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JP7523960B2 - Laser processing method, control device for laser processing device, and laser processing device - Google Patents
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Laser processing method, control device for laser processing device, and laser processing device Download PDF

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Description

本発明は、レーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置に関する。 The present invention relates to a laser processing method, a control device for a laser processing device, and a laser processing device.

半導体ウエハにイオン注入したドーパントの活性化アニールにレーザアニールが使用される。多くのレーザアニール装置では、アニール用のレーザビームとしてラインビームが用いられる(特許文献1等参照。)。ラインビームとは、アニール対象の半導体ウエハの表面におけるビームスポットが一方向に長い長尺形状(ライン状)であるレ―ザビームを意味する。半導体ウエハの表面上でビームスポットを、その長手方向と直交する幅方向に移動させることにより、半導体ウエハの所望の領域のアニールが行われる。 Laser annealing is used for activation annealing of dopants ion-implanted into semiconductor wafers. Many laser annealing devices use a line beam as the laser beam for annealing (see Patent Document 1, etc.). A line beam refers to a laser beam in which the beam spot on the surface of the semiconductor wafer to be annealed is an elongated (linear) beam spot that is long in one direction. By moving the beam spot on the surface of the semiconductor wafer in the width direction perpendicular to the longitudinal direction, the desired region of the semiconductor wafer is annealed.

特開2011-119297号公報JP 2011-119297 A

従来のレーザアニール装置を用いてアニールを行うと、ビームスポットの長手方向に関してアニール効果にばらつきが生じる場合がある。例えば、半導体ウエハにイオン注入されたドーパントの活性化アニールを行うと、ビームスポットの長手方向に関して活性化率にばらつきが生じてしまう。 When annealing is performed using a conventional laser annealing device, the annealing effect may vary along the longitudinal direction of the beam spot. For example, when activation annealing is performed on dopants ion-implanted in a semiconductor wafer, the activation rate varies along the longitudinal direction of the beam spot.

本発明の目的は、長尺形状のビームスポットの長手方向に関してアニール効果のばらつきを抑制することができるレーザ処理方法、レーザ処理装置の制御装置、及びレーザ処理装置を提供することである。 The object of the present invention is to provide a laser processing method, a control device for a laser processing device, and a laser processing device that can suppress the variation in the annealing effect in the longitudinal direction of a long beam spot.

本発明の一観点によると、
対象物の表面において一方向に長い形状のビームスポットが形成され、長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を持つ条件で、前記対象物の表面にレーザビームを入射させ
前記対象物に対してビームスポットを、ビームスポットの幅方向に移動させるとともに、前記対象物に対するビームスポットの移動速度に応じて、ビームスポットの強度分布の形状を変化させるレーザ処理方法が提供される。
According to one aspect of the present invention,
A laser beam is irradiated onto the surface of the object under conditions in which a beam spot that is elongated in one direction is formed on the surface of the object and has an intensity distribution in which the intensity increases from the center toward the end in the longitudinal direction ;
There is provided a laser processing method in which the beam spot is moved relative to the object in a width direction of the beam spot, and the shape of the intensity distribution of the beam spot is changed according to the moving speed of the beam spot relative to the object .

本発明の他の観点によると、
対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成し、前記対象物に対してビームスポットを移動させるレーザ処理装置を制御する制御装置であって、
レーザ処理条件が入力される入力部と、
前記入力部から入力された前記レーザ処理条件に基づいて前記レーザ処理装置を制御する制御部と
を有し、
前記レーザ処理条件として前記対象物に対するビームスポットの移動速度が与えられると、前記制御部は前記レーザ処理装置を制御して、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、長手方向の中央における強度に対する端部における強度の比を、ビームスポットの移動速度に応じた値に設定する制御装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A control device for controlling a laser processing device that forms a beam spot having a shape elongated in one direction on a surface of an object and moves the beam spot relative to the object,
an input section for inputting laser processing conditions;
a control unit that controls the laser processing device based on the laser processing conditions input from the input unit,
A control device is provided in which, when the moving speed of the beam spot relative to the object is given as the laser processing condition, the control unit controls the laser processing device to generate an intensity distribution in which the intensity increases from the center to the ends in the longitudinal direction of the beam spot, and the ratio of the intensity at the ends to the intensity at the center in the longitudinal direction is set to a value corresponding to the moving speed of the beam spot.

