CN109314078B - 保持装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种在真空腔内一边将被处理物冷却到极低温一边将其可旋转自如地保持的保持装置。在真空腔(Vc)内一边冷却被处理物W一边旋转自如地保持的保持装置HS具有设置被处理物的平台(1)和旋转自如地支撑平台的旋转驱动装置(2)及冷却平台的冷却装置(3)。设置被处理物的平台表面朝上，旋转驱动装置具有在真空腔的腔壁壁表面上通过真空密封件(22)贯穿安装的筒状旋转轴体(21)和用以在平台下方划分出空间(24)连接旋转轴体的上端和平台下表面的连接部件(23)及旋转驱动旋转轴体的驱动马达(25)，冷却装置具有在平台下方的空间有缝隙并相对于平台的下表面设置的冷却面板(31)和插入到旋转轴体内并与冷却面板的下表面抵接的传热轴体及冷却传热轴体的冷冻机(33)。

Description

保持装置
技术领域
本发明涉及一种在真空环境下的真空腔内一边冷却被处理物一边旋转自如地保持的保持装置。
背景技术
迄今为止，已知在真空环境下的真空腔内对硅晶片或玻璃衬底等被处理物进行成膜处理或蚀刻处理等的各种处理时，在通过静电卡盘静电吸附被处理物的状态下进行处理的方式。在此，已知当对被处理物进行处理时，有时在将被处理物维持在规定温度的状态下进行或将被处理物保持在低于室温的规定温度的状态下进行。因此，在处理过程中，在构成静电卡盘的卡板支撑用机架上设置水管，通过冷却水循环装置在该水管中循环冷却水以冷却机架、卡板进而冷却被处理物(例如参考专利文献1)。
另一方面，又已知作为规定的处理，例如在溅射溅射用靶并进行成膜处理时，例如以提高膜厚分布的表面内的均一性或在具有凹凸形状的衬底上成膜为目的，在设置了被处理物的平台上，连接驱动马达的旋转轴，在处理过程中，用规定速度一边旋转平台进而被处理物一边进行处理(例如参考专利文献2)。另外，除了专利文献2中记载的内容，在平台里设置被处理物的静电卡盘用电极和循环用封套，可旋转被处理物并可冷却到预定的温度并保持。
然而，在像上述各例子那样在平台内部将冷却水等液体作为冷媒循环的方法中，即使是要将被处理物冷却到低于室温的温度，至多冷却到-30℃左右就是极限了。而且，在处理过程中，冷媒从受旋转驱动的平台泄漏了到真空环境下的真空腔内，不仅正常处理受损，也有招致处理设备本身受损之虞，因此,必须采用完整的防水结构，这导致了装置的复杂化和高成本化。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利公开2002-368070号公报
【专利文献2】日本专利公开2011-246759号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
鉴于上述内容，本发明的技术问题是提供一种在真空腔内一边将被处理物冷却到极低温一边可将其旋转自如地保持的保持装置。
【解决技术问题的手段】
为了解决上述技术问题，在真空腔内一边冷却作为被处理物的衬底一边将其旋转自如地保持的保持装置具有设置被处理物的平台和旋转自如地支撑平台的旋转驱动装置及冷却平台的冷却装置。旋转驱动装置具有在真空腔的腔壁表面上通过第一真空密封件贯穿安装的筒状旋转轴体、连接旋转轴体的上端和平台下表面用以在平台下方划分出空间的连接部件、以及旋转驱动旋转轴体的驱动马达。冷却装置具有在平台下方的空间有缝隙并相对于该平台的下表面设置的冷却面板、插入到旋转轴体内并与冷却面板的下表面抵接的传热轴体、以及冷却传热轴体的冷冻机。
