JP2015520507A - レーザアニーリング装置及びレーザアニーリング方法 - Google Patents

レーザアニーリング装置及びレーザアニーリング方法 Download PDF

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Abstract

レーザアニーリング装置は、安定したシングルパルスレーザビームを供給するレーザビーム発生器と、シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割する循環遅延ユニット（３００）と、複数のパルスレーザビームのうち少なくとも１つを基板（２０４）に集光させる光学モジュールと、少なくとも１自由度を有するように基板（２０４）を動かすことが可能な可動ステージ（５００）とを含む。レーザアニーリング方法は、安定したシングルパルスレーザを供給し、シングルパルスレーザビームを、要求される遅延とエネルギー比とに応じて複数のパルスレーザビームに分割し、ウェハ表面温度を融点前後、又は、必要とされるアニーリング温度前後に維持するために、複数のパルスレーザのうち少なくとも１つを長時間連続的に基板（２０４）に照射する。その結果、エネルギー利用効率とアニーリングプロセスの効果との両方を改善させる。

Description

本発明は、半導体材料プロセスに関し、特にレーザアニーリング装置及びレーザアニーリング方法に関する。
アニーリングは、ターゲット材料を長時間高温に熱した後に、ゆっくり冷却する熱処理である。従来の炉によるアニーリングは、１１００°に達する温度でも、多結晶中の欠陥の完全に除去することができないが、半導体レーザアニーリングが、関連する欠陥の完全除去を行うことができる。半導体レーザアニーリングで使用されるレーザ光波長は、紫外（ＵＶ）領域から赤外（ＩＲ）までの広いスペクトラムにわたる。米国特許第６３３６３０８号明細書（２００２年１月８日発行）や米国特許第７３６５２８５号明細書（２００８年４月２９日発行）に開示されるシングルパルスレーザアニーリング、高周波Ｑスイッチパルスレーザアニーリング、スキャニング連続波レーザアニーリング、同波長ダブルパルススキャニングレーザアニーリング、二重波長ダブルパルススキャニングレーザアニーリング、などの様々な半導体レーザアニーリング方法が開発されてきた。
ダブルパルスレーザアニーリングは、文献（V.Gonfaらの「Silicon Laser Annealing by a Two-Pulse Laser System with Variable Pulse Offsets」、Clement Sabatierらによる「Laser Annealing of Double Implanted Layers for IGBT Power Devices」、「UL Dual Beam Laser Spike Annealing Technology」）に記載されるように、シングルパルスレーザアニーリングと比較して、注入イオンの活性化についてのパフォーマンスに優れる。２種類のダブルパルスレーザアニーリングがある。一方は、異なる瞬間において、シリコン表面に、同じ波長の２つのレーザパルスを照射する（V.Gonfaらの「Silicon Laser Annealing by a Two-Pulse Laser System with Variable Pulse Offsets」と、Clement Sabatierらによる「Laser Annealing of Double Implanted Layers for IGBT Power Devices」とを参照）。他方は、まず、長い波長の連続パルスレーザの照射によってシリコン表面を予熱し、短い波長の連続パルスレーザの照射によってシリコン表面をアニーリングする（「UL Dual Beam Laser Spike Annealing Technology」参照）。現在、ダブルパルススキームを採用するレーザアニーリング装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）のような分野において利用され始めている。
従来技術の「Liquid Phase Reflectivity under Conditions of Laser Induced Silicon Melting」に開示されるように、レーザアニーリングの過程において、シリコン表面が溶かされた後に形成された溶融シリコンは、固体シリコンの２倍の反射率を有する。よって、レーザエネルギーはシリコン材料に吸収されるよりも反射されるため、レーザエネルギーを追加する必要がある。これは、レーザエネルギーの利用効率を減らし、アニーリングプロセスのパフォーマンスを損なう。
この問題は、従来のシングル及びダブルパルスレーザアニーリング方法によく関連している。２つのレーザパルスの遅延時間が延びると、所定のタイムフレームにおいて温度が過度に低下し、アニーリングで要求される条件（すなわち、少なくとも５０ｎｓの間、１３００℃を超える温度で維持される）を満たさなくなる。さらに、いくつかの応用（Varian Semiconductor Equimpment Associates, Inc(米国、94303-0750, CA, パロアルト、ハンセンウェイ、811)のS.B.Felch, D.F.Downey, E.A.Arevaloらによる 「Sub-Melt Laser Annealing Followed by Low-Temperature RTP for Minimized Diffusion」に記載されるアニーリングの従来技術文献、「Pulsed Laser Annealing and Rapid Thermal Annealing of Copper-Indium-Gallium-Diselenide-Based Thin-Film Solar Cells」に記載されるソーラーエネルギーアニーリングについての従来技術文献）では、希望するアニーリング効果は、シリコン融点１４１４℃を超えない温度で得ることができる。
