CN102460650B - 真空加热/冷却装置及磁阻元件的制造方法 - Google Patents

真空加热/冷却装置及磁阻元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够在成膜处理之后在维持高真空度的状态下仅急速地加热和急速地冷却基板的真空加热/冷却装置。根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置包括真空室(1)、发出加热光的卤素灯(2)、用于允许加热光进入真空室(1)的石英窗(3)、具有冷却功能的基板支撑台(9)、以及使基板(5)停在加热位置(P3)和冷却位置(P1)并且使基板(5)在加热位置(P3)与冷却位置(P1)之间移动的升降销(13)。

Description

真空加热/冷却装置及磁阻元件的制造方法
技术领域
本发明涉及在真空中高速加热/冷却半导体器件、电子器件、磁性器件、显示器件等的真空加热/冷却装置以及磁阻元件的制造方法。 
背景技术
具有氧化镁隧道阻挡层的用作磁性随机存取存储器(MRAM)的传感器元件或者磁头的隧道磁阻元件形成金属膜(磁性膜和非磁性膜)和绝缘体膜以多层形式被层叠(laminate)的结构。这种磁阻元件是通过具有良好生产性的溅射法成膜的，然后，在其他装置(磁场中的热处理炉)中在施加1特斯拉(tesla)以上的高磁场的状态下实施热处理(参见非专利文献1)。作为氧化镁隧道阻挡层的形成方法，已公开了如下方法：通过RF溅射氧化镁靶的直接溅射成膜方法(参见专利文献1)，通过反应性溅射法在氧气氛中形成金属镁膜，并且在形成金属镁膜之后在最后阶段施加氧化处理的方法(参见专利文献2)；在形成金属镁膜之后施加氧化处理，然后在最后阶段再次形成金属镁膜的方法(参见专利文献3)；在形成金属镁膜之后施加氧化处理，并且经受热处理，然后再次形成金属镁膜以及再次经受热处理(参见专利文献4)等。 
作为更高质量氧化镁隧道阻挡层的形成方法，如非专利文献2中公开的，已知如下方法：在通过RF溅射法使氧化镁靶直接经受溅射成膜之后立即在将基板保持在真空的同时用红外线照射基板并且促进氧化镁膜的结晶化。 
作为在真空中高速加热基板的方法，在形成半导体元件的 步骤中，如专利文献5公开的，已知如下方法：经由诸如O形环等真空密封构件透过加热光的窗被设置在真空室中，并且被保持在真空室中的基板由配置在大气侧并且放射辐射热的放射能量源加热，该放射能量源例如为红外线灯等。 
此外，作为急速地冷却被加热的基板的方法，如专利文献6中公开的，已知通过将基板移到与加热室相邻并且与加热室热隔离的室来冷却基板的方法。在该方法的冷却方法中，设计出通过直接将基板放置在被冷却的基板支撑台上，并且通过热传递急速地冷却所述基板。作为在基板留在加热室而未移动到冷却室的状态下冷却基板的方法，如专利文献7中公开的，已知将冷却气体导入到加热室利用气体的对流来进行冷却的方法。在该方法中，公开了通过在加热之后在放射能量源和基板之间插入用于切断来自放射能量源的余热的遮避板来提高冷却效率的思想。 
作为进一步提高冷却效率的方法，如专利文献8中公开的，已知使用设置有冷却源和固定于作为加热室的同一空间内的可移动冷却板的热处理装置的方法。在专利文献8中公开的方法中，可移动的冷却板被配置并且被冷却以便在加热基板过程中与冷却源接触。接着，在完成基板的加热之后，可移动的冷却板与冷却源分离并且与基板接触，使得通过基板与可移动的冷却板之间的热传递来实现冷却。 
作为在作为加热室的同一空间中冷却基板的另一方法，专利文献9公开了通过使可移动的冷却源与装有加热抵抗体(heating resistor body)的基板支撑台接触来间接地冷却基板的方法。此外，在专利文献10和11中，公开了通过使基板支撑台与加热源或者冷却源接触来加热或者冷却基板的类似方法。 
在专利文献11中，基板支撑台本身已具有加热和冷却功能 以及用于提高加热和冷却效率的静电吸附功能，而且该具有静电吸附功能的基板支撑台还具有刻在与基板的背面接触的面上的槽，并且用于促进热交换的气体被导入到该槽中。 
作为加热源和冷却源分别地设置在一个真空室中以直接地加热和冷却仅基板本身的示例，在专利文献12中已经公开了示例，其中，溅射装置的装载锁定室(load lock chamber)设置有利用来自灯加热器的加热光加热的机构和通过静电吸收而使基板与被冷却的基板支撑台接触并且冷却基板的机构。在该示例中，由于这两个机构均设置在装载锁定室中，所以不能连续地进行加热和冷却。然而，通过分别地在装载锁定室的抽真空和通气时进行加热和冷却，减小了用于实现基板加热的溅射成膜的处理时间。 
在专利文献13至15中公开了将磁场施加到配置于真空中的基板以处理基板的示例。专利文献13和14中的示例中均涉及在真空中施加磁场的同时对多个基板实施加热处理的装置，并且设计成能够在均匀的磁场中进行大量的热处理。然而，他们都不能在连续真空中进行成膜处理和加热/冷却处理。此外，专利文献15中的示例具有如下思想：在将磁场施加到基板的同时进行溅射成膜的装置中，设置使产生与基板面平行的磁场的磁体与基板的转动同步地转动的机构，使得能够施加相对于基板总是沿一个方向的平行的磁场。 
专利文献16和17公开了在同一室中设置有加热基板的加热机构、冷却基板的冷却机构、以及使基板在靠近加热机构或与加热机构接触的位置和靠近冷却机构或与冷却机构接触的位置之间移动的移动机构的热处理装置。 
在专利文献16中，装有加热器的基板支撑体被用作加热机构，水冷型或者制冷剂冷却型的冷却板被用作冷却机构。如果 用加热机构加热基板，那么通过使基板与由加热器加热的基板支撑体接触来加热基板。在与基板加热相关的另一个示例中，基板与基板支撑体在配置上是分开的，并且通过允许被加热的诸如氮等干燥气体在基板与基板支撑体之间流动来加热基板。另一方面，如果冷却基板，则通过冷却流体冷却冷却板，并且通过使基板接触或靠近被冷却的冷却板来冷却基板。 