采用本发明，当用设置在真空腔外的驱动马达旋转驱动旋转轴体时，为了旋转驱动通过连接部件连接的平台可以通过平台保持被处理物旋转自如。在这种情况下，如果在平台上设置所谓的静电卡盘或机械夹板的话，就不会发生在平台旋转中被处理物脱落的问题。而且，由于在平台下方的空间里相对于该平台的下表面设置了固定的冷却面板，所以，通过来自与之相对的冷却面板的辐射冷却平台。在这种情况下，由于传热轴体或冷却面板没有用冷却水循环，所以，不会发生泄漏出的冷却水会损坏正常的处理，或处理设备本身受损的情况。另外，平台和冷却面板的上下方向的缝隙，根据要冷却的被处理物的温度、处理时是否有热量输入被处理物等情况适当设定，再有，如后所述，在向真空环境下(真空绝热)的上述空间供应惰性气体时，要考虑该空间内的真空度(压力)或惰性气体(原子或分子)的平均自由行程等来适当设置。
在本发明中，优选还具有从上述旋转轴体的内部空间隔绝上述平台下方的空间并可以将该空间维持在真空环境下的第2真空密封件、以及向上述平台和上述冷却面板之间的缝隙供应惰性气体的气体供应装置，其中，气体供应装置具有使上述传热轴体和上述冷却面板相互连通并设置的气体通路，气体通路的气体供应口设置在面向上述平台的冷却面板的相对表面上。据此，有利的是除了通过上述冷却面板的辐射进行冷却之外，还通过由供应到上述缝隙的惰性气体与平台的碰撞引起的热交换进一步冷却平台。此时，由于惰性气体在通过处于极低温状态的传热轴体和冷却面板时被冷却，所以，可以进一步提高通过惰性气体的碰撞引起的冷却平台的效果。另外，为了使插入传热轴体的旋转轴体的内部空间处于真空环境(即真空绝热)，最好是例如在旋转轴体和冷冻机之间设置第3真空密封件。
在此，当通过传热轴体和冷却面板的气体通路将冷却了的惰性气体供应给上述空间时，气体供应口位于平台的下表面的中心区域。另一方面，冷却了的惰性气体有瞬间流入下方的趋势，这样，沿着朝向平台的外周方向有惰性气体不碰撞平台的下表面之虞。因此，在本发明中，优选上述平台的下表面有在上下方向反复凹凸的第1凹凸形状，上述冷却面板的上表面具有与第一凹凸形状对应并使上述缝隙在其整个表面上相等的第二凹凸形状。据此，当从位于平台的下表面的中心区域的气体供应口供应惰性气体时，该惰性气体流向平台的外周方向，但是，此时越过冷却面板上的凹凸形状造成的段差可以切实地让惰性气体碰撞到平台的外周。
可是，当要通过规定长度的传热轴体连接冷却面板和冷冻机，通过传热冷却冷却面板时，根据传热轴体的材质或长度，有上述缝隙因冷却时的传热轴体的热收缩而过大，通过来自冷却面板的辐射不能有效冷却平台之虞。因此，在本发明中，优选还具有对于上述旋转轴体整体上下移动传热轴体和冷却面板的驱动装置。据此，有利于例如对应传热轴体的热收缩最适当地调节上述缝隙。而且，在不旋转平台时，冷却面板与平台的下表面抵接，可以有效地进行冷却。
再有，在本发明中，优选绝热材料介于上述第1真空密封件和上述连接部件之间。据此，当作为第1真空密封件，使用兼作旋转轴体的轴承的磁流体密封件时，可以防止发生该磁流体密封件被冷却并损坏的情况。
附图说明
图1是部分示出具有本发明的实施方式的保持装置的真空腔的剖示图。
图2是说明平台和冷却面板的表面形状的透视图。
图3(a)～(d)是说明平台和冷却面板之间的缝隙的调整手法的与图1对应的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图将被处理物设定为硅晶片(下面称“衬底W”)对在真空腔内对衬底W一边冷却一边旋转自如地保持的本发明的保持装置的实施方式进行说明。在下面的内容中，保持装置以用图1所示的姿势设置在真空腔的底面侧，表示上、下等方向的用语以图1为基准进行说明。
参照附图1所示的，Vc是具有本实施方式的保持装置HS的真空腔。在真空腔Vc上虽然没有特别的图示说明，但是，通过排气管连接真空泵，可以被抽真空到规定压力(真空度)并保持。再有，在真空腔Vc内设置未图示的进行溅射用阴极等规定处理的处理装置，用真空环境下的真空腔Vc对衬底W进行规定的处理。而且，在真空腔Vc内设置为了旋转自如地保持衬底W的保持装置HS。
