(57)【要約】【課題】真空チャンバ内で対象物を直接に温度制御でき、熱効率が高く、かつ小型で簡易的な温度制御装置、およびこの温度制御装置を備えた真空処理装置を提供する。【解決手段】この温度制御装置は、真空チャンバ１１内に設置されかつ対象物を配置する伝熱ステージ１２の温度を制御するための温度制御装置であって、ピストン機構部１３Ａと冷凍機冷却部１３Ｂを有し、冷凍機冷却部を伝熱ステージに直接に接触させるように当該冷凍機冷却部が真空チャンバの内部に配置されるようにされた冷凍機１３と、冷凍機の冷却運転動作を制御する制御部１７とを備えるように構成される。また真空処理装置１０はこの温度制御装置を備えるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に設置されかつ対象物を配置する伝熱ステージの温度を制御するための温度制御装置であって、
ピストン機構部と冷却部を有し、前記冷却部を前記伝熱ステージに直接に接触させるように前記冷却部が前記真空チャンバの内部に配置されるようにされた冷凍機と、
前記冷凍機の冷却運転動作を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
前記伝熱ステージに付設された温度センサを備え、
前記制御手段は、前記温度センサで検出される前記伝熱ステージの温度に基づいて、前記冷凍機の最大冷凍能力に対して前記冷凍機の冷却運転動作を段階的に制御し、前記伝熱ステージを段階的に冷却することを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
【請求項３】
前記冷凍機はスターリング冷凍機であり、前記ピストン機構部は前記真空チャンバの外側に配置されるように前記真空チャンバに固定されることを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
【請求項４】
前記冷凍機の前記冷却部の先端部が前記伝熱ステージの一面に直接に接触し、
前記冷却部の前記先端部の周囲であって前記伝熱ステージの前記一面に接触してヒータが配置され、前記制御手段は前記ヒータの加熱動作を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度制御装置。
【請求項５】
内部に伝熱ステージを備える真空チャンバと、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度制御装置とを備え、
前記温度制御装置の冷凍機を前記真空チャンバに直接に取り付けるようにしたことを特徴とする真空処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空処理装置の真空チャンバ内に配置された被冷凍物の温度制御に好適な温度制御装置、およびこの温度制御装置を備える真空処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置の技術分野では、現在、様々な製造プロセスにおいて真空チャンバ内で対象物を温度制御することが行われている。従来、真空チャンバ内において対象物を温度制御するためには、例えば、対象物と接触するように真空チャンバ内に設けられた伝熱ステージのステージ温度を上げたりまたは下げたりするように制御することで行われていた。伝熱ステージのステージ温度を上げるときには、伝熱ステージに付設されたヒータと温度センサを利用し、温度センサでステージ温度の状態を感知しながらヒータへの給電量を制御して伝熱ステージを加熱する。伝熱ステージのステージ温度を下げるときには、同じく温度センサでステージ温度の状態を感知しながら、外部で常時稼動している冷凍機により冷却された液体伝熱媒体を供給用導管で伝熱ステージまで移送し、この液体伝熱媒体の流量を制御することによって伝熱ステージを冷却する。伝熱ステージの冷却の制御は、液体伝熱媒体を用いるという意味で、間接的な構成を有していた。
【０００３】
図４を参照して従来の冷却用の温度制御機構の構成例を具体的に説明する。真空チャンバ１０１の内部には伝熱ステージ１０２が設置されている。図示例では、便宜上、伝熱ステージ１０２の下面が対象物を搭載するステージ面となっている。この伝熱ステージ１０２には、その上面側にヒータ１０３と温度センサ１０４と液体伝熱媒体導管１０５が設けられている。ヒータ１０３は、伝熱ステージ１０２の図中上側にて、例えば、伝熱ステージ１０２の表面に接触した状態で配置されており、リング形状を有している。ヒータ１０３には制御電源１０６からヒータ制御線１０７を経由して加熱用電気が供給され、ヒータ１０３で加熱作用が生じる。温度センサ１０４も、伝熱ステージ１０２の上側の例えば周縁部に取り付けられ、検出された伝熱ステージ１０２の温度は電気信号として信号線１０８を介して制御電源１０６に入力される。ヒータ制御線１０７と信号線１０８のそれぞれは、真空チャンバ１０１の壁部を貫通する場所では絶縁部が設けられている。制御電源１０６は、温度センサ１０４で検出される伝熱ステージ１０２の温度状態を考慮してヒータ１０３に供給される電流量を調整し、伝熱ステージ１０２を所望の温度に加熱する。