在专利文献17中，设置了加热板和冷却板，并且当加热或者冷却基板时，以预定间隔将加热板或者冷却板与所述基板隔开。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1：日本特开2006-080116号公报
专利文献2：美国专利第6841395号说明书 
专利文献3：日本特开2007-142424号公报 
专利文献4：日本特开2007-173843号公报 
专利文献5：日本特开平6-13324号公报 
专利文献6：日本特开平5-251377号公报 
专利文献7：日本特许第2886101号公报 
专利文献8：日本特许第3660254号公报 
专利文献9：日本特表2002-541428号公报 
专利文献10：日本特开2003-318076号公报 
专利文献11：日本特开2002-76105号公报 
专利文献12：日本特开2003-13215号公报 
专利文献13：日本特开2001-102211号公报 
专利文献14：日本特许第3862660号公报 
专利文献15：日本特开2002-53956号公报 
专利文献16：日本特开2001-196363号公报 
专利文献17：日本特开平7-254545号公报 
非专利文献 
非专利文献1：恒川等人的“半导体生产线中的磁性隧道结的成膜和微细加工工艺”(日本应用磁气学会第2卷，第7期，358至363页(2007)) 
非专利文献2：S.Isogami等人的“In situ heat treatment of ultrathin MgO layer for giant magnetoresistance ratio with low resistance area product in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel juctions”(应用物理快报，93，192109(2008)) 
发明内容
在层叠膜的界面起作用的磁阻元件中，器件性能在很大程度上取决于未形成膜时吸附于膜表面的杂质(主要是残留气体)。在真空中入射到膜表面的残留气体量一般与表示真空度的压力P与膜表面暴露到真空气氛期间的时间T的乘积PT成比例，因此，需要使基板的加热、冷却和传送期间的气氛的压力和各处理所需的时间分别地小。 
在将基板传送到用于冷却的另一个室的现有技术中，存在的问题是，浪费了传送所需的时间，也就是说，暴露时间T变大。通过将冷却气体导入加热室来冷却基板的方法具有如下问题：真空度变差，也就是说，压力P升高。在加热和冷却基板支撑台本身的方法中，存在的问题是，由于基板支撑台的热容量，升温速度和降温速度变慢，特别是当基板温度降低到大约室温时，花费时间长，这也增加了暴露时间T。 
在装载锁定室中进行加热处理或者冷却处理的现有设计方法中，急速且连续地进行薄膜的加热或者冷却处理是不可能的。即使在成膜后基板被返回到装载锁定室并且继续地进行加热/ 冷却处理，由于装置的操作程序而不能接着进行成膜。而且，也存在如下问题：由于在各处理处与大气压通气的装载锁定室具有低的真空度，即，高的压力P，所以乘积PT异常的高。 
在磁场中对大量基板进行热处理的装置中，已经在另一个成膜装置中被施加成膜处理的基板一度被取出到大气中，然后被再次放入用于在磁场中加热的装置中以进行加热处理，因此不能在连续的真空中进行成膜处理与加热/冷却处理。还是在成膜期间施加磁场的装置中，没有提供加热/冷却功能，所以在成膜之后在连续真空中进行加热/冷却处理是不可能的。 
此外，如专利文献16和17那样，甚至考虑到在连续真空中的热处理而将加热机构和冷却机构设置在相同的室的模式也具有以下问题。例如，在专利文献16和17公开的发明中，如果通过加热基板支撑体或者加热板来加热基板，则归因于基板支撑体或者加热板的热容量，温度升高需要时间，乘积PT变大。 
此外，在专利文献16中，如果基板不是通过加热基板支撑体自身而被加热，而是基板支撑体和基板是分开的，并且将被加热的气体供给在基板支撑体和基板之间以加热基板，则基板能够被加热而不管基本支撑体的热容量如何。然而，由于供给用于加热的气体的量而增加了压力P，结果，增加了乘积PT。 
鉴于上述现有技术的问题做出了本发明，并且本发明具有提供一种能够在成膜处理之后在维持高真空度的状态下急速地加热和急速地冷却仅基板本身的真空加热/冷却装置以及磁阻元件的制造方法的目的。 
为了实现该目的，本发明是一种在真空中加热/冷却基板的真空加热/冷却装置，该装置包括：真空室；放射能量源，其被配置在所述真空室的大气侧并且放射加热光；入射部，其用于使来自所述放射能量源的加热光进入所述真空室；配置在所述 真空室内部并且具有冷却机构的构件，该构件能由所述冷却机构冷却；以及基板移动机构，其具有用于保持所述基板的基板保持部，所述基板移动机构使所述基板保持部停在加热位置和与所述加热位置不同的冷却位置，并且还使所述基板保持部在所述加热位置和所述冷却位置之间移动，其中，所述加热位置是当所述基板被加热时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述放射能量源的位置，所述冷却位置是当所述基板被冷却时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述构件的位置或者是所述基板被载置于所述构件的位置。 
此外，本发明是一种磁阻元件的制造方法，该磁阻元件包括具有至少磁化固定层、隧道阻挡层或非磁性传导层、以及磁化自由层的三层结构，该制造方法包括：准备形成有所述隧道阻挡层或者非磁性传导层的基板的步骤；利用加热光加热所述基板的加热步骤，所述加热光从内部配置有所述基板的真空室的外部入射；和在所述真空室中的与利用所述加热光进行加热的位置不同的位置冷却该被加热的基板的冷却步骤。 
