JP2017022333A - 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】レーザアニール中に非アニール面の温度を推測することが可能なレーザアニール装置を提供する。【解決手段】レーザ光源から出力されたパルスレーザビームが入射する位置にアニール対象物が保持される。赤外線検出器が、アニール対象物からの熱放射光を検出する。アニール対象物から赤外線検出器までの熱放射光の経路に遮蔽機構が配置されている。遮蔽機構は、熱放射光を透過させる開状態と熱放射光を遮光する閉状態とのいずれかの状態を取る。パルスレーザビームの各レーザパルスが立ち下がった後に、遮蔽機構が閉状態から開状態に切り替えられ、次のレーザパルスの立ち上がりまでに、遮蔽機構が開状態から閉状態に戻される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造工程では、基板の背面から１〜３μｍ程度の深い領域にバッファ層が形成される。このため、深い領域にイオン注入されたドーパントを活性化させる必要がある。特許文献１に、深い領域に注入されたドーパントの活性化アニールに適したレーザアニール装置が開示されている。このレーザアニール装置では、レーザダイオードに、トップフラットの時間波形を有するパルス電流が供給される。これにより、低いピークパワー密度でも、十分なアニールを行うことができる。

基板の背面に形成されたバッファ層の活性化アニールを行うときに、表側の面には、エミッタ、ゲート等の素子構造が形成されている。活性化アニール時に表側の素子構造の温度が過度に上昇すると、ドーパント等が再拡散してしまい、素子特性が劣化してしまう。素子特性の劣化の有無を評価するために、活性化アニール時における表側の面の温度を推定する技術が望まれる。

特開２０１３−７４０１９号公報

活性化アニール時に、レーザビームに照射されるアニール表面とは反対側の面（非アニール面）はステージに接触している。このため、アニール中に非アニール面の温度を測定することは困難である。

本発明の目的は、レーザアニール中に非アニール面の温度を推測することが可能な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。

本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持し、前記アニール対象物を面内方向に移動させるステージと、
前記ステージに保持されている前記アニール対象物からの熱放射光を検出する赤外線検出器と、
前記アニール対象物から前記赤外線検出器までの前記熱放射光の経路に配置され、前記熱放射光を透過させる開状態と前記熱放射光を遮光する閉状態とのいずれかの状態を取る遮蔽機構と、
前記パルスレーザビームの各レーザパルスが立ち下がった後に、前記遮蔽機構を前記閉状態から前記開状態に切り替え、次のレーザパルスの立ち上がりまでに、前記遮蔽機構を前記開状態から前記閉状態に戻す制御装置と
を有するレーザアニール装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持し、前記アニール対象物を面内方向に移動させるステージと、
前記ステージに保持されている前記アニール対象物の、前記パルスレーザビームが入射するアニール面とは反対側の非アニール面から、前記アニール対象物の内部を伝搬した後、前記パルスレーザビームのビームスポットと重ならない領域を通って、前記アニール面の上方に放射される熱放射光を検出する赤外線検出器と
を有するレーザアニール装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
アニール対象物のアニール面にパルスレーザビームを入射させてアニールを行う工程と、
前記パルスレーザビームの各レーザパルスの立ち下がりから、次のレーザパルスの立ち上がりまでの一部の期間において、前記アニール対象物のから放射された熱放射光の光強度を検出する工程と、
検出された光強度に基づいて、前記アニール対象物の前記アニール面とは反対側の非アニール面の温度を推定する工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
アニール対象物のアニール面にパルスレーザビームを入射させてアニールを行う工程と、
前記アニール対象物の、前記アニール面とは反対側の非アニール面から、前記アニール対象物の内部を伝搬した後、前記パルスレーザビームのビームスポットと重ならない領域を通って、前記アニール面の上方に放射される熱放射光の光強度を検出する工程と、
検出された光強度に基づいて、前記非アニール面の温度を推定する工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。

レーザパルスの入射中に放射される高強度の熱放射光の影響を排除し、強度が低下した熱放射光の強度を測定することができる。この熱放射光には、レーザパルスの入射中に放射される高強度の熱放射光に比べて、非アニール面の温度情報が比較的強く反映されている。このため、赤外線検出器で検出された熱放射光の強度に基づいて、非アニール面の温度を推定することが可能である。

また、非アニール面から、アニール対象物の内部を伝搬し、ビームスポットと重ならない領域を通って放射される熱放射光には、ビームスポット近傍の高温の領域から放射される熱放射光が含まれない。このため、ビームスポットと重ならない領域を通って放射される熱放射光を検出することにより、高強度の熱放射光の影響を排除して、非アニール面から放射された低強度の熱放射光の強度を測定することができる。この測定結果に基づいて、非アニール面の温度を推定することができる。

