JP4620879B2 - 基板温度制御機構及び真空処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、真空中で基板を処理する真空処理装置及びそのような装置において基板の温度を制御する基板温度制御機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中で基板を処理することは、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子デバイスやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示デバイスの製造において広く行われている。このような真空処理においては、処理の際の基板の温度が処理に品質に影響を与えることが多いため、基板の温度を制御しながら処理することがしばしば行われている。
基板の温度制御は、通常、基板に面接触する部材を介して熱交換を行うことにより行われている。輻射加熱ランプを使用することもあるが、温度制御の精度等を考慮して、通常は、伝導伝達による熱交換が利用される。
従来の典型的な基板温度制御機構の構成は、台状の部材（以下、ステージ）に基板を載置し、ステージ内に設けた熱源又は冷源により基板を加熱又は冷却して温度制御する。
【０００３】
このような基板温度制御機構でも、温度制御の精度や応答性が充分に高く得られない場合がある。この原因の一つは、基板の裏面やステージの表面には微小な凹凸があるためである。微小な凹凸があることによって接触面積が少なくなり、熱交換の効率が低下してしまう。この結果、温度制御の精度や応答性も低下する。真空処理装置のように、基板やステージを真空中に配置して温度制御を行う場合には、微小な凹凸で形成された微小な空間は真空圧力になるため、熱交換効率が低下してしまう。この結果、やはり温度制御の精度や応答性が低下する。
【０００４】
従来の基板温度制御機構は、このような問題を解消するため、基板をステージに静電吸着させる構成を採っている。具体的には、ステージの基板を載置する側の部分を誘電体製とし、その誘電体製の部材（以下、誘電体ブロック）内に一対又は複数対の吸着電極を設ける。そして、対を成す吸着電極に正負の直流電圧を印加する。電圧印加によって誘電体ブロックの表面に静電気が誘起され、この静電気により基板が誘電体ブロックに静電吸着される。静電吸着により密着性が向上する結果、基板と誘電体ブロックの熱交換効率が高まり、温度制御の精度や応答性が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の基板温度制御機構は、基板の静電吸着を行うため、以下のような問題がある。
【０００６】
一つめの問題は、静電吸着ブロックのバラツキ等に起因した温度制御の信頼性や安定性の問題である。静電吸着ブロックは、体積抵抗率等の特性が製造段階での要因により多少ばらつくことが避けられない。このような特性のバラツキがあると、同じように電圧を印加した場合でも、表面に生ずる静電吸着力が僅かに異なってくる。このような静電吸着力のバラツキは、基板とステージとの間の熱交換効率のバラツキにつながり、最終的には、温度制御の応答性等の制御特性のバラツキにつながる。静電吸着力が個々の誘電体ブロックによってバラツクということは、同じような制御パターンで熱源又は冷源を制御しても、基板の温度変化が個々の誘電体ブロックによって異なるという結果にもなりかねない。
【０００７】
また、体積抵抗率等の特性のバラツキは、個々の誘電体ブロック同士に生ずる他、一つの誘電体ブロック内でも生ずることが避けられない。つまり、体積抵抗率等の特性が全く均一な誘電体ブロックを製造することは困難であり、特性のバラツキが不可避である。基板を吸着する面（以下、吸着面）の方向に特性のバラツキが生ずると、両者の接触性が不均一となり、この結果、熱交換効率も不均一となる。これにより、基板の温度分布も不均一になってしまう。
【０００８】
さらに、上述した説明から解るように、静電吸着を利用した基板温度制御は、吸着面の状態に大きく依存する。基板の吸着と脱離を多く繰り返すと、吸着面の状態が経時的に変化することがある。例えば、吸着面が基板によって多少削られる結果、吸着面の微小な凹凸が経時的に平坦化されたりすることがある。このような表面状態の経時的な変化が生ずると、静電吸着の特性も変化し、この結果、温度制御の特性も変化してしまう。つまり、経時的に安定した温度制御が行えないことになる。
【０００９】
また、静電吸着の本質的な問題として、基板の種類が変わってしまった場合、吸着力も変わってしまう問題がある。基板を静電吸着させた際、誘電体ブロックと基板との間には電位差があり、この電位差によって漏れ電流が流れる。この漏れ電流の大きさが大きいほど、静電吸着力が大きくなる。基板の種類が異なると、その抵抗率も異なってくるため、漏れ電流の大きさが変わってしまい、静電吸着力も変わってしまう。従って、静電吸着を利用した基板温度制御機構では、基板の種類が変わるたびに印加電圧の調整等を作業をしなければならない煩わしさがある。
このように、静電吸着を利用した基板温度制御機構は、温度制御の信頼性や安定性といった点で問題が指摘されている。
【００１０】
また、静電吸着を利用した基板温度制御機構は、基板の処理の際に使用されるものである場合、基板を汚損する問題もある。基板が静電吸着力により誘電体ブロックに強く吸着される結果、基板の裏面が誘電体ブロックにより傷つけられることがある。逆に、誘電体ブロックの表面が基板により傷つけられたり、表面が欠けたりする場合がある。このような傷や欠けが発生すると、微小な破片が放出される。この破片が、被処理面である基板の表面に付着すると、表面が汚損される可能性が高い。例えば、基板の表面に薄膜が作成される処理が行われる場合、薄膜中に異物として破片が混入することで薄膜の品質が著しく損なわれることがある。また、基板の表面に微細な回路が形成されている場合、破片が付着することによって回路の断線やショート等が生ずることがある。
このような基板を汚損する微粒子は、一般的にパーティクルと呼ばれる。上記静電吸着を利用した基板温度制御機構は、このようにパーティクルを発生させ易いという問題がある。
【００１１】
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、信頼性や安定性といった点で優れた基板温度制御機構を提供するとともに、このような基板温度制御機構を備えることで処理の再現性や品質の点で優れた真空処理装置を提供する技術的意義を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体とを有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路と
を備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っており、
さらに、
前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、
前記第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成され、前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体とを有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路と
を備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っている基板温度制御機構と、この基板温度制御機構の前記ステージが内部に配置された真空チャンバーと、前記第１のガス導入路を通して温度制御用ガスを導入する温度制御用ガス導入系と、真空チャンバー内を排気する排気系と、真空チャンバー内に所定のガスを導入するプロセス用ガス導入系とを備え、前記ステージに基板を載置して基板の温度制御を行いながら真空中で基板に対して所定の処理を行うものであり、
前記温度制御用ガス導入系は、前記第１のガス導入路につながる配管から分岐させたバイパスを有しており、バイパスは真空チャンバーに接続されているとともに、バイパスにはバイパスバルブが設けられているという構成を有する。
