JP6096184B2 - 新規の熱処理装置 - Google Patents

Description

本明細書に記載の実施形態は熱処理の装置および方法に関する。より具体的には、本明細書に記載の装置および方法は半導体基板のレーザ熱処置に関する。

半導体産業では一般的に熱処理が実施される。半導体基板は、ゲート、ソース、ドレインおよびチャネル構造のドーピング、活性化およびアニーリングや、シリサイド化、結晶化、酸化等を含む数多くの変換との関連で、熱処理を受ける。何年にもわたって、熱処理の技法は、単一炉ベーキングから、ＲＴＰ、スパイクアニーリングおよびレーザアニーリングなど種々の形態のますます急速化する熱処理に進歩してきた。

従来のレーザアニーリングプロセスは、レーザ光を合焦するか、レーザ光の焦点をぼかすか、または様々に結像して所望の形状にする光学系とともに、半導体または固体レーザとすることができるレーザエミッタを使用する。一般的手法は、レーザを結像して線または細い長方形の像にすることである。レーザ光が基板にわたって走査され（または基板がレーザ光の下で移動され）、基板の表面全体を処理する。

デバイス形状寸法が縮小し続けるにつれて、熱処理など半導体製造プロセスは、精度を高めるように要求される。多くの場合、全体的な熱バジェットを低減し、基板におけるエネルギー暴露の深さを浅くし、その持続時間を短くするために、パルスレーザプロセスが調査されている。しかしながら、基板の表面にわたって均一に処理するために必要とされる均一性を保ちながら、所望の処理性能をもたらす時間形状を有するレーザパルスを作り出すという課題が残されている。したがって、半導体基板の熱処理のための新たな装置および方法が引き続き必要とされている。

基板の熱処理のためのシステムが開示される。そのシステムは、基板に加えられることになるエネルギー場を発生させるエネルギー源、典型的には複数のレーザを有する。そのエネルギーはパルス制御モジュールを使用して合成および計量され、合成エネルギーパルスを形成する。合成エネルギーパルスの時間形状は、パルス整形モジュールにおいて調整される。エネルギーの空間分布がホモジナイザにおいて調整される。調整済みのエネルギーパルスは、その後、エネルギーパルスの光学経路に沿って基板を視認するための結像システムを通り抜ける。

各エネルギー源は典型的には、約１００ｎｓｅｃ以下の持続時間にわたって少なくとも約１０ＭＷの高出力エネルギーパルスを送達する。パルス制御モジュールは、パルス経路ごとに、減衰器とともに、２つのエネルギーパルスを合成して１つのエネルギーパルスにする合成光学系を有する。診断モジュールが、減衰器に制御信号を送信するコントローラにフィードバックするために、パルスのエネルギー含量および時間形状を測定する。合成パルスは、パルスシェーパにおいて時間的に調整され、パルスシェーパは、各パルスを複数のサブパルスに分割する光スプリッタと、異なる長さを有する光路に沿ってサブパルスを送出するミラー経路とを備え、出口においてサブパルスを再合成する。そのパルスは、少なくとも２つのマイクロレンズアレイを有するホモジナイザにおいて空間的に調整される。結像システムは、基板から反射された光を捕捉し、その光をイメージャに送出する光学素子を有する。本明細書に記載の処理モジュールは、時間的に相関除去され、エネルギー強度の約４％以下の空間標準偏差を有する整形されたエネルギー場を与えることができる。

本発明の前述の特徴を細部にわたって理解することができるように、実施形態を参照することによって、先に手短に要約された本発明の更に詳細な説明を行うことができ、それらの実施形態のうちの幾つかが添付の図面において例示される。しかしながら、本発明は他の同様に実効的な実施形態を受け入れることができるので、添付の図面が本発明の典型的な実施形態のみを示すこと、したがって、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきでないことに留意されたい。

一実施形態による熱処理装置の概略図である。 一実施形態によるパルスコントローラの平面図である。 別の実施形態によるパルスコントローラの平面図である。 一実施形態によるパルスコントローラおよびエネルギー源の構成の概略図である。 別の実施形態によるパルスコントローラおよびエネルギー源の構成の概略図である。 別の実施形態によるパルスコントローラおよびエネルギー源の構成の概略図である。 一実施形態によるパルスシェーパの概略図である。 図３Ａのパルスシェーパを用いるパルスタイミングおよびパルスエネルギープロファイルを示すグラフである。 図３Ａのパルスシェーパを用いるパルスタイミングおよびパルスエネルギープロファイルを示すグラフである。 別の実施形態による、図３Ａのパルスシェーパの概略図である。 図３Ｄのパルスシェーパを用いるパルスタイミングおよびパルスエネルギープロファイルを示すグラフである。 図３Ｄのパルスシェーパを用いるパルスタイミングおよびパルスエネルギープロファイルを示すグラフである。 別の実施形態によるパルスシェーパの概略図である。 一実施形態によるホモジナイザの概略図である。 別の実施形態によるホモジナイザの概略図である。 開孔部材の一実施形態の側面図である。 開孔部材の別の実施形態の側面図である。 別の実施形態による結像システム６００の概略図である。

理解するのを容易にするために、複数の図面に共通する同一の要素を指示するために、可能であれば同一の参照番号が使用されている。１つの実施形態において開示される要素は、具体的に記載されなくても、他の実施形態において有益に利用することができることが企図されている。

図１は、基板をレーザ処理するためのシステム１００の平面図である。システム１００は、複数のパルス状レーザパルスを生成する複数のパルス式レーザ源を有するエネルギー入力モジュール１０２と、個々のパルス状レーザパルスを合成して、合成パルス状レーザパルスにし、かつ合成パルス状レーザパルスの強度、周波数特性および極性特性を制御するパルス制御モジュール１０４と、合成済みパルス状レーザパルスのパルスの時間プロファイルを調整するパルス整形モジュール１０６と、パルスの空間エネルギー分布を調整して、合成パルス状レーザパルスを重ね合わせて単一の均一なエネルギー場にするホモジナイザ１０８と、エネルギー場から残留エッジ不均一性を除去する開孔部材１１６と、レーザエネルギー場と基板支持体１１０上に配置される基板とを正確に位置合わせできるようにする位置合わせモジュール１１８とを備える。コントローラ１１２が、レーザパルスの生成を制御するためにエネルギー入力モジュール１０２に、パルス特性を制御するためにパルス制御モジュール１０４に、かつエネルギー場に対する基板の移動を制御するために基板支持体１１０に結合される。筐体１１４が典型的には、システム１００の動作構成要素を封入する。

レーザは、高出力レーザ放射の、例えば、約１００ｎｓｅｃ未満の持続時間の短いパルスを形成することができる任意のタイプのレーザとすることができる。典型的には、５００を超える空間モードを有し、Ｍ^２が約３０より大きい高モダリティ（high modality）レーザが用いられる。Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ガラス、チタン−サファイアなど固体レーザ、または他の希土類元素をドープされた結晶レーザが頻繁に用いられるが、エキシマレーザ、例えば、ＸｅＣｌ_２、ＡｒＦまたはＫｒＦレーザなどガスレーザを用いることもできる。レーザは、例えば、ｑスイッチング（受動または能動）、利得スイッチングまたはモード同期によって切り替えることができる。レーザの出力に近接してポッケルスセルを用いて、レーザによって放出されたビームを遮断することによってパルスを形成することもできる。一般的に、パルス式レーザ処理のために使用可能なレーザは、約１ｎｓｅｃ〜約１００μｓｅｃの持続時間で約１００ｍＪ〜約１０Ｊのエネルギー含量を有し、典型的には約８ｎｓｅｃにおいて約１Ｊを有するレーザ放射のパルスを生成することができる。レーザは、約４００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、例えば、約５３２ｎｍなど、約２００ｎｍ〜約２，０００ｎｍの波長を有することができる。一実施形態では、レーザは、ｑスイッチング式周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。レーザは全て同じ波長において動作することができるか、またはレーザのうちの１つまたは複数が、エネルギー入力モジュール１０２内の他のレーザと異なる周波数において動作することができる。レーザを増幅して、所望の出力レベルをもたらすことができる。大抵の場合、増幅媒体は、レージング媒体と同じ、または類似の組成物になる。個々のレーザパルスは通常、単独で増幅されるが、実施形態によっては、合成後に全てのレーザパルスを増幅することができる。

