冷却装置
【課題】基板を回転させながら効率よく冷却することができる技術の実現。
【解決手段】スパッタリング装置１００の真空容器１０１内部の基板を冷却するための冷却装置であって、前記基板Ｗを冷却する基板冷却台１０４と、前記基板冷却台を冷却する冷却機構１０２と、前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部１１０，１１１と、前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構１０５と、前記基板回転機構を所定の回転数で回転駆動する駆動機構１０６と、を有する。
【解決手段】スパッタリング装置１００の真空容器１０１内部の基板を冷却するための冷却装置であって、前記基板Ｗを冷却する基板冷却台１０４と、前記基板冷却台を冷却する冷却機構１０２と、前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部１１０，１１１と、前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構１０５と、前記基板回転機構を所定の回転数で回転駆動する駆動機構１０６と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置は、更なる記録密度向上が要求されており、記録媒体に記録された磁気信号を電気信号に変換する磁気記録再生ヘッドにおいても高性能化が要求されている。磁気記録再生ヘッドに関する技術課題のうち高感度化技術向上を例に挙げると、ＭＲ比が非常に高いトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を使用したセンサが有力であり、開発が進められている。
【０００３】
例えば、文献；アプライドフィジークスレター８６巻，デビッド他（ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８６， ０９２５０２（２００５） Ｄａｖｉｄ他）によれば、磁気トンネル結合（ＭＴＪ）を形成させるにあたり、ＦｅＣｏＢを室温で成膜することでアモルファス膜を形成させ、この上にＭｇＯ膜を形成させる。このＭｇＯ膜上にＦｅＣｏＢアモルファス膜を形成させ、このＦｅＣｏＢ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏＢ積層体を３６０℃で２時間熱処理することで２３０％の磁気抵抗変化を示すＴＭＲ膜ができると述べている。これは、ＦｅＣｏＢの室温成膜によりアモルファス膜が形成され、このアモルファスＦｅＣｏＢ上にＭｇＯを成膜することでＭｇＯ（００１）が得られる。ＦｅＣｏＢでＭｇＯをサンドイッチ状にした積層体を熱処理したことで、ＭｇＯをテンプレートとしてＦｅＣｏＢのうちＦｅＣｏが結晶化したからである。
【０００４】
一方、上記文献では比較例としてＣｏＦｅＢの代わりにＦｅＣｏ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏなるＭＴＪを形成させ結晶構造を解析している。この結果では、室温ＣｏＦｅ成膜によりＣｏＦｅがアモルファス構造にならず、上部に成膜されたＭｇＯは（００１）結晶面を持たないことが述べられている。
【０００５】
また、基板を低温（例えばマイナス領域）で成膜することでアモルファス膜形成の可能性を期待できる。これは、スパッタ粒子が基板へ付着したのと同時に低温基板によりエネルギーを失い、粒子の表面移動が抑えられるからである。すなわち、基板を低温に保ったままＦｅＣｏをスパッタリング成膜（もしくは蒸着）することでアモルファス膜を形成しＭＴＪを形成すれば、ＦｅＣｏＢ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏＢ積層体と同様の特性を得ることが可能になる。
【０００６】
上述したことから、基板を低温に保持したスパッタリング装置が望まれている。低温領域におけるスパッタリング処理を実現するには、基板保持台（基板ステージ）を低温制御できることが必要である。基板ステージを低温制御するには、冷凍機をステージ下部に直付けすることで可能になる。
【０００７】
他方、スパッタリング装置では基板ステージの中心軸とスパッタリングカソード（もしくはスパッタリングターゲット）の中心軸が一致した、いわゆる静止対向成膜方式と、基板ステージに対して複数のスパッタリングカソードが斜方に（もしくはカソード中心軸がオフセットされ）取り付けられたマルチカソード成膜方式などがある。特に後者のマルチカソード成膜方式は複数のターゲットによる同時スパッタや、斜め入射成膜による良好な膜厚分布が得られるため、広く使用されている。
【０００８】
ここで、基板を極低温に保ったまま、マルチカソードにより成膜する場合を考える。マルチカソード成膜方式では、基板中心とターゲット中心がオフセットしているため、基板を回転させなければ良好な膜厚分布を得ることができない。
【０００９】
特許文献１には、このような基板を回転させてスパッタリングを行う装置において、所定の温度に冷却された冷却水などが循環される冷却器を基板ステージに接続し、基板ステージと共に回転させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１５６７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、基板ステージを１００Ｋ以下のような極低温にするために、基板ステージにＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクルを利用した冷凍機などの冷凍能力の高い冷凍機を直結した場合、基板ステージを回転することは困難を極める。例えばＧＭサイクル冷凍機にはコンプレッサとヘリウムホースが必要であり、これらも含めて回転させることは困難である。また、冷凍機と基板ステージを機械的に切り離し、基板ステージのみを回転させる方法が考えられるが、この場合、熱伝達においても両者は切り離されてしまい、ステージを冷却することが困難になる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、基板を回転させながら効率よく冷却することができる冷却技術を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の冷却装置は、スパッタリング装置の真空容器内部の基板を冷却するための冷却装置であって、前記基板を冷却する基板冷却台と、前記基板冷却台を冷却する冷却機構と、前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部と、前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構と、前記基板回転機構を所定の回転数で回転駆動する駆動機構と、を有する。
【００１４】
また、本発明のスパッタリング装置は、プロセスガスが供給される真空容器と、前記真空容器内部に配置され、上記冷却装置と、前記冷却装置に保持された基板に対向配置され、当該基板にスパッタリング処理を施すカソード電極部と、を有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板を低温に冷却された基板冷却台に近接させながら基板を回転させることができるので、基板の回転と冷却が同時に行える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施形態１のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図２】図１の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図３】図１の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図４】図１の基板冷却台に形成された冷却ガス通路の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る実施形態２のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図６】実施形態２による基板の把持から搬出までの動作を例示する図である。
【図７】図５の基板冷却台の詳細な構成を示す図である。
