用于衬底冷却的电容感测的制作方法

专利名称：用于衬底冷却的电容感测的制作方法
技术领域：
本发明涉及在用于计算机的磁性存储盘的制造过程中衬底的冷却。
背景技术：
在用作计算机存储器的硬盘的制造过程中，衬底被置入真空环境中，在所述真空环境中进行各种加工并且将各种涂层沉积在衬底的表面上。所述多种加工步骤可以包括例如加热衬底、冷却衬底、向衬底上溅射涂层、使用化学气相淀积和增强的等离子体技术敷设涂层、在衬底上沉积保护性碳涂层、以及其它类似的加工步骤。有时，磁盘制造商还将润滑剂置于磁盘的最终表面上。
在上述的制造加工过程中，典型地，衬底沿其边缘保持并且移入加工室，在所述加工室中，在衬底的两侧上同时加工磁盘。至少在沉积磁性涂层之后并在沉积最终涂层(其中一种涂层一般包括碳涂层)之前，通常需要冷却衬底并且能够快速地进行冷却。在现有技术中，例如美国专利5215420，围绕着中央真空区域设置有加工站。衬底盒被移入系统的载入区，并随后载入中央区域，在所述中央区域中，单个的磁盘从盒子中升起并被置入系统中，在所述系统中磁盘依次移动通过围绕中央区域的各加工站。升降器(lifter)通过其边缘保持磁盘并且在站与站之间运送磁盘直到磁盘在所有站中均被处理，随后，所述磁盘返回至盒子中并且从所述系统中移出。围绕这种类型装置的中央区域的所述站中的一个或多个站为冷却站。这种冷却站可以在制造最终的存储磁盘的过程中出现一次以上。在上述的现有技术中，通过将待冷却的磁盘设置在散热片(heat sink)之间、封闭冷却隔间，使其与其它隔间以及系统的中央区域相隔离，并通过气体传导进行冷却。接下来，将气体加入到封闭的隔间中，以使冷却隔间中的压力发生变化，从而所述压力向着大气压力升高直到达到适于通过气体传导的热传递的优选压力。这样有利于热量从磁盘传递至设置在隔间中磁盘的各侧上的散热片或冷却板。典型地，用于此目的的气体为氦、氢以及这两种气体的混和，其原因在于这些气体能够提供利于热传递的优良的热传导性。通常，所述压力升高至达到约10托至15托的范围内。在隔间中的压力升高时，隔间外壁的压力保持较低的、约为10-7托的真空压力。如上所述的站是美国专利5181556的主题，且包括如上所述的冷却站的系统已经可以从Santa Clara，CA的Intevac，Inc.商业得到并且并入Intrvac公司的MDP 250中出售。值得注意的是，在所述系统中，衬底以相同的时间间隔同时在站与站之间运送并且在各站中被加工。尽管所述方式可以执行不同的操作，然而由于所述系统在商业适用的成品磁盘的大量生产中更加有效，因此在上述领域通常采用上述方式。因此，如果只需用较少的时间来冷却衬底并且如果所述较少的时间足以执行所有的、衬底经历的所有其它具体操作，则所述整个系统能够更快地运行并且能够在单位时间内生产更多的成品磁盘。就时间而言，商业上需要这些制造系统的速度更快、制造磁盘的成本更低、以及改善所制造的磁盘的质量(包括增加存储容量)。为满足上述需求，已经提出一种新的系统，其在2003年2月10日递交的待审申请系列No.10/361308中描述。在所述系统中，衬底以略微不同的方式，即在磁盘运送器中将衬底在围绕其圆周的边缘处夹住的方式而被保持，而同样允许对衬底的两侧进行加工。各加工隔间为独立的真空腔室，并且与前述的装置的情况相同，保持器在其中衬底受到处理的加工站和加工站之间移动。这里同样地，快速冷却是非常重要的因素。该待审专利申请所公开的内容在此通过参引并入。
