KR101718429B1 - 레이저 조사장치 - Google Patents

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Abstract

레이저 다이오드가 속축 및 지축방향으로 2차원적으로 배치되어, 반도체 레이저 발진기가 구성된다. 반도체 레이저 발진기로부터 사출된 레이저빔이 호모지나이저에 입사한다. 호모지나이저는, 피조사면에 있어서 장척의 입사 영역에 레이저빔을 집광시킨다. 호모지나이저는, 입사 영역의 단축방향에 관하여 레이저빔을 복수의 빔으로 분할하며, 분할된 복수의 빔을 피조사면에 있어서 중첩하여 입사 영역에 입사시킨다. 반도체 레이저 발진기의 지축방향이, 입사 영역의 장축방향에 대하여 경사져 있다.

Description

레이저 조사장치{Laser illumination device}
본 발명은, 레이저 다이오드 어레이를 광원에 가지는 레이저 조사장치에 관한 것이다.
반도체 기판의 레이저 어닐링에, 탄산가스 레이저, 고체 레이저, 엑시머 레이저 등이 이용되고 있다. 이들 레이저 발진기로부터 사출되는 레이저빔의 광강도 분포(빔 프로파일)는 대체로 가우시안형상을 가진다. 빔 프로파일이 호모지나이저에 의하여 균일화된 레이저빔을, 반도체 기판에 입사시킴으로써, 고품질의 어닐링을 행할 수 있다.
최근, 레이저 다이오드 어레이의 고출력화가 진행되고 있다. 고출력의 레이저 다이오드 어레이는, 레이저 용접, 레이저 절단, 고체 레이저의 여기 등의 광원으로서 이용되고 있다.
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2012-156390호
특허문헌 2: 일본 특허공개공보 2009-16541호
레이저 다이오드 어레이는, 복수의 레이저 다이오드가 1차원 또는 2차원으로 배열된 구조를 가진다. 이로 인하여, 레이저 다이오드 어레이로부터 사출된 레이저빔의 빔 프로파일은 가우시안형상이 되지 않고, 레이저 다이오드의 배치에 의존하는 형상을 가진다. 이러한 레이저빔의 빔 프로파일을 균일화하는 것은 곤란하기 때문에, 레이저 다이오드 어레이는, 반도체 기판의 레이저 어닐링용의 광원으로서 사용되고 있지 않다.
본 발명의 목적은, 레이저 다이오드 어레이로부터 사출된 레이저빔의 빔 프로파일의 균일화를 높이는 것이 가능한 레이저 조사장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 의하면,
레이저 다이오드가 속축(速軸) 및 지축(遲軸)방향으로 2차원적으로 배치된 반도체 레이저 발진기와,
상기 반도체 레이저 발진기로부터 사출된 레이저빔이 입사하며, 피조사면에 있어서 장척의 입사 영역에 레이저빔을 집광시키는 호모지나이저를 가지고,
상기 호모지나이저는, 상기 입사 영역의 단축방향(y방향)에 관하여 상기 레이저빔을 복수의 빔으로 분할하며, 분할된 복수의 빔을 상기 피조사면에 있어서 중첩하여 상기 입사 영역에 입사시키고,
상기 반도체 레이저 발진기의 지축방향이, 상기 입사 영역의 장축방향(x방향)에 대하여 경사져 있는 레이저 조사장치가 제공된다.
반도체 레이저 발진기의 지축방향을, 입사 영역의 장축방향(x방향)에 대하여 경사시킴으로써, 빔 프로파일의 균일성을 높일 수 있다.
도 1은, 실시예에 의한 레이저 조사장치의 개략도이다.
도 2에 있어서, 도 2의 (a)는, 실시예에 의한 레이저 조사장치로 제조되는 IGBT의 단면도이며, 도 2의 (b)는, IGBT의 제조 도중 단계에 있어서의 단면도이다.
도 3에 있어서, 도 3의 (a)는, 실시예에 의한 레이저 조사장치에서 조사되는 제1 및 제2 레이저 펄스의 시간파형의 일례를 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는, 레이저 펄스의 입사 영역의 평면도이며, 도 3의 (c)는, 레이저 펄스의 입사 영역의 다른 구성예의 평면도이다.
도 4에 있어서, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는, 실시예에 의한 레이저 조사장치의 반도체 레이저 발진기로부터 반도체 기판까지의 광학계의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5에 있어서, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는, 각각 반도체 레이저 발진기로부터의 지축을 X방향과 평행하게 배치한 경우의, 반도체 레이저 발진기의 출사 위치 및 실린드리컬렌즈 어레이군의 입사 위치에 있어서의 레이저빔의 2차원 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 6에 있어서, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는, 각각 실시예에 의한 레이저 조사장치의, 반도체 레이저 발진기의 출사 위치 및 실린드리컬렌즈 어레이군의 입사 위치에 있어서의 레이저빔의 2차원 프로파일을 나타내는 개략도이다.