【図８】本発明に係る実施形態３のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図９】図８の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図１０】図９のＩＶ−ＩＶ方向から見た図である。
【図１１】図８の基板冷却台の詳細な構成を示す図である。
【図１２】基板温度測定用の樹脂製ステージの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
［実施形態１］
図１は、本発明に係る実施形態１のスパッタリング装置の構成を例示する図である。なお、外部との基板Ｗの授受機構は図示を省略している。スパッタリング装置１００は真空容器１０１内にスパッタリングカソード１１８、スパッタリングターゲット１１９、基板保持台１０３を備えている。
【００１９】
真空容器１０１には、外部からプロセスガス供給ライン１１２が導入されており、ここからスパッタ成膜に必要なプロセスガスが供給される。また、真空容器１０１は、プロセスガス供給ライン１１２から供給されるプロセスガスや、真空容器１０１から不純物ガスを排気するための排気機構１１３を備えている。
【００２０】
スパッタリングカソード１１８は整合器１１７を介して高周波電源１１６ならびに直流電源１１５に接続されている。これにより、スパッタリングカソード１１８には高周波のみの電力供給、高周波＋直流重畳による電力供給、及び直流電力のみの電力供給のいずれかが可能である。当然ながら、高周波放電が必要ないのであれば、整合器１１７と高周波電源１１６を省略して直流電源１１５のみによる電力供給としてもよい。
【００２１】
基板保持台１０３は、基板冷却台１０４と基板回転台１０５を備え、基板冷却台１０４下部には冷凍機１０２が接続されている。冷凍機１０２は冷媒導入口１０２ａから冷媒が導入される。冷凍機１０２は冷凍能力を考慮するとＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクルを利用したタイプが好適である。また、基板保持台１０３には冷却ガス供給ライン１１０を介して冷却ガスが導入可能であり、基板冷却台１０４内部に設けられた冷却ガス通路を通じて基板Ｗの対向面に冷却ガスが導入される。冷却ガスは熱伝導を考慮すればヘリウムや水素ガスが好適であるが、アルゴンやネオンなどの希ガスでもよい。更にはスパッタリング処理で使用するガスを用いてもよい。
【００２２】
一方、冷却ガスは、基板Ｗを冷却した後に冷却ガス排出ライン１１１を通って真空容器１０１の外へ排気されるか、基板冷却台１０４と基板Ｗの隙間から真空容器１０１内に放出され、プロセスガスと混合される。冷却ガスはスパッタリング処理のプロセスガスと同じであれば好適であるが、ヘリウム等の熱伝導率の高い希ガスを用いてもよい。このときの冷却ガスの流量は、３ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍの間で設定することが好ましい。３ｓｃｃｍより少ない場合は、基板の冷却効率が低下してしまい、反対に１５０ｓｃｃｍより大きい場合は、基板Ｗと基板保持台１０３の間に発生した圧力により基板Ｗが浮上してしまうからである。但し、後述する実施形態２のように例えば基板Ｗを機械的に固定する場合は、１５０ｓｃｃｍより大きくすることもできる。
【００２３】
ここで図２を参照して、図１の基板保持台１０３の詳細な構成について説明する。図２に示すように、基板冷却台１０４には、その中央部に貫通加工されたガス排出孔２０２と、座繰り加工された凹部２０３が設けられている。この凹部２０３の最外径よりも小さな外径を有する円盤状の基板回転台１０５に第１回転シャフト１０６ａが固定され、傘歯車２０１を介して第２回転シャフト１０６ｂと連結されている。第２回転シャフト１０６ｂは不図示のモータなどの動力源に接続され、その駆動力を基板回転台１０５に伝達する。基板回転台１０５の基板保持面は、基板冷却台１０４の基板側の対向面よりもわずかに突出しており、基板回転台１０５に載置された基板Ｗが基板冷却台１０４に触れないように構成されている。このように構成することで、基板Ｗを基板冷却台１０４に近づけつつ基板Ｗを回転させることが可能になる。基板回転台１０５の突出量は、低すぎると回転時に基板冷却台１０４に接触する可能性があり、高すぎると基板Ｗから離れて冷却能力が低下してしまう。これらを考慮すると突出量は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ程度が好適である。なお、基板冷却台１０４の基板側の対向面を、放射率の高い材質（放射率＞０．５）で表面処理を施すことで輻射熱の授受を積極的に行うことも可能である。
【００２４】
ところで、第１回転シャフト１０６ａは基板回転台１０５との接続側を樹脂材料で構成してよい（樹脂部材１０６ｃ）。これは、樹脂材料等のように、駆動源から基板回転台１０５の回転軸に回転を伝達する回転伝達部（ここでは、駆動源から傘歯車２０１までの部分）よりも熱伝導率の低い材料を使用することで、回転伝達部から基板回転台１０５への伝熱を低減できるからである。ただし、その近傍は極低温になるので極低温でも使用可能なポリィミド樹脂やポリベンゾイミダゾール樹脂（ＰＢＩ樹脂）が好適である。第１回転シャフト１０６ａと基板回転台１０５との固定にはネジ２１０を使用し、かつ、第１回転シャフト１０６ａの中心軸からオフセットさせることで、回転によるネジ２１０の緩みを抑えることができる。傘歯車２０１は、ギヤケース２０４でカバーされており、樹脂ブロック２０５を介して冷凍機１０２に固定されている。これにより、第１回転シャフト１０６ａから冷凍機１０２への伝熱を抑えつつ基板回転台１０５を安定に保つことが可能になる。
【００２５】
なお、図３に示すように、第２回転シャフト１０６ｂに、平板状のマグネットカップリング１０６ｄを適用してもよい。これにより、基板冷却台１０４へ通じる冷却ガス通路の一部を欠如させることなく、不図示のモータなどの動力源から駆動力を基板回転台１０５に伝達できるようになる。なお、図３において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００２６】
基板の回転速度は、プロセス、膜種、要求される膜質等により決定され、本発明の適用において限定されないが、基板全面に膜を形成する場合には下記式（１）による回転数Ｒ以上とすることが好ましい。
Ｒ＝６０／ｔ［ｒｐｍ］…（１）
上記式１の値よりも小さいと成膜時間内に基板Ｗが１回転未満となり成膜されない領域が発生してしまう。
【００２７】
次に、図４を参照して、図１の基板冷却台１０４に形成された冷却ガス通路の構成について説明する。図４において、基板冷却台１０４を基板冷却台ベース板４０８と基板冷却台封止板４０９の２分割構成とし、基板冷却台ベース板４０８側に冷却ガス導入路４０３、冷却ガス噴出口４０１を座繰り加工により形成し、ベース板４０８の上部に基板冷却台封止板４０９をロウ付けやネジ止めすることで冷却ガス通路を形成することが可能になる。当然ながら、基板冷却台ベース板４０８には冷却ガス供給ライン接続口４０５が貫通加工されており、基板冷却台１０４の外部との冷却ガスの授受が可能になっている。そして基板冷却台封止板４０９には冷却ガス噴出孔４０７が貫通加工されている。また、基板冷却台ベース板４０８に基板冷却台封止板４０９を固定する場合には、冷却ガス噴出口４０１と冷却ガス噴出孔４０７とを一致させ固定させることは言うまでもない。本実施形態では、比較的簡素な構成で基板Ｗの冷却と回転を両立させることが可能になる。
【００２８】
［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２について説明する。図５は実施形態２のスパッタリング装置の構成を例示しており、基板回転台１０５の代わりに基板冷却台１０４よりも外側に基板回転ユニット５０１〜５０６が設けられて、この基板回転ユニット５０１〜５０６が基板の保持を行う。
【００２９】
図５において、基板Ｗは基板台座５０８と基板チャック５０１によって上下方向から挟まれた状態で把持される。基板チャック５０１は回転台座５０２上に固定され、回転台座５０２の下部には支柱５０４を介して軸受５０６が接続されている。軸受５０６の外輪ギヤには回転ギヤ５０５が噛合されており、動力源５０７により回転駆動される回転ギヤ５０５を介して駆動力が伝達され、基板Ｗを回転させることができる。また、基板回転ユニットは、基板台座５０８との干渉を考慮して、基板冷却台１０４の外周部分１０４ａに座繰り処理が施されている。基板台座５０８と回転台座５０２との間には基板押さえバネ５１１が設けられ、適度な力で基板Ｗを挟持する。なお、図５において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００３０】
