JP3727034B2 - レーザー照射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体デバイスの作製する際に使用する、レーザー装置の構成に関する。特に、本発明は、１部もしくは全部が非晶質成分からなる半導体材料、あるいは、実質的に真性な多結晶の半導体材料、さらには、イオン照射、イオン注入、イオンドーピング等によってダメージを受け、結晶性が著しく損なわれた半導体材料に対してレーザー光を照射することによって、該半導体材料の結晶性を向上せしめ、あるいは結晶性を回復させる目的で使用するレーザー装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子プロセスの低温化に関して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、ガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層化に伴う要請もある。
【０００３】
半導体プロセスにおいては、半導体材料に含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材料を結晶化させることや、もともと結晶性であったものの、イオンを照射したために結晶性が低下した半導体材料の結晶性を回復することや、結晶性であるのだが、より結晶性を向上させることが必要とされることがある。従来、このような目的のためには熱的なアニールが用いられていた。半導体材料として珪素を用いる場合には、６００℃から１１００℃の温度で０．１〜４８時間、もしくはそれ以上の時間のアニールをおこなうことによって、非晶質の結晶化、結晶性の回復、結晶性の向上等がなされてきた。
【０００４】
このような、熱アニールは、一般に温度が高いほど処理時間は短くても良かったが、５００℃以下の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロセスの低温化の観点からは、従来、熱アニールによってなされていた工程を他の手段によって置き換えることが必要とされた。
【０００５】
レーザー光照射技術は究極の低温プロセスと注目されている。すなわち、レーザー光は熱アニールに匹敵する高いエネルギーを必要とされる箇所にのみ限定して与えることができ、基板全体を高い温度にさらす必要がないからである。レーザー光の照射に関しては、大きく分けて２つの方法が提案されていた。
【０００６】
第１の方法はアルゴンイオン・レーザー等の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状のビームを半導体材料に照射する方法である。これはビーム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動によって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固することによって半導体材料を結晶化させる方法である。
第２の方法はエキシマーレーザーのごときパルス発振レーザーを用いて、大エネルギーレーザーパルスを半導体材料に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ、凝固させることによって半導体材料を結晶化させる方法である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法の問題点は処理に時間がかかることであった。これは連続発振レーザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビームスポットのサイズがせいぜいｍｍ単位となったためである。これに対し、第２の方法ではレーザーの最大エネルギーは非常に大きく、したがって、数ｃｍ² 以上の大きなスポットを用いて、より量産性を上げることができる。
しかしながら、通常用いられる正方形もしくは長方形の形状のビームでは、１枚の大きな面積の基板を処理するには、ビームを上下左右に移動させる必要があり、量産性の面で依然として改善する余地があった。
【０００８】
これに関しては、ビームを線状に変形し、ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、このビームを走査することによって、大きく改善できる。
改善すべき問題として残されていたことはレーザー照射効果の均一性である。エキシマレーザーに代表されるガスに対して放電を行うことによってレーザー発振を行うパルス発振レーザーは、パルスごとにエネルギーがある程度変動する性質を有している。さらに、パルス発振レーザーは出力されるエネルギーによってそのエネルギーの変動の度合いが変化する特性を有している。特にレーザーが安定に発振しにくいエネルギー領域で照射を行なう場合、基板全面にわたって均一なエネルギーでレーザー処理することは困難である。
【０００９】
パルス発振型のレーザーを使用するもう一つの問題点として、レーザーを長時間使用することによって、レーザー発振に必要なガスが劣化し、レーザーエネルギーが下がってゆくことが挙げられる。このことに関してはレーザーの出力を上げれば、レーザーエネルギーも上がるので、問題ないように思われる。しかし、実際はレーザーの出力を変えるとしばらくの間レーザーのエネルギーが安定しなくなるので、この方法はあまり好ましくない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、減光フィルターで代表されるエネルギー減衰装置とビームプロファイラーで代表されるエネルギー測定装置を組み合わせ用いることによって、これらの問題を解決する。即ち、本発明は、レーザーができるだけ安定する出力でレーザー発振を行ない、さらにエネルギー減衰装置を組み合わせ用いることで、レーザー強度を被照射物に対して最適なエネルギーに調節し照射する方法に関する。
