KR20130050949A - 열처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 피가열 시료를 1200℃ 이상으로 가열하는 경우에도, 열효율이 높아, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 상기 피가열 시료를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은, 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 상기 피가열 시료를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
Description
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 탄화 규소(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 열여기 전자를 억제할 수 있고, 또한, 고열전도율에 의해 방열 능력이 높기 때문에, 고온에서의 안정 동작이 가능하게 된다. 따라서, SiC 파워 반도체 디바이스가 실현되면, 전력 수송·변환, 산업용 전력 장치 및 가전 제품- 등 각종 전력·전기 기기의 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 행하여지는 불순물의 이온 주입 후의 활성화 어닐링이 그 대표이다. Si 디바이스의 경우, 활성화 어닐링은 800～1200℃의 온도로 행하여진다. 한편 SiC의 경우에는, 그 재료 특성에서 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 거쳐 웨이퍼를 가열하는 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 1에 기재되어 있는 저항 가열로에서 1200℃ 이상의 가열을 행하는 경우, 이하에 나타내는 과제가 현저하게 된다.
첫 번째는, 열효율이다. 노체(爐體)로부터의 방열은 복사가 지배적이게 되고 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증대되기 때문에, 가열 영역이 크면 가열에 필요한 에너지 효율이 극단적으로 저하된다. 저항 가열로의 경우, 히터로부터의 오염을 회피하기 위하여, 통상 2중 관 구조가 사용되어, 가열 영역이 커진다. 또, 2중 관에 의해 열원(히터)으로부터 피가열 시료가 멀어지기 때문에 히터부는 피가열 시료의 온도 이상의 고온으로 할 필요가 있어, 이것도 또한 효율을 크게 저하시키는 요인이 된다. 또, 동일한 이유에서 피가열 영역의 열용량이 매우 커져, 온도의 승온이나 강하에 시간이 걸린다. 따라서, 피가열 시료의 반입에서 반출까지에 필요한 시간이 길어지는 점에서 스루풋은 저하되고, 또, 고온 환경 하에 피가열 시료를 체재시키는 시간이 길어져서, 후술하는 피가열 시료의 표면 거칠어짐을 증대시키는 요인도 된다.
두 번째는, 노재(爐材)의 소모이다. 노재료로서, 1200～2000℃에 대응할 수 있는 재료는 한정되어 있고, 고융점이면서 고순도의 재료가 필요하게 된다. SiC 기판용으로 활용할 수 있는 노재는, 그라파이트, 또는, SiC 그 자체가 된다. 일반적으로는, SiC 소결체 또는 그라파이트 기재(基材)에 화학적 기상 성장법에 의해 SiC를 표면에 코팅한 재료가 사용된다. 이것들은 통상 고가이어서, 노체가 큰 경우, 교환할 때에 다액의 비용이 필요하게 된다. 또, 고온이면 고온일수록 노체의 수명도 짧아지기 때문에, 통상적인 Si 프로세스에 비해 교환 비용이 높아진다.
세 번째는, 피가열 시료의 증발에 수반하는 표면 거칠어짐의 발생이다. 1800℃ 정도의 가열로는, 피가열 시료인 SiC의 표면으로부터 Si가 선택적으로 증발하여 표면 거칠어짐이 생기거나, 도핑한 불순물이 빠져나가 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 별도 공정으로 카본막의 성막 및 그 제거가 필요하게 되어, 공정수가 늘어나, 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 방식으로, 앞의 저항 가열로 방식에 비해 열효율이 높아진다. 단, 유도 가열의 경우, 피가열 대상의 전기 저항률이 낮으면 가열에 필요한 유도 전류가 많아져서, 유도 코일 등에서의 열 손실을 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 급가열시, 열 응력에 의해 피가열 시료가 파손될 우려가 있다. 그 때문에, 온도 상승의 속도를 응력이 발생하지 않는 정도로 할 필요성에서 스루풋의 저하 요인이 된다. 또한, 상기 저항로 가열 방식과 마찬가지로, 초고온시의 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 이탈되나, 대향면으로부터도 Si 원자가 증발되기 때문에, SiC 기판 표면의 Si가 이탈된 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, 상기 선행 기술과 달리, 가열원이 마이크로파에 의해 생성시킨 대기압 플라즈마이지만, 플라즈마가 생성되는 영역이 크기 때문에, 가열 효율이 나쁘다.
