JP2015026720A - レーザアニール装置及びレーザアニール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板の表面の粗面化を抑制することができるレーザアニール装置を提供する。【解決手段】 第１及び第２のレーザ装置が、それぞれ第１及び第２のパルスレーザビームを出力する。伝搬光学系が、第１及び第２のパルスレーザビームを加工対象物の表面の同一の領域に入射させる。第２のパルスレーザビームの経路上にシャッタが配置されている。制御装置がシャッタの開放動作を開始する。シャッタが完全に開く時点よりも前に、第２のレーザ装置から第２のパルスレーザビームの出力を開始し、第２のパルスレーザビームの少なくとも１つのレーザパルスを加工対象物に入射させる。シャッタが完全に開いた後に、第２のパルスレーザビームと第１のパルスレーザビームとを同期させて出力させる。【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体基板に添加された不純物を活性化させるレーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。

特許文献１に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのコレクタ層とフィールドストップ層とに注入された不純物を活性化させるレーザアニール装置が開示されている。フィールドストップ層はコレクタ層より深い位置に配置されている。このレーザアニール装置は、緑色のパルスレーザビームを出力する固体レーザと、波長約９１５ｎｍのパルスレーザビームを出力する半導体レーザ（レーザダイオード）とを含む。

固体レーザから出力されるパルスレーザビームのパルス幅は、半導体レーザから出力されるパルスレーザビームのパルス幅より狭い。また、固体レーザから出力されるパルスレーザビームのピーク強度は、半導体レーザから出力されるパルスレーザビームのピーク強度より高い。

半導体レーザから出力されたパルスレーザビームによって、相対的に深い位置に形成されているフィールドストップ層内の不純物が活性化される。固体レーザから出力されたパルスレーザビームによって、コレクタ層が溶融する。コレクタ層が再結晶化するときに、コレクタ層内の不純物が活性化される。パルスレーザビームで半導体基板の表面を走査することにより、半導体基板の表面の所望の領域において活性化アニールを行うことができる。

特開２０１２−１６４９２１号公報

上述の従来の方法で不純物を活性化するためのレーザアニールを行うと、半導体基板の表面が、走査を開始する位置の近傍において、他の領域よりも粗くなることが分かった。本発明の目的は、半導体基板の表面の粗面化を抑制することができるレーザアニール装置を提供することである。本発明の他の目的は、加工対象物の表面の粗面化を抑制することができるレーザアニール方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ装置と、
第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ装置と、
加工対象物を保持するステージと、
前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを、前記ステージに保持された加工対象物の表面の同一の領域に入射させる伝搬光学系と、
前記第２のパルスレーザビームの経路上に配置されたシャッタと、
前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームの入射する領域が、前記加工対象物の表面上を移動するように、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームの経路、及び前記ステージの一方を移動させる移動機構と、
前記第１のレーザ装置、前記第２のレーザ装置、前記シャッタ、及び前記移動機構を制
御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記シャッタの開放動作を開始し、
前記シャッタが完全に開く時点よりも前に、前記第２のレーザ装置から前記第２のパルスレーザビームの出力を開始して、前記第２のパルスレーザビームの少なくとも１つのレーザパルスを前記加工対象物に入射させ、
前記シャッタが完全に開いた後に、前記第２のパルスレーザビームと前記第１のパルスレーザビームとを同期させて、前記第１のレーザ装置及び前記第２のレーザ装置から出力させるレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の目的は、
（ａ）第２のレーザ装置から第２のパルスレーザビームを出力させるとともに、前記第２のレーザ装置から加工対象物までの、前記第２のパルスレーザビームの経路に配置されたシャッタの開放動作を開始する工程と、
（ｂ）前記シャッタの開放動作が完了する前に前記シャッタを通過する前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスを、前記加工対象物に入射させる工程と、
（ｃ）前記シャッタの開放動作が完了した後、第１のレーザ装置から出力された第１のパルスレーザビームと、前記第２のパルスレーザビームとを同期させて、前記加工対象物の同一の領域に入射させる工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

