(57)【要約】【課題】回転するステージの温度を高精度で安定的に測定することができる温度測定機構、温度測定方法、およびステージ装置を提供する。【解決手段】被処理基板が載置され、回転可能に設けられたステージの温度を測定する温度測定機構は、ステージの被処理基板の載置の妨げとならない位置に設けられた温度検出用接触部と、温度センサを有し、温度測定時以外は前記温度検出用接触部と離隔した位置に設けられた温度測定部と、を有し、ステージの温度を測定する際に、ステージが回転していない状態で、温度検出用接触部と、温度検出部とを接触させる。【選択図】図３
2020153716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板が保持され、回転可能に設けられたステージの温度を測定する温度測定機構であって、
前記ステージの前記被処理基板の載置の妨げとならない位置に設けられた温度検出用接触部と、
温度センサを有し、温度測定時以外は前記温度検出用接触部と離隔した位置に設けられた温度測定部と、
を有し、
前記ステージの温度を測定する際に、前記ステージが回転していない状態で、前記温度検出用接触部と前記温度検出部とを相対的に移動させてこれらを接触させ、前記ステージの温度を検出する、温度測定機構。
【請求項２】
前記ステージは被処理基板に所定の処理を施す処理容器内に昇降可能に設けられ、前記温度検出部は前記処理容器の底部に設けられ、前記ステージを回転させて前記温度検出用接触部を前記温度検出部に対応させ、前記ステージを降下させることにより、前記温度検出用接触部と温度検出部とを接触させ、前記ステージの温度を検出する、請求項１に記載の温度測定機構。
【請求項３】
前記温度検出用接触部は、温度測定の際に前記温度検出部に接触されて前記ステージの熱を前記温度検出部に伝達する熱伝達部材と、前記熱伝達部材を前記温度検出部側へ付勢するバネ部材とを有し、
前記温度測定部は、前記温度センサとしてのシース熱電対と、前記シース熱電対が配置される断熱部材を有するベース部材とを有し、
前記ステージの温度測定の際に、前記熱伝達部材は、前記温度検出部の前記シース熱電対が配置された領域に前記バネ部材の付勢力に抗して押圧される、請求項２に記載の温度測定機構。
【請求項４】
前記ステージは、−２０℃以下の極低温に保持され、
前記温度検出用接触部は、前記ステージに連結された連結部材をさらに有し、
前記熱伝達部材は、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記バネ部材の付勢力により前記連結部材に接触するヘッド部を有し、
前記ヘッド部は、前記熱伝達部材が前記温度検出部に押圧された際には、前記連結部材から離隔する、請求項３に記載の温度測定機構。
【請求項５】
前記ステージ、前記連結部材、および前記熱伝達部材は純銅で構成される、請求項４に記載の温度測定機構。
【請求項６】
前記温度検出用接触部は、前記ステージと前記連結部材との間に設けられたインジウムシートをさらに有する、請求項５に記載の温度測定機構。
【請求項７】
前記温度検出部は、前記断熱部材の前記シース熱電対が配置された領域の上に設けられた、少なくとも本体部が純銅からなる集熱板を有する、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の温度測定機構。
【請求項８】
前記集熱板は、前記本体部の表面にニッケルめっきが施されている、請求項７に記載の温度測定機構。
【請求項９】
前記温度検出部は、前記シース熱電対が配置された領域において、前記集熱板の下に、前記シース熱電対を覆うように設けられたインジウムシートをさらに有する、請求項７または請求項８に記載の温度測定機構。
【請求項１０】
被処理基板が保持され、回転可能に設けられたステージの温度を温度測定機構により測定する温度測定方法であって、
温度測定機構は、
前記ステージの前記被処理基板の載置の妨げとならない位置に設けられた温度検出用接触部と、
温度センサを有し、温度測定時以外は前記温度検出用接触部と離隔した位置に設けられた温度測定部と、
を有し、
前記ステージを回転していない状態とする工程と、
前記温度検出用接触部と前記温度検出部を相対的に移動させてこれらを接触させる工程と、
前記温度センサにより前記ステージの温度を検出する工程と、
を有する温度測定方法。
【請求項１１】
前記温度測定機構において、前記ステージは被処理基板に所定の処理を施す処理容器内に昇降可能に設けられ、前記温度検出部は前記処理容器の底部に設けられ、
前記接触させる工程に先立って、前記ステージを回転させて前記温度検出用接触部を前記温度検出部に対応させる工程をさらに有し、
前記接触させる工程は、前記温度検出用接触部が前記温度検出部に対応した状態で、前記ステージを降下させることにより、前記温度検出用接触部と温度検出部とを接触させる、請求項１０に記載の温度測定方法。
【請求項１２】
前記温度検出用接触部は、温度測定の際に前記温度検出部に接触されて前記ステージの熱を前記温度検出部に伝達する熱伝達部材と、前記熱伝達部材を前記温度検出部側へ付勢するバネ部材とを有し、
前記温度測定部は、前記温度センサとしてのシース熱電対と、前記シース熱電対が配置される断熱部材を有するベース部材とを有し、
前記接触させる工程は、前記熱伝達部材を、前記温度検出部の前記シース熱電対が配置された領域に前記バネ部材の付勢力に抗して押圧する、請求項１１に記載の温度測定方法。
【請求項１３】
前記ステージは、−２０℃以下の極低温に保持され、
