JP6193305B2 - 高性能線形成光学システム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、線画像を形成するための光学システム、特に、高性能な線形成光学システム及び方法に関する。

本明細書において言及されるあらゆる刊行物又は特許文献の全開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。特許文献には、米国特許第８，０１４，４２７号公報が含まれる。

種々の応用では、高出力レーザ光線から形成された均一な線画像を使用する必要がある。そのような応用の一つとして、レーザ熱処理（ＬＴＰ）がある。レーザ熱処理（ＬＴＰ）は、本技術分野ではレーザスパイクアニーリング（ＬＳＡ）又は単に「レーザアニーリング」と呼ばれる。レーザ熱処理（ＬＴＰ）は、半導体製造において、トランジスタなどの活性超小型回路装置を形成するときに半導体ウエハの選択領域のドーパントを活性化するために使用される。

レーザアニーリングの一種は、レーザ光線から形成された走査線画像を使用し、ドーパントを活性化するには十分であるが、ドーパント拡散が最小となる程度に短い時間の温度（「アニーリング温度」）まで、半導体ウエハの表面を加熱する。半導体ウエハの表面がアニーリング温度になる時間は、線画像の出力密度と、線画像が走査される速度（「走査速度」）で分割された線画像の幅とによって決定される。

レーザアニーリングの応用で使用される高出力レーザの一種は、ＣＯ_２レーザである。ＣＯ_２レーザとともにレーザアニーリングを実行する従来の方法は、一対のナイフエッジ上にレーザ光線を画像化することと、その後、ナイフエッジを通過するレーザ光線を画像面へ中継して線画像を形成することとを含む。ナイフエッジは、ガウスレーザ光線の狭い中央部分（例えば、１０％）のみを伝達するように配置される。レーザ光線の強度は、比較的均一であり、これにより、その結果として得られる線画像も、線画像の長さに沿って比較的均一である。

レーザ光線の狭い中央部分のみを使用することは、残念ながら、光線のそれ以外の９０％は破棄することを意味する。これは、高強度のレーザ光線の非常に非効率な使用方法である。他方では、光線の中央からの距離とともにガウス光線の強度が実質的に低下するため、ガウス光線のより大部分を通過させようとすることにより、線画像がその長さに沿って必然的に不均一になるということが、一般的に知られている。

本開示の一局面は、対物面及び画像面を有し、前記画像面に線画像を形成する線形成光学システムである。このシステムは、初期レーザ光線を放射するレーザ光源と、光線調整光学システムと、第１の絞り装置と、中継光学システムとを備える。前記光線調整光学システムは、前記初期レーザ光線を受光し、前記初期レーザ光線から、ガウス分布とともに第１の強度プロファイルを有する調整レーザ光線を少なくとも第１の方向に形成する。前記第１の絞り装置は、前記対物面に動作可能に配置され、前記第１の方向の前記第１の強度プロファイルを切り捨てる第１のスリット開口部を規定し、前記調整レーザ光線の少なくとも５０％を構成する第１の透過光を規定する。前記中継光学システムは、前記対物面及び前記画像面を規定するとともに、第２の絞り装置が動作可能に配置される中間像面を規定する。前記中継光学システムは、前記中間像面において、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有する第２の強度プロファイルを規定する。本システムにおいて、前記第２の絞り装置は、前記第１の方向において、各第１のサイドピーク内の第２の強度プロファイルを切り捨てて、第２の透過光を規定するように構成される。前記中継光学システムは、前記画像面に、前記第２の透過光から前記線画像を形成する。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記第１のサイドピークはそれぞれ、最大値ＭＸ、並びに第１の最小値ｍ１及び第２の最小値ｍ２によって規定されることが好ましい。前記第２の絞り装置は、第２のスリット開口部を規定することが好ましい。前記第２のスリット開口部は、各第１のサイドピークにおける前記最大値ＭＸと前記第２の最小値ｍ２との間の前記第２の強度プロファイルを切り捨てるように構成されることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記中継光学システムは、前記第１の方向において、実質的に１倍（１×）倍率を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記中継光学システムは、前記第１の方向にのみ光学出力を有する円筒状の光学システムであることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有することが好ましく、前記長さＬに対して±５％以内の強度均一性を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記中継光学システムは、反射光学部品のみから構成されることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記レーザ光源は、公称１０．６μｍの操作波長を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記第１の絞り装置は、前記対物面に動作可能に配置された一対のブレードを含むことが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記第２の絞り装置は、前記中間像面に動作可能に配置された一対のブレードを含むことが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有することが好ましく、２５μｍ≦ｗ≦５００μｍの範囲の幅ｗを有することが好ましい。

本開示の他の局面は、表面を有するウエハをアニーリングするためのレーザアニーリングシステムである。このレーザアニーリングシステムは、上述の線形成光学システムと、ステージとを含む。前記線形成光学システムにおいて、前記線画像は、長さＬで規定された長手寸法を有する。前記ステージは、前記画像面において前記ウエハを動作可能に支持し移動させるように構成される。これにより、ウエハ表面上で前記線画像を走査方向に走査し、前記ウエハ表面をアニールすることができる。ここで、前記走査方向は、前記線画像の前記長手寸法に対して垂直である。

本開示の他の局面は、上述のレーザアニーリングシステムであって、前記ウエハ表面は、ドーパントを含むデバイス特徴部を含むことが好ましく、前記ウエハ表面のアニーリングは、前記ドーパントを活性化することが好ましい。

