(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する磁石が互いに異なる磁化方向となした永久磁石を複数個組み合わせてリング状に構成した外リング磁気回路と、この外リング磁気回路の内側に備えられ、隣接する磁石が互いに異なる磁化方向となした永久磁石を複数個組み合わせてリング状に構成した内リング磁気回路とからなる磁場発生手段と、前記内リング磁気回路の中央空洞部内に位置し、外側から順に冷却手段および／または断熱手段と加熱手段及び真空容器とを備えた真空熱処理手段とから構成された磁場中熱処理炉において、前記外リング磁気回路の軸方向長さを前記内リング磁気回路の軸方向の長さよりも短くするとともに、前記内リング磁気回路および／または外リング磁気回路の軸方向長さを、半径方向外側に向って徐々に短くすることを特徴とする磁場中熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＲ（Magnetoresistive）、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）等の製造プロセスにおいて真空容器内に配置された被処理部材を磁場中で熱処理を行なうための磁場中熱処理炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ヘッドは一般に基板上に反強磁性層と強磁性層を複数積層した磁気シールド層を持つ、例えばスピンバルブ型の基板などから構成されている。反強磁性層と固定磁性層とは隣接して形成され、両者の一般的構造は薄膜素子では反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層、フリー磁性層間で交換結合磁界が生まれることにより固定磁性層の磁化方向が単磁区化される。
【０００３】
このように交換結合磁界による固定磁性層の磁化方向の単磁区化を行うためには、基板上に薄膜素子を形成した後、磁場中での熱処理を行なう必要がある。通常０．５Ｔ（テスラ）以上の磁場を印加することが必要であり、固定磁性層の材質によっては、１．０Ｔを越える配向磁界が必要である。前記磁場を印加するために従来、図１５に示すように水冷管１２を備えたコイル１３と、高周波コイル１４の磁極間に真空容器６内に被熱処理部材１０を保持した真空熱処理炉、また、コイル内に熱処理炉全体を納めたような構造の熱処理炉が用いられている。さらに、特開２００１−１３５５４３号公報によれば、電磁石によって構成された磁界発生装置と真空容器との間に、電気ヒータと水冷ジャケットを組み合わせた加熱手段を配置した磁場中熱処理炉が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの磁場中熱処理炉の磁界発生手段は電磁石を用いたものであった。この場合、１．０Ｔ以上の磁界を発生するためには電磁石のコイルに５００〜８００Ａという大電流を流す必要があり、安全性の面から好ましくない。また、大電流を用いるための設備と直流電源装置を設置するためのスペースも必要であり、生産上の制約もある。また、初期設備においても電源の確保などでコスト高となる。さらに変動費として電力代及び大電流により発生した熱量を冷却するため大量の冷却水を消費しなければならない。これらが全体の製造コストを底上げする主要因となり問題であった。さらには上記構成では漏洩磁束が非常に大きく、人体に与える危険性を考えると設備スペース以外でも安全性確保のための空きスペースを作らねばならず、非常に無駄なスペースができていた。
【０００５】
また、大量の電力を使用しないで磁場を発生させる手段として、超伝導コイルを用いる方法や永久磁石を用いる方法がある。超伝導コイルを用いる方法では、前記の電磁石に比べ励磁電流消費は抑えられるものの、超伝導状態を維持するため液体窒素、液体ヘリウムなどで常時冷却しておく必要があり、特に液体ヘリウムは高価であるため、維持費がかさんでしまうという問題があった。
また、この方式では磁場調整が容易ではなく、磁場調整に伴う磁場の変動により局部的に超伝導状態が常伝導状態に移行してしまい、そのため熱を発生する。それを放置すると装置全体の超伝導状態がくずれてしまうため、熱の放熱制御は非常に困難である。このため、磁場の調整、制御を困難にしていた。
さらに超伝導コイルは数〜数１０Ｔの強磁場を発生できるが、その発生磁場強度に比例して強い漏洩磁場の範囲も広くなるため、装置性能に比例して設置スペースを広くとる必要があり、さらに他の電子機器への影響を抑えるため装置を設置する空間を鉄やパーマロイなどの磁性体で囲い、磁気遮蔽を行う必要があるために膨大な設置費用を要していた。
【０００６】