シングル及びダブルパルスレーザアニーリング方法が利用されているのにもかかわらず、温度がシリコン融点を超えたとき、レーザエネルギー吸収率が半分にまで降下し、レーザエネルギー利用効率が同様に減じる。特に、上記した２つのアニーリング方法では、記載されたアニーリング温度（例えば、１１００℃において活性化効率９０％まで達成可能）を、十分な長い時間（例えば、１００ｎｓ以上）維持することができなくなり、そのため、望まれるアニーリング効果を得ることができない。そのため、エネルギー利用効率とアニーリング効果との改善が、レーザアニーリングの分野において特に望まれる。
したがって、本願発明の目的は、所望の遅延時間とエネルギー比とによって、シングルパルスレーザビームを複数パルスレーザビームに分割するとともに、パルスレーザビームで対象物をアニーリングするレーザアニーリング装置及びレーザアニーリング方法を提供することである。
この目的の遂行において、第一の態様によれば、本発明は、安定したシングルパルスレーザビームを供給するレーザビーム発生器と、前記シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割する循環遅延ユニットと、前記複数のパルスレーザビームのうち少なくとも１つを基板に集光させる光学モジュールと、少なくとも１自由度を有するように前記基板を動かすことが可能な可動ステージと、を含むレーザアニーリング装置である。
好ましくは、前記循環遅延ユニットは、遅延器と、ビームスプリッタユニットと、内部制御モジュールと、を少なくとも含み、前記内部制御モジュールは、前記遅延器の遅延時間と前記ビームスプリッタユニットのビーム分割比とを制御するように構成されている。
好ましくは、前記循環遅延ユニットは、前記ビームスプリッタユニットと前記遅延器との間にレーザビームを送るための複数の光ファイバーをさらに含む。
好ましくは、前記遅延器は、平行な反射面を有する２つの反射器と、方向と位置とを調整可能な出口と入口と、を含む。
好ましくは、前記出口と前記入口とは、トランスミッタとレシーバとして、それぞれ設けられている、又は、出口反射器と入口反射器として、それぞれ設けられている。
好ましくは、前記内部制御モジュールは、前記出口及び前記入口の少なくとも一方の、前記方向及び／又は位置を調整することで、前記遅延器の遅延時間を制御する。
好ましくは、
前記ビームスプリッタユニットは、前記ビームスプリッタユニットは、異なる透過率を有する複数の第一ビームスプリッタと、ピボットと、を含み、前記内部制御モジュールは、前記ピボットを駆動して、使用する前記第一ビームスプリッタを切り替えることにより、前記ビームスプリッタユニットの前記ビーム分割比を制御する。
好ましくは、前記複数の第一ビームスプリッタは、前記ピボットから同じ距離を空けて配置される。
好ましくは、前記レーザアニーリング装置は、前記内部制御モジュールに接続されている主制御部をさらに含み、前記主制御部は、遅延時間とビーム分割比とを表す指令を、前記内部制御モジュールに送るように構成されている。
好ましくは、前記レーザビーム発生器は、レーザと、調光器と、第二ビームスプリッタと、エネルギー検出器と、レーザ制御器と、環境制御ユニットとをさらに含み、
前記シングルパルスレーザビームは、前記レーザにより供給され、前記レーザビームが前記レーザを出て前記調光器を通過して移動した後、前記第二ビームスプリッタによって、主要部と非主要部とに分割され、
前記レーザビームの前記主要部は前記循環遅延ユニットに入り、
前記レーザビームの前記非主要部は前記エネルギー検出器に入り、
前記エネルギー検出器は、前記レーザビームの前記非主要部のエネルギーを計測し、その計測結果を前記レーザ制御器に送り、
前記環境制御ユニットは、前記レーザの動作環境情報を得て、前記情報を前記レーザ制御器に送り、
前記レーザ制御器は、前記エネルギー検出器からの前記計測結果と、前記環境制御ユニットからの前記情報とに基づいて前記レーザの動作を制御し、
前記レーザ制御器と前記環境制御ユニットの両方は、前記主制御部の制御によって制御される。
好ましくは、前記光学モジュールは、ビームエクスパンダと、ビームホモジナイザと、第一のフォーカスレンズ群と、第三のビームスプリッタと、第二のフォーカスレンズ群と、焦点面検出器と、を含み、
前記循環遅延ユニットから出た複数のパルスレーザビームは、それぞれ、前記ビームエクスパンダと前記ビームホモジナイザとを連続的に通過し、前記第三のビームスプリッタにより、二つの部分に分割され、
前記複数のパルスレーザビームのそれぞれの一方の部分は、前記第一のフォーカスレンズ群を通過し、その結果、前記基板の表面に導かれ、
前記複数のパルスレーザビームのそれぞれの他方の部分は、前記第二のフォーカスレンズ群を通過し、その結果、前記焦点面検出器に導かれ、
