JP4921673B2

JP4921673B2 - レーザー熱加工装置および方法

Info

Publication number: JP4921673B2
Application number: JP2001560735A
Authority: JP
Inventors: アンドリューエム．ハウリールク，; ウェイジアンワン，; デイビッドジー．スティテス，; ユチュエフォン，
Original assignee: ウルトラテック，インコーポレイテッド
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: EP1256030A1; KR20020093805A; US6366308B1; JP2003524892A; EP1256030A4; WO2001061407A1; JP2012023397A; EP1256030B1; DE60041833D1; KR100751741B1

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は熱加工に関し、詳細には、高放射度の放射の短いパルスを用いてワークピースを均一に露光することによって、ワークピースの高速熱加工を実施する装置および方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
高速熱加工（ＲＴＰ）は、基板（「ワークピース」）の変化を起こすために、ワークピースを加熱する（その後冷却する）工程を包含する。ワークピースのＲＴＰが要求される、いくつかの産業的用途（例えば、半導体における金属の焼戻しおよび合金形成またはドーパントの電子的活性化）が存在する。加熱炉においてゆっくりとワークピースを加熱することから、フラッシュランプからの放射フラッシュを用いてワークピースを露光することに及ぶ、当該分野で公知のいくつかのＲＴＰ技術が存在する。
【０００３】
特定のＲＴＰ技術が、所定の用途に適するか否かは、所望の加工を実施するために、ワークピースが、どのように加熱される必要があるかということに主に依存する。例えば、特定の型の半導体素子製品を形成する場合に、特定の半導体ウェーハを焼戻すために、ホットプレートまたは放射ランプを用いて高温までウェーハを加熱し、次いで室温で冷却プレート上に据えることでウェーハを冷却することが、実行可能なＲＴＰ技術である。しかし、ウェーハの小領域のみが極端に急速に（例えば、マイクロセカンド）加熱および冷却される必要がある用途は、この技術に適さない。なぜなら、ウェーハの熱塊は、このような急激な加熱および冷却が全く不可能であるからである。フラッシュランプが、このような急激な加熱および冷却に用いられ得るが、このフラッシュランプは、一般に、多数の半導体用途についてワークピースの変化を実施するために、ワークピースにエネルギー量を送達するのに必要な放射度および時間パルス長を有さない。
【０００４】
高い潜在力を有し得るＲＴＰ技術は、サブマイクロセカンドの加熱および冷却時間が要求される場合、パルス化したレーザーを使用する工程を包含し、ここでは「レーザー熱加工」または「ＬＴＰ」と呼ばれる。ＲＴＰ技術の大部分は、基板平面におけるある最小レベルの熱均一性を要求する。基板を加熱するのに光学供給源またはレーザーを使用する場合、この熱均一性の要求は、照明均一性の要求に変換される。あいにく、この要求は、ＬＴＰのためのパルスレーザーの使用を妨げた。なぜなら、現在まで熟考されるこのパルス化したレーザーは、ＲＴＰを十分に実行するのに必要な照明均一性およびパルス間安定性に欠けているからである。
【０００５】
一般的に、レーザー放射が加工されるべきワークピース（例えば、ウェーハ）の方に向けられる場合、ミクロおよびマクロの放射度の非安定性が生じる。このマクロの輝度の不均一性の問題は、種々の現在一般的な均一化技術（例えば、光トンネル、ホモジナイザーロッドおよび「蝿の目アレイ（ｆｌｙ’ｓ−ｅｙｅ−ａｒｒａｙ）」）を介して取り組まれている。しかし、レーザー光の干渉性特性によって生じるミクロの輝度の不均一性は、レーザーがＲＴＰ手段のための一般的な光源になるのを妨げている。エキシマーレーザーは、大部分の他のレーザー（例えば、ガス放電または半導体レーザー）よりも「非干渉性」であるため、産業において首尾よく利用されている一方で、このエキシマーレーザーは、パルス間安定性に欠けるため、全ての産業用途に適するわけではなく、そして特定のＬＴＰに適さない。エキシマーレーザーに関する他の問題には、それらの大きいサイズ（「フットプリント」）およびそれらの高い維持コストが挙げられる。
【０００６】
上で言及されるように、ＬＴＰは、半導体産業において高い潜在性用途を有する。集積電気回路の製造は、ドーパント（Ｎ型またはＰ型）を半導体（例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素など）基板に導入して、その導電率を変化させるためのイオン注入を包含する。一般的に、この手順は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタまたはベースの供給源またはドレイン、エミッター、ＢＩＰＯＬＡＲトランジスタのコレクター、ダイオードの陰極、抵抗領域素子を打込む際に、あるいはコンデンサープレートとしてでさえ使用される。手短に言えば、半導体基板の導電率を変化させることが望ましい、多数の理由が存在する。ドーパント原子の打込みは、それらが打込まれる結晶基板の化学結合を崩壊させ、いくつかの場合において、領域を非結晶にし得る。これはつまり、この領域の結晶格子が崩壊されたということである。
【０００７】