シャッタが開き始めてから完全に開くまでの期間に、第２のパルスレーザビームのビーム断面の一部が遮蔽されて加工対象物に入射する。このため、不十分なパルスエネルギを持つ第２のパルスレーザビームのレーザパルスが加工対象物に入射する。不十分なパルスエネルギの第２のパルスレーザビームが入射する期間は、第１のパルスレーザビームが加工対象物に入射しない。このため、不十分なパルスエネルギの第２のパルスレーザビームと第１のパルスレーザビームとが入射することに起因して生じる加工対象物の粗面化を防止することができる。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図２Ａは、実施例によるレーザアニール方法で製造されるＩＧＢＴの断面図であり、レーザアニールを行う段階の半導体基板の断面図である。 図３Ａは、トリガ信号、レーザパルス制御信号、半導体基板に入射するパルスレーザビームのレーザパルスのタイミングチャートであり、図３Ｂ及び図３Ｃは、半導体基板の表面におけるパルスレーザビームの入射領域の平面図である。 図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、それぞれパルスレーザビームの経路を完全に閉鎖した状態、完全に開放した状態、及び両者の中間の状態におけるシャッタの側面図である。 図５Ａ、図５Ｂ、及び図４５は、それぞれパルスレーザビームの経路を完全に閉鎖した状態、完全に開放した状態、及び両者の中間の状態における羽根シャッタの側面図である。 図６は、１回の主走査の開始時点における各種制御信号、及びパルスレーザビームのタイミングチャートである。 図７は、１回の主走査の終了時点における各種制御信号、及びパルスレーザビームのタイミングチャートである。 図８は、主走査の開始及び終了地点の近傍におけるビーム入射領域の痕跡を示す平面図である。 図９は、参考例による方法でレーザアニールを行った半導体基板の表面を顕微鏡で観察した結果を概略的に示す図である。

図１に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。半導体レーザ２１（第１のレーザ装置）が、制御装置２０からレーザパルス制御信号Ｌｐｃを受信することにより、第１のパルスレーザビームＬＢ１を出力する。第１のパルスレーザビームＬＢ１は、例えば波長８０８ｎｍのパルスレーザ光である。なお、半導体レーザ２１として、波長９５０ｎｍ以下のパルスレーザ光を出力するものを用いてもよい。また、レーザパルスとレーザパルスとの間の期間は、アニールにほとんど寄与しない程度にパワーが十分小さいレーザ光を出力していてもかまわない。

半導体レーザ２１には、複数のレーザダイオードを二次元にアレイ化したレーザダイオードアレイが用いられる。以下、レーザダイオードアレイの構造について説明する。複数のレーザダイオードがモノリシックに一次元アレイ化されてレーザバーが構成される。複数のレーザバーを積み重ねることにより、二次元アレイ化したレーザダイオードアレイが構成される。レーザバーを構成する複数のレーザダイオードが配列する方向を遅軸という。複数のレーザバーが積み重ねられた方向を速軸という。レーザバーごとにシリンドリカルレンズが配置されている。シリンドリカルレンズは、レーザバーから出射されたレーザビームを、速軸方向に関してコリメートする。また、速軸方向と遅軸方向との両方に関して、レーザビームをコリメートしてもよい。

固体レーザ３１（第２のレーザ装置）が、制御装置２０からトリガ信号Ｔｒｇを受信することにより、緑色の波長域の第２のパルスレーザビームＬＢ２を出力する。固体レーザ３１には、例えば第２高調波を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。

半導体レーザ２１から出力された第１のパルスレーザビームＬＢ１及び固体レーザ３１から出力された第２のパルスレーザビームＬＢ２が、伝搬光学系２７を経由して、アニールの対象の半導体基板５０（処理対象物）に入射する。

次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。半導体レーザ２１から出力された第１のパルスレーザビームＬＢ１が、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、シリンドリカルレンズアレイ群２４、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

固体レーザ３１から出力された第２のパルスレーザビームＬＢ２が、アッテネータ３２、シャッタ３３、ビームエキスパンダ３４、シリンドリカルレンズアレイ群３５、ベンディングミラー３６、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。

ビームエキスパンダ２３、３４は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ダイクロイックミラー２５は、第１のパルスレーザビームＬＢ１を反射し、第２のパルスレーザビームＬＢ２を透過させる。ダイクロイックミラー２５によって、第１のパルスレーザビームＬＢ１の経路と、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路とが、相互に重なる。

