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JP7517886B2 - Vacuum processing equipment stage - Google Patents

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JP7517886B2
JP7517886B2 JP2020122302A JP2020122302A JP7517886B2 JP 7517886 B2 JP7517886 B2 JP 7517886B2 JP 2020122302 A JP2020122302 A JP 2020122302A JP 2020122302 A JP2020122302 A JP 2020122302A JP 7517886 B2 JP7517886 B2 JP 7517886B2
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Description

本発明は、真空処理装置用のステージに関し、より詳しくは、被処理基板の保持面の温度を応答性よく変化できて、熱交換により被処理基板の温度を可及的速やかに調整できるものに関する。 The present invention relates to a stage for a vacuum processing device, and more specifically, to a stage that can responsively change the temperature of the holding surface of a substrate to be processed and adjust the temperature of the substrate to be processed as quickly as possible through heat exchange.

有機EL素子や半導体素子などの製造工程においては、ガラス基板やシリコンウエハといった被処理基板(以下、単に「基板」という)に対し、真空雰囲気中で成膜処理、熱処理やエッチング処理といった各種の真空処理を施す真空処理装置が広く用いられている。例えば、有機EL素子の製造工程では、真空チャンバと、真空チャンバ内に設置される蒸着源と、基板を保持するステージとを備える真空蒸着装置を用い、真空雰囲気の真空チャンバ内にて有機材料(蒸着物質)を気化または昇華させ、この気化または昇華した有機材料をステージで保持された基板表面に付着、堆積させて所定の有機膜が成膜される。ここで、有機膜の成膜時、基板の温度によって有機材料(有機分子)の向き(配向)が変化することが知られている。このため、素子特性を決める所望の配向性を持つ有機膜を成膜するには、例えば蒸着源からの入熱がある基板の温度を可及的速やかに調整することが求められ、これには、ステージ(その保持面)の温度を応答性よく変化させることが重要となる。 In the manufacturing process of organic EL elements and semiconductor elements, vacuum processing equipment is widely used to perform various vacuum processes such as film formation, heat treatment, and etching in a vacuum atmosphere on a substrate to be processed (hereinafter simply referred to as "substrate") such as a glass substrate or a silicon wafer. For example, in the manufacturing process of organic EL elements, a vacuum deposition apparatus equipped with a vacuum chamber, a deposition source installed in the vacuum chamber, and a stage for holding the substrate is used to vaporize or sublimate an organic material (deposition material) in a vacuum chamber in a vacuum atmosphere, and the vaporized or sublimated organic material is attached and deposited on the surface of the substrate held by the stage to form a predetermined organic film. Here, it is known that the orientation (orientation) of the organic material (organic molecules) changes depending on the temperature of the substrate during the formation of the organic film. For this reason, in order to form an organic film with the desired orientation that determines the device characteristics, it is necessary to adjust the temperature of the substrate, which receives heat from the deposition source, as quickly as possible, and for this, it is important to change the temperature of the stage (its holding surface) with good responsiveness.

このような真空処置装置用のステージとして、ペルチェ素子などの熱電素子を利用したものが従来から知られている(例えば、特許文献1参照)。このものは、基板の一方の面が当接する温度制御プレート(載置板)と、冷却手段を構成する冷却水の流路を有する熱交換プレート(熱交換板)と、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に挟持される熱電モジュールとを備える。熱電モジュールの温度制御プレート側の部分には保護部材が設けられ、熱電モジュールよりも外周側は、保護部材と熱交換プレートとの間に配置されるシール壁で囲繞され、接着シートや接着剤を用いてシール壁と保護部材とが接着される。熱電モジュールとしては、一対の電極と、両電極間に直列接続された状態で挟持されるP型熱電素子及びN型熱電素子と、各電極が夫々形成されると共に温度制御プレートと熱交換プレートとに夫々面接触する一対の支持プレートとを有し、支持プレートの一方が吸熱面、その他方が放熱面となるものが利用される(例えば、特許文献2参照)。通常は、基板サイズに応じて設定される温度制御プレートと熱交換プレートの面積に応じて、複数個の熱電モジュールが同一平面上に並設される。 As a stage for such a vacuum treatment device, one using a thermoelectric element such as a Peltier element has been known in the past (see, for example, Patent Document 1). This stage includes a temperature control plate (mounting plate) against which one side of the substrate abuts, a heat exchange plate (heat exchange plate) having a flow path for cooling water constituting a cooling means, and a thermoelectric module sandwiched between the temperature control plate and the heat exchange plate. A protective member is provided on the part of the thermoelectric module on the temperature control plate side, and the outer periphery side of the thermoelectric module is surrounded by a sealing wall disposed between the protective member and the heat exchange plate, and the sealing wall and the protective member are bonded using an adhesive sheet or adhesive. The thermoelectric module has a pair of electrodes, a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element sandwiched in a state of being connected in series between the two electrodes, and a pair of support plates on which the electrodes are formed and which are in surface contact with the temperature control plate and the heat exchange plate, respectively, one of the support plates being a heat absorbing surface and the other being a heat releasing surface (see, for example, Patent Document 2). Typically, multiple thermoelectric modules are arranged side by side on the same plane according to the area of the temperature control plate and heat exchange plate, which are set according to the substrate size.

