JP7134039B2 - 基板載置機構、成膜装置、および成膜方法 - Google Patents

基板載置機構、成膜装置、および成膜方法 Download PDF

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Description

本開示は、基板載置機構、成膜装置、および成膜方法に関する。
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、基板の冷却と成膜処理とを同一の容器内で行う技術としては、特許文献２に記載されたものがある。特許文献２の成膜装置は、ＰＶＤチャンバーと、その中に設けられた冷却ステージと、基板を冷却ステージに近接した状態で回転可能に支持する回転ステージ部材と、冷却ステージと基板との間に極低温冷却ガスを供給する機構とを有している。このような成膜装置では、基板を冷却しつつ回転した状態で均一にＰＶＤ成膜を行うことができる。
さらに、特許文献３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 米国特許第８７７６５４２号明細書 特開２００６－７３６０８号公報
本開示は、成膜装置内で基板を効率良くかつ均一に極低温に冷却することができ、成膜処理中には載置台に載置した基板を回転させることができる基板載置機構、ならびに成膜装置および成膜方法を提供する。
本開示の一実施形態に係る基板載置機構は、成膜装置内で成膜が行われる基板を載置する基板載置機構であって、基板を載置する基板載置面を有する載置台と、前記載置台の前記基板載置面と反対側に対向して設けられ、冷凍機により極低温に冷却された冷却ヘッドと、前記載置台と前記冷却ヘッドを接離させる接離機構と、載置台を回転させる回転機構と、前記載置台と前記冷却ヘッドとの間に設けられ、前記載置台側の第１部材と前記冷却ヘッド側の第２部材とを有し、前記接離機構により前記第１部材と前記第２部材との間が接離する接離構造部と、制御部と、を備え、前記第１部材は、前記載置台の下面に設けられ、その内側に当接面を有する当接部材であり、前記第２部材は、水平方向に移動して前記当接部材の当接面に対して接離する接触部材であり、前記制御部は、成膜時以外は、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを接触させた状態とし、その状態で前記基板を前記載置台に載置させ、成膜時には、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを離隔させた状態で前記回転機構により前記載置台を回転させる。
本開示によれば、成膜装置内で基板を効率良くかつ均一に極低温に冷却することができ、かつ成膜処理中に載置台に載置した基板を回転させることができる基板載置機構、ならびに成膜装置および成膜方法が提供される。
第１の実施形態に係る基板載置機構を備えた成膜装置の一例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る基板載置機構を備えた成膜装置における成膜方法の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る基板載置機構において、載置台と冷却ヘッドを接触させた状態を示す断面図である。 第２の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図である。 第３の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図である。 第４の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図である。 第４の実施形態に係る基板載置機構の接離構造部および接離機構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。
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は第１の実施形態に係る基板載置機構を備えた成膜装置の一例を示す断面図である。
本実施形態に係る基板載置機構が適用される成膜装置は、超高真空かつ極低温の環境下において、スパッタリングによって基板上に膜を形成する成膜装置として形成される。このような極低温環境下において成膜される膜としては、例えばトンネル磁気抵抗（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）素子に用いられる磁性膜を挙げることができる。基板としては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。
図１に示すように、成膜装置１は、真空容器１０と、スパッタ粒子放出部３０と、基板載置機構５０と、制御部７０とを有する。
