WO2020116169A1 - アニール装置及びアニール方法 - Google Patents

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哲平 田中
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    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to an annealing device and an annealing method.
  • Patent Document 1 discloses a laser annealing apparatus suitable for activation annealing of a dopant implanted in a deep region. Further, a method of activating impurities by melting the surface layer portion of a semiconductor wafer is also known.
  • An object of the present invention is to provide an annealing device and an annealing method capable of estimating the melting depth during annealing.
  • a heating unit that heats the surface of the object to be annealed to temporarily melt the surface layer portion
  • a sensor for detecting thermal radiation light from the annealing object heated by the heating unit
  • An annealing apparatus includes a processing unit that estimates an annealing result of the annealing target based on a waveform indicating a temporal change in the intensity of the thermal radiation light detected by the sensor.
  • Part of the surface of the object to be annealed is heated to melt the surface layer,
  • an annealing method for estimating an annealing result of the annealing target based on a waveform showing a temporal change in intensity of thermal radiation light from a heated portion of the annealing target.
  • the melting time can be calculated from the waveform that shows the time variation of the intensity of thermal radiation.
  • the melting depth during heating depends on the melting time. Therefore, the annealing result such as the melting depth can be estimated from the melting time.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an annealing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of the waveform of the thermal radiation light observed in one irradiation with the pulsed laser beam.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the melting time and the melting depth.
  • FIG. 4 is a flowchart of the annealing method according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a graphic displayed on the output device.
  • FIG. 6A is a graph showing the waveform of the actually measured intensity of heat radiation light
  • FIG. 6B shows the melting time obtained from the waveform shown in FIG. 6A and the area of the waveform of the intensity of heat radiation light. It is a graph which shows a relationship.
  • FIGS. 1 to 6 An annealing apparatus and an annealing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an annealing device according to an embodiment.
  • a holding table 13 is supported in the chamber 10 by a scanning mechanism 12.
  • the scanning mechanism 12 can move the holding table 13 in a horizontal plane in response to a command from the processing unit 40.
  • the scanning mechanism 12 includes an encoder, and position information indicating the current position of the holding table 13 is read by the processing unit 40 from the encoder.
  • the annealing object 30 is held on the holding table 13.
  • the holding table 13 includes a vacuum chuck mechanism, and vacuum-holds and fixes the annealing target 30.
  • the annealing object 30 is, for example, a semiconductor wafer such as a silicon wafer in which a dopant is implanted.
  • the laser annealing apparatus performs, for example, dopant activation annealing.
  • the laser light source 20 receives a command from the processing unit 40 and outputs a pulsed laser beam for annealing.
  • the laser light source 20 for example, a solid-state laser such as an Nd:YAG laser that outputs a pulsed laser beam in the green wavelength range is used. The light of the green wavelength corresponds to the second harmonic.
  • the laser beam output from the laser light source 20 passes through the transmission optical system 21, the dichroic mirror 22, and the lens 23, passes through the laser transmission window 11 provided on the top plate of the chamber 10, and is incident on the annealing target 30. To do.
  • the dichroic mirror 22 transmits the pulsed laser beam for annealing.
  • the transmission optical system 21 includes, for example, a beam homogenizer, a lens, a mirror and the like. The beam homogenizer and the lens 23 shape the beam spot on the surface of the object to be annealed 30 and make the beam profile uniform.
  • the annealing target 30 When the pulse laser beam is incident on the annealing target 30, the annealing target 30 is locally heated.
  • the thermal radiation light radiated from the heated portion of the annealing object 30 passes through the laser transmission window 11, passes through the lens 23, is reflected by the dichroic mirror 22, and further enters the sensor 25 via the lens 24.
  • the dichroic mirror 22 reflects heat radiation light having a wavelength range of about 900 nm or more.
  • the sensor 25 measures the intensity of heat radiation light in a specific wavelength range.
  • the spectrum of thermal radiation from a black body and the temperature of the black body are theoretically related.
  • the spectrum of thermal radiation from an actual object can be obtained based on the emissivity and temperature of the object.
  • the spectrum of the thermal radiation light from the annealing target 30, which is an actual object changes depending on the temperature of the annealing target 30. Therefore, the intensity of the thermal radiation light in the wavelength range measured by the sensor 25 also changes depending on the temperature of the annealing target 30.
  • the measurement result of the thermal radiation light by the sensor 25 is input to the processing unit 40 as a voltage value.
  • the lens 23 and the lens 24 image the surface of the annealing object 30 on the light receiving surface of the sensor 25. Thereby, the intensity of the thermal radiation light radiated from the region of the surface of the annealing object 30 having a conjugate relationship with the light receiving surface of the sensor 25 is measured.
