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JP6465679B2 - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents
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JP6465679B2 - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。
イオン注入されたドーパントを含む半導体基板にレーザビームを入射させることにより、ドーパントを活性化させるレーザアニール方法が公知である。下記の特許文献1に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の形成に適用されるレーザアニール方法が開示されている。このレーザアニール方法では、表層部の高濃度層(コレクタ層)と、高濃度層より深い位置に配置された低濃度層(バッファ層)との両方のドーパントを効率的に活性化することが可能である。
特開2013−258288号公報
IGBTは、半導体基板の表側の面に、ゲートやエミッタ等の素子構造が配置され、裏側の面にコレクタが配置される。裏側の面にコレクタを形成するためのレーザアニールを行うときに、表側の面には、既にゲート、エミッタ等の素子構造が形成されている。表側の面は、素子構造を反映した凹凸を有する。レーザアニール時には、表側の面を吸着テーブルに吸着させた状態で、裏側の面にレーザビームを入射する。
本願の発明者らは、上述のレーザアニール方法で種々の評価実験を行った。その結果、基板面内方向に関して、レーザ加工品質にムラが生じる場合があることが分かった。本発明の目的は、加工品質にムラの生じにくいレーザアニール方法、及びレーザアニール装置を提供することである。
本発明の一観点によると、
表側の面が凹凸を有する半導体ウエハを準備する工程と、
前記表側の面の凹部に充填剤を空洞が発生しないように充填する工程と、
前記充填剤が充填された前記半導体ウエハを、前記表側の面がアニールテーブルに対向する姿勢で、前記アニールテーブルに保持する工程と、
前記アニールテーブルに保持された前記半導体ウエハの、前記表側の面とは反対の裏側の面にレーザビームを入射させることにより、アニールを行う工程と
を有するレーザアニール方法が提供される。
本発明の他の観点によると、
貼付テーブルと、
表側の面が凹凸を有する半導体ウエハが前記貼付テーブルに置かれた状態で、前記表側の面に接着剤層付の粘着部材の接着剤層を対向させ、前記粘着部材に対して前記表側の面に密着する方向に、前記半導体ウエハの表面の凹部内に空洞が発生しないように圧力を印加しながら、前記粘着部材を前記表側の面に貼付する加圧機構と、
前記貼付テーブルで前記粘着部材が接着された前記半導体ウエハを保持するアニールテーブルと、
前記アニールテーブルに保持された前記半導体ウエハに、レーザビームを入射させるレーザ光学系と
を有するレーザアニール装置が提供される。
凹部に充填剤を充填することにより、半導体ウエハとアニールテーブルとの間に空洞が生じ難くなる。半導体ウエハとアニールテーブルとの間に空洞が形成されると、半導体ウエハからアニールテーブルへの熱伝達が阻害される。熱伝達が阻害されると、半導体ウエハの温度が、面内方向に関してばらついてしまう。上述の構成を採用すると、空洞の発生が抑制されるため、温度のばらつきも少なくなる。これにより、加工品質のムラを抑制することができる。
