JP4255010B2

JP4255010B2 - 基板温度制御方法

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Publication number: JP4255010B2
Application number: JP2003309195A
Authority: JP
Inventors: 徹哉遠藤; 直樹渡辺
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP2005076093A

Description

本発明は基板温度制御方法に係り、特に、ハードディスク製造プロセスにおいて、短時間で基板を所望の温度に冷却又は加熱することができる基板温度制御方法に関する。

従来の基板温度制御方法をハードディスクの製造を例に挙げて説明する。
ハードディスクの製造には、加熱室等の処理室や複数の成膜室がゲートバルブを介して連結されたインライン型の製造装置が一般に用いられ、基板を搭載したキャリアをこれら処理室及び成膜室に順次搬送し、所定の処理、成膜を行ってディスクを完成する。

ハードディスクは、面内磁気記録方式を中心に高記録密度化が進められてきたが、記録密度のさらなる高密度化の要求に対応すべく、原理的に面内磁気記録よりも高記録密度が可能な多層膜からなる垂直磁気記録媒体が注目を集めている。このような高性能な記録媒体の作製には、各層ごとにそれぞれの適正温度で成膜や処理を行う必要があることから製造過程で基板を冷却する必要があり、製造装置にはそのための冷却室が設けられている。
冷却室の内部には、所定の温度に制御された２枚の冷却板が配設されており、この冷却板の間に基板を挿入するようにキャリアを搬送して静止させる。この状態でガスを導入してガスを介した熱伝達により基板を所定の温度に冷却する。ここで、ガスの導入圧力は、ガスの導入時間及び排気時間を短くするには圧力は低い方が好ましく、一方、冷却効率を高め冷却時間を短くするためには高い方が好ましいこと、並びに排気装置の排気能力を考慮して、通常１００〜１３００Ｐａが一般的に用いられる。

ガスの導入方法としては、次の２つの方法が一般的である。まず、第１の方法は、例えば特許２６６２５４９号に記載されているように、真空室内を排気しながら例えばヘリウム等の熱伝導性の高いガスを用い、真空室内を例えば１〜１００Ｔｏｒｒ（１３０〜１３００Ｐａ）の圧力に保ちながら、１〜６ｍｍ程度の間隔をあけて基板と冷却板間にガス流を形成して、基板を冷却する方法である。このような構成とすることにより、高い冷却効率が得られること及び冷却時間の短縮化が述べられている。

第２の方法は、特開２００１−３１６８１６に記載されているように、例えば窒素ガス等を所定圧力で導入して、その状態で基板が所定温度に冷却されるまで放置する方法である。ここで、ガスを所定圧力まで導入する時間を短縮するために予めガスを容器に貯めておき、これを一気に冷却室内に導入する方法を採用し、ガス導入後の真空室内部の圧力が数１００Ｐａとなるよう容器の容量及びガス圧力を定めている。このようにすることにより、冷却室の圧力を常に正確に設定することができ、また、基板と冷却板との距離を０．１〜０．５ｍｍ程度とすることにより、熱伝達が向上し、より短時間で基板の冷却を可能としている。
特許２６６２５４９号特開２００１−３１６８１６

一方、記録媒体の生産性向上の観点から、各層の成膜工程も５秒〜１０秒程度以下のタクトタイムが要求され、上記従来のガス導入法はこれらの要求に実用的に対応できないことが明らかになってきた。即ち、第１の方法では、ガスが所定の圧力に到達するまでに時間がかかり、この間は設定圧力に到達せずそのため十分な熱伝達が起こらず、所望の冷却効率が得られないことが分かった。ガスの流量を増大させることによりこの傾向は緩和されるものの、短時間で設定圧力まで上昇させるのは困難であり十分な効果を得ることはできず、また排気能力のより大きな排気装置が必要となって設備コストの増大を招くとともに、ガスの消費が増加するとういう欠点がある。