本開示の他の局面は、線画像を形成する方法である。この方法は、ガウス分布とともに第１の強度プロファイルを有するレーザ光線を、少なくとも第１の方向に形成することと、前記第１の方向において前記レーザ光線の少なくとも５０％を通過させて第１の透過光を形成することとを備える。この方法はまた、中間像面で前記第１の透過光の焦点合わせを行い、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有する第２の強度プロファイルを規定することと、各第１のサイドピーク内の第２の強度プロファイルを切り捨てて第２の透過光を規定することと、前記画像面において、前記第２の透過光から前記線画像を形成することとを備える。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、第１のサイドピークはそれぞれ、最大値ＭＸ、並びに第１の最小値ｍ１及び第２の最小値ｍ２によって規定されることが好ましい。前記第２の強度プロファイルを切り捨てることは、各第１のサイドピークにおいて、前記最大値ＭＸと前記第２の最小値ｍ２との間で実行されることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記中間像面が、中継光学システムによって規定されることが好ましい。前記中継光学システムは、前記第１の方向において実質的に１倍（１×）倍率を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記中継光学システムは、円筒鏡を備えることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有することが好ましく、前記長さＬに対して±５％以内の強度均一性を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記中継光学システムは、反射光学部品のみから構成されることが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記第２の強度プロファイルを切り捨てることは、一対のブレードによって規定されたスリット開口部に、前記第１の透過光の中央部分を通過させることを含むことが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有することが好ましく、２５μｍ≦ｗ≦５００μｍの範囲の幅ｗを有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、長さＬで規定された長手寸法を有し、前記長手寸法に対して垂直な走査方向に、ウエハ表面上で前記線画像を走査することを含むことが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記ウエハ表面は、ドーパントを含むデバイス特徴部を含むことが好ましい。前記ウエハ表面上で前記線画像を走査することは、前記ドーパントを活性化することが好ましい。

本開示の他の局面は、対物面及び画像面を有し、前記画像面に線画像を形成する線形成光学システムである。この線形成光学システムは、レーザ光源システムと、第１の絞り装置と、中継光学システムとを備える。前記レーザ光源システムは、第１の方向に延びるとともに、前記第１の方向にガウス分布を有する第１の強度プロファイルを有するレーザ光線を放射する。前記第１の絞り装置は、前記レーザ光線の中央部分の少なくとも５０％を通過させて前記第１の方向において前記レーザ光線を切り捨てるように動作可能に配置されている。前記中継光学システムは、前記中間像面を有する。前記中間像面には、第２の絞り装置が動作可能に配置されている。前記中継光学システムは、前記中間像面において第２の強度プロファイルを規定する第１の光学部品を有する。第２の強度プロファイルは、前記第１の方向に延びるとともに、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有する。前記第２の絞り装置は、各第１のサイドピーク内で前記第２の強度プロファイルを切り捨てて、第２の透過光を規定するように構成される。前記中継光学システムは、前記画像面において前記第２の透過光から前記線画像を形成する第２の光学部品を有する。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記第１及び第２の光学部品は反射性を有することが好ましい。

本開示の他の局面は、上述の線形成光学システムであって、前記第１及び第２の絞り装置はそれぞれ、一対のブレードを備えることが好ましい。

さらなる特徴点及び利点は、以下の詳細な説明に明記される。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、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識されるであろう。上記の概要及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている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、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。
図１は、本開示による線形成光学システムの一例の模式図である。 図２Ａは、図１の一例の線形成光学システムの第１の絞り装置を、＋ｚ方向から見た場合の正面図である。図２Ａは、第１の絞り装置に対してそのまま入射するような調整レーザ光線の近似のゼロ強度線（Ｉ（ｘ，ｙ）≒０）を示す。 図２Ｂは、調整レーザ光線のｘ（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩ（ｘ）のプロット図である。図２Ｂは、調整レーザ光線を間に挟んで対向配置される第１の絞り装置のブレードを示す。 図３Ａは、第２の絞り装置における第１の透過光のｘ’（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩ’（ｘ’）のプロット図である。図３Ａは、強度プロファイルを間に挟んで対向配置される第２の絞り装置の第２の開口ブレードの配置位置の一例を示す。 図３Ｂは、図３Ａの第２の絞り装置を図１に示す＋ｚ方向から見た場合の正面図である。図３Ｂは、第２の絞り装置に入射する第１の透過光を示す。 図４Ａは、第２の透過光によって画像面に形成された線画像の長手方向におけるｘ（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩＬ（ｘ）のプロット図である。図４Ａは、図１の線形成光学システムによって形成された線であって、Ｌ＝１０ｍｍ（実線）及びＬ＝７．５ｍｍ（破線）という２つの異なる寸法を有する線の例を示す。 図４Ｂは、線画像のｙ（μｍ）に対する強度プロファイルＩＬ（ｙ）のプロット図である。図４Ｂは、線画像の短手方向（すなわち、ｙ方向）の強度プロファイルが、約７５μｍの幅ｗの一例を規定するガウス形状を有することを示す。 図５は、反射中継光学システムを含む線形成光学システムの一例を示す模式図である。 図６は、本明細書に開示された図１の線形成光学システムを含むレーザアニーリングシステムの一例を示す模式図である。

以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。可能な限り、同一または類似の部分の図では、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。