또한, 가열원이 플라즈마를 사용하는 경우, 플라즈마를 피가열 시료에 직접 노출하여 가열하면, 일반적으로 결정면에 데미지를 주는 운동 에너지는 10 일렉트론 볼트 이상이고, 이 값을 넘는 이온의 가속이 생기면 데미지를 주기 때문에, 피가열 시료에 입사하는 이온의 에너지를 10 일렉트론 볼트 이하로 할 필요가 있다. 이 때문에, 플라즈마의 생성 조건이 제약을 받는다.
본 발명은, 상기 서술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 피가열 시료를 1200℃ 이상으로 가열하는 경우에도, 열효율이 높아, 피처리 기판의 면 거칠어짐을 저감할 수 있는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 상기 피가열 시료를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명에 의한 열처리 장치는, 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리실과, 상기 열처리실 내에 배치된 제 1 평판 전극과, 상기 제 1 평판 전극과의 사이에 플라즈마를 생성함과 함께 상기 열처리실 내에 배치되어 상기 피가열 시료를 가열하는 제 2 평판 전극과, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 상기 제 1 평판 전극에 공급하는 고주파 전원과, 상기 제 2 평판 전극을 사이에 두고 상기 제 1 평판 전극과 대향하여 상기 피가열 시료를 올려놓는 시료대를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 2 평판 전극은, 원판 형상의 부재와 상기 원판 형상의 부재의 외주에 설치된 빔으로 이루어지고, 상기 빔에 의해서 상기 제 2 평판 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 평판 전극은, 상기 제 2 평판 전극과 대향하는 면의 반대측의 표면에 고융점이면서 저복사율의 판재가 배치되고, 상기 제 2 평판 전극의 상기 피가열 시료와 대향하는 표면은, 상기 고융점이면서 저복사율의 판재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 평판 전극은, 상기 제 2 평판 전극과 대향하는 면의 반대측의 표면에 고융점이면서 저복사율의 코팅이 실시되고, 상기 제 2 평판 전극의 상기 피가열 시료와 대향하는 표면은, 고융점이면서 저복사율의 코팅이 실시되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 평판 전극의 기재와 상기 제 2 평판 전극의 기재와 상기 시료대의 기재는, 모두 그라파이트인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 평판 전극과 상기 제 2 평판 전극과 상기 시료대를 둘러싸도록 상기 열처리실 내에 배치되고, 상기 제 1 평판 전극으로부터의 복사열과 상기 제 2 평판 전극으로부터의 복사열을 반사하는 반사경을 구비하고, 상기 제 2 평판 전극은, 상기 빔과 상기 반사경을 거쳐 도통하고 있는 것을 특징으로 한다.
발명은, 열효율이 높아, 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 처리실로의 반입출을 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 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 처리실로의 반입출을 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.
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 발명의 열처리 장치는, 플라즈마(124)를 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 지지핀을 가지는 시료대(104)와, 복사열을 반사시키는 반사경(120)과, 플라즈마 생성용 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 이상으로, 두께는 2㎜로 하고, 또, 하부 전극(103)은, 피가열 시료(101)의 측면을 덮어 내통 형상을 가지는 부재를 상부 전극(102)과 대향하는 면의 반대측에 가지고 있다. AA 단면을 위에서 본 정면도를 도 2에 나타낸다. 하부 전극(103)은, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(102)과 직경이 대략 동일한 원판 형상의 부재와, 상기 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.
하부 전극(103)은, 도 2(a)에 나타내는 구조이기 때문에, 플라즈마(124)에 의해 가열된 하부 전극(103)의 열이 반사경(120)에 전열(傳熱)되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 열효율이 높은 가열판으로서 기능한다. 또한, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 생성된 플라즈마(124)는, 빔과 빔 사이의 공간으로부터, 진공 밸브(116) 측으로 확산되나, 피가열 시료(101)를 상기 내통 형상을 가지는 부재에 의해 덮고 있기 때문에, 피가열 시료(101)가 플라즈마(124)에 노출되는 일은 없다.
또한, 하부 전극(103)을 도 2(b)와 같은 구조로 하면, 플라즈마(124)를 생성하는 플라스마 생성실과, 피가열 시료(101)를 가열하는 가열실로 가열 처리실(100)을 분리할 수 있기 때문에, 플라즈마(124)에 피가열 시료(101)가 노출되는 일은 없어, 플라즈마(124)를 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, 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 기상 성장법(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, 또, 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 국재(局在)를 억제하기 위해서이다.