基板に送達される典型的なレーザパルスは、複数のレーザパルスの合成である。複数のパルスは、合成されたときに、エネルギー上昇、持続時間および下降が制御されており、かつエネルギーの不均一性の空間分布が制御されている、制御された時間および空間エネルギープロファイルを有する単一のレーザ放射パルスが結果として生じるように、制御された時間で、互いに制御された関係において発生する。コントローラ１１２はパルス発生器、例えば、各レーザ、例えば、各レーザの各スイッチに結合され、各レーザからのパルスの発生を制御する、電圧源に結合された電子タイマを有することができる。

複数のレーザは、各レーザがパルス制御モジュール１０４の中に現れる複数のパルスを生成するように配列され、パルス制御モジュールは１つまたは複数のパルスコントローラ１０５を有することができる。図２Ａは、一実施形態によるパルスコントローラ２００Ａの平面図である。図１に関連して上述した１つまたは複数のパルスコントローラ１０５はそれぞれ、図２Ａに示されるパルスコントローラ２００Ａなどパルスコントローラとすることができる。光の汚染を防ぐために筐体２９９内に入れられた光学系を用いて、パルスコントローラ２００Ａは、エネルギー入力モジュール１０２から受信された第１の入力パルス２２４Ａと、エネルギー入力モジュール１０２から受信された第２の入力パルス２２４Ｂとを合成して、１つの出力レーザパルス２３８にする。２つの入力レーザパルス２２４Ａ／Ｂは、筐体２９９の開口部内に配置される入力レンズ２０２Ａおよび２０２Ｂを通ってパルスコントローラ２００Ａに入る。図２Ａの実施形態では、２つの入力レンズ２０２Ａ／Ｂは、筐体２９９の１つの表面に沿って位置合わせされ、レーザパルス２２４Ａ／Ｂは概ね平行な向きで筐体２９９に入る。

２つの入力パルス２２４Ａ／Ｂは、２つのパルスを合成して１つのパルス２３８にする合成光学系２０８に誘導される。合成光学系は、入射パルス２２６Ａの入口経路に対して垂直に配向される第１の入口面２０７Ａと、入射パルス２２６Ｂの入口経路に対して垂直に配向される第２の入口面２０７Ｂとを有し、合成光学系２０８に入る際に入力パルス２２６Ａ／Ｂが屈折するのを避ける。図２Ａの合成光学系２０８は、選択面２０９を有する結晶であり、選択面２０９は、第１および第２の入射パルス２２６Ａ／Ｂがそれぞれ約４５度の角度で選択面２０９に当たるように配向される。選択面２０９は、光の特性に応じて選択的に光と相互作用する。合成光学系２０８の選択面２０９は、第１の入射パルス２２６Ａを反射し、第２の入射パルスを透過して、合成パルス２２８を作り出すことができる。パルスの合成を容易にするために、各入射パルス２２６Ａ／Ｂは、特定のやり方で選択面２０９と相互作用するように適応させることができる。

一実施形態では、選択面２０９は偏光面である。偏光面は直線の極性軸を有することができ、偏光面の軸に対して平行な入射パルス２２６Ｂを偏光することによって、入射パルス２２６Ｂが偏光面を透過できるようにし、偏光面の軸に対して垂直な入射パルス２２６Ａを偏光することによって、入射パルス２２６Ａが偏光面から反射できるようにする。２つの入射パルス２２６Ａ／Ｂを偏光面上の同じ場所に位置合わせすることによって、合成光学系２０８の第１の出口面２０７Ｃから、面２０７Ｃに対して垂直に現れる合成パルス２２８を作り出し、合成パルス２２８の屈折を避ける。代替として、選択面２０９は円偏光子とすることができ、入射パルス２２６Ａが反射するために円偏光子の向きと反対に円偏光され、入射パルス２２６Ｂが透過するために円偏光子と同じ向きで円偏光される。別の実施形態では、入射パルス２２６Ａ／Ｂは異なる波長を有することができ、選択面２０９は、誘電体ミラーの場合のように、一方の波長の光を反射し、別の波長の光を透過するように構成することができる。

偏光実施形態では、入射パルス２２６Ａ／Ｂの偏光は、偏光フィルタなどの偏光子２０６Ａ／Ｂを用いて成し遂げられる。偏光フィルタ２０６Ａ／Ｂは、合成光学系２０８の選択面２０９によって選択的に反射または透過されるように入力パルス２２４Ａ／Ｂを偏光する。偏光子２０６Ａ／Ｂは、選択面２０９における選択的な反射および透過のために直交する偏光を生成するように互いに直交するように配向される偏光軸を有する波長板、例えば、半波長板または４分の１波長板とすることができる。各偏光子２０６Ａ／Ｂの軸を、例えば、回転アクチュエータ２０５Ａ／Ｂを用いて独立して調整し、入射パルス２２６Ａ／Ｂの偏光を選択面２０９の偏光軸と正確に位置合わせすることができるか、または入射パルス２２６Ａ／Ｂの偏光軸と選択面２０９の偏光軸との間に所望の偏角を与えることができる。

入射パルス２２６Ａ／Ｂの偏光軸を調整することによって、合成パルス２２８の強度が制御される。なぜなら、偏光フィルタはマリュスの法則に従って入射光を透過し、その法則によれば、偏光フィルタによって透過される光の強度は、入射強度と、フィルタの偏光軸と入射光の偏光軸との間の角度の余弦の二乗とに比例することが成り立つためである。したがって、偏光子２０６Ａの偏光軸が選択面２０９の偏光軸に対して垂直な向きから逸れるように偏光子２０６Ａを回転させると、入射パルス２２６Ａの一部が選択面２０９を透過する。同様に、偏光子２０６Ｂの偏光軸が選択面２０９の偏光軸に対して平行な向きから逸れるように偏光子２０６Ｂを回転させると、入射パルス２２６Ｂの一部が選択面２０９から反射される。各入射パルス２２６Ａ／Ｂからのこの「非選択」光は合成して排除パルス２３０になり、そのパルスは第２の出口面２０７Ｄを通して合成光学系２０８から出て、パルス排除部２１０に入る。このようにして、各偏光子は、偏光フィルタを通り抜けるパルスの強度を減衰させる調光スイッチとしての役割を果たす。

合成光学系２０８によって合成されることになる２つのパルス２２６Ａ／Ｂは、選択的に反射および透過させるために選択面２０９の互いに反対側に向かって誘導されることに留意されたい。したがって、第１の入力パルス２０２Ａは、第１の入力パルス２０２Ａを反射体２０４によって選択面２０９の反射側に導く経路に沿って誘導され、一方、第２の入力パルス２０２Ｂは、選択面２０９の透過側に向かって誘導される。当然、反射体の任意の組み合わせを用いて、パルス制御モジュール１０４内で所望の経路に沿って光を誘導することができる。

合成パルス２２８は、合成パルス２２８を出力パルス２３８とサンプリングパルス２３２とに分離する第１のスプリッタ２１２と相互作用する。スプリッタ２１２は部分ミラーまたはパルススプリッタとすることができる。サンプリングパルス２３２は診断モジュール２３３に誘導され、診断モジュールは、サンプリングパルス２３２の特性を解析して出力パルス２３８の特性を示す。図２Ａの実施形態では、診断モジュール２３３は、パルスの強度プロファイルおよびパルスの全エネルギー含量をそれぞれ検出する２つの検出器２１６および２１８を有する。第２のスプリッタ２１４が、それぞれの検出器に入力するための第１のパルス２３６および第２のパルス２３４を形成する。強度プロファイル検出器２１６は、非常に短い時間スケールにおいてモニタ上に入射する光の強度を信号として出力する強度モニタである。強度プロファイル検出器に入射する光パルスは、１ピコ秒（ｐｓｅｃ）〜１００ｎｓｅｃの全持続時間を有することができるので、フォトダイオードまたはフォトダイオードアレイとすることができる強度プロファイル検出器は、これらの時間スケールを細分した有効な時間スケールにおいて強度信号を与える。エネルギー検出器２１８は、熱電対など焦電デバイスとすることができ、入射電磁放射をエネルギーサンプルパルス２３４のエネルギー含量を示すために測定することができる電圧に変換する。第１のスプリッタ２１２および第２のスプリッタ２１４は、第１のスプリッタ２１２および第２のスプリッタ２１４の透過割合に基づいて入射光の既知の割合をサンプリングするので、出力パルス２３８のエネルギー含量は、エネルギーサンプルパルス２３４のエネルギー含量から計算することができる。

