JP4001602B2 - 熱処理のためのレーザ走査装置および方法 - Google Patents
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Description
以下の本発明の実施形態の詳細な説明では、本発明の説明の一部をなし、本発明を実施する特定の実施形態を例示する添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明されており、その他の実施形態も利用することができ、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて変更を加えることができることを理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は本発明を限定するものとして解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求項のみによって定義されるものである。
図1Aは、本発明のレーザ走査装置の概括的な一実施形態の模式図である。図1Aの装置10は、光軸A1に沿って連続放射線ビーム14Aを放射する連続放射線源12を含み、この連続放射線ビーム14Aは、光軸に垂直な角度で測定された出力パワーおよび強度プロファイルP1を有する。また、一実施形態では、放射線ビーム14Aはコリメートされている。さらに、一実施形態では、放射線源12はレーザであり、放射線ビーム14Aはレーザビームである。一実施形態では、放射線源12は、約9.4ミクロンから約10.8ミクロンの間の波長で動作する炭酸ガス(CO2)レーザである。CO2レーザは、非常に効率的に電気を放射線に変換し、出力ビームは通常非常にコヒーレントであるため、プロファイルP1はガウス型である。また、後述するように、CO2レーザによって発生する赤外線波長は、シリコン(例えば、半導体ウエハなどのシリコン基板)を処理(例えば、加熱)するために適している。また、一実施形態では、放射線ビーム14Aは直線偏光され、基板に入射する放射線がp偏光状態Pのみ、s−偏光状態Sのみ、または両方を含むように操作することができる。放射線源12は連続放射線ビーム14Aを放射するため、本明細書では「連続放射線源」と呼ぶ。通常、放射線ビーム14Aは、基板によって吸収され、これにより、基板を加熱することのできる波長の放射線を含む。
図1Aに示す実施形態では、放射線ビーム14AのプロファイルP1は不均一である。このような状況は、例えば、放射線源12が実質的にコヒーレントなレーザであり、平行ビームにおける最終的なエネルギー分布がガウス型である場合に発生する場合があり、その結果、平行ビームを基板に結像した場合に同様なエネルギー分布が生じる。用途によっては、像100がその用途において基板の熱処理を行うために適当な強度分布およびサイズを有するように、放射線ビーム14A,14Bをより均一な分布にし、かつ放射線ビーム14A,14Bの大きさを変化させることが望ましい場合がある。
図3は、図1Aの装置と同様の装置10の模式図であり、装置10は、図の上部であって基板60の上方に配置される多くの追加部材をさらに含む。これらの追加部材は、単独または様々な組み合わせにおいて、本発明の付加的な実施形態を示すために含まれる。以下の各実施形態によって行われる動作には、図3において導入された追加部材のいくつが必要であり、上述した実施形態で述べられた部材が述べられる実施形態でも必要であるか否かは当業者に明らかであると思われる。説明を簡単にするために、これらの実施形態のいくつかは先に述べられた実施形態に基づくものであるため、図3はこれらの付加的な実施形態に必要な部材のすべてを含むように示されている。これらの付加的な実施形態について以下に説明する。
図3を参照すると、一実施形態では、装置10は、放射線源12の下流に配置された減衰器226を含み、減衰器の位置によって、放射線ビーム14A、ビーム14A’またはビーム14Bを選択的に減衰させる。一実施形態では、放射線ビーム14Aは特定の方向(例えば、p、sまたはそれらの組み合わせ)に偏光され、減衰器226は偏光子227を含み、偏光子227は、放射線ビームの偏光方向に相対的に回転させて、ビームを減衰させる。別の実施形態では、減衰器226は、除去可能な減衰フィルター、または複数の減衰器部材を含むプログラマブル減衰ホイールの少なくとも1つを含む。
別の実施形態では、放射線ビーム14Aは直線偏光され、装置10は、放射線源12の下流に、直線偏光を円偏光に変換するための1/4波長板230を含む。減衰器が、基板62から反射または散乱された放射線が放射線源12に戻るのを防ぐための偏光子227を含む実施形態では、1/4波長板230は減衰器226と連動して動作する。特に、戻り経路において、反射された円偏光放射線は直線偏光放射線に変換され、偏光子227によって遮られる。この構成は、入射角φが0またはほぼ0である(すなわち、法線入射またはほぼ法線入射である)場合に特に有用である。