保持装置HS具有：设置衬底W的平台1；旋转自如地支撑平台1的旋转驱动装置2；以及冷却平台1的冷却装置3。其中，平台1具有对应衬底W的轮廓并用热传导良好的材料(例如铝)构成的基台11；以及在基台11的上表面通过省略图示的铟密封件设置的作为电解质的卡板12，并与静电卡盘用电极13组装在一起。由此，通过未图示的卡盘电源供电并可以将衬底W静电吸附在平台1的上表面上。
旋转驱动装置2具有筒状的旋转轴体21。旋转轴体21由固定的内管部21a和同心地外套在该内管部21a上的外管部21b构成，为用后述的马达使外管部21b旋转自如，而用设置在真空腔Vc的腔底壁的开口上的、作为第1真空密封件的磁流体密封件22支撑。筒状的绝热材料21c设置在外管部21b的上端，在绝热材料21c和基台11的下表面的外周部之间设置盘状的连接部件23。由此，用基台11的背面和连接部件23在平台1的下方划分出规定的空间24。作为绝热材料21c，可以使用诸如聚酰亚胺或FRP(纤维增强塑料)等的树脂材料或陶瓷材料。再有，在位于真空腔Vc外的旋转轴体21的一部分中，外套作为驱动马达的所谓中空伺服马达25，中空伺服马达25使通过旋转轴体21的外管部分21b甚至经连接部件23连接的平台1旋转驱动规定的转数。另外，驱动马达的种类或旋转轴体21的旋转驱动方法并不限于此，还可以用使用了DC马达或齿轮等的其他公知的部件。
冷却装置3具备在空间24内与基台11的下表面相对并存在缝隙D而固定设置的冷却面板31。冷却面板31受到传热轴体32支撑，所述传热轴体32插入到从旋转轴体21的外管部21b延伸到下方的内管部21a中并与该冷却面板31的下表面抵接，且上下方向上长。冷却面板31和传热轴体32由热传导良好的材料，例如从铜或铝中选择的金属或以这些金属为主要成分的合金等构成，作为冷却面板31，例如使用具有与基板W要冷却的温度相对应的面积的板状板，并且使用实心的圆棒状形状作为传热轴体32。在这种情况下，也可以黑色化加工冷却面板31的基台11的相对面，镜面加工冷却面板31的基台11的背面和传热轴体32。
如图2所示，基台11的下表面被加工为在上下方向反复凹凸的第1凹凸形状11a，冷却面板31的上表面被加工为第二凹凸形状31a，所述第二凹凸形状31a与第一凹凸形状11a对应使上述缝隙D在其整个表面上相等。而且，传热轴体32的下部连接在冷却该传热轴体32的冷冻机33上。作为冷冻机33，虽然没有特别图示说明，但具备压缩机、冷凝器及膨胀阀，从无图示的热交换机向冷冻机33供应冷媒并循环冷却。另外，由于冷冻机33本身可以利用公知的产品，所以，省略更详细的说明。由此，可通过传热轴体32，冷却面板31被冷冻机33冷却到规定温度(例如-200℃)。
再有，在位于真空腔Vc内的传热轴体32的上端设置着波纹管4作为隔绝空间24和旋转轴体21的内部空间21d的第2真空密封件。在这种情况下，波纹管4设置成被悬挂在连接部件23的下表面上的外筒部41和通过轴密封件5a及轴承5b外套在传热轴体32的内筒部42保持的状态。当通过中空伺服马达25旋转驱动旋转轴体21时，外筒部41和内筒部42与波纹管4一起相对于传热轴体32相对旋转。再有，在位于旋转轴体21的内管部21a的下端下方的冷冻机33的筐体里，在直径方向外部延伸的圆盘状隔板6被通过0环形61设置在保持气密状态下，在隔板6的上表面和旋转轴体21的内管部21a的下端表面之间设置着另一个波纹管(第3真空密封件)7，旋转轴体21的内部空间21d被保持着气密状态。在这种情况下，在隔板6内开设排气口62，通过无图示的真空泵将内部空间21d抽真空到规定压力(真空度)并保持。
