JP2020072249A - ステージ装置および処理装置 - Google Patents

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Abstract

【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、ステージの裏面側に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、隙間に供給される、冷凍伝熱体の冷熱をステージに伝熱するための冷却流体と、ステージを回転可能に支持し、冷凍伝熱体の上部を覆う円筒状をなすとともに、真空断熱構造を有するステージ支持部と、ステージ支持部を支持し、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とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ステージ装置および処理装置に関する。
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。
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。
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。
特開２０１５−２２６０１０号公報 特開２００６−７３６０８号公報
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。
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、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、前記ステージを回転可能に支持し、前記冷凍伝熱体の上部を覆う円筒状をなすとともに、真空断熱構造を有するステージ支持部と、前記ステージ支持部を支持し、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と、を備える。
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。
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。 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。 冷凍伝熱体を昇降させて第１伝熱部と第２伝熱部とを接離させる接触機構を設けた例を示す図であり、第１伝熱部と第２伝熱部が離間した状態を示す。 冷凍伝熱体を昇降させて第１伝熱部と第２伝熱部とを接離させる接離機構を設けた例を示す図であり、第１伝熱部と第２伝熱部が接触した状態を示す。 第１伝熱部と第２伝熱部との間にリング状のバイメタル部材を設けて第１伝熱部と第２伝熱部とを接離させる接離機構を設けた例を示す図であり、第１伝熱部と第２伝熱部が離間した状態を示す。 第１伝熱部と第２伝熱部との間にリング状のバイメタル部材を設けて第１伝熱部と第２伝熱部とを接離させる接離機構を設けた例を示す図であり、第１伝熱部と第２伝熱部が接触した状態を示す。 ステージ支持部の断熱構造の第１の例を示す断面図である。 図５のステージ支持部の外管の表面に輻射熱遮蔽体を設けた変形例を示す部分断面図である。 ステージ支持部の断熱構造の第２の例を示す断面図である。 ステージ支持部の断熱構造の第３の例を示す断面図である。 図８のステージ支持部の内管の表面に輻射熱遮蔽体を設けた変形例を示す部分断面図である。 ステージ支持部の断熱構造の第４の例を示す断面図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜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、シール回転機構６２と、駆動機構６８とを有する。
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、−２３〜−２２３℃（２５０〜５０Ｋ）の範囲が好ましい。なお、冷凍機５２の冷凍サイクルを逆サイクルで駆動させることにより、加熱モードとすることができる。メンテナンス等の際に、冷凍機５２を加熱モードとすることにより、冷凍伝熱体５４を介してステージ５６を加熱して常温に戻すことが可能である。
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。
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。
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。
このように第１冷却ガス供給路５４ａを冷凍伝熱体５４の下端から上端に向かうように形成することにより、装置外部から供給される第１冷却ガスを十分に冷却することができる。その結果、第１冷却ガス自身の温度により隙間Ｇでの熱伝達を阻害しないため、効率良くステージ５６を極低温に冷却することができる。
冷凍伝熱体５４による第１冷却ガス供給路５４ａを通流する第１冷却ガスの冷却効率を高める目的で、第１冷却ガス供給路５４ａ内に網状部材を挿入してもよい。これにより、第１冷却ガス供給路５４ａを通流する第１冷却ガスと冷凍伝熱体５４の接触面積が増え、効率良く第１冷却ガスを冷却することができる。
ステージを冷却する手段としては、このように冷却ガスを用いる他、不凍液のような液体冷媒を用いてもよく、また、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。さらには、コンプレッサー、膨張弁、圧力調整弁等を第１冷却ガス供給路５４ａに接続し、冷凍機循環系を形成することにより高圧の低沸点ガスを用いた冷却を行ってもよい。熱伝導グリースを隙間Ｇに充填する場合は、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といった利点がある。
