JP2677860B2 - レーザ光照射装置 - Google Patents

レーザ光照射装置

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JP2677860B2 JP1069044A JP6904489A JP2677860B2 JP 2677860 B2 JP2677860 B2 JP 2677860B2 JP 1069044 A JP1069044 A JP 1069044A JP 6904489 A JP6904489 A JP 6904489A JP 2677860 B2 JP2677860 B2 JP 2677860B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を用いて加工を行なうレーザ光照
射装置に関し、特に半導体装置の製造に適用されるもの
に関する。
〔従来の技術〕
従来より、絶縁体上に単結晶半導体層を形成する、い
わゆるSOI(Silicon On Insulator)技術が開発されて
いる。なかでも、絶縁体上に堆積された多結晶シリコン
を細く絞られたレーザ光により溶融し、単結晶化させる
レーザアニール技術は、処理中の半導体基板の温度を低
く保つことができるため、三次元回路素子のSOI形成技
術として開発されている。さらに、レーザアニール技術
は、イオン注入された不純物の活性化や、レーザ光を用
いて半導体基板上に選択的に成膜を行なうレーザCVD
(化学的気相成長法)技術などにも応用されている。
従来のレーザアニール装置のブロック図を第3図に示
す。第3図において、1は20W出力のアルゴンイオンレ
ーザ発振器(以下レーザと称す)、2はレーザ光の光路
上に設けられた光遮断シャッタ(以下シャッタと称す)
で、2bは鏡回転式で約20度の角度を回転させるのに10ms
ecしかかからないガルバノスキャナである。また、2aは
ガルバノスキャナ2bにより反射されたレーザ光を吸収
し、強制冷却で冷却する冷却部であって、黒色アルマイ
ト処理したAl製ヒートシンクからなり、レーザ1から発
振したレーザ光を高速にオン,オフすることができる。
3はシャッタ2により遮断されなかったレーザ光の径を
3倍程度に拡大し、処理する際のレーザ光のビーム径を
絞り易くするために存在するビームエキスパンダであ
り、2枚のレンズで構成されている。4a〜4dは固定式鏡
である。
5はλ/2波長板であり、これを光軸を軸として回転さ
せることにより、通過するレーザ光のパワーを調整す
る。6はガルバノスキャナであり、レーザ光をX方向に
走査するための回転ミラーである。7はfθレンズであ
り、レーザ光を50μm〜100μmのビーム径に絞り、か
つX方向の走査によってそのビーム径や走査速度が変化
しないように設計されたレンズである。8はガルバノス
キャナ6とfθレンズ7とが設置されたステージであ
り、Y軸方向に移動可能な1軸精密ステージである。9
は半導体ウエハ、10は半導体ウエハ9を保持する設置台
であり、通常、半導体ウエハ9は設置台10に真空チャッ
クによって保持されている。11は赤外線ランプであり、
設置台10に保持された半導体ウエハ9を400〜500℃の温
度に加熱するために設けられている。12は半導体ウエハ
9,設置台10,赤外線ランプ11を囲むチャンバであり、チ
ャンバ12の中にはN2ガス導入管13が設けられ、半導体ウ
エハ9の表面がレーザ光照射時に酸化しないようにチャ
ンバ12内をN2雰囲気で満たすようにしている。
次に動作について説明する。レーザ1から発振したレ
ーザ光は、ビームエキスパンダ3により直径10mm程度の
ビームに拡げられ、λ/2波長板5によって適当なパワー
に調整されたあと、ガルバノスキャナ6に導かれる。ガ
ルバノスキャナ6で反射されたレーザ光はfθレンズ7
によって直径100μmに絞られ、500℃に加熱された半導
体ウエハ9に照射される。ガルバノスキャナ6の回転に