在传热轴体32的下端设置着贯穿安装隔板6并延伸的供气管81a和排气管81b的接口82a、82b，各个接口82a、82b分别通到与传热轴体32和冷却面板31相互连通设置的气体通路83a、83b里。而且，两气体通路83a、83b分别与在面向基台11的冷却面板31的相对表面上分别开设的供气口84a和排气口84b相通。再有，供气管81a通过未图示的质量流量控制器连接在气体源头，可以将调节到规定流量的惰性气体供应给空间24。作为惰性气体可使用氦气或氩气等稀有气体或氮气。另一方面，排气管81b连接在无图示的真空泵上，在导入惰性气体前，将空间24抽真空到规定的压力并真空绝热该空间24，再有，在真空环境下的空间24内一边导入惰性气体一边排真空使该惰性气体循环。再有，在排气管81b上插设未图示的开关阀，在将空间24抽真空到规定的压力后，关闭该开关阀，在这种状态下，可从供气管81a向空间24导入惰性气体并封入其中。并且，除了供气管81a以外，还可以从排气管81b导入惰性气体。
在此，当向真空环境下的空间24供应惰性气体并冷却平台1时，在基台11和冷却面板31的上下方向的缝隙D，除了衬底W要冷却的温度、处理时是否有热量输入被处理物等外，还要考虑空间24内的压力(真空度)或惰性气体(原子或分子)的平均自由行程等而适当设定。即用惰性气体的种类、空间24内的压力决定空间24的热传导系数，并据此决定缝隙D。
再有，通过在上下方向上长的传热轴体32连接冷却面板31和冷冻机33，在要通过传热来冷却冷却面板31时，根据传热轴体的材质或长度，存在通过冷却时的传热轴体32的热收缩导致上述缝隙D过大，通过来自冷却面板31的辐射不能有效冷却平台1之虞。在本实施方式中，设置相对于旋转轴体21整体上下移动冷却面板3的驱动装置9。在隔板6的外周侧的周方向上间隔120度设置3个驱动装置9。各个驱动装置9具有相同的结构，具备设置在框架91上的驱动马达92，该框架91悬挂在真空腔Vc的底壁上，及安装在驱动马达92的旋转轴上的进给螺丝93，进给螺丝93与设置在隔板6上的滑块63螺合。下面，参照图3具体说明使用驱动装置9的缝隙D的调整方法。
首先，每个驱动装置9的驱动马达92分别沿一个方向旋转，以使冷却装置3向下移动到规定位置，在该规定位置，冷却面板31与基台11分离(参照图3(a))。在这种情况下，波纹管7吸收冷却装置3相对于旋转轴体21的相对移动量，旋转轴体21的内部空间21d保持气密状态。而且，只有任意一个(图中左侧)驱动装置9的驱动马达92朝另一个方向旋转，使得冷却面板31的上表面与基台11的下表面部分接触。此时，例如根据驱动马达的扭矩变动检测出冷却面板31的上表面与基台11的下表面部分接触，在这种状态下，停止任意一个驱动装置9的驱动马达92(参照图3(b))。而且，如果对另外两个驱动装置9执行该操作的话，冷却面板31的上表面与基台11的下表面处于与其整个表面抵接的状态(参照图3(c))。最后，利用与要设定的缝隙D对应的旋转角使各个驱动装置9的驱动马达92分别同时沿一个方向旋转。据此，使冷却面板31的上表面和基台11的下表面之间的缝隙D在其整个表面上相等(参照图3(d))。
采用上述实施方式，如果用设置在真空腔Vc外的中空伺服马达25旋转驱动旋转轴体21的话，由于旋转驱动了通过连接部件23连接的平台1，所以，可以由平台1旋转自如地保持衬底W。而且，在基台11的下方的空间24里，由于冷却面板31固定配置为与基台11的下表面相对，所以，平台1通过来自与其相对的冷却面板31的辐射被冷却。此时，冷却面板31被插入在旋转轴体21内、被来自冷冻机33冷冻的传热轴体32的热传导冷却，通过基于供应给缝隙D的惰性气体与平台1碰撞的热交换冷却平台1，此外还可以将衬底W冷却到低于上述惯例中的冷却温度(-30℃)的极低温(例如-200℃)。而且，由于惰性气体在通过处于极低温状态的传热轴体32和冷却面板31期间被冷却了，所以，可以进一步提高基于惰性气体的碰撞的平台1的冷却效率。在这种情况下，由于传热轴体32或冷却面板31没有用冷却水循环，所以，不会发生泄漏出的冷却水损坏正常的处理，或者处理设备本身受损的情况。
