JP2014022605A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】開放型の不活性ガス雰囲気アニールの生産性かつアニールの均一性を向上させること。
【解決手段】上面において基板３０を支持するステージと、前記基板３０に上方からレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記基板３０の外周に沿って配置され、前記外周より外側に向かうに従い上方に傾斜した傾斜面１１に沿って不活性ガスを前記基板３０の上面に出射する出射部２５と、を具備するレーザアニール装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザアニール装置に関し、例えば基板上面に不活性ガスを出射するレーザアニール装置に関する。

半導体基板等の基板にレーザ光を照射することにより、基板を熱処理することが知られている。例えば、特許文献１には、ＳｉＣ基板の表面に金属膜を形成し、ＳｉＣのエネルギーバンドのバンドギャップに対応する波長より充分に大きな波長を有するレーザ光を金属膜に照射する。これにより、金属膜を加熱し、金属膜とＳｉＣ基板とをオーミック接触させて金属膜よりオーミック電極を形成するレーザアニール方法が記載されている。

特許文献２には、密閉容器内に基板を配置し、不活性ガス、還元性ガスを密閉用器内に導入する。密閉容器に設けられたレーザ透過窓を介しレーザ光を基板に照射するレーザアニール装置が開示されている。

特許文献３には、基板と対向して平行対向体を設け、基板と平行対向体との間に不活性ガスを流す。平行対向体にはレーザ透過窓が設けられており、レーザ光を平行対向体とともに走査することにより、基板表面を熱処理するレーザアニール装置が開示されている。

特許第３１８４１１５号公報 特開２０１１−１７１５５１号公報 特開２００８−２４４１９５号公報

特許文献１に係るレーザアニール方法では、大気中においてアニールされるため、酸素雰囲気中でのアニールを避けたい場合には好ましい方法ではない。特許文献２に係るレーザアニール装置は、不活性ガス雰囲気におけるアニールが可能であるが、密閉用器を用いるため装置が大型化し、密閉容器内を所定のガス雰囲気とするには時間を要する。また、レーザ透過窓を介してレーザ光を基板に照射するため、透過窓を介したレーザ光のエネルギーが透過前と比較して低下する。このように、レーザ光の効率性が悪くなる。さらに、透過窓にゴミなどが付着していた場合には、透過窓に損傷が生じやすい。透過窓に付着したゴミや透過窓の損傷は、アニールのムラの原因となる。特許文献３のレーザアニール装置は、大型の密閉容器を用いない開放型であるものの、平行対向体をレーザ光とともに走査するため、走査に時間が長くなる。また、特許文献２と同様にレーザ透過窓を介してレーザ光を基板に照射する。このように、特許文献２および３においては、生産性が悪い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、開放型の不活性ガス雰囲気アニールの生産性を向上させ、かつアニールの均一性を向上させることを目的とする。

本発明は、上面において基板を支持するステージと、前記基板に上方からレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記基板の外周に沿って前記外周の外側に配置され、不活性ガスを前記基板の上面に出射する出射部と、を具備することを特徴とするレーザアニール装置である。本発明によれば、開放型の不活性ガス雰囲気アニールの生産性およびアニールの均一性を向上させることができる。

上記構成において、前記出射部は、前記外周より外側に向かうに従い上方に傾斜した傾斜面に沿って不活性ガスを前記基板の上面に出射する構成とすることができる。

上記構成において、前記出射部は、前記傾斜面の外側に設けられ前記傾斜面より上方に突起した突起部を有する第１部材と、前記突起部の上面および前記基板側の側面に沿って前記不活性ガスを前記傾斜面に出射するスリットが形成されるように前記第１部材上に配置された第２部材と、を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記第１部材は、前記突起部の外側に形成された溝部と前記溝部に前記不活性ガスを導入する導入部を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記出射部は、前記基板の全周から前記不活性ガスを前記基板の上面に出射する構成とすることができる。

上記構成において、前記出射部は、前記基板の外周に前記不活性ガスを出射する複数の出射口を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の出射口は、前記基板の中心に対し斜めに前記不活性ガスを出射する構成とすることができる。

本発明は、上面において基板を支持するステージと、前記基板に上方からレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記基板の上面に上方より不活性ガスを出射する第１出射部と、前記基板の外側に周囲に上方より不活性ガスを出射する第２出射部と、を具備することを特徴とするレーザアニール装置である。