図６（ａ）〜（ｄ）は、実施形態２による基板Ｗの把持から搬出までの動作を例示しており、（ａ）は成膜終了時の状態である。このとき基板Ｗは、基板冷却台１０４に近接した位置で、基板押さえバネ５１１の力で基板台座５０８と基板チャック５０１によって把持されている。（ｂ）は昇降機構５１０により基板台座５０８、基板チャック５０１、回転台座５０２、基板Ｗ及び基板押さえバネ５１１が上方へ持ち上げられている状態である。このとき基板Ｗは基板押さえバネ５１１の力により把持されたままの状態である。（ｃ）は昇降機構５１０が更に上昇することで、基板台座５０８は基板冷却台１０４に当接して上昇が停止されるが、回転台座５０２はそのまま上昇して基板Ｗの把持が解除された状態である。（ｄ）は、基板台座５０８上の基板Ｗを不図示の搬送機構により外部に搬出している状態である。
【００３１】
図７は、実施形態２の基板冷却台１０４の詳細な構成を例示しており、基板冷却台１０４は厚さ方向に基板冷却台ベース板７０９と基板冷却台封止板７１０の２分割構成されている。基板冷却台ベース板７０９は、その内周側に凹部７００が座繰り加工により形成され、外周側の凸部で基板Ｗを保持可能となっている。また、この凹部７００の底面には、冷却ガス噴出口７０１、冷却ガス導入路７０３、冷却ガス導入路７０３と冷却ガス供給ライン１１０とを連通させるガス供給ライン接続口７０５、冷却ガス導入路７０３より内周側に形成された冷却ガス排出口７０２、冷却ガス排出路７０４、冷却ガス排出路７０４と冷却ガス排出ライン１１１とを連通する冷却ガス排出ライン接続口７０６が形成されている。図中、凹部底面と高さが異なる部分をハッチング又は網掛けで示している。
【００３２】
上記基板冷却台ベース板７０９の凹部底面に基板冷却台封止板７１０をロウ付けやネジ止めすることでガス通路を形成することが可能になる。基板冷却台封止板７１０には、冷却ガス導入路７０３に連通する冷却ガス噴出孔７０８と、冷却ガス排出路７０４に連通する冷却ガス排出孔７０７が貫通加工されている。
【００３３】
このように、基板冷却台１０４を２分割構成とし、溝を形成して分岐路を設けることで、設計の自由度を高めることができ、より冷却効果の高い装置を構成可能である。例えば、図７の例では、ガス供給ライン接続口７０５から各冷却ガス噴出孔７０８に至る通路の長さは略同等（相対差（中央値からの差／中央値）±５％の範囲）に設定され、接続口７０５からの分岐路の長さが等しく設定されている。冷却ガス排出路７０４についても同様に分岐路の長さが略等しく（相対差（中央値からの差／中央値）±５％の範囲）設定されている。これにより、冷却ガスの分散のバラツキを防ぐことができる。
【００３４】
なお、分岐路の長さを同等に設定する場合に限らず、例えば、真空容器１０１内へ基板Ｗを搬入するための搬出入口付近では部材の温度が低下しやすいことから、基板搬出入口から近い方に開口する分岐路を遠い方よりも長く又は狭くし、コンダクタンスが小さくなるように構成してもよい。このような定常的に冷却効率の誤差等が発生する部分については、ガス通路を分けて独立に制御するよりも、分岐路の調整を行うことで、低コスト、簡易に冷却効果の均一を図ることができる。同様に、基板冷却台１０４の外周側および内周側にガス通路を設ける場合に、内周側の分岐路を長く又は狭くし、コンダクタンスを小さくしても、同様の効果が得られる。
【００３５】
実施形態２では、基板回転ユニットが基板冷却台１０４よりも外側に配置されているため、基板冷却台１０４の全面を利用して基板Ｗの冷却を行うことができる。そして、基板Ｗの外周縁部を機械的に把持しているため、基板回転数を例えば１８０ｒｐｍ以上上昇させることができる。これにより基板を高速回転させながら効率よく基板冷却を行うことが可能になる。
【００３６】
［実施形態３］
次に、図８及び図９を参照して、実施形態３について説明する。図８では、基板冷却台１０４の中心から外周側に所定距離離間した部位に同心円状に基板回転台１０５が設けられている。なお、外部との基板Ｗの授受機構は図示を省略している。なお、図８において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００３７】
図９は、図８の基板保持台１０３の詳細な構成を例示している。図９において、基板冷却台１０４は、冷凍機９１２から第１熱伝導ブロック９０４を介して固定されている円盤状の第１基板冷却台９０１と、冷凍機９１２から第２熱伝導ブロック９０５を介して固定されている円環状の第２基板冷却台９０２からなり、第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２の間に所定の間隙が設けられ、この間隙に第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２に接しないように基板回転台９０３が配置されている。
【００３８】
基板回転台９０３の下方には樹脂ブロック９０９に固定された軸受９０８が接続されている。樹脂ブロック９０９は軸受９０８を固定する役割と軸受部材やギヤからの伝熱を抑制して、極低温による部品の収縮変形を低減する役割とを有している。当然ながら、極低温時に変形の少ない部品を選べば、樹脂ブロック９０９は金属製の部品に置き換えてもよい。また、不図示の動力源からの駆動力を伝達する回転シャフト９１１の固定された回転ギヤ９１０と基板回転台９０３の外周部に設けられたギアとが噛合し、不図示の動力源によって基板回転台９０３が第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２に接することなく回転可能である。
【００３９】
冷却ガスは、第１冷却ガス導入経路９０６と第２冷却ガス導入経路９０７を通じて導入され、基板Ｗの裏面と第１基板冷却台９０１および第２基板冷却台９０２との隙間に流れ込むようになっている。なお、第１基板冷却台９０１から噴出された冷却ガスは冷却ガス排出経路９１３から排出される。
【００４０】
図１０（ａ）は、図９のＩＶ−ＩＶ方向から見た図であり、第２熱伝導ブロック９０５には、回転ギヤ９１０に接触しないように周方向に対して切り欠きが設けられている。第２熱伝導ブロック９０５における基板面法線方向に対する切り欠き量は全高であってもよいし、回転ギヤ９１０に接触しない範囲のみであってもよい。また、図１０（ｂ）のように回転ギヤにマグネットカップリング９３０を使用すれば、第２熱伝導ブロック９０５を切り欠くことなく基板回転台９０３を回転駆動することが可能になる。
【００４１】
図１１は、実施形態３の基板冷却台の詳細な構成を例示しており、第２基板冷却台２９０２の内周側には座繰り加工により凹部９００が施され、中心部には基板回転台９０３の最外径よりも大きな径の中心孔９２４が貫通加工されている。第２基板冷却台９０２には、冷却ガス噴出口９２１、冷却ガス導入路９２３、冷却ガス供給ライン接続口９２５が形成されており、凹部に基板冷却台封止板９２０をロウ付けやネジ止めすることで冷却ガス通路を形成することが可能になる。基板冷却台封止板９２０には、冷却ガス噴出口９２１に連通する冷却ガス噴出孔９２８と、中心孔９２４に連通する中心孔９２９が貫通加工されている。
【００４２】
実施形態３では、基板回転台にかかわる部品のサイズを抑えつつ基板を安定に保持することができること、そして、基板回転台の径方向肉厚を薄くすることで、基板冷却台の面積割合を増やすことができ、基板の冷却効率を高めることができる点で優れている。
【００４３】
［実施例１］
実施形態１の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。基板冷却台１０４は銅製で最外形が直径２０５ｍｍとした。基板冷却台１０４の中央には直径１５ｍｍの貫通孔と直径３５ｍｍ所定深さの座繰り処理が施されている。樹脂部材１０６ｃはポリィミド樹脂製である。第１回転シャフト１０６ａの先端部には直径３３ｍｍの銅製基板回転台１０５が固定され、基板冷却台１０４に接することなく回転することが可能になっている。なお、このとき基板Ｗと基板冷却台１０４との隙間は０．３ｍｍとなる。
【００４４】
冷凍機１０２にはＧＭサイクル冷凍機が用いられており、基板冷却台１０４と冷凍機１０２とは、輻射低減のために表面をＮｉ鍍金光沢処理された銅製熱伝導ブロック２０７にて接続されている。
【００４５】