診断モジュール２３３からの信号は図１のコントローラ１１２に送ることができ、コントローラはレーザ動作またはパルス制御動作を調整して、所望の結果を達成することができる。コントローラ１１２は、時間形状検出器２１６からの結果に応答して、各レーザの能動ｑスイッチに結合される電子タイマを調整して、パルスタイミングを制御することができる。能動ｑスイッチをより迅速に循環させることによって、パルスが短くなり、その逆も同様である。コントローラ１１２は、エネルギー検出器２１８からの結果に基づいて、偏光フィルタ２０６Ａ／Ｂを通り抜ける光の偏光角を調整することによって、出力パルス２３８の強度を調整する回転アクチュエータ２０５Ａ／Ｂに結合することができる。このようにして、出力パルス２３８の持続時間およびエネルギー含量を独立制御することができる。また、コントローラ１１２は、各レーザに入力される電力を調整するように構成することもできる。

出力パルス２３８は、所望により、シャッタ２２０によって遮断することができる。シャッタ２２０（図２Ａおよび図２Ｂにおいて概略的に示される）は、パルス制御モジュール１０４の後続の構成要素に対する調整を行うために、パルス制御モジュール１０４から現れるレーザエネルギーが遮断されることになる場合に、安全デバイスとして設けることができる。出力パルス２３８は、出力レンズ２２２を通って、パルス制御モジュール１０４から出る。

出力パルス２３８は、２つの入射パルス２２６Ａ／Ｂの合成である。したがって、出力パルス２３８は、２つの入射パルス２２６Ａ／Ｂの特性の合成を表す特性を有する。上記の偏光例では、出力パルス２３８は、選択面２０９における入射パルス２２６Ａ／Ｂのそれぞれの透過度および反射度に従って異なる強度を有する、２つの直交偏光入射パルス２２６Ａ／Ｂの合成を表す楕円偏光を有することができる。選択面２０９において入射する波長を用いて２つのパルスを合成する例では、出力パルス２３８は、それぞれの強度に従って２つの入射パルス２２６Ａ／Ｂの合成された波長を表す波長を有する。

例えば、合成光学系２０８の選択面２０９に１，０６４ｎｍ反射誘電体ミラーを配置することができる。入射パルス２２６Ａは、選択面２０９から反射するために、強度Ａの約１，０６４ｎｍの波長を有することができ、入射パルス２２６Ｂは、選択面２０９を通って透過するために、強度Ｂの５３２ｎｍの波長を有することができる。合成パルス２２８は、入射パルス２２６Ａ／Ｂの波長および強度を有する２つの光子からなる共伝搬二重パルスになり、全エネルギー含量は２つのパルスエネルギーの和である。

図２Ｂは別の実施形態によるパルス制御モジュール２００Ｂの平面図である。図１に関連して上述した１つまたは複数のパルスコントローラ１０５はそれぞれ、パルスコントローラ２００Ｂまたはパルスコントローラ２００Ａなどパルスコントローラとすることができる。パルスコントローラ２００Ｂは、パルスコントローラ２００Ａと同じであるが、以下の点が異なる。図２Ｂの実施形態において、入力レンズ２０２Ａは筐体２９９の同じ面上に入力レンズ２０２Ｂに隣接して位置しない。図２Ｂでは、入力レンズ２０２Ａは、入力レンズ２０２Ｂが位置する面に概ね直交する筐体２９９の面、この実施形態では、長方形の筐体の隣接する壁上に位置する。したがって、第１の入力パルス２２４Ａは第１の入力レンズ２０２Ａ（図２Ｂの紙面に入る方向にある）を通って入り、図２Ｂの表示では入力レンズ２０２ａによって隠されている反射体によって図２Ｂの平面に方向転換される。反射体２４０および２４２は、偏光子２０６Ｂへの入口に対して入力パルス２２４Ｂを位置決めしており、反射体を用いて任意の所望の経路上にパルスを位置決めすることを例示している。パルス制御モジュール１０４の周囲でパルスを誘導することによって、レーザエネルギー源を位置させるのに空間が制約される場合に役に立つことがある。

図２Ｃおよび図２Ｄは、複数のパルスコントローラ２００Ａ／Ｂを有する実施形態を示す概略図である。図２Ｃの実施形態では、図２Ａのパルスコントローラ２００Ａの構成の２つのパルスコントローラが、４つのレーザ源１０２Ａ〜Ｄと位置合わせされ、２つの合成パルス２３８を形成する。図２Ｄの実施形態では、その間に所望の距離「ｄ」を有する２つの合成パルス２３８が形成される。２つのパルスコントローラ２００Ｃ／Ｄが、図２Ｄの平面に沿った２つのエネルギー源１０２Ａおよび１０２Ｃからの入力パルスと、図２Ｄの表示では見ることができない２つのエネルギー源から図２Ｄの平面に対して垂直な入力パルスとを受光する。２つのパルスコントローラ２００Ｃ／Ｄはパルスコントローラ２００Ｂと同じであるが、以下の点が異なる。パルスコントローラ２００Ｄは、出力反射体２５４を用いて、出力レンズ２４６を通って出力パルス２４４を誘導するように構成される。出力レンズ２４６は、入力パルス２４４をパルスコントローラ２００Ｃの入力レンズ２４８の中に、そしてパルスコントローラ２００Ｃの反射体２５０および出力レンズ２５２まで誘導する。このようにして、２つの出力パルス２３８は、パルス制御モジュール１０４（図１）を出る際に、互いから任意の所望の距離「ｄ」に位置決めすることができる。大抵の実施形態の場合に、距離「ｄ」は、５０ｍｍ未満、例えば、３５ｍｍなど、約１ｍｍ〜約１，０００ｍｍになる。図２Ｄに示されるように、距離「ｄ」は、パルスコントローラ２００Ｃの寸法未満とすることができる。

図２Ｅは、図２Ｄの装置の概略的な平面図であり、エネルギー源１０２が直角の関係で構成される実施形態を示す。図２Ｅにおいて見ることができるエネルギー源１０２Ｂ／Ｄは、図２Ｄの表示では見ることができなかった。エネルギー源１０２Ａ／Ｂは、パルスコントローラ２００Ｃ内で処理するための入力パルス２２４Ａ／Ｂを生成し、一方、エネルギー源１０２Ｃ／Ｄは、パルスコントローラ２００Ｄ内で処理するための入力パルス２２４Ｃ／Ｄを生成する。パルスコントローラ２００Ｃ／Ｄの出力パルスは、図２Ｄに示されるように配列され、図２Ｅの表示では見ることができない所望の距離「ｄ」だけ離間される。幾つかの実施形態では、パルスコントローラ２００Ａ〜２００Ｄは、パルスコンバイナとすることができることに留意されたい。

