JP2005136365A

JP2005136365A - レーザ照射装置及びレーザ照射方法

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Publication number: JP2005136365A
Application number: JP2003424979A
Authority: JP
Inventors: Shiro Hamada; 史郎浜田; Tomoyuki Yamaguchi; 友之山口; Sachi Hachiwaka; 佐知八若
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】レーザ光源に干渉性の高いレーザを用いても、光強度分布の均一化が良好に行われるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ照射装置は、第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、第１及び第２のレーザ光源から出射した第１及び第２のレーザビームが入射するように配置された回折光学素子であって、回折光学素子に入射するレーザビームの断面形状と、回折光学素子から出射したレーザビームの回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせるビーム断面の整形、及び、回折光学素子から出射したレーザビームの回折光学素子の焦点面上でのビーム断面内の光強度分布を、回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づけるビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う回折光学素子とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関し、特に、複数のレーザ光源から出射されたレーザビームを、レーザ被照射物に照射するレーザ照射装置及びレーザ照射方法に関する。

レーザビームは、様々な加工に用いられている。ビーム被照射領域内の加工の均質化を図るために、レーザビームのビーム断面内の光強度分布を均一化することが行われている。

光強度分布の均一化のために、例えば、ビームホモジナイザが用いられる。入射したレーザビームを、アレイレンズによりビーム断面内で複数のビームに分割し、分割された各ビームを、フォーカスレンズで拡大して互いに重ね合わせることにより、ホモジナイズ面におけるビームの断面内の光強度分布を均一化するビームホモジナイザが知られている。例えば、特許文献１に開示されたレーザ照射装置では、エキシマレーザ光源の出射するパルスレーザビームの光強度分布を均一化するために、ビームホモジナイザが用いられている。

特許文献２には、光強度分布を均一化する他の装置として、回折光学素子（DOE、DiffractiveOptical Element）を含むレーザ照射装置が記載されている。このレーザ照射装置
では、以下のようにして、光強度分布の均一化を行っている。回折光学素子により、入射したビームを複数のビームに分岐させ、分岐した各ビームを、集光レンズで集光する。回折光学素子で分岐された各ビームのビームスポットは、集光レンズの焦点面上では離散的に配置される。集光レンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面が設置される。デフォーカス面において、回折光学素子で分岐された各ビームが互いに重なり合うことにより、デフォーカス面における光強度分布の均一化が図られる。

特開平９−３６０６０号公報特開２００３−１１４４００号公報

アレイレンズを用いたビームホモジナイザは、干渉性が高いレーザビーム（例えば、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ光源の発するレーザビーム）に対しては、良好に機能しない。ビームホモジナイザに入射して、ビーム断面内で分割されたビーム同士が、互いに干渉することに起因して、ホモジナイズ面上のビーム断面内で、光強度分布の強弱のパタンが出来てしまう。干渉性が高いレーザビームであっても、良好に光強度分布の均一化ができるレーザ照射技術が望まれる。

本発明の一目的は、レーザ光源に干渉性の高いレーザを用いても、光強度分布の均一化が良好に行われるレーザ照射装置及びそれを用いたレーザ照射方法を提供することである。

本発明の他の目的は、新規な構成によりビーム断面内の光強度分布の均一化を行うことができるレーザ照射装置及びそれを用いたレーザ照射方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、前記第１及び第２のレーザ光源から出射した第１及び第２のレーザビームが入射するように配置された回折光学素子であって、該回折光学素子に入射するレーザビームの断面形状と、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせるビーム断面の整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づけるビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子とを有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の他の観点によれば、１つの回折光学素子であって、それに入射するレーザビームの断面形状と、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせるビーム断面の整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づけるビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射されたレーザビームを入射させて、レーザビームの断面の整形及びビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行うレーザ照射方法が提供される。

回折光学素子は、第１及び第２のレーザ光源から出射した第１及び第２のレーザビームがともに入射するように配置される。第１及び第２のレーザビームを回折光学素子へ同時に入射させたとき、第１及び第２のレーザビームの双方に対して、断面の整形及び断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行って、レーザ被照射物に照射することができる。回折光学素子が光強度分布の均一化を行うとき、レーザ光源の干渉性が高くても、光強度分布の均一化が良好に行われる。

図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。レーザ光源１ａが、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１ａとして、第２高調波の発生ユニットを含む、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザを用いることができる。レーザビームの波長は、ＹＡＧレーザ及びＹＶＯ_４レーザの第２高調波の波長が５３２ｎｍであり、ＹＬＦレーザの第２高調波の波長が５２７ｎｍである。なお、このような固体レーザは、エキシマレーザ等のガスレーザに比べて、干渉性が高い。制御装置１０が、レーザ光源１ａがパルスレーザビームを出射するタイミングを制御する。

レーザ光源１ａを出射したレーザビームは、半波長板２で偏光面を回転され、偏光ビームスプリッタ４に対するＳ波にされる。半波長板２を出射したレーザビームは、折り返しミラー３で反射されて、偏光ビームスプリッタ４に入射する。

