JPH08195357A - レーザー照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー光の照射に従う効果、例えばレーザ
ー光の照射に従う半導体へのアニール効果を均一なもの
とする。 【構成】 エキシマレーザーの照射エネルギーを測定
し、常に一定のエネルギーで照射が行われるように調整
する。光学系４から出て、ミラー９で反射されたレーザ
ー光は試料１１に照射される。この際、ミラー９の直後
にビームプロファイラーを配置し、照射されるレーザー
光のエネルギーを計測する。そして、この計測値を基に
ミラー８と光学系４との間に配置されたエネルギー減衰
装置を作動させ、試料１１に照射されるエネルギーを一
定なものとなるように調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体デバイス
の作製する際に使用する、レーザー装置の構成に関す
る。特に、本発明は、１部もしくは全部が非晶質成分か
らなる半導体材料、あるいは、実質的に真性な多結晶の
半導体材料、さらには、イオン照射、イオン注入、イオ
ンドーピング等によってダメージを受け、結晶性が著し
く損なわれた半導体材料に対してレーザー光を照射する
ことによって、該半導体材料の結晶性を向上せしめ、あ
るいは結晶性を回復させる目的で使用するレーザー装置
の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子プロセスの低温化に関
して盛んに研究が進められている。その大きな理由は、
ガラス等の絶縁基板上に半導体素子を形成する必要が生
じたからである。その他にも素子の微小化や素子の多層
化に伴う要請もある。

【０００３】半導体プロセスにおいては、半導体材料に
含まれる非晶質成分もしくは非晶質半導体材料を結晶化
させることや、もともと結晶性であったものの、イオン
を照射したために結晶性が低下した半導体材料の結晶性
を回復することや、結晶性であるのだが、より結晶性を
向上させることが必要とされることがある。従来、この
ような目的のためには熱的なアニールが用いられてい
た。半導体材料として珪素を用いる場合には、６００℃
から１１００℃の温度で０．１〜４８時間、もしくはそ
れ以上の時間のアニールをおこなうことによって、非晶
質の結晶化、結晶性の回復、結晶性の向上等がなされて
きた。

【０００４】このような、熱アニールは、一般に温度が
高いほど処理時間は短くても良かったが、５００℃以下
の温度ではほとんど効果はなかった。したがって、プロ
セスの低温化の観点からは、従来、熱アニールによって
なされていた工程を他の手段によって置き換えることが
必要とされた。

【０００５】レーザー光照射技術は究極の低温プロセス
と注目されている。すなわち、レーザー光は熱アニール
に匹敵する高いエネルギーを必要とされる箇所にのみ限
定して与えることができ、基板全体を高い温度にさらす
必要がないからである。レーザー光の照射に関しては、
大きく分けて２つの方法が提案されていた。

【０００６】第１の方法はアルゴンイオン・レーザー等
の連続発振レーザーを用いたものであり、スポット状の
ビームを半導体材料に照射する方法である。これはビー
ム内部でのエネルギー分布の差、およびビームの移動に
よって、半導体材料が溶融した後、緩やかに凝固するこ
とによって半導体材料を結晶化させる方法である。第２
の方法はエキシマーレーザーのごときパルス発振レーザ
ーを用いて、大エネルギーレーザーパルスを半導体材料
に照射し、半導体材料を瞬間的に溶融させ、凝固させる
ことによって半導体材料を結晶化させる方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１の方法の問題点は
処理に時間がかかることであった。これは連続発振レー
ザーの最大エネルギーが限られたものであるため、ビー
ムスポットのサイズがせいぜいｍｍ単位となったためで
ある。これに対し、第２の方法ではレーザーの最大エネ
ルギーは非常に大きく、したがって、数ｃｍ² 以上の大
きなスポットを用いて、より量産性を上げることができ
る。しかしながら、通常用いられる正方形もしくは長方
形の形状のビームでは、１枚の大きな面積の基板を処理
するには、ビームを上下左右に移動させる必要があり、
量産性の面で依然として改善する余地があった。

【０００８】これに関しては、ビームを線状に変形し、
ビームの幅を処理すべき基板を越える長さとし、このビ
ームを走査することによって、大きく改善できる。改善
すべき問題として残されていたことはレーザー照射効果
の均一性である。エキシマレーザーに代表されるガスに
対して放電を行うことによってレーザー発振を行うパル
ス発振レーザーは、パルスごとにエネルギーがある程度
変動する性質を有している。さらに、パルス発振レーザ
ーは出力されるエネルギーによってそのエネルギーの変
動の度合いが変化する特性を有している。特にレーザー
が安定に発振しにくいエネルギー領域で照射を行なう場
合、基板全面にわたって均一なエネルギーでレーザー処
理することは困難である。

