JP2662549B2 - 排気環境下で基板を冷却するシステム - Google Patents
排気環境下で基板を冷却するシステムInfo
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- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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- Y10S165/903—Convection
Description
高真空システム内で磁気ディスクのための処理といった
薄い基板を処理する技術に関する。特に、本発明は、連
続的な冷却、大気への排出、過度の温度増加に対する保
護のための準備といった目的のために排気された環境で
基板を冷却するシステムに関する。
基板に対しは、高真空処理が要求される。この処理は、
一般的に、基板を所望の温度に加熱すること、スパッタ
リングまたは同様の物理的な蒸着処理によりいろいろな
コーティングを行うことに関する。高真空処理は、高純
度コーティング付着を容易に、バックグラウンド圧力、
コーティング速度、および基板温度のようなパラメータ
により制御される様々な特性を実現することを容易にす
る。1991年9月20日に出願された米国特許出願第
736,183号に基板取扱い処理システムが説明され
ている。
わち、真空)下で基板の温度を制御することは基本的な
操作であるが、これは難しいことである。典型的に、基
本的な加熱は石英ランプ(石英水銀灯)のような装置か
らの放射によりなされる。しかし、たいていの加熱状態
処理は真空環境下でなされることはほとんどない。大気
は、ヒートシンクのまわりで循環環境を与えるようなも
のではない。
の温度を下げることもまたしばしば望まれる。たとえ
ば、基板を制御して冷却することが、磁気ディスクをク
ロム、コバルト合金、または炭素層といったもので連続
してコーティングするための予め定められた温度を実現
するために必要となる。この例で、比較的低温の基板に
蒸着すると、非常に堅く、耐摩耗性のある炭素コーティ
ングの特性が強められる。
に大気にさらすことで冷却することは、特定の応用例に
対しこのような基板の有用性を著しく限定する。さら
に、制御しない冷却および/または大気中で冷却は、上
昇した温度ではいろいろなコーティングの拡散が生じる
ため、コーティングの質に悪い影響を与える。
的薄い基板を冷却するために展開されてきた。米国特許
第4,909,314号にその装置が開示されている。
開示のシステムは、冷却すべき物品と接触するように設
計、形状付けされた熱交換体を含む。このシステムはま
た、物品と熱交換体との間の熱交換を容易にするため、
アルゴンのような比較的低伝導性のガスを採用する。
うな比較的薄い基板の接触動作が初期条件に維持されな
ければならない1またはそれ以上の表面を傷つけること
になることである。さらに、低質量で、その縁でのみ基
板を取り扱う必要性がヒートシンクとの伝導接触を難し
くする。
程との間に採用でき、すでに付着された基板のコーティ
ング表面を傷付けることのない真空環境下で基板を冷却
する改良方法を提供することである。
処理がもたらされる高められた冷却率で真空環境で基板
を冷却するシステムを提供することである。
れた環境下で基板を冷却するシステムは、従来技術にと
もなう欠陥、欠点を除去する。開示システムは、いずれ
の表面にも接触することなく急速に薄い基板を冷却する
ため特別な処理チェンバー内での伝導/対流熱伝達を採
用する。冷却チェンバーに、予め定められた距離だけ離
された固定両ヒートシンクが備えられ、その間に基板が
配置される。高熱伝導性ガスが導入され、所望の圧力に
至るまでチェンバー全体がガスで満たされる。次に、基
板はヒートシンクの温度、基板の最初の温度、ガス熱伝
導率、圧力および基板とヒートシンクとの間の距離に依
存し、ある温度まで冷却される。
却する、開示のシステムは、従来技術にともなう欠陥、
欠点を実質的に減少、除去する。本発明に従い、冷却チ
ェンバーに実質的に平行に向かいあう(対向する)表面
をもつ一対の固定ヒートシンクが設けられる。基板の各
外表面がヒートシンクの向かい合う(対向する)表面に
接近させ、かつ平行になるように、基板を配置すると、
高伝導性ガスが基板からヒートシンクへの熱移動を容易
にするため、冷却チェンバー内に導入される。本発明の
非常に重要な技術的利点は、ヒートシンクの隣接した表
面が、実質的な伝導/対流熱移動を達成するために、基