另外，本发明是一种磁阻元件的制造方法，该磁阻元件包括具有至少第一磁性层、隧道阻挡层或非磁性传导层、以及第二磁性层的三层结构，该制造方法包括：在基板上形成所述第一磁性层和所述隧道阻挡层或非磁性传导层的步骤；在预定位置配置形成有所述第一磁性层和所述隧道阻挡层或非磁性传导层的所述基板的步骤；通过用加热光照射形成有所述第一磁性层和所述隧道阻挡层或非磁性传导层的所述基板来加热所述基板的加热步骤，其中，所述加热光从内部配置有形成有所述第一磁性层和所述隧道阻挡层或非磁性传导层的所述基板的真空室的外部被导入所述真空室中；和在所述真空室中的与所述预定位置不同的位置处冷却被加热后的基板的冷却步骤，其中， 所述隧道阻挡层或非磁性传导层是氧化镁层；并且在所述加热步骤和所述冷却步骤中的至少一个步骤中，施加磁场以使所述第一磁性层的磁化方向一致。 
根据本发明，即使在成膜处理之后，也能够在维持高真空度的状态下仅基板被急速加热或者急速冷却。 
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置的构造图。 
图2是连接有根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置的溅射装置的构造图。 
图3是示出根据本发明的真空加热/冷却装置中的控制系统的概略构造的框图。 
图4是根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置的构造图。 
图5是示出根据本发明的实施方式对加热处理后的基板进行冷却时的时间与基板温度之间关系的降温曲线。 
图6是根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置的构造图。 
图7是用于说明图6中示出的磁场施加机构(磁路)的配置的俯视图。 
图8A是根据本发明的实施方式的用于比较形成于已热处理基板上的磁性膜的磁化方向的图，并且是示出在热处理期间未施加磁场时磁化方向的图。 
图8B是根据本发明的实施方式的用于比较形成于已热处理基板上的磁性膜的磁化方向的图，并且是示出在热处理期间施加磁场时磁化方向的图。 
图9是根据本发明的实施方式的真空加热/冷却装置的构造图。 
图10A是用于说明根据本发明的实施方式的使基板在加热位置和冷却位置之间移动的机构的图，是该机构的概略主视图。 
图10B是用于说明根据本发明的实施方式的使基板在加热位置和冷却位置之间移动的机构的图，示出该机构的上面。 
图10C是用于说明根据本发明的实施方式的使基板在加热位置和冷却位置之间移动的机构的图，是当使用该机构时基板支撑台的俯视图。 
图11是示出根据本发明的实施方式的隧道磁阻元件的MR-RA的图。 
具体实施方式
下面将参照附图详细地说明本发明的实施方式。在下面说明的附图中，功能相同的部件使用相同的附图标记，并且将省略重复说明。 
(第一实施方式) 
图1是根据本实施方式的真空加热/冷却装置的装置构造图。 
在图1中，在真空室1的上部，经由真空密封构件(未示出)固定有用于透过来自卤素灯2的加热光的石英窗(quartz window)3。该石英窗3起到使从卤素灯2输出的加热光进入真空室1的入射部的作用。真空密封构件优选具有高耐热性，例如为Viton(注册商标)或者Kalrez(注册商标)等。如图1所示，通过在真空室1与石英窗3之间设置用于安装/拆卸石英窗的环4，来方便石英窗3的安装/拆卸。石英窗3的尺寸优选为基板5的尺寸的1.5倍以上。并且，作为放射加热光的放射能量源的卤 素灯2配置在大气侧。也就是说，卤素灯2配置在真空室1的外部，以便用加热光照射石英窗3。作为放射能量源，并不限于卤素灯，只要例如能够放射诸如红外线等加热光即可。环状遮蔽板7设置在卤素灯2与石英窗3之间，使得来自卤素灯3的加热光不直接照射O型环6。遮蔽板7由导热良好的铝制成，并且具有通过设置冷却水路8而用冷却水冷却的结构。 
在卤素灯2下方的真空室1的内部，配置了直径与基板5的直径大体相同的基板支撑台9。而且，水冷套10被配置成与基板支撑台9接触。也就是说，在本实施方式中，具有冷却机构的构件包括基板支撑台9和与基板支撑台9接触的水冷套10。作为基板支撑台9，优选地使用具有高导热率的介电材料，在本实施方式中使用AlN(氮化铝)。水冷套10优选地具有能够尽可能大范围地接收来自卤素灯2的加热光的尺寸，使得来自卤素灯2的加热光不直接照射真空室1的内壁。对于内置有冷却水路12的水冷套10，其中冷却水路12成为作为制冷剂的冷却水的通道，该水冷套10优选地使用具有低气体放出率(gas emission rate)和高导热率的材料，在本实施方式中使用铝。 
此外，冷却水导入口12a和冷却水排出口12b被连接到冷却水路12，泵(未示出)被连接到冷却水导入口12a。由此，通过驱动泵，经由冷却水导入口12a将冷却水导入冷却水路12，该冷却水通过包含在冷却套10中的冷却水路12以冷却冷却套10，并且经由冷却水排出口12b排出。当冷却套10由冷却水冷却时，冷却效果到达基板支撑台9，如果基板5载置于基板支撑台9，则能够冷却该载置的基板5。 
在本实施方式中，使用了具有冷却水路12的水冷套10与基板支撑台9彼此接触的模式，但是冷却水路12也可以置于基板支撑台9中。也就是说，在本发明中，重点在于基板支撑台9具有 冷却功能，由此，基板支撑台9与用于使制冷剂流动的冷却机构(诸如水冷套10、冷却水路12等)接触或者基板支撑台9内置有冷却机构。 
在基板支撑台9和水冷套10中，在基板5的尺寸范围内的外周部上的至少三个位置处分别开有通孔，并且使基板5上下移动的升降销(lift pin)13被插入这些通孔。升降销13经由波纹管11被连接到位于大气侧的上下驱动机构15，并且通过上下驱动机构15的驱动而上下升降。作为上下驱动机构15，可以使用电动机驱动型或者使用采用压缩空气的气缸型。上下驱动机构15被连接到稍后将说明的控制部(在图1中未示出)，并且借助于由控制部对上下驱动机构15的驱动的控制，控制升降销13的(上下)升降。 
