JP5053636B2 - レーザーダイオード放射線によるレーザー熱処理 - Google Patents

Description

本発明はレーザー熱処理に関し、特に、レーザーダイオード放射線によってレーザー熱処理を行うための装置及び方法に関する。

レーザー熱処理（ＬＴＰ）（「レーザー熱アニール」ともいう）は、集積デバイスまたは回路のソース、ドレイン、ゲート領域のドーパントをアニール及び／または活性化したり、集積デバイスまたは回路にシリサイド領域を形成したり、それらに接続される金属配線の接触抵抗を低下させたり、基板に物質を成膜したり、基板から物質を除去するための化学反応を引き起こすために使用される技術である。

半導体基板のＬＴＰを行うための様々な装置が知られており、集積回路（ＩＣ）製造業界で使用されている。ＬＴＰは、アニール対象の材料の温度をアニール温度まで上昇させた後に低下させる単一サイクルで行うことが好ましい。パルスレーザーを使用する場合には、チップまたは回路全体をアニール温度まで上昇させるために十分なパルスあたりのエネルギーが必要となる。必要とされるフィールドサイズは４ｃｍ^２を超え、必要とされる照射量は１．０Ｊ／ｃｍ^２を超える場合があるため、比較的大きく、高価なレーザーが必要である。また、多くのレーザーの狭いスペクトル領域は干渉効果のために斑点状パターンを生じさせるため、単一パルスで比較的大きな面積にわたって照射量の優れた均一性を達成することは難しい。

レーザーダイオードバーは、７８０ｎｍまたは８１０ｎｍという波長がシリコンの上層（すなわち、〜２１μｍ）に容易に吸収されるため、ＬＴＰを行うための放射線源として非常に適している。また、ダイオードバーは電気から放射線への効率的な（〜４５％）変換器でもある。

米国特許第６，５３１，６８１（６８１特許）は、直線型レーザーダイオードアレイまたは複数の直線型ダイオードアレイを使用して、基板上で走査して基板上に形成された集積回路を熱アニールすることができる均一で細い線像を形成する方法を開示している。また、６８１特許は、線像をマスク上に配置し、投影系を介して結像してマスクと同期して走査される基板の選択領域を処理する方法も開示している。しかし、６８１特許に開示されているようにレーザーダイオードバーの直線型アレイによってレーザー熱処理を行うことには問題点がある。シリコン基板を使用する用途には、比較的高いエネルギー密度（例えば、２００μ秒の滞在時間で１３００Ｗ／ｍｍ^２）を必要とする装置要件（像幅と滞在時間）がある。

米国特許第６，７４７，２４５号は、集積回路が形成されたシリコン基板のＬＴＰを行うためにブリュースター角の近傍で入射するＰ偏光ＣＯ２レーザービームを使用することを開示している。米国特許出願公開第１０／２８７，８６４号に記載されているように、ブリュースター角またはその近傍の入射角を使用することによって、法線入射においてスペクトル的に不均一な基板を非常に均一に加熱することができる。例えば、法線入射では、ベアシリコンは３０％を超える反射率を有し、酸化シリコンは４％未満の反射率を有する。ＬＴＰを行う際にＣＯ２レーザーを使用する利点は、比較的高いエネルギー密度を有する十分にコリメートされたビームを供給することができることである。別の利点は、ＣＯ２レーザーから放射される１０．６μｍの波長は、アニール工程が行われるウェハ上の様々な膜厚と比較して大きいということである。従って、膜厚が多少ばらついていても、短いアニール波長の場合のように反射率の大きなばらつきが生じることはない。

しかしながら、ＣＯ_２レーザーの１０．６μｍの波長は、高濃度ドープシリコン基板をアニールするために最も適しており、その基板は材料の上部の５０〜１００μｍの部分で十分な放射線を吸収することができる。しかし、低濃度ドープ基板または上面近傍の浅い層のみがドープされた基板をアニールする場合には、ＣＯ_２レーザー放射線は基板を通過してしまい、入射エネルギーはほとんど有用な加熱をもたらさない。

一方、レーザーダイオードは７８０〜８１０ｎｍの波長の放射線を放射する。これらの波長はシリコンウエハの上部の１０〜２０μｍの部分に容易に吸収される。従って、ＬＴＰにおける短い時間スケール（１００μ秒〜２０ミリ秒）で動作するレーザーダイオードを使用する場合には、加熱深さは、深い吸収深さ（長さ）によるより、むしろ熱拡散によって決定される。

従って、比較的高いエネルギー密度で供給される偏光レーザーダイオード放射線を使用してブリュースター角またはその近傍の入射角でレーザー熱アニールを行うための装置及び方法は有用である。

本発明の第１の態様は、レーザーダイオード放射線を使用して基板のレーザー熱処理（ＬＴＰ）を行うための装置である。装置は、例えば７８０〜８００ｎｍの狭い波長範囲の放射線を放射するレーザーダイオードの二次元アレイを含む。レーザーダイオードの二次元アレイから放射された放射線は、基板上で線像を形成し、基板のブリュースター角またはその近傍の入射角で基板に入射する。放射線ビームはＰ方向に偏光しているため、入射エネルギーのほぼ全てが基板に吸収され、ほとんど反射されない。また、基板上の各種膜積層体による反射率のばらつきが、シリコンのブリュースター角またはその近傍で最小化される。

本発明の第２の態様は、レーザーダイオード放射線を使用して基板のレーザー熱処理（ＬＴＰ）を行うための方法である。方法は、レーザーダイオードの二次元アレイから選択波長の放射線を放射し、放射された放射線をＬＴＰ光学系によって受け、基板で線像を形成する放射線ビームを基板に照射することを含む。放射線ビームは、基板のブリュースター角またはその近傍の入射角で基板に入射させる。この方法は、基板の各走査部分にレーザー放射線のパルスが供給されるように基板の少なくとも一部上で線像を走査することも含む。このパルスによって、シリコン基板の表面温度は、１００μ秒から２０ミリ秒の間の時間にわたって、シリコンの融点（１４１０℃）よりも４００℃か、それ以下の範囲で低い、温度に到達する。