一方、基板冷却台１０４には、冷却ガス噴出孔４０７が中心より半径７０ｍｍ、９０度おきに４箇所配置されている。
【００４６】
上記構成において、基板冷却台１０４を５０Ｋまで冷却した。なお、基板冷却台１０４の温度は当該冷却台に固定されている白金抵抗体素子によってリアルタイムに測定可能である。基板冷却台１０４／基板回転台１０５にＡｌＴｉＣ製基板Ｗを設置し、Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台を９０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表１のように基板温度は１０５Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００４７】
【表１】
【００４８】
なお、基板Ｗの温度測定のために、回転する基板Ｗに熱電対を取り付けることはできないので、基板Ｗ温度の測定は以下のように行った。図１２のようにポリィミド樹脂製ステージ１００１に高さ１ｍｍの基板設置リング１００３を形成し、ステージ１００１の中心部にバネ１００４を介して白金抵抗体素子を基板側に露出するよう固定させた。これらのステージ１００１を内包する真空容器は、不図示の搬送機構を備えた搬送処理容器を介して本発明を適用できる基板冷却台を内包する真空容器と連通している。
【００４９】
白金抵抗体素子１００２はステージ１００１表面より２ｍｍ露出している。基板冷却台１０４及び基板回転台１０５によって回転／冷却された基板Ｗは、不図示の搬送機構によりステージ１００１に載置される。このとき、基板Ｗの重さによりバネ１００４が伸びると同時に発生するバネ１００４の収縮力によって基板Ｗの裏面と確実に接触し、基板温度が測定可能となっている。
【００５０】
［実施例２］
実施形態２の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。基板冷却台１０４は銅製凸型形状で最外形が直径２２０ｍｍ、凸部は直径１９０ｍｍとした。基板チャック５０１による基板Ｗの把持範囲は基板Ｗの外側から内方に３ｍｍの範囲である。３ｍｍより大きいと基板Ｗ上に形成される／されたパターンに成膜ができなくなってしまうからである。なお、基板冷却台１０４の凸部表面と基板Ｗ裏面との間隙は０．３ｍｍである。基板冷却台１０４には、冷却ガス噴出孔７０８が中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。そして、冷却ガス排出孔７０７が冷却ガス噴出孔７０８より内側で、中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。
【００５１】
上記構成にて、基板冷却台１０４を５０Ｋまで冷却した。なお、基板冷却台１０４の温度は当該冷却台に固定されている白金抵抗体素子によってリアルタイムに測定可能である。基板冷却台１０４／基板回転台１０５にＡｌＴｉＣ製基板Ｗを設置し、Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台を１８０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表２のように基板温度は９８Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００５２】
【表２】
【００５３】
実施例１よりも基板温度が低下した理由は、実施形態２の基板冷却台１０４における冷却に有効な面積が実施形態１よりも大きくなっており、冷却が効率よく行われたからである。
【００５４】
［実施例３］
実施形態３の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。第１基板冷却台９０１は銅製であり、直径３３ｍｍで第１熱伝導ブロック９０４を介して冷却される。第２基板冷却台９０２は銅製で中心より直径４１ｍｍの領域が貫通加工されており、直径２０５ｍｍである。第２基板冷却台９０２は第２熱伝導ブロック９０５を介して冷却されており、第１基板冷却台９０１および第２基板冷却台９０２は共に５０Ｋまで冷却されていた。
【００５５】
第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２の隙間は４ｍｍに設定されており、ここに厚み２ｍｍ、内径３５ｍｍのＳＵＳ３１０製の基板回転台９０３を設置した。なお、第２基板冷却台９０２には、冷却ガス噴出孔９２８が中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。
【００５６】
上記構成にて、第２基板冷却台９０２を５０Ｋまで冷却した。Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台９０３を９０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表３のように基板温度は１０３Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００５７】
【表３】
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、異なるサイズや種類の基板であっても、本発明を適用可能なことは言うまでもない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置は、更なる記録密度向上が要求されており、記録媒体に記録された磁気信号を電気信号に変換する磁気記録再生ヘッドにおいても高性能化が要求されている。磁気記録再生ヘッドに関する技術課題のうち高感度化技術向上を例に挙げると、ＭＲ比が非常に高いトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を使用したセンサが有力であり、開発が進められている。
【０００３】
例えば、文献；アプライドフィジークスレター８６巻，デビッド他（ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ８６， ０９２５０２（２００５） Ｄａｖｉｄ他）によれば、磁気トンネル結合（ＭＴＪ）を形成させるにあたり、ＦｅＣｏＢを室温で成膜することでアモルファス膜を形成させ、この上にＭｇＯ膜を形成させる。このＭｇＯ膜上にＦｅＣｏＢアモルファス膜を形成させ、このＦｅＣｏＢ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏＢ積層体を３６０℃で２時間熱処理することで２３０％の磁気抵抗変化を示すＴＭＲ膜ができると述べている。これは、ＦｅＣｏＢの室温成膜によりアモルファス膜が形成され、このアモルファスＦｅＣｏＢ上にＭｇＯを成膜することでＭｇＯ（００１）が得られる。ＦｅＣｏＢでＭｇＯをサンドイッチ状にした積層体を熱処理したことで、ＭｇＯをテンプレートとしてＦｅＣｏＢのうちＦｅＣｏが結晶化したからである。
【０００４】
一方、上記文献では比較例としてＣｏＦｅＢの代わりにＦｅＣｏ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏなるＭＴＪを形成させ結晶構造を解析している。この結果では、室温ＣｏＦｅ成膜によりＣｏＦｅがアモルファス構造にならず、上部に成膜されたＭｇＯは（００１）結晶面を持たないことが述べられている。
【０００５】
また、基板を低温（例えばマイナス領域）で成膜することでアモルファス膜形成の可能性を期待できる。これは、スパッタ粒子が基板へ付着したのと同時に低温基板によりエネルギーを失い、粒子の表面移動が抑えられるからである。すなわち、基板を低温に保ったままＦｅＣｏをスパッタリング成膜（もしくは蒸着）することでアモルファス膜を形成しＭＴＪを形成すれば、ＦｅＣｏＢ／ＭｇＯ／ＦｅＣｏＢ積層体と同様の特性を得ることが可能になる。
【０００６】
上述したことから、基板を低温に保持したスパッタリング装置が望まれている。低温領域におけるスパッタリング処理を実現するには、基板保持台（基板ステージ）を低温制御できることが必要である。基板ステージを低温制御するには、冷凍機をステージ下部に直付けすることで可能になる。
【０００７】
他方、スパッタリング装置では基板ステージの中心軸とスパッタリングカソード（もしくはスパッタリングターゲット）の中心軸が一致した、いわゆる静止対向成膜方式と、基板ステージに対して複数のスパッタリングカソードが斜方に（もしくはカソード中心軸がオフセットされ）取り付けられたマルチカソード成膜方式などがある。特に後者のマルチカソード成膜方式は複数のターゲットによる同時スパッタや、斜め入射成膜による良好な膜厚分布が得られるため、広く使用されている。