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２は、アニール対象物にパルスレーザビームを１ショット入射したときのパルスレーザビームの波形、及び赤外線検出器からの出力信号波形の測定結果を示すグラフである。 図３は、パルスレーザビーム、熱放射光、遮蔽機構の状態、赤外線検出器で検出される熱放射光の強度の時間変化を示すグラフである。 図４は、アニール対象物の厚さ方向に関する温度分布を時系列で示すグラフである。 図５は、直前に入射したレーザパルスのビームスポット、次に入射するレーザパルスのビームスポット、及び熱放射光の強度が検出される被検出箇所の位置関係を示す図である。 図６は、図１に示したレーザアニール装置を用いたレーザアニール方法のフローチャートである。 図７は、他の実施例によるレーザアニール装置を動作させたときのパルスレーザビーム、熱放射光、遮蔽機構の状態、赤外線検出器で検出される熱放射光の強度の時間変化を示すグラフである。 図８は、図７に示したレーザアニール装置の遮蔽機構に用いられる回転盤の平面図である。 図９は、さらに他の実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図１０は、図９に示したレーザアニール装置の検出系の概略図である。 図１１は、さらに他の実施例によるレーザアニール装置のステージ及び熱放射光検出光学系の概略図である。

図１〜図６を参照して、実施例によるレーザアニール装置及びレーザアニール方法について説明する。

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。レーザ光源１０がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームのビームプロファイルが、均一化光学系１１によって均一化される。均一化光学系１１を通過したパルスレーザビームが、ダイクロイックミラー１２に入射する。ダイクロイックミラー１２は、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームの波長域の光を反射する。ダイクロイックミラー１２で反射されたパルスレーザビームが、レンズ１３で収束されて、アニール対象物３０に入射する。アニール対象物３０は、ステージ３１に保持されている。アニール対象物３０は、例えばドーパントイオンが注入されたシリコンウエハである。

ステージ３１は、制御装置２０から制御されて、アニール対象物３０を面内方向に移動させる。アニール対象物３０を移動させながら、パルスレーザビームを入射させることにより、アニール対象物３０の表面の全域をアニールすることができる。

パルスレーザビームがアニール対象物３０に入射すると、入射位置のアニール対象物が加熱されることにより、ドーパントが活性化する。加熱された部分から熱放射光３５が放射される。熱放射光３５の一部は、レンズ１３で収束される。ダイクロイックミラー１２は、波長１μｍ以上の波長域の光を透過させる。ダイクロイックミラー１２を透過した熱放射光３５は、全反射ミラー１４で反射され、レンズ１６を透過して、赤外線検出器１７に入射する。レンズ１６と赤外線検出器１７との間に遮蔽機構１８が配置されている。

遮蔽機構１８の透過状態が、熱放射光３５を透過させる開状態と熱放射光３５を遮光する閉状態との間で切り替わる。遮蔽機構１８の透過状態の切り替えのタイミングは、制御装置２０によって制御される。遮蔽機構１８として、機械式シャッタ、回転式チョッパ等を用いることができる。図１では、レンズ１６と赤外線検出器１７との間に遮蔽機構１８を配置したが、遮蔽機構１８は、アニール対象物３０から赤外線検出器１７までの熱放射光３５の経路の他の位置に配置してもよい。ただし、閉状態と開状態との切り換え速度を速くするために、熱放射光３５がなるべく収束された位置に配置することが好ましい。具体的には、赤外線検出器１７の直前に遮蔽機構１８を配置することが好ましい。

制御装置２０は記憶装置２１を含む。記憶装置２１に、レーザアニール装置を制御するためのプログラム、制御に必要な種々のデータ等が記憶されている。オペレータは、入力装置２６を通して制御装置２０に種々のコマンドやデータを入力する。制御装置２０は、制御結果を出力装置２５に出力する。出力装置２５には、例えば液晶表示装置が用いられる。入力装置２６には、例えばキーボード、ポインティングデバイス等が用いられる。

図２に、アニール対象物３０にパルスレーザビームの１つのレーザパルスが入射したときのパルスレーザビームの波形、及び赤外線検出器１７からの出力信号の波形の測定結果を示す。遮蔽機構１８は常時開状態にされている。図２の横軸は経過時間を単位「μｓ」で表し、縦軸は信号強度を表す。実線ａがパルスレーザビームの波形を示し、実線ｂが、赤外線検出器１７からの出力信号波形を示す。赤外線検出器１７の出力信号の強度は、アニール対象物３０からの熱放射光の強度に対応する。図２に示したパルスレーザビームの波形は、レーザ光源１０（図１）としてレーザダイオードを用いたときのものである。

