WO2021039218A1 - 基板を処理する方法および装置 - Google Patents

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WO2021039218A1
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stage
substrate
temperature
processing
preheating
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環 竹山
宏昭 千早
基 山形
学 中川西
伸二 居本
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01L21/6833—Details of electrostatic chucks

Definitions

  • the present disclosure relates to a method and an apparatus for processing a substrate.
  • a process that requires an extremely low temperature as a substrate processing device such as a semiconductor substrate, for example, a film forming device.
  • a substrate processing device such as a semiconductor substrate
  • a film forming device for example, a technique for forming a magnetic film in an ultra-high vacuum and extremely low temperature environment is required.
  • a stage on which the substrate is placed is rotatably provided, and a gap is provided in the center of the back surface side of the stage with respect to the back surface of the stage.
  • a frozen heat transfer body is arranged in a state (for example, Patent Document 1).
  • This technology supplies the cooling gas to the gap between the rotating stage and the refrigeration heat transfer body, and supplies the cold heat of the refrigerator to the stage via the refrigeration heat transfer body to make the substrate uniform at extremely low temperatures. It is for cooling.
  • the present disclosure provides a method and an apparatus for processing a substrate, which can shorten the time required to reach a steady cooling temperature when the substrate is processed while being rotated in a state of being cooled to an extremely low temperature.
  • a method according to one aspect of the present disclosure is a method of processing a substrate, which is rotatably provided and is fixedly arranged on a stage on which the substrate is placed and on the back surface side of the stage via a gap between the stage and the stage. ,
  • a method and an apparatus for processing a substrate which can shorten the time required to reach a steady cooling temperature when the substrate is processed while being rotated in a state of being cooled to an extremely low temperature.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of such a substrate processing apparatus.
  • the substrate processing device 1 includes a processing container 10 that can be held in a vacuum, a target 30, a stage device 50, and a control unit 100.
  • the substrate processing apparatus 1 can sputter-deposit a magnetic film on a semiconductor wafer (hereinafter, simply referred to as “wafer”) W which is a substrate in an ultra-high vacuum and extremely low temperature environment in the processing container 10. It is configured as a film forming device.
  • the magnetic film is used, for example, in a Tunneling Magneto Resistance (TMR) element.
  • TMR Tunneling Magneto Resistance
  • the processing container 10 is a processing container for processing the wafer W which is the substrate to be processed.
  • An exhaust means such as a vacuum pump capable of decompressing to an ultra-high vacuum is connected to the processing container 10, and the inside thereof is configured to be capable of decompressing to an ultra-high vacuum (for example, 10-5 Pa or less).
  • a gas supply pipe (not shown) is connected to the processing container 10 from the outside, and the sputter gas (for example, argon (Ar) gas, krypton (Kr) gas, neon (for example) required for sputter film formation is connected from the gas supply pipe. Ne) Rare gas such as gas or nitrogen gas) is supplied.
  • a carry-in outlet (not shown) for the wafer W is formed on the side wall of the processing container 10, and the carry-in outlet can be opened and closed by a gate valve (not shown).
  • the target 30 is provided in the upper part of the processing container 10 so as to face above the wafer W held by the stage device 50.
  • An AC voltage or a DC voltage is applied to the target 30 from a plasma generation power source (not shown).
  • a plasma generation power source not shown.
  • plasma of the sputter gas is generated in the processing container 10 by the ions in the plasma.
  • the target 30 is sputtered. Atoms or molecules of the sputtered target material are deposited on the surface of the wafer W held in the stage apparatus 50.
  • the number of targets 30 is not particularly limited, but a plurality of targets 30 is preferable from the viewpoint that different materials can be formed by one substrate processing apparatus 1.
  • a magnetic film (a film containing a ferromagnetic material such as Ni, Fe, Co) is deposited, for example, CoFe, FeNi, NiFeCo can be used as the material of the target 30. Further, as the material of the target 30, a material containing another element in these materials can also be used.
  • the stage device 50 holds the wafer W on the stage 56, and cools the wafer W to an extremely low temperature via the stage 56 while rotating the stage 56 together with the wafer W. Further, as will be described later, the stage device 50 has an elevating mechanism 74 for raising and lowering the stage 56 and a temperature measuring mechanism 90 for measuring the temperature of the stage.
  • the control unit 100 includes a main control unit including a computer and a CPU that controls each component of the substrate processing device, an input device, an output device, a display device, and a storage device.
  • the main control unit includes a voltage applied to the target 30 at the time of sputtering, introduction of sputtering gas, raising and lowering and rotation of the stage 56 described later, loading and unloading of the wafer W, introduction of cooling gas described later, and a refrigerator 52 described later. Control the operation etc. Further, the main control unit executes the operation set in the substrate processing device 1 based on the processing recipe called from the storage medium provided in the storage device.
  • the stage device 50 includes a stage 56, an elevating mechanism 74, and a temperature measuring mechanism 90. Further, the stage device 50 further includes a refrigerator 52, a refrigerating heat transfer body 54, a stage support portion 58, a seal rotation mechanism 62, and a drive mechanism 68.
  • the elevating mechanism 74 sets the transfer position when the wafer W is conveyed to the stage 56 by the substrate transfer device, the processing position when forming a film on the wafer W placed on the stage 56, and the stage temperature. It can be moved to and from the temperature measurement position to be measured.
  • the transport position is set to a position lower than the processing position and the temperature measurement position, and the temperature measurement position is set to a position lower than the processing position. Further, the elevating mechanism 74 can control the distance between the target 30 and the wafer W.
  • the temperature measuring mechanism 90 includes a temperature detecting contact portion 91 provided in a portion of the stage 56 that does not interfere with the placement of the wafer W, and a temperature detecting portion 92 attached to the bottom of the processing container 10 below the stage 56.
  • the temperature detection unit 92 has a temperature sensor and is provided at a position separated from the temperature detection contact unit 91 except when measuring the temperature.
  • the temperature of the stage 56 can be measured by the temperature detecting unit 92 coming into contact with the temperature detecting contact unit 91.
