(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前記ステージと隙間を介して設けられた冷凍伝熱体と、冷凍伝熱体の冷熱をステージに伝熱するための第１冷却ガスを隙間に供給する第１冷却ガス供給部と、隙間から漏出した第１冷却ガスを封入する冷却ガス封入部と、駆動機構により回転され、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
2020066775.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、
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第１冷却ガスを前記隙間に供給する第１冷却ガス供給部と、
前記隙間から漏出した前記第１冷却ガスを封入する冷却ガス封入部と、
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、
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とともに、前記冷凍伝熱体の上部を覆う円筒状をなすステージ支持部と、
を備える、ステージ装置。
【請求項２】
前記冷却ガス封入部は、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と、前記空間をシールするシール部材とを有する、請求項１に記載のステージ装置。
【請求項３】
前記空間は、前記冷凍伝熱体の上部の周囲に設けられている、請求項２に記載のステージ装置。
【請求項４】
前記冷凍伝熱体は、本体部と、前記ステージとの接続部とを有し、前記本体部の周囲に真空断熱構造をなす上部断熱構造体が設けられており、
前記空間は、前記ステージ支持部と前記冷凍伝熱体の前記接続部との間、および前記ステージ支持部と前記上部断熱構造体との間に設けられている、請求項３に記載のステージ装置。
【請求項５】
前記シール部材は、前記ステージ支持部と前記上部断熱構造体との間に設けられ、前記空間の下端を規定する第１シール部材と、前記上部断熱構造体の上部と前記冷凍伝熱体との間に設けられた第２シール部材とを有する、請求項４に記載のステージ装置。
【請求項６】
前記第１シール部材は、フランジシールまたはオムニシールを有しており、前記第２シール部材は、オムニシールを有している、請求項５に記載のステージ装置。
【請求項７】
前記冷却ガス封入部は、前記空間に接続され、前記空間からの第１冷却ガスの漏出を抑制するためのエバックラインとして機能するガス流路をさらに有する、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７のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項９】
前記空間内の第１冷却ガスを前記真空容器内に排出するためのリリーフバルブをさらに有する、請求項８に記載のステージ装置。
【請求項１０】
前記リリーフバルブは、前記ステージ支持部に設けられており、前記ステージ自体の昇降により開閉する、請求項９に記載のステージ装置。
【請求項１１】
前記リリーフバルブは、バルブ本体部と、バルブ本体部に挿通され、バルブの開閉を行うバルブシャフトと、前記バルブシャフトを付勢するバネ部材とを有し、前記バネ部材により、前記リリーフバルブはノーマルクローズまたはノーマルオープンとされ、前記昇降機構により、前記ステージ装置が上昇または下降されることにより、前記リリーフバルブが開成または閉成される、請求項１０に記載のステージ装置。
【請求項１２】
前記第１冷却ガス供給部は、前記冷凍伝熱体の内部に設けられた第１冷却ガス供給路を有し、前記第１冷却ガス流路を介して前記隙間に前記第１冷却ガスが供給される、請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載のステージ装置。
【請求項１３】
前記ステージには、前記第１冷却ガス供給路に連通して、前記静電チャックを貫通する貫通孔を有し、前記第１冷却ガスの一部が前記貫通孔を経て前記静電チャックと前記静電チャックに吸着された被処理基板との間に供給される、請求項１２に記載のステージ装置。
【請求項１４】
前記ステージには、前記静電チャックを貫通する貫通孔を有し、前記第１冷却ガス供給路とは別個の供給路および前記貫通孔を経て第２冷却ガスが前記静電チャックと前記静電チャックに吸着された被処理基板との間に供給される、請求項１２に記載のステージ装置。
【請求項１５】
