JP3923696B2 - 基板回転装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板等の被処理基板を処理室内で回転させる基板回転装置に関し、特に基板に薄膜を形成するためのＣＶＤ装置や基板表面を薄く削り取るエッチャー装置や急速加熱処理（ＲＴＡ）装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置の処理室内で基板を回転させる基板回転装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のＣＶＤ装置やエッチャー装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置において、図１に示すように、被処理基板１０１を基板ホルダ又はサセプタ１０２に載置し、該基板ホルダ又はサセプタ１０２を回転させることにより、被処理基板１０１を処理室１０３内で回転させている。この場合、基板ホルダ又はサセプタ１０２を回転させる回転機構からの発塵、ガス放出、ベアリングの寿命等の問題から、回転体１０４を回転自在に支持する軸受として磁気軸受（ラジアル磁気軸受１０５、１０６、アキシャル磁気軸受１０７）を用いたものが提案されている。
【０００３】
上記ＣＶＤ装置や基板表面を薄く削り取るエッチャー装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置においては、処理室１０３内で腐食性のガスを使用することが多く、磁気軸受のステータ側構成部材のガス接触部を円筒状の圧力隔壁（キャン）で覆っている。しかしながら被処理基板１０１の径が大きくなると、該被処理基板１０１を回転させる回転機構の回転体１０４の径も大きくなり、圧力隔壁の強度（剛性）も大きくする必要がある。
【０００４】
例えば、１ｋｇｆ・ｃｍ2の外圧を受けるとステンレス円筒隔壁で、内径φ４００〜５００の場合、座屈応力が１ｋｇｆ・ｃｍ2の肉厚は約３〜５ｍｍであり、その約１／１０の約０．３ｍｍ厚にした場合、外圧差１Ｔｏｒｒで座屈応力となる。従って、回転体の径が大きくなると隔壁の肉厚も厚くする必要がある。肉厚を厚くするとラジアル磁気軸受１０５、１０６及びアキシャル磁気軸受１０７のステータ側の電磁石１０５ａ、１０６ａ、１０７ａ、１０７ｂとロータ側のターゲットの間の間隔が大きくなり、制御磁気力が小さくなる。そこで大きな制御磁気力を得るためには電磁石の巻線数を多くしたり、励磁電流を大きくしなければならず、磁気軸受が大型化するという問題がある。なお、図１において、１０８は回転体に回転力を与えるモータステータであり、１０９は石英窓、１１０はランプヒータユニット、１１１、１１２は被処理基板１０１を搬出入するための搬出入ゲートである。
【０００５】
また、回転体１０４の径が大きくなるとアキシャル磁気軸受１０７の電磁石１０７ａ、１０７ｂの径も大きくなり、該電磁石１０７ａ、１０７ｂで発生する不安定トルク（不平衡トルク）が無視できないほど大きくなる。この不平衡トルクを補償する目的も含めて、ラジアル磁気軸受１０５、１０６を軸方向に２つ（４軸分）配置すると、軸長が延び、スペース効率の低下はもとより、回転体特性として慣性モーメント比が１に近いデザインとなるため危険である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、近年の半導体基板の大口径化に伴い基板回転装置の回転体が大口径化しても、磁気軸受の占有スペース効率が改善でき、磁気軸受のロータ側の構成部材である電磁石ターゲットやセンサターゲットを処理室内空間と連通する空間に配置し、磁気軸受のステータ側の構成部材である電磁石のコイルやヨーク及び変位センサのコイルやヨークを処理室空間外に配置した構成の基板回転装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するめための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材とモータのステータ側構成部材は、ステータハウジングとして機能する隔壁により区切られた、処理室に連通する空間の外側の空間に位置し、該隔壁はロータと該磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、電磁石のヨークが配置された隔壁の一部は、磁気軸受のステータ側構成部材である該電磁石のヨークと同質材料であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板回転装置において、ステータハウジングは、処理室近傍に冷却ゾーンを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の基板回転装置において、ステータハウジングは、処理室と該冷却ゾーンの間にガスパージゾーンを設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル 磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石がロータの水平ディスクの略上下に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材とモータのステータ側構成部材は、隔壁により区切られた、処理室に連通する空間の外側に位置し、該隔壁はロータと磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークの先端は、ロータに直面するように隔壁を貫通していることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は、ロータ側構成部材である水平ディスクと、３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、２つのラジアル軸（Ｘ、Ｙ方向）の並進運動は、アキシャル磁気軸受のステータ側構成部材の１つである電磁石のヨークとロータ側構成部材である水平ディスクの相対位置が並進方向にずれた時に発生するラジアル方向の復元力によって受動的に支持されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、水平ディスクを備え、搭載した基板を回転するロータと、ロータを支持する磁気軸受であり、該磁気軸受は該ロータの位置を検出し変位センサ出力信号Ｓｏを出力する１個以上の変位センサを具備し、アキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなり、該アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受からなり、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置された磁気軸受と、ロータに処理室内の基板を回転する力を与えるモータと、変位センサからの変位センサ出力信号Ｓｏと閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を段階的に比較する比較回路とを備え、比較回路において閾値を｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜＜｜Ｓ３｜とし、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜＞｜Ｓ１｜の時、第１の比較回路が警報回路を駆動し、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ２｜の時、第２の比較回路が基板回転装置の故障を通報する故障出力回路及び前記モータの運転を停止するモータ運転停止回路を駆動し、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ３｜の時、第３の比較回路が故障出力回路、モータ運転停止回路及び磁気軸受の浮上制御を停止する磁気軸受停止回路を駆動し、３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石がロータの水平ディスクの略上下に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の基板回転装置において、閾値｜Ｓ１｜、｜Ｓ２｜、｜Ｓ３｜を段階的に記憶する記憶部と、各比較回路の処理を実行し、警報回路、故障出力回路、モータ運転停止回路、及び磁気軸受停止回路を駆動するコンピュータを備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る基板回転装置の概略構成を示す図である。被処理基板１を基板ホルダ又はサセプタ２に載置し、該基板ホルダ又はサセプタ２を回転させることにより、被処理基板１を処理室３内で回転させるようになっている。基板ホルダ又はサセプタ２はロータ４の上端に固着されている。ロータ４は後に詳述するようにラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６で磁気浮上支持されるようになっている。
