(57)【要約】【課題】載置した基板を極低温に冷却した状態で回転させることができ、かつ冷却性能が高いステージ装置、および処理装置を提供する。【解決手段】ステージ装置は、真空容器内で被処理基板を保持するステージと、極低温に保持されるコールドヘッド部を有する冷凍機と、コールドヘッド部に接触した状態で固定配置され、ステージの裏面側にステージと隙間を介して設けられた冷凍伝熱体と、少なくともコールドヘッド部および冷凍伝熱体のコールドヘッド部との接続部を覆うように設けられ、真空断熱構造を有する断熱構造部と、隙間に供給される、冷凍伝熱体の冷熱を前記ステージに伝熱するための冷却流体と、駆動機構により回転され、前記ステージを回転可能に支持するステージ支持部とを備える。【選択図】図１
2020066774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内で被処理基板を保持するステージと、
極低温に保持されるコールドヘッド部を有する冷凍機と、
前記コールドヘッド部に接触した状態で固定配置され、前記ステージの裏面側に前記ステージと隙間を介して設けられた冷凍伝熱体と、
少なくとも前記コールドヘッド部および前記冷凍伝熱体の前記コールドヘッド部との接続部を覆うように設けられ、真空断熱構造を有する断熱構造部と、
前記隙間に供給される、前記冷凍伝熱体の冷熱を前記ステージに伝熱するための冷却流体と、
駆動機構により回転され、前記ステージを回転可能に支持するステージ支持部と、
を備える、ステージ装置。
【請求項２】
前記断熱構造部は、内管と外管とを有し、前記内管と前記外管との間の内部空間が真空に保持される、真空二重管構造体を有する、請求項１に記載のステージ装置。
【請求項３】
前記真空二重管構造体は、少なくとも前記内管に設けられたベローズを有する、請求項２に記載のステージ装置。
【請求項４】
前記真空二重管構造体は、前記内管および前記外管にそれぞれ設けられたベローズを有する、請求項３に記載のステージ装置。
【請求項５】
前記内管および前記外管にそれぞれ設けられた前記ベローズの一方は、前記真空二重管構造体の一方の端部側に設けられ、前記ベローズの他方は、前記真空二重管構造体の他方の端部側に設けられている、請求項４に記載のステージ装置。
【請求項６】
前記断熱構造部は、前記真空二重管構造体の内側に、輻射熱遮蔽体を有する、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項７】
前記内部空間に接続され、真空引き可能な配管と、前記配管に接続された圧力計と、前記配管に接続されたバルブとを有し、前記内部空間の真空度が低下した際に、前記内部空間の真空引きが可能である、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項８】
前記断熱構造部は、前記コールドヘッド部および前記冷凍伝熱体の前記コールドヘッド部との接続部分を覆うように設けられた真空二重管構造体である第１断熱構造体と、前記冷凍伝熱体のほぼ全体を覆うように設けられた真空二重管構造体である第２断熱構造体とを有する、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項９】
前記第２断熱構造体は、前記冷凍伝熱体の前記ステージとの接続部を覆うように設けられる、請求項８に記載のステージ装置。
【請求項１０】
前記ステージ支持部は、磁性流体によりシールされた状態で駆動機構により回転駆動される回転部を介して回転される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１１】
前記ステージは、前記被処理基板を静電吸着する静電チャックを有する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１２】
前記隙間に供給される前記冷却流体は第１冷却ガスであり、前記第１冷却ガスは、前記冷凍伝熱体内に設けられた第１冷却ガス流路を通流して前記隙間に供給される、請求項１１に記載のステージ装置。
【請求項１３】
前記被処理基板と前記静電チャックとの間に、前記第１冷却ガス流路とは異なる第２冷却ガス流路を介して伝熱用の第２冷却ガスが供給される、請求項１１または請求項１２に記載のステージ装置。
【請求項１４】
前記被処理基板と前記静電チャックとの間に、前記第１冷却ガス流路と連通する流路を介して前記第１冷却ガスが供給される、請求項１１または請求項１２に記載のステージ装置。
【請求項１５】
前記ステージ支持部と前記断熱構造部の真空二重管構造体との間に、シール部材で封止され、前記隙間から漏出した前記第１冷却ガスが流入する空間を有し、前記空間にはガス流路が接続され、前記ガス流路は、前記空間内の第１冷却ガスを前記空間から排出させる機能、または、前記空間内に前記第１冷却ガスのカウンターフローとなる第３冷却ガスを供給する機能を有する、請求項２から請求項１４のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１６】
前記ステージ支持部は、真空断熱構造を有する請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１７】
前記ステージと前記冷凍伝熱体との接続部は、前記隙間が凹凸状をなすくし歯部を有する、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１８】
真空容器と、