別の実施形態では、装置10は、各ビームのエネルギーを監視するために軸A1に沿って放射線源12の下流に配置されたビームエネルギー監視システム250を含む。システム250は、ライン252を介してコントローラ70に接続され、測定された各ビームエネルギーを示す信号254をコントローラに供給する。
別の実施形態では、装置10はフォールドミラー260を含み、フォールドミラー260は、装置をよりコンパクトにするか、または特定の装置ジオメトリーを形成する。一実施形態では、フォールドミラー260は移動可能であり、ビーム14A’の方向を調整する。
図3を引き続き参照すると、別の実施形態では、装置10は、基板の表面62によって反射された放射線281を受けるように配置された反射放射線モニタ280を含む。モニタ280はライン282を介してコントローラ70に接続され、測定した各反射放射線281の量を示す信号284をコントローラに供給する。
多くの熱処理では、最高温度または処理される表面の温度−時間プロファイルを知ることが有益である。例えば、接合のアニールの場合では、LTP時に達する最高温度を非常に厳密に制御することが望ましい。厳密な制御は、測定された温度を使用して、連続放射線源の出力パワーを制御することにより達成される。理想的には、そのような制御システムは、走査像の滞在時間よりも速いまたは同等の応答能力を有する。
再び図3を参照すると、ある場合には、基板60は所定の向きでチャック40上に配置される必要がある。例えば、基板60は結晶性(例えば、結晶性シリコンウエハ)であり得る。本発明者らは、結晶性基板を利用する熱処理では、処理を最適化するために、結晶軸が像100に対して選択された方向に整列されていることが好ましいことが多いことを見出した。
ビームエネルギー監視システム250を使用して放射線ビーム14A、14A’または14Bのエネルギーを測定し、監視システム280を使用して反射放射線281のエネルギーを測定することによって、基板60によって吸収された放射線を定量することができる。これにより、基板の表面62の反射率の変化に関わらず、基板60によって吸収される放射線を走査時に一定に維持することができる。一実施形態では、単位面積あたりの一定のエネルギー吸収率を維持することは、連続放射線源12の出力エネルギー、基板の表面62上方における像100の走査速度、および減衰器226の減衰度のうち1以上を調節することにより達成される。
一実施形態では、入射角φはブリュースター角に対応するように設定されている。ブリュースター角では、p−偏光放射線P(図3)はすべて基板60に吸収される。ブリュースター角は、放射線が入射する材料の屈折率に依存する。例えば、ブリュースター角は、室温のシリコンで波長λが10.6ミクロンの場合には73.69°である。入射放射線ビーム14Bの約30%は法線入射(φ=0)で反射されるため、ブリュースター角またはほぼブリュースター角のp−偏光放射線を使用することによって、熱処理を行うために必要な単位面積あたりのエネルギーを大きく減少させることができる。ブリュースター角などの比較的大きな入射角φを使用することによって、一方向における像100の幅をcos−1φ倍または法線入射の像幅の約3.5倍に拡大することができる。像100の有効焦点深度も同様な倍率で減少する。
一実施形態では、像100を表面62の上方で走査して基板60を熱処理することによって、基板の表面における材料の非常にわずかな部分が基板の融点近くまで加熱される。したがって、基板の加熱された部分にはかなりの量の応力と歪みが生じる。状況によっては、応力によって表面62に伝播する望ましくない滑り面が発生する。
上述したように、単結晶シリコンウエハなどの結晶性基板は、主結晶面の1つに対応するエッジ63において基板に形成された参照形状64(例えば、図9に示す切込みまたはフラット)によって示される方位を有する結晶面を有する。線像100の走査によって、走査方向470(図9)に垂直な方向474において大きな熱勾配と応力集中が発生し、結晶性基板の構造の完全性(integrity)に悪影響を及ぼし得る。
(牛耕式(boustrophedonic)走査)