レーザ光源１ｂが、偏光ビームスプリッタ４に対してＰ波である連続波レーザビームを出射する。レーザ光源１ｂとして、レーザ光源１ａと同様に、第２高調波の発生ユニットを含む、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ等の固体レーザを用いることができる。

レーザ光源１ｂを出射したレーザビームは、レーザ光源１ｂと偏光ビームスプリッタ４との間の光路上に配置されたシャッタ５に入射する。シャッタ５は、レーザ光源１ｂを出射したレーザビームが、偏光ビームスプリッタ４に入射する状態と、入射しない状態とを切り換える。シャッタ５を用いることにより、レーザ光源１ｂから出射した連続波レーザビームを、所望のタイミングで所望の長さ（照射時間）だけ切り出して、偏光ビームスプリッタ４に入射させることができる。制御装置１０が、シャッタ５を制御する。後に図２を参照して、シャッタ５のいくつかの構成例について説明する。

偏光ビームスプリッタ４は、入射したＳ波を反射させ、入射したＰ波を透過させる面４ａを有する。レーザ光源１ａを出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４の面４ａの表側に、入射角４５度で入射し、面４ａで反射されて、偏光ビームスプリッタ４を出射する。レーザ光源１ｂを出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４の面４ａの裏側に、入射角４５度で入射し、面４ａをそのまま透過して、偏光ビームスプリッタ４を出射する。

レーザ光源１ａを出射して偏光ビームスプリッタ４の面４ａに入射するレーザビームの光軸と、レーザ光源１ｂを出射して偏光ビームスプリッタ４の面４ａに入射するレーザビームの光軸とが、面４ａ上で交差するように、両レーザビームと偏光ビームスプリッタ４との相対位置を調節されている。これにより、偏光ビームスプリッタ４を出射した両レーザビームが、同一光軸上に重畳される。

偏光ビームスプリッタ４を出射したレーザビームは、回折光学素子６に入射する。回折光学素子は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）とも呼ばれる。回折光学素子６及
びその焦点面７については、後に図３（Ｂ)を参照して説明する。

回折光学素子６を出射したレーザビームは、回折光学素子６の焦点面７に配置されたレーザ被照射物である半導体基板８の表面に入射する。半導体基板８は、ステージ９に保持されている。ステージ９が、半導体基板８を、半導体基板８の表面に平行な面内で移動させることにより、ビーム入射位置を半導体基板８の表面内で移動させることができる。制御装置１０がステージ９を制御する。

図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、シャッタ５の構成例を示す。図２（Ａ）に示すシャッタ５は、ポッケルス効果を示す電気光学素子５ａ、偏光ビームスプリッタ５ｂ、及び、ダンパ５ｃを含んで構成される。

レーザ光源１ｂから、偏光ビームスプリッタ５ｂに対してＰ波であるレーザビームが出射され、電気光学素子５ａに入射する。制御装置１０から送出される制御信号に基づいて、電気光学素子５ａに電圧が印加されると、電気光学素子５ａに入射したレーザビームは、偏光面が回転され、偏光ビームスプリッタ５ｂに対するＳ波となって、電気光学素子５ａから出射する。一方、電気光学素子５ａに電圧が印加されていない時、電気光学素子５ａに入射したレーザビームは、電気光学素子５ａからＰ波のまま出射する。

偏光ビームスプリッタ５ｂは、Ｐ波を透過させ、Ｓ波を反射する。偏光ビームスプリッタ５ｂを透過したＰ波のレーザビームＢＭは、図１の偏光ビームスプリッタ４に入射した後、半導体基板８に照射される。一方、偏光ビームスプリッタ５ｂで反射されたＳ波は、レーザビームを吸収し、光路の終端となるダンパ５ｃに入射する。このようにして、図２（Ａ）に示すシャッタ５が、シャッタとして機能する。

なお、電気光学素子５ａの応答時間は５ｎｓ程度なので、例えばステージ速度が１ｍ／ｓと高速であっても、応答時間５ｎｓの間にステージが移動する距離は高々５ｎｍ程度である。

図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すシャッタ５は、音響光学素子５ｄ及びダンパ５ｅを含んで構成される。レーザ光源１ｂから出射したレーザビームが、音響光学素子５ｄに入射する。音響光学素子５ｄは、制御装置１０から入力される制御信号に基づき、音響光学素子５ｄに入射したレーザビームを偏向させることができる。制御信号を変化させることにより、レーザビームの偏向角度を変化させることができる。制御信号の入力がないとき（ゼロのとき）、音響光学素子５ｄに入射したレーザビームは、偏向されずにそのまま直進する。

図２（Ｂ）に示すシャッタ５では、音響光学素子５ｄに制御信号が入力されないときに、光軸Ｉ１に沿って伝搬するレーザビームＢＭを、図１の偏光ビームスプリッタ４に入射させる。一方、音響光学素子５ｄに制御信号が入力されたときに、光軸Ｉ２に沿って伝搬するレーザビームを、ダンパ５ｅに入射させる。