前記真空容器内で被処理基板を回転可能に保持するための、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載のステージ装置と、
前記真空容器内で被処理基板に処理を施す処理機構と、
を有する処理装置。
【請求項１９】
前記処理機構は、前記真空容器内の前記ステージの上方に配置された、スパッタリング成膜用のターゲットを有する、請求項１８に記載の処理装置。
【請求項２０】
前記ターゲットは、トンネル磁気抵抗素子に用いられる磁性体を成膜する材料からなる、請求項１９に記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ステージ装置および処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板等の基板の処理装置、例えば成膜装置として、極低温が必要な処理が存在する。例えば、高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子を得るために、超高真空かつ極低温の環境下において磁性膜を成膜する技術が知られている。
【０００３】
極低温において基板を処理する技術として、特許文献１には、冷却処理装置で基板を極低温に冷却した後、別個に設けられた成膜装置により、冷却した基板に対し極低温で磁性膜を成膜することが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、真空室内に、冷凍機により冷却される冷却ヘッドを設け、冷却ヘッドに基板を支持する支持体としての冷却ステージを固定し、冷却ステージ上で基板を極低温に冷却しつつ薄膜形成処理を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２６０１０号公報
【特許文献１】特開２００６−７３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、載置した基板を極低温に冷却した状態で回転させることができ、かつ冷却性能が高いステージ装置、および処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係るステージ装置は、真空容器内で被処理基板を保持するステージと、極低温に保持されるコールドヘッド部を有する冷凍機と、前記コールドヘッド部に接触した状態で固定配置され、前記ステージの裏面側に前記ステージと隙間を介して設けられた冷凍伝熱体と、少なくとも前記コールドヘッド部および前記冷凍伝熱体の前記コールドヘッド部との接続部を覆うように設けられ、真空断熱構造を有する断熱構造部と、前記隙間に供給される、前記冷凍伝熱体の冷熱を前記ステージに伝熱するための冷却流体と、駆動機構により回転され、前記ステージを回転可能に支持するステージ支持部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、載置した基板を極低温に冷却した状態で回転させることができ、かつ冷却性能が高いステージ装置および処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るステージ装置を備えた処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】一実施形態に係るステージ装置におけるくし歯部の形状の他の例を示す概略図である。
【図３】断熱構造部の第１断熱構造体の一例を示す断面図である。
【図４】断熱構造部の第１断熱構造体の他の例を示す断面図である。
【図５】断熱構造部の第１断熱構造体のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】断熱構造部の第１断熱構造体のさらにまた他の例を示す断面図である。
【図７】断熱構造部の第２断熱構造体の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。
＜処理装置＞
最初に、一実施形態に係るステージ装置を備えた処理装置の一例について説明する。図１は、このような処理装置の一例を示す概略断面図である。
【００１１】
図１に示すように、処理装置１は、真空容器１０と、ターゲット３０と、ステージ装置５０とを備える。処理装置１は、処理容器１０内において、超高真空かつ極低温の環境下で、被処理基板である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗに磁性膜をスパッタ成膜することが可能な成膜装置として構成される。磁性膜は、例えばトンネル磁気抵抗（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）素子に用いられる。
【００１２】
真空容器１０は、被処理基板であるウエハＷを処理するための処理容器である。真空容器１０には、超高真空に減圧可能な真空ポンプ等の排気手段（図示せず）が接続されており、その内部を超高真空（例えば１０−５Ｐａ以下）に減圧可能に構成されている。真空容器１０には、外部からガス供給管（図示せず）が接続されており、ガス供給管からスパッタ成膜に必要なスパッタガス（例えばアルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス等の希ガスや窒素ガス）が供給される。また、真空容器１０の側壁には、ウエハＷの搬入出口（図示せず）が形成されており、搬入出口はゲートバルブ（図示せず）により開閉可能となっている。
【００１３】