  • the area of the surface to be measured is set so as to be included in the beam spot of the laser beam, for example.
  • the processing unit 40 controls the scanning mechanism 12 to move the annealing target object 30 held on the holding table 13 in the two-dimensional direction within the horizontal plane. Further, based on the current position information of the holding table 13, the laser light source 20 is controlled so that the laser light source 20 outputs a pulsed laser beam. When the pulsed laser beam is output while moving the annealing object 30, the heated portion moves within the surface of the annealing object 30.
  • the processing unit 40 synchronizes with each shot of the pulsed laser beam output from the laser light source 20, and a waveform showing the temporal change in the intensity of the thermal radiation light from the detection result of the sensor 25 for each irradiation of the pulsed laser beam.
  • waveform of intensity of heat radiation light The acquired waveform of the intensity of the thermal radiation light is stored in the storage device 41 in association with the in-plane position of the annealing object 30.
  • one laser pulse (first pulse) is made incident, and after the extremely short delay time has elapsed, the process of making the next laser pulse (second pulse) be made incident is performed once, and a plurality of times is performed. Repeat irradiation. The incidence of the second pulse is performed during the period when the influence of heat generation due to the incidence of the first pulse remains.
  • the annealing in which two laser pulses are combined and irradiated once is referred to as "double pulse annealing" in this specification.
  • the processing unit 40 outputs the information of the intensity distribution of the thermal radiation light in the surface of the annealing target 30 to the output device 42 as an image, a graph, or a numerical value.
  • the output device 42 includes a display unit that displays an image.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of the waveform of the thermal radiation light observed in one irradiation of the pulsed laser beam, with the timing chart of the laser pulse superimposed.
  • the horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the output voltage of the sensor 25.
  • the time change of the output voltage of the sensor 25 can be considered as the time change of the temperature of the annealing object 30.
  • the temperature of the annealing object 30 rises, and the peak P1 appears. At this point, the temperature of the surface of the annealing object 30 reaches the melting point. When the surface temperature reaches the melting point, melting starts on the surface of the annealing object 30.
  • a slightly flat part B1 following the peak P1 indicates a period in which the energy input by the incidence of the first pulse LP1 is consumed as heat of fusion. The energy input is consumed as heat of fusion, which promotes melting in the depth direction. Since the incidence of the first pulse LP1 continues during this period, the temperature gradually rises. When the incidence of the first pulse LP1 ends, the temperature starts to drop and solidification starts.
  • the temperature of the annealing object 30 rises again by the incidence of the second pulse LP2, and the peak P2 appears. At this time, the surface of the annealing object 30 is remelted. Then, the melting proceeds in the depth direction. While the second pulse LP2 is incident, the output voltage of the sensor 25 (FIG. 1) rises and then begins to fall.
  • the following two points can be considered as the reason why the output voltage of the sensor 25 rises after the peak P2 appears.
  • the first point is that the surface of the annealing object 30 is melted to become a liquid, so that the temperature becomes higher and the intensity of the radiated light becomes stronger than when the surface is solid.
  • a second point is that the intensity of the radiated light observed by the sensor 25 increases as the area of the melted portion of the observation target region where the intensity of the radiated light is detected by the sensor 25 increases.
  • the output voltage of the sensor 25 increases due to the above two reasons.
  • the temperature continues to drop and solidification progresses from the deep region to the shallow region.
  • the peak P3 that appears when the temperature is gradually decreasing is considered to be because the heat generated by the phase transition from the liquid phase to the solid phase was observed as a temporary temperature increase when solidification proceeded to the surface. .. Therefore, the elapsed time from the peak P2 to the peak P3 corresponds to the melting time by the incidence of the second pulse LP2.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between melting time and melting depth.
  • the relationship between the melting time and the melting depth can be obtained by performing an evaluation experiment in which the evaluation sample is actually annealed. Hereinafter, an example of the evaluation experiment will be described.
  • the melting depth can be determined by measuring the dopant concentration distribution in the depth direction of the semiconductor wafer.
  • the dopant concentration distribution in the depth direction can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • FIG. 3 shows the relationship between the melting time and the melting depth obtained by actually performing an evaluation experiment.
  • the evaluation experiment was performed under three conditions of pulse energy density of 2.2 J/cm 2 , 1.8 J/cm 2 , and 1.4 J/cm 2 .
  • the actual measurement result is shown by a circle symbol and its approximate curve is also shown.
  • the relationship between the melting time and the melting depth shown in FIG. 3 is stored in the storage device 41 in advance.
  • FIG. 4 is a flowchart of the annealing method according to the embodiment.
  • the processing unit 40 controls the laser light source 20 to start the output of the pulse laser beam.