各図面に示す各要素は説明のみのためのものであり、縮尺に必ずしも制限されるものではない。ある要素の縮尺は誇張され、その他の要素は最小となっている場合もある。各図面は、当業者が理解し、適切に実施することができる本発明の様々な実施態様を例示することを意図するものである。

本発明の装置について最初に説明し、次に装置の動作方法について説明する。その次に、パワー密度（ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）の要件と装置のスループット能力について説明する。

（装置）
図１は、本発明に係るＬＴＰ装置１０の一実施形態の概略図である。装置１０は二次元レーザーダイオードアレイ１２を含み、レーザーダイオードアレイ１２は、可動ステージ１７に支持された基板１６を処理（光照射）するために使用する比較的強い放射線１４を発生する。基板表面１６Ｓは、ＬＴＰ光学系２２の像面ＩＰまたはその近傍に位置する。以下、これらの構成要素及び装置１０を構成するその他の構成要素について個々に説明する。

（レーザーダイオードアレイ１２）
レーザーダイオードアレイ１２は、アレイの二次元出射面２０に沿って一定の間隔で配置された複数のレーザーダイオード１８を含む。一実施形態では、レーザーダイオードアレイ１２はアレイの行または列を構成する直線型ダイオードアレイを組み合わせる（例えば「積層する」）ことによって形成される。

代表的な市販のレーザーダイオードアレイバー（すなわち、直線型ダイオードアレイ）は、それぞれが６０個のエミッタを含み、アレイの長さに沿って約１６０μｍの間隔で設けられた１ｃｍの直線型アレイのスタックである。各エミッタは、幅が約１μｍで、長さが約１５０μｍである。エミッタは、エミッタの最大寸法の方向が、アレイの長さ方向に沿っている。レーザーダイオード１８は、各直線型アレイの軸を含む、ここで定義したＹ−Ｚ平面内で１０°で拡がる、放射線１４を放射する。また、放射線ビーム１４は各直線型ダイオードアレイの軸と直交する平面で所定量（例えば３０°）で拡がる。

好適なレーザーダイオードアレイバーは、ＳＤＬ社（８０ Ｒｏｓｅ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｗａｙ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆ．９５１３４−１３６５）（例えば、長さが１ｃｍで４０Ｗの出力電力の直線型アレイを含むＳＤＬ ３４００シリーズ）、スター・テクノロジーズ社（Ｓｔａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．）（Ｐｌｅａｓａｎｔｏｎ，Ｃａｌｉｆ．）、スパイヤー社（Ｓｐｉｒｅ， Ｉｎｃ．）（Ｏｎｅ Ｐａｔｒｉｏｔｓ Ｐａｒｋ，Ｂｅｄｆｏｒｄ，Ｍａｓｓ．０１７３０−２３９６）、シーメンス・マイクロエレクトロニクス社（Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｉｎｃ．）、オプトエレクトロニクス・ディビジョン社（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）（Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ，Ｃａｌｉｆ）（Ｍｏｄｅｌ ＳＰＬ ＢＧ８１）、スペクトラ・ダイオード・ラボ社（Ｓｐｅｃｔｒａ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｂｓ）、トンプソンＣＦＳ社（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ ＣＦＳ）（７ Ｒｕｅ ｄｕ Ｂｏｉｓ Ｃｈａｌａｎｄ，ＣＥ２９０１ Ｌｉｓｓｅｓ，９１０２９ Ｅｖｒｙ Ｃｅｄｅｘ，Ｆｒａｎｃｅ）、ＩＭＣ社（２０ Ｐｏｉｎｔ Ｗｅｓｔ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ，Ｓｔ．Ｃｈａｒｌｅｓ，Ｍｏ．６３３０１）などの多くの供給会社から市販されている。

レーザーダイオード１８の動作時に発生する熱はかなり多く、最大有効出力電力を制限するため、レーザーダイオードアレイバーは使用時の過熱を防止するために通常は水冷式である。

特定の実施形態では、レーザーダイオードアレイ１２は２５列のレーザーダイオード１８で構成され、各列は１．９ｍｍの間隔で分離され、Ｘ軸に沿って１００μｍ、Ｙ軸（列と交差する方向）に沿って１μｍの大きさの４９個のレーザーダイオードを含む。各レーザーダイオードの列は１０ｍｍの長さを有し、レーザーダイオードアレイ１２は２４×１．９ｍｍ＝４５．６ｍｍの幅を有する。各レーザーダイオードから放射された放射線は、Ｙ−Ｚ平面で１０°の半波高全幅値（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ ｈａｌｆ−ｍａｘ：ＦＷＨＭ）で拡がり、Ｘ−Ｚ平面で３５°のＦＷＨＭで拡がる。好適な二次元レーザーダイオードアレイ１２は、コヒーレント社（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ．）からＬｉｇｈｔＳｔｏｎｅ^ＴＭ製品（例えば、商品名ＬＩＧＨＴＳＴＡＣＫとして販売されているダイオードアレイ）として市販されている。

実施形態では、レーザーダイオードアレイ１２は約３５０〜９５０ｎｍの範囲の波長の放射線１４を発生し、特定の実施形態では放射線１４の波長は７８０ｎｍまたは８１０ｎｍである。そのような波長は、厚みが数１０ｎｍのソース／ドレイン領域からなる１μｍ以下のオーダーの集積デバイスまたは回路形状を有する、シリコン基板を処理するために特に有効である。

なお、本発明は上述した波長範囲のみの放射線を発生するレーザーダイオードアレイ１２に限定されるものではない。市販のレーザーダイオードは、３８０ｎｍ（例えばＧａＮ青色ダイオード）から９３１ｎｍまでの波長の放射線を放射する。市販のレーザーダイオードアレイの波長と種類は急速に広がっており、上述した波長範囲の内外の多くのアレイが将来製造者から市販されることになると予想される。そのような将来のレーザーダイオードアレイは本発明の実施に有用である可能性があり、特にシリコンに吸収される波長を放射するレーザーダイオードアレイが有用となるだろう。市販されているレーザーダイオードアレイバーには、一列のダイオードを含む長さ１ｃｍのバーにおいて５０〜１００Ｗの比較的高いパワーレベルで放射線１４を発生することができる。