図２（Ｃ）に示すシャッタ５では、音響光学素子５ｄにある水準の制御信号が入力されたときに、光軸Ｉ１に沿って伝搬するレーザビームＢＭを、図１の偏光ビームスプリッタ４に入射させる。一方、音響光学素子５ｄに他の水準の制御信号が入力されたときに、光軸Ｉ２に沿って伝搬するレーザビームを、ダンパ５ｅに入射させる。このようにして、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すシャッタ５が、シャッタとして機能する。

図２（Ｄ）に示すシャッタ５は、ミラー５ｆ、モータ５ｇ、及び、ダンパ５ｈを含んで構成される。ミラー５ｆは、レーザ光源１ｂから出射したレーザビームの光軸と捩れの位置の関係にある軸の回りに揺動することができる。ミラー５ｆの姿勢を変化させることにより、レーザ光源１ｂから出射したレーザビームが、そのまま直進する状態と、ミラー５ｆに反射される状態とを切り換えることができる。モータ５ｇが、制御装置１０から送出される制御信号に基づいて、ミラー５ｆの姿勢を制御する。

レーザ光源１ｂから出射し、直進したレーザビームＢＭは、図１の偏光ビームスプリッタ４に入射した後、半導体基板８に照射される。一方、ミラー５ｆに反射されたレーザビームは、ダンパ５ｈに入射する。このようにして、図２（Ｄ）に示すシャッタ５が、シャッタとして機能する。

次に、図３（Ａ)を参照して、レーザ被照射物である半導体基板８について説明する。
半導体基板８は、表層８ａに不純物が添加された半導体基板であり、例えばシリコンからなる基板である。表層８ａのうち、基板表面から例えば０．３μｍ〜０．５μｍ程度の深さまでの表層８ｂに、例えばホウ素が添加されている。表層８ｂより深い表層８ｃに、例えばリンが添加されている。半導体基板８の表層８ａが加熱されることにより、添加された不純物が活性化されている。

このような半導体基板８は、例えばパワートランジスタの作製に用いられる。不純物の活性化率を高めることにより、パワートランジスタのスイッチング特性が改善される。

図１に示したレーザ照射装置を用いて、このような半導体基板８にレーザを照射することにより、半導体基板８の表層８ａに添加された不純物の活性化を行うことができる。後に図５を参照して説明するように、レーザ光源１ａの出射するパルスレーザビームと、レーザ光源１ｂの出射する連続波レーザビームとを組み合わせて照射することにより、不純物の活性化が良好に行われる。

次に、図３（Ｂ）を参照して、回折光学素子６について説明する。図３（Ｂ）は、回折光学素子６へ入射して、出射するレーザビームの伝搬の様子を概略的に示す。ＸＹＺ直交座標系を考える。Ｚ軸正方向へ進行するレーザビームが、回折光学素子６へ入射する。回折光学素子６のビーム入射面は、ＸＹ面に平行であり、レーザビームはこの面に垂直に入射する。回折光学素子６へ入射するレーザビームのビーム断面形状は、例えば円形であり、ビーム断面内の光強度は、例えば円の中心で最も強く、中心から離れるにしたがって弱くなり、ガウス分布で近似される。レーザビームが入射する回折光学素子６の表面に、微細な凹凸からなるパタンが形成されている。回折光学素子６に入射したレーザビームは、各入射点で、この微細な凹凸により回折される。

図には、回折光学素子６上の点６ａ〜６ｄでそれぞれ回折されたレーザビームが伝搬する様子を概略的に示す。回折光学素子６の表面上に所定のパタンの凹凸を形成しておくことにより、これらのレーザビームが、Ｘ軸方向については拡がらず、Ｙ軸方向については拡がりながら、Ｚ軸正方向に伝搬し、回折光学素子６の焦点面７上の一方向（図ではＹ軸方向）に細長い光照射領域７ａにおいて重なるようにできる。また、他の入射点で回折されたレーザビームも、光照射領域７ａにおいて重なるようにできる。そして、光照射領域７ａの内部が、光照射領域７ａの長尺方向についてほぼ均一な光強度で照射されるようにできる。

このように、回折光学素子６を用いて、回折光学素子６に入射するレーザビームの断面形状と、回折光学素子６から出射したレーザビームの焦点面７上での断面形状とを異ならせるような、ビーム断面の整形ができる。また、回折光学素子６を用いて、回折光学素子６から出射したレーザビームの焦点面７上でのビーム断面の内部の光強度分布が、回折光学素子６に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布よりも均一な分布に近づくような、光強度分布の均一化を行うことができる。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、回折光学素子によるビーム断面形状の整形とは、回折光学素子に入射するレーザビームの断面形状と、回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせることをいう。

また、本願の明細書及び特許請求の範囲において、回折光学素子によるビーム断面内の光強度の均一化とは、回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上でのビーム断面の内部の光強度分布を、回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布よりも均一な分布に近づけることをいう。

