JP5679569B2 - ライン結像システム及びレーザアニール方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光線を使用するライン像の形成に関し、特に、レーザアニールに応用するために改良されたライン結像のシステム及び方法に関する。

様々な応用事例において、コヒーレント光線から形成された均一なライン像を利用しなければならない。その一例がレーザ熱処理（ＬＴＰ）である。当該技術分野において、ＬＴＰは、レーザスパイクアニール（ＬＳＡ）または単純に「レーザアニール」と称される。レーザアニールは、半導体製造で使用され、トランジスタ等の能動素子（超小型回路素子）の形成時、半導体ウエハの選択領域のドーパントを活性化する。レーザアニールは、光線で走査されたライン像を使用して、ドーパント活性化には十分長いがドーパント拡散の最小化には十分短い時間で、ウエハ表面をある温度（アニール温度）まで加熱する。ウエハ表面がアニール温度となる時間は、ライン像の出力密度と、ライン像を走査する速度（走査速度）で除算されたライン像幅とにより規定される。

商業ＬＳＡツールで高スループットを実現するためには、ライン像が高出力密度を有すると共に、ライン像ができるだけ長細くなければならない。利用可能なライン像寸法は、例えば、５ｍｍ長から１００ｍｍ長、２５ミクロン幅から５００ミクロン幅である。均一なアニールを実現するためには、強度プロファイルがライン像長に沿ってできるだけ一定であることも必要である。典型的な半導体プロセス要件では、１０００℃から１３００℃の範囲内のアニール温度が必要とされると共にプラス・マイナス３℃の温度均一性が必要とされる。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、ほとんどの条件下でプラス・マイナス５％の比較的均一な強度を有する必要がある。

ＣＯ_２レーザは、レーザアニールへの応用において好ましい光源である。ＣＯ_２レーザの波長（名目上１０．６ミクロン）が被照射装置の大きさに比べてかなり長く、散乱の少ないより均一な露光が行なわれ、「パターン効果」を取り除くこと、また、ＣＯ_２レーザが比較的高強度の光線を照射することがその理由である。しかし、ＣＯ_２レーザ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。このため、ＣＯ_２レーザでは、ケーラー照明の法則により、１０％未満（プラス・マイナス５％の）の均一性を有する長く狭いライン焦点を生成するバイナリ光学手法を利用することができない。

ＣＯ_２レーザを利用してレーザアニールを実行する従来の方法としては、一組のナイフエッジ上に光線を結像する方法が挙げられる。ナイフエッジは、ガウス光線の狭い中心部のみを通過させるように配置される。通過した光線の長さは、ウエハ上に形成されるライン像の均一性仕様を満たす光線の部分に相当する。ガウス型ＣＯ_２光線の場合、ナイフエッジは、典型的にはガウス型光線の中心１０％のみを通過させるように配置される。かかる場合、残念ながら光線の残り９０％が遮断され、光源からの高強度光を極めて非効率に使用することになる。

米国特許第７，６１２，３７２号明細書 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７，１５４，０６６号明細書 米国特許第６，７４７，２４５号明細書 米国特許第６，３６６，３０８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

本発明の一態様は、レーザ熱処理システム用のライン像を形成するライン形成光学システムである。ライン形成光学システムは、レーザ、第１円筒形レンズシステム、第１空間フィルタ、第２空間フィルタを有する第２円筒形レンズシステム、ナイフエッジ開口、円筒形中継システム、円筒形集束レンズを光学軸に沿って順に備える。レーザは、入力光線を生成する。第１円筒形レンズシステムは、周辺の強度最小値により画定される中心ローブを有する第１方向のライン焦点に入力光線を集束する。第１空間フィルタは、ライン焦点に配置される。そして、第１空間フィルタは、ライン像を第２方向において中心ローブ内で切り捨てるように構成され、第１光線を形成する。第２円筒形レンズシステムは、第１光線の一部を第２方向で受光して切り捨てるように構成され、実質的に平行な第２光線を形成する。ここで、切り捨ては、第２空間フィルタとして動作する開口絞りにより実行される。ナイフエッジ開口は、実質的に平行な第２光線を第２方向で切り捨てるように構成されており、第３光線を形成する。実施形態の一例では、ナイフエッジを画定するブレードは、鋸歯エッジを有する。円筒形中継レンズシステムは、ナイフエッジ開口と共役な画像平面を有する。円筒形中継レンズシステムは、第３光線を受光してそこから第２方向に集束された第４光線を形成するように構成されており、画像平面にライン像長ＬＬを画定する。円筒形集束レンズは、第１方向に第４光線を集束するように構成されており、画像平面にライン像幅ＷＬを画定する。
このライン形成光学システムにおいて、第２円筒形レンズシステムは、（ａ）切り捨ての実行に適した大きさの開口絞り、又は（ｂ）切り捨ての実行に適した大きさの開口により第１光線の切り捨てを実行することが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、ナイフエッジ開口は、対向する鋸歯状ブレードエッジを有することが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、ライン像長ＬＬは、５ｍｍ≦ＬＬ≦１００ｍｍの範囲内であることが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、ライン像幅ＷＬは、２５ミクロン≦ＷＬ≦５００ミクロンの範囲内であることが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、第３円筒形レンズシステムは、第２空間フィルタを画定する開口絞りを有する円筒形中継レンズシステムを含むことが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、ライン焦点の中心ローブは、幅ＷＣを有することが好ましい。また、第１空間フィルタは、０．６ＷＣ≦Ｗ１≦０．０９ＷＣを満たす幅Ｗ１を有することが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、レーザは、名目上１０．６ミクロンの波長を有するように光線を生成するＣＯ_２レーザであることが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、第１光線は、第１空間フィルタにおいて複数の強度ローブを有することが好ましい。複数の強度ローブは、中心強度ローブと複数の周辺強度ローブとを含む。また、第２円筒形レンズシステムは、中心強度ローブと周辺強度ローブの一部とを通過させると共に周辺強度ローブのその他の一部を遮断するように構成されることが好ましい。
このライン形成光学システムにおいて、ライン像は５０Ｗ／ｍｍ^２から５０００Ｗ／ｍｍ^２の範囲内の出力密度を有することが好ましい。

