JP2012146703A - 真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置面積を増大させることなく、処理能力を向上させることが可能な真空処理装置を提供する。
【解決手段】処理すべき基板Ｓに対し、真空雰囲気中で一貫して複数の処理を施す真空処理装置Ｍにおいて、相互に隔絶可能に連結された複数の処理室Ａ乃至Ｅと、各処理室間に対して基板を搬入または搬出する搬送ロボット１と、少なくとも搬送ロボット１の作動を制御し得る制御ユニット７と、を備える。処理室Ａ乃至Ｅのうち同一の処理を施す少なくとも２つの処理室Ｃ１、Ｃ２を、複数枚の基板を収容してこれら複数枚の基板に対して同時にストック処理を施すストック処理室とし、何れか一のストック処理室でストック処理を施す間、他のストック処理室に対しては基板の搬入又は搬出のみを行うように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理すべき基板に対し、真空雰囲気中で一貫して複数の処理を施す真空処理装置に関する。

ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）のような磁気デバイスには、例えば、固定磁性層、トンネルバリア層及び自由磁性層を順次積層してなるトンネル磁気抵抗素子（以下「ＴＭＲ素子」という）を備えるものがあり、ＴＭＲ素子の製作には、成膜処理工程や酸化処理工程といった各種処理工程を真空雰囲気中で一貫して施す真空処理装置を用いることが一般に知られている。このような真空処理装置として、搬送ロボットを有する中央の搬送室を備え、平面視略正多角形状の搬送室の周囲に、ゲートバルブを介してロードロック室や処理室を装着して構成したもの（所謂、クラスタツール）を用いることが主流となっている。

上記種の真空処理装置では、ロードロック室内に収容された基板を搬送ロボットにより搬出して、一の処理室に搬入し、最初の処理（第１工程）が施される。第１工程が終了すると、搬送ロボットにより当該一の処理室から基板を搬出し、次の処理（第２工程）を施す他の処理室に搬入されて所定の処理が施される。この第２工程の間、基板が搬出された第１工程用の処理室には、ロードロック室から搬出された次の基板が搬入されて第１工程が開始される。

第２工程が終了すると、搬送ロボットにより第２工程用の処理室から基板を搬出し、更に次の工程（第３工程）を施す他の処理室に搬入され、所定の処理が施される。このとき、基板が搬出された第２工程用の処理室には、第１工程にて処理済みの基板が搬入される。このように搬送ロボットにより各処理室に対して、処理前または処理済みの基板の搬入や搬出を繰り返して、一枚の基板に対して複数の処理が施されていく。そして、全ての処理工程を経た基板がロードロック室に搬入され、大気中に取り出される。

ここで、基板に対して複数の処理を施す際、工程毎に処理時間が異なる場合がある。このような場合、処理時間の比較的長い処理（以下、「律速処理」という）が終了するまで、当該律速処理用の処理室に対する基板の搬入や搬出ができない。このため、律速処理の前後で所定の処理が施される処理室に対する基板の搬入や搬出が滞り、真空処理装置の処理能力（スループット）の低下を招くという不具合が生じる。そこで、律速処理を行う処理室を複数個設け、律速処理を複数の処理室に分けて行うことで真空処理装置の処理能力の向上を図ろうとするものが例えば特許文献１で知られている。

然し、上記特許文献１記載のものであっても、律速処理の処理時間によっては、律速処理用の各処理室で当該律速処理が同時進行するような場合が生じ、このような場合には、いずれかの律速処理が終了するまでは、当該律速処理用の処理室に対する基板の搬出や搬入ができず、処理能力を向上させるには限界があった。また、処理室の数を増加させる場合、搬送室の大容積化を招来し、結果として、真空処理装置の設置面積が増大するという問題が生じる。

