(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶からなる結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで溶融させて液相エピタキシャル成長によって前記結晶材料表層部の改質を行う結晶材料改質装置であって、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上のパルスレーザ光を発生させるパルス発振レーザ光源と、６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を発生する連続発振レーザ光源と、前記パルス発振レーザ光源で発生させ、半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形を有して前記結晶材料表面に照射される前記パルスレーザ光と連続発振レーザ光源で発生させた前記連続レーザ光を前記結晶材料表面に導いて複合照射する光学系と、前記パルスレーザ光および連続レーザ光を前記結晶材料表面に対し相対的に走査する走査装置とを備えることを特徴とする結晶材料改質装置。
【請求項２】
前記光学系は、前記結晶材料表面上において、前記連続レーザ光と前記パルスレーザ光の照射エリアが一部または全部で重なるように、もしくは前記各レーザ光の照射エリアがそれぞれ重なることなく位置がずれて照射されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の結晶材料改質装置。
【請求項３】
前記光学系は、前記結晶材料表面上において、前記連続レーザ光の照射エリアを前記パルスレーザ光の照射エリアよりも大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の結晶材料改質装置。
【請求項４】
前記光学系は、前記連続レーザ光の照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えて位置するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の結晶材料改質装置。
【請求項５】
前記パルスレーザ光および連続レーザ光は、前記結晶材料表面に複合照射した際に該結晶材料の表層部を完全溶融するエネルギーを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の結晶材料改質装置。
【請求項６】
前記連続レーザ光による前記表層部の加熱温度は、該連続レーザ光のパワー密度と前記走査速度とを制御することによって、前記結晶材料表面上で材料融点を超えないように調整されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の結晶材料改質装置。
【請求項７】
単結晶からなる結晶材料表面に６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を相対的に走査しつつ照射してアシスト加熱するとともにパルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上で半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形のパルスレーザ光を相対的に走査しつつ繰り返し重複照射する複合照射によって、前記単結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで完全溶融させ、該単結晶材料の固相部分を種結晶として液相エピタキシャル成長させて前記結晶材料表層部の改質を行うことを特徴とする結晶材料の改質方法。
【請求項８】
前記結晶材料表面上において、前記連続レーザ光と前記パルスレーザ光の照射エリアが一部または全部で重なるように、もしくは前記各レーザ光の照射エリアがそれぞれ重なることなく位置がずれるように、連続レーザ光および前記パルスレーザ光を照射することを特徴とする請求項７に記載の結晶材料の改質方法。
【請求項９】
前記結晶材料表面上において、前記連続レーザ光の照射エリアを前記パルスレーザ光の照射エリアよりも大きくすることを特徴とする請求項７または８に記載の結晶材料の改質方法。
【請求項１０】
前記結晶材料表面上において、前記連続レーザ光の照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えて位置させることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の結晶材料の改質方法。
