JP2017159320A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工品質の再現性を高めることが可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置に加工対象物が保持される。レーザ光源と加工対象物との間のレーザビームの経路に、加工対象物の表面におけるビーム断面を整形するビーム整形器、及び透過率可変のアッテネータが配置されている。ビームプロファイラが、ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定する。制御装置が、ビームプロファイラの測定結果に基づいて、ビーム断面の面積を求めて面積の測定値とし、ビーム断面の面積の測定値に基づいて、アッテネータの透過率を調整する。【選択図】図５

Description

本発明は、ビーム整形器で加工対象物の表面におけるレーザビーム断面形状及び光強度分布を整形して加工を行うレーザ加工装置に関する。

半導体ウエハに注入されたドーパントの活性化にレーザアニール技術が用いられる。例えば、半導体ウエハにパルスレーザビームを入射させることにより、半導体ウエハの表層部を加熱して、ドーパントの活性化が行われる。アニール深さ及びアニール温度を制御するために、パルス幅及びパルスエネルギ密度（フルエンス）が調整される。

パルスエネルギ密度を調整するために、パルスレーザビームの平均パワーを測定し、平均パワーの測定値、パルスの繰返し周波数、及びビーム断面の面積から、パルスエネルギ密度が算出される。下記の特許文献１に、レーザアニール装置が開示されている。

特開２０１５−１７０７２４号公報

加工対象物に入射するパルスレーザビームの平均パワーの測定値と目標値との比に基づいて、アッテネータの透過率を調整することにより、パルスレーザビームの平均パワーを目標値に近づけることができる。ところが、平均パワーを目標値に一致させてレーザ加工を行っても、加工品質の十分な再現性が得られない場合があることが判明した。

本発明の目的は、加工品質の再現性を高めることが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置され、加工対象物の表面におけるビーム断面を整形するビーム整形器と、
前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置された透過率可変のアッテネータと、
前記ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定するビームプロファイラと、
前記ビームプロファイラの測定結果に基づいて、ビーム断面の面積を求めて面積の測定値とし、ビーム断面の面積の測定値に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。

ビーム断面の面積が当初の値から変化しても、フルエンスを目標値に近づけることが可能である。これにより、加工品質の再現性を高めることができる。

図１Ａは、実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、図１Ｂは、レーザ加工装置のステージの平面図である。 図２は、パルスレーザビームがビームプロファイラに入射している状態のときのレーザ加工装置の概略図である。 図３は、参考例によるレーザ加工装置で実行されるパワー調整処理のフローチャートである。 図４は、加工対象物の表面におけるビーム断面形状を示す図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれビーム断面の幅方向（ｘ方向）及び長さ方向（ｙ方向）の光強度分布の例を示すグラフである。 図５は、実施例によるレーザ加工装置で実行されるフルエンスの調整処理のフローチャートである。

図１Ａに、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０が、制御装置５０からの発振指令信号Ｓ０を受けて、パルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０には、例えばレーザダイオードが用いられる。レーザダイオードは、例えば波長８０８ｎｍの擬似連続発振（ＱＣＷ）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経路に、透過率可変のアッテネータ１１が配置されている。アッテネータ１１は、設定された透過率に基づいて、パルスレーザビームの光強度を減衰させる。アッテネータ１１の透過率は、制御装置５０からの透過率指令信号Ｓ１によって指令される。アッテネータ１１を透過したパルスレーザビームが、ビーム整形器１２、折り返しミラー１３、及び対物レンズ１４を経由して、加工チャンバ１５内に導入される。

加工チャンバ１５の中にステージ２０が配置されている。ステージ２０の上に、チャック機構２３が固定されており、チャック機構２３によって加工対象物３０が保持される。加工対象物３０は、例えばドーパントがイオン注入されている半導体ウエハである。ステージ２０は、制御装置５０から制御されることにより、加工対象物３０の表面に平行な二次元方向に移動する。

パルスレーザビームは、加工チャンバ１５の上方の壁面に設けられた入射窓１６を通って、加工チャンバ１５内に導入される。ステージ２０が移動すると、加工対象物３０の表面上を、パルスレーザビームの入射位置が移動する。パルスレーザビームの入射位置の主走査方向への移動と、副走査方向への移動とを繰り返すことにより、加工対象物３０の表面の全域をアニールすることができる。このアニールにより、加工対象物３０に注入されたドーパントの活性化が行われる。

