JP2001345284A - レーザアニールin−situ膜質評価装置 - Google Patents

レーザアニールin−situ膜質評価装置

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JP2001345284A
JP2001345284A JP2000169047A JP2000169047A JP2001345284A JP 2001345284 A JP2001345284 A JP 2001345284A JP 2000169047 A JP2000169047 A JP 2000169047A JP 2000169047 A JP2000169047 A JP 2000169047A JP 2001345284 A JP2001345284 A JP 2001345284A
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Japan
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light
laser beam
thin film
pulsed laser
objective lens
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Hirokatsu Yamaguchi
裕功 山口
Kiyoshi Ogata
潔 尾形
Takuo Tamura
太久夫 田村
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】非晶質膜のレーザアニール過程における微小部
のラマンスペクトルを高感度に測定可能にする。 【解決手段】対物レンズに穴を穿ち、穴を通してエキシ
マレーザ光を膜に照射すると同時に、この対物レンズに
よりYAGレーザ光を試料に集光照射してラマン光を収
集する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】近年各種半導体素子におけ
る、結晶シリコン等の薄膜の形成プロセスとして、非晶
質薄膜にエキシマレーザ等を照射してアニールする方法
が多く用いられている。本プロセスにおいて作成された
膜の導電率等の特性を向上させるには、アニール条件を
最適に設定することが必要である。本発明はレーザアニ
ール時の膜の状態変化をin−situにモニタする手
段を提供するものであり、膜特性の向上に寄与するもの
である。
【0002】
【従来の技術】エキシマレーザによる半導体薄膜の結晶
化過程をモニタする手法として、A. Compaan "Time Res
olved Raman Studies of Laser−excited Semiconducto
rs" (NATO ASI Series, E, Applied Sciences, '83: N
o.6)に記載のものがある。
【0003】これはアニール用レーザ光としてYAGレ
ーザの2倍波(532nm)を用いている。このレーザ
光の照射から、ある遅延時間をおいて窒素レーザ励起の
色素レーザ光(405nm)を照射することでラマン光
を発生させている。このラマン光の強度を測定すること
で、アニール時の温度を求めるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記公知例では、アニ
ール用レーザ光の照射光学系、ラマン光測定用レーザ光
の照射光学系、及びラマン光の検出光学系は互いに試料
に対して異なる角度で配置されている。ところが、この
光学配置では各光学系の対物レンズの開口数を大きくで
きない。このため、ラマン光の検出効率が低下する問題
がある。S/Nの良い信号を得るためには、測定時間を
長くするか、ラマン光測定用レーザ光の強度を大きくす
れば良いが、前者は短時間に多くの試料を測定すること
ができず、後者はラマン光測定用レーザ光が試料に化学
的変化を与えるおそれがある。また、レーザ光のスポッ
ト径を小さくできないため、微小部における結晶化状態
を測定することもできない。
【0005】もし、上記3つの光学系で対物レンズを共
用すれば、開口数を大きくすることが可能である。とこ
ろが実際上アニール用レーザ光はエキシマレーザなどの
紫外光、ラマン光測定用レーザ光及びラマン光は可視光
のことが多い。この波長の違いにより、レンズ等光学部
品の透過率や焦点距離が大きく異なってしまい、光強度
や結像性能が低下する。
【0006】また他の問題として、一般にラマン光の測
定では、S/Nの良い信号を得るためにレーザ光を多く
の回数試料に照射して積算を行う必要がある。ところ
が、レーザ光照射毎に試料の状態は変化していくため、
