JP2014535164A - レーザ処理システム内の粒子制御 - Google Patents

Abstract

本発明は全体として、基板を熱処理するレーザ処理システムに関する。レーザ処理システムは、レーザ処理システムのエネルギー源と熱処理すべき基板との間に配置されたシールドを含む。シールドは、シールド内の空洞に隣接して配置された光学的に透明な窓を含む。光学的に透明な窓により、アニールエネルギーはこの窓を通過して、基板に照射することが可能になる。シールドはまた、シールド内の空洞へのパージガスの導入および空洞からのパージガスの除去のために、１つまたは複数のガス入口および１つまたは複数のガス出口を含む。パージガスを利用して、熱処理中に揮発または溶発した成分を除去し、酸素を含まないガスなどの所定の組成のガスを熱処理された領域に提供する。

Description

本明細書に開示する実施形態は、半導体デバイスを製造する装置に関する。より詳細には、半導体基板をレーザアニールする装置が開示される。

熱アニールは、半導体の製造で一般に使用される技法である。概して、基板上でプロセスを実行し、たとえば基板の注入またはドーピングを行い、次いで基板をアニールして基板の特性を改善する。典型的な熱アニールプロセスは、基板の一部分または基板全体をアニール温度まで一定期間にわたって加熱することを含む。

熱アニール中、基板に導入された材料は典型的には、基板の中を通って移動するが、材料の一部は、アニールチャンバ内で基板の上の蒸気空間内へ揮発することがある。揮発性物質は、リン、ヒ素、および、チャンバが環境中に換気される前に蒸気空間から除去されなければならない他の潜在的に有毒な元素などの元素を含むことがある。さらに、高いフルエンスを有するレーザを使用して基板を熱アニールするときは、露出された基板の一部分が溶発し、熱アニールシステム内の基板表面または光学部品上に望ましくない再堆積をする可能性がある。

したがって、処理中に熱アニール装置から望ましくない熱アニール副生成物を除去する効率的かつ費用効果の高い装置に対する要求が引き続き存在する。

本発明は概して、基板を熱処理するレーザ処理システムに関する。レーザ処理システムは、レーザ処理システムのエネルギー源と熱処理すべき基板との間に配置されたシールドを含む。シールドは、シールド内の空洞に隣接して配置された光学的に透明な窓を含む。光学的に透明な窓により、アニールエネルギーはこの窓を通過して、基板に照射することが可能になる。シールドはまた、シールド内の空洞へのパージガスの導入および空洞からのパージガスの除去のために、１つまたは複数のガス入口および１つまたは複数のガス出口を含む。パージガスを利用して、熱処理中に揮発または溶発した成分を除去し、酸素を含まないガスなどの所定の組成のガスを熱処理された領域に提供する。

一実施形態では、レーザ処理システム内の汚染を低減させる装置が、空洞を画定する本体を備える。本体は、第１の直径を有する第１の端部、および第１の直径より小さい第２の直径を有する第２の端部を有する円錐形部分と、円錐形部分の第２の端部に接合された円筒形部分とを含む。円錐形部分の第１の端部には、透明な窓が配置される。

別の実施形態では、レーザ処理システム内の汚染を低減させる装置が、空洞を画定する本体を備える。本体は、第１の直径を有する第１の端部、および第１の直径より小さい第２の直径を有する第２の端部を有する円錐形部分を有する。円錐形部分の第２の端部には、円筒形部分が接合され、円錐形部分の第１の端部の周りに円周方向に形成された第１のガス入口ポートが、空洞と流体的に連通している。本体の円筒形部分の周りには、第２のガス入口ポートが円周方向に形成され、空洞と流体的に連通している。円錐形部分の第１の端部には、透明な窓が配置される。透明な窓はその上にコーティングを有し、このコーティングは、第１の波長を有する放射の反射を防止し、第２の波長を有する放射を反射する。

本発明の上記の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、実施形態を参照することによって得ることができ、これらの実施形態のいくつかは、添付の図面に示される。しかし、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。

本発明の一実施形態によるレーザ処理システムの断面図である。 本発明の一実施形態によるシールドの等角断面図である。

理解を容易にするために、可能な場合、複数の図に共通の同一の要素を指すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態で開示する要素は、具体的な記述がなくても、他の実施形態で有益に利用できることが企図されている。

