JP5094825B2 - 低濃度ドープされたシリコン基板のレーザ熱アニール - Google Patents

Description

本発明はレーザ熱アニールに関し、特に、常温ではアニール放射線ビームを効率的に吸収しない基板のレーザ熱アニールを行なうための装置および方法に関する。

レーザ熱アニール（ＬＴＡ）（「レーザ熱処理」ともいう）は、基板の表面の温度を迅速に上昇および下降させて特性を変化させるために使用される技術である。一例として、集積デバイスまたは集積回路を形成するために使用されるトランジスタのソース領域、ドレイン領域またはゲート領域のドーパントのアニールおよび／または活性化が挙げられる。また、ＬＴＡは、集積デバイスまたは集積回路のシリサイド領域を形成したり、ポリシリコンのランナー抵抗（ｒｕｎｎｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を低下させたり、あるいは基板（またはウエハ）に物質を形成するかまたは基板（またはウエハ）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も使用することができる。

ＬＴＡは、アニールサイクルを従来のアニール技術の１０００倍に高速化させる可能性を有し、これにより、シリコンウエハ上で使用されるアニールサイクル時または活性化サイクル時におけるドーパント不純物の拡散を実質的になくすことができる。その結果、ドーパントプロファイルがより急峻になり、場合によっては活性化レベルがより高くなる。これによって、より高性能な（例えば、高速な）集積回路を得ることができる。

米国特許出願第１０／２８７，８６４号は、ＣＯ_２レーザ放射線を使用して、ドープされたシリコン基板にＬＴＡを行なうことを開示している。レーザ放射線は狭い線に集束され、ラスタパターンで基板上を一定の速度で走査される。しかしながら、この手法は、ドープされたシリコンにおけるレーザ放射線の吸収長が熱拡散距離よりも小さいかほぼ同等である、比較的高濃度にドープされた基板（すなわち、約３×１０^１７原子／ｃｍ^３以上のドーパント濃度）に対してのみ有効である。一方、低濃度ドープされた基板（すなわち、約１×１０^１６原子／ｃｍ^３以下のドーパント濃度）では、ＣＯ_２レーザ放射線は相当のエネルギーを基板に与えることなく基板を通過してしまう。

米国特許出願第１０／２８７，８６４号

したがって、１０．６μｍの波長を有するＣＯ_２レーザ放射線などのように、加熱を行なわない場合には基板を通過してしまう放射線を使用して、低濃度ドープされたシリコン基板にＬＴＡを効率的に行なう方法が求められている。

本発明の第１の態様は、表面を有する基板にレーザ熱アニールを行なうための装置である。この装置は、室温で基板に実質的に吸収されない波長を有する連続したアニール放射線を発生することできるレーザを含む。また、この装置は、アニール放射線を受け、かつ、基板の表面に第１の像を形成するアニール放射線ビームを形成するアニール光学系を含み、第１の像は基板の表面にわたって走査される。さらに、この装置は、加熱部分に入射したアニール放射線ビームが走査時に基板の表面近傍で実質的に吸収されるように、基板の少なくとも一部を臨界温度に加熱するための加熱装置を含む。一実施形態では、基板の一部の加熱は、長波長のアニールビームに直前に先行する短波長のレーザダイオードビームを使用することによって行なうことができる。

本発明の第２の態様は、基板のレーザ熱アニール方法である。この方法は、室温で基板に実質的に吸収されない波長を有するレーザからのアニール放射線ビームを供給することと、加熱部分でアニール放射線ビームが基板の表面近傍で実質的に吸収されるように、基板の少なくとも一部を臨界温度に加熱することとを含む。また、この方法は、基板の上方でアニール放射線ビームを走査する直前に基板の表面の一部を加熱することによって、自己持続アニール条件を開始させることを含む。

各図面に示される各種の要素は単に説明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。ある要素の比率は誇張され、一方、その他の要素は最小化されている場合もある。各図面は、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り、当業者によって理解でき、かつ適切に実施することができる。

図１Ａは、ＬＴＡ光学系によって処理されるシリコン基板とともに、ＬＴＡ光学系を含む本発明のＬＴＡ装置の実施形態の断面図である。ＬＴＡ装置は、基板を支持し、予熱するための加熱チャックと、チャックを取り囲み、放射線が装置の他の部分へと結合するのを減少させ、効率的な基板の加熱を促進するための任意の熱シールドとを含む。 図１Ｂは、図１Ａに示されるものと同様な本発明のＬＴＡ装置の一実施形態の断面図である。ＬＴＡ装置は、基板を予熱するために基板を取り囲む加熱エンクロージャを含む。 図１Ｃは、図１Ａに示されるものと同様な本発明のＬＴＡ装置の一実施形態の断面図である。加熱チャックおよび任意の熱シールドは、予熱放射線ビームを使用して基板の少なくとも一部を予熱するために取り付けられた光学的加熱装置によって置換されている。 図２は、基板温度Ｔ_ｓ（℃）に対する、２００μｓの滞在時間を有する放射線ビームに伴う拡散距離Ｌ_Ｄのプロットとともに、ドープされていないシリコン基板における吸収経路長Ｌ_Ａ（μｍ）（縦軸）に対する、波長１０．６μｍのアニール放射線ビームに関する基板温度Ｔ_ｓ（℃）のプロットである。 図３は、深さ（μｍ）およびアニール放射線ビーム位置（μｍ）の関数としての基板温度プロファイルのコンピュータシミュレーションであり、自己持続アニール条件に伴うアニール放射線ビームによって基板内部に形成されるホットスポットを説明するコンピュータシュミレーションである。 図４Ａは、基板の表面上の位置の関数として、予熱放射線ビームおよびアニール放射線ビームの相対的な強度およびビームプロファイルの実施形態を示す模式図である。 図４Ｂは、基板の拡大断面図であり、アニール放射線ビームの前方に結像された予熱放射線ビームからの熱が、基板においてアニール放射線ビームの吸収を促進して自己持続アニール条件を達成する様子を説明する。 図５は、アニール放射線ビームの入射パワーＰ_１（Ｗ／ｃｍ）に対する、高濃度ドープされたシリコン基板に波長１０．６μｍのアニール放射線ビームを照射することによって形成された最高基板温度Ｔ_ＭＡＸ（℃）のプロットである。 図６は、有限要素法シミュレーションによって得られ、ドープされていないシリコン基板へのアニール放射線ビームの異なる入射パワーＰ_１に対する、初期基板温度Ｔ_１の関数としての最高基板温度Ｔ_ＭＡＸ（℃）のプロットである。 図７は、シリコンの基板温度Ｔ_ｓ（℃）の関数として、シリコンにおける７８０ｎｍの予熱放射線ビームの吸収長Ｌ_Ａ（μｍ）のプロットである。 図８Ａは、Ｙ−Ｚ平面における図１Ｃの光学リレー系の一実施形態の断面図である。 図８Ｂは、Ｘ−Ｚ平面における図１Ｃおよび図８Ａの光学リレー系の一実施形態の断面図である。 図９Ａは、加熱放射線源および円柱レンズアレイのＸ−Ｚ平面における拡大断面図である。 図９Ｂは、加熱放射線源および円柱レンズアレイのＹ−Ｚ平面における拡大断面図である。 図１０Ａは、基板への法線入射における、予熱放射線源、リレーレンズ、および予熱放射線ビームの拡大模式図であり、基板によって反射されかつ予熱放射線源に戻る予熱放射線の量を減少させるために予熱放射線ビームに配置された偏光子および１／４波長板をさらに含む。 図１０Ｂは、基板へのほぼ法線入射における、予熱放射線源、リレーレンズ、および予熱放射線ビームの拡大模式図であり、基板によって散乱されかつ予熱放射線源に戻る予熱放射線の量を減少させるために予熱放射線ビームに配置された偏光子およびファラデー回転子をさらに含む。 図１１は、シリコン基板上にて膜厚３００ｎｍ、４００ｎｍ、および５００ｎｍのフィールド酸化膜において、ベアシリコンの入射角θ（°）の変化に伴う反射率Ｒ（％）の変化を示すプロットである。 図１２は、図１１と同様のプロットであり、シリコン基板上において膜厚が３００ｎｍ、４００ｎｍ、および５００ｎｍである酸化物層を有する１３０ｎｍの厚いポリシリコン層の反射率を示す。 図１３は、図１０Ｂと同様な本発明のＬＴＡ装置の一実施形態の拡大模式図であり、ＬＴＡ装置は、反射予熱放射線１５０Ｒを受け、かつ反射予熱放射線１５０Ｒを基板に向け返すように配置されたリサイクル光学系３００を含む。 図１４は、コーナー反射体および集光／集束レンズを含む、図１３のリサイクル光学系の一実施形態の断面図である。 図１５は、図１４に示される一実施形態の変形例の断面図であり、コーナー反射体は軸（Ａ３）に対してΔＤ変位して（ずれて）おり、直接入射する予熱放射線ビームとリサイクル予熱放射線ビームとの間で入射角のずれが生じている。 図１６は、集光／集束レンズおよび回折格子を含む、図１３のリサイクル光学系の別の実施形態の断面図である。 図１７は、基板法線の反対側からの近似する入射角を採用する２つの予熱光学リレー系を使用した、基板を予熱するための配置の実施形態の模式的な断面図である。