【請求項１１】
前記連続レーザ光によるアシスト温度は、該連続レーザ光のパワー密度と前記走査の速度とを制御することによって、前記結晶材料表面上で材料融点を超えないように調整されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の結晶材料の改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコンウエハなどの結晶材料の改質を行う結晶材料改質装置および改質された結晶材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハの電気特性、特にその酸化膜耐圧特性を向上させるには、デバイスが作製されるウエハの表層部（数μｍ）をほぼ無欠陥にすることが重要である。
通常、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されたシリコンウエハの表層部には、結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれるボイド型欠陥（グローイン（Ｇｒｏｗ−ｉｎ）欠陥ともいう）が、ほとんどの場合存在する。
このようなボイド型欠陥がシリコンウエハの表層部に存在すると、酸化膜耐圧特性を劣化させ、そこに形成される半導体デバイスの電気特性低下の一因となる。このため、特に近年、この欠陥が表層に存在しない無欠陥表層のウエハが強く求められ、ウエハ表面上にシリコンエピタキシャル成長膜が施されたエピタキシャルウエハ、及び水素ガスやアルゴンガス雰囲気で熱処理されるアニールウエハ等が用いられている。
しかし、このような高品質ウエハは、生産性が悪くコストが極めて高いという問題がある。
【０００３】
そこで、シリコンウエハの酸化膜耐圧特性を改善すると共に、生産性を向上させるため、例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、急速加熱・急速冷却熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）と呼ばれる方法を用いてシリコンウエハを、水素、アルゴンガス雰囲気で熱処理することが提案されている。
ＣＺ法を用いて育成したシリコンウエハは、その表面及び内部に結晶成長時に導入される欠陥（グローイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥）が存在している。このグローイン欠陥は、結晶内部に存在する場合には正八面体構造を有しており、またウエハの状態に加工した後に表面に露出した場合には、四角錐形の凹状ピットとして観察され、その内壁には厚さ数ｎｍの酸化膜が形成されている。
特許文献１〜３にも記載されているように水素雰囲気であれば、シリコンウエハをＲＴＡ処理することで、ウエハ表面に露出しているグローイン欠陥の内壁酸化膜は除去可能である。
【０００４】
同時に、このようなＲＴＡ処理においてウエハを高温に加熱した場合、ウエハ内部に格子間シリコンおよび空孔の点欠陥が高濃度に発生する。
その後、ウエハを急冷することによりこれらの点欠陥が過剰になり、ウエハ表面に外方拡散して行く。この時、結晶拡散係数が大きく拡散が早い格子間シリコンが、外方拡散して行く過程で、ウエハ表面のグローイン欠陥に前記格子間シリコンが捕獲され、グローイン欠陥が埋められる。ＲＴＡの照射時間は１０秒以上であるため拡散距離が表面から１０μｍ深さまでのデバイス活性層を越えてしまうため、ウエハ表面に存在するグローイン欠陥を低減することができるが、ウエハ内部のグローイン欠陥を消滅させることができない。
そのために、特許文献４には、生産性コストを損なうことなく、ウエハ内部のグローイン欠陥を低減するレーザスパイクアニール方法が提案されている。照射時間を０．０１マイクロ秒以上０．８秒以下に短縮することで格子間シリコンの拡散距離を最大でも約５μｍ程度（１４００℃、１ｓｅｃ）とすることで、表面から１０μｍ深さまでのデバイス活性層を通過して表面まで拡散できないためウエハ内部のグローイン欠陥を埋めることができデバイス層の欠陥を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３４６２４９号公報
【特許文献２】特許第３４１０８２８号公報
【特許文献３】特開２００５−１２３２４１号公報