本発明は概して、基板を熱処理するレーザ処理システムに関する。レーザ処理システムは、レーザ処理システムのエネルギー源と熱処理すべき基板との間に配置されたシールドを含む。シールドは、シールド内の空洞に隣接して配置された光学的に透明な窓を含む。光学的に透明な窓により、アニールエネルギーはこの窓を通過して、基板に照射することが可能になる。シールドはまた、シールド内の空洞へのパージガスの導入および空洞からのパージガスの除去のために、１つまたは複数のガス入口および１つまたは複数のガス出口を含む。パージガスを利用して、熱処理中に揮発または溶発した成分を除去し、酸素を含まないガスなどの所定の組成のガスを熱処理された領域に提供する。

図１は、本発明の一実施形態によるレーザ処理システム１００の断面図である。レーザ処理システム１００は、リッドまたはブラケットなどの支持体１０４に結合されたエネルギー源１０２を含む。エネルギー源１０２に隣接して、シールド１０６が配置される。シールド１０６は、基板支持筐体１０８に結合され、その上に基板１１２を支持する基板支持体１１０の上に配置される。エネルギー源１０２は、光源と、熱処理エネルギー１１８を生じるレーザなどのレイジング媒体とを含み、熱処理エネルギー１１８は、シールド１０６内に位置決めされた窓１１４および開口１１６を通って基板支持体１１０の方へ誘導される。基板支持体１１０は、基板１１２をエネルギー源１０２に対して所望の場所に位置決めするように適合された高精度のｘｙステージとすることができる。基板支持筐体内には、基板１１２の出し入れを可能にするために、スリットバルブなどの開口１１１が形成される。基板支持筐体１０８からの基板の除去を容易にするために、アクチュエータ１１３を介して基板支持体１１０を垂直方向に作動させることができることが企図される。

シールド１０６は、処理中にシールド１０６を固定の位置に維持するために、ボルトなどの締め具１２２によって基板支持筐体１０８の上面１２０に締め付けられる。熱処理エネルギー１１８は、シールド１０６の窓１１４および開口１１６と概して同軸に整列させられる。熱処理エネルギー１１８は、シールド１０６を通って基板１１２の表面へ誘導される。窓１１４および開口１１６は概して、熱処理エネルギー１１８の一部分が基板１１２に到達することを阻止することなく、熱処理エネルギー１１８を受け入れるのに十分大きい。基板１１２の連続する部分は、基板支持体１１０およびその上に位置決めされた基板１１２を動かすことにより熱処理エネルギー１１８を受け取るように位置決めされる。基板支持筐体１０８の下面は、処理中に基板１１２の上面から約１０ミクロン〜約２ミリメートルに位置決めされる。

図２は、本発明の一実施形態によるシールド１０６の等角断面図である。シールド１０６は、ステンレス鋼またはアルミニウムから形成された本体２２０を含む。本体２２０は、空洞２２２を画定する中空の漏斗形状を有する。本体２２０の漏斗形状は、円錐形部分２２４および円筒形部分２３７を含む。円錐形部分２２４の直径が小さい方の端部２２５は、丸いまたは湾曲した表面２２７で、円筒形部分２３７に遷移する。円錐形状のビームを生成するアニールエネルギー源を利用するとき、円錐形部分２２４のテーパおよびサイズを、アニールエネルギービームの円錐形状のテーパおよびサイズに対応するように選択することができる。

窓１１４は、本体２２０の円錐形部分２２４の直径が大きい方の端部に配置され、凹部２３０内に位置決めされる。窓１１４は、アニールエネルギーが窓１１４を通過することが可能になるように、石英、サファイア、または溶融石英などの光学的に透明な材料から形成され、約１ミリメートル〜約２０ミリメートルの範囲内の厚さを有することができる。一実施形態では、窓１１４は、その上に反射防止コーティングなどのコーティングを有することができる。別の実施形態では、窓１１４は、熱処理エネルギー１１８の波長（たとえば、約２００ナノメートル〜約１１００ナノメートルのレーザ帯域）に対応する第１の波長では反射を防止し、第２の波長では反射性が高いコーティングをその上に有することができる。第２の波長は、高温計の波長、たとえば約８００ナノメートル〜約２．２ミクロンに対応することができる。第１の波長で反射を防止し、第２の波長で反射性が高い窓１１４上のコーティングは、処理中に基板１１２の温度測定を向上させる。基板の温度測定は、高温計によって検出される放射のために、本体２２０内に反射性空洞を作ることによって向上する。反射性空洞は、ターゲット表面の放射率を向上させ、放射率の不安定性による誤差を最小にする。一実施形態では、計測をさらに向上させるために、本体２２０の内面２４８の反射率は、所望の波長での窓１１４の反射率と類似または同じものとすることができる。