板に対し所定の近接間隔を保ち、ヒートシンクとの接触
により基板またはディスクの非常に繊細な表面に傷を付
つけるという危険性が除去された点である。
のように表すことができる。
では一定で、その圧力にほとんど、または全く依存する
ことなく高い。圧力が大気より下降すると、伝統率も減
少する。いろいろなガスの伝導率は、分子量に関連し、
ヘリウム、水素のような最も軽いガスが最もよい伝導体
である。図2は、最近の実験により決定された、ヘリウ
ムに対する圧力対伝導率をグラフにして示す。
ーションを設計する際、良い伝導率のためヘリウムまた
は水素のようなガスを選択することが重要である。さら
に、ヒートシンクと基板との間に最も高い温度差を与え
るために、ヒートシンクを実現できる最も低い温度に維
持することが必要である。米国特許出願第736,18
3号に示すような真空システム内で基板を連続的に処理
するとき、基板を容易かつ迅速に処理ステーションに配
置、そしてそこから取り出すことのできる最少で実施可
能な距離にヒートシンクと基板との間を維持することが
望ましい。これは、基板表面との望まない接触を避ける
ことと、基板からヒートシンクへの熱移動を最大にする
こととを達成する間隔である。
伝導率を最大にするため、真空システムの操作を妨げる
ことのない最も高い実施可能な値に制御されなければな
らない。このことは、典型的には、僅かな(全)ガス流
が非常に高まった圧力を与えるように、ガス流を高真空
ポンプへと絞ることによりなされる。
である。本発明の好適実施例において、基板冷却処理ス
テーション1が、破線で示す複数のボルトのような在来
の取り付け手段により主真空チェンバーハウジング21
に取り付けられ、Oリングシール22によりそこに効果
的にシールされている。
一対のヒートシンク3に取り付けられる2つのヒートシ
ンクスペーサ2を有する。ヒートシンクスペーサ2は、
基板10とヒートシンク3との間に臨界的な間隔を維持
するために便宜セットされている。ヒートシンク3の温
度を適切に低い値に維持するために、ヒートシンク3へ
そしてそこを通る導管4および5が、在来の冷媒をヒー
トシンク3に流し、そしてそこから流出させるために備
えられている。これにより、ヒートシンク3の温度が所
望のレベルに維持される。
3に動作可能に取り付けられた一対の在来の温度センサ
6、および処理チェンバー1のハウジングに動作可能に
配置された一対の在来の温度センサ真空フィードスルー
7によりモニターされる。温度センサ6およびフィード
スルー7がリード線8、9により接続されている。
ほぼ平坦な表面をもち、お互いにほぼ平行に配置されて
いる。ヒートシンクスペーサ2はヒートシンク3にしっ
かりと取り付けられ、両者が確実に同じ温度になるよう
にされている。ヒートシンクスペーサ2の表面は、基板
10からヒートシンク3へと実質的な伝導/対流熱移動
をなすために近接するが、その間に基板10を配置し、
繊細な基板10の表面にダメージを与えることがないよ
うに、基板10に接触しないような間隔があけられてい
る。ここで使用する実質的伝導/対流熱移動ということ
ばは、輻射のみによる基板10からヒートシンク3への
最適な熱移動の500%を越える伝導/対流熱移動を意
味する。
伝導性ガスを処理チェンバー20内に導入すために備え
られている。ヘリウムガスの導入は、基板10からヒー
トシンク3への熱移動率を高め、冷却効率を高める。
のような高伝導性材料からなり、約−130℃という極
低温での動作可能なものである。ヒートシンクスペーサ
2のそれぞれは、また各基板10の表面から0.05イ
ンチ(0.127cm)から0.25インチ(0.63
5cm)までの間の所定の間隔、好適には0.09イン
チ(0.229cm)の間隔に維持される。
媒体として採用される。ヘリウムガスは、導管24によ
り処理チェンバーに導入され、非常に小さなオリフィス
またはスロットルプレート(図示せず)を通って処理ス
テーション1のベースの近くに取り付けられた在来の高
真空クライオポンプ23へと排気される。
10はそこで、米国特許第763,183号に示された
ような基板ホルダー11にルーズに保持され、これによ
り基板のコートされたいずれの面も装置のどこにも接触
するこがない。
冷却処理ステーション1の取り付け取り外しを容易にす
るための一対のハンドル25を有する。
に従い、各ヒートシンク3が、基板10から0.05イ
ンチ(0.127cm)から0.25インチ(0.63
5cm)までの間の間隔、好適には0.09インチ
(0.229cm)の間隔だけ離れるれるように再配置