【００１５】
また、図２において、８はロータ４に回転力を与えるモータであり、９は石英窓、１０はランプヒータユニット、１１、１２は被処理基板１の搬出入のための搬出入ゲート、１３はアキシャル磁気軸受６のロータ側ターゲットとなる水平ディスクであり、ロータ４の外周水平方向に設けられている。以下、各部の詳細を説明する。
【００１６】
図３乃至図６は本発明に係る基板回転装置の構成を示す図で、図３は構成部品の平面配置を示す図、図４は図３のＡ−Ａ〜Ｅ−Ｅ断面を示す図、図５は図３のＦ−Ｆ〜Ｊ−Ｊ断面を示す図、図６は外周面展開図である。図示するように、円筒状のロータ４の外周面に対向してラジアル磁気軸受５−１〜５−４のステータ側構成部材である電磁石５−１ａ、５−２ａ、５−３ａ、５−４ａが配置されている。電磁石５−１ａと電磁石５−３ａが一対でＸ軸を支持し、電磁石５−２ａと電磁石５−４ａが一対でＹ軸を支持するようになっている。
【００１７】
電磁石５−１ａ、５−２ａ、５−３ａ、５−４ａのそれぞれの近傍にはラジアル磁気軸受５−１〜５−４のステータ側構成部材である変位センサ５−１ｂ、５−１ｃ、５−２ｂ、５−２ｃ、５−３ｂ、５−３ｃ、５−４ｂ、５−４ｃがロータ４の外周に対向して配置されている。
【００１８】
アキシャル磁気軸受６は６−１〜６−３に３分割され、その配置点を結ぶ線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が略正三角形となるように配置されている。アキシャル磁気軸受６−１はステータ側構成部材である２個の上電磁石６−１ａ、６−１ｂと１個の下電磁石６−１ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。また、アキシャル磁気軸受６−２は２個の上電磁石６−２ａ、６−２ｂと１個の下電磁石６−２ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。また、アキシャル磁気軸受６−３も２個の上電磁石６−３ａ、６−３ｂと１個の下電磁石６−３ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。
【００１９】
また、上記下電磁石６−１ｃ、６−２ｃ、６−３ｃのそれぞれの近傍にはアキシャル磁気軸受６のステータ側構成部材である変位センサ６−１ｄ、６−２ｄ、６−３ｄが水平ディスク１３に対向して配置されている。また、水平ディスク１３の下方には、モータ８のステータ８−１、８−２がロータ４に対向して配置されている。
【００２０】
上記ロータ４は処理室３の内部空間と連通する空間に配置され、ラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６及びモータ８のステータ側構成部材は該ロータ４との間に隔壁（キャン）１４を設けて処理室３の内部空間外に配置されている。
【００２１】
ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の電磁石５−１ａ〜５−４ａ及びアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃの小型化のために隔壁１４の厚さは薄くしたいが、処理室３内を減圧状態にし、被処理基板１の処理に特殊ガスを使用するので、隔壁１４に強度を持たせ、信頼性を向上させる必要がある。そこでここでは隔壁１４を圧力容器構造とした。そして電磁石５−１ａ〜５−４ａ及び電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃのヨーク（磁極）が位置する部分の隔壁１４ａをヨークと同質の磁性材とし、それを埋め込み、仕上げ加工した構造としている。これにより、ヨークとロータ４の間の間隙が小さくなり、ロータ４に大きい制御磁気力を与えることができる。従って、隔壁１４を圧力容器構造としても、電磁石の起磁力（アンペアターン）を大きくする必要がない。
【００２２】
隔壁１４の処理室３と連結する近傍には、冷却ゾーン（水冷ジャケット）１５、１５を設け、処理室３からの熱と、ロータ４に作用する重力分を負担するアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂからの熱を共に除去できる構成となっている。
【００２３】
また、処理室３と冷却ゾーン１５を挟んだ位置にガスパージゾーン１６を備え、冷却ゾーン１５の位置する部分の隔壁１４とロータ４の間隙にガスが滞留しやすい構成としている。このガスパージゾーン１６で使用するガスは熱伝達性の良いガスを用い、ロータ４からの熱を冷却ゾーン１５に効率良く伝達するようになっている。
【００２４】
ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃとアキシャル磁気軸受６の変位センサ６−１ｄ〜６−３ｄは、冷却ゾーン１５、ガスパージゾーン１６、アキシャル磁気軸受６のロータ４の重量を負担する上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂよりも処理室３から遠い位置に配置し、センサ機能の安定を維持しやすい構成としている。
【００２５】
上記変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃ及び変位センサ６−１ｄ〜６−３ｄは、それぞれインダクタンス式センサで、ロータ側センサターゲットの間には薄い非磁性隔壁（キャン）を挟んだ構造とし、薄い隔壁はキャップ状構造で、メインの隔壁１４にＯリング１７でシールする構造である。
【００２６】
上記インダクタンス式センサは、センサと浮上ターゲット（ここではロータ４）との間の間隙変化を検出コイルのインダクタンス変化で検知するセンサである。このセンサは一定振幅電圧の固有の周波数信号（キャリア信号）を検出コイルに印加し、検出コイルの磁気回路上の間隙に変化があると、コイルインダクタンスが変化するため、コイルに流れる電流が変化する。この現象をブリッジ回路を利用して、検出コイルのインダクタンス変化による変調されたキャリア信号を効果的に抽出するものである。ここで隔壁１４に導電性材を用いると二次回路が発生し、相互インダクタンスとして検出コイルに影響してしまう。そのため、センサの応答周波数性能とトレードオフの関係になるが、センサキャリア信号の周波数を下げることで影響の低減を図ることができる。
【００２７】
ロータ４の概略重心位置に配置した１つの（２軸分の）ラジアル磁気軸受５−１〜５−４とその下方に配置したモータ８の部分ではロータ側とステータ側の間の間隙は比較的大きく取れ、ロータ４のこの部分４ａ、４ｂを非磁性体としている。モータ８にはインダクションモータの一種を使用する。モータ８のロータ側ターゲット（ロータ４の４ａ部分）を非磁性体とした最大の理由は、モータ８でのラジアル方向外力を少なくし、ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の負担を軽減し、その分ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の小型化を図るためである。
【００２８】
モータ８のロータとなるロータ４の４ａ部分は表面処理されたアルミニウム材、その上のラジアル磁気軸受５−１〜５−４の変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃ及び電磁石５−１ａ〜５−４ａが位置するロータ４の４ｂ部分は磁性材（電磁ステンレス、パーマロイ等）としている。ロータ４の更に上の４ｃ部分は処理室３に近づくため、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼やモリブデン、表面処理したカーボン材としている。
【００２９】
処理室３内での被処理基板１の処理温度は１０００℃に達するため、ロータ４のアキシャル磁気軸受６−１〜６−３及びラジアル磁気軸受５−１〜５−４に達するまでの間で十分な温度勾配を実現する必要がある。そのため、冷却ゾーン１５、１５及びガスパージゾーン１６が位置する部分のロータ４の４ｃ部分を薄肉化している。
【００３０】
上記のように本基板回転装置においては、アキシャル磁気軸受６は水平支持に必要な最小軸数の３分割にしているので、従来の各軸独立に制御する各軸独立制御方式の制御回路で運転制御できる。そのため、制御装置の小型化が達成でき、コストも低減できる。