【特許文献４】特許第４１８３０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、シリコンウエハのサイズが、例えば３００ｍｍから４５０ｍｍに移行すると、従来の固相でのエピタキシャル成長で無欠陥層を形成することが難しくなる。ウエハが大きくなると熱処理時の温度の不均一性による熱ストレスやウエハ重力による機械的ストレス等を誘発して結晶欠陥の発生が助長される。また、固相エピタキシャル成長では格子間シリコンの拡散距離はレーザの照射時間や深さ方向の温度分布によって制約されるためデバイス層全体を無欠陥にすることははなはだ難しい。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、シリコンウェハなどの結晶材料のサイズに拘わらず、結晶材料表層部の改質を効果的に行うことができる結晶材料改質装置および表層部の欠陥除去などが行われた改質結晶材料の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の結晶材料改質装置は、単結晶からなる結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで溶融させて液相エピタキシャル成長によって前記結晶材料表層部の改質を行う結晶材料改質装置であって、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上のパルスレーザ光を発生させるパルス発振レーザ光源と、６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を発生する連続発振レーザ光源と、前記パルス発振レーザ光源で発生させ、半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形を有して前記結晶材料表面に照射される前記パルスレーザ光と連続発振レーザ光源で発生させた前記連続レーザ光を前記結晶材料表面に導いて複合照射する光学系と、前記パルスレーザ光および連続レーザ光を前記結晶材料表面に対し相対的に走査する走査装置とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の改質結晶材料の製造方法は、単結晶からなる結晶材料表面に６５０〜１１００ｎｍの波長を有する連続レーザ光を相対的に走査しつつ照射してアシスト加熱するとともにパルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上で半値幅が３００ｎｓ以下のパルス波形のパルスレーザ光を相対的に走査しつつ繰り返し重複照射する複合照射によって、前記単結晶材料表層部を２μｍ以上の厚さで完全溶融させ、該単結晶材料の固相部分を種結晶として液相エピタキシャル成長させて前記結晶材料表層部の改質を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、厚さ数μｍ（例えば２μｍ以上）の結晶材料表層部を完全溶融することで該表層部内の結晶欠陥を完全に排除でき、液相でのエピタキシャル成長によって大きな固相・液相の界面速度を確保することで欠陥フリーの単結晶シリコンなどの改質された結晶材料を得ることができる。なお、上記改質に際しては、不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、または水素を含む混合ガス（Ａｒ＋Ｈ、Ｈｅ＋Ｈ）、等）雰囲気や真空雰囲気下で処理を行うのが望ましい。
数μｍの深い完全溶融を実現するため、パルスレーザ光照射が使用される。なお、レーザパワーには制約があるため最大温度を確保するにはパワーがとれるパルス幅が短いレーザ光が望ましく、半値幅６００ｎｓ以下（例えばグリーン波長）のパルス波形が望ましい。より望ましくは、半値幅３００ｎｓ以下である。
パルスレーザ光照射には、パルス発振レーザ光源から出力されたパルスレーザ光を用いる。パルス発振レーザ光源としては、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を用いるものが挙げられるが、本発明としては特定のパルス発振レーザ光源に限定されるものではない。
【００１１】
しかしながら、パルスグリーンレーザ光照射のみでは光侵入長に制約があり、また、パルス幅が短くなると急速冷却となるため、加熱後の冷却に際し結晶欠陥（点欠陥）が発生しやすくなる。したがって、深い領域までの溶融と冷却速度制御の観点から、結晶材料表層部を加熱するアシスト加熱が不可欠である。アシスト加熱は、パルスレーザ光に比べて結晶材料表層部を長い時間加熱することができ、パルスレーザ光照射と相俟って結晶材料の深い領域（例えば２μｍ以上）まで溶融でき、また、液相エピタキシャル成長後の冷却を緩やかにして欠陥の再発生を防止することができる。