１つまたは複数のパルスがパルス制御モジュール１０４を出て、パルス整形モジュール１０６に入り、パルス整形モジュールは、図１に概略的に示されるように、１つまたは複数のパルスシェーパ１０７を有する。図３Ａはパルスシェーパ３０６の一実施形態の概略的な例示である。パルス整形モジュール１０６の１つまたは複数のパルスシェーパ１０７はそれぞれパルスシェーパ３０６などパルスシェーパとすることができる。図３Ａのパルスシェーパは、レーザエネルギーパルスの複数の部分を遅延させて、所望の特性（例えば、パルス幅およびプロファイル）を有する複合パルスを与えるために用いられる複数のミラー３５２（例えば、１６個のミラーが示される）および複数のスプリッタ（例えば、参照番号３５０Ａ〜３５０Ｅ）を備えることができる。一例では、パルス整形モジュールに入るレーザエネルギーパルス３０２は空間的にコヒーレントとすることができる。レーザエネルギーのパルスは、第１のスプリッタ３５０Ａを通り抜けた後に、２つの成分、すなわち、サブパルス３５４Ａ、３５４Ｂに分離される。種々の光学構成要素における損失を無視すると、第１のスプリッタ３５０Ａにおける透過対反射比に応じて、レーザエネルギーの或るパーセンテージ（すなわち、Ｘ％）が第１のサブパルス３５４Ａにおいて第２のスプリッタ３５０Ｂに伝達され、第２のサブパルス３５４Ｂのエネルギーの或るパーセンテージ（すなわち、１−Ｘ％）が、第２のスプリッタ３５０Ｂに当たる前に複数のミラー３５２によって反射されるように、経路Ａ〜Ｅ（すなわち、セグメントＡ〜Ｅ）に従う。

一例では、パルスのエネルギーの７０％が反射され、３０％がスプリッタを通して透過されるように、第１のスプリッタ３５０Ａの透過対反射比が選択される。別の例では、パルスのエネルギーの５０％が反射され、５０％がスプリッタを通して透過されるように、第１のスプリッタ３５０Ａの透過対反射比が選択される。経路Ａ〜Ｅの長さ、すなわち、セグメントＡ〜Ｅの長さの和（すなわち、図３Ａに示されるように、全長＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ）は、サブパルス３５４Ａとサブパルス３５４Ｂとの間の遅延を制御することになる。一般的に、第１のサブパルス３５４Ａと第２のサブパルス３５４Ｂとの間の経路長の差を調整することによって、経路長差の１メートル当たり約３．１ナノ秒（ｎｓ）の遅延を実現することができる。

第１のサブパルス３５４Ａにおいて第２のパルス３５０Ｂに送達されるエネルギーは、第３のスプリッタ３５０Ｃに直接送信される第２のサブパルス３５６Ａと、第３のスプリッタ３５０Ｃに当たる前に経路Ｆ〜Ｊに従う第２のサブパルス３５６Ｂとに分離される。第２のサブパルス３５４Ｂにおいて送達されるエネルギーも、第３のスプリッタ３５０Ｃに直接送信される第３のサブパルス３５８Ａと、第３のスプリッタ３５０Ｃに当たる前に経路Ｆ〜Ｊに従う第３のサブパルス３５８Ｂとに分離される。各サブパルスを分離し、遅延させるこのプロセスは、熱処理装置１００内の次の構成要素に主にエネルギーを送達するように適応した最後のスプリッタ３５０Ｅにおいてサブパルスが全て再合成されるまで、各サブパルスが後続のスプリッタ（すなわち、参照番号３５０Ｄ〜３５０Ｅ）およびミラー３５２に当たるのに応じて継続される。最後のスプリッタ３５０Ｅは偏光スプリッタとすることができ、遅延領域から、または先行するスプリッタから受信されたサブパルスのエネルギーの偏光を調整して、エネルギーを所望の方向に誘導できるようにする。

一実施形態では、経路３６０に従うサブパルスに対する最後のスプリッタ３５０Ｅの偏光を回転させることができるように、最後のスプリッタ３５０Ｅの偏光タイプの前に波長板３６４が位置決めされる。偏光に対する調整を用いない場合、エネルギーの一部が最後のパルススプリッタによって反射され、他方の分岐路と再合成されなくなる。一例では、パルスシェーパ３０６内の全てのエネルギーがＳ偏光され、したがって、無偏光キューブスプリッタが到来するパルスを分割するが、偏光キューブである最後のスプリッタは、受信したエネルギーを合成する。経路３６０に従うサブパルス内のエネルギーは、Ｐに回転した偏光を有し、その偏光は、偏光パルススプリッタをまっすぐ通り抜けるのに対して、経路３６２に従う他のサブパルスはＳ偏光され、したがって、反射されて合成パルスを形成する。

一実施形態では、最後のスプリッタ３５０Ｅは、無偏光スプリッタと、遅延領域から、または先行するスプリッタから受信されたエネルギーを合成するように位置決めされるミラーとを備える。この場合、スプリッタはエネルギーの一部を所望の点に向かって投影し、受信されたエネルギーの別の部分を所望の点に向かって透過し、そして、ミラーは、スプリッタを通って透過されたエネルギーの残りの量を同じ所望の点に誘導することになる。所望のパルス持続時間および所望のパルスプロファイルを達成するために、本明細書において示される構成において、パルス分離タイプの構成要素およびミラーを追加することによって、パルスが分離され、遅延する回数を変更できることに留意されたい。図３Ａは、スプリッタおよびミラーを備える４つのパルス遅延領域を利用するパルスシェーパ設計を示すが、この構成は、本発明の範囲に関して制限することは意図していない。

図３Ｂは、２パルス遅延領域パルスシェーパを通り抜けた種々のサブパルスのエネルギー対時間のグラフの一例を示しており、そのパルスシェーパは図３Ａに示されるパルスシェーパの最初の２つのパルス遅延領域に類似である。図３Ｂに示されるように、パルスシェーパ（図３Ａ）の入力に送達されるパルス列パターン３０７はｔ_１に等しい個々のパルス持続時間を有する。この場合、パターン３０７Ａは第１のパルス列であり、パターン３０７Ｂは第２のパルス列であり、パターン３０７Ｃは第３のパルス列であり、パターン３７０Ｄは図３Ａのパルスシェーパ３０６を出る第４のパルス列である。一般的に、各サブパルスの持続時間は約ｔ_１になる。なぜなら、元のパターン３０７のパルスのこの特性が、図３Ａに示されるパルス整形プロセスに起因して相対的に変わらないからである。図３Ｂを参照すると、パターン３０７Ａのパルスは最も短い距離だけ進行し、パターン３０７Ｄのパルスがパルスシェーパ３０６の中を最も長い距離にわたって進行したことになる。一例では、４つのパターンの和は、複数のパルスによる複合エネルギープロファイル３１２を送達することになり、複数のパルスは初期パルスの持続時間ｔ_１よりも長い持続時間ｔ_２を有する。また、複合エネルギープロファイル３１２は、元のパルス３０７よりも単位時間あたり平均エネルギーが低い。図３Ｃは、プロファイル３１２を有するパルスエネルギーに暴露された基板の表面領域の予想温度プロファイルのプロットを時間の関数として示す。システム内の選択された各スプリッタの透過対反射比に応じて、所望のパルスプロファイルを送達するように、サブパルスのエネルギーを調整できることに留意されたい。例えば、反射よりも透過が多くなる、スプリッタの組み合わせを選択することによって、複合エネルギープロファイル３１２のプロファイルは、より高い開始エネルギーを有することになり、そのエネルギーは、複合エネルギープロファイル３１２の終わりに向かって低下することになる。図３Ｂは、同じ振幅を有する長方形のパルスを示すが、より望ましいプロファイルを有する複合エネルギープロファイル３１２を送達するために、他のパルス形状を用いることもできるので、これは本発明の範囲に関して制限することは意図していないことに留意されたい。

図３Ｄは、図１〜図３Ｃに関連してそれぞれ先に論じられた、その出力がパルス制御モジュール１０６を通ってパルスシェーパ３０６まで送られる、２つ以上の同期したエネルギー源（例えば、レーザ源１０２Ａ〜Ｄ）を利用することによって所望のパルスプロファイルを送達するために用いられる本発明の別の実施形態を概略的に示す。この構成では、パルスシェーパ３０６から現れる複合パルス３１２が所望のプロファイルを有するように、コントローラ１１２はレーザ源１０２Ａ〜Ｄの出力を同期させて、パルスシェーパ３０６への入力として同期したパルス３０４を形成する。複合パルス３１２は、各レーザ源１０２Ａ〜Ｄから送達された同期したパルスごとにパルスストレッチャアセンブリ３０６において作り出される各サブパルスの複合物を含むことができる。最適化されたアニールプロセスを提供するために、任意のパルスプロファイルを用いることができるので、サブパルス３０７Ａ〜Ｄから形成された図３Ｃに示される複合パルス３１２のプロファイルまたは形状は、本発明の範囲に関して制限することは意図していない。パルスの異なる同期および異なる複合パルス形状３１２、ならびに温度プロファイル３１１を示す、図３Ｅおよび図３Ｆにおいて示されるように、パルスの同期を変更することによって、代替の複合パルス形状を実現することができる。