真空容器１０は、基板Ｗが収容され、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。処理容器の上部は側面が傾斜面となっている。真空容器１０の頂部には、ガス導入ポート１１が設けられている。ガス導入ポート１１には、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ガス（例えばアルゴン、クリプトン、ネオン等の希ガスや窒素ガス）が供給される。また、真空容器１０の底部には、真空容器１０内を超高真空に減圧可能な真空ポンプを有する排気機構１２が接続されている。また、真空容器１０の側壁には、基板を搬入出するための搬入出口１３が形成されている。搬入出口１３はゲートバルブ１４により開閉される。ゲートバルブ１４を開けることにより、真空容器１０に隣接した搬送室（図示せず）と連通され、搬送室の搬送装置（図示せず）により基板Ｗの搬入出が行われる。
スパッタ粒子放出部３０は、複数（図では２つ）のターゲットホルダ３１と、各ターゲットホルダ３１に保持される複数のターゲット３２と、各ターゲットホルダ３１に電圧を印加する複数の電源３３とを有する。
ターゲットホルダ３１は、導電性を有する材料からなり、絶縁性の部材を介して、真空容器１０の上部傾斜面に取り付けられている。ターゲットホルダ３１は、後述する基板載置機構５０に保持された基板Ｗに対して斜め上方にターゲット３２が位置するように、当該ターゲット３２を保持する。
ターゲット３２は、成膜しようとする膜の構成元素を含む材料からなる。例えば、磁性膜（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ等の強磁性体を含む膜）を成膜する場合、ターゲット３２の材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＮｉＦｅＣｏを用いることができる。
複数の電源３３は、複数のターゲットホルダ３１のそれぞれに電気的に接続されている。電源３３から、ターゲットホルダ３１に電圧（例えば直流電圧）が印加されることにより、ターゲット３２の周囲でスパッタガスが解離する。そして、解離したスパッタガス中のイオンがターゲット３２に衝突し、ターゲット３２からその構成材料の粒子であるスパッタ粒子が放出される。
なお、ターゲットホルダ３１およびターゲット３２は、１個ずつであってもよい。
基板載置機構５０は、基板Ｗを載置する載置台５１と、載置台５１の下方に設けられ、冷凍機５８により冷却される冷却ヘッド５２と、載置台５１と冷却ヘッド５２を接離させる接離機構５３と、載置台５１を回転させる回転機構５４とを有する。載置台５１は上面に基板載置面を有し、基板載置面と反対側の面が冷却ヘッド５２の上面に対向している。
載置台５１は、基板Ｗよりも少し大きな直径を有する板状をなし、熱伝導性の高い材料により構成される。熱伝導性の高い材料としては銅（純銅）が好適であるが、アルミニウム等の他の高熱伝導性材料でもよい。載置台５１は、基板Ｗに対して十分大きな熱容量を有するようにその厚さ等が規定される。載置台５１の厚さは、２０ｍｍ以上が好ましく、３０ｍｍ以上がさらに好ましい。載置台５１は、基板Ｗを吸着するための静電チャック５６を有している。静電チャック５６は、基板載置面を有し、誘電体中に電極５６ａが埋設されており、電極５６ａに直流電圧が印加されることにより、載置面に載置された基板Ｗを静電力により吸着する。載置台５１は、その下面中央から下方に延びる円筒状の支持体５７により支持されている。
支持体５７は、載置台５１からの熱ロスを抑制する観点から、ステンレス鋼等の、載置台５１を構成する銅やアルミニウム等の高熱伝導性材料と比較して熱伝導性が低い材料からなり、極力薄く形成されている。
冷却ヘッド５２は、円環状のプレートとして構成され、載置台５１を介して基板Ｗを冷却するためのものであり、伝熱部５９を介して冷凍機５８に保持されている。冷却ヘッド５２は、冷凍機５８からの冷熱が伝熱されることにより、その上面が極低温（例えば－３０℃以下）に冷却される。冷却ヘッド５２は、載置台５１を効率良く冷却する観点から、熱伝導性の高い材料により構成される。熱伝導性の高い材料としては銅（純銅）が好適であるが、アルミニウム等の他の高熱伝導性材料でもよい。冷凍機５８は真空容器１０の底壁１０ａに固定されており、それにともなって冷却ヘッド５２の位置も固定されている。冷凍機５８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５８による冷却ヘッド５２の冷却温度は、－１２３～－２２３℃（１５０～５０Ｋ）の範囲が好ましい。
接離機構５３は、支持体５７の下端部がベアリング６０を介して回転可能に嵌め込まれた、昇降可能な昇降板６１と、昇降板６１および支持体５７を介して載置台５１を昇降させるアクチュエータ６２とを有している。支持体５７と昇降板６１との間は磁性流体によりシールされている。昇降板６１は、真空容器１０の底壁１０ａよりも下方に設けられている。底壁１０ａの中央には、昇降板６１と対応するように、開口部１０ｂが形成されており、底壁１０ａと昇降板６１との間はベローズ６３により密閉されている。接離機構５３は、アクチュエータ６２により昇降板６１を下降位置である接触位置と上昇位置である処理位置との間で昇降させることにより、冷却ヘッド５２と載置台５１とを接離させる。具体的には、昇降板６１を介して載置台５１を接触位置に位置させることにより、載置台５１が冷却ヘッド５２に接触し、載置台５１を介して基板Ｗを極低温に冷却可能である。また、昇降板６１を介して載置台５１を処理位置に位置させることにより、載置台５１が冷却ヘッド５２から離隔し、基板Ｗを回転させながらの成膜処理が可能となる。載置台５１の処理位置は、スパッタ粒子が基板Ｗに適切に入射されるように適宜調整される。なお、図１は、成膜処理を行っている際の状態を示している。