本発明は基板のレーザ熱アニール（ＬＴＡ）に関し、特に、低濃度ドープされたシリコンウエハ（基板）のＬＴＡを行なうための装置および方法に関する。本明細書において、「低濃度ドープ」とは、約１０^１６原子／ｃｍ^３以下のドーパント濃度を意味する。基板のドーパント濃度は、所望の抵抗率レべルと基板型（すなわち、Ｎ型またはＰ型）を達成するための通常の基板製造に関連するものであってもよい。

以下の説明では、本発明によって作り出そうとする「自己持続アニール条件（ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）」について述べるとともに、本発明のＬＴＡ装置の一般化された実施形態について述べる。このことは、本発明の各種実施形態によって裏付けられる。さらに、本発明は、シリコン基板による放射線の吸収の基本的な特性を示す多くの異なる基板温度のプロットに関連して説明される。次に、予熱放射線ビームの適切なパワー（power）レベルを決定する方法について説明し
、その次に、予熱放射線ビームを用いて基板を加熱するために実施形態で使用される加熱レンズの一例について説明する。次いで、予熱放射線ビームおよびアニール放射線ビームの好ましい走査および向きについて詳細に説明する。

Ｉ．一般化されたＬＴＡ装置
図１Ａは、アニールされる基板１０とともに、本発明のＬＴＡ装置８の一実施形態断面図である。基板１０は、上面１２と、本体（バルク）領域１６とを有する。本体（バルク）領域１６は、「ドープされていない」、あるいは厳密に言えば、通常は非常に浅い領域のみに非常に高いドーピングレベルを含む非常に小さな接合領域またはデバイスよりも低濃度でドープされている。参照文字Ｎは、基板の上面１２に対する法線を示す。一実施形態では、基板１０はシリコンウエハである。

ＬＴＡ装置８はＬＴＡ光学系２５を含み、このＬＴＡ光学系２５は、光軸Ａ１に沿って配置された、アニール放射線源２６およびＬＴＡレンズ２７を有する。レンズ２７は、アニール放射線源２６から連続的な（非パルス状の）アニール放射線１８を受け、基板の表面１２において像３０（例えば、線像）を形成する連続的なアニール放射線ビーム２０を形成する。アニール放射線ビーム２０は、表面法線Ｎと光軸Ａ１との間で測定された入射角θ_２０で上面１２に入射する。

矢印２２は、基板の表面１２に対するアニール放射線ビーム２０の移動方向の一例を示す。基板１０はチャック２８によって支持され、チャック２８は、可動ステージＭＳによって支持されている。可動ステージＭＳは、ステージ駆動部２９に動作可能になるように接続され、ステージ駆動部２９は、アニール放射線ビーム２０またはその他のリファレンスに対して選択された速度および方向でステージ（基板）を移動させる。可動ステージＭＳの走査移動を矢印２２’で示す。一実施形態では、ステージＭＳは少なくとも２次元において移動することができる。

一実施形態では、ＬＴＡ装置８は、反射放射線モニタＭ１および温度モニタＭ２を含む。反射放射線モニタＭ１は、放射線２０Ｒによって示されるように、基板の表面１２から反射された放射線を受けるように配置されている。温度モニタＭ２は基板の表面１２の温度を測定するように配置される。一実施形態では、温度モニタＭ２は、アニール放射線ビーム２０によって像３０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に沿って配置されている。モニタＭ１，Ｍ２は、以下に詳述するように、反射放射線２０Ｒの量および／または基板の表面１２の測定温度の測定値に基づいてフィードバック制御を規定するコントローラ（以下に述べる）に接続されている。

一実施形態では、ＬＴＡ装置８はさらに、アニール放射線源２６と動作的に接続されたコントローラ３２と、ステージ駆動部２９と、モニタＭ１，Ｍ２と、レンズ２７に含まれ、入射パワーモニタとして機能する任意のモニタＭ３と、を含む。コントローラ３２は、例えば、メモリと接続されたマイクロプロセッサ、またはマイクロコントローラ、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、フィールド・プログラマブルロジックアレイ（ＦＰＬＡ）、プログラムアレイロジック（ＰＡＬ）、あるいはその他の制御装置（図示せず）であってもよい。コントローラ３２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３２が、アニール放射線ビーム２０によって基板１０に与えられるパワーとステージ駆動部２９を介した走査速度とを一定に維持する開ループ、２）コントローラ３２が、基板の表面１２の最高温度または基板に吸収されるパワーを一定に維持する閉ループ。最高基板温度は、吸収パワーによって直接的に変化し、走査速度の平方根と逆比例して変化する。

一実施形態では、閉ループ制御は、走査速度の平方根に対する基板に入射したアニール放射線ビーム２０の吸収パワーの比率を一定に維持するために使用され、アニール放射線ビーム２０のパワー量をＰ_２０とし、反射パワーをＰ_３０とすると、吸収パワーはＰ_ａ＝Ｐ_２０−Ｐ_３０である。アニール放射線ビームに相対的な基板１０の走査速度をＶとすると、比率Ｐ_ａ／Ｖ^１／２を一定に維持して間接的に温度を一定に維持する。

直接的な最高温度測定に基づく閉ループ動作では、コントローラ３２は温度モニタＭ２からの信号Ｓ２による最高基板温度などの信号（例えば、電気信号）を受信し、入射パワーまたは走査速度を制御して一定の最高基板温度を維持する。吸収パワーＰ_ａは、反射放射線モニタＭ１が発生した信号Ｓ１による反射アニール放射線ビーム２０ＲのパワーＰ_３０を、信号Ｓ４を介してアニール放射線ビームの一部をサンプリングして得られたアニール放射線ビーム２０の入射パワーＰ_１から減算することによって得られる。

また、コントローラ３２は、受信信号および入力パラメータ（例えば、所望の吸収パワーレベルと滞在時間）に基づいてパラメータを計算するように適応されている。また、コントローラ３２はまた、オペレータあるいはより大きな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（図示せず）から外部信号Ｓ３を受信するように連結されている。このパラメータは、基板を処理するために供給されるアニール放射線２０の所定の照射量（量）または所望の最高基板温度を示すものである。パラメータ信号は、所定の照射量のアニール放射線２０を基板１０に与えるために使用される強度、走査速度（ｓｃａｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、走査速度（ｓｃａｎ ｓｐｅｅｄ）および／または走査数を示すものであってもよい。

一実施形態では、アニール放射線源２６はＣＯ_２レーザであり、アニール放射線ビーム２０は１０．６μｍの波長を有する。通常、アニール放射線源２６は、室温では実質的に基板に吸収されないが、基板または基板の上部の十分な部分がより高温である場合には、
当該基板によって実質的に吸収される波長を有する放射線を発する連続放射線源である。好ましい実施形態では、アニール放射線源２６はレーザである。