  • the scanning mechanism 12 is controlled to start the movement of the annealing object 30 held on the holding table 13 (step S1). As a result, the scanning of the surface of the annealing object 30 with the pulsed laser beam is started.
  • the processing unit 40 reads the measured value of the intensity of the heat radiation light from the sensor 25, and stores the read result in the storage device 41 in association with the incident position of the pulse laser beam (step S2).
  • Step S2 is executed until the entire surface of the annealing object 30 is scanned with the pulsed laser beam (step S3).
  • the processing unit 40 ends the output of the pulse laser beam from the laser light source 20. Further, the movement of the holding table 13 by the scanning mechanism 12 is completed (step S4).
  • the processing unit 40 reads the measured value of the intensity of the thermal radiation light stored in the storage device 41, and estimates the annealing result based on the waveform of the intensity of the thermal radiation light (step S5).
  • the melting time is calculated based on the characteristic shape of the waveform of the intensity of the heat radiation light. For example, the peak P2 and the peak P3 of the waveform shown in FIG. 2 are detected, and the elapsed time from the peak P2 to the peak P3, that is, the melting time by the second pulse is calculated. Then, based on the calculated melting time and the relationship between the melting time and the melting depth shown in FIG. 3, the melting depth for each position in the surface of the annealing object 30 is estimated.
  • the processing unit 40 After the estimation of the annealing result, the processing unit 40 outputs the estimation result to the output device 42. For example, the distribution of the melting depth in the surface of the annealing object 30 is displayed in a color-coded image.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an image displayed on the output device 42.
  • the surface of the annealing object 30 is color-coded according to the melting depth and displayed on the display screen.
  • the excellent effect of this embodiment will be described.
  • the operator can determine whether or not the annealing process is normal by looking at the information displayed on the output device 42.
  • the melting time can also be obtained by making the reference light incident on the surface of the annealing target 30 and detecting the intensity of the reflected light.
  • the intensity of the thermal radiation light emitted from the annealing object 30 during the normal annealing process is detected, and thus the reference light is applied to the annealing object 30.
  • the melting depth can be estimated without disposing an optical system for incidence.
  • the annealing result is estimated based on the waveform of the thermal radiation light in step S5.
  • the process of estimating the annealing result for the region where the laser pulse is incident may be executed in parallel.
  • the double pulse annealing method was applied, but it is not always necessary to apply this method.
  • one irradiation may be completed by injecting one laser pulse.
  • two peaks P1 and P2 corresponding to the start of melting do not appear in the waveform of the intensity of the heat radiation light shown in FIG. 2, but only one peak appears.
  • the time from one peak corresponding to the start of melting to the peak P3 corresponding to complete solidification may be considered as the melting time.
  • three or more laser pulses may be incident on the object to be annealed 30 with an extremely short delay time.
  • the laser light source 20, the transmission optical system 21, and the lens 23 shown in FIG. 1 function as a heating unit that heats the annealing target 30.
  • the pulsed laser beam for the annealing has a wavelength in the green wavelength range, but a pulsed laser beam in another wavelength range which can melt the surface layer of the annealing object 30 may be used. .. Further, instead of the pulsed laser beam for heating, another energy beam may be used. As described above, an apparatus having a heating function other than the laser light source may be used as the heating unit.
  • the processing unit 40 estimates the annealing result and outputs the estimation result to the output device 42. It is preferable that the processing unit 40 has a function of estimating the annealing result (melting depth) and further determining the quality of the annealing process based on the estimation result of the melting depth. For example, the processing unit 40 determines that the annealing process is defective when the melting depth is out of the allowable range, and determines that the annealing result is good when the melting depth is within the allowable range. Good to do.
  • the processing unit 40 performs a process of advancing the annealing object 30 after the annealing process to the next process, and if it is determined that the annealing result is poor, the processing unit 40 outputs A warning may be issued from the device 42 to inform the operator of the occurrence of the defect.
  • FIGS. 6A and 6B an annealing apparatus and an annealing method according to another embodiment will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • the description of the configuration common to the annealing apparatus and the annealing method according to the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 5 will be omitted.
  • the characteristic shape of the intensity waveform of the heat radiation light is detected, and the melting time is calculated based on that shape.
  • the melting time is calculated based on the area of the waveform of the intensity of the heat radiation light. A method of calculating the melting time from the waveform of the intensity of the heat radiation light will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • FIG. 6A is a graph showing the waveform of the actually measured intensity of thermal radiation light.
  • the horizontal axis represents the elapsed time in the unit of “ns”, and the vertical axis represents the output voltage of the sensor 25 (FIG. 1) in the unit of “mV”. That is, the vertical axis of the graph shown in FIG. 6 represents the intensity of heat radiation light.
