JP2683241B2 - エネルギー・ビームを用いたアニール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 レーザ光や電子ビームなどのエネルギー・ビームを用
いたアニール装置に関し， 安定した状態で半導体基板の表面の再結晶化させるこ
とを可能にすることを目的とし， 半導体基板を表面にエネルギー・ビームを照射して，
半導体基板の表面を再結晶化させるアニール装置におい
て，半導体基板の表面の溶融部を照射する光ビームを発
生させる照明用光源と，半導体基板の表面の溶融部から
の反射光を結像させる結像用光学系と，結像された反射
光のイメージを検出するイメージ検出器と，イメージ検
出器の出力から反射光のパターンを認識するパターン認
識装置と，パターン認識装置の認識結果に基づいて，エ
ネルギー・ビームの強度，入射角度および焦点位置を変
えるようにエネルギー・ビーム発生装置を制御する制御
装置とを設けるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は，レーザ光や電子ビームなどのエネルギー・
ビームを用いたアニール装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体デバイスの製造プロセスにおいては，半導体基
板にある処理を行ったのち，結晶性の回復および物性の
安定化を行うことが多い。

結晶性の回復の例としては，イオン注入により非晶質
化した層の単結晶への回復などがある。

物性の安定化の例としては,AlのシンタリングやSi−S
iO₂界面の特性向上，歪の除去などがある。

従来，このようなことは，熱アニールにより達成さ
れ，通常の拡散炉中での熱処理として行われていた。し
かしながら，プロセスの低温化の要求から，近年，レー
ザ・ビームや電子ビームなどのエネルギー・ビームを用
いたアニールが行われるようになってきた。また，レー
ザ・ビームや電子ビームによるアニールは,SOI構造を実
現するための手段としても重要である。

レーザ・ビームや電子ビームなどのエネルギー・ビー
ムを用いたアニール装置により半導体基板をアニールす
る際，半導体基板の表面における再結晶化の状態をモニ
ターする必要があるが，従来は，顕微鏡を用いて観察し
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

レーザ・ビームや電子ビームなどのエネルギー・ビー
ムを用いたアニール装置により半導体基板をアニールす
る際，従来のように，半導体基板の表面における再結晶
化の状態を顕微鏡を用いて観察していたのでは，再結晶
化中にハガレが生じているかどうか程度の情報しか得ら
れず，半導体基板の表面が充分に溶融しているかどうか
分からないという問題が生じていた。したがって，安定
した状態で半導体基板の表面を再結晶化させることがで
きないという問題も生じていた。

本発明は，安定した状態で半導体基板の表面を再結晶
化させることを可能にしたエネルギー・ビームを用いた
アニール装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は，半導体基板の表面にエネルギー・ビームを
照射して，半導体基板の表面を再結晶化させるアニール
装置において，半導体基板の表面の溶融部を照射する光
ビームを発生させる照射用光源と，半導体基板の表面の
溶融部からの反射光を結像させる結像用光学系と，結像
された反射光のイメージを検出するイメージ検出器と，
イメージ検出器の出力から反射光のパターンを認識する
パターン認識装置と，パターン認識装置の認識結果に基
づいて，エネルギー・ビームの強度，入射角度および焦
点位置を変えるようにエネルギー・ビーム発生装置を制
御する制御装置とを設けるように構成することにより，
安定した状態で半導体基板の表面を再結晶化させること
を可能にしたエネルギー・ビームを用いたアニール装置
を提供するものである。

第１図は，本発明の原理説明図（その１）であり，本
発明をエネルギー・ビームとしてレーザ光を用いるレー
ザ・アニール装置に適用した例を示している。

第１図において,101は半導体基板,102はレーザ,103は
レーザ光,104は電動ミラー,105は穴開きミラー,107はレ
ンズ,108は反射光,109は結像用光学系,110はイメージ検
出器,111はパターン認識装置,112は制御装置である。