ターゲット３０は、真空容器１０内の上部に、ステージ装置５０に保持されたウエハＷの上方に対向するように設けられている。ターゲット３０には、プラズマ発生用電源（図示せず）から交流電圧が印加される。真空容器１０内にスパッタガスが導入された状態でプラズマ発生用電源からターゲット３０に交流電圧が印加されると、真空容器１０内にスパッタガスのプラズマが発生し、プラズマ中のイオンによって、ターゲット３０がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料の原子または分子は、ステージ装置５０に保持されたウエハＷの表面に堆積する。ターゲット３０の数は特に限定されないが、１つの処理装置１で異なる材料を成膜できるという観点から、複数であることが好ましい。例えば、磁性膜（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ等の強磁性体を含む膜）を堆積する場合、ターゲット３０の材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＮｉＦｅＣｏを用いることができる。また、ターゲット３０の材料として、これらの材料に、別の元素を含有させたものを用いることもできる。
【００１４】
ステージ装置５０は、後述するように、ステージ５６にウエハＷを保持し、ウエハＷを回転させながら極低温に冷却するものである。
【００１５】
処理装置１は、また、ステージ装置５０の全体を真空容器１０に対して昇降させる昇降機構７４を有する。これにより、ターゲット３０とウエハＷとの間の距離を制御することができる。具体的には、昇降機構７４によりステージ装置５０を昇降させることで、ステージ５６の位置を、ウエハＷをステージ５６に載置するときの搬送位置と、ステージ５６に載置されたウエハＷに成膜を行うときの処理位置との間で移動させることができる。
【００１６】
＜ステージ装置＞
次に、一実施形態に係るステージ装置５０について詳細に説明する。
図１に示すように、ステージ装置５０は、冷凍機５２と、冷凍伝熱体５４と、ステージ５６と、ステージ支持部５８と、断熱構造部６０と、シール回転機構６２と、駆動機構６８とを有する。
【００１７】
冷凍機５２は、冷凍伝熱体５４を保持し、冷凍伝熱体５４の上面を極低温（例えば−３０℃以下）に冷却する。冷凍機５２は、上部にコールドヘッド部５２ａを有し、コールドヘッド部５２ａから冷凍伝熱体５４へ冷熱が伝熱される。冷凍機５２は、冷却能力の観点から、ＧＭ（Gifford-McMahon）サイクルを利用したタイプであることが好ましい。ＴＭＲ素子に用いられる磁性膜を成膜する際には、冷凍機５２による冷凍伝熱体５４の冷却温度は、−１２３〜−２２３℃（１５０〜５０Ｋ）の範囲が好ましい。
【００１８】
冷凍伝熱体５４は、冷凍機５２の上に固定配置され略円柱状をなし、例えば純銅（Ｃｕ）等の熱伝導性の高い材料により形成されている。冷凍伝熱体５４の上部は、真空容器１０内に配置されている。
【００１９】
冷凍伝熱体５４は、ステージ５６の下方にステージ５６の中心軸Ｃにその中心が一致するように配置されている。冷凍伝熱体５４の内部には、中心軸Ｃに沿って、第１冷却ガスを通流可能な第１冷却ガス供給路５４ａが形成され、ガス供給源（図示せず）から第１冷却ガス供給路５４ａに第１冷却ガスが供給される。第１冷却ガスとしては、高い熱伝導性を有するヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いることが好ましい。
【００２０】
ステージ５６は、冷凍伝熱体５４の上面との間に隙間Ｇ（例えば２ｍｍ以下）を有して配置されている。ステージ５６は、例えば純銅（Ｃｕ）等の熱伝導性の高い材料により形成されている。隙間Ｇは、冷凍伝熱体５４の内部に形成された第１冷却ガス供給路５４ａと連通している。したがって、隙間Ｇには、第１冷却ガス供給路５４ａから冷凍伝熱体５４により冷却された極低温の第１冷却ガスが供給される。これにより、冷凍機５２の冷熱が、冷凍伝熱体５４および隙間Ｇに供給される第１冷却ガスを介してステージ５６に伝熱され、ステージ５６が極低温（例えば、−３０℃以下）に冷却される。なお、冷却媒体としては第１冷却ガスに限らず、熱伝導性の良好な他の流体、例えば熱伝導性の良好な熱伝導グリースを隙間Ｇに充填してもよい。この場合、第１冷却ガス供給路５４ａを設ける必要がないため、冷凍伝熱体５４の構造をシンプルにできる。
【００２１】
ステージ５６は、静電チャック５６ａを含む。静電チャック５６ａは、誘電体膜からなり、その中にチャック電極５６ｂが埋設されている。チャック電極５６ｂには、配線Ｌを介して所定の直流電圧が印加される。これにより、ウエハＷを静電吸着力により吸着して固定することができる。
【００２２】
ステージ５６は、静電チャック５６ａの下部に第１伝熱部５６ｃを有し、第１伝熱部５６ｃの下面には、冷凍伝熱体５４の側に向かって突出する凸部５６ｄが形成されている。図示の例では、凸部５６ｄは、ステージ５６の中心軸Ｃを取り囲む２つの円環状部から構成されている。凸部５６ｄの高さは、例えば４０〜５０ｍｍとすることができる。凸部５６ｄの幅は、例えば６〜７ｍｍとすることができる。なお、凸部５６ｄの形状および数は特に限定されないが、冷凍伝熱体５４との間の熱伝達効率を高めるという観点から、十分に熱交換可能な表面積となるように形状および数を設定することが好ましい。
【００２３】