打込みによって形成された電子部品の良好な電気効率を得るために、打込まれた領域は、焼き戻されなければならない。この焼戻し加工は、前以て非結晶質にされた領域を取り除き、そしてより結晶性の構造体を再構築する。また、ドーパントは、これらの原子を半導体基板の結晶格子に取り入れることによって、「活発化」される必要がある。これは、比較的多量の熱エネルギーを、短時間でこの領域に供給し、次いで、熱加工を終了するために、この領域を急激に冷却することを要求する。
【０００８】
首尾よい、頑強なＬＴＰ装置は、好ましくは、１０の設計要求を満たす。１番目に、この装置は、完全に自動化され、かつウェーハの遠隔操作を含み、それによって多数の基板（「ワークピース」）は、ヒトの介入の必要性なしに加工され得る。２番目に、この装置は、全てのダイ領域（ｆｕｌｌｄｉｅ−ｂｙ−ｄｉｅｆｉｅｌｄ）を露光する（つまり、部分的領域の露光はない）。３番目に、この装置は、１パルス当たりの十分な放射度を供給して、ＬＴＰの目標を達成する（例えば、１パルス当たり０．１Ｊ／ｃｍ^２と１．０Ｊ／ｃｍ^２との間の放射度レベルを要求する、ドーパント活発化または熱的焼戻し）。４番目は、±５％内での露光領域にわたる照明均一性（マクロおよびミクロの均一性の両方）であり、それによって、対応する熱均一性は、同様に均一である。５番目の要求は、レーザーのパルス間エネルギー安定性（再現性）は、±５％内であり（好ましくは、サブマイクロセカンドパルスについて数ナノセカンドのみ変化される）、それによって、領域間での結果は再現可能であることである。６番目に、ワークピースの各ダイ（つまり、ワークピース領域）は、±５０ミクロン内（不活性ＫＥＲＦ設計領域内）の精度で露光領域に整列され、それによって、適切な露光は、各領域内に含まれる。７番目に、露光領域のエッジにおける照明減退は、非常に激しく（つまり、５０ミクロン未満の分解能）、それによって、ワークピース上に隣接した領域の露光は存在しない。８番目に、領域サイズは、ＬＴＰ装置が用いられ得る種々の領域サイズを考慮するために、１ｍｍ×１ｍｍから２２ｍｍ×２２ｍｍまで規定可能でなければならない。９番目に、この装置は、０．１Ｊ／ｃｍ^２から１．０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギーを送達するようにプログラム可能である。１０番目に、この装置は、ＬＴＰプロセスに関連した特定のキーパラメーター（例えば、ワークピースが溶解されているか否か、送達されたエネルギー量、ワークピースから反射されたエネルギー量およびビームプロフィール）をモニタリングするための診断性能を有する。
【０００９】
均一な照明を提供する多数の先行技術の照明装置が存在するが、上で同定された要求を満たさない。例えば、米国特許第５，０５９，０１３号、発明の名称：「ＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｔｏＰｒｏｄｕｃｅＳｅｌｆ−ｌｕｍｉｎｏｕｓＬｉｇｈｔＢｅａｍｏｆＳｅｌｅｃｔｅｄＣｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ，ＵｎｉｆｏｒｍＩｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄＳｅｌｅｃｔｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ」は、選択された断面形状および均一輝度の光ビームを製造する照明系を開示し、この照明系は以下によって、選択された開口数に自己発光的に放出する：不均一で、非自己発光性のレーザー光ビームを供給すること；ビーム周囲近辺の不均一性を排除するようにビームを構成すること；半均一性光ビームを光ゲートに供給すること；光学トラップおよび赤外トラップを有するランプ光ビームもまた供給すること；レーザー光ビームまたはランプ光ビームを、光ビーム特徴づけサブシステムに選択的にゲーティングすること；選択された半形状の半均一性で非自己発光性の光ビームを構成して、選択された形状の半均一性で非自己発光性の光ビームを供給すること；選択された開口数に関連した焦点距離を有する、選択された形状の半均一性で非自己発光性の光ビームを、全反射によるビーム波形器の均一器の入力平面に向けて焦点を合わせ、この均一器内に複数の反射および相互に種々の部分のビームのオーバーラップを生じさせ、ビーム波形器の均一器の長さは、選択された輝度均一性に関連し、出口平面において、選択された形状の均一性の半自己発光性の光ビームを生じさせること；光ビームを拡散させること；選択された形状で均一性の自己発光性の光ビームを、収集レンズを通して通過させて、適用サブシステムの方に選択された開口数でビームを伝達すること。あいにく、この照明系は、かなり複雑であり、そして全反射であるホモジナイザーロッド内のレーザー干渉性効果から生じる、ミクロの不均一性の問題を対処しない。これは、±５％未満のマクロおよびミクロの均一性要求を述べる４番目の要求に背く。
【００１０】