本発明は、上面において基板を支持するステージと、前記基板にレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記基板の上面に上方より不活性ガスを出射する出射部と、前記基板の外側に周囲から上方にガスを吸引する吸引部と、を具備することを特徴とするレーザアニール装置である。

本発明によれば、開放型の不活性ガス雰囲気アニールの生産性およびアニールの均一性を向上させることができる。

図１は、実施例１に係るレーザアニール装置の模式図である。 図２（ａ）は、出射部の平面図、図２（ｂ）は、出射部のうち第１部材の平面図である。 図３（ａ）は、第１部材の断面斜視図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、出射部の断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ窒素ガスを照射しないサンプルおよび照射したサンプルのＮｉ膜上面の顕微鏡写真である。 図５（ａ）は、実施例２の第１部材の平面図、図５（ｂ）は、第１部材の断面斜視図である。 図６は、第１部材内の不揮発性ガスの流れを示す図である。 図７は、実施例３に係るレーザアニール装置の模式図である。 図８（ａ）は、第１出射部および第２出射部の平面図、図８（ｂ）は断面図、図８（ｃ）は細孔部の拡大図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係るレーザアニール装置の模式図である。図１を参照し、レーザアニール装置１００は、レーザ光学系４１、出射部２５、ステージ３４、吸着パッド３２および光学定盤４０を備えている。レーザ光学系４１は、レーザ４８、光学系４６、スキャナ４４および集光レンズ４２を備えている。光学定盤４０上に光学系４６およびスキャナ４４が配置されている。光学定盤４０には、開口が設けられ、開口内に集光レンズ４２が設けられている。レーザ４８が出射したレーザ光４５は光学系４６を介しスキャナ４４に達する。スキャナ４４は、駆動素子に取り付けられたミラーを有している。スキャナ４４は、ミラーを駆動することにより、レーザ光４５を基板３０上に走査させる。スキャナ４４としてはガルバノスキャナを用いることができる。ポリゴンミラーを用いてもよい。スキャナ４４により、レーザ光４５を高速に走査することができる。集光レンズ４２は、レーザ光４５を基板３０上面で合焦させる。集光レンズ４２としては、例えばｆθレンズを用いることができる。また集光レンズ４２は、スキャナ４４の前に設けてもよい。さらに、レーザ光学系４１は、ホモジナイザのような均一光学素子を備えていてもよい。このように、レーザ光学系４１により、基板３０に上方からレーザ光４５が照射される。

ステージ３４には、吸着パッド３２が設けられ、吸着パッド３２上に基板３０が真空吸着される。これにより、基板３０がステージ３４の上面に支持される。ステージ３４の基板の外周外側には出射部２５が設けられている。出射部２５は基板３０の上面に不活性ガスを出射する。ステージ３４は固定されており、スキャナ４４により走査されたレーザ光４５が基板３０に照射されてもよい。また、ステージ３４が駆動し、スキャナ４４とステージ３４の駆動により、レーザ光４５を基板３０の上面に照射してもよい。さらに、スキャナ４４を用いず、ステージ３４の駆動により、レーザ光４５を基板３０の上面に照射してもよい。

図２（ａ）は、出射部の平面図、図２（ｂ）は、出射部のうち第１部材の平面図である。図３（ａ）は、第１部材の断面斜視図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、出射部の断面図である。図３（ａ）に示すように、出射部２５は、基板３０の外周に沿って配置される。出射部２５は、例えばドーナツ形状を有する。出射部２５の内周が基板３０の外周に沿って設けられている。出射部２５の内周と外周とは例えば同心円状である。出射部２５の形状は同心円には限られない。出射部２５には点線矢印２６のように、４方向から不活性ガスが導入される。不活性ガスは、点線矢印２６のように、基板３０の外周から基板３０上面に出射される。出射部２５は、第１部材１０と第２部材２０とを備えている。

図２（ｂ）および図３（ａ）に示すように、不活性ガスは、ガス供給管３８、メインガス供給管３７およびサブガス供給管３６を介し第１部材１０の４箇所のガス導入孔１６から第１部材１０内に導入される。ガス導入箇所は４箇所には限定されない。ガス供給管３８として、例えばＬＭガイド（登録商標）を用いることにより、ステージ３４を駆動する場合に、ガス供給管３８が、ステージ３４の駆動と機械的に干渉することを抑制できる。第１部材１０の上面には、内側より、傾斜面１１、突起部１２、溝部１３、突起部１４、溝部１５および段差部１９が例えば同心円状に形成されている。ガス導入孔１６は、溝部１３に下部に接続している。