前記温度検出用接触部は、前記ステージに連結された連結部材をさらに有し、前記熱伝達部材は、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記バネ部材の付勢力により前記連結部材に接触するヘッド部を有し、
前記接触させる工程の際に、前記熱伝達部材が前記温度検出部に押圧されて前記ヘッド部が前記連結部材から離隔する、請求項１２に記載の温度測定方法。
【請求項１４】
真空に保持される処理容器内で被処理基板を保持するステージと、
前記ステージの前記被処理基板の載置の妨げとならない位置に設けられた温度検出用接触部と、
温度センサを有し、前記処理容器の底部に設けられた温度検出部と、
前記ステージを回転させる回転機構と、
前記ステージを昇降させる昇降機構と、
を有し、
前記ステージを回転させて前記温度検出用接触部を前記温度検出部に対応させ、前記ステージが回転していない状態で、前記ステージを降下させることにより、前記温度検出用接触部と温度検出部とを接触させ、前記ステージの温度を測定する、ステージ装置。
【請求項１５】
前記温度検出用接触部は、温度測定の際に前記温度検出部に接触されて前記ステージの熱を前記温度検出部に伝達する熱伝達部材と、前記熱伝達部材を前記温度検出部側へ付勢するバネ部材とを有し、
前記温度測定部は、前記温度センサとしてのシース熱電対と、前記シース熱電対が配置される断熱部材を有するベース部材とを有し、
前記ステージの温度測定の際に、前記熱伝達部材は、前記温度検出部の前記シース熱電対が配置された領域に前記バネ部材の付勢力に抗して押圧される、請求項１４に記載のステージ装置。
【請求項１６】
前記ステージの裏面側に前記ステージと隙間を介して固定配置され、冷凍機により極低温に冷却される冷凍伝熱体と、
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、
をさらに有し、
前記温度検出用接触部は、前記ステージに連結された連結部材をさらに有し、
前記熱伝達部材は、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記連結部材に昇降可能に挿入され、前記バネ部材の付勢力により前記連結部材に接触するヘッド部を有し、
前記ヘッド部は、前記熱伝達部材が前記温度検出部に押圧された際には、前記連結部材から離隔する、請求項１５に記載のステージ装置。
【請求項１７】
前記ステージ、前記連結部材、および前記熱伝達部材は純銅で構成される、請求項１６に記載のステージ装置。
【請求項１８】
前記温度検出用接触部は、前記ステージと前記連結部材との間に設けられたインジウムシートをさらに有する、請求項１６に記載のステージ装置。
【請求項１９】
前記温度検出部は、前記断熱部材の前記シース熱電対が配置された領域の上に設けられた、少なくとも本体部が純銅からなる集熱板を有する、請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載のステージ装置。
【請求項２０】
前記温度検出部は、前記シース熱電対が配置された領域において、前記集熱板の下に、前記シース熱電対を覆うように設けられたインジウムシートをさらに有する、請求項１９に記載のステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、温度測定機構、温度測定方法、およびステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板等の基板の処理装置においては、基板を載置して回転する回転ステージが用いられることがある。このような回転ステージの温度を測定する技術として、特許文献１には、回転ステージに温度センサを埋め込み、該センサの出力を回転軸内を通して常温部に導き、回転周速が小さくなる軸中心近くに摺動部を設けて摺動により固定系へセンサ出力を伝達するようにしたものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１６４０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、回転するステージの温度を高精度で安定的に測定することができる温度測定機構、温度測定方法、およびステージ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る温度測定機構は、被処理基板が載置され、回転可能に設けられたステージの温度を測定する温度測定機構であって、前記ステージの前記被処理基板の載置の妨げとならない位置に設けられた温度検出用接触部と、温度センサを有し、温度測定時以外は前記温度検出用接触部と離隔した位置に設けられた温度測定部と、を有し、前記ステージの温度を測定する際に、前記ステージが回転していない状態で、前記温度検出用接触部と、前記温度検出部とを接触させる。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、回転するステージの温度を高精度で安定的に測定することができる温度測定機構、温度測定方法、およびステージ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態に係る温度測定機構を備えたステージ装置が適用される処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】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】温度測定機構において温度を測定する状態を模式的に示す断面図である。