【０００８】
ここで、基板を極低温に保ったまま、マルチカソードにより成膜する場合を考える。マルチカソード成膜方式では、基板中心とターゲット中心がオフセットしているため、基板を回転させなければ良好な膜厚分布を得ることができない。
【０００９】
特許文献１には、このような基板を回転させてスパッタリングを行う装置において、所定の温度に冷却された冷却水などが循環される冷却器を基板ステージに接続し、基板ステージと共に回転させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１５６７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、基板ステージを１００Ｋ以下のような極低温にするために、基板ステージにＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクルを利用した冷凍機などの冷凍能力の高い冷凍機を直結した場合、基板ステージを回転することは困難を極める。例えばＧＭサイクル冷凍機にはコンプレッサとヘリウムホースが必要であり、これらも含めて回転させることは困難である。また、冷凍機と基板ステージを機械的に切り離し、基板ステージのみを回転させる方法が考えられるが、この場合、熱伝達においても両者は切り離されてしまい、ステージを冷却することが困難になる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、基板を回転させながら効率よく冷却することができる冷却技術を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の冷却装置は、スパッタリング装置の真空容器内部の基板を冷却するための冷却装置であって、前記基板を冷却する基板冷却台と、前記基板冷却台を冷却する冷却機構と、前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部と、前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構と、前記基板回転機構を所定の回転数で回転駆動する駆動機構と、を有する。
【００１４】
また、本発明のスパッタリング装置は、プロセスガスが供給される真空容器と、前記真空容器内部に配置され、上記冷却装置と、前記冷却装置に保持された基板に対向配置され、当該基板にスパッタリング処理を施すカソード電極部と、を有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板を低温に冷却された基板冷却台に近接させながら基板を回転させることができるので、基板の回転と冷却が同時に行える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施形態１のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図２】図１の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図３】図１の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図４】図１の基板冷却台に形成された冷却ガス通路の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る実施形態２のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図６】実施形態２による基板の把持から搬出までの動作を例示する図である。
【図７】図５の基板冷却台の詳細な構成を示す図である。
【図８】本発明に係る実施形態３のスパッタリング装置の構成を例示する図である。
【図９】図８の基板保持台の詳細な構成を示す図である。
【図１０】図９のＩＶ−ＩＶ方向から見た図である。
【図１１】図８の基板冷却台の詳細な構成を示す図である。
【図１２】基板温度測定用の樹脂製ステージの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
［実施形態１］
図１は、本発明に係る実施形態１のスパッタリング装置の構成を例示する図である。なお、外部との基板Ｗの授受機構は図示を省略している。スパッタリング装置１００は真空容器１０１内にスパッタリングカソード１１８、スパッタリングターゲット１１９、基板保持台１０３を備えている。
【００１９】
真空容器１０１には、外部からプロセスガス供給ライン１１２が導入されており、ここからスパッタ成膜に必要なプロセスガスが供給される。また、真空容器１０１は、プロセスガス供給ライン１１２から供給されるプロセスガスや、真空容器１０１から不純物ガスを排気するための排気機構１１３を備えている。
【００２０】
スパッタリングカソード１１８は整合器１１７を介して高周波電源１１６ならびに直流電源１１５に接続されている。これにより、スパッタリングカソード１１８には高周波のみの電力供給、高周波＋直流重畳による電力供給、及び直流電力のみの電力供給のいずれかが可能である。当然ながら、高周波放電が必要ないのであれば、整合器１１７と高周波電源１１６を省略して直流電源１１５のみによる電力供給としてもよい。
【００２１】
基板保持台１０３は、基板冷却台１０４と基板回転台１０５を備え、基板冷却台１０４下部には冷凍機１０２が接続されている。冷凍機１０２は冷媒導入口１０２ａから冷媒が導入される。冷凍機１０２は冷凍能力を考慮するとＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）サイクルを利用したタイプが好適である。また、基板保持台１０３には冷却ガス供給ライン１１０を介して冷却ガスが導入可能であり、基板冷却台１０４内部に設けられた冷却ガス通路を通じて基板Ｗの対向面に冷却ガスが導入される。冷却ガスは熱伝導を考慮すればヘリウムや水素ガスが好適であるが、アルゴンやネオンなどの希ガスでもよい。更にはスパッタリング処理で使用するガスを用いてもよい。
【００２２】
一方、冷却ガスは、基板Ｗを冷却した後に冷却ガス排出ライン１１１を通って真空容器１０１の外へ排気されるか、基板冷却台１０４と基板Ｗの隙間から真空容器１０１内に放出され、プロセスガスと混合される。冷却ガスはスパッタリング処理のプロセスガスと同じであれば好適であるが、ヘリウム等の熱伝導率の高い希ガスを用いてもよい。このときの冷却ガスの流量は、３ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍの間で設定することが好ましい。３ｓｃｃｍより少ない場合は、基板の冷却効率が低下してしまい、反対に１５０ｓｃｃｍより大きい場合は、基板Ｗと基板保持台１０３の間に発生した圧力により基板Ｗが浮上してしまうからである。但し、後述する実施形態２のように例えば基板Ｗを機械的に固定する場合は、１５０ｓｃｃｍより大きくすることもできる。
【００２３】
ここで図２を参照して、図１の基板保持台１０３の詳細な構成について説明する。図２に示すように、基板冷却台１０４には、その中央部に貫通加工されたガス排出孔２０２と、座繰り加工された凹部２０３が設けられている。この凹部２０３の最外径よりも小さな外径を有する円盤状の基板回転台１０５に第１回転シャフト１０６ａが固定され、傘歯車２０１を介して第２回転シャフト１０６ｂと連結されている。第２回転シャフト１０６ｂは不図示のモータなどの動力源に接続され、その駆動力を基板回転台１０５に伝達する。基板回転台１０５の基板保持面は、基板冷却台１０４の基板側の対向面よりもわずかに突出しており、基板回転台１０５に載置された基板Ｗが基板冷却台１０４に触れないように構成されている。このように構成することで、基板Ｗを基板冷却台１０４に近づけつつ基板Ｗを回転させることが可能になる。基板回転台１０５の突出量は、低すぎると回転時に基板冷却台１０４に接触する可能性があり、高すぎると基板Ｗから離れて冷却能力が低下してしまう。これらを考慮すると突出量は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ程度が好適である。なお、基板冷却台１０４の基板側の対向面を、放射率の高い材質（放射率＞０．５）で表面処理を施すことで輻射熱の授受を積極的に行うことも可能である。
【００２４】
