JP5691908B2

JP5691908B2 - レーザアニール装置

Info

Publication number: JP5691908B2
Application number: JP2011159670A
Authority: JP
Inventors: 小山　貴之; 貴之小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013026433A

Description

本発明は、レーザアニール装置に関する。

特許文献１において、単位時間当たりに照射されるレーザ光のエネルギが小さいレーザを使用して、アニール対象物の全面に対してレーザ光を均一に照射できるようにすることを課題とし、アニール対象物が載置されるステージに対する照射手段の相対位置をステージの回転方向に対して直交する方向へ移動させる移動手段を備えることを特徴とするレーザアニール装置が開示されている。

特許文献２において、半導体プロセス等における熱処理を目的とするレーザの照射方法等であって、照射チャンバの小型化、広面積の加熱の均一化等を課題とし、基板表面におけるレーザ照射領域を基板表面で回転移動させる回転駆動部を備えることを特徴とする構成が開示されている。

特許文献３において、薄膜形成方法であって、ターゲットに高エネルギビームを照射し、ターゲットから放出された粒子を利用して基板上に薄膜を形成する技術が開示されている。

特開２００３−３３２２５８号公報特開２００４−１９３４９０号公報特開平７−２５２６４１号公報

図１７は、一般的なレーザアニール装置１０１の構成及び動作を例示している。レーザアニール装置１０１は、アニール処理の対象となる対象物１０２が載置されこれを回転させるテーブル１０３、レーザ光１０５を照射するレーザ装置１０４、及びテーブル１０３を水平方向に変位させる移動機構１０６を有する。移動機構１０６は、レーザ光１０５が対象物１０２の中心部に照射された状態から、回転するテーブル１０３を徐々に水平方向に変位させる。これにより、対象物１０２の中心部から外周部に向かってアニール処理が施される。

本例においては、レーザ光１０５の断面積は、照射部１０７からの距離が大きくなるに従い小さくなっている。即ち、レーザ光１０５の対象物１０２への照射面積１０８は、照射部１０７と対象物１０２との距離によって決まる。

図１８は、上記レーザアニール装置１０１におけるレーザ光１０５の照射位置と照射面積１０８との関係を示している。同図が示すように、本例に係るアニール装置１０１においては、照射部１０７と対象物１０２との距離が一定であるため、対象物１０２の中心部から外周部までの全照射位置に渡って照射面積１０８が略一定となっている。

図１９は、レーザアニール装置１０１における照射位置と照射時間との関係を示している。図２０は、レーザアニール装置１０１における照射位置とレーザ光１０５のエネルギ密度との関係を示している。図２１は、レーザアニール装置１０１における照射位置と対象物１０２の温度との関係を示している。

図１９が示すように、レーザ光１０５の照射時間は、対象物１０２の中心部に近い程長くなる。また、図２０が示すように、対象物１０２に照射されるレーザ光１０５のエネルギ密度は、上述のようにレーザ光１０５の照射面積１０８が全範囲に渡って一定であることから、一定となる。従って、対象物１０２の中心部は、外周部よりも多くのエネルギ照射を受けることとなる。中心部での照射時間は外周部よりも長く、両部に照射されるレーザ光１０５のエネルギ密度は同一だからである。そのため、図２１が示すように、対象物１０２の中心付近の温度は外周付近より高くなり、温度分布の偏りが生ずる。

そこで、本発明は、対象物が照射されるエネルギ分布を均一化することを課題とする。

本発明の一態様は、対象物が載置され、前記対象物を回転させるステージと、照射部からの距離に応じて断面積が変化し前記断面積とエネルギ密度とが反比例するレーザ光を照射するレーザ装置と、前記ステージに載置された前記対象物と前記照射部との相対的位置関係を変化させる移動手段とを備え、前記移動手段は、前記レーザ光の前記対象物への照射位置が前記ステージの回転中心から離間するに従って、前記対象物に照射される前記レーザ光の断面積が小さくなるように前記相対的位置関係を変化させるレーザアニール装置である。

また、前記ステージの載置面と前記レーザ光の光軸とが直交せず、前記移動手段は、前記ステージ又は前記レーザ装置の少なくともどちらか一方を水平方向に変位させるものであってもよい。

また、前記ステージの載置面と前記レーザ光の光軸とが略直行し、前記移動手段は、前記ステージ又は前記レーザ装置の少なくともどちらか一方を垂直方向に変位させるものであってもよい。

また、前記レーザ装置は、前記レーザ光の断面積を変化させる手段を備え、前記移動手段は、前記ステージ又は前記レーザ装置の少なくともどちらか一方を水平方向に変位させるものであってもよい。