例えば1回目のレーザ照射時の状態だけを捉えることが
できない。上記公知例ではこれの解決法については述べ
られていない。
【0007】本発明は、第1に、対物レンズの開口数を
大きくする手段を提供し、ラマン光の検出効率を向上さ
せ、レーザ光の強度を小さくしても短時間に測定を可能
にし、また微小部の測定も可能にするものである。
【0008】また第2に、レーザ光の1回1回の照射毎
の状態を分離して捉える手段を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記第1の課題を解決す
るため、本発明では、アニール用レーザ光の照射光学
系、ラマン光測定用レーザ光の照射光学系、及びラマン
光の収集光学系を同心円に配置したものとした。例とし
て、対物レンズに貫通穴を穿ち、紫外光は貫通穴を通し
て、可視光は対物レンズを通して照射する構成とするこ
とで解決可能である。他の手段としては、顕微鏡の暗視
野対物レンズを用いて、内側と外側のレンズ系を用いる
ことで可能である。また更に別の手段としては、紫外光
から可視光まで透過可能な対物レンズを用い、アニール
用レーザ光、ラマン光測定用レーザ光、及びラマン光の
光路中に補正光学系を設けて、おのおのの波長の違いに
よる焦点位置の違いを補正することでも解決可能であ
る。
【0010】また上記第2の課題を解決するため、本発
明では、ラマン光測定中に試料を移動するような構成と
した。ここでレーザ光のスポット系は移動のステップよ
り小さくした。
【0011】対物レンズに穴を開ける方式では、開口数
0.9程度の対物レンズに穴を開ければ良いので、十分
なラマン光検出効率を得ることができる。また、暗視野
対物レンズを用いる方式では、外側をアニール用レーザ
光、内側をラマン光測定用レーザ光に用いる。開口数
0.9程度の対物レンズを用いれば、十分なラマン光検
出効率を得ることができる。紫外光から可視光まで透過
可能な対物レンズを用いてもやはり開口数0.9程度と
して十分な感度を得ることができる。
【0012】また、レーザ光の照射毎に試料を移動し、
常に新鮮な個所をレーザ光照射位置に合わせることによ
り、1パルス目のレーザ光を照射したときの膜の状態だ
けを観測することができ、またこのデータを積算するこ
とで、十分なS/Nを得ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】(実施例1)以下本発明の実施の
形態を図1により説明する。1は基板、2は非晶質薄
膜、3は対物レンズ、4は貫通穴、5は穴明き鏡、6は
レンズ系、7はエキシマレーザ光、7aはエキシマレー
ザ光源、8はYAGレーザ光、8aはYAGレーザ光
源、9はレンズ系、10はラマン光、11は結像レン
ズ、12は分光光度計である。
【0014】エキシマレーザ光7は穴明き鏡5の穴と対
物レンズ3に開けた貫通穴4を通って非晶質薄膜2に照
射される。YAGレーザの532nmの光7はタイミン
グ信号発生器(図では省略)により、エキシマレーザ光
7より予め設定した時間だけ遅れて発振する。これは対
物レンズ3により薄膜2に照射され、ラマン光10が発
生する。これは分光光度計12に入射し、ラマンスペク
トルが得られる。以上のような構成によれば、対物レン
ズ3は開口数0.9程度の大きなものとすることがで
き、試料から出たラマン光の80%程度を分光光度計1
2に入射させることができる。また、エキシマレーザ光
7は対物レンズ3の光学的特性に影響されることがな
い。
【0015】対物レンズ3としては、たとえばレンズ玉
の径を30mm程度として製作する場合、貫通穴4の径
は1mm程度にすれば結像性能に影響を与えない。ま
た、開口数を0.9にすれば、YAGレーザ10のスポ
ット径を0.3μm程度まで絞ることができるので、エ
キシマレーザ光7の照射領域内のごく狭い領域を選択的
に測定することができる。またレンズ系9の構成を変え
ることにより、YAGレーザの試料上でのスポット径を
変えることが出来、測定領域が可変可能である。図2は
エキシマレーザ光7、YAGレーザ光8、及びラマン光
10のタイミングを示したものである。遅れ時間τを可
変にすることにより、エキシマレーザ7照射開始からの
いろいろな経過時間におけるラマンスペクトルを測定で
きる。非晶質薄膜2が非晶質シリコンの場合、ラマンピ
ークは480cm−1に現れるが、これが結晶化する
と、結晶化の状態にもよるが、505〜520cm−1
にピークが現れる。したがって、図2のタイミングでY
AGレーザ10を照射して発生したラマン光のスペクト
ルを測定することにより、エキシマレーザ7照射中の膜
の過渡状態を知ることができる。ストークス光とアンチ
