WO2010150590A1 - 真空加熱冷却装置および磁気抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、成膜処理後に高い真空度を維持したまま基板のみを急速に加熱し、かつ急速に冷却することが可能な真空加熱冷却装置を提供する。本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置は、真空チャンバー(１)と、加熱光を放射するハロゲンランプ(２)と、真空チャンバー(１)に上記加熱光を入射させるための石英窓(３)と、冷却機能を有する基板支持台(９)と、基板(５)を加熱位置Ｐ３および冷却位置Ｐ１にて静止させ、かつ基板(５)を加熱位Ｐ３と冷却位置Ｐ１との間で移動させるリフトピン(１３)とを備える。

Description

真空加熱冷却装置および磁気抵抗素子の製造方法

　本発明は、半導体デバイス、電子デバイス、磁気デバイス、表示デバイス等の基板を真空中で高速に加熱・冷却する真空加熱冷却装置および磁気抵抗素子の製造方法に関する。

　磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や磁気ヘッドのセンサー素子として用いられるＭｇＯトンネルバリア層を持ったトンネル磁気抵抗素子は、金属膜（磁性膜および非磁性膜）と絶縁体膜とを多層に積層した構造を成している。そのような磁気抵抗素子は生産性に優れたスパッタリング法によって成膜され、その後、別の装置（磁場中熱処理炉）の中で１テスラ以上の高磁場を印加しながら熱処理することによって形成されている（非特許文献１参照）。ＭｇＯトンネルバリア層の形成方法としては、ＭｇＯターゲットをＲＦスパッタリングによってダイレクトにスパッタ成膜する方法（特許文献１参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に反応性スパッタリング法によって酸素雰囲気中で金属Ｍｇ膜を成膜し最後に酸化処理する方法（特許文献２参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に酸化処理し最後にもう一度金属Ｍｇ膜を成膜する方法（特許文献３参照）、金属Ｍｇ膜を成膜後に酸化処理し、それを熱処理した後に再度金属Ｍｇを成膜して酸化処理する方法（特許文献４参照）などが開示されている。

　さらに高品質なＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、非特許文献２に開示されているように、ＭｇＯターゲットをＲＦスパッタリングによってダイレクトにスパッタ成膜した直後に、真空中に基板を保持したまま赤外線を照射してＭｇＯ膜の結晶化を促進する方法がある。

　ところで真空中で基板を高速に加熱する方法としては、半導体素子の形成プロセスにおいて、特許文献５で開示されているように、真空チャンバーにＯリングなどの真空シール部材を介して加熱光を透過する窓を設け、大気側に配置された加熱光を放射する放射エネルギー源、例えば赤外線ランプなどによって、真空チャンバー内に保持された基板を加熱する方法がある。

　また加熱された基板を急速に冷却する方法としては、特許文献６に開示されているように、加熱室と隣接し熱的に隔離された部屋に基板を移動して冷却する方法がある。本方法の冷却方法では、基板を冷却された基板支持台に直接載置することによって、熱伝導によって急速に冷却する工夫をしている。基板を冷却室に移動せずに加熱室内に残したまま基板を冷却する方法としては、特許文献７に開示されているように、冷却されたガスを加熱室内に導入して気体の対流を利用して冷却する方法がある。本方法では、加熱終了時に放射エネルギー源と基板との間に放射エネルギー源からの余熱を遮断するシャッター板を挿入することによって冷却効率を上げる工夫が開示されている。

　さらに冷却効率を上げる方法としては、特許文献８に開示されているように、加熱室と同一空間内に固定された冷却源と可動冷却板とを備える熱処理装置を用いる方法がある。特許文献８に開示された方法では、可動冷却板を基板の加熱時には冷却源と接するように配置して冷却しておく。そして、基板の加熱が終了した後に可動冷却板を冷却源から離して基板と接触させることにより基板と可動冷却板との間の熱伝導によって冷却する。

　加熱室と同一空間内で基板を冷却する別の方法として、特許文献９では加熱抵抗体を内蔵した基板支持台に対して可動冷却源が接触することによって基板を間接的に冷却する方法がある。また、基板支持台が熱源や冷却源と接触することによって基板の加熱および冷却を行う類似の方法は特許文献１０や１１などにも開示されている。

　特許文献１１では、基板支持台自体が加熱および冷却機能を有し、加熱及び冷却効率を上げるために静電吸着機能を備え、さらに静電吸着機能付きの基板支持台は、基板の裏面と接触する面に溝が彫られており、その溝に熱交換を促進するためにガスが導入されるように工夫がなされている。

　一つの真空チャンバーに加熱源と冷却源とを別々に備え、基板のみを直に加熱冷却する例としては、スパッタリング装置のロードロックチャンバーにランプヒーターからの加熱光によって加熱する機構と、静電吸着によって冷却された基板支持台に基板を接触冷却させる機構とを備えた例が特許文献１２に開示されている。本例では、ロードロック室に両機構が設けられているため、加熱と冷却を連続して行うことを目的としていない。しかしながら、ロードロックチャンバーの真空排気時およびベント時にそれぞれ加熱と冷却を行うことによって、基板加熱を伴ったスパッタリング成膜の処理時間を短縮する工夫がなされている。

　真空中に配置された基板に磁場を印加して基板の処理を行う例が、特許文献１３～１５に開示されている。特許文献１３と１４の例はいずれも真空中で磁場を印加しながら複数の基板の熱処理を行う装置に関するものであり、均一な磁場の中で大量に熱処理することができるように工夫している。ただし、成膜プロセスと真空一貫で加熱冷却処理を行うものではない。また特許文献１５の例は、基板に磁場を印加しながらスパッタリング成膜する装置において、基板面に平行な磁場を発生する磁石を基板の回転と同期して回転させる機構を設けることによって、基板に対して常に一方向の平行な磁場を印加することができる工夫をしている。
　特許文献１６、１７には、同一チャンバー内に、基板を加熱するための加熱機構と、基板を冷却するための冷却機構と、基板を加熱機構に近接または接する位置と、基板を冷却機構に近接または接する位置との間で移動させるための移動機構とを備える熱処理装置が開示されている。
　特許文献１６では、加熱機構として、ヒータを内蔵した基板支持体を用い、冷却機構として、水冷式または冷媒冷却式の冷却板を用いている。加熱機構により基板を加熱する場合、上記ヒータにより加熱された基板支持体に基板を接触させることにより、該基板を加熱している。基板加熱についての他の例では、基板と基板支持体とを離間して配置し、基板と基板支持体との間に、加熱された、窒素のような乾性ガスを流すことによって、基板を加熱している。一方、基板を冷却する場合、冷却用流体により冷却板を冷却し、該冷却された冷却板に基板を接触または近接させることによって基板を冷却している。
　特許文献１７では、加熱板と冷却板とを設け、基板の加熱または冷却の際には、加熱板または冷却板と基板とを所定の間隔だけ離間させている。

特開２００６－８０１１６５号公報米国特許第６８４１３９５号明細書特開２００７－１４２４２４号公報特開２００７－１７３８４３号公報特開平６－１３３２４号公報特開平５－２５１３７７号公報特許第２８８６１０１号公報特許第３６６０２５４号公報特表２００２－５４１４２８号公報特開２００３－３１８０７６号公報特開２００２－７６１０５号公報特開２００３－１３２１５号公報特開２００１－１０２２１１号公報特許第３８６２６６０号公報特開２００２－５３９５６号公報特開２００１－１９６３６３号公報特開平７－２５４５４５号公報

