JPH07335586A

JPH07335586A - レーザ熱処理方法およびその装置

Info

Publication number: JPH07335586A
Application number: JP22937094A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 弘伊藤; Shuichi Ishida; 修一石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は低い温度で保持された被処理物を、
所定の熱処理時間で確実に熱処理することができるレー
ザ熱処理方法およびその装置を提供することにある。【構成】基板１に形成された薄膜２にパルスレーザ光を
照射して熱処理するレーザ熱処理方法において、上記基
板を所定温度に保持する第１の工程と、所定温度に保持
された上記薄膜を損傷発生温度以上とならず、かつ熱処
理温度以上となる強度をもつ、最初のパルスレーザ光で
照射する第２の工程と、上記最初のパルスレーザ光で照
射された上記薄膜が熱処理温度以下に低下する前に、上
記薄膜を損傷発生温度以上とせず、かつ熱処理温度以上
に維持する強度をもつ、つぎのパルスレーザ光で少なく
とも１回以上照射する第３の工程とを具備したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は被処理物にパルスレー
ザ光を照射して熱処理するレーザ熱処理方法およびその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体装置や液晶装置などの
製造工程においては、基板に形成された薄膜にパルスレ
ーザ光を照射し、その薄膜を改質するということが行わ
れている。図４（ａ）、（ｂ）に従来の熱処理方法を示
す。図４（ａ）に示すように基板１に形成された薄膜２
はパルスレーザ光Ｌによって照射される。

【０００３】上記基板２は、たとえば真空雰囲気中にお
いて、ヒータによって図４（ｂ）にＴｂで示す保持温度
に保持されている。この基板１にパルスレーザ光Ｌが照
射されると、上記薄膜２の温度は同図に曲線Ａで示す曲
線を描く。

【０００４】上記薄膜２の最高温度Ｔｍはパルスレーザ
光Ｌの強度によって設定され、このパルスレーザ光Ｌの
強度は、少なくとも上記薄膜２が熱処理される、熱処理
温度Ｔｐ以上になるよう設定される。そのような強度の
パルスレーザ光Ｌで薄膜２を照射すれば、この薄膜２は
熱処理温度Ｔｐ以上に維持されるｔｐ時間（この時間を
熱処理時間とする）の間、改質されることになる。

【０００５】熱処理時間ｔｐは、基板２の保持温度Ｔｂ
と、パルスレーザ光Ｌの強度Ｉとによって設定すること
が可能である。図５（ａ）、（ｂ）は、基板２の保持温
度Ｔｂと、パルスレーザ光Ｌの強度Ｉとを変化させた場
合の薄膜２の温度曲線を示す。

【０００６】すなわち、図５（ａ）は基板１の保持温度
Ｔｂが１００℃で、（ｂ）は５００℃の場合であって、
それぞれ基板１の材質がＳｉ（シリコン）で、その基板
１のＳｉＯ₂ 上に膜厚１μｍのＡｌ（アルミニウム）
を、ＹＡＧレーザから出力される２０ｎｓの矩形波パル
スレーザ光Ｌによって熱処理温度Ｔｐ８００℃以上、熱
処理時間ｔｐで熱処理する場合を示している。

【０００７】同図（ａ）における基板１の保持温度が１
００℃の場合、パルスレーザ光Ｌの強度をＩ₁ を高くし
なければ熱処理時間ｔｐを確保することができない。こ
れに対して、基板１の保持温度が５００℃の場合、パル
スレーザ光Ｌの強度をＩ1 に比べて低いＩ₂ とすること
で、熱処理時間ｔｐを確保することができる。

【０００８】パルスレーザ光Ｌによって基板１を熱処理
する場合、電気炉による熱処理方法に比べて基板１の保
持温度を十分に低くすることができるということが大き
な特徴であるから、図５（ｂ）に示すように基板１の保
持温度が５００℃では、熱処理時間ｔｐが確保できて
も、基板１が高温度にさらされるという欠点を有する。