离开衬底的热流量与ΔT/Δx成比例，其中，ΔT＝(衬底的温度)-(冷却板的温度)，且Δx＝衬底与冷却板之间的间隙。如果冷却板被低温冷却，则难以或不可能通过增加ΔT来实现冷却速度的重大改进，而通过减小间隙Δx，可以在冷却站中显著地增加衬底的冷却速度。一般地，在支承运送器(其在传输过程中夹住衬底的边缘并在冷却步骤中连续地出现)上传输衬底的方法允许在衬底的两侧进行加工，然而在冷却处理中，在冷却板之间需要用于运送器的间隙。因此，由磁盘运送器所需的间隙对衬底的冷却率产生影响并能够控制衬底的冷却率。一种减少冷却所需时间的方法是在冷却处理中将冷却板靠近衬底设置，这样需要散热片朝向或远离被冷却的衬底移动，以允许衬底移入冷却隔间或从冷却隔间移出。在没有动态测量衬底和移动的冷却板之间的间隙的技术的情况下，间隙受到板之间的衬底的定位精度的限制。换言之，如果衬底的平面的定位可以在±ε的位置中变化，则在不存在与衬底接触的风险的情况下，所述板不能移动至距衬底的距离小于ε的位置。这样限制了所述板在现在所使用类型的加工系统中不能比约～0.100英寸更靠近。然而，如果可以将板置于距衬底～0.025英寸处，例如为在上文中描述的距离的1/4，则可以从衬底移走四倍的热流量。在所述技术中，令人关注的是能够在间隔小于0.100英寸，尤其是间隔在0.02英寸至0.050英寸之间的范围内的表面上工作。

发明内容
在此描述的本发明提供了一种用于动态测量衬底和冷却板之间的间隙的方法和装置，其能够在例如0.02英寸至0.05英寸的级别的间隙进行安全操作，从而加速冷却处理并能够加快成品磁盘的制造过程中的操作。实现的技术手段在于通过移动冷却板和动态测量并控制所具有的间隙来控制衬底和冷却板之间的距离。在此描述的实施例中，衬底和冷却隔间的冷却板用以形成平行板电容器，这样当所述板靠近时，电容增加。通过测量所述电容，可以知道所述间隙。对两个冷却板而言，可以移动一个板靠近衬底，直到所测得的电容与所需间隙相对应。随后，移动位于被冷却的衬底的另一侧的第二冷却板，以再次增加电容直到所测得的电容与所需间隙相对应。本发明的一种改型在于在冷却板同时移动的过程中测量电容并控制间距以获得所需的间距。大量的技术中的任意一种都能够被用来测量电容，以下描述的本发明的实施例为一种优选的方式。然而，应当理解其它方式能够容易地从下文的公开内容中得到理解。还应当理解，尽管本发明可以并入成品磁盘制作装置，然而，其也可以独立于系统而获得并被加入到现有的系统中。


图1为在图1A和图1B的两个实施例中示出的测量系统的示意图；图2为动态冷却系统的实施例的示意图，其中使用参照电容器来测量电容；图3示出了使用图2的实施例的电容测量的数据；图4示出了根据所示出的实施例的数据的再现性。
具体实施例方式
现在参考图1，在图1A中示出了冷却板2、3接地并且冷却板2、3与衬底1之间的电容通过电容监测器4测量的实施例。在本实施例中，冷却板2、3依次放置就位。在图1B中，衬底接地并且冷却板2、3与衬底1之间的电容在两个冷却板的回路中通过电容监测器4测量。图1B中示出的实施例中示出了由于监测器能够提供独立的测量和控制因此冷却板能够同时移动的实施例。由于衬底接地，因此能够允许获得涉及各板和衬底之间的电容的独立的信息用于控制各板的独立运动。在图1A和图1B的各图中，衬底1就位于磁盘保持器5上，并且所述衬底和两个冷却板均位于壳体6中。当冷却步骤完成时，冷却板同时从所述衬底移开，随后衬底可以从冷却隔间移出。
尽管所述衬底和所述冷却板之间的测量可以通过光学技术或电感技术进行以控制间距，然而也可以通过采用比光学感测器或电感感测器便宜得多的简单的回路来测量电容。并且，如果衬底略微倾斜，也可以自动地正确调节间隙。考虑到电容与dA/x成比例就能够理解上述说明，其中dA是衬底表面的单元，x是间隙的长度，并且在所述衬底的整个表面上进行积分。类似地，来自所述衬底的热流量也与所述积分成比例。因此，如果衬底有小的倾斜，则由产生所设定的电容的间隙将提供所需的制冷。