【００３１】
図７はガスパージゾーン１６の平面構成を示す図である。図示するようにガスパージゾーン１６はゾーン１６−１、１６−２、１６−３に分割されており、各ゾーン１６−１、１６−２、１６−３はそれぞれ内面に開口する開口部を有するパージガス供給室１６−１ａ、１６−２ａ、１６−３ａを有し、該開口部には多数のノズル孔が形成されたノズル板１６−１ｂ、１６−２ｂ、１６−３ｂが設けられている。ガス導入口１６−１ｃ、１６−２ｃ、１６−３ｃからパージガスをパージガス供給室１６−１ａ、１６−２ａ、１６−３ａに供給することにより、ノズル板１６−１ｂ、１６−２ｂ、１６−３ｂよりロータ４と隔壁１４の間の間隙にパージガスが供給される。
【００３２】
なお、本基板回転装置においては、ラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６が動作しない場合に作動するタッチダウンベアリングが設けられている。該タッチダウンベアリングは、図５に示すようにロータ４のラジアル方向を支持するラジアルタッチダウンベアリング１８とアキシャル方向を支持するアキシャルタッチダウンベアリング１９が配置されている。
【００３３】
ラジアルタッチダウンベアリング１８は支持部材１８−２に回転自在に支持された小径のベアリング１８−１を有し、該ベアリング１８−１を水平ディスク１３の下方のロータ４の外周に所定の間隔で、且つ外周面と所定の間隙を設けて複数個配置されている。アキシャルタッチダウンベアリング１９は支持部材１９−２で回転自在に支持された小径のベアリング１９−１を有し、ベアリングを水平ディスク１３の上下に所定の間隔で、且つ上下面と所定の間隙を設けて複数個配置されている。
【００３４】
本基板回転装置では、アキシャル磁気軸受６のロータ４の上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂにより、ラジアル方向の復元力を発生するようになっている。図８はその説明のための図で、同図（ａ）は上電磁石６−１ａと水平ディスク１３の位置関係を示す図で、同図（ｂ）はＡ部分の拡大図である。図示するように、水平ディスク１３の外周部が上電磁石６−１ａのヨーク（磁極）ｙより、内側に変位した場合、水平ディスク１３の外周部とヨークｙの端部を通る磁束による磁気吸引力Ｆにより、ラジアル方向の復元力Ｆｒとアキシャル方向の復元力Ｆａが発生し、このラジアル方向の復元力Ｆｒにより、ロータ４はラジアル方向に復元する。
【００３５】
ラジアル磁気軸受は、ステータ側にコ字型ヨーク（磁極）に励磁巻線を備えた電磁石２１を図９（ａ）に示すように、磁性材からなるロータ４に対向して配置（Ｘ軸、Ｙ軸方向に）し、ラジアル制御力としては磁気吸引力を利用した方式と、これに対して、電磁石構造は同じとし、ステータ側にコ字型ヨークに励磁巻線を備えた電磁石５−１ａ〜５−４ａを図９（ａ）に示すように配置する点は同じであるが、ロータ４の構成材料を非磁性で低固有抵抗（例えば、アルミニウム、銅）とし、ラジアル制御力としては誘導反発力を利用する方式でも良い。
【００３６】
円筒状のロータ４が大口径となると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に制御力を受けた場合、ロータ４の剛性が小さいと変形する。そこで、図９（ｂ）に示すように、ロータ４を挟んで電磁石５−１ａ、５−３ａをＹ軸方向に、電磁石５−２ａ、５−４ａをＸ軸方向に配置することにより、ロータ４の変形を防止することが可能となる。
【００３７】
なお、図５及び図６の符号２０はロータ４の回転位置を検出するための回転位置検出センサである。該回転位置検出センサ２０には渦電流型のセンサを使用している。この渦電流型のセンサでは、隔壁１４が不導電体であることが必要である。そこで、図１０に示すように、ＳｉＯ2セラミックスからなる保護ケース２０−１を隔壁１４を貫通させてロータ４に対向配置し、該保護ケース２０−１内に渦電流型のセンサ素子２０−２を収納する構成としている。なお、２０−３は保護ケース２０−１と隔壁１４の間をシールするＯリングである。
【００３８】
磁気軸受を構成する電磁石及び変位センサが腐食性ガス等の特殊な雰囲気に曝される場合、該電磁石及び変位センサと浮上体との間に隔壁（キャン）を配置して、該電磁石及び変位センサを保護しているが、隔壁の厚み分だけ、電磁石及び変位センサと浮上体（ロータ）との間の間隔が大きくなり、磁気抵抗が増大し、電磁石の制御磁気力や変位センサの感度が低下する。特に隔壁の径が大きくなると上述のように強度も大きくする必要があり、肉厚の厚い圧力隔壁とする必要がある。従って、電磁石や変位センサのコイルの起磁力を大きくする必要からコイルが大型化する。
【００３９】
そこで、本発明では上記のようにラジアル磁気軸受５−１〜５−４の電磁石５−１ａ〜５−４ａ及びアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃのヨークが位置する部分の隔壁１４ａをヨークと同質の磁性材料とし、それを埋め込んで対処している。以下この対策について更に図１１を用いて説明する。図１１は磁気軸受の構成を示す図で、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００４０】
図示するように、磁気軸受３０の変位センサー３１のセンサヨーク３１ａの位置する部位の非磁性金属材からなる隔壁３２に該センサヨーク３１ａと同一又は同質の磁性体材３２ａを埋め込み浮上体３３に対向配置している。また、電磁石３４の電磁石ヨーク３４ａの位置する部位にも電磁石ヨークと同一又は同質の磁性体材３２ｂを埋め込み浮上体３３に対向配置している。磁性体材３２ａ、３２ｂを隔壁３２に埋め込んだ部分には溶接等による接合シール部３５及び３６が設けられている。なお、センサヨーク３１ａはセンサコイル３１ｂが装着され、電磁石ヨーク３４ａには電磁石コイル３４ｂが装着されている。
【００４１】
このように隔壁３２のセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの位置する部位に磁性体材３２ａ、３２ｂを埋め込んだことにより、隔壁３２の肉厚を大きくしてもセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａと浮上体３３との間の磁気抵抗は大きくならない。これによりセンサ感度が向上し、浮上体３３の変位を精度良く検知できるためセンサコイル３１ｂを大きくする必要がない。また、電磁石ヨーク３４ａと浮上体３３との間の磁気抵抗も大きくならないから、浮上体３３に作用する制御磁気力も減少することなく、電磁石コイルを大きくする必要がない。
【００４２】
また、上記例ではセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの先端が位置する隔壁３２の部位に磁性体材３２ａ、３２ｂを埋め込んでいるが、センサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの先端が直接隔壁３２を貫通し浮上体３３と対向するようにしてもよい。
【００４３】
一般に上記のように基板回転装置において、ロータに振れ回りや単なる振れが発生し、それがある設定値以上の変位センサ出力信号として現れた場合、１）磁気軸受の制御を遮断（停止）、２）磁気軸受制御は継続するがロータ回転を停止するなどの対策が講じられている。また、対策１）には、更にロータの回転停止も加えるケースもある。対策１）の場合は、ある変位センサ出力が設定値以上になったとき、初めて異常を認識し、突然タッチダウンすることになる。対策２）の場合にも、変位センサ出力がある一つの設定値以上になった時、初めて異常と認識し、突然ロータの回転を停止してしまう。
【００４４】
上記構成の基板回転装置を特に基板処理装置に用いた場合、処理中に突然、回転が停止した場合には、処理中だった基板は「使用できない物」となる。半導体製造工程中の基板、即ち半導体ウエハは高価であから、できるだけ不良発生は避けたい。また、突然磁気軸受の制御を遮断し、タッチダウン状態になることは、ロータに積載した基板を破損しかねないという問題がある。
【００４５】
そこで、例えば図１２に示すような３個の比較回路４１、４２、４３で異常検出回路を構成し、各比較回路４１、４２、４３にはそれぞれ閾値（基準値）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を設定する。この閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は図１３に示すように、｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜＜｜Ｓ３｜の関係にある。また、各比較回路４１、４２、４３には変位センサ出力信号Ｓｏが入力される。
