JPH01146320A - レーザ熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ熱処理装置に関する。

（従来の技術） 例えば、三次元デバイスの研究開発において基。

本となるＳ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎ５ｕ
ｌａｔｏｒ）形成技術には、カーボンストリップヒータ
によるゾーンメルティング法と、レーザ又は電子ビーム
による局所加熱法がある。上記ゾーンメルティング法は
、被処理基板が高温にさらされる時間が長いため上記被
処理基板にダメージを与えるという欠点がある。また、
上記電子ビームによる方法は、ビームの制御性が良い反
面、装置を真空に保たねばならない、電子ビームに対す
るマスク材料の選択が回置である、被照射領域が帯電す
る。照射によるデバイスへのダメージがある等の欠点が
あり、また、レーザに比べで熱歪も大きい、三次元デバ
イスに要求される結晶成長技術には、低温プロセスが必
須であることも考えるとＳＯＩ形成技術としてはレーザ
アニール法が最適と考えられている。このレーザを利用
した再結晶化技術では、現在数Ｉの長さの単結晶化が可
能であり、三次元回路素子の試作も行なわれるように成
って来ている。しかしながら再結晶化メカニズムの解明
は、まだ不十分であり、安定した技術とするためにはな
お一層の研究が必要となっている。

上記レーザアニール装置は、物理的な形状を保ちなから
レーザの熱エネルギーを被処理基板表面層の改質に利用
しようとするもので・、はぼ半導体に限定されている。

このようなレーザアニール装置は、例えば特公昭６２−
２７５３２号公報に開示されているように、大出力レー
ザ光と同光路になるようにＨｅ　−Ｎｅレーザを設け、
更に試料台全面或は試料台を透明材質で形成してこの試
料台の下部に広いセンサを設ける。

そして、上記試料台に半導体ウェハを載置し、この半導
体ウェハの対向位置から上記Ｈｅ　−Ｎｅレーザ光を照
射して走査する。この時、大出力レーザ光は出力減衰或
いは遮蔽されている。上記Ｈｅ　−Ｎｅレーザ光は上記
センサにより感知され、この感知状態では上記大出力レ
ーザ光は出力減衰或いは遮蔽された状態を保ち、上記セ
ンサがＨｅ　−Ｎｅレーザ光を感知しない場合即ち半導
体ウェハ上にＨｅ−Ｎｅレーザ光が走査されてこのレー
ザ光が半導体ウェハにより遮蔽された場合に上記大出力
レーザ光を照射する。このようにして半導体ウェハ上の
みの大出力レーザ光照射を行なっていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記従来の技術では、試料台全面にセンサ
を設けるか或いは試料台を透明な材料により形成するな
どして装置が高価になってしまうという問題点があった
。一般のアニール装置においては、半導体ウェハ載置部
以外にレーザ光が照射されると試料台が高温となるため
冷却機構を必要とする他、試料台が上記レーザ光による
加熱に酎え得る材質により形成しなければならないため
、これも装置が高価になってしまう等の問題点があった
・ 本発明は上記点に対処してなされたもので、安価でレー
ザ光の被照射部以外の部分を加熱防止することを可能と
したレーザ熱処理装置を程供しようとするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、被処理基板の処理部にレーザ光を走査照射し
て熱処理を行なう装置において、所望する走査領域以外
へのレーザ光の入射を遮る手段を具備してなることを特
徴とするレーザ熱処理装置を得るものである。

（作用効果） 所望する走査領域以外へのレーザ光の入射を遮る手段を
具備したことにより、処理領域以外の部分の加熱を防止
することができ、この加熱防止のため特別な冷却機構を
必要とせず、装置をコンパクトにすることが可能となる
効果が得られる。

（実施例） 以下、本発明装置を半導体ウェハのアニール処理に適用
した一実施例につき図面を参照して説明する。

図示しない開閉機構例えばエアーシリンダーにより例え
ば２０＋ｍ＋程度相対的に開閉自在に、内部即ち処理室
■を気密状態に形成する如く例えば円筒状アルミニウム
製チャンバー■が設けられている。

