ライン上では、ウェーハがドーパントプロファイルを固定するための加熱を待っている。冷却スポットや温度の変動が一つでもあれば、活性化が不十分となる。接合部がずれる。ウェーハがエッチングやリソグラフィーに入る前に歩留まりが低下する。大量生産ファブでは、その一回の熱変動がシフト全体を台無しにする可能性がある。
我々はそのリスクを排除するためにドーパント活性化用赤外線ヒーターを開発した。目的は明確である：繰り返し可能なウェーハレベルの温度制御を実現し、均一性を厳密に保ち、かつクリーンルーム環境に適合させることである。
技術的に重要な点
ドーパント活性化は単なる温度の問題ではなく、熱予算の問題である。イオン注入された種を活性化させるためには、高速で制御された加熱が必要であり、不要な拡散を促進してはならない。当社のIRヒーターは短波長ランプと石英窓を用い、エネルギーを必要な場所に直接供給し、熱プロファイルを許容範囲内に保つための高速応答を実現している。
アクティブエリア全体でウェーハレベルの均一性を±0.1℃に維持している。これにより活性化後のシート抵抗が安定し、接合深さの予測が可能となる。サイクル間の再現性も±0.2℃以内に収まり、同一レシピでロットごとに同じ電気的結果が得られる。
システムはクリーンルームのClass 1からClass 100までの運用に対応して設計されている。部品は安定加熱中にパーティクルを発生しないものを選定しており、次工程がフォトレジストに敏感な場合でも影響を最小限に抑える。アーキテクチャは24時間365日の連続稼働を想定し、熱サイクルは高スループットツールと長寿命ランプに合わせて設計されている。
熱制御はファブのプロセスウィンドウに適合している。フォトレジストのベーク（ソフトベークおよびハードベーク）では、温度の安定性がクリティカルディメンション制御や側壁形状に直結する。同一のIRプラットフォームにより、従来のホットプレート設計で見られる温度変動なく、安定したプラテン温度が得られ、フォトレジストの均一な流動と溶剤除去が可能となる。
生産現場での効果
ドーパント活性化は速度、精度、清浄性の交差点に位置する工程である。加熱が不足すると注入ドーパントが完全に活性化されず、デバイスが電気的に不良となる。加熱過多であれば拡散が進みすぎて接合深さが設計ルールを逸脱する。いずれの場合も手直し、廃棄、あるいは高温ベルト炉への高コストな迂回を強いられる。
当社のIRヒーターは熱経路を短縮し、熱許容ウィンドウを厳密に管理する。急速かつ均一な加熱によりピーク温度でのウェーハ滞留時間を削減し、熱予算を維持する。これにより歩留まりを損なうことなくサイクルタイムを短縮でき、活性化工程をリソグラフィーやエッチングにより近接して配置可能となる。
クリーンルーム環境への配慮も同様に重要である。リソグラフィーでは微細なパーティクルの発生が露光中のウェーハ破損を招く可能性があるため、ヒーターはパーティクルの発生を抑制する設計とし、熱システムは熱をウェーハに集中させつつ局所的な乱流を発生させないよう隔離している。その結果、安定したパーティクルカウントが維持され、ライン停止の頻度が減少する。
信頼性はOEE指標にも現れる。これらのヒーターは連続稼働を前提に設計されており、長期の稼働キャンペーンにおいても熱安定性が維持される。ランプ寿命終了時の交換も容易で、校正も保持されるため、プロセスコントロールが維持され、ラインは途切れることなく稼働し続ける。
留意点
IRヒーターは速度と均一性を実現するが、統合の詳細が重要である。ランプのスペクトルと出力密度はウェーハの放射率およびツールのチャンバー形状に合わせる必要がある。最良の結果を得るためには、適切な熱絶縁と遮蔽を施し、制御ループは空のプラテンではなく実際の負荷に合わせて調整することが求められる。
クリーンルームの制約も考慮する必要がある。排気や冷却の経路を設計し、局所的なパーティクル環境を乱さないようにする。ツールのインターフェース（電力、通信、機械的取り付け）仕様はプラットフォームに合致するよう事前に定めておくべきである。
設置面積にもトレードオフが存在する。IR設計はコンパクトだが、光学経路や窓材がスペースを必要とし、既存ツールではスペースが厳しい場合がある。設置面積の変更を最小限に抑えるよう調整を行うが、若干の設置サイズの変更は避けられない場合がある。
ドーパント活性化、フォトレジストのソフトベーク、ハードベークにおいて厳しい熱予算を運用しているファブでは、精密な加熱が必要かどうかは問題ではない。現在の熱システムがラインでその役割を果たしているかが問われる。弊社のドーパント活性化用IRヒーターは、ウェーハ開始から最終エッチングまでプロセスを確実に維持するために必要な制御性、再現性、クリーンルーム性能を提供する。