下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。

いくつかの図面において、参考のためにデカルト座標が描かれているが、これは方向および配置位置を限定するものではない。さらに、第２の絞り装置６０におけるデカルト座標は、ｘ’及びｙ’で表され、第１の絞り装置４０及び画像面ＩＰにおける（ｘ，ｙ）座標とは区別する。

以下の記述では、用語「レーザ光線」及び「光」は、互換可能に使用される。

用語「上流」及び「下流」は、従来の光学システム設計技術で用いられるように、光の進行方向に対する部品の位置を言及するために用いられる。ここで、部品Ｂが部品Ａの下流にあるというとき、部品Ａから部品Ｂの方向へ光は進む。逆もまた同様である。

図１は、本開示による線形成光学システム（「システム」）１０の一例の模式図である。システム１０は、光軸Ａ１、対物面ＯＰ、及び画像面ＩＰを含む。後述するように、線画像８０は画像面ＩＰに形成される。

システム１０は、光軸Ａ１に沿って、対物面ＯＰの上流にレーザ光源２０を含む。レーザ光源２０は、光軸Ａ１に沿って対物面ＯＰへ向かって初期レーザ光線２２を放射する。一例では、レーザ光源２０は、ＣＯ_２レーザを含む。ＣＯ_２レーザは、公称波長１０．６μｍで動作する。初期レーザ光線２２は、一例では、少なくともｘ方向に沿って、さらなる例では、ｘ方向及びｙ方向の両方向に沿って、ガウス強度分布（プロファイル）を有する。一例では、初期レーザ光線２２は、円対称である必要はない。例えば、ｘ方向及びｙ方向におけるガウス強度分布は、異なる寸法を有してもよい。

システム１０は、レーザ光源２０と対物面ＯＰとの間の光軸Ａ１に沿って配置された光線調整光学システム３０を含む。光線調整光学システム３０は、初期レーザ光線２２を受光し、これから調整レーザ光線２４を形成するように構成されている。一例では、光線調整光学システム３０は、光線拡張を実行するように構成される。そのため、調整レーザ光線２４は、初期レーザ光線２２を拡張したものとなる。一例では、光線調整光学システム３０は、ｘ方向及びｙ方向での選択寸法（プロファイル）とともに調整レーザ光線２４を供給するように構成される。一例では、光線調整光学システム３０は、初期レーザ光線２２の寸法を、ｘ方向及びｙ方向に同じ量だけ拡張する。

光線調整光学システム３０は、ミラー、レンズ、絞り（開口）、及び同等の光学部品のうちの少なくとも一つを含み得る。一例の光線調整光学システム３０は、２つ以上の軸外ミラーを利用する。各軸外ミラーは、当該技術分野で公知であり、米国特許第２，９７０，５１８号及び第３，６７４，３３４号に記載の２つの例のような光学出力を有する。種々の例では、光線調整光学システム３０は、アナモルフィック、円筒状、あるいは円対称であり得る。

一実施形態では、レーザ光源２０及び光線調整光学システム３０は、レーザ光源システム３５を規定する。レーザ光源システム３５は、調整レーザ光線２４が線画像８０を形成するための所望の強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ）を生成する。レーザ光源２０が、調整される必要のない適切な初期レーザ光線２２を放射する例では、光線調整光学システム３０は必要ではなく、調整レーザ光線２４の代わりに初期レーザ光線２２を使用することができる。そのため、以下の記述において調整レーザ光線２４は、未処理の初期レーザ光線２２で規定される例であると理解される。

また、システム１０は、光軸Ａに沿って、対物面ＯＰに第１の絞り装置４０を含む。一例では、第１の絞り装置４０は、端部４３をそれぞれ有する一対のブレード４２を含む。ブレード４２は、対物面ＯＰにおいて光軸Ａ１のそれぞれの側に配置される。これにより、それぞれの端部４３は、離間して対面し、スリット開口部４４を形成する。スリット開口部４４は、拡大差し込み図ＩＮ１で最も良く図示されるように、Ｙ方向に長さ（長手）寸法を有する。拡大差し込み図ＩＮ１は、＋ｚ方向に光軸Ａ１を見下ろすようにして第１の絞り装置４０を示す。スリット開口部４４は、ｘ方向に幅ｄ１を有する。幅ｄ１は、後述するように、システム１０によって画像面ＩＰに形成された線画像８０の長さＬを規定する。一例では、ブレード４２は、移動可能であり、幅ｄ１及びそれに伴って線画像８０の長さＬを調整することができる。

また、システム１０は、光軸Ａ１と、第１の絞り装置４０の下流の中継光学システム５０とを含む。図１に示す中継光学システム５０は、説明を容易にするために伝送（透過）光学システムとして図示される。反射中継光学システム５０の一例は、図５と関連させて後述される。中継光学システム５０は、第１の光学部品５２Ａ及び第２の光学部品５２Ｂを含む。一例では、各光学部品５２Ａ及び５２Ｂは、レンズ、ミラーなどの一つ以上の光学素子で構成される。中継光学システム５０は、第１の絞り装置４０において対物面ＯＰを規定するとともに、線画像８０が形成される画像面ＩＰも規定する。