ここで、温度制御プレートと熱交換プレートとの間で熱電モジュールが存するシール壁内方の空間が大気圧であると、対流により温度制御プレートと熱交換プレートとの間の断熱が不十分となる(言い換えると、熱リークが生じる)。このため、例えば、入熱がある基板の温度を下げるために温度制御プレートの温度を下げようとしても、応答性よく温度制御プレートの温度が下がらず、これでは、基板を目的温度に到達させるまでに時間がかかってしまう。また、真空処理時、ステージが存する真空チャンバ内の圧力は、所定範囲(1×10-4Pa~1×10-2Paの範囲)内の圧力に維持される。このため、温度制御プレートや熱交換プレートは、差圧で変形しないようにその板厚が設計されるが、温度制御プレートや熱交換プレートの板厚が厚くなると、熱容量が増加して、温度制御プレートの温度を調節するときの応答性を更に悪化させる要因となる。 Here, if the space inside the seal wall where the thermoelectric module is present between the temperature control plate and the heat exchange plate is at atmospheric pressure, convection will cause insufficient insulation between the temperature control plate and the heat exchange plate (in other words, heat leakage will occur). For this reason, even if an attempt is made to lower the temperature of the temperature control plate in order to lower the temperature of a substrate with heat input, the temperature of the temperature control plate will not be lowered responsively, and it will take a long time to make the substrate reach the target temperature. In addition, during vacuum processing, the pressure in the vacuum chamber in which the stage is present is maintained within a predetermined range (1×10 −4 Pa to 1×10 −2 Pa). For this reason, the thickness of the temperature control plate and the heat exchange plate are designed so that they will not deform due to a pressure difference, but if the thickness of the temperature control plate and the heat exchange plate becomes thicker, the heat capacity will increase, which will cause a further deterioration in responsiveness when adjusting the temperature of the temperature control plate.

特開2013-102135号公報JP 2013-102135 A 特開2002-111081号公報JP 2002-111081 A

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板の保持面の温度を応答性よく変化できて、熱交換により被処理基板の温度を可及的速やかに調整できるようにした真空処理装置用のステージを提供することをその課題とするものである。 In view of the above, the present invention aims to provide a stage for a vacuum processing device that can change the temperature of the holding surface of the substrate to be processed with good responsiveness and adjust the temperature of the substrate to be processed as quickly as possible through heat exchange.

上記課題を解決するために、真空雰囲気中で被処理基板に対して真空処理を施す真空処理装置の真空チャンバ内に設けられて被処理基板が設置される本発明の真空処理装置用のステージは、被処理基板の一方の面が当接する温度制御プレートと、冷却手段を有する熱交換プレートと、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に挟持される熱電モジュールと、熱電モジュールを挟持した状態で温度制御プレートと熱交換プレートを締結する締結ボルトとを備え、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に熱電モジュールを囲うようにして真空シールが設けられ、真空シール内方の空間を真空チャンバ内より高い圧力の真空雰囲気としたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the stage for the vacuum processing apparatus of the present invention, which is provided in the vacuum chamber of the vacuum processing apparatus that performs vacuum processing on the substrate to be processed in a vacuum atmosphere, and on which the substrate to be processed is placed, comprises a temperature control plate against which one side of the substrate to be processed abuts, a heat exchange plate having a cooling means, a thermoelectric module that is sandwiched between the temperature control plate and the heat exchange plate, and fastening bolts that fasten the temperature control plate and the heat exchange plate while sandwiching the thermoelectric module, a vacuum seal is provided between the temperature control plate and the heat exchange plate so as to surround the thermoelectric module, and the space inside the vacuum seal is made into a vacuum atmosphere with a higher pressure than inside the vacuum chamber.

本発明によれば、熱電モジュールが存する真空シール内方の空間を大気圧より低い圧力の真空雰囲気としたため、温度制御プレートと熱交換プレートとの間で真空断熱される。これに加えて、真空処理時の真空チャンバ内の圧力との差圧が小さくなるため、温度制御プレートや熱交換プレートとして、上記従来例と比較してその板厚が薄くて熱容量の小さいものが利用できる。その結果、例えば、真空チャンバ内での真空処理に伴い、例えば、入熱がある被処理基板の温度を下げるために温度制御プレートの温度を下げようとしたとき、応答性よく温度制御プレートの温度を下げること(温度調整すること)ができ、短時間で基板を目的温度に到達させることができる。しかも、真空シール内方の熱電モジュールが存する空間は、真空チャンバ内の雰囲気と縁切りされているため、真空処理時に利用されるプラズマやフッ素などの腐食性ガスから熱電モジュールを保護することができる。なお、本発明において、真空シール内方の空間の圧力は、真空処理中の真空チャンバ内の圧力を基準に、これと同等以上(例えば、真空処理中の真空チャンバ内の圧力より一桁高い圧力、具体的には、1×10-3Pa~1×-1Paの範囲)に設定することが好ましい。また、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に熱電モジュールを挟持させた構造では、温度制御プレートと熱交換プレートとの間で輻射(または放射)による熱交換も生じる。このため、熱交換プレートの温度制御プレートとの対向面に、例えば平均粗さRaが所定値の鏡面加工を施して若しくはアルミニウム、金、銅といった金属層を成膜して低放射率層を形成し、または、温度制御プレートと熱交換プレートとの間で熱電モジュール周囲の空間に低放射率層を持つ部材を配置すれば、温度制御プレートと熱交換プレートとの間での輻射(または放射)による熱交換を抑制することができ、有利である。 According to the present invention, the space inside the vacuum seal where the thermoelectric module is present is a vacuum atmosphere with a pressure lower than atmospheric pressure, so that the temperature control plate and the heat exchange plate are vacuum insulated. In addition, since the pressure difference with the pressure inside the vacuum chamber during vacuum processing is small, the temperature control plate and the heat exchange plate can be made thinner and have a smaller heat capacity than the above-mentioned conventional example. As a result, for example, when the temperature of the temperature control plate is to be lowered in order to lower the temperature of a substrate to be processed that has heat input during vacuum processing in the vacuum chamber, the temperature of the temperature control plate can be lowered (adjusted) with good responsiveness, and the substrate can reach the target temperature in a short time. Moreover, since the space inside the vacuum seal where the thermoelectric module is present is isolated from the atmosphere inside the vacuum chamber, the thermoelectric module can be protected from plasma and corrosive gases such as fluorine used during vacuum processing. In the present invention, the pressure in the space inside the vacuum seal is preferably set to be equal to or higher than the pressure in the vacuum chamber during vacuum processing (for example, a pressure one order of magnitude higher than the pressure in the vacuum chamber during vacuum processing, specifically, in the range of 1×10 −3 Pa to 1× −1 Pa). In addition, in a structure in which a thermoelectric module is sandwiched between a temperature control plate and a heat exchange plate, heat exchange by radiation (or radiation) also occurs between the temperature control plate and the heat exchange plate. For this reason, if a low-emissivity layer is formed on the surface of the heat exchange plate facing the temperature control plate by, for example, mirror finishing with a predetermined average roughness Ra or by depositing a metal layer such as aluminum, gold, or copper, or if a member having a low-emissivity layer is placed in the space around the thermoelectric module between the temperature control plate and the heat exchange plate, heat exchange by radiation (or radiation) between the temperature control plate and the heat exchange plate can be advantageously suppressed.

