(57)【要約】【課題】制御された蒸気の供給を可能とする。【解決手段】液体又は固体の物質を保持する保持部４と、保持部を冷却する冷却手段５と、保持部の温度を検知する検知手段６と、検知手段により検出した温度に基づき、冷却手段を制御する制御手段７と、を有し、制御手段により、冷却手段を用いて保持部の温度を制御することで、液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して、物質の蒸気を供給する。蒸気供給装置の置かれた雰囲気での、液体又は固体から気化又は昇華した蒸気の圧力を測定する手段９又は１０を有し、制御手段は、測定された圧力に基づき蒸気の圧力が所定の値になるように保持部の温度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体又は固体の物質を保持する保持部と、
該保持部を冷却する冷却手段と、
該保持部の温度を検知する検知手段と、
該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して、前記物質の蒸気を供給することを特徴とする蒸気供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の蒸気供給装置において、
前記蒸気供給装置の置かれた雰囲気での、前記液体又は固体から気化又は昇華した蒸気の圧力を測定する手段を有し、
前記制御手段は、測定された圧力に基づき前記蒸気の圧力が所定の値になるように前記保持部の温度を制御することを特徴とする蒸気供給装置。
【請求項３】
請求項１に記載の蒸気供給装置において、
前記制御手段は、蒸気供給時以外は、前記保持部の温度を蒸気供給時の温度より下げることを特徴とする蒸気供給装置。
【請求項４】
請求項１に記載の蒸気供給装置を有する基板処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の基板処理装置は、成膜装置であることを特徴とする基板処理装置。
【請求項６】
請求項４に記載の基板処理装置において、前記蒸気供給装置の保持部は基板処理室に設けられていることを特徴とする基板処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載の蒸気供給装置を有する電子デバイス製造装置。
【請求項８】
前記蒸気供給装置は電子デバイスの酸化膜形成に用いられることを特徴とする請求項７に記載の電子デバイス製造装置。
【請求項９】
前記電子デバイスはトンネル型磁気抵抗素子であって、前記酸化膜は、トンネル障壁層であることを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス製造装置。
【請求項１０】
前記電子デバイスは磁気記録媒体であることを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス製造装置。
【請求項１１】
液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、電子デバイスが含まれる基板の処理を行う工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
前記基板処理室内の前記蒸気の圧力を測定し、測定された圧力に基づき前記蒸気の圧力が所定の値になるように前記制御手段により前記保持部の温度を制御しつつ、前記基板の処理を行う電子デバイスの製造方法。
【請求項１２】
液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、電子デバイスに含まれる基板の処理を行う工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
蒸気供給時以外は、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を蒸気供給時の温度より下げて、蒸気を液化又は凝固させて液体又は固体の物質を前記保持部に保持し、
蒸気供給時になったときに、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を上げて、保持された前記液体又は固体の物質を気化又は昇華させて蒸気を供給し、基板の処理を行う電子デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電子デバイスの製造方法において、前記蒸気は水蒸気であり、前記基板の処理は酸化処理であることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載された電子デバイスの製造方法により生産された電子デバイス。
【請求項１５】
