KR102403844B1 - 스테이지 장치 및 처리 장치 - Google Patents

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신지 오리모토
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모토이 야마가타
고지 마에다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 개시의 과제는 탑재한 기판을 극저온으로 냉각한 상태에서 회전시킬 수 있고, 또한 냉각 성능이 높은 스테이지 장치 및 처리 장치를 제공하는 것이다. 그 해결 수단으로서, 스테이지 장치는, 진공 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 스테이지와, 스테이지의 이면측에 스테이지와 간극을 거쳐서 고정 배치되고, 냉동기에 의해 극저온으로 냉각되는 냉동 전열체와, 간극에 공급되는, 냉동 전열체의 냉열을 스테이지에 전열하기 위한 냉각 유체와, 스테이지를 회전 가능하게 지지하고, 냉동 전열체의 상부를 덮는 원통형상을 이루는 동시에, 진공 단열 구조를 갖는 스테이지 지지부와, 스테이지 지지부를 지지하고, 자성 유체에 의해 시일된 상태로 구동 기구에 의해 회전 구동되는 회전부를 구비한다.

Description

스테이지 장치 및 처리 장치{STAGE DEVICE AND PROCESSING APPARATUS}
본 개시는 스테이지 장치 및 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 기판 등의 기판의 처리 장치, 예를 들어 성막 장치로서, 극저온이 필요한 처리가 존재한다. 예를 들면, 높은 자기 저항비를 갖는 자기 저항 소자를 얻기 위해서, 초고진공 또한 극저온의 환경하에서 자성막을 성막하는 기술이 알려져 있다.
극저온에서 기판을 처리하는 기술로서, 특허문헌 1에는, 냉각 처리 장치에서 기판을 극저온으로 냉각한 후, 별개로 마련된 성막 장치에 의해, 냉각한 기판에 대해 극저온에서 자성막을 성막하는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 진공실 내에, 냉동기에 의해 냉각되는 냉각 헤드를 마련하고, 냉각 헤드에 기판을 지지하는 지지체로서의 냉각 스테이지를 고정하고, 냉각 스테이지 상에서 기판을 극저온으로 냉각하면서 박막 형성 처리를 실행하는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2015-226010 호 공보 일본 특허 공개 제 2006-73608 호 공보
본 개시는, 탑재한 기판을 극저온으로 냉각한 상태에서 회전시킬 수 있고, 또한 냉각 성능이 높은 스테이지 장치 및 처리 장치를 제공한다.
본 개시의 일 태양에 따른 스테이지 장치는, 진공 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 스테이지와, 상기 스테이지의 이면측에 상기 스테이지와 간극을 거쳐서 고정 배치되고, 냉동기에 의해 극저온으로 냉각되는 냉동 전열체와, 상기 간극에 공급되는, 상기 냉동 전열체의 냉열을 상기 스테이지에 전열하기 위한 냉각 유체와, 상기 스테이지를 회전 가능하게 지지하고, 상기 냉동 전열체의 상부를 덮는 원통형상을 이루는 동시에, 진공 단열 구조를 갖는 스테이지 지지부와, 상기 스테이지 지지부를 지지하고, 자성 유체에 의해 시일된 상태로 구동 기구에 의해 회전 구동되는 회전부를 구비한다.
본 개시에 의하면, 탑재한 기판을 극저온으로 냉각한 상태에서 회전시킬 수 있고, 또한 냉각 성능이 높은 스테이지 장치 및 처리 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 스테이지 장치를 구비한 처리 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 스테이지 장치에 있어서의 빗살부의 형상의 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 3a는 냉동 전열체를 승강시켜서 제 1 전열부와 제 2 전열부를 접리시키는 접리 기구를 마련한 예를 도시하는 도면으로서, 제 1 전열부와 제 2 전열부가 이격된 상태를 도시한다.
도 3b는 냉동 전열체를 승강시켜서 제 1 전열부와 제 2 전열부를 접리시키는 접리 기구를 마련한 예를 도시하는 도면으로서, 제 1 전열부와 제 2 전열부가 접촉한 상태를 도시한다.
도 4a는 제 1 전열부와 제 2 전열부 사이에 링형상의 바이메탈 부재를 마련하여 제 1 전열부와 제 2 전열부를 접리시키는 접리 기구를 마련한 예를 도시하는 도면으로서, 제 1 전열부와 제 2 전열부가 이격된 상태를 도시한다.
도 4b는 제 1 전열부와 제 2 전열부 사이에 링형상의 바이메탈 부재를 마련하여 제 1 전열부와 제 2 전열부를 접리시키는 접리 기구를 마련한 예를 도시하는 도면으로서, 제 1 전열부와 제 2 전열부가 접촉한 상태를 도시한다.
도 5는 스테이지 지지부의 단열 구조의 제 1 예를 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 5의 스테이지 지지부의 외관의 표면에 복사열 차폐체를 마련한 변형예를 도시하는 부분 단면도이다.
도 7은 스테이지 지지부의 단열 구조의 제 2 예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 스테이지 지지부의 단열 구조의 제 3 예를 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 8의 스테이지 지지부의 내관의 표면에 복사열 차폐체를 마련한 변형예를 도시하는 부분 단면도이다.
도 10은 스테이지 지지부의 단열 구조의 제 4 예를 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다.
＜처리 장치＞
최초로, 일 실시형태에 따른 스테이지 장치를 구비한 처리 장치의 일례에 대해서 설명한다. 도 1은 이러한 처리 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리 장치(1)는 진공 용기(10)와, 타겟(30)과, 스테이지 장치(50)를 구비한다. 처리 장치(1)는, 처리 용기(10) 내에 있어서, 초고진공 또한 극저온의 환경하에서, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하, 단지 「웨이퍼」라고 기재함)(W)에 자성막을 스퍼터 성막하는 것이 가능한 성막 장치로서 구성된다. 자성막은, 예를 들어 터널 자기 저항(Tunneling Magneto Resistance; TMR) 소자에 이용된다.
진공 용기(10)는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 처리하기 위한 처리 용기이다. 진공 용기(10)에는, 초고진공으로 감압 가능한 진공 펌프 등의 배기 수단(도시하지 않음)이 접속되어 있으며, 그 내부를 초고진공(예를 들면, 10-5Pa 이하)으로 감압 가능하게 구성되어 있다. 진공 용기(10)에는, 외부로부터 가스 공급관(도시하지 않음)이 접속되어 있으며, 가스 공급관으로부터 스퍼터 성막에 필요한 스퍼터 가스(예를 들면, 아르곤(Ar) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 네온(Ne) 가스 등의 희가스나 질소 가스)가 공급된다. 또한, 진공 용기(10)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입출구(도시하지 않음)가 형성되어 있으며, 반입출구는 게이트 밸브(도시하지 않음)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다.
타겟(30)은, 진공 용기(10) 내의 상부에, 스테이지 장치(50)에 보지된 웨이퍼(W)의 상방에 대향하도록 마련되어 있다. 타겟(30)에는, 플라즈마 발생용 전원(도시하지 않음)으로부터 교류 전압이 인가된다. 진공 용기(10) 내에 스퍼터 가스가 도입된 상태에서 플라즈마 발생용 전원으로부터 타겟(30)에 교류 전압이 인가되면, 진공 용기(10) 내에 스퍼터 가스의 플라즈마가 발생하고, 플라즈마 중의 이온에 의해서 타겟(30)이 스퍼터링된다. 스퍼터링된 타겟 재료의 원자 또는 분자는 스테이지 장치(50)에 보지된 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적한다. 타겟(30)의 수는 특별히 한정되지 않지만, 1개의 처리 장치(1)에서 상이한 재료를 성막할 수 있다라는 관점에서, 복수인 것이 바람직하다. 예를 들면, 자성막(Ni, Fe, Co 등의 강자성체를 포함하는 막)을 퇴적하는 경우, 타겟(30)의 재료로서는, 예를 들어 CoFe, FeNi, NiFeCo를 이용할 수 있다. 또한, 타겟(30)의 재료로서, 이러한 재료에 다른 원소를 함유시킨 것을 이용할 수도 있다.