前記冷凍機および前記冷凍伝熱体の下部を覆うように円筒状に設けられ、真空断熱構造を有する下部断熱構造体をさらに備える請求項１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、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第１冷却ガスを前記隙間に供給する第１冷却ガス供給部と、前記隙間から漏出した前記第１冷却ガスを封入する冷却ガス封入部と、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】第１の実施形態の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】冷却ガス封入部のシール部材８１の構造例を説明する断面図である。
【図４】冷却ガス封入部のシール部材８２の構造例を説明する断面図である。
【図５】第２の実施形態の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６】第２の実施形態のステージ装置のバルブ８４を設けた部分を示す断面図である。
【図７】図６のステージ装置をＡ方向から見た図である。
【図８】バルブ８４が閉じられた状態を示す断面図である。
【図９】バルブ８４が開放された状態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。
＜第１の実施形態＞
最初に、第１の実施形態について説明する。
［処理装置］
図１は、第１の実施形態の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。
【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、第１の実施形態に係るステージ装置について詳細に説明する。
第１の実施形態に係るステージ装置５０は、図１に示すように、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、冷却ガス封入部６０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。
【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】
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。
【００３１】
冷却ガス封入部６０は、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスを封入する。冷却ガス封入部６０は、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスが流入する空間Ｓと、空間Ｓをシールするシール部材（第１シール部材８１および第２シール部材８２）とを有する。空間Ｓは、冷凍伝熱体５４の上部の周囲に設けられている。具体的には、空間Ｓは、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および後述する上部断熱構造体７１の上部との間に設けられている。第１シール部材８１は、ステージ支持部５８の下端部近傍と、後述する上部断熱構造体７１との間に設けられている。第２シール部材８２は、後述する上部断熱構造体７１の上面と冷凍伝熱体５４の第２伝熱部５４ｂとの間に設けられている。
【００３２】
冷却ガス封入部６０は、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスを空間Ｓに封入し、シール部材８１およびシール部材８２により、第１冷却ガスが空間Ｓの下方やシール部材８２の内側の冷凍伝熱体５４の表面に排出されることを防止する。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。冷却ガス封入部６０の詳細については後述する。
【００３３】
ステージ支持部５８のフランジ部５８ｂの下面には、断熱部材６１を介してシール回転機構６２が設けられている。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。
【００３４】