一方、励磁電流を全く使用しないで磁場強度を適宜変更する方法として永久磁石を用いたハルバッハ型磁気回路構造とするものがあり、特開平６−２２４０２７号公報にその一例が記載されている。ハルバッハ型磁気回路の一例を図１６に示す。このハルバッハ型磁気回路は、磁化方向が矢印のように異なる複数の永久磁石を組み合わせたもので、図１６で示した円形型ハルバッハ型磁気回路では、内リング磁気回路１と外リング磁気回路２とから構成されており、内リング磁気回路１と外リング磁気回路２が互いに回動可能な構造となっている。図１６（ａ）に示す角度に内リング磁気回路１と外リング磁気回路２を回転させた状態では、各磁石の磁化方向から内リング磁気回路の磁場方向と外リング磁気回路の磁場方向とが一致するため、内リング磁気回路の中央空洞部２０には、内リング磁気回路が発生する磁場と外リング磁気回路が発生する磁場とを合わせた強度の磁場が矢印方向に発生する。一方、図１６（ｂ）に示すように（ａ）から外リング磁気回路を１８０度回転させた状態では、内側リング磁気回路と外側リング磁気回路が個々に発生する磁場強度が同じとき、中央空洞部では磁場がキャンセルされ略ゼロになる。これは内リング磁気回路の複数の永久磁石の磁化方向による磁気回路に対して、外リング磁気回路に設けられた複数の永久磁石の磁化方向が磁気回路を妨げる方向に配置しているためである。以上によって、両リングの回転角度により磁場の大きさがゼロから最大まで調整できる。
【特許文献１】
特開平６−２２４０２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことより、従来、電磁石あるいは超伝導を用いた磁場中熱処理炉は知られているが、これらは装置の大型化、電力・運転コスト、磁場調節、磁気漏洩等の問題をかかえている。一方で永久磁石を用いた、例えばハルバッハ型磁気回路を用いた磁場中熱処理炉の例は見当たらない。このような磁場中熱処理炉では、特に、被熱処理部材がウエハー状の磁気抵抗基板の場合、磁気抵抗効果を向上し、安定化させるためには通常１．０Ｔ以上の大きな磁界強度が必要とされ、さらに重要なことはこの磁界強度を磁性膜の磁化方向に対して均一で平行な磁場を印加する必要があることである。しかしながら従来、磁場強度を変化させることは考えられたが、被熱処理部材と均一な平行磁場成分について、あるいは磁石の大きさや重量、漏洩磁界等と熱処理炉を組み合わせた磁場中真空熱処理炉に関しての検討は不充分であり、技術的に確立されていない。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、従来にない小型で、設備コスト、製造コストの低減を図り、かつ具体的な設計諸元を与え、高精度で均一な平行磁場を発生でき、漏洩磁界を低減することが出来て安全性の高い磁場中熱処理炉を提供するものである。
【０００９】
本発明者らは、永久磁石を用いた磁場中熱処理炉により、複数の被熱処理部材を一度に処理する場合、２重リング型ハルバッハ型磁気回路を用いることにより被熱処理部材の径方向に望ましい高精度で均一な平行磁場を印加して熱処理が出来ること、また磁場強度の調節や構造諸元について新たな知見を得るに至り本発明を想到した。即ち、本発明は、隣接する磁石が互いに異なる磁化方向となした永久磁石を複数個組み合わせてリング状に構成した外リング磁気回路と、この外リング磁気回路の内側に備えられ、隣接する磁石が互いに異なる磁化方向となした永久磁石を複数個組み合わせてリング状に構成した内リング磁気回路とからなる磁場発生手段と、前記内リング磁気回路の中央空洞部内に位置し、外側から順に冷却手段および／または断熱手段と加熱手段及び真空容器とを備えた真空熱処理手段とから構成された磁場中熱処理炉において、外リング磁気回路の軸方向の長さを内リング磁気回路の軸方向の長さよりも短くするとともに、前記内リング磁気回路および／または外リング磁気回路の軸方向長さを、半径方向外側に向って徐々に短くすることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の技術手段と実施形態についてさらに説明する。
本発明では、内リング磁気回路と外リング磁気回路からなる２重リングハルバッハ型磁気回路による磁場発生手段を構成したことにより、軸（高さ）方向には比較的限られた範囲に集中して、水平面内の一方向に向かって平行で均一な磁場を発生させることができる。さらに、このとき中央空洞部の磁場強度を任意に調節することが出来る。よって、比較的薄くて大径の、例えば６〜８インチ以上の大型の磁性膜ウエハー基板を複数枚積み重ねたものを一度に熱処理するような場合に有効である。また、従来であれば冷却構造は最も発熱量の高いコイル部分に備えるだけのものであったが、前記のように永久磁石、特にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類永久磁石を用いるものは熱による影響が大きいため、磁気特性を変動させないようにするために冷却構造や断熱構造を永久磁石に対して働くように加熱手段と磁場発生手段の間に設置することで中央空洞内の磁場特性を一定に保つことができ、安定した熱処理性能を得ることが出来る。
【００１４】