【図４】温度測定機構における温度検出用接触部を示す断面図である。
【図５】図４の温度検出用接触部のＡ矢視による側面図である。
【図６】温度測定機構における温度検出部を示す断面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に対応する面による断面図である。
【図８】温度検出部の分解斜視図である。
【図９】温度検出部におけるシース熱電対の取り付け状態を示す平面図である。
【図１０】温度測定部におけるシース熱電対の状態を説明するための模式的断面図である。
【図１１】ステージが温度測定位置に位置されたときの温度検出用接触部と温度検出部との位置関係を示す図である。
【図１２】ステージが温度測定位置からさらに降下され、温度検出用接触部と温度検出部とが接触された状態を示す図である。
【図１３】ステージが図１２の状態からさらに降下され、温度検出用接触部と温度検出部とが実際に温度を測定する位置になった状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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、一実施形態に係る温度測定機構を備えたステージ装置が適用される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。
【０００９】
図１に示すように、処理装置１は、真空に保持可能な処理容器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。
【００１０】
処理容器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。処理容器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。処理容器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、処理容器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。
【００１１】
ターゲット３０は、処理容器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。処理容器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、処理容器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。
【００１２】
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とともにステージ５６を回転させながらステージ５６を介してウエハＷを極低温に冷却するものである。また、ステージ装置５０は、後述するように、ステージ５６を昇降する昇降機構７４とステージの温度を測定する温度測定機構９０を有している。
【００１３】
＜ステージ装置＞
次に、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、ステージ５６と、昇降機構７４と、温度測定機構９０とを有している。また、ステージ装置５０は、さらに、冷凍機５２と、冷凍伝熱体５４と、ステージ支持部５８と、シール回転機構６２と、駆動機構６８とを有している。
【００１４】
昇降機構７４は、ステージ５６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、ステージ温度を測定する温度測定位置との間で移動可能となっている。搬送位置は処理位置よりも低い位置に設定され、温度測定位置は、搬送位置よりも低い位置に設定される。また、昇降機構７４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。
【００１５】
温度測定機構９０は、ステージ５６のウエハＷの載置の妨げとならない部分に設けられた温度検出用接触部９１と、ステージ５６の下方に設けられた温度検出部９２とを有する。温度測定機構９０の詳細な構成は後述する。
【００１６】
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−２０℃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、−２３〜−２２３℃（２５０〜５０Ｋ）の範囲が好ましい。
【００１７】
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、処理容器１０内に配置されている。
【００１８】
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。
【００１９】
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、−２０℃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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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５６ｄ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５６ｄの形状および数と対応するように定められる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【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。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。