冷凍伝熱体５４は、本体の上面、すなわち、第１伝熱部５６ｃと対向する面に、第２伝熱部５４ｂを有している。第２伝熱部５４ｂには凸部５６ｄに対して隙間Ｇを有して嵌合する凹部５４ｃが形成されている。図示の例では、凹部５４ｃは、ステージ５６の中心軸Ｃを取り囲む２つの円環状部から構成されている。凹部５４ｃの高さは、凸部５６ｄの高さと同じであってよく、例えば４０〜５０ｍｍとすることができる。凹部５４ｃの幅は、例えば凸部５６ｃの幅よりもわずかに広い幅とすることができ、例えば７〜９ｍｍであることが好ましい。なお、凹部５４ｃの形状および数は、凸部５６ｃの形状および数と対応するように定められる。
【００２４】
第１伝熱部５６ｃの凸部５６ｄと第２伝熱部５４ｂの凹部５４ｃとは、隙間Ｇを介して嵌合して、くし歯部を構成する。このようにくし歯部を設けることにより、隙間Ｇが屈曲するので、ステージ５６の第１伝熱部５６ｃと冷凍伝熱体５５の第２伝熱部５４ｂとの間の第１冷却ガスによる熱伝達効率を高くすることができる。
【００２５】
凸部５６ｄと凹部５４ｃは、図２に示すように、それぞれ対応する波状をなす形状とすることができる。また、凸部５６ｄおよび凹部５４ｃの表面は、ブラスト等により凹凸加工が施されていることが好ましい。これらにより、熱伝達のための表面積を大きくして熱伝達効率をより高めることができる。
【００２６】
なお、第１伝熱部５６ｃに凹部が設けられ、第２伝熱部５４ｂにその凹部に対応する凸部が設けられていてもよい。
【００２７】
ステージ５６における静電チャック５６ａと第１伝熱部５６ｃとは、一体的に成形されていてもよく、別体で成形され接合されていてもよい。また、冷凍伝熱体５４の本体と第２伝熱部５４ｂとは、一体的に形成されていてもよく、別体で成形され接合されていてもよい。
【００２８】
ステージ５６には、上下に貫通する貫通孔５６ｅが形成されている。貫通孔５６ｅには、第２冷却ガス供給路５７が接続されており、第２冷却ガス供給路５７から貫通孔５６ｅを介して伝熱用の第２冷却ガスがウエハＷの裏面に供給される。第２冷却ガスとしては、第１冷却ガスと同様、高い熱伝導性を有するＨｅガスを用いることが好ましい。このようにウエハＷの裏面、すなわちウエハＷと静電チャック５６ａとの間に、第２冷却ガスを供給することにより、ステージ５６の冷熱を第２冷却ガスを介して効率良くウエハＷに伝達することができる。貫通孔５６ｅは、１つでもよいが、冷凍伝熱体５４の冷熱を特に効率よくウエハＷに伝達するという観点から、複数であることが好ましい。
【００２９】
ウエハＷ裏面に供給する第２冷却ガスの流路を、隙間Ｇに供給される第１冷却ガスの流路と分離することで、第１冷却ガスの供給にかかわらず、ウエハＷの裏面に所望の圧力、流量で冷却ガスを供給することができる。同時に、裏面に供給されるガスの圧力、流量および供給タイミング等に制限されることなく、ウエハＷ隙間Ｇに連続的に高圧・極低温状態の冷却ガスを供給することができる。
【００３０】
なお、ステージ５６に隙間Ｇから繋がる貫通孔を設けて、ウエハＷの裏面に、冷却ガスとして第１冷却ガスの一部が供給されるようにしてもよい。
【００３１】
ステージ支持部５８は、冷凍伝熱体５４の外側に配置され、ステージ５６を回転可能に支持する。図示の例では、ステージ支持部５８は、略円筒状をなす本体部５８ａと、本体部５８ａの下面において外側に延出するフランジ部５８ｂとを有する。本体部５８ａは、隙間Ｇおよび冷凍伝熱体５４の上部の外周面を覆うように配置されている。これにより、ステージ支持部５８は、冷凍伝熱体５４とステージ５６の接続部である隙間Ｇを遮蔽する機能も有する。ステージ支持部５８は、真空断熱構造を有していることが好ましい。本体部５８ａは、その軸方向中央部に縮径部５８ｃを有している。本体部５８ａおよびフランジ部５８ｂは、例えばステンレス等の金属により形成されている。
【００３２】
断熱構造部６０は、少なくとも冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部を覆うように設けられ、真空断熱構造体を有する。これにより、断熱構造部６０は、コールドヘッド部５２ａへの外部からの入熱により冷却性能が低下することを抑制する。断熱構造部６０の断熱構造体は、冷凍伝熱体５４の他の部分も断熱するようにすることが好ましい。
【００３３】
本実施形態では、断熱構造部６０は、第１断熱構造体７０と、第２断熱構造体７１とを有する。第１断熱構造体７０は、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部（冷凍伝熱体５４の下部）を覆うように設けられている。第２断熱構造体７１は、冷凍伝熱体５４のほぼ全体を覆うように設けられている。これらの構造については後で詳細に説明する。
【００３４】
シール回転機構６２は、ステージ支持部５８のフランジ部５８ｂの下面に、断熱部材６１を介して設けられている。断熱部材６１は、フランジ部５８ｂと同軸に形成された円環状をなし、フランジ部５８ｂに対して固定されおり、アルミナ等のセラミックスにより形成されている。
【００３５】
シール回転機構６２は、回転部６２ａと、内側固定部６２ｂと、外側固定部６２ｃと、加熱手段６２ｄとを有する。
【００３６】
回転部６２ａは、断熱部材６１と同軸に下方に延在する略円筒形状を有しており、内側固定部６２ｂおよび外側固定部６２ｃに対して磁性流体により気密にシールされた状態で駆動装置６８により回転される。回転部６２ａは、断熱部材６１を介してステージ支持部５８と接続されているので、ステージ支持部５８から回転部６２ａへの冷熱の伝達が断熱部材６１により遮断される。このため、シール回転機構６２の磁性流体の温度が低下することにより、シール性能が低下したり、結露が生じたりすることを抑制することができる。
【００３７】
内側固定部６２ｂは、内径が冷凍伝熱体５４の外径よりも大きく、外径が回転部６２ａの内径よりも小さい略円筒形状を有し、冷凍伝熱体５４と回転部６２ａとの間に磁性流体を介して設けられている。