시료대(104)는, 샤프트(107)를 거쳐 상하 기구(105)와 접속하고 있고, 상하 기구(105)를 동작시킴으로써 피가열 시료(101)의 주고받음이나, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)에 근접시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 상세한 것은 후술에서 설명한다. 또, 샤프트(107)에는, 알루미나재를 사용하였다.
상부 전극(102)에는, 상부 급전선(110)을 통해 고주파 전원(111)으로부터의 고주파 전력이 공급된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(111)의 주파수로서 13.56㎒를 이용하였다. 하부 전극(103)은, 반사경(120)과 빔을 거쳐 도통하고 있다. 또한, 하부 전극(103)은, 반사경(120)을 거쳐 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) 사이에는, 매칭 회로(112)(또한, 도 1의 M.B는, Matching Box의 약칭이다.)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 기압으로부터 10 기압의 범위에서 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 유지될 수 있는 구조로 되어 있다. 반사경(120)을 구비함으로써, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)로부터의 복사열이 반사되기 때문에, 열효율을 높일 수 있으나, 본 발명의 필수 구성은 아니다.
또, 상부 전극(102) 및 시료대(104)와 반사경(120) 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 더러워짐 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 덮어 내통 형상을 가지는 부재의 외측 및, 시료대(104)의 하면측에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(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 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)과 반사경(120)의 어느 하나를 구비함으로써, 또는 그 양자를 구비함으로써 소정의 온도로 가열할 수 있다. 하부 전극(103) 또는 시료대(104)의 온도는, 방사 온도계(118)에 의해 계측된다. 본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)에 실시된 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)에, 그라파이트 기재에 TaC(탄화 탄탈)를 코팅한 판재를 사용하였다.
다음으로 본 발명의 열처리 장치의 기본 동작 예를 설명한다.
먼저, 가열 처리실(100) 내의 He 가스를 배기구(115)로부터 배기하여, 고진공 상태로 한다. 충분히 배기가 종료된 단계에서, 배기구(115)를 폐쇄하고, 가스 도입 수단(113)으로부터 가스를 도입하여, 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 피가열 시료(101)의 표면간의 거리를 0.5㎜로 하였으나, 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 거쳐 상부 전극(102)에 공급하고, 갭(108) 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 빈번히 충돌하게 되기 때문에, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이에 충전된 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 있다고 생각된다.
이 결과, 원료 가스의 온도를 용이하게 1200～2000℃ 정도까지 가열할 수 있다. 이 가열된 고온 가스의 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)으로의 접촉에 의해, 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또, 전자 충돌에 의해 여기된 중성 가스의 일부는, 발광을 수반하여 탈여기하고, 이때의 발광에 의해서도 상부 전극(102) 및 하부 전극(103)이 가열된다. 또한, 고온 가스가 순환해 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 형상에 상관없이, 하부 전극(103)과 상부 전극(102) 사이에 균일한 전장을 형성하고, 균일한 플라즈마(124)를 생성하는 것이 가능해진다. 또한, 피가열 시료(101)를 하부 전극(103)의 하방에 배치함으로써, 피가열 시료(101)가 갭(108)에 형성된 플라즈마(124)에 직접 노출되지 않는다. 또, 글로 방전으로부터 아크 방전으로 이행된 경우에도, 피가열 시료(101)를 경유하지 않고, 하부 전극(103)에 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 사용하여 제어장치(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 커서, 복사 손실의 저감이 가열 효율의 향상에 필수가 된다. 또한, 복사 손실은, 절대 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증가한다.
복사 손실 억제를 위해, 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 억제되어, 피가열 시료(101)를 높은 열효율로 1200～2000℃ 정도의 초고온으로 할 수 있다.
TaC는, 직접 플라즈마(124)에 노출되지 않는 상태로 배치되어 있고, Ta 또는TaC에 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 막을 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 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 가능하게 된다.
또, 평면적으로 균일하게 가열할 수 있기 때문에 급속하게 온도를 상승시켜도, 피가열 시료(101) 내에서의 온도 불균일에 수반하는 파손 등을 발생시킬 리스크가 낮다. 이상으로부터 고속의 온도 상승 및 하온(下溫)이 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 있어, 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 지지하여, 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 같은 정도로 유지함으로써, 피가열 시료(101)의 교체에 수반하는 가열 처리실(100) 내의 He 교체를 행할 필요가 없어, 사용 가스량의 삭감이 가능하게 된다.
