JP3201051U - 基板載置装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の裏面に導入した不活性ガスを熱伝導部材としているにも係らずガスのチャンバー内への漏洩を防止し、チャンバー内の真空度を落とすことがないので真空ポンプの負荷を低減でき、基板と載置面とが直接接触する面積をできる限り少なくして、基板裏面と熱伝導部材であるガスとの接触面積を大きくすることで効率の良い熱伝導を実現して冷却効果を増す基板載置装置を提供する。【解決手段】基板２を載置するステージ部１０であり、基板２を載置するステージ１２と、載置した基板２をステージ１２に固定する基板押え１４とを備え、ステージ１２はシール材１８、１９と、熱伝導領域を含むステージ部１０と、ステージ１２の下面に装着されて、ステージ１２および熱伝導領域を介して基板２を冷却する冷却部３０と、供給排出部５０であり、熱伝導領域に熱伝導ガスを供給し排出するガス流路部６０と、冷却部３０に冷却水を供給し排出する冷却水路部７０を備える供給排出部５０とを備える。【選択図】図１

Description

考案の詳細な説明

本考案は、真空チャンバー内で加工される基板を載置する基板載置装置の冷却構造に関する。

真空雰囲気中で、基板表面に特定の加工処理を施す真空チャンバーを備えた真空処理装置は、例えば、半導体製造工程におけるイオンエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等様々な装置が知られている。
基板は、基板ステージに載置された状態でイオンエッチング加工、プラズマＣＶＤ処理等が施される。その時、基板は加工のため昇温する。基板の昇温は加工の品質に悪影響を与えるため、基板を冷却する冷却機構を備えた様々な基板ステージが提案されている。

特許文献１で開示されている基板冷却装置は、基板を載置する基板接触盤の下面に冷却盤を設けて基板接触盤の上面に載置された基板を冷却するものである。基板と接触する基板接触盤の上面には複数の凹部が設けられている。この基板冷却装置は不活性ガスを直接冷却材として使用するのではなく、不活性ガスを熱伝導部材として使用しており、基板の熱は、前記凹部に導入された不活性ガスを介して冷却盤に伝達される。不活性ガスの使用量は、ガスを直接冷却剤として使用するより少量である。また、基板の裏面が基板接触盤の載置面と直接接触した場合の熱伝導より、ガスを介した熱伝導の方が熱伝導の効率が良く、前記凹部の面積をできる限り大きくとり基板の裏面とガスとの接する面積を大きくすることが効率の良い熱伝導を実現することが理解できる。しかしこの装置は静電チャック機構を用いて基板を固定するため、基板裏面と直接接触する凸部の面積がある程度必要であり、ガスが接する凹部の面積を広くとることには限度がある。凸部の面積が大きいほど熱伝導効率が低下する。発明者は、接触面の粗面化を推奨しているが、それによりガスの漏洩が容易になり真空チャンバー内にガスが漏洩することを防止できない。

特開平９−２３２４１５号公報

本考案は、真空チャンバー内で加工される基板を載置する基板載置装置において、基板の裏面に導入した不活性ガスを熱伝導部材としているにも係らずガスのチャンバー内への漏洩を防止でき、ひいてはチャンバー内の真空度を落とすことがないので真空ポンプの負荷を低減でき、基板と載置面とが直接接触する面積をできる限り少なくして、基板裏面と熱伝導部材であるガスとの接触面積を大きくすることで効率の良い熱伝導を実現して冷却効果を増し、かつ導入したガスを回収して環境負荷を低減できる装置を提供することにある。

本考案の基板載置装置は、真空チャンバー内で加工される基板を載置する基板載置装置において、該基板を載置するステージ部であり、基板を載置するステージと、載置した基板を該ステージに固定する基板押えとを備え、前記ステージはシール部材と、熱伝導領域を含むステージ部と、前記ステージの下面に装着されて、前記ステージおよび前記熱伝導領域を介して基板を冷却する冷却部と、供給排出部であり、前記熱伝導領域に熱伝導ガスを供給し排出するガス流路部と、冷却部に冷却水を供給し排出する冷却水路部を備える供給排出部とを備える。

本考案の基板載置装置は上記の構成からなるので、基板裏面の熱伝導領域に導入した不活性ガスを熱伝導部材としているにも係らずガスのチャンバー内への漏洩を防止でき、ひいてはチャンバー内の真空度を落とすことがないので真空ポンプの負荷を低減できる。
基板裏面と熱伝導部材であるガスとの接触面積が大きくなるので効率の良い熱伝導が可能になり冷却効果が増す、かつ導入したガスを回収できるので環境負荷を低減できる。