本発明の他の態様は、表面を有するウエハをアニールするレーザアニールシステムである。このレーザアニールシステムは、上述のライン形成光学システムと、ウエハ表面にライン像を走査するように、ウエハを画像平面で動作可能に支持すると共にウエハを移動させるように構成されるステージとを備える。

本発明の他の態様は、表面を有するウエハをアニールするためにライン像を形成する方法である。この方法は、光線を生成すること、光線を集束して中心ローブを有するライン焦点を形成することを備える。また、この方法は、中心ローブ内でライン焦点の第１空間フィルタ処理を実行して、第１空間フィルタ処理済の伸長光線を形成することを備える。また、この方法は、第１空間フィルタ処理済の伸長光線を遠隔フィールド位置に伝播すると共に第１空間フィルタ処理済の伸長光線を第２空間フィルタ処理して、２回の空間フィルタ処理がなされた伸長光線を形成することを備える。さらに、この方法は、２回の空間フィルタ処理がなされた伸長光線を長手方向に切り捨てて、切り捨てられた伸長光線を形成することを備える。また、この方法は、切り捨てられた光線を少なくとも１方向に集束して、ウエハ表面にライン像を形成することを備える。
この方法は、ライン像を形成する際に、切り捨てられた長手方向の光線を第２方向に集束することをさらに備えることが好ましい。
この方法は、開口絞りを有する円筒形光学システムを利用して第２空間フィルタ処理を実行することを備えることが好ましい。
この方法において、ライン像は、５ｍｍ≦ＬＬ≦１００ｍｍの範囲内の長さＬＬと、２５ミクロン≦ＷＬ≦５００ミクロンの範囲内の幅ＷＬとを有することが好ましい。
この方法において、中心ローブは周辺強度最小値により画定される幅ＷＣを有することが好ましい。また、この方法は、０．６ＷＣ≦Ｗ１≦０．０９ＷＣを満たす幅Ｗ１を有する開口を利用して第１空間フィルタ処理を実行することを備えることが好ましい。
この方法において、入力光線を生成することは、名目上１０．６ミクロンの波長を有するように入力光線を形成することを含むことが好ましい。
この方法において、第１光線は、遠隔フィールド位置において複数の強度ローブを有することが好ましい。複数の強度ローブは、中心強度ローブと複数の周辺強度ローブとを含む。また、この方法は、第２空間フィルタ処理を実行して、中心強度ローブと周辺強度ローブの一部とを通過させると共に周辺強度ローブの他の一部を遮断することをさらに備えることが好ましい。
この方法は、ウエハをライン像に対して移動させ、ウエハ表面にライン像を走査することをさらに備えることが好ましい。
この方法は、ライン像に対して５０Ｗ／ｍｍ^２から５０００Ｗ／ｍｍ^２の範囲内の出力密度を与えることをさらに備えることが好ましい。

本発明のさらなる特徴および利点は、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。

上記の背景技術の記載および下記の本発明の詳細な説明の記載は、共に本発明の実施形態を提供するものであり、特許請求の範囲に記載されているように、本発明の本質およ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、本発明の原則および実施を説明する一助となる。

