JP2015010017A - Doping method using laser - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザ光を用いたドーピング方法に関するものである。 The present invention relates to a doping method using laser light.
半導体基板などの電気的特性を変化させるため、不純物をドーピングするイオン注入法が用いられている。注入したイオンの量などにより、電気的特性を調整することができる。 In order to change electrical characteristics of a semiconductor substrate or the like, an ion implantation method for doping impurities is used. The electrical characteristics can be adjusted depending on the amount of implanted ions.
また、熱拡散法も用いられている。ウェハー表面に不純物を含むガスを高温にして吹き付け、ウェハー内に拡散させるものである。 A thermal diffusion method is also used. A gas containing impurities is sprayed at a high temperature on the wafer surface and diffused into the wafer.
一方、レーザ光を用いてガラスなどに加工を施す方法が開示されている。たとえば、特許文献1には、レーザ光を集光照射して、ガラスに亀裂又は損傷を与えて彫り込んで、その内部に三次元画像を形成する装置が開示されている。 On the other hand, a method of processing glass or the like using laser light is disclosed. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus for forming a three-dimensional image in a glass beam by condensing and irradiating a laser beam to crack or damage glass.
しかしながら、イオン注入法を用いた場合には、イオンの打ち込みにより格子が損傷する。このため、アニールなどの熱処理を行って損傷した結晶を回復させる必要があり、工程が煩雑となっていた。 However, when the ion implantation method is used, the lattice is damaged by the ion implantation. For this reason, it is necessary to recover a damaged crystal by performing a heat treatment such as annealing, and the process becomes complicated.
一方、熱拡散法では別工程としてアニールなど熱処理が必要でないものの、ドーピングしたい範囲を正確に制御することが難しかった。 On the other hand, although the thermal diffusion method does not require a heat treatment such as annealing as a separate step, it is difficult to accurately control the range to be doped.
また、特許文献1に記載の従来技術においては、レーザを用いてガラス内に所望の三次元形状を彫り込む点が開示されているものの、ガラス内に不純物などをドーピングする加工については開示されていない。 In addition, in the prior art described in Patent Document 1, although a point in which a desired three-dimensional shape is engraved in glass using a laser is disclosed, processing for doping impurities or the like in glass is disclosed. Absent.
この発明は、レーザ光を用いてガラスなどの基体内にドープ材料をドープする方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method of doping a doping material into a substrate such as glass using a laser beam.
(1)この発明に係るドーピング方法は、基体上にドープ材料を載置するステップと、ドープ材料を載置した基体に対し、レーザを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップとを備えている。 (1) A doping method according to the present invention includes a step of placing a dope material on a substrate, and a step of irradiating a laser on the substrate on which the dope material is placed and doping the dope material into the substrate. ing.
したがって、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行うことができる。 Therefore, doping can be performed locally without performing heat treatment before and after processing.
(2)この発明に係るドープされた基体の製造方法は、基体上にドープ材料を載置するステップと、ドープ材料を載置した基体に対し、レーザを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップとを備えている。 (2) A method for producing a doped substrate according to the present invention includes a step of placing a doped material on the substrate, and irradiating the substrate on which the doped material is placed with a laser to dope the doped material in the substrate. And a step of performing.
したがって、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行った基体を得ることができる。 Therefore, a locally doped substrate can be obtained without performing heat treatment before and after processing.
(3)この発明に係る方法は、前記ドープ材料が、蛍光材料、鉄、銅、アルミニウムのいずれかであることを特徴としている。 (3) The method according to the present invention is characterized in that the dope material is any one of a fluorescent material, iron, copper, and aluminum.
(4)この発明に係る方法は、基体が、ガラスであることを特徴としている。 (4) The method according to the present invention is characterized in that the substrate is glass.
(5)この発明に係る方法は、基体に対してレーザの照射位置を移動させることを特徴としている。 (5) The method according to the present invention is characterized in that the laser irradiation position is moved with respect to the substrate.