シリンドリカルレンズアレイ群２４、３５及びコンデンサレンズ２６は、半導体基板５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビームプロファイル（光強度分布）を均一化する。半導体レーザ２１から出力された第１のパルスレーザビームＬＢ
１と、固体レーザ３１から出力された第２のパルスレーザビームＬＢ２とは、半導体基板５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。シリンドリカルレンズアレイ群２４及びコンデンサレンズ２６が、半導体レーザ２１から出力された第１のパルスレーザビームＬＢ１用のホモジナイザとして機能し、シリンドリカルレンズアレイ群３５及びコンデンサレンズ２６が、固体レーザ３１から出力された第２のパルスレーザビームＬＢ２用のホモジナイザとして機能する。

半導体基板５０は、ステージ４１に保持されている。半導体基板５０の表面に平行な面をＸＹ面とし、半導体基板５０の表面の法線方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。移動機構４２が、制御装置２０からの制御を受けて、ステージ４１に保持された半導体基板５０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。制御装置２０が、半導体レーザ２１、固体レーザ３１、シャッタ３３、及び移動機構４２を制御する。シャッタ３３は、制御装置２０からの開閉指令信号Ｓｏｃを受けて、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路の開放及び閉鎖を行う。

図２Ａに、実施例によるレーザアニール装置で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。半導体基板５０の第１の面５０Ｔの表層部に、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５が形成されている。半導体基板５０として、通常はシリコン単結晶基板が用いられる。これらの素子構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様の工程で作製される。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。

半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及びｎ型のフィールドストップ層５６が形成されている。フィールドストップ層５６は、コレクタ層５７よりも深い領域に配置される。コレクタ層５７及びフィールドストップ層５６は、それぞれ不純物として、例えばボロン及びリンをイオン注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。コレクタ層５７のボロン濃度は、フィールドストップ層５６のリン濃度より高い。不純物の活性化アニールに、図１に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極５８が、活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面に形成される。

第２の面５０Ｂからコレクタ層５７とフィールドストップ層５６との界面までの深さは、例えば約０．３μｍである。第２の面５０Ｂからフィールドストップ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ〜１０μｍの範囲内である。

図２Ｂに、レーザアニールを行う段階の半導体基板５０の断面図を示す。半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部の第１の層５７ａ及び第２の層５６ａに、それぞれボロン及びリンがイオン注入されている。第２の層５６ａは第１の層５７ａより深い位置に配置されている。レーザアニール前の段階では、第１の層５７ａ内のボロン、及び第２の層５６ａ内のリンは、活性化していない。第１の層５７ａのボロン濃度は、第２の層５６ａのリン濃度より高い。半導体基板５０の第１の面５０Ｔには、図２Ａに示した素子構造が形成されている。

図３Ａに、トリガ信号Ｔｒｇ、レーザパルス制御信号Ｌｐｃ、及び半導体基板５０（図２Ｂ）に入射するレーザパルスの概略を示す。図３Ａでは、レーザパルスを長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。制御装置２０からのトリガ信号Ｔｒｇに同期して、固体レーザ３１から第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち上がる。第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルス幅ＰＷ２は、予め設定されている。

半導体レーザ２１（図１）は、制御装置２０からレーザパルス制御信号Ｌｐｃを受信すると、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスを出力する。第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの立ち上がり及び立ち下がりは、それぞれレーザパルス制御信号Ｌｐｃの立ち上がり及び立ち下がりに同期している。

時刻ｔ１に、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスが立ち上がる。時刻ｔ１より後の時刻ｔ２に、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち上がる。第１のレーザパルスＬＰ１と第２のレーザパルスＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のパルスレーザビームＬＢ２のピーク強度は、第１のパルスレーザビームＬＢ１のピーク強度より高く、第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のパルスレーザビームＬＢ１のパルス幅ＰＷ１より短い。時刻ｔ３で、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち下がる。その後、時刻ｔ４で、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスが立ち下がる。なお、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスの立ち下がりと、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの立ち下がりとを同時刻としてもよい。また、時刻ｔ４の後に、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスを立ち上げてもよい。

第１のパルスレーザビームＬＢ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一例として、パルス幅ＰＷ１が１０μｓ〜３０μｓの範囲内であり、パルス幅ＰＷ２が２０ｎｓ〜２００ｎｓの範囲内である。第１のパルスレーザビームＬＢ１のパルス幅ＰＷ１を、第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルス幅ＰＷ２の１０倍以上とすることが好ましい。