米国特許第５，３５７，３６５号、発明の名称：「ＬａｓｅｒＢｅａｍＩｒｒａｄｉａｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓＥｎａｂｌｉｎｇＵｎｉｆｏｒｍＬａｓｅｒＡｎｎｅａｌｉｎｇ」は、高い精度および均一性でサンプルの全表面にわたってレーザー焼戻し可能なレーザービーム放射装置を記載する。レーザー源から出力されたレーザービームの光束は、ビーム拡大器によって拡大される。このビーム拡大器を通過したレーザービームの出力は、合成水晶の半波長プレートおよび合成水晶の偏光プリズムによって調整される。偏光プリズムから放出されたレーザービームは、鏡によって定められた位置に導かれ、そしてＸ軸回転鏡によってＸ軸の方向へ移動される。Ｘ軸回転鏡から反射されたレーザービームは、シリコンウェーハ表面の定められたビームスポット直径を有するように、その直径がｆ−θレンズによって減少されており、そしてレーザービームスキャニングは、一定速度において実行される。半波長プレートおよび偏光プリズムは、合成水晶から形成されるため、レーザービームの連続的放射によって生じる光学構成要素の熱変形は抑制され得、レーザービームのビームプロフィールは安定化され得、従って高度に均一でかつ高度に正確なレーザー焼戻しが可能となる。あいにく、この照明系は、かなり複雑であり、そしてワークピースにおいてサイズが減少される。つまり、小領域のみが露光され、かつワークピースを横切ってスキャンされる。このアプローチは、全ての領域の露光を提供する２番目の要求と矛盾する。
【００１１】
（発明の要旨）
本発明は、熱加工に関し、詳細には、高放射度の放射の短いパルスを用いてワークピースを均一に照明することによって、ワークピースの高速熱加工を実施する装置および方法に関する。
【００１２】
本発明の第一の局面は、１つ以上のワークピース領域を有するワークピースを加工するＬＴＰ装置である。この装置は、１０００より多い空間モードを有し、かつ１ナノセカンドと１マイクロセカンドの間の時間パルス長を伴う１つ以上の放射パルスを放出し得る、パルス化した半導体レーザー光源、ワークピースを支持するためのワークピースステージ、および露光領域を有する照明光学系を備え、この系は、露光領域内で、±５％未満の放射度均一性を有する１つ以上の放射パルスを用いて、１つ以上のワークピース領域の少なくとも１つを照射するように、レーザー光源とワークピースホルダーとの間に配置される。
【００１３】
上記の本発明の第二の局面はこの装置であり、ここで、照明光学系は、レーザー光源から光軸に沿って、ビーム輸送系、ディフューザー、光学積分器、露光領域の大きさを規定するための可変開口絞り、および露光領域を形成するための結像光学系をこの順で備える。
【００１４】
本発明の第三の局面は、露光領域にわたってワークピースのレーザー熱加工を実施する方法である。この方法は、ワークピースを露光領域に対して整列させる第一の工程、次いで、１０００より多い空間モードを有するレーザー光源からの放射度を有し、かつ±５％未満のパルス間再現性を伴う１ナノセカンドと１マイクロセカンドの間の時間パルス長を有する放射パルスを放出し得る、実質的に非干渉性の１つ以上の放射パルスを提供する工程、放射パルスが、露光領域にわたって±５％未満で均一性を変化するように、放射パルスを均一化する工程、および露光領域にわたって、１つ以上の放射パルスを用いてワークピースを露光する工程、を包含する。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
本発明は、熱加工に関し、詳細には、高放射度の放射の短いパルスを用いてワークピースを均一に照明することによって、ワークピースの高速熱加工を実施する装置および方法に関する。
【００１６】
図１を参照すると、本発明のＬＴＰ装置１０は、軸Ａ１に沿ったレーザー光源１４を備える。このレーザー光源１４は、好ましくは、パルス化したレーザー光（放射）を生じさせ得る、かなり複数モードの半導体レーザーである。このレーザー光源１４は、好ましくは、１０００より多い空間モードを有し、より好ましくは、１０，０００より多い空間モードを有し、それによって本質的には、空間的に非干渉性である。これは、ビーム均一性光学、スペックルまたは干渉縞を有する光学系を用いるときでさえ、１００％までの変調を伴う放射において、ミクロの均一性変動を生じ得るからである。これは、ビーム均一化光学内の本来のレーザービーム部分が他のレーザー部分と干渉性であり、かつスペックルを生じる場合に起こり、結果として、ミクロの均一性変動または変調を生じる。このような干渉効果から生じるミクロの均一性の変動（または変調）がレーザー光源１４における空間モードの数の増加によって減少され得ることが、本発明者らによって見出された。干渉効果に起因した放射度の不均一性の変調％は、空間レーザーモードの数、Ｍの関数として近似的に示され得、以下の関係に従う：
変調％（±１σ）＝±Ｍ^−１／２
本発明のために、干渉効果に起因した変調の所定のレベルを生じるモードの数は、上記の式で与えられる。例えば、±３％の変調の±３σの均一性要求について、±１σ＝±１％が要求される。この値を達成するためには、Ｍ＝１０，０００モードである。
【００１７】
レーザー光源１４は、さらに好ましくは、約１ナノセカンドより長い時間パルス長を有するが、約１マイクロセカンドよりは短く、１パルス当たり１００ｍＪ／ｃｍ^２と１０００ｍＪ／ｃｍ^２との間のエネルギー出力を有し、約０．３〜１．５ミクロンの作動波長範囲を有し、±５％より良好なビーム均一性を有し、そして±５％未満のパルス間安定性を有する。
【００１８】
上記要求を満たす光源１４は、大部分の商業的な用途（高干渉性レーザーと呼ばれる）がたった１つのモードまたはわずかなモード（１０未満）を有するために、見出すのが非常に困難である。エキシマーレーザーとして公知のレーザーのクラスは、十分な数のモードを有する；しかし、このレーザーのクラスは、代表的には、あまり適さず、そしてこの用途のパルス間安定性要求を阻害する。半導体レーザー光源は、十分な安定性を示す。あいにく、本発明の高い干渉性の半導体レーザー光源１４の使用は、十分量のミクロの不均一性を導き、従って適さない。それにもかかわらず、本発明者らは、複数モードの半導体レーザーが、一般に利用可能な半導体レーザーにおいて存在するミクロの不均一性を削除することを認識した。このようなレーザーは、実際に開発された第一型であるが、それらは、いずれの場合においても、歴史的に実用的な用途をほとんど有していないため、一般に市販されていない。