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 가스량이라고도 할 수 있고, 처리 중의 가스 순도를 유지하는데 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 반출하였으나, 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 하였으나, 0.1㎜에서 2㎜의 범위에서도 동일한 효과가 있다. 0.1㎜ 보다 좁은 갭의 경우에도 방전은 가능하지만, 상부 전극(102)과 하부 전극(103) 사이의 평행도를 유지하는데 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 하였으나, 10 기압 이하의 대기압에서도 같은 동작이 가능하다. 또한, 10 기압을 넘으면 균일한 글로 방전의 생성이 곤란하게 된다.
본 실시예에서는, 플라즈마 생성용의 원료 가스에 He 가스를 사용하였으나, 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, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)에 실시하는 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(109)에, 그라파이트 기재에 TaC(탄화 탄탈)를 코팅한 것을 사용하였으나, 그 외에, WC(탄화 텅스텐), MoC(탄화 몰리브덴), Ta(탄탈), Mo(몰리브덴), W(텅스텐)을 사용해도 동일한 효과가 있다.
본 실시예에서는, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)의 플라즈마(124)에 접촉하는 표면의 반대측을 CVD법에 의한 탄화 실리콘을 코팅한 그라파이트를 사용하였으나, 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 사용하였으나, 마찬가지로 다른 고융점(사용 온도에 견디는 융점)이면서 저복사율의 재료이어도 동일한 효과가 있다. 예를 들면, Ta(탄탈) 단체, Mo(몰리브덴), W(텅스텐) 또는 WC(탄화 텅스텐) 등에서도 동일한 효과가 있다.
또, 초고온시에는, 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 손실이 된다. 따라서 상부 급전선(110)으로부터의 전열을 필요 최소한으로 막을 필요가 있다.
따라서, 그라파이트로 형성되는 상부 급전선(110)의 단면적은, 가능한 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㎜인 범위에서도 얻어진다.
또한, 시료대(104)의 열은, 샤프트(107)를 전열하여 손실이 된다. 따라서, 샤프트(107)로부터의 전열도 상기 상부 급전선(110)과 마찬가지로 필요 최소한으로 막을 필요가 있다. 따라서, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적은, 가능한 작게 하고, 길이를 길게 할 필요가 있다. 본 실시예에서는, 강도 등을 고려하여, 알루미나재로 형성되는 샤프트(107)의 단면적 및 길이는, 상기 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)에 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 것으로, 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 주가 된다. 1200℃ 이상에서 가열 처리를 행하는 경우, 이것들 중에서 방열의 가장 주요인은, (1)의 복사이다. (1)의 복사의 억제를 위해, 상부 전극(102), 하부 전극(103) 및 시료대(104)의 플라즈마(124)에 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. 여기에서, 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 13.56㎒의 고주파 전원을 사용하였는데, 이것은, 13.56㎒가 공업 주파수이기 때문에 저비용으로 전원을 입수할 수 있고, 또한, 전자파 누설 기준도 낮기 때문에 장치 비용을 저감할 수 있기 때문이다. 그러나, 원리적으로는, 다른 주파수에서도 같은 원리로 가열 처리를 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 특히, 1㎒ 이상 100㎒ 이하의 주파수가 적합하다. 1㎒보다 낮은 주파수가 되면 가열 처리에 필요한 전력을 공급할 때의 고주파 전압이 높아져서, 이상 방전(불안정한 플라즈마나 상부 전극과 하부 전극간 이외에서의 방전)을 발생시켜, 안정적인 플라스마 생성이 어려워진다. 또, 100㎒를 넘는 주파수에서는, 상부 전극(102)과 하부 전극(103)의 갭(108) 사이의 임피던스가 낮아, 플라스마 생성에 필요한 전압을 얻기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다.
다음으로, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(100)로의 반입출의 방법에 대해 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 반입출시의 상태를 나타낸다.
시료대(104)의 지지핀(106) 상에 지지된 피가열 시료(101)를 반출하는 경우는, 도 3의 가열 처리 상태로부터 플라즈마(124)를 정지하고, 상하 기구(105)에 의해, 시료대(104) 위치를 낮춤으로써, 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)을 낮춤으로써 피가열 시료(101)는 반송 아암에 인도되어, 반출할 수 있다. 또, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)에 반입하는 경우에는, 상기 서술한 피가열 시료의 반출의 반대 동작을 행함으로써, 피가열 시료(101)를 가열 처리실(100)에 반입할 수 있다.