前記焦点面検出器は、焦点面情報を得て、前記焦点面情報を前記主制御部に出力し、
前記主制御部は、前記基板を光学焦点面位置に移動させるために、前記焦点面情報に基づいて、前記可動ステージの動作を制御する。
第二の態様によれば、本発明は、安定したシングルパルスレーザビームを供給し、
所望の遅延時間とエネルギー比とに応じて、前記シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割し、
基板の表面温度を所定の範囲に維持するために、前記複数のパルスレーザビームのうち少なくとも１つを前記基板に連続的に照射する
ことを含むレーザアニーリング方法を供給する。
好ましくは、前記所望の遅延時間と前記エネルギー比とに応じて、前記シングルパルスレーザビームを前記複数のパルスレーザビームに分割することは、
ａ）あらかじめ設定されたビーム分割比に応じて第一ビームスプリッタを選択し、
ｂ）前記第一ビームスプリッタを用いて前記シングルパルスレーザビームを２つのパルスレーザビームに分割し、
前記２つのパルスレーザビームのうちの一方を前記基板に照射し、
前記２つのパルスレーザビームのうちの他方を、遅延器によって前記所望の遅延時間まで遅延させ、
ｃ）前記遅延器から出た、前記２つのパルスレーザビームのうちの他方を、前記第一ビームスプリッタを用いてさらなる２つのパルスレーザビームに分割し、
前記さらなる２つのパルスレーザビームのうちの一方を前記基板に照射し、
前記さらなる２つのパルスレーザビームのうちの他方を、前記遅延器によって前記所望の遅延時間まで遅延させ、
ｄ）ステップｃ）を繰り返す、又は、別のあらかじめ設定されたビーム分割比に応じて別の第一ビームスプリッタを選択してステップｃ）を繰り返す、
ことを含む。
好ましくは、前記遅延器は、平行な反射面を有する２つの反射器と、方向又は位置を調整可能な出口と入口とをさらに含む。
好ましくは、前記入口及び前記出口の少なくとも一方の前記方向又は前記位置を調整することで、前記遅延器の遅延時間を調整する。
好ましくは、前記入口と前記出口とは、トランスミッタとレシーバとしてそれぞれ設けられている、又は、出口反射器と入口反射器としてそれぞれ設けられている。
本発明のレーザアニーリング装置とレーザアニーリング方法とは、アニーリングプロセス中において、連続した長時間、ウェハの表面温度を、ウェハ材料の融点前後、又は、必要とされるアニーリング温度を維持するために、望ましい遅延時間とエネルギー比とによりシングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割し、複数のレーザビームで連続的にターゲットウェハを照射することができる。そのため、レーザのエネルギー利用効率とアニーリング効果との両方を改善する。
本願発明によるレーザアニーリング装置の全体概略図である。 本願発明によるレーザアニーリング装置の循環遅延ユニットの実施の形態１の模式図を示す。 本願発明によるレーザアニーリング装置の循環遅延ユニットの実施の形態２の模式図を示す。 本願発明による循環遅延ユニットのビームスプリッタユニットの模式図を示す。 図４ａの側面図である。 本願発明による循環遅延ユニットで発生するレーザビームのエネルギーを図示する図表のように示す。 本願発明によるエネルギーに対応するレーザビームの相対強度を示す。 本願発明による、基板表面に照射したレーザビーム光の光強度の時間座標を示す曲線を図示する。 本願発明による、基板表面の温度の時間座標を示す曲線を図示する。
すでに背景で上記したように、従来のパルス幅の調整方法は、アニーリングプロセスを開始した後に、基板温度が一定時間、基板材料の融点を超えるように処理され、そのため、入射レーザエネルギーの反射の集中と増加とを引き起こす。さらに、アニーリングプロセス中の基板温度の連続的な増加は、次第に高い熱放射を引き起こし、基板へ注入されるイオンの変動を引き起こす。特に、現存するダブルパルスアニーリングがレーザエネルギー分散を実現することができ、そのため、現存するシングルパルスアニーリングよりも良いアニーリング効果を有するが、本願発明のレーザアニーリング装置及びレーザアニーリング方法は、レーザを追加する必要なく、シングルパルスレーザビームを、望ましい遅延時間とエネルギー比とに応じて複数のパルスレーザビームに分割することができる。したがって、低いコストで、ダブルパルスアニーリングよりも、さらに改善したアニーリング効果を達成する。これらのレーザビームでターゲットウェハを十分に照射することは、アニーリングプロセスの間、ウェハの表面温度をウェハ材料の融点前後、又は、必要とされるアニーリング温度に十分な時間維持することができる。その結果、エネルギー利用効率とアニーリング効果とのいずれもが改善する。
以下、図面を用いて、本願発明の好適な実施例についてより詳細に記載する。当業者は、本開示から考慮して、同じ有益な結果を得るのにもかかわらず、ここに開示された特定の実施の形態において作られる変化を認識すべきである。それゆえ、下記の記載は、本願発明を限定するものではなく、本願発明の原理の実例と解釈されるべきである。
