非接触式被処理物回転処理装置
【課題】超伝導を利用した非接触式のスピンコータの回転ヘッド部の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現する。
【解決手段】回転ヘッド部１０を、突出部を持つ密閉容器６０内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構２０を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構３０を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体２１と冷却手段２４を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、円板状部材１１に設置された永久磁石１４との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構３０によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させる。
【解決手段】回転ヘッド部１０を、突出部を持つ密閉容器６０内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構２０を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構３０を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体２１と冷却手段２４を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、円板状部材１１に設置された永久磁石１４との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構３０によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体や液晶等の製造において、薄板状物、特に基板を回転させ、その表面に処理液を滴下、分散させて薄膜を形成し、又は表面を洗浄、乾燥する装置であるいわゆるスピンコータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶等の製造においては、半導体ウエハやガラス板等の基板の表面にフォトレジストの薄膜を形成し、あるいは表面を洗浄又は乾燥する作業工程があるが、そこでは回転ヘッド部上に載置された基板を高速で回転させる装置が用いられている。
【０００３】
例えば、薄膜形成工程においては、フォトレジスト等の処理液が滴下された基板を高速回転させることにより、処理液を遠心力で拡げて薄膜を形成する、表面処理装置であるスピンコータが用いられている。ここで、スピンコータは半導体製造工場内のクリーンルーム中で使用される。
【０００４】
図１１に従来型スピンコータの構造を示す。従来型スピンコータ５０は、水平に置かれた腕状、矩形状若しくは円盤状の基板支持部材５１と、その下面中心から下方に伸びる回転ヘッド部５８と、その回転ヘッド部５８の下方にドライブベルト７２によって接続される駆動モータ７１を具備しており、前記回転ヘッド部５８はベアリング５９を介して回転可能に支持部材５３に支持されている。基板支持部材５１の上面には被処理物である基板（ウエハ５７）が載置され、その上方には処理液５５をウエハ５７に滴下する吐出ノズル５４が配置され、前記ウエハ５７の周囲にはウエハ５７に滴下された処理液５５の飛散を防止する飛散防止壁５２が設けられている。また、ウエハ５７上面処理と同時に、下面処理を行うための下部ノズル５６が、前記回転ヘッド部５８内に導かれている。
【０００５】
以下に従来型スピンコータ５０の動作を説明する。まず、前工程から移送されたウエハ５７は、基板支持部材５１上に真空チャッキング等により載置される。次に駆動モータ７１により回転ヘッド部５８を介して基板支持部材５１とともにウエハ５７を、例えば２０００ｒｐｍや６０００ｒｐｍ等の高速に回転させる。
【０００６】
そして、回転するウエハ５７の表面に上方の吐出ノズル５４から処理液５５を滴下すると、処理液５５は遠心力によりウエハ５７の表面に拡がり薄膜を形成する。なお、この薄膜の形成に寄与しなかった余分の処理液５５は、ウエハ５７表面より振り飛ばされて、飛散防止壁５２に衝突することにより捕集され下部から回収される。
【０００７】
このような薄膜形成工程は、通常、薄膜への不純物の混入を避けるため、クリーンルーム内で行われ、特に図１１に示したウエハ処理を行う密閉容器内であるＡ側は、密閉容器外であるＢ側に比べクリーンに維持されるよう構成されている。
【０００８】
しかし、従来型スピンコータ５０においては、シール材（例えばベアリング５９等）の部分から微粒子状の異物が発生して密閉容器内のＡ側のクリーン環境を汚染してしまうことを完全に防止することができず、処理後のウエハ５７の品質低下を招くという問題があった。
【０００９】
そこで、超伝導を利用しシール材の存在しないスピンコータの発明が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の発明によれば、密閉容器内に回転ヘッド部を収納し、前記密閉容器外部より磁力を利用して回転ヘッド部を上昇させ、回転力を伝達するように構成することで、微粒子状の異物が発生する箇所（例えばベアリング、モータ等の回転部分）を密閉容器外に設置可能としている。このように構成された発明により、密閉容器内に設置された回転ヘッド部を密閉容器外から非接触状態で浮上させて回転操作することができる。
【００１０】
また、回転ヘッド部の浮上には、第二種超伝導体を利用することで回転する位置を維持することを可能としている。なお、第二種超伝導体とは、磁場の強さがある値を超えると材料内部に超伝導と常伝導の部分が混在しはじめる材料を言い、第二種超伝導体を通過する外部磁束が、材料内部の常伝導部分に保持されることにより生じる復元力である磁気的ピン止め力により、回転ヘッド部の回転する位置を維持することが可能となっている。
【００１１】
そのため、密閉容器内の回転ヘッド部に駆動部分がなくなり保守・修理の必要はほとんどなく、密閉容器内のクリーンな環境を維持したまま薄膜形成を行うことができ、薄板状物、特に半導体基板（ウエハ）などの被処理物の品質を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００７−１６０２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載のスピンコータでは、回転ヘッド部の回転時に前記磁気的ピン止め力が回転位置を維持するよう作用するものの、位置のずれが生じてしまう問題点があった。特にスピンコータの回転ヘッド部は例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速で回転させるため、慣性力が大きく、少しの傾きや回転中心のずれであっても、回転の安定性が容易に失われる。ここで、回転ヘッド部の安定性が失われると、被処理物であるウエハの処理が適切に行えなくなり、不良品となってしまい、歩留を著しく下げることとなる。そのため、ウエハの生産性向上のためには、回転ヘッド部の安定的回転の確保が極めて重要な課題となっている。
【００１３】
また、半導体ウエハの製造においては、近年ウエハの直径が２００ｍｍから３００ｍｍへの移行が始まり、大型化の一途を辿っている。それに伴い回転ヘッド部の大型化が必要となっているため、安定的回転の実現はさらに重要な課題となっている。
【００１４】
さらに、回転ヘッド部に対して非接触で回転力を伝達する際、回転力を送信する側と受信する側の永久磁石の間の距離が大きい（例えば２０ｍｍ程度）ため、回転力の伝達効率が悪く、例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速回転を行った後の急停止が困難であった。
【００１５】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、超伝導を利用した非接触式のスピンコータの回転ヘッド部の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現することにある。
【００１６】
なお、本発明は、ＪＳＴの委託開発課題「超伝導体利用半導体製造用スピン処理装置」に関する新技術開発を実施する過程において、その成果として得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するための本発明に係る非接触式被処理物回転処理装置は、円板状部材の下面中心に軸部材を固定した回転ヘッド部を、前記軸部材に対応した突出部を持つ密閉容器内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体と冷却手段を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨
