JP5537615B2 - 時間平均化ライン像を形成するシステム及び方法 - Google Patents

時間平均化ライン像を形成するシステム及び方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１０月２２日に出願された米国出願１２／９２５，５１７の一部継続出願であり、原出願の内容は本出願に援用される。
本発明は一般にライン像の使用に関し、特に、強度均一性が比較的高い時間平均化ライン像を形成するシステム及び方法に関する。
強度が比較的均一なライン像の利用を必要とする様々な分野が存在する。その一例がレーザ熱処理（ＬＴＰ）である。この技術分野では、ＬＴＰはレーザスパイクアニール（ＬＳＡ）または単に「レーザアニール」と呼ばれることもある。レーザアニールは、トランジスタ等の能動型の超小型回路を形成する際、半導体ウエハに形成される装置（構造）の所定領域で不純物を活性化する場合など、半導体製造の様々な用途に利用されている。
レーザアニールの一形態では、レーザ光線で走査されるライン像が利用され、半導体構造（例えば、ソース領域及びドレイン領域）の不純物の活性化には十分であるが、実質的な不純物の拡散防止には短い時間、ウエハの表面を所定温度（アニール温度）まで加熱する。ウエハの表面がアニール温度になる時間は、ライン像の出力密度、ならびに、ライン像を走査する速度（走査速度）でライン像の幅を除算した結果によって決定される。
民生レーザアニールシステムで高ウエハスループットを実現するためには、ライン像は、できるだけ長く、高い出力密度を有する必要がある。利用可能なライン像寸法の一例としては、長さ（走査方向と交差する方向の寸法）が５ｍｍから１００ｍｍであり、幅（走査方向の寸法）が２５ミクロンから５００ミクロンである。また、均一なアニールを実現するためには、ライン像長に沿った強度プロファイルができるだけ均一であることが必要であり、走査プロセス中にライン像幅に沿った非均一性を平均化することが必要である。
典型的な半導体プロセス要件として必要となるアニール温度は、１０００℃から１３００℃である。そして、このときの温度均一性はプラス／マイナス３℃である。このような温度均一性を実現するためには、アニール光線により形成されるライン像が、走査方向と交差する方向において、ほとんどの状況で変動がプラス／マイナス５％未満となる比較的均一な強度を有する必要がある。
ＣＯ２レーザ装置はレーザアニールの用途に好ましい光源である。ＣＯ２レーザの波長（通常１０．６ミクロン）がウエハ上のほとんどの装置構成の大きさよりもはるかに長いからである。装置構成の大きさと同様の波長を利用した場合、露光時にパターン関連の変動が発生し得るので、装置構成よりも長い波長は重要である。したがって、ウエハが１０．６ミクロンの波長光で照射される場合、装置構成から散乱する光は最小限となり、その結果、露光がより均一となる。さらに、ＣＯ２レーザ装置は、比較的強度の高い光線を照射する。しかし、ＣＯ２レーザ装置のコヒーレント長は、比較的長く、典型的には数メートルである。これにより、バイナリ光学アプローチを使用して、ケーラー照明の法則に基づき、必要な強度均一性（１０％未満、即ち、プラス／マイナス５％の強度均一性）のライン像を生成することが不可能となる。
米国特許第７，５１４，３０５号明細書 米国特許第７，４９４，９４２号明細書 米国特許第７，３９９，９４５号明細書 米国特許第６，３６６，３０８号明細書 米国特許第７，６１２，３７２号明細書 米国特許第７，１５４，０６６号明細書 米国特許第６，７４７，２４５号明細書 米国特許第７，０９８，１５５号明細書 米国特許第７，１４８，１５９号明細書 米国特許第７，４８２，２５４号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００８４７４４号明細書
本発明は、概して、レーザを用いた熱アニール処理における所定のプロセスにおいて、実質的にプロセス温度制御を持続することにより時間平均化ライン像を形成するためのシステム及び方法に関するものである。このシステム及び方法は、少なくとも部分的にレーザアニール中のウエハ表面における放射率のばらつきを温度測定学的に補正することにより、ウエハ表面に形成されたライン像の温度プロファイルのシステマティックな、あるいは確率論的な非均一性を実質的に減少あるいは消滅させる。
本発明の一態様は、表面を有する半導体ウエハの熱アニールに用いられるライン像形成光学システムである。このシステムは、ウエハ表面にライン像を形成する一次光学システムを有しており、このライン像は、長軸及び当該長軸に沿った強度不均一性の第１量を有している。このシステムは、二次レーザ光線波長及び二次レーザ光線強度を有する二次レーザ光線を生成する二次レーザシステムも有している。このシステムは、さらに、第１視野を有しているとともに、二次レーザ光線を受けて、ウエハ表面に二次像を形成する走査光学系を有している。二次像は、少なくとも一部分がライン像と重複するとともに、ライン像の少なくとも一部によって走査されて、第１量よりも少ない強度不均一性の第２量を有する時間平均化修正ライン像が形成される。このシステムは、走査光学系の第１視野と実質的に同じである第２視野において、走査光学系を用いてウエハ表面からの放熱光を検出する放熱検出システムを有している。この放熱検出システムは、検出された放熱光に対応する電気信号を生成するようになっている。このシステムは、放熱検出システムからの電気信号を受けるとともに、当該電気信号に応答して二次レーザ光線の強度及び二次レーザ光線の走査速度の少なくとも一方を調整するコントローラを有している。
このシステムにおいて、放熱光は、二次レーザ光線波長とは１００ｎｍから２００ｎｍ相違する放射波長を有するのが好適である。
好ましくは、このシステムにおいて、放熱検出システムは、さらに、二次レーザシステムと走査光学系との間の光路に配置されたダイクロイックミラーを有している。ダイクロイックミラーは、二次レーザ光線を透過し、放熱光を反射する。放熱検出システムは、反射された放熱を受けて、これを偏光させることによって二次レーザ光線と同じ偏光にするように配置された偏光板を有している。放熱検出システムは、偏光された放熱光を集束させる集束レンズを有している。また、放熱検出システムは、偏光され集束された放熱光を受ける光検知器を有している。また、放熱検出システムは、ダイクロイックミラーと光検知器との間に配置されたバンドパスフィルタを有している。このバンドパスフィルタは、放熱光を通し、二次レーザ光線波長を有する光を遮断する。
当該システムは、ウエハ表面から反射する二次レーザ光線からの光を受けるとともに、当該光に対応して、反射光における出力量の代表として光検知器信号を生成する集光光学システムを有している。このシステムは、二次レーザ光線における出力量を測定する二次レーザシステムの出力センサを有している。コントローラは、反射光中の出力量及び二次レーザ光線中の出力量に基づいて二次レーザ光線の反射性を計算する。
このシステムにおいて、コントローラは、測定された放熱及び計算された反射性に基づいてウエハ表面の温度を計算するようになっているのが好適である。
このシステムにおいて、集光光学システムは、さらに、積分球及び光検知器を有するのが好適である。
このシステムは、さらに、１ミクロン未満の波長を有する予熱光線を放射する予熱光源を有するのが好適である。予熱光線は、走査光学系を通してウエハ表面に向けられている。
本発明の他の局面は、半導体ウエハの表面に時間平均化修正ライン像を形成する方法である。この方法は、像平面において、長軸方向に強度不均一性の第１量を有するライン像を形成する工程を有している。この方法は、ライン像の少なくとも一部に対して長軸方向に二次像を形成及び走査するとともに、走査された二次像に関連するウエハ表面の一部からの放射率を測定する工程も有している。この方法は、さらに、第１量よりも小さい、長軸方向の強度不均一性の第２量を有する修正ライン像を形成するために、測定した放射率に基づいて走査速度及び二次像の強度のいずれか一方を調整する工程を有している。
この方法は、測定した放射率及びウエハ表面からの二次像の反射性に基づいて温度を決定する工程を有するのが好適である。また、この方法は、さらに、決定した温度に基づいて、走査速度及び強度の一方の調整を行う工程を有している。
この方法は、さらに、光路を有する二次光学システムを用いて二次像を形成する工程を有するのが好適である。この方法は、また、二次光学システムにおける光路の少なくとも一部における放射率の測定を実施する工程を有している。
