JP2017159319A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工品質の再現性を高めることが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源と加工対象物との間のレーザビームの経路に、ビーム整形器及びアッテネータが配置されている。ビームプロファイラが、ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定する。レーザ強度測定器が、ステージに保持された加工対象物に入射するレーザビームの強度を測定する。制御装置が、ビームプロファイラの測定結果、及びレーザ強度測定器の測定結果に基づいて、アッテネータの透過率を調整する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ビーム整形器で加工対象物の表面におけるレーザビーム断面形状及び光強度分布を整形して加工を行うレーザ加工装置に関する。

半導体ウエハに注入されたドーパントの活性化にレーザアニール技術が使用される。例えば、半導体ウエハにパルスレーザビームを入射させることにより、半導体ウエハの表層部を加熱して、ドーパントの活性化が行われる。アニール深さ及びアニール温度を制御するために、パルス幅及びパルスエネルギ密度が調整される。

パルスエネルギ密度を調整するために、パルスレーザビームの平均パワーを測定し、平均パワーの測定値、パルスの繰返し周波数、及びビーム断面の面積から、パルスエネルギ密度が算出される。下記の特許文献１に、レーザアニール装置が開示されている。

特開２０１５−１７０７２４号公報

加工対象物に入射するパルスレーザビームの平均パワーの測定値と目標値との比に基づいて、アッテネータの透過率を調整することにより、パルスレーザビームの平均パワーを目標値に近づけることができる。ところが、平均パワーを目標値に一致させてレーザ加工を行っても、加工品質の十分な再現性が得られない場合があることが判明した。

本発明の目的は、加工品質の再現性を高めることが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置され、加工対象物の表面におけるビーム断面を整形するビーム整形器と、
前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置された透過率可変のアッテネータと、
前記ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定するビームプロファイラと、
前記ステージに保持された加工対象物に入射するレーザビームの強度を測定するレーザ強度測定器と、
前記ビームプロファイラの測定結果、及び前記レーザ強度測定器の測定結果に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。

レーザ強度測定器の測定結果のみならず、ビームプロファイラの測定結果をも利用してアッテネータの透過率を調整することにより、加工品質の再現性を高めることができる。

図１Ａは、実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、図１Ｂは、レーザ加工装置のステージの平面図である。 図２は、パルスレーザビームがビームプロファイラに入射している状態のレーザ加工装置の概略図である。 図３は、参考例によるレーザ加工装置で実行される平均パワー調整処理のフローチャートである。 図４Ａは、加工対象物の表面におけるビーム断面形状を示す図であり、図４Ｂは、ビーム断面の幅方向の光強度分布の例を示すグラフである。 図５は、実施例によるレーザ加工装置で実行される平均パワー調整処理のフローチャートである。 図６は、ビーム断面の幅方向に関する光強度分布の一例を示すグラフである。

図１Ａに、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ光源１０が、制御装置５０からの発振指令信号Ｓ０を受けて、パルスレーザビームを出力する。レーザ光源１０には、例えばレーザダイオードが用いられる。レーザダイオードは、例えば波長８０８ｎｍの擬似連続発振（ＱＣＷ）レーザビームを出力する。

レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームの経路に、透過率可変のアッテネータ１１が配置されている。アッテネータ１１は、設定された透過率に基づいて、パルスレーザビームの光強度を減衰させる。アッテネータ１１の透過率は、制御装置５０からの透過率指令信号Ｓ１によって指令される。アッテネータ１１を透過したパルスレーザビームが、ビーム整形器１２、折り返しミラー１３、及び対物レンズ１４を経由して、加工チャンバ１５内に導入される。

加工チャンバ１５の中にステージ２０が配置されている。ステージ２０の上に、チャック機構２３が固定されており、チャック機構２３によって加工対象物３０が保持される。加工対象物３０は、例えばドーパントがイオン注入されている半導体ウエハである。ステージ２０は、制御装置５０から制御されることにより、加工対象物３０の表面に平行な二次元方向に移動する。