【０００９】この点、図５（ａ）に示すように基板１の
保持温度を１００℃とすれば、基板１を高温度にさらす
ことなく熱処理時間ｔｐを確保できる。しかしながら、
その場合、パルスレーザ光Ｌの強度Ｉ₁ を高くしなけれ
ばないから、薄膜２の最高温度Ｔｍがその損傷発生温度
Ｔｄ以上となり、上記薄膜２を蒸発させるなどして損傷
を与えるということがある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来は被
処理物を低い温度で保持してパルスレーザ光で熱処理す
る場合、被処理物を損傷が発生することのない温度以下
で、所定の熱処理時間熱処理するということが難しかっ
た。

【００１１】この発明は上記事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、被処理物の保持温度を
十分に低くしても、その被処理物を熱処理温度以上で、
しかも損傷発生温度以上に加熱することなく、所定時間
以上、熱処理することができるようにしたレーザ熱処理
方法およびその装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明は、被処理物にパルスレーザ光を照射して熱
処理するレーザ熱処理方法において、上記被処理物を所
定温度に保持する第１の工程と、所定温度に保持された
上記被処理物を損傷発生温度以上とならず、かつ熱処理
温度以上となる強度をもつ、最初のパルスレーザ光で照
射する第２の工程と、上記最初のパルスレーザ光で照射
された上記被処理物が熱処理温度以下に低下する前に、
上記被処理物を損傷発生温度以上とせず、かつ熱処理温
度以上に維持する強度をもつ、つぎのパルスレーザ光で
少なくとも１回以上照射する第３の工程とを具備したこ
とを特徴とする。

【００１３】また、この発明は、被処理物にパルスレー
ザ光を照射して熱処理するレーザ熱処理装置において、
上記被処理物を所定温度に保持する保持手段と、所定温
度に保持された上記被処理物を照射するパルスレーザ光
をそれぞれ出力するとともに各パルスレーザ光の強度の
設定が可能な複数のレーザ発生源と、上記各レーザ発生
源から出力されたパルスレーザ光を上記被処理物に導く
光学手段と、複数のレーザ発生源を所定時間遅延させて
順次作動させ最初のレーザ発生源からのパルスレーザ光
によって照射された上記被処理物が熱処理温度以下にな
る前につぎのレーザ発生源からパルスレーザ光を出力さ
せる遅延手段とを具備したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】複数のパルスレーザ光を所定時間遅延して順次
照射することで、１パルスのレーザ光では所定の熱処理
時間が得られなくとも、複数のパルスレーザ光の合計の
照射時間によって所定の熱処理時間を得ることができ
る。つまり、被処理物の保持温度が低くとも、その被処
理物を損傷発生温度以上になる強度のパルスレーザ光で
照射せずに、所定の熱処理時間を設定できる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１と図２はこの発明の第１の実施例を示し、
図１はレーザ熱処理装置１１の全体構成を示している。
この熱処理装置１１は第１乃至第３のパルスレーザ発生
源１２〜１４を備えている。各パルスレーザ発生源１２
〜１４はＱスイッチ動作のＹＡＧレーザやエキシマレー
ザであって、出力するパルスレーザ光の強度がそれぞれ
独立して設定できるようになっている。

【００１６】上記第１のレーザ発生源１２には駆動装置
１５から第１の駆動信号Ｄ1 が入力される。この第１の
駆動信号Ｄ1 によって第１のレーザ発生源１２からは第
１のパルスレーザ光Ｌ1 が出力されるようになってい
る。上記第１の駆動信号Ｄ1 は第１の遅延装置１６に入
力される。それによって、この第１の遅延装置１６から
は第２の駆動信号Ｄ2 が上記第２のパルスレーザ発生源
１３と第２の遅延装置１７とに出力される。