【００４６】
上記構成の異常検出回路において、センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜＞｜Ｓ１｜の時は比較回路４１は警報回路４４を駆動し警報のみを出力し、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ２｜の時は比較回路４２は故障出力回路４５及びモータ運転停止回路４６を駆動し、故障の通報と共に、モータ運転を停止する。また、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ３｜の時は比較回路は故障出力回路４５、モータ運転停止回路４６、磁気軸受停止回路４７を駆動し、故障の通報、モータ運転停止及び磁気軸受の浮上制御を停止する。
【００４７】
このように段階的に異常を検出し、本基板回転装置を統括する半導体製造装置の主制御部に対して状況を段階的に伝えることで、基板の処理中にロータが停止となる発生率を低減できる。なお、図１２に示す異常検出回路は一例であり、これに限定されるものではない。例えば変位センサの閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を記憶部に記憶しておき、上記比較回路４１、４２、４３の各処理をコンピュータで行い、警報出力、故障出力、モータ運転停止及び磁気軸受停止を行うようにしてもよい。また、閾値は３個に限定されるものではなく、２個以上であればよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００４９】
アキシャル磁気軸受は３分割され、その配置点を結ぶ線が略正三角形となるように配置したので、従来の各軸独立に制御する各軸独立制御方式の制御回路で運転制御できるから、制御装置の簡素化及び小型化が可能となる。また、ロータの口径が大きくなってもアキシャル磁気軸受の電磁石の径は大きくならず、またそれぞれの位置でアキシャル軸方向の位置制御を行うため、結果的にラジアル軸周りの運動も安定化され、従来のアキシャル磁気軸受の電磁石で発生する不安定トルク（不平衡トルク）のような不安定力が大きくならない。
【００５０】
また、ロータを処理室と連通する空間に配置し、磁気軸受のステータ側構成部材及びモータのステータ側構成部材はロータとの間に隔壁を設けて処理室空間外に配置し、磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークが位置する隔壁部位には該ヨークと等価な材質の材料を埋め込み、隔壁全体としてステータハウジングを構成するので、隔壁の肉厚を厚くし圧力隔壁としても磁気制御力は減少せず、被処理基板の大口径化が進む半導体製造分野で要望される、長寿命、ノンパーティクル、占有スペースの効率化に対処できる基板回転装置を提供できる。更に、隔壁の外側に磁気軸受のステータ側構成部材を配置するので、処理室及び該処理室に連通する空間を特殊雰囲気のまま、磁気軸受の構成部品やモータ構成部品を交換修理することが可能となる。
【００５１】
また、２つのラジアル軸（Ｘ、Ｙ方向）方向の並進運動は、アキシャル磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークとロータ側構成部材である水平ディスクの相対位置が、並進方向（水平方向）にずれた時に発生するラジアル方向の復元力によって受動的に支持されるので、上記効果に加え安定したロータの磁気浮上支持が得られる。
【００５２】
また、ステータハウジングの処理室近傍には冷却ゾーンを設け、該処理室に対して該冷却ゾーンを挟んだ位置にガスパージゾーンを設けたので、磁気軸受を構成する変位センサの温度上昇が抑制され、ロータの位置変位を精度よく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の基板回転装置の概略構成例を示す図である。
【図２】 本発明に係る基板回転装置の概略構成例を示す図である。
【図３】 本発明に係る基板回転装置の構成部品の平面配置構成を示す図である。
【図４】 図３のＡ−Ａ〜Ｅ−Ｅ断面を示す図である。
【図５】 図３のＦ−Ｆ〜Ｊ−Ｊ断面を示す図である。
【図６】 本発明に係る基板回転装置の外周面展開図である。
【図７】 本発明に係る基板回転装置のガスパージゾーンの平面構成を示す図である。
【図８】 アキシャル磁気軸受によるラジアル方向復元力の発生を説明するための図である。
【図９】 ラジアル磁気軸受の電磁石のロータに対する配置状態を示す図である。
【図１０】 本発明に係る基板回転装置の回転位置検出センサ及びその取付構造を示す断面図である。
【図１１】 本発明に係る基板回転装置の磁気軸受の構成例を示す図で、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図１２】 本発明に係る基板回転装置の異常検出回路の構成例を示す図である。
【図１３】 本発明に係る基板回転装置の変位センサの出力例を示す図である。
【符号の説明】
１ 被処理基板
２ 基板ホルダ又はサセプタ
３ 処理室
４ ロータ
５ ラジアル磁気軸受
５−１ ラジアル磁気軸受
５−２ ラジアル磁気軸受
５−３ ラジアル磁気軸受
５−４ ラジアル磁気軸受
６ アキシャル磁気軸受
６−１ アキシャル磁気軸受
６−２ アキシャル磁気軸受
６−３ アキシャル磁気軸受
８ モータ
８−１ モータステータ
８−２ モータスタータ
９ 石英窓
１０ ランプヒータユニット
１１ 搬出入ゲート
１２ 搬出入ゲート
１３ 水平ディスク
１４ 隔壁
１５ 冷却ゾーン
１６ ガスパージゾーン
１７ Ｏリング
１８ ラジアルタッチダウンベアリング
１９ アキシャルタッチダウンベアリング
２０ 回転位置検出センサ
３０ 磁気軸受
３１ 変位センサ
３２ 隔壁
３３ 浮上体
３５ シール部
３６ シール部
４１ 比較回路
４２ 比較回路
４３ 比較回路
４４ 警報出力回路
４５ 故障出力回路
４６ モータ運転停止回路
４７ 磁気軸受停止回路
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板等の被処理基板を処理室内で回転させる基板回転装置に関し、特に基板に薄膜を形成するためのＣＶＤ装置や基板表面を薄く削り取るエッチャー装置や急速加熱処理（ＲＴＡ）装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置の処理室内で基板を回転させる基板回転装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のＣＶＤ装置やエッチャー装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置において、図１に示すように、被処理基板１０１を基板ホルダ又はサセプタ１０２に載置し、該基板ホルダ又はサセプタ１０２を回転させることにより、被処理基板１０１を処理室１０３内で回転させている。この場合、基板ホルダ又はサセプタ１０２を回転させる回転機構からの発塵、ガス放出、ベアリングの寿命等の問題から、回転体１０４を回転自在に支持する軸受として磁気軸受（ラジアル磁気軸受１０５、１０６、アキシャル磁気軸受１０７）を用いたものが提案されている。
【０００３】
上記ＣＶＤ装置や基板表面を薄く削り取るエッチャー装置等の特殊な雰囲気で基板の処理を行う装置においては、処理室１０３内で腐食性のガスを使用することが多く、磁気軸受のステータ側構成部材のガス接触部を円筒状の圧力隔壁（キャン）で覆っている。しかしながら被処理基板１０１の径が大きくなると、該被処理基板１０１を回転させる回転機構の回転体１０４の径も大きくなり、圧力隔壁の強度（剛性）も大きくする必要がある。
【０００４】
例えば、１ｋｇｆ・ｃｍ2の外圧を受けるとステンレス円筒隔壁で、内径φ４００〜５００の場合、座屈応力が１ｋｇｆ・ｃｍ2の肉厚は約３〜５ｍｍであり、その約１／１０の約０．３ｍｍ厚にした場合、外圧差１Ｔｏｒｒで座屈応力となる。従って、回転体の径が大きくなると隔壁の肉厚も厚くする必要がある。肉厚を厚くするとラジアル磁気軸受１０５、１０６及びアキシャル磁気軸受１０７のステータ側の電磁石１０５ａ、１０６ａ、１０７ａ、１０７ｂとロータ側のターゲットの間の間隔が大きくなり、制御磁気力が小さくなる。そこで大きな制御磁気力を得るためには電磁石の巻線数を多くしたり、励磁電流を大きくしなければならず、磁気軸受が大型化するという問題がある。なお、図１において、１０８は回転体に回転力を与えるモータステータであり、１０９は石英窓、１１０はランプヒータユニット、１１１、１１２は被処理基板１０１を搬出入するための搬出入ゲートである。
【０００５】