半導体基板101は,Siなどの半導体からなる。

レーザ102は，光レーザ103を発生させる。

レーザ光103は，半導体基板101とアニールに用いられ
ると共に照明用光ビームとしても用いられる。

電動ミラー104は，モータ駆動により反射角が変えら
れ，レーザ光103が半導体基板101の表面へ入射する角度
を変える。

穴開きミラー105は，中心部に設けられた開孔部でレ
ーザ光103を通過させると共に周辺のミラー部で反射光1
08を結像用光学系109へ向けて反射させる。

レンズ107は，レーザ光103が半導体基板101の表面で
スポットを形成するように焦点を定めると共に反射光10
8の集光を行う。

反射光108は，レーザ光103が半導体基板101の表面に
溶融部から反射された光である。

結像用光学系109は，反射光108を結像させるためのも
のである。

イメージ検出器110は，結像用光学系109により結像さ
れた反射光108のイメージを検出して電気信号に変換す
る。

パターン認識装置111は，イメージ検出器110が検出
し，電気信号に変換した反射光108のイメージをパター
ンとして認識すると共に蓄積されている標準パターンと
比較して，そのズレ量を制御装置112へ通知する。

制御装置112は，パターン認識装置111からの通知に基
づいて，レーザ102の出力の制御，電動ミラー104の角度
の制御およびレンズ107の位置の制御を行う。

第２図は，本発明の原理説明図（その２）であり，本
発明を電子ビーム・アニール装置に適用した例を示して
いる。

第２図において,201は半導体基板,202は電子ビーム発
生装置,203は電子ビーム,204は照明用光源,205は照明用
光ビーム,206は反射光,207はミラー,208は結像用光学
系,209はイメージ検出器,210はパターン認識装置,211は
制御装置である。

半導体基板201は,Siなどの半導体からなる。

電子ビーム発生装置202は，電子ビーム203を発生させ
る。

電子ビーム203は，半導体基板201のアニールに用いら
れる。

照明用光源204は，照明用光ビーム205を発生させる。

照明用光ビーム205は，半導体基板201の表面の溶融部
に照射される。

反射光206は，照明用光ビーム205が半導体基板201の
表面の溶融部から反射された光である。

ミラー207は，反射光206を結像用光学系208へ向けて
反射させる。

結像用光学系208は，反射光206を結像させるためのも
のである。

イメージ検出器209は，結像光学系208により結像され
た反射光206のイメージを検出して電気信号に変換す
る。

パターン認識装置210は，イメージ検出器209が検出
し，電気信号に変換した反射光206のイメージをパター
ンとして認識すると共に蓄積されている標準パターンと
比較して，そのズレ量を制御装置211へ通知する。

制御装置211は，パターン認識装置210からの通知に基
づいて，電子ビーム発生装置202の出力の制御，電子ビ
ーム203の発射角度および焦点位置の制御を行う。

〔作用〕

まず，第１図を用いて，本発明をレーザ・アニール装
置に適用した例について，その作用を説明する。

レーザ102により発生されたレーザ光103は，電動ミラ
ー104により反射され，穴開きミラー105の開孔部を通過
した後，レンズ107により集光されて，半導体基板101の
表面に焦点を結ぶ。

その結果，半導体基板101の表面は溶融されると共に
再結晶化される。

一方，レーザ光103は，半導体基板101の表面の溶融部
において反射され，反射光108を発生させる。

反射光108は，レンズ107により集光され，穴開きミラ
ー105で反射された後，結像用光学系109へ導かれる。

結像用光学系109へ導かれた反射光108は，結像してパ
ターンを生成する。

生成されたパターンは，イメージ検出器110により電
気信号に変換される。

電気信号に変換された反射光108のパターンは，パタ
ーン認識装置111において，蓄積されている標準パター
ンと比較され，そのズレ量が制御装置112へ通知され
る。