また、請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられているという構成を有する。
また、請求項５記載の発明は、前記請求項３又は４の構成において、前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、この第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成されているという構成を有する。
また、請求項６記載の発明は、前記請求項５の構成において、前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であるという構成を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態の基板温度制御機構及び真空処理装置の概略構成を示す正面断面図である。図１に示す基板温度制御機構は、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。また、図１に示す真空処理装置は、この基板温度制御機構と、基板温度制御機構のステージ１が内部に配置された真空チャンバー６と、真空チャンバー６内を排気する排気系６１と、真空チャンバー６内に所定のガスを導入するプロセス用ガス導入系６２と、処理の内容によって最適化される処理手段７等から構成されている。
【００１４】
ステージ１は、図１に示すように台状の部材であり、上面に基板９が載置される。従って、上面が基板９との接触面（以下、単に接触面）である。ステージ１は、基板９に面接触する接触ブロック１１と、接触ブロック１１に向かい合わせて近接させて設けられたステージ本体１２とより成っている。接触ブロック１１は、押さえリング１６によりステージ本体１２に押さえ付けられた状態で設けられている。尚、「接触ブロック１１に向かい合わせて近接させて」の「近接させて」とは、両者が接触している場合と、接触してはいないが小さい隙間で接近している場合の双方の含む意味である。
ステージ本体１２は、銅のような熱伝導性の良い金属で形成されている。熱交換部２は、ステージ本体１２内に設けられている。熱交換部２としては、本実施形態では、基板９を加熱する熱源２１と基板９を冷却する冷源２２の双方が設けられている。
【００１５】
熱源２１には、本実施形態では、ジュール発熱方式のものが採用されている。熱源２１は、ステージ本体１２の中心軸の周りに発熱線を螺旋状又は渦巻き状に配置した構成となっている。熱源２１には、熱源２１を通電して発熱させる加熱用電源２１１が接続されている。この加熱用電源２１１は、制御部３によって熱源２１への供給電力が制御されるようになっている。
【００１６】
また、冷源２２は、ステージ本体１２内に設けた空洞１２１に流通される冷媒となっている。空洞１２１は、接触面と平行な面内に蛇行して延びる一本の冷媒の流通路を構成するものである。空洞１２１が形成する流通路の入り口に連通するようにして冷媒供給管２２１が接続され、流通路の出口に連通するようにして冷媒排出管２２２が接続されている。冷媒供給管２２１と冷媒排出管２２２とは、サーキュレータ２２３を介してつながっている。サーキュレータ２２３は、冷媒供給管２２１を介して空洞１２１内に導入する冷媒の温度を管理するものである。サーキュレータ２２３には、制御部３から制御信号が送られるようになっており、制御信号に従って冷媒の温度が管理される。
【００１７】
接触ブロック１１は、ステージ本体１２と同様、熱伝達率の良いものであることが好ましい。本実施形態では、接触ブロック１１は、窒化アルミで形成されている。
また、基板温度制御機構は、基板９の温度を検出する温度センサ５を備えている。温度センサ５としては、本実施形態では、熱電対が使用されている。温度センサ５は、図１に示すように、ステージ本体１２内に埋設されている。従って、温度センサ５は、ステージ本体１２の温度を検出することにより間接的に基板９の温度を検出する。熱電対よりなる温度センサ５を基板９に接触させて基板９の温度を直接検出することも可能であるが、接触が安定して充分に行われるようにする必要がある。温度センサ５の検出信号は、制御部３に送られる。尚、温度センサ５には、放射温度計等の熱電対以外のものが使用される場合もある。
【００１８】
また、ステージ１は、基板９の受け渡し用のリフトピン１３を備えている。図１に示すように、ステージ本体１２及び接触ブロック１１には、リフトピン１３用の貫通孔が形成されており、この貫通孔内にリフトピン１３が配置されている。リフトピン１３には、不図示の昇降機構が設けられている。昇降機構は、リフトピン１３を上昇させて基板９を受け取った後にリフトピン１３を下降させ、基板９をステージ１上に載置するようになっている。また、基板９をステージ１から取り去る際には、昇降機構は、リフトピン１３を上昇させて基板９をステージ１から突き上げるようにする。尚、リフトピン１３は、図１では１本のみ示されているが、実際には３本程度均等に設けられている。
【００１９】
真空チャンバー６は気密な容器であり、不図示のロードロックチャンバー又は内部に搬送ロボットを有する搬送チャンバーが気密に接続されている。接続箇所には、基板９の搬入搬出のための不図示のゲートバルブが設けられている。尚、真空チャンバー６の底壁部には開口が設けられており、ステージ１はこの開口を気密に塞ぐようにして取付具１５により取り付けられている。
【００２０】
真空処理がスパッタリングである場合を例にして、真空処理装置の構成について説明する。スパッタリングを行う場合、プロセス用ガス導入系６２は、アルゴンや窒素等のガスを導入するよう構成される。処理手段７は、ターゲットと、ターゲットにスパッタ放電用の電圧を印加するスパッタ電源とから構成される。ターゲットの背後（被スパッタ面とは反対側）には、マグネトロンスパッタリングのための磁石が設けられる。
【００２１】
本実施形態の基板温度制御機構の大きな特徴点は、接触ブロック１１とステージ本体１２の境界部分の構造にある。本実施形態の大きな特徴点は、接触ブロック１１とステージ本体１２のお互いの向かい合う面が、平坦な面をつき合わせた場合に比べて表面積が大きくなるよう互いに適合する凹凸を有した面となっている点である。
【００２２】
図２は、ステージ本体１２に設けた凹凸の平面視を示す図である。
ステージ本体１２の接触ブロック１１に向かい合う面（上面）の凹凸は、図２に示すように、ステージ本体１２の中心軸と同軸の円周を多数連ねた形状となっている。接触ブロック１１のステージ本体１２に向かい合う面（接触面とは反対側の面）の凹凸は、同様に多数の同心円周状の凹凸となっており、図１に示すようにステージ本体１２の凹部に凸部が丁度嵌り合う構成となっている。
【００２３】
また、本実施形態では、ステージ本体１２と接触ブロック１１の向かい合う面の隙間にガスを導入して圧力を上昇させる温度制御用ガス導入系４が設けられている。ステージ本体１２には、図１に示すように、ガス導入路１４が形成されている。ガス導入路１４は、ステージ本体１２の上面にまで達している。温度制御用ガス導入系４は、ガス導入路１４を介して隙間にガスを導入するものであり、不図示のガスボンベとガス導入路１４とをつなぐ配管４１と、配管４１上に設けられたカットバルブ４２や流量調整器４３、圧力計４４等から構成されている。
【００２４】
また、流量調整器４３とカットバルブ４２との間の配管４１から分岐させるようにしてバイパス４５が設けられている。バイパス４５は、真空チャンバー６に接続されているとともに、バイパス４５上には、バイパスバルブ４６が設けられている。尚、温度制御用ガス導入系４が導入するガスは、ヘリウムのような熱伝導率のガスである。
【００２５】
図１では、ステージ本体１２の凸部の先端面は接触ブロック１１に接触し、接触ブロック１１の凸部の先端面はステージ本体１２に接触しているが、接触は完全ではなく、微小な隙間がある。温度制御用ガス導入系４によって導入されたガスは、微小な隙間を通り、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間の全体の隙間に拡散していく。