中継光学システム５０は、第２の絞り装置６０をさらに含む。第２の絞り装置６０は、第１の光学部品５２Ａによって規定される中間焦点面ＩＦＰにおいて、第１の光学部品５２Ａと第２の光学部品５２Ｂとの間に配置される。第２の拡大差し込み図ＩＮ２を参照すると、第２の絞り装置６０は、端部６３をそれぞれ有する一対のブレード６２を含む。ブレード６２は、中間焦点面ＩＦＰにおいて、光軸Ａ１のそれぞれの側に配置される。これにより、各ブレード６３は、離間して対面し、スリット開口部６４を形成する。スリット開口部６４は、ｙ’方向、すなわち、第１の絞り装置４０のスリット開口部４４と同じ方向に、長さ（長手）寸法を有する。スリット開口部６４は、ｘ’方向に幅ｄ２を有する。一例では、ブレード６２は移動可能であり、幅ｄ２を調整することができる。

一実施形態では、中継光学システム５０は、ｘ−ｚ面に実質的に単位倍率（すなわち、実質的に１倍（１×）システムである）を有する。また一例では、中継光学システム５０は、円筒状又はアナモルフィックの何れかでありうる。第１の絞り装置４０のスリット開口部４４の幅ｄ１は、ｘ方向における調整レーザ光線２４の寸法を規定する。ｘ−ｚ面が１倍倍率では、ｄ１＝Ｌとなる（拡大差し込み図ＩＮ３参照）。

システム１０の一般的な操作では、調整レーザ光線２４が形成され、第１の絞り装置４０は、この光線の比較的大部分の光量がスリット開口部４４を通過するように構成される。図２Ａは、第１の絞り装置４０の（＋ｚ方向に見た）正面図であり、調整レーザ光線２４の近似のゼロ強度線（Ｉ（ｘ、ｙ）≒０）を示す。一例では、調整レーザ光線２４は、ｘ方向により長い（すなわち、強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ）がｘ方向に延びる）プロファイルとともに、ｘ方向及びｙ方向にガウスプロファイルを有する。上述のように、ｙ方向のガウスプロファイルの幅ｗ１は、線画像８０の幅ｗ（短手寸法）を規定する。一例では、幅ｗ１は、ｙ−ｚ面に光学出力を有しない中継光学システム５０（すなわち、中継光学システム５０は、ｘ−ｚ面のみに光学出力を有する円筒形である）とともに、光線調整光学システム３０によって規定される。これは、光線調整光学システム３０を使用することの利点の一つである。なぜなら、アナモルフィック素子を使用して光学部品５２Ａ及び５２Ｂを形成する必要性がなくなるためである。

図２Ｂは、調整レーザ光線２４のｘ（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩ（ｘ）のプロット図である。また図２Ｂは、調整レーザ光線２４に対する第１の絞り装置４０のブレード４２の配置例を示す。図２Ａにおいて調整レーザ光線２４のハッシュされた部分２４Ｂは、各ブレード４２によって遮断される調整レーザ光線２４の部分を示す。一方、スリット開口部４４を通過する部分は２４Ｐで示され、以下では、「第１の透過光」と呼ぶ。第１の透過光は、図２Ｂにおいても図示される。図２Ｂでは、強度プロファイルＩ（ｘ）の破線部分が、各ブレード４２によって遮断される光部分を示す。図２Ａ及び図２Ｂに示す例では、調整レーザ光線２４の約９０％の光が第１の透過光２４Ｐとしてスリット開口部４４を通過する一方、強度プロファイルの両翼にある調整レーザ光線２４の約１０％の光が、ブレード４２によって遮断される。一例では、第１の絞り装置４０は、調整レーザ光線２４の少なくとも５０％を通過させるように構成される。

第１の絞り装置４０は、調整レーザ光線２４の実質的な部分を通過させるように構成されているため、スリット開口部４４内の強度プロファイルＩ（ｘ）の変動は比較的大きい。一例では、この変動は５０％よりも大きく、また他の例では、この変動は６５％よりも大きく、さらに他の例では、この変動は７０％よりも大きい。このことは、図２Ｂにおいて最も明確に示される。図２Ｂでは、（標準化された）ピーク強度は、スリット開口部４４の中心において（すなわち、ｘ＝０において）１である。また、ブレード４２の端部４３によって規定されるスリット開口部４４の端部では、強度は、約０．２８、すなわち、強度プロファイルＩ（ｘ）の最大値の約２８％にまで低下する。この強度プロファイルＩ（ｘ）が従来の中継手段を用いて画像面ＩＰへ中継されると、線画像８０は、長手方向において強度均一性の対応する変動（約７２％）を有するであろう。この値は、線画像８０の長さＬについて、±５％以内、あるいは、ある場合には±２％以内というより好ましい強度均一性を大幅に超えている。

再び図１を参照すると、スリット開口部４４を通過する第１の透過光２４Ｐは、第２の絞り装置６０上で、中継光学システム５０の第１の光学部品５２Ａによって中間焦点面ＩＦＰに焦点合わせされる。中間焦点面ＩＦＰは、第１の絞り装置４０における（ｘ，ｙ）座標とは別の座標ｘ’及びｙ’を有する。このような焦点合わせにより、第２の強度プロファイルＩ’（ｘ’，ｙ’）が得られる。第２の強度プロファイルＩ’（ｘ’，ｙ’）は、対物面ＯＰでの強度プロファイルＩ（ｘ，ｙ）の（ｘ’方向の）１次元フーリエ変換によって規定される。

対物面ＯＰでの強度プロファイルＩ（ｘ）は、
Ｉ（ｘ）＝Ｇ（ｘ）・ｒｅｃｔ（ｘ／ａ） （（ｄ１）／２＝ａ）
で規定される。ここで、ｒｅｃｔ（ｘ／ａ）は、０（｜ｘ｜＞ａの場合）、１／２（ｘ＝ａの場合）、及び、１（｜ｘ｜＜ａの場合）であり、Ｇ（ｘ）＝ｅｘｐ（−ｘ^２）である。したがって、Ｉ’（ｘ’）は、
で求められる。