また、第２の方法においては、基板と冷却板との距離を０．１〜０．５ｍｍと極めて小さな値を保つ必要があり、しかも基板及びキャリアが繰り返し加熱・冷却されるためより高精度の搬送が要求されることから、この方法をインライン型製造装置に適用するのは実際上不可能であり、結果としてこの方法による短時間での基板冷却は困難であった。

そこで、上記タクトタイムを達成するには、多数の冷却室を連続して配置して冷却工程を全体として、他の工程のタクトタイムと合わせる必要があるが、これは装置の巨大化を招くという問題がある。従って、２〜３個の冷却室を設ける構成とし、生産性及び／又は特性をある程度犠牲にして、生産を行っているのが現状である。

以上はハードディスクを例に挙げて説明してきたが、ハードディスク製造装置に限らず、例えば種々の基板、シリコンウエハ等についての連続成膜装置又は処理装置においても、成膜や処理は高温で行う場合が一般に多く、この場合、カセットに移載する前又は大気に曝す前に基板を冷却する必要があり、上述した冷却工程が必要となる。また、逆に基板の加熱が要求される場合もあり、様々な分野で効率よく基板を加熱及び冷却可能な基板温度制御機構及び制御方法が求められている。

かかる状況において、本発明者らは、基板冷却時間の短縮化を図るべく、種々のガスの導入方法を試み、これらと冷却効率との関係を詳細に検討した。本発明はその知見を基に完成したものであり、真空室内に基板を熱交換器と対向して配置し、導入したガスを介した基板と熱交換器との熱伝達により、基板を所定の温度に制御する基板温度制御方法であって、冷却又は加熱効率に優れ、短時間で基板を所定の温度に制御することが可能な温度制御方法を提供することを目的とする。

本発明の基板温度制御方法は、真空室内に、温度制御された熱交換器と基板とを所定の間隔をあけて対向配置し、導入されるガスを介した熱伝達により、基板を所望の温度に冷却又は加熱する基板温度制御方法において、
前記真空室内部に前記基板を搬送して、前記熱交換器に対向して前記基板を配置する工程と、前記真空室内の排気を停止した状態で、予め容器に貯めておいた所定の圧力のガスを該真空室内に導入し、内部を第１の圧力に上昇させるガス導入工程と、前記真空室内に所定流量のガスを導入するとともに排気して、前記基板と前記熱交換器との間にガス流を形成するガス流形成工程と、前記真空室へのガスの導入を停止し内部を排気する工程と、からなることを特徴とする。
かかる構成とすることにより、ガス流形成当初から真空室内のガス圧力を設計通りの高い圧力に維持することができるため、同じガス流量で高い冷却効率又は加熱効率を得ることができ、基板温度をより短時間で所望の温度に制御することができる。

本発明において、前記真空室は、主バルブを介して排気装置に連結された第１の排気経路と、該主バルブをバイパスし、副バルブ及び前記所定の流量で前記第１の圧力となるように予め調節した流量可変バルブを配置した第２の排気経路とを備え、前記ガス流形成工程は、前記主バルブを閉じ、前記副バルブを開け該第２の排気経路を通してガスを排気する構成とするのが好ましい。
所定のガス流量に対し、流量可変バルブを調節することにより、容易に前記圧力に設定することができ、また、流量可変バルブは所定の開度に予め設定してあるため、副バルブを開閉するだけででよく、所望の圧力の状態で所望の流量のガス流を形成することが可能となる。

さらに、前記真空室は、２つのバルブを介してガスの供給源に連結され、該２つのバルブの間に前記容器を連結した第１のガス導入経路と、マスフローコントローラを介して前記供給源に連結された第２のガス導入経路と、を備え、前記ガス流形成工程において、該第２のガス導入経路を通してガスを導入することを特徴とし、さらに前記マスフローコントローラと前記流量可変バルブとを連動制御するのが好ましい。これにより、真空室内を所定の圧力の変動が少なく、かつ短時間で安定したガス流を形成することができる。

