JP5380525B2 - 真空加熱冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス、電子デバイス、磁気デバイス、表示デバイス等の基板を真空中で高速に加熱・冷却する真空加熱冷却装置に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や磁気ヘッドのセンサー素子として用いられるＭｇＯトンネルバリア層を持ったトンネル磁気抵抗素子は、金属膜（磁性膜および非磁性膜）と絶縁体膜（ＭｇＯトンネルバリア層など）とを多層に積層した構造を成している。そのような磁気抵抗素子は、生産性に優れたスパッタリング法によって成膜され、成膜後、別の装置（磁場中熱処理炉）の中で１テスラ以上の高磁場を印加しながら熱処理することによって形成されている（非特許文献１参照）。

ＭｇＯトンネルバリア層の形成方法としては、ＭｇＯターゲットをＲＦスパッタリングによってダイレクトにスパッタ成膜する方法（特許文献１参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に反応性スパッタリング法によって酸素雰囲気中で金属Ｍｇ膜を成膜し最後に酸化処理する方法（特許文献２参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に酸化処理し最後にもう一度金属Ｍｇ膜を成膜する方法（特許文献３参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に酸化処理し、それを熱処理した後に再度金属Ｍｇを成膜して酸化処理する方法（特許文献４参照）などが開示されている。

さらに高品質なＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、非特許文献２に開示されているように、ＭｇＯターゲットをＲＦスパッタリングによってダイレクトにスパッタ成膜した直後に、真空中に基板を保持したまま赤外線を照射して加熱することでＭｇＯ膜の結晶化を促進する方法がある。

特許文献４や非特許文献２に示すように、成膜の合間に熱処理を行う場合、量産工程においては、加熱後の基板を次の成膜に適した温度（例えば、室温）に、あるいは、加熱による結晶成長等の膜質変化を止めるために、迅速に冷却する必要がある。

ところで真空中で基板を高速に加熱する方法としては、半導体素子の形成プロセスにおいて、特許文献５で開示されているように、真空チャンバーにＯリングなどの真空シール部材を介して加熱光を透過する窓を設け、大気側に配置された加熱光を放射する放射エネルギー源、例えば赤外線ランプなどによって、真空チャンバー内に保持された基板を加熱する方法がある。

また加熱された基板を急速に冷却する方法としては、特許文献６に開示されているように、加熱室と隣接し熱的に隔離された部屋に基板を移動して冷却する方法がある。本方法の冷却方法では、基板を冷却された基板支持台に直接載置することによって、熱伝導によって急速に冷却する工夫をしている。基板を冷却室に移動せずに加熱室内に残したまま基板を冷却する方法としては、特許文献７に開示されているように、冷却されたガスを加熱室内に導入して気体の対流を利用して冷却する方法がある。本方法では、加熱終了時に放射エネルギー源と基板との間に放射エネルギー源からの余熱を遮断するシャッター板を挿入することによって冷却効率を上げる工夫が開示されている。

さらに冷却効率を上げる方法としては、特許文献８に開示されているように、加熱室と同一空間内に固定された冷却源と可動冷却板とを備える熱処理装置を用いる方法がある。特許文献８に開示された方法では、可動冷却板を基板の加熱時には冷却源と接するように配置して冷却しておく。そして、基板の加熱が終了した後に可動冷却板を冷却源から離して基板と接触させることにより基板と可動冷却板との間の熱伝導によって冷却する。

加熱室と同一空間内で基板を冷却する別の方法として、特許文献９では加熱抵抗体を内蔵した基板支持台に対して可動冷却源が接触することによって基板を間接的に冷却する方法がある。また、基板支持台が熱源や冷却源と接触することによって基板の加熱および冷却を行う類似の方法は特許文献１０や１１などにも開示されている。

特許文献１１では、基板支持台自体が加熱および冷却機能を有し、加熱及び冷却効率を上げるために静電吸着機能を備え、さらに静電吸着機能付きの基板支持台は、基板の裏面と接触する面に溝が彫られており、その溝に熱交換を促進するためにガスが導入されるように工夫がなされている。

一つの真空チャンバーに加熱源と冷却源とを別々に備え、基板のみを直に加熱冷却する例としては、スパッタリング装置のロードロックチャンバーにランプヒーターからの加熱光によって加熱する機構と、静電吸着によって冷却された基板支持台に基板を接触冷却させる機構とを備えた例が特許文献１２に開示されている。本例では、ロードロック室に両機構が設けられているため、加熱と冷却を連続して行うことを目的としていない。しかしながら、ロードロックチャンバーの真空排気時およびベント時にそれぞれ加熱と冷却を行うことによって、基板加熱を伴ったスパッタリング成膜の処理時間を短縮する工夫がなされている。

特開２００６−８０１１６５号公報 米国特許第６８４１３９５号明細書 特開２００７−１４２４２４号公報 特開２００７−１７３８４３号公報 特開平６−１３３２４号公報 特開平５−２５１３７７号公報 特許第２８８６１０１号公報 特許第３６６０２５４号公報 特表２００２−５４１４２８号公報 特開２００３−３１８０７６号公報 特開２００２−７６１０５号公報 特開２００３−１３２１５号公報