図３Ａは、第２の絞り装置６０における第１の透過光２４Ｐのｘ’（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩ’（ｘ’）のプロット図である。図３Ｂは、図３Ｂの第２の絞り装置６０を＋ｚ方向から見た場合の正面図である。図３Ｂを参照すると、ブレード６２は、第２の絞り装置６０に入射する第１の透過光２４Ｐの一部２４Ｐ’がスリット開口部６４を通過し、第１の透過光２４Ｐの各部分２４Ｂ’が第２の絞り装置６０のブレード６２によって遮断されるように、配置される。そのため、第１の透過光２４Ｐの一部２４Ｐ’は、「第２の透過光」と呼ばれ、中継光学システム５０の下流部分で、線画像８０を形成するために使用される。

図３Ａは、ブレード６２が、第２の透過光２４Ｐ’の選択量を透過させるための選択幅ｄ２に設定され得ることを詳細に示す。強度プロファイルＩ’（ｘ’）は、多くのより小さなピークによって囲まれた強い中央ピークＰ０を示す。より小さなピークは、強度プロファイルＩ’（ｘ’）の中心から大きさが小さくなる。中央ピークＰ０のそれぞれの側にある第１ピークは、Ｐ１で示され、第１の最小値ｍ１及び第２の最小値ｍ２によって囲まれた最大値ＭＸによって規定される。一例では、スリット開口部６４は、幅ｗ２を有するように規定される。ここで、ブレード６２の各端部６３は、対応する第１ピークＰ１内に存在し、スリット開口部６４は、第１ピークＰ１に関連した光の少なくとも一部を透過させる。

他の例では、第２の絞り装置６０は、ブレード６２の端部６３が、最大値ＭＸと第２の最小値ｍ２との間の対応する第１ピークＰ１内に存在するように構成されている。例えば、ｘ軸の正側のｘ値が、最大値ＭＸについてのｘ_ＭＸ及び第２の最小値ｍ２についてのｘ_ｍ２で規定され、ブレード６２の端部６３のｘ位置が、ｘ_６３で規定されると、正側ブレード６２の端部６３の位置条件は、ｘ_ＭＸ≦ｘ_６３≦ｘ_ｍ２で表すことができる。負側ブレード６２の端部６３の対応する条件は、−ｘ_ｍ２≦−ｘ_６３≦−ｘ_ＭＸで表すことができる。この空間フィルタリング条件は、例えば、長さＬ上で長手方向に測定された場合に±５％以内という強度非均一性の許容レベルとともに、線画像８０の形成について最良の結果をもたらすことが確認された。

一例では、中間焦点面ＩＦＰにおいて第２の絞り装置６０によって遮断される第１の透過光２４Ｐの量は、約５から８％である。これにより、第１の透過光２４Ｐの約９５から９２％が透過して、第２の透過光２４Ｐ’が形成される。これにより、中継光学システム５０は、入力値又は対物面ＩＰに供給される強度に対して最大約７５％の効率で画像面ＩＰに線画像８０を形成することができる。これに対して、従来技術の効率は、約１５％である。

さらに、長手方向（すなわち、ｘ方向）の線画像８０の強度均一性は、一例では、長さＬにわたる長手方向において±５％の公差を許容し、また他の例では、±２％の公差を許容する。

線画像８０は、第２の透過光２４Ｐ’を用いて画像面ＩＰに形成される。このｘ方向における第２の透過光２４Ｐ’は、強度プロファイルＩ’（ｘ’）の切り捨てタイプとして規定され、以下のように符号で示される。ここで、Ｆ｛・｝は、フーリエ変換処理を意味する。
そして、強度プロファイルＩＬ（ｘ）は、Ｉ’（ｘ’）の１Ｄ逆フーリエ変換である。すなわち、ＩＬ（ｘ）＝Ｆ^−１｛Ｉ’（ｘ’）｝となる。

図３Ａから、第２の絞り装置６０が、上記のＩ’（ｘ’）の表現において１Ｄ“ｒｅｃｔ（矩形）”関数を規定し、ｘ’軸に沿ったより高い空間周波数成分の選択量を除去するように機能することがわかる。これらのより高い空間周波数成分は、高解像度の線画像を形成するために必要とされる。高解像度の線画像は、第１の絞り装置４０における入力（調整）レーザ光線２４の強度変動を含む。そのため、第２の絞り装置６０によるフィルタリングは、線画像８０の長手方向における強度変動を取り除くように作用する。他方では、これらのより高い空間周波数成分の強度は比較的低いため、第１の透過光２４Ｐの大部分は、スリット開口部６４を通り、第２の透過光２４Ｐ’を形成する。

図４Ａは、画像面ＩＰにおける線画像８０の長手方向でのｘ（ｍｍ）に対する強度プロファイルＩＬ（ｘ）のプロット図である。図４Ａは、例として、システム１０で形成されたＬ＝１０ｍｍ（実線）及びＬ＝７．５ｍｍ（破線）という２つの異なる寸法を有する線を示す。一例では、線画像８０の長さＬは、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲内であり得る。