回転機構５４は、支持体５７の下方に設けられており、回転モータにより構成されている。回転機構５４は、支持体５７を介して載置台５１を回転させ、載置台５１に載置された基板Ｗを回転させるようになっている。回転機構５４により基板Ｗを回転させた状態で、スパッタ粒子放出部３０のターゲットから斜めに放出されたスパッタ粒子を基板Ｗ上に均一に堆積させる。
真空容器１０の下方から支持体５７の内部を上方に延び、静電チャック５６の上面に至るようにガス配管６４が設けられている。ガス配管６４から基板Ｗとの間に伝熱用のガスが供給される。また、真空容器１０の下方から上方に延び、冷却ヘッド５２の上面に至るようにガス配管６５が設けられている。ガス配管６５からは、載置台５１と冷却ヘッド５２が接しているときに、載置台５１と冷却ヘッド５２との間に伝熱用のガスが供給される。伝熱用のガスとしては、高い熱伝導性を有するヘリウムガスを用いることが好ましい。ヘリウムガスの代わりにアルゴンガスを用いてもよい。
制御部７０は、コンピュータからなり、成膜装置１の各構成部、例えば、スパッタ粒子放出部３０の電源３３、排気機構１２、回転機構５４、アクチュエータ６２等を制御するものであり、基板載置機構５０の制御部としても機能する。制御部７０は、実際にこれらの制御を行うＣＰＵからなる主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、記憶装置とを有している。記憶装置には、成膜装置１で実行される各種処理のパラメータが記憶されており、また、成膜装置１で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされるようになっている。制御部７０の主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置１に所定の処理を実行させる。
次に、以上のように構成される成膜装置１における成膜方法について説明する。図２は、成膜装置１における成膜方法の一例を示すフローチャートである。
まず、図３に示すように、接離機構５３により載置台５１を下降位置である接触位置に位置させ、載置台５１を回転させずに載置台５１と冷却ヘッド５２とを接触させた状態とする（ステップ１）。この状態では、冷凍機５８により極低温に保持された冷却ヘッド５２の冷熱が、熱伝導により載置台５１に直接供給されて熱交換され、比較的短時間で載置台５１が所望の極低温に冷却される。このときの、冷却温度は、好ましくは－１２３～－２２３℃（１５０～５０Ｋ）、例えば－１７３℃（１００Ｋ）である。このとき、ガス配管６５を介して載置台５１と冷却ヘッド５２の間に伝熱用のガスが供給される。載置台５１および冷却ヘッド５２の表面には微視的に見ると細かい凹凸が形成されており、接触面積が小さいため、これらの間に伝熱用のガスを供給して伝熱を補助する。
次に、ゲートバルブ１４を開け、搬送室の搬送装置（いずれも図示せず）により、基板Ｗを載置台５１に載置し、基板Ｗを冷却する（ステップ２）。具体的には、リフトピンを上昇させた状態で基板Ｗがリフトピン上に受け渡され、リフトピンが下降されることにより、基板Ｗが載置台５１の静電チャック５６上に載置される。そして、静電チャック５６の電極に直流電圧を印加することにより、基板Ｗが静電吸着される。
このとき、載置台５１上で基板Ｗが所定時間保持されることにより、冷却ヘッド５２からの冷熱により載置台５１を介して基板Ｗが冷却される。基板Ｗの裏面には、ガス配管６４を介して伝熱用のガスが供給される。
基板Ｗを冷却した後、載置台５１を接離機構５３により上昇させ、載置台５１と冷却ヘッド５２とを離隔させる（ステップ３）。このとき、載置台５１の高さ位置は処理位置になるように調整される。
そして、真空容器１０内にガス導入ポート１１からスパッタガスを導入するとともに、排気機構１２により処理容器１０内を所定の圧力に制御し、回転機構５４により載置台５１を回転させながらスパッタ成膜を行う（ステップ４）。
スパッタ成膜は、電源３３からターゲットホルダ３１に電圧を印加し、ターゲット３２の周囲で解離したスパッタガス中のイオンをターゲット３２に衝突させることにより行われる。すなわち、ターゲット３２にイオンが衝突することにより、スパッタ粒子が放出され、スパッタ粒子が基板Ｗの表面に対して斜めに入射されて基板Ｗ上に堆積される。このように、基板Ｗを載置台５１とともに回転させながら、スパッタ粒子を基板Ｗに対して斜めに入射させて成膜することにより、均一な成膜を行うことができる。
成膜処理が終了後、載置台５１の回転を停止し、載置台５１を接離機構５３により下降させて接触位置に位置させることにより、載置台５１と冷却ヘッド５２とを接触させる（ステップ５）。この状態では、載置台５１が冷却ヘッド５２により冷却される。
その後、載置台５１のリフトピンにより成膜処理後の基板Ｗを上昇させ、搬送室の搬送装置により基板Ｗを搬出する（ステップ６）。
これにより１枚の基板Ｗの処理が完了する。なお、基板Ｗを確実に極低温に冷却する観点から、スパッタ成膜と基板Ｗの冷却とを繰り返してもよい。
載置台５１と冷却ヘッド５２が接触した状態を保ったまま、上述したように載置台５１上に載置され、成膜処理に供される。