도 7에 있어서, 도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 각각 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)에 나타낸 2차원 프로파일의 레이저빔이 호모지나이저에 입사했을 때의, 반도체 기판 표면에 있어서의 단축방향(y방향)의 빔 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 8에 있어서, 도 8의 (a)는, 실린드리컬렌즈 어레이군의 입사 위치에 있어서의 레이저빔의 2차원 프로파일, 실린드리컬렌즈 어레이군의 직사각형 개구부, 및 XYZ좌표계와의 상대 위치관계를 나타내는 도이며, 도 8의 (b)는, 경사각(θ)과, 단축방향(y방향)에 관한 빔 프로파일의 표준편차(σ)와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9에 있어서, 도 9의 (a), 도 9의 (c), 도 9의 (e), 도 9의 (g)는, 2차원 프로파일과 XYZ좌표계와의 위치관계를 나타내는 개략도이며, 도 9의 (b), 도 9의 (d), 도 9의 (f), 도 9의 (h)는, 광강도를 X방향으로 적분한 적분치의 Y방향에 관한 파형을 나타내는 그래프이다.
도 1에, 실시예에 의한 레이저 조사장치의 개략도를 나타낸다. 이 레이저 조사장치는, 예를 들면 반도체 웨이퍼에 주입된 불순물의 활성화 어닐링에 이용된다. 반도체 레이저 발진기(21)가, 예를 들면 파장 808nm의 준연속 발진(QCW) 레이저빔을 사출한다. 다만, 파장 950nm 이하의 펄스 레이저빔을, 사출하는 반도체 레이저 발진기를 이용해도 된다.
반도체 레이저 발진기(21)에는, 복수의 레이저 다이오드를 2차원으로 어레이화한 레이저 다이오드 어레이가 이용된다. 이하, 레이저 다이오드 어레이의 구조에 대하여 설명한다. 복수의 레이저 다이오드가 모놀리식으로 1차원 어레이화되어 레이저바가 구성된다. 복수의 레이저바를 중첩함으로써, 2차원 어레이화한 레이저 다이오드 어레이가 구성된다. 레이저바를 구성하는 복수의 레이저 다이오드가 배열되는 방향을 지축이라고 한다. 복수의 레이저바가 중첩된 방향을 속축이라고 한다. 레이저바마다 실린드리컬렌즈가 배치되어 있다. 실린드리컬렌즈는, 레이저바로부터 사출된 레이저빔을 속축방향에 관하여 수렴시킨다.
고체 레이저 발진기(31)가, 녹색의 파장역의 펄스 레이저빔을 사출한다. 고체 레이저 발진기(31)에는, 예를 들면 제2 고조파를 사출하는 Nd:YAG 레이저, Nd:YLF 레이저, Nd:YVO4 레이저 등이 이용된다.
반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 펄스 레이저빔 및 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 펄스 레이저빔이, 전반광학계(27)를 경유하여, 어닐링의 대상인 반도체 기판(50)에 입사한다. 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 펄스 레이저빔과 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 펄스 레이저빔은, 반도체 기판(50)의 표면의 동일한 영역에 입사한다.
다음으로, 전반광학계(27)의 구성 및 작용에 대하여 설명한다. 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 펄스 레이저빔이, 어테뉴에이터(22), 빔 익스팬더(23), 실린드리컬렌즈 어레이군(24), 다이크로익미러(25), 및 콘덴서렌즈(26)를 경유하여, 반도체 기판(50)에 입사한다.
고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 펄스 레이저빔이, 어테뉴에이터(32), 빔 익스팬더(33), 실린드리컬렌즈 어레이군(34), 벤딩미러(35), 다이크로익미러(25), 및 콘덴서렌즈(26)를 경유하여, 반도체 기판(50)에 입사한다.
빔 익스팬더(23, 33)는, 입사한 펄스 레이저빔을 콜리메이트함과 함께, 빔 직경을 확대한다. 실린드리컬렌즈 어레이군(24, 34) 및 콘덴서렌즈(26)는, 반도체 기판(50)의 표면에 있어서의 빔 단면을 장척형상으로 정형함과 함께, 빔 프로파일을 균일화한다. 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 펄스 레이저빔과, 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 펄스 레이저빔은, 반도체 기판(50)의 표면에 있어서, 대략 동일한 장척 영역에 입사한다. 실린드리컬렌즈 어레이군(24) 및 콘덴서렌즈(26)가, 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 레이저빔용의 호모지나이저로서 기능하고, 실린드리컬렌즈 어레이군(34) 및 콘덴서렌즈(26)가, 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 레이저빔용의 호모지나이저로서 기능한다. 호모지나이저는, 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 펄스 레이저빔 및 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 펄스 레이저빔을, 반도체 기판(50)의 표면에 집광한다.