また、本発明において、前記熱電モジュールが、一対の電極と、両電極間に直列接続された状態で挟持されるP型熱電素子及びN型熱電素子と、各電極が夫々形成されると共に温度制御プレートと熱交換プレートとに夫々面接触する一対の支持プレートとを有し、支持プレートの一方が吸熱面、その他方が放熱面となるものである場合、温度制御プレートと一方の支持プレートとの間に接触抵抗を低下させるシート部材が介在される構成を採用することができる。これにより、温度制御プレートと一方の支持プレートとを常時面接触させて、応答性よく温度制御プレートを温度調節することができる。シート部材としては、銅、アルミニウムやインジウムなどの熱伝導率の高い金属箔を利用することができる。 In addition, in the present invention, when the thermoelectric module has a pair of electrodes, a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element sandwiched between the two electrodes in a state of being connected in series, and a pair of support plates on which each electrode is formed and which are in surface contact with the temperature control plate and the heat exchange plate, respectively, and one of the support plates is a heat absorbing surface and the other is a heat dissipating surface, a configuration can be adopted in which a sheet member that reduces contact resistance is interposed between the temperature control plate and one of the support plates. This allows the temperature control plate and one of the support plates to be in constant surface contact, allowing the temperature of the temperature control plate to be responsively adjusted. Metal foil with high thermal conductivity, such as copper, aluminum, or indium, can be used as the sheet member.

ところで、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に熱電モジュールを挟持させ、締結ボルトにより固定した構造では、温度制御プレートと熱交換プレートとの間で締結ボルトを介した伝熱による熱交換も生じる。本発明では、前記締結ボルトが頭部と軸部とを備えるような場合、温度制御プレートと熱交換プレートのいずれか一方に、締結ボルトの軸部が挿通する段付き孔が開設され、温度制御プレートと熱交換プレートのいずれか他方の前記空間側の面に、締結ボルトの軸部が締結されるボス部が設けられ、締結ボルトの頭部と段付き孔の段部との間に介設される真空シール兼用の断熱部材を更に備える構成を採用することができる。これにより、締結ボルトを介した熱交換が可及的に抑制され、より一層、応答性よく温度制御プレートの温度を調整することができ、しかも、ボス部を設けたことで、温度制御プレートまたは熱交換プレートの板厚を薄くしてもその機械的強度を高めることができる。ボス部は、温度制御プレートまたは熱交換プレートと一体でもよく、また、締結ボルトを介した伝熱をより抑制するために、アルミナなどの熱伝導率の高い材料で別途設けるようにしてもよい。 In the structure in which the thermoelectric module is sandwiched between the temperature control plate and the heat exchange plate and fixed with the fastening bolt, heat exchange also occurs between the temperature control plate and the heat exchange plate by heat transfer through the fastening bolt. In the present invention, when the fastening bolt has a head and a shaft, a stepped hole through which the shaft of the fastening bolt is inserted is opened in one of the temperature control plate and the heat exchange plate, a boss part to which the shaft part of the fastening bolt is fastened is provided on the surface of the other of the temperature control plate and the heat exchange plate on the side of the space, and a heat insulating member that also serves as a vacuum seal is interposed between the head of the fastening bolt and the step part of the stepped hole. This suppresses heat exchange through the fastening bolt as much as possible, making it possible to adjust the temperature of the temperature control plate with even better responsiveness, and by providing the boss part, it is possible to increase the mechanical strength of the temperature control plate or the heat exchange plate even if the plate thickness is reduced. The boss portion may be integrated with the temperature control plate or heat exchange plate, or may be provided separately from a material with high thermal conductivity, such as alumina, to further suppress heat transfer through the fastening bolts.

発明においては、締結ボルトの頭部と、ボス部との間に縮設されるコイルバネを更に備える構成を採用することができる。これにより、締結ボルトに一定のばね荷重を負荷させることで、締結ボルトによる締め付けトルクが適正な範囲に維持できる。 In the present invention, a configuration can be adopted in which a coil spring is further provided between the head of the fastening bolt and the boss portion, so that a constant spring load is applied to the fastening bolt, thereby maintaining the tightening torque of the fastening bolt within an appropriate range.

本実施形態のステージを有する真空蒸着装置を模式的に示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a vacuum deposition apparatus having a stage according to an embodiment of the present invention. 図1に示すステージをその熱交換プレートを取り外した状態で示す平面図。FIG. 2 is a plan view of the stage shown in FIG. 1 with its heat exchanger plate removed; 図1に示すステージの一部拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the stage shown in FIG. 1 .

以下、図面を参照して、被処理基板をシリコンウエハ(以下、「基板Sw」という)、真空処理装置を基板Swの一方の面に真空蒸着法により所定の薄膜を蒸着する真空蒸着装置Vm、熱電モジュールをペルチェモジュールとし、本発明の真空蒸着装置Vm用のステージの実施形態を説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、真空蒸着装置Vmの設置姿勢である図1を基準にする。 Below, with reference to the drawings, an embodiment of a stage for the vacuum deposition device Vm of the present invention will be described, in which the substrate to be processed is a silicon wafer (hereinafter referred to as "substrate Sw"), the vacuum processing device is a vacuum deposition device Vm that deposits a predetermined thin film on one side of the substrate Sw by vacuum deposition, and the thermoelectric module is a Peltier module. In the following, terms indicating directions such as up and down are based on Figure 1, which shows the installation position of the vacuum deposition device Vm.