この方法は、さらに、走査光学系を用いて二次像を走査する工程を有するのが好適である。
この方法は、さらに、１ミクロンよりも小さい波長を有する予熱光線を用いてウエハ表面を局所的に加熱する工程を有するのが好適である。
本発明の他の局面は、半導体ウエハの表面に時間平均化修正ライン像を形成する方法である。この方法は、像平面において、長軸方向に強度不均一性の第１量を有するライン像を形成する工程を有している。この方法は、また、少なくともライン像の一部に重なる二次像を形成する工程を有している。この方法は、また、少なくとも一次像の一部に重なるようにして、長軸方向に二次像を走査するとともに、走査された二次像に関連するウエハ表面の一部からの放射率及び反射性を測定する工程を有している。この方法は、さらに、測定した放射率及び反射性に基づいて、ウエハ表面温度を計算する工程を有している。この方法は、付加的に、計算されたウエハ表面温度に基づいて、走査速度及び二次像の強度の少なくとも一方を調整する工程を有している。
この方法は、さらに、光路を有する二次光学システムを用いて二次像を形成する工程を有するのが好適である。この方法は、また、二次光学システムにおける光路の少なくとも一部において放射率の測定を実施する工程を有している。
この方法は、走査光学系を用いて二次像を走査する工程を有するのが好適である。
この方法は、１ミクロンよりも小さな波長を有する予熱光線を用いてウエハ表面を局所的に加熱する工程を有するのが好適である。
この方法は、ウエハ表面で反射するとともに走査された二次像からの光をとらえるように配置された積分球を用いて反射性を測定する工程を有するのが好適である。この方法は、また、二次像における出力量を測定する工程を有している。
この方法は、二次像を形成するために、二次レーザシステムからの二次光を生成する工程を有するのが好適である。この方法は、また、二次レーザシステムにおける出力センサを用いて二次像における出力量を測定する工程を有している。
本発明のさらなる特徴及び利点は、下記の詳細な説明（発明を実施するための形態）に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、下記の詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。
上記の背景技術に関する記載及び下記の本発明の詳細な説明に関する記載は、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を図示するものであり、本明細書の記載とともに、本発明の原則及び実施を説明するための一助となる。特許請求の範囲に記載した内容は、本明細書に援用されるとともに、本明細書の一部を構成する。
一次レーザシステムと二次レーザシステムを使用する本発明に係るライン像形成光学システムの一例の一般概略図である。 図１Ａと同様であり、一次レーザ光線の一部を方向転換させることにより二次レーザ光線を形成する実施形態の一例を示す図である。 理想的なライン像の概略図である。 短軸（走査）方向に沿って抽出された、図２の理想的なライン像に関する距離（ｍｍ）に対する正規化強度の理想的なプロットであり、理想的な強度プロファイルの一例を四角形（実線）とガウス分布（破線）で示す図である。 長軸（走査方向と交差する）方向に沿って抽出された、図２の理想的なライン像に関する距離（ｍｍ）に対する正規化強度の理想的なプロットであり、理想的な強度プロファイルの一例を四角形（実線）とガウス分布（破線）で示す図である。 図２と同様であるが、ライン像（一次像）よりも小さく、ライン像と重なる二次像を示し、二次像が走査プロファイルに従って一次像の長軸方向に沿って走査されることを示す図である。 従来技術の強度輪郭プロットであり、従前のライン像形成システムにより形成されるライン像の一例で照射された基板の放熱を測定して得られるプロットである。 図５の従来技術の強度輪郭プロットに関する短軸方向における距離に対する強度のプロットである。 図５の従来技術の強度輪郭プロットに関する長軸方向における距離に対する強度のプロットである。 長手方向において強度不均一性が比較的高いライン像の一例の強度輪郭プロットであり、ライン像の長軸に沿って走査される二次像の一例を示す図である。 図７Ａのライン像の長軸方向における距離に対する強度のプロットであり、ライン像の長軸に沿って走査される二次像及び走査プロファイルに従って変化する二次像の強度（破線）を示す図である。 ライン像の長軸方向における距離に対する強度のプロットであり、走査プロファイルに従って二次像を長軸方向に沿って走査することにより形成される時間平均化修正ライン像の強度プロファイルを示す図である。 図８Ａの修正ライン像に対応する強度輪郭プロットであり、図７の強度輪郭プロットと比較すると、時間平均化修正ライン像が従前の形成されたライン像よりも高い強度均一性を長軸方向に有することを示す図である。 長軸方向における距離（ｍｍ）に対する強度（カウント数）のプロットであり、ライン像の長軸に沿った強度プロファイルの傾きの一例を示す図である。 図９と同様に、パターン化されたシリコンウエハ上に形成されるライン像の放熱像を測定したプロットであり、ウエハパターンから散乱する光に起因する高い空間周波数特性を示す図である。 図９と同様に、パターン化されたシリコンウエハ上に形成されたライン像の放熱像を測定したプロットであり、ウエハパターンから散乱する光に起因する高い空間周波数特性を示す図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂと同様であり、ウエハパターンによる散乱光に起因する高い周波数変調を取り除くために、放出像をローパスフィルタでフィルタリングしたことを示す図である。 本発明のライン像形成システムを備え、強度均一性が比較的高い走査修正ライン像を形成して半導体ウエハを熱アニールするレーザアニールシステムの一例の概略図である。 半導体ウエハの部分平面図であり、ウエハ表面に対する走査修正ライン像のウエハ走査経路の一例を示しており、ウエハ走査経路が直線状走査経路部を有し、隣接する直線状走査経路部がステップ距離ＤＳだけ離間し、隣接する直線状走査経路部の修正ライン像の縁が部分的に重なることを示す図である。 レーザアニール実行時におけるウエハ走査経路の隣接する走査経路部の従前のライン像（実線及び破線）に関するライン像強度と対応するライン像の概略図であり、ライン像が長軸に沿って実質的に均一ではなく、隣接する走査経路部によってライン像が重ならない場合、どのように強度ギャップが形成されるかを示す図である。 図１３Ａと同様の図であり、従前の形成されたライン像に関し、隣接する走査経路部のライン像が長軸方向に５０％重なることを示す図である。 図１３Ｂと同様の図であるが、ウエハ走査経路の隣接する走査経路部の修正ライン像に関する強度プロファイル及びライン像を示し、必要な重なり量が図１３Ｂの従前に形成されたライン像よりもはるかに少ないことを示す図である。 図１Ａに示されたものと同様の、ライン像形成光学システムの概略図であるが、放熱検出システム用の改良された構成を有している。 二次光線からの光量の測定に用いられる集光光学システムの一例の拡大概略図である。当該二次光線は、ウエハ表面の一部分の温度をリアルタイムで計算するためのプロセスの一部として、ウエハ表面から反射されたものである。 図１４と同様の図であり、本発明のレーザアニール処理を実施する上で、ウエハの予熱に用いられる予熱光源を有する実施例を示している。
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。なお、添付の図面に、実施形態の一例を図示する。図中、同一または同様の部分を参照する為、可能な限り同一または同様の参照番号及び符号を使用する。
なお、ここで使用する「ライン像」とは、一般的に、像平面で光線により形成される光の細長い強度分布を示しており、古典的な意味で関連する「物体」を必ずしも必要としない。例えば、上述の光線を像平面でライン状に収束させる光線調節光学系を使用し、ライン像を形成することができる。
また、「時間平均化ライン像」は、強度が所定時間測定され、その時間で平均化されるライン像として定義される。
（ライン像形成光学システム）