【００３８】
外側固定部６２ｃは、内径が回転部６２ａの外径よりも大きい略円筒形状を有し、回転部６２ａの外側に磁性流体を介して設けられている。
【００３９】
加熱手段６２ｄは、内側固定部６２ｂの内部に埋め込まれており、シール回転機構６２の全体を加熱する。これにより、磁性流体の温度が低下し、シール性能が低下したり、結露が生じたりすることを抑制できる。
【００４０】
このような構成により、シール回転機構６２は、真空容器１０に連通した領域を磁性流体により気密にシールして真空に保持した状態で、ステージ支持部５８を回転させることができる。
【００４１】
外側固定部６２ｃの上面と真空容器１０の下面との間には、ベローズ６４が設けられている。ベローズ６４は、上下方向に伸縮可能な金属製の蛇腹構造体である。ベローズ６４は、冷凍伝熱体５４、ステージ支持部５８、および断熱部材６１を囲み、真空容器１０内の空間およびそれに連通する真空に保持された空間と、大気雰囲気の空間とを分離する。
【００４２】
シール回転機構６２の下方にはスリップリング６６が設けられている。スリップリング６６は、金属リングを含む回転体６６ａと、ブラシを含む固定体６６ｂとを有する。回転体６６ａは、シール回転機構６２の回転部６２ａの下面に固定され、回転部６２ａと同軸に下方に延在する略円筒形状を有する。固定体６６ｂは、内径が回転体６６ａの外径よりもわずかかに大きい略円筒形状を有する。
【００４３】
スリップリング６６は、直流電源（図示せず）と電気的に接続されており、直流電源から供給される電圧を、固定体６６ｂのブラシおよび回転体６６ａの金属リングを介して、配線Ｌに伝達する。これにより、配線Ｌにねじれ等を発生させることなく、直流電源からチャック電極に電圧を印加することができる。スリップリング６６の回転体６６ａは、駆動機構６８を介して回転されるようになっている。
【００４４】
駆動機構６８は、ロータ６８ａと、ステータ６８ｂとを有するダイレクトドライブモータである。ロータ６８ａは、スリップリング６６の回転体６６ａと同軸に延在する略円筒形状を有し、回転体６６ａに対して固定されている。ステータ６８ｂは、内径がロータ６８ａの外径よりも大きい略円筒形状を有する。駆動機構６８を駆動させた際には、ロータ６８ａが回転し、ロータ６８ａの回転が、回転体６６ａ、回転部６２ａ、ステージ支持部５８を介してステージ５６に伝達され、ステージ５６およびその上のウエハＷが冷凍伝熱体５４に対して回転する。図１では、便宜上、回転する部材を、ドットを付して示している。
【００４５】
なお、駆動機構６８としてダイレクトドライブモータの例を示したが、駆動機構６８を、ベルト等を介して駆動するものであってもよい。
【００４６】
ステージ支持部５８の本体部５８ａにおける縮径部５８ｃの下端部と、第２断熱構造体７１との間にはシール部材８１が設けられている。ステージ支持部５８の本体部５８ａと、冷凍伝熱体５４の第２伝熱部５４ｂおよび第２断熱構造体７１の上部との間には、シール部材８１で封止された空間Ｓが形成されている。空間Ｓには、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスが流入される。空間Ｓには、シール部材８１を貫通してガス流路７２が接続されている。ガス流路７２は、空間Ｓから下方に延びている。なお、第２断熱構造体７１の上面と冷凍伝熱体５４の第２伝熱部５４ｂとの間は、シール部材８２によりシールされている。シール部材８２により、空間Ｓに漏出した第１冷却ガスが冷凍伝熱体５４の本体部へ供給されることが抑制される。
【００４７】
ガス流路７２は、空間Ｓ内のガスを排出するものであっても、空間Ｓに冷却ガスを供給するものであってもよい。ガス流路７２がガスを排出する場合および冷却ガスを供給する場合のいずれも、第１冷却ガスがシール回転機構６２に侵入して、磁性流体の温度の低下によりシール性能が低下することを防止することができる。すなわち、ガス流路７２がガス排出機能を有する場合、空間Ｓに漏出した第１冷却ガスをシール回転機構６２に至る前に排出することができる。また、ガス流路７２が冷却ガス供給機能を有する場合には、第３冷却ガスを、隙間Ｇから漏れ出す第１冷却ガスに対するカウンターフローとして機能するように供給する。カウンターフローとしての機能を高めるという観点から、第３冷却ガスの供給圧力は、第１冷却ガスの供給圧力と略同一、または、わずかに高い圧力であることが好ましい。
【００４８】
また、ガス流路７２がガス排出機能を有する場合には、隙間Ｇからの第１冷却ガスの排出を促進して、第１冷却ガス供給路５４ａからフレッシュな第１冷却ガスを隙間Ｇに供給することができるという効果も奏する。
【００４９】
さらに、ガス流路７２がガス供給機能を有する場合には、空間Ｓに供給する第３冷却ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスのような第１冷却ガスよりも熱伝導性の低いガスを用いて結露を防止することができる。
【００５０】
ステージ支持部５８の本体部５８ａに縮径部５８ｃを設けることにより、空間Ｓの体積を小さくすることができ、空間Ｓに漏出する第１冷却ガスの量を少なくすることができる。このため、第１冷却ガスとの熱交換量を少なくして、ステージ支持部５８の温度上昇を抑制することができる。
【００５１】
ステージ装置５０は、冷凍伝熱体５４、隙間Ｇ等の温度を検出するための温度センサを有していてもよい。温度センサとしては、例えばシリコンダイオード温度センサ、白金抵抗温度センサ等の低温用温度センサを用いることができる。