  • the temperature detection contact unit 91 can be brought into contact with and detached from the temperature detection unit 92 by raising and lowering the stage 56 by the elevating mechanism 74. As shown in FIG.
  • the temperature detection contact portion 91 and the temperature detection unit 92 are aligned with each other by rotating the stage 56, the stage 56 is lowered to the temperature measurement position, and the temperature detection contact portion 91 is heated.
  • the temperature of the stage 56 is measured by bringing it into contact with the measuring unit 92. This temperature measurement is performed, for example, immediately before the stage 56 is rotated to process the wafer W, without rotating the stage 56.
  • the refrigerator 52 holds the freezing heat transfer body 54 and cools the upper surface of the freezing heat transfer body 54 to an extremely low temperature.
  • the refrigerator 52 has a cold head portion 52a at the upper portion, and cold heat is transferred from the cold head portion 52a to the freezing heat transfer body 54.
  • the refrigerator 52 is preferably a type using a GM (Gifford-McMahon) cycle.
  • the cooling temperature of the refrigerating heat transfer body 54 by the refrigerator 52 is, for example, in the range of 250 to 50K (-23 to -223 ° C.).
  • the freezing heat transfer body 54 is fixedly arranged on the refrigerator 52 and has a substantially columnar shape, and is formed of a material having high thermal conductivity such as pure copper (Cu).
  • the upper portion of the frozen heat transfer body 54 is arranged in the processing container 10.
  • the frozen heat transfer body 54 is arranged below the stage 56 so that its center coincides with the central axis C of the stage 56.
  • a first cooling gas supply passage 54a through which the first cooling gas can flow is formed along the central axis C, and a gas supply mechanism 59 is formed in the first cooling gas supply passage 54a. Is connected.
  • the first cooling gas is supplied from the gas supply mechanism 59 to the first cooling gas supply path 54a.
  • the first cooling gas it is preferable to use helium (He) gas having high thermal conductivity.
  • the stage 56 is arranged with a gap G (for example, 2 mm or less) between the stage 56 and the upper surface of the frozen heat transfer body 54.
  • the stage 56 is formed of a material having high thermal conductivity such as pure copper (Cu).
  • the gap G communicates with the first cooling gas supply path 54a formed inside the frozen heat transfer body 54. Therefore, the extremely low temperature first cooling gas cooled by the freezing heat transfer body 54 is supplied from the gas supply mechanism 59 to the gap G via the first cooling gas supply path 54a.
  • the gas supply mechanism 59 can supply the first cooling gas to the gap G as well as remove the first cooling gas from the gap G.
  • the stage 56 includes an electrostatic chuck 56a.
  • the electrostatic chuck 56a is made of a dielectric film, and a chuck electrode 56b is embedded therein. A predetermined DC voltage is applied to the chuck electrode 56b via the wiring L. As a result, the wafer W can be attracted and fixed by the electrostatic attraction force.
  • the stage 56 has a first heat transfer portion 56c below the electrostatic chuck 56a, and a convex portion 56d protruding toward the frozen heat transfer body 54 is formed on the lower surface of the first heat transfer portion 56c. ing.
  • the convex portion 56d is composed of two annular portions surrounding the central axis C of the stage 56.
  • the height of the convex portion 56d can be, for example, 40 to 50 mm.
  • the width of the convex portion 56d can be, for example, 6 to 7 mm.
  • the shape and number of the convex portions 56d are not particularly limited, but the shape and number are set so as to have a sufficiently heat exchangeable surface area from the viewpoint of increasing the heat transfer efficiency with the frozen heat transfer body 54. Is preferable.
  • the frozen heat transfer body 54 has a second heat transfer portion 54b on the upper surface of the main body, that is, on the surface facing the first heat transfer portion 56c.
  • the second heat transfer portion 54b is formed with a recess 54c that fits the convex portion 56d with a gap G.
  • the recess 54c is composed of two annular portions surrounding the central axis C of the stage 56.
  • the height of the concave portion 54c may be the same as the height of the convex portion 56d, and may be, for example, 40 to 50 mm.
  • the width of the concave portion 54c can be slightly wider than the width of the convex portion 56d, for example, and is preferably 7 to 9 mm, for example.
  • the shape and number of the concave portions 54c are determined to correspond to the shape and number of the convex portions 56d.
  • the convex portion 56d of the first heat transfer portion 56c and the concave portion 54c of the second heat transfer portion 54b are fitted with each other through the gap G to form a comb tooth portion.
  • the gap G is bent, so that the heat generated by the first cooling gas between the first heat transfer portion 56c of the stage 56 and the second heat transfer portion 54b of the frozen heat transfer body 54 The transmission efficiency can be increased.
  • the convex portion 56d and the concave portion 54c can each have a corresponding wavy shape. Further, it is preferable that the surfaces of the convex portion 56d and the concave portion 54c are subjected to uneven processing by blasting or the like. As a result, the surface area for heat transfer can be increased to further improve the heat transfer efficiency.
  • first heat transfer portion 56c may be provided with a concave portion
  • second heat transfer portion 54b may be provided with a convex portion corresponding to the concave portion
  • the electrostatic chuck 56a and the first heat transfer portion 56c in the stage 56 may be integrally molded or may be separately molded and joined. Further, the main body of the frozen heat transfer body 54 and the second heat transfer portion 54b may be integrally formed or may be formed and joined separately.
  • the stage 56 is formed with through holes 56e that penetrate vertically.
  • a second cooling gas supply path 57 is connected to the through hole 56e, and a second cooling gas for heat transfer is supplied from the second cooling gas supply path 57 to the back surface of the wafer W through the through hole 56e. ..
  • the second cooling gas it is preferable to use a He gas having high thermal conductivity as in the first cooling gas.
  • the number of through holes 56e may be one, but it is preferable that the number of through holes 56e is one from the viewpoint of transmitting the cold heat of the freezing heat transfer body 54 to the wafer W particularly efficiently.