상하 기구(105)로, 시료대(104)의 지지핀(106)을 낮춘 상태에서, 피가열 시료(101)를 탑재한 반송 아암(도시 생략)으로부터 지지핀(106) 상에 피가열 시료(101)를 반송한다. 그 후, 상하 기구(105)에 의해 시료대(104)를 상승시켜, 시료대(104)가 반송 아암으로부터 피가열 시료(101)를 수취한다. 또한, 시료대(104)를 가열 처리하기 위한 소정 위치까지 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)의 가열 처리마다 안정적인 플라즈마(124)를 생성할 수 있다.
이상, 상기 서술한 본 실시예의 열처리 장치를 사용하여 이온 주입을 행한 SiC 기판을 1500℃에서 1분간의 열처리를 행한바, 양호한 도전 특성을 얻을 수 있었다. 또, SiC 기판 표면에 면 거칠어짐은 볼 수 없었다.
이하, 본 실시예에 나타낸 본 발명의 효과를 정리한다. 본 발명과 관련되는 가열 처리에서는, 좁은 갭 사이에서 생성되는 대기압 글로 방전에 의한 가스 가열을 열원으로 하여 피가열 시료(101)를 가열한다. 본 가열 원리에 수반하여 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 가열 손실이 매우 적은 체계로 피가열 시료(101)를 가열할 수 있다.
두 번째는, 가열 응답성과 균일성이다. 가열부의 열용량이 매우 작기 때문에, 급속한 승온 및 강온이 가능하게 된다. 또, 글로 방전에 의한 가스 가열을 가열원에 사용하기 때문에, 글로 방전의 확대에 의해 평면적으로 균일한 가열이 가능하게 된다. 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 발명에서는, 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 거칠어짐 억제이다. 본 발명에서는, 앞서 기재한 효과에 의해 승온 및 강온 시간을 짧게 할 수 있다는 점에서 피가열 시료(101)를 고온 환경 하에 노출하는 시간이 필요 최저한으로 단축할 수 있기 때문에, 표면 거칠어짐을 억제할 수 있다. 또, 본 발명에서는, 대기압 글로 방전에 의한 플라즈마(124)를 가열원으로서 사용하였는데, 피가열 시료(101)는, 플라즈마(124)에 직접 노출되는 일은 없다. 이것에 의해 열처리 장치와는 다른 장치로 행하는 보호막의 형성 및 제거 공정이 불필요하게 되어, SiC 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감이 가능하게 된다.
다섯 번째는, 피가열 시료(101)의 가열 처리실(100)로의 반입출의 간소화이다. 본 발명에서는, 시료대(104)의 상하 기구 동작만으로, 피가열 시료(101)의 반송 아암(도시 생략)으로부터 시료대(104)로의 주고받음, 또는, 피가열 시료(101)의 시료대(104)로부터 반송 아암(도시 생략)으로의 주고받음을 할 수 있다. 또, 상기 주고받음을 행하기 위한 복잡한 기구도 필요로 하지 않기 때문에, 가열 처리실(100) 내의 구성 부품의 점수를 줄일 수 있어, 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 거쳐 예비 가열실(200)이 연결되어 있다. 가열 처리실(100) 및 예비 가열실(200)은, 게이트 밸브(202)를 폐쇄함으로써, 각각 기밀하게 폐색(閉塞)된다. 또, 게이트 밸브(202)를 개방함으로써, 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 상기 서술한 반입출 방법과 동일한 방법으로, 반송구(205)로부터 피가열 시료(101)를 예비 가열실(200)에 반입하고, 반송 아암(도시 생략)으로부터 시료대(104)의 지지핀(106) 상에 피가열 시료(101)의 주고받음을 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 개방함과 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, 가열 처리실(100)에서의 가열 처리 시간을 더욱 단축할 수 있기 때문에, 가열 처리실(100) 내의 소모 부재의 수명을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 실시예 1에서 상기 서술한 상부 전극(102), 하부 전극(103)을 각각, 가열판인 상부 전극(303), 플라즈마 생성용 고주파 전력이 공급되는 하부 전극(302)으로 한 본 발명의 실시 형태에 대하여 이하 설명한다.
[실시예 3]
본 발명과 관련되는 열처리 장치에 있어서의 기본 구성을 도 6를 이용하여 설명한다.
본 발명의 열처리 장치는, 플라즈마를 사용하여 피가열 시료(301)를 가열하는 가열 처리실(300)을 구비한다.