図３Ｂに、半導体基板５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）におけるパルスレーザビームの入射領域の平面図を示す。第１のパルスレーザビームＬＢ１（図１）及び第２のレーザパルスＬＰ２（図１）は、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、Ｘ方向に長い同一のビーム入射領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬ及び幅Ｗｔは、それぞれ２ｍｍ〜４ｍｍ及び２００μｍ〜４００μｍである。

アニール中は、半導体基板５０（図２Ｂ）をＹ方向に移動させながら、第１のパルスレーザビームＬＢ１及び第２のパルスレーザビームＬＢ２（図３Ａ）を、一定の繰り返し周波数で半導体基板５０に入射させる。第１のパルスレーザビームＬＢ１及び第２のパルスレーザビームＬＢ２の１周期の間に半導体基板５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つの第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０は、相互に部分的に重なる。両者の重複率は（Ｗｔ−Ｗｏ）／Ｗｔは、例えば５０％である。

図３Ａに示した時刻ｔ１で第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスが立ち上がると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）の表層部の温度が上昇し始める。時刻ｔ２の時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、シリコンの融点まで達していない。時刻ｔ２で第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち上がると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部の温度がシリコンの融点を超え、表層部が溶融する。溶融した部分は、第１の層５７ａ（図２Ｂ）の底面まで達する。

第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち下がると、半導体基板５０の表層部の温度が融点以下まで低下し、固化する。このとき、単結晶の第２の層５６ａ（図２Ｂ）から結晶がエピタキシャル成長することにより、第１の層５７ａが単結晶になる。同時に、第１の層５７ａに注入されている不純物が活性化する。

時刻ｔ３以降も、第１のパルスレーザビームＬＢ１（図３Ａ）のレーザパルスの入射が継続しているため、半導体基板５０の第２の面５０Ｂから深い第２の層５６ａ（図２Ｂ）
まで加熱され、温度が上昇する。これにより、第２の層５６ａに注入されている不純物が活性化する。第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスが立ち下がる時刻ｔ４の時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、単結晶シリコンの融点まで到達しない。このため、再結晶化した半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部は再溶融しない。

第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルス入射によって半導体基板５０の表層部が予熱された状態で、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが入射する。このため、予熱が行われていない状態で第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスを入射させる場合に比べて、同じ深さまで溶融させるために必要となる第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルスエネルギ密度が低くなる。

時刻ｔ４よりも後に第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスを立ち上げる場合には、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの入射によって第２の層５６ａ（図２Ｂ）内の不純物が活性化する。その後、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが立ち上がることによって第１の層５７ａ（図２Ｂ）が溶融する。第１の層５７ａが再結晶化する時に、第１の層５７ａ内の不純物が活性化する。第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの立ち下がりから、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスの立ち上がりまでの経過時間は、第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの入射による予熱の影響が残っている程度の短さとすることが好ましい。

図３Ｂでは、半導体基板５０の表面における第１のパルスレーザビームＬＢ１のビーム入射領域４０と第２のパルスレーザビームＬＢ２のビーム入射領域４０とを、ほぼ一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。図３Ｃに示すように、第１のパルスレーザビームＬＢ１のビーム入射領域４０Ａを第２のパルスレーザビームＬＢ２のビーム入射領域４０Ｂよりもやや大きくしてもよい。このとき、第２のパルスレーザビームＬＢ２のビーム入射領域４０Ｂが、第１のパルスレーザビームＬＢ１のビーム入射領域４０Ａに含まれる。

図４Ａに、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路が完全に閉鎖されているときのシャッタ３３の概略側面図を示す。シャッタ３３は、反射鏡３３Ａと回転軸３３Ｂとを含む。回転軸３３Ｂは第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路外に配置され、経路に垂直な仮想平面に対して平行である。反射鏡３３Ａが回転軸３３Ｂを中心として揺動する。図４Ａに示した状態では、反射鏡３３Ａが第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路と約４５°の角度で交差し、経路を完全に塞いでいる。反射鏡３３Ａで反射した第２のパルスレーザビームＬＢ２は、例えばビームダンパに吸収される。