ところで、第１回転シャフト１０６ａは基板回転台１０５との接続側を樹脂材料で構成してよい（樹脂部材１０６ｃ）。これは、樹脂材料等のように、駆動源から基板回転台１０５の回転軸に回転を伝達する回転伝達部（ここでは、駆動源から傘歯車２０１までの部分）よりも熱伝導率の低い材料を使用することで、回転伝達部から基板回転台１０５への伝熱を低減できるからである。ただし、その近傍は極低温になるので極低温でも使用可能なポリィミド樹脂やポリベンゾイミダゾール樹脂（ＰＢＩ樹脂）が好適である。第１回転シャフト１０６ａと基板回転台１０５との固定にはネジ２１０を使用し、かつ、第１回転シャフト１０６ａの中心軸からオフセットさせることで、回転によるネジ２１０の緩みを抑えることができる。傘歯車２０１は、ギヤケース２０４でカバーされており、樹脂ブロック２０５を介して冷凍機１０２に固定されている。これにより、第１回転シャフト１０６ａから冷凍機１０２への伝熱を抑えつつ基板回転台１０５を安定に保つことが可能になる。
【００２５】
なお、図３に示すように、第２回転シャフト１０６ｂに、平板状のマグネットカップリング１０６ｄを適用してもよい。これにより、基板冷却台１０４へ通じる冷却ガス通路の一部を欠如させることなく、不図示のモータなどの動力源から駆動力を基板回転台１０５に伝達できるようになる。なお、図３において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００２６】
基板の回転速度は、プロセス、膜種、要求される膜質等により決定され、本発明の適用において限定されないが、基板全面に膜を形成する場合には下記式（１）による回転数Ｒ以上とすることが好ましい。
Ｒ＝６０／ｔ［ｒｐｍ］…（１）
上記式１の値よりも小さいと成膜時間内に基板Ｗが１回転未満となり成膜されない領域が発生してしまう。
【００２７】
次に、図４を参照して、図１の基板冷却台１０４に形成された冷却ガス通路の構成について説明する。図４において、基板冷却台１０４を基板冷却台ベース板４０８と基板冷却台封止板４０９の２分割構成とし、基板冷却台ベース板４０８側に冷却ガス導入路４０３、冷却ガス噴出口４０１を座繰り加工により形成し、ベース板４０８の上部に基板冷却台封止板４０９をロウ付けやネジ止めすることで冷却ガス通路を形成することが可能になる。当然ながら、基板冷却台ベース板４０８には冷却ガス供給ライン接続口４０５が貫通加工されており、基板冷却台１０４の外部との冷却ガスの授受が可能になっている。そして基板冷却台封止板４０９には冷却ガス噴出孔４０７が貫通加工されている。また、基板冷却台ベース板４０８に基板冷却台封止板４０９を固定する場合には、冷却ガス噴出口４０１と冷却ガス噴出孔４０７とを一致させ固定させることは言うまでもない。本実施形態では、比較的簡素な構成で基板Ｗの冷却と回転を両立させることが可能になる。
【００２８】
［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２について説明する。図５は実施形態２のスパッタリング装置の構成を例示しており、基板回転台１０５の代わりに基板冷却台１０４よりも外側に基板回転ユニット５０１〜５０６が設けられて、この基板回転ユニット５０１〜５０６が基板の保持を行う。
【００２９】
図５において、基板Ｗは基板台座５０８と基板チャック５０１によって上下方向から挟まれた状態で把持される。基板チャック５０１は回転台座５０２上に固定され、回転台座５０２の下部には支柱５０４を介して軸受５０６が接続されている。軸受５０６の外輪ギヤには回転ギヤ５０５が噛合されており、動力源５０７により回転駆動される回転ギヤ５０５を介して駆動力が伝達され、基板Ｗを回転させることができる。また、基板回転ユニットは、基板台座５０８との干渉を考慮して、基板冷却台１０４の外周部分１０４ａに座繰り処理が施されている。基板台座５０８と回転台座５０２との間には基板押さえバネ５１１が設けられ、適度な力で基板Ｗを挟持する。なお、図５において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００３０】
図６（ａ）〜（ｄ）は、実施形態２による基板Ｗの把持から搬出までの動作を例示しており、（ａ）は成膜終了時の状態である。このとき基板Ｗは、基板冷却台１０４に近接した位置で、基板押さえバネ５１１の力で基板台座５０８と基板チャック５０１によって把持されている。（ｂ）は昇降機構５１０により基板台座５０８、基板チャック５０１、回転台座５０２、基板Ｗ及び基板押さえバネ５１１が上方へ持ち上げられている状態である。このとき基板Ｗは基板押さえバネ５１１の力により把持されたままの状態である。（ｃ）は昇降機構５１０が更に上昇することで、基板台座５０８は基板冷却台１０４に当接して上昇が停止されるが、回転台座５０２はそのまま上昇して基板Ｗの把持が解除された状態である。（ｄ）は、基板台座５０８上の基板Ｗを不図示の搬送機構により外部に搬出している状態である。
【００３１】
図７は、実施形態２の基板冷却台１０４の詳細な構成を例示しており、基板冷却台１０４は厚さ方向に基板冷却台ベース板７０９と基板冷却台封止板７１０の２分割構成されている。基板冷却台ベース板７０９は、その内周側に凹部７００が座繰り加工により形成され、外周側の凸部で基板Ｗを保持可能となっている。また、この凹部７００の底面には、冷却ガス噴出口７０１、冷却ガス導入路７０３、冷却ガス導入路７０３と冷却ガス供給ライン１１０とを連通させるガス供給ライン接続口７０５、冷却ガス導入路７０３より内周側に形成された冷却ガス排出口７０２、冷却ガス排出路７０４、冷却ガス排出路７０４と冷却ガス排出ライン１１１とを連通する冷却ガス排出ライン接続口７０６が形成されている。図中、凹部底面と高さが異なる部分をハッチング又は網掛けで示している。
【００３２】
上記基板冷却台ベース板７０９の凹部底面に基板冷却台封止板７１０をロウ付けやネジ止めすることでガス通路を形成することが可能になる。基板冷却台封止板７１０には、冷却ガス導入路７０３に連通する冷却ガス噴出孔７０８と、冷却ガス排出路７０４に連通する冷却ガス排出孔７０７が貫通加工されている。
【００３３】
このように、基板冷却台１０４を２分割構成とし、溝を形成して分岐路を設けることで、設計の自由度を高めることができ、より冷却効果の高い装置を構成可能である。例えば、図７の例では、ガス供給ライン接続口７０５から各冷却ガス噴出孔７０８に至る通路の長さは略同等（相対差（中央値からの差／中央値）±５％の範囲）に設定され、接続口７０５からの分岐路の長さが等しく設定されている。冷却ガス排出路７０４についても同様に分岐路の長さが略等しく（相対差（中央値からの差／中央値）±５％の範囲）設定されている。これにより、冷却ガスの分散のバラツキを防ぐことができる。
【００３４】
なお、分岐路の長さを同等に設定する場合に限らず、例えば、真空容器１０１内へ基板Ｗを搬入するための搬出入口付近では部材の温度が低下しやすいことから、基板搬出入口から近い方に開口する分岐路を遠い方よりも長く又は狭くし、コンダクタンスが小さくなるように構成してもよい。このような定常的に冷却効率の誤差等が発生する部分については、ガス通路を分けて独立に制御するよりも、分岐路の調整を行うことで、低コスト、簡易に冷却効果の均一を図ることができる。同様に、基板冷却台１０４の外周側および内周側にガス通路を設ける場合に、内周側の分岐路を長く又は狭くし、コンダクタンスを小さくしても、同様の効果が得られる。
【００３５】
実施形態２では、基板回転ユニットが基板冷却台１０４よりも外側に配置されているため、基板冷却台１０４の全面を利用して基板Ｗの冷却を行うことができる。そして、基板Ｗの外周縁部を機械的に把持しているため、基板回転数を例えば１８０ｒｐｍ以上上昇させることができる。これにより基板を高速回転させながら効率よく基板冷却を行うことが可能になる。
【００３６】
［実施形態３］
次に、図８及び図９を参照して、実施形態３について説明する。図８では、基板冷却台１０４の中心から外周側に所定距離離間した部位に同心円状に基板回転台１０５が設けられている。なお、外部との基板Ｗの授受機構は図示を省略している。なお、図８において、図１と同一の要素には同様の符号を付して示している。
【００３７】
図９は、図８の基板保持台１０３の詳細な構成を例示している。図９において、基板冷却台１０４は、冷凍機９１２から第１熱伝導ブロック９０４を介して固定されている円盤状の第１基板冷却台９０１と、冷凍機９１２から第２熱伝導ブロック９０５を介して固定されている円環状の第２基板冷却台９０２からなり、第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２の間に所定の間隙が設けられ、この間隙に第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２に接しないように基板回転台９０３が配置されている。