請求項１３に記載の電子デバイスの製造方法を用いて形成された酸化膜を有することを特徴とする電子デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電子デバイスはトンネル型磁気抵抗素子であって、前記酸化膜は、トンネル障壁層であることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子。
【請求項１７】
請求項１３に記載の電子デバイスの製造方法を用いて形成された、酸化物と金属粒子とを含む膜を有すること特徴とする電子デバイス。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電子デバイスにおいて、前記酸化物と金属粒子とを含む膜がグラニュラー構造を形成すること特徴とする電子デバイス。
【請求項１９】
前記電子デバイスは磁気記録媒体であることを特徴とする請求項１７に記載の電子デバイス。
【請求項２０】
請求項１７に記載の電子デバイスは磁気記録媒体であって、前記膜は垂直磁気異方性を有することを特徴とする磁気記録媒体。
【請求項２１】
請求項１７に記載の電子デバイスは磁気記録媒体であって、前記膜は前記基板と平行方向に磁化された膜であることを特徴とする磁気記録媒体。
【請求項２２】
請求項１５に記載の電子デバイスにおいて、前記膜は、膜面に対して電流を垂直方向に流して作動する磁気抵抗膜に含まれることを特徴とする電子デバイス。
【請求項２３】
液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法であって、
前記基板処理室内の前記蒸気の圧力を測定し、測定された圧力に基づき前記蒸気の圧力が所定の値になるように前記制御手段により前記保持部の温度を制御しつつ、前記基板の処理を行う基板処理方法。
【請求項２４】
液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法であって、
蒸気供給時以外は、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を蒸気供給時の温度より下げて、蒸気を液化又は凝固させて液体又は固体の物質を前記保持部に保持し、
蒸気供給時になったときに、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を上げて、保持された前記液体又は固体の物質を気化又は昇華させて蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気を供給する蒸気供給装置、これを利用した基板処理装置と基板処理方法、電子デバイス製造装置、電子デバイスの製造方法、及び電子デバイスの製造方法を使用して生産された電子デバイス、トンネル型磁気抵抗素子及び磁気記録媒体に関する。  
【背景技術】
【０００２】
近年の電子デバイスには酸化膜又は酸化物を含む膜が多く使用されている。例えば、ＭＲＡＭ (Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ)やハードディスクドライブ（以降HDDと略す）の磁気ヘッドに搭載されるトンネル型磁気抵抗素子には、２つの磁性膜の間に厚みわずか数原子層の酸化物（例えば酸化アルミ、酸化マグネシウム）が用いられている。また、HDDの磁気記録媒体には酸化物（例えばSiO2）を含有するCoCrPt磁性膜が垂直磁気記録方式では主流になっている。さらに、現在開発が精力的に進められているＲＲＡＭ(Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）にも金属合金酸化物又は酸化物薄膜が記録膜として使用されている。
【０００３】
次世代HDD磁気ヘッドには素子の低抵抗化がより一層必要になり、そのために膜面に対して電流を垂直方向に流して作動するＣＰＰ−ＧＭＲ膜(Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ  Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ膜)が最有力候補となっている。この素子では所望の磁気抵抗特性を得るには、磁性層の間に存在する非磁性スペーサ層を酸化物と金属からなるグラニュラー構造にする必要があるが、現状の成膜技術では膜構造のバラツキが大きく、素子の耐久性が問題となっている。
【０００４】
これらの電子デバイスが高い信頼性で動作するためには酸化物又は酸化物を含む膜の成膜に工夫がされている。例えば、特許文献１によればCo系グラニュラー磁性膜の成膜には、Arスパッタガスに微量な酸素又は窒素ガスを混合させ、反応性スパッタを行う。そうすることでCo系磁性結晶粒の周りに酸化物層が形成され、磁性結晶粒間の磁気的な相互作用が分断され、媒体ノイズが低減され、高い信号対出力比を有する磁気記録媒体を安価に作ることができるとされている。