−Ｙ方向から見た本発明に係るライン形成光学システムの概略図である。 −Ｘ方向から見た本発明に係るライン形成光学システムの概略図である。 図１Ａと同様の図であり、４つの折り返しミラーを有するシステム構成の一例を示す図である。 図１Ｂと同様の図であり、４つの折り返しミラーを有するシステム構成の一例を示す図である。 第１空間フィルタとして使用されるナイフエッジ型空間フィルタの一例の正面図である。 第２空間フィルタとして使用されるナイフエッジ型空間フィルタの一例の正面図であり、ナイフエッジに鋸歯が形成されていることを示す図である。 レーザにより照射された光線の強度分布の一例を示す３次元（３Ｄ）プロットであり、Ｙ方向にガウス形状を示すと共にＸ方向に比較的「先端平坦」な形状を示す図（なお、各方向の大きさはｍｍ単位で表示）である。 第１空間フィルタＳＦ１（平面Ｐ１）における集束入力光線のＸ方向（ｍｍ）の光線強度分布プロットであり、ガウス型第１出力光線の形成および非ガウス型第１出力光線の形成に関連する第１空間フィルタ幅Ｗ１を示す図である。 平面Ｐ２における第１出力光線の遠隔フィールド光線強度分布の対数プロットであり、強度分布において五つの中心ローブを通過させるように第２円筒形レンズシステムＣＬ２が構成された例を示す図である。 遠隔フィールドでの正規化強度と、第１空間フィルタＳＦ１において第１空間フィルタ幅Ｗ１を中心ローブ幅ＷＣに等しくなるように設定する従来手法を使用して形成された平面Ｐ２上における第１出力光線のＸ方向位置（ｍｍ）との関係を示すプロット図である。 図６と同様のプロット図であるが、Ｗ１＝０．７ＷＣとした場合の本発明のライン形成光学システムに基づくプロット図である。 図７と同様のプロット図であるが、実質的に異なるライン像長を生成するライン形成光学システムの二つの異なる倍率のうち一方を示す図である。 図７と同様のプロット図であるが、実質的に異なるライン像長を生成するライン形成光学システムの二つの異なる倍率のうち他方を示す図である。 本発明のライン形成光学システムを有するレーザ熱処理システムの一例の概略図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態について詳細に参照する。実施形態の一例については、添付図面に図示されている。同一または同様の構成要素を参照する場合、図面を通じて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。以下記載において、「伸長」光線は光線の断面を表し、一断面の寸法は他断面の寸法よりも大きい。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ−Ｙ方向及び−Ｘ方向から見たライン形成光学システム（光学システム）１０の一例の概略図であり、参照の為、直交座標により表現されている。光学システム１０は、光学軸Ａ１を有し、最初の平行なコヒーレント光線２２（以下、「入力光線」と称す）を照射するレーザ２０を備える。実施形態の一例において、レーザ２０はＣＯ_２レーザを備え、光線２２は名目上１０．６ミクロンの波長を有する。レーザ２０は、一般にレーザアニールウエハＷに適した波長の光線２２を生成するレーザであれば、どのようなレーザであってもよい。このようなアニールとしては、例えば、ウエハＷの加熱、または、ウエハＷに対する他光源からの放射線の照射が挙げられる。したがって、以下詳細に述べるが、ウエハＷは、自身をアニール温度まで加熱するのに十分な量の光線２２を吸収する。

図２Ｂは、図２Ａと同様の図であり、ナイフエッジ開口５０の一例を示す。ナイフエッジ開口５０は、ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４をそれぞれ有するブレードＢ３及びＢ４を備える。ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４は、Ｘ方向高さとして高さＨ２を有する孔（開口）５０Ａを画定する。ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４は、鋸歯状に図示されており、回折効果を低減する機能を果たす。

第１円筒形レンズシステムＣＬ１、第２円筒形レンズシステムＣＬ２、円筒形レンズシステムＣＲＬ及び円筒形集束レンズＣＦＬは、少なくとも一つの円筒形ミラー及び円筒形レンズを有してもよいが、便宜上、それぞれ単一の円筒形ミラーとして図示されている。また、第１円筒形レンズシステムＣＬ１、第２円筒形レンズシステムＣＬ２、円筒形レンズシステムＣＲＬ及び円筒形集束レンズＣＦＬは、開口および同様の構成要素を有することができる。第２円筒形レンズシステムＣＬ２は、光学システム１０の瞳孔（ｐｕｐｉｌ）を画定する開口絞りＡＳを有する。また、円筒形レンズシステムＣＲＬは、選択的に第２空間フィルタＳＦ２を備える。折り返しミラーＦＭ１及びＦＭ２は、例えば光学システム１０をさらにコンパクトにするために選択的に使用され、一般にミラーベースのシステムに好ましい。