パルスレーザビームは、加工チャンバ１５の上方の壁面に設けられた入射窓１６を通って、加工チャンバ１５内に導入される。ステージ２０が移動すると、加工対象物３０の表面上を、パルスレーザビームの入射位置が移動する。パルスレーザビームの入射位置の主走査方向への移動と、副走査方向への移動とを繰り返すことにより、加工対象物３０の表面の全域をアニールすることができる。

ビーム整形器１２と対物レンズ１４とは、加工対象物３０の表面におけるパルスレーザビームの断面形状を一方向に長い形状（長尺形状）にするとともに、長さ方向及び幅方向に関する光強度分布を均一化する。ビーム整形器１２として、複数のシリンドリカルレンズアレイを組み合わせたビームホモジナイザを用いることができる。

図１Ｂに、ステージ２０の平面図を示す。ステージ２０には、チャック機構２３の他にミラー２１及びビームプロファイラ２５が取り付けられている。ステージ２０を移動させることにより、パルスレーザビームが加工対象物３０に入射する状態、ミラー２１に入射する状態、ビームプロファイラ２５に入射する状態のいずれかの状態が実現される。

図１Ａでは、加工チャンバ１５内に導入されたパルスレーザビームがミラー２１に入射している状態を示している。加工チャンバ１５内に導入されたパルスレーザビームがビームプロファイラ２５に入射している状態が、図２に示されている。

図１Ａに示すように、ミラー２１に入射したパルスレーザビームは、ミラー２１によって水平方向に反射される。ミラー２１で反射されたパルスレーザビームは、加工チャンバ１５の側壁に設けられた窓１７を通って、加工チャンバ１５の外に配置されたレーザ強度測定器４０に入射する。ミラー２１からレーザ強度測定器４０までのパルスレーザビームの経路にレンズ２２が配置されている。レンズ２２は、レーザ強度測定器４０の受光面におけるパルスレーザビームのビーム断面の大きさを調整する。

レーザ強度測定器４０として、パワーメータ、ジュールメータ、フォトディテクタ等を用いることができる。パワーメータは、パルスレーザビームの平均パワー（パワーの時間平均）を測定する。ジュールメータは、パルスレーザビームのパルスエネルギを測定する。フォトディテクタは、パルスレーザビームの波形を測定する。フォトディテクタを較正しておくことにより、パルスレーザビームの波形からパルスエネルギを求めることができる。レーザ強度測定器４０の測定結果が制御装置５０に入力される。以下、レーザ強度測定器４０の測定物理量が平均パワーである場合について説明を続ける。

図２に示すように、パルスレーザビームがビームプロファイラ２５に入射している状態のとき、ビームプロファイラ２５は光強度分布を測定する。ビームプロファイラ２５の測定結果が制御装置５０に入力される。

レーザ光源１０とアッテネータ１１との間のパルスレーザビームの経路に、分岐装置１８が配置されている。分岐装置１８は、制御装置５０からの切替信号Ｓ２を受けて、パルスレーザビームがアッテネータ１１に入射する状態（加工状態）と、出口用パワーメータ４５に入射する状態（待機状態）とを切り替える。出口用パワーメータ４５は、入射するパルスレーザビームの平均パワーを測定する。出口用パワーメータ４５の測定結果が制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、レーザ光源１０からのパルスレーザビームの出力タイミング、アッテネータ１１の透過率、ステージ２０の移動、及び分岐装置１８の状態を制御する。

本発明の実施例について説明する前に、図３及び図４を参照して参考例について説明する。参考例によるレーザ加工装置は、図１Ａに示した実施例によるレーザ加工装置と同一の構成を有する。

図３に、参考例によるレーザ加工装置で実行されるパワー調整処理のフローチャートを示す。フローチャートの各処理は、制御装置５０に格納されている処理プログラムにより実現される。

ステップＳＴ１において、制御装置５０がアッテネータ１１の透過率を初期値に設定する。透過率の初期値は、予め制御装置５０に記憶されている。

ステップＳＴ２において、レーザ光源１０から出力されるパルスレーザビームの平均パワーを測定する。具体的には、まず、制御装置５０がステージ２０を移動させて、パルスレーザビームがミラー２１に入射する状態とする。その後、レーザ光源１０に発振指令信号Ｓ０を送出して、パルスレーザビームの出力を開始させる。制御装置５０がレーザ強度測定器４０からの出力を読み取ることにより、パルスレーザビームの平均パワーの測定値が得られる。