また、第１冷却ガス供給路５４ａを通流する第１冷却ガスの圧力を調整する圧力調整機構を設けてもよい。圧力を調整することにより第１冷却ガスの熱伝達率を調整することができるため、温度帯の異なる様々なスパッタプロセスに対応することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接離させる接離機構を設けて、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとの間を接離可能としてもよい。接離機構を設けることにより、ステージ５６が回転していないときに、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接触させて、これらの間の伝熱を高め、急速な冷却または加熱に対応することができる。例えば、冷却ガスによる冷却のみの場合には、ステージ５６にウエハＷを載せる際に温度ドリフトが生じることがあるが、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接触させて急速冷却することにより温度ドリフトを抑えることができる。また、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接触させることにより、冷凍機５２の冷凍サイクルを逆サイクルで駆動させてステージ５６を常温まで戻す操作を短時間で行うことができる。
接離機構としては、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、冷凍伝熱体５４（第２伝熱部５４ｂを含む）を昇降する機構を用いることができる。図３Ａは第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとが隙間Ｇを介して離間した状態を示し、図３Ｂは冷凍伝熱体５４を上昇させて第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接触させた状態を示す。このとき、後述する第２断熱構造体７１は、図示するように、冷凍伝熱体５４の昇降に追従可能なように、ベローズ７１ａを有するものとすることが好ましい。また、図示するように、第１伝熱部５６ｃにガス流路５６ｆを設けることが好ましい。これにより、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとが接触した場合でも、第１冷却ガスによるステージ５６の冷却が可能である。冷凍伝熱体５４を昇降する際には、冷凍機５２と一体となって昇降することが好ましいが、冷凍伝熱体５４の熱容量を十分に大きくすることが可能な場合は、冷凍機５２を固定して冷凍伝熱体５４のみを昇降させてもよい。なお、接離機構として、冷凍伝熱体５４を昇降させる代わりに、ステージ５６（第１伝熱部５６ｃを含む）を昇降させるものであってもよい。
また、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとの間に隙間Ｇが形成された状態を保ったまま、接離機構として第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとを接触・離間させる金属部材を配置してもよい。このような金属部材としては、具体的には、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとの間に配置され、電圧を印加することにより変形してこれらを接触・離間させるものを挙げることができる。例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとの間にリング状のバイメタル部材９１を設ける。本例ではリング状のバイメタル部材９１が第２伝熱部５４ｂに設置され、第１伝熱部５６ｃ側にリング状の可動部（バイメタル）９１ａが設けられている。バイメタル部材９１には、外部の電源から例えば第１冷却ガス供給路５４ａを介して配線を引き回し、電圧を印加可能にする。図４Ａは電圧印加していない状態を示し、可動部（バイメタル）９１ａは第１伝熱部５６ｃから離間している。図４Ｂは電圧印加により可動部（バイメタル）９１ａが変形して第１伝熱部５６ｃに接触する。本例の場合にも、第１伝熱部５６ｃにガス流路５６ｆを設けて、第１伝熱部５６ｃと第２伝熱部５４ｂとが接触した場合でも、第１冷却ガスによるステージ５６の冷却を可能とすることが好ましい。バイメタル部材９１を第１伝熱部５６ｃに設置して、可動部（バイメタル）９１ａを第２伝熱部５４ｂに対して接離するようにしてもよい。また、このような金属部材を用いた接離機構としては、電圧を印加することにより縦方向に変形するフィン型のものであってもよい。
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１参照）。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、後述するように、断熱構造を有している。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。
フランジ部５８ｂの下面には、断熱部材６０が接続されている。断熱部材６０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に対して固定されている。断熱部材６０は、アルミナ等のセラミックスにより形成されている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
また、冷凍伝熱体５４のほぼ全体を覆うように、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜ステージ支持部の断熱構造＞
次に、ステージ装置５０のステージ支持部５８の断熱構造について説明する。
上述したようにステージ支持部５８は、ステージ５６を回転可能に支持するものであり、冷凍伝熱体５４により冷却されるステージ５６と直接接触している。また、ステージ支持部５８は、磁性流体シールを有するシール回転機構６２と近接している。磁性流体シールは、磁性流体の温度が低下すると、シール性能が低下したり、結露が生じたりするので、これらを抑制するため、磁性流体をある程度の温度にする必要がある。また、ステージ５６を回転させると磁性流体にせん断発熱が発生する。このため、シール回転機構６２の温度は１００℃（３７３Ｋ）程度の高温になり、この熱がステージ支持部５８を伝熱してステージ５６に入熱され、ステージ５６を冷却する冷却性能を低下させる。また、ステージ支持部５８は、外側から輻射熱を受け、この輻射熱も冷却性能に影響を与える。
そこで、ステージ支持部５８を断熱構造とし、ステージ支持部５８を伝熱してステージ５６に供給される熱を極力抑制する。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、ステージ支持部５８の少なくとも一部を真空断熱構造とする。
なお、上述したように、ステージ支持部５８は、本体部５８ａの軸方向中央部に縮径部５８ｃを有しているが、この構造も断熱性に寄与している。すなわち、ステージ支持部５８の内側は、隙間Ｇから第１冷却ガスが漏出する空間Ｓとなっており、この空間Ｓが広いと漏出した第１冷却ガスとの熱交換量が多くなってしまう。隙間Ｇから漏出した冷却ガスは温度が上昇している可能性もあり、熱交換によりステージ支持部５８の温度が上昇してしまうおそれがある。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、このような熱交換によるステージ支持部５８の温度上昇を抑制することができる。