【０００４】
また上記の液体伝熱媒体導管１０５は、金属製であり、ヒータ１０３の内側のスペースで多重に巻回された形態にて伝熱ステージ１０２の表面に接触した状態で配置されている。なお液体伝熱媒体導管１０５を伝熱ステージ１０２の内部に設けることもできる。
【０００５】
真空チャンバ１０１の外側には、真空チャンバ１０１に対して空間的に距離をあけて冷凍機１０９が設置されている。冷凍機１０９のタイプは任意である。１０９Ａはロッド状の冷凍機冷却部である。冷凍機１０９は冷凍機運転制御線１１０を介して制御電源１０６によって常時運転されている状態にある。所望の温度に冷却された状態にある冷凍機冷却部１０９Ａの先端部には、上記の液体伝熱媒体導管１０５が巻回されている。液体伝熱媒体導管１０５は、冷凍機冷却部１０９Ａの先端部の巻回部と、真空チャンバ１０１内の伝熱ステージ１０２の上面の巻回部との間で、循環するように延設して配置されている。また液体伝熱媒体導管１０５は、真空チャンバ１０１と冷凍機１０９の間の外部空間では断熱部材１１１で覆われ、その内部を挿通するように配置されている。これによって液体伝熱媒体導管１０５は断熱され、外部から熱が加わらないようにしている。また真空チャンバ１０１の上壁部には開口が形成され、当該開口はＯリング１１２を備えた蓋部材１１３で塞がれている。液体伝熱媒体導管１０５は蓋部材１１３を貫通して真空チャンバ１０１内に差し入れられる。こうして冷凍機１０９により冷却された液体伝熱媒体は、比較的に長い流路を形成する液体伝熱媒体導管１０５内を循環し、これにより伝熱ステージ１０２が冷却される。この場合にも、冷却される伝熱ステージ１０２の温度状態は温度センサ１０４で検出され、信号線１０８を介して制御電源１０６に入力される。制御電源１０６は、検出された伝熱ステージ１０２の温度状態を監視しつつ冷凍機運転制御線１１０を介して冷凍機１０９の運転制御を行う。これにより伝熱ステージ１０２を所望の温度に冷却する。
【０００６】
また、関連する従来技術として特許文献１に記載された低温温度コントロールシステムが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１６３０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４で説明した従来の温度制御機構では、液体伝熱媒体導管１０５内を循環させることによる液体伝熱媒体の移送中に熱損失が大きいこと、液体伝熱媒体を冷却するために冷凍機１０９を常時運転すること等に基づき、熱効率が低いという問題が提起されていた。また伝熱ステージ１０２で高温の対象物を冷却する際には、高温に温められた液体伝熱媒体が冷凍機１０９へ過剰な熱負荷を与えてしまうので、これを防止するために、高温の液体伝熱媒体が冷凍機冷却部１０９の巻回部に流入することを制限する必要があった。そのため、液体伝熱媒体が冷却されるまでに長い時間を要し、結果として対象物が目標温度到達するまでの制御時間が長くかかるという問題が提起された。この問題は、水冷機構などの冷凍機１０９以外の冷却機構を組み合せることにより、冷凍機１０９以外の冷却機構を用いて液体伝熱媒体の温度を一定の温度まで早く冷却し、さらにその後冷凍機１０９を使用して必要な温度まで冷却することにより、温度制御時間を短縮することは可能である。しかし、このような構成を採用すると、機構の全体が複雑となり、大掛かりなものになっていた。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、真空チャンバ内で対象物を直接的に温度制御することができ、熱効率が高く、かつ小型で簡易的な温度制御装置およびこの温度制御装置を備えた真空処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る温度制御装置および真空処理装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１１】
第１の温度制御装置（請求項１に対応）は、真空チャンバ内に設置されかつ対象物を配置する伝熱ステージの温度を制御するための温度制御装置であって、ピストン機構部と冷却部を有し、冷却部を伝熱ステージに直接に接触させるように当該冷却部が真空チャンバの内部に配置されるようにされた冷凍機と、この冷凍機の冷却運転動作を制御する制御手段とを備えるように構成されている。