それにもかかわらず、本発明者らは、Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ，Ｉｎｃ．，ＳａｎｔａＣｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａにより、１６ナノセカンド（ＦＷＨＭ）のパルス長および約１５０より大きなＭ^２を有する、複数モードのＮｄ：ＹＡＧの二重レーザーを作製し得、それによって、適したレーザー光源１４についての上記の好ましい要求を満たした。多数の空間モードを有して作動するために変調される場合、レーザー光源１４としての機能を果たし得る例示的なレーザーとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ガラスレーザー、アレキサンドライトレーザー、およびＴｉ：サファイア（Ｓａｐｈｉｒｅ）レーザーが挙げられる。これらのレーザーは、これらの自然なレイジング周波数において作動され得るか、または、複数化された周波数（例えば、二重、三重または四重周波数）であり得る。
【００１９】
レーザー光源１４は、光源制御ユニット１６に電子的に接続され、次には、光源制御ユニットならびに以下に記載される他の制御ユニットおよび検出器を、同様に以下により詳細に記載されるように電子シグナルを介して制御するための、コンピューター２０に電子的に接続される。例示的なコンピューター２０は、例えば、多数の周知のコンピューター会社のいずれか１つ（例えば、ＤｅｌｌＣｏｍｐｕｔｅｒ，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）から入手可能なパーソナルコンピューターである。コンピューター２０は、多数の市販のマイクロプロセッサのいずれか（例えば、ＩｎｔｅｌＰＥＮＴＩＵＭ（登録商標）^ＴＭシリーズ、またはＡＭＤＫ６^ＴＭもしくはＫＭ^ＴＭプロセッサ）、記憶デバイス（例えば、ハードディスクドライブ）にこのプロセッサを接続するのに適したバス構造、ならびに適した入力および出力デバイスを好ましくは備える。
【００２０】
図１を引き続き参照すると、装置１０は、レーザー光源１４に隣接しかつ軸Ａ１に沿った、レーザー光源から放出されるパルス化したレーザー光を減衰させるための、可変減衰器要素２４をさらに備える。可変減衰器要素２４は、減衰器制御ユニット２８に効果的に接続され、この減衰器制御ユニットはパルス化したレーザー光の減衰量を制御する。減衰器制御ユニット２８はまた、電子シグナルを介してこの減衰器制御ユニットを制御する、コンピューター２０に電子的に接続される。可変減衰器要素２４は、例えば、中性密度を評価する減衰器ホイールであり得、そして減衰器制御ユニット２８は、所望の減衰量に達するように、この減衰器ホイールを回転させ得るモーターコントローラーであり得る。
【００２１】
装置１０は、軸Ａ１に沿いかつ可変減衰器要素２４に隣接したビーム輸送系３２、ディフューザー３６および出力端部４２を有する光学積分器４０の順でさらに備える。ディフューザー３６は、そこに入射する光を分散するすりガラスまたは他の型の要素であり得る。光学積分器４０は、そこに入射するレーザー光を、均一性を向上する様式において再結合される複数のセグメントに分散する、複数のレンズレット（ｌｅｎｓｌｅｔ）を含む蝿の目レンズであり得る。図２を参照すると、光学積分器４０はまた、光トンネルであり得る。つまり、多角形断面および全反射によってそれを通って移動する光を反射する壁を有する固体ガラスロッド、またはそれを通って移動する光を反射するように設計された多角形断面および反射壁を有する中空ロッドであり得る。光学積分器４０の好ましい設計は、入力光（各々が１回の全反射を有する２本のビームが、図２の平面図において示される）の各平面における４〜１０回の全反射を支持し得る四角の断面および長さを有する、固体水晶光トンネルである。この範囲の反射（「跳ねかえり」）の回数は、一般的には、ガウスのプロフィールを有するビームを用い、そして約±５％内にそれを均一化することが必要とされる。１ｍｍから２２ｍｍの間の可変サイズの露光領域を支持するための例示的な光トンネルは、５００ｍｍの長さと５．７ｍｍ×５．７ｍｍの断面積とを有し、融溶水晶または他の光学ガラスから作製され、かつＢｏｎｄＯｐｔｉｃｓ，Ｌｅｂａｎｏｎ，ＮｅｗＨａｍｐｓｈｉｒｅから入手可能である。
【００２２】
図１を引き続き参照すると、装置１０は、軸Ａ１に沿い、光学積分器４０に隣接したビーム輸送光学系４４、および可変開口絞り５０をさらに備える。ビーム輸送系４４は、光学積分器４０から放出される光を捕獲するように設計されたＦ／＃を有する。レーザービームの高放射度のために、可変開口絞り５０は、熱的に抵抗性であり、かつ摩擦抵抗性である必要がある。好ましい実施形態において、可変開口絞り５０は、４つの独立して作動可能なブレード（示されない）を備え、これはステンレス鋼、高反射アルミニウムまたはタングステンから作製され、そして長方形または正方形の開口部を形成するように配置される。可変開口絞り５０は、（例えば、独立して作動可能なブレードを制御することによって）この可変開口絞り５０のサイズを制御する、可変開口絞り制御ユニット５６に効果的に接続される。開口絞り制御ユニット５６は、次には、電子シグナルを介してこの開口絞り制御ユニットを制御する、コンピューター２０に電子的に接続される。
【００２３】