本発明のさらに他の観点によると、
レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射し、対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成する回折光学素子と
を有し、
前記ビームエキスパンダは前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させ、
前記回折光学素子は、入射位置におけるレーザビームのビーム径が規定の大きさから大きくなると、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、入射位置におけるレーザビームのビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有するレーザ処理装置が提供される。
According to yet another aspect of the present invention,
a beam expander that changes the beam diameter of the laser beam;
a diffractive optical element on which the laser beam that has passed through the beam expander is incident and which forms a beam spot having a shape that is elongated in one direction on a surface of an object;
The beam expander changes a beam diameter at an incident position on the diffractive optical element,
The diffractive optical element produces an intensity distribution in which the intensity increases from the center to the ends in the longitudinal direction of the beam spot when the beam diameter of the laser beam at the incident position becomes larger than a specified size, and a laser processing device is provided having the characteristic that as the beam diameter of the laser beam at the incident position becomes larger, the ratio of the intensity at the ends to the intensity at the longitudinal center becomes larger.

ビームスポットの長手方向の強度分布を上述の分布にすることにより、長手方向に関してアニール効果のばらつきを抑制することができる。 By adjusting the intensity distribution of the beam spot in the longitudinal direction as described above, it is possible to suppress variation in the annealing effect in the longitudinal direction.

図1は、実施例による制御装置のブロック図、及び制御装置が制御する対象であるレーザ処理装置の概略斜視図である。FIG. 1 is a block diagram of a control device according to an embodiment, and a schematic perspective view of a laser processing device that is an object to be controlled by the control device. 図2は、半導体ウエハの表面におけるビームスポットの移動の履歴を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the movement history of a beam spot on the surface of a semiconductor wafer. 図3A~図3Cは、回折光学素子と、回折光学素子に入射するレーザビームとの位置関係を示す概略斜視図であり、図3Dは、ビーム径がD、D、Dのレーザビームが回折光学素子に入射するときのビームスポットの長手方向の強度分布を示すグラフである。3A to 3C are schematic perspective views showing the positional relationship between a diffractive optical element and a laser beam incident on the diffractive optical element, and FIG. 3D is a graph showing the longitudinal intensity distribution of the beam spot when laser beams with beam diameters D1 , D2 , and D3 are incident on the diffractive optical element. 図4A及び図4Bは、ビームスポットの強度分布、及び半導体ウエハの表面の最高到達温度の分布を示すグラフである。4A and 4B are graphs showing the intensity distribution of the beam spot and the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer. 図5は、半導体ウエハの表面の最高到達温度の分布を、ビームスポットの移動速度ごとに示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer for each moving speed of the beam spot. 図6は、ビームスポットの移動速度、回折光学素子に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポットの長手方向の強度分布の関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the moving speed of the beam spot, the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element, and the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot. 図7は、実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。FIG. 7 is a flow chart showing the procedure of the laser annealing method according to the embodiment. 図8A及び図8Bは、ビームスポットの2回の主走査によってアニールされる領域を模式的に示す図である。8A and 8B are diagrams showing a schematic view of a region annealed by two main scans of a beam spot.

図1~図8Bを参照して、一実施例によるレーザ処理装置及びレーザ処理方法について説明する。 The laser processing device and laser processing method according to one embodiment will be described with reference to Figures 1 to 8B.

図1は、実施例による制御装置55のブロック図、及び制御装置55が制御する対象であるレーザ処理装置60の概略斜視図である。 Figure 1 is a block diagram of a control device 55 according to an embodiment, and a schematic perspective view of a laser processing device 60 that is controlled by the control device 55.

まず、レーザ処理装置60の構成について説明する。レーザ光源10がパルスレーザビームを出力する。レーザ光源10として、固体レーザ、ガスレーザ、レーザダイオード等を用いることができる。レーザ光源10から出力されたパルスレーザビームがビームエキスパンダ11、折り返しミラー13、14、15、及び回折光学素子16を経由してアニール対象物である半導体ウエハ20の表面に入射する。 First, the configuration of the laser processing device 60 will be described. The laser light source 10 outputs a pulsed laser beam. A solid-state laser, a gas laser, a laser diode, or the like can be used as the laser light source 10. The pulsed laser beam output from the laser light source 10 passes through a beam expander 11, folding mirrors 13, 14, and 15, and a diffractive optical element 16 and is incident on the surface of a semiconductor wafer 20, which is the object to be annealed.

半導体ウエハ20は、移動機構17に支持されたウエハチャック18に保持されている。移動機構17は、水平面内の二方向にウエハチャック18を移動させることにより、半導体ウエハ20を二方向に移動させる。移動機構17として、例えばXYステージが用いられる。 The semiconductor wafer 20 is held by a wafer chuck 18 supported by a moving mechanism 17. The moving mechanism 17 moves the wafer chuck 18 in two directions in a horizontal plane, thereby moving the semiconductor wafer 20 in two directions. For example, an XY stage is used as the moving mechanism 17.