ＬＴＡ装置８は、基板の上部近傍でアニール放射線ビーム２０が吸収されることを利用して基板の上部の温度を効率的に上昇させ、さらに、基板の本体の温度を実質的に変化させないようになっている。すなわち、基板が半導体ウエハである場合には、本発明は、ウエハ本体を加熱するというよりはむしろ、デバイス（例えば、トランジスタ）が形成される表面または表面近傍におけるウエハの温度を上昇させる。

しかしながら、室温では、長波長の放射線ビームは上面をかなり加熱することなく基板を通過するため、低濃度ドープまたはドープされていない基板をアニールすることは困難である。一方、高濃度ドープされた基板をアニールすることが困難ではない。なぜなら、入射アニール放射線が材料の上面から約１００μｍ内で吸収され、材料の温度を所望のアニール温度に上昇させるためである。

ビームから放射線をほとんど吸収せず、加熱されない基板１０の本体（バルク）１６は、アニール放射線ビーム２０が基板に照射されなくなると急速に上面領域を冷却する機能を有する。本発明は、１０．６μｍのＣＯ_２レーザ波長などの赤外線波長では低濃度ドープされたシリコンにおける放射線の吸収が基板温度に大きく依存するという事実を利用する。相当のアニール放射線ビーム２０が吸収されると、基板の表面温度が上昇することによってより強い吸収が生じ、その結果として基板の表面などがより強く加熱されることになる。

ＩＩ．自己持続アニール条件
図２は、波長１０．６μｍの放射線に対するシリコン基板の吸収長Ｌ_Ａ（μｍ）（縦軸）対基板温度Ｔ_ｓ（℃）のプロットである。また、プロットには、基板温度Ｔ_ｓの関数としての滞在時間２００μｓでの拡散距離Ｌ_Ｄ（μｍ）も含まれる。吸収長Ｌ_Ａは、アニール放射線ビーム２０の強度を１／ｅに減衰させるために要する厚さである。熱拡散距離Ｌ_Ｄは、瞬間的な表面温度の上昇が所定の滞在時間後に材料中に伝播するであろう深さである。Ｌ_ＡおよびＬ_Ｄは、６００℃以下の温度Ｔ_ｓでは６０μｍ以下のほぼ同じ値を有する。

基板温度Ｔ_ｓによる吸収経路長Ｌ_Ａの大きな変化によって、２つの定常状態条件が形成され得る。すなわち、（１）アニール放射線ビーム２０が実質的に吸収されずに基板を通過し、実質的に加熱をもたらさない、（２）アニール放射線ビーム２０が基板の表面１２近傍で実質的に吸収され、ビームが基板上を移動する（すなわち走査される）にしたがってアニール放射線ビーム２０とともに移動する像３０に対応する基板の表面およびその直下で「ホットスポット」を形成する。

図３は、深さ（μｍ）およびアニール放射線ビーム位置（μｍ）の関数としての基板温度（℃）プロファイルのコンピュータシミュレーションである。温度プロファイルは、基板内部および基板の表面１２上を移動するホットスポット（３１で示す）である。移動するホットスポット３１は、進行する像３０の前方で基板１０の領域を熱拡散によって予熱する機能を有する（図４Ｂを参照；後述する）。ホットスポット３１の伝般に伴う基板の予熱によって、ビームが基板の表面の上方を走査されると、アニール放射線ビーム２０の放射線が上面１２近傍で効率的に吸収される。本発明の装置８およびそれに付随する方法を使用して作り出そうとするのは定常状態条件（２）であり、ここでは「自己持続アニール条件」と言うものとする。

本発明に係る自己持続アニール条件を形成するための一般的な方法は、アニール放射線
ビーム２０が実質的に基板に吸収されるように（すなわち、自己持続アニール条件が開始する点までアニール放射線ビーム２０が吸収されるように）、加熱基板１０（あるいは基板１０の選択領域または一部）を臨界温度Ｔ_ｃ（例えば、以下に詳述するように３５０℃以上）に加熱することを含む。

Ｔ_ｃの正確な値は、基板内の温度分布、ドーパント濃度、およびアニール放射線ビームの強度に依存する。したがって、一実施形態では、臨界温度Ｔ_ｃは経験的に決定される。これは、例えば、様々な初期温度条件または一定の初期温度条件と様々なアニールおよび予熱放射線ビーム強度を有する試験基板におけるアニール放射線ビームによって形成される最高温度を測定することを含むことができる。自己持続アニール条件をもたらす基板の予熱は、多くの方法で達成することができる。加熱装置を含むＬＴＡ装置８の実施形態を以下に説明する。この加熱装置は、ＬＴＡを行なうために、低濃度ドープされたシリコン基板１０において自己持続アニール条件を作り出すための方法を実施するために基板１０を加熱する。

ＩＩＩ．任意の熱シールドを有する加熱チャックの実施形態
図１Ａを再び参照すると、一実施形態では、チャック２８は熱伝導性であり、かつ、加熱素子５０を含む。この加熱素子５０は、コントローラ３２に接続され、コントローラ３２によって制御される電源５２に接続されている。熱絶縁層５３はチャック２８の底部と側面を取り囲み、ステージが不必要に加熱されること、ならびにチャックから熱が損失することを防いでいる。

動作時には、コントローラ３２が電源５２を作動させ、電源５２は加熱素子５０に電力を供給する。それに応じて、加熱素子５０は熱５６を生成する。一実施形態では、熱５６の発生量は温度センサ５７によって制御される。温度センサ５７は、チャックの温度が所定の最大値に制限されるように、チャック内に設けられ、電源５２（または、代わりにコントローラ３２）に動作的に接続されている。基板がチャック上に設置されると、基板の温度は迅速にチャックと同じ温度に達する。通常、チャックの温度Ｔ_ＣＨは約４００℃である。

別の実施形態では、装置８は、熱シールド６２を必要に応じて含む。熱シールド６２は、熱５６を基板に向けて反射するように基板１２の上方に支持される。これによって、基板がより均一に加熱されるとともに、シールドの反対側に位置する装置の構成要素の加熱が少なくなる。一実施形態では、熱シールド６２は金で被覆されたガラス板である。熱シールド６２は、アニール放射線ビーム２０を基板１０の表面１２に到達させる開口６４を含む。

ＩＶ．加熱エンクロージャの実施形態
図１Ｂを参照すると、別の実施形態では、装置８は、加熱エンクロージャ８０（例えば、オーブン）を含む。この加熱エンクロージャ８０は、基板１０およびチャック２８の両方、あるいは基板、チャック、およびステージＭＳを取り囲むのに十分な大きさを有する内部領域８２を備える。エンクロージャ８０は、電源５２に接続された付加的な加熱素子５０を（好ましくはチャック２８に含まれている加熱素子に加えて）含む。電源５２はコントローラ３２に接続されている。一実施形態では、エンクロージャ８０は、アニール放射線ビーム２０を基板１０の表面１２に到達させる窓または開口８４を含む。図１Ａに関連して上述した熱絶縁層５３が、好ましくはチャック２８の側面および底部に設けられ、チャックからステージへの不必要な熱の損失を防いでいる。

動作時には、コントローラ３２が電源５２を作動させ、電源５２は加熱素子５０に電力を供給する。それに応じて、加熱素子５０は熱５６を発生し、これによりチャック、基板
、およびその周囲の温度を約４００℃の最高臨界温度Ｔ_ｃに上昇させる。エンクロージャ８０は、熱５６が内部領域８２に閉じ込められたままになるように熱的に絶縁されていることが好ましく、それによって基板の効率的で均一な加熱を促進する。

