JP4225121B2 - レーザアニーリング方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザアニーリング方法および装置に関し、ことに半導体装置等の実生産ラインにおける非晶質膜のレーザアニーリング処理を、安定かつ低コストにて行うことを可能とするレーザアニーリング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、レーザアニーリング処理におけるレーザ光の照射条件の安定化の方法としては、加工対象が形成された基板及びこの基板が載置された加工ステージの各々をレーザ光が透過可能となるように構成し、加工対象の上方から照射され加工対象に吸収されずに加工ステージの下方へと透過したレーザ光を、ステージ下方に配置されたレーザ光検出手段にて検出し、レーザ光の強度や形状を安定化させる方法がある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７６００８号公報（第４−７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザアニーリング処理においては、レーザ光の測定を直接行い、測定されたレーザ光の強度等に基づき、レーザ発振器を制御して、レーザ照射条件を安定化させていた。しかしながら、レーザアニーリング処理は、局所的、かつ、熱的な処理であるという特徴を有するため、原則として、加工対象が結晶化に必要とする熱量（レーザエネルギー）を、必要なだけ供給することが必要である。この時、加工対象の熱容量（すなわち体積、あるいは厚み）が一定であれば、加工対象が結晶化に必要とする熱量も一定であり、レーザ照射条件さえ一定に保持しておけば、レーザアニーリング処理は安定に行うことができる。しかしながら、実生産ラインにおいて生産される非晶質膜は、生産のロット間において、通常は±数％程度から１０％程度の膜厚ばらつきを有し、結晶化に必要とする熱量が変化する。そのため、実生産ラインにおいてレーザアニーリング処理を安定的に行うためには、照射するレーザ光の条件を一定にすることだけでは足りず、レーザ照射条件を加工対象の膜厚もしくは体積の変化に合わせて調整することが必要となる。すなわち、加工対象ごとにレーザ照射し、最適な照射条件を決定すること（レーザ照射の条件出し）が必要となる。しかしながら、実生産ラインにおいて、加工対象ごとにレーザ照射の条件出しを行うと、本来製品となるべき部分が条件出しのためのレーザ照射によって損傷し、ロスが生じることになり、ひいては生産される半導体装置のコスト上昇を引き起こすことになる。
【０００５】
この発明に係るレーザアニーリング方法および装置は、実生産ラインにて生産される非晶質膜もしくは非晶質膜を備えた半導体装置のレーザアニーリング処理を、コスト上昇を抑えながら安定化させることを目的として開発されたもので、加工対象のレーザアニーリング処理に当たり、予め加工対象ごとの膜厚分布を求め、設計データとの比較により製品化に寄与しない部分のうちレーザ光の条件出しに適当な部分を決定し、この部分にてレーザアニーリング処理の実加工条件を決定することにより、コストＵＰを抑えた、安定なレーザアニーリング処理を実現するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザアニーリング方法は、基板上に形成された非晶質膜の膜厚分布を測定する工程と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分にレーザ光を照射し、第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する工程と、前記膜厚分布の測定結果を用いて前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分と前記第一の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいて前記第一の照射条件から、前記第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を決定する工程と、レーザ光を第二の部分に照射する工程とを備えたものである。
【０００７】
この発明に係るレーザアニーリング装置は、基板上に形成された非晶質膜に対して照射するレーザ光を発振するレーザ光源と、レーザ光を所定形状に成形し基板上に伝送する光学手段と、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、前記膜厚分布検出手段の検出結果を用いてこの第一の部分と前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいてこの第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段と、基板を、レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、第二の照射条件により、レーザ光を第二の部分に照射するように構成されたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明にかかるレーザアニーリング方法を説明するための図である。かかるレーザアニーリング方法においては、予め、加工対象である非晶質珪素膜（以下、ａ−Ｓｉ膜もしくはアモルファスシリコン膜ともいう）８の膜厚分布を測定する。なお、ａ−Ｓｉ膜８はガラス基板９上に形成されており。ガラス基板９上には、ここでは図示しないが、不純物の拡散防止のため、ａ−Ｓｉ膜８の形成の前に１０００Å〜２０００Å程度のＳｉＯ２膜が下層膜として形成されることもある。
【０００９】
ａ−Ｓｉ膜８の膜厚の膜厚検出は、例えば、エリプソメトリーのような光学的手段により行うことができる。かかる光学的手段は、検出対象物を破壊したり、表面に傷を付けたりすることなく、非破壊状態にて膜厚等の測定ができ、好適である。なお、エリプソメトリーはガラス基板９もしくはガラス基板９上に形成されたＳｉＯ２膜とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光と、ａ−Ｓｉ膜８の表面からの反射光との光路差を比較することにより、ａ−Ｓｉ膜８の膜厚を測定するものである。
【００１０】
次に、基板９の設計データから、最終的に製品として使用される部分（実使用に寄与する部分：第二の部分）１１および最終的に製品として使用されない部分（実使用に寄与しない部分：第一の部分）１２を決定する。第一の部分と第二の部分が決定されると、レーザ発振器１から出たレーザ光２をレーザ光伝送光学系３により伝送し、反射鏡４にて進行方向を変え、集光レンズ５を透過させ、ａ−Ｓｉ膜８上に照射し、第一の部分におけるａ−Ｓｉ膜８の結晶化のためのレーザ照射条件（第一の照射条件）を求める。図１は、第一の部分にレーザ照射している状態を示している。
【００１１】
第一の照射条件は、例えば、次のようにして決定する。すなわち、実験的にあるいは試作ラインにおける試作において決定された、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８に対する標準レーザ照射条件の２０％増しとなるように最大レーザ出力を決定し、この最大レーザ出力から５％ずつ出力を減少させながら、第一の部分に対し、９回の照射を行う。このことにより、第一の部分には、標準レーザ出力から±２０％の出力を有するレーザ光が照射されることになる。半導体装置の実生産ラインにおいては、各生産ロット間でのａ−Ｓｉ膜８の膜厚ばらつきは通常±１０％程度に抑制されているため、かかる照射条件にてレーザ光を照射すると、ほぼ確実に最適照射条件が求まることになる。なお、さらに、正確なレーザ照射条件を決定するためには、決定された条件から、さらに細かく、例えば、１％ずつ出力を減少させながら照射を行えばよい。このような作業を繰り返せば、精度は限りなく向上するが、必要とする加工結果の安定性と条件出しにかかるコストとのバランスを考慮してレーザ照射条件を決定すればよい。
【００１２】
また、加工結果に対する判断は、実際には、レーザ発振器１に備えられた、図示しない光学モニターに映し出された加工状態に基づき手動で、あるいは、画像処理により自動で行うことになる。具体的には、レーザ照射されたことによるａ−Ｓｉ膜８の表面の色変化を手動もしくは自動にて確認することにより結晶化状態を判断する。このａ−Ｓｉ膜８の結晶化状態の変化と色変化との関係は、例えば、上述した、エリプソメトリーによる結晶化度合いの測定とａ−Ｓｉ膜８の外観変化から求められる。
【００１３】