装置１０は、可変開口絞り５０に隣接して配置された結像光学系６０、およびワークピースホルダーとしての機能を果たし、かつ加工されるべきワークピース７４を支持し得るワークピースステージ７０をさらに備える。結像光学系６０は、ワークピース７４の方への均一な露光領域６４にわたって可変開口絞り５０の結像を形成するように配置される。露光領域６４は、好ましくは非常に鋭いエッジ、つまり、好ましくは約５０μｍ以下のドロップオフ（ｄｒｏｐｏｆｆ）を有する。従って、結像光学系６０の分解能は、おおよそ要求されるエッジの鋭さ（例えば、おおよそ５０μｍ未満）である。回折制限システムに関して、この分解能は、エアリーの円盤の半径、Ｒとして表され得、Ｒ＝１．２２λ／ＮＡで与えられ、ここで、λは放射の波長であり、かつＮＡはワークピース側の結像光学系６０の開口数である。５０μｍの分解能Ｒおよび波長λ＝５４２ｎｍについて、ＮＡ＝０．０１である。多数の用途について、結像光学系６０は、回折を制限される必要はなく、球面収差またはコマ収差のような幾何学的な光学収差によって制限され得る。しかし、照明均一性を維持するように、領域のひずみが約０．２％以下に保有されることが重要である。
【００２４】
図１に引き続くと、ワークピース７４は、表面７４Ｓを有し、かつ代表的には、この表面にわたって配置された１つ以上のワークピース領域７８を備える。ワークピース７４は、例えば、ワークピース領域７８にわたって配置された、複数の集積回路素子を有し、かつ熱的焼戻しを要求するシリコン半導体基板であり得る。ワークピースステージ７０は、１つ以上のワークピース領域７８にわたって露光されるようにワークピース７４を配置するために、ワークピースステージの位置を制御するためのワークピースステージコントローラー８０に電子的に接続される。ワークピースステージコントローラー８０は、次には、電子シグナルおよびこのコントローラー８０に適用される電子シグナルを介して、ワークピースステージを制御するコンピューター２０に電子的に接続される。
【００２５】
ビーム輸送系３２、ディフューザー３６、光学積分器４０、可変開口絞り５０および結像光学系６０は、装置１０内部に照明光学系の本質的な要素を形成する。
【００２６】
装置１０は、さらに好ましくは、加工されるべき特定のワークピース領域７８と露光領域６４とを整列させるために、ワークピースステージ７０に隣接した整列システム１００を備える。整列システム１００は、ワークピース７４の整列状態を測定し、その情報を含む電子シグナルをコンピューター２０に供給し、次には、必要な場合、ステージ７０を再配置させるためにコントローラー８０にこの電子シグナルを適用する。また好ましくは、結像光学系６０とワークピースステージ７０の間の光軸Ａ１に沿って配置された、ビームスプリッター１０８、ならびに軸Ａ１と垂直にビームスプリッターを通過する軸Ａ２に沿って配置されたモニタリング検出器１１２および１１４が装置１０に備えられ、それによって、ワークピース７４の方へ伝搬される光の一部分は、ビームスプリッターによって検出器１１４の方へ偏向され、そしてワークピースから反射された任意の光の一部分は、ビームスプリッターによって検出器１１２の方へ偏向される。検出器１１２および１１４は、コンピューター２０に電子的に接続される。また、ビームスプリッター１０８ならびに検出器１１２および１１４は、光学積分器４０の出力端部４２とワークピース７０との間の軸Ａ１に沿ったどこにでも配置され得る。
【００２７】
装置１０はまた、好ましくは、コンピューター２０に電子的に接続され、かつワークピースステージ７０と効果的に連絡する、ワークピース操作システム１２０を備える。ワークピース操作システム１２０は、ワークピース収納ユニット１２４に、またはワークピース収納ユニット１２４から１つ以上のワークピース７４を送達し得、そしてワークピースステージ７０に、またはワークピースステージ７０から１つ以上のワークピースを送達し得、それによってワークピースは、ワークピースステージから取り除かれてワークピース収納ユニットに収納され得るか、またはワークピース収納ユニットから取り除かれてワークピースステージ上に配置され得る。
【００２８】
（ＬＴＰ方法の説明）
図１ならびに図３のフローチャート３００および工程３１０〜４２０を引き続き参照すると、装置１０の操作およびそれに関連した方法が目下記載される。
【００２９】
第一に、工程３１０において、ワークピース７４がワークピースステージ７０上に存在しない場合、コンピューター２０は、ワークピース収納ユニット１２４からワークピースステージ７０にワークピースの輸送を開始するために、電子シグナルをワークピース操作システム１２０に送信する。
【００３０】
一旦、ワークピース７４が、ワークピースステージ７０に配置されると、次いで工程３２０において、コンピューター２０は、露光領域６４とのワークピース７４上の１つ以上のワークピース領域７８の整列を開始するために、電子シグナルを整列システム１００に送信する。整列システム１００は、ワークピース７４の整列状態を測定し、そしてコンピューター２０に整列情報を含む電子シグナルを送信する。コンピューター２０は、次には、露光領域６４に関して適切に整列され、かつ結像光学系６０の最良焦点に整列されるように、ワークピースを配置するために、ワークピースステージ７０を再配置するためのコントローラー８０に電子シグナルを送信する。この整列工程は、ワークピース７４の光学的最適な整列および焦点位置を達成するために、数回の反復が要求され得る。
【００３１】
一旦、ワークピース７４が適切に配置されると、次いで工程３３０において、ワークピースを加工するために要求される放射度量がコンピューター２０に入力される。さらに、露光領域６４のサイズおよび位置もまた、コンピューターに記録される。これらの値はまた、コンピューター２０のメモリーに予め記憶され、かつこの工程で呼び出され得る。
【００３２】