一実施形態では、レーザーダイオードアレイ１２は、基板で測定した場合に１５０Ｗ／ｍｍ^２以上のパワー密度を有する放射線を発生する。

（ＬＴＰ光学系２２）
引き続き図１を参照すると、装置１０は、レーザーダイオードアレイ１２からの放射線１４を受け、像面ＩＰで実質的に均一な強度の線像２４を形成する放射線ビーム２３を生成するように配置されたＬＴＰ光学系２２も含む。本発明において、「線像（ｌｉｎｅ ｉｍａｇｅ）」とは、二次元像を意味し、像が一方向で比較的長く、他の方向で比較的狭く（「細く（ｔｈｉｎ）」）なるような高いアスペクト比（例えば７：１）を有するものである。光学系２２は光軸Ａ１（点線）を有する。

放射線ビーム２３は、ブリュースター角θ_Ｂまたはその近傍の角度で基板１６に入射する（図１において「〜θ_Ｂ」の表記は「ブリュースター角またはその近傍の角」を示す）。入射角は、表面法線Ｎ（すなわち、点線で示す基板表面１６Ｓに対する法線ベクトル）と放射線ビーム２３の軸光線（軸光線（図示せず）は光軸Ａ１と同一の直線上にある）とによって形成される角度と定義する。ブリュースター角は、基板を構成する材料と入射放射線の波長によって定義される。本発明では、基板１６はＩＣの製造に使用されるようなシリコンであることが好ましい。室温におけるシリコンのブリュースター角は、８００ｎｍの波長でおよそ７５°であり、１０．６μｍの波長でおよそ７４°である。膜積層体のブリュースター角は定義しないが、シリコン上の膜の存在によって最小反射率の角度がわずかに変化する。それでも、シリコン基板に膜が形成されるほとんどの用途では、ベアシリコンウェハのブリュースター角と近似している。

本発明の一実施形態では、放射線ビーム２３の入射角は、処理対象の基板（例えばシリコン）の材料のブリュースター角の±１０°以内である。別の実施形態では、入射角は６０°から８０°の間である。

ブリュースター角近傍の入射角を使用することによって、異なるスペクトル特性を有する異なる膜の存在のために法線入射においてスペクトル的に不均一な基板に対して均一な加熱を行うことができる。例えば、所与のウェハは、主として結晶性ベアシリコンである領域と、ＳｉＯ_２が０．５μｍの深さで埋め込まれた分離トレンチによって主として被覆された領域を有する場合がある。第３の領域は、シリコン内の酸化物トレンチ上のポリシリコンの０．１μｍの膜を含む領域を有する場合がある。各領域の反射率は、表面法線Ｎ（図１）と相対的に測定した入射角によって異なる。ブリュースター角またはその近傍（例えば、通常は６０°〜８０°）で動作させることによって、基板の異なる領域における吸収を、様々な膜と膜厚にわたってほぼ均等化することができる。

この角度範囲で動作させることの別の利点は、すべての膜の反射率はこの領域で非常に低いため、入射放射線ビーム２３が非常に効率的に基板１６に吸収されることである。法線入射では、入射放射線ビームの約３３％はベアシリコンによって反射され、約３．４％は非常に厚いＳｉＯ_２層の表面によって反射される。６８°の入射角では、放射線の約３％のみがベアシリコン及びＳｉＯ_２層の上面で反射される。複数の表面からの干渉効果を考慮すると、結果はさらに複雑であるが、Ｐ偏光入射放射線ビーム２３がシリコンのブリュースター角またはその近傍で入射する場合には、様々な膜による反射率の全変動は最小化される。

図２Ａ及び図２Ｂは、Ｙ−Ｚ平面及びＸ−Ｚ平面からそれぞれ見たアナモルフィックＬＴＰ光学系２２の概略図である。上述したように、レーザーダイオードから放射された放射線は異なる平面において異なる量で拡がり、例えばＹ−Ｚ平面において１０°のＦＷＨＭで拡がり、Ｘ−Ｚ平面において３５°のＦＷＨＭで拡がる。図３Ａ及び図３Ｂは、Ｘ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面からそれぞれ見たレーザーダイオードアレイ１２に最も近い光学部材の側面図である。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レーザーダイオードアレイ１２からの放射線をＸ−Ｚ平面においてコリメートする（平行化する）ために、光学系２２は、光軸Ａｌに沿って、レーザーダイオードアレイ１２に隣接して配置された二次元円柱レンズアレイ１００を含む。円柱レンズアレイ１００は円柱レンズ部材１０２で構成され、入力側１０４と出力側１０６とを有する。アレイ１００における円柱レンズ部材１０２の数は、レーザーダイオードアレイ１２におけるレーザーダイオード１８の列の数に対応している。隣接するレンズ部材１０２の間隔はレーザーダイオードの隣接する列の間隔（例えば、上述の実施形態では１．９ｍｍ）と同じであることが好ましく、レンズ部材はＸ−Ｚ平面においてレンズ作用を有する。従って、Ｎ個の円柱レンズは、Ｘ−Ｚ平面においてコリメートされた、平行なＮ本のビーム１１０を形成する。なお、これらのビームはレーザーダイオードの列を含むＹ−Ｚ平面で（例えば１０°で）拡がる。

一実施形態では、各円柱レンズ部材の焦点距離は比較的短い（例えば３ｍｍ）。コリメートされたＮ本のビーム１１０（例えば、Ｎ＝２５）は所与の幅（例えば４７．５ｍｍ）の単一のコリメートされた出力ビーム１１２に相当する。理論的には、（実質的に）コリメートされたビーム１１２における光線の角度の拡がりは非常に小さく（例えば０．０２４°）、エミッタの１μｍのサイズまたは回折のみによって制限される。実際には、ダイオード列はわずかに曲がっており、円柱レンズ部材１０２との位置ずれが生じる。これによって、出力ビーム１１２の最小拡がり角が制限される（例えば、約０．３°のＦＷＨＭ）。