また、回転体１０４の径が大きくなるとアキシャル磁気軸受１０７の電磁石１０７ａ、１０７ｂの径も大きくなり、該電磁石１０７ａ、１０７ｂで発生する不安定トルク（不平衡トルク）が無視できないほど大きくなる。この不平衡トルクを補償する目的も含めて、ラジアル磁気軸受１０５、１０６を軸方向に２つ（４軸分）配置すると、軸長が延び、スペース効率の低下はもとより、回転体特性として慣性モーメント比が１に近いデザインとなるため危険である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、近年の半導体基板の大口径化に伴い基板回転装置の回転体が大口径化しても、磁気軸受の占有スペース効率が改善でき、磁気軸受のロータ側の構成部材である電磁石ターゲットやセンサターゲットを処理室内空間と連通する空間に配置し、磁気軸受のステータ側の構成部材である電磁石のコイルやヨーク及び変位センサのコイルやヨークを処理室空間外に配置した構成の基板回転装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するめための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材とモータのステータ側構成部材は、ステータハウジングとして機能する隔壁により区切られた、処理室に連通する空間の外側の空間に位置し、該隔壁はロータと該磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、電磁石のヨークが配置された隔壁の一部は、磁気軸受のステータ側構成部材である該電磁石のヨークと同質材料であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板回転装置において、ステータハウジングは、処理室近傍に冷却ゾーンを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の基板回転装置において、ステータハウジングは、処理室と該冷却ゾーンの間にガスパージゾーンを設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル 磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石がロータの水平ディスクの略上下に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材とモータのステータ側構成部材は、隔壁により区切られた、処理室に連通する空間の外側に位置し、該隔壁はロータと磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークの先端は、ロータに直面するように隔壁を貫通していることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、処理室内の基板を回転する回転力をロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、アキシャル磁気軸受は、ロータ側構成部材である水平ディスクと、３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、２つのラジアル軸（Ｘ、Ｙ方向）の並進運動は、アキシャル磁気軸受のステータ側構成部材の１つである電磁石のヨークとロータ側構成部材である水平ディスクの相対位置が並進方向にずれた時に発生するラジアル方向の復元力によって受動的に支持されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、水平ディスクを備え、搭載した基板を回転するロータと、ロータを支持する磁気軸受であり、該磁気軸受は該ロータの位置を検出し変位センサ出力信号Ｓｏを出力する１個以上の変位センサを具備し、アキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなり、該アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受からなり、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置された磁気軸受と、ロータに処理室内の基板を回転する力を与えるモータと、変位センサからの変位センサ出力信号Ｓｏと閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を段階的に比較する比較回路とを備え、比較回路において閾値を｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜＜｜Ｓ３｜とし、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜＞｜Ｓ１｜の時、第１の比較回路が警報回路を駆動し、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ２｜の時、第２の比較回路が基板回転装置の故障を通報する故障出力回路及び前記モータの運転を停止するモータ運転停止回路を駆動し、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ３｜の時、第３の比較回路が故障出力回路、モータ運転停止回路及び磁気軸受の浮上制御を停止する磁気軸受停止回路を駆動し、３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石がロータの水平ディスクの略上下に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の基板回転装置において、閾値｜Ｓ１｜、｜Ｓ２｜、｜Ｓ３｜を段階的に記憶する記憶部と、各比較回路の処理を実行し、警報回路、故障出力回路、モータ運転停止回路、及び磁気軸受停止回路を駆動するコンピュータを備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る基板回転装置の概略構成を示す図である。被処理基板１を基板ホルダ又はサセプタ２に載置し、該基板ホルダ又はサセプタ２を回転させることにより、被処理基板１を処理室３内で回転させるようになっている。基板ホルダ又はサセプタ２はロータ４の上端に固着されている。ロータ４は後に詳述するようにラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６で磁気浮上支持されるようになっている。
【００１５】
また、図２において、８はロータ４に回転力を与えるモータであり、９は石英窓、１０はランプヒータユニット、１１、１２は被処理基板１の搬出入のための搬出入ゲート、１３はアキシャル磁気軸受６のロータ側ターゲットとなる水平ディスクであり、ロータ４の外周水平方向に設けられている。以下、各部の詳細を説明する。
【００１６】
図３乃至図６は本発明に係る基板回転装置の構成を示す図で、図３は構成部品の平面配置を示す図、図４は図３のＡ−Ａ〜Ｅ−Ｅ断面を示す図、図５は図３のＦ−Ｆ〜Ｊ−Ｊ断面を示す図、図６は外周面展開図である。図示するように、円筒状のロータ４の外周面に対向してラジアル磁気軸受５−１〜５−４のステータ側構成部材である電磁石５−１ａ、５−２ａ、５−３ａ、５−４ａが配置されている。電磁石５−１ａと電磁石５−３ａが一対でＸ軸を支持し、電磁石５−２ａと電磁石５−４ａが一対でＹ軸を支持するようになっている。
【００１７】
電磁石５−１ａ、５−２ａ、５−３ａ、５−４ａのそれぞれの近傍にはラジアル磁気軸受５−１〜５−４のステータ側構成部材である変位センサ５−１ｂ、５−１ｃ、５−２ｂ、５−２ｃ、５−３ｂ、５−３ｃ、５−４ｂ、５−４ｃがロータ４の外周に対向して配置されている。
【００１８】
アキシャル磁気軸受６は６−１〜６−３に３分割され、その配置点を結ぶ線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が略正三角形となるように配置されている。アキシャル磁気軸受６−１はステータ側構成部材である２個の上電磁石６−１ａ、６−１ｂと１個の下電磁石６−１ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。また、アキシャル磁気軸受６−２は２個の上電磁石６−２ａ、６−２ｂと１個の下電磁石６−２ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。また、アキシャル磁気軸受６−３も２個の上電磁石６−３ａ、６−３ｂと１個の下電磁石６−３ｃを具備し、それぞれ水平ディスク１３に対向して配置されている。
【００１９】
