CN102468159B - 衬底处理设备和制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及衬底处理设备和制造半导体器件的方法。一种衬底处理设备包括处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑在衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为改变衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口的相对位置。

Description

衬底处理设备和制造半导体器件的方法
技术领域
本公开涉及一种用于在衬底上形成诸如集成电路(IC)的半导体器件的衬底处理技术，并且更具体地涉及一种半导体制造设备，其能够使用微波来处理诸如半导体晶片(在下文中称为“晶片”)等的衬底，一种用于处理衬底的衬底处理设备以及制造半导体器件的方法。
背景技术
存在一种用于在半导体制造过程中在单个衬底(具有硅晶片或玻璃作为基底的具有在其上面形成的电路的精细图案的目标衬底)的表面上形成膜的化学汽相沉积(CVD)过程。在CVD过程中，将衬底加载到气密反应室中并由在反应室内提供的加热器来加热以在将膜形成气体供应到衬底上的同时引起化学反应，使得能够在形成于衬底上的电路的精细图案上均匀地形成膜。根据此类CVD过程，例如，可以使用有机化学材料作为膜形成原材料来形成高k膜，诸如HfO膜等，其是具有高介电常数的绝缘膜。
由于以这种方式形成的HfO膜包含相当量(即，几个百分比)的由有机化学材料引起的杂质(诸如CH、OH等)，所以其具有不足的电绝缘性质。为了保证此类膜的充分的电绝缘性质和稳定性，已经进行尝试以通过使HfO膜在O2或N2气氛下在约650℃至800℃下经受快速退火处理、从而从膜去除诸如C、H等杂质来将HfO膜改造成致密且稳定的膜。执行此类致密化是为了缩短无定形状态下的平均原子间距离，虽然其不导致结晶。此类快速退火处理将整个衬底加热至预定温度以改造HfO膜。
近年来，半导体器件可以具有小型化的浅结结构并要求低热预算(热历史)。因此，在上述高k形成过程中使用的退火处理要求在低温下从膜去除杂质以进行模密化以便提供低热预算。低温退火处理的理由如下。通常，在制造器件的过程中，如果在稍后的步骤在比在早先步骤中使用的温度高的温度下处理器件，则在早先步骤中已经构建的器件可能崩溃，或者其膜可能改变其特性。因此，不能在稍后步骤中在超过在早先步骤中使用的温度的温度下处理器件。因此，需要一种能够在低温下执行膜改造过程以获得改善的器件性能的技术。
日本专利申请特许公开号2004-296820公开了一种技术，其中，在膜沉积过程中，在衬底上形成包含铪的薄膜，并且在膜改造过程中，将氩基团(argon radical)供应到衬底上，从而去除包含于在膜沉积过程中形成的薄膜中的杂质元素。
发明内容
本公开提供了衬底处理设备的某些实施例，与常规技术相比，其能够通过抑制衬底温度的增加来在进一步抑制热预算的同时将衬底均匀地加热。
本公开提出一种用于通过在使衬底旋转的同时用微波照射偏离衬底中心的位置来将衬底均匀地加热的技术。根据本公开的一个实施例，提供了一种衬底处理设备，包括：处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑在衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为沿水平方向相对于波导发射端口改变衬底支撑部件的相对位置。
根据本公开的另一实施例，提供了一种使用衬底处理设备来制造半导体器件的方法，所述衬底处理设备包括处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑在衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为使衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口相对旋转，所述方法包括：将衬底加载到处理室中；将沉底支撑在设置在处理室中的衬底支撑部件上；使被支撑在衬底支撑部件上的衬底支撑部件相对于波导发射端口沿水平方向相对地旋转；在开始使衬底旋转之后用微波照射衬底的前表面；以及将衬底从处理室卸载。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的衬底处理设备的垂直剖视图。
图2是示出微波功率与衬底温度之间的关系的一个示例的图。
图3是根据本公开的实施例的衬底支撑台的示意性垂直剖视图。
图4是根据本公开的实施例的衬底支撑台及其支撑机构的侧剖视图。
图5是图4的部分放大图。
具体实施方式