実例の簡潔性と明確性とのため、特定の実施の形態の全ての特徴が記載されていない。さらに、本発明を無駄に不明瞭化させることを避けるために、よく知られた機能や構成の詳細な記載は省略されている。本願発明の、特定の実施の形態の開発は、１つの実施から別の実施に変化しつつシステムとビジネスとに関連する制約に追従するための、開発者の特定の目標を達成するために、特定の決定を含む。さらに、そのような開発努力は、複雑であり、手間取るものの、それでも、当業者にとって慣例的な仕事である。
下記の例は、添付した図面を参照にしつつ、本願発明のより詳細な説明を提供する。本発明の特徴と利点とは、下記の詳細な記載と添付した特許請求の範囲とに、明確に表される。添付した図面は、説明の利便性と明確性とを促進するためだけの目的で、必ずしも縮尺の通りに表現されておらず、とても簡潔な形式で与えられていることに、注意すべきである。
本願発明の主要なコンセプトは、基板が複数のパルスレーザビームで連続的に照射されるように、シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割する循環遅延ユニットと、複数のパルスレーザビームを基板に集中させる光学モジュールと、を用いることであり、基板の表面温度が、アニーリングプロセス中において、連続した長時間、ウェハ材料の融点前後、又は、必要とされるアニーリング温度に維持される。これは、基板材料の融点を超えるように熱したときに基板表面の溶融を防ぐため、より高い反射性を備える溶融基板材料により、反射するレーザエネルギーの増加を防ぐことができ、レーザエネルギー利用効率とアニーリング効果との両方を改善させる結果となる。
ここで、図１を参照する。図１は、本願発明によるレーザアニーリング装置の全体概略図である。レーザアニーリング装置は、
安定したシングルパルスレーザビームを供給するレーザビーム発生器と、
シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割する循環遅延ユニット３００と、
パルスレーザビームを基板２０４に集光させる光学モジュールと、
少なくとも１自由度を有するように基板２０４を動かすことが可能な可動ステージ５００と
を含む。基板２０４は、アニーリングされるための対象物であり、半導体又はその他の材料からなり、この実施の形態では基板はシリコンウェハである。基板２０４は、可動ステージ５００に配置され、可動ステージ５００自体は、複数の自由度で可動する。
好ましくは、レーザアニーリング装置は、主制御部６００をさらに含み、主制御部６００は、時間遅れと光分割比との指示を、循環遅延ユニット３００の内部にある内部制御モジュール３０７に送るために、内部制御モジュール３０７に接続される。循環遅延ユニット３００の内部制御モジュール３０７は、循環遅延ユニット３００から放射されたパルスレーザビームに遅延が与えられるように、また、循環遅延ユニット３００が光分割比（すなわち、エネルギー比）を実現するように、主制御部６００から指令によって、制御を行う。当然、主制御部６００は、パルスレーザビームに対する遅延時間の適用を達成するために、循環遅延ユニット３００の光分割比（すなわち、エネルギー比）を達成させるために、直接制御を行なう。
さらに、複雑な装置では、コンピュータ４００は、主制御部６００から分離されている。コンピュータ４００からの指令を受け取ると、主制御部６００は、指令を実行可能な信号に変換し、その実行のために、この信号をバスを介して従制御部に割り当てる。
図２を参照する。図２は、本願発明の実施の形態１によるレーザアニーリング装置の循環遅延ユニットの概略図である。循環遅延ユニット３００は、少なくとも遅延器３０１と、ビームスプリッタユニット３０２と、内部制御モジュール３０７とを含む。遅延器３０１は、特定ニーズにかかるパルスレーザビームの遅延時間の調整を実行し、ビームスプリッタユニット３０２は、光分割比を調整するように設置されている。内部制御モジュール３０７は、遅延器３０１の遅延時間と、ビームスプリッタユニット３０２の光分割比とを制御するために、遅延器３０１とビームスプリッタユニット３０２との両方に接続されている。
好ましくは、循環遅延ユニット３００は、ビームスプリッタユニット３０２と遅延器３０１との間においてレーザビームを伝送する多数本の光ファイバー３１０をさらに含む。
再び図２を参照すると、遅延器３０１は、平行な反射面を有する２つの反射器３０４、３０５と、方向及び位置をそれぞれ調整可能な出口と入口とを含む。遅延器３０１の時間遅れを超える内部制御モジュール３０７の制御は、出口及び入口の少なくとも一つの方向及び／又は位置を調整することで、行われる。より好ましい実施の形態では、出口と入口とは、トランスミッタ３０３とレシーバ３０６として、それぞれ提供される。特に、反射器３０４、３０５は、それらの反射面が平行となるように、配置される。さらに、トランスミッタ３０３の方向とレシーバ３０６の位置とは、制御モジュール３０７に制御される範囲内にそれぞれ調整可能である。
トランスミッタ３０３がレーザビームを角度θで出射し、反射器３０４，３０５が間隙距離Ｌおよび同じ高さＨを有し、循環遅延ユニット３００の光ファイバー３１０がそれぞれ長さＬ０を有し、光ファイバー３１０の出口からトランスミッタ３０３までの光路が長さＬ１を有すると仮定すると、レーザビームがそれぞれのサイクルにおいて循環遅延ユニット３００内を伝播する際の光路長の合計Ｘは、
Ｘ＝Ｌ１＋ｎ*Ｌ０＋ｍｏｄ(Ｈ／(Ｌ*ｔｇ(θ）））＊Ｌ＊ｓｅｃ（θ） （式１）