界温度以下に冷却し、前記円板状部材に設置された永久磁石との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記軸部材の側壁の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材の下面の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の垂直方向の位置を保持するよう構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記浮上機構がリング状の断熱容器内の内側壁面内部に前記ピン止め体を円周状に設置し、さらに上面内部に前記ピン止め体を設置し、前記ピン止め体を冷却材で同時に冷却することを特徴とする。
【００２０】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記浮上機構を中心に外周側にリング状に設置された前記回転機構は、上面に極性が交互となるように設置された送信側回転用永久磁石を具備し、前記円板状部材下面に前記送信側回転用永久磁石に対向する受信側回転用永久磁石を具備したことを特徴とする。
【００２１】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を具備し、被処理物の下面処理を可能としたことを特徴とする。
【００２２】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記軸部材に対向する外周方向に、前記回転ヘッド部の回転軸に対する傾きを制御するための制御機構を設置したことを特徴とする。
【００２３】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記制御機構が電磁石と磁性体を有した制御型磁気軸受けと、前記回転ヘッド部の傾きを検出するギャップセンサを具備し、前記ギャップセンサで得られた信号を基に、前記電磁石に印加して前記制御型磁気軸受けの制御を行うよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
密閉容器内に収容された回転ヘッド部の位置制御を、第二種超伝導体でピン止め体である浮上用バルクに加え位置制御用バルクを用い、また非接触式被処理物回転処理装置全体を鉛直方向に短尺に構成したため、回転ヘッド部の回転時の安定性が飛躍的に向上した。
【００２５】
また、回転ヘッド部の位置制御精度の上昇に伴い、回転ヘッド部を浮上させた際の密閉容器との隙間を従来の２０ｍｍ程度から１０ｍｍ程度まで小さくすることが可能となり、そのため、回転ヘッド部に設置する浮上用永久磁石を小さくでき、その結果、回転ヘッド部全体を軽く構成することが可能となった。さらに、回転ヘッド部の浮上する高さが低くなったため、回転力を伝達するための回転用永久磁石同士の距離が近くなるため、回転力の伝達効率が上昇を実現した。
【００２６】
前記浮上用バルクと位置制御用バルクを共通の断熱容器内に収容し、同時に冷却する浮上機構としたことで、新たに位置制御用バルクを追加したにも関わらず、装置の複雑化及び大型化を回避することが可能となった。
【００２７】
非接触式の回転機構を前記浮上機構の外周側に設置することで、小さなトルクで回転ヘッド部を回転させることが可能となり、回転ヘッド部の高速回転及び急停止を実現した。
【００２８】
前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を設けることで、被処理物（ウエハ等）の下面処理を可能とし、そのため例えば半導体ウエハ製造等における歩留が上昇した。
【００２９】
前記非接触式被処理物回転処理装置に、回転ヘッド部の傾きをアクティブに制御する例えば電磁石を利用した制御型磁気軸受け等を設置することにより、回転ヘッド部の位置制御の精度が飛躍的に向上し、回転ヘッド部を安定的に回転させることで、ウエハ製造における歩留向上が実現された。
【００３０】
さらに、位置制御精度上昇に伴い、密閉容器の内壁に接触する危険性が低くなるため、回転ヘッド部の浮上する高さを低くすることができ、そのため、回転ヘッド部に設置される浮上用永久磁石の小型化が可能となり、回転ヘッド部全体を軽く構成することが可能となった。前記回転ヘッド部の軽量化により、回転ヘッド部の高速回転、急停止時に作用する慣性力が小さくなるため、回転機構で必要となる動力を小さくすることが可能となった。
【００３１】
以上より、本発明に係る非接触式被処理物回転処理装置によれば、超伝導を利用した非接触式のスピンコータの回転ヘッド部の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置（超伝導体利用半導体用スピン処理装置、以下スピンコータ）について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（スピンコータの構造）
図１乃至３に本発明に係る実施の形態のスピンコータ１の構成を示す。図１はスピンコータ１の全体及びその周辺に設置されている部材の概略図を示している。スピンコータ１は、円板状部材１１の下面中心に軸部材１２を固定した回転ヘッド部１０を、前記軸部材１２に対応した突出部を持つ密閉容器６０内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構２０を設置し、前記密閉容器６０外部から非接触で前記回転ヘッド部１０を回転させる回転機構３０を設置し、前記浮上機構２０は第二種超伝導体であるピン止め体（浮上用バルク２１）と冷却手段（冷却材２４）を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、前記円板状部材１１に設置された永久磁石（浮上用永久磁石１４）との間に磁気的ピン止め力６８を発生させて前記回転ヘッド部１０を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構３０によって発生した回転力により前記回転ヘッド部１０に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部１０を回転させるように構成している。
【００３４】
また、スピンコータ１は、前記軸部材１２の側壁の永久磁石（位置制御用永久磁石１５）と対向するピン止め体（位置制御用バルク２２）により回転ヘッド部１０の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材１１の下面の永久磁石（浮上用永久磁石１４）と対向するピン止め体（浮上用バルク２１）により回転ヘッド部１０の垂直方向の位置を保持する構成としている。
【００３５】
また、支持部材５３上にスピンコータ１が固定されており、被処理物である半導体ウエハ５７上面に吐出ノズル５４から処理液５５を滴下し、薄膜を形成し、下面は下部ノズル５６により処理液を噴射し洗浄を行ったり、又は他の下部ノズル５６より吸引し、ウエハ５７を基板支持部材５１に固定したりするように構成することが可能である。
【００３６】
図２は前記スピンコータ１の分解図を示している。スピンコータ１は、支持部材５３に
回転機構３０を固定し、前記回転機構３０の内側には浮上機構２０を設置し、前記浮上機構２０の上部は密閉容器６０を設置し、前記密閉容器６０内に回転ヘッド部１０を載置するよう構成している。
【００３７】
（回転ヘッド部の構造）
前記回転ヘッド部１０は図３の斜視図にも示すように円板状部材１１の下部に円柱状の軸部材１２を固定し、中央部に貫通した貫通孔１３を備え、円板状部材１１の上面にはウエハ５７（基板）を固定するための腕状、矩形状若しくは円板状の基板支持部材５１を固定している。前記貫通孔１３は図１に示す下部ノズル５６を貫通させるためのものである。
【００３８】
前記円板状部材１１にはリング状の浮上用永久磁石１４を設置しており、前記浮上用永久磁石14は鉛直方向に磁化されている。この浮上用永久磁石１４は回転ヘッド部１０を密閉容器６０から浮上させるために設置されている。
【００３９】
前記浮上用永久磁石１４の外周方向には、回転用永久磁石（受信側）１６を設置している。この回転用永久磁石（受信側）１６は図６に示すように、リング状磁石を複数個に割ったように構成されており、鉛直方向に磁化された磁石をＮ極とＳ極が交互になるように鉄片等の磁性体１７を介して、エポキシ等の合成樹脂でリング状に固めて作成する。
【００４０】