上記した磁場中熱処理炉において、磁場発生手段を構成する内リングと外リングの各磁気回路は相対的に回転する構造ではあるが、被熱処理部材と内リング磁気回路とは相対的に方向が変わらないようにすることが望ましい。例えば、被熱処理部材と内リング磁気回路を共に非回転となすか、あるいは被熱処理部材と同期して回転するようになし、外リング磁気回路のみを回転させる構成とすることが考えられる。これにより内リングの中央空洞部で発生する磁場は、外リングの回転に伴って半径方向に平行で均一な０〜２Ｔ程度の磁界を可変することが可能となる。電磁石コイルを使用する場合と違って、通常、永久磁石では任意の値の磁界を得ることが困難であるが、このように磁場印加手段として同心円状の二重のリング磁気回路を回転させて使用することによって内、外リング磁気回路が発生する磁界のベクトル合成から、任意の磁場強度を得ることができる。
【００１５】
また、磁場中熱処理を行う場合は、熱処理過程では、品質安定化のため被熱処理部材を熱処理炉への挿入時または取り出し時に磁場強度をゼロにする必要がある。その際の磁場の変化を詳細に測定した結果、内リング磁気回路の中央空洞部の磁場方向は内リング磁気回路に同期して回転しながら磁場が０〜約２Ｔまで変化することが分かった。よって例えば、外リング磁気回路と内リング磁気回路の発生磁界の方向が反対となるように外リング磁気回路を回転させ、磁場強度を最小、即ちほぼゼロにした状態で被熱処理部材を熱処理装置内に挿入し、磁気回路の軸方向の中央部に被熱処理部材を設置し、外リング磁気回路を回転させ、磁場強度を所望の強度に調整した状態で被熱処理部材を熱処理し、熱処理完了後、印加磁場強度を前記と同様にして再びほぼゼロにした状態にて被熱処理部材を熱処理装置から取り出す。このとき、被熱処理部材をそのまま回転しないように固定しながら内リング磁気回路を回転させて中央空洞部の磁場を変化させようとすると、被処理部材には内リング磁気回路の最大磁場発生方向と平行に磁場が印加されながら磁場強度が低下していくことになる。したがって、所望の方向とは違った角度に弱められながらとはいえ磁場が被熱処理部材にかかるため、被熱処理部材の磁場配向方向に影響を与え、最終的な被熱処理部材の特性にバラツキや特性劣化が現れてしまう。よって前記内リング磁気回路の中央空洞部で熱処理される被処理部材と内リング磁気回路は相対的に方向が変わらない構造が好ましい。
【００１６】
例えば、内リング磁気回路と外リング磁気回路が発生する磁場強度が各々０．５Ｔ発生する場合、即ち外リング磁気回路と内リング磁気回路の発生磁場が同じ場合では、両リング磁気回路が発生する合成磁場はベクトル合成と同じとなることがわかったため、回転角度と発生磁場振れ角は図９のようになる。このように内リング磁気回路を回転し磁場強度を変化させた場合、磁場印加方向は最終的には全く反対方向の１８０°になってしまう。しかしながら、外リング磁気回路を回転した場合は、この例では、振れ角は最大４５°であるが、磁場調整時の影響はほとんど無くなる。磁場調整時においても被熱処理部材に常に一定の方向に磁場が印加するためには、両リング磁気回路の合成磁場ベクトル方向に、内リング磁気回路か、または被熱処理台を回転させればよい。
【００１７】
ここで、内リング磁気回路と外リング磁気回路との間に隙間を無くすように同心円状に配置すると、ひとつのリング状の磁気回路と見なすことができる。内リング磁気回路と外リング磁気回路の隙間があると磁気抵抗が増大し、内リング磁気回路の中央空洞内の磁場強度は低下するため、内リング磁気回路と外リング磁気回路の間に隙間がないときが形状を最も小さくすることができる。したがって、形状的には内リング磁気回路の内径、すなわちボア径と外リング磁気回路の外径で性能は決まる。そこでウェハー最小処理サイズを１インチ（約φ２５ｍｍ）とすると、加熱装置とウェハーの設置スペースはφ３０ｍｍ必要であり、真空断熱層として幅２０ｍｍを確保すると真空容器はφ６０ｍｍ、さらに真空容器外周に空気による断熱層１０ｍｍを確保してφ７０ｍｍとなり、さらに冷却装置設置にてφ１１０、熱処理装置全体固定の取り付けスペースでφ１２０が最小スペースとなる。またこの最小形状にて永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１．４５Ｔとすると、中央空洞部内の磁場強度が１Ｔを越える形状は、図８に示すようにボア径φ１２０ｍｍでは外径φ３００ｍｍ、長さは１５０ｍｍ程度が必要となる。従って、実際には内リング磁気回路の中央空洞部のボア径Ｄ０は１２０ｍｍ以上で、外リング磁気回路の外径Ｄ２が３００ｍｍ以上となり、長さも１００ｍｍ以上であることが１Ｔ以上の磁場を得るには必要であると言える。
【００１８】