さらに、前記ガス流形成工程において、前記容器に所定の圧力のガスを貯留しておき、所定時間経過後に前記容器のガスを前記真空室に導入して内部を第２の圧力に上昇させることを特徴とする。
あるいは、前記ガス流形成工程において、前記容器に前記所定の圧力のガスを貯留しておき、所定時間経過後に前記主バルブを開け、前記真空室の圧力が第３の圧力になったときに前記主バルブを閉じ、前記容器内のガスを前記真空室に導入することを特徴とする。

このように、ガス流形成工程においても急激に圧力変化を起こさせ、基板及び熱交換器間に高速のガス流を形成することにより、基板の冷却又は加熱効率をさらに向上させることができ、温度制御時間をより短縮することができる。
ここで、前記第１の圧力、第２及び第３の圧力は１００〜４００Ｐａとするのが好ましく、この範囲で、通常用いられる排気装置で高い熱伝達効率を得ることができる。さらに前記第１の圧力と第２及び第３の圧力の差は排気量との関係で許容できる限り大きいことが望ましく、さらに１００Ｐａ以上とするのが好ましく、より冷却又は加熱効率を向上させることができる。
なお、本発明においては、前記容器又は第２の容器は、前記２つのバルブ間の配管であっても良い。

本発明の基板温度制御方法により、基板温度を所望の温度に短時間に冷却又は加熱することができ、特に、異なる温度での処理や成膜を連続して行う必要がある種々の積層膜からなる記録媒体の生産性を向上させることができる。また、冷却室の数を増加させることなく（装置の巨大化を招くことなく）、より高性能記録媒体を、より高いスループットで生産することが可能となる。

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。

本発明を実施するのに好適な装置構成を図１に示し、これを用いて図２に示した基板温度制御方法を説明する。
図１は、基板の冷却に用いる真空室内部を基板搬送方向に向かって見たときの模式的断面図である。
冷却室（真空室）１０には、ガス導入管１２及び排気口４１が設けられ、内部に断面がコの字型の冷却器（熱交換器）１１がキャリア１３に保持された基板１５を所定の距離を開けて囲むように設けられている。キャリア１３は２枚の基板を保持し、各基板はそれぞれ例えば３コの支持爪により円周端面で保持されている。また、キャリアの底面には紙面に垂直な方向に多数の磁石が磁化方向を交互に逆にして配設されており、表面に設けられたＮ極磁石とＳ極磁石とが交互に螺旋形状に形成されたローラ１４の回転により、キャリアは紙面に垂直方向に移動する。このような磁気搬送機構は、例えば特開平１０−１５９９３４号公報に開示されている。また、ガス導入管１２は冷却器１１のガス通路（不図示）に接続され、ガスはガス通路を通って２枚の基板１５と冷却器１１と間の隙間を流れる。
ここで、冷却器１１は、不図示の冷凍機（例えばポリコールド製チラー）と連結され、循環する冷媒により、例えば−１００℃に保たれている。又、冷却器の基板に面する表面は、ブラスタ処理され微小な凹凸が形成されており、これにより冷却効率を増大する。

ガス導入管１２は、２つのバルブ２１、２３の間の配管２４に容器２２を連結した構成の第１のガス導入経路２０と、２つのバルブ３１，３３の間の配管３４にマスフローコントローラ３２が取り付けられた第２のガス導入経路３０と、を経由してガス供給源（不図示）に接続されている。

一方、真空室の排気口４１には、メインバルブ４２が取り付けられ、分子ターボポンプのような排気装置４３に連結され、第１の排気経路４０を形成している。また、冷却室１０内には配管５１が連結され、バリアブルリークバルブ（流量可変バルブ）５２及びバルブ５３を経由してターボ分子ポンプ４３の上流側に連結され、第２の排気経路５０を形成している。バルブ４４、４８の下流側は例えば粗引きポンプ（不図示）に接続されている。
なお、図１では第２のガス導入経路には、２つのバルブを設けたが少なくとも一つあればよく、またマスフローコントローラが完全にガスを遮断できるものであれば２つのバルブを省くことができる。