図1を参照して、真空蒸着装置Vmは、真空チャンバ1を備え、真空チャンバ1には、特に図示して説明しないが、排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力に真空排気して真空雰囲気(成膜開始前の到達圧力が1×10-5Pa)を形成することができる。真空チャンバ1内の下面には蒸着源2が設けられている。蒸着源2は、固体の蒸着物質21を収容する坩堝22を有する。蒸着物質21は、基板Swに成膜しようとする薄膜に応じて適宜選択され、金属や有機材料が用いられる。坩堝22は、鉛直方向上面を開口した有底筒状の輪郭を有し、モリブデン、チタン、ステンレスやカーボンなどの熱伝導が良く、高融点の材料から形成され、上面の開口から蒸着物質21を充填できるようになっている。坩堝22の周囲には、シースヒータやランプヒータ等の公知のものからなる加熱手段23が設けられ、坩堝22に収容された蒸着物質21を加熱して気化または昇華させることができる(成膜時の圧力は、通常1×10-4Pa~1×10-2Paの圧力となる)。なお、蒸着源2としては、所謂ラインソースなどを含め、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。そして、蒸着源2に対向させて真空チャンバ1内の上面に、本実施形態のステージSTが設けられている。 Referring to FIG. 1, the vacuum deposition apparatus Vm includes a vacuum chamber 1, and although not shown or described, a vacuum pump is connected to the vacuum chamber 1 via an exhaust pipe, and the vacuum chamber 1 can be evacuated to a predetermined pressure to form a vacuum atmosphere (the ultimate pressure before the start of film formation is 1×10 −5 Pa). An evaporation source 2 is provided on the lower surface of the vacuum chamber 1. The evaporation source 2 has a crucible 22 that contains a solid evaporation material 21. The evaporation material 21 is appropriately selected according to the thin film to be formed on the substrate Sw, and a metal or an organic material is used. The crucible 22 has a bottomed cylindrical outline with an opening on the vertical upper surface, and is made of a material with good thermal conductivity and a high melting point, such as molybdenum, titanium, stainless steel, or carbon, and can be filled with the evaporation material 21 from the opening on the upper surface. Around the crucible 22, a heating means 23 consisting of a known device such as a sheath heater or a lamp heater is provided, and the deposition material 21 contained in the crucible 22 can be heated and vaporized or sublimated (the pressure during film formation is usually 1×10 −4 Pa to 1×10 −2 Pa). Note that since any known device including a so-called line source can be used as the deposition source 2, further explanation will be omitted. A stage ST of this embodiment is provided on the upper surface inside the vacuum chamber 1 so as to face the deposition source 2.

図2及び図3も参照して、ステージSTは、基板Swの一方の面(成膜面Sw1と背向する側の面)が当接する温度制御プレート3と、加熱冷却手段を有する熱交換プレート4と、温度制御プレート3と熱交換プレート4との間に挟持される複数個の熱電モジュールとしてのペルチェモジュール5と、ペルチェモジュール5を挟持した状態で温度制御プレート3と熱交換プレート4を締結する締結ボルト6とを備える。温度制御プレート3は、基板Swに対応する円形の輪郭を持ち、熱伝導率の高い材料、例えばアルミ合金製の板材で構成され、その上面の所定位置には、上方に向けて突出させて複数個のボス部31が設けられている。各ボス部31は、後述するように各ペルチェモジュール5を温度制御プレート3上に配置したときに、各ペルチェモジュール5を囲うように、即ち、各ペルチェモジュール5と同心の仮想円周上で周方向に等間隔で設けられている。この場合、各ボス部31は、温度制御プレート3と一体に形成することができるが、温度制御プレート3より熱伝導率の低い材料、例えば、アルミナ製のものを別途設けるようにしてもよい。このように複数のボス部31を設けると、各ボス部31が補強リブとしての役割を果たし、温度制御プレート3の板厚を薄くしてもその機械的強度を高めることができる。 2 and 3, the stage ST includes a temperature control plate 3 against which one surface of the substrate Sw (the surface facing away from the deposition surface Sw1) abuts, a heat exchange plate 4 having a heating/cooling means, a plurality of Peltier modules 5 as thermoelectric modules sandwiched between the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4, and fastening bolts 6 for fastening the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4 while the Peltier modules 5 are sandwiched. The temperature control plate 3 has a circular outline corresponding to the substrate Sw and is made of a material with high thermal conductivity, for example, a plate material made of an aluminum alloy, and a plurality of bosses 31 are provided at predetermined positions on the upper surface of the temperature control plate 3 so as to protrude upward. Each boss 31 is provided at equal intervals in the circumferential direction so as to surround each Peltier module 5 when the Peltier modules 5 are placed on the temperature control plate 3 as described later, that is, on a virtual circumference concentric with each Peltier module 5. In this case, each boss portion 31 can be formed integrally with the temperature control plate 3, but it is also possible to provide a separate boss portion made of a material with a lower thermal conductivity than the temperature control plate 3, such as alumina. By providing multiple boss portions 31 in this way, each boss portion 31 acts as a reinforcing rib, and the mechanical strength of the temperature control plate 3 can be increased even if the plate thickness of the temperature control plate 3 is reduced.

温度制御プレート3上面の外周縁部には、突条32が形成され、突条32の上面には、真空シールとしてのOリング7が圧入される凹溝33が形成されている。そして、各ペルチェモジュール5を挟持した状態で温度制御プレート3と熱交換プレート4とを組み付けると、温度制御プレート3と熱交換プレート4との間で各ペルチェモジュール5が存するOリング7内方の空間Sp1が実質的に気密保持される。Oリング7としては、シリコンゴムやフッ素系ゴムなどの比較的熱伝導率の低いものが利用される。温度制御プレート3下面の所定位置には、クランプ34が設けられ、クランプ34によって基板Swの外周縁部を温度制御プレート3の下面に向けて押圧することで、基板Swをその全面に亘って面接触させた状態で保持することができる。なお、このように基板Swを保持するクランプ34としては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。また、クランプ34に代えて所謂静電チャックを設け、基板Swを静電吸着するように構成することもできる。 A protrusion 32 is formed on the outer periphery of the upper surface of the temperature control plate 3, and a groove 33 is formed on the upper surface of the protrusion 32 into which an O-ring 7 is pressed as a vacuum seal. When the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4 are assembled with each Peltier module 5 sandwiched between them, the space Sp1 inside the O-ring 7 in which each Peltier module 5 exists between the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4 is substantially airtight. The O-ring 7 is made of a material with a relatively low thermal conductivity, such as silicone rubber or fluoro-rubber. A clamp 34 is provided at a predetermined position on the lower surface of the temperature control plate 3, and the clamp 34 presses the outer periphery of the substrate Sw toward the lower surface of the temperature control plate 3, thereby holding the substrate Sw in a state of surface contact over its entire surface. Note that a known clamp 34 can be used to hold the substrate Sw in this way, so further explanation will be omitted. Also, instead of the clamp 34, a so-called electrostatic chuck can be provided to electrostatically adsorb the substrate Sw.