ここで、回転用永久磁石（受信側）１６は６分割されているが、分割個数はその都度の設計に応じて変更することが可能である。また、浮上用永久磁石１４を外周に、回転用永久磁石（受信側）１６を内周に設置することも可能であるが、回転ヘッド部１０の回転を安定させるためには、より重量の重い方を内周側に設置することが望ましい。
【００４１】
さらに、回転用永久磁石（受信側）１６を外周方向に設置することで、対応する回転機構３０の回転用永久磁石（送信側）３１との磁気的な吸引力が小さくても、回転ヘッド部１０に十分な回転力を伝達することを可能とした。
【００４２】
円柱状の前記軸部材１２には水平方向の移動を拘束し、回転中心がずれないための位置制御用永久磁石１５を設置している。前記位置制御用永久磁石１５は図７に示すように鉛直方向の磁束６１により磁化し、例えば上面がＳ極、下面がＮ極となるように鉛直方向に磁化されている。
【００４３】
前記位置制御用永久磁石１５は、鉛直方向に磁化された円板状又はリング状の永久磁石であって、互いに反発するように少なくとも２つの永久磁石が、鉄片等の磁性体１７を介して固定されている。この磁石の発生する磁界を利用して、回転ヘッド部１０の水平方向の移動を拘束する。
【００４４】
（密閉容器の構造）
前記回転ヘッド部１０を内包し、回転機構３０から隔離するように密閉容器６０は設置されている。密閉容器６０は開閉部を設けており、被処理物であるウエハ５７等を出し入れ可能に構成している。
【００４５】
また、側方は飛散防止壁５２の役割も担っており、回転しているウエハ５７に処理液５５を滴下し、余分な処理液５５が遠心力によりウエハ５７の外周方向に飛散した際、前記飛散防止壁５２に処理液５５を衝突させ、密閉容器６０の下部に設置された図示しない回収ラインから処理液５５を回収するよう構成している。さらに密閉容器６０の底面には前記下部ノズル５６のための貫通孔１３を設けることも可能である。
【００４６】
（回転機構の構造）
回転機構３０は、円板状又はリング状の底板及び側壁からなり、前記側壁の内側に例えばベアリング３４等の支持部材を介してリング状のロータ磁石３２が回転可能に設置されており、前記ロータ磁石３２に対向する内周方向にリング状のステータコイル３３が底板に固定されており、前記ロータ磁石３２及びステータコイル３３によりモータを構成している。
【００４７】
前記ロータ磁石３２の上面には回転用永久磁石（送信側）３１が設置されており、前記回転ヘッド部１０に設置された回転用永久磁石（受信側）１６と対向するように設置されている。前記回転用永久磁石（送信側）３１は回転用永久磁石（受信側）１６と同様に鉛直方向に磁化されたリング状で分割された永久磁石を、Ｎ極とＳ極が交互になるように鉄片等の磁性体１７を介してエポキシ等の合成樹脂で固定して作成している。
【００４８】
前記ステータコイル３３に電流を流し、ロータ磁石３２の回転に伴い前記回転用磁石（送信側）３１を回転させることで、磁力を介して密閉容器６０内の回転用永久磁石（受信側）１６に回転力が非接触で伝達され、前記回転ヘッド部１０が回転するように構成されている。
【００４９】
（浮上機構の構造）
図４の前記浮上機構２０の一部を切り出した斜視図に示すように、浮上機構２０はリング状の断熱容器２３の中心側内壁に沿って第二種超伝導体であるリング状又は複数個に分割された位置制御用バルク２２を設置し、断熱容器２３の上側内壁面に沿って浮上用バルク２１を設置し、断熱容器２３の内部は液体窒素や液体ヘリウム等の冷却材２４が充填されており、図示しない冷却機構で第二種超伝導体の臨界温度以下まで冷却するように構成されている。
【００５０】
ここで、浮上用バルク２１は図３に示すように複数個を前記断熱容器２３内部の上面に沿って並べてもよく、またリング状の一体となった浮上用バルク２１を使用してもよい。
【００５１】
また、第二種超伝導体の材料は、イットリウム系（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、ガドリニウム系（Ｇａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、ネオジム系（Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、又はユーロピウム系（Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）の酸化物からなるものであることが望ましい。
【００５２】
前記浮上機構２０は、浮上を行う浮上用バルク２１と水平方向の位置制御を行う位置制御用バルク２２を同一の断熱容器２３内に設置し、冷却することで位置制御用バルク２２を追加したにも関わらず、浮上機構２０が複雑になることを回避し、省スペース化を可能にした。
【００５３】
（回転ヘッド部浮上原理）
回転ヘッド部１０が密閉容器６０内で浮上する原理について、図８に基づき詳細に説明する。図８は、回転ヘッド部１０のリング状の浮上用永久磁石１４と浮上機構２０の第二種超伝導体（浮上用バルク２１）との関係を表した模式図である。
【００５４】
まず、図８（Ａ）のように、水平方向に対称な形状を有する永久磁石６２（回転ヘッド部１０のリング状の浮上用磁石１４に相当）を、同じく水平方向に対称な第二種超伝導体６４（浮上機構２０の浮上用バルク２１に相当）から上方に所定の距離ｄだけ離して拘束手段６３により保持する。なお、永久磁石６２はＮ極が第二種超伝導体６４に対向するように磁化されている。
【００５５】
この状態においては、永久磁石６２から発生する磁束６１は、第二種超伝導体６４の内
部を単に通過するだけである。
【００５６】
次に図８（Ｂ）のように、第二種超伝導体６４を断熱容器６７内に充填した液体窒素等の冷却材６６に浸すなどして臨界温度以下まで冷却する。超伝導状態になった第二種超伝導体６４内では、永久磁石６２からの磁束６１が量子化されて、内部に存在する常伝導部分にあたかもピンで止めたかのように捕捉・保持されるというピンニング効果が生じる。このとき、永久磁石６２と第二種超伝導体６４からなる系のポテンシャルエネルギーは安定状態となる。
【００５７】
このような状態から図４（Ｃ）のように永久磁石６２の拘束手段６３を解除すると、永久磁石６２は第二種超伝導体６４に向かって重力により落下するため両者間の距離はｄよりも小さくなるが、このことはピン止めされた位置６５から磁束６１がずれて系のポテンシャルエネルギーが不安定になることを意味する。そのため、ポテンシャルエネルギーを安定させる方向、つまり図４（Ｂ）の状態に戻るように永久磁石６４には重力と反対の軸方向にピン止め力６８が生じるため、第二種超伝導体６４から距離ｄの位置において永久磁石６２が浮上することとなる。
【００５８】
この現象は、図４（Ｄ）のように永久磁石６２が水平方向に移動した場合においても同様であり、系のポテンシャルエネルギーが安定する系方向にピン止め力６８が生じる。
【００５９】
なお、上記の所定の距離ｄは、永久磁石６２と第二種超伝導体６４の形状及び永久磁石６２の磁力の強さなどから一義的に定まるものである。
【００６０】
（水平方向拘束の原理）
図５は回転ヘッド部１０の軸部材１２と、浮上機構２０の拡大図を示しており、軸部材１２の下端には位置制御用永久磁石１５と鉄片等の磁性体１７を交互に並べ、エポキシ等の樹脂で固めて固定して構成しており、前記位置制御用永久磁石１５の外周には浮上機構２０に設置された位置制御用バルク２２が空間を隔てて設置されている。ここで、本来は図１に示すように位置制御用永久磁石１５と位置制御用バルク２２の間には密閉容器６０が存在しているが、ここでは、簡単のため図示していない。
【００６１】
前記位置制御用永久磁石１５は円板状やリング状であった、図７に示すように鉛直方向に磁化されており、例えばＮ極とＮ極が向かい合うように磁性体１７を介して固定されている。ここで、位置制御用永久磁石１５は少なくとも２つの磁石であり、必要に応じて個数を増加することは可能である。その際、すべての磁石の向かい合う面が反発するよう構成する必要がある。ここで、位置制御用永久磁石１５は鉄片等の磁性体１７を介して、エポキシ等の樹脂で固定して、反発する面を向かい合わせに構成する。
【００６２】
図５ではＮ極を向かい合わせた２つの磁石を示している。それぞれの磁石から発せられた磁束６１は衝突し側方に広がっていき、その広がった磁束６１が位置制御用バルク２２を通過して再び位置制御用永久磁石１５に戻るよう構成されており、前述したピンニング効果によって回転ヘッド部１０の軸部材１２は図５の位置を維持しようと水平方向及び垂直方向にピン止め力６８が作用する。
【００６３】
従来の浮上用バルク２１のみを使用していた場合と比較し、位置制御用バルク２２を付加したことで、回転ヘッド部１０の位置ずれが抑制され、より安定的に回転させることが可能となった。
【００６４】
また、共通した断熱容器２３内に浮上用バルク２１と位置制御用バルク２２を設置したため、新たな断熱容器２３を追加することなく、バルクを追加可能とし、回転ヘッド部１