恒川ら，「半導体製造ラインにおける磁気トンネル接合の成膜と微細加工プロセス」、まぐね、Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．７，ｐ．３５８－ｐ．３６３（２００７）Ｓ．Ｉｓｏｇａｍｉら，「Ｉｎ　ｓｉｔｕ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｔｈｉｎ　ＭｇＯ　ｌａｙｅｒ　ｆｏｒ　ｇｉａｎｔ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｒａｔｉｏ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｒｅａ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｉｎ　ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ　ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、９３，１９２１０９（２００８）

　積層膜の界面で機能する磁気抵抗素子では成膜していない時に膜表面に吸着する不純物（主に残留ガス）がデバイス性能を大きく左右する。真空内で膜表面に入射する残留ガスの量は一般に真空度を示す圧力Ｐと膜表面が真空雰囲気に曝露される時間Ｔの積ＰＴに比例するため、加熱時、冷却時および基板搬送時の雰囲気の圧力と各プロセスに要する時間とをそれぞれ小さくする必要がある。

　冷却時に基板を別室に搬送する従来の方法は搬送にかかる分だけ時間をロスする、つまり曝露時間Ｔが大きくなるという問題があった。加熱室に冷却ガスを導入して基板を冷却させる方法は、真空度が悪くなる、つまり圧力Ｐが上がってしまうという問題があった。基板支持台自体を加熱および冷却させる方法では、基板支持台の熱容量がある分、昇温および降温速度が遅くなり、特に基板温度を室温程度まで下げる場合には長時間を必要とするため、やはり曝露時間Ｔを増大させるという問題があった。

　ロードロックチャンバーで加熱または冷却のいずれか一方のプロセスを行う従来の方法では、薄膜の急速な加熱および冷却プロセスを連続的に行うこと自体が不可能であった。仮に成膜後に基板をロードロックチャンバーに戻し、加熱冷却プロセスを連続的に行ったとしても、装置の動作シーケンス上、引き続き成膜を実施することが不可能であった。また、処理毎に大気圧までベントされるロードロックチャンバーでは真空度が低い、つまり圧力Ｐが高いため前記のＰＴ積が異常に高いという問題があった。

　磁場中で大量に基板の加熱処理を行う装置では、別の成膜装置で成膜処理した基板を一度大気に出して、改めて磁場中で加熱する装置に入れてから加熱処理を行うため、成膜プロセスと加熱冷却プロセスを真空一貫で行うことができなかった。成膜中に磁場を印加する装置においても、加熱冷却機能はなく、成膜後に真空一貫で加熱冷却処理を行うことは不可能であった。
　また、特許文献１６、１７のように、真空一貫での加熱処理を考慮して同一チャンバー内に加熱機構と冷却機構とを設ける形態においても、以下のような問題点がある。例えば、特許文献１６、１７に開示された発明において、基板支持体や加熱板を加熱することによって基板を加熱する場合、基板支持体や加熱板の熱容量のために昇温に時間がかかってしまい、上記積ＰＴが大きくなってしまう。
　また、特許文献１６において、基板支持体自体の加熱により基板を加熱するのではなく、基板支持体と基板とを離間させ、基板支持体と基板との間に加熱されたガスを供給して基板を加熱する場合は、基板支持体の熱容量に関係なく基板を加熱することができる。しかしながら、加熱のための上記ガスを供給した分だけ圧力Ｐが大きくなってしまい、上記積ＰＴの増加を招いてしまう。

　本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、成膜処理後に高い真空度を維持したまま基板のみを急速に加熱し、かつ急速に冷却することが可能な真空加熱冷却装置および磁気抵抗素子の製造方法を提供することにある。

　このような目的を達成するために、本発明は、真空中で基板を加熱冷却する真空加熱冷却装置であって、真空チャンバーと、前記真空チャンバーの大気側に配置された加熱光を放射する放射エネルギー源と、前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、前記真空チャンバー内部に配置された、冷却機構を有する部材であって、該冷却機構により冷却可能な部材と、基板を保持するための基板保持部を有し、該基板保持部を加熱位置および該加熱位置とは別個の位置である冷却位置にて静止させ、かつ前記基板保持部を前記加熱位置と前記冷却位置との間で移動させる基板移動機構とを備え、前記加熱位置は、前記基板を加熱する際に該基板を位置させるべき位置であって、前記放射エネルギー源に近接した位置であり、前記冷却位置は、前記基板を冷却する際に該基板を位置させるべき位置であって、前記部材に近接した位置または前記基板が前記部材に載置されるような位置であることを特徴とする。
　また、本発明は、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および磁化自由層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子の製造方法であって、前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板を用意する工程と、前記基板を、該基板が設置された真空チャンバーの外側から入射された加熱光により加熱する加熱工程と、前記真空チャンバーにおける、前記加熱光による加熱が行われる位置とは別の位置にて、前記加熱された基板を冷却する冷却工程とを有することを特徴とする。
　さらに、本発明は、第１の磁性層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および第２の磁性層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子の製造方法であって、前記基板上に、前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層を形成する工程と、前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板を所定の位置に配置する工程と、前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板が配置された真空チャンバーの外側から加熱光を該真空チャンバー内に導入して前記第１の磁性層およびトンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板に照射することにより、該基板を加熱する加熱工程と、前記真空チャンバー内の、前記所定の位置とは異なる位置にて、前記加熱された基板を冷却する冷却工程とを有し、前記トンネルバリア層または非磁性伝導層はＭｇＯ層であり、前記加熱工程および前記冷却工程の少なくとも一方において、前記第１の磁性層の磁化方向を揃えるように磁場を印加することを特徴とする。

　本発明によれば、成膜処理後であっても、高い真空度を維持したまま基板のみを急速に加熱し、また急速に冷却することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の構成図である。本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置を接続したスパッタリング装置の構成図である。本発明に係る真空加熱冷却装置における制御系の概略構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の構成図である。本発明の一実施形態に係る、加熱処理後の基板を冷却する際の時間と基板温度との関係を示す降温曲線図である。本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の構成図である。図６に示す磁場印加機構の配置（磁気回路）を説明するための上面図である。本発明の一実施形態に係る、熱処理した基板上に形成された磁性膜の磁化方向を比較するための図であって、熱処理中に磁場印加しない場合の磁化方向を示す図である。本発明の一実施形態に係る、熱処理した基板上に形成された磁性膜の磁化方向を比較するための図であって、熱処理中に磁場印加した場合の磁化方向を示す図である。本発明の一実施形態に係る真空加熱冷却装置の構成図である。本発明の一実施形態に係る基板を加熱位置と冷却位置との間を移動させるための機構を説明する図であって、該機構の概略正面図である。本発明の一実施形態に係る基板を加熱位置と冷却位置との間を移動させるための機構を説明する図であって、該機構の上面である。本発明の一実施形態に係る基板を加熱位置と冷却位置との間を移動させるための機構を説明する図であって、該機構を用いる際の基板支持台の上面図である。本発明の一実施形態に係る、トンネル磁気抵抗素子のＭＲ－ＲＡ曲線を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