首先，现在将参考图1来描述根据本公开的实施例的衬底处理设备的一般构造。图1是根据本公开的实施例的衬底处理设备的垂直剖视图。衬底处理设备100包括处理室10、转移室(未示出)和微波供应单元。处理室10处理作为半导体衬底的晶片11。微波供应单元包括微波发生器20、波导21和波导发射端口22。
微波发生器20产生诸如固定频率微波或可变频率微波的微波。微波发生器20的示例可以包括电子回旋加速器等。在微波发生器20中产生的微波被经由波导21从与处理室10连通的波导发射端22供应到处理室10中。
形成处理室10的处理器皿18由诸如铝(Al)、不锈钢(SUS)等的金属制成，并具有将处理室20与外部环境屏蔽的结构。
在处理室10内提供了用于支撑晶片11的衬底支撑引脚13。衬底支撑引脚13是以这种方式提供的，即被支撑晶片11的中心基本上沿垂直方向与处理室10的中心重合。被配置为支撑晶片11的衬底支撑引脚13由诸如石英、聚四氟乙烯等材料制成，并且其数目是多个(在本实施例中为三个)。
具有导电性质的衬底支撑台12被设置在晶片11下面的衬底支撑引脚13的下部处。衬底支撑台12由诸如铝(Al)等导电金属材料制成。衬底支撑台12是盘状的或圆筒形板，其外径大于晶片11的外径。以这种方式，在由衬底支撑引脚13支撑的晶片11的后表面下面且与其后表面平行地提供了衬底支撑台12。衬底支撑台12具有面对晶片11的后表面的相对表面。
衬底支撑部件由衬底支撑引脚13和衬底支撑台12组成。
衬底支撑台12受到由诸如不锈钢(SUS)等金属制成的旋转轴31的支撑，并且由旋转驱动器32使旋转轴31沿水平方向旋转。因此，能够由旋转驱动器32使旋转轴31、衬底支撑台12和晶片11沿水平方向旋转。旋转驱动器32被电连接到控制单元80并由控制单元80来控制。
在处理器皿18的上部中的处理室10的上壁处提供了用于供应诸如氮气(N2)等的气体的气体入口52。气体入口52被连接到气源55、用于调节气体流速的流速控制器54以及用于从上游依次打开/关闭气体通道的阀53。通过打开/闭合阀53，气体被从气体入口52供应到处理室10中或被关掉。从气体入口52供应的气体用来冷却晶片11，或者用作吹扫气体以将处理室10内的气体推出处理室10之外。
气体供应单元由气源55、气体入口52、流速控制器54和阀53组成。流速控制器54和阀53被电连接到控制单元80并由控制单元80来控制。
如图1所示，在矩形处理器皿18的下部中的处理室10的侧壁处提供了用于排出处理室10内的气体的排气管道62。排气管道62被从上游依次连接到压力调节阀63和真空泵64(其为排气机)。通过调节压力调节阀63的开口的程度来将处理室10的内部压力调整至预定值。
排气单元由排气管道62、压力调节阀63和真空泵64组成。压力调节阀63和真空泵64被电连接到控制单元80并由控制单元80来控制。
如图1所示，在处理器皿18的一侧处提供了用于将晶片11转移到/出处理室10的晶片转移闸71。晶片转移闸71提供有闸阀72。当由闸阀驱动器73将闸阀72打开时，处理室10经由晶片转移闸71与转移室连接。
在转移室内提供了用于转移晶片11的转移机器人(未示出)。转移机器人具有用于在正在转移晶片11的同时支撑晶片11的转移臂。通过打开闸阀72，转移机器人能够在处理室10与转移室之间转移晶片11。
衬底处理设备100包括用于控制衬底处理设备100的各种组件的操作的控制单元80，所述组件诸如微波发生器20、闸阀驱动器73、转移机器人、流速控制器54、阀53、压力调节阀63、旋转驱动器32等。
接下来，将描述根据本实施例的衬底处理设备的详细配置。
被供应到处理室10中的微波重复地从处理室10的壁反射。微波还在处理室10内沿不同方向反射。因此，处理室10充满微波。在处理室10内照射到晶片11上的微波被晶片11吸收，镜片11随后被微波介电地加热。
从波导发射端口22发射的微波每当其撞击在处理室10的壁上时其能量减少。
在处理晶片11时，能够通过在晶片11上照射具有高能量的微波来快速地将晶片11加热。我们的研究结果显示用微波进行的晶片直接照射与在在反射波处于主导地位的状态下处理晶片的情况下相比提供更大的衬底改造。
然而，在用微波直接照射晶片11的情况下，由于波导发射端口22的尺寸是小的且在从波导发射端口22发射之后微波不能显著地传播，所以使照射在晶片11的前表面上的微波的能量均匀是不容易的。
另外，即使用微波直接照射晶片11，不是其所有能量都在晶片11中被吸收，而是某些被从晶片的前表面反射或透射通过晶片。该反射波在处理室10中引起驻波。当在处理室10中产生驻波时，晶片的表面具有被较多加热部分和较少加热部分。这导致晶片11的加热不均匀性，其充当晶片表面上的膜质量均匀性劣化的一个因素。