０の位置制御をより強力に行うことを可能とした。
【００６５】
（スピンコータを含めたユニット）
図１１に示す従来型スピンコータ５０は、高さが約６００ｍｍであり、駆動モータ７１や吐出ノズル５４等の取り合いを含めるとユニットの高さは約１８００ｍｍとなり、このユニットを半導体製造工場のクリーンルーム内に設置している。
【００６６】
これに対して、図１２は本発明のスピンコータ１を半導体製造工場内に設置する際のユニット７３に対応させた概略図を示しており、前記スピンコータ１の薄型化を実現したため、図１２に示すように複数のスピンコータ１を1つのユニット７３に組み込むことが可
能となった。即ち、回転機構３０を偏平に構成したことで、スピンコータ１全体の鉛直方向の高さを低く構成することを可能とし、工場内における容積効率を向上させることができた。
【００６７】
前記スピンコータ１は高さを８０ｍｍから１２０ｍｍ程度とし、吐出ノズル５４の取り合いを含めても高さが２５０ｍｍから３５０ｍｍ程度に収めて構成することが可能となったため、工場で使用する高さ約１８００ｍｍのユニット７３に２段又はそれ以上重ねてスピンコータ１を設置することが可能となり、工場内の容積効率が向上し、半導体製造工場内の限られたクリーンルームの中に、従来以上の台数のスピンコータ１を設置することが可能となるので、生産効率の飛躍的な向上が実現した。
【００６８】
（水平方向のアクティブ制御）
前述した浮上用バルク２１及び位置制御用バルク２２により、回転ヘッド部１０は密閉容器６０内を浮上し、安定的に回転することが可能となっており、この時の安定性は第二種超伝導体（２１，２２）を利用したピンニング効果によるものである。このピンニング効果は、回転ヘッド部１０の大型化や回転速度の高速化に対しても安定的に制御することが可能となっており、この制御は所謂パッシブ制御である。
【００６９】
ここで、図９は本発明のスピンコータ１の回転ヘッド部１０の更なる安定性、精密な位置制御を実現するために、アクティブ制御機構である制御型磁気軸受け４０を本発明のスピンコータ１に付加した際の概略図を示している。
【００７０】
密閉容器６０の外側で浮上機構２０の下方にあたる位置に、ギャップセンサ４１を設置し距離Ｌを検知するよう構成している。距離Ｌを監視することで回転ヘッド部１０の傾きを検知することが可能となっている。
【００７１】
前記ギャップセンサ４１で検知した距離Ｌを、制御型磁気軸受け４０により制御することで回転ヘッド部１０の傾きをアクティブに制御することを可能としている。前記ギャップセンサ４１は図１０に示すように、回転ヘッド部１０の軸部材１２の周囲を囲むように複数個設置されており、望ましくは偶数個のギャップセンサ４１を円周状に均一に設置する。
【００７２】
前記制御型磁気軸受け４０は磁性体４３を挟むように２つの電磁石４２を設置して構成されており、磁束４４は図１０に示すように発生している。ここで、距離Ｌの監視から回転ヘッド部１０の傾きを検知した際、前記電磁石４２に印加することで発生する磁束４４の強さを変化させ、軸部材１２を引き寄せる制御を行うことで、軸部材１２の中心が維持されるようアクティブに制御を行う。
【００７３】
そのため、回転ヘッド部１０の精密な位置制御を可能とし、回転ヘッド部１０の安定性向上を実現した。さらに、回転ヘッド部１０の安定性向上に伴い、回転ヘッド部１０を超
伝導により浮上させた際の密閉容器６０との隙間を小さくしても、前記密閉容器６０と接触することがないため、回転ヘッド部１０を浮上させる高さを従来の２０ｍｍ程度から１０ｍｍ程度まで低くすることが可能となった。
【００７４】
前記回転ヘッド部１０の浮上する高さを低くすることで、必要となる浮上用永久磁石１４の大きさが小さくなり、回転ヘッド部１０全体の大きさを小さく構成することを可能とした。さらに、回転用永久磁石（送信側）３１と回転用永久磁石（受信側）１６の距離が近くなるため伝達する力が大きくなり、従来問題となっていた回転力の伝達効率の向上を実現し、例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速回転からの急停止を可能とした。
【００７５】
また、回転用永久磁石が回転ヘッド部１０の外周方向に設置されているため、前記永久磁石間に発生する磁力が小さくても、回転ヘッド部１０には大きなトルクがかかるため、急停止を可能とし、回転力を伝達する際にも効率が上昇する効果を得ることができた。
【００７６】
以上、本発明の非接触式被処理物回転処理装置により、超伝導を利用した非接触式スピンコータの回転ヘッド部１０の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現した。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の概略図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の分解断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の分解斜視図である。
【図４】浮上機構の一部を切り出した斜視図である。
【図５】位置制御用永久磁石及びバルクの働きを示した概略図である。
【図６】回転用永久磁石（送信側及び受信側）の概略図である。
【図７】位置制御用磁石の磁化の様子を示した概略図である。
【図８】磁気浮上の原理を示す模式図である。
【図９】アクティブ制御機構の概略図である。
【図１０】アクティブ制御機構の断面図である。
【図１１】従来型スピンコータの概略図である。
【図１２】本発明の非接触式被処理物回転処理装置を適応したユニットの概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 非接触式被処理物回転処理装置（スピンコータ）
１０ 回転ヘッド部
１１ 円板状部材
１２ 軸部材
１４ 浮上用永久磁石
１５ 位置制御用永久磁石
１６ 回転用永久磁石（受信側）
１７ 磁性体
２０ 浮上機構
２１ 浮上用バルク
２２ 位置制御用バルク
２３ 断熱容器
２４ 冷却材
３０ 回転機構
３１ 回転用永久磁石（送信側）
３２ ロータ磁石
３３ ステータコイル
４０ 制御型磁気軸受け
４１ ギャップセンサ
４２ 電磁石
４３ 磁性体
４４ 磁束
７３ ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体や液晶等の製造において、薄板状物、特に基板を回転させ、その表面に処理液を滴下、分散させて薄膜を形成し、又は表面を洗浄、乾燥する装置であるいわゆるスピンコータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶等の製造においては、半導体ウエハやガラス板等の基板の表面にフォトレジストの薄膜を形成し、あるいは表面を洗浄又は乾燥する作業工程があるが、そこでは回転ヘッド部上に載置された基板を高速で回転させる装置が用いられている。
【０００３】
例えば、薄膜形成工程においては、フォトレジスト等の処理液が滴下された基板を高速回転させることにより、処理液を遠心力で拡げて薄膜を形成する、表面処理装置であるスピンコータが用いられている。ここで、スピンコータは半導体製造工場内のクリーンルーム中で使用される。
【０００４】
図１１に従来型スピンコータの構造を示す。従来型スピンコータ５０は、水平に置かれた腕状、矩形状若しくは円盤状の基板支持部材５１と、その下面中心から下方に伸びる回転ヘッド部５８と、その回転ヘッド部５８の下方にドライブベルト７２によって接続される駆動モータ７１を具備しており、前記回転ヘッド部５８はベアリング５９を介して回転可能に支持部材５３に支持されている。基板支持部材５１の上面には被処理物である基板（ウエハ５７）が載置され、その上方には処理液５５をウエハ５７に滴下する吐出ノズル５４が配置され、前記ウエハ５７の周囲にはウエハ５７に滴下された処理液５５の飛散を防止する飛散防止壁５２が設けられている。また、ウエハ５７上面処理と同時に、下面処理を行うための下部ノズル５６が、前記回転ヘッド部５８内に導かれている。
【０００５】
以下に従来型スピンコータ５０の動作を説明する。まず、前工程から移送されたウエハ５７は、基板支持部材５１上に真空チャッキング等により載置される。次に駆動モータ７１により回転ヘッド部５８を介して基板支持部材５１とともにウエハ５７を、例えば２０００ｒｐｍや６０００ｒｐｍ等の高速に回転させる。
【０００６】
そして、回転するウエハ５７の表面に上方の吐出ノズル５４から処理液５５を滴下すると、処理液５５は遠心力によりウエハ５７の表面に拡がり薄膜を形成する。なお、この薄膜の形成に寄与しなかった余分の処理液５５は、ウエハ５７表面より振り飛ばされて、飛散防止壁５２に衝突することにより捕集され下部から回収される。