また、上記下電磁石６−１ｃ、６−２ｃ、６−３ｃのそれぞれの近傍にはアキシャル磁気軸受６のステータ側構成部材である変位センサ６−１ｄ、６−２ｄ、６−３ｄが水平ディスク１３に対向して配置されている。また、水平ディスク１３の下方には、モータ８のステータ８−１、８−２がロータ４に対向して配置されている。
【００２０】
上記ロータ４は処理室３の内部空間と連通する空間に配置され、ラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６及びモータ８のステータ側構成部材は該ロータ４との間に隔壁（キャン）１４を設けて処理室３の内部空間外に配置されている。
【００２１】
ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の電磁石５−１ａ〜５−４ａ及びアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃの小型化のために隔壁１４の厚さは薄くしたいが、処理室３内を減圧状態にし、被処理基板１の処理に特殊ガスを使用するので、隔壁１４に強度を持たせ、信頼性を向上させる必要がある。そこでここでは隔壁１４を圧力容器構造とした。そして電磁石５−１ａ〜５−４ａ及び電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃのヨーク（磁極）が位置する部分の隔壁１４ａをヨークと同質の磁性材とし、それを埋め込み、仕上げ加工した構造としている。これにより、ヨークとロータ４の間の間隙が小さくなり、ロータ４に大きい制御磁気力を与えることができる。従って、隔壁１４を圧力容器構造としても、電磁石の起磁力（アンペアターン）を大きくする必要がない。
【００２２】
隔壁１４の処理室３と連結する近傍には、冷却ゾーン（水冷ジャケット）１５、１５を設け、処理室３からの熱と、ロータ４に作用する重力分を負担するアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂからの熱を共に除去できる構成となっている。
【００２３】
また、処理室３と冷却ゾーン１５を挟んだ位置にガスパージゾーン１６を備え、冷却ゾーン１５の位置する部分の隔壁１４とロータ４の間隙にガスが滞留しやすい構成としている。このガスパージゾーン１６で使用するガスは熱伝達性の良いガスを用い、ロータ４からの熱を冷却ゾーン１５に効率良く伝達するようになっている。
【００２４】
ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃとアキシャル磁気軸受６の変位センサ６−１ｄ〜６−３ｄは、冷却ゾーン１５、ガスパージゾーン１６、アキシャル磁気軸受６のロータ４の重量を負担する上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂよりも処理室３から遠い位置に配置し、センサ機能の安定を維持しやすい構成としている。
【００２５】
上記変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃ及び変位センサ６−１ｄ〜６−３ｄは、それぞれインダクタンス式センサで、ロータ側センサターゲットの間には薄い非磁性隔壁（キャン）を挟んだ構造とし、薄い隔壁はキャップ状構造で、メインの隔壁１４にＯリング１７でシールする構造である。
【００２６】
上記インダクタンス式センサは、センサと浮上ターゲット（ここではロータ４）との間の間隙変化を検出コイルのインダクタンス変化で検知するセンサである。このセンサは一定振幅電圧の固有の周波数信号（キャリア信号）を検出コイルに印加し、検出コイルの磁気回路上の間隙に変化があると、コイルインダクタンスが変化するため、コイルに流れる電流が変化する。この現象をブリッジ回路を利用して、検出コイルのインダクタンス変化による変調されたキャリア信号を効果的に抽出するものである。ここで隔壁１４に導電性材を用いると二次回路が発生し、相互インダクタンスとして検出コイルに影響してしまう。そのため、センサの応答周波数性能とトレードオフの関係になるが、センサキャリア信号の周波数を下げることで影響の低減を図ることができる。
【００２７】
ロータ４の概略重心位置に配置した１つの（２軸分の）ラジアル磁気軸受５−１〜５−４とその下方に配置したモータ８の部分ではロータ側とステータ側の間の間隙は比較的大きく取れ、ロータ４のこの部分４ａ、４ｂを非磁性体としている。モータ８にはインダクションモータの一種を使用する。モータ８のロータ側ターゲット（ロータ４の４ａ部分）を非磁性体とした最大の理由は、モータ８でのラジアル方向外力を少なくし、ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の負担を軽減し、その分ラジアル磁気軸受５−１〜５−４の小型化を図るためである。
【００２８】
モータ８のロータとなるロータ４の４ａ部分は表面処理されたアルミニウム材、その上のラジアル磁気軸受５−１〜５−４の変位センサ５−１ｂ、ｃ〜５−４ｂ、ｃ及び電磁石５−１ａ〜５−４ａが位置するロータ４の４ｂ部分は磁性材（電磁ステンレス、パーマロイ等）としている。ロータ４の更に上の４ｃ部分は処理室３に近づくため、ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼やモリブデン、表面処理したカーボン材としている。
【００２９】
処理室３内での被処理基板１の処理温度は１０００℃に達するため、ロータ４のアキシャル磁気軸受６−１〜６−３及びラジアル磁気軸受５−１〜５−４に達するまでの間で十分な温度勾配を実現する必要がある。そのため、冷却ゾーン１５、１５及びガスパージゾーン１６が位置する部分のロータ４の４ｃ部分を薄肉化している。
【００３０】
上記のように本基板回転装置においては、アキシャル磁気軸受６は水平支持に必要な最小軸数の３分割にしているので、従来の各軸独立に制御する各軸独立制御方式の制御回路で運転制御できる。そのため、制御装置の小型化が達成でき、コストも低減できる。
【００３１】
図７はガスパージゾーン１６の平面構成を示す図である。図示するようにガスパージゾーン１６はゾーン１６−１、１６−２、１６−３に分割されており、各ゾーン１６−１、１６−２、１６−３はそれぞれ内面に開口する開口部を有するパージガス供給室１６−１ａ、１６−２ａ、１６−３ａを有し、該開口部には多数のノズル孔が形成されたノズル板１６−１ｂ、１６−２ｂ、１６−３ｂが設けられている。ガス導入口１６−１ｃ、１６−２ｃ、１６−３ｃからパージガスをパージガス供給室１６−１ａ、１６−２ａ、１６−３ａに供給することにより、ノズル板１６−１ｂ、１６−２ｂ、１６−３ｂよりロータ４と隔壁１４の間の間隙にパージガスが供給される。
【００３２】
なお、本基板回転装置においては、ラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６が動作しない場合に作動するタッチダウンベアリングが設けられている。該タッチダウンベアリングは、図５に示すようにロータ４のラジアル方向を支持するラジアルタッチダウンベアリング１８とアキシャル方向を支持するアキシャルタッチダウンベアリング１９が配置されている。
【００３３】
ラジアルタッチダウンベアリング１８は支持部材１８−２に回転自在に支持された小径のベアリング１８−１を有し、該ベアリング１８−１を水平ディスク１３の下方のロータ４の外周に所定の間隔で、且つ外周面と所定の間隙を設けて複数個配置されている。アキシャルタッチダウンベアリング１９は支持部材１９−２で回転自在に支持された小径のベアリング１９−１を有し、ベアリングを水平ディスク１３の上下に所定の間隔で、且つ上下面と所定の間隙を設けて複数個配置されている。
【００３４】
本基板回転装置では、アキシャル磁気軸受６のロータ４の上電磁石６−１ａ、ｂ〜６−３ａ、ｂにより、ラジアル方向の復元力を発生するようになっている。図８はその説明のための図で、同図（ａ）は上電磁石６−１ａと水平ディスク１３の位置関係を示す図で、同図（ｂ）はＡ部分の拡大図である。図示するように、水平ディスク１３の外周部が上電磁石６−１ａのヨーク（磁極）ｙより、内側に変位した場合、水平ディスク１３の外周部とヨークｙの端部を通る磁束による磁気吸引力Ｆにより、ラジアル方向の復元力Ｆｒとアキシャル方向の復元力Ｆａが発生し、このラジアル方向の復元力Ｆｒにより、ロータ４はラジアル方向に復元する。
【００３５】
ラジアル磁気軸受は、ステータ側にコ字型ヨーク（磁極）に励磁巻線を備えた電磁石２１を図９（ａ）に示すように、磁性材からなるロータ４に対向して配置（Ｘ軸、Ｙ軸方向に）し、ラジアル制御力としては磁気吸引力を利用した方式と、これに対して、電磁石構造は同じとし、ステータ側にコ字型ヨークに励磁巻線を備えた電磁石５−１ａ〜５−４ａを図９（ａ）に示すように配置する点は同じであるが、ロータ４の構成材料を非磁性で低固有抵抗（例えば、アルミニウム、銅）とし、ラジアル制御力としては誘導反発力を利用する方式でも良い。