シール回転機構６２は、断熱部材６１下方に設けられている。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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６０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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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５２との接続部（冷凍伝熱体５４の下部）を覆うように、下部断熱構造体７０が設けられている。下部断熱構造体７０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（真空二重管構造）をなしている。下部断熱構造体７０により、駆動機構６８等の外部からの熱が、ステージ５６およびウエハＷの冷却に重要な冷凍機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５２との接続部（冷凍伝熱体５４の下部）への入熱を抑制する。これにより、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４のその近傍部分の冷却性能の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、冷凍伝熱体５４の第２伝熱部５４ｂ以外の本体部を覆うように、下部断熱構造体７０の内側にオーバーラップして、内部が真空にされた真空二重管構造の円筒状をなす上部断熱構造体７１が設けられている。上部断熱構造体７１により、磁性流体シールや空間Ｓへ漏出した第１冷却ガス等の外部からの熱が冷凍伝熱体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。冷凍伝熱体５４の下部において下部断熱構造体７０および上部断熱構造体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およびその近傍の断熱を強化することができる。
【００４７】
また、下部断熱構造体７０および上部断熱構造体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。
【００４８】
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。
【００４９】
［冷却ガス封入部］
次に、ステージ装置５０の冷却ガス封入部６０について詳細に説明する。
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および冷凍伝熱体５４へ外部から入熱があると冷却性能が低下してしまう。このため、冷凍機５２および冷凍伝熱体５４への外部からの入熱を極力抑制する必要がある。
【００５０】
しかし、ステージ５６を冷却する際に隙間Ｇに供給された第１冷却ガスが隙間Ｇから漏出して拡散すると、磁性流体シールや駆動機構６８等で加熱された第１冷却ガスから冷凍機５２や冷凍伝熱体５４へ熱が供給され、冷却性能が低下する。また、冷凍伝熱体５４により冷却された第１冷却ガスを介してステージ５６を冷却するが、第１冷却ガスが隙間Ｇから漏出し続けると冷却効率が悪い。
【００５１】
そこで、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスを封入する冷却ガス封入部６０を設ける。冷却ガス封入部６０は、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスが流入する空間Ｓと、空間Ｓをシールするシール部材（第１シール部材８１および第２シール部材８２）とを有する。空間Ｓは、冷凍伝熱体５４の上部の周囲に設けられている。具体的には、空間Ｓは、ステージ支持部５８の本体部５８ａと、冷凍伝熱体５４のステージ５６との接続部である第２伝熱部５４ｂとの間、およびステージ支持部５８の本体部５８ａと、上部断熱構造体７１の上部との間に設けられている。第１シール部材８１は、空間Ｓの下端を規定する。具体的には、第１シール部材８１は、ステージ支持部５８の本体部５８ａにおける縮径部５８ｃの下端部近傍と、上部断熱構造体７１との間に設けられ、空間Ｓの下方への第１冷却ガスの拡散を防止している。第２シール部材８２は、上部断熱構造体７１の上部と冷凍伝熱体５４との間に設けられ、上部断熱構造体７１と冷凍伝熱体５４との間への第１冷却ガスの侵入を防止している。
【００５２】
このように、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスが空間Ｓに封入されることにより、隙間Ｇから漏出して拡散した第１ガス冷却ガスから冷凍機５２や冷凍伝熱体５４へ入熱されることによる冷却性能の低下を抑制することができる。また、第１冷却ガスが空間Ｓに封入されると、第１冷却ガスが冷凍伝熱体５４との間で十分に熱交換され、冷却効率を高めることができる。また、第１冷却ガスを封入することにより、第１冷却ガス、例えばＨｅガスの節約にもなる。
【００５３】