반도체 기판(50)은, 스테이지(41)에 지지되어 있다. 반도체 기판(50)의 표면에 평행한 면을 XY면으로 하고, 반도체 기판(50)의 표면의 법선방향을 Z방향으로 하는 XYZ직교좌표계를 정의한다. 제어장치(20)가, 반도체 레이저 발진기(21), 고체 레이저 발진기(31), 및 스테이지(41)를 제어한다. 스테이지(41)는, 제어장치(20)로부터의 제어를 받아, 반도체 기판(50)을 X방향 및 Y방향으로 이동시킨다.
도 2의 (a)에, 실시예에 의한 레이저 조사장치로 제조되는 반도체 장치의 예로서, 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)의 단면도를 나타낸다. IGBT는, n형의 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(50)의 일방의 면(이하, “제1 면”이라고 한다.)(50T)에 이미터와 게이트를 형성하고, 다른 일방의 면(이하, “제2 면”이라고 한다.)(50B)에 컬렉터를 형성함으로써 제작된다. 반도체 기판(50)으로서, 통상은 실리콘 단결정 기판이 이용된다. 이미터와 게이트를 형성하는 면의 구조는, 일반적인 MOSFET의 제작공정과 동일한 공정으로 제작된다. 예를 들면, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(50)의 제1 면(50T)의 표층부에, p형의 베이스 영역(51), n형의 이미터 영역(52), 게이트 전극(53), 게이트 절연막(54), 이미터 전극(55)이 배치된다. 게이트-이미터 간의 전압으로, 전류의 온오프 제어를 행할 수 있다.
반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 표층부에, p형의 컬렉터층(57) 및 저농도의 n형의 버퍼층(56)이 형성되어 있다. 버퍼층(56)은, 컬렉터층(57)보다 깊은 영역에 배치된다. 컬렉터층(57) 및 버퍼층(56)은, 각각 불순물로서, 예를 들면 붕소 및 인을 이온 주입하여, 활성화 어닐링을 행함으로써 형성된다. 이 활성화 어닐링에, 도 1에 나타낸 레이저 조사장치가 적용된다. 컬렉터 전극(58)이, 활성화 어닐링 후에, 컬렉터층(57)의 표면에 형성된다.
제2 면(50B)으로부터 컬렉터층(57)과 버퍼층(56)과의 계면까지의 깊이는, 예를 들면 약 0.3μm이다. 제2 면으로부터 버퍼층(56)의 가장 깊은 위치까지의 깊이는, 예를 들면 1μm~5μm의 범위 내이다.
도 2의 (b)에, 레이저 어닐링을 행하는 단계의 반도체 기판(50)의 단면도를 나타낸다. 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 표층부(57a)에, 붕소가 이온 주입되어 있다. 표층부(57a)보다 깊은 영역(56a)에, 인이 이온 주입되어 있다. 표층부(57a) 내의 붕소, 및 깊은 영역(56a) 내의 인은, 활성화되어 있지 않다. 표층부(57a)의 붕소 농도는, 깊은 영역(56a)의 인 농도보다 높다. 본 명세서에 있어서, 표층부(57a)를 “고농도층”이라고 하고, 깊은 영역(56a)을 “저농도층”이라고 한다. 붕소의 도스량이 많기 때문에, 고농도층(57a)은 어모퍼스 상태로 되어 있다. 고농도층(57a)과 저농도층(56a)과의 계면보다 깊은 영역은, 단결정 상태 그대로이다. 반도체 기판(50)의 제1 면(50T)에는, 도 2의 (a)에 나타낸 소자구조가 형성되어 있다.
도 3의(a)에, 반도체 기판(50)(도 2의 (b))에 입사하는 레이저 펄스 파형의 개략을 나타낸다. 도 3의 (a)에서는, 펄스 파형을 장방형으로 나타내고 있지만, 실제의 펄스 파형은, 펄스의 상승, 감쇠, 및 하강 등의 부분을 포함한다. 도 3의 (a)에 나타난 펄스 파형의 사출 타이밍은, 제어장치(20)(도 1)가 반도체 레이저 발진기(21) 및 고체 레이저 발진기(31)를 제어함으로써 결정된다.
시각 t1에, 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 제1 레이저 펄스(LP1)의, 반도체 기판(50)으로의 입사가 개시된다. 시각 t1 후의 시각 t2에, 고체 레이저 발진기(31)로부터 사출된 제2 레이저 펄스(LP2)가 반도체 기판(50)에 입사한다. 제1 레이저 펄스(LP1)와 제2 레이저 펄스(LP2)가 입사하는 영역은, 대략 겹친다. 제2 레이저 펄스(LP2)의 피크 파워는, 제1 레이저 펄스(LP1)의 피크 파워보다 높고, 제2 레이저 펄스(LP2)의 펄스폭(PW2)은, 제1 레이저 펄스(LP1)의 펄스폭(PW1)보다 짧다. 시각 t3에서, 제2 레이저 펄스(LP2)의 입사가 종료된다. 그 후, 시각 t4에서, 제1 레이저 펄스(LP1)의 입사가 종료된다. 다만, 시각 t4 후에, 제2 레이저 펄스(LP2)를 입사시키는 경우도 있다.
