JP6771810B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードから出力されるパルスレーザビームを用いてレーザ加工を行なうレーザ加工装置に関する。

下記の特許文献１に、半導体レーザ（レーザダイオード）と固体レーザとを用いて、半導体基板に注入されたドーパントを活性化するレーザアニール方法が開示されている。このレーザアニール方法では、レーザダイオード及び固体レーザからパルスレーザビームが出力される。レーザダイオードは、制御装置からの制御信号によって制御される。

レーザアニールにおいては、レーザダイオードのパルス幅、パルスの繰り返し周波数、及び基板表面におけるパルスエネルギ密度が最適値に設定される。レーザダイオードのパルス幅、及びパルスの繰り返し周波数は、レーザダイオードに供給される駆動電流のオンオフのタイミングによって規定される。半導体基板の表面におけるビームサイズが一定の場合、パルスエネルギ密度からパルスエネルギが算出される。パルスエネルギは、レーザダイオードに供給する駆動電流の大きさによって決まる。

レーザダイオードの駆動電流の大きさは、一般的に以下の手順で決めることができる。パルス幅及び繰り返し周波数を目標値に設定し、駆動電流の大きさを変化させてレーザダイオードを駆動する。このとき、レーザダイオードから出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギを計測する。パルスエネルギの計測結果に基づいて、最適な駆動電流の大きさを決定することができる。

特許第４８３１９６１号公報

最適な駆動電流の大きさを決定するために、駆動電流の大きさが異なる複数の駆動条件でレーザ発振させる必要があるため、レーザダイオードの駆動条件を決定するまでに、ある程度の時間を要する。また、レーザダイオードの駆動条件を調整するために、駆動電流を、ある幅で変化させることにより、実際の加工時に流れる駆動電流よりも大きな駆動電流が流れる。これにより、レーザダイオードの寿命が短くなる場合がある。

本発明の目的は、レーザダイオードの駆動条件を短時間で決定することが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザダイオードと、
加工対象物を保持するステージと、
前記レーザダイオードから前記ステージに保持された加工対象物に前記パルスレーザビームを導く伝搬光学系と、
前記加工対象物に入射させる前記パルスレーザビームのパルス幅、パルスの繰り返し周波数、及びパルスエネルギ密度を規定する加工レシピと、前記レーザダイオードの駆動電流及び駆動電圧との関係を定義する関係定義データを記憶している制御装置と、
入力装置と
を有し、
前記制御装置は、
前記入力装置を通して前記加工レシピが入力されると、入力された前記加工レシピと、前記関係定義データとに基づいて、前記レーザダイオードの駆動電流及び駆動電圧を決定し、
決定された駆動電流及び駆動電圧で前記レーザダイオードを駆動するレーザ加工装置が提供される。

関係定義データを用いてレーザダイオードの駆動条件を決定するため、駆動条件決定のための時間を短縮することができる。

図１は、実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２は、関係定義データの一例を示す図表である。 図３は、実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法のフローチャートである。 図４は、実施例によるレーザ加工装置を用いた他のレーザ加工方法のフローチャートである。 図５は、実施例によるレーザ加工装置を用いたさらに他のレーザ加工方法のステップＳ３（図４）のフローチャートである。 図６は、他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。ドライバ回路２２からレーザダイオード２１に駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード２１がパルスレーザビームを出力する。ステージ４０に加工対象物５０が保持されている。伝搬光学系２５が、レーザダイオード２１から出力されたパルスレーザビームを、ステージ４０に保持された加工対象物５０まで導く。

伝搬光学系２５は、部分反射鏡２６及び可変減衰器２７を含む。さらに、伝搬光学系２５は、必要に応じて、ビームエキスパンダ、均一化光学系、レンズ等を含む。部分反射鏡２６で反射されたパルスレーザビームが加工対象物５０に入射する。部分反射鏡２６を透過したパルスレーザビームが、エネルギ計測器２３に入射する。エネルギ計測器２３は、パルスエネルギを計測する。パルスエネルギの計測結果が制御装置１０に入力される。可変減衰器２７は、制御装置１０からの指令により、パルスレーザビームの減衰量を変化させる。