恒川ら，「半導体製造ラインにおける磁気トンネル接合の成膜と微細加工プロセス」、まぐね、Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．７，ｐ．３５８−ｐ．３６３（２００７） Ｓ．Ｉｓｏｇａｍｉら，「Ｉｎ ｓｉｔｕ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ＭｇＯ ｌａｙｅｒ ｆｏｒ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅａ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｎ ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、９３，１９２１０９（２００８）

同一真空チャンバー内で加熱と冷却の両方のプロセスを行うと、加熱プロセスの度に加熱光がチャンバー内部の部材を照射するため、基板の処理枚数が増えるにつれてチャンバー内部の部材の温度が上昇し、加熱および冷却プロセスの再現性を低下させてしまうという問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高い真空度を維持したまま基板を急速に加熱し、かつ急速に冷却することが可能であり、真空チャンバー内の部材の経時温度上昇を抑制することが可能な真空加熱冷却装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、真空中で基板を加熱冷却する真空加熱冷却装置であって、真空チャンバーと、前記真空チャンバーの大気側に配置され、加熱光を放射する放射エネルギー源と、前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、基板を保持するための基板保持部材を有し、該基板保持部材を前記放射エネルギー源に近接した加熱位置と前記放射エネルギー源から遠隔した非加熱位置との間で移動させる基板移動機構とを備え、前記基板保持部材は、基板を載置するための板状の形状であって、その外形が前記加熱光を入射させるための入射部の外形より大きいことを特徴とする。
また、本発明は、真空中で基板を加熱冷却する加熱冷却装置であって、真空チャンバーと、前記真空チャンバーの大気側に配置され、加熱光を放射する放射エネルギー源と、前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、基板を保持するための基板保持部材と、加熱時に前記基板保持部材に保持された基板を前記放射エネルギー源に近接した加熱位置に移動させ、非加熱時に前記放射エネルギー源から遠隔した非加熱位置に基板と前記基板保持部材を移動させる移動機構と、を備え、前記基板保持部材は、該基板保持部材の、前記放射エネルギー源とは反対側への前記加熱光を遮断する遮断部材であることを特徴とする。

本発明によれば、真空チャンバー内の部材の経時温度上昇を抑制するため、連続的な加熱冷却処理を行っても基板間の再現性の良い安定した加熱および冷却を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係る、加熱位置の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である。 図２ＡのＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、搬送位置の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である。 図３ＡのＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、基板ピック直前の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である。 図４ＡのＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、基板ピック直後の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である。 図５ＡのＤ−Ｄ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、搬送完了時の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である。 図６ＡのＥ−Ｅ’断面図である。 発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置を接続したスパッタリング装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置における制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の装置構成図である。 本発明の一実施形態に係る、搬入準備状態の周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板搬入時の周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板搬入完了時および搬出準備完了の基板及び周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、加熱位置の基板及び周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、冷却位置の基板及び周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、加熱時におけるリング状基板保持部材と冷却部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、冷却時におけるリング状基板保持部材と冷却部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、２段構造の冷却部材を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板保持部材に立てた基板支持部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、搬入準備状態の基板保持部材の位置を示す上面図である。 図１９ＡのＦ−Ｆ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、基板プレイス直前の基板および周辺部材の位置関係を示す上面図である）。 図２０ＡのＧ−Ｇ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、基板プレイス直後の基板および周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板搬入完了時および基板搬出準備完了時の基板および周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、加熱位置の基板および周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、冷却位置の基板および周辺部材の位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板支持部のための突起部を設けた基板保持部材を示す上面図である）。 図２５ＡのＨ−Ｈ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る、開いたリング形状の基板支持部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、開いたリング形状の基板支持部を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、図面を見やすくする都合上、図７、図８、図１８、図２６Ａ，２６Ｂ以外に示す断面図の中では、断面のハッチングを一部省略している。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る真空加熱冷却装置の装置構成図である。
図１において、真空チャンバー１の上部に、ハロゲンランプ２からの加熱光を透過する石英窓３が、真空シール部材（不図示）を介して固定されている。真空シール部材はバイトン（登録商標）やカルレッツ（登録商標）などの耐熱性の高いＯリングが好ましい。石英窓３は、ハロゲンランプ２から出力された加熱光を真空チャンバー１に入射させるための入射部として機能する。ただし入射部の外形Ｒは石英窓３の外形によって定義するのではなく、真空チャンバー１内部からみた入射部の外形、つまり図１の例では石英窓３を支持する部材３１の穴形によって定義する。図１に示すように真空チャンバー１と石英窓３との間に石英窓脱着用リング４を設けると、石英窓３の脱着がしやすくなる。入射部の大きさは基板５の大きさの１．５倍以上となるようにすることが好ましく、本実施例形態では直径２００ｍｍの基板に対し、入射部の直径を３４０ｍｍとした。また、大気側には加熱光を放射する放射エネルギー源としてのハロゲンランプ２が配置されている。すなわち、ハロゲンランプ２は、真空チャンバー１の外側に、入射部に加熱光を照射するように配置される。放射エネルギー源としては、例えば赤外線といった加熱光を放射するものであればハロゲンランプ２に限る必要はない。ハロゲンランプ２からの加熱光が真空シール部材であるＯリング６に直接照射しないようにハロゲンランプ２と石英窓３との間にリング状の遮光板７を設けておく。遮光板７は熱伝導の良いアルミ製とし、冷却水路８を設けることにより、冷却水によって冷やされる構造にする。