因此，在本实施例中，在处理室10的顶壁中提供波导发射端口22，并将波导发射端口22与被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面之间的距离设置为比供应的微波的一个波长短。在本示例中，所使用的微波的频率是5.8GHz，并且该距离被设置为比51.7mm的微波波长短。可以认为从波导发射端口22发射的直接微波在距离波导发射端口22比一个波长短的距离范围内是主导的。如在本文中所使用的，术语“主导的”指的是具有高密度的直接微波的情况。如上所述，由于用来照射晶片11的微波主要是从波导发射端口22发射的直接微波，并且处理室10中的驻波的影响是相对小的，所以可以在波导发射端口22附近快速地将晶片11加热。此外，不可以将热历史存储在除面对波导发射端口22的区域之外的晶片11的各区域中。
另外，在本实施例中，将波导发射端口22与被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面之间的距离设置为供应的微波的1/4波长(λ/4)的奇数倍。具体地，将所使用的微波的频率设置为5.8GHz并将距离设置为12.9mm，其等于51.7mm的微波波长的1/4。此构造允许将晶片11放置在微波的峰值位置(或凸起位置)处，从而提供晶片11的高加热效率。
然而，“将波导发射端口22与被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面之间的距离设置为比供应的微波的一个波长短”或“将波导发射端口22与被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面之间的距离设置为供应的微波的1/4波长(1/4)的奇数倍”意指仅将波导发射端口22附近的晶片11的一部分加热，这导致晶片表面上的低均匀性。
因此，在本实施例中，波导发射端口22的中心位置偏离被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的中心位置，并且波导发射端口22面对被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面的一部分。在本实施例中，晶片11的直径是300mm且波导发射端口22的中心位置与晶片11的中心位置之间的距离是90mm。以这种方式，其被配置为使得从波导发射端口22发射的微波通过使波导发射端口22的中心位置偏离晶片11的中心位置并由旋转驱动器32使晶片11绕着衬底支撑台12的旋转轴31沿水平方向旋转来扫描晶片表面。
换言之，由旋转驱动器32来改变衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口22的相对位置。并且，改变波导发射端口22沿水平方向相对于被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的相对位置，使得波导发射端口22间歇地面对被支撑在衬底支撑引脚13上的晶片11的前表面的特定部分。
以这种方式，通过在波导发射端口22偏离晶片11的中心位置的情况下使晶片11旋转，可以更均匀地将晶片加热并在提供用于其它区域的低热历史的同时强烈且快速地将晶片11中的目标区域加热。其原因如下。直接在发射微波的波导发射端口22下面的晶片11中的区域经受最高微波能量并因此被很好地加热。其它区域经受相对低的微波能量，并因此可能被较少地加热。因此，旋转中的晶片11上的特定点在其直接位于波导发射端口22下面时被快速地加热，并且在其移动离开波导发射端口22时，该点不大可能被加热。此外，如稍后将描述的，除直接位于波导发射端口22下面的区域之外的区域被衬底支撑台12冷却。也就是说，冷却效率高于加热效率。结果，该点的热历史减少。
晶片11的温度与微波的功率成比例。图2示出用微波来照射硅晶片时的微波功率与晶片温度之间的关系的一个示例。如图2所示，较高的微波功率提供较高的晶片温度。
晶片温度还取决于处理室的尺寸和形状、微波的波导发射端口的位置以及晶片的位置。本文所示的晶片温度值仅仅是示例。然而，较高微波功率提供较高晶片温度的关系保持不变。
另外，如上所述，当衬底支撑引脚13由具有低热传递性质的材料(诸如石英)制成时，可以防止晶片11的热量被传递至衬底支撑台12。如本文所使用的，术语“低热传递性质”至少指的是比衬底支撑台12的热传递性质低的热传递性质。这允许均匀地将晶片11加热。例如，如果衬底支撑台12由具有高热传递性质的材料(诸如金属)制成，则增加由于从晶片11至衬底支撑引脚13的热传导引起的热量释放，这导致晶片11中的低温的局部化分布，其使得难以均匀地将晶片11的表面加热。
如图3所示，在本实施例中，在衬底支撑台12内提供冷却剂通道37，用于冷却晶片11的冷却剂能够流过该冷却剂通道37，并且衬底支撑台12充当衬底冷却站。图3是根据本实施例的衬底支撑台的示意性垂直剖视图。在本实施例中，使用水作为冷却剂。在其它实施例中，可以使用诸如冷却器等的其它冷却剂作为冷却剂。冷却剂通道37被连接到用于向冷却剂通道37中供应冷却剂的冷却剂供应管道36和用于将冷却剂从冷却剂通道37排出到处理室10外面的冷却剂排出管道38。冷却剂供应管道36从下游开始依次被连接到用于打开/关闭冷却剂供应管道36的闸阀33、用于控制冷却剂流速的流速控制器34和冷却剂源35。闸阀33和流速控制器34被电连接到控制单元80并由控制单元80来控制。