される。ヒートシンク3は、在来の極低温冷蔵機により
−50℃から−200℃の間、好適には−130℃に冷
却される。
面がヒートシンクスペーサ2の向かい合う表面に隣接
し、かつ実質的に平行となるように、基板ホルダー11
により処理チェンバー20内に配置される。ヘリウムま
たは水素のような高熱伝導性ガスが、処理チェンバー2
0に導入される一方で、ヒートシンク3は基板10から
ヒートシンク3への熱移動効率を高めるために動作温度
にされる。そのガス流は処理チェンバー20の圧力より
僅かに高いが、大気圧より実質的に低い圧力で導入、維
持される。好適実施例において、ガス圧は約1から10
0トル、好適には10トルに維持される。基板10の冷
却を停止するために、ガス流は停止されスロットルプレ
ートオリフィル(図示せず)が開く。
方法は、高真空ポンピング口(図示せず)を完全に閉
じ、有効な伝導をなすのに十分なガスを入れる。これ
は、動作圧力に到達したとき、停止される初期ガス流の
みに関する。冷却を停止するために、次に高真空弁が開
けられ、比較的少ない正味のガスが排気され、処理チェ
ンバー20内が高真空に戻される。
10は基板ホルダー11により処理チェンバー20から
取り除かれる。以下の制御および例は本発明の優れたと
ころを示す。制御および例は、例示のためであって、特
許請求の範囲を限定するためのものではない。
m)の未コート(非電気ニッケルを除く)アルミニウム
ディスクが以下の実験分析のために採用された。そのデ
ィスクはVブロックに配置され、300℃に予め加熱さ
れた。ディスクは、ディスク温度を精密にモニタするた
め従前の熱電対が設置された。ディスクと各ヒートシン
クとの間の間隔は0.225インチ(0.5715c
m)に維持された。
在しないとき、冷却率が測定された。したがって、その
実験は輻射のみによる冷却率が測定され、図3に示めさ
れている。
冷却水を使用して21℃に維持して、いろいろなヘリウ
ム圧力で繰り返され、図4、5、6および7に示されて
いる。図8は−130℃の極低温ヒートシンクを使用し
てなされた強化された冷却率を示す。上記実験の結果は
表1にまとめられている。
面にダメージを与える危険性なしに、処理の間、基板ま
たはディスクを有効に冷却する基板冷却システムを説明
している。これは、近接しているが、高伝導性ガスを使
用して基板からヒートシンクへの実質的な伝導/対流熱
移動を達成する十分な間隔をもつシンクの間に基板また
はディスクを容易かつ迅速に配置することで達成され
る。
構造物を参照して開示してきたが、当業者であれば、い
ろいろ使用および条件に適用できるように、本発明を変
更、変形できる。このような変形、変更は、正に特許請
求の範囲の全範囲に包含されるものである。
却シンクの断面図を示す。
である。
下)率を示すグラフである。
下)率を示すグラフである。
下)率を示すグラフである。
下)率を示すグラフである。
下)率を示すグラフである。
下)率を示すグラフである。
Claims (16)
- 【請求項1】 排気環境下で、実質的に平坦な背中合わ
せの外表面をもつ物品を冷却する装置であって、 真空チェンバー内に配置され、実質的に平坦な対向表面
をもつ一対の固定ヒートシンクを有する熱交換構造物で
あって、該両ヒートシンクが前記物品を前記ヒートシン
クと接触することなく、その間に挿入し、除去するのに
十分な所定の距離だけ離され、前記所定の距離が前記物
品と前記シンクとの間に実質的な対流/伝導熱移動を可
能にするように選択される、ところの熱交換構造物と、 前記物品の外表面が前記ヒートシンクの前記対向する表
面に近接しかつ平行となる位置に前記物品を移動し、除
去する移送手段と、 高伝導性ガス流を前記真空チェンバーの圧力より十分に
高いが、大気圧よりも実質的に低い圧力で前記ヒートシ
ンクと前記物品との間に提供する手段と、 から成る装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の装置であって、 前記ヒートシンクの前記対向する表面から前記物品の前
記対向する表面への前記所定の距離が、約0.127か
ら0.635cmである、ところの装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の装置であって、 前記ヒートシンクが前記ヒートシンクを冷却する手段を
含む、ところの装置。 - 【請求項4】 排気環境下で、実質的に平坦な背中合わ
せの外表面をもつ物品を冷却する方法であって、 大気圧より実質的に低い圧力で動作するようにした処理