【００５２】
＜断熱構造部＞
次に、ステージ装置５０の断熱構造部６０について詳細に説明する。
【００５３】
上述したように、ステージ装置５０では、極低温の冷凍機５２の冷熱を、冷凍伝熱体５４を介してステージ５６に伝熱し、ステージ５６上のウエハＷを、例えば−３０℃以下の極低温に冷却する。したがって、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａは、ステージ５６を介してウエハＷを冷却するために最も重要な部分である。冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部分も同様である。また、冷凍伝熱体５４のそれ以外の部分も、冷熱をステージ５６に伝熱するという観点から重要である。
【００５４】
しかし、コールドヘッド部５２ａ等の冷凍体の周囲には、駆動機構６８や磁性流体シールといった熱源が存在するため、これらの熱がコールドヘッド部５２ａおよびその近傍部分に直接伝熱されると、コールドヘッド部５２ａの冷却性能が低下してしまう。
【００５５】
そこで、断熱構造部６０を設けて、少なくとも冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部を断熱し、上述のような外部から供給される熱を抑制する。好ましくは、冷凍伝熱体５４の他の部分も同様に断熱する。
【００５６】
一般的には、部材の断熱性を上昇させるためには、材料として熱伝導性の低いものを選定するが、本実施形態のような極低温環境においては、熱伝導性の低い材料ではいずれ当該温度に近似する温度に達するため、所望の断熱効果を得ることができない。このため、本実施形態では、断熱構造部６０を真空断熱構造とする。
【００５７】
本実施形態において、断熱構造部６０は、二重管構造の円筒状をなし、内部が真空にされた真空断熱構造の断熱構造体（真空二重構造体）を有する。これにより、コールドヘッド部５２ａへの外部からの入熱により冷却性能が低下することを有効に抑制することができる。
【００５８】
具体的には、断熱構造部６０は、第１断熱構造体７０と第２断熱構造体７１とを有する。第１断熱構造体７０は、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部（冷凍伝熱体５４の下部）を覆うように設けられ、円筒状をなしている。第２断熱構造体７１は、冷凍伝熱体５４のほぼ全体を覆うように設けられ、円筒状をなしている。これらは、いずれも真空二重管構造体である。
【００５９】
第１断熱構造体７０により、駆動機構６８等の外部から、冷却性能にとって最も重要なコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部の入熱による冷却性能の低下を抑制することができる。また、第２断熱構造体７１により、磁性流体シール、空間Ｓを流れる第１冷却ガス等の外部から、冷凍伝熱体５４へ入熱することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
【００６０】
第２断熱構造体７１は、第１断熱構造体７０の内側に、第１断熱構造体７０とオーバーラップするように設けられている。冷凍伝熱体５４の下部において第１断熱構造体７０および第２断熱構造体７１をオーバーラップさせることにより、冷凍伝熱体５４の断熱されない部分をなくすことができ、かつ、コールドヘッド部５２ａおよびその近傍部分の断熱を強化することができる。
【００６１】
なお、第１断熱構造体７０および第２断熱構造体７１により、冷凍機５２および冷凍伝熱体５４の冷熱が外部へ伝達することを抑制することもできる。
【００６２】
次に、断熱構造部６０の具体的な構造について、第１断熱構造体７０を例にとって説明する。
図３は、第１断熱構造体７０の一例を示す断面図である。
【００６３】
第１断熱構造体７０は、円筒状をなし、内管７０１と外管７０２との二重管構造を有しており、内管７０１と外管７０２との間の内部空間７０３が真空に保持されて真空二重構造の真空断熱構造を構成している。二重管の上端および下端には、それぞれフランジ７０４および７０５が設けられている。このような構成では、内部の真空空間によって、高い断熱性を得ることができる。内管７０１および外管７０２が薄いほど熱抵抗を大きくすることができ、断熱効果を高めることができる。内管７０１および外管７０２の厚さは、例えば０．３ｍｍである。
【００６４】
このような真空二重管構造の形成方法は特に限定されない。例えば、内管７０１および外管７０２の間の内部空間７０３が常時真空層となるように、内部空間７０３を真空引きした後、密封して構成することができる。このとき、真空度の劣化を防ぐために、内部空間７０３にゲッター材を挿入してもよい。また、図４に示すように、内部空間７０３に、例えば真空容器１０内を排気する真空ポンプに繋がる配管８３を接続し、配管８３に圧力計８４およびバルブ８５を設けてもよい。これにより、内部空間７０３の真空度が低下しても内部空間７０３を再度真空引きして真空度を高めることができる。また、圧力計のみを設けて真空度を監視するだけでもよい。
【００６５】