【０００７】
このような薄膜形成工程は、通常、薄膜への不純物の混入を避けるため、クリーンルーム内で行われ、特に図１１に示したウエハ処理を行う密閉容器内であるＡ側は、密閉容器外であるＢ側に比べクリーンに維持されるよう構成されている。
【０００８】
しかし、従来型スピンコータ５０においては、シール材（例えばベアリング５９等）の部分から微粒子状の異物が発生して密閉容器内のＡ側のクリーン環境を汚染してしまうことを完全に防止することができず、処理後のウエハ５７の品質低下を招くという問題があった。
【０００９】
そこで、超伝導を利用しシール材の存在しないスピンコータの発明が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の発明によれば、密閉容器内に回転ヘッド部を収納し、前記密閉容器外部より磁力を利用して回転ヘッド部を上昇させ、回転力を伝達するように構成することで、微粒子状の異物が発生する箇所（例えばベアリング、モータ等の回転部分）を密閉容器外に設置可能としている。このように構成された発明により、密閉容器内に設置された回転ヘッド部を密閉容器外から非接触状態で浮上させて回転操作することができる。
【００１０】
また、回転ヘッド部の浮上には、第二種超伝導体を利用することで回転する位置を維持することを可能としている。なお、第二種超伝導体とは、磁場の強さがある値を超えると材料内部に超伝導と常伝導の部分が混在しはじめる材料を言い、第二種超伝導体を通過する外部磁束が、材料内部の常伝導部分に保持されることにより生じる復元力である磁気的ピン止め力により、回転ヘッド部の回転する位置を維持することが可能となっている。
【００１１】
そのため、密閉容器内の回転ヘッド部に駆動部分がなくなり保守・修理の必要はほとんどなく、密閉容器内のクリーンな環境を維持したまま薄膜形成を行うことができ、薄板状物、特に半導体基板（ウエハ）などの被処理物の品質を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００７−１６０２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載のスピンコータでは、回転ヘッド部の回転時に前記磁気的ピン止め力が回転位置を維持するよう作用するものの、位置のずれが生じてしまう問題点があった。特にスピンコータの回転ヘッド部は例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速で回転させるため、慣性力が大きく、少しの傾きや回転中心のずれであっても、回転の安定性が容易に失われる。ここで、回転ヘッド部の安定性が失われると、被処理物であるウエハの処理が適切に行えなくなり、不良品となってしまい、歩留を著しく下げることとなる。そのため、ウエハの生産性向上のためには、回転ヘッド部の安定的回転の確保が極めて重要な課題となっている。
【００１３】
また、半導体ウエハの製造においては、近年ウエハの直径が２００ｍｍから３００ｍｍへの移行が始まり、大型化の一途を辿っている。それに伴い回転ヘッド部の大型化が必要となっているため、安定的回転の実現はさらに重要な課題となっている。
【００１４】
さらに、回転ヘッド部に対して非接触で回転力を伝達する際、回転力を送信する側と受信する側の永久磁石の間の距離が大きい（例えば２０ｍｍ程度）ため、回転力の伝達効率が悪く、例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速回転を行った後の急停止が困難であった。
【００１５】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、超伝導を利用した非接触式のスピンコータの回転ヘッド部の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現することにある。
【００１６】
なお、本発明は、ＪＳＴの委託開発課題「超伝導体利用半導体製造用スピン処理装置」に関する新技術開発を実施する過程において、その成果として得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するための本発明に係る非接触式被処理物回転処理装置は、円板状部材の下面中心に軸部材を固定した回転ヘッド部を、前記軸部材に対応した突出部を持つ密閉容器内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体と冷却手段を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨
界温度以下に冷却し、前記円板状部材に設置された永久磁石との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記軸部材の側壁の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材の下面の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の垂直方向の位置を保持するよう構成したことを特徴とする。
【００１９】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記浮上機構がリング状の断熱容器内の内側壁面内部に前記ピン止め体を円周状に設置し、さらに上面内部に前記ピン止め体を設置し、前記ピン止め体を冷却材で同時に冷却することを特徴とする。
【００２０】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記浮上機構を中心に外周側にリング状に設置された前記回転機構は、上面に極性が交互となるように設置された送信側回転用永久磁石を具備し、前記円板状部材下面に前記送信側回転用永久磁石に対向する受信側回転用永久磁石を具備したことを特徴とする。
【００２１】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を具備し、被処理物の下面処理を可能としたことを特徴とする。
【００２２】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記軸部材に対向する外周方向に、前記回転ヘッド部の回転軸に対する傾きを制御するための制御機構を設置したことを特徴とする。
【００２３】
上記の非接触式被処理物回転処理装置において、前記制御機構が電磁石と磁性体を有した制御型磁気軸受けと、前記回転ヘッド部の傾きを検出するギャップセンサを具備し、前記ギャップセンサで得られた信号を基に、前記電磁石に印加して前記制御型磁気軸受けの制御を行うよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
密閉容器内に収容された回転ヘッド部の位置制御を、第二種超伝導体でピン止め体である浮上用バルクに加え位置制御用バルクを用い、また非接触式被処理物回転処理装置全体を鉛直方向に短尺に構成したため、回転ヘッド部の回転時の安定性が飛躍的に向上した。
【００２５】
また、回転ヘッド部の位置制御精度の上昇に伴い、回転ヘッド部を浮上させた際の密閉容器との隙間を従来の２０ｍｍ程度から１０ｍｍ程度まで小さくすることが可能となり、そのため、回転ヘッド部に設置する浮上用永久磁石を小さくでき、その結果、回転ヘッド部全体を軽く構成することが可能となった。さらに、回転ヘッド部の浮上する高さが低くなったため、回転力を伝達するための回転用永久磁石同士の距離が近くなるため、回転力の伝達効率が上昇を実現した。
【００２６】
前記浮上用バルクと位置制御用バルクを共通の断熱容器内に収容し、同時に冷却する浮上機構としたことで、新たに位置制御用バルクを追加したにも関わらず、装置の複雑化及び大型化を回避することが可能となった。
【００２７】
非接触式の回転機構を前記浮上機構の外周側に設置することで、小さなトルクで回転ヘッド部を回転させることが可能となり、回転ヘッド部の高速回転及び急停止を実現した。
【００２８】
前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を設けることで、被処理物（ウエハ等）の下面処理を可能とし、そのため例えば半導体ウエハ製造等における歩留が上昇した。
【００２９】
前記非接触式被処理物回転処理装置に、回転ヘッド部の傾きをアクティブに制御する例えば電磁石を利用した制御型磁気軸受け等を設置することにより、回転ヘッド部の位置制御の精度が飛躍的に向上し、回転ヘッド部を安定的に回転させることで、ウエハ製造における歩留向上が実現された。
【００３０】