在本实施方式中，通过用至少三个升降销13的末端13a支撑基板5的下面(与待处理的面相反的面)，由升降销13保持基板5。也就是说，基板5由升降销13的末端13a保持，从而各升降销13的末端13a分别起到基板保持部的作用。由升降销13保持的基板5能够借助于通过控制部对上下驱动机构15的控制而停在冷却位置P1、传送位置P2和加热位置P3(静止)，并且也能在冷却位置P1和加热位置P3之间移动。在图1中，为了方便，用虚线示出停在传送位置P2和加热位置P3的基板5。 
在本说明书中，“冷却位置”是当基板将被冷却时基板应当被配置的位置，在本实施方式中，基板5载置于基板支撑台9的位置被称为冷却位置P1。该冷却位置不限于基板载置于基板支撑台的位置，还可以是靠近基板支撑台的位置，只要基板在具有冷却功能的基板支撑台产生的冷却效果起作用的范围即可。 
此外，“加热位置”是与冷却位置不同并且当基板将被加热时基板应当配置的位置，该加热位置是位于放射能量源与具有 冷却功能的基板支撑台之间的位置，并且被设定在比冷却位置P1靠近放射能量源的位置。在本实施方式中，加热位置P3被设定在石英窗3附近。 
此外，“传送位置”是从外部传送来的基板首先被保持并且被设定在冷却位置P1与加热位置P3之间的位置。在本实施方式中，传送位置P2被设定在面对传送基板用的闸阀14的开口的空间内以及在该开口的宽度范围内的空间内。从外部传送来的基板5在传送位置P3处由升降销13的末端保持，然后通过升降销13的升降被移动到加热位置P3或者冷却位置P1。传送位置P3优选被设定在上述空间内，不过也可以被设定在该空间外侧的位置。这是因为，在本发明中，重点在于在连续真空中进行急速加热和急速冷却。为此目的，必要的是：在相同的真空室内分别地设置加热位置P3和冷却位置P1，并且在加热位置P3处进行加热处理，在冷却位置P1处进行冷却处理。因此，只要实现该必要的要求，传送位置可以在任何地方。 
在真空室1的侧面，配置了传送基板用的闸阀14，使得能够在与其他相邻的真空室一起保持真空的状态下取出/放入基板5。在真空室1中的与传送基板用的闸阀14相对的一侧，经由真空密封用的闸阀18配置有抽真空的真空泵16。 
真空室1由气体放出率低的铝或者不锈钢制成，并且在该真空室的大气侧，卷绕有用于烘烤(baking)的护套式加热器(sheath heater)(未示出)和用于冷却的冷却水管路(未示出)。如果从大气抽空真空室1，那么使护套式加热器通电以将真空室1加热到150℃以上并且进行至少2个小时以上的烘烤以促进从室内壁的气体释放。当室的烘烤完成时，使水流动通过冷却水管路以便将真空室冷却到室温。当真空室1中的真空度饱和时，准备完成，但是为了防止真空室1在加热处理期间升温而使冷却 水继续流动。而且，分别在真空室1中的至少一个位置处安装真空计17和气体导入口19。 
图3是示出本实施方式的真空加热/冷却装置中的控制系统的概略构造的框图。 
在图3中，附图标记1000表示作为控制整个真空加热/冷却装置的控制部件的控制部。该控制部1000具有：执行诸如各种演算、控制、判断等处理操作的CPU 1001；和存储由该CPU 1001执行的各种控制程序的ROM 1002。而且，控制部1000还具有：临时存储CPU 1001的处理操作期间的数据、输入数据等的RAM 1003；和诸如闪存、SRAM等非易失性存储器(nonvolatile memory)1004。 
而且，该控制部1000还连接有：包括用于输入预定指令或数据等的键盘或者各种开关在内的输入操作部1005；和做出包括真空加热/冷却装置的输入/设定状态在内的各种显示的显示部1006。并且，控制部1000还通过驱动回路1007、1008、1009、1010、1011和1012分别与卤素灯2、上下驱动机构15、真空泵16、用于导入冷却水的泵1013、用于传送基板的闸阀14以及用于真空密封的闸阀18相连。 
根据来自CPU 1001的指令，卤素灯2放射出辐射光(radiation light)，并且上下驱动机构15使升降销13上下移动。泵1013被连接到冷却水导入口12a，并且根据来自CPU 1001的指令将冷却水导入冷却水导入口12a。并且，根据来自CPU1001的指令，驱动真空泵16和用于真空密封的闸阀18，以便将真空室1抽空。另外，根据来自CPU1001的指令，控制用于传送基板的闸阀14的开/闭，使得基板5能够被传送到真空室1。 
随后，将使用附图说明本实施方式的操作。 
图2示出与根据本实施方式的真空加热/冷却装置连接的溅 射装置的室的构造。图2中示出的溅射装置是能够在连续真空中形成包括具有至少磁化固定层、隧道阻挡层或非磁性传导层、以及磁化自由层的三层结构在内的磁阻元件和形成半导体元件的制造装置。 
图2中示出的溅射装置包括设置有2个真空传送机构(机器人)21的真空传送室22。真空传送室22通过闸阀分别与安装有多个溅射阴极23的三个溅射成膜室24、25、26、用于清洁基板表面的蚀刻室27、用于在大气与真空之间取出/放入基板的装载锁定室28，以及根据图1中说明的实施方式的真空加热/冷却装置29相连。因此，能够在不破坏真空的状态下使基板在各室之间移动。在各溅射成膜室24至26中布置有基板保持件30a至30c。在真空传送室22中，可以设置氧化处理室。 
在本实施方式中，在溅射成膜室24中安装钽靶、钌靶、铱锰靶、钴铁靶和钴铁硼靶，在溅射成膜室25中安装至少氧化镁靶，在溅射成膜室26中安装至少钴铁硼靶和钽靶。借助于真空传送机构21，使硅基板21经由装载锁定室28导入真空中，并且首先在蚀刻室27中将附着在硅基板上的杂质去除。之后，通过真空传送机构21将硅基板传送到溅射成膜室24，并且在溅射成膜室24中，在硅基板上形成钽(5nm)/钌(2nm)/铱锰(5nm)/钴铁(2.5nm)/钌(0.85nm)/钴铁硼(3nm)膜的层叠体。随后，借助于真空传送机构21，将硅基板从溅射成膜室24传送到溅射成膜室25，并且在溅射成膜室25中，在层叠体上形成大约1nm的氧化镁膜，以便具有硅基板/钽(5nm)/钌(2nm)/铱锰/(5nm)/钴铁(2.5nm)/钌(0.85nm)/钴铁硼(3nm)/氧化镁(1nm)的结构。此后，借助于真空传送机构21，将硅基板从溅射成膜室25传送到真空加热/冷却装置29，并且该真空加热/冷却装置29将被传送的硅基板(基板5)进行传送并且进行加热/冷却处理。 最后，借助于真空传送机构21，将硅基板从真空加热/冷却装置29传送到溅射成膜室26，并且在溅射成膜室26中，在形成于被传送的硅基板上的层叠体上层叠钴铁硼(3nm)/钽(5nm)以完成隧道磁阻元件。 