熱交換プレート4は、温度制御プレート3と同等の輪郭であり、所定の板厚を有する、温度制御プレート3と比較して熱伝導率の高い材料、例えばCuやアルミニウム製の板材で構成され、樹脂製の断熱プレートIpを介して真空チャンバ1上面内側に取り付けられる。熱交換プレート4には、温度制御プレート3と熱交換プレート4とを位相合わせてして正対させたときにボス部31の直上に位置させて、板厚方向に貫通し、大径孔部41aと小径孔部41bとが連続する段付き孔41が開設されている。また、熱交換プレート4の所定位置には、板厚方向に貫通する排気孔42が設けられ、熱交換プレート4の上面に達する排気孔42の端部には、閉止機能を持つジョイント部43が設けられ、Oリング7内方の空間Sp1を大気圧より低い所定圧力の真空雰囲気とする際に、図外の真空ポンプからの排気管43aを接続することができる。熱交換プレート4内にはまた、冷媒の循環路44が形成され、真空チャンバ1外側に設置される図外のチラーユニットからの配管44aが接続され、例えば、室温の冷却水を循環させて熱交換プレート4自体を冷却することができる。更に、熱交換プレート4の下面(温度制御プレート3との対向面)には、低放射率層45が形成されている。低放射率層45は、例えば平均粗さRaが所定値の鏡面加工を施して、または、アルミニウム、金、銅といった金属層を成膜して形成される。この場合、空間Sp1の所定位置に低放射率層を備える部材を配置するようにしてもよい。 The heat exchange plate 4 is made of a material having a higher thermal conductivity than the temperature control plate 3, such as a plate made of Cu or aluminum, and is attached to the inside of the upper surface of the vacuum chamber 1 via a resin insulating plate Ip. The heat exchange plate 4 is positioned directly above the boss portion 31 when the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4 are aligned in phase and faced each other, and has a stepped hole 41 that penetrates in the plate thickness direction and has a large diameter hole portion 41a and a small diameter hole portion 41b connected to each other. In addition, an exhaust hole 42 that penetrates in the plate thickness direction is provided at a predetermined position of the heat exchange plate 4, and a joint portion 43 with a closing function is provided at the end of the exhaust hole 42 that reaches the upper surface of the heat exchange plate 4, and an exhaust pipe 43a from a vacuum pump not shown in the figure can be connected when the space Sp1 inside the O-ring 7 is made into a vacuum atmosphere of a predetermined pressure lower than atmospheric pressure. A coolant circulation path 44 is also formed within the heat exchange plate 4, and a pipe 44a is connected from a chiller unit (not shown) installed outside the vacuum chamber 1, so that, for example, room temperature cooling water can be circulated to cool the heat exchange plate 4 itself. Furthermore, a low-emissivity layer 45 is formed on the lower surface of the heat exchange plate 4 (the surface facing the temperature control plate 3). The low-emissivity layer 45 is formed, for example, by mirror finishing with a predetermined average roughness Ra, or by depositing a metal layer such as aluminum, gold, or copper. In this case, a member with a low-emissivity layer may be placed at a predetermined position in the space Sp1.

各ペルチェモジュール5は、例えば正方形の輪郭を有して温度制御プレート3と熱交換プレート4とに夫々面接触する一対の支持プレート51a,51bを備え、支持プレート51a,51bの互いに向かい合う面には、間隔を置いて複数個の電極層52a,52bが夫々形成されている。両電極層52a,52bの間には、複数個のP型熱電素子53a及びN型熱電素子53bが挟持されている。この場合、P型熱電素子53aとN型熱電素子53bとは各電極層52a,52bに直列に接続され、図外の直流電源からP型熱電素子53a、N型熱電素子53bに通電すると、電流の向きに応じて、一対の支持プレート51a,51bがそれぞれ吸熱面と放熱面とになる。また、一対の支持プレート51a,51bの間には、P型熱電素子53a及びN型熱電素子53bの周囲を囲うようにして熱絶縁性を有するスペーサー54が設けられ、図示省略の樹脂フィルムによってP型熱電素子53a及びN型熱電素子53bが設けられた空間Sp2が封止されるようにしている。なお、ペルチェモジュール5としては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。 Each Peltier module 5 has a pair of support plates 51a, 51b, each having a square outline and in surface contact with the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4, and a plurality of electrode layers 52a, 52b are formed at intervals on the opposing surfaces of the support plates 51a, 51b. A plurality of P-type thermoelectric elements 53a and N-type thermoelectric elements 53b are sandwiched between the two electrode layers 52a, 52b. In this case, the P-type thermoelectric elements 53a and the N-type thermoelectric elements 53b are connected in series to each electrode layer 52a, 52b, and when electricity is applied to the P-type thermoelectric elements 53a and the N-type thermoelectric elements 53b from a DC power source not shown in the figure, the pair of support plates 51a, 51b become heat absorption surfaces and heat dissipation surfaces, respectively, depending on the direction of the current. In addition, a spacer 54 having thermal insulation properties is provided between the pair of support plates 51a, 51b so as to surround the periphery of the P-type thermoelectric element 53a and the N-type thermoelectric element 53b, and the space Sp2 in which the P-type thermoelectric element 53a and the N-type thermoelectric element 53b are provided is sealed with a resin film (not shown). Note that since a known Peltier module can be used as the Peltier module 5, further explanation is omitted.