Ｖ．予熱放射線ビームの実施形態
図１Ｃを参照すると、別の実施形態では、装置８は、予熱光学リレー系１４０を含み、予熱光学リレー系１４０は、光軸Ａ２に沿って設けられた予熱放射線源１４２およびリレーレンズ１４３を有する。予熱放射線源１４２は、リレーレンズ１４５に照射される放射線１４７を発し、リレーレンズ１４５からの予熱放射線ビーム１５０は、アニール放射線ビームによって加熱される直前に基板を予熱するために使用される。放射線１４７は、シリコンによって１００μｍ以下の深さで容易に（実質的に）吸収される波長を有する。一実施形態では、予熱放射線源１４２は、０．８μｍ（８００ｎｍ）または０．７８μｍ（７８０ｎｍ）の波長を有する予熱放射線１４７を発するレーザーダイオードアレイである。リレーレンズ１４３の実施形態を以下に説明する。予熱放射線源１４２およびリレーレンズ１４３は、図１Ａに示すように（図１Ｃでは説明を簡略化するために省略されている）、モニタＭ１，Ｍ２およびステージ駆動部２９とともにコントローラ３２に動作的に接続されている。

動作時には、予熱放射線源１４２は放射線１４７を発し、リレーレンズ１４３が放射線１４７を受ける。リレーレンズ１４３は、基板の表面１２で像１６０（例えば、線像）を形成する予熱放射線ビーム１５０を形成する。予熱放射線ビーム１５０は、基板表面法線Ｎに対して測定された入射角θ_１５０で基板の上面１２に入射する。

一実施形態では、図１Ｃに示すように、アニール放射線ビーム２０によって形成された像３０と予熱放射線ビーム１５０によって形成された像１６０は、基板の表面１２上で並んで位置する。したがって、予熱放射線ビーム１５０は、アニール放射線ビーム２０が照射される部分のすぐ前方の基板の部分または領域を局所的に予熱する。矢印２２’は（例えば、可動チャック２８を介した；図１を参照）基板１０の移動を示し、一実施形態では、基板１０は固定された放射線ビーム２０，１５０（または、等価的に、固定された像３０，１６０）の下を移動し、これらのビーム（または像）の走査が実現される。

別の実施形態では、図４Ａに示すように、予熱放射線ビーム１５０およびアニール放射線ビーム２０は、例えばそれぞれのビーム強度プロファイルのｌ／ｅ^２の強度の輪郭部分で部分的に重なる。

図４Ｂは、ビーム２０，１５０が照射されている基板の一実施形態の拡大断面図である。図４Ｂは、アニール放射線ビーム２０の前方に結像された予熱放射線ビーム１５０からの熱１６６が、基板の上面近傍においてアニール放射線ビームの吸収を促進する様子を示している。予熱放射線ビーム１５０からの熱１６６は、アニール放射線ビーム２０の前方で基板１０内に拡散する。放射線ビームが矢印２２’によって示すように基板と相対的に移動すると、アニール放射線ビーム２０は予熱放射線ビーム１５０によってすでに加熱された領域（すなわち基板の一部）を通過する。このプロセスは、基板の表面または表面近傍における基板の温度を臨界温度Ｔ_ｃよりも上昇させるために使用される。これによって、吸収されたアニール放射線ビーム２０’（点線）によって示されるように、アニール放射線ビーム２０は基板に効率的に吸収される。基板の表面１２の近傍における基板１０内でのアニール放射線ビーム２０’の比較的迅速な吸収によって、アニール放射線ビームの立ち下がりエッジにおいて、基板の表面の温度はアニール温度Ｔ_Ａ（例えば、約１６００°Ｋ）まで最大に上昇する。これにより、例えば、基板の上面に注入されたドーパントの活性化によって、基板内に形成された選択領域がアニールされる。

ＶＩ．基板温度のプロット
図５は、放射線の入射パワーＰ_１（Ｗ／ｃｍ）の関数としての、高濃度ドープされたシリコン基板に波長１０．６μｍの放射線を照射することによって形成された最高基板温度Ｔ_ＭＡＸ（℃）のプロットである。このデータを導出するために、２次元有限要素シミュレーションプログラムを使用した。シミュレーションでは、無限に長いアニール放射線ビームを想定した。したがって、ビームパワーはＷ／ｃｍ^２ではなくＷ／ｃｍで測定される。また、シミュレーションでは、アニール放射線ビーム２０が１２０μｍの全幅半値（ＦＷＨＭ）を有するガウス形ビームプロファイルを有し、アニール放射線ビーム２０が基板の上面１２を６００ｍｍ／秒の速度で走査し、２００μｓの滞在時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）を生じるものと想定した。ここで、「滞在時間」は、アニール放射線ビーム２０によって形成された像３０が基板の表面１２の特定のポイントの上方にある時間の長さである。この場合、プロットは、入射パワーＰ_１と最高基板温度Ｔ_ＭＡＸとの間のほぼ直線的な関係を示している。この２次元モデルは、アニール放射線ビーム２０が無限に長いことを想定しているため、線像３０の端部におけるさらなるエネルギー損失は全くなかった。有限ビーム長ではビームの端部において追加の熱損矢が生じ、したがって、所与の入射パワーレベルＰ_１に対する最高温度は低くなる。

図５は、吸収性の（すなわち高濃度ドープされた）基板において、特定の条件で最高基板表面温度Ｔ_ＭＡＸを周囲温度から４２７℃に上昇させるためには、約５００ｗ／ｃｍの入射パワーＰ_１が必要であることを示している。同様の条件にて、シリコンの融点である１４１０℃まで温度を上昇させるためには、約１１５０Ｗ／ｃｍが必要となる。

図５に示す関係は、アニール放射線ビーム２０と同じ幅および滞在時間を有する予熱放射線ビーム１５０においてもほぼ近似している。どちらの場合においても、熱拡散は、基板に熱を分配するための主要なメカニズムである。４００℃のピーク基板温度Ｔ_ＭＡＸは、４００℃の均一な基板温度Ｔ_ｓとほぼ同じアニール放射線ビーム２０の吸収を生じることはない。なぜなら、前者の温度分布は熱拡散距離Ｌ_Ｄとほぼ等しい距離で基板内において周囲温度になるためである。

図６は、ドープされていないシリコン基板の場合における、波長１０．６μｍのアニール放射線ビーム２０の２つの異なる入射パワーＰ_１による初期基板温度Ｔ_１の関数としての最高基板温度Ｔ_ＭＡＸ（℃）のプロットである。このプロットも２次元有限要素モデルから導出した。約３２７℃未満の温度では、入射放射線はほとんど効果を示さず、最高温度Ｔ_ＭＡＸは初期基板温度Ｔ_１とほぼ等しい。すなわち、アニール放射線ビーム２０は基板１０を通過し、基板を加熱することはない。しかし、３７７〜４７７℃の間の初期基板温度Ｔ_１では、アニール放射線ビームの入射パワーＰ_１の量に依存してアニール放射線ビーム２０のかなりの吸収が発生する。その結果、最高基板温度Ｔ_ＭＡＸは急激に上昇する。高吸収および高温への遷移が発生すると、アニール放射線ビーム２０のさらなる照射によって、最高温度Ｔ_ＭＡＸは直線的に増加する。

図５および図６のプロットに使用されているパワーの単位はＷ／ｃｍである。このパワーは、半分のパワー点間に含まれる走査像３０（例えば、線像）の単位長さあたりのパワーである。したがって、１２０μｍの幅を有する像３０における１１５０Ｗ／ｃｍのパワーは、９５，８３３Ｗ／ｃｍ^２の平均強度に対応する。

自己持続アニール条件を作り出すために、基板を限界温度Ｔ_ｃに加熱するために予熱放射線源１４２によって発生させなければならない温度は、図６のプロットにおける情報から推定することができる。図６のプロットは、基板が約４２７℃の均一な温度Ｔ_１に達すると、基板温度Ｔ_ＭＡＸが急激に上昇し、自己持続アニール条件が開始することを示している。必要な予熱を行なうためにレーザーダイオード源を使用する場合、ダイオード源は
ほぼ１熱拡散距離で周囲温度に低下する不均一な温度分布を生じさせるため、非常に高い温度が求められる。

図７は、基板温度Ｔ_ｓ（℃）の関数としての、ドープされていないシリコン基板の波長７８０ｎｍの放射線に対する吸収長Ｌ_Ａ（μｍ）のプロットである。８００ｎｍでの吸収特性は、７８０ｎｍでの吸収特性と非常に似通っている。このプロットから明らかなように、室温であっても吸収長Ｌ_Ａは約１０μｍであり、これは、２００μｓ以上の時間尺度における基板の表面領域の有効な加熱と、主に熱拡散によって決定される温度分布とを保証するために十分に短い。