図１Ａは、本発明に係るライン像形成光学システム（以下「システム」と称す）１０の一例の一般概略図である。参照の為、直交座標系をここに併記する。システム１０は、一次レーザシステム２０を備える。一次レーザシステム２０は、Ｚ方向に延びる光学軸Ａ１に沿って初期の一次レーザ光線２２を放射する。一次レーザシステム２０の下流には、光線調節光学系３０が光学軸Ａ１に沿って配置されている。光線調節光学系３０は、初期の一次レーザ光線２２を受光し、そこからライン像形成光線３２（以下「一次光線」と称する場合もある）を形成するように構成されている。ライン像形成光線３２は、ＸＹ平面に位置する像平面ＩＰ上にライン像３６（以下「一次像」と称する場合もある）を形成する。一次レーザシステム２０及び光線調節光学系３０は、光路ＯＰ１を有する一次光学システム２１の一例の構成要素である。
図２は、像平面ＩＰ上に形成される理想的なライン像３６の概略図である。理想的なライン像３６は、「短軸」幅Ｗ１Ｘ及び「長軸」長さＬ１Ｙを有する。また、図２の理想的なライン像３６（つまり、代表的なライン像３６）は、ライン像３６の理想的な「フラットトップな」強度輪郭プロットを示す。
図３Ａ及び図３Ｂは、０．０２５ｍｍ以下の幅Ｗ１Ｘ及び１０ｍｍ以下の長さＬ１Ｙを有する理想的なライン像３６に関する、距離（ｍｍ）に対する正規化強度の理想的なプロットである。図２については、正規化強度１における明瞭に画定した単一の強度輪郭を有する理想的な強度輪郭プロットとして考えることができる。
再び図３Ａを参照すると、短軸に沿って単一の最大値を有する（例えばガウス型または近ガウス型の）滑らかなプロファイル（破線状の曲線）についても、理想的な像３６に適した短軸強度プロファイルとなっている。
図１Ａを再び参照すると、光線調節光学系３０は、複数のレンズ、複数のミラー、複数の孔、複数のフィルタ、複数の能動光学要素（例えば、可変減衰器等）、これらの組み合わせを備えてもよい。光線調節光学系３０の一例は、米国特許第７，５１４，３０５号明細書、第７，４９４，９４２号明細書、第７，３９９，９４５号明細書、第６，３６６，３０８号明細書、米国特許出願第１２／８００，２０３号に開示されており、これらを本願に援用する。
一例では、表面４４を有する平面状の加工対象物４０が像平面ＩＰに配置される。つまり、加工対象物表面が実質的に像平面ＩＰに位置する。一例において、加工対象物４０は半導体ウエハを有する。以下では、文脈に応じて、加工対象物４０をウエハ４０と記述する。
ここまでのシステム１０の記載では、従前のライン像形成光学系について述べている。しかし、引き続き図１Ａを参照すると、本発明に係るシステム１０は、二次レーザシステム５０も備える。二次レーザシステム５０は、Ｚ方向に延びると共に軸Ａ１に平行な光学軸Ａ２に沿って初期の二次レーザ光線５２を照射する。また、システム１０は、光学軸Ａ２に沿って二次レーザシステム５０の下流に配置される走査光学系６０を備える。実施形態の一例では、二次レーザシステム５０と走査光学系６０との間に可変減衰器５６が配置されている。二次レーザシステム５０及び走査光学系６０は、二次光路ＯＰ２を有する二次光学システム５１を規定する。
システム１０は、さらにコントローラ７０を備える。後述するが、コントローラ７０は、二次レーザシステム５０、随意の可変減衰器５６、走査光学系６０に動作可能に接続され、電気制御信号Ｓ５０，Ｓ５６（随意）、Ｓ６０により、システム１０の一部としてのこれらシステム（及び、随意の減衰器５６）を連携させるように構成されている。
走査光学系６０は、初期の二次レーザ光線５２を受光し、そこから像平面ＩＰに二次像６６を形成する走査レーザ光線６２（「二次光線」とも称す）を形成するように構成されている。図４を参照すると、走査光学系６０は、走査プロファイルに基づいて、少なくともライン像３６の一部に対して二次像６６を走査するように構成されている。Ｙ方向の矢印６８で示されるように、走査プロファイルは、長軸方向（即ち、Ｙ方向）に一次像を走査する。一般に、二次像６６は、一次像３６よりも小さく（即ち、より小さな領域を有し）、二次像６６が固定される場合、少なくとも部分的に一次像３６と重なる。
図４に示される一例では、二次像６６はライン像３６と完全に重なる。即ち、二次像はライン像の範囲内にある。「部分的に重なる」二次像は、ライン像３６の境界を越える場合もある。したがって、図４に示されるように二次像が完全にライン像と重なる状況を意味する場合もあるが、二次像６６はライン像３６と「少なくとも部分的に重なる」ということになる。結果的に、ここで理解され使用される二次像とライン像との「完全な重なり」という表現は、二次像がライン像を完全に覆う状況を意味しない。場合によっては、二次像６６は、ライン像３６と完全に重なり、ライン像３６の範囲内に十分収まる。二次像６６は、ライン像短軸幅Ｗ１Ｘよりも実質的に短い幅Ｗ２Ｘを有する。一例では、ライン像３６と二次像６６の寸法は、所定の強度値（即ち、強度閾値）で規定される。
以下、走査プロファイルに基づいて、一次像３６に対して相対的に二次像６６を走査する目的についてより詳細に述べる。後述するが、二次像６６の形状は、修正ライン像３６´を形成する機能を実現する様々な一般形状（例えば、直線、円、楕円、長方形、正方形等）のいずれであってもよい。
図１Ｂは図１Ａと同様であり、初期の一次レーザ光線２２の一部を方向転換させることで初期の二次レーザ光線５２を形成するシステム１０の実施形態の一例を示している。一例では、軸Ａ１に沿ってビームスプリッタＢＳを配置し、初期の一次レーザ光線２２の一部２２´を方向転換させることにより、この実施形態の一例が実現される。レーザ光線部２２´を軸Ａ２に沿って導くために、折り返しミラーＦＭが随意に使用される。このため、レーザ光線部が初期の二次レーザ光線５２として機能することが可能となる。ビームスプリッタＢＳと折り返しミラーＦＭとは、初期の一次レーザ光線２２の一部２２´を導き、初期の二次レーザ光線５２を形成する光線分割光学系７４の一例を構成する。ここで検討される光線分割光学系７４の他の変形例には、ビームスプリッタＢＳの代わりに、初期の一次レーザ光線２２の僅かな部分を折り返しミラーＦＭに向けて屈折させる小型ミラー（図示せず）を使用する場合が含まれる。図１Ｂの実施例において、システム１０は、さらに、２つの光路ＯＰ１、ＯＰ２、及び二次レーザシステム５０ではなく一次レーザシステム２０を有する二次光学システム５１を備えている。
一例では、レーザ光線部２２´は、随意の光線調節光学系３０´によって処理される。また、光線調節光学系３０´は、調節された二次光線５２、即ち、レーザ光線部２２´より均一な強度を断面に有する光線を形成するように構成されている。光線調節光学系３０´は、適した二次光線６２を形成する走査光学系６０による使用に適した光線５２を形成するために、複数のレンズ、複数のミラー、複数の孔、複数のフィルタ、複数の能動光学要素（例えば、可変減衰器等）、これらの組み合わせを有してもよく、この点で光線調節光学系３０と同様である。一例では、コントローラ７０は、光線調節光学系３０´に電気的に接続され、制御信号Ｓ３０´によって任意の能動光学要素を制御する。
（ライン像の強度均一性）
図５は、従前のライン像形成システムによって形成されたライン像３６の一例で照射された半導体ウエハの放熱を測定して得られた強度輪郭プロット（従来技術）である。強度輪郭は正規化強度に基づいている。また、短軸の強度変化を強調するために、短軸方向が拡大されている。
図５のライン像３６の強度輪郭プロットに関し、図６Ａは端軸方向における距離に対する強度をプロットするグラフであり、図６Ｂは長軸方向における距離に対する強度をプロットするグラフである。
図５、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、長軸強度プロファイルは、図６Ｂの平行な破線で示される範囲において、約２０％の強度変化を示す。長軸方向のライン像強度プロファイルには、例えば、回折、光学収差、光学誤差（ズレ）、これらの組み合わせ等、多くの異なる要因に起因し得る強度変化が含まれる。典型的には、動的収差及び／またはズレにより、長軸に沿って経時変化する傾きの形で、強度不均一性が引き起こされる。この現象を「光線揺らぎ」と称する場合もある。また、ライン像３６の強度プロファイルには、例えば、残留加熱効果または静的ズレによる静的な傾きが含み得る。
例えば、アニールプロセスにおいてウエハに高い温度均一性が要求されるレーザアニール等の特定用途において、長軸方向に相当な（例えば、２０％）強度不均一性が生じることを許容することはできない。
図７Ａは、長軸に沿って比較的高い強度不均一性を有するライン像３６の一例の強度輪郭プロットであり、ライン像長軸に沿って走査される二次像６６の一例を示す。図７Ｂは、図７Ａのライン像の長軸方向における距離に対する強度のプロットであり、矢印６８で示すようにライン像長軸に沿って走査される二次像と、走査プロファイルに従って変化する二次像の強度（破線６９）とを示す。