により与えられる。ここで、ｍｏｄは、もし、整数部分が偶数である場合、結果が、その数の整数部分、又は、１と整数部分との合計、となる関数である。ｎは、光ファイバー３１０の材料の屈折率を意味する。循環遅延ユニット３００においてそれぞれのサイクルにおけるそれらの伝達によるレーザビームの遅延時間は、
Ｔ＝Ｘ／ｃ （式２）
により与えられる。
このような関係により、内部制御モジュール４０７が、主制御部６００から遅延時間Ｔについての要求を受け取るとき、対応する必要な出口角度θは、公式１及び２により、計算され、内部制御モジュール３０７は、出口角度θを達成するようにトランスミッタ３０３を指示し、レシーバ３０６を、レーザビームの入射が容易となる位置に合せる。
図４ａ及び４ｂを参照する。図４ａは、本願発明による循環遅延ユニットのビームスプリッタユニットを示す模式図であり、図４ｂは、図４ａの側面を示す。ビームスプリッタユニット３０２は、異なる透過率を有する複数の第一ビームスプリッタと、ピボット３０２５とを含んでもよい。
この実施の形態では、ビームスプリッタユニット３０２は、４つの第一ビームスプリッタ３０２１、３０２２、３０２３、３０２４を有し、内部制御モジュール３０７は、ビームスプリッタ３０２の光分割比の制御を用途として、第一ビームスプリッタを切り替るために、ピボット３０２５を駆動する。
４つの第一ビームスプリッタ３０２１、３０２２、３０２３、３０２４の透過率は、それぞれ、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４である。主制御部６００からのビームスプリッタ比を表す指令を受け取ると、内部制御モジュール３０７は、上記用途において、第一ビームスプリッタを切り替るために、ビームスプリッタ３０２のピボット３０２５を旋回させるように駆動する。この後、使用される第一ビームスプリッタの透過率はａで示される。異なる第一ビームスプリッタを使用することで、異なる透過率を得ることができる。
好ましくは、第一ビームスプリッタ３０２１、３０２２、３０２３、３０２４は、ピボット３０２５から同じ距離を空けて、配置される。これは、用途において重要な第一ビームスプリッタを配置するのに好都合である。
好ましくは、レーザビーム発生器は、レーザ１００と、調光器１０１と、第二ビームスプリッタ１０２と、エネルギー検出器１０５と、レーザ制御器１０４と、環境制御ユニット１０３とを含む。レーザ１００から供給されるシングルパルスレーザビームは、調光器１０１を通過した後に、第二ビームスプリッタ１０２によって分割される。スプリットレーザービームの大部分は、循環遅延ユニット３００に入り、残りの部分は、エネルギー検出器１０５に入る。エネルギー検出器１０５は、レーザのエネルギーを測定し、測定結果をレーザ制御器１０４に送る。環境制御ユニット１０３は、レーザ１００の使用環境についての情報（例えば、温度情報）を得て、その情報をレーザ制御器１０４に送る。その後、レーザ制御器１０４は、環境制御ユニット１０３からの情報とエネルギー検出器１０５の結果とに基づいてレーザ１００の動作を制御する。さらに、レーザ制御器１０４は、主制御部６００に接続されており、それによって主制御部６００に制御される。
好ましくは、光学モジュールは、ビームエクスパンダ２０６と、ビームホモジナイザ２０３と、第一フォーカスレンズ群２０２と、第三ビームスプリッタ２０７と、第二フォーカスレンズ群２０９と、焦点面検出器２０１とを含む。循環遅延ユニット３００を出た後で、複数のパルスレーザビームは、ビームエクスパンダ２０６とビームホモジナイザ２０３とを引き続いて通過し、その後、第三ビームスプリッタ３０７により分割される。その後、分割されたパルスレーザビームの複数は、それぞれ、第一フォーカスレンズ群２０２を通過し、基板２０４の表面に向かい、残りは、第二フォーカスレンズ群２０９を通過し、焦点面検出器２０１に向かう。焦点面検出器２０１は、焦点面情報を得て、その情報を主制御部６００に出力する。主制御部６００は、基板２０４を最適な焦点面位置に移動させるために、焦点面情報に基づいて可動ステージ５００の動作を制御する。
図５を参照する。図５は、本願発明による循環遅延ユニットで発生する複数のパルスレーザビームの光強度を図表のように示す。図５、図１及び図２を併せて参照すると、ビームスプリッタユニット３０２は、レーザビーム発生器から出たシングルパルスレーザビーム（ビーム０）を、上記したビーム分割比ａ（すなわち、使用中の第一ビームスプリッタにおけるビーム分割比ａ）による２つのビームに分割する。分割されたビームの一方（ビーム１）は、直接循環遅延ユニット３００から導き出され、例えば、ビームエクスパンダ２０６とビームホモジナイザ２０３とを引き続いて通過する。他方のビーム（ビーム２）は、上記した遅延時間Ｔまで遅延させる遅延器３０１に導入されて、その後、光ファイバー３１０により、再び使用中の第一ビームスプリッタに向かう。
使用中の第一ビームスプリッタでは、ビーム２は、上記したビーム分割比ａによる２つのビームにさらに分割される。さらに分割したビームの一方（ビーム３）は、直接的に、循環遅延ユニット３００から導き出され、ビームの他方は、上記した遅延時間Ｔまで遅延する遅延器３０１に導入されて、その後、再び光ファイバー３１０により、使用された第一ビームスプリッタに向かう。
使用中の第一ビームスプリッタでは、ビーム４は、さらに２つの分割ビームに分割される。さらに分割ビームの一方（ビーム５）は、循環遅延ユニット３００の外部へ直接導き出され、ビームの他方（ビーム６）は、上記した遅延時間Ｔまで遅延する遅延器３０１に導入されて、その後、再び光ファイバー３１０により、使用された第一ビームスプリッタに向かう。