（予熱放射線ビーム１５０を発生させるために使用される）レーザーダイオード源によって形成されるような、不均一な温度分布を有するドープされていないシリコン基板において、（アニール放射線ビーム２０としての）ＣＯ_２レーザの効率的な吸収を得るためには、約ｌ００μｍの吸収長に相当する温度が推定される。これは、約５５０℃のピーク基板温度Ｔ_ＭＡＸによって達成される。図５を再び参照すると、５５０℃の最高基板温度Ｔ_ＭＡＸには、予熱放射線ビーム１５０が約６００Ｗ／ｃｍ（５０，０００Ｗ／ｃｍ^２）のパワーを有することが必要となる。

ＶＩＩ．予熱放射線ビームパワーの決定
実際には、アニール放射線ビーム２０の基板１０への効率的な結合を達成するのに必要な予熱放射線ビーム１５０の最小パワーを決定することは簡単である。一実施形態では、吸収性の基板をアニールするために十分なパワーレベルに設定されたアニール放射線ビーム２０を使用する場合、室温ではアニール放射線ビーム２０の波長を実質的に吸収しない基板に、予熱放射線ビーム１５０およびアニール放射線ビーム２０を照射する。予熱放射線ビーム１５０のパワーレベルは、基板内でアニール温度が検出されるまで増加させる。これは、例えば、図１Ａに示される温度モニタＭ２で基板温度を測定することによって行なうことができる。

アニール放射線ビームと基板との結合がほとんどまたは全くない状態から基板の表面での効率的な結合が発生する状態への遷移は、通常は非常に急激である。基板温度Ｔ_ｓが低過ぎる場合には、アニール温度への遷移が発生しないか、あるいは基板の融点への急激な遷移が発生するだろう。基板温度をさらに上昇させると、融点よりも低い温度での安定した動作を可能とするアニールパワーレべルの狭い範囲が生じる。基板温度をさらに上昇させると、アニールパワーレべルの範囲と対応するアニール温度の範囲とが増加する。したがって、基板におけるアニール放射線ビーム２０の吸収遷移を開始させる、または基板においてアニール温度を生じさせる予熱放射線ビーム１５０の明確に定義されたパワーレベルというものはない。しかしながら、それよりも低い場合には所望の範囲のアニール温度を確実に達成できない実質的な最小遷移レベルはある。一実施形態では、予熱放射線ビーム１５０は、アニール放射線ビームが効率的に基板に吸収されかつ広い範囲のアニール温度を容易に達成するために必要な最小遷移レベルよりもわずかに高い遷移レベルに設定される。

一実施形態では、自己持続アニール条件を開始させるために必要な予熱放射線ビーム１５０のパワー量Ｐ_１は、５５０℃の最高基板温度Ｔ_ＭＡＸを生じさせるために必要な遷移量である。滞在時間が２００μｓであると仮定すると、図５のグラフは、このパワー量が約６００Ｗ／ｃｍの入射パワーに対応することを示している。しかしながら、アニール放射線ビーム像３０の幅に匹敵する幅を有する像１６０を形成する予熱放射線ビーム１５０において、６００Ｗ／ｃｍの強度を得ることはそれほど簡単ではないだろう。一実施形態では、予熱放射線ビーム１５０は、約７５°であるシリコンのブルースター角またはその近傍の入射角θ_１５０を有することが望ましい。この角度は、反射放射線を最小化させる
とともに、基板に吸収されるエネルギーを基板上に存在する構造間で均等化させる。約７５°の入射角θ_１５０では、予熱放射線ビーム１５０は基板の表面１２で滲んで約４倍の部分を覆い、強度はそれに比例して減少する。

予熱放射線ビーム１５０の総パワーは、例えばレーザーダイオードの付加的な列を追加することにより、例えば予熱源を大きくすることによって増加させることができる。しかしながら、予熱放射線ビーム１５０の幅もそれに比例して増加する。予熱放射線ビームの幅が増加すると、滞在時間および熱拡散深さが増加し、所与の最高温度を達成するために必要なパワーもさらに増加する。したがって、リレーレンズ１４３は、利用可能な予熱放射線源１４２を使用して限界温度の範囲内で基板を加熱するために十分な強度を有する予熱放射線ビーム１５０を供給できるように設計する必要がある。本発明に係るそのようなリレーの例を以下に説明する。

ＶＩＩＩ．光学リレ一系の実施形態
図８Ａおよび図８Ｂは、光学リレー系１４０および基板１０の一実施形態の模式的な断面図である。図８ＡはＹ−Ｚ平面の図であり、図８ＢはＸ−Ｚ平面の図である。図８Ａおよび図８Ｂにおいて、リレーはページに収まるように２つの部分に分割され、表面Ｓ１３，Ｓ１４を有するレンズ素子が双方の部分に示されている。

一実施形態では、予熱放射線源１４２は、カリフォルニア州９５０５４サンタクララ市パトリックヘンリードライブ５１００（５１００ Ｐａｔｒｉｃｋ Ｈｅｎｒｙ Ｄｒｉｖｅ， Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ ９５０５４）のコヒーレント・セミコンダクター・グループ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｇｒｏｕｐ）から入手できるＬｉｇｈｔＳｔａｃｋ^ＴＭ７×１／Ｌ ＰＶアレイなどの２次元レーザーダイオードアレイを含む。ＬｉｇｈｔＳｔａｃｋ^ＴＭアレイは、それぞれが１０ｍｍの長さを有し、１．９ｍｍの間隔で積層された７列の水冷レーザーダイオードを含む。各列のダイオードは、８０Ｗの光学パワーを発することができる。リレーレンズ１４３は、（予熱放射線源１４２が配置された）対物面ＯＰと、（基板１０が配置された）像面ＩＰと、像面と対物面とを接続する光軸Ａ２とを含む。

一実施形態では、上述したように、リレーレンズ１４３は、基板の上方を走査される像１６０（例えば、線像）を形成する予熱放射線ビーム１５０を形成するように設計されている。像１６０は多くの方法で走査することができ、例えば、リレーレンズ１４３に対して（可動ステージＭＳを介して）チャック２８を移動させることによって走査することができる（図１Ｃ）。比較的小さい像領域上で基板を加熱するために必要な高いビーム強度を達成することは簡単であるため、基板１０に像１６０を局所的に照射する方が、基板全体に一度で照射するよりも好ましい。したがって、リレーレンズ１４３による局所的な予熱は、基板へのアニール放射線ビーム２０の照射と同期していなければならない。

レーザーダイオードの放射特性は異方性であり、隣接するダイオード間の間隔はＸＹ平面において大きく異なるため、基板１０に像１６０を効率的に形成するために、リレーレンズ１４３はアナモルフィックである必要がある。さらに、基板１０における像１６０の必要な強度を達成するために、像面ＩＰにおける比較的高い開口数が必要である。

したがって、図９Ａおよび図９Ｂも参照すると、リレーレンズ１４３は、光軸Ａ２に沿って予熱放射線源１４２から順に、予熱放射線源１４２を構成するレーザーダイオード１９８の列数に対応する小レンズ２０１を有する円柱レンズアレイ２００を含む。円柱レンズアレイ２００は、Ｘ−Ｚ平面において倍率を有し、Ｘ−Ｚ平面（図９Ａ）において放射線源１４２から放射された各予熱放射線ビーム１４７をコリメートする（平行にする）が、Ｙ−Ｚ平面（図９Ｂ）においては放射線は１０°の円錐角を有する。ダイオードアレイと円柱レンズアレイとの組み合わせは、円柱レンズアレイを基板に対して再結像するアナモルフィックリレーへの入力として機能する。