「Journal of Applied Physics Vol.86,No.11 1 December 1999」によると、内リング磁気回路内径側の中央空洞部内の磁場強度Ｂは中央空洞半径をＲｉ、外リング磁気回路外半径をＲｏとすると、Ｂ＝Ｂｒ×ｌｎ（Ｒo／Ｒｉ）で計算できることがわかっている。しかしながら実際にシミュレーションによる磁場計算を行った結果、図８のようにリング磁気回路の軸方向の長さにより変化し、長さが小さくなると中央空洞内の磁場強度は小さくなることがわかった。この結果から分かるように中央空洞部内の磁束密度を１Ｔ以上発生するためには、前記外リング磁気回路の軸方向の長さＨ２及び内リング磁気回路の軸方向の長さＨ１は共に１００ｍｍ以上の長さが必要である。本発明における被処理部材の熱処理能力は中央空洞部内の均一磁場領域の長さに比例する。磁場均一度としては通常±５〜１０％が必要である。従来の電磁石を用いた装置では、中央空洞部内の均一磁場領域の長さは１００ｍｍに対し最低４０ｍｍであった。つまり中央空洞部内の磁場強度を１．０Ｔ以上にしようとすると従来装置でも磁気回路の長さとしては最低１００ｍｍは必要である。
【００１９】
また、内リング磁気回路の軸方向の長さＨ１より外リング磁気回路の軸方向の長さＨ２を短く（Ｈ２＜Ｈ１）することが漏洩磁束を低減する上で望ましい。さらに内リング磁気回路及び／又は外リング磁気回路の軸方向長さを半径方向外側に向かって短くすることによりさらに軸方向の漏洩磁場を低減できることが分かった。これらについては後述するが、この様な構造が結果的にリング状磁気回路の漏洩磁束を小さくすることができ磁気回路の小型化、軽量化が可能となる。
また、小型化の手段として、内リング磁気回路の軸方向長さＨ１を外リング磁気回路のＨ２より小さくしてもよい。これについても後述するが、同じ長さの均一磁場領域を確保しようとした場合、半径方向に大きくすることより、長さ方向に長くする方が、効率的に磁場強度を高くすることができるため、より設置断面積を小さくできる。
【００２０】
また、前記外リング磁気回路及び内リング磁気回路に使用される永久磁石は残留磁束密度が１．１Ｔ以上を有し、かつ保磁力が１１１４kA/m（14kOe）以上を有し、かつ内リング磁気回路の軸方向の長さＨ１と外リング磁気回路の外径Ｄ２との比が２≦Ｄ２／Ｈ１≦１０であることが好ましい。この比は大きいほど均一な磁場がより軸方向により広範囲に発生させることができる。この範囲にリング形状を納めることで磁石全体の重量は少ない重量で効率よく高い磁場を発生させることが可能である。尚、内リング磁気回路の軸方向長さを半径方向外側に向かって短くした場合は、これの最大長さをＨ１とすればよい。
【００２１】
本発明の磁場中熱処理炉において、前記した熱処理手段は、図１に例示するように鏡面反射層およびその外方に備えられた水冷管を有する冷却・断熱手段と、赤外線やカーボンヒータ等を用いる加熱手段と、略透明なガラス状の真空管とを具備し、前記真空管の内部には真空管外部から被処理部材を複数枚載置した熱処理台が挿入される構造とすれば、上記した磁場発生手段（内外リング磁気回路）の中央部と被熱処理部材の中央部を一致させることが比較的管理しやすい磁場中熱処理炉となり、かつ永久磁石を用いた磁気回路部への熱的影響をほとんどなくすことができる。すなわち、熱処理温度は２５０〜３００℃程度であるが、冷却・断熱手段が加熱手段と磁場発生手段との間にあるので永久磁石への熱影響が遮断され磁気回路の劣化が生じない。この点従来のように高周波コイル等を用いてしまうと周囲へ与える熱影響もありさらに別途冷却・断熱手段が必要で対策が困難となりやすい。
【００２２】
前記熱処理手段は窒素ガスなどの非酸化性雰囲気での熱処理としても良い。また、内リング、外リングに用いる永久磁石の組成はＢａフェライト系、Ｓｒフェライト系、ＬａおよびＣｏ添加のフェライト系、希土類系のＳｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系等公知のものが全て適用できるが、残留磁束密度のより高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系であることが好ましい。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は温度特性に問題が有り、従来構造では熱処理炉関係に用いることは困難であったが本発明のような冷却・断熱手段を構成とすることで問題なく適用可能である。これらは内リングの中央空洞部に必要とする磁場強度、熱影響等により適宜選択可能であり、焼結体だけでなく樹脂等と混合させたボンド磁石としてもよい。
また、熱処理方法として熱処理中を通して磁場を印加し続けて行う場合もあり、その場合は、磁場は調整する必要はないため、磁場発生の調整手段として内リング磁気回路の外側に配置する外リング磁気回路は配置しなくてもよい。
【００２３】
以下、本発明の詳細を図面に基づいて説明する。（参考例１）