図３Ｇは、パルス整形のための更なる技法を示すパルスシェーパ３２０の別の実施形態を概略的に示す。図３Ｇのパルスシェーパ３２０では、反射体のうちの少なくとも幾つかが、基準線３２２または３２４から変位しており、パルスシェーパ３２０を通る光の光路を変更する。ミラーの変位は、所望の距離「ｘ」に設定され、サブパルスのための或る時間変位を達成することができる。典型的には、ミラーは対を成して変位し、所与のミラー対内の各ミラーは基準線から概ね同一の変位を有する。任意の所望のパルス形状を達成するために、当然、ミラー対の変位は異なる場合もある。一実施形態では、第１のミラー対の変位ｘ_１は約１０ｍｍであり、第２のミラー対の変位ｘ_２は約７．５ｍｍであり、第３のミラー対の変位ｘ_３は約２０ｍｍであり、第４のミラー対の変位ｘ_４は約１５ｍｍである。

別の実施形態では、複数のレーザから現れる全てのパルスを、最初にコンバイナを通り抜けることなく、パルスシェーパの中に誘導することができる。パルスが全てパルスシェーパの第１のスプリッタ（例えば、図３Ａおよび図３Ｄにおける３５０Ａまたは３０６Ａ）に当たるように、パルスを物理的に極めて近接させるために、光学系を用いることができる。パルスが全て第１のスプリッタを通って進行するように、パルスは、パルスシェーパの第１のスプリッタの断面寸法よりも小さな寸法を有する或る構成、例えば、正方形の構成において配列することができる。

パルス整形モジュール１０６からの整形済みパルスはホモジナイザ１０８に送られる。図４Ａは、一実施形態による、ホモジナイザ４００の概略図である。図１のホモジナイザ１０８は、図４Ａのホモジナイザ４００とすることができる。ビーム積分器アセンブリ４１０が、一対のマイクロレンズアレイ４０４および４０６と、レンズ４０８とを含み、この積分器アセンブリを通り抜けるエネルギーを均質化する。用語「マイクロレンズアレイ」、または「蠅の目レンズ」は一般的に、複数の隣接するレンズを含む一体レンズアレイを示すつもりであることに留意されたい。示されるように、ビーム積分器アセンブリ４１０は一般的に、その空間コヒーレンス長が単一のマイクロレンズアレイの寸法よりもはるかに短い非コヒーレント源または広帯域の部分的コヒーレント源を用いて最も良好に機能する。要するに、ビーム積分器アセンブリ４１０は、レンズ４０８の後方焦点面に位置する面においてマイクロレンズアレイの拡大された像を重ね合わせることによって、ビームを均質化する。レンズ４０８を補正して、場歪みを含む収差を最小化することができる。

鏡像力場のサイズは、第１のマイクロレンズアレイの開孔の形状を拡大したものであり、倍率はＦ／ｆ_１によって与えられる。ただし、ｆ_１は第１のマイクロレンズアレイ４０４内のマイクロレンズアレイの焦点距離であり、Ｆはレンズ４０８の焦点距離である。一例では、約１７５ｍｍの焦点距離を有するレンズ４０８と、４．７５ｍｍ焦点距離を有するマイクロレンズアレイ内のマイクロレンズとを用いて、１１ｍｍの正方形の鏡像力場を形成する。

これらの構成要素に対する数多くの異なる組み合わせを用いることができるが、一般的に、最も効率的なホモジナイザは、同一の第１のマイクロレンズアレイ４０４および第２のマイクロレンズアレイ４０６を有することになる。第１のマイクロレンズアレイ４０４および第２のマイクロレンズアレイ４０６は典型的には、第１のマイクロレンズアレイ４０４に送達されるエネルギー密度（ワット／ｍｍ^２）が第２のマイクロレンズアレイ４０６上で増加する、すなわち、合焦するような距離だけ離れて配置される。しかしながら、これにより、エネルギー密度が光学構成要素および／または光学構成要素上に置かれる光学コーティングの損傷しきい値を超えるときに、第２のマイクロレンズアレイ４０６を損傷する恐れがある。典型的には、第２のマイクロレンズアレイ４０６は、第１のマイクロレンズアレイ４０４から、第１のマイクロレンズアレイ４０４内のレンズレットの焦点距離に等しい距離ｄ_２だけ間隔を置いて配置される。

一例では、各マイクロレンズアレイ４０４、４０６は、正方形の形状であり、かつ約３００ミクロンのエッジ長を有する７９２１個のマイクロレンズ（すなわち、８９×８９アレイ）を含む。レンズ４０８、すなわち、フーリエレンズは、マイクロレンズアレイ４０４、４０６から受信された像を積分するために一般的に用いられ、第２のマイクロレンズアレイ４０６から距離ｄ_３だけ間隔を置いて配置される。

コヒーレントまたは部分コヒーレント源が用いられる応用形態において、ビーム積分器アセンブリ４１０を用いるときに、種々の干渉または回折アーティファクトが問題となる恐れがある。なぜなら、それらのアーティファクトは、投影されるビームの視野内に高い強度の領域、すなわち、スポットを作り出し、それらのスポットは種々の光学構成要素の損傷しきい値を超える恐れがあるためである。したがって、レンズの構成または干渉アーティファクトに起因して、ビーム積分器アセンブリ４１０およびシステム内の種々の光学構成要素の使用可能な寿命が、設計および製造の際に考慮すべき重要な要件になっていた。

出ていくエネルギーＡ_５の均一性が到来するエネルギーＡ_１に対して改善されるように、ビームホモジナイザアセンブリ４００の前方または内部にランダムディフューザ４０２を置くことができる。この構成では、到来するエネルギーＡ_１は、第１のマイクロレンズアレイ４０４、第２のマイクロレンズアレイ４０６およびレンズ４０８によってそれぞれエネルギーＡ_２、Ａ_３およびＡ_４が受信され、均質化される前に、ランダムディフューザ４０２を置くことによって拡散される。ランダムディフューザ４０２によって、到来するエネルギー（Ａ_１）のパルスが広範な角度（α_１）にわたって分散し、投影されるビームのコントラストを低減し、それにより、パルスの空間均一性を改善する。ランダムディフューザ４０２によって、一般的に、第２のマイクロレンズアレイ４０６によって受信されるエネルギーＡ_３の放射照度（Ｗ／ｃｍ^２）がディフューザを用いない場合よりも小さくなるように、その中を通り抜ける光が広がる。ディフューザは、各マイクロレンズアレイに当たるビームの位相をランダム化するためにも用いられる。この更なるランダム位相は、ディフューザを用いない場合に観測された高い強度のスポットを広げることによって空間均一性を改善する。一般的に、ランダムディフューザ４０２は、前置されたレンズの受光角よりも広い角度では、パルスにおいて受信されたエネルギーを拡散しないように選択された狭角光学ディフューザである。

一例では、ランダムディフューザ４０２は、拡散角α_１が第１のマイクロレンズアレイ４０４または第２のマイクロレンズアレイ４０６内のマイクロレンズの受光角未満であるように選択される。一実施形態では、ランダムディフューザ４０２は、第１のマイクロレンズアレイ４０４に前置される０．５度〜５度ディフューザなど単一のディフューザを含む。別の実施形態では、ランダムディフューザ４０２は、パルスの投影されたエネルギーを更に広げ、均質化するために、所望の距離だけ離れて配置される０．５度〜５度ディフューザ板など２つ以上のディフューザ板を含む。一実施形態では、ランダムディフューザ４０２は、到来するエネルギーＡ_１において送達される概ね全てのエネルギーを第１のマイクロレンズアレイ４０４が受信できるように、第１のマイクロレンズアレイ４０４から距離ｄ_１だけ離れて配置することができる。