図８Ａおよび図８Ｂを再び参照すると、リレーレンズ１４３は、直列に配置された２つの結像サブリレーＲ−１，Ｒ−２からなり、結像サブリレーＲ−１，Ｒ−２は共通の中間像面ＩＭを有する。サブリレーＲ−１は、Ｙ−Ｚ平面とＸ−Ｚ平面とで実質的に異なる倍率を有する円柱レンズ素子を主に使用したアナモルフィックリレーであり、サブリレーＲ−２は球面素子を使用し、１：６の縮小倍率比を有する従来のリレーである。アナモルフィックリレーＲ−１は、Ｙ−Ｚ平面において１：１の倍率比を有し、Ｘ−Ｚ平面において１：１０の縮小倍率比を有する。リレーレンズ１４３は、対物面ＯＰおよび像焦点面ＯＰにおいてテレセントリックである。

対物面ＯＰと像面ＩＰの双方でのテレセントリック性は、予熱放射線源１４２に直接隣接して配置された、球面視野レンズ２０２（面ｓ１〜ｓ２）および円柱レンズ２０４（面ｓ３〜ｓ４）によって達成される。円柱レンズ２０４は、Ｙ−Ｚ平面のみにおいて倍率を有し、Ｙ−Ｚ平面においてはｓ５で瞳像を形成する。次に、２つの円柱レンズ２０６，２０８（面ｓ６〜ｓ９）はＹ−Ｚ平面において倍率を有する。この２つの円柱レンズ２０６，２０８は、中間像面においてダイオードアレイを１：１で再結像する。面ｓ１０は、Ｘ−Ｚ平面における瞳面を示す。次に、Ｙ−Ｚ平面において倍率を有する一対の円柱レンズ２１０，２１２（面ｓ１１〜ｓ１４）が設けられている。円柱レンズ２１０，２１は、この中間像面においてダイオードアレイを１０：１の縮小倍率比で再結像する。中間像は、一群の球面レンズ２１４〜２２２（面ｓ１５〜ｓ２４）によって最終像面で再結像される。一群の球面レンズ２１４〜２２２は、６：１の縮小倍率比を有するサブリレーを形成する。したがって、リレーはダイオードの列を含む平面において６：１の総合縮小倍率を有し、各列のダイオードに垂直な平面において６０：１の縮小倍率を有する。

Ｙ−Ｚ平面における６：１の縮小倍率比によって、コリメートされていない（遅軸）予熱放射線源１４２の１０ｍｍのサイズが、対物面ＯＰにおける１０ｍｍから像面ＩＰにおける１．６７ｍｍに減少する。また、同じ平面において、対物面ＯＰにおける予熱放射線源１４２から発せられた放射線の１０°の円錐角は、像面ＩＰにおける６０°に増加する。

Ｘ−Ｚ平面における縮小倍率は６０：１である。したがって、有効放射線源２２０を構成するレーザーダイオードアレイの対物面ＯＰにおける寸法１１．４ｍｍ（７列のダイオードをＸ方向で測定）は、像面ＩＰでは０．１９ｍｍに減少する。また、有効放射線源２２０における平行ビームの１°のＦＷＨＭ角度は、像面ＩＰでは６０°の円錐角に増加する。

対物面ＯＰにおける放射線源１４２から像面ＩＰにおける基板１０に予熱放射線１４７を伝達する総合効率が５０％（基板の表面１２での反射損失を含む）であると仮定すると、図８Ａおよび図８Ｂのリレーレンズ１４３は像１６０に２８０Ｗをもたらすことができる。一例としての像１６０の寸法が１．６ｍｍ×０．１９ｍｍとすると、９２１Ｗ／ｍｍ^２のパワー密度が達成される。法線入射（θ_１５０＝０°）では、滞在時間が約０．２ミリ秒であると仮定すると、このパワー密度によって、室温（〜２０℃）のシリコン基板１０の温度が約５００℃上昇して約５２０℃になることになる。この温度は、自己持続アニール条件を開始させるために必要な４００℃の均一な限界温度Ｔ_ｃよりも高く、アニールレーザ像３０の直前に位置するダイオードアレイ像１６０によって生じるような不均一な温度分布にとって適切な範囲である。この場合、予熱放射線ビーム１５０はアニール放射線ビーム２０に先行する（すなわち、アニール放射線ビーム２０の前方を走査される）。このようにして、予熱放射線ビームによって形成される最高温度Ｔ_ＭＡＸは、アニール放射線ビーム２０が基板の同じ予熱部分に照射される直前に達成される。一実施形態では、予熱放射線ビームおよびアニール放射線ビームの相対的な位置は、予熱放射線ビームが常にアニール放射線ビームに先行するように、走査方向が逆になるたびに逆転される。

ＩＸ．放射線ビームの走査と向き
上述したように、一実施形態では、予熱放射線ビーム１５０によって形成される像１６０は基板１０上を走査される。また、アニール放射線ビーム２０によって形成される像３０も、予熱放射線ビームによって予熱された基板の部分に入射するように基板上を走査される。

実施形態では、スパイラルパターン、ラスタパターン、または牛耕式（ｂｏｕｓｔｒｏｐｈｅｄｏｎｉｃ）パターンで基板を移動させることによって走査が行われる。牛耕式走査パターンでは、走査方向を逆転させ、各走査後に交差走査位置が増加する。この場合、上述したように、各走査間で予熱放射線ビーム１５０とアニール放射線ビーム２０の相対的な位置を変化させることが必要である。一実施形態では、リレーレンズ１４３全体の位置をシフトさせることによってこれを行なう。アニール放射線ビーム２０の幅が約１２０μｍ（ＦＷＨＭ）であり、予熱放射線ビーム２５０の幅が１９０μｍ（シルクハットプロファイル）である場合には、リレーレンズ１４３は、ビーム中心間の距離の２倍または走査方向に平行な方向において約３９３μｍ移動させる必要がある。これは、例えば、予熱リレーレンズ１４３に動作的に接続されたコントローラ３２からの信号によって、リレーレンズ（図１Ｃ）を移動させることによって達成される。同様に、コントローラ３２は、走査前に基板の焦点、頂点、および傾斜パラメータを調整することによって、予熱放射線ビーム１５０の焦点を制御する。

上述の米国特許出願第１０／２８７，８６４号に記載されているように、予熱放射線ビ
ーム１５０はブルースター角またはその近傍の入射角で基板１０に入射し、ｐ偏光されていることが望ましい。これは、アニール時に基板上に接触しているような膜積層体は、これらの条件下では低い反射率および反射率の小さなばらつきを有するためである。

一実施形態では、予熱放射線ビーム１５０は、アニール放射線ビーム２０と同様の様式にて、ブルースター角またはその近傍の入射角θ_１５０で基板に入射するように配置される。通常、このような角度によって、活性化（アニール）工程の前に基板上に形成された、異なる膜積層体間の反射率のばらつきが減少する。しかし、このようなビームの向き（角度）はアニール波長では非常に有効に作用するが、予熱に使用される波長ではそれほど有効ではない。予熱放射線ビームの波長と半導体構造（例えば、トランジスタなどのデバイス１４）を形成するために使用される膜の厚みとがほぼ等価であると、すべての入射角で基板の反射率の大きなばらつきが生じる。また、ブルースター角またはその近傍の入射角θ_１５０によって、法線入射（θ_１５０＝０°）の場合の３倍または４倍の面積にわたって像１６０が広がり、パワー密度はそれに対応する量低下する。走査速度を変化させない場合、走査速度は通常アニール放射線ビームジオメトリーによって設定されるため、最高温度も低下する。

法線入射または法線入射近傍で動作させる場合の問題の１つは、放射線の反射割合が非常に高く、反射放射線が放射線源（例えば、ダイオードアレイ）に戻った場合に深刻なダメージを引き起こし得ることである。図１０Ａおよび図１０Ｂは、反射または散乱して予熱放射線源１４２（図１Ｃ）に戻る予熱放射線の量を減少させるための予熱リレー光学系１４０の実施形態を説明する概略図である。図１０Ａを参照すると、好ましい実施形態では、予熱放射線ビーム１５０はθ_１５０＝０°の法線入射角を有する。法線入射角は、基板によって反射され（反射された予熱放射線は１５０Ｒとして示す）、予熱放射線源１４２に戻る予熱放射線ビーム１５０の量に反映される。反射された予熱放射線１５０Ｒが予熱放射線源１４２に戻ると、放射線源の破損時間が早まる可能性がある。放射された予熱放射線１４７が偏光される場合（レーザーダイオードを使用する場合など）、一実施形態では、予熱放射線ビームの偏光方向に整列させた偏光子１４３Ｐと、偏光子と基板との間に位置する１／４波長板１４３ＷＰを配置することによって、予熱放射線源に戻る反射予熱放射線１５０Ｒの量を減少させる。１／４波長板は、偏光子から基板に移動する放射線を基板において円偏光放射線に変換する。基板から戻る放射線は、１／４波長板を通過した後に直線偏光放射線に再び変換される。しかしながら、基板から戻る放射線の偏光方向は元の方向と直交している。したがって、基板から戻るビームは偏光子を透過せず、レーザーダイオードアレイには達することはない。