入力装置１２から、加工レシピが入力される。加工レシピは、パルスレーザビームのパルス幅、パルスの繰り返し周波数（以下、単に「周波数」という。）、１パルスあたりのエネルギ密度（以下、「パルスエネルギ密度」という。）を規定する。入力された加工レシピによってパルス幅、周波数、及びパルスエネルギ密度の第１目標値が決定される。

制御装置１０の記憶装置１１に、関係定義データ１３が格納されている。関係定義データ１３は、加工レシピと、レーザダイオード２１の駆動条件との関係を定義している。入力装置１２から加工レシピが入力されると、制御装置１０は、入力された加工レシピと、関係定義データ１３とに基づいて、レーザダイオード２１の駆動条件を決定する。この駆動条件は、加工対象物５０の表面におけるパルスエネルギ密度が、パルスエネルギ密度の第１目標値に等しくなるように決定される。駆動条件には、パルス幅、周波数、及び駆動電流の大きさが含まれる。

制御装置１０は、決定された駆動条件をドライバ回路２２に設定する。ドライバ回路２２は、制御装置１０から出力開始信号を受けると、設定されている駆動条件でレーザダイオード２１を駆動する。

さらに、制御装置１０は、エネルギ計測器２３の計測結果から求まるパルスエネルギ密度が、パルスエネルギ密度の第１目標値に近づくように、可変減衰器２７を制御する。

図２に、関係定義データ１３の一例を表形式で示す。パルス幅、周波数、動作条件の組み合わせごとに、パルスエネルギが決定されている。動作条件には、駆動電流の大きさと駆動電圧の大きさとが含まれる。実際には、駆動電流及び駆動電圧の一方が決まれば、他方も決まる。パルスエネルギの値は、実際にレーザダイオード２１（図１）からパルスレーザビームを出力して、そのパルスエネルギを計測することにより、決定することができる。レーザ加工を行なうときのパルス幅、周波数、及びパルスエネルギの目標値が決まれば、関係定義データ１３から、動作条件を求めることができる。

図３に、実施例によるレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法のフローチャートを示す。ステップＳ１において、オペレータが入力装置１２（図１）を操作して、加工レシピを入力する。具体的には、パルス幅の第１目標値、周波数の第１目標値、及びパルスエネルギ密度の第１目標値が入力される。入力された加工レシピは、制御装置１０（図１）に送信される。

ステップＳ２において、制御装置１０（図１）が、パルスエネルギ密度の第１目標値から、パルスエネルギの第１目標値を算出する。パルスエネルギの第１目標値は、パルスエネルギ密度の第１目標値を、加工対象物５０の表面におけるビーム断面の面積で除算することにより算出される。なお、レーザ加工時におけるビーム断面の面積を考慮して、パルスエネルギの第１目標値を入力装置１２から入力するようにしてもよい。この場合には、ステップＳ２の処理は不要である。

ステップＳ３において、制御装置１０（図１）が、パルス幅の第１目標値、周波数の第１目標値、パルスエネルギの第１目標値、及び関係定義データ１３（図２）に基づいて、駆動条件を決定する。具体的には、第１目標値に一致するパルス幅、周波数、及びパルスエネルギの組に関連付けられた動作条件を抽出する。第１目標値に一致するパルスエネルギが関係定義データ１３に定義されていない場合には、補間演算を行なって駆動条件を決定することができる。その他に、第１目標値以上で、かつ最も小さいパルスエネルギに関連付けられた動作条件を抽出してもよい。

ステップＳ４において、制御装置１０が、決定された駆動条件をドライバ回路２２（図１）に設定する。ステップＳ５において、制御装置１０がドライバ回路２２に、出力開始信号を送信する。ドライバ回路２２は、出力開始信号を受信すると、ステップＳ４で設定されたパルス幅、周波数、及び駆動条件に基づいてレーザダイオード２１を駆動する。レーザダイオード２１に駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード２１からパルスレーザビームが出力される。