【００１７】上記第２の駆動信号Ｄ2 が入力された第２
のパルスレーザ発生源１３からは第２のパルスレーザ光
Ｌ2 が出力され、上記第２の遅延装置１７からは所定時
間遅延して第３のパルスレーザ発生源１４へ第３の駆動
信号Ｄ3 が出力される。第３の駆動信号Ｄ3 が入力され
た第３のパルスレーザ発生源１４からは第３のパルスレ
ーザ光Ｌ3 が出力されるようになっている。

【００１８】上記第１のパルスレーザ光Ｌ1 は最初のパ
ルスレーザ光であり、第２、第３のパルスレーザ光はそ
れぞれつぎのパルスレーザ光である。第１のパルスレー
ザ発生源１２から出力された第１のパルスレーザ光Ｌ1
は、光伝送系１８に入射し、４５度の角度で配置された
第１の反射ミラー１９で反射する。この反射ミラー１９
で反射した第１のパルスレーザ光Ｌ1 は、第１、第２の
ハーフミラー２０、２１を透過し、第２の反射ミラー２
２で反射して光伝送系１８から出射し、集光光学系２３
に入射する。

【００１９】上記第２のパルスレーザ発生源１３から出
力された第２のパルスレーザ光Ｌ2は第１のハーフミラ
ー２０で反射し、第２のハーフミラー２１を透過して第
２の反射ミラー２２で反射し、上記集光光学系２３に入
射する。

【００２０】上記第３のパルスレーザ発生源１３から出
力された第３のパルスレーザ光Ｌ3は第２のハーフミラ
ー２１および第２の反射ミラー２２で反射して上記集光
光学系２３に入射する。

【００２１】第１乃至第３のパルスレーザ光Ｌ1 〜Ｌ3
は、第１のハーフミラー２０と第２のハーフミラー２１
で反射あるいは透過することで損失が生じるが、その損
失を予め見込んで強度が設定される。つまり、第１、第
２のハーフミラー２０、２１がパルスレーザ光を透過す
る透過率によって基板１を照射するパルスレーザ光の強
度を設定することができる。

【００２２】また、第１乃至第３のパルスレーザ光Ｌ1
〜Ｌ3 の波長が異なれば、第１、第２のハーフミラー２
０、２１に代わり、これらを所定の波長のレーザ光を透
過する反射ミラーとすることで、第１乃至第３のパルス
レーザ光Ｌ1 〜Ｌ3 を損失なく集光光学系２３へ入射さ
せることができる。

【００２３】上記集光光学系２３から出射した各パルス
レーザ光は、内部を排気する排気管２４ａが接続された
真空チャンバ２４に形成された透過窓２５を透過して内
部に入射する。この真空チャンバ２４内にはヒータテー
ブル２６が設けられ、その上面には被処理物として半導
体装置や液晶表示装置などの、図４（ａ）に示すものと
同様、その上面に薄膜２が形成された基板１が載置され
ている。

【００２４】上記構成のレーザ熱処理装置によって上記
基板１に形成された薄膜２の熱処理はつぎのように行わ
れる。まず、図２に示すように上記基板１の保持温度Ｔ
ｂは、基板１やこの基板１に形成された薄膜２が熱影響
を受けることのない、低い温度、たとえば１００℃程度
になるよう、ヒータテーブル２６の温度が設定される。

【００２５】この状態で、駆動装置１５から第１の駆動
信号Ｄ1 を出力して第１のパルスレーザ発生源１２を作
動させることで、第１のパルスレーザ光Ｌ1 を所定時間
出力する。この第１のパルスレーザ光Ｌ1 は、上記基板
１を熱処理温度Ｔｐ以上に加熱し、損傷発生温度Ｔｄ以
上に加熱することのない強度Ｉ₁ に設定されている。

【００２６】それによって、基板１の表面温度は図２に
ｄ₁ で示す範囲のように上昇し、加熱を開始した時間ｔ
1 から所定時間経過後に熱処理温度Ｔｐ以上となり、ｔ
2 時間まで熱処理温度Ｔｐ以上の温度が維持されて熱処
理される。