さらに、位置制御精度上昇に伴い、密閉容器の内壁に接触する危険性が低くなるため、回転ヘッド部の浮上する高さを低くすることができ、そのため、回転ヘッド部に設置される浮上用永久磁石の小型化が可能となり、回転ヘッド部全体を軽く構成することが可能となった。前記回転ヘッド部の軽量化により、回転ヘッド部の高速回転、急停止時に作用する慣性力が小さくなるため、回転機構で必要となる動力を小さくすることが可能となった。
【００３１】
以上より、本発明に係る非接触式被処理物回転処理装置によれば、超伝導を利用した非接触式のスピンコータの回転ヘッド部の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置（超伝導体利用半導体用スピン処理装置、以下スピンコータ）について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（スピンコータの構造）
図１乃至３に本発明に係る実施の形態のスピンコータ１の構成を示す。図１はスピンコータ１の全体及びその周辺に設置されている部材の概略図を示している。スピンコータ１は、円板状部材１１の下面中心に軸部材１２を固定した回転ヘッド部１０を、前記軸部材１２に対応した突出部を持つ密閉容器６０内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構２０を設置し、前記密閉容器６０外部から非接触で前記回転ヘッド部１０を回転させる回転機構３０を設置し、前記浮上機構２０は第二種超伝導体であるピン止め体（浮上用バルク２１）と冷却手段（冷却材２４）を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、前記円板状部材１１に設置された永久磁石（浮上用永久磁石１４）との間に磁気的ピン止め力６８を発生させて前記回転ヘッド部１０を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構３０によって発生した回転力により前記回転ヘッド部１０に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部１０を回転させるように構成している。
【００３４】
また、スピンコータ１は、前記軸部材１２の側壁の永久磁石（位置制御用永久磁石１５）と対向するピン止め体（位置制御用バルク２２）により回転ヘッド部１０の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材１１の下面の永久磁石（浮上用永久磁石１４）と対向するピン止め体（浮上用バルク２１）により回転ヘッド部１０の垂直方向の位置を保持する構成としている。
【００３５】
また、支持部材５３上にスピンコータ１が固定されており、被処理物である半導体ウエハ５７上面に吐出ノズル５４から処理液５５を滴下し、薄膜を形成し、下面は下部ノズル５６により処理液を噴射し洗浄を行ったり、又は他の下部ノズル５６より吸引し、ウエハ５７を基板支持部材５１に固定したりするように構成することが可能である。
【００３６】
図２は前記スピンコータ１の分解図を示している。スピンコータ１は、支持部材５３に
回転機構３０を固定し、前記回転機構３０の内側には浮上機構２０を設置し、前記浮上機構２０の上部は密閉容器６０を設置し、前記密閉容器６０内に回転ヘッド部１０を載置するよう構成している。
【００３７】
（回転ヘッド部の構造）
前記回転ヘッド部１０は図３の斜視図にも示すように円板状部材１１の下部に円柱状の軸部材１２を固定し、中央部に貫通した貫通孔１３を備え、円板状部材１１の上面にはウエハ５７（基板）を固定するための腕状、矩形状若しくは円板状の基板支持部材５１を固定している。前記貫通孔１３は図１に示す下部ノズル５６を貫通させるためのものである。
【００３８】
前記円板状部材１１にはリング状の浮上用永久磁石１４を設置しており、前記浮上用永久磁石14は鉛直方向に磁化されている。この浮上用永久磁石１４は回転ヘッド部１０を密閉容器６０から浮上させるために設置されている。
【００３９】
前記浮上用永久磁石１４の外周方向には、回転用永久磁石（受信側）１６を設置している。この回転用永久磁石（受信側）１６は図６に示すように、リング状磁石を複数個に割ったように構成されており、鉛直方向に磁化された磁石をＮ極とＳ極が交互になるように鉄片等の磁性体１７を介して、エポキシ等の合成樹脂でリング状に固めて作成する。
【００４０】
ここで、回転用永久磁石（受信側）１６は６分割されているが、分割個数はその都度の設計に応じて変更することが可能である。また、浮上用永久磁石１４を外周に、回転用永久磁石（受信側）１６を内周に設置することも可能であるが、回転ヘッド部１０の回転を安定させるためには、より重量の重い方を内周側に設置することが望ましい。
【００４１】
さらに、回転用永久磁石（受信側）１６を外周方向に設置することで、対応する回転機構３０の回転用永久磁石（送信側）３１との磁気的な吸引力が小さくても、回転ヘッド部１０に十分な回転力を伝達することを可能とした。
【００４２】
円柱状の前記軸部材１２には水平方向の移動を拘束し、回転中心がずれないための位置制御用永久磁石１５を設置している。前記位置制御用永久磁石１５は図７に示すように鉛直方向の磁束６１により磁化し、例えば上面がＳ極、下面がＮ極となるように鉛直方向に磁化されている。
【００４３】
前記位置制御用永久磁石１５は、鉛直方向に磁化された円板状又はリング状の永久磁石であって、互いに反発するように少なくとも２つの永久磁石が、鉄片等の磁性体１７を介して固定されている。この磁石の発生する磁界を利用して、回転ヘッド部１０の水平方向の移動を拘束する。
【００４４】
（密閉容器の構造）
前記回転ヘッド部１０を内包し、回転機構３０から隔離するように密閉容器６０は設置されている。密閉容器６０は開閉部を設けており、被処理物であるウエハ５７等を出し入れ可能に構成している。
【００４５】
また、側方は飛散防止壁５２の役割も担っており、回転しているウエハ５７に処理液５５を滴下し、余分な処理液５５が遠心力によりウエハ５７の外周方向に飛散した際、前記飛散防止壁５２に処理液５５を衝突させ、密閉容器６０の下部に設置された図示しない回収ラインから処理液５５を回収するよう構成している。さらに密閉容器６０の底面には前記下部ノズル５６のための貫通孔１３を設けることも可能である。
【００４６】
（回転機構の構造）
回転機構３０は、円板状又はリング状の底板及び側壁からなり、前記側壁の内側に例えばベアリング３４等の支持部材を介してリング状のロータ磁石３２が回転可能に設置されており、前記ロータ磁石３２に対向する内周方向にリング状のステータコイル３３が底板に固定されており、前記ロータ磁石３２及びステータコイル３３によりモータを構成している。
【００４７】
前記ロータ磁石３２の上面には回転用永久磁石（送信側）３１が設置されており、前記回転ヘッド部１０に設置された回転用永久磁石（受信側）１６と対向するように設置されている。前記回転用永久磁石（送信側）３１は回転用永久磁石（受信側）１６と同様に鉛直方向に磁化されたリング状で分割された永久磁石を、Ｎ極とＳ極が交互になるように鉄片等の磁性体１７を介してエポキシ等の合成樹脂で固定して作成している。
【００４８】
前記ステータコイル３３に電流を流し、ロータ磁石３２の回転に伴い前記回転用磁石（送信側）３１を回転させることで、磁力を介して密閉容器６０内の回転用永久磁石（受信側）１６に回転力が非接触で伝達され、前記回転ヘッド部１０が回転するように構成されている。
【００４９】
（浮上機構の構造）
図４の前記浮上機構２０の一部を切り出した斜視図に示すように、浮上機構２０はリング状の断熱容器２３の中心側内壁に沿って第二種超伝導体であるリング状又は複数個に分割された位置制御用バルク２２を設置し、断熱容器２３の上側内壁面に沿って浮上用バルク２１を設置し、断熱容器２３の内部は液体窒素や液体ヘリウム等の冷却材２４が充填されており、図示しない冷却機構で第二種超伝導体の臨界温度以下まで冷却するように構成されている。
【００５０】
ここで、浮上用バルク２１は図３に示すように複数個を前記断熱容器２３内部の上面に沿って並べてもよく、またリング状の一体となった浮上用バルク２１を使用してもよい。
【００５１】
また、第二種超伝導体の材料は、イットリウム系（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、ガドリニウム系（Ｇａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、ネオジム系（Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）、又はユーロピウム系（Ｅｕ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）の酸化物からなるものであることが望ましい。
【００５２】