제1 레이저 펄스(LP1)의 펄스폭(PW1)은, 예를 들면 10μs 이상이다. 제2 레이저 펄스(LP2)의 펄스폭(PW2)은, 예를 들면 1μs 이하이다. 일례로서, 펄스폭(PW1)이 10μs~30μs의 범위 내이며, 펄스폭(PW2)이 100ns~200ns의 범위 내이다. 제2 레이저 펄스(LP2)의 펄스폭(PW2)을, 제1 레이저 펄스(LP1)의 펄스폭(PW1)의 1/10 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 3의 (b)에, 반도체 기판(50)(도 2의 (b))의 제2 면(50B)(도 2의 (b))에 있어서의 레이저 펄스의 입사 영역의 평면도를 나타낸다. 제1 레이저 펄스(LP1)(도 3의 (a)) 및 제2 레이저 펄스(LP2)(도 3의 (a))는, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)(도 2의 (b))에 있어서, X방향으로 긴 동일한 빔 입사 영역(40)에 입사한다. 예를 들면, 빔 입사 영역(40)의 적합한 길이(L) 및 폭(Wt)은, 각각 2mm~4mm 및 200μm~400μm이다.
어닐링 중에는, 반도체 기판(50)(도 2의 (b))을 Y방향으로 이동시키면서, 제1 레이저 펄스(LP1) 및 제2 레이저 펄스(LP2)(도 3의 (a))를, 일정한 반복 주파수로 반도체 기판(50)에 입사시킨다. 제1 레이저 펄스(LP1) 및 제2 레이저 펄스(LP2)의 반복 주파수의 1주기 동안에 반도체 기판(50)이 이동하는 거리를 Wt-Wo로 나타낸다. 시간축 상에서 인접하는 2개의 제1 레이저 펄스(LP1)의 빔 입사 영역(40)은, 서로 부분적으로 겹친다. 양자의 중복률(Wo/Wt)은, 예를 들면 50%이다.
도 3의 (a)에 나타낸 시각 t1에서 제1 레이저 펄스(LP1)의 입사가 개시되면, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)(도 2의 (b))의 표층부의 온도가 상승하기 시작한다. 시각 t2의 시점에서, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 온도는, 어모퍼스 실리콘의 융점(1300K~1430K)까지 도달하고 있지 않다. 시각 t2에서 제2 레이저 펄스(LP2)를 입사시키면, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 표층부의 온도가 어모퍼스 실리콘의 융점까지 도달하여, 표층부가 용융된다. 용융된 부분은, 고농도층(57a)(도 2의 (b))의 바닥면까지 도달한다.
제2 레이저 펄스(LP2)의 입사가 종료되면, 반도체 기판(50)의 표층부의 온도가 저하되어, 고화된다. 이 때, 단결정의 저농도층(56a)(도 2의 (b))으로부터 결정이 에피택셜 성장함으로써, 고농도층(57a)이 단결정이 된다. 동시에, 고농도층(57a)에 주입되어 있는 불순물이 활성화된다.
시각 t3 이후에도, 제1 레이저 펄스(LP1)(도 3의 (a))의 입사가 계속되고 있기 때문에, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)으로부터 깊은 저농도층(56a)(도 2의 (b))까지 가열되어, 온도가 상승한다. 이로써, 저농도층(56a)에 주입되어 있는 불순물이 활성화된다. 시각 t4에서 제1 레이저 펄스(LP1)의 입사가 종료되는 시점에서, 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 온도는, 단결정 실리콘의 융점까지 도달하지 않는다. 이로 인하여, 재결정화된 반도체 기판(50)의 제2 면(50B)의 표층부는 재용융되지 않는다.
시각 t4보다 후에 제2 레이저 펄스(LP2)를 입사시키는 경우에는, 제1 레이저 펄스(LP1)의 조사에 의하여 저농도층(56a)(도 2의 (b)) 내의 불순물이 활성화된다. 그 후, 제2 레이저 펄스(LP2)의 조사에 의하여 고농도층(57a)(도 2의 (b))을 용융시킨다. 고농도층(57a)이 재결정화될 때에, 고농도층(57a) 내의 불순물이 활성화된다.