開口１１６は、窓１１４と比較して本体２２０の反対側の端部に配置され、約２６ミリメートル×約３３ミリメートルの方形のビームを受け入れるとき、約１００ミリメートル×１００ミリメートルの寸法を有することができる。したがって、開口１１６は、光のビームならびにそれによる計測を受け入れるのに十分なサイズに設定される。本体２２０は、本体２２０の円筒形部分２３７の近傍にフランジ２３２をさらに含む。フランジ２３２は、シールド１０６を基板支持筐体１０８に固定するために、ボルトなどの締め具を収容するように貫通して配置された開口２２８を有する。本体２２０の壁は、概して、少なくとも約１ミリメートル〜約２ミリメートルの厚さＡを有する。

本体２２０は、シールド１０６の周りに円周方向に配置されたガスチャネル２３４Ａおよび２３４Ｂを含み、ガスチャネル２３４Ａおよび２３４Ｂを通って、窒素、濾過された空気、アルゴン、または他の不活性ガスなどのプロセスガスが空洞２２２内へ導入される。ガスチャネル２３４Ａに提供されるプロセスガスは、第１のガス入口ポート２３８を通って、流路２３６に沿って空洞２２２に入り、第１のガス入口ポート２３８は、本体２２０の周りに円周方向に位置決めされたガスチャネル２３４Ａに隣接して配置される。第１のガス入口ポート２３８は、窓１１４と内面２４８との間で本体２２０の円周の周りに伸びる開口部である。ガスチャネル２３４Ｂに提供されるプロセスガスは、第２のガス入口ポート２４２を通って、流路２４０に沿って空洞２２２へ導入される。第２のガス入口ポート２４２は、本体２２０の円筒形部分２３７の周りに円周方向に配置され、ガスチャネル２３４Ｂと流体的に連通している。図２に示すように、ガスチャネル２３４Ｂは、基板支持筐体１０８とフランジ２３２との境界面に位置決めされるが、ガスチャネル２３４Ｂをフランジ２３２内に形成することもできることが企図される。プロセスガスは、円筒形部分２３７を貫いて形成されるガス出口ポート２４４を通って除去される。ガス出口ポート２４４は、排気ガスチャネル２４６と流体的に連通しており、ガスは、排気ガスチャネル２４６を通ってシールド１０６から排気される。空洞２２２からのプロセスガスの除去を容易にするために、排気ガスチャネル２４６に真空または吸引を適用することができる。

図２は、熱処理中に使用するためのシールド１０６の一実施形態を示すが、他の実施形態もまた企図される。別の実施形態では、空洞２２２は、直径が減少する先細りした壁をもたない全体的に円筒形の形状を有することができることが企図される。別の実施形態では、シールド１０６は、方形の横断面を有することができ、方形の輪郭を有する窓１１４を収容するように適合することができることが企図される。別の実施形態では、空洞２２２へのプロセスガスの導入および空洞２２２からのパージガスの除去のために、内面２４８を貫いて追加のポートを形成することができることが企図される。別の実施形態では、ガスチャネル２３４Ａ、２３４Ｂまたは第１のガス入口ポート２３８および第２のガス入口ポート２４２は、シールド１０６の円周全体の周りに位置決めされた開口ではなくてもよく、逆に、複数の個別のガスチャネルおよび／またはポートを、シールド１０６の空洞２２２の周りに間隔をあけて位置決めすることができることが企図される。さらに別の実施形態では、ガス入口ポート２３８、２４２は、空洞２２２内に渦または螺旋状の空気流を形成するように位置決めすることができる。別の実施形態では、窓１１４および開口１１６は、アニールエネルギーが窓１１４および開口１１６を通過すること、ならびに高温計、分光計、光音響センサ、または反射率計などの計測ユニットが、窓１１４および開口１１６を通じて処理された基板の１つまたは複数の特性を同時に測定することを可能にするようにサイズを設定することができる。

さらに別の実施形態では、本体２２０は任意選択で、高温計の視野を作るために、本体２２０の壁を貫通する１つまたは複数の開口２２６を含むことができることが企図される。開口２２６内には、処理中に生成される粒子が開口を通って逃げるのを防止するための窓を配置することができる。本体２２０の内面２４８は、本体２２０内の高温測定を向上させるために、金、アルミニウム、または銀などの反射コーティングでコーティングすることができる。高温計を利用して、約８００ｎｍ〜約２．２ミクロンの波長範囲内で本体２２０内の放射量を測定することができる。本体２２０内に反射空洞を作ることで、本体２２０が高温計に対してむしろ黒体放射体のように見えるようにすることが可能になる。黒体放射体のように見えることで、基板表面放射率の正確な知識に対する依存度を低下させ、それによって基板温度測定を向上させる。