【００１２】
上記の温度制御装置では、冷凍機を真空チャンバに取り付けその冷却部を直接に伝熱ステージに接触するように設けることで熱効率を高めることが可能となる。
【００１３】
第２の温度制御装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、伝熱ステージに付設された温度センサを備え、制御手段は、温度センサで検出される伝熱ステージの温度に基づいて、冷凍機の最大冷凍能力に対して冷凍機の冷却運転動作を段階的に制御し、伝熱ステージを段階的に冷却することを特徴とする。
【００１４】
第３の温度制御装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、冷凍機はスターリング冷凍機であり、ピストン機構部は真空チャンバの外側に配置されるように真空チャンバに固定されることを特徴とする。
【００１５】
第４の温度制御装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、冷凍機の冷却部の先端部が伝熱ステージの一面に直接に接触し、冷却部の先端部の周囲であって伝熱ステージの一面に接触してヒータが配置され、制御手段はヒータの加熱動作を制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る真空処理装置（請求項５に対応）は、内部に伝熱ステージを備える真空チャンバと、上記のいずれかの温度制御装置とを備え、温度制御装置の冷凍機を真空チャンバに直接に取り付けるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば次の効果を奏する。
本発明に係る温度制御装置によれば、冷凍機を真空チャンバに取り付けかつその冷却部を直接に伝熱ステージに接触するように設けるようにしたため、真空チャンバ内で処理対象物を直接的に温度制御することができ、熱効率を高くすることができ、かつ間接的な部分である構造が不要であるため小型で簡易な構成で製作することができる。
さらにヒータとの組合せに基づいて、加熱と冷却の繰り返しの制御性が良好であるという効果も発揮される。
また本発明に係る真空処理装置では、温度制御装置として上記の温度制御装置を備えるため、処理対象物の温度の制御の精度が高くなり、対象物の処理性能が向上し、かつ真空処理装置を全体としてコンパクトにかつ小型に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る温度制御装置および真空処理装置の代表的な実施形態を示す構成図である。
【図２】温度制御装置による制御内容を示すフローチャートである。
【図３】温度制御装置の制御に基づく加熱・冷却出力の制御量の変化特性を示すグラフである。
【図４】従来の温度制御装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１〜図３を参照して、本発明に係る温度制御装置と真空処理装置の実施形態を説明する。図１は装置構成図である。図１では、真空処理装置１０の真空チャンバ１１は詳細には示さず、破線によって概念的に示している。このことは、半導体製造装置等に基板等（処理対象物）のように、当該基板等を搭載できる伝熱ステージを有し、真空環境において成膜等の任意のプロセスを行える真空チャンバであれば任意のものであってもよいことを意味している。
【００２１】
図１において真空チャンバ１１の内部において処理対象物を搭載する伝熱ステージ１２が設置されている。伝熱ステージ１２の固定部は任意であり、図１ではその図示が省略されている。真空チャンバ１１には、通常、内部空間を所要の減圧レベルに排気する排気装置、基板等の処理対象物に対して成膜等の処理を施すための反応ガス導入装置、処理対象物を搬入・搬出する搬送機構、処理対象物を伝熱ステージ１２（基板ホルダ等）の搭載面に固定する固定装置等が設けられているが、これの装置等の図示は説明の便宜上省略されている。
【００２２】
伝熱ステージ１２の上面が処理対象物が配置される搭載面である。伝熱ステージ１２は通常的には基板ホルダ等の一部として構成される。伝熱ステージ１２は、その上面に搭載された処理対象物に対して効率的に熱を伝えるため、熱伝導性の高い材質で作られている。伝熱ステージ１２の下側の背面の箇所に冷凍機１３とヒータ１４と温度センサ１５が設けられている。
【００２３】
冷凍機１３は代表的に例えばスターリング冷凍機である。この冷凍機１３は、筒状円柱体のピストン機構部１３Ａと、ロッド状の冷凍機冷却部１３Ｂとを備えている。冷凍機冷却部１３Ｂは、筒状のピストン機構部１３Ａの一端面から突き出ており、所要の長さを有している。ピストン機構部１３Ａでは、筒部の内部をピストンが周期的に動作する構造を有し、ピストンの周期的な移動動作に基づくその断熱圧縮膨張作用によって冷凍機１３の冷却作用を生じる。冷凍機１３では冷凍機冷却部１３Ｂが最も冷却される。