次に、図１の冷却室を用いた基板温度制御方法を図２を参照して説明する。
図２は、バルブの開閉操作の手順を示したものであり、図において白は「閉」を示し、黒は「開」を示している。
冷却室内部は、メインバルブ４２を通して排気されている。まず冷却室１０のゲートバルブを開け、高温に加熱された基板を搭載したキャリアを冷却室１０内に搬入し、冷却器１１の間に挿入する。この状態で、ゲートバルブを閉じ、バルブ２１を開けてガス供給源から水素ガスを容器２２に導入し充填する（図２Ａ）。

次に、メインバルブ４２を閉じ、バルブ２３を開けて容器２２に貯めた水素ガスを冷却室１０内に一気に導入する（ガス導入工程：図２Ｂ）。ここで、冷却室内部の圧力が所定の圧力（第１の圧力）になるように容器２２の容積及び充填圧力を決定する。

続いて、バルブ２３を閉じ、予め所定の流量に設定したマスフローコントローラ３２の両側のバルブ３１，３３を開けると同時に、バルブ５３を開けこれも予め上記所定の流量で冷却室内の圧力が上記所定の値になるように開度を調節しておいたバリアブルリークバルブ５２を通してターボ分子ポンプ４３の上流に水素ガスを流す。即ち、第２の排気経路を介して水素ガスを流すことにより、圧力が上記所定の値を維持しながら、基板と冷却器間の隙間にガスが流れ、ガス流が形成される（ガス流形成工程；図２Ｃ）。このようにして、バルブの開閉時から、基板と冷却器との間の圧力は熱伝達が効率よく進行する高い圧力に維持され、しかも基板表面にはガス流が形成されているため、高効率の熱伝達、即ち、冷却時間の短縮化が可能となる。

なお、ガス流形成工程において、精度は低下するが、バルブ５３を設けず、メインバルブ４２を閉じるとともに、バリアブルリークバルブ５２を開けて前記所定の圧力となるように調節して第２の排気経路５０を通してガスを排気する構成とすることも可能である。
また、バルブ３１、３３を開けてガスを導入するタイミングと、バルブ５３を開けて排気するタイミングは、同時に行うのが好ましいが、ずれた場合であっても冷却室内の圧力変動を、例えば１００Ｐａ〜４００Ｐａの範囲において、±２０Ｐａ以内とするのがよい。この範囲であれば、基板冷却を効率的に再現性よく行うことができる。
続いて、バルブ３１，３３，５３を閉じるとともに、メインバルブ４２を開けて冷却室を排気する（図２Ｄ）。

以上で基板の冷却工程が終了し、冷却室前後のゲートバルブを開けて冷却した基板を搭載したキャリアを搬出するとともに高温に加熱された基板を搭載したキャリアが搬入され、同様の操作が繰り返し行われる。

以上の冷却処理の一例として、ガス流形成工程の水素ガス流量を４００ｍｌ（標準状態）／分とし、冷却圧力を１００Ｐａとした時の冷却室内の圧力変化を図３の実線に示した。図中、２Ａ〜２Ｄは図２の各工程に対応する。また、通常よく行われるガス導入法であるマスフローコントローラ（MFC)制御法の場合を比較例として破線で示した。比較例の場合は、図６に示したように、まず、メインバルブ４２を開けて冷却室１０内部を排気する（図６Ａ）、続いて、バルブ３１，３３を開けてガスを導入しガス流を形成する（図６Ｂ）、所定時間経過後に、バルブ３１，３３を閉じて内部を排気する（図６Ｃ）、という手順でバルブ操作を行った。
図に示すように、従来法の場合は、バルブを開けると徐々に圧力が上昇するが、６秒経過後であってもせいぜい２０Ｐａ程度であり、高い熱伝達は期待できないのに対し、本発明の場合、容器に貯めたガスを一気に冷却室内に導入して高い圧力に設定した後、ガス流を形成する構成としたことから、ガス流形成時から導入停止時まで、高い熱伝達が得られる高い圧力（１００Ｐａ）状態に維持された。即ち、本発明は従来法に比べ、高い冷却効果が得られることが分かる。
なお、従来法で、メインバルブとバルブ３１，３３を開けるタイミングを調整する検討やメインバルブを調整する自動圧力調整機構（ＡＰＣ）を配置して、圧力を所望の圧力に調整する検討も併せて行ったが、応答が遅く短時間で所望の圧力に上昇させることは困難であり、また圧力が安定しないことから実用的でないことが確認された。