将参考图4和图5来详细地描述衬底支撑台12及其外围结构。图4是根据本实施例的衬底支撑台和衬底支撑台支撑机构的侧剖视图。图5是图4的部分放大图。
如图4所示，衬底支撑台12提供有冷却剂通道37。冷却剂通道37被形成在整个衬底支撑台12中形成以均匀地冷却衬底。冷却剂的示例可以包括HT200。
组成旋转轴31的轴402是用于支撑衬底支撑台12的支撑部件。轴402包含被供应给衬底支撑台12的冷却剂通道37的冷却剂在其中流动且从冷却剂通道37排出的冷却剂在其中流动的冷却剂(冷冻剂)通道。轴402由铝制成。轴402具有圆形水平横截面。包含在轴402中的冷却剂通道包括用于从冷却剂入口/出口单元417向冷却剂通道37中供应冷却剂的第一冷却剂供应路径408和用于从冷却剂通道37排出的冷却剂流动的第一冷却剂排出路径409。第一冷却剂供应路径408和第一冷却剂排出路径409被布置为在轴402内部相互平行且相互分离，如图4所示。
附图标记32表示使轴402沿水平方向旋转且由SUS(不锈钢)制成的旋转驱动器。轴402的侧面被空心轴423覆盖。空心轴423保持轴402并连同轴402一起水平地旋转。空心轴423用来针对旋转摩擦等保护轴402。空心轴423由SUS制成。在轴402与空心轴423之间提供有O形环405。O形环405用来防止轴402震动和气体从处理室10泄露出来。旋转驱动器32提供有作为真空密封的磁性流体密封420、轴承421和在接触空心轴423的一侧的电动机422。电动机422的旋转运动被递送到空心轴423以允许轴402水平地旋转。
在旋转驱动器32的外壳中提供的法兰被固定于处理器皿18的底部。O形环407用来防止气体从处理室10泄露出来。
如图5所示，轴402的下前端被插入轴接收器411中。在轴接收器411之上提供有固定环416，并且在固定环416之上提供有压缩环410。轴接收器411、固定环416和压缩环410组成连接轴402和冷却剂入口/出口单元417的连接器，并连同轴402一起水平地旋转。
如图5所示，在轴接收机411下面提供冷却剂入口/出口单元417。冷却剂入口/出口单元417在轴402被水平地旋转时保持固定而不被水平地旋转。
冷却剂入口/出口单元417由SUS制成。冷却剂入口/出口单元417具有被组装在其外壳中的转子，并在不泄露冷却剂的情况下经由连接器向/从轴402供应/排出冷却剂。冷却剂入口/出口单元417提供有第二冷却剂供应路径418和第二冷却剂排出路径419。第二冷却剂排出路径419被与第二冷却剂供应路径418同心地布置以围绕第二冷却剂供应路径418。也就是说，第二冷却剂供应路径对应于内轴且第二冷却剂排出路径419对应于被设置为围绕内轴的外轴。以这种方式，第二冷却剂供应路径418和第二冷却剂排出路径419组成双轴。轴接收器411即使在旋转期间也能够从内轴供应冷却剂并将冷却剂排出到外轴之外，因为其绕着双轴水平地旋转。
如图5所示，轴402的前端402a接触O形环412以防止冷却剂泄漏。轴402的第一冷却剂供应路径408和冷却剂入口/出口单元417的第二冷却剂供应路径418被互连以提供重叠的双重管道，并且轴402的第一冷却剂排出路径409和冷却剂入口/出口单元417的第二冷却剂排出路径419被互连以提供重叠的双重管道。
轴402的第一冷却剂供应路径408和第一冷却剂排出路径409被布置为相互平行且相互分离。同时，冷却剂入口/出口单元417的第二冷却剂排出路径419被与第二冷却剂供应路径418同心地布置以围绕第二冷却剂供应路径418。以这种方式，能够在不采取双轴结构的情况下通过使轴402中的冷却剂通道相互平行且相互分离来容易地制造轴402。
如图5所示，在轴接收器411之上提供固定环416。固定环416具有环形形状(环状物形状)，其具有沿垂直方向的厚度且具有能够沿着垂直方向划分成两部分的近似两侧对称的结构。固定环416(其可划分成两部分)被插入轴402的前端的一侧中。在固定环416中提供有凸面法兰416a。通过在法兰416a被配合到轴402的前端的该侧的凹面部分中的状态下由水平螺栓(未示出)将固定环416组合并固定来将固定环416固定于轴402。另外，由螺栓(未示出)等将轴接收器411固定于固定环416。因此，轴接收器411连同轴402一起旋转。
接下来，将描述衬底支撑台与衬底之间的距离。
由于衬底支撑台12由导电金属材料制成，因此衬底支撑台12中的微波的电位变为零。因此，如果将晶片11直接放置在衬底支撑台12上，则微波的电场强度变弱。因此，在本实施例中，将晶片11放置在与衬底支撑台12的表面相距微波的1/4波长(λ/4)或λ/4奇数倍的位置处。如本文所使用的，短语“衬底支撑台12的表面”指的是面对晶片后表面的衬底支撑台12的表面。由于电场在λ/4的奇数倍的位置处是强的，所以能够用微波高效地将晶片11加热。
