JP2013065623A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板温度の過度の上昇を抑え、加熱対象のポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜を含む基板を加熱処理することができる基板処理技術を提供する。
【解決手段】基板を処理する処理室と、前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、を備えるように基板処理装置を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板上にＩＣ（Integrated Circuit）等の半導体装置を製造する基板処理技術に係り、特に、マイクロ波を用いて、半導体ウェハ（以下、ウェハという。）等の基板を処理し、半導体装置を製造する半導体製造装置や、基板を処理する基板処理装置、あるいは、半導体装置の製造方法に関する。

半導体製造工程の１つにＷＬＰ（Wafer Level Package）技術がある。これは、ウェハ状態でパッケージ最終工程まで処理して完成させるもので、ＩＣが作製されたウェハ上に半導体パッケージとして必要な再配線、封止樹脂、はんだバンプを形成して個片化し、ＩＣのチップと同程度の大きさまで小型化することができる。
通常のＬＳＩの製造では、前工程の終了後、ウェハを研磨して薄くするバック・グラインド、ウェハを個片又はチップに切断するダイシング、チップをパッド上に装着するマウント、接着、モールド、仕上げプロセス、テストといった後工程に進む。
一方、ＷＬＰの一種であるＳｉＰ（System in Package）の製造においては、前工程と後工程の間に新たな中間工程が入る、すなわち、前工程のウェハを受取ってからバック・グラインドするまでの間に、チップの配線上部に加工を施す再配線等の工程が入る。さらに、ポリイミド等で層間絶縁膜を形成してＣｕ配線を形成し、その先端にはんだボールを搭載する。
この中間工程の後、ウェハの研磨等を行うので、中間工程においてはウェハの厚さや反り等にも注意が必要であり、加熱処理する際の温度には注意が必要である。
上記ポリイミドで層間絶縁膜を形成する際は、ポリイミドを加熱し硬化させるが、従来の抵抗加熱型ヒータによる加熱硬化処理では、ウェハ自体が高温になるため、ウェハの反りを抑制することが容易ではない。したがって、ウェハを低温に抑えつつポリイミドの加熱硬化処理を行える技術が望まれている。

また、半導体製造工程の１つに基板（シリコンウェハやガラスなどをベースとする微細な電気回路のパターンが形成された被処理基板）の表面に所定の成膜処理を行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）工程がある。これは、気密な反応室に基板を装填し、室内に設けた加熱手段により基板を加熱し、成膜ガスを基板上へ導入しながら化学反応を起こし、基板上に設けた微細な電気回路のパターン上へ薄膜を均一に形成するものである。このようなＣＶＤ工程により、例えば、成膜原料に有機化学材料を使って、誘電率の高い絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ（高誘電体）膜として、ＺｒＯ（ジルコニア）膜等を形成することができる。
こうして形成されたＺｒＯ膜は、有機材料に起因するＣＨ、ＯＨなどの不純物が数％と多量に含まれているため、そのままでは、電気的絶縁性が不十分である。このような薄膜の電気的絶縁性、およびその安定性を確保するため、ＺｒＯ膜をＯ_２（酸素）やＮ_２（窒素）雰囲気中で６５０℃〜８００℃前後の高速アニール処理を施すことにより、Ｃ（炭素）やＨ（水素）等の不純物を離脱させて緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質しようとする試みが行われている。この緻密化は、結晶化まではさせないが、アモルファス状態の平均原子間距離を縮めるために行なわれる。このような高速アニール処理では、ＺｒＯ膜を改質処理するために、基板全体を所定の温度に加熱することになる。

一方、最近の半導体デバイスにおいては、微細化に伴い浅接合化が進んでおり、サーマルバジェット（熱履歴）を小さくすることが求められている。そのため、上述したＨｉｇｈ−ｋ膜の形成工程で用いられるアニール処理においても、サーマルバジェットを小さくするため、基板を低温に抑えつつＨｉｇｈ−ｋ膜を加熱し、不純物を離脱させて緻密化することが求められている。基板を低温に抑える理由は、次のとおりである。デバイスを製造する工程において、後の工程で、前の工程で処理された温度より高い温度で処理すると、既に前工程で構築されていたデバイスが崩れたり、膜の特性が変化することがある。そのため前の工程で処理された温度を超える温度で処理することはできない。よって、デバイス性能向上のための膜質改善処理を低温で行える技術が望まれている。
下記の特許文献には、成膜工程では基板上にハフニウムを含む高誘電体薄膜を形成し、改質工程ではアルゴンラジカルを基板上に供給して、成膜工程において形成した膜中の不純物元素を除去する技術が開示されている。

特開２００４−２９６８２０号公報

本発明の目的は、上述した課題を解決し、基板温度の過度の上昇を抑え、例えばサーマルバジェットを抑制しつつ、加熱対象のポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜を含む基板を加熱処理することができる基板処理技術を提供することにある。