스테이지 장치(50)는, 후술하는 바와 같이, 스테이지(56)에 웨이퍼(W)를 보지하고, 웨이퍼(W)를 회전시키면서 극저온으로 냉각하는 것이다.
처리 장치(1)는 또한, 스테이지 장치(50)의 전체를 진공 용기(10)에 대해서 승강시키는 승강 기구(74)를 갖는다. 이것에 의해, 타겟(30)과 웨이퍼(W) 사이의 거리를 제어할 수 있다. 구체적으로는, 승강 기구(74)에 의해 스테이지 장치(50)를 승강시킴으로써, 스테이지(56)의 위치를, 웨이퍼(W)를 스테이지(56)에 탑재할 때의 반송 위치와, 스테이지(56)에 탑재된 웨이퍼(W)에 성막을 실행할 때의 처리 위치 사이에서 이동시킬 수 있다.
＜스테이지 장치＞
다음에, 일 실시형태에 따른 스테이지 장치(50)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 스테이지 장치(50)는, 냉동기(52)와, 냉동 전열체(54)와, 스테이지(56)와, 스테이지 지지부(58)와, 시일 회전 기구(62)와, 구동 기구(68)를 갖는다.
냉동기(52)는 냉동 전열체(54)를 보지하고, 냉동 전열체(54)의 상면을 극저온(예를 들면, -30℃ 이하)으로 냉각한다. 냉동기(52)는 상부에 콜드 헤드부(52a)를 가지며, 콜드 헤드부(52a)로부터 냉동 전열체(54)로 냉열이 전열된다. 냉동기(52)는, 냉각 능력의 관점에서, GM(Gifford-McMahon) 사이클을 이용한 타입인 것이 바람직하다. TMR 소자에 이용되는 자성막을 성막할 때에는, 냉동기(52)에 의한 냉동 전열체(54)의 냉각 온도는 -23℃ 내지 -223℃(250K 내지 50K)의 범위가 바람직하다. 또한, 냉동기(52)의 냉동 사이클을 역 사이클로 구동시키는 것에 의해, 가열 모드로 할 수 있다. 유지보수 등의 때에, 냉동기(52)를 가열 모드로 하는 것에 의해, 냉동 전열체(54)를 거쳐서 스테이지(56)를 가열하여 상온으로 되돌리는 것이 가능하다.
냉동 전열체(54)는, 냉동기(52) 위에 고정 배치되고 대략 원기둥형상을 이루며, 예를 들어 순동(Cu) 등의 열전도성이 높은 재료에 의해 형성되어 있다. 냉동 전열체(54)의 상부는 진공 용기(10) 내에 배치되어 있다.
냉동 전열체(54)는 스테이지(56)의 하방에 스테이지(56)의 중심축(C)에 그 중심이 일치하도록 배치되어 있다. 냉동 전열체(54)의 내부에는, 중심축(C)을 따라서, 제 1 냉각 가스를 통류(通流) 가능한 제 1 냉각 가스 공급로(54a)가 형성되고, 가스 공급원(도시하지 않음)으로부터 제 1 냉각 가스 공급로(54a)에 제 1 냉각 가스가 공급된다. 제 1 냉각 가스로서는, 높은 열전도성을 갖는 헬륨(He) 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
스테이지(56)는 냉동 전열체(54)의 상면과의 사이에 간극(G)(예를 들면, 2mm 이하)을 갖고서 배치되어 있다. 스테이지(56)는, 예를 들어 순동(Cu) 등의 열전도성이 높은 재료에 의해 형성되어 있다. 간극(G)은 냉동 전열체(54)의 내부에 형성된 제 1 냉각 가스 공급로(54a)와 연통하고 있다. 따라서, 간극(G)에는, 제 1 냉각 가스 공급로(54a)로부터 냉동 전열체(54)에 의해 냉각된 극저온의 제 1 냉각 가스가 공급된다. 이것에 의해, 냉동기(52)의 냉열이, 냉동 전열체(54) 및 간극(G)에 공급되는 제 1 냉각 가스를 거쳐서 스테이지(56)로 전열되어, 스테이지(56)가 극저온(예를 들면, -30℃ 이하)으로 냉각된다.
이와 같이 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 냉동 전열체(54)의 하단으로부터 상단으로 향하도록 형성하는 것에 의해, 장치 외부로부터 공급되는 제 1 냉각 가스를 충분히 냉각할 수 있다. 그 결과, 제 1 냉각 가스 자신의 온도에 의해 간극(G)에서의 열 전달을 저해하지 않기 때문에, 효율적으로 스테이지(56)를 극저온으로 냉각할 수 있다.
냉동 전열체(54)에 의한 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 통류하는 제 1 냉각 가스의 냉각 효율을 높이는 목적으로, 제 1 냉각 가스 공급로(54a) 내에 망상 부재를 삽입해도 좋다. 이것에 의해, 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 통류하는 제 1 냉각 가스와 냉동 전열체(54)의 접촉 면적이 증가하여, 효율적으로 제 1 냉각 가스를 냉각할 수 있다.
스테이지를 냉각하는 수단으로서는, 이와 같이 냉각 가스를 이용하는 것 외에, 부동액과 같은 액체 냉매를 이용해도 좋고, 또한 열전도성이 양호한 열전도 그리스를 간극(G)에 충전해도 좋다. 또한, 압축기, 팽창 밸브, 압력 조정 밸브 등을 제 1 냉각 가스 공급로(54a)에 접속하여, 냉동기 순환계를 형성하는 것에 의해 고압의 저비점 가스를 이용한 냉각을 실행해도 좋다. 열전도 그리스를 간극(G)에 충전하는 경우는, 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 마련할 필요가 없기 때문에, 냉동 전열체(54)의 구조를 심플하게 할 수 있다라는 이점이 있다.
또한, 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 통류하는 제 1 냉각 가스의 압력을 조정하는 압력 조정 기구를 마련해도 좋다. 압력을 조정하는 것에 의해 제 1 냉각 가스의 열전달률을 조정할 수 있기 때문에, 온도대가 상이한 다양한 스퍼터 프로세스에 대응할 수 있다.
스테이지(56)는 정전 척(56a)을 포함한다. 정전 척(56a)은 유전체막으로 이루어지고, 그 내에 척 전극(56b)이 매설되어 있다. 척 전극(56b)에는, 배선(L)을 거쳐서 소정의 직류 전압이 인가된다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)를 정전 흡착력에 의해 흡착하여 고정할 수 있다.
