JP5083619B2

JP5083619B2 - レーザ光照射方法およびその装置

Info

Publication number: JP5083619B2
Application number: JP2008045579A
Authority: JP
Inventors: 基佐々木; 良治小関
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009202188A

Description

本発明はレーザ光照射方法およびその装置に関し、詳しくは被照射物に対して液体を噴射するとともに、噴射した液体内にレーザ光を導光して、該レーザ光を被照射物に照射するレーザ光照射方法およびその装置に関する。

従来、被照射物にレーザ光を照射する方法として、レーザ光をガルバノミラーによって走査しながら被照射物に照射することが知られており、被照射物の表面全体にレーザ光を照射するために、被照射物をレーザ光の走査方向に直交する方向に移動させるようになっている（特許文献１、２）。
一方、被照射物に対して液体を噴射するとともに、噴射した液体にレーザ光を導光して被照射物まで案内するレーザ光照射方法が知られ、例えば半導体ウエハにレーザ光を照射することで、半導体ウエハのアニーリングを行っている（特許文献３）。
特許文献３に開示された方法では、液体を液柱状にして噴射するとともに、該液柱内にレーザ光を導光してレーザ光を照射するようになっており、被照射物の表面全体にレーザ光を照射するために、被照射物を水平方向に縦横に移動させるようになっている。
この特許文献３に開示された方法によれば、特許文献１や特許文献２に開示された方法に比べ、時間はかかるものの液体による冷却作用が働き、微小クラックの抑制、半導体ウエハ表面の高平坦化、抗折強度アップなどの効果が得られるようになっている。
特開昭６１−７９７１４号公報特許第３７６９９４２号公報特開２００７−１０９９４３号公報

しかしながら、上記特許文献３に開示された方法では噴射する液体が液柱状であるため、被照射物のごく一部にしかレーザ光を照射することができず、被照射物の表面全体にレーザ光を照射するのに時間がかかるという問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は効率的に被照射物の全体にレーザ光を照射することの可能なレーザ光照射方法およびその装置を提供するものである。

すなわち、請求項１におけるレーザ光照射方法は、噴射孔より液体を被照射物に向けて噴射するとともに、噴射した液体内にレーザ光を導光して、該レーザ光を被照射物に照射するレーザ光照射方法において、
所定の方向に向けて細長く形成した噴射孔より板状の液体を噴射するとともに、レーザ光を上記噴射孔の方向に走査して該レーザ光が板状の液体の内部を導光されて上記被照射物に照射されるようにしたことを特徴としている。

また請求項４におけるレーザ光照射装置は、被照射物に液体を噴射する噴射孔を備えた加工ヘッドと、加工ヘッドに液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記噴射ノズルから噴射される液体に導光する導光手段とを備えたレーザ光照射装置において、
上記噴射孔は所定の方向に向けて細長く形成されて、該噴射孔から液体を板状にして噴射し、上記導光手段はレーザ光を上記噴射孔に沿って走査して、該レーザ光が板状の液体の内部を導光されて上記被照射物に照射されるようにしたことを特徴としている。

上記請求項１および請求項４の発明によれば、細長く形成された噴射孔より液体を板状にして噴射するとともに、この板状の液体の内部にレーザ光を導光することで、該板状の液体が形成される範囲でレーザ光を被照射物に照射することができ、効率的にレーザ光を被照射物に照射することができる。

以下図示実施例について説明すると、図１はレーザ光照射装置１を示し、噴射した液体にレーザ光Ｌを導光することで、被照射物としての半導体ウエハ２にレーザ光Ｌを照射する装置となっている。
上記半導体ウエハ２は円盤状をなしており、半導体製造過程においてシリコンインゴットをスライス切断した後にその表面を機械研磨したものとなっている。この状態の半導体ウエハ２の表面には微細な凹凸が残り、内部には残留応力が発生している。
そこで、上記レーザ光照射装置１により半導体ウエハ２の表面にレーザ光Ｌを照射することで、半導体ウエハ２の表面を一時的に溶融させて結晶化または固化させ、半導体ウエハ２の表面を平坦化するとともに半導体ウエハ２内部の残留応力を除去するようになっている。
なお、この半導体ウエハ２の表面を平坦化する方法としては薬液によるウェットエッチングや真空下でのプラズマエッチングが知られているが、これらは薬液による環境負荷や、真空状態を形成するための設備が必要となるなどの問題があった。