【００２６】
図１及び図２に示す基板温度制御機構の動作について、以下に説明する。以下の説明では、一例として基板９を加熱して所定の温度に制御する場合を採り上げる。
リフトピン１３及び不図示の昇降機構の動作によって、前述した通り基板９がステージ１上に載置される。ステージ１内の熱源２１が予め動作しており、制御部３からの制御信号に従い、ステージ１は全体に所定の高温に維持されている。
【００２７】
基板９がステージ１に載置されると、熱源２１からの熱が接触ブロック１１を介して基板９に伝えられ、基板９の温度は上昇する。しかしながら、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間は、真空圧力であってガス分子による熱の伝導伝達や対流による熱の伝達はあまり期待できない。従って、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間に温度差が生じやすい。
【００２８】
そこで、本実施形態では、温度制御用ガス導入系４を動作させ、ステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間にガスを導入し、圧力を上昇させる。即ち、バイパスバルブ４６を閉めた状態でカットバルブ４２を開け、流量調整器４３を経由してステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間にガスを導入する。導入されるガスの圧力は、圧力計４４で計測され、制御部３に送られる。制御部３は、ガスの圧力が所定の値になるよう、流量調整器４３を調整する。これにより、接触ブロック１１とステージ本体１２の隙間のガス圧力もその所定の値にほぼ等しくなる。
【００２９】
このようにして接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間の圧力が上昇する結果、両者の熱交換効率が向上し、接触ブロック１１の温度はステージ本体１２の温度に近くなる。従って、接触ブロック１１に接触している基板９の温度もステージ本体１２の温度に近くなる。
ステージ本体１２の温度は、温度センサ５によって計測されて制御部３に送られる。制御部３は、ステージ本体１２の温度が所定の高温に維持されるよう熱源２１をフィードバック制御する。この結果、基板９の温度も所定の高温に維持される。
【００３０】
この際、基板９の温度を、温度制御用ガス導入系４によるガス導入量で制御することも可能である。具体的には、温度センサ５からの信号に従い、ステージ本体１２と接触ブロック１１の隙間の圧力の設定値を変更する。この変更により、温度制御用ガス導入系４の流量調整器４３に制御信号が送られ、圧力計４４で計測される圧力がこの設定値になるよう流量調整器４３がフィードバック制御される。このような構成によっても、基板９の温度制御が可能である。
【００３１】
基板９の処理の動作について、同様にスパッタリングの場合を例にして説明する。上記のように基板９がステージ１に載置されて所定の温度に制御された状態で、プロセス用ガス導入系６２によってガスが所定の流量で導入されるとともに排気系６１によって真空チャンバー６内が所定の真空圧力に維持される。この状態で、スパッタ電源が動作してスパッタ放電が生じ、ターゲットがスパッタされる。スパッタによって放出されたターゲットの材料が基板９に到達し、基板９の表面にターゲットの材料の薄膜が堆積する。
【００３２】
薄膜が所定の厚さに達したら、スパッタ電源及びプロセス用ガス導入系６２の動作を止め、真空チャンバー６内を再度排気する。また、温度制御用ガス導入系４の動作も止める。そして、リフトピン１３を突き上げて基板９をステージ１から取り去る。この際、温度制御用ガス導入系４の流量調整器４３の設定値を０にするとともにカットバルブ４２を開けたままとし、バイパスバルブ４６を開ける。この結果、接触ステージ１とステージ本体１２との隙間やカットバルブ４２と流量調整器４３との間に残留しているガスは、真空チャンバー６内を経て排気系６１により排気される。
【００３３】
上記構成及び作用に係る本実施形態の基板温度制御機構によれば、ステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間に熱伝達率の高いガスが導入されるので、両者の熱交換効率が増す。このため、接触ブロック１１を介した基板９との熱交換効率も増し、温度制御の精度や応答性が高くなる。そして、この基板温度制御機構を備えた真空処理装置によれば、基板９及びステージ１が真空圧力下に置かれるにもかかわらず、基板９の温度が精度良く制御される。このため、再現性や品質の点で優れた処理を行うことができる。
【００３４】
尚、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率が問題になるときは、接触ブロック１１内に吸着電極を設け、基板９を接触ブロック１１に静電吸着するようにする。この場合、接触ブロック１１とステージ本体１２との熱交換効率が高いため、それほど大きな静電吸着力は必要としない。従って、基板９や接触ブロック１１が傷つけられる問題は、従来に比べて低減する。
【００３５】
上記実施形態では、熱源２１によって基板９を加熱しながら熱源２１を制御して基板９の温度を所定の高温に維持したが、冷源２２によって基板９を冷却しながら基板９の温度を所定の値に維持する場合もあるのは、勿論である。例えば、プラズマを形成しながら処理する場合、プラズマからの熱によって基板が必要以上に加熱されることがあり、この場合は、冷源２２によって基板９を冷却しながら温度制御することもある。この場合、制御部３は、サーキュレータ２２３に制御信号を送って冷媒の温度を所定の値に保つようにする。
【００３６】
この他、熱源２１によって基板９を加熱しながら冷源２２を動作させたり、冷源２２によって基板９を冷却しながら熱源２１を動作させることもある。この場合、熱源２１によって基板９を加熱するもののフィードバック制御は冷源２２に対して行ったり、逆に冷源２２によって基板９を冷却するもののフィードバック制御は熱源２１に対して行う場合もある。
【００３７】
次に、本願発明の第二の実施形態の基板温度制御機構の構成について説明する。図３は、第二の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
この実施形態の基板温度制御機構も、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。
【００３８】
この実施形態の大きな特徴点は、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率を向上させるため、両者の隙間にガスを導入するようになっていることであり、そのガス導入のための構成として、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間にガスを導入する温度制御用ガス導入系４が兼用されている点である。
【００３９】
具体的に説明すると、接触ブロック１１は、接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間にあるガスを基板９と接触ブロック１１との隙間に導くガス導入部１１１を有している。ガス導入部１１１としては、本実施形態では、多孔性部材が使用されている。多孔性部材は、ろ過精度０．０１μｍ程度のフィルタと同様の部材から成るものが使用できる。材質は、セラミックス等である。このような多孔性部材は、例えば焼結等の方法により成形するに際し、内部からのガス放出によって無数の孔が形成されるようにすることで製造することができる。
【００４０】
接触ブロック１１は、多孔性部材が設けられる部分に貫通孔を有している。多孔性部材は、貫通孔に填め込まれている。貫通孔及び多孔性部材の形状は任意であるが、例えばステージ１と同軸の円環状で良い。上下に細長い貫通孔を複数均等に設け、その各々にロッド状の多孔性部材を填め込んでも良い。
【００４１】