【００１２】
アシスト加熱は、連続レーザ光を利用して行う。連続レーザ光は、前記パルスレーザ光の走査に合わせて同時に照射するのが望ましい。
連続レーザ光を出力する連続発振レーザ光源には、グリーン波長より波長の長いＬＤレーザ（波長８０８ｎｍ）などの近赤外レーザ光を出力するものが望ましい。
近赤外レーザ光は、波長としては、６５０〜１１００ｎｍのものを例示することができる。好適には、６８０〜８２５ｎｍの波長を示すことができる。上記波長域では、一般的な結晶材料であるシリコンに対する光吸収がよく、上記パルスレーザ光よりも深い光侵入長が得られる。この結果、結晶材料表層部は、深い領域にまで加熱されてアシスト作用が効果的に得られる。
アシスト温度は、結晶材料表面上で材料融点を超えないようにするのが望ましい。該調整は、例えば、近赤外レーザのパワー密度と前記走査速度とを制御することによって行うことができる。
【００１３】
なお、本発明としては、パルスレーザ光照射の作用と連続レーザ光によるアシスト作用とが複合して得られるものであればよく、パルスレーザ光における照射位置と、近赤外レーザ光などの連続レーザ光の照射位置の関係が特定のものに限定されるものではない。したがって、連続レーザ光とパルスレーザ光の照射エリアとが、結晶材料表面上で、一部または全部で重なるように、もしくは前記各レーザ光がそれぞれ重なることなく位置がずれて照射されるものであってもよい。ただし、それらの照射が全く個別に行われると、複合照射による作用が得られないため、それぞれの照射による作用が影響し合うことは必要である。
なお、照射エリアは、結晶材料表面においてパルスレーザ光のエネルギー密度や連続レーザ光のパワー密度が、例えばピーク値に対し５０％（ＦＷＨＭ）となるエリアとして示すことができる。
【００１４】
ただし、アシスト作用を効果的に得るためには、近赤外レーザ光などの連続レーザ光の照射エリアが前記パルスレーザ光の照射エリアより大きいのが望ましく、さらに前記連続レーザ光の照射エリアが前記パルスレーザ光の照射エリアを覆うようにするのが一層望ましい。また、予備加熱としての作用を得るために、連続レーザ光の照射エリアの一部または全部が、少なくとも走査方向側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えて位置するのが望ましく、さらには、後加熱としての作用などを得るために、連続レーザ光の照射エリアが走査方向逆側において前記パルスレーザ光の照射エリアを越えているのがさらに一層望ましい。また、両レーザ光の照射エリアの位置関係は、走査方向と直交する方向に対し対称となっているのが望ましい。これにより走査方向を反転する際に、同じ位置関係が得られる。
すなわち、連続レーザ光の照射エリアは、パルスレーザ光の照射エリア全体を越える大きさを有しているのが望ましい。連続レーザ光の照射エリアをパルスレーザ光の照射エリアより広くとることで、結晶材料表層部における横方向の熱の逃げを緩和でき、結晶材料の深い領域まで加熱することができる。また、連続レーザ光とパルスレーザ光の光侵入長が異なることから深さ方向の熱の逃げも緩和でき、結晶材料の深い領域までの加熱を助長する。
【００１５】
連続レーザ光の照射エリアをパルスレーザ光の照射エリアより広くとる場合、連続レーザ光のビームサイズ（断面サイズ）をパルスレーザ光のビームサイズ（断面サイズ）より大きくしなければならない。この場合、連続レーザ光のビームサイズは、パルスレーザ光のビームサイズ＋熱拡散長が望ましい。連続レーザ光の最大ビームサイズは、パワー密度と基板の走査速度で決定されるアシスト温度が深い溶融に十分であるかどうかで決まる。但し、アシスト温度は、前記したように結晶材料表面の材料（例えば結晶シリコン）の融点より低くするのが望ましい。
【００１６】
また、上記パルスレーザ光の照射と連続レーザ光の照射とは結晶材料表面上において同時期になされるようにするのが望ましい。したがって、両レーザ光は結晶材料表面の所定位置に同時に照射されるものであってもよく、また、結晶材料表面の所定位置に時間差を有して両レーザ光が照射されるものであってもよい。時間差を有する場合、連続レーザ光のアシスト作用がパルスレーザ光の照射において効果的に得られるように時間の差を設定する。すなわち、時間差をあまりに大きくすると、連続レーザ光のアシストの作用がパルスレーザ光の照射において十分に得られなくなる。アシスト作用を維持した上で上記時間差を有する照射も上記同時期の照射に含まれるものである。