特開平６−１２８２１０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、設置面積を増大させることなく、処理能力を向上させることが可能な真空処理装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、処理すべき基板に対し、真空雰囲気中で一貫して複数の処理を施す真空処理装置において、相互に隔絶可能に連結された複数の処理室と、各処理室間に対して基板を搬入または搬出する搬送手段と、少なくとも当該搬送手段の作動を制御する制御ユニットとを備え、前記複数の処理室のうち、同一の処理を施す少なくとも２つの処理室を、複数枚の基板を収容してこれら複数枚の基板に対して同時にストック処理を施すストック処理室とし、何れか一のストック処理室にてストック処理を施す間、他のストック処理室に対しては基板の搬入または搬出のみを行うように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、同一の処理を施す少なくとも２つの処理室をストック処理室とし、何れか一のストック処理室でストック処理が施されている間、他のストック処理室において基板の搬入または搬出のみを行うように構成したため、ストック処理室にて処理済みの基板を、搬送ロボットによりストック処理の後工程を行う処理室へと移送して当該処理室に搬入でき、ストック処理の前工程で処理済みの基板を、ストック処理を施さない当該ストック処理室に搬入することができ、前工程用の処理室に処理前の基板を搬入することができる。結果として、ストック処理の前後で所定の処理が施される処理室に対する基板の搬出や搬入が滞ることがなく、真空処理装置の処理能力を効果的に向上できる。また、ストック処理室は、搬送室への各処理室の装着方向に対して直行する方向を上下方向とし、上下複数段に複数枚の基板が収容し得るように上下方向に長手の形態とする構成を採用でき、このような構成では、真空処理装置の設置面積の増大を招くことがない。なお、本発明におけるストック処理としては、基板に付着した水分を除去する脱ガス処理、基板表面あるいは基板表面に形成された膜を酸化する酸化処理、または基板を加熱する加熱処理が挙げられる。

本発明においては、前記制御ユニットにより、ストック処理室に搬入される基板の枚数が、ストック処理の処理時間をこのストック処理の前工程の処理時間で除算することで得られる数値以上に決定されるように構成することが望ましい。これにより、一のストック処理室でのストック処理が終了した直後に、他のストック処理室でのストック処理を開始できるため、処理能力を一層向上させることができる。

本発明の実施形態の真空処理装置を模式的に示す横断面図。 図１のII-II線に沿った断面図。 ストック処理室の構成を説明する拡大縦断面図。 ＴＭＲ素子を有する磁気デバイスの一例を示す概略断面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の真空処理装置を説明する。図１中、Ｍは、本発明の実施形態の真空処理装置である。真空処理装置Ｍは、搬送ロボット１を有する中央の搬送室Ｔを備える。搬送ロボット１は、所謂フロッグレッグ式のものであり、図示省略のモータにより夫々回転駆動される、同心状に配置された２本の回転軸１ａ、１ｂと、回転軸１ａ、１ｂに夫々連結されたロボットアーム２と、ロボットアーム２の先端に取り付けられたロボットハンド３とから構成される。そして、回転軸１ａ、１ｂの回転角を適宜制御することで、ロボットアーム２が伸縮及び旋回自在となり、ロボットハンド３に保持された基板Ｓを後述するロードロック室Ｌや処理室Ａ〜Ｅに対して搬出又は搬入する。

搬送室Ｔには図外の真空排気手段が接続され、搬送室Ｔ内を所定の真空度に保持できるようになっている。搬送室Ｔは、平面視略正七角形状に形成され、その周囲（側面）には、ロードロック室Ｌと各処理室Ａ〜Ｅとがゲートバルブ５を介在させて装着されている。なお、以下においては、搬送室Ｔへの各処理室Ａ〜Ｅの装着方向に対して直交する方向を上下方向として説明する。また、本実施形態では、１個のロードロック室Ｌ及び５個の処理室を備えるものを例に説明するが、これに限定されるものではなく、処理室の数は、基板に対して施す処理に応じて適宜設定される。