本実施形態によれば、冷凍機５８により極低温に保持された冷却ヘッド５２に載置台５１を接触させ、その状態で、載置台５１上に基板Ｗを載置する。載置台５１は冷却ヘッド５２に接触した状態であるため、載置台５１は短時間で均一に極低温に冷却される。したがって、載置台５１の上に常温の基板Ｗを載置する熱負荷が高い状態でも、基板Ｗと載置台５１との間で効率良く熱交換させることができ、基板Ｗを効率良くかつ均一に極低温に冷却することができる。
また、基板Ｗに対して成膜処理を行う際には、接離機構５３により載置台５１と冷却ヘッド５２を離隔した状態とするため、回転機構５４により載置台５１を回転させることができる。このため、基板Ｗを回転させながら、スパッタ成膜を行うことができ、均一な成膜を行うことができる。成膜の際には、載置台５１は冷却ヘッド５２から離隔されているので載置台５１は冷却されていないが、載置台５１の熱容量が基板Ｗに比べて十分大きいため、スパッタ成膜中の基板Ｗの温度上昇を抑制しながら成膜処理を行うことができる。
さらに、成膜処理の際以外は、載置台５１と冷却ヘッド５２が接触して、載置台５１が冷却されているので、載置台５１の冷却時間を最大化することができ、載置台５１の温度変動を少なくすることができる。このため、載置台５１が安定して極低温に保持され、その上に載置された基板Ｗを所望の極低温に速やかに安定して保持することができる。
上記特許文献１の技術では、冷却装置と成膜装置を別個に設けているため、成膜の際の温度を十分に低下させることは困難であり、また、装置（チャンバー）の台数が多くなってしまう。
また、上記特許文献２の技術では、成膜装置内で基板を極低温に冷却することができ、しかも基板を回転させながら均一な成膜を行うことができる。しかし、基板を支持する回転ステージ部材と、極低温に冷却される冷却ステージとの間は離隔しており、その間の空間に冷却ガスを供給し、ガスを介して基板を冷却するため、効率の良い冷却が困難である。また、スパッタ成膜の際に基板の温度が上昇しやすい。冷却効率を上昇させるためには、回転ステージ部材と冷却ステージとの間を極力近接させる、または、冷凍機として大型のものを用いる等が考えられるが、装置コストの上昇や装置の大型化がもたらされるといった不都合がある。さらに、特許文献２の技術では、基板が保持されている部分と保持されていない部分の熱容量の違いにより、基板を均一に冷却することは困難である。
また、上記特許文献３の技術では、冷凍機により冷却される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するので、冷却ステージ上で基板を極低温に冷却することができる。しかし、基板を回転させることができない。
これに対して、本実施形態では、上述したように、成膜処理するときには載置台５１と冷却ヘッド５２を離隔して載置台５１を回転するようにし、それ以外のときには、載置台５１と冷却ヘッド５２を接触するようにしている。このため、常温の基板が載置台５１に載置されても、基板Ｗを効率良くかつ均一に極低温に冷却することができ、成膜処理の際には載置台５１とともに基板Ｗを回転させることができ、その際の基板温度の低下もわずかである。このため、極低温で均一な成膜処理を行うことができる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は第２の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図である。
本実施形態に係る基板載置機構５０１も第１の実施形態の基板載置機構５０と同様、スパッタリング成膜装置に適用されるものである。本実施形態に係る基板載置機構５０１の基本構成は第１の実施形態の基板載置機構５０と同様であるから、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、載置台５１と冷却ヘッド５２との間に設けられ、これらの接離に用いられる接離構造部５１０を有している。接離構造部５１０は、載置台５１側の第１部材としての円環状をなす内テーパ部材５１１と、冷却ヘッド５２側の第２部材としての円環状をなす外テーパ部材５１４とを有する。内テーパ部材５１１は、載置台５１の下面に接続されており、下方に向かって拡径した内テーパ面５１２を有する。外テーパ部材５１４は、冷却ヘッド５２の上面にベローズ５１３を介して接続され、下面に向かって拡径した外テーパ面５１５を有する。また、冷却ヘッド５２には、温度調整用のヒータ５１６が設けられている。内テーパ部材５１１、ベローズ５１３、および外テーパ部材５１４は、いずれも銅やアルミニウム等の熱伝導性が高い金属で構成されている。
接離構造部５１０においては、接離機構５３により載置台５１を昇降させることにより、載置台５１側の第１部材である内テーパ部材５１１と冷却ヘッド５２側の第２部材である外テーパ部材５１４とが接触した状態、またはこれらが離隔した状態を形成する。これにより載置台５１と冷却ヘッド５２とが接離する。具体的には、載置台５１を下降位置である接触位置に位置させることにより、内テーパ部材５１１の内テーパ面５１２と、外テーパ部材５１４の外テーパ面５１５とが接触し、載置台５１と冷却ヘッド５２とが接離構造部５１０を介して接触する。また、載置台５１を上昇位置である処理位置に位置させることにより、内テーパ部材５１１と外テーパ部材５１４とが離隔し、載置台５１と冷却ヘッド５２とが離隔した状態となる。これにより、載置台５１を回転させることが可能となる。