図１は本発明の対象とする磁場中熱処理炉の要部を示す断面図である。図中、１は内リング磁気回路、２は外リング磁気回路であり、内外リング磁気回路を合成して磁場発生手段を構成している。磁気回路の内部はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石（図中の斜線部）からなり、この永久磁石の磁気特性を測定したところ、残留磁束密度＝１．４Ｔ、保磁力＝１１９２kA/mであった。図２は図１の軸断面での内リング磁気回路１と外リング磁気回路２の構成を示している。この磁場発生手段において永久磁石は軸に対して１２等分割した互いに磁化方向の異なる３種類のセグメント磁石２１、２２、２３からなり、これらを図２に示す磁化方向にリング状に組み合わせて内リング磁気回路１、外リング磁気回路２をそれぞれ構成している。各々の永久磁石の磁化方向は図２に示す通りであり、中央空洞部２０には矢印で示す内リング磁気回路１と外リング磁気回路２の合成磁界が半径方向に平行に印加される。本例の内リング磁気回路１のボア径Ｄ０は３６０ｍｍ、外径Ｄ１は５６０ｍｍとした。外リング磁気回路２の外径Ｄ２は１２００ｍｍとした。さらに両リング磁気回路の軸方向の長さ（高さ）Ｈは４２０ｍｍとした。内リング磁気回路１と外リング磁気回路２は互いに回動自在な構造となるように若干の隙間を介して隣接しており、図示はしていないが外リング磁気回路２を駆動させるための駆動手段として、外リング磁気回路の保持部材１１の下部にギアが構成され、サーボモータ等により内リング磁気回路に対して回転可能にしている。よって、本例では内リング磁気回路は固定状態を保持するようにした。
【００２４】
次に真空熱処理手段の構成を説明する。本例の真空熱処理手段は、水冷による冷却手段と電気ヒータによる加熱手段及び石英ガラス等による真空容器とから構成されている。まず図中３は冷却手段であり、内面は鏡面反射層となるようにメッキ処理を施したタングステン合金からなり、その他はセラミックス製のケースから構成されている。セラミックス製ケースの内部には水冷管４が備えられ、内部を冷却可能としている。また、下記する電気ヒータ５と冷却ケースの間に断熱シートを介在することは好ましいことである。５は電気ヒータであり赤外線加熱により真空容器内部の被熱処理部材を加熱する。中央部には内径約２２０ｍｍの石英ガラスからなる真空容器（真空管）６が備えられる。ヒータによる真空中の加熱が主として輻射熱により行われるため石英ガラスは光学的に透明なものが良い。容器の内径は被熱処理部材として６〜８インチのウエハー基板が想定されることから直径で約１７０〜２２０ｍｍとすることができる。また、真空管６の一端部はシール部材７により真空管６内外の気密性が保持され、他端部はシール雄ネジ部８とシール雌ネジ部９により気密性が保持されている。シール雌ネジ部９の軸には被処理部材を真空管６の略中央部で垂下固定するための熱処理台１０が備えられている。熱処理台１０は、例えば磁性膜が形成されたウエハ基板を載置するためのトレーを配置間隔約６ｍｍにて２５枚程度軸方向に配列したものである。また、熱処理台１０は中央空洞部２０内で面内方向に角度を変えられるように回転自在に保持する。これは、外リング磁気回路２を回転させ、磁場調整を行っている際に、内リング磁気回路１と外リング磁気回路の合成磁場の方向（最も磁場が強くなる方向）がずれるため、それを角度を補正するため、外リング磁気回路２の回転角度と同期し、外リング磁気回路２の回転方向と反対方向に回転させることが好ましい。また、熱処理台１０を前記のように回転させるのではなく、内リング磁気回路１を回転させてもよいが、回転機構の構造が複雑になり、回転駆動モータも２つ必要になり、かえって設備コストが増大するため好ましくない。
【００２５】
電気ヒータ５の熱処理温度管理はＰＩＤ制御とし、前記熱処理台１０の上端、中央、下端にそれぞれ備えられた熱電対により温度が測定され制御される。また、シール部７は吸気口が備えられている。排気口は真空管６上部に設けられ真空ポンプ（図示せず）と接続されており、真空管６内部を真空引きすることにより所定の真空状態に維持することが出来る。例えば、熱処理対象物が磁性薄膜等の場合は１×１０−５〜１×１０−６Ｐａ以下の真空状態において熱処理することが好ましい。また、吸入口は不活性窒素ガスのボンベと接続されており、パージ処理など必要により真空管を不活性雰囲気にできるようにされている。
【００２６】
次に磁場中加熱する際の熱処理手順を説明する。まず図２（ｂ）に示すように外リング磁気回路２を回転させ、中央空隙部２０内の磁場が略ゼロになるようにする。被熱処理部材として強磁性層と反強磁性層を積層した磁性膜を備えたウエハ基板を熱処理台１０のトレー上に配列し真空管６内に上方また下方より挿入する、このとき積み重ねた基板列全体の中央部が内外リング磁気回路１、２の中央部と略一致するように保持する。よって、内外リング磁気回路の軸方向の中央部近傍に基板全体が入るように位置させる。その後、シール雌ネジ部８とシール雄ネジ部９を螺着させて真空管６内を気密状態にした後、真空ポンプにより真空管６内を排気し、１×１０−５〜１×１０−６Ｐａまでの真空度とした。被処理部材であるウエハ基板と内リング磁気回路の方向はそのままに固定し、外リング磁気回路だけを回転させ、図２（ａ）に示すように内リング磁気回路１と外リング磁気回路２の角度を適宜調節し、１．０Ｔより大きい磁場を発生させた。このとき水冷管４に水を流すと共に電気ヒータ５により５℃／ｍｉｎで昇温させた。３００℃±３％で温度を３０〜６０分間保持し、その後真空炉６内の温度を２℃／ｍｉｎ下げ、ウェハ温度が、１５０℃以下になったところで、再び図２（ｂ）のように内リング磁気回路１と外リング磁気回路２の角度を調節し、磁場を略ゼロＴにまで低減させていった。