【００３８】
基板回転台９０３の下方には樹脂ブロック９０９に固定された軸受９０８が接続されている。樹脂ブロック９０９は軸受９０８を固定する役割と軸受部材やギヤからの伝熱を抑制して、極低温による部品の収縮変形を低減する役割とを有している。当然ながら、極低温時に変形の少ない部品を選べば、樹脂ブロック９０９は金属製の部品に置き換えてもよい。また、不図示の動力源からの駆動力を伝達する回転シャフト９１１の固定された回転ギヤ９１０と基板回転台９０３の外周部に設けられたギアとが噛合し、不図示の動力源によって基板回転台９０３が第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２に接することなく回転可能である。
【００３９】
冷却ガスは、第１冷却ガス導入経路９０６と第２冷却ガス導入経路９０７を通じて導入され、基板Ｗの裏面と第１基板冷却台９０１および第２基板冷却台９０２との隙間に流れ込むようになっている。なお、第１基板冷却台９０１から噴出された冷却ガスは冷却ガス排出経路９１３から排出される。
【００４０】
図１０（ａ）は、図９のＩＶ−ＩＶ方向から見た図であり、第２熱伝導ブロック９０５には、回転ギヤ９１０に接触しないように周方向に対して切り欠きが設けられている。第２熱伝導ブロック９０５における基板面法線方向に対する切り欠き量は全高であってもよいし、回転ギヤ９１０に接触しない範囲のみであってもよい。また、図１０（ｂ）のように回転ギヤにマグネットカップリング９３０を使用すれば、第２熱伝導ブロック９０５を切り欠くことなく基板回転台９０３を回転駆動することが可能になる。
【００４１】
図１１は、実施形態３の基板冷却台の詳細な構成を例示しており、第２基板冷却台２９０２の内周側には座繰り加工により凹部９００が施され、中心部には基板回転台９０３の最外径よりも大きな径の中心孔９２４が貫通加工されている。第２基板冷却台９０２には、冷却ガス噴出口９２１、冷却ガス導入路９２３、冷却ガス供給ライン接続口９２５が形成されており、凹部に基板冷却台封止板９２０をロウ付けやネジ止めすることで冷却ガス通路を形成することが可能になる。基板冷却台封止板９２０には、冷却ガス噴出口９２１に連通する冷却ガス噴出孔９２８と、中心孔９２４に連通する中心孔９２９が貫通加工されている。
【００４２】
実施形態３では、基板回転台にかかわる部品のサイズを抑えつつ基板を安定に保持することができること、そして、基板回転台の径方向肉厚を薄くすることで、基板冷却台の面積割合を増やすことができ、基板の冷却効率を高めることができる点で優れている。
【００４３】
［実施例１］
実施形態１の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。基板冷却台１０４は銅製で最外形が直径２０５ｍｍとした。基板冷却台１０４の中央には直径１５ｍｍの貫通孔と直径３５ｍｍ所定深さの座繰り処理が施されている。樹脂部材１０６ｃはポリィミド樹脂製である。第１回転シャフト１０６ａの先端部には直径３３ｍｍの銅製基板回転台１０５が固定され、基板冷却台１０４に接することなく回転することが可能になっている。なお、このとき基板Ｗと基板冷却台１０４との隙間は０．３ｍｍとなる。
【００４４】
冷凍機１０２にはＧＭサイクル冷凍機が用いられており、基板冷却台１０４と冷凍機１０２とは、輻射低減のために表面をＮｉ鍍金光沢処理された銅製熱伝導ブロック２０７にて接続されている。
【００４５】
一方、基板冷却台１０４には、冷却ガス噴出孔４０７が中心より半径７０ｍｍ、９０度おきに４箇所配置されている。
【００４６】
上記構成において、基板冷却台１０４を５０Ｋまで冷却した。なお、基板冷却台１０４の温度は当該冷却台に固定されている白金抵抗体素子によってリアルタイムに測定可能である。基板冷却台１０４／基板回転台１０５にＡｌＴｉＣ製基板Ｗを設置し、Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台を９０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表１のように基板温度は１０５Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００４７】
【表１】
【００４８】
なお、基板Ｗの温度測定のために、回転する基板Ｗに熱電対を取り付けることはできないので、基板Ｗ温度の測定は以下のように行った。図１２のようにポリィミド樹脂製ステージ１００１に高さ１ｍｍの基板設置リング１００３を形成し、ステージ１００１の中心部にバネ１００４を介して白金抵抗体素子を基板側に露出するよう固定させた。これらのステージ１００１を内包する真空容器は、不図示の搬送機構を備えた搬送処理容器を介して本発明を適用できる基板冷却台を内包する真空容器と連通している。
【００４９】
白金抵抗体素子１００２はステージ１００１表面より２ｍｍ露出している。基板冷却台１０４及び基板回転台１０５によって回転／冷却された基板Ｗは、不図示の搬送機構によりステージ１００１に載置される。このとき、基板Ｗの重さによりバネ１００４が伸びると同時に発生するバネ１００４の収縮力によって基板Ｗの裏面と確実に接触し、基板温度が測定可能となっている。
【００５０】
［実施例２］
実施形態２の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。基板冷却台１０４は銅製凸型形状で最外形が直径２２０ｍｍ、凸部は直径１９０ｍｍとした。基板チャック５０１による基板Ｗの把持範囲は基板Ｗの外側から内方に３ｍｍの範囲である。３ｍｍより大きいと基板Ｗ上に形成される／されたパターンに成膜ができなくなってしまうからである。なお、基板冷却台１０４の凸部表面と基板Ｗ裏面との間隙は０．３ｍｍである。基板冷却台１０４には、冷却ガス噴出孔７０８が中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。そして、冷却ガス排出孔７０７が冷却ガス噴出孔７０８より内側で、中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。
【００５１】
上記構成にて、基板冷却台１０４を５０Ｋまで冷却した。なお、基板冷却台１０４の温度は当該冷却台に固定されている白金抵抗体素子によってリアルタイムに測定可能である。基板冷却台１０４／基板回転台１０５にＡｌＴｉＣ製基板Ｗを設置し、Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台を１８０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表２のように基板温度は９８Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００５２】
【表２】
【００５３】
実施例１よりも基板温度が低下した理由は、実施形態２の基板冷却台１０４における冷却に有効な面積が実施形態１よりも大きくなっており、冷却が効率よく行われたからである。
【００５４】
［実施例３］
実施形態３の構成について基板冷却確認を行った。基板Ｗは直径２００ｍｍ、厚み１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ（アルミチタンカーバイド）製である。第１基板冷却台９０１は銅製であり、直径３３ｍｍで第１熱伝導ブロック９０４を介して冷却される。第２基板冷却台９０２は銅製で中心より直径４１ｍｍの領域が貫通加工されており、直径２０５ｍｍである。第２基板冷却台９０２は第２熱伝導ブロック９０５を介して冷却されており、第１基板冷却台９０１および第２基板冷却台９０２は共に５０Ｋまで冷却されていた。
【００５５】
第１基板冷却台９０１と第２基板冷却台９０２の隙間は４ｍｍに設定されており、ここに厚み２ｍｍ、内径３５ｍｍのＳＵＳ３１０製の基板回転台９０３を設置した。なお、第２基板冷却台９０２には、冷却ガス噴出孔９２８が中心より所定半径の位置に、９０度おきに４箇所配置されている。
【００５６】
上記構成にて、第２基板冷却台９０２を５０Ｋまで冷却した。Ｈｅ冷却ガスを５０ｓｃｃｍ流しながら、基板回転台９０３を９０ｒｐｍで２０分間回転させたところ、表３のように基板温度は１０３Ｋまで降下し、本発明の効果を確認することができた。