스테이지(56)는 정전 척(56a)의 하부에 제 1 전열부(56c)를 가지며, 제 1 전열부(56c)의 하면에는, 냉동 전열체(54)측을 향해 돌출하는 볼록부(56d)가 형성되어 있다. 도시의 예에서는, 볼록부(56d)는 스테이지(56)의 중심축(C)을 둘러싸는 2개의 원환형상부로 구성되어 있다. 볼록부(56d)의 높이는, 예를 들어 40mm 내지 50mm로 할 수 있다. 볼록부(56d)의 폭은, 예를 들어 6mm 내지 7mm로 할 수 있다. 또한, 볼록부(56d)의 형상 및 수는 특별히 한정되지 않지만, 냉동 전열체(54)와의 사이의 열 전달 효율을 높인다라는 관점에서, 충분히 열교환 가능한 표면적이 되도록 형상 및 수를 설정하는 것이 바람직하다.
냉동 전열체(54)는, 본체의 상면, 즉 제 1 전열부(56c)와 대향하는 면에, 제 2 전열부(54b)를 갖고 있다. 제 2 전열부(54b)에는 볼록부(56d)에 대해서 간극(G)을 갖고서 끼워맞춰지는 오목부(54c)가 형성되어 있다. 도시의 예에서는, 오목부(54c)는 스테이지(56)의 중심축(C)을 둘러싸는 2개의 원환형상부로 구성되어 있다. 오목부(54c)의 높이는 볼록부(56d)의 높이와 동일해도 좋고, 예를 들어 40mm 내지 50mm로 할 수 있다. 오목부(54c)의 폭은, 예를 들어 볼록부(56d)의 폭보다 약간 넓은 폭으로 할 수 있고, 예를 들어 7mm 내지 9mm인 것이 바람직하다. 또한, 오목부(54c)의 형상 및 수는 볼록부(56d)의 형상 및 수와 대응하도록 정해진다.
제 1 전열부(56c)의 볼록부(56d)와 제 2 전열부(54b)의 오목부(54c)는 간극(G)을 거쳐서 끼워맞춰져서, 빗살부를 구성한다. 이와 같이 빗살부를 마련하는 것에 의해, 간극(G)이 굴곡되어 요철형상을 이루므로, 스테이지(56)의 제 1 전열부(56c)와 냉동 전열체(55)의 제 2 전열부(54b) 사이의 제 1 냉각 가스에 의한 열 전달 효율을 높게 할 수 있다.
볼록부(56d)와 오목부(54c)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각각 대응하는 파형을 이루는 형상으로 할 수 있다. 또한, 볼록부(56d) 및 오목부(54c)의 표면은 블라스트 등에 의해 요철 가공이 실시되어 있는 것이 바람직하다. 이들에 의해, 열 전달을 위한 표면적을 크게 하여 열 전달 효율을 보다 높일 수 있다.
또한, 제 1 전열부(56c)에 오목부가 마련되고, 제 2 전열부(54b)에 그 오목부에 대응하는 볼록부가 마련되어 있어도 좋다.
스테이지(56)에 있어서의 정전 척(56a)과 제 1 전열부(56c)는 일체적으로 성형되어 있어도 좋고, 별체로 성형되어서 접합되어 있어도 좋다. 또한, 냉동 전열체(54)의 본체와 제 2 전열부(54b)는 일체적으로 형성되어 있어도 좋고, 별체로 성형되어서 접합되어 있어도 좋다.
스테이지(56)에는, 상하로 관통하는 관통 구멍(56e)이 형성되어 있다. 관통 구멍(56e)에는, 제 2 냉각 가스 공급로(57)가 접속되어 있으며, 제 2 냉각 가스 공급로(57)로부터 관통 구멍(56e)을 거쳐서 전열용의 제 2 냉각 가스가 웨이퍼(W)의 이면에 공급된다. 제 2 냉각 가스로서는, 제 1 냉각 가스와 마찬가지로, 높은 열전도성을 갖는 He 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 웨이퍼(W)의 이면, 즉 웨이퍼(W)와 정전 척(56a) 사이에, 제 2 냉각 가스를 공급하는 것에 의해, 스테이지(56)의 냉열을 제 2 냉각 가스를 거쳐서 효율적으로 웨이퍼(W)에 전달할 수 있다. 관통 구멍(56e)은 1개라도 좋지만, 냉동 전열체(54)의 냉열을 특히 효율적으로 웨이퍼(W)에 전달한다라는 관점에서, 복수인 것이 바람직하다.
웨이퍼(W)의 이면에 공급하는 제 2 냉각 가스의 유로를, 간극(G)에 공급되는 제 1 냉각 가스의 유로와 분리함으로써, 제 1 냉각 가스의 공급에 관계없이, 웨이퍼(W)의 이면에 소망의 압력, 유량으로 냉각 가스를 공급할 수 있다. 동시에, 이면에 공급되는 가스의 압력, 유량 및 공급 타이밍 등에 제한되는 일없이, 간극(G)에 연속적으로 고압·극저온 상태의 냉각 가스를 공급할 수 있다.
또한, 스테이지(56)에 간극(G)으로부터 연결되는 관통 구멍을 마련하여, 웨이퍼(W)의 이면에, 냉각 가스로서 제 1 냉각 가스의 일부가 공급되도록 해도 좋다.
제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접리(接離)시키는 접리 기구를 마련하여, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b) 사이를 접리 가능하게 해도 좋다. 접리 기구를 마련하는 것에 의해, 스테이지(56)가 회전하고 있지 않을 때에, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접촉시켜, 이러한 동안의 전열을 높여서, 급속한 냉각 또는 가열에 대응할 수 있다. 예를 들면, 냉각 가스에 의한 냉각만의 경우에는, 스테이지(56)에 웨이퍼(W)를 탑재할 때에 온도 드리프트(temperature drift)가 생기는 일이 있지만, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접촉시켜 급속 냉각하는 것에 의해 온도 드리프트를 억제할 수 있다. 또한, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접촉시키는 것에 의해, 냉동기(52)의 냉동 사이클을 역 사이클로 구동시켜 스테이지(56)를 상온까지 되돌리는 조작을 단시간에 실행할 수 있다.
접리 기구로서는, 도 3a 및 도 3b에 도시하는 바와 같이, 냉동 전열체(54)(제 2 전열부(54b)를 포함함)를 승강하는 기구를 이용할 수 있다. 도 3a는 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)가 간극(G)을 거쳐서 이격된 상태를 도시하고, 도 3b는 냉동 전열체(54)를 상승시켜서 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접촉시킨 상태를 도시한다. 이때, 후술하는 제 2 단열 구조체(71)는, 도시하는 바와 같이, 냉동 전열체(54)의 승강에 추종 가능하도록, 벨로우즈(71a)를 갖는 것으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도시하는 바와 같이, 제 1 전열부(56c)에 가스 유로(56f)를 마련하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)가 접촉했을 경우에도, 제 1 냉각 가스에 의한 스테이지(56)의 냉각이 가능하다. 냉동 전열체(54)를 승강할 때에는, 냉동기(52)와 일체가 되어 승강하는 것이 바람직하지만, 냉동 전열체(54)의 열 용량을 충분히 크게 하는 것이 가능한 경우는, 냉동기(52)를 고정하여 냉동 전열체(54)만을 승강시켜도 좋다. 또한, 접리 기구로서, 냉동 전열체(54)를 승강시키는 대신에, 스테이지(56)(제 1 전열부(56c)를 포함함)를 승강시키는 것이라도 좋다.