制御装置112は，パターン認識装置111から通知され
た，反射光108のパターンと標準パターンとのズレ量に
基づいて，レーザ102の出力，電動ミラー104の反射角度
およびレンズ107の位置を制御して，レーザ光103の強
度，レーザ光103が半導体基板101の表面へ入射する角度
およびレーザ光103の焦点位置を最適な値にする。

次に，第２図を用いて，本発明を電子ビーム・アニー
ル装置に適用した例について，その作用を説明する。

電子ビーム発生装置202により発生された電子ビーム2
03は，半導体基板201の表面に照射される。

その結果，半導体基板201の表面は溶融されると共に
再結晶化される。

一方，照明用光源204から照明用光ビーム205が発生さ
れる。照明用光ビーム205は，半導体基板201の表面の溶
融部において反射され，反射光206を発生させる。

反射光206は，ミラー207で反射された後，結像用光学
系208へ導かれる。

結像用光学系208へ導かれた反射光206は，結像してパ
ターンを生成する。

生成されたパターンは，イメージ検出器209により電
気信号に変換される。

電気信号に変換された反射光206のパターンは，パタ
ーン認識装置210において，蓄積されている標準パター
ンと比較され，そのズレ量が制御装置211へ通知され
る。

制御装置211は，パターン認識装置210から通知され
た，反射光206のパターンと標準パターンとのズレ量に
基づいて，電子ビーム発生装置202を制御して，電子ビ
ーム203の強度，電子ビーム203が半導体基板201の表面
へ入射する角度および電子ビーム203の焦点位置を最適
な値にする。

〔実施例〕

（実施例１） 第３図は，実施例１を示す図である。

本実施例は，本発明を１本のレーザ光を使用するシン
グル・ビーム・レーザ・アニール装置に適用したもので
ある。

第３図において,301はステージ,302は半導体基板,303
はレーザ,304はレーザ光,305は電動ミラー,306は固定ミ
ラー,307は穴開きミラー,308はレンズ,309は反射光,310
は結像用光学系,311はイメージ検出器,312はパターン認
識装置,313は中央制御装置,314はレーザ出力制御装置,3
15はミラー角度制御装置,316はレンズ位置制御装置であ
る。

ステージ301は，半導体基板302を載置するためのもの
である。

半導体基板302は,Siなどの半導体からなる。

レーザ303は，レーザ光304を発生させる。

レーザ光304は，半導体基板302のアニールに用いられ
ると共に半導体基板302の表面の溶融状態を検出するた
めに用いられる。

電動ミラー305は，モータ駆動により反射角度が変え
られ，レーザ光304が半導体基板302の表面へ入射する角
度を変える。

固定ミラー306は，レーザ光304の方向を変えるための
ものである。

穴開きミラー307は，中心部に設けられた開孔部でレ
ーザ光304を通過させると共に周辺のミラー部309を結像
用光学系310へ向けて反射させる。

レンズ308は，レーザ光304が半導体基板302の表面で
スポットを形成するように焦点を定めると共に反射光30
9の集光を行う。

反射光309は，レーザ光304が半導体基板302に表面の
溶融部から反射された光である。

結像用光学系310は，反射光309を結像させるためのも
のである。

イメージ検出器311は，結像用光学系310により結像さ
れた反射光309のイメージを検出して電気信号に変換す
る。

パターン認識装置312は，イメージ検出器311により電
気信号に変換された反射光309のイメージをパターンと
して認識すると共に蓄積されている標準パターンと比較
して，そのズレ量を中央制御装置313へ通知する。

中央制御装置313は，パターン認識装置312からの通知
に基づいて，レーザ出力制御装置314,ミラー角度制御装
置315およびレンズ位置制御装置へそれぞれ制御信号を
送出する。