本発明によれば、対象物の中心付近では、断面積（照射面積）が大きくエネルギ密度が小さいレーザ光が長い照射時間によって照射され、対象物の外周付近では、照射面積が小さくエネルギ密度が大きいレーザ光が短い照射時間によって照射される。これにより、対象物が受けるレーザ光のエネルギ分布を全範囲に渡って均一化することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザアニール装置の構成及び動作を示す図である。実施の形態１に係るレーザアニール装置におけるレーザ光の照射位置と照射面積との関係を示す図である。実施の形態１に係るレーザアニール装置における照射位置と照射時間との関係を示す図である。実施の形態１に係るレーザアニール装置における照射位置とレーザ光のエネルギ密度との関係を示す図である。実施の形態１に係るレーザアニール装置における照射位置と対象物の温度との関係を示す図である。図１上段及び図２上段に示す照射位置での照射時間を示す図である。図１上段及び図２上段に示す照射位置でのレーザ光のエネルギ密度を示す図である。図１上段及び図２上段に示す照射位置での対象物の温度を示す図である。図１中段及び図２中段に示す照射位置での照射時間を示す図である。図１中段及び図２中段に示す照射位置でのレーザ光のエネルギ密度を示す図である。図１中段及び図２中段に示す照射位置での対象物の温度を示す図である。図１下段及び図２下段に示す照射位置での照射時間を示す図である。図１下段及び図２下段に示す照射位置でのレーザ光のエネルギ密度を示す図である。図１下段及び図２下段に示す照射位置での対象物の温度を示す図である。本発明の実施の形態２に係るレーザアニール装置の構成及び動作を示す図である。本発明の実施の形態３に係るレーザアニール装置の構成及び動作を示す図である。一般的なレーザアニール装置の構成及び動作を例示する図である。一般的なレーザアニール装置におけるレーザ光の照射位置と照射面積との関係を示す図である。一般的なレーザアニール装置における照射位置と照射時間との関係を示す図である。一般的なレーザアニール装置における照射位置とレーザ光のエネルギ密度との関係を示す図である。一般的なレーザアニール装置における照射位置と対象物の温度との関係を示す図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザアニール装置１の構成及び動作を示している。レーザアニール装置１は、テーブル２、レーザ装置３、及び移動機構４を有する。

テーブル２は、適宜な駆動機構と連結する円盤状の部材である。テーブル２上には、アニール処理の対象となる対象物１１が載置される。対象物１１は、テーブル２の回転に伴い回転する。

レーザ装置３は、レーザ光１２を対象物１１に向かって照射する。レーザ光１２は、照射部１３から照射され、照射部１３からの距離が長くなるに従い、その断面積が小さくなる。レーザ光１２の断面積とエネルギ密度とは、反比例の関係を有する。

移動機構４は、適宜な駆動機構により、テーブル２の角度をレーザ光１２の光軸に対して変化させると共に、テーブル２を水平方向に変位させる。

本実施の形態においては、レーザ光１２は回転する対象物１１の中心部から外周部へ向って照射される。図１上段は、レーザ光１２が対象物１１の中心付近を照射している状態を示している。図１中段は、レーザ光１２が対象物１１の中間部分を照射している状態を示している。図１下段は、レーザ光１２が対象物１１の外周付近を照射している状態を示している。同図が示すように、移動機構４は、回転しているテーブル２を図中左方向、即ち照射部１３と対象物１１との距離が大きくなる方向へ徐々に移動させていく。図中１５は、対象物１１に照射されるレーザ光１２の照射面積を示している。

図２は、レーザ光１２の照射位置と照射面積１５との関係を示している。図２上段は、レーザ光１２が対象物１１の中心付近１６を照射している時の照射面積１５を示している。図２中段は、レーザ光１２が対象物１１の中間部分１７を照射している時の照射面積１５を示している。図２下段は、レーザ光１２が対象物１１の外周付近１８を照射している時の照射面積１５を示している。同図が示すように、照射面積１５は、レーザ光１２の照射位置が外周部へ向うに従い小さくなる。

図３は、上記レーザアニール装置１における照射位置と照射時間との関係を示している。図４は、当該照射位置とレーザ光１２のエネルギ密度との関係を示している。図５は、当該照射位置と対象物１１の温度との関係を示している。図３〜図５が示すように、上記レーザアニール装置１においては、照射位置が中心部から外周部へ向うに従い、照射時間が徐々に減少していくと共にエネルギ密度が徐々に増加していくため、対象物１１の温度は全体に渡って略一定となる。

図６は、図１上段及び図２上段に示す照射位置での照射時間を示している。図７は、図１上段及び図２上段に示す照射位置でのレーザ光１２のエネルギ密度を示している。図８は、図１上段及び図２上段に示す照射位置での対象物１１の温度を示している。図６及び図７が示すように、この状態においては照射時間が長く、エネルギ密度が小さい。

図９は、図１中段及び図２中段に示す照射位置での照射時間を示している。図１０は、図１中段及び図２中段に示す照射位置でのレーザ光１２のエネルギ密度を示している。図１１は、図１中段及び図２中段に示す照射位置での対象物１１の温度を示している。図９及び図１０が示すように、この状態においては、図６及び図７の場合に比べて照射時間が短く、エネルギ密度が大きくなっている。また、図８及び図１０が示すように、対象物１１の温度は両状態に渡って略一定となっている。