本実施形態の構成では、温度制御用ガス導入系４が導入するガスが、基板９と接触ブロック１１との間にも導入されるので、基板９と接触ブロック１１との隙間の圧力も高くなる。このため、基板９と接触ブロック１１との熱交換効率が向上し、基板９の温度制御の精度や応答性がさらに高くなる。このため、この基板温度制御機構を備えた真空処理装置によれば、再現性や品質の点でさらに優れた処理を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態の構成によれば、基板９と接触ブロック１１との隙間に導入されたガスにより熱交換効率が高まるので、基板９を接触ブロック１１に対して静電吸着させなくとも、上記温度制御の精度向上や応答性向上の効果を得ることができる。従って、信頼性や安定性の点で問題のある静電吸着を採用することによる基板温度制御の信頼性や安定性の低下、パーティクルの発生による基板９の汚損といった問題からは、本実施形態は無縁である。とはいえ、本願発明は、静電吸着機構の採用を排除するものではなく、必要であれば採用しても良い。
【００４３】
また、本実施形態の構成では、基板９と接触ブロック１１との隙間にガスを導入する構成として、接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間にガスを導入する構成を兼用している。この構成には、ガス導入のための構成が簡略化され、ステージ１やステージ１の周辺の構成がシンプルになるメリットがある。但し、兼用しない構成も採用が可能であり、専用の経路で基板９と接触ブロック１１との隙間にガス導入しても良い。
尚、ガス導入部１１１の構成としては、上述した多孔性部材を使用する場合の他、単なるガス導入路（貫通路）の構成でも良い。
【００４４】
次に、本願発明の第三の実施形態の基板温度制御機構の構成について説明する。図４は、第三の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
この実施形態の基板温度制御機構も、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。
【００４５】
この実施形態も、第二の実施形態と同様に、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率を向上させるため、両者の隙間にガスを導入するようになっており、そのガス導入のための構成として、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間にガスを導入する温度制御用ガス導入系４が兼用されている。この第三の実施形態が第二の実施形態と異なるのは、接触ブロック１１が全体に多孔性部材となっている点である。即ち、接触ブロック１１は、ろ過精度０．０１μｍ程度のフィルタと同様の部材で全体が形成されている。
【００４６】
このように接触ブロック１１を多孔性部材で全体に形成すると、接触ブロック１１とステージ本体１２の隙間にあるガスが均一に上昇して基板９と接触ブロック１１との隙間に導入される。このため、基板９と接触ブロック１１との隙間のガス圧力の分布がより均一になる。この結果、基板９の温度もより均一になり、より均一な処理が行えることになる。
【００４７】
尚、この第三の実施形態では、接触ブロック１１とステージ本体１２とのお互いの向かい合う面は、第一第二の実施形態のような凹凸面になっていない。ステージ本体１２の接触ブロック１１に向かい合う面には、大きな一つの凹部が形成されているのみである。この凹部で形成される空間に温度制御用ガス導入系４が導入するガスが溜まり、熱交換効率を向上させるようになっている。但し、第一第二の実施形態と同様に互いに嵌り合う小さな多数の凹凸より成る面にしておくと、接触ブロック１１とステージ本体１２の熱交換の効率がさらに高まる効果を得られるので、さらに好適である。
【００４８】
上記各実施形態では、熱交換部２は、基本的に伝導伝達により熱交換を行うものであったが、輻射熱で熱交換を行ったり、対流により熱交換を行ったりする構成が採用されることもある。
【００４９】
【実施例】
次に、上記各実施形態に属する実施例について説明する。
例えば、基板９がシリコン等の半導体ウェーハであり、その基板９を５００℃まで加熱してその温度を制御する場合、温度制御用ガスの導入量は、４ＳＣＣＭ（ＳＣＣＭは０℃１気圧で換算した気体の流量（立方センチメートル／分））程度である。温度制御用ガスの圧力（圧力計４４の計測値）は、１０３Ｐａ程度である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１記載の基板温度制御機構によれば、ステージ本体と接触ブロックとの隙間にガスが導入されるので、両者の熱交換効率が増す。このため、接触ブロックを介した基板との熱交換効率も増し、温度制御の精度や応答性が高くなるという効果が得られる。また、基板と接触ブロックとの熱交換効率も増す。このため、温度制御の精度や応答性がさらに高くなる。そして、基板と接触ブロックとの隙間にガスを導入する構成に、接触ブロックとステージ本体との隙間にガスを導入する構成を兼用しているので、構造をシンプルにできる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果を有する基板温度制御機構を使用しながら真空中で基板が処理されるので、再現性や品質といった点で優れた処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態の基板温度制御機構及び真空処理装置の概略構成を示す正面断面図である。
【図２】ステージ本体１２に設けた凹凸の平面視を示す図である。
【図３】第二の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
【図４】第三の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１ ステージ
１１ 接触ブロック
１１１ ガス導入部
１２ ステージ本体
２ 熱交換部
２１ 熱源
２１１ 加熱用電源
２２ 冷源
２２１ 冷媒供給管
２２２ 冷媒排出管
２２３ サーキュレータ
３ 制御部
４ 温度制御用ガス導入系
５ 温度センサ
６ 真空チャンバー
６１ 排気系
６２ プロセス用ガス導入系
７ 処理手段
９ 基板
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、真空中で基板を処理する真空処理装置及びそのような装置において基板の温度を制御する基板温度制御機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中で基板を処理することは、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子デバイスやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示デバイスの製造において広く行われている。このような真空処理においては、処理の際の基板の温度が処理に品質に影響を与えることが多いため、基板の温度を制御しながら処理することがしばしば行われている。
基板の温度制御は、通常、基板に面接触する部材を介して熱交換を行うことにより行われている。輻射加熱ランプを使用することもあるが、温度制御の精度等を考慮して、通常は、伝導伝達による熱交換が利用される。
従来の典型的な基板温度制御機構の構成は、台状の部材（以下、ステージ）に基板を載置し、ステージ内に設けた熱源又は冷源により基板を加熱又は冷却して温度制御する。
【０００３】
このような基板温度制御機構でも、温度制御の精度や応答性が充分に高く得られない場合がある。この原因の一つは、基板の裏面やステージの表面には微小な凹凸があるためである。微小な凹凸があることによって接触面積が少なくなり、熱交換の効率が低下してしまう。この結果、温度制御の精度や応答性も低下する。真空処理装置のように、基板やステージを真空中に配置して温度制御を行う場合には、微小な凹凸で形成された微小な空間は真空圧力になるため、熱交換効率が低下してしまう。この結果、やはり温度制御の精度や応答性が低下する。
【０００４】