なお、回折光学素子６から出射したレーザビームが入射するような、フォーカスレンズ６ｅを配置すれば、ビーム断面の整形及び光強度分布の均一化が行われる面を、図に示す焦点面７よりも、回折光学素子６に近づけることができる。これにより、装置の小型化が図れる。

さて、上記で説明したように回折光学素子６で断面を長尺化したレーザビームを、半導体基板８の表面に照射して、不純物活性化を行うことを考える。後に図５を参照して説明するように、不純物活性化は、パルスレーザを照射することで行われる。

ステージ９を動作させて半導体基板８をビーム断面の長尺方向と直交する方向（図３（Ｂ）では、Ｘ軸方向）に移動させながら、半導体基板８へのパルスレーザ照射を繰り返すことにより、基板表面でレーザビームが走査され、ビーム断面の長尺方向の長さを幅とする基板表面の帯状の領域に、ビーム照射を行うことができる。ビームの長尺方向の光強度分布が均一化されていることにより、上記の帯状の領域の幅方向について、活性化率のばらつきが抑制される。なお、上記の帯状の領域の長さ方向に関しては、互いに隣接して照射されるパルスのビーム断面の短尺方向の重なりを調節すること等により、ある程度活性化率の均一化を図ることができる。

被加工領域の一端から他端に亘る一本の帯状の領域へのビーム照射が終了したら、半導体基板８をＹ軸方向に移動させて、再び上記のようなビーム走査を行い、ビーム照射が終了した領域と接する帯状の領域にビーム照射を行う。このような工程を繰り返して、基板表面の所望の領域全体にビーム照射を行う。

このような加工をしたとき、基板の位置合わせ誤差等に起因して、互いに隣接する帯状の領域が接しないで、間隙を隔てたり、重なったりする不具合が生じ得る。つまり、帯状の領域同士の境界と、それ以外の領域とで、照射されたビーム強度が異なる斑が生じ得る。

ビームの走査方向と直交する方向に長尺化したビームを用いると、帯状の領域の幅を長くできるので、同方向に長尺化しなかったビームで上記と同様な加工を行う場合に比べて、帯状の領域同士の境界の数を減らすことができる。したがって、上記のような斑の発生を抑制できる。

なお、ビーム断面の端部が、スクライブライン上に位置するように位置決めし、スクライブラインに平行に走査してもよい。このような加工においては、不純物活性化をしたい領域に、ビーム断面の端部が照射されない。このため、ビーム断面の端部に起因する活性化率の不均一さの発生を防止することができる。

基板上に照射されるビームの断面の長尺方向の長さは、帯状領域の必要とされる幅によって決まる。短尺方向の長さ（ビーム断面の幅）は、好ましいパルスエネルギ密度、レーザ光源の出力等によって決定される。一般的に、被加工面上のビーム断面形状の短尺方向の長さと長尺方向の長さとの比は、１対１００以上とすることが好ましい。なお、現在の技術では、回折光学素子６により、短尺方向の長さと長尺方向の長さとの比が、１対１０００程度までの長尺ビームを作ることができる。

上記で説明したように、回折光学素子６によるビームの長尺化と、ビーム断面内の長尺方向についての光強度分布の均一化により、被加工面内での加工品質の均質化が図られる。

なお、回折光学素子６の焦点面７上のビームの断面内における光強度を、完全に一様とすることは困難である。ビーム断面内の光強度分布は、概ね、以下のような特徴を有する。ビーム断面内の光強度は、ビーム断面の縁で高く、縁からビーム断面の内部に向かって低下する。縁を除くビーム断面の内部では、光強度がほぼ均一となる。

よって、ビーム断面の長尺方向の光強度分布は、ビーム断面の両端を除く内部においては均一性が高く、ビーム断面の両端近傍においては（内部の光強度分布に比べて）均一性が低い。短尺方向の光強度分布も、同様な特徴を有する。

例えば、微小な領域の加工を行うために、ビーム断面の短尺方向の長さ（ビーム断面の幅）が非常に短く、かつ、断面内の短尺方向の光強度分布の均一性が高い長尺ビームを、基板に照射したいことがある。ビーム断面の幅が非常に短い（数μｍ以下の）長尺ビームを、回折光学素子で作ると、短尺方向の両端同士が近づくため、短尺方向の光強度分布の均一性を高くすることが困難である。以下に説明するようにすれば、ビーム断面の幅が短くても、断面内の幅内の光強度分布の均一性が高いビームを、基板に照射することができる。

ここで、回折光学素子６の焦点面７におけるビーム断面の幅が、ビーム断面の幅内に、光強度分布がほぼ均一な領域が存在する程度に長いとする。

図３（Ｂ）に示すように、半導体基板８の被加工面に近接するように（つまり、回折光学素子６の焦点面７に近接するように）、マスク２０を配置する。被加工面（あるいは焦点面７）からマスク２０までの距離を、１ｍｍ以内とすることが好ましい。

