JP5595021B2

JP5595021B2 - レーザ処理装置

Info

Publication number: JP5595021B2
Application number: JP2009275095A
Authority: JP
Inventors: 研太田中; 健相場
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: JP2011119419A

Description

本発明は、処理対象物にレーザビームを入射させ、処理対象物上でレーザビームの入射位置を移動させながらレーザ処理を行う装置及び方法に関する。

半導体ウエハに注入された不純物を活性化するレーザアニールに、例えば、半導体ウエハの表面で一方向に長いビーム断面を有する長尺ビームが用いられる。長尺ビームを、その長さ方向と直交する方向に走査することにより、半導体ウエハの帯状の領域をアニールすることができる。ラスタスキャンを行うことにより、複数の帯状の領域をアニールすることができる。

長尺ビームを形成するために、例えば長尺の透過領域を有するマスクと、マスクを半導体ウエハ上に結像させる結像光学系が用いられる。特許文献１に、マスクと、半導体ウエハを保持するステージとを個別に駆動することにより、露光パターンを走査する装置が開示されている。

特開２００７−１９５２９号公報

円形の半導体ウエハの表面において、長尺ビームを用いてラスタスキャンを行うと、アニールされた領域の縁が階段状になる。このため、半導体ウエハの縁の近傍に、レーザ処理が行われない領域（アニールされない領域）が発生してしまう。レーザビームを、半導体ウエハの縁よりも外側まで走査すれば、ほぼ全域をレーザ処理することができる。ただし、この方法では、半導体ウエハを載置しているステージにレーザビームが照射されることによるステージの損傷及びパーティクルの発生等が懸念される。

本発明の目的は、レーザ処理が行われない領域を小さくするレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザビームが入射する位置に処理対象物を保持するステージと、
前記レーザビームの入射位置が処理対象物の表面上を移動するように、前記光源及び前記ステージの少なくとも一方を移動させる移動機構と、
前記ステージに保持される処理対象物の表面上に配置され、少なくとも前記処理対象物の表面の外周側の一部の第１の領域にレーザビームが入射しないようにレーザビームを遮光し、前記第１の領域よりも内側の第２の領域にはレーザビームを入射させるように開口が設けられ、前記処理対象物に対する相対位置が固定され、相互に間隙を隔てて配置された２枚の遮光板と、
前記２枚の遮光板の間の間隙内を排気する排気装置と
を有するレーザ処理装置が提供される。

マスクの透過領域の長さを変えることにより、処理対象物の外形が円形等の場合であっても、縁の近傍に発生するレーザ照射されない領域を削減することができる。

（１Ａ）は、実施例１によるレーザ処理装置の概略図であり、（１Ｂ）は固定マスクの平面図であり、（１Ｃ）は可動マスクの平面図である。（２Ａ）は、処理対象物である半導体ウエハの平面図であり、（２Ｂ）は、処理対象物の縁近傍にレーザ照射する際のレーザ入射領域の形状と、処理対象物との関係を示す平面図である。（３Ａ）〜（３Ｃ）は、固定マスクと可動マスクとを重ねたときの両者の位置関係を示す平面図である。実施例１によるレーザ処理装置に用いられるマスクの他の構成例を示す平断面図である。実施例２によるレーザ処理装置の概略図である。（６Ａ）は、実施例２によるレーザ処理装置を用いた処理対象物にレーザが入射しているときのＸＹステージと処理対象物とレーザビームとの位置関係を示す断面図であり、（６Ｂ）及び（６Ｃ）は、それぞれ（６Ａ）の一点鎖線６Ｂ−６Ｂ、及び６Ｃ−６Ｃにおける断面図である。実施例３によるレーザ処理装置の概略図である。（８Ａ）は、アパーチャの断面図であり、（８Ｂ）は、アパーチャの平面図である。

以下、図面を参照しながら実施例について説明する。

図１Ａに実施例１によるレーザ処理装置の概略図を示す。光源１０がレーザビームを出射する。光源１０は、例えばレーザ発振器、シャッタ、ダイバージョンレンズ、均一化光学系、集光レンズ等を含む。光源１０から出射されたレーザビームの光路上にマスク１７が配置されている。マスク１７は、相互に微小な間隙を隔てて配置された固定マスク１５と可動マスク１６とを含む。レーザビームの進行方向をｚ軸の負の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。