処理中、エネルギー源１０２（図１に示す）は、シールド１０６の窓１１４および空洞２２２を通って基板１１２（図１に示す）の表面へアニールエネルギーを提供する。アニールエネルギーのフルエンスに応じて、熱アニールプロセス中に、蒸発したドーパントまたは溶発した基板材料などの粒子状物質が生成されることがある。蒸発したドーパントまたは溶発した材料は、プロセス領域から除去されない場合、窓１１４または他のシステム構成要素上に望ましくない堆積をする可能性があり、したがってアニールエネルギーの均一性に影響を与え、または、したがって基板上ではデバイスの歩留まりに影響を与える可能性がある。しかし、基板１１２（図１に示す）の熱処理された領域に開口１１６を密接させることで、蒸発したドーパントまたは溶発した材料をシールド１０６内へ誘導する。基板１１２の上面に近接して開口１１６を位置決めすることによって、蒸発したドーパントおよび溶発した材料はシールド１０６に入り、基板支持筐体内に分散する可能性がなくなる。シールド１０６の空洞２２２の漏斗形状は、蒸発したドーパントまたは溶発した材料がシールド１０６に一旦入れば、蒸発したドーパントまたは溶発した材料を空洞２２２内で維持する手助けをする。

蒸発したドーパントまたは溶発した材料がシールド１０６の内側にあれば、蒸発したドーパントおよび溶発した材料は、ガスチャネル２３４Ａ、２３４Ｂに入り、排気ガスチャネル２４６を通って出るプロセスガスによって除去される。ガスチャネル２３４Ｂを通って入るプロセスガスは、排気ガスチャネル２４６の方へ上向きに誘導され、蒸発したドーパントまたは溶発した材料がシールド１０６に入った後にシールド１０６から出る確率を低減させる。ガスチャネル２３４Ａを通って入るガスは、排気ガスチャネル２４６の方へ下向きに誘導され、窓１１４上への材料の堆積を低減または防止する。さらに、ガスチャネル２３４Ａおよびガスチャネル２３４Ｂを通って入るガスはどちらも、ガス出口ポート２４４の方へ誘導され、ガスおよびガスによって運ばれる粒子をシールド１０６から除去することを容易にする。したがって、プロセスガスは、ガスチャネル２３４Ａと２３４Ｂの間の位置でシールド１０６から除去される。プロセスガスは、約３０ＳＬＭ〜約５０ＳＬＭの速度で、ガスチャネル２３４Ａ、２３４Ｂのそれぞれを通って空洞２２２へ導入することができ、このプロセスガスは、ほぼ同じ速度で排気ガスチャネル２４６を通って除去される。空洞２２２内では、層流が維持されることが望ましい。本体２２０の内面２４８は、内面２４８上への材料の堆積および内面２４８からの材料の剥離の確率を低減させるために、研磨された表面を有することができる。一例では、内面２４８の表面粗さは、約１ミクロンＲＭＳ〜約２ミクロンＲＭＳなど、１０ミクロンＲＭＳ未満とすることができる。

蒸発したドーパントおよび溶発した材料を基板の処理領域から除去することに加えて、シールド１０６はまた、基板の熱処理された領域から雰囲気ガスを除去することによって、基板の熱処理された部分またはその付近で汚染の発生を低減させる。基板を熱処理するとき、基板の加熱された領域は、雰囲気環境中の雰囲気酸素または他の汚染物質との反応など、汚染の影響をより受けやすくなる。シールド１０６は、空洞２２２に提供されるガスによって空洞２２２内にわずかに大きい圧力勾配を作り出すことによって、基板のアニールされた部分から雰囲気ガスを除去する。圧力勾配は、基板のアニールされた部分から離れる流路２５０に沿って開口１１６を通ってプロセスガスを押しやり、したがってアニール領域から雰囲気酸素を除去する。空洞２２２内に圧力勾配を作り出すために、ガスが空洞２２２へ導入または空洞２２２から除去される速度を調整することができる。シールド１０６からのプロセスガスの流出は、基板の熱処理された領域付近の雰囲気酸素の量を十分に低減させると同時に、蒸発したドーパントまたは溶発した材料が除去のため空洞２２２に入ることをなお可能にすることが望ましい。したがって、開口１１６付近の圧力勾配は、比較的大きくする必要はない。たとえば、圧力勾配は、約３トル〜約５トルなど、約１〜約１０トルの差分を有することができる。