(6)この発明に係る方法は、レーザの照射位置の移動速度を、レーザの出力に応じて変化させることを特徴としている。 (6) The method according to the present invention is characterized in that the moving speed of the laser irradiation position is changed according to the output of the laser.
図1に、この発明の一実施形態によるドーピング方法を示す。まず、ガラスなどの基体2を準備する(図1A)。続いて、この基体2の表面4上に、ドーピングしたいドープ材料6を置く(図1B)。次に、この状態にて、炭酸ガスレーザを、基板2の表面4とドープ材料6の境界面近傍に照射する(図1C)。この時、炭酸ガスレーザ光8を走査して、ドーピングを行いたい範囲に炭酸ガスレーザ光8を照射する。炭酸ガスレーザの照射によって基体2が溶融し、ドープ材料6が混入する。照射後には、基体2が冷却され、混入されたドープ材料6を含んだまま基体2が凝固し、ドーピングが行われる。 FIG. 1 shows a doping method according to an embodiment of the present invention. First, a substrate 2 such as glass is prepared (FIG. 1A). Subsequently, a doping material 6 to be doped is placed on the surface 4 of the substrate 2 (FIG. 1B). Next, in this state, a carbon dioxide laser is irradiated near the boundary surface between the surface 4 of the substrate 2 and the dope material 6 (FIG. 1C). At this time, the carbon dioxide laser beam 8 is scanned to irradiate the carbon dioxide laser beam 8 in a region where doping is desired. The substrate 2 is melted by the irradiation of the carbon dioxide laser, and the dope material 6 is mixed. After the irradiation, the substrate 2 is cooled, and the substrate 2 is solidified with the mixed doping material 6 included therein, and doping is performed.
表面上の余分なドープ材料を取り除くと、図1Dのような状態になる。つまり、基体2の中にドープされたものを得ることができる。 When excess dope material on the surface is removed, the state shown in FIG. 1D is obtained. That is, a doped body 2 can be obtained.
図2A、B、Cに、低融点のドープ材料6を載置した場合の変化を模式的に示す。図2Bに示すように、レーザ光8を照射すると、ドープ材料6が溶融し、溶融した基体2と混ざり合う。レーザ光8の照射を止めると、図2Cに示すように、基体2にドープ材料6がドーピングされた状態で固まることになる。 2A, 2B, and 2C schematically show changes when a low melting point dope material 6 is placed. As shown in FIG. 2B, when the laser beam 8 is irradiated, the dope material 6 is melted and mixed with the melted substrate 2. When the irradiation of the laser beam 8 is stopped, as shown in FIG. 2C, the substrate 2 is hardened in a state where the doping material 6 is doped.
また、図3A、B、Cに、高融点のドープ材料6を載置した場合の変化を模式的に示す。図3Bに示すように、レーザ光8を照射すると、基体2が溶融して窪みができ、ドープ材料6が落ち込む。レーザ光8の照射を止めると、図3Cに示すように、基体2にドープ材料6がドーピングされた状態で固まることになる。 3A, 3B, and 3C schematically show changes when the high melting point dope material 6 is placed. As shown in FIG. 3B, when the laser beam 8 is irradiated, the base 2 is melted to form a recess, and the dope material 6 falls. When the irradiation of the laser beam 8 is stopped, as shown in FIG. 3C, the base 2 is solidified with the doping material 6 being doped.
なお、この実施形態では、レーザ光を加工部位に照射し溶融させるようにしている。したがって、加工前後に熱処理(アニール)を行う必要がない。 In this embodiment, the laser beam is irradiated to the processing site and melted. Therefore, it is not necessary to perform heat treatment (annealing) before and after processing.