【０００５】
また、特許文献２では光磁気記録媒体の特性を向上するために、成膜中に真空装置内に反応性酸化プロセスに有効な酸素、二酸化炭素、水蒸気ガス等を導入する方法が用いられている。その結果、膜表面が均一になり、出力も向上するとされている。
【０００６】
また、もう一つの精密な基板処理が必要な電子デバイスとしては、トンネル型磁気抵抗膜（Tunneling Magnetoresistive膜、以降TMR膜と略記する）を有するMRAMがある。図９はこの電子デバイスの典型的な構造の概略図である。かかる構成は例えば、特許文献３に記載されている。基板５１側より、シード層５２、下地層５３、反強磁性層５４、磁気固定層５５、絶縁膜５６、磁気自由層５７、キャップ層５８の順序で多層膜が成膜されている。
【０００７】
このデバイスにおいては、磁気固定層５５の磁気モーメントの向きは反強磁性層５４との交換結合により固定されている。一方、磁気自由層５７の磁気モーメントの向きは外部信号により変えられる。そして、磁気固定層５５と磁気自由層５７の磁気モーメントの向きが揃っているときは、その間にある絶縁膜５６を通して電流が流れやすく、即ち電気抵抗が小さい。一方、磁気固定層５５と磁気自由層５７の磁気モーメントの向きが揃っていなく反対に方向を向いているときはその間にある絶縁膜５６を通して電流が流れ難い、即ち電気抵抗が大きい。TMR膜を有するMRAMは上記の抵抗の変化より情報を記憶するものである。また、HDD用磁気ヘッドにもTMR膜が用いられ、製品化されている。
【０００８】
上記TMR膜を有するMRAMの製造過程において、絶縁膜５６の膜質は最終性能に大きな影響を与える。絶縁膜５６としては、酸化アルミ（Al2O3）、酸化マグネシュウム（MgO）等があるが、より高性能化のためにはこれらの酸化膜は化学量論比を満たしている必要がある。
【特許文献１】米国特許第7033685号明細書
【特許文献２】米国特許第5302493号明細書
【特許文献３】特開2005-101441号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、例えば絶縁膜の酸化のような基板処理の制御が容易ではないという問題があった。
【００１０】
この問題を解決する手段としては以下のものが考えられる。ここでは、酸化処理に限って説明する。
１）  酸素を直接マスフローコントローラにて供給する。
２）  大気をリークさせて、これに含まれる酸素及び水分により酸化する。
３）  水を液体マスフローコントローラにより供給する。
【００１１】
上記１）の手段では、酸素は強い酸化剤であるため、少しでも多いと過度の酸化となり、少ないと酸化が不足するという状態が起る。即ち、制御が非常に難しいという問題がある。
【００１２】
上記２）の手段では、大気の湿度変動により、酸化剤でもある水の供給量が変動するため、１）と同様に制御が、難しいという問題がある。
【００１３】
上記３）の手段では、凝縮した水が処理室内に残ると、この水を処理室内から除去することが困難で、酸化工程以外のプロセスを害するという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記１）〜３）の課題を解決すべく、鋭意に研究した結果、液体又は固体を保持する保持部の温度を制御して蒸気圧を制御することにより、該液体又は固体の蒸気を所要の量を正確に再現良く供給できることを見いだし、本発明に想到した。
【００１５】
本発明の蒸気供給装置は、液体又は固体の物質を保持する保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して、前記物質の蒸気を供給することを特徴とする蒸気供給装置である。
【００１６】
本発明の電子デバイスの製造方法は、液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、電子デバイスに含まれる基板の処理を行う工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
前記基板処理室内の前記蒸気の圧力を測定し、測定された圧力に基づき前記蒸気の圧力が所定の値になるように前記制御手段により前記保持部の温度を制御しつつ、前記基板の処理を行う電子デバイスの製造方法である。
【００１７】
また本発明の電子デバイスの製造方法は、液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、電子デバイスに含まれる基板の処理を行う工程を含む電子デバイスの製造方法であって、