【００３６】
円筒状のロータ４が大口径となると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に制御力を受けた場合、ロータ４の剛性が小さいと変形する。そこで、図９（ｂ）に示すように、ロータ４を挟んで電磁石５−１ａ、５−３ａをＹ軸方向に、電磁石５−２ａ、５−４ａをＸ軸方向に配置することにより、ロータ４の変形を防止することが可能となる。
【００３７】
なお、図５及び図６の符号２０はロータ４の回転位置を検出するための回転位置検出センサである。該回転位置検出センサ２０には渦電流型のセンサを使用している。この渦電流型のセンサでは、隔壁１４が不導電体であることが必要である。そこで、図１０に示すように、ＳｉＯ2セラミックスからなる保護ケース２０−１を隔壁１４を貫通させてロータ４に対向配置し、該保護ケース２０−１内に渦電流型のセンサ素子２０−２を収納する構成としている。なお、２０−３は保護ケース２０−１と隔壁１４の間をシールするＯリングである。
【００３８】
磁気軸受を構成する電磁石及び変位センサが腐食性ガス等の特殊な雰囲気に曝される場合、該電磁石及び変位センサと浮上体との間に隔壁（キャン）を配置して、該電磁石及び変位センサを保護しているが、隔壁の厚み分だけ、電磁石及び変位センサと浮上体（ロータ）との間の間隔が大きくなり、磁気抵抗が増大し、電磁石の制御磁気力や変位センサの感度が低下する。特に隔壁の径が大きくなると上述のように強度も大きくする必要があり、肉厚の厚い圧力隔壁とする必要がある。従って、電磁石や変位センサのコイルの起磁力を大きくする必要からコイルが大型化する。
【００３９】
そこで、本発明では上記のようにラジアル磁気軸受５−１〜５−４の電磁石５−１ａ〜５−４ａ及びアキシャル磁気軸受６−１〜６−３の電磁石６−１ａ、ｂ、ｃ〜６−３ａ、ｂ、ｃのヨークが位置する部分の隔壁１４ａをヨークと同質の磁性材料とし、それを埋め込んで対処している。以下この対策について更に図１１を用いて説明する。図１１は磁気軸受の構成を示す図で、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【００４０】
図示するように、磁気軸受３０の変位センサー３１のセンサヨーク３１ａの位置する部位の非磁性金属材からなる隔壁３２に該センサヨーク３１ａと同一又は同質の磁性体材３２ａを埋め込み浮上体３３に対向配置している。また、電磁石３４の電磁石ヨーク３４ａの位置する部位にも電磁石ヨークと同一又は同質の磁性体材３２ｂを埋め込み浮上体３３に対向配置している。磁性体材３２ａ、３２ｂを隔壁３２に埋め込んだ部分には溶接等による接合シール部３５及び３６が設けられている。なお、センサヨーク３１ａはセンサコイル３１ｂが装着され、電磁石ヨーク３４ａには電磁石コイル３４ｂが装着されている。
【００４１】
このように隔壁３２のセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの位置する部位に磁性体材３２ａ、３２ｂを埋め込んだことにより、隔壁３２の肉厚を大きくしてもセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａと浮上体３３との間の磁気抵抗は大きくならない。これによりセンサ感度が向上し、浮上体３３の変位を精度良く検知できるためセンサコイル３１ｂを大きくする必要がない。また、電磁石ヨーク３４ａと浮上体３３との間の磁気抵抗も大きくならないから、浮上体３３に作用する制御磁気力も減少することなく、電磁石コイルを大きくする必要がない。
【００４２】
また、上記例ではセンサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの先端が位置する隔壁３２の部位に磁性体材３２ａ、３２ｂを埋め込んでいるが、センサヨーク３１ａ及び電磁石ヨーク３４ａの先端が直接隔壁３２を貫通し浮上体３３と対向するようにしてもよい。
【００４３】
一般に上記のように基板回転装置において、ロータに振れ回りや単なる振れが発生し、それがある設定値以上の変位センサ出力信号として現れた場合、１）磁気軸受の制御を遮断（停止）、２）磁気軸受制御は継続するがロータ回転を停止するなどの対策が講じられている。また、対策１）には、更にロータの回転停止も加えるケースもある。対策１）の場合は、ある変位センサ出力が設定値以上になったとき、初めて異常を認識し、突然タッチダウンすることになる。対策２）の場合にも、変位センサ出力がある一つの設定値以上になった時、初めて異常と認識し、突然ロータの回転を停止してしまう。
【００４４】
上記構成の基板回転装置を特に基板処理装置に用いた場合、処理中に突然、回転が停止した場合には、処理中だった基板は「使用できない物」となる。半導体製造工程中の基板、即ち半導体ウエハは高価であから、できるだけ不良発生は避けたい。また、突然磁気軸受の制御を遮断し、タッチダウン状態になることは、ロータに積載した基板を破損しかねないという問題がある。
【００４５】
そこで、例えば図１２に示すような３個の比較回路４１、４２、４３で異常検出回路を構成し、各比較回路４１、４２、４３にはそれぞれ閾値（基準値）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を設定する。この閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は図１３に示すように、｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜＜｜Ｓ３｜の関係にある。また、各比較回路４１、４２、４３には変位センサ出力信号Ｓｏが入力される。
【００４６】
上記構成の異常検出回路において、センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜＞｜Ｓ１｜の時は比較回路４１は警報回路４４を駆動し警報のみを出力し、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ２｜の時は比較回路４２は故障出力回路４５及びモータ運転停止回路４６を駆動し、故障の通報と共に、モータ運転を停止する。また、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ３｜の時は比較回路は故障出力回路４５、モータ運転停止回路４６、磁気軸受停止回路４７を駆動し、故障の通報、モータ運転停止及び磁気軸受の浮上制御を停止する。
【００４７】
このように段階的に異常を検出し、本基板回転装置を統括する半導体製造装置の主制御部に対して状況を段階的に伝えることで、基板の処理中にロータが停止となる発生率を低減できる。なお、図１２に示す異常検出回路は一例であり、これに限定されるものではない。例えば変位センサの閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を記憶部に記憶しておき、上記比較回路４１、４２、４３の各処理をコンピュータで行い、警報出力、故障出力、モータ運転停止及び磁気軸受停止を行うようにしてもよい。また、閾値は３個に限定されるものではなく、２個以上であればよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００４９】
アキシャル磁気軸受は３分割され、その配置点を結ぶ線が略正三角形となるように配置したので、従来の各軸独立に制御する各軸独立制御方式の制御回路で運転制御できるから、制御装置の簡素化及び小型化が可能となる。また、ロータの口径が大きくなってもアキシャル磁気軸受の電磁石の径は大きくならず、またそれぞれの位置でアキシャル軸方向の位置制御を行うため、結果的にラジアル軸周りの運動も安定化され、従来のアキシャル磁気軸受の電磁石で発生する不安定トルク（不平衡トルク）のような不安定力が大きくならない。
【００５０】
また、ロータを処理室と連通する空間に配置し、磁気軸受のステータ側構成部材及びモータのステータ側構成部材はロータとの間に隔壁を設けて処理室空間外に配置し、磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークが位置する隔壁部位には該ヨークと等価な材質の材料を埋め込み、隔壁全体としてステータハウジングを構成するので、隔壁の肉厚を厚くし圧力隔壁としても磁気制御力は減少せず、被処理基板の大口径化が進む半導体製造分野で要望される、長寿命、ノンパーティクル、占有スペースの効率化に対処できる基板回転装置を提供できる。更に、隔壁の外側に磁気軸受のステータ側構成部材を配置するので、処理室及び該処理室に連通する空間を特殊雰囲気のまま、磁気軸受の構成部品やモータ構成部品を交換修理することが可能となる。