図４Ｂは、別の実施形態によるホモジナイザ４５０の概略図である。図１のホモジナイザ１０８は図４Ｂのホモジナイザ４５０とすることができる。ホモジナイザ４５０はホモジナイザ４００と同じであるが、以下の点が異なる。出ていくエネルギーの均一性を改善するためにランダムディフューザ４０２を用いる代わりに、第３のマイクロレンズアレイ４１２を用いることができる。

図１を再び参照すると、ホモジナイザ１０８からのエネルギーは典型的には、基板の表面上でアニールされることになるエリアに概ね適合する、正方形または長方形の形状などパターンに配列される。エネルギーに適用される処理および再配列の結果として、エネルギー場は、約１２％未満、例えば、約８％未満など約１５％以下だけ平均値とは異なる強度を有するようになる。しかしながら、エネルギー場のエッジ付近では、装置全体にわたる種々の境界条件に起因して、より大きな不均一性が存続する場合がある。これらのエッジ不均一性は開孔部材１１６を用いて除去することができる。開孔部材１１６は典型的には、開口部を有する不透明な物体であり、エネルギーが開口部と同様の断面形状で開口部を通り抜けることができる。

図５Ａは、一実施形態による開孔部材５００の側面図である。図１の開孔部材１１６は図５Ａの開孔部材５００とすることができる。開孔部材５００は、選択された波長を有する光またはレーザ放射など、選択された形のエネルギーに対して概ね透明である第１の部材５０２を有する。不透明または反射性とすることができるエネルギー阻止部材５０４が、第１の部材５０２の表面の一部にわたって形成され、エネルギーが開口部５０８の形状において通り抜けることになる開口部５０８を画定する。第２の部材５０６が第１の部材５０２およびエネルギー阻止部材５０４にわたって配置され、開口部５０８を覆う。第２の部材５０６も、開孔部材５００を通って透過されることになるエネルギーに対して概ね透明であり、第１の部材５０２と同じ材料とすることができる。開孔部材５００のエッジは、微粒子が開口部５０８に入らないのを確実にする被覆５１０によって包囲される。

開孔部材５００は、エネルギー阻止部材５０４が開孔部材５００上に入射するエネルギーの焦点面５１２にあるように位置決めされ、エネルギー場の正確な打切りを確実にする。開口部５０８はエネルギーの焦点面に位置決めされるので、開口部内、例えば、第１の部材５０２の表面上に集まる任意の粒子が、送信されるエネルギー場に影を落とし、その結果、基板の処理が不均一になる。開口部５０８を第２の部材５０６によって覆い、開孔部材５００のエッジを包囲することによって、開孔部材５００に接着する任意の粒子が、最終的なエネルギー場の焦点から外れるほど焦点面から十分に離れるのを確実にし、粒子の影に起因する最終的なエネルギー場の強度変動が低減されるようにする

第１の部材５０２および第２の部材５０６は典型的には同じ材料、通常ガラスまたは石英から形成される。エネルギー阻止部材５０４は、金属、白色塗料または誘電体ミラーなど不透明部分または反射部分とすることができる。エネルギー阻止部材５０４は形成および整形することができ、形成および整形されたエネルギー阻止部材５０４は、カナダバルサムなど適切な接着剤を用いて第１の部材５０２に貼付することができる。代替として、エネルギー阻止部材５０４は、第１の部材５０２上に堆積することができ、その後、開口部５０８を設けるためにエッチングすることができる。第２の部材５０６は典型的には、接着剤を用いてエネルギー阻止部材５０４に貼付される。

被覆５１０は気体に対して浸透性または不浸透性である材料とすることができる。被覆は接着剤、または接着剤を用いて貼付される硬質材料とすることができる。代替として、被覆は第１の部材５０２および第２の部材５０６のエッジとエネルギー阻止部材５０４のエッジとを融着することによって形成することができる。

開孔部材５００の屈折効果を回避するために、エネルギー阻止部材５０４の内側エッジ５１４によって画定される開口部５０８の側壁は、ホモジナイザ１０８から現れる光子の伝搬方向と一致するように次第に細くするか、角度を付けるか、または傾斜させることができる。

図５Ｂは、別の実施形態による開孔部材５２０の側面図である。図１の開孔部材１１６は図５Ｂの開孔部材５２０とすることができる。開孔部材５２０は図５Ａの開孔部材５００と同じであるが、開孔部材５２０が中央開口部５０８を有しないことが異なる。開孔部材５２０は、その中に埋め込まれたエネルギー阻止部材５０４を有する透過性部材５２２を含む。開孔部材５２０内の異なる媒体間の界面の数を少なくすることによって、屈折効果を低減することができる。図５Ａに関連して上述したように、図５Ｂの実施形態では、次第に細くされるエネルギー阻止部材５０４の内側エッジ５１４が示される。

図５Ｂの開孔部材５２０は、第１の透過性部材の中央台状体の周囲に環状の棚状部をエッチングまたは研削し、環状の棚状部に環状のエネルギー阻止部材を接着し、その後、カナダバルサムなど光学的に作用しない接着剤を用いて、第２の透過性部材をエネルギー阻止部材および第１の透過性部材の台状体に接着することによって形成することができる。代替として、エネルギー阻止部材は中央台状体を有しない第１の透過性部材に接着することができ、第２の透過性部材は、エネルギー阻止部材および第１の透過性部材の露出した部分にわたって材料を堆積し、中央開口部を透過性材料で満たすことによって形成される。透過性材料の堆積は当該技術分野において周知であり、任意の既知の堆積またはコーティングプロセスを用いて実施することができる。

開孔部材は様々なサイズにすることができる。小さな開孔を有する開孔部材を大きな開孔を有する開孔部材に近接して位置決めして、透過するエネルギー場のサイズを小さくすることができる。より大きな開孔を利用するために、小さな開孔部材を再び除去することができる。種々のサイズを有するエリアをアニールするためにエネルギー場のサイズを変更できるように、種々のサイズを有する複数の開孔部材を設けることもできる。代替として、単一の開孔部材が可変開孔サイズを有することができる。透明なハウジング内に２つの長方形のチャネルを形成することができ、透明なハウジングの中央部分において一対の半板が接触するように、長方形のチャネル内に二対の不透明または反射性作動半板を配置することができる。長方形チャネル内で各対の半板を近接または離反するように移動させることによって可変サイズの長方形開孔を形成できるように、半板対を直交する軸に沿って移動するように向けることができる。

開孔部材５００および５２０は、任意の所望のやり方で開孔を通り抜ける光の像を拡大または縮小することができる。開孔部材は、基本的に拡大ではない１：１の倍率を有することができるか、または約１．１：１〜約５：１、例えば、約２：１または約４：１の倍率によって像のサイズを縮小することができる。サイズ縮小によって結像されるエネルギー場のエッジを鮮明にすることができるので、実施形態によってはサイズの縮小が有用な場合がある。結像されるエネルギー場の対象エリアを拡大することによって効率およびスループットを改善するために、実施形態によっては、約１：１．１〜約１：５、例えば、約１：２の倍率によって拡大することが有用な場合もある。

図１を再び参照すると、結像光学系１１８が、開孔部材１１６から、整形され、平滑化され、打ち切られたエネルギー場を受信し、そのエネルギー場を、基板支持体１１０の工作面上に配置される基板上に投影する。図６は、一実施形態による結像システム６００の概略図である。図１の結像システム１１８は、図６の結像システム６００とすることができる。結像システム１１８は、透過モジュール６０２と、検出モジュール６１６とを有する。透過モジュール６０２は、第１の透過光学系６１０と、第２の透過光学系６１４とを有し、第１の透過光学系６１０と第２の透過光学系６１４との間にサンプリング光学系６１２が介在する。

サンプリング光学系６１２は基板支持体に、かつ検出モジュール６１６に光学的に結合される反射面６１８を有する。開孔部材１１６からのエネルギーが透過光学系６０２に入り、第１の透過光学系６１０、サンプリング光学系６１２および第２の透過光学系６１４を通り抜け、基板支持体１１０の工作面１２０上に配置される基板を照明する。基板から反射されたエネルギーは、第２の透過光学系６１４を通って戻るように進行し、サンプリング光学系６１２の反射面６１８から反射する。反射されたエネルギーは検出光学系６１６に誘導される。