好適な円柱レンズアレイ１００の例は、リモ・マイクロオプティックス＆レーザー・システムズ社（Ｌｉｍｏ Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）（Ｂｏｏｋｅｎｂｕｒｇｗｅｇ ４，４４３１９ Ｄｏｒｔｍｕｎｄ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手することができる。ビーム１１０の偏光方向は、電場ベクトルが列方向に垂直（すなわち、偏光がＸ方向）である向きを有する。この場合、図２Ｂに示す光学的配置では、偏光方向を変更する必要はない。しかし、その他のダイオードアレイは直交方向に偏光させることができ、像面ＩＰでＰ偏光に対応するように偏光方向を変更することが必要となる。同様に、Ｙ−Ｚ平面でダイオードビームと基板との間の所望の角度が得られる場合には、偏光方向を変更することが必要である。

そこで、引き続き図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、一実施形態では、ＬＴＰ光学系２２は、円柱レンズアレイ１００に隣接して配置され、偏光方向の変更が必要である場合には放射線の偏光を９０°回転させるための任意の半波長板１２０を含む。また、半波長板１２０は、光学系の軸Ａ１を中心として半波長板１２０を回転させることによって基板上でＰ偏光放射線ビーム２３の強度を変更するために使用することができる。全てのダイオードバーは直線偏光放射線を放射するため、半波長板１２０の角度的な向きによって、基板に入射するＰ偏光及びＳ偏光放射線の相対的な量が決まる。放射線ビーム２３のＰ偏光成分は強く吸収され、Ｓ偏光成分は主として反射されるため、半波長板の向きによって基板に吸収される総エネルギーが決まる。従って、基板に供給され、基板に吸収される総エネルギー量を制御するために半波長板の向きを使用することができる。

説明と図示を容易にするために、レーザーダイオードアレイ１２、円柱レンズアレイ１００、任意の半波長板１２０を１つのグループとし、出力ビーム１１２を放射する有効レーザー放射線源１４０を構成するものとみなす。

同一のＬＴＰリレーの直交する図である図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ＬＴＰ光学系２２は、光軸Ａｌに沿って、有効放射線源１４０に隣接して配置された円柱視野レンズ２０２をさらに含む。円柱視野レンズ２０２はＸ−Ｚ平面において倍率を有する。ＬＴＰ光学系２２は、Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する円柱コリメートレンズ２０４と、楕円瞳２１０と、Ｘ−Ｚ平面において倍率を有する第１の円柱リレーレンズ群２２０と、中間像面２２４とをさらに含む。また、光学系２２は、Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する円柱集束レンズ２２８と、Ｘ−Ｚ平面において倍率を有する第２の円柱リレーレンズ群２３０とを含む。一実施形態では、円柱リレーレンズ群２２０，２３０は、それぞれがレンズ２２０Ａ，２２０Ｂ及び２３０Ａ，２３０Ｂからなる空気分離型ダブレットである。

この例では、円柱コリメートレンズ２０４と円柱集束レンズ２２８は、縮小倍率（比率）が約２のテレセントリック・アナモルフィックリレーを形成している。なお、縮小倍率は、Ｙ−Ｚ平面において約１．５〜４．５の間で通常は変化する。なお、約２という縮小倍率は、約１／２の倍率に対応している。これらの円柱レンズはＸ−Ｚ平面における倍率には寄与しない（図２Ｂ）。従って、図２Ａに示すリレーによって形成されるテレセントリック像は長さが５ｍｍで、２０°の円錐角に対する。

通常は、基板１６に形成される線像２４に倍率を集めるためにできる限り大きな縮小率を有することが望ましい。しかし、縮小率が大きくなると、基板での円錐角が大きくなり、基板から見た場合の放射線ビーム２３の入射角の範囲の角度変動が大きくなる。例えば、レーザーダイオードアレイ１２が１：１で基板１６に結像される場合には、レーザーダイオードアレイから出射した放射線の角度的な拡がりは、基板で放射線ビームにおいて２倍となる。

光学設計を比較的簡単に維持し、基板１６での入射角のばらつきを制限するために、基板での放射線ビーム２３の角度的な拡がりを、Ｙ−Ｚ平面における上述した約２の縮小倍率比に対応する約２０°に制限することが望ましい。従って、例えば、長さ１０ｍｍのダイオードの列を長さ５ｍｍの線像に結像させる。

図２Ｂに示すように、円柱視野レンズ２０２は、（円柱レンズアレイ１００と任意の半波長板１２０と共に）最終的な像２４がテレセントリックとなるように選択された位置で瞳２１０を形成するように作用する。第１の円柱リレーレンズ群２２０は、縮小倍率が約８．３の中間像面２２４におけるレーザーダイオードアレイ１２の中間像を形成する。第２の円柱リレーレンズ群２３０は、第２の中間像を約６９の総縮小倍率に対して約８．８の倍率で縮小し、光軸Ａ１と垂直に約０．６６ｍｍの像サイズを得る。像は６６°の角度で基板に入射するため、基板上の画像サイズは１／ｃｏｓθ（θは入射角）で増加する。従って、基板上の像２４の幅は約１．６２ｍｍである。

上述した例では、Ｘ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面における倍率は、基板側からの放射線ビーム２３の円錐角に対して２０°の上限を設定することによって決定した。しかし、小さな角度の範囲によってウェハ全体で吸収されるエネルギーのばらつきは少なくなるが、入射角の範囲に対する基本的な制限はない。ダイオード及び円柱レンズアレイによるビームのコリメーションが強い場合には、Ｘ−Ｚ平面におけるより高い倍率をより細い線像を得るために使用することができる。同様に、基板上のレーザービームの開口数が両方の平面で同一でなければならない基本的な理由はない。従って、Ｙ−Ｚ平面における縮小倍率は約１．５から約４．５倍であり、Ｘ−Ｚ平面における縮小倍率は約５０から約１５０倍であることができる。Ｘ−Ｚ方向における縮小倍率は、円柱レンズアレイ１００によるコリメーション後の放射線ビーム１１２の角度的な拡がりに依存する。