ビームエキスパンダ11は、回折光学素子16へのレーザビームの入射位置におけるビームサイズ(ビーム断面の直径)を調整する。回折光学素子16は、半導体ウエハ20の表面に、一方向に長い長尺形状の外形、及び所定の強度分布を有するビームスポットを形成する。 The beam expander 11 adjusts the beam size (diameter of the beam cross section) at the position where the laser beam is incident on the diffractive optical element 16. The diffractive optical element 16 forms a beam spot on the surface of the semiconductor wafer 20 that has an elongated shape that is long in one direction and a predetermined intensity distribution.

次に、制御装置55について説明する。制御装置55は、制御部50及び入力部51を含む。ユーザが、入力部51からレーザ処理条件を入力する。制御部50は、入力されたレーザ処理条件に基づいて、レーザ光源10、ビームエキスパンダ11、及び移動機構17を制御する。例えば、制御部50は、半導体ウエハ20にパルスレーザビームを入射させながら、ビームスポットの幅方向に半導体ウエハ20を移動させる。これにより、半導体ウエハ20の表面に対してビームスポットが幅方向に相対的に移動する。入力部51からユーザが入力するレーザ処理条件には、例えばパルスレーザビームのパルスの繰り返し周波数、レーザパワー、ビームスポットの移動速度等が含まれる。 Next, the control device 55 will be described. The control device 55 includes a control unit 50 and an input unit 51. A user inputs laser processing conditions from the input unit 51. The control unit 50 controls the laser light source 10, the beam expander 11, and the moving mechanism 17 based on the input laser processing conditions. For example, the control unit 50 moves the semiconductor wafer 20 in the width direction of the beam spot while irradiating the semiconductor wafer 20 with a pulsed laser beam. This causes the beam spot to move in the width direction relative to the surface of the semiconductor wafer 20. The laser processing conditions input by the user from the input unit 51 include, for example, the pulse repetition frequency of the pulsed laser beam, the laser power, the moving speed of the beam spot, etc.

半導体ウエハ20に対してビームスポットを、その幅方向に相対的に移動させる処理を主走査といい、長手方向に相対的に移動させる処理を副走査ということとする。主走査と副走査とを繰り返すことにより半導体ウエハ20の表面のほぼ全域をアニールすることができる。 The process of moving the beam spot relative to the semiconductor wafer 20 in its width direction is called main scanning, and the process of moving it relative to the semiconductor wafer 20 in its length direction is called sub-scanning. By repeating main scanning and sub-scanning, it is possible to anneal almost the entire surface of the semiconductor wafer 20.

次に、図2を参照して、半導体ウエハ20の表面におけるビームスポットの移動について説明する。 Next, referring to Figure 2, we will explain the movement of the beam spot on the surface of the semiconductor wafer 20.

図2は、半導体ウエハ20(図1)の表面におけるビームスポット30の移動の履歴を示す模式図である。ビームスポット30の長手方向をy方向とし、幅方向をx方向とし、半導体ウエハ20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。ビームスポット30の長手方向の寸法をLと表記し、幅方向の寸法をWと表記する。ビームスポット30をx方向に移動させる(主走査する)とき、連続する2ショットのビームスポット30が部分的に重なるように、ビームスポット30を移動させる。 Figure 2 is a schematic diagram showing the movement history of the beam spot 30 on the surface of the semiconductor wafer 20 (Figure 1). An xyz Cartesian coordinate system is defined in which the longitudinal direction of the beam spot 30 is the y direction, the width direction is the x direction, and the normal direction to the surface of the semiconductor wafer 20 is the z direction. The longitudinal dimension of the beam spot 30 is denoted as L, and the width direction is denoted as W. When the beam spot 30 is moved in the x direction (main scanning), the beam spot 30 is moved so that two consecutive shots of the beam spot 30 partially overlap.

連続する2ショットのビームスポット30が重なる領域のx方向の寸法をWovと表記する。Wov/Wをオーバラップ率Rという。 The dimension in the x direction of the area where the beam spots 30 of two consecutive shots overlap is denoted as Wov. Wov/W is called the overlap ratio R.

次に、図3A~図3Dを参照して、回折光学素子16、入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット30(図2)の長手方向の強度分布について説明する。 Next, the diffractive optical element 16, the beam diameter of the incident laser beam, and the longitudinal intensity distribution of the beam spot 30 (Figure 2) will be described with reference to Figures 3A to 3D.