本発明では、導電性の基板支持台と基板の間に誘電体を挟んだ状態で、マイクロ波を用いて基板を加熱することにより、基板に対する過度の加熱を抑制しつつ、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜等の加熱対象を加熱するものである。本発明に係る基板処理装置の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
を備える基板処理装置。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を処理する処理室と、前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部とを備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
基板を処理室に搬入し、前記基板支持台上の誘電体板上に基板を載置する基板載置工程と、
前記処理室内に前記マイクロ波供給部からマイクロ波を供給し、前記誘電体板上の基板を処理する基板処理工程と、
前記基板処理工程の後、前記処理室から基板を搬出する基板搬出工程と、
を備える半導体装置の製造方法。

上記のように基板処理装置や半導体装置の製造方法を構成すると、基板温度の過度の上昇を抑えつつ、加熱対象を含む基板を加熱処理することができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略平面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置における基板搬送フローの説明図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置のプロセスモジュールの説明図である。

図１、図２を用いて、本発明の実施形態に係る基板処理装置１を説明する。図１は、基板処理装置１を上面から見たときの構成を示す概略平面図である。図２は、基板処理装置を側面から見たときの構成を示す概略側面図である。
本発明の実施形態に係る基板処理装置１は、半導体を製造するために予め定められた（以下、「所定の」）処理を実行する半導体製造装置として構成されている。以下、本発明の実施形態に係る基板処理装置１は、マイクロ波を利用してウェハを加熱する装置として説明する。

本発明の実施形態に係る基板処理装置１は、少なくとも、ウェハに所定の処理を施す処理室を含むプロセスモジュール（ＰＭ；Process Module）１０と、ウェハが搬送される搬送室を含むフロントエンドモジュール（ＥＦＥＭ；Equipment Front End Module）２０と、ウェハが収納されて運搬される基板収容器（例えば、ＦＯＵＰ（Front−Opening Unifiled Pod）。以下「ポッド」と記載）を装置外部の搬送装置と受渡しする容器載置台としてのロードポート（ＬＰ；Load Port）３０とによって構成される。
プロセスモジュール１０及びロードポート３０は、少なくとも１つずつ設けられる。ここでは、プロセスモジュール１０及びロードポート３０が３つずつ設けられているが、この構成は一例であって、本発明の構成はこの構成に限定されない。
また、制御手段としての制御部４０は、所定のプログラムファイルを実行することにより、後述する基板搬送手段としての搬送ロボット２０２を制御し、プロセスモジュール１０、フロントエンドモジュール２０及びロードポート３０間においてウェハを搬送する。
また、制御部４０は、所定のプログラムファイルを実行することにより、プロセスモジュール１０を構成する各種機構を制御し、プロセスモジュール１０内においてウェハを処理する。

（プロセスモジュール１０）
プロセスモジュール１０は、加熱処理（アニール）や、膜質改善のための改質処理などの処理をウェハに実施する。プロセスモジュール１０の詳細については後述する。
プロセスモジュール１０は、ゲートバルブ（ＧＶ；Gate Valve）１００を介して、フロントエンドモジュール２０と連通可能となっている。

（フロントエンドモジュール２０）
フロントエンドモジュール２０は、プロセスモジュール１０で処理されたウェハが載置される基板載置部２００、搬送ロボット２０２、ファン２０１等を備える。
基板載置部２００は、フロントエンドモジュール２０を構成する空間の一角に設けられ、台２０３上に備えられる。台２０３は、搬送ロボット２００を支えるロボット支持台２０５と重ならない位置に備えられており、ゲートバルブ１００やシャッタ３００を塞がないような位置としている。

フロントエンドモジュール２０の天井には、ファン２０１が備えられている。ファン２０１は、天井から基板載置部２００、搬送ロボット２０２やフロントエンドモジュール２０の底に向けて除埃された大気を供給する。これによってエアーフロー２０４を形成する。
フロントエンドモジュール２０の底部には、ファン２０１によって供給された大気を排気する排気管２０６が備えられている。排気管２０６には、ガス流れの上流からガス排出用バルブ２０７及びポンプ２０８が備えられ、フロントエンドモジュール２０内の雰囲気の排気を制御している。
エアーフロー２０４を形成することで、フロントエンドモジュール２０内を常に清浄な大気状態とすると共に、排気管２０６から排気することで、フロントエンドモジュール２０内の埃等が巻き上がらないようにしている。

なお、フロントエンドモジュール２０の排気部は、上述したように、排気管２０６、排出用バルブ２０７、ポンプ２０８を設けて積極的に雰囲気を排気する構成だけでなく、次のように構成してもよい。
即ち、フロントエンドモジュール２０の底部に開口面積が調整可能な構造のスリットを設ける。このような構成の場合、外部からのパーティクル侵入を抑制するため、内部が外部より若干加圧状態となるよう調整する。ファン２０１から供給されるエアーフロー２０４によって、雰囲気は底部のスリットから外部へ排出される。
このような構成とすることで、より安価に装置を提供することが可能となる。