パルスレーザビームが立ち上がった直後は、アニール対象物３０の温度の上昇が十分ではないため、熱放射光の強度が赤外線検出器１７の検出限界以下である。パルスレーザビームが立ち上がってから約１０μｓ経過した時点から、赤外線検出器１７の出力信号強度が増加し始める。温度シミュレーションの結果から、このときのアニール対象物３０の表面温度は約８００℃であった。アニール対象物３０の表面温度が８００℃以上になると、熱放射光の強度を計測することが可能になる。なお、熱放射光の強度が計測可能になる表面温度は、赤外線検出器１７の感度や、アニール対象物３０から赤外線検出器１７に達するまでの経路での熱放射光の減衰量に依存する。

パルスレーザビームが立ち下がった時点から、赤外線検出器１７の出力信号の強度が低下し始める。これは、アニール対象物３０の温度が低下し始めたことを意味する。

図３に、パルスレーザビーム、熱放射光、遮蔽機構１８の透過状態、赤外線検出器１７による熱放射光の強度の検出値の時間変化を示す。図３の最上段に、パルスレーザビームの波形を模式的に示す。一定の周波数でレーザパルスが出力される。周波数及びパルス幅は、予め制御装置２０の記憶装置２１に記憶されている。

図３の２段目に、アニール対象物３０から放射される熱放射光の強度の時間変化を示し、３段目に熱放射光の強度の時間変化を縦軸方向に引き伸ばしたグラフを示す。４段目に、遮蔽機構１８の透過状態のタイミングチャートを示す。最下段に、赤外線検出器１７の検出値の時間変化を示す。

時刻ｔ１においてレーザパルスが立ち上がった後、熱放射光の強度が徐々に上昇し、時刻ｔ２においてレーザパルスが立ち下がった後、熱放射光の強度が徐々に低下する。時刻ｔ５において次のレーザパルスが立ち上がると、熱放射光の強度が再度上昇し始める。

パルスレーザビームの各レーザパルスが立ち下がった後の時刻ｔ３において、遮蔽機構１８が閉状態から開状態に切り替わる。その後、次のレーザパルスの立ち上がりよりも前の時刻ｔ４において、遮蔽機構１８が開状態から閉状態に切り替わる。すなわち、レーザパルスが出力されていない期間に、遮蔽機構１８が開状態にされる。その他の期間、遮蔽機構１８は閉状態にされている。

遮蔽機構１８が閉状態にされている期間は、赤外線検出器１７に熱放射光が入射しない。このため、赤外線検出器１７の検出値は０である。遮蔽機構１８が開状態にされている期間は、赤外線検出器１７に熱放射光が入射する。このため、赤外線検出器１７の検出値が正の値を示す。

図４に、アニール対象物３０の厚さ方向に関する温度分布を時系列で示す。横軸は厚さ方向の位置を表し、左端が、パルスレーザビームの入射する表面（アニール面）に対応し、右端が、アニール面とは反対側の表面（非アニール面）に対応する。縦軸は、温度を表す。

レーザパルスが立ち下がった時刻ｔ２（図３）において、アニール面から非アニール面に向って低下する温度分布が形成されている。レーザパルスが立ち下がった後は、時刻の経過とともにアニール面の温度が低下する。アニール面から非アニール面に向って熱伝導が生じることにより、非アニール面の温度は、時間の経過とともに上昇する。十分な時間が経過すると、アニール面の温度と非アニール面の温度とがほぼ等しくなる。すなわち、温度分布がほぼ平衡状態になる。温度分布がほぼ平衡状態になった後に、時刻ｔ３（図３）において遮蔽機構１８が開状態に切り替えられる。従って、時刻ｔ３、ｔ４における温度分布は、アニール面と非アニール面との間でほぼ一定になっている。

次に、上記実施例によるレーザアニール装置の優れた効果について説明する。遮蔽機構１８を配置しない場合には、レーザパルスが照射されている期間の高強度の熱放射光も赤外線検出器１７に入射する。レーザパルスの立ち下がり時刻ｔ２（図３）における熱放射光のピーク強度が赤外線検出器１７のダイナミックレンジに収まるように、熱放射光の経路に光学フィルタを配置すると、ほぼ平衡状態に至った時刻ｔ３（図３）における熱放射光の強度がノイズに埋もれてしまう。