本考案に係る基板載置装置の正面断面図であり、基板が載置されている説明図 図１における上面図 図１におけるＡ−Ａ矢視図 ステージ部の正面断面図を分解した図 冷却部の正面断面図を分解した図 供給排出部の正面断面図を分解した図

図１は、本考案の基板載置装置１の正面断面図であり、該基板載置装置１は、基板を載置するステージ部１０と、冷却部３０と、供給排出部５０とで構成される。ステージ部１０は、その上面に基板２を載置し基板載置装置１の上部に配置されている。冷却部３０は、ステージ部１０の下に配置され、基板２の加工に際してステージ部１０の載置面１３に載置された基板２の昇温による熱を吸収して冷却する。供給排出部５０は、冷却部３０の下に配置され、ガス流路部６０と冷却水路部７０を備え、該ガス流路部６０と該冷却水路部７０を通してステージ部１０に熱伝導部材であるガスを供給、排出し、冷却部３０に冷却水の供給、排水を行う。

真空チャンバー内で加工される基板２は、ステージ部１０においてステージ１２の載置面１３に載置されて固定され、加工時、基板２の昇温による熱は冷却部３０の冷却水に吸収される。基板２と冷却水の間の熱交換は、ステージ１２と、ガス流路部６０によりステージ１２に供給された熱伝導率の良い不活性ガスを介して行われる。熱伝導部材としての不活性ガスは、熱伝導率の良いヘリウムガスとすることができる。

図１、図２、図４をもって説明すると、ステージ部１０は、加工される基板２を載置して固定するステージであり、ステージ１２、基板押え１４を備え、ステージ１２は、熱伝導領域である凹部２４、シール材１８、１９と、シール押え２０を含む。ステージ１２は、円盤状の形状で材質は熱伝導性の良い銅、真鍮等の金属材料でできている。その上面は基板２を載置する載置面１３であり、載置面１３の外周部にはリング形状のシール材１８を配置する環状溝の凹部２２が施されている。シール材１８は、市販のＯリングを使用することができ、その頂部を載置面１３から僅かに突出して凹部２２に配置されている。載置面１３における凹部２２より内側の全面には、熱伝導部材である不活性ガス（以下、「熱伝導ガス」と言う。）を導入する凹部２４が施され熱伝導領域とされる。凹部２４は、深さが０．１ｍｍ程度の円形の座繰り面とすることができる。

基板押え１４は、円筒状の本体１４ａと該本体１４ａの上部から半径方向内側に延びるリング状の鍔部１４ｂを備え、ステージ１２の上部より嵌め込まれネジ部材１５で固定されることにより、ステージ１２に載置された基板２の外周部を鍔部１４ｂで押圧して固定する。本体１４ａの内径はステージ１２の外径よりも僅かに大きい寸法であり、鍔部１４ｂの内径は基板２の外径寸法より小さい寸法とすることができる。

ステージ１２の載置面１３に載置された基板２は、その上面外周部を鍔部１４ｂの下面に押圧さる。その時、シール材１８の頂部は載置面１３から僅かに突出していることにより、基板２は、シール材１８の頂部と鍔部１４ｂの下面に挟まれて固定される。これにより、基板の加工時に熱伝導領域である凹部２４に充填された熱伝導ガスは真空チャンバーに漏洩することが防止される。熱伝導領域である凹部２４は、シール材１８が配置される凹部２２の内側全面とされることにより、基板２の裏面はシール材１８の頂部との接触面より内側全面において熱伝導ガスとの接触面とすることができる熱伝導領域となるので効率の良い熱伝導をおこなえる。

ステージ１２の厚さ方向（図１、図４の紙面で上下方向）の中心部に位置して、半径方向（図１、図４の紙面で左右方向）に延びる２本のガス流路２５ａ、２５ｂが施されており、そのガス流路２５ａ，２５ｂの外側の端部から凹部２４に開放する２本のガス流路２６ａ、２６ｂが上下方向に施されている。ガス流路２５ａ，２５ｂの内側の端は、後述するガス流路板６２のガス流路６４ａ、６４ｂに接続される。ステージ１２の下面には、後述するガス流路板６２が挿入される円形の凹部２７、リング状のシール材１９が配置される円形の凹部２８、シール押え２０が配置される円形の凹部２９が同軸上に施されている。

シール押え２０は、リング状の金属板であり中心に後述するガス導配管６１が貫通する貫通穴２１を有する。シール押え２０は、図示しないネジ部材によりステージ１２の凹部２９に固定されることによりシール材１９を凹部２８に押圧して維持する。シール材１９の内側には後述するガス導配管６１が差しこまれ、結果的にシール材１９は、ステージ１２のガス流路２５ａ、２５ｂ内の熱伝導ガスが漏洩することを防止し、後述する冷却板３２の冷却水がガス流路２５ａ、２５ｂに漏洩することを防止する。