第１シール部材８１としては、例えば図３に示すようなものを用いることができる。図３では、第１シール部材８１は、フランジシールとして構成される。具体的には、第１シール部材８１は、真空二重管構造を有する上部断熱構造体７１の外管と一体に形成された本体部８１１と、本体部８１１と内側固定部６２ｂとの間に介在された樹脂シール８１２と、樹脂シール８１２を介して本体部８１１と内側固定部６２ｂとを締結する締結ネジ８１３とを有する。これにより、上部断熱構造体７１とシール回転機構６２との間および上部断熱構造体７１と下部断熱構造体７０との間の空間への第１冷却ガスの流出を防止することができる。
【００５４】
また、第２シール部材８２としては、例えば図４に示すようなものを用いることができる。図４では、第２シール部材８２は、ガスシールであるオムニシールとして構成される。具体的には、第２シール部材８２は、第１シール８２１および第２シール８２２と、これらを挟持する金属部８２３，８２４および８２５とを有する。第１シール８２１は、内側の冷凍伝熱体５４との間の流路をシールし、第２シール８２２は外側のステージ支持部５８側の流路をシールする。なお、第１シール部材８１も同様なオムニールで構成してもよい。
【００５５】
第１シール部材８１を貫通して空間Ｓに接続されたガス流路７２は、第１冷却ガスが第１シール部材８１および第２シール部材８２から漏れ出て空間Ｓの下方やシール部材８２の内側の冷凍伝熱体５４の表面に排出されることを抑制するために、空間Ｓから第１冷却ガスを排出するエバックラインとして機能する。
【００５６】
空間Ｓを第１シール部材８１および第２シール部材８２でシールしたとしても、空間Ｓからの第１冷却ガスの漏出を完全に阻止することは困難であり、いずれは空間Ｓから漏出して冷凍機５２や冷凍伝熱体５４へ熱を供給するおそれがある。このため、ガス流路７２を介して空間Ｓ内の第１冷却ガスを排出するようにして、冷凍機５２や冷凍伝熱体５４の周囲の空間へ第１冷却ガスが漏出することを抑制する。
【００５７】
また、ガス流路７２を介して空間Ｓ内の第１冷却ガスを排出することにより、第１冷却ガスがシール回転機構６２へ侵入することを抑制して、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もできる。
【００５８】
なお、ガス流路７２から、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第３冷却ガスを空間Ｓに流入させ、第１冷却ガスに対するカウンターフローとしてとして機能させてもよい。これにより、第１冷却ガスによる熱伝導を抑制することができる。また、第３の冷却ガスにより結露を防止することもできる。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。
【００５９】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態の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。
【００６０】
処理装置１´は、第１の実施形態のステージ装置５０に代えて、ステージ装置５０´を有する。ステージ装置５０´は、ウエハＷと静電チャック５６ａとの間の伝熱ガスとして、隙間Ｇに供給される第１冷却ガスを用いる点、および空間Ｓに封入される第１冷却ガスを排出するバルブを設けた点がステージ装置５０とは異なる。ステージ装置５０´の他の構成は第１の実施形態のステージ装置と同様であるから、同じ符号を付して説明を省略する。
【００６１】
テージ装置５０´では、ステージ５６に隙間Ｇに連通した貫通孔５６ｆが設けられている。これにより、第１冷却ガス供給路５４ａから隙間Ｇに供給される第１冷却ガスの一部が、貫通孔５６ｆを介して、静電チャック５６ａとウエハＷとの間に伝熱ガスとして供給される。貫通孔５６ｆ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。このように、ウエハＷの裏面に供給される冷却ガスとして隙間Ｇに供給される第１冷却ガスを用いることにより、冷却ガス供給路を少なくすることができる。
【００６２】
また、ステージ装置５０´は、空間Ｓから真空容器１０内に第１冷却ガスを排出するためのバルブ８４を有する。本実施形態では、第１冷却ガス供給路５４ａから隙間Ｇに供給される第１冷却ガスの一部をウエハＷ裏面に供給する構成であるため、処理後、静電チャック５６ａによるウエハＷの吸着を解除する際に、空間Ｓの第１冷却ガスを迅速に排出する必要がある。このため、リリーフバルブ８４を用いる。
【００６３】
図６はステージ装置５０´のバルブ８４を設けた部分を示す断面図、図７は図６のステージ装置５０´をＡ方向から見た図である。図６に示すように、バルブ８４は、ステージ支持部５８の水平部に形成された孔５８１に対応する部分に取り付けられている。リリーフバルブ８４は、バルブ本体部８４１と、バルブシャフト８４２と、シャフト挿通パイプ８４３と、バルブシール部８４４と、バルブ本体部シール部材８４５と、プレート８４６と、板バネ８４７とを有している。