処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅでは、基板が一枚ずつ処理されるようになっている。この場合、処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅには、基板Ｓに対して行う処理に応じた部品（ステージ６を含む）が組み込まれ、ロータリポンプやターボ分子ポンプから構成される真空排気手段が設けられており、スパッタリングやＣＶＤのような成膜処理、エッチング処理等の各種処理を実施し得る。尚、これらの部品は公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。他方、酸化処理や加熱処理や脱ガス処理などの処理を行う処理室Ｃ１、Ｃ２は、複数枚の基板を収容し、収容した複数枚の基板に対して同時に処理を行うストック処理室として構成されている。

ストック処理室Ｃ１、Ｃ２には、図２及び図３に示すように、所定間隔を存して上下複数段で基板Ｓを収容可能なマガジン１０と、マガジン１０を昇降させる昇降機構１１とが設けられている。このため、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２は、他の処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅとは異なり、上下方向に長手の形態を有する。昇降機構１１は、マガジン１０を支持する支持部材１１ａを有し、この支持部材１１ａに設けたナット部１１ｂには送りねじ１１ｃが螺合している。そして、図外のモータを回転させるとマガジン１０がストック処理室Ｃ内で昇降する。マガジン１０の周囲には断熱材１２が配置され、断熱材１２の内側には加熱手段１３が設けられ、各基板Ｓを所定温度に加熱して保持できる。加熱手段１３としては、抵抗加熱式のヒータや赤外線ランプ等を用いることができる。

ストック処理室Ｃ１、Ｃ２の上壁には、バルブ１４が介設されたガス導入管１５が接続され、ガス導入管１５は酸素ガスのような酸化性ガスのガス源（図示せず）に連通し、このガス導入管１５を介して酸化性ガスをストック処理室Ｃ１、Ｃ２内に導入できる。また、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２のゲートバルブ５とは反対側の側壁の下部には排気管１６が接続され、排気管１６はターボ分子ポンプやロータリポンプのような真空ポンプＰに通じており、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２内を所定圧力に制御できる。

上述した搬送ロボット１の作動、処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅに組み込まれた部品、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２の昇降機構１１や作動部品等は、コンピュータ、シーケンサーやドライバー等を備えた制御手段７たる制御ユニットにより統括制御されるようになっている。

次に、上記真空処理装置Ｍを用いた処理について、図４に示す磁気デバイスＭＤの製造を例に説明する。磁気デバイスＭＤは、基板２１の表面に、下地膜２２と、ピニング層２３ａ及びピン層２３ｂからなる固定磁性層２３と、トンネルバリア層２４と、自由磁性層２５と、保護層２６とを順次積層してなる。基板２１は、例えばシリコン酸化膜が表面に形成されたＳｉ基板であり、下地膜２２は例えば膜厚が５ｎｍのＴａ層である。ピニング層２３ａは例えば膜厚が１５ｎｍのＰｔＭｎ層であり、ピン層２３ｂは例えば膜厚が２．５ｎｍ／０．８５ｎｍ／３ｎｍのＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅＢ層の積層膜であり、トンネルバリア層２４は例えば膜厚が１．２ｎｍのＭｇＯ層であり、自由磁性層２５は例えば膜厚が３ｎｍのＣｏＦｅＢ層であり、保護層２６は例えば膜厚が５ｎｍのＴａ層である。この場合、処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅでの処理時間は５分とし、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２での処理時間は２０分とする。尚、各処理室Ａ〜Ｅでの具体的な処理内容は公知であるため、本実施形態では説明を省略する。

先ず、基板Ｓとして、シリコン酸化膜付きのＳｉ基板２１の表面にＴａ層２２とＰｔＭｎ層２３ａが積層されたものを用意する。この基板Ｓを２４枚ロードロック室Ｌのカセット４に収容し、ロードロック室Ｌ内を真空引きする。そして、搬送ロボット１によりロードロック室Ｌから１枚目の基板Ｓ１を搬出して、処理室Ａに搬入し、例えばスパッタリングによるＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅＢ層２３ｂの成膜処理（第１工程）が施される。