このプロセスを繰り返すことにより、ビーム０、１、２，３、４、５、６、…、２ｎ−１、２ｎが得られ、それぞれ、１，ａ，１−ａ，ａ（１−ａ），（１−ａ）２，ａ（１−ａ）２，（１−ａ）３，…，ａ（１−ａ）ｎ−１，（１−ａ）ｎのエネルギーを有する。
ビームホモジナイザ３０２に実際に到達するそれらのビームは、ａ，ａ（１−ａ），ａ（１−ａ）２，…，ａ（１−ａ）ｎ−１のエネルギーをそれぞれ有する、奇数番号すなわち、１，３，５，…，２ｎ−１のビーム群である。
これらの奇数番号のビームは、それぞれ、遅延時間Ｔをこの実施の形態において２００ｎｓに設定して、照射された。現存するレーザアニーリング装置で採用されるレーザが、０．１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲の周波数ｆを有するレーザビームを通常生成することを考慮すると、ここでは、１／ｆ≫Ｔの関係が存在する。この実施の形態では、ｆ＝１ｋＨｚが成り立つ。
ビームホモジナイザ３０２により、非スキャン方向に沿って均質化された後、これらの奇数番号のビーム（すなわち、ビーム１，３，５，…，ｎ−１）は、可動ステージ５００上で支持される基板２０４に、順次、放射される。
この実施の形態では、ビーム分割比ａは、３０％と定められる。従って、ビームホモジナイザ３０２に到達する奇数番号ｎのビームのエネルギーは、０．３，０．２１，０．１４７，０．１０２９，０．０７２０３，０．０５０４２１，…，０．３＊０．７（２＊ｎ−１），…と得られる。
得られたレーザビームのエネルギーは、表１と図６とに示される。表１は、遅延ユニット３００のレーザと、これらに対応する相対強度との関係を示す一方で、図６は、本願発明による循環遅延ユニット３００のレーザビームの相対強度のエネルギー分布を示す。本願発明による基板２０４の表面に照射したレーザビーム光の光強度の時間座標を示す曲線を図示する図７に示されるように、レーザ１００から放射されたシングルパルスレーザは、循環遅延ユニット３００によって、エネルギーが指数的に減少する連続パルスに分割される。この実施の形態では、循環遅延ユニット３００の二つの反射器３０４、３０５は、両方１ｍの高さであり、１ｍの間隔を空けて配置されており、その方向（すなわち、トランスミッタ３０３がレーザビームを出すための角度θ）は、０．９５°であり、光学経路の長さの合計は、６０ｍに調整される。結果、分割パルスは、２００ｎｓ遅延する。さらに、この実施の形態ではｆ＝１ｋＨｚであるため、レーザ１００は、１ｍｓの間隔でシングルパルスレーザを供給する。
Figure 2015520507
従来技術の、Clement Sabatierらによる「Laser Annealing of Double Implanted Layers for IGBT Power Devices」に開示されるように、ダブルパルスレーザアニーリング方法は、レーザエネルギーの分散を達成することができ、そのため、シングルパルスレーザアニーリング方法よりも良いアニーリング効果を有する。本願発明は、レーザの追加を必要とすることなく、シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割することができ、したがって、低いコストで、ダブルパルスアニーリングよりもさらに改善したアニーリング効果に到達することができる。特に、例えば、アニーリングプロセスを開始した後に所定時間、基板材料の融点を超えるように基板温度を処理するため、入射レーザエネルギーの反射の集中と増加とを引き起こしたり、アニーリングプロセス中において基板温度を連続的に増加させるため、次第に高い熱放射を引き起こし、基板へ注入されるイオンの変動を引き起こしたりするなどの多くの問題と関連する、従来のパルス幅調整方法と比較して、本願発明は、ビーム分割比と遅延時間Ｔを調整することにより、図８に示されるように、アニーリングプロセス中において十分長時間、基板の表面温度を基板材料の融点前後まで維持することが可能であり、したがって、エネルギー利用効率とアニーリング効果との両方を改善させる結果となる。
実施の形態２
本願発明の実施の形態２によるレーザアニーリング装置の循環遅延ユニットの模式図を示す図３を参照すると、この実施の形態は、この実施の形態の循環遅延ユニット３０１が２つの反射器３０４、３０５と、出口反射器３０８と、入口反射器３０９とを含むところで、実施の形態１と異なる。出口反射器３０８と、入口反射器３０９との両方が、位置を調整可能である。図２に記載される実施の形態１の循環遅延ユニットと同様に、この実施の形態も、遅延時間の調整のため、光学経路の長さを調整する能力を有する。特に、この実施の形態では、出口と入口とは、それぞれ出口反射器３０８と、入口反射器３０９として設けられており、遅延器３０１は、光学ファイバー３１０の代わりに、レーザビームを送る機能を同じく有する少なくとも１つの反射光学部材を含んでもよい。
同様に、この実施の形態は、ビーム分割比ａと遅延時間Ｔとを調整することにより、図８に示されるように、基板の表面温度を基板材料の融点前後に、十分な長時間維持することができるため、エネルギー利用効率とアニーリング効果との両方を改善させる結果となる。
実施の形態３