ハロゲンランプ２下方の真空チャンバー１内部には加熱光が真空チャンバー内部に入射しないように入射部の大きさよりも一回り大きい基板保持部材９が配置されている。基板保持部材９の材質は赤外線を吸収しやすく、なおかつ放熱しやすい材質が好ましく、本実施形態では炭化ケイ素を用いているが、窒化アルミニウムでも良い。なお、基板保持部材９は、このほか、ケイ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化チタンの中から選ばれる少なくとも１種類の元素もしくは化合物を主成分とする材料から作られている一体成型部品、または、金属製の基材に上記の元素もしくは化合物を主成分とする材料から成る板を貼り合わせた組み立て部品、または、上記一体成型部品から成る基板保持部材の片面に金属膜をコーティングして構成できる。上記金属製の基材および金属膜の材料は、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、錫、ハフニウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金の中から選ばれる少なくとも１種類の金属もしくは上記金属を主成分とする合金または化合物を用いることができる。

基板保持部材９は少なくとも１本の支持棒１６によって支持され、該支持棒１６はベローズ１１を介して大気側にある上下駆動機構１５と接続され、該上下駆動機構１５の駆動により上下に昇降するようになっている。上下駆動機構１５はモーター駆動式もしくは圧縮空気によるエアシリンダー式を用いれば良い。なお、上下駆動機構１５は、後述する制御部（図１では不図示）に接続されており、該制御部が上下駆動機構１５の駆動を制御することにより支持棒の昇降（上下）は制御される。
真空チャンバー１の側面には基板搬送用のゲートバルブ１４が配置され、隣接した他の真空チャンバーと真空を維持したまま基板５の出し入れができるようになっている。真空チャンバー１の、基板搬送用のゲートバルブ１４と反対側には、真空排気用の真空排気口４１が配置されており、さらに真空封止用のゲートバルブ（不図示）を介して真空排気用の真空ポンプ（不図示）が配置できるようになっている。

真空チャンバー１はガス放出率の低いアルミニウムまたはステンレスで作製されており、チャンバーの大気側にはベーキング用のシースヒーター（不図示）と冷却用の冷却水配管（不図示）を巻いておく。真空チャンバー１を大気から排気する場合にはシースヒーターに通電して真空チャンバー１を１５０℃以上に加熱し、少なくとも２時間以上はベーキングしてチャンバー内壁からのガス放出を促進する。チャンバーベーキングが終了したら、冷却水配管に通水しチャンバーを室温まで冷却する。真空チャンバー１内の真空度が飽和したら準備完了となるが、加熱プロセスの際に真空チャンバー１が温まるのを防ぐために冷却水は引き続き流しておく。また真空チャンバー１の少なくとも１箇所にガス導入口１９を設置しておく。

次に本実施形態における基板の加熱から冷却（自然冷却）、真空チャンバー外への搬出までの動作について図面を用いて説明する。

図２Ａ、２Ｂに示すように加熱時は上下駆動機構（図１に図示）によって基板保持部材９を突き上げピン１７の先端部よりも上方に上昇させて、基板５を基板保持部材９の上に載置した状態で、ハロゲンランプから１００ｍｍ以内の距離に位置させる。このような位置を加熱位置と定義する。加熱時にはハロゲンランプに電力を投入して、大気側から石英窓３を通して基板５に加熱光を照射する。この時、基板保持部材９の直径が入射部の直径よりわずかに大きな物にすることによって、基板保持部材９が加熱光を遮蔽することができるため、基板保持部材９よりも下方のチャンバー内の部材およびチャンバー自身が加熱光によって経時温度上昇する効果を抑制することができる。本実施例では入射部の直径３４０ｍｍに対し、基板保持部材９の直径を３６０ｍｍに設定することによって加熱光の遮蔽効果を実現している。

非加熱時は基板保持部材９を下降し、基板５をハロゲンランプから遠ざける。この時、基板搬送ハンドのピックアンドプレイス動作による基板の搬出入ができるように真空チャンバー１の底面部に突き上げピン１７を配置することによって（図１に図示）、基板を突き上げピンの上に受け渡すことが可能となる。非加熱位置のうち基板搬送が可能となるこの特別な位置を搬送位置と定義する。搬送位置のより詳細は図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。基板保持部材９を突き上げピン１７の先端部よりも下方に移動し、基板を突き上げピンの上に受け渡した状態が搬送位置である。基板保持部材９には突き上げピンを貫通するための穴９１を設けているため、基板保持部材９は突き上げピン１７に衝突することなく下降することができる。本実施形態では３本の突き上げピンをピッチ円直径１８０ｍｍで３等配に配置し、基板保持部材９にも該突き上げピンを貫通するための貫通穴を同じピッチ円直径で３等配に設けている。

図４Ａ，４Ｂは、開いたゲートバルブ（図４では不図示）を通過して基板搬送ハンド２１ａが基板搬送位置にある基板の真下に位置した時、つまり基板ピック直前の状態を示している。基板搬送ハンド２１ａが突き上げピン１７に衝突しないように、基板搬送ハンド２１ａの軌道を避けるように３本の突き上げピンを配置している。図３Ａ、３Ｂ、図４Ａ，４Ｂに示すように、非加熱位置である突き上げピン１７の先端に載置された状態で、真空チャンバー１外に搬送されるまでの所定の冷却時間を経ることで、基板が自然冷却される。基板と基板保持部材９を分離し、非加熱位置に配置された突き上げピン１７に移し替えることで、基板保持部材９、基板間の熱伝導を避け、相互に冷却効果を高めることができる。
図５Ａ，５Ｂは基板ピック動作直後の基板および周辺部材の位置関係を示している。基板搬送ハンド２１ａを突き上げピン１７の先端部よりも上方へ移動することによって基板を突き上げピン１７上から基板搬送ハンド２１ａ上へ受け渡す。図６Ａ、６Ｂは基板を載せた基板搬送ハンド２１ａがゲートバルブ１４を通過して真空チャンバー１から搬出された後の状態を示している。基板搬入から加熱開始までの動作フローは図２Ａから図６Ｂに示した基板搬出時の動作フローを逆にすればよく、図６Ｂから図２Ａの順序で示される。