【００１７】
なお、上記したビームのサイズや照射位置の関係は、光学系によって調整することができる。光学系は、ホモジナイザー、レンズ、ミラーなどの光学材料などを備え、レーザ光の整形や偏向などを行うものである。
また、本発明では、温度傾斜を小さくして、結晶材料深部の加熱を効果的に行うことができ、急速な冷却に伴う深部での結晶欠陥の発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、
１）深さ数μｍの結晶材料を完全溶融することができ、液相エピタキシャルが可能であるため、結晶欠陥フリーのデバイス層を形成できる。
２）連続発振レーザ光の温度アシストによってパルスレーザ光の熱負荷を下げられるため、長い長尺ビームを形成できレーザビーム走査の折り返し回数を減らせるので高スループットを確保できる。
３）温度アシストによってパルスレーザの局所照射エリアの冷却速度を緩和できるため冷却時に発生し、特に急速冷却時に大きくなりやすい熱ストレスを緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の改質装置を示す概略図である。
【図２】同じく、連続発振近赤外レーザ光とパルスグリーンレーザ光の出力におけるタイムチャートを示す図である。
【図３】同じく、基板表面におけるグリーンパルスレーザ光の照射エリアと近赤外CWレーザ光の照射エリアとを示す概略図である。
【図４】同じく、本発明の一実施形態および参考例のレーザ光照射による基板深さ方向の熱拡散を示す模式図である。
【図５】同じく、実施例における近赤外CWレーザ光とグリーンパルスレーザ光の基板上の照射エリアを示す概略図である。
【図６】同じく、実施例の複合レーザ光の照射による深さ方向のＴＥＭ像と｛１１１｝回折像を示す図（図面代用写真）である。
【図７】グリーンパルスレーザの単独照射での溶融深さのパルス幅に対する依存性を示す図である。
【図８】複合レーザ照射での溶融深さのグリーンパルスレーザ光のエネルギー密度に対する依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
改質装置１は、図１に示すように、処理室２を備えており、該処理室２内にＸ−Ｙ方向に移動可能な走査装置３を備え、その上部に基台４を備えている。基台４上には、被処理体配置台５が設けられている。改質処理時には、該被処理体配置台５上に結晶材料である単結晶シリコンウェハ３０が設置される。なお、走査装置３は、図示しないモータなどによって駆動される。
【００２１】
処理室２外部には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第二高調波を搭載するパルスレーザ光源１０が設置されている。パルスレーザ光源１０でパルス発振されて出力されるパルスレーザ光１５は、必要に応じて減衰器１１でエネルギー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系１２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の単結晶シリコンウェハ３０に照射される。
【００２２】
パルスレーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光１５は、半値幅が６００ｎｓ以下のパルス波形を有している。該レーザ光は、単結晶シリコンウェハ３０に照射された際に、単結晶シリコンウェハ３０の表層のみが溶融する状態が得られるエネルギー密度に調整されている。該パルスレーザ光１５は、上記したように、光学系１２により例えばスポット状、円形状、角形状、長尺状などに整形される。
【００２３】
また、処理室２外部には、近赤外レーザ光を発生するＬＤレーザ光源からなる連続発振レーザ光源２０が設置されている。連続発振レーザ光源２０から出力される近赤外レーザ光２５は、必要に応じて減衰器２１でパワー密度が調整され、レンズ、反射ミラー、ホモジナイザーなどによって構成される光学系２２でビーム整形や偏向がなされ、処理室２内の単結晶シリコンウェハ３０に照射される。該近赤外レーザ光２５は、単結晶シリコンウェハ３０に照射されて走査される際に、単結晶シリコンウェハ３０が融点に達しないパワー密度に調整されている。該近赤外レーザ光２５は、上記したように、光学系２２により例えば、スポット形状などに整形され、そのサイズは、前記パルスレーザ光１５のサイズよりも大きくなるように調整される。