  • Cooling gas can be supplied by pressure and flow rate. At the same time, the cooling gas in the high pressure / extremely low temperature state can be continuously supplied to the gap G without being limited by the pressure, flow rate, supply timing, etc. of the gas supplied to the back surface.
  • stage 56 may be provided with a through hole connected from the gap G so that a part of the first cooling gas is supplied as the cooling gas to the back surface of the wafer W.
  • the stage support portion 58 is arranged outside the frozen heat transfer body 54 and rotatably supports the stage 56.
  • the stage support portion 58 has a main body portion 58a having a substantially cylindrical shape, and a flange portion 58b extending outward on the lower surface of the main body portion 58a.
  • the main body portion 58a is arranged so as to cover the gap G and the outer peripheral surface of the upper portion of the frozen heat transfer body 54.
  • the stage support portion 58 also has a function of shielding the gap G which is the connection portion between the frozen heat transfer body 54 and the stage 56.
  • the seal rotation mechanism 62 is provided below the heat insulating member 60.
  • the seal rotating mechanism 62 includes a rotating portion 62a, an inner fixing portion 62b, an outer fixing portion 62c, and a heating means 62d.
  • the rotating portion 62a has a substantially cylindrical shape extending downward coaxially with the heat insulating member 60, and the driving device 68 is hermetically sealed with a magnetic fluid to the inner fixing portion 62b and the outer fixing portion 62c. Is rotated by. Since the rotating portion 62a is connected to the stage support portion 58 via the heat insulating member 60, the transmission of cold heat from the stage support portion 58 to the rotating portion 62a is blocked by the heat insulating member 60. Therefore, when the temperature of the magnetic fluid of the seal rotation mechanism 62 is lowered, it is possible to suppress the deterioration of the sealing performance and the occurrence of dew condensation.
  • the inner fixing portion 62b has a substantially cylindrical shape in which the inner diameter is larger than the outer diameter of the refrigerating heat transfer body 54 and the outer diameter is smaller than the inner diameter of the rotating portion 62a, and is between the refrigerating heat transfer body 54 and the rotating portion 62a. Is provided via a magnetic fluid.
  • the outer fixing portion 62c has a substantially cylindrical shape having an inner diameter larger than the outer diameter of the rotating portion 62a, and is provided on the outside of the rotating portion 62a via a magnetic fluid.
  • the heating means 62d is embedded inside the inner fixing portion 62b and heats the entire seal rotation mechanism 62. As a result, it is possible to prevent the temperature of the magnetic fluid from being lowered, the sealing performance from being lowered, and the occurrence of dew condensation.
  • the seal rotation mechanism 62 can rotate the stage support portion 58 in a state where the region communicating with the processing container 10 is hermetically sealed with a magnetic fluid and held in a vacuum.
  • a bellows 64 is provided between the upper surface of the outer fixing portion 62c and the lower surface of the processing container 10.
  • the bellows 64 is a metal bellows structure that can be expanded and contracted in the vertical direction.
  • the bellows 64 surrounds the freezing heat transfer body 54, the stage support portion 58, and the heat insulating member 60, and separates the space inside the processing container 10 and the space held in a vacuum communicating with the space, and the space of the atmospheric atmosphere.
  • a slip ring 66 is provided below the seal rotation mechanism 62.
  • the slip ring 66 has a rotating body 66a including a metal ring and a fixed body 66b including a brush.
  • the rotating body 66a is fixed to the lower surface of the rotating portion 62a of the seal rotating mechanism 62, and has a substantially cylindrical shape extending downward coaxially with the rotating portion 62a.
  • the fixed body 66b has a substantially cylindrical shape in which the inner diameter is slightly larger than the outer diameter of the rotating body 66a.
  • the slip ring 66 is electrically connected to a DC power supply (not shown), and transmits the voltage supplied from the DC power supply to the wiring L via the brush of the fixed body 66b and the metal ring of the rotating body 66a. To do. As a result, a voltage can be applied to the chuck electrode from the DC power supply without causing twisting or the like in the wiring L.
  • the rotating body 66a of the slip ring 66 is rotated via the drive mechanism 68.
  • the drive mechanism 68 is a direct drive motor having a rotor 68a and a stator 68b.
  • the rotor 68a has a substantially cylindrical shape extending coaxially with the rotating body 66a of the slip ring 66, and is fixed to the rotating body 66a.
  • the stator 68b has a substantially cylindrical shape in which the inner diameter is larger than the outer diameter of the rotor 68a.
  • the drive mechanism 68 may be driven via a belt or the like.
  • a vacuum heat insulating structure (vacuum double tube structure) having a cylindrical shape with a double tube structure and a vacuum inside so as to cover the cold head portion 52a of the refrigerator 52 and the lower part of the freezing heat transfer body 54.
  • 1 Insulation structure 70 is provided.
  • the cooling performance of the first heat insulating structure 70 is such that heat from the outside such as the drive mechanism 68 enters the lower part of the cold head portion 52a and the refrigerating heat transfer body 54, which are important for cooling the stage 56 and the wafer W. The decrease can be suppressed.
  • a second having a cylindrical shape with a vacuum double tube structure whose inside is evacuated so as to cover almost the entire frozen heat transfer body 54 and overlap the inside of the first heat insulating structure 70.
  • a heat insulating structure 71 is provided.
  • the second heat insulating structure 71 can suppress deterioration of cooling performance due to heat from the outside such as the magnetic fluid seal and the first cooling gas leaking into the space S entering the refrigerating heat transfer body 54.
  • first heat insulating structure 70 and the second heat insulating structure 71 can suppress the transfer of cold heat from the refrigerator 52 and the freezing heat transfer body 54 to the outside.
  • a seal member 81 is provided between the main body portion 58a of the stage support portion 58 and the second heat insulating structure 71.
  • a space S sealed with a seal member 81 is formed between the main body portion 58a of the stage support portion 58 and the upper portion of the second heat transfer portion 54b and the second heat insulating structure 71 of the frozen heat transfer body 54. ing.