いずれの場合においても、工程３３０の放射度値に基づいて、工程３４０において、コンピューター２０は、電子シグナルを減衰器制御ユニット２８に送信し、次いで、ワークピース７４における所望の放射度量を達成するための減衰を供給するために、可変減衰器要素２４を調節する。好ましくは、同時に、工程３５０において、コンピューター２０は、絞り５０を変化させることによって露光領域６４のサイズを調節するために、開口絞り制御ユニット５６に電子シグナルを送信する。
【００３３】
一旦、可変減衰器要素２４および可変絞り５０が適切に設定されれば、工程３６０において、コンピューター２０は、光源制御ユニット１６に電子シグナルを送信し、次いで、この電子シグナルを介してレーザー光源１４を活発化させるとすぐに、レーザー光源が、軸Ａ１に沿って進む予め決定された放射度を有する１つ以上のレーザー放射パルス（つまり、パルス化した放射レーザービーム）を供給する。多数の半導体用途に関して、この放射度は、好ましくは０．１Ｊ／ｃｍ^２から１Ｊ／ｃｍ^２の範囲である。このレーザー放射は、可変減衰器要素２４を通過し、そして、前に設定された量だけ減衰され、次いでビーム輸送系３２を通過する。
【００３４】
ビーム輸送系３２は、１つ以上の放射パルスから所望の形状を形成し、そしてディフューザー３６にビームを中継する。例えば、ビーム輸送系３２は、レーザー放射の狭いビームを取り込み、そしてディフューザー３６の全前表面を照射するためにそれを拡大する、ビーム拡大器であり得る。ディフューザー３６を通過する際、この放射は、ある範囲の角度にわたって拡散される。次いで、この拡散放射は、光学積分器４０に入る。光学積分器４０が光トンネルである場合、この光は光トンネル壁から反射され、そして出力端部４２において再結合される（ここで、この放射度分布は均一（またはほとんど均一）である）。
【００３５】
次いで、ビーム輸送光学系４４は、光学積分器４０の出力端部４２から可変開口絞り５０にこの光を送達する（つまり、中継する）。可変開口絞り５０は、開口制御ユニット５６に適用された電子シグナルを介して、ワークピース７４上のワークピース領域７８のサイズに対応するサイズまで、コンピューター２０によってその開口部を設定される。結像光学系の倍率β、高さｈの四角形開口部を有する可変開口部５０および高さｈ’の四角形領域サイズ７８に関して、可変開口部高さｈは、ｈ’βに設定されるのが好ましい。β値の代表的な大きさは、１と１０との間である。
【００３６】
図１および図３のフロー図３００を引き続き参照すると、工程３７０において、結像光学系６０は、露光領域６４にわたってワークピース７４上に可変開口絞り５０を通過する放射を結像し、そして露光領域と前もって整列されたワークピース領域７８を露光する。露光領域６４にわたる放射の均一性は、好ましくは±５％内であり、それによって、照射されたワークピース領域７８は、均一に加熱される。露光領域６４にわたる放射の任意の不均一性は、ワークピース７４を含む物質の熱拡散長程度か、またはそれより小さいこともまた好ましい。この熱拡散長は、Ｔ・ｋ／（ρ・Ｃ）の平方根で定義され、ここで、Ｔは、検討中の時間長（秒）であり、ｋは熱伝導率（Ｊ／秒・ｃｍ・℃）であり、ρは、密度（ｇｍ／ｃｍ^３）であり、そしてＣは、熱容量（Ｊ／ｇｍ・℃）である。例えば、シリコンから構成されるワークピースに関して、代表的な熱拡散長は、１０ナノセカンドから１マイクロセカンドについて１〜１０ミクロンである。
【００３７】
ワークピース７４が適切に加工されるのを確実にするために、ワークピース７４に入射し、かつワークピースから反射された放射をモニタリングするのが好ましい。従って、工程３８０において、結像光学系６０を抜け出す放射の一部分は、ビームスリッター１０８によって検出器１１４に転送され、この検出器１１４は、それに入射した放射量に対応した第一検出器電子シグナルをコンピューター２０に送信する。さらに、ワークピース７４から反射された放射の一部分は、ビームスリッター１０８によって検出器１１２に転送され、この検出器１１２は、それに入射した放射量に対応した第二検出器電子シグナルをコンピューター２０に送信する。第一検出器シグナルは、光源１４から結像光学系６０までの装置１０の放射スループットについての情報を含む。第二検出器シグナルは、ワークピース７４の表面７４Ｓについての情報を含む。例えば、表面７４Ｓが、高い放射度の放射を用いた露光に起因して溶融する場合、この表面の反射率は増加し、従って光源方向へ戻るさらなる光が反射され、その一部分は検出器１１２によって検出される。従って、検出器１１２において検出された光量の急上昇は、ワークピース７４の表面７４Ｓの状態変化に関し得る。第一および第二検出器電子シグナルをモニタリングすることによって、コンピューター２０は、制御シグナルを、光源を制御するための光源コントローラー１６に、可変減衰器要素２４を制御するための減衰器制御ユニット２８に、および／またはワークピースステージ７０を制御するためのワークピースステージ制御ユニット８０に（例えば、露光領域６４に別のワークピース７８を配置するために）供給し得る。
【００３８】
第一ワークピース領域７８が露光された後、次いで工程３９０において、別のワークピース領域を露光するか否かが決定される。この決定が「イエス」の場合、工程４００において、ワークピースステージ７０は、このステージ７０、従ってワークピース７４、を移動させるために、ワークピースステージコントローラー８０に送信された電子シグナルを介して、コンピューター２０から指示を受け、それによって、別のワークピース領域７８が、露光領域６４に移動される。従って、工程３２０から３８０は、第二ワークピース領域、そして引き続くワークピース領域について繰り返される。
【００３９】