第一の照射条件が決定すると、第一の部分の膜厚と第二の部分の膜厚との比から第二の部分におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）を推定する。例えば、第一の部分１２として第二の部分１１の膜厚の半分の膜厚を有する部分にてレーザ照射条件（第一の照射条件）を決定した場合には、第二の部分１１におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）としては、レーザ照射エネルギーが第一の照射条件の倍であるとレーザ照射条件を推定すればよい。
第二の照射条件が推定されると、その条件にて第二の部分（最終的に製品として使用される部分）のレーザアニーリングを行い、アニーリング処理が終了する。
【００１４】
ここで、レーザ光の照射条件を、実際の加工対象にて、確認・調整するのは以下の理由からである。すなわち、レーザ光を用いた、溶接や切断などの加工においては、安定な加工結果が得られる加工条件の幅が比較的広いため、通常は、照射するレーザ光のパワーと焦点位置を制御しておけば問題はない。しかしながら、レーザアニーリング処理は、局所的、かつ、熱的な処理であるという特徴を有するため、加工対象が結晶化に必要とする熱量（レーザエネルギー）を必要な分だけ供給することが必要となる。すなわち、照射されるレーザ光のエネルギーが少ないと、十分な結晶化が得られず、また、照射されるレーザ光のエネルギーが大きすぎると、周囲に熱影響を与え、加工対象が形成された基板等を損傷させることになる。
【００１５】
また、通常のＣＶＤ法やスパッタ法にて形成される薄膜は、例えば、ガスを供給するノズル先端への膜成長等に起因し、薄膜が成形されるチャンバー内でのガスの流れが変わり、ロット間において膜厚ばらつきが生じる。そのため、通常は、かかる薄膜の膜厚は±数％から１０％程度のばらつきを越えることがないよう、生産のロット毎に膜厚変化が管理がされている。言い換えれば、通常のＣＶＤ法やスパッタ法等にて形成される薄膜は製品化段階にては、±数％から１０％程度のばらつきを有していることになる。
【００１６】
この膜厚のばらつきは、加工対象の容量、すなわち、加工対象の有する熱的な容量が±１０％程度ばらつくことを意味する。かかる熱容量の変化は、レーザアニーリング処理における不安定要因となる。すなわち、仮に照射されるレーザ光が完全にコントロールされ、全く変動しないものであるとしても、加工対象の膜厚が変化すると、その膜厚の変化に合わせ、結晶化の状況が変化することになる。また、レーザアニーリング処理は局所加熱処理であるため、非晶質膜が結晶化に必要とする熱量に比べあまり大きな熱量を照射することは好ましくない。このように、レーザアニーリング処理のような局所加熱処理を行う場合、加工対象の熱容量（この場合は膜厚）が変化すると加工結果に重大な影響が生じ、安定な加工の実現が困難となる。従って、レーザアニーリング処理を安定に行うためには、加工対象ごとにレーザ照射条件を調整することが必要となる。
【００１７】
かかる問題に対し、レーザ光の照射条件をパワーモニター等の手段を用いて安定化させ、さらに、加工対象の膜厚をも安定化させ、加工を行うことも考えられる。しかしながら、両者を同時に安定化させるためには、装置が複雑化し、加工に手間がかかるとともに、コストも上昇し、現実的ではない。これに対し、実際の加工対象を用いてレーザ光の照射条件を確認・調整する方法を用いれば、装置を特に複雑化させることなく、現実の加工状態に限りなく近い状態にて調整できるため、特段のコスト上昇を伴うことなく、レーザアニーリング処理が安定し、特に、実生産ラインにて有効である。
【００１８】
ところが、レーザ照射の条件出しのために、単に、加工対象にレーザ光を照射して加工条件を求めたのでは、その条件出しに使用した加工対象の部分は、最終製品には使用することができなくなる。このことは、生産上の加工ロスが増加することを意味し、ひいては、半導体装置のコストＵＰの要因ともなる。そのため、加工対象を用いてレーザ照射の条件出しを行うに際しては、ロスが生じない、あるいはロスが最小限となるような何らかの工夫が必要となる。
【００１９】
この問題に対し、本願発明においては、実加工の前に、予め、加工対象であるａ−Ｓｉ膜の膜厚分布を検出し、最終的に製品に使用されない部分（不要部分）の適当な部分を決定し、かかる不要部分にて照射レーザ光の条件出しを行うことにより、加工ロスを生じることなく、レーザアニーリング処理を安定化させる方法を実現した。
【００２０】
また、上記実施の形態においては、第二の部分１１と第一の部分１２の膜厚は必ずしも同じではなかったが、第二の部分１１と同等の膜厚を有する第一の部分１２にてレーザ照射条件（第一の照射条件）を決定した場合には、かかるレーザ照射条件が、第二の部分１１におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）となり、好適である。
【００２１】
また、ここで言う第一の照射条件と第二の照射条件は、各々、第一の部分と第二の部分におけるａ−Ｓｉ膜８の結晶化に最も適したレーザ照射条件を意味するが、このレーザ照射条件は、ａ−Ｓｉ膜８が形成された基板やその周辺に形成された半導体素子等の耐熱性にも関係し、これら基板や半導体素子の耐熱性に合わせ、レーザ照射条件を変動させることができる。例えば、これらの耐熱性が高ければ、ａ−Ｓｉ膜８自体の結晶化の最適照射条件よりも少し高めに設定することで、レーザ発振器の出力が変動した場合においても、ａ−Ｓｉ膜８を安定的に結晶化することができ、好適である。
【００２２】
図３は、ガラス基板９上に形成されたａ−Ｓｉ膜８を上面から見た図である。図３（ａ）は、いわゆる、一面取りの場合であり、ガラス基板９上にはａ−Ｓｉ膜８が全面形成されている。図中、点線で示した１１は、ａ−Ｓｉ膜８のうち最終製品に使用される部分（第二の部分）、また、１２は、ａ−Ｓｉ膜８のうち最終製品に使用されない部分（ロスとなる部分：第一の部分）である。さらに、１３はａ−Ｓｉ膜８が成膜される際に、成膜装置の所定位置にガラス基板９を固定するためのチャック部分である。このように、一面取りの場合においても、ａ−Ｓｉ膜８の全部が最終製品に使用される訳ではなく、周辺部には必ず、製品化されない膜部分１２が存在する。次に、図３（ｂ）は、いわゆる、多面取りの場合であり、ガラス基板９上には最終製品として使用される部分１１が複数個（ここでは４個）形成されている。このように、他面取りにおいては、一面取りで示した周辺部のみならず、中央部においても、最終製品として使用される部分１１間に、最終製品に使用されない部分１２が存在する。
【００２３】
図４は、図３に示したａ−Ｓｉ膜８の断面形状（膜厚分布）を説明するための図である。図４（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’断面の端部に相当し、図４（ｂ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ’断面に相当するものである。図４（ａ）、（ｂ）において、ａ−Ｓｉ膜８がガラス基板９上に形成されている。このガラス基板９はチャック１４にて固定されている。ａ−Ｓｉ膜８は図示したような断面形状を有し、中央部においては均一な膜厚分布を、周辺部においてはなだらかな傾斜を有する膜厚分布を有している。図４（ａ）において、２０は最終製品として使用される部分、２１は膜厚の均一な部分、２２は膜厚の不均一な部分、２３は膜厚の均一な部分のうち、最終製品に使用されない部分を意味している。従って、２０が図３（ａ）における最終製品として使用される部分１１に相当し、２２および２３が図３（ａ）における最終製品として使用されない部分１２に相当するものである。また、図４（ｂ）において、２０Ａ、２０Ｂは最終製品として使用される部分、２１は膜厚の均一な部分、２２Ａ、２２Ｂは膜厚の不均一な部分、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃは膜厚の均一な部分のうち、最終製品に使用されない部分を意味している。従って、２０Ａ、２０Ｂが図２（ｂ）における最終製品として使用される部分１１に相当し、２２Ａ、２２Ｂおよび２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃが図３（ｂ）における最終製品として使用されない部分１２に相当するものである。
【００２４】
このように、実生産ラインで生産されるａ−Ｓｉ膜のような薄膜には、通常は、必ず上記したような、最終製品には使用されないが、最終製品に使用される部分と同等の膜厚を有する部分が存在する。この部分は、基本的に、最終製品に使用される部分と膜質が同じであると考えられるため、レーザアニーリングに用いられるレーザ光の照射条件を確認するための加工対象としては最適である。すなわち、かかる部分は、最終製品に寄与する部分と、膜厚のみならず、レーザ光に対する反射特性、吸収特性、熱特性等が同じであるため、かかる部分にてレーザ照射条件を調整することにより、安定なレーザアニーリング処理が可能となる。
【００２５】