図3A~図3Cは、回折光学素子16と、回折光学素子16に入射するレーザビーム31との位置関係を示す概略斜視図である。回折光学素子16にレーザビーム31が入射する。レーザビーム31はガウシアンビームである。図3Bは、回折光学素子16の設計仕様通りのレーザビーム31が入射する状態を示している。回折光学素子16の設計仕様では、レーザビームの波長、及び回折光学素子16へのレーザビームの入射位置におけるビーム径Dが指定される。本明細書において、回折光学素子16へのレーザビームの入射位置におけるビーム径を、単に「ビーム径」という場合がある。 3A to 3C are schematic perspective views showing the positional relationship between the diffractive optical element 16 and a laser beam 31 incident on the diffractive optical element 16. The laser beam 31 is incident on the diffractive optical element 16. The laser beam 31 is a Gaussian beam. FIG. 3B shows a state in which the laser beam 31 is incident on the diffractive optical element 16 according to the design specifications. The design specifications of the diffractive optical element 16 specify the wavelength of the laser beam and the beam diameter D2 at the position of incidence of the laser beam on the diffractive optical element 16. In this specification, the beam diameter at the position of incidence of the laser beam on the diffractive optical element 16 may be simply referred to as the "beam diameter".

図3Aは、設計仕様のビーム径Dより小さなビーム径Dのレーザビーム31が入射する状態を示している。図3Cは、設計仕様のビーム径Dより大きなビーム径Dのレーザビーム31が入射する状態を示している。なお、図3A~図3Cのレーザビーム31の広がり角はすべて同一である。 Fig. 3A shows a state where a laser beam 31 having a beam diameter D1 smaller than the design beam diameter D2 is incident. Fig. 3C shows a state where a laser beam 31 having a beam diameter D3 larger than the design beam diameter D2 is incident. The spread angle of the laser beam 31 in Figs. 3A to 3C is the same.

図3Dは、ビーム径がD、D、Dのレーザビームが回折光学素子16に入射するときのビームスポット30(図2)の長手方向の強度分布を示すグラフである。横軸は、ビームスポット30の長手方向の位置を表し、縦軸は、強度を表す。図3Dのグラフ中の破線D、細い実線D、及び太い実線Dは、それぞれ回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径がD(図3A)、D(図3B)、及びD(図3C)の場合の強度分布を示す。ビーム径が設計仕様のビーム径Dである場合、長手方向の強度分布がほぼ一定(フラット)になるように回折光学素子16が設計されている。 3D is a graph showing the longitudinal intensity distribution of the beam spot 30 (FIG. 2) when the laser beams having beam diameters D1 , D2 , and D3 are incident on the diffractive optical element 16. The horizontal axis represents the longitudinal position of the beam spot 30, and the vertical axis represents the intensity. The dashed line D1 , thin solid line D2 , and thick solid line D3 in the graph of FIG. 3D show the intensity distribution when the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16 is D1 (FIG. 3A), D2 (FIG. 3B), and D3 (FIG. 3C), respectively. When the beam diameter is the design specification beam diameter D2 , the diffractive optical element 16 is designed so that the longitudinal intensity distribution is approximately constant (flat).

ビーム径が設計仕様のビーム径Dより小さいDになると、長手方向の中央から端部に向かって強度が低くなる。逆に、ビーム径が設計仕様のビーム径Dより大きいDになると、長手方向の中央から端部に向かって強度が高くなる。このように、回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径を変化させると、半導体ウエハ20の表面におけるビームスポット30の長手方向の強度分布が変化する。本実施例で用いる回折光学素子16は、ビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有する。 When the beam diameter becomes D1 , which is smaller than the design beam diameter D2, the intensity decreases from the center toward the end in the longitudinal direction. Conversely, when the beam diameter becomes D3 , which is larger than the design beam diameter D2, the intensity increases from the center toward the end in the longitudinal direction. In this way, when the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16 is changed, the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 on the surface of the semiconductor wafer 20 changes. The diffractive optical element 16 used in this embodiment has a characteristic that the ratio of the intensity at the end to the intensity at the longitudinal center increases as the beam diameter increases.

ビームスポット30の幅方向に関する強度分布は、例えばトップフラットである。 The intensity distribution in the width direction of the beam spot 30 is, for example, flat-top.

次に、図4A及び図4Bを参照して、半導体ウエハ20にパルスレーザビームを入射させてアニールを行うときのビームスポット30の長手方向の強度分布と、半導体ウエハ20の表面の最高到達温度との関係について説明する。パルスレーザビームの1つのレーザパルスが入射している期間、表面温度が時間とともに上昇し、レーザパルスが立ち下がると、表面温度が時間とともに低下する。最高到達温度は、レーザパルスの立下り時点の表面の温度に相当する。 Next, referring to Figures 4A and 4B, the relationship between the longitudinal intensity distribution of the beam spot 30 when a pulsed laser beam is incident on the semiconductor wafer 20 to perform annealing, and the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20 will be described. During the period when one laser pulse of the pulsed laser beam is incident, the surface temperature rises over time, and when the laser pulse falls, the surface temperature falls over time. The maximum temperature reached corresponds to the surface temperature at the time when the laser pulse falls.