随后，将详细地说明在根据图1所示的本实施方式的真空加热/冷却装置29中的处理内容。 
一旦收到加热/冷却处理的指令，控制部1000就执行控制以打开用于传送基板的闸阀14。此时，通过真空传送室22的基板传送机构21将直到在溅射成膜室25中形成了氧化镁膜的基板(硅基板)5传送到在真空加热/冷却装置29中等在传送位置P2的升降销13。之后，借助于控制部1000的控制，将闸阀14关闭，并且将升降销13升起。此时，控制部1000控制上下驱动机构15并且升起升降销13使得由升降销13保持的基板5位于加热位置P3。此时，优选地将加热位置P3设定成使得卤素灯2与基板5之间的距离为100mm以下。在这种状态下，根据来自控制部1000的指令，将电力输入到卤素灯2，并且从大气侧用加热光经由石英窗3照射基板5。当基板5的温度达到期望温度时，控制部1000降低卤素灯2的输入电力并且执行控制使得基板温度维持在一定值。如上所述进行基板的加热处理。 
在本实施方式中，在加热处理完成之前的预定时刻，开始基板支撑台9的冷却操作。在冷却操作中，控制部1000执行驱动泵1013的控制。借助于该控制，冷却水从泵1013被导入到冷却水导入口12a，并且经由冷却水路12从冷却水排出口12b排出。此时，基板支撑台9由通过冷却水路12的冷却水冷却。 
在经过了期望时间之后，控制部1000执行停止为卤素灯2提供电力的控制。接着，控制部1000控制上下驱动机构15以便使用于支撑已经受到加热处理的基板5的升降销13下降，并且使 基板5位于冷却位置P1。也就是说，基板5放置在由用于冷却基板5的冷却水冷却的基板支撑台9(冷却位置P1)上。当基板5的温度冷却到大约室温时，控制部1000控制上下驱动机构15以将升降销13升起到传送位置P2、打开闸阀14并且通过基板传送机构21将升降销13上的基板5送出。 
如上所述，控制部1000控制升降销13的驱动使得基板5在加热处理中位于加热位置P3，并且使基板5停在加热位置P3以进行加热处理。接着，控制部1000可以执行控制使得冷却水在加热处理期间或者从加热处理之前的阶段流动通过冷却水路12。因此，当完成加热处理时，基板支撑台9已经进入充分冷却状态。随后，控制部1000控制升降销13的驱动以便使基板5位于冷却处理中的冷却位置P1，并且使得该基板5停在用于冷却处理的冷却位置P1。 
如上所述，在本实施方式中，通过在真空室1和真空室1中的基板支撑台9一直被冷却的状态下用加热光仅加热基板5，能够在维持高真空的状态下急速地实现基板的加热和冷却。 
也就是说，在本实施方式中，当对基板5进行加热时，没有采用基板支撑台9自身被加热的构造，而是通过在与具有冷却功能的基板支撑台9分开的加热位置P3处保持和加热基板5来完成加热，因此，能够加热基板5而不管基板支撑台9的热容量如何。所以，能够减少基板加热所需的时间，并且能够急速加热基板。也就是说，由于放射加热光的卤素灯2配置于真空室1的外部且用来自卤素灯2的加热光加热基板，所以，能够加热基板而不会像专利文献16和17那样加热包含在加热机构中的基板支撑体本身或者加热板本身。因此，在加热机构和冷却机构设置于同一室的模式下，本实施方不具有加热预定构件并且将该预定构件的热传递给基板来加热基板的构造，能够减小加热所需时间， 并且能够减小作为残留气体的指标(index)的乘积PT中的时间要素“T”。 
此外，在专利文献16中的另一个示例中，如上所述基板和基板支撑体是分开，并且加热了的干燥气体被导入基板与基板支撑体之间的分开区域以便用干燥气体的热加热基板。根据该构造，由于基板支撑体本身不被加热，所以能够省略用于加热基板支撑体本身的时间，并且能够减小乘积PT中的时间要素“T”。 
然而，在该构造中，需要供给用于加热基板的干燥气体，并且增加了用于该供给的干燥气体的那部分压力。因此，即使能够减小乘积PT中的时间要素“T”，但是压力要素“P”增加了，所也不能很好地减小乘积PT。因此，即使为了减小乘积PT而降低室中的压力，由于增加了用于供给加热用气体的那部分压力，所以难以在保持高真空度的同时进行加热处理。 
另一方面，在本实施方式中，使用了通过加热光加热基板的思想，卤素灯2设置在真空室1的大气侧(外部)，使从卤素灯2发出的加热光经由石英窗2进入真空室1，并且用入射的加热光照射待加热的基板。也就是说，在本实施方式中，由于基板是由诸如红外线等加热光加热，该基板能够在无需使用诸如加热了的干燥气体等导致压力增加的要素的状态下被加热。因此，基板能够被加热而不会增加PT乘积的压力要素“P”。因此，通过降低真空室1中的压力，也降低了压力要素“P”，能够在高真空度下进行加热处理。 
而且，由于在同一真空室1中加热位置P3与冷却位置P1布置于分开的位置，所以能够在加热位置P3处进行加热处理时或者从加热处理之前的阶段开始冷却基板支撑台9。因此，在当基板的加热处理完成并且该处理进入冷却基板的阶段中，能够充分 地冷却基板支撑台9，并且当基板5被载置于基板支撑台9上或者配置成靠近基板支撑台9(即，当基板9配置在冷却位置P1)时，能够使基板支撑台9的冷却作用立即对基板5起效果。因此，能够实现急速冷却。 
另外，在本实施方式中，基板5由升降销13支撑并且在加热位置P3和冷却位置P1之间移动。因此，由于基板5不是由面支撑而是由点支撑，所以能够减小在加热处理过程中支撑基板5的构件(升降销13)的热容量的影响。因此，如果在加热处理之后进行冷却处理，那么由于升降销13与基板5之间的接触区域小，所以减小升降销13的热容量的影响。因此，能够减小基板5的温度降低所需的时间，并且能够实现急速冷却。而且，在加热处理中，也能够减小升降销13的热容量对基板5的加热的影响，因此能够实现急速加热。 