가열 처리실(300)은, 피가열 시료(301)를 상면에 재치하고 가열판인 상부 전극(303)과, 상부 전극(303)과 대향하는 하부 전극(302)과, 복사열을 반사시키는 반사경(308)과, 플라즈마 생성용 고주파 전력을 하부 전극(302)에 공급하는 고주파 전원(311)과, 가열 처리실(100) 내에 가스를 공급하는 가스 도입 수단(313)과, 가열 처리실(100) 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 SiC를 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, 또, 상부 전극(303)은, 피가열 시료(301)를 상면에 재치하며, 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이에 생성된 플라즈마에 의해 가열된 상부 전극(303)의 열을 피가열 시료에 전열한다. 즉, 상부 전극(303)은, 피가열 시료(301)에 대한 가열판으로서의 역할도 담당하고 있다.
BB 단면을 위에서 본 정면도를 도 7에 나타낸다. 상부 전극(303)은, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 하부 전극(302)과 직경이 대략 같은 원판 형상의 부재와, 상기 원판 형상의 부재와 반사경(308)을 접속하는 등간격으로 배치된 4개의 빔으로 이루어진다. 또한, 상기 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)에 전열하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 열효율이 높은 가열판으로서 기능한다. 또한, 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이에 생성된 플라즈마는, 빔과 빔 사이의 공간으로부터 확산되나, 플라즈마의 대부분은, 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이로부터 진공 밸브(316) 측으로 확산되기 때문에, 피가열 시료(301)가 플라즈마에 노출되는 경우는 거의 없다.
또한, 상부 전극(303)을 도 7(b)와 같은 구조로 하면, 플라즈마를 생성하는 플라스마 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 본 실시예의 상부 전극(303)의 구조보다 절약할 수 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 가열판으로서의 기능은, 본 실시예의 상부 전극(303)의 구조가 도 7(b)의 구조보다 우수하다.
하부 전극(302)에는, 하부 급전선(305)을 통해 고주파 전원(311)로부터의 고주파 전력이 공급된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(311)의 주파수로서 13.56㎒를 사용하였다. 상부 전극(303)은, 반사경(308)과 외주에서 도통하고 있고, 또한, 상부 전극(303)은, 반사경(308)을 거쳐 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 약칭이다.)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 기압으로부터 10기압의 범위에서 도입할 수 있는 구성으로 되어 있다. 가열 처리실(300) 내에 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 유지될 수 있는 구조로 되어 있다. 반사경(308)을 구비함으로써, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)으로부터의 복사열이 반사되기 때문에, 열효율을 높일 수 있으나, 본 발명의 필수 구성은 아니다.
또, 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)과 반사경(308) 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 더러워짐 방지와, 반사경(308)으로부터 피가열 시료(301)에 혼입될 가능성이 있는 오염의 방지 기능을 가진다.
하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측에는, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(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)의 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(탄화 탄탈)를 코팅한 판재를 사용하였다.
다음으로 본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작 예를 설명한다.
먼저, 가열 처리실(300) 내의 He 가스를 배기구(315)로부터 배기하여, 고진공 상태로 한다. 충분히 배기가 종료된 단계에서, 배기구(315)을 폐쇄하고, 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 거쳐 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) 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 빈번히 충돌하게 되기 때문에, 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이에 충전된 원료 가스를 효율적으로 가열할 수 있다고 생각된다. 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 의해도 상부 전극(303) 및 하부 전극(302)이 가열된다. 또한, 고온 가스가 순환해 들어가는 것이나 가열된 하부 전극(302) 및 상부 전극(303)으로부터의 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 효율적이면서 균일하게 가열하는 효과가 얻어진다.
또, 피가열 시료(301)를 상부 전극의 플라즈마에 접촉하지 않는 측으로 재치함으로써, 피가열 시료(301)의 형상에 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 노출되지 않는다. 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 사용하여 제어장치(319)에 의해 소정의 온도가 되도록 고주파 전원(311)의 출력이 제어되기 때문에, 고정밀도의 피가열 시료(301)의 가열 온도의 제어가 가능하게 된다. 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 통하는 전열 및 고온 영역으로부터의 복사(적외광으로부터 가시광 영역)의 억제가 필요하게 된다. 특히, 1200℃ 이상의 초고온 상태에서는, 복사에 의한 방열이 매우 커서, 복사 손실의 저감이 가열 효율의 향상에 필수가 된다. 또한, 복사 손실은, 절대 온도의 4제곱에 비례하여 복사량이 증가한다.
복사 손실 억제를 위해, 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 억제되어, 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 막을 수 있다. 이 때문에, 고융점이면서 저복사율의 판재 또는 고융점이면서 저복사율의 코팅(309)을 배치하는 것에 의해 승온 및 강온의 속도가 저하되는 경우는 거의 없다.