次に、３００℃に加熱した磁性膜形成ガラス基板（２．５インチ径、厚さ６ｍｍ）を冷却室に搬送して上記冷却処理（即ち、ガス流形成処理を６秒間とした場合）を行い、基板温度を放射温度計で測定しところ、比較例の場合は２７０℃であったのに対し、本実施例の場合２００℃まで低下した。なお、基板と冷却器との距離は３ｍｍである。このように、本実施例の基板温度制御方法により、効率にすぐれた冷却処理を行うことが可能になることが分かる。
なお、ガスを貯留する容器の容積及びガス圧は、冷却圧力及び真空室の容積に応じて、適宜選択すればよい。

次に、本発明の第２の実施例を図４に基づいて説明する。
図４は、温度制御処理工程中の冷却室内部の圧力変化を示すグラフである。本実施例は、容器に充填したガスを冷却室に導く工程を、ガス流形成工程前のみならず、ガス流形成工程中にも行う構成としたものである。
即ち、冷却室１０の圧力がＰ_１の状態でガス流が形成されている間に、バルブ２１を開けて容器２２にガスを貯め、その後バルブ２１を閉じておく。ｔ_１時間経過後に、バルブ２３を開けて冷却室１０に容器２２のガスを導き、圧力をＰ_２に上昇させる。このようなガス導入を複数回行って良く、容器２２からガスを導入するたびに、基板と冷却器間の隙間に高速ガス流が形成され、冷却効果を向上させることが可能となる。ここで、ガス導入時の圧力変化（Ｐ_２−Ｐ_１）は排気量との関係で許容できる限り大きいことが望ましく、さらに１００Ｐａ以上とするのが好ましい。

本発明の第３の実施例を図５に示す。
図５は温度制御処理工程中の冷却室内部の圧力変化を示すグラフである。本実施例でも、実施例２と同様に、冷却室の圧力がＰ_１の状態でガス流が形成されている間に、バルブ２１を開けて容器２２にガスを貯めてバルブ２１を閉じた状態にしておく。所定時間ｔ_２経過後、メインバルブ４２を開けて内部の圧力を下げる。予め決めた圧力Ｐ_３に低下した時点で、メインバルブ４２を閉じ、バルブ２３を開けて、容器２２からガスを冷却室内に一気に導入し内部の圧力を再び上昇させる。実施例２と同様に、これらの操作を複数回行っても良く、容器からガスを導入するたびに、基板と冷却器間の隙間に高速ガス流が形成され、冷却効果を向上させることが可能となる。ここで、ガス導入時の圧力変化（Ｐ_１−Ｐ_３）は排気量との関係で許容できる限り大きいことが望ましく、さらに１００Ｐａ以上とするのが好ましい。。