従来の基板温度制御機構は、このような問題を解消するため、基板をステージに静電吸着させる構成を採っている。具体的には、ステージの基板を載置する側の部分を誘電体製とし、その誘電体製の部材（以下、誘電体ブロック）内に一対又は複数対の吸着電極を設ける。そして、対を成す吸着電極に正負の直流電圧を印加する。電圧印加によって誘電体ブロックの表面に静電気が誘起され、この静電気により基板が誘電体ブロックに静電吸着される。静電吸着により密着性が向上する結果、基板と誘電体ブロックの熱交換効率が高まり、温度制御の精度や応答性が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の基板温度制御機構は、基板の静電吸着を行うため、以下のような問題がある。
【０００６】
一つめの問題は、静電吸着ブロックのバラツキ等に起因した温度制御の信頼性や安定性の問題である。静電吸着ブロックは、体積抵抗率等の特性が製造段階での要因により多少ばらつくことが避けられない。このような特性のバラツキがあると、同じように電圧を印加した場合でも、表面に生ずる静電吸着力が僅かに異なってくる。このような静電吸着力のバラツキは、基板とステージとの間の熱交換効率のバラツキにつながり、最終的には、温度制御の応答性等の制御特性のバラツキにつながる。静電吸着力が個々の誘電体ブロックによってバラツクということは、同じような制御パターンで熱源又は冷源を制御しても、基板の温度変化が個々の誘電体ブロックによって異なるという結果にもなりかねない。
【０００７】
また、体積抵抗率等の特性のバラツキは、個々の誘電体ブロック同士に生ずる他、一つの誘電体ブロック内でも生ずることが避けられない。つまり、体積抵抗率等の特性が全く均一な誘電体ブロックを製造することは困難であり、特性のバラツキが不可避である。基板を吸着する面（以下、吸着面）の方向に特性のバラツキが生ずると、両者の接触性が不均一となり、この結果、熱交換効率も不均一となる。これにより、基板の温度分布も不均一になってしまう。
【０００８】
さらに、上述した説明から解るように、静電吸着を利用した基板温度制御は、吸着面の状態に大きく依存する。基板の吸着と脱離を多く繰り返すと、吸着面の状態が経時的に変化することがある。例えば、吸着面が基板によって多少削られる結果、吸着面の微小な凹凸が経時的に平坦化されたりすることがある。このような表面状態の経時的な変化が生ずると、静電吸着の特性も変化し、この結果、温度制御の特性も変化してしまう。つまり、経時的に安定した温度制御が行えないことになる。
【０００９】
また、静電吸着の本質的な問題として、基板の種類が変わってしまった場合、吸着力も変わってしまう問題がある。基板を静電吸着させた際、誘電体ブロックと基板との間には電位差があり、この電位差によって漏れ電流が流れる。この漏れ電流の大きさが大きいほど、静電吸着力が大きくなる。基板の種類が異なると、その抵抗率も異なってくるため、漏れ電流の大きさが変わってしまい、静電吸着力も変わってしまう。従って、静電吸着を利用した基板温度制御機構では、基板の種類が変わるたびに印加電圧の調整等を作業をしなければならない煩わしさがある。
このように、静電吸着を利用した基板温度制御機構は、温度制御の信頼性や安定性といった点で問題が指摘されている。
【００１０】
また、静電吸着を利用した基板温度制御機構は、基板の処理の際に使用されるものである場合、基板を汚損する問題もある。基板が静電吸着力により誘電体ブロックに強く吸着される結果、基板の裏面が誘電体ブロックにより傷つけられることがある。逆に、誘電体ブロックの表面が基板により傷つけられたり、表面が欠けたりする場合がある。このような傷や欠けが発生すると、微小な破片が放出される。この破片が、被処理面である基板の表面に付着すると、表面が汚損される可能性が高い。例えば、基板の表面に薄膜が作成される処理が行われる場合、薄膜中に異物として破片が混入することで薄膜の品質が著しく損なわれることがある。また、基板の表面に微細な回路が形成されている場合、破片が付着することによって回路の断線やショート等が生ずることがある。
このような基板を汚損する微粒子は、一般的にパーティクルと呼ばれる。上記静電吸着を利用した基板温度制御機構は、このようにパーティクルを発生させ易いという問題がある。
【００１１】
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、信頼性や安定性といった点で優れた基板温度制御機構を提供するとともに、このような基板温度制御機構を備えることで処理の再現性や品質の点で優れた真空処理装置を提供する技術的意義を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体とを有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路と
を備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っており、
さらに、
前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、
前記第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成され、前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体とを有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路と
を備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っている基板温度制御機構と、この基板温度制御機構の前記ステージが内部に配置された真空チャンバーと、前記第１のガス導入路を通して温度制御用ガスを導入する温度制御用ガス導入系と、真空チャンバー内を排気する排気系と、真空チャンバー内に所定のガスを導入するプロセス用ガス導入系とを備え、前記ステージに基板を載置して基板の温度制御を行いながら真空中で基板に対して所定の処理を行うものであり、
前記温度制御用ガス導入系は、前記第１のガス導入路につながる配管から分岐させたバイパスを有しており、バイパスは真空チャンバーに接続されているとともに、バイパスにはバイパスバルブが設けられているという構成を有する。
また、請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられているという構成を有する。
また、請求項５記載の発明は、前記請求項３又は４の構成において、前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、この第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成されているという構成を有する。
また、請求項６記載の発明は、前記請求項５の構成において、前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であるという構成を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態の基板温度制御機構及び真空処理装置の概略構成を示す正面断面図である。図１に示す基板温度制御機構は、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。また、図１に示す真空処理装置は、この基板温度制御機構と、基板温度制御機構のステージ１が内部に配置された真空チャンバー６と、真空チャンバー６内を排気する排気系６１と、真空チャンバー６内に所定のガスを導入するプロセス用ガス導入系６２と、処理の内容によって最適化される処理手段７等から構成されている。
【００１４】
ステージ１は、図１に示すように台状の部材であり、上面に基板９が載置される。従って、上面が基板９との接触面（以下、単に接触面）である。ステージ１は、基板９に面接触する接触ブロック１１と、接触ブロック１１に向かい合わせて近接させて設けられたステージ本体１２とより成っている。接触ブロック１１は、押さえリング１６によりステージ本体１２に押さえ付けられた状態で設けられている。尚、「接触ブロック１１に向かい合わせて近接させて」の「近接させて」とは、両者が接触している場合と、接触してはいないが小さい隙間で接近している場合の双方の含む意味である。