レーザ出力制御装置314は，レーザ303の出力を制御し
て，レーザ光304の強度を調節する。

ミラー角度制御装置315は，電動ミラー305を回動させ
て，レーザ光304の反射角度を制御する。

レンズ位置制御装置316は，レンズ308の位置を上下に
移動させて，レーザ光304が半導体基板302の表面で結ぶ
焦点の位置を制御する。

以下，第３図の動作を説明する。

レーザ303により発生されたレーザ光304は，電動ミラ
ー305により反射され，さらに固定ミラー306により反射
され，穴開きミラー307の開孔部を通過した後，レンズ3
08により集光されて，半導体基板302の表面に焦点を結
ぶ。

その結果，半導体基板302の表面は溶融されると共に
再結晶化される。

一方，レーザ光304は，半導体基板302の表面の溶融部
において反射され，反射光309を発生させる。

反射光309は，レンズ308により集光され，穴開きミラ
ー307で反射された後，結像用光学系310へ導かれる。

結像用光学系310へ導かれた反射光309は，結像してパ
ターンを生成する。

生成されたパターンは，イメージ検出器311により電
気信号に変換される。

電気信号に変換された反射光309のパターンは，パタ
ーン認識装置312において，蓄積されている標準パター
ンと比較され，そのズレ量が中央制御装置313へ通知さ
れる。

中央制御装置313は，パターン認識装置312から通知さ
れた，反射光309のパターンと標準パターンとのズレ量
に基づいて，レーザ出力制御装置314,ミラー角度制御装
置315およびレンズ位置制御装置316へそれぞれ制御信号
を送出する。

レーザ出力制御装置314は，レーザ303の出力を制御し
て，レーザ光304の強度を最適の値にする。

ミラー角度制御装置315は，電動ミラー305を回動させ
ることによりレーザ光304の反射角度を変化させ，レー
ザ光304が半導体基板302の表面へ入射する角度を最適の
値にする。

レンズ位置制御装置316は，レンズ308の位置を上下に
移動させることにより，レーザ光304が半導体基板302の
上で結ぶ焦点の位置を最適の値にする。

（実施例２） 第４図は，実施例２を示す図である。

本実施例は，本発明を２本のレーザ光を使用するツイ
ン・ビーム・レーザ・アニール装置に適用したものであ
る。

第４図において,401はステージ,402は半導体基板,403
はレーザ1,404はレーザ光1,405はレーザ2,406はレーザ
光2,407は電動ミラー1,408は電動ミラー2,409はビーム
・スプリッタ,411は固定ミラー,412は穴開きミラー,413
はレンズ,414は反射光,415は結像用光学系,416はイメー
ジ検出器,417はパターン認識装置,418は中央制御装置,4
19はレーザ出力制御装置1,420はレーザ出力制御装置2,4
21はミラー角度制御装置1,422はミラー角度制御装置2,4
23はレンズ位置制御装置である。

