特開 2024-249 レーザ加工装置の制御装置、レーザ加工装置、及びレーザアニール方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024000249

(43)【公開日】2024-01-05

(54)【発明の名称】レーザ加工装置の制御装置、レーザ加工装置、及びレーザアニール方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/268 20060101AFI20231225BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20231225BHJP

【ＦＩ】

H01L21/268 T

H01L21/265 602C

H01L21/268 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098933

(22)【出願日】2022-06-20

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】安田 和正

(57)【要約】

【課題】エネルギ利用効率を低下させることなく、所望のパルスエネルギ密度でアニールを行うことが可能なレーザアニール装置の制御装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを、ビームサイズ調整光学系を経由して加工対象物に入射させるレーザ加工装置が、制御装置によって制御される。制御装置は、加工時に用いるパルスレーザビームのパルスエネルギの密度目標値を取得する機能と、レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び密度目標値に基づいて、加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が密度目標値になるように、加工対象物の表面におけるビームスポットの面積目標値を計算する機能と、加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、面積目標値になるようにビームサイズ調整光学系を制御する機能とを備えている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを、ビームサイズ調整光学系を経由して加工対象物に入射させるレーザ加工装置を制御する制御装置であって、
加工時に用いるパルスレーザビームのパルスエネルギの密度目標値を取得する機能と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記密度目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記密度目標値になるように、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積目標値を計算する機能と、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、前記面積目標値になるように前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能と
を備えた制御装置。

【請求項2】

さらに、
前記加工対象物の表面におけるパルスレーザビームのビームプロファイルを計測する計測器から、計測結果を取得する機能と、
前記計測器から取得した計測結果から求まるビームスポットの面積と、前記面積目標値との差が許容範囲か否かを判定し、前記差が前記許容範囲から外れている場合、ビームスポットの面積が前記面積目標値に近づくように、前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能と
を備えた請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から加工対象物までのパルスレーザビームの経路に配置され、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積を変化させるビームサイズ調整光学系と、
レーザ加工条件が入力される入力装置と、
前記ビームサイズ調整光学系を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記入力装置に入力されたパルスエネルギの密度目標値を取得する機能と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記密度目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記密度目標値になるように、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積目標値を計算する機能と、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、前記面積目標値になるように前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能と
を有するレーザ加工装置。

【請求項4】

さらに、前記加工対象物の位置におけるパルスレーザビームのビームプロファイルを計測する計測器を備え、
前記制御装置は、前記計測器から取得した計測結果から求まるビームスポットの面積と、前記面積目標値との差が許容範囲か否かを判定し、前記差が前記許容範囲から外れている場合、ビームスポットの面積が前記面積目標値に近づくように、前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能を、さらに有する請求項３に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度の目標値を決定し、
レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記目標値になるように前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積を決定し、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、決定された面積になる条件で前記加工対象物にパルスレーザビームを入射させるレーザアニール方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置の制御装置、レーザ加工装置、及びレーザアニール方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウエハにドープしたドーパントの活性化を行うアニール、ガラス基板に形成したアモルファス半導体層を結晶化させるアニール等の、パルスレーザビームを用いたレーザアニールが用いられる（例えば、特許文献１等）。レーザアニールにおいては、加工対象物の表面上でビームスポットを走査することにより、加工対象物のほぼ全域のアニールを行う。

【0003】

最適なアニールを行うために、１パルス当たりのエネルギ密度（パルスエネルギ密度）を最適化することが好ましい。レーザ発振器から出力されたレーザビームを可変減衰器で減衰させることにより、パルスエネルギ密度を最適化することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０２２４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パルスエネルギ密度を最適化するために、レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを減衰させると、エネルギ利用効率が低下してしまう。本発明の目的は、エネルギ利用効率を低下させることなく、所望のパルスエネルギ密度でアニールを行うことが可能なレーザアニール装置、その制御装置及びレーザアニール方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によると、
レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームを、ビームサイズ調整光学系を経由して加工対象物に入射させるレーザ加工装置を制御する制御装置であって、
加工時に用いるパルスレーザビームのパルスエネルギの密度目標値を取得する機能と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記密度目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記密度目標値になるように、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積目標値を計算する機能と、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、前記面積目標値になるように前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能と
を備えた制御装置が提供される。