図１Ｂに、固定マスク１５の平面図を示し、図１Ｃに、可動マスク１６の平面図を示す。固定マスク１５は、ｙ方向に長い透過領域１５Ａを含む。透過領域１５Ａはレーザビームを透過させる。透過領域１５Ａ以外の領域（遮光領域）１５Ｂは、レーザビームを遮光する。可動マスク１６は、ｙ方向に長い遮光領域１６Ｂを含む。遮光領域１６Ｂはレーザビームを遮光する。遮光領域１６Ｂ以外の領域（透過領域）１６Ａはレーザビームを透過させる。固定マスク１５及び可動マスク１６には、例えば透明基板にＮｉめっきが施されたものが用いられる。Ｎｉめっきは、遮光領域１５Ｂ及び１６Ｂに施されている。

遮光領域１６Ｂは、透過領域１５Ａよりも太く、かつ長い。このため、遮光領域１６Ｂが透過領域１５Ａを完全に内包するように、可動マスク１６を固定マスク１５に重ねることが可能である。

図１Ａに戻って説明を続ける。固定マスク１５と可動マスク１６とは、Ｎｉめっきが施された面同士を対向させるように、微小間隙を隔てて配置される。ｘ方向に関して、透過領域１５Ａが遮光領域１６Ｂの内側に配置される。

固定マスク１５はレーザビームの経路に対して固定されている。可動マスク１６は、移動機構１８により、ｙ方向に移動可能に支持されている。可動マスク１６をｙ方向に移動させると、透過領域１５Ａと遮光領域１６Ｂとが重なっている部分の長さが変化する。このため、レーザビームを透過させる領域（透過領域１５Ａと透過領域１６Ａとが重なっている部分）のｘ方向の寸法が変化する。透過領域１５Ａと透過領域１６Ａとが重なっている部分を、「合成透過領域」ということとする。

マスク１７の合成透過領域を透過したレーザビームが、レンズ（結像光学系）２０を経由して、処理対象物３０の表面に入射する。処理対象物３０は、真空チャックまたは静電チャックにより、保持台２１に保持されている。保持台２１は、移動機構２３により、保持台２１をｘ方向及びｙ方向に移動させる。

結像光学系２０は、マスク１７の合成透過領域を、処理対象物３０の表面に結像させる。固定マスク１５及びマスク１６のＮｉめっきが施された表面は、結像光学系２０の被写界深度内に収まっている。このため、固定マスク１５の透過領域１５Ａの縁、及び可動マスク１６の遮光領域１６Ｂの縁のいずれも、処理対象物３０の表面に明瞭に像を結ぶ（フォーカスされる）。制御装置２２が、移動機構１８及び移動機構２３を制御する。

図２Ａに、処理対象物３０の平面図を示す。処理対象物３０は、例えば半導体ウエハであり、円周状の縁に、ノッチ３０Ａが形成されている。処理対象物３０の表面に、合成透過領域の像（以下、レーザ入射領域という。）３１が形成される。

図１Ａに示した移動機構２３を駆動することにより、処理対象物３０の表面が、ビーム入射領域３１によってラスタスキャンされる。ビーム入射領域３１は、ｙ方向に長い長尺形状を有し、主走査方向がｘ方向に相当し、副走査方向がｙ方向に相当する。

図２Ｂに、主走査中におけるレーザ入射領域３１の形状の変化の様子を示す。処理対象物３０の表面のうち、円周状の縁に接する幅２ｍｍ程度の円環状の領域には、レーザビームを照射する必要はない。なお、レーザビームが照射されてもよい。それよりも内側の領域には、レーザビームを照射しなければならない。処理対象物３０の外側の領域には、レーザビームを照射してはならない。以下、処理対象物３０の外側の領域を照射禁止領域３７という。処理対象物３０の外周よりも内側の領域を照射許容領域３６という。円周状の縁に接する幅２ｍｍ程度の円環状の領域よりも内側の領域を、照射対象領域３５という。