【００２７】上記第１の駆動信号Ｄ1 は第１のパルスレ
ーザ発生源１２と同時に第１の遅延装置１６にも入力さ
れる。この第１の遅延装置１６からは所定時間経過後に
第２の駆動信号Ｄ2 が出力され、この第２の駆動信号Ｄ
2 は第２のパルスレーザ発生源１３に入力されてこのパ
ルスレーザ発生源１３を作動させる。

【００２８】上記第１の遅延装置１６の遅延時間は、第
１のパルスレーザ光Ｌ1 が出力されてから上記基板１の
温度が熱処理温度Ｔｐになるまでの時間（ｔ2 −ｔ1 ）
と同じに設定されている。そのため、第１のパルスレー
ザ光Ｌ1 によって熱処理された基板１が、熱処理温度Ｔ
ｐ以下になる前に第２のパルスレーザ光Ｌ2 によって基
板１が再度、照射される。

【００２９】このとき、基板１は熱処理温度Ｔｐ以上に
保持されているから、第２のパルスレーザ光Ｌ2 の強度
Ｉ₂ は第１のパルスレーザ光Ｌ1 の強度Ｉ₁ に比べて十
分に低く設定される。つまり、第２のパルスレーザ光Ｌ
2 の強度Ｉ₂ は、基板１を熱処理温度以上に加熱し、損
傷発生温度Ｔｄ以上に加熱することのない強度に設定さ
れている。

【００３０】それによって、上記基板１の表面温度は図
２にｄ2 で示す範囲のように変化し、（ｔ3 −ｔ2 ）時
間の間、熱処理温度Ｔｐ以上で、損傷発生温度Ｔｄの温
度で熱処理される。

【００３１】上記第２の駆動信号Ｄ2 は第２の遅延装置
１７にも入力され、この第２の遅延装置１７からは所定
時間遅延して第３の駆動信号Ｄ3 が第３のパルスレーザ
発生源１４に出力される。第２の遅延装置１７による遅
延時間は第２のパルスレーザ光Ｌ2 により基板１が熱処
理温度Ｔｐ以上で加熱される熱処理時間（ｔ3 −ｔ2）
とほぼ同じに設定されている。

【００３２】したがって、第２のパルスレーザ光Ｌ2 に
よって加熱された基板１は、熱処理温度Ｔｐ以下になる
前にさらに第３のパルスレーザ光Ｌ3 によって加熱さ
れ、熱処理されることになる。その熱処理時間は（ｔ4
−ｔ3 ）である。

【００３３】上記第３のパルスレーザ光Ｌ3 は、基板１
を熱処理温度Ｔp 以上の温度に加熱し、損傷発生温度Ｔ
ｄ以上に加熱することのない強度、つまり第２のパルス
レーザ光Ｌ2 の強度Ｉ₂ とほぼ同じ強度に設定されてい
る。

【００３４】このようにして基板１を熱処理すれば、そ
の基板１が最初に低い保持温度Ｔｂで保持されていて
も、薄膜２を改質するのに有効な熱処理温度Ｔｐ以上
で、しかも損傷を招くことのない、損傷発生温度Ｔｄ以
下の温度で熱処理することができる。

【００３５】つまり、基板１を低い温度で保持しつつ薄
膜２を熱処理することができるから、たとえば長時間高
温に保持することが困難なガラス基板に形成された薄膜
や高温では基板との反応が問題となる薄膜の熱処理を行
う場合に極めて有効である。

【００３６】上記基板１の熱処理時間は、第１乃至第３
のパルスレーザ光Ｌ1 〜Ｌ3 を所定時間遅延させて順次
出力させることで、十分に長くすることができる。つま
り、熱処理時間は基板１を照射するパルスレーザ光のパ
ルス数によって任意に設定することができる。この実施
例の熱処理時間は、（ｔ4 −ｔ1 ）となる。