　（第１の実施形態）　
　図１は、本実施形態に係る真空加熱冷却装置の装置構成図である。　
　図１において、真空チャンバー１の上部に、ハロゲンランプ２からの加熱光を透過する石英窓３が、真空シール部材（不図示）を介して固定されている。この石英窓３は、ハロゲンランプ２から出力された加熱光を真空チャンバー１に入射させるための入射部として機能する。真空シール部材はバイトン（登録商標）やカルレッツ（登録商標）などの耐熱性の高いものが好ましい。図１に示すように真空チャンバー１と石英窓３との間に石英窓脱着用リング４を設けると、石英窓３の脱着がしやすくなる。石英窓３の大きさは基板５の大きさの１．５倍以上となるようにすることが好ましい。また、大気側には加熱光を放射する放射エネルギー源としてのハロゲンランプ２が配置されている。すなわち、ハロゲンランプ２は、真空チャンバー１の外側に、石英窓３に加熱光を照射するように配置される。放射エネルギー源としては、例えば赤外線といった加熱光を放射するものであればハロゲンランプに限る必要はない。ハロゲンランプ３からの加熱光がＯリング６に直接照射しないようにハロゲンランプ２と石英窓３との間にリング状の遮蔽板７を設けておく。遮蔽板７は熱伝導の良いアルミ製とし、冷却水路８を設けることにより、冷却水によって冷やされる構造にする。

　ハロゲンランプ２下方の真空チャンバー１内部には基板５とほぼ同じ直径の基板支持台９が配置されている。また、水冷ジャケット１０は、基板支持台９と接触させて配置されている。すなわち、本実施形態では、冷却機構を有する部材は、基板支持台９と該基板支持台９に接触した水冷ジャケット１０を含むことになる。基板支持台９は熱伝導率の高い誘電体材料を用いることが好ましく、本実施形態ではＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いている。水冷ジャケット１０はハロゲンランプ２からの加熱光をなるべく広く受けられる大きさにし、ハロゲンランプ２からの加熱光が直接に真空チャンバー１の内壁に照射しないようにすることが好ましい。冷媒としての冷却水の流路となる冷却水路１２を内蔵した水冷ジャケット１０にはガス放出率が低く熱伝導率の高い材料を用いることが好ましく、本実施形態ではアルミニウムを用いている。

　また、冷却水路１２には、冷却水導入口１２ａと冷却水排出口１２ｂとが接続されており、冷却水導入口１２ａにはポンプ（不図示）が接続されている。よって、ポンプが駆動することにより、冷却水は冷却水導入口１２ａから冷却水路１２に導入され、冷却ジャケット１０に内蔵された冷却水路１２中を通過することにより、冷却ジャケット１０を冷却し、冷却水排出口１２ｂから排出される。上記冷却水により冷却ジャケット１０が冷却されると、該冷却効果は基板支持台９にも及び、基板支持台９に基板５が載置されている場合は、該載置された基板５を冷却することができる。

　なお、本実施形態では、冷却水路１２を有する水冷ジャケット１０と基板支持台９とが接触する形態を用いているが、水冷水路１２を基板支持台９に内蔵させても良い。すなわち、本発明では、基板支持台９が冷却機能を有することが重要であり、そのために、基板支持台９が冷媒を流すための冷却機構（水冷ジャケット１０や冷却水路１２等）と接触したり、該冷却機構を内蔵したりするのである。

　基板支持台９および水冷ジャケット１０にはそれぞれ、基板５の大きさの範囲内で外周部に少なくとも３箇所の貫通穴を空け、該貫通穴に基板５を上下動させるためのリフトピン１３が挿入されている。リフトピン１３はベローズ１１を介して大気側にある上下駆動機構１５と接続され、該上下駆動機構１５の駆動により上下に昇降するようになっている。上下駆動機構１５はモーター駆動式もしくは圧縮空気によるエアシリンダー式を用いれば良い。なお、上下駆動機構１５は、後述する制御部（図１では不図示）に接続されており、該制御部が上下駆動機構１５の駆動を制御することによりリフトピン１３の昇降（上下）は制御される。

　本実施形態では、少なくとも３本のリフトピン１３がそれら先端１３ａで基板５の下面（処理を施す面と対向する面）を支持することにより、基板５はリフトピン１３に保持される。すなわち、上記リフトピン１３の先端１３ａにより基板５が保持されることになるので、各リフトピン１３の先端１３ａがそれぞれ基板保持部として機能する。該リフトピン１３に保持された基板５は、制御部による上下駆動機構１５の制御により、冷却位置Ｐ１、搬送位置Ｐ２、加熱位置Ｐ３に静止する（停止する）ことができ、また冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３との間を移動することができる。図１では、搬送位置Ｐ２および加熱位置Ｐ３に静止している状態の基板５を便宜上破線で示している。

　なお、本明細書において、「冷却位置」とは、基板を冷却する際に基板が配置されるべき位置であり、本実施形態では、基板支持台９に基板５が載置される位置を冷却位置Ｐ１としている。なお、冷却位置は、基板が基板支持台に載置される位置に限らず、冷却機能を有する基板支持台から生じる冷却効果が作用する範囲であれば、基板支持台に近接した位置であっても良い。

　また、「加熱位置」とは、冷却位置とは別個の、基板を加熱する際に基板が配置されるべき位置であり、放射エネルギー源と冷却機能を有する基板支持台との間の位置であって、冷却位置Ｐ１よりも放射エネルギー源に近い位置に設定される。本実施形態では、加熱位置Ｐ３は、石英窓３の近傍に設定されている。

　さらに、「搬送位置」とは、外部から搬送された基板が最初に保持される位置であって、冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３との間に設定される。本実施形態では、搬送位置Ｐ２は、基板搬送用のゲートバルブ１４の開口と対向する空間であって該開口の幅の範囲内の空間に設定されている。外部から搬送された基板５は、搬送位置Ｐ３にてリフトピン１３の先端によって保持され、その後、リフトピン１３の昇降により加熱位置Ｐ３あるいは冷却位置Ｐ１へと移動する。なお、搬送位置Ｐ３は、上記空間内に設定されることが好ましいが、該空間以外の位置に設定しても良い。何故ならば、本発明では、真空一貫で急速加熱および急速冷却を行うことが重要であり、そのために、同一真空チャンバー内に加熱位置Ｐ３と冷却位置Ｐ１とを別個に設け、加熱処理を加熱位置Ｐ３にて行い、冷却処理を冷却位置Ｐ１にて行うことが本質である。よって、該本質要件が実現されていれば、搬送位置は、いずれであっても良いのである。

　真空チャンバー１の側面には基板搬送用のゲートバルブ１４が配置され、隣接した他の真空チャンバーと真空を維持したまま基板５の出し入れができるようになっている。真空チャンバー１の、基板搬送用のゲートバルブ１４と反対側には、真空封止用のゲートバルブ１８を介して真空排気用の真空ポンプ１６が配置されている。

　真空チャンバー１はガス放出率の低いアルミニウムまたはステンレスで作製し、チャンバーの大気側にはベーキング用のシースヒーター（不図示）と冷却用の冷却水配管（不図示）を巻いておく。真空チャンバー１を大気から排気する場合にはシースヒーターに通電して真空チャンバー１を１５０℃以上に加熱し、少なくとも２時間以上はベーキングしてチャンバー内壁からのガス放出を促進する。チャンバーベーキングが終了したら、冷却水配管に通水しチャンバーを室温まで冷却する。真空チャンバー１内の真空度が飽和したら準備完了となるが、加熱プロセスの際に真空チャンバー１が温まるのを防ぐために冷却水は引き続き流しておく。また真空チャンバー１の少なくとも１箇所に真空計１７とガス導入口１９をそれぞれ設置しておく。