ライン像の強度が低い場合、システム１０は、二次像６６を介してさらに（二次）強度を供給することにより、一次レーザシステム１０及び光線調節光学系３０のみで形成されるライン像３６の強度均一性を改善するように構成されている。実際には、この構成によって、通常は不均一なライン像３６の強度プロファイルが埋め合わされ、一次像３６と選択的に走査された二次像６６との時間平均化された組み合わせ、即ち、修正ライン像３６´が形成される。
図８Ａは、修正ライン像３６´の長軸方向における距離に対する強度のプロットであり、走査プロファイルに従って長軸方向に沿って二次像６６を走査することにより形成された時間平均化修正ライン像の強度プロファイルを示す。得られた修正ライン像３６´は、図２、３Ａ及び３Ｂに示される理想的な「フラットトップ」強度プロファイルに近い時間平均化強度プロファイルを有する。
図８Ｂは、図８Ａの修正ライン像３６´に対応する強度輪郭プロットである。図８Ｂの強度輪郭プロットは、図７Ａの強度輪郭プロットより長軸方向の強度均一性が高い。
修正ライン像３６´は、時間平均化されており、要求される強度均一性レベル（例えば、プラス／マイナス５％かそれより良好な数値）を実現する。時間平均化は、一次像３６の少なくとも一部に対する二次像６６の単数または複数の走査経路、一次像の長さを有する単数の走査経路、一次像に対する同一方向または前後方向（即ち、反対方向）の複数の経路のうち、いずれかにつき実行することができる。
システム１０がレーザアニールに使用される場合、一次レーザシステム２０が高出力ＣＯ２レーザ装置を備えてもよく、二次レーザシステム５０が低出力ＣＯ２レーザ装置を備えてもよい。または、図１Ｂに関して上述したように、単一の高出力ＣＯ２レーザ装置を使用して一次光線３２と二次光線６２の両者を形成してもよい。
一例では、走査光学系６０の操作により、二次像６６が一次像３６の長軸に沿って走査される。なお、二次像６６の走査時間ｔｓは、一次像３６の滞留時間ｔｄとほぼ同じかそれより短い。ここで、走査時間ｔｓは、二次像６６を走査経路に沿って走査する時間であり、滞留時間ｔｄは、加工対象物４０が像平面ＩＰに位置する場合、ライン像３６が像平面ＩＰの任意の地点（点）または加工対象表面４４上の点に留まる時間である。
ライン像３６が固定像平面ＩＰまたは像平面に配置される加工対象物に対して相対的に走査される場合（例えば、加工対象物がライン像に対して相対移動する場合）、滞留時間ｔｄは、ライン像が像平面または加工対象物上の任意の点を覆う時間である。
上述のシステム及び方法を使用することにより、修正ライン像３６´は、ライン像３６の強度不均一性よりも小さな時間平均化強度不均一性を有することができる。これは、ｉ）二次像６６をほぼ一定出力に維持し、二次像の走査を調整（即ち、加速及び／または減速）する方法、ｉｉ）二次像の出力を選択的に変化させ、実質的に一定速度で二次像を走査する方法、ｉｉ）方法ｉ）と方法ｉｉ）との組み合わせのいずれかで実現することができる。
二次像６６の強度量を選択的に変化させる必要がある場合、可調減衰器５６を使用することができる。このとき、可変減衰器５６は、制御信号Ｓ５６を介してコントローラ７０によって制御されることができる。これとは別に、または、これと組み合わせて、コントローラ７０は、制御信号Ｓ５０を使用して二次レーザシステム５０を調整することができる。
一例では、二次像６６がライン像３６の所定部分に対してのみ（即ち、さらに強度が必要な部分に対してのみ）走査されるように、走査プロファイルを構成することができる。これは、一次像に強度をさらに加える必要のない走査プロファイルの所定部分において、ほぼ「強度ゼロ」の二次像６６を使用することで実現することができる。
（レーザアニールの出力要件）
レーザアニールの用途に関し、従前のライン像の典型的な強度変化は、通常１０から２０％の間（即ち、プラス／マイナス５からプラス／マイナス１０％）にある。ライン像の出力密度の変化による処理温度の変化は、出力密度変化パラメータμ（ｙ）で説明される。このとき「ｙ」は、ライン像３６の長軸寸法である。アニール温度が約１３００℃のとき、μ（ｙ）の典型的な値は、約１から２％である。一次像３６の典型的な寸法は、長さＬ１Ｙ＝１０ｍｍであり、幅Ｗ１Ｘ＝０．１ｍｍである。また、一次レーザ光線２２の典型的な出力Ｐは５００Ｗである。したがって、一次像３６に関する出力密度または強度Ｉ１（エリアＡ１当たりの出力Ｐ１）の一例は、下記の通りである。
Ｉ１＝Ｐ１／Ａ１＝Ｐ／（Ｌ１Ｙ・Ｗ１Ｘ）＝（５００Ｗ）／（［１０ｍｍ］・［０．１ｍｍ］）＝５００Ｗ／ｍｍ２
エネルギー密度は「Ｅ＝Ｉ１・ｔｄ」により与えられる。ここで、「ｔｄ」は一次光線の滞留時間である。そして、エネルギー密度変化は「ΔＥ＝μ・Ｉ１・ｔｄ」となる。
二次レーザシステム５０は、一次像３６におけるエネルギー密度変化ΔＥを十分補償するエネルギー密度Ｅを有する二次像６６を提供する必要がある。
一例では、二次像６６の幅Ｗ２Ｘは、一次像３６の幅Ｗ１Ｘと実質的に同一、即ち、Ｗ１Ｘ〜Ｗ２Ｘである。この例では、二次像６６は、面積Ａ２＝Ｗ２Ｘ・Ｗ２Ｙ ＝Ｗ１Ｘ・Ｗ２Ｙを有する。また一例では、「ｔｓ＝ｖ・ｔｄ１（このとき、０＜ｖ＜１）」となるように、走査時間ｔｓ（即ち、一次光線滞留時間ｔｄの一部）において、二次像６６が一次像３６に対して走査される。
二次レーザシステム５０が供給する必要のある出力Ｐ２は、下記の等式から推定される。
Ｍａｘ｛（μ）｝・Ｉ１・ｔｄ＝（Ｐ２・ｔｓ）／（Ｗ１Ｘ・Ｗ２Ｙ）
この等式を「Ｉ１＝Ｐ１／（Ｗ１Ｘ・Ｌ１Ｙ）」でまとめると、Ｐ２を下記の通り表すことができる。
Ｐ２＝Ｐ１｛Ｗ２Ｙ／Ｌ１Ｙ｝・｛（Ｍａｘ（μ））／ｖ｝
Ｐ１＝５００Ｗ、ｍａｘ（μ）＝０．０２、ｖ＝０．１、Ｗ２Ｙ＝０．１ｍｍ、Ｌ１Ｙ＝１０ｍｍのとき、二次出力Ｐ２は１Ｗ以下となる。１０倍の十分な安全域を使用すると、二次出力Ｐ２は１０Ｗ以下となる。この量の二次出力は、多くの民生利用可能なＣＯ２レーザ装置によって直ちに供給され、高出力ＣＯ２光線の一部の向きを変えることにより得ることができる。
（二次像の走査及び制御）
一次像３６の少なくとも一部に対して、二次像６６を長軸方向（即ち、Ｙ方向）に走査速度Ｖで等速走査する場合、二次像６６は下記の「ｙ」の関数として与えられる。
ｖ・Ｐ２（ｙ）＝Ｐ１・μ（ｙ）・［Ｗ１Ｘ／Ｗ１Ｙ］
このとき、任意の走査時間ｔｓにおける二次像６６の中心（例えば、重心）の「ｙ」の位置は、「ｙ＝Ｖ・ｔｓ」で与えられる。
滞留時間ｔｄの調整に関し、「ｖ」は定数から一次像に沿った距離の関数となる（即ち、ｖ→ｖ（ｙ））。
上述の通り、ライン像の不均一性は静的及び動的に生じる可能性がある。静的な不均一性は、変調、残留熱などによって引き起こされる可能性があり、動的な不均一性（所謂、光線ゆらぎ）は、光線経路における屈折率の変化及び光学振動により引き起こされる可能性がある。ライン像の均一性の動的変化の周波数は、典型的には１００Ｈｚを超えることはない。
一次像３６における静的不均一性を補償する方法の一つとして、少なくとも一つのテストウエハ（ブランケットウエハ）に対して一次像を走査することが挙げられる。また、この方法には、各ウエハの放熱（放射率）を測定し、一次像３６の長軸方向における強度変化の測定値を取得することが含まれる。ここで、ウエハからの放熱は一次像３６の強度に比例することが想定される。より正確には、プランク方程式によれば、ウエハ温度は強度に比例し、加熱ウエハからの放熱はウエハ温度と相関する。この想定は、一般的にここで検討する強度測定に適している。
ウエハ測定の統計分析（例えば、平均化）は、一次像３６の代表的な一次像３６Ｒ（即ち、代表的な強度プロファイル）を決定するために使用可能であり、また、代表的な一次像３６Ｒの静的な不均一性を実質的に補償する二次像６６の走査プロファイルを定義するために使用可能である。ここで得られる代表的な一次像３６Ｒは、（例えば、コントローラ７０の）メモリに保存可能であり、製品ウエハの走査時に使用される温度ベースの閉ループ制御に使用可能である。
例えば、一次レーザシステム１０のレーザ装置や光線調節光学系３０の構成要素の老朽化等、システム１０の動作パラメータの傾向を説明するために、例えば、一次像３６を使用してウエハの露光や測定をさらに実行することにより、代表的な一次像３６Ｒを定期的に更新することができる。また、代表的な一次像３６Ｒは、例えば、光学的再配置、光学部品の交換、レーザ装置の点検または交換等、システム１０を含む主な保守手続きの完了といった所定のイベントを考慮し、必要に応じて定期的に更新することもできる。