本発明の利益は、概して、シールドを使用して、熱アニールプロセス中に基板およびシステムの光学部品上の汚染を低減させることを含む。シールドは、処理領域からの揮発したドーパントおよび溶発した材料の除去を手助けし、したがってシステムの光学部品または処理された基板上に望ましくなく堆積する揮発したドーパントまたは溶発した材料の確率を低減させる。システムの光学部品上に堆積する材料がより少なくなるため、プロセスの均一性がより一貫したものになり、光学部品の洗浄または交換の間の平均時間が伸びる（たとえば、３箇月毎より長くなる）。さらに、処理された基板上に望ましくなく堆積する材料がより少なくなるため、デバイスの歩留まりが最大になる。さらに、酸素を含まない制御された雰囲気を必要とするプロセスに対応することもできる。

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することもでき、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. レーザ処理システム内の汚染を低減させる装置であって、
   空洞を画定する本体を備え、前記本体が、
   第１の直径を有する第１の端部、および前記第１の直径より小さい第２の直径を有する第２の端部を有する円錐形部分と、
   前記円錐形部分の前記第２の端部に接合された円筒形部分と、
   前記円錐形部分の前記第１の端部の周りに円周方向に形成された第１のガス入口ポートと、
   前記本体の前記円筒形部分の周りに円周方向に形成された第２のガス入口ポートと、
   前記円錐形部分の前記第１の端部に配置された透明な窓とを有する、装置。
2. 前記第１および第２のガス入口ポートが、前記空洞と流体的に連通している、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のガス入口ポートと流体的に連通している第１のガスチャネルと、前記第２のガス入口ポートと流体的に連通している第２のガスチャネルとをさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記空洞と流体的に連通しているガス出口ポートをさらに備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記ガスポートが、前記第１のガス入口ポートと前記第２のガス入口ポートとの間に位置決めされる、請求項４に記載の装置。
6. 前記円筒形部分の外面上に配置されたフランジをさらに備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記フランジが、締め具を収容するように前記フランジを通って配置された開口を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記窓が、石英、溶融石英、またはサファイアを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記本体が、ステンレス鋼またはアルミニウムを含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記透明な窓がその上にコーティングを含み、前記コーティングが、第１の波長を有する放射の反射を防止し、第２の波長を有する放射を反射する、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１の波長が、約２００ナノメートル〜約１１ナノメートルの範囲内であり、前記第２の波長が、約８００ナノメートル〜約２．２ミクロンの範囲内である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記本体が、高温測定の視野を作るために、前記本体の壁を通る開口を含む、請求項１１に記載の装置。
13. 前記本体の内面がその上にコーティングを含み、前記コーティングが、金、銀、およびアルミニウムからなる群から選択され、
    前記第２のガス入口ポートが、熱処理すべき基板の領域へ酸素を含まないガスを提供するように適合される、
    請求項１２に記載の装置。
14. レーザ処理システム内の汚染を低減させる装置であって、
    空洞を画定する本体を備え、前記本体が、
    第１の直径を有する第１の端部、および前記第１の直径より小さい第２の直径を有する第２の端部を有する円錐形部分と、
    前記円錐形部分の前記第２の端部に接合された円筒形部分と、
    前記円錐形部分の前記第１の端部の周りに円周方向に形成され、前記空洞と流体的に連通している第１のガス入口ポートと、
    前記本体の前記円筒形部分の周りに円周方向に形成され、前記空洞と流体的に連通している第２のガス入口ポートと、
    前記円錐形部分の前記第１の端部に配置された透明な窓であって、前記透明な窓がその上にコーティングを有し、前記コーティングが、第１の波長を有する放射の反射を防止し、第２の波長を有する放射を反射する、透明な窓とを有する、装置。
15. 前記第１の波長が、約２００ナノメートル〜約１１ナノメートルの範囲内であり、
    前記第２の波長が、約８００ナノメートル〜約２．２ミクロンの範囲内であり、
    前記本体の内面が、金、銀、およびアルミニウムからなる群から選択されるコーティングを含み、
    前記本体が、高温測定の視野を作るために、前記本体の壁を通る開口を含み、
    前記本体が、ステンレス鋼またはアルミニウムを含み、
    前記窓が、石英、溶融石英、またはサファイアを含む、
    請求項１４に記載の装置。

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