回折光学素子６から出射したレーザビームが、マスク２０に入射する。マスク２０に、遮光領域と光透過領域とが形成されている。マスク２０の光透過領域に入射したビームのみが、半導体基板８の表面に照射される。マスク２０が被加工面に近接しているため、被加工面において、マスク２０の光透過領域と合同な領域の内部にレーザビームを照射することが可能である。マスク２０の光透過領域の形は、短尺方向の長さと長尺方向の長さとの比が１対１００以上の長尺形状である。光透過領域の短尺方向の長さを短くすれば、被加工面に照射されるビームの断面の幅が短くなる。

回折光学素子６の焦点面７上のビーム断面内の短尺方向について光強度分布の均一性が高い領域を照射する光が、マスク２０の光透過領域を透過するように、マスク２０が配置される。ビーム断面内の短尺方向の両端の強度が高い部分は、マスク２０の遮光領域で遮光される。このようにすれば、ビーム断面の短尺方向の長さが短くても、断面内の短尺方向の光強度分布の均一性が高いビームを、被加工面に照射できる。

なお、図３（Ｃ）に示すように、回折光学素子６の焦点面７上に、マスク２０を配置することもできる。マスク２０の光透過領域を透過したレーザビームが、レンズ２１で収束され、半導体基板８に入射する。

レンズ２１として、例えば、球面レンズが用いられる。マスク２０からレンズ２１までの光路長、及び、レンズ２１から半導体基板８の表面までの光路長を、マスク２０の光透過領域が、半導体基板８の表面に結像するように調節する。これにより、被加工面において、マスク２０の光透過領域と相似の形状の領域が、レーザビームに照射される。光透過領域の結像の縮小率（あるいは拡大率）を調節することにより、基板表面に照射されるビームのパワー密度が調節される。

ところで、回折光学素子は、１台のレーザ光源から出射するレーザビームを入射させて用いるように設計されている。よって、１つの回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射したレーザビームを同時に入射させて利用することは想定されておらず、このような利用が可能であるかどうかは知られていなかった。

光の屈折や反射を用いたレンズやミラー等の光学系であれば、入射光に対する出射光の挙動を、比較的容易に理解することが可能である。しかし、回折光学素子は、光の回折を利用した光学素子であり、入射光に対する出射光の挙動を理解することは容易ではない。

１つの回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射したレーザビームを同時に入射させるような想定外の使い方をすれば、両レーザビームが互いに想定外の干渉を起こし、回折光学素子が所望の機能を果たさないことが考えられる。そこで、本願発明者らは、以下に説明するような実験を行った。

本実験では、回折光学素子に、連続波レーザビームのみ、パルスレーザビームのみ、連続波レーザビーム及びパルスレーザビームを入射させる実験を行った。レーザ光源として第２高調波を発するＹＡＧレーザを用いた。

以下、図４を参照して、実験結果について説明する。図４（Ａ）は、回折光学素子に連続波レーザビームのみを入射させた場合の結果を示し、図４（Ｂ）は、回折光学素子にパルスレーザビームのみを入射させた場合の結果を示し、図４（Ｃ）は、回折光学素子に連続波レーザビームとパルスレーザビームとを同時に入射させた場合の結果を示す。矩形状の細長い外形を有する光照射領域７ａＡ、７ａＢ及び７ａＣが、回折光学素子の焦点面上のレーザビームが照射された領域である。

なお、この実験においては、回折光学素子とその焦点面との間にマスクを配置し、ビーム断面の短尺方向の両端の光を、マスクによりカットしている。そのため、光照射領域７ａＡ、７ａＢ及び７ａＣの形状は、回折光学素子から出射したビームの断面形状よりも、やや細くされている。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）にはそれぞれ、光照射領域７ａＡ、７ａＢ及び７ａＣの内部の長尺方向及び短尺方向の光強度分布も併せて示す。光照射領域７ａＡ内の長尺方向については、両端で強度が高く、両端から光照射領域７ａＡの内部に向かうにつれ強度がやや低下している。光照射領域７ａＡの両端近傍を除いた内部では強度がほぼ一定である。このような特徴は、光照射領域７ａＢ及び７ａＣの長尺方向の光強度分布についても同様である。

光照射領域７ａＡ内の短尺方向の強度分布は、両端から立ち上がり、光照射領域７ａＡの両端近傍を除いた内部ではほぼ一定となる形状である。このような特徴は、光照射領域７ａＢ及び７ａＣの短尺方向の光強度分布についても同様である。

なお、マスクを用いない場合、回折光学素子の焦点面におけるビーム断面内において、短尺方向の両端の光強度は、長尺方向の両端の光強度と同様に高い。上記の実験では、短尺方向の両端の強度の高い部分をマスクでカットしている。これにより、短尺方向の強度分布が、上記で説明したような形状となっている。

なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すグラフの強度のスケールは、一致していない。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）すべてにおいて、強度の水準が同程度であるかのように図示されているが、そうではない。連続波レーザとパルスレーザとを同時に入射させた図４（Ｃ）の場合の強度は、概ね、連続波レーザのみを入射させた図４（Ａ）の場合の強度と、パルスレーザのみを入射させた図４（Ｂ）の場合の和に等しかった。

なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の、短尺方向の強度分布を示すグラフにおいて、光照射領域の外側に、強度がゼロでない領域が示されているが、この領域の光照射は、マスクのエッジで散乱した光に起因するものと考えられる。例えば、エッジをシャープにすることにより、この光照射は抑制される。

以上説明したように、回折光学素子に、連続波レーザビームのみを入射させた場合と、パルスレーザビームのみを入射させた場合と、連続波レーザビーム及びパルスレーザビームを入射させた場合とで、同様の結果が得られた。つまり、連続波レーザビーム及びパルスレーザビームを同時に入射させた場合でも、回折光学素子により、ビーム断面の整形及びビーム断面内の光強度分布の均一化が行われることが確かめられた。

２台のレーザ光源がそれぞれ、連続波レーザビームとパルスレーザビームとを出射する場合について実験を行ったが、２台のレーザ光源がともにパルスレーザビームであっても、回折光学素子は所望の機能を果たすであろう。また、２台以上のレーザ光源から出射するレーザビームを同時に入射させた場合でも、回折光学素子は所望の機能を果たすであろう。

なお、図１に示したレーザ照射装置において、レーザ光源１ａ及び１ｂから出射したレーザビームを、偏光ビームスプリッタ４を用いて同一光軸上に重畳し、一本のビームにまとめた。これにより、ビーム断面が互いに離れた２本のレーザビームを回折光学素子６に入射させるよりも、回折光学素子６に入射するビームの断面積を小さくできる。よって、回折光学素子６が小さいもので済む。

図１に示したレーザ照射装置において、レーザ光源１ａを出射して偏光ビームスプリッタ４の面４ａに入射するレーザビームの光軸と、レーザ光源１ｂを出射して偏光ビームスプリッタ４の面４ａに入射するレーザビームの光軸とが、面４ａ上で交差しないようにすれば、両レーザビームの光軸は一致せず、平行となる。このとき、両ビームの光軸の間隔を調節して、両ビームのビーム断面が重なるようにできる。このようにしても、ビーム断面が互いに離れた２本のレーザビームを回折光学素子６に入射させるよりも、回折光学素子６に入射するビームの断面積を小さくできる。

次に図５を参照して、本発明の第１の実施例による不純物活性化方法について説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、半導体基板８にレーザビームを照射するタイミングを示すグラフである。各グラフの縦軸はレーザビームの強度を示し、横軸は時間を示す。

図５（Ａ）に、比較例として、図１のレーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームＬａのみを、半導体基板８に照射する場合を示す。パルスレーザビームＬａのパルス幅ｗａは、例えば１００ｎｓである。このパルスの照射により、半導体基板８の表層が加熱されて、不純物の活性化が起こる。しかし、パルスレーザビームＬａは、ピーク強度は比較的高いものの、パルス幅が１００ｎｓ程度と短い。このため、パルスレーザビームＬａの照射による基板の加熱で活性化できるのは、基板表面から０．５μｍ程度の深さまでに存在する不純物のみである。以下、図３（Ａ)の表層８ｂの厚さが０．５μｍとして説明を
続ける。パルスレーザビームＬａでは、表層８ｂに存在するホウ素を効率的に活性化することができるが、深い表層８ｃに存在するリンの活性化率を高めることができない。

図５（Ｂ）は、レーザ光源１ａから出射したパルスレーザビームＬａの照射に加え、図１のレーザ光源１ｂから出射したレーザビームＬｂの照射も行う場合を示す。レーザビームＬｂの照射時間ｗｂは、シャッタ５を用いて変化させることができる。照射時間ｗｂは、３００ｎｓ〜数μｓ程度である。この実施例では、パルスレーザビームＬａの照射時間中に、レーザビームＬｂの照射が開始されている。

図５（Ａ）を参照して説明したように、パルスレーザビームＬａが照射されると、基板表面が加熱され、表層８ｂの不純物の活性化が開始する。図５（Ｂ）に示すように、パルスレーザビームＬａの照射に加えてレーザビームＬｂの照射を行うことにより、パルスレーザビームＬａの照射で上昇した基板表面の温度が、パルスレーザビームＬａの照射終了後も高い状態に維持される。これにより、活性化の反応が深い位置まで及び、表層８ｃに存在する不純物の活性化率を高めることができる。なお、レーザビームＬｂのみを基板表面に照射する場合は、レーザビームＬｂのピーク強度が比較的小さいため（例えば１０Ｗ程度）、不純物の活性化がほとんど起こらない。

図５（Ｂ）に示した例では、パルスレーザビームＬａの照射時間中に、レーザビームＬｂの照射を開始したが、レーザビームＬｂの照射開始タイミングはこれより遅くすることができる。パルスレーザビームＬａにより上昇した基板表面の温度が高い状態であるうちに、レーザビームＬｂの照射を開始すればよい。時間的な目安としては、パルスレーザビームＬａの照射終了時刻から、３００ｎｓ以内に、レーザビームＬｂの照射を開始すればよい。