　図３は、本実施形態の真空加熱冷却装置における制御系の概略構成を示すブロック図である。　
　図３において、符号１０００は真空加熱冷却装置全体を制御する制御手段としての制御部である。この制御部１０００は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ１００１、およびこのＣＰＵ１００１によって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭ１００２を有する。また、制御部１０００は、ＣＰＵ１００１の処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ１００３、およびフラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリ１００４などを有する。

　また、この制御部１０００には、所定の指令あるいはデータなどを入力するキーボードあるいは各種スイッチなどを含む入力操作部１００５、真空加熱冷却装置の入力・設定状態などをはじめとする種々の表示を行う表示部１００６が接続されている。また、制御部１０００には、ハロゲンランプ２、上下駆動機構１５、真空ポンプ１６、冷却水導入用のポンプ１０１３、基板搬送用のゲートバルブ１４、真空封止用のゲートバルブ１８がそれぞれ、駆動回路１００７、１００８、１００９、１０１０、１０１１、１０１２を介して接続されている。

　ＣＰＵ１００１からの指示に従い、ハロゲンランプ２は放射光を放射し、また、上下駆動機構１５はリフトピン１３を上下に移動させる。ポンプ１０１３は、冷却水導入口１２ａに接続されており、ＣＰＵ１００１からの指示に従い、冷却水導入口１２ａへと冷却水を導入する。また、ＣＰＵ１００１からの指示に従い、真空封止用のゲートバルブ１８および真空ポンプ１６は駆動して、真空チャンバー１の排気を行う。さらに、ＣＰＵ１００１からの指示に従い、基板５を真空チャンバー１内に搬送できるよう、基板搬送用のゲートバルブ１４の開閉が制御される。

　次に本実施形態の動作について図面を用いて説明する。　
　図２に、本実施形態に係る真空加熱冷却装置を接続したスパッタリング装置のチャンバー構成を示す。図２に示すスパッタリング装置は、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および磁化自由層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子、並びに半導体素子を真空一貫で形成することが可能な製造装置である。

　図２に示すスパッタリング装置は、２つの真空搬送機構（ロボット）２１を備えた真空搬送チャンバー２２を備えている。該真空搬送チャンバー２２には、複数のスパッタリングカソード２３を搭載した３つのスパッタ成膜チャンバー２４、２５、２６と、基板表面のクリーニング用のエッチングチャンバー２７と、基板を大気～真空間で出し入れするためのロードロックチャンバー２８と、図１にて説明した本実施形態に係る真空加熱冷却装置２９とがそれぞれゲートバルブを介して接続されている。従って、各チャンバー間の基板の移動は真空を破ることなく行うことができる。なお、スパッタ成膜チャンバー２４～２６にはそれぞれ、基板ホルダー３０ａ～３０ｃが設けられている。上記真空搬送チャンバー２２には、酸化処理チャンバーを設けても良い。

　本実施形態では、スパッタ成膜チャンバー２４にはＴａ、Ｒｕ、ＩｒＭｎ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢターゲットを取り付け、スパッタ成膜チャンバー２５には少なくともＭｇＯターゲットを取り付け、スパッタ成膜チャンバー２６には少なくともＣｏＦｅＢとＴａターゲットとを取り付けておく。真空搬送機構２１により、ロードロックチャンバー２８からＳｉ基板を真空中に導入し、初めにエッチングチャンバー２７でＳｉ基板上に付着している不純物を除去する。その後、真空搬送機構２１によりＳｉ基板をスパッタ成膜チャンバー２４に搬送し、スパッタ成膜チャンバー２４は、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）の積層体を成膜する。次に、真空搬送機構２１によりスパッタ成膜チャンバー２４からスパッタ成膜チャンバー２５へとＳｉ基板を搬送し、スパッタ成膜チャンバー２５は、上記積層体上にＭｇＯ膜を約１ｎｍ成膜して、Ｓｉ基板／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）の構造にする。その後、真空搬送機構２１によりスパッタ成膜チャンバー２５から真空加熱冷却装置２９へとＳｉ基板を搬送し、真空加熱冷却装置２９は、搬送されたＳｉ基板（基板５）を搬送して加熱冷却処理を行う。最後に、真空搬送機構２１により真空加熱冷却装置２９からスパッタ成膜チャンバー２６へとＳｉ基板を搬送し、スパッタ成膜チャンバー２６は、搬送されたＳｉ基板に形成された積層体上にＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を積層し、トンネル磁気抵抗素子を完成させる。

　次に図１に示す本実施形態に係る真空加熱冷却装置２９内における処理内容を詳細に説明する。　
　加熱冷却処理の指示を受けると制御部１０００は、基板搬送用のゲートバルブ１４を開ける制御を行う。このとき、スパッタ成膜チャンバー２５でＭｇＯ膜まで成膜された基板（Ｓｉ基板）５は、真空搬送チャンバー２２の基板搬送機構２１によって真空加熱冷却装置２９内の搬送位置Ｐ２で待機したリフトピン１３の上に搬送される。その後、制御部１０００の制御によりゲートバルブ１４が閉じて、リフトピン１３が上昇する。このとき制御部１０００は、上下駆動機構１５を制御して、リフトピン１３に保持された基板５が加熱位置Ｐ３に位置するようにリフトピン１３を上昇させる。このとき、ハロゲンランプ２と基板５との間の距離が１００ｍｍ以下となるように加熱位置Ｐ３を設定することが好ましい。その状態で、制御部１０００からの指示に従い、ハロゲンランプ２に電力を投入して大気側から石英窓３を通して基板５に加熱光を照射する。基板５の温度が所望の温度に達したら、制御部１０００は、ハロゲンランプ２の投入電力を下げて基板温度が一定の値を維持するように制御する。このようにして基板の加熱処理を行う。

　なお、本実施形態では、加熱処理終了の前の所定のタイミングにおいて、基板支持台９の冷却動作を開始する。該冷却動作においては、制御部１０００は、ポンプ１０１３を駆動する制御を行う。この制御によりポンプ１０１３から冷却水導入口１２ａへと冷却水が導入され、冷却水路１２を介して冷却水排出口１２ｂから排出される。このとき、冷却水路１２を通過する冷却水により基板支持台９は冷却されることになる。

　所望の時間が経過したら、制御部１０００は、ハロゲンランプ２への電力の供給を停止する制御を行う。次いで制御部１０００は、上下駆動機構１５を制御して、加熱処理が施された基板５を支持するリフトピン１３を下降し、該基板５を冷却位置Ｐ１に位置させる。すなわち、基板５を冷却水によって冷却された基板支持台９の上（冷却位置Ｐ１）に載置して基板５の冷却を行う。基板５の温度が室温程度に冷却されたら、制御部１０００は、上下駆動機構１５を制御して、リフトピン１３を搬送位置Ｐ２まで上昇させ、ゲートバルブ１４を開け、基板搬送機構２１によってリフトピン１３上の基板５を搬出する。

　このように、制御部１０００は、加熱処理の際には基板５が加熱位置Ｐ３に位置するようにリフトピン１３の駆動を制御し、基板５を加熱位置Ｐ３に停止させて加熱処理を行う。そして、制御部１０００は、該加熱処理中あるいは加熱処理の前の段階から冷却水路１２に冷却水が流れるような制御を行うことができる。従って、上記加熱処理が終了した時点で基板支持台９は十分に冷却された状態とすることができる。次いで、制御部１０００は、冷却処理の際には基板５が冷却位置Ｐ１に位置するようにリフトピン１３の駆動を制御し、基板５を冷却位置Ｐ１に停止させて冷却処理を行う。