上記実施例では、高強度の熱放射光が赤外線検出器１７に入射しないように、遮蔽機構１８の開状態及び閉状態が切り替えられる。このため、温度分布がほぼ平衡状態になったときの熱放射光の強度が赤外線検出器１７のダイナミックレンジに収まるように光学系を設計することが可能である。ほぼ平衡状態のときの熱放射光の強度測定に最適化して光学系を設計することにより、ほぼ平衡状態における熱放射光の強度を測定することが可能になる。

ほぼ平衡状態のときに測定された熱放射光の強度には、アニール対象物３０のアニール面から非アニール面までの温度情報が反映されている。このため、熱放射光の強度から非アニール面の温度を推測することが可能である。熱放射光の強度と非アニール面の温度との対応関係は、事前に評価実験を行うことにより、決定しておくことができる。この対応関係は、温度シミュレーションの結果に基づいて決定することも可能である。評価実験またはシミュレーションにより決定された対応関係は、制御装置２０の記憶装置２１に記憶される。制御装置２０は、アニール期間中に取得した熱放射光の強度と、この対応関係とに基づいて、非アニール面の温度を算出することができる。算出された非アニール面の温度は、アニール対象物３０の表面内の位置と対応付けて、出力装置２５に出力される。

次に、遮蔽機構１８を開状態にする好ましい時期について説明する。上述のように、アニール対象物３０の厚さ方向の温度分布がほぼ平衡状態に達した後に、遮蔽機構１８を開状態にすることが好ましい。図２に示したパルスレーザビームの波形と熱放射光の強度の時間変化との関係から、レーザパルスの立ち下がり時点から約１５μｓ経過すると、アニール対象物３０内の温度分布がほぼ平衡状態に達しているということができる。従って、レーザパルスの立ち下がり時点から１５μｓ以上経過した時点で、遮蔽機構１８を閉状態から開状態に切り替えることが好ましい。高強度の熱放射光が赤外線検出器１７に入射することを防止するために、次のレーザパルスの立ち上がり時刻より前に、遮蔽機構１８を開状態から閉状態に戻すことが好ましい。

レーザパルスの立ち下がりからの経過時間が長くなるにしたがって、アニール対象物３０内の温度分布は、より平衡状態に近づく。このため、レーザパルスの立ち下がり後、次のレーザパルスの立ち上がり時刻より前であるという条件の下で、遮蔽機構１８を開状態にする時期をなるべく遅らせることが好ましい。例えば、レーザパルスの立ち下がりから、次のレーザパルスの立ち上がりまでの期間の中間点よりも後に、遮蔽機構１８を閉状態から開状態に切り替えることが好ましい。

次に、図５を参照して、パルスレーザビームのビームスポットと、熱放射光の強度が検出される位置との関係について説明する。

図５に、直前に入射したレーザパルスのビームスポット３６Ａ、次に入射するレーザパルスのビームスポット３６Ｂ、及び熱放射光の強度が検出される領域（以下、被検出箇所３７という。）の位置関係を示す。被検出箇所３７から放射された熱放射光が、レンズ１３及び１６（図１）を経由して、赤外線検出器１７の受光面に入射する。被検出箇所３７よりも外側の領域から放射された熱放射光は赤外線検出器１７の受光面に入射しない。

ビームスポット３６Ａ、３６Ｂの各々は、一方向に長い長尺形状を有する。アニール中は、ビームスポット３６Ａ、３６Ｂの長軸方向に対して直交する方向（幅方向）に、アニール対象物３０が移動する。直前に入射したレーザパルスのビームスポット３６Ａと、次に入射するレーザパルスのビームスポット３６Ｂとは、部分的に重なる。重複率は、例えば５０％〜７５％程度である。

ビームスポット３６Ａ、３６Ｂの幅方向に関して、直前のレーザパルスのビームスポット３６Ａと、被検出箇所３７との中心同士がほぼ一致するように、被検出箇所３７の位置が設定されている。このため、被検出箇所３７は、次に入射するレーザパルスのビームスポット３６Ｂの中心よりも、直前に入射したレーザパルスのビームスポット３６Ａの中心に向かってずれた位置に設定される。

被検出箇所３７と、直前に入射したレーザパルスのビームスポット３６Ａとの中心同士を一致させることにより、加熱された領域から放射される熱放射光を、赤外線検出器１７で効率的に受光することができる。

次に、図６を参照して、図１に示したレーザアニール装置を用いてレーザアニールを行う方法について説明する。

図６は、図１に示したレーザアニール装置を用いたレーザアニール方法のフローチャートを示す。ステップＳ１において、アニール対象物３０をステージ３１（図１）に保持する。例えば、搬送装置がアニール対象物３０のストック場所からアニール対象物３０を取り出して、ステージ３１の上まで移送する。