基板表面から０．５μｍより深い位置に存在する不純物まで活性化するため、パルスレーザビームＬａの照射開始時刻からレーザビームＬｂの照射終了時刻までの間に基板表面へレーザが照射される時間の総和を、３００ｎｓ以上とすることが好ましい。

図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）を参照して説明した方法の変形例を示す。この例では、連続波レーザビームから切り出したレーザビームＬｂを照射しながら、パルスレーザビームＬａを照射する。パルスレーザビームＬａの照射後も、レーザビームＬｂが照射され続けることにより、パルスレーザビームＬａにより上昇した基板表面の温度が高い状態に維持される。この方法でも、１ショットのパルスレーザビームＬａのみでは効率的に活性化できないような深い位置に存在する不純物の活性化率を高めることができる。

なお、パルスレーザビームＬａの照射の前に、レーザビームＬｂを照射することにより、基板に予熱が与えられる。この予熱が、パルスＬａの照射時の不純物活性化を促進する効果も期待できる。

なお、基板表面から浅い位置に存在する不純物のみを活性化したい場合は、図５（Ａ）に示すように、パルスＬａの照射のみを行えばよい。

次に図６を参照して、第１の実施例の変形例によるレーザ照射装置について説明する。図６に示すレーザ照射装置は、図１に示したレーザ照射装置から偏光ビームスプリッタ４を除き、ミラー１１及びダンパ１２を追加した構成である。ミラー１１は、表側及び裏側がともに鏡面である。以下主に、図１のレーザ照射装置と異なる点について説明する。

レーザ光源１ａから出射し、折り返しミラー３で反射されたレーザビームの光軸と、レーザ光源１ｂから出射したレーザビームの光軸とが、直角を成して交わっている。ミラー１１の縁近傍が、両レーザビームが交わる領域に存在するように、ミラー１１が配置されている。

ミラー１１の表側の鏡面の縁近傍の領域に、レーザ光源１ａから出射し、折り返しミラー３で反射されたレーザビームの一部が、入射角４５度で入射する。レーザ光源１ａから出射したレーザビームのうち、ミラー１１で反射されたビームＬ１は、回折光学素子６に入射し、ミラー１１で反射されなかったビームは、ダンパ１２に入射する。

ミラー１１の裏側の鏡面の縁近傍の領域に、レーザ光源１ｂから出射したレーザビームの一部が、入射角４５度で入射する。レーザ光源１ｂから出射したレーザビームのうち、ミラー１１で反射されなかったビームＬ２は、そのまま直進して回折光学素子６に入射し、ミラー１１で反射されたビームは、ダンパ１２に入射する。回折光学素子６に入射するレーザビームＬ１及びＬ２の光軸は、互いに平行である。また、レーザビームＬ１及びＬ２のビーム断面は、互いに接している。

図１のレーザ照射装置では、偏光ビームスプリッタ４を用いて、２台のレーザ光源１ａ及び１ｂから出射したレーザビームを、１本にまとめたが、図６のレーザ照射装置のように、ミラー１１を用いて、両レーザビームを１本にまとめることもできる。

次に図７（Ａ）を参照して、本発明の第２の実施例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源１ｃ、半波長板２ｃ、折り返しミラー３ｃ、及び、偏光ビームスプリッタ４ｂは、図１に示したレーザ照射装置のレーザ光源１ａ、半波長板２、折り返しミラー３、及び、偏光ビームスプリッタ４と同様の構成である。レーザ光源１ｃから出射したパルスレーザビームが、半波長板２ｃで偏光ビームスプリッタ４ｂに対するＳ波とされ、折り返しミラー３ｃで反射されて、偏光ビームスプリッタ４ｂに入射する。

レーザ光源１ｄは、偏光ビームスプリッタ４ｂに対してＰ波であるパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１ｄとして、レーザ光源１ｃと同様に、固体レーザを用いることができる。レーザ光源１ｄから出射したパルスレーザビームが、偏光ビームスプリッタ４ｂに入射する。制御装置１０ａが、レーザ光源１ｃ及び１ｄがパルスを出射するタイミングを制御する。

図１に示したレーザ照射装置で説明したのと同様にして、レーザ光源１ｃ及び１ｄから出射したレーザビームが、偏光ビームスプリッタ４ｂにより同一光軸上に重畳される。偏光ビームスプリッタ４ｂを出射したレーザビームＬ３が、デエキスパンダ１３に入射する。

レーザ光源１ｅ、半波長板２ｅ、折り返しミラー３ｅ、レーザ光源１ｆ、及び、偏光ビームスプリッタ４ｃは、それぞれ、図１のレーザ光源１ｃ、半波長板２ｃ、折り返しミラー３ｃ、レーザ光源１ｄ、及び、偏光ビームスプリッタ４ｂと同様の構成である。制御装置１０ａが、レーザ光源１ｅ及び１ｆがパルスを出射するタイミングを制御する。