【００３７】そのため、所定の熱処理時間を確保するた
め、従来のようにパルスレーザ光の強度を必要以上に高
くし、基板１の温度を損傷発生温度Ｔd 以上に加熱して
しまうということを防止できる。

【００３８】複数のパルスレーザ光を所定時間遅延させ
て順次出力する手段として、１台のパルスレーザ発生源
を短時間で繰り返し動作させることが考えられる。しか
しながら、金属やＳｉの薄膜を対象とする場合、基板１
の保持温度を５００℃以下とした条件下ではパルスレー
ザ光の繰り返し時間は１マイクロ秒以下の短い値とな
る。そのため、そのような短い時間をＱスイッチ動作の
１台のパルスレーザ発生源によって制御することは困難
であるから、そのような場合には複数のパルスレーザ発
生源を用いてパルスレーザ光を出力させるようにしなけ
ればならない。

【００３９】上記実施例では３台のパルスレーザ発生源
によってパルスレーザ光を３回照射するようにしたが、
その数は限定されるものでなく、被処理物を熱処理する
熱処理時間に応じて決定すればよい。

【００４０】図３はこの発明の第２の実施例を示す。な
お、上記第１の実施例と同一部分には同一記号を付して
説明を省略する。この実施例のレーザ熱処理装置は、第
１のパルスレーザ発生源としてエキシマレーザ１２Ａが
用いられ、第２、第３のパルスレーザ発生源としてそれ
ぞれ第１のＱスイッチＹＡＧレーザ１３Ａ、第２のＱス
イッチＹＡＧレーザ１４Ａが用いられている。エキシマ
レーザ１２Ａから出力される第１のパルスレーザ光Ｌ1
は光軸に対して４５度の角度で配置された開口３１ａを
有する反射ミラー３１で反射して加工光学系３２に入射
する。

【００４１】上記加工光学系３２はケース３３内に入射
レンズ３４、カライドスコープ３５および結像レンズ３
６が軸線を一致させて順次配置されてなる。上記入射レ
ンズ３４は第１のパルスレーザ光Ｌ1 を集束してカライ
ドスコープ３５に入射させるためのものであり、カライ
ドスコープ３５はレーザ光Ｌ1 の強度分布を均一化させ
る。結像レンズ３６はカライドスコープ３５から出射し
て真空チャンバ２４内へ入射するレーザ光Ｌ1 を基板１
上で集光させるためのものである。

【００４２】上記第１、第２のＱスイッチＹＡＧレーザ
１３Ａ、１４Ａから出力された第２、第３のパルスレー
ザ光Ｌ2 、Ｌ3 はそれぞれ入射レンズ４１ａ、４１ｂで
集束されて光ファイバ４２ａ、４２ｂに入射する。これ
ら光ファイバ４２ａ、４２ｂから出射した第２、第３の
パルスレーザ光Ｌ2 、Ｌ3 は集光レンズ４３で集束され
て上記反射ミラー１の開口３１ａを通過して加工光学系
３２へ入射する。この加工光学系３２から出射した第
２、第３のパルスレーザ光Ｌ2 、Ｌ3 は、上記第１のパ
ルスレーザ光Ｌ1 と同様、真空チャンバ２４に入射して
基板１を照射するようになっている。

【００４３】このような構成においても、図２に示すよ
うに第１のパルスレーザ光Ｌ1 の強度をＩ1 、第２、第
３のパルスレーザ光Ｌ2 、Ｌ3 の強度をＩ1 よりも低い
Ｉ2に設定し、また第１のパルスレーザ光Ｌ1 が駆動装
置１５からの駆動信号によって出力されたなら、第２、
第３のパルスレーザ光Ｌ2 、Ｌ3 を第１、第２の遅延装
置１６、１７によって所定時間遅延させて出力させれ
ば、上記第１の実施例と同様、基板１に形成された薄膜
２を損傷が発生することがない温度で、しかも所定時間
熱処理することができる。