上記パルスレーザ光と近赤外レーザ光における出力タイムチャートを図２に示す。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、近赤外レーザ光２５が単結晶シリコンウェハ３０に照射される際の照射エリア２５ａは、パルスレーザ光１５が単結晶シリコンウェハ３０に照射される際の照射エリア１５ａを覆い、かつ、そのエリア全体を越える大きさを有するように、前記光学系１２、２２により調整される。なお、Ｘ軸方向の矢印は、レーザ光の走査方向を示している。
上記例では、パルスレーザ光１５と近赤外レーザ光２５とは、単結晶シリコンウェハ３０上の同じエリアで、照射時期がずれることなく照射される。
ただし、本発明としては、各レーザ光の照射エリアの位置が上記に限定されるものではない。
【００２５】
図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、照射エリア位置の変更例を示すものである。
図３（ｂ）は、長手方向および走査方向においてCW−LDレーザの照射エリア２５ａは、パルスグリーンレーザの照射エリア１５ａを超える大きさを有し、走査方向と逆の方向では、照射エリア１５ａ、２５ａが重なってエリア端が一致している。図３（ｃ）は、同照射エリア２５ａが同照射エリア１５ａを覆うことなく、両者の重なりがないものであり、照射エリア１５ａの走査方向側に照射エリア２５ａが位置して、隣接する照射エリアの端縁が互いに接している。図３（ｄ）は、同照射エリア２５ａが同照射エリア１５ａを覆うことなく、両者が重なることなく離反しているものである。ただし、両者は基板上で互いに近傍に照射される。また、図３（ｅ）は、本発明外の照射状態を示すものであり、単結晶シリコンウェハ３０に、パルスレーザ光１５のみが照射されて、照射エリア１５ａによって単結晶シリコンウェハ３０が処理される状態を示している。
【００２６】
近赤外レーザ光が照射された結晶材料表面では、照射直後から次第に温度上昇し、定常状態になる。一方、パルスレーザ光では、パルスに応じて極めて短時間に温度上昇し、また、パルスに応じて極めて短時間に温度降下する。パルスレーザ光の照射に際しては、近赤外レーザ光を照射し、結晶材料表面温度が定常状態になった後に、パルスレーザ光の照射を行うようにしてもよい。結晶材料表面における被照射タイミングは、例えば遅延時間を設定しておき、近赤外レーザ光の照射後、遅延時間にしたがって、パルスレーザ光を遅れて照射するようにしてもよく、或いは、照射エリアの位置をずらして複合レーザ光を走査することで被照射タイミングを変えることも可能である。上記図３（ｂ）（ｃ）（ｄ）の例は、単結晶シリコンウェハ３０に対し、いずれもパルスレーザ光１５による照射が近赤外レーザ光２５の照射に遅れてなされる。
【００２７】
上記単結晶シリコンウェハ３０へは、パルスレーザ光１５を繰り返し重複して照射するとともに、近赤外レーザ光２５を複合照射することで、２μｍ以上の厚さに亘って溶融させる。パルスレーザ光１５の重複率（オーバーラップ率）は、必要に応じて適宜選定することができる。この際に、走査装置３による基台４の移動速度を制御することにより、単結晶シリコンウェハ３０に対し、パルスレーザ光１５および近赤外レーザ光２５を所定速度で走査することができる。
【００２８】
上記パルスグリーンレーザ光と連続発振近赤外レーザ光を結晶材料表面に照射した際の深さ方向での熱拡散の模式図を図４（ａ）に示す。
単結晶シリコンウェハ３０には、上記パルスレーザ光よりも光侵入長が大きい近赤外レーザ光の照射によって、単結晶シリコンウェハ３０の深い位置にまで温度アシスト領域が形成される。例えば波長８０８ｎｍの近赤外レーザ光では、深さ方向に１０μｍ程度の光侵入長が得られる。この状態でパルスレーザ光を照射すると、深さ方向（Ｚ軸方向）に熱が拡散する。この際の深い温度アシスト領域がパルスグリーンレーザの浅い加熱領域の温度勾配を小さくし、その結果、熱の逃げが小さくなって結晶材料表面の深い位置まで効果的に加熱される。この際には、パルスレーザ光のエネルギー密度と近赤外レーザ光のパワー密度や走査速度の調整によって最適化を図り、結晶材料の深層側の加熱を効果的に行い表層部の改質を行う。
【００２９】
なお、図４（ｂ）は、パルスグリーンレーザ光のみを単結晶シリコンウェハ３０に照射した状態を示している。この例では、面方向および深さ方向における温度勾配が大きく、熱の逃げが大きい。このため、深さ方向の加熱効果が抑制され、特に熱容量の大きな厚い結晶材料に対し、表層部を選択的に溶融することが困難になる。