ステージ401は，半導体基板402を載置するためのもの
である。

半導体基板402は,Siなどの半導体からなる。

レーザ１（403）は，レーザ光１（404）を発生させ
る。

レーザ光１（404）は，半導体基板402のアニールに用
いられると共に半導体基板402の表面の溶融状態を検出
するために用いられる。

レーザ２（405）は，レーザ光２（406）を発生させ
る。

レーザ光２（406）は，半導体基板402のアニールに用
いられると共に半導体基板402の表面の溶融状態を検出
するために用いられる。

電動ミラー１（407）は，モータ駆動により反射角度
が変えられ，レーザ光１（404）が半導体基板402の表面
へ入射する角度を変える。

電動ミラー２（408）は，モータ駆動により反射角度
が変えられ，レーザ光２（406）が半導体基板402の表面
へ入射する角度を変える。

ビーム・スプリッタ409は，レーザ光１（404）および
レーザ光２（406）を合成する。

合成レーザ光410は，ビーム・スプリッタ409により，
レーザ光１（404）およびレーザ光２（406）が合成され
たものである。

固定ミラー411は，合成レーザ光410の方向を変えるた
めのものである。

穴開きミラー412は，中心部に設けられた開孔部で合
成レーザ光410を通過させると共に周辺のミラー部で反
射光414を結像用光学系415へ向けて反射させる。

レンズ413は，合成レーザ光410が半導体基板402の表
面でスポットを形成するように焦点を定めると共に反射
光414の集光を行う。

反射光414は，合成レーザ光410が半導体基板402の表
面の溶融部から反射された光である。

結像用光学系415は，反射光414を結像させるためのも
のである。

イメージ検出器416は，結像用光学系415により結像さ
れた反射光414のイメージを検出して電気信号に変換す
る。

パターン認識装置417は，イメージ検出器416により電
気信号に変換された反射光414のイメージをパターンと
して認識すると共に蓄積されている標準パターンと比較
して，そのズレ量を中央制御装置418へ通知する。

中央制御装置418は，パターン認識装置417からの通知
に基づいて，レーザ出力制御装置１（419），レーザ出
力制御装置２（420），ミラー角度制御装置１（421），
ミラー角度制御装置２（422）およびレンズ位置制御装
置423へそれぞれ制御信号を送出する。

レーザ出力制御装置１（419）は，レーザ１（403）の
出力を制御する。

レーザ出力制御装置２（420）は，レーザ２（405）の
出力を制御する。

ミラー角度制御装置１（421）は，電動ミラー１（40
7）を回動させて，レーザ光１（404）の反射角度を制御
する。

ミラー角度制御装置２（422）は，電動ミラー２（40
8）を回動させて，レーザ光２（406）の反射角度を制御
する。

レンズ位置制御装置423は，レンズ413の位置を上下に
移動させて，合成レーザ光410が半導体基板402に表面で
結ぶ焦点の位置を制御する。

以下，第４図に動作を説明する。

レーザ１（403）により発生されたレーザ光１（404）
は，電動ミラー１（407）により反射され，レーザ２（4
05）により発生されたレーザ光２（406）は，電動ミラ
ー２（408）により反射される。

レーザ光１（404）およびレーザ光２（406）は，ビー
ム・スプリッタ409により合成されて，合成レーザ光410
となる。

合成レーザ光410は，固定ミラー411により反射され，
穴開きミラー412の開孔部を通過した後，レンズ413によ
り集光されて，半導体基板402の表面に焦点を結ぶ。

その結果，半導体基板402の表面は溶融されると共に
再結晶化される。

一方，合成レーザ光410は，半導体基板402の表面の溶
融部において反射され，反射光414を発生させる。

反射光414は，レンズ413により集光され，穴開きミラ
ー412で反射された後，結像用光学系415へ導かれる。

結像用光学系415へ導かれた反射光414は，結像してパ
ターンを生成する。

生成されたパターンは，イメージ検出器416により電
気信号に変換される。

電気信号に変換された反射光414のパターンは，パタ
ーン認識装置417において，蓄積されている標準パター
ンと比較され，そのズレ量が中央制御装置418へ通知さ
れる。

中央制御装置418は，パターン認識装置417から通知さ
れた，反射光414のパターンと標準パターンとのズレ量
に基づいて，レーザ出力制御装置１（419），レーザ出
力制御装置２（420），ミラー角度制御装置１（421），
ミラー角度制御装置２（422）およびレンズ位置制御装
置423へそれぞれ制御信号を送出する。

レーザ出力制御装置１（419）は，レーザ１（403）の
出力を制御して，レーザ光１（404）の強度を最適の値
にする。

レーザ出力制御装置２（420）は，レーザ２（405）の
出力を制御して，レーザ光２（406）の強度を最適の値
にする。

ミラー角度制御装置１（421）は，電動ミラー１（40
7）を回動させることによりレーザ光１（404）の反射角
度を変化させ，レーザ光１（404）が半導体基板402の表
面へ入射する角度を最適の値にする。