このチャンバー■により形成した処理室■内部にはθ方
向の角度微調製可能な例えば円板状カーボングラファイ
ト製サセプター■が設けられている。

このサセプター■は図示しない真空装置に連設しており
、被処理基板例えば半導体ウェハ（イ）を下向きに吸着
保持可能な如く設けられている。このサセプター〇に保
持した半導体ウェハ（イ）を予備加熱するための加熱機
構例えば多数の放物面を有する反射板■を備えた各放物
面に対応して複数個のＴＲランプ（Ｉｎ−ｆｒａｒｅｄ
　Ｒａｙ　Ｌａｍｐ）■が、上記チャンバー■の上部に
配設されている。この時、上記チャンバー■の土壁を透
明な材質例えば石英ガラス■により構成し、この石英ガ
ラス■を通して加熱のための赤外線を例えば定格数キロ
ワット程度の上記ＴＲランプ０から照射可能な如く構成
されている。このＴＲランプ０が備えている反射板０及
び上記チャンバー■は、上記ＴＲランプ０の影響で加熱
してしまうため、これを例えば冷却水により冷却する。

また、上記チャンバー■の下壁は透明な材質例えば石英
ガラス（ハ）により構成され、この石英ガラス（８）を
通して下方から大出力レーザ光を照射自在に走査部０）
が配設されている。この走査部■は、Ｘ方向走査機構例
えば鏡回動式走査機構であるガルバノメータ・スキャナ
（１０）が設けられ、このガルバノメータ・スキャナ（
１０）はＹ方向走査機構例えば高精度で微少送り可能な
ボールネジを用いた一軸移動の精密ステージ（１１）上
に設けられている。

そして、上記ガルバノメータ・スキャナ（１０）で走査
されるレーザ光が定速で走査されるようにｆθレンズ（
１２）が上記ステージ（１工）上に設けられている。こ
のように走査部（９）により、図示しないレーザ発振器
から照射される例えば１８ワツトアルゴンイオンレーザ
光を上記サセプター■に保持された半導体ウェハに）の
表面に走査可能に構成されている。

この走査部（９）と上記チャンバー■の下壁である石英
ガラス■との間には、上記レーザ光の走査範囲を設定す
るための光遮蔽板（１３）　（１４）が並設している。

この光遮蔽板（１３）は、第２図に示すようにリング状
に形成され内部形状が上記サセプター■に保持された半
導体ウェハ（イ）と同形状に設けられている。また、光
遮蔽板（Ｉ４）は例えば１辺が７５ａｍの２枚の四角形
状光遮蔽板（１４ａ）　（１４ｂ）により構成され、こ
の２枚の光遮蔽板（１４ａ）　（１４ｂ）は各々腕（１
５ａ）　（１５ｂ）を介して光遮蔽板スライド機構例え
ばプーリー（１６）により移動可能なワイヤ（１７ａ）
　（１７ｂ）に接続している。この光遮蔽板スライド機
構はモーター（１８ａ）　（１８ｂ）により上記光遮蔽
板（１４ａ）　（１４ｂ）を毎秒１０１ｍの速度でスラ
イド移動可能な構成になっている。このようにしてレー
ザアニール装置が構成されている。

次に、上述したレーザアニール装置による半導体ウェハ
のアニール方法を説明する。

まず、アニール条件即ちＹ方向にステップ送りをしなか
らＸ方向の走査を行なう全域アニール。

半導体ウェハ表面の部分的走査を行なう部分アニール、
Ｙ方向に一定移動を行ないながらノコギリ波状即ち擬似
線状にＸ方向の走査を行なう擬似アニール、Ｙ方向に連
続送りしなからＸ方向の走査を行なう連続アニールのい
ずれによるアニール処理かを選択設定する。そして、半
導体ウェハに）を板厚方向に縦列状に複数板例えば２５
枚収納ａ装した図示しないウェハカセットから搬送機構
例えばハンドアームにより１枚の半導体ウェハ（イ）を
抜き取り、プリアライメントステージ（図示せず）上に
載置する。この時、上記の搬送動作はハンドアームによ
り自動搬送してもよいが、上記半導体ウェハ（イ）が単
数であるならばピンセットにより直接上記プリアライメ
ントステージ上へ載置してもよい。次に、このプリアラ
イメントステージ上に載置した半導体ウェハに）を吸着
保持し、この半導体ウェハ（イ）を回転させる。この半
導体ウェハに）周縁部に配置しているプリアライメント
センサー例えばフォトインタラプタ（図示せず）により
半導体ウェハ（イ）に形成されているオリエンテーショ
ン・フラット（以下オリ・フラと称する）を検出する。