　以上のように、本実施形態では、真空チャンバー１と該真空チャンバー１内の基板支持台９を常時冷却した状態で基板５のみを加熱光で加熱することによって、高真空を維持したまま急速に基板の加熱と冷却とを実現することができる。

　すなわち、本実施形態では、基板５を加熱する際に、基板支持台９自体を加熱する構成ではなく、冷却機能を有する基板支持台９から離間した加熱位置Ｐ３に基板５を保持して加熱を行うので、基板支持台９の熱容量に関係なく基板５を加熱することができる。従って、基板の加熱に要する時間を低減することができ、基板を急速に加熱することができる。すなわち、真空チャンバー１の外部に加熱光を放射するハロゲンランプ２を設け、該ハロゲンランプ２からの加熱光によって基板を加熱しているので、特許文献１６、１７のように、加熱機構に含まれる基板支持体自体や加熱板自体を加熱することなく基板を加熱することができる。よって、同一チャンバー内に加熱機構と冷却機構とを設ける形態において、本実施形態は、所定の部材を加熱し、該部材の熱を基板に伝達することによって基板を加熱する構成ではないので、加熱に要する時間を短縮することができ、残留ガスの指標となる積ＰＴのうち、時間要素である“Ｔ”を小さくすることができる。
　また、特許文献１６の他の例では、上述のように基板と基板支持体とを離間させ、該基板と基板支持体との間の離間領域に、加熱された乾性ガスを導入し、該乾性ガスの熱により基板を加熱している。該構成によれば、基板支持体を加熱する構成ではないので、該基板支持体自体を加熱するための時間を省くことができ、上記積ＰＴの時間要素である“Ｔ”を小さくすることができる。
　しかしながら、該構成では、基板を加熱するための乾性ガスを供給する必要があり、この供給された乾性ガス分だけ圧力が増加してしまう。従って、たとえ上記積ＰＴのうち時間要素“Ｔ”を減少できても、圧力要素“Ｐ”が増加してしまい、上記積ＰＴをうまく小さくすることができない。よって、上記積ＰＴを小さくするためにチャンバー内の圧力を下げたとしても、加熱のためのガスが供給される分だけ圧力は増加してしまい、高い真空度を維持したまま加熱処理を行うことは困難である。
　これに対して、本実施形態では、加熱光により基板を加熱するという思想の下、真空チャンバー１の大気側（外側）にハロゲンラップ２を設け、ハロゲンランプ２から照射された加熱光を石英窓３を介して真空チャンバー１内に入射し、加熱対象の基板に入射された加熱光を照射させる。すなわち、本実施形態では、赤外線といった加熱光により基板を加熱しているので、加熱された乾性ガスといった圧力増加に繋がる要素を用いなくても基板を加熱することができる。従って、上記積ＰＴの圧力要素“Ｐ”を増加させることなく基板を加熱することができる。よって、真空チャンバー１内の圧力を下げればそのまま上記圧力要素“Ｐ”を下げることになり、高真空度において加熱処理を行うことができる。

　また、同一真空チャンバー１内に加熱位置Ｐ３と冷却位置Ｐ１とを別個の位置に設けているので、加熱位置Ｐ３にて加熱処理を行っている際に、あるいは該加熱処理の前の段階から基板支持台９を冷却することができる。よって、基板の加熱処理が終了して基板の冷却処理に移る段階において、基板支持台９を十分に冷却することができるので、該基板支持台９に基板５を載置する、または近接して配置する際には（すなわち、冷却位置Ｐ１に基板を配置する際には）、すぐに基板支持台９の冷却作用を基板５に及ぼすことができる。従って、急速な冷却を実現することができる。

　さらに、本実施形態では、リフトピン１３によって基板５を支持し、加熱位置Ｐ３と冷却位置Ｐ１との間の移動を行っている。従って、基板５を面ではなく、点で支持することができるので、加熱処理する際に基板５を支持する部材（リフトピン１３）の熱容量の影響を低減することができる。従って、加熱処理後に冷却処理する場合、リフトピン１３と基板５との接触領域は少ないので、リフトピン１３の熱容量の影響は小さくなる。従って、基板５の温度低減にかかる時間を短縮することができ、急速な冷却を実現することができる。また、加熱処理の際にも、基板５の加熱へのリフトピン１３の熱容量の影響を低減することができるので、急速な加熱を実現することができる。
　このように、本実施形態では、真空チャンバー１内に冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３とを別個に設け、さらに加熱光を基板に入射することにより基板の加熱処理を行っている。従って、同一チャンバー内において、高真空度を維持した状態で、基板の加熱処理のための準備と基板の冷却処理のための準備とを、同時にかつ独立して行うことができる。よって、上記積ＰＴの圧力要素“Ｐ”および時間要素“Ｔ”の双方を効率良く低減することができる。
　図１１は、上述のトンネル磁気抵抗素子の成膜において、ＭｇＯ膜形成後に加熱を行わずに以降の層を成膜した場合と、ＭｇＯ成膜後に加熱を行い次いで同一チャンバー内で冷却を行ってから以降の層を成膜した場合（本実施形態）と、ＭｇＯ成膜後に加熱を行ったが冷却せずに以降の層を成膜した場合とのＭＲ－ＲＡ曲線を示す図である。
　トンネル磁気抵抗素子を磁気ヘッドのセンサーとして用いる場合は、より低いＲＡ領域において高いＭＲ比を得ることが好ましい。図１１に示されるように、ＭｇＯ膜形成後に加熱を行わないとＲＡが６～７Ωμｍ^２付近から急激にＭＲ比が低下する。それに対し、図１１に示されるように、ＭｇＯ成膜後に加熱を行うと、ＲＡが下がるにつれてＭＲ比が劣化する現象は変わらないものの、ＭｇＯ成膜後に加熱を行わない場合に対して、ＭＲ比の低下率が緩く高いＭＲ比を維持し続けている。さらに加熱後に冷却を行わない場合は２Ωμｍ^２付近から急激にＭＲ比が低下するが、加熱後に冷却を行うことによってＭＲ比の低下率を抑制することができる。
　このように、本実施形態によれば、トンネル磁気抵抗素子のＭｇＯ膜を製造する際に、成膜されたＭｇＯ膜を加熱位置Ｐ１において加熱光により加熱し、さらに同一チャンバー内において加熱位置Ｐ３とは別個の位置である冷却位置Ｐ１にて冷却を行うことで、積ＰＴを小さくすることができ、さらにはより低いＲＡにおいてより高いＭＲ比を実現することができるという格別な効果を奏することができる。

　上述のように、本実施形態では、基板の加熱処理と基板の冷却処理とを同一の真空チャンバー内で行うことができ、かつ加熱処理にかかる時間と冷却処理にかかる時間との双方を短縮することができる。従って、真空度を示す圧力Ｐおよび暴露時間Ｔの双方を低減することができ、基板の膜表面に入射する残留ガスを低減することができる。