図１０Ｂを参照すると、反射（鏡面）予熱放射線１５０が予熱放射線源に戻ることができないように入射角θ_１５０を法線入射からずらして選択した場合でも、予熱放射線源に戻る散乱（非鏡面）予熱放射線１５０Ｓが問題を引き起こし得る。ある種の予熱放射線源（レーザなど）に戻る少量の放射線が不安定な動作を引き起こし得る。また、基板に吸収される放射線の割合を増加させ、かつ、基板上の様々な構造によって生じる吸収のばらつきを減少させるために、法線入射からずらして動作させる場合には、ｐ偏光させた予熱放射線を使用することが望ましい。

したがって、一実施形態では、リレーレンズ１４３の下流に偏光子１４３Ｐおよびファラデー回転子１４３Ｆを追加することによって、予熱放射線源１４２に戻る予熱放射線１５０Ｓの量を減少させる。ファラデー回転子１４３Ｆは、偏光子１４３Ｐおよび基板１０の間に位置する。動作時には、ファラデー回転子は、回転子を通過した予熱放射線ビーム１５０の偏光を９０°回転させ、偏光子は、偏光を回転させた予熱放射線１５０Ｓが予熱放射線源１４２に戻ることを防ぐ。予熱放射線ビーム１５０が法線入射からずれるように光学リレー系１４０を動作させることによって、反射予熱放射線ビーム１５０Ｒのパワーを測定することが容易となり、有益な診断となる。

入射予熱放射線ビーム１５０および反射予熱放射線１５０Ｒのパワーの測定値は、基板１０に吸収されたパワーを計算するために使用することができる。次に、基板１０に吸収されたパワーは、予熱放射線ビーム１５０によって形成された最高温度を推定するために使用される。予熱放射線ビーム１５０の吸収パワーを一定の最小閾値よりも高く維持することによって、基板によるアニール放射線ビーム２０の強い吸収を引き起こすために十分な予熱が保証される。

予熱放射線ビームの反射が最小となる角度θ_１５０で予熱放射線１５０を基板１０に照射することが望ましいが、これは常に都合がよいことまたは可能なことではない。なぜなら、基板１０の反射率が、様々な薄膜およびその他の構造を有することがある表面１２の性質に依存するためである。

これらの構造は、接合領域におけるベア（ｂａｒｅ）シリコンから、フィールド酸化物やフィールド酸化物上のポリシリコンにおよぶ。典型的な集積回路は、３０〜５０％のフィールド酸化物と、約１５〜２０％のベアシリコンまたはシリコン上のポリシリコンとを含み、残りはフィールド酸化物上のポリシリコンである。しかしながら、これらの割合は、回路によって、さらには回路上でも異なる。

図１１は、接合の活性化の準備ができたシリコン基板に通常存在するフィールド酸化膜（３００ｎｍ、４００ｎｍ、および５００ｎｍ）の例とともに、ベアシリコンの反射率Ｒ（％）の変化と入射角θ_１５０（°）を示すプロットである。図１１のプロットは、基板に入射する放射線が８００ｎｍの波長を有し、かつＰ−偏光されていると仮定している。このプロットから明らかなように、これらの膜では、最適な動作点は、反射率がすべて約１４％となる角度である約５５°の入射角θに対応している。

図１２は図１１と同様のプロットであり、シリコン基板上の３００ｎｍ、４００ｎｍ、および５００ｎｍの厚みを有する酸化物層上の１３０ｎｍの厚みを有するポリシリコン層の反射率を示す。この場合、理想的な動作入射角というものはないが、５５°が賢明な選択である。実際には、ポリシリコン層およびシリコン層内の活性化ドーパントの存在によって、これらの領域はより金属的になり、すべての入射角において反射率が上昇する。

図１６を簡単に参照すると、詳細に後述するが、予熱放射線源１４２から基板１０に十分なエネルギーを移動させるために、予熱放射線ビーム１５０は基板における相当な入射角の範囲を有することが必要であり、すなわち、予熱レンズ１４３は実質的な開口数ＮＡ＝ｓｉｎφ_１５０を有することが必要である。ここで、φ_１５０は、軸Ａ２と予熱放射線ビーム１５０の外側の光線１５０Ａまたは１５０Ｂとによって形成される半角である。なお、入射角θ_１５０は表面法線Ｎと軸Ａ２との間で測定され、後者は予熱放射線ビーム１５０の軸光線も表している。軸光線と表面法線Ｎとの間の角度は、本明細書では角度範囲の「中央角度」と呼ぶ。

一実施形態では、入射面において２０°の範囲の入射角を考慮すると、図１１のプロットは、様々な膜積層体間の反射率のばらつきを最小化するために賢明な選択は、入射角θ_１５０が約４２°から約６２°の範囲であり、中心が約５２°であることを示唆している。

実際には、基板から反射される予熱放射線をなくすことは困難であるため、本発明の一実施形態では、反射予熱放射線１５０Ｒを捕らえることと、「リサイクル放射線１５０ＲＤ」として基板に向け返すこととを含み、リサイクル放射線１５０ＲＤは基板に吸収され
て基板の加熱に寄与する。

したがって、図１３は、図１０Ｂと同様の本発明のＬＴＡ装置８の一実施形態の拡大模式図を示し、ＬＴＡ装置８はリサイクル光学系３００を含む。このリサイクル光学系３００は反射予熱放射線１５０Ｒを受け、反射予熱放射線１５０Ｒをリサイクル予熱放射線１５０ＲＤとして基板に向け直すように配置されたリサイクル光学系３００は、表面法線Ｎに対して角度θ_{１５０ＲＤ}をなす軸Ａ３に沿って配置されている。リサイクル系３００が反射予熱放射線１５０Ｒを最適に受けられるように、一実施形態では、角度θ_{１５０ＲＤ}は予熱放射線ビームの入射角θ_１５０と等しくなっている。

図１４は、リサイクル光学系３００の一実施形態の断面図であり、このリサイクル光学系は、中空のコーナーキューブ反射体３１０と、レンズから基板までの表面１２の距離に対応する焦点距離Ｆを有する集光／集束レンズ３１６とを含む。中空のコーナーキューブ反射体３１０は、直角に交差する３つの反射表面を有するが、図１４に模式化して示すように、２つの表面３１２，３１４のみが示されている。

動作時には、レンズ３１６は基板の表面１２から反射予熱放射線１５０Ｒを集光し、反射予熱放射線１５０Ｒを並列光線３２０としてコーナーキューブ反射体の表面３１２，３１４に向ける。並列光線は３つの反射体表面によって反射されて、レンズ３１６とは正反対の方向に並列光線３２０’として向けられる。並列光線３２０’はリサイクル予熱放射線１５０ＲＤを構成することになる。並列光線３２０’はレンズ３１６によって集光され、基板の表面１２において元の点に再集束される。

図１５は、図１４に示す実施形態の変形の断面図であり、コーナーキューブ反射体３１０は軸Ａ３に対してΔＤ変位して（ずれて）いる。このため、基板における反射予熱放射線ビーム１５０Ｒとリサイクル予熱放射線ビーム１５０ＲＤとの間には入射角のずれが生じている。なお、基板上のビームの位置は同じであり、入射角のみが変化している。２つのビームの入射角間の相対的なずれは、反射予熱放射線が予熱放射線源１４２に戻り、放射線源の不安定さを引き起こすことを防ぐために利用することができる。この特有の実施形態では、ビームの偏光が保存されないため、全内部反射を使用する屈折コーナーキューブは有効ではない。