また、膜厚が異なる部分においても、膜厚以外の他の特性は、基本的には同等であると考えられるため、最終製品に使用される部分との膜厚の比により照射するレーザ光の条件を調整さえすれば、同様の安定なレーザアニーリング処理が実現される。なお、第二の部分１１においても、わずかではあるが、膜厚分布が存在する。従って、ここでいう第一の部分１１の膜厚とは、実際には第二の部分１１の各膜厚測定点の平均膜厚を意味する（但し、測定点が１点の場合にはそこでの膜厚）。また、レーザ照射条件の調整に当たり、この第二の部分１１の膜厚と比較される第一の部分１２の膜厚とは、第一の部分１２のうち実際にレーザが照射された、レーザ照射条件出しに使用された部分の厚みを意味する。
【００２６】
なお、上記実施の形態にては、ａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布はエリプソメトリーを用いて非破壊状態にて測定する方法につき開示したが、かかる膜厚分布は他の方法にても実施可能である。例えば、触針式の段差計を用いてａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を測定することも可能である。この方法は、膜表面に傷が発生するため、１面取りのような全面が実使用に供される場合にはあまり有効ではないが、他面取りの場合には、実使用に供される膜面間に実使用に供されない部分が存在するため、この部分を用いてａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を容易に測定することができ、一方向の断面の膜厚分布が簡易かつ視覚的に得られ、好適である。
【００２７】
また、加工対象物がａ−Ｓｉ膜の場合、光吸収特性の関係から、３３０ｎｍから８００ｎｍの発振波長を有するレーザ光を照射することが好ましい。すなわち、ａ−Ｓｉ膜に波長が３３０ｎｍから８００ｎｍ程度のレーザ光を照射すると、レーザ光のエネルギーが、安定的かつ効率よく吸収され、膜厚方向に対してほぼ均一に加熱されるため、好適である。
【００２８】
なお、３３０ｎｍから８００ｎｍの間に発振波長を有するレーザの代表としては、例えば、種々の半導体レーザもしくはその高調波発生源または固体レーザの高調波発生源が挙げられる。すなわち、種々の発振波長の半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１．０５μｍ）の第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波（３４９ｎｍ）、あるいはＹｂ：ＹＡＧレーザ（波長１．０３μｍ）の第２高調波（５１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）等を用いることができる。また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの基本波（７９２ｎｍ）または第２高調波（３９６ｎｍ）を用いてもよい。レーザ光源として、半導体レーザもしくはその高調波発生源または固体レーザ高調波発生源を用いることで、レーザアニーリング装置のコンパクト化が可能となり、また、長時間安定した動作が可能になる。
【００２９】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法においては、非晶質膜のレーザアニーリング処理の前に、非晶質膜の膜厚分布を測定し、予め決定された最終製品に使用される部分との比較により、最終製品に使用されない部分を検出し、この部分でレーザ光の照射条件を決定した後、レーザ照射することで、加工コストを上昇させることなく、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング方法が実現される。
【００３０】
実施の形態２
図２は、本発明にかかるレーザアニーリング装置の構成説明図である。かかるレーザアニーリング装置は、レーザ発振器（レーザ光源）１と、レーザ光を所定形状に成形し、加工対象に伝送するための光学手段と、膜厚分布検出手段にて構成されたものである。
なお、レーザ発振器１には、図示しないが、加工対象をモニターする光学モニターと、モニターされた加工対象の表面状態を画像処理し、発振するレーザ光の強度を自動的に調整するレーザ制御部（第一の照射条件決定手段）と、膜厚データ処理部１００から送られる膜厚データと決定された第一の照射条件から第二の照射条件を推定する演算処理部（第二の照射条件推定手段）が備えられている。
【００３１】
光学手段はレーザ光伝送光学系３、反射鏡４および集光レンズ５にて構成され、レーザ発振器１から出たレーザ光２をレーザ光伝送光学系３により伝送し、反射鏡４にて進行方向を変え、集光レンズ５を透過させ、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８上に照射するために用いられるものである。また、レーザ光伝送光学系３は、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８の膜特性や照射部位の形状・大きさ等に合わせ、レーザ光２の形状を調整するもので、通常は、例えば、所定形状のスリットと円筒形レンズ（シリンドリカルレンズ）の組合せ若しくは矩形断面を有する導波路（スラブ形状の導波路）等により、レーザ光の形状をシート状に成形するものである。
【００３２】
膜厚分布検出手段は、膜厚データ処理部１００と膜厚検出器１０１にて構成される。膜厚検出器１０１は、例えば、エリプソメトリーのような光学的膜厚検出手段であって、ａ−Ｓｉ膜８に対して検出光１０２を照射し、反射光１０３を受光することにより、基板９とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光もしくは基板９上に形成されたＳｉＯ２膜とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光とａ−Ｓｉ膜８の表面からの反射光との光路差からａ−Ｓｉ膜８膜厚を測定するものである。膜厚データ処理部１００は、膜厚検出器１０１にて測定されたａ−Ｓｉ膜８の膜厚のデータを取り込み、膜厚分布データとして記録処理するもので、処理された膜厚分布データは、発振器１の演算処理部に送信される。
【００３３】
かかる装置構成とすることにより、実施の形態１にて示したレーザアニーリング方法が容易に行えることになる。すなわち、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を膜厚分布検出手段により、予め測定し、最終製品として使用されない第一の部分にて第一の照射条件を自動的に決定した後、第一の部分と、最終製品として使用される第二の部分との膜厚の比から、第二の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定した後、この第二の照射条件にて最終製品として使用される第二の部分に対し、レーザアニーリング処理を施すことができる。そのため、実生産ラインにて製造された非晶質膜に対し、本装置のみにて安定にレーザアニーリング処理を行うことが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施の形態においては、基板９を加工ステージ１０に載置してレーザ光２に対して移動させる構成としたが、基板９はレーザ光２に対して相対的に移動するように構成されていればよく、例えば、基板９を固定し、レーザ光２を反射ミラーの駆動により基板上を操作する構成としてもよく、レーザ発振器１を移動させる構成としても構わない。
【００３５】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング装置においては、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、第一の部分と非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚の比から、第二の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段を備えているため、加工コストを上昇させることなく、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング装置が実現される。
【００３６】
実施の形態３