　（第２の実施形態）　
　第１の実施形態において加熱温度が高い場合や基板５の種類によっては、基板５を冷却された基板支持台９の上に載置した時に熱衝撃によって基板が割れることがある。そのような基板の割れを防ぐために、本実施形態では、第１の実施形態の加熱終了後、リフトピン１３を下降させる際に基板５を基板支持台９にすぐに載置するのではなく、基板支持台９の上方の所定の位置にて一旦停止させる。このような所定の位置は、基板支持台９の上方２０ｍｍ以内であることが好ましい。あるいは、非加熱時において、ハロゲンランプ２と基板５との間の距離が１００ｍｍ以上となる位置に基板５を一旦停止するようにしても良い。

　このようにすることによって割れを回避しながら基板を冷却することができる。すなわち、本実施形態では、基板５の温度が冷却された基板支持台９の上に載置しても割れない温度になったら、リフトピン１３を冷却位置まで下げて基板５を基板支持台９の上に載置することにより、基板５の割れを回避しつつ、基板温度を室温付近まで速やかに冷却することができる。

　（第３の実施形態）　
　第１および第２の実施形態において基板５が冷却された基板支持台９の上に載置された後、基板温度が室温に達するまでの時間をさらに短縮するために、基板支持台９に静電チャックといった静電吸着機構を設けること、および基板支持台９の表面に冷却ガスを供給することの少なくとも一方を行うことは効果的である。

　図４は、本実施形態に係る、図１に示した真空加熱冷却装置の基板支持台に静電チャック機能を設けた形態を説明するための図である。　
　図４において、基板支持台４１は、図１にて示した基板支持台９に静電チャック機能を持たせたものである。具体的には、誘電体からなる基板支持台４１は、電気（電力）を導入するための配線（不図示）と接触または内蔵しており、該配線は外部電源に電気的に接続されている。該外部電源は、制御部１０００からの指示に従い、上記配線に電圧を印加できるように構成されている。よって、制御部１０００からの静電吸着の指示により、上記配線に電圧が印加されると、該電圧により生じた静電気によって基板を基板支持台４１に吸着することができる。

　また、基板支持台４１の、基板５の裏面と接触する面（基板５が載置される面）には、溝４２が形成されており、該溝４２には大気側から冷却ガスを導入および排出するための少なくとも１対のガス導入配管４３を連結されている。該ガス導入配管４３には、冷却ガスをガス導入配管４３に対して導入および排出を行うためのガス導入機構（不図示）に接続されており、該ガス導入機構は、制御部１０００からの指示に従い、ガス導入配管４３へと冷却ガスの導入を行う。

　本実施形態では、第１および第２の実施形態において、加熱処理の終了後にリフトピン１３を下降して基板５を基板支持台４１の上に載置した後、制御部１０００は、上記外部電源を制御して、基板支持台４１の静電チャック機構（配線）に電力を投入させて、基板５を静電気の力で冷却された基板支持台４１に密着させる。さらに、制御部１０００は、ガス導入機構を制御して、基板支持台４１に彫られた冷却ガス導入用の溝４２に冷却ガスとしてのＡｒガスを導入し、Ａｒガスが基板５の裏面と直接的に接するようにすることで室温までの冷却時間を大幅に改善することができる。

　図５は、５５０℃まで加熱した直径３００ｍｍのＳｉウエハー（基板５）を冷却された基板支持台４１の上に載置しただけの場合（冷却水路１２による冷却のみ）と、基板５を冷却された基板支持台４１の上に載置した後に静電チャックし、さらに基板５の裏面にＡｒガスを流した場合との降温曲線の比較図である。

　図５では、破線は、上記基板５を基板支持台４１に載置しただけの場合の降温曲線である。実線のうち符号５１の領域は、基板５を基板支持台４１に載置し、静電チャックとＡｒガス導入との双方を行う場合において、静電チャックとＡｒガス導入とを行っていない時間帯における降温曲線である。また、実線のうち符号５２の領域は、上記静電チャックとＡｒガス導入との双方を行う場合において、静電チャックをＯＮした時間帯における降温曲線である。さらに、実線のうち符号５３の領域は、上記静電チャックとＡｒガス導入の双方を行う場合において、静電チャックをＯＮし、さらにＡｒガスを導入した時間帯における降温曲線である。

　図５において、時間ｔ１において静電チャックを行うことによって冷却速度が増し、さらに時間ｔ２において基板５の裏面に冷却ガスとしてＡｒガスを導入することによってより冷却速度が増している。その結果、冷却開始より２分経過後に基板温度が４０℃以下の室温レベルに達していることがわかる。

　（第４の実施形態）　
　本実施形態では、図６に示すように、基板支持台４１を冷却するための水冷ジャケット１０の外側に、磁場印加機構としての磁石６１を配置する。さらに、磁石６１に直接的に加熱光が入射して温度上昇することを防ぐために、磁石６１を囲うようにリフレクタ６２を設ける。この際、リフレクタ６２の温度上昇を防ぐためにリフレクタ６２自身も冷却水配管６３を内蔵した水冷ジャケット構造にし、リフレクタ６２に冷媒を接触させるような構造にすることが好ましい。

　本実施形態では、複数のブロック（磁石素子７１）に分かれた永久磁石をリング状に配置し、個々の磁石素子７１の向き（磁化方向７２）を図７のように配置した、いわゆるハルバック型磁気回路を磁石６１として採用している。この構造によって、基板面に平行かつ基板面内において平行に揃った磁場（磁力線７３）を基板５の冷却中に印加することが可能となる。基板５を冷却された基板支持台４１の上に載置せずに、基板支持台４１の、例えば上方２０ｍｍの範囲内の位置で停止させ、ハロゲンランプ２への投入電力を加熱位置Ｐ３における投入電力よりも高めに設定することによって、磁場を印加しながら高温を維持することも可能である。

　冷却中もしくは加熱中と冷却中とに基板に対して平行になるように磁場を印加することによって、図８Ａ、８Ｂに示すように磁性膜の磁化方向を一方向に揃えることができる。なお、図８Ａ、８Ｂにおいて、符号８１は、磁性膜が堆積した基板であり、符号８２は、磁化である。
　従来、磁気抵抗素子をスパッタリング装置で成膜した後、次工程の磁場印加可能な熱処理装置（上記スパッタリング装置とは別個の装置）で磁場中アニールすることによって磁化方向を一方向に揃えていた。これに対して本実施形態では、磁気抵抗素子の成膜プロセスの中で、磁場中での、加熱および冷却を行う。従って、上記従来の次工程の磁場中熱処理工程をスキップすることが可能となる。

　（第５の実施形態）　
　第４の実施形態において、磁場印加機構として、永久磁石を電磁石に置き換えても同様の効果が期待できる。このとき、基板５に対して、少なくとも２５ガウス以上の磁場を印加するように電磁石を構成することは好ましい。

　（第６の実施形態）　
　より強力な磁場を印加するために、本実施形態では、図９に示すように真空チャンバー１の外にヨーク９２と電磁石用コイル９３とを有する電磁石９１を配置する。

　電磁石９１の構成の一例として、電磁石９１が、冷却位置Ｐ１よりも上の所定の位置に基板５が静止している場合、該基板５の処理面に略平行で、なおかつ処理面内において平行に揃った磁力線を発生するように構成しても良い。この場合は、加熱位置Ｐ３に基板５が位置する場合では電磁石用コイル９３に電流を流さない。つまり磁場を印加しない状態で基板５を加熱し、基板温度が所望の温度に達したらリフトピン１３を下降させ基板位置を基板支持台４３の上方２０ｍｍ以内の位置（上記所定の位置）へ移動させる。この時、ハロゲンランプ２へ投入する電力は基板温度が所望の温度で維持するように調整する。同時に電磁石用コイル９３へ直流電流を流して磁場を発生させる。その状態で所望の時間、基板５を加熱した後、ハロゲンランプ２への電力投入を停止し、基板５の冷却を開始する。基板５を効果的に冷却するために、第３の実施形態で示したように、静電チャックしながら冷却ガスを導入する。基板温度が室温付近に達したら電磁石用コイル９３への給電を停止して磁場を消す。