ステップＳ２において、ステージ３１の移動、パルスレーザビームの出力、及び遮蔽機構１８の動作を開始する。具体的には、制御装置２０が、ステージ３１、レーザ光源１０、及び遮蔽機構１８に動作指令を与えることにより、動作が開始される。

ステップＳ３において、アニール対象物３０の全域のアニールが終了したか否かを判定する。全域のアニールが終了した場合には、アニール処理を終了する。全域のアニールが終了していない場合には、ステップＳ４において、赤外線検出器１７による熱放射光の強度の検出値が許容上限値を超えているか否かを判定する。許容上限値は、記憶装置２１に予め記憶されている。検出値が許容上限値を超えているということは、アニール対象物３０の非アニール面の温度が過度に上昇していることを意味する。

熱放射光の検出値が許容上限値を超えていない場合には、ステップＳ３に戻る。すなわち、アニール対象物３０の全域のアニールが終了するまで、パルスレーザビームの出力、ステージ３１の移動、遮蔽機構１８の動作を継続する。熱放射光の検出値が許容上限値を超えている場合には、ステップＳ５において、パルスレーザビームの出力、ステージ３１の移動、及び遮蔽機構１８の動作を一時的に停止させる。

パルスレーザビームの出力、ステージ３１の移動、及び遮蔽機構１８の動作を一時的に停止させた後、ステップＳ６において、パルスレーザビームの出力条件を修正する。具体的には、パルス幅を短くするとともに、レーザ光強度を高める。１パルスあたりのエネルギは修正前より小さくなる。パルスレーザビームの出力条件を修正した後、ステップＳ２に戻って、パルスレーザビームの出力、ステージ３１の移動、及び遮蔽機構１８の動作を再開する。

上記レーザアニール方法では、ステップＳ４において、アニール対象物３０の非アニール面の温度の過度の上昇が検出されると、制御装置２０がパルスレーザビームの光強度を高めるとともに、パルス幅を短くする。光強度が高くなり、かつパルス幅が短くなると、アニール対象物３０の非アニール面の温度上昇が抑制される。これにより、非アニール面に形成されている素子構造の劣化を回避することができる。なお、１パルス当たりのエネルギがほぼ一定であれば、アニール面側のドーパントは正常に活性化される。

図６では、ステップＳ４において、熱放射光の強度の検出値が許容上限値を超えていると判定された場合、ステップＳ５において、ステージ３１の移動、パルスレーザビームの出力、及び遮蔽機構１８の動作を一時的に停止させた。その他の方法として、ステージ３１の移動、パルスレーザビームの出力、及び遮蔽機構１８の動作を停止させることなく、ステップＳ６においてパルスレーザビームの出力条件を修正してもよい。

次に、図７及び図８を参照して、他の実施例によるレーザアニール装置及びレーザアニール方法について説明する。以下、図１〜図６に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図１〜図６に示した実施例では、遮蔽機構１８（図１）の透過状態が閉状態と開状態との２つの状態を含んでいた。図７及び図８に示した実施例では、遮蔽機構１８の透過状態が、閉状態及び開状態の他に減衰状態を含む。遮蔽機構１８が減衰状態のとき、熱放射光が減衰されて赤外線検出器１７に入射する。遮蔽機構１８として、例えば回転型チョッパが用いられる。

図７に、本実施例によるレーザアニール装置を動作させたときのパルスレーザビーム、熱放射光、遮蔽機構１８の状態、赤外線検出器１７で検出される熱放射光の強度の時間変化を示す。図７に示したグラフは、図１〜図６の実施例の図３のグラフに対応する。本実施例では、図７の４段目のグラフに示すように、レーザパルスの立ち下がり時刻ｔ２を含むある期間、すなわち熱放射光の強度が著しく高くなる期間、遮蔽機構１８が減衰状態にされる。従って、図７の最下段のグラフに示すように、高強度の熱放射光が減衰されて赤外線検出器１７に入射する。

図８に、遮蔽機構１８に用いられる回転盤１９の平面図を示す。回転盤１９に、透過領域１９Ａ及び減衰領域１９Ｂが設けられている。透過領域１９Ａは、熱放射光をほぼ１００％透過させる。減衰領域１９Ｂは、熱放射光を減衰させる。回転盤１９のその他の領域は、熱放射光を透過させない。回転盤１９が回転すると、透過領域１９Ａと減衰領域１９Ｂとが交互に熱放射光の経路を横切る。透過領域１９Ａが熱放射光の経路と重なった状態が開状態に相当する。減衰領域１９Ｂが熱放射光の経路と重なった状態が減衰状態に対応する。