内管７０１および外管７０２には、それぞれベローズ７０６および７０７が設けられている。ベローズ７０６および７０７は、例えば０．１５ｍｍ程度の薄肉構造であり、熱抵抗の高い断熱構造とすることができる。また、ベローズ７０６および７０７を設けることにより、常温と極低温の温度範囲における熱収縮・膨張による熱応力を緩和する機能、および内外差圧の応力を吸収する機能を発揮する。また、第１断熱構造体７０の寸法が公差内に入っていても、組み立て累積公差により、第１断熱構造体７０が剛体構造では取り付けられない場合があるが、ベローズを設けることにより組立累積公差を吸収することができる。また、ベローズを設けることにより、組立を容易にする機能も発揮することができる。ベローズ７０６および７０７は、図３に示すように、離れた位置に設けられることが好ましい。これらが近接すると、真空断熱層が狭まり、断熱機能が低下するおそれがあり、また、ベローズの変形容易性から、その箇所で変形し易くなって、かえって組立て容易性を損なってしまうからである。ベローズ７０６および７０７のどちらか一方はフランジ７０４および７０５のどちらか一方側へ、他方のベローズは他方のフランジ側に、ベローズ同士がオーバーラップしないように設けられることが好ましい。また、ベローズ７０６をコールドヘッド部５２ａの高さ位置に設けることにより、より断熱効果を高めることができる。
【００６６】
ベローズ７０６および７０７としては、成形ベローズを好適に用いることができるが、上記機能を発揮できれば、溶接ベローズでもよく、絞り形状部品でもよい。
【００６７】
なお、熱応力を緩和する目的のみの場合は、内管７０１のみにベローズを設けてもよい。また、上記機能が不要の場合はベローズを設けなくてもよい。
【００６８】
また、図５に示すように、第１断熱構造体７０としては、内管７０１の内側に輻射熱遮蔽板７０８を有するものであってもよい。これにより、真空二重管からコールドヘッド部５２ａや冷凍伝熱体５４へ供給される輻射熱を抑制することができる。輻射熱遮蔽板７０８としては、アルミニウム等の輻射率の低い材料を用いる。また、両面の輻射率を異ならせてもよい。輻射熱遮蔽板７０８としては、単純な板状に限らず、多層板、波型板等であってもよく、ガス排気性を考慮した穿孔を有する構造体であってもよい。
【００６９】
また、図６に示すように、第１断熱構造体７０としては、内管７０１の内側にアルミニウム等の熱遮蔽性の高い材料からなる輻射熱遮蔽膜７０９を形成してもよい。
【００７０】
第２断熱構造体７１についても、基本的に第１断熱構造体７０と同様の真空二重管構造を有している。また、第１断熱構造体７０と同様に、ベローズや、輻射熱遮蔽板または輻射熱遮蔽膜を有していてもよい。ただし、第２断熱構造体７１は、組立累積公差を吸収する必要性が高くないので、熱応力吸収のために内管のみにベローズを設けることで十分な場合が多い。
【００７１】
図７に示すように、第２断熱構造体７１を、くし歯部を構成する第２伝熱部５４ｂまで延ばしてもよい。これにより、冷凍伝熱体５４に対する断熱効果をより高めることができる。
【００７２】
本実施形態では、組み立て性等を考慮して、断熱構造部６０を第１断熱構造体７０と第２断熱構造体７１に分けて設けているが、これらを一体化して冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４を一括して断熱する構造であってもよい。
【００７３】
＜処理装置の動作およびステージ装置の作用・効果＞
処理装置１においては、真空容器１０内を真空状態とし、ステージ装置５０の冷凍機５２を作動させる。また、第１冷却ガスを、第１冷却ガス流路５４ａを介して隙間Ｇに供給する。
【００７４】
そして、昇降機構７４によりステージ装置５０を、ステージ５６が搬送位置になるように移動（下降）させ、真空搬送室から搬送装置（いずれも図示せず）により、ウエハＷを真空容器１０内に搬送し、ステージ５６上に載置する。次いで、チャック電極５６ｂに直流電圧を印加し、静電チャック５６ａによりウエハＷを静電吸着する。
【００７５】
その後、昇降機構７４によりステージ装置５０を、ステージ５６が処理位置になるように移動（上昇）させるとともに、真空容器１０内を処理圧力である超高真空（例えば１０−５Ｐａ以下）に調整する。そして、駆動機構６８を駆動させ、ロータ６８ａの回転を、回転体６６ａ、回転部６２ａ、ステージ支持部５８を介してステージ５６に伝達させ、ステージ５６およびその上のウエハＷを冷凍伝熱体５４に対して回転させる。
【００７６】
このとき、ステージ装置５０においては、ステージ５６が、固定して設けられた冷凍伝熱体５４に対して分離しているため、ステージ５６を、ステージ支持部５８を介して駆動機構６８により回転させることができる。また極低温に保持された冷凍機５２から冷凍伝熱体５４に伝熱された冷熱は、２ｍｍ以下の狭い隙間Ｇに供給された第１冷却ガスを介してステージ５６に伝熱される。そして、ウエハＷの裏面に第２冷却ガスを供給しつつ静電チャック５６ａによりウエハＷを吸着することにより、ステージ５６の冷熱によりウエハＷを効率良く冷却することができる。このため、ウエハＷを、例えば−３０℃以下の極低温に保持しつつ、ステージ５６とともにウエハＷを回転させることができる。
【００７７】
このとき、ステージ５６の第１伝熱部５６ｃと冷凍伝熱体５４の第２伝熱部５４ｂとの間がくし歯部となっており、隙間Ｇが屈曲しているので、冷凍伝熱体５４からステージ５６への冷熱伝達効率が高い。
【００７８】
このようにウエハＷを回転させた状態で、真空容器１０内にスパッタガスを導入しつつ、プラズマ発生用電源（図示せず）からターゲット３０に電圧を印加する。これにより、スパッタガスのプラズマが生成され、プラズマ中のイオンによってターゲット３０がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料の原子または分子は、ステージ装置５０に極低温状態で保持されたウエハＷの表面に堆積し、所望の膜、例えば、高い磁気抵抗比を有するＴＭＲ素子用の磁性膜を成膜することができる。