ステージ本体１２は、銅のような熱伝導性の良い金属で形成されている。熱交換部２は、ステージ本体１２内に設けられている。熱交換部２としては、本実施形態では、基板９を加熱する熱源２１と基板９を冷却する冷源２２の双方が設けられている。
【００１５】
熱源２１には、本実施形態では、ジュール発熱方式のものが採用されている。熱源２１は、ステージ本体１２の中心軸の周りに発熱線を螺旋状又は渦巻き状に配置した構成となっている。熱源２１には、熱源２１を通電して発熱させる加熱用電源２１１が接続されている。この加熱用電源２１１は、制御部３によって熱源２１への供給電力が制御されるようになっている。
【００１６】
また、冷源２２は、ステージ本体１２内に設けた空洞１２１に流通される冷媒となっている。空洞１２１は、接触面と平行な面内に蛇行して延びる一本の冷媒の流通路を構成するものである。空洞１２１が形成する流通路の入り口に連通するようにして冷媒供給管２２１が接続され、流通路の出口に連通するようにして冷媒排出管２２２が接続されている。冷媒供給管２２１と冷媒排出管２２２とは、サーキュレータ２２３を介してつながっている。サーキュレータ２２３は、冷媒供給管２２１を介して空洞１２１内に導入する冷媒の温度を管理するものである。サーキュレータ２２３には、制御部３から制御信号が送られるようになっており、制御信号に従って冷媒の温度が管理される。
【００１７】
接触ブロック１１は、ステージ本体１２と同様、熱伝達率の良いものであることが好ましい。本実施形態では、接触ブロック１１は、窒化アルミで形成されている。
また、基板温度制御機構は、基板９の温度を検出する温度センサ５を備えている。温度センサ５としては、本実施形態では、熱電対が使用されている。温度センサ５は、図１に示すように、ステージ本体１２内に埋設されている。従って、温度センサ５は、ステージ本体１２の温度を検出することにより間接的に基板９の温度を検出する。熱電対よりなる温度センサ５を基板９に接触させて基板９の温度を直接検出することも可能であるが、接触が安定して充分に行われるようにする必要がある。温度センサ５の検出信号は、制御部３に送られる。尚、温度センサ５には、放射温度計等の熱電対以外のものが使用される場合もある。
【００１８】
また、ステージ１は、基板９の受け渡し用のリフトピン１３を備えている。図１に示すように、ステージ本体１２及び接触ブロック１１には、リフトピン１３用の貫通孔が形成されており、この貫通孔内にリフトピン１３が配置されている。リフトピン１３には、不図示の昇降機構が設けられている。昇降機構は、リフトピン１３を上昇させて基板９を受け取った後にリフトピン１３を下降させ、基板９をステージ１上に載置するようになっている。また、基板９をステージ１から取り去る際には、昇降機構は、リフトピン１３を上昇させて基板９をステージ１から突き上げるようにする。尚、リフトピン１３は、図１では１本のみ示されているが、実際には３本程度均等に設けられている。
【００１９】
真空チャンバー６は気密な容器であり、不図示のロードロックチャンバー又は内部に搬送ロボットを有する搬送チャンバーが気密に接続されている。接続箇所には、基板９の搬入搬出のための不図示のゲートバルブが設けられている。尚、真空チャンバー６の底壁部には開口が設けられており、ステージ１はこの開口を気密に塞ぐようにして取付具１５により取り付けられている。
【００２０】
真空処理がスパッタリングである場合を例にして、真空処理装置の構成について説明する。スパッタリングを行う場合、プロセス用ガス導入系６２は、アルゴンや窒素等のガスを導入するよう構成される。処理手段７は、ターゲットと、ターゲットにスパッタ放電用の電圧を印加するスパッタ電源とから構成される。ターゲットの背後（被スパッタ面とは反対側）には、マグネトロンスパッタリングのための磁石が設けられる。
【００２１】
本実施形態の基板温度制御機構の大きな特徴点は、接触ブロック１１とステージ本体１２の境界部分の構造にある。本実施形態の大きな特徴点は、接触ブロック１１とステージ本体１２のお互いの向かい合う面が、平坦な面をつき合わせた場合に比べて表面積が大きくなるよう互いに適合する凹凸を有した面となっている点である。
【００２２】
図２は、ステージ本体１２に設けた凹凸の平面視を示す図である。
ステージ本体１２の接触ブロック１１に向かい合う面（上面）の凹凸は、図２に示すように、ステージ本体１２の中心軸と同軸の円周を多数連ねた形状となっている。接触ブロック１１のステージ本体１２に向かい合う面（接触面とは反対側の面）の凹凸は、同様に多数の同心円周状の凹凸となっており、図１に示すようにステージ本体１２の凹部に凸部が丁度嵌り合う構成となっている。
【００２３】
また、本実施形態では、ステージ本体１２と接触ブロック１１の向かい合う面の隙間にガスを導入して圧力を上昇させる温度制御用ガス導入系４が設けられている。ステージ本体１２には、図１に示すように、ガス導入路１４が形成されている。ガス導入路１４は、ステージ本体１２の上面にまで達している。温度制御用ガス導入系４は、ガス導入路１４を介して隙間にガスを導入するものであり、不図示のガスボンベとガス導入路１４とをつなぐ配管４１と、配管４１上に設けられたカットバルブ４２や流量調整器４３、圧力計４４等から構成されている。
【００２４】
また、流量調整器４３とカットバルブ４２との間の配管４１から分岐させるようにしてバイパス４５が設けられている。バイパス４５は、真空チャンバー６に接続されているとともに、バイパス４５上には、バイパスバルブ４６が設けられている。尚、温度制御用ガス導入系４が導入するガスは、ヘリウムのような熱伝導率のガスである。
【００２５】
図１では、ステージ本体１２の凸部の先端面は接触ブロック１１に接触し、接触ブロック１１の凸部の先端面はステージ本体１２に接触しているが、接触は完全ではなく、微小な隙間がある。温度制御用ガス導入系４によって導入されたガスは、微小な隙間を通り、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間の全体の隙間に拡散していく。
【００２６】
図１及び図２に示す基板温度制御機構の動作について、以下に説明する。以下の説明では、一例として基板９を加熱して所定の温度に制御する場合を採り上げる。
リフトピン１３及び不図示の昇降機構の動作によって、前述した通り基板９がステージ１上に載置される。ステージ１内の熱源２１が予め動作しており、制御部３からの制御信号に従い、ステージ１は全体に所定の高温に維持されている。
【００２７】
基板９がステージ１に載置されると、熱源２１からの熱が接触ブロック１１を介して基板９に伝えられ、基板９の温度は上昇する。しかしながら、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間は、真空圧力であってガス分子による熱の伝導伝達や対流による熱の伝達はあまり期待できない。従って、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間に温度差が生じやすい。
【００２８】
そこで、本実施形態では、温度制御用ガス導入系４を動作させ、ステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間にガスを導入し、圧力を上昇させる。即ち、バイパスバルブ４６を閉めた状態でカットバルブ４２を開け、流量調整器４３を経由してステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間にガスを導入する。導入されるガスの圧力は、圧力計４４で計測され、制御部３に送られる。制御部３は、ガスの圧力が所定の値になるよう、流量調整器４３を調整する。これにより、接触ブロック１１とステージ本体１２の隙間のガス圧力もその所定の値にほぼ等しくなる。
【００２９】