ビーム整形器１２と対物レンズ１４とは、加工対象物３０の表面におけるパルスレーザビームの断面形状を一方向に長い形状（長尺形状）にするとともに、長さ方向及び幅方向に関する光強度分布を均一化する。ビーム整形器１２として、複数のシリンドリカルレンズアレイを組み合わせたビームホモジナイザを用いることができる。

図１Ｂに、ステージ２０の平面図を示す。ステージ２０には、チャック機構２３の他にミラー２１及びビームプロファイラ２５が取り付けられている。ステージ２０を移動させることにより、パルスレーザビームが加工対象物３０に入射する状態、ミラー２１に入射する状態、ビームプロファイラ２５に入射する状態のいずれかの状態が実現される。

図１Ａでは、加工チャンバ１５内に導入されたパルスレーザビームがミラー２１に入射している状態を示している。加工チャンバ１５内に導入されたパルスレーザビームがビームプロファイラ２５に入射している状態が、図２に示されている。

図１Ａに示すように、ミラー２１に入射したパルスレーザビームは、ミラー２１によって水平方向に反射される。ミラー２１で反射されたパルスレーザビームは、加工チャンバ１５の側壁に設けられた窓１７を通って、加工チャンバ１５の外に配置されたレーザ強度測定器４０に入射する。ミラー２１からレーザ強度測定器４０までのパルスレーザビームの経路にレンズ２２が配置されている。レンズ２２は、レーザ強度測定器４０の受光面におけるパルスレーザビームのビーム断面の大きさを調整する。

レーザ強度測定器４０として、パワーメータ、ジュールメータ、フォトディテクタ等を用いることができる。パワーメータは、パルスレーザビームの平均パワー（パワーの時間平均）を測定する。ジュールメータは、パルスレーザビームの１パルスあたりのエネルギ（パルスエネルギ）を測定する。フォトディテクタは、パルスレーザビームの波形を測定する。フォトディテクタを較正しておくことにより、パルスレーザビームの波形からパルスエネルギを求めることができる。レーザ強度測定器４０によるパルスレーザビームの強度の測定結果が制御装置５０に入力される。以下、レーザ強度測定器４０の測定物理量が平均パワーである場合について説明を続ける。

図２に示すように、パルスレーザビームがビームプロファイラ２５に入射している状態のとき、ビームプロファイラ２５は光強度分布を測定する。ビームプロファイラ２５の測定結果が制御装置５０に入力される。

レーザ光源１０とアッテネータ１１との間のパルスレーザビームの経路に、分岐装置１８が配置されている。分岐装置１８は、制御装置５０からの切替信号Ｓ２を受けて、パルスレーザビームがアッテネータ１１に入射する状態（加工状態）と、出口用パワーメータ４５に入射する状態（待機状態）とを切り替える。出口用パワーメータ４５は、入射するパルスレーザビームの平均パワーを測定する。出口用パワーメータ４５の測定結果が制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、レーザ光源１０からのパルスレーザビームの出力タイミング、アッテネータ１１の透過率、ステージ２０の移動、及び分岐装置１８の状態を制御する。

本発明の実施例について説明する前に、図３及び図４を参照して参考例について説明する。参考例によるレーザ加工装置は、図１Ａに示した実施例によるレーザ加工装置と同一の構成を有する。

図３に、参考例によるレーザ加工装置で実行されるパワー調整処理のフローチャートを示す。フローチャートの各処理は、制御装置５０に格納されている処理プログラムにより実現される。

ステップＳＴ１において、制御装置５０がアッテネータ１１の透過率を初期値に設定する。透過率の初期値は、予め制御装置５０に記憶されている。

ステップＳＴ２において、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームの平均パワーを測定する。具体的には、まず、制御装置５０がステージ２０を移動させて、パルスレーザビームがミラー２１に入射する状態とする。その後、レーザ光源１０に発振指令信号Ｓ０を送出して、パルスレーザビームの出力を開始させる。制御装置５０がレーザ強度測定器４０からの出力を読み取ることにより、パルスレーザビームの平均パワーの測定値が得られる。

