JP2015050282A

JP2015050282A - レーザアニール装置及びレーザアニール方法

Info

Publication number: JP2015050282A
Application number: JP2013180164A
Authority: JP
Inventors: 田見　佳晴; Yoshiharu Tami; 田見　　佳晴; 曽我　和弘; Kazuhiro Soga; 和弘曽我; 荻野　義明; Yoshiaki Ogino; 義明荻野
Original assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-16
Also published as: US20150060421A1

Abstract

【課題】所定の到達温度及び時間に金属を局所的に加熱すること。【解決手段】金属への吸収率が高い波長のレーザ光を発生する半導体レーザ素子を用い、ワーク２０を搭載した可動ステージ９０をＸＹ方向に移動しながら、ワーク２０上の加熱可領域において合焦点位置における短手幅が０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が６μｍ〜２００μｍの細長形状且つ焦点深度が２μｍ〜４μｍとなる光学系によりラインビームを形成し、合焦点制御を行いながらレーザアニールを行う加熱工程と、ワーク２０上の加熱不可領域において第１レーザパワーに比べて低出力のレーザパワーを選択的に実行するレーザアニール装置。【選択図】図１

Description

本発明は、金属を局所的に所定の到達温度及び時間に加熱することができ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。

一般にアニール（熱なめし）処理とは、加工硬化による内部のひずみを取り除き、組織を軟化させて展延性を向上させる熱処理であって、従来技術による金属アニールは、電気炉に何時間も入れてワーク全体を高温にする電気炉使用のアニール技術と、比較的高出力の固体レーザ（ＹＡＧレーザ等）やガスレーザ（エキシマレーザ等）を照射することによってワークの任意の箇所を高温にするレーザアニール技術が知られている。

なお、金属に対するアニール技術が記載された文献としては、下記の特許文献が挙げられ、特許文献１には、ワード線およびビット線より上の積層型キャパシタより下に耐熱性に優れる銅配線を形成し、キャパシタを最上部に配置し、４５０°Ｃ以上の電気炉他によるアニールを行なう半導体の製造技術が記載され、特許文献２には、複数のＹＡＧレーザ光のうちの１つのレーザ光のスポットを切断して２つに分割し、分割されたレーザ光のそれぞれの切断面が外側となるように入れ替える手段と、複数のレーザ光を１つに重ね合わせ線状に形成する手段とを備えることによって被照射体に対して均一なアニールを行うレーザアニール技術が記載されている。

特開平１０−２０００６８号公報特開２０１１−６６４２８号公報

前記の特許文献１に記載された電気炉を用いるアニール技術は、電気炉を用いるために加熱対象以外の部位も加熱するため、例えば半導体回路をワークとした場合、ワーク全体の温度上昇によりアニール対象以外の熱に弱い回路素子や多層膜の下層他も加熱してしまうという課題がある。また、ＹＡＧレーザやエキシマレーザを用いた装置は大型の焦点レンズが必要となり、構造上、オートフォーカス機構を付加することは困難である。このため、ＮＡ（開口数）の低い固定レンズを使用し焦点深度（垂直方向の合焦点範囲）を大きくすることで、ワークの高さ方向変位（振動やワークの反り、傾き）に対する焦点ズレを回避している。

しかしながら、ＮＡの低いレンズを使用すると、ワークの面（水平）方向、及び深さ（垂直）方向に与える熱の影響範囲は大きくなり、加熱に不向きな回路素子と加熱対象の回路素子が混在する半導体回路素子の場合、局所的（厚み方向、周辺方向）なアニールが困難であるという課題があった。

本発明の目的は、前述の従来技術による課題しようとするものであり、所定の到達温度及び時間に金属を局所的に加熱することができるレーザアニール装置及びレーザアニール方法を提供することである。