搬送ロボット２０２は、前述したように、ロボット支持台２０５に支持されている。
また、搬送ロボット２０２は、プロセスモジュール１０と、ロードポート３０に搭載されたポッド３０１と、基板載置部２００との間でウェハを移載するため、アーム及びその支持軸が水平回転するよう構成される。
更には、各ゲートバルブ１００（１）〜１００（３）の近傍、シャッタ３００（１）〜３００（３）の近傍、基板支持部２００の近傍に移動するため、プロセスモジュール１０の配列方向と平行に、ロボット支持台２０５上で水平方向のスライド移動が可能となるよう構成される。
以上の構成により、搬送ロボット２０２は、プロセスモジュール１０と、ロードポート３０に搭載されたポッド３０１と、基板載置部２００との３者の間でウェハを搬送することができる。
また、搬送ロボット２０２は、ウェハを保持する基板保持部としてのアームを上下に１つずつ備える。搬送ロボット２０２は、例えば、上アームの先に未処理ウェハを載せ、各プロセスモジュール１０に対して搬入するとともに、下アームの先にプロセスモジュール１０内の処理済みウェハを載せ、各プロセスモジュール１０から搬出すること（ウェハを入れ替えて搬送すること）ができるよう構成されている。

基板載置部２００は、プロセスモジュール１０で加熱処理された処理済みのウェハを支持するものである。載置されたウェハにはエアーフロー２０４が供給され、加熱処理されたウェハを冷却する。

なお、図１と図２では、プロセスモジュール１０の数と基板載置部２００のウェハ収容数は同じ数（３つ）だけ設けられているが、本発明はこのような構成に限らず、プロセスモジュール１０の個数は、ウェハが搬送される時間に応じて適宜変更され得る。また、フロントエンドモジュール２０は、シャッタ３００を介して、ロードポート３０と連通可能となっている。

（ロードポート３０）
ロードポート３０は、基板収容器としてのポッド３０１が載置される載置台であり、複数設けられている。図１に示すように、ロードポート３０は、プロセスモジュール１０と同じ数だけ設けられているが、ロードポート３０をいくつ設けるかは、後述するウェハ搬送方式によって異なる。具体的には、１つのポッド３０１から複数のプロセスモジュール１０へウェハを搬送する振分方式によってウェハを搬送する場合には、ロードポート３０は少なくとも１つ設けられればよく、複数のポッド３０１からウェハを搬送する並列方式によってウェハを搬送する場合には、搬送先を記述した搬送レシピなどに応じて所定の数のロードポート３０が設けられる。

（ウェハ搬送方法）
以下、図３を用いて、本発明の実施形態に係る基板処理装置１がウェハを搬送する方法を説明する。図３は、１つのポッド３０１に収納されているウェハ１１１を各プロセスモジュール１０に１枚ずつ搬送する振分方式を説明するための図である。ここでは、ロードポート３０（１）とプロセスモジュール１０（１）〜１０（３）との間でウェハを搬送するものとする。
まず、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から(１枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｂに示すように、プロセスモジュール１０（１）に搬入する。
次に、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から次の(２枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｃに示すように、プロセスモジュール１０（２）に搬入する。
さらに、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から次の(３枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｄに示すように、プロセスモジュール１０（３）に搬入する。
プロセスモジュール１０（１）〜１０（３）において処理されたウェハは、矢印Ｅのように、基板載置部２００へ載置され、エアーフロー２０４により冷却される。冷却されたウェハは順次取り出され、ロードポート３０（１）のポッドに搬送される。

（プロセスモジュール１０の詳細）
続いて、図４を用いて、図１のプロセスモジュール１０について詳しく説明する。
図４は、本発明の実施形態に係るプロセスモジュール１０の垂直断面図である。プロセスモジュール１０は、処理室１１０に、マイクロ波発生部１２０、ガス供給管１５２等のガス供給部、ガス排出管１６２等のガス排出部、冷媒供給管１３２等の冷却部などが備えられた構成となっている。
処理室１１０は、誘電体である半導体基板としてのウェハ１１１、例えばシリコンウェハを処理する。処理室１１０内には、導電性の基板支持台１１２が設けられ、基板支持台１１２上には誘電体板１１３が設けられており、ウェハ１１１は誘電体板１１３上に載置される。

（マイクロ波発生部と供給部）
マイクロ波発生部１２０は、例えば、固定周波数マイクロ波を発生する。マイクロ波発生部１２０としては、例えばマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン等が用いられる。マイクロ波発生部１２０で発生したマイクロ波は、導波路１２１を介して、導波口１２２から処理室１１０内に照射される。導波路１２１には、導波路１２１内部の反射電力を少なくするマッチング機構１２６が設けられる。
処理室１１０内に供給されたマイクロ波は、ウェハ１１１の表面に向かって照射される。処理室１１０内のウェハ１１１に当たったマイクロ波は、ウェハ１１１に吸収され、ウェハ１１１はマイクロ波により誘電加熱される。
導波路１２１、導波口１２２、マッチング機構１２６からマイクロ波供給部が構成される。