以下、ステージ支持部５８の真空断熱構造のいくつかの例について説明する。
［ステージ支持部の断熱構造の第１の例］
図５は、ステージ支持部５８の断熱構造の第１の例を示す断面図である。
本例では、ステージ支持部５８の本体部５８ａは、内管５８１と外管５８２との二重管構造を有しており、内管５８１と外管５８２との間の内部空間５８３が真空に保持されて真空二重管構造の真空断熱構造を構成している。これにより、高い断熱性を得ることができる。また、ステージ支持部５８の本体部５８ａの縮径部５８ｂに対応する水平部５８４および５８５は、強度を確保するために空間が存在しない無垢板で構成されている。
内管５８１および外管５８２で二重管構造を構成しているので、これらが薄くても強度を保持することができる。内管５８１および外管５８２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５８１および外管５８２の厚さは、例えば０．３ｍｍである。
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５８１および外管５８２の間の内部空間５８３が常時真空層となるように、内部空間５８３を真空引きした後、密封して構成することができる。
図５の例では、ステージ支持部材５８が、ベローズ６４の内側に配置されており、その配置位置は、真空容器１０と連通した真空空間となっていることから、その真空状態を利用する。すなわち、外管５８２として複数の透孔５８６を有するものを用いる。これにより、透孔５８６を介して内部空間５８３を高真空とすることができ、真空二重管構造の真空断熱構造を得ることができる。
上述したような、空間内部を真空引きした後、密封構造を製作する際には、製作時間がかかり、また、長期間のうちに真空度が低下してしまうおそれがある。これに対して、真空容器１０の真空を利用することにより、内部空間５８３を容易に真空にすることができ、また、真空劣化のおそれもない。
また、図６に示すように、外管５８２の外側にさらに輻射熱遮蔽体５８７を設けた構成とすることもできる。ステージ支持部５８は、磁性流体シール部６２からの伝熱の他に、外側から輻射熱を受け、この輻射熱も冷却性能に影響を与える。輻射熱遮蔽体５８７を設けることにより、ステージ支持部５８への外側からの輻射熱を遮蔽することができ、冷却性能をより高めることができる。輻射熱遮蔽体５８７としては、アルミニウムを好適に用いることができる。輻射熱遮蔽体５８７として、樹脂等のベースにアルミニウムを蒸着したものや、アルミ箔を貼り付けたものを用いることもできる。さらに、外管５８２にアルミニウム等を直接蒸着したり、アルミ箔等を直接貼り付けたりして輻射熱遮蔽体５８７としてもよい。
［ステージ支持部の断熱構造の第２の例］
図７は、ステージ支持部５８の断熱構造の第２の例を示す断面図である。
本例では、第１の例と同様、ステージ支持部５８の本体部５８ａは、内管５８１と外管５８２との二重管構造を有しており、内管５８１と外管５８２との間の空間５８３が真空に保持されて真空二重管構造の真空断熱構造を構成している。ただし、本例では、空間が存在しない無垢板の水平部５８４および５８６は有さず、ステージ支持部５８の本体部５８ａ全体が真空二重管構造となっている。
強度に問題がない場合は、このように本体部５８ａ全体を真空二重管構造とすることにより、無垢板を介しての熱交換が生じず、冷却性能をより高めることができる。
本例の場合も、第１の例と同様、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。
図７の例では、図５の例と同様、外管５８２として複数の透孔５８６を有するものを用い、ベローズ６４内の真空状態を利用し、透孔５８６を介して空間５８３を高真空とする。これにより、空間５８３を容易に真空にすることができ、また、真空劣化のおそれもない。また、本例においても、図４のように、外管５８２の外側にさらに輻射熱遮蔽体５８７を設けた構成として輻射熱を遮蔽することにより、冷却性能をより高めることができる。
［ステージ支持部の断熱構造の第３の例］
図８は、ステージ支持部５８の断熱構造の第３の例を示す斜視図である。
本例では、内管５８１の上端および下端に一対のフランジ５８８ａおよび５８８ｂを設け、これらフランジ５８８ａおよび５８８ｂを繋ぐように、複数のシャフト５８９が内管５８１の外側に等間隔で配置されている。このとき、ステージ支持部５８は真空中に設けられているため、内管５８１とシャフト５８９との間も真空であり、真空断熱を実現することができる。また、外側をシャフト５８９にすることにより、強度（剛性）を確保しつつ、熱伝導パスを小さくして熱抵抗を大きくすることができ、冷却性能を一層高くすることができる。
また、図９に示すように、内管５８１の外側にさらに輻射熱遮蔽体５８７を設けた構成とすることもできる。これにより、外側からの輻射熱を遮蔽して、冷却性能を高めることができる。
［ステージ支持部の断熱構造の第４の例］
図１０は、ステージ支持部５８の断熱構造の第４の例を示す断面図である。
本例では、図７の第２の例と同様の、ステージ支持部５８の本体部５８ａが内管５８１と外管５８２を有する真空二重管構造を有しているが、外管５８２にベローズや多段ひだのような屈曲部５８２ａが形成されている点が第２の例とは異なっている。本例では、本体部５８ａの縮径部５８ｃに屈曲部５８２ａが形成されているが、屈曲部５８２ａの形成位置は限定されない。
このように外管５８２にベローズ等の屈曲部５８２ａを形成することにより、熱抵抗を上昇させることができ、断熱効果をより高めることができる。屈曲部５８２ａの屈曲の大きさおよび数を調整することにより、熱抵抗を所望の値に調整することができる。
なお、内管５８１に屈曲部を形成しても同様の効果が得られる。また、内管５８１に形成する屈曲部をベローズとすることにより、常温から極低温の温度変化に対する熱応力の緩和の機能を持たせることもできる。
＜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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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−２２３〜−２３℃（５０〜２５０Ｋ）、例えば−１７３℃（１００Ｋ）という極低温に冷却する必要がある。この場合には、ウエハＷからの大きな入熱のため、ウエハＷを極低温に効率良く冷却するためには、ウエハＷ以外の外部からの入熱を極力低減して冷却性能を上げる必要がある。