図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、第１部材１０の溝部１５にＯリングが設けられ、第１部材１０上に第２部材２０が配置される。第２部材２０は、突起部１２の上面と基板３０側の側面との間にスリット２４を形成するように設けられる。これにより、図３（ｃ）に示しように、ガス導入孔１６から導入された不活性ガスは、矢印２７のように、溝部１３を上昇し、突起部１２の上面と側面と第２部材２とにより形成されたスリット２４を介し傾斜面１１の外端に至る。不活性ガスは傾斜面１１に沿って基板３０の上面に照射される。

実施例１に係るレーザアニール装置を用い、ＳｉＣ基板の上面（ＳｉＣを用いた半導体装置としては背面）にオーミック電極を形成する熱処理を行なった。まず、ＳｉＣ（炭化シリコン）基板の上面に膜厚が５０ｎｍから２００ｎｍのＮｉ（ニッケル）膜を成膜する。実施例１に係るレーザアニール装置を用いＮｉ膜を熱処理する。レーザとしては紫外線パルスレーザを用いた。熱処理時に、不活性ガスとして窒素ガスを基板３０上面に照射したサンプルと、窒素ガスを照射しないサンプルを作製した。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ窒素ガスを照射しないサンプルおよび照射したサンプルの顕微鏡写真である。Ｎｉ膜上面の凹凸は、窒素ガスを照射しないサンプルにおいては数１００μｍであり、照射したサンプルにおいては数１０μｍであった。大気中でアニールした場合、大気中の酸素により、基板表面にプラズマが発生する。基板３０上面に酸化膜が形成される。金属膜が溶融した際に酸素が取り込まれる。これらの少なくとも１つの要因により、基板３０の上面に図４（ａ）のような凹凸が形成されたと考えられる。実施例１に係るレーザアニール装置を用いた場合、図４（ｂ）のように、基板３０の上面の雰囲気の酸素濃度が低下するため、凹凸が抑制されたものと考えられる。実施例１に係るレーザアニール装置の適用例として、ＳｉＣ基板の上面形成したＮｉ膜を熱処理する例を説明したが、不活性ガス雰囲気で熱処理することが好ましいアニールに実施例１に係るレーザアニール装置を用いることができる。他の実施例に係るレーザアニール装置も同様である。

実施例１によれば、出射部２５は、基板３０の外周に沿って外周の外側に配置され、不活性ガスを基板３０の上面に出射する。これにより、基板３０の上面に不活性ガス雰囲気を形成できる。よって、基板３０の上面における酸素等の濃度を低減できる。さらに、出射部２５は、基板３０の上方には配置されておらず、基板３０の上面が開放されており、特許文献２および３のように、レーザ透過窓が設けられていない。よって、レーザ光のエネルギーが低下しない。さらに、透過窓に付着したゴミおよび／または透過窓の損傷によりアニールのムラが生じることもない。さらに、特許文献２のように密閉容器を用いないため、小型化が可能である。また、密閉容器内を所定のガス雰囲気とするための時間を要しない。さらに、出射部２５はステージ３４に対し固定されており、特許文献３のように不活性ガスを照射する出射部２５をレーザ光と同期して走査しない。これにより、レーザ光の走査速度を向上できる。例えばスキャナ４４を用いレーザ光を走査することにより、レーザ光の走査速度を向上できる。このように、レーザアニール装置の生産性を向上させ、かつアニールの均一性を向上させることができる。

また、出射部２５は、基板３０の外周より外側に向かうに従い上方に傾斜した傾斜面１１に沿って不活性ガスを基板３０の上面に出射する。これにより、不活性ガスが出射される際に大気を巻き込むことを抑制でき、基板３０の上面に均一に不活性ガス雰囲気を形成できる。

さらに、傾斜面１１は、基板３０の全周渡り形成されている。これにより、基板３０の上面により均一に不活性ガス雰囲気を形成できる。

さらに、出射部２５は、傾斜面１１の外端上に不活性ガスを出射するスリット２４を有する。これにより、不活性ガスが傾斜面に沿って出射される。また、不活性ガスの流れが矢印２７のように湾曲するため、大気を巻き込むことをより抑制できる。