蒸気供給時以外は、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を蒸気供給時の温度より下げて、蒸気を液化又は凝固させて液体又は固体の物質を前記保持部に保持し、
蒸気供給時になったときに、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を上げて、保持された前記液体又は固体の物質を気化又は昇華させて蒸気を供給し、基板の処理を行う電子デバイスの製造方法である。
【００１８】
本発明の基板処理方法は、液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法であって、
前記基板処理室内の前記蒸気の圧力を測定し、測定された圧力に基づき前記蒸気の圧力が所定の値になるように前記制御手段により前記保持部の温度を制御しつつ、前記基板の処理を行う基板処理方法である。
【００１９】
また本発明の基板処理方法は、液体又は固体の物質の保持部と、該保持部を冷却する冷却手段と、該保持部の温度を検知する検知手段と、該検知手段により検出した温度に基づき、前記冷却手段を制御する制御手段と、を有する蒸気供給装置であって、前記制御手段により、前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を制御することで、前記液体又は固体の物質の気化又は昇華を制御して前記物質の蒸気を供給する蒸気供給装置から基板処理室内に蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法であって、
蒸気供給時以外は、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を蒸気供給時の温度より下げて、蒸気を液化又は凝固させて液体又は固体の物質を前記保持部に保持し、
蒸気供給時になったときに、前記制御手段により前記冷却手段を用いて前記保持部の温度を上げて、保持された前記液体又は固体の物質を気化又は昇華させて蒸気を供給し、基板の処理を行う基板処理方法である。
【００２０】
本願において、気化とは液体から気体（蒸気）に変わる、又は固体が液体を経て気体（蒸気）に変わることをいう。昇華とは固体から気体（蒸気）に変わることをいう。また液化とは気体（蒸気）から液体に変わることをいう。凝固とは気体（蒸気）から固体に変わる、又は液体から固体に変わることをいう。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、蒸気を制御して供給することが可能となる。その結果、例えば、制御された蒸気の供給が必要な基板の処理が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。図１は蒸気供給装置を含む基板処理装置の構成図、図２は蒸気供給装置の一部の斜視図である。
【００２３】
蒸気供給装置は、液体又は固体の状態で水分を保持し、水分を必要に応じて蒸発させて供給する水分供給部４、水分供給部４の温度を制御する冷凍機５、水分供給部４もしくは冷凍機５の温度を計測する温度計測手段６、水分供給部４を加熱したい場合に用いる加熱手段（ヒーター）１１、真空フランジ１２、冷凍機５を制御する冷凍機制御部７（図２において不図示）を備えている。
【００２４】
蒸気供給装置は真空計９や質量分析計１０等の蒸気の圧力を測定する手段を含む場合もある。加熱手段は昇温の速度を上げたい場合に取り付けられ、必要に応じて動作する。
【００２５】
図１に示すように、真空室１内の被処理物ホルダー２に被処理物３を装着し、酸化物ターゲット(図示せず)を用いてスパッタにより被処理物３上に酸化膜を成膜する場合において、真空室１内に冷凍機５により任意の温度に冷却制御可能な水分供給部４を設置する。水分供給部４もしくは冷凍機５には温度計測手段６が装着され、この温度信号は、冷凍機制御器７により処理され温度計測可能な構成となっている。温度計測手段６としては、例えば、熱電対、白金測温抵抗体（Pt-100）などの測温抵抗体、シリコンダイオードセンサを用いることができる。なお、水分供給部４は水分を液体又は固体として保持する保持部、冷凍機５は冷却手段、温度計測手段６は検知手段、冷凍機制御部７は制御手段、真空室１は基板処理室となる。
【００２６】
水分供給部４には予め充分な水分が凝縮されている。例えば、当該被処理物３に対し10-3Pa（パスカル）の分圧にて水分を供給したい場合、水の平衡蒸気圧特性(図３)より10-3Paの蒸気圧となる温度は約-100℃なので、水分供給部４が-100℃となるように、温度検出手段６の信号に基づき冷凍機制御器７により冷凍機５の運転制御を行う。同様に、10-2Paの水分供給が必要な場合には、10-2Paの平衡蒸気圧となる温度は-90℃であることより、-90℃にて運転制御を行う。なお、図３において、例えば、１．０Ｅ＋０５は１．０×１０５Ｐａ、１．０Ｅ−１１は１．０×１０−11Ｐａを示す。