【００７９】
特許文献１のように、冷却装置と成膜装置を別個に設ける場合は、冷却性能を高く維持することは困難であり、また、装置の台数が多くなってしまう。一方、特許文献２では、成膜容器内で冷凍機により冷却される冷却ヘッドを用いて基板を極低温に冷却できるが、ステージが固定されているため、均一な成膜が困難である。
【００８０】
これに対して、本実施形態では、極低温に保持される冷凍機５２の冷熱を伝熱する冷凍伝熱体５４とステージ５６とを隙間Ｇを介して分離して設け、隙間Ｇに伝熱用の冷却ガスを供給するとともに、ステージ支持部５８を介してステージを回転可能な構成とする。これにより、ウエハＷに対する高い冷却性能と、成膜の均一性を両立させることができる。
【００８１】
また、例えば、ＴＭＲ素子用の磁性膜を成膜する際には、ウエハＷは１００〜４００℃の高温状態でステージ５６に搬送されることがある。そして、このような高温状態のウエハＷを５０〜１５０Ｋ（−２２３〜−１２３℃）、例えば１００Ｋ（−１７３℃）という極低温に冷却する必要がある。したがって、冷凍機５２の冷却性能を高く維持して所望の冷却温度に到達させる必要がある。
【００８２】
そこで、本実施形態では、少なくとも冷却性能に直接影響を及ぼす冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部の外側を覆うように、真空断熱構造体を有する断熱構造部６０を設ける。これにより、少なくともコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のコールドヘッド部５２ａとの接続部へ外部からの入熱を抑制することができ、冷却性能を高く維持することができる。また、断熱構造部６０を、さらに冷凍伝熱体５４の他の部分の外側も覆うように設けることにより、冷凍伝熱体５４の他の部分への外部からの入熱を抑制することができる。これにより、冷凍伝熱体５４の外部からの入熱による冷却性能の低下を抑制することができる。このため、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａによる到達温度を低く維持できるとともに、冷凍伝熱体５４を介しての冷却効率が高くなる。したがって、冷却時間が短縮され、かつ第１冷却ガスの消費量を抑制することができ、低ランニングコストで高スループットの極低温成膜を実現することができる。
【００８３】
このとき、断熱構造部６０を、上述した真空二重管構造体を有するものとすることにより、高い断熱効果を得ることができる。また、断熱構造部６０を、真空二重管構造体からなる第１断熱構造体７０および第２断熱構造体７１とを有するものとすることにより、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４への入熱を効果的に抑制することができ、冷却性能を高めることができる。
【００８４】
また、真空二重管構造の内管および外管にベローズを設けることにより、熱抵抗の高い断熱構造とすることができる。また、ベローズを設けることにより、常温と極低温の温度範囲における熱収縮・膨張による熱応力を緩和する機能、内外差圧の応力を吸収する機能、組立累積公差を吸収する機能、および組立を容易にする機能を発揮することができる。さらに、真空二重管構造の内側に輻射熱遮蔽板７０８や輻射熱遮蔽膜７０９等の輻射熱遮蔽体を設けることにより、真空二重管からコールドヘッド部５２ａや冷凍伝熱体５４へ供給される輻射熱を抑制することができる。これにより、冷却性能の低下をさらに有効に抑制することができる。
【００８５】
さらにまた、ステージ５６に直接接触し、磁性流体シール等の発熱部からの入熱が存在するステージ支持部材５８も真空断熱構造としたので、磁性体シール部等の発熱部からステージ支持部材５８を介したステージ５６への入熱を抑制することができる。これにより、冷却性能を一層高くすることができる。
【００８６】
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【００８７】
例えば、断熱構造部６０の構成は例示に過ぎず、上述したように、コールドヘッド部５２ａから冷凍伝熱体５４にかけて一体に設けたものであってもよい。また、断熱構造部６０を第１断熱構造体７０のみで構成してもよい。さらに、上記実施形態ではＴＭＲ素子に用いられる磁性膜のスパッタ成膜に適用する場合を例にとって説明したが、極低温で均一処理が必要な処理であればこれに限るものではない。
【符号の説明】
【００８８】
１；処理装置
１０；真空容器
３０；ターゲット
５０；ステージ装置
５２；冷凍機
５２ａ：コールドヘッド部
５４；冷凍伝熱体
５４ａ；第１冷却ガス供給路
５４ｂ；第２伝熱部
５６；ステージ
５６ｃ：第１伝熱部
５８；ステージ支持部
５８ａ；本体部
６０；断熱構造部
６２；シール回転機構
６４；ベローズ
６８；駆動機構
７０；第１断熱構造体
７１；第２断熱構造体
７２；ガス流路
８１，８２；シール部材
８３；配管
８４；圧力計
８５；バルブ
７０１；内管
７０２；外管
７０３；内部空間
７０４，７０５；フランジ
７０６，７０７；ベローズ
７０８；輻射熱遮蔽板
７０９；輻射熱遮蔽膜
Ｇ；隙間
Ｓ；空間
Ｗ；ウエハ（被処理基板）
【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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