マイクロ波による加熱は誘電加熱であり、発熱量は、加熱対象の誘電率εとtanδ（誘電正接）との積に依存する。このような性質から、これらの物性値が異なる物質に対して同時にマイクロ波照射した場合、加熱されやすい物質、すなわち、誘電率とtanδの積が大きい方の物質だけ選択的に加熱できるという特徴を有する。これにより、適切なマイクロ波周波数を選択することにより、ウェハの表面上のポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜を選択的に加熱することができる。
一方、誘電体板１１３の誘電率と誘電正接（tanδ）の積は、後述するように、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜の誘電率と誘電正接の積よりも低く設定されている。したがって、誘電体板１１３は、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜よりも加熱を抑制され、殆ど加熱されずに済む。

（処理室）
処理室１１０を形成する処理容器１１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）など金属材料により構成されており、処理室１１０と外部とをマイクロ波的に遮蔽する構造となっている。
処理室１１０内には、ウェハ１１１を載置して支持するための基板支持台１１２が設けられる。基板支持台１１２上には誘電体板１１３が設けられる。誘電体板１１３は、本実施形態では、上面から見た形状（平面視）が基板と同形状で同一又は基板よりも少し大きい。ウェハ１１１が円形であれば、誘電体板１１３も円形とされる。こうして、基板支持台１１２とウェハ１１１の間の空間は、誘電体板１１３で充填される。

基板支持台１１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属製の導電体により構成されている。基板支持台１１２は、上面から見た形がウェハ１１１の外径よりも大きい円形で、円盤状又は円柱状に形成されている。
基板支持台１１２は導電体であるため、基板支持台１１２においてはマイクロ波の電位がゼロとなる。したがって、仮にウェハ１１１を基板支持台１１２上に直接置いた場合、ウェハ１１１ではマイクロ波の電界強度が弱い状態となる。そこで、本実施形態では、誘電体板１１３を用いることで、基板支持台１１２の表面からマイクロ波の１／４波長（λ／４）の奇数倍の位置にウェハ１１１が位置されるよう設定する。つまり、マイクロ波の電位がピークとなる位置（マイクロ波の波形の腹の位置）にウェハ１１１が位置されるよう設定する。
ここでいう基板支持台１１２の表面とは、基板支持台１１２を構成する面の内、ウェハ１１１の裏面と対向する面を言う。基板支持台１１２の表面からλ／４の奇数倍の位置では電界が強いため、ウェハ１１１を効率よくマイクロ波で加熱することができる。
また、好ましくは、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜等の加熱対象の高さ位置で、マイクロ波の電位がピークとなるように設定する。例えば、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜等の加熱対象がウェハ１１１の表面に形成されている場合は、マイクロ波の電位がピークとなる位置に、ウェハ１１１の表面が位置するよう設定する。

したがって、誘電体板１１３の厚さは、次のように規定される。すなわち、マイクロ波の誘電体板１１３中の波長をλｄとした場合に、誘電体板１１３の厚さを、λｄ／４の奇数倍の厚さとするのが好ましい。ここで、誘電体中のマイクロ波の誘電体中の波長は、該誘電体の誘電率の平方根の逆数に比例することが分かっている。
したがって、誘電体板１１３の誘電率をεとし、マイクロ波の真空中の波長（自由空間波長）をλとすると、λｄ＝λ/（√ε）であるから、誘電体板１１３の厚さは、（λ／４）/（√ε）の奇数倍、つまり、（λ／４）×（ε）^−１／２の奇数倍の厚さとなる。

本実施形態では、例えば代表的な周波数として２．４５ＧＨｚに固定したマイクロ波を使用し、基板支持台１１２からウェハ１１１までの高さが、１／４波長となるように設定する。このマイクロ波の真空中の波長λが１２２ｍｍであるので、λ／４は３０．５ｍｍとなる。また、本実施形態では、誘電体板１１３として石英を使用する。後述するように、石英の誘電率は３．８１程度であるので、誘電体板１１３の厚さ、すなわち、基板支持台１１２からウェハ１１１までの高さは、λｄ／４、つまり、（３０．５ｍｍ）×（３．８１）^−１／２＝３０ｍｍとなるように設定する。
更には、基板支持台１１２が導電体であるため、基板支持台１１２表面にてマイクロ波エネルギーを消費することがなく、マイクロ波を反射する。反射されたマイクロ波の電位がピークとなる位置（λｄ／４）にウェハ１１１が位置しているので、基板支持台１１２からの反射波によっても、ウェハ１１１を効率よく加熱することができる。

なお、誘電体板１１３の厚さは、上述のようにマイクロ波の１／４波長の奇数倍の長さに近い長さであれば、１／４波長の奇数倍の長さから、多少の長さ、例えば１／１６波長や１／８波長程度異なっていても、ウェハ１１１の位置がマイクロ波の電位がピークとなる位置に近いので、ある程度、上述の効果を得ることができる。
また、後述するウェハ１１１の冷却効果を考慮すると、誘電体板１１３の厚さは、マイクロ波の１／４波長又は１／４波長に近い長さ、例えば、１／４波長を中心として１／８波長以内の長さ（１／８〜３／８波長）や、１／４波長を中心として１／１６波長以内の長さ（３／１６〜５／１６波長）とするのが、好適である。