再有，由于基台11的下表面具有在上下方向反复凹凸的第1凹凸形状11a，冷却面板31的上表面具有与第一凹凸形状11a对应的第二凹凸形状31a，所述第二凹凸形状31a使上述缝隙D在其整个表面上相等,所以，如果从冷却面板31的供气口84a供应惰性气体的话，虽然该惰性气体流向基台11的径向外周方向，但是，此时越过冷却面板31上的凹凸形状造成的高低不平可以可靠地让惰性气体碰撞到基台11的外周。进一步地，由于设置了对于旋转轴体21整体上下移动冷却装置3的驱动装置9，所以，例如可对应传热轴体32的热收缩最适当地调节缝隙D，是有利的。而且，在不旋转平台1时，冷却面板31与基台11的下表面抵接，可以有效地进行冷却。再有，由于绝热材料21c介于磁流体密封件22和连接部件23之间，所以，可以防止发生磁流体密封件22被冷却并损坏的情况。
虽然上述内容对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限于上述实施方式，可以在不脱离本发明的思想的范围内适当修改。在上述实施方式中，虽然以带有静电卡盘功能构成的平台1为例进行了说明，但是，平台的结构并不限于上述平台1，可利用其他的公知部件，再有，也可以在基台11上设置所谓的机械卡盘构成平台。再有，在上述实施方式中，虽然以在冷却面板31和传热轴体32上设置了用于对空间24真空排气的气体通路83a或排气口84b为例进行了说明，但是，并不限于此，也可例如穿通连接部件23的通孔，通过该通孔排出真空腔Vc中的空气的同时将空间24抽真空，或排出供应到空间24中的惰性气体。
附图标记说明
HS…保持装置、W…衬底(被处理物)、Vc…真空腔、1…平台、11…基台(平台的构成要素)、11a…第1凹凸形状、2…旋转驱动装置、21…旋转轴体、21a…内管部、21b…外管部、21c…绝热材料、21d…旋转轴体的内部空间、22…磁流体密封件(第1真空密封件)、23…连接部件、24…空间、25…中空伺服马达(驱动马达)、3…冷却装置、31…冷却面板、31a…第二凹凸形状、32…传热轴体、33…冷冻机、4…波纹管(第2真空密封件)、7…波纹管(第3真空密封件)、83a…气体通路(气体供给装置的构成要素)、84a…供气口(气体供给装置的构成要素)、9…驱动装置、D…缝隙。

Claims (5)

1.一种在真空腔内一边冷却被处理物一边旋转自如地保持的保持装置，其特征在于，具有设置被处理物的平台、支撑平台旋转自如的旋转驱动装置以及冷却平台的冷却装置，其中：
以设置被处理物的平台表面侧为上，旋转驱动装置具有在真空腔的腔壁壁表面上通过第一真空密封件贯穿安装的筒状旋转轴体、连接旋转轴体的上端和平台下表面用以在平台下方划分出空间的连接部件以及旋转驱动旋转轴体的驱动马达；
冷却装置具有在位于平台下方的真空腔内的空间与该平台的下表面相对且有缝隙地设置的冷却面板、插入到旋转轴体内并与冷却面板的下表面抵接的传热轴体以及配置在真空腔外冷却传热轴体的冷冻机。
2.根据权利要求1所述的保持装置，其特征在于：
还具备使所述旋转轴体的内部空间与所述平台下方的空间隔绝并可以将该空间维持在真空环境下的第2真空密封件以及向所述平台和所述冷却面板之间的缝隙供应惰性气体的气体供应装置；
其中，气体供应装置具有使所述传热轴体和所述冷却面板相互连通并设置的气体通路，气体通路的气体供应口开设在面向所述平台的冷却面板的相对表面上。
3.根据权利要求1或2所述的保持装置，其特征在于：
所述平台的下表面有在上下方向反复凹凸的第1凹凸形状，所述冷却面板的上表面具有与第一凹凸形状对应使所述缝隙在其整个表面上相等的第二凹凸形状。
4.根据权利要求1或2所述的保持装置，其特征在于：
还具有相对于所述旋转轴体而整体上下移动所述传热轴体和所述冷却面板的驱动装置。
5.根据权利要求1或2所述的保持装置，其特征在于：
隔热材料介于所述第一真空密封件和所述连接部件之间。
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