図４Ｂは、ｙ（μｍ）に対する強度プロファイルＩＬ（ｙ）のプロット図である。図４Ｂは、線画像８０の短手方向（すなわち、ｙ方向）の強度プロファイルＩＬ（ｙ）が、約７５μｍの幅ｗの一例を規定するガウス形状を有することを示す。一実施形態では、幅ｗは、２５μｍ≦ｗ≦５００μｍの範囲内であり得る。上述の通り、一例では、幅ｗは、光線調整光学システム３０によって規定され、これにより、中継光学システム５０はＹ−Ｚ面で光学出力を持たない円筒形となり得る。

線画像８０が短手方向、すなわち、ｙ方向に走査される場合、線画像８０の短手寸法における強度プロファイルＩＬ（ｙ）は、長手寸法における強度プロファイルＩＬ（ｘ）と同じ均一性の公差を満たす必要はない。この場合、ｙ方向の強度変動は、走査中に平均化される。図４Ｂの強度プロファイルＩＬ（ｙ）のプロット図では、線画像８０は、ｙ方向に±約１０％の強度変動を有する。
＜反射中継光学システム＞

図５は、システム１０の一例の模式図である。このシステム１０は、反射中継光学システム５０及び折り返しミラー光学システム９０を含む。折り返しミラー光学システム９０は、画像面ＩＰに配置されたウエハＷの表面ＷＳへ線画像８０を方向付けるために用いられる。反射中継光学システム５０は、軸外構造に配置された凹面ミラーの形態で第１の光学部品５２Ａ及び第２の光学部品５２Ｂを含む。中継光学システム５０は、折り返しミラーＦ１，Ｆ２、及びＦ３を含む。折り返しミラーＦ１，Ｆ２、及びＦ３は、第１の透過光２４Ｐの光路を折り返すように機能する。第１の透過光２４Ｐの光路は、対物面ＯＰで第１の絞り装置４０を通過する。折り返しミラーＦ２は、第２の絞り装置６０の背面に配置される。この結果、第１の透過光２４Ｐは、第２の絞り装置６０に入射する。第１の透過光２４Ｐの中央部分のみ、すなわち、第２の透過光２４Ｐ’は、折り返しミラーＦ２によって反射され、中継光学システム５０の残りの部分を通過する。このように、一例の中継光学システム５０は、反射光学部品で構成され、屈折光学部品を有さない。このような構成は、レーザ光源２０が、例えば、公称１０．６μｍのＣＯ_２レーザ波長などの赤外波長で動作する場合に望ましい。

この第２の透過光２４Ｐ’は、折り返しミラーＦ３によって反射され、第２の光学部品５２Ｂへ方向付けられる。第２の光学部品５２Ｂは、第２の透過光２４Ｐ’を折り返しミラー光学システム９０へ方向付ける。折り返しミラー光学システム９０は、少なくとも一つの折り返しミラーＦ４を含む。一例では、折り返しミラー光学システム９０は、平行でない対物面ＯＰ及び画像面ＩＰを補償するように構成され、これにより、線画像８０はウエハＷの表面ＷＳに適切に画像化される。
＜レーザアニーリングシステム＞

図６は、レーザアニーリングシステム１００の一例の模式図である。このレーザアニーリングシステム１００は、本明細書中に開示される線形成光学システム１０を含む。線形成光学システム１０の使用に適したレーザアニーリングシステムの例は、例えば、米国特許第７，６１２，３７２号、第７，５１４，３０５号、第７，４９４，９４２号、第７，３９９，９４５号、第７，１５４，０６６号、第６，７４７，２４５号、及び第６，３６６，３０８号に記載される。

図６のレーザアニーリングシステム１００は、光軸Ａ１に沿って、上述の線形成光学システム１０を含む。このレーザアニーリングシステム１００において、レーザ光源２０によって放射される初期レーザ光線２２は、選択条件において吸収され、ウエハＷを加熱することのできる波長（例えば、ＣＯ_２レーザからの公称１０．６ミクロン）を有する。このような条件には、例えば、ウエハＷを加熱することや、あるいは、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の放射線ビーム（図示せず）でウエハＷを照射することが含まれる。これにより、ウエハＷは、ウエハＷをアニーリング温度にまで加熱することができる程度に、第２の透過光２４Ｐ’を吸収できる。第２のレーザ光源によってウエハＷを照射してウエハＷに第２の透過光２４Ｐ’を吸収させる一例は、米国特許第７，０９８，１５５号、第７，１４８，１５９号、第７，４８２，２５４号に記載される。

ウエハＷは、上面１１２を有するチャック１１０によって支持される。一例では、チャック１１０は、ウエハＷを加熱するように構成される。続いてチャック１１０は、ステージ１２０に支持され、さらにステージ１２０は、プラテン１３０に支持される。一実施形態では、チャック１１０はステージ１２０に組み込まれる。他の実施形態では、ステージ１２０は移動可能であり、例えば、平行移動可能及び回転可能である。

ウエハＷは、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの形態でデバイス特徴部を有する例によって示される。ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄは、ウエハＷに形成される回路（例えば、トランジスタ）１５６の一部として、ウエハＷの表面ＷＳ上、あるいは、表面ＷＳの近傍に形成される。説明の便宜上、回路１５６におけるソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの相対的な寸法は、ウエハＷと比較して大幅に拡大されている。実際には、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄは非常に浅く、基板に対して約１ミクロン以下の深さを有する。

