘는 주파수에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 갭(108) 사이의 임피던스가 낮고, 플라스마 생성에 필요한 전압을 얻기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다.
다음으로, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(100)에 대한 반출입의 방법에 대하여 도 11, 도 12를 이용하여 설명한다. 또한, 도 11 및 도 12는 가열 처리실(100)의 가열 영역의 상세도이다. 도 11은, 가열 처리 중의 상태를 나타내고, 도 12는, 피가열 시료(101)의 반출입 시의 상태를 나타낸다.
시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지된 피가열 시료(101)를 반출하는 경우는, 도 11의 가열 처리 상태로부터 플라즈마(124)를 정지하고, 상하 기구(105)에 의해, 시료대(104) 위치를 내림으로써, 도 12에 나타내는 바와 같이 간극을 가지는 피가열 시료(101)와 시료대(104) 사이의 단부가 개방된다. 이 간극에 반송구(117)로부터 수평으로 반송 아암(도시 생략)을 삽입하고, 상하 기구(105)를 내림으로써 피가열 시료(101)는 반송 아암에 인도되어, 반출할 수 있다. 또, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)로 반입하는 경우는, 상기 서술한 피가열 시료 반출의 반대 동작을 행함으로써, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)로 반입할 수 있다.
상하 기구(105)에서, 시료대(104)의 지지핀(106)을 내린 상태로, 피가열 시료(101)를 탑재한 반송 아암(도시 생략)으로부터 지지핀(106) 상으로 피가열 시료(101)를 반송한다. 그 후, 상하 기구(105)에 의해 시료대(104)를 상승시키고, 시료대(104)가 반송 아암으로부터 피가열 시료(101)를 수취한다. 반송 아암을 인출한 후, 시료대(104)를 가열 처리하기 위한 소정 위치까지 더 상승시킴으로써, 가열판인 하부 전극(103) 하방에 피가열 시료(101)를 근접시킬 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)은 고정되어 있기 때문에, 갭(108)이 변동하지 않는다. 이 때문에, 피가열 시료(101)를 가열 처리할 때마다 안정적인 플라즈마(124)를 생성할 수 있다.
이상, 상기 서술한 본 실시예의 열처리 장치를 사용하여 이온 주입을 행한 SiC 기판을 1500℃로 1분간의 열처리를 행한바, 양호한 도전 특성을 얻을 수 있었다. 또, SiC 기판 표면에 면 거칠어짐은 볼 수 없었다. 이 처리를 반복하여 실시해도 열효율의 열화는 거의 확인되지 않았다.
이하, 본 실시예의 효과를 정리한다. 본 실시예와 관련되는 가열 처리 장치에서는, 좁은 갭 사이에서 생성되는 플라즈마를 간접적인 열원으로 하여 피가열 시료(101)를 가열한다. 상기 플라즈마는, 균일성의 관점에서 대기압 글로 방전으로 생성하는 것이 바람직하다. 본 가열 원리에 수반하는 종래 기술이 없는 이하에 나타내는 6가지 효과가 얻어진다.
첫 번째는, 열효율이다. 갭(108) 사이의 가스는 열용량이 매우 적고, 또한, 상부 전극(102), 하부 전극(103), 및 시료대(104)에 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)을 배치한 것에 의해 복사에 수반하는 가열손실이 매우 적은 체계로 피가열 시료(101)를 가열할 수 있다.
두 번째는, 가열 응답성과 균일성이다. 가열부의 열용량이 매우 작기 때문에, 급속한 승온 및 강온이 가능해진다. 또, 글로 방전에 의한 가스 가열을 가열원으로 사용하기 때문에, 글로 방전의 확대에 의해 평면적으로 균일한 가열이 가능해진다. 온도 균일성이 높은 것에 의해 가열 처리에 수반하는 피가열 시료(101) 면 내에서의 디바이스 특성 불균일을 억제할 수 있음과 함께, 급격한 승온 등을 행하였을 때에 피가열 시료(101) 면 내의 온도차에 수반하는 열응력에 의한 손상도 억제할 수 있다.
세 번째는, 가열 처리에 수반하는 소모 부품의 저감이다. 본 실시예에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)에 각각 접촉하는 가스를 직접 가열하기 때문에, 고온화되는 영역은, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 매우 근방에 배치되는 부재로 한정되고, 또한, 그 온도도 피가열 시료(101)와 동등하다. 따라서, 부재의 수명이 길고, 또한, 부품 열화에 수반하는 교환의 영역도 적다.
네 번째는, 피가열 시료(101)의 표면 거칠어짐의 억제이다. 본 실시예에서는, 앞서 기재한 효과에 의해 승온 및 강온 시간을 짧게 할 수 있기 때문에 피가열 시료(101)를 고온 환경 하에 노출시키는 시간을 필요 최저한으로 단축할 수 있기 때문에, 표면 거칠어짐을 억제할 수 있다. 또, 본 실시예에서는, 대기압 글로 방전에 의한 플라즈마(124)를 가열원으로서 사용하지만, 피가열 시료(101)는, 플라즈마(124)에 직접 노출되는 일은 없다. 이것에 의해 열처리 장치와는 별도의 장치로 행하는 보호막의 형성 및 제거 공정이 불필요하게 되고, SiC 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감이 가능해진다.