図1は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 図2A〜図2Cは、半導体ウエハに粘着テープを貼り付ける工程での貼付テーブル、半導体ウエハ、及び粘着テープの断面図である。 図3A〜図3Cは、実施例によるレーザアニール方法の途中段階における半導体ウエハ及び粘着テープの断面図である。 図3D〜図3Eは、実施例によるレーザアニール方法の途中段階における半導体ウエハ及び粘着テープの断面図である。 図4A及び図4Bは、それぞれ比較例及び実施例による方法でレーザアニールを行う場合の半導体ウエハ及びアニールテーブルの断面図である。 図5は、比較例による方法でレーザアニールを行った半導体ウエハの断面図である。 図6A及び図6Bは、シミュレーションモデルの断面図であり、図6Cは、シミュレーション結果を示すグラフである。 図7Aは、シミュレーションモデルの断面図であり、図7Bは、シミュレーション結果を示すグラフである。 図8Aは、実施例による方法で製造される半導体装置の例として示されたIGBTの断面図であり、図8Bは、レーザアニールを行う段階の半導体ウエハの断面図である。
図1に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。半導体レーザ発振器21が、例えば波長808nmの第1のパルスレーザビームを出力する。なお、波長690nm以上950nm以下のパルスレーザビームを出力する半導体レーザ発振器を用いてもよい。固体レーザ発振器31が、緑色の波長域の第2のパルスレーザビームを出力する。固体レーザ発振器31には、例えば第2高調波を出力するNd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO等のQスイッチレーザが用いられる。
半導体レーザ発振器21から出力された第1のパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器31から出力された第2のパルスレーザビームが、伝搬光学系27を経由して、アニール対象物である半導体ウエハ50に入射する。第1のパルスレーザビームと第2のパルスレーザビームとは、半導体ウエハ50の表面の同一の領域に入射する。
次に、伝搬光学系27の構成及び作用について説明する。半導体レーザ発振器21から出力された第1のパルスレーザビームが、アッテネータ22、ビームエキスパンダ23、ホモジナイザ24、ダイクロイックミラー25、及び集光レンズ26を経由して、半導体ウエハ50に入射する。
固体レーザ発振器31から出力された第2のパルスレーザビームが、可変アッテネータ32、ビームエキスパンダ33、ホモジナイザ34、ベンディングミラー35、ダイクロイックミラー25、及び集光レンズ26を経由して、半導体ウエハ50に入射する。
アッテネータ22は、第1のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ32は、第2のパルスレーザビームの強度を減衰させる。可変アッテネータ32による第2のパルスレーザビームの減衰量は可変である。ビームエキスパンダ23、33は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。ホモジナイザ24、34及び集光レンズ26は、半導体ウエハ50の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一化する。第1のパルスレーザビームと第2のパルスレーザビームとは、半導体ウエハ50の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。
半導体ウエハ50は、アニールテーブル40に保持されている。アニールテーブル40は、半導体ウエハ50を吸着する。吸着機構として、例えば真空チャックが用いられる。半導体ウエハ50の表面に平行な面をxy面とし、半導体ウエハ50の表面の法線方向をz方向とするxyz直交座標系を定義する。移動機構41が、制御装置10からの制御を受けて、アニールテーブル40をx方向及びy方向に移動させる。制御装置10は、移動機構41の他に、半導体レーザ発振器21、固体レーザ発振器31、可変アッテネータ32、及びアニールテーブル40の吸着機構を制御する。
レーザアニール装置は、さらに、貼付テーブル45を含む。半導体ウエハ50が貼付テーブル45の上に保持された状態で、半導体ウエハ50の素子構造が形成されている面(表側の面)に、粘着テープ51が貼り付けられる。加圧機構46が、粘着テープ51に、半導体ウエハ50に密着する方向の圧力を印加する。