図４Ｂに、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路が完全に開放されているときのシャッタ３３の概略側面図を示す。反射鏡３３Ａが第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路と平行になる位置まで揺動し、経路外に配置されている。このとき、シャッタ３３より下流側の第２のパルスレーザビームＬＢ２のビーム断面積Ａ１が、シャッタ３３より上流側の第２のパルスレーザビームＬＢ２ａのビーム断面積Ａ０と等しい。すなわち、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が１００％である。

図４Ｃに、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路が完全に開放された状態と、完全に閉鎖された状態との中間の状態におけるシャッタ３３の概略側面図を示す。反射鏡３３Ａが第２のパルスレーザビームＬＢ２ａの経路の一部を塞いでいる。このとき、シャッタ３３より下流側の第２のパルスレーザビームＬＢ２ｂのビーム断面積Ａ１は、シャッタ３３より上流側の第２のパルスレーザビームＬＢ２ａのビーム断面積Ａ０より小さい。このため、半導体基板５０（図１）に入射する第２のパルスレーザビームＬＢ２の光強度が、図４Ｂに示した経路が完全に開放されているときと比べて小さくなってしまう。すなわち、
シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が１００％未満である。

図４Ａ〜図４Ｃに示したシャッタに代えて、羽根シャッタ（リーフシャッタ）を用いてもよい。

図５Ａに、羽根シャッタ３３の正面図を示す。羽根シャッタ３３は、複数の羽根３３Ｃとシャッタ筐体３３Ｄとを含む。シャッタ筐体３３Ｄは、第２のパルスレーザビームＬＢ２がシャッタ筐体３３Ｄの中心を通るように配置されている。羽根３３Ｃは、シャッタ筐体３３Ｄの内部に設置された可動リングとピンで支持されている。可動リングを回転させると羽根３３Ｃがピンを中心として回転する。可動リングを回転させることにより、羽根シャッタ３３の開閉動作が行われる。図５Ａは、複数の羽根３３Ｃが第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路を完全に塞いだ状態を示している。

図５Ｂに、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路が完全に開放されているときの羽根シャッタ３３の概略正面図を示す。全ての羽根３３Ｃが羽根シャッタ３３の中心から最も遠い位置まで移動することにより、シャッタが開放状態となる。このとき、シャッタ３３の開放率が１００％になる。

図５Ｃに、第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路が完全に開放された状態と、完全に閉鎖された状態との中間の状態におけるシャッタ３３の概略正面図を示す。羽根３３Ｃが第２のパルスレーザビームＬＢ２の経路の一部を塞いでいる。このとき、シャッタ３３の開放率が１００％未満になる。

図６に、１回の主走査の開始時点における各種制御信号、及びパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。制御装置２０が固体レーザ３１（図１）にトリガ信号Ｔｒｇを１ｋＨｚの周波数で送出する。これにより、第２のパルスレーザビームＬＢ２が、パルスの繰返し周波数１ｋＨｚで出力される。

時刻ｔ１１よりも前は、シャッタ３３が閉じされており、その開放率Ａ１／Ａ０は０％である。時刻ｔ１１において、制御装置２０がシャッタ３３に開放の指令信号を送出する。これにより、シャッタ３３の開放動作が開始される。シャッタ３３の開放動作の開始時刻ｔ１１よりも後の時刻ｔ１２において、シャッタ３３が完全に開放される。このとき、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が１００％になる。時刻ｔ１１からｔ１２までの時間は、シャッタ３３の性能に依存する。一例として、時刻ｔ１１からｔ１２までの時間は５ｍｓである。時刻ｔ１１からｔ１２までの期間は、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が０％以上１００％未満である。

シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が０％から１００％に向かって増加している期間（時刻ｔ１１からｔ１２までの期間）にも、制御装置２０から、固体レーザ３１にトリガ信号Ｔｒｇが周期的に送出されている。固体レーザ３１は、トリガ信号Ｔｒｇに同期して、第２のパルスレーザビームＬＢ２を出力する。これにより、シャッタ３３よりも上流側に、第２のパルスレーザビームＬＢ２ａのレーザパルスが周期的に現れる。