さらに、第１部材１０は、傾斜面１１の外側に設けられ傾斜面１１より上方に突起した突起部１２を有する。第２部材２０は、突起部１２の上面および基板３０側の側面に沿ってスリット２４が形成されるように第１部材１０上に配置されている。このようにして、スリット２４を形成することができる。さらに、図３（ｃ）の矢印２８のように、第２部材２０を第１部材１０に対し上下させることにより、不活性ガスの流量を調整することができる。

さらに、第１部材１０は、突起部１２の外側に形成された溝部１３と溝部１３に不活性ガスを導入するガス導入孔１６（導入部）を有する。これにより、不活性ガスが突起部１２に沿って流れるため、スリット２４の先端からの大気の巻き込みをより抑制できる。

突起部１２は、傾斜面１１の外側に全周に渡り形成され、溝部１３は、突起部外側に全周に渡り形成されていることが好ましい。これにより、不活性ガスがガス導入孔１６を介し数箇所から出射部２５内に導入された場合であっても、不活性ガスは、全周から対称に出射される。よって、基板３０の上面を不活性ガスで覆うことができる。

図５（ａ）は、実施例２の第１部材の平面図、図５（ｂ）は、第１部材の断面斜視図である。なお、図５（ｂ）においては、突起部１４および溝部１５の図示を省略している。図６は、第１部材内の不揮発性ガスの流れを示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、突起部１２の内側に凹部と凸部が形成されている。第１部材１０上に実施例１と同様の第２部材２０を配置することにより、凹部は出射口１８、凸部は遮蔽部１７となる。図６に示すように、ガス導入孔１６から導入された不活性ガスは、矢印２６のように、溝部１３から出射口１８を介し基板３０の上面に出射される。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２によれば、出射部２５は、基板３０の外周に不活性ガスを出射する複数の出射口１８を有する。これにより、基板３０の上面に不活性ガスを照射することができる。

図６に示すように、複数の出射口１８は、基板３０の中心に対し斜めに不活性ガスを出射することが好ましい。これにより、不活性ガスが渦を巻くように不活性ガスを基板３０の上面に出射できる。よって、基板３０の上面上に均一な不活性ガス雰囲気を形成できる。

また、溝部１３により、不活性ガスがガス導入孔１６を介し数箇所から出射部２５内に導入された場合であっても、不活性ガスは、複数の出射口１８から同程度の流量で出射される。基板３０の上面への均一な不活性ガスの照射のため、複数の出射口１８は、等間隔で設けられることが好ましい。

図７は、実施例３に係るレーザアニール装置の模式図である。光学定盤４０下にベース５４が取り付けられている。ベース５４は例えば円筒形状である。ベース５４が筒型のため、レーザ光４５を筒内を通過させ基板３０の上面に照射できる。ベース５４下には第１出射部５０および第２出射部５２が設けられている。第１出射部５０は、矢印８０のように基板３０の上面に上方から不活性ガスを照射する。第２出射部５２は、矢印８２のように下方に不活性ガスを出射し、基板３０の外側に不活性ガスのカーテンを形成する。

図８（ａ）は、第１出射部および第２出射部の平面図、図８（ｂ）は断面図、図８（ｃ）は細孔部の拡大図である。図８（ａ）に示すように、第１出射部５０の外側に第２出射部５２が設けられている。第２出射部５２には出射孔５８が設けられている。第１出射部５０は、実施例１または実施例２の出射部２５を用いてもよい。または、他の構造でもよい。

図８（ｂ）に示すように、ガス導入管６０はガス導入管６２と６４に分岐されている。ガス導入管６４から供給された不活性ガスは第１出射部５０が出射される。ガス導入管６２から供給された不活性ガスは、第２出射部５２に設けられた細孔部５６を介して出射される。図８（ｃ）に示すように、細孔部５６には多数の出射孔５８が設けられている。出射孔５８は例えばテーパ形状を有している。