【００２７】
発生させた中央空洞部２０の磁場を測定したところ、表１に示すように厚み中央部の中央空洞部内で±５％以下の均一磁場強度が得られていることを確認した。また、図７に示すように磁石の軸方向長さ（厚み方向）Ｈの位置による磁場強度の違いを測定したが、被熱処理物が備えられる両リング磁気回路の長さ４２０ｍｍの中央部から±８０ｍｍの範囲で１０％以下の均一な磁場強度が得られていることを確認した。また、各測定位置の磁場スキュー角度を測定したがすべて２°以内であった。さらに、室温での磁気特性と３００℃保持中での磁場を比較したが両者に違いは見られなかった。そして、磁場中熱処理を行なった磁気ヘッドの特性を測定したが不良となるものは見つからなかった。また、本参考例における漏洩磁場は、軸方向で磁気回路端面より３５０ｍｍ離れた地点にて１０ｍＴ以下、また、磁気回路側面から１ｍ離れた点での漏洩磁場強度も１ｍＴ以下であり、漏洩磁場が小さいことを確認した。
【００２８】
【表１】
0004423586.tif 000002
【００２９】
（参考例２）
本参考例は、参考例１に対し、形状的には図３に示すように外リング磁気回路と内リング磁気回路の軸方向長さ（Ｈ）を変えたものであり、そのほかは参考例１と同様である。本参考例において永久磁石は軸に対して１２等分割した互いに磁化方向の異なる３種類のセグメント磁石２１、２２、２３からなり、これらを図２に示す磁化方向にリング状に組み合わせて内リング磁気回路１Ａ、外リング磁気回路２Ａをそれぞれ構成している。内リング磁気回路１Ａ、外リング磁気回路２Ａをそれぞれ構成した。各々の磁化方向は図２に示す通りであり、８インチ（直径約２００ｍｍ）ウェハーの熱処理装置として内リング磁気回路１Ａのボア径Ｄ０は３６０ｍｍとし、外径Ｄ１は５６０ｍｍとした。外リング磁気回路２Ａの外径Ｄ２は１１００ｍｍとした。さらに内リング磁気回路の軸方向の長さＨ１は４２０ｍｍ、外リング磁気回路の軸方向の長さＨ２は５００ｍｍとした。また、図示はしていないが内リング磁気回路を駆動させるための駆動手段として、内リング磁気回路のケース１１下部にギアが構成され、モータにより外リング磁気回路に対して回転可能にしている。また、内リング磁気回路と共に被処理物はともに回転しないように構成する。この点が熱処理方法において参考例１との相違点で、それ以外は参考例１と同様に行った。
【００３０】
発生させた中央空隙部２０の磁場を測定したところ、表２に示すように厚み中央部の中央空隙部内で±５％以下の均一磁場強度が得られていることを確認した。また、磁石の長さ方向Ｈの位置による磁場強度の違いを測定したが、被熱処理物が備えられる磁石の長さ４２０ｍｍの中央部から±８０ｍｍの範囲で±５％（レンジ１０％）以下の均一な磁場強度が得られていることを確認した。したがって、この範囲で、被熱処理物を設置すること、または被熱処理台の長さをこれ以下にすることが好ましく、この範囲を越えて配置した場合、磁場均一度が低下するため、磁気ヘッドの特性が劣化してしまう。また、各測定位置の磁場スキュー角度を測定したがすべて２°以内であった。さらに、室温での磁気特性と３００℃保持中での磁場を比較したが両者に違いは見られなかった。磁場中熱処理を行なった磁気ヘッドの特性を測定したが不良となるものは見つからなかった。したがって、熱処理完了後、ウェハー温度が５０℃以下に下がった状態にて内リング磁気回路と被熱処理部材を回転させずに磁場調整を行っても性能に影響がないことを確認した。参考例２の方が参考例１に比べ外リング磁気回路の長さは約１９％長く、半径は約１０％小さいが、外リング磁気回路だけの重量は、実施例１は実施例２の約１０％軽量となる。したがって、磁場発生装置としては参考例２の方が参考例１に比べて設置断面積を小さくでき、かつ均一磁場領域の長さを長くすることができる。また、構成、制御面でも参考例１に比べ簡素であり、小型、軽量、低設備コストになることがわかる。
【００３１】
【表２】
0004423586.tif 000003
【００３２】
（比較例１）ヒータを中央空洞部ではなく、軸方向でリング磁気回路外に出る位置に備えた。それ以外は参考例１と同様にして実験を行った。熱処理台の各位置において温度分布にバラツキが発生し、各磁気ヘッドの磁気特性にもバラツキが発生した。
【００３３】
（比較例２）冷却管と断熱手段を外し、それ以外は参考例１と同様に実験を行なった。熱処理台の各位置において温度分布のバラツキは発生しなかったが、熱処理中のヒータの熱により内リング磁気回路の永久磁石が減磁してしまい、十分な磁場強度を得ることができなかった。
【００３４】