工程３９０における決定が「ノー」の場合、この方法は、別のワークピースが加工されるべきか否かを尋ねる、工程４１０に進む。この解答が「イエス」の場合、この方法は工程３１０に戻り、そして工程３１０から３９０が繰り返される。解答が「ノー」の場合、この方法は工程４２０の「終了」において終了される。
【００４０】
本発明は、好ましい実施形態と関連して記載されているが、そのように制限されないことが理解される。さらに、本発明は、半導体用途のためのＬＴＰ加工に対して特に適用可能であるが、本発明は、他の用途について有用であり、例としては、半導体素子の製造および加工における半導体素子の高速熱的焼戻し、記憶媒体における情報の記録、ならびに媒体表面および他のこのような表面を記録する必須条件が挙げられる。従って、本発明は、添付された特許請求の範囲に定義されるような、本発明の精神および範囲内に含まれ得るような全ての代替、変更および等価を包含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のＬＰＴ装置の概略図である。
【図２】図２は、１回反射（「跳ねかえり」）した２本の光線、および直線的に移動する１本の光線を有する、光トンネルを通って移動する３本の光線を示す、光トンネル光学積分器の概略光学図（側面図）である。
【図３】図３は、図１の装置を用いてＬＴＰを実施する方法に関連した方法工程のフロー図である。

Claims

１つ以上のワークピース領域を有するワークピースのレーザー熱加工を実施する装置であって、該装置は以下：
１０００より多い空間モードを有し、かつ１ナノセカンドと１マイクロセカンドの間の時間パルス長を伴い±５％未満の放射度均一性を有する１つ以上の放射パルスを放出し得る、パルス化した固体レーザー光源；
該ワークピースを支持するためのワークピースステージ；および、
露光領域を有する照明光学系であり、該系は、該露光領域内で、該１つ以上の放射パルスを用いて、該１つ以上のワークピース領域のうちの少なくとも１つを照射するように、該レーザー光源と該ワークピースステージとの間に配置される、照明光学系、
を備える、装置。
請求項１に記載の装置であって、前記照明光学系が、前記レーザー光源から光軸に沿って、以下の順で：
ビーム輸送系；
ディフューザー；
光学積分器；
前記露光領域の大きさを規定するための可変開口絞り；および、
該露光領域を形成するための結像光学系、
を備える、装置。
前記レーザー光源が、±５％未満のパルス間安定性を有する、請求項１に記載の装置。
前記放射を減衰させるために、前記レーザー光源と前記ディフューザーとの間に配置された可変減衰器要素をさらに備える、請求項２に記載の装置。
請求項４に記載の装置であって、前記可変減衰器によって供給される減衰量を制御するために、前記可変減衰器要素に作用可能に接続された可変減衰器制御ユニットをさらに備える、装置。
前記光学積分器と前記可変開口絞りとの間に配置されたビーム輸送光学系をさらに備える、請求項２に記載の装置。
前記可変開口絞りの大きさを制御するために、該可変開口絞りに作用可能に接続された可変開口絞り制御ユニットをさらに備える、請求項６に記載の装置。
前記照明光学系に関連して前記ワークピースステージを制御し、かつ配置するための、ワークピースステージ制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載の装置。
前記光学積分器が、該積分器を通して通過する前記放射のいくらかが少なくとも４回の反射を行うように設計された光トンネルである、請求項２に記載の装置。
請求項１に記載の装置であって、前記レーザー光源が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ガラスレーザー、アレキサンドライトレーザー、およびＴｉ：サファイアレーザーからなるレーザー光源の群より選択された１つである、装置。
請求項１に記載の装置であって、該装置は以下：
前記ワークピースステージに電子的に接続されたコンピューター；および、
前記露光領域と該ワークピースとの間の整列状態を測定し、かつ該整列状態に対応する電子シグナルを該コンピューターに提供するために、該コンピューターに電子的に接続された整列システム、
をさらに備える、装置。
請求項１に記載の装置であって、該装置は以下：
ワークピースを前記ワークピースステージに、および該ワークピースステージから移動させるためのワークピース操作システム、
をさらに備える、装置。
前記ワークピース操作システムを介して、前記ワークピースステージに、および該ワークピースステージから移動されるべきワークピースを収納するための、ワークピース収納ユニットをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
１つ以上のワークピース領域を有するワークピースのレーザー熱加工を実施する装置であって、該装置は、第一軸に沿って、以下の順で：
１０００より多い空間モードを有し、かつ１ナノセカンドと１マイクロセカンドの間の時間パルス長を伴うパルス化した放射を放出し得る、パルス化した固体レーザー光源；
ビーム輸送光学系；
ディフューザー；
該ディフューザーから光を受け取るように配置された光学積分器；
可変開口絞り；
±５％未満の放射度均一性を伴う露光領域を有する結像光学系；および、
該１つ以上のワークピース領域のうちの１つが、該露光領域内に含まれるように、該ワークピースを支持するための、ワークピースステージ、
を備える、装置。
請求項１４に記載の装置であって、該装置は以下：
前記光源と前記光学積分器との間に配置された可変減衰器要素であって、該可変減衰器要素が、第一電子シグナルを介して、該可変減衰器要素を制御し得る減衰器制御ユニットに作用可能に接続された、可変減衰器要素；
第二電子シグナルを介して、前記可変開口絞りの大きさを制御するために、該可変開口絞りに作用可能に接続された、可変開口絞り制御ユニット；