Ｙ−Ｚ平面とＸ−Ｚ平面でそれぞれ見た場合の基板１６において線像２４を形成する円柱集束レンズ２２８と円柱リレーレンズ群２３０の拡大図を図４Ａ及び図４Ｂに示す。

表１は、上述したＬＴＰ光学系２２の一実施形態の光学設計データを示す。

表１では、第１列は表面番号であり、第２列は表面半径であり、第３列は次の表面への距離（厚みまたは間隔）であり、第４列はレンズ材料を示している。「Ｓ」は「表面番号」Ｓ１，Ｓ２等を表し、ＴＨは「厚み」を表す。厚みと半径の数値は全てミリメートル（ｍｍ）で示している。アスタリスク（＊）は表面Ｓ３と表面Ｓ１０について非球面を示し、非球面データは表１の欄外に記載している。

（像パワー密度）
一実施形態では、各列のダイオードは水冷式で約８０Ｗの光学的パワーを発生することができる。総合効率を７０％と仮定すると、像パワー密度（すなわち、像２４における強度）はほぼ以下の通りとなる。

このパワー量は、６８１特許に開示された従来のＬＴＰ装置に必要とされる（２００μ秒の滞在時間での）１３００Ｗ／ｍｍ^２よりもかなり少ない。

一実施形態では、線像２４における強度（パワー密度）は１００Ｗ／ｍｍ^２以上である。

（制御系）
図１を再び参照すると、一実施形態では、ＬＴＰ装置１０は、装置の動作を制御する制御系２５（点線で囲まれた部分）をさらに含む。制御系２５は、コントローラー２６と、コントローラーに接続された入力装置２８と、コントローラーに接続された表示装置３０とを含む。また、制御系２５は、コントローラー２６に接続され、レーザーダイオードアレイ１２に電力を供給する電源３２と、ステージ１７とコントローラー２６とに接続され、ステージ１７の移動を制御するステージコントローラー３４と、コントローラー２６に接続され、ステージに配置された検出器３８と、を含む。検出器３８は、ステージが移動して放射線２３の通過経路に検出器が配置された（すなわち、像面ＩＰまたはその近傍で線像２４を遮った）時に、像面ＩＰに供給された放射線ビーム２３の少なくとも一部を検出するように設けられている。

一実施形態では、制御系２５は反射放射線モニター３９Ａと温度モニター３９Ｂとを含む。反射放射線モニター３９Ａは、基板表面１６Ｓの上の線像２４から反射された放射線２３を受けるように設けられている。反射放射線は２３’で示している。反射放射線２３は、線像２４に対して放射線２３とは反対側に発生し、基板表面に対する反射角は、当技術分野で周知のように、放射線２３の入射角と等しい。温度モニター３９Ｂは基板表面１６Ｓの温度を測定するように設けられ、一実施形態では、線像２４が形成される位置またはその近傍において法線入射で基板と向き合うように表面法線Ｎに沿って設けられている。ただし、温度モニター３９Ｂは、温度を測定するために使用する波長帯に応じてブリュースター角で基板と向き合うように設けることもできる。モニター３９Ａ，３９Ｂは、以下に詳述するように、反射放射線２３’の量及び／または基板表面１６Ｓの測定温度の測定値に基づいてフィードバック制御を行うためのコントローラに接続されている。

一実施形態では、コントローラー２６は、メモリと接続されたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、プログラマブリューロジックアレイ（ＰＬＡ）、フィールド・プログラマブリューロジックアレイ（ＦＰＬＡ）、プログラムアレイロジック（ＰＡＬ）、またはその他の制御装置（図示せず）である。コントローラー２６は次の２つのモードで動作することができる：１）コントローラー２６が基板上の一定のパワーと一定の走査速度を維持する開ループ、２）コントローラー２６が基板表面上の一定の最高温度または基板に吸収される一定のパワーを維持する閉ループ。最高温度は、印加電力と比例して変化し、走査速度の平方根と反比例して変化するため、一実施形態では、閉ループ制御は走査速度の平方根で除算した入射パワーの比率を一定に維持するために使用される（すなわち、放射線ビーム２３におけるパワー量をＰ_２３とし、走査速度をＶとした場合、比率Ｐ_２３／Ｖ^１／２を一定に維持する）。

閉ループ動作では、コントローラー２６は、信号（例えば電気信号）を介して少なくとも１つのパラメータ、例えば、最高基板温度（例えば、温度モニター３９Ｂからの信号２３２を介して）、放射線ビーム２３のパワーＰ_２３（例えば、検出器３８からの信号４２を介して）、反射放射線２３’の反射パワー（例えば、反射放射線モニター３９Ａからの信号２３０を介して）を受信する。また、コントローラー２６は、信号２３０，２３２及び／または４２に含まれる情報から決定したウェハ１６に吸収されるパワー量等の受信信号に基づいてパラメータを計算する。

また、コントローラー２６は、オペレータまたはより大きな基板アセンブリまたは処理ツールの一部であるマスターコントローラーから外部信号４０を受信するように接続されている。このパラメータは、基板を処理するために供給される放射線の所定の照射量または基板で達成される最高温度を示すものである。パラメータ信号は、所定の照射量の放射線を基板１６に供給するために使用される強度、走査速度（ｓｃａｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、走査速度（ｓｃａｎ ｓｐｅｅｄ）及び／または走査数を示すものであってもよい。