このようにして接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間の圧力が上昇する結果、両者の熱交換効率が向上し、接触ブロック１１の温度はステージ本体１２の温度に近くなる。従って、接触ブロック１１に接触している基板９の温度もステージ本体１２の温度に近くなる。
ステージ本体１２の温度は、温度センサ５によって計測されて制御部３に送られる。制御部３は、ステージ本体１２の温度が所定の高温に維持されるよう熱源２１をフィードバック制御する。この結果、基板９の温度も所定の高温に維持される。
【００３０】
この際、基板９の温度を、温度制御用ガス導入系４によるガス導入量で制御することも可能である。具体的には、温度センサ５からの信号に従い、ステージ本体１２と接触ブロック１１の隙間の圧力の設定値を変更する。この変更により、温度制御用ガス導入系４の流量調整器４３に制御信号が送られ、圧力計４４で計測される圧力がこの設定値になるよう流量調整器４３がフィードバック制御される。このような構成によっても、基板９の温度制御が可能である。
【００３１】
基板９の処理の動作について、同様にスパッタリングの場合を例にして説明する。上記のように基板９がステージ１に載置されて所定の温度に制御された状態で、プロセス用ガス導入系６２によってガスが所定の流量で導入されるとともに排気系６１によって真空チャンバー６内が所定の真空圧力に維持される。この状態で、スパッタ電源が動作してスパッタ放電が生じ、ターゲットがスパッタされる。スパッタによって放出されたターゲットの材料が基板９に到達し、基板９の表面にターゲットの材料の薄膜が堆積する。
【００３２】
薄膜が所定の厚さに達したら、スパッタ電源及びプロセス用ガス導入系６２の動作を止め、真空チャンバー６内を再度排気する。また、温度制御用ガス導入系４の動作も止める。そして、リフトピン１３を突き上げて基板９をステージ１から取り去る。この際、温度制御用ガス導入系４の流量調整器４３の設定値を０にするとともにカットバルブ４２を開けたままとし、バイパスバルブ４６を開ける。この結果、接触ステージ１とステージ本体１２との隙間やカットバルブ４２と流量調整器４３との間に残留しているガスは、真空チャンバー６内を経て排気系６１により排気される。
【００３３】
上記構成及び作用に係る本実施形態の基板温度制御機構によれば、ステージ本体１２と接触ブロック１１との隙間に熱伝達率の高いガスが導入されるので、両者の熱交換効率が増す。このため、接触ブロック１１を介した基板９との熱交換効率も増し、温度制御の精度や応答性が高くなる。そして、この基板温度制御機構を備えた真空処理装置によれば、基板９及びステージ１が真空圧力下に置かれるにもかかわらず、基板９の温度が精度良く制御される。このため、再現性や品質の点で優れた処理を行うことができる。
【００３４】
尚、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率が問題になるときは、接触ブロック１１内に吸着電極を設け、基板９を接触ブロック１１に静電吸着するようにする。この場合、接触ブロック１１とステージ本体１２との熱交換効率が高いため、それほど大きな静電吸着力は必要としない。従って、基板９や接触ブロック１１が傷つけられる問題は、従来に比べて低減する。
【００３５】
上記実施形態では、熱源２１によって基板９を加熱しながら熱源２１を制御して基板９の温度を所定の高温に維持したが、冷源２２によって基板９を冷却しながら基板９の温度を所定の値に維持する場合もあるのは、勿論である。例えば、プラズマを形成しながら処理する場合、プラズマからの熱によって基板が必要以上に加熱されることがあり、この場合は、冷源２２によって基板９を冷却しながら温度制御することもある。この場合、制御部３は、サーキュレータ２２３に制御信号を送って冷媒の温度を所定の値に保つようにする。
【００３６】
この他、熱源２１によって基板９を加熱しながら冷源２２を動作させたり、冷源２２によって基板９を冷却しながら熱源２１を動作させることもある。この場合、熱源２１によって基板９を加熱するもののフィードバック制御は冷源２２に対して行ったり、逆に冷源２２によって基板９を冷却するもののフィードバック制御は熱源２１に対して行う場合もある。
【００３７】
次に、本願発明の第二の実施形態の基板温度制御機構の構成について説明する。図３は、第二の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
この実施形態の基板温度制御機構も、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。
【００３８】
この実施形態の大きな特徴点は、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率を向上させるため、両者の隙間にガスを導入するようになっていることであり、そのガス導入のための構成として、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間にガスを導入する温度制御用ガス導入系４が兼用されている点である。
【００３９】
具体的に説明すると、接触ブロック１１は、接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間にあるガスを基板９と接触ブロック１１との隙間に導くガス導入部１１１を有している。ガス導入部１１１としては、本実施形態では、多孔性部材が使用されている。多孔性部材は、ろ過精度０．０１μｍ程度のフィルタと同様の部材から成るものが使用できる。材質は、セラミックス等である。このような多孔性部材は、例えば焼結等の方法により成形するに際し、内部からのガス放出によって無数の孔が形成されるようにすることで製造することができる。
【００４０】
接触ブロック１１は、多孔性部材が設けられる部分に貫通孔を有している。多孔性部材は、貫通孔に填め込まれている。貫通孔及び多孔性部材の形状は任意であるが、例えばステージ１と同軸の円環状で良い。上下に細長い貫通孔を複数均等に設け、その各々にロッド状の多孔性部材を填め込んでも良い。
【００４１】
本実施形態の構成では、温度制御用ガス導入系４が導入するガスが、基板９と接触ブロック１１との間にも導入されるので、基板９と接触ブロック１１との隙間の圧力も高くなる。このため、基板９と接触ブロック１１との熱交換効率が向上し、基板９の温度制御の精度や応答性がさらに高くなる。このため、この基板温度制御機構を備えた真空処理装置によれば、再現性や品質の点でさらに優れた処理を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態の構成によれば、基板９と接触ブロック１１との隙間に導入されたガスにより熱交換効率が高まるので、基板９を接触ブロック１１に対して静電吸着させなくとも、上記温度制御の精度向上や応答性向上の効果を得ることができる。従って、信頼性や安定性の点で問題のある静電吸着を採用することによる基板温度制御の信頼性や安定性の低下、パーティクルの発生による基板９の汚損といった問題からは、本実施形態は無縁である。とはいえ、本願発明は、静電吸着機構の採用を排除するものではなく、必要であれば採用しても良い。
【００４３】
また、本実施形態の構成では、基板９と接触ブロック１１との隙間にガスを導入する構成として、接触ブロック１１とステージ本体１２との隙間にガスを導入する構成を兼用している。この構成には、ガス導入のための構成が簡略化され、ステージ１やステージ１の周辺の構成がシンプルになるメリットがある。但し、兼用しない構成も採用が可能であり、専用の経路で基板９と接触ブロック１１との隙間にガス導入しても良い。
尚、ガス導入部１１１の構成としては、上述した多孔性部材を使用する場合の他、単なるガス導入路（貫通路）の構成でも良い。
【００４４】
次に、本願発明の第三の実施形態の基板温度制御機構の構成について説明する。図４は、第三の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
この実施形態の基板温度制御機構も、基板９に面接触するステージ１と、基板９との接触面を介して基板９との間で熱交換を行う熱交換部２と、熱交換部２による基板９との熱交換の量を調整することで基板９の温度を制御する制御部３とを備えている。