誘電体板１１３としては、ウェハ１１１の熱を基板支持台１１２へ伝えるため、熱伝導率の高い材料が選択される。また、マイクロ波による加熱が少ない材料、すなわちｔａｎδ（誘電正接）と誘電率の積の小さい材料が選択される。少なくとも、加熱対象の誘電体材料よりも、ｔａｎδと誘電率の積の小さい材料が選択される。

このような誘電体板１１３としては、石英、アルミナ、テフロン（登録商標）等を使用することができる。ポリイミドのｔａｎδと誘電率の積や、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＺｒＯ膜のｔａｎδと誘電率の積は、ウェハ１１１の材料であるシリコンのｔａｎδと誘電率の積や、誘電体板１１３の材料である石英のｔａｎδと誘電率の積よりも大きい。また、石英のｔａｎδと誘電率の積は、シリコンのそれよりも小さい。したがって、ポリイミドやＺｒＯ膜をマイクロ波により加熱する際に、ウェハ１１１の発熱を抑制できるとともに、石英である誘電体板１１３の発熱をウェハ１１１の発熱よりも抑制でき、殆ど発熱がないようにすることができる。

また、石英の誘電率が３．８１程度であるので、石英内におけるマイクロ波の波長は、真空中の波長の（３．８１）^−１／２倍、すなわち、半分程度（０．５１２倍）に短縮される、つまり、ウェハ１１１と基板支持台１１２との間の距離を、誘電体板１１３を使用しない場合の半分程度にでき、誘電体板１１３の厚さを薄くできる。
また、石英の熱伝導率は、１．３８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、窒素の熱伝導率２５．８３×１０^−３（Ｗ／ｍ・Ｋ）や、ヘリウムの０．１５１３（Ｗ／ｍ・Ｋ）と比べて大きい。したがって、ウェハ１１１と基板支持台１１２との間の空間に窒素やヘリウムを介在させる場合と比べ、石英を介在させる場合は、冷却効果が大きくなり、前述の波長の短縮効果も合わせると、窒素の１０７０倍、ヘリウムの１１７倍の冷却効果が期待できる。
このように、誘電体板１１３の厚さがマイクロ波の１／４波長であるか否かに拘らず、誘電体板１１３は冷却効果を奏する。

上述のような構成とすることで、マイクロ波のピーク位置（波形の腹の位置）にウェハ１１１を位置させることができるので、ウェハ１１１の加熱効率が良い。加熱効率が良いと、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜からの伝播熱も相俟って、ウェハ１１１全体が過度に加熱されてしまい、サーマルバジェットが大きくなることが考えられる。
しかしながら、熱伝導率の高い金属製の基板支持台１１２をウェハ１１１の裏面に対向する位置に置き、さらに基板支持台１１２の上に、熱伝導率の高い誘電体板１１３を置くことで、ウェハ１１１裏面の全面から熱を奪うことができる。その結果、ウェハ１１１を均一に冷却することができ、ウェハ１１１に対する過度の加熱を抑制することができる。

（冷却部）
基板支持台１１２内には、ウェハ１１１を冷却するための冷媒を流す冷媒流路１３１が設けられている。本実施形態では、冷媒として水が使用されるが、この冷媒は冷却チラーなど他の冷媒を用いてもよい。冷媒流路１３１は、処理室１１０の外部において、冷媒流路１３１へ冷媒を供給する冷媒供給管１３２と、冷媒流路１３１から冷媒を排出する冷媒排出管１３６に接続され、図中の矢印Ｆの方向に冷媒が流れるよう構成されている。冷媒供給管１３２には、下流から順に、冷媒供給管１３２を開閉する開閉バルブ１３３、冷媒流量を制御する流量制御装置１３４、冷媒源１３５が設けられている。開閉バルブ１３３と流量制御装置１３４は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により制御される。
主に、冷媒流路１３１、冷媒供給菅１３２、開閉バルブ１３３、流量制御装置１３４、冷媒源１３５、冷媒排出管１３６から冷却部が構成される。冷却部は、ペルチェ素子等を用いて構成することもできる。冷却部を用いることにより、さらにウェハ１１１や誘電体板１１３を冷却することができる。