コントローラー２６が受信したパラメータ信号に基づき、コントローラーは表示信号４６を生成し、表示装置３０に送信し、ユーザーがパラメータ信号レベルを決定・確認することができるように表示装置に視覚的に情報を表示することができる。また、コントローラー２６は、装置１０によって行われる処理を開始させる開始信号を受信するように接続されている。開始信号は、入力装置２８によって生成された信号３９またはマスターコントローラー等の外部装置（図示せず）からの外部信号４０であってもよい。

（操作方法）
ＬＴＰ装置１０の動作方法を以下に説明する。図１を引き続き参照すると、コントローラー２６は、装置の動作モードを開始させる開始信号（例えば信号３９または信号４０）に応じて、（ステージコントローラー３４を介して）基板ステージ１７に基板を適切な開始位置に配置させ、走査（例えば基板ステージ１７の移動）を開始し、適切な強度の放射線ビーム２３を発生するように事前にプログラムされている。ユーザーまたは外部のコントローラーによって予め設定されたパラメータ信号に基づくレーザーダイオードビーム強度制御信号２００が電源３２に供給される。次に、電源３２は強度制御信号に基づいて調整電流信号２０２を発生する。具体的には、電源からの電流信号２０２の電流量が強度制御信号２００によって決定される。電源電流はレーザーダイオードアレイ１２に出力され、選択されたレべルの放射線パワー１４を発生させる。

一実施形態では、コントローラー２６は、所定の走査速度と走査数を示すパラメータ信号に基づいて走査制御信号２０６を発生するように事前にプログラムされている。コントローラー２６は強度制御信号２００と共に走査制御信号２０６を生成し、走査制御信号をステージコントローラー３４に供給する。走査制御信号２０６とステージコントローラーに事前にプログラムされた所定の走査パターンに基づいて、ステージコントローラーは走査信号２１０を生成し、線像２４が基板１６または基板１６の選択領域上を走査されるようにステージ３６を移動させる（例えば、ラスタ、サーペンタイン（蛇行）または牛耕式）。

一実施形態では、検出器３８は、レーザーダイオードアレイ１２からの放射線１４と、ＬＴＰ光学系２２の透過と、のパワーレベルの関数である、放射線ビーム２３が基板１６で吸収されるパワー量を示す検出器信号４２を生成する。一実施形態では、コントローラー２６（またはユーザー）が強度制御信号２００と走査速度を決定する。基板１６上で生成された最高温度は、走査速度の平方根で除算した放射強度Ｉ_２３（Ｐ_２３／（単位面積））（すなわち、Ｉ_２３／Ｖ^１／２）とほぼ比例している。従って、一実施形態では、コントローラー２６は、走査速度またはレーザー強度またはそれらの両方を変化させることによって所望の最高温度を達成し、所望の最高温度に対応した走査速度の平方根で除算した強度の値を得るように事前にプログラムされている。別の実施形態では、走査時に所望の最高温度を一定に維持する。

別の実施形態では、反射放射線２３’の量は反射放射線モニター３９Ａによって測定され、測定されたパワーに対応する信号２３０がコントローラー２６に供給される。次に、基板に吸収される放射線ビーム２３の割合と対応するパワーレベルを、（例えば検出器３８からの）入射放射線測定値及び反射放射線測定値を使用して計算する。次に、信号２３０はコントローラー２６がレーザーダイオードアレイ１２によって基板１６に供給される放射線パワーレベル２３を制御するために使用され、適切な最高温度が基板内で維持される。

別の実施形態では、基板温度モニタ３９Ｂが基板表面１６Ｓの温度を測定し、最高基板表面温度に対応する信号２３２をコントローラー２６に供給する。次に、信号２３２はコントローラー２６がレーザーダイオードアレイ２３によって基板に供給される放射線２３の量を制御するために使用され、走査時に適切な最高温度が基板で維持される。

この方法は、シリコン基板１６の表面温度をシリコンの融点（１４１０℃）よりも僅かに（４００℃以内の範囲で）低い温度に１００μ秒から２０ミリ秒にわたって上昇させるレーザーダイオード放射線のパルスが各走査部分に供給されるように、基板の少なくとも一部上で線像２４を走査することも含む。

（シリコンＬＴＰのパワー密度要件）
シリコン基板（ウェハ）をアニールするために必要な吸収パワー密度は、線像２４が基板表面１６Ｓ（図１）の特定のポイント上にある時間を示す「滞在時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）」によって変化する。通常、表２に示すように、必要とされるパワー密度は滞在時間の平方根と反比例して変化する。

１７０Ｗ／ｍｍ^２の最小パワーがシリコンを使用する用途でＬＴＰを行うために必要であると仮定すると、そのような最小パワーを生成することができるレーザーダイオードアレイ１２は１０ミリ秒のオーダーの滞在時間でＬＴＰを行うことができる。

（装置のスループット）
ＬＴＰ装置の商業可能性にとって、単位時間に十分な数の基板を処理することができること、業界用語で言えば十分な「スループット」を有することが重要である。ＬＴＰ装置１０のスループットを推定するために、３００ｍｍのシリコンウエハと長さが５ｍｍで幅が１．６２ｍｍの線像を考える。ウェハ上の走査数は「３００ｍｍ／５ｍｍ＝６０」で与えられる。また、滞在時間が１０ミリ秒の場合には、走査速度は１６２ｍｍ／秒である。１走査の時間は「（３００ｍｍ）／（１６２ｍｍ／秒）＝１．８５秒」で与えられる。ステージ加速率が１ｇの場合には、ステージの加速／減速時間は「（１６２ｍｍ／秒）／（９８００ｍｍ／秒^２）＝０．０１７秒」である。従って、１つの基板を処理するために必要な時間は「６０×（１．８５秒＋（２）×（０．０１７秒））＝１１３秒」である。基板を装置に出し入れする時間が合計で１５秒である場合には、スループットは「（３６００秒／時）／（１５秒＋１１３秒）＝２８基板／時で与えられ、これは商業可能性のあるスループット値である。