【００１１】
なお、本発明の場合、エネルギー減衰装置はエネルギー減衰率が連続可変であることが望ましいが、不連続可変でも良い。すなわち、本発明の概要はレーザーエネルギーを上記最適エネルギーより高く設定し、エネルギー減衰装置を使用することで上記最適エネルギーに調節する。このとき、レーザーはできるだけ安定に発振できるエネルギー領域で発振させる。そして、レーザーを長時間発振し続けるとレーザーエネルギーが低下してくる。この低下分をエネルギー減衰装置を調節することで補うのが、本発明の主旨である。即ち、最終的に低下してしまうエネルギーを最初の段階ではエネルギー減衰装置で減衰させ、レーザー光の照射を続ける段階において、徐々に減衰率を低下させていくことで、常に一定のエネルギーでレーザー光を照射することを特徴とする。であるから、エネルギー減衰装置が連続可変である方が好ましい。
【００１２】
【実施例】
〔参考例〕
まず装置について説明する。図１には本参考例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。１がレーザーアニール装置の本体である。レーザー光は発振器２で発振される。発振器２で発振されるレーザー光は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ）である。勿論、他のエキシマレーザーさらには他の方式のレーザーを用いることもできる。
【００１３】
発振器２で発振されたレーザー光は、全反射ミラー５、６を経由して増幅器３で増幅され、さらに全反射ミラー７、８を経由して光学系４に導入される。なお、図１中には示さなかったが、８と４との間にエネルギー減衰装置を挿入する。この機械の構造は図３に示す。
【００１４】
図３の装置は１枚のフィルターをレーザービームの進行方向に対してほぼ面を向け、その角度を変えることでエネルギー透過率を変化させる方式ものである。
【００１５】
光学系に入射する直前のレーザー光のビームは、３×２cm² 程度の長方形であるが、光学系４によって、長さ８〜３０cm、幅０〜０. ５ｍｍ程度の細長いビーム（線状ビーム）に加工される。この光学系４を経たレーザー光のエネルギーは最大で１０００ｍＪ／ショットである。
【００１６】
レーザー光をこのような細長いビームに加工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線状のビームは光学系４を出た後、全反射ミラー９を経て、試料１１に照射されるが、ビームの幅は試料の幅よりも長いので、試料を１方向に移動させることで、試料全体に対してレーザー光を照射することができる。従って、試料のステージ及び駆動装置１０は構造が簡単で保守も用意である。また、試料をセットする際の位置合わせの操作（アラインメント）も容易である。
【００１７】
レーザー光が照射される試料のステージ１０はコンピュータにより制御されており線状のレーザー光に対してほぼ直角方向に動くよう設計されている。
【００１８】
光学系４の内部の光路を図２に示す。光学系４に入射したレーザー光はシリンドリカル凹レンズＡ、シリンドリカル凸レンズＢ、横方向のフライアイレンズＣ、Ｄを通過することによってレーザー光はそれまでのガウス分布型から短形分布に変化する。さらに、シリンドリカル凸レンズＥ、Ｆを通過してミラーＧ（図１ではミラー９に相当）を介して、シリンドリカルレンズＨによって集束され、試料に照射される。
【００１９】
ミラーＧ（図１のミラー９に相当する）はレーザーエネルギーを少し透過できるようにできており、ミラーＧの後ろにビームプロファイラーを置いて、レーザーを試料に照射中でもリアルタイムでレーザーエネルギーを測定できる。線状レーザーは面積も大きいので、ビームプロファイラーを線状レーザー内でスキャンさせることでエネルギーを測定する。（図４参照）こうすることで線状レーザー内のエネルギー分布も測定できる。
【００２０】
これらの装置はレーザー照射中、線状レーザーのエネルギーが設定エネルギーよりもある一定の割合以上ずれてくると自動的にビームスプリッターからエネルギー減衰装置に信号がきて、レーザーエネルギーを上記設定エネルギーに直すよう設計されている。
【００２１】
〔実施例〕
参考例の方法で図１記載のミラーＧに透過性をもたせることは、レーザー照射のエネルギーをリアルタイムで測定できる利点を持つ反面、レーザーエネルギーを損失してしまう欠点がある。そこで本実施例では、上記欠点を解消する装置配置について述べる。ただし、本実施例の装置配置だと試料照射中にリアルタイムで線状レーザービームのエネルギーを測定することはできなくなる。
【００２２】