レーザ光源としては、基体2にて吸収の生じるレーザ光である必要がある。基体2がガラスである場合には、赤外光レーザである炭酸ガスレーザやYAGレーザ、紫外光レーザであるエキシマレーザを用いることが好ましい。基体において吸収を生じる光を照射できるものであるなら、気体レーザ、固体レーザ、液体レーザなどを用いることができる。 The laser light source needs to be laser light that is absorbed by the substrate 2. When the substrate 2 is glass, it is preferable to use a carbon dioxide laser, YAG laser, which is an infrared laser, or an excimer laser, which is an ultraviolet laser. A gas laser, a solid laser, a liquid laser, or the like can be used as long as it can irradiate light that causes absorption in the substrate.
ドープ材料6としては、銅粉、鉄粉、アルミニウム粉などの金属材料、蛍光染料などを用いることができる。 As the dope material 6, metal materials such as copper powder, iron powder, and aluminum powder, fluorescent dyes, and the like can be used.
1.実験の手順
ここでは、次のような手順で実験を行った。
1. Experimental Procedure Here, an experiment was performed according to the following procedure.
(1)レーザ光軸に対して垂直に置いたガラスサンプルを、水平移動させることで、ドープ領域を形成する。なお、レーザ光源からガラスサンプルまでの距離は2mm、水平移動の速度は1mm/秒とした。 (1) A doped region is formed by horizontally moving a glass sample placed perpendicular to the laser optical axis. The distance from the laser light source to the glass sample was 2 mm, and the horizontal movement speed was 1 mm / second.
(2)ガラスサンプルをポリエステルで固め、その後、サンプル表面を研磨した。 (2) The glass sample was hardened with polyester, and then the sample surface was polished.
(3)走査型電子顕微鏡におけるエネルギー分散型X線分析(EDX)により、サンプルの断面を解析し、ガラス中の成分を明らかにした。
(3) The cross section of the sample was analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDX) in a scanning electron microscope to clarify the components in the glass.
2.実験装置
2.1レーザ
連続レーザの駆動には、関数発生器によって生成される電気パルス信号を必要とする。パルス信号の電圧を2.5Vとし、繰り返し周波数を5,000KHzとした。レーザの出力は、デューティ比によって調整した。
2. Experimental device
2.1 Laser Driving a continuous laser requires an electrical pulse signal generated by a function generator. The voltage of the pulse signal was 2.5 V, and the repetition frequency was 5,000 KHz. The laser output was adjusted by the duty ratio.
2.2サンプル
表2に、処理対象であるガラスサンプル(S-BAL7)の特性を示す。
2.2 Sample Table 2 shows the characteristics of the glass sample (S-BAL7) to be treated.
低融点のドーピング材料として蛍光材料を用意し、高融点のドーピング材料として鉄および銅を用意した。蛍光材料は、蛍光塗料に含まれるものを用いた。鉄および銅の直径は、いずれも32μmより小さいものとした。 A fluorescent material was prepared as a low melting point doping material, and iron and copper were prepared as high melting point doping materials. As the fluorescent material, the one contained in the fluorescent paint was used. The diameters of iron and copper were both less than 32 μm.
2.3光学系
図4に、この研究に用いた光学系を示す。CO2レーザをガラスサンプルの上面から照射する。日本ナショナルインスツルメンツ社の制御ソフトウエアLabVIEW(商標)を用いて、単軸ステージを制御した。これにより、単軸ステージにおける、走査速度、走査距離を調整することができる。
2.3 Optical system Figure 4 shows the optical system used in this study. A CO2 laser is irradiated from the upper surface of the glass sample. The single-axis stage was controlled using the control software LabVIEW (trademark) of National Instruments Japan. Thereby, the scanning speed and the scanning distance in the single axis stage can be adjusted.
3.実験結果
3.1低融点ドーピング材料
図5に、蛍光材料のドーピングを行ったガラス表面の光学式顕微鏡画像を示す。レーザの照射領域において、水玉模様が認められる。
3. Experimental result
3.1 Low Melting Point Doping Material FIG. 5 shows an optical microscope image of the glass surface doped with a fluorescent material. A polka dot pattern is observed in the laser irradiation region.