粘着テープ51が接着された半導体ウエハ50が、移送機構49によって、貼付テーブル45からアニールテーブル40まで移送される。移送機構49には、例えば伸縮、昇降及び回転可能なロボットアームが用いられる。
図2A〜図2Cを参照して、半導体ウエハ50に粘着テープ51を貼り付ける工程について説明する。
図2Aに示すように、貼付テーブル45の上に、半導体ウエハ50の素子形成面(表側の面501)が上方を向く姿勢で、半導体ウエハ50が載せられる。粘着テープ51が、例えば繰り出しロール48に巻かれた状態で準備されている。粘着テープ51を繰り出しロール48から送り出すことにより、半導体ウエハ50の表側の面501に、接着剤層付の粘着テープ51の接着剤層を対向させる。
この状態で、加圧機構46により、粘着テープ51に対して、半導体ウエハ50に密着する方向の圧力を印加しながら、粘着テープ51を半導体ウエハ50の表側の面501に貼付する。加圧機構46として、例えば加圧ローラが用いられる。加圧ローラと半導体ウエハ50との間に粘着テープ51を挟んで、加圧ローラを半導体ウエハ50に押し付けながら移動させることにより、粘着テープ51が半導体ウエハ50に貼付される。
図2Bに、粘着テープ51が半導体ウエハ50の表側の面の全域に貼り付けられた状態を示す。
図2Cに示すように、切断機47で粘着テープ51を切断する。これにより、半導体ウエハ50に貼付された粘着テープ51が、繰り出しロール48(図2A)に巻かれている部分から切り離される。
図3A〜図3Eを参照して、半導体ウエハ50と粘着テープ51との接着部分に着目して、レーザアニール方法について説明する。
図3Aに示すように、貼付テーブル45の上に、半導体ウエハ50が、その表側の面501を上方に向けた姿勢で保持されている。表側の面501に凹凸形成されている。表側の面501に凹部503が現れている。裏側の面502は、ほぼ平坦である。表側の面501に、樹脂製の保護膜55が形成されている。保護膜55の表面は、半導体ウエハ50の表側の面501の凹凸を反映した形状を有する。粘着テープ51の接着剤層512が、半導体ウエハ50の表側の面501に対向する。接着剤層512の基材として、例えばアクリルが用いられる。
図3Bに、粘着テープ51が貼付された状態の半導体ウエハ50の断面図を示す。粘着テープ51の貼付時に、加圧機構46(図2A)が粘着テープ51を半導体ウエハ50に押し付けるため、接着剤層512の接着剤が、表側の面501の凹部503内に充填される。接着剤が、充填剤としての役割を担う。粘着テープ51の外側の表面は平坦なままである。
図3Cに示すように、粘着テープ51が貼付された半導体ウエハ50を、貼付テーブル45(図3B)からアニールテーブル40に移送する。半導体ウエハ50が、その表側の面501をアニールテーブル40に対向させた姿勢で、アニールテーブル40に保持される。粘着テープ51の外側の表面が、そのほぼ全域においてアニールテーブル40に密着する。
図3Dに示すように、アニールテーブル40を、x方向またはy方向(図1)に移動させながら、パルスレーザビーム38を、半導体ウエハ50の裏側の面502に入射させる。これにより、半導体ウエハ50のアニールが行われる。
図3Eに示すように、アニールテーブル40から半導体ウエハ50を取り出し、さらに、半導体ウエハ50から粘着テープ51を剥離する。半導体ウエハ50が十分な機械的強度を持つ場合には、半導体ウエハ50を吸着テーブルに吸着させた状態で、粘着テープ51を半導体ウエハ50から剥離することが可能である。半導体ウエハ50の機械的強度が十分でない場合には、紫外線硬化性の接着剤層を持つ粘着テープ51を用いることが好ましい。接着剤層に紫外線を照射することにより、粘着テープ51を半導体ウエハ50から容易に剥離することができる。
次に、図4A〜図7Bを参照して、上記実施例によるレーザアニール方法の優れた効果について説明する。
図4Aに、比較例による方法でレーザアニールを行う場合の半導体ウエハ50及びアニールテーブル40の断面図を示す。半導体ウエハ50の表側の面501に凹部503が形成されている。表側の面501に粘着テープ51が貼り付けられているが、凹部503内に接着剤は充填されておらず、凹部503は空洞のままである。