  • Thin solid line e1 in the graph, the broken line e2, and a thick solid line e3, respectively pulse energy density 1.4J / cm 2, 1.8J / cm 2, when the annealing was performed under a condition of 2.2 J / cm 2
  • the waveform of the intensity of thermal radiation is shown.
  • FIG. 6B is a graph showing the relationship between the melting time obtained from the waveform shown in FIG. 6A and the area of the waveform of the intensity of heat radiation light.
  • the horizontal axis represents the melting time in the unit of “ns”, and the vertical axis represents the area of the waveform in the unit of “nWb”.
  • the area of the waveform the area from the time when the waveform rises from the base level by the incidence of the first pulse to the time when the incidence of the second pulse ends and the waveform returns to the base level is adopted.
  • the melting time t and the area S of the waveform have a substantially linear relationship.
  • the following approximate expression is derived from the graph shown in FIG. 6B.
  • S and t represent the area of the waveform and the melting time, respectively.
  • a and C are constants.
  • the melting time t can be obtained from the calculation result of the area S of the waveform and the graph of the relationship shown in FIG. 6B or the equation (1).
  • the melting depth can be obtained based on the relationship shown in FIG.
  • the melting depth can be estimated by calculating the area of the waveform without detecting the characteristic shape of the waveform of the intensity of the heat radiation light.
  • the area of the waveform can be calculated, for example, by simply adding the output voltage values obtained from the sensor 25 (FIG. 1) in predetermined time intervals.
  • the process of calculating the area of the waveform is completed in a shorter time than the process of detecting the characteristic shape of the waveform. Therefore, when the method according to the present embodiment is used, it is possible to in-line inspect all of the objects to be annealed 30 each time the annealing process is completed.

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Abstract

加熱部が、アニール対象物の表面を加熱して表層部を一時的に溶融させる。加熱部によって加熱されたアニール対象物からの熱放射光がセンサによって検出される。処理部が、センサによって検出された熱放射光の強度の時間変化を示す波形に基づいて、アニール対象物のアニール結果を推定する。

Description

アニール装置及びアニール方法
　本発明は、アニール装置及びアニール方法に関する。
　絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の製造工程では、基板の背面から１～３μｍ程度の深い領域にバッファ層が形成される。このため、深い領域にイオン注入されたドーパントを活性化させる必要がある。特許文献１に、深い領域に注入されたドーパントの活性化アニールに適したレーザアニール装置が開示されている。また、半導体ウエハの表層部を溶融させて不純物を活性化させる方法も知られている。
特開２０１３－７４０１９号公報
　半導体ウエハの深さ方向の不純物の活性化率の分布は、活性化アニール時の溶融深さに依存する。アニールプロセスの良否を判定するには、アニール時の溶融深さを知ることが望ましい。本発明の目的は、アニール時の溶融深さを推定することが可能なアニール装置及びアニール方法を提供することである。
　本発明の一観点によると、
　アニール対象物の表面を加熱して表層部を一時的に溶融させる加熱部と、
　前記加熱部によって加熱された前記アニール対象物からの熱放射光を検出するセンサと、
　前記センサによって検出された熱放射光の強度の時間変化を示す波形に基づいて、前記アニール対象物のアニール結果を推定する処理部と
を有するアニール装置が提供される。
　本発明の他の観点によると、
　アニール対象物の表面の一部を加熱して表層部を溶融させ、
　前記アニール対象物の加熱された箇所からの熱放射光の強度の時間変化を示す波形に基づいて、前記アニール対象物のアニール結果を推定するアニール方法が提供される。
　熱放射光の強度の時間変化を示す波形から、溶融時間を求めることができる。加熱時の溶融深さは溶融時間に依存する。したがって、溶融時間から溶融深さ等のアニール結果を推定することができる。
図１は、実施例によるアニール装置の概略図である。 図２は、パルスレーザビームの１回の照射において観測された熱放射光の波形の一例を示すグラフである。 図３は、溶融時間と溶融深さとの関係を示すグラフである。 図４は、実施例によるアニール方法のフローチャートである。 図５は、出力装置に表示された図形の一例を示す図である。 図６Ａは、実際に測定された熱放射光の強度の波形を示すグラフであり、図６Ｂは、図６Ａに示した波形から求めた溶融時間と、熱放射光の強度の波形の面積との関係を示すグラフである。
　図１～図６を参照しながら本願発明の実施例によるアニール装置及びアニール方法について説明する。
　図１は、実施例によるアニール装置の概略図である。チャンバ１０内に走査機構１２によって保持テーブル１３が支持されている。走査機構１２は、処理部４０からの指令を受けて、保持テーブル１３を水平面内で移動させることができる。走査機構１２はエンコーダを含み、保持テーブル１３の現在位置を表す位置情報がエンコーダから処理部４０に読み込まれる。保持テーブル１３の上にアニール対象物３０が保持される。保持テーブル１３は、真空チャック機構を含み、アニール対象物３０を真空吸着して固定する。アニール対象物３０は、例えば、ドーパントが注入されたシリコンウエハ等の半導体ウエハである。実施例によるレーザアニール装置は、例えばドーパントの活性化アニールを行う。
　レーザ光源２０が、処理部４０からの指令を受けて、アニール用のパルスレーザビームを出力する。レーザ光源２０として、例えば緑色の波長域のパルスレーザビームを出力するＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザが用いられる。なお、緑色の波長の光は、第２高調波に相当する。レーザ光源２０から出力されたレーザビームが伝送光学系２１、ダイクロイックミラー２２、及びレンズ２３を経由し、チャンバ１０の天板に設けられたレーザ透過窓１１を透過して、アニール対象物３０に入射する。ダイクロイックミラー２２は、アニール用のパルスレーザビームを透過させる。伝送光学系２１は、例えばビームホモジナイザ、レンズ、ミラー等を含む。ビームホモジナイザとレンズ２３とにより、アニール対象物３０の表面におけるビームスポットが整形され、ビームプロファイルが均一化される。
　アニール対象物３０にパルスレーザビームが入射することにより、アニール対象物３０が局所的に加熱される。アニール対象物３０の加熱された箇所から放射された熱放射光が、レーザ透過窓１１を透過し、レンズ２３を経由し、ダイクロイックミラー２２で反射され、さらにレンズ２４を経由してセンサ２５に入射する。ダイクロイックミラー２２は、波長約９００ｎｍ以上の波長域の熱放射光を反射する。センサ２５は、特定の波長域の熱放射光の強度を測定する。
　プランクの法則によって、黒体からの熱放射光のスペクトルと黒体の温度とが理論的に関連付けられる。実際の物体からの熱放射光のスペクトルは、その物体の放射率と温度に基づいて求めることができる。例えば、実際の物体であるアニール対象物３０からの熱放射光のスペクトルは、アニール対象物３０の温度に依存して変化する。このため、センサ２５で測定される波長域の熱放射光の強度も、アニール対象物３０の温度に依存して変化する。センサ２５による熱放射光の測定結果が電圧値として処理部４０に入力される。
　レンズ２３及びレンズ２４は、アニール対象物３０の表面を、センサ２５の受光面に結像させる。これにより、センサ２５の受光面に対して共役な関係を持つアニール対象物３０の表面の領域から放射される熱放射光の強度が測定される。測定対象となる表面の領域は、例えばレーザビームのビームスポットの内部に含まれるように設定される。