【００３１】
シール回転機構６２は、断熱部材６０の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。
【００３２】
回転部６２ａは、断熱部材６０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６０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６０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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
このような構成により、シール回転機構６２は、処理容器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。
【００３７】
外側固定部６２ｃの上面と処理容器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、処理容器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。
【００３８】
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に大きい略円筒形状を有する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
冷凍機５２のコールドヘッド部５２ａおよび冷凍伝熱体５４の下部を覆うように、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）をなす第１断熱構造体７０が設けられている。第１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の冷却に重要なコールドヘッド冷凍機５２および冷凍伝熱体５４の下部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。
【００４３】
また、冷凍伝熱体５４のほぼ全体を覆うように、かつ、第１断熱構造体７０の内側にオーバーラップするように、内部が真空にされた真空二重管構造の円筒状をなす第２断熱構造体７１が設けられている。第２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およびその近傍の断熱を強化することができる。
【００４４】
また、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。
【００４５】
ステージ支持部５８の本体部５８ａ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。
【００４６】
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。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。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ることにより、結露を防止することができる。
【００４７】
＜温度測定機構＞
次に、温度測定機構９０について詳細に説明する。
温度測定機構９０は、上述したように、測温対象であるステージ５６のウエハＷの載置面以外の部分、本例ではステージ５６の外周部に設けられた温度検出用接触部９１と、ステージ５６の下方に設けられた温度検出部９２とを有する。温度検出部９２は、温度センサを有し、温度測定時以外は温度検出用接触部９１と離隔した位置に設けられている。本例では温度検出部９２は処理容器１０の底部に取り付けられている。温度検出部９２が温度検出用接触部９１に接触することによりステージ５６の温度が測定可能となっている。温度検出用接触部９１は、昇降機構７４によるステージ５６の昇降により、温度検出部９２と接離可能となっている。そして、図３に示すように、ステージ５６を回転させて、温度検出用接触部９１と温度検出部９２とを対応させ、ステージ５６を温度測定位置に下降して、温度検出用接触部９１を温度測定部９２に接触させる。この状態でステージ５６の温度測定が行われる。
【００４８】
ステージ５６は、温度測定位置の上方の処理位置に上昇された状態で回転され、成膜処理が行われる。このとき、温度検出部９２は温度検出用接触部９１とは離間しているため、温度測定は行われない。
【００４９】
次に、温度検出用接触部９１について詳細に説明する。
図４は温度検出用接触部９１を示す断面図であり、図５は図４の温度検出用接触部９１のＡ矢視による側面図である。
【００５０】
温度検出用接触部９１は、ブラケット（連結部材）１０１と、インジウムシート１０２と、熱伝達部材１０３と、コイルスプリング（バネ部材）１０４と、板バネ１０５とを有する。
【００５１】