上記レーザ光照射装置１は、半導体ウエハ２を支持する移動手段としての加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、高圧にした純水等の液体を供給する液体供給手段５と、被照射物に向けて液体を噴射する加工ヘッド６と、レーザ光Ｌを上記加工ヘッド６より噴射される上記板状の液体Ｗに導光する導光手段７とを備え、これらは図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
上記加工テーブル３は上記被照射物を図１の図示左右方向となるＸ方向に移動させるようになっており、また図示しない昇降手段によって上下に昇降可能となっている。

上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザ発振器であり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期等の加工条件を適宜調整できるようになっている。
また、ＹＡＧレーザ光の基本波の波長（１０６４ｎｍ）が上記半導体ウエハ２への吸収率が低いので、本実施例のレーザ発振器４には上記基本波を第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）に変換する、図示しない波長変換手段が設けられている。
なお、レーザ発振器４としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ発振器等を用いることも可能であるが、ＣＯ_２レーザ発振器の場合レーザ光Ｌは水に吸収されやすい波長であるため、加工ヘッド６より噴射される液体Ｗをレーザ光Ｌが吸収にくい液体にすることになる。

加工ヘッド６は、下端に噴射孔１１ａの形成された液体通路１１と、上記液体供給手段５が接続された供給通路１２と、上記液体通路１１と供給通路１２とを連通させる複数の連通孔１３とから構成されている。
上記噴射孔１１ａは図２に示すようにＸ方向に直交する図示左右方向となるＹ方向において細長く線状に開口するように形成されており、そのＹ方向の長さは少なくとも加工テーブル３上の半導体ウエハ２の直径よりも長く、またＸ方向における幅は１０〜２００μｍ程度となっている。
上記液体通路１１の上部には後述する導光手段７を構成する透明なシリンドリカルレンズ１４が密着しており、これによりシリンドリカルレンズ１４と噴射孔１１ａとの間に液体を流通させるための空間が形成されるようになっている。
また上記液体通路１１の下部には、図１に示すように上記噴射孔１１ａよりも若干広い幅でエアポケット１１ｂが形成されており、このエアポケット１１ｂを設けることで噴射孔１１ａより噴射される液体Ｗの周囲に発生する気流が安定し、液体Ｗを安定して噴射することができるようになっている。
上記供給通路１２は図１に示すように上記液体通路１１を挟むように平行に２本設けられており、それぞれに上記液体供給手段５から高圧の純水が供給されるようになっている。
上記連通孔１３は図２に示すように供給通路１２と上記液体通路１１との間に等間隔に形成されており、供給通路１２に供給された液体は各連通孔１３から液体通路１１に流入するようになっている。
この連通孔１３を設けることで、液体供給手段５が供給通路１２に供給した液体は各連通孔１３から液体通路１１に均等に流入し、液体通路１１の内部の液体の流れが整流されるようになっている。
このような構成により、液体供給手段５によって供給通路１２に液体を供給すると、この液体は上記液体通路１１を満たした後、上記噴射孔１１ａより被照射物に向けて板状に形成されて噴射されることとなる。