【0007】

本発明の他の観点によると、
パルスレーザビームを出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から加工対象物までのパルスレーザビームの経路に配置され、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積を変化させるビームサイズ調整光学系と、
レーザ加工条件が入力される入力装置と、
前記ビームサイズ調整光学系を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記入力装置に入力されたパルスエネルギの密度目標値を取得する機能と、
前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記密度目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記密度目標値になるように、前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積目標値を計算する機能と、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、前記面積目標値になるように前記ビームサイズ調整光学系を制御する機能と
を有するレーザ加工装置が提供される。

【0008】

本発明のさらに他の観点によると、
加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度の目標値を決定し、
レーザ発振器から出力されるパルスレーザビームのパルスエネルギ、及び前記目標値に基づいて、前記加工対象物の表面におけるパルスエネルギ密度が前記目標値になるように前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積を決定し、
前記加工対象物の表面におけるビームスポットの面積が、決定された面積になる条件で前記加工対象物にパルスレーザビームを入射させるレーザアニール方法が提供される。

【発明の効果】

【0009】

パルスエネルギの密度目標値に基づいてビームスポットの面積目標値を調整すると、パルスエネルギを一定にしても、目標とするパルスエネルギ密度でレーザ加工を行うことができる。パルスエネルギの目標値を低下させる場合でも、パルスエネルギを低下させる必要がないため、エネルギの利用効率の低下を抑制することができる。さらに、パルスエネルギの密度目標値が低下したときに、ビームスポットの面積を拡大することにより、レーザ加工に必要な時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

【図2】図２Ａは、加工対象物の表面にけるパルスレーザビームのビームスポットの移動の様子を示す模式図であり、図２Ｂは、図２Ａに示したビームスポットに比べて幅Ｌｘを長くした場合のビームスポットの移動の様子を示す模式図である。

【図3】図３は、本実施例によるレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。

【図4】図４Ａ～図４Ｃは、レーザ加工時におけるビームスポットの移動の様子及びレーザ照射条件を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１～図３を参照して、一実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。２台のレーザ発振器１０が、制御装置３０からの指令に基づいてパルスレーザビームを出力する。２台のレーザ発振器１０のそれぞれから出力されたパルスレーザビームが、ビーム合成器１２で１本のパルスレーザビームに合成される。一方のレーザ発振器１０から出力されたパルスレーザビームはミラー１１で反射されてビーム合成器１２に入射する。

【0012】

ビーム合成器１２で合成されたパルスレーザビームは、アッテネータ１３、ビームエキスパンダ１４、ビームサイズ調整光学系１５を通過し、ミラー１８で反射され、集光レンズ２１を通過して加工対象物５０に入射する。加工対象物５０は、ＸＹステージ等の可動ステージ２２に保持されている。可動ステージ２２は、制御装置３０からの指令に基づいて加工対象物５０を水平面内の二方向に移動させる。加工対象物５０は、例えばドーパントがイオン注入された半導体ウエハであり、パルスレーザビームの入射によってドーパントの活性化アニールを行う。

【0013】

可動ステージ２２に計測器２０が取り付けられている。可動ステージ２２を移動させて、計測器２０をパルスレーザビームの入射位置に配置することにより、加工対象物５０の表面の位置におけるパルスレーザビームのビームプロファイルを計測することができる。ビームプロファイルの計測結果が制御装置３０に入力される。

【0014】

レーザ発振器１０として、例えばファイバレーザ発振器、レーザダイオード、固体レーザ発振器等を用いることができる。アッテネータ１３は、パルスレーザビームを所定の減衰率で減衰させる。ビームエキスパンダ１４は、ビームサイズ調整光学系１５の入射位置におけるビームサイズを調整する。ビームサイズ調整光学系１５は、加工対象物５０の表面におけるビームスポットを整形するとともに、強度分布を均一化する。さらに、ビームサイズ調整光学系１５は、制御装置３０からの指令により、ビームスポットの面積を変化させる。