本実施形態においては、内テーパ部材５１１と外テーパ部材５１４との接触面がテーパ面であることから、接触面積が比較的大きく、また、接触圧力が大きい。このため、内テーパ部材５１１と外テーパ部材５１４との接触性が良好であり、接離構造部５１０を介しての冷却ヘッド５２と載置台５１との間の熱伝導を高め、これらの間の熱交換を促進することができる。さらに、冷却ヘッド５２と外テーパ部材５１４との間にベローズ５１３が設けられていることにより、内テーパ面５１２と外テーパ面５１５とを、傾きによる隙間が生じることなく確実に接触させることができる。
ベローズ５１３は、冷却ヘッド５２と外テーパ部材５１４に対する接触面積が小さいが、これらは銅やアルミニウムのような高熱伝導性の材料で構成されているため、十分な熱伝導性を確保することができる。
また、本実施形態では、載置台５１および冷却ヘッド５２の接触部を覆うようにシールド部材８０が設けられている。これにより、載置台５１と冷却ヘッド５２（内テーパ部材５１１と外テーパ部材５１４）の接触等により発生するゴミが成膜領域に到達することを防止することができる。また、冷却ヘッド５２の周囲には輻射シールド８１が設けられている。輻射シールド８１は、輻射率の低い材料で形成されることが好ましい。
なお、本実施形態に係る基板載置機構５０１は、基本構成が第１の実施形態に係る基板載置機構５０と同様であるから、基板載置機構５０と同様の基本効果を奏することができる。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は第３の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図である。
本実施形態に係る基板載置機構５０２も第１の実施形態の基板載置機構５０と同様、スパッタリング成膜装置に適用されるものである。本実施形態に係る基板載置機構５０２の基本構成は第１の実施形態の基板載置機構５０および第２の実施形態の基板載置機構５０１と同様であるから、図１および図４と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、載置台５１と冷却ヘッド５２との間に設けられ、これらの接離に用いられる接離構造部５１０ａを有している。接離構造部５１０ａは、載置台５１側の第１部材としての載置台５１の下面に設けられた当接部材５２１と、冷却ヘッド側の第２部材としての冷却ヘッド５２に可撓性部材５２３を介して接続された接触部材５２２とを備える。接触部材５２２は、水平方向に移動して、当接部材５２１の内側の当接面に接離される。また、冷却ヘッド５２には、温度調整用のヒータ５２５が設けられている。当接部材５２１、接触部材５２２、および可撓性部材５２３は、いずれも銅やアルミニウム等の熱伝導性が高い金属で構成されている。
本実施形態の基板載置機構５０２は、第１および第２の実施形態の接離機構５３の代わりに、ガスの圧力により接触部材５２２を当接部材５２１に対して接離させる接離機構５３ａを有している。
接離機構５３ａは、接触部材５２７の背面に設けられ、ガスの圧力により伸縮する伸縮部９１と、ガス供給路９３を介して伸縮部９１内にガスを供給するガス供給部９４とを有する。伸縮部９１は、接続部材９２を介して冷却ヘッド５２に接続されている。伸縮部９１は、内部に空間が形成され、上面および下面がベローズ９１ａとなっている。ここで用いる圧力ガスは、極低温においてガス状態である必要があるため、伝熱用のガスと同様、ヘリウムガスやアルゴンガスを用いることが好ましい。
なお、従前の実施形態においては昇降板６１およびアクチュエータ６２が接離機構を構成していたが、本実施形態ではこれらは接離機構を構成せず、成膜処理の際の載置台５１の位置調整のみに用いられる。
接離構造部５１０ａにおいては、接離機構５３ａにより、当接部材５２１と接触部材５２２とが接触した状態、またはこれらが離隔した状態を形成する。これにより載置台５１と冷却ヘッド５２とが接離する。
具体的には、伸縮部９１の空間内にガスが供給されることにより、ガス圧により伸縮部９１のベローズ９１ａが伸長して接触部材５２２が当接部材５２１に当接する。これにより、載置台５１と冷却ヘッド５２とが接離構造部５１０ａを介して接触する。このとき、伸縮部９１には均等にガス圧が作用するため、自動的にセンタリングされる。一方、伸縮部９１の空間内のガスを放出させることにより伸縮部９１が縮退し、接触部材５２２が当接部材５２１から離隔する。これにより、載置台５１と冷却ヘッド５２が離隔状態となり、載置台５１を回転させることが可能となる。
可撓性部材５２３は本体部５２１と接触部材５２２に対して接触面積が小さいが、熱伝導性の高い銅やアルミニウムであれば十分に冷熱を伝達することができる。
本実施形態によれば、接離機構５３ａは、接離構造部５１０ａの接触部材５２２を当接部材５２１に対して接離させることにより、載置台５１と冷却ヘッド５２とを接離させる。このため接離機構５３ａを小型化することができる。また、載置台５１を移動させることなく、載置台５１と冷却ヘッド５２を接離させることができる。