　また、電磁石９１の構成の他の例として、電磁石９１が、冷却位置Ｐ１に基板５が静止している場合（図９のように、基板支持台４１の上に基板５が載置されている場合）、該基板５の処理面に略平行で、なおかつ処理面内において平行に揃った磁力線を発生するように構成しても良い。

　なお、磁場印加機構としては電磁石に限定されるものではなく、永久磁石を用いても良い。また、基板に対して少なくとも２５ガウス以上の磁場を印加するように、電磁石や永久磁石といった磁場印加機構を構成することは好ましい。

　本プロセスは磁性膜の成膜後に適用すると効果的であり、第１の実施形態に示した膜構成では、ＩｒＭｎの上のＣｏＦｅ膜、Ｒｕの上のＣｏＦｅＢ膜、ＭｇＯの上のＣｏＦｅＢ膜に適用するとそれらの磁性膜に高い磁気異方性を付与することができる。

　（第７の実施形態）　
　本実施形態では、上述の各実施形態において、基板５の加熱中にガス導入口１９から酸素ガスを導入することによって、基板５の最表面に位置するＭｇＯ膜からの酸素の脱離を補うことが可能となり、より高品質なＭｇＯ膜を形成することが期待できる。このように、本実施形態では、加熱処理および冷却処理の少なくとも一方が行われている間に、基板５に成膜された膜の最表面に位置する膜に応じたガスを導入することにより、処理後の膜をより高品位にすることができる。

　（第８の実施形態）　
　第１～第７の実施形態では、加熱処理、冷却処理といった熱処理の際に基板を移動させたり所定の位置（冷却位置Ｐ１、搬送位置Ｐ２、加熱位置Ｐ３など）に停止させたりするための基板移動機構として、リフトピンについて説明した。しかしながら、本発明では、上記基板移動機構はリフトピンに限定されず、冷却処理時には基板を冷却位置Ｐ１にて保持し、加熱処理時には加熱位置Ｐ３にて保持し、冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３の間で基板を移動させることができるものであれば、いずれの手段を用いても良い。

　上記基板移動機構の他の例を図１０Ａ～Ｃに示す。　
　図１０Ａは、本実施形態に係る、基板を加熱位置と冷却位置との間を移動させるための基板移動機構の概略正面図であり、図１０Ｂは、該機構の上面図であり、図１０Ｃは、該機構を用いる際の基板支持台の上面図である。なお、図１０Ａにおいては、図面の簡便化を図るため、基板移動機構に関する構成、およびハロゲンランプ２、石英窓３のみを記載する。

　図１０Ａにおいて、符号１０１は、基板支持台９と同様の冷却機能を有する基板支持台である。基板支持台１０１を挟むように、昇降機構１０２ａおよび１０２ｂが設けられている。該昇降機構１０２ａおよび１０２ｂのそれぞれには、長手方向に沿ってガイドレールが２本形成されている。昇降機構１０２ａのガイドレールのそれぞれには、ガイドレールに沿って移動可能な移動部１０３ａおよび１０３ｂが取り付けられている。また、昇降機構１０２ｂのガイドレールのそれぞれには、ガイドレールに沿って移動可能な移動部１０４ａおよび１０４ｂが取り付けられている。昇降機構１０２ａ（１０２ｂ）は、制御部１０００からの指示に従い、移動部１０３ａ、１０３ｂ（移動部１０４ａ、１０４ｂ）をガイドレールに沿って移動させることができる。

　符号１０５ａおよび１０５ｂはそれぞれ、基板５を保持するための支持棒であり、図１０Ｂに示すように、支持棒１０５ａの一方端を移動部１０３ａにより保持し、他方端を移動部１０４ａにより保持する。また、支持棒１０５ｂの一方端を移動部１０３ｂにより保持し、他方端を移動部１０４ｂにより保持する。このとき、支持棒１０５ａおよび１０５ｂがそれぞれ基板支持台１０１の基板載置面と略平行になるように、移動部１０３ａ、１０３ｂ、１０４ａ、１０４ｂの位置および移動は制御される。従って、基板５を冷却位置Ｐ１や加熱位置Ｐ３に停止する場合や冷却位置Ｐ１と加熱位置Ｐ３との間を移動させる場合において、基板５を基板支持台１０１の基板載置面と常に平行に維持することができる。

　このような構成において、制御部１０００は、加熱処理の際には基板５が加熱位置Ｐ３に位置するように昇降機構１０２ａおよび１０２ｂを制御し、冷却処理の際には基板５を冷却位置Ｐ１に位置するように昇降機構１０２ａおよび１０２ｂを制御する。

　なお、基板５が基板支持台１０１に載置される位置を冷却位置Ｐ１に設定する場合は、図１０Ｃに示すように、基板支持台１０１に、支持棒１０５ａ、１０５ｂと勘合するような溝１０６ａおよび１０６ｂを形成すれば良い。このようにすることで、支持棒１０５ａおよび１０５ｂがそれぞれ溝１０６ａおよび１０６ｂに勘合する際に基板５は基板支持台１０１に載置されることになる。

　本実施形態においても、基板５を面ではなく、線で支持することができるので、基板５と接触する面積を小さくすることができ、加熱処理する際に基板５を支持する部材（支持棒１０５ａ、１０５ｂ）の熱容量の影響を低減することができる。従って、支持棒１０５ａ、１０５ｂの熱容量の影響を小さくすることができ、急速な加熱、および急速な冷却を実現することができる。

　このように、本発明の一実施形態では、基板移動機構は、基板を保持するための基板保持部（例えば、図１の構成では、リフトピン１３の先端１３ａであり、図１０Ａ～Ｃの構成では、支持棒１０５ａ、１０５ｂ）を有する。この基板支持部は、基板を点や線で支持するなどして、基板の一部と接触して基板を支持する構成であることが好ましい。このようにすることで、熱処理の際に、基板への基板支持部の熱容量の影響を低減することができる。また、基板移動機構は、基板支持部に支持された基板を冷却位置および加熱位置に静止させ、さらに冷却位置と加熱位置との間を移動させる機能を有する。従って、基板への加熱処理および冷却処理を、同一真空チャンバー内の別個の位置で行うことができる。

Claims (33)