【0015】

ビームサイズ調整光学系１５は、例えば、加工対象物５０の表面におけるビームスポットの形状を長方形に整形し、その面積を変化させることができる。ビームスポットの長軸方向の寸法を変化させるために、一対のシリンドリカルレンズアレイ１５Ａが配置されており、短軸方向の寸法を変化させるために、他の一対のシリンドリカルレンズアレイ１５Ｂが配置されている。

【0016】

ビームサイズ調整光学系１５に入射したパルスレーザビームは、短軸用のシリンドリカルレンズアレイ１５Ｂ、長軸用のシリンドリカルレンズアレイ１５Ａ、及び凸レンズ１５Ｃを通過して、ビームサイズ調整光学系１５から出力される。制御装置３０からの指令により、長軸調整機構１５Ｄが長軸用の一対のシリンドリカルレンズアレイ１５Ａの間隔を変化させると、ビームスポットの長軸方向の寸法が変化する。同様に、短軸調整機構１５Ｅが短軸用の一対のシリンドリカルレンズアレイ１５Ｂの間隔を変化させると、ビームスポットの短軸方向の寸法が変化する。

【0017】

入力装置３１に、レーザ加工条件及び種々のコマンドが入力される。制御装置３０は、入力装置３１に入力されたレーザ加工条件に基づいて、パルスレーザビームが加工対象物５０の表面の目標位置に入射するように、可動ステージ２２を制御する。さらに、レーザ発振器１０からのパルスレーザビームの出力タイミングを制御する。

【0018】

次に、図２Ａを参照して、レーザ加工時におけるビームスポットの移動について説明する。図２Ａは、加工対象物５０（図１）の表面にけるパルスレーザビームのビームスポット４０の移動の様子を示す模式図である。本実施例では、パルスレーザビームの経路を固定し、加工対象物５０を移動させることにより、加工対象物５０に対してビームスポット４０を移動させている。図２Ａでは、加工対象物５０に対するビームスポット４０の相対的な移動の様子を示している。

【0019】

加工対象物５０の表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ビームスポット４０の形状は、ｙ方向に長い角丸長方形である。ビームスポット４０のｙ方向の寸法（長さ）をＬｙと標記し、ｘ方向の寸法（幅）をＬｘと標記することとする。

【0020】

レーザ加工は、加工対象物５０の表面をパルスレーザビームでｘ方向に走査する走査処理と、ビームスポット４０をｙ方向に移動させるステップ動作とを交互に繰り返すことにより行われる。走査動作において、パルスレーザビームのパルスの繰返しの一周期の間にビームスポット４０がｘ方向に移動する距離をＷｘと標記する。移動距離Ｗｘはビームスポット４０のｘ方向の寸法（以下、幅Ｌｘという。）よりも短い。このため、あるショットのビームスポット４０は、直前のショットのビームスポット４０とｘ方向に関して部分的に重なる。重なり部分のｘ方向の寸法、すなわちＬｘ－Ｗｘの、ビームスポット４０の幅Ｌｘに対する比を走査動作におけるオーバラップ率という。

【0021】

１回のステップ動作におけるビームスポット４０のｙ方向への移動距離をＷｙと標記する。移動距離Ｗｙはビームスポット４０のｙ方向の寸法（以下、長さＬｙという。）より短い。このため、ある走査動作で走査される領域は、直前の走査動作で走査された領域とｙ方向に関して部分的に重なる。重なり部分のｙ方向の寸法、すなわちＬｙ－Ｗｙの、ビームスポット４０の長さＬｙに対する比をステップ動作におけるオーバラップ率という。

【0022】

制御装置３０がビームサイズ調整光学系１５を制御することにより、ビームスポット４０の長さＬｙ及び幅Ｌｘを変化させることができる。例えば、長軸調整機構１５Ｄを制御することにより、ビームスポット４０の長さＬｙを変化させることができ、短軸調整機構１５Ｅを制御することにより、ビームスポット４０の幅Ｌｘを変化させることができる。