ステップＳＴ３において、制御装置５０が、平均パワーの測定値と、平均パワーの目標値とに基づいて、アッテネータ１１の透過率を調整する。具体的には、平均パワーの測定値に対する目標値の比を現在の透過率に乗じることにより、調整後の透過率を算出される。平均パワーの目標値は、予め制御装置５０に記憶されている。

ステップＳＴ４において、制御装置５０の制御下でレーザ加工が実施される。ステップＳＴ３でアッテネータ１１の透過率が調整されているため、目標とする平均パワーでレーザ加工を行うことができる。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、図３に示した参考例によるレーザ加工装置によるアニール処理の課題について説明する。

図４Ａに、加工対象物３０の表面におけるビーム断面形状を示す。ビーム断面３３は、一方向に長い長尺形状を有する。ビーム断面３３の長さ方向をｙ方向とし、幅方向をｘ方向とするｘｙ直交座標系を定義する。

図４Ｂに、ビーム断面３３の幅方向（ｘ方向）の光強度分布の例を示す。横軸はｘ座標を単位「μｍ」で表し、縦軸は光強度を任意単位で表す。ビーム断面３３（図４Ａ）の幅方向の中心をｘ座標の原点としている。光強度分布は、ビーム断面よりも外側に裾野部分を有する。一例として、光強度が強度閾値Ｉｔｈに等しい点を連ねる線をビーム断面の外周線と定義することができる。

図４Ｂに実線で示した光強度分布を持つパルスレーザビームは、破線で示した光強度分布を持つパルスレーザビームよりも、ビーム断面の内側において高い光強度を有する。その反面、裾野部分においては、破線で示した光強度分布を持つパルスレーザビームの方が、実線で示した光強度分布を持つパルスレーザビームよりも高い光強度を有する。このような光強度分布の差は、ビーム整形器１２の特性の変動等によって生じ得る。

通常、ビーム断面がレーザ強度測定器４０の受光面の中心に位置するようにレーザ強度測定器４０の位置が調整される。この状態で、光強度分布の裾野部分もレーザ強度測定器４０の受光面に入射する。このため、レーザ強度測定器４０で測定される平均パワーには、裾野部分のパワーも含まれる。

レーザアニールに寄与するのは、ビーム断面内のレーザエネルギのみであり、裾野部分のレーザエネルギはレーザアニールに寄与しない。従って、再現性の高いアニールを行うためには、ビーム断面内の平均パワーを一定にしなければならない。ところが、図３に示した参考例では、裾野部分を含めた平均パワーが目標値に一致することになる。光強度分布が初期の形状からずれていると、平均パワーの測定値を目標値に一致させても、ビーム断面内の平均パワーは目標とする値にはならない。このため、アニール処理の再現性が確保されなくなってしまう。

例えば、図４Ｂに示した実線の光強度分布と、破線で示した光強度分布との平均パワーの測定値が同一である場合、ビーム断面内の平均パワーは、実線で示した光強度分布の方が大きい。

次に、図１、図２、図５及び図６を参照して、実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下に説明する実施例では、高い再現性でアニールを行うことが可能である。

図５に、実施例によるレーザ加工装置で実行されるパワー調整処理のフローチャートを示す。フローチャートの各処理は、制御装置５０に格納されている処理プログラムにより実行される。

ステップＳＴ１及びステップＳＴ２の処理は、図３に示した参考例のステップＳＴ１及びステップＳＴ２と同一である。

ステップＳＴ１０において、パルスレーザビームの光強度分布を測定する。具体的には、ステップＳＴ２で平均パワーを測定した後、制御装置５０は、レーザ光源１０から出力されたパルスレーザビームが出口用パワーメータ４５に入射するように、分岐装置１８を制御する。その後、ステージ２０（図１）を移動させて、パルスレーザビームがビームプロファイラ２５に入射する状態にする。この状態で、分岐装置１８を制御して、パルスレーザビームをビームプロファイラ２５に入射させる。これにより、ビームプロファイラ２５でパルスレーザビームの光強度分布が測定される。なお、測定される光強度分布は、複数ショットの光強度分布を累積したものである。