図10は、像が横断する基板上の各点で短い熱パルスを発生させる基板の表面62の上方の像100の牛耕式(すなわち、交互前後または「X−Y」)走査パターン520を示す基板の平面図である。走査パターン520は線走査セグメント522を含む。牛耕式走査パターン520は、従来の双方向X−Yステージ46によって行うことができる。しかしながら、そのようなステージは、通常は相当な大きさおよび限られた加速能力を有する。非常に短い滞在時間(すなわち、走査像が基板上の所与のポイント上に位置する時間)が望ましい場合、従来のステージは加速および減速にかなりの時間が必要である。また、そのようなステージにはかなりのスペースが必要である。例えば、100ミクロンのビーム幅で10マイクロ秒の滞在時間では、10メートル/秒(m/秒)のステージ速度が必要となる。1gまたは9.8m/s2の加速では、加速/減速に1.02秒および5.1mの移動が必要である。加速および減速のために10.2mのスペースをステージに供給することは望ましくない。
基板の表面62上の像100の走査は、静止した基板および移動する像を使用するか、基板を移動させて像を静止したままに維持するか、あるいは基板および像の双方を移動させることによって行うことができる。
別の実施形態では、像100はスパイラルパターンで基板60に対して走査される。図12は、ステージ46上に配置された4つの基板60の平面図であり、ステージは、回転的および直線的に像100と相対的に移動してスパイラル走査パターン604を形成することができる。回転移動は回転中心610をほぼ中心として行われる。また、ステージ46は複数の基板を支持することができ、図では説明の便宜のために4つの基板が示されている。
隣接する経路セグメント間の間隔が小さい状態で牛耕式パターンによって基板60の上方で像100を走査すると1つのセグメントが完了し、次の新しいセグメントが開始される走査セグメントの端部で基板が過熱されることになる。そのような場合、新しい走査経路セグメントの最初の部分は完了直後の走査経路セグメントに起因する著しい熱勾配を含む。この勾配によって、ビーム強度を適切に修正しない場合には、新しい走査によって生じる温度が上昇する。このため、走査時に基板全体で一定の最高温度を達成することが困難となる。
図14は、スパイラル走査方法(曲線720)、光学的走査方法(曲線724)、および牛耕式(X−Y)走査方法(曲線726)の、シミュレートしたスループット(基板/時間)対滞在時間(秒)のプロットである。この比較は、ガウス型ビームを形成するために使用される連続放射線源として5kWレーザを用いる実施形態を想定しており、したがって、100ミクロンのビーム幅L2を有するガウス型像100が重なり合う走査経路において走査されて、約±2%の放射線均一性が達成される。
本発明では、できるだけ多くのエネルギーを連続放射線源12から基板60に伝達することが重要である。したがって、図19を簡単に参照すると、以下に詳述するように、一実施形態では、放射線ビーム14Bは、基板においてかなりの範囲の入射角を有する。すなわち、光学系20は実質的な開口数NA=sinθ14Bを有し、θ14Bは、軸A1と放射線ビーム14Bの外側の光線15Aまたは15Bとによって形成された半角である。なお、入射角φ14Bは表面法線Nと軸A1との間で測定され、軸A1は放射線ビーム14Bの軸光線も表している。軸光線(軸A1)と基板表面法線Nとによって形成される角度φ14Bは、本明細書では、放射線ビーム14Bによって与えられる角度範囲の「中央角度」と呼ぶ。
Claims (17)
- 単結晶基板の領域を熱処理する装置であって、
連続する第1の放射線ビームと前記基板の領域を加熱できる波長とを供給することができる連続放射線源と、
前記第1の放射線ビームを受け、前記基板において像を形成する第2の放射線ビームを前記第1の放射線ビームから形成する光学系と、
前記基板によって反射された放射線を受け、前記反射放射線をリサイクル放射線ビームとして前記基板に向け返すように配置され、かつ、前記基板の領域に応じて選択された非法線入射角にて前記基板の領域に接近して、前記像と同じ位置に反射像を形成するリサイクル光学系と、
前記基板を支持し、前記光学系からの第1の放射線パルスと前記リサイクル光学系からの第2の放射線パルスとによって前記領域を熱処理するために十分な温度に前記領域を加熱するように、前記像に対して前記基板を走査するステージと、
を含む、装置。 - 請求項1において、
前記像は線像である、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、集光/集束レンズおよびコーナーキューブ反射体を含む、装置。 - 請求項3において、
前記リサイクル放射線ビームおよび前記第2の放射線ビームはそれぞれの入射角を有し、
前記リサイクル光学系は光軸を有し、