【0023】

図２Ｂは、図２Ａに示したビームスポット４０に比べて幅Ｌｘを長くした場合のビームスポット４０の移動の様子を示す模式図である。幅Ｌｘを長くすると、ビームスポット４０の面積が広くなる。パルスレーザビームの１パルス当たりのエネルギ（以下、パルスエネルギという。）が同一の条件でビームスポット４０の面積を広くすると、１パルス当たりのエネルギ密度（以下、パルスエネルギ密度という。）が低下する。

【0024】

次に、図３を参照して、本実施例によるレーザ加工装置でレーザ加工を行う方法について説明する。図３は、本実施例によるレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。

【0025】

ピークパワー、パルス幅、パルスエネルギ密度等のレーザ照射条件が入力装置３１に入力されると、制御装置３０が、入力装置３１からこれらのレーザ照射条件を取得する（ステップＳ１）。なお、ピークパワー及びパルス幅の値は、予め制御装置３０に記憶させておいてもよい。レーザ照射条件として入力されたパルスエネルギ密度の値を、密度目標値ということとする。ピークパワーは、レーザ発振器１０のピークパワーの定格値に基づいて決定するとよい。例えば、２台のレーザ発振器１０を用いる場合は、レーザ発振器１０のピークパワーの定格値の約２倍にするとよい。

【0026】

制御装置３０は、ピークパワー、パルス幅、及び密度目標値に基づいて、パルスエネルギ密度が密度目標値になるためのビームスポット４０の面積を計算する（ステップＳ２）。計算で求められた面積の値を、面積目標値ということとする。

【0027】

ビームスポット４０の面積目標値が求まると、ビームスポット４０の走査方向（ｘ方向）及びステップ動作方向（ｙ方向）のビームスポット４０の寸法Ｌｘ、Ｌｙを決定する（ステップＳ３）。一例として、ｙ方向の寸法Ｌｙは予め固定的に与えられており、面積目標値と寸法Ｌｙとから、ｘ方向の寸法Ｌｘを決定する。その他に、寸法ＬｘとＬｙとの比を予め決定しておき、この比と面積目標値とから、寸法Ｌｘ、Ｌｙを決定してもよい。

【0028】

制御装置３０は、ビームスポット４０の寸法Ｌｘ、Ｌｙが、ステップＳ３で決定された値になるように、ビームサイズ調整光学系１５を制御する（ステップＳ４）。制御装置３０は、可動ステージ２２（図１）を動作させて、計測器２０をパルスレーザビームの経路上に配置し、レーザ発振器１０からパルスレーザビームを出力させる。制御装置３０は、計測器２０から計測結果を取得し、計測結果から、ビームスポット４０の寸法Ｌｘ、Ｌｙを求め、面積を計算する（ステップＳ５）。

【0029】

計測結果から計算したビームスポット４０の面積の計測値と面積目標値とを比較し、両者の差が許容範囲か否かを判定する（ステップＳ６）。両者の差が許容範囲から外れている場合は、ビームサイズ調整光学系１５を再度制御し、ビームスポット４０の寸法Ｌｘ、Ｌｙの微調整を行う（ステップＳ４）。両者の差が許容範囲に収まっている場合は、現在のビームスポット４０の寸法でレーザ加工を行う（ステップＳ７）。

【0030】

次に、図４Ａ～図４Ｃを参照して本実施例の優れた効果について説明する。図４Ａ～図４Ｃは、レーザ加工時におけるビームスポット４０の移動の様子及びレーザ照射条件を示す図である。図４Ａは、パルスエネルギの密度目標値がＥ_０の場合、図４Ｂ及び図４Ｃは、パルスエネルギの密度目標値がＥ_０より小さいＥ_１の場合を示す。

【0031】

図４Ａに示すように、パルスエネルギをＰ_０、ビームスポット４０の面積をＳ_０に設定した条件でレーザ加工を行う。パルスエネルギＰ_０は、例えばレーザ発振器１０（図１）の定格値から決定される。ビームスポット４０の面積Ｓ_０は、Ｐ_０／Ｓ_０＝Ｅ_０を満たすように決定される。ビームスポット４０のｘ方向およびｙ方向の寸法を、それぞれＬｘ、Ｌｙと標記する。ビームスポット４０のショット間でのｘ方向の移動距離をＷｘと標記する。