【００５７】
【表３】
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、異なるサイズや種類の基板であっても、本発明を適用可能なことは言うまでもない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象の基板を冷却するための冷却装置であって、
冷凍機と、
前記冷凍機に接続され、前記基板の非処理面に向く冷却ガス噴出孔を有する基板冷却台と、
前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部と、
前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構と、
前記基板回転機構を回転駆動する駆動機構と、を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記基板回転機構は、前記基板冷却台の中央部分に形成された凹部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記基板回転機構は、樹脂製部材を介して前記駆動機構の回転シャフトに連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記基板冷却台は、熱伝導製部材を介して前記冷却機構に連結されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記基板回転機構は、前記基板冷却台の外周部分に設けられ、前記基板の外周部を把持する把持機構を有し、前記基板を把持して前記基板冷却台に前記所定の間隙だけ近接させる第１の位置と、前記第１の位置から前記基板の把持を解除して当該基板を搬出可能な第２の位置との間で動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記把持機構は、前記基板の外周部を把持した状態で回転駆動されることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記基板冷却台は、中央部の円盤状の第１冷却台と、当該第１冷却台の外周部分に隙間を置いて配置される円環状の第２冷却台とを有し、
前記基板回転機構は、前記第１冷却台と前記第２冷却台とに接触しないように前記隙間に配設された回転部材を有し、
前記回転部材が前記基板を前記第１冷却台及び第２冷却台から前記所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動されることを特徴とする請求項１又は３に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記基板冷却台には、前記真空容器の外部から供給される冷却ガスを導入する導入口と、当該冷却ガスを前記基板冷却台内に流通させる導入路と、当該冷却ガスを前記基板に向けて噴出する噴出口とが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記導入口、導入路及び噴出口は、前記基板冷却台の厚さ方向において同じ位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記導入路は、前記導入口からの距離が同じ長さに形成された分岐路を有することを特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記噴出口から噴出される冷却ガスは、前記基板回転機構と前記基板冷却台との間の前記間隙を通って前記真空容器内に排出されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１２】
プロセスガスが供給される真空容器と、
前記真空容器内部に配置され、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷却装置と、
前記冷却装置に保持された基板に対向配置され、当該基板にスパッタリング処理を施すカソード電極部と、を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項１】
処理対象の基板を冷却するための冷却装置であって、
冷凍機と、
前記冷凍機に接続され、前記基板の非処理面に向く冷却ガス噴出孔を有する基板冷却台と、
前記基板冷却台に冷却ガスを導入する冷却ガス供給部と、
前記基板を前記基板冷却台から所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動される基板回転機構と、
前記基板回転機構を回転駆動する駆動機構と、を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記基板回転機構は、前記基板冷却台の中央部分に形成された凹部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記基板回転機構は、樹脂製部材を介して前記駆動機構の回転シャフトに連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記基板冷却台は、熱伝導製部材を介して前記冷却機構に連結されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記基板回転機構は、前記基板冷却台の外周部分に設けられ、前記基板の外周部を把持する把持機構を有し、前記基板を把持して前記基板冷却台に前記所定の間隙だけ近接させる第１の位置と、前記第１の位置から前記基板の把持を解除して当該基板を搬出可能な第２の位置との間で動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記把持機構は、前記基板の外周部を把持した状態で回転駆動されることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記基板冷却台は、中央部の円盤状の第１冷却台と、当該第１冷却台の外周部分に隙間を置いて配置される円環状の第２冷却台とを有し、
前記基板回転機構は、前記第１冷却台と前記第２冷却台とに接触しないように前記隙間に配設された回転部材を有し、
前記回転部材が前記基板を前記第１冷却台及び第２冷却台から前記所定の間隙だけ離間させた状態で保持し、当該基板を保持した状態で回転駆動されることを特徴とする請求項１又は３に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記基板冷却台には、前記真空容器の外部から供給される冷却ガスを導入する導入口と、当該冷却ガスを前記基板冷却台内に流通させる導入路と、当該冷却ガスを前記基板に向けて噴出する噴出口とが設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記導入口、導入路及び噴出口は、前記基板冷却台の厚さ方向において同じ位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記導入路は、前記導入口からの距離が同じ長さに形成された分岐路を有することを特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記噴出口から噴出される冷却ガスは、前記基板回転機構と前記基板冷却台との間の前記間隙を通って前記真空容器内に排出されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項１２】
プロセスガスが供給される真空容器と、
前記真空容器内部に配置され、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷却装置と、
前記冷却装置に保持された基板に対向配置され、当該基板にスパッタリング処理を施すカソード電極部と、を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１４９１００（Ｐ２０１１−１４９１００Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１１００（Ｐ２０１０−２９１１００）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
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