如上所述，在本实施方式中，冷却位置P1和加热位置P3分开地设置在真空室1中，另外，通过使加热光进入基板而进行基板的加热处理。因此，在同一室中，在维持高的真空度的状态下，能够同时地且独立地进行用于基板加热处理的准备和用于基板冷却处理的准备。因此，能够高效地减小乘积PT的压力要素“P”和时间要素“T”两者。 
图11是示出在上述隧道磁阻元件成膜中在形成氧化镁膜之后不加热地形成随后的层的情况、在形成氧化镁膜之后进行加热且接着在同一室中进行冷却并且形成随后的层的情况(本实施方式)以及在形成氧化镁膜之后进行加热但在不冷却的状态下形成随后的层的情况的MR-RA的曲线图。 
如果隧道磁阻元件被用作磁头的传感器，优选在RA较低的区域获得较高的MR比。如图11所示，如果在形成氧化镁膜之后不进行加热，在RA大约为6Ωμm2至7Ωμm2时MR比急速地下降。 另一方面，如图11所示，如果在形成氧化镁膜之后进行加热，虽然MR比随着RA下降而劣化的现象是相同的，但是MR比的下降率比在形成氧化镁膜之后不进行加热的情况缓和，并且保持高的MR比。另外，如果在加热之后不进行冷却，MR比从2Ωμm2附近开始急速地下降，但是，通过在加热之后进行冷却，MR比的下降率能够被抑制。 
如上所述，根据本实施方式，当制造隧道磁阻元件的氧化镁膜时，通过在加热位置P3用加热光加热所形成的氧化镁膜并且还通过在同一室中在与加热位置P3不同的冷却位置P1处冷却该氧化镁膜，可以使乘积PT小，另外，能够在较低的RA实现较高的MR比，这是特别有利的。 
如上所述，在本实施方式中，能够在同一真空室中进行基板的加热处理和基板的冷却处理，而且，加热处理所需的时间和冷却处理所需的时间都能够减小。因此，表示真空度的压力P和暴露时间T均能够减小，并且能够减小入射到基板的膜表面的残留气体。 
(第二实施方式) 
在第一实施方式中，如果加热温度高或者依据基板5的类型，当基板5被载置于被冷却的基板支撑台9上时，基板可能由于热冲击而破裂(split)。为了防止基板的这种破裂，在本实施方式中，在完成第一实施方式中的加热之后，当升降销17降低时，并不立即使基板5载置于基板支撑台9上，而是使基板一度停止在基板支撑台9上方的预定位置。该预定位置优选在基板支撑台9上方20mm的范围内。作为选择，在非加热期间，基板5可以一度停止在卤素灯2和基板5之间的距离为100mm以上的位置。 
通过上述构造，能够在避免破裂的情况下冷却基板。也就 是说，在本实施方式中，如果基板5的温度已经下降到即使基板载置于被冷却的基板支撑台9之后基板也不会破裂的温度，那么升降销13被降低到冷却位置且基板5载置于基板支撑台9上，使得基板温度能够在避免基板5破裂的情况下急速地冷却到室温附近。 
(第三实施方式) 
在第一和第二实施方式中，为了在基板5载置于被冷却的基板支撑台9上之后进一步减小基板温度达到室温的时间，在基板支撑台9上设置诸如静电卡盘(electrostatic chuck)等静电吸附机构和为基板支撑台9的表面供给冷却气体两者中的至少一个是有效的。 
图4是用于说明在图1中示出的真空加热/冷却装置的基板支撑台中设置静电卡盘功能的模式的图。 
在图4中，基板支撑台41是根据本实施方式将静电卡盘功能增加到图1所示的基板支撑台9的基板支撑台。具体地，由介电体制成的基板支撑台41与导入电(电力)的导线(未示出)接触或者内置有导线，并且该导线与外部电源电连接。外部电源被构造成根据来自控制部1000的指令将电压施加到导线。由此，如果根据来自控制部1000的静电吸附的指令将电压施加到导线，那么基板能够被电压产生的静电吸附到基板支撑台41上。 
而且，槽42形成于基板支撑台41的与基板5的背面接触的一面(载置基板5的一面)，并且用于将冷却气体导入到大气侧并且从大气侧排出冷却气体的至少一对气体导入管路43被连接到槽42。该气体导入管路43被连接到用于将冷却气体导入到气体导入管路43或者从气体导入管路43排出冷却气体的气体导入机构(未示出)，并且该气体导入机构根据来自控制部1000的指令将冷却气体导入气体导入管路43。 
在本实施方式中，在第一和第二实施方式中，在完成加热处理之后的使升降销13降下并且使基板5载置于基板支撑台41之后，控制部1000控制外部电源以便为基板支撑台41的静电卡盘机构(导线)提供电力并且借助于静电使基板5与被冷却的基板支撑台41紧密接触。此外，控制部1000控制气体导入机构以便将作为冷却气体的氩气导入到刻在基板支撑台41中的用于导入冷却气体的槽42，并且氩气与基板5的背面直接接触，使得能够大幅地改善到达室温的冷却时间。 
图5是直径为300mm且被加热到550℃的硅片(基板5)仅载置于被冷却的基板支撑台41上的情况(仅由冷却水路12冷却)，和基板5载置于被冷却的基板支撑台41上然后经受静电卡盘并且使氩气在基板5的背面流动的情况的降温曲线的比较图。 
在图5中，虚线是基板5仅载置于基板支撑台41上的情况的降温曲线。实线中用附图标记51表示的区域是在基板5载置于基板支撑台41上并且静电卡盘和氩气导入均进行的情况下当未进行静电卡盘和氩气导入时的时间段内的降温曲线。而，实线中用附图标记52表示的区域是在静电卡盘和氩气导入均进行的情况下当开启了静电卡盘时的时间段内的降温曲线。另外，实线中用附图标记53表示的区域是在静电卡盘和氩气导入均进行的情况下当开启了静电卡盘此外还导入了氩气的时间段内的降温曲线。 
在图5中，通过在时间t1进行静电卡盘，增加了冷却速度，而且，通过在时间t2处将作为冷却气体的氩气导入到基板5的背面，进一步增加了冷却速度。结果，已知在从冷却开始过了两分钟之后，基板温度达到40℃以下的室温水平。 
(第四实施方式) 