图2示出了在回路中测量电容的一个技术。在图2中，与图1类似，附图标记1代表待冷却的衬底，附图标记2、3代表冷却板，附图标记5代表衬底运送器或升降器，以将衬底支承在由壁6限定的冷却腔室中。在图2中，电容测量回路4测量衬底与冷却板之间的电容。振荡器11提供单频AC信号。并非必须采用正弦波的频率，而是有利地使用频率低至不会导致杂散电感和电容引起混乱且高至从AC至DC的滤波能够产生具有足够带宽的信号以满足应用所需的响应次数(例如，10kHz至1MHz)。所述AC信号通过包括电容器15和在衬底和冷却板之间测量的电容的电容分压器而减少。电容器12、13包括参照分压器，其减少与上述相同的AC信号。电容器13的值能够被选择为等于衬底至在初始的板分开的状态下的冷却板的电容。在该初始条件下，输入差分放大器16的两个输入电压相等，这将导致当冷却板位于“输出(out)”位置时输出电压为～0V。当驱动组件7将板移入时，衬底和冷却板之间的电容增加，导致正弦波输出，所述正弦波输出随着板与衬底不断接近而成数量级地增加。在示出的实例中，差分放大器16的输出通过带通放大器18放大。由于信号被放大而大部分噪声频谱没有被放大，因此这样提供了增加信噪比的方法。所述AC信号随后必须被整流器19整流以用作控制信号。
所述整流器可以是诸如示出的二极管回路或RMA(平方根)放大器之类的多种类型整流器中的一种。所述电容感测回路4的输出可用于马达控制器，所述马达控制器控制驱动回路7。由于在本图中只有一个感测回路，因此一个板必须先移动就位，然后另一个板再移动就位(在图1B中，回路构造被设置为相对于被冷却的衬底同时移动两个冷却板)。就每一侧而言，马达控制器被给定一设定点，其对应于距所需最终位置一固定距离的感测器信号。预设速度和减速将确定该固定距离(即所述板在其开始终止的时间至其完全终止的时间之间运动的距离)。在每个板都有单独控制的情况下，当第一板完成运动后，第二板开始运动。当电容感测器信号到达第二阈值时停止第二板的运动，该第二阈值高于第一阈值并且对应于在所述最终位置之前的相同的固定距离的位置的电容感测器信号。显然，通过添加在图1B中示出的构造中的第二感测回路可以使两侧同时移动。然而，这对于现今使用的系统的速度来说并不是必需的。
在操作中，衬底1被移入冷却腔室6中就位。所述腔室被密封，并且诸如氦、氢或氦氢混合物的气体通过使用管状连接器8被供入腔室6中以增加腔室中的压力至热传导所需的值。随后，冷却板2通过驱动器被7移动至所需位置并随后冷却板3被移动至类似所需位置。冷却板2、3在所述位置保持所需的时间。此后，使用真空泵10使腔室中的压力再次降低至腔室周围的真空水平，并且将冷却板与衬底1分开。随后打开腔室，将衬底从腔室6中移出并移送以进行其它加工。随后所述衬底可移入其它加工站中以进一步加工。从衬底进入隔间的时间至离开隔间的时间总共需要约3.5秒。这典型地为以下情况即当系统以每小时产生800个成品磁盘的速度运行时，该速度允许第二通道在加工站之间传输磁盘，将隔间安装至申请系列No.10/361308所描述的系统中。
图3示出了上述系统的输出，其中可编程伺服马达控制器20(见图2)设计为使电容感测器信号与参照模拟信号(设定点)进行比较，并以预定速度向内移动，直到两个信号相等，随后以预定速度减速并停止。因此，设定点对应于距所需端点一固定距离的位置处。当所述第一板完成其移动后，向第二板的伺服控制器20发送信号以移动该另一控制板至靠近衬底的位置。根据示出的数据，所述板从0.225”的间隙移动至0.025”的间隙所需的时间少于150ms。在间隙为0.225英寸时，尽管有衬底运送器或升降器保持衬底，衬底具有足够的空间以进入到两个冷却板之间。根据诸如间距、压力、时间、初始温度等的条件，衬底被冷却至30℃至50℃。
图4示出了关于图2中所描述的机构的可再现性的一些试验数据。其中，采用固定板来替代衬底。所述固定板与靠近其各侧的两个移动板一起使用，在所述固定板中安装有电感感测器以测量所述移动板相对于所述固定板的最终位置。无需使两侧移动至距固定板相同的距离。使用图表的目的在于表示可再现性。以下图表是在多于6000次循环后得出，图4A和图4B示出了得出的结果。