（比較例３）参考例１と同様に永久磁石を１２等分割して内リング磁気回路１、外リング磁気回路２をそれぞれ構成した。各々の磁化方向は図２に示す通りであり、内リング磁気回路１のボア径Ｄ０は３６０ｍｍ、外径Ｄ１は５６０ｍｍとした。外リング磁気回路２の外径Ｄ２は１１００ｍｍとした。さらに両リング磁気回路の軸方向の長さ（高さ）Ｈは４２０ｍｍとした。また、図示はしていないが内リングを駆動させるための駆動手段として、内リングのケース１１下部にギアが構成され、モータにより外リングに対して回転可能であり、被熱処理部材は内リング磁気回路ではなく外リング磁気回路と同角度回転するように構成した。それ以外は実施例１と同様に行った。即ち、この比較例は被熱処理部材と内リング磁気回路の相対位置が変化するようにした例である。
【００３５】
発生させた中央空隙部の磁場は表２と同じ測定結果であり、厚み中央部の中央空隙部内で±５％以下の均一磁場強度が得られていることを確認した。また、磁石の高さ方向Ｈの位置による磁場強度の違いを測定したが、被熱処理物が備えられる磁石の厚みＨの中央部から±８０ｍｍの範囲で±５％以下の均一な磁場強度が得られていることを確認した。また、各測定位置の磁場スキュー角度を測定したがすべて２°以内の誤差しかなかった。さらに、室温での磁気特性と３００℃保持中での磁場を比較したが両者に違いは見られなかった。しかしながら磁場中熱処理を行なった磁気ヘッドの特性を測定したところ磁気特性が実施例１および２に対して低いものが発生し、特性不良として実装できないものが発生した。
【００３６】
（参考例３及び実施例）
図４は別の参考例を示す内外リング磁気回路の縦断面図である。図４は外リング磁気回路２Ｂの軸方向長さ（高さ）を内リング磁気回路１Ｂのそれよりも短くした例である。また図５は実施例を示し、図４と同様に外側の軸方向長さを内側よりも短くし、さらに内外のリング磁気回路１Ｃ、２Ｃの軸方向長さ（高さ）を半径方向外側に向かって徐々に短くしたものである。これらにより軸方向の漏洩磁場をより低減することができることを知見した。これにより磁気シール対策など磁気回路全体の構造を複雑にすることなく漏洩磁場を小さくすることができ、リング状磁気回路の小型化、軽量化が可能でかつ、熱処理装置全体の高さを低くすることができる。
【００３７】
この点は本発明の重要な特徴でもあるのでさらに詳しく説明する。リング状磁気回路の軸方向の漏洩磁場を小さくするためには、リング状磁気回路の外径を小さくするか、もしくは熱処理炉に被処理部材を挿入する前の待機位置と磁気回路までの距離、または、漏洩磁場が問題となる地点、漏洩磁場規制地点までの距離を遠くすればよい。この方法はリング状磁気回路の断面形状を外周側に向かうに従い、その距離を遠ざけるか、リング磁気回路の長さを段階的もしくは直線的に短くするかのいずれかが効果的であることと同じである。図６（ａ）はリング状磁気回路を半径方向で二分割し、外周側に設置されるリング状磁気回路の軸方向設置位置を内リング磁気回路より被処理部材もしくは漏洩磁場規制領域より遠くなるようにＬ1だけ離して配置した例である。このとき内外リング磁気回路の軸方向長さＬは同じである。図６（ｂ）は上記（ａ）と同様に外リング磁気回路をＬ1だけ離し、さらにこれの軸方向長さＬ2を内リング磁気回路の軸方向長さＬより短くした例である。ここで内リング磁気回路の軸方向長さＬを１０００mm、外リング磁気回路の軸方向長さL2を６００、８００、１０００mmにしたときの、磁気回路中央空洞部の磁束密度と磁気回路端面より１５０mm離れた地点（漏洩磁場観測点）での磁気回路中心軸延長線上の磁束密度をシミュレーションした結果を表３に示す。このときの中央部空洞部の内径はφ３００ｍｍ、内リング磁気回路の外径Ｄ１はφ４５０ｍｍ、外リング磁気回路の外径Ｄ２はφ６７０ｍｍとした。
【００３８】
【表３】
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【００３９】
この結果より、磁気回路の軸方向長さが共に同じ場合の漏洩磁場観測地点での漏洩磁場は約０．１４Ｔであったが、外リング磁気回路の長さが８００mm以下では漏洩磁場は０．１Ｔ以下、即ち３５％以下に低減が可能となる。また６００mmではさらに低減されている。また、このときの磁気回路中央空洞部中心での磁束密度は外リング磁気回路の長さが８００mmのとき、１０００mmの場合に対し、３％弱しか小さくならず、漏洩磁場の低減に対し、外リング磁気回路の長さの影響大であることがわかる。さらに漏洩磁場を小さくしたい場所が、軸方向の一方向だけである場合は、図６（ｃ）に示すように外リング磁気回路を片側の端面に合わせ、距離Ｌ3分ずらして配置することによりその効果はより大きくなることが分かった。
【００４０】
次に、リング状磁気回路の他の実施例について説明する。本発明では内リング磁気回路の内径が大きくなるに従い、磁気回路を構成する磁極は一個の永久磁石で構成することが困難となり、複数の永久磁石を組み合わせて構成することになる。このとき１つのリング状磁気回路を構成する１磁極の構成例を図１０に示す。ここでは、半径方向に３分割した形状としているが、２分割以上であればよく、外半径がRaとなる永久磁石の軸方向長さをLaとし、内半径Ra、外半径Rbとなる永久磁石の軸方向長さをLbとし、内半径Rb、外半径Rcとなる永久磁石の軸方向長さをLcとしている。よって、各永久磁石の軸方向長さはLa＞Lb＞Lcであり外側に向かって段々に短くなるように構成したものである。