【００２４】
上記の冷凍機１３は、ピストン機構部１３Ａが真空チャンバ１１の外側（大気側）に配置され、かつ冷凍機冷却部１３Ｂが真空チャンバ１１の内側（真空内部側）に配置されるようにして、真空チャンバ１１に直接に取り付けられる。ピストン機構部１３Ａにおける冷凍機冷却部１３Ｂが設けられた側の端面が真空チャンバ１１の容器外壁面に固定される。図１では固定具の図示は省略されている。この冷凍機１３の取付け状態において、冷凍機１３のロッド状の冷凍機冷却部１３Ｂは真空チャンバ１１の内部に延設され、その先端部が伝熱ステージ１２の下面のほぼ中央部に直接に接触するように配置されている。このため、伝熱ステージ１２が冷凍機１３の冷凍機冷却部１３Ｂによって冷却されるとき、伝熱媒体を用いることなく、当該冷凍機冷却部１３Ｂによって直接に冷却される。
【００２５】
ヒータ１４は例えばリング形状であり、上記の冷凍機冷却部１３Ｂの周囲に配置されかつ伝熱ステージ１２の下面に接触するように設けられている。また温度センサ１５は伝熱ステージ１２の下面の周縁部に取り付けられている。
【００２６】
冷凍機１３の冷却運転動作は冷凍機制御線１６を介して制御部１７により制御される。またヒータ１４の加熱動作はヒータ制御線１８を介して制御部１７により制御される。また温度センサ１５で検出された伝熱ステージ１２の温度に係る信号は信号線１９を経由して制御部１７に入力される。制御部１７は、マイクロコンピュータで構成され、そのメモリに、冷凍機１３の冷却運転動作およびヒータ１４の加熱動作のそれぞれを所定の手順で制御する制御プログラムが備えられている。また制御部１７は電源１７Ａを内蔵し、冷凍機１３への給電量、ヒータ１４への給電量を適切に調整し、それぞれの動作を制御する。
【００２７】
次に、図２および図３を参照して、図１に示した構成を有する温度制御装置を有する真空処理装置での温度制御の内容を説明する。図２は主に冷凍機１３の冷却運転動作（出力制御）の制御内容のフローチャートを示し、図３は冷凍機１３等の出力制御特性の例を示す。図３のグラフにおいて、横軸は時間（min：分）を意味し、左縦軸は温度（℃）を意味し、右縦軸は出力（％）を意味している。
【００２８】
図３における出力制御特性を示すグラフにおいて、２１は制御目標となる伝熱ステージ１２の設定温度（℃）の変化特性であり、そのうち上側の特定領域２１Ａはヒータ１４による加熱目標の設定温度１００℃であり、下側の特性領域２１Ｂは冷凍機１３による冷却目標の設定温度−１００℃である。２２は伝熱ステージ１２の実際のステージ温度（℃）の変化特性である。ステージ温度特性２２は設定温度特性２１に追従して変化する。２３はヒータ１４による加熱制御量（％）の変化特性であり、２４は冷凍機１３による冷却制御量（％）の変化特性である。ヒータ１４が変化特性２３に従って制御され、冷凍機１３が変化特性２４に従って制御され、かつこれらの加熱と冷却が交互に行われることにより、伝熱ステージ１２の温度を、そのステージ温度特性２２が設定温度特性２１に追従するように制御する。
【００２９】
なお図３において、冷凍機高温運転時を示す点線楕円２５（冷凍機高温運転時の領域）の中に示されるように、冷却制御量の変化特性２４に関して複数段階に高めることにより、伝熱ステージ１２の温度を下げている状態を確認することができる。
【００３０】
次に図２のフローチャートを参照して冷凍機１３の冷却運転動作とヒータ１４の加熱動作の各出力制御について説明する。
【００３１】
ステップＳ１１では処理対象物の設定温度（目標温度）を決定する。次に温度センサ１５の検出信号に基づき伝熱ステージ１２の現在温度と設定温度とが等しいか否かが判断される（ステップＳ１２）。判断ステップＳ１２でＹＥＳであるときには、ステップＳ２７に移行し、制御を完了する。判断ステップＳ１２でＮＯであるときには、次の判断ステップＳ１３で現在温度が設定温度よりも大きいか否かが判断される。判断ステップＳ１３でＹＥＳであるときには、冷凍機１３の冷却運転動作の制御に関するステップＳ１４〜Ｓ２３が実行される。判断ステップＳ１３でＮＯであるときには、ヒータ１４の加熱動作の制御に関するステップＳ２４〜Ｓ２６が実行される。
【００３２】
判断ステップＳ１３で冷凍機１３が選択された場合、冷凍機１３の冷却運転動作の制御内容は次の通りである。
ステップＳ１４：
冷却運転を行うための冷却運転の条件が用意・設定される。
ステップＳ１５：
冷凍機１３の冷却運転動作のために冷凍機１３を起動する。
ステップＳ１６：