以上、ハードディスクの冷却処理について説明してきたが、本発明は、ハードディスクに限らず、種々の積層膜の形成前後の温度制御、処理後の基板及びウエハをカセットに収納する前又は大気に取り出す前の基板冷却を短時間で行うことができる。なお、ハードディスクの場合は、基板と冷却板とを非接触とするのが一般的であるが、ウエハ等の場合は裏面の一部を熱交換器に支持させて冷却させても良い。
また、熱交換器の温度は、基板の制御温度によって所定の温度に制御されるが、冷却の場合は、通常−１００℃程度にするのが好ましい。
さらに、本発明は、基板の冷却のみならず基板を加熱する場合にも好適に用いることができ、ランプヒータに比べて基板面内の温度均一性に優れた加熱を行うことができる。

本発明の実施に好適に用いられる冷却室の構成を示す模式図である。実施例１のバルブ操作を説明する模式図である。実施例１の冷却室内部の圧力変化を示すグラフである。実施例２の冷却室内部の圧力変化を示すグラフである。実施例３の冷却室内部の圧力変化を示すグラフである。従来のガス流形成方法が用いられる冷却室の装置構成を示す模式図である。

符号の説明

１０冷却室（真空室）、
１１冷却器（熱交換器）、
１３キャリア、
１４キャリア搬送ローラ、
１５基板、
２０第１のガス導入経路、
２１，２３，３１，３３，４４，４８、５３バルブ、
２２容器、
２４、３４、５１配管
３０第２のガス導入経路、
３２マスフローコントローラ、
４０第１のガス排気経路、
４１排気口、
４２メインバルブ、
４３ターボ分子ポンプ、
５０第２のガス排気経路、
５２バリアブルリークバルブ。

Claims

真空室内に、温度制御された熱交換器と基板とを所定の間隔をあけて対向配置し、導入されるガスを介した熱伝達により、基板を所望の温度に冷却又は加熱する基板温度制御方法において、
前記真空室内部に前記基板を搬送して、前記熱交換器に対向して前記基板を配置する工程と、
前記真空室内の排気を停止した状態で、予め容器に貯めておいた所定の圧力のガスを該真空室内に導入し、内部を第１の圧力に上昇させるガス導入工程と、
前記真空室内に所定流量のガスを導入するとともに排気して、前記基板と前記熱交換器との間にガス流を形成するガス流形成工程と、
前記真空室へのガス導入を停止し内部を排気する工程と、
からなることを特徴とする基板温度制御方法。
前記第１の圧力は１００Ｐａ〜４００Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載のに維持される基板温度制御方法。
前記真空室は、主バルブを介して排気装置に連結された第１の排気経路と、該主バルブをバイパスし、副バルブ及び前記所定の流量で前記第１の圧力となるように予め調節した流量可変バルブを配置した第２の排気経路とを備え、前記ガス流形成工程は、前記主バルブを閉じ、前記副バルブを開け該第２の排気経路を通してガスを排気する構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の基板温度制御方法。
前記真空室は、２つのバルブを介してガスの供給源に連結され、該２つのバルブの間に前記容器を連結した第１のガス導入経路と、マスフローコントローラを介して前記供給源に連結された第２のガス導入経路と、を備え、前記ガス流形成工程において、該第２のガス導入経路を通してガスを導入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板温度制御方法。
前記マスフローコントローラと前記流量可変バルブとを連動制御することを特徴とする請求項４に記載の基板温度制御方法。
前記容器は、前記２つバルブの間の配管であることを特徴とする請求項４又は５に記載の基板温度制御方法。
前記ガス流形成工程において、前記容器に所定の圧力のガスを貯留しておき、所定時間経過後に前記容器のガスを前記真空室に導入して内部を第２の圧力に上昇させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の基板温度制御方法。
前記ガス流形成工程において、前記容器に前記所定の圧力のガスを貯留しておき、所定時間経過後に前記主バルブを開け、前記真空室の圧力が第３の圧力になったときに前記主バルブを閉じ、前記容器内のガスを前記真空室に導入することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の基板温度制御方法。
前記第２及び第３の圧力は１００〜４００Ｐａであり、前記第１の圧力との差を１００Ｐａ以上としたことを特徴とする請求項７又は８に記載の基板温度制御方法。