（温度検出器）
誘電体板１１３内（好ましくはウェハ１１１の近傍）、又は誘電体板１１３の裏面（基板支持台１１２と接する面）に接するように、誘電体板１１３の温度を検出する温度検出器１１４が設けられている。温度検出器１１４には、例えば、熱電対を用いることができる。
また、処理室１１０内のウェハ１１１の上方には、ウェハ１１１の温度を検出する温度検出器１１５が設けられている。温度検出器１１５には、例えば、赤外線センサを用いることができる。
温度検出器１１４、温度検出器１１５は、それぞれ制御部４０に電気的に接続されている。温度検出器１１４によって検出された誘電体板１１３の温度が所定の温度よりも高い場合、あるいは、温度検出器１１５によって検出されたウェハ１１１の温度が所定の温度よりも高い場合、制御部４０は、誘電体板１１３の温度が所定の温度になるように、あるいは、ウェハ１１１の温度が所定の温度となるように、開閉バルブ１３３と流量制御装置１３４を制御して、冷媒流路１３１へ流す冷却水の流量を調節する。

（ガス供給部）
処理室１１０の側壁には、例えば窒素（Ｎ_２）等のガスを供給するガス供給管１５２が設けられている。ガス供給管１５２には、上流から順に、ガス供給源１５５、ガス流量を調整する流量制御装置１５４、ガス流路を開閉するバルブ１５３が設けられており、このバルブ１５３を開閉することで、処理室１１０内にガス供給管１５２からガスが供給、又は供給停止される。流量制御装置１５４によりガス流量が調節される。ガス供給管１５２から供給されるガスは、ウェハ１１１を冷却したり、パージガスとして処理室１１０内のガスを押し出したりするのに用いられる。
ガス供給源１５５と流量制御装置１５４とバルブ１５３とガス供給管１５２とから、ガス供給部が構成される。流量制御装置１５４とバルブ１５３は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により制御される。

（ガス排出部）
例えば直方体である処理容器１１８の下部であって処理室１１０の側壁には、処理室１１０内のガスを排気するガス排出管１６２が設けられている。ガス排出管１６２の高さ位置は、基板支持台１１２に載置されたウェハ１１１の表面の高さ位置よりも低くなっている。ガス排出管１６２には、上流から順に、圧力調整バルブ１６３と、排気装置としての真空ポンプ１６４が設けられており、この圧力調整バルブ１６３の開度を調整することで、処理室１１０内の圧力が所定の値に調整される。
ガス排出管１６２と圧力調整バルブ１６３と真空ポンプ１６４から、ガス排出部が構成される。圧力調整バルブ１６３と真空ポンプ１６４は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により圧力制御される。

（ウェハ搬送口）
処理容器１１８の一側面には、処理室１１０の内外にウェハ１１１を搬送するためのウェハ搬送口１７１が設けられている。ウェハ搬送口１７１には、ゲートバルブ１００が設けられており、ゲートバルブ駆動部１７３がゲートバルブ１００を開けることにより、処理室１１０内とフロントエンドモジュール２０内とが連通するように構成されている。
ゲートバルブ１００を開くと、フロントエンドモジュール２０内の搬送ロボット２０２が、処理室１１０内のウェハ１１１を搬出する。

（プロセスモジュールにおける加熱処理の具体例）
次に、基板処理装置１における本実施形態の基板処理動作について説明する。本実施形態の基板処理は、半導体装置を製造する複数工程の中の一工程を構成するものである。この基板処理動作は、制御部４０により制御される。ここでは、プロセスモジュール１０における具体的な加熱処理方法について説明する。この加熱処理は、次に述べるように、基板搬入工程、窒素ガス置換工程、加熱処理工程、基板搬出工程の順に行われる。

（基板搬入工程）
ウェハ１１１を処理室１１０内に搬入する基板搬入工程において、まず、ゲートバルブ１００を開き、処理室１１０とフロントエンドモジュール２０とを連通させる。次に、処理対象のウェハ１１１を、搬送ロボット２０２により、フロントエンドモジュール２０内から処理室１１０内へ搬入する。処理室１１０内に搬入されたウェハ１１１は、搬送ロボット２０２により、基板支持台１１２上の誘電体板１１３の上に載置される。搬送ロボット２０２が処理室１１０内からフロントエンドモジュール２０内へ戻ると、ゲートバルブ１００が閉じられる。

（窒素ガス置換工程）
ウェハ１１１が処理室１１０内へ搬入された後、処理室１１０内を窒素（Ｎ_２）雰囲気に置換する。ウェハ１１１を搬入するときに処理室１１０の外の大気雰囲気が巻き込まれるので、この大気雰囲気中の水分や酸素がプロセスに影響しないように処理室１１０内のＮ_２置換を行う。ガス排出管１６２から、真空ポンプ１６４により処理室１１０内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管１５２から、Ｎ_２ガスを処理室１１０内に導入する。このとき、圧力調整バルブ１６３のバルブの開度を調整することによって、処理室１１０内の圧力を所定の値（例えば大気圧）に調整する。
なお、このガス置換工程は、ウェハ処理を開始する前の準備工程の一部として行われてもよい。また、同時に複数の処理室１１０内を窒素雰囲気に置換してもよい。