より、レーザ光は半導体ウエハ9の決められた領域にお
いて、X方向に走査される。一回の走査が終了すると、
シャッタ2が閉じられる(ガルバノシャッタ2bが回転
し、レーザ光を冷却部2aに当て光路を遮断する)。シャ
ッタ2が作動し、レーザ光を遮断している間に、ガルバ
ノスキャナ6は走査の最初の位置に戻され、ステージ8
がY方向に80μm移動する。ステージ8がY方向に移動
し、完全に静止した後、再びシャッタ2が開き、ガルバ
ノスキャナ6が回転し、二回目のレーザ光の走査が始ま
る。このようにして、半導体ウエハ9の全域にレーザ光
が走査しながら照射され、処理が行なわれる。
〔発明が解決しようとする課題〕
さて、SOI(三次元回路素子)を高歩留りで製造する
ためには、ビーム走査が均一であり、かつレーザパワー
が処理中安定していることが必要である。しかしなが
ら、従来のレーザ光照射装置は、 チャンバ内のN2ガス導入管13はチャンバ12の片側に
のみ設けられているため、第4図に示すように、チャン
バ12内に導入されたN2ガスは乱流となってチャンバ12外
に流出する。さらに設置台10は400〜500℃まで加熱され
ているため、この熱による雰囲気の対流もチャンバ12内
の雰囲気の乱れの原因となっていた。この雰囲気の乱れ
のために、レーザ光の光路は曲げられ、半導体ウエハ9
上に照射される際、ビームの蛇行を引き起こし、三次元
回路素子の歩留りを下げる原因となるという問題点があ
った。
さらに、従来の装置では、シャッタ2がレーザ1の
直後に設けられており、この場所でレーザ光のオン,オ
フを行なっていた。ところが、レーザ光のパワーは20W
と高出力であるため、ビームエキスパンダ3やλ/2波長
板5はこの高出力のレーザ光が照射されると熱変形を起
こしてしまう。この熱変形は、レーザ光が照射されてか
ら0.1秒程度の短い時間で発生することがわかった。
ところで、レーザ光の走査速度を20cm/sとして100mm
(=4インチウエハの直径)の距離を走査する場合、レ
ーザ光の一回の走査は通常0.5秒で終了するため、一回
の走査の最初と最後でビームの形状が変化し、半導体ウ
エハ9上に照射されるレーザ光の実質的なパワー、正確
にはパワー密度が変化し、処理の不均一性の原因となっ
ていた。しかもシャッタ2は処理中、0.5秒の周期でオ
ン,オフを繰り返すため、一回の走査毎にビームエキス
パンダ3およびλ/2波長板5が熱変形してしまうという
問題点があった。
の問題点は、レーザ光の光路およびチャンバ内を真
空に保てば解決することは自明のことであるが、チャン
バ内を真空にするためには、半導体ウエハの保持機構
や、ウエハの搬送系などが複雑になり、装置のコストが
上がるという問題点が生じる。
次にの問題点は、ビームエキスパンダ等の光学部品
を、熱変形を起こさないような材質で構成すれば解消す
るが、どのような物質でも熱変形は避けられず、またア
ッベ(abbe)数が異なるレンズを組合せて熱変形を補償
するという方法もあるが、この方法では、使用するレン
ズの数が増大し、レーザ光のパワーロスが問題となって
くる。
本発明は上記のような従来のものの問題点を解消する
ためになされたもので、レーザ光によるシャッタの熱変
形を防止でき、しかも、レーザビームの蛇行を減少して
レーザ光照射の不均一性を解消できるレーザ光照射装置
を提供することを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
本願の請求項1記載の発明に係るレーザ光照射装置
は、被処理基板の表面にレーザ光を照射するレーザ光照
射手段と、被処理基板を保持する設置台と、被処理基板
表面にガス雰囲気を生成するためのガス導入管および排
気管とを備え、ガス導入管の排出口および排気管の吸収
口をそれぞれ複数個設け、かつこれらを被処理基板の表
面付近に平行に相対する位置に設置したことを特徴とす
るものである。