図７に、本実施形態に係る真空加熱冷却装置を接続したスパッタリング装置のチャンバー構成を示す。図７に示すスパッタリング装置は、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および磁化自由層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子、並びに半導体素子を真空一貫で形成することが可能な製造装置である。

図７に示すスパッタリング装置は、２つの真空搬送機構（ロボット）２１を備えた真空搬送チャンバー２２を備えている。該真空搬送チャンバー２２には、複数のスパッタリングカソード２３を搭載した３つのスパッタ成膜チャンバー２４、２５、２６と、基板表面のクリーニング用のエッチングチャンバー２７と、基板を大気〜真空間で出し入れするためのロードロックチャンバー２８と、図１にて説明した本実施形態に係る真空加熱冷却装置２９とがそれぞれゲートバルブを介して接続されている。従って、各チャンバー間の基板の移動は真空を破ることなく行うことができる。なお、スパッタ成膜チャンバー２４〜２６にはそれぞれ、基板ホルダー３０ａ〜３０ｃが設けられている。上記真空搬送チャンバー２２には、酸化処理チャンバーを設けても良い。

本実施形態では、スパッタ成膜チャンバー２４にはＴａ、Ｒｕ、ＩｒＭｎ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢターゲットを取り付け、スパッタ成膜チャンバー２５には少なくともＭｇＯターゲットを取り付け、スパッタ成膜チャンバー２６には少なくともＣｏＦｅＢとＴａターゲットとを取り付けておく。真空搬送機構２１により、ロードロックチャンバー２８からＳｉ基板を真空中に導入し、初めにエッチングチャンバー２７でＳｉ基板上に付着している不純物を除去する。その後、真空搬送機構２１によりＳｉ基板をスパッタ成膜チャンバー２４に搬送し、スパッタ成膜チャンバー２４は、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）の積層体を成膜する。次に、真空搬送機構２１によりスパッタ成膜チャンバー２４からスパッタ成膜チャンバー２５へとＳｉ基板を搬送し、スパッタ成膜チャンバー２５は、上記積層体上にＭｇＯ膜を約１ｎｍ成膜して、Ｓｉ基板／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）の構造にする。その後、真空搬送機構２１によりスパッタ成膜チャンバー２５から真空加熱冷却装置２９へとＳｉ基板を搬送し、真空加熱冷却装置２９は、搬送されたＳｉ基板（基板５）を搬送して加熱冷却処理を行う。最後に、真空搬送機構２１により真空加熱冷却装置２９からスパッタ成膜チャンバー２６へとＳｉ基板を搬送し、スパッタ成膜チャンバー２６は、搬送されたＳｉ基板に形成された積層体上にＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を積層し、トンネル磁気抵抗素子を完成させる。

次に図１に示す本実施形態に係る真空加熱冷却装置２９内における処理内容を図８を用
いて詳細に説明する。
加熱冷却処理の指示を受けると制御部１０００は、基板搬送用のゲートバルブ１４を開ける制御を行う。このとき、スパッタ成膜チャンバー２５でＭｇＯ膜まで成膜された基板５は、真空搬送チャンバー２２の基板搬送機構２１によって真空加熱冷却装置２９内の搬送位置で待機した突き上げピン１７の上に搬送される。その後、制御部１０００の制御によりゲートバルブ１４が閉じる。このとき制御部１０００は、上下駆動機構１５を制御して、突き上げピンに保持された基板５が基板保持部材９に受け渡され、加熱位置に位置するように基板保持部材９を上昇させる。このとき、ハロゲンランプ２と基板５との間の距離が１００ｍｍ以下となるように加熱位置を設定することが好ましい。その状態で、制御部１０００からの指示に従い、ハロゲンランプ２に電力を投入して大気側から石英窓３を通して基板５に加熱光を照射する。この時、基板保持部材９の直径が入射部の直径よりわずかに大きな物にすることによって、基板保持部材９が加熱光を遮蔽することができるため、基板保持部材９よりも下方のチャンバー内の部材およびチャンバー自身が加熱光によって経時温度上昇する効果を抑制することができる。本実施形態では入射部の直径３４０ｍｍに対し、基板保持部材９の直径を３６０ｍｍに設定することによって加熱光の遮蔽効果を実現している。基板５の温度が所望の温度に達したら、制御部１０００は、ハロゲンランプ２の投入電力を下げて基板温度が一定の値を維持するように制御する。このようにして基板の加熱処理を行う。