図4A及び図4Bは、ビームスポット30の長手方向の強度分布、及び半導体ウエハ20の表面の最高到達温度の分布を示すグラフである。図4A及び図4Bの各々の上側のグラフは、ビームスポット30の長手方向の強度分布を表し、下側のグラフは、半導体ウエハ20の表面の最高到達温度の分布を表す。 Figures 4A and 4B are graphs showing the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 and the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20. The upper graphs in each of Figures 4A and 4B show the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30, and the lower graphs show the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20.

図4Aに示すように、強度分布がフラットである場合、最高到達温度は、ビームスポット30の長手方向の中央から端部に向かって徐々に低下する。図4Bに示すように、強度が、中央から端部に向かって大きくなる条件の下で強度分布の形状を調整すると、最高到達温度の分布は、ビームスポット30の長手方向に関してほぼフラットになる。最高到達温度の分布の形状は、ビームスポット30の長手方向の強度分布に依存して変化する。ビームスポット30の長手方向に関するアニール効果を均一にするために、長手方向に関する最高到達温度の分布をフラットに近付けることが好ましい。 As shown in FIG. 4A, when the intensity distribution is flat, the maximum temperature gradually decreases from the center to the end in the longitudinal direction of the beam spot 30. As shown in FIG. 4B, when the shape of the intensity distribution is adjusted under the condition that the intensity increases from the center to the end, the distribution of the maximum temperature becomes almost flat in the longitudinal direction of the beam spot 30. The shape of the distribution of the maximum temperature changes depending on the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30. In order to make the annealing effect in the longitudinal direction of the beam spot 30 uniform, it is preferable to make the distribution of the maximum temperature in the longitudinal direction close to flat.

次に、図5を参照してビームスポット30の移動速度と、半導体ウエハ20の表面の最高到達温度の分布との関係について説明する。 Next, the relationship between the movement speed of the beam spot 30 and the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20 will be explained with reference to FIG.

図5は、半導体ウエハ20の表面の最高到達温度の分布を、ビームスポット30の移動速度ごとに示すグラフである。横軸は、ビームスポット30の長手方向の位置を表し、縦軸は、表面の最高到達温度を表す。グラフ中の実線及び破線は、それぞれビームスポット30の移動速度がv及びvのときの最高到達温度の分布を示す。ここで、移動速度vは移動速度vより速い。なお、ビームスポット30の長手方向の強度分布は、移動速度がvの場合とvの場合とで同一である。 5 is a graph showing the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20 for each moving speed of the beam spot 30. The horizontal axis represents the longitudinal position of the beam spot 30, and the vertical axis represents the maximum temperature reached on the surface. The solid and dashed lines in the graph show the distribution of the maximum temperature reached when the moving speeds of the beam spot 30 are v1 and v2 , respectively. Here, the moving speed v1 is faster than the moving speed v2 . Note that the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 is the same when the moving speed is v1 and when the moving speed is v2 .

移動速度がvのときに、強度分布がほぼフラットである場合、移動速度をvより遅いvにすると、最高到達温度は、ビームスポット30の長手方向の中央から両端に向かって低下する。移動速度が遅くなるにしたがって、中央の最高到達温度に対する両端の最高到達温度の低下量が大きくなる。 When the intensity distribution is approximately flat when the moving speed is v1 , when the moving speed is changed to v2 , which is slower than v1 , the maximum temperature decreases from the center toward both ends in the longitudinal direction of the beam spot 30. As the moving speed becomes slower, the amount of decrease in the maximum temperature at both ends relative to the maximum temperature at the center increases.

図4A、図4B、及び図5に示したように、表面の最高到達温度の分布は、ビームスポット30の長手方向の強度分布、及びビームスポット30の移動速度に依存する。ビームスポット30の移動速度、及びビームスポット30の長手方向の強度分布を調整すると、最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。ビームスポット30の長手方向の強度分布は、図3Dに示したように、回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径に依存する。したがって、ビームスポット30の移動速度及びレーザビームのビーム径を調整すると、最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。 As shown in Figures 4A, 4B, and 5, the distribution of maximum temperature on the surface depends on the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 and the movement speed of the beam spot 30. By adjusting the movement speed of the beam spot 30 and the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30, the distribution of maximum temperature can be made closer to flat. As shown in Figure 3D, the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 depends on the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16. Therefore, by adjusting the movement speed of the beam spot 30 and the beam diameter of the laser beam, the distribution of maximum temperature can be made closer to flat.

次に、図6を参照して、ビームスポット30の移動速度、回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット30の長手方向の強度分布の関係について説明する。 Next, with reference to FIG. 6, the relationship between the movement speed of the beam spot 30, the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16, and the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 will be described.

