DE4230807C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Substratkühlung in einer evakuierten Umgebung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Kühlung eines Artikels insbesondere von Magnetscheiben, mit nach unterschiedlichen Seiten gerichteten im wesentlichen ebenen Oberflächen in einer evakuierten Umgebung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dünne Substrate, beispielsweise solche zur Verwendung für Magnetscheiben, machen eine Verarbeitung im hohen Vakuum erforderlich. Diese Verarbeitung umfaßt die Aufheizung des Substrats auf eine gewünschte Temperatur und die Anlage unterschiedlicher Beschichtungen durch Bestäuben bzw. Besprühen oder ähnliche physikalische Niederschlagsprozesse aus der Dampfphase. Hochvakuumverfahren erleichtern das Aufbringen von Schichten sehr hoher Reinheit und die Erzielung einer Vielfalt von Eigenschaften, die durch Parameter, wie Hintergrunddruck, Beschichtungsrate und Substrattemperatur, gesteuert werden. Hierfür ist das Substrathandhabungs- und -verarbeitungssystem illustrativ, welches gleichzeitig eingereicht worden ist.

Die Steuerung der Substrattemperatur in einer evakuierten Umgebung, d. h. Vakuum, ist eine wesentliche, jedoch schwierige Aufgabe. Typischerweise wird die Aufheizung eines Substrats durch Strahlungstransfer von Vorrichtungen, wie Quarzlampen, ausgeführt. Jedoch arbeiten normale Wärmeleitungsverfahren sehr schlecht in einer Vakuumumgebung. Die Atmosphäre ist nicht zugegen, um eine leitende Umgebung rund um die Wärmesenke zu schaffen.

Während der Substrat- oder Scheibenverarbeitung ist es oft wünschenswert, die Substrattemperatur zu erniedrigen.

Beispielsweise kann die gesteuerte Kühlung des Substrats notwendig sein, um eine vorbestimmte Temperatur für einen seriellen Beschichtungsschritt zu erzielen, beispielsweise Chrom- und Kobalt-Legierungen oder Kohlenstoffschichten bei magnetischen Scheiben. In diesem Fall werden die Eigenschaften hoher Härte und des Abriebwiderstandes von Kohlenstoffschichten verbessert, wenn auf ein Substrat beschichtet wird, welches auf relativ niedriger Temperatur ist.

Die Kühlung von Substraten oder Scheiben dadurch, daß diese der Atmosphäre ausgesetzt werden, während sie noch warm sind, kann die Brauchbarkeit solcher Substrate oder Scheiben für spezielle Anwendungen stark einschränken. Zusätzlich würde unkontrolliertes Kühlen und/oder Kühlen in der Atmosphäre die Beschichtungsqualität infolge der Diffusion unterschiedlicher Beschichtungen bei erhöhter Temperatur schädlich beeinflussen.

Eine Vorrichtung der oberbegrifflichen Art ist aus US-PS 4 909 314 bekannt. Der zu kühlende Artikel wird mit einer Seite an eine Wärmesenke bewegt, wobei der Rand der Wärmesenke an den Artikel anliegt und ein schmaler Zwischenraum mit Argongas sowie gegebenenfalls Sprühmittel gefüllt wird. Argon ist ein Gas mit relativ niedriger Leitfähigkeit.

Der Hauptnachteil eines solchen Systems liegt darin, daß der Akt der Berührung eines solch relativ dünnen Substrats der einen oder mehreren Oberflächen Schaden zufügen kann, die in dem ursprünglichen Zustand erhalten werden sollen. Ferner machen die geringe Masse und die Notwendigkeit der Handhabung der Substrate nur an deren Rändern Schwierigkeiten. Es ist schwierig, das Substrat mit einer Wärmesenke leitend zu koppeln.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren der Substratkühlung in einer Vakuumumgebung zu schaffen, das zwischen einzelnen Verfahrensausgangsschritten verwendet werden kann und die Substratoberfläche mit bereits aufgebrachten Beschichtungen nicht beschädigt, und welches in einer Vakuumumgebung mit einer vergrößerten Kühlrate arbeitet.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruchs gelöst und durch die weiteren Merkmale der Unteransprüche ausgestattet und weiterentwickelt.