レーザ光源１ｅから出射したパルスレーザビームと、レーザ光源１ｆから出射したパルスレーザビームとが、偏光ビームスプリッタ４ｃにより、同一光軸上に重畳される。偏光ビームスプリッタ４ｃを出射して、折り返しミラー１１ａで反射されたレーザビームＬ４が、デエキスパンダ１３に入射する。

折り返しミラー１１ａにより、レーザビームＬ４の光軸は、レーザビームＬ３の光軸と平行にされる。また、レーザビームＬ４のビーム断面と、レーザビームＬ３のビーム断面とが近接するように、折り返しミラー１１ａが配置されている。

デエキスパンダ１３が、入射したレーザビームＬ３及びＬ４のビーム断面を縮小する。デエキスパンダ１３を出射したレーザビームＬ３及びＬ４のビーム断面の間隔は、デエキスパンダ１３に入射する前と比べて狭くされる。

デエキスパンダ１３を出射したレーザビームＬ３及びＬ４は、回折光学素子６に入射し、ビーム断面を長尺化されるとともに、ビーム断面内の光強度を均一化される。レーザビームＬ３とＬ４とは、回折光学素子６の表面上の異なる位置に入射するが、焦点面７上（半導体基板８の表面上）の光照射領域は、両レーザビームで一致する。

次に、図７（Ｂ）を参照して、図７（Ａ）に示すレーザ照射装置を用いた、第２の実施例による不純物活性化方法について説明する。図７（Ｂ）は、半導体基板８にレーザビームを照射するタイミングを示すグラフである。グラフの縦軸はレーザビームの強度を示し、横軸は時間を示す。

４つのパルスレーザビームＬｃ〜Ｌｆはそれぞれ、図７（Ａ）のレーザ照射装置の４つのレーザ光源１ｃ〜１ｆから出射されたものである。各パルスのパルス幅は、例えば１００ｎｓである。まず、１つ目のパルスＬｃが照射される。パルスＬｃの照射開始後に、２つ目のパルスＬｄが照射され、パルスＬｄの照射開始後に、３つ目のパルスＬｅが照射され、パルスＬｅの照射開始後に、４つ目のパルスＬｆが照射される。この例では、あるパルスの照射時間内に、そのパルスの次のパルスの照射が開始されている。

１つ目のパルスＬｃの照射により、基板表面が加熱され、表層８ｂの不純物の活性化が開始する。その後、連続的に複数のパルスを基板に照射することにより、パルスＬｃにより上昇した基板表面の温度が高い状態に維持される。このようにして、表層８ｂよりも深い領域に存在する不純物の活性化率を高めることができる。

図７（Ｂ）に示した例では、あるパルスの照射時間内に、そのパルスの次のパルスの照射を開始したが、あるパルスの照射終了後に、そのパルスの次のパルスの照射を開始することもできる。あるパルスにより上昇した基板表面の温度が高い状態であるうちに、そのパルスの次のパルスの照射を開始すればよい。時間的な目安としては、あるパルスの照射終了時刻から、３００ｎｓ以内に、そのパルスの次のパルスの照射を開始すればよい。

基板表面から０．５μｍより深い位置に存在する不純物の活性化率を高めるため、最初のパルスＬｃの照射開始時刻から最後のパルスＬｆの照射終了時刻までの間に、基板表面へレーザが照射される時間の総和を、３００ｎｓ以上とすることが好ましい。なお、上記の例では４つのパルスの照射を行ったが、パルス幅が１００ｎｓのパルスであれば、３つのパルスで、３００ｎｓの照射を行うことができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置を示す概略図である。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、シャッタの構成例を示す概略図である。半導体基板の断面図である。回折光学素子を出射する光の経路を示す概略図である。回折光学素子と半導体基板との間に、マスクとレンズとを有する構成例を示す概略図である。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、回折光学素子から出射したレーザビームにより照射された光照射領域及び光照射領域内の光強度分布を示すグラフである。半導体基板にレーザビームが照射されるタイミングを示すグラフである。第１の実施例の変形例によるレーザ照射装置を示す概略図である。第２の実施例によるレーザ照射装置を示す概略図である。半導体基板にレーザビームが照射されるタイミングを示すグラフである。

符号の説明

１ａ、１ｂレーザ光源
２半波長板
３折り返しミラー
４偏光ビームスプリッタ
５シャッタ
６回折光学素子
７（回折光学素子６の）焦点面
８半導体基板
９ステージ

Claims

第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記第１及び第２のレーザ光源から出射した第１及び第２のレーザビームが入射するように配置された回折光学素子であって、該回折光学素子に入射するレーザビームの断面形状と、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせるビーム断面の整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づけるビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子と
を有するレーザ照射装置。
１つの回折光学素子であって、それに入射するレーザビームの断面形状と、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上での断面形状とを異ならせるビーム断面の整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザビームの該回折光学素子の焦点面上でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザビームのビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づけるビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射されたレーザビームを入射させて、レーザビームの断面の整形及びビーム断面内の光強度分布の均一化の少なくとも一方を行うレーザ照射方法。