所望の時間が経過したら、制御部１０００は、ハロゲンランプ２への電力の供給を停止する制御を行う。次いで制御部１０００は、上下駆動機構１５を制御して、加熱処理が施された基板５を支持する基板保持部材９を下降し、該基板５を突き上げピン１７の上に受け渡す。すなわち、基板５を搬送位置に移動して搬送の準備を行う。その後、制御部１０００は、ゲートバルブ１４を開け、基板搬送機構２１の基板搬送ハンドによって突き上げピン上の基板５を搬出する。

このように、制御部１０００は、加熱処理の際には基板５が加熱位置に位置するように基板保持部材９の駆動を制御し、基板５を加熱位置に停止させて加熱処理を行う。次いで、制御部１０００は、基板搬出の際には基板５が搬送位置に位置するように基板保持部材９の駆動を制御し、基板５を搬送位置に停止させて基板搬送の準備を行う。

以上のように、本実施形態では、基板保持部材９の直径が入射部の直径よりわずかに大きな物にすることによって、基板保持部材９が加熱光を遮蔽することができるため、成膜処理後に高い真空度を維持したまま基板を急速に加熱し、かつ急速に冷却することが可能な真空加熱冷却装置において、チャンバー内の部材の経時温度上昇を抑制し、基板間の温度ばらつきを低減することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では加熱処理後に基板５と基板保持部材９の温度は自然に下がるが、室温レベルになるためには長い時間を要する。基板については温度が高い状態で搬出することが可能であるが、基板保持部材９については温度が十分に下がりきらないうちに次の基板が搬入されると基板保持部材９からの熱伝導によって加熱光照射前の基板の初期温度が変わってしまう。基板の加熱処理を連続的に行う場合、このような基板保持部材９の経時的な蓄熱の影響により基板の温度ばらつきが発生して、歩留まりを低下させる恐れがある。そのような基板保持部材９の経時的な蓄熱を防ぐ、または低減するために、本実施形態では、図９に示すように、真空チャンバー１の内部の下方に冷却部材１０を配置し、該冷却部材１０には突き上げピン１７’を貫通させるための貫通穴９４を備え、さらに突き上げピン１７’を基板保持部材９の上下駆動機構１５ａとは別個の上下駆動機構１５ｂと接続配置する。冷却部材１０は内部に冷媒としての冷却水の流路となる冷却水路１２を内蔵し、少なくとも１対の冷却水導入口１２ａと冷却水排出口１２ｂに接続され、大気側から冷却水を導入することが可能な構造となっている。なお、図示していないが、冷却水導入口１２ａと冷却水排出口１２ｂは、ポンプを介してチラー等の冷却装置に接続され、所定の温度に調節された冷却水が循環供給される。なお、このポンプは、図示していないが、制御部１０００に接続され、制御部１０００からの指令に基づいて駆動される。

冷却部材１０にはガス放出率が低く熱伝導率の高い材料を用いることが好ましく、本実施形態ではアルミニウムを用いている。

次に本実施形態における基板の搬入から加熱、冷却、搬出までの動作について図面を用いて説明する。図１０は基板を搬入する前の搬入準備状態における突き上げピン１７’と基板保持部材９との位置関係を示している。この状態では、基板保持部材９は冷却部材１０に接触し、冷却されている。基板を受け入れるための突き上げピン１７’が上昇すると、ゲートバルブ（不図示）が開いて基板の搬入準備状態が整う。
次に、隣接した真空搬送チャンバーから真空搬送ロボットによって基板が該真空加熱冷却装置内に搬入される。図１１は基板搬入時の周辺部材の位置関係を示しており、基板搬送ハンド２１ａ上の基板５が突き上げピン１７’の真上まで移動された状態を示している。その後、基板搬送ハンド２１ａが突き上げピン１７’の先端部よりも下方に下降することによって、基板５が突き上げピン１７’の上に受け渡される。さらに、基板搬送ハンド２１ａが収縮して真空搬送チャンバー内に戻り、ゲートバルブが閉じると基板搬入動作が完了となる。

図１２は基板搬入動作が完了した状態を示している。この時の基板の位置は、非加熱位置の中の搬送位置という特殊な位置にある。
次に加熱位置までの動作を説明する。まず初めに基板保持部材が突き上げピン１７’の先端部よりも上方に上昇して突き上げピン１７’上の基板を受け取り、さらに上昇してハロゲンランプ２から１００ｍｍ以内の位置に停止する。この位置が加熱位置である。その後、突き上げピン１７’が下降し、突き上げピン１７’の先端部が冷却部材１０の表面位置と同レベルかそれよりも下方で停止すると加熱準備が完了となる。図１３に加熱準備が完了し、加熱可能な状態となった時、すなわち加熱位置の基板と周辺部材の位置関係を示す。

加熱終了後、基板保持部材９は基板５を載置したまま冷却部材１０に接触するまで下降する。この時の基板の位置は、非加熱位置の中の冷却位置という特殊な位置にある（図１４）。この状態では、基板５は基板保持部材９を介して冷却部材１０によって間接的に冷却される。加熱温度が高い場合や基板５の種類によっては、基板保持部材９が冷却部材１０に接触して急激な冷却が始まると、熱衝撃によって基板が割れることがある。そのような基板の割れを防ぐために、本実施形態では、加熱終了後に基板保持部材９を冷却部材１０に接触する冷却位置まで一気に下降させるのではなく、基板保持部材９を搬送位置と冷却位置の中間の位置で一旦停止させる。このような所定の位置は、なるべく冷却部材１０に近い方が良く、冷却部材１０の上方２０ｍｍ以内であることが好ましい。冷却位置で基板５の温度が所望の温度以下になるまで放置した後、突き上げピン１７’のみを上昇し、基板５を搬送位置まで移動して搬出準備完了となる（図１２）。
このようにすることによって、基板保持部材９は次の基板が来るまでの間、冷却部材１０に接触した冷却状態を維持することができるため、基板保持部材９の蓄熱が次の基板に及ぼす熱の影響を抑制することができ、基板間の温度ばらつきを低減することが可能となる。なお、基板保持部材９のみを冷却する構成としてもよい。