在本实施方式中，如图6所示，作为磁场施加机构的磁体 61配置在用于冷却基板支撑台41的水冷套10的外侧。另外，为了防止由于加热光对磁体61的直接入射而引起温度上升，设置反射器62以围绕磁体61。此时，为了防止反射器62的温度上升，反射器62自身优选地具有内部装有冷却水管路63使得反射器62与制冷剂接触的水冷套结构。 
在本实施方式中，采用了所谓Halbach型磁路作为磁体61，在该磁路中分成多个块(磁体元件71)的永磁体如图7所示以各磁体元件71的方向(磁化方向72)沿环形配置。采用该结构，变得能够在冷却期间为基板5施加与基板面平行排列而且也在基板面中平行排列的磁场(磁力线73)。通过不将基板5载置于被冷却的基板支撑台41上而是使基板5停在基板支撑台41上方例如20mm范围内的位置处，并且通过将卤素灯2的输入电力设定为比加热位置P3处的输入电力高，能够在施加磁场的同时保持高温。 
通过在冷却期间或者在加热和冷却期间施加与基板平行的磁场，如图8A与8B所示，磁性膜的磁化方向能够沿一个方向排列。在图8A和8B中，附图标记81表示磁性膜被堆积的基板，附表标记82表示磁化。 
迄今为止，通过由溅射装置形成磁阻元件的膜，然后通过能够在以后的工序中施加磁场的热处理装置(与溅射装置不同的装置)在磁场中对其进行退火(anneal)，磁化方向已经沿一个方向排列。另一方面，在本实施方式中，在磁阻元件的成膜加工过程中，在磁场中进行加热和冷却。因此，现有技术的随后工序中在磁场中的热处理工序能够跳过。 
(第五实施方式) 
在第四实施方式中，通过用电磁体替换永磁体作为磁场施加机构，可以期待相同的优点。此时，电磁体优选地被构造成 施加至少25高斯(gauss)以上的磁场。 
(第六实施方式) 
为了施加更强的电磁场，在本实施方式中，如图9所示，具有磁轭92和电磁体用线圈93的电磁体91配置于真空室1的外部。 
作为电磁体91的构造的示例，如果基板5停在冷却位置P1上方的预定位置，那么电磁体91可以被构造为产生与基板5的处理面大体平行排列并且也在该处理面中平行排列的磁力线。在这种情况下，如果基板位于加热位置P3，则电流不会流经电磁体用的线圈93。也就是说，在未施加磁场的状态下加热基板5，并且当基板温度达到期望温度时，使升降销13降低，并且将基板位置移动到基板支撑台43上方20mm范围内的位置(预定位置)处。此时，待输入到卤素灯2的电力被调节成使得基板温度维持在期望温度。同时，使DC电流流经电磁体用的线圈93以产生磁场。在该状态下，将基板5加热期望的时间，然后停止输入到卤素灯2的电力，并且开始基板5的冷却。为了有效地冷却基板5，如第三实施方式所示，在进行静电卡盘的同时导入冷却气体。当基板温度达到室温附近时，停止电磁体用的线圈93的电力供给，并且取消电磁场。 
此外，作为电磁体91的构造的另一示例，如果基板5停在冷却位置P1(如果如图9所示基板5载置于基板支撑台41上)，则电磁体91可以被构造成产生与基板5的处理面大体平行排列并且也在处理面内平行排列的磁力线。 
磁场施加机构不限于电磁体也可以使用永磁体。而且，诸如电磁体或者永磁体的磁场施加机构优选地被构造成使得至少25高斯以上的磁场被施加到基板。 
该过程如果是在形成磁性膜之后施加则是有效的，而采用第一实施方式中示出的膜构造时，如果在铱锰上施加钴铁膜、 在钌上施加钴铁硼膜并且在氧化镁上施加钴铁硼膜，那么磁性膜能够获得高的磁各向异性。 
(第七实施方式) 
在本实施方式中，在上述各实施方式中，通过在加热基板5的过程中经由气体导入口19导入氧气，有助于氧从位于基板5的最外面的氧化镁膜上脱附(desorption)，并且形成更高质量的氧化镁膜是可以期待的。如上所述，在本实施方式中，在进行加热处理与冷却处理中的至少一种处理之前时，通过根据位于形成在基板5上的膜的最外面的膜导入气体，处理之后的膜能够获得更高的质量。 
(第八实施方式) 
在第一实施方式至第七实施方式中，作为使基板在诸如加热处理和冷却处理等热处理中移动并且使基板停在预定位置(冷却位置P1、传送位置P2和加热位置P3等)的基板移动机构，说明了升降销。然而，在本发明中，基板移动机构不限于升降销，而是只要能够使基板在冷却处理期间保持在冷却位置P1、在加热处理期间保持在加热位置P3并且能够使基板在冷却位置P1与加热位置P3之间移动，就可以使用任何部件。 
在图10A至10C中示出基板移动机构的另一示例。 
图10A是根据本实施方式使基板在加热位置与冷却位置之间移动的基板移动机构的概略主视图，10B是该基板移动机构的俯视图，图10C是使用该基板移动机构时基板支撑台的俯视图。在图10A中，为了简化图面，仅说明了与基板移动机构、卤素灯2和石英窗3相关的构造。 
在图10A中，附图标记101表示具有与基板支撑台9的冷却功能相似的冷却功能的基板支撑台。升降机构102a和102b被设置成使得将基板支撑台夹在中间。在各升降机构102a和102b中， 沿长度方向形成有两个导轨。在升降机构102a的各导轨上，安装有可沿导轨移动的可移动部103a和103b。而且，在升降机构102b的各导轨上，安装有可沿导轨移动的可移动部104a和104b。升降机构102a(102b)能够根据来自控制部1000的指令使可移动部103a、103b(可移动部104a和104b)沿着导轨移动。 
附图标记105a和105b分别表示支撑基板5的支撑杆，并且如图10B所示，支撑杆105a的一端由可移动部103a支撑，而另一端由可移动部104a支撑。此外，支撑杆105a的一端由可移动部103b支撑，而另一端由可移动部104b支撑。此时，可移动部103a、103b、104a和104b的位置和移动被控制成使得各支撑杆105a和105b与基板支撑台101的基板载置面大体平行。因此，如果基板5停在冷却位置P1或加热位置P3处或者在冷却位置P1与加热位置P3之间移动，则能够使基板5维持与基板支撑台101的基板载置面一直平行。 
在该构造中，控制部1000控制升降机构102a和102b使得基板5在加热处理中被放置在加热位置P3，并且控制升降机构102a和102b使得基板5在冷却处理中位于冷却位置P1。 