次に、最終製品として使用されない第二の部分１２により、光軸ばらつき等に起因するレーザ光６の形状変化を確認・調整する方法につき説明する。図５は、第二の部分１２にて、レーザ光の形状を調整する方法を示す図である。図５においては、例えば、レーザ光が、いわゆる、理想的なトップハットの断面形状（強度分布）ではなく、分布を有している場合を想定している。ここで、トップハットの形状とは、図下部に示した４０から４４にて規定される台形の頂部４１から４３が平坦になっている状態を言う。レーザ光の強度の頂点が平らで、断面形状が、帽子の形状に似ていることから、このように呼ばれる。また、分布を有している場合とは、例えば、図下部に示した台形の頂部４１から４３が平坦になっておらず、頂点４２を有するような形状を有している状態を意味する。かかる、強度分布を有したレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜８のような非晶質膜上に照射すると、その加工形状（照射されたレーザ光の痕跡、すなわち、レーザ痕跡）は、図上部の５１〜５９にて実線で示されたような形状となる。
【００３７】
図中５１は、最適加工条件（ここでは、図中４２に相当するエネルギー密度とする）よりも約１６％強度を高めたレーザ光が照射された場合にａ−Ｓｉ膜８表面に現出されるレーザ光の痕跡を示している。この状態においては、照射されるレーザ光は、図下部に示されたレーザ光の強度分布の４１から４３においてａ−Ｓｉ膜８の結晶化に必要なエネルギーを備えることになり、全体にわたり、ａ−Ｓｉ膜８が結晶化される。５２から５９は、５１の照射条件からレーザ発振器の出力を２％づつ減少させて照射した場合に、ａ−Ｓｉ膜８表面に現出するレーザ光の痕跡を示している。このように、レーザ発振器の出力（レーザ光の強度）を減少させることにより、図下部に示された４１から４３の強度分布の形状が、ａ−Ｓｉ膜８上に現れることになる。すなわち、５２から５９のうち、端部のレーザ光の強度は、ａ−Ｓｉ膜８の結晶化に必要なエネルギー密度以下になるため、結晶化が進展しないことになる。従って、このようにレーザ発振器の出力を減少させながら、ａ−Ｓｉ膜８上にレーザ照射することにより、図下部に示されたようなレーザ光の強度分布を知ることができることになる。そして、このような分布が存在すると、ａ−Ｓｉ膜８の結晶化の度合いが不均一となり好ましくないため、強度分布が消失するようにレーザ光伝送光学系３を調整することが必要である。
【００３８】
光学系の調整は、理想的には、図中５１から５９のいずれかにおいて、４１から４３までの全範囲においてレーザ痕跡が生じる（本実施の形態における５１のレーザ痕跡に相当）とともに、その前後の照射条件にてはレーザ痕跡が生じないように調整する。そして、そのレーザ照射条件を、第一の照射条件とすればよい。しかしながら、通常は、かかる理想的な調整は困難であり、本実施の形態における５９に示されたレーザ痕跡（レーザ光の強度分布の頂点に相当）が４１から４３のほぼ中央に位置するようにレーザ光伝送光学系３を調整する。レーザ光の強度分布の頂点が４１から４３のほぼ中央となるように調整できれば、レーザ光２の断面形状が光軸を中心としてほぼ対称形状となっていることを意味するため、通常はこのような調整を行うことになる。このように、予め、レーザ光の強度のみならず、形状調整を行うことにより、レーザアニーリング処理がさらに安定的に実施されることになり、歩留りが向上する。なお、レーザ光の痕跡５１〜５９は通常は目視により観察することができるが、上述のエリプソメトリーのような膜状態の分析が可能な方法を用いた場合には、目視では判別不可能な加工対象物の結晶化度合いがより明確に判別でき、好適である。
【００３９】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法においては、非晶質膜のレーザアニーリング処理の前に、最終製品に使用されない部分にて非晶質膜に照射されるレーザ光の形状を確認し、所定形状からのずれを生じていた場合には、光学系を調整することによりレーザ照射条件を調整した後、レーザ照射するようにしたので、実施の形態１にて示した効果に加え、さらに、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング方法が実現される。
【００４０】
【発明の効果】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法によれば、基板上に形成された非晶質膜の膜厚分布を測定する工程と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分にレーザ光を照射し、第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する工程と、前記膜厚分布の測定結果を用いて前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分と前記第一の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいて前記第一の照射条件から、前記第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を決定する工程と、レーザ光を第二の部分に照射する工程とを備えているため、コスト上昇を抑えた、安定なレーザアニーリング処理が実現される。
【００４１】
この発明に係るレーザアニーリング装置は、基板上に形成された非晶質膜に対して照射するレーザ光を発振するレーザ光源と、レーザ光を所定形状に成形し基板上に伝送する光学手段と、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、前記膜厚分布検出手段の検出結果を用いてこの第一の部分と前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいてこの第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段と、基板を、レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、第二の照射条件により、レーザ光を第二の部分に照射するように構成されているため、コスト上昇を抑えた、安定なレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるレーザアニーリング方法を説明する図である。
【図２】 本発明にかかるレーザアニーリング装置の構成を説明する図である。
【図３】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における基板上の膜厚分布とレーザ照射位置との関係を説明する上面図である。
【図４】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における基板上の膜厚分布とレーザ照射位置との関係を説明する断面図である。
【図５】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における加工対象上の照射レーザ光の痕跡と強度分布の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器、２ レーザ光、３ レーザ光伝送光学系、４ 反射鏡、
５ 集光レンズ、６ レーザ光、７ 照射部、８ 非晶質珪素膜、９ 基板、
１０ 加工ステージ、１１ 最終製品として使用される部分（第二の部分）、
１２ 最終製品として使用されない部分（第一の部分）、１３ チャック部、
１４ チャック、
２０、２０Ａ、２０Ｂ 最終製品として使用される部分（第二の部分）、
２１ 均一な膜厚部分、
２２、２２Ａ、２２Ｂ 不均一な膜厚部分（第一の部分）、
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 膜厚は均一であるが最終製品として使用されない部分（第一の部分）、１００ 膜厚データ処理部、１０１ 膜厚検出器、
１０２ 検出光、１０３ 反射光。