固定マスク１５の透過領域１５Ａ（図１Ｂ）の像３２（図２Ｂにおいて破線で示した領域３２）が、照射許容領域３６と照射禁止領域３７との境界線（処理対象物３０の縁）を跨ぐとき、レーザ入射領域３１（図２Ｂにおいて実線で示した領域３１）が照射禁止領域３７に侵入しないように、合成透過領域を短くする。ただし、照射対象領域３５と透過領域１５Ａの像３２とが重なる領域には、レーザビームが照射されるように、合成透過領域の長さを設定する。具体的には、透過領域１５Ａの像３２のうち遮光された領域が、照射対象領域３５内に侵入しないようにする。

図３Ａ〜図３Ｃに、固定マスク１５と可動マスク１６とが重なった状態の平面図を示す。

図３Ａは、透過領域１５Ａが遮光領域１６Ｂに完全に内包されている状態を示す。このとき、合成透過領域は存在しない。この状態は、図２Ｂに破線３Ａで示したように、透過領域１５Ａ（図１Ｂ）の像３２が照射対象領域３５と重なりを持たない状態に対応する。

図３Ｂは、可動マスク１６をｙ方向にずらし、合成透過領域３３が現れた状態を示す。この状態は、図２Ｂに破線及び実線３Ｂで示したように、透過領域１５Ａの像３２が、照射禁止領域３７と照射許容領域３６との境界線を跨いでおり、照射対象領域３５内に入り込んでいる状態に対応する。透過領域１５Ａの像３２のうち、照射禁止領域３７と重なる領域は、遮光領域１６Ｂによって遮光されている。このとき、透過領域１５Ａの像３２のうち照射対象領域３５と重なる領域は、遮光領域１６Ｂによって遮光されない。すなわち、透過領域１５Ａの像３２のうち、遮光領域１６Ｂで遮光された領域と遮光されていない領域との境界は、照射許容領域３６内の領域で、かつ照射対象領域３５よりも外側の領域に位置する。

図３Ｃは、可動マスク１６をさらにｙ方向にずらし、遮光領域１６Ｂが透過領域１５Ａと重ならなくなった状態を示す。このとき、合成透過領域３３は、透過領域１５Ａと等しくなる。この状態は、図２Ｂに実線３Ｃで示したように、透過領域１５Ａの像３２が、照射禁止領域３７と重ならない状態に対応する。

レーザ入射領域３１の長さが固定である場合には、図２Ｂに破線及び実線３Ｂで示したように、透過領域１５Ａの像３２が照射禁止領域３７と照射許容領域３６との境界線を跨ぐ場合には、レーザ照射を行うことができなかった。実施例１によるレーザ処理装置では、レーザ入射領域３１の長さを変化させることができるため、照射禁止領域３７にはレーザを照射することなく、照射許容領域３６及び照射対象領域３５にレーザ照射を行うことができる。このため、処理対象物３０の表面のうち、レーザを照射できない領域を削減することができる。

固定マスク１５の透過領域１５Ａの像３２の平面形状が、例えば、長さ２．５ｍｍ、幅２５０μｍの長方形である場合と、長さ５ｍｍ、幅１２５μｍの長方形である場合を比較する。両者の像３２の面積は等しいため、処理対象物３０の表面における光強度も等しい。従って、いずれのマスクを用いても、同等のレーザ処理を行うことが可能である。

像３２の長さを長くすると、処理装置３０の表面をラスタスキャンするときの副走査の回数を削減することができる。一般に、図２Ａに示した１つの行を走査し、次の行の走査に移行するときに、保持台２１の加減速時間が必要となる。このため、副走査の回数の増加は、レーザ処理時間の増大につながる。

レーザ入射領域３１の長さが不変である場合には、像３２を長くすると、レーザ照射されない領域が広がってしまう。実施例１では、像３２を長くしても、実際のレーザ入射領域３１を短くすることができるため、レーザ照射されない領域が広がることはない。このため、像３２を長くして、副走査の回数を低減させることにより、レーザ処理時間を短くすることが可能になる。

上記実施例１では、保持台２１を移動させることにより、処理対象物３０の表面において、合成透過領域３３の像を、その長さ方向と交差する方向に移動させた。保持台２１を移動させる代わりに、光源１０、マスク１７、及び結像光学系２０を移動させてもよい。また、光源１０から出射した光を光ファイバでマスク１７まで伝搬させてもさせてもよい。この場合には、光源１０及び光ファイバの入射端は静止させ、光ファイバの出射端、マスク１７、及び結像光学系２０を移動させればよい。