  • the first cooling gas leaked from the gap G flows into the space S.
  • a gas flow path 72 is connected to the space S through the seal member 81.
  • the gas flow path 72 extends downward from the space S.
  • the upper surface of the second heat insulating structure 71 and the second heat transfer portion 54b of the frozen heat transfer body 54 are sealed by a seal member 82.
  • the seal member 82 suppresses the supply of the first cooling gas leaking into the space S to the main body of the freezing heat transfer body 54.
  • the gas flow path 72 may discharge the gas in the space S or supply the cooling gas to the space S. In both cases where the gas flow path 72 discharges gas and supplies cooling gas, it is possible to prevent the first cooling gas from entering the seal rotating mechanism 62 and deteriorating the sealing performance due to a decrease in the temperature of the magnetic fluid. can do.
  • the gas flow path 72 has a cooling gas supply function
  • the third cooling gas is supplied so as to function as a counterflow to the first cooling gas leaking from the gap G.
  • the supply pressure of the third cooling gas is preferably substantially the same as or slightly higher than the supply pressure of the first cooling gas. Condensation can be prevented by using a gas having a lower thermal conductivity than the first cooling gas, such as argon (Ar) gas or neon (Ne) gas, as the third cooling gas.
  • the substrate processing method implemented in the substrate processing apparatus 1 will be described.
  • the inside of the processing container 10 is evacuated to operate the refrigerator 52 of the stage device 50, and the first cooling gas is sent to the gap G via the first cooling gas flow path 54a. It shall be in the supplied state.
  • the cold heat transferred from the refrigerator 52 kept at an extremely low temperature to the refrigerating heat transfer body is transferred to the stage 56 via the first cooling gas supplied to the gap G and is rotatably provided.
  • the stage 56 is maintained at a constant cooling temperature within a certain range.
  • the stage device 50 is moved (lowered) by the elevating mechanism 74 so that the stage 56 is in the transport position, and the substrate transfer device (neither is shown) moves the stage device 50 from the vacuum transfer chamber to a specific temperature higher than normal temperature (for example,).
  • the wafer W held at 75 ° C.) is conveyed into the processing container 10 and placed on the stage 56.
  • the inside of the processing container 10 is adjusted to an ultra-high vacuum (for example, 10-5 Pa or less), which is the processing pressure, a DC voltage is applied to the chuck electrode 56b, and the wafer W is electrostatically adsorbed by the electrostatic chuck 56a.
  • a second cooling gas is supplied to the back surface of the wafer W, and the wafer W is also maintained at the same temperature as the stage 56.
  • the stage 56 is separated from the frozen heat transfer body 54 provided fixedly, the stage 56 and the wafer W are cooled and rotated by the drive mechanism 68 via the stage support portion 58. be able to.
  • a voltage is applied to the target 30 from the plasma generation power source (not shown) while introducing the sputter gas into the processing container 10.
  • a plasma of sputtered gas is generated, and the target 30 is sputtered by the ions in the plasma.
  • Atoms or molecules of the sputtered target material are deposited on the surface of the wafer W held in the stage apparatus 50 in an extremely low temperature state to form a desired film, for example, a magnetic film for a TMR element having a high reluctance ratio. Can be filmed.
  • the temperature of the stage 56 can be monitored by the temperature measuring mechanism 90 when the stage 56 is not rotating.
  • This employs indirect cooling that supplies cooling gas between the refrigerating heat transfer body 54 and the rotating stage 56 in order to rotate the wafer W while cooling it to an extremely low temperature, and the temperature measuring mechanism 90. Is considered to be due to the inability to monitor the temperature while the stage 56 is rotating. That is, in the case of indirect cooling using a cooling gas, if the wafer W at room temperature or higher is continuously processed at the processing start stage, a phenomenon occurs in which the temperature of the stage 56 gradually rises due to the heat received from the wafer W. Since the temperature cannot be monitored and the temperature cannot be controlled while the stage 56 is rotating, it is difficult to correct such a phenomenon.
  • the temperature of the stage 56 is saturated at a constant cooling temperature within a certain range by balancing the heat received from the substrate and the cold heat supplied to the stage 56 via the cooling gas. At this time, the temperature rise to the steady cooling temperature becomes a problem in terms of temperature control of the wafer W because the number of wafers to be processed continues for several to a dozen or so after the start of processing. Such a phenomenon is particularly remarkable when the cooling temperature of the wafer W is about 120 K (-153 ° C.) or less.
  • the stage temperature is controlled by the refrigerating heat transfer body 54 in the range of the center temperature ⁇ 1K, which becomes the steady cooling temperature, but at the start of processing, the steady cooling temperature is used.
  • FIG. 4 shows the average when the stage (electrostatic chuck) temperature during processing was measured with a thermocouple when the control temperature of the refrigerating heat transfer body 54 was 95 K (-178 ° C.) and the wafer temperature was 75 ° C. It is a plot of the values.
  • first preheating is performed to raise the temperature of the stage 56 to the steady cooling temperature (step 1), and then, as shown in FIG. A plurality of wafers W are continuously processed on the stage 56 at a steady cooling temperature (step 2).
  • Such a processing sequence is executed according to a processing recipe preliminarily incorporated in the control unit 100. That is, the preheat time to the steady cooling temperature is grasped in advance, the processing recipe is stored in the storage device of the control unit 100 based on the preheating time, and the processing is executed based on the storage recipe.
  • the temperature of the stage 56 can be raised to the steady cooling temperature in a short time.
  • a dummy wafer DW in which the first cooling gas is removed from the gap G between the stage 56 and the freezing heat transfer body 54 and heated to the same temperature as the actual device wafer is used.
  • the processing may be performed by placing it on the stage 56.
  • the dummy wafer DW can be conveyed by the same substrate conveying mechanism as the wafer W.
  • the cooling of the stage 56 is cut off, and the stage 56 is heated by receiving heat from the dummy wafer having the same temperature as the actual device wafer.
  • the temperature of the stage 56 can be stabilized at the steady cooling temperature, and the time to reach the steady cooling temperature of the stage 56 can be remarkably shortened as compared with the conventional case.