前記浮上機構２０は、浮上を行う浮上用バルク２１と水平方向の位置制御を行う位置制御用バルク２２を同一の断熱容器２３内に設置し、冷却することで位置制御用バルク２２を追加したにも関わらず、浮上機構２０が複雑になることを回避し、省スペース化を可能にした。
【００５３】
（回転ヘッド部浮上原理）
回転ヘッド部１０が密閉容器６０内で浮上する原理について、図８に基づき詳細に説明する。図８は、回転ヘッド部１０のリング状の浮上用永久磁石１４と浮上機構２０の第二種超伝導体（浮上用バルク２１）との関係を表した模式図である。
【００５４】
まず、図８（Ａ）のように、水平方向に対称な形状を有する永久磁石６２（回転ヘッド部１０のリング状の浮上用磁石１４に相当）を、同じく水平方向に対称な第二種超伝導体６４（浮上機構２０の浮上用バルク２１に相当）から上方に所定の距離ｄだけ離して拘束手段６３により保持する。なお、永久磁石６２はＮ極が第二種超伝導体６４に対向するように磁化されている。
【００５５】
この状態においては、永久磁石６２から発生する磁束６１は、第二種超伝導体６４の内
部を単に通過するだけである。
【００５６】
次に図８（Ｂ）のように、第二種超伝導体６４を断熱容器６７内に充填した液体窒素等の冷却材６６に浸すなどして臨界温度以下まで冷却する。超伝導状態になった第二種超伝導体６４内では、永久磁石６２からの磁束６１が量子化されて、内部に存在する常伝導部分にあたかもピンで止めたかのように捕捉・保持されるというピンニング効果が生じる。このとき、永久磁石６２と第二種超伝導体６４からなる系のポテンシャルエネルギーは安定状態となる。
【００５７】
このような状態から図４（Ｃ）のように永久磁石６２の拘束手段６３を解除すると、永久磁石６２は第二種超伝導体６４に向かって重力により落下するため両者間の距離はｄよりも小さくなるが、このことはピン止めされた位置６５から磁束６１がずれて系のポテンシャルエネルギーが不安定になることを意味する。そのため、ポテンシャルエネルギーを安定させる方向、つまり図４（Ｂ）の状態に戻るように永久磁石６４には重力と反対の軸方向にピン止め力６８が生じるため、第二種超伝導体６４から距離ｄの位置において永久磁石６２が浮上することとなる。
【００５８】
この現象は、図４（Ｄ）のように永久磁石６２が水平方向に移動した場合においても同様であり、系のポテンシャルエネルギーが安定する系方向にピン止め力６８が生じる。
【００５９】
なお、上記の所定の距離ｄは、永久磁石６２と第二種超伝導体６４の形状及び永久磁石６２の磁力の強さなどから一義的に定まるものである。
【００６０】
（水平方向拘束の原理）
図５は回転ヘッド部１０の軸部材１２と、浮上機構２０の拡大図を示しており、軸部材１２の下端には位置制御用永久磁石１５と鉄片等の磁性体１７を交互に並べ、エポキシ等の樹脂で固めて固定して構成しており、前記位置制御用永久磁石１５の外周には浮上機構２０に設置された位置制御用バルク２２が空間を隔てて設置されている。ここで、本来は図１に示すように位置制御用永久磁石１５と位置制御用バルク２２の間には密閉容器６０が存在しているが、ここでは、簡単のため図示していない。
【００６１】
前記位置制御用永久磁石１５は円板状やリング状であった、図７に示すように鉛直方向に磁化されており、例えばＮ極とＮ極が向かい合うように磁性体１７を介して固定されている。ここで、位置制御用永久磁石１５は少なくとも２つの磁石であり、必要に応じて個数を増加することは可能である。その際、すべての磁石の向かい合う面が反発するよう構成する必要がある。ここで、位置制御用永久磁石１５は鉄片等の磁性体１７を介して、エポキシ等の樹脂で固定して、反発する面を向かい合わせに構成する。
【００６２】
図５ではＮ極を向かい合わせた２つの磁石を示している。それぞれの磁石から発せられた磁束６１は衝突し側方に広がっていき、その広がった磁束６１が位置制御用バルク２２を通過して再び位置制御用永久磁石１５に戻るよう構成されており、前述したピンニング効果によって回転ヘッド部１０の軸部材１２は図５の位置を維持しようと水平方向及び垂直方向にピン止め力６８が作用する。
【００６３】
従来の浮上用バルク２１のみを使用していた場合と比較し、位置制御用バルク２２を付加したことで、回転ヘッド部１０の位置ずれが抑制され、より安定的に回転させることが可能となった。
【００６４】
また、共通した断熱容器２３内に浮上用バルク２１と位置制御用バルク２２を設置したため、新たな断熱容器２３を追加することなく、バルクを追加可能とし、回転ヘッド部１
０の位置制御をより強力に行うことを可能とした。
【００６５】
（スピンコータを含めたユニット）
図１１に示す従来型スピンコータ５０は、高さが約６００ｍｍであり、駆動モータ７１や吐出ノズル５４等の取り合いを含めるとユニットの高さは約１８００ｍｍとなり、このユニットを半導体製造工場のクリーンルーム内に設置している。
【００６６】
これに対して、図１２は本発明のスピンコータ１を半導体製造工場内に設置する際のユニット７３に対応させた概略図を示しており、前記スピンコータ１の薄型化を実現したため、図１２に示すように複数のスピンコータ１を1つのユニット７３に組み込むことが可
能となった。即ち、回転機構３０を偏平に構成したことで、スピンコータ１全体の鉛直方向の高さを低く構成することを可能とし、工場内における容積効率を向上させることができた。
【００６７】
前記スピンコータ１は高さを８０ｍｍから１２０ｍｍ程度とし、吐出ノズル５４の取り合いを含めても高さが２５０ｍｍから３５０ｍｍ程度に収めて構成することが可能となったため、工場で使用する高さ約１８００ｍｍのユニット７３に２段又はそれ以上重ねてスピンコータ１を設置することが可能となり、工場内の容積効率が向上し、半導体製造工場内の限られたクリーンルームの中に、従来以上の台数のスピンコータ１を設置することが可能となるので、生産効率の飛躍的な向上が実現した。
【００６８】
（水平方向のアクティブ制御）
前述した浮上用バルク２１及び位置制御用バルク２２により、回転ヘッド部１０は密閉容器６０内を浮上し、安定的に回転することが可能となっており、この時の安定性は第二種超伝導体（２１，２２）を利用したピンニング効果によるものである。このピンニング効果は、回転ヘッド部１０の大型化や回転速度の高速化に対しても安定的に制御することが可能となっており、この制御は所謂パッシブ制御である。
【００６９】
ここで、図９は本発明のスピンコータ１の回転ヘッド部１０の更なる安定性、精密な位置制御を実現するために、アクティブ制御機構である制御型磁気軸受け４０を本発明のスピンコータ１に付加した際の概略図を示している。
【００７０】
密閉容器６０の外側で浮上機構２０の下方にあたる位置に、ギャップセンサ４１を設置し距離Ｌを検知するよう構成している。距離Ｌを監視することで回転ヘッド部１０の傾きを検知することが可能となっている。
【００７１】
前記ギャップセンサ４１で検知した距離Ｌを、制御型磁気軸受け４０により制御することで回転ヘッド部１０の傾きをアクティブに制御することを可能としている。前記ギャップセンサ４１は図１０に示すように、回転ヘッド部１０の軸部材１２の周囲を囲むように複数個設置されており、望ましくは偶数個のギャップセンサ４１を円周状に均一に設置する。
【００７２】
前記制御型磁気軸受け４０は磁性体４３を挟むように２つの電磁石４２を設置して構成されており、磁束４４は図１０に示すように発生している。ここで、距離Ｌの監視から回転ヘッド部１０の傾きを検知した際、前記電磁石４２に印加することで発生する磁束４４の強さを変化させ、軸部材１２を引き寄せる制御を行うことで、軸部材１２の中心が維持されるようアクティブに制御を行う。
【００７３】
そのため、回転ヘッド部１０の精密な位置制御を可能とし、回転ヘッド部１０の安定性向上を実現した。さらに、回転ヘッド部１０の安定性向上に伴い、回転ヘッド部１０を超
伝導により浮上させた際の密閉容器６０との隙間を小さくしても、前記密閉容器６０と接触することがないため、回転ヘッド部１０を浮上させる高さを従来の２０ｍｍ程度から１０ｍｍ程度まで低くすることが可能となった。
【００７４】
前記回転ヘッド部１０の浮上する高さを低くすることで、必要となる浮上用永久磁石１４の大きさが小さくなり、回転ヘッド部１０全体の大きさを小さく構成することを可能とした。さらに、回転用永久磁石（送信側）３１と回転用永久磁石（受信側）１６の距離が近くなるため伝達する力が大きくなり、従来問題となっていた回転力の伝達効率の向上を実現し、例えば２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍの高速回転からの急停止を可能とした。
【００７５】
また、回転用永久磁石が回転ヘッド部１０の外周方向に設置されているため、前記永久磁石間に発生する磁力が小さくても、回転ヘッド部１０には大きなトルクがかかるため、急停止を可能とし、回転力を伝達する際にも効率が上昇する効果を得ることができた。