この検出動作は、ウェハ（イ）の外周の角度に対する変
化量（−次差分）を所定角度毎に求め、上記外周の変化
量の変化（二次差分）を計算する。そして、算出した二
次差分の最大値となる角度を調べ、オリ・フラ角度を求
める。次にオリ・フラ平行合わせを行なうが、これはま
ず、予め定めた角度ずつθ方向へウェハ６）を断続回転
させて上記プリアライメントステージのセンターとオリ
・フラの距離の一番短い角度を求める。そして、オリ・
フラの左と右（１２ｍ間隔）の各４点（１００，）間隔
の平均を求めてｊａｎ−１により傾き角度を求めて回転
させる。この動作をオリ・フラの傾き角度が所定の角度
以下になるまで繰り返す。次にウェハに）センターサー
チを行なう、これは、ウェハに）を９０°ずつ回転し、
ウェハに）外周の３点の座標を求めてウェハ０）のセン
ターを計算する。これにより算出したウェハに）のセン
ターを所定の位置に移動する。

このようにしてウェハに）のプリアライメント即ち位置
合わせが完了する。

このプリアライメントを終えた半導体ウェハに）を図示
しない搬送機構例えばトランスファーアーム（図示せず
）により吸着し、図示しない開閉機構により開かれたチ
ャンバー■内に搬送してサセプター〇により吸着保持す
る。この時、上記サセプター■は下向きであり、半導体
ウェハ（へ）を下向き支持するため、上記トランスファ
ーアームで半導体ウェハ（イ）を搬送する際にトランス
ファーアームが１８０′　　回転して半導体ウェハ■を
反転した後上記サセプター■に吸着保持させる・、この
半導体ウェハに）をサセプター■に保持する前に予め半
導体ウェハ（イ）の予備加熱例えば半導体ウェハ（イ）
をサセプター■直前でしばらく停止させて予備加熱を行
なう、この予備加熱を行なうことにより、熱膨張による
半導体ウェハ（へ）の破損等を防止することができる。

そして、上記開閉機構によりチャンバー■を閉じて内部
を気密状態にする。

そして、板射板■を備えたＩＲランプ０で半導体ウェハ
（イ）が数百℃程度となるように加熱してからレーザ光
によるアニール処理を行なう。この工Ｒランプ０による
均一な加熱により、レーザ光の局所的な発熱で発生する
熱歪等を防止することができる。また、アニール時に上
記チャンバー■内に例えば窒素のガスパージを行なうと
温度均一性がより向上する。

そして、全域アニール、部分アニール、擬似アニール、
連続アニールの内、予め選択したアニール処理を行なう
。

このアニール処理例えば全域アニールは、まず、サセプ
ター〇に保持したウェハ（イ）のサイズにより上記ガル
バノメータ・スキャナ（１０）の振幅を１０ｎｕ毎に変
化させて決定する。そして、ステージ（１１）をウェハ
（イ）のサイズに対応する位置まで駆動し、更に上記ガ
ルバノメータ・スキャナ（１０）を走査開始位置まで駆
動する。そして、上記光遮蔽板（１４ａ）（１４ｂ）を
モータ（１８ａ）　（１８ｂ）例えば２相ステツピング
モーターの駆動により所望の速度でスライド移動して、
上記光遮蔽板（１４ａ）と光遮蔽板（１４ｂ）との間隔
を最大にする。

次に、ビームプロファイルや光軸等の調整済みレーザ光
を１図示しない反射鏡を介して走査部（９）に送光する
。ここでレーザ光はＸ方向走査機構例えば鏡回動式走査
機構であるガルバノメータ・スキャナ（１０）とｆθレ
ンズ（１２）で所望の一定速度となり、チャンバー■下
壁に設けられた石英ガラス■を通して半導体ウェハに）
上のＸ方向を上記ガルバノメータ・スキャナ（１０）を
指定速度で回動して走査する。このガルバノメータ・ス
キャナ（１ｏ）を例えば毎秒５０００ｍ　の速度で戻す
。そして、上記ステージ（１１）をＹ方向に指定された
ピッチだけ移動し、上記走査動作を全域が終了するまで
繰り返す。