異なる態様によると、本発明は、レーザアニーリング方法も供給する。図１〜８を参照すると、本願発明は、上記した実施の形態１及び２に記載されるアニーリング装置以外のアニーリング装置を採用する方法に限定されない。
本方法は、
安定したシングルパルスレーザビームを供給し、
所望の遅延時間とエネルギー比とに応じて、シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割し、
基板２０４の表面温度を所定範囲内に安定させるために、前記複数のパルスレーザビームを基板２０４に連続的に照射する。
好ましくは、所望の遅延時間とエネルギー比とに応じて、シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割することは、具体的には、
ａ）あらかじめ設定されたビーム分割比に応じて第一ビームスプリッタを選択し、
ｂ）第一ビームスプリッタを用いてシングルパルスレーザビームを２つの分割ビームに分割し、
２つの分割ビームのうちの一方を基板２０４に照射し、
２つの分割ビームのうちの他方を、遅延器３０１によって所望の遅延時間まで遅延させ、
ｃ）遅延器３０１から出た、２つの分割ビームのうちの他方を、第一ビームスプリッタを用いてさらなる２つの分割ビームに分割し、
さらなる２つの分割ビームのうちの一方を基板２０４に照射し、
さらなる２つの分割ビームのうちの他方を、遅延器３０１によって所望の遅延時間まで遅延させ、
ｄ）ステップｃ）を繰り返す、又は、別のあらかじめ設定されたビーム分割比に応じて別の第一ビームスプリッタを選択してステップｃ）を繰り返す、を含む。
好ましくは、遅延器３０１は、平行な反射面を有する２つの反射器３０４、３０５と、方向及び位置をそれぞれ調整可能な出口と入口とを含み、出口と入口の方向及び／又は位置をそれぞれ調整することは、遅延器の遅延時間を調整する結果となる。好ましくは、図２に示すように、入口と出口とは、レシーバ３０３とトランスミッタ３０６として、それぞれ設けられている、又は、図３に示すように、入口と出口とは、入口反射器３０９と出口反射器３０８として、それぞれ設けられている。
結論としては、本発明のレーザアニーリング装置とレーザアニーリング方法とは、アニーリングプロセス中において、十分に長い時間、ウェハの表面温度を、ウェハ材料の融点前後、又は、必要とされるアニーリング温度を維持するために、所望の遅延時間とエネルギー比とに応じてシングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割し、複数のレーザビームを連続的にターゲットウェハに照射することにより、レーザのエネルギー利用効率とアニーリング効果との両方の改善が可能である。
明らかに、当業者は、本発明の精神及びスコープから離れることなく、様々な変形及び代替を創造することができる。それゆえ、変形及び代替が付加したクレーム又はこれに準ずるもののスコープの範囲内に属するように、本発明は全ての変形と代替とを含むと解釈されることが意図される。

Claims (16)

  1. 安定したシングルパルスレーザビームを供給するレーザビーム発生器と、
    前記シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割する循環遅延ユニットと、
    前記複数のパルスレーザビームのうち少なくとも１つを基板に集光させる光学モジュールと、
    少なくとも１自由度を有するように前記基板を動かすことが可能な可動ステージと、
    を含むレーザアニーリング装置。
  2. 前記循環遅延ユニットは、遅延器と、ビームスプリッタユニットと、内部制御モジュールと、を少なくとも含み、
    前記内部制御モジュールは、前記遅延器の遅延時間と前記ビームスプリッタユニットのビーム分割比とを制御するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザアニーリング装置。
  3. 前記循環遅延ユニットは、前記ビームスプリッタユニットと前記遅延器との間に複数のレーザビームを送るための複数の光ファイバーをさらに含む
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザアニーリング装置。
  4. 前記遅延器は、平行な反射面を有する２つの反射器と、方向と位置とを調整可能な入口と出口と、を含む
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザアニーリング装置。
  5. 前記入口と前記出口とは、レシーバとトランスミッタとしてそれぞれ設けられている、又は、出口反射器と入口反射器としてそれぞれ設けられている
    ことを特徴とする請求項４に記載のレーザアニーリング装置。
  6. 前記内部制御モジュールは、前記入口及び前記出口の少なくとも一方の、前記方向又は位置を調整することで、前記遅延器の遅延時間を制御する
    ことを特徴とする請求項４に記載のレーザアニーリング装置。
  7. 前記ビームスプリッタユニットは、異なる透過率を有する複数の第一ビームスプリッタと、ピボットと、を含み、
    前記内部制御モジュールは、前記ピボットを駆動して、使用する前記第一ビームスプリッタを切り替えることにより、前記ビームスプリッタユニットの前記ビーム分割比を制御する
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザアニーリング装置。