図１２は、図１下段及び図２下段に示す照射位置での照射時間を示している。図１３は、図１下段及び図２下段に示す照射位置でのレーザ光１２のエネルギ密度を示している。図１４は、図１下段及び図２下段に示す照射位置での対象物１１の温度を示している。図１２及び図１３が示すように、この状態においては、図９及び図１０の場合に比べ照射時間が更に短く、エネルギ密度が更に大きくなっている。また、図８、図１０及び図１４が示すように、対象物１１の温度は全ての状態に渡って略一定となっている。

上述のように、本実施の形態に係るレーザアニール装置１においては、ステージ２の載置面とレーザ光１２の光軸とが直交しておらず、ステージ２は移動機構４により照射位置が外周部側に移行するに従いレーザ光１２と対象物１１との距離が大きくなるように水平方向に変位する。また、レーザ光１２は、照射部１３からの距離が大きくなるに従いその断面積が小さくなるように照射され、当該断面積とエネルギ密度とは反比例の関係を有する。これにより、対象物１１の中心付近では、照射面積１５が大きくエネルギ密度が小さいレーザ光１２が長い照射時間によって照射され、対象物１１の外周付近では、照射面積１５が小さくエネルギ密度が大きいレーザ光１２が短い照射時間によって照射される。これにより、対象物１１が受けるレーザ光１２のエネルギ分布が全範囲に渡って略均一となり、対象物１１に温度の偏りが生じないようにすることができる。

尚、本実施の形態においては、テーブル２が変位しレーザ装置３は変位しない構成を示したが、テーブル２は変位せずレーザ装置３が変位する構成、又はテーブル２及びレーザ装置３の両方が変位する構成であっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

実施の形態２
図１５は、本発明の実施の形態２に係るレーザアニール装置２１の構成及び動作を示している。当該レーザアニール装置２１と上記実施の形態１に係るレーザアニール装置１との相違点は、テーブル２を変位させる移動機構２４にある。

移動機構２４は、照射位置の変化に応じて、テーブル２を水平方向に変位させると共に垂直方向に変位させる。テーブル２を上方（照射部１３に近づく方向）に変位させることにより、対象物１１に対するレーザ光１２の照射面積１５が大きくなり（エネルギ密度が小さくなる）、テーブル２を下方に変位させることにより、照射面積１５が小さくなる（エネルギ密度が大きくなる）。従って、照射位置が中心部に近い時程テーブル２の位置を高くし、照射位置が外周部に近い時程テーブル２の位置を低くすることにより、上記実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

実施の形態３
図１６は、本発明の実施の形態３に係るレーザアニール装置３１の構成及び動作を示している。当該レーザアニール装置３１と上記実施の形態２に係るレーザアニール装置２１との相違点は、レーザ装置３３及び移動機構３４にある。

レーザ装置３３は、レーザ光１２の断面積を任意に変化させることができる照射部３５を備えている。また、移動機構３４は、テーブル２を平行方向にのみ変位させる。そして、レーザ装置３３は、照射位置が対象物１１の中心部に近い時程レーザ光１２の断面積（照射面積１５）を大きくし、照射位置が外周部に近い時程レーザ光１２の断面積を小さくする。これにより、上記実施の形態１及び２と同様の作用効果を得ることができる。

尚、本実施の形態においては、テーブル２が変位しレーザ装置３３は変位しない構成を示したが、テーブル２は変位せずレーザ装置３３が変位する構成、又はテーブル２及びレーザ装置３３の両方が変位する構成であっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１，２１，３１レーザアニール装置
２テーブル
３，３３レーザ装置
４，２４，３４移動機構（移動手段）
１１対象物
１２レーザ光
１３，３５照射部
１５照射面積

Claims

対象物が載置され、前記対象物を回転させるステージと、
照射部からの距離に応じて断面積が変化し前記断面積とエネルギ密度とが反比例するレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記ステージに載置された前記対象物と前記照射部との相対的位置関係を変化させる移動手段とを備え、
前記ステージの載置面と前記レーザ光の光軸とが直交せず、
前記移動手段は、前記レーザ光の前記対象物への照射位置が前記ステージの回転中心から離間するに従って前記照射部と前記対象物との距離が大きくなることで、前記対象物に照射される前記レーザ光の断面積が小さくなるように、前記ステージ又は前記レーザ装置の少なくともどちらか一方をレーザ光軸に直交する方向に変位させる、
レーザアニール装置。
前記レーザ装置は、前記レーザ光を前記照射部から前記対象物に向かって照射する、
請求項１に記載のレーザアニール装置。
前記ステージは、前記載置面と直交する軸を中心に回転する、
請求項１又は２に記載のレーザアニール装置。
前記レーザ装置は、変位せず、
前記移動手段は、前記ステージを前記変位させ、さらに前記ステージの角度を前記光軸に対して変化させる、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザアニール装置。