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザアニーリング方法および装置に関し、ことに半導体装置等の実生産ラインにおける非晶質膜のレーザアニーリング処理を、安定かつ低コストにて行うことを可能とするレーザアニーリング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、レーザアニーリング処理におけるレーザ光の照射条件の安定化の方法としては、加工対象が形成された基板及びこの基板が載置された加工ステージの各々をレーザ光が透過可能となるように構成し、加工対象の上方から照射され加工対象に吸収されずに加工ステージの下方へと透過したレーザ光を、ステージ下方に配置されたレーザ光検出手段にて検出し、レーザ光の強度や形状を安定化させる方法がある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７６００８号公報（第４−７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザアニーリング処理においては、レーザ光の測定を直接行い、測定されたレーザ光の強度等に基づき、レーザ発振器を制御して、レーザ照射条件を安定化させていた。しかしながら、レーザアニーリング処理は、局所的、かつ、熱的な処理であるという特徴を有するため、原則として、加工対象が結晶化に必要とする熱量（レーザエネルギー）を、必要なだけ供給することが必要である。この時、加工対象の熱容量（すなわち体積、あるいは厚み）が一定であれば、加工対象が結晶化に必要とする熱量も一定であり、レーザ照射条件さえ一定に保持しておけば、レーザアニーリング処理は安定に行うことができる。しかしながら、実生産ラインにおいて生産される非晶質膜は、生産のロット間において、通常は±数％程度から１０％程度の膜厚ばらつきを有し、結晶化に必要とする熱量が変化する。そのため、実生産ラインにおいてレーザアニーリング処理を安定的に行うためには、照射するレーザ光の条件を一定にすることだけでは足りず、レーザ照射条件を加工対象の膜厚もしくは体積の変化に合わせて調整することが必要となる。すなわち、加工対象ごとにレーザ照射し、最適な照射条件を決定すること（レーザ照射の条件出し）が必要となる。しかしながら、実生産ラインにおいて、加工対象ごとにレーザ照射の条件出しを行うと、本来製品となるべき部分が条件出しのためのレーザ照射によって損傷し、ロスが生じることになり、ひいては生産される半導体装置のコスト上昇を引き起こすことになる。
【０００５】
この発明に係るレーザアニーリング方法および装置は、実生産ラインにて生産される非晶質膜もしくは非晶質膜を備えた半導体装置のレーザアニーリング処理を、コスト上昇を抑えながら安定化させることを目的として開発されたもので、加工対象のレーザアニーリング処理に当たり、予め加工対象ごとの膜厚分布を求め、設計データとの比較により製品化に寄与しない部分のうちレーザ光の条件出しに適当な部分を決定し、この部分にてレーザアニーリング処理の実加工条件を決定することにより、コストＵＰを抑えた、安定なレーザアニーリング処理を実現するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザアニーリング方法は、基板上に形成された非晶質膜の膜厚分布を測定する工程と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分にレーザ光を照射し、第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する工程と、前記膜厚分布の測定結果を用いて前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分と前記第一の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいて前記第一の照射条件から、前記第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を決定する工程と、レーザ光を第二の部分に照射する工程とを備えたものである。
【０００７】
この発明に係るレーザアニーリング装置は、基板上に形成された非晶質膜に対して照射するレーザ光を発振するレーザ光源と、レーザ光を所定形状に成形し基板上に伝送する光学手段と、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、前記膜厚分布検出手段の検出結果を用いてこの第一の部分と前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいてこの第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段と、基板を、レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、第二の照射条件により、レーザ光を第二の部分に照射するように構成されたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明にかかるレーザアニーリング方法を説明するための図である。かかるレーザアニーリング方法においては、予め、加工対象である非晶質珪素膜（以下、ａ−Ｓｉ膜もしくはアモルファスシリコン膜ともいう）８の膜厚分布を測定する。なお、ａ−Ｓｉ膜８はガラス基板９上に形成されており。ガラス基板９上には、ここでは図示しないが、不純物の拡散防止のため、ａ−Ｓｉ膜８の形成の前に１０００Å〜２０００Å程度のＳｉＯ２膜が下層膜として形成されることもある。
【０００９】
ａ−Ｓｉ膜８の膜厚の膜厚検出は、例えば、エリプソメトリーのような光学的手段により行うことができる。かかる光学的手段は、検出対象物を破壊したり、表面に傷を付けたりすることなく、非破壊状態にて膜厚等の測定ができ、好適である。なお、エリプソメトリーはガラス基板９もしくはガラス基板９上に形成されたＳｉＯ２膜とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光と、ａ−Ｓｉ膜８の表面からの反射光との光路差を比較することにより、ａ−Ｓｉ膜８の膜厚を測定するものである。
【００１０】
次に、基板９の設計データから、最終的に製品として使用される部分（実使用に寄与する部分：第二の部分）１１および最終的に製品として使用されない部分（実使用に寄与しない部分：第一の部分）１２を決定する。第一の部分と第二の部分が決定されると、レーザ発振器１から出たレーザ光２をレーザ光伝送光学系３により伝送し、反射鏡４にて進行方向を変え、集光レンズ５を透過させ、ａ−Ｓｉ膜８上に照射し、第一の部分におけるａ−Ｓｉ膜８の結晶化のためのレーザ照射条件（第一の照射条件）を求める。図１は、第一の部分にレーザ照射している状態を示している。
【００１１】
第一の照射条件は、例えば、次のようにして決定する。すなわち、実験的にあるいは試作ラインにおける試作において決定された、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８に対する標準レーザ照射条件の２０％増しとなるように最大レーザ出力を決定し、この最大レーザ出力から５％ずつ出力を減少させながら、第一の部分に対し、９回の照射を行う。このことにより、第一の部分には、標準レーザ出力から±２０％の出力を有するレーザ光が照射されることになる。半導体装置の実生産ラインにおいては、各生産ロット間でのａ−Ｓｉ膜８の膜厚ばらつきは通常±１０％程度に抑制されているため、かかる照射条件にてレーザ光を照射すると、ほぼ確実に最適照射条件が求まることになる。なお、さらに、正確なレーザ照射条件を決定するためには、決定された条件から、さらに細かく、例えば、１％ずつ出力を減少させながら照射を行えばよい。このような作業を繰り返せば、精度は限りなく向上するが、必要とする加工結果の安定性と条件出しにかかるコストとのバランスを考慮してレーザ照射条件を決定すればよい。
【００１２】
また、加工結果に対する判断は、実際には、レーザ発振器１に備えられた、図示しない光学モニターに映し出された加工状態に基づき手動で、あるいは、画像処理により自動で行うことになる。具体的には、レーザ照射されたことによるａ−Ｓｉ膜８の表面の色変化を手動もしくは自動にて確認することにより結晶化状態を判断する。このａ−Ｓｉ膜８の結晶化状態の変化と色変化との関係は、例えば、上述した、エリプソメトリーによる結晶化度合いの測定とａ−Ｓｉ膜８の外観変化から求められる。
【００１３】
第一の照射条件が決定すると、第一の部分の膜厚と第二の部分の膜厚との比から第二の部分におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）を推定する。例えば、第一の部分１２として第二の部分１１の膜厚の半分の膜厚を有する部分にてレーザ照射条件（第一の照射条件）を決定した場合には、第二の部分１１におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）としては、レーザ照射エネルギーが第一の照射条件の倍であるとレーザ照射条件を推定すればよい。
第二の照射条件が推定されると、その条件にて第二の部分（最終的に製品として使用される部分）のレーザアニーリングを行い、アニーリング処理が終了する。
【００１４】
ここで、レーザ光の照射条件を、実際の加工対象にて、確認・調整するのは以下の理由からである。すなわち、レーザ光を用いた、溶接や切断などの加工においては、安定な加工結果が得られる加工条件の幅が比較的広いため、通常は、照射するレーザ光のパワーと焦点位置を制御しておけば問題はない。しかしながら、レーザアニーリング処理は、局所的、かつ、熱的な処理であるという特徴を有するため、加工対象が結晶化に必要とする熱量（レーザエネルギー）を必要な分だけ供給することが必要となる。すなわち、照射されるレーザ光のエネルギーが少ないと、十分な結晶化が得られず、また、照射されるレーザ光のエネルギーが大きすぎると、周囲に熱影響を与え、加工対象が形成された基板等を損傷させることになる。