減衰した熱放射光の強度が赤外線検出器１７のダイナミックレンジに収まるように、減衰領域１９Ｂの透過率が設定されている。このため、レーザパルスの立ち下がり時点の高強度の熱放射光と、アニール対象物３０の温度分布がほぼ平衡状態に達した時の低強度の熱放射光との両方の強度を、赤外線検出器１７で測定することができる。レーザパルスの立ち下がり時点の熱放射光の強度の検出値に基づいて、レーザパルス入射時点におけるアニール対象物３０の表層部の温度情報を得ることができる。

次に、図９及び図１０を参照して、さらに他の実施例によるレーザアニール装置について説明する。以下、図１〜図６に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図９に、本実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。このレーザアニール装置は、第１のレーザ光源５１、及び第２のレーザ光源６１を有する。第１のレーザ光源５１には、レーザダイオードが用いられる。第１のレーザ光源５１は、例えば波長８０８ｎｍのパルスレーザビームを出力する。第２のレーザ光源６１は、固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂで構成される。固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂは、緑色域の波長を有するパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器６１Ａ及び６１Ｂには、例えば２次高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ等が用いられる。

第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビーム、及び第２のレーザ光源６１から出力されたパルスレーザビームが、伝搬光学系５７を経由して、アニール対象物３０に入射する。第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームと、第２のレーザ光源６１から出力されたパルスレーザビームとは、アニール対象物３０の表面の同一の領域に入射する。アニール対象物３０はステージ３１に保持されている。

次に、伝搬光学系５７の構成及び作用について説明する。第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ５２、ビームエキスパンダ５３、ビームホモジナイザ５４、ダイクロイックミラー５５、及びレンズ５６を経由して、アニール対象物３０に入射する。

一方の固体レーザ発振器６１Ａから出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ６２Ａ及びビームエキスパンダ６３Ａを経由して、ビームスプリッタ６５に入射する。他方の固体レーザ発振器６１Ｂから出力されたパルスレーザビームが、アッテネータ６２Ｂ、ビームエキスパンダ６３Ｂ、及びミラー６４を経由して、ビームスプリッタ６５に入射する。２つの固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されたパルスレーザビームが、ビームスプリッタ６５で合流し、共通の経路に沿って伝搬する。

ビームスプリッタ６５で１本の経路に合流したパルスレーザビームは、ビームホモジナイザ６６、ダイクロイックミラー６７、ダイクロイックミラー５５、及びレンズ５６を経由して、アニール対象物３０に入射する。

ダイクロイックミラー５５は、８００ｎｍの波長域の光を反射し、その他の波長域の光を透過させる。ダイクロイックミラー６７は、緑色の波長域の光を反射し、その他の波長域の光を透過させる。制御装置２０が、第１のレーザ光源５１、第２のレーザ光源６１、及びステージ３１を制御する。

アニール対象物３０からの熱放射光が、レンズ５６、ダイクロイックミラー５５及び６７を透過して、検出系７０に入射する。さらに、検出系７０から出力された測定用の光が、ダイクロイックミラー６７、５５を透過し、レンズ５６で収束されてアニール対象物３０に入射する。アニール対象物３０からの反射光が、同一の経路を逆方向に辿って検出系７０に入射する。

第１のレーザ光源５１から出力されたパルスレーザビームは、主としてアニール対象物３０の深い領域を加熱する。これにより、深い領域のドーパントが活性化する。第１のレーザ光源５１が、図１〜図６の実施例のレーザ光源１０に対応する。

第２のレーザ光源６１の２つの固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されるパルスレーザビームのパルス幅は、１００ｎｓ程度である。すなわち、第１のレーザ光源５１から出力されるパルスレーザビームのパルス幅の１／１００より短い。また、固体レーザ発振器６１Ａ、６１Ｂから出力されるパルスレーザビームのピーク強度は、第１のレーザ光源５１から出力されるパルスレーザビームのピーク強度よりも十分大きい。第２のレーザ光源６１から出力された短パルスかつ高強度のパルスレーザビームは、アニール対象物３０の表層部を溶融させる。溶融した表層部が再結晶化するときに、ドーパントが活性化する。第２のレーザ光源６１は、相対的に浅い領域のドーパントの活性化に用いられる。

図１０に、検出系７０の概略図を示す。全反射ミラー１４、レンズ１６、赤外線検出器１７、及び遮蔽機構１８の構成は、図１に示した実施例の構成と同一である。全反射ミラー１４とレンズ１６との間に、ダイクロイックミラー７１が配置されている。ダイクロイックミラー７１は、１μｍ以上の波長域の光を透過させ、６００ｎｍ以上１μｍ未満の波長域の光を反射する。