次に図１、図３、図５をもって説明すると、冷却部３０は、ステージ１２と同じ直径で円盤状の冷却板３２と、冷却水の供給路、排出路を仕切る仕切り板３４と、シール材３６で構成され、ステージ１２の下面に装着されている。冷却板３２は上面に開放する円形の凹部４０と、凹部４０から冷却板３２の下面に貫通する孔４２を有し、上面の外周部にリング状のシール材３６が配置される環状溝の凹部４１が施されている。冷却板３２は、銅、ステンレス鋼等の金属材料で作ることができる。仕切り板３４はパイプ状の金属管であり本体の円筒部３４ａと、円筒部３４ａの上端から半径方向外側に延びる鍔部である上鍔部３４ｂと、円筒部３４ａの下端から半径方向外側に突出する鍔部である下鍔部３４ｃと、上鍔部３４ｂの下面から下方向に突出する複数（図では３個）の突起部３４ｄで構成される。仕切り板３４もまた銅、ステンレス鋼等の金属材料で作ることができる。

仕切り板３４は、円筒部３４ａが冷却板３２の孔４２を貫通して冷却板３２の下面から突出し、上鍔部３４ｂが凹部４０に落とし込まれ、突起部３４ｄが凹部４０の底面に接した状態で、冷却板３２に配置される。冷却部３０が後述する供給排出部５０の支持筒５３に取り付けられたとき（図１参照）、円筒部３４ａの冷却板３２から下に突出した部分は、支持筒５３内に入り込み、下鍔部３４ｃの外周部は、支持筒５３の内壁に接する状態となる。

供給排出部５０は、ガス流路部６０と冷却水路部７０とで構成される。ガス流路部６０は、真空チャンバー外部のガス供給ユニット６５から熱伝導ガスをステージ１２に供給し、真空チャンバー外部のガス排出ユニット６６へ排出するガス流路である。以下、図１、図３、図６を以て説明すると、円筒形の支持筒５３は、その下部においてベース５４に嵌合されて一体的に固着されている。支持筒５３の上部にはフランジ部５３ａが設けられており、該フランジ部５３ａの上面外周部にはリング状のシール材５６が配置される環状溝の凹部５７が施されている。支持筒５３、ベース５４はともに銅、ステンレス鋼等の金属材料で作ることができる。支持筒５３とベース５４とは、一つの部材として一体的に加工してもよい。

ガス導配管６１は、直径の大きな外管６１ａと、外管６１ａの内側に挿入された直径の小さな内管６１ｂが同軸上に配置され、ベース５４の上面に開放する段付きの凹部５４ａ、５４ｂに嵌合されて支持筒５３と同軸上に固着されている。内管６１ｂの外径は、外管６１ａの内径より小さい寸法であり、その隙間は熱伝導ガスの流路となるに十分な寸法とすることができる。それにより、内管６１ｂの内部空間をガス供給の流路６５ａとし、外管６１ａの内側と内管６１ｂとの隙間をガス排出の流路６５ｂとすることができる。ガス導配管６１の上部には、外径が外管６１ａと同じであるガス流路板６２が固着されている。ガス流路板６２には、ガス流路６４ａ，６４ｂが施されている。ベース５４には熱伝導ガスの流路であるガス流路６６ａ、６６ｂが施されており、外部に接続するための継手６７ａ，６７ｂが取り付けられている。上記構成により、ガス流路部６０は、真空チャンバー外部のガス供給ユニット６５から供給される熱伝導ガスを継手６７ａ、ガス流路６６ａ，６５ａ、６４ａを通してステージ１２の熱伝導領域である凹部２４に供給し、ガス流路６４ａ，６５ａ，６６ａ、継手６７ｂを通して真空チャンバー外部のガス供給排出ユニット６６に排出することができる。

冷却水路部７０は、支持筒５３がフランジ部５３ａの上面において、冷却部３０の冷却板３２の下面に図示しないネジ部材により取り付けられ、仕切り板３４が支持筒５３の内側とガス導配管６１の外側との環状の空間に挿入され、仕切り板３４の突起部３４ｄが凹部４０の下面に接して、下鍔部３４ｃの外周部が支持筒５３の内壁に接することにより、仕切り板３４の内側に冷却水の水路３７ａ，外側に水路３７ｂが構成され冷却水路７０とすることができる。支持筒５３には冷却水の供給、排出のための継手３８ａ，３８ｂが設けられており、冷却水は、外部のチラー３９から継手３８ａを介して支持筒５３に流入し水路３７ａを通って冷却部３０の凹部４０の上部に供給される。凹部４０の上部で基板２の熱を吸収した冷却水は、水路３７ｂ、継手３８ｂを通って外部のチラー３９に排出される。

