JP5570323B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物をレーザビームで走査して加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

半導体ウエハに注入した不純物の活性化、結晶欠陥の回復、アモルファス膜の多結晶化等にレーザアニールが適用される。半導体ウエハをレーザビームで走査することにより、ウエハのほぼ全面をアニールすることができる。レーザビームを導光させる光学系内に配置された反射鏡を透過した一部のレーザ光の強度が光強度検出器で検出される。加工対象物を保持する保持台の上にパワーメータが取り付けられている。パワーメータにレーザビームを入射させることにより、レーザパワーを測定することができる。

光強度検出器の測定結果のみからでは、レーザパワーの時間変動はわかるが、光強度の絶対値を高精度に算出することは困難である。パワーメータの測定結果と、光強度検出器の測定結果とを対比することにより、光強度検出器による測定結果から、光強度の絶対値を算出することができる。光強度検出器の測定結果から算出された光強度に基づいて、レーザビーム照射の制御が行われる。

特開２００６−２５５７４４号公報

光強度検出器の測定結果が、加工対象物上における光強度に換算される。この換算時に用いる情報は、事前に測定されたパワーメータの測定結果に依存している。光学部品の劣化等により、光強度検出器の測定結果と、パワーメータの測定結果との関係が変動する。両者の関係が変動すると、光強度検出器の測定結果から算出される光強度の換算値が、加工対象物上における現時点の光強度からずれてしまう。このため、高品質のレーザ加工を行うことが困難になる。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
レーザビームを透過させる透過窓が設けられており、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路と交差する位置に加工対象物を保持する保持台と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの経路と、前記保持台との一方を他方に対して移動させる移動機構であって、移動中に、前記加工対象物に前記レーザビームが入射し、前記透過窓が前記レーザビームの経路を横切るように移動させる前記移動機構と、
前記透過窓を透過した前記レーザビームが入射する位置に配置されたビーム計測器と
を有し、
前記ビーム計測器は、前記レーザビームの経路に対して、相対位置が固定されおり、前記透過窓が前記レーザビームの経路を横切るとき、前記レーザビームが前記透過窓を通って前記ビーム計測器に入射するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
レーザビームを透過させる透過窓が設けられた保持台に、前記透過窓と重ならないように加工対象物を保持し、前記保持台を移動させることによって、前記加工対象物を前記レーザビームで走査する工程と、
前記加工対象物のレーザビームによる走査開始時点よりも後で、かつ走査終了時点よりも前に、前記透過窓が前記レーザビームの経路と交差するように前記保持台を移動させる工程と、
前記透過窓が前記経路と交差している期間に、前記透過窓を透過したレーザビームを、前記レーザビームの経路に対して相対位置が固定されたビーム計測器で検出する工程と
を有するレーザ加工方法が提供される。

加工対象物の表面で検出する場合とほぼ同等の条件で、レーザビームの検出を行うことができる。検出結果をレーザ加工にフィードバックすることにより、高品質の加工を行うことができる。

実施例によるレーザ加工装置の概略図である （２Ａ）は、基台及び保持台の平面図であり、（２Ｂ）は、その断面図である。 パルスレーザビームで加工を行う場合の前方経路及び後方経路を伝播するビームのタイミングチャートである。 ＣＷレーザビームで加工を行う場合の前方経路及び後方経路を伝播するビームのタイミングチャートである。 他の実施例によるレーザ加工装置の保持台の平面図である。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０がパルスレーザビームを出射する。レーザ光源１０には、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、エキシマレーザ等が用いられる。レーザ光源１０から出射したレーザビームが、パワー調整器１１、折返しミラー１２、レンズ１３を経由して、加工対象物３０に入射する。

パワー調整器１１は、例えばズーミングレンズと、貫通孔が形成されたマスクとを含む。ズーミングレンズで、マスクの位置におけるビーム径を変化させることにより、貫通孔を通過したレーザビームのパワーを変化させることができる。レンズ１３は、パワー調整器１１のマスクの貫通孔を、加工対象物３０の表面に結像させる。

基台２０の上に直動ステージ２１が配置され、その上に回転ステージ（保持台）２２が配置されている。基台２０はレーザビームの経路に対して固定されている。直動ステージ２１は、基台２０に対して、１次元方向に移動する。保持台２２は、直動ステージ２１に対して、その移動方向に垂直な回転軸を中心として回転する。直動ステージ２１の移動方向をｘ軸、保持台２２の回転軸の方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。一般的には、ｘｙ面が水平になり、ｚ軸が鉛直方向と平行になる姿勢が維持される。保持台２２は、レーザビームの経路及び基台２０に対してｘ方向に移動すると共に、ｚ軸に平行な回転軸を中心として回転可能である。