Das offenbarte System der Kühlung eines Substrats in einer evakuierten Umgebung beseitigt die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile. Das offenbarte System verwendet Leitungs/Konvektionswärmeübertragung in einer spezialisierten Verfahrenskammer, um dünne Substrate rasch ohne einen Kontakt mit einer Oberfläche zu kühlen. Eine Kühlkammer ist mit stationären Wärmesenken ausgestattet, die in einem vorbestimmten Abstand seitlich angeordnet sind und zwischen denen das Substrat gelegen ist. Ein Gas hoher thermischer Leitfähigkeit wird dann eingeführt und füllt die gesamte Kammer bis zu dem gewünschten Betriebsdruck. Das Substrat wird dann auf eine gegebene Temperatur und in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmesenke, der Temperatur des originalen Substrats, der thermischen Leitfähigkeit des Gases, dem Druck und dem Abstand zwischen dem Substrat und den Wärmesenken abgekühlt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Substratkühlsystem mit der Substratverarbeitungskammer gemäß Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der thermischen Leitfähigkeit gegenüber Gasdruck für Helium und

Fig. 3 bis 8 Diagramme der Abkühlungsraten von Substraten unter unterschiedlichen Verfahrensbedingungen gemäß Erfindung.

Gemäß Erfindung beseitigt das offenbarte System zur Kühlung eines Substrats in einer evakuierten Umgebung im wesentlichen die dem Stand der Technik zukommenden Nachteile. Gemäß Erfindung ist eine Kühlkammer mit zwei stationären Wärmesenken vorgesehen, die im wesentlichen ebene, parallele und sich gegenüberstehende Oberflächen aufweisen. Sobald das Substrat betriebsmäßig zwischen den Wärmesenken eingebracht ist, wobei die jeweiligen äußeren Oberflächen den gegenüberstehenden Oberflächen der Wärmesenken benachbart und im wesentlichen parallel ausgerichtet sind, wird ein Gas hoher thermischer Leitfähigkeit in die Kühlkammer eingeführt, um den Wärmetransfer von dem Substrat zu den Wärmesenken zu erleichtern. Ein sehr wichtiger technischer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die angrenzenden Oberflächen der Wärmesenken in einem vorbestimmten, engen Abstand zu dem Substrat gehalten werden, um eine wesentliche Wärmeübertragung infolge Leitung/Konvektion zu erzielen und das Risiko einer Beschädigung der extrem empfindlichen Oberfläche des Substrats oder der Scheibe durch einen direkten Kontakt mit der Wärmesenke zu vermeiden.

Die Kühlung durch Gasleitung kann mit einem einfachen Modell wie folgt sichtbar gemacht werden:

worin
ΔE die von der Scheibe entfernte Energie,
Δt den Zeitschritt,
K die thermische Gasleitfähigkeit,
Δϕdie Temperaturdifferenz zwischen Substrat und Wärmesenke,
L der Abstand zwischen Substrat und Wärmesenke sind.

Für die meisten Gase ist die thermische Leitfähigkeit K bei Drücken von einer Atmosphäre und darüber konstant, mit geringer oder keiner Abhängigkeit vom Druck. Wenn der Druck unter eine Atmosphäre absinkt, nimmt die Leitfähigkeit ab. Die Leitfähigkeit der verschiedenen Gase steht in Beziehung zu deren Molekulargewicht, wobei die leichtesten Gase, wie Wasserstoff und Helium, die besten Leiter sind. Fig. 2 stellt die Leitfähigkeit über dem Druck für Helium dar, wie durch kürzliche Experimente bestimmt.

Bei der Auslegung einer Verfahrensstation im Hinblick auf höchste Substratkühlungsrate ist es wichtig, ein Gas wie Helium oder Wasserstoff wegen der besten Leitfähigkeit zu wählen. Es ist ferner notwendig, die Wärmesenken auf der niedrigsten praktischen Temperatur zu halten, um die höchste Temperaturdifferenz zwischen den Wärmesenken und dem Substrat vorzusehen. Es ist auch wünschenswert, den Abstand zwischen den Wärmesenken und dem Substrat auf einem praktischen Minimum zu halten, so daß die Substrate leicht und bequem in und aus der Verfahrensstation verbracht werden können, wenn das Substrat sequentiell in einem Vakuumsystem verarbeitet wird, wie dieses in der erwähnten, gleichzeitigen Anmeldung geschehen ist. Es gibt einen Kompromißabstand, bei dem unerwünschter Kontakt mit den Substratoberflächen vermieden wird und bei dem die Wärmeübertragung von dem Substrat zu den Wärmesenken demnach das maximal Erreichbare darstellt.

Schließlich muß der Gasdruck der Verarbeitungsstation zur Optimierung der Leitfähigkeit auf den höchsten praktischen Wert gesteuert werden, der mit dem Betrieb des Vakuumsystems verträglich ist. Dies wird typischerweise durch Drosselung des Gasstromes zu einer Hochvakuumpumpe ausgeführt, so daß ein kleiner (Gesamt-) Gasstrom einen stark erhöhten Druck ergibt.