ストークス光との比から温度を求めることや、ラマンシ
フトから応力を求めることもできる。
【0016】また、図2のレーザ光照射毎に基板1を移
動して膜2の新鮮な個所をエキシマレーザ7の照射位置
に移動すれば、エキシマレーザ7を1回照射した状態だ
けを観測することができる。貫通穴4の径が1mmであ
れば、移動ステップを1mm以上にすればよい。レーザ
光の発振周波数を20〜50Hzとし、YAGレーザ1
0の強度を1mJ/パルス程度として、数秒間の蓄積を
行えば、十分なS/Nの信号を得ることができる。
【0017】また図1のレンズ系6を半導体装置の生産
設備で用いられている光学系に置き換えることも可能で
ある。すなわち、半導体装置生産設備のエキシマレーザ
照射光学系の中に穴明き鏡5と対物レンズ3とを挿入
し、レーザアニール中の膜の状態をラマン分光により把
握することもできる。これにより、アニール工程の管理
を行うことが可能である。
【0018】(実施例2)図3に本発明の別の実施形態
を示す。3は対物レンズ、14は輪帯フィルタで、他の
記号は図1と同じである。図3では対物レンズ3として
顕微鏡用暗視野対物レンズを用いている。これは通常照
明光入射部に凹面鏡13を用いている。紫外線は通常鏡
により反射されるので、この照明光入射部をエキシマレ
ーザの照射光学系として用いることができる。また、内
側のレンズ系はYAGレーザの照射とラマン光の取出し
に用いる。暗視野対物レンズは100倍で0.9程度の
開口数をもつものが市販されている。そのため、ラマン
光の収集効率は従来の顕微ラマン分光光度計と同等であ
る。
【0019】以上により、ラマン光の検出効率を向上さ
せ、レーザ光の強度を小さくしても短時間に測定を可能
にすることができる。
【0020】(実施例3)図4に本発明の別の実施形態
を示す。3は対物レンズ、15は補正光学系レンズで、
他の記号は図1と同じである。図4では対物レンズ3と
して紫外線から可視光線まで透過可能なものを用いてい
る。対物レンズの色収差のため紫外線と可視光線とは異
なる位置に焦点を結ぶが、補正光学系レンズ15によ
り、対物レンズ3に入射するエキシマレーザ光7をある
程度発散する光とすることにより、エキシマレーザ光7
とYAGレーザ光8とを同じ位置に集光させることがで
きる。紫外線用の対物レンズ3としては開口数0.8程
度のものが市販されており、通常のラマン分光光度計と
同等のラマン光収集効率が得られる。
【0021】以上により、ラマン光の検出効率を向上さ
せ、レーザ光の強度を小さくしても短時間に測定を可能
にすることができる。
【0022】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、レーザ
アニール中の膜の状態をラマンスペクトルを用いて観測
するにあたり、高い検出効率でラマン光を測定でき、短
時間で測定が可能である。またレーザ光の1回1回の照
射毎の状態を分離して捉えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の装置構成図。
【図2】実施例1の測定タイミングの図。
【図3】実施例2の装置構成図。
【図4】実施例3の装置構成図。
【符号の説明】
1…基板、2…非晶質薄膜、3…対物レンズ、4…貫通
穴、5…穴明き鏡、6…レンズ系、7…エキシマレーザ
光、7a…エキシマレーザ光源、8…YAGレーザ光、
8a…YAGレーザ光源、9…レンズ系、10…ラマン
光、11…結像レンズ、12…分光光度計。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 太久夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Fターム(参考) 2G043 AA06 EA10 FA02 GA07 GB19 HA01 HA02 JA01 KA02 KA03 KA05 MA04 4M106 AA01 AB17 BA05 CB30 DH01 DH12 DH32 DH38 DH39 DH56

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料基板上の非晶質薄膜に第1のパルス
    レーザ光を照射して結晶化を行う照射手段と、該第1の
    パルスレーザ光照射からある定めた時間間隔をおいて第
    2のパルスレーザ光を該薄膜に照射し、生じた光を分光
    検出することにより膜質を評価するプローブ手段とを備
    える成膜装置において、該プローブ手段は、該第2のパ
    ルスレーザ光を薄膜の微小領域に集光させるものとして
    なり、該第1及び第2のパルスレーザ光のパルス毎に該