B侧的范围较大的原因在于A侧的误差改变了在所需B位置的重复。该情况并不严重，原因如果A最终靠得太近则B倾向于最终离得更远。所述数据示出了所描述的方法能够导致使用简单的回路即能使冷却板非常精确地可再现地定位。尽管相当于冷却板的这两个板在本试验中未调整至距中央板相等的距离，然而毫无疑问通过恰当地设置控制运动和距离能够获得这种结果。
尽管已经示出并探讨了目前所认为的优选实施例，然而显而易见，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的范围和所述权利要求书覆盖内容的情况下进行各种变化和改型。
(按照条约第19条的修改)1.一种在磁盘制造中用于冷却衬底的冷却装置，所述冷却装置包括真空隔间，用于在磁盘制造设备中冷却磁盘；多个在所述隔间中的冷却板；用于将待冷却的衬底置入所述冷却板之间的器件；电连接所述冷却板以在所述板与在所述板之间就位的待冷却的衬底之间形成电容；伺服马达控制器，其设计为比较所述板和所述衬底之间的电容，并移动所述板直到各所述板位于基本上平行于所述衬底且与所述衬底隔开小于0.1英寸的位置。
2.一种冷却隔间，所述冷却隔间包括封闭的腔室；两个在所述腔室中的冷却板；开口，用于允许支撑件上的衬底插入和移出所述腔室；马达驱动系统，用于移动所述冷却板靠近所述腔室中的衬底并位于与所述腔室中的衬底基本平行的位置；电容控制器系统，用于测量各所述冷却板与在所述腔室中就位的一衬底之间的电容，并用于控制驱动回路以使所述腔室中的所述冷却板相对于所述衬底定位；以及泵和进给系统，用于控制在所述腔室中的压力和环境。
3.如权利要求2所述的冷却隔间，其中，在冷却时所述腔室中的压力升高至约10托至15托之间。
4.如权利要求3所述的冷却隔间，其中，在所述衬底冷却后以及在所述衬底从所述隔间移出之前，所述真空经抽吸降至约10-7托。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板在少于约150ms的时间内移动就位至小于0.1英寸的所需间隙。
6.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板相继地移动就位。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板同时移动就位。
8.如权利要求2所述的装置，其中，所述腔室中的整个冷却循环发生在约3.5秒内。
9.如权利要求2所述的装置，其中，如果所述冷却板定位以包围待冷却的衬底的支承机构，则所述冷却板定位成尽可能地靠近所述衬底。
10.一种在磁盘制造过程中冷却正在加工的衬底的方法，所述方法包括将待冷却的衬底置入冷却板之间的冷却隔间中；在所述冷却板和所述衬底之间提供AC电压；测量所述板和所述衬底之间的电容；通过测量所述板和所述衬底之间的电容，移动所述冷却板靠近所述衬底，直到所述板定位于在所述板移动之前已经选定的距所述衬底小于0.1英寸的所需距离。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述所需距离包括在约0.02英寸至0.05英寸之间。
12.如权利要求10所述的方法，其中，通过一次一块板地将板移向衬底并测量板与衬底之间的距离，从而获得所述板和所述衬底之间的间距。
13.如权利要求10所述的方法，其中，通过同时移动所述板并确定各所述板的电容以及在通过电容测量确定的一限定距离处停止移动，从而获得所述板和所述衬底之间的间距。
14.如权利要求10所述的方法，其中用于停止冷却板的设定点短于最终停止点。