또, 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이에 생성되는 플라즈마를 글로 방전 영역의 플라즈마로 함으로써, 하부 전극(302)과 상부 전극(303) 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 있기 때문에 급속하게 온도를 상승시켜도, 피가열 시료(301) 내에서의 온도 불균일에 수반하는 파손 등이 발생할 리스크가 낮다. 이 때문에, 고속의 온도 상승 및 하온이 가능하게 되어, 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 있어, 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 재치하여, 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 같은 정도로 유지함으로써, 피가열 시료(301)의 교체에 수반하는 가열 처리실(300) 내의 He 가스의 교체를 행할 필요가 없어, He 가스의 사용량의 삭감이 가능하게 된다. 물론, 어느 정도 가열 처리를 반복함으로써 가열 처리실(300) 내의 He 가스의 순도가 저하되는 경우도 있기 때문에, 그때는 정기적으로 He 가스의 교체를 실시한다.
플라즈마 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 말할 수 있는 것으로, 가열 처리 중의 He 가스의 순도를 유지하는데 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 가능하게 되어, 대기 시간을 단축할 수 있다.
본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작에서는, 갭(304)을 0.8㎜로 하였으나, 0.1㎜에서 2㎜의 범위에서도 동일한 효과가 있다. 0.1㎜ 보다 좁은 갭의 경우도 플라스마 생성은 가능하지만, 하부 전극(302)과 상부 전극(303) 사이의 평행도를 유지하는데 고정밀도의 구성이 필요하게 되고, 또, 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 기압으로 하였으나, 10 기압 이하의 범위이어도 된다. 또한, 10 기압을 넘으면 균일한 글로 방전의 발생이 곤란하게 된다.
본 실시예의 열처리 장치의 기본 동작에서는, 플라스마 생성의 원료 가스에 He 가스를 사용하였으나, 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 우수하나, 가스의 열전도율이 높기 때문에, 가스 분위기를 통한 전열에 의한 열손실이 비교적 많다. 한편, Ar 가스, Xe 가스, Kr 가스 등의 질량의 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(탄화 탄탈)를 코팅한 판재를 사용하였으나, 그 외에, WC(탄화 텅스텐), MoC(탄화 몰리브덴), Ta(탄탈), Mo(몰리브덴), W(텅스텐)를 사용해도 된다.
본 실시예에서는, 하부 전극(302)의 플라즈마에 접촉하는 표면의 반대측을 CVD법에 의한 탄화 실리콘을 코팅한 그라파이트를 사용하였으나, 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, 초고온시에는 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 전열하여, 손실이 된다. 따라서, 하부 급전선(305)으로부터의 전열을 필요 최소한으로 막을 필요가 있다.
이 때문에, 그라파이트로 형성되는 하부 급전선(305)의 단면적은, 가능한 작게 하고, 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 커져, 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 하였으나, 하부 급전선(305)의 단면적 및 길이를 각각, 5㎟～30㎟, 30㎜～100㎜로 해도 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 있음은 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 주가 된다. 1200℃ 이상에서의 가열 처리의 경우, 이것들 중에서 방열의 가장 주요인은, (1)의 복사이다.
(1)의 복사의 억제를 위해, 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. 여기에서, 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. 마찬가지로, 상부 전극(303)으로부터 보호 석영판(307) 또는 상부 전극(303)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 가스 분위기의 전열에 의한 방열을 더욱 억제하는 것이 가능하게 되는 것은 말할 필요도 없다.
본 실시예에서는, 플라스마 생성에 13.56㎒의 고주파 전원을 사용하였으나, 13.56㎒는, 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 같은 원리로 플라스마 가열할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 특히, 1㎒ 이상 100㎒ 이하의 주파수가 적합하다.
1㎒보다 낮은 주파수가 되면, 가열에 필요한 고주파 전력을 공급할 때의 고주파 전압이 높아져서, 이상 방전[불안정한 방전이나 상부 전극(303)과 하부 전극(302) 사이 이외에서의 방전]을 발생시켜, 안정적인 동작이 어려워지기 때문에 적합하지 않다. 또, 100㎒를 넘는 주파수는, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)의 갭(304) 사이의 임피던스가 낮아, 플라스마 생성에 필요한 전압을 얻기 어려워지기 때문에 적합하지 않다.
또, 본 실시예에서는, 하부 전극(302)과 상부 전극(303)은 고정되어 있어, 갭(304)이 변동되지 않는다. 이 때문에, 피가열 시료(301)의 가열 처리마다 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 볼 수 없었다.