【００２７】
また、より精密な水分供給量の制御が必要な場合は、真空室１に装着されている真空計９の出力を冷凍機制御器７にフィードバックし、圧力が一定となるよう冷凍機５の温度を制御することにより制御することができる。10-3Pa以上の低真空領域では全圧に占める残留水分圧の比率は非常に大きいため、全圧にてフィードバックしても概ね正確な制御が可能である。つまり、蒸気の圧力は全圧に近似的に等しい。
【００２８】
更に厳密な制御が必要な場合は、真空室１に分圧計9もしくは質量分析計１０を設置し、この出力が一定となるよう冷凍機制御器７にフィードバックする。こうすることで、分圧計もしくは質量分析計１０の出力により求められる蒸気の圧力が目標とする圧力（所定の圧力値）より低ければ、水分供給部４の温度を上げ、蒸気の圧力が目標とする圧力より高ければ、水分供給部４の温度を下げる制御を行うことができる。
【００２９】
真空計、分圧計、質量分析計は、蒸気供給装置の置かれた雰囲気の液体又は固体から気化又は昇華した蒸気の圧力を測定する手段となる。
【００３０】
また、水分供給を必要とする成膜時以外（蒸気供給時以外）は、冷凍機５を充分低温となるよう運転する。こうすることにより水分供給部４を充分に冷却して蒸気の供給を低減して、水分が不要な他の膜や他の被処理物、或いは隣接する他の真空室への悪影響を低減することが可能となる。
【００３１】
なお、スパッタ等の基板処理時間が短い場合には、冷凍機や加熱手段（ヒーター）を用いた水分供給部の温度制御にはある程度時間がかかるため、蒸気の圧力変化を水分供給部の温度制御により制御するのが困難な場合がある。この場合は非スパッタ時に水分供給部の温度制御を行い、温度を平衡状態としておき、スパッタ時にはその温度を維持するようにしてもよい。
【００３２】
ここで、冷凍機５の種類としては、入力電圧を制御することにより低温から常温まで簡単に運転制御可能なスターリング冷凍機が望ましいが、Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ冷凍機（以降GM冷凍機と略す）やソルベサイクル冷凍機、或いはパルス管冷凍機等でも使用できる。但し、この場合には、図示していない加熱手段を装着して温度制御することが求められる。水分供給部上の水分の枯渇により、いくら温度を上げても水分圧が上昇しない場合がある。冷凍機５の保護又は水分供給部４の温度が過剰に上昇しないように、冷凍機５の制御可能温度域を予め決めておくことが望ましい。例えば、冷凍機５の温度制御範囲を０℃以下に制限し、冷凍機温度が０℃に達した場合はアラーム発報を行うようにすることができる。
【００３３】
なお、水分供給部４に溜め込んでおく水分量に関しては、例えば、図示していない主排気ポンプの排気速度を仮に500L/S（リットル／秒）とすると、真空室１の圧力を10-3Paとするために必要な水分供給量は0.5PaL/Sであり、ガス流量に換算して0.3sccmとなる。仮に２週間連続で水分供給するものとして、0.3×60(分)×24(時間)×14(日)＝6048cc(気体)で、0.27molとなり、約5g程度の水分をリークバルブ８等を利用して予め凝縮しておけば良い。即ち、水分を凝縮しておく水分保持部としては、形状的にも熱容量的にもコンパクトなもので充分である。尚、このリークバルブ8を通して供給水蒸気の一部を供給することも可能である。このような使い方により、水分補充の為に装置の稼動を停止する回数を低減することが出来る。また、水分供給部はリークバルブから効率良く水分を導入するために、リークバルブ8の吹き出し口に設置することが望ましい。
【００３４】
なお、本実施形態では蒸気供給装置を真空室に設けているが、配管の途中に設けてもよい。ただし、配管の途中で水が凝縮する可能性があるので、蒸気供給装置を真空室に設けることが望ましい。蒸気供給装置の水分供給部4の上に傘（シールド）を設けてもよい。傘を設けることで、例えば真空室1内でプラズマ生成を行うような場合において、水分供給部が直接プラズマに曝されて余分に水分が供給されるのを回避することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、酸化剤として水蒸気を用いた。水は酸素に比べて、穏やかな酸化剤であるため、制御性も改善されるという更なるメリットがある。本実施形態は基板の処理として酸化処理を例にとって説明した。しかし、本発明の技術的思想は、基板処理用の気体を液体又は固体の状態で、冷却された保持部に保持し、保持部の温度を冷却手段で制御することで、液体又は固体の気化又は昇華を制御して、気体（蒸気）を供給することにあり、気体の材料は特に限定されない。