また、本願の請求項2記載の発明に係るレーザ光照射
装置は、被処理基板の表面にレーザ光を照射するレーザ
光照射手段と、レーザ光の光路中に設けられ、それぞれ
レーザ光径およびレーザパワーの調整を行なうレーザ光
径調整器およびレーザパワー調整器と、レーザ光の光路
中に配設されてレーザ光の遮光を行なうシャッタと、シ
ャッタが開いている間に、レーザ光を反射させて被処理
基板の表面を走査するように作動させるスキャナとを備
え、レーザ光径調整器およびレーザパワー調整器は、シ
ャッタよりも先にレーザ光が通過するように設置されて
いることを特徴とするものである。
〔作用〕
本願の請求項1記載の発明におけるガス導入管および
排気管は、被処理基板の表面にガス雰囲気を生成するよ
うに、ガス導入管の排出口および排気管の吸収口をそれ
ぞれ複数個ずつ、被処理基板の表面と平行に配置してい
るので、雰囲気ガスが被処理基板の表面付近で平行に流
れ、雰囲気ガスの乱れがなくなり、レーザビームの蛇行
が防止される。
また、本願の請求項2記載の発明におけるビームエキ
スパンダおよびλ/2波長板は、遮光を行なうシャッタよ
りもレーザ光源に近い部分に設置されているので、シャ
ッタの開閉に関係なくレーザ光が当たり続け、ある一定
時間後に一旦熱平衡に達すると、膨張収縮をしなくな
り、一回の走査の初期と終了前で、基板表面に照射され
るレーザ光のパワー密度が変動しなくなる。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を図について説明する。第1
図は本発明の一実施例によるレーザ光照射装置のブロッ
ク図であり、1はレーザ、21はシャッタ、21aは冷却
部、21bはガルバノスキャナ、3はビームエキスパン
ダ、4a,4b,4c,4dは固定式鏡、5はλ/2波長板、6はガ
ルバノスキャナ、7はfθレンズ、8はステージ、9は
半導体ウエハ、10は設置台、11は赤外線ランプ、12はチ
ャンバ、13a,13bはN2ガス導入管、13c,13dは排気管であ
る。
各部品の動作については、従来のレーザ光照射装置と
同様である。
ここで、本実施例においては、 N2ガス導入管を複数個(13a,13b)設け、またこのN
2ガス導入管13a,13bに対向して排気管を設けたので、N2
ガスの流れが半導体ウエハ9の表面に対して層状で一定
となるため、ビームの蛇行は生じない。
ここでビームの蛇行とガス導入管13との関係について
説明する。第1図に示すように、チャンバ12の外壁がf
θレンズの位置(レーザ光が集光を始める所)まで存在
し、かつガス導入管13bがチャンバ12の最下部まで設け
られている。このような構造を採った場合に、ビームの
蛇行はほぼ完全に抑えられることが分かったが、N2ガス
導入管が1つでも(13aのみ設けた場合)、これに対向
する排気管13cが存在すれば、ビームの蛇行が±5μm
程度まで抑えられることがわかっており、ビーム径が10
0μmの場合、ビームの蛇行は10%の範囲に抑えられる
ことになり、実際の処理に耐えうる均一性を得ることが
できる。さらにN2ガスの流量は2sccm以上であれば、ビ
ームの蛇行を抑え得る効果があることがわかった。
なお、上記実施例では、N2導入管の半導体ウエハの表
面に平衡な面内での方向は任意としたが、第2図の、チ
ャンバを上からみた平面図に示すように、N2ガス導入管
13aおよび排気管13cをレーザ光の走査方向に、即ち、ガ
ルバノスキャナによりレーザ光が走査されるX方向に平
行に、対面させて設けてもよいことはいうまでもない。
更に、本実施例においては、 シャッタ21がビームエキスパンダ3とλ/2波長板5
の後に設けられている。このため、レーザ光は処理中、
ビームエキスパンダ3およびλ/4波長板5に照射され続
けているので、レーザ光の熱変形の時間変動は発生しな
くなり、レーザ光のパワー密度の変化が完全に抑えられ
ている。
なお、この実施例においては、シャッタ21をλ/4波長