Fig. 1 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Substratkühlstation 1 betriebsmäßig an das Gehäuse 21 der Hauptvakuumkammer durch konventionelle Montagemittel befestigt, beispielsweise eine Mehrzahl von gestrichelt gezeichneten Schrauben, und wird mittels einer O-Ringdichtung 22 wirksam abgedichtet.

Die Substratkühlstation 1 weist generell zwei Wärmesenken-Abstandsteile 2 auf, die auf zwei Wärmesenken 3 angebracht sind. Die Wärmesenken-Abstandsteile 2 werden zur bequemen Einstellung und Aufrechterhaltung des kritischen Abstandes zwischen dem Substrat 10 und den Wärmesenken 3 benutzt. Um die Temperatur der Wärmesenken 3 auf einem passend niedrigen Wert zu halten, reichen Leitungen 4 und 5 in und durch die Wärmesenken 3 und führen ein passendes Kühlmittel in und aus den Wärmesenken 3, um so die Temperatur dieser Wärmesenken 3 auf dem gewünschten Pegel zu halten.

Die Temperatur der Wärmesenken 3 wird mittels eines Paares konventioneller Temperatursensoren 6 überwacht, die betriebsmäßig auf jeder Wärmesenke 3 angebracht sind, ferner sind zwei Vakuumdurchführungen 7 für die Temperatursensoren im Gehäuse der Verarbeitungskammer 1 vorgesehen. Die Temperatursensoren 6 und die Durchführungen 7 sind betriebsmäßig durch Leitungen 8, 9 miteinander verbunden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Wärmesenken 3 eine generell ebene Oberfläche auf und sind im großen und ganzen parallel zueinander ausgerichtet. Die Wärmesenken-Abstandsteile 2 sind eng an den Wärmesenken 3 angebracht, um sicherzustellen, daß beide auf der gleichen Temperatur sind. Die Oberflächen der Wärmesenken-Abstandsteile 2 haben einen engen Abstand voneinander, um einen wesentlichen, konvektiven/leitenden Wärmetransfer von dem Substrat 10 zu den Wärmesenken 3 zu erzielen, wobei jedoch der Kontakt mit dem Substrat 10 vermieden wird, wenn dieses eingeführt worden ist, um das Risiko der Beschädigung der empfindlichen Oberflächen des Substrats zu vermeiden. Der Ausdruck "wesentliche konvektive/leitende Wärmeübertragung", wie hier benutzt, bedeutet eine konvektive/leitende Wärmeübertragung oberhalb von 500% der optimalen Wärmeübertragung von dem Substrat 10 auf die Wärmesenken 3 durch Strahlung allein.

Eine Gaszuführung 24 ist zur Einführung eines Gases hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Helium, direkt in die Prozeßkammer 20 vorgesehen. Die Einführung des Heliumgases vergrößert die Kühlrate, indem das Ausmaß der Wärmeübertragung vom Substrat 10 auf die Wärmesenken 3 vergrößert wird.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Wärmesenken 3 ein Material hoher Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, auf und sind zum kälteerzeugenden Betrieb bei ungefähr -130°C geeignet. Jedes der Wärmesenken- Abstandsteile 2 wird ferner in vorbestimmtem Abstand von der jeweiligen Oberfläche des Substrats zwischen 1,27 und 6,35 mm, vorzugsweise 2,2 mm, gehalten.

In der bevorzugten Ausführungsform wird Heliumgas als das leitende Medium benutzt. Das Heliumgas wird in die Prozeßkammer durch die Leitung 24 eingeführt und durch eine nicht gezeigte, sehr kleine Öffnung oder Drosselplatte der üblichen Hochvakuumcyropumpe 23 zugeführt, die nahe des Gehäuses 21 der Verarbeitungsstation 1 angeordnet ist.

Das Substrat 10 wird in und aus der Verarbeitungsstation bewegt und lose darin auf einem Substrathalter 11 gestützt, wie er im einzelnen in der erwähnten Anmeldung der Anmelderin vom gleichen Tag offenbart ist, wobei keine der beiden beschichteten Oberflächen des Substrats von einem Teil des Geräts berührt werden.

Die Substratkühlstation 1 kann auch zwei äußere Handgriffe 95 aufweisen, um die Anbringung und die Entfernung der Kühlstation 1 zu erleichtern.