以上の詳細な説明では、各種の特徴を容易に理解できるように各種実施形態に分類した。本発明の多くの特徴及び利点は詳細な明細書から明らかであり、添付の請求項によって本発明の精神と範囲に従う上述した装置の特徴と利点を全て網羅することを意図するものである。また、当業者は数多くの変形や変更に容易に想到するものと考えられるため、本発明をここで説明した構造や動作のみに限定することは望ましいものではない。従って、その他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれるものである。

本発明のＬＴＰ装置の概略図である。 図２ＡはＹ−Ｚ平面から見た本発明のＬＴＰ光学系の概略図である。 図２ＢはＸ−Ｚ平面から見た本発明のＬＴＰ光学系の概略図である。 図３ＡはＸ−Ｚ平面から見たレーザーダイオードアレイに最も近い光学部材の拡大分解図である。 図３ＢはＹ−Ｚ平面から見たレーザーダイオードアレイに最も近い光学部材の拡大分解図である。 図４ＡはＹ−Ｚ平面から見た基板に最も近いＬＴＰ光学系の構成要素の拡大図である。 図４ＢはＸ−Ｚ平面から見た基板に最も近いＬＴＰ光学系の構成要素の拡大図である。

Claims (23)

1. 選択された所定の波長である選択波長の放射線に対してブリュースター角を有し、かつ、１以上の活性化可能な領域を有する半導体基板のレーザー熱アニールを行うための装置であって、
   前記選択波長のＰ偏光放射線を同時に放射する複数のレーザーダイオードを有する二次元アレイと、
   前記レーザーダイオードの二次元アレイから放射された前記Ｐ偏光放射線を受け、前記半導体基板上で線像となる放射線ビームを形成するように設けられた光学系と、
   前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域において、前記線像が形成されるように、前記半導体基板を支持し、位置付ける可動ステージと、
   前記線像から反射した放射線を受け、受けた反射放射線の量に対応する反射放射線信号を生成するように設けられた反射放射線モニターと、
   前記半導体基板に形成された前記線像における表面温度を測定し、測定した前記表面温度に対応する温度信号を生成するように設けられた温度モニターと、
   前記可動ステージ、前記反射放射線モニター、前記温度モニター、前記二次元アレイに関連付けられたコントローラーと、
   を含み、
   前記コントローラーは、前記反射放射線信号と前記温度信号の少なくとも１つの受信に応じて前記二次元アレイからの前記Ｐ偏光放射線の放射を制御し、かつ、前記半導体基板が融点に達しないようにしながら、前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域をアニールするために有効な強度と滞在時間でもって、前記線像を前記半導体基板の前記領域の上で走査するために、前記可動ステージを制御し、
   前記線像は、前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域をアニールするために有効な強度と滞在時間を有する、装置。
2. 請求項１において、
   前記線像と相対的に前記半導体基板を移動させて前記線像を前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域上で走査するように前記可動ステージを制御するステージコントローラーをさらに含む装置。
3. 請求項１において、
   前記二次元アレイは、前記半導体基板上で測定した強度が１５０Ｗ／ｍｍ^２以上となる前記Ｐ偏光放射線を放射する装置。
4. 請求項１において、
   前記二次元アレイは、７８０ｎｍと８１０ｎｍを含む波長の群から選択される波長を有する前記Ｐ偏光放射線を放射する装置。
5. 請求項１において、
   前記二次元アレイから放射される前記Ｐ偏光放射線は、円柱レンズの直線型アレイによってコリメートされ、第１の平面でコリメートされ、前記第１の平面と直交する第２の平面で１０°で拡がる放射線ビームである装置。
6. 請求項５において、
   前記Ｐ偏光放射線が前記半導体基板に入射するように前記Ｐ偏光放射線の通過経路に配置された半波長板をさらに含む装置。
7. 請求項１において、
   前記光学系は、一平面で１．５以上、４．５以下の範囲の倍率を有し、直交する平面で５０以上、１５０以下の範囲の倍率を有するアナモルフィックリレーである装置。
8. 請求項１において、
   前記二次元アレイがＸ−Ｙ平面に配置された複数の前記レーザーダイオードを含み、
   前記光学系が、Ｚ方向と一致する光軸（Ｘ、Ｙ、Ｚは前記光学系内でＹ−Ｚ平面とＸ−Ｚ平面を定義する互いに直交する軸である）と、
   前記二次元アレイに隣接して配置され、前記Ｘ−Ｚ平面において倍率を有する複数の円柱レンズ部材を有し、前記円柱レンズ部材の数がレーザーダイオードの列の数に対応しており、ダイオードの各列からの前記放射線が前記円柱レンズ部材を通過した後に前記Ｘ−Ｚ平面でコリメートされる円柱レンズアレイと、
   前記円柱レンズアレイを出射したレーザー放射線を受けるように配置され、前記Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する円柱レンズ群と、前記Ｘ−Ｚ平面において倍率を有する第２の円柱レンズ群と、を含むテレセントリック・アナモルフィックリレーと、
   を含む装置。
9. 請求項８において、
   前記テレセントリック・アナモルフィックリレーは、一平面で１．５以上、４．５以下の範囲の縮小倍率を有し、直交する平面で５０以上、１５０以下の範囲の縮小倍率を有する装置。
10. Ｚ方向に沿って光軸を有し、かつ、１以上の活性化可能な領域を有する半導体基板のレーザーアニールを行うための光学系であって、
    選択された所定の波長である選択波長のＰ偏光放射線を同時に放射し、Ｘ−Ｙ平面に配置されて前記光学系内でＹ−Ｚ平面とＸ−Ｚ平面を定義する複数のレーザーダイオードを有する二次元アレイと、
    前記二次元アレイに隣接して配置され、前記Ｘ−Ｚ平面において倍率を有する複数の円柱レンズ部材を有し、前記円柱レンズ部材の数がレーザーダイオードの列の数に対応しており、各円柱レンズ部材から出射した前記Ｐ偏光放射線が前記Ｘ−Ｚ平面でコリメートされる円柱レンズアレイと、
    前記円柱レンズアレイを出射したレーザー放射線を受けるように配置され、前記光軸に
    沿って、前記Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する第１及び第２の円柱レンズを含む第１のテレセントリック・アナモルフィックリレーと、