なお、可撓性部材５２３は変形可能であるため、伸縮部材９１の伸縮による接触部材５２２の移動が支障なく行われる。また、接離機構５３ａとしては、伸縮部材を用いたものに限らず、モータ等の駆動機構により接触部材５２２を移動させるものを用いてもよい。
本実施形態に係る基板載置機構５０２は、基本構成が第１および第２の実施形態に係る基板載置機構５０および５０１と同様であるから、基板載置機構５０および５０１と同様の基本効果を奏することができる。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
図６は第４の実施形態に係る基板載置機構を示す断面図、図７はその接離構造部および接離機構を示す断面図である。
本実施形態に係る基板載置機構５０３も第１～第３の実施形態の基板載置機構５０、５０１、５０２と同様、スパッタリング成膜装置に適用されるものである。本実施形態に係る基板載置機構５０３の基本構成は第１～第３の実施形態の基板載置機構５０、５０１、５０２と同様であるから、図１、図４、図５と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、載置台５１と冷却ヘッド５２との間に設けられ、これらの接離に用いられる接離構造部５１０ｂを有している。接離構造部５１０ｂは載置台５１と冷却ヘッド５２の間の周方向に沿って複数設けられている。
接離構造部５１０ｂは、載置台５１の下面に接合された第１のセラミックス部材５３１と、第１のセラミックス部材５３１の下方にそれと対向するように設けられ、後述する接離機構５３ｂの伸縮部１０１を介して冷却ヘッド５２に接続された第２のセラミックス部材５３２とを備える。すなわち、第１のセラミックス部材５３１が載置台５１側の第１部材として機能し、第２のセラミックス部材５３２が冷却ヘッド５２側の第２部材として機能する。
なお、接離構造部５１０ｂは、冷却ヘッド５２の上面に沿って円環状に形成されていてもよい。
また、本実施形態の基板載置機構５０３は、第１および第２の実施形態の接離機構５３、第３の実施形態の接離機構５３ａの代わりに、接離機構５３ｂを有している。
接離機構５３ｂは、各接離構造部５１０ｂの第２セラミックス５３２の下方に設けられた複数の伸縮部１０１と、ガス供給路１０３を介して複数の伸縮部１０１にガスを供給する共通のガス供給部１０２とを有する。伸縮部１０１は、第２のセラミックス部材５３２の下面に接合された上部プレート１１１と、冷却ヘッド５２の上面に接合された下部プレート１１２と、上部プレート１１１と下部プレート１１２との間に設けられたベローズ１１３とを有する。上部プレート１１１、下部プレート１１２、およびベローズ１１３は、熱伝導性が高い材料、例えば、銅やアルミニウムで構成されている。
ガス供給路１０３は、冷却ヘッド５２下面から冷却ヘッド５２および下部プレート１１２を貫通して、ベローズ１１３に囲まれた空間に達しており、ガス供給部１０２から空間にガスを供給することまたは空間からガスを排出することにより伸縮部１０１が伸縮される。ここで用いる圧力ガスとしては、第３の実施形態と同様、ヘリウムガスやアルゴンガスを用いることが好ましい。
なお、図示してはいないが、本実施形態においても、第３の実施形態と同様、昇降板６１およびアクチュエータ６２は、成膜処理の際の載置台５１ａの位置調整のみに用いられる。
接離構造部５１０ｂにおいては、接離機構５３ｂにより、第１のセラミックス部材５３１と第２のセラミックス部材５３２と接触した状態、またはこれらが離隔した状態を形成する。これにより載置台５１と冷却ヘッド５２とが接離する。
具体的には、伸縮部１０１の空間内にガスが供給されることによりガス圧により伸縮部のベローズ１１３が伸長して第２のセラミックス部材５３２が第１のセラミックス部材５３１に当接する。これにより、載置台５１と冷却ヘッド５２とが、伸縮部１０１および接離構造部５１０ｂを介して接触する。一方、伸縮部１０１の空間内のガスを放出させることにより伸縮部１０１が縮退し、第２のセラミックス部材５３２が第１のセラミックス部材５３１から離隔する。これにより、載置台５１と冷却ヘッド５２が離隔状態となり、載置台５１を回転させることが可能となる。
セラミックスは比較的熱伝導性が高いので、接離構造部５１０ｂにおいて、第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２が接触した際に、これらの間の熱伝導性を高くすることができる。また、第２のセラミックス部材５３２と冷却ヘッド５２との間に介在された伸縮部１０１の上部プレート１１１、下部プレート１１２、およびベローズ１１３は銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い材料で構成されている。このため、接離構造部５０３を介しての冷却ヘッド５２と載置台５１との間の熱交換性は良好である。
第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２の互いの合わせ面は、鏡面加工されていることが好ましい。セラミックスは表面制御性が良好であり、経時劣化が少ないため、合わせ面が鏡面加工されることにより両者の接触性が良好となり、これらの間の熱伝導性がより良好となる。また、これらを構成するセラミックスとしては、熱伝導性が高いほど好ましく、アルミナ、サファイア（単結晶アルミナ）、窒化アルミニウムが好ましい。これらは－１７３℃（１００Ｋ）程度の極低温において極めて高い熱伝導性を有し、特に、サファイアは極低温ではむしろ銅よりも高い熱伝導性を示す。