ステップＳＴ３において、制御装置５０が、平均パワーの測定値と、平均パワーの目標値とに基づいて、アッテネータ１１の透過率を調整する。具体的には、平均パワーの測定値に対する目標値の比を現在の透過率に乗じることにより、調整後の透過率が算出される。平均パワーの目標値は、予め制御装置５０に記憶されている。

ステップＳＴ４において、制御装置５０の制御下でレーザ加工が実施される。ステップＳＴ３でアッテネータ１１の透過率が調整されているため、目標とする平均パワーでレーザ加工を行うことができる。

次に、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、図３に示した参考例によるレーザ加工装置を用いたアニール処理の課題について説明する。

図４Ａに、加工対象物３０の表面におけるパルスレーザビームのビーム断面形状を示す。ビーム断面３３は、一方向に長い長尺形状を有する。ビーム断面３３の長さ方向をｙ方向とし、幅方向をｘ方向とするｘｙ直交座標系を定義する。

図４Ｂ及び図４Ｃに、それぞれビーム断面３３の幅方向（ｘ方向）及び長さ方向（ｙ方向）の光強度分布の例を示す。図４Ｂの横軸はｘ座標を表し、縦軸は光強度を表す。図４Ｃの横軸はｙ座標を表し、縦軸は光強度を表す。ビーム断面３３の幅方向の中心をｘ座標の原点とし、長さ方向の中心をｙ座標の原点としている。幅方向及び長さ方向の２方向に関して、ほぼトップフラットの光強度分布（ビームプロファイル）が実現されている。光強度が強度閾値Ｉｔｈに等しい点を連ねる線をビーム断面の外周線と定義することができる。強度閾値Ｉｔｈとして、例えばピーク強度の１／ｅ^２倍の値を採用することができる。

パルスレーザビームの平均パワーをＰｍで表し、ビーム断面３３の面積をＡで表し、パルスの繰返し周波数をｆで表すと、フルエンス（パルスエネルギ密度）Ｆは、以下の式で定義される。
Ｆ＝Ｐｍ／（ｆ×Ａ）・・・（１）
上述の式（１）からわかるように、平均パワーＰｍが一定であっても、ビーム断面３３の面積Ａが変化すると、フルエンスＦも変化する。図３に示した参考例では、パルスレーザビームの平均パワーを目標値に一致させているが、ビーム断面３３の面積Ａについては考慮されていない。すなわち、ビーム断面３３の面積Ａは不変であるという前提の下でレーザ加工が行われる。

ところが、ビーム整形器１２の温度上昇による光学特性の変化、経年変化等のため、ビーム断面３３の面積Ａが常に一定であるとは限らない。ビーム断面３３の面積Ａの変化により、フルエンスＦが一定に保たれないため、アニール品質の再現性を確保することが困難である。

次に、図１、図２、及び図５を参照して、実施例によるレーザ加工装置について説明する。実施例によるレーザ加工装置においては、以下に説明するように、アニール品質の再現性を確保することが可能である。

図５に、実施例によるレーザ加工装置で実行されるフルエンスの調整処理のフローチャートを示す。フローチャートの各処理は、制御装置５０に格納された処理プログラムにより実現される。

ステップＳＴ１１において、レーザ加工の開始前に、まず加工対象物３０（図１）、例えばドーパントが注入された半導体ウエハをステージ２０に搬送する。搬送後、加工対象物３０をチャック機構２３に固定する。

ステップＳＴ１２において、制御装置５０が、加工対象物３０の高さ調整と、面内方向の位置合わせを行う。

ステップＳＴ１２の後、ステップＳＴ１３において、装置の現時点の動作モードが「フルエンスフィードバック実行モード」か否かを判定する。この動作モードはオペレータにより設定される。例えば、装置の現時点の動作モードが「フルエンスフィードバック実行モード」である場合には、以下に説明するフルエンスフィードバック処理を実行する。動作モードが「フルエンスフィードバック実行モード」でない場合には、フルエンスフィードバック処理を実行することなく、ステップＳＴ２３において、レーザ加工処理を実行する。

ステップＳＴ１３において、動作モードが「フルエンスフィードバック実行モード」であると判定された場合には、ステップＳＴ１４において、動作モードが「ビーム断面積測定モード」か否かを判定する。この動作モードも、オペレータにより設定される。

ステップＳＴ１４において、動作モードが「ビーム断面積測定モード」であると判定された場合には、ステップＳＴ１５において、現時点の加工対象物３０（図１Ａ）がロットの１枚目か否かを判定する。