半導体ウエハ50の裏側の面502にレーザビームを入射させると、裏側の面502の表層部が加熱される。これにより、裏側の面502から表側の面501に向かう熱流57が発生する。凹部503が設けられていない部分では、熱が、半導体ウエハ50から粘着テープ51を介してアニールテーブル40に伝達される。これに対し、凹部503が設けられている部分では、熱の伝達経路に空気が存在する。このため、凹部503が設けられている部分の熱の伝達率が、凹部503が設けられていない部分の熱の伝達率より低い。このため、凹部503の底面の温度が高くなりやすい。
図5に、比較例による方法でレーザアニールを行った半導体ウエハ50の断面図の一例を示す。表側の面501に樹脂製の保護膜55が形成されている。レーザアニール中に凹部503の底部の温度が過度に上昇すると、保護膜55に気泡551または変質部分552が発生する場合がある。
図4Bに、実施例による方法でレーザアニールを行う場合の半導体ウエハ50及びアニールテーブル40の断面図を示す。実施例による方法では、凹部503内に粘着テープ51の接着剤が充填されている。接着剤は、空気に比べて高い熱伝導率を有する。また、半導体ウエハ50と接着剤との界面の熱伝達率は、半導体ウエハ50と空気との界面の熱伝達率よりも高い。このため、凹部503が設けられている部分においても、半導体ウエハ50から粘着テープ51を介してアニールテーブル40まで熱が伝達される。これにより、凹部503の底面の温度の過度の上昇を抑制することができる。温度上昇が抑制されるため、保護膜55(図3E)の変質を抑制することができ、気泡の発生も抑制することができる。
図6A〜図6Cを参照して、凹部503(図4A、図4B)が設けられた部分と設けられていない部分との温度上昇のシミュレーション結果について説明する。図6A及び図6Bは、シミュレーションモデルの断面図を示す。
図6Aに示したシミュレーションモデルAは、厚さ100μmの半導体ウエハと、その下に配置された厚さ60μmの空気層とで構成される。図6Bに示したシミュレーションモデルBは、厚さ100μmの半導体ウエハと、その下に配置された厚さ60μmの樹脂層とで構成される。空気層(図6A)及び樹脂層(図6B)の下には、SiO(ガラス)が配置されているという条件でシミュレーションを行った。この条件は、接着剤層付のガラス板を半導体ウエハに貼り付けた状態に対応する。
シミュレーションモデルAは、半導体ウエハ50の凹部503(図4A)が設けられている部分に対応し、シミュレーションモデルBは、凹部503(図4A)が設けられていない部分に対応する。シミュレーションモデルA及びシミュレーションモデルBの半導体ウエハの上面にレーザビームを3ショット入射させ、3ショット目の入射直後における最高到達温度をシミュレーションによって算出した。
図6Cに、シミュレーション結果を示す。横軸は半導体ウエハの上面からの深さを単位「μm」で表し、縦軸は最高到達温度を単位「K」で表す。図6Cのグラフ中の丸記号及び四角記号は、それぞれシミュレーションモデルA及びシミュレーションモデルBの半導体ウエハ内の温度を示す。
シミュレーションモデルAの最高到達温度が、シミュレーションモデルBの最高到達温度より高いことがわかる。これは、半導体ウエハとアニールテーブルとの界面に空気層が配置されることにより、熱伝達効率が低下したことに起因する。
一般的に、IGBTのコレクタ層は、半導体ウエハの表面から1μm〜5μm程度まで達する。図6Cに示したシミュレーション結果から、半導体ウエハの深さ5μmより浅い領域においても、最高到達温度に差が生じていることがわかる。シミュレーションモデルAとシミュレーションモデルBとで、半導体ウエハの深さ5μmより浅い領域の最高到達温度に差が生じることは、図4Aに示した比較例において、凹部503が設けられた領域と、凹部503が設けられていない領域とで、ドーパントの活性化率が異なることを示唆している。