図１Ｃ及び図１Ｄは、図１Ａ及び１Ｂと同様の図であり、第１空間フィルタＳＦ１を備える光学システム１０の一部構成例を示す。この構成例では、さらに２つの折り返しミラーＦＭ３及びＦＭ４が設けられる。

図２Ａは、第１空間フィルタＳＦ１の一例の正面図である。第１空間フィルタＳＦ１は、ブレードエッジＢＥ１及びＢＥ２（ナイフエッジ）をそれぞれ有する調整可能なブレードＢ１及びＢ２を備える。ブレードエッジＢＥ１及びＢＥ２は、スリット開口ＳＡ１を画定する。スリット開口Ｓ１は、幅Ｗ１を有し、Ｘ方向に狭くＹ方向に長い。

図２Ｂは、図２Ａと同様の図であり、ナイフエッジ開口５０の一例を示す。ナイフエッジ開口５０は、ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４をそれぞれ有するブレードＢ３及びＢ４を備える。ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４は、Ｙ方向高さに高さＨ２を有する孔（開口）５０Ａを画定する。ナイフエッジＢＥ３及びＢＥ４は、鋸歯状に図示されており、回折効果を低減する機能を果たす。

一例において、レーザ２０は、名目上１０．６ミクロンの波長λの光を照射するＣＯ_２レーザを含む。ＣＯ_２レーザにはガウス型出力光線を照射するものもあるが、所定の高出力シングルモードＣＯ_２レーザは、不安定な共振器を採用することから、少なくとも一方向に非ガウス型出力光線を有する。図３は、光源ユニットとしてのレーザ２０により照射される非ガウス型光線２２の強度分布の一例の三次元（３Ｄ）プロットである。図３に示される光線の一例では、Ｘ方向に実質的に先端平坦な光線分布を有し、Ｙ方向にガウス型分布を有する。

従来のライン形成光学システムでは、第１空間フィルタＳＦ１は、入力光線２２からＸ方向にガウス型出力光線を形成するように構成（例えば、幅Ｗ１が設定）される。以下の説明では、このような従来の空間フィルタ設定では、例えば、第１空間フィルタＳＦ１（図４及び以下の記載を参照）で形成される光線分布の強度がゼロ（または、より一般的には中心ローブを画定する強度最小値）となる位置にブレードエッジＢＥ１及びＢＥ２を配置する。

ライン焦点ＬＦ１の光線分布は、第１円筒形レンズシステムＣＬ１の開口および焦点距離、入力光線強度分布（一例を図３に示す）により規定される。図４Ａは、第１空間フィルタＳＦ１としてのライン焦点ＬＦ１に関連する光線分布の対数等高線図である。図４Ｂは、Ｘ方向のライン焦点ＬＦ１の（非対数）強度をプロットしている。図４Ｂは、中心ローブＣＬを取り囲んで画定する強度最小値ＭＩを示している。強度最小値は、強度ゼロＺＩと一致することが理想である。なお、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、Ｘ方向の光線分布は、本来「同期」関数であり、中心ローブＣＬが周辺の強度最小値ＭＩにより画定されるような幅ＷＣを有する。また、Ｙ方向の光線分布は本来のガウス型特性を維持する。図４Ａの光線分布図は、光線２２がＹ方向に伸長することを示している。

図４Ｂでは、第１空間フィルタＳＦ１を離れるガウス型出力光線２３および非ガウス型出力光線２３の形成に対応する第１空間フィルタ幅（Ｗ１＝ＷＣ及びＷ１＝０．８ＷＣ）を重ねてプロットしている。

ブレードエッジＢＥ１及びＢＥ２を同期関数の強度最小値ＭＩ（即ち、Ｗ１＝ＷＣ）に配置する第１空間フィルタ幅Ｗ１によって、光線２３の光線分布（即ち、同期関数の中心ローブＣＬのフーリエ変換）が遠隔位置（例えば、第２空間フィルタＳＦ２）に形成され、最終的にガウス型遠隔光線分布が形成される。しかし、本発明の光学システムは、空間フィルタ幅を中心ローブＣＬ内、即ち、Ｗ１＜ＷＣ（例えば、Ｗ１は０．６ＷＣから０．０９ＷＣの範囲内、より好ましくは０．７ＷＣから０．８ＷＣの範囲内）に設定する。このため、強度最小値ＭＩ内の中心ローブＣＬが切り捨てられ、光線２３の遠隔光線分布（即ち、中心ローブＣＬの一部のみのフーリエ変換）が形成される。出力光線２３の高空間周波数のより多くを切り捨て、光線２３をより回折させ、ガウス型光線分布に比べてより先端平坦な形状の光線分布を出力光線２３に与えることにより、遠隔フィールドでの出力光線２３の空間的広がりを拡張する効果が得られる。