【0032】

図４Ｂは、従来行われていた比較例によるレーザ加工方法におけるレーザ照射条件を示す。従来は、パルスエネルギの密度目標値がＥ_０からＥ_１に低下しても、ビームスポット４０の面積はＳ_０のままであり、パルスエネルギをＰ_０からＰ_１に低下させることにより、パルスエネルギ密度が密度目標値Ｅ_１になるように調整していた。パルスエネルギの低下は、例えばアッテネータ１３（図１）によるパルスレーザビームの減衰量を大きくすることにより行う。パルスエネルギＰ_１は、Ｐ_１／Ｓ_０＝Ｅ_１を満たすように決定される。ビームスポット４０のｘ方向の寸法Ｌｘ、ｙ方向の寸法Ｌｙ、及び移動距離Ｗｘは、図４Ａに示したレーザ加工の場合と同一である。

【0033】

図４Ｃは、実施例によるレーザ加工方法におけるレーザ照射条件を示す。パルスエネルギの密度目標値がＥ_０からＥ_１に低下しても、パルスエネルギは変化させず、ビームスポット４０の面積をＳ_０からＳ_１に広くする。ビームスポット４０の面積Ｓ_１は、Ｐ_０／Ｓ_１＝Ｅ_１を満たすように決定される。

【0034】

ビームスポット４０の面積の拡大は、ビームスポット４０のｘ方向の寸法Ｌｘを大きくすることにより実現する。オーバラップ率一定の条件でレーザ加工を行う場合、ビームスポット４０の移動距離Ｗｘは、図４Ａに示したレーザ加工の場合より長くなる。このため、レーザ加工の時間短縮を図ることが可能である。

【0035】

また、図４Ｂに示した比較例では、アッテネータ１３（図１）によるパルスレーザビームの減衰量を大きくするため、レーザエネルギが有効に利用されない。これに対して図４Ｃに示した実施例では、パルスエネルギの密度目標値が低下してもパルスエネルギを低下させないため、レーザエネルギの利用効率の低下が抑制される。

【0036】

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、ビームスポット４０の面積を変化させる場合に、ｙ方向の寸法Ｌｙを固定し、ｘ方向の寸法Ｌｘを変化させたが、逆に、ｘ方向の寸法Ｌｘを固定し、ｙ方向の寸法Ｌｙを変化させてもよい。

【0037】

寸法Ｌｙの複数の候補値を決めておき、ビームスポット４０の面積に基づいて複数の候補値から１つを選択するようにしてもよい。この場合、もう一方の寸法Ｌｘの値は、ビームスポット４０の面積と寸法Ｌｙの選択された候補値とから計算することができる。なお、逆に、寸法Ｌｘの複数の候補値を決めて起きてもよい。

【0038】

寸法ＬｘとＬｙとの比を決めておき、ビームスポット４０の面積から、寸法Ｌｘ、Ｌｙを決定してもよい。

【0039】

上記実施例では、２台のレーザ発振器１０（図１）から出力されたパルスレーザビームを合成しているが、１台のレーザ発振器１０を用いてもよい。また、第１実施例では、計測器２０を可動ステージ２２に取り付けているが、ミラー１８を部分反射鏡にし、部分反射鏡を透過したパルスレーザビームが入射する位置に計測器２０を配置してもよい。この場合、計測器２０が配置された位置におけるビームスポットが、加工対象物５０の表面におけるビームスポットと同じ大きさになるように調整しておくことが好ましい。

【0040】

上記実施例は例示であり、本発明は上記の実施例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。

【符号の説明】

【0041】

１０ レーザ発振器
１１ ミラー
１２ ビーム合成器
１３ アッテネータ
１４ ビームエキスパンダ
１５ スポットサイズ調整光学系
１５Ａ 長軸用シリンドリカルレンズアレイ
１５Ｂ 短軸用シリンドリカルレンズアレイ
１５Ｃ 凸レンズ
１５Ｄ 長軸調整機構
１５Ｅ 短軸調整機構
１８ 部分反射ミラー
２０ 計測器（ビームプロファイラ）
２１ 集光レンズ
２２ 可動ステージ
３０ 制御装置
３１ 入出力装置
４０ ビームスポット
５０ 加工対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】