  • the stage temperature reaches the steady cooling temperature by preheating in this way, the first cooling gas is introduced into the gap G to start cooling the stage 56, and the actual device wafer (wafer W) in step 2 is started.
  • the processing is continuously performed on a plurality of wafers W.
  • the processing at this time is as described above.
  • the fluctuation range of the stage temperature can be kept within the range of, for example, ⁇ 1K as described above.
  • the dummy wafer used for preheating it is preferable to use a dummy wafer that has been subjected to a dummy process under the same conditions as the actual device wafer to have the same temperature as the actual device wafer. Further, the dummy processing of the dummy wafer in the substrate processing apparatus 1 is preferably processing under the same conditions as the actual device wafer.
  • FIG. 7 also shows the results of processing by the conventional method without using the dummy wafer shown in FIG. 4 for comparison.
  • thermocouple the temperature of the stage (electrostatic chuck) during processing when the control temperature of the refrigerating heat transfer body 54 is 95 K (-178 ° C) and the wafer temperature is 75 ° C is thermocouple. It is a plot of the average value measured in.
  • the subsequent processing of the actual device wafer is performed within the control temperature range (steady cooling temperature). It was confirmed that there was. Since the processing time for one wafer is predetermined, it can be seen that the time required to reach the steady cooling temperature is significantly shortened as compared with the case where the dummy wafer processing is not performed. Specifically, when the dummy wafer was not used, it was necessary to process about 10 wafers until the steady cooling temperature was reached. Therefore, the time required to reach the steady cooling temperature by this method was 1/4 to 1/1. It has been shortened to about 5.
  • step 1 if the stage 56 can be preheated to the steady cooling temperature, various methods can be used, not limited to the method using the dummy wafer having the same temperature as the actual device wafer as described above.
  • the dummy processing may be performed using a dummy wafer having a temperature higher than the temperature of the actual device wafer.
  • the stage may be heated by a heater.
  • the heating effect can be further enhanced and preheating can be performed.
  • the effect of shortening the steady cooling temperature arrival time can be obtained without removing the first cooling gas in the gap G.
  • the time to reach the steady cooling temperature can be further shortened by removing the first cooling gas in the gap G.
  • a method of heating the stage 56 with a heater As a method of heating the stage 56 with a heater, as shown in FIG. 8, a method of heating the stage 56 by providing a lamp heater 120 on a movable shutter 110 that shields the sputtered particles from the target 30 which is usually used in a sputtering apparatus is used. be able to. Further, as shown in FIG. 9, a method of providing a resistance heating heater 130 on the stage 56 to heat the stage 56 can also be used.
  • sputter film formation of a magnetic film used for a TMR element has been described as an example of substrate processing, but the substrate is processed while rotating while indirectly cooling the stage holding the substrate with a cooling gas. If there is, the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention is not limited to the semiconductor wafer, and may be another substrate such as an FPD (flat panel display) substrate or a ceramic substrate.
  • FPD flat panel display
  • Substrate processing device 10 Processing container 30; Target 50; Stage device 52; Refrigerator 54; Refrigerating heat transfer element 54a; First cooling gas supply path 56; Stage 74; Elevating mechanism 90; Temperature measuring mechanism 100; Control unit 110; Shutter G; Gap W; Wafer (board)