【００１５】
また、通常のＣＶＤ法やスパッタ法にて形成される薄膜は、例えば、ガスを供給するノズル先端への膜成長等に起因し、薄膜が成形されるチャンバー内でのガスの流れが変わり、ロット間において膜厚ばらつきが生じる。そのため、通常は、かかる薄膜の膜厚は±数％から１０％程度のばらつきを越えることがないよう、生産のロット毎に膜厚変化が管理がされている。言い換えれば、通常のＣＶＤ法やスパッタ法等にて形成される薄膜は製品化段階にては、±数％から１０％程度のばらつきを有していることになる。
【００１６】
この膜厚のばらつきは、加工対象の容量、すなわち、加工対象の有する熱的な容量が±１０％程度ばらつくことを意味する。かかる熱容量の変化は、レーザアニーリング処理における不安定要因となる。すなわち、仮に照射されるレーザ光が完全にコントロールされ、全く変動しないものであるとしても、加工対象の膜厚が変化すると、その膜厚の変化に合わせ、結晶化の状況が変化することになる。また、レーザアニーリング処理は局所加熱処理であるため、非晶質膜が結晶化に必要とする熱量に比べあまり大きな熱量を照射することは好ましくない。このように、レーザアニーリング処理のような局所加熱処理を行う場合、加工対象の熱容量（この場合は膜厚）が変化すると加工結果に重大な影響が生じ、安定な加工の実現が困難となる。従って、レーザアニーリング処理を安定に行うためには、加工対象ごとにレーザ照射条件を調整することが必要となる。
【００１７】
かかる問題に対し、レーザ光の照射条件をパワーモニター等の手段を用いて安定化させ、さらに、加工対象の膜厚をも安定化させ、加工を行うことも考えられる。しかしながら、両者を同時に安定化させるためには、装置が複雑化し、加工に手間がかかるとともに、コストも上昇し、現実的ではない。これに対し、実際の加工対象を用いてレーザ光の照射条件を確認・調整する方法を用いれば、装置を特に複雑化させることなく、現実の加工状態に限りなく近い状態にて調整できるため、特段のコスト上昇を伴うことなく、レーザアニーリング処理が安定し、特に、実生産ラインにて有効である。
【００１８】
ところが、レーザ照射の条件出しのために、単に、加工対象にレーザ光を照射して加工条件を求めたのでは、その条件出しに使用した加工対象の部分は、最終製品には使用することができなくなる。このことは、生産上の加工ロスが増加することを意味し、ひいては、半導体装置のコストＵＰの要因ともなる。そのため、加工対象を用いてレーザ照射の条件出しを行うに際しては、ロスが生じない、あるいはロスが最小限となるような何らかの工夫が必要となる。
【００１９】
この問題に対し、本願発明においては、実加工の前に、予め、加工対象であるａ−Ｓｉ膜の膜厚分布を検出し、最終的に製品に使用されない部分（不要部分）の適当な部分を決定し、かかる不要部分にて照射レーザ光の条件出しを行うことにより、加工ロスを生じることなく、レーザアニーリング処理を安定化させる方法を実現した。
【００２０】
また、上記実施の形態においては、第二の部分１１と第一の部分１２の膜厚は必ずしも同じではなかったが、第二の部分１１と同等の膜厚を有する第一の部分１２にてレーザ照射条件（第一の照射条件）を決定した場合には、かかるレーザ照射条件が、第二の部分１１におけるレーザ照射条件（第二の照射条件）となり、好適である。
【００２１】
また、ここで言う第一の照射条件と第二の照射条件は、各々、第一の部分と第二の部分におけるａ−Ｓｉ膜８の結晶化に最も適したレーザ照射条件を意味するが、このレーザ照射条件は、ａ−Ｓｉ膜８が形成された基板やその周辺に形成された半導体素子等の耐熱性にも関係し、これら基板や半導体素子の耐熱性に合わせ、レーザ照射条件を変動させることができる。例えば、これらの耐熱性が高ければ、ａ−Ｓｉ膜８自体の結晶化の最適照射条件よりも少し高めに設定することで、レーザ発振器の出力が変動した場合においても、ａ−Ｓｉ膜８を安定的に結晶化することができ、好適である。
【００２２】
図３は、ガラス基板９上に形成されたａ−Ｓｉ膜８を上面から見た図である。図３（ａ）は、いわゆる、一面取りの場合であり、ガラス基板９上にはａ−Ｓｉ膜８が全面形成されている。図中、点線で示した１１は、ａ−Ｓｉ膜８のうち最終製品に使用される部分（第二の部分）、また、１２は、ａ−Ｓｉ膜８のうち最終製品に使用されない部分（ロスとなる部分：第一の部分）である。さらに、１３はａ−Ｓｉ膜８が成膜される際に、成膜装置の所定位置にガラス基板９を固定するためのチャック部分である。このように、一面取りの場合においても、ａ−Ｓｉ膜８の全部が最終製品に使用される訳ではなく、周辺部には必ず、製品化されない膜部分１２が存在する。次に、図３（ｂ）は、いわゆる、多面取りの場合であり、ガラス基板９上には最終製品として使用される部分１１が複数個（ここでは４個）形成されている。このように、他面取りにおいては、一面取りで示した周辺部のみならず、中央部においても、最終製品として使用される部分１１間に、最終製品に使用されない部分１２が存在する。
【００２３】
図４は、図３に示したａ−Ｓｉ膜８の断面形状（膜厚分布）を説明するための図である。図４（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’断面の端部に相当し、図４（ｂ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ’断面に相当するものである。図４（ａ）、（ｂ）において、ａ−Ｓｉ膜８がガラス基板９上に形成されている。このガラス基板９はチャック１４にて固定されている。ａ−Ｓｉ膜８は図示したような断面形状を有し、中央部においては均一な膜厚分布を、周辺部においてはなだらかな傾斜を有する膜厚分布を有している。図４（ａ）において、２０は最終製品として使用される部分、２１は膜厚の均一な部分、２２は膜厚の不均一な部分、２３は膜厚の均一な部分のうち、最終製品に使用されない部分を意味している。従って、２０が図３（ａ）における最終製品として使用される部分１１に相当し、２２および２３が図３（ａ）における最終製品として使用されない部分１２に相当するものである。また、図４（ｂ）において、２０Ａ、２０Ｂは最終製品として使用される部分、２１は膜厚の均一な部分、２２Ａ、２２Ｂは膜厚の不均一な部分、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃは膜厚の均一な部分のうち、最終製品に使用されない部分を意味している。従って、２０Ａ、２０Ｂが図２（ｂ）における最終製品として使用される部分１１に相当し、２２Ａ、２２Ｂおよび２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃが図３（ｂ）における最終製品として使用されない部分１２に相当するものである。
【００２４】
このように、実生産ラインで生産されるａ−Ｓｉ膜のような薄膜には、通常は、必ず上記したような、最終製品には使用されないが、最終製品に使用される部分と同等の膜厚を有する部分が存在する。この部分は、基本的に、最終製品に使用される部分と膜質が同じであると考えられるため、レーザアニーリングに用いられるレーザ光の照射条件を確認するための加工対象としては最適である。すなわち、かかる部分は、最終製品に寄与する部分と、膜厚のみならず、レーザ光に対する反射特性、吸収特性、熱特性等が同じであるため、かかる部分にてレーザ照射条件を調整することにより、安定なレーザアニーリング処理が可能となる。
【００２５】
また、膜厚が異なる部分においても、膜厚以外の他の特性は、基本的には同等であると考えられるため、最終製品に使用される部分との膜厚の比により照射するレーザ光の条件を調整さえすれば、同様の安定なレーザアニーリング処理が実現される。なお、第二の部分１１においても、わずかではあるが、膜厚分布が存在する。従って、ここでいう第一の部分１１の膜厚とは、実際には第二の部分１１の各膜厚測定点の平均膜厚を意味する（但し、測定点が１点の場合にはそこでの膜厚）。また、レーザ照射条件の調整に当たり、この第二の部分１１の膜厚と比較される第一の部分１２の膜厚とは、第一の部分１２のうち実際にレーザが照射された、レーザ照射条件出しに使用された部分の厚みを意味する。
【００２６】
なお、上記実施の形態にては、ａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布はエリプソメトリーを用いて非破壊状態にて測定する方法につき開示したが、かかる膜厚分布は他の方法にても実施可能である。例えば、触針式の段差計を用いてａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を測定することも可能である。この方法は、膜表面に傷が発生するため、１面取りのような全面が実使用に供される場合にはあまり有効ではないが、他面取りの場合には、実使用に供される膜面間に実使用に供されない部分が存在するため、この部分を用いてａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を容易に測定することができ、一方向の断面の膜厚分布が簡易かつ視覚的に得られ、好適である。