具体地，在本实施例中，由于微波具有例如5.8GHz的固定频率和例如51.7mm的波长，所以将从衬底支撑台12的表面至晶片11的距离设置为12.9mm。换言之，当处理衬底时，将衬底支撑引脚13的顶部和与晶片11相对的衬底支撑台12的表面之间的距离设置为对应于供应的微波的1/4波长。
此配置允许将晶片11放置在微波的峰值位置(或凸起位置)处，从而提供晶片11的高加热效率。可以预期高加热效率由于来自晶片11的电介质膜的热传导而允许将其它膜加热。然而，通过将包括冷却器且具有等于或大于晶片11的尺寸的面积的金属衬底支撑台12放置在面对晶片11的后表面的位置处，能够将热量从晶片11的整个后表面吸走。结果，能够将晶片11均匀地冷却以防止除晶片11上的电介质膜之外的膜被加热。
微波的频率可以随着时间改变(变化)。在这种情况下，可以根据变化频带中的典型频率(representative frequency)的波长来计算从衬底支撑台12的表面至晶片11的距离。例如，对于5.8GHz至7.0GHz的变化频带而言，可以将其中心频率设置为典型频率，并且对于6.4GHz的典型频率的46mm的波长而言，可以将从衬底支撑台12的表面至晶片11的距离设置为11.5mm。
此外，可以提供具有不同的固定频率的多个电源以供应具有稍后将被处理的不同频率的不同微波。
接下来，将描述衬底处理设备100中的根据本实施例的衬底处理操作。根据本实施例的衬底处理操作是用于制造半导体器件的多个过程中的一个。由控制单元80来控制衬底处理操作。
(衬底加载过程)
在将晶片11加载在处理室10中的衬底加载过程中，首先打开闸阀72，使得处理室10与转移室连接。接下来，由转移机器人将要处理的晶片11从转移室转移至处理室10中。由转移机器人将被转移到处理室10中的晶片11放置在衬底支撑引脚13的顶部上并由衬底支撑引脚13来支撑被转移到处理室10中的晶片11。接下来，当载送机器人从处理室10返回至载送室时，闭合闸阀72。
(氮气替换过程)
接下来，用惰性气氛来替换处理室10内的气氛以防止稍后将描述的加热过程对晶片11具有不利影响。在由真空泵64从排气管道62排出处理室10内的气体(气氛)的同时将N2气体从气体入口52供应到处理室10中。这时，由压力调节阀63将处理室10的内部压力调整至预定压力(在本实施例中为空气压力)。
(加热过程)
接下来，在由旋转驱动器32使晶片11旋转而达到预定旋转速度且晶片11的旋转速度保持恒定之后，经由波导发射端口22将在微波发生器20中产生的微波供应到处理室10中，并用微波来照射晶片11的前表面。如果在晶片11以预定速度旋转之前供应微波，则微波的照射强度取决于晶片11上的部位而改变，这从晶片11的均匀加热的观点出发不是优选的。
在本示例中，此类微波照射将晶片11的前表面上的高k膜加热至100至600℃以改造高k膜，即从高k膜去除诸如C、H等的杂质，以实现致密且稳定的绝缘薄膜。以这种方式，能够通过使晶片11旋转来更均匀地将晶片11加热。
诸如高k膜等的电介质具有取决于其介电常数而改变的微波吸收率。较高的介电常数提供较高的微波吸收率。我们的研究显示用高功率微波来照射晶片与低功率微波相比提供晶片上的电介质膜的更多改造。另外，我们已发现用微波进行的加热的特征在于：电介质加热取决于电容率(permittivity)ε和介电正切(dielectric tangent)tanδ，并且当将具有此类不同物理性质的材料同时加热时，只有更可能被加热的材料即具有较高电容率的材料被选择性地加热。
以这种方式，使用具有较高电容率的材料被快速地加热而具有较低电容率的材料被缓慢地加热的事实，由于通过照射高功率微波能够缩短电介质的期望加热所花费的微波照射时间，所以可以通过在将其它材料加热之前完成微波照射来将具有较高电容率的材料选择性地加热。
关于高k膜的退火，高k膜具有比作为晶片衬底的材料的硅更高的电容率ε。例如，硅的电容率ε是9.6，而HfO和ZrO膜的电容率ε分别是25和35。因此，当用微波来照射具有在其上面形成的高k膜的晶片时，只能将高k膜选择性地加热。
我们的研究显示较高功率的微波照射提供较大的膜改造效果。较高功率的微波照射还可以导致高k膜的温度的更快增加。
相比之下，如果长时间照射相对低功率的微波，则在改造过程期间整个晶片的温度都增加。这是因为硅的温度还由于硅本身被微波电介质加热和从用微波照射的晶片的前表面上的高k膜至晶片的后表面中的硅的热传导而增加。
可以认为由高功率微波照射实现的大的膜改造效果的原因是能够通过电介质加热将电介质加热至高温，直至整个晶片的温度达到其温度上限。
因此，在本实施例中，用高能量直接微波来照射具有在其上面形成的高k膜的晶片的前表面以提供电介质和晶片之间的较大的加热差异。另外，使晶片11旋转以抑制晶片11的温度增加。这是因为晶片11在其中晶片11停留在波导发射端口22附近的时间段中被快速地加热，而晶片11的温度降低，因为其在从波导发射端口22下面移动出来时不太可能被加热。这使得可以抑制整个晶片的温度增加。更优选地，可以通过在微波照射期间冷却晶片11来抑制晶片11的温度增加。可以例如通过增加通过处理室10的N2气体的量或使冷却剂在衬底支撑台12内的冷却剂通道37中循环来冷却晶片11。