図１６は、リサイクル光学系３００の別の実施形態の断面図である。このリサイクル光学系３００は、集光／集束レンズ４５０と、格子表面４６２を有する回折格子４６０とを有する。一実施形態では、レンズ４５０は高解像テレセントリックリレーであり、第１および第２のレンズ４７０，４７２と、第１のレンズと第２のレンズとの間に位置する開口絞り４７４とを有する。さらに、この実施形態では、レンズは基板側で焦点距離Ｆ１を、回折格子側で焦点距離Ｆ２を有し、基板の表面１２がレンズ４７０から軸Ａ３に沿って測定された距離Ｆｌ離れて位置し、かつ、回折格子４６０がレンズ４７２から軸Ａ３に沿って測定された距離Ｆ２離れて位置するように、レンズが配置されている。２つのレンズ４７０，４７２は、２つの焦点距離の合計と等しい距離によって分離されている。

好ましくは、格子表面４６２は、予熱放射線ビーム１５０の放射線の波長を最適に回折させ、入射放射線が回折されて入射経路に沿って戻るようになっている。最適な格子期間ＰはＰ＝ｎλ／２ｓｉｎθ_Ｇによって与えられ、λは予熱放射線の波長であり、θ_Ｇは表面法線Ｎ_Ｇに対する回折格子への入射角であり、ｎは回折格子を取り囲む媒質の屈折率（空気の場合はｎ＝１）である。回折格子の目的は、基板における傾斜焦点面を補償することであり、さもなければ、返像は、像点４６８とリレー４５０の軸との間の図１６の平面における距離に依存する量によって焦点がずれる。リレー４５０が−１×で動作するこのジオメトリーでは、θ_Ｇ＝θ_１５０＝θ_１５０Ｒ＝θ_{１５０ＲＤ}である。通常は、ｔａｎ
θ_Ｇ＝Ｍｔａｎθ_１５０であり、Ｍは基板から回折格子までのリレー４５０の倍率である。

動作時には、反射放射線１５０Ｒはテレセントリックリレー４５０によって集光され、テレセントリックリレー４５０はレンズ４７０およびレンズ４７２を含み、放射線は格子表面４６２に焦点合わせされる。格子表面４６２は放射線をリレー４５０に向け返し（より正確には回折させ）、リレー４５０は、反射予熱放射線が由来する点４６８またはその近傍へ向けて表面１２にリサイクル予熱放射線１５０ＲＤを向け返す。

図１６の実施形態の欠点は、反射予熱放射線１５０Ｒが連続的に回折格子の非常に小さな点において結像されることで、回折格子が溶融したりまたは損傷したりする可能性があることである。回折格子の代わりに法線入射ミラー（図示せず）を使用した場合にも同様な問題が起こり得る。したがって、図１６の実施形態を使用して図１Ｃの装置８を動作させる場合には注意が必要である。

図１７は、基板１０を予熱するための配置の実施形態の模式的な断面図である。この配置は、２つの予熱光学リレー系１４０，１４０’を採用する。予熱光学リレー系１４０は予熱放射線源１４２を有し、予熱放射線源１４２は予熱放射線ビーム１５０を放射し、予熱放射線ビーム１５０は基板に像１６０を形成する。予熱光学リレー系１４０’は予熱放射線源１４２’を有し、予熱放射線源１４２’は予熱放射線ビーム１５０’を放射し、予熱放射線ビーム１５０’は基板に像１６０’を形成する。一実施形態では、予熱光学リレー系１４０，１４０’はそれぞれ、基板において少なくとも部分的に互いに重なる像１６０，１６０’を形成するように配置されている。このような配置によって、予熱放射線源１４２，１４２’は高パワーの予熱放射線１４７，１４７を出力する必要がなくなる。一実施形態では、予熱放射線源１４２，１４２’はレーザーダイオードアレイである。この実施形態では、レーザーダイオードアレイは、波長が７８０〜８４０ｎｍの放射線を発する。予熱放射線源１４２，１４２’は、コントローラ３２に動作的に接続されている。

一実施形態では、アニール放射線ビーム２０（図１Ｃ）は、シリコンのブルースター角またはその近傍の入射角θ_２０で基板に入射する（すなわち、１０．６μｍでθ_２０〜７５°（θ_２０≦７５°））。図１７の予熱放射線ビーム１５０，１５０’は、予熱ビームのより大きな拡散角のために、ブルースター角とは異なってもよい角度θ_１５０，θ_１５０’で入射する。一実施形態では、入射角θ_１５０，θ_１５０’は等しく（例えば、約５２°）、別の実施形態では、入射角θ_１５０，θ_１５０’は異なる。

一実施形態では、ビームが基板の表面１２に対して走査される時に、基板の予熱部分にアニール放射線ビーム２０（および像３０）が到達する前に基板が予熱されるように、像１６０，１６０’が像３０の前方（すなわち、走査方向における前方）に形成される。

図１７の実施形態は２つの予熱放射線ビーム１５０，１５０’に限定されるものではない。通常、必要な予熱効果を達成するために、あらゆる適当な数の予熱放射線ビームを使用して対応する像を基板の表面１２に形成することができる。

以上の詳細な説明では、容易に理解できるように様々な特徴を各種実施形態に分類した。本発明の多くの特徴および利点は詳細な明細書から明らかであり、したがって、それは、添付した請求項によって本発明の真の精神および意図に従う上述した装置の特徴および利点をすべ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および変更を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くない。したがって、その他の実施形態は、添付した請求項の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (3)

1. 表面を有するシリコン基板に室温で実質的に吸収されないレーザアニール放射線ビームを用いて該基板のレーザ熱アニールを行なうために、該基板を予熱する方法であって、
   室温で前記基板に実質的に吸収され、かつ、前記レーザアニール放射線ビームの波長より短い波長を有する第１及び第２の予熱放射線ビームを該基板の第１の部分に照射して前記基板上に第１の走査像を形成すること、及び、
   前記第１の走査像を前記基板の上方で走査して、前記基板の対応部分を予熱すること、を含み、
   前記基板の対応部分は、続いて第２の走査像の前方に存在するか又は前記第２の走査像と部分的に重なり、
   前記第２の走査像は、前記レーザアニール放射線ビームによって前記基板の予熱された部分に形成され、
   前記予熱放射線ビーム及び前記レーザアニール放射線ビームが、前記レーザアニール放射線ビームが前記基板に実質的に吸収され始める前記基板の臨界温度以上に予熱される前記基板の対応部分を有する前記基板の表面に関して走査され、
   前記第１及び第２の予熱放射線ビームは、前記基板の対応部分を前記臨界温度以上に予熱し、
   前記レーザアニール放射線ビームは、前記第１及び第２の予熱放射線ビームによって前記臨界温度以上に予熱された前記基板の対応部分に関して走査され、
   前記第１及び第２の予熱放射線ビームはそれぞれ、前記基板の表面の同じ部分に照射され、ｐ偏光されており、前記レーザアニール放射線ビームの波長よりも短い波長を有し、かつ、前記基板に対して、前記基板表面の構造による熱吸収のばらつきを最小化する角度で入射し、
   前記基板は、１×１０ ^１６ 原子／ｃｍ ^３ 以下のドーパント濃度を有し、
   前記レーザアニール放射線ビームは、ＣＯ _２ レーザ放射線ビームである、方法。
2. 請求項１において、
   前記レーザアニール放射線ビームは、ブルースター角とその近傍で前記基板に入射し、
   前記第１および第２の予熱放射線ビームは、中央角度を含む角度範囲を超えて前記基板に入射し、
   各角度範囲に対する前記中央角度は、ブルースター角と異なる、方法。
3. 請求項１において、
   前記第１及び第２の予熱放射線ビームがそれぞれ、
   ｉ）０．１５〜０．５の前記基板における開口数と、
   ｉｉ）約５２°の入射角と、
   を有するように形成することを含む、方法。

Images