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Abstract

基板を処理する方法は、回転可能に設けられ、基板が載置されるステージと、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、極低温に冷却される冷凍伝熱体と、その隙間に、冷凍伝熱体の冷熱をステージに伝熱するための冷却ガスを供給するガス供給機構と、ステージを回転させる回転機構と、基板に処理を施す処理機構とを有する基板を処理する装置を準備することと、ステージの温度が一定範囲の定常冷却温度になるようにステージをプリヒートすることと、プリヒート後、定常冷却温度のステージ上に常温以上の特定温度の基板を載置しつつステージを回転させながら行う処理機構による基板の処理を、複数の基板に対して連続して行うこととを有する。

Description

基板を処理する方法および装置
　本開示は、基板を処理する方法および装置に関する。
　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必要とされる。
　超高真空環境下において基板を極低温にかつ均一に冷却するための技術としては、基板を載置するステージを回転可能に設け、ステージの裏面側の中央にステージ裏面に対して隙間を有した状態で冷凍伝熱体を配置したものが知られている（例えば特許文献１）。この技術は、回転しているステージと冷凍伝熱体の隙間に冷却ガスを供給しつつ、冷凍機の冷熱を冷凍伝熱体を介してステージに供給することにより、基板を極低温に均一に冷却するものである。
特開２０１９－０１６７７１号公報
　本開示は、基板を極低温に冷却した状態で回転させつつ処理する際に、定常冷却温度に達するまでの時間を短縮することができる基板を処理する方法および装置を提供する。
　本開示の一態様に係る方法は、基板を処理する方法であって、回転可能に設けられ、基板が載置されるステージと、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、極低温に冷却される冷凍伝熱体と、前記隙間に、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ガスを供給するガス供給機構と、前記ステージを回転させる回転機構と、基板に処理を施す処理機構とを有する基板を処理する装置を準備することと、前記ステージの温度が一定範囲の定常冷却温度になるように前記ステージをプリヒートすることと、前記プリヒート後、前記定常冷却温度の前記ステージ上に常温以上の特定温度の基板を載置しつつ前記ステージを回転させながら行う前記処理機構による基板の処理を、複数の基板に対して連続して行うことと、を有する。
　本開示によれば、基板を極低温に冷却した状態で回転させつつ処理する際に、定常冷却温度に達するまでの時間を短縮することができる基板を処理する方法および装置が提供される。
一実施形態に係る基板処理方法を実施することができる基板処理装置の一例を示す概略断面図である。 図１の基板処理装置において、温度測定機構でステージ温度を測定する状態を模式的に示す断面図である。 図１の基板処理装置の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。 図１の基板処理装置において、従来の方法で基板であるウエハを処理した場合のウエハ処理枚数によるステージ温度の変化を示す図である。 一実施形態に係る基板処理方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る基板処理方法のプリヒート工程の一例を説明するための図である。 図１の基板処理装置において、一実施形態の基板処理方法と従来の方法で基板であるウエハを処理した場合のウエハ処理枚数によるステージ温度の変化を示す図である。 プリヒート工程の他の例を説明するための図である。 プリヒート工程のさらに他の例を説明するための図である。
　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、一実施形態に係る基板処理方法を実施することができる基板処理装置の一例について説明する。図１は、このような基板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、基板処理装置１は、真空に保持可能な処理容器１０と、ターゲット３０と、ステージ装置５０と、制御部１００とを備える。基板処理装置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、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。
　処理容器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。処理容器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。処理容器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、処理容器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、処理容器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）から交流電圧または直流電圧が印加される。処理容器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に交流電圧または直流電圧が印加されると、処理容器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つの基板処理装置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とともにステージ５６を回転させながらステージ５６を介してウエハＷを極低温に冷却するものである。また、ステージ装置５０は、後述するように、ステージ５６を昇降する昇降機構７４とステージの温度を測定する温度測定機構９０を有している。
　制御部１００は、コンピュータからなり、基板処理装置の各構成部を制御するＣＰＵからなる主制御部と、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを有する。主制御部は、スパッタの際にターゲット３０に印加する電圧や、スパッタガスの導入、後述するステージ５６の昇降および回転、ウエハＷの搬入出、後述する冷却ガスの導入、後述する冷凍機５２の動作等を制御する。また、主制御部は、記憶装置に設けられた記憶媒体から呼び出された処理レシピに基づいて、基板処理装置１に設定された動作を実行させる。
　次に、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、ステージ５６と、昇降機構７４と、温度測定機構９０とを有している。また、ステージ装置５０は、さらに、冷凍機５２と、冷凍伝熱体５４と、ステージ支持部５８と、シール回転機構６２と、駆動機構６８とを有している。
　昇降機構７４は、ステージ５６を、ウエハＷを基板搬送装置によりステージ５６に搬送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、ステージ温度を測定する温度測定位置との間で移動可能となっている。搬送位置は処理位置および温度測定位置よりも低い位置に設定され、温度測定位置は処理位置よりも低い位置に設定される。また、昇降機構７４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。
　温度測定機構９０は、ステージ５６のウエハＷの載置の妨げとならない部分に設けられた温度検出用接触部９１と、ステージ５６の下方の処理容器１０の底部に取り付けられた温度検出部９２とを有する。温度検出部９２は、温度センサを有し、温度測定時以外は温度検出用接触部９１と離隔した位置に設けられている。温度検出部９２が温度検出用接触部９１に接触することによりステージ５６の温度が測定可能となっている。温度検出用接触部９１は、昇降機構７４によるステージ５６の昇降により、温度検出部９２と接離可能となっている。図２に示すように、ステージ５６を回転させることにより温度検出用接触部９１と温度検出部９２の位置を対応させ、ステージ５６を温度測定位置に下降させて、温度検出用接触部９１を温度測定部９２に接触させることによりステージ５６の温度測定が行われる。この温度測定は、例えば、ステージ５６を回転させてウエハＷの処理を行う直前に、ステージ５６を回転させずに行われる。
　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、例えば２５０～５０Ｋ（－２３～－２２３℃）の範囲とされる。