ブラケット１０１は、ステージ５６と同様の熱伝導性の高い材料、例えば純銅（Ｃｕ）からなり、ステージ５６の外周部下面にインジウムシート１０２を介してネジ１０７により連結されている。ブラケット１０１は、ステージ５６から下方に延びる垂直部１０１ａと、垂直部１０１ａの下端においてステージ５６に対して水平外側に延びる水平部１０１ｂとを有している。インジウムシート１０２は、やわらかく熱伝導率が高いため、ステージ５６からブラケット１０１への熱伝達性を良好にすることができ、温度測定誤差を極めて小さくすることができる。
【００５２】
熱伝達部材１０３は、ブラケット１０１を介して伝達されたステージ５６の冷熱を温度検出部９２に伝達するためのものであり、熱伝導性の高い材料、例えば純銅（Ｃｕ）からなる。熱伝達部材１０３は、ロッド状をなし、ブラケット１０１の水平部に設けられた孔１０１ｃに垂直に挿入される本体部１０３ａを有している。また、熱伝達部材１０３は、本体部１０３ａのブラケット１０１の水平部１０１ｂから上に延びる部分に取り付けられたヘッド部１０３ｂを有している。本体部１０３ａの下端部にはコイルスプリング１０４を係止する係止部１０３ｃが形成されている。熱伝達部材１０３の底面１０３ｄは温度検出部９２の上面を押圧する押圧面となっている。
【００５３】
コイルスプリング１０４は、ブラケット１０１の水平部１０１ｂの下面と熱伝達部材１０３の係止部１０３ａとの間に設けられ、熱伝達部材１０３を下方に付勢する。コイルスプリング１０４は、極低温での使用が可能な材料、例えばインコネルやエルジロイ等のニッケル系合金で形成されている。温度測定の際には、ステージ５６とともに熱伝達部材１０３が下降され、底面１０３ｄがコイルスプリング１０４の付勢力に抗して温度検出部９２に押圧される。
【００５４】
ヘッド部１０３ｂは、温度を測定していない状態では、コイルスプリング１０４の付勢力により、その下面がブラケット１０１の水平部１０１ｂに接触している。このため、ステージ５６の熱が、インジウムシート１０２、ブラケット１０１を介して熱伝達部材１０３に伝熱される。なお、ヘッド部１０３ｂは本体部１０３ａと一体に形成されていてもよい。
【００５５】
なお、極低温においてより正確な温度を測定する観点から、ステージ５６、ブラケット１０１、および熱伝達部材１０３は、全て極低温での熱伝導性が極めて良好な純銅（Ｃｕ）で構成されることが好ましい。
【００５６】
一方、温度測定の際には、ステージ５６とともに熱伝達部材１０３が下降されて熱伝達部材１０３の底面１０３ｄがコイルスプリング１０４の付勢力に抗して温度検出部９２に押圧される。この際には、ヘッド部１０３ｂとブラケット１０１の水平部１０１ｂとは離隔される。
【００５７】
板バネ１０５は、ネジ１０８によりヘッド部１０３ｂの上端部およびブラケット１０１の水平部１０１ｂの下端部に固定されており、熱伝達部材１０３の回り止めの機能を有している。
【００５８】
次に、温度検出部９２について説明する。
図６は温度検出部９２を示す斜視図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に対応する面による断面図、図８は温度検出部９２の分解斜視図、図９は温度検出部９２におけるシース熱電対１２５の取り付け状態を示す平面図である。
【００５９】
温度検出部９２は、アルミニウム等の金属部材１２１と、その上に設けられた、例えばＰＴＦＥ等の樹脂材料からなる樹脂部材１２２とからなるベース部材１２０と、温度センサであるシース熱電対１２５とを有している。樹脂部材１２２は断熱部材として機能し、シース熱電対１２５は樹脂部材の上面に配置される。金属部材１２１は、ネジ１２８により処理容器１０の底部に固定される。ベース部材１２０は樹脂部材のみであってもよい。また、温度検出部９２は、集熱板１２３と、インジウムシート１２４とをさらに有している。
【００６０】
インジウムシート１２４は、樹脂部材１２２のシース熱電対１２５が配置された領域の上面に、シース熱電対１２５を覆うように配置される。インジウムシート１２４は、厚さが例えば０．３ｍｍと薄板状であり、熱応答性を向上させる機能を有する。
【００６１】
集熱板１２３は、シース熱電対１２５が配置された領域においてインジウムシート１２４の上面に配置される。集熱板１２３は、熱伝導性の良好な材料で構成され、例えば少なくとも本体部が純銅（Ｃｕ）からなる。集熱板１２３をＣｕで構成することにより、極低温域で高熱伝導性が得られ、また、薄板状とすることにより、熱容量を低くすることができる。また、集熱板１２３を設けることにより、シース熱電対１２５による温度測定の際の変動を抑制することができる。集熱板１２３は、厚さが例えば０．１ｍｍと薄板状である。集熱板１２３は、腐食を防止する観点から、純銅（Ｃｕ）からなる本体部に、耐食性皮膜、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきを５μｍ程度の厚さで施したものであってもよい。この際、温度測定の応答性の観点から、シース熱電対１２５の接触部にはめっきを施さず、純銅を露出させてもよい。
【００６２】
温度測定に際しては、シース熱電対１２５が配置された領域に、温度検出用接触部９１の熱伝達部材１０３（底面１０３ｄ）が押圧され、温度測定が行われる。
【００６３】
集熱板１２３の両端の上面には集熱板１２３を保持する保持部材１２６が配置され、保持部材１２６および樹脂部材１２２は、これらを貫通するネジ１２７により金属部材１２１にネジ止めされている。ネジ１２７によるネジ止めにより、保持部材１２６により集熱板１２３およびインジウムシート１２４が押圧される。これにより、図１０に示すように、シース熱電対１２５がやわらかく熱伝導率が高いインジウムシート１２４に埋まった状態となり、シース熱電対１２５による温度検出を高精度で行うことができる。