또한, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b) 사이에 간극(G)이 형성된 상태를 유지한 채로, 접리 기구로서 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)를 접촉·이격시키는 금속 부재를 배치해도 좋다. 이러한 금속 부재로서는, 구체적으로는, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b) 사이에 배치되고, 전압을 인가하는 것에 의해 변형하여 이들을 접촉·이격시키는 것을 들 수 있다. 예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 도시하는 바와 같이, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b) 사이에 링형상의 바이메탈 부재(91)를 마련한다. 본 예에서는 링형상의 바이메탈 부재(91)가 제 2 전열부(54b)에 설치되고, 제 1 전열부(56c)측에 링형상의 가동부(바이메탈)(91a)가 마련되어 있다. 바이메탈 부재(91)에는, 외부의 전원으로부터 예를 들어 제 1 냉각 가스 공급로(54a)를 거쳐서 배선을 인도하여, 전압을 인가 가능하게 한다. 도 4a는 전압을 인가하고 있지 않는 상태를 도시하고, 가동부(바이메탈)(91a)는 제 1 전열부(56c)로부터 이격되어 있다. 도 4b는 전압 인가에 의해 가동부(바이메탈)(91a)가 변형하여 제 1 전열부(56c)에 접촉한다. 본 예의 경우에도, 제 1 전열부(56c)에 가스 유로(56f)를 마련하여, 제 1 전열부(56c)와 제 2 전열부(54b)가 접촉했을 경우에도, 제 1 냉각 가스에 의한 스테이지(56)의 냉각을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 바이메탈 부재(91)를 제 1 전열부(56c)에 설치하여, 가동부(바이메탈)(91a)를 제 2 전열부(54b)에 대해서 접리하도록 해도 좋다. 또한, 이러한 금속 부재를 이용한 접리 기구로서는, 전압을 인가하는 것에 의해 종방향으로 변형하는 핀형의 것이라도 좋다.
스테이지 지지부(58)는 냉동 전열체(54)의 외측에 배치되고, 스테이지(56)를 회전 가능하게 지지한다(도 1 참조). 도시의 예에서는, 스테이지 지지부(58)는, 대략 원통형상을 이루는 본체부(58a)와, 본체부(58a)의 하면에 있어서 외측으로 연장되는 플랜지부(58b)를 갖는다. 본체부(58a)는 간극(G) 및 냉동 전열체(54)의 상부의 외주면을 덮도록 배치되어 있다. 이것에 의해, 스테이지 지지부(58)는 냉동 전열체(54)와 스테이지(56)의 접속부인 간극(G)을 차폐하는 기능도 갖는다. 스테이지 지지부(58)는, 후술하는 바와 같이, 단열 구조를 갖고 있다. 본체부(58a)는 그 축방향 중앙부에 축경부(縮徑部)(58c)를 갖고 있다. 본체부(58a) 및 플랜지부(58b)는, 예를 들어 스테인리스 등의 금속에 의해 형성되어 있다.
플랜지부(58b)의 하면에는, 단열 부재(60)가 접속되어 있다. 단열 부재(60)는 플랜지부(58b)와 동축으로 형성된 원환형상을 이루고, 플랜지부(58b)에 대해서 고정되어 있다. 단열 부재(60)는 알루미나 등의 세라믹스에 의해 형성되어 있다.
시일 회전 기구(62)는 단열 부재(60)의 하방에 마련되어 있다. 시일 회전 기구(62)는 회전부(62a)와, 내측 고정부(62b)와, 외측 고정부(62c)와, 가열 수단(62d)을 갖는다.
회전부(62a)는, 단열 부재(60)와 동축으로 하방으로 연장되는 대략 원통형상을 갖고 있으며, 내측 고정부(62b) 및 외측 고정부(62c)에 대해서 자성 유체에 의해 기밀하게 시일된 상태로 구동 기구(68)에 의해 회전된다. 회전부(62a)는, 단열 부재(60)를 거쳐서 스테이지 지지부(58)와 접속되어 있으므로, 스테이지 지지부(58)로부터 회전부(62a)로의 냉열의 전달이 단열 부재(60)에 의해 차단된다. 이 때문에, 시일 회전 기구(62)의 자성 유체의 온도가 저하하는 것에 의해, 시일 성능이 저하하거나 결로가 생기거나 하는 것을 억제할 수 있다.
내측 고정부(62b)는, 내경이 냉동 전열체(54)의 외경보다 크고, 외경이 회전부(62a)의 내경보다 작은 대략 원통형상을 갖고, 냉동 전열체(54)와 회전부(62a) 사이에 자성 유체를 거쳐서 마련되어 있다.
외측 고정부(62c)는, 내경이 회전부(62a)의 외경보다 큰 대략 원통형상을 갖고, 회전부(62a)의 외측에 자성 유체를 거쳐서 마련되어 있다.
가열 수단(62d)은, 내측 고정부(62b)의 내부에 매립되어 있으며, 시일 회전 기구(62) 전체를 가열한다. 이것에 의해, 자성 유체의 온도가 저하하여, 시일 성능이 저하하거나, 결로가 생기거나 하는 것을 억제할 수 있다.
이러한 구성에 의해, 시일 회전 기구(62)는, 진공 용기(10)에 연통한 영역을 자성 유체에 의해 기밀하게 시일하여 진공으로 보지한 상태로, 스테이지 지지부(58)를 회전시킬 수 있다.
외측 고정부(62c)의 상면과 진공 용기(10)의 하면 사이에는, 벨로우즈(64)가 마련되어 있다. 벨로우즈(64)는 상하 방향으로 신축 가능한 금속제의 주름상자(蛇腹) 구조체이다. 벨로우즈(64)는, 냉동 전열체(54), 스테이지 지지부(58), 및 단열 부재(60)를 둘러싸고, 진공 용기(10) 내의 공간 및 그에 연통하는 진공으로 보지된 공간과, 대기 분위기의 공간을 분리한다.
시일 회전 기구(62)의 하방에는 슬립 링(66)이 마련되어 있다. 슬립 링(66)은 금속 링을 포함하는 회전체(66a)와, 브러쉬를 포함하는 고정체(66b)를 갖는다. 회전체(66a)는 시일 회전 기구(62)의 회전부(62a)의 하면에 고정되고, 회전부(62a)와 동축으로 하방으로 연장되는 대략 원통형상을 갖는다. 고정체(66b)는 내경이 회전체(66a)의 외경보다 약간 큰 대략 원통형상을 갖는다.
슬립 링(66)은, 직류 전원(도시하지 않음)과 전기적으로 접속되어 있으며, 직류 전원으로부터 공급되는 전압을, 고정체(66b)의 브러쉬 및 회전체(66a)의 금속 링을 거쳐서 배선(L)에 전달한다. 이것에 의해, 배선(L)에 비틀림 등을 발생시키는 일없이, 직류 전원으로부터 척 전극에 전압을 인가할 수 있다. 슬립 링(66)의 회전체(66a)는 구동 기구(68)를 거쳐서 회전되도록 되어 있다.
구동 기구(68)는 로터(68a)와 스테이터(68b)를 갖는 다이렉트 드라이브 모터이다. 로터(68a)는, 슬립 링(66)의 회전체(66a)와 동축으로 연장되는 대략 원통형상을 갖고, 회전체(66a)에 대해서 고정되어 있다. 스테이터(68b)는 내경이 로터(68a)의 외경보다 큰 대략 원통형상을 갖는다. 구동 기구(68)를 구동시켰을 때에는, 로터(68a)가 회전하고, 로터(68a)의 회전이 회전체(66a), 회전부(62a), 스테이지 지지부(58)를 거쳐서 스테이지(56)에 전달되고, 스테이지(56) 및 그 위의 웨이퍼(W)가 냉동 전열체(54)에 대해서 회전한다. 도 1에서는, 편의상, 회전하는 부재를 도트를 부여하여 나타내고 있다.