ステップＳＴ１５において、現時点の加工対象物３０がロットの１枚目であると判定された場合には、ステップＳＴ１６において、パルスレーザビームの光強度分布を測定する。光強度分布の測定は、図２に示したように、レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームをビームプロファイラ２５に入射させることにより行うことができる。

ステップＳＴ１７において、制御装置５０が、測定された光強度分布に基づいて、ビーム断面積を算出する。例えば、ビーム断面３３（図４Ａ）の幅方向の光強度分布（図４Ｂ）からビーム断面３３の幅を求め、長さ方向の光強度分布（図４Ｃ）からビーム断面３３の長さを求める。ビーム断面３３の幅と長さとから、面積Ａを算出することができる。

ステップＳＴ１８において、ビーム断面３３の面積Ａが正常か否かを判定する。制御装置５０に、予めビーム断面３３の面積Ａの許容範囲が記憶されている。面積Ａの測定値が許容範囲に収まっている場合には、面積Ａは正常であると判定され、許容範囲外であれば、面積Ａは正常ではないと判定される。

ビーム断面３３の面積Ａが正常ではないと判定された場合には、ビーム整形器１２（図１Ａ）に何らかの異常が発生していると考えられるため、レーザ加工処理を終了する。制御装置５０は、異常をオペレータに通知するための警報を発出する。

ステップＳＴ１８において、ビーム断面３３の面積Ａが正常であると判定された場合には、ステップＳＴ１９において、フルエンス算出用のビーム断面３３の面積Ａとして、ステップＳＴ１７で求められた面積Ａの測定値を採用する。

ステップＳＴ２０において、パルスレーザビームの平均パワーを測定する。平均パワーの測定は、図１Ａに示したように、レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームをレーザ強度測定器４０に入射させることにより行うことができる。

ステップＳＴ２１において、フルエンスＦを算出する。フルエンスＦの算出は、上述の式（１）により行うことができる。このとき、フルエンス算出用のビーム断面３３の面積Ａとして、測定値が採用されている（ステップＳＴ１９）。従って、ステップＳＴ２１では、ステップＳＴ１７で求められた面積Ａの測定値を用いてフルエンスＦが算出される。

ステップＳＴ２２において、フルエンスＦの算出値が正常であるか否かを判定する。フルエンスＦの許容範囲は、予め制御装置５０に記憶されている。フルエンスＦの算出値が許容範囲に収まる場合には、フルエンスＦの算出値は正常であると判定され、許容範囲外である場合には、フルエンスＦの算出値は正常ではないと判定される。

フルエンスＦの算出値が正常である場合には、ステップＳＴ２３において、レーザ加工を実行する。

ステップＳＴ２２でフルエンスＦの算出値が正常ではないと判定された場合には、ステップＳＴ２４において、平均パワーを調整する。平均パワーを調整した後、ステップＳＴ２０において、パルスレーザビームの平均パワーの再測定を行う。以下、ステップＳＴ２４での平均パワーの調整方法について説明する。

平均パワーを調整する方法として、アッテネータ１１の透過率を調整する方法と、レーザ光源１０の駆動電流を調整する方法との一方または両方が採用される。制御装置５０は、ステップＳＴ２４において、フルエンスＦの算出値が、フルエンスＦの目標値に一致するように、まずアッテネータ１１の透過率を調整する。フルエンスＦの目標値は、予め制御装置５０に記憶されている。

アッテネータ１１の透過率を定格最大値、例えばほぼ１００％に設定しても、フルエンスＦの測定値が目標値に到達しないと判断される場合には、制御装置５０はレーザ光源１０に与える駆動電流を増加させる。駆動電流の増加幅と、レーザ光源１０の出口における平均パワーの増加幅との関係が、予め制御装置５０に記憶されている。フルエンスＦの測定値と目標値との差、及び駆動電流の増加幅と平均パワーの増加幅との関係に基づいて、駆動電流の増加幅を決定することができる。