【００７６】
以上、本発明の非接触式被処理物回転処理装置により、超伝導を利用した非接触式スピンコータの回転ヘッド部１０の安定的回転を実現し、非接触式での回転力の伝達を効率的に行い、同時にスピンコータの鉛直方向における短尺化により、半導体ウエハ工場内の容積効率向上を実現した。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の概略図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の分解断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の非接触式被処理物回転処理装置の分解斜視図である。
【図４】浮上機構の一部を切り出した斜視図である。
【図５】位置制御用永久磁石及びバルクの働きを示した概略図である。
【図６】回転用永久磁石（送信側及び受信側）の概略図である。
【図７】位置制御用磁石の磁化の様子を示した概略図である。
【図８】磁気浮上の原理を示す模式図である。
【図９】アクティブ制御機構の概略図である。
【図１０】アクティブ制御機構の断面図である。
【図１１】従来型スピンコータの概略図である。
【図１２】本発明の非接触式被処理物回転処理装置を適応したユニットの概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 非接触式被処理物回転処理装置（スピンコータ）
１０ 回転ヘッド部
１１ 円板状部材
１２ 軸部材
１４ 浮上用永久磁石
１５ 位置制御用永久磁石
１６ 回転用永久磁石（受信側）
１７ 磁性体
２０ 浮上機構
２１ 浮上用バルク
２２ 位置制御用バルク
２３ 断熱容器
２４ 冷却材
３０ 回転機構
３１ 回転用永久磁石（送信側）
３２ ロータ磁石
３３ ステータコイル
４０ 制御型磁気軸受け
４１ ギャップセンサ
４２ 電磁石
４３ 磁性体
４４ 磁束
７３ ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状部材の下面中心に軸部材を固定した回転ヘッド部を、前記軸部材に対応した突出部を持つ密閉容器内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体と冷却手段を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、前記円板状部材に設置された永久磁石との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させるように構成したことを特徴とする非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項２】
前記軸部材の側壁の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材の下面の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の垂直方向の位置を保持するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項３】
前記浮上機構がリング状の断熱容器内の内側壁面内部に前記ピン止め体を円周状に設置し、さらに上面内部に前記ピン止め体を設置し、前記ピン止め体を冷却材で同時に冷却することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項４】
前記浮上機構を中心に外周側にリング状に設置された前記回転機構は、上面に極性が交互となるように設置された送信側回転用永久磁石を具備し、前記円板状部材下面に前記送信側回転用永久磁石に対向する受信側回転用永久磁石を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項５】
前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を具備し、被処理物の下面処理を可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項６】
前記軸部材に対向する外周方向に、前記回転ヘッド部の回転軸に対する傾きを制御するための制御機構を設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項７】
前記制御機構が電磁石と磁性体を有した制御型磁気軸受けと、前記回転ヘッド部の傾きを検出するギャップセンサを具備し、前記ギャップセンサで得られた信号を基に、前記電磁石に印加して前記制御型磁気軸受けの制御を行うよう構成したことを特徴とする請求項６に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項１】
円板状部材の下面中心に軸部材を固定した回転ヘッド部を、前記軸部材に対応した突出部を持つ密閉容器内に収容し、前記突出部の周囲を覆うようにリング状の浮上機構を設置し、前記密閉容器外部から非接触で前記回転ヘッド部を回転させる回転機構を設置し、前記浮上機構は第二種超伝導体であるピン止め体と冷却手段を具備し、前記冷却手段でピン止め体を臨界温度以下に冷却し、前記円板状部材に設置された永久磁石との間に磁気的ピン止め力を発生させて前記回転ヘッド部を所定の位置に磁気浮上させ、前記回転機構によって発生した回転力により前記回転ヘッド部に対応して回転力を追従発生させて前記回転ヘッド部を回転させるように構成したことを特徴とする非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項２】
前記軸部材の側壁の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の水平方向の位置を保持し、前記円板状部材の下面の永久磁石と対向するピン止め体により回転ヘッド部の垂直方向の位置を保持するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項３】
前記浮上機構がリング状の断熱容器内の内側壁面内部に前記ピン止め体を円周状に設置し、さらに上面内部に前記ピン止め体を設置し、前記ピン止め体を冷却材で同時に冷却することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項４】
前記浮上機構を中心に外周側にリング状に設置された前記回転機構は、上面に極性が交互となるように設置された送信側回転用永久磁石を具備し、前記円板状部材下面に前記送信側回転用永久磁石に対向する受信側回転用永久磁石を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項５】
前記回転ヘッド部の中央に貫通孔を具備し、被処理物の下面処理を可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項６】
前記軸部材に対向する外周方向に、前記回転ヘッド部の回転軸に対する傾きを制御するための制御機構を設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【請求項７】
前記制御機構が電磁石と磁性体を有した制御型磁気軸受けと、前記回転ヘッド部の傾きを検出するギャップセンサを具備し、前記ギャップセンサで得られた信号を基に、前記電磁石に印加して前記制御型磁気軸受けの制御を行うよう構成したことを特徴とする請求項６に記載の非接触式被処理物回転処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１５５２１６（Ｐ２０１０−１５５２１６Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３５１８０（Ｐ２００８−３３５１８０）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）独立行政法人科学技術振興機構の新技術委託開発契約において、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（５９３１１８６４５）株式会社エムテーシー (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）独立行政法人科学技術振興機構の新技術委託開発契約において、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２７２７９）国立大学法人 新潟大学 (310)
【出願人】（５９３１１８６４５）株式会社エムテーシー (13)
【Ｆターム（参考）】
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