図７に示すように、第２のセラミックス部材５３２の表面には複数の凹部５３３が形成されている。また、ベローズ１１３の内部の空間には、同心状に、小ベローズ１２１が設けられている。小ベローズ１２１の空間には、冷却ヘッド５２の下方から冷却ヘッド５２および下部プレート１１２を貫通して延びる伝熱用のガスを供給するガス供給路１２２が接続されている。また、小ベローズ１２１の内部空間から連通するように、上部プレート１１１および第２セラミックス部材５３２にガス流路１２３が形成されている。このため、第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２を接触させた際に、凹部５３３に伝熱用のガスを供給することができる。このように伝熱用ガスを供給することにより、第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２が接触することによる良好な熱伝導に加えて、ガスによる伝熱がなされ、これらの間の熱交換性をより良好とすることができる。
また、図７に示すように、第１のセラミックス部材５３１の中に電極５３４を埋設し、電極に直流電圧を印加して、第２のセラミックス部材５３２を静電吸着することが好ましい。第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２の合わせ面を鏡面加工した上で、これらを静電吸着することにより、一層良好な熱交換を行うことができる。なお、第２のセラミックス部材５３２に電極を設けてもよい。
なお、第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２の合わせ面を鏡面加工した場合、また、鏡面加工に加えて静電吸着した場合は、これらの吸着力が強すぎて剥離が困難になることがある。しかし、そのような場合でも、熱伝達用のガスを凹部５３３に供給し、ガスの圧力を用いて容易に剥離することができる。
このように、本実施形態では、第１のセラミックス部材５３１および第２のセラミックス部材５３２の合わせ面を鏡面加工すること、セラミックスの材料を選択すること、伝熱用のガスを用いること、静電吸着を用いることにより、熱交換性を一層高めることができる。これにより、接離構造部５０３を介しての冷却ヘッド５２と載置台５１との熱交換性を一層高めることができ、載置台の冷却性、ひいては基板Ｗの冷却性を一層高めることができる。
＜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、上記第１～第４の実施形態の基板載置機構は例示に過ぎず、載置台と冷却ヘッドが、接離機構により接離され、載置台と冷却ヘッドが離隔しているときに、載置台を回転できる構成になっていれば、その構成は特に限定されない。また、成膜装置も例示に過ぎない。
１；成膜装置
１０；真空容器
３０；スパッタ粒子放出部
３２；ターゲット
５０；基板載置機構
５１；載置台
５２；冷却ヘッド
５８；冷凍機
５３，５３ａ，５３ｂ；接離機構
５４；回転機構
７０；制御部
５１０，５１０ａ，５１０ｂ；接離構造部
Ｗ；基板

Claims (13)

  1. 成膜装置内で成膜が行われる基板を載置する基板載置機構であって、
    基板を載置する基板載置面を有する載置台と、
    前記載置台の前記基板載置面と反対側に対向して設けられ、冷凍機により極低温に冷却された冷却ヘッドと、
    前記載置台と前記冷却ヘッドを接離させる接離機構と、
    載置台を回転させる回転機構と、
    前記載置台と前記冷却ヘッドとの間に設けられ、前記載置台側の第１部材と前記冷却ヘッド側の第２部材とを有し、前記接離機構により前記第１部材と前記第２部材との間が接離する接離構造部と、
    制御部と、
    を備え、
    前記第１部材は、前記載置台の下面に設けられ、その内側に当接面を有する当接部材であり、前記第２部材は、水平方向に移動して前記当接部材の当接面に対して接離する接触部材であり、
    前記制御部は、成膜時以外は、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを接触させた状態とし、その状態で前記基板を前記載置台に載置させ、成膜時には、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを離隔させた状態で前記回転機構により前記載置台を回転させる、基板載置機構。
  2. 前記載置台は、前記基板を吸着する静電チャックを有する、請求項１に記載の基板載置機構。
  3. 前記接離機構は、前記載置台を昇降させるアクチュエータにより前記載置台と前記冷却ヘッドとを接離する、請求項１または請求項２に記載の基板載置機構。
  4. 前記載置台は、前記基板よりも十分大きな熱容量を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の基板載置機構。