　処理部４０は、走査機構１２を制御して、保持テーブル１３に保持されているアニール対象物３０を水平面内の二次元方向に移動させる。さらに、保持テーブル１３の現在位置情報に基づいて、レーザ光源２０を制御してレーザ光源２０からパルスレーザビームを出力させる。アニール対象物３０を移動させながらパルスレーザビームを出力すると、アニール対象物３０の表面内において加熱箇所が移動する。
　さらに、処理部４０は、レーザ光源２０から出力されるパルスレーザビームの各ショットに同期して、パルスレーザビームの照射ごとに、センサ２５の検出結果から熱放射光の強度の時間変化を示す波形（以下、「熱放射光の強度の波形」という。）を取得する。取得された熱放射光の強度の波形は、アニール対象物３０の面内の位置と関連付けて、記憶装置４１に記憶される。
　本実施例では、１つのレーザパルス（第１パルス）を入射させ、極短い遅延時間が経過した後、次のレーザパルス（第２パルス）を入射させる処理を１回の照射として、複数回の照射を繰り返す。第２パルスの入射は、第１パルスの入射による発熱の影響が残っている期間に行う。このように、２つのレーザパルスを組み合わせて１回の照射を行うアニールを、本明細書において「ダブルパルスアニール」という。ダブルパルスアニールの手法を採用することにより、パルス幅を任意に調整することが困難なレーザ発振器を用いる場合に、実質的にパルス幅を長くしたのと同等の効果が得られる。
　処理部４０は、アニール対象物３０の表面内における熱放射光の強度分布の情報を、画像、グラフ、または数値として出力装置４２に出力する。出力装置４２は、画像を表示する表示部を含んでいる。
　図２は、パルスレーザビームの１回の照射において観測された熱放射光の波形の一例を、レーザパルスのタイミングチャートと重ねて示すグラフである。横軸は経過時間を表し、縦軸はセンサ２５の出力電圧を表す。センサ２５の出力電圧の時間変化は、アニール対象物３０の温度の時間変化と考えることができる。
　第１パルスＬＰ１の入射によってアニール対象物３０の温度が上昇し、ピークＰ１が現れる。この時点で、アニール対象物３０の表面の温度が融点に達する。表面の温度が融点に達することにより、アニール対象物３０の表面で溶融が始まる。ピークＰ１の後に続くやや平坦な部分Ｂ１は、第１パルスＬＰ１の入射によって投入されるエネルギが融解熱として消費されている期間を示している。投入されたエネルギが融解熱として消費されることにより深さ方向への溶融が進む。この期間も第１パルスＬＰ１の入射が継続しているため、温度は緩やかに上昇している。第１パルスＬＰ１の入射が終了すると温度が下降し始め、固化が始まる。
　その後、第２パルスＬＰ２の入射によってアニール対象物３０の温度が再度上昇し、ピークＰ２が現れる。この時に、アニール対象物３０の表面が再溶融する。その後、溶融が深さ方向に進む。第２パルスＬＰ２が入射している期間に、センサ２５（図１）の出力電圧が上昇した後、低下し始める。
　ピークＰ２が現れた後、センサ２５の出力電圧が上昇する理由として、以下の２点が考えられる。第１点として、アニール対象物３０の表面が溶融して液体になることにより、固体の時と比べて温度がより高くなり、放射光の強度が強くなる。第２点として、センサ２５で放射光の強度を検出している観測対象領域のうち溶融した部分の面積が広がることにより、センサ２５で観測される放射光の強度が強くなる。上記２点の理由により、センサ２５の出力電圧が上昇する。
　センサ２５の出力電圧が低下している期間は、表面近傍の熱が深い領域に伝わること、及び表面からの放熱により、表面近傍の温度が低下していることを意味する。
　第２パルスＬＰ２の入射が終了すると、温度が継続して下降し、深い領域から浅い領域に向かって固化が進む。温度が徐々に下降しているときに表れているピークＰ３は、表面まで固化が進んだ時に液相から固相への相転移によって生じた発熱が一時的な温度上昇として観測されたためと考えられる。このため、ピークＰ２からピークＰ３までの経過時間が第２パルスＬＰ２の入射による溶融時間に相当する。
　図３は、溶融時間と溶融深さとの関係の一例を示すグラフである。溶融時間と溶融深さとの関係は、実際に評価用試料をアニールする評価実験を行って求めることができる。以下、評価実験の一例について説明する。
　ドーパントとしてボロンがイオン注入されたシリコン等の半導体ウエハにパルスレーザビームを入射させてアニールを行う。アニールによって溶融した領域においては、ドーパントが液体中を拡散することにより、ドーパント濃度が深さ方向に関してほぼ一定になる。溶融した領域と溶融していない領域との界面より深い領域では、深くなるに従ってドーパント濃度が急激に低下する。このため、半導体ウエハの深さ方向のドーパントの濃度分布を測定することにより、溶融深さを決定することができる。深さ方向のドーパント濃度分布は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することができる。アニール中における溶融時間は、図２に示したセンサの出力電圧の時間波形から求めることができる。
　実際に評価実験を行って求めた溶融時間と溶融深さとの関係を図３に示す。評価実験は、パルスエネルギ密度が２．２Ｊ／ｃｍ２、１．８Ｊ／ｃｍ２、及び１．４Ｊ／ｃｍ２の３通りの条件で行った。図３には、実際の測定結果を丸記号で示すとともに、その近似曲線を示している。溶融時間が長くなるに従って、溶融深さが深くなっている。図３に示した溶融時間と溶融深さとの関係は、予め記憶装置４１に記憶されている。