【００３６】
供給する気体（蒸気）としては、反応性反応プロセスに有効な、酸素、二酸化炭素、水蒸気が挙げられ、二酸化炭素はドライアイスを昇華させることで供給することができる。
【００３７】
基板処理装置としては、薄膜形成装置以外の装置、例えばドライエッチング装置にも本実施形態の蒸気供給装置を用いることができる。
【００３８】
以下、図１０を用いて、成膜の開始前又は成膜中の水蒸気の圧力の制御のフローについて説明する。なお、ここでは水分供給部の温度検知とともに、基板処理室（真空室）内の水蒸気の圧力を測定して、水分供給部の温度制御する場合について説明する。図１０に示すように、成膜が開始前又は成膜中に、水分供給部４の温度が検出される（ステップS21）。そして、上述したように、真空計９や質量分析計１０等を使って基板処理室（真空室）内の水蒸気の圧力を測定する（ステップS22）。測定の結果、冷凍機制御部７が水蒸気の圧力が所定の圧力かどうかの判断を行い（ステップS23）、所定の圧力を超えていれば水分供給部４の温度を下げる。所定の圧力であれば水分供給部４の温度を維持し、所定の圧力より低ければ水分供給部４の温度を上昇させる（ステップS24、ステップS25、ステップS26）。そして、成膜が終了かどうかを判断し（ステップS27）、終了でなければステップS21へもどり、終了であれば基板処理フローが終了する。なお、水分供給部４の温度の検出は水蒸気の圧力の測定と同時でも、水蒸気の圧力の測定の後でもよい。水分供給部４の温度の検出が水蒸気の圧力の測定の後の場合は、ステップS27で、成膜終了でなければ水蒸気の圧力の測定の動作にもどることになる。
【００３９】
また、図１１を用いて、水分供給を必要とする成膜時以外に温度を低下させる水蒸気の圧力の制御のフローについて説明する。図１１に示すように、まず、水分供給部４の温度が検出される（ステップS31）。次に、水蒸気の供給時（成膜時）であるかどうかが判断される（ステップS32）。水蒸気の供給時でなければ（成膜時以外）、水分供給部４の温度が成膜時の所定の温度よりも低いかどうかを判断し（ステップS33）、低ければステップS31へもどり、高ければ、水分供給部４の温度を下降させた後にステップS31へもどる。こうして、成膜時以外は蒸気の供給を低減させる処理が行われる。水蒸気の供給時であれば、成膜時以外の温度から成膜時の温度（所定の温度）まで温度が上昇しているかどうかを判断する（ステップS35）。温度が所定の温度まで上昇していれば、基板処理室（真空室）内の水蒸気の圧力を測定する（ステップS37）。温度が上昇していなければ、水分供給部４の温度を所定の温度まで上昇させた後、ステップS37へ移行する。圧力の測定結果に基づいて図１０で説明したように、水分供給部４の温度調整を行う(ステップS3８)。そして、成膜が終了かどうかを判断し（ステップS3９）、終了でなければステップS37へもどり、終了であれば基板処理フローが終了する。なお、基板処理フロー終了後にステップS31に戻ってもよい。
【００４０】
以上説明した、本実施形態の基板処理装置は、MRAMやHDDの磁気ヘッドに搭載されるトンネル型磁気抵抗素子において、２つの磁性膜の間に形成される、数原子層の酸化物（トンネルバリア層（トンネル障壁層）（例えば酸化アルミ、酸化マグネシウム）を含む非磁気スペーサ層の作製に用いることができる。膜面に対して電流を垂直方向に流して作動する巨大磁気抵抗膜を有する巨大磁気抵抗素子にも適用することができる。勿論、膜面に平行に電流を流す巨大磁気抵抗効果を利用した巨大磁気素子に適用しても有効であることは言うまでもない。
【００４１】
また、HDDの磁気記録媒体において用いられる、酸化物（例えばSiO2）を含有するCoCrPt磁性膜の作製に用いることができる。
【００４２】
さらに、RRAMの記録膜として使用されている、垂直磁気異方性を有する、酸化物と金属粒子とを含む膜又は酸化物薄膜の作製に用いることができる。そして、Co系グラニュラー磁性膜の成膜において、Arスパッタガスに微量な水蒸気を混合させ、反応性スパッタを行う場合に、本実施形態の基板処理装置を用いることができる。また磁気記録媒体の基板と平行方向に磁化された膜の作製に用いることができる。
【００４３】
また、光磁気記録媒体の成膜中に真空装置内に人為的に反応性酸化プロセスに有効な水蒸気ガスを導入する場合に、本実施形態の基板処理装置を用いることができる。
【００４４】
また、MRAMのTMR膜の作製に本実施形態の基板処理装置を用いることができる。
【００４５】
本発明の電子デバイスの例として、磁気記録媒体を本実施形態の薄膜形成装置を用いて作製した場合について説明する。