1. 　真空中で基板を加熱冷却する真空加熱冷却装置であって、
   　真空チャンバーと、
   　前記真空チャンバーの大気側に配置された加熱光を放射する放射エネルギー源と、
   　前記真空チャンバーに前記放射エネルギー源からの加熱光を入射させるための入射部と、
   　前記真空チャンバー内部に配置された、冷却機構を有する部材であって、該冷却機構により冷却可能な部材と、
   　基板を保持するための基板保持部を有し、該基板保持部を加熱位置および該加熱位置とは別個の位置である冷却位置にて静止させ、かつ前記基板保持部を前記加熱位置と前記冷却位置との間で移動させる基板移動機構とを備え、
   　前記加熱位置は、前記基板を加熱する際に該基板を位置させるべき位置であって、前記放射エネルギー源に近接した位置であり、前記冷却位置は、前記基板を冷却する際に該基板を位置させるべき位置であって、前記部材に近接した位置または前記基板が前記部材に載置されるような位置であることを特徴とする真空加熱冷却装置。
2. 　前記真空チャンバー内に前記基板を搬送するためのゲートバルブをさらに備え、
   　前記基板移動機構は、前記基板保持部を搬送位置にてさらに静止させることが可能であり、
   　前記搬送位置は、前記ゲートバルブの開口と対向する空間であって該開口の幅の範囲内の空間に位置することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
3. 　前記基板保持部は、基板の一部と接触するように該基板を保持することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
4. 　前記基板移動機構は、リフトピンであることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
5. 　前記リフトピンはベローズを介して大気側に設置された上下駆動機構によって、上下駆動することを特徴とする請求項４に記載の真空加熱冷却装置。
6. 　加熱光照射時に前記基板保持部は、前記基板移動機構によって前記放射エネルギー源に近接する位置まで上昇し、前記放射エネルギー源と前記基板との間の距離が１００ｍｍ以下となることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
7. 　非加熱時に前記基板保持部は、前記基板移動機構によって前記放射エネルギー源から遠隔した位置まで下降し、前記放射エネルギー源と前記基板との間の距離が１００ｍｍ以上となることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
8. 　前記部材は冷媒を流すための配管と接触または該配管を内蔵していることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
9. 　前記部材は、誘電体からなり、なおかつ電気を導入するための配線と接触または該配線を内蔵しており、静電気によって基板を吸着することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
10. 　前記誘電体からなる部材は、基板の裏面と接する面に溝が彫ってあり、該溝は大気側からガスを導入および排出するための少なくとも１対のガス配管と連結されていることを特徴とする請求項９に記載の真空加熱冷却装置。
11. 　前記誘電体からなる部材は、冷媒によって冷却される冷却ジャケットと接触して配置されていることを特徴とする請求項９に記載の真空加熱冷却装置。
12. 　加熱光照射による基板加熱時に、基板を前記放射エネルギー源に近接させて前記加熱位置に静止させ、加熱終了後に前記基板を前記放射エネルギー源から遠ざけ前記部材に近接させ、基板の冷却時に前記基板を前記部材に載置して前記冷却位置に静止させるように前記基板移動機構を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
13. 　加熱光照射による基板加熱時に、基板を前記放射エネルギー源に近づけて前記加熱位置に静止させ、加熱終了後に前記基板を前記放射エネルギー源から遠ざけ前記部材に近接させ、基板の冷却時に前記基板を前記部材に載置して前記冷却位置に静止させ、前記基板を静電気によって前記部材に吸着するように前記基板移動機構を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の真空加熱冷却装置。
14. 　加熱光照射による基板加熱時に、基板を前記放射エネルギー源に近づけて前記加熱位置に静止させ、加熱終了後に基板を前記放射エネルギー源から遠ざけ前記部材に近接させ、基板の冷却時に基板を前記部材に載置して前記冷却位置に静止させ、前記基板を静電気によって前記部材に吸着し、前記部材に彫られた溝にガスを導入するように前記基板移動機構を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の真空加熱冷却装置。
15. 　前記真空チャンバーの外部に配置された磁石をさらに備え、
    　前記磁石は、前記基板が前記加熱位置に位置する際の基板面に略平行で、なおかつ該基板面内において平行に揃った磁力線を発生することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
16. 　前記磁石は永久磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項１５に記載の真空加熱冷却装置。
17. 　前記磁石は電磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項１５に記載の真空加熱冷却装置。
18. 　前記真空チャンバーの外部に配置された磁石をさらに備え、
    　前記磁石は、前記基板が前記冷却位置に位置する際の基板面に略平行で、なおかつ該基板面内において平行に揃った磁力線を発生することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
19. 　前記磁石は永久磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項１８に記載の真空加熱冷却装置。
20. 　前記磁石は電磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項１８に記載の真空加熱冷却装置。
21. 　前記真空チャンバーの内部に配置された磁石をさらに備え、
    　前記磁石は、前記基板が前記冷却位置に位置する際の基板面に略平行で、なおかつ該基板面内において平行に揃った磁力線を発生することを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
22. 　前記磁石は、前記加熱光が直接照射されないように前記加熱光を反射するリフレクタによって囲われていることを特徴とする請求項２１に記載の真空加熱冷却装置。
23. 　前記リフレクタは冷媒と接して冷却されることを特徴とする請求項２２に記載の真空加熱冷却装置。
24. 　前記磁石は電磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項２１に記載の真空加熱冷却装置。
25. 　前記磁石は永久磁石であり、少なくとも基板に対して２５ガウス以上の磁場を印加することを特徴とする請求項２１に記載の真空加熱冷却装置。
26. 　前記真空チャンバーはガス導入口を備え、
    　該ガス導入口からガスが導入されることを特徴とする請求項１に記載の真空加熱冷却装置。
27. 　少なくとも、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、磁化自由層を有する３層構造を含む磁気抵抗素子を形成する製造装置であって、
    　基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した複数のスパッタ成膜チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した酸化処理チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の真空加熱冷却装置と、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    　真空一貫で前記磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
28. 　少なくとも、磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、磁化自由層を有する３層構造を含む磁気抵抗素子を形成する製造装置であって、
    　基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した複数のスパッタ成膜チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置したエッチングチャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の真空加熱冷却装置と、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    　真空一貫で前記磁気抵抗素子を形成することを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
29. 　基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバーと、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した成膜チャンバーと、
    前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置した請求項１に記載の真空加熱冷却装置と、
    　前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続配置し、基板を真空中から大気中へ、または大気中から真空中へ出し入れすることが可能なロードロックチャンバーとを備え、
    　真空一貫で薄膜を形成することを特徴とする半導体素子の製造装置。
30. 　磁化固定層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および磁化自由層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子の製造方法であって、
    　前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板を用意する工程と、
    　前記基板を、該基板が設置された真空チャンバーの外側から入射された加熱光により加熱する加熱工程と、
    　前記真空チャンバーにおける、前記加熱光による加熱が行われる位置とは別の位置にて、前記加熱された基板を冷却する冷却工程と
    　を有することを特徴とする製造方法。
31. 　前記トンネルバリア層または非磁性伝導層はＭｇＯであることを特徴とする請求項３０に記載の製造方法。
32. 　前記加熱工程および前記冷却工程の少なくとも一方において、前記基板に対して磁場を印加することを特徴とする請求項３０に記載の製造方法。
33. 　第１の磁性層、トンネルバリア層または非磁性伝導層、および第２の磁性層を少なくとも有する３層構造を含む磁気抵抗素子の製造方法であって、
    　前記基板上に、前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層を形成する工程と、
    　前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板を所定の位置に配置する工程と、
    　前記第１の磁性層および前記トンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板が配置された真空チャンバーの外側から加熱光を該真空チャンバー内に導入して前記第１の磁性層およびトンネルバリア層または非磁性伝導層が形成された基板に照射することにより、該基板を加熱する加熱工程と、
    　前記真空チャンバー内の、前記所定の位置とは異なる位置にて、前記加熱された基板を冷却する冷却工程とを有し、
    　前記トンネルバリア層または非磁性伝導層はＭｇＯ層であり、
    　前記加熱工程および前記冷却工程の少なくとも一方において、前記第１の磁性層の磁化方向を揃えるように磁場を印加することを特徴とする製造方法。

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