一実施形態では、レーザアニーリングシステム１００は、制御部１７０をさらに含む。制御部１７０は、システム１０及びステージ制御部１２２に電気的に接続されている。ステージ制御部１２２は、ステージ１２０に電気的に接続され、制御部１７０からの指令を介してステージ１２０の動きを制御するように構成される。制御部１７０は、一般的にはレーザアニーリングシステム１００の動作を、より具体的にはレーザ光源２０及びステージ制御部１２２の動作を制御するように構成され、接続されている。

一実施形態では、制御部１７０は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションなどのコンピュータであってもよいし、そのようなコンピュータを含んでもよい。コンピュータは、例えば、テキサス州オースチンにあるデルコンピュータ株式会社などの多くの周知のコンピュータ企業のうちの何れかから入手することができる。制御部１７０は、多くの市販のマイクロプロセッサの何れか、プロセッサをハードディスクドライブなどのメモリ装置に接続する適切なバスアーキテクチャ、及び適切な入出力装置（例えば、それぞれキーボード及びディスプレイ）を含むことが好ましい。

引き続き図６を参照すると、上述のようにして生成された第２の透過光２４Ｐ’は、ウエハＷの表面ＷＳ上に導かれ、表面ＷＳ上に線画像８０を形成する。本明細書中では、用語「画像」は、一般的に画像面ＩＰ及びそこに存在するウエハＷの表面ＷＳにおいて、第２の透過光線２４Ｐ’によって形成される光の分布を示すために用いられる。

一実施形態では、線画像８０は、矢印１８０で示すように、ウエハＷの表面ＷＳ上を走査される。これにより、ウエハＷの表面ＷＳ（約１ミクロン以下の深さまで）が、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄでドーパントを活性化するのに十分なアニーリング温度（例えば、非溶融プロセスでは１０００℃から１，３００℃の間、溶融プロセスでは約１，４００℃のシリコン溶融温度超）に高速加熱される。また、ウエハＷの表面ＷＳを高速冷却することもでき、その結果、ドーパントは実質的に拡散せず、これにより、ソース領域１５０Ｓ及びドレイン領域１５０Ｄの浅さを維持することができる。ウエハＷの表面ＷＳの包括的なドーパント活性化は、レーザアニーリングシステム１００を用いて実行することもできる。ウエハＷの表面ＷＳ上における線画像８０の一般的な走査速度は、２５ｍｍ／秒から１０００ｍｍ／秒の範囲である。一例では、第２の透過光２４Ｐ’及びウエハＷの一方又は双方は、走査中に移動可能である。

線形成光学システム１０は、比較的大きな出力密度を有する比較的長い線画像８０を形成することができるため、ウエハＷは、従前の線形成光学システムよりも大幅に高速で（例えば、３倍速く、あるいは、３倍のスループット改善用に３倍の長さの処理ラインを有するように）走査されることができる。これにより、レーザアニーリングシステム１００によって処理することのできる時間当たりのウエハ数を増加させることができる。

当業者には明白であるが、添付される特許請求の範囲で規定された本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載された本開示の好ましい実施形態に対して様々な変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内で行われる本開示の修正及び変更を包含する。

Claims (17)