出力光線２３は、第１空間フィルタＳＦ１から第２円筒形レンズシステムＣＬ２に進行する。一度フィルタ処理された光線２３はＸ方向にフィルタされ（切り捨てられ）、光線２４が形成される。フィルタ処理／切捨て処理関数は、第２円筒形レンズシステムＣＬ２の大きさにより実行される。即ち、第２円筒形レンズシステムは光線２３の一部のみを通過させるように構成されている。このように、第２円筒形レンズシステムＣＬ２は第２空間フィルタＳＦ２として機能する。第２円筒形レンズシステムＣＬ２は、Ｘ方向に出力し、光線２３が実質的に分散光である場合、光線２４を実質的に平行光として形成する。

光線２４は、第２円筒形レンズシステムＣＬ２によりナイフエッジ開口５０に導かれる。ナイフエッジ開口５０は、光線２４を長手方向（伸長方向、即ち、Ｘ方向）に切り捨てる役割を担っており、光線２５を形成する。このような切り捨て処理により、最終ライン像ＬＩの長さＬＬが画定される。長さＬＬを調整するために、ブレードＢ３及びＢ４は調整可能となっている。ナイフエッジ開口５０は、第２円筒形レンズシステムＣＬ２の画像平面であり、対応する対象物平面が第１空間フィルタＳＦ１上に存在する。

光線２５は、円筒形レンズシステムＣＲＬに向かって進行する。円筒形レンズシステムＣＲＬは、平面Ｐ２と画像平面ＩＰとが共役面となるように構成されている。図１Ａを参照すると、円筒形中継レンズは、光線２５をＸ方向に集束して光線２６を形成する。光線２６は、（Ｙ方向に出力する）円筒形集束レンズＣＦＬを直接通って、画像平面ＩＰに最終ライン像ＬＩを形成する。図１Ｂを参照すると、ライン像ＬＩが幅Ｗ１を有するように、光線２６が円筒形集束レンズＣＦＬによりＹ方向に集束される。ライン像ＬＩの典型的な幅Ｗ１は、約２５ミクロンから約５００ミクロンの範囲内である。

レーザ２０から第１円筒形レンズシステムＣＬ１を通過して第１空間フィルタＳＦ１に伝播する光線２２がフーリエ変換され、第１空間フィルタＳＦ１から第２円筒形レンズシステムＣＬ２を越えて（第２円筒形レンズシステムＣＬ２の焦点距離と同様の距離だけ後方に）伝播する光線２３が実質的に逆フーリエ変換されるように、第１円筒形レンズシステムＣＬ１および第２円筒形レンズシステムＣＬ２が、第１空間フィルタＳＦ１に対して相対配置されている。

光線２３は第２円筒形レンズシステムＣＬ２により空間フィルタ処理され、その結果、２回の空間フィルタ処理がなされた光線２４が形成される。光線２４は、２つのフィルタ処理工程で規定される光線分布を有する。図５に示されるように、第１のフィルタ処理工程では、広域出力スペクトルが形成される。第２円筒形レンズシステムＣＬ２は、（例えば、内部開口の設定またはその開口の選択により）出力スペクトルのいずれの強度ローブを通過させるのかを選択するように構成されており、光線２４を形成する。例えば、図５では、第２円筒形レンズシステムＣＬ２は、中心ローブ（メインローブ）ＣＬと四つの周辺ローブとを通過させ、範囲外の複数の強度ローブを遮断するように構成されている。なお、光線２４はＹ方向においてガウス型特性を維持している。

二重の空間フィルタ処理により、ナイフエッジ開口５０での強度分布は、ガウス型分布から「より先端平坦な」分布に変化する（図６と図７を比較）。したがって、より多くの出力がナイフエッジ開口５０を通過することができ、ライン像ＬＩが形成される。また、結果的に得られるライン像ＬＩは、長手方向に極めて均一（例えば、通常はプラス・マイナス５％よりも良好）であり、出力光線のコヒーレントによる干渉効果を受けることはない（これは、ナイフエッジの鋸歯とリレー内の空間フィルタ（またはリレーの低いＮＡと同様）による）。光学システム１０は、ライン像ＬＩを形成するのに従来のシステムに比べてより多くの出力を要する。このため、ライン像ＬＩの長さＬＬをレーザ熱プロセス光学システムの従来のライン形成システムに比べて実質的に長く（例えば、３倍長く）することができる。例えば、ライン像ＬＩの長さＬＬは、円筒形レンズシステムＣＲＬの適切な倍率選択によって規定される。

（例）
上述の通り、従来のライン形成光学システムは、ガウス型光線を生成するように最適化されている。ガウス型光線は、光線の狭い中心部分を通過させるように切り捨てられるので、最終的な出力光線においては相当な光線が損失していることになる。