この時、Ｙステージの位置が１０１進んだら擬似円状走
査のため上記ガルバノメータ・スキャナ（１０）の振幅
を変更し、走査開始位置まで駆動する。上記ｆθレンズ
（１２）で絞り込まれたレーザ光は半導体ウェハ（へ）
上で、数十〜数百−程度のビーム径となり、半導体ウェ
ハ（至）の被処理部の温度は例えば１０００℃以上にな
る。この熱により上記ウェハ（イ）のアニール処理が行
なわれる。

また、アニール処理のうち部分アニールは、まず１部分
アニール長方形の大きさ・位置より上記ガルバノメータ
・スキャナ（１０）の振幅を決定する。

そして、ビーム光遮断のために光路中に配置した図示し
ないシャッターの０Ｎ１０ＦＦパターンを例えば０．１
ｍ単位で作成し、ガルバノメータ・スキャナ（ｌＯ）コ
ントローラにロードする。上記長方形パターンより上記
ステージ（１１）の位置を決め、そとに駆動する。また
、ガルバノメータ・スキャナ（１ｏ）を走査開始位置ま
で駆動する。これにょリレーザ光は長方形左上（または
右上）から左（または右）に約１０ｎｎの位置に設定す
る。そして、ガルバノメータ・スキャナ（１０）を指定
速度で走査し、毎秒５００】の速度で元に戻す、そして
、上記ステージ（１１）を指定されたピッチだけ移動す
る。この動作を１行の長方形が終了するまで行なう。こ
の長方形は半導体ウェハ（イ）の外に出ることがないた
め、部分アニールでは擬似円状走査を行なう必要はない
０部分アニールの長方形に合わせて上記シャッターを０
Ｎ１０ＦＦ即ちレーザ光の０Ｎ１０ＦＦを行なう動作は
、１走査ライン毎に行なう０部分アニールを行なう場合
、上記ガルバノメータ・スキャナ（１０）の振幅がその
たびに異なるため、ガルバノドライバーから構成される
装置信号を用いて上記シャッターを０Ｎ１０ＦＦさせる
のが位置ずれが少ない。そのため、走査エリア例えばウ
ェハを微細に分割し、その各々の位置に対するシャッタ
ーの０Ｎ１０ＦＦ情報をメモリにセットする。そして、
位置信号をその値に対応するメモリより０Ｎ１０ＦＦ情
報を読み出し、に上記シャッターを０Ｎ１０ＦＦさせる
。このようにシャツターを０Ｎ１０ＦＦさせて半導体ウ
ェハ（イ）を部分的にアニール処理する。この場合、光
遮蔽板（１４ａ）　（１４ｂ）は全域アニールの場合と
同様にモーター（１８ａ）（１８ｂ）例えば２相ステツ
ピングモーターの駆動により、上記光遮蔽板（１４ａ）
と光遮蔽板（１４ｂ）との間隔を最大とする。

また、アニール処理のうち擬似線状アニールは、まず、
線状アニールパラメータに従って上記マスク（１４ａ）
　（１４ｂ）の間隔をモーター（１８ａ）　（１８ｂ）
例えば２相ステツピングモーターの駆動によりＸ軸方向
の設定アニール幅にスライド移動させ、また、ガルバノ
メータ・スキャナ（１０）の振幅を決定する。

そして、このガルバノメータ・スキャナ（１０）の走査
の中心位置を求め、その位置まで移動する。そして、ス
テージ（１１）をＹ方向に加速距離即ちレーザ光走査及
びステージ（１１）移動が等速で安定するのに要する距
離だけずらした位置に移動する。そして、上記ガルバノ
メータ・スキャナ（１０）の走査を開始し、カウンター
でステージ（１１）の移動パルス数をカウントして指定
位置に達した所即ち上記加速距離を移動した所で上記シ
ャッターをレーザ光路より退去させてレーザ光を照射す
る。更に。