図6は、ビームスポット30の移動速度、回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径、及びビームスポット30の長手方向の強度分布の関係を示すグラフである。横軸はビームスポット30の移動速度を表し、縦軸は回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径を表す。グラフ中の実線は、ビームスポットの長手方向の強度分布がフラットになる条件を示している。実線より右上の領域では、図3Dの太い実線Dで示したように、ビームスポットの両端の強度が中央の強度より高くなる。実線より左下の領域では、図3Dの破線Dで示したように、ビームスポットの両端の強度が中央の強度より低くなる。 6 is a graph showing the relationship between the moving speed of the beam spot 30, the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16, and the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30. The horizontal axis represents the moving speed of the beam spot 30, and the vertical axis represents the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16. The solid line in the graph shows the condition under which the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot becomes flat. In the region to the upper right of the solid line, the intensity at both ends of the beam spot is higher than the intensity at the center, as shown by the thick solid line D3 in FIG. 3D. In the region to the lower left of the solid line, the intensity at both ends of the beam spot is lower than the intensity at the center, as shown by the dashed line D1 in FIG. 3D.

次に、図7を参照して本実施例によるレーザアニール方法について説明する。
図7は、実施例によるレーザアニール方法の手順を示すフローチャートである。ユーザが入力部51(図1)からビームスポット30の移動速度を入力すると、制御部50(図1)が移動速度の入力値を取得する(ステップS1)。制御部50は、ビームスポット30の移動速度の入力値に応じてビームエキスパンダ11(図1)を制御することにより、回折光学素子16に入射するレーザビームのビーム径を調整する(ステップS2)。
Next, the laser annealing method according to this embodiment will be described with reference to FIG.
7 is a flow chart showing the procedure of the laser annealing method according to the embodiment. When a user inputs the moving speed of the beam spot 30 from the input unit 51 (FIG. 1), the control unit 50 (FIG. 1) acquires the input value of the moving speed (step S1). The control unit 50 controls the beam expander 11 (FIG. 1) according to the input value of the moving speed of the beam spot 30 to adjust the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 16 (step S2).

制御部50は、ビームエキスパンダ11を制御してビーム径を調整した後、レーザ光源10及び移動機構17を制御してアニールを実行する(ステップS3)。 The control unit 50 controls the beam expander 11 to adjust the beam diameter, and then controls the laser light source 10 and the movement mechanism 17 to perform annealing (step S3).

次に、ビーム径を調整する方法について説明する。制御部50に、予めビームスポット30の長手方向の強度分布をフラットにするための移動速度とビーム径との関係(図6において実線で示した関係)が記憶されている。制御部50は、この関係と、移動速度の入力値とから、強度分布がフラットになるビーム径を求める。ビーム径が求まると、制御部50は、求められたビーム径を実現するように、ビームエキスパンダ11を制御する。 Next, a method for adjusting the beam diameter will be described. The relationship between the movement speed and the beam diameter for flattening the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 (the relationship shown by the solid line in Figure 6) is stored in advance in the control unit 50. The control unit 50 determines the beam diameter for flattening the intensity distribution from this relationship and the input value of the movement speed. Once the beam diameter is determined, the control unit 50 controls the beam expander 11 to achieve the determined beam diameter.

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、ビームスポット30の長手方向の中央から端部に向かって強度を増加させているため、強度分布がフラットである場合と比べて、半導体ウエハ20の表面の最高到達温度の分布を、ビームスポット30の長手方向に関してフラットに近付けることができる。これにより、アニール効果を均一に近付けることができる。ドーパントの活性化アニールを行う場合には、活性化率を均一に近付けることができる。
Next, the excellent effects of the above embodiment will be described.
In the above embodiment, since the intensity is increased from the center toward the end in the longitudinal direction of the beam spot 30, the distribution of the maximum temperature reached on the surface of the semiconductor wafer 20 can be made closer to flat in the longitudinal direction of the beam spot 30 compared to the case where the intensity distribution is flat. This makes it possible to make the annealing effect closer to uniform. When performing activation annealing of dopants, it makes it possible to make the activation rate closer to uniform.

また、ビームエキスパンダ11(図1)を制御してビーム径を変化させることにより、ビームスポット30の長手方向に関する強度分布の形状を容易に変化させることができる。例えば、上記実施例では、ビームスポット30の移動速度に応じてビーム径を調整することにより、ビームスポット30の強度分布の形状を変化させている。これにより、ビームスポット30の移動速度が異なる条件でアニールを行う場合にも、移動速度ごとに最高到達温度の分布をフラットに近付けることができる。 In addition, by controlling the beam expander 11 (Figure 1) to change the beam diameter, the shape of the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 can be easily changed. For example, in the above embodiment, the shape of the intensity distribution of the beam spot 30 is changed by adjusting the beam diameter according to the movement speed of the beam spot 30. This makes it possible to make the distribution of the maximum attained temperature for each movement speed closer to flat, even when annealing is performed under conditions where the movement speed of the beam spot 30 is different.