上記導光手段７は、レーザ光Ｌの光軸上に設けられた集光レンズ１５と、レーザ光Ｌを反射させるガルバノミラー１６と、上記加工ヘッド６の上部に設けられたシリンドリカルレンズ１４とから構成されている。
上記集光レンズ１５はレーザ発振器４とガルバノミラー１６との間に設けられるとともに、図示しない駆動手段によってレーザ光Ｌの光軸方向に移動するようになっており、レーザ光Ｌの焦点を移動させることができるようになっている。
上記ガルバノミラー１６は、レーザ光Ｌを反射させるミラー１６ａと該ミラー１６ａを回動させるモータ１６ｂとから構成され、モータ１６ｂによりミラー１６ａを回動させ、レーザ光Ｌの光路をＹ方向に往復動するように走査するようになっている。
また上記モータ１６ｂによってミラー１６ａの回動範囲を制御することにより、レーザ光Ｌの走査される幅を容易に変更することが可能となっている。
上記シリンドリカルレンズ１４は、レーザ光Ｌを透過させる素材からなり、ガルバノミラー１６によって反射したレーザ光Ｌを、半導体ウエハ２に対して垂直に照射する光学素子となっている。
このような構成により、上記レーザ発振器４から発振されたレーザ光Ｌは上記集光レンズ１５を透過した後ガルバノミラー１６で反射し、その後シリンドリカルレンズ１４に入射したレーザ光Ｌは該シリンドリカルレンズ１４よって垂直下方に向けて照射される。
このとき、上記集光レンズ１５はガルバノミラー１６の角度に応じて移動しており、レーザ光Ｌの焦点位置が常に半導体ウエハ２から略一定の距離となるよう、上記加工ヘッド６の液体通路１１における噴射孔１１ａ近傍に集光するようにして、レーザ光Ｌが板状の液体Ｗの内部に導光されるようにしている。
換言すると、レーザ光Ｌの光軸が上記ガルバノミラー１６によって噴射孔１１ａに沿ってＹ方向に平行移動するにもかかわらず、レーザ光Ｌの焦点位置は噴射孔１１ａに対して常に同じ距離だけ上方に位置するようになっている。

上記構成を有するレーザ光照射装置１について説明すると、最初に、液体供給手段５が加工ヘッド６に形成された供給通路１２に高圧の液体を供給し、供給通路１２に供給された液体は複数の連通路１３を介して液体通路１１に流入する。
この液体は加工ヘッド６の下部に形成された噴射孔１１ａより噴射され、Ｙ方向に形成される板状の液体Ｗとなって半導体ウエハ２に衝突する。
そして加工ヘッド６から噴射される板状の液体Ｗが安定すると、レーザ発振器４がレーザ光Ｌを発振し、このレーザ光Ｌは上記集光レンズ１５を通過した後、ガルバノミラー１６で反射して加工ヘッド６上部に設けられたシリンドリカルレンズ１４に入射する。
一方、上記ガルバノミラー１６は反射するレーザ光Ｌの光路が噴射孔１１ａの一端から他端にかけてＹ方向に往復動するように回動し、その後レーザ光Ｌはシリンドリカルレンズ１４に入射する。
シリンドリカルレンズ１４ではガルバノミラー１６で反射したレーザ光Ｌを垂直下方に向けるようになっており、このとき上記集光レンズ１５はガルバノミラー１６の角度に連動して適宜移動することでレーザ光Ｌの焦点を液体通路１１の内部の噴射孔１１ａ近傍に形成する。
その結果、レーザ光Ｌは上記噴射孔１１ａから上記板状の液体Ｗの内部に導光され、液体Ｗの表面で反射を繰り返しながら半導体ウエハ２に照射されるとともに、このレーザ光Ｌの照射位置は半導体ウエハ２の表面でＹ方向に往復移動する。
そして、上記加工テーブル３が半導体ウエハ２をＸ方向に所定速度で移動させることで、レーザ光Ｌが半導体ウエハ２の表面全体に照射されることとなり、半導体ウエハ２の表面が溶融してその表面が平坦化されて結晶化または固化し、また内部の残留応力が除去される。