実施例においては、凹部503(図4B)が接着剤で充填されるため、空洞が発生しない。このため、最高到達温度が凹部503の影響を受けにくい。これにより、面内方向に関して、ドーパントの活性化率を均一化することが可能である。
図7A及び図7Bを参照して、半導体ウエハの下に配置される樹脂層の厚さを変化させたときの最高到達温度のシミュレーション結果について説明する。
図7Aに、シミュレーションモデルの断面図を示す。厚さ100μmの半導体ウエハの下に、厚さ10μm乃至200μmの樹脂層が配置されている。この樹脂層は、図3Cに示した接着剤層付の粘着テープ51に対応する。樹脂層の下には、SiO(ガラス)が配置されているという条件でシミュレーションを行った。
図7Bに、シミュレーション結果を示す。横軸は樹脂層の厚さを単位「μm」で表し、縦軸は最高到達温度を単位「K」で表す。図7Bのグラフ中の丸記号、四角記号、三角記号、五角形記号、六角形記号、及び星形記号は、それぞれ半導体ウエハの上面からの深さが0μm、1μm、2μm、3μm、5μm、及び10μmの位置の最高到達温度を示す。図3Cに示した断面図において、凹部503が設けられている部分が、樹脂層の厚いシミュレーションモデルに対応し、凹部503が設けられていない部分が、樹脂層の薄いシミュレーションモデルに対応する。
いずれの深さにおいても、樹脂層が厚くなるに従って最高到達温度が低くなっている。これは、樹脂層が厚くなると、樹脂層の熱容量が大きくなり、半導体ウエハから樹脂層に、より多くの熱が吸収されるためと考えられる。
樹脂層の厚さ変化に対する最高到達温度の変化の傾きは、樹脂層が厚くなるほど緩やかである。これは、粘着テープ51が厚くなると、最高到達温度が凹部503(図3C)の有無の影響を受け難いことを意味する。面内方向に関する温度のばらつきを少なくするために、粘着テープ51の厚さを100μm以上にすることが好ましい。粘着テープ51の厚さが200μmを超えると、粘着テープ51を厚くしても、温度のばらつきを少なくする効果に大きな変化はない。従って、粘着テープ51の厚さは、200μm以下とすることが好ましい。
図8Aに、実施例による方法で製造される半導体装置の例として、IGBTの断面図を示す。n型のシリコンからなる半導体ウエハ50の表側の面501にエミッタとゲートが形成される。裏側の面502コレクタが形成される。半導体ウエハ50として、通常はシリコン単結晶ウエハが用いられる。表側の面501に形成されるエミッタとゲート等の構造は、一般的なMOSFETの作製工程と同様の工程で作製される。例えば、図8Aに示すように、半導体ウエハ50の表側の面501の表層部に、p型のベース領域61、n型のエミッタ領域62、ゲート電極63、ゲート絶縁膜64、エミッタ電極65が配置される。ゲート−エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。
半導体ウエハ50の裏側の面502の表層部に、p型のコレクタ層67及び低濃度のn型のバッファ層66が形成されている。バッファ層66は、コレクタ層67よりも深い位置に配置される。コレクタ層67及びバッファ層66は、それぞれドーパントとして、例えばボロン及びリンをイオン注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、図1に示したレーザアニール装置が適用される。コレクタ電極68が、活性化アニールの後に、コレクタ層67の表面に形成される。
裏側の面502からコレクタ層67とバッファ層66との界面までの深さは、例えば約0.3μmである。裏側の面502からバッファ層66の最も深い位置までの深さは、例えば1μm〜5μmの範囲内である。
図8Bに、レーザアニールを行う段階の半導体ウエハ50の断面図を示す。半導体ウエハ50の裏側の面502の表面近傍の相対的に浅い部分67aにボロンがイオン注入されている。相対的に深い部分66aにリンがイオン注入されている。浅い部分67a内のボロン、及び深い部分66a内のリンは、活性化していない。