図６は、従来のライン形成光学システムの第１空間フィルタＳＦ１における入力光線２２の位置に対する正規化強度の一例をプロットしている。第１空間フィルタ幅はＷ１＝ＷＣであり、これは、実質的にガウス型の光線２３をＸ方向に形成することに対応している。図６のプロットの計算では、レーザ波長をλ＝１０．６ミクロンとし、第１円筒形レンズシステムＣＬ１の焦点距離Ｆ１と開口（径）ＤをそれぞれＦ１＝９００ｍｍ、Ｄ＝２２ｍｍとした場合、第１空間フィルタ幅はＷ１＝ＷＣ＝２＊（λ／Ｄ）＊Ｆ＝０．８７ｍｍとなる。

ライン像ＬＩの距離ＬＬは、７．４７ｍｍであり、≧０．９の正規化強度として規定されている。画像平面（したがって、ウエハ面ＷＳ）の光線の出力密度は６３．３Ｗ(ワット)／ｍｍ^２である。図７のプロットで注目すべきは、第１空間フィルタＳＦ１により遮断されたエネルギー量が多い点にある。

図７は、図６と同様のプロット図であるが、本発明の光学システムに基づくプロット図である。ここで、第２円筒形レンズシステムＣＬ２からナイフエッジ開口５０までの距離は５メートルであり、システム全体の倍率は７．３７である。第１空間フィルタ幅はＷ１＝０．７ＷＣであり、出力密度１７４Ｗ／ｍｍ^２で７．５４ｍｍの長さＬＬを有するライン像ＬＩが形成される。特にこの例では、ライン長ＬＬが従来の手段により生成されたライン長と同様であるが、出力密度は約３倍大きく、レーザ熱プロセスツールのスループットがかなり増大されている。光学システム１０の倍率を変更することにより、ライン長ＬＬをかなり（例えば、約３倍まで）長くすることができる。例えば、ライン長ＬＬは、５ｍｍ≦ＬＬ≦１００ｍｍの範囲内である。また、例えば、ライン像ＬＩの幅ＷＬは、２５ミクロン≦ＷＬ≦５００ミクロンの範囲内である。また、例えば、ライン像ＬＩは、５０Ｗ／ｍｍ^２から５０００Ｗ／ｍｍ^２の範囲内の出力密度を有する。

図８Ａおよび図８Ｂは、Ｗ１＝０．７ＷＣとした場合の他の例を示している。図８Ａでは、ライン像ＬＩの長さＬＬが７．３ｍｍである。しかし、ここで図８Ｂを参照すると、第１空間フィルタＳＦ１と瞳孔との距離を変更することにより（または、第２円筒形レンズシステムＣＬ２とナイフエッジ開口５０との距離を延ばし、第１空間フィルタＳＦ１と瞳孔との距離を短くすることにより）、倍率が１６．７に変更され、ライン像ＬＩの長さＬＬが約１７ｍｍに変更される。

なお、第１空間フィルタＳＦ１の構成はほとんどの場合において比較的許容範囲が広く、典型的な配置許容範囲は約プラス・マイナス０．５ｍｍである。

（レーザ熱プロセスシステム）
半導体プロセスにおけるレーザアニール処理は、典型的にはパターン化されたウエハに対して行われる。パターン化されたウエハの吸収率は、パターン寸法、パターン密度、レーザ波長により異なる。これまで、パターン寸法に比べて随分長い波長を有するレーザアニール処理が好ましいことが示されている。

図９は、本発明の光学システムを有するレーザアニールシステム１００の概略図である。光学システム１０の使用に適するレーザアニールシステム１００の一例は、例えば、米国特許第７，６１２，３７２号、７，５１４，３０５号、７，４９４，９４２号、７，３９９，９４５号、７，１５４，０６６号、６，７４７，２４５号および６，３６６，３０８号に記載されている。なお、これらの特許は、本願に援用される。

図９のレーザアニールシステム１００は、上述のような光学システム１０を光学軸Ａ１に沿って備える。光学システム１０において、レーザ２０により照射される光線２２は、選択的条件下でウエハＷによって吸収されウエハＷを加熱可能な（例えば、ＣＯ_２レーザによる名目上１０．６ミクロンの）波長を有する。例えば、このような条件としては、ウエハＷを加熱すること、または、ウエハＷの半導体バンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２放射線（図示せず）でウエハＷを照射することが挙げられる。これにより、ウエハＷは、自身をアニール温度まで加熱するのに十分な程度まで光線２２を吸収する。ウエハＷが光線２２の吸収材となるように第２光源を利用してウエハＷを照射する一例は、米国特許第７，０９８，１５５号、７，１４８，１５９号、７，４８２，２５４号に記載されている。これらの特許は、本願に援用される。