도 3의 (b)에서는, 반도체 기판(50)의 표면에 있어서의 제1 레이저 펄스(LP1)의 빔 입사 영역(40)과 제2 레이저 펄스(LP2)의 빔 입사 영역(40)을 대략 일치시켰지만, 반드시 양자를 일치시킬 필요는 없다. 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제1 레이저 펄스(LP1)의 빔 입사 영역(40A)을 제2 레이저 펄스(LP2)의 빔 입사 영역(40B)보다 약간 크게 해도 된다. 이 때, 제2 레이저 펄스(LP2)의 빔 입사 영역(40B)이, 제1 레이저 펄스(LP1)의 빔 입사 영역(40A)에 포함된다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에, 반도체 레이저 발진기(21)로부터 반도체 기판(50)까지의 제1 레이저 펄스의 경로 상의 광학계의 단면도를 나타낸다. 도 4의 (a)는, YZ면에 평행한 단면도, 즉 빔 입사 영역(40)(도 3의 (b))의 단축방향(y방향)에 평행한 단면도를 나타낸다. 도 4의 (b)는, ZX면에 평행한 단면도, 즉 빔 입사 영역(40)(도 3의 (b))의 장축방향(x방향)에 평행한 단면도를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저빔의 진행방향은, 다이크로익미러(25) 및 벤딩미러(35)에 의하여 변화된다. XYZ직교좌표계의 각 좌표축의 방향도, 레이저빔의 진행방향의 변화에 추종하여 변화시키는 것으로 한다.
반도체 레이저 발진기(21)에, 레이저 다이오드 어레이가 이용된다. 이 레이저 다이오드 어레이는, X방향 및 Y방향으로 2차원적으로 배치된 복수의 레이저 다이오드를 포함한다. 레이저 다이오드 어레이의 속축 및 지축이, 각각 Y방향 및 X방향에 대략 평행하게 배치된다. 후술하는 바와 같이, 속축과 Y방향, 및 지축과 X방향은, 엄밀하게는, 평행의 관계로부터 약간 어긋나 있다. 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 레이저빔이, 속축 실린드리컬렌즈 어레이(28)에 입사한다.
속축 실린드리컬렌즈 어레이(28)는, 지축방향으로 나열된 레이저 다이오드의 열마다 배치된 실린드리컬렌즈로 구성된다. 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 실린드리컬렌즈는, 속축방향에 관하여(YZ면 내에 관하여), 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출된 레이저빔을 수렴시킨다. 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 지축방향에 관해서는, 소정의 확산각을 가지고 레이저빔이 전반한다. 빔 익스팬더(23)가, 레이저빔의 빔 단면을 확대함과 함께, 레이저빔을 콜리메이트한다. 콜리메이트된 레이저빔이 실린드리컬렌즈 어레이군(24)에 입사한다.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에, 반도체 레이저 발진기(21)의 지축을 X방향과 평행하게 배치한 경우의 레이저빔의 2차원 프로파일을 나타낸다. 도 5의 (a)는, 반도체 레이저 발진기(21)로부터의 출사 위치에 있어서의 2차원 프로파일을 나타내고, 도 5의 (b)는, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)으로의 입사 위치에 있어서의 2차원 프로파일을 나타낸다. 광강도가 강한 영역이, 진한 색으로 나타나 있다.
도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 반도체 레이저 발진기(21)의 출사 위치에 있어서의 2차원 프로파일은, X방향으로 간격을 두고 배치된 2세트의 줄무늬형상 패턴을 포함한다. 줄무늬형상 패턴을 구성하는 줄무늬 각각은, X방향으로 배열된 복수의 레이저 다이오드로 이루어지는 레이저바에 대응한다. 줄무늬형상 패턴의 각각은, Y방향으로 스택된 복수, 예를 들면 25개의 레이저바를 포함하는 레이저 스택에 대응한다. 도 5의 (a)에 나타낸 예에서는, 2개의 레이저 스택이, X방향으로 간격을 두고 배치되어 있다.
도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)의 입사 위치에 있어서는, 2개의 줄무늬형상 패턴의 각 줄무늬가 X방향으로 연장되어 서로 연속하여, 1개의 줄무늬형상 패턴을 구성하고 있다.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에, 실시예에 의한 반도체 레이저 발진기(21)의 레이저빔의 2차원 프로파일을 나타낸다. 도 6의 (a)는, 반도체 레이저 발진기(21)로부터의 출사 위치에 있어서의 2차원 프로파일을 나타내고, 도 6의 (b)는, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)으로의 입사 위치에 있어서의 2차원 프로파일을 나타낸다. 반도체 레이저 발진기(21)를 구성하는 레이저 다이오드 어레이의 지축이, X방향에 대하여 약간 기울어 있다.
도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)은, 제1~제4 실린드리컬렌즈 어레이(24A~24D)를 포함한다. 제1 및 제2 실린드리컬렌즈 어레이(24A, 24B)는, X방향에 평행한 기둥면을 가지는 복수의 실린드리컬렌즈가 Y방향으로 배열된 구성을 가진다. 제3 및 제4 실린드리컬렌즈 어레이(24C, 24D)는, Y방향에 평행한 기둥면을 가지는 복수의 실린드리컬렌즈가 X방향으로 배열된 구성을 가진다.