締結ボルト6としては、熱伝導率の低い材料、例えば、アルミナ製ものものが利用され、段付き孔41の平坦な段部41cに接触して大径孔部41aに没入する頭部61と、小径孔部41bを挿通自在な軸部62とで構成され、軸部62の先端がボス部31に締結することができる。また、締結ボルト6の頭部61の下面外周縁部には、環状の凹溝63が形成され、凹溝63には、真空シールと断熱部材を兼用するOリング64が圧入されている。Oリング64としては、シリコンゴムやフッ素系ゴムなどが利用される。以下に、ステージSTの組付けを説明する。 The fastening bolt 6 is made of a material with low thermal conductivity, such as alumina, and is composed of a head 61 that contacts the flat step 41c of the stepped hole 41 and sinks into the large diameter hole 41a, and a shaft 62 that can be freely inserted into the small diameter hole 41b, and the tip of the shaft 62 can be fastened to the boss 31. In addition, an annular groove 63 is formed on the outer periphery of the lower surface of the head 61 of the fastening bolt 6, and an O-ring 64 that serves both as a vacuum seal and a heat insulating member is pressed into the groove 63. Silicone rubber, fluorine-based rubber, or the like is used as the O-ring 64. The assembly of the stage ST is described below.

ステージSTを組付けるのに際しては、クランプ34が設けられた面を下方に向けた姿勢で温度制御プレート3を設置する。このとき、突条32上面の凹溝33にはOリング7が予め圧入されている。また、温度制御プレート3の上面に、温度制御プレート3と一方の支持プレート51bとの間に接触抵抗を低下させるシート部材81を設定するようにしてもよい。シート部材81としては、銅、アルミニウムやインジウムなどの熱伝導率の高い金属箔を利用することができる。そして、温度制御プレート3上に、Oリング7内方で且つ同一の仮想円周上に位置する4個のボス部31の内側に各ペルチェモジュール5を並設する(図2参照)。その後、段付き孔41の大径孔部41a側を上にして熱交換プレート4を温度制御プレート3と位相合わせてして正対させた状態で設置する。このとき、各段付き孔41の直下にボス部31が位置するようになる。 When assembling the stage ST, the temperature control plate 3 is placed in a position in which the surface on which the clamp 34 is provided faces downward. At this time, an O-ring 7 is previously pressed into the groove 33 on the upper surface of the protrusion 32. In addition, a sheet member 81 that reduces the contact resistance between the temperature control plate 3 and one of the support plates 51b may be set on the upper surface of the temperature control plate 3. Metal foil with high thermal conductivity such as copper, aluminum, or indium can be used as the sheet member 81. Then, on the temperature control plate 3, each Peltier module 5 is arranged in parallel inside the four boss parts 31 located inside the O-ring 7 and on the same virtual circumference (see FIG. 2). After that, the heat exchange plate 4 is placed facing the temperature control plate 3 with the large diameter hole part 41a side of the stepped hole 41 facing up in phase with the temperature control plate 3. At this time, the boss part 31 is positioned directly below each stepped hole 41.

次に、段付き孔41の上方からコイルバネ82をボス部31の上面で支持されるように挿設し、締結ボルト6をその軸部62側を下にして挿入し、所定の締付トルクでボス部31に締結する。これにより、Oリング7が熱交換プレート4の下面に圧接し、各ペルチェモジュール5が存するOリング7内方の空間Sp1が実質的に密閉される。コイルバネ82としては、熱伝導率の低い材料、例えば、アルミナ製ものものが利用される。次に、熱交換プレート4のジョイント部43に真空ポンプ(図示せず)からの排気管43aが接続され、真空ポンプを作動させて空間Sp1が真空排気される。この場合、空間Sp1内の圧力は、真空処理中の真空チャンバ1内と圧力を基準に、これと同等以上(例えば、真空処理中の真空チャンバ1内の圧力より一桁高い圧力、具体的には、1×10-3Pa~1×10-1Paの範囲)に設定される。最後に、ジョイント部43を閉止した後、排気管43aが除去される。そして、この状態で樹脂製の断熱プレートIpを介して真空チャンバ1上面内側に取り付けられ、特に図示して説明しないが、P型熱電素子53a及びN型熱電素子53bに、真空チャンバ1外に設置される電源からの配線が接続されると共に、循環路44に、真空チャンバ1外に設置されるチラーユニットからの配管44aが接続される。 Next, the coil spring 82 is inserted from above the stepped hole 41 so as to be supported by the upper surface of the boss portion 31, and the fastening bolt 6 is inserted with its shaft portion 62 side facing down and fastened to the boss portion 31 with a predetermined fastening torque. As a result, the O-ring 7 is pressed against the lower surface of the heat exchange plate 4, and the space Sp1 inside the O-ring 7 in which each Peltier module 5 is present is substantially sealed. A material with low thermal conductivity, for example, alumina, is used as the coil spring 82. Next, an exhaust pipe 43a from a vacuum pump (not shown) is connected to the joint portion 43 of the heat exchange plate 4, and the vacuum pump is operated to evacuate the space Sp1. In this case, the pressure in the space Sp1 is set to be equal to or higher than the pressure in the vacuum chamber 1 during the vacuum processing (for example, a pressure one order of magnitude higher than the pressure in the vacuum chamber 1 during the vacuum processing, specifically, in the range of 1×10 −3 Pa to 1×10 −1 Pa). Finally, after closing the joint portion 43, the exhaust pipe 43a is removed. In this state, the vacuum chamber 1 is attached to the inside of the upper surface thereof via a resin heat insulating plate Ip, and although not shown or described, wiring from a power source installed outside the vacuum chamber 1 is connected to the P-type thermoelectric element 53a and the N-type thermoelectric element 53b, and piping 44a from a chiller unit installed outside the vacuum chamber 1 is connected to the circulation path 44.