15.一种用在磁盘制造过程中冷却衬底的冷却装置，所述装置包括真空隔间，用以在磁盘制造设备中冷却磁盘；多个冷却板，其在所述隔间中彼此相互分开并且彼此面对；衬底支撑件，用于将待冷却的衬底布置在所述冷却板之间；所述冷却板被电连接，以便能够电测量以确定所述板与在所述板之间就位的待冷却的衬底之间的距离；马达，设计为根据通过所述电测量控制所述板移动，直到各所述板基本位于平行于所述衬底且距所述衬底小于0.1英寸的位置处，以及连接件，用以向所述隔间引入冷却气体和使冷却气体从所述隔间去除。
权利要求
1.一种在磁盘制造中用于冷却衬底的冷却装置，所述冷却装置包括真空隔间，用于在磁盘制造设备中冷却磁盘；多个在所述隔间中的冷却板；用于将待冷却的衬底置入所述冷却板之间的器件；电连接所述冷却板以在所述板与在所述板之间就位的待冷却的衬底之间形成电容；伺服马达控制器，其设计为比较所述板和所述衬底之间的电容，并移动所述板直到各所述板位于基本上平行于所述衬底且与所述衬底隔开小于0.1英寸的位置。
2.一种冷却隔间，所述冷却隔间包括封闭的腔室；两个在所述腔室中的冷却板；开口，用于允许支撑件上的衬底插入和移出所述腔室；马达驱动系统，用于移动所述冷却板靠近所述腔室中的衬底并位于与所述腔室中的衬底基本平行的位置；电容控制器系统，用于测量各所述冷却板与在所述腔室中就位的一衬底之间的电容，并用于控制驱动回路以使所述腔室中的所述冷却板相对于所述衬底定位；以及泵和进给系统，用于控制在所述腔室中的压力和环境。
3.如权利要求2所述的冷却隔间，其中，在冷却时所述腔室中的压力升高至约10托至15托之间。
4.如权利要求3所述的冷却隔间，其中，在所述衬底冷却后以及在所述衬底从所述隔间移出之前，所述真空经抽吸降至约10-7。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板在少于约150ms的时间内移动就位至小于0.1英寸的所需间隙。
6.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板相继地移动就位。
7.如权利要求1所述的冷却装置，其中，所述板同时移动就位。
8.如权利要求2所述的装置，其中，所述腔室中的整个冷却循环发生在约3.5秒内。
9.如权利要求2所述的装置，其中，如果所述冷却板定位以包围待冷却的衬底的支承机构，则所述冷却板定位成尽可能地靠近所述衬底。
10.一种在磁盘制造过程中冷却正在加工的衬底的方法，所述方法包括将待冷却的衬底置入冷却板之间的冷却隔间中；在所述冷却板和所述衬底之间提供AC电压；测量所述板和所述衬底之间的电容；通过测量所述板和所述衬底之间的电容，移动所述冷却板靠近所述衬底，直到所述板定位于在所述板移动之前已经选定的距所述衬底小于0.1英寸的所需距离。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述所需距离包括在约0.02英寸至0.05英寸之间。
12.如权利要求10所述的方法，其中，通过一次一块板地将板移向衬底并测量板与衬底之间的距离，从而获得所述板和所述衬底之间的间距。
13.如权利要求10所述的方法，其中，通过同时移动所述板并确定各所述板的电容以及在通过电容测量确定的一限定距离处停止移动，从而获得所述板和所述衬底之间的间距。
14.如权利要求10所述的方法，其中用于停止冷却板的设定点短于最终停止点。
全文摘要
本发明描述了一种在磁盘存储器中的衬底制造过程中使用的冷却系统，其中，冷却板相对于待冷却的衬底动态定位。本发明能够使冷却板设置得更近以便更有效地冷却。通过冷却板和待冷却的衬底之间的电容测量来控制定位。
文档编号G11B5/84GK101061356SQ200580015497
公开日2007年10月24日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年5月14日
发明者J·H·罗格斯, B·霍夫曼 申请人:英特维克公司