    前記光軸に沿って、前記Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する第３の円柱レンズと第１及び第２の円柱レンズを含み、前記第３の円柱レンズが前記円柱レンズアレイに隣接して位置し、第１のレンズ群が前記第１のテレセントリック・アナモルフィックリレーの前記第１及び第２の円柱レンズの間に配置された第２のテレセントリック・アナモルフィックリレーと、
    前記二次元アレイから放射される前記Ｐ偏光放射線によって線像が形成される像面と、
    前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域において、前記線像が形成されるように、前記半導体基板を支持し、位置付ける可動ステージと、
    前記線像から反射した放射線を受け、受けた反射放射線の量に対応する反射放射線信号を生成するように設けられた反射放射線モニターと、
    前記半導体基板に形成された前記線像における表面温度を測定し、測定した前記表面温度に対応する温度信号を生成するように設けられた温度モニターと、
    前記可動ステージ、前記反射放射線モニター、前記温度モニター、前記二次元アレイに関連付けられたコントローラーと、
    を含み、
    前記コントローラーは、前記反射放射線信号と前記温度信号の少なくとも１つの受信に応じて前記二次元アレイからの前記Ｐ偏光放射線の放射を制御し、かつ、前記半導体基板が融点に達しないようにしながら、前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域をアニールするために有効な強度と滞在時間でもって、前記線像を前記半導体基板の前記領域の上で走査するために、前記可動ステージを制御し、
    前記線像は、前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域をアニールするために有効な強度と滞在時間を有する、光学系。
11. 選択波長の放射線と基板材料に対してブリュースター角を有し、かつ、１以上の活性化可能な領域を有する半導体基板のレーザー熱アニールを行うための方法であって、
    所定の波長である前記選択波長の放射線を複数のレーザーダイオードを有する二次元アレイから同時に放射し、
    放射された前記放射線を光学系によって受け、前記半導体基板上で線像を形成する直線Ｐ偏光放射線ビームを放射された前記放射線から形成し、
    前記直線Ｐ偏光放射線ビームを前記ブリュースター角で前記半導体基板の少なくとも１以上の活性化可能な前記領域に照射し、
    前記半導体基板が融点に達しないようにしながら、前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域をアニールするために有効な強度と滞在時間でもって、前記線像を前記半導体基板の少なくとも１つの活性化可能な前記領域の上で走査し、
    前記半導体基板の上の前記線像から反射する放射線のパワーである反射放射線パワーを測定し、
    前記直線Ｐ偏光放射線ビームの照射による前記半導体基板の最大温度を測定し、
    測定された前記反射放射線パワー及び前記最大温度に対応して、前記二次元アレイからの前記放射線の前記放射を制御することを含む、方法。
12. 請求項１１において、
    前記線像が１００Ｗ／ｍｍ^２以上の強度を有する方法。
13. 請求項１１において、前記半導体基板材料がシリコンであり、前記入射角がシリコンのブリュースター角の±１０°以内である方法。
14. 請求項１１において、
    前記基板の前記走査が選択された走査速度で行われ、
    選択された放射線パワー量の前記放射線ビームを供給し、
    前記走査時に、前記半導体基板に入射する前記放射線パワー量を一定に維持するとともに、前記基板走査速度を一定に維持することをさらに含む方法。
15. 請求項１１において、
    前記半導体基板に入射する放射線のパワーである入射放射線パワーを測定し、
    前記半導体基板に吸収された放射線パワーである吸収放射線パワーを測定された前記入射放射線パワー及び前記反射放射線パワーを使用して計算することをさらに含む方法。
16. 請求項１５において、
    前記走査が特定の走査速度で行われ、
    前記走査時に前記吸収放射線パワーのレベルを一定に維持するために、前記走査速度の平方根で除算した前記入射放射線パワーの比率（Ｐ_２３／Ｖ^１／２）を一定に維持することによって、前記半導体基板に吸収される前記吸収放射線パワーを制御することをさらに含む方法。
17. 請求項１１において、
    前記走査が特定の走査速度で行われ、
    前記半導体基板に吸収される放射線パワーである吸収放射線パワーを測定し、
    前記吸収放射線パワーの量を測定し、
    前記走査速度の平方根で除算した前記入射放射線パワーの比率（Ｐ_２３／Ｖ^１／２）を一定に維持することによって、前記吸収放射線パワーの量を一定に維持することを含む方法。
18. 請求項１１において、
    前記走査が特定の走査速度で行われ、
    前記放射線ビーム内に半波長板を配置し、
    前記半導体基板に吸収される放射線パワーである吸収放射線パワーを測定し、
    前記走査速度の平方根で除算した前記入射放射線パワーの比率（Ｐ_２３／Ｖ^１／２）を一定に維持することによって前記吸収放射線パワーの量を一定の値に維持するために、前記半波長板を調整して前記直線Ｐ偏光放射線ビームのＰ偏光を変化させることを含む方法。
19. 請求項１１において、
    前記直線Ｐ偏光放射線ビームのパワーレベルを制御して、前記半導体基板において一定の最高基板温度を維持することを含む方法。
20. 請求項１９において、
    前記制御は前記直線Ｐ偏光放射線ビームの強度を変化させることを含む方法。
21. 請求項１１において、
    前記走査を特定の走査速度で行い、
    前記走査速度を制御して、前記半導体基板において一定の最高温度を維持することを含む方法。
22. 請求項２０において、
    前記直線Ｐ偏光放射線ビームの強度を変化させることは、前記放射線ビーム内に配置された半波長板の向きを調整することを含む方法。
23. 請求項１において、
    前記半導体基板に入射する前記Ｐ偏光放射線のパワーを測定する前記コントローラーと関連付けられた放射線検出器をさらに含み、
    前記コントローラーは、前記放射線検出器により測定された前記パワーと、前記反射放射線モニターからの前記反射放射線信号と、を用いて前記半導体基板に吸収された放射線パワーを計算する、装置。

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