제1 및 제2 실린드리컬렌즈 어레이(24A, 24B)는, 줄무늬형상의 2차원 프로파일(도 6의 (b))을 가지는 레이저빔을, Y방향에 관하여 복수의 빔으로 분할한다. 제1 및 제2 실린드리컬렌즈 어레이(24A, 24B)의 각각은, 예를 들면 5개의 실린드리컬렌즈로 구성된다. 이 경우, 반도체 레이저 발진기(21)의 25개의 레이저바 중 5개의 레이저바로부터 사출된 레이저빔이, 1개의 실린드리컬렌즈에 입사한다. 다만, 레이저바와 실린드리컬렌즈와의 개수의 대응 관계는 임의이며, 레이저바의 개수가 실린드리컬렌즈의 개수로 나누어 떨어질 필요는 없다.
제3 및 제4 실린드리컬렌즈 어레이(24C, 24D)는, Y방향에 관한 레이저빔의 발산 수렴에 영향을 미치지 않는다. 콘덴서렌즈(26)가, Y방향에 관하여 분할된 복수의 빔을 반도체 기판(50)의 표면에 있어서 중첩시킨다. 일례로서, 제1 및 제2 실린드리컬렌즈 어레이(24A, 24B), 및 콘덴서렌즈(26)는, Y방향에 관하여, 제1 실린드리컬렌즈 어레이(24A)가, 제2 실린드리컬렌즈 어레이(24B) 및 콘덴서렌즈(26)에 의하여 반도체 기판(50)의 표면 상에 결상되는 위치관계를 가진다.
도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 제3 및 제4 실린드리컬렌즈 어레이(24C, 24D)가, 레이저빔을 X방향에 관하여 복수의 빔으로 분할한다. 콘덴서렌즈(26)가, X방향으로 분할된 레이저빔을 반도체 기판(50)의 표면(피조사면) 상에서 중첩시킨다. 일례로서, 제3 및 제4 실린드리컬렌즈 어레이(24C, 24D), 및 콘덴서렌즈(26)는, X방향에 관하여, 제3 실린드리컬렌즈 어레이(24C)가, 제4 실린드리컬렌즈 어레이(24D) 및 콘덴서렌즈(26)에 의하여 반도체 기판(50)의 표면에 결상되는 위치관계를 가진다.
Y방향에 관한 결상배율을, X방향에 관한 결상배율보다 작게 함으로써, X방향으로 긴 빔 입사 영역(40)(도 3의 (b)) 내에 레이저빔을 입사시킬 수 있다.
실린드리컬렌즈 어레이군(24)에 입사하는 레이저빔의 빔 프로파일이 가우시안형상인 경우, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)에서 분할된 복수의 빔을 반도체 기판(50)의 표면에서 중첩시킴으로써, X방향 및 Y방향에 관하여 빔 프로파일을 균일화할 수 있다. 그러나, 실시예에 의한 레이저 조사장치에 이용되고 있는 반도체 레이저 발진기(21)로부터 사출되는 레이저빔의 2차원 프로파일은, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가우시안형상은 아니다.
도 7의 (a)에, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에 나타낸 2차원 프로파일을 가지는 레이저빔을 이용한 경우의, 반도체 기판(50)의 표면에 있어서의 Y방향(단축방향)에 관한 빔 프로파일을 나타낸다. 도 7의 (b)에, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 나타낸 2차원 프로파일을 가지는 레이저빔을 이용한 경우, 즉 실시예에 의한 레이저 조사장치를 이용한 경우의, 반도체 기판(50)의 표면에 있어서의 Y방향(단축방향)에 관한 빔 프로파일을 나타낸다. 도 7의 (a)와 도 7의 (b)를 비교하면, 도 7의 (b)가, 빔 프로파일의 균일성이 높은 것을 알 수 있다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 반도체 레이저 발진기(21)의 지축방향을 X방향에 대하여 기울였기 때문에, 균일성이 높아졌다고 생각할 수 있다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)를 참조하여, X방향에 대한 지축방향의 경사각과, 빔 프로파일의 균일성과의 관계에 대하여 설명한다.
도 8의 (a)에, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)의 입사 위치에 있어서의 레이저빔의 2차원 프로파일, 실린드리컬렌즈 어레이군(24)의 직사각형 개구부, 및 XYZ좌표계와의 위치관계를 나타낸다. X방향에 대한 지축방향의 경사각을 θ로 나타낸다. 실린드리컬렌즈 어레이군(24)의 직사각형 개구부(29)의 한 쌍의 변은, X방향에 평행하고, 다른 한 쌍의 변은 Y방향에 평행하다. 직사각형 개구부(29) 내에 입사한 레이저빔이, 후단의 광학계에서 비네팅이 발생하지 않고, 반도체 기판(50)의 표면까지 도달한다. 직사각형 개구부(29)의 X방향의 치수를 L로 나타낸다. 줄무늬형상 패턴의 속축방향의 피치(주기)를 P로 나타낸다.