支持筒５３を下面に取り付けた冷却板３２の上面には、ステージ部１０が複数のネジ部材１７（図では４個）で取り付けられる。ガス導配管６１の先端に固着されたガス流路板６２がシール押え２０の貫通穴２１、シール材１９を貫通して凹部２７に挿入されることにより、ガス流路板６２のガス流路６４ａ，６４ｂは、冷却板１２のガス流路２５ａ，２５ｂと接続される。

シール材１８はその頂部が基板２の裏面と接することにより、凹部２４に充填された熱伝導ガスの真空チャンバー内への漏洩を防止し、シール材３６は、その頂部がステージ１２の下面と接することにより冷却水の真空チャンバー内への漏洩を防止し、シール材５６はその頂部が冷却板３２の下面と接することにより冷却水の真空チャンバー内への漏洩を防止する。また。シール材１９はその内径部が外管６１ａの外周面と接することにより冷却水がガス流路２５ａ、２５ｂに漏洩すること、および熱伝導ガスが凹部４０の冷却水路３７ａ，３７ｂに漏洩することを防止する。シール材１８、１９、３６、５６は、市販の０リングを使用しているが、其れに拘るものではなく真空中で冷却水、熱伝導ガスの漏洩を防止できるものならば他のシール材を使用することができる。

本考案の基板載置装置１は、ステージ部１０、冷却部３０、供給排出部５０が同軸上に配置され構成されるが、其れに拘るものではなく供給排出部５０の支持筒５３とガス導配管６１を同軸上に配置しない構成として冷却板３０に固定してもよく、また各部の形状は円形に拘るものではなく、基板の形状に合わせて三角形、多角形、楕円形とすることができる。

上記構成の基板載置装置１は、基板２の加工時に先んず基板押え１４をステージ１２から取り外した状態で、基板２をステージ１２の載置面１３に載置し、その後基板押え１４を基板２の上部より被せてステージ１２にネジ部材１５で固定する。この状態で基板２の上面外周部は、基板押え１４の鍔部１４ｂに押圧されることにより、基板２の裏面はシール材１８の頂部を押圧するので凹部２４の空間は密閉される。その後、真空チャンバーの外にあるガス排気ユニット６６を作動してガス流路２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂ、および凹部２４内の空気が排出さえるとともに、ガス供給ユニット６５が作動して熱伝導ガスが導入される。ガス供給ユニット６５とガス排出ユニット６６は協働して、凹部２４およびガス流路の熱伝導ガスの圧力を圧力計により監視し、基板２の昇温とともに変動する熱伝導ガスの圧力を制御して、必要により熱伝導ガスを供給または排気する。基板２の加工終了時、凹部２４およびガス流路の熱伝導ガスは、ガス排出ユニット６６の作動により排出されガス回収装置６７に回収される。

本考案の基板載置装置１、半導体製造装置におけるイオンミーリング装置、プラズマＣＶＤ装置等、真空雰囲気中で基板に加工処理を施す装置に利用できる。

１ 基板載置装置
２ 基板
１０ ステージ部
１２ ステージ
１３ 載置面
１４ 基板押え
１５ ネジ部材
１８、１９、３６、５６ シール材
２０ シール押え
２１ 貫通穴
２２、２４ 凹部
２７、２８、２９ 凹部
２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ ガス流路
３０ 冷却部
３２ 冷却板
３４ 仕切り板
３７ａ、３７ｂ 水路
３８ａ、３８ｂ 継手
３９ チラー
４０、４１ 凹部
４２ 孔
５０ 供給排出部
５３ 支持筒
５４ ベース
６０ ガス流路部
６１ ガス導配管
６２ ガス流路板
６５ ガス供給ユニット
６６ ガス排出ユニット
７０ 冷却水路部

Claims (2)

1. 真空チャンバー内で加工される基板を載置する基板載置装置において、
   該基板を載置するステージ部であり、前記基板を載置するステージと、載置した前記基板を該ステージに固定する基板押えとを備え、前記ステージはシール部材と、熱伝導領域を含むステージ部と、
   前記ステージの下面に装着されて、前記ステージおよび前記熱伝導領域を介して前記基板を冷却する冷却部と、
   供給排出部であり、前記熱伝導領域に熱伝導ガスを供給し排出するガス流路部と、前記冷却部に冷却水を供給し排出する冷却水路部を備える供給排出部と
   を備えることを特長とする基板載置装置。
2. 前記シール部材と前記熱伝導領域は前記ステージの上面に設けられ、前記熱伝導領域は、前記シール部材の内側全面とされることを特長とする請求項１に記載の基板載置装置。

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