チェンバー内に取り付けれる、実質的に平坦な対向する
表面をもつ一対のヒートシンクを、所定の距離だけ離す
工程であって、前記所定の距離が、前記物品を前記ヒー
トシンクと接触することなくその間に挿入し、除去する
ことが可能となり、前記物品と前記ヒートシンクとの間
に実質的な対流/伝導熱移動が可能となるように十分に
接近するように選択される、ところの工程と、 前記ヒートシンクを所定の温度に予め冷却する工程と、 前記物品から前記ヒートシンクへの熱移動を容易にする
ために、前記処理チェンバーの圧力より十分に高く、大
気圧より実質的に低い圧力で高熱伝導性ガス流を前記ヒ
ートシンクと前記物品との間に導入する工程と、 前記物品が所定の温度に冷却した後に前記処理チェンバ
ーから前記物品を取り除く工程と、 から成る方法。 - 【請求項5】 請求項4に記載の方法であって、 前記ヒートシンクの前記対向する表面から前記物品の前
記対向する表面への前記所定の距離が約0.127から
0.635cmである、ところの方法。 - 【請求項6】 請求項4に記載の方法であって、 前記ヒートシンクが約−50℃から−300℃の範囲の
温度に予め冷却される、ところの方法。 - 【請求項7】 請求項4に記載の方法であって、 前記高伝導性ガスがヘリウムおよび水素からなる群から
選択される、ところの方法。 - 【請求項8】 請求項4に記載の方法であって、 前記高伝導性ガスの圧力が約1から10トルの範囲に維
持される、ところの方法。 - 【請求項9】 排気環境下で,実質的に平坦な背中合わ
せの外表面を有する物品の温度を制御するための装置で
あって, 真空チェンバー内に配置され,実質的に平坦な表面を有
する少なくとも一つの固定ヒートシンクを有する熱交換
構造物であって,該ヒートシンクは前記ヒートシンクと
接触することなくヒートシンクの表面と平行に物品を配
置し及び除去するのに十分な所定の距離だけ物品から離
隔され,該所定の距離が前記物品と前記ヒートシンクと
の間に実質的な対流/伝導熱移動を可能にするように選
択される,ところの熱交換構造物と, 前記物品の外表面が前記ヒートシンクの前記平坦な表面
に近接しかつ実質的に平行となる位置に前記物品を移動
し,除去する移送手段と, 高伝導性ガスを前記真空チェンバーの圧力より十分に高
いが,大気圧よりも実質的に低い圧力で前記ヒートシン
クと前記物品との間に提供する手段と, から成る装置。 - 【請求項10】 請求項9に記載の装置であって、 前記ヒートシンクの前記対向する表面から前記物品の前
記対向する表面への前記所定の距離が、約0.127か
ら0.635cmである、ところの装置。 - 【請求項11】 請求項9に記載の装置であって、 前記ヒートシンクが前記ヒートシンクを冷却する手段を
含む、ところの装置。 - 【請求項12】排気環境下で,実質的に平坦な背中合わ
せの外表面を有する物品の温度を制御するための方法で
あって, 実質的に平坦な外表面を有するヒートシンクを大気圧よ
り実質的に低い圧力で動作するようにした処理チェンバ
ー内に取り付ける際,前記物品の外表面に平行かつ対向
するように該ヒートシンクを離隔する工程と, 前記物品と前記ヒートシンクとの間に実質的な対流/伝
導熱移動が可能となるような所定の距離だけ,前記ヒー
トシンクと接触することなくヒートシンクと平行に該物
品を離隔して配置する工程と, 前記ヒートシンクの温度を予め所定の温度に制御する工
程と, 前記物品から前記ヒートシンクへの熱移動を容易にする
ために,前記処理チェンバー圧力より十分に高く,大気
圧より実質的に低い圧力で高熱伝導性ガス流を前記ヒー
トシンクと前記物品との間に導入する工程と, 前記物品が所定の温度に達した後に前記処理チェンバー
から前記物品を取り除く工程と, から成る方法。 - 【請求項13】 請求項12に記載の方法であって、 前記ヒートシンクの前記対向する表面から前記物品の前
記対向する表面への前記所定の距離が約0.127から
0.635cmである、ところの方法。 - 【請求項14】 請求項12に記載の方法であって、 前記ヒートシンクが約−50℃から−300℃の範囲の
温度に予め冷却される、ところの方法。 - 【請求項15】 請求項12に記載の方法であって、 前記高伝導性ガスがヘリウムおよび水素からなる群から
選択される、ところの方法。 - 【請求項16】 請求項12に記載の方法であって、 前記高伝導性ガスの圧力が約1から10トルの範囲に維
持される、ところの方法。
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