　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、処理容器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、第１冷却ガス供給路５４ａにはガス供給機構５９が接続されている。ガス供給機構５９から第１冷却ガスが第１冷却ガス供給路５４ａに供給される。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、ガス供給機構５９から第１冷却ガス供給路５４ａを介して、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が極低温に冷却される。ガス供給機構５９は、隙間Ｇへの第１冷却ガスの供給の他、隙間Ｇから第１冷却ガスを抜くこともできるようになっている。
　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５６ｄ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５６ｄ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５４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３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、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。
　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。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。
　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、処理容器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の上面と処理容器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、処理容器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は、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部５２ａ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、かつ、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。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。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ることにより、結露を防止することができる。
　＜基板処理方法＞
　次に、基板処理装置１において実施される基板処理方法について説明する。
　定常状態のウエハＷの処理に際しては、処理容器１０内を真空排気し、ステージ装置５０の冷凍機５２を作動させるとともに、第１冷却ガスを、第１冷却ガス流路５４ａを介して隙間Ｇに供給した状態とする。これにより、極低温に保持された冷凍機５２から冷凍伝熱体に伝熱された冷熱は、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、回転可能に設けられたステージ５６が一定範囲の定常冷却温度に保持される。
　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、真空搬送室から基板搬送装置（いずれも図示せず）により、常温よりも高い特定温度（例えば７５℃）に保持されたウエハＷを処理容器１０内に搬送し、ステージ５６上に載置する。次いで、処理容器１０内を処理圧力である超高真空（例えば１０－５Ｐａ以下）に調整するとともに、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。ウエハＷの裏面には第２冷却ガスが供給され、ウエハＷもステージ５６と同様の温度に保持される。このとき、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およびウエハＷを冷却しつつ、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。
　このようにウエハＷを回転させた状態で、処理容器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がスパッタされる。スパッタ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。なお、ステージ５６の温度のモニターは、ステージ５６が回転していないときに温度測定機構９０により行うことができる。
　このような一連の処理シーケンスを複数のウエハＷに対して連続して実施するのであるが、処理開始時にウエハＷを連続して処理する過程で、ステージ温度が徐々に上昇していき、一定範囲の定常冷却温度で飽和する現象が生じることが判明した。
　これは、ウエハＷを極低温に冷却しつつ回転させるために、冷凍伝熱体５４と回転するステージ５６との間に冷却ガスを供給する間接冷却を採用していることと、温度測定機構９０はステージ５６の回転中に温度モニターできないことが原因であると考えられる。すなわち、冷却ガスを用いた間接冷却を行う場合、処理開始段階で常温以上のウエハＷを連続して処理すると、ウエハＷからの受熱によりステージ５６の温度が徐々に上昇していく現象が生じる。ステージ５６を回転中は温度モニターができず、温度制御ができないため、このような現象を修正することは困難である。ステージ５６の温度は、やがて基板からの受熱と冷却ガスを介してステージ５６に供給される冷熱がバランスすることにより一定範囲の定常冷却温度で飽和する。この際の定常冷却温度までの温度上昇は、処理開始後、ウエハＷの処理枚数が数枚～十数枚の間続くため、ウエハＷの温度管理上問題となる。このような現象は、特に、ウエハＷの冷却温度が１２０Ｋ（－１５３℃）程度以下のときに顕著である。具体的には、図４に示すように、例えば、ステージ温度は冷凍伝熱体５４により中心温度±１Ｋの範囲で温度管理され、これが定常冷却温度となるが、処理開始時は定常冷却温度から３～４℃程度低く、ウエハＷを１０枚程度処理した段階でようやくステージ温度が定常冷却温度で飽和する。なお、図４は、冷凍伝熱体５４の制御温度が９５Ｋ（－１７８℃）、ウエハ温度が７５℃のときの、処理中のステージ（静電チャック）温度を熱電対で測定した際の平均値をプロットしたものである。
　このように、従来は、処理開始から１０枚程度も温度管理ができていないウエハＷが処理される不都合が生じるため、定常冷却温度へ到達するまでの時間（定常冷却温度到達時間）を短縮可能な処理方法が求められる。
　そこで、一実施形態では、図５に示すように、基板であるウエハＷの処理の開始に先立って、最初にステージ５６の温度を定常冷却温度まで上昇させるプリヒートを行い（ステップ１）、その後、定常冷却温度のステージ５６上で複数のウエハＷに対して連続して処理を行う（ステップ２）。
　このような処理シーケンスは、制御部１００に予め組み込まれた処理レシピに従って実行される。すなわち、予め定常冷却温度までのプリヒート時間等を把握しておき、それに基づいて制御部１００の記憶装置に処理レシピを記憶させ、それに基づいて処理が実行される。
　ステップ１のプリヒート工程を行うことにより、ステージ５６の温度を短時間で定常冷却温度まで上昇させることができる。
　ステップ１のプリヒートの手法としては、図６に示すように、ステージ５６と冷凍伝熱体５４との間の隙間Ｇから第１冷却ガスを抜き、実デバイスウエハと同じ温度に加熱したダミーウエハＤＷをステージ５６上に載置して処理を行うことが挙げられる。ダミーウエハＤＷの搬送は、ウエハＷと同様の基板搬送機構により行うことができる。
　このように、隙間Ｇから第１冷却ガスを抜くことにより、ステージ５６の冷却が遮断され、実デバイスウエハと同じ温度のダミーウエハからの受熱でステージ５６が加熱される。このダミーウエハの処理を１～３枚程度行うことにより、ステージ５６の温度を定常冷却温度に安定させることができ、従来よりもステージ５６の定常冷却温度到達時間を著しく短縮することができる。
　このようにプリヒートを行って、ステージ温度が定常冷却温度に達した時点で、第１冷却ガスを隙間Ｇに導入してステージ５６の冷却を開始し、ステップ２の実デバイスウエハ（ウエハＷ）の処理を複数のウエハＷに対して連続して行う。このときの処理は、先に説明した通りである。ステージ温度が定常冷却温度に達した状態で実デバイスウエハを連続処理する際には、上述したように、ステージ温度の変動幅を例えば±１Ｋの範囲内に収めることが可能である。
　プリヒートに用いるダミーウエハとしては、実デバイスウエハと同じ条件のダミープロセスを経て実デバイスウエハと同じ温度にされたものを用いることが好ましい。また、基板処理装置１におけるダミーウエハのダミー処理は実デバイスウエハと同じ条件での処理であることが好ましい。
　このように、プリヒートが実デバイスウエハと同じ温度のダミーウエハを用いる手法の場合には、プリヒート時のダミーウエハの処理の際に、隙間Ｇへの第１冷却ガスを抜くのみで、他は実プロセスと同じ条件で行えるので、実プロセスとの親和性が高い。