伝搬光学系５７から検出系７０に入射した熱放射光のうち、１μｍ未満の波長域の光は、ダイクロイックミラー７１で反射され、次のダイクロイックミラー７２に入射する。ダイクロイックミラー７２は、８６０ｎｍ以上９４０ｎｍ以下の波長域の光を反射し、波長６３３ｎｍの光を透過させる。ダイクロイックミラー７２で反射した熱放射光は、レンズ７３で収束された後、表面温度検出器７４に入射する。表面温度検出器７４には、例えばアバランシェフォトダイオードを用いることができる。

表面温度検出器７４には、短パルスによる短時間の溶融を検出するために、高速応答性が求められる。表面温度検出器７４にアバランシェフォトダイオードを用いることにより、十分な高速応答性を確保することができる。

参照用光源８１が参照光を出力する。参照用光源８１には、例えばＨｅＮｅレーザ発振器を用いることができる。ＨｅＮｅレーザ発振器の出力波長は約６３３ｎｍである。参照用光源８１から出力されたレーザビームが１／２波長板８０を透過した後、ビームスプリッタ７７で分岐される。

ビームスプリッタ７７を直進した参照光は、参照光検出器８２に入射する。ビームスプリッタ７７で反射した参照光は、１／４波長板７６、全反射ミラー７５、ダイクロイックミラー７２、７１、及び全反射ミラー１４を経由して、伝搬光学系５７に入射する。

アニール対象物３０（図１）で反射した反射光が、同一の経路を逆方向に辿り、ビームスプリッタ７７に入射する。参照光は、往路と復路で１／４波長板７６を２回通過しているため、反射光はビームスプリッタ７７を直進する。その後、レンズ７８で収束され、反射光検出器７９に入射する。

赤外線検出器１７、表面温度検出器７４、反射光検出器７９、及び参照光検出器８２の検出結果が、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、表面温度検出器７４の検出結果から、アニール対象物３０の溶融した表層部の温度を求める。さらに、制御装置２０は、反射光検出器７９及び参照光検出器８２の検出結果から、アニール対象物３０の表面の反射率を算出する。アニール対象物３０の表層部が溶融すると反射率が高くなるため、反射率の算出結果から溶融時間を算出することができる。溶融していた時間に基づいて、溶融した部分の深さを算出することができる。赤外線検出器１７により、アニール対象物３０の非アニール面の温度情報を得ることができる。

次に、図１１を参照してさらに他の実施例によるレーザアニール装置について説明する。以下、図１〜図６に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図１１に、本実施例によるレーザアニール装置のステージ３１及び熱放射光検出光学系の概略図を示す。ステージ３１の上にアニール対象物３０が保持されている。アニール対象物３０に、ほぼ垂直方向からパルスレーザビーム３２が入射する。パルスレーザビーム３２が入射すると、加熱されたアニール面３９から非アニール面３８に向かって熱が伝搬する。これにより、ビームスポット３６の直下の非アニール面３８の温度が上昇する。温度が上昇した非アニール面３８から熱放射光が放射される。アニール対象物３０の内部をアニール面３９に対して斜め方向に伝搬した後、アニール面３９の上方に放射された熱放射光３５が、レンズ１６を経由して赤外線検出器１７に入射する。

赤外線検出器１７に入射する熱放射光３５は、ビームスポット３６と重ならない領域を通過する。アニール面３９側の極浅い領域から放射された熱放射光は、赤外線検出器１７の受光面に入射しない。このため、アニール面３９から放射される高強度の熱放射光の影響を排除し、非アニール面３８の近傍からの熱放射光の強度を検出することができる。

図１１に示した実施例では、パルスレーザビーム３２が入射している期間にも、非アニール面３８から放射された熱放射光の強度に基づいて、非アニール面３８の温度を推定することができる。