另外，在加热过程中，控制单元80打开阀53以将N2气体从气体入口52供应到处理室10中，同时由压力调节阀63将处理室10的内部压力调整至预定值(在本实施例中为空气压力)以从排气管道62排出处理室10内的N2气体。因此，在加热过程中，将处理室10的内部压力保持在预定压力值。在本示例中，在其中具有5.8GHz的频率的微波的功率是1600W且处理室10的内部压力是空气压力的条件下执行加热过程5分钟。这时，还可以通过控制被供应到处理室10中的惰性气体(例如，N2气体)的流速来进一步冷却晶片11。
当N2气体的冷却效果被有效使用时，能够通过在衬底支撑台12中提供气体入口52并使气体在晶片11与衬底支撑台12之间流动来进一步改善气体的冷却效果。还可以通过控制气体的流速来控制晶片11的温度。
另外，虽然在本实施例中使用N2气体，但可以将具有大的热传递系数的其它气体(诸如稀释He气体等)添加到N2气体以便进一步改善衬底冷却效果，只要在过程和稳定性方面不存在问题即可。
在如上所述在供应微波的情况下执行衬底加热过程预定时间段之后，停止微波的供应。在停止微波的供应之后，停止晶片11的旋转。如果在停止微波供应之前停止晶片11的旋转，则微波的照射强度取决于晶片11的区域而改变，这从晶片11的均匀加热的观点出发不是优选的。
(衬底卸载过程)
在完成冷却过程之后，按照与上述衬底加载过程中所示的顺序相反的顺序将加热晶片11从处理室10卸载到转移室。
上述实施例可以提供至少以下效果(1)至(7)。
(1)可以通过使微波波导发射端口的中心位置从衬底的中心位置偏离且使衬底旋转来将衬底均匀地加热并抑制衬底的温度增加。另外，可以在提供用于其它区域的低热历史的同时强烈且快速地将衬底上的目标区域加热。
(2)可以将衬底均匀地加热，因为通过在衬底的旋转速度达到恒定预定值之后用微波照射衬底的前表面来将衬底加热，并且然后在停止微波的供应之后停止衬底的旋转。
(3)可以高效地将衬底加热并相对地减少反射微波的效果，因为能够通过在衬底处理过程中将波导发射端口22与衬底的前表面之间的距离设置为小于供应的微波的一个波长并主要使用从波导发射端口22发射的直接微波来用高能量微波照射晶片。
(4)衬底加热效率是高的，因为能够通过在衬底加热过程中将波导发射端口22与衬底的前表面之间的距离设置为供应微波的1/4波长的奇数倍来将衬底定位于从波导发射端口22发射的微波的峰值位置处。
(5)衬底加热效率是高的，因为能够通过在衬底加热过程中将衬底的后表面(衬底支撑部件的顶部)与导电基座的表面(其面对衬底的后表面)之间的距离设置为供应微波的1/4波长的奇数倍来将衬底定位于从波导发射端口22发射的微波的峰值位置处。
(6)可以防止热量从衬底支撑引脚选出并因此均匀地将衬底加热，因为衬底支撑引脚由具有低热传递性质的材料制成。
(7)可以选择性地将具有高电容率的材料加热。
本公开不限于上述实施例，但是应理解的是在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以以各种方式来修改本公开。
虽然在公开的实施例中，将波导发射端口22固定且使衬底支撑部件水平地旋转，但替代地，可以将衬底支撑部件固定，可以将天线形成为在波导发射端口22下面连接的新波导发射端口，并且可以使新波导发射端口以衬底中心位置作为旋转轴水平地旋转。然而，可以认为如果需要在衬底之上的某个位置处提供旋转机构以便使新波导发射端口旋转，则在波导发射端口旋转轴中或附近可能由于机械接触等产生灰尘，并且灰尘可能落在衬底上，这可能导致衬底污染。因此，更优选的是将波导发射端口22固定并使衬底支撑部件水平地旋转。
另外，虽然在本公开实施例中，使用衬底支撑引脚13作为用于直接支撑衬底的部件，但可以由除引脚之外的部件来支撑衬底。
此外，虽然在本公开实施例中，要处理的对象是晶片，但对象可以是光掩膜、印刷电路板、液晶面板、压缩盘、磁盘等。
另外，本公开可以涵盖至少以下方面。
本公开的第一方面可以提供一种衬底处理设备，包括：处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑在衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为改变衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口的相对位置。
用衬底处理设备的上述构造，可以通过使微波波导发射端口的中心位置偏离衬底的中心位置并改变衬底支撑部件相对于波导发射端口的相对位置(例如通过使衬底旋转)在抑制整个衬底的热历史的同时将衬底均匀地加热。另外，可以在提供用于其它区域的低热历史的同时强烈且快速地将衬底上的目标区域加热。
本公开的第二方面可以提供根据第一方面的衬底处理设备，其中，所述衬底支撑部件绕着衬底支撑部件的旋转轴水平地旋转，并且波导发射端口被固定在偏离衬底支撑部件的旋转轴的位置处。