保持台２２の下方のレーザビームの経路上に、ビーム測定器２３が配置されている。ビーム測定器２３は、基台２０に固定される。すなわち、ビーム測定器２３は、レーザビームの経路に対して、相対位置が固定されている。後述するように、保持台２２に透過窓が設けられており、この透過窓を透過したレーザビームがビーム測定器２３に入射する。ビーム測定器２３には、例えばレーザビームのパルスエネルギを測定するパワーメータが用いられる。なお、この機能を持つ測定器は、ジュールメータと呼ばれる場合もある。ビーム測定器２３が保持台２２と共に回転しないため、ビーム測定器２３と、制御装置２５とを、容易に信号線で接続することができる。

ビーム測定器２３の測定結果が制御装置２５に入力される。制御装置２５は、ビーム測定器２３の測定結果に基づいて、パルスエネルギが目標値に近づくように、パワー調整器１１を制御する。

図２Ａに、基台２０及び保持台２２の平面図を示す。保持台２２の保持面に、例えば６枚の加工対象物３０が保持されている。加工対象物３０は、例えば半導体ウエハである。加工対象物３０は、保持台３０の回転軸を中心として、６回回転対称になる位置に配置される。加工対象物３０をｎ枚配置する場合には、例えばｎ回回転対称になる位置に配置すればよい。

保持台２２に透過窓２４が形成されている。透過窓２４は、ｘｙ面内において、加工対象物３０と重ならない位置に配置されている。ただし、保持台２２を回転させたとき、加工対象物３０の軌跡と、透過窓２４の軌跡とが、少なくとも一部において重なるように、透過窓２４が配置される。透過窓２４は、保持台２２を貫通する開口により形成される。なお、この開口を、レーザビームの波長域において透明な材料で塞いでもよい。保持台２２を回転させたときの加工対象物３０の軌跡及び透過窓２４の軌跡と重なる位置に、レーザビームの経路３１及びビーム測定器２３が配置されている。

図２Ｂに、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける概略断面図を示す。直動ステージ２１が、直動機構２７によって、基台２０に支持されている。直動機構２７は、直動ステージ２１を基台２０に対してｘ方向に移動させる。保持台２２が、回転機構２８によって直動ステージ２１に支持されている。回転機構２８は、直動ステージ２１に対して保持台２２をｚ軸に平行な回転軸を中心として回転させる。

ビーム測定器２３が、レーザビームの経路３１上であって、基台２０と保持台２２との間に配置されている。ビーム測定器２３は基台２０に固定されている。

レーザビームを出射させた状態で、保持台２２を回転させながらｘ方向に移動させることにより、加工対象物３０の表面をレーザビームで走査することができる。パルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数、ビームスポットの大きさ、及び保持台２２の回転速度は、レーザパルスが入射する領域が部分的に重なりながら加工対象物３０の表面を移動するように設定されている。

加工対象物３０の走査開始時点から、走査終了時点までの間に、透過窓２４がレーザビームの経路３１を複数回横切る。透過窓２４がレーザビームの経路３１と交差している期間、レーザビームがビーム測定器２３に入射する。レーザビーム経路３１のうち、光源に向かって保持台２２よりも前方の部分を、前方経路Ｌｆと呼び、保持台２２よりも後方の部分を、後方経路Ｌｂと呼ぶこととする。

図３Ａに、前方経路Ｌｆを伝播するレーザビームのタイミングチャートを示し、図３Ｂに、後方経路Ｌｂを伝播するレーザビームのタイミングチャートを示す。期間Ｔｔの間は、保持台２２の透過窓２４以外の領域が、レーザビームの経路と交差する。期間Ｔｗの間は、透過窓２４が、レーザビームの経路と交差する。このため、期間Ｔｗの間のみ、後方経路Ｌｂまでレーザビームが伝播し、ビーム測定器２３（図２Ｂ）にレーザビームが入射する。

図１に戻って説明を続ける。ビーム測定器２３は、レーザパルスごとにエネルギを測定し、測定結果を制御装置２５に入力する。加工対象物３０の走査開始時点から走査終了時点までの間に、レーザビームのパルスエネルギを測定することができる。ビーム測定器２３の位置は、加工対象物３０が配置される位置に比べると、光源に向かってやや後方である。ただし、ビームスポットが、ビーム測定器２３の受光領域の範囲に含まれる場合には、ビーム測定器２３で測定されるパルスエネルギは、加工対象物３０の表面におけるパルスエネルギと同一である。このため、実際に加工対象物３０に入射するレーザビームのパルスエネルギを、加工の途中段階で、高精度に測定することができる。

実施例によるレーザ加工装置では、従来、保持台２２で遮られていたレーザパルスが、ビーム測定器２３に導かれる。このため、測定のための余分なレーザパルスを出射する必要がない。

制御装置２５は、パルスエネルギの測定結果に基づいて、パルスエネルギが目標値に近づくように、パワー調整器１１を制御する。パワー調整器１１の制御は、現時点で保持台２２に保持されている加工対象物３０の走査が終了した時点で行ってもよいし、走査の途中段階で行ってもよい。また、パルスエネルギの測定値が目標値から大幅に外れた場合には、その時点で加工を中断してもよい。