【００６４】
バルブ本体部８４１は、ステージ支持部５８の水平部の下面の孔５８１の周囲に取り付けられ、例えばステンレス鋼からなる。バルブ本体部８４１には、孔５８１に連通する垂直孔８４１ａおよび垂直孔８４１ａに繋がる水平孔８４１ｂを有している。
【００６５】
シャフト挿通パイプ８４３は、テフロン（登録商標）等の樹脂からなり、垂直孔８４１ａ内に設けられ、バルブ本体部８４１に取り付けられている。シャフト挿通パイプ８４３の側面には、バルブ本体部８４１の水平孔８４１ｂに連通する孔８４３ａを有している。
【００６６】
バルブシール部８４４は、ＰＴＦＥ等の樹脂からなり、シャフト挿通パイプ８４３の上端に設けられ、弁座として機能する。
【００６７】
バルブシャフト８４２は、シャフト挿通パイプ８４３内に挿通され、上端にシャフトヘッド８４２ａを有している。また、バルブシャフト８４２の下端には、例えばステンレス鋼製のプレート８４５が取り付けられている。バルブシャフト８４２はバルブ本体部８４１に対して相対的に上下動されることにより、シャフトヘッド８４２ａが、バルブシール部８４４に対して接離され、バルブ８４が開閉されるようになっている。プレート８４６は、バルブ開閉用のハンドルの機能を有する。
【００６８】
バルブ本体部シール部材８４５は、例えばカーボンシートからなり、バルブ本体部８４１をシールする。
【００６９】
板バネ８４７は、図７に示すように、ステージ支持部５８の水平部と、プレート８４６の間に板バネ押さえ８４８を介して取り付けられており、バルブシャフト８４２を下方に付勢する。これにより、リリーフバルブ８４はノーマルクローズとなる。板バネ８４７は、極低温でもばね性を有する材料、例えばインコネルのようなニッケル基合金で形成されている。また、板バネ８４７は、バルブシャフト８４２の回転防止機能も有する。すなわち、例えば、バルブ開閉時にバルブシャフト８４２を所定向きにしてブラケット等に装着する必要があるときは、バルブシャフト８４２を回転させないようにする必要がある。ただし、バルブシャフト８４２が回転してもかまわない場合は、板バネ８４７の代わりにコイルバネ等の他のバネ部材を用いてもよい。
【００７０】
図８はリリーフバルブ８４が閉成した状態を示す断面図であり、図９はリリーフバルブ８４が開成した状態を示す断面図である。リリーフバルブ８４が開成した状態では、空間Ｓに存在する第１冷却ガスが、シャフト挿通パイプ８４３から、孔８４３ａ、水平孔８４１ｂを通って空間Ｓからその外部の真空容器１０内に流出される。
【００７１】
バルブシャフト８４２の相対的な昇降は、ステージ装置５０´全体の昇降を行う昇降機構７４を利用して行うことができる。すなわち、昇降機構７４により、ステージ装置５０´を上昇させた際に、リリーフバルブ８４が板バネ８４７により閉成した状態となり、ステージ装置５０´を下降させた際に、バルブシャフト８４２が所定位置に規制され、バルブシャフト８４２が相対的に上昇してリリーフバルブ８４を開成した状態とすることができる。
【００７２】
なお、リリーフバルブ８４は、板バネ等のバネ部材により、バルブシャフト８４２を反対側に付勢してノーマルオープンとし、昇降機構７４を利用して閉じるようにしてもよい。また、リリーフバルブ８４は、本実施形態の隙間Ｇに供給される第１冷却ガスの一部をウエハＷ裏面に供給する場合に限らず、空間Ｓから第１冷却ガスを排出する必要があれば、設けることができる。
【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、第１の実施形態および第２の実施形態では、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】
しかし、ステージ５６を冷却する際に隙間Ｇに供給された第１冷却ガスが隙間Ｇから漏出して拡散すると、磁性流体シールや駆動機構６８等で加熱された第１冷却ガスから冷凍機５２や冷凍伝熱体５４へ熱が供給され、冷却性能が低下する。また、冷凍伝熱体５４により冷却された第１冷却ガスを介してステージ５６を冷却するが、第１冷却ガスが隙間Ｇから漏出し続けると冷却効率が悪い。
【００８３】
そこで、第１の実施形態および第２の実施形態では、隙間Ｇから漏出した第１冷却ガスを封入する冷却ガス封入部６０を設ける。冷却ガス封入部６０は、第１冷却ガスが流入する空間Ｓと、空間Ｓをシールするシール部材（第１シール部材８１および第２シール部材８２）とを有する。これにより、隙間Ｇから漏出して拡散した第１ガス冷却ガスから冷凍機５２や冷凍伝熱体５４へ入熱されることによる冷却性能の低下を抑制することができる。また、第１冷却ガスが空間Ｓに封入されると、第１冷却ガスが冷凍伝熱体５４との間で十分に熱交換され、冷却効率を高めることができる。また、第１冷却ガスを封入することにより、第１冷却ガス、例えばＨｅガスの節約にもなる。したがって、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。