そこで、本実施形態では、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を断熱構造とし、ステージ支持部材５８からステージ５６への入熱を抑制し、冷却性能を高く維持する。このため、冷凍伝熱体５４を介しての冷却効率が高くなり、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。
このとき、ステージ支持部５８の断熱構造を、上述した第１〜第４の例に示すような、真空断熱を基本とするものとすることにより、発熱部からステージ５６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。
また、上述のように輻射熱遮蔽体５８７を用いることにより、外部からの輻射熱による入熱も抑制することができ、一層冷却性能を高めることができる。
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第１断熱構造体７０を設けたので、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の下部へ外部から入熱して冷却性能が低下することを抑制することができる。
また、冷凍伝熱体５４の全体を覆うように、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を設けたので、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。
＜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。
例えば、ステージ支持部の断熱構造は、上記第１〜第４の例に限定されるものではない。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。
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
５８ｃ；縮径部
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
５８１；内管
５８２；外管
５８２ａ；屈曲部
５８３；内部空間
５８４，５８５；水平部
５８６；透孔
５８７；輻射熱遮蔽体
５８９；シャフト
Ｇ；隙間
Ｓ；空間
Ｗ；ウエハ（被処理基板）

Claims (20)

  1. 真空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、
    前記ステージを回転可能に支持し、前記冷凍伝熱体の上部を覆う円筒状をなすとともに、真空断熱構造を有するステージ支持部と、
    前記ステージ支持部を支持し、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と、
    を備える、ステージ装置。
  2. 前記ステージ支持部の本体部は、内管と外管とからなる二重管構造を有し、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、請求項１に記載のステージ装置。
  3. 前記ステージ支持部は、前記真空容器に連通する真空空間に配置され、前記外管には複数の透孔を有し、前記内部空間は、前記透孔を介して前記真空空間と連通して真空空間とされる、請求項２に記載のステージ装置。
  4. 前記ステージ支持部の前記本体部は、縮径部を有し、前記縮径部に対応する水平部が、無垢板からなる、請求項２または請求項３に記載のステージ装置。
  5. 前記ステージ支持部の前記本体部、縮径部を有し、前記本体部の全体が前記二重管構造を有する、請求項２または請求項３に記載のステージ装置。
  6. 前記外管は、屈曲してなる屈曲部を有する、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。
  7. 前記ステージ支持部の前記本体部は、前記外管の外側に設けられた輻射熱遮蔽体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。
  8. 前記ステージ支持部は、前記真空容器に連通する真空空間に配置され、前記ステージ支持部の本体部は、内管と、前記内管の上端および下端に設けられた一対のフランジと、前記一対のフランジを繋ぐように、前記内管の外側に配置された複数のシャフトとを有する、請求項１に記載のステージ装置。
  9. 前記ステージ支持部は、前記内管の外側に設けられた輻射熱遮蔽体をさらに有する、請求項８に記載のステージ装置。
  10. 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９のいずれか１項に記載のステージ装置。
  11. 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１０に記載のステージ装置。
  12. 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１０または請求項１１に記載のステージ装置。
  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１０または請求項１１に記載のステージ装置。
  14. 少なくとも前記冷凍機の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円筒状に設けられ、真空断熱構造を有する第１断熱構造体をさらに備える請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のステージ装置。
  15. 前記冷凍伝熱体を覆うように円筒状に設けられ、真空断熱構造を有する第２断熱構造体をさらに備える、請求項１４に記載のステージ装置。
  16. 前記ステージ支持部と前記第２断熱構造体との間に、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１５に記載のステージ装置。
  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。
  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。
  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。
  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。
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