本実施例で使用する装置のレーザー照射部分を図５に示す。図５中のミラーＰに図１のミラーＧが対応する。ミラーＰは全反射ミラーで、その下に４％反射ミラーＱがある。ミラーＱで折り返されたエネルギーはビームプロファイラーＲに入るようになっている。ミラーＱはミラーＰに比べるとサイズが小さい。というのは、ビームプロファイラーが一度に測定できる面積が小さいからである。ミラーＱはビームプロファイラーＲと連動していて、線状レーザーに沿って、線状レーザーよりも広い範囲でスライドできるようになっている。ミラーＱとビームプロファイラーＲはレーザー照射時には線状レーザーの外までスライドさせておく。ここで、もし被照射物が線状レーザーの幅にたいして狭いものであるなら、照射に影響しない線状レーザーの端のところにミラーＱを置くことで、レーザー照射中もエネルギーを測定することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のレーザー照射技術によって、レーザーエネルギーを極力一定に保ちながらレーザー処理を行うことが可能となった。この結果、レーザー処理工程の再現性が高まり、レーザー処理工程を経る製品のバラツキが著しく減ることが期待できる。本発明は特に、半導体デバイスのプロセスに利用される全てのレーザー処理プロセスに有効に利用できる。なぜなら、上記プロセスはレーザーエネルギーのマージンが狭く、わずかなエネルギーの違いが特性に大きく影響するからである。このように本発明は工業上、有益なものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザーアニール装置の概略を示す図
【図２】 光学系を示す図
【図３】 減光フィルターを示す図
【図４】 線状レーザーのエネルギーを測定する状態を示す図
【図５】 レーザー照射装置の概略の構成を示す図
【符号の説明】
１ レーザー照射装置
２ レーザー光の発振器
３ レーザー光の増幅器
４ 光学系
５、６、８、９ 全反射ミラー
１０ ステージ
１１ 試料

Claims (2)

1. エキシマレーザー光を発振するレーザー発振器と、
   前記レーザー発振器から発振されたエキシマレーザー光を減衰するエネルギー減衰装置と、
   前記減衰されたエキシマレーザー光を線状ビームにするための光学系と、
   前記光学系の出射側の光路上に設けられ、被照射物を配置するためのステージと、
   前記光学系から前記ステージに至る光路上に配置され、前記線状ビームを前記ステージへと導くための第１のミラーと、
   前記第１のミラーで反射された線状ビームを集束するシリンドリカルレンズと、
   前記第１のミラーから前記ステージに至る光路上に配置され、前記線状ビームの中へ出し入れでき、前記線状ビームに沿って移動できる前記線状ビームの一部を反射するための第２のミラーと、
   前記第２のミラーの反射方向に設けられ、前記第２のミラーの移動と連動して移動する前記線状ビームのエネルギー及びエネルギー分布を測定するエネルギー測定装置とを有する半導体材料の結晶化、結晶性の向上、又は結晶性の回復などの半導体デバイスの作製に使用されるレーザー照射装置であって、
   前記シリンドリカルレンズにより集束された線状ビームが、最終的に前記ステージ上に配置された前記被照射物に照射され、
   前記ステージ上への被照射物に対して前記線状ビームを照射しないときに、前記第２のミラーが前記線状ビームの中でビームに沿って移動し、前記第２のミラーでの反射により前記線状ビームが前記エネルギー測定装置に導かれてエネルギー分布が測定され、
   かつ前記ステージ上の被照射物に対して前記線状ビームを照射している間に、前記第１のミラーから前記ステージに至る光路において、前記第２のミラーを前記線状ビームの端の中へ入れ、前記線状ビームの端が、前記第２のミラーで反射されて、前記エネルギー測定装置に導かれてエネルギーが測定されるようになっており、
   前記エネルギー減衰装置において、前記エネルギー測定装置の測定結果に基づいて前記線状ビームの減衰率を連続的に変化させることができることを特徴とするレーザー照射装置。
2. エキシマレーザー光を発振するレーザー発振器と、
   前記レーザー発振器から発振されたエキシマレーザー光が通過する１枚の減光フィルターと、
   前記減光フィルターを通過したエキシマレーザー光を線状のビームにするための光学系と、
   前記光学系の出射側の光路上に設けられ、被照射物を配置するためのステージと、
   前記光学系から前記ステージに至る光路上に配置され、前記線状ビームを前記ステージへと導くための第１のミラーと、
   前記第１のミラーで反射された線状ビームを集束するシリンドリカルレンズと、
   前記第１のミラーから前記ステージに至る光路上に配置され、前記線状ビームの中へ出し入れでき、前記線状ビームに沿って移動できる前記線状ビームの一部を反射するための第２のミラーと、
   前記第２のミラーの反射方向に設けられ、前記第２のミラーの移動と連動して移動する前記線状ビームのエネルギー及びエネルギー分布を測定するエネルギー測定装置とを有する半導体材料の結晶化、結晶性の向上、又は結晶性の回復などの半導体デバイスの作製に使用されるレーザー照射装置であって、
   前記シリンドリカルレンズにより集束された線状ビームが、最終的に前記ステージ上に配置された前記被照射物に照射され、
   前記ステージ上への被照射物に対して前記線状ビームを照射しないときに、前記第２のミラーが前記線状ビームの中でビームに沿って移動し、前記第２のミラーでの反射により前記線状ビームが前記エネルギー測定装置に導かれてエネルギー分布が測定され、
   かつ前記ステージ上の被照射物に対して前記線状ビームを照射している間に、前記第１のミラーから前記ステージに至る光路において、前記第２のミラーを前記線状ビームの端の中へ入れ、前記線状ビームの端が、前記第２のミラーで反射されて、前記エネルギー測定装置に導かれてエネルギーが測定されるようになっており、
   前記エキシマレーザー光の光路に対する前記減光フィルターの角度は、前記エネルギー測定装置の測定結果に基づいて連続的に変化させることができることを特徴とするレーザー照射装置。

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