【００６４】
金属部材１２１の下部には溝部１２１ａが設けられ、またその中央部には上下に貫通する円筒状の空洞部１２１ｂが設けられている。また、樹脂部材１２２にも上下に貫通する空洞部１２２ａが設けられている。このため、樹脂部材１２２により処理容器１０からの熱を断熱することに加えて、溝部１２１ａ、空洞部１２１ｂ、１２２ａにより真空断熱されることにより、熱容量を低下させることができる。
【００６５】
シース熱電対１２５は、熱電対、例えばｋ型熱電対（アルメルクロメル）を断熱材を介して金属チューブで覆った構造を有している。シース熱電対１２５は、応答性を良好にして測温時間を短縮する観点から細いほうが有利であり、例えば、０．３〜１．０ｍｍφのものが好ましい。シース熱電対１２５の配線１２５ａは、処理容器１０の外部の計測部から延び、導入ポートを介して処理容器１０に挿入され、処理容器の底部を複数の断熱チューブにガイドされて温度測定部９２まで引き回される。断熱チューブにガイドされることにより、熱影響を極力少なくすることができる。導入ポートにはハーメチックシール等が用いられる。
【００６６】
また、温度検出部９２は、さらに、金属部材１２１にネジ１３０により取り付けられた配線中継パネル１２９を有している。配線中継パネル１２９は、シース熱電対１２５の配線１２５ａを中継するものであり、配線１２５ａは配線中継パネル１２９を介して樹脂部材１２２の上面に至り、熱電対１２５に接続される。
【００６７】
＜処理装置の動作および温度測定機構による温度測定方法＞
処理装置１においては、処理容器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。これにより、極低温に保持された冷凍機５２から冷凍伝熱体に伝熱された冷熱は、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、回転可能に設けられたステージ５６が−２０℃以下の極低温に保持される。
【００６８】
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を処理容器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。そして、ウエハＷの裏面には第２冷却ガスが供給され、ウエハＷもステージ５６と同様、−２０℃以下の極低温に保持される。
【００６９】
その後、ステージ５６を処理位置に上昇させて、極低温に保持されたステージ５６を回転させながら成膜処理を行うのであるが、本実施形態では、成膜処理に先立って、ステージ５６を回転させる前にステージ５６の温度を測定する。
【００７０】
ステージ５６の温度を測定する際には、昇降機構７４により、ステージ５６を搬送位置よりも低い温度測定位置に位置させる。この状態では、ステージ５６は、温度検出用接触部９１の高さ位置と温度検出部９２の高さ位置は数ｍｍ程度離隔しており、図１１に示すように、この状態でステージ５６を回転させて温度検出用接触部９１の位置を温度検出部９２の位置に合わせる。
【００７１】
温度検出用接触部９１と温度検出部９２の位置合わせ終了後、ステージ５６を温度測定位置から数ｍｍ下降させて、図１２に示すように、温度検出用接触部９１の下端、すなわち熱伝達部材１０３の底面１０３ｄを、温度検出部９２の上面（すなわち集熱板１２３）に接触させる。そして、ステージ５６をさらに数ｍｍ下降させることにより、図１３に示すように、熱伝達部材１０３の底面１０３ｄが温度検出部９２の上面（すなわち集熱板１２３）を押圧する。この状態で、到達温度にもよるが、１〜３０ｓｅｃ程度保持（検出時間）することにより、シース熱電対１２５によりステージ５６の温度測定がなされる。このときの検出時間はシース熱電対１２５の応答性（感度）に依存し、シース熱電対１２５の径が小さいほど応答性（感度）が高くなり検出時間を短くすることができる。シース熱電対１２５の径が０．３ｍｍφでは２ｓｅｃ程度保持すればほぼ正確に温度を検出することができる。
【００７２】
従来、回転するステージの温度測定は、特許文献１のようにステージを回転している状態で、摺動する部材を介して温度を測定していた。しかし、このような温度測定では、摺動する部材を介するため測定誤差が大きくなり、また、摺動する部材の摩耗等により安定した温度測定が困難である。
【００７３】
これに対して、本実施形態では、温度検出部９２をステージ５６とは別個に設け、ステージ５６を回転させていないときに、ステージ５６に設けられた温度検出用接触部９１を温度検出部９２に接触させて温度測定を行うようにした。これにより、摺動する部材を介さずに温度測定を行うため、温度誤差や温度測定の不安定さを生じることなく、安定して高精度で温度測定を行うことができる。また、ステージ５６の昇降により、ステージ５６が回転していない任意のタイミングでステージ５６の温度を測定することができ、ステージ５６を回転させる成膜処理の直前に測定すれば、ほぼステージが回転しているときの温度を検出することができる。
【００７４】
また、従来のように摺動部を介して温度測定部がステージと接触している場合には、本実施形態のような極低温のステージの温度測定においては、温度測定部からの入熱により、ステージを極低温に保持すること自体が困難になってしまう場合がある。
【００７５】