実施例３によれば、第１出射部５０が基板３０の上面に上方より不活性ガスを出射する。第２出射部５２が基板３０の外側に周囲に上方より不活性ガスを出射する。第２出射部５２により、基板３０の外側に不活性ガスのカーテンを形成できる。これにより、第１出射部５０から出射された不活性ガスが大気を巻き込むことを抑制できる。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例４に係るレーザアニール装置の模式図である。ベース５４下に第１出射部５０および吸引部７０が設けられている。吸引部７０は、プロペラ７２およびプロペラ取り付け部７６を備えている。プロペラ７２上には吸引した空気のを排出する排出孔７４が形成されている。図９（ａ）のように、第１出射部５０は、矢印８０のように、不活性ガスを出射する。吸引部７０は、プロペラを回転することにより、矢印８４のように基板３０の外側の空気を吸引する。その他の構成は、実施例４と同じであり説明を省略する。

実施例４によれば、吸引部７０が基板３０の外側から上方にガスを吸引する。これにより、基板３０の上面に空気が入り込むことを抑制し、基板３０の上面の酸素濃度を抑制できる。吸引部７０は、プロペラ以外の機構によりガスを吸引してもよい。

また、実施例３の第２出射部５２と実施例４の吸引部７０を同時に設けることもできる。

実施例３および４によれば、第１出射部５０を基板３０から離して設けることができる。このため、例えば基板搬送装置が基板３０をステージ３４上に搬送する場合、出射部等が基板３０の搬送の妨げになることを抑制できる。

実施例１から４において、ＳｉＣ基板の上面に形成された金属膜の熱処理を行なうためには、２４０ｎｍから３８０ｎｍの波長を有するレーザ光であることが好ましい。レーザとして、ＫｒＦレーザ（波長が２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザ（波長が３０８ｎｍ）およびＸｅＦレーザ（波長が３５３ｎｍ）等のエキシマレーザ、またはＹＡＧ、ＹＬＦおよびＹＶＯ_４等の固体レーザを用いることができる。実施例１から４に係るレーザアニール装置を用い、ＳｉＣ基板の基板を熱処理することもできる。レーザの種類、波長は熱処理する基板等により適宜選択することができる。不活性ガスとしては、例えば、窒素ガス、長周期表第１８元素（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、ウンウンオクチウム）等、またはこれらの混合ガスを用いることができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 第１部材
１１ 傾斜面
１２、１４ 突起部
１３、１５ 溝部
１６ ガス導入孔
２０ 第２部材
２５ 出射部
３４ ステージ
４１ レーザ光学系
５０ 第１出射部
５２ 第２出射部
７０ 吸引部

Claims (9)

1. 上面において基板を支持するステージと、
   前記基板に上方からレーザ光を照射するレーザ光学系と、
   前記基板の外周に沿って前記外周の外側に配置され、不活性ガスを前記基板の上面に出射する出射部と、
   を具備することを特徴とするレーザアニール装置。
2. 前記出射部は、前記外周より外側に向かうに従い上方に傾斜した傾斜面に沿って不活性ガスを前記基板の上面に出射することを特徴とする請求項１記載のレーザアニール装置。
3. 前記出射部は、前記傾斜面の外側に設けられ前記傾斜面より上方に突起した突起部を有する第１部材と、前記突起部の上面および前記基板側の側面に沿って前記不活性ガスを前記傾斜面に出射するスリットが形成されるように前記第１部材上に配置された第２部材と、を有することを特徴とする請求項２記載のレーザアニール装置。
4. 前記第１部材は、前記突起部の外側に形成された溝部と前記溝部に前記不活性ガスを導入する導入部を有することを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
5. 前記出射部は、前記基板の全周から前記不活性ガスを前記基板の上面に出射することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のレーザアニール装置。
6. 前記出射部は、前記基板の外周に前記不活性ガスを出射する複数の出射口を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のレーザアニール装置。
7. 前記複数の出射口は、前記基板の中心に対し斜めに前記不活性ガスを出射することを特徴とする請求項６記載のレーザアニール装置。
8. 上面において基板を支持するステージと、
   前記基板に上方からレーザ光を照射するレーザ光学系と、
   前記基板の上面に上方より不活性ガスを出射する第１出射部と、
   前記基板の外側に周囲に上方より不活性ガスを出射する第２出射部と、
   を具備することを特徴とするレーザアニール装置。
9. 上面において基板を支持するステージと、
   前記基板にレーザ光を照射するレーザ光学系と、
   前記基板の上面に上方より不活性ガスを出射する出射部と、
   前記基板の外側に周囲から上方にガスを吸引する吸引部と、
   を具備することを特徴とするレーザアニール装置。

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