前記コーナーキューブ反射体は、前記リサイクル放射線ビームの入射角と前記第2の放射線ビームの入射角とを少なくとも部分的に分離させるように前記光軸に対して変位している、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、テレセントリックリレーおよび回折格子を含む、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、光軸に沿って前記基板から順に、
円柱ミラーと、
単位倍率(1×)リレーと、
前記反射放射線を反射して前記単位倍率リレーを介して前記基板に戻す偏光保存ルーフミラーと、
を含む、装置。 - 請求項6において、
前記単位倍率リレーは、
同一の焦点距離を有し、前記焦点距離の2倍の距離によって分離された第1および第2の円柱レンズと、
前記第1および第2の円柱レンズの中間の瞳と、
を含む、装置。 - 請求項1において、
前記リサイクル光学系は、前記リサイクル放射線ビームをブリュースター角またはその近傍の入射角で前記基板に向ける、装置。 - 単結晶基板の領域を熱処理する装置であって、
連続する第1の放射線ビームと前記基板の領域を加熱できる波長とを供給することができる2以上の連続放射線源と、
それぞれが対応する前記第1の放射線ビームの1つを受け、前記基板に像を形成する第2の放射線ビームを前記第1の放射線ビームから形成し、それによって前記基板に2以上の像を形成する2以上の光学系と、
前記基板を支持し、2以上の放射線パルスによって前記領域を熱処理するために十分な温度に前記領域を加熱するように、前記2以上の像に対して前記基板を走査するステージと、
を含み、
前記第2の放射線ビームはそれぞれ、同じ位置に形成された2以上の各像を有する前記基板の領域に応じて選択された非法線入射角にて、前記基板の領域に接近する、装置。 - 請求項9において、
前記2以上の光学系は前記2以上の像を線像として形成する、装置。 - 単結晶基板の1以上の領域を熱処理する方法であって、
a.前記1以上の領域を加熱できる波長を有する連続放射線ビームを生成すること、
b.前記基板に第1の放射線ビームとして前記連続放射線ビームを照射すること、
c.前記基板の前記1以上の領域からの反射連続放射線を捕らえ、前記反射連続放射線を、前記基板の前記1以上の領域に応じて選択された非法線入射角で前記基板の前記1以上の領域に接近して、前記第1の放射線ビームの照射により形成された像と同じ位置に反射像を形成するリサイクル放射線ビームとして前記1以上の領域に向け返すこと、および
d.前記1以上の領域が、前記1以上の領域を処理することができる量の熱エネルギーを受けるように、前記第1の放射線ビームおよび前記リサイクル放射線を前記1以上の領域の上方で走査すること、
を含む、方法。 - 請求項11において、
前記リサイクル放射線ビームは、選択波長における最小基板反射率に対応する入射角を有するように形成される、方法。 - 請求項11において、
前記反射放射線を前記1以上の領域に向け返すことは、コーナーキューブ反射体を用いて前記反射放射線を反射させることを含む、方法。 - 請求項11において、
前記反射放射線を前記1以上の領域に向け返すことは、ルーフミラーおよび円柱ミラーを用いて前記反射放射線を反射させることを含む、方法。 - 請求項11において、
前記反射放射線を前記1以上の領域に向け返すことは、前記基板に向け返さられる前記反射放射線が前記1以上の領域において焦点合わせされるように、前記反射放射線に対して傾けられた回折格子によって前記反射放射線を回折させることを含む、方法。 - 請求項11において、
前記反射放射線を前記1以上の領域に向け返すことは、円柱ミラーおよび単位倍率(1×)リレーとを介して偏光保存ルーフミラーに前記反射光を向けることを含み、
前記偏光保存ルーフミラーは、前記基板の一部に集束像を形成するために、前記単位倍率リレーを介して前記反射放射線を反射し返す、方法。 - 単結晶基板の領域を熱処理する方法であって、
前記基板の領域を加熱することのできる波長を有する2以上の連続する第1の放射線ビームを発生すること、
前記2以上の連続する第1の放射線ビームを、対応する2以上の光学系を用いて受け、前記2以上の光学系は、対応する前記第1の放射線ビームの1つを受け、前記第1の放射線ビームから第2の放射線ビームを前記基板に形成すること、
前記第2の放射線ビームはそれぞれ前記基板に像を形成することにより、前記基板の同じ位置に2以上の像をそれぞれ形成すること、および
2以上の同時放射線パルスによって前記領域を熱処理するために十分な温度に前記領域を加熱するように、前記2以上の像に対して前記基板を走査すること、
を含み、
前記第2の放射線ビームはそれぞれ、同じ位置に形成された2以上の各像を有する前記基板の領域に応じて選択された非法線入射角にて、前記基板の領域に接近する、方法。
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