또한, 구동 기구(68)로서 다이렉트 드라이브 모터의 예를 도시했지만, 구동 기구(68)를, 벨트 등을 거쳐서 구동하는 것이라도 좋다.
냉동기(52)의 콜드 헤드부(52a), 및 냉동 전열체(54)의 콜드 헤드부(52a)와의 접속부를 포함하는 냉동 전열체(54)의 하부를 덮도록, 이중관 구조의 원통형상을 이루고, 내부가 진공으로 된 진공 단열 구조(진공 이중관 구조)를 이루는 제 1 단열 구조체(70)가 마련되어 있다. 제 1 단열 구조체(70)에 의해, 구동 기구(68) 등의 외부로부터의 열이 스테이지(56) 및 웨이퍼(W)의 냉각에 중요한 냉동기(52)의 콜드 헤드부(52a) 및 냉동 전열체(54)의 하부로 입열하는 것에 의한 냉각 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 냉동 전열체(54)의 거의 전체를 덮도록, 제 1 단열 구조체(70)의 내측에 일부가 오버랩되도록, 내부가 진공으로 된 진공 이중관 구조의 원통형상을 이루는 제 2 단열 구조체(71)가 마련되어 있다. 제 2 단열 구조체(71)에 의해, 자성 유체 시일이나 공간(S)으로 누출된 제 1 냉각 가스 등의 외부로부터의 열이 냉동 전열체(54)로 입열하는 것에 의한 냉각 성능의 저하를 억제할 수 있다. 냉동 전열체(54)의 하부에 있어서 제 1 단열 구조체(70) 및 제 2 단열 구조체(71)를 오버랩시키는 것에 의해, 냉동 전열체(54)의 단열되지 않는 부분을 없앨 수 있고, 또한 콜드 헤드부(52a) 및 그 근방의 단열을 강화할 수 있다.
또한, 제 1 단열 구조체(70) 및 제 2 단열 구조체(71)에 의해, 냉동기(52) 및 냉동 전열체(54)의 냉열이 외부로 전달하는 것을 억제할 수도 있다.
스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)에 있어서의 축경부(58c)의 하단부와 제 2 단열 구조체(71) 사이에는 시일 부재(81)가 마련되어 있다. 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)와, 냉동 전열체(54)의 제 2 전열부(54b) 및 제 2 단열 구조체(71)의 상부 사이에는, 시일 부재(81)로 밀봉된 공간(S)이 형성되어 있다. 공간(S)에는, 간극(G)으로부터 누출된 제 1 냉각 가스가 유입된다. 공간(S)에는, 시일 부재(81)를 관통하여 가스 유로(72)가 접속되어 있다. 가스 유로(72)는 공간(S)으로부터 하방으로 연장되어 있다. 또한, 제 2 단열 구조체(71)의 상면과 냉동 전열체(54)의 제 2 전열부(54b) 사이는 시일 부재(82)에 의해 시일되어 있다. 시일 부재(82)에 의해, 공간(S)으로 누출된 제 1 냉각 가스가 냉동 전열체(54)의 본체부에 공급되는 것이 억제된다.
가스 유로(72)는 공간(S) 내의 가스를 배출하는 것이라도 좋고, 공간(S)에 냉각 가스를 공급하는 것이라도 좋다. 가스 유로(72)가 가스를 배출하는 경우 및 냉각 가스를 공급하는 경우 모두, 제 1 냉각 가스가 시일 회전 기구(62)에 침입하여, 자성 유체의 온도의 저하에 의해 시일 성능이 저하하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 가스 유로(72)가 가스 배출 기능을 갖는 경우, 공간(S)으로 누출된 제 1 냉각 가스를 시일 회전 기구(62)에 도달하기 전에 배출할 수 있다. 또한, 가스 유로(72)가 냉각 가스 공급 기능을 갖는 경우에는, 제 3 냉각 가스를, 간극(G)으로부터 누출되는 제 1 냉각 가스에 대한 카운터 플로우로서 기능하도록 공급한다. 카운터 플로우로서의 기능을 높인다라는 관점에서, 제 3 냉각 가스의 공급 압력은 제 1 냉각 가스의 공급 압력과 대략 동일하거나, 또는 약간 높은 압력인 것이 바람직하다.
또한, 가스 유로(72)가 가스 배출 기능을 갖는 경우에는, 간극(G)으로부터의 제 1 냉각 가스의 배출을 촉진하여, 제 1 냉각 가스 공급로(54a)로부터 신선한 제 1 냉각 가스를 간극(G)에 공급할 수 있다라는 효과도 나타낸다.
더욱이, 가스 유로(72)가 가스 공급 기능을 갖는 경우에는, 공간(S)에 공급하는 제 3 냉각 가스로서 아르곤(Ar) 가스나 네온(Ne) 가스와 같은 제 1 냉각 가스보다 열전도성이 낮은 가스를 이용하여 결로를 방지할 수 있다.
스테이지 장치(50)는 냉동 전열체(54), 간극(G) 등의 온도를 검출하기 위한 온도 센서를 갖고 있어도 좋다. 온도 센서로서는, 예를 들어 실리콘 다이오드 온도 센서, 백금 저항 온도 센서 등의 저온용 온도 센서를 이용할 수 있다.
＜스테이지 지지부의 단열 구조＞
다음에, 스테이지 장치(50)의 스테이지 지지부(58)의 단열 구조에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이, 스테이지 지지부(58)는 스테이지(56)를 회전 가능하게 지지하는 것으로서, 냉동 전열체(54)에 의해 냉각되는 스테이지(56)와 직접 접촉하고 있다. 또한, 스테이지 지지부(58)는 자성 유체 시일을 갖는 시일 회전 기구(62)와 근접하여 있다. 자성 유체 시일은, 자성 유체의 온도가 저하하면, 시일 성능이 저하하거나 결로가 생기거나 하므로, 이들을 억제하기 위해, 자성 유체를 어느 정도의 온도로 할 필요가 있다. 또한, 스테이지(56)를 회전시키면 자성 유체에 전단 발열이 발생한다. 이 때문에, 시일 회전 기구(62)의 온도는 100℃(373K) 정도의 고온으로 되고, 이 열이 스테이지 지지부(58)를 전열하여 스테이지(56)로 입열되어서, 스테이지(56)를 냉각하는 냉각 성능을 저하시킨다. 또한, 스테이지 지지부(58)는 외측으로부터 복사열을 받으며, 이 복사열도 냉각 성능에 영향을 미친다.
그래서, 스테이지 지지부(58)를 단열 구조로 하여, 스테이지 지지부(58)를 전열하여 스테이지(56)에 공급되는 열을 극력 억제한다. 일반적으로는, 부재의 단열성을 상승시키기 위해서는, 재료로서 열전도성이 낮은 것을 선정하지만, 본 실시형태와 같은 극저온 환경에 있어서는, 열전도성이 낮은 재료로는 머지않아 해당 온도에 근사하는 온도에 도달하기 때문에, 소망의 단열 효과를 얻을 수 없다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 스테이지 지지부(58)의 적어도 일부를 진공 단열 구조로 한다.