【００４４】エキシマレーザ１２Ａから出力される第１
のパルスレーザ光Ｌ1 と、第１、第２のＱスイッチＹＡ
Ｇレーザ１３Ａ、１４Ａから出力される第２、第３のパ
ルスレーザ光Ｌ2 、Ｌ3 とでは波長が異なる。そのた
め、加工光学系３２から出射する各レーザ光は焦点位置
がずれる、いわゆるピントずれが生じる。

【００４５】しかしながら、第２、第３のパルスレーザ
光Ｌ2 、Ｌ3 は第１のパルスレーザ光Ｌ1 の出力よりも
小さく、しかも薄膜２を熱処理温度以上に維持すること
ができる強度であればよい。したがって、第１のパルス
レーザ光Ｌ1 が薄膜２の上面で集束されるよう、加工光
学系３２の焦点を決めておけば、第２、第３のパルスレ
ーザ光のピントがずれても、薄膜２の熱処理に影響がで
ることはほとんどない。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、所
定温度に保持された被処理物を損傷発生温度以上となら
ず、かつ熱処理温度以上となる強度をもつ、最初のパル
スレーザ光で照射してから、その被処理物が熱処理温度
以下に低下する前に、上記被処理物を損傷発生温度以上
とせず、かつ熱処理温度以上に維持する強度をもつ、つ
ぎのパルスレーザ光で少なくとも１回以上照射するよう
にした。

【００４７】そのため、被処理物を低い温度で保持して
おいても、その被処理物を損傷発生温度以上とせずに熱
処理することができ、しかもその熱処理時間は被処理物
を照射するパルスレーザ光のパルス数によって設定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す全体構成図。

【図２】同じくパルスレーザ光の強度と被処理物の熱処
理温度都を示す説明図。

【図３】この発明の第２の実施例を示す全体構成図。

【図４】（ａ）は薄膜が形成された基板の斜視図、
（ｂ）はパルスレーザ光の強度と熱処理温度との説明
図。

【図５】（ａ）は従来の基板を低い温度で保持した場合
の熱処理の説明図、（ｂ）は同じく高い温度で保持した
ときの説明図。

【符号の説明】

１…基板、２…薄膜、１２〜１４…パルスレーザ発生
源、１５…駆動装置、１６、１７…遅延装置、２６…ヒ
ータテーブル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理物にパルスレーザ光を照射して熱
処理するレーザ熱処理方法において、上記被処理物を所定温度に保持する第１の工程と、所定温度に保持された上記被処理物を損傷発生温度以上
とならず、かつ熱処理温度以上となる強度をもつ、最初
のパルスレーザ光で照射する第２の工程と、上記最初のパルスレーザ光で照射された上記被処理物が
熱処理温度以下に低下する前に、上記被処理物を損傷発
生温度以上とせず、かつ熱処理温度以上に維持する強度
をもつ、つぎのパルスレーザ光で少なくとも１回以上照
射する第３の工程とを具備したことを特徴とするレーザ
熱処理方法。
【請求項２】上記被処理物はパルスレーザ光の照射回
数によって熱処理温度以上で、損傷発生温度以下に維持
される時間が設定されることを特徴とする請求項１記載
のレーザ熱処理方法。
【請求項３】被処理物にパルスレーザ光を照射して熱
処理するレーザ熱処理装置において、上記被処理物を所定温度に保持する保持手段と、所定温度に保持された上記被処理物を照射するパルスレ
ーザ光をそれぞれ出力するとともに各パルスレーザ光の
強度の設定が可能な複数のレーザ発生源と、上記各レーザ発生源から出力されたパルスレーザ光を上
記被処理物に導く光学手段と、複数のレーザ発生源を所定時間遅延させて順次作動させ
最初のレーザ発生源からのパルスレーザ光によって照射
された上記被処理物が熱処理温度以下になる前につぎの
レーザ発生源からパルスレーザ光を出力させる遅延手段
とを具備したことを特徴とするレーザ熱処理装置。