Um die Kühlung des Substrats 10 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu bewirken, ist jede der Wärmesenken 3 zwischen 1,27 und 6,35 mm, vorzugsweise 2,2 mm, von dem Substrat 10 entfernt eingestellt. Die Wärmesenken 3 werden dann zwischen -50°C und -200°C, vorzugsweise -130°C, durch konventionelle Kälteerzeugungskühlung gekühlt.

Das Substrat 10 wird dann in die Prozeßkammer 20 durch den Substrathalter 11 positioniert, so daß die jeweiligen äußeren Oberflächen des Substrats 10 den gegenüberstehenden Oberflächen der Wärmesenke-Abstandsteile 2 benachbart sind und im wesentlichen parallel zu diesen ausgerichtet sind. Ein Gas hoher thermischer Leitfähigkeit, wie Helium oder Wasserstoff, wird in die Prozeßkammer 20 eingeführt, während die Wärmesenken 3 auf ihren Betriebstemperaturen sind, um die Rate der Wärmeübertragung von dem Substrat 10 auf die Wärmesenken 3 zu vergrößern. Der Gasfluß wird eingeführt und auf einem Druck signifikant oberhalb dem der Verarbeitungskammer 20 gehalten, jedoch im wesentlichen unterhalb von Atmosphärendruck. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Gasdruck auf ungefähr 1 bis 100 Torr gehalten, vorzugsweise 10 Torr. Um die Kühlung des Substrats 10 anzuhalten, wird der Gasstrom unterbrochen, und die nicht gezeigte Drosselplattenöffnung wird geöffnet.

Ein anderes Verfahren, das zur Kühlung des Substrats 10 benutzt werden kann, besteht darin, den nicht gezeigten Pumpanschluß für Hochvakuum vollständig zu schließen und genug Gas zur effektiven Leitung einströmen zu lassen. Es wird nur ein ursprünglicher Gasstrom benötigt, der dann unterbrochen wird, wenn der Betriebsdruck erreicht ist. Um die Kühlung anzuhalten, wird dann das Hochvakuumventil geöffnet, und ein relativ kleiner Nettobetrag von Gas wird weggepumpt, wodurch das Hochvakuum in der Prozeßkammer 20 wiederhergestellt wird.

Nach Kühlung des Substrats 10 auf eine vorbestimmte Temperatur wird das Substrat 10 aus der Prozeßkammer mittels des Substrathalters 11 entfernt. Die nachfolgenden Kontrollen und Beispiele illustrieren das überlegene Verhalten der Erfindung. Die Kontrollen und Beispiele sind zu Illustrationszwecken gebracht und bedeuten keine Beschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche.

Eine Aluminiumscheibe von 95 mm Durchmesser und 1,27 mm Dicke, unbeschichtet (außer elektrofreiem Nickel), wurde für die folgende experimentelle Analyse benutzt:

Die Scheibe wurde in einem V-Block plaziert und auf 300°C vorerhitzt. Die Scheibe wurde mit einem üblichen Thermoelement versehen, um die Scheibentemperatur eng zu überwachen. Der Abstand zwischen der Scheibe und jedem Wärmesenken-Abstandsteil wurde auf 5,7 mm gehalten.

Im ersten Experiment wurde die Kühlrate ohne die Zugabe von leitendem Helium gemessen. Dieses Experiment mißt somit die Kühlrate infolge Strahlung allein und ist in Fig. 4 dargestellt.

Ähnliche Abkühlungsexperimente wurden mit verschiedenen Heliumdrücken wiederholt, wie in Fig. 4, 5, 6 und 7 gezeigt, wobei die Temperatur der Wärmesenke auf 21°C unter Verwendung von Kühlwasser gehalten wurde. Fig. 8 illustriert die verbesserte Kühlungsrate, die unter Verwendung der kälteerzeugenden Wärmesenken bei -130°C erzielt worden ist. Die Ergebnisse obiger Experimente werden in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Die vorhergehenden Beispiele haben ein Substratkühlsystem bekanntgemacht, welches ein Substrat oder eine Scheibe während der Verarbeitung ohne Risiko der Beschädigung der empfindlichen Oberflächen des Substrats oder der Scheibe effektiv herabkühlt. Dies wird durch Positionierung zweier Wärmesenken im vorbestimmten Abstand erzielt, so daß das Substrat oder die Scheibe leicht und bequem zwischen die Senken verbracht werden kann, jedoch nahe genug, um eine wesentliche leitende/konvektive Wärmeübertragung von dem Substrat auf die Wärmesenken mit Hilfe eines hochleitfähigen Gases zu erzielen.