ライン像３６の経時変化する強度不均一性を補償するために、リアルタイムフィードバックシステムを使用して、二次像６６の走査プロファイルを制御してもよい。再び図１Ａを参照すると、一例では、システム１０は、放熱検出システム８０（例えば、ＣＭＯＳ撮像カメラまたはＣＣＤアレイ）を備える。放熱検出システム８０は、約１３００℃の温度で放熱を検出することができ、長軸に沿った放出像（放出プロファイル）を取り込む。放熱検出システム８０は、一次像３６を観察し、その放出像を取り込み、取り込んだ放出像を代表する電気信号Ｓ８０を生成するように配置されている。電気信号Ｓ８０はコントローラ７０に供給される。実施形態の一例では、コントローラ７０は、電気信号Ｓ８０で具現化された放出像を保存し処理するように構成されている。一例では、放熱検出システム８０は、２００フレーム／秒以上の速度で撮像し、一次像３６で生じる強度変化に対して十分なサンプリング周波数を供給する。
コントローラ７０は、電気信号Ｓ８０を処理し、光線プロファイル分析（例えば、放出像の統計的平均化、測定された放出量の強度への変換）を実行し、代表的な一次像３６Ｒを形成する。そして、代表的な一次像３６Ｒに基づいて二次像の走査プロファイルを算出することにより、代表的な一次像３６Ｒのリアルタイム補償が実現する。そして、コントローラ７０は、制御信号Ｓ５０を二次レーザシステムに供給し、制御信号Ｓ６０を走査光学系６０に供給し、算出済みの二次像の走査プロファイルに従って二次像を走査する。
実施形態の一例では、コントローラ７０は、パーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータであるか、そのようなコンピュータを備えるか、プログラム可能な論理装置の任意の組み合わせを活用する独立型制御システムであるか、そのような独立型制御システムを備える。ここで、プログラム可能な論理装置とは、例えば、マイクロプロセッサ、中央演算装置（ＣＰＵ）、浮動小数点ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等である。また、コントローラ７０は、上述の少なくとも一つのプログラム可能な論理装置に加えて、ハードディスクドライブ等の記憶装置や適した入出力装置（例えば、キーボード、ディスプレイ等）にプロセッサを接続するバスアーキテクチャを備えてもよい。
一例では、ＦＰＧＡは、放出像分析を実行し、共有メモリを有するリアルタイムコントローラユニットを動作させ、共有メモリへのダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）データ転送を実行するように構成することができる。
この実施形態の変形例では、コントローラ７０は、画像取得処理サブシステムを使用して分散論理を活用してもよい。ここで、画像取得処理サブシステムは、画像取得ハードウェアを含み、熱画像データを制御・処理するプログラム可能な論理装置（例えば、ＦＰＧＡ）を活用する。一例では、このサブシステムは、リアルタイム制御サブシステムとコミュニケーションを行なう。リアルタイム制御サブシステムは、マイクロプロセッサ及び関連周辺装置を活用し、リアルタイムオペレーティングシステムを実行することができる。他のシステムコントローラとのコミュニケーションを行い、画像処理に関連する命令及び制御機能ならびに二次像の制御を行なうために、リアルタイム制御サブシステムを活用することができる。サブシステム間の通信は、通信インターフェイス（例えば、イーサネット（登録商標），ＲＳ４２２）、共有論理バス、共有メモリバスの任意の組み合わせによって実行することができる。
図９に示されるように、一次像３６の強度の動的不安定性は線形の傾きを示す場合が多い。なお、図９では、長軸距離（ｍｍ）に対して強度（カウント数）がプロットされている。図中、強度プロファイルの傾きが点線８９で示されている。強度プロファイルの傾きは、典型的には、通常、約１００Ｈｚ以下の周波数で経時変化する。上述の傾き等、特定種類の動的強度変化におけるランダムな特性は、強度変化を事前に測定し、二次像６６を使用して補償しようとする試みを除外している。
パターン化されたウエハ上で測定する場合、放出像は極めて複雑になり得る。図１０Ａ及び図１０Ｂは、図９と同様の図であり、パターン化されたシリコンウエハ上に形成されるライン像３６の測定放出像に関する代表的なプロットである。各プロットは、領域９０を有する。領域９０では、放出強度が比較的高い空間周波数で変調されるが、これは、ウエハを加工して複数の半導体チップ（即ち、集積回路）を形成する際に形成される様々な装置構造（ライン、形状、貫通孔、切り口、位置合わせマーク等）により形成されるウエハパターンに起因するものである。
したがって、一例では、信号Ｓ８０で具現化される放熱検出システム８０からの放出像が、ローパスフィルタリングされ、静的な代表的一次像３６Ｒと比較可能な方法で処理される。そして、二次像６６に対する走査プロファイルが適切に調節される。図１０Ｃは、図１０Ｂと同様である。しかし、図１０Ｃでは、放出像（信号８０Ｓ）が、ローパスフィルタによりフィルタリングされ、ウエハパターンに起因する高周波数変調が取り除かれている。
任意の周波数ｆ（例えば、１００Ｈｚ）で発生する一次像３６への変化に対し、放出像の取得及びその後の二次像の走査プロファイル計算を約２ｆの周波数（例えば２００Ｈｚ）で実行する必要がある。
（レーザアニールシステム）
半導体処理におけるレーザアニールは、典型的にはパターン化されたウエハ上で実施される。パターン化されたウエハによる吸収度は、パターン寸法、パターン密度、レーザ光の波長に応じて変化する。パターン寸法よりもはるかに長い波長によるレーザアニールは、散乱を減少させるので、ウエハによる吸収量を増加させることが示されている。
図１１は、本発明のライン像形成システム１０を備えるレーザアニールシステム１００の概略図である。例えば、米国特許第７，６１２，３７２号明細書、第７，１５４，０６６号明細書、第６，７４７，２４５号明細書には、ライン像形成光学システム１０における使用に適したレーザアニールシステム１００の一例が記載されており、これらの特許を本願に援用する。
図中、システム１０が、一次光線３２及び走査された二次光線６２を生成し、修正ライン像３６´を形成することが示されている。一次光線３２及び二次光線６２は、所定条件でウエハ４０を加熱可能な波長（例えば、同一または別個に用意されたＣＯ２レーザ装置が照射する名目上１０．６ミクロンの波長）を有する。所定条件には、例えば、ウエハ４０の加熱、または、予熱光源（図示せず）によるウエハの放射線照射が含まれる。このとき、放射線のバンドギャップエネルギーは、ウエハの半導体バンドギャップエネルギーよりも大きい。このため、一次光線３２及び二次光線６２は、ウエハをアニール温度まで加熱するのに十分な程度にウエハに吸収される。
米国特許第７，０９８，１５５号、第７，１４８，１５９号、第７，４８２，２５４号には、第３（予熱）光源によりウエハを照射し、ＣＯ２レーザ波長でウエハ４０の吸収性を高める一例が図１６と関連して記載されており、これらの特許は本願に援用される。好適な実施形態では、一次光線３２及び二次光線６１は、同一または実質的に同一な波長を有する。
ウエハ４０は、上面１１２を有するチャック１１０に支持される。一例では、チャック１１０は、ウエハ４０を加熱するように構成されている。また、チャック１１０はステージ１２０に支持され、ステージ１２０はプラテン１３０に支持される。実施形態の一例では、チャック１１０は、ステージ１２０に組み込まれている。実施形態の他の例では、ステージ１２０は平行移動、回転移動等の移動が可能である。
図中、一例として、ウエハ４０は、回路（例えば、トランジスタ）１５６の一部として、ウエハ表面４４またはその近傍に形成されるソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの形で半導体構造を有することが示されている。なお、図１１を簡略化して示すために、回路１５６のソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの寸法は、ウエハ４０の寸法に対して極めて誇張して示されている。実際には、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄは、極めて浅く、ウエハ表面４４の約１ミクロン以下の深さに形成されている。ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄは、一次像３６の放出像を取り込む際に高周波数変調を引き起こし得る上述のウエハパターニングを構成する。