第１工程が終了すると、搬送ロボット１により処理室Ａから基板Ｓ１を搬出して、処理室Ｂに搬入し、例えばスパッタリングによるＭｇ層の成膜処理（第２工程）が施される。このとき、基板Ｓ１が搬出された処理室Ａには、ロードロック室Ｌから搬出した２枚目の基板Ｓ２が搬入されて、第１工程が施される。第２工程が終了すると、搬送ロボット１により処理室Ｂから基板Ｓ１を搬出して、ストック処理室Ｃ１（またはストック処理室Ｃ２）に搬入する。基板Ｓ１が搬出された処理室Ｂには、第１工程にて処理済みの基板Ｓ２が搬入されて、第２工程が施される。

ストック処理室Ｃ１では、マガジン１０に所定枚数の基板Ｓが収容された後に、複数枚の基板に対して同時に酸化処理（第３工程）が施される。所定枚数は、制御ユニット７によって、ストック処理室Ｃ１で施される第３工程の処理時間をその前工程である第２工程の処理時間で除算することにより得られる数値以上に決定される。ここで、第２工程の処理時間を５分、第３工程の処理時間を２０分とすると、所定枚数は４枚以上（例えば４枚）に決定される。この場合、ストック処理室Ｃ１のマガジン１０に４枚目の基板Ｓ４が収容されると、ヒータ１３により基板Ｓが加熱され、ガス導入管１５を介して酸化性ガスがストック処理室Ｃ１内に導入されてストック処理室Ｃ１内に酸化雰囲気が形成され、４枚の基板に対して第３工程が同時に施される。なお、処理時間には、成膜時間や酸化時間等に加えて、ステージ６に設けられた図示外のリフターの移動時間や、マガジン１０の昇降時間を含んでもよい。

ストック処理室Ｃ１にて基板Ｓ１〜Ｓ４に対し第３工程が施されている間、第２工程にて処理済みの５〜８枚目の基板Ｓ５〜Ｓ８が（第３工程を施していない）ストック処理室Ｃ２に順次搬入される。本実施形態では、ストック処理室Ｃ１に搬入される基板の枚数を４枚に設定しているため、ストック処理室Ｃ１での第３工程の終了時期と、ストック処理室Ｃ２への８枚目の基板Ｓ８の搬入の完了時期とが略一致する。このため、ストック処理室Ｃ１での第３工程が終了した直後に、ストック処理室Ｃ２において基板Ｓ５〜Ｓ８に対して施される第３工程が開始される。

ストック処理室Ｃ２にて基板Ｓ５〜Ｓ８に対し第３工程が施されている間、ストック処理室Ｃ１から処理済みの基板Ｓ１を搬出して、処理室Ｄに搬入し、例えばスパッタリングによるＣｏＦｅＢ層２５の成膜処理（第４工程）が施される。このとき、基板Ｓ１が搬出されたストック処理室Ｃ１には、第２工程にて処理済みの９枚目の基板Ｓ９が搬入される。さらに、基板Ｓ９が搬出された処理室Ｂには、第１工程にて処理済みの１０枚目の基板Ｓ１０が搬入されて、第２工程が施される。

第４工程が終了すると、搬送ロボット１により処理室Ｄから基板Ｓ１を搬出して、処理室Ｅに搬入し、例えばスパッタリングによりＴａ層２６の成膜処理（第５工程）が施される。このとき、基板Ｓ１が搬出された処理室Ｄには、第３工程にて処理済みの基板Ｓ２が搬入されて、第５工程が施される。

最終の第５工程が終了すると、搬送ロボット１により処理室Ｅから基板Ｓ１を搬出して、ロードロック室Ｌのカセット４に戻す。このように、搬送ロボット１により各処理室Ａ、Ｂ、Ｃ１（もしくはＣ２）、Ｄ、Ｅに対して、処理前または処理済みの基板の搬入や搬出を繰り返して、１枚の基板に対して第１〜第５工程が施されることにより、上記磁気デバイスＭＤを製造することができる。