また、光源１０、マスク１７、及び結像光学系２０をｙ軸方向に移動させ、保持台２１をｘ軸方向に移動させるようにしてもよい。その逆に、光源１０、マスク１７、及び結像光学系２０をｘ軸方向に移動させ、保持台２１をｙ軸方向に移動させるようにしてもよい。

図４Ａに、実施例１の変形例によるマスク１７の平断面図を示す。変形例においては、マスク１７が１枚の遮光板１７Ｂで構成される。遮光板１７Ｂに、平行四辺形の開口部１７Ａが形成されている。開口部１７Ａは、ｘ軸に平行な一対の縁を有する。他の縁は、ｙ軸に対して斜めになっている。マスク１７が配置された位置におけるレーザビームのビーム断面１９は、ｙ軸方向に長い形状を有する。このビーム断面の形状は、図１Ａに示した光源１０を構成する均一化光学系等により得られる。

ビーム断面１９は、開口部１７Ａのｙ軸方向の寸法よりも長い。このため、遮光板１７Ｂは、ビーム断面１９の端部からある長さの領域を遮光する。開口部１７Ａを透過したレーザビームのビーム断面が、処理対象物３０の表面に結像される。ビーム断面１９が、開口部１７Ａのｘ軸に平行な一対の縁の両方と交差する場合に、処理対象物３０の表面におけるビーム断面が最も長くなる。

図４Ｂに示すように、マスク１７をｘ方向に移動させると、ビーム断面１９が、開口部１７Ａのｙ軸に対して斜めの縁と交差する状態が得られる。このとき、ビーム断面１９のうち、遮光板１７Ｂで遮光される領域が長くなり、マスク１７を透過したレーザビームのビーム断面が、図４Ａの場合よりも短くなる。これにより、処理対象物３０の表面におけるビーム入射領域も短くなる。ビーム断面１９と、マスク１７との位置関係を制御することにより、マスク１７を透過したレーザビームのビーム断面の長さを変化させることができる。これにより、処理対象物３０の表面におけるビーム入射領域の長さを調節することができる。

図５に、実施例２によるレーザ処理装置の概略図を示す。以下、図１Ａに示した実施例１によるレーザ処理装置との相違点について説明する。実施例２では、図１Ａの可動マスク１６は配置されておらず、固定マスク１５のみによってマスク１７が構成されている。保持台２１の上面が、載置領域２１Ａと側方領域２１Ｂとに区分されている。平面視において、側方領域２１Ｂは載置領域２１Ａを取り囲む。側方領域２１Ｂは載置領域２１Ａよりも低い。載置領域２１Ａの上に、処理対象物３０が載置される。

平面視において、載置領域２１Ａは処理対象物３０に完全に内包される。このため、保持台２１の上方から処理対象物３０を観察すると、載置領域２１Ａを視認することはできず、側方領域２１Ｂのみが視認される。

図６Ａに、保持台２１と、レーザビームの経路とのｙｚ面に平行な断面の一例を示す。レーザビームの入射領域が、処理対象物３０の縁を跨いでいる。すなわち、レーザビームの一部は処理対象物３０に入射し、残りの部分は保持台２１の側方領域２１Ｂに入射する。

図６Ｂに、図６Ａの一点鎖線６Ｂ−６Ｂにおける断面図を示す。マスク１７の透過領域が処理対象物３０の表面に結像している（フォーカスしている）。

図６Ｃに、図６Ａの一点鎖線６Ｃ−６Ｃにおける断面図を示す。レーザビームは、処理対象物３０の表面と同じ高さで一旦フォーカスし、その後発散して、側方領域２１Ｂに入射する。載置領域２１Ａと側方領域２１Ｂとの高さの差は、載置領域２１Ａに保持した処理対象物３０の表面にマスク１７の透過領域を結像させたときに、側方領域２１Ｂの上面が焦点深度から外れる寸法に設定されている。