実施形態の一例において、システム１００は、コントローラ１７０をさらに備える。コントローラ１７０は、システム１０（システム１０内のコントローラ７０を含む。図１Ａ及び１Ｂを参照）及びステージコントローラ１２２に電気的に接続されている。ステージコントローラ１２２は、ステージ１２０に電気的に連結され、コントローラ７０からの指示に基づいてステージの動きを制御するように構成されている。コントローラ１７０は、一般にシステム１００の動作を制御するように構成されており、特にシステム１０及びステージコントローラ１２２を制御するように構成されている。
実施形態の一例では、コントローラ１７０は、多くの有名なコンピュータ会社（例えば、テキサス州オースティンのデルコンピュータ社）のいずれかの利用可能なコンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータまたはワークステーション）であるか、そのようなコンピュータを備える。コントローラ１７０は、多くの民生利用可能なマイクロプロセッサ、プロセッサの記憶装置（例えば、ハードディスクドライブ）への接続に適したバスアーキテクチャ、適した入出力装置（例えば、キーボード、ディスプレイ）のいずれかを備えることが好ましい。
図１１を参照しつつ、図１Ａ及び１Ｂを参照すると、一次光線３２は、ウエハ表面４４に導かれ、表面４４上に一次像３６を形成する。一方、二次光線６２は、上述の通り、走査プロファイルに応じて走査され、一次像の少なくとも一部に対して二次像６６を走査し、修正ライン像３６´を形成する。
実施形態の一例では、矢印１８０で示されるように、ウエハ表面４４に対して修正ライン像３６´が走査される。図１２は、修正ライン像３６´が走査されるウエハ走査経路２００（破線）の一例の概略図である。ウエハ走査経路２００は、ｎ個の直線状走査経路部２０２−１、２０２−２、・・・２０２−ｊ・・・２０２−ｎを備える。隣接する直線状走査経路部（例えば、２０２−ｊと２０２−ｊ＋１）は、ある直線状走査経路部から次の直線状走査経路に修正ライン像３６´をステップ距離ＤＳ分だけ移動（ステップ）させることにより形成される。隣接する走査経路部２０２のライン像が少なくとも重なるように、通常、ステップ距離ＤＳはライン像長Ｌ１Ｙよりも短い。従前のレーザアニールシステム及び本発明のレーザアニールシステムにおけるライン像の重なり量について、以下詳細に議論する。
修正ライン像３６´をウエハ走査経路２００上で走査することにより、（約１ミクロン以下の深さまで）ウエハ表面４４が所定温度（例えば、１０００から１３００℃）まで急速に過熱される。これにより、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄにおける不純物が十分に活性化され、不純物が実質的に拡散することなく、ウエハ表面４４を急速に冷却することができる。これにより、ソース領域及びドレイン領域の浅さが維持される。
直線状ウエハ走査経路部２０２におけるウエハ表面４４に対する修正ライン像３６´の走査速度は、典型的には２５ｍｍ／秒から１０００ｍｍ／秒の範囲にある。一例では、修正ライン像３６´及びウエハ４０の一方または両方が操作中に移動され、ウエハ走査経路２００が画定される。
（スループット強化）
半導体プロセスのレーザアニールには、アニールされる領域全体に対して極めて正確な温度管理が必要とされる。ほとんどの場合、アニール処理は、ピーク温度で進められる。
図１３Ａを参照すると、アニール光線が長軸方向に不均一なライン像３６を形成する場合、特にライン像端部３６Ｅでは、ウエハ走査経路２００の隣り合う走査経路部２０２の間に隙間Ｇが形成される可能性があり、ステップ距離ＤＳが大き過ぎる場合、十分に露光されない部分が下層のウエハ表面４４（図１１）に生じる。一般に隙間Ｇが生じるのは、ステップ距離ＤＳ＝Ｌ１Ｙである場合、即ち、ステップ距離がライン像３６の長さと同一の場合である。
なお、一例として、ライン像長Ｌ１Ｙは、ライン像をウエハに対して走査する際にレーザアニールが生じる長軸方向の距離によって定義される。この測定値は、通常、ライン像の任意の強度閾値に対応し、ライン像走査速度（または、滞留時間ｔｄと同等）に依存する。
したがって、一般に、ウエハ４０に対するアニールの均一性を改善するためには、ウエハ走査経路２００の隣り合う走査経路部２０２のライン像を重ねることが必要となる。従前のレーザアニールシステムでは、ウエハ上の各点がライン像によって二回走査されるように、隣り合う走査経路部２０２において、ライン像３６を長軸長Ｌ１Ｙの半分以下（即ち、ＤＳ≦Ｌ１Ｙ／２、または、重なりが少なくとも５０％）だけ「移動（ステップ）」される。図１３Ｂには、これが概略的に示されている。また、図１３Ｂには、端部３６Ｅにおける強度がかなり不均一な従前のライン像３６に関して、２つの重なり合う長軸ライン像プロファイルと、隣り合う走査経路部２０２のライン像３６とが示されている。隣り合う走査経路部のライン像を実質的に重ねなければならないため、残念ながらウエハスループットが減少する。
一例として、ライン像３６の長さが１０ｍｍであり、ウエハ走査経路２００の隣り合う走査経路部間のステップ距離ＤＳが５ｍｍ（即ち、ライン像の重なりが５０％）の場合を検討する。３００ｍｍのウエハがレーザアニールされる場合、（３００ｍｍ）／（５ｍｍ）＝６０ステップが必要となる。短いステップ距離ＤＳ＝２．５ｍｍ（即ち、ライン像の重なりが７５％）に関しては、ウエハ上の各点が４回アニールされ、ウエハ走査経路２００には１２０ステップが必要となる。
図１３Ｃを参照すると、隣り合う走査経路部２０２の修正ライン像３６´に必要な重なりが実質的に少なくなるように、修正ライン像３６´が端部３６Ｅ´において非常に急勾配の強度プロファイルを有するように形成することができる。したがって、隣り合う走査経路部間のステップ距離ＤＳを大きくし、修正ライン像３６´の全長Ｌ１Ｙに大きく近づけることにより、スループットが改善される。
一例では、隣り合う走査経路部２０２間の修正ライン像３６´に必要な重畳量は、５０％未満であり、５％まで小さくすることができる（即ち、Ｌ１Ｙ／２０≦ＤＳ≦Ｌ１Ｙ／２）。修正ライン像３６´のライン像重なり範囲は、典型的には５％から１０％（即ち、Ｌ１Ｙ／２０≦ＤＳ≦Ｌ１Ｙ／１０）である。したがって、修正ライン像３６´の長さ１０ｍｍに対し、ステップ距離ＤＳを９．５ｍｍまで大きくすることができる。このため、３００ｍｍのウエハをレーザアニールする際に必要なステップは、僅か３２ステップとなる。
レーザアニールにおけるウエハスループットは、ウエハ走査経路２００の隣り合う走査経路部間のステップの数と直接的に関連がある。典型的には、ウエハ走査経路２００の「ステップ及び走査」に約１秒かかる。したがって、上述のレーザアニールの例に関し、従前のレーザアニールシステムでは、５０％から７５％のライン像の重なりに対して約６０から１２０秒間、ウエハをレーザアニールする必要がある。対照的に、本発明のレーザアニールシステムでは、５％から１０％のライン像の重なりに対し、３２から３４秒かかる。したがって、修正ライン像３６´を使用したアニール処理を実行することにより、レーザアニールのウエハスループットを２倍近く増加させることができる。
（改良された放熱検出）
図１Ａ及び図１Ｂとの関係で上述したように、システム１０は、放熱検出システム８０を有している。放射パターンの取り込み及び処理に必要な時間中において、図１Ａ及び図１Ｂに示す放熱検出システム８０が放熱パターンを変化させるおそれがある。この結果、放射イメージが次々に変化し、修正ライン像３６’の最適化を阻害するおそれがある。
図１４は、図１Ａと同様の図であり、放熱検出システム８０の代替構成を有するシステム１０の実施例の一例を示している。図１６の放熱検出システム８０は、走査光学系６０と二次レーザシステム５０との間の長軸Ａ１に配置されたダイクロイックミラー８２を有している。ダイクロイックミラー８２は、波長λ５２の、初期の二次レーザ光線５２を通過させるとともに、波長λ５２に近いが同一ではない波長λＥを有する、ウエハ表面４４からの放熱光６３を反射させる。ダイクロイックミラー８２は、軸Ａ２と所定の角度（例えば、直角）を有する光学軸Ａ３を規定する長軸Ａ２に沿って配置されている。放熱検出システム８０は、また、光学軸Ａ３に沿って、順に、偏光板８４、集束レンズ８６、バンドパスフィルタ８８、及び光検知器９２を有している。光検知器９２は、一つあるいは複数の光検知素子９４を有している。一例において、光検知器９２は、一つの光検知素子９４を有している。