第三電子シグナルを介して、前記露光領域に関連して前記ワークピースステージを制御し、かつ配置するために、該ワークピースステージに電子的に接続された、ワークピースステージ制御ユニット；ならびに、
第四、第五および第六電子シグナルのそれぞれを介して、該減衰器制御ユニット、該可変開口絞り制御ユニットおよび該ワークピースステージ制御ユニットの各々を制御するために、該減衰器制御ユニット、該可変開口絞り制御ユニットおよび該ワークピースステージ制御ユニットに電子的に接続された、コンピューター、
をさらに備える、装置。
請求項１５に記載の装置であって、前記露光領域と前記１つ以上のワークピース領域のうちの１つとの間の整列状態を測定し、かつ該整列状態に対応する情報を含む第七電子シグナルを、前記コンピューターに提供するために、該コンピューターに電子的に接続された整列システムをさらに備える、装置。
請求項１６に記載の装置であって、該装置は以下：
前記結像光学系と前記ワークピースステージとの間に配置されたビームスプリッター；
前記光源から該ワークピースステージまで移動する放射の一部分を該ビームスプリッターの第一面から受け入れるように、該ビームスプリッターを通過し、かつ前記第一軸に垂直である第二光軸に沿って配置された第一検出器であって、該第一検出器は、前記コンピューターに電子的に接続され、かつ該受け入れられた放射の一部分に応答して、第八電子シグナルを該コンピューターに伝達し得る、第一検出器；および、
該ワークピースから反射された放射の一部分を受け入れるように、該第二光軸に沿い、かつ該第一検出器に対向した該ビームスプリッターの第二表面に近接して配置された第二検出器であって、該第二検出器は、該コンピューターに電子的に接続され、かつ該受け入れられた反射された放射の一部分に応答して、第九電子シグナルを該コンピューターに伝達し得る、第二検出器、
をさらに備える、装置。
露光領域にわたってワークピースのレーザー熱加工を実施する方法であって、該方法は以下の工程：
ａ．該ワークピースを該露光領域に対して整列させる工程；
ｂ．１０００より多い空間モードを有するレーザー光源からの放射度を有し、かつ±５％未満のパルス間再現性を伴う１ナノセカンドと１マイクロセカンドの間の時間パルス長を有する放射パルスを放出し得る、実質的に非干渉性の１つ以上の放射パルスを提供する工程；
ｃ．該１つ以上の放射パルスの均一性が、該露光領域にわたって±５％未満で変化するように、該１つ以上の放射パルスを均一化する工程；および、
ｄ．該露光領域にわたって、該１つ以上の放射パルスを用いて該ワークピースを露光する工程、
を包含する、方法。
請求項１８に記載の方法であって、該方法は以下の工程：
ｅ．前記ワークピースから反射された前記１つ以上の放射パルスをモニタリングする工程；および、
ｆ．該モニタリングする工程ｅに基づいて、該ワークピースを露光する前記工程ｄを制御する工程、
をさらに包含する、方法。
請求項１８に記載の方法であって、前記１つ以上の放射パルスを均一化する前記工程ｃが、
ｅ．ディフューザーを通して該１つ以上の放射パルスを通過させる工程、および
ｆ．該１つ以上の放射パルスが、少なくとも８回反射表面から反射するように、該反射表面を有する光トンネルを通して、工程ｅの該ディフューザーからの該１つ以上の放射パルスを通過させる工程
を包含する、方法。
ｅ．前記露光領域にわたる所望の放射度に達するように、前記工程ｂの１つ以上の放射パルスを減衰させる工程をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。
前記レーザー光源が、１０，０００より多い空間モードを有する、請求項１８に記載の方法。
前記１つ以上の放射パルスの各々が、０．１Ｊ／ｃｍ^２と１Ｊ／ｃｍ^２との間の放射度を有する、請求項１８に記載の方法。
ｅ．前記ワークピースを自動的に移動させ、そして該ワークピースを別のワークピースに置きかえる工程をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。
ｇ．前記露光領域の寸法を変化させる工程をさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
露光領域にわたってワークピースのレーザー熱加工を実施する方法であって、該方法は以下の工程：
ａ．該ワークピースを該露光領域に対して整列させる工程；
ｂ．１つ以上の放射パルスを生じさせるために、１０００より多い空間モードを有するレーザー光源を活発化させる工程；
ｃ．パルス化した放射の均一化されたビームを形成するために、該１つ以上の放射パルスを均一化させる工程；
ｄ．可変開口絞りに該パルス化した放射の均一化させたビームを送達する工程；および、
ｅ．該パルス化した放射の均一化させたビームを用いて、該ワークピースを露光させるように、該ワークピースの上に該可変開口絞りを結像化する工程、
を包含する、方法。
ｆ．前記レーザー光源から前記ワークピースまで移動する前記均一化させたビームの一部分をモニタリングする工程をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
ｆ．前記ワークピースから反射された、前記均一化させたビームの一部分をモニタリングする工程をさらに包含する、請求項２６に記載の方法。
前記均一化させる工程ｃが、
ｆ．ディフューザーおよび光学積分器を通して前記１つ以上の放射パルスを通過させる工程
を包含する、請求項２６に記載の方法。
前記１つ以上の放射パルスが、±５％未満のパルス間安定性を有する、請求項２６に記載の方法。
前記１つ以上の放射パルスは、±５％未満の放射度均一性を有する、請求項２７に記載の方法。