側方領域２１Ｂ上においては、レーザビームのフォーカスが外れた状態になるため、側方領域２１Ｂの表面におけるレーザビームの光強度（パワー密度）は、処理対象物３０の表面における光強度よりも弱くなる。このため、側方領域２１Ｂは、レーザビームによって損傷を受けにくく、パーティクルの発生も抑制される。

実施例２においては、図６Ａに示したように、レーザビームの入射領域が処理対象物３０の縁を跨る場合でも、レーザ照射を行うことができる。このため、処理対象物３０のほぼ全域にレーザ照射を行うことができる。

図７に、実施例３によるレーザ処理装置の概略図を示す。以下、図１Ａに示した実施例１によるレーザ処理装置との相違点について説明する。実施例３では、図１Ａの可動マスク１６は配置されておらず、固定マスク１５のみによってマスク１７が構成されている。保持台２１の上方（前方）に、開口部を有する遮光板（アパーチャ）４０が配置されている。

図８Ａに、アパーチャ４０の断面図を示し、図８Ｂに、アパーチャ４０の平面図を示す。図８Ｂの一点鎖線８Ａ−８Ａにおける断面図が図８Ａに相当する。アパーチャ４０は、相互に間隙を隔てて配置された２枚の遮光板４１、４２を含む。２枚の遮光板４１、４２のうち、処理対象物３０側に配置された遮光板４１には、処理対象物３０よりも小さな開口４６が設けられている。もう一方の遮光板４２には、開口４６よりも大きな開口４７が設けられている。平面視において、開口４６、４７及び処理対象物３０は、ほぼ同心円状に配置される。遮光板４１は、処理対象物３０の表面の外周側の一部の領域にレーザビームが入射しないようにレーザビームを遮光する。開口４６、４７内を通過したレーザビームは、処理対象物３０に入射する。

遮光板４２に、貫通孔４４が設けられている。排気装置４９が、貫通孔４４を通して、遮光板４１と遮光板４２との間の間隙４３内を排気する。

遮光板４１及び遮光板４２には、例えばアルミニウムが用いられる。遮光板４１の上面（レーザビームが入射する表面）は粗面化されている。これにより、入射したレーザビームが散乱され、正反射光の強度が弱まる。

レーザビームの入射領域が開口４６の縁を跨ぐとき、一部のレーザビームは処理対象物３０に入射し、残りのレーザビームは遮光板４１に入射する。なお、上方の開口４７は、レーザビームの入射領域が開口４６の縁を跨いだときに、レーザビームが上方の遮光板４２に入射しないような大きさに設定されている。具体的には、平面視において、開口４６の縁から上方の開口４７の縁までの距離を、レーザビームの入射領域の長さよりも長くすればよい。

遮光板４１にレーザビームが入射することにより発生したパーティクルは、間隙４３及び貫通孔４４を通って外部に排出される。このため、処理対象物３０へのパーティクルの付着を抑制することができる。

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光源
１５固定マスク
１５Ａ透過領域
１５Ｂ遮光領域
１６可動マスク
１６Ａ透過領域
１６Ｂ遮光領域
１７マスク
１７Ａ開口部
１７Ｂ遮光板
１８移動機構
２０結像光学系
２１ＸＹステージ
２１Ａ載置領域
２１Ｂ側方領域
２２制御装置
３０処理対象物
３１レーザ入射領域
３２固定マスクの透過領域の像
３３合成透過領域
３５照射対象領域
３６照射許容領域
３７照射禁止領域
４０開口を有する遮光板（アパーチャ）
４１、４２遮光板
４３間隙
４４貫通孔
４６、４７開口
４９排気装置

Claims

レーザビームを出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザビームが入射する位置に処理対象物を保持するステージと、
前記レーザビームの入射位置が処理対象物の表面上を移動するように、前記光源及び前記ステージの少なくとも一方を移動させる移動機構と、
前記ステージに保持される処理対象物の表面上に配置され、少なくとも前記処理対象物の表面の外周側の一部の第１の領域にレーザビームが入射しないようにレーザビームを遮光し、前記第１の領域よりも内側の第２の領域にはレーザビームを入射させるように開口が設けられ、前記処理対象物に対する相対位置が固定され、相互に間隙を隔てて配置された２枚の遮光板と、
前記２枚の遮光板の間の間隙内を排気する排気装置と
を有するレーザ処理装置。