ステップＳＴ１１において、制御装置５０が、ステップＳＴ１０で測定された光強度分布に基づいて有効パワー比を算出する。以下、図６を参照して、有効パワー比の定義について説明する。

図６に、ビーム断面の幅方向（ｘ方向）に関する光強度分布の一例を示す。光強度が強度閾値Ｉｔｈに等しい位置を連ねる線で囲まれた領域をビーム断面３３（図４Ａ）と定義する。ビーム断面３３内において、ほぼトップフラットの光強度分布が得られている。ビーム断面３３の外側に、ピーク強度よりも十分弱い光強度の裾野部分３４が広がっている。ビーム断面３３内の光強度を幅方向（ｘ方向）に積分して得られた値をＡ１で表す。裾野部分３４の光強度を幅方向に積分して得られた値をＡ２で表す。

強度閾値Ｉｔｈ以上の光強度を有するビーム断面３３内の領域がアニールに寄与し、強度閾値Ｉｔｈよりも低い光強度を有する裾野部分３４は実質的にアニールに寄与しない。有効パワー比Ｒｅを、
Ｒｅ＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）
と定義する。すなわち、有効パワー比は、ビームプロファイラ２５で測定される光強度分布のうち、強度閾値Ｉｔｈ以上の光強度を示す部分の光強度の積分値Ａ１と、全体の光強度分布の積分値Ａ１＋Ａ２との比で定義される。有効パワー比は、加工対象物３０（図１Ａ）に入射するレーザパワーのうちアニールに有効に使用されるパワーの割合と考えることができる。

ステップＳＴ１２（図５）において、制御装置５０は、ビームプロファイラ２５で測定された光強度分布のうち、強度閾値Ｉｔｈ以上の光強度を示す部分と、全体の光強度分布との関係に基づいて、アッテネータ１１の透過率を調整する。より具体的には、制御装置５０が、パルスレーザビームの平均パワーの測定値と目標値、有効パワー比の測定値と標準値とに基づいて、アッテネータ１１（図１Ａ）の透過率を調整する。以下、調整方法の一例について、具体的に説明する。

平均パワーの目標値Ｐｔ及び有効パワー比の標準値Ｒｓは、予め制御装置５０に記憶されている。平均パワーの目標値Ｐｔは、平均パワーを異ならせて複数の評価実験を行い、最適な加工か行われたときの条件から決定することができる。この評価実験のときに用いられたパルスレーザビームの有効パワー比が標準値Ｒｓとして採用される。

ステップＳＴ１で設定したアッテネータ１１の透過率をＴｍと表記し、ステップＳＴ２で測定されたパルスレーザビームの平均パワーの測定値をＰｍと表記し、ステップＳＴ１１で得られた有効パワー比の測定値をＲｍと表記する。レーザ光源１０の出口における平均パワーの測定値をＰ０と表記すると、平均パワーの測定値Ｐｍは、
Ｐｍ＝Ｐ０×Ｔｍ・・・（１）
と表される。

ステップＳＴ１２で調整した後のアッテネータ１１の透過率の調整値をＴｃと表記する。レーザ光源１０の出口におけるパルスレーザビームの平均パワーが短時間では実質的に変動しないと仮定すると、透過率調整後の加工対象物の表面における平均パワーＰｃは、
Ｐｃ＝Ｐ０×Ｔｃ・・・（２）
と表される。

最適な条件でアニールを行うためには、透過率調整後の有効パワーを、評価実験時の最適な有効パワーと等しくすればよい。すなわち、下記の式が満たされればよい。
Ｐｃ×Ｒｍ＝Ｐｔ×Ｒｓ・・・（３）
ここで、短時間ではビーム整形器１２（図１）の特性が変化せず、有効パワー比が実質的に一定であると仮定している。