  5. 前記載置台と前記冷却ヘッドは直接接触され、前記載置台と前記冷却ヘッドが接触した状態で、これらの間に伝熱用のガスを供給するガス供給機構を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の基板載置機構。
  6. 前記接離機構は、ガスの圧力により伸縮する伸縮部を有し、前記伸縮部による伸縮により、前記第２部材を水平に移動させて前記第１部材に接離させる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の基板載置機構。
  7. 成膜装置内で成膜が行われる基板を載置する基板載置機構であって、
    基板を載置する基板載置面を有する載置台と、
    前記載置台の前記基板載置面と反対側に対向して設けられ、冷凍機により極低温に冷却された冷却ヘッドと、
    前記載置台と前記冷却ヘッドを接離させる接離機構と、
    載置台を回転させる回転機構と、
    前記載置台と前記冷却ヘッドとの間に設けられ、前記載置台側の第１部材と前記冷却ヘッド側の第２部材とを有し、前記接離機構により前記第１部材と前記第２部材との間が接離する接離構造部と、
    制御部と、
    を備え、
    前記第１部材は、前記載置台の下面に接続された第１のセラミックス部材であり、前記第２部材は、前記冷却ヘッドの上面に接続された第２のセラミックス部材であり、前記第１のセラミックス部材の下面と前記第２のセラミックス部材の上面とが接離し、
    前記第１のセラミックス部材および前記第２のセラミックス部材の互いの合わせ面は、鏡面加工されており、
    前記制御部は、成膜時以外は、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを接触させた状態とし、その状態で前記基板を前記載置台に載置させ、成膜時には、前記接離機構により前記載置台と前記冷却ヘッドを離隔させた状態で前記回転機構により前記載置台を回転させる、基板載置機構。
  8. 前記第２のセラミックス部材は、その上面に複数の凹部を有し、前記第１のセラミックス部材と前記第２のセラミックス部材が接触した際に、前記凹部に伝熱用のガスを供給するガス供給機構をさらに有する、請求項７に記載の基板載置機構。
  9. 前記第１のセラミックス部材および前記第２のセラミックス部材のいずれかに電極が設けられており、前記電極に電圧を印加することにより、前記第１のセラミックス部材および前記第２のセラミックス部材の一方に対して他方を静電吸着する、請求項７または請求項８に記載の基板載置機構。
  10. 前記接離機構は、前記第２のセラミックス部材と前記冷却ヘッドとの間に設けられた伸縮部と、前記伸縮部にガスを供給するガス供給部とを有し、前記伸縮部にガスを供給することにより、そのガス圧によって前記第１のセラミックス部材と前記第２のセラミックス部材を接触させる、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の基板載置機構。
  11. 前記第１および第２のセラミックス部材は、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウムのいずれかで構成されている、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の基板載置機構。
  12. 真空容器と、
    前記真空容器内で基板を載置する請求項１から請求項１１に記載の基板載置機構と、
    前記載置機構の載置された基板にスパッタ粒子を放出して成膜を行うスパッタ粒子放出部と、
    を有する、成膜装置。
  13. 成膜装置により基板上に膜を形成する成膜方法であって、
    前記成膜装置は、
    真空容器と、
    前記真空容器内で基板を載置する基板載置機構と、
    前記載置機構の載置された基板にスパッタ粒子を放出して成膜を行うスパッタ粒子放出部と、
    を備え、
    前記基板載置機構は、
    基板を載置する基板載置面を有する載置台と、
    前記載置台の前記基板載置面と反対側に対向して設けられ、冷凍機により極低温に冷却された冷却ヘッドと、
    前記載置台と前記冷却ヘッドを接離させる接離機構と、
    載置台を回転させる回転機構と、
    前記載置台と前記冷却ヘッドとの間に設けられ、前記載置台側の第１部材と前記冷却ヘッド側の第２部材とを有し、前記接離機構により前記第１部材と前記第２部材との間が接離する接離構造部と、
    を有し、
    前記第１部材は、前記載置台の下面に設けられ、その内側に当接面を有する当接部材であり、前記第２部材は、水平方向に移動して前記当接部材の当接面に対して接離する接触部材であり、
    前記成膜方法は、
    前記載置台と前記冷却ヘッドとを接触させた状態とする工程と、
    前記冷却ヘッドに接触した状態の前記載置台上に基板を載置し、基板を冷却する工程と、
    前記載置台と前記冷却ヘッドとを離隔させる工程と、
    前記基板が載置された前記載置台を回転させながら、前記スパッタ粒子を放出させて基板に対して成膜を行う工程と、
    を有する、成膜方法。
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