  8. 前記複数の第一ビームスプリッタは、前記ピボットから同じ距離を空けて配置される
    ことを特徴とする請求項７に記載のレーザアニーリング装置。
  9. 前記内部制御モジュールに接続されている主制御部をさらに含み、
    前記主制御部は、遅延時間とビーム分割比とを表す指令を、前記内部制御モジュールに送るように構成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載のレーザアニーリング装置。
  10. 前記レーザビーム発生器は、レーザと、調光器と、第二ビームスプリッタと、エネルギー検出器と、レーザ制御器と、環境制御ユニットとをさらに含み、
    レーザビームは、前記レーザにより供給され、前記レーザビームが前記調光器を通過した後、前記第二ビームスプリッタによって、主要部と非主要部とに分割され、
    前記レーザビームの前記主要部は前記循環遅延ユニットに入り、
    前記レーザビームの前記非主要部は前記エネルギー検出器に入り、
    前記エネルギー検出器は、前記レーザビームの前記非主要部のエネルギーを計測し、その計測結果を前記レーザ制御器に送り、
    前記環境制御ユニットは、前記レーザの動作環境情報を得て、前記動作環境情報を前記レーザ制御器に送り、
    前記レーザ制御器は、前記エネルギー検出器からの前記計測結果と、前記環境制御ユニットからの前記動作環境情報とに基づいて前記レーザを制御し、
    前記レーザ制御器と前記環境制御ユニットの両方は、前記主制御部によって制御される
    ことを特徴とする請求項９に記載のレーザアニーリング装置。
  11. 前記光学モジュールは、ビームエクスパンダと、ビームホモジナイザと、第一のフォーカスレンズ群と、第三のビームスプリッタと、第二のフォーカスレンズ群と、焦点面検出器と、を含み、
    前記循環遅延ユニットから出た複数のパルスレーザビームは、それぞれ、前記ビームエクスパンダと前記ビームホモジナイザとを連続的に通過し、前記第三のビームスプリッタにより、第一の部分と第二の部分とに分割され、
    前記複数のパルスレーザビームのそれぞれの第一の部分は、前記第一のフォーカスレンズ群を通過し、その結果、前記基板の表面に導かれ、
    前記複数のパルスレーザビームのそれぞれの第二の部分は、前記第二のフォーカスレンズ群を通過し、その結果、前記焦点面検出器に導かれ、
    前記焦点面検出器は、焦点面情報を得て、前記焦点面情報を前記主制御部に出力し、
    前記主制御部は、前記基板を光学焦点面位置に移動させるために、前記焦点面情報に基づいて、前記可動ステージの動作を制御する
    ことを特徴とする請求項９に記載のレーザアニーリング装置。
  12. 安定したシングルパルスレーザビームを供給し、
    所望の遅延時間とエネルギー比とに応じて、前記シングルパルスレーザビームを複数のパルスレーザビームに分割し、
    基板の表面温度を所定の範囲に維持するために、前記複数のパルスレーザビームのうち少なくとも１つを前記基板に連続的に照射する
    ことを含むレーザアニーリング方法。
  13. 前記所望の遅延時間と前記エネルギー比とに応じて、前記シングルパルスレーザビームを前記複数のパルスレーザビームに分割することは、
    ａ）あらかじめ設定されたビーム分割比に応じて第一ビームスプリッタを選択し、
    ｂ）前記第一ビームスプリッタを用いて前記シングルパルスレーザビームを２つのパルスレーザビームに分割し、
    前記２つのパルスレーザビームのうちの一方を前記基板に照射し、
    前記２つのパルスレーザビームのうちの他方を、遅延器によって前記所望の遅延時間まで遅延させ、
    ｃ）前記遅延器から出た、前記２つのパルスレーザビームのうちの他方を、前記第一ビームスプリッタを用いてさらなる２つのパルスレーザビームに分割し、
    前記さらなる２つのパルスレーザビームのうちの一方を前記基板に照射し、
    前記さらなる２つのパルスレーザビームのうちの他方を、前記遅延器によって前記所望の遅延時間まで遅延させ、
    ｄ）ステップｃ）を繰り返す、又は、別のあらかじめ設定されたビーム分割比に応じて別の第一ビームスプリッタを選択してステップｃ）を繰り返す、
    ことを含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載のレーザアニーリング方法。
  14. 前記遅延器は、平行な反射面を有する２つの反射器と、方向又は位置を調整可能な入口と出口とをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザアニーリング方法。
  15. 前記入口及び前記出口の少なくとも一方の前記方向又は前記位置を調整することで、前記遅延器の遅延時間を調整する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザアニーリング方法。
  16. 前記入口と前記出口とは、トランスミッタとレシーバとしてそれぞれ設けられている、又は、出口反射器と入口反射器としてそれぞれ設けられている
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザアニーリング方法。
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