이하, 본 실시예에 나타낸 본 발명의 효과를 정리한다. 본 발명과 관련되는 가열 처리에서는, 좁은 갭 사이에서 생성되는 대기압 글로 방전에 의한 가스 가열을 열원으로 하여 피가열 시료(301)를 가열한다. 본 가열 원리에 수반하여 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 가열 손실이 매우 적은 체계로 피가열 시료(301)를 가열할 수 있다.
두 번째는, 가열 응답성과 균일성이다. 가열부의 열용량이 매우 작기 때문에, 급속한 승온 및 강온이 가능하게 된다. 또, 글로 방전에 의한 가스 가열을 가열원에 이용하기 때문에, 글로 방전의 확대에 의해 평면적으로 균일한 가열이 가능하게 된다. 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 발명에서는, 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 거칠어짐 억제이다. 본 발명에서는, 앞서 기재한 효과에 의해 승온 및 강온 시간이 짧게 할 수 있는 점에서 피가열 시료(301)를 고온 환경 하에 노출하는 시간을 필요 최저한으로 단축할 수 있기 때문에, 표면 거칠어짐을 억제할 수 있다. 또, 본 발명에서는, 대기압 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로서 사용하나, 피가열 시료(301)는, 플라즈마에 직접 노출되는 일은 없다. 이것에 의해 열처리 장치와는 다른 장치로 행하는 보호막의 형성 및 제거 공정이 불필요하게 되어, SiC 기판을 사용한 반도체 장치의 제조 비용의 저감이 가능하게 된다.
이상, 각 실시예에 있어서 상기 서술한 바와 같이, 본 발명은, 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 피가열 시료를 가열하는 열처리 장치라고 말할 수 있다. 또, 바꿔 말하면, 본 발명은, 피가열 시료를 가열 처리하는 가열 처리실을 구비하고, 상기 가열 처리실은, 가열판과, 상기 가열판과 대향하는 전극과, 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상기 전극에 공급하는 고주파 전원을 구비하며, 상기 전극과 상기 가열판 사이에 글로 방전에 의한 플라즈마를 생성하고, 상기 전극과 상기 가열판 사이에 생성된 글로 방전에 의한 플라즈마를 가열원으로 하여 간접적으로 상기 피가열 시료를 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치라고도 말할 수 있다.
이 때문에, 본 발명에 의해, 각 실시예에서 상기 서술한 효과를 낼 수 있다.
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
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
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
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
Claims (6)
- 피가열 시료의 열처리를 행하는 열처리실과,
상기 열처리실 내에 배치된 제 1 평판 전극과,
상기 제 1 평판 전극과의 사이에 플라즈마를 생성함과 함께 상기 열처리실 내에 배치되어 상기 피가열 시료를 가열하는 제 2 평판 전극과,
상기 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 상기 제 1 평판 전극에 공급하는 고주파 전원과,
상기 제 2 평판 전극을 사이에 두고 상기 제 1 평판 전극과 대향하여 상기 피가열 시료를 올려놓는 시료대를 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 평판 전극은, 원판 형상의 부재와 상기 원판 형상의 부재의 외주에 설치된 빔으로 이루어지고,
상기 빔에 의해서 상기 제 2 평판 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 평판 전극은, 상기 제 2 평판 전극과 대향하는 면의 반대측의 표면에 고융점이면서 저복사율의 판재가 배치되고,
상기 제 2 평판 전극의 상기 피가열 시료와 대향하는 표면은, 상기 고융점이면서 저복사율의 판재가 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 열처리 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 평판 전극은, 상기 제 2 평판 전극과 대향하는 면의 반대측의 표면에 고융점이면서 저복사율의 코팅이 실시되고,
상기 제 2 평판 전극의 상기 피가열 시료와 대향하는 표면은, 고융점이면서 저복사율의 코팅이 실시되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 열처리 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 평판 전극의 기재와 상기 제 2 평판 전극의 기재와 상기 시료대의 기재는, 모두 그라파이트인 것을 특징으로 하는 열처리 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 평판 전극과 상기 제 2 평판 전극과 상기 시료대를 둘러싸도록 상기 열처리실 내에 배치되고, 상기 제 1 평판 전극으로부터의 복사열과 상기 제 2 평판 전극으로부터의 복사열을 반사하는 반사경을 구비하고,
상기 제 2 평판 전극은, 상기 빔과 상기 반사경을 거쳐 도통하고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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