上記実施例では、ステップＳ１で入力された加工レシピと、関係定義データ１３（図２）とに基づいて、駆動条件が決定される。このため、目標とするパルスエネルギが得られるまで、種々の駆動条件でレーザダイオードを駆動して、パルスエネルギを測定する評価手順を実行する必要がない。このため、加工レシピの入力からレーザ加工処理開始までの時間を短縮することができる。

パルスエネルギの評価手順の実行中には、レーザダイオードに、実際の加工時よりも大きな駆動電流が流れる場合がある。この大きな駆動電流により、レーザダイオードの劣化が進むことが懸念される。実施例においては、パルスエネルギの評価手順を実行するする必要が無いため、レーザダイオードの劣化を抑制することができる。

図４に、実施例によるレーザ加工装置を用いた他のレーザ加工方法のフローチャートを示す。以下、図３に示したフローチャートとの相違点について説明する。

図４に示した手順では、ステップＳ３において、第１目標値に一致するパルスエネルギが関係定義データ１３（図２）に定義されていない場合には、第１目標値以上で、かつ最も小さいパルスエネルギに関連付けられた動作条件が抽出される。ステップＳ４の後、ステップＳ４１において、レーザダイオード２１からパルスレーザビームを出力して、パルスエネルギを計測する。パルスエネルギの計測には。エネルギ計測器２３が用いられる。

ステップＳ４２において、制御装置１０が、パルスエネルギの計測結果に基づいて、可変減衰器２７（図１）を調整する。具体的には、加工対象物５０に到達するパルスエネルギが、ステップＳ２で算出されたパルスエネルギの第１目標値に一致するように、可変減衰器２７を調整する。その後、ステップＳ５において、ドライバ回路２２に出力開始信号を送信する。

図４に示した手順では、ステップＳ３において、第１目標値よりも大きなパルスエネルギに関連付けられた駆動条件が抽出される。このため、レーザダイオード２１から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギは、第１目標値よりも大きくなる。ステップＳ４２において、加工対象物５０に到達するパルスレーザビームのパルスエネルギが、第１目標値に近づくように、より好ましくは第１目標値に一致するように可変減衰器２７を調整する。このため、加工対象物５０に到達するパルスレーザビームのパルスエネルギを、第１目標値に近づけることができる。

図５に、さらに他のレーザ加工方法のステップＳ３（図４）のフローチャートを示す。ステップＳ３以外のステップは、図３に示したステップと同一である。

ステップＳ３１において、パルスエネルギの第１目標値に補正値を加算することにより、第２目標値を求める。補正値として、予め決められた固定値を用いてもよいし、第１目標値に一定の比率、例えば３％を乗じた値を用いてもよい。

ステップＳ３２において、パルス幅の第１目標値、周波数の第１目標値、及びパルスエネルギの第２目標値、及び関係定義データ１３（図２）に基づいて、駆動条件を決定する。

図５に示した手順では、パルスエネルギが第１目標値よりも大きくなる条件を満たすように、駆動条件が決定される。レーザダイオード２１（図１）から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギと、第１目標値との差分は、ステップＳ４１、Ｓ４２（図４）の処理によって解消される。このため、第１目標値に近いパルスエネルギを有するパルスレーザビームを加工対象物５０（図１）に入射させることができる。

レーザダイオード２１の劣化が進むと、関係定義データ１３（図２）に示された所定の駆動条件でレーザダイオード２１を駆動しても、当該駆動条件に関連付けられたパルスエネルギが得られない場合がある。図５に示した手順では、パルスエネルギの第１目標値よりも大きい第２目標値に基づいて、駆動条件を決定している。このため、レーザダイオード２１の劣化が進んでいる場合でも、第１目標値に近いパルスエネルギのパルスレーザビームを加工対象物５０に入射させることができる。