上述の式（１）、（２）及び（３）から、以下の式が導出される。
Ｔｃ＝（Ｐｔ／Ｐｍ）×（Ｒｓ／Ｒｍ）×Ｔｍ・・・（４）

式（４）に基づいて、アッテネータ１１の透過率の調整値Ｔｃを求めることができる。この透過率が調整値Ｔｃに等しくなるように、アッテネータ１１を調整すればよい。

ステップＳＴ４において、制御装置５０の制御下でレーザ加工が実施される。レーザ加工時におけるパルスレーザビームの有効パワーは、評価実験で求められた最適値に一致している。このため、再現性の高いレーザ加工を行うことができる。

上記実施例では、有効パワー比を算出する基礎となる光強度分布として、ビーム断面３３（図４Ａ）の幅方向に関する光強度分布を利用した。言い換えると、光強度分布をビーム断面３３（図４Ａ）の幅方向に積分することにより、有効パワー比を算出した。ビーム断面３３の長さ方向の両端から長さ方向（ｙ方向）に広がる裾野部分の面積は、幅方向の両側に広がる裾野部分の面積に比べて十分小さい。従って、長さ方向の両端に広がる裾野部分の光強度を面積分した値は、幅方向の両側に広がる裾野部分の光強度を面積分した値に比べて十分小さい。このため、光強度分布を幅方向に積分したパワーに基づいて得られる有効パワー比を利用することによって、十分高い再現性を確保することができる。

ビーム断面のｘ方向の寸法とｙ方向の寸法との比が１に近い場合、例えばビーム断面が円形、正方形に近い場合には、有効パワー比を算出する基礎となる光強度分布として、二次元の分布を利用してもよい。この場合、光強度分布を面積分することによって、有効パワー比が算出される。

ステップＳＴ２で測定された平均パワーの測定値Ｐｍが許容範囲から外れている場合には、制御装置５０が警報を発出するようにしてもよい。この警報が発出された場合、オペレータは、レーザ光源１０等のメンテナンスを行うことが好ましい。ステップＳＴ１１で求められた有効パワー比の測定値Ｒｍが許容範囲から外れている場合には、制御装置５０が警報を発出するようにしてもよい。この警報が発出された場合、オペレータは、ビーム整形器１２等のメンテナンスを行うことが好ましい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれら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 レーザ光源
１１ アッテネータ
１２ ビーム整形器
１３ 折り返しミラー
１４ 対物レンズ
１５ 加工チャンバ
１６ 入射窓
１７ 窓
１８ 分岐装置
２０ ステージ
２１ ミラー
２２ レンズ
２３ チャック機構
２５ ビームプロファイラ
３０ 加工対象物
３３ ビーム断面
３４ 裾野部分
４０ レーザ強度測定器
４５ 出口用パワーメータ
５０ 制御装置

Claims (5)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されたレーザビームが入射する位置に加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置され、加工対象物の表面におけるビーム断面を整形するビーム整形器と、
   前記レーザ光源と前記ステージに保持された加工対象物との間のレーザビームの経路に配置された透過率可変のアッテネータと、
   前記ステージに保持された加工対象物の表面の位置におけるレーザビームの光強度分布を測定するビームプロファイラと、
   前記ステージに保持された加工対象物に入射するレーザビームの強度を測定するレーザ強度測定器と、
   前記ビームプロファイラの測定結果、及び前記レーザ強度測定器の測定結果に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記ビームプロファイラで測定された光強度分布のうち、強度閾値以上の光強度を示す部分と、全体の光強度分布との関係に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記ビームプロファイラで測定される光強度分布のうち、強度閾値以上の光強度を示す部分の光強度の積分値と、全体の光強度分布の積分値との比である有効パワー比の測定値に基づいて、前記アッテネータの透過率を調整する請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御装置に、前記有効パワー比の標準値が記憶されており、
   前記制御装置は、前記有効パワー比の標準値と測定値との比、及び測定時における前記アッテネータの透過率に基づいて、前記アッテネータの透過率の調整値を算出し、
   透過率が前記調整値になるように、前記アッテネータの透過率を調整する請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ビーム整形器は、前記ステージに保持された加工対象物の表面におけるビーム断面形状を一方向に長い形状にし、
   前記制御装置は、前記ビームプロファイラで測定された光強度分布として、ビーム断面の幅方向に関する光強度分布を用いる請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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