以上説明した実施形態では、律速処理である第３工程をストック処理室Ｃ１、Ｃ２にて施すようにし、一のストック処理室Ｃ１（Ｃ２）で第３工程が施されている間、他のストック処理室Ｃ２（Ｃ１）に対しては基板Ｓの搬入又は搬出のみを行うようにしたため、ストック処理室Ｃ２（Ｃ１）にて処理済みの基板を、搬送ロボット１により後工程（第４工程）が施される処理室Ｄに搬入でき、前工程（第２工程）で処理済みの基板を第３工程を行わないストック処理室Ｃ２（Ｃ１）に搬入することができ、第２工程用の処理室に処理前の基板を搬入することができる。結果として、第３工程の前後で処理室Ｂ、Ｄに対する基板の搬出や搬入が滞ることがなく、真空処理装置Ｍの処理能力を効果的に向上できる。また、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２は、上下複数段に複数枚の基板Ｓが収容し得るように上下方向に長手の形態とする構成を採用した。このため、真空処理装置Ｍの高さは増大するものの、これらのストック処理室Ｃ１、Ｃ２の平面視の面積は増大しないため、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２を既存の搬送室Ｔに連結でき、真空処理装置Ｍの設置面積の増大を招くことがない。

また、本実施形態では、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２に搬入される基板の枚数が、第３工程の処理時間を前工程である第２工程の処理時間で除算することにより得られる数値以上に決定したため、一のストック処理室Ｃ１（Ｃ２）での第３工程が終了するまでに、他のストック処理室Ｃ２（Ｃ１）に対する基板の搬出又は搬入が終了する。これによれば、一のストック処理室での第３工程が終了した直後に、他のストック処理室での第３工程を開始できるため、処理能力を一層向上させることができる。

次に、本発明の真空処理装置Ｍの処理能力を確認した。この場合、処理室Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅでの処理時間を５分とし、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２の処理時間を２０分とした。２４枚の基板の処理に要する時間は、２１５分であり、基板１枚当たりの処理時間は２１５／２４＝８．９５分であった。また、比較実験として、ストック処理室Ｃ１、Ｃ２に代えて１個の枚様式処理室を配置して第３工程を行うようにした真空処理装置を用いた場合の処理能力を求めた。２４枚の基板の処理に要する時間は、５００分であり、基板１枚当たりの処理時間は５００／２４＝２０．８分であった。この結果から、本発明の真空処理装置Ｍが従来技術より高い処理能力を有することが判った。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、真空処理装置Ｍを磁気デバイスＭＤの製造に適用する場合について説明したが、例えば半導体デバイスのように複数の層を順次積層してなる積層構造を形成する場合に適用することができる。

また、上記実施形態では、本発明をクラスタツールに適用した場合について説明したが、コンベア等の搬送手段を用いて基板を処理室間に順次搬送して基板に各種の処理を施すインライン型の真空処理装置に本発明を適用することができる。

Ｍ…真空処理装置、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ…処理室、Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）…ストック処理室、１…搬送ロボット（搬送手段）、７…制御ユニット。

Claims (2)

1. 処理すべき基板に対し、真空雰囲気中で一貫して複数の処理を施す真空処理装置において、
   相互に隔絶可能に連結された複数の処理室と、各処理室間に対して基板を搬入または搬出する搬送手段と、少なくとも当該搬送手段の作動を制御する制御ユニットとを備え、
   前記複数の処理室のうち、同一の処理を施す少なくとも２つの処理室を、複数枚の基板を収容してこれら複数枚の基板に対して同時にストック処理を施すストック処理室とし、
   何れか一のストック処理室にてストック処理を施す間、他のストック処理室に対しては基板の搬入または搬出のみを行うように構成したことを特徴とする真空処理装置。
2. 前記制御ユニットにより、ストック処理室に搬入される基板の枚数が、ストック処理の処理時間をこのストック処理の前工程の処理時間で除算することで得られる数値以上に決定されることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。

Images