図6aは、サンプルのガラスである。図6bに炭素の分布状況、図6cにシリコンの分布状況、図6dにナトリウムの分布状況を示す。シリコンおよびナトリウムは、レーザを照射した領域に分布しており、炭素は周辺およびガラスサンプル表面のレーザ照射領域に分布している。蛍光材料中の炭素が、ガラスの中にドーピングされたことが分かる。 FIG. 6a is a sample glass. FIG. 6b shows the carbon distribution, FIG. 6c shows the silicon distribution, and FIG. 6d shows the sodium distribution. Silicon and sodium are distributed in the region irradiated with the laser, and carbon is distributed in the peripheral and the laser irradiation region of the glass sample surface. It can be seen that the carbon in the fluorescent material has been doped into the glass.
3.2高融点ドーピング材料
3.2.1鉄のドーピング
図7b〜図7dに、鉄のドーピングを行った時の、鉄、シリコン、ナトリウムの分布を示す。図7bが鉄の分布、図7cがシリコンの分布、図7dがナトリウムの分布である。なお、図7aは、サンプルのガラスである。
3.2 High melting point doping material
3.2.1 Iron Doping FIGS. 7b to 7d show the distribution of iron, silicon and sodium when iron doping is performed. FIG. 7b shows the iron distribution, FIG. 7c shows the silicon distribution, and FIG. 7d shows the sodium distribution. FIG. 7a is a sample glass.
図7bにおいて、ガラスとポリエステルとの間に、白い斑点が認められる。この斑点は鉄を示している。さらに、この斑点において、シリコンとナトリウムが減少している(図7c、図7d参照)。したがって、鉄がドーピングされていることが分かる。 In FIG. 7b, white spots are observed between the glass and the polyester. This spot indicates iron. Furthermore, silicon and sodium are reduced in the spots (see FIGS. 7c and 7d). Therefore, it turns out that iron is doped.
図8に、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ広さである。図9に、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ深さである。ドープ領域の最も深い位置の、表面からの深さである。 FIG. 8 shows the relationship between laser output and dope spread. The horizontal axis is the laser output, and the vertical axis is the dope width. FIG. 9 shows the relationship between the laser output and the dope depth. The horizontal axis is the laser output, and the vertical axis is the doping depth. This is the depth from the surface of the deepest position of the doped region.
ドープ領域は、レーザ出力を増加させるにしたがって、広くなる傾向にある。これは、レーザ出量増加に伴って、熱拡散長も長くなるからである。同様に、レーザ出力の増加により、ドープ深さも深くなっている。レーザ出力を9W〜10Wとしたとき、最大ドープ広さは約3.0mmであり、最大ドープ深さは227μmであった。 The doped region tends to become wider as the laser power is increased. This is because the thermal diffusion length increases as the laser output increases. Similarly, as the laser output increases, the doping depth increases. When the laser output was 9 W to 10 W, the maximum dope width was about 3.0 mm and the maximum dope depth was 227 μm.
3.2.2銅のドーピング
図10b〜図10dに、銅のドーピングを行った時の、銅、シリコン、ナトリウムの分布を示す。図10bが銅の分布、図10cがシリコンの分布、図10dがナトリウムの分布である。なお、図10aは、サンプルのガラスである。
3.2.2 Copper Doping FIGS. 10b to 10d show the distribution of copper, silicon and sodium when copper is doped. 10b shows the copper distribution, FIG. 10c shows the silicon distribution, and FIG. 10d shows the sodium distribution. FIG. 10a is a sample glass.
図11に、レーザ出力とドープの広がりとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ広さである。図12に、レーザ出力とドープの深さとの関係を示す。横軸がレーザ出力、縦軸がドープ深さである。ドープ領域の最も深い位置の、表面からの深さである。 FIG. 11 shows the relationship between laser output and dope spread. The horizontal axis is the laser output, and the vertical axis is the dope width. FIG. 12 shows the relationship between the laser output and the dope depth. The horizontal axis is the laser output, and the vertical axis is the doping depth. This is the depth from the surface of the deepest position of the doped region.