放熱検出システム８０は、初期の二次レーザ光線５２から、ウエハ表面４４上を走査するレーザ光線６２を形成する走査光学系６０を有している。このため、放熱検出システム８０は、二次像６６に関し、実質的に同じ視野（ＦＯＶ）を共有する。このことについては、ウエハ表面４４から放射され、走査光学系６０で集光された、波長λＥの放熱光６３によって概略的に示されている。したがって、走査光学系６０及び（走査光学系を含む）放熱検出システム８０のＦＯＶは、二次像６６の走査の間において、実質的に、互いに重なり合うとともに追いかけ合う。
図１４に示すように修正されたシステム１０の使用において、放射光６３は、修正ライン像３６’（あるいは、単に二次像６６）に加熱されることによってウエハ表面４４から放射される。放射光６３は、走査光学系６０によって集光されるとともに、ダイクロイックミラー８２に向かう。ダイクロイックミラー８２は、放射光６３を軸Ａ３に沿って図中下向きで偏光板８４に反射させる。この偏光板８４は、二次レーザシステム５０と同じ偏光を行う。偏光された放射光６３は、当該放射光を光検知器９２に集光する集束レンズ８６に進む。光検知器９２の前に配置されたフィルタ８８は、放射光６３に関連する狭い波長域ΔλＥから外れた波長を取り除く役割を有している。波長λＥは、狭い放射光波長域ΔλＥの中央波長と見なされる。
したがって、修正ライン像３６’がウエハ表面４４上を走査する間、放射光６３は、一つ一つ集光される。一例において、放射波長λＥは、収差を許容範囲内に維持するため、二次レーザ光線５２の波長λ５２に近似している。一例において、集束レンズは、放射波長λＥで動作する走査光学系から生じる収差の、少なくとも一部を補償するようになっている。一例において、λＥとλ５２とは、１００から２００ｎｍ相違する。
図１４の放熱検出システム８０により、ウエハ表面４４からの放熱光６３は、原則的に二次像６６の走査と同時に検出される。速い光検知器９２を用いることによって放射光６３を検出できるので、対応する電気信号Ｓ８０は、二次像６６の閉ループ制御に直ちに利用することができる。これにより、ライン像３６における強度不均一性を補償するために二次像６６が変化し得る速さが向上する。図１Ａ及び図１Ｂに示された構成に比べて、図１４に示すシステム１０の構成は複雑でない。その理由の一つとして、２Ｄ像取得及び像の後処理が必要とされないことが挙げられる。
（温度測定）
ウエハ表面４４の温度を正確に制御するためには、その温度を正確に測定できることが求められる。上述した放射光６３の検出だけでは、ウエハ表面温度を取得しない。ウエハ表面４４の温度を測定するには、放射率εを測定しなければならない。ある与えられた温度において、放射率εは、波長λＥ、視角、及び放射光６３の偏光に依存する。
放射率εを測定する方法のひとつは、波長λＥにおけるウエハの反射性及び透過率を決めることである。一例において、このことは、二次レーザ光線６２を用いることによって達成される。もし、二次レーザ光線５２の波長λ５２がＳｉ吸収限界（すなわち、約１．１μｍ）よりも大きいかあるいは近似していれば、放射率εは、ウエハ４０を照らす二次レーザ光線の反射性及び透過性を測定（さもなければ、決定）することによって測定し得る。しかしながら、λ５２＜１μｍの場合、あるいはレーザアニールによる高いウエハ表面温度との関係でλ５２＞１μｍの場合、ウエハの透過性は無視することができ、ウエハ反射性の測定のみが必要となる。
精度を高めるためには、ウエハ表面４４で反射した二次光線６２と等しい量の反射光６２Ｒを集光するのが最適である。図１５は、反射した光６２Ｒを集光するように配置された集光光学システム３００の拡大図である。集光光学システム３００が、一例として、走査ミラー６１Ｍ及び集束レンズ６１Ｌを有する走査光学系６０との関係において示されている。集光光学システム３００は、システム１０に組み込まれており、また、軸Ａ４に沿って、開口部３１２を有する積分球３１０を備えている。光検出器３２０は、積分球の当該開口部から出た光を検出するため、開口部３１２に隣接して配置されている。
一例において、光検出器３２０に届く光の強度を制御するために、少なくとも一つの中性密度フィルタ３１６が、開口部３１２と光検出器３２０との間に配置されている。光検出器３２０は、積分球３１０に集められた反射光６２Ｒの出力の代表としての光検出器信号Ｓ３２０を生成するとともに、この信号（以下、反射出力信号という）をコントローラ７０に供給する。
図１４を参照するに、システム１００は、ウエハ表面に照射される出力量をリアルタイムに測定する出力センサ３５０を有している。一例において、出力センサ３５０は、二次レーザシステム５０に組み込まれた状態で示されている。出力センサ３５０は、図１４に示された例において、初期の二次レーザ光線５２における出力の代表である、検出された出力の代表としての電気信号ＳＰ（以下、放射出力信号という）を生成する。出力センサ３５０は、電気信号ＳＰをコントローラ７０に供給する。出力センサ３５０は、二次レーザシステムとウエハ表面４４との間であれば、どこにでも配置することができることに留意すべきである。
図１４に示すような、出力センサ３５０が走査光学系よりも上流側に配置されているケースにおいて、走査光学系の透過性は、ウエハ表面４４を現に照射する二次光線６２における出力量の決定により説明される必要がある。具体的には、二次レーザ光線６２の出力量を計算するため、走査光学系６０の透過性はコントローラ７０に供給される。
放射出力信号ＳＰ及び反射出力信号Ｓ３２０は、リアルタイムに測定される。これら二つの信号（上述した、走査光学系６０の透過性に関係する全ての計算を含む）を比較することにより、放射率εは、二次像６６がウエハ表面４４上を走査しているときに、逐一、計算される。計算された放射率εは、次に、ウエハ表面４４上に存在する全てのパターンに起因する放射率の変化に対応し難い局所的な温度測定を行うのに用いられる。このことは、修正ライン像３６’を形成するために、二次レーザ光線６２に求められる出力量の閉ループ制御を可能にする。
一例において、温度Ｔは、下記の式を解くことにより、測定された放射率εから求められる。
Figure 0005537615
 ここで、εは測定された放射率であり、Ωは放熱光６３が集光される立体角であり、Ｃ１及びＣ２は既知の定数であり、Ｗλは、測定された放射信号である。放熱検出システム８０は、アニール処理における溶融温度といった既知の温度に調整されるのが好適である。
放射率εは、波長λＥの関数であることから、λＥをλ５２（例えば、１５０ｎｍ）に対して十分に近づけることにより、温度計算の十分な正確さを保証できる。したがって、二次レーザシステム５０の閉ループ制御が正確になる。
反射光６２Ｒは、正反射性の要素及び非正反射性の要素の両方を含んでおり、後者は主としてウエハ表面のパターニングに起因して生じる。このため、放射率測定の精度は、集光光学システム３００の開口数の関数である。一例において、集光光学システム３００の開口数は、最大で０．２である。集光光学システム３００を構成する放射率の変化を補償しないウエハ表面温度測定と比較したとき、集光光学システム３００の開口数は、放射率計算において、反射光６２Ｒの全てを集光しないことによって生じる全ての誤差を十分に小さくするような値となっている。
図１６は、図１４と同様の図であり、光学軸Ａ２と交差する光学軸Ａ５に沿って配置された予熱光源４００を有するシステム１０の実施例の一つを示している。予熱光源４００は、光学軸Ａ５に沿って予熱光線４０２を放射する。予熱光線４０２の波長λＰＨは、λＰＨ＜１μｍである。実施例の予熱光源としては、ダイオードレーザ、５３２ｎｍの固体レーザ、グリーンファイバーレーザ等を挙げることができる。
ダイクロイックミラー４１０は、光学軸Ａ２と光学軸Ａ５との交点であって、二次レーザシステム５０側に配置されている。ダイクロイックミラー４１０は、予熱光線４０２を反射するとともに、初期の二次レーザ光線５２を透過する。このため、予熱光線４０２は、初期の二次レーザ光線５２及び二次レーザ光線６２と実質的に同じ光路に沿ってウエハ表面４４に供され、ウエハ表面４４に像４６０を形成する。したがって、ダイクロイックミラー４１０は、予熱光線４０２及び初期の二次レーザ光線５２を一緒にして走査光学系６０内を通過させる。