다섯 번째는, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(101)에 대한 반출입의 간소화이다. 본 실시예에서는, 시료대(104)의 상하 기구 동작만으로, 피가열 시료(101)의 반송 아암(도시 생략)으로부터 시료대(104)로의 주고 받음, 또는, 피가열 시료(101)의 시료대(104)로부터 반송 아암(도시 생략)으로의 주고 받음을 할 수 있다. 또, 상기의 주고 받음을 행하기 위한 복잡한 기구도 필요로 하지 않기 때문에, 가열 처리실(101) 내의 구성 부품의 점수를 저감할 수 있고, 심플한 장치 구성으로 할 수 있다.
여섯 번째는, 열 실드(109)를 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)과 반사경(120) 사이에 배치하는 도 8의 구성에 의해, 가열 영역의 열 용량 증가를 최소한으로 억제하면서 가열 효율의 향상과 그 장기 안정화 및 피가열 시료(101)에 대한 오염 방지가 가능해진다.
이상, 각 실시예에 있어서 상기 서술한 바와 같이, 본 발명은, 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 피가열 시료를 가열하는 열처리 장치라고 할 수 있다. 또, 바꿔 말하면, 본 발명은, 피가열 시료를 가열 처리하는 가열 처리실을 구비하고, 상기 가열 처리실은, 가열판과, 상기 가열판과 대향하는 전극과, 상기 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 상기 전극에 공급하는 고주파 전원을 구비하며, 상기 전극과 상기 가열판의 사이에 플라즈마를 생성하고, 상기 전극과 상기 가열판의 사이에 생성된 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 상기 피가열 시료를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치라고도 할 수 있다. 또한, 플라즈마는 글로 방전으로 생성하는 것이 바람직하다.
이 때문에, 본 발명에 의해, 각 실시예에서 서술한 효과를 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 바꿔 놓는 것도 가능하고, 또한, 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
100, 300 : 가열 처리실 101, 301 : 피가열 시료
102, 303 : 상부 전극 103, 302 : 하부 전극
104 : 시료대 105 : 상하 기구
106 : 지지핀 107 : 샤프트
108, 304 : 갭
109, 309 : 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(열 실드)
110 : 상부 급전선 111, 311 : 고주파 전원
112, 312 : 매칭 회로 113, 313 : 가스 도입 수단
114, 314 : 압력 검출 수단 115, 203, 315 : 배기구
116, 204, 316 : 진공 밸브 117, 205, 317 : 반송구
118, 318 : 방사 온도계 119, 306 : 전력 도입 단자
120, 308 : 반사경 121, 319 : 제어 장치
122, 310 : 냉매 유로 123 : 보호 석영판(실드)
124 : 플라즈마 200 : 예비 가열실
201 : 히터 202 : 게이트 밸브
305 : 하부 급전선 307 : 보호 석영판
402 : 고정 부품

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서,
    플라즈마에 의해 가열됨으로써 상기 피가열 시료를 가열하는 가열판을 구비하고,
    상기 피가열 시료를 가열 처리하는 가열 처리실을 구비하고,
    상기 가열 처리실은, 상기 가열판과, 상기 가열판과 대향하는 전극과, 상기 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 상기 전극에 공급하는 고주파 전원을 구비하고,
    상기 가열 처리실은, 복사열을 억제하는 복사열 억제 부재를 더 구비하고,
    상기 복사열 억제 부재는, 제1 및 제2 복사열 억제 부재를 포함하고,
    상기 고주파 전원은, 상기 가열판 또는 상기 전극의 적어도 일방에 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 공급하는 것이며,
    상기 가열판을 사이에 두고 상기 전극과 대향하고, 상기 피가열 시료를 재치하는 시료대를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 복사열 억제 부재는, 상기 전극과 상기 시료대를 둘러싸고, 복사열을 억제하는 부재인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 복사열 억제 부재는, 상기 전극과 상기 가열판을 둘러싸고, 복사열을 반사하는 반사경이며,
    상기 제2 복사열 억제 부재는, 상기 반사경의 내측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 복사열 억제 부재는, 그것에 의해 형성되는 용적에 의해 상기 가열 처리실의 열 용량을 제어하는 것인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 복사열 억제 부재는, 0.5 이하의 복사율이고, 0.1∼1.0㎜ 두께의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2 복사열 억제 부재의 모재 또는 표면이, 텅스텐, 탄탈, 몰리브덴, 탄화텅스텐, 탄화탄탈, 혹은 탄화몰리브덴인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제2 복사열 억제 부재는, 상기 가열판 및 상기 전극과 이간하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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