【００４５】
この実施形態も、第二の実施形態と同様に、接触ブロック１１と基板９との間の熱交換効率を向上させるため、両者の隙間にガスを導入するようになっており、そのガス導入のための構成として、ステージ本体１２と接触ブロック１１との間にガスを導入する温度制御用ガス導入系４が兼用されている。この第三の実施形態が第二の実施形態と異なるのは、接触ブロック１１が全体に多孔性部材となっている点である。即ち、接触ブロック１１は、ろ過精度０．０１μｍ程度のフィルタと同様の部材で全体が形成されている。
【００４６】
このように接触ブロック１１を多孔性部材で全体に形成すると、接触ブロック１１とステージ本体１２の隙間にあるガスが均一に上昇して基板９と接触ブロック１１との隙間に導入される。このため、基板９と接触ブロック１１との隙間のガス圧力の分布がより均一になる。この結果、基板９の温度もより均一になり、より均一な処理が行えることになる。
【００４７】
尚、この第三の実施形態では、接触ブロック１１とステージ本体１２とのお互いの向かい合う面は、第一第二の実施形態のような凹凸面になっていない。ステージ本体１２の接触ブロック１１に向かい合う面には、大きな一つの凹部が形成されているのみである。この凹部で形成される空間に温度制御用ガス導入系４が導入するガスが溜まり、熱交換効率を向上させるようになっている。但し、第一第二の実施形態と同様に互いに嵌り合う小さな多数の凹凸より成る面にしておくと、接触ブロック１１とステージ本体１２の熱交換の効率がさらに高まる効果を得られるので、さらに好適である。
【００４８】
上記各実施形態では、熱交換部２は、基本的に伝導伝達により熱交換を行うものであったが、輻射熱で熱交換を行ったり、対流により熱交換を行ったりする構成が採用されることもある。
【００４９】
【実施例】
次に、上記各実施形態に属する実施例について説明する。
例えば、基板９がシリコン等の半導体ウェーハであり、その基板９を５００℃まで加熱してその温度を制御する場合、温度制御用ガスの導入量は、４ＳＣＣＭ（ＳＣＣＭは０℃１気圧で換算した気体の流量（立方センチメートル／分））程度である。温度制御用ガスの圧力（圧力計４４の計測値）は、１０３Ｐａ程度である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１記載の基板温度制御機構によれば、ステージ本体と接触ブロックとの隙間にガスが導入されるので、両者の熱交換効率が増す。このため、接触ブロックを介した基板との熱交換効率も増し、温度制御の精度や応答性が高くなるという効果が得られる。また、基板と接触ブロックとの熱交換効率も増す。このため、温度制御の精度や応答性がさらに高くなる。そして、基板と接触ブロックとの隙間にガスを導入する構成に、接触ブロックとステージ本体との隙間にガスを導入する構成を兼用しているので、構造をシンプルにできる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果を有する基板温度制御機構を使用しながら真空中で基板が処理されるので、再現性や品質といった点で優れた処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態の基板温度制御機構及び真空処理装置の概略構成を示す正面断面図である。
【図２】ステージ本体１２に設けた凹凸の平面視を示す図である。
【図３】第二の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
【図４】第三の実施形態の基板温度制御機構の概略構成を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１ ステージ
１１ 接触ブロック
１１１ ガス導入部
１２ ステージ本体
２ 熱交換部
２１ 熱源
２１１ 加熱用電源
２２ 冷源
２２１ 冷媒供給管
２２２ 冷媒排出管
２２３ サーキュレータ
３ 制御部
４ 温度制御用ガス導入系
５ 温度センサ
６ 真空チャンバー
６１ 排気系
６２ プロセス用ガス導入系
７ 処理手段
９ 基板
Claims (6)
- 基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の面方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体と
を有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の面方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路とを備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っており、
さらに、
前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、
前記第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成され、前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であることを特徴とする基板温度制御機構。 - 前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板温度制御機構。
- 基板接触面を有する接触ブロックと、基板接触面の方向の大きさが接触ブロックよりも大きく且つ接触ブロックと向かい合わせて設けられたステージ本体とを有するステージと、
前記ステージ本体内に設けられ、基板接触面を介して基板を加熱する熱源又は基板を冷却する冷源であって、基板接触面の方向の大きさが前記接触ブロックより大きい熱交換部と、
熱交換部による基板との熱交換の量を調整することで基板の温度を制御する制御部と、
前記接触ブロックの基板載置面を取り囲むようにして設けられ、前記接触ブロックを前記ステージ本体に押さえ付ける押さえリングと、
前記接触ブロックの前記ステージ本体に向かい合う面に設けられた第１凹凸部と、
前記ステージ本体の前記接触ブロックに向かい合う面に設けられた第２凹凸部と、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部の間に設けられた隙間に温度制御用ガスを導入するための第１のガス導入路と
を備えており、
前記第１凹凸部と前記第２凹凸部とは、互いに一方の凸部が他方の凹部に嵌り合っている基板温度制御機構と、この基板温度制御機構の前記ステージが内部に配置された真空チャンバーと、前記第１のガス導入路を通して温度制御用ガスを導入する温度制御用ガス導入系と、真空チャンバー内を排気する排気系と、真空チャンバー内に所定のガスを導入するプロセス用ガス導入系とを備え、前記ステージに基板を載置して基板の温度制御を行いながら真空中で基板に対して所定の処理を行うものであり、
前記温度制御用ガス導入系は、前記第１のガス導入路につながる配管から分岐させたバイパスを有しており、バイパスは真空チャンバーに接続されているとともに、バイパスにはバイパスバルブが設けられていることを特徴とする真空処理装置。 - 前記第１凹凸部と前記第２凹凸部は、同心円状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の真空処理装置。
- 前記基板接触面と基板接触面に接触している基板との間に前記温度制御用ガスを導入する第２のガス導入路を備えており、この第２のガス導入路は、前記接触ブロックの一部又は全部を多孔性部材とすることで形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の真空処理装置。
- 前記多孔性部材は、前記接触ブロックの一部を形成するよう設けられており、前記接触ブロックに設けた貫通孔に填め込まれているとともに、前記ステージと同軸であるか又は複数均等に設けられた部材であることを特徴とする請求項５記載の真空処理装置。
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