【００５１】
また、２つのラジアル軸（Ｘ、Ｙ方向）方向の並進運動は、アキシャル磁気軸受のステータ側構成部材である電磁石のヨークとロータ側構成部材である水平ディスクの相対位置が、並進方向（水平方向）にずれた時に発生するラジアル方向の復元力によって受動的に支持されるので、上記効果に加え安定したロータの磁気浮上支持が得られる。
【００５２】
また、ステータハウジングの処理室近傍には冷却ゾーンを設け、該処理室に対して該冷却ゾーンを挟んだ位置にガスパージゾーンを設けたので、磁気軸受を構成する変位センサの温度上昇が抑制され、ロータの位置変位を精度よく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の基板回転装置の概略構成例を示す図である。
【図２】 本発明に係る基板回転装置の概略構成例を示す図である。
【図３】 本発明に係る基板回転装置の構成部品の平面配置構成を示す図である。
【図４】 図３のＡ−Ａ〜Ｅ−Ｅ断面を示す図である。
【図５】 図３のＦ−Ｆ〜Ｊ−Ｊ断面を示す図である。
【図６】 本発明に係る基板回転装置の外周面展開図である。
【図７】 本発明に係る基板回転装置のガスパージゾーンの平面構成を示す図である。
【図８】 アキシャル磁気軸受によるラジアル方向復元力の発生を説明するための図である。
【図９】 ラジアル磁気軸受の電磁石のロータに対する配置状態を示す図である。
【図１０】 本発明に係る基板回転装置の回転位置検出センサ及びその取付構造を示す断面図である。
【図１１】 本発明に係る基板回転装置の磁気軸受の構成例を示す図で、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図１２】 本発明に係る基板回転装置の異常検出回路の構成例を示す図である。
【図１３】 本発明に係る基板回転装置の変位センサの出力例を示す図である。
【符号の説明】
１ 被処理基板
２ 基板ホルダ又はサセプタ
３ 処理室
４ ロータ
５ ラジアル磁気軸受
５−１ ラジアル磁気軸受
５−２ ラジアル磁気軸受
５−３ ラジアル磁気軸受
５−４ ラジアル磁気軸受
６ アキシャル磁気軸受
６−１ アキシャル磁気軸受
６−２ アキシャル磁気軸受
６−３ アキシャル磁気軸受
８ モータ
８−１ モータステータ
８−２ モータスタータ
９ 石英窓
１０ ランプヒータユニット
１１ 搬出入ゲート
１２ 搬出入ゲート
１３ 水平ディスク
１４ 隔壁
１５ 冷却ゾーン
１６ ガスパージゾーン
１７ Ｏリング
１８ ラジアルタッチダウンベアリング
１９ アキシャルタッチダウンベアリング
２０ 回転位置検出センサ
３０ 磁気軸受
３１ 変位センサ
３２ 隔壁
３３ 浮上体
３５ シール部
３６ シール部
４１ 比較回路
４２ 比較回路
４３ 比較回路
４４ 警報出力回路
４５ 故障出力回路
４６ モータ運転停止回路
４７ 磁気軸受停止回路
Claims (7)
- 処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、前記ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、前記処理室内の基板を回転する回転力を前記ロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、
前記アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、
前記磁気軸受のステータ側構成部材と前記モータのステータ側構成部材は、ステータハウジングとして機能する隔壁により区切られた、前記処理室に連通する空間の外側の空間に位置し、該隔壁は前記ロータと該磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、
前記電磁石のヨークが配置された前記隔壁の一部は、前記磁気軸受のステータ側構成部材である該電磁石のヨークと同質材料であることを特徴とする基板回転装置。 - 請求項１に記載の基板回転装置において、
前記ステータハウジングは、処理室近傍に冷却ゾーンを有することを特徴とする基板回転装置。 - 請求項２に記載の基板回転装置において、
前記ステータハウジングは、前記処理室と該冷却ゾーンの間にガスパージゾーンを設けたことを特徴とする基板回転装置。 - 処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、前記ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、前記処理室内の基板を回転する回転力を前記ロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、
前記アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、
前記磁気軸受のステータ側構成部材と前記モータのステータ側構成部材は、隔壁により区切られた、前記処理室に連通する空間の外側に位置し、該隔壁は前記ロータと前記磁気軸受のステータ側構成部材及び該モータのステータ側構成部材の間に配置され、
前記磁気軸受のステータ側構成部材である前記電磁石のヨークの先端は、前記ロータに直面するように前記隔壁を貫通していることを特徴とする基板回転装置。 - 処理室に連通する空間に設けられ、水平ディスクを備え、基板を搭載して回転するロータと、ヨークを有する電磁石で構成され、前記ロータを支持するアキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなる磁気軸受であり、該電磁石が該磁気軸受のステータ側構成部材となる磁気軸受と、ステータ側構成部材を有し、前記処理室内の基板を回転する回転力を前記ロータに与えるモータを備えた基板回転装置において、
前記アキシャル磁気軸受は、前記ロータ側構成部材である前記水平ディスクと、３個に分割されたアキシャル磁気軸受で構成され、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置され、該３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置され、
２つのラジアル軸（Ｘ、Ｙ方向）の並進運動は、前記アキシャル磁気軸受のステータ側構成部材の１つである電磁石のヨークとロータ側構成部材である前記水平ディスクの相対位置が並進方向にずれた時に発生するラジアル方向の復元力によって受動的に支持されて いることを特徴とする基板回転装置。 - 水平ディスクを備え、搭載した基板を回転するロータと、
前記ロータを支持する磁気軸受であり、該磁気軸受は該ロータの位置を検出し変位センサ出力信号Ｓｏを出力する１個以上の変位センサを具備し、アキシャル磁気軸受とラジアル磁気軸受からなり、該アキシャル磁気軸受は３個に分割されたアキシャル磁気軸受からなり、該３個に分割された各アキシャル磁気軸受はそれが配置された点を結ぶ仮想線が、略正三角形となるように配置された磁気軸受と、
前記ロータに処理室内の基板を回転する力を与えるモータと、
前記変位センサからの変位センサ出力信号Ｓｏと閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を段階的に比較する比較回路とを備え、
前記比較回路において閾値を｜Ｓ１｜＜｜Ｓ２｜＜｜Ｓ３｜とし、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜＞｜Ｓ１｜の時、第１の比較回路が警報回路を駆動し、変位センサ出力信号Ｓｏが｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ２｜の時、第２の比較回路が基板回転装置の故障を通報する故障出力回路及び前記モータの運転を停止するモータ運転停止回路を駆動し、｜Ｓｏ｜≧｜Ｓ３｜の時、第３の比較回路が前記故障出力回路、前記モータ運転停止回路及び磁気軸受の浮上制御を停止する磁気軸受停止回路を駆動し、
前記３個に分割されたアキシャル磁気軸受の電磁石が前記ロータの水平ディスクの略上下に配置されていることを特徴とする基板回転回路。 - 請求項６に記載の基板回転装置において、
閾値｜Ｓ１｜、｜Ｓ２｜、｜Ｓ３｜を段階的に記憶する記憶部と、
前記各比較回路の処理を実行し、警報回路、故障出力回路、モータ運転停止回路、及び磁気軸受停止回路を駆動するコンピュータを備えることを特徴とする基板回転装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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