（第３の実施形態）
第２の実施形態の冷却時において、基板５は基板保持部材９を介して冷却部材１０によって間接的に冷却されている。本実施形態では、基板の冷却速度をさらに向上するために、冷却時に基板５を直接冷却部材１０の上に接触載置する。これにより、冷却速度を向上することができる。図１５に示すように、基板保持部材９の形状をリング形状にし、そのリング状基板保持部材９の内周端部で基板５の外周端部を支持するようにし、さらに冷却部材１０の直径をリング状基板保持部材９の内径よりも小さくする。より具体的には、直径２００ｍｍの基板に対し、リング状基板保持部材９の内径を１９６ｍｍとし、内周端部２ｍｍの領域で基板を保持する。さらに、リング状基板保持部材９の内径と冷却部材１０の外径が干渉しないように、冷却部材１０の外径を１９２ｍｍとする。このようにすると、図１６に示すように基板保持部材９を下降させた時に、冷却部材１０が基板保持部材９のリングの穴９１を貫通することができるため、基板保持部材９は冷却部材１０の表面よりさらに下方に下降することができる。すると、基板５は冷却部材１０の上に受け渡されて接触載置されるめ、冷却速度が格段に向上する。

（第４の実施形態）
第３の実施形態において冷却部材１０を凸型形状にし、上段部の直径はリング状基板保持部材９の内径よりも小さく、下段部の直径はリング状基板保持部材９の内径よりも大きくすることによって、冷却時に基板保持部材９を凸型冷却部材１０の上段部を貫通しさらに下段部の凸段面の上に接触載置することが可能となるため、基板保持部材９自身も効率的に冷却することができる。基板保持部材９をより効率的に冷却するためには、凸型冷却部材１０の下段部の直径を基板保持部材９の直径よりも大きくすると良い。具体的には基板保持部材の直径３６０ｍｍに対し、凸型冷却部材１０の下段部の直径を４００ｍｍとしている。また、凸型冷却部材１０は一体成型部品である必要はなく、図１７に示すように直径がリング状基板保持部材９の内径よりも小さい第１の冷却部材１０ａと直径がリング状基板保持部材９の内径よりも大きい第２の冷却部材１０ｂを上下に重ねた少なくとも２つの部材を有する構造でも良い。

（第５の実施形態）
第４の実施形態において、リング状の基板保持部材９の内周端部に基板を支持するための少なくとも３本の棒状の基板支持部９２を立てることによって（図１８）、基板搬送用の突き上げピンとその上下駆動機構が無くてもピックアンドプレイス動作による基板の搬出入が可能となる。基板保持部材９に設置する３本の基板支持部９２の高さは、搬送ハンドの厚みと伸縮動作時の上下クリアランスを考慮して５ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上とし、２段構造の冷却部材の上段部の高さよりも低くなければならない。本実施形態では、基板支持部の高さを１５ｍｍとする。また、基板支持部には熱伝導率の低い石英を用い、加熱された基板の温度分布になるべく悪影響を及ぼさないように工夫している。

本実施形態における基板の搬入から加熱、冷却、搬出までの動作について図面を用いて説明する。図１９Ａ、１９Ｂは搬入準備状態の基板保持部材９の位置を示しており、基板保持部材９の上に等配に立てられた３本の基板支持部の先端部の高さがゲートバルブ（不図示）開口部の高さ方向の中央と同等の高さになっている。次に、隣接した真空搬送チャンバーから真空搬送ロボットによって基板が該真空加熱冷却装置内に搬入される。図２０Ａ、２０Ｂは基板搬入時の基板プレイス直前の基板および周辺部材の位置関係を示しており、基板搬送ハンド２１ａ上の基板５が３等配の基板支持部９２の真上まで移動された状態を示している。その後、基板搬送ハンド２１ａが基板支持部９２の先端部よりも下方に下降することによって、基板５が基板支持部９２の上に受け渡される（図２１）。

さらに、基板搬送ハンド１２ａが収縮して真空搬送チャンバー内に戻り、ゲートバルブ１４が閉じると基板搬入動作が完了となる（図２２）。この時の基板５の位置は、非加熱位置の中の搬送位置という特殊な位置にある。加熱時は基板保持部材９が上昇し、基板支持部９２の上の基板５が、ハロゲンランプ２から１００ｍｍ以内の位置に停止する（図２３）。この位置が加熱位置である。加熱終了後、基板保持部材９は基板支持部９２の上に基板５を載置したまま２段構造の冷却部材の下段側の冷却部材１０ｂに接触するまで下降する。そうすると、上段部の冷却部材１０ａはリング状の基板保持部材９の穴９１を貫通し、基板保持部材９の基板支持部９２の先端部より上方に抜けるため、基板５が上段部の冷却部材１０ａの上に受け渡される。この時の基板の位置は、非加熱位置の中の冷却位置という特殊な位置にある（図２４）。