如果基板5载置于基板支撑台101的位置被设定为冷却位置P1，那么，如图10C所示，仅需要在基板支撑台101上形成与支撑杆105a和105b匹配的槽106a和106b。结果，当支撑杆105a和105b分别被装配在槽106a和106b时，基板5载置于基板支撑台101上。 
同样在本实施方式中，基板5不是由面支撑而是由线支撑，所以可以减小与基板5接触的区域，并且可以减小用于在加热处理中支撑基座5的构件(支撑杆105a和105b)的热容量的影响。因此，能够降低支撑杆105a和105b的热容量的影响，并且能够实现急速加热和急速冷却。 
如上所述，在本发明的实施方式中，基板移动机构具有用于保持基板的基板保持部(例如，图1的构造中的升降销13的末端13a和图10A至10C的构造中的支撑杆105a和105b)。该基板支撑部优选地被构造为与基板的一部分接触以通过用点或线支撑基板来支撑基板。通过如上构造，能够降低在热处理中基板保持部的热容量对基板的影响。此外，基板支撑机构还具有使由基板支撑部支撑的基板停在冷却位置和加热位置以及在冷却位置与加热位置之间移动的功能。因此，能够在同一真空室中的不同位置处进行基板的加热处理和冷却处理。 

Claims (9)

1.一种在真空中加热/冷却基板的真空加热/冷却装置，该装置包括：
真空室；
放射能量源，其被配置在所述真空室的大气侧并且放射加热光；
入射部，其用于使来自所述放射能量源的加热光进入所述真空室；
配置在所述真空室内部并且具有冷却机构的构件，该构件能由所述冷却机构冷却；以及
基板移动机构，其具有用于保持所述基板的基板保持部，所述基板移动机构使所述基板保持部停在加热位置和与所述加热位置不同的冷却位置，并且还使所述基板保持部在所述加热位置和所述冷却位置之间移动，其中，
所述加热位置是当所述基板被加热时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述放射能量源的位置，所述冷却位置是当所述基板被冷却时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述构件的位置或者是所述基板被载置于所述构件的位置，
所述构件由介电体制成，与用于导入电的导线接触或者内置有所述导线，并通过静电吸附所述基板，并且
所述由介电体制成的构件在与所述基板的背面接触的面中刻有槽，并且所述槽被连接到用于从所述大气侧导入气体或者将气体排到所述大气侧的至少一对气体管路。
2.根据权利要求1所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，
所述由介电体制成的构件被配置成与由制冷剂冷却的冷却套接触。
3.根据权利要求1所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，还包括
控制部件，其控制所述基板移动机构，使得当所述基板通过照射所述加热光而被加热时，使所述基板停在靠近所述放射能量源的所述加热位置处，而在完成加热之后，使所述基板远离所述放射能量源并靠近所述构件，并且当所述基板被冷却时，所述基板被载置于所述构件上并且停在所述冷却位置，所述构件通过静电吸附所述基板。
4.根据权利要求1所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，还包括
控制部件，其控制所述基板移动机构，使得当所述基板通过照射所述加热光而被加热时，使所述基板停在靠近所述放射能量源的所述加热位置处，而在完成加热之后，使所述基板远离所述放射能量源并靠近所述构件，并且当所述基板被冷却时，所述基板被载置于所述构件上并且停在所述冷却位置处，所述构件通过静电吸附所述基板，并且气体被导入到刻在所述构件中的槽内。
5.一种在真空中加热/冷却基板的真空加热/冷却装置，该装置包括：
真空室；
放射能量源，其被配置在所述真空室的大气侧并且放射加热光；
入射部，其用于使来自所述放射能量源的加热光进入所述真空室；
配置在所述真空室内部并且具有冷却机构的构件，该构件能由所述冷却机构冷却；
基板移动机构，其具有用于保持所述基板的基板保持部，所述基板移动机构使所述基板保持部停在加热位置和与所述加热位置不同的冷却位置，并且还使所述基板保持部在所述加热位置和所述冷却位置之间移动；以及
配置于所述真空室内部的磁体，其中，
所述加热位置是当所述基板被加热时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述放射能量源的位置，所述冷却位置是当所述基板被冷却时所述基板应当位于的位置并且是靠近所述构件的位置或者是所述基板被载置于所述构件的位置，
所述磁体产生与所述基板位于所述冷却位置时的基板面平行并且也在所述基板面中平行排列的磁力线，
所述构件由介电体制成，与用于导入电的导线接触或者内置有所述导线，并通过静电吸附所述基板，并且
所述由介电体制成的构件在与所述基板的背面接触的面中刻有槽，并且所述槽被连接到用于从所述大气侧导入气体或者将气体排到所述大气侧的至少一对气体管路。
6.根据权利要求5所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，
所述磁体被反射器包围，所述反射器反射所述加热光使得所述磁体不被所述加热光直接照射。
7.根据权利要求6所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，
所述反射器通过与制冷剂接触而被冷却。
8.根据权利要求5所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，
所述磁体是电磁体，并且对所述基板施加25高斯以上的磁场。
9.根据权利要求5所述的真空加热/冷却装置，其特征在于，
所述磁体是永磁体，并且对所述基板施加25高斯以上的磁场。
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