도 8의 (b)에, 경사각(θ)과, 빔 입사 영역(40)(도 3의 (b))에 있어서의 Y방향(단축방향)의 빔 프로파일의 표준편차(σ)와의 관계를 나타낸다. 가로축은 경사각(θ)을 단위 “°”로 나타내고, 세로축은 표준편차(σ)를 단위 “%”로 나타낸다. 경사각(θ)이 0°인 점이, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에 나타낸 참고예에 대응한다. 경사각(θ)을 0°에서부터 크게 해 나가면, 표준편차(σ)는 감소와 증가를 반복한다. 도 8의 (b)에 나타낸 예에서는, 경사각(θ)이 약 1.5°, 약 4°에서 극소치를 나타내고, 약 2.5°에서 극대치를 나타낸다.
도 9의 (a)~도 9의 (h)를 참조하여, 경사각(θ)의 증가에 따라, 표준편차(σ)가 증감을 반복하는 이유에 대하여 설명한다. 도 9의 (a), 도 9의 (c), 도 9의 (e), 도 9의 (g)는, 레이저빔의 2차원 프로파일과 XYZ좌표계와의 위치관계를 나타내고, 도 9의 (b), 도 9의 (d), 도 9의 (f), 도 9의 (h)는, 광강도를 X방향으로 적분한 적분치의 Y방향에 관한 파형을 나타낸다.
도 9의 (a)에 나타내는 바와 같이, 경사각(θ)이 0°일 때, 광강도를 X방향으로 적분하면, 도 9의 (b)에 나타내는 바와 같이, 적분치는 Y방향에 관하여 주기적인 파형을 나타낸다. 이 주기는, 줄무늬형상 패턴의 속축방향의 피치(P)(도 8의 (a))와 동일하다. 즉, 레이저빔의 2차원 프로파일이, 속축방향에 관하여 피치(P)로 주기적으로 극대치를 나타낸다.
도 9의 (c)에, 직사각형 개구부(29) 내의 1개의 줄무늬의 좌단의 Y좌표와, 그것에 인접하는 줄무늬의 우단의 Y좌표가 동일해질 때까지, 경사각(θ)을 크게 한다. 이 때, 도 9의 (d)에 나타내는 바와 같이, 광강도를 X방향으로 적분하여 얻어진 적분치의 파형의 진폭이 작아진다. 이 때의 경사각(θ)은, sin-1(P/L)로 나타난다.
도 9의 (e)에 나타내는 바와 같이, 경사각(θ)을 더욱 크게 하면, 도 9의 (f)에 나타내는 바와 같이, 적분치의 파형의 진폭이 커진다. 도 9의 (g)에 나타내는 바와 같이, 직사각형 개구부(29) 내의 1개의 줄무늬의 좌단의 Y좌표와, 그것에 1개의 줄무늬를 사이에 두고 인접하는 줄무늬의 우단의 Y좌표가 동일해질 때까지 경사각(θ)을 크게 하면, 도 9의 (h)에 나타내는 바와 같이, 적분치의 파형의 진폭이 작아진다.
상기 서술과 같이, 경사각(θ)을 0°에서부터 크게 해 나가면, 적분치의 파형의 진폭이 증감을 반복한다. 이 적분치의 파형의 진폭의 증감이, 도 8의 (b)에 나타낸 표준편차(σ)의 증감에 반영되고 있다고 생각할 수 있다. 도 8의 (b)에 있어서, 표준편차(σ)가 최초로 극소치를 나타내는 경사각(θ)은, 도 9의 (c)에 나타낸 상태에 대응하여, sin-1(P/L)과 대략 동일하다. Y방향에 관한 빔 프로파일의 균일성을 높이기 위하여, 경사각(θ)을 sin-1(P/L)로 하는 것이 바람직하다. 또, 도 8의 (b)에 나타낸 결과로부터, 경사각(θ)이 sin-1(P/L)의 0.5배~1.5배의 범위 내에서, 충분히 높은 균일성을 가지는 빔 프로파일이 얻어지는 것을 알 수 있다.
경사각(θ)이 4°의 근방에 있어서도, 충분히 높은 균일성을 가지는 빔 프로파일이 얻어지고 있다. 그러나, 일반적인 레이저 다이오드 어레이로부터 사출되는 레이저빔은, 속축방향에 수직인 단면 내에 관한 빔 품질이, 지축방향에 수직인 단면 내에 관한 빔 품질보다 나쁘다. 경사각(θ)이 커지면, 단축방향(y방향)에 평행한 단면(도 4의 (a)에 나타낸 YZ단면) 내에 관하여, 품질이 나쁜 빔 성분이 많아진다. 단축방향(y방향)에 관하여 고품질의 레이저빔을 얻기 위하여, 경사각(θ)을 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 경사각(θ)을, 표준편차(σ)가 2번째로 극소치를 취하는 각도 4°의 근방으로 하는 것보다, 최초로 극소치를 취하는 각도 1.5°의 근방으로 하는 것이 바람직하다.