検出光学系６１６は、第１の誘導光学系６０４と、第２の誘導光学系６０６と、検出器６０８とを有する。第１の誘導光学系６０４および第２の誘導光学系６０６は基板から反射されたエネルギー場を検出器６０８上の所望の位置に位置決めするように動作可能である。これにより、エネルギー場の種々の部分を検出器６０８において高い精度で結像できるようになる。検出器６０８は、基板と相互作用するエネルギー場を視覚化できるようにするフォトダイオードアレイまたはＣＣＤマトリックスなどの視認光学系とすることができる。基板がエネルギー場によって照明されるときに、結像システム６００を用いて基板上のマーカを視認し、エネルギー場と基板上の所望の構造との位置合わせを容易にすることができる。代替として、一定の低強度の周囲光源を設けて、基板がエネルギー場によって照明されないときに、結像システム６００を通して基板を視認するのを容易にすることができる。ｘ、ｙ、ｚおよびθに対してバーニア調整を行うことができ、観測結果に基づいて結像システム６００を用いて基板を位置決めし、基板の第１のアニール領域を処理するためにエネルギーおよび基板の正確な位置合わせおよび合焦を達成することができる。その後、後続の位置決めは、コントローラ１１２の管理下で基板支持体１１０によって自動的に実行される。

アニーリング中の基板の特性を指示するために、診断機器を設けることができる。結像モジュール１１８または６００は、基板によって放出される放射強度を温度の関数として指示する１つまたは複数の温度センサ６１８を有することができる。そのような目的で高温計を用いることもできる。結像モジュール１１８または６００は、基板の吸収率の変化を指示する１つまたは複数の表面吸収モニタ６２２も有することができる。基板をアニールするために用いられる波長における反射光の強度を測定することによって、表面吸収モニタ６２２は、反射性の高い状態から吸収性の高い状態、またはその逆への状態変化を信号として出力する。そのような目的で反射率計を用いることができる。幾つかの実施形態では、２つ以上の温度センサおよび２つ以上の表面吸収モニタを設けることによって、精度を改善するために２つ以上の読み値を比較できるようにする場合もある。

図６の結像モジュール６００内に２つの診断機器６２０および６２２が示されるが、基板の条件を監視する位置に、任意の数の診断機器を配置することができる。幾つかの実施形態では、音響検出器または光音響検出器またはその両方を配置して、基板上のアニーリングエネルギーの音響効果を検出することができる。基板からの音響応答を用いて、相変化など基板材料の状態変化を指示することができる。一実施形態では、聴取デバイスが、基板の一部の溶融を検出することができる。

本明細書において開示された方法を用いて、基板支持体の工作面上に配置された基板に熱エネルギーが結合される。その熱エネルギーは、約５ｎｓｅｃ〜約５０ｎｓｅｃ、例えば、約１０ｎｓｅｃなど、約１ｎｓｅｃ〜約１００ｎｓｅｃの持続時間の短いパルスにおいて、基板表面の一連の部分に約０．２Ｊ／ｃｍ^２〜約１．０Ｊ／ｃｍ^２の平均強度の電磁エネルギーを加えることによってもたらされる。パルス間の持続時間を約１μｓｅｃ〜約５００μｓｅｃ、例えば、約１００μｓｅｃなど、約５００ｎｓｅｃ〜約１ｍｓｅｃにして、複数のそのようなパルスを基板の各部分に加え、次のパルスが到着する前に、基板を通して熱エネルギーを完全に散逸できるようにする。エネルギー場は典型的には約０．１ｃｍ^２〜約１０．０ｃｍ^２、例えば、約６ｃｍ^２の面積を覆い、結果として、各パルスによって約０．２ＭＷ〜約１０ＧＷの電力が送達される。大抵の応用形態では、各パルスによって送達される電力は、約１０ＭＷ〜約５００ＭＷになる。送達される電力密度は典型的には、約５ＭＷ／ｃｍ^２〜約１００ＭＷ／ｃｍ^２、例えば、約１０ＭＷ／ｃｍ^２など、約２ＭＷ／ｃｍ^２〜約１ＧＷ／ｃｍ^２である。各パルスにおいて加えられるエネルギー場は、平均強度の約３．５％未満、例えば、約３．０％未満など約４％以下である、強度の空間標準偏差を有する。

基板のアニーリングにとって大抵の場合に望まれる高い電力および均一なエネルギー場の送達は、アニールされることになる基板によって容易に吸収される放射を放出する複数のレーザを備えるエネルギー源１０２を用いて成し遂げることができる。一態様では、複数の周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザに基づいて、約５３２ｎｍの波長を有するレーザ放射が用いられる。シリコン基板の適切なアニーリングのために、約５０ＭＷの個々の電力出力を有する４つのそのようなレーザを併用することができる。

エネルギーのパルスは、エネルギービームの発生または伝搬を遮断することによって形成することができる。ビームの光路を横切って高速のシャッタを配置することによってエネルギービームを遮断することができる。シャッタは、電圧を印加すると１０ｎｓｅｃ以下で透明から反射性に変化することができるＬＣＤセルとすることができる。また、シャッタは、回転する孔板とすることができ、穿孔のサイズおよび間隔は、選択された持続時間を有するエネルギーパルスを開口部から透過させるために選択される回転速度に結び付けられる。そのようなデバイスは、エネルギー源自体に取り付けることができるか、またはエネルギー源から離れて配置することができる。能動または受動ｑスイッチまたは利得スイッチを用いることができる。レーザによって放出されるレーザ光のビームを遮断することによってパルスを形成するために、レーザに近接してポッケルスセルも位置決めすることができる。所望により、複数のパルス発生器をエネルギー源に結合して、異なる持続時間を有するパルスからなる周期的なシーケンスを形成することができる。例えば、レーザ源にｑスイッチを適用することができ、ｑスイッチに類似の周期を有する回転シャッタを、ｑスイッチ式レーザによって発生したパルスの光路を横切って位置決めして、種々の持続時間を有するパルスからなる周期的なパターンを形成することができる。

パルスの空間および時間モードの数を増やすことによって、パルスの自己相関を小さくする。相関は、空間、時間のいずれにしても、種々の光子が同相に関連付けられる範囲である。同じ波長の２つの光子が同じ方向において空間を通って伝搬しており、かつそれらの電界ベクトルが同時に同じ方向を指している場合には、それらの光子は、その空間的な関係にかかわらず、時間的に相関している。２つの光子（またはその電界ベクトル）が伝搬方向に対して垂直な平面内で同じ点に位置する場合には、それらの２つの光子は、いかなる時間的な位相関係にかかわらず、空間的に相関している。

相関はコヒーレンスに関連付けられ、それらの用語は大抵の場合に交換可能に用いられる。光子の相関は干渉パターンを引き起こし、エネルギー場の均一性を低下させる。コヒーレンス長は、それを超えると空間的、または時間的なコヒーレンスまたは相関が或るしきい値未満に落ちる距離と定義される。

パルス内の光子は、一連のスプリッタを用いてパルスを幾つかのサブパルスに分離し、任意の２つの光路長間の差が元のパルスのコヒーレンス長よりも長くなるように、異なる光路長を有する異なる光路に沿って各サブパルスを送ることによって時間的に相関除去することができる。これは、進行した距離とともにコヒーレンスが自然に低下することに起因して、最初に相関していた光子が、異なる光路後に異なる位相を有する可能性が高くなるのを概ね確実にする。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザおよびＴｉ：サファイアレーザは典型的には、数ミリメートル程度のコヒーレンス長を有するパルスを発生させる。そのようなパルスを分割し、数ミリメートルよりも長い差を有する経路に沿って各パルス部分を送信する結果として、時間的に相関除去される。異なる長さを有する多重反射経路に沿ってサブパルスを送信することが、用いることができる１つの技法である。異なる屈折率によって定義される異なる実効長を有する多重屈折経路に沿ってサブパルスを送信することが別の技法である。パルスを時間的に相関除去するために、図３Ａ、図３Ｄおよび図３Ｇに関連して説明されたパルス整形モジュールを用いることができる。