　次に、実際にこのようなプリヒートを行った後に実デバイスウエハの連続処理を行った際のステージ温度の変化について確認した結果について説明する。ここでは、第１冷却ガスを隙間Ｇから抜いた状態で、実デバイスウエハと同じ７５℃に加熱されたダミーウエハの処理を２枚連続して行ってステージのプリヒートを行った後、第１冷却ガスを供給して実デバイスウエハの処理を連続して行った。その際のウエハ処理枚数とステージ温度との関係を図７に示す。また、図７には比較のため図４に示したダミーウエハを用いない従来の方法で処理した結果も併せて示す。なお、図７についても、図４と同様、冷凍伝熱体５４の制御温度が９５Ｋ（－１７８℃）、ウエハ温度が７５℃のときの、処理中のステージ（静電チャック）温度を熱電対で測定した際の平均値をプロットしたものである。
　図７に示すように、第１冷却ガスを抜いた状態でダミーウエハの処理を２枚行うことにより、その後の実デバイスウエハの処理では管理温度範囲内（定常冷却温度）での処理が行われていることが確認された。ウエハ１枚の処理時間は予め決められているから、ダミーウエハ処理を行わない場合に比べ、定常冷却温度に達するまでの時間が著しく短縮されていることがわかる。具体的には、ダミーウエハを用いない場合は、定常冷却温度に達するまでおよそ１０枚のウエハ処理が必要であったことから、本方法により定常冷却温度に達するまでの時間が１／４～１／５程度に短縮されたことになる。
　ステップ１のプリヒート工程は、ステージ５６を定常冷却温度までプリヒートできれば、以上のような実デバイスウエハと同じ温度のダミーウエハを用いる手法に限らず種々の手法を用いることが可能である。
　例えば、実デバイスウエハの温度よりも高い温度のダミーウエハを用いてダミー処理を行ってもよい。また、ステージをヒーターにより加熱してもよい。これらにより、より加熱効果を高めてプリヒートすることができる。これらの場合は、隙間Ｇの第１冷却ガスを抜かなくても、定常冷却温度到達時間を短縮する効果を得ることができる。もちろん、このような場合でも隙間Ｇの第１冷却ガスを抜くことにより、定常冷却温度到達時間をより短縮することができる。
　ステージ５６をヒーターで加熱する手法としては、図８に示すように、スパッタ装置で通常用いられる、ターゲット３０からのスパッタ粒子を遮蔽する可動式シャッター１１０にランプヒーター１２０を設けて加熱する手法を用いることができる。また、図９に示すように、ステージ５６に抵抗加熱ヒーター１３０を設けて加熱する手法を用いることもできる。
　＜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、上記実施形態では、基板処理としてＴＭＲ素子に用いられる磁性膜のスパッタ成膜を例にとって説明したが、基板を保持するステージを冷却ガスにより間接冷却しながら回転しつつ基板を処理するものであれば、上記実施形態に限定されない。
　また、上記実施形態では、基板として半導体ウエハを用いた例を示したが、半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
　１；基板処理装置
　１０；処理容器
　３０；ターゲット
　５０；ステージ装置
　５２；冷凍機
　５４；冷凍伝熱体
　５４ａ；第１冷却ガス供給路
　５６；ステージ
　７４；昇降機構
　９０；温度測定機構
　１００；制御部
　１１０；シャッター
　Ｇ；隙間
　Ｗ；ウエハ（基板）

Claims (20)

  1. 　基板を処理する方法であって、
    　回転可能に設けられ、基板が載置されるステージと、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、極低温に冷却される冷凍伝熱体と、前記隙間に、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ガスを供給するガス供給機構と、前記ステージを回転させる回転機構と、基板に処理を施す処理機構とを有する基板を処理する装置を準備することと、
    　前記ステージの温度が一定範囲の定常冷却温度になるように前記ステージをプリヒートすることと、
    　前記プリヒート後、前記定常冷却温度の前記ステージ上に常温以上の特定温度の基板を載置しつつ前記ステージを回転させながら行う前記処理機構による基板の処理を、複数の基板に対して連続して行うことと、
    を有する、方法。
  2. 　前記プリヒートは、前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で前記基板と同じ温度のダミー基板を前記ステージ上に載置してダミー処理することにより行われる、請求項１に記載の方法。
  3. 　前記プリヒートは、前記ダミー基板を１～３枚ダミー処理することにより行われる、請求項２に記載の方法。
  4. 　前記ダミー処理は、前記基板の実処理と同じ条件での処理である、請求項２に記載の方法。
  5. 　前記プリヒートは、前記基板の温度よりも高い温度のダミー基板を前記ステージ上に載置してダミー処理することにより行われる、請求項１に記載の方法。
  6. 　前記プリヒートは、前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で行われる、請求項５に記載の方法。
  7. 　前記プリヒートは、ヒーターにより前記ステージを加熱することにより行う、請求項１に記載の方法。
  8. 　前記ヒーターは、前記ステージの上方に設けられたランプヒーターまたは前記ステージに設けられた抵抗加熱ヒーターである、請求項７に記載の方法。
  9. 　前記プリヒートは、前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で行われる、請求項７に記載の方法。
  10. 　前記基板処理は、前記ステージを真空容器内に配置し、真空状態で、前記真空容器内の前記ステージの上方に配置されたターゲットからのスパッタ粒子を基板上に堆積させるスパッタ成膜である、請求項１に記載の方法。
  11. 　基板を処理する装置であって、
    　回転可能に設けられ、基板が載置されるステージと、
    　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、極低温に冷却される冷凍伝熱体と、
    　前記隙間に、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ガスを供給するガス供給機構と、
    　前記ステージを回転させる回転機構と、
    　基板に処理を施す処理機構と、
    　制御部と
    を有し、
    　前記制御部は、
    　前記ステージの温度が一定範囲の定常冷却温度になるように前記ステージをプリヒートすることと、
    　前記プリヒート後、前記定常冷却温度の前記ステージ上に、常温以上の特定温度の基板を載置し、前記ステージを回転させながら前記処理機構による基板処理を、複数の基板に対して連続して行うことと、
    が行われるように当該装置を制御する、装置。
  12. 　前記制御部は、前記プリヒートが前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で前記基板と同じ温度のダミー基板を前記ステージ上に載置してダミー処理することにより行われるように、当該装置を制御する、請求項１１に記載の装置。
  13. 　前記制御部は、前記プリヒートが前記ダミー基板を１～３枚ダミー処理することにより行われるように、当該装置を制御する、請求項１２に記載の装置。
  14. 　前記制御部は、前記ダミー処理が前記基板の実処理と同じ条件での処理になるように、当該装置を制御する、請求項１２に記載の装置。
  15. 　前記制御部は、前記プリヒートが前記基板の温度よりも高い温度のダミー基板を前記ステージ上に載置してダミー処理することにより行われるように、当該装置を制御する、請求項１１に記載の装置。
  16. 　前記制御部は、前記プリヒートが前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で行われるように、当該装置を制御する、請求項１５に記載の装置。
  17. 　前記制御部は、前記プリヒートがヒーターにより前記ステージを加熱することにより行われるように、当該装置を制御する、請求項１１に記載の装置。
  18. 　前記ヒーターは、前記ステージの上方に設けられたランプヒーターまたは前記ステージに設けられた抵抗加熱ヒーターである、請求項１７に記載の装置。
  19. 　前記制御部は、前記プリヒートが前記隙間から前記冷却ガスを抜いた状態で行われるように、当該装置を制御する、請求項１７に記載の装置。
  20. 　前記処理機構は、前記ステージを収容する真空容器と、前記真空容器に収容されたターゲットとを有し、真空状態で、前記ターゲットからのスパッタ粒子を基板上に堆積させるスパッタ成膜を行う、請求項１１に記載の装置。
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