　図４は、実施例によるアニール方法のフローチャートである。
　保持テーブル１３にアニール対象物３０を保持させた後、処理部４０がレーザ光源２０を制御して、パルスレーザビームの出力を開始させる。さらに、走査機構１２を制御して保持テーブル１３に保持されているアニール対象物３０の移動を開始させる（ステップＳ１）。これにより、アニール対象物３０の表面の、パルスレーザビームによる走査が開始される。
　処理部４０は、センサ２５から熱放射光の強度の測定値を読み出し、パルスレーザビームの入射位置と関連付けて読み出し結果を記憶装置４１に記憶させる（ステップＳ２）。アニール対象物３０の表面の全域がパルスレーザビームで走査されるまでステップＳ２を実行する（ステップＳ３）。アニール対象物３０の表面の全域がパルスレーザビームで走査されたら、処理部４０はレーザ光源２０からのパルスレーザビームの出力を終了させる。さらに、走査機構１２による保持テーブル１３の移動を終了させる（ステップＳ４）。
　次に、処理部４０は記憶装置４１に記憶されている熱放射光の強度の測定値を読み出し、熱放射光の強度の波形に基づいてアニール結果を推定する（ステップＳ５）。具体的には、熱放射光の強度の波形の特徴的な形状に基づいて溶融時間を算出する。例えば、図２に示した波形のピークＰ２及びピークＰ３を検出し、ピークＰ２からピークＰ３までの経過時間、すなわち第２パルスによる溶融時間を算出する。その後、算出された溶融時間と、図３に示した溶融時間と溶融深さとの関係に基づいて、アニール対象物３０の表面内の位置ごとの溶融深さを推定する。
　アニール結果の推定の後、処理部４０は推定結果を出力装置４２に出力する。例えば、アニール対象物３０の表面内における溶融深さの分布を色分けした画像で表示させる。
　図５は、出力装置４２に表示された画像の一例を示す図である。アニール対象物３０の表面が、溶融深さに応じて色分けされて表示画面に表示されている。
　次に、本実施例の優れた効果について説明する。
　本実施例では、アニール処理後に他の装置でシート抵抗の測定や、広がり抵抗の測定を行うことなくアニール処理時に一時的に溶融した部分の溶融深さの分布を推定することができる。オペレータは、出力装置４２に表示された情報を見て、アニール処理が正常であったか否かを判定することができる。
　アニール対象物３０の表面に参照光を入射させ、その反射光の強度を検出することによっても、溶融時間を求めることが可能である。参照光と反射光とを利用する方法に対し、本実施例では、通常のアニール処理中にアニール対象物３０から放射される熱放射光の強度を検出するため、アニール対象物３０に参照光を入射させる光学系を配置することなく溶融深さを推定することができる。
　次に、上記実施例の種々の変形例について説明する。
　上記実施例では、ステップＳ４においてアニール対象物３０に対するアニール処理が終了した後に、ステップＳ５において熱放射光の波形に基づいてアニール結果を推定している。レーザパルスの入射ごとにステップＳ２で熱放射光の強度の測定が終了したら、レーザパルスが入射した領域についてアニール結果を推定する処理を行うことが可能である。従って、アニールを行っている期間に、既にアニールが終了した領域のアニール結果を推定する処理を並行して実行してもよい。
　上記実施例では、ダブルパルスアニールの手法を適用したが、必ずしもこの手法を適用する必要はない。例えば、１つのレーザパルスを入射させることにより、１回の照射を完了させてもよい。この場合には、図２に示した熱放射光の強度の波形に、溶融開始に対応するピークＰ１とピークＰ２との２つのピークが現れず、１つのピークのみが現れる。この場合には、溶融開始に相当する１つのピークから、完全固化に対応するピークＰ３までの時間を溶融時間と考えればよい。また、実効的なパルス幅をさらに長くしたい場合には、３つ以上のレーザパルスを極短時間の遅延時間を設けてアニール対象物３０に入射させてもよい。
　上記実施例では、図１に示したレーザ光源２０、伝送光学系２１、及びレンズ２３がアニール対象物３０を加熱する加熱部としての機能を持つ。上記実施例では、アニール用のパルスレーザビームとして、緑色の波長域のものを用いたが、アニール対象物３０の表層部を溶融させることができる他の波長域のパルスレーザビームを用いてもよい。また、加熱のためのパルスレーザビームに代えて、他のエネルギビームを用いてもよい。このように、加熱部としてレーザ光源以外の加熱機能を持つ装置を用いてもよい。
　また、上記実施例では、処理部４０がアニール結果を推定し、この推定結果を出力装置４２に出力させた。処理部４０が、アニール結果（溶融深さ）の推定を行い、さらに、溶融深さの推定結果に基づいてアニール処理の良否を判定する機能を持つとよい。例えば、処理部４０は、溶融深さが許容範囲から外れた場合に、アニール処理は不良であったと判定し、溶融深さが許容範囲に収まっている場合に、アニール結果が良好であったと判定するとよい。さらに、アニール結果が良好であった場合には、処理部４０は、アニール処理後のアニール対象物３０を次のプロセスに進める処理を行い、アニール結果が不良であると判定した場合には、出力装置４２から警報を発出させてオペレータに不良の発生を知らせるとよい。
　次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して他の実施例によるアニール装置及びアニール方法について説明する。以下、図１～図５を参照して説明した実施例によるアニール装置及びアニール方法と共通の構成については説明を省略する。