或るパルスからエネルギー場を作り出し、そのエネルギー場の複数の部分を重ね合わせることによって空間的な相関除去を達成することができる。例えば、１つのエネルギー場の複数の部分を同じエリア上に別々に結像して、空間的に相関除去された像を形成することができる。これは、最初に相関していた任意の光子を空間的に分離するのを概ね確実にする。一例では、正方形のエネルギー場を、正方形の部分からなるチェッカー盤様式の８×８サンプリングに分割することができ、各正方形部分を、全ての像が重なり合うように、元のエネルギー場と同じサイズの場に結像させる。重なり合う像の数が多いほど、エネルギーの相関が除去され、結果として、より均一な像になる。パルスを空間的に相関除去する際に、図４Ａおよび図４Ｂのホモジナイザ４００および４５０が有用である場合がある。

上記の相関除去動作後に結像するレーザパルスは一般的に、エネルギー強度が均一な断面を有する。厳密な実施形態によれば、上記のプロセスに従って処置されたパルス状エネルギー場の断面エネルギー強度は、約２．７％以下、例えば、２．５％など、約３．０％以下の標準偏差を有することができる。エネルギー場のエッジ領域は、エネルギー場の寸法の約５％未満、例えば、エネルギー場の約１％未満など、エネルギー場の寸法の約１０％未満である寸法に沿って１／ｅだけ減衰する場合がある減衰するエネルギー強度を示すことになる。エッジ領域は、図５Ａおよび図５Ｂの開孔部材５００および５２０など開孔を用いて打ち切ることができるか、または処置ゾーンの外側、例えば、基板上のデバイスエリア間のカーフ（kurf）空間において基板を照明できるようにすることができる。

エネルギー場が打ち切られる場合には、不均一なエッジ領域を切り取るように、開孔部材を典型的にはパルスの光路を横切って位置決めする。像をきれいに打ち切るために、開孔はエネルギー場の焦点面付近に位置する。パルス内の光子の伝搬方向と一致するように開孔内部エッジを次第に細くすることによって、開孔内部エッジの屈折効果を最小限に抑えることができる。種々の開孔サイズおよび形状を有する複数の取外し可能な開孔部材を用いて、所望のサイズおよび／または形状を有する開孔部材を挿入するか、または取り出すことによって、開孔のサイズおよび／または形状を変更することができる。代替として、可変開孔部材を用いることができる。

基板をアニールするために、エネルギー場を基板の一部に向かって誘導することができる。所望により、エネルギー場の光路に沿って基板表面を視認することによって、エネルギー場を、基板表面上の位置合わせマークなど構造と位置合わせすることができる。基板からの反射光は捕捉し、カメラまたはＣＣＤマトリックスなど視認デバイスに向かって誘導することができる。図６の結像システム６００の場合のように、マジックミラーなど反射面を、エネルギー場の光路に沿って配置し、反射光を捕捉することができる。

基板の熱状態は、処理中に基板によって放出、反射または透過された放射を視認することによって監視することができる。基板によって放出される放射は、基板の温度を指示する。基板によって反射または透過された放射は、基板の吸収率を指示し、それにより、反射状態から吸収状態、またはその逆への基板の物理的構造の変化が示される。そのようなデバイスからの信号の精度は、複数のデバイスを用いて結果を比較することによって改善することができる。

熱処理装置が、電磁エネルギーのパルスを生成するように動作可能な電磁エネルギー源と、電磁エネルギー源から電磁エネルギーのパルスを受信するように位置決めされるパルスコンバイナ、パルスシェーパ、ホモジナイザおよび開孔部材を備える光学システムと、光学システムに対して基板を移動させるように動作可能な基板支持体と、光学システムの光路に沿って基板を視認するように動作可能な結像システムとを有することができる。

電磁エネルギーのパルスを合成する装置が、第１のエネルギー入力と、第２のエネルギー入力と、第１のエネルギーに第１の特性を与える第１の光学系と、第２のエネルギーに第２の特性を与える第２の光学系と、第１の特性および第２の特性に基づいてエネルギーを反射または透過する選択面と、第１のエネルギーを選択面の第１の側にある第１の場所に誘導し、第２のエネルギーを選択面の第１の側の反対に位置する選択面の第２の側にある第２の場所に誘導する誘導光学系であって、第１の場所と第２の場所が位置合わせされる、誘導光学部品と、選択面に光学的に結合される診断モジュールとを有することができる。

熱処理システムが、複数のレーザエネルギー源であって、それぞれ電子タイマに結合される能動ｑスイッチを有する、複数のレーザエネルギー源と、レーザエネルギー源に光学的に結合される少なくとも２つのコンバイナであって、各コンバイナは選択光学系を有し、選択光学系は選択面を有する、少なくとも２つのコンバイナと、レーザエネルギー源から選択面の互いに反対側に光を誘導する光学システムと、少なくとも３つのマイクロレンズアレイを備えるホモジナイザとを有することができる。

基板処理システムが、電磁エネルギー源と、電磁エネルギーを合焦する光学システムと、その中に埋め込まれた反射部分を有する開孔部材であって、反射部分は電磁エネルギーがそこを通って投影する開口部を有し、反射部分の表面は電磁エネルギーの焦点面に位置決めされる、開孔部材とを有することができる。

電磁エネルギー場を基板の一部に向かって誘導することによって基板を処理することができ、電磁エネルギー場は複数のレーザからの光を含み、複数のレーザは、合成光学系の選択面の２つの側を通り抜けることによって合成され、時間的に相関除去され、空間的に相関除去され、基板に光学的に結合される反射体を通り抜けている。

また、電磁エネルギー場を基板の一部に向かって誘導することであって、電磁エネルギー場は２つ以上のレーザからのパルス状の光を含む、誘導することと、フォトダイオードを用いて電磁エネルギー場の時間形状を検出することと、焦電検出器を用いて電磁エネルギー場のエネルギー含量を検出することと、フォトダイオードによって検出された時間形状に基づいてレーザのうちの１つまたは複数のレーザのパルスタイミングを調整することと、焦電検出器によって検出された電磁エネルギー場のエネルギー含量に基づいて、レーザの１つまたは複数を減衰させることとによって、基板を処理することもできる。

２つ以上のレーザからの偏光を合成し、時間的および空間的に光の相関を除去することによって、約３％以下の強度不均一性の空間標準偏差と少なくとも約０．２Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー含量とを有するエネルギー場を形成することと、エネルギー場をパルスとして基板表面の第１の部分に向かって誘導することと、基板を移動することと、エネルギー場を基板表面の第２の部分に向かって誘導することとによって、基板を処理することもできる。

整形された電磁エネルギー場を基板に光学的に結合される反射体を通して基板に向かって誘導することと、反射体を用いて基板から反射された光を視認することによって、基板とエネルギー場との間の位置合わせを検出することと、基板とエネルギー場との位置合わせを調整することとによって、基板を処理することもできる。

これまでの説明は本発明の実施形態を対象にしているが、その基本的範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態および更なる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (3)

1. 基板を熱処理する装置であって、
   電磁エネルギーパルスを生成するように動作可能な電磁エネルギー源と、
   パルスコンバイナ、パルスシェーパ、ホモジナイザおよび開孔部材を備える光学システムであって、開孔部材が中に埋め込まれた反射部分と電磁エネルギーが通って投影される透過性部材とを有し、反射部分の表面が電磁エネルギーの焦点面に位置決めされる、光学システムと、
   前記光学システムに対して基板を移動させるように動作可能な基板支持体と、
   前記光学システムの光路に沿って前記基板を視認するように動作可能であって結像誘導光学系と結像検出器を含む結像システムと
   を備える装置。
2. 前記パルスコンバイナは第１のパルスを偏光する第１の偏光子と、第２のパルスを偏光する第２の偏光子と、偏光面を有する合成光学系とを備え、前記第１のパルスおよび前記第２のパルスは前記偏光面の互いに反対側に誘導される、請求項１に記載の装置。
3. 前記結像システムは、基板から反射された光を結像検出器に選択的に反射するサンプリング光学系をさらに備える、請求項１に記載の装置。

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