このように、本実施例のレーザ光照射装置１によれば、加工ヘッド６に形成した細長い噴射孔１１ａよりＹ方向に伸びる板状の液体Ｗを噴射し、この板状の液体Ｗの幅内でレーザ光Ｌを走査するので、半導体ウエハ２または加工ヘッド６をＹ方向に移動させなくとも、半導体ウエハ２の表面全体にレーザ光Ｌを照射することができる。
つまり、加工テーブル３はＸ方向にのみ半導体ウエハ２を移動させればよいので、レーザ光照射装置１の構成を簡略化することができる。またガルバノミラー１６によってレーザ光Ｌの照射位置を変更する速度は、加工テーブル３を移動させてレーザ光Ｌの照射位置を変更させる速度に比べて速くすることができるので、その分効率的に処理を行うことができる。

なお、上記実施例ではレーザ光照射装置１をシリコンからなる半導体の平坦化、結晶化または固化のために用いているが、該半導体ウエハ２の表面層の加熱に用いることも可能であり、また被照射物として化合物半導体に対して用いることも可能である。
化合物半導体に用いる場合、上記レーザ発振器４はその材質に適した波長のレーザ光Ｌを照射する必要がある。
さらに、上記実施例ではガルバノミラー１６がレーザ光ＬをＹ方向に往復するように走査しているが、Ｙ方向のいずれか１方向（例えば図２の図示右方向）にだけ向かうようにレーザ光Ｌを走査するようにしても良い。この場合、上記レーザ発振器４にシャッタ等を設ける必要がある。
そして、レーザ光Ｌの導光手段７として、上記シリンドリカルレンズ１４に代えて上記加工ヘッド６の上部にｆθレンズを設けてもよい。
この場合、ｆθレンズがレーザ光Ｌの焦点を液体通路１１の内部に形成すれば、上記実施例における移動式の集光レンズ１５は不要となる。

本実施例にかかるレーザ光照射装置１をＹ方向から見た図。上記レーザ光照射装置１をＸ方向から見た図。

符号の説明

１レーザ光照射装置２半導体ウエハ
３加工テーブル４レーザ発振器
５液体供給手段６加工ヘッド
７導光手段１１液体通路
１１ａ噴射孔Ｌレーザ光
Ｗ板状の液体

Claims

噴射孔より液体を被照射物に向けて噴射するとともに、噴射した液体内にレーザ光を導光して、該レーザ光を被照射物に照射するレーザ光照射方法において、
所定の方向に向けて細長く形成した噴射孔より板状の液体を噴射するとともに、レーザ光を上記噴射孔の方向に走査して該レーザ光が板状の液体の内部を導光されて上記被照射物に照射されるようにしたことを特徴とするレーザ光照射方法。
上記被照射物を上記噴射孔の形成された方向と異なる方向に相対移動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射方法。
被照射物としての半導体ウエハの表面にレーザ光を照射することで、該半導体ウエハの表面を平坦化することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザ光照射方法。
被照射物に液体を噴射する噴射孔を備えた加工ヘッドと、加工ヘッドに液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記噴射ノズルから噴射される液体に導光する導光手段とを備えたレーザ光照射装置において、
上記噴射孔は所定の方向に向けて細長く形成されて、該噴射孔から液体を板状にして噴射し、上記導光手段はレーザ光を上記噴射孔に沿って走査して、該レーザ光が板状の液体の内部を導光されて上記被照射物に照射されるようにしたことを特徴とするレーザ光照射装置。
上記被照射物を噴射孔の形成された方向と異なる方向に相対移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ光照射装置。
上記加工ヘッドは、レーザ光を透過させる透過部材と上記噴射孔との間に形成された液体通路と、上記液体通路と略平行に形成されるとともに上記液体供給手段の接続された供給通路と、上記液体通路と供給通路とを連通させる複数の連通孔とから構成されることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載のレーザ光照射装置。
上記導光手段は、レーザ光の光軸方向に移動可能に設けられた集光レンズと、レーザ光を上記噴射孔の形成された方向に走査するように反射させるガルバノミラーと、上記ガルバノミラーと噴射孔との間に設けられたシリンドリカルレンズとから構成され、
上記集光レンズはガルバノミラーに連動して移動し、レーザ光の焦点位置を上記噴射孔の近傍に形成することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載のレーザ光照射装置。