　図１～図５を参照して説明した実施例では、熱放射光の強度の波形の特徴的な形状を検出し、その形状に基づいて溶融時間を算出する。これに対し、本実施例では、熱放射光の強度の波形の面積に基づいて溶融時間を算出する。図６Ａ及び図６Ｂを参照して、熱放射光の強度の波形から溶融時間を算出する方法について説明する。
　１パルス当たりのエネルギ密度（パルスエネルギ密度）が異なる複数の条件で実際にアニール処理を行い、溶融時間と波形の面積とを求めた。
　図６Ａは、実際に測定された熱放射光の強度の波形を示すグラフである。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸はセンサ２５（図１）の出力電圧を単位「ｍＶ」で表す。すなわち、図６に示したグラフの縦軸は、熱放射光の強度を表している。グラフ中の細い実線ｅ１、破線ｅ２、及び太い実線ｅ３は、それぞれパルスエネルギ密度が１．４Ｊ／ｃｍ２、１．８Ｊ／ｃｍ２、２．２Ｊ／ｃｍ２の条件でアニールを行ったときの熱放射光の強度の波形を示す。
　図６Ｂは、図６Ａに示した波形から求めた溶融時間と、熱放射光の強度の波形の面積との関係を示すグラフである。横軸は溶融時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は波形の面積を単位「ｎＷｂ」で表す。ここで、波形の面積として、第１パルスの入射によって波形がベースレベルから立ち上がった時点から、第２パルスの入射が終了して波形がベースレベルに戻るまでの期間の面積を採用した。溶融時間ｔと波形の面積Ｓとは、ほぼ線型の関係を持つことがわかる。図６Ｂに示したグラフから、以下の近似式が導き出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、Ｓ及びｔは、それぞれ波形の面積及び溶融時間を表す。Ａ及びＣは定数である。
　波形の面積Ｓの算出結果と、図６Ｂに示した関係のグラフまたは式（１）から溶融時間ｔを求めることができる。溶融時間ｔが求まると、図３に示した関係に基づいて、溶融深さを求めることができる。
　次に、本実施例の優れた効果について説明する。
　本実施例では、熱放射光の強度の波形の特徴的な形状を検出することなく、波形の面積を算出することにより、溶融深さを推定することができる。波形の面積の算出は、例えば、センサ２５（図１）から所定の時間刻み幅で得られた出力電圧値を単純に足し合わせることにより行うことができる。これに対し、波形の特徴的な形状を検出するには、波形に重畳されているノイズを除去する処理、微分演算、比較判定処理等を行わなければならない。従って、波形の面積を算出する処理は、波形の特徴的な形状を検出する処理に比べて短時間で完了する。このため、本実施例による方法を用いると、アニール対象物３０のアニール処理が終了するごとに、全数をインライン検査することが可能になる。
　上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例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　チャンバ
１１　レーザ透過窓
１２　走査機構
１３　保持テーブル
２０　レーザ光源
２１　伝送光学系
２２　ダイクロイックミラー
２３、２４　レンズ
２５　センサ
３０　アニール対象物
４０　処理部
４１　記憶装置
４２　出力装置

Claims (6)

  1. 　アニール対象物の表面を加熱して表層部を一時的に溶融させる加熱部と、
    　前記加熱部によって加熱された前記アニール対象物からの熱放射光を検出するセンサと、
    　前記センサによって検出された熱放射光の強度の時間変化を示す波形に基づいて、前記アニール対象物のアニール結果を推定する処理部と
    を有するアニール装置。
  2. 　前記処理部は、前記センサで検出された熱放射光の強度の時間変化を示す波形の特徴的な形状に基づいて、前記アニール対象物の表層部の溶融時間を求め、溶融時間に基づいて前記アニール対象物の表層部の溶融深さを推定する請求項１に記載のアニール装置。
  3. 　前記処理部は、前記センサで検出された熱放射光の強度の時間変化を示す波形の面積に基づいて、前記アニール対象物の表層部の溶融深さを推定する請求項１に記載のアニール装置。
  4. 　さらに、画像を表示する表示部を有し、
    　前記加熱部は、前記アニール対象物の表面上において加熱箇所を移動させ、
    　前記処理部は、前記アニール対象物の表面内の位置と、推定された溶融深さとを関連付けて、溶融深さの分布を前記表示部に表示する請求項２または３に記載のアニール装置。
  5. 　前記処理部は、前記センサによって検出された熱放射光の強度に基づいてアニール結果の良否を判定する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアニール装置。
  6. 　アニール対象物の表面の一部を加熱して表層部を溶融させ、
    　前記アニール対象物の加熱された箇所からの熱放射光の強度の時間変化を示す波形に基づいて、前記アニール対象物のアニール結果を推定するアニール方法。
     
     
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