基板の加熱温度が高い場合や基板５の種類によっては、冷却部材１０ａに接触して急激な冷却が始まると、熱衝撃によって基板が割れることがある。そのような基板の割れを防ぐために、本実施形態では、加熱終了後に基板保持部材９を冷却部材１０ｂに接触する冷却位置まで一気に下降させるのではなく、基板の位置が搬送位置と冷却位置の中間に停止するように基板保持部材９の上下動を制御する。このような自然冷却を促進する位置は、なるべく冷却部材１０ａに近い方が良く、冷却部材１０ａの上方２０ｍｍ以内であることが好ましい。冷却位置で基板５の温度が所望の温度以下になるまで放置した後、基板保持部材９を上昇し基板を搬送位置まで移動して搬出準備完了となる（図２２）。

このようにすることによって、加熱された基板を急速に冷却することが可能となり、また、基板保持部材９は次の基板が来るまでの間、冷却部材１０ｂに接触した冷却状態を維持することができるため、基板保持部材９の蓄熱が次の基板に及ぼす熱の影響を抑制することができ、基板間の温度ばらつきを低減することが可能となる。さらに、突き上げピンとその上下駆動機構およびベローズを無くすことによって、ガス放出源を減らすことができ、高い真空度を維持することができる。またさらに、基板の搬送時間において突き上げピンの動作時間分が短縮されるため、スループットの向上にも効果がある。なお、冷却部材は、無くてもよいし、基板、基板保持部材のいずれか一方のみを冷却するものであってもよい。

（第６の実施形態）
第５の実施形態においてリング状の基板保持部材９の内径を基板の直径よりも大きくし、しかしながら３本の基板支持部は基板を支持するためにピッチ円直径を基板の直径より小さくしなければならないので、図２５Ａ、２５Ｂに示すように基板保持部材９の内周に向かって突起部９３を設けた形状にしても良い。この時、冷却部材１０aには上記突起部９３が干渉しないように、３箇所の切り欠きＮを設けておく。このようにしても第５の実施形態と同様の効果が得られる。なお、基板保持部材９の穴９１の内径は、加熱光の漏れを防止、あるいは低減するためには、基板の外周端部から外側へ１０ｍｍ以内の範囲で設けることが好ましい。

このようにすることで、基板と冷却部材１０ａの接触面積をより大きくできるので、冷却速度を高めることができる。なお、突起部９３に基板支持部９２を設けることなく、突起部９３により直に基板５を支持させるようにしてもよい。このようにした場合、突き上げピンが必要になるが、基板保持部材９と基板５との接触を少なくできるので、加熱時や冷却時における部材間の熱伝導を防止または低減でき、冷却部材との接触面積を増やすことができる。

（第７の実施形態）
第１〜第６の実施形態では、入射部の直径よりも大きな直径の基板保持部材を用いることによって加熱光が遮光されるため、真空チャンバー下部の部材や壁面の温度上昇を抑制し、経時蓄熱による基板間の温度ばらつきを低減している。しかしながら、基板保持部材が加熱光に直接的に曝されると、基板保持部材自身が温度上昇するため、その輻射が真空チャンバー下部の部材や壁面の温度上昇を引き起こすという懸念がある。よって、該懸念をも解消するように構成することにより、真空チャンバー内の部材の経時温度上昇をより一層低減することができる。本実施形態では、そのような輻射による影響を排除するために、基板保持部材の加熱光が照射されない面、すなわち真空チャンバーの下方を向いた面に輻射率の低い金属膜をコーティングすると、そのような影響を抑制することができる。本実施形態では、輻射率が低く、融点が高く、熱伝導率が高く、化学的に安定であるという４つの条件を考慮して金を用いている。

（第８の実施形態）
第５の実施形態において基板保持部材９の上に備え付ける基板支持部９２’は棒状の基板支持部でなくてもよく、図２６Ａに示すように長細い平板形状を成し、リング状の基板保持部材９の内周端部に沿って該平板を長軸方向に曲げて成る開いたリング形状にしても良い。この時、開いたリングの開放部の幅は、６０ｍｍ幅の基板搬送ハンドがそこを通過できるように１００ｍｍに設定する。加熱された基板の熱が接触部を介して基板支持部に逃げ、基板の温度が低下する効果を抑制するために、図２６Ｂに示すように、基板支持部９２”と基板が３点のみで接触するように余分な箇所を切り欠くとなお良い。

なお、本明細書において、「加熱位置」とは、基板を加熱する際に基板が配置されるべき位置であり、次に定義する非加熱位置よりも放射エネルギー源に近接した位置であって、具体的には基板が放射エネルギー源（本実施形態ではハロゲンランプ）から１００ｍｍ以内の距離に設定される。

また、「非加熱位置」とは、基板の加熱を行わない時に基板が配置されるべき位置であり、基板が加熱位置よりも放射エネルギー源から離れた位置であって、具体的には基板が放射エネルギー源から１００ｍｍを超えて離れた距離であればどこでも良い。従って、搬送位置や冷却位置も非加熱位置であって、いずれも非加熱位置の特別な状態であることを意味する。本実施形態では、冷却部材１０に基板５が載置される位置を冷却位置としている。