上記真空蒸着装置Vmにより基板Sw表面に所定の薄膜を成膜するのに際しては、温度制御プレート3下面に、成膜面Sw1を下方にして基板Swを面接触させた後、クランプ34により基板Swの外周縁部を温度制御プレート3の下面に向けて押圧し、基板Swをその全面に亘って面接触させた状態で保持させる。そして、真空チャンバ1内が所定圧力まで真空排気されると、加熱手段23を作動させて真空雰囲気の真空チャンバ1内にて蒸着物質21を気化または昇華させる。これにより、この気化または昇華した蒸着物質21が基板Swの成膜面Sw1に付着、堆積して所定の有機膜が成膜される。ここで、例えば、成膜中、基板Swは蒸着源2からの輻射で入熱がある。このような場合には、例えば真空チャンバ1内に設けた放射温度計(図示せず)により基板Swの表面温度を測定し、この測定値に応じて、温度制御プレート3に密着する支持プレート51aが放熱面となるように直流電源からP型熱電素子53a、N型熱電素子53bに通電して温度制御プレート3を冷却することで、温度制御プレート3との熱交換で基板Swが冷却され、基板Swの表面温度が一定に保持される。 When a predetermined thin film is formed on the surface of the substrate Sw by the vacuum deposition apparatus Vm, the substrate Sw is brought into surface contact with the lower surface of the temperature control plate 3 with the film-forming surface Sw1 facing downward, and then the outer peripheral edge of the substrate Sw is pressed toward the lower surface of the temperature control plate 3 by the clamp 34 to hold the substrate Sw in surface contact over its entire surface. Then, when the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated to a predetermined pressure, the heating means 23 is operated to vaporize or sublimate the deposition material 21 in the vacuum atmosphere of the vacuum chamber 1. As a result, the vaporized or sublimated deposition material 21 adheres to and accumulates on the film-forming surface Sw1 of the substrate Sw to form a predetermined organic film. Here, for example, during film formation, the substrate Sw receives heat due to radiation from the deposition source 2. In such a case, the surface temperature of the substrate Sw is measured, for example, by a radiation thermometer (not shown) installed in the vacuum chamber 1, and the temperature control plate 3 is cooled by passing current from a DC power source to the P-type thermoelectric element 53a and the N-type thermoelectric element 53b so that the support plate 51a in close contact with the temperature control plate 3 serves as a heat dissipation surface, according to the measured value. The substrate Sw is cooled by heat exchange with the temperature control plate 3, and the surface temperature of the substrate Sw is maintained constant.

以上の実施形態によれば、各ペルチェモジュール5が存するOリング7で囲繞された空間Sp1を真空雰囲気としたため、温度制御プレート3と熱交換プレート4との間で真空断熱される。これに加えて、真空処理時の真空チャンバ1内の圧力との差圧が小さくなるため、温度制御プレート3や熱交換プレート4として、上記従来例と比較してその板厚が薄くて熱容量の小さいものが利用できる。その結果、例えば、成膜時に、基板Swの温度を下げるために温度制御プレート3の温度を下げようとしたとき、熱交換プレート4の温度制御プレート3との対向面に低放射率層45が形成されていること、締結ボルト6を介した熱交換が可及的に抑制されていることも相俟って、応答性よく温度制御プレート3の温度を下げることができ、短時間で基板Swを目的温度に到達させることができる。しかも、空間Sp1は、真空チャンバ1内の雰囲気と縁切りされているため、仮に真空処理時にプラズマやフッ素などの腐食性ガスが用いられても、各ペルチェモジュール5が保護され、有利である。また、シート部材81を設けたことで、温度制御プレート3と一方の支持プレート51aとを常時面接触させて、応答性よく温度制御プレート3を温度調節することができる。しかも、コイルバネ82により締結ボルト6に一定のばね荷重を負荷させることで、締結ボルト6による締め付けトルクが適正な範囲に維持できる。


According to the above embodiment, the space Sp1 surrounded by the O-ring 7 in which each Peltier module 5 exists is made into a vacuum atmosphere, so that vacuum insulation is performed between the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4. In addition, since the pressure difference with the pressure in the vacuum chamber 1 during vacuum processing is small, the temperature control plate 3 and the heat exchange plate 4 can be made thinner and have a smaller heat capacity than the above conventional example. As a result, for example, when attempting to lower the temperature of the temperature control plate 3 in order to lower the temperature of the substrate Sw during film formation, the low emissivity layer 45 is formed on the surface of the heat exchange plate 4 facing the temperature control plate 3, and heat exchange via the fastening bolts 6 is suppressed as much as possible, so that the temperature of the temperature control plate 3 can be lowered with good responsiveness, and the substrate Sw can reach the target temperature in a short time. Moreover, since the space Sp1 is isolated from the atmosphere in the vacuum chamber 1, even if plasma or corrosive gas such as fluorine is used during vacuum processing, each Peltier module 5 is protected, which is advantageous. Furthermore, by providing the sheet member 81, the temperature control plate 3 and one of the support plates 51a are constantly in surface contact with each other, enabling responsive temperature control of the temperature control plate 3. Moreover, by applying a constant spring load to the fastening bolt 6 by the coil spring 82, the tightening torque of the fastening bolt 6 can be maintained within an appropriate range.


以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、真空処理装置として真空蒸着装置Vmを例に説明したが、真空処理中に基板Sw温度を所定温度に調整する必要があるものであれば、これに限定されるものではなく、スパッタリング装置、エッチング装置などの他のものにも本発明は適用することができる。また、上記実施形態では、熱電モジュールとしてペルチェモジュール5を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えばトムソン効果を利用したものでも本発明は適用することができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. In the above embodiment, a vacuum deposition apparatus Vm is used as an example of a vacuum processing apparatus, but the present invention can be applied to other apparatuses such as sputtering apparatuses and etching apparatuses as long as it is necessary to adjust the temperature of the substrate Sw to a predetermined temperature during vacuum processing. In the above embodiment, a Peltier module 5 is used as an example of a thermoelectric module, but the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, an apparatus that utilizes the Thomson effect.