또한, 상술한 바와 같이, 스테이지 지지부(58)는 본체부(58a)의 축방향 중앙부에 축경부(58c)를 갖고 있지만, 이 구조도 단열성에 기여하고 있다. 즉, 스테이지 지지부(58)의 내측은 간극(G)으로부터 제 1 냉각 가스가 누출되는 공간(S)이 되고 있으며, 이 공간(S)이 넓으면 누출된 제 1 냉각 가스와의 열교환량이 많아져 버린다. 간극(G)으로부터 누출된 냉각 가스는 온도가 상승하여 있을 가능성도 있어, 열교환에 의해 스테이지 지지부(58)의 온도가 상승해 버릴 우려가 있다. 축경부(58c)를 마련하는 것에 의해 공간(S)의 체적을 작게 할 수 있어, 이러한 열교환에 의한 스테이지 지지부(58)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
이하, 스테이지 지지부(58)의 진공 단열 구조의 몇 개의 예에 대해서 설명한다.
[스테이지 지지부의 단열 구조의 제 1 예]
도 5는 스테이지 지지부(58)의 단열 구조의 제 1 예를 도시하는 단면도이다.
본 예에서는, 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)는, 내관(581)과 외관(582)의 이중관 구조를 갖고 있으며, 내관(581)과 외관(582) 사이의 내부 공간(583)이 진공으로 보지되어 진공 이중관 구조의 진공 단열 구조를 구성하고 있다. 이것에 의해, 높은 단열성을 얻을 수 있다. 또한, 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)의 축경부(58c)에 대응하는 수평부(584 및 585)는 강도를 확보하기 위해서 공간이 존재하지 않는 무구판(無垢板)으로 구성되어 있다.
내관(581) 및 외관(582)으로 이중관 구조를 구성하고 있으므로, 이들이 얇아도 강도를 보지할 수 있다. 내관(581) 및 외관(582)이 얇을수록 열 저항을 크게 할 수 있어, 단열 효과를 높일 수 있다. 내관(581) 및 외관(582)의 두께는, 예를 들어 0.3mm이다.
이러한 진공 이중관 구조의 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 내관(581) 및 외관(582) 사이의 내부 공간(583)이 상시 진공 층이 되도록, 내부 공간(583)을 진공 흡인한 후, 밀봉하여 구성할 수 있다.
도 5의 예에서는, 스테이지 지지 부재(58)가 벨로우즈(64)의 내측에 배치되어 있고, 그 배치 위치는 진공 용기(10)와 연통한 진공 공간이 되어 있으므로, 그 진공 상태를 이용한다. 즉, 외관(582)으로서 복수의 투공(透孔)(586)을 갖는 것을 이용한다. 이것에 의해, 투공(586)을 거쳐서 내부 공간(583)을 고진공으로 할 수 있어, 진공 이중관 구조의 진공 단열 구조를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은, 공간 내부를 진공 흡인한 후, 밀봉 구조를 제작할 때에는, 제작 시간이 걸리고, 또한 장기간 동안에 진공도가 저하해 버릴 우려가 있다. 이에 대해서, 진공 용기(10)의 진공을 이용하는 것에 의해, 내부 공간(583)을 용이하게 진공으로 할 수 있고, 또한 진공 열화의 우려도 없다.
또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 외관(582)의 외측에 복사열 차폐체(587)를 더 마련한 구성으로 할 수도 있다. 스테이지 지지부(58)는, 자성 유체 시일부(62)로부터의 전열 외에, 외측으로부터 복사열을 받고, 이 복사열도 냉각 성능에 영향을 미친다. 복사열 차폐체(587)를 마련하는 것에 의해, 스테이지 지지부(58)로의 외측으로부터의 복사열을 차폐할 수 있어, 냉각 성능을 보다 높일 수 있다. 복사열 차폐체(587)로서는, 알루미늄을 호적하게 이용할 수 있다. 복사열 차폐체(587)로서, 수지 등의 베이스에 알루미늄을 증착한 것이나, 알루미늄 박을 부착한 것을 이용할 수도 있다. 더욱이, 외관(582)에 알루미늄 등을 직접 증착하거나, 알루미늄 박 등을 직접 부착하거나 하여 복사열 차폐체(587)로 해도 좋다.
[스테이지 지지부의 단열 구조의 제 2 예]
도 7은 스테이지 지지부(58)의 단열 구조의 제 2 예를 도시하는 단면도이다.
본 예에서는, 제 1 예와 마찬가지로, 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)는, 내관(581)과 외관(582)의 이중관 구조를 갖고 있으며, 내관(581)과 외관(582) 사이의 공간(583)이 진공으로 보지되어 진공 이중관 구조의 진공 단열 구조를 구성하고 있다. 다만, 본 예에서는, 공간이 존재하지 않는 무구판의 수평부(584 및 586)는 갖지 않고, 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a) 전체가 진공 이중관 구조로 되어 있다.
강도에 문제가 없는 경우는, 이와 같이 본체부(58a) 전체를 진공 이중관 구조로 하는 것에 의해, 무구판을 통한 열교환이 생기지 않아, 냉각 성능을 보다 높일 수 있다.
본 예의 경우도, 제 1 예와 마찬가지로, 이러한 진공 이중관 구조의 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다.
도 7의 예에서는, 도 5의 예와 마찬가지로, 외관(582)으로서 복수의 투공(586)을 갖는 것을 이용하고, 벨로우즈(64) 내의 진공 상태를 이용하여, 투공(586)을 거쳐서 공간(583)을 고진공으로 한다. 이것에 의해, 공간(583)을 용이하게 진공으로 할 수 있고, 또한 진공 열화의 우려도 없다. 또한, 본 예에 있어서도, 도 6과 같이, 외관(582)의 외측에 복사열 차폐체(587)를 더 마련한 구성으로 하여 복사열을 차폐하는 것에 의해, 냉각 성능을 보다 높일 수 있다.
[스테이지 지지부의 단열 구조의 제 3 예]
도 8은 스테이지 지지부(58)의 단열 구조의 제 3 예를 도시하는 사시도이다.
본 예에서는, 내관(581)의 상단 및 하단에 한쌍의 플랜지(588a 및 588b)를 마련하고, 이들 플랜지(588a 및 588b)를 연결하도록, 복수의 샤프트(589)가 내관(581)의 외측에 등간격으로 배치되어 있다. 이때, 스테이지 지지부(58)는 진공 중에 마련되어 있기 때문에, 내관(581)과 샤프트(589) 사이도 진공이어서, 진공 단열을 실현할 수 있다. 또한, 외측을 샤프트(589)로 하는 것에 의해, 강도(강성)를 확보하면서, 열전도 패스를 작게 하여 열 저항을 크게 할 수 있어, 냉각 성능을 한층 높게 할 수 있다.
또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 내관(581)의 외측에 복사열 차폐체(587)를 더 마련한 구성으로 할 수도 있다. 이것에 의해, 외측으로부터의 복사열을 차폐하여, 냉각 성능을 높일 수 있다.
[스테이지 지지부의 단열 구조의 제 4 예]
도 10은 스테이지 지지부(58)의 단열 구조의 제 4 예를 도시하는 단면도이다.
본 예에서는, 도 7의 제 2 예와 마찬가지인, 스테이지 지지부(58)의 본체부(58a)가 내관(581)과 외관(582)을 갖는 진공 이중관 구조를 갖고 있지만, 외관(582)에 벨로우즈나 다단 주름과 같은 굴곡부(582a)가 형성되어 있는 점이 제 2 예와는 상이하다. 본 예에서는, 본체부(58a)의 축경부(58c)에 굴곡부(582a)가 형성되어 있지만, 굴곡부(582a)의 형성 위치는 한정되지 않는다.