ヒータ１４への給電を停止し、ヒータ１４の加熱動作を停止する。
ステップＳ１７：
温度センサ１５で検出された上記の現在温度が過負荷温度１よりも大きいか否かを判断する。ここで、過負荷温度１は、冷凍機１３の冷凍機冷却部１３Ｂが接触する伝熱ステージ１２の熱負荷状態として設定された温度であり、冷凍機冷却部１３Ｂと伝熱ステージ１２の温度差が大きな場合の第１の熱負荷状態に係る温度である。判断ステップＳ１７でＹＥＳのときには下記のステップＳ１８（例えば３０％出力運転）を実行して、判断ステップＳ１２に戻る。また判断ステップＳ１７でＮＯであるときには、次の判断ステップＳ１９に移行する。
ステップＳ１８：
冷凍機１３の冷却運転動作を例えば３０％出力運転で制御する。
ステップＳ１９：
上記の現在温度が過負荷温度２よりも大きいか否かを判断する。ここで、過負荷温度２は、冷凍機１３の冷凍機冷却部１３Ｂが接触する伝熱ステージ１２の熱負荷状態として設定された温度であり、冷凍機冷却部１３Ｂと伝熱ステージ１２の温度差が次に大きい場合の第２の熱負荷状態に係る温度である。判断ステップＳ１９でＹＥＳのときには下記のステップＳ２０（例えば５０％出力運転）を実行して、判断ステップＳ１２に戻る。また判断ステップＳ１９でＮＯであるときには、次の判断ステップＳ２１に移行する。
ステップＳ２０：
冷凍機１３の冷却運転動作を例えば５０％出力運転で制御する。
ステップＳ２１：
上記の現在温度が過負荷温度３よりも大きいか否かを判断する。ここで、過負荷温度３は、冷凍機１３の冷凍機冷却部１３Ｂが接触する伝熱ステージ１２の熱負荷状態として設定された温度であり、冷凍機冷却部１３Ｂと伝熱ステージ１２の温度差が小さい場合の第３の熱負荷状態に係る温度である。判断ステップＳ２１でＹＥＳのときには下記のステップＳ２２（例えば８０％出力運転）を実行して、判断ステップＳ１２に戻る。また判断ステップＳ２１でＮＯであるときには、次の判断ステップＳ２３に移行する。
ステップＳ２２：
冷凍機１３の冷却運転動作を例えば８０％出力運転で制御する。
ステップＳ２３：
冷凍機１３の冷却運転動作を例えば１００％出力運転で制御する。その後ステップＳ１２に戻る。
【００３３】
上記における冷凍機１３の冷凍機冷却部１３Ｂに対する過大な熱負荷状態について説明する。冷凍機１３の方式や設計事項（例えばピストンの重量や容積等）、または安定稼動や耐久性等を考慮することで決まるいくつかの「過負荷温度」（例えば過負荷温度１，２，３）を予め設定しておく。この過負荷温度は冷却の設定温度（目標温度）とは異なるものである。なお上記の過負荷温度１，２，３の各温度の例は例えば３０℃、−１０℃、−５０℃である。このように設定した「過負荷温度」に対して冷凍機冷却部１３Ｂの現在温度を比較判断することにより、上記のステップＳ１７〜Ｓ２３のように冷凍機１３の出力を最適に段階的に絞る制御を行うようにしている。こうして、検知した伝熱ステージ１２の現在温度に合わせて、冷凍機１３の出力を段階的に制御することで冷凍機１３を過大な熱負荷より保護している。図３において点線楕円２５で示した部分の冷却制御量の段階的な変化特性２４が上記の制御の内容を示している。制御部１７に基づく冷凍機１３の冷却運転動作の制御では、冷凍機冷却部１３Ｂが高温であっても継続運転および断続運転を行うことが可能である。
【００３４】
次に、判断ステップＳ１３でヒータ１４が選択された場合、ヒータ１４の加熱動作の制御内容は次の通りである。
ステップＳ２４：
加熱動作を行うための加熱の条件が用意・設定される。
ステップＳ２５：
ヒータ１４の加熱動作のためにヒータ１４に給電する。
ステップＳ２６：
冷凍機２６への給電を停止し、冷凍機２６の冷却運転動作を停止する。その後判断ステップＳ１２に戻る。
【００３５】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る温度制御装置等は、真空処理装置における冷凍機とヒータを備えた温度制装置として利用され、特に冷凍機冷却部を直接に伝熱ステージに接触させて冷却運転動作を行うことにより高い熱効率で冷却することに利用される。
【符号の説明】
【００３７】
１０          真空処理装置
１１          真空チャンバ
１２          伝熱ステージ
１３          冷凍機
１３Ａ        ピストン機構部
１３Ｂ        冷凍機冷却部
１４          ヒータ
１５          温度センサ
１７          制御部
１７Ａ        電源
【図１】
2011134992.tif 000003
【図２】
2011134992.tif 000004
【図３】
2011134992.tif 000005
【図４】
2011134992.tif 000006