放熱検出システム８０のダイクロイックミラー８２は、予熱光線４０２を透過するようになっている。また実施例の一例において、走査光学系６０は、初期の二次光線５２と予熱光線４０２との間の波長差を調整するように構成されている。また実施例の一例において、光学システム４２０は、予熱光源４００とダイクロイックミラー４１０との間に配置されている。光学システム４２０は、走査光学系６０と共に、ウエハ表面４４に像４６０を形成する。
図１６の構成は、例えば、レーザアニールの実施に先立ってウエハ４０を昇温する必要がある場合に用いてもよい。このような予熱が好適である実施例は、米国特許出願公開第２０１０／００８４７４４号明細書に記載されており、同明細書の内容は本明細書に援用される。
当業者には明白であるが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更を加えることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内において本発明の修正及び変更を包含する。

Claims (18)

  1. 表面を有する半導体ウエハの熱アニールに用いられるライン像形成光学システムであって、
    一次レーザ光線を照射することによって、長軸及び前記長軸に沿った強度不均一性の第１量を有するライン像を形成する一次光学システムと、
    二次レーザ光線波長及び二次レーザ光線強度を有する二次レーザ光線を生成する二次光学システムと、
    前記二次レーザ光線を受けるとともに前記二次レーザ光線からウエハ表面に二次像を形成する第１視野を有する走査光学系であって、前記二次像は、前記ライン像と少なくとも部分的に重なるとともに、前記ライン像の少なくとも一部を走査して、前記第１量よりも少ない強度不均一性の第２量を有する時間平均化修正ライン像を形成する走査光学系と、
    ウエハ表面から前記走査光学系を通り、前記走査光学系における前記第１視野と実質的に同じである第２視野を渡る放熱光を検出する放熱検出システムであって、検出された放熱光に対応する電気信号を生成する放熱検出システムと、
    前記放熱検出システムからの前記電気信号を受けるとともに、これに応えて、i）前記二次レーザ光線強度をほぼ一定出力に維持しながら前記二次レーザ光線の走査速度を加速及び／または減速すること、ii）前記二次レーザ光線強度を変化させながら、実質的に一定速度で前記二次レーザ光線を走査すること、iii）方法i）と方法ii）との組み合わせ、のいずれかによって前記ライン像の強度均一性を改善するように、前記二次レーザ光線強度及び前記二次レーザ光線の走査速度の少なくとも一方を調整するコントローラと
    を備えるライン像形成光学システム。
  2. 前記放熱光は、前記二次レーザ光線波長とは１００ｎｍから２００ｎｍ相違する放射波長を有する請求項１に記載のシステム。
  3. 前記放熱検出システムは、さらに、
    前記二次光学システムと前記走査光学系との間の光路に配置されたダイクロイックミラーであって、前記二次レーザ光線を透過するとともに、前記放熱光を反射させるダイクロイックミラーと、
    反射した前記放熱光を受けるとともに前記二次レーザ光線と同じ偏光を有するように偏光する偏光板と、
    偏光された前記放熱光を集束するように配置された集束レンズと、
    偏光及び集束された前記放熱光を受けるように配置された光検知器と、
    前記ダイクロイックミラーと前記光検知器との間に配置され、前記放熱光を通すとともに、前記二次レーザ光線波長を有する光を遮断するバンドパスフィルタと
    を備える請求項１に記載のシステム。
  4. 前記ウエハ表面で反射された前記二次レーザ光線を受けるとともに、反射された前記二次レーザ光線に応じて、反射された前記二次レーザ光線における出力量の代表である光検知器信号を生成する集光光学システムと、
    前記二次レーザ光線の出力量を測定する、前記二次光学システムにおける出力センサと、
    反射された前記二次レーザ光線中の前記出力量及び前記二次レーザ光線中の前記出力量に基づいて前記二次レーザ光線の反射性を計算するコントローラと
    をさらに備える請求項１に記載のシステム。
  5. 前記コントローラは、測定された前記放熱光及び計算された反射性に基づいて前記ウエハ表面の温度を計算する
    請求項４に記載のシステム。
  6. 前記集光光学システムは、さらに、積分球及び光検知器を備える
    請求項４に記載のシステム。
  7. １ミクロン未満の波長を有し、前記走査光学系を通して前記ウエハ表面に向けられている予熱光線を放射する予熱光源をさらに備える
    請求項１に記載のシステム。
  8. 半導体ウエハの表面に熱アニールのための時間平均化修正ライン像を形成する方法であって、
    一次レーザ光線を照射することによって、像平面において、長軸方向に強度不均一性の第１量を有するライン像を形成する工程と、
    二次レーザ光線を照射することによって、前記ライン像の少なくとも一部に重なるようにして、長軸方向に二次像を形成及び走査するとともに、走査された前記二次像に関連するウエハ表面の一部からの放射率を測定する工程と、
    前記第１量よりも小さい、長軸方向の強度不均一性の第２量を有する修正ライン像を形成するために、測定した前記放射率に基づいて走査速度及び前記二次像の強度のいずれか一方を調整する工程と
    を有する半導体ウエハの表面に時間平均化修正ライン像を形成する方法。
  9. 測定した前記放射率及び前記ウエハ表面からの前記二次像の反射性に基づいて温度を決定する工程と、
    決定した前記温度に基づいて、前記走査速度及び前記強度の一方の調整を行う工程とを
    さらに有する請求項８に記載の方法。
  10. 光路を有する二次光学システムを用いて前記二次像を形成する工程と、
    前記二次光学システムにおける前記光路の少なくとも一部における前記放射率の測定を実施する工程とを
    さらに有する請求項８に記載の方法。
  11. 走査光学系を用いて前記二次像を走査する工程をさらに有する請求項８に記載の方法。
  12. １ミクロンよりも小さい波長を有する予熱光線を用いて前記ウエハ表面を局所的に加熱する工程をさらに有する請求項８に記載の方法。
  13. 一次レーザ光線を照射することによって、像平面において、長軸方向に強度不均一性の第１量を有するライン像を形成する工程と、
    二次レーザ光線を照射することによって、少なくとも前記ライン像の一部に重なる二次像を形成する工程と、
    少なくとも一次像の一部に対して長軸方向に前記二次像を走査するとともに、走査された前記二次像に関連するウエハ表面の一部からの放射率及び反射性を測定する工程と、
    測定した前記放射率及び反射性に基づいて、ウエハ表面温度を計算する工程と、
    計算された前記ウエハ表面温度に基づいて、i）前記二次像の強度をほぼ一定に維持しながら前記二次像の走査速度を加速及び／または減速すること、ii）前記二次像の強度を変化させながら、実質的に一定速度で前記二次像を走査すること、iii）方法i）と方法ii）との組み合わせ、のいずれかによって前記ライン像の強度均一性を改善するように、前記二次レーザ光線の走査速度及び前記二次像の強度の少なくとも一方を調整する工程と
    を有する半導体ウエハの表面に熱アニールのための時間平均化修正ライン像を形成する方法。
  14. 光路を有する二次光学システムを用いて前記二次像を形成する工程と、
    前記二次光学システムにおける前記光路の少なくとも一部において前記放射率の測定を実施する工程とを
    さらに有する請求項１３に記載の方法。
  15. 走査光学系を用いて前記二次像を走査する工程をさらに有する請求項１３に記載の方法。
  16. １ミクロンよりも小さな波長を有する予熱光線を用いて前記ウエハ表面を局所的に加熱する工程をさらに有する請求項１３に記載の方法。
  17. 前記ウエハ表面で反射するとともに走査された前記二次像からの光をとらえるように配置された積分球を用いて前記反射性を測定する工程と、
    前記二次像の出力量を測定する工程と
    を有する請求項１３に記載の方法。
  18. 前記二次像を形成するために、二次光学システムからの二次光を生成する工程と、
    前記二次光学システムにおける出力センサを用いて前記二次像における出力量を測定する工程と
    を有する請求項１７に記載の方法。
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