前記の目的を達成するために請求項１記載の発明は、金属が任意の箇所に配置された加熱可領域と加熱に適さない加熱不可領域とが表面に配置されたワークの金属に細長形状のラインビームを照射して加熱し、該金属の結晶粒径や結合状態を変化させるレーザアニール装置であって、
金属への吸収率が高い波長のレーザ光を発生する半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から発せられたレーザ光を平行光に偏光するレンズと、該レンズから出光するレーザ光を通すと共に反射光を９０度偏光して出光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタを出光したレーザ光を集光したライン状のラインビームをワーク上に照射する高開口数の対物レンズと、前記ワークを搭載して平面に対してＸＹ方向に任意の速度にて移動させる可動ステージと、前記半導体レーザ素子のレーザ発光を制御するレーザ制御部と、前記ワークからの反射光をビームスプリッタを介して検出して電気信号に変換するフォーカスディテクタと、該フォーカスディテクタが変換した電気信号に基づいてラインビームの合焦点制御を行うオートフォーカス制御部と、前記可動ステージのＸＹ方向の移動を制御するステージ制御部と、前記レーザ制御部とオートフォーカス制御部とステージ制御部とを制御する制御手段とを備え、
前記ステージ制御部が可動ステージをＸＹ方向に移動しながら、前記レーザ制御部が、ワーク上の加熱可領域においてワーク上の合焦点位置における短手幅が０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が６μｍ〜２００μｍの細長形状且つ焦点深度が２μｍ〜４μｍとなる光学系によりラインビームを形成し、オートフォーカス制御部が合焦点制御を行いながらレーザアニールを行う加熱工程と、前記レーザ制御部が、ワーク上の加熱不可領域において前記第１レーザパワーに比べて低出力の第２レーザパワーを選択的に実行すること特徴とする。

本発明によるレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、金属への吸収率が高い波長のレーザ光を発生する半導体レーザ素子を用い、ワークを搭載した可動ステージをＸＹ方向に移動しながら、ワーク上の加熱可領域においてワーク上の合焦点位置における短手幅が０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が６μｍ〜２００μｍの細長形状且つ焦点深度が２μｍ〜４μｍとなる光学系によりラインビームを形成し、合焦点制御を行いながらレーザアニールを行う加熱工程と、ワーク上の加熱不可領域において前記第１レーザパワーに比べて低出力の第２レーザパワーを選択的に実行することによって、加熱に不向きな回路素子と加熱対象の回路素子が混在する半導体回路素子の場合でも、局所的（厚み方向、周辺方向）に加熱することができる。

本発明の実施形態によるレーザアニール装置の原理構成を示す図。本実施形態によるレーザアニール装置のラインビーム走査を示す図。本実施形態による可動ステージを説明するための図。本実施形態によるアニール動作を示す図。本実施形態によるレーザアニールの対象となるワークを示す図。本実施形態によるワークへのレーザアニール動作を説明するための図。

以下、本発明によるレーザアニール方法を実現するレーザアニール装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態によるレーザアニール装置は、図１に示す如く、４０５ｎｍ付近の波長のレーザ光を発生する半導体レーザ素子１０と、該半導体レーザ素子１０から発せられたレーザ光を平行光に偏光するレンズ１１と、該レンズ１１から出光するレーザ光を通すと共に後述する反射光を９０度偏光して出光するビームスプリッタ５０と、該ビームスプリッタ５０を出光したレーザ光を集光したライン状のラインビーム３０を加熱対象であるワーク２０上に照射する高開口数の対物レンズ１２と、前記ワーク２０を搭載してＸＹ方向に１０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓの速度にて移動させる可動ステージ９０と、前記半導体レーザ素子１０のレーザ発光及びレーザパワーを制御するレーザ制御部８０と、前記ワーク２０上からの反射光をビームスプリッタ５０により９０度偏光して出光した反射レーザ光を検出して電気信号に変換するフォーカスディテクタ８４と、該フォーカスディテクタ８４が変換した電気信号に基づいてラインビーム３０の合焦点制御を行うオートフォーカス制御部８１と、前記可動ステージ９０のＸＹ方向の移動を制御するステージ制御部８３と、前記レーザ制御部８０とオートフォーカス制御部８１とステージ制御部８３とを制御するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）９０とを備える。なお、本実施形態による半導体レーザ波長は、金属への吸収が大きいものを選定するため、例えばＣｕ，Ａｇ、Ａｕは波長が低いほど吸収が大きく、４０５ｎｍ付近の波長を使用し、加熱によって金属の結晶粒径や結合状態を変化させるように構成されている。