이와 같이 외관(582)에 벨로우즈 등의 굴곡부(582a)를 형성하는 것에 의해, 열 저항을 상승시킬 수 있어, 단열 효과를 보다 높일 수 있다. 굴곡부(582a)의 굴곡의 크기 및 수를 조정하는 것에 의해, 열 저항을 소망의 값으로 조정할 수 있다.
또한, 내관(581)에 굴곡부를 형성해도 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 내관(581)에 형성하는 굴곡부를 벨로우즈로 하는 것에 의해, 상온으로부터 극저온의 온도 변화에 대한 열 응력의 완화의 기능을 갖게 할 수도 있다.
＜처리 장치의 동작 및 스테이지 장치의 작용·효과＞
처리 장치(1)에 대해서는, 진공 용기(10) 내를 진공 상태로 하고, 스테이지 장치(50)의 냉동기(52)를 작동시킨다. 또한, 제 1 냉각 가스를, 제 1 냉각 가스 유로(54a)를 거쳐서 간극(G)에 공급한다.
그리고, 승강 기구(74)에 의해 스테이지 장치(50)를, 스테이지(56)가 반송 위치가 되도록 이동(하강)시키고, 진공 반송실로부터 반송 장치(모두 도시하지 않음)에 의해, 웨이퍼(W)를 진공 용기(10) 내로 반송하여, 스테이지(56) 상에 탑재한다. 다음에, 척 전극(56b)에 직류 전압을 인가하여, 정전 척(56a)에 의해 웨이퍼(W)를 정전 흡착한다.
그 후에, 승강 기구(74)에 의해 스테이지 장치(50)를, 스테이지(56)가 처리 위치가 되도록 이동(상승)시키는 동시에, 진공 용기(10) 내를 처리 압력인 초고진공(예를 들면, 10-5Pa 이하)으로 조정한다. 그리고, 구동 기구(68)를 구동시키고, 로터(68a)의 회전을, 회전체(66a), 회전부(62a), 스테이지 지지부(58)를 거쳐서 스테이지(56)에 전달시켜, 스테이지(56) 및 그 위의 웨이퍼(W)를 냉동 전열체(54)에 대해서 회전시킨다.
이 때, 스테이지 장치(50)에 있어서는, 스테이지(56)가, 고정하여 마련된 냉동 전열체(54)에 대해서 분리되어 있기 때문에, 스테이지(56)를 스테이지 지지부(58)를 거쳐서 구동 기구(68)에 의해 회전시킬 수 있다. 또한, 극저온으로 보지된 냉동기(52)로부터 냉동 전열체(54)로 전열된 냉열은 2mm 이하의 좁은 간극(G)에 공급된 제 1 냉각 가스를 거쳐서 스테이지(56)로 전열된다. 그리고, 웨이퍼(W)의 이면에 제 2 냉각 가스를 공급하면서 정전 척(56a)에 의해 웨이퍼(W)를 흡착하는 것에 의해, 스테이지(56)의 냉열에 의해 웨이퍼(W)를 효율적으로 냉각할 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼(W)를, 예를 들어 -30℃ 이하의 극저온으로 유지하면서, 스테이지(56)와 함께 웨이퍼(W)를 회전시킬 수 있다.
이때, 스테이지(56)의 제 1 전열부(56c)와 냉동 전열체(54)의 제 2 전열부(54b) 사이가 빗살부로 되어 있어, 간극(G)이 굴곡되어 요철형상을 이루므로, 냉동 전열체(54)로부터 스테이지(56)로의 냉열 전달 효율이 높다.
이와 같이 웨이퍼(W)를 회전시킨 상태에서, 진공 용기(10) 내에 스퍼터 가스를 도입하면서, 플라즈마 발생용 전원(도시하지 않음)으로부터 타겟(30)에 전압을 인가한다. 이것에 의해, 스퍼터 가스의 플라즈마가 생성되고, 플라즈마 중의 이온에 의해서 타겟(30)이 스퍼터링된다. 스퍼터링된 타겟 재료의 원자 또는 분자는, 스테이지 장치(50)에 극저온 상태로 보지된 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적하여, 소망의 막, 예를 들어 높은 자기 저항비를 갖는 TMR 소자용의 자성막을 성막할 수 있다.
특허문헌 1과 같이, 냉각 장치와 성막 장치를 별개로 마련하는 경우는, 냉각 성능을 높게 유지하는 것은 곤란하고, 또한 장치의 대수가 많아져 버린다. 한편, 특허문헌 2에서는, 성막 용기 내에서 냉동기에 의해 냉각되는 냉각 헤드를 이용하여 기판을 극저온으로 냉각할 수 있지만, 스테이지가 고정되어 있기 때문에, 균일한 성막이 곤란하다.
이에 대해서, 본 실시형태에서는, 극저온으로 보지되는 냉동기(52)의 냉열을 전열하는 냉동 전열체(54)와 스테이지(56)를 간극(G)을 거쳐서 분리하여 마련하고, 간극(G)에 전열용의 냉각 가스를 공급하는 동시에, 스테이지 지지부(58)를 거쳐서 스테이지를 회전 가능한 구성으로 한다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)에 대한 높은 냉각 성능과 성막의 균일성을 양립시킬 수 있다.
또한, 예를 들어 TMR 소자용의 자성막을 성막할 때에는, 웨이퍼(W)는 100℃ 내지 400℃의 고온 상태로 스테이지(56)로 반송되는 일이 있다. 그리고, 이러한 고온 상태의 웨이퍼(W)를 -223℃ 내지 -23℃(50K 내지 250K), 예를 들어 -173℃(100K)와 같은 극저온으로 냉각할 필요가 있다. 이 경우에는, 웨이퍼(W)로부터의 큰 입열 때문에, 웨이퍼(W)를 극저온으로 효율적으로 냉각하기 위해서는, 웨이퍼(W) 이외의 외부로부터의 입열을 극력 저감하여 냉각 성능을 높일 필요가 있다.
그래서, 본 실시형태에서는, 스테이지(56)에 직접 접촉하고, 자성 유체 시일 등의 발열부로부터의 입열이 존재하는 스테이지 지지 부재(58)를 단열 구조로 하여, 스테이지 지지 부재(58)로부터 스테이지(56)로의 입열을 억제하여, 냉각 성능을 높게 유지한다. 이 때문에, 냉동 전열체(54)를 통한 냉각 효율이 높아져서, 냉각 시간이 단축되고, 또한 제 1 냉각 가스의 소비량을 억제할 수 있어, 낮은 운전 비용으로 높은 스루풋(throughput)의 극저온 성막을 실현할 수 있다.
이때, 스테이지 지지부(58)의 단열 구조를, 상술한 제 1 내지 제 4 예에 나타내는 바와 같은, 진공 단열을 기본으로 하는 것으로 하는 것에 의해, 발열부로부터 스테이지(56)로의 입열을 효과적으로 억제할 수 있어, 냉각 성능을 높일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 복사열 차폐체(587)를 이용하는 것에 의해, 외부로부터의 복사열에 의한 입열도 억제할 수 있어, 한층 냉각 성능을 높일 수 있다.
더욱이, 냉동기(52) 및 냉동 전열체(54)의 하부를 덮도록, 진공 이중관 구조를 갖는 원통형상의 제 1 단열 구조체(70)를 마련했으므로, 냉각에 중요한 냉동기(52)의 콜드 헤드부(52a) 및 냉동 전열체(54)의 하부로 외부로부터 입열하여 냉각 성능이 저하하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 냉동 전열체(54) 전체를 덮도록, 내부가 진공으로 된 진공 이중관 구조의 원통형상을 이루는 제 2 단열 구조체(71)를 마련했으므로, 외부로부터의 열이 냉동 전열체(54)로 입열하는 것에 의한 냉각 성능의 저하를 억제할 수 있다.