Während die Ausführungsformen des Substratkühlgeräts und der Verfahren mit Bezug auf spezifische Strukturen erläutert worden sind, kann der Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie den zahlreichen Verwendungszwecken und Bedingungen anzupassen. Es kann nur als gerecht und billig angesehen werden, solche Änderungen und Modifikationen in den vollen Bereich der Äquivalente der nachfolgenden Ansprüche einzubeziehen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Kühlung eines Artikels (10) insbesondere der Substrate von Magnetscheiben, mit nach unterschiedlichen Seiten gerichteten im wesentlichen ebenen Oberflächen in einer evakuierten Umgebung, mit folgenden Merkmalen:
eine Wärmeaustauschstruktur weist eine Wärmesenke (2, 3) mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche auf, die innerhalb einer Vakuumkammer (20) angeordnet ist;
eine Transporteinrichtung (11) zur Bewegung des Artikels (10) in und aus einer Stellung, bei der eine Oberfläche des Artikels benachbart und im wesentlichen parallel im vorbestimmten engen Abstand zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Wärmesenke (2, 3) ausgerichtet ist;
eine Einrichtung (24) zur Lieferung eines Gasstroms in einem Raum zwischen der Wärmesenke (2, 3) und dem Artikel (10) bei einem Druck signifikant oberhalb dem der Vakuumkammer, jedoch im wesentlichen unterhalb des Atmosphärendrucks;
der vorbestimmte Abstand wird ferner so gewählt, daß eine wesentliche konvektive oder leitende Wärmeübertragung von dem Artikel (10) auf die Wärmesenke (2, 3) in dem Raum stattfindet;
dadurch gekennzeichnet,
daß je eine Wärmesenke (2, 3) auf je einer Seite des Artikels (10) angeordnet ist, so daß die beiden Wärmesenken (2, 3) den Artikel (10) in einem vorbestimmten engen Abstand zwischen sich nehmen ohne den Artikel zu berühren,
und daß die Vorrichtung zur Verwendung von Gas hoher thermischer Leitfähigkeit ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand von der Oberfläche der jeweiligen Wärmesenke (2, 3) zu der Oberfläche des Artikels (10) etwa zwischen 1,27 und 6,35 mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (2, 3) eine Kühleinrichtung (4, 5) zu ihrer Kühlung einschließt.

4. Verfahren zur Kühlung eines Artikels mit nach unterschiedlichen Seiten gerichteten, im wesentlichen ebenen, äußeren Oberflächen in einer evakuierten Umgebung, mit folgenden Schritten:
eine Wärmesenke (2, 3) mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche wird in einem vorbestimmten engen Abstand zu einer Oberfläche des Artikels (10) angeordnet, und zwar parallel und mit sich gegenüberstehenden Oberflächen;
im Betrieb ist die Wärmesenke betriebsmäßig stationär in einer Bearbeitungskammer (20) gelegen, die geeignet ist, bei einem Druck im wesentlichen unterhalb des atmosphärischen Drucks betrieben zu werden;
die Temperatur der Wärmesenke (2, 3) wird auf eine vorbestimmte Temperatur geregelt;
ein Gasstrom mit höher thermischer Leitfähigkeit wird zwischen die Wärmesenke (2, 3) und den Artikel (10) bei einem Druck eingeführt, der bedeutend oberhalb dem der Verarbeitungskammer (20) ist, jedoch im wesentlichen unterhalb von Atmosphärendruck ist, um eine wesentliche konvektive oder leitende Wärmeübertragung von dem Artikel (10) auf die Wärmesenken (2, 3) zu ermöglichen; und der Artikel (10) wird aus der Bearbeitungskammer (20) entfernt, nachdem der Artikel eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat;
gekennzeichnet durch den Schritt,
daß der Artikel (10) in den Raum zwischen zwei Wärmesenken (2, 3) in einem vorbestimmten engen Abstand gebracht und daraus entfernt wird, ohne die Oberflächen der Wärmesenken an irgend einer Stelle zu berühren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand der gegenüberstehenden Oberfläche des Artikels (10) zu der gegenüberstehenden Oberfläche der Wärmesenke (2, 3) beim Einbringen bzw. Entfernen des Artikels (10) im großen und ganzen zwischen 1,27 und 6,35 mm beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (2, 3) auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr -50°C bis -200°C vorgekühlt sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas hoher thermischer Leitfähigkeit aus der Gruppe bestehend aus Helium und Wasserstoff ausgewählt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases hoher thermischer Leitfähigkeit im Bereich von ungefähr 1,33 × 10² bis 13,33 × 10² Pa gehalten wird.