このように構成されたレーザアニール装置は、ＣＰＵ９０が、半導体レーザ素子１０から発光したレーザ光を細長状のラインビーム３０をワーク２０上に合焦点制御を行いながら照射すると共に、該ラインビーム３０のワーク２０上の照射位置を可動ステージ９０の可動により変化させることによって、ワーク２０上の所定位置の金属をレーザアニールするように構成されている。

本実施形態で説明するワーク２０は、例えば、ワーク上に半導体回路素子や配線を施した加熱対象であって、例えばワーク２０の平面を示す図５（ａ）の如く、加熱対象となるアニール領域と、加熱してはならない加熱不可領域が混在し、断面を示す図５（ｂ）の如く、加熱対象とするアニール領域の幅方向の下位置に加熱不可領域が配置されているものとする。

本実施形態によるレーザアニール装置が生成するラインビーム３０は、図２に示す如く、ワーク２０上に、焦点深度が数μｍ（約２μｍ〜約４μｍ）、短手幅が約０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が約６μｍ〜２００μｍの細長形状を対物レンズ１２を使用して成形され、特に本実施形態によるラインビーム３０は、ラインビーム短手の幅が小さいため、ワークの厚み方向に局所的に温度を上昇させることができ、長手方向も約６μｍ〜約２００μｍであれば長手方向への温度の上昇を抑制することができる。

前記可動ステージ９０は、図３に示す如く、ワーク２０を搭載して直線Ｙ方向のみに移動するＹステージ４０と、該Ｙステージ４０を搭載して前記直線Ｙ方向と直交する直線Ｘ方向のみに移動するＸステージ４１とから構成され、ステージ制御部８３の制御によって搭載したワーク２０をＸＹ平面上で送り速度１０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓの範囲で可変に移動可能に構成されている。

前記レーザアニール装置の合焦点制御は、図１に示した半導体レーザ素子１０から発せられたレーザ光をレンズ１１が平行光に偏光して出光する工程と、該出光した平行レーザ光をビームスプリッタ５０を通して受光した対物レンズ１２が前記した形状のラインビーム３０を成形してワーク２０上に照射する工程と、該ワーク２０上への照射により反射された反射光３１をビームスプリッタ５０が９０度偏光してフォーカスディテクタ８４に入力する工程と、該反射光３１を入光したフォーカスディテクタ８４が反射光３１を電気信号（フォーカス信号）に変換してオートフォーカス制御部８１に入力する工程と、該オートフォーカス制御部８１が入力された電気信号（フォーカス信号）に基づいてラインビーム３０がワーク２０上で合焦点するようにオートフォーカス制御５２を行う工程とを行うことによって行われる。

更に前記レーザアニール装置は、ワーク２０上で合焦点したラインビーム３０を用いてワーク２０を加熱するアニールレーザパワーと、加熱しないフォーカスレーザパワーとの切替を行うことができる。例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示す如く、ワーク２０の表面にフォーカスレーザパワーでオートフォーカスをかけた後、ワークを図中の矢印方向に移動させ、アニール箇所３０ａ及び３０ｂの位置でアニールレーザパワーに切替えることによって、ワーク表面にオートフォーカスをかけながら任意の箇所のみに焦点深度が数μｍ（約２μｍ〜約４μｍ）のレーザ光でレーザアニールを行うことができる。