時刻ｔ１２よりも前に、第２のパルスレーザビームＬＢ２ａの少なくとも１つのレーザパルスがシャッタ３３を通過して、半導体基板５０に入射する。実施例の条件では、時刻ｔ１１からｔ１２までの期間に、５個のレーザパルスがシャッタ３３を通過する。これにより、シャッタ３３より下流側に、第２のパルスレーザビームＬＢ２ｂのレーザパルスが現れる。時刻ｔ１１からｔ１２までの期間、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が１００％未満であるため、これらのレーザパルスのピーク強度及びパルスエネルギは、シャッタ３３より上流側における第２のパルスレーザビームＬＢ２ａのレーザパルスのピーク強度及
びパルスエネルギより小さい。

時刻ｔ１１からｔ１２までの期間、制御装置２０は半導体レーザ２１に対してレーザパルス制御信号Ｌｐｃを送出しない。従って、半導体レーザ２１は第１のパルスレーザビームＬＢ１を出力しない。

時刻ｔ１２よりも後、制御装置２０は半導体レーザ２１にレーザパルス制御信号Ｌｐｃの送出を開始する。制御装置２０は、時刻ｔ１１から、シャッタ３３の開放動作が完了するまでの所要時間を記憶している。制御装置は、シャッタ３３に開放の指令信号を送出した時刻ｔ１１から、シャッタ３３の開放動作の所要時間が経過した時点が、時刻ｔ１２に相当する。なお、シャッタ３３から制御装置２０に、開放完了信号を送出してもよい。この場合には、制御装置２０は、シャッタ３３から開放完了信号を受信した時点が、時刻ｔ１２に相当する。

レーザパルス制御信号Ｌｐｃは、トリガ信号Ｔｒｇに同期して送出される。半導体レーザ２１は、レーザパルス制御信号Ｌｐｃを受信すると、第１のパルスレーザビームＬＢ１を出力する。第１のパルスレーザビームＬＢ１のレーザパルスの立ち上がり及び立ち下がりは、レーザパルス制御信号Ｌｐｃの立ち上がり及び立ち下がりに同期する。

時刻ｔ１１〜ｔ１２の間は、第２のパルスレーザビームＬＢ２のみが半導体基板５０に入射し、時刻ｔ１２以降は、第１のパルスレーザビームＬＢ１と第２のパルスレーザビームＬＢ２とが、同期して半導体基板５０に入射する。

図７に、１回の主走査の終了時点における各種制御信号、及びパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。時刻ｔ２１において、制御装置２０がシャッタ３３に、閉鎖の指令信号を送出する。これにより、シャッタ３３は閉鎖動作を開始する。シャッタ３３の閉鎖動作の開始時刻ｔ２１よいも後の時刻ｔ２２において、シャッタ３３が完全に閉鎖される。このとき、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０が０％になる。時刻ｔ２１からｔ２２までの期間は、シャッタ３３より下流側において、第２のパルスレーザビームＬＢ２ｂのレーザパルスのピーク強度及びパルスエネルギが、シャッタ３３の開放率Ａ１／Ａ０に応じて低下する。また、時刻ｔ２１からｔ２２までの期間は、第１のパルスレーザビームＬＢ１が出力されない。

図８に、主走査の開始及び終了地点の近傍におけるビーム入射領域の痕跡を示す。図８において、第２のパルスレーザビームＬＢ２のみが入射したビーム入射領域４０を、密度の低いドットパターンで示し、第１のパルスレーザビームＬＢ１及び第２のパルスレーザビームＬＢ２の両方が入射したビーム入射領域４０を、密度の高いドットパターンで示す。レーザアニール期間中は、ビーム入射領域４０が半導体基板５０の表面において、主走査方向７１に移動する。

シャッタ３３の開放動作の開始時刻ｔ１１（図６）から、シャッタ３３が完全に開放される時刻ｔ１２（図６）までの間、及びシャッタ３３の閉鎖動作の開始時刻ｔ２１（図７）から、シャッタ３３が完全に閉鎖される時刻ｔ２２（図７）までの間に第２のパルスレーザビームＬＢ２のみが入射したビーム入射領域４０は、有効領域６１の外側に位置する。有効領域６１の内側に位置するビーム入射領域４０には、第１のパルスレーザビームＬＢ１と第２のパルスレーザビームＬＢ２との両方が入射する。

第２のパルスレーザビームＬＢ２のみが入射したビーム入射領域４０においては、第１のパルスレーザビームＬＢ１による予熱が行われていない状態で、第２のパルスレーザビームＬＢ２が入射する。このため、半導体基板５０の表層部は溶融しない。第１のパルス
レーザビームＬＢ１及び第２のパルスレーザビームＬＢ２の両方が入射したビーム入射領域４０においては、目標とする条件でレーザアニールが行われるため、不純物の十分な活性化が行われる。