ミラー角度制御装置２（422）は，電動ミラー２（40
8）を回動させることによりレーザ光２（406）の反射角
度を変化させ，レーザ光２（406）が半導体基板402の表
面へ入射する角度を最適の値にする。

レンズ位置制御装置423は，レンズ413の位置を上下に
移動させることにより，合成レーザ光410が半導体基板4
02の上で結ぶ焦点の位置を最適に値にする。

本実施例ではレーザ光を２本使用しているので，レー
ザ光を１本しか使用しない実施例１に比べて多様な制御
を行うことが可能になる。

（成果） 実施例１および実施例２による成果を述べる。

第５図（ａ）〜（ｃ）は，反射光のパターンの例を示
す図である。

第５図（ａ）〜（ｃ）は，半導体基板の表面の溶融状
態が良好でない場合の反射光パターンである。

第５図（ｂ）および（ｃ）は，半導体基板の表面の溶
融状態が良好な場合の反射光のパターンである。

第６図は，アニール後のシリコン基板の表面を20倍に
拡大した写真である。シリコン基板が載置されているス
テージを移動させて，シリコン基板の表面を走査するよ
うにアニールしているので，縞模様が形成されている。

白っぽい部分は再結晶化が良好でない部分である。こ
の部分を100倍に拡大したものを第７図に示す。

黒っぽい部分は再結晶化が良好な部分である。この部
分を100倍に拡大したものを第８図に示す。

〔発明の効果〕

本発明では，半導体基板の表面の溶融状態に応じて，
エネルギー・ビームの強度，半導体基板表面への入射角
度および焦点位置が最適の値になるようにフィードバッ
クをかけているので，半導体基板のアニールにおいて，
非常に安定した状態で再結晶化することが可能になる。

また，エネルギー・ビームの強度，半導体基板表面へ
の入射角度および焦点位置が最適の値になるようにする
フィードバック機構は全て自動化されているので，人手
を煩わせることなく，最適の状態で半導体基板をアニー
ルすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図（その１），第２図は本発
明の原理説明図（その２），第３図は実施例１を示す
図，第４図は実施例２を示す図，第５図は反射光のパタ
ーンの例を示す図，第６図はアニール後のシリコン基板
の表面の金属組織を示す写真，第７図は再結晶化が良好
でない部分の金属組織を示す写真，第８図は再結晶化が
良好な部分の金属組織を示す写真である。 第１図において 101:半導体基板 102:レーザ 103:レーザ光 104:電動ミラー 105:穴開きミラー 107:レンズ 108:反射光 109:結像用光学系 110:イメージ検出器 111:パターン認識装置 112:制御装置 第２図において 201:半導体基板 202:電子ビーム発生装置 203:電子ビーム 204:照明用光源 205:照明用光ビーム 206:反射光 207:ミラー 208:結像用光学系 209:イメージ検出器 210:パターン認識装置 211:制御装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エネルギー・ビーム発生装置から出力され
   るエネルギー・ビームを半導体基板の表面に照射して，
   該半導体基板の表面を再結晶化させるアニール装置にお
   いて， 半導体基板の表面の溶融部を照射する光ビームを発生さ
   せる照明用光源と， 半導体基板の表面の溶融部からの反射光を結像させる結
   像用光学系と， 結像された反射光のイメージを検出するイメージ検出器
   と， イメージ検出器の出力から反射光のパターンを認識する
   パターン認識装置と， パターン認識装置の認識結果に基づいて，エネルギー・
   ビームの強度，入射角度および焦点位置を変えるように
   エネルギー・ビーム発生装置を制御する制御装置とを設
   けたことを特徴とするエネルギー・ビームを用いたアニ
   ール装置。
2. 【請求項２】請求項第１項において，前記エネルギー・
   ビーム発生装置から出力されるエネルギー・ビームは光
   ビームであり，前記照明用光源として該エネルギー発生
   装置を用いることを特徴とするエネルギー・ビームを用
   いたアニール装置。