【００４６】
まず、磁気記録媒体における水蒸気を用いて酸化層を形成した場合の特性を、水蒸気、酸素、空気を導入した場合の比較において説明する。
【００４７】
図４に磁気記録媒体の層構成を説明する。図４において、４２は基板４１上に形成されたＴａからなる厚さ３ｎｍの第１のシード層、４３はＮｉＰからなる厚さ３０ｎｍの第２のシード層、４４はＣｒからなる厚さ１２ｎｍの第１の下地層、４５はＣｒＭｏからなる厚さ１５ｎｍの第２の下地層、４６はＣｏＣｒからなる厚さ２ｎｍの中間層、４７はＣｏＣｒＰｔＢからなる厚さ２０ｎｍの磁性層、４８はＣからなる厚さ５ｎｍの保護層である。後述する多層膜形成装置を用いて第１のシード層４２から磁性層４７まではスパッタで成膜し、保護層４８はＣＶＤで成膜した。成膜圧力は、第１のシード層４２から磁性層４７までは６ｍＴｏｒｒ、保護層４８は２０ｍＴｏｒｒとした。印加パワーは第１のシード層４２、第２のシード層４３、第１の下地層４４、第２の下地層４５、中間層４６、磁性層４７、保護層４８でそれぞれ２００Ｗ、２０００Ｗ、５００Ｗ、７００Ｗ、２５０Ｗ、９００Ｗ、１０００ｗである。
【００４８】
第２のシード層４３の成膜において、スパッタで成膜後に酸化材料を導入して、４３の終端部を酸化して酸化層４３ａを形成した。
【００４９】
酸化材料として、酸素（O2）、大気（空気）、水蒸気（H2O）を導入した場合のHc（保持力）とガス流量との関係を示す特性図、大気、水蒸気を導入した場合のS（エススター）とガス流量との関係を示す特性図を、それぞれ図５、図６に示す。図５、図６からに示すように、O2、による酸化は水蒸気及び大気よりも保持力Hcを低下させ、大気による酸化は水蒸気よりもS＊の低下をもたらす。なお、ここでS*は磁化反転の鋭敏性を表す指標である。磁気記録媒体のポテンシャルとしては保持力（Hc）は高いほどよく、S*は大きいほどよい。S＊は、図７に示す磁界の大きさ（H）と磁化（M）との関係を示すヒステリシスループにおいて、Hc値における接線を求め、その接線と磁化＝外部磁場（Ｈ）が零のときの磁化の直線との交点でのH値（H＊）を算出する。そして、S*＝Hc／H*よりS*を求める。
【００５０】
以上の2つの結果より、水蒸気（H2O）を磁気記録媒体の酸化膜形成に用いることが好ましいことが分かる。
【００５１】
以下、上記磁気記録媒体の第１のシード層４１から磁性層４６をスパッタリングにより形成する多層膜形成装置について説明する。多層膜形成装置は、各層の薄膜を作製する成膜チャンバーを備える。図８は、磁気記録媒体の多層膜形成装置における成膜チャンバーの断面概略図である。成膜チャンバーには図２に示す蒸気供給装置を備えている。
【００５２】
図８に示す成膜チャンバー２３は、内部を排気する排気系３１と、成膜チャンバー２３内の所定位置に基板１を配置するための基板ホルダー３２と、スパッタ放電を生じさせるための複数のカソード３３，３４と、各カソード３３，３４に電圧を印加する不図示のスパッタ電源等を備えている。
【００５３】
成膜チャンバー２３は、気密な真空容器であり、基板２１の出し入れを行うための開口を備えており、この開口はゲートバルブ３０によって開閉される。尚、排気系３１は、ターボ分子ポンプのような真空ポンプを備えており、チャンバー２３に隣接した排気室を通して排気するようになっている。
【００５４】
ガス導入系は、前述したように、スパッタ用ガスとしてはアルゴンを採用しており、アルゴンガスの配管３６１を備えている。配管３６１には、バルブの他、流量調整器３６２が設けられており、所定の流量で配管３５を通してアルゴンガスを成膜チャンバー２３に導入することができる。
【００５５】
各カソード３３，３４は、マグネトロンスパッタリングを実現するためのカソード、即ちマグネトロンカソードである。各カソード３３，３４は、ターゲット３３１，３４１と、ターゲット３３１、３４１の背後に設けられた磁石ユニット３３２，３４２とから主に構成されている。磁石ユニット３３２，３４２の詳細は図示されていないが、電界と磁界の直交関係を成立させて電子のマグネトロン運動を実現するためのものであり、中心磁石と、中心磁石を取り囲む周辺磁石等から構成されている。また、静止したターゲット３３１，３４１のエロージョンを均一化させるために、磁石ユニット３３２，３４２を回転させる回転機構が設けられることもある。また、ターゲット３３１，３４１の前方には、シャッタ３３３、３４３が設けられている。シャッタ３３３，３４３は、そのカソード３３，３４が使用されないとき、ターゲット３３１，３４１を被ってターゲット３３１，３４１の汚損等を防止するためのものである。
【００５６】
尚、図８では、二つのカソード３３，３４が図示されているが、実際には三つ又はそれ以上の数のカソードが設けられることがある。これらの構造については、特開２００２−４３１５９号公報が参照できる。