    薄膜へのレーザ光の照射位置を変える手段を備えること
    を特徴とする膜質評価装置。
  2. 【請求項2】 上記プローブ手段は貫通穴を穿った対物
    レンズを備え、該対物レンズは上記微小領域へ上記第2
    のパルスレーザ光を集光させ、かつ該微小領域から生じ
    た光を収集する手段として用いられ、該貫通穴は、上記
    第1のパルスレーザ光を該対物レンズを貫通させて上記
    薄膜に照射させる手段として用いられ、かつ該薄膜上に
    おける該第2のパルスレーザ光のスポット径は第1のパ
    ルスレーザ光のスポット径以下であるような光学配置と
    したことを特徴とする請求項1記載の膜質評価装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のプローブ手段は暗視野対
    物レンズを備え、上記第1のパルスレーザ光は暗視野照
    射部を通して上記薄膜に照射され、上記第2のパルスレ
    ーザ光の上記微小領域への照射と、上記微小領域から生
    じた光の収集とは該対物レンズ内側のレンズ系により行
    う構成とし、かつ該薄膜上における該第2のパルスレー
    ザ光のスポット径は第1のパルスレーザ光のスポット径
    以下であるような光学配置としたことを特徴とする膜質
    評価装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の照射手段及びプローブ手
    段は、紫外線を透過する顕微鏡対物レンズであり、上記
    第1及び第2のパルスレーザ光はともに該顕微鏡対物レ
    ンズにより上記薄膜に照射される構成とし、かつ色収差
    を補正する光学系を第1と第2のパルスレーザ光の光路
    上にそれぞれ設け、さらに該薄膜上における該第2のパ
    ルスレーザ光のスポット径は第1のパルスレーザ光のス
    ポット径以下であるような光学配置としたことを特徴と
    する膜質評価装置。
  5. 【請求項5】 上記各請求項記載の第1のパルスレーザ
    光は紫外線であることを特徴とする膜質評価装置。
  6. 【請求項6】 上記各請求項記載の第1のパルスレーザ
    光はエキシマレーザ光、第2のパルスレーザ光はYAG
    レーザ光であることを特徴とする膜質評価装置。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の照射位置を変える手段
    は、1パルスあたりの照射位置の変化が、該パルスレー
    ザ光のスポット径以上の距離であることを特徴とする膜
    質評価装置。
  8. 【請求項8】 請求項1記載の照射位置を変える手段
    は、上記試料基板を搭載した台を移動することによるも
    のであることを特徴とする膜質評価装置。
  9. 【請求項9】 試料基板上の非晶質シリコン薄膜に第1
    のパルスレーザ光を照射して結晶化を行う際、該第1の
    パルスレーザ光照射からある定めた時間間隔をおいて第
    2のパルスレーザ光を該薄膜に照射し、生じた光を分光
    検出することにより膜質を評価する膜質評価方法におい
    て、該第2のパルスレーザ光の上記薄膜への集光照射と
    生じた光の収集とは、請求項2ないし4記載のプローブ
    手段を用いて行い、かつ該第1及び第2のパルスレーザ
    光のパルス毎に該薄膜へのレーザ光の照射位置を変える
    ことを特徴とする、膜質評価方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006032937A (ja) * 2004-06-18 2006-02-02 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザ照射方法及びレーザ照射装置、並びに非単結晶を結晶化する方法及び半導体装置を作製する方法
JP2007027612A (ja) * 2005-07-21 2007-02-01 Sony Corp 照射装置および照射方法
JP2008263200A (ja) * 2007-04-11 2008-10-30 Wafermasters Inc in−Situ、ex−Situ、及びインラインでのプロセスのモニタリング、最適化、及び製造方法
JP2011083779A (ja) * 2009-10-13 2011-04-28 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及び判定方法

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