【００２７】
また、加工対象物がａ−Ｓｉ膜の場合、光吸収特性の関係から、３３０ｎｍから８００ｎｍの発振波長を有するレーザ光を照射することが好ましい。すなわち、ａ−Ｓｉ膜に波長が３３０ｎｍから８００ｎｍ程度のレーザ光を照射すると、レーザ光のエネルギーが、安定的かつ効率よく吸収され、膜厚方向に対してほぼ均一に加熱されるため、好適である。
【００２８】
なお、３３０ｎｍから８００ｎｍの間に発振波長を有するレーザの代表としては、例えば、種々の半導体レーザもしくはその高調波発生源または固体レーザの高調波発生源が挙げられる。すなわち、種々の発振波長の半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１．０５μｍ）の第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波（３４９ｎｍ）、あるいはＹｂ：ＹＡＧレーザ（波長１．０３μｍ）の第２高調波（５１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）等を用いることができる。また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの基本波（７９２ｎｍ）または第２高調波（３９６ｎｍ）を用いてもよい。レーザ光源として、半導体レーザもしくはその高調波発生源または固体レーザ高調波発生源を用いることで、レーザアニーリング装置のコンパクト化が可能となり、また、長時間安定した動作が可能になる。
【００２９】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法においては、非晶質膜のレーザアニーリング処理の前に、非晶質膜の膜厚分布を測定し、予め決定された最終製品に使用される部分との比較により、最終製品に使用されない部分を検出し、この部分でレーザ光の照射条件を決定した後、レーザ照射することで、加工コストを上昇させることなく、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング方法が実現される。
【００３０】
実施の形態２
図２は、本発明にかかるレーザアニーリング装置の構成説明図である。かかるレーザアニーリング装置は、レーザ発振器（レーザ光源）１と、レーザ光を所定形状に成形し、加工対象に伝送するための光学手段と、膜厚分布検出手段にて構成されたものである。
なお、レーザ発振器１には、図示しないが、加工対象をモニターする光学モニターと、モニターされた加工対象の表面状態を画像処理し、発振するレーザ光の強度を自動的に調整するレーザ制御部（第一の照射条件決定手段）と、膜厚データ処理部１００から送られる膜厚データと決定された第一の照射条件から第二の照射条件を推定する演算処理部（第二の照射条件推定手段）が備えられている。
【００３１】
光学手段はレーザ光伝送光学系３、反射鏡４および集光レンズ５にて構成され、レーザ発振器１から出たレーザ光２をレーザ光伝送光学系３により伝送し、反射鏡４にて進行方向を変え、集光レンズ５を透過させ、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８上に照射するために用いられるものである。また、レーザ光伝送光学系３は、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８の膜特性や照射部位の形状・大きさ等に合わせ、レーザ光２の形状を調整するもので、通常は、例えば、所定形状のスリットと円筒形レンズ（シリンドリカルレンズ）の組合せ若しくは矩形断面を有する導波路（スラブ形状の導波路）等により、レーザ光の形状をシート状に成形するものである。
【００３２】
膜厚分布検出手段は、膜厚データ処理部１００と膜厚検出器１０１にて構成される。膜厚検出器１０１は、例えば、エリプソメトリーのような光学的膜厚検出手段であって、ａ−Ｓｉ膜８に対して検出光１０２を照射し、反射光１０３を受光することにより、基板９とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光もしくは基板９上に形成されたＳｉＯ２膜とａ−Ｓｉ膜８との界面からの反射光とａ−Ｓｉ膜８の表面からの反射光との光路差からａ−Ｓｉ膜８膜厚を測定するものである。膜厚データ処理部１００は、膜厚検出器１０１にて測定されたａ−Ｓｉ膜８の膜厚のデータを取り込み、膜厚分布データとして記録処理するもので、処理された膜厚分布データは、発振器１の演算処理部に送信される。
【００３３】
かかる装置構成とすることにより、実施の形態１にて示したレーザアニーリング方法が容易に行えることになる。すなわち、加工対象であるａ−Ｓｉ膜８の膜厚分布を膜厚分布検出手段により、予め測定し、最終製品として使用されない第一の部分にて第一の照射条件を自動的に決定した後、第一の部分と、最終製品として使用される第二の部分との膜厚の比から、第二の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定した後、この第二の照射条件にて最終製品として使用される第二の部分に対し、レーザアニーリング処理を施すことができる。そのため、実生産ラインにて製造された非晶質膜に対し、本装置のみにて安定にレーザアニーリング処理を行うことが可能となる。
【００３４】
なお、上記実施の形態においては、基板９を加工ステージ１０に載置してレーザ光２に対して移動させる構成としたが、基板９はレーザ光２に対して相対的に移動するように構成されていればよく、例えば、基板９を固定し、レーザ光２を反射ミラーの駆動により基板上を操作する構成としてもよく、レーザ発振器１を移動させる構成としても構わない。
【００３５】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング装置においては、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、第一の部分と非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚の比から、第二の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段を備えているため、加工コストを上昇させることなく、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング装置が実現される。
【００３６】
実施の形態３
次に、最終製品として使用されない第二の部分１２により、光軸ばらつき等に起因するレーザ光６の形状変化を確認・調整する方法につき説明する。図５は、第二の部分１２にて、レーザ光の形状を調整する方法を示す図である。図５においては、例えば、レーザ光が、いわゆる、理想的なトップハットの断面形状（強度分布）ではなく、分布を有している場合を想定している。ここで、トップハットの形状とは、図下部に示した４０から４４にて規定される台形の頂部４１から４３が平坦になっている状態を言う。レーザ光の強度の頂点が平らで、断面形状が、帽子の形状に似ていることから、このように呼ばれる。また、分布を有している場合とは、例えば、図下部に示した台形の頂部４１から４３が平坦になっておらず、頂点４２を有するような形状を有している状態を意味する。かかる、強度分布を有したレーザ光を、ａ−Ｓｉ膜８のような非晶質膜上に照射すると、その加工形状（照射されたレーザ光の痕跡、すなわち、レーザ痕跡）は、図上部の５１〜５９にて実線で示されたような形状となる。
【００３７】
図中５１は、最適加工条件（ここでは、図中４２に相当するエネルギー密度とする）よりも約１６％強度を高めたレーザ光が照射された場合にａ−Ｓｉ膜８表面に現出されるレーザ光の痕跡を示している。この状態においては、照射されるレーザ光は、図下部に示されたレーザ光の強度分布の４１から４３においてａ−Ｓｉ膜８の結晶化に必要なエネルギーを備えることになり、全体にわたり、ａ−Ｓｉ膜８が結晶化される。５２から５９は、５１の照射条件からレーザ発振器の出力を２％づつ減少させて照射した場合に、ａ−Ｓｉ膜８表面に現出するレーザ光の痕跡を示している。このように、レーザ発振器の出力（レーザ光の強度）を減少させることにより、図下部に示された４１から４３の強度分布の形状が、ａ−Ｓｉ膜８上に現れることになる。すなわち、５２から５９のうち、端部のレーザ光の強度は、ａ−Ｓｉ膜８の結晶化に必要なエネルギー密度以下になるため、結晶化が進展しないことになる。従って、このようにレーザ発振器の出力を減少させながら、ａ−Ｓｉ膜８上にレーザ照射することにより、図下部に示されたようなレーザ光の強度分布を知ることができることになる。そして、このような分布が存在すると、ａ−Ｓｉ膜８の結晶化の度合いが不均一となり好ましくないため、強度分布が消失するようにレーザ光伝送光学系３を調整することが必要である。