次に、図8A及び図8Bを参照して、上記実施例の他の優れた効果について説明する。
図8A及び図8Bは、ビームスポット30の2回の主走査によってアニールされる領域を模式的に示す図である。x方向への1回の主走査によって領域41がアニールされ、y方向への副走査後の次の主走査によって領域42がアニールされる。図8A及び図8Bにおいて、領域41に右上がりのハッチングを付し、領域42に、領域41のハッチングより低密度の右下がりのハッチングを付している。
Next, another excellent effect of the above embodiment will be described with reference to FIGS. 8A and 8B.
8A and 8B are diagrams showing regions annealed by two main scans of the beam spot 30. Region 41 is annealed by one main scan in the x direction, and region 42 is annealed by the next main scan after the sub-scan in the y direction. In Fig. 8A and 8B, region 41 is hatched with diagonal slanting downward to the right, and region 42 is hatched with diagonal slanting downward to the right at a lower density than the hatching of region 41.

図8Aに示した例では、ビームスポット30をy方向に副走査する距離が、ビームスポット30の長手方向の寸法Lとほぼ等しいか、寸法Lよりやや短い。これに対して図8Bに示した例では、ビームスポット30をy方向に副走査する距離が、ビームスポット30の長手方向の寸法Lの約2/3である。図8Aに示した例では、領域41と領域42との重なりはわずかである。図8Bに示した例では、領域41と領域42とが重なる領域のy方向の寸法が、長さLの約1/3である。 In the example shown in FIG. 8A, the distance over which beam spot 30 is sub-scanned in the y direction is approximately equal to or slightly shorter than the longitudinal dimension L of beam spot 30. In contrast, in the example shown in FIG. 8B, the distance over which beam spot 30 is sub-scanned in the y direction is approximately 2/3 of the longitudinal dimension L of beam spot 30. In the example shown in FIG. 8A, there is only a small overlap between region 41 and region 42. In the example shown in FIG. 8B, the y direction dimension of the area where region 41 and region 42 overlap is approximately 1/3 of length L.

ビームスポット30の長手方向の強度分布がフラットでない場合、y方向に関するアニール効果を均一にするために、図8Bに示したように領域41と領域42との重なりを大きくしなければならない。これに対して上記実施例では、ビームスポット30の長手方向の強度分布をほぼフラットにすることができるため、図8Aに示したように、領域41と領域42との重なりを小さくしても、y方向に関するアニール効果を均一にすることができる。 If the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 is not flat, the overlap between regions 41 and 42 must be increased as shown in FIG. 8B in order to make the annealing effect in the y direction uniform. In contrast, in the above embodiment, the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot 30 can be made almost flat, so that the annealing effect in the y direction can be made uniform even if the overlap between regions 41 and 42 is reduced as shown in FIG. 8A.

このため、y方向に関するアニール効果の均一性を維持したまま、ビームスポット30を副走査する距離を長くすることができる。これにより、半導体ウエハ20をアニールする際のビームスポット30の主走査の回数を少なくすることができる。 This allows the distance over which the beam spot 30 is sub-scanned to be increased while maintaining uniformity of the annealing effect in the y direction. This allows the number of times the beam spot 30 is main-scanned when annealing the semiconductor wafer 20 to be reduced.

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、ビームスポット30の整形及び強度分布の調整に回折光学素子を用いたが、その他のビーム整形光学系を用いてもよい。例えば、複数のシリンドリカルレンズを組み合わせたアレイレンズとコンデンサレンズとを用いてもよい。
Next, a modification of the above embodiment will be described.
In the above embodiment, a diffractive optical element is used to shape the beam spot 30 and adjust the intensity distribution, but other beam shaping optical systems may be used. For example, an array lens in which a plurality of cylindrical lenses are combined and a condenser lens may be used.

上記実施例では、半導体ウエハ20にイオン注入したドーパントの活性化を行っているが、上記実施例によるレーザ処理装置は、活性化アニール以外のレーザ処理に適用することも可能である。例えば、基板上に形成した半導体薄膜を結晶化させるためのアニールに適用することも可能である。 In the above embodiment, the dopants ion-implanted into the semiconductor wafer 20 are activated, but the laser processing apparatus according to the above embodiment can also be applied to laser processing other than activation annealing. For example, it can also be applied to annealing for crystallizing a semiconductor thin film formed on a substrate.