ステップＳＴ１５において、現時点の加工対象物３０がロットの２枚目以降であると判定された場合には、光強度分布の測定処理を実行することなく、ステップＳＴ１９において、フルエンスＦの算出用のビーム断面３３の面積Ａとして、ロットの１枚目の加工対象物３０の処理時に求められている面積Ａの測定値を採用する。すなわち、パルスレーザビームの光強度分布を実際に測定するのは、ロットの１枚目の加工対象物３０の処理時のみである。２枚目以降の処理時に光強度分布の測定を省略するのは、１つのロット内の複数の加工対象物３０の処理期間中は、パルスレーザビームの光強度分布が実質的に変化しないと考えることができるためである。

ステップＳＴ１４において、現時点の動作モードがビーム断面積測定モードではないと判定された場合には、ステップＳＴ２５において、間引き処理の有無を判定する。間引き処理の有無は、オペレータによって予め設定されている。

ステップＳＴ１４で、間引き処理が有りと判定された場合には、ステップＳＴ２６において、現時点の加工対象物３０が間引き対象か否かを判定する。現時点の加工対象物３０が間引き対象であると判定された場合には、フルエンスＦの調整を行うことなく、ステップＳＴ２３においてレーザ加工を実施する。

ステップＳＴ２５で、間引き処理が無しと判定された場合、及びステップＳＴ２６で現時点の加工対象物３０が間引き対象ではないと判定された場合には、ステップＳＴ２７において、フルエンス算出用のビーム断面３３の面積Ａとして、標準値を採用する。この標準値は、予め制御装置５０に記憶されている。

ステップＳＴ２７の後、ステップＳＴ２０以降の処理を実行する。ステップＳＴ２１において、面積Ａの標準値を用いてフルエンスＦが算出される。

次に、図５に示した実施例によるレーザ加工装置の優れた効果について説明する。実施例においては、ステップＳＴ１９において、フルエンス算出用のビーム断面３３の面積Ａとして、実際に測定された測定値が採用される。このため、ビーム整形器１２の特性の変動によってビーム断面３３の面積Ａが初期値からずれている場合でも、現時点のフルエンスＦを高精度に算出することができる。このフルエンスＦに基づいてパルスレーザビームの平均パワーを修正するため、加工に用いられる現時点のパルスレーザビームのフルエンスＦを、目標値にほぼ一致させることができる。これにより、再現性の高いレーザ加工を行うことが可能になる。

例えば、ビーム整形器１２（図１Ａ）の特性が安定しており、実質的に光強度分布が変動しないと考えられる場合には、装置の動作モードを、「ビーム断面積測定モード」に設定しておかなくてもよい。また、レーザ光源１０の出口における平均パワー、ビーム整形器１２の特性、及びその他の光学系の特性が、加工品質に影響を与えるほど変動していないと考えられる場合には、装置の動作モードを、「フルエンスフィードバック実行モード」に設定しておかなくてもよい。

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 アッテネータ
１２ ビーム整形器
１３ 折り返しミラー
１４ 対物レンズ
１５ 加工チャンバ
１６ 入射窓
１７ 窓
１８ 分岐装置
２０ ステージ
２１ ミラー
２２ レンズ
２３ チャック機構
２５ ビームプロファイラ
３０ 加工対象物
３３ ビーム断面
４０ レーザ強度測定器
４５ 出口用パワーメータ
５０ 制御装置

Claims (4)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置され、加工対象物の表面におけるビーム断面を整形するビーム整形器と、
   前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置された透過率可変のアッテネータと、
   前記ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定するビームプロファイラと、
   前記ビームプロファイラの測定結果に基づいて、ビーム断面の面積を求めて面積の測定値とし、ビーム断面の面積の測定値に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. さらに、前記ステージに保持された加工対象物に入射するレーザビームの強度を測定するレーザ強度測定器を有し、
   前記制御装置は、前記ビーム断面の面積の測定値に加えて、前記レーザ強度測定器によるレーザビームの強度の測定値に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記レーザビームの強度の測定値と、前記ビーム断面の面積の測定値とに基づいて、パルスエネルギ密度を求めてパルスエネルギ密度の測定値とし、パルスエネルギ密度の算出値が、パルスエネルギ密度の目標値に一致するように前記アッテネータの透過率を調整する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光源はレーザダイオードを含み、
   前記制御装置は、前記アッテネータの透過率が当該アッテネータの定格最大値になっても、パルスレーザビームのパルスエネルギ密度が目標値未満である場合、前記レーザ光源に与える駆動電流を増加させる請求項３に記載のレーザ加工装置。

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