＜다른 적용＞
이상, 실시형태에 대해서 설명했지만, 금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아닌 것으로 고려되어야 하는 것이다. 상기의 실시형태는 첨부의 특허청구범위 및 그 주지를 일탈하는 일없이, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예를 들면, 스테이지 지지부의 단열 구조는, 상기 제 1 내지 제 4 예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 실시형태에서는 TMR 소자에 이용되는 자성막의 스퍼터 성막에 적용하는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 극저온에서 균일 처리가 필요한 처리이면 이것에 한정하는 것은 아니다.
1 : 처리 장치 10 : 진공 용기
30 : 타겟 50 : 스테이지 장치
52 : 냉동기 52a : 콜드 헤드부
54 : 냉동 전열체 54a : 제 1 냉각 가스 공급로
54b : 제 2 전열부 56 : 스테이지
56c : 제 1 전열부 58 : 스테이지 지지부
58a : 본체부 58c : 축경부
62 : 시일 회전 기구 64 : 벨로우즈
68 : 구동 기구 70 : 제 1 단열 구조체
71 : 제 2 단열 구조체 72 : 가스 유로
81, 82 : 시일 부재 581 : 내관
582 : 외관 582a : 굴곡부
583 : 내부 공간 584, 585 : 수평부
586 : 투공 587 : 복사열 차폐체
589 : 샤프트 G : 간극
S : 공간 W : 웨이퍼(피처리 기판)

Claims (20)

  1. 진공 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 스테이지와,
    상기 스테이지의 이면측에 상기 스테이지와 간극을 거쳐서 고정 배치되고, 냉동기에 의해 극저온으로 냉각되는 냉동 전열체와,
    상기 간극에 공급되는, 상기 냉동 전열체의 냉열을 상기 스테이지에 전열하기 위한 냉각 유체와,
    상기 스테이지를 회전 가능하게 지지하고, 상기 냉동 전열체의 상부를 덮는 원통형상을 이루는 동시에, 진공 단열 구조를 갖는 스테이지 지지부와,
    상기 스테이지 지지부를 지지하고, 자성 유체에 의해 시일된 상태로 구동 기구에 의해 회전 구동되는 회전부를 구비하고,
    상기 스테이지 지지부는, 원통형상을 이루는 본체부와, 상기 본체부의 축방향 중앙부에 마련된 축경부와, 상기 본체부의 하면에 있어서 외측으로 연장되는 플랜지부를 가지고,
    상기 플랜지부의 하면과 상기 회전부 사이에 단열부재가 위치되어 있는
    스테이지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지 지지부의 상기 본체부는, 내관과 외관으로 이루어지는 이중관 구조를 갖고, 상기 내관과 상기 외관 사이의 내부 공간이 진공으로 보지되는
    스테이지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이지 지지부는 상기 진공 용기에 연통하는 진공 공간에 배치되고, 상기 외관에는 복수의 투공을 가지며, 상기 내부 공간은 상기 투공을 거쳐서 상기 진공 공간과 연통하여 진공 공간이 되는
    스테이지 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 축경부에 대응하는 수평부가 무구판으로 이루어지는
    스테이지 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체부 전체가 상기 이중관 구조를 갖는
    스테이지 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 외관은 굴곡되어 이루어지는 굴곡부를 갖는
    스테이지 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이지 지지부의 상기 본체부는 상기 외관의 외측에 마련된 복사열 차폐체를 더 갖는
    스테이지 장치.
  8. 진공 용기 내에서 피처리 기판을 보지하는 스테이지와,
    상기 스테이지의 이면측에 상기 스테이지와 간극을 거쳐서 고정 배치되고, 냉동기에 의해 극저온으로 냉각되는 냉동 전열체와,
    상기 간극에 공급되는, 상기 냉동 전열체의 냉열을 상기 스테이지에 전열하기 위한 냉각 유체와,
    상기 스테이지를 회전 가능하게 지지하고, 상기 냉동 전열체의 상부를 덮는 원통형상을 이루는 동시에, 진공 단열 구조를 갖는 스테이지 지지부와,
    상기 스테이지 지지부를 지지하고, 자성 유체에 의해 시일된 상태로 구동 기구에 의해 회전 구동되는 회전부를 구비하고,
    상기 스테이지 지지부는 상기 진공 용기에 연통하는 진공 공간에 배치되고, 상기 스테이지 지지부의 본체부는, 내관과, 상기 내관의 상단 및 하단에 마련된 한쌍의 플랜지와, 상기 한쌍의 플랜지를 연결하도록, 상기 내관의 외측에 배치된 복수의 샤프트를 갖는
    스테이지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스테이지 지지부는 상기 내관의 외측에 마련된 복사열 차폐체를 더 갖는
    스테이지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 피처리 기판을 정전 흡착하는 정전 척을 갖는
    스테이지 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 간극에 공급되는 상기 냉각 유체는 제 1 냉각 가스이며, 상기 제 1 냉각 가스는 상기 냉동 전열체 내에 마련된 제 1 냉각 가스 유로를 통류하여 상기 간극에 공급되는
    스테이지 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피처리 기판과 상기 정전 척 사이에, 상기 제 1 냉각 가스 유로와는 상이한 제 2 냉각 가스 유로를 거쳐서 전열용의 제 2 냉각 가스가 공급되는
    스테이지 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 피처리 기판과 상기 정전 척 사이에, 상기 제 1 냉각 가스 유로와 연통하는 유로를 거쳐서 상기 제 1 냉각 가스가 공급되는
    스테이지 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 냉동기의 콜드 헤드부 및 상기 냉동 전열체의 상기 콜드 헤드부와의 접속부를 덮도록 원통형상으로 마련되고, 진공 단열 구조를 갖는 제 1 단열 구조체를 더 구비하는
    스테이지 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉동 전열체를 덮도록 원통형상으로 마련되고, 진공 단열 구조를 갖는 제 2 단열 구조체를 더 구비하는
    스테이지 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 간극에 공급되는 상기 냉각 유체는 제 1 냉각 가스이며,
    상기 스테이지 지지부와 상기 제 2 단열 구조체 사이에, 시일 부재로 밀봉되고, 상기 간극으로부터 누출된 상기 제 1 냉각 가스가 유입되는 공간을 갖고, 상기 공간에는 가스 유로가 접속되고, 상기 가스 유로는 상기 공간 내의 제 1 냉각 가스를 상기 공간으로부터 배출시키는 기능, 또는 상기 공간 내에 상기 제 1 냉각 가스의 카운터 플로우가 되는 제 3 냉각 가스를 공급하는 기능을 갖는
    스테이지 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지와 상기 냉동 전열체의 접속부는 상기 간극이 요철형상을 이루는 빗살부를 갖는
    스테이지 장치.
  18. 진공 용기와,
    상기 진공 용기 내에서 피처리 기판을 회전 가능하게 보지하기 위한, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 스테이지 장치와,
    상기 진공 용기 내에서 피처리 기판에 처리를 실시하는 처리 기구를 갖는
    처리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 처리 기구는 상기 진공 용기 내의 상기 스테이지의 상방에 배치된 스퍼터링 성막용의 타겟을 갖는
    처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 타겟은 터널 자기 저항 소자에 이용되는 자성체를 성막하는 재료로 이루어지는
    처리 장치.
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