各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述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。 It goes without saying that each embodiment is merely an example, and that partial substitution or combination of the configurations shown in different embodiments is possible. Similar effects resulting from similar configurations in multiple embodiments are not mentioned one after the other for each embodiment. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, it will be obvious to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, etc. are possible.

10 レーザ光源
11 ビームエキスパンダ
13、14、15 折り返しミラー
16 回折光学素子
17 移動機構
18 ウエハチャック
20 半導体ウエハ
30 ビームスポット
31 レーザビーム
41、42 1目の主走査でアニールされる領域
50 制御部
51 入力部
55 制御装置
60 レーザ処理装置
REFERENCE SIGNS LIST 10 Laser light source 11 Beam expander 13, 14, 15 Folding mirror 16 Diffractive optical element 17 Moving mechanism 18 Wafer chuck 20 Semiconductor wafer 30 Beam spot 31 Laser beam 41, 42 Area annealed in first main scan 50 Control unit 51 Input unit 55 Control device 60 Laser processing device

Claims (4)

対象物の表面において一方向に長い形状のビームスポットが形成され、長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を持つ条件で、前記対象物の表面にレーザビームを入射させ
前記対象物に対してビームスポットを、ビームスポットの幅方向に移動させるとともに、前記対象物に対するビームスポットの移動速度に応じて、ビームスポットの強度分布の形状を変化させるレーザ処理方法。
A laser beam is irradiated onto the surface of the object under conditions in which a beam spot that is elongated in one direction is formed on the surface of the object and has an intensity distribution in which the intensity increases from the center toward the end in the longitudinal direction ;
A laser processing method in which the beam spot is moved relative to the object in a width direction of the beam spot, and the shape of the intensity distribution of the beam spot is changed according to the moving speed of the beam spot relative to the object .
対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成し、前記対象物に対してビームスポットを移動させるレーザ処理装置を制御する制御装置であって、
レーザ処理条件が入力される入力部と、
前記入力部から入力された前記レーザ処理条件に基づいて前記レーザ処理装置を制御する制御部と
を有し、
前記レーザ処理条件として前記対象物に対するビームスポットの移動速度が与えられると、前記制御部は前記レーザ処理装置を制御して、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、長手方向の中央における強度に対する端部における強度の比を、ビームスポットの移動速度に応じた値に設定する制御装置。
A control device for controlling a laser processing device that forms a beam spot having a shape elongated in one direction on a surface of an object and moves the beam spot relative to the object,
an input section for inputting laser processing conditions;
a control unit that controls the laser processing device based on the laser processing conditions input from the input unit,
When the moving speed of the beam spot relative to the object is given as the laser processing condition, the control unit controls the laser processing device to generate an intensity distribution in which the intensity increases from the center to the ends in the longitudinal direction of the beam spot, and sets the ratio of the intensity at the ends to the intensity at the center in the longitudinal direction to a value corresponding to the moving speed of the beam spot.
前記レーザ処理装置は、ビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射する回折光学素子とを含み、
前記制御部は、前記ビームエキスパンダを制御して前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させることにより、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布の形状を変化させる請求項に記載の制御装置。
the laser processing device includes a beam expander and a diffractive optical element onto which the laser beam that has passed through the beam expander is incident;
3. The control device according to claim 2, wherein the control unit controls the beam expander to change the beam diameter at the incident position on the diffractive optical element, thereby changing the shape of the intensity distribution in which the intensity increases from the center to the end of the beam spot in the longitudinal direction.
レーザビームのビーム径を変化させるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを通過したレーザビームが入射し、対象物の表面において一方向に長い形状を持つビームスポットを形成する回折光学素子と
を有し、
前記ビームエキスパンダは前記回折光学素子への入射位置におけるビーム径を変化させ、
前記回折光学素子は、入射位置におけるレーザビームのビーム径が規定の大きさから大きくなると、ビームスポットの長手方向の中央から端部に向かって強度が増加する強度分布を生じさせ、入射位置におけるレーザビームのビーム径が大きくなるにしたがって、長手方向の中央の強度に対する端部の強度の比が大きくなる特性を有するレーザ処理装置。
a beam expander that changes the beam diameter of the laser beam;
a diffractive optical element on which the laser beam that has passed through the beam expander is incident and which forms a beam spot having a shape that is elongated in one direction on a surface of an object;
The beam expander changes a beam diameter at an incident position on the diffractive optical element,
The diffractive optical element generates an intensity distribution in which the intensity increases from the center to the ends in the longitudinal direction of the beam spot when the beam diameter of the laser beam at the incident position becomes larger than a specified size, and has a characteristic in which the ratio of the intensity at the ends to the intensity at the longitudinal center increases as the beam diameter of the laser beam at the incident position becomes larger.
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