上記カウンターによりステージ（１１）の移動パルス数
をカウントし、走査終了位置に達した所で上記シャッタ
ーをレーザ光路中に進入させてレーザ光を遮断する。こ
のようにして、上記半導体ウェハ（イ）上の一部に擬似
線状のアニール処理を行なう。

また、アニール処理のうち連続アニールは、まず、上記
ステージ（１１）のドライブを低速用に切り換え、連続
アニールパラメータに従って上記マスク（１４ａ）　（
１４ｂ）をモーター（１８ａ）　（１８ｂ）例えば２相
ステツピングモーターの駆動によりスライド移動させ、
また、ガルバノメータ・スキャナ（１０）の振幅を決定
する。そして、ガルバノメータ・スキャナ（１０）の走
査中心を求め、その位置まで移動する。

そして、上記ステージ（１１）をＹ方向に加速距離即ち
レーザ光走査及びステージ（１１）移動が等速で安定す
るのに要する距離だけずらした位置に移動する。そして
、上記ガルバノメータ・スキャナ（１０）をＹ方向の走
査速度を所定の速度範囲で走査を開始する。これは、擬
似線状アニールと同様に指定位置即ち加速距離だけＹ方
向に移動した位置に達した時点からレーザ光を半導体ウ
ェハ（イ）上に走査照射し、毎秒５００ａ＋＋の速度で
元に戻す。この動作を上記ステージ（１１）が指定位置
に来るまで行ない終了する。このレーザ光走査時におい
てはステージ（１１）が低速で連続的にＹ方向へ移動し
、ガルバノメータ・スキャナ（ｌＯ）によりＸ方向に走
査して連続アニール処理を行なう。

このような４つのアニール処理条件を必要に応じて適宜
選択してサセプター〇で保持した半導体ウェハ（イ）の
アニール処理を行なう。

そして、アニール処理を終えた半導体ウェハ（イ）は、
図示しない搬送機構例えばトランスファーアームで吸着
保持され開かれたチャンバー■から外部へ搬送される。

この時、このトランスファーアームは１８０°　回転し
て半導体ウェハに）を反転させて、ウェハカセットへ挿
入する。

上記実施例では、Ｘ方向走査機構として鏡回動式走査機
構であるガルバノメータ・スキャナを使用し、Ｙ方向走
査機構を精密ステージを用いて説明したが、所望の処理
を実現できる走査機構であれば何れでもよく、ラスクス
キャン方法、ベクタスキャン方法、Ｘ−Ｙステージを用
いた方法、ポリゴンミラーと１軸ステージを組合わせて
用いた方法、２個のガルバノメータ・スキャナを用いた
方法でもよく、上記機構に限定するものではない。

また、マスクスライド機構としてプーリーとワイヤを使
用した実施例について説明したが、上記機構に限定する
ものではなく、例えばモーターとギヤを使用した機構や
エアーシリンダー、ソレノイド等を使用したスライド機
構でも同様な効果を得ることができる。

以上述べたようにこの実施例によれば、所望する走査領
域以外へのレーザ光の入射を遮る手段を具備したことに
より、上記処理領域以外へのレーザ光の入射を完全防止
することができ、このことにより処理領域以外の部分の
加熱を防止することができる。また、この加熱防止する
ことにより特別な冷却機構を必要とせず、装置をコンパ
クトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を説明するためのレーザ
アニール装置の構成図、第２図は第１図の光遮蔽板の一
実施例説明図である。 ２・・・チャンバー、　　　　３・・・サセプター、４
・・・半導体ウェハ、 ｌＯ・・・ガルバノメータ・スキャナ、１１・・・精密
ステージ、１２・・・ｆＯレンズ。 １３．１４・・・光遮蔽板、　　　Ｉ６・・・プーリー
、１７・・・ワイヤ、　　　　　　１８・・・モーター
。 特許出願人　東京エレクトロン株式会社三菱電機株式会
社 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理基板の被処理部にレーザ光を走査照射して
   熱処理を行なう装置において、所望する走査領域以外へ
   のレーザ光の入射を遮る手段を具備してなることを特徴
   とするレーザ熱処理装置。
2. （２）走査領域以外へのレーザ光の入射を遮る手段は、
   可変自在に構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のレーザ熱処理装置。