【０００９】パルス発振型のレーザーを使用するもう一
つの問題点として、レーザーを長時間使用することによ
って、レーザー発振に必要なガスが劣化し、レーザーエ
ネルギーが下がってゆくことが挙げられる。このことに
関してはレーザーの出力を上げれば、レーザーエネルギ
ーも上がるので、問題ないように思われる。しかし、実
際はレーザーの出力を変えるとしばらくの間レーザーの
エネルギーが安定しなくなるので、この方法はあまり好
ましくない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、減光フィル
ターで代表されるエネルギー減衰装置とビームプロファ
イラーで代表されるエネルギー測定装置を組み合わせ用
いることによって、これらの問題を解決する。即ち、本
発明は、レーザーができるだけ安定する出力でレーザー
発振を行ない、さらにエネルギー減衰装置を組み合わせ
用いることで、レーザー強度を被照射物に対して最適な
エネルギーに調節し照射する方法に関する。

【００１１】なお、本発明の場合、エネルギー減衰装置
はエネルギー減衰率が連続可変であることが望ましい
が、不連続可変でも良い。すなわち、本発明の概要はレ
ーザーエネルギーを上記最適エネルギーより高く設定
し、エネルギー減衰装置を使用することで上記最適エネ
ルギーに調節する。このとき、レーザーはできるだけ安
定に発振できるエネルギー領域で発振させる。そして、
レーザーを長時間発振し続けるとレーザーエネルギーが
低下してくる。この低下分をエネルギー減衰装置を調節
することで補うのが、本発明の主旨である。即ち、最終
的に低下してしまうエネルギーを最初の段階ではエネル
ギー減衰装置で減衰させ、レーザー光の照射を続ける段
階において、徐々に減衰率を低下させていくことで、常
に一定のエネルギーでレーザー光を照射することを特徴
とする。であるから、エネルギー減衰装置が連続可変で
ある方が好ましい。

【００１２】

【実施例】

〔実施例１〕まず装置について説明する。図１には本実
施例で使用するレーザーアニール装置の概念図を示す。
１がレーザーアニール装置の本体である。レーザー光は
発振器２で発振される。発振器２で発振されるレーザー
光は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ、パル
ス幅２５ｎｓ）である。勿論、他のエキシマレーザーさ
らには他の方式のレーザーを用いることもできる。

【００１３】発振器２で発振されたレーザー光は、全反
射ミラー５、６を経由して増幅器３で増幅され、さらに
全反射ミラー７、８を経由して光学系４に導入される。
なお、図１中には示さなかったが、８と４との間にエネ
ルギー減衰装置を挿入する。この機械の構造は図３に示
す。

【００１４】図３の装置は１枚のフィルターをレーザー
ビームの進行方向に対してほぼ面を向け、その角度を変
えることでエネルギー透過率を変化させる方式ものであ
る。

【００１５】光学系に入射する直前のレーザー光のビー
ムは、３×２cm² 程度の長方形であるが、光学系４によ
って、長さ８〜３０cm、幅０〜０. ５ｍｍ程度の細長い
ビーム（線状ビーム）に加工される。この光学系４を経
たレーザー光のエネルギーは最大で１０００ｍＪ／ショ
ットである。

【００１６】レーザー光をこのような細長いビームに加
工するのは、加工性を向上させるためである。即ち、線
状のビームは光学系４を出た後、全反射ミラー９を経
て、試料１１に照射されるが、ビームの幅は試料の幅よ
りも長いので、試料を１方向に移動させることで、試料
全体に対してレーザー光を照射することができる。従っ
て、試料のステージ及び駆動装置１０は構造が簡単で保
守も用意である。また、試料をセットする際の位置合わ
せの操作（アラインメント）も容易である。

【００１７】レーザー光が照射される試料のステージ１
０はコンピュータにより制御されており線状のレーザー
光に対してほぼ直角方向に動くよう設計されている。

【００１８】光学系４の内部の光路を図２に示す。光学
系４に入射したレーザー光はシリンドリカル凹レンズ
Ａ、シリンドリカル凸レンズＢ、横方向のフライアイレ
ンズＣ、Ｄを通過することによってレーザー光はそれま
でのガウス分布型から短形分布に変化する。さらに、シ
リンドリカル凸レンズＥ、Ｆを通過してミラーＧ（図１
ではミラー９に相当）を介して、シリンドリカルレンズ
Ｈによって集束され、試料に照射される。