板5の後にのみ設けたが、装置の安全対策としてレーザ
1の直後にも設けてもよく、処理の間中、常に開いた状
態であれば、全く同様の効果を奏する。
〔発明の効果〕
本発明は、以上説明したように構成されているので、
以下のような効果を奏する。
本願の請求項1記載のレーザ光照射装置は、被処理基
板表面にガス雰囲気を生成するためのガス導入管の排出
口および排気管の吸収口をそれぞれ複数個設け、かつこ
れらを被処理基板の表面付近に平行に相対する位置に設
置するようにしたので、被処理基板の表面付近に流れる
ガスの流れを被処理基板に対し平行にかつ層状にするこ
とができ、レーザビームの蛇行を防止することができる
という効果を奏する。
また、本願の請求項2記載のレーザ処理装置は、レー
ザ光径の調整を行なうレーザ光径調整器およびレーザパ
ワーの調整を行なうレーザパワー調整器が、レーザ光の
遮光を行なうシャッタよりもレーザ光源に近い部分に設
けられているため、シャッタの開閉に関係なくレーザ光
径調整器およびレーザパワー調整器にレーザ光が当たり
続け、ある一定時間後に一旦熱平衡に達すると、膨張収
縮をしなくなる。そのため、一回の走査の初期と終了前
で、基板表面に照射されるレーザ光のパワー密度が変動
しなくなり、均一性にすぐれたレーザ光照射装置が得ら
れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例によるレーザ光照射装置を
示すブロック図、第2図はこの発明の他の実施例による
レーザ光照射装置のチャンバの平面図、第3図は従来の
レーザ光照射装置を示すブロック図、第4図は従来のレ
ーザ光照射装置のチャンバ内の雰囲気の流れを示す断面
図である。 図において、1はレーザ、2,21はシャッタ、2a,21aは冷
却部、2b,21bはガルバノスキャナ、3はビームエキスパ
ンダ、4a〜4dは固定鏡、5はλ/2波長板、6はガルバノ
スキャナ、7はfθレンズ、8はステージ、9は半導体
ウエハ、10は設置台、11は赤外線ランプ、12はチャン
バ、13a,13bはN2ガス導入管、13c,13dは排気管である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−76846(JP,A) 特開 昭60−211843(JP,A) 特開 昭60−241270(JP,A) 特開 平1−152716(JP,A) 特開 昭60−52822(JP,A) 特開 昭62−81710(JP,A) 特開 昭62−160781(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被処理基板の表面にレーザ光を照射するレ
    ーザ光照射手段と、 上記被処理基板を保持する設置台と、 上記被処理基板表面にガス雰囲気を生成するためのガス
    導入管および排気管とを備え、 該ガス導入管の排出口および排気管の吸収口をそれぞれ
    複数個設け、かつこれらを上記被処理基板の表面付近に
    平行に相対する位置に設置したことを特徴とするレーザ
    光照射装置。
  2. 【請求項2】被処理基板の表面にレーザ光を照射するレ
    ーザ光照射手段と、 該レーザ光の光路中に設けられ、それぞれレーザ光径お
    よびレーザパワーの調整を行なうレーザ光径調整器およ
    びレーザパワー調整器と、 該レーザ光の光路中に配設されてレーザ光の遮光を行な
    うシャッタと、 該シャッタが開いている間に、該レーザ光を反射させて
    上記被処理基板の表面を走査するように作動させるスキ
    ャナとを備え、 該レーザ光径調整器および該レーザパワー調整器は、該
    シャッタよりも先に該レーザ光が通過するように設置さ
    れていることを特徴とするレーザ光照射装置。
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