ウエハＷは、上面１１２を有するチャック１１０により支持されている。一例において、チャック１１０は、ウエハＷ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により支持され、ステージ１２０は載置台（図示せず）により支持される。実施形態の一例において、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、可動式であり、平行移動および回転が可能である。

一例において、ウエハＷには回路（例えば、トランジスタ）１５６が形成されており、回路１５６の一部として、ウエハ表面ＷＳ上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が含まれることが図示されている。なお、図１０を簡略化するために、回路１５６のソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの大きさをウエハＷに対して非常に誇張して図示している。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Ｗにおける深さは約１ミクロン以下である。

実施形態の一例において、レーザアニールシステム１００は、レーザ２０及びステージコントローラ１２２に電気的に接続されたコントローラ１７０をさらに備える。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１７０の指示を受けてステージ１２０の移動を制御するように構成されている。コントローラ１７０は、一般にレーザアニールシステム１００の動作を制御するように構成され、特にレーザ２０及びステージコントローラ１２２の動作を制御するように構成されている。

実施形態の一例において、コントローラ１７０は、例えば、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そのものであるか、このようなコンピュータを備える。なお、コンピュータについては、テキサス州オースチンのデルコンピュータ社等、多くの周知のコンピュータ会社の任意のコンピュータを利用可能である。コントローラ７０は、多くの商業利用可能なマイクロプロセッサのいずれか、当該プロセッサを記憶装置（例えば、ハードディスクドライブ）へ接続するのに適したバスアーキテクチャ、適切な入出力装置（例えば、キーボード、ディスプレイ等）を備えることが好ましい。

引き続き図９を参照すると、上述のように生成された光線２６は、ウエハＷの表面ＷＳ上に導かれ、ライン像ＬＩを表面ＷＳ上に形成する。なお、ここで使用する「画像（像）」という用語は、一般に光線２６により画像平面ＩＰと、当該平面上に位置するウエハＷの表面ＷＳ上に形成される光線分布を示す。したがって、ライン像ＬＩは、必ずしも古典的な意味での「物体」を有する訳ではない。

実施形態の一例において、矢印１８０で示されるように、ライン像ＬＩは、ウエハＷの表面ＷＳ上で走査される。その結果、ソース領域１５０Ｓおよびドレイン領域１５０Ｄのドーパントを活性化するのに十分な温度（例えば、１０００から１３００℃の間）までウエハＷの表面ＷＳが（約１ミクロン以下の深さまで）急速加熱されることになるが、その一方で、ドーパントが実質的に拡散しないようにウエハＷの表面ＷＳが急冷される。このため、ソース領域１５０Ｓおよびドレイン領域１５０Ｄが浅く維持される。ウエハＷの面ＷＳ上におけるライン像ＬＩの典型的な走査速度は、２５ｍｍ／ｓｅｃから１０００ｍｍ／ｓｅｃの範囲内である。一例において、光線２６およびウエハＷの一方または両方が走査中に移動可能である。光学システム１０は、比較的大きな出力密度を有する比較的長いライン像ＬＩを形成することができる。このため、この光学システム１０では、従前のライン像生成光学システムにおける許容速度に比べて随分早い速度（例えば、３倍の速度まで、または、３倍のスループットの改善に対して３倍の長さのプロセスラインを有すること）でウエハＷを走査可能である。このため、１時間当たりに処理可能なウエハ数が、この光学システム１０により増加する。

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 (20)