図９に、参考例による方法でレーザアニールを行った半導体基板５０の表面を顕微鏡で観察した結果を概略的に示す。参考例においては、制御装置２０がシャッタ３３に開放の指令信号を送出すると同時に、半導体レーザ２１にもレーザパルス制御信号Ｌｐｃの送出を開始する。また、制御装置２０がシャッタ３３に閉鎖の指令信号を送出すると同時に、半導体レーザ２１へのレーザパルス制御信号Ｌｐｃの送出を停止する。

１回の主走査でアニールされる帯状の領域７０に沿って、矢印で示す主走査方向７１に向かってビーム入射領域４０が移動する。帯状の領域７０のうち、主走査の開始地点に対応する端部に、表面の粗い領域７２が形成されている。

以下、主走査の開始地点において表面が粗くなる理由について説明する。制御装置２０がシャッタ３３に開放の指令信号を送出と同時に、半導体レーザ２１にレーザパルス制御信号Ｌｐｃの送出を開始するため、図６の時刻ｔ１１〜ｔ１２の間にも、第１のパルスレーザビームＬＢ１が出力される。ただし、半導体基板５０に入射する第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスのパルスエネルギが、目標とするパルスエネルギに達していない。このため、第２のパルスレーザビームＬＢ２のレーザパルスが入射したときの表層部における予熱が不十分になる。その結果、半導体基板５０の表層部の溶融が不十分になり、表面が粗くなってしまう。

実施例においては、図６に示した時刻ｔ１１〜ｔ１２の間は、第１のパルスレーザビームＬＢ１が出力されない。第１のパルスレーザビームＬＢ１による予熱が行われないため、第２のパルスレーザビームＬＢ２が入射しても、半導体基板５０の表層部は溶融しない。このため、表面の粗い領域７２の発生を防止することができる。また、有効領域６１の内側には、第１のパルスレーザビームＬＢ１と第２のパルスレーザビームＬＢ２との両方が入射するため、目標とする特性のＩＧＢＴを得ることができる。

一般に、固体レーザ３１の周期的な発振開始直後には、固体レーザ３１から出力される第２のパルスレーザビームＬＢ２が不安定であり、パルスエネルギが不十分なレーザパルス、または過剰なレーザパルスが出力される場合がある。特にアニール中に連続してパルスエネルギに過不足が生じた場合は、ＩＧＢＴの特性に影響が表れる場合がある。実施例においては、実際にレーザアニールが開始される時刻ｔ１２（図６）よりも前から、固体レーザ３１の発振が継続している。このため、レーザアニールの開始時刻ｔ１２の直後から、第２のパルスレーザビームＬＢ２のパルスエネルギが安定する。

半導体レーザ２１から出力される第１のパルスレーザビームＬＢ１は、固体レーザ３１から出力される第２のパルスレーザビームＬＢ２に比べて、発振開始直後からパルスエネルギが安定している。このため、レーザアニールの開始時刻ｔ１２よりも前に、半導体レーザ２１を周期的に発振させておかなくても、レーザアニールの開始時刻ｔ１２の直後から、パルスエネルギの安定した第１のパルスレーザビームＬＢ１を出力することができる。

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。

２０ 制御装置
２１ 半導体レーザ
２２ アッテネータ
２３ ビームエキスパンダ
２４ シリンドリカルレンズアレイ群
２５ ダイクロイックミラー
２６ コンデンサレンズ
２７ 伝搬光学系
３１ 固体レーザ
３２ アッテネータ
３３ シャッタ
３３Ａ 反射鏡
３３Ｂ 回転軸
３３Ｃ 羽根
３３Ｄ シャッタ筐体
３４ ビームエキスパンダ
３５ シリンドリカルレンズアレイ群
３６ ベンディングミラー
４０４０Ａ、４０Ｂ ビーム入射領域
４１ ステージ
４２ 移動機構
５０ 半導体基板
５０Ｔ 第１の面
５０Ｂ 第２の面
５１ ｐ型のベース領域
５２ ｎ型のエミッタ領域
５３ ゲート電極
５４ ゲート絶縁膜
５５ エミッタ電極
５６ フィールドストップ層
５６ａ 第２の層
５７ コレクタ層
５７ａ 第１の層
５８ コレクタ電極
７０ 主走査でアニールされる帯状の領域
７１ 主走査方向
７２ 表面の粗い領域