【実施例１】
【００３０】
以下に、本発明の実施例を説明する。
グリーンパルスレーザとして、ＬＤ励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）第二高調波を用い、パルスレーザ光源には、ＬＤ励起Ｙｂ：ＹＡＧを用いた。該レーザ光源から出力されて半導体基板に照射されるパルスレーザ光（波長５１５ｎｍ）は、パルス幅３００ｎｓ、エネルギー密度１２Ｊ／ｃｍ２、パルス周波数１０ｋＨｚに設定し、単結晶シリコンウェハ表面に直上から繰り返し重複照射した。なお、この実施例では、パルスレーザ光には、立ち上がり時間が遅く、パルス波形の最大強度の１０％から９０％にまで到達する立ち上がり時間が１６０ｎｓ以上のものを用いた。
単結晶シリコンウェハは、チョクラルスキー法によって厚さ７２５μｍに作製されたものである。
【００３１】
一方、連続発振レーザ光源で発生させた波長８０８ｎｍの近赤外レーザ光をパワー密度１１．３ｋＷ／ｃｍ２・秒にして４５度の角度で前記基板に連続照射した。連続発振近赤外レーザ光とパルスグリーンレーザ光は、それぞれの光学系によって楕円形に整形され、同時期に単結晶シリコンウェハ表面に照射される。近赤外レーザ光の楕円ビームのサイズ（短軸４００μｍ、長軸５６０μｍ）はパルスグリーンレーザ光のサイズ（短軸３６μｍ、長軸３００μｍ）より大きいものとした。図５は、上記パルスレーザ光１５と近赤外パルスレーザ２５の単結晶シリコンウェハ３０上における照射エリア１５ａ、２５ａを示すものである。照射エリア２５ａは、照射エリア１５ａ全体を覆ってこれを越える大きさを有している。
【００３２】
なお、光学系には、長軸シリンドリカルレンズ、短軸シリンドリカルレンズ、球面レンズ、反射ミラーなどを備えており、シリンドリカルレンズの構成によって、ビームの短軸、長軸のサイズを設定することができる。
単結晶シリコンウェハは基台上の被処理体配置台に設置し、走査装置によって８０ｍｍ／秒の速度で走査するものとした。
【００３３】
上記両レーザ光を照射して単結晶シリコンウェハ表面の改質を行い、その結晶性をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によって観察した。その結果を図６に断面組織像と｛１１１｝回折パターンを示す。該写真から明らかなように、溶融した深さ、すなわち表面、深さ０．５μｍ、１μｍ、２μｍにおいてもウエハの固相部分を種結晶としてエピタキシャル成長をして欠陥のない良好な単結晶組織が得られている。
【００３４】
また、パルス幅を変えて、同一のエネルギー密度、ショット数でパルスグリーンレーザ光のみを単結晶シリコンウェハに照射した際の溶融深さを測定し、その結果を図７に示した。図から明らかなように、パルス幅が小さくなるほど溶融深さが深くなっており、６００ｎｓ以下では、単独でも０．６μｍ以上の溶融深さが得られている。
次に、パルス幅を３００ｎｓに固定して、パルスグリーンレーザ光のエネルギー密度を変えて、近赤外レーザ光とともに複合照射した際の溶融深さを測定し、その結果を図８に示した。図から明らかなように、エネルギー密度を増加させるにつれて溶融深さが深くなっているが、１２．５Ｊ／ｃｍ２以上では、溶融深さは略３μｍであり、エネルギー密度の増加に伴う溶融深さの増加は飽和しつつある。従って、溶融深さはパルス幅への依存性があると考えられる。溶融深さを略３μｍ確保するという観点で、パルス幅は３００ｎｓ以下が望ましいといえる。
【００３５】
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更は可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１      改質装置
２      処理室
３      走査装置
４      基台
５      被処理体配置台
１０    パルスレーザ光源
１１    減衰器
１２    光学系
１５    パルスレーザ光
１５ａ  照射エリア
２０    連続発振レーザ光源
２１    減衰器
２２    光学系
２５    近赤外レーザ光
２５ａ  照射エリア
３０    単結晶シリコンウェハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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