【００１９】ミラーＧ（図１のミラー９に相当する）は
レーザーエネルギーを少し透過できるようにできてお
り、ミラーＧの後ろにビームプロファイラーを置いて、
レーザーを試料に照射中でもリアルタイムでレーザーエ
ネルギーを測定できる。線状レーザーは面積も大きいの
で、ビームプロファイラーを線状レーザー内でスキャン
させることでエネルギーを測定する。（図４参照）こう
することで線状レーザー内のエネルギー分布も測定でき
る。

【００２０】これらの装置はレーザー照射中、線状レー
ザーのエネルギーが設定エネルギーよりもある一定の割
合以上ずれてくると自動的にビームスプリッターからエ
ネルギー減衰装置に信号がきて、レーザーエネルギーを
上記設定エネルギーに直すよう設計されている。

【００２１】〔実施例２〕実施例１の方法で図１記載の
ミラーＧに透過性をもたせることは、レーザー照射のエ
ネルギーをリアルタイムで測定できる利点を持つ反面、
レーザーエネルギーを損失してしまう欠点がある。そこ
で本実施例では、上記欠点を解消する装置配置について
述べる。ただし、本実施例の装置配置だと試料照射中に
リアルタイムで線状レーザービームのエネルギーを測定
することはできなくなる。

【００２２】本実施例で使用する装置のレーザー照射部
分を図５に示す。図５中のミラーＰに図１のミラーＧが
対応する。ミラーＰは全反射ミラーで、その下に４％反
射ミラーＱがある。ミラーＱで折り返されたエネルギー
はビームプロファイラーＲに入るようになっている。ミ
ラーＱはミラーＰに比べるとサイズが小さい。というの
は、ビームプロファイラーが一度に測定できる面積が小
さいからである。ミラーＱはビームプロファイラーＲと
連動していて、線状レーザーに沿って、線状レーザーよ
りも広い範囲でスライドできるようになっている。ミラ
ーＱとビームプロファイラーＲはレーザー照射時には線
状レーザーの外までスライドさせておく。ここで、もし
被照射物が線状レーザーの幅にたいして狭いものである
なら、照射に影響しない線状レーザーの端のところにミ
ラーＱを置くことで、レーザー照射中もエネルギーを測
定することが可能となる。

【００２３】

【発明の効果】本発明のレーザー照射技術によって、レ
ーザーエネルギーを極力一定に保ちながらレーザー処理
を行うことが可能となった。この結果、レーザー処理工
程の再現性が高まり、レーザー処理工程を経る製品のバ
ラツキが著しく減ることが期待できる。本発明は特に、
半導体デバイスのプロセスに利用される全てのレーザー
処理プロセスに有効に利用できる。なぜなら、上記プロ
セスはレーザーエネルギーのマージンが狭く、わずかな
エネルギーの違いが特性に大きく影響するからである。
このように本発明は工業上、有益なものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 レーザーアニール装置の概略を示す図

【図２】 光学系を示す図

【図３】 減光フィルターを示す図

【図４】 線状レーザーのエネルギーを測定する状態を
示す図

【図５】 レーザー照射装置の概略の構成を示す図

【符号の説明】

１ レーザー照射装置 ２ レーザー光の発振器 ３ レーザー光の増幅器 ４ 光学系 ５、６、８、９ 全反射ミラー １０ ステージ １１ 試料

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エキシマレーザーにエネルギー測定装置
   をつけたことを特徴とするレーザー照射装置。
2. 【請求項２】エキシマレーザーにエネルギー減衰装置を
   つけたことを特徴とするレーザー照射装置。
3. 【請求項３】請求項２記載のエネルギー減衰装置のエネ
   ルギー減衰率が可変であることを特徴とするレーザー照
   射装置。
4. 【請求項４】エキシマレーザーにエネルギー測定装置と
   エネルギー減衰装置とをつけたことを特徴とするレーザ
   ー照射装置。
5. 【請求項５】エキシマレーザーにエネルギー測定装置と
   エネルギー減衰率が可変であるエネルギー減衰装置とを
   つけたことを特徴とするレーザー照射装置。
6. 【請求項６】請求項５記載のエネルギー測定装置とエネ
   ルギー減衰装置とが連動しており、レーザーエネルギー
   をある一定の値に保ってレーザー照射を行えることを特
   徴とするレーザー照射装置。