これに対して、本実施形態では、温度検出用接触部９１と温度検出部９２とは温度測定の際のみ接触するので、本質的にステージ５６への入熱は少ない。また、温度測定中にも、ステージ５６への入熱を極めて有効に防止しつつ、極めて高精度で温度測定することができる。
【００７６】
この点について以下に詳細に説明する。
温度検出用接触部９１は、主要な構成要素であるブラケット１０１、熱伝達部材１０３がステージ５６と同様、熱伝導性が良好な材料、例えば純銅（Ｃｕ）で構成されている。また、ステージ５６とブラケット１０１との間には、熱伝導性が良好で軟らかいインジウムシート１０２が設けられている。このため、図１１の状態において、ステージ５６からブラケット１０１の間の熱伝導性が良好に維持され、また、ヘッド部１０３ｂの存在により、熱伝達部材１０３にはブラケット１０１を介してステージ５６からの冷熱が十分に伝達される。特に純銅（Ｃｕ）の場合は、極低温における熱伝導性が極めて高く、熱伝達部材１０３への熱伝達性が極めて高い。したがって、温度検出部９２に接触する熱伝達部材１０３の温度検出部９２に接触する熱伝達部材１０３の底面１０３ｄの温度は、ほぼステージ５６の温度と同じである。一方、温度測定の際に熱伝達部材１０３の底面１０３ｄが温度検出部９２に接触し、熱伝達部材１０３が温度検出部９２を押圧した際には、図１３に示すように、ヘッド部１０３ｂが上昇するため、温度検出部９２からの熱がヘッド部１０３ｂとブラケット１０１との間で遮断される。遮断された直後は、熱伝達部材１０３はほぼステージ５６と同じ温度に保持されているため、高精度の温度測定を行うことができるとともに、温度検出部９２からステージ５６への熱が遮断されてステージ５６への熱影響はほとんどない。
【００７７】
また、温度検出部９２は、処理容器１０の底部に固定されるが、温度検出用のシース熱電対１２５は断熱効果の高い樹脂部材１２２の上に保持される。また、金属部材１２１および樹脂部材１２２には、空洞部等の空間が設けられて真空断熱される。このため、熱容量を少なくすることができ、シース熱電対１２５に対する熱影響を少なくすることができる。さらに、シース熱電対１２５の上にインジウムシート１２４を介して純銅（Ｃｕ）等からなる集熱板１２３を配置し、シース熱電対１２５がインジウムシート１２４に埋まった状態とする。これにより、温度検出用接触部９１の熱伝達部材１０３と集熱板１２３とが接触して温度測定を行う際に、シース熱電対１２５による温度検出を高精度で行うことができる。
【００７８】
ステージ５６の温度測定の後、昇降機構７４によりステージ５６を処理位置に移動（上昇）させるとともに、処理容器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。
【００７９】
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−２０℃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。
【００８０】
このようにウエハＷを回転させた状態で、処理容器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。
【００８１】
なお、温度測定機構９０による温度測定のタイミングは、上述した成膜処理を行う直前のタイミングに限らず、ステージ５６が停止している限り任意のタイミングで測定することができる。例えばウエハＷが載置される前のステージ５６の温度を測定することもできるし、成膜処理直後のステージの温度を測定することもできる。
【００８２】
＜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。
【００８３】
例えば、上記実施形態では、ステージ５６を極低温（−２０℃以下）に保持し、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、ステージを回転させながら処理するものであれば、ステージの温度や処理の内容はこれに限るものではない。
【００８４】
また、上記実施形態では、ステージとともに温度検出用接触部を昇降させて温度検出部と接離させる例を示したが、温度検出部を昇降させるようにしてもよい。温度検出用接触部の位置も上記実施形態の位置に限らず、ステージ上へのウエハの載置の妨げにならない位置であればよい。
【００８５】
さらに、上記実施形態では、温度測定機構として温度検出用接触部と温度検出部とを一つずつ設けたものを示したが、これに限らず、これらを複数設けてもよい。これらを複数設けることにより、ステージの複数の箇所の温度を測定することができ、ステージの温度分布を把握することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１；処理装置
１０；処理容器
３０；ターゲット
５０；ステージ装置
５２；冷凍機
５４；冷凍伝熱体
５６；ステージ
７４；昇降機構
９０；温度測定機構
９１；温度検出用接触部
９２；温度検出部
１０１；ブラケット
１０２；インジウムシート
１０３；熱伝達部材
１０４；コイルスプリング
１２０；ベース部材
１２２；樹脂部材
１２３；集熱板
１２４；インジウムシート
１２５；シース熱電対
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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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