【００８４】
また、第１の実施形態では、ウエハＷ裏面に隙間Ｇに供給される第１冷却ガスとは別個の第２冷却ガスを、第１冷却ガス供給路と異なる供給路を介して供給することで、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。
【００８５】
一方、第２の実施形態では、ウエハＷ裏面に供給する冷却ガスとして、隙間Ｇに供給された第１冷却ガスの一部を用いることにより、冷却ガス供給路を少なくして装置を簡略化することができる。
【００８６】
隙間Ｇに供給される第１冷却ガスの一部をウエハＷの裏面に供給する場合には、ウエハＷを搬出する際に、空間Ｓ内の第１冷却ガスを排出する必要がある。すなわち、処理終了後には、静電チャック５６ａによるウエハＷの吸着を解除する必要があるが、その際に空間Ｓ内に第１冷却ガスが存在していると、ガス圧によりウエハＷがずれてしまうため、空間Ｓ内の第１冷却ガスが排出された後にウエハＷの吸着を解除する必要がある。
【００８７】
しかし、第１冷却ガスを空間Ｓに封入して安定した冷却を行うには空間Ｓの容積をある程度大きくする必要があるため、空間Ｓ内から第１冷却ガスを排出するには時間がかかってしまい、ウエハＷごとにこのような操作を行うとスループットが低下する。
【００８８】
このため、第２の実施形態では、空間Ｓから第１冷却ガスを真空容器１０内に排出するためのリリーフバルブ８４を設ける。これにより、空間Ｓの排気を迅速に行うことができる。
【００８９】
また、リリーフバルブ８４の操作は、ステージ装置５０´の昇降で以下のように行うことができ、リリーフバルブ８４の構造をシンプルなものとすることができる。すなわち、リリーフバルブ８４のバルブシャフト８４２は板バネにより下方に付勢されノーマルクローズ状態であり、ステージ装置５０´を上昇させてウエハＷの処理を行う際にはリリーフバルブ８４は図８のように閉じている。処理終了後、ウエハＷ搬送のためにステージ装置５０´を下降させると、バルブシャフト８４２が所定位置に規制され、図９のようにバルブシャフト８４２が相対的に上昇してリリーフバルブ８４を開放した状態とすることができる。
【００９０】
さらに、冷凍機５２および冷凍伝熱体５４の下部を覆うように、真空二重管構造を有する円筒状の下部断熱構造体７０および上部断熱構造体７１を設けたので、冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４への入熱をより効果的に抑制することができる。
【００９１】
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、冷却性能の低下を一層抑制することができる。
【００９２】
＜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。
【００９３】
例えば、上記実施形態のシール部材８１および８２の構造は例示に過ぎず、他の種々の構成のシール部材を適用することもできる。また、バルブ８４の構造やバルブ８４の取り付け位置も上記実施形態に限定されるものではない。
【００９４】
また、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。さらに、被処理基板として半導体ウエハを例示したが、これに限らず、種々の基板を用いることができる。
【符号の説明】
【００９５】
１；成膜装置
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
５６ｅ，５６ｆ；
５８；ステージ支持部
５８ａ；本体部
５８ｃ；縮径部
６０；ガス封入部
６２；シール回転機構
６４；ベローズ
６８；駆動機構
７０；下部断熱構造体
７１；上部断熱構造体
７２；ガス流路
８１；第１シール部材
８２；第２シール部材
８４；バルブ
Ｇ；隙間
Ｓ；空間
Ｗ；ウエハ（被処理基板）
【図１】
2020066775.tif 000003
【図２】
2020066775.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020066775.tif 000006
【図５】
2020066775.tif 000007
【図６】
2020066775.tif 000008
【図７】
2020066775.tif 000009
【図８】
2020066775.tif 000010
【図９】
2020066775.tif 000011