1. 対物面及び画像面を有し、前記画像面に線画像を形成する線形成光学システムであって、
   初期レーザ光線を放射するレーザ光源と、光線調整光学システムと、第１の絞り装置と、中継光学システムとを備え、
   前記光線調整光学システムは、前記初期レーザ光線を受光し、前記初期レーザ光線から、ガウス分布とともに第１の強度プロファイルを有する調整レーザ光線を少なくとも第１の方向に形成し、
   前記第１の絞り装置は、前記対物面に動作可能に配置され、前記第１の方向の前記第１の強度プロファイルを切り捨てる第１のスリット開口部を規定し、前記調整レーザ光線の少なくとも５０％を構成する第１の透過光を規定し、
   前記中継光学システムは、前記第１の方向において、実質的に１倍倍率を有し、かつ、前記第１の方向にのみ光学出力を有する円筒状の光学システムであって、前記対物面及び前記画像面を規定するとともに、第２の絞り装置が動作可能に配置される中間像面を規定し、前記中間像面において、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有する第２の強度プロファイルを規定し、前記第２の絞り装置は、前記第１の方向において、各第１のサイドピーク内の第２の強度プロファイルを切り捨てて、第２の透過光を規定するように構成され、
   前記中継光学システムは、前記画像面に、前記第２の透過光から前記線画像を形成し、
   前記第１のサイドピークはそれぞれ、最大値ＭＸ、前記最大値ＭＸと比べて前記中央ピークにより近い第１の最小値ｍ１、及び、前記第１の最小値ｍ１と比べて前記中央ピークからより離れた第２の最小値ｍ２によって規定され、前記第２の絞り装置は、第２のスリット開口部を規定し、前記第２のスリット開口部は、各第１のサイドピークにおける、前記最大値ＭＸと前記第２の最小値ｍ２との間において前記第２の強度プロファイルを切り捨てるように構成され、
   前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有し、かつ、前記長さＬに対して±５％以内の強度均一性を有する、線形成光学システム。
2. 前記中継光学システムは、反射光学部品のみから構成される、請求項１に記載の線形成光学システム。
3. 前記レーザ光源は、公称１０．６μｍの操作波長を有する、請求項２に記載の線形成光学システム。
4. 前記第１の絞り装置は、前記対物面に動作可能に配置された一対のブレードを備える、請求項１から３の何れか１項に記載の線形成光学システム。
5. 前記第２の絞り装置は、前記中間像面に動作可能に配置された一対のブレードを備える、請求項４に記載の線形成光学システム。
6. 前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有し、かつ、２５μｍ≦ｗ≦５００μｍの範囲の幅ｗを有する、請求項１から５の何れか１項に記載の線形成光学システム。
7. 表面を有するウエハをアニーリングするためのレーザアニーリングシステムであって、
   請求項１から６の何れか１項に記載の線形成光学システムと、ステージとを備え、
   前記線形成光学システムにおいて、前記線画像は、長さＬで規定された長手寸法を有し、
   前記ステージは、前記画像面において前記ウエハを動作可能に支持し移動させるように構成され、これにより、ウエハ表面上で前記線画像を走査方向に走査し、前記ウエハ表面をアニールし、ここで、前記走査方向は、前記線画像の前記長手寸法に対して垂直である、
   レーザアニーリングシステム。
8. 前記ウエハ表面は、ドーパントを含むデバイス特徴部を含み、前記ウエハ表面のアニーリングは、前記ドーパントを活性化する、請求項７に記載のレーザアニーリングシステム。
9. 線画像を形成する方法であって、
   ガウス分布とともに第１の強度プロファイルを有するレーザ光線を少なくとも第１の方向に形成することと、
   前記第１の方向において前記レーザ光線の少なくとも５０％を通過させて第１の透過光を形成することと、
   中間像面で前記第１の透過光の焦点合わせを行い、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有する第２の強度プロファイルを規定することと、
   各第１のサイドピーク内の第２の強度プロファイルを切り捨てて第２の透過光を規定することと、
   画像面において、前記第２の透過光から前記線画像を形成することと
   を備え、
   前記中間像面は、中継光学システムによって規定され、前記中継光学システムは、前記第１の方向において実質的に１倍倍率を有し、かつ、前記中継光学システムは、前記第１の方向にのみ光学出力を有する円筒鏡を備えており、
   第１のサイドピークはそれぞれ、最大値ＭＸ、前記最大値ＭＸと比べて前記中央ピークにより近い第１の最小値ｍ１、及び、前記第１の最小値ｍ１と比べて前記中央ピークからより離れた第２の最小値ｍ２によって規定され、前記第２の強度プロファイルを切り捨てることは、各第１のサイドピークにおいて、前記最大値ＭＸと前記第２の最小値ｍ２との間で実行され、
   前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有し、前記長さＬに対して±５％以内の強度均一性を有する、方法。
10. 前記中継光学システムは、反射光学部品のみから構成される、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の強度プロファイルを切り捨てることは、一対のブレードによって規定されたスリット開口部に、前記第１の透過光の中央部分を通過させることを含む、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有し、２５μｍ≦ｗ≦５００μｍの範囲の幅ｗを有する、請求項９から１１の何れか１項に記載の方法。
13. 前記線画像は、長さＬで規定された長手寸法を有し、前記長手寸法に対して垂直な走査方向に、ウエハ表面上で前記線画像を走査することをさらに備える、請求項９から１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記ウエハ表面は、ドーパントを含むデバイス特徴部を含み、前記ウエハ表面上での前記線画像の走査は、前記ドーパントを活性化する、請求項１３に記載の方法。
15. 対物面及び画像面を有し、前記画像面に線画像を形成する線形成光学システムであって、
    レーザ光源システムと、第１の絞り装置と、中継光学システムとを備え、
    前記レーザ光源システムは、第１の方向に延びるとともに、前記第１の方向にガウス分布を有する第１の強度プロファイルを有するレーザ光線を放射し、
    前記第１の絞り装置は、前記レーザ光線の中央部分の少なくとも５０％を通過させて前記第１の方向において前記レーザ光線を切り捨てるように動作可能に配置され、
    前記中継光学システムは、前記第１の方向において、実質的に１倍倍率を有し、かつ、前記第１の方向にのみ光学出力を有する円筒状の光学システムであって、前記中継光学システムは、中間像面を有し、前記中間像面には、第２の絞り装置が動作可能に配置され、前記中間像面において第２の強度プロファイルを規定する第１の光学部品を有し、前記第２の強度プロファイルは、前記第１の方向に延びるとともに、中央ピーク及び前記中央ピークに直に隣接する第１のサイドピークを有し、
    前記第２の絞り装置は、各第１のサイドピーク内で前記第２の強度プロファイルを切り捨てて、第２の透過光を規定するように構成され、
    前記中継光学システムは、前記画像面において前記第２の透過光から前記線画像を形成する第２の光学部品を有し、
    前記第１のサイドピークはそれぞれ、最大値ＭＸ、前記最大値ＭＸと比べて前記中央ピークにより近い第１の最小値ｍ１、及び、前記第１の最小値ｍ１と比べて前記中央ピークからより離れた第２の最小値ｍ２によって規定され、前記第２の絞り装置は、第２のスリット開口部を規定し、前記第２のスリット開口部は、各第１のサイドピークにおける、前記最大値ＭＸと前記第２の最小値ｍ２との間において前記第２の強度プロファイルを切り捨てるように構成され、
    前記線画像は、５ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有し、かつ、前記長さＬに対して±５％以内の強度均一性を有する、線形成光学システム。
16. 前記第１及び第２の光学部品は反射性を有する、請求項１５に記載の線形成光学システム。
17. 前記第１及び第２の絞り装置はそれぞれ、一対のブレードを備える、請求項１５または１６に記載の線形成光学システム。