도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 장축방향(X방향)에 관해서는, 광강도 분포의 주기성이 약하다. 이로 인하여, 장축방향(X방향)에 관해서는, 가우시안빔을 이용한 경우와 동등한 충분히 균일성이 높은 빔 프로파일이 얻어진다.
이상 실시예를 따라 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
20 제어장치
21 반도체 레이저 발진기
22 어테뉴에이터
23 빔 익스팬더
24 실린드리컬렌즈 어레이군
24A 제1 실린드리컬렌즈 어레이
24B 제2 실린드리컬렌즈 어레이
24C 제3 실린드리컬렌즈 어레이
24D 제4 실린드리컬렌즈 어레이
25 다이크로익미러
26 콘덴서렌즈
27 전반광학계
28 속축 실린드리컬렌즈 어레이
29 직사각형 개구부
31 고체 레이저 발진기
32 어테뉴에이터
33 빔 익스팬더
34 실린드리컬렌즈 어레이군
35 벤딩미러
40 빔 입사 영역
40A 제1 레이저 펄스의 입사 영역
40B 제2 레이저 펄스의 입사 영역
41 스테이지
50 반도체 기판
50T 제1 면
50B 제2 면
51 p형의 베이스 영역
52 n형의 이미터 영역
53 게이트 전극
54 게이트 절연막
55 이미터 전극
56 n형 버퍼층
56a 저농도층
57 p형 컬렉터층
57a 고농도층
58 컬렉터 전극

Claims (4)

  1. 레이저바를 구성하는 복수의 레이저 다이오드가 배열되는 지축방향 및 복수의 상기 레이저바가 중첩되는 속축방향으로, 2차원적으로 배치된 반도체 레이저 발진기와,
    상기 반도체 레이저 발진기로부터 사출된 레이저빔이 입사하며, 피조사면에 있어서 장척의 입사 영역에 레이저빔을 집광시키는 호모지나이저를 가지고,
    상기 호모지나이저는, 상기 입사 영역의 단축방향(y방향)에 관하여 상기 레이저빔을 복수의 빔으로 분할하며, 분할된 복수의 빔을 상기 피조사면에 있어서 중첩하여 상기 입사 영역에 입사시키고,
    상기 반도체 레이저 발진기의 지축방향이, 상기 입사 영역의 장축방향(x방향)에 대하여 경사져 있으며,
    상기 호모지나이저로의 입사 위치에 있어서, 상기 레이저빔의 프로파일이, 속축방향에 관하여 피치(P)로 주기적으로 극대치를 나타내고, 상기 호모지나이저로의 입사 위치에 있어서의 레이저빔의 빔 단면의, 상기 장축방향(x방향)의 치수를 L로 나타내며, 상기 반도체 레이저 발진기의 지축방향과 상기 장축방향(x방향)이 이루는 경사각을 θ로 나타냈을 때, 경사각(θ)은, sin-1(P/L)의 0.5배 이상인 레이저 조사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호모지나이저는, 상기 장축방향(x방향)에 관하여 상기 레이저빔을 복수의 빔으로 더 분할하며, 분할된 복수의 빔을 상기 피조사면에 있어서 중첩하여 상기 입사 영역에 입사시키는 레이저 조사장치.
  3. 레이저바를 구성하는 복수의 레이저 다이오드가 배열되는 지축방향 및 복수의 상기 레이저바가 중첩되는 속축방향으로, 2차원적으로 배치된 반도체 레이저 발진기와,
    상기 반도체 레이저 발진기로부터 사출된 레이저빔이 입사하며, 피조사면에 있어서 장척의 입사 영역에 레이저빔을 집광시키는 호모지나이저를 가지고,
    상기 호모지나이저는, 상기 입사 영역의 단축방향(y방향)에 관하여 상기 레이저빔을 복수의 빔으로 분할하며, 분할된 복수의 빔을 상기 피조사면에 있어서 중첩하여 상기 입사 영역에 입사시키고,
    상기 반도체 레이저 발진기의 지축방향이, 상기 입사 영역의 장축방향(x방향)에 대하여 경사져 있으며,
    상기 반도체 레이저 발진기의 지축방향과 상기 장축방향(x방향)이 이루는 경사각을 θ로 나타내고, 상기 반도체 레이저 발진기로부터 사출한 레이저빔의, 상기 호모지나이저의 입사 위치에 있어서의 광강도를 상기 장축방향(x방향)으로 적분한 파형의 표준편차를 σ로 나타내며, 경사각(θ)을 0°로부터 서서히 크게 하였을 때에, 표준편차(σ)가 최초로 극소치를 나타내는 경사각(θ)을 θ0으로 나타냈을 때, 경사각(θ)이 경사각(θ0)의 0.5배 이상인 레이저 조사장치.
  4. 삭제
KR1020147031392A 2012-08-22 2013-06-28 레이저 조사장치 KR101718429B1 (ko)

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