この任意箇所のアニールは、ワーク２０の長手方向に加熱不可領域と加熱不可領域が交互に配置されている場合、図６に示す如く、ワーク２０とラインビーム３０との相対的位置を可動ステージ９０の動作により変化させ、例えば、レンズ３０が位置ａの退避位置においてレーザ制御部８０がアニールパワー（レーザ電流）調整後にレーザオフする第１工程と、位置ａからフォーカス位置（ワーク２０内のアニール不要エリア）へステージ制御部８３がＸ方向及びＹ方向に移動して位置ｂにおいて一時停止する第２工程と、位置ｂにおいてレーザ制御部８０がワークに変化を与えない程度の低パワー（フォーカスパワー）でフォーカスサーボをオンする第３工程と、位置ｂから位置ｃ間においてステージ制御部８３がアニール速度にステージをＸ方向に加速する第４工程と、位置ｃ（アニール開始位置）から位置ｄにおいてレーザ制御部８０がアニールパワーに切替えて焦点深度が数μｍ（約２μｍ〜約４μｍ）のレーザ光でレーザアニールを行う第５工程と、位置ｄのアニール終了位置でレーザ制御部８０がフォーカスパワーに切替える第６工程と、位置ｄから位置ｅ間においてステージ制御部８３がＸ方向にステージを減速してワーク内不要エリアで一時停止し、Ｙ方向にステージ移動して位置ｅからｆに移動する第７工程と、位置ｆから位置ｇ間においてステージ制御部８３がＸ方向にアニール速度（レーザパワーとの組み合わせにより決定される加熱に要する相対的移動速度）までステージを加速する第８工程と、位置ｇのアニール開始位置から位置ｈ間においてレーザ制御部８０がアニールパワーに切替えて加熱可領域のレーザアニールを行う第９工程と、位置ｈのアニール終了位置でレーザ制御部８０がレーザオフし、ステージ制御部８３が位置ａの退避位置へＸ方向及びＹ方向に移動する第１０工程とを実行することによって、加熱可領域の焦点深度が数μｍ（約２μｍ〜約４μｍ）の深さのみをレーザアニールすることができる。特に本実施形態においては、位置ｂから位置ｃ間と、位置ｄから位置ｇの間においてレーザ制御部８０がフォーカスパワーによるラインビーム３０を照射しながら移動するため照射位置のワーク２０の加熱を防止することができる。

このように本実施形態によるレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、ステージ制御部８３が可動ステージ９０をＸＹ方向に移動しながら、レーザ制御部８０が、ワーク２０上の加熱可領域においてワーク上の合焦点位置における短手幅が０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が６μｍ〜２００μｍの細長形状且つ焦点深度が２μｍ〜４μｍとなる光学系によりラインビームを形成し、オートフォーカス制御部が合焦点制御を行いながらレーザアニールを行う加熱工程と、ワーク２０上の加熱不可領域において前記第１レーザパワーに比べて低出力の第２レーザパワーを選択的に実行することによって、加熱に不向きな回路素子と加熱対象の回路素子が混在する半導体回路素子の場合でも、局所的（厚み方向、周辺方向）に加熱することができる。

１０半導体レーザ素子、１１レンズ、１２対物レンズ、
２０ワーク、３０ラインビーム、３０レンズ、３０ａアニール箇所、
３１反射光、４０ステージ、５０ビームスプリッタ、
５２オートフォーカス制御、８０レーザ制御部、
８１オートフォーカス制御部、８３ステージ制御部、
８４フォーカスディテクタ、９０可動ステージ

Claims

金属が任意の箇所に配置された加熱可領域と加熱に適さない加熱不可領域とが表面に配置されたワークの金属に細長形状のラインビームを照射して加熱し、該金属の結晶粒径や結合状態を変化させるレーザアニール装置であって、
金属への吸収率が高い波長のレーザ光を発生する半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から発せられたレーザ光を平行光に偏光するレンズと、該レンズから出光するレーザ光を通すと共に反射光を９０度偏光して出光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタを出光したレーザ光を集光したライン状のラインビームをワーク上に照射する高開口数の対物レンズと、前記ワークを搭載して平面に対してＸＹ方向に任意の速度にて移動させる可動ステージと、前記半導体レーザ素子のレーザ発光を制御するレーザ制御部と、前記ワークからの反射光をビームスプリッタを介して検出して電気信号に変換するフォーカスディテクタと、該フォーカスディテクタが変換した電気信号に基づいてラインビームの合焦点制御を行うオートフォーカス制御部と、前記可動ステージのＸＹ方向の移動を制御するステージ制御部と、前記レーザ制御部とオートフォーカス制御部とステージ制御部とを制御する制御手段とを備え、
前記ステージ制御部が可動ステージをＸＹ方向に移動しながら、前記レーザ制御部が、ワーク上の加熱可領域においてワーク上の合焦点位置における短手幅が０．５μｍ〜２０μｍ、長手幅が６μｍ〜２００μｍの細長形状且つ焦点深度が２μｍ〜４μｍとなる光学系によりラインビームを形成し、オートフォーカス制御部が合焦点制御を行いながらレーザアニールを行う加熱工程と、前記レーザ制御部が、ワーク上の加熱不可領域において前記第１レーザパワーに比べて低出力の第２レーザパワーを選択的に実行すること特徴とするレーザアニール装置。