また、上記実施形態では、ステージSTの組付け時に、各ペルチェモジュール5が存するOリング7で囲繞された空間Sp1を予め真空排気し、真空チャンバ1内より高い圧力の真空雰囲気に保持されるものを例に説明したが、これに限定されるものではく、例えば、真空チャンバ1内の排気に伴って空間Sp1が真空排気され、真空チャンバ1内の圧力より例えば一桁高い圧力に保持されるように構成することもできる。このような場合、真空チャンバ1内と空間Sp1との間のコンダクタンスを画定する排気孔42の孔径や排気孔42を形成する数を適宜設定し、または、所定径を持つ排気孔42の真空チャンバ1側の端面に、所定長さの延長管(図示せず)を接続したりすればよい。 In the above embodiment, the space Sp1 surrounded by the O-ring 7 in which each Peltier module 5 is present is evacuated in advance when assembling the stage ST, and a vacuum atmosphere with a higher pressure than that in the vacuum chamber 1 is maintained. However, this is not limited to the above, and for example, the space Sp1 can be evacuated as the vacuum chamber 1 is evacuated, and maintained at a pressure, for example, one order of magnitude higher than that in the vacuum chamber 1. In such a case, the diameter of the exhaust hole 42 that determines the conductance between the vacuum chamber 1 and the space Sp1 or the number of exhaust holes 42 formed can be appropriately set, or an extension tube (not shown) of a predetermined length can be connected to the end face of the exhaust hole 42 with a predetermined diameter on the vacuum chamber 1 side.

ST…ステージ、Sp1…真空シール内方の空間、Sw…基板(被処理基板)、Vm…真空蒸着装置(真空処理装置)、1…真空チャンバ、3…温度制御プレート、31…ボス部、4…熱交換プレート、41…段付き孔、41c…段部、5…ペルチェモジュール(熱電モジュール)、51a,51b…支持プレート、52a…電極層(電極)、53a…P型熱電素子、53b…N型熱電素子、6…締結ボルト、61…頭部、62…軸部、64…断熱部材、7…Oリング(真空シール)、81…シート部材、82…コイルバネ。 ST...stage, Sp1...space inside the vacuum seal, Sw...substrate (substrate to be processed), Vm...vacuum deposition device (vacuum processing device), 1...vacuum chamber, 3...temperature control plate, 31...boss portion, 4...heat exchange plate, 41...step hole, 41c...step portion, 5...peltier module (thermoelectric module), 51a, 51b...support plate, 52a...electrode layer (electrode), 53a...p-type thermoelectric element, 53b...n-type thermoelectric element, 6...fastening bolt, 61...head, 62...shaft portion, 64...insulating member, 7...O-ring (vacuum seal), 81...sheet member, 82...coil spring.

Claims (4)

真空雰囲気中で被処理基板に対して真空処理を施す真空処理装置の真空チャンバ内に設けられて被処理基板が設置される真空処理装置用のステージであって、
被処理基板の一方の面が当接する温度制御プレートと、冷却手段を有する熱交換プレートと、温度制御プレートと熱交換プレートとの間に挟持される熱電モジュールと、熱電モジュールを挟持した状態で温度制御プレートと熱交換プレートを締結する締結ボルトとを備えるものにおいて、
温度制御プレートと熱交換プレートとの間に熱電モジュールを囲うようにして真空シールが設けられ、真空シール内方の空間を真空チャンバ内より高い圧力の真空雰囲気としたことを特徴とする真空処理装置用のステージ。
A stage for a vacuum processing apparatus, which is provided in a vacuum chamber of the vacuum processing apparatus for performing vacuum processing on a substrate to be processed in a vacuum atmosphere, and on which a substrate to be processed is placed, comprising:
A processing apparatus comprising a temperature control plate against which one surface of a substrate to be processed abuts, a heat exchange plate having a cooling means, a thermoelectric module sandwiched between the temperature control plate and the heat exchange plate, and fastening bolts for fastening the temperature control plate and the heat exchange plate together while sandwiching the thermoelectric module,
A stage for a vacuum processing apparatus, characterized in that a vacuum seal is provided between a temperature control plate and a heat exchange plate so as to surround a thermoelectric module, and the space inside the vacuum seal is made into a vacuum atmosphere with a higher pressure than that inside a vacuum chamber.
請求項1記載の真空処理装置用のステージであって、
前記熱電モジュールが、一対の電極と、両電極間に直列接続された状態で挟持されるP型熱電素子及びN型熱電素子と、各電極が夫々形成されると共に温度制御プレートと熱交換プレートとに夫々面接触する一対の支持プレートとを有し、支持プレートの一方が吸熱面、その他方が放熱面となるものにおいて、
温度制御プレートと一方の支持プレートとの間に接触抵抗を低下させるシート部材が介在されることを特徴とする真空処理装置用のステージ。
2. The stage for a vacuum processing apparatus according to claim 1,
The thermoelectric module has a pair of electrodes, a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element sandwiched between the electrodes in a state of being connected in series, and a pair of support plates on which the electrodes are respectively formed and which are in surface contact with the temperature control plate and the heat exchange plate, one of the support plates being a heat absorbing surface and the other being a heat radiating surface,
1. A stage for a vacuum processing apparatus, comprising: a sheet member for reducing contact resistance interposed between a temperature control plate and one of the support plates.
請求項1または請求項2記載の真空処理装置用のステージであって、前記締結ボルトが頭部と軸部とを備えるものにおいて、
温度制御プレートと熱交換プレートのいずれか一方に、締結ボルトの軸部が挿通する段付き孔が開設され、温度制御プレートと熱交換プレートのいずれか他方の前記空間側の面に、締結ボルトの軸部が締結されるボス部が設けられ、
締結ボルトの頭部と段付き孔の段部との間に介設される真空シール兼用の断熱部材を更に備えることを特徴とする真空処理装置用のステージ。
3. The stage for a vacuum processing apparatus according to claim 1, wherein the fastening bolt has a head and a shaft,
A stepped hole through which a shank of a fastening bolt is inserted is provided in one of the temperature control plate and the heat exchange plate, and a boss portion to which the shank of the fastening bolt is fastened is provided on a surface of the other of the temperature control plate and the heat exchange plate facing the space,
1. A stage for a vacuum processing apparatus, further comprising a heat insulating member that also serves as a vacuum seal and is interposed between a head of a fastening bolt and a step of a stepped hole.
前記締結ボルトの頭部と、前記ボス部との間に縮設されるコイルバネを更に備えることを特徴とする請求項3記載の真空処理装置用のステージ。 The stage for a vacuum processing device according to claim 3, further comprising a coil spring compressed between the head of the fastening bolt and the boss portion.
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