（加熱処理工程）
次に、マイクロ波発生部１２０で発生させたマイクロ波を、導波口１２２から処理室１１０内に導入し、ウェハ１１１の表面に照射する。このマイクロ波照射により、例えば、ウェハの表面上に形成されたＨｉｇｈ−ｋ膜を１００〜６００℃に加熱して、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を改質する。具体的には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からＣやＨ等の不純物を離脱させて、緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質することができる(膜質改善)。Ｈｉｇｈ−ｋ膜等の誘電体は、ｔａｎδと誘電率の積に応じてマイクロ波の吸収率が異なる。ｔａｎδと誘電率の積が大きいほどマイクロ波を吸収しやすい。ハイパワーのマイクロ波をウェハに照射し処理することにより、ウェハ上の誘電体膜が加熱され改質される。

Ｈｉｇｈ−ｋ膜のアニールについて説明すると、ウェハ１１１の基板材料であるシリコンや誘電体板１１３の材料である石英に比べ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜は、ｔａｎδと誘電率の積が大きい。よって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜したウェハにマイクロ波を照射すると、Ｈｉｇｈ−ｋ膜だけ選択的に加熱することができる。また、ハイパワーのマイクロ波を照射する方が膜の改質効果が大きい。よって、ハイパワーのマイクロ波を照射すると、急速にＨｉｇｈ−ｋ膜の温度を上昇させることができる。

マイクロ波を供給し続けることでＨｉｇｈ−ｋ膜を加熱し続けると、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からシリコン基板への熱伝導により、Ｈｉｇｈ−ｋ膜とは異なる膜も加熱されてしまうことがある。
この場合、前の工程で処理された温度より高い温度となると、既に構築されているデバイスが崩れたり、膜の特性が変化することがある。そのため前の工程で処理された温度を超える温度で処理を想定することは難しい。

そこで、本発明の実施形態では、マイクロ波を照射中に、冷媒流路１３１に冷却水を供給することにより、ウェハ１１１の温度上昇を抑制する。好ましくは、ウェハ１１１の温度が上限温度以下となるように、流量制御装置１３４を制御して、冷媒流路１３１へ流す冷却水の流量を調節する。このとき、誘電体板１１３により、冷却効果を高めることができる。このように、ウェハ１１１の処理温度を一定とすることにより、複数のウェハを処理した場合であっても、処理後のウェハの状態を均一にすることができる。

また、加熱処理工程において、ガス供給用バルブ１５３を開いて、処理室１１０内にガス供給管１５２からＮ_２ガスを導入するとともに、圧力調整バルブ１６３により処理室１１０内の圧力を所定の値（例えば大気圧）に調整しつつ、ガス排出管１６２から処理室１１０内のＮ_２ガスを排出する。このようにして、加熱処理工程において、処理室１１０内を予め定められた圧力値に維持するとともに、Ｎ_２ガスを流すことにより、ウェハ１１１を冷却することができる。本実施形態では、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をパワー１６００Ｗ、処理室１１０内の圧力を大気圧として５分間、加熱処理を行った。このようにして、所定時間、マイクロ波を導入して基板加熱処理を行った後、マイクロ波の導入を停止する。ここでは、ウェハ１１１を水平方向に回転させることなく加熱処理を行っているが、ウェハ１１１を回転させながら加熱処理を行ってもよい。
なお、上記加熱処理工程では、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を加熱するようにしたが、マイクロ波の波長を適切に設定することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜以外の基板部分を加熱することも、もちろん可能である。

（基板搬出工程）
加熱処理工程が終了すると、基板搬入工程に示した手順とは逆の手順により、加熱処理したウェハ１１１を処理室１１０から搬出し、フロントエンドモジュール２０内へ搬送する。

本実施形態によれば、少なくとも次の（１）〜（５）の効果を奏することができる。
（１）基板支持台と基板の間に誘電体板を挟むことにより、基板支持台と基板の間に気体を挟む場合に比べて、基板支持台と基板の間の長さを短縮できるので、基板の冷却効果を向上することができる。また、誘電体板の熱伝導率は気体の熱伝導率より高いので、より基板の冷却効果を向上することができる。
（２）基板の高さ位置におけるマイクロ波の電界を強くできるため、基板を効率よく加熱することができる。
（３）ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜のように、誘電率とtanδの積が大きい物質を選択的に加熱することができ、そのとき、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜よりも誘電率とtanδの積が小さい誘電体板の加熱を抑制できるので、基板温度の過度の上昇を抑制しつつ、ポリイミド膜やＨｉｇｈ−ｋ膜を含む基板を、従来よりも低温で加熱処理することができる。
（４）処理室内の温度検出器を用いて、基板の冷却度合いをプロセスに応じて制御することができる。
（５）誘電体板に接触させた温度検出器を用いて、誘電体板の冷却度合いをプロセスに応じて制御することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
本発明の実施形態は、少なくとも上述の（１）〜（５）の効果を奏するように構成されているが、上述の（１）〜（５）の効果のうち少なくとも１つの効果を奏するように構成することも可能である。
また、上述の実施形態では、Ｎ_２ガスを使用しているが、プロセスの問題や、安全性の問題がなければ、熱伝達率の高い他のガス（例えば希釈Ｈｅガス）をＮ_２ガスに追加し、ウェハの冷却効果を向上させてもよい。
また、処理室１１０内における圧力調整用のガスと、ウェハ冷却用のガスとが異なる種類であってもよい。例えば、処理室１１０内における圧力調整にＮ_２ガスを使用し、ウェハ冷却に希釈Ｈｅガスを使用してもよい。
また、上述の各実施形態では、ウェハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