ドープ領域は、レーザ出力を増加させるにしたがって、広くなる傾向にある。これは、レーザ出量増加に伴って、熱拡散長も長くなるからである。同様に、レーザ出力の増加により、ドープ深さも深くなっている。レーザ出力を8.5W〜9Wとしたとき、最大ドープ広さは約2.8mmであり、最大ドープ深さは96μmであった。 The doped region tends to become wider as the laser power is increased. This is because the thermal diffusion length increases as the laser output increases. Similarly, as the laser output increases, the doping depth increases. When the laser output was 8.5 W to 9 W, the maximum dope width was about 2.8 mm and the maximum dope depth was 96 μm.
3.3走査速度とドーピング成否
図13に、銅をドーピングした場合の、走査速度とドーピング成否との関係を示す。丸印がドーピング成功、バツ印がドーピング不成功、三角印が変形を伴ったドーピング成功を示す。
3.3 Scanning speed and doping success / failure FIG. 13 shows the relationship between scanning speed and doping success / failure when copper is doped. A circle indicates successful doping, a cross indicates unsuccessful doping, and a triangle indicates successful doping with deformation.
この図からも明らかなように、おおむね走査速度(mm)の7倍を越えるレーザ出力(W)が必要であることが分かる。また、変形を生じないようにするためには、さらに、レーザ出力(W)が、走査速度(mm)の10倍を超えないことが必要であることが分かる。
As is apparent from this figure, it is understood that a laser output (W) exceeding about 7 times the scanning speed (mm) is required. It can also be seen that the laser output (W) must not exceed 10 times the scanning speed (mm) in order to prevent deformation.
3.4まとめ
レーザ出力を増加させることにより、ドープ領域の広さと深さを大きくすることができる。これは、熱拡散効果によるものである。
3.4 Summary The width and depth of the doped region can be increased by increasing the laser power. This is due to the thermal diffusion effect.
レーザ出力が小さすぎると、ドープは成功しない。鉄の場合であれば、レーザ出力が6.5W以下であれば、ドープは成功しなかった。銅の場合であれば、レーザ出力が5.5W以下であれば、ドープは成功しなかった。 Doping is not successful if the laser power is too small. In the case of iron, dope was not successful if the laser output was 6.5 W or less. In the case of copper, dope was not successful if the laser output was 5.5 W or less.
ドーピングの成否に関して、走査速度に応じた適切なレーザ出力が必要であることが判明した。 Regarding the success or failure of doping, it has been found that an appropriate laser output corresponding to the scanning speed is necessary.
以上のようにして、加工前後に熱処理などを行うことなく、局所的にドーピングを行うことができる。 As described above, doping can be performed locally without performing heat treatment before and after processing.
Claims (6)
ドープ材料を載置した基体に対し、レーザーを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップと、
を備えたドーピング方法。 Placing a dope material on a substrate;
Irradiating a substrate on which the doping material is placed with a laser, and doping the doping material into the substrate;
A doping method comprising:
ドープ材料を載置した基体に対し、レーザーを照射し、基体内にドープ材料をドーピングするステップと、
を備えたドープされた基体の製造方法。 Placing a dope material on a substrate;
Irradiating a substrate on which the doping material is placed with a laser, and doping the doping material into the substrate;
A method of manufacturing a doped substrate comprising:
前記基体は、ガラスであることを特徴とする方法。 In the method in any one of Claims 1-3,
The method wherein the substrate is glass.
前記基体に対してレーザの照射位置を移動させることを特徴とする方法。 In the method in any one of Claims 1-4,
A method of moving a laser irradiation position with respect to the substrate.
前記レーザの照射位置の移動速度を、レーザの出力に応じて変化させることを特徴とする方法。 6. The method of any of claims 5
A method of changing a moving speed of an irradiation position of the laser in accordance with an output of the laser.
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