用衬底处理设备的上述构造，能够容易地实现衬底支撑部件相对于波导发射端口的相对位置变化，并且能够在衬底下面提供旋转机构，这可以导致减少的衬底污染。
本公开的第三方面可以提供根据第一或第二方面的衬底处理设备，其中，波导发射端口与被支撑在衬底支撑部件上的衬底之间的距离短于供应微波的波长。
用衬底处理设备的上述构造，由于用来照射衬底的微波主要是从波导发射的直接微波并因此使用较高能量的微波，所以可以更高效地将电介质加热。另外，由于直接微波没有实质地接接触除了直接在波导发射端口下面的区域之外的区域并且因此热历史未被存储在该区域中，所以可以在提供用于其它区域的低热历史的同时更强烈且快速地将衬底中的目标区域加热。
本公开的第四方面提供根据第一或第三方面的衬底处理设备，其中，波导发射端口与被支撑在衬底支撑部件上的衬底之间的距离对应于从波导发射端口发射的微波的1/4波长的奇数倍。
用衬底处理设备的上述构造，由于衬底能够位于从波导发射端口发射的直接微波的峰值位置(或凸起位置)处，所以衬底高度位置处的微波的电场被加强，从而提供衬底的高加热效率。
本公开的第五方面可以提供根据第一或第四方面的衬底处理设备，其中，所述衬底支撑部件包括衬底被支撑在其上面的衬底支撑引脚和在衬底支撑引脚下面提供的导电基座，其中，衬底支撑引脚的顶部与导电基座之间的距离对应于衬底加热过程中的供应微波的1/4波长的奇数倍。
用衬底处理设备的上述构造，由于衬底能够位于从波导发射端口发射的微波的峰值位置(或凸起位置)处，所以衬底高度位置处的微波的电场被加强，从而提供衬底的高加热效率。
本公开的第六方面可以提供根据第五方面的衬底处理设备，其中，导电基座是包含冷却剂通道的金属基座。
用衬底处理设备的上述构造，由于衬底高度位置处的微波的电场被加强，所以可以高效地将诸如在衬底上形成的高k膜的膜加热并抑制整个衬底的加热。
本公开的第七方面可以提供根据第一或第六方面的衬底处理设备，其中，控制单元控制将在开始衬底支撑部件的沿水平方向相对于波导发射端口的相对位置变化之后被供应给处理室的微波。
用衬底处理设备的上述构造，由于在衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口的相对位置变化稳定之后(例如，在衬底支撑部件的旋转之后)供应微波，所以可以将衬底更均匀地加热。
本公开的第八方面可以提供一种衬底处理设备，包括：处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为改变波导发射端口沿水平方向相对于被支撑的衬底的相对位置，使得波导发射端口间歇地面对被支撑的衬底的前表面的所述部分。
用衬底处理设备的上述构造，可以通过使微波波导发射端口偏离衬底的中心位置并改变波导发射端口相对于衬底的所述部分的相对位置(例如通过使衬底旋转)在抑制整个衬底的热历史的同时将衬底均匀地加热，使得波导发射端口间歇地面对衬底的所述部分。另外，可以在提供用于其它区域的低热历史的同时强烈且快速地将衬底中的目标区域加热。
本公开的第九方面可以提供一种使用衬底处理设备来制造半导体器件的方法，所述衬底处理设备包括处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在处理室内以支撑衬底；微波发生器，其被设置在处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由微波发生器产生的微波供应到处理室中，其中，波导发射端口的中心位置偏离被支撑在衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且波导发射端口面对被支撑在衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为沿水平方向相对于波导发射端口相对旋转衬底支撑部件，该方法包括将衬底加载到处理室中；将衬底支撑在在处理室中提供的衬底支撑部件上；使被支撑在衬底支撑部件上的衬底支撑部件沿水平方向相对于波导发射端口相对旋转；在开始使衬底旋转之后用微波照射衬底的前表面；以及将衬底从处理室卸载。
用制造半导体器件的方法的上述构造，由于在旋转速度变得恒定之后供应微波，所以可以均匀地将衬底的表面加热。
本公开的第十方面可以提供根据第九方面的制造半导体器件的方法，还包括：在开始照射步骤之后经历预定时间段之后停止微波的供应，并在停止微波的供应之后停止被支撑在衬底支撑部件上的衬底的旋转操作。
用制造半导体器件的方法的上述构造，由于在旋转操作期间停止微波的供应，所以衬底加热过程能够以保持均匀加热状态结束。
如上构造的衬底处理设备和半导体器件制造方法具有抑制衬底温度增加的效果，并且与常规技术相比，通过用微波照射来将衬底加热，并通过在微波波导发射端口偏离衬底的中心位置的情况下使衬底旋转来更均匀地将衬底加热来进一步抑制热预算。