さらに、「搬送位置」とは、外部から搬送された基板が最初に保持される位置であって、非加熱位置の範囲内に位置する。本実施形態では、搬送位置は、基板搬送用のゲートバルブ１４の開口と対向する空間であって該開口の幅の範囲内の空間に設定されている。基板は、実施形態１〜４では突き上げピンの先端上、実施形態５および７では基板保持部材９に備えられた基板支持部の先端上によって保持される。

Claims (15)

1. 真空中で基板を加熱冷却する加熱冷却装置であって、
   真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーの大気側に配置され、加熱光を放射する放射エネルギー源と、
   前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、
   基板を保持するための基板保持部材と、
   加熱時に前記基板保持部材に保持された基板を前記放射エネルギー源に近接した加熱位置に移動させ、非加熱時に前記放射エネルギー源から遠隔した非加熱位置に基板と前記基板保持部材を移動させる移動機構と、を備え、
   前記基板保持部材は、該基板保持部材の、前記放射エネルギー源とは反対側への前記加熱光を遮断する遮断部材であることを特徴とする加熱冷却装置。
2. 前記非加熱位置で、前記基板保持部材に保持された基板を基板保持部材から分離した状態に維持する分離機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
3. 前記真空チャンバーから基板を搬出するための搬送位置と退避位置との間で駆動され、非加熱位置で静止可能な少なくとも３本の突き上げピンを前記分離機構として備え、
   前記基板保持部材は、前記突き上げピンが挿通可能な穴を有し、
   前記基板保持部材から前記突き上げピンに基板を移載させることで、非加熱位置で前記基板と前記基板保持部材とを分離した状態に維持するものであることを特徴とする請求項２に記載の加熱冷却装置。
4. 前記基板保持部材は、加熱光に対する前記保持される基板の投影位置に開口を有し、
   前記真空チャンバー内の非加熱位置に配置され、前記開口に挿通可能な外形で、内蔵される冷媒によって冷却される冷却部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
5. 前記基板保持部材は、前記入射部より外形の大きな板部と、前記板部から離間した入射部側の位置で基板を保持する保持部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。
6. 真空中で基板を加熱冷却する加熱冷却装置であって、
   真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーの大気側に配置され、加熱光を放射する放射エネルギー源と、
   前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、
   基板を保持するための基板保持部材と、
   前記入射部に向かう方向及び離れる方向に前記基板保持部材を駆動可能な移動機構と、
   前記真空チャンバー内の前記入射部から離れた位置に配置され、内蔵する冷媒によって冷却される冷却部材と、
   を備え、
   前記基板保持部材は、前記基板よりも外形が大きく、前記加熱光の入射部からの加熱光の入射を遮断可能な遮蔽板を有し、
   前記遮蔽板は、前記加熱光に対する保持される基板の投影位置に開口を有し、
   前記冷却部材は、前記遮蔽板の開口に挿通可能な外形で、基板を載置可能な冷却面を有することを特徴とする加熱冷却装置。
7. 真空中で基板を加熱冷却する加熱冷却装置であって、
   真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーの大気側に配置され、加熱光を放射する放射エネルギー源と、
   前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、
   基板を保持するための基板保持部材と、
   前記入射部に向かう方向及び離れる方向に前記基板保持部材を駆動可能な移動機構と、
   を備え、
   前記基板保持部材は、
   前記基板よりも外形が大きく、前記加熱光の入射部からの加熱光の入射を遮断可能な遮蔽板と、前記遮蔽板から離間した入射部側の位置で前記基板を保持する保持部と、を有することを特徴とする加熱冷却装置。
8. 前記遮蔽板は、加熱光に対する前記保持される基板の投影位置に開口を有することを特徴とする請求項７に記載の加熱冷却装置。
9. 前記基板保持部材は、ケイ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化チタンの中から選ばれる少なくとも１種類の元素もしくは化合物を主成分とする材料から作られている一体成型部品、または、金属製の基材に上記の元素もしくは化合物を主成分とする材料から成る板を貼り合わせた組み立て部品、または、前記一体成型部品から成る基板保持部材の片面に金属膜をコーティングした基板保持部材であることを特徴とする請求項１、６及び７のいずれかに記載の加熱冷却装置。
10. 前記金属製の基材および前記金属膜の材料は、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、錫、ハフニウム、タンタル、タングステン、イリジウム、白金の中から選ばれる少なくとも１種類の金属もしくは前記金属を主成分とする合金または化合物であることを特徴とする請求項９に記載の加熱冷却装置。
11. 前記真空チャンバーはガス導入口を備え、
    該ガス導入口からガスが導入されることを特徴とする請求項１、６及び７のいずれかに記載の加熱冷却装置。
12. 少なくとも、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、磁化自由層を有する３層構造を含む磁気抵抗素子を形成する製造装置であって、
    基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した複数のスパッタ成膜チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した酸化処理チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の加熱冷却装置と、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    真空一貫で前記磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
13. 少なくとも、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、磁化自由層を有する３層構造を含む磁気抵抗素子を形成する製造装置であって、
    基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバー、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した複数のスパッタ成膜チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置したエッチングチャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の加熱冷却装置と、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    真空一貫で前記磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
14. 基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した成膜チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の加熱冷却装置と、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    真空一貫で薄膜を形成することを特徴とする半導体素子の製造装置。
15. 前記基板保持部材は、基板を載置するための板状の形状であって、その外形が前記加熱光を入射させるための入射部の外形より大きいことを特徴とする請求項１に記載の加熱冷却装置。

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