本明細書には、少なくとも次の発明が含まれる。すなわち、
第１の発明は、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
を備える基板処理装置。

第２の発明は、
第１の発明の基板処理装置であって、
前記供給されるマイクロ波の真空中の波長をλとし、前記誘電体板の誘電率をεとするとき、前記誘電体板の厚さが、（λ／４）×（ε）^−１／２の奇数倍の長さ、あるいは、（λ／４）×（ε）^−１／２の奇数倍の長さに近い長さである基板処理装置。すなわち、前記誘電体板の厚さが、前記誘電体板中のマイクロ波の波長の１／４の奇数倍の長さから１／８波長以内の長さである基板処理装置。

第３の発明は、
第２の発明の基板処理装置であって、
前記誘電体板の厚さが、（λ／４）×（ε）^−１／２の長さから１／８波長以内の長さである基板処理装置。

第４の発明は、
第１の発明ないし第３の発明の基板処理装置であって、
前記基板支持台は冷却構造を有する基板処理装置。

第５の発明は、
第１の発明ないし第４の発明の基板処理装置であって、
前記誘電体板内に、前記誘電体板の温度を計測する温度検出器が設けられている基板処理装置。

第６の発明は、
第１の発明ないし第５の発明の基板処理装置であって、
前記誘電体板の材質が石英である基板処理装置。

第７の発明は、
第１の発明ないし第５の発明の基板処理装置であって、
前記誘電体板の材質がアルミナである基板処理装置。

第８の発明は、
第１の発明ないし第５の発明の基板処理装置であって、
前記誘電体板の誘電率と誘電正接の積は、前記基板に含まれる加熱対象の誘電率と誘電正接の積よりも小さい基板処理装置。

第９の発明は、
基板を処理する処理室と、前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部とを備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
基板を処理室に搬入し、前記基板支持台上の誘電体板上に基板を載置する基板載置工程と、
前記処理室内に前記マイクロ波供給部からマイクロ波を供給し、前記誘電体板上の基板を処理する基板処理工程と、
前記基板処理工程の後、前記処理室から基板を搬出する基板搬出工程と、
を備える半導体装置の製造方法。

１…基板処理装置、１０…プロセスモジュール（ＰＭ）、２０…フロントエンドモジュール（ＥＦＥＭ）、３０…ロードポート（ＬＰ）、４０…制御部、１００…ゲートバルブ（ＧＶ）、１１０…処理室、１１１…ウェハ、１１２…基板支持台、１１３…誘電体板、１１４…温度検出器、１１５…温度検出器、１１８…処理容器、１２０…マイクロ波発生部、１２１…導波路、１２２…導波口、１２６…マッチング機構、１３１…冷媒流路、１３２…冷媒供給管、１３３…開閉バルブ、１３４…流量制御装置、１３５…冷媒源、１３６…冷媒排出管、１５２…ガス供給管、１５３…開閉バルブ、１５４…流量制御装置、１５５…ガス供給源、１６２…ガス排出管、１６３…圧力調整バルブ、１６４…真空ポンプ、１７１…ウェハ搬送口、１７３…ゲートバルブ駆動部、２００…基板載置部、２０１…ファン、２０２…搬送ロボット、２０３…台、２０４…エアーフロー、２０５…ロボット支持台、２０６…排気管、２０７…ガス排出用バルブ、２０８…ポンプ、３００…シャッタ、３０１…ポッド。

Claims (5)

1. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
   前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、
   前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
   前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
   を備える基板処理装置。
2. 請求項１に記載された基板処理装置であって、
   前記供給されるマイクロ波の真空中の波長をλとし、前記誘電体板の誘電率をεとするとき、前記誘電体板の厚さが、（λ／４）×（ε）^−１／２の奇数倍の長さである基板処理装置。
3. 請求項２に記載された基板処理装置であって、
   前記誘電体板の厚さが、（λ／４）×（ε）^−１／２の長さである基板処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３に記載された基板処理装置であって、
   前記基板支持台は冷却構造を有する基板処理装置。
5. 基板を処理する処理室と、前記処理室内に設けられる導電性の基板支持台と、
   前記基板支持台上に設けられ基板が載置される誘電体板と、前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部とを備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   基板を処理室に搬入し、前記基板支持台上の誘電体板上に基板を載置する基板載置工程と、
   前記処理室内に前記マイクロ波供給部からマイクロ波を供給し、前記誘電体板上の基板を処理する基板処理工程と、
   前記基板処理工程の後、前記処理室から基板を搬出する基板搬出工程と、
   を備える半導体装置の製造方法。

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