【００３８】
光学系の調整は、理想的には、図中５１から５９のいずれかにおいて、４１から４３までの全範囲においてレーザ痕跡が生じる（本実施の形態における５１のレーザ痕跡に相当）とともに、その前後の照射条件にてはレーザ痕跡が生じないように調整する。そして、そのレーザ照射条件を、第一の照射条件とすればよい。しかしながら、通常は、かかる理想的な調整は困難であり、本実施の形態における５９に示されたレーザ痕跡（レーザ光の強度分布の頂点に相当）が４１から４３のほぼ中央に位置するようにレーザ光伝送光学系３を調整する。レーザ光の強度分布の頂点が４１から４３のほぼ中央となるように調整できれば、レーザ光２の断面形状が光軸を中心としてほぼ対称形状となっていることを意味するため、通常はこのような調整を行うことになる。このように、予め、レーザ光の強度のみならず、形状調整を行うことにより、レーザアニーリング処理がさらに安定的に実施されることになり、歩留りが向上する。なお、レーザ光の痕跡５１〜５９は通常は目視により観察することができるが、上述のエリプソメトリーのような膜状態の分析が可能な方法を用いた場合には、目視では判別不可能な加工対象物の結晶化度合いがより明確に判別でき、好適である。
【００３９】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法においては、非晶質膜のレーザアニーリング処理の前に、最終製品に使用されない部分にて非晶質膜に照射されるレーザ光の形状を確認し、所定形状からのずれを生じていた場合には、光学系を調整することによりレーザ照射条件を調整した後、レーザ照射するようにしたので、実施の形態１にて示した効果に加え、さらに、安定な非晶質膜のレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング方法が実現される。
【００４０】
【発明の効果】
以上、本発明にかかるレーザアニーリング方法によれば、基板上に形成された非晶質膜の膜厚分布を測定する工程と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分にレーザ光を照射し、第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する工程と、前記膜厚分布の測定結果を用いて前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分と前記第一の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいて前記第一の照射条件から、前記第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を決定する工程と、レーザ光を第二の部分に照射する工程とを備えているため、コスト上昇を抑えた、安定なレーザアニーリング処理が実現される。
【００４１】
この発明に係るレーザアニーリング装置は、基板上に形成された非晶質膜に対して照射するレーザ光を発振するレーザ光源と、レーザ光を所定形状に成形し基板上に伝送する光学手段と、非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、前記膜厚分布検出手段の検出結果を用いてこの第一の部分と前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいてこの第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段と、基板を、レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、第二の照射条件により、レーザ光を第二の部分に照射するように構成されているため、コスト上昇を抑えた、安定なレーザアニーリング処理を可能とするレーザアニーリング装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるレーザアニーリング方法を説明する図である。
【図２】 本発明にかかるレーザアニーリング装置の構成を説明する図である。
【図３】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における基板上の膜厚分布とレーザ照射位置との関係を説明する上面図である。
【図４】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における基板上の膜厚分布とレーザ照射位置との関係を説明する断面図である。
【図５】 本発明にかかるレーザアニーリング方法における加工対象上の照射レーザ光の痕跡と強度分布の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器、２ レーザ光、３ レーザ光伝送光学系、４ 反射鏡、
５ 集光レンズ、６ レーザ光、７ 照射部、８ 非晶質珪素膜、９ 基板、
１０ 加工ステージ、１１ 最終製品として使用される部分（第二の部分）、
１２ 最終製品として使用されない部分（第一の部分）、１３ チャック部、
１４ チャック、
２０、２０Ａ、２０Ｂ 最終製品として使用される部分（第二の部分）、
２１ 均一な膜厚部分、
２２、２２Ａ、２２Ｂ 不均一な膜厚部分（第一の部分）、
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 膜厚は均一であるが最終製品として使用されない部分（第一の部分）、１００ 膜厚データ処理部、１０１ 膜厚検出器、
１０２ 検出光、１０３ 反射光。
Claims (7)
- 基板上に形成された非晶質膜の膜厚分布を測定する工程と、
前記非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分にレーザ光を照射し、この第一の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する工程と、
前記膜厚分布の測定結果を用いて前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分と前記第一の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいて前記第一の照射条件から、前記第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を決定する工程と、
この第二の照射条件により、レーザ光を前記第二の部分に照射する工程とを備えてなるレーザアニーリング方法。 - 前記第一の照射条件を決定する工程において、さらに、前記第一の部分に出力を漸減させながら照射された複数のレーザ光の痕跡に基づき、レーザ光の断面形状がレーザ光の光軸に対して対称になるようにレーザ光の形状を調整してなる請求項１に記載のレーザアニーリング方法。
- 前記非晶質膜が非晶質珪素膜である請求項１または２に記載のレーザアニーリング方法。
- 前記レーザ光を発振する光源が固体レーザまたは半導体レーザである請求項１から３のいずれかに記載のレーザアニーリング方法。
- 前記レーザ光の波長が３３０ｎｍから８００ｎｍである請求項１から４のいずれかに記載のレーザアニーリング方法。
- 前記非晶質膜の膜厚分布の測定は、前記非晶質膜を非破壊にて測定する方法を用いて行われる請求項１から５のいずれかに記載のレーザアニーリング方法。
- 基板上に形成された非晶質膜に対して照射するレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光を所定形状に成形し前記基板上に伝送する光学手段と、
前記非晶質膜の膜厚分布を検出する膜厚分布検出手段と、
前記非晶質膜のうち最終製品として使用されない第一の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第一の照射条件を決定する第一の照射条件決定手段と、
前記膜厚分布検出手段の検出結果を用いてこの第一の部分と前記非晶質膜のうち最終製品として使用される第二の部分との膜厚を比較し、その比較結果に基づいてこの第二の部分における前記非晶質膜の結晶化のためのレーザ光の照射条件である第二の照射条件を推定する第二の照射条件推定手段と、
前記基板を、前記レーザ光に対して相対移動させる移動手段とを備え、
前記第二の照射条件により、前記レーザ光を前記第二の部分に照射してなるレーザアニーリング装置。
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