Claims (12)

1. 第１のパルスレーザビームを出力する第１のレーザ装置と、
   第２のパルスレーザビームを出力する第２のレーザ装置と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを、前記ステージに保持された加工対象物の表面の同一の領域に入射させる伝搬光学系と、
   前記第２のパルスレーザビームの経路上に配置されたシャッタと、
   前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームの入射する領域が、前記加工対象物の表面上を移動するように、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームの経路、及び前記ステージの一方を移動させる移動機構と、
   前記第１のレーザ装置、前記第２のレーザ装置、前記シャッタ、及び前記移動機構を制御する制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記シャッタの開放動作を開始し、
   前記シャッタが完全に開く時点よりも前に、前記第２のレーザ装置から前記第２のパルスレーザビームの出力を開始して、前記第２のパルスレーザビームの少なくとも１つのレーザパルスを前記加工対象物に入射させ、
   前記シャッタが完全に開いた後に、前記第２のパルスレーザビームと前記第１のパルスレーザビームとを同期させて、前記第１のレーザ装置及び前記第２のレーザ装置から出力させるレーザアニール装置。
2. 前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスの立ち上がり時点から立ち下がり時点までのレーザ光が、前記加工対象物に入射する請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 前記第１のパルスレーザビームのパルス幅は、前記第２のパルスレーザビームのパルス幅より長く、前記第２のパルスレーザビームのピーク強度は、前記第１のパルスレーザビームのピーク強度より大きい請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記制御装置は、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを同期させて、前記第１のレーザ装置及び前記第２のレーザ装置から出力させるとき、前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスの立ち上がり後に、前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスを立ち上げる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
5. 前記制御装置は、
   前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを同期させて、前記第１のレーザ装置及び前記第２のレーザ装置から出力させた後、前記シャッタの閉鎖動作を開始し、
   前記シャッタの閉鎖動作の開始後は、前記第１のレーザ装置から前記第１のパルスレーザビームを出力させない請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
6. 前記制御装置は、前記第１のパルスレーザビームと前記第２のパルスレーザビームとを同期させて、前記第１のレーザ装置及び前記第２のレーザ装置から出力させている期間、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームの入射する領域が前記加工対象物の表面上を移動するように前記移動機構を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
7. （ａ）第２のレーザ装置から第２のパルスレーザビームを出力させるとともに、前記第
   ２のレーザ装置から加工対象物までの、前記第２のパルスレーザビームの経路に配置されたシャッタの開放動作を開始する工程と、
   （ｂ）前記シャッタの開放動作が完了する前に前記シャッタを通過する前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスを、前記加工対象物に入射させる工程と、
   （ｃ）前記シャッタの開放動作が完了した後、第１のレーザ装置から出力された第１のパルスレーザビームと、前記第２のパルスレーザビームとを同期させて、前記加工対象物の同一の領域に入射させる工程と
   を有するレーザアニール方法。
8. 前記工程（ｃ）において、前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスの立ち上がり時点から立ち下がり時点までのレーザ光を、前記加工対象物に入射させる請求項７に記載のレーザアニール方法。
9. 前記第１のパルスレーザビームのパルス幅は、前記第２のパルスレーザビームのパルス幅より長く、前記第２のパルスレーザビームのピーク強度は、前記第１のパルスレーザビームのピーク強度より大きい請求項７または８に記載のレーザアニール方法。
10. 前記工程（ｃ）において、前記第１のパルスレーザビームのレーザパルスの立ち上がり後に、前記第２のパルスレーザビームのレーザパルスを立ち上げる請求項７乃至９のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
11. 前記工程（ｃ）の後、さらに、
    （ｄ）前記シャッタの閉鎖動作を開始し、前記シャッタの閉塞動作の開始後は、前記第１のレーザ装置から前記第１のパルスレーザビームを出力させない請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
12. 前記工程（ｃ）において、前記第１のパルスレーザビーム及び前記第２のパルスレーザビームが入射する領域を、前記加工対象物の表面で移動させる請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。

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