【００５７】
不図示のスパッタ電源は、各カソード３３，３４に負の直流電圧又は高周波電圧を印加するものであり、各カソード３３，３４毎に設けられる。尚、各カソード３３，３４への投入電力を独立して制御する不図示の制御部が設けられている。
【００５８】
上記多層膜形成装置の成膜チャンバー２３を複数用いて図４に示した磁気記録媒体の各層を形成した。第２のシード層（NiP）４３の終端で蒸発供給装置を用いて水蒸気を導入して第二のシード層を水蒸気に曝露し、第2のシード層の表面酸化する。水分供給部４に溜め込んでおく水分量は、図５及び図６の特性図によりHc、S*が高くなるガス流量を実験的に定め、その流量に基づき装置の稼働時間等を考慮して見積もる。その見積もり出された水分量を、多層膜形成装置の蒸発供給装置に保持した。そして、所定の蒸気圧となるように図３の特性図に基づいて水分供給部４の温度を設定し、酸化膜形成時に水分供給部から水蒸気を供給した。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、蒸気の圧力の正確な制御を可能とし、再現性良く安定した成膜プロセスに有効であり、スパッタ装置等の基板処理装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態の基板処理装置の概略断面図である。
【図２】蒸気供給装置の一部の斜視図である。
【図３】水の平衡蒸気圧特性を示す図である。
【図４】面内磁気記録媒体の層構成を示す図である。
【図５】酸素（O2）、大気（空気）、水蒸気（H2O）を導入した場合のHc（保持力）とガス流量の関係を示す特性図である。
【図６】S*と大気、水蒸気を導入した場合のガス流量との関係を示す特性図である。
【図７】S*（エススター）を説明するための図である。
【図８】磁気記録媒体の多層膜形成装置における成膜チャンバーの断面概略図である。
【図９】トンネル型磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図１０】成膜の開始前又は成膜中の水蒸気の圧力の制御のフローを示すフローチャートである。
【図１１】水分供給を必要とする成膜時以外は温度を低下させる水蒸気の圧力の制御のフローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１  真空室
２  被処理物ホルダー
３  被処理物
４  水分供給部
５  冷凍機
６  温度計測手段
７  冷凍機制御器
８  リークバルブ
９  真空計
１０  分圧計(質量分析計)
【図１】
2009174044.tif 000003
【図２】
2009174044.tif 000004
【図３】
2009174044.tif 000005
【図４】
2009174044.tif 000006
【図５】
2009174044.tif 000007
【図６】
2009174044.tif 000008
【図７】
2009174044.tif 000009
【図８】
2009174044.tif 000010
【図９】
2009174044.tif 000011
【図１０】
2009174044.tif 000012
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月6日(2009.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
なお、水分供給部４に溜め込んでおく水分量に関しては、例えば、図示していない主排気ポンプの排気速度を仮に500L/s（リットル／秒）とすると、真空室１の圧力を10-3Paとするために必要な水分供給量は0.5PaL/sであり、ガス流量に換算して0.3sccmとなる。仮に２週間連続で水分供給するものとして、0.3×60(分)×24(時間)×14(日)＝6048cc(気体)で、0.27molとなり、約5g程度の水分をリークバルブ８等を利用して予め凝縮しておけば良い。即ち、水分を凝縮しておく水分保持部としては、形状的にも熱容量的にもコンパクトなもので充分である。尚、このリークバルブ8を通して供給水蒸気の一部を供給することも可能である。このような使い方により、水分補充の為に装置の稼動を停止する回数を低減することが出来る。また、水分供給部はリークバルブから効率良く水分を導入するために、リークバルブ8の吹き出し口に設置することが望ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
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