虽然已经描述了某些实施例，但这些实施例仅仅是以示例的方式提出的，并且并不意图限制本公开的范围。事实上，可以以多种其它形式来体现本文所述的新型方法和设备；此外，在不脱离本公开的精神的情况下可以进行本文所述的实施例的形式方面的各种省略、替换和更改。所附权利要求及其等价物意图涵盖将落在本公开的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (8)

1.一种衬底处理设备，包括：
处理室，其被配置为处理衬底；
衬底支撑部件，其被设置在所述处理室内以支撑所述衬底，所述衬底支撑部件包括所述衬底被支撑在其上面的衬底支撑引脚和在所述衬底支撑引脚下面提供的衬底支撑基座；
微波发生器，其被设置在所述处理室外面；
波导发射端口，其被配置为将由所述微波发生器产生的微波供应到所述处理室中，其中所述波导发射端口的中心位置偏离被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且所述波导发射端口面对被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及
控制单元，其被配置为在所述衬底被支撑在所述衬底支撑引脚上时沿水平方向相对于所述波导发射端口改变所述衬底支撑部件的相对位置，
其中所述衬底支撑基座是导电基座，以及
其中所述衬底支撑引脚的顶部与导电基座之间的距离对应于在处理所述衬底时供应的微波的1/4波长的奇数倍。
2.根据权利要求1的衬底处理设备，其中所述衬底支撑部件绕着所述衬底支撑部件的旋转轴水平地旋转，并且所述波导发射端口被固定在偏离所述衬底支撑部件的旋转轴的位置处。
3.根据权利要求1的衬底处理设备，其中所述波导发射端口与被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底之间的距离短于供应微波的波长。
4.根据权利要求1的衬底处理设备，其中所述波导发射端口与被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底之间的距离对应于从所述波导发射端口供应的微波的1/4波长的奇数倍。
5.根据权利要求1的衬底处理设备，其中所述导电基座是包括冷却剂通道的金属基座。
6.根据权利要求1的衬底处理设备，其中所述控制单元控制微波发生器在开始所述衬底支撑部件的沿水平方向相对于所述波导发射端口的相对位置变化之后向所述处理室中供应微波。
7.一种衬底处理设备，包括：
处理室，其被配置为处理衬底；
衬底支撑部件，其被设置在所述处理室内以支撑所述衬底，所述衬底支撑部件包括所述衬底被支撑在其上面的衬底支撑引脚和在所述衬底支撑引脚下面提供的衬底支撑基座；
微波发生器，其被设置在所述处理室外面；
波导发射端口，其被配置为将由所述微波发生器产生的微波供应到所述处理室中，其中所述波导发射端口的中心位置偏离被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且所述波导发射端口面对被支撑衬底的前表面的一部分；以及
控制单元，其被配置为在所述衬底被支撑在所述衬底支撑引脚上时改变所述波导发射端口沿水平方向相对于被支撑衬底的相对位置，使得所述波导发射端口间歇地面对被支撑衬底的前表面的所述部分，
其中所述衬底支撑基座是导电基座，以及
其中所述衬底支撑引脚的顶部与导电基座之间的距离对应于在处理所述衬底时供应的微波的1/4波长的奇数倍。
8.一种使用衬底处理设备来制造半导体器件的方法，所述衬底处理设备包括处理室，其被配置为处理衬底；衬底支撑部件，其被设置在所述处理室内以支撑衬底，所述衬底支撑部件包括所述衬底被支撑在其上面的衬底支撑引脚和在所述衬底支撑引脚下面提供的衬底支撑基座；微波发生器，其被设置在所述处理室外面；波导发射端口，其被配置为将由所述微波发生器产生的微波供应到所述处理室中，其中所述波导发射端口的中心位置偏离被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底的中心位置，并且所述波导发射端口面对被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底的前表面的一部分；以及控制单元，其被配置为在所述衬底被支撑在所述衬底支撑引脚上时使所述衬底支撑部件沿水平方向相对于所述波导发射端口相对旋转，所述方法包括：
将所述衬底加载到所述处理室中；
将所述衬底支撑在设置在所述处理室中的衬底支撑部件上；
使被支撑在所述衬底支撑部件上的衬底支撑部件沿水平方向相对于所述波导发射端口相对旋转；
用微波照射所述衬底的前表面；以及
将所述衬底从所述处理室卸载，
其中所述衬底支撑基座是导电基座，以及
其中所述衬底支撑引脚的顶部与导电基座之间的距离对应于在处理所述衬底时供应的微波的1/4波长的奇数倍。
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