1. レーザ熱処理システム用のライン像を形成するライン形成光学システムであって、
   入力光線を生成するレーザと、
   周辺の強度最小値により画定される中心ローブを有する第１方向のライン焦点に前記入力光線を集束する第１円筒形レンズシステムと、
   前記ライン焦点に配置され、前記ライン像を第２方向において前記中心ローブ内で切り捨てるように構成され、これにより第１光線を形成する第１空間フィルタと、
   前記第１光線の一部を前記第２方向で受光して切り捨てることによって実質的に平行な第２光線を形成する第２円筒形レンズシステムと、
   前記実質的に平行な第２光線を前記第２方向で切り捨てるように構成され、第３光線を形成するナイフエッジ開口と、
   前記ナイフエッジ開口と共役な画像平面を有し、前記第３光線を受光してそこから前記第２方向に集束された第４光線を形成するように構成され、前記画像平面にライン像長ＬＬを画定する第３円筒形レンズシステムと、
   前記第１方向に前記第４光線を集束して前記画像平面にライン像幅ＷＬを画定する第４円筒形レンズシステムと
   を光学軸に沿って順に備える、ライン形成光学システム。
2. 前記第２円筒形レンズシステムは、（ａ）前記切り捨ての実行に適した大きさの開口絞り、又は（ｂ）前記切り捨ての実行に適した大きさの開口により前記第１光線の切り捨てを実行する
   請求項１に記載のライン形成光学システム。
3. 前記ナイフエッジ開口は、対向する鋸歯状ブレードエッジを有する
   請求項１または２に記載のライン形成光学システム。
4. 前記ライン像長ＬＬは、５ｍｍ≦ＬＬ≦１００ｍｍの範囲内である
   請求項１から３のいずれかに記載のライン形成光学システム。
5. 前記ライン像幅ＷＬは、２５ミクロン≦ＷＬ≦５００ミクロンの範囲内である
   請求項１から４のいずれかに記載のライン形成光学システム。
6. 前記第３円筒形レンズシステムは、第２空間フィルタを画定する開口絞りを有する円筒形中継レンズシステムを含む
   請求項１から５のいずれかに記載のライン形成光学システム。
7. 前記ライン焦点の前記中心ローブは、幅ＷＣを有し、
   前記第１空間フィルタは、０．６ＷＣ≦Ｗ１≦０．９ＷＣを満たす幅Ｗ１を有する
   請求項１から６のいずれかに記載のライン形成光学システム。
8. 前記レーザは、実質的に１０．６ミクロンの波長を有するように前記光線を生成するＣＯ２レーザである
   請求項１から７のいずれかに記載のライン形成光学システム。
9. 前記第１光線は、前記第１空間フィルタにおいて複数の強度ローブを有し、
   前記複数の強度ローブは、中心強度ローブと複数の周辺強度ローブとを含み、
   前記第２円筒形レンズシステムは、前記中心強度ローブと前記周辺強度ローブの一部とを通過させると共に前記周辺強度ローブのその他の一部を遮断する
   請求項１から８のいずれかに記載のライン形成光学システム。
10. 前記ライン像は、５０Ｗ／ｍｍ^２から５０００Ｗ／ｍｍ^２の範囲内の出力密度を有する
    請求項１から９のいずれかに記載のライン形成光学システム。
11. 表面を有するウエハをアニールするレーザアニールシステムであって、
    請求項１から１０のいずれかに記載の前記ライン形成光学システムと、
    前記ウエハ表面に前記ライン像を走査するように、前記ウエハを前記画像平面で動作可能に支持すると共に前記ウエハを移動させるように構成されるステージと
    を備える、レーザアニールシステム。
12. 表面を有するウエハをアニールするためにライン像を形成する方法であって、
    入力用のレーザ光線を生成することと、
    前記入力用のレーザ光線を集束して、中心ローブを有するライン焦点を形成することと、
    前記ライン焦点において前記レーザ光線を前記中心ローブ内で切り取るための第１空間フィルタ処理を実行して第１光線を形成することと、
    前記第１光線をさらに前記第１空間フィルタ処理と同じ方向にフィルタするための第２空間フィルタ処理を実行して、２回の空間フィルタ処理がなされた第２光線を形成することと、
    前記第２光線を前記第１の空間フィルタ処理と同じ方向にて切り捨てて第３光線を形成することと、
    前記第３光線を少なくとも１方向に集束して、前記ウエハ表面に前記ライン像を形成することと
    を備える方法。
13. 前記ライン像を形成する際に、前記切り捨てられた前記第３の光線を前記第１の空間フィルタ処理の方向と直角な方向に集束すること
    をさらに備える請求項１２に記載の方法。
14. 開口絞りを有する円筒形光学システムを利用して前記第２空間フィルタ処理を実行することを備える
    請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記ライン像は、５ｍｍ≦ＬＬ≦１００ｍｍの範囲内の長さＬＬと、２５ミクロン≦ＷＬ≦５００ミクロンの範囲内の幅ＷＬとを有する
    請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記中心ローブは、周辺強度最小値により画定される幅ＷＣを有し、
    ０．６ＷＣ≦Ｗ１≦０．９ＷＣを満たす幅Ｗ１を有する開口を利用して前記第１空間フィルタ処理を実行することを備える
    請求項１２から１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記入力光線を生成することは、実質的に１０．６ミクロンの波長を有するように前記入力光線を形成することを含む
    請求項１２から１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記第１光線は、前記遠隔フィールド位置において複数の強度ローブを有し、
    前記複数の強度ローブは、中心強度ローブと複数の周辺強度ローブとを含み、
    前記第２空間フィルタ処理を実行して、前記中心強度ローブと前記周辺強度ローブの一部とを通過させると共に前記周辺強度ローブの他の一部を遮断することをさらに備える
    請求項１２から１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記ウエハを前記ライン像に対して移動させ、前記ウエハ表面に前記ライン像を走査することをさらに備える
    請求項１２から１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記ライン像に対して５０Ｗ／ｍｍ^２から５０００Ｗ／ｍｍ^２の範囲内の出力密度を与えることをさらに備える
    請求項１２から１９のいずれかに記載の方法。

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