次に、図６を参照して、他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。図１に示した実施例では、レーザ光源としてレーザダイオード２１のみが用いられていたが、図６に示した実施例では、レーザ光源として、レーザダイオード２１及び固体レーザ発振器３１が用いられる。レーザダイオード２１は、例えば波長６９０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１は、緑色の波長域のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を出力するＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等のＱスイッチレーザが用いられる。

レーザダイオード２１から出力されたパルスレーザビームが、可変減衰器２７、ビームエキスパンダ２８、ホモジナイザ２９を経由し、ダイクロイックミラー６１で反射され、レンズ６２を経由して加工対象物５０に入射する。固体レーザ発振器３１から出力されたパルスレーザビームが、可変減衰器３７、ビームエキスパンダ３８、ホモジナイザ３９、折り返しミラー６０を経由し、ダイクロイックミラー６１を透過し、レンズ６２を経由して加工対象物５０に入射する。

レーザダイオード２１から出力されたパルスレーザビームの一部は、ダイクロイックミラー６１を透過してエネルギ計測器２３に入射する。レーザダイオード２１は、ドライバ回路２２により駆動される。固体レーザ発振器３１は、ドライバ回路３２により駆動される。制御装置１０が、図３〜図５のいずれかに示された手順で、レーザダイオード２１のドライバ回路２２を制御する。さらに、制御装置１０は、ドライバ回路３２を制御する。

図６に示した実施例では、固体レーザ発振器３１を用いて、シリコン基板の相対的に浅い領域の活性化アニールが行われ、レーザダイオード２１を用いて、シリコン基板の相対的に深い領域の活性化アニールが行われる。レーザダイオード２１を用いたレーザ加工の手順に、図３〜図５のいずれかに示された手順が適用されるため、加工レシピの入力から、駆動電流の大きさを決定するまでの時間を短縮することができる。

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 制御装置
１１ 記憶装置
１２ 入力装置
１３ 関係定義データ
２１ レーザダイオード
２２ ドライバ回路
２３ エネルギ計測器
２５ 伝搬光学系
２６ 部分反射鏡
２７ 可変減衰器
２８ ビームエキスパンダ
２９ ホモジナイザ
３１ 固体レーザ発振器
３２ ドライバ回路
３７ 可変減衰器
３８ ビームエキスパンダ
３９ ホモジナイザ
４０ ステージ
５０ 加工対象物
６０ 折り返しミラー
６１ ダイクロイックミラー
６２ レンズ

Claims (3)

1. パルスレーザビームを出力するレーザダイオードと、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザダイオードから前記ステージに保持された加工対象物に前記パルスレーザビームを導く伝搬光学系と、
   前記加工対象物に入射させる前記パルスレーザビームのパルス幅、パルスの繰り返し周波数、及びパルスエネルギ密度を規定する加工レシピと、前記レーザダイオードの駆動電流及び駆動電圧との関係を定義する関係定義データを記憶している制御装置と、
   入力装置と
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記入力装置を通して前記加工レシピが入力されると、入力された前記加工レシピと、前記関係定義データとに基づいて、前記レーザダイオードの駆動電流及び駆動電圧を決定し、
   決定された駆動電流及び駆動電圧で前記レーザダイオードを駆動するレーザ加工装置。
2. さらに、前記レーザダイオードから出力された前記パルスレーザビームのパルスエネルギを計測するエネルギ計測器を有し、
   前記伝搬光学系は、前記パルスレーザビームを減衰させる可変減衰器を含み、
   前記制御装置は、前記エネルギ計測器による計測結果、及び前記入力装置を通して入力された前記パルスエネルギ密度の第１目標値に基づいて、前記可変減衰器を制御する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、
   前記入力装置を通して入力された前記パルスエネルギ密度の第１目標値、及び前記加工対象物の表面における前記パルスレーザビームのビーム断面の面積に基づいて、前記パルスエネルギの第１目標値を算出し、
   前記パルスエネルギの第１目標値に、補正値を加算することにより、前記パルスエネルギの第２目標値を算出し、
   前記パルスエネルギの前記第２目標値に基づいて、前記レーザダイオードの駆動電流及び駆動電圧を決定する請求項２に記載のレーザ加工装置。
   

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