半導体ウエハ50の表側の面501に凹部503が形成されている。凹部503内に、粘着テープ51の接着剤層512の接着剤が充填されている。粘着テープ51がアニールテーブル40に吸着されている。半導体ウエハ50の裏側の面502にパルスレーザビーム38を入射させることにより、レーザアニールが行われる。このレーザアニールにより、浅い部分67a内のボロン及び深い部分66a内のリンが活性化される。
レーザアニール時に、表側の面501の凹部503に接着剤層512の接着剤が充填されているため、ウエハ面内方向に関して、一様なアニールを行うことが可能である。
図8A及び図8Bでは、実施例によるレーザアニール装置をIGBTの製造に適用したが、実施例によるレーザアニール装置は、その他の半導体素子、例えばイメージセンサ用の素子の製造にも適用することが可能である。
上記実施例では、半導体ウエハ50の凹部503に充填する充填剤として、粘着テープ51(図3A)の接着剤層を用いたが、粘着テープ51以外の粘着部材の接着剤層を用いてもよい。例えば、粘着部材として、接着剤層付のガラス板を用いることも可能である。粘着部材として、接着剤層付のガラス板を用いる場合には、加圧機構46(図1、図2A)として、平面に均一な荷重を印加するプレス装置を用いることができる。
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 制御装置
21 半導体レーザ発振器
22 アッテネータ
23 ビームエキスパンダ
24 ホモジナイザ
25 ダイクロイックミラー
26 集光レンズ
27 伝搬光学系
31 固体レーザ発振器
32 可変アッテネータ
33 ビームエキスパンダ
34 ホモジナイザ
35 ベンディングミラー
38 パルスレーザビーム
40 アニールテーブル
41 移動機構
45 貼付テーブル
46 加圧機構
47 切断機
48 繰り出しロール
49 移送機構
50 半導体ウエハ
501 表側の面
502 裏側の面
503 凹部
51 粘着テープ
512 接着剤層
55 保護膜
551 気泡
552 変質部分
57 熱流
61 p型のベース領域
62 n型のエミッタ領域
63 ゲート電極
64 ゲート絶縁膜
65 エミッタ電極
66 n型のバッファ層
66a 深い部分
67 p型のコレクタ層
67a 浅い部分
68 コレクタ電極

Claims (5)

  1. 表側の面が凹凸を有する半導体ウエハを準備する工程と、
    前記表側の面の凹部に充填剤を空洞が発生しないように充填する工程と、
    前記充填剤が充填された前記半導体ウエハを、前記表側の面がアニールテーブルに対向する姿勢で、前記アニールテーブルに保持する工程と、
    前記アニールテーブルに保持された前記半導体ウエハの、前記表側の面とは反対の裏側の面にレーザビームを入射させることにより、アニールを行う工程と
    を有するレーザアニール方法。
  2. 前記充填剤は、接着剤層付の粘着部材の接着剤であり、前記充填剤を充填する工程において、前記粘着部材に対して前記表側の面に密着する方向の圧力を印加しながら、前記粘着部材を前記表側の面に貼付する請求項1に記載のレーザアニール方法。
  3. 前記表側の面に樹脂製の保護膜が形成されており、前記保護膜の表面は、前記表側の面の凹凸を反映した形状を有する請求項1または2に記載のレーザアニール方法。
  4. 貼付テーブルと、
    表側の面が凹凸を有する半導体ウエハが前記貼付テーブルに置かれた状態で、前記表側の面に接着剤層付の粘着部材の接着剤層を対向させ、前記粘着部材に対して前記表側の面に密着する方向に、前記半導体ウエハの表面の凹部内に空洞が発生しないように圧力を印加しながら、前記粘着部材を前記表側の面に貼付する加圧機構と、
    前記貼付テーブルで前記粘着部材が接着された前記半導体ウエハを保持するアニールテーブルと、
    前記アニールテーブルに保持された前記半導体ウエハに、レーザビームを入射させるレーザ光学系と
    を有するレーザアニール装置。
  5. さらに、前記貼付テーブルに保持された前記半導体ウエハを、前記アニールテーブルまで移送する移送機構を有する請求項4に記載のレーザアニール装置。
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