【００４１】
図１１はまた別の例を示している。この例は磁石を多分割することにより形状的には２種類の第１の小磁石４１、第２の小磁石４２に分割したものを組み合わせて構成したものである。また、図の分割数は１つの磁石に対して偶数分割しているが、例えば３分割し、両側に置いた磁石の間にもう１つの磁石を挿入するような奇数分割を行えば磁力に助けられて組立がし易くなる。尚、図の矢印は各小磁石の磁化方向を示す。
また、内外リング磁気回路の内径が小さければ、構成する永久磁石形状も小さくなるため分割して構成する必要はなく、１個の永久磁石で構成が可能となる。このとき、漏洩磁場を低減する効果を得るために、永久磁石の軸方向断面を略台形とすると良い。この２つの例を図１２（ａ）（ｂ）に示す。これらは永久磁石の軸方向断面をＬｏとＬｉとなしその寸法差から略台形状としたものである。このような台形状を図１０、図１１に示した分割構成の磁極に対しても適用は可能である。
【００４２】
また、実施例において、内リング磁気回路及び外リング磁気回路に使用した永久磁石は、磁化方向が３種類のものを適宜組み合わせたが、図１３に示すように磁化方向が２種類の永久磁石４３、４４を用いて磁気回路を構成することも出来る。
また、永久磁石の円周方向の分割数は８分割以上であれば良いが、それよりも多分割の方がより望ましい。図１４は内径：１２０ｍｍ、外径：２００ｍｍのリング状磁気回路を用いて、横軸は磁気回路の軸方向長さ（ｍｍ）で、縦軸のギャップ磁束密度のピーク値（中央空洞部の発生磁場（Ｔ））を測定したものである。図中の数値８及び１２は分割数を示しているが、この結果より分割数１２は分割数８よりも５％程度中心磁場が増加することが分かった。
【００４３】
【発明の効果】
本発明により、均一な平行磁場が複数枚の基板に均等に印加できるので磁性膜基板の品質が一様に安定する。また、中央空洞部の被熱処理部材に対して磁場強度調節できるので広範囲の利用ができる。特に本発明では、内外のリング状磁気回路を特定の形状とするので、漏洩磁場が小さいため磁気シールドの必要性もなく、装置全体の小型化、省スペース化により設備導入コストを抑え、また磁場発生用電力を必要としないため、装置の運転維持費をわずかにする省エネ効果の高い磁場中真空熱処理炉を実現することができる。また、磁場発生用コイルに通電した際に発生する熱量もないため、磁場発生用コイルへの冷却水が不要で配管等も無くなるため、熱処理装置の構成が簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  磁場中熱処理炉の一例を示す要部断面図である。
【図２】  磁場中熱処理炉に用いる磁場発生手段（内外リング磁気回路）の一例を示す要部断面図である。
【図３】  内外リング磁気回路の他の例を示す要部断面図である。
【図４】  内外リング磁気回路の他の例を示す要部断面図である。
【図５】  内外リング磁気回路の実施例を示す要部断面図である。
【図６】  内外リング磁気回路の軸方向長さの関係を説明する説明図である。
【図７】  磁気回路の軸方向長さ（厚み方向）Ｈによる磁場強度の変化を示す測定結果である。
【図８】  磁束密度と磁気回路の外径寸法及び軸方向長さの依存性を示す図である。
【図９】  回転角度と発生磁場振れ角の関係を示す図である。
【図１０】  永久磁石を分割して構成する場合の一例を示す図である。
【図１１】  永久磁石を分割して構成する場合の他の例を示す図である。
【図１２】  永久磁石の断面形状の例を示す図である。
【図１３】  ２種類の磁化方向の永久磁石を用いる場合の例である。
【図１４】  ８分割と１２分割の比較を示す磁石の軸方向長さと中央空洞部の発生磁場の測定結果である。
【図１５】  従来の磁場中熱処理炉を示す要部断面図である。
【図１６】  ハルバッハ磁気回路の例を示す図である。
【符号の説明】
１：内リング磁気回路、２：外リング磁気回路、３：ケース、４：水冷管
５：ヒータ、６：真空管、７：シール部、８：シール雄ネジ部
９：シール雌ネジ部、１０：熱処理台、１１：保持部材、１２：冷却構造
１３：コイル、１４：高周波コイル
２０：中央空洞部、２１、２２、２３：永久磁石（磁極）
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：内リング磁気回路
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ：外リング磁気回路
４０：分割型永久磁石、４１、４２、４３、４４：セグメント磁石（小磁石）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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