図４Ａ及び図４Ｂに、連続発振のレーザビームで加工を行う場合のタイミングチャートを示す。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ前方経路Ｌｆ及び後方経路Ｌｂを伝播するレーザビームのタイミングチャートを示す。前方経路Ｌｆを伝播するレーザビームは連続波（ＣＷ）である。透過窓２４がレーザビームの経路３１と交差している期間Ｔｗのみ、後方経路Ｌｂまでレーザビームが伝播し、ビーム測定器２３に入射する。

ビーム測定器２３は、透過窓２４がレーザビームの経路３１を横切る間に入射したレーザビームのエネルギを測定する。透過窓２４が長方形であり、保持台２２の回転速度がｘ方向の位置に依らず一定である場合には、期間Ｔｗの長さが、保持台２２のｘ方向の位置によって変動する。例えば、レーザビームの経路３１が保持台２２の内周に近づくにしたがって、期間Ｔｗが長くなる。ビーム測定器２３の測定値の許容範囲を、保持台２２のｘ方向の位置によって変えておくことにより、レーザビームのパワーの適否を判定することができる。

ビーム測定器２３として、フォトディテクタを用い、レーザビームの波高値を検出してもよい。波高値は、透過窓２４がレーザビームの経路３１を横切る時間に依存しない。このため、保持台２２のｘ方向の位置に依存せず、波高値の許容範囲を設定しておくことができる。

図５に、他の実施例によるレーザ加工装置の保持台の平面図を示す。保持台２２の上に加工対象物３０が保持されている。図１〜図４に示した実施例では、保持台２２を回転させたが、図５の実施例では、保持台２２をｘ方向及びｙ方向に直線的に移動させる。例えば、ｘ方向を主走査方向とし、ｙ方向を副走査方向とするラスタスキャン方式により、加工対象物３０の表面が走査される。

ビームスポットの中心の軌跡３５は、加工対象物３０の表面上において、ｘ方向に平行な直線になる。ビームスポットの中心位置は、加工対象物３０の外側において、ｙ方向に移動する。

加工対象物３０の外周線よりもやや外側に、透過窓２４が形成されている。透過窓２４は、加工対象物３０の外周線の形状を反映した平面形状を有する。加工対象物３０の外周線が円周状である場合には、透過窓２４は、円弧に沿う平面形状を有する。

主走査する長さを、加工対象物３０の表面を走査するのに必要な長さよりもやや長くし、ビームスポットが透過窓２４内に位置するまで、余分の走査を行う。ビームスポットが透過窓２４内に位置するときに、ビーム測定器２３（図１）にレーザビームが入射する。この期間に、レーザビームのパルスエネルギを測定することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ光源
１１ パワー調整器
１２ 折返しミラー
１３ レンズ
２０ 基台
２１ 直動ステージ
２２ 保持台
２３ ビーム測定器
２４ 透過窓
２５ 制御装置
２７ 直動機構
３０ 加工対象物
３１ レーザビームの経路
３５ ビームスポットの中心の軌跡

Claims (4)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   レーザビームを透過させる透過窓が設けられており、前記レーザ光源から出射されたレーザビームの経路と交差する位置に加工対象物を保持する保持台と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームの経路と、前記保持台との一方を他方に対して移動させる移動機構であって、移動中に、前記加工対象物に前記レーザビームが入射し、前記透過窓が前記レーザビームの経路を横切るように移動させる前記移動機構と、
   前記透過窓を透過した前記レーザビームが入射する位置に配置されたビーム計測器と
   を有し、
   前記ビーム計測器は、前記レーザビームの経路に対して、相対位置が固定されおり、前記透過窓が前記レーザビームの経路を横切るとき、前記レーザビームが前記透過窓を通って前記ビーム計測器に入射するレーザ加工装置。
2. 前記保持台は、前記経路から外れた位置を中心として回転することにより、前記加工対象物を、前記保持台の回転中心の周りに公転させ、前記透過窓は、前記加工対象物と重ならない位置に配置されている請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. レーザビームを透過させる透過窓が設けられた保持台に、前記透過窓と重ならないように加工対象物を保持し、前記保持台を移動させることによって、前記加工対象物を前記レーザビームで走査する工程と、
   前記加工対象物のレーザビームによる走査開始時点よりも後で、かつ走査終了時点よりも前に、前記透過窓が前記レーザビームの経路と交差するように前記保持台を移動させる工程と、
   前記透過窓が前記経路と交差している期間に、前記透過窓を透過したレーザビームを、前記レーザビームの経路に対して相対位置が固定されたビーム計測器で検出する工程と
   を有するレーザ加工方法。
4. さらに、前記レーザビームを検出した結果に基づいて、前記レーザビームのパワーを制御する工程を有する請求項３に記載のレーザ加工方法。
   

Images