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。

１０ レーザ光源
１１ 均一化光学系
１２ ダイクロイックミラー
１３ レンズ
１４ 全反射ミラー
１６ レンズ
１７ 赤外線検出器
１８ 遮蔽機構
１９ 回転盤
１９Ａ 透過領域
１９Ｂ 減衰領域
２０ 制御装置
２１ 記憶装置
２５ 出力装置
２６ 入力装置
３０ アニール対象物
３１ ステージ
３２ パルスレーザビーム
３５ 熱放射光
３６、３６Ａ、３６Ｂ ビームスポット
３７ 被検査箇所
３８ 非アニール面
３９ アニール面
５１ 第１のレーザ光源
５２ アッテネータ
５３ ビームエキスパンダ
５４ ビームホモジナイザ
５５ ダイクロイックミラー
５６ レンズ
５７ 伝搬光学系
６１ 第２のレーザ光源
６１Ａ、６１Ｂ 固体レーザ発振器
６２Ａ、６２Ｂ アッテネータ
６３Ａ、６３Ｂ ビームエキスパンダ
６４ ミラー
６５ ビームスプリッタ
６６ ビームホモジナイザ
６７ ダイクロイックミラー
７０ 検出系
７１、７２ ダイクロイックミラー
７３ レンズ
７４ 表面温度検出器
７５ 全反射ミラー
７６ １／４波長板
７７ ビームスプリッタ
７８ レンズ
７９ 反射光検出器
８０ １／２波長板
８１ 参照用光源
８２ 参照光検出器

Claims (9)

1. パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記パルスレーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持し、前記アニール対象物を面内方向に移動させるステージと、
   前記ステージに保持されている前記アニール対象物からの熱放射光を検出する赤外線検出器と、
   前記アニール対象物から前記赤外線検出器までの前記熱放射光の経路に配置され、前記熱放射光を透過させる開状態と前記熱放射光を遮光する閉状態とのいずれかの状態を取る遮蔽機構と、
   前記パルスレーザビームの各レーザパルスが立ち下がった後に、前記遮蔽機構を前記閉状態から前記開状態に切り替え、次のレーザパルスの立ち上がりまでに、前記遮蔽機構を前記開状態から前記閉状態に戻す制御装置と
   を有するレーザアニール装置。
2. 前記制御装置は、
   前記ステージを制御して前記アニール対象物を面内方向に移動させながら、前記レーザ光源を制御して前記パルスレーザビームを出力させ、
   前記パルスレーザビームの各レーザパルスが立ち下がった後、次のレーザパルスが立ち上がるまでの期間の中間点が経過した後に、前記遮蔽機構を前記閉状態から前記開状態に切り替える請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 前記制御装置は、前記遮蔽機構が前記開状態になっている期間に受光した前記熱放射光の強度に基づいて、前記アニール対象物の温度を算出する請求項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、前記遮蔽機構が前記開状態になっている期間に受光した前記熱放射光の強度が許容上限値を超えているか否かを判定し、前記許容上限値を超えている場合は、前記レーザ光源を制御して、前記パルスレーザビームのパルス幅を短くするとともに、ピーク強度を高くする請求項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、前記熱放射光の強度が前記許容上限値を超えている場合、前記レーザ光源を制御して、前記パルスレーザビームの出力を一時的に停止させ、その後、前記パルスレーザビームのパルス幅を短くするとともに、ピーク強度を高くして、前記パルスレーザビームの出力を再開する請求項４に記載のレーザアニール装置。
6. 前記制御装置は、前記パルスレーザビームの出力を一時的に停止するときに、前記ステージによる前記アニール対象物の移動を停止させ、前記パルスレーザビームの出力を再開するときに、前記ステージによる前記アニール対象物の移動を再開する請求項５に記載のレーザアニール装置。
7. パルスレーザビームを出力するレーザ光源と、
   前記パルスレーザビームが入射する位置にアニール対象物を保持し、前記アニール対象物を面内方向に移動させるステージと、
   前記ステージに保持されている前記アニール対象物の、前記パルスレーザビームが入射するアニール面とは反対側の非アニール面から、前記アニール対象物の内部を伝搬した後、前記パルスレーザビームのビームスポットと重ならない領域を通って、前記アニール面の上方に放射される熱放射光を検出する赤外線検出器と
   を有するレーザアニール装置。
8. アニール対象物のアニール面にパルスレーザビームを入射させてアニールを行う工程と、
   前記パルスレーザビームの各レーザパルスの立ち下がりから、次のレーザパルスの立ち上がりまでの一部の期間において、前記アニール対象物のから放射された熱放射光の光強度を検出する工程と、
   検出された光強度に基づいて、前記アニール対象物の前記アニール面とは反対側の非アニール面の温度を推定する工程と
   を有するレーザアニール方法。
9. アニール対象物のアニール面にパルスレーザビームを入射させてアニールを行う工程と、
   前記アニール対象物の、前記アニール面とは反対側の非アニール面から、前記アニール対象物の内部を伝搬した後、前記パルスレーザビームのビームスポットと重ならない領域を通って、前記アニール面の上方に